JP2015105852A

JP2015105852A - ダイオード温度計

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Publication number: JP2015105852A
Application number: JP2013247155A
Authority: JP
Inventors: 木村　光照; Mitsuteru Kimura; 光照木村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-08

Abstract

【課題】任意単位系のゼロ点を基準にして、被測定温度Ｔに比例した所望の出力電圧Ｖｏが取り出せるようにした高速応答で簡易型のダイオード温度計を提供する。【解決手段】当該温度の単位系における前記ダイオードの前記所定の一定順電流での予め求めた温度係数αを用い、温度Ｔに対応するダイオード温度計の出力電圧Ｖｏが温度Ｔに比例し、所望の大きさになるに必要な差動増幅器の増幅率βを決定し、反転入力端子側の入力抵抗Ｒｓを定めて、この増幅率βを用いて、帰還抵抗Ｒｆの値を算出して、入力抵抗Ｒｓと帰還抵抗Ｒｆとを差動増幅器の反転入力端子側に設置する。また、非反転入力端子側の分担抵抗Ｒ２と入力抵抗Ｒ１とを、Ｒ２／Ｒ１＝Ｒｆ／Rｓになるように設定し、最後に、Ｒ１に入力する参照電圧Ｖｒで、所望の温度Ｔに比例した所望の出力電圧Ｖｏが得られるように調整して、ダイオード温度計を製作する。【選択図】図２

Description

本発明は、ダイオード温度計に関し，絶対温度センサであるダイオードを用いて、絶対温度（Ｋ）、摂氏（℃）、華氏（Ｆ）などの任意単位系のゼロ（ゼロ点）を基準にして、当該温度単位系の温度Ｔの値に比例した出力電圧Ｖｏを高速に取り出せるようにした任意単位系に対応できる高速応答で小型である簡易型のダイオード温度計に関するものである。

従来、ｐｎ接合ダイオードなどの半導体ダイオードに一定電流を流し、その時のダイオードの順電圧Ｖｄは、温度Ｔの上昇と共に、直線的に低下し、その電流値が１ｍＡ程度の時には、シリコンのｐｎ接合ダイオードの場合は、ほぼー２．３ｍＶ／℃の温度係数αを有することが知られている。そして、この半導体ダイオードの（絶対）温度Ｔに対して直線的な出力応答性を利用して、差動増幅器を組み合わせると、差動増幅器の応答速度に対応する高速の絶対温度Ｔに比例する出力電圧又は温度表示が容易であることから、この原理を使用したダイオード温度計が従来多く使用されている。図１には、この従来のダイオード温度計の簡易温度計の回路図の例を示す。ここでは、本来、ダイオードＤには、定電流源から被測定温度Ｔ（以降、温度Ｔと呼ぶ）に無関係に一定電流（例えば、１ｍＡ程度）を流すのであるが、定電圧源からの一定電圧をダイオードＤに直列に接続してある大きな抵抗Ｒｉ（ここでは、１５ｋΩ）を介して、ダイオードＤにほぼ一定の電流（ほぼ１ｍＡ）を供給している。これは、ダイオードＤの順電流が１ｍＡ程度では、その順電圧は、温度Ｔの大きさに係らず、ほぼ０．５０Ｖから０．７０Ｖ程度以内に収まってしまい、そのダイオードＤの抵抗は、精々５００Ωから７００Ω程度の範囲であるから、これに対して十分大きい抵抗Ｒｉを選択しておけば、ダイオードＤには、ほぼ一定の電流が流れ、定電流源と大きな抵抗Ｒｉの直列接続は、ダイオードＤに対して、定電流源と同等となることによる。そして、差動増幅器Ａ１の反転入力端子側の入力抵抗Ｒｓも順電圧印加時のダイオードＤの抵抗に対して、１桁以上大きな抵抗であれば、ダイオードＤの抵抗はほぼ無視できるので、定電流源からのダイオードＤへの流入電流Ｉも、ほぼ定電流源を流れる電流であるとみなすことができる。

