JP2021124415A - 温度センサモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度な温度計測を実現させた温度センサモジュールを得ること。【解決手段】温度に応じて抵抗値が変化する温度センサ素子と、温度センサ素子の抵抗値に相関する電気信号を出力する信号処理回路と、を備えた温度センサモジュールであって、信号処理回路は、温度センサ素子と直列に接続され、指令信号に応じて抵抗値が変化する直列接続抵抗と、信号処理回路の温度を検出する温度検出回路と、温度検出回路の出力信号をデジタル信号に変換する第１のアナログ−デジタル変換回路と、直列接続抵抗の抵抗値と温度との関係に関する直列接続抵抗のデータを記憶したメモリと、直列接続抵抗のデータを用い、信号処理回路の温度を表すデジタル信号に基づいて、直列接続抵抗の抵抗値を一定値に保つようなデジタルの指令信号を演算し出力するデジタル信号処理回路と、デジタルの指令信号を直列接続抵抗に出力するデジタル−アナログ変換回路とを備えた。【選択図】図１
Description
本願は、温度センサモジュールに関するものである。
温度に応じて抵抗値が変化する特性を備えた測温抵抗体が、温度センサ素子として利用されている。測温抵抗体としては、例えば、白金抵抗体、ＮＴＣサーミスタが用いられる。測温抵抗体を用いて温度を検出する方法としては、例えば、測温抵抗体と他の抵抗素子とを直列に接続して、これらの両端に予め定めた供給電圧を印加し、測温抵抗体と抵抗素子との接続点から温度の変化に応じた出力電圧を得る方法がある。
測温抵抗体を用いて高精度に温度を計測するために、測温抵抗体と接続される抵抗素子を公差の小さい高精度な抵抗素子とすること、もしくは回路を付加して接続点から得られた出力電圧を線形化することなどが実施されている。
測温抵抗体を用いた温度計測の高精度化を図った例として、温度センサ素子と集積回路内の抵抗素子とが直列に接続され、これらの接続点の信号を集積回路内のメモリに記憶された抵抗素子の抵抗値に関する情報を用いて補正処理することで、抵抗素子の抵抗値のばらつきを補正し、補正処理部のデジタル演算により温度センサ素子に起因した特性まがりを補正する構成が開示されている（例えば特許文献１参照）。
上記特許文献１においては、集積回路に集積化され、温度センサ素子に直列に接続された抵抗素子の抵抗値のばらつきを補正することができ、抵抗素子の抵抗値を補正するためのリファレンス抵抗を設ける必要がなくなるため、抵抗素子を集積回路内に集積化した小型な温度センサを提供することができる。しかしながら、温度センサ素子だけでなく直列に接続された抵抗素子も温度に応じて抵抗値は変化する。温度センサ素子と抵抗素子が設けられた信号処理回路の温度が異なる場合があり、例えば、温度センサ素子の温度が変化しなくても、信号処理回路の温度が変化すれば、抵抗素子の抵抗値は変化する。この結果、温度センサ素子と抵抗素子の接続点の電圧信号に、変化した抵抗素子の抵抗値に起因した誤差が含まれることになる。上述した特許文献１に開示された構成ではこの誤差を補正できないため、高精度な温度計測を実現できないという課題があった。
また、上記特許文献１においては、抵抗素子の温度変化を補償する方法として、抵抗素子を負の温度係数を持つ抵抗体と正の温度係数を持つ抵抗体の組み合わせで構成する方法が提案されている。しかしながら、集積回路内の抵抗素子の抵抗値は、信号処理回路の製造プロセスにおいて温度係数および抵抗値にばらつきが発生して信号処理回路の歩留まりが安定しないという課題があった。また、レーザートリミングなどの個々の抵抗体の抵抗値を調整する手段を用いて歩留まりを向上させることは可能であるが、製造において工数が増加し、製造コストが増大するという課題があった。
そこで、本願は、製造において工数を増加させることがなく、高精度な温度計測を実現させた温度センサモジュールを得ることを目的としている。
本願に開示される温度センサモジュールは、被測定媒体の温度に応じて抵抗値が変化する温度センサ素子と、温度センサ素子と接続され、温度センサ素子の抵抗値に相関する電気信号を出力する信号処理回路とを備えた温度センサモジュールであって、信号処理回路は、温度センサ素子と直列に接続され、伝達された指令信号に応じて抵抗値が変化する抵抗である直列接続抵抗と、信号処理回路の温度を検出して出力する温度検出回路と、温度検出回路の出力信号をデジタル信号に変換して出力する第１のアナログ−デジタル変換回路と、直列接続抵抗の抵抗値と温度との関係に関する直列接続抵抗のデータを記憶したメモリと、メモリに記憶された直列接続抵抗のデータを用い、信号処理回路の温度を表すデジタル信号に基づいて、直列接続抵抗の抵抗値を一定値に保つようなデジタルの指令信号を演算し出力するデジタル信号処理回路と、デジタルの指令信号を、アナログの指令信号に変換して、直列接続抵抗に出力するデジタル−アナログ変換回路とを備えたものである。
本願に開示される温度センサモジュールによれば、信号処理回路の内部で抵抗素子の抵抗値を一定値に保つので、温度センサ素子と抵抗素子の接続点の電圧信号に抵抗素子の抵抗値に起因した誤差が含まれることがなく、高精度な温度計測を実現することができる。また、信号処理回路の内部で抵抗素子の抵抗値を一定値に保つので、信号処理回路の歩留まりを安定させることができる。また、信号処理回路の内部で抵抗素子の抵抗値を一定値に保つ処理は工数を増加させることがないため、製造コストを抑制することができる。
