JP2014010011A - Humidity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘電膜によって構成される容量が湿度に応じて変化することに基づいて湿度の検出を行う湿度センサに関するものである。 The present invention relates to a humidity sensor that detects humidity based on a change in capacitance formed by a dielectric film in accordance with humidity.
従来、特許文献1において、検出対象となる物理量の変化に応じて容量値を変化させる可変容量が備えられた容量式センサエレメントを有する物理量センサとして、加速度センサが提案されている。この加速度センサでは、容量式センサエレメントに備えられた可変容量を構成するための可動電極と固定電極のスティッキング不良、つまり可動電極と固定電極とが接触した状態が持続して出力異常になるモードを検出することが可能となっている。具体的には、加速度センサでは、基本的には可動電極と固定電極とが離間させられていることから、スティッキング不良が発生したときには正常時と全く異なった出力が発生させられる。このため、スティッキング不良を検出することができる。
Conventionally, in
一方、特許文献2において、センシング素子に加えて基準素子を備え、基準素子とセンシング素子とを比較することで異常検出を行う容量式の湿度センサが提案されている。この湿度センサでは、基準素子をヒータで加熱することにより、付着している水分を除去してリフレッシュさせ、感湿膜の経時劣化による変動量を補正するようにしている。
On the other hand,
しかしながら、特許文献1のように可動電極と固定電極とが離間配置されるような加速度センサにおいては、スティッキング不良を検出することができるが、感湿膜の容量変化によって湿度を検出する湿度センサでは、感湿膜の経時劣化による異常を検出できない。つまり、スティッキング不良については正常時と全く異なる出力となることから異常検出が容易に行える。ところが、感湿膜の経時劣化のように出力が正常時と比較して多少変動しただけで、出力された湿度が実際の湿度と異なった値で表されているだけのようなセンサ特性不良の場合には、異常を検出できない。
However, in the acceleration sensor in which the movable electrode and the fixed electrode are spaced apart as in
また、特許文献2の湿度センサでは、ヒータ加熱によってリフレッシュさせて変動量を補正しているが、ヒータ発熱による微小な湿度変化(1〜数%RH未満の変化)を検出することは困難である。つまり、湿度を相対湿度で検出しているため、温度変化によって検出される湿度にずれが発生し、微小な湿度変化の検出が困難になる。また、ヒータ加熱による電力消費が生じるため、消費電力の増大が発生する。さらに、可燃性ガスが存在する雰囲気中ではヒータ加熱を行うことができないため、このような雰囲気の湿度検出を行う湿度センサには適用できないという問題も発生する。
In the humidity sensor of
本発明は上記点に鑑みて、ヒータ加熱を行うことなく、感湿膜の経時劣化によるセンサ特性不良を検出できる湿度センサを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the humidity sensor which can detect the sensor characteristic defect by the time-dependent deterioration of a moisture sensitive film | membrane, without performing a heater heating in view of the said point.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、湿度に応じて誘電率を変化させる感湿膜にて構成され、互いに逆位相となる周期的な搬送波(PW1、PW2)が印加される第1可変容量(C1)と第2可変容量(C2)とを有し、第1可変容量および第2可変容量が直列接続されることで第1系を構成するセンサエレメント(10)の他に、第1可変容量および第2可変容量のうちの一方に対して並列接続された誘電膜にて構成される異常検出容量(Ct1、Ct2)を有し、該異常検出容量と第1可変容量および第2可変容量のうち該異常検出容量と並列接続されている方と反対側の可変容量とによって直列接続された第1系と異なる系を構成する異常検出用エレメント(20)を備えるようにしている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a periodic carrier wave (PW1, PW2) composed of a moisture sensitive film whose dielectric constant is changed according to humidity and having an opposite phase to each other is applied. In addition to the sensor element (10) constituting the first system, the first variable capacitor (C1) and the second variable capacitor (C2) are connected, and the first variable capacitor and the second variable capacitor are connected in series. Having an abnormality detection capacitor (Ct1, Ct2) composed of a dielectric film connected in parallel to one of the first variable capacitor and the second variable capacitor. The abnormality detection capacitor and the first variable capacitor And an abnormality detecting element (20) constituting a system different from the first system connected in series by a variable capacitor on the opposite side to the one connected in parallel to the abnormality detecting capacitor of the second variable capacitors. ing.
