JP2018077133A - 電圧測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】サーミスタの端子電圧をマルチプレクサを介して測定する際に、検出温度が高温になった場合の信号精度の悪化を防止できる電圧測定システムを提供する。【解決手段】サーミスタ３を含む複数のセンサからの信号が入力されるマルチプレクサ１を介して電圧測定部２により信号電圧を測定する構成において、電源とグランドとの間に接続される、サーミスタ３，駆動用抵抗Ｒｄ及びレベルシフト用抵抗Ｒｌを含む直列回路６を備える。そして、駆動用抵抗Ｒｄとレベルシフト用抵抗Ｒｌとの共通接続点をマルチプレクサ１の入力端子Ｓin0に接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、サーミスタの端子電圧をマルチプレクサを介して測定する電圧測定システムに関する。

サーミスタにより温度を検出する際には、温度特性が低い駆動用の抵抗素子をサーミスタに直列に接続し、電源電圧を分圧した出力を得ている。一般にサーミスタは、検出している温度に応じて端子電圧が指数関数的に変化するため直線性が悪い。そこで、例えば特許文献１には、サーミスタの出力電圧について補正情報を記憶したメモリとロジックとを用いて補正を行い、直線性を改善する構成が開示されている。

特開２０１４−１０２２１８号公報

例えば特許文献１の構成において、上記端子電圧が入力されているＡ／Ｄ変換器４の入力側に、他の信号もＡ／Ｄ変換するためにマルチプレクサを挿入することを想定する。この場合、サーミスタが検出している温度が高温になると、上記端子電圧はグランドレベルに近付く。すると、マルチプレクサにおいてオフリーク電流が発生し、Ａ／Ｄ変換器４に入力される信号の精度が悪化する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、サーミスタの端子電圧をマルチプレクサを介して測定する際に、検出温度が高温になった場合の信号精度の悪化を防止できる電圧測定システムを提供することにある。

請求項１記載の電圧測定システムによれば、サーミスタを含む複数のセンサからの信号が入力されるマルチプレクサを備える構成において、電源とグランドとの間に接続される、サーミスタ，駆動用抵抗及びレベルシフト用抵抗を含む直列回路を備える。そして、駆動用抵抗とレベルシフト用抵抗との共通接続点をマルチプレクサの入力端子に接続する。

このように構成すれば、前記共通接続点の電位がレベルシフトされる結果、前記共通接続点の電位と、マルチプレクサのその他の入力端子に与えられている電圧信号との電位差が縮小される。したがって、マルチプレクサの内部で発生するオフリーク電流を減少させることができ、入力信号の精度が悪化することを防止できる。

第１実施形態であり、電圧測定システムの構成を示す図 マルチプレクサのオフリーク電流特性の一例を示す図 第２実施形態であり、電圧測定システムの構成を示す図 第３実施形態であり、電圧測定システムの構成を示す図 第４実施形態であり、電圧測定システムの構成を示す図 第５実施形態であり、電圧測定システムの構成を示す図 第６実施形態であり、電圧測定システムの構成を示す図

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の電圧測定システムは、複数のセンサより出力されるセンサ信号を、マルチプレクサ１を介して例えばＡ／Ｄ変換器である電圧測定部２に選択的に入力し、信号電圧を測定する構成である。前記複数のセンサの１つはサーミスタ３であり、サーミスタ３のセンサ信号は、マルチプレクサ１の入力端子Ｓｉｎ０に入力される。

サーミスタ３は、電源Ｖｄｄとグランドとの間に、駆動用抵抗Ｒｄ及びレベルシフト用抵抗Ｒｌと共に直列に接続されている。これらは、電源Ｖｄｄ側より駆動用抵抗Ｒｄ，レベルシフト用抵抗Ｒｌ，サーミスタ３の順で接続されており、直列回路６を構成している。入力端子Ｓｉｎ０には、抵抗Ｒｄ及びＲｌの共通接続点が接続されている。マルチプレクサ１のその他の入力端子Ｓｉｎ１，Ｓｉｎ２，…には、図示しないが、例えばその他のセンサからのセンサ信号等が入力される。尚、サーミスタ３以外は、ＩＣ７の内部回路として構成されており、サーミスタ３はＩＣ７に外付けされている。