以下、本願の実施の形態による温度センサモジュールを図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る温度センサモジュール１００の概略構成図である。温度センサモジュール１００は被測定媒体の温度を検出するモジュールで、被測定媒体の温度に応じた電気信号を出力する。温度センサモジュール１００は、温度センサ素子１と信号処理回路２とを備える。ここでは、被測定媒体の温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体を温度センサ素子１として用いる。本願における温度センサ素子１を用いて温度を検出する方法は、温度センサ素子１と信号処理回路２に内蔵された直列接続抵抗３とを直列に接続し、温度センサ素子１と直列接続抵抗３の両端に予め定めた供給電圧が印加され、温度センサ素子１と直列接続抵抗３との接続点９から温度の変化に応じた出力電圧を得て温度を検出する方法である。
図１は、実施の形態１に係る温度センサモジュール１００の概略構成図である。温度センサモジュール１００は被測定媒体の温度を検出するモジュールで、被測定媒体の温度に応じた電気信号を出力する。温度センサモジュール１００は、温度センサ素子１と信号処理回路２とを備える。ここでは、被測定媒体の温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体を温度センサ素子１として用いる。本願における温度センサ素子１を用いて温度を検出する方法は、温度センサ素子１と信号処理回路２に内蔵された直列接続抵抗３とを直列に接続し、温度センサ素子１と直列接続抵抗３の両端に予め定めた供給電圧が印加され、温度センサ素子１と直列接続抵抗３との接続点９から温度の変化に応じた出力電圧を得て温度を検出する方法である。
温度センサ素子１は、例えば、白金抵抗体、もしくはＮＴＣサーミスタである。信号処理回路２は、温度センサ素子１と接続され、温度センサ素子１の抵抗値に相関する電気信号を出力する。信号処理回路２は、半導体プロセスで集積化された集積回路である。信号処理回路２は、温度センサ素子１と直列に接続され、伝達された指令信号に応じて抵抗値が変化する抵抗である直列接続抵抗３を備える。直列接続抵抗３は、集積回路に形成された厚膜抵抗もしくは拡散抵抗などである。
直列に接続された温度センサ素子１と直列接続抵抗３の両端に印加される供給電圧は、両端のどちらを高電位の側としても構わない。図１では、直列接続抵抗３の端部を高電位の側とし、温度センサ素子１の端部が接地されているが、温度センサ素子１の端部を高電位の側とし、直列接続抵抗３の端部を接地しても構わない。接続点９から得られた出力電圧の信号は、信号処理回路２に内蔵されたアンプもしくはバッファ回路（何れも図示せず）を経由して、アナログ信号の温度センサ信号２０として信号処理回路２の外部に出力される。なお、出力電圧の信号は、アナログ−デジタル変換回路を経由させて、デジタル信号の温度センサ信号２０として信号処理回路２の外部に出力させても構わない。また、温度センサ素子１と直列接続抵抗３の両端に供給電圧を印加する回路及びアナログ−デジタル変換回路は、信号処理回路２の外部に設けても構わないが、信号処理回路２にこれらの回路を集積化することで、温度センサモジュール１００を小型化することができる。
温度センサ素子１の温度がＴＡのときの温度センサ素子１の抵抗値をＲＡ、直列接続抵抗３の抵抗値をＲＰ、温度センサ素子１と直列接続抵抗３に供給される供給電圧をＶ０とする。直列接続抵抗３の端部が供給電圧の高電位の側に接続されている場合、接続点９における出力電圧ＶＡは、式（１）で表される。
同様に、温度センサ素子１の端部が供給電圧の高電位の側に接続されている場合、接続点９の電圧ＶＡは、式（２）で表される。
厚膜抵抗もしくは拡散抵抗などで形成された直列接続抵抗３も、温度に応じて抵抗値が変化する。温度センサ素子１と直列接続抵抗３は、温度センサ素子１と直列接続抵抗３とが近接して配置されたとしても、温度センサ素子１と直列接続抵抗３の温度に差が生じる場合がある。温度に差が生じる場合には、信号処理回路２内に集積化された回路の駆動により発生した自己発熱により温度に差が生じる場合、温度センサ素子１と信号処理回路２との間の熱抵抗により温度センサ素子１と直列接続抵抗３との間に温度に差が生じる場合などがある。また、検出温度の精度向上もしくは応答性向上のために温度センサ素子１のみを被測定媒体に晒す構造とした際に、温度センサ素子１と信号処理回路２との間に温度に差が生じる場合もある。温度センサ素子１と直列接続抵抗３の温度に差が生じた場合、例えば、温度センサ素子１の温度が変化していなくても、直列接続抵抗３の温度が変化すれば、直列接続抵抗３の抵抗値のみが変化する。この結果、温度センサ素子１と直列接続抵抗３の接続点９における出力電圧ＶＡには変化した直列接続抵抗３の抵抗値に起因した誤差が含まれることになり、出力電圧ＶＡは変動する。
直列接続抵抗３の温度ＴＰとして、温度ＴＰと温度センサ素子１の温度ＴＡが異なった際の出力電圧ＶＡの変動する様子の例を図２と図３に示す。図２は温度センサ素子１に白金抵抗体を用いた場合、図３は温度センサ素子１にＮＴＣサーミスタを用いた場合の、温度センサ素子１と直列接続抵抗３の温度が異なるときの出力電圧ＶＡの変動を示す図である。温度ＴＡと温度ＴＰに差が生じたとき、温度センサ素子１が白金抵抗体のように温度に対してほぼ線形に抵抗値が変化する測温抵抗体の場合は、図２に示すように出力電圧ＶＡは変動する。また、温度センサ素子１がＮＴＣサーミスタのように温度に対して非線形に抵抗値が変化する測温抵抗体の場合は、図３に示すように出力電圧ＶＡは変動する。したがって、高精度な温度計測を実現させるためには、直列接続抵抗３の抵抗値を温度によらず一定値に保って、直列接続抵抗３の抵抗値の変動に起因した出力電圧ＶＡの変動を抑制しなければならない。
＜回路構成＞