そして、第1可変容量および第2可変容量との間と、異常検出容量と第1可変容量および第2可変容量のうち異常検出容量に対して直列接続された方との間と、の差動容量を電圧変換する変換回路(30)と、変換回路が出力する信号を処理してセンサ出力として発生させる信号処理回路(40)と、搬送波の印加を第1系と該第1系とは異なる系のいずれに印加するかを制御する制御回路(50)とを備え、第1系と該第1系とは異なる系とは第1可変容量および第2可変容量を構成している感湿膜の経時劣化前には湿度に対するセンサ出力の特性が同じ傾きで変化し、経時劣化後には湿度に対するセンサ出力の特性が異なる傾きで変化するように、第1可変容量と第2可変容量および異常検出容量が設定されていることを特徴としている。 The differential between the first variable capacitor and the second variable capacitor and between the abnormality detection capacitor and the first variable capacitor and the second variable capacitor connected in series to the abnormality detection capacitor. A conversion circuit (30) that converts a voltage into a capacitance, a signal processing circuit (40) that processes a signal output from the conversion circuit and generates a sensor output, and the first system and the first system are different in the application of a carrier wave. And a control circuit (50) for controlling which one of the systems is applied, and the first system and the system different from the first system constitute a first variable capacitor and a second variable capacitor. The first variable capacitor, the second variable capacitor, and the anomaly detection so that the sensor output characteristics with respect to humidity change with the same inclination before deterioration with time, and the sensor output characteristics with respect to humidity change with different inclination after deterioration with time. It is characterized by the capacity being set
このように構成された湿度センサを用いて、センサエレメントに含まれる第1、第2可変容量と異常検出用エレメントに含まれる異常検出容量とを組み合わせて湿度検出を行う。これにより、第1系と第1系とは異なる系による湿度検出が行える。そして、感湿膜が経時劣化していない場合と経時劣化が生じている場合とで、センサ特性が変化することになるため、各系での湿度検出の結果は感湿膜が経時劣化していない場合からずれた値となる。したがって、各系での湿度検出の結果を比較することで感湿膜が経時劣化していない場合からずれている異常を、つまりセンサ特性不良を検出することができる。これにより、ヒータ加熱を行うことなく、感湿膜の経時劣化によるセンサ特性不良を的確に検出することが可能となる。 Using the humidity sensor configured as described above, humidity detection is performed by combining the first and second variable capacitors included in the sensor element and the abnormality detection capacitor included in the abnormality detection element. Thereby, humidity detection by a system different from the first system and the first system can be performed. The sensor characteristics change depending on whether the moisture sensitive film has not deteriorated over time or not. Therefore, the results of humidity detection in each system show that the moisture sensitive film has deteriorated over time. It becomes a value deviated from the case where it does not exist. Therefore, by comparing the results of humidity detection in each system, it is possible to detect an abnormality that deviates from the case where the moisture sensitive film has not deteriorated with time, that is, a sensor characteristic defect. As a result, it is possible to accurately detect a sensor characteristic defect due to deterioration of the moisture sensitive film over time without heating the heater.
請求項2に記載の発明では、異常検出用エレメントは、第1可変容量に対して並列接続された第1容量(Ct1)と第2可変容量に並列接続された第2容量(Ct2)とを有し、第1系とは異なる系として、第1容量と第2可変容量にて構成される第2系と第1可変容量と第2容量にて構成される第3系とを有していることを特徴としている。
In the invention according to
このように、3つの系を備えるようにすれば、感湿膜の経時劣化に伴うセンサ特性の変動量の絶対値を求めることができる。したがって、この変動量の絶対値に基づいて異常検出を行っても良いし、これをフィードバックして補正すれば、感湿膜の経時劣化に起因する変動をキャンセルでき、感湿膜が経時変化しても正確な湿度を検出することが可能となる。 As described above, if the three systems are provided, the absolute value of the fluctuation amount of the sensor characteristic accompanying the deterioration of the moisture sensitive film with time can be obtained. Therefore, abnormality detection may be performed based on the absolute value of the fluctuation amount, and if this is fed back and corrected, fluctuation due to deterioration with time of the moisture sensitive film can be canceled, and the moisture sensitive film changes with time. However, accurate humidity can be detected.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows an example of a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。まず、図1を参照して、本実施形態にかかる容量式の湿度センサの構成について説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. First, the configuration of a capacitive humidity sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
図1に示すように、湿度センサは、センサエレメント10、異常検出用エレメント20、C−V変換回路30、信号処理回路40および制御回路50を有した構成とされている。
As shown in FIG. 1, the humidity sensor includes a
センサエレメント10は、感湿膜によって形成された第1可変容量C1と第2可変容量C2を備えた構成とされている。感湿膜は、湿度に応じて変化する水分の付着量に基づいて容量を変化させる誘電膜によって構成されている。この感湿膜の表裏両面に固定電極を備えることで各可変容量C1、C2が構成されている。第1可変容量C1と第2可変容量C2は、互いの一方の固定電極同士が接続されることで直列接続されており、もう一方の固定電極にはスイッチ11、12を介して互いに反転する周期的な矩形波の電圧信号(搬送波)PW1、PW2が印加可能となっている。そして、通常の湿度検出時には、スイッチ11、12がオンされることで、第1可変容量C1と第2可変容量C2との間の電位が湿度変化により生じる微小容量変化を表す差動容量(以下、容量差ΔCという)としてC−V変換回路30に入力されるようになっている。
The
第1可変容量C1と第2可変容量C2は同じ容量ではなくアンバランスな容量とされ、湿度に応じた容量の変化が第1可変容量C1と第2可変容量C2とで変わるように設定されている。第1可変容量C1と第2可変容量C2の間の容量差ΔCについては、そのままの値で出力するとセンサ出力が飽和してしまうため、特定湿度の時に容量差ΔCが0となるようにオフセット補正してある。 The first variable capacity C1 and the second variable capacity C2 are not the same capacity but are unbalanced capacity, and the change in capacity according to the humidity is set to change between the first variable capacity C1 and the second variable capacity C2. Yes. Regarding the capacitance difference ΔC between the first variable capacitor C1 and the second variable capacitor C2, the sensor output is saturated if it is output as it is, so that the offset correction is performed so that the capacitance difference ΔC becomes 0 at a specific humidity. It is.