レベルシフト用抵抗Ｒｌは、電源電圧を分圧するサーミスタ３の端子電圧をレベルシフトするために挿入されている。これは、一般にサーミスタ３は負の温度特性を示すため、検出している温度が高温になると、端子電圧がゼロ近傍のレベルとなる。すると、図１中に示すように、他のセンサの信号電圧Ｖｉｎとの電位差が大きくなり、マルチプレクサ１内においてリーク電流Ｉｌｅａｋが発生する。このリーク電流Ｉｌｅａｋを低減するため、レベルシフト用抵抗Ｒｌを挿入してサーミスタ３の端子電圧をレベルシフトする。

レベルシフト用抵抗Ｒｌの抵抗値は、以下のように決定する。図２に示すように、サーミスタ３の端子電圧をＶｔｈとすると、リーク電流Ｉｌｅａｋは、上記電位差の絶対値｜Ｖin−Ｖth｜の大きさに応じて指数関数的に上昇する。尚、図中に示すＬＴ，ＲＴ，ＨＴは、サーミスタ３が検出する温度が低温域，中温域，高温域となるのに応じて、駆動用抵抗の抵抗値を切替えた状態に対応している。但し、本実施形態では、駆動用抵抗の抵抗値を切替えることは想定していない。

オフリークについて設定される規格を超えるマルチプレクサ１の入力端子間電圧値をＶｔ,ｓｗとする。そして、電位差の絶対値｜Ｖｉｎ−Ｖｔｈ｜が電圧値Ｖｔ,ｓｗ未満となるようにする。尚、電圧Ｖｉｎについては、マルチプレクサ１の入力端子端子に印加される他の信号電圧のうちで、最高値となるものを選択する。
｜Ｖｉｎ−Ｖｔｈ｜＜Ｖｔ,ｓｗ …（１）
サーミスタ３，抵抗Ｒｄ及びＲｌの直列回路に流れる電流をＩｔｈとすると、端子電圧Ｖｔｈは（２）式で表される。
Ｖｔｈ＝（Ｒｔｈ＋Ｒｌ）×Ｉｔｈ …（２）
Ｒｔｈはサーミスタ３の抵抗値である。また、電流Ｉｔｈは（３）式で表される。
Ｉｔｈ＝Ｖｄｄ／（Ｒｄ＋Ｒｌ＋Ｒｔｈ）…（３）
これら（１）〜（３）式の関係から、抵抗値Ｒｌを決定する。

以下に具体数値例を示す。例えばＶｄｄ＝３．０Ｖ，Ｖｉｎ＝１．０Ｖ，高温域ＨＴに対応するものとしてＶｔ,ｓｗ＝０．４Ｖ，Ｒｔｈ＝５００Ω，Ｒｄ＝５ｋΩとする。（３）式より、
Ｉｔｈ＝３／（５．５ｋ＋Ｒｌ）
（２）式より、
Ｖｔｈ＝（５００＋Ｒｌ）×Ｉｔｈ
＝３×（５００＋Ｒｌ）／（５．５ｋ＋Ｒｌ）
（１）式より、
１．０−３×（５００＋Ｒｌ）／（５．５ｋ＋Ｒｌ）＜０．４
０．６＜３×（５００＋Ｒｌ）／（５．５ｋ＋Ｒｌ）
∴Ｒｌ＞７５０Ω
となる。

以上のように本実施形態によれば、サーミスタ３を含む複数のセンサからの信号が入力されるマルチプレクサ１を介して、電圧測定部２により信号電圧を測定する構成において、電源とグランドとの間に接続される、サーミスタ３，駆動用抵抗Ｒｄ及びレベルシフト用抵抗Ｒｌを含む直列回路６を備える。そして、駆動用抵抗Ｒｄとレベルシフト用抵抗Ｒｌとの共通接続点をマルチプレクサ１の入力端子Ｓｉｎ０に接続する。

