(57)【要約】【課題】温度によって湿度の検出精度が低下することの抑制された湿度センサを提供する。【解決手段】湿度に応じて静電容量の変化する第１コンデンサ、および、温度に応じて抵抗値の変動する第１抵抗を含み、第１コンデンサの静電容量と第１抵抗の抵抗値とに応じて発振周波数の変動する第１ＣＲ発振回路と、湿度に応じて静電容量の変化する第２コンデンサ、および、温度に応じて抵抗値の変動する第２抵抗を含み、第２コンデンサの静電容量と第２抵抗の抵抗値とに応じて発振周波数の変動する第２ＣＲ発振回路と、第１ＣＲ発振回路から出力される第１信号の発振周波数と、第２ＣＲ発振回路から出力される第２信号の発振周波数とを差分した差分値に基づいて、湿度を検出する検出回路と、を有し、第１抵抗と第２抵抗は、差分値の温度に対する変動値が低まるように、抵抗値と温度特性とが互いに相異なる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿度に応じて静電容量の変化する第１コンデンサ（１４）、および、温度に応じて抵抗値の変動する第１抵抗（１５）を含み、前記第１コンデンサの静電容量と前記第１抵抗の抵抗値とに応じて発振周波数の変動する第１ＣＲ発振回路（１０）と、
湿度に応じて静電容量の変化する第２コンデンサ（２４）、および、温度に応じて抵抗値の変動する第２抵抗（２５）を含み、前記第２コンデンサの静電容量と前記第２抵抗の抵抗値とに応じて発振周波数の変動する第２ＣＲ発振回路（２０）と、
前記第１ＣＲ発振回路から出力される第１信号の発振周波数と、前記第２ＣＲ発振回路から出力される第２信号の発振周波数とを差分した差分値に基づいて、湿度を検出する検出回路（４０）と、を有し、
前記第１抵抗と前記第２抵抗は、前記差分値の温度に対する変動値が低まるように、抵抗値と温度特性とが互いに相異なる湿度センサ。
【請求項２】
前記第１抵抗と前記第２抵抗とはポリシリコンに不純物が添加されて成り、
前記第１抵抗と前記第２抵抗の不純物濃度が互いに異なることで、前記第１抵抗と前記第２抵抗の抵抗値と温度特性とが互いに相異なる請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項３】
前記第２抵抗は、スイッチ素子を介して、前記第１抵抗とは形成材料の異なる複数の選択抵抗が並列接続されて成る請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項４】
前記第１コンデンサは、互いに対向する第１電極と第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられる、湿度に応じて誘電率の変化する第１乾湿膜を有し、
前記第２コンデンサは、互いに対向する第３電極と第４電極、および、前記第３電極と前記第４電極との間に設けられる、湿度に応じて誘電率の変化する第２乾湿膜を有する請求項１〜３いずれか１項に記載の湿度センサ。
【請求項５】
前記第１電極と前記第２電極との離間距離は、前記第３電極と前記第４電極との離間距離とは異なり、
前記第１乾湿膜と前記第２乾湿膜とは同一材料から成る請求項４に記載の湿度センサ。
【請求項６】
静電容量の一定な第３コンデンサ（３４）、および、温度に応じて抵抗値の変動する第３抵抗（３５）を含み、前記第３コンデンサの静電容量と前記第３抵抗の抵抗値とに応じて発振周波数の変動する第３ＣＲ発振回路を有し、
前記検出回路は、前記差分値と前記第３ＣＲ発振回路から出力される第３信号の発振周波数との差の絶対値が所定値よりも低い場合、前記第１ＣＲ発振回路と前記第２ＣＲ発振回路は正常であると判定し、前記差分値と前記第３信号の発振周波数との差の絶対値が前記所定値以上の場合、前記第１ＣＲ発振回路と前記第２ＣＲ発振回路の少なくとも一方が異常であると判定する請求項１〜５いずれか１項に記載の湿度センサ。
【請求項７】
