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公開番号2021085791
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210603
出願番号2019215800
出願日20191128
発明の名称温度測定装置
出願人京セラ株式会社
代理人個人
主分類G01K 7/01 20060101AFI20210507BHJP(測定;試験)
要約【課題】 感度が向上された温度測定装置を提供する。
【解決手段】 温度測定対象抵抗R1および温度検出素子であるダイオードD1,D2を含み、ダイオードD1,D2の入力電圧の温度に応じた変化を温度測定対象抵抗R1の入出力端間の電位差として出力する温度測定部2と、温度測定対象抵抗R1の入力端に正入力端子が第1正入力側抵抗R3を介して接続され、温度測定対象抵抗R1の出力端に負入力端子が第1負入力側抵抗R5を介して接続された比較増幅器3と、第1正入力側抵抗R3の出力端と接地端間に挿入された第2正入力側抵抗R4と、第1負入力側抵抗R5の出力端と比較増幅器3の出力端間に挿入された第2負入力側抵抗R6と、を備え、第2正入力側抵抗R4の抵抗値は第2負入力側抵抗R6の抵抗値よりも低い値に設定される。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
温度測定対象抵抗(R1)および温度検出素子である一対のダイオードを含み、前記一対のダイオードの入力電圧(V1,V2)の温度に応じた変化を前記温度測定対象抵抗(R1)の入力端と出力端間の電位差として出力する温度測定部と、
前記温度測定対象抵抗(R1)の入力端に正入力端子が第1正入力側抵抗(R3)を介して接続され、前記温度測定対象抵抗(R1)の出力端に負入力端子が第1負入力側抵抗(R5)を介して接続された比較増幅器と、
前記第1正入力側抵抗(R3)の出力端と接地端との間に挿入された第2正入力側抵抗(R4)と、
前記第1負入力側抵抗(R5)の出力端と前記比較増幅器の出力端との間に挿入された第2負入力側抵抗(R6)と、を備え、
前記第2正入力側抵抗(R4)の抵抗値は前記第2負入力側抵抗(R6)の抵抗値よりも低い値に設定されている、温度測定装置。
続きを表示(約 790 文字)【請求項2】
前記第1正入力側抵抗(R3)の入力端および前記温度測定対象抵抗(R1)の入力端の間に位置する第1差動増幅器と、
前記第1負入力側抵抗(R5)の入力端および前記温度測定対象抵抗(R1)の出力端の間に位置する第2差動増幅器と、をさらに含み、
前記第1差動増幅器の出力端子は、前記第1正入力側抵抗(R3)の入力端に接続され、前記第1差動増幅器の正入力端子は、前記温度測定対象抵抗(R1)の入力端に接続され、前記第1差動増幅器の負入力端子は、前記第1差動増幅器の出力端子に接続され、
前記第2差動増幅器の出力端子は、前記第2負入力側抵抗(R5)の入力端に接続され、前記第2差動増幅器の正入力端子は、前記温度測定対象抵抗(R1)の出力端に接続され、前記第2差動増幅器の負入力端子は、前記第2差動増幅器の出力端に接続されている、請求項1に記載の温度測定装置。
【請求項3】
前記第2正入力側抵抗(R4)の抵抗値および前記第2負入力側抵抗(R6)の抵抗値は、温度測定開始温度における前記比較増幅器の出力電圧を低下させる値に設定されている、請求項1または2に記載の温度測定装置。
【請求項4】
前記比較増幅器の出力電圧は、温度変化に対して不変の定常電圧成分と、温度変化によって変化する温度特性電圧成分と、を含み、
前記第2正入力側抵抗(R4)の抵抗値および前記第2負入力側抵抗(R6)の抵抗値は、前記温度測定開始温度における前記定常電圧成分を低下させる値に設定されている、請求項3に記載の温度測定装置。
【請求項5】
前記第2正入力側抵抗(R4)の抵抗値および前記第2負入力側抵抗(R6)の抵抗値は、前記温度測定開始温度における前記定常電圧成分を無くす値に設定されている、請求項4に記載の温度測定装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、温度検出素子としてダイオードを備えた温度測定装置に関する。