しかしながら、図１に示す従来のダイオード温度計の回路構成では、例えば、摂氏（℃）の温度単位系で温度Ｔを計測しようとしたとき、可変抵抗である非反転入力端子側の可変抵抗Ｒｖｒと反転入力端子側の可変帰還抵抗Ｒｆを用いて、ＯＰアンプの差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏを、摂氏（℃）の温度単位系のゼロ点である温度Ｔが０℃では０ｍＶ、２０℃では２００ｍＶ，１００℃では１０００ｍＶというように、直線的な比例関係の出力電圧Ｖｏを得たいのであるが、例えば、任意の温度（例えば室温）２０℃では２００ｍＶになるようにＲｖｒとＲｆで調整して、次に、例えば、１００℃では１０００ｍＶになるように、さらに調整することになる。この回路では、可変抵抗Ｒｖｒで、参照電圧Ｖｒを調整し、可変帰還抵抗Ｒｆで、差動増幅器Ａ１の増幅率βを調整して、所定の温度Ｔとそれに対応する差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏの大きさを調整するものである。しかしながら、次の１００℃で１０００ｍＶになるように調整しようとすると、先の２０℃で２００ｍＶに調整したＲｖｒとＲｆの値を再度調整変更せざるを得なくなる。従って、これを何度も繰り返して、漸く、温度Ｔが０℃では０ｍＶ、２０℃では２００ｍＶ，１００℃では１０００ｍＶに漸近するようになるのであって、所定の温度Ｔと差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏの大きさとの比例関係を達成するのに、ＲｖｒとＲｆの調整の反復回数が多く手間がかかるものであった。もちろん、このことは、摂氏（℃）の温度単位系以外の単位系にする場合も同様である。なお、ダイオード温度計では、（被測定環境）温度Ｔの計測は、温度センサとして使用するダイオードの接合温度の温度Ｔに対応することになる。

摂氏（℃）の温度単位系の０℃（ゼロ点）は、丁度、氷の温度であり、前記の任意の温度として室温（例えば、２０℃）ではなく、この摂氏（℃）の温度単位系の０℃（ゼロ点）で（被測定環境）温度Ｔ＝０℃で、差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏ＝０ｍＶとなるように主にＲｖｒを用いて調整しておき、次に主に、Ｒｆを用いて、Ｔ＝100℃でＶｏ＝１０００ｍＶになるように調整するようにすると、ダイオード温度計を調整の反復回数が少なくて摂氏（℃）の温度単位系における温度表示とダイオード温度計の出力電圧Ｖｏとの対応関係に一致するように、すなわち、Ｔ＝０℃でＶｏ＝０ｍＶ、Ｔ＝１００℃でＶｏ＝１０００ｍＶというように、ゼロ点を通る比例的な直線関係の出力電圧Ｖｏが得られるようにダイオード温度計を調整することができる。しかし、調整の反復回数がゼロではなく、また、他の単位系、例えば、絶対温度単位系（Ｋ）では、その単位系のゼロ点である絶対零度（０Ｋ）でのダイオード温度計の調整は不可能である。従って、その温度単位系における任意の温度で温度校正が可能であり、そして、その単位系のゼロ点で出力電圧Ｖｏがゼロで、任意の温度Ｔで所望の出力電圧Ｖｏの値が簡単に得られるように調整することができるダイオード温度計の回路構成が求められていた。

従来、上述のようにダイオード温度計の調整の反復が困難なこと、一定電流下では、ダイオードの順電圧Ｖｄが、被測定温度Ｔの上昇に対して直線的に低下することを使用し、これらのダイオードの順電圧Ｖｄの被測定温度Ｔに関するデータを読み込み、ソフト上で演算処理して、温度Ｔに関する出力電圧Ｖｏを取り出し、温度表示できるようにしていた（特許文献１及び特許文献２）。しかし、ソフト上で演算処理は、小型化が困難であり、更に処理時間がかかり、被測定温度Ｔに関する出力をマイクロ秒程度の高速に取り出すことは困難であった。

また、従来、数個のバイポーラトランジスタを組み合わせて温度表示できるＩＣ温度センサがあるが、一般には、樹脂でモールドされており、例えば、ＩＣ基板内の温度計測のような１０マイクロメートル（μm）程度の寸法の個所の温度計測などには使用できず、また、例えば、ＬＥＤの動作時の接合温度計測などにも使用できないものであった。このように任意の寸法と任意の個所の温度計測を高速温度計測できる温度計が求められていた。