異常検出用エレメント20は、第1可変容量C1に並列接続された第1容量Ct1と第2可変容量C2に並列接続された第2容量Ct2を備えた構成とされている。第1容量Ct1と第2容量Ct2は、異常検出容量に相当するもので、感湿膜ではないが誘電膜で構成され、誘電膜の表裏両面に固定電極を備えることで各容量Ct1、Ct2が構成されている。これら第1容量Ct1と第2容量Ct2も、互いの一方の固定電極同士が接続されることで直列接続されており、もう一方の固定電極にはスイッチ13、14を介して互いに反転する周期的な矩形波の電圧信号(搬送波)PW1、PW2が印加可能となっている。また、センサエレメント10における第1可変容量C1と第2可変容量C2との間と異常検出用エレメント20における第1容量Ct1と第2容量Ct2との間は接続されている。このため、異常検出時には、スイッチ11〜14のオンオフ動作に基づいて、様々な組み合わせの容量間の電位が容量差ΔCとしてC−V変換回路30に入力可能となっている。
The
第1容量Ct1と第2容量Ct2は、特定の湿度環境下、例えば50%RHにおいて、第1可変容量C1および第2可変容量C2とそれぞれ同じ容量を有する。これら第1容量Ct1および第2容量Ct2は、第1可変容量C1および第2可変容量C2の容量差ΔCのオフセット補正を行うためと、第1可変容量C1および第2可変容量C2を構成する感湿膜の経時劣化に基づく異常(センサ特性不良)検出を行うために用いられる。 The first capacitor Ct1 and the second capacitor Ct2 have the same capacity as the first variable capacitor C1 and the second variable capacitor C2, respectively, in a specific humidity environment, for example, at 50% RH. The first capacitor Ct1 and the second capacitor Ct2 are used to perform offset correction of the capacitance difference ΔC between the first variable capacitor C1 and the second variable capacitor C2 and to form the first variable capacitor C1 and the second variable capacitor C2. It is used to detect an abnormality (sensor characteristic failure) based on the deterioration of the wet film over time.
具体的には、第1容量Ct1および第2容量Ct2には、オフセット補正を行うためのオフセット補正容量ΔCt1、ΔCt2が含まれているのに加えて、異常検出用の容量Ct1’、Ct2’が含まれている。このため、センサエレメント10と異常検出用エレメント20の回路構成を模式的に示すと、図2のような回路図となる。これにより、オフセット補正容量ΔCt1、ΔCt2により、第1可変容量C1および第2可変容量C2の特定湿度時の容量差ΔCが0となるようにしている。また、異常検出用の容量Ct1’、Ct2’により、第1容量Ct1および第2容量Ct2が特定の湿度環境下において第1可変容量C1および第2可変容量C2とそれぞれ同じ容量となるようにしている。
Specifically, the first capacitor Ct1 and the second capacitor Ct2 include the offset correction capacitors ΔCt1 and ΔCt2 for performing the offset correction, and the abnormality detection capacitors Ct1 ′ and Ct2 ′. include. Therefore, when the circuit configuration of the
なお、第1容量Ct1および第2容量Ct2に含まれるオフセット補正容量ΔCt1、ΔCt2については、第1可変容量C1および第2可変容量C2の容量差ΔCに基づいて予め調整される。また、上記したように、第1可変容量C1と第2可変容量C2との間および第1容量Ct1と第2容量Ct2との間が接続されているが、以下の説明では、この接続箇所を接続点Aという。 The offset correction capacitors ΔCt1 and ΔCt2 included in the first capacitor Ct1 and the second capacitor Ct2 are adjusted in advance based on the capacitance difference ΔC between the first variable capacitor C1 and the second variable capacitor C2. In addition, as described above, the first variable capacitor C1 and the second variable capacitor C2 and the first capacitor Ct1 and the second capacitor Ct2 are connected. This is called connection point A.
