JP6024561B2 - センサ回路 - Google Patents

Description

本発明は、センサ回路に関する。

サーミスタの抵抗変化を利用して物理量を検知するセンサ回路が知られている。この種のセンサ回路は、測定対象の物理量の影響を受ける検知用サーミスタと、測定対象の物理量の影響を受けない補償用サーミスタを有し、検知用サーミスタの抵抗値は、測定対象の物理量と測定対象以外の物理量の影響を受けるが、補償用サーミスタの抵抗値は、測定対象以外の物理量の影響のみを受ける。したがって、これら二つのサーミスタの抵抗値の違いにより、測定対象の物理量が検知される。このような原理に基づき、温度、ガス濃度、湿度、流速等の様々な物理量を検知することができる。

例えば、特許文献１には、赤外線検知用感熱素子（サーミスタ）と抵抗素子の直列回路の第１の出力電圧と、温度補償用感熱素子（サーミスタ）と抵抗素子の直列回路の第２の出力電圧と、第１の出力電圧と第２の出力電圧の差分を出力した第３の出力電圧のうち、第１と第３出力電圧をデジタル値に変換して、これらの２つのデジタル値をもとに加熱要素の温度を検出する温度検出方法が提案されている。

この特許文献１に記載された温度検出方法は、第１の出力電圧と第２の出力電圧の差分を出力した第３の出力電圧が加熱ローラ（熱源）から放射される赤外光（赤外線）の熱量に雰囲気温度（外部環境温度）を含めたものと雰囲気温度との温度差、すなわち加熱ローラから放射される純粋な赤外光の熱量を反映している。この第３の出力電圧は、雰囲気温度を反映する第１の出力電圧に比べ微小なため、差動増幅回路を使用して増幅している。

特開２００３−５７１１６号公報

ところで、特許文献１のように、非接触で熱源の温度を測定する場合、測定対象の温度を基準温度として、その温度からの変動分を測定することが行われる。このとき、第３の出力電圧の変動分が有効な信号成分となる。

しかしながら、特許文献１に示す温度検出方法では、第３の出力電圧の変動分に加え、基準温度と雰囲気温度との温度差を反映する電圧成分が重畳し、且つ、その電圧成分が雰囲気温度によって大きく変動する。したがって、差動増幅回路の増幅率は、その重畳された電圧が最大になる場合を想定して次段に接続されるＡ／Ｄコンバータの入力電圧許容範囲内とする必要がある。そのため、有効な信号成分である第３の出力電圧の変動分に対する増幅率は相対的に低く制限され、温度あたりの出力電圧変化が小さくなる。その結果、温度検出精度が低いという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、測定対象の物理量の検出精度の低下を抑制できるセンサ回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るセンサ回路は、電源の第１の極に接続される第１の抵抗と第１の抵抗に直列接続されるとともに電源の第２の極に接続される測定対象の物理量の影響を受ける第１のサーミスタを有する第１の検出回路と、第１の極に接続される第１の抵抗の抵抗値と略等しい第２の抵抗と第２の抵抗に直列接続されるとともに第２の極に接続される測定対象の物理量の影響が低減された第２のサーミスタと第２のサーミスタに並列接続される付加抵抗と測定対象の物理量の影響が低減された付加サーミスタの直列回路を有する第２の検出回路を備え、第１のサーミスタの抵抗値と、第２のサーミスタと付加抵抗と付加サーミスタとの合成抵抗値とが、第１のサーミスタが測定対象の物理量の影響を受けているときに略等しくなることを特徴とする。

上記構成により、測定対象の物理量の影響を受けているとき、第１の検出回路の出力電圧と第２の検出回路の出力電圧が略等しくなり、第１の検出回路の出力電圧と第２の検出回路の出力電圧の差は０Ｖに近くなる。ここで、第１の検出回路の出力と第２の検出回路の出力は、差動入力用の信号であるため、この出力電圧差を差動増幅回路に入力すると、差動増幅回路の出力は０Ｖに近くなる。つまり、測定対象の物理量を基準に物理量が変動したとしても差動増幅回路の出力は０Ｖを基準に変動分のみが出力されることとなるため、差動増幅回路の増幅率を効率的に上げることができることから、物理量あたりの出力電圧変化を大きくできる。その結果、測定対象の物理量の検出精度の低下を抑制することができる。

第２の検出回路は、前記第２のサーミスタに並列接続される付加抵抗と付加サーミスタをそれぞれ複数備え、複数の付加抵抗の数と複数の付加サーミスタの数が同じであることが好ましい。これにより、第１の検出回路の第１のサーミスタの抵抗値と第２の検出回路の第２のサーミスタと複数の付加抵抗と複数の付加サーミスタの合成抵抗値をさらに近づけることができる。つまり、第１の検出回路の出力電圧と第２の検出回路の出力電圧の差は０Ｖに極めて近づくこととなる。したがって、測定対象の物理量が一定であるとき、複雑な回路を必要としない０Ｖ近くに閾値電圧を設定した２値化処理でも測定対象の物理量を精度良く検出することができるため、回路の簡素化が可能となる。

測定対象の物理量が温度であってもよい。この場合、第１の検出回路の出力電圧と第２の検出回路の出力電圧の差を増幅した差動増幅回路の出力電圧は、赤外線の熱量分だけの出力電圧となるため、差動増幅回路の増幅率を効率的に上げることができる。その結果、熱源の温度の検出精度の低下を抑制することができる。

本発明によれば、測定対象の物理量の検出精度の低下を抑制できるセンサ回路を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るセンサ回路を示す回路構成図である。 本発明の第２の実施形態に係るセンサ回路を示す回路構成図である。 本発明の第２の実施形態に係るセンサ回路の変形例を示す回路構成図である。 第１の実施形態に係るセンサ回路の第１の検出回路の出力と第２の検出回路の出力の温度特性を示すグラフである。 第１の実施形態に係るセンサ回路の差動増幅回路の出力の温度特性を示すグラフである。 第２の実施形態に係るセンサ回路の第１の検出回路の出力と第２の検出回路の出力の温度特性を示すグラフである。 第２の実施形態に係るセンサ回路の差動増幅回路の出力の温度特性を示すグラフである。 比較例１に係るセンサ回路の第１の検出回路の出力と第２の検出回路の出力の温度特性を示すグラフである。 比較例１に係るセンサ回路の差動増幅回路の出力の温度特性を示すグラフである。 比較例１に係るセンサ回路を示す回路構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係るセンサ回路１００の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ回路を示す回路構成図である。なお、本実施形態では、熱源の温度を非接触で測定するセンサ回路を用いて説明する。すなわち、測定対象は熱源であり、測定対象の物理量は温度である。

センサ回路１００は、図１に示されるように、電源Ｖ１と、第１の検出回路１０と、第２の検出回路２０と、差動増幅回路３０と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路４０と、を有する。

電源Ｖ１は、第１の検出回路１０および第２の検出回路２０に直流電圧を供給する。電源Ｖ１としては、それぞれの回路出力へのノイズの影響を抑制するため、安定化した定電圧電源が用いられる。また、電源Ｖ１は、第１の極と第２の極を有する。本実施形態では、第１の極を正極、第２の極を負極として説明する。以下、第１の極は「正極」と記し、第２の極は「負極」と記す。

第１の検出回路１０は、熱源から放射される赤外線を検知するための回路である。第１の検出回路１０は、電源Ｖ１の正極に接続される第１の抵抗Ｒ１と電源Ｖ１の負極に接続される第１のサーミスタＲｔｈ１の直列回路で構成されている。