特開平５−４０５３３号公報特開２００９−５８４８７号公報

本発明は、上述の問題点を解消するためになされたもので、絶対温度（Ｋ）、摂氏（℃）、華氏（Ｆ）などの任意単位系のゼロ点を出力電圧Ｖｏ＝０Ｖの基準にして、ダイオードの所定の一定順電流での順電圧Ｖｄの温度係数αが知られていれば、ゼロ点以外の任意の１点の（被測定環境）温度Ｔで、所望の出力電圧Ｖｏになるように簡単に調整できるようにし、その単位系の温度Ｔに比例した出力電圧Ｖｏが取り出せるようにした高速応答で小型かつ簡易型であり、しかも基板の温度検出用に基板に形成してあるような任意のダイオードも温度センサとして使用できるダイオード温度計を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わるダイオード温度計は、ダイオードを温度センサとして用い、該ダイオードの所定の一定順電流下での順電圧Ｖｄの変化から温度Ｔを計測し表示できるようにしたダイオード温度計において、任意の温度の単位系でのゼロ点で、前記ダイオード温度計の温度Ｔに比例させる出力電圧Ｖｏをゼロとさせるようにすると共に、
当該温度の単位系における前記ダイオードの前記所定の一定順電流での予め求めてある温度係数αを用いて、当該単位系における温度Ｔに対応するダイオード温度計の前記出力電圧Ｖｏが前記温度Ｔに比例すると共に所望の大きさにさせるに必要な差動増幅器の増幅率βを決定したこと、
前記差動増幅器の反転入力端子側の入力抵抗Ｒｓを定めて、前記増幅率βを用いて、前記差動増幅器の帰還抵抗Ｒｆの値を算出して、これらの入力抵抗Ｒｓと帰還抵抗Ｒｆとを前記差動増幅器の反転入力端子側に設置したこと、
前記差動増幅器の非反転入力端子側には、前記帰還抵抗Ｒｆと反転入力端子の入力抵抗Ｒｓとの比、Ｒｆ／Rｓ、に等しいか、もしくは略等しくなるようにしたＲ２／Ｒ１の抵抗Ｒ２とＲ１とを、それぞれ前記差動増幅器の非反転入力端子側の分担抵抗Ｒ２と入力抵抗Ｒ１として設置したこと、
前記差動増幅器の非反転入力端子側の入力抵抗Ｒ１に入力する参照電圧Ｖｒを調整して、当該単位系におけるゼロ点以外の任意の所定の温度Ｔに対応する前記ダイオード温度計の前記出力電圧Ｖｏが、予定していた特定の出力電圧Ｖｏの値に一致するようにしたこと、
を特徴とするものである。

図２に示す本発明のダイオード温度計の実施例の構成回路図を用いて説明する。ここでは、ダイオードＤに定電流源から所定の一定電流Ｉを流し、このダイオードＤの順電圧Ｖｄの被測定温度Ｔ（以後、温度Ｔとも表現する）に対する直線的な依存性から温度Ｔを計測するものである。この回路では、ＯＰアンプの差動増幅器Ａ１の反転側入力抵抗Ｒｓと非反転側入力抵抗Ｒ１に対して、信号源となるダイオードＤの順電圧Ｖｄにおける内部抵抗と参照電源電圧Ｖｒの内部抵抗とがそれぞれ無視できるように、それぞれバッファー回路１０１及びバッファー回路１０２を接続してある場合である。この場合、差動増幅器Ａ１の増幅率βは、帰還抵抗Ｒｆと反転側入力抵抗Ｒｓとの比、Ｒｆ／Ｒｓ、で決定される。そして、非反転側入力抵抗Ｒ１とその分担抵抗Ｒ２との選択も、Ｒｆ／Ｒｓ＝Ｒ２／Ｒ１となるように選択する。この場合、差動増幅器の性質から差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝（Ｖｄ−Ｖｒ）Ｒｆ／Ｒｓで表わされることが知られている。