C−V変換回路30は、第1、第2可変容量C1、C2や第1、第2容量Ct1、Ct2のいずれかの組み合わせからなる差動容量の変化を電圧に変換して取り出すもので、オペアンプ31、コンデンサ32、スイッチ33とを有した構成となっている。
The
オペアンプ31の反転入力端子は接続点Aに接続されており、反転入力端子と出力端子との間に、コンデンサ32およびスイッチ33が並列に接続されている。スイッチ33は制御回路50からのスイッチ制御信号によって駆動されるようになっており、オペアンプ31の非反転入力端子には、電圧信号PW1、PW2として用いられている電圧Vddの半分の電圧Vdd/2(すなわち中点電圧)が入力される。
An inverting input terminal of the
信号処理回路40は、サンプルホールド回路とSCF(スイッチトキャパシタフィルタ)回路や増幅回路等を備えた構成とされている。サンプルホールド回路は、制御回路50からの制御信号に基づいて駆動され、C−V変換回路30の出力をサンプリングして一定期間保持する。SCF回路は、サンプルホールド回路の出力電圧からノイズ除去を行い、所定の周波数帯域の成分のみを取り出す。増幅回路は、SCF回路によるノイズ除去後の信号を所定の増幅率で増幅する回路であり、この増幅回路による増幅後の信号がセンサ出力として発生させられる。増幅回路での増幅率については、センサ出力と湿度との関係が所望のセンサ特性と一致するように調整してあり、第1、第2可変容量C1、C2と第1、第2容量Ct1、Ct2のうち選択される容量に応じて個々の増幅率が設定できるようになっている。
The
制御回路50は、電圧信号PW1、PW2、スイッチ11〜14の切替えタイミングを示すスイッチ制御信号、スイッチ33の切替えタイミングを示す制御信号、サンプルホールド回路や増幅回路への制御信号を出力する。具体的には、制御回路50は、電圧信号PW1を第1可変容量C1と第1容量Ct1のいずれに印加するかや、電圧信号PW2を第2可変容量C2と第2容量Ct2のいずれに印加するかを制御する。また、制御回路50は、電圧信号PW1、PW2の周期に合わせてスイッチ33のオンオフを制御したり、サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御している。さらに、制御回路50は、信号処理回路40内の増幅回路に対して通常の湿度検出時であるか異常検出時であるかを制御信号にて示すようにしている。
The
なお、例えばセンサ出力や制御回路5からの制御信号が外部に備えられたマイコンに入力され、マイコンでセンサ出力に基づいて湿度検出や異常検出が行われるようになっている。 For example, a sensor output or a control signal from the control circuit 5 is input to a microcomputer provided outside, and humidity detection or abnormality detection is performed based on the sensor output by the microcomputer.
上記のように構成された湿度センサでは、初期設定として、オフセット補正や増幅回路での増幅率の調整を行って、湿度(%RH)とセンサ出力との関係が所望の関係となるように設定している。 In the humidity sensor configured as described above, as an initial setting, offset correction and amplification factor adjustment are performed so that the relationship between humidity (% RH) and sensor output becomes a desired relationship. doing.
まず、特定湿度の時に第1可変容量C1と第2可変容量との容量差ΔCが0となるように第1容量Ct1と第2容量Ct2に含まれるオフセット補正容量ΔC1、ΔC2および増幅回路における増幅率を設定している。これにより、スイッチ11、12がオン、スイッチ13、14がオフされて、第1可変容量C1と第2可変容量との容量差ΔCに基づいてセンサ出力を発生させるときのセンサ特性が所望の特性となる。これがセンサ特性の基準特性となる。
First, the offset correction capacitors ΔC1 and ΔC2 included in the first capacitor Ct1 and the second capacitor Ct2 and the amplification in the amplifier circuit so that the capacitance difference ΔC between the first variable capacitor C1 and the second variable capacitor becomes 0 at a specific humidity. The rate is set. Thereby, the
また、異常検出のために、第1可変容量C1および第2容量Ct2とを用いて参照湿度検出が行えるようにする。そして、この場合の参照湿度とセンサ出力との関係で示される特性が第1、第2可変容量C1、C2を用いる場合のセンサ特性と一致するように増幅率を合わせ込む。同様に、異常検出のために、第2可変容量C2および第1容量Ct1とを用いて参照湿度検出が行えるようにする。そして、この場合の参照湿度とセンサ出力との関係で示される特性が第1、第2可変容量C1、C2を用いる場合のセンサ特性と一致するように増幅率を合わせ込む。 In addition, reference humidity detection can be performed using the first variable capacitor C1 and the second capacitor Ct2 for abnormality detection. Then, the amplification factor is adjusted so that the characteristic indicated by the relationship between the reference humidity and the sensor output in this case matches the sensor characteristic when the first and second variable capacitors C1 and C2 are used. Similarly, reference humidity detection can be performed using the second variable capacitor C2 and the first capacitor Ct1 for abnormality detection. Then, the amplification factor is adjusted so that the characteristic indicated by the relationship between the reference humidity and the sensor output in this case matches the sensor characteristic when the first and second variable capacitors C1 and C2 are used.
このような設定を行っておけば、感湿膜が経時劣化していなければ、第1可変容量C1と第2可変容量C2の系(第1系)と第1可変容量C1と第2容量Ct2もしくは第2可変容量C2と第1容量Ct1の系(第2系または第3系)いずれの場合でも、同じセンサ出力が同じ湿度を表すことになる。 If such a setting is performed, if the moisture-sensitive film has not deteriorated with time, the system of the first variable capacitor C1 and the second variable capacitor C2 (first system), the first variable capacitor C1, and the second capacitor Ct2 Alternatively, the same sensor output represents the same humidity regardless of the system (second system or third system) of the second variable capacitor C2 and the first capacitor Ct1.