本願の要部である直列接続抵抗３の抵抗値を一定値に保つ信号処理回路２の内部の回路構成について説明する。信号処理回路２は、図１に示すように、温度検出回路４と、第１のアナログ−デジタル変換回路５と、デジタル信号処理回路６と、メモリ７と、デジタル−アナログ変換回路８と、を備える。温度検出回路４は、信号処理回路２の温度を検出して第１のアナログ−デジタル変換回路５に出力する。信号処理回路２がシリコンからなる集積回路である場合、温度検出回路４には半導体温度センサとしてシリコンダイオードが設けられる。第１のアナログ−デジタル変換回路５は、温度検出回路４の出力信号をデジタル信号に変換してデジタル信号処理回路６に出力する。
本願の要部である直列接続抵抗３の抵抗値を一定値に保つ信号処理回路２の内部の回路構成について説明する。信号処理回路２は、図１に示すように、温度検出回路４と、第１のアナログ−デジタル変換回路５と、デジタル信号処理回路６と、メモリ７と、デジタル−アナログ変換回路８と、を備える。温度検出回路４は、信号処理回路２の温度を検出して第１のアナログ−デジタル変換回路５に出力する。信号処理回路２がシリコンからなる集積回路である場合、温度検出回路４には半導体温度センサとしてシリコンダイオードが設けられる。第１のアナログ−デジタル変換回路５は、温度検出回路４の出力信号をデジタル信号に変換してデジタル信号処理回路６に出力する。
メモリ７は、直列接続抵抗３の抵抗値と温度との関係に関する直列接続抵抗のデータを記憶する。直列接続抵抗のデータとは、基準温度、直列接続抵抗３の基準温度における抵抗値である直列接続抵抗３の基準抵抗値、及び直列接続抵抗３の温度に対する直列接続抵抗３の抵抗値の変化の傾きである。デジタル信号処理回路６は、メモリ７に記憶された直列接続抵抗のデータを用い、信号処理回路２の温度を表すデジタル信号に基づいて直列接続抵抗３の抵抗値を算出する。デジタル信号処理回路６は、算出した抵抗値に基づいて、直列接続抵抗３の抵抗値を予め定めた一定値に保つようなデジタルの指令信号を演算して出力する。デジタル−アナログ変換回路８は、デジタルの指令信号をアナログの指令信号に変換して直列接続抵抗３に出力する。直列接続抵抗３の抵抗値が伝達されたアナログの指令信号に応じて変化することで、直列接続抵抗３の抵抗値は予め定めた一定値に保たれる。
この構成によれば、直列接続抵抗３の抵抗値を一定値に保つことができる。そのため、温度センサ素子１と直列接続抵抗３の接続点９から得られる出力電圧に直列接続抵抗３の抵抗値の温度変化による誤差が重畳せず、出力電圧は温度センサ素子１の温度にのみ相関するので、温度センサモジュール１００は被測定媒体の高精度な温度測定が可能である。
＜デジタル−アナログ変換回路８と直列接続抵抗３＞
デジタル−アナログ変換回路８と直列接続抵抗３においての、直列接続抵抗３の抵抗値を一定値に保つための構成について説明する。デジタル−アナログ変換回路８と直列接続抵抗３は、例えば、信号処理回路２に内蔵されたデジタルポテンショメータである。デジタルポテンショメータ内に構成される直列接続抵抗３の例を、図４に示す。直列接続抵抗３は、直列に接続された複数の抵抗素子３ａと、複数の抵抗素子３ａのそれぞれの両端子を直結又は非直結にする複数のスイッチ素子３ｂと、を有し、複数のスイッチ素子３ｂのそれぞれは、伝達された指令信号により個別にオン又はオフされる。直列接続抵抗３は、スイッチのオン又はオフを切り替えることで抵抗値が変化する。デジタル信号処理回路６からのデジタルの指令信号に基づいて、温度による抵抗変化を相殺するようにスイッチのオン又はオフを制御することで、直列接続抵抗３の抵抗値を容易に一定値に保つことができる。直列接続抵抗３は、図４に示した構成に限るものではなく、ラダー回路のような可変抵抗であっても構わない。デジタル−アナログ変換回路８と直列接続抵抗３の構成は、固定抵抗とデジタルポテンショメータの組み合わせ、もしくは複数のデジタルポテンショメータの組み合わせであっても構わない。
デジタル−アナログ変換回路８と直列接続抵抗３においての、直列接続抵抗３の抵抗値を一定値に保つための構成について説明する。デジタル−アナログ変換回路８と直列接続抵抗３は、例えば、信号処理回路２に内蔵されたデジタルポテンショメータである。デジタルポテンショメータ内に構成される直列接続抵抗３の例を、図４に示す。直列接続抵抗３は、直列に接続された複数の抵抗素子３ａと、複数の抵抗素子３ａのそれぞれの両端子を直結又は非直結にする複数のスイッチ素子３ｂと、を有し、複数のスイッチ素子３ｂのそれぞれは、伝達された指令信号により個別にオン又はオフされる。直列接続抵抗３は、スイッチのオン又はオフを切り替えることで抵抗値が変化する。デジタル信号処理回路６からのデジタルの指令信号に基づいて、温度による抵抗変化を相殺するようにスイッチのオン又はオフを制御することで、直列接続抵抗３の抵抗値を容易に一定値に保つことができる。直列接続抵抗３は、図４に示した構成に限るものではなく、ラダー回路のような可変抵抗であっても構わない。デジタル−アナログ変換回路８と直列接続抵抗３の構成は、固定抵抗とデジタルポテンショメータの組み合わせ、もしくは複数のデジタルポテンショメータの組み合わせであっても構わない。
＜メモリ７＞
メモリ７には、不揮発性のＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）が用いられる。メモリ７にマスクＲＯＭを用いた場合、マスクＲＯＭに記憶された内容はマスクＲＯＭの製造後に書き換えることができない。そのため、信号処理回路２の製造プロセスにおいて、直列接続抵抗３の規格中心値に関する直列接続抵抗のデータをメモリ７に記憶させる。マスクＲＯＭを用いた場合、直列接続抵抗３のそれぞれが有するばらつきに応じた直列接続抵抗のデータをメモリ７に記憶させることはできない。
