JP2021180090A - ヒータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電源投入時に起動しない不具合を解消でき、正常な制御状態に移行させることが可能なヒータ駆動回路を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、ヒータ（６）が所定温度を保つように駆動可能なヒータ駆動回路（１０）であって、前記ヒータが接続されたブリッジ回路（１１）と、前記ブリッジ回路に接続されるオペアンプ（１２）と、前記ブリッジ回路の入力部に接続されたトランジスタ（ＴＲ１）と、前記入力部の電圧Ｖｂが所定の電圧以下のときに、前記トランジスタ（ＴＲ１）を駆動させる起動回路（４０）と、を有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、水素センサ用のヒータ駆動回路に関する。

特許文献１には、水素センサなどに適用されるヒータ温度制御回路に関する発明が開示されている。

特許文献１の図２などに示すように、ヒータ温度制御回路は、ブリッジ回路と、駆動用のオペアンプを有し、ブリッジ回路は、ヒータと抵抗器とが接続された第１回路と、Ｄ／Ａコンバータを有する第２回路とが並列に接続されている。

ガス濃度の検出精度を高めるためには、ヒータ温度を一定に維持できる高精度の制御回路が必要である。

特開２０１９−１０１６４５号公報

しかしながら、従来のヒータ温度制御回路では、電源投入時に動作が不安定になり、起動しない場合があった。

そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電源投入時に起動しない不具合を解消でき、正常な制御状態に移行させることが可能なヒータ駆動回路を提供することを目的とする。

本発明は、ヒータが所定温度を保つように駆動可能なヒータ駆動回路であって、前記ヒータが接続されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に接続されるオペアンプと、前記ブリッジ回路の入力部に接続されたトランジスタＴＲ１と、前記入力部の電圧Ｖｂが所定の電圧以下のときに、前記トランジスタＴＲ１を駆動させる起動回路と、を有することを特徴とする。

本発明では、前記オペアンプの出力部側に、ローパスフィルタが接続されており、前記ローパスフィルタの後段に、前記起動回路が接続されていることが好ましい。

本発明では、前記入力部の電圧が所定の電圧以下のときに、前記起動回路に設けられたトランジスタＴＲ２がＯＦＦ状態になり、前記トランジスタＴＲ１がＯＮ状態に切り替わることが好ましい。

本発明のヒータ駆動回路によれば、起動回路により、強制的に、ブリッジ回路の入力部に接続されたトランジスタＴＲ１をＯＮ状態にでき、電源投入時に、正常な制御状態に移行させることができる。

本実施形態のセンサ装置の一例を示す斜視図である。 本実施形態のヒータ駆動回路を示す回路図である。 本実施形態のより具体的なヒータ駆動回路を示す回路図である。 本実施例のブリッジ回路上部の電圧Ｖｂと、ヒータへの印加電圧Ｖｈの波形図の一例を示す。 比較例のヒータ駆動回路の回路図である。

以下、本発明の一実施形態（以下、「実施形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

＜水素センサの概要＞
図１は、本実施形態のセンサ装置の一例を示す斜視図である。図１は、接触燃焼式ガスセンサの一例であり、例えば、水素濃度を検出可能な水素センサである。

図１に示す符号１は、水晶の結晶をエッチングなどで切り出して作製された水晶板（水晶基板）である。符号２は、検出用水晶振動子であり、符号３は、参照用水晶振動子である。

図１に示すように、検出用水晶振動子２には、水晶板１を切り出して形成された水晶面に、水素反応触媒層４が形成されている。水素反応触媒層４は、例えば、白金膜により形成されている。

図１に示すように、参照用水晶振動子３には、水晶板１を切り出して形成された水晶面に、水素非反応層５が形成されている。水素非反応層５は、例えば、金薄膜で形成されている。

なお、図示しないが、水素反応触媒層４、及び、水素非反応層５は、各水晶振動子２、３の両面に形成される。

ところで、水素反応触媒層４としての白金膜が、触媒作用を発揮するためには、所定温度（例えば、１００℃）に加熱することが必要である。このため、図１に示すように、加熱用の線状のヒータ６が、水素反応触媒層４に隣接して形成されている。