ダイオードＤの一定電流下での順電圧Ｖｄは、温度Ｔに対して、図５に示すように、直線的に減少することが知られており、Vd＝aT + bのような直線方程式で表わすことができる。本発明では、任意の温度の単位系の基準となるゼロ点で、差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏが０（Ｖ）であり、そのゼロ点から温度Ｔに比例して所望の温度における出力電圧Ｖｏが所望の大きさになるように設定できるようにすることである。例えば、任意の温度の単位系を摂氏（℃）の単位系にすると、その単位系のゼロ点（０℃）でダイオード温度計を調整設定するのではなく、ゼロ点（０℃）以外の温度Ｔで所望のスパンの大きさになるように、例えば、図６に示すように、任意の温度Ｔ＝Ｔ１＝２０℃の時にＶｏ＝Ｖｏ１＝２００ｍＶであり、温度Ｔ＝Ｔ２＝１００℃の時にＶｏ＝Ｖｏ２＝１０００ｍＶになるように設定したい。請求項１における「ゼロ点以外の任意の所定の温度Ｔ」とは、温度Ｔ＝Ｔ１＝２０℃や温度Ｔ＝Ｔ２＝１００℃のことであり、「予定していた特定の出力電圧Ｖｏの値」とは、これらに対応するＶｏ＝Ｖｏ１＝２００ｍＶやＶｏ＝Ｖｏ２＝１０００ｍＶのことである。このようにすれば、出力電圧Ｖｏの数値を、区切りの良い数字である１０で割り算すれば、そのまま、その単位系における温度Ｔの表示になるようにしているので温度換算に便利である。このときの温度Ｔと出力電圧Ｖｏとの関係は、図６に示す比例的な直線、Ｖｏ＝ｃＴのように表わされる。ここで、ｃは直線の傾きで、この場合は、ｃ＝１０ｍＶ／℃となる。予めダイオードＤの所定の一定順電流での温度係数αを求めておけば、差動増幅器Ａ１の増幅率βが一義的に決定されるはずである。つまり、増幅率β＝ｃ／αとすべきであり、差動増幅器Ａ１の増幅率βは、β＝Ｒｆ／Ｒｓで表わされるから、反転側入力抵抗Ｒｓを定めれば、一義的に帰還抵抗Ｒｆが決定されることになる。すなわち、例えば、ダイオードＤの所定の一定順電流での温度係数α＝２．３ｍＶ／℃である場合は、Ｒｓ＝１０ｋΩに選択すると、上述のように、ｃ＝１０ｍＶ／℃として、増幅率β＝ｃ／αから増幅率βは、４．３５となり、帰還抵抗Ｒｆは一義的に４３．５ｋΩと算出決定される。従って、差動増幅器の非反転入力端子側においても、上述のように、Ｒ２／Ｒ１＝Ｒｆ／Ｒｓが要請されることから、Ｒ１を１０ｋΩに選べば、Ｒ２＝４３．５ｋΩとなり、Ｒ１を５０ｋΩに選べば、Ｒ２＝２１７．５ｋΩに設定する必要がある。

本発明の請求項２に係わるダイオード温度計は、前記差動増幅器として、演算増幅器を用いた場合である。

ＩＣ化されたＯＰアンプは、同一の熱伝導性の良い半導体チップに、差動増幅回路が形成されているので、温度特性が良く、更にペアのＯＰアンプも同一の半導体チップに形成されているものもあり、小型化に最適で好都合である。

本発明の請求項３に係わるダイオード温度計は、前記ダイオードとして、ｐｎ接合ダイオードもしくはショットキ接合ダイオードとした場合である。

ｐｎ接合ダイオードも単に、個別のダイオードばかりでなく、例えば、バイポーラトランジスタのエミッターベース間やベースーコレクタ間のｐｎ接合や、ＦＥＴのソースと基板間のｐｎ接合を利用することもできる。また、ＬＥＤのｐｎ接合を用いて、発光時の接合の温度計測を高速に計測することもできる。もちろん、ｐｎ接合を有するダイオードであるフォトダイオードの動作時の接合の高速温度計測や、レーザダイオード（ＬＤ）の発光を計測するバックフォトダイオードを用いたＬＤのチップ温度計測もできる。その他、ＩＣ基板にあるトランジスタやダイオードのｐｎ接合を利用して、そのＩＣ基板の温度を計測することもできる。また、ショットキ接合も、前記ｐｎ接合の場合と同様である。これらのダイオードは、数μｍサイズでも製作できるし、ＩＣにも製作されているので、極めて微小領域の特定個所の温度を、ピンポイントで計測することもできる。

本発明の請求項４に係わるダイオード温度計は、当該単位系における前記ダイオードの所定の一定順電流下での温度係数αを、前記ダイオードの前記一定順電流下での所定の温度Ｔ１ｃにおける順電圧Ｖ１と、Ｔ１ｃとは異なる別の温度Ｔ２ｃにおける順電圧Ｖ２から、α＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２ｃ−Ｔ１ｃ）として求めた場合である。

本発明での回路構成では、温度の当該単位系におけるダイオードの所定の一定順電流での温度係数αが重要である。所定の一定電流下でのダイオードの順電圧Ｖｄは、上述のように被測定温度である温度Ｔに対して、直線的に減少することが知られている。従って、その温度係数αもその温度範囲においては、一定値である。もちろん、ダイオードに流す所定の一定順電流値が異なれば、温度係数αの値も異なることになるし、ダイオードが異なっても一般には温度係数αの値も異なることになる。しかし、同一の規格で製作されたダイオードは、ある狭い誤差範囲の中に温度係数αの値が収まっていると考えて良い。温度係数αの精度を考えたときに、可能な限り、所定の当該単位系における温度Ｔ１ｃと温度Ｔ２ｃとの間隔が大きい方が良い。