第１のサーミスタＲｔｈ１は、測定対象の物理量である熱源から放射される赤外線の熱量の影響を受けるように配置されている。つまり、第１のサーミスタＲｔｈ１は、熱源から放射される赤外線の熱量の影響を受けたとき、第１のサーミスタＲｔｈ１の温度が変化することにより抵抗値が変化することとなる。この第１のサーミスタＲｔｈ１の温度は、外部環境温度と熱源から放射される赤外線の熱量の影響により加わる温度で抵抗値が決まる。

第１のサーミスタＲｔｈ１としては、金属酸化物を主成分とする負の温度係数を持つＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタが用いられる。サーミスタの特性は、任意の温度ＴＡ［Ｋ］およびＴＢ［Ｋ］におけるサーミスタの抵抗値をＲＡ、ＲＢ、サーミスタ定数をＢ（Ｂ定数）とすると、以下の式（１）のように近似される。なお、Ｂ定数はその値が大きいほど、温度変化に対する抵抗変化率が大きいことを意味する。
ＲＡ＝ＲＢ×ｅ^{Ｂ（１／ＴＡ−１／ＴＢ）} 式（１）
また、サーミスタは、温度と抵抗特性が直線関係でないため、第１の検出回路１０では、第１のサーミスタＲｔｈ１に第１の抵抗Ｒ１を直列接続して、温度と出力電圧を直線関係に近づけている。第１の抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒｒ１は、外部環境温度範囲の下限温度でのサーミスタの抵抗値をＲｔｈｌ、外部環境温度範囲の中間温度でのサーミスタの抵抗値をＲｔｈｍ、外部環境温度範囲の上限温度でのサーミスタの抵抗値をＲｔｈｈとすると、以下の式（２）の関係を満たす。
Ｒｒ１＝｛２×Ｒｔｈｌ×Ｒｔｈｈ−Ｒｔｈｍ（Ｒｔｈｌ＋Ｒｔｈｈ）｝／｛２×Ｒｔｈｍ−（Ｒｔｈｌ＋Ｒｔｈｈ）｝ 式（２）
したがって、上記式（２）から温度と出力電圧を直線関係に近づける第１の抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒｒ１を算出することができる。

第１の検出回路１０は、電源Ｖ１から供給される直流電圧を第１の抵抗Ｒ１と第１のサーミスタＲｔｈ１により分圧した電圧を出力ＶＯ１として出力する。すなわち、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１は、電源Ｖ１から供給される直流電圧値をＶｒ１、第１の抵抗Ｒ１の抵抗値をＲｒ１、第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値をＲｔｈｒ１とすると、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１は、以下の式（３）の関係を満たすこととなる。
ＶＯ１＝Ｖｒ１×Ｒｔｈｒ１／（Ｒｔｈｒ１＋Ｒｒ１） 式（３）
この第１の検出回路１０の出力ＶＯ１は、差動増幅回路３０に接続されている。

第２の検出回路２０は、外部環境温度を検知するための回路である。第２の検出回路２０は、電源Ｖ１の正極に接続される第１の抵抗Ｒ１の抵抗値に略等しい第２の抵抗Ｒ２と、電源Ｖ１の負極に接続される第２のサーミスタＲｔｈ２と、第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２との中点に接続される付加抵抗Ｒ３と、電源Ｖ１の負極に接続される付加サーミスタＲｔｈ３から構成されている。より具体的には、第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２が直列に接続されて直列回路を構成し、付加抵抗Ｒ３と付加サーミスタＲｔｈ３が直列に接続されて直列回路を構成し、付加抵抗Ｒ３および付加サーミスタＲｔｈ３の直列回路が第２のサーミスタＲｔｈ２に並列に接続されている。なお、本実施形態では、付加抵抗Ｒ３が第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２との中点に接続され、付加サーミスタＲｔｈ３が電源Ｖ１の負極に接続されているが、付加サーミスタＲｔｈ３が第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２との中点に接続され、付加抵抗Ｒ３が電源Ｖ１の負極に接続されるように構成しても良い。

第２のサーミスタＲｔｈ２および付加サーミスタＲｔｈ３の温度は、外部環境温度と同じであり、この温度により抵抗値が決まる。つまり、第２のサーミスタＲｔｈ２および付加サーミスタＲｔｈ３は、測定対象の物理量である熱源から放射される赤外線の熱量の影響が低減されるように配置されている。ここで、第２のサーミスタＲｔｈ２および付加サーミスタＲｔｈ３は、熱源から放射される熱量の影響を全く受けない位置に配置されると好ましいが、第１の検出回路１０と第２の検出回路２０とを構造上近接して配置せざるを得ない場合は、機能的に問題ない程度で、第２のサーミスタＲｔｈ２および付加サーミスタＲｔｈ３が熱源から放射される赤外線の熱量の影響を受ける位置に配置しても良い。

第２のサーミスタＲｔｈ２および付加サーミスタＲｔｈ３は、第１のサーミスタＲｔｈ１と同様に、金属酸化物を主成分とする負の温度係数を持つＮＴＣサーミスタが用いられる。

第２の検出回路２０は、電源Ｖ１から供給される直流電圧を第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２、付加抵抗Ｒ３、および付加サーミスタＲｔｈ３の合成抵抗により分圧した電圧を出力ＶＯ２として出力する。すなわち、第２のサーミスタＲｔｈ２、付加抵抗Ｒ３、および付加サーミスタＲｔｈ３の合成抵抗値Ｒｃｂは、第２のサーミスタＲｔｈ２の抵抗値をＲｔｈｒ２、付加抵抗Ｒ３の抵抗値をＲｒ３、付加サーミスタＲｔｈ３の抵抗値をＲｔｈｒ３とすると、以下の式（４）となる。
Ｒｃｂ＝Ｒｔｈｒ２×（Ｒｒ３＋Ｒｔｈｒ３）／（Ｒｔｈｒ２＋Ｒｒ３＋Ｒｔｈｒ３） 式（４）
また、第２の検出回路２０の出力ＶＯ２は、電源Ｖ１から供給される直流電圧値をＶｒ１、第２の抵抗Ｒ２の抵抗値をＲｒ２とすると、以下の式（５）の関係を満たすこととなる。
ＶＯ２＝Ｖｒ１×Ｒｃｂ／（Ｒｃｂ＋Ｒｒ２） 式（５）
この第２の検出回路２０の出力ＶＯ２は、差動増幅回路３０とＡ／Ｄ変換回路４０に接続されている。

本実施形態では、第１の検出回路１０の第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１と、第２の検出回路２０の第２のサーミスタＲｔｈ２、付加抵抗Ｒ３、および付加サーミスタＲｔｈ３の合成抵抗値Ｒｃｂとが、第１のサーミスタＲｔｈ１が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときに、略等しくなっている。つまり、第１のサーミスタＲｔｈ１が熱源から放射される赤外線の熱量の影響を受けているときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２を少なくとも外部環境温度範囲内で同等な出力電圧とすることができる。このとき、第２の検出回路２０が熱源から放射される赤外線の熱量の影響を受けているときの第１の検出回路１０と同様の動作を示すこととなり、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２の出力電圧の差分は、外部環境温度範囲で０Ｖに近くなる。この状態における熱源の温度を基準として、熱源の温度が変化した場合、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２の出力電圧の差分は、変動分のみ出力される。すなわち、熱源の温度変化分のみを反映した出力電圧を得ることができる。ここで、第２のサーミスタＲｔｈ２は、外部環境温度範囲の上限温度を調整することができる。しかしながら、外部環境温度範囲の上限温度を調整できる第２のサーミスタＲｔｈ２のみでは、第２のサーミスタＲｔｈ２の抵抗値を熱源から放射される熱量を受けているときの第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値に等しくすることは難しい。一方、本実施形態のように、第２のサーミスタＲｔｈ２に加えて、外部環境温度範囲の中間温度を微調整できる付加抵抗Ｒ３と、外部環境温度範囲の下限温度を調整できる付加サーミスタＲｔｈ３を備えることで、外部環境温度範囲の全ての温度範囲が調整可能となるため、第２のサーミスタＲｔｈ２、付加抵抗Ｒ３、および付加サーミスタＲｔｈ３の合成抵抗値Ｒｃｂを第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値に略等しくすることができる。