続いて、初期設定完了後の湿度センサの作動について、通常の湿度検出時と異常検出時と分けて説明する。通常の湿度検出は、例えば湿度センサが車両搭載用として用いられている場合であれば、イグニッションスイッチがオンされている期間中に行われる。この期間中常に湿度検出を行っても良いが、湿度は急激には変化しないことから、消費電力低減を図るために、所定周期毎にウェイクアップさせて湿度検出を行い、それ以外の期間はスリープ状態となるようにしても良い。異常検出は、湿度センサへの電源投入が行える状況であればいつ行われても良く、例えばイグニッションスイッチがオンされると同時に行われるイニシャルチェック時などに行われる。 Next, the operation of the humidity sensor after completion of the initial setting will be described separately for normal humidity detection and abnormality detection. For example, if the humidity sensor is used for mounting on a vehicle, the normal humidity detection is performed during a period in which the ignition switch is turned on. Humidity detection may always be performed during this period, but the humidity does not change abruptly, so in order to reduce power consumption, wakeup is performed every predetermined period and humidity is detected during other periods. You may make it be in a state. The abnormality detection may be performed at any time as long as the power supply to the humidity sensor can be turned on. For example, the abnormality detection is performed at the time of initial check performed at the same time as the ignition switch is turned on.
通常の湿度検出時には、制御回路50からのスイッチ制御信号に基づいて、スイッチ11、12がオンされ、スイッチ13、14がオフされる。したがって、電圧信号PW1、PW2は、スイッチ11、12を介して第1可変容量C1および第2可変容量C2に印加される。そして、制御回路50から電圧信号PW1、PW2の周期に対応してスイッチ33のオンオフが制御するための制御信号やサンプルホールド回路への制御信号が出力される。これにより、信号処理回路40から第1可変容量C1と第2可変容量C2との容量差ΔCに応じたセンサ出力が発生させられ、マイコンにて、予め記憶しておいたセンサ出力と湿度との関係に基づいて湿度を検出することができる。
During normal humidity detection, the
なお、湿度検出時におけるスイッチ33のオンオフタイミングやサンプルホールド回路の制御については、特許文献1に示される加速度検出のときと同様である。
Note that the ON / OFF timing of the
また、異常検出時には、通常の湿度検出時と同様にスイッチ11、12をオン、スイッチ13、14をオフさせて上記湿度検出時と同様の動作を行うと共に、異常検出用エレメント20を用いて上記湿度検出時と同様の動作を異常検出用に行う。本実施形態の場合、異常検出用に、スイッチ11、14をオン、スイッチ12、13をオフさせて上記湿度検出時と同様の動作を行うと共に、スイッチ11、14をオフ、スイッチ12、13をオンさせて上記湿度検出時と同様の動作を行っている。すなわち、第1、第2可変容量C1、C2と第1、第2容量Ct1、Ct2を組み合わせて湿度測定を行うことで、異常検出を行う。このときの組み合わせの順番については任意であるが、ここではその一例を挙げて説明する。
When detecting an abnormality, the
まず、通常の湿度検出時と同様に、スイッチ11、12をオン、スイッチ13、14をオフすることで、第1、第2可変容量C1、C2を用いて湿度検出を行う。このときの湿度は、第1、第2可変容量C1、C2を用いて検出された値であることから、第1、第2可変容量C1、C2を構成する感湿膜が経時劣化している場合には、その経時劣化に起因するセンサ特性変動が含まれた値となる。
First, similarly to the normal humidity detection, the
続いて、スイッチ11、14をオン、スイッチ12、13をオフすることで、第1可変容量C1と第2容量Ct2を用いて湿度検出を行う。このときの湿度は、第1可変容量C1と第2容量Ct2を用いて検出された値である。そして、第2容量Ct2は感湿膜ではない誘電膜で構成されていて経時劣化がほぼ生じないことから、第1可変容量C1を構成する感湿膜が経時劣化している場合には、その経時劣化に起因するセンサ特性変動が含まれた湿度となる。
Subsequently, the
さらに、スイッチ11、14をオフ、スイッチ12、13をオンすることで、第2可変容量C2と第1容量Ct1を用いて湿度検出を行う。このときの湿度は、第2可変容量C2と第2容量Ct1を用いて検出された値である。そして、第1容量Ct1は感湿膜ではない誘電膜で構成されていて経時劣化がほぼ生じないことから、第2可変容量C2を構成する感湿膜が経時劣化している場合には、その経時劣化に起因するセンサ特性変動が含まれた湿度となる。
Further, the
このように、センサエレメント10に含まれる第1、第2可変容量C1、C2と異常検出用エレメント20に含まれる第1、第2容量Ct1、Ct2とを組み合わせて湿度検出を行う。これにより、第1、第2可変容量C1、C2の系と第1可変容量C1と第2容量Ct2の系および第2可変容量C2と第1容量Ct1の系の3つの系による湿度検出が行える。
Thus, humidity detection is performed by combining the first and second variable capacitors C1 and C2 included in the
そして、感湿膜が経時劣化していない場合と経時劣化が生じている場合とで、センサ特性が変化することになるため、上記3つの系での湿度検出の結果は感湿膜が経時劣化していない場合からずれた値となる。したがって、3つの系での湿度検出の結果を比較することで感湿膜が経時劣化していない場合からずれている異常を検出することができる。例えば、感湿膜が経時劣化したときには、各系の特性が図3のようにセンサ特性の基準特性からずれることになる。 The sensor characteristics change depending on whether the moisture sensitive film is not deteriorated with time or when the moisture sensitive film is deteriorated with time. Therefore, the humidity detection results of the above three systems indicate that the moisture sensitive film deteriorates with time. The value deviates from the case where it is not. Therefore, by comparing the humidity detection results of the three systems, it is possible to detect an abnormality that deviates from the case where the moisture sensitive film has not deteriorated over time. For example, when the moisture sensitive film deteriorates with time, the characteristics of each system deviate from the reference characteristics of the sensor characteristics as shown in FIG.
