特許 6332632 湿度センサ及び湿度計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6332632

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年5月30日

(54)【発明の名称】湿度センサ及び湿度計

(51)【国際特許分類】

   G01N 25/62 20060101AFI20180521BHJP

【ＦＩ】

   G01N25/62 B

【請求項の数】6

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-235847(P2014-235847)

(22)【出願日】2014年11月20日

(65)【公開番号】特開2016-99203(P2016-99203A)

(43)【公開日】2016年5月30日

【審査請求日】2017年6月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000133179

【氏名又は名称】株式会社タニタ

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山田 裕之

【審査官】 東松 修太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−００６７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平２−１８７２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４７６２４２６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 実開昭５２−１２０８８３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平１１−６７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２０２２６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２５／００− ２５／７２

Ｇ０１Ｎ １９／１０

Ｇ０１Ｗ １／００− １／１８

Ｇ０１Ｋ ５／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

感湿材料を含む膨潤層と４２アロイを含む非膨潤層とを含む積層構造を有する湿度センサ。

【請求項2】

前記感湿材料がセロハンである請求項１に記載の湿度センサ。

【請求項3】

渦巻き状又は螺旋状である請求項１又は２に記載の湿度センサ。

【請求項4】

前記膨潤層を外面側、及び、前記非膨潤層を内面側とした渦巻き状又は螺旋状である請求項１又は２に記載の湿度センサ。

【請求項5】

前記膨潤層と前記非膨潤層との間に接着層を有する請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の湿度センサ。

【請求項6】

請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の湿度センサを備えた湿度計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、湿度センサ及びこれを用いた湿度計に関し、特にバイメタル式湿度センサ及び湿度計に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、感湿材料を含む膨潤層と金属等の非膨潤層と貼り合わせたバイメタル式の湿度センサを備えた湿度計が知られている。このような湿度計としては、例えば、セロハン薄膜と銅薄膜とを貼り合わせた帯状体からなる渦巻き形状の吸湿性エレメントを用いた湿度計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、前記非膨潤層としては、真鍮薄膜等も用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１−６７９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、非膨潤層として真鍮や銅を用いたバイメタル式湿度センサは、周辺温度に反応し、温度に応じて測定誤差が生じることがある。このため、周辺温度の変化による影響を受けにくいバイメタル式の湿度センサの開発が熱望されている。

【0005】

本発明は、前記事情を踏まえ、温度変化による測定誤差の少ない湿度センサ及びこれを用いた湿度計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】

＜１＞感湿材料を含む膨潤層と４２アロイを含む非膨潤層とを含む積層構造を有する湿度センサである。
＜２＞前記感湿材料がセロハンである＜１＞に記載の湿度センサである。
＜３＞渦巻き状又は螺旋状である＜１＞又は＜２＞に記載の湿度センサである。
＜４＞前記膨潤層を外面側、及び、前記非膨潤層を内面側とした渦巻き状又は螺旋状である＜１＞又は＜２＞に記載の湿度センサである。
＜５＞前記膨潤層と前記非膨潤層との間に接着層を有する＜１＞〜＜４＞のいずれか一つに記載の湿度センサである。
＜６＞＜１＞〜＜５＞のいずれか一つに記載の湿度センサを備えた湿度計である。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、温度変化による測定誤差の少ない湿度センサ及びこれを用いた湿度計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の湿度センサの積層構造の一態様を示す断面図である。

【図2】本発明の湿度センサの一態様を示す概略図である。

【図3】本発明の湿度センサを備えた湿度計の一態様を示す概略図である。

【図4】本発明の湿度センサの他の態様を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図を用いて本発明の湿度センサ及び湿度計について説明する。
本発明の湿度センサは、感湿材料を含む膨潤層と４２アロイを含む非膨潤層とを含む積層構造を有する。前記湿度センサは、所謂バイメタル式の湿度計に用いることができる。前記湿度センサによれば、非膨潤層に４２アロイを用いることで、真鍮や銅を用いた場合に比して、温度変化による測定誤差が小さい。例えば、真鍮を用いた場合、±１０℃の温度領域において湿度の測定誤差が４％程度生ずることがある。しかし、４２アロイを用いた前記湿度センサによれば、同温度域の測定誤差を２％程度にまで低減することができる。前記湿度センサを用いることで温度変化による測定誤差が低減される機構については特に解明されていないが、４２アロイは常温付近における熱膨張率が真鍮等に比して小さく湿度計の使用温度域において熱膨張を起こしにくいことに起因しているものと推測される。