このように構成すれば、前記共通接続点の電位が抵抗Ｒｌによりレベルシフトされる結果、前記共通接続点の電位Ｖｔｈと、マルチプレクサ１のその他の入力端子に与えられている信号電圧Ｖｉｎとの電位差が縮小される。したがって、マルチプレクサ１の内部で発生するオフリーク電流を減少させることができ、入力信号の精度が悪化することを防止できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を附して説明を省略し、異なる部分について説明する。第１実施形態の直列回路６は、電源Ｖｄｄ側より、駆動用抵抗Ｒｄ，レベルシフト用抵抗Ｒｌ，サーミスタ３の順で接続されていた。第２実施形態では図３に示すように、電源Ｖｄｄ側よりサーミスタ３，駆動用抵抗Ｒｄ，レベルシフト用抵抗Ｒｌの順で接続されており、これらは直列回路１１を構成している。そして、抵抗Ｒｄ及び抵抗Ｒｌの共通接続点がマルチプレクサ１の入力端子Ｓｉｎ０に接続されている。サーミスタ３以外は、ＩＣ１２の内部に構成されている。

この場合、レベルシフト用抵抗Ｒｌの抵抗値Ｒｌを決定する際には、（２）式に替えて以下の（４）式を用いれば良い。
Ｖｔｈ＝Ｖｄｄ−（Ｒｔｈ＋Ｒｌ）×Ｉｔｈ …（４）
以上のように構成される第２実施形態によれば、サーミスタ３の一端が電源Ｖｄｄに接続される場合についても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、出力電圧の直線性を改善するため、サーミスタ３が検出する温度域に応じて駆動用抵抗の抵抗値を切替える構成である。また、第３実施形態の構成は、抵抗値を切替える際に発生する電源電圧の変動を抑制するための電流補正部を備えている。

図４に示すように、サーミスタ３は、ＩＣ２１の入力端子２２とグランドとの間に接続されている。電源Ｖｄｄと入力端子２２との間には、ＩＣ２１の内部において３つのスイッチＳＷＬ，ＳＷＲ，ＳＷＨと、それぞれに対応する駆動用抵抗Ｒｄ＿ＬＴ，Ｒｄ＿ＲＴ，Ｒｄ＿ＨＴと、レベルシフト用抵抗Ｒｌ＿ＬＴ，Ｒｌ＿ＲＴ，Ｒｌ＿ＨＴとの直列回路が接続されている。これら３つの直列回路は、駆動回路部２３を構成している。また、電源Ｖｄｄとグランドとの間には、２つのスイッチＳＷＬ＿Ｃ，ＳＷＲ＿Ｃと、それぞれに対応する電流補正用抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２との直列回路が接続されている。これら２つの直列回路は、電流補正部２４を構成している。

抵抗Ｒｄ＿ＬＴ，Ｒｄ＿ＲＴ，Ｒｄ＿ＨＴと抵抗Ｒｌ＿ＬＴ，Ｒｌ＿ＲＴ，Ｒｌ＿ＨＴとの共通接続点は、マルチプレクサ２５の入力端子Ｓｉｎ０Ａ，Ｓｉｎ０Ｂ，Ｓｉｎ０Ｃにそれぞれ接続されている。マルチプレクサ２５の出力端子は、電圧測定部２の入力端子に接続されている。電圧測定部２は、マルチプレクサ２５を介して選択的に入力されるサーミスタ３のセンサ信号Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２，Ｖｔｈ３や、その他のセンサ信号Ｖin1，Ｖｉｎ２，…の電圧を測定して外部に出力すると共に、制御部２６に入力する。制御部２６は、電圧測定部２より入力される電圧データに応じて、駆動回路部２３及び電流補正部２４の各スイッチを切替える。

