(57)【要約】  【課題】  長期に渡り高精度な湿度検出ができる湿度センサ及び湿度センサの使用方法を提供すること。  【解決手段】  湿度センサ（１）の感湿素子部（３）の感湿層（１３）は、多孔質の層であり、Ａｌ2Ｏ3−ＳｎＯ2−ＴｉＯ2の感湿材料からなる。この感湿材料は、周囲の雰囲気の湿度が変化すると、そのインピーダンスが変化する酸化物である。感湿層（１３）は、Ａｌ2Ｏ3−ＳｎＯ2−ＴｉＯ2以外に、ケイ酸塩ガラスからなるガラス成分と、Ｌｉ２Ｏからなるアルカリ金属酸化物を含んでおり、前記酸化物の結晶相からなる骨格部の表面がガラス相で覆われた多孔質体である。そして、この湿度センサに対して、制御装置を駆動して、内燃機関の作動中において、湿度の計測を行わない時間帯に、感湿素子部３を５００〜８００℃の温度範囲で加熱するように、ヒータ（１７）に通電する。これにより、感湿素子部（３）に付着した汚れ物質を除去する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
感湿体及び検知電極を有する感湿素子部と、該感湿素子部を加熱するヒータと、を備えた湿度センサであって、
前記感湿体は、酸化物からなる結晶相と、ガラス相と、を有し、
前記ヒータは、湿度の計測を行わない時間に、前記感湿素子部を５００〜８００℃の温度範囲で所定の期間加熱することを特徴とする湿度センサ。
【請求項２】
前記感湿体は、前記結晶相と前記ガラス相とからなる多孔質体であって、前記結晶相により前記多孔質体の骨格部が形成され、その骨格部の表面に前記ガラス相がコーティングされた構造を有することを特徴とする前記請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項３】
前記検知電極は、主成分を白金とした白金電極であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の湿度センサ。
【請求項４】
前記ガラス相のガラス成分は、ケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、及びホウ酸塩ガラスのうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の湿度センサ。
【請求項５】
前記ガラス相の軟化点は、８００〜１２００℃であることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の湿度センサ。
【請求項６】
前記ガラス相の含有量は、前記感湿体に対して、１０〜５６ｍｏｌ％であることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の湿度センサ。
【請求項７】
前記湿度センサは、内燃機関の排気ガス中で用いるものであることを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の湿度センサ。
【請求項８】
前記湿度センサは、前記内燃機関の排気ガス浄化用付帯装置の状態を、排気ガスの湿度変化から検出するために用いるものであることを特徴とする前記請求項７に記載の湿度センサ。
【請求項９】
前記湿度計測を行わない時間に、前記感湿素子部を常時加熱することを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載の湿度センサ。
【請求項１０】
前記内燃機関の停止後に、前記感湿素子部を所定時間加熱することを特徴とする前記請求項７又は８に記載の湿度センサ。
【請求項１１】
前記内燃機関の停止後に、前記感湿素子部を、５００〜１２００℃の温度範囲で加熱することを特徴とする前記請求項１０に記載の湿度センサ。
【請求項１２】
抵抗体温度センサ又は前記ヒータを、前記感湿素子部の温度を検出する温度検出手段として用い、当該温度検出手段の抵抗値が所定の抵抗値となるように、前記ヒータを制御することを特徴とする前記請求項１〜１１のいずれかに記載の湿度センサ。
【請求項１３】
前記ガラス相は、アルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物のうちの少なくともいずれかを含むガラス成分を主成分とする前記請求項１〜１２のいずれかに記載の湿度センサ。
【請求項１４】
感湿体及び検知電極を有する感湿素子部と、該感湿素子部を加熱するヒータと、を備えた湿度センサの使用方法であって、
前記感湿体は、酸化物からなる結晶相と、アルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物のうちの少なくともいずれかを含むガラス成分を主成分とするガラス相と、を有し、
湿度の計測を行わない時間に、前記ヒータにより、前記感湿素子部を所定の期間加熱することを特徴とする湿度センサの使用方法。
【請求項１５】
前記湿度センサは内燃機関の排気ガス中で用いるものであり、
前記内燃機関の作動中において、５００〜８００℃の温度範囲で加熱することを特徴とする請求項１４に記載の湿度センサの使用方法。
【請求項１６】
前記湿度センサは内燃機関の排気ガス中で用いるものであり、
前記内燃機関の停止後において、５００〜１２００℃の温度範囲で加熱することを特徴とする請求項１４に記載の湿度センサの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば排煙装置や排気ダクト、或いは内燃機関の排気ガス雰囲気内で使用されるインピーダンス変化式の湿度センサや、工業用又は空調に用いられる湿度センサ及び湿度センサの使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、産業用に市販されているインピーダンス変化式や抵抗変化式の湿度センサは、長期に渡り高精度な湿度検出を可能にするため、定期的に加熱クリーニングを実施し、感湿素子に付着した粉塵、デポジット成分、カーボン、結晶水等の汚れ物質を焼き飛ばしている。
【０００３】