例えば、図3に示すように、第1、第2可変容量C1、C2を用いて湿度検出を行ったときには基準特性よりも、同じ湿度であってもセンサ出力が高い値として現れる(図中(1))。第1可変容量C1と第2容量Ct2を用いて湿度検出を行ったときにも基準特性よりも、同じ湿度であってもセンサ出力が高い値として現れる(図中(2))。第2可変容量C2と第1容量Ct1を用いて湿度検出を行ったときには基準特性よりも、同じ湿度であってもセンサ出力が低い値として現れる(図中(3))。 For example, as shown in FIG. 3, when the humidity is detected using the first and second variable capacitors C1 and C2, the sensor output appears as a higher value than the reference characteristic even at the same humidity (( 1)). When the humidity is detected using the first variable capacitor C1 and the second capacitor Ct2, the sensor output appears as a higher value than the reference characteristic even if the humidity is the same ((2) in the figure). When humidity detection is performed using the second variable capacitor C2 and the first capacitor Ct1, even if the humidity is the same as the reference characteristic, the sensor output appears as a lower value ((3) in the figure).
したがって、感湿膜に経時劣化が生じている場合には、それぞれの系でセンサ出力に基づいて検出される湿度が異なった値となることから、その湿度の差に基づいて経時劣化に起因する湿度センサの異常を検出することができる。例えば、各系での湿度の差が所定の閾値を超えていれば、経時劣化に起因する湿度センサの異常が発生していることを検出している。これにより、感湿膜の経時劣化によるセンサ特性不良を的確に検出することが可能となる。 Therefore, when the moisture-sensitive film has deteriorated over time, the humidity detected based on the sensor output in each system has a different value, which is caused by the deterioration with time based on the difference in humidity. Abnormality of the humidity sensor can be detected. For example, if the humidity difference between the systems exceeds a predetermined threshold, it is detected that an abnormality of the humidity sensor due to deterioration with time has occurred. As a result, it is possible to accurately detect a sensor characteristic failure due to deterioration of the moisture sensitive film over time.
このように、本実施形態の湿度センサによれば、ヒータ加熱を行うことなく、感湿膜の経時劣化によるセンサ特性不良を検出できる。このような異常検出については、同じ状況下での各系の湿度に基づいて行われ、特定の湿度でなければ行えないものではない。このため、特定の湿度であるか否かにかかわらず、どの湿度においても異常検出が行える。したがって、基準となる正確な湿度を検出するための系を備える必要がなくても、異常検出が行える。また、ヒータ加熱を行わないことから、消費電力の増大を抑制できるし、可燃性ガスが存在する雰囲気中でも湿度センサを適用できる。また、ヒータ加熱による微小な湿度変化が生じないため、より的確に湿度検出を行うことが可能となる。 As described above, according to the humidity sensor of the present embodiment, it is possible to detect a sensor characteristic failure due to deterioration with time of the moisture sensitive film without performing heater heating. Such abnormality detection is performed based on the humidity of each system under the same situation, and can only be performed at a specific humidity. Therefore, abnormality detection can be performed at any humidity regardless of whether the humidity is a specific humidity. Therefore, it is possible to detect an abnormality even if it is not necessary to provide a system for detecting an accurate humidity as a reference. In addition, since heater heating is not performed, an increase in power consumption can be suppressed, and a humidity sensor can be applied even in an atmosphere where flammable gas exists. In addition, since a minute humidity change due to heater heating does not occur, it becomes possible to detect humidity more accurately.
なお、ここでは第1系から第3系それぞれに対して電圧信号PW1、PW2を印加したときのセンサ出力から求められた湿度を比較することでセンサ特性不良を検出したが、センサ出力そのものを比較することでセンサ特性不良を検出しても良い。 Here, the sensor characteristics failure is detected by comparing the humidity obtained from the sensor output when the voltage signals PW1 and PW2 are applied to the first system to the third system, respectively, but the sensor output itself is compared. By doing so, a sensor characteristic defect may be detected.