メモリ７には、不揮発性のＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）が用いられる。メモリ７にマスクＲＯＭを用いた場合、マスクＲＯＭに記憶された内容はマスクＲＯＭの製造後に書き換えることができない。そのため、信号処理回路２の製造プロセスにおいて、直列接続抵抗３の規格中心値に関する直列接続抵抗のデータをメモリ７に記憶させる。マスクＲＯＭを用いた場合、直列接続抵抗３のそれぞれが有するばらつきに応じた直列接続抵抗のデータをメモリ７に記憶させることはできない。
メモリ７にプログラマブルＲＯＭを用いた場合、個々の信号処理回路２が備えたプログラマブルＲＯＭに対して、信号処理回路２の製造後に個別にデータを書き込むことが可能である。個々の直列接続抵抗３の任意の温度における抵抗値を測定した後に、得られた直列接続抵抗のデータをメモリ７に書き込むことができる。そのため、直列接続抵抗３のそれぞれが有するばらつきに応じた直列接続抵抗のデータが、メモリ７に書き込まれる。具体的なデータの取得は、例えば以下の手順となる。信号処理回路２を予め定めた温度Ｔ１にしたときの直列接続抵抗３の抵抗値を測定し、測定した抵抗値をＲ１とする。次に信号処理回路２の温度をＴ１と異なる温度のＴ２にしたときの直列接続抵抗３の抵抗値を測定し、測定した抵抗値をＲ２とする。これらの測定結果から、直列接続抵抗３の温度に対する直列接続抵抗３の抵抗値の変化の傾きβが算出される。直列接続抵抗のデータとして、基準温度Ｔ１、直列接続抵抗３の基準抵抗値Ｒ１、及び直列接続抵抗３の抵抗値の変化の傾きβがメモリ７に書き込まれ、メモリ７は個々の直列接続抵抗３の直列接続抵抗のデータを記憶する。
温度センサ素子１と信号処理回路２とを接続しない状態であっても、直列接続抵抗３の任意の温度における抵抗値の測定は可能である。そのため、複数の信号処理回路２を備えたウエハ状態、もしくは温度センサ素子１を接続する前のサブモジュール状態などの、温度センサモジュール１００よりも熱容量の小さい形態で直列接続抵抗３の抵抗値を測定することができる。熱容量が小さいため、測定時に信号処理回路２の温度が安定するまでの時間を短縮することができる。
メモリ７にプログラマブルＲＯＭを用いることで、直列接続抵抗３のそれぞれが有するばらつきに応じた直列接続抵抗のデータを、メモリ７は記憶することができる。そのため、直列接続抵抗３の抵抗値を高精度に一定値に保つことができ、温度センサモジュール１００は被測定媒体のより高精度な温度測定が可能になる。
温度センサモジュール１００の具体的な利用例について説明する。温度センサモジュール１００は、自動車のエンジンの吸入空気または排気ガスなどを被測定媒体として、これらの温度を測定するのに好適である。吸入空気または排気ガスは、エンジンの回転数に応じて流速が変化する。自動車のエンジン制御では、温度センサモジュール１００に速い温度応答性が求められる。そのため、温度センサモジュール１００は吸入空気または排気ガスの流管の中央に突出するように取り付けられる。さらに、温度センサモジュール１００の突出による流管内に流れる気体の圧力損失を低減するために、信号処理回路２は温度センサ素子１と離間させて流管の外側に配置され、流管内に突出する温度センサモジュール１００の体積をなるべく小さく抑える構成としている。また、温度センサ素子１が吸入空気または排気ガスの温度に近づくようにするため、温度センサ素子１と信号処理回路２との間の接続部は温度センサ素子１から信号処理回路２への伝熱をなるべく小さくなるよう細長い構造となっている。このため、温度センサ素子１と信号処理回路２は熱的に分離された構造となり、車両の動作状況によっては温度センサ素子１と信号処理回路２の温度は一致しない。温度センサ素子１と信号処理回路２の温度が一致しない場合でも、上述した構成では直列接続抵抗３の抵抗値を一定値に保つことができるため、温度センサモジュール１００は被測定媒体の高精度な温度測定が可能である。このような用途において、本願の構成は有効である。
以上のように、実施の形態１による温度センサモジュール１００において、信号処理回路２の内部で直列接続抵抗３の抵抗値が一定値に保たれ、温度センサ素子１と直列接続抵抗３の接続点９から得られる出力電圧は温度センサ素子１の温度にのみ相関するので、温度センサモジュール１００は被測定媒体の温度を高精度に測定することができる。また、直列接続抵抗３及び直列接続抵抗３の抵抗値を一定値に保つ回路を信号処理回路２に集積化しているので、温度センサモジュール１００を小型化することができる。また、直列接続抵抗３は、直列に接続された複数の抵抗素子と、複数の抵抗素子のそれぞれの両端子を直結又は非直結にする複数のスイッチ素子とを有しているので、直列接続抵抗３の抵抗値を容易に一定値に保つことができる。また、メモリ７にプログラマブルＲＯＭを用いた場合、プログラマブルＲＯＭは直列接続抵抗３のそれぞれが有するばらつきに応じた個々の直列接続抵抗のデータを記憶することができるので、直列接続抵抗３の抵抗値を高精度に一定値に保つことができ、温度センサモジュール１００は被測定媒体の温度をより高精度に測定することができる。また、信号処理回路２の内部で直列接続抵抗３の抵抗値を一定値に保つので、信号処理回路２の歩留まりを安定させることができる。また、信号処理回路２の内部で直列接続抵抗３の抵抗値を一定値に保つ処理は温度センサモジュール１００の製造において工数を増加させることがないため、製造コストを抑制することができる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る温度センサモジュール１００について説明する。図５は、実施の形態２に係る温度センサモジュール１００の概略構成図である。実施の形態２に係る温度センサモジュール１００は、信号処理回路２に第２のアナログ−デジタル変換回路１０を備えた構成になっている。