また、図１に示すように、加熱用の線状のヒータ６は、水素非反応層５にも近接して形成されている。

図１では、ヒータ６は、水素反応触媒層４、及び、水素非反応層５の周囲を囲むように形成されるが、これは一例であって、ヒータ６の形状や配置等を限定するものではない。ヒータ６の抵抗を限定するものではないが、所定温度に保つために、ヒータ６の抵抗も所定範囲で調整される。一例を示すと、１００℃に保つべく、ヒータ６の抵抗を約４０Ωで調整する。

なお、水素反応触媒層４、及び、水素非反応層５の加熱用としてのヒータ６は、互いに同じ特性を有するように、例えば、同じ材質で形成されることが好ましい。これは、水素反応触媒層４と水素非反応層５の両方を同一条件で加熱し、水素反応触媒層４の発生する熱量を正確に検出するためである。

図１に示す端子９は、検出用水晶振動子２の共振周波数を測定するためにコルピッツ発振回路などの発振回路（図示せず）に接続される。また、その発振回路は周波数測定装置（図示せず）に接続される。

図１に示す水素センサの動作原理について説明する。まず、ヒータ６の端子７，８に給電し、ヒータ６を加熱する。このとき、ヒータ６が所定温度（例えば１００℃）となるように制御される。温度制御は、後述するヒータ駆動回路で行われる。この給電によって、検出用水晶振動子２と、参照用水晶振動子３は、同一条件で予熱された状態となる。ここで予熱とは、水素反応触媒層４が触媒として機能する温度まで温度を上げることである。

また、端子９をそれぞれ発振回路に接続する。水晶振動子２，３は厚み滑り振動子として振動し、その固有振動数に応じた周波数信号が発振回路から出力する。発振回路の発振周波数は、周波数測定装置で測定され、検出用水晶振動子２の共振周波数が測定される。

ここで、予熱によって温度が上昇した状態の検出用水晶振動子２、及び、参照用水晶振動子３の共振周波数を測定する。

この状態で、水素を含む空気が流れて来ると、この水素センサの水素反応触媒層４における触媒の作用で、水素が空気中の酸素によって酸化される。この酸化に伴い、酸化熱が発生し、検出用水晶振動子２の温度が予熱温度以上に上昇する。

参照用水晶振動子３には水素非反応層５が形成されており、空気中に水素が含まれていても水素の酸化は行われず、参照用水晶振動子３の温度は、予熱温度のまま維持される。すなわち、検出用水晶振動子２は、水素の酸化熱によって予熱以上の温度になり、一方、参照用水晶振動子３は、予熱温度のままとなる。よって、検出用水晶振動子２の共振周波数は、予熱温度と水素の酸化熱による温度上昇に伴う温度での共振周波数となり、一方、参照用水晶振動子３の共振周波数は、予熱温度での共振周波数となる。

ここで、検出用水晶振動子２の共振周波数と参照用水晶振動子３の共振周波数とを測定し、その差を取ると、予熱によって上昇した温度の要素がなくなり、検出用水晶振動子２が純粋に水素の酸化熱によって受けた影響に伴う周波数変化の要素のみを検出することが可能になる。

このようにして、水素の酸化熱による周波数変化を測定することにより、空気中の水素濃度を測定することができる。

＜本実施形態のヒータ駆動回路の説明＞
図２は、本実施形態のヒータ駆動回路の回路図である。図２に示すように、本実施形態のヒータ駆動回路１０は、ブリッジ回路１１と、ブリッジ回路１１に接続される駆動用のオペアンプ１２とを、有して構成される。

図２に示すように、ブリッジ回路１１は、入力部１１ａと、接地部１１ｂとの間に、第１回路１１ｃと第２回路１１ｄとが並列に接続されている。

図２に示すように、第１回路１１ｃには、抵抗器１３と、ヒータ６とが直列に接続されている。抵抗器１３は、例えば、固定抵抗器である。図１に示すように、第１回路１１ｃの中点（出力部）１１ｅが、オペアンプ１２の反転入力端子（Ｖ_ｉｎ−端子）１２ａに接続されている。

図２に示すように、第２回路１１ｄには、Ｄ／Ａコンバータ（デジタル／アナログコンバータ）１５が接続されている。そして、Ｄ／Ａコンバータ１５の出力部１５ａが、オペアンプ１２の非反転入力端子（Ｖ_ｉｎ＋端子）１２ｂに接続されている。なお、ここで使用するＤ／Ａコンバータ１５は、リファレンス電圧の外部入力端子Ｖ_ｒｅｆを有するものである。

