(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿度が増加すると対数的にインピーダンスが減少し、湿度が減少するとインピーダンスが対数的に増加する特性を有する湿度センサと、
前記湿度センサに流す所定周波数の交流信号を前記湿度センサの入力端子に出力する発振回路と、
前記湿度センサの前記入力端子と前記出力端子にそれぞれ印加する所定の直流のバイアス電圧を発生するバイアス電圧発生回路と、
前記湿度センサの出力端子から出力される出力信号を対数圧縮した交流電圧に変換する対数圧縮回路と、
前記対数圧縮回路の出力電圧のピーク電圧を保持するピーク電圧保持回路と
前記ピーク電圧保持回路の出力電圧を増幅する増幅回路とを具備し、
前記湿度センサが低湿度領域における前記増幅回路の出力が非直線的に減少するような出力特性を有する湿度センサであって、
前記低湿度領域における前記湿度センサの出力特性を補償する補償回路を備えており、
前記補償回路は前記増幅回路の出力が予め定めた電圧以下になると、前記増幅回路の出力の減少が直線的な減少に近づくように、前記バイアス電圧発生回路から出力する前記バイアス電圧を前記増幅回路の出力の変化に応じて変化させる構成を有することを特徴とする湿度センサユニット。
【請求項２】
前記バイアス電圧発生回路は、基準電圧点の電位の変化に比例して前記湿度センサの前記入力端子と前記出力端子に印加する前記バイアス電圧を変化させるように構成されており、
前記補償回路は、
前記増幅回路の前記出力電圧が前記予め定めた電圧以下になる前記出力電圧の低下量に比例して変化する導通信号を出力する導通信号発生回路と、
前記導通信号の入力により導通し且つ前記導通信号の変化に応じてインピダンスが変化する半導体素子を含み、前記増幅回路の前記出力電圧の変化に逆比例の関係で前記バイアス電圧発生回路の前記基準電圧点の電位を変化させる電位調整回路とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサユニット。
【請求項３】
前記バイアス電圧発生回路は、
前記湿度センサの前記入力端子に一端が接続されたバイアス用抵抗体と該バイアス用抵抗体の他端に直列に接続されたコンデンサとからなる直列回路と、
前記湿度センサの出力が反転入力端子に入力され且つ非反転入力端子に前記基準電圧点の電圧が入力される演算増幅器と、
第１及び第２の分圧抵抗体が直列に接続されて構成され、基準電源電圧を予め定めた抵抗比率で分圧する分圧回路とを具備し、
前記バイアス用抵抗体の前記他端と前記分圧回路の分圧点とが電気的に接続され、
前記バイアス用抵抗体の一端と前記演算増幅器の前記非反転入力端子との間の電圧が前記バイアス電圧となり、前記分圧回路の前記分圧点が前記基準電圧点を構成するように構成されている請求項２に記載の湿度センサユニット。
【請求項４】
前記半導体素子は、ｐｎｐトランジスタからなり、前記ｐｎｐトランジスタのコレクタが第１の抵抗体を介して前記分圧回路の分圧点に接続され、前記ｐｎｐトランジスタのベースが第２の抵抗体を介して前記ｐｎｐトランジスタのエミッタに接続され且つ第３の抵抗体を介して前記増幅回路の出力端子に接続されており、
前記第２及び第３の抵抗体の抵抗値が、前記増幅回路の前記出力電圧が前記予め定めた電圧以下になると前記トランジスタの導通を開始させ且つ前記出力電圧が更に低下すると前記トランジスタの導通角を増大させるように定められて、前記第２及び第３の抵抗体により前記導通信号発生回路が構成され、
前記第１の抵抗体の抵抗値は、前記トランジスタの前記導通角の変化に応じて前記分圧回路の分圧点の電圧を変化させて、前記バイアス電圧を変化させるように定められて、前記第１の抵抗体と前記ｐｎｐトランジスタとにより前記電位調整回路が構成されている請求項２または３に記載の湿度センサユニット。
【請求項５】
前記バイアス電圧発生回路は、
前記湿度センサの前記入力端子に一端が接続されたバイアス用抵抗体と該バイアス用抵抗体の他端に直列に接続されたコンデンサとからなる直列回路と、
前記湿度センサの出力が反転入力端子に入力され且つ非反転入力端子に入力される演算増幅器と、
第１及び第２の分圧抵抗体が直列に接続されて構成されて、基準電源電圧を予め定めた抵抗比率で分圧する分圧回路とを具備し、
前記バイアス用抵抗体の前記他端と前記分圧回路の分圧点とが電気的に接続され、
前記バイアス用抵抗体と前記演算増幅器の前記非反転入力端子との間の電圧が前記バイアス電圧となるように構成されており、
前記対数圧縮回路は、前記演算増幅器の前記非反転入力端子と出力端子との間に逆並列接続された一対のダイオードを含んで構成され、
前記補償回路は、エミッタが前記基準電源電圧に接続され、コレクタが第１の抵抗体を介して前記分圧回路の前記分圧点に接続され、ベースが第２の抵抗体を介して前記エミッタに接続され且つ第３の抵抗体を介して前記増幅回路の出力端子に接続されたｐｎｐトランジスタを含んで構成され、