続きを表示(約 5,400 文字)【背景技術】
【0002】
従来技術の温度測定装置は、例えば、特許文献1に記載されている。この従来技術の温度測定装置は、バンドギャップ回路と、アナログ/デジタル変換回路とによって構成される。
【0003】
バンドギャップ回路は、第1の電源端子と第1のノードとの間に配置されたトランジスタと、第1のノードと第2のノードとの間に配置された第1の抵抗と、第1のノードと第3のノードとの間に配置された第2の抵抗と、第2のノードと第2の電源端子との間に配置された第1のダイオードと、第3のノードと第2の電源端子との間に直列に接続された第3の抵抗および第2のダイオードと、第2のノードに接続される反転端子と第3のノードに接続される非反転端子とトランジスタのゲートに接続される出力端子とを有するオペアンプと、を備える。
【0004】
第1のノードの電圧と第3のノードの電圧の差が入力アナログ電圧としてアナログ/デジタル変換器(Analog to Digital Convertor:ADC)に供給されるとともに、第1のノードの電圧が基準電圧としてADCに供給され、基準電圧に対する入力電圧の変化が、測定温度として出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2019−128901号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記特許文献1に記載される従来技術では、温度測定装置の感度を上げる場合、ADCに入力アナログ信号として供給される、第1のノードの電圧と第3のノードの電圧の差を増幅する必要がある。例えば、電源電圧を3V、第1のノードの電圧と第3のノードの電圧との差が0.55Vと仮定すると、利得が4.5倍程度であれば、定常電圧成分と温度特性電圧成分との和が、電源電圧3V以下にクランプされ、利得が制約されてしまい、温度測定装置の感度を上げることができない。したがって、従来から、より高い感度を有する温度測定装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の温度測定装置は、温度測定対象抵抗(R1)および温度検出素子である一対のダイオードを含み、前記一対のダイオードの入力電圧の温度に応じた変化を前記温度測定対象抵抗(R1)の入力端と出力端間の電位差として出力する温度測定部と、
前記温度測定対象抵抗(R1)の入力端に正入力端子が第1正入力側抵抗(R3)を介して接続され、前記温度測定対象抵抗(R1)の出力端に負入力端子が第1負入力側抵抗(R5)を介して接続された比較増幅器と、
前記第1正入力側抵抗(R3)の出力端と接地端との間に挿入された第2正入力側抵抗(R4)と、
前記第1負入力側抵抗(R5)の出力端と前記比較増幅器の出力端との間に挿入された第2負入力側抵抗(R6)と、を備え、
前記第2正入力側抵抗(R4)の抵抗値は前記第2負入力側抵抗(R6)の抵抗値よりも低い値に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本開示の温度測定装置によれば、感度が格段に向上された温度測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本開示の一実施形態の温度測定装置の電気的構成を示すブロック回路図である。
温度測定装置による温度測定原理を説明するための図である。
図3(a)〜図3(c)は、それぞれ第1および第2ダイオードD1,D2の温度と測定電圧との関係を示すグラフである。
本開示の他の実施形態の第2正入力側抵抗R4の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、添付図面を参照して、本開示の温度測定装置の実施形態について説明する。
【0011】
