(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の高分子膜の両側を複数の貫通孔を有する一対の電極で挟み、前記各電極の前記第一の高分子膜と反対側に第二の高分子膜を配置し、前記各第二の高分子膜の前記電極と反対側にストッパを配置し、前記ストッパは前記第一の高分子膜、前記電極、および前記第二の高分子膜を挟んだ該ストッパ間の距離が前記第一の高分子膜および前記第二の高分子膜の吸水により発生する膨張力を受けても変化しないような固定手段が施されていることを特徴とする湿度センサ。
【請求項２】
前記固定手段は、前記ストッパを前記第一の高分子膜、電極、および前記第二の高分子膜を包囲する枠体に固定または枠体の一部としたことによるものであることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項３】
前記ストッパは複数の貫通孔を有していることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の湿度センサ。
【請求項４】
前記第一の高分子膜および前記第二の高分子膜はいずれも同一の素材で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の湿度センサ。
【請求項５】
前記第一の高分子膜の膜厚は前記第一の高分子膜、前記電極、および前記第二の高分子膜を挟んだ前記第二の高分子膜の膜厚の合計に等しいか、またはそれ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の湿度センサ。
【請求項６】
前記第二の高分子膜の膜厚は互いに等しいことを特徴とする請求項５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、湿度センサに関するものであり、詳しくは、静電容量式の湿度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の静電容量式湿度センサでは、誘電体である高分子に水分子が付着すると高分子の誘電率が大きくなることを利用した方式のものが提案されている。例えば図６の断面図に示すように、誘電体層となる高分子膜５０の両側を金属からなる一対の電極５１で挟み、高分子膜５０に対する該高分子膜５０に吸収された水の比率の変化による容量変化を両電極５１で捉えて電気的な湿度情報に変換し、制御信号として後段の信号処理回路に出力するものである。
【０００３】
上述の湿度センサ５２は、高分子膜の比誘電率が３程度であるのに対して水の比誘電率が８０前後と高く、高分子膜と水の比誘電率の差が大きいことから高分子に水分子が付着することによって高感度の湿度センサが実現するというものである（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許第２８４６９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記構成の湿度センサ５２は、高分子膜５０の誘電率をε、電極５１の面積をＳ[ｍ２]、電極５１間の距離（高分子膜５０の層厚）をｄ[ｍ]とすると、静電容量Ｃ[Ｆ]は下記式（１）
Ｃ＝ε（Ｓ／ｄ）            （１）
で表され、Ｃとεは比例関係にある（Ｃ∝ε）。
【０００５】
ところが、高分子膜５０に水が吸収されると高分子膜５０が膨張し、電極５１間の距離ｄが長くなる現象が発生する。すると、式（１）より電極５１間の距離ｄの値が大きくなると静電容量Ｃの値が小さくなり、誘電率εの増加が関係式（１）に反して静電容量Ｃの小容量化の方向に働くことになる。
【０００６】
そのため、高分子膜の膨張が湿度感度を低下させ、測定精度の高精度化の妨げとなるという問題がある。この問題は上記構成の静電容量式湿度センサに共通する課題である。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、本発明の目的とするところは、水の吸収による高分子膜の膨張を抑制することによって湿度感度が高く、且つ測定精度の良好な湿度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、第一の高分子膜の両側を複数の貫通孔を有する一対の電極で挟み、前記各電極の前記第一の高分子膜と反対側に第二の高分子膜を配置し、前記各第二の高分子膜の前記電極と反対側にストッパを配置し、前記ストッパは前記第一の高分子膜、前記電極、および前記第二の高分子膜を挟んだ該ストッパ間の距離が前記第一の高分子膜および前記第二の高分