前記検出回路は、前記差分値、湿度、および、温度の対応関係を記憶している請求項１〜６いずれか１項に記載の湿度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＲ発振回路の発振周波数に基づいて湿度を検出する湿度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に示されるように、第１のＣＲ発振回路と第２のＣＲ発振回路とを有する物理量検出回路が知られている。これら２つのＣＲ発振回路それぞれは、物理量を検出するための抵抗とコンデンサとを有する。物理量の変動によって抵抗値が変動すると、それによって２つのＣＲ発振回路から出力される信号の発振周波数が変動する。したがって発振周波数の変動に基づくことで、物理量を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５４９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したように特許文献１に示される物理量検出回路は２つのＣＲ発振回路を有する。これら２つのＣＲ発振回路の内の一方は物理量の変動に対して抵抗値が増大し、他方は抵抗値が減少するように設定されている。したがって２つのＣＲ発振回路の差分をとることで、発振周波数の変化量が２倍になる。また、温度変化に起因する発振周波数の変化がキャンセルされる。しかしながら２つのＣＲ発振回路それぞれが如何様な抵抗とコンデンサとを有する場合に、温度変化に起因する発振周波数の変化が効果的に抑制されるのかが不明であった。本発明者が検討したところ、２つのＣＲ発振回路の抵抗の温度特性によっては、温度変化に起因する発振周波数の変化を効果的に抑制し難いことが判明した。
【０００５】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、温度によって湿度の検出精度が低下することの抑制された湿度センサ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】
【０００６】
上記した目的を達成するための開示された発明の１つは、湿度に応じて静電容量の変化する第１コンデンサ（１４）、および、温度に応じて抵抗値の変動する第１抵抗（１５）を含み、第１コンデンサの静電容量と第１抵抗の抵抗値とに応じて発振周波数の変動する第１ＣＲ発振回路（１０）と、
湿度に応じて静電容量の変化する第２コンデンサ（２４）、および、温度に応じて抵抗値の変動する第２抵抗（２５）を含み、第２コンデンサの静電容量と第２抵抗の抵抗値とに応じて発振周波数の変動する第２ＣＲ発振回路（２０）と、
第１ＣＲ発振回路から出力される第１信号の発振周波数と、第２ＣＲ発振回路から出力される第２信号の発振周波数とを差分した差分値に基づいて、湿度を検出する検出回路（４０）と、を有し、
第１抵抗と第２抵抗は、差分値の温度に対する変動値が低まるように、抵抗値と温度特性とが互いに相異なる。
【０００７】
詳しくは実施形態で説明するが、本発明者が検討したところ、第１抵抗（１５）と第２抵抗（２５）の抵抗値と温度特性とを異ならせることで、差分値が温度に対して変動し難くなることがわかった。したがって上記構成によれば、湿度の検出精度が温度によって低下することが抑制される。第２抵抗（２５）の抵抗値と温度特性の選択による差分値の温度に対する変動値の低下は、実施形態で詳説する。
【０００８】
なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけている。この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る湿度センサの概略構成を示すブロック図である。
【図２】第１差分値の温度特性を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１および図２に基づいて本実施形態に係る湿度センサを説明する。なお図２では後述の２つの抵抗１５，２５の温度特性を異ならせた場合の第１差分値だけではなく、２つの抵抗１５，２５の温度特性が同一の場合の第１差分値も参考として図示している。
【００１１】
図１に示すように湿度センサ１００は、ＣＲ発振回路１０，２０，３０と、処理回路４０と、を有する。ＣＲ発振回路１０，２０，３０それぞれは、抵抗値と静電容量とに応じて発振周波数の変動する信号を生成する。処理回路４０はＣＲ発振回路１０，２０，３０それぞれから出力される信号を処理し、その処理信号を図示しない電子制御装置に出力する。処理回路４０は、特許請求の範囲に記載の検出回路に相当する。