例えば特許文献１には、湿度センサを大気中で長時間使用し、感湿素子にタバコのタールが付着して測定精度が下がった時に、セラミックヒータに通電して、感湿素子を５００℃程度に１分間加熱し、表面に付着した汚れを除去して、測定精度を回復させる方法が提案されている。
【０００４】
一方、内燃機関の排気ガス雰囲気中で使用される抵抗変化式湿度センサについては、例えば特許文献２に、内燃機関の運転状態（アイドリングの継続時間等）に応じて、ヒータを作動させ、結露の生じやすい状態やコーキングの堆積しやすい状態を回避する方法が開示されている。
【特許文献１】実公平６−３７３２１号公報 （第２頁、第１図）
【特許文献２】特開２００１−３２３８１１号公報 （第２頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１に記載されているような１分程度の加熱クリーニングでは、感湿素子に付着した汚れを完全に除去できず、長期に渡り高精度な湿度検出ができないおそれがあるという問題があった。
【０００６】
一方、内燃機関に湿度センサを適用した場合、湿度センサが取り付けられる車両の床下位置では、排気ガス温度が全体的に低く、前記特許文献２に記載されている技術では十分ではない。
つまり、アイドリングが所定時間経過した時のみにヒータ通電を行っても、加熱温度が低いので、湿度センサに結露した水分の蒸発等には適用できるが、感湿素子に付着した汚れを完全に除去できず、長期に渡り高精度な湿度検出ができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、長期に渡り高精度な湿度検出ができる湿度センサ及び湿度センサの使用方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）請求項１の発明は、感湿体及び検知電極を有する感湿素子部と、該感湿素子部を加熱するヒータと、を備えた（周囲の湿度を検出する）湿度センサであって、前記感湿体は、酸化物からなる結晶相と、ガラス相と、を有し、前記ヒータは、湿度の計測を行わない時間に、前記感湿素子部を５００〜８００℃の温度範囲で所定の期間加熱することを特徴とする湿度センサを要旨とする。
【０００９】
本発明では、感湿体として、酸化物からなる結晶相と、ガラス相とを有するもの（好ましくは前記結晶相とガラス相とからなるもの）を用いる。例えば結晶相の表面をガラス相が覆うものを用いる。ここで、ガラス相は、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属及びこれらの酸化物のうちの少なくとも１種のガラス成分を含むものである。
【００１０】
このような感湿体を用いることにより、長時間使用してもインピーダンス（抵抗）が上昇し難く、耐久性に優れているという効果を奏する。これは、デポジット等の汚れ物質が結晶相につきにくくなる作用、又は、例えば湿度センサを加熱クリーニングする際に、デポジット等の汚れ物質のガラス相への溶け込み又は拡散を促す作用があるからではないかと推定される。
【００１１】
特に、本発明では、内燃機関の作動中であって湿度の計測を行わない期間に感湿素子部を５００〜８００℃の温度範囲で加熱している。つまり、本発明では、感湿素子部を５００℃以上の温度で加熱することにより、感湿素子部に付着するデポジット等の汚れ物質を十分にクリーニングして除去することができる。それとともに、本発明では、感湿素子部を加熱する温度が８００℃以下であるので、いわゆる感湿素子部の熱劣化を防止できる。つまり、熱による粒成長を抑制できると共に、電極材料（例えば白金）が飛散することを防止できるので、湿度センサのインピーダンス（抵抗）が過大になることを防止できる。尚、これらの効果の点で、より好ましい範囲は、６５０〜８００℃である。
【００１２】
従って、本発明によれば、長期に渡り高精度な湿度検出ができる湿度センサを実現することができる。
・ここで、前記感湿素子部及びヒータを備えた湿度センサとしては、感湿素子部に交流電圧を印加して感湿体のインピーダンスを検知する方式や、感湿素子部に直流電圧を印加して感湿体の抵抗を検知する方式のものがあり、本発明では、いずれの方式の湿度センサにも適用できる。この種の湿度センサでは、感湿素子部のインピーダンス（抵抗）の変化に基づいて、湿度（相対湿度及び／又は絶対湿度）を測定する。尚、インピーダンスと抵抗の違いは、印加電圧が交流電圧か直流電圧かの違いだけであるため、以下では、これらをインピーダンスと表現する。
【００１３】
・前記酸化物からなる結晶相の材料としては、湿度によりインピーダンスが変化する（例えば湿度が上昇するとインピーダンスが低下する）材料、例えばＡｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｎＯ2のうちの少なくとも１種から選ばれた酸化物セラミックス系材料、具体的には、例えばＡｌ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＯ2−ＳｎＯ2などの酸化物セラミックス系材料が挙げられる。また、ガラス相としても、湿度によりインピーダンスが変化する材料が挙げられる。
【００１４】
・また、前記所定の期間としては、デポジット等の汚れ物質の付着状態や除去の程度などに応じて、適宜設定すればよい。
尚、感湿体の表面には、感湿体にデポジット等の汚れ物質が付着することを防止するために、多孔質の保護層を設けることが好適である。
また、湿度の計測は、内燃機関の作動直後から排気ガスの温度が１００℃に達するまでの期間、又は、内燃機関の停止後であって、排気ガスの温度が１００℃以下になったときに行われる。
【００１５】
（２）請求項２の発明は、前記感湿体は、前記結晶相と前記ガラス相とからなる多孔質体であって、前記結晶相により前記多孔質体の骨格部が形成され、その骨格部の表面に前記ガラス相がコーティングされた構造を有することを特徴とする前記請求項１に記載の湿度センサを要旨とする。
【００１６】