前記第２及び第３の抵抗体の抵抗値は、前記増幅回路の前記出力の前記出力電圧が前記予め定めた電圧以下になると前記トランジスタの導通を開始させ且つ前記出力電圧が更に低下すると前記トランジスタの導通角を増大させるように定められ、
前記第１の抵抗体の抵抗値は、前記トランジスタの前記導通角の変化に応じて
前記分圧回路の分圧点の電圧を変化させて、前記バイアス電圧を変化させるように定められている請求項１に記載の湿度センサユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、湿度センサの出力電流を対数圧縮して得られる出力電圧と相対湿度のリニアな関係を低い相対湿度の領域まで成立させる補償回路を備えた湿度センサユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、湿度の変化に応じてインピーダンスが変化する感湿性高分子ポリマーを用いた湿度センサユニットのインピーダンスと相対湿度の関係を示すものである。湿度センサユニットの構造は例えば特開平１０−３１０００号公報、図１０（Ａ）で説明されているようなものである。一対の電極間のインピーダンス値と相対湿度との間には、図５に示すように縦軸に対数目盛を取り横軸に線形の目盛りを取ると直線に近い下に凸のなだらかな減少関数の関係がある。図５において、黒四角の測定点で示す線が５℃の特性であり、黒丸の測定点で示す線が２５℃の特性であり、黒三角の測定点で示す線が４５℃の特性である。相対湿度に対して、インピーダンスの変化は５〜６桁の範囲に及ぶ。従って湿度センサに一定電圧を印加した場合の出力電流には、湿度の関数として同じく５〜６桁の変化が起こる。そのため湿度センサの出力を処理する回路では、まず電流を対数圧縮する必要がある。ここで対数圧縮とは、数桁におよぶ変化を対数的に圧縮して、処理し易いまたは使い易い範囲内の変化に変換することである。従来のユニットでは湿度センサの出力電流を対数圧縮して電圧に変換している。対数圧縮された電圧は相対湿度の関数として直線に近い上に凸の増加関数になる。この湿度センサの電圧と湿度の関係の直線性は温度によって変化し、温度の違いによってほぼ平行な直線群になる。これらの温度によって異なる平行な直線群が温度によらず同じ直線上に乗るようにする温度補償の方法が提案されている。
【０００３】
この湿度センサの出力を対数圧縮して、しかも温度補償する温度補償回路を備えた従来の湿度センサユニットとしては、半導体ダイオードやサーミスタを用いた対数圧縮回路や温度補償回路を用いるものや、予め温度補正変換テーブルを用意しコンピュータを用いてこの温度補正変換テーブルから適切な出力値を選択するもの等がある。しかるに従来の湿度センサユニットにおいては、対数軸で表示したインピーダンスと相対湿度との関係が直線関係でないことから、湿度センサユニットの対数変換された出力電圧と相対湿度との関係は直線からはづれてくる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の湿度センサユニットでは、対数変換された出力電圧と相対湿度との直線関係を湿度センサユニットの測定範囲の低湿度領域まで拡大することができなかった。マイコンを利用するとこのような非直線性を補正することが出来る。しかしマイクロコンピュータを用いると、出力電圧と相対湿度関係の線形性の補償精度は高くなるものの湿度センサユニットの価格は非常に高くなる。
【０００５】
本発明の目的は、対数圧縮と線形化補償とをすることができる湿度センサユニットを従来よりも安価に提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、線形化補償を行うための回路構成が従来よりも簡単な湿度センサユニットを提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、対数圧縮をダイオードを用いて実現し、線形化補償をトランジスタを用いて実現した安価な湿度センサユニットを提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、ダイナミックレンジが広く且つ低い湿度まで線形に検出できる湿度センサユニットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、湿度の変化に応じて対数的にインピーダンスが変化する特性を有する湿度センサの出力を対数圧縮して、しかも線形化補償することができる湿度センサユニットを対象とする。湿度センサは、低湿度領域における増幅回路の出力が非直線的に変化する出力特性を有している。
【００１０】
本発明の湿度センサユニットでは、湿度センサの他に、湿度センサに流す所定周波数の交流信号を出力する発振回路と、湿度センサに印加するバイアス電圧を発生するバイアス電圧発生回路と、湿度センサの出力信号を対数圧縮する対数圧縮回路と、対数圧縮回路の交流電圧出力のピーク電圧を保持するピーク電圧保持回路と、ピーク電圧保持回路の出力を増幅する増幅回路と、増幅回路の出力電圧と相対湿度との直線関係を補償する、即ち低湿度領域における湿度センサの出力特性を補償する補償回路とを具備する。