実施の形態２に係る温度センサモジュール１００について説明する。図５は、実施の形態２に係る温度センサモジュール１００の概略構成図である。実施の形態２に係る温度センサモジュール１００は、信号処理回路２に第２のアナログ−デジタル変換回路１０を備えた構成になっている。
信号処理回路２は、実施の形態１に示した構成に加えて、第２のアナログ−デジタル変換回路１０を備える。第２のアナログ−デジタル変換回路１０は、温度センサ素子１と直列接続抵抗３との接続点９の電圧信号をデジタル電圧信号に変換して、デジタル信号処理回路６に出力する。メモリ７は、温度センサ素子１の抵抗値と温度センサ素子１の温度との関係に関する温度センサ素子データを記憶する。温度センサ素子データとは、基準温度、温度センサ素子１の基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及び温度センサ素子１の温度に対する温度センサ素子１の抵抗値の変化の傾きである。デジタル信号処理回路６は、メモリ７に記憶された温度センサ素子データを用い、デジタル電圧信号に基づいて温度センサ素子１の温度を演算し、電気信号として温度センサ信号２０を出力する。出力される電気信号は、さらにデジタル−アナログ変換回路（図示せず）を介してアナログ信号として出力しても構わない。また、出力される電気信号は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、もしくはＳＥＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｄｇｅ Ｎｉｂｂｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）などのデジタル信号インターフェース回路を介して、デジタル信号として出力しても構わない。
＜白金抵抗体＞
温度センサ素子１が白金抵抗体である場合について説明する。メモリ７は、基準温度、白金抵抗体の基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及び白金抵抗体の温度に対する白金抵抗体の抵抗値の変化の傾きを、温度センサ素子データとして記憶する。ここで、基準温度をＴ０、基準抵抗値をＲ０、傾きをα、直列接続抵抗３の抵抗値をＲｐ、直列接続抵抗３及び白金抵抗体に供給される供給電圧をＶ０、直列接続抵抗３と白金抵抗体との接続点９の電圧をＶＡ、任意の温度ＴＡのときの白金抵抗体の抵抗値をＲＡとすると、抵抗値ＲＡは式（３）で表される。
直列接続抵抗３の端部が供給電圧の高電位の側に接続されている場合、電圧ＶＡは、式（４）で表される。
式（４）より、白金抵抗体が検出している任意の温度ＴＡは、式（５）で表される。
同様に、白金抵抗体の端部が供給電圧の高電位の側に接続されている場合、電圧ＶＡは、式（６）で表される。
式（６）より、白金抵抗体が検出している任意の温度ＴＡは、式（７）で表される。
式（５）、もしくは式（７）を用い、メモリ７に記憶された基準温度Ｔ０、基準抵抗値Ｒ０、及び傾きαと、予め設定された直列接続抵抗の抵抗値Ｒｐ、予め設定された供給電圧Ｖ０、及びデジタル電圧信号である電圧ＶＡと、に基づいて、白金抵抗体の温度はデジタル信号処理回路６において演算される。
温度センサ素子１が白金抵抗体である場合について説明する。メモリ７は、基準温度、白金抵抗体の基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及び白金抵抗体の温度に対する白金抵抗体の抵抗値の変化の傾きを、温度センサ素子データとして記憶する。ここで、基準温度をＴ０、基準抵抗値をＲ０、傾きをα、直列接続抵抗３の抵抗値をＲｐ、直列接続抵抗３及び白金抵抗体に供給される供給電圧をＶ０、直列接続抵抗３と白金抵抗体との接続点９の電圧をＶＡ、任意の温度ＴＡのときの白金抵抗体の抵抗値をＲＡとすると、抵抗値ＲＡは式（３）で表される。
温度センサ素子１が白金抵抗体である場合について説明したが、温度センサ素子１に用いられる金属は白金に限るものではなく、ニッケルまたは銅などの他の金属からなる測温抵抗体であっても構わない。ニッケルまたは銅などの金属による抵抗体の温度に対する抵抗変化の特性は、白金抵抗体に比べて非線形性が大きい。このため、抵抗値から温度情報への変換を高精度化するために、非線形性を補正するのが好ましい。白金抵抗体の例では、電圧ＶＡの全ての範囲で、基準温度Ｔ０、基準抵抗値Ｒ０、及び傾きαのそれぞれ１つの値をメモリ７に記憶させていた。非線形性が大きい測温抵抗体の場合は、電圧ＶＡの範囲をいくつかの区間に区切って、区間ごとに基準温度Ｔ０、基準抵抗値Ｒ０、及び傾きαの値をメモリ７に記憶しておき、区間ごとに抵抗体の温度を演算すれば、非線形性の補正が可能である。
この構成によれば、温度センサ素子１に用いた測温抵抗体の基準温度、測温抵抗体の基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及び測温抵抗体の温度に対する測温抵抗体の抵抗値の変化の傾きを温度センサ素子データとしてメモリ７に記憶するので、温度センサ素子データを用いて測温抵抗体の温度を演算することができる。そのため、様々な特性の測温抵抗体を用いる場合であっても、温度センサモジュール１００は被測定媒体の高精度な温度測定が可能である。また、非線形性が小さい測温抵抗体である白金抵抗体を温度センサ素子１に用いた場合、接続点９の電圧の全ての範囲で、基準温度Ｔ０、基準抵抗値Ｒ０、及び傾きαのそれぞれ１つの値をメモリ７に記憶させるので、メモリ７の容量を減らすことができる。
＜ＮＴＣサーミスタ＞