【0010】

＜積層構造＞
前記湿度センサは、少なくとも膨潤層と非膨潤層とを含む積層構造を有する。前記積層構造に含まれる層構成は膨潤層と非膨潤層とを含む限り特に限定されるものではない。例えば、前記積層体は、膨潤層と非膨潤層とを直接貼り合わせた構成であってもよいし、膨潤層と非膨潤層との間に接着層を介在させてもよい。図１を用いて前記湿度センサの積層構造について説明する。図１は、本発明の湿度センサの積層構造の一態様を示す断面図である。

【0011】

図１において、湿度センサ１０は、膨潤層２と、非膨潤層４と、接着層６と、を含む積層構造を有している。湿度センサ１０は、膨潤層２と非膨潤層４との膨張率及び収縮率の差を利用することによって湿度を測定することができる。例えば、膨潤層２が空気中の水分（湿気）を吸収すると膨潤層２が膨張する。これに対し、非膨潤層４は空気中の水分（湿気）に対して膨張しない。このように、膨潤層２が膨張すると非膨潤層４との膨張率が異なることから、膨潤層２の膨張に伴い湿度センサ１０自体の曲率が変化する。図１においては、膨潤層２の吸湿に伴って非膨潤層４側に湿度センサ１０が反ることとなる。このような湿度センサの曲率の変化を利用することで、湿度センサ１０は周辺環境の湿度を測定することができる。特に限定されるものではないが、湿度センサ１０は帯状であることが好ましい。湿度センサ１０の長さ及び幅は、設置する湿度計のサイズに合わせて適宜選定することができる。

【0012】

（膨潤層）
本発明における膨潤層は、少なくとも感湿材料を含む。ここで、「膨潤層」とは空気中の水分を吸収することで膨張する層を意味する。また、「感湿材料」とは、空気中の水分を吸収し膨張する性質を有する材料を意味する。前記膨潤層は、例えば、薄膜状の感湿材料で構成することができる。

【0013】

前記膨潤層の厚さは特に限定されるものではないが、例えば、１０μｍ〜１００μｍとすることができ、２０μｍ〜６０μｍが好ましく、３０μｍ〜５０μｍが更に好ましい。また、前記膨潤層と前記非膨潤層とを同じ厚さとすることができる。

【0014】

前記感湿材料は、空気中の水分を吸収することで膨張するものであれば特に限定なく用いることができる。吸湿性及び膨張率の観点からは、前記感湿材料としてセルロース系材料を好適に用いることができる。前記感湿材料として用いることのできるセルロース系材料としては、繊維構造を有するものを用いることができ、例えば、４２アロイを用いた非膨潤層との組み合わせの観点から、セロハン(cellophane)を用いることが好ましい。セロハンは、例えば、木材パルプ（セルロース）に化学処理を施し、溶液（ビスコース）にした後、再び凝固再生することによって作製することができる。セロハンは、用途に応じて例えば、普通セロハン（ＰＴ）、防湿セロハン（ＭＳＴ）等に分類することができる。前記感湿材料としては、吸湿性の観点から、普通セロハン（ＰＴ）を用いることが好ましい。前記セロハンは市販されているものを適宜選定して用いることができる。

【0015】

（非膨潤層）
本発明における非膨潤層は、少なくとも４２アロイを含む。ここで、「非膨潤層」とは空気中の水分を吸収しない又は吸収しても膨張しない層を意味する。前記非膨潤層は吸湿によって完全に膨張しないことが好ましいが、吸湿により多少膨張するものであっても、前記膨潤層との膨張率との差を確保でき、且つ、本発明の効果に影響を与えないものであれば前記非膨潤層として用いることができる。前記非膨潤層は、例えば、薄膜状の４２アロイで構成することができる。

【0016】

前記４２アロイ（42 alloy）は、ニッケルを４２％含む鉄ニッケル合金である。４２アロイは、ニッケル及び鉄に加えて微量の銅やマンガンが添加されていてもよい。４２アロイとしては、市販されているものを適宜選定して用いることができる。例えば、４２アロイは、熱膨張率が４〜４．７×１０^−６／℃であり、真鍮（２０．３×１０^−６／℃）の熱膨張率よりもセロハンの熱膨張率に近い。係る観点から、膨潤層に用いる感湿材料と非膨潤層に用いられる材料（４２アロイ）との熱膨張率との差を小さくすることで、更に温度変化による測定誤差を少なくすることができる。