差動増幅回路３０は、２つの入力電圧の差分を一定係数で増幅する回路である。本実施形態では、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２を２つの入力電圧として、これら出力ＶＯ１である出力電圧と出力ＶＯ２である出力電圧の差分を取り、この差分のみを増幅させている。つまり、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２は、差動入力用の信号である。差動増幅回路３０は、２つの入力電圧の差分を増幅させた電圧を出力ＶＯ３として出力する。この差動増幅回路３０の出力電圧は、基準電圧に２つの入力電圧の差分を増幅させた電圧を加えた電圧が出力される。このとき、基準電圧は次段の回路の入力電圧範囲内となるように設定する。例えば、次段の回路の入力電圧範囲が０Ｖから１Ｖで差動増幅回路３０の増幅率が２０倍、差動増幅回路３０の基準電圧を０．５Ｖに設定すると、差動増幅回路３０の出力電圧は、２つの入力電圧の差分が０Ｖの場合は０．５Ｖ、２つの入力電圧の差分が０．０１Ｖの場合は０．７Ｖ、２つの入力電圧の差分が−０．０１Ｖの場合は０．３Ｖとなる。なお、差動増幅回路３０の増幅率は、次段の回路の入力電圧範囲内で適宜設定される。差動増幅回路３０の出力ＶＯ３は、Ａ／Ｄ変換回路４０に接続されている。

Ａ／Ｄ変換回路４０は、アナログ値をデジタル値に変換する回路である。本実施形態では、差動増幅回路３０の出力ＶＯ３と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２をデジタル値に変換する。アナログ値からデジタル値に変換する場合、１ビット分の電圧、つまり非接触温度センサの場合は１ビット分の温度が小さいほど温度精度が上がる。高精度にするには、分解能が高いＡ／Ｄ変換回路４０を使うこと、そして入力電圧を大きくすることが考えられる。したがってＡ／Ｄ変換回路４０の入力電圧範囲内で出来る限り大きな入力電圧にすると精度を向上することができる。なお、図１では図示していないが、Ａ／Ｄ変換回路４０によってデジタル値に変換された値は、マイクロコンピュータに取り込まれ、温度変換テーブルもしくは関数により変換して熱源の温度を検出する。

以上のように、本実施形態に係るセンサ回路１００は、測定対象の物理量が温度であって、熱源から放射される赤外線の熱量の影響を受けているとき、第１の検出回路１０の出力電圧と第２の検出回路２０の出力電圧が略等しくなり、第１の検出回路１０の出力電圧と第２の検出回路２０の出力電圧の差は０Ｖに近くなる。ここで、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２は、差動入力用の信号であるため、この出力電圧差を差動増幅回路３０に入力すると、差動増幅回路３０の出力は０Ｖに近くなる。つまり、熱源から放射される赤外線の熱量を基準に熱源の温度が変化して熱源から放射される赤外線の熱量が変動したとしても差動増幅回路３０の出力は０Ｖを基準に変動分のみが出力されることとなるため、差動増幅回路３０の増幅率を効率的に上げることができることから、温度あたりの出力電圧変化が大きくなる。その結果、熱源の温度の検出精度の低下を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施形態に係るセンサ回路２００の構成について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態に係るセンサ回路を示す回路構成図である。なお、第２の実施形態に係るセンサ回路２００も熱源の温度を非接触で測定するセンサ回路を用いて説明する。すなわち、測定対象は熱源であり、測定対象の物理量は温度である。第２の実施形態に係るセンサ回路２００は、第２の検出回路１２０が付加抵抗Ｒ４と付加サーミスタＲｔｈ４を備えている点およびＡ／Ｄ変換回路４０の代わりにウィンドウコンパレータ５０を備えている点において、第１の実施形態に係るセンサ回路１００と異なっている。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

センサ回路２００は、図２に示されるように、電源Ｖ１と、第１の検出回路１０と、第２の検出回路１２０と、差動増幅回路３０と、ウィンドウコンパレータ５０と、を有する。

第２の検出回路１２０は、第１の実施形態の第２の検出回路２０と同様に、外部環境温度を検知するための回路である。第２の検出回路１２０は、電源Ｖ１の正極に接続される第２の抵抗Ｒ２と、電源Ｖ１の負極に接続される第２のサーミスタＲｔｈ２と、第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２との中点に接続される付加抵抗Ｒ３と、電源Ｖ１の負極に接続される付加サーミスタＲｔｈ３と、第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２との中点に接続される付加抵抗Ｒ４と、電源Ｖ１の負極に接続される付加サーミスタＲｔｈ４から構成されている。より具体的には、第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２が直列に接続されて直列回路を構成し、付加抵抗Ｒ３と付加サーミスタＲｔｈ３が直列に接続されて直列回路を構成し、付加抵抗Ｒ４と付加サーミスタＲｔｈ４が直列に接続されて直列回路を構成し、付加抵抗Ｒ３および付加サーミスタＲｔｈ３の直列回路が第２のサーミスタＲｔｈ２に並列に接続され、付加抵抗Ｒ４および付加サーミスタＲｔｈ４の直列回路が第２のサーミスタＲｔｈ２に並列に接続されている。つまり、第２の検出回路１２０は、複数の付加抵抗（Ｒ３，Ｒ４）と複数の付加サーミスタ（Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ４）をそれぞれ備え、複数の付加抵抗（Ｒ３，Ｒ４）の数と複数の付加サーミスタ（Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ４）の数が同じとなっている。なお、本実施形態では、付加抵抗Ｒ４が第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２との中点に接続され、付加サーミスタＲｔｈ４が電源Ｖ１の負極に接続されているが、付加サーミスタＲｔｈ４が第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２との中点に接続され、付加抵抗Ｒ４が電源Ｖ１の負極に接続されるように構成しても良い。

付加サーミスタＲｔｈ４の温度は、外部環境温度と同じであり、この温度により抵抗値が決まる。つまり、付加サーミスタＲｔｈ４は、測定対象の物理量である熱源から放射される赤外線の熱量の影響が低減されるように配置されている。ここで、付加サーミスタＲｔｈ４は、熱源から放射される熱量の影響を全く受けない位置に配置されると好ましいが、第１の検出回路１０と第２の検出回路１２０とを構造上近接して配置せざるを得ない場合は、機能的に問題ない程度で、付加サーミスタＲｔｈ４が熱源から放射される赤外線の熱量の影響を受ける位置に配置しても良い。

付加サーミスタＲｔｈ４は、第１のサーミスタＲｔｈ１、第２のサーミスタＲｔｈ２、および付加サーミスタＲｔｈ３と同様に、金属酸化物を主成分とする負の温度係数を持つＮＴＣサーミスタが用いられる。

