JP2017146245A - 温度検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＡＤＣ（アナログ-デジタル変換回路）を構成するＩＣに発生するリーク電流が抑制された精度の高い温度検出回路を提供する。
【解決手段】 固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３とが直列に接続された分圧回路４が、電源１とグランドＧとの間に接続され、固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３との接続点が、ＡＤＣを備えたＩＣ６の入力端子６ａに接続され温度検出回路であって、固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３との接続点と、ＩＣ６の入力端子６ａとの間に、ボルテージフォロア回路５が挿入されたものとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サーミスタを使用した温度検出回路に関し、さらに詳しくは、ＡＤＣ（アナログ-デジタル変換回路；Analog-to-digital converter）を構成するＩＣ（Integrated Circuit）に発生するリーク電流が抑制された精度の高い温度検出回路に関する。

電子機器、車載機器、医療機器などにおいて所定部分の温度を測定する温度センサや、体温計や、大気温計などに、サーミスタを使用した温度検出回路が広く使用されている。

そのような温度検出回路が、特許文献１（特開２０１１-３３３４３号公報）に開示されている。

図５に、特許文献１に開示された温度検出回路４００を示す。ただし、温度検出回路４００は、特許文献１においては、従来の温度検出回路として示されている。

温度検出回路４００は、電源（Ｖｐ：５Ｖ）とグランドとの間に、固定抵抗（プルアップ抵抗）とサーミスタとが直列接続された分圧回路が接続されている。そして、固定抵抗とサーミスタとの接続点（以下において「固定抵抗とサーミスタとの接続点」を単に「接続点」と称呼する場合がある）が、ＡＤＣを構成するＩＣ（以下において「ＡＤＣを構成するＩＣ」を単に「ＩＣ」と称呼する場合がある）の入力端子に接続されている。なお、サーミスタには、ＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタが使用されると記載されている。

ＮＴＣサーミスタは、負の抵抗温度係数を備えるため、温度が上昇すると抵抗値が減少し、温度が降下すると抵抗値が増大する。温度検出回路４００は、ＮＴＣサーミスタのこの特性を利用し、ＮＴＣサーミスタを温度検知素子として使用している。

すなわち、被測定物の温度によって、ＮＴＣサーミスタの抵抗値が変化する。ＮＴＣサーミスタの抵抗値が変化すると、固定抵抗とＮＴＣサーミスタとの接続点の電圧が変化する。

ＡＤＣは、接続点の電圧をデジタル信号に変換する。デジタル信号は、マイクロコンピュータ等の制御装置に取り込まれる。マイクロコンピュータ等の制御装置は、予め定められた規則に従って、デジタル信号を温度情報に変換する。

以上の方法により、温度検出回路４００は、被測定物の温度を、高い精度で測定することができる。

特開２０１１-３３３４３号公報

温度検出回路４００においては、不可避的に、ＩＣ（ＡＤＣを構成するＩＣ）にリーク電流が発生する。

温度検出回路４００において、固定抵抗に抵抗値の小さいものを使用し、ＮＴＣサーミスタにも抵抗値（基準温度における抵抗値）の小さいものを使用した場合には、ＩＣに発生するリーク電流に比べて、固定抵抗とＮＴＣサーミスタとに流れる電流が十分に大きいため、ＩＣに発生するリーク電流が、温度測定精度にそれほど大きな影響を与えることはなかった。

従来においては、実際にも、温度検出回路４００の固定抵抗とＮＴＣサーミスタとに、それほど大きい抵抗値のものを使用しなかった。そのため、ＩＣに発生するリーク電流に起因した温度測定誤差が大きな問題になることはなかった。

しかしながら、近年、省電力等のために、固定抵抗の抵抗値とＮＴＣサーミスタの抵抗値とを、それぞれ、格段に大きくして温度検出回路４００を設計する傾向にある。すなわち、固定抵抗の抵抗値とＮＴＣサーミスタの抵抗値とが小さいと、固定抵抗とＮＴＣサーミスタとの分圧回路に流れる電流値が大きくなってしまい、分圧回路で消費される電力が大きくなってしまうため、固定抵抗の抵抗値とＮＴＣサーミスタの抵抗値とを大きくして、省電力をはかろうとするのである。また、ＮＴＣサーミスタに流れる電流値が大きくなってしまうと、ＮＴＣサーミスタが自己発熱し、温度上昇して、温度検出回路４００によって出力される被測定物の測定温度結果に誤差が発生する虞があるため、ＮＴＣサーミスタの抵抗値を大きくして、ＮＴＣサーミスタの自己発熱を抑制し、測定温度結果の誤差を抑制しようとするのである。