子膜の吸水により発生する膨張力を受けても変化しないような固定手段が施されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記固定手段は、前記ストッパを前記第一の高分子膜、電極、および前記第二の高分子膜を包囲する枠体に固定または枠体の一部としたことによるものであることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２のいずれか１項において、前記ストッパは複数の貫通孔を有していることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記第一の高分子膜および前記第二の高分子膜はいずれも同一の素材で形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれか１項において、前記第一の高分子膜の膜厚は前記第一の高分子膜、前記電極、および前記第二の高分子膜を挟んだ前記第二の高分子膜の膜厚の合計に等しいか、またはそれ以上であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項５において、前記第二の高分子膜の膜厚は互いに等しいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の湿度センサは誘電体として高分子膜を使用した静電容量式の湿度センサであり、高分子膜が吸水によって膨張することを機械的応力で抑制する機構を備えたものである。
【００１７】
その結果、湿度感度および測定精度の向上が図られ、本発明の湿度センサを使用することにより制御性が良好な湿度制御システムを構築することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図５を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
【実施例１】
【００１９】
図１は本発明の湿度センサに係わる実施例１の半断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。本実施例の湿度センサ１は筒状の枠体２の中央部に第一の高分子膜３を配置し、該第一の高分子膜３の両側を水分を透過する網状または多孔質の一対の電極４ａ、４ｂで挟んでいる。なお、高分子膜は、ポリイミド系の材料を用いている。
【００２０】
夫々の電極４ａ、４ｂからは各電極４ａ、４ｂに接続されたリード線５ａ、５ｂが枠体２を貫通して外部まで延びていると共に、各電極４ａ、４ｂの前記第一の高分子膜３と反対側に第一の高分子膜３と同一素材からなる第二の高分子膜６ａ、６ｂが配置されている。
【００２１】
更に、各第二の高分子膜６ａ、６ｂの前記電極４ａ、４ｂと反対側に水分を透過する網状または多孔質の蓋体７ａ、７ｂが配置され、蓋体７ａ、７ｂはいずれも枠体２に固定されている。
【００２２】
つまり、第一の高分子膜３が一対の電極４ａ、４ｂによって挟まれ、第二の高分子膜６ａ、６ｂの夫々が電極４ａと蓋体７ａ、電極４ｂと蓋体７ｂによって挟まれた積層構造となっている。このとき、両最外側に位置する蓋体７ａ、７ｂは夫々枠体２に固定されているため、蓋体７ａ、７ｂの互いに対向する側の面同士の間の距離Ｌも固定された状態となっている。
【００２３】
この場合、図２のように、第一の高分子膜３の膜厚をｄ１、第二の高分子膜６ａ、６ｂの夫々の膜厚をｄ２、ｄ３とすると、各膜厚ｄ１、ｄ２、ｄ３の間にはｄ１＝ｄ２＋ｄ３の関係が成り立つことが好ましい。
【００２４】
これにより、第一の高分子膜３および第二の高分子膜６ａ、６ｂがいずれも同一の吸水率の場合、第一の高分子膜３の膨張力をＰ１、第二の高分子膜６ａ、６ｂの夫々の膨張力をＰ２、Ｐ３すると、各膨張力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３はＰ１＝Ｐ２＋Ｐ３の関係となり、少なくとも第一の高分子膜３の膜厚ｄ１はほとんど変化を生じることはないか、逆に縮小する。従って、湿度感度の高い湿度センサが実現できる。また、第二の高分子膜６ａ、６ｂの吸水率を第一の高分子膜３の吸水率より大きいものとしてもよい。
【００２５】
また、各高分子膜の膜厚ｄ１＝ｄ２＋ｄ３の関係と共に、第二の高分子膜６ａ、６ｂの夫々の膜厚ｄ２、ｄ３を等しく（ｄ２＝ｄ３）してＰ２＝Ｐ３の関係が成り立つようにすることが更に好ましい。
【００２６】