温度センサ素子１がＮＴＣサーミスタである場合について説明する。ＮＴＣサーミスタは、温度に対して抵抗が対数で変化する特性を備える。メモリ７は、基準温度、ＮＴＣサーミスタの基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及びＮＴＣサーミスタの温度に対するＮＴＣサーミスタの抵抗値の変化の傾きを、温度センサ素子データとして記憶する。ここで、基準温度をＴ０、基準抵抗値をＲ０、傾きをＢ、直列接続抵抗３の抵抗値をＲｐ、直列接続抵抗３及びＮＴＣサーミスタに供給される供給電圧をＶ０、直列接続抵抗３とＮＴＣサーミスタとの接続点９の電圧をＶＢ、任意の温度ＴＢのときのＮＴＣサーミスタの抵抗値をＲＢとすると、抵抗値ＲＢは式（８）で表される。
直列接続抵抗３の端部が供給電圧の高電位の側に接続されている場合、電圧ＶＢは、式（９）で表される。
式（９）より、ＮＴＣサーミスタが検出している任意の温度ＴＢは、式（１０）で表される。
同様に、ＮＴＣサーミスタの端部が供給電圧の高電位の側に接続されている場合、電圧ＶＢは、式（１１）で表される。
式（１１）より、ＮＴＣサーミスタが検出している任意の温度ＴＢは、式（１２）で表される。
式（１０）、もしくは式（１２）を用い、メモリ７に記憶された基準温度Ｔ０、基準抵抗値Ｒ０、及び傾きＢと、予め設定された直列接続抵抗の抵抗値Ｒｐ、予め設定された供給電圧Ｖ０、及びデジタル電圧信号である電圧ＶＢと、に基づいて、ＮＴＣサーミスタの温度はデジタル信号処理回路６において演算される。
温度センサ素子１がＮＴＣサーミスタである場合について説明する。ＮＴＣサーミスタは、温度に対して抵抗が対数で変化する特性を備える。メモリ７は、基準温度、ＮＴＣサーミスタの基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及びＮＴＣサーミスタの温度に対するＮＴＣサーミスタの抵抗値の変化の傾きを、温度センサ素子データとして記憶する。ここで、基準温度をＴ０、基準抵抗値をＲ０、傾きをＢ、直列接続抵抗３の抵抗値をＲｐ、直列接続抵抗３及びＮＴＣサーミスタに供給される供給電圧をＶ０、直列接続抵抗３とＮＴＣサーミスタとの接続点９の電圧をＶＢ、任意の温度ＴＢのときのＮＴＣサーミスタの抵抗値をＲＢとすると、抵抗値ＲＢは式（８）で表される。
この構成によれば、温度センサ素子１に用いたＮＴＣサーミスタの基準温度、ＮＴＣサーミスタの基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及びＮＴＣサーミスタの温度に対するＮＴＣサーミスタの抵抗値の変化の傾きを温度センサ素子データとしてメモリ７に記憶するので、温度センサ素子データを用いてＮＴＣサーミスタの温度を演算することができる。そのため、温度センサモジュール１００は被測定媒体の高精度な温度測定が可能である。また、ＮＴＣサーミスタを温度センサ素子１に用いた場合、接続点９の電圧の全ての範囲で、基準温度Ｔ０、基準抵抗値Ｒ０、及び傾きＢのそれぞれ１つの値をメモリ７に記憶させるので、メモリ７の容量を減らすことができる。
＜メモリ７＞
メモリ７にマスクＲＯＭを用いた場合、マスクＲＯＭに記憶された内容は書き換えることができない。そのため、信号処理回路２の製造プロセスにおいて、予め接続する温度センサ素子１が決まっていれば、接続される温度センサ素子１の基準抵抗値、及び傾きについての規格中心値に関する温度センサ素子データをメモリ７に記憶させる。マスクＲＯＭを用いた場合、温度センサ素子１のそれぞれが有するばらつきに応じた温度センサ素子データをメモリ７に記憶させることはできない。
メモリ７にマスクＲＯＭを用いた場合、マスクＲＯＭに記憶された内容は書き換えることができない。そのため、信号処理回路２の製造プロセスにおいて、予め接続する温度センサ素子１が決まっていれば、接続される温度センサ素子１の基準抵抗値、及び傾きについての規格中心値に関する温度センサ素子データをメモリ７に記憶させる。マスクＲＯＭを用いた場合、温度センサ素子１のそれぞれが有するばらつきに応じた温度センサ素子データをメモリ７に記憶させることはできない。
メモリ７にプログラマブルＲＯＭを用いた場合、個々の信号処理回路２が備えたプログラマブルＲＯＭに対して、信号処理回路２の製造後に個別にデータを書き込むことが可能である。個々の温度センサ素子１の任意の温度における抵抗値を測定した後に、得られた温度センサ素子データをメモリに書き込むことができる。そのため、温度センサ素子データを温度センサ素子１のそれぞれが有するばらつきに応じた温度センサ素子データが、メモリ７に書き込まれる。また、温度センサ素子データを変更できるので、特性の異なる温度センサ素子１を信号処理回路２に繋ぎ変えることもできる。また、温度センサ素子１と信号処理回路２を接続した温度センサモジュール１００の形態で、温度センサモジュール１００を所定の温度に保ったときの温度センサ素子１と直列接続抵抗３の接続点９の電圧信号を予め測定したデータから、温度センサ素子１の基準抵抗値、及び傾きの値を算出して温度センサ素子データとし、算出した温度センサ素子データをメモリ７に記憶させることができる。
メモリ７にプログラマブルＲＯＭを用いることで、温度センサ素子１のそれぞれが有するばらつきに応じた温度センサ素子データをメモリ７に記憶させることができ、温度センサモジュール１００は被測定媒体のより高精度な温度測定が可能になる。
また、温度センサ素子データを用いて温度センサ素子１の温度の演算を行うデジタル信号処理回路６は、実施の形態１に示した直列接続抵抗３の抵抗値の演算を行うデジタル信号処理回路６と同じ回路を用いることができる。温度センサ素子１の温度の演算と直列接続抵抗３の抵抗値の演算を同じ回路とすることで、信号処理回路２の規模の増大を抑制することができる。