【0017】

前記非膨潤層の厚さは特に限定されるものではないが、例えば、１０μｍ〜１００μｍとすることができ、２０μｍ〜６０μｍが好ましく、３０μｍ〜５０μｍが更に好ましい。また、上述のように前記膨潤層と前記非膨潤層とを同じ厚さとすることができる。

【0018】

（接着層）
図１に示すように、前記湿度センサは接着層を積層構造に含んでいてもよい。前記接着層は、膨潤層と非膨潤層とを接着するために用いられる層である。前記接着層の厚さは特に限定はないが、バイメタル式湿度センサの機能を阻害しない観点から、１０μｍ以下が好ましく、０．１μｍ〜１μｍが更に好ましい。

【0019】

前記接着層に用いることのできる材料は特に限定されるものではなく、使用する感湿材料と４２アロイとを接着できるものであれば適宜使用することができる。例えば、接着性の観点からイソシアネートを含む接着剤を用いることができる。また、生産性容易の観点から、湿度硬化型の接着剤を用いてもよい。例えば、前記接着剤としては、イソシアネート系の湿度硬化型接着剤を用いることができる。

【0020】

＜湿度センサの形状＞
本発明の湿度センサの形状は特に限定されるものではなく、帯状（又は板状）のままで用いてもよいし、更に帯状の湿度センサを、渦巻き状又は螺旋状にするなど設置する湿度計の構成に併せて適宜その形状を決定することができる。湿度センサを渦巻き状又は螺旋状として用いる場合、膨潤層及び非膨潤層のいずれを内面側又は外面側にしても湿度センサとして機能させることができるが、膨潤層と非膨潤層との剥離を抑制する観点からは、膨潤層を外面側及び非膨潤層を内面側とした渦巻き状又は螺旋状とすることが好ましい。以下、図２及び３を用いて、渦巻き状の湿度センサ及びこれを用いた湿度計について説明する。図２は、本発明の湿度センサの一態様を示す概略図である。図３は、本発明の湿度センサを備えた湿度計の一態様を示す概略図である。

【0021】

図２は渦巻き状の湿度センサを上方から観察した上方斜視図である。図２に示すように、湿度センサ１０Ａは、平面的に巻かれており、二次元の渦巻き形状（所謂スパイラル形状）を有している。この際、湿度センサ１０Ａは、膨潤層が外側面となるように渦巻き状に巻かれている。湿度センサ１０Ａの一端（渦巻きの中心側の端）には、回転軸１２Ａが設置されている。また、回転軸１２Ａには湿度センサ１０Ａとは逆の端に指針１４が備えられている。湿度センサ１０Ａ及び回転軸１２Ａは図３に示す湿度計２０の本体に収容されている。図示を省略するが湿度センサ１０Ａの他端は湿度計２０の本体に固定されている。また、回転軸１２Ａは回動可能なように湿度計２０本体内に収容されている。図３に示すように湿度計２０は、指針１４と表示部１６とを主構成として有している。表示部１６には測定湿度に対応する目盛りが表示されており、指針１４によって湿度センサ１０Ａによる測定値が分かるように設計されている。

【0022】

湿度センサ１０Ａは、吸湿によって膨潤層が膨張又は収縮することによって回転軸１２Ａが回動するように設計されている。湿度センサ１０Ａは、渦巻き状を形成する際、製造過程において一時的に密着した渦巻き状とすることができる。このように密着した渦巻き状とすることで、非膨潤層（４２アロイ）に巻き癖を付与することができる。一方、膨潤層（例えば、セロハン）は巻き癖がほとんど付与されないので、膨潤層は内外周差のため引っ張られた状態となる。このような状態で渦巻きの密着状態を開放すると、膨潤層の元の状態に戻ろうと引っ張る力が働き、図２に示すように巻き間に一定の隙間を有する渦巻き状の湿度センサ１０Ａを形成することができる。渦巻き状の湿度センサ１０Ａは、湿度がかかると外面側の膨潤層が膨潤し、内面側の非膨潤層の密着しようとする力で渦巻きが小さく（巻き間の幅が狭く）なる。即ち、湿度センサ１０Ａの渦巻き中心側端が渦巻きの中心側に移動することで回転軸１２Ａを回動させることができる。この場合、図２において回転軸１２Ａは、矢印Ａに沿って時計回りに回動することとなる。逆に湿度が膨潤層から抜けると、膨潤層が収縮し非膨潤層を引っ張るため、渦巻きが大きく（巻き間の幅が広く）なる。即ち、湿度センサ１０Ａの渦巻き中心側端が渦巻きの中心から離れる方向に移動することで回転軸１２Ａを回動させることができる。この場合、図２において回転軸１２Ａは、矢印Ａに沿って反時計回りに回動することとなる。
以上のように、湿度センサ１０Ａの渦巻き中心側端が渦巻きの中心側又は中心から離れる方向に移動することで、これに連動して図２中の矢印Ａのいずれかの方向に回転軸１２Ａが回動する。回転軸１２Ａが湿度センサ１０Ａの動きに伴って回動すると、これに伴って指針１４が回転軸１２Ａとの連結部を中心として回転する。即ち、湿度センサ１０Ａの動きと連動して指針１４を回転させることで、湿度センサ１０Ａによる測定値を指針１４によって指し示すことができる。図３に示すように、表示部１６には、湿度センサ１０Ａの測定した湿度と指針１４が指し示す数値とが合致するように、目盛りがあらかじめ所定の部位に配置されている。