本発明の請求項５に係わるダイオード温度計は、請求項１における参照電圧Ｖｒを調整する時のゼロ点以外の任意の所定の温度Ｔとして、前記参照電圧Ｖｒの調整時の環境周囲温度である室温とした場合である。

絶対温度系（Ｋ）では、絶対温度系のゼロ点は、実際には得られないもので、その環境下（０Ｋ）で温度Ｔ＝０Ｋとして調整設定することはできない。このように、ゼロ点でない任意の温度Ｔの環境下で、その温度Ｔに対する調整設定することが望ましい。予め温度センサとしてのダイオードの所定の一定電流下での順電圧Ｖｄの温度係数αが、知られていれば、その計測環境雰囲気の温度Ｔであるその場の室温（例えば、２０℃）の場合は、この温度係数αを利用して、差動増幅器の増幅率βを決定して、その後、この増幅率βを利用して、反転入力端子側の入力抵抗Ｒｓと帰還抵抗Ｒｆとを決定し、更に、上述のように非反転入力端子側の入力抵抗Ｒ１と分担抵抗Ｒ２を決定できるので、温度Ｔ＝２０℃に対応して、出力電圧Ｖｏが２００ｍＶになるように、参照電圧Ｖｒを調整するだけの１回の調整だけで済み、新たな温度設定の必要が無くなる。温度係数αが知られていなければ、温度係数αの計測時には、所定の温度Ｔ１ｃと温度Ｔ２ｃとの２点の温度が必要で、温度係数αを求めておくのに、少なくともそのうちの一方の温度（例えば、温度Ｔ１ｃ）を、ダイオード温度計の本調整時の計測環境雰囲気の温度であるその場の室温（例えば、２０℃）にして、他方の温度Ｔ２ｃを氷の融点０℃や水の沸点１００℃にすると便利である。

本発明のダイオード温度計は、任意の半導体ダイオードの一定電流Ｉの下での順電圧Ｖｄの被測定温度Ｔ（温度Ｔ）の直線的な依存性を用いているので、簡単な差動増幅器を用いて達成できると共に、任意の温度単位系のゼロ点を基準にした温度校正としていることから、そのダイオードの前記所定の一定順電流下での予め求めてある温度係数αを用いて、予め差動増幅器の帰還抵抗Ｒｆの値が決定できるので、所望で所定のスパンの大きさの出力電圧Ｖｏを得るのに、特定の任意の温度Ｔにおける参照電圧Ｖｒの一回の調整設定で達成できる。従って、従来のような反復調整設定の必要がないという利点がある。

本発明のダイオード温度計は、ＯＰアンプから成る１個の差動増幅器と数個の抵抗から成る回路構成のために、極めてコンパクトになるという利点がある。

本発明のダイオード温度計は、所定の一定順電流での温度係数αを決定するための２点の温度のうちの一方を、その場の環境温度である室温にすることができるので、温度係数αが予め知られていなくとも、他の一点の温度設定だけで、温度係数αを求めて、温度Ｔと出力電圧Ｖｏの比例的な関係になるように、一回の調整で容易に校正できるという利点がある。

本発明のダイオード温度計は、任意のｐｎ接合ダイオードやショットキ接合ダイオードを使用できるので、ＩＣ基板に存在するダイオード、ＬＥＤやＬＤのダイオード、しかも、極めて小さな点状、例えば、１０μｍ直径のポイント状の温度の計測などが、任意の温度単位系で、出力できるという利点がある。

本発明のダイオード温度計は、ＯＰアンプを利用した差動増幅器と抵抗だけでその計測回路が構成されており、コンデンサへの充電やマイコンを利用するようなソフト上での演算処理がないので、高速にその単位系での温度Ｔに比例した出力電圧Ｖｏを取り出すようにできる。従って、小型で高速応答のダイオード温度計が提供できるという利点がある。

従来のダイオード温度計の温度測定回路図の例である。（実施例３）本発明のダイオード温度計を実施するための一実施例を示す温度測定回路図である。（実施例１、実施例２、実施例３）本発明のダイオード温度計を実施するための他の一実施例を示す温度測定回路図である。（実施例３）図３の一実施例において、更に具体的なるように各パーツに数値等を入れた場合の温度測定回路図の例である。（実施例３）本発明のダイオード温度計の原理を説明するための一定電流下でのダイオードの順電圧Ｖｄと温度Ｔの直線的関係のグラフ例である。（実施例１、実施例２）本発明のダイオード温度計の原理を説明するための差動増幅器の出力電圧Ｖｏと温度Ｔと比例関係のグラフ例である。（実施例１、実施例２）