【００１１】
対数圧縮回路としては、湿度センサから出力される電流信号を電圧信号に変換するとともに対数圧縮するものを用いるのが好ましい。このような回路としては、逆並列接続された２つのダイオードを含み、湿度センサから出力された電流信号を分極の影響を配慮し、逆接続した２つのダイオードを双方向に流すことによって電流を対数圧縮した電圧信号に変換する対数圧縮回路がある。実際の回路ではダイオードの回路と演算増幅器を組み合わせる。このような対数圧縮回路を用いると、簡単な構成でしかも安価に対数圧縮回路を構成することができる。
【００１２】
ダイオードとしては半導体ＰＮ接合ダイオードを用いることができる。ＰＮ接合ダイオードの順方向電流Ｉとバイアス電圧Ｖとの関係が対数的に変化する。即ち、ＰＮ接合ダイオードのＩＶ特性には  Ｖ＝（１／ｂ）ｌｎ（Ｉ／Ｉ０）の関係があり、電圧Ｖは電流Ｉの対数変換になる。ただしｌｎ（ｘ）はｘの自然対数、Ｉ０は電流の次元を持つ定数、１／ｂは絶対温度に比例する定数で、摂氏２７度で０．０２５９Ｖになる。電流の対数変換にはこの関係を利用することができる。その結果、ダイオードの出力電圧は湿度センサの出力電流（インピーダンス）を対数圧縮したものとなる。
【００１３】
実際の測定では分極をさけるために湿度センサには発振回路で発生した矩形波形の交流電圧を印加し、矩形波形の交流電流を測定する。そうして膜に印加する交流電流の最大振幅を対数変換した交流出力電圧の最大ピーク値を相対湿度の関数として測定する。つまり対数圧縮回路の出力のうち一方の極性の半波信号のピーク電圧をピーク電圧保持回路で取り出し、これを増幅回路で増幅すれば、所定の電圧範囲でその出力電圧と相対湿度とはリニアな関係となる。
【００１４】
しかしながらこのままでは実際の測定結果では出力電圧と相対湿度の直線関係は得られない。そこで本発明では、出力電圧と相対湿度の間の直線関係を低湿度領域まで保たせる補償回路を設ける。この補償回路は増幅器の出力電圧の低下が予め定めた電圧以下になると電圧の低下の程度に従ってバイアス電圧発生回路に信号を出力し、バイアス電圧発生回路から出力するバイアス電圧を増幅回路の出力の変化に応じて変化させることによって増幅回路の出力の減少が直線的な減少に近づくようにする。
【００１５】
低湿度領域で出力電圧の補償を行わないと直線関係が得られない理由を今少し詳しく説明する。例えば図５の湿度センサユニットの２端子間のインピーダンスＲを対数尺表示したものと相対湿度Ｈの関係とを近似的に直線と見なす場合を考える。膜にピーク電圧Ｖ０の交流電圧を印加すると膜を流れる交流電流のピーク電流ＩはＩ＝Ｖ０／Ｒとなる。この交流電流を半導体のＰＮ接合ダイオードを通した場合、ＰＮ接合ダイオードの端子に現れる交流電圧のピーク電圧ＶとＨの関係は次式で与えられる。
【００１６】
Ｖ＝（ａ／ｂ）Ｈ＋Ｈに依存しない項                            （１）
つまり対数変換されたピーク電圧Ｖは相対湿度Ｈの１次関数で表される。（１）式の第１項の係数のａはインピダンスの対数表示と相対湿度Ｈとの関係の直線の勾配を表している。実験によるとａ／ｂは絶対温度で変化しない定数になる。これに対して第２項は温度で大きく変化する。このため温度が変化するとＶＨの関係は平行な直線関係を示す。
【００１７】
しかしながら、以上の電圧と相対湿度の線形の関係を表す（１）式を得るにはインピダンスの対数と相対湿度との間に直線関係が成立することが前提となっている。しかるに図５に示した対数尺表示のインピーダンスと相対湿度との関係の実測データは直線関係よりも下に凸の関係にある。このため、対数変換された測定データから得られる出力電圧ＶとＨとの関係は実際には（１）式のような直線関係にはなく、上に凸の関係になる。その結果、高湿度側から直線関係を外挿していくと、低湿度側における直線からのずれは無視できない程度に著しいものになる。したがって低湿度領域では出力電圧を補償しないと直線関係が得られない。出力電圧Ｖと相対湿度Ｈとの直線関係は低湿度領域まで測定感度を保つためには重要な条件である。
【００１８】
本発明では、センサユニットの低湿度領域における出力電圧の補償を行うためにバイアス電圧発生回路と補償回路を用いる。この補償回路は、導通信号発生回路と電位調整回路とから構成される。導通信号発生回路は増幅器の出力電圧が予め定めた電圧以下になるとｐｎｐトランジスタのエミッタ・ベース間に電圧を印加し、それによってトランジスタがオンするような導通信号を発生する回路である。導通信号発生回路は増幅回路の出力電圧がこの予め定めた電圧以下になると、出力電圧の低下量に比例して変化する導通信号を電位調整回路に出力する。電位調整回路は例えばｐｎｐトランジスタを含み、導通信号の入力により導通し、且つ導通信号の変化に応じてインピーダンスが変化する。このｐｎｐトランジスタのエミッタの電圧は基準電源電圧に固定されている。またこのｐｎｐトランジスタのベースは抵抗を介して基準電源電圧に接続され、基準電源電圧より低電圧に直流的にバイアスされている。更にｐｎｐトランジスタのコレクタは抵抗体を介して分圧回路の分圧点に接続されている。増幅回路の出力電圧の低下によってベースの電位が低下するとコレクタ電流がバイアス電圧発生回路に出力され、バイアス電圧発生回路の基準電圧点の電位を上昇させる。その結果バイアス電圧発生回路が増幅回路の出力電圧の低下を直線関係が保たれるように補償する。
