JP6319126B2 - 温度補正回路および感温素子の検出温度補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度補正回路および感温素子の検出温度補正方法に関する。

例えばダイオードを感温素子として温度検出を行うものでは、ダイオードに一定電流を流したときの順方向電圧を検出して温度を検出している。この場合に、使用するダイオードによって順方向電圧にばらつきが生ずることがあるので、これを調整するために、例えばオフセット調整として、感温素子の順方向電圧に一定電圧を加算あるいは減算することで所定温度における出力電圧のバラツキを補正する技術がある。

しかしながら、上記のように補正を行うものでは、検出対象としている温度付近においては誤差が少なくすることができても、検出対象を外れた温度領域では誤差が増大するなどで依然として誤差が残る。このように、従来方式のものでは、感温素子による温度検出では、検出しようとする温度範囲が大きくなるとこれに対応することができず、精度が低下する問題がある。

特開２００３−１４９０５５号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、感温素子の検出信号により、広い温度範囲で正確な温度を検出できるようにした温度補正回路および感温素子の検出温度補正方法を提供することにある。

請求項１に記載の温度補正回路は、感温素子の検出出力をオフセット補正して検出信号とするオフセット回路と、コンパレータにて前記検出信号と比較することにより温度検出信号を生成するための三角波信号を発生する三角波回路と、前記三角波回路が出力する前記三角波信号の振幅を調整可能することで前記感温素子の検出信号の温度係数を調整可能な傾き補正回路とを備えている。

感温素子の検出出力は、温度に対して一定の傾きで傾斜する特性を有している。この特性を温度に対して正確に追随させるため、オフセット回路によりオフセット補正を行うことで検出出力に一定電圧を加算あるいは減算して切片の調整を行う。これにより、感温素子の検出出力の温度特性について切片を調整することができる。

そして、感温素子の検出出力の温度特性の傾きを補正するために、コンパレータに入力している三角波回路からの三角波信号の振幅を調整する。ここでは、傾き補正回路において三角波回路の振幅を調整することで、感温素子の検出信号の温度係数を調整することができる。

この結果、感温素子の検出出力の温度特性は、切片および傾きの双方の調整を行うことで、実際の温度と対応するように補正をすることができる。これによって、広い温度範囲にわたって正確な温度を検出することができるようになる。また、個々の感温素子の特性ばらつきが有る場合でも、これらに適切な補正を行うことで、ばらつきに起因した誤差を解消させることができる。

第１実施形態を示す電気的構成図 三角波回路および傾き補正回路の電気的構成図 傾き補正の作用説明図 各部の信号波形を示すタイムチャート 第２実施形態を示す三角波回路および傾き補正回路の電気的構成図 （ａ）傾き補正回路および（ｂ）三角波回路の可変抵抗器の具体的な電気的構成図 各部の信号波形を示すタイムチャート

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は全体構成を示す電気的構成図で、感温素子としてのダイオード１は、電源端子ＶＣから定電流源２を通じて所定電流が流れるように設けられる。ダイオード１の順方向電圧Ｖｆは、温度によって変動するので、これによってＶｆを検出することで温度を検出することができる。

ダイオード１の順方向電圧Ｖｆは、オフセット回路３を介してコンパレータ４の非反転入力端子に入力される。オフセット回路３は、入力される順方向電圧Ｖｆに対して、直流電圧Ｖｄを加減することでオフセット調整を行い、検出信号Ｖｘ（＝Ｖｆ＋Ｖｄ）として出力するものである。コンパレータ４の反転入力端子には三角波回路５から三角波信号Ｓが入力される。三角波回路５は、出力する三角波信号Ｓの振幅Ｖｈを傾き補正回路６により補正可能に設けられている。オフセット回路３、三角波回路５および傾き補正回路６により温度補正回路７が構成される。