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態のように増幅回路の増幅率調整によって各系の特性の合わせ込みを行うのではなく、外部記憶装置によって行うようにする。その他については、本実施形態は、第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the characteristics of each system are not adjusted by adjusting the amplification factor of the amplifier circuit as in the first embodiment, but are performed by an external storage device. In other respects, the present embodiment is the same as the first embodiment, and therefore only different parts from the first embodiment will be described.
図4に示すように、信号処理回路40から出力されたセンサ出力が外部記憶装置60に伝えられている。外部記憶装置60には、各系の特性の初期値もしくは、その初期値に応じて各系の特性の合わせ込みを行うに必要な補正値を記憶してある。このため、本実施形態では、外部記憶装置60において、記憶された初期値もしくは補正値に基づいて各系の特性の合わせ込んだ値にセンサ出力を補正する。そして、外部記憶装置60による補正後のセンサ出力に基づいてマイコンにて湿度を検出する。
As shown in FIG. 4, the sensor output output from the
このように、外部記憶装置60に各系の特性の初期値もしくは、その初期値に応じて各系の特性の合わせ込みを行うのに必要な補正値を記憶しておくようにしても、第1実施形態と同様に、感湿膜の経時劣化による湿度センサの異常を検出できる。
In this way, even if the
(他の実施形態)
上記実施形態では、第1、第2可変容量C1、C2の系と第1可変容量C1と第2容量Ct2の系および第2可変容量C2と第1容量Ct1の系の3つの系による湿度検出を行って、湿度センサの経時劣化に起因する異常を検出した。しかしながら、これは単なる一例を示したに過ぎず、第1、第2可変容量C1、C2の系に加えて、第1可変容量C1と第2容量Ct2の系もしくは第2可変容量C2と第1容量Ct1のいずれか1つの系という少なくとも2つの系があれば、異常検出が行える。すなわち、感湿膜が経時劣化したときに、第1、第2可変容量C1、C2の系に加えて当該系とセンサ特性の傾き(湿度に対するセンサ出力の傾き)が異なった値になる系が少なくとも1つあれば、異常検出を行うことができる。
(Other embodiments)
In the embodiment described above, humidity detection is performed by three systems: the first and second variable capacitors C1 and C2, the first variable capacitor C1 and the second capacitor Ct2, and the second variable capacitor C2 and the first capacitor Ct1. And the abnormality due to the deterioration of the humidity sensor with time was detected. However, this is merely an example. In addition to the system of the first and second variable capacitors C1 and C2, the system of the first variable capacitor C1 and the second capacitor Ct2 or the second variable capacitor C2 and the first variable capacitor If there is at least two systems of any one of the capacitors Ct1, abnormality detection can be performed. That is, when the moisture sensitive film deteriorates with time, in addition to the systems of the first and second variable capacitors C1 and C2, there is a system in which the slope of the sensor characteristic (the slope of the sensor output with respect to humidity) differs from that of the system. If there is at least one, abnormality detection can be performed.
ただし、3つの系を備えるようにすれば、感湿膜の経時劣化に伴うセンサ特性の変動量の絶対値を求めることができる。すなわち、第1、第2可変容量C1、C2の系を用いたときに得られた湿度には第1、第2可変容量C1、C2を構成する感湿膜の経時劣化が含まれた値となる。また、第1可変容量C1と第2容量Ct2の系を用いたときに得られた湿度には第1可変容量C1を構成する感湿膜の経時劣化が含まれた値となる。さらに、第2可変容量C2と第1容量Ct1の系を用いたときに得られた湿度には第2可変容量C2を構成する感湿膜の経時劣化が含まれた値となる。したがって、第1、第2可変容量C1、C2を構成する感湿膜の経時劣化を変数として、3つの系にて2つの変数が含まれる3つの関数式を導出することができる。このため、その関数式を解くことで2つの変数を求めることができ、これが第1、第2可変容量C1、C2を構成する感湿膜の経時劣化に対応したセンサ出力の誤差、つまり湿度の誤差となる。この誤差分をフィードバックして例えば増幅率や外部記憶装置60内の補正量を補正することで、感湿膜の経時劣化に起因する変動をキャンセルでき、感湿膜が経時変化しても正確な湿度を検出することが可能となる。
However, if three systems are provided, the absolute value of the fluctuation amount of the sensor characteristic accompanying the time-dependent deterioration of the moisture sensitive film can be obtained. That is, the humidity obtained when using the system of the first and second variable capacitors C1 and C2 includes a value including deterioration with time of the moisture sensitive film constituting the first and second variable capacitors C1 and C2. Become. Further, the humidity obtained when the system of the first variable capacitor C1 and the second capacitor Ct2 is used has a value including deterioration with time of the moisture sensitive film constituting the first variable capacitor C1. Further, the humidity obtained when the system of the second variable capacitor C2 and the first capacitor Ct1 is used has a value including deterioration with time of the moisture sensitive film constituting the second variable capacitor C2. Therefore, it is possible to derive three functional expressions including two variables in the three systems, with the time-dependent deterioration of the moisture sensitive films constituting the first and second variable capacitors C1 and C2 as variables. For this reason, two variables can be obtained by solving the functional equation, and this is an error in the sensor output corresponding to the deterioration with time of the moisture-sensitive film constituting the first and second variable capacitors C1 and C2, that is, the humidity. It becomes an error. By feeding back this error, for example, by correcting the amplification factor and the correction amount in the
なお、感湿膜の経時変化に伴う湿度の誤差については、どのような湿度であっても同程度の誤差となる。このため、検出された誤差分をフィードバックして補正すれば、どのような湿度であっても、感湿膜の経時劣化に起因する変動をキャンセルでき、感湿膜が経時変化しても正確な湿度を検出することが可能となる。 It should be noted that the humidity error associated with the time-dependent change of the moisture sensitive film is similar to that of any humidity. For this reason, if the detected error is fed back and corrected, fluctuations due to deterioration of the moisture sensitive film over time can be canceled at any humidity, and accurate even if the moisture sensitive film changes over time. It becomes possible to detect humidity.