【００１９】
このバイアス電圧発生回路は、湿度センサユニットにバイアス電圧を印加する回路で、バイアス用抵抗体とコンデンサとからなる直列回路と、第１及び第２の抵抗体からなる分圧回路とで構成されている。分圧回路は第１及び第２の分圧抵抗体が直列に接続された構成になっていて、基準電源電圧を予め定めた抵抗比率で分圧して分圧点に基準電圧を発生する。直列回路は湿度センサの入力端子に一端が接続されたバイアス用抵抗体とバイアス用抵抗体の他端に直列に接続されたコンデンサとからなる。このコンデンサはバイアス用抵抗体とコンデンサとの接続点の電位を直流的に前述の基準電圧に保ち、センサの入力端子の電位を基準電圧に発振回路からの交流電圧を加算した電圧に保持する役目を果たしている。分圧回路の２つの分圧抵抗体の接続点と前述の直列回路のバイアス用抵抗体とコンデンサとの接続点は互いに接続され、これらの接続点の共通電位が基準電圧であり、これがバイアス電圧発生回路の出力になる。この基準電圧は補償回路の電位調整回路の出力電流によって増幅回路の出力電圧が相対湿度の関数として直線性を保つように変化する。
【００２０】
対数圧縮回路は演算増幅器を含んで構成することができる。この演算増幅器には湿度センサの出力が反転入力端子に入力され且つ非反転入力端子に分圧回路で生成された基準電圧が入力される。演算増幅器の出力端子の電位は対数変換された交流電圧に基準電圧を加算したものになる。増幅回路の出力電圧が相対湿度の関数として直線性を保つことができないほどに低下すると、基準電圧が補償回路によって補償されて、増幅回路の出力電圧は相対湿度の関数として直線性を保つように上昇する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の湿度センサユニットの実施の形態の一例について説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。図３は詳細な回路図である。これらの図において、１は湿度センサ５に印加する所定周波数の矩形波形の交流信号［図２（Ａ）参照］を出力する発振回路である。例えば感湿性高分子ポリマからなる感湿膜を有する湿度センサ５に直流を印加すると電気分極が発生するため、交流信号を発生する発振回路１が必要になるのである。３は直流分カット用のコンデンサＣ２を含む回路である。５は湿度の変化に応じて対数的にインピーダンスが変化し且つ周囲の温度変化の影響を受けてインピーダンスが変化する温度特性を有する湿度センサであり、具体的には感湿性高分子ポリマからなる感湿膜を有する湿度センサである。例えば図５のようなインピーダンスと相対湿度との関係を示す特性を有する膜である。そして７は、湿度センサ５から出力される電流信号を電圧信号に変換するとともに対数圧縮する対数圧縮回路である。図２（Ｂ）は対数圧縮回路７の出力電圧を示している。対数圧縮回路７には演算増幅器ＯＰ２が含まれている。その働きについては後で述べる。９は対数圧縮回路７の出力のうち一方の極性の半波信号のピーク値を検出してピーク値を示すピーク値信号を出力するピーク電圧保持回路である。図２（Ｃ）はピーク電圧保持回路９の出力を示している。１０は湿度センサ５の温度変化による特性の変動を補償する温度補償回路である。１１はピーク電圧保持回路の出力信号を増幅する増幅回路である。
【００２２】
１３は低湿度領域における増幅回路１１の出力電圧と相対湿度の変化との関係が直線的になるように湿度センサ５の特性を補償するための補償回路である。補償回路１３は導通信号発生回路１３ａと電位調整回路１３ｂとから構成される。導通信号発生回路１３ａは増幅回路１１の出力電圧が予め定めた電圧以下になると、増幅回路１１の出力電圧の低下量に比例して変化する導通信号を発生し、これを電位調整回路１３ｂに出力する。電位調整回路１３ｂは導通信号の変化に応じてインピーダンスが変化する半導体素子（トランジスタＴｒ１）を含み、増幅回路１１の出力電圧の変化に反比例の関係でバイアス電圧発生回路１５の基準電圧点の電位を変化させる。
【００２３】