本発明では、感湿体は多孔質体であり、酸化物からなる結晶相（例えば粒子状の酸化物からなる結晶相やそれらが互いに接合した結晶相等）により、多孔質体の骨格部を形成し、その骨格部の表面を、ガラス相にてコーティングしている。
【００１７】
これにより、長時間使用してもインピーダンスが上昇し難く、耐久性に優れているという顕著な効果が得られる。
（３）請求項３の発明は、前記検知電極は、主成分を白金とした白金電極であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の湿度センサを要旨とする。
【００１８】
本発明では、検知電極の材料として、主として白金を使用している。この白金は、自動車の内燃機関等から排出される排気ガス成分雰囲気下や高温雰囲気下において、耐久性に優れている。尚、白金の含有量は検知電極全体の８０ｗｔ％以上であることが好ましい。検知電極を構成する他の成分としては、酸化物（例えば、ＺｒＯ２又はＡｌ２Ｏ３）等が挙げられる。
また、検知電極としては、例えば感湿体の表面等に設けられた少なくとも１対の電極の構成を採用できる。
【００１９】
（４）請求項４の発明は、前記ガラス相のガラス成分は、ケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、及びホウ酸塩ガラスのうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の湿度センサを要旨とする。
本発明は、ガラス相の材料を例示したものである。
【００２０】
（５）請求項５の発明は、前記ガラス相の軟化点は、８００〜１２００℃であることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の湿度センサを要旨とする。
つまり、ガラス相の軟化点が８００℃以上であれば、ヒータによる加熱クリーニングの際に、ガラス相が軟化する可能性が低いので好適である。一方、ガラス相の軟化点が１２００℃（好ましくは１０００℃）以下であれば、感湿体を焼成して製造する場合に、十分にガラスの材料を軟化させることができ、よって結晶相（骨格部）の表面を確実にコートすることができるので、好適である。
【００２１】
尚、ヒータの加熱温度を８００℃とするときには、ガラス相の軟化点は８００℃を上回るものを採用する。
（６）請求項６の発明は、前記ガラス相の含有量は、前記感湿体に対して、１０〜５６ｍｏｌ％であることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の湿度センサを要旨とする。
【００２２】
本発明は、感湿体におけるガラス相の好ましい含有量を例示したものである。
本発明では、ガラス相の含有量が１０ｍｏｌ％以上であるので、デポジット等による影響を受けにくく、よって、湿度センサのインピーダンスの変化が少なく、耐久性が高いという効果がある。また、ガラス相の含有量が５６ｍｏｌ％以下であるので、湿度センサの初期のインピーダンスを低く抑えることができ、よって、回路設計が容易になる。尚、これらの効果の点で、より好ましい範囲は、１２．５〜５０ｍｏｌ％の範囲である。
【００２３】
（７）請求項７の発明は、前記湿度センサは、内燃機関の排気ガス中で用いるものであることを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の湿度センサを要旨とする。
本発明は、湿度センサが使用される対象を例示したものである。
【００２４】
自動車の排気ガス中にて使用される湿度センサは、様々なガス成分、エンジンオイル等から排出されるＣａ，Ｐ，Ｍｏ等のデポジット成分、ガソリン成分、カーボン、水等が多量に排出される極めて過酷な環境に曝されるが、上述した各発明の構成により、長期間にわたり高精度な湿度計測が可能である。
【００２５】
尚、本発明の湿度センサは、排気ガス中以外に、排煙装置や排気ダクトなどに適用して、その雰囲気中の湿度を検出するために用いることができる。また、例えば低酸素濃度や還元性ガスが含まれる雰囲気の湿度を検出するために用いることができる。
【００２６】
（８）請求項８の発明は、前記湿度センサは、前記内燃機関の排気ガス浄化用付帯装置（炭化水素及び水分を吸着可能な吸着材、三元触媒等の排気ガスの浄化材、ゼオライト等を用いたＨＣトラップ材等）の状態を、排気ガスの湿度変化から検出するために用いるものであることを特徴とする前記請求項７に記載の湿度センサを要旨とする。
【００２７】
本発明は、湿度センサの用途を例示したものである。
（９）請求項９の発明は、前記湿度計測を行わない時間に、前記感湿素子部を常時加熱することを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載の湿度センサを要旨とする。
【００２８】
本発明は、ヒータによる加熱の状態を例示したものであり、このように常時加熱することにより、汚れ物質が感湿素子部に付着することを防止することができる。
（１０）請求項１０の発明は、前記内燃機関の停止後に、前記感湿素子部を所定時間加熱することを特徴とする前記請求項７又は８に記載の湿度センサを要旨とする。
【００２９】
ヒータによる加熱は、内燃機関の作動中に実施し、内燃機関の停止と同時に停止しても効果があるが、内燃機関の停止後に所定時間加熱すると一層大きな効果が得られる。これは、内燃機関が停止した直後は、粉塵、デポジット、カーボン、飛散した水等がセンサ付近の雰囲気に存在しているためである。従って、本発明では、内燃機関の停止後に感湿素子部を所定の短時間（例えば数秒〜数分）加熱する。
【００３０】
尚、この時のヒータの通電時間は、数秒から１０分程度であれば、十分に効果がある。また、通電開始のタイミングは、内燃機関の停止後に継続してヒータ通電を行ってもよいし、所定時間（例えば内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサの温度が５０℃以下となる等）休止してから、ヒータ通電を実施してもよい。
【００３１】