図２は三角波回路５および傾き補正回路６の具体的な電気的構成を示している。この図２において、三角波回路５は、抵抗ラダー回路８、スイッチ部９および直流電源１０を備えている。抵抗ラダー回路８は、Ｒ２Ｒの抵抗ラダー回路を構成しており、各入力点に設けられたスイッチ部９のスイッチを介して傾き補正回路６から定電流Ｉが与えられる。スイッチ部９の各スイッチを図示しない制御部によりオンオフ制御を行うことで、コンパレータ４の反転入力端子に接続される出力端子Ｏに所定周波数の三角波信号Ｓを出力する。なお、この三角波信号Ｓの振幅Ｖｈは、三角波回路５の各入力点に与える定電流Ｉを変えることで調整することができる。

傾き補正回路６は、カレントミラー回路１１および駆動用ｎｐｎ型トランジスタ１２、可変抵抗器１３およびオペアンプ１４から構成される。カレントミラー回路１１は、１個のｐｎｐ型トランジスタ１１ａに対して三角波回路５の入力部に対応する例えば８個のｐｎｐ型トランジスタ１１ｂを並列に接続している。ｐｎｐ型トランジスタ１１は、コレクタ・ベース間を短絡状態としてｎｐｎ型トランジスタ１２および可変抵抗１３を直列に接続している。

オペアンプ１４によりｎｐｎ型トランジスタ１２にベース電流を与えて駆動する。このときｐｎｐ型トランジスタ１１ａに流れる電流が８個のｐｎｐ型トランジスタ１１ｂのそれぞれにコピーされて同じ電流が定電流Ｉとして流れるように構成されている。これにより、ｐｎｐ型トランジスタ１１ｂは定電流Ｉを流す電流源として機能する。この定電流Ｉの大きさは、可変抵抗器１３の抵抗値を調整することにより変更設定することができる。

可変抵抗器１３の抵抗値を変化させると、ｎｐｎ型トランジスタ１２の動作点が変更され、これによってコレクタ電流が変化し、ｐｎｐ型トランジスタ１１ａの電流が調整される。この結果、８個のｐｎｐ型トランジスタ１１ｂのそれぞれもベース電位が調整されて電流Ｉが調整される。

次に、感温素子であるダイオード１の具体的な補正方法について図３および図４も参照して説明する。前述のように、ダイオード１の温度特性は、温度の変化に対してほぼ線形で変化するので、そのばらつきは、切片ばらつき（Ａ）と傾きばらつき（Ｂ）に分けることができる。また、補正の方法についてもそれぞれについて行う。

（Ａ）切片ばらつきの調整
まず、温度Ｔ１（℃）において補正前の状態すなわち、ダイオード１に電流源２から定電流を流した状態で得られる順方向電圧ＶｆがＶ１ａであるとする。このとき、オフセット回路３により調整用の直流電圧Ｖｄを加減することで、出力電圧がＶ１となるように補正をする。図３では、ダイオード１の温度特性が破線Ｌ１で示されているものとする。温度Ｔ１での測定点Ａでは、順方向電圧Ｖｆすなわち出力電圧Ｖ１ａとなっている。

この温度特性Ｌ１を全体を下方にシフトさせて温度Ｔ１における出力電圧がＶ１となるようにオフセット調整する。つまり測定点Ａから点Ｂにシフトさせる。これにより、温度特性Ｌ１の切片のばらつきを調整することができ、温度特性Ｌ１は破線Ｌ２で示すオフセット調整後の特性になる。オフセット回路３は、ダイオード１の順方向電圧Ｖｆをオフセット調整することで、この温度特性Ｌ２に準じた電圧Ｖ１を出力信号Ｖｘとしてコンパレータ４に出力する。

（Ｂ）傾きばらつきの調整
次に、例えば温度Ｔ１よりも低温側の温度Ｔ２（℃）において、ダイオード１の順方向電圧Ｖｆをオフセット回路３によりオフセット調整した信号Ｖｘを出力電圧Ｖ２ａとして測定する。このとき、オフセット回路３から出力される出力電圧Ｖ２ａの温度特性Ｌ２の傾きΔＴａ（Ｌ１も同じ傾き）は、次式（１）のように表せる。
ΔＴａ＝（Ｖ２ａ−Ｖ１）／（Ｔ１−Ｔ２） …（１）