【００１２】
ＣＲ発振回路１０，２０，３０それぞれは同一の構成となっている。しかしながら第１ＣＲ発振回路１０と第２ＣＲ発振回路２０とは、コンデンサと抵抗が互いに異なる。また第１ＣＲ発振回路１０と第３ＣＲ発振回路３０とは、コンデンサが互いに異なる。以下においては第１ＣＲ発振回路１０を説明した後、ＣＲ発振回路２０，３０それぞれの第１ＣＲ発振回路１０との相違点を説明する。
【００１３】
図１に示すように第１ＣＲ発振回路１０は、３つのＮＯＴゲート１１，１２，１３と、第１コンデンサ１４と、第１抵抗１５と、を有する。３つのＮＯＴゲート１１，１２，１３は順に直列接続されている。そして第１ＮＯＴゲート１１の入力端子と第２ＮＯＴゲート１２の出力端子とが第１コンデンサ１４を介して電気的に接続されている。また第１ＮＯＴゲート１１の入力端子と第３ＮＯＴゲート１３の出力端子とが第１抵抗１５を介して電気的に接続されている。この構成により第１ＣＲ発振回路１０からは、第１抵抗１５の抵抗値と第１コンデンサ１４の静電容量とに依存した発振周波数ｆ１（以下、第１発振周波数ｆ１と示す）を有する第１信号が生成される。第１抵抗１５の抵抗値をＲ１，第１コンデンサ１４の静電容量をＣ１とすると、ｆ１＝１／（２．２Ｒ１Ｃ１）が成立する。
【００１４】
第１コンデンサ１４は第１電極と第２電極、および、この２つの電極の間に設けられる第１乾湿膜を有する。第１乾湿膜は湿度センサ１００周囲の雰囲気の湿度に応じて誘電率が変化する。したがって第１コンデンサ１４は湿度に応じて静電容量が変化し、それに応じて第１発振周波数ｆ１も変化する。また乾湿膜の誘電率は温度によっても変化する。そして第１抵抗１５は、温度が上昇すると抵抗値が増大する性質を有する。すなわち第１抵抗１５は正の温度特性を有する。したがって第１発振周波数ｆ１は湿度だけではなく、温度に応じても変化する。この湿度と温度とに依存する第１発振周波数ｆ１を含む第１信号が、第１ＣＲ発振回路１０から処理回路４０に出力される。
【００１５】
第２ＣＲ発振回路２０は、３つのＮＯＴゲート２１，２２，２３、第２コンデンサ２４、および、第２抵抗２５を有し、第１ＣＲ発振回路１０と同等の構成となっている。ただし第２コンデンサ２４は、第１コンデンサ１４とは２つの電極の対向間隔が異なっている。第２コンデンサ２４は第３電極と第４電極、および、この２つの電極の間に設けられる第２乾湿膜を有する。第３電極と第４電極との離間距離は第１電極と第２電極との離間距離と異なっている。そして第２乾湿膜は第１乾湿膜と同一材料から成る。この材料としては例えばポリイミド膜がある。したがって第２コンデンサ２４と第１コンデンサ１４とは、２つの電極によって定められる静電容量（湿度変化に依らない静電容量）と、湿度に対する静電容量の変化量とが互いに異なっている。また第２抵抗２５は、第１抵抗１５とは抵抗値と温度特性が異なる。したがって第２ＣＲ発振回路２０から出力される第２信号の発振周波数ｆ２（以下、第２発振周波数ｆ２と示す）は、第１発振周波数ｆ１とは温度特性が異なる。
【００１６】
第２抵抗２５は第１抵抗１５と同様にして、正の温度特性を有する。ただし第２抵抗２５と第１抵抗１５とは材料構成が異なるため、温度特性（温度に対する抵抗値の増減量）が互いに異なっている。第２抵抗２５の抵抗値をＲ２，第２コンデンサ２４の静電容量をＣ２とすると、ｆ２＝１／（２．２Ｒ２Ｃ２）と表される。
【００１７】
第３ＣＲ発振回路３０は、３つのＮＯＴゲート３１，３２，３３、第３コンデンサ３４、および、第３抵抗３５を有し、第１ＣＲ発振回路１０と同等の構成となっている。ただし第３コンデンサ３４は、第１コンデンサ１４とは異なり乾湿膜を有さない。したがって第３ＣＲ発振回路３０から出力される第３信号の発振周波数ｆ３（以下、第３発振周波数ｆ３と示す）は、第１発振周波数ｆ１とは異なり湿度に依存しない。ただし第３発振周波数ｆ３は、温度に依存する性質を有する。第３抵抗３５の抵抗値をＲ３，第３コンデンサ３４の静電容量をＣ３とすると、ｆ３＝１／（２．２Ｒ３Ｃ３）と表される。
【００１８】