図1は本開示の一実施形態の温度測定装置の電気的構成を示すブロック回路図である。本実施形態の温度測定装置1は、一対の温度測定対象抵抗R1および温度検出素子である一対のダイオードD1,D2を含み、各ダイオードD1,D2の温度に応じた測定電圧V1,V2の電位差のドリフト電圧を温度測定電圧(温度測定対象抵抗(R1)の入力端と出力端間の電位差)として出力する温度測定部2sと、温度測定対象抵抗R1の入力端に正入力端子(非反転入力端子)が第1正入力側抵抗R3を介して接続され、温度測定対象抵抗R1の出力端に負入力端子(反転入力端子)が第1負入力側抵抗R5を介して接続された比較増幅器(コンパレータ)3と、第1正入力側抵抗R3の出力端および接地端を結ぶ接地線4に挿入された第2正入力側抵抗R4と、第1負入力側抵抗R5の出力端および比較増幅器3の出力端に接続された出力線5の間を結ぶ負帰還線6に挿入された第2負入力側抵抗R6と、を備える。本実施形態において「接地」は、シグナルグラウンド、信号グラウンドまたは基準等電位をいう。また、一対のダイオードは、第1ダイオードD1および第2ダイオードD1のように少なくとも2つから成るダイオード群であるが、一対のダイオードのうちの一方のダイオードである第2ダイオードD2が、複数のダイオードを並列接続したダイオード群から構成されていてもよい。
【0012】
各ダイオードD1,D2に等しい電流I1,I2(I1=I2=I)が流れるようにするために、ノードn1,n2に比較増幅器14を接続し、ノードn1の電圧とノードn2の電圧が等しくなると比較増幅器14の出力電圧が安定化する。即ち、温度測定対象抵抗R1とそれに並列接続された抵抗R1の各入力端の電圧が安定化する。温度測定対象抵抗R1の入力端と出力端間の電位差(V1i−V1o(V1i:入力端電圧、V1o:出力端電圧)であり、例えば温度測定開始温度(0℃(273K)において0.55V)は、抵抗R1と抵抗R2の比(R1/R2)に依存するとともに温度上昇に応じて上昇する。増幅部2aの出力電圧Voは、上記電位差を増幅して得られる。
【0013】
しかしながら、増幅部2aで上記電位差(V1i−V1o)を増幅しようとしても、温度が上昇すると,所望の測定温度範囲(例えば、0℃〜60℃(323K)程度)の上限温度(例えば、60℃程度)または上限温度未満の温度において、増幅部2aの出力電圧Voは電源電圧(例えば、3V)でクランプする。即ち、上記電位差が、温度に対して不変の定常電圧成分Vd1,Vd2と、温度によって変化する温度特性電圧成分ΔVd1,ΔVd2と、を含むことから、測定温度範囲が狭くなったり、温度測定の感度(mV/℃)が低下する(例えば、10.8mV/℃程度)、という問題点があった。本実施形態の温度測定装置1は、好適には定常電圧成分Vd1,Vd2を低下させる構成、またはより好適には定常電圧成分Vd1,Vd2を無くす構成の増幅部2aを備える。以下、増幅部2aの構成について説明する。本実施形態では、増幅部2aにおいて、第2正入力側抵抗R4の抵抗値は第2負入力側抵抗R6の抵抗値よりも低い値に設定されている。なお、図1に示す増幅部2aにおいて、第1差動増幅器7は、その大きなインピーダンスによって第1正入力側抵抗R3を流れる電流を微小電流とするとともに温度測定対象抵抗R1の入力端と入力端電圧V1iを安定化させるバッファまたはボルテージホロワとして機能する。第2差動増幅器8は、その大きなインピーダンスによって第1負入力側抵抗R5を流れる電流を微小電流とするとともに温度測定対象抵抗R1の出力端電圧V1oを安定化させるバッファまたはボルテージホロワとして機能する。
【0014】
温度測定装置1は、第1正入力側抵抗R3の入力端および温度測定対象抵抗R1の入力端の間に位置する第1差動増幅器7と、第1負入力側抵抗R5の入力端および温度測定対象抵抗R1の出力端の間に位置する第2差動増幅器8と、をさらに含んでいてもよい。
【0015】
第1差動増幅器7の出力端子は、第1正入力側抵抗R3の入力端に接続される。第1差動増幅器7の正入力端子は、温度測定対象抵抗R1の入力端に接続され、第1差動増幅器7の負入力端子は、負帰還線9によって該第1差動増幅器7の出力端子に接続される。
【0016】