これに対して、傾きばらつきの無い場合に温度Ｔ２におけるオフセット回路３からコンパレータ４に入力されるべき出力電圧はＶ２（＞Ｖ２ａ）であり、このときの温度特性Ｌ３の傾きΔＴは、次式（２）のように表すことができる。
ΔＴ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ１−Ｔ２） …（２）

そこで、式（１）で示されるオフセット調整後の温度特性Ｌ２の傾きΔＴａが、式（２）で示される温度特性Ｌ３の傾きΔＴとなるように三角波信号Ｓの振幅Ｖｈを補正することで傾き補正を行う。すなわち、例えば図３に示しているように、傾きΔＴａに対して、より急峻な傾きΔＴとなるように調整するためには、図４（ａ）に示すように、三角波回路５から入力される三角波信号Ｓの傾きを小さくする。すなわち三角波信号Ｓの振幅ＶｈＸをこれよりも低い振幅ＶｈＹ（＜ＶｈＸ）に変更する。これにより、オフセット回路３から入力される出力電圧Ｖ２ａを相対的に高めることができる。この結果、図３に示した温度特性Ｌ３の電圧Ｖ２となるように調整することができる。

この調整では、傾き補正回路６において、可変抵抗器１３の抵抗値を調整することで、カレントミラー回路１１に流れる電流値Ｉを変更する。三角波回路５において、抵抗ラダー回路８により出力される三角波信号Ｓの振幅Ｖｈは、抵抗ラダー回路８の各抵抗値をＲ、２Ｒとし、定電流Ｉとすると、ｎを段数としたときに、次式（３）で示すことができる。
Ｖｈ［Ｖ］＝Ｉ［Ａ］×（１／３）×（１／２^ｎ−２）×Ｒ×２^ｎ［Ω］ …（３）
したがって、電流値Ｉを調整することで三角波信号Ｓの振幅Ｖｈを調整することができる。

次に、上記のような補正を行うことで、コンパレータ４の入出力信号の変化について説明する。コンパレータ４においては、オフセット回路３からのオフセット調整信号が出力信号Ｖｘとして入力され、一方、三角波回路５からの三角波信号Ｓが入力されている。これらの両者が比較され、比較出力を温度検出信号として出力する。図４（ａ）には２つの入力信号が示され、図４（ｂ）には出力信号が示される。今、補正前の振幅ＶｈＸの三角波信号をＳａとし、補正後の振幅ＶｈＹの三角波信号をＳとして説明する。

図４（ａ）において、三角波信号Ｓａは時間の推移と共にノコギリ波状の電位変化をする信号としてコンパレータ４に入力されており、そのピーク値は振幅ＶｈＸである。この三角波信号Ｓａに対して、オフセット回路３から入力されるオフセット調整信号は、ダイオード１の順方向電圧Ｖｆにオフセット調整を行ったレベルの信号Ｖｘとしてコンパレータ４に入力されている。

コンパレータ４は、図４（ｂ）に示すように、オフセット調整信号Ｖｘが三角波信号Ｓａよりも大となるときにハイレベルの出力信号を出力する。コンパレータ４は、三角波信号Ｓａが最小になる時刻ｔ０からオフセット調整信号Ｖｘと一致する時刻ｔ１までの期間ＴＸ（＝ｔ１−ｔ０）において、ハイレベルの出力信号となる。コンパレータ４は、時刻ｔ１でローレベルの出力信号となり、この後、再び三角波信号Ｓａが最小となる時刻ｔ３までの期間ローレベルを保持する。この結果、コンパレータ４の出力信号がハイレベルの期間ＴＸが、ダイオード１による検出温度に相当する検出信号となる。