処理回路４０は、ＣＲ発振回路１０，２０，３０から入力される第１〜第３信号を処理する。処理回路４０は、第１信号〜第３信号の周波数（発振周波数ｆ１〜ｆ３）を検出する。そして処理回路４０は、第１発振周波数ｆ１から第２発振周波数ｆ２を差分した第１差分値を算出する。第２抵抗２５は、この第１差分値が温度に対して変動し難くなるように予め作り込まれている。
【００１９】
上記したように第１発振周波数ｆ１＝１／（２．２Ｒ１Ｃ１）、第２発振周波数ｆ２＝１／（２．２Ｒ２Ｃ２）と表される。ここで静電容量Ｃ１、Ｃ２はそれぞれ湿度と温度とに依存し、抵抗値Ｒ１、Ｒ２は温度に依存する。湿度に依らない静電容量をＣ０１，Ｃ０２、湿度によって変動する静電容量をΔＣ１，ΔＣ２、乾湿膜の温度特性値をα、温度をＴとすると、第１静電容量Ｃ１は（Ｃ０１＋ΔＣ１）（１＋αＴ）、第２静電容量Ｃ２は（Ｃ０２＋ΔＣ２）（１＋αＴ）と表される。また温度に依らない抵抗値をＲ０１，Ｒ０２、抵抗の温度特性をβ，γとすると、第１抵抗はＲ０１（１＋βＴ）、第２抵抗はＲ０２（１＋γＴ）と表される。
【００２０】
図２に、第２抵抗２５の抵抗値を第１抵抗１５の抵抗値の１．６倍に設定し、且つ、温度に対する抵抗値の変化量を２．４倍に設定した場合の第１差分値を実線で示す。すなわち、Ｒ０２をＲ０１の１．６倍に設定し、且つ、γをβの２．４倍に設定した第１差分値を図２に実線で示す。また、第２抵抗２５の抵抗値を第１抵抗１５の抵抗値の１．６倍に設定し、温度に対する抵抗値の変化量を等倍に設定した場合の第１差分値を、参考として図２に破線で示す。すなわち、Ｒ０２をＲ０１の１．２倍に設定し、γをβと等しく設定した第１差分値を図２に破線で示す。図２の横軸は、室温（２７℃）に対する温度の変化量を示し、その単位は摂氏温度℃である。また縦軸は任意単位である。両者を比較すると明りょうであるように、第１差分値は温度依存し難くなっている。
【００２１】
なお、上記のＣ０１とＣ０２の比、ΔＣ１とΔＣ２の比は、第１電極と第２電極との離間距離、および、第３電極と第４電極との離間距離の比によって定まる値である。また図２に示す第１差分値は、特定の湿度下、特定の温度下において差分値がゼロとなるように設定されている。これら湿度と温度としては、５０％、２７℃などが採用される。
【００２２】
抵抗１５，２５の形成材料としては、ＣｒＳｉ薄膜抵抗、ポリシリコン抵抗、Ｐ＋拡散抵抗などを採用することができる。抵抗１５，２５を例えばポリシリコンで形成する場合、両者の不純物の添加量を異ならせて、不純物濃度を異ならせる。こうすることで抵抗１５，２５の材料構成を異ならせ、温度に対する抵抗値の変動量を異ならせることができる。特にこの製造方法によれば、不純物濃度を連続的に変化させることで、第２抵抗２５の温度特性を高精度に決定することができる。更に例示すれば、図示しないが第２抵抗２５が、並列接続された互いに形成材料の異なる複数の選択抵抗と、各選択抵抗との電気的な接続を制御するスイッチ素子と、を有する構成を採用することもできる。これによれば、オン状態とするスイッチ素子を選択することで、並列接続する選択抵抗の数と種類を選択することができる。この変形例においても、第２抵抗２５の抵抗値と温度特性とを選択することができる。
【００２３】
処理回路４０は、温度、湿度、および、第１差分値の対応関係（対応マップ）を記憶している。処理回路４０には図示しない温度センサから温度に基づく検出信号が入力される。処理回路４０は第１差分値を算出した後、入力される検出信号（温度）、算出した第１差分値、および、上記の対応マップに基づいて湿度を算出する。詳しく言えば、処理回路４０は温度と上記の対応マップとによって飽和水蒸気量を算出する。そして処理回路４０は、第１差分値と上記の対応マップとによって水蒸気量を算出する。処理回路４０はこれら飽和水蒸気量と水蒸気量とに基づいて、湿度を算出する。
【００２４】