バイアス電圧発生回路１５は分圧回路１５ａと直列回路１５ｂと演算増幅器ＯＰ２とから構成されている。分圧回路１５ａは、第１及び第２の分圧抵抗体Ｒ１５及びＲ１６により構成されて、基準電源電圧を予め定めた比率で分圧した基準電圧を分圧点に発生し、湿度センサ５の出力端の直流レベルを基準電圧に固定する。この基準電圧は補償回路１３の電位調整回路１３ｂの出力によって変化する。抵抗体Ｒ７とコンデンサＣ３とからなる直列回路１５ｂは湿度センサ５の入力端子の直流電圧レベルを分圧回路１５ａで決まった基準電圧に固定し且つ発振回路１から出力される矩形波形の交流電圧を湿度センサ５の端子間に出力する。
【００２４】
湿度センサ５の出力は対数圧縮回路７の一部を構成する演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子に入力され且つ非反転入力端子に分圧回路１５ａからの基準電圧が入力される。演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子と出力端子とは逆接続したダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂに接続され、対数変換の機能を果たす。演算増幅器ＯＰ２の出力端子の電圧は、湿度センサ５を流れる電流をダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂで対数変換した交流電圧に分圧回路１５ａからの基準電圧を加算したものになる。この出力電圧はピーク電圧保持回路９を通過し、増幅回路１１に入力される。増幅回路１１は定められた倍率分だけピーク電圧保持回路９の出力を増幅する。図２（Ｄ）は増幅回路１１の出力を示している。
【００２５】
補償回路１３は、増幅回路１１の出力電圧が予め定めた電圧より低い電圧になると、バイアス電圧発生回路１５に対し湿度センサ５の出力の低下分を補償するための補償信号を発生し、バイアス電圧発生回路１５は湿度センサ５の出力の低下を補償する基準電圧を出力する。
【００２６】
次に図３の回路図を詳細に説明する。図３において、図１に示した部分と同じ部分には、図１に付した符号と同じ符号を付してある。矩形波の交流電圧信号を出力する発振回路１は、図２（Ａ）に示すような矩形波信号を出力するＩＣによって構成された演算増幅器ＯＰ１と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、コンデンサＣ１とから構成される。
【００２７】
発振回路１から出力された矩形波状の交流信号は、図１の３に相当する直流分カット用のコンデンサＣ２を介して湿度センサ５の入力端子に入力されている。この例では、湿度センサ５として北陸電気工業株式会社がＨＩＳ−０２の製品番号で販売する抵抗変化型の湿度センサを用いている。この湿度センサ５は、湿度の変化に応じて、湿度センサ５の入出力端子間のインピーダンスが対数的に変化する。
【００２８】
湿度センサ５の出力端子には、対数圧縮回路７が接続されている。この対数圧縮回路７は、演算増幅器ＯＰ２とダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂとから構成される。演算増幅器ＯＰ２の−入力端子（反転入力端子）と出力端子との間には、逆並列接続された２つのダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂの逆並列回路が接続されている。そして演算増幅器ＯＰ２の−入力端子には湿度センサ５の出力端子が接続されている。また演算増幅器ＯＰ２の＋入力端子（非反転入力端子）には、バイアス電圧発生回路１５の分圧回路１５ａの分圧点、即ち基準電圧点（抵抗１５と抵抗Ｒ１６との接続点）から基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。湿度センサ５の入力端子にかかる電圧が発振回路１のパルス電圧の負のピーク電圧−Ｖ０だとすると、湿度センサ５を発振回路１に向かう矩形波形の電流のピーク値ＩはＩ＝Ｖ０／Ｒとなる。
【００２９】
湿度センサ５から出力された矩形波状の交流電流は、２つのダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂを通ることによって、対数圧縮された交流電圧に変換される。この対数圧縮された電圧が基準電圧Ｖｒｅｆを基準として演算増幅器ＯＰ２の出力端子に現れる。この出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔはセンサ５を流れる電流を対数変換した電圧の正のピーク値に基準電圧Ｖｒｅｆを加えたものになる。この出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔが対数圧縮回路７の演算増幅器ＯＰ２の出力端子に現れる。ダイオードＤ１ａとＤ１ｂを流れる電流が対数圧縮された結果、図２（Ｂ）に示すように上下が潰れたような波形の電圧信号が対数圧縮回路７から出力される。今、基準電圧Ｖｒｅｆが相対湿度の変化で変化しないとすると、ｌｏｇＲの相対湿度Ｈに対する依存性は図５のような下に凸の関係であることから、対数圧縮回路７の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔの相対湿度依存性は上に凸の関係になり、直線関係にならない。これを基準電圧Ｖｒｅｆの相対湿度依存性に下に凸の関係をうまく導入して出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔと相対湿度Ｈの直線関係を出すのが後で述べる補償回路１３とバイアス電圧発生回路１５との目的である。