以下、本発明のダイオード温度計における温度計測用の回路構成は、半導体の任意のダイオードと差動増幅器としてのＯＰアンプおよび抵抗を用いて製作される。以下、図面を参照して、実施例に基づき詳細に説明する。

図２には、本発明のダイオード温度計における任意の温度単位系の温度計測をするための理想的な構成回路図を示している。ここでは、温度センサとしてのダイオード、例えば、シリコンのｐｎ接合ダイオード（ダイオードＤ）を用い、これに所定の一定電流Ｉ（例えば、１ｍＡ）を流すための定電流源を備え、ＯＰアンプである差動増幅器Ａ１の反転入力側の入力抵抗Ｒｓと非反転入力側の入力抵抗Ｒ１とに対して、それらの信号源であるダイオードＤの順電圧Ｖｄにおける内部抵抗と、入力抵抗Ｒ１に入力する参照電圧Ｖｒの電源の内部抵抗とが、無視できるように、これらの信号源にバッファー回路１０１、１０２を接続してあり、理想的な差動増幅動作が達成できるようにしている。

このような差動増幅器Ａ１の信号源の内部抵抗がゼロとみなせるような回路構成において、前記したが、反転入力側の帰還抵抗Ｒｆと入力抵抗Ｒｓとの比、Ｒｆ／Ｒｓと、非反転入力側の分担抵抗Ｒ２とその入力抵抗Ｒ１との比、Ｒ２／Ｒ１、とが等しい、すなわち、Ｒｆ／Ｒｓ＝Ｒ２／Ｒ１となるようにしてあると、差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝（Ｖｄ−Ｖｒ）Ｒｆ／Ｒｓで表現できることが知られている。

本実施例では、摂氏（℃）の単位系を用いた場合の例を示す。そして、被測定温度Ｔ（温度Ｔ）が、図６に示すように、Ｔ＝０℃の時は、差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏ＝０ｍＶであり、Ｔ＝２０℃の時は、出力電圧Ｖｏ＝２００ｍＶ、Ｔ＝１００℃の時は、出力電圧Ｖｏ＝１０００ｍＶになるように、温度Ｔに対する出力電圧Ｖｏのスパンの大きさを定め、出力電圧Ｖｏが温度Ｔに対して直線的で比例関係になるように設定する。

所定の一定電流Ｉ（例えば、Ｉ＝１mA）の下での予め計測してあるシリコンのダイオードＤの順電圧Ｖｄの温度係数α（例えば、α＝ー２．３ｍＶ／℃）は、前記した図５におけるダイオードＤの順電圧Ｖｄの温度Ｔに対する直線的関係Vd＝aT+bのaが温度係数αに対応することが分かる。上述の図６で示すように、Ｔ＝０℃の時は、出力電圧Ｖｏ＝０ｍＶであり、Ｔ＝２０℃の時は、出力電圧Ｖｏ＝２００ｍＶ、Ｔ＝１００℃の時は、出力電圧Ｖｏ＝１０００ｍＶになるような当該単位系における温度表示（温度Ｔ）とダイオード温度計の出力電圧Ｖｏとの対応関係にしたい。そのため差動増幅器Ａ１の増幅率βは、前記したように、Ｔ＝１００℃がＶｏ＝１０００ｍＶに対応するので、ｃ＝１０ｍＶ／℃となり、β＝ｃ／αで表わされるから、β＝４．３５と算出される。従って、Ｒｓ＝１０ｋΩとした時には、前述のように、帰還抵抗Ｒｆの値は、Ｒｆ＝β・Ｒｓ＝４３．５ｋΩと設定する必要がある。これは、一義的な決定である。

次に、差動増幅器Ａ１では、上述のように、非反転側入力抵抗Ｒ１とその分担抵抗Ｒ２との選択を、Ｒｆ／Ｒｓ＝Ｒ２／Ｒ１となるように選択すると、差動増幅器の性質から差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝（Ｖｄ−Ｖｒ）Ｒｆ／Ｒｓで表わされることが知られている。従って、Ｒ１に５０ｋΩを用いると、Ｒ２として２１７．５ｋΩを用いることになる。