すると、これにより、第一の高分子膜３および第二の高分子膜６ａ、６ｂがいずれも同一の吸水率の場合、第一の高分子膜３の膜厚ｄ１と共に、第二の高分子膜６ａ、６ｂの夫々の膜厚ｄ２、ｄ３のいずれもほとんど変化を生じることはなく、また、第二の高分子膜６ａ、６ｂの膨張率が大きい場合、第一の高分子膜３の膜厚が逆に縮まされ、更に湿度感度の高い湿度センサが実現できる。
【００２７】
ここで、一対の電極４ａ、４ｂに挟まれた第一の高分子膜３の吸水による膨張を抑制することによって湿度感度がどのくらい向上するかを説明する。
【００２８】
第一の高分子膜３の膜厚ｄ１の吸水による変化量を−Δｄ１[ｍ]（−符号は吸水によって膜厚ｄ１が膨張する方向を示す）とし、そのときの静電容量Ｃの変化量をΔＣ[Ｆ]とすると、上記式（１）より
ΔＣ＝ε（Ｓ／ｄ１）・（−Δｄ１／ｄ１）＝Ｃ・（−Δｄ１／ｄ１）    （２）
となり、式（２）を整理すると
（ΔＣ／Ｃ）＝（−Δｄ１／ｄ１）        （３）
となる。
【００２９】
そこで、例えば吸水による第一の高分子膜３の線膨張率が８０ｐｐｍ／％ＲＨの場合、湿度０〜１００％ＲＨの範囲で第一の高分子膜３の線膨張は０〜８０００ｐｐｍの範囲となる。そこで湿度１００％ＲＨのときの第一の高分子膜３の線膨張８０００ｐｐｍを式（３）に代入すると、
（−Δｄ１／ｄ１）＝８０００ｐｐｍ＝（ΔＣ／Ｃ）
となり、静電容量の変化量（ΔＣ／Ｃ）が８０００ｐｐｍとなって静電容量Ｃが湿度０％〜１００％ＲＨのときの０．８％変化することになる。
【００３０】
そのため、本発明の湿度センサは、第一の高分子膜３の吸水状態での膜厚の変化（膨張）を抑制することにより、最高約１％の静電容量の変化を抑制することができることになる。なお、この数値は、第一の高分子膜３の膜厚縮小による効果は入れていない。
【００３１】
この約１％の容量変化の抑制は、従来の静電容量式湿度センサの湿度１００％ＲＨのときの静電容量Ｃの変化量が１０％前後であることを考慮すると、従来の静電容量式湿度センサの容量変化の約１割に相当する。
【００３２】
即ち、本発明の湿度センサは、従来の静電容量式湿度センサに比べて湿度感度が約１割向上したものとなっている。
【実施例２】
【００３３】
図３は本発明の湿度センサに係わる実施例２の斜視図、図４は図３のＢ−Ｂ断面図である。本実施例の湿度センサ１はセンサ本体８と一対の枠体２ａ、２ｂを備え、センサ本体８が枠体２ａ、２ｂに挿嵌された構成となっている。
【００３４】
センサ本体８は第一の高分子膜３の両側を水分を透過する網状または多孔質の一対の電極４ａ、４ｂで挟み、各電極４ａ、４ｂから該電極４ａ、４ｂに接続されたリード線５ａ、５ｂがセンサ本体８の外部まで延びている。
【００３５】
各枠体２ａ、２ｂは断面矩形の貫通窓９ａ、９ｂを有する膨張防止枠１０、１１を備え、貫通窓９ａの膨張防止枠１０と電極４ａの間、および、膨張防止枠１０と電極４ｂの間に夫々前記第一の高分子膜３と同一素材からなる第二の高分子膜６ａ、６ｂが配置されている。
【００３６】
同様に、貫通窓９ｂの膨張防止枠１１と電極４ａの間、および、膨張防止枠１１と電極４ｂの間に夫々前記第一の高分子膜３と同一素材からなる第二の高分子膜６ａ、６ｂが配置されている。
【００３７】
つまり、センサ本体８が各枠体２ａ、２ｂの貫通窓９ａ、９ｂに配置された第二の高分子膜６ａ、６ｂによって挟まれた状態で固定された構造となっている。このとき、第二の高分子膜６ａ、６ｂの各最外側面は夫々膨張防止枠１０、１１に接しているため、第二の高分子膜６ａ、６ｂの最外側面同士の間の距離Ｌは固定された状態となっている。
【００３８】
この場合、上記実施例１と同様図３のように、第一の高分子膜３の膜厚をｄ１、第二の高分子膜６ａ、６ｂの夫々の膜厚をｄ２、ｄ３とすると、各膜厚ｄ１、ｄ２、ｄ３の間にはｄ１＝ｄ２＋ｄ３の関係が成り立つことが好ましい。
【００３９】
これにより、第一の高分子膜３および第二の高分子膜６ａ、６ｂがいずれも同一の吸水率の場合、第一の高分子膜３の膨張力をＰ１、第二の高分子膜６ａ、６ｂの夫々の膨張力をＰ２、Ｐ３すると、各膨張力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３はＰ１＝Ｐ２＋Ｐ３の関係となり、少なくとも第一の高分子膜３の膜厚ｄ１はほとんど変化を生じることはない。従って、湿度感度の高い湿度センサが実現できる。
【００４０】
また、ｄ１＝ｄ２＋ｄ３の関係と共に、第二の高分子膜６ａ、６ｂの夫々の膜厚ｄ２、ｄ３を等しく（ｄ２＝ｄ３）してＰ２＝Ｐ３の関係が成り立つようにすることが更に好ましい。
【００４１】
すると、これにより、第一の高分子膜３および第二の高分子膜６ａ、６ｂがいずれも同一の吸水率の場合、第一の高分子膜３の膜厚ｄ１と共に、第二の高分子膜６ａ、６ｂの夫々の膜厚ｄ２、ｄ３のいずれもほとんど変化を生じることはなく、更に湿度感度の高い湿度センサが実現できる。