【００３０】
ピーク電圧保持回路９は、演算増幅器ＯＰ３とダイオードＤ３とコンデンサＣ４とから構成されている。演算増幅器ＯＰ３の＋入力端子に対数圧縮回路７の出力信号が入力される。演算増幅器ＯＰ３の出力端子はダイオードＤ３のアノードに接続される。ダイオードＤ３のカソードは演算増幅器ＯＰ３の−入力端子につながり、またコンデンサＣ４を介して接地されている。ピーク電圧保持回路９は、対数圧縮回路７から出力される電圧信号［図２（Ｂ）参照］のうち正極性の電圧信号ＶｏｕｔだけをダイオードＤ３を通して出力して、その出力でコンデンサＣ４を充電する。コンデンサＣ４の非接地側の端子がピーク電圧保持回路９の出力端子となる。
【００３１】
温度補償回路１０はコンデンサＣ４の非接地側端子を抵抗Ｒ１２、Ｒ１３及びダイオードＤ２ａとＤ２ｂを介してグランドに接続する構成になっている。ダイオードＤ２ａ及びＤ２ｂの極性はコンデンサＣ４の充電電圧が高くなると、電流がこれらの部品を通過して放電し、温度補償回路１０の出力端子であるＲ１３，Ｒ１２の接続点の電圧が常に充電電圧（対数圧縮回路７の正極性の電圧信号のピーク値）を温度補償した値になるようになっている。温度補償回路１０の詳細は特開平１０−３１０００号公報に記述されている。
【００３２】
増幅回路１１は、演算増幅器ＯＰ４、抵抗Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ２０，Ｒ２１により構成されている。直列接続された抵抗Ｒ２０，Ｒ２１は基準電源電圧を予め定めた分圧比で分圧し、接続点の電圧を決定する。この電圧を第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２とする。第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２は抵抗Ｒ１０を介して演算増幅器ＯＰ４の−入力端子に接続されている。演算増幅器ＯＰ４の出力端子は抵抗Ｒ１１を介して−入力端子に接続され、これに負帰還増幅器が構成されている。ピーク電圧保持回路７の出力は抵抗Ｒ１３を介して演算増幅器ＯＰ４の＋入力端子に温度補償された信号として入力される。増幅回路１１は正値増幅器を構成している。対数圧縮回路７の出力のピーク電圧Ｖｏｕｔが、ピーク電圧保持回路９で保持され、更に温度補償された信号として増幅回路１１に入力され、これが増幅回路１１の演算増幅器ＯＰ４で増幅されて、出力電圧Ｖｏｐ４として出力される。増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４は対数圧縮回路７の出力電圧のピーク電圧Ｖｏｕｔの増加関数になる。
【００３３】
インピーダンス変換回路１７は演算増幅器ＯＰ５により構成される。演算増幅器ＯＰ５は＋入力端子に増幅回路１１の出力電圧が入力され、演算増幅器ＯＰ５の出力端子が−入力端子に接続された正値の負帰還増幅器である。インピーダンス変換回路１７は入力インピーダンスの低い外部の装置を接続してもセンサユニットの出力電圧が変動しないようにインピーダンス変換する働きをする。
【００３４】
増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が低湿度領域で相対湿度の関数として直線的であるためには、出力電圧Ｖｏｐ４が相対湿度に対して直線関係の値より低下したとき、基準電圧点の電位Ｖｒｅｆを増加させてやればよい。そうすれば対数圧縮回路７の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔが増加し、その結果増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が増加し、出力電圧Ｖｏｐ４の相対湿度Ｈの関係としての直線性が回復する。
【００３５】