（１１）請求項１１の発明は、前記内燃機関の停止後に、前記感湿素子部を、５００〜１２００℃の温度範囲で加熱することを特徴とする前記請求項１０に記載の湿度センサを要旨とする。
本発明は、内燃機関の停止後の加熱温度を例示したものであり、この温度範囲にて加熱することにより、より好適に汚れ物質を除去することができる。
【００３２】
尚、前記加熱（例えば内燃機関の停止後の加熱）を行う場合には、前記湿度センサの状態を示す値に応じて、加熱する温度及び／又は加熱する時間を設定すると良い。
湿度センサに汚れ物質が多く付着している場合には、加熱温度を上げる等の調節が必要である。従って、湿度センサの汚れの程度を、例えば湿度センサのインピーダンスを示す出力の大きさ等の湿度センサの汚れの状態に対応した値（測定値）によって検出し、その検出結果に応じて、加熱する温度や時間（従ってヒータの通電状態）を調節するのである。
【００３３】
これにより、湿度センサの汚れ状態がどのようであっても、常に汚れ物質を十分に除去することができる。
（１２）請求項１２の発明は、抵抗体温度センサ又は前記ヒータを、前記感湿素子部の温度を検出する温度検出手段として用い、当該温度検出手段の抵抗値が所定の抵抗値となるように、前記ヒータを制御することを特徴とする前記請求項１〜１１のいずれかに記載の湿度センサを要旨とする。
【００３４】
ヒータに通電して加熱する方法としては、例えば予め決められた定電圧を印加することも可能であるが、その場合には、排気ガス等の温度によっては、感湿素子部の温度が所望の適切な温度とならない可能性がある。
つまり、ヒータを定電圧印加で制御した場合には、内燃機関の運転状態によって感湿素子部の温度が変動してしまい、仮に（上記の好ましい温度範囲から外れて）低温状態となると、汚れ物質の付着防止の作用が機能しなくなり、逆に、高温状態となると、感湿材料や電極材料の粒成長、偏析、変質等が起こる危険性が高くなる。
【００３５】
そこで、本発明では、ヒータ又は抵抗体温度センサの抵抗値が温度により変化する性質を利用して、この温度検出手段の抵抗値に応じて、例えばこの抵抗値が一定となる様に、ヒータをフィードバック制御するのである。
例えば温度検出手段の抵抗値が大きくなった場合には、温度が高いのでヒータによる加熱を抑制し、逆に、温度検出手段の抵抗値が小さくなった場合には、温度が低いのでヒータによる加熱を増加させるのである。これにより、常に適切な温度で感湿素子部を加熱することができる。
【００３６】
尚、前記内燃機関の運転状態を検出し、当該運転状態に応じて前記ヒータを制御すると良い。
内燃機関の運転状態によって排気ガスの温度が変化するので、感湿素子部の温度も変化する。従って、例えば吸気圧（負圧）、車速、エンジン回転数のような運転状態によって、ヒータの印加時間や印加電圧などの状態を調節する。これにより、適切な温度範囲で感湿素子部を加熱することができる。
【００３７】
（１３）請求項１３の発明は、前記ガラス相は、アルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物のうちの少なくともいずれかを含むガラス成分を主成分とする前記請求項１〜１２のいずれかに記載の湿度センサを要旨とする。
【００３８】
本発明は、ガラス相の材料を例示している。前記ガラス相におけるアルカリ金属、アルカリ土類金属及びこれらの酸化物は、ガラス成分の軟化点を低下させるために用いるものであり、アルカリ金属としては、例えばＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓを採用でき、アルカリ土類金属としては、例えばＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを採用できる。また、アルカリ金属やアルカリ土類金属の酸化物としては、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯを採用できる。尚、アルカリ金属、アルカリ土類金属及びこれらの酸化物の割合としては、ガラス相全体に対し、合計０．５〜３０ｍｏｌ％を採用できる。
【００３９】
（１４）請求項１４の発明は、感湿体及び検知電極を有する感湿素子部と、該感湿素子部を加熱するヒータと、を備えた（周囲の湿度を検出する）湿度センサの使用方法であって、前記感湿体は、酸化物からなる結晶相と、アルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物のうちの少なくともいずれかを含むガラス成分を主成分とするガラス相と、を有し、湿度の計測を行わない時間に、前記ヒータにより、前記感湿素子部を所定の期間加熱することを特徴とする湿度センサの使用方法を要旨とする。
【００４０】
本発明の湿度センサの使用方法の発明では、感湿体として、酸化物からなる結晶相と、ガラス相とを有するもの（好ましくは前記結晶相とガラス相とからなるもの）を用いる。例えば結晶相の表面をガラス相が覆うものを用いる。このような感湿体を用いることにより、長時間使用してもインピーダンス（抵抗）が上昇し難く、耐久性に優れているという効果を奏する。これは、デポジット等の汚れ物質が結晶相につきにくくなる作用、又は、例えば湿度センサを加熱クリーニングする際に、デポジット等の汚れ物質のガラス相への溶け込み又は拡散を促す作用があるからではないかと推定される。
【００４１】
特に、本発明では、湿度の計測を行わない期間に感湿素子部を加熱している。つまり、本発明では、感湿素子部を加熱することにより、感湿素子部に付着するデポジット等の汚れ物質を十分にクリーニングして除去することができる。
従って、本発明によれば、長期に渡り高精度な湿度検出ができる湿度センサを実現することができる。
【００４２】
（１５）請求項１５の発明は、前記湿度センサは内燃機関の排気ガス中で用いるものであり、前記内燃機関の作動中において、５００〜８００℃の温度範囲で加熱することを特徴とする請求項１４に記載の湿度センサの使用方法を要旨とする。
【００４３】