しかしながら、温度検出回路４００の固定抵抗とＮＴＣサーミスタとに大きい抵抗値のものを使用すると、上述したように、ＡＤＣを構成するＩＣに発生するリーク電流による影響が大きくなる。

そして、ＡＤＣを構成するＩＣに大きなリーク電流が発生すると、ＡＤＣが実際の接続点の電圧からから大きくずれたデジタル信号を出力してしまい、マイクロコンピュータ等の制御装置から大きな誤差を含んだ温度情報が出力されてしまう。すなわち、省電力等のために、固定抵抗の抵抗値とＮＴＣサーミスタの抵抗値とを大きくしたことによって、新たな温度測定誤差を発生させる原因になってしまっているのである。たとえば、後に詳述する例では、リーク電流が1μＡのときに、０．６３℃の温度誤差が発生してしまっている。

しかしながら、０．６３℃の温度誤差が発生すると、もはや精度の高い温度検出回路とは言えず、厳格な温度検出が求められる用途には使用できない。

本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものであり、その手段として、本発明の温度検出回路は、固定抵抗とサーミスタとが直列に接続された分圧回路が、電源とグランドとの間に接続され、固定抵抗とサーミスタとの接続点が、アナログ-デジタル変換回路を備えたＩＣの入力端子に接続された温度検出回路であって、固定抵抗とサーミスタとの接続点と、ＩＣの入力端子との間に、ボルテージフォロア回路が挿入されたものとした。

サーミスタには、たとえばＮＴＣサーミスタを使用することができる。ただし、サーミスタの種類はＮＴＣサーミスタには限定されず、他の種類のサーミスタであっても良い。

分圧回路に含まれる固定抵抗とサーミスタのうち、固定抵抗が電源側に接続され、サーミスタがグランド側に接続されたものとすることが好ましい。この場合には、分圧回路の固定抵抗の抵抗値とサーミスタの抵抗値との合計の抵抗値をある程度大きくしながら、サーミスタの抵抗値のみを小さくすることができる。すなわち、固定抵抗の抵抗値をある程度大きくし、サーミスタの抵抗値のみを小さくすることにより、省電力と、サーミスタの自己発熱の抑制と、ＩＣにリーク電流を発生させる原因自体の抑制とを同時にはかることができる。

固定抵抗の抵抗値が、サーミスタの抵抗値の５倍以上であることが好ましい。この場合には、分圧回路の抵抗値をある程度大きくしながら、サーミスタの抵抗値のみを小さくすることができるため、省電力と、サーミスタの自己発熱の抑制と、ＩＣにリーク電流を発生させる原因自体の抑制とを同時にはかることができる。

固定抵抗の抵抗値が、サーミスタの抵抗値の１０倍以上であることが更に好ましい。この場合には、サーミスタの抵抗値のみを更に小さくすることができるため、更に、サーミスタの自己発熱の抑制と、ＩＣにリーク電流を発生させる原因自体の抑制とをはかることができる。

アナログデジタル変換回路を備えたＩＣに、ボルテージフォロア回路を含ませることができる。この場合には、部品点数の削減をはかることができ、回路スペースの削減をはかることができ、製造の煩雑さを低減させることができる。

本発明の温度検出回路は、固定抵抗とサーミスタとの接続点と、ＩＣの入力端子との間に、ボルテージフォロア回路が挿入されているため、ＩＣに流れるリーク電流が大幅に抑制されている。その結果、本発明の温度検出回路は、温度測定誤差の抑制された精度の高いものになっている。

第１実施形態にかかる温度検出回路１００を示す等価回路図である。 図２（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、ＩＣにリーク電流が発生することによる被測定物の温度の測定誤差について説明するための等価回路５００、５００Ｂ、５００Ｃを示す等価回路図である。 第２実施形態にかかる温度検出回路２００を示す等価回路図である。 第３実施形態にかかる温度検出回路３００を示す等価回路図である。 特許文献１に開示された温度検出回路４００を示す等価回路図である。

以下、図面とともに、本発明を実施するための形態について説明する。

なお、各実施形態は、本発明の実施の形態を例示的に示したものであり、本発明が実施形態の内容に限定されることはない。また、異なる実施形態に記載された内容を組合せて実施することも可能であり、その場合の実施内容も本発明に含まれる。また、図面は、実施形態の理解を助けるためのものであり、必ずしも厳密に描画されていない場合がある。たとえば、描画された構成要素ないし構成要素間の寸法の比率が、明細書に記載されたそれらの寸法の比率と一致していない場合がある。また、明細書に記載されている構成要素が、図面において省略されている場合や、個数を省略して描画されている場合などがある。