次に、第３実施形態の作用について説明する。サーミスタ３の抵抗値は、検出する温度が上昇するのに応じて指数関数的に減少する負の温度特性を示す。この温度特性に基づく出力電圧の直線性を改善するため、制御部２６は、サーミスタ３が検出する温度帯に応じて、サーミスタ３に接続する駆動用抵抗Ｒｄ＿ＬＴ，Ｒｄ＿ＲＴ，Ｒｄ＿ＨＴを選択的に切り替える。それに伴い、レベルシフト用抵抗Ｒｌ＿ＬＴ，Ｒｌ＿ＲＴ，Ｒｌ＿ＨＴについても接続切替えを行う。例えば、
−５°Ｃ以下 ：低温域ＬＴ
−５°Ｃより大で且つ６０°Ｃ以下：中温域ＲＴ
６０°Ｃより大 ：高温域ＨＴ
のように３つの温度帯に分ける。

そして、低温域ＬＴではスイッチＳＷＬのみを閉じて抵抗Ｒｄ＿ＬＴ及びＲｌ＿ＬＴをサーミスタ３に接続し、マルチプレクサ２５では入力端子Ｓｉｎ０Ｃを選択させる。中温域ＲＴではスイッチＳＷＲのみを閉じて抵抗Ｒｄ＿ＲＴ及びＲｌ＿ＲＴをサーミスタ３に接続し、マルチプレクサ２５では入力端子Ｓｉｎ０Ｂを選択させる。高温域ＨＴではスイッチＳＷＨのみを閉じて抵抗素子Ｒｄ＿ＨＴ及びＲｌ＿ＨＴをサーミスタ３に接続し、マルチプレクサ２５では入力端子Ｓin０Ａを選択させる。

このように、駆動回路部２３の抵抗を切り替えると、それに伴いサーミスタ３に通電される電源電流量が大きく変動するため、電源電圧も大きく変動する。そこで、第３実施形態では、上記の接続切替えに伴う電源電流の変動量を抑制するため、電流補正部２４における電流補正用抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２の接続状態も併せて切替える。

高温域ＨＴでは、上述したようにスイッチＳＷＨのみを閉じるが、中温域ＲＴでは、スイッチＳＷＲを閉じると共に電流補正部２４のスイッチＳＷＲ＿Ｃを閉じて、電源，グランド間に抵抗Ｒｃ２を接続する。これにより、高温域ＨＴから中温域ＲＴへの切替えの前後における電源電流の変動を抑制する。また、低温域ＬＴでは、スイッチＳＷＬを閉じると共に電流補正部２４のスイッチＳＷＬ＿Ｃを閉じて、電源，グランド間に抵抗Ｒｃ１を接続することで、同様に中温域ＲＴから低温域ＬＴへの切替えの前後における電源電流の変動を抑制する。

これらは、検出温度が低温域から高温域側に移行する際についても同様であり、低温域ＬＴから中温域ＲＴへの切替え，中温域ＲＴから高温域ＨＴへの切替えの前後についても電源電流の変動を抑制する作用となる。すなわち、スイッチＳＷＬ＿Ｃの開閉は、ＲＴ／ＬＴモード間の切替えにおいて行われ、スイッチＳＷＲ＿Ｃの開閉は、ＨＴ／ＲＴモード間の切替えにおいて行われる。

以上のように第３実施形態によれば、３つの駆動用抵抗Ｒｄ＿ＬＴ，Ｒｄ＿ＲＴ，Ｒｄ＿ＨＴを備え、それらをサーミスタ３に選択的に接続可能に構成する。そして、サーミスタ３及び駆動用抵抗Ｒｄを含む電源，グランド間の直列抵抗値を変化させるため、選択的に接続される電流補正用抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２と、サーミスタ３の端子電圧Ｖｔｈに応じて駆動用抵抗Ｒｄ＿ＬＴ，Ｒｄ＿ＲＴ，Ｒｄ＿ＨＴの接続状態を切替える際に、電流補正用抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２の接続状態を併せて切替える制御部２６とを備えた。

これにより、端子電圧Ｖｔｈの直線性を改善するために、サーミスタ３の検出温度帯に応じて駆動用抵抗Ｒｄの抵抗値を切替える際に生じる電源電流の変動を抑制し、電源Ｖｄｄの電圧変動を抑制できる。