以上のように、実施の形態２による温度センサモジュール１００において、温度センサ素子１の基準温度、温度センサ素子１の基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及び温度センサ素子１の温度に対する温度センサ素子１の抵抗値の変化の傾きを温度センサ素子データとしてメモリ７に記憶させ、温度センサ素子データを用いて温度センサ素子１の温度を演算することができるので、様々な特性の温度センサ素子１を用いる場合であっても、温度センサモジュール１００は被測定媒体の温度を高精度に測定することができる。また、メモリ７にプログラマブルＲＯＭを用いた場合、温度センサ素子１のそれぞれが有するばらつきに応じた個々の温度センサ素子１の温度センサ素子データをメモリ７に記憶させることができるので、温度センサモジュール１００は被測定媒体の温度をより高精度に測定することができる。また、温度センサ素子１に白金抵抗体を用いた場合、白金抵抗体の温度に対する抵抗変化は非線形性が小さく、接続点９の電圧の全ての範囲で、基準温度Ｔ０、基準抵抗値Ｒ０、及び傾きαのそれぞれ１つの値をメモリ７に記憶させるので、メモリ７の容量を減らすことができる。また、温度センサ素子１にＮＴＣサーミスタを用いた場合、接続点９の電圧の全ての範囲で、基準温度Ｔ０、基準抵抗値Ｒ０、及び傾きＢのそれぞれ１つの値をメモリ７に記憶させるので、メモリ７の容量を減らすことができる。また、温度センサ素子１の温度の演算と直列接続抵抗３の抵抗値の演算は同じ回路でできるので、信号処理回路２の規模の増大を抑制することができる。
実施の形態３．
実施の形態３に係る温度センサモジュール１００について説明する。図６は、実施の形態３に係る温度センサモジュール１００の概略構成図である。実施の形態３に係る温度センサモジュール１００は、物理量センサ１１、及び信号処理回路２に第３のアナログ−デジタル変換回路１２を備えた構成になっている。
実施の形態３に係る温度センサモジュール１００について説明する。図６は、実施の形態３に係る温度センサモジュール１００の概略構成図である。実施の形態３に係る温度センサモジュール１００は、物理量センサ１１、及び信号処理回路２に第３のアナログ−デジタル変換回路１２を備えた構成になっている。
温度センサモジュール１００は、実施の形態２に示した構成に加えて、特定の物理量を検出する物理量センサ１１を備える。物理量センサ１１が検出する物理量の種類は、特に制限されるものではない。物理量の種類は、光、圧力、流量、磁気などであって、検出した物理量を電気信号で出力することが可能であればよい。また、物理量センサ１１は１つだけではなく複数設けても構わない。また、物理量センサ１１は信号処理回路２に集積化されても構わない。
信号処理回路２は、実施の形態２に示した構成に加えて、第３のアナログ−デジタル変換回路１２を備える。第３のアナログ−デジタル変換回路１２は、物理量センサ１１の出力信号をデジタル物理量信号に変換して、デジタル信号処理回路６に出力する。メモリ７は、物理量センサ１１の出力値と温度との関係に関する物理量センサ温度データを記憶する。物理量センサ温度データとは、基準温度、物理量センサの基準温度における出力値である基準出力値、及び物理量センサの温度に対する物理量センサの出力値の変化の傾きである。デジタル信号処理回路６は、メモリ７に記憶された物理量センサ温度データを用い、信号処理回路２の温度を表すデジタル信号に基づいて、デジタル物理量信号を補正して物理量センサ信号２１として出力する。
メモリ７にプログラマブルＲＯＭを用いた場合、個々の信号処理回路２が備えたプログラマブルＲＯＭに対して、信号処理回路２の製造後に個別にデータを書き込むことが可能である。個々の物理量センサ１１の任意の温度における出力値を測定した後に、得られた物理量センサ温度データをメモリに書き込むことができる。そのため、物理量センサ温度データを物理量センサ１１のそれぞれが有するばらつきに応じた物理量センサ温度データが、メモリ７に書き込まれる。また、物理量センサ温度データを変更できるので、特性の異なる物理量センサ１１を信号処理回路２に繋ぎ変えることもできる。また、異なる物理量を検出する物理量センサ１１を信号処理回路２に繋ぎ変えることもできる。
物理量センサ温度データを用いて物理量センサ１１の出力の補正を行うデジタル信号処理回路６は、実施の形態１に示した直列接続抵抗３の抵抗値の演算を行うデジタル信号処理回路６と同じ回路を用いることができる。物理量センサ１１の出力の補正の演算と直列接続抵抗３の抵抗値の演算を同じ回路とすることで、信号処理回路２の規模の増大を抑制することができる。
物理量センサ１１を信号処理回路２に近接させて配置した場合、物理量センサ１１と信号処理回路２には温度差はほとんど生じることはない。そのため、信号処理回路２の温度検出回路４の情報を用いて物理量センサ１１の出力の補正を行っても、物理量検出の高精度な温度補償が可能である。また、物理量センサ１１を信号処理回路２に集積化した場合、物理量センサ１１と信号処理回路２には温度差は生じない。そのため、物理量検出のより高精度な温度補償が可能である。
以上のように、実施の形態３による温度センサモジュール１００において、物理量センサ１１の物理量センサ温度データをメモリ７に記憶させ、物理量センサ温度データを用いて物理量センサ１１の出力の補正の演算をすることができるので、様々な特性の物理量センサ１１を用いる場合であっても、温度センサモジュール１００は物理量センサ１１が検出する物理量を高精度に測定することができる。また、メモリ７にプログラマブルＲＯＭを用いた場合、物理量センサ１１のそれぞれが有するばらつきに応じた個々の物理量センサ１１の物理量センサ温度データをメモリ７に記憶させることができるので、温度センサモジュール１００は物理量センサ１１が検出する物理量をより高精度に測定することができる。また、物理量センサ１１の出力の補正の演算と直列接続抵抗３の抵抗値の演算は同じ回路でできるので、信号処理回路２の規模の増大を抑制することができる。また、温度センサモジュール１００は信号処理回路２の規模の増大させることなく、物理量センサ１１を備えることができる。