［第１実施形態］
図１に、第１実施形態にかかる温度検出回路１００を示す。ただし、図１は、温度検出回路１００の等価回路図である。

温度検出回路１００は、電源１を備える。本実施形態においては、電源１を５Ｖの直流電源とした。

温度検出回路１００は、固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３とが直列に接続された分圧回路４を備える。分圧回路４は、電源１とグランドＧとの間に接続されている。本実施形態では、固定抵抗２が電源１側に、ＮＴＣサーミスタ３がグランドＧ側に接続されている。この場合には、後述するように、分圧回路４の固定抵抗２の抵抗値とＮＴＣサーミスタ３の抵抗値との合計の抵抗値をある程度大きくしながら、ＮＴＣサーミスタ３の抵抗値のみを小さくすることができる。すなわち、固定抵抗２の抵抗値をある程度大きくし、ＮＴＣサーミスタ３の抵抗値のみを小さくすることにより、省電力と、ＮＴＣサーミスタ３の自己発熱の抑制と、後述するＩＣ６にリーク電流Ｉ_leakを発生させる原因自体の抑制とを同時にはかることができる。ただし、分圧回路４の上記接続方法は本発明において必須のものではなく、逆に、ＮＴＣサーミスタ３を電源１側に、固定抵抗２をグランドＧ側に接続しても良い。

本実施形態においては、固定抵抗２に抵抗値が１００ｋΩのものを使用した。また、ＮＴＣサーミスタ３に、常温（２５℃）における抵抗値が１０ｋΩで、Ｂ定数が３３８０のものを使用した。

本実施形態においては、固定抵抗２の抵抗値が、ＮＴＣサーミスタ３の常温における抵抗値の１０倍になっている。この倍率は、大きいほど、分圧回路４の抵抗値（固定抵抗２の抵抗値+ＮＴＣサーミスタ３の抵抗値）をある程度大きくしながら、ＮＴＣサーミスタ３の抵抗値のみを小さくすることができるため、省電力と、ＮＴＣサーミスタ３の自己発熱の抑制と、ＩＣ６にリーク電流を発生させる原因自体の抑制とをはかることができて好ましい。具体的には、この倍率は、５倍以上であることが好ましく、１０倍以上であることが更に好ましい。

温度検出回路１００は、ボルテージフォロア回路５を備える。ボルテージフォロア回路５はオペアンプ５ａを備える。そして、分圧回路４の固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３との接続点が、オペアンプ５ａのＶ＋端子に接続されている。また、オペアンプ５ａの出力端子がＶ−端子に接続されている。オペアンプ５ａは、入力側のインピーダンスが高く、出力側のインピーダンスが低く、インピーダンス変換の機能を有する。オペアンプ５ａは、入力側の電圧と出力側の電圧が等しい。すなわち、オペアンプ５ａは、入力側の電圧を出力側に伝えるが、入力側から出力側に電流をほとんど流さない。なお、オペアンプ５ａは、電圧利得が１倍であり、アンプとしては機能していない。

温度検出回路１００は、ＡＤＣ（アナログ-デジタル変換回路；Analog-to-digital converter）を備える。ＡＤＣは、ＩＣ６によって構成されている。ＩＣ６は、入力端子６ａと、電源端子６ｂと、グランド端子６ｃとを備える。そして、入力端子６ａに、ボルテージフォロア回路５の出力端子が接続されている。また、電源端子６ｂに、電源１が接続されている。また、グランド端子６ｃがグランドＧに接続されている。

ＡＤＣは、分圧回路４の固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３との接続点の電圧をデジタル信号に変換する。ＡＤＣが出力するデジタル信号は、マイクロコンピュータの制御装置（図示せず）に取り込まれる。なお、本実施形態においては、上記制御装置がＩＣ６に組込まれている。

以上の構成からなる、本実施形態の温度検出回路１００は、以下のプロセスによって、被測定物の温度を測定することができる。

まず、温度検出回路１００は、ＮＴＣサーミスタ３を温度検知素子として使用する。すなわち、ＮＴＣサーミスタ３を被測定物（図示せず）の近傍に配置することにより、ＮＴＣサーミスタ３の温度と被測定物の温度とを等しくする。