（第４実施形態）
第４実施形態では、図５に示すように、サーミスタ３が電源ＶｄｄとＩＣ３１の入力端子３２との間に接続されている。すなわち第２実施形態のように、サーミスタ３の一端が電源Ｖｄｄに接続される場合に第３実施形態の構成を適用したものである。図５では、入力端子３２とグランドとの間に接続される駆動回路部を２３Ｇ，スイッチＳＷ＿Ｃがグランド側に、電流補正用抵抗Ｒｃが電源側に接続される電流補正部を２４Ｇとしている。電流補正部２４Ｇは、実質的に第３実施形態の電流補正部２４と同じ構成である。
以上のように構成される第４実施形態によれば、サーミスタ３の一端が電源Ｖddに接続される場合に、第３実施形態の構成を適用できる。

（第５実施形態）
第５実施形態では、サーミスタ３の検出温度帯を、例えば閾値を３０℃として高温域ＨＴ，低温域ＬＴで二分する。そして図６に示すように、ＩＣ４１内部の駆動回路部４３は、電源ＶｄｄとＩＣ４１の入力端子４２との間に、スイッチＳＷＬ，駆動用抵抗Ｒｄ１，レベルシフト用抵抗Ｒｌ１，駆動用抵抗Ｒｄ２，レベルシフト用抵抗Ｒｌ２が直列に接続されている。これらは直列回路４４を構成している。

抵抗Ｒｄ１及びＲｌ１の共通接続点と、抵抗Ｒｄ２及びＲｌ２の共通接続点とは、マルチプレクサ２５の入力端子Ｓｉｎ０Ａ，Ｓｉｎ０Ｂにそれぞれ接続されている。そして、電源Ｖｄｄと抵抗Ｒｌ１及びＲｄ２の共通接続点との間には、スイッチＳＷＨが接続されている。電流補正部４５は、スイッチＳＷＬ＿Ｃ及び電流補正用抵抗Ｒｃ１の直列回路のみを備えている。

次に、第５実施形態の作用について説明する。サーミスタ３が検出する温度が高温域ＨＴに属する場合、制御部４６はスイッチＳＷＨを閉じる。これにより、駆動用抵抗Ｒｄ２の上端を電源Ｖｄｄに接続する。また、マルチプレクサ２５では入力端子Ｓｉｎ０Ｂを選択させて、抵抗Ｒｄ２及びＲｌ２の共通接続点に現れる信号Ｖｔｈ２を入力する。この時、前記共通接続点よりも電源側に位置する駆動用抵抗Ｒｄ１及びレベルシフト用抵抗Ｒｌ１が駆動用抵抗となり、前記共通接続点よりもグランド側に位置する駆動用抵抗Ｒｄ２及びレベルシフト用抵抗Ｒｌ２がレベルシフト用抵抗となる。

そして、サーミスタ３が検出する温度が低温域ＬＴに属する場合、制御部４６はスイッチＳＷＬを閉じて、駆動用抵抗Ｒｄ１の上端を電源Ｖｄｄに接続する。また、マルチプレクサ２５では入力端子Ｓｉｎ０Ａを選択させて、抵抗Ｒｄ１及びＲｌ１の共通接続点に現れる信号Ｖｔｈ１を入力する。この時、レベルシフト用抵抗Ｒｌ１に加えて、駆動用抵抗Ｒｄ２及びレベルシフト用抵抗Ｒｌ２もレベルシフト用抵抗として利用することになる。またこの時、制御部４６は電流補正部４５のスイッチＳＷＬ＿Ｃを閉じて、電流補正用抵抗Ｒｃ１を電源Ｖｄｄ，グランド間に接続する。

以上のように第５実施形態によれば、直列回路４４に４素子の抵抗Ｒｄ１，Ｒｌ１，Ｒｄ２，抵抗Ｒｌ２を備える。そして、制御部４６は、直列回路４４における２つの抵抗Ｒｄ１及びＲｌ１，又は抵抗Ｒｄ２及びＲｌ２の共通接続点をマルチプレクサ２５の入力端子Ｓｉｎ０Ａ又はＳｉｎ０Ｂに選択的に接続すると共に、前記共通接続点よりも電源側に位置する端子を電源Ｖｄｄに選択的に接続するようにした。