補償回路１３とバイアス電圧発生回路１５は増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が低湿度領域で相対湿度の関数として直線性を示すよりも低下したとき、基準電圧点の電位Ｖｒｅｆを増加させる働きをする。補償回路１３は導通信号発生回路１３ａと電位調整回路１３ｂで構成される。導通信号発生回路１３ａは抵抗Ｒ１８、Ｒ１９で構成され、電位調整回路１３ｂはｐｎｐトランジスタＴｒ１と抵抗Ｒ１７からなる。これらは密接につながって動作するのでまとめて説明する。ｐｎｐトランジスタＴｒ１のエミッタは基準電源電圧Ｖｃｃに直接つながり、エミッタ電位はＶｃｃに固定される。ｐｎｐトランジスタＴｒ１のベースは抵抗Ｒ１８を介して基準電源電圧Ｖｃｃに接続され、基準電源電圧より低電圧にバイアスされている。更にｐｎｐトランジスタＴｒ１のベースは抵抗体Ｒ１９を介して増幅回路１１の演算増幅器ＯＰ４の出力端子に接続されている。ｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタは抵抗Ｒ１７を介して分圧回路１５ｃの基準電圧点の電位Ｖｒｅｆに接続される。以上の構成でｐｎｐトランジスタＴｒ１のエミッタベース先ず、ｐｎｐトランジスタＴｒ１が活性領域にある場合について説明する。但し本発明はｐｎｐトランジスタＴｒ１が活性領域にあるときだけでなく、後で述べる飽和領域にある時も含む。ｐｎｐトランジスタＴｒ１が活性領域にある場合は、ｐｎｐトランジスタＴｒ１のエミッタ・ベース間の電位差ＶＥＢはエミッタの電位Ｖｃｃと増幅回路１１の演算増幅器ＯＰ４の出力電位Ｖｏｐ４と対数圧縮回路７のピーク電圧Ｖｏｕｔとを用いて、次式のように書ける。
【００３６】
ＶＥＢ＝（Ｖｃｃ−Ｖｏｐ４）／（１＋Ｒ１９／Ｒ１８）
＝Ｖｏｕｔの減少関数                                    （２）
これを用いてｐｎｐトランジスタＴｒ１のエミッタからベースへの注入電流ＩＥは
ＩＥ＝Ｉ０［ｅｘｐ（ｂ・ＶＥＢ）−１］                        （３）
と書ける。ここで、ｂは絶対温度に逆比例する定数で、摂氏２７度で３８．９／Ｖになる。（３）式のＩＥがｐｎｐトランジスタＴｒ１のオン電流Ｉｏｎに達するＶＥＢをＶｏｎとすると、この電圧は大略０．３〜０．７位になる。この時の対数圧縮回路７の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔを補償回路作動のためのＶｏｕｔｏのしきい値電圧Ｖｔｈとすると、対数圧縮回路の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔがこの予め定めた電圧Ｖｔｈ以下で補償回路が動作を始める。またこの時の増幅回路１１の演算増幅器ＯＰ４の出力電圧Ｖｏｐ４を補償回路が動作し始める予め定めた電圧として設定する。この時の増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４を例えば相対湿度Ｈ＝５０％の時の出力電圧に設定しておけば、相対湿度Ｈが５０％以下でｐｎｐトランジスタＴｒ１がオンになって補償回路１３が動作するように設定することができる。
【００３７】
バイアス電圧発生回路１５は分圧回路１５ａと直列回路１５ｂで構成されている。分圧回路１５ａは２つの分圧抵抗体Ｒ１５，Ｒ１６が直列に接続された構成になっていて、その接続点（基準電圧点）が基準電源電圧Ｖｃｃを抵抗Ｒ１５，Ｒ１６によって予め定めた比率で分圧した基準電圧Ｖｒｅｆを発生する。ｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタ電流Ｉｃがバイアス電圧発生回路１５の基準電圧Ｖｒｅｆを増加させる。これはｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタの電流Ｉｃが抵抗Ｒ１６を通って接地レベルに放電されるので、ＩＲドロップによって基準電圧点の電位を押し上げるからである。ｐｎｐトランジスタのコレクタ電流Ｉｃは（３）式のエミッタ電流ＩＥに等しい。従って、増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が少しづつ減少するにつれて分圧回路１５ａが発生する基準電圧Ｖｒｅｆは比較的急激に増加していく。従ってもし湿度センサの出力電圧Ｖｏｐ４が直線関係よりも急激に低下すると、基準電圧Ｖｒｅｆが増加し、その結果対数圧縮回路の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔが増加し、増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が増加する。こうして増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４の出力の減少を補償することができる。
【００３８】
次にｐｎｐトランジスタＴｒ１が飽和領域にある場合について説明する。これは増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が著しく低下した場合に相当する。ｐｎｐトランジスタＴｒ１の飽和領域ではｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタ電位がエミッタ電位Ｖｃｃの方向に引き寄せられる。この場合もｐｎｐトランジスタＴｒ１は増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４の低下によって分圧回路１３ｂが発生する基準電圧Ｖｒｅｆを急激に増加させる働きをする。