これに対して、図３で示したように、ダイオード１の出力電圧Ｖｆを低い温度Ｔ２側において高い電圧となるように補正するには、三角波信号Ｓａの振幅ＶｈＸを低くなるように調整して例えば振幅ＶｈＹの三角波信号Ｓにする。この結果、図４（ａ）に示しているように、三角波信号Ｓの振幅がＶｈＸからＶｈＹ（＜ＶｈＸ）となるように傾き補正回路６の低電流値Ｉを調整すると、コンパレータ４においては、オフセット調整信号Ｖｘと一致するタイミングが時刻ｔ２にずれるようになる。これにより、コンパレータ４の出力信号のパルス幅は時刻ｔ０からｔ２の間の時間ＴＹ（＝ｔ２−ｔ０＞ＴＸ）となる。

したがって、ダイオード１による検出温度に対応する信号Ｖｆを目的とする温度特性Ｌ３となるように調整することができる。なお、三角波信号Ｓの振幅Ｖｈを調整しているので、これによって三角波信号Ｓの傾きを調整することができ、図３に示したように、ダイオード１の検出特性Ｌ２の傾きを調整した検出特性Ｌ３に相当する補正をすることができる。

このような本実施形態によれば、傾き補正回路６を設け、三角波回路５の三角波信号Ｓの振幅Ｖｈを調整可能としたので、ダイオード１の順方向電圧Ｖｆをオフセット回路３によりオフセット調整をした出力信号Ｖｘの温度特性Ｌ２の傾きを調整することで温度特性Ｌ３となるようにすることができ、これによって広い温度範囲で精度良く温度検出を行うことができる。
また、三角波信号Ｓの振幅Ｖｈの調整を、抵抗ラダー回路８の定電流Ｉを調整することで行う構成としたので、簡単な構成で調整を行うことができる。

（第２実施形態）
図４から図７は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、三角波回路５および傾き調整回路６に代えて、図５に示すような三角波回路２１および傾き補正回路２２を入力端子Ｐと出力端子Ｑとの間に設けている。

傾き補正回路２２は、オペアンプ２３、可変抵抗器２４、２５を用いた構成である。入力端子Ｐは可変抵抗器２４を介してオペアンプ２３の非反転入力端子に接続されている。オペアンプ２３の反転入力端子はグランドに接続されている。オペアンプ２３の出力端子は可変抵抗器２５を介して非反転入力端子に接続されている。

三角波回路２１は、オペアンプ２６を用いた積分回路を構成している。オペアンプ２６は、非反転入力端子がグランドに接続され、反転入力端子は抵抗２７を介してオペアンプ２３の出力端子に接続されている。オペアンプ２６の出力端子は、出力端子Ｑに接続されると共に、コンデンサ２８を介して反転入力端子に接続されている。

上記構成において、傾き補正回路２２の可変抵抗器２４は、図６（ａ）に示されるように、それぞれ抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、…、Ｒ１８などを並列に設け、スイッチにより接続および切り離しが可能に設けられている。スイッチを適宜オンオフ設定することで、合成される抵抗値Ｒ１を変更設定可能に設けられる。同様に、可変抵抗器２５は、図６（ｂ）に示されるように、それぞれ抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、…、Ｒ２８などを並列に設け、スイッチにより接続および切り離しが可能に設けられている。スイッチを適宜オンオフ設定することで、合成される抵抗値Ｒ２を変更設定可能に設けられる。

可変抵抗器２４および２５の各抵抗値Ｒ１およびＲ２は、スイッチの切り替えを電気的あるいは人為的に変更設定可能に設けることができる。これらの抵抗値Ｒ１およびＲ２をスイッチの切り替え設定することにより、抵抗比Ｒ１／Ｒ２を調整することで、三角波回路２１による三角波信号Ｓの振幅Ｖｈを調整することができる。三角波回路２１の三角波信号Ｓの振幅Ｖｈは、入力端子Ｐに入力される電圧Ｅ［Ｖ］に対して、次式（４）により求めることができる。
Ｖｈ［