ＮＴＣサーミスタ３は、負の抵抗温度係数を備えるため、被測定物の温度に対応した抵抗値に変化する。

ＮＴＣサーミスタ３の抵抗値が被測定物の温度に対応した抵抗値に変化すると、分圧回路４における固定抵抗２の抵抗値とＮＴＣサーミスタ３抵抗値との比率が変化するため、固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３との接続点の電圧が、被測定物の温度に対応した電圧に変化する。

ＡＤＣ（ＩＣ６）は、ボルテージフォロア回路５を介して、固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３との接続点の電圧を読み取り、デジタル信号に変換して出力する。すなわち、ＡＤＣは、被測定物の温度に対応したデジタル信号を出力する。

ＡＤＣから出力されたデジタル信号は、マイクロコンピュータ等の制御装置（図示せず）に取り込まれる。マイクロコンピュータ等の制御装置は、予め定められた規則、すなわち、ＡＤＣから入力されたデジタル信号と被測定物の温度との対応関係を定めた規則に従って、ＡＤＣから入力されたデジタル信号を被測定物の温度情報に変換して出力する。

本実施形態の温度検出回路１００は、以上のプロセスにより、被測定物の温度を測定することができる。

本実施形態の温度検出回路１００は、分圧回路４の固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３との接続点と、ＩＣ６の入力端子６ａとの間に、ボルテージフォロア回路５が挿入されているため、ＩＣ６に発生するリーク電流Ｉ_leakが抑制されている。したがって、ＩＣ６にリーク電流Ｉ_leakが流れることに起因する、被測定物の温度の測定誤差の発生が抑制されている。

次に、ＡＤＣを構成するＩＣにリーク電流が発生することによる、被測定物の温度の測定誤差について説明する。なお、説明は、図２（Ａ）に示す等価回路５００を参照しながらおこなう。等価回路５００は、電源Ｖ_ＣＣと、固定抵抗Ｒ（抵抗値：Ｒ、電流値：Ｉ１）とＮＴＣサーミスタＮＴＣ（抵抗値：Ｒ_ＮＴＣ、電流値：Ｉ２）との分圧回路と、固定抵抗ＲとＮＴＣサーミスタＮＴＣとの接続点とグランドをと繋ぐリーク電流経路Ｘ（電流値：Ｉ_leak）とを含む。なお、図２（Ａ）に示す等価回路５００は、ボルテージフォロア回路を備えていない。ただし、説明の後半では、ボルテージフォロア回路が有る場合と無い場合とを比較して説明しているので、ボルテージフォロア回路が有る場合には、リーク電流経路Ｘにボルテージフォロア回路が挿入されているものとする。

図２（Ａ）に示す等価回路５００は、重ね合わせの理により、図２（Ｂ）に示す等価回路５００Ｂと、図２（Ｃ）に示す等価回路５００Ｃとに分解することができる。

等価回路５００Ｂは、電源Ｖ_ＣＣをオープンにし、電圧源として考えた場合である。等価回路５００Ｂにおいては、キルヒホッフ第２法則により、下記の式１が成立する。

等価回路５００Ｃは、電源Ｖ_ＣＣをショートにし、電流源として考えた場合である。等価回路５００Ｃにおいては、キルヒホッフ第１法則により、下記の式２が成立する。

式１と式２との連立方程式を解くと、固定抵抗ＲとＮＴＣサーミスタＮＴＣとの接続点の電圧Ｖ_ＮＴＣについて、下記の式３が成立する。

式３において、「Ｖ_ＣＣ・Ｒ_ＮＴＣ／（Ｒ+Ｒ_ＮＴＣ）」が、抵抗分圧により求められる固定抵抗ＲとＮＴＣサーミスタＮＴＣとの接続点の電圧である。また、「Ｒ・Ｒ_ＮＴＣ・ｌ_ｌｅａｋ／（Ｒ+Ｒ_ＮＴＣ）」が、リーク電流Ｉ_leakに起因して発生した誤差電圧である。すなわち、等価回路５００は、リーク電流Ｉ_leakに起因して、電圧Ｖ_ＮＴＣに、「Ｒ・Ｒ_ＮＴＣ・ｌ_ｌｅａｋ／（Ｒ+Ｒ_ＮＴＣ）」で表される電圧の誤差が発生する。

次に、上記の式３に、具体的な例を代入してみる。

電源Ｖ_ＣＣ、Ｒ、Ｒ_ＮＴＣは、次の値にした。
電源Ｖ_ＣＣ＝５Ｖ
Ｒ＝１００ｋΩ
Ｒ_ＮＴＣ＝１０ｋΩ

ｌ_ｌｅａｋは、ボルテージフォロア回路の有無により、次の２通りの値にした。
ｌ_ｌｅａｋ＝１ｎＡ （ボルテージフォロア回路:有）
ｌ_ｌｅａｋ＝１μＡ （ボルテージフォロア回路:無）