第2差動増幅器8の出力端子は、第1負入力側抵抗R5の入力端に接続される。第2差動増幅器8の正入力端子は、温度測定対象抵抗R1の出力端に接続され、第2差動増幅器8の負入力端子は、負帰還線10によって該第2差動増幅器8の出力端に接続される。
【0017】
第2正入力側抵抗R4の抵抗値および第2負入力側抵抗R6の抵抗値は、温度測定開始温度(例えば、0℃)における比較増幅器3の出力電圧Voを低下させる値に設定されていることがよい。これにより、測定温度範囲の上限温度または上限温度未満の温度において、増幅部2aの出力電圧Voが電源電圧でクランプすることを抑えることができる。その結果、温度測定範囲を広げたり、測定温度範囲における温度測定の感度(mV/℃)を高くする(例えば、58.8mV/℃程度)ことができる。
【0018】
温度測定対象抵抗R1の出力端は、接続線11によって、第1ダイオードD1のアノード端子に接続される。第1ダイオードD1のカソード端子は接地される。温度測定対象抵抗R1に並列接続された抵抗R1(温度測定対象抵抗R1と同じ抵抗値)の出力端は、抵抗R2を介して接続線12によって、第2ダイオードD2のアノード端子に接続される。第2ダイオードD2のカソード端子は接地される。
【0019】
また、温度測定対象抵抗R1の出力端は、接続線13によって、比較増幅器14の正入力端子(非反転入力端子)に接続される。抵抗R1の出力端は、接続線15によって、比較増幅器14の負入力端子(反転入力端子)に接続される。
【0020】
図2は温度測定装置1による温度測定原理を説明するための図であり、図3(a)〜図3(c)は、それぞれ第1および第2ダイオードD1,D2の温度と測定電圧(比較増幅器3の出力電圧Vo)との関係を示すグラフである。図3(a)は従来例の温度測定装置のグラフであり、図3(b),(c)は本実施形態の温度測定装置1のグラフである。第1ダイオードD1の逆方向電流I1は、下記の式1によって表され、第2ダイオードD2の逆方向電流I2は、下記の式2によって表される。
【0021】
【0022】
ここに、Is:係数
k:ボルツマン定数(1.379×10
−23
J/K)
q:電気素量(1.602×10
−19
C)
T:絶対温度
【0023】
上記の式1および式2から、V1(第1ダイオードD1の入力電圧(アノード電圧))、V2(第2ダイオードD2の入力電圧(アノード電圧))は、下記の式3、式4によって求められる。
【0024】
【0025】
【0026】
第1および第2ダイオードD1,D2に流れる逆方向電流I1,I2が、I1=I2=Iで一定とすると、図3(a)〜図3(c)のグラフの直線の傾きで示されるように、温度測定の感度ΔV,ΔV´を求めることができる。
【0027】
【0028】
なお、ΔVは抵抗R2の入力端と出力端間の電位差(V1−V2)に相当し、ΔV´は温度測定対象抵抗R1の入力端と出力端間の電位差に相当し、ΔV´=(R1/R2)・loge(10)・{(T・k)/q}で表され、R1/R2=10,ΔV´=10ΔV=+1.98mV/℃である。
【0029】
前記従来技術では、温度測定対象抵抗R1にかかる定常電圧成分Vdが増幅される。定常電圧成分Vdは、Vd1−Vd2(Vd1は温度測定開始温度における温度測定対象抵抗R1の入力端電圧であり例えば1.18V、Vd2は温度測定開始温度における温度測定対象抵抗R1の出力端電圧であり例えば0.63V)で表され、電源電圧が3Vである場合には5.45倍(3V/0.55V(=1.18−0.63))の利得で出力電圧が電源電圧にクランプするので、温度測定装置1としての感度(se1:図3(a)に示す直線の傾きで表される)は+10.8mV/℃(+1.98mV/℃×5.45)である。
【0030】
これに対し本実施形態では、温度測定対象抵抗R1にかかる電圧の定常電圧成分をVd、温度特性成分をΔVd、増幅部2aの出力電圧をVoとすると、Voは下記の式6で表される。
(【0031】以降は省略されています)

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