第２の検出回路１２０は、電源Ｖ１から供給される直流電圧を第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２、付加抵抗Ｒ３、付加サーミスタＲｔｈ３、付加抵抗Ｒ４、および付加サーミスタＲｔｈ４の合成抵抗により分圧した電圧を出力ＶＯ４として出力する。すなわち、第２のサーミスタＲｔｈ２、付加抵抗Ｒ３、付加サーミスタＲｔｈ３、付加抵抗Ｒ４、および付加サーミスタＲｔｈ４の合成抵抗値Ｒｃｂ２は、第２のサーミスタＲｔｈ２の抵抗値をＲｔｈｒ２、付加抵抗Ｒ３の抵抗値をＲｒ３、付加サーミスタＲｔｈ３の抵抗値をＲｔｈｒ３、付加抵抗Ｒ４の抵抗値をＲｒ４、付加サーミスタＲｔｈ４の抵抗値をＲｔｈｒ４とすると、以下の式（６）となる。
Ｒｃｂ２＝Ｒｔｈｒ２×（Ｒｒ３＋Ｒｔｈｒ３）×（Ｒｒ４＋Ｒｔｈｒ４）／（Ｒｔｈｒ２×（Ｒｒ３＋Ｒｔｈｒ３）＋（Ｒｒ３＋Ｒｔｈｒ３）×（Ｒｒ４＋Ｒｔｈｒ４）＋Ｒｔｈｒ２×（Ｒｒ４＋Ｒｔｈｒ４）） 式（６）
また、第２の検出回路１２０の出力ＶＯ４は、電源Ｖ１から供給される直流電圧値をＶｒ１、第２の抵抗Ｒ２の抵抗値をＲｒ２とすると、以下の式（７）の関係を満たすこととなる。
ＶＯ４＝Ｖｒ１×Ｒｃｂ２／（Ｒｃｂ２＋Ｒｒ２） 式（７）
この第２の検出回路１２０の出力ＶＯ４は、差動増幅回路３０にのみ接続されている。

ウィンドウコンパレータ５０は、電圧比較回路素子の一種であり、２つのコンパレータを組み合わせた機能を有している。具体的には、１つの入力電圧を２つの基準電圧と比較し、入力電圧が基準電圧範囲以内であればハイレベルを、入力電圧が基準電圧範囲外であればローレベルをデジタル出力する回路素子である。本実施形態では、差動増幅回路３０の出力ＶＯ３を入力電圧として、２つの基準電圧と比較して、ハイレベルあるいはローレベルをデジタル出力する。つまり、ウィンドウコンパレータ５０の２つの基準電圧範囲を検出したい熱源温度となるように設定しておくことで、特定の熱源温度か否かを検出することができる。つまり、特定の熱源温度とそれ以外の熱源温度の２つの状態を判別することができる。

本実施形態も第１の実施形態と同様に、第１の検出回路１０の第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１と、第２の検出回路１２０の第２のサーミスタＲｔｈ２、付加抵抗Ｒ３、付加サーミスタＲｔｈ３、付加抵抗Ｒ４、および付加サーミスタＲｔｈ４の合成抵抗値Ｒｃｂ２とが、第１のサーミスタＲｔｈ１が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときに、略等しくなっている。つまり、第１のサーミスタＲｔｈ１が熱源から放射される赤外線の熱量の影響を受けているときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１と第２の検出回路１２０の出力ＶＯ４を少なくとも外部環境温度範囲内で同等な出力電圧とすることができる。なお、本実施形態では、第２の検出回路１２０が複数の付加抵抗（Ｒ３，Ｒ４）と複数の付加サーミスタ（Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ４）を備えているため、外部環境温度範囲の中間温度と下限温度をより綿密に調整することができる。したがって、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１である出力電圧と第２の検出回路１２０の出力ＶＯ４である出力電圧の差分は０Ｖに極めて近づくこととなる。

以上のように、本実施形態に係るセンサ回路２００は、第２のサーミスタＲｔｈ２に並列接続される複数の付加抵抗（Ｒ３，Ｒ４）と複数の付加サーミスタ（Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ４）をそれぞれ備え、複数の付加抵抗（Ｒ３，Ｒ４）の数と複数の付加サーミスタ（Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ４）の数が同じである。これにより、第１の検出回路１０の第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１と第２の検出回路１２０の第２のサーミスタＲｔｈ２と複数の付加抵抗（Ｒ３，Ｒ４）と複数の付加サーミスタ（Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ４）の合成抵抗値Ｒｃｂ２をさらに近づけることができる。つまり、第１の検出回路１０の出力電圧と第２の検出回路１２０の出力電圧の差は０Ｖに極めて近づくこととなる。したがって、測定対象の物理量が一定であるとき、複雑な回路を必要としない０Ｖ近くに閾値電圧を設定した２値化処理でも測定対象の物理量を精度良く検出することができるため、回路の簡素化が可能となる。

（第２の実施形態の変形例）
続いて、図３を参照して、本発明の第２の実施形態に係るセンサ回路２００の変形例であるセンサ回路３００の構成について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係るセンサ回路の変形例を示す回路構成図である。

本変形例に係るセンサ回路３００は、電源Ｖ１、第１の検出回路１０、第２の検出回路１２０、差動増幅回路３０について、第２の実施形態に係るセンサ回路２００と同様である。本変形例では、ウィンドウコンパレータ５０の代わりに、第１のコンパレータ６０と第２のコンパレータ７０を備えている点において、第２の実施形態に係るセンサ回路２００と相違する。以下、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。

第１のコンパレータ６０および第２のコンパレータ７０は、１つの入力電圧と基準電圧を比較し、比較した結果をデジタル出力する回路素子である。本変形例では、第１のコンパレータ６０は、差動増幅回路３０の出力ＶＯ３を入力電圧として、入力電圧が第１の基準電圧を超えるときローレベルを、入力電圧が第１の基準電圧以下のときハイレベルを出力する。第２のコンパレータ７０は、差動増幅回路３０の出力ＶＯ３を入力電圧として、入力電圧が第２の基準電圧以上のときハイレベルを、入力電圧が第２の基準電圧未満のときローレベルを出力する。ここで、第１のコンパレータ６０の第１の基準電圧を特定の熱源温度の誤差範囲の上限に設定し、第２のコンパレータ７０の第２の基準電圧を特定の熱源温度の誤差範囲の下限に設定すると、第１のコンパレータ６０の出力と第２のコンパレータ７０の出力がともにハイレベルのとき、特定の熱源温度であると判別でき、第１のコンパレータ６０の出力がローレベルのとき、特定の熱源温度よりも高い熱源温度であると判別でき、第２のコンパレータ７０の出力がローレベルのとき、特定の熱源温度よりも低い熱源温度であると判別できる。以上のように、本変形例では、第１のコンパレータ６０と第２のコンパレータ７０を備えているため、特定の熱源温度と、特定の熱源温度よりも高い熱源温度と、特定の熱源温度よりも低い熱源温度の３つの状態を判別することができる。例えば、特定の熱源温度を１８０℃±１℃、第１の基準電圧を１８１℃、第２の基準電圧を１７９℃とすると、第１のコンパレータ６０の出力と第２のコンパレータ７０の出力と本変形例で検出できる熱源温度の関係は表１に示すような関係となる。