最後に、温度センサであるダイオードＤの調整設定温度Ｔとして、１点だけの温度Ｔで良く、例えば、水の１気圧における沸騰点である１００℃を用いて、定電流源からの電流Ｉ＝１ｍＡを流し、参照電圧Ｖｒを調節して、差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏ＝１０００ｍＶになるように調整する。このようにすると、Ｔ＝０℃の時は、差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏ＝０ｍＶであり、Ｔ＝２０℃の時は、出力電圧Ｖｏ＝２００ｍＶ、Ｔ＝１００℃の時は、出力電圧Ｖｏ＝１０００ｍＶになるような出力電圧Ｖｏが温度Ｔに対して、図６に示すような予想通りの直線的比例関係になる。

上述の実施例１では、図５に示すような所定の一定電流Ｉ（例えば、Ｉ＝１mA）の下での予め計測してあるシリコンのダイオードＤの順電圧Ｖｄの温度係数α（例えば、α＝ー２．３ｍＶ／℃で、図５に示すダイオードＤの順電圧Ｖｄの温度Ｔに対する直線の方程式の傾きaに相当する）を用いた場合であったが、ここでは、温度Ｔ＝Ｔ１ｃ＝２０℃である室温の場合と、温度Ｔ＝Ｔ２ｃ＝１００℃での温度を利用して、所定の一定電流Ｉ（例えば、Ｉ＝１mA）の下でのシリコンのダイオードＤの順電圧Ｖｄの温度係数αを求める場合を示す。ここで、Ｔ１ｃとＴ２ｃとは、温度係数αを求めるための異なる設定温度である。

先ず、図２に示す回路で、温度Ｔ＝Ｔ１ｃ＝２０℃である室温において、所定の一定電流Ｉ（例えば、Ｉ＝１mA）の下でのダイオードＤの順電圧Ｖｄ＝Ｖ１を計測する。次に、温度Ｔ＝Ｔ２ｃ＝１００℃に同一の一定電流Ｉの下での前記ダイオードＤの順電圧Ｖｄ＝Ｖ２を計測する。そして、前述のように、温度係数α＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２ｃ−Ｔ１ｃ）の関係を利用して、温度係数αを算出する。更に、この温度係数αを利用して、前記実施例１の図６に示すように、出力電圧Ｖｏ＝０ｍＶであり、Ｔ＝１００℃の時は、出力電圧Ｖｏ＝１０００ｍＶになるような当該単位系における温度表示（温度Ｔ）とダイオード温度計の出力電圧Ｖｏとの対応関係になるように、差動増幅器Ａ１の増幅率βを求める。Ｔ＝１００℃がＶｏ＝１０００ｍＶに対応させるので、図６における直線の傾きｃ＝１０ｍＶ／℃となり、増幅率β＝ｃ／αとして求まり、実施例１と同様にして、Ｒｓを定めれば、帰還抵抗Ｒｆが決定され、非反転入力側の分担抵抗Ｒ２とその入力抵抗Ｒ１との比、Ｒ２／Ｒ１、とが、Ｒｆ／Ｒｓ＝Ｒ２／Ｒ１の関係になるように選択するようにすると、後は、実施例１と同等になり、本発明のダイオード温度計が製作されるので、詳細な説明は、省略する。

実施例１および実施例２では、本発明のダイオード温度計における任意の温度単位系の温度計測をするための理想的な構成回路図である図２を示して、これに基づいて説明したが、ここでは、図２におけるバッファー回路１０１、１０２を除去して、もう少し単純化した回路構成にさせて、安価な簡易ダイオード温度計を提供するようにした場合の一実施例を示す。

図３には、図２におけるバッファー回路１０１、１０２を除去し、もう少し単純化した基本的な回路構成で、本発明のダイオード温度計における任意の温度単位系の温度計測をするための構成回路の概略図を示している。また、図４には、図３の基本的な回路構成で、定電流源として従来の図１に示したダイオード温度計で用いていた定電圧電源と大きな抵抗値の直列抵抗Ｒｉで代用させ、参照電圧Ｖｒを、前記定電圧源と可変抵抗Ｒｖｒとで代用させると共に、一実施例として回路構成の各パーツに具体的な数値を入れて詳細に示した回路構成図を示す。