図２に示す本実施形態のヒータ駆動回路１０の平衡条件は、以下の式（１）で示される。

ここで、Ｖ_ｏｕｔは、Ｄ／Ａコンバータ１５の出力値である。Ｖ_ｒｅｆは、入力部１１ａに印加されるリファレンス電圧である。Ｒ_ｈは、ヒータ６の目標抵抗値である。Ｒ_１は、抵抗器１３の抵抗値である。

目標抵抗値Ｒ_ｈ及び固定抵抗Ｒ_１は、例えば、メーカのカタログ値から得ることができる。これら抵抗値を適宜設定し、デジタルデータを書き込む。図２に示すように、Ｄ／Ａコンバータ１５には、リファレンス電圧Ｖ_ｒｅｆが入力されており、したがって、上記の式（１）より、出力値Ｖ_ｏｕｔを得ることができ、オペアンプ１２に入力される。

図２に示すヒータ駆動回路１０の動作原理について説明する。オペアンプ１２へは、Ｄ／Ａコンバータ１５からの電圧出力（出力値Ｖ_ｏｕｔ）が入力される。一方、第１回路１１ｃの中点１１ｅからは、抵抗値Ｒ_１とヒータ６の抵抗値との分圧比に基づく出力が入力される。したがって、オペアンプ１２から差動出力が得られ、その差動出力に応じて、ヒータ６へ流れる電流量が変動する。なお、電流は、ほとんど第１回路１１ｃ側に流れる。ヒータ６に電流が流れることで、ヒータ温度が上昇し、それに伴い、ヒータ６の抵抗値も上昇する。いずれヒータ６が目標温度に到達したら、目標抵抗値Ｒ_ｈとなり、オペアンプ１２の出力電圧の上昇は停止する。外気温の変動や風などの外乱により、ヒータの温度が変動した場合は、それに応じてオペアンプの出力電圧が変化し、ヒータの放熱とバランスする電圧値で安定する。

また、図２に示すヒータ駆動回路１０では、制御系にヒータ６の時定数という遅れ要素が入っているため、出力信号の位相が１８０°回ると、オペアンプ１２が異常発振するという問題が生じる。例えば、負帰還制御系で位相が１８０°回る周波数で、ループゲインが１より大きい場合に、フィードバック制御系ヒータの時定数に応じた周波数での発振条件が成立し、異常発振が生じる。

図２に示す実施形態では、オペアンプ１２の出力段に、異常発振防止用のローパスフィルタ（ＬＰＦ）２０が接続されている。また、図２に示すように、オペアンプ１２に帰還抵抗２１が付与されている。これにより、ヒータ駆動回路１０の応答周波数を、ヒータ６の時定数よりも遅くすることで、ループゲインを１以下に小さくすることができ、異常発振を抑制することができる。

なお、ヒータ駆動回路１０の応答速度が遅くなると、ヒータ６が目標温度に達するまでの加熱時間が遅くなったり、外気温の変動に対する追従性が悪化しやすい。そこで、高次フィルタや、アクティブフィルタなど減衰率の大きいローパスフィルタ（ＬＰＦ）２０を使用することで、ループゲインが１以下となる条件を満足する範囲を広げることができ、ヒータ駆動回路１０の応答速度を最大化することができる。

＜従来のヒータ駆動回路の問題点及びその原因についての考察＞
図５は、比較例のヒータ駆動回路の回路図である。なお、図１と同じ部分には同じ符号を付した。

ところで、図５に示す比較例のヒータ駆動回路では、電源投入時、ヒータ６を所定温度まで加熱することができないといった問題があった。すなわち、ヒータ６への印加電圧Ｖｈ（第１回路１１ｃの中点１１ｅの電圧）が０Ｖを維持したまま上昇せず、ヒータ６を加熱することができない問題が生じた。

この問題が生じる状況について調べてみたところ、
（１） ブリッジ回路１１の上部の電圧Ｖｂ（入力部１１ａの電圧）が、０Ｖのまま上昇しない、
（２） オペアンプ１２の反転入力端子１２ａ及び非反転入力端子１２ｂの両電圧も０Ｖのままである、
（３） オペアンプ１２の出力電圧も０Ｖのまま上昇しない、
（４） トランジスタ２２は、ＯＦＦ状態のままで、ＯＮしない、
（５） Ｄ／Ａコンバータ１５への設定データの最大値のデータ値を設定しても、Ｄ／Ａコンバータ１５の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、０Ｖのまま変化しない、
という状況であることがわかった。