本発明は、内燃機関の作動中の加熱温度を例示したものであり、内燃機関の作動中であって湿度の計測を行わない期間に感湿素子部を５００〜８００℃の温度範囲で加熱している。つまり、本発明では、感湿素子部を５００℃以上の温度で加熱することにより、感湿素子部に付着するデポジット等の汚れ物質を十分にクリーニングして除去することができる。それとともに、本発明では、感湿素子部を加熱する温度が８００℃以下であるので、いわゆる感湿素子部の熱劣化を防止できる。つまり、熱による粒成長を抑制できると共に、電極材料（例えば白金）が飛散することを防止できるので、湿度センサのインピーダンス（抵抗）が過大になることを防止できる。尚、これらの効果の点で、より好ましい範囲は、６５０〜８００℃である。
【００４４】
（１６）請求項１６の発明は、前記湿度センサは内燃機関の排気ガス中で用いるものであり、前記内燃機関の停止後において、５００〜１２００℃の温度範囲で加熱することを特徴とする請求項１４に記載の湿度センサの使用方法を要旨とする。
【００４５】
本発明は、内燃機関の停止後の加熱温度を例示したものである。内燃機関の停止後は感湿素子部への新たなデポジット成分の付着がないため、このような状況で感湿素子部の加熱を行うことにより、より好適に汚れ物質を除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下に、本発明の湿度センサ及び湿度センサの使用方法の最良の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例）
ａ）まず、本実施例における湿度センサの構成について説明する。尚、図１は湿度センサの全体及びその分解した状態を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ'断面図である。
【００４７】
図１に示す様に、湿度センサ１は、インピーダンス変化式の湿度センサ１であり、その要部を構成する感湿素子部３は、アルミナ製の絶縁基板５上に、以下の様に、順次各構成要素が積層されたものである。
つまり、絶縁基板５上には、一対のリード部７、９が配置され、一方のリード部７と接するように下部電極１１が配置され、この下部電極１１の上に感湿材料からなる感湿層（感湿体）１３が配置され、感湿層１３の上に他方のリード部９と接触して上部電極１５が配置され、更に、上部電極１５の上に下部電極１１及び感湿層１３及び上部電極１５の全てを覆うように、保護層１６が配置されている。
【００４８】
また、図２に示す様に、絶縁基板５内には、感湿素子部３を加熱するヒータ１７と測温抵抗体である温度センサ１９が配置されている。このヒータ１７は主として白金からなり、温度センサ１９も主として白金からなる。
このうち、前記下部電極１１及び上部電極１５は、厚膜印刷により形成された膜厚約１５μｍの層であり、主として白金からなる多孔質の検知電極である。
【００４９】
前記感湿層１３は、厚膜印刷により形成された膜厚約３０μｍの多孔質の層であり、主としてＡｌ2Ｏ3−ＳｎＯ2−ＴｉＯ2の感湿材料からなる。この感湿材料は、周囲の雰囲気の湿度が変化すると、そのインピーダンスが変化する（即ち湿度が増加するとインピーダンスが低下する）ものである。
【００５０】
詳しくは、感湿層１３は、図３の透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ写真）及びその模式図である図４に示す様に、前記Ａｌ2Ｏ3−ＳｎＯ2−ＴｉＯ2からなる平均粒径１００〜５００ｎｍの範囲の粒子状の酸化物と、例えばＬｉからなるアルカリ金属（又はアルカリ土類金属）を含有するガラス成分と、多くの空孔からなる。尚、ガラス成分の軟化点は、８００〜１２００℃の範囲である。
【００５１】
つまり、感湿層１３は、多数の粒子状の酸化物からなる結晶相で形成された多孔質の骨格部と、骨格部の表面を覆うガラス相とからなり、それにより、複雑な多孔質体を構成している。
前記保護層１６は、デポジット等が下部電極１１及び感湿層１３及び上部電極１５に付着することを防止するために、厚膜印刷により形成された膜厚約３０μｍの層であり、主としてＭｇＡｌ2Ｏ4からなる多孔質の保護膜である。
【００５２】
ｂ）次に、前記湿度センサ１の製造方法について説明する。
（１）感湿層１３の結晶相となる粉末の製造方法
まず、純度９９．０重量％以上のブトキシＡｌ、ブトキシＴｉ、ブトキシＳｎを、所定の配合比（例えば６：２：２の重量比）となる様に秤量する。これを、ブタノールに溶解し、温度１２０℃以上に加熱する。
【００５３】
次に、この溶液を攪拌しながら、純水を徐々に加えた後に、更に攪拌しながら約１時間反応させる。
つまり、前記アルコキシドの加水分解を行う。
その後、沈殿物を回収し、乾燥した後に仮焼成する。これにより、Ａｌ2Ｏ3−ＳｎＯ2−ＴｉＯ2の混合粉末が得られる。
【００５４】
次に、この混合粉末（即ち、感湿層１３における結晶相を形成する粉末）の所定量をブタノールに浸漬する。これに、Ａｌ成分、Ｓｉ成分、及びＬｉＯＣ2Ｈ5（即ち、感湿層１３におけるガラス相を形成する粉末）の所定量を加えて溶解し、Ａｌ2Ｏ3−ＳｎＯ2−ＴｉＯ2の混合粉末と同様な方法で加水分解する。そして、沈殿物を回収し、乾燥した後に仮焼成する。これにより、感湿材料の混合粉末が得られる。
【００５５】
（２）湿度センサ１の製造方法
まず、Ａｌ2Ｏ3からなる絶縁基板５上に、下部電極１１を形成する。具体的には、絶縁基板５上にＰｔ系ペーストを印刷し、１２０℃にて１５分間乾燥し、１２００℃で１０分間焼成する。
【００５６】
次に、下部電極１１の上に、感湿層１３を形成する。具体的には、下部電極１１の上に前記混合粉末のペーストを印刷し、６０℃にて１時間乾燥し、１２００℃で２時間焼成する。
次に、感湿層１３の上に、上部電極１５を形成する。具体的には、感湿層１３の上にＰｔ系ペーストを印刷し、１２０℃にて１５分間乾燥し、１２００℃で１０分間焼成する。
【００５７】