以下、本実施形態によって熱源の温度の検出精度の低下を抑制できることを実施例１、２と比較例１とによって具体的に示す。但し、本発明はこれらに限定されない。実施例１、２と比較例１では、第１の検出回路の出力と第２の検出回路の出力の温度特性と差動増幅回路の出力の温度特性を測定した。

実施例１では、上述した第１の実施形態に係るセンサ回路１００を用いた。実施例２では、上述した第２の実施形態に係るセンサ回路２００を用いた。比較例１では、図１０に示されるセンサ回路４００を用いた。図１０は、比較例１に係るセンサ回路を示す回路構成図である。

まず、比較例１に係るセンサ回路４００の構成について説明する。センサ回路４００は、図１０に示されるように、電源Ｖ２と、第１の検出回路２１０と、第２の検出回路２２０と、差動増幅回路２３０と、Ａ／Ｄ変換回路２４０と、を有する。

電源Ｖ２は、第１の検出回路２１０および第２の検出回路２２０に直流電圧を供給する。電源Ｖ２は、第１の極（以下、「正極」と記す。）と第２の極（以下、「負極」と記す。）を有する。

第１の検出回路２１０は、熱源から放射される赤外線を検知するための回路である。第１の検出回路２１０は、電源Ｖ２の正極に接続される第１の抵抗Ｒ２１と電源Ｖ２の負極に接続される第１のサーミスタＲｔｈ２１の直列回路で構成されている。第１の検出回路２１０は、電源Ｖ２から供給される直流電圧を第１の抵抗Ｒ２１と第１のサーミスタＲｔｈ２１により分圧した電圧を出力ＶＯ２１として出力する。この第１の検出回路２１０の出力ＶＯ２１は、差動増幅回路２３０に接続されている。

第２の検出回路２２０は、外部環境温度を検知するための回路である。第２の検出回路２２０は、電源Ｖ２の正極に接続される第２の抵抗Ｒ２２と、電源Ｖ２の負極に接続される第２のサーミスタＲｔｈ２２の直列回路で構成されている。第２の検出回路２２０は、電源Ｖ２から供給される直流電圧を第２の抵抗Ｒ２２と第２のサーミスタＲｔｈ２２により分圧した電圧を出力ＶＯ２２として出力する。この第２の検出回路２２０の出力ＶＯ２２は、差動増幅回路２３０とＡ／Ｄ変換回路２４０に接続されている。

差動増幅回路２３０は、２つの入力電圧の差分を一定係数で増幅する回路である。本比較例１では、第１の検出回路２１０の出力ＶＯ２１と第２の検出回路２２０の出力ＶＯ２２を２つの入力電圧として、これら出力ＶＯ２１である出力電圧と出力ＶＯ２２である出力電圧の差分を取り、この差分のみを増幅させている。差動増幅回路２３０は、２つの入力電圧の差分を増幅させた電圧を出力ＶＯ２３として出力する。

Ａ／Ｄ変換回路２４０は、アナログ値をデジタル値に変換する回路である。本比較例１では、差動増幅回路２３０の出力ＶＯ２３と第２の検出回路２２０の出力ＶＯ２２をデジタル値に変換する。図１０では図示していないが、Ａ／Ｄ変換回路２４０によってデジタル値に変換された値は、マイクロコンピュータに取り込まれ、温度変換テーブルもしくは関数により変換して熱源の温度を検出する。

続いて、図４および図５を参照して、実施例１のセンサ回路１００の温度特性を示す。図４は、第１の実施形態に係るセンサ回路の第１の検出回路の出力と第２の検出回路の出力の温度特性を示すグラフである。図５は、第１の実施形態に係るセンサ回路の差動増幅回路の出力の温度特性を示すグラフである。

まず、センサ回路１００の各検出回路の回路定数を設定する。第１の検出回路１０の回路定数は、第１のサーミスタＲｔｈ１の２５℃のときの抵抗値Ｒｔｈｒ１を３３ｋΩ（Ｂ定数は４６００Ｋ）に設定すると、式（２）より第１の抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒｒ１が３．３ｋΩとなる。第２の検出回路２０の回路定数は、第２の抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒｒ２を第１の抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒｒ１と同じ３．３ｋΩに設定する。また、合成抵抗値Ｒｃｂは、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、１８０℃の熱源から放射される赤外線の熱量を第１のサーミスタＲｔｈ１が受けているとのきの抵抗値Ｒｔｈｒ１に略等しくなるように各定数を設定する。具体的には、第２のサーミスタＲｔｈ２の２５℃のときの抵抗値Ｒｔｈｒ２を２５ｋΩ（Ｂ定数は４３８０Ｋ）、付加抵抗Ｒ３の抵抗値Ｒｒ３を１０ｋΩ、付加サーミスタＲｔｈ３の２５℃のときの抵抗値Ｒｔｈｒ３を８２ｋΩ（Ｂ定数は３４００Ｋ）に設定すると、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、合成抵抗値Ｒｃｂが第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１と略等しくなる。ここで、熱源温度が１８０℃のときの外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲における合成抵抗値Ｒｃｂと第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１の関係を表２に示す。

表２に示されるように、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲においては、合成抵抗値Ｒｃｂと第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１は略等しくなっており、その精度は第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１に対して合成抵抗値Ｒｃｂが１００％±１％の範囲となっている。

そして、上述のように回路定数を設定したセンサ回路１００について、外部環境温度が０℃から１２０℃における熱源温度が１６０℃，１８０℃，２００℃のときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１の温度特性と外部環境温度が０℃から１２０℃における第２の検出回路２０の出力ＶＯ２の温度特性を測定した。ここで、電源Ｖ１の電圧値は１Ｖに設定した。

測定結果を図４に示す。図４に示されるように、熱源温度が１８０℃のときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１は、電圧特性４３となる。熱源温度が２００℃のときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１は、外部環境温度が同じとき、熱源から放射される赤外線の熱量の増加分が加算された温度によって第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１が決まるため、電圧特性４４となる。熱源温度が１６０℃のときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１は、外部環境温度が同じとき、熱源から放射される赤外線の熱量の減少分が減算された温度によって第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１が決まるため、電圧特性４２となる。

一方、第２の検出回路２０の出力ＶＯ２は、電圧特性４１となり、電圧特性４３と近似する。これは、合成抵抗値Ｒｃｂと熱源温度が１８０℃の赤外線の熱量を受けている第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１が略等しくなっており、第１の抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒｒ１と第２の抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒｒ２も同じ抵抗値となっていることから、電源Ｖ１から供給される直流電圧を第１の検出回路１０の第１の抵抗Ｒ１と第１のサーミスタＲｔｈ１により分圧した出力ＶＯ１が電源Ｖ１から供給される直流電圧を第２の検出回路２０の第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２、付加抵抗Ｒ３、および付加サーミスタＲｔｈ３の合成抵抗により分圧した出力ＶＯ２が等しくなったためである。言い換えれば、熱源温度が１８０℃の赤外線の熱量を受けているときに、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２が等しい出力電圧となるように、合成抵抗値Ｒｃｂを第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１に等しくなるように調整しているためである。

次に、上述の回路定数に設定したセンサ回路１００について、外部環境温度が０℃から１２０℃における熱源温度が１６０℃，１８０℃，２００℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３の温度特性を測定した。つまり、図４に示した熱源温度が１６０℃，１８０℃，２００℃のときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１である電圧特性４２〜４４と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２である電圧特性４１との差分を増幅したときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３を測定したこととなる。ここで、差動増幅回路３０の増幅率は、次段に接続されるＡ／Ｄ変換回路４０の入力電圧許容範囲の電圧幅を１Ｖと仮定して、１Ｖを有効に使えるように２５倍に設定した。また、差動増幅回路３０の基準電圧は０Ｖに設定した。なお、プラス電源で使用する場合は、差動増幅回路３０の基準電圧を０．５Ｖに設定すれば良い。この場合、差動増幅回路３０の出力ＶＯ３を０Ｖから１Ｖの範囲で検出することができるようになる。