このように構成すれば、電源Ｖｄｄと入力端子Ｓｉｎ０Ａ又はＳｉｎ０Ｂとの間の抵抗を駆動用抵抗とし、入力端子Ｓｉｎ０Ａ又はＳｉｎ０Ｂとサーミスタ３との間の抵抗をレベルシフト用抵抗とすることができる。

（第６実施形態）
図７に示す第６実施形態は、サーミスタ３が電源ＶｄｄとＩＣ５１の入力端子５２との間に接続されている。すなわち第２実施形態のように、サーミスタ３の一端が電源Ｖdｄに接続される場合に第５実施形態の構成を適用したものである。図７では、入力端子５２とグランドとの間に接続される駆動回路部を４３Ｇ，スイッチＳＷＬ＿Ｃがグランド側に、電流補正用抵抗Ｒｃ１が電源側に接続される電流補正部を４５Ｇとしている。
以上のように構成される第６実施形態によれば、サーミスタ３の一端が電源Ｖｄｄに接続される構成に、第５実施形態の構成を適用できる。

（その他の実施形態）
第３又は第４実施形態を、第５又は第６実施形態のように２つの温度域に適用しても良いし、４つ以上の温度域に適用しても良い。
第５又は第６実施形態において、直列回路の抵抗素子数は、「３」又は「５」以上でも良いし、第３又は第４実施形態のように３つ以上の温度域に適用しても良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１はマルチプレクサ、２は電圧測定部、３はサーミスタ、６は直列回路、Ｒｄは駆動用抵抗、Ｒｌはレベルシフト用抵抗を示す

Claims (4)

1. サーミスタ（３）を含む複数のセンサからの信号が入力されるマルチプレクサ（１，２５，４５）と、
   このマルチプレクサを介して入力される信号の電圧を測定する電圧測定部（２）と、
   電源とグランドとの間に接続される、前記サーミスタ，駆動用抵抗（Ｒｄ）及びレベルシフト用抵抗（Ｒｌ）を含む直列回路（６，４４，５４）とを備え、
   前記駆動用抵抗と前記レベルシフト用抵抗との共通接続点が、前記マルチプレクサの入力端子に接続されている電圧測定システム。
2. 前記駆動用抵抗を複数（Ｒｄ＿ＬＴ，Ｒｄ＿ＲＴ，Ｒｄ＿ＨＴ，Ｒｌ＿ＬＴ，Ｒｌ＿ＲＴ，Ｒｌ＿ＨＴ）有してなる直列回路を備え、それら複数の駆動用抵抗を前記サーミスタに選択的に接続可能に構成し、
   前記サーミスタ及び前記駆動用抵抗を含む電源，グランド間の直列抵抗値を変化させるため、選択的に接続される１つ以上の電流補正用抵抗（Ｒｃ１，Ｒｃ２）と、
   前記サーミスタの端子電圧に応じて前記複数の駆動用抵抗の接続状態を切替える際に、前記電流補正用抵抗の接続状態を併せて切替える制御部（２６）とを備える請求項１記載の電圧測定システム。
3. 前記直列回路（４４）に３素子以上の抵抗（Ｒｄ１，Ｒｌ１，Ｒｄ２，Ｒｌ２）を備え、
   前記サーミスタの一端がグランドに接続され、
   前記直列回路における２つの抵抗の共通接続点を、前記マルチプレクサ（２５）の入力端子に選択的に接続すると共に、前記共通接続点よりも電源側に位置する端子を、電源に選択的に接続する切替えを行うレベルシフト制御部（４６）を備える請求項２記載の電圧測定システム。
4. 前記直列回路（５４）に３素子以上の抵抗（Ｒｄ１，Ｒｌ１，Ｒｄ２，Ｒｌ２）を備え、
   前記サーミスタの一端が電源に接続され、
   前記直列回路における２つの抵抗の共通接続点を、前記マルチプレクサ（４５）の入力端子に選択的に接続すると共に、前記共通接続点よりもグランド側に位置する端子を、グランドに選択的に接続する切替えを行うレベルシフト制御部（４６）を備える請求項２記載の電圧測定システム。

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