【００４２】
なお、実施例１においては、第一の高分子膜３と第二の高分子膜６ａ、および第一の高分子膜３と第二の高分子膜６ｂが夫々電極４ａ、４ｂを介して互いに略全面で対峙しているため、夫々電極４ａ、４ｂを挟んで対峙する第一の高分子膜３と第二の高分子膜６ａ、および第一の高分子膜３と第二の高分子膜６ｂの吸水時の膨張力Ｐ１、Ｐ２および膨張力Ｐ１、Ｐ３は互いに面状に作用する。よって、電極４ａ、４ｂは膨張力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のうち最小の膨張力によっても変形する程度の剛性と強度を有する材料であってよい。
【００４３】
それに対し、実施例２においては、第二の高分子膜６ａ、６ｂが夫々電極４ａ、４ｂを介して第一の高分子膜３に部分的に対峙しているため、夫々電極４ａ、４ｂを挟んで対峙する第一の高分子膜３と第二の高分子膜６ａ、および第一の高分子膜３と第二の高分子膜６ｂの吸水時の膨張力Ｐ１、Ｐ２および膨張力Ｐ１、Ｐ３は第一の高分子３に対しては部分的に作用する。よって、電極４ａ、４ｂは膨張力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のうち最大の膨張力が部分的に加わっても変形しない剛性と強度を有する材料であることが必要である。
【実施例３】
【００４４】
図５は本発明の湿度センサに係わる実施例３の斜視図である。本実施例の湿度センサ１はセンサ本体８をクリップ１２で圧縮固定した構成となっている。
【００４５】
センサ本体８は、ガラス、セラミック、Ｓｉ等の堅牢な材料からなる基板１３上に金属ベース電極１４を配置し、該金属ベース電極１４の上に高分子膜１５を配置し、更に高分子膜１５の上に水分を透過する網状または多孔質の金属上層電極１６を配置している。
【００４６】
そして、上記構成のセンサ本体８がエンジニアリングプラスチック等の絶縁材料からなるクリップ１２によって２箇所が圧縮固定されている。なお、クリップ１２の配置箇所は２箇所に限られるものではなく、センサ本体８の大きさ、クリップ１２の大きさ、およびクリップ１２の圧縮力等を考慮して適宜設定される。
【００４７】
この場合、高分子膜１５を間接的に挟む基板１３および直接的に挟む金属上層電極１６は高分子膜１５の吸水による最大膨張力が部分的に加わっても変形しない剛性と強度を有する材料であることが必要である。
【００４８】
湿度センサをこのような構造にすることにより、高分子膜１５の吸水による膨張が抑制されて湿度感度の高い湿度センサが実現する。
【００４９】
以上、上記実施例１〜実施例３で説明したように、本発明の湿度センサは静電容量Ｃと電極の面積Ｓと誘電体となる高分子膜の厚みｄの関係式：Ｃ ＝ε（Ｓ／ｄ）において、高分子膜の吸水時の膨張を抑制して高分子膜の厚みｄの変化量を抑制するようにした。
【００５０】
その結果、静電容量方式による湿度センサの湿度感度および測定精度の向上が図られ、本発明の湿度センサを使用することにより制御性が良好な湿度制御システムを構築することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の湿度センサに係わる実施例１の半断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の湿度センサに係わる実施例２の斜視図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】本発明の湿度センサに係わる実施例３の斜視図である。
【図６】従来の湿度センサの断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  湿度センサ
２  枠体
２ａ、  ２ｂ  枠体
３  第一の高分子膜
４ａ、  ４ｂ  電極
５ａ、  ５ｂ  リード線
６ａ、  ６ｂ  第二の高分子膜
７ａ、  ７ｂ  蓋体
８  センサ本体
９ａ、  ９ｂ  貫通窓
１０  膨張防止枠
１１  膨張防止枠
１２  クリップ
１３  基板
１４  金属ベース基板
１５  高分子膜
１６  金属上層電極
【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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【図６】
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