測定結果を表３および図５に示す。表３に示されるように、熱源温度が１８０℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３は、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、０Ｖ±０．０３Ｖとなる。すなわち、熱源温度が１８０℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３はほぼ一定の出力電圧となる。また、図５に示されるように、熱源温度が１８０℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３は、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１である電圧特性４３と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２である電圧特性４１が近似しているため、外部環境温度０℃から１２０℃の温度範囲において、０Ｖに近いほぼ一定の出力電圧である電圧特性５６となる。熱源温度が２００℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３は、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１である電圧特性４４と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２である電圧特性４１との差分を増幅した出力電圧である電圧特性５７となる。つまり、電圧特性５７は、熱源温度が１８０℃のときの赤外線の熱量を基準に熱源温度が２００℃に増加したときの赤外線の熱量の増加分のみが出力された電圧特性となる。熱源温度が１６０℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３は、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１である電圧特性４２と第２の検出回路２０の出力ＶＯ２である電圧特性４１との差分を増幅した出力電圧である電圧特性５５となる。つまり、電圧特性５５は、熱源温度が１８０℃のときの赤外線の熱量を基準に熱源温度が１６０℃に減少したときの赤外線の熱量の減少分のみが出力された電圧特性となる。

このように、差動増幅回路３０の出力ＶＯ３である電圧特性５５、５７は、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、熱源温度が１８０℃のときのほぼ一定の出力電圧である電圧特性５６を基準として、熱源温度が１８０℃からの赤外線の熱量の変動分のみが出力に反映されるため、差動増幅回路３０の増幅率を効率的に上げることができる。

続いて、図６および図７を参照して、実施例２のセンサ回路２００の温度特性を示す。図６は、第２の実施形態に係るセンサ回路の第１の検出回路の出力と第２の検出回路の出力の温度特性を示すグラフである。図７は、第２の実施形態に係るセンサ回路の差動増幅回路の出力の温度特性を示すグラフである。

まず、センサ回路２００の各検出回路の回路定数を設定する。第１の検出回路１０の回路定数は、第１のサーミスタＲｔｈ１の２５℃のときの抵抗値Ｒｔｈｒ１を３３ｋΩ（Ｂ定数は４６００Ｋ）に設定すると、式（２）より第１の抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒｒ１が３．３ｋΩとなる。第２の検出回路１２０の回路定数は、第２の抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒｒ２を第１の抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒｒ１と同じ３．３ｋΩに設定する。また、合成抵抗値Ｒｃｂ２は、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、１８０℃の熱源から放射される赤外線の熱量を第１のサーミスタＲｔｈ１が受けているとのきの抵抗値Ｒｔｈｒ１に略等しくなるように各定数を設定する。具体的には、第２のサーミスタＲｔｈ２の２５℃のときの抵抗値Ｒｔｈｒ２を２５ｋΩ（Ｂ定数は４３７０Ｋ）、付加抵抗Ｒ３の抵抗値Ｒｒ３を３２ｋΩ、付加サーミスタＲｔｈ３の２５℃のときの抵抗値Ｒｔｈｒ３を１００ｋΩ（Ｂ定数は３２００Ｋ）、付加抵抗Ｒ４の抵抗値Ｒｒ４を１６ｋΩ、付加サーミスタＲｔｈ４の抵抗値Ｒｔｈｒ４を３１０ｋΩ（Ｂ定数は４８００Ｋ）に設定すると、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、合成抵抗値Ｒｃｂ２が第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１と極めて等しくなる。ここで、熱源温度が１８０℃のときの外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲における合成抵抗値Ｒｃｂ２と第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１の関係を表４に示す。

表４に示されるように、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲においては、合成抵抗値Ｒｃｂ２と第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１は極めて等しくなっており、その精度は第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１に対して合成抵抗値Ｒｃｂ２が１００％±０．１％の範囲となっている。

そして、上述の回路定数に設定したセンサ回路２００について、外部環境温度が０℃から１２０℃における熱源温度が１８０℃のときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１の温度特性と外部環境温度が０℃から１２０℃における第２の検出回路１２０の出力ＶＯ４の温度特性を測定した。ここで、電源Ｖ１の電圧値は１Ｖに設定した。

測定結果を図６に示す。図６に示されるように、熱源温度が１８０℃のときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１は、実施例１と同様に、電圧特性４３となる。一方、第２の検出回路１２０の出力ＶＯ４は、電圧特性６１となり、電圧特性４３に極めて近似する。これは、合成抵抗値Ｒｃｂ２と熱源温度が１８０℃の赤外線の熱量を受けている第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１が極めて等しくなっており、第１の抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒｒ１と第２の抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒｒ２も同じ抵抗値となっていることから、電源Ｖ１から供給される直流電圧を第１の検出回路１０の第１の抵抗Ｒ１と第１のサーミスタＲｔｈ１により分圧した出力ＶＯ１が電源Ｖ１から供給される直流電圧を第２の検出回路１２０の第２の抵抗Ｒ２と第２のサーミスタＲｔｈ２、付加抵抗Ｒ３、付加サーミスタＲｔｈ３、付加抵抗Ｒ４、付加サーミスタＲｔｈ４の合成抵抗により分圧した出力ＶＯ４が極めて等しくなったためである。言い換えれば、熱源温度が１８０℃の赤外線の熱量を受けているときに、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１と第２の検出回路１２０の出力ＶＯ４が極めて等しい出力電圧となるように、合成抵抗値Ｒｃｂ２を第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１に等しくなるように調整しているためである。

次に、上述の回路定数に設定したセンサ回路２００について、外部環境温度が０℃から１２０℃における熱源温度が１８０℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３の温度特性を測定した。つまり、図６に示した熱源温度が１８０℃のときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１である電圧特性４３と第２の検出回路１２０の出力ＶＯ４である電圧特性６１との差分を増幅したときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３を測定したこととなる。ここで、差動増幅回路３０の増幅率は、２５倍に設定した。また、差動増幅回路３０の基準電圧は０Ｖに設定した。

測定結果を表５および図７に示す。表５に示されるように、熱源温度が１８０℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３は、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、０Ｖ±０．００Ｖとなる。すなわち、熱源温度が１８０℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３は一定の出力電圧となる。図７に示されるように、熱源温度が１８０℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３は、第１の検出回路１０の出力ＶＯ１である電圧特性４３と第２の検出回路１２０の出力ＶＯ４である電圧特性６１が極めて近似しているため、外部環境温度０℃から１２０℃の温度範囲において、０Ｖに極めて近い一定の出力電圧である電圧特性７６となる。このように、差動増幅回路３０の出力ＶＯ３である電圧特性７６は、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、一定の出力電圧となるため、複雑な回路を必要としない０Ｖ近くに閾値電圧（基準電圧）を設定した２値化処理でも熱源の温度を精度良く検出することができるため、回路の簡素化が可能となる。つまり、実施例２のセンサ回路２００は、Ａ／Ｄ変換回路や温度変換テーブルを用いなくとも、回路規模の小さいウィンドウコンパレータ５０で熱源の温度を検出することができる。