また処理回路４０は、第１差分値から第３信号を差分した第２差分値の絶対値を算出する。ＣＲ発振回路１０，２０の少なくとも一方に異常がある場合、第１信号と第２信号の少なくとも一方が極端に低い、若しくは、極端に高い値となることが予想される。例えばコンデンサ１４，２４それぞれの乾湿膜が結露した場合、第１差分値が極端に低い値となる虞がある。したがって第２差分値の絶対値も極端に高い値となることが予想される。そこで処理回路４０は、自身が記憶している所定値と第２差分値の絶対値とを比較する。処理回路４０は、絶対値が所定値よりも低ければＣＲ発振回路１０，２０は正常と判定する。その反対に絶対値が所定値よりも高ければ、処理回路４０はＣＲ発振回路１０，２０の少なくとも一方は異常であると判定する。
【００２５】
処理回路４０は、上記した湿度やＣＲ発振回路１０，２０の状態判定を電子制御装置に出力する。この際に処理回路４０は、電子制御装置の通信方式に応じて湿度や状態判定を電子制御装置に出力する。例えば電子制御装置がデジタル信号を通信する方式を採用している場合、処理回路４０は湿度や状態判定をデジタル信号に変換して出力する。これとは異なり、例えば電子制御装置がアナログ信号を通信する方式を採用している場合、処理回路４０は湿度や状態判定をアナログ信号に変換して出力する。なお電子制御装置は異常判定を受け取ると、ユーザに異常を通知するための信号を生成し、その信号によって図示しない点灯器具を点灯させる。
【００２６】
次に、本実施形態に係る湿度センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、第２抵抗２５は第１抵抗１５とは材料構成が異なり、第１差分値が温度に対して変動し難くなるように第２抵抗２５の不純物濃度が予め作り込まれている。これにより第１差分値が温度に対して変動し難くなり、湿度の検出精度が温度によって低下することが抑制される。
【００２７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００２８】
本実施形態では湿度センサ１００が第３ＣＲ発振回路３０を有する例を示した。しかしながら湿度センサ１００は第３ＣＲ発振回路３０を有していなくともよい。
【００２９】
本実施形態では第２コンデンサ２４と第１コンデンサ１４とが電極の離間距離が異なる例を示した。しかしながら第２コンデンサ２４と第１コンデンサ１４とが電極の対向面積が異なってもよい。
【００３０】
本実施形態では図示しない温度センサによって温度を検出する例を示した。しかしながら上記したように第３発振周波数ｆ３は温度に依存する。したがって第３発振周波数ｆ３に基づいて温度を検出してもよい。若しくは、第１発振周波数ｆ１と第３発振周波数ｆ３とを差分し、乾湿膜の温度特性に基づいて温度を検出してもよい。このような温度の検出は処理回路４０で行われる。
【００３１】
本実施形態では第２抵抗２５の変形例として、第２抵抗２５が並列接続された互いに形成材料の異なる複数の選択抵抗と、各選択抵抗との電気的な接続を制御するスイッチ素子と、を有する構成を示した。しかしながらこれとは異なり、上記の複数の選択抵抗それぞれの形成材料が互いに等しくとも良い。ただしこの場合、選択抵抗と第１抵抗１５とは形成材料が異なる。
【００３２】
本実施形態では処理回路４０が、第１差分値から第３信号を差分した第２差分値の絶対値に基づいて、ＣＲ発振回路１０，２０の状態判定を行う例を示した。しかしながら上記したように乾湿膜が結露した場合や、第１〜第４電極が劣化した場合、発振周波数ｆ１，ｆ２の少なくとも一方が異常な値をとる。したがってこのような異常が発生した場合、第１差分値の絶対値も極端に低い、若しくは、極端に高い値をとる。そのため、第１差分値の絶対値に基づいてＣＲ発振回路１０，２０の状態判定を処理回路４０が行ってもよい。
【００３３】
本実施形態のＣＲ発振回路１０，２０，３０それぞれが複数のＮＯＴゲートを有し、これらによってリングオシレータが構成される例を示した。しかしながらＣＲ発振回路１０，２０，３０が、ＮＯＴゲートの他に、シュミットトリガ回路やオペアンプを有してもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１０…第１ＣＲ発振回路、１４…第１コンデンサ、１５…第１抵抗、２０…第２ＣＲ発振回路、２４…第２コンデンサ、２５…第２抵抗、４０…処理回路、１００…湿度センサ
【図１】
2016223885.tif 000003
【図２】
2016223885.tif 000004