【００３９】
直列回路１５ｂは湿度センサ５の入力端子に一端が接続されたバイアス用抵抗体Ｒ７とバイアス用抵抗体Ｒ７の他端に直列に接続されたコンデンサＣ３とからなる。分圧回路１５ａの２つの分圧抵抗体Ｒ１５，Ｒ１６の接続点と直列回路１５ｂの抵抗体Ｒ７とコンデンサＣ３の接続点は接続され、接続点の共通の接点（基準電圧点）の電位が基準電圧Ｖｒｅｆであり、これがバイアス電圧発生回路１５の出力になる。この基準電圧Ｖｒｅｆは補償回路１３の電位調整回路１３ｂの電圧調整用ｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタ電流によって増加する。
【００４０】
対数圧縮回路７の演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、反転入力端子には湿度センサ５からの矩形波交流電流が入力される。対数圧縮回路７の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔはこの電流をダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂで対数変換した矩形交流電圧に基準電圧Ｖｒｅｆを加算した電圧のピーク値になる。増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が予め定めた電圧以下に低下すると電圧調整用ｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタ電流が増加し、その結果分圧回路の基準電圧Ｖｒｅｆが増加する。すると対数圧縮回路７のピーク出力電圧Ｖｏｕｔが増加し、その結果温度補償回路１０の出力電圧が増加し、更に増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が増加する。こうして増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４の出力が相対湿度Ｈの関数として直線関係を保つように補償される。
【００４１】
図４は、図３の実施例から得られる相対湿度Ｈと増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４との関係を示す実測データである。測定温度は摂氏２５度である。黒い点は補償回路１３を作動させない場合の出力電圧と相対湿度との関係を示す特性である。全体的には直線に近い特性であるが上に凸の特性を示している。相対湿度４０％以下では、相対湿度の低下に伴い直線的特性よりも急激に下がっている。
【００４２】
白丸で示す特性は補償回路１３を作動させた場合の特性である。このデータから分かるように、この実施例によれば相対湿度１０％から９０％の全域で出力電圧と相対湿度の関係は直線的な特性を示しており、低湿度領域まで直線性が保たれている。更に、この例ではダイナミックレンジ（電圧と湿度との関係が直線的になる領域）即ち出力電圧の幅が、補償回路が作動させない場合のユニットにより得られるダイナミックレンジよりも広くなっている。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイオードの特性を利用した対数圧縮を用いることによって、湿度センサユニットを従来よりも安価に提供することができる。また出力電圧と相対湿度の特性で出力電圧が直線的な特性より低下したとき、予め定めた電圧以下になるとトランジスタの帰還回路が作動し始めて出力電圧と相対湿度の関係が直線になるように補償を行うと、簡単な回路構成で、広いダイナミックレンジの湿度センサを安価に提供することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の湿度センサユニットの実施の形態の一例の構成を示すブロックである。
【図２】  （Ａ）〜（Ｄ）は図１の各部の出力波形を示す図である。
【図３】  図１の実施の形態の一実施例の回路図を示している。
【図４】  図３の実施例から得られる相対湿度と平滑した出力電圧との関係を示す実測データである。
【図５】  湿度の変化に応じて対数的にインピーダンスが変化し且つ周囲の温度変化の影響を受けてインピーダンスが変化する温度特性を有する湿度センサのインピーダンス値と相対湿度との関係を示している。
【符号の説明】
１  発振回路
３  コンデンサ
５  湿度センサ
７  対数圧縮回路
９  ピーク電圧保持回路
１０  温度補償回路
１１  増幅回路
１３  補償回路、１３ａ導通信号発生回路、１３ｂ電位調整回路
１５  バイアス電圧発生回路、１５ａ分圧回路、１５ｂ直列回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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