このように、図５に示すヒータ駆動回路の構成では、各部の電圧が、０Ｖに固定された状態であった。

ここで、電源投入時に上記した（１）〜（５）に陥る状況について更に、考察すると、電源投入時、Ｄ／Ａコンバータ１５への設定データの初期値は、０である。設定データと出力電圧Ｖ_ｏｕｔとの間には、以下の式（２）が成立している。
出力電圧Ｖ_ｏｕｔ＝リファレンス電圧Ｖ_ｒｅｆ×設定データ／６５５３５ （２）
なお、１６ｂｉｔのＤ／Ａコンバータの場合、設定データは、０〜６５５３５の範囲の値である。

上記のように、電電投入時、設定データは０であるから、式（２）より、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは０になる。これにより、トランジスタ２２はＯＦＦ状態になり、ブリッジ回路の上部の電圧Ｖｂも０Ｖになる。

このように、電源投入直後は、設定データが初期値としての０であるため、０Ｖに固定された状態になり、起動しない。

＜本実施形態の起動回路４０の説明＞
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、外部電源からブリッジ回路１１の入力部１１ａに微小な電圧（限定するものでないが、例えば、約０．５Ｖ）を短時間（限定するものでないが、例えば、約１秒）印加すると、０Ｖに固定された状態から脱することがわかった。これにより、ヒータ６への印加電圧Ｖｈが上昇を開始し、これに伴い、ヒータ温度も上昇し、図１に示す検出用水晶振動子２の温度が、目標温度（限定するものではないが、例えば、１００℃）に到達し、安定化した。このように、ヒータ駆動回路は、正常な制御状態に移行した。

そこで、本発明者は、上記の従来の問題点を鑑み、図２に示すように、ヒータ駆動回路に、ブリッジ回路１１の入力部１１ａの電圧が所定電圧以下であるとき、トランジスタＴＲ１を駆動可能な起動回路４０を設けた。このような電圧の監視を起動時のみでなく、常時監視する回路にしている。このため、環境温度の急激な低下等、入力部１１ａの電圧に影響がある場合でも、好適な制御が可能になる。図２に示すように、起動回路４０を、ローパスフィルタ２０の後段に設け、入力部１１ａに接続されたトランジスタＴＲ１との間で、信号の検出・入力が可能な回路構成であるとした。

起動回路４０を有するヒータ駆動回路１０は、電源投入時に以下の動作を行う。
（ステップＳＴ１） 起動回路４０にて、ブリッジ回路１１の入力部１１ａの電圧Ｖｂが、０．５Ｖ以下であるか否かを検出する。
（ステップＳＴ２） 電圧Ｖｂが、０．５Ｖ以下（０固定状態）である場合、起動回路４０では、強制的にトランジスタＴＲ１をＯＮ状態にする。
（ステップＳＴ３） トランジスタＴＲ１がＯＮ状態となることで、電圧Ｖｂが上昇し、０固定状態を脱出し、正常な制御状態に移行する。
（ステップＳＴ４） 正常な制御状態に移行し、電圧Ｖｂの順調な電圧上昇を検出したことで、起動回路４０によるトランジスタＴＲ１に対する強制的なドライブを停止する。

本実施形態では、具体的には図３に示すヒータ駆動回路１０で実行することができる。

図３に示すように、トランジスタＴＲ１、ＴＲ３と起動回路４０とが、ローパスフィルタ２０の後段と、ブリッジ回路１１の入力部１１ａとの間に、並列に接続されている。トランジスタＴＲ１は、入力部１１ａ側に接続されたＰチャネルＭＯＳＦＥＴであり、トランジスタＴＲ３は、ローパスフィルタ２０側に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。また、起動回路４０は、バイポーラトランジスタＴＲ２を有して構成される。