次に、上部電極１５の上に、保護層１６を形成する。具体的には、上部電極１５の上にスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）粉末のペーストを印刷し、６０℃にて１時間乾燥し、１２００℃で２時間焼成する。
これにより、焼結体である湿度センサ１が完成する。
【００５８】
ｃ）次に、上述した湿度センサ１を制御する制御装置について説明する。
図５に湿度を測定するための回路構成を示す様に、湿度センサ１の感湿素子部３は、マイコン２１に接続されて、その出力が取り出されるように構成されている。尚、この出力とは、感湿素子部３のインピーダンスに対応した値であり、インピーダンスが増加するとセンサ出力が増加するように設定されている。
【００５９】
具体的には、第１比較抵抗２３と（湿度センサ１の）感湿素子部３と第２比較抵抗２５とが直列に接続され、この第１比較抵抗２３と感湿素子部３と第２比較抵抗２５とには、バッファ２７を介して、マイコン２１のＤ／Ａ部（デジタルアナログ変換部）から、例えばＶp-p＝２Ｖ、周波数１００Ｈｚの交流電圧が印加される。また、感湿素子部３の両端間の交流電圧出力（交流分圧）は、オペアンプ２９を介して、マイコン２１のＡ／Ｄ部（アナログデジタル変換部）に入力される。更に、マイコン２１からは、Ｄ／Ａコンバータ３１を介してセンサ出力が取り出される。
【００６０】
更に、図６にヒータ１７を制御するための回路構成を示す様に、温度センサ１９と比較抵抗３３とが直列に接続され、温度センサ１９と比較抵抗３３とには電源３４から基準電圧が印加される。そして、温度センサ１９の電圧（電位差）が、オペアンプ３５を介して、マイコン２１のＡ／Ｄ部（アナログデジタル変換部）に入力される。
【００６１】
また、マイコン２１には、スイッチ素子３７を介してヒータ１７が接続されており、マイコン２１の信号出力部（ＰＷＭ）からの信号により、ヒータ１７に定電圧３６が印加される。例えば、ヒータ１７のオン・オフのタイミングは、例えば３２ｍｓの周期にて、９０％以下の範囲のデューティ比により設定することができるので、ヒータ１７のオフの期間中に、温度センサ１９の抵抗（従って周囲の温度）を計測することができる。
【００６２】
尚、ここでは、説明のために、マイコン２１を図５、図６の様に分けて記載したが、通常は同一のマイコン２１にて湿度の計測とヒータ１７の制御を行う。また、それぞれ異なるマイコン２１を使用してもよい。
本実施例では、上述した湿度センサ１の制御装置を駆動して、内燃機関の作動中において、湿度の計測を行わない時間帯（即ち、内燃機関の作動中であって、且つ、排気ガス温度が１００℃を超える時間帯）に、感湿素子部３を５００〜８００℃の温度範囲で加熱するように、ヒータ１７に通電する。また、内燃機関の停止後、感湿素子部に付着した汚れ物質を十分に除去するために、感湿素子部を５００〜１２００℃の温度範囲で加熱するように、ヒータ１７に通電する。
【００６３】
具体的には、上述したヒータ１７を制御するための回路構成により、測温抵抗体である温度センサ１９の抵抗値が、所定のヒータ１７の制御温度における抵抗値と一致する様に、ヒータ１７に印加する電圧を調整する。
これにより、湿度センサ１（特に感湿素子部３）の温度を適切な範囲に保つことができるので、感湿素子部３に付着したデポジット等の汚れ物質を十分に除去することができる。
（実験例１）
次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００６４】
本実験例１は、ガラスの添加量とヒータによる加熱の効果を確認したものである。
具体的には、前記実施例と同様な構造の本発明の範囲の湿度センサ（但し感湿体の結晶相の成分を変えた複数の湿度センサ）を製造し、その実施例サンプルの湿度センサに対して、下記(1)〜(3)の手順で、その感湿特性を調べた。
【００６５】
(1)「ＪＩＳ  Ｚ  ８８０６  １９８１年」の規定による分流式評価法を用いて、測定前加熱クリーニング（７５０℃で２分間加熱）を行った後に、初期の感湿特性として、湿度センサの両電極間におけるインピーダンスを計測した。
この分流式評価法を、図７に模式的に示す。ここでは、評価ガスのＡｉｒを５Ｌ／分供給し、加える水分量を調節して、測定湿度を、２０ＲＨ％に設定するとともに、測定温度を２０℃に設定し、湿度センサのインピーダンスを測定した。
【００６６】
(2)次に、自動車の排気管内に湿度センサを装着して、実走試験（シャーシダイナモ上にて、市街地走行、高速道路走行を想定した約３００ｋｍの走行パターン）を実施した。
そして、前記走行試験を行った湿度センサに対して、測定前加熱クリーニング（７５０℃で２分間加熱）を行った後に、前記（1）と同様な分流式評価法を用いて、耐久後の感湿特性を計測した。
【００６７】
(3)そして、前記初期（耐久前）の湿度センサのインピーダンス（Ａ）と耐久後の湿度センサのインピーダンス（Ｂ）から、インピーダンス変化率（Ｂ／Ａ）を求めた。そのインピーダンス変化率を下記表１に記す。
一方、前記(1)〜(3)の測定方法と同様にして、本発明の範囲外の比較例の湿度センサ（ガラス成分が入っていないこと以外は、前記実施例１と同様な構造の湿度センサ）を製造し、初期及び走行試験後（耐久後）において、その比較例サンプルの湿度センサの感湿特性を計測した。その結果を、同じく下記表１に示す。
【００６８】
尚、本実験例１では、走行中にヒータの温度制御を行って、温度を７５０℃に保つ加熱クリーニングを実施した。
【００６９】
【表１】
2005017285.tif 000003
【００７０】
尚、表１における実施例サンプル１〜３の感湿層には、２０ｍｏｌ％のガラス相（１４ｍｏｌ％のＳｉＯ２、２ｍｏｌ％のＬｉ2Ｏ、４ｍｏｌのＡｌ2Ｏ3）が含まれている。ここで、ガラス相に含まれるの元素分析は、誘導結合プラズマ発光分光計及び透過型電子顕微鏡に装備されたエネルギー分散分光計により行った。
