JP6166186B2

JP6166186B2 - 温度検出装置

Info

Publication number: JP6166186B2
Application number: JP2014003520A
Authority: JP
Inventors: 広紀込山
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP2015132519A

Description

本発明は、サーミスタを使用して温度を検出する温度検出装置に関し、更に具体的には、その直線性の改善に関するものである。

サーミスタを使用して温度を検出する場合、基準電圧を抵抗分圧で検出する方法が安価で一般的である。しかし、サーミスタは、その温度特性が、温度に対して必ずしもリニアな抵抗値変化とはならない。このため、サーミスタと抵抗の分圧回路で基準電圧を分圧して検出する方法では、検出される電圧が温度の変化に対して直線的に変化せず、リニアな特性が得られない。

サーミスタの温度特性、すなわち温度変化に対する抵抗値の変化をリニア（直線状）とする背景技術としては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。特許文献１（特開2005-277185号公報）の「リニアライズドサーミスタの製造方法」は、組成並びに抵抗―温度特性が異なる２種類以上のパターンサーミスタを並列に組合せ、各々のパターンサーミスタの抵抗―温度特性と、各々のパターンサーミスタの抵抗―温度特性曲線のすべての曲線と接する包絡線によって形成される温度領域をシミュレートする。これによってリニアとなる温度領域が得られたときは、選択された複数のパターンサーミスタのそれぞれと同じ組成のサーミスタ材料をもってサーミスタを製造する。得られたサーミスタは、抵抗―温度特性がリニアとなる温度領域を有するようになる。

特許文献２（特開平9-21715号公報）の「センサ用温度補償回路」は、センサ回路がもつ非直線な温度特性と逆の温度特性を持つサーミスタと電気抵抗から構成される温度補償回路を組み合わせることで、センサ回路全体としての温度特性をリニア化している。

特開2005-277185号公報特開平9-21715号公報

しかしながら、特許文献１の手法では、所望の温度範囲にて温度特性が直線となるようにその都度サーミスタの材料組成を組み合わせて製造しなければならず、手間やコストがかかってしまう。一方、特許文献２の手法では、補正するセンサ回路の温度特性に対応した特性の温度補償回路を選択する必要があり、センサ回路の温度特性によっては、十分に温度補償できない場合がある。

加えて、Ａ/Ｄ変換を行ってデジタル的にサーミスタの電圧を検出する方法を使用した場合、Ａ/Ｄ変換の分解能が電圧値に対して一律であることから、温度によって検出誤差が異なるようになる。現状では、マイクロコンピュータなどを利用し、電圧−温度の測定範囲をある区間毎に区切り、区間毎に近似式を用いて電圧から温度への変換を行っているが、温度の測定精度を上げようとすると、前記区間数を多くする必要があり、コンピュータによるソフトウエア処理の負担が増大するといった不都合がある。

本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、簡単な回路構成により温度特性をリニア化し、サーミスタを用いた温度測定の精度向上を図ることである。他の目的は、電圧−温度の測定範囲の区間分割数を低減し、コンピュータによるソフトウエア処理の負担を軽減することである。

前記目的を達成するため、本発明の温度検出装置は、第１サーミスタが接地側に接続されており、この第１サーミスタと電源側との間に調整用抵抗が接続されており、これら第１サーミスタと調整用抵抗との接続点の電圧を出力とする第１温度検出回路を備え、第２サーミスタが前記電源側に接続されており、この第２サーミスタと前記接地側との間に調整用抵抗が接続されており、これら第２サーミスタと調整用抵抗との接続点の電圧を出力とする第２温度検出回路を備え、前記第１温度検出回路及び第２温度検出回路の出力に対して演算を行う演算回路を備えたことを特徴とする。

主要な形態の一つによれば、前記第１サーミスタもしくは前記第２サーミスタの少なくとも一方に対して、並列もしくは直列に他の調整用抵抗を少なくとも一つ接続したことを特徴とする。他の形態の一つによれば、前記第１サーミスタ及び前記第２サーミスタの温度係数がいずれも正，もしくは、いずれも負であることを特徴とする。更に他の形態によれば、前記演算回路の演算結果を示す電圧値を、アナログ信号からデジタル信号に変換するＡ/Ｄコンバータと、このＡ/Ｄコンバータによって変換されたデジタル信号に対してソフトウエアによる演算処理を行うコンピュータとを備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、第１サーミスタが接地側に接続されており、この第１サーミスタと電源側との間に調整用抵抗が接続されており、これら第１サーミスタと調整用抵抗との接続点の電圧を出力とする第１温度検出回路と、第２サーミスタが前記電源側に接続されており、この第２サーミスタと前記接地側との間に調整用抵抗が接続されており、これら第２サーミスタと調整用抵抗との接続点の電圧を出力とする第２温度検出回路とを備えることで、特性が反転した出力を得ることができる。このため、演算回路で前記第１温度検出回路及び第２温度検出回路の出力に対して演算を行うことで非直線な特性を打ち消すことができ、直線から外れる温度特性の傾きをキャンセルして温度特性の直線性の向上を図ることができる。