図３に示すヒータ駆動回路１０では、電源投入時に以下の動作を行う。
（ステップＳＴ５） 起動回路４０のバイポーラトランジスタＴＲ２にて、ブリッジ回路１１の入力部１１ａの電圧Ｖｂが、０．５Ｖ以下であるか否かを検出する。
（ステップＳＴ６） 電圧Ｖｂが０．５Ｖ以下であるとき、バイポーラトランジスタＴＲ２はＯＦＦ状態になる。すなわち、電圧が０．５Ｖ以下であると、バイポーラトランジスタＴＲ２のベースに電圧が印加されず、ＯＦＦ状態になる。これにより、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（トランジスタＴＲ３）のゲート電圧が上昇し、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴがＯＮ状態になる。
（ステップＳＴ７） ＮチャネルＭＯＳＦＥＴがＯＮ状態になると、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのドレインからソースに電流が流れ、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴと接続されたＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（トランジスタＴＲ１）のゲート電圧が降下し、強制的に、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをドライブし、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをＯＮ状態にする。
（ステップＳＴ８） ＰチャネルＭＯＳＦＥＴがＯＮ状態になると、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴのソースからドレインに電流が流れ、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴに接続されたブリッジ回路１１の入力部１１ａに印加される電圧Ｖｂが上昇する。これにより、０固定状態から脱出し、正常な制御状態へ移行する。
（ステップＳＴ９） 正常な制御状態に移行すると、ブリッジ回路１１の電圧Ｖｂは上昇し、やがて０．５Ｖ以上になる。これにより、起動回路４０のバイポーラトランジスタＴＲ２をＯＮ状態にし、トランジスタＴＲ１への強制的なドライブを停止する。

なお、ステップＳＴ５で、電圧Ｖｂが、０．５Ｖ以上であるときは、バイポーラトランジスタＴＲ２はＯＮ状態になり、トランジスタＴＲ１、ＴＲ３はいずれもＯＦＦ状態である。

図４は、本実施例のブリッジ回路１１の上部の電圧Ｖｂと、ヒータ６への印加電圧Ｖｈの波形図の一例である。図４に示すように、電源投入時の０固定状態を適切に脱し、正常に起動した電圧ＶｂとＶｈを得ることができた。

なお、本実施形態のヒータ駆動回路は、図１に示す水素センサ等の接触燃焼式ガスセンサのみならず、酸化物半導体式ガスセンサ、或いは、流量センサ等の熱式センサなどマイクロヒータを搭載した各種センサ・デバイスの温度制御用に適用可能である。

本発明のヒータ駆動回路によれば、電源投入時に起動しないといった不具合を解消でき、正常に起動させることができるため、接触燃焼式ガスセンサや、酸化物半導体式ガスセンサ、またガスセンサに限らず、ヒータを有するＭＥＭＳセンサ等、センサ精度が求められる様々なデバイスに適用することができる。

１ ：水晶板
２ ：検出用水晶振動子
３ ：参照用水晶振動子
４ ：水素反応触媒層
５ ：水素非反応層
６ ：ヒータ
１０ ：ヒータ駆動回路
１１ ：ブリッジ回路
１１ａ ：入力部
１１ｂ ：接地部
１１ｃ ：第１回路
１１ｄ ：第２回路
１１ｅ ：中点
１２ ：オペアンプ
１２ａ ：反転入力端子
１２ｂ ：非反転入力端子
１３ ：抵抗器
１５ ：Ｄ／Ａコンバータ
１５ａ ：出力部
２０ ：ローパスフィルタ
２１ ：帰還抵抗
４０ ：起動回路
ＴＲ１ ：トランジスタ（ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ）
ＴＲ２ ：バイポーラトランジスタ
ＴＲ３ ：トランジスタ（ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ）

Claims (3)

1. ヒータが所定温度を保つように駆動可能なヒータ駆動回路であって、
   前記ヒータが接続されたブリッジ回路と、
   前記ブリッジ回路に接続されるオペアンプと、
   前記ブリッジ回路の入力部に接続されたトランジスタＴＲ１と、
   前記入力部の電圧Ｖｂが所定の電圧以下のときに、前記トランジスタＴＲ１を駆動させる起動回路と、を有することを特徴とするヒータ駆動回路。
2. 前記オペアンプの出力部側に、ローパスフィルタが接続されており、前記ローパスフィルタの後段に、前記起動回路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ駆動回路。
3. 前記入力部の電圧が所定の電圧以下のときに、前記起動回路に設けられたトランジスタＴＲ２がＯＦＦ状態になり、前記トランジスタＴＲ１がＯＮ状態に切り替わることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒータ駆動回路。
   
   

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