上記２通りにおける、電圧Ｖ_ＮＴＣに発生する誤差電圧と、マイクロコンピュータ等の制御装置から出力される温度情報に発生する誤差温度とを、表１に示す。

表１から分かるように、ボルテージフォロア回路を設け、リーク電流ｌ_ｌｅａｋを１μＡから１ｎＡに抑制することにより、０．６３℃あった温度情報に発生する誤差温度を、少なくとも有効数字３桁において零にすることができる。

以上のように、第１実施形態にかかる温度検出回路１００は、ボルテージフォロア回路５によって、ＩＣ６に流れるリーク電流Ｉ_leakが抑制されているため、マイクロコンピュータ等の制御装置から出力される温度情報に発生する誤差が大幅に抑制されている。

［第２実施形態］
図３に、第２実施形態にかかる温度検出回路２００を示す。ただし、図２は、温度検出回路２００の等価回路図である。

第１実施形態にかかる温度検出回路１００では、ボルテージフォロア回路５を構成するオペアンプ５ａと、ＡＤＣを構成するＩＣ６とが、別部品としてそれぞれ構成されていた。

温度検出回路２００では、これに代えて、ＡＤＣを構成するＩＣ１６に、ボルテージフォロア回路１５を構成するオペアンプ１５ａを組込んだ。温度検出回路２００の他の構成は、温度検出回路１００と同じにした。

温度検出回路２００は、部品点数が削減されたことにより、回路スペースの削減がはかられている。また、温度検出回路２００は、部品点数が削減されたことにより、製造の煩雑さが低減されている。

［第３実施形態］
図４に、第３実施形態にかかる温度検出回路３００を示す。ただし、図４は、温度検出回路３００の等価回路図である。

温度検出回路３００は、第１実施形態にかかる温度検出回路１００の等価回路に変更を加えた。具体的には、分圧回路４における固定抵抗２とＮＴＣサーミスタ３との配置を入れ替えた。すなわち、ＮＴＣサーミスタ３を電源１側に配置し、固定抵抗２をグランド側に配置した。

また、温度検出回路３００は、マイクロコンピュータ等の制御装置においてＡＤＣから入力されたデジタル信号を被測定物の温度に変換するための予め定められた規則を、温度検出回路１００と異ならせた。温度検出回路３００の他の構成は、温度検出回路１００と同じにした。

温度検出回路３００も、温度検出回路１００と同様に、ボルテージフォロア回路５によって、ＩＣ６に流れるリーク電流Ｉ_leakが抑制されており、マイクロコンピュータ等の制御装置から、誤差が大幅に抑制された温度情報が出力される。

以上、第１実施形態〜第３実施形態にかかる温度検出回路１００〜３００について説明した。しかしながら、本発明が上述した内容に限定されることはなく、発明の趣旨に沿って、種々の変更をなすことができる。

１・・・電源
２・・・固定抵抗
３・・・ＮＴＣサーミスタ
４・・・分圧回路
５、１５・・・ボルテージフォロア回路
５ａ、１５ａ・・・オペアンプ
６、１６・・・ＩＣ（ＡＤＣを構成している）

Claims (6)

1. 固定抵抗とサーミスタとが直列に接続された分圧回路が、電源とグランドとの間に接続され、前記固定抵抗と前記サーミスタとの接続点が、アナログ-デジタル変換回路を備えたＩＣの入力端子に接続された温度検出回路であって、
   前記固定抵抗と前記サーミスタとの前記接続点と、前記ＩＣの前記入力端子との間に、ボルテージフォロア回路が挿入された温度検出回路。
2. 前記サーミスタがＮＴＣサーミスタである、請求項１に記載された温度検出回路。
3. 前記分圧回路に含まれる前記固定抵抗と前記サーミスタのうち、前記固定抵抗が前記電源側に接続され、前記サーミスタが前記グランド側に接続された、請求項1または２に記載された温度検出回路。
4. 前記固定抵抗の抵抗値が、前記サーミスタの抵抗値の５倍以上である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載された温度検出回路。
5. 前記固定抵抗の抵抗値が、前記サーミスタの抵抗値の１０倍以上である、請求項４に記載された温度検出回路。
6. 前記アナログデジタル変換回路を備えた前記ＩＣに、前記ボルテージフォロア回路も含まれている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載された温度検出回路。
   
   
   
   

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