本発明の温度検出装置の実施例の構成を示す回路図である。(A)は全体を示す図、(B)は第１及び第２の温度検出回路をブリッジ回路として表した図、(C)は温度検出回路の他の構成例を示す図である。本発明の実施例１における温度−電圧の関係を示すグラフである。本発明の実施例２における温度と電圧の関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

図１(A)は、本実施例の温度検出装置１０が示されている。同図において、温度検出装置１０は、第１温度検出回路１００と、第２温度検出回路２００を備えている。第１温度検出回路１００は、第１サーミスタ１０２に直列に接続された第１固定抵抗１０４と、第１サーミスタ１０２に並列に接続された第２固定抵抗１０６によって構成されている。第１固定抵抗１０４には基準電圧が印加されており、その第１サーミスタ１０２との接続点が出力端子１１０となっており、第１サーミスタ１０２の他端は接地側（アースないしグランド）に接続されている。一方、第２温度検出回路２００は、第２サーミスタ２０２に第３固定抵抗２０４が直列に接続された構成となっており、第２サーミスタ２０２には基準電圧が印加されており、その第３固定抵抗２０４との接続点が出力端子２１０となっており、第３固定抵抗２０４の他端は接地側に接続されている。

第１温度検出回路１００の出力端子１１０と、第２温度検出回路２００の出力端子２１０は、加算回路（演算回路）２０の入力端子にそれぞれ接続されており、加算回路２０の出力側は、Ａ/Ｄコンバータ３０を介してマイコン（マイクロコンピュータ）４０に接続されている。

以上の各部のうち、第１及び第２温度検出回路１００，２００の各サーミスタ１０２，２０２は、同一の温度係数のものを使用する。すなわち、第１サーミスタ１０２の温度係数が正のときは、第２サーミスタ２０２の温度係数も正とし、逆に、第１サーミスタ１０２の温度係数が負のときは、第２サーミスタ２０２の温度係数も負とするという具合である。なお、温度特性は、同一でもよいし、異なっていてもよい。第１及び第２温度検出回路１００，２００の各固定抵抗１０４，１０６，２０４は、それらの抵抗値を調整することで、各温度検出回路１００，２００の出力端子１１０，２１０の加算結果がリニアになるようにするための調整用抵抗である。

以上のような温度検出回路１００，２００は、同図(B)のように表現することができ、対角位置にサーミスタ１０２，２０２を設置したブリッジ回路であると考えることができる。

次に、加算回路２０は、入力に対して所定の演算を行うためのオペアンプで、例えば、入力A，Bに対して、(A＋B)×KA＋KBの演算が行われるようになっている。KA，KBは係数である。演算結果は、Ａ/Ｄコンバータ３０によってアナログ信号からデジタル信号に変換され、これがマイコン４０に供給されるようになっている。上述した加算回路２０の演算における係数KAは、例えば1/2に設定される。係数KBは、Ａ/Ｄコンバータ３０において演算結果をＡ/Ｄ変換する際に、検出可能な電圧値とするためのオフセットである。

上述した各回路素子の一例を示すと、次のようになる。
第１サーミスタ１０２：SEMITEC社製，型番「104JT」
第２サーミスタ２０２：SEMITEC社製，型番「104JT」
第１固定抵抗１０４：18kΩ
第２固定抵抗１０６：100MΩ
第３固定抵抗２０４：2. 2MΩ
基準電圧：4.096V（Ａ/Ｄ変換するために、2の11乗に設定した電圧値が必要）

なお、上記例は、温度特性がリニアになる温度範囲を、-20℃〜70℃の範囲に設定した場合である。この温度範囲は、例えばリチウムイオン電池[Ishida1]の使用温度範囲に対応しており、リチウムイオン電池の温度検出に好適である。

次に、本実施例の動作について、図２も参照しながら説明する。図２には、本実施例における出力端子１１０，２１０の電圧変化が示されている。例えば、第１サーミスタ１０２及び第２サーミスタ２０２の温度係数が負であるとすると、温度の上昇とともに抵抗値は低下する。すると、第１温度検出回路１００では、第１サーミスタ１０２が接地側に接続されているため、グラフＧ１１０で示すように、温度の上昇とともに、出力端子１１０の電圧は低下するようになる。一方、第２温度検出回路２００では、第２サーミスタ２０２が基準電圧側に接続されているため、グラフＧ２１０で示すように、温度の上昇とともに、出力端子２１０の電圧は上昇するようになる。