【0023】

渦巻き状の湿度センサ１０Ａの巻き数、幅、長さ等は特に限定されるものではなく、設置する湿度計２０のサイズや表示部１６の構成に応じて適宜選定することができる。同様に指針１４の回転角は特に限定されるものではなく表示部１６の目盛り幅等によって適宜選定することができ、例えば、２２０°程度とすることができる。

【0024】

上述のように前記湿度センサは、三次元螺旋構造（所謂ヘリカル構造）であってもよい。図４は、本発明の湿度センサの他の態様を示す概略図である。また、図４は、湿度センサを側面から観察した図である。図４に示すように、湿度センサ１０Ｂは、紙面左右方向に立体的に巻かれており、三次元螺旋構造を有している。この際、湿度センサ１０Ａは、膨潤層が外側面となるように螺旋状に巻かれている。図示を省略するが、湿度センサ１０Ｂの一端は湿度計の本体内において固定されている。また、湿度センサ１０Ｂの他端には回転軸１２Ｂが設置される。湿度センサ１０Ｂの動きに伴って回転軸１２Ｂが回動するように構成し、更に回転軸１２Ｂの他端に指針１４を設置することで、図２及び３にて説明される湿度計２０の構成と同様に湿度センサ１０Ｂによって測定された湿度を湿度計の表示部に表示することができる。

【0025】

本発明の湿度センサの製造方法については特に限定はなく、適宜公知の方法を採用することができる。例えば、膨潤層と非膨潤層とを接着剤を用いて接着させて積層構造を形成することで前記湿度センサを製造することができる。この際、製造工程中に接着層を硬化させる工程やエージング工程等適宜施すことができる。

【0026】

以上、実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。本発明の権利範囲がこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもない。また、本発明の湿度計は湿度の測定のみを目的とする湿度計以外に、温度測定機能を有する所謂温湿度計であってもよい。更に、上記実施形態においてはアナログ表示の湿度計を例に説明したが、本発明の湿度計はこれに限定されるものではなく、本発明の湿度センサの形状の変化量を検出したり、コイル等を連動させた機構によって測定値をデジタル表示する湿度計であってもよい。

【実施例】

【0027】

以下、本発明について実施例を用いてより具体的に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。

【0028】

［比較例１］
厚さ３５μｍの普通セロハン（ＰＴ）と厚さ５０μｍの真鍮薄膜とをイソシアネート系接着剤を用いて貼り付けて積層構造を形成し、帯状の湿度センサ（幅３ｍｍ、長さ８１ｍｍ）を製造した。この際、接着層の厚みは１μｍであった。

【0029】

次いで、帯状の湿度センサを２．５回巻いて渦巻き状の湿度センサを製造し、湿度計に設置した。

【0030】

［実施例１］
厚さ３５μｍの普通セロハン（ＰＴ）と厚さ５０μｍの４２アロイ薄膜とをイソシアネート系接着剤を用いて貼り付けて積層構造を形成し、帯状の湿度センサ（幅３ｍｍ、長さ１０２．５ｍｍ）を製造した。この際、接着層の厚みは１μｍであった。

【0031】

《湿度の測定》
一定湿度（相対湿度３５％又は７５％）に保ちながら温度を１３℃から３３℃まで変動させ、比較例及び実施例の湿度センサの温度変化による測定誤差を測定した。結果を下記に示す。

【0032】

【表1】

【0033】

表１に示されるように、４２アロイを用いた実施例１の湿度センサは、比較例１の湿度センサに比して温度変化による測定誤差が５０％程度低減されていることがわかる。

【符号の説明】

【0034】

２ 膨潤層
４ 非膨潤層
６ 接着層
１０，１０Ａ，１０Ｂ 湿度センサ
２０ 湿度計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】