続いて、図８および図９を参照して、比較例１のセンサ回路４００の温度特性を示す。図８は、比較例１に係るセンサ回路の第１の検出回路の出力と第２の検出回路の出力の温度特性を示すグラフである。図９は、比較例１に係るセンサ回路の差動増幅回路の出力の温度特性を示すグラフである。

まず、センサ回路４００の各検出回路の回路定数を設定する。第１の検出回路２１０の回路定数は、第１のサーミスタＲｔｈ２１の２５℃のときの抵抗値Ｒｔｈｒ２１を３３ｋΩ（Ｂ定数は４６００Ｋ）に設定すると、式（２）より第１の抵抗Ｒ２１の抵抗値Ｒｒ２１が３．３ｋΩとなる。第２の検出回路２２０の回路定数は、第２のサーミスタＲｔｈ２２の２５℃のときの抵抗値Ｒｔｈｒ２２を３３ｋΩ（Ｂ定数は４６００Ｋ）に設定すると、式（２）より第２の抵抗Ｒ２２の抵抗値Ｒｒ２２が第１の抵抗Ｒ２１の抵抗値Ｒｒ２１と同じ３．３ｋΩとなる。第１の検出回路２１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けないとき、すなわち第１の検出回路２１０と第２の検出回路２２０の間に温度差がないときは、第１の検出回路２１０の第１の抵抗Ｒ２１および第１のサーミスタＲｔｈ２１と第２の検出回路２２０の第２の抵抗Ｒ２２および第２のサーミスタＲｔｈ２２の回路定数が等しいことから、第１の検出回路２１０と第２の検出回路２２０は熱平衡状態となる。つまり、第１の検出回路２１０の出力ＶＯ２１と第２の検出回路２２０の出力ＶＯ２２が同じ出力電圧となるため、差動増幅回路２３０の出力ＶＯ２３は、外部環境温度がいずれの温度であっても、０Ｖの一定電圧となる。一方、第１の検出回路２１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときは、第１の検出回路２１０と第２の検出回路２２０の熱平衡状態が崩れ、第１のサーミスタＲｔｈ２１の抵抗値Ｒｔｈｒ２１と第２のサーミスタＲｔｈ２２の抵抗値Ｒｔｈｒ２２が大きく異なることになる。ここで、熱源温度が１８０℃のときの外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲における第１のサーミスタＲｔｈ２１の抵抗値Ｒｔｈｒ２１と第２のサーミスタＲｔｈ２２の抵抗値Ｒｔｈｒ２２の関係を表６に示す。

表６に示されるように、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲においては、第１のサーミスタＲｔｈ２１の抵抗値Ｒｔｈｒ２１と第２のサーミスタＲｔｈ２２の抵抗値Ｒｔｈｒ２２は大きく異なっており、第１のサーミスタＲｔｈ２１の抵抗値Ｒｔｈｒ２１に対して第２のサーミスタＲｔｈ２２の抵抗値Ｒｔｈｒ２２が最大で２００％程度となっている。このように、比較例１のセンサ回路４００では、第１の検出回路２１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときに第１の検出回路２１０と第２の検出回路２２０が熱平衡状態とはならない。これに対して、実施例１のセンサ回路１００のように、第１の検出回路１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときに合成抵抗値Ｒｃｂと第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１を略等しくすると、第１の検出回路１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときに第１の検出回路１０と第２の検出回路２０が熱平衡状態となる。また、実施例２のセンサ回路２００のように、第１の検出回路１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときに合成抵抗値Ｒｃｂ２と第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１を極めて等しくすると、第１の検出回路１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときに第１の検出回路１０と第２の検出回路１２０が熱平衡状態となる。

そして、上述の回路定数に設定したセンサ回路４００について、外部環境温度が０℃から１２０℃における熱源温度が１６０℃，１８０℃，２００℃のときの第１の検出回路２１０の出力ＶＯ２１の温度特性と外部環境温度が０℃から１２０℃における第２の検出回路２２０の出力ＶＯ２２の温度特性を測定した。ここで、電源Ｖ２の電圧値は１Ｖに設定した。

測定結果を図８に示す。図８に示されるように、熱源温度が１６０℃，１８０℃，２００℃のときの第１の検出回路２１０の出力ＶＯ２１は、それぞれ電圧特性４２〜４４となる。つまり、実施例１の熱源が１６０℃，１８０℃，２００℃のときの第１の検出回路１０の出力ＶＯ１である電圧特性４２〜４４と同様である。一方、第２の検出回路２２０の出力ＶＯ２２は、電圧特性８１となり、電圧特性４２〜４４から大きく異なっている。これは、第１の検出回路２１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときに第１の検出回路２１０と第２の検出回路２２０の熱平衡状態が崩れるためである。

次に、上述の回路定数に設定したセンサ回路４００について、外部環境温度が０℃から１２０℃における熱源温度が１６０℃，１８０℃，２００℃のときの差動増幅回路２３０の出力ＶＯ２３の温度特性を測定した。つまり、図８に示した熱源温度が１６０℃，１８０℃，２００℃のときの第１の検出回路２１０の出力ＶＯ２１である電圧特性４２〜４４と第２の検出回路２２０の出力ＶＯ２２である電圧特性８１との差分を増幅したときの差動増幅回路２３０の出力ＶＯ２３を測定したこととなる。

測定結果を図９に示す。図９に示されるように、熱源温度が１６０℃，１８０℃，２００℃のときの差動増幅回路２３０の出力ＶＯ２３は、それぞれ電圧特性９５〜９７となる。具体的には、第１の検出回路２１０は、外部環境温度に熱源から放射される赤外線の熱量で発生する温度を加えた温度を反映させた電圧を出力し、第２の検出回路２２０は、外部環境温度を反映させた電圧を出力する。つまり、差動増幅回路２３０の出力ＶＯ２３である電圧特性９５〜９７は、熱源から放射される赤外線の熱量で発生する温度を反映した出力となる。このような比較例１のセンサ回路４００では、第１の検出回路２１０の出力ＶＯ２１と第２の検出回路２２０の出力ＶＯ２２を直線に近似するように各抵抗（Ｒ２１，Ｒ２２）と各サーミスタ（Ｒｔｈ２１，Ｒｔｈ２２）の抵抗値を設定しているが、この場合、同じ外部環境温度で第１の検出回路２１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときの差動増幅回路２３０の出力ＶＯ２３は、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、中間温度である６０℃で最も電圧が大きくなり、上限温度である１２０℃または下限温度である０℃で最も電圧が小さくなる。したがって、比較例１のセンサ回路４００は、外部環境温度からの変動分となるため、変動分が大きく、外部環境温度の中間温度である６０℃の差動増幅回路２３０の出力ＶＯ２３の出力電圧と上限温度である１２０℃および下限温度である０℃での差動増幅回路２３０の出力ＶＯ２３の出力電圧の差が大きいため、差動増幅回路２３０の増幅率は、次段に接続されるＡ／Ｄ変換回路２４０の入力電圧許範囲の電圧幅を１Ｖと仮定して、１Ｖを有効に使えるように大きくしたとしても最大で１０倍となってしまう。