なお、温度センサモジュール１００のハードウエアの一例は図７に示すように、プロセッサ１１０と記憶装置１１１から構成される。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１１０は、記憶装置１１１から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１１０にプログラムが入力される。また、プロセッサ１１０は、演算結果等のデータを記憶装置１１１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１ 温度センサ素子、２ 信号処理回路、３ 直列接続抵抗、３ａ 抵抗素子、３ｂ スイッチ素子、４ 温度検出回路、５ 第１のアナログ−デジタル変換回路、６ デジタル信号処理回路、７ メモリ、８ デジタル−アナログ変換回路、９ 接続点、１０ 第２のアナログ−デジタル変換回路、１１ 物理量センサ、１２ 第３のアナログ−デジタル変換回路、２０ 温度センサ信号、２１ 物理量センサ信号、１００ 温度センサモジュール、１１０ プロセッサ、１１１ 記憶装置
Claims (9)
- 被測定媒体の温度に応じて抵抗値が変化する温度センサ素子と、
前記温度センサ素子と接続され、前記温度センサ素子の抵抗値に相関する電気信号を出力する信号処理回路と、を備えた温度センサモジュールであって、
前記信号処理回路は、
前記温度センサ素子と直列に接続され、伝達された指令信号に応じて抵抗値が変化する抵抗である直列接続抵抗と、
前記信号処理回路の温度を検出して出力する温度検出回路と、
前記温度検出回路の出力信号をデジタル信号に変換して出力する第１のアナログ−デジタル変換回路と、
前記直列接続抵抗の抵抗値と温度との関係に関する直列接続抵抗のデータを記憶したメモリと、
前記メモリに記憶された前記直列接続抵抗のデータを用い、前記信号処理回路の温度を表す前記デジタル信号に基づいて、前記直列接続抵抗の抵抗値を一定値に保つようなデジタルの指令信号を演算し出力するデジタル信号処理回路と、
前記デジタルの指令信号を、アナログの指令信号に変換して、前記直列接続抵抗に出力するデジタル−アナログ変換回路と、を備えた温度センサモジュール。 - 前記直列接続抵抗は、直列に接続された複数の抵抗素子と、前記複数の抵抗素子のそれぞれの両端子を直結又は非直結にする複数のスイッチ素子と、を有し、前記複数のスイッチ素子のそれぞれは、伝達された前記指令信号により個別にオン又はオフされる請求項１に記載の温度センサモジュール。
- 前記信号処理回路は、
前記温度センサ素子と前記直列接続抵抗との接続点の電圧信号をデジタル電圧信号に変換して出力する第２のアナログ−デジタル変換回路を備え、
前記メモリは、前記温度センサ素子の抵抗値と前記温度センサ素子の温度との関係に関する温度センサ素子データを記憶し、
前記デジタル信号処理回路は、前記メモリに記憶された前記温度センサ素子データを用い、前記デジタル電圧信号に基づいて前記温度センサ素子の温度を演算し、前記電気信号として出力する請求項１又は２に記載の温度センサモジュール。 - 前記温度センサ素子は白金抵抗体であって、
前記メモリは、基準温度、前記白金抵抗体の前記基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及び前記白金抵抗体の温度に対する前記白金抵抗体の抵抗値の変化の傾きを、前記温度センサ素子データとして記憶している請求項３に記載の温度センサモジュール。 - 前記デジタル信号処理回路は、前記基準温度をＴ０とし、前記基準抵抗値をＲ０とし、前記傾きをαとし、前記直列接続抵抗の抵抗値をＲｐとし、前記直列接続抵抗及び前記温度センサ素子に供給される供給電圧をＶ０とし、前記接続点の前記デジタル電圧信号をＶＡとし、次式
ＴＡ＝Ｔ０＋１／α×｛ＶＡ／（Ｖ０−ＶＡ）×ＲＰ−Ｒ０｝
を用いて、前記温度センサ素子の温度ＴＡを演算する請求項４に記載の温度センサモジュール。 - 前記温度センサ素子はＮＴＣサーミスタであって、
前記メモリは、基準温度、前記ＮＴＣサーミスタの前記基準温度における抵抗値である基準抵抗値、及び前記ＮＴＣサーミスタの温度に対する前記ＮＴＣサーミスタの抵抗値の変化の傾きを、前記温度センサ素子データとして記憶している請求項３に記載の温度センサモジュール。 - 前記デジタル信号処理回路は、前記基準温度をＴ０とし、前記基準抵抗値をＲ０とし、前記傾きをＢとし、前記直列接続抵抗の抵抗値をＲｐとし、前記直列接続抵抗及び前記温度センサ素子に供給される供給電圧をＶ０とし、前記接続点の前記デジタル電圧信号をＶＢとし、次式
ＴＢ＝１／［１／Ｂ×ｌｎ｛ＲＰ／Ｒ０×（Ｖ０−ＶＢ）／ＶＢ｝＋１／Ｔ０］
を用いて、前記温度センサ素子の温度ＴＢを演算する請求項６に記載の温度センサモジュール。 - 特定の物理量を検出する物理量センサを備え、
前記信号処理回路は、前記物理量センサの出力信号をデジタル物理量信号に変換して出力する第３のアナログ−デジタル変換回路を有し、
前記メモリは、前記物理量センサの出力値と温度との関係に関する物理量センサ温度データを記憶し、
前記デジタル信号処理回路は、前記メモリに記憶された物理量センサ温度データを用い、前記信号処理回路の温度を表す前記デジタル信号に基づいて、前記デジタル物理量信号を補正して出力する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の温度センサモジュール。 - 前記メモリは、プログラマブルＲＯＭである請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の温度センサモジュール。
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