また、上記実施形態では、外部記憶装置60や図示しないマイコンを湿度センサの外部に備えた構成について説明したが、これらが湿度センサ内に備えられていても良い。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the structure provided with the
さらに、上記実施形態において、センサ特性不良が検出されると図示しない報知手段に対してセンサ特性不良が検出されたこと示す信号を送り、報知手段にてセンサ特性不良が検出されたことを報知させることもできる。 Further, in the above embodiment, when a sensor characteristic defect is detected, a signal indicating that the sensor characteristic defect has been detected is sent to a notifying means (not shown) so that the notification means notifies that the sensor characteristic defect has been detected. You can also.
10 センサエレメント
11〜14 スイッチ
20 異常検出用エレメント
30 C−V変換回路
40 信号処理回路
50 制御回路
60 外部記憶装置
C1 第1可変容量
C2 第2可変容量
Ct1 第1容量
Ct2 第2容量
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1可変容量および前記第2可変容量のうちの一方に対して並列接続された誘電膜にて構成された異常検出容量(Ct1、Ct2)を有し、該異常検出容量と前記第1可変容量および前記第2可変容量のうち該異常検出容量と並列接続されている方と反対側の可変容量とによって直列接続された前記第1系と異なる系を構成する異常検出用エレメント(20)と、
前記第1可変容量および第2可変容量との間や、前記異常検出容量と前記第1可変容量および前記第2可変容量のうち前記異常検出容量に対して直列接続された方との間の差動容量を電圧変換する変換回路(30)と、
前記変換回路が出力する信号を処理してセンサ出力として発生させる信号処理回路(40)と、
前記搬送波の印加を前記第1系と該第1系とは異なる系のいずれに印加するかを制御する制御回路(50)と、を有し、前記センサ出力に基づいて湿度の検出が行われるように構成され、
前記第1系と該第1系とは異なる系とは前記第1可変容量および前記第2可変容量を構成している感湿膜の経時劣化前には湿度に対するセンサ出力の特性が同じ傾きで変化し、前記経時劣化後には湿度に対するセンサ出力の特性が異なる傾きで変化するように、前記第1可変容量と前記第2可変容量および前記異常検出容量が設定されていることを特徴とする湿度センサ。 A first variable capacitor (C1) and a second variable capacitor (C2) that are composed of a moisture sensitive film that changes the dielectric constant according to humidity and to which periodic carrier waves (PW1, PW2) having opposite phases are applied. A sensor element (10) constituting a first system by connecting the first variable capacitor and the second variable capacitor in series;
An abnormality detection capacitor (Ct1, Ct2) configured by a dielectric film connected in parallel to one of the first variable capacitor and the second variable capacitor, the abnormality detection capacitor and the first variable An abnormality detection element (20) constituting a system different from the first system connected in series by a capacitor and a variable capacitor on the opposite side of the second variable capacitor connected in parallel with the abnormality detection capacitor; ,
Difference between the first variable capacitor and the second variable capacitor, or between the abnormality detection capacitor and one of the first variable capacitor and the second variable capacitor connected in series to the abnormality detection capacitor. A conversion circuit (30) for converting dynamic capacity to voltage;
A signal processing circuit (40) for processing a signal output from the conversion circuit to generate a sensor output;
A control circuit (50) for controlling whether the carrier wave is applied to the first system or a system different from the first system, and humidity is detected based on the sensor output Configured as
The first system and the system different from the first system are such that the sensor output characteristics with respect to humidity have the same inclination before the moisture-sensitive film constituting the first variable capacitor and the second variable capacitor deteriorates with time. The humidity is characterized in that the first variable capacitor, the second variable capacitor, and the abnormality detection capacitor are set so that the characteristic of the sensor output with respect to humidity changes with a different slope after the deterioration with time. Sensor.
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