一方、実施例１のセンサ回路１００では、合成抵抗値Ｒｃｂを、熱源温度が１８０℃であって第１の検出回路１０が熱源から放射される赤外線の熱量を受けているときの第１のサーミスタＲｔｈ１の抵抗値Ｒｔｈｒ１に略等しくしているため、差動増幅回路３０の出力ＶＯ３である電圧特性５５〜５７は、熱源温度が１８０℃のときの差動増幅回路３０の出力ＶＯ３を基準として、変動分のみを出力している。この場合、外部環境温度が０℃から１２０℃の温度範囲において、熱源温度が２００℃で外部環境温度が６０℃のときに最も電圧が大きくなり、熱源温度が１６０℃で外部環境温度が６０℃のときに最も電圧が小さくなる。そのため、差動増幅回路３０の増幅率は、熱源温度が１８０℃のときの出力ＶＯ３である電圧特性５６が０Ｖで一定であり、この電圧特性５６の変動分である電圧特性５５、５７を増幅するために、２５倍と大きく設定できる。

このように、比較例１のセンサ回路４００では、差動増幅回路２３０の増幅率が最大で１０倍であり、実施例１（実施例２）のセンサ回路１００（２００）の差動増幅回路３０（３０）の増幅率である２５倍のように、増幅率を効率的に上げることができない。その結果、温度あたりの出力電圧が小さくなり、熱源の温度の検出精度が低くなる。

また、比較例１のセンサ回路４００は、図９に示されるように、１ｍＶあたりの温度検出が、外部環境温度が６０℃で０．１℃／ｍＶ、外部環境温度が０℃で０．４℃／ｍＶ程度であるのに対して、実施例１のセンサ回路１００は、図５に示されるように、１ｍＶあたりの温度検出が、外部環境温度が６０℃で０．０４℃／ｍＶ、外部環境温度が０℃で０．１６℃／ｍＶ程度であることから、実施例１のセンサ回路１００は、比較例１のセンサ回路４００に比べて温度検出精度が２．５倍向上することになる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。また、記載した構成要素は、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一なものが含まれる。さらに、記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

例えば、各回路間にボルテージフォロアなどのバッファーを追加してもよい。この場合、特に第１の検知回路１０および第２の検出回路２０の出力インピーダンスが差動増幅回路３０およびＡ／Ｄ変換回路４０の入力インピーダンスに比べ、十分に低くない場合に電圧信号を減衰せず伝えることができるようになる。

また、上記実施形態では熱源の温度を非接触で測定する、いわゆる非接触温度センサに本発明に係るセンサ回路を適用した例について説明したが、これに限定されない。例えば、２つのサーミスタの温度差を利用して物理量を検出する、ガスセンサ、湿度センサ、流速センサにおいても、本発明が適用できる。

ＮＤＩＲ（ｎｏｎ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ， 非分散型赤外線センサ）といわれる光学式のガスセンサは、２つのサーミスタのうち第１のサーミスタには測定対象の気体を透過した赤外線を照射し、第２のサーミスタには測定対象のガスを含まない標準気体を透過した赤外線を照射し、２つのサーミスタの温度上昇の違いから測定対象の気体内のガス濃度を検出するものである。すなわち、第１のサーミスタはガス濃度という物理量の影響を受け、第２のサーミスタはその影響が低減されている。このような２つのサーミスタを用いたガスセンサにおいても、上記実施形態に係るセンサ回路を適用することで、測定対象の物理量、すなわちガス濃度の検出精度の低下を抑制することができる。

２つのサーミスタを用いた湿度センサは、２つのサーミスタのうち第１のサーミスタは測定対象の雰囲気にさらされ、第２のサーミスタは密閉された乾燥空気の中に配置されているものである。これらの２つのサーミスタを同等の条件にて加熱すると、第１のサーミスタは湿度による雰囲気の熱伝導率の変化に影響され温度が変わるが、第２のサーミスタは湿度の影響を受けない。２つのサーミスタの温度差は湿度を反映している。すなわち、第１のサーミスタは湿度という物理量の影響を受け、第２のサーミスタはその影響が低減されている。このような２つのサーミスタを用いた湿度センサにおいても、上記実施形態に係るセンサ回路を適用することで、測定対象の物理量、すなわち湿度の検出精度の低下を抑制することができる。

２つのサーミスタを用いた流速センサは、２つのサーミスタのうち第１のサーミスタは測定対象の流体にさらされ、第２のサーミスタは流体にさらされない位置に配置されるものである。これらの２つのサーミスタを同等の条件にて加熱すると、第１のサーミスタは流速に応じて熱を奪われ温度が変わるが、第２のサーミスタはその影響を受けない。２つのサーミスタの温度差は流速を反映している。すなわち、第１のサーミスタは流速という物理量の影響を受け、第２のサーミスタはその影響が低減されている。このような２つのサーミスタを用いた流速センサにおいても、上記実施形態に係るセンサ回路を適用することで、測定対象の物理量、すなわち流速の検出精度の低下を抑制することができる。

以上のように、物理量を２つのサーミスタの温度差として検出する各種センサにおいては、上記実施形態に係るセンサ回路を適用することで、測定対象の物理量の検出精度の低下を抑制することができる。

本発明に係るセンサ回路は、空調機、複写機、電子レンジなどに利用できる。

Ｖ１，Ｖ２…電源、Ｒ１，Ｒ２１…第１の抵抗、Ｒ２，Ｒ２２…第２の抵抗、Ｒ３，Ｒ４…付加抵抗、Ｒｔｈ１，Ｒｔｈ２１…第１のサーミスタ、Ｒｔｈ２，Ｒｔｈ２２…第２のサーミスタ、Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ４…付加サーミスタ、ＶＯ１，ＶＯ２１…第１の検出回路の出力、ＶＯ２，ＶＯ４，ＶＯ２２…第２の検出回路の出力、ＶＯ３，ＶＯ２３…差動増幅回路の出力、４２〜４４…第１の検出回路の出力の電圧特性、４１，６１，８１…第２の検出回路の出力の電圧特性、５５〜５７，７６，９５〜９７…差動増幅回路の出力の電圧特性、３０，２３０…差動増幅回路、４０，２４０…Ａ／Ｄ変換回路、５０…ウィンドウコンパレータ、６０…第１のコンパレータ、７０…第２のコンパレータ、１０，２１０…第１の検出回路、２０，１２０，２２０…第２の検出回路、１００，２００，３００，４００…センサ回路。

Claims (3)

1. 電源の第１の極に接続される第１の抵抗と前記第１の抵抗に直列接続されるとともに前記電源の第２の極に接続される測定対象の物理量の影響を受ける第１のサーミスタを有する第１の検出回路と、
   前記第１の極に接続される前記第１の抵抗の抵抗値と略等しい第２の抵抗と前記第２の抵抗に直列接続されるとともに前記第２の極に接続される前記測定対象の物理量の影響が低減された第２のサーミスタと前記第２のサーミスタに並列接続される付加抵抗と前記測定対象の物理量の影響が低減された付加サーミスタの直列回路を有する第２の検出回路を備え、
   前記第１の検出回路の出力および前記第２の検出回路の出力は、差動入力用の信号であり、
   前記第１のサーミスタの抵抗値と、前記第２のサーミスタと前記付加抵抗と前記付加サーミスタとの合成抵抗値とが、前記第１のサーミスタが前記測定対象の物理量の影響を受けているときに略等しくなることを特徴とするセンサ回路。
2. 前記第２の検出回路は、前記第２のサーミスタに並列接続される前記付加抵抗と前記付加サーミスタをそれぞれ複数備え、
   前記複数の付加抵抗の数と前記複数の付加サーミスタの数が同じであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ回路。
3. 前記測定対象の物理量は温度であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ回路。

Images