この表１から明らかな様に、比較例の（ガラス成分の入っていない感湿層を備えた試料No.１、３、５）湿度センサの場合には、自動車の排気管内に湿度センサを装着し、約３００ｋｍ走行した後では、試験前のインピーダンスと比べて、大幅なインピーダンスの増加が認められた。
【００７１】
それに対して、本実施例の（ガラス相を有する感湿層を備えた試料No.２、４、６）湿度センサの場合には、３００ｋｍ走行した後であっても、インピーダンスの上昇は僅かであり、好適である。
従って、ガラス相の存在が、自動車の排気ガス中での湿度センサのインピーダンスの変化の抑制に大きく寄与していることが分かる。
（実験例２）
次に、実験例２について説明する。
【００７２】
本実験例２は、ガラスの添加量による効果を確認したものである。
具体的には、下記表２に示す様に、実験例１と結晶相の組成を同じにして、ガラス相の含有量が異なった各種の湿度センサを製造し、前記実験例１と同様にして、「ＪＩＳ  Ｚ  ８８０６  １９８１年」の規定による分流式評価法を用いて、初期の感湿特性（インピーダンス）を計測した。
【００７３】
また、各湿度センサを、所定のリンを所定量添加した燃料から生成する排気ガスに、３０時間晒した後、前記実験例１と同様にして、「ＪＩＳ  Ｚ  ８８０６  １９８１年」の規定による分流式評価法を用いて、耐久後の感湿特性（インピーダンス）を計測した。
【００７４】
そして、それらのインピーダンスからインピーダンス変化率を求めた。その結果を、同じく下記表２に記す。
【００７５】
【表２】
2005017285.tif 000004
【００７６】
尚、表２の比較例サンプル１は、前記表１と同一のものである。
この表２から明らかな様に、実施例サンプル４〜１０のうち、ガラス相が１１．１〜５５．６ｍｏｌ％の範囲のもの（試料No.１０〜１３）は、インピーダンス変化率が小さく（従って耐久性が高く）、好適であることが分かる。
【００７７】
ここで、実施例サンプル４〜１０の感湿層のガラス相成分及び結晶相成分を誘導結合プラズマ発光分光計及び透過型電子顕微鏡に装備されたエネルギー分散分光計により測定した。実施例サンプル４の感湿層は、Ｌｉ２Ｏ：０．２ｍｏｌ％、ＳｉＯ２：１．７ｍｏｌ％及びＡｌ２Ｏ３からなるガラス相と、Ａｌ２Ｏ３：７１．５ｍｏｌ％、ＳｎＯ２：５．２ｍｏｌ％及びＴｉＯ２：２０．８ｍｏｌ％からなる結晶相とを含有している。また、実施例サンプル５の感湿層は、Ｌｉ２Ｏ：０．７ｍｏｌ％、ＳｉＯ２：５．２ｍｏｌ％及びＡｌ２Ｏ３からなるガラス相と、Ａｌ２Ｏ３：６９ｍｏｌ％、ＳｎＯ２：４．９ｍｏｌ％及びＴｉＯ２：１９．７ｍｏｌ％からなる結晶相とを含有している。更に、実施例サンプル６の感湿層は、Ｌｉ２Ｏ：１．０ｍｏｌ％、ＳｉＯ２：７．７ｍｏｌ％及びＡｌ２Ｏ３からなるガラス相と、Ａｌ２Ｏ３：６５．２ｍｏｌ％、ＳｎＯ２：４．７ｍｏｌ％及びＴｉＯ２：１８．９ｍｏｌ％からなる結晶相とを含有している。また、実施例サンプル７の感湿層は、Ｌｉ２Ｏ：１．９ｍｏｌ％、ＳｉＯ２：１３．９ｍｏｌ％及びＡｌ２Ｏ３からなるガラス相と、Ａｌ２Ｏ３：５４．６ｍｏｌ％、ＳｎＯ２：４．３ｍｏｌ％及びＴｉＯ２：１７．０ｍｏｌ％からなる結晶相とを含有している。更に、実施例サンプル８の感湿層は、Ｌｉ２Ｏ：３．１ｍｏｌ％、ＳｉＯ２：２３．２ｍｏｌ％及びＡｌ２Ｏ３からなるガラス相と、Ａｌ２Ｏ３：４７．９ｍｏｌ％、ＳｎＯ２：３．６ｍｏｌ％及びＴｉＯ２：１４．３ｍｏｌ％からなる結晶相とを含有している。また、実施例サンプル９の感湿層は、Ｌｉ２Ｏ：５．２ｍｏｌ％、ＳｉＯ２：３８．８ｍｏｌ％及びＡｌ２Ｏ３からなるガラス相と、Ａｌ２Ｏ３：３３．５ｍｏｌ％、ＳｎＯ２：５．２ｍｏｌ％及びＴｉＯ２：３８．８ｍｏｌ％からなる結晶相とを含有している。更に、実施例サンプル１０の感湿層は、Ｌｉ２Ｏ：５．６ｍｏｌ％、ＳｉＯ２：４１．９ｍｏｌ％及びＡｌ２Ｏ３からなるガラス相と、Ａｌ２Ｏ３：３７．６ｍｏｌ％、ＳｎＯ２：２．２ｍｏｌ％及びＴｉＯ２：８．６ｍｏｌ％からなる結晶相とを含有している。
【００７８】
尚、実施例サンプル１０は、インピーダンス変化率がそれほど大きくはないが、ガラス相の添加量が多いほど、湿度センサのベースとなるインピーダンスが大きくなり、インピーダンスの測定精度が低下するので、その点では好ましくはない。
従って、感湿層におけるガラス相の含有量を１０〜５６ｍｏｌ％とすることにより、自動車の排気ガス中での湿度センサのインピーダンスの変化の抑制に大きく寄与していることが分かる。
（実験例３）
次に、実験例３について説明する。
【００７９】
本実験例３は、ヒータの温度制御による効果を確認したものである。
具体的には、前記実施例サンプル１の湿度センサに対して、前記実験例１と同様な手順で、「ＪＩＳ  Ｚ  ８８０６  １９８１年」の規定による分流式評価法を用いて、初期及び耐久後の感湿特性（インピーダンス）を計測した。
【００８０】
本実験例３では、下記表３の様に、実走行試験中のヒータの制御温度を４５０〜９００℃に設定した。その結果を、図８〜図１０に示す（各図の縦軸は対数目盛で示すインピーダンス、横軸は相対湿度ＲＨ％である）。
尚、各測定においては、測定前加熱クリーニングを７５０℃にて２分間加熱により行った。また、測定においては、測定湿度を、１０、２０、４０、６０、８０、９０ＲＨ％に設定した。
【００８１】
【表３】
2005017285.tif 000005
【００８２】
図８は、ヒータ制御をしない比較例（１）の初期及び耐久後の湿度センサの感湿特性を示すグラフである。同図から明らかな様に、ヒータ制御をしない場合には、湿度が２０ＲＨ％時の耐久後のインピーダンスを初期値と比較すると、約１８倍以上高インピーダンス化しており、好ましくない。
【００８３】
一方、図９及び図１０は、ヒータ制御を行う比較例（２）、（３）及び実施例（１）〜（４）の初期及び耐久後の湿度センサの感湿特性を示すグラフである。
このうち、図９に示す比較例（２）は、実車走行中、湿度センサに内蔵された温度センサの温度が一定になるようにして４５０℃で常時ヒータ制御を行ったものである。同図から明らかな様に、４５０℃にヒータ制御を行う場合には、湿度が２０ＲＨ％時の耐久後のインピーダンスを初期値と比較すると、約１０倍以上高インピーダンス化しており、好ましくない。