加算回路２０では、グラフＧ１１０，Ｇ２１０の電圧に対して、上述した加算及びオフセット付加の演算処理が行われる。その結果、加算回路２０の出力は、グラフＧ２０で示すように、ほぼリニアな特性となっている。この加算回路２０の演算結果は、Ａ/Ｄコンバータ３０でデジタル信号に変換され、マイコン４０に供給される。マイコン４０では、グラフＧ２０に対して、グラフＧ４０で示す直線近似のソフトウエア処理が施される。

このように、本実施例によれば、温度係数が一致するサーミスタを基準電圧側と接地側にそれぞれ設けた（別言すれば、ブリッジ回路の対辺位置にサーミスタを設置した）温度検出回路の出力を利用することで、温度特性が反転した電圧出力を得ることができ、サーミスタのノンリニアな温度特性を打ち消すことができる。このため、簡単な回路構成で温度特性をリニア化し、サーミスタを用いた温度測定の精度が向上する。また、電圧−温度の測定範囲の区間分割数が低減でき、ソフトウエア処理の負担が軽減される。

次に、図３を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。上述した実施例１では、温度特性が同一のサーミスタを使用したが、本実施例では、温度特性が異なるサーミスタが使用される。基本的な構成は前記実施例１と同様であり、各回路素子の値を示すと、次のようになる。
第１サーミスタ１０２：SEMITEC社製，型番「103JT」
第２サーミスタ２０２：SEMITEC社製，型番「103AP2」
第１固定抵抗１０４：18kΩ
第２固定抵抗１０６：100MΩ
第３固定抵抗２０４：47kΩ
基準電圧：4.096V[Ishida2]

本実施例における特性は、図３に示すようになる。すなわち、第１温度検出回路１００の出力端子１１０の電圧はグラフＨ１１０で示すようになり、第２温度検出回路２００の出力端子２１０の電圧はグラフＨ２１０で示すようになる。また、加算回路２０の演算結果はグラフＨ２０のようになり、マイコン４０の直線近似はグラフＨ４０で示すようになる。なお、本実施例における第１温度検出回路１００は、前記実施例実施例と同じ特性のサーミスタを使用しており、固定抵抗値も同じなので、グラフＨ２１０は、前記実施例におけるグラフＧ２１０と同じである。本実施例のように、異なる温度範囲の仕様に適したサーミスタを組み合わせても、広い範囲で温度特性をリニア化でき、記実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得る。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例では、調整用抵抗として、第１及び第２温度検出回路１００，２００において固定抵抗１０４，１０６，２０４を設けたが、調整用抵抗は、必要に応じて増減してよい。例えば、前記実施例の第１温度検出回路１００を、図１(C)に示す温度検出回路３００のように構成してもよい。同図の温度検出回路３００は、上述した第１及び第２固定抵抗１０４，１０６に加えて、第３固定抵抗３０２を第１サーミスタ１０２に直列に接続した構成となっている。
(2)前記実施例では、マイコン４０を使用して、デジタル的に信号処理を行って温度検出を行ったが、アナログ的に信号処理を行って温度検出を行うことを妨げるものではない。
(3)前記実施例は、リチウムイオン電池[Ishida3]の温度検出に好適な例であるが、本発明は何らそれに限定されるものではなく、各種の温度検出に適用可能である。

本発明によれば、温度特性が良好にリニアに改善されるので、各種の温度計測に好適である。

１０：温度検出装置
２０：加算回路
３０：Ａ/Ｄコンバータ
４０：マイコン
１００：第１温度検出回路
１０２：第１サーミスタ
１０４：第１固定抵抗
１０６：第２固定抵抗
１１０：出力端子
２００：第２温度検出回路
２０２：第２サーミスタ
２０４：第３固定抵抗
２１０：出力端子
３００：温度検出回路
３０２：第３固定抵抗

Claims

第１サーミスタが接地側に接続されており、この第１サーミスタと電源側との間に調整用抵抗が接続されており、これら第１サーミスタと調整用抵抗との接続点の電圧を出力とする第１温度検出回路を備え、
第２サーミスタが前記電源側に接続されており、この第２サーミスタと前記接地側との間に調整用抵抗が接続されており、これら第２サーミスタと調整用抵抗との接続点の電圧を出力とする第２温度検出回路を備え、
前記第１温度検出回路及び第２温度検出回路の出力に対して演算を行う演算回路を備えたことを特徴とした温度検出装置。
前記第１サーミスタもしくは前記第２サーミスタの少なくとも一方に対して、並列もしくは直列に他の調整用抵抗を少なくとも一つ接続したことを特徴とした請求項１記載の温度検出装置。
前記第１サーミスタ及び前記第２サーミスタの温度係数がいずれも正，もしくは、いずれも負であることを特徴とした請求項１又は２記載の温度検出装置。
前記演算回路の演算結果を示す電圧値を、アナログ信号からデジタル信号に変換するＡ/Ｄコンバータと、
このＡ/Ｄコンバータによって変換されたデジタル信号に対してソフトウエアによる演算処理を行うコンピュータとを備えたことを特徴とした請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度検出装置。