本実施例３における具体的な構成回路図である図４に基づいて説明する。ここでは、シリコンのダイオードＤの１ｍＡ程度の順電流Ｉでの内部抵抗は、前記したように、せいぜい７００Ω以下であるので、差動増幅器Ａ１の反転入力端子側の入力抵抗Ｒｓ＝１０ｋΩに対して１桁以下の抵抗であるから、図２におけるバッファー回路１０１を除いた形にしている。また、参照電圧Ｖｒは、ダイオードＤの順電圧Ｖｄと同程度（実際には、Ｖｄより少し小さい値）であるからせいぜい０．６Ｖ程度である。Ｒ１での電圧降下は極めて小さいので、Ｖｒも０．６Ｖ程度である。従って、可変抵抗Ｒｖｒでの参照電圧Ｖｒの内部抵抗に相当する抵抗値も４ｋΩ以下となり、非反転側入力抵抗Ｒ１として５０ｋΩを用いているので、同様に１桁以下の抵抗値であり、図２におけるバッファー回路１０２を除いた形にしても、差動増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏと温度Ｔとの間の比例関係にそれほど大きな誤差を生じない。このようにバッファー回路１０１，１０２を図２における構成回路図から除くことにより、コンパクトで安価な簡易ダイオード温度計が提供できる。帰還抵抗Ｒｆの求め方や、非反転入力側の分担抵抗Ｒ２とその入力抵抗Ｒ１の決定の仕方も上記の実施例１や実施例２と同様であるので、ここでは、その詳細の説明を省略する。なお、帰還抵抗Ｒｆや分担抵抗Ｒ２などは、固定抵抗が得られ難い時は、可変抵抗を利用し、この抵抗値に設定した後、固定するようにすると良い。ただ、理想値から多少ずれても誤差はそれほど大きくないので、理想値に近い固定抵抗で代用させても良い。

本発明のダイオード温度計は、上述の各実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。

１０１、１０２バッファー回路
Ａ１差動増幅器
Ｒｓ差動増幅器の反転端子側入力抵抗
Ｒｆ差動増幅器の帰還抵抗
Ｒ１差動増幅器の非反転端子側入力抵抗
Ｒ２差動増幅器の非反転端子側分担抵抗
Ｒｖｒ参照電圧Ｖｒの設定用可変抵抗
Ｄダイオード
Ｖｄダイオードの順電圧
Ｖｏ差動増幅器の出力電圧
Ｖｒ参照電圧

Claims

ダイオードを温度センサとして用い、該ダイオードの所定の一定順電流下での順電圧Ｖｄの変化から温度Ｔを計測し表示できるようにしたダイオード温度計において、任意の温度の単位系でのゼロ点で、前記ダイオード温度計の温度Ｔに比例させる出力電圧Ｖｏをゼロとさせるようにすると共に、
当該温度の単位系における前記ダイオードの前記所定の一定順電流での予め求めてある温度係数αを用いて、当該単位系における温度Ｔに対応するダイオード温度計の前記出力電圧Ｖｏが前記温度Ｔに比例すると共に所望の大きさにさせるに必要な差動増幅器の増幅率βを決定したこと、
前記差動増幅器の反転入力端子側の入力抵抗Ｒｓを定めて、前記増幅率βを用いて、前記差動増幅器の帰還抵抗Ｒｆの値を算出して、これらの入力抵抗Ｒｓと帰還抵抗Ｒｆとを前記差動増幅器の反転入力端子側に設置したこと、
前記差動増幅器の非反転入力端子側には、前記帰還抵抗Ｒｆと反転入力端子の入力抵抗Ｒｓとの比、Ｒｆ／Rｓ、に等しいか、もしくは略等しくなるようにしたＲ２／Ｒ１の抵抗Ｒ２とＲ１とを、それぞれ前記差動増幅器の非反転入力端子側の分担抵抗Ｒ２と入力抵抗Ｒ１として設置したこと、
前記差動増幅器の非反転入力端子側の入力抵抗Ｒ１に入力する参照電圧Ｖｒを調整して、当該単位系におけるゼロ点以外の任意の所定の温度Ｔに対応する前記ダイオード温度計の前記出力電圧Ｖｏが、予定していた特定の出力電圧Ｖｏの値に一致するようにしたこと、
を特徴とするダイオード温度計。
前記差動増幅器として、演算増幅器とした請求項１記載のダイオード温度計。
前記ダイオードとして、ｐｎ接合ダイオードもしくはショットキ接合ダイオードとした請求項１から２のいずれかに記載のダイオード温度計。
当該単位系における前記ダイオードの所定の一定順電流下での温度係数αを、前記ダイオードの前記一定順電流下での所定の温度Ｔ１ｃにおける順電圧Ｖ１と、Ｔ１ｃとは異なる別の温度Ｔ２ｃにおける順電圧Ｖ２から、α＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２ｃ−Ｔ１ｃ）として求めた請求項１から３のいずれかに記載のダイオード温度計。
請求項１における参照電圧Ｖｒを調整する時のゼロ点以外の任意の所定の温度Ｔとして、前記参照電圧Ｖｒの調整時の環境周囲温度である室温とした請求項１から４のいずれかに記載のダイオード温度計。