【００８４】
それに対して、図９及び図１０に示す実施例（１）〜（４）は、実車走行中、湿度センサに内蔵された温度センサの温度が一定になるようにして５００〜８００℃で常時ヒータ制御を行ったので、高インピーダンス化が見られず、好適であった。
これは、ヒータにより感湿層を加熱することで、ガラス相が軟化し、デポジットのガラス相への固溶、デポジットの感湿層内への拡散を促す効果、及びデポジット成分のセンサへの付着を抑制する効果が作用したものと推定される。
【００８５】
また、図１０に示す比較例（３）は、実車走行中、湿度センサに内蔵された温度センサの温度が一定になるようにして９００℃で常時ヒータ制御を行ったものである。同図から明らかな様に、９００℃にヒータ制御を行う場合には、湿度が２０ＲＨ％時の耐久後のインピーダンスを初期値と比較すると、約３倍以上高インピーダンス化している。特に、長期間にわたり９００℃でヒータ制御を行う場合では、熱による感湿層の劣化が懸念されるので、好ましくない。従って、８００℃を超えるヒータ制御を行う場合、ヒータ制御時間が短期間である必要がある。このとき、ヒータ制御温度が１２００℃を超えるとガラス相が軟化するため、１２００℃以下が好ましい。
【００８６】
更に、内燃機関の停止後に、感湿層を５００〜１２００℃（好ましくは、８００〜１２００℃）の範囲で加熱を行うと良い。内燃機関の停止後に感湿層の加熱を行うので、加熱中において感湿層への新たなデポジット成分の付着がないためである。このような加熱は、１０分以内（好ましくは、数分程度）が好ましい。
更に、内燃機関の作動中に、感湿層を５００〜８００℃（例えば、７５０℃）の範囲で常時加熱し、且つ、内燃機関の停止後に、感湿層を５００〜１２００℃の範囲で加熱することがより好ましい。内燃機関の作動中に感湿層を常時加熱することで、感湿層表面への汚れ物質の付着を防止することができるとともに、内燃機関の停止後に５００〜１２００℃の範囲で加熱することで、常時加熱期間に付着してこの期間では取り除くことができなかった汚れ物質を十分に除去することができる。
【００８７】
従って、このことから、ガラス相を有する感湿層に対して、ヒータにより５００〜８００℃の範囲で加熱を行うことにより、自動車の排気ガス中での湿度センサのインピーダンスの変化を長期間にわたり好適に抑制できることが分かる。
この様に、本実施例では、上述した構造の感湿層を有する湿度センサをヒータで加熱するとともに、その加熱温度を所定の温度範囲に制御することにより、自動車の排気管内等の非常に過酷な環境に晒された場合であっても、高精度で、長期安定性に優れた性能を発揮することができるという顕著な効果を奏する。
【００８８】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、前記実施例では、ヒータのフィードバック制御を行ったが、（感湿素子部の温度が過度に上昇しない様に実験等で求めた）予め規定された期間又は所定のデューティ比などで、定電圧を印加してもよい。
【００８９】
（２）また、前記実施例では、温度センサの抵抗値に基づいてヒータのフィードバック制御を行ったが、ヒータ自身の抵抗値を求め、このヒータの抵抗値に基づいてヒータのフィードバック制御を行ってもよい。
（３）更に、ヒータの加熱のタイミングとしては、湿度計測を行わない時間に常時加熱する方法が考えられるが、それ以外にも、例えば、内燃機関の停止後に、例えば５００〜１２００℃にて所定時間加熱する方法も考えられる。
【００９０】
（４）また、ヒータの加熱を行う場合には、湿度センサの汚れの程度を、例えば湿度センサのインピーダンスを示す出力の大きさ等の湿度センサの汚れの状態に対応した値によって検出し、その検出結果に応じて、加熱する温度や時間を調節してもよい。
【００９１】
（５）更に、内燃機関の運転状態によって排気ガスの温度が変化するので、感湿素子部の温度も変化する。従って、例えば吸気圧（負圧）、車速、エンジン回転数のような運転状態によって、ヒータの印加時間や印加電圧などの状態を調節してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】実施例の湿度センサの感湿素子部の全体及び分解した状態を示す説明図である。
【図２】感湿素子部の図１におけるＡ−Ａ'断面図である。
【図３】実験例２のＴＥＭによる観察結果を示す写真である。
【図４】実験例２のＴＥＭによる観察結果を示す写真の一部を模式的に示した模式図である。
【図５】湿度を測定するための回路構成を示す説明図である。
【図６】ヒータを制御するための回路構成を示す説明図である。
【図７】分流式評価法に用いる実験装置を示す説明図である。
【図８】実験例３における比較例（１）の湿度センサの感湿特性を示すグラフである。
【図９】実験例３における比較例（２）及び実施例（１）、（２）の湿度センサの感湿特性を示すグラフである。
【図１０】実験例３における実施例（３）、（４）及び比較例（３）の湿度センサの感湿特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９３】
１…湿度センサ
３…感湿素子部
５…絶縁基板
７、９…リード部
１１…下部電極
１３…感湿層
１５…上部電極
１６…保護層
１７…ヒータ
１９…測温抵抗体（温度センサ）
【図１】
2005017285.tif 000006
【図２】
2005017285.tif 000007
【図３】
2005017285.tif 000008
【図４】
2005017285.tif 000009
【図５】
2005017285.tif 000010
【図６】
2005017285.tif 000011
【図７】
2005017285.tif 000012
【図８】
2005017285.tif 000013
【図９】
2005017285.tif 000014
【図１０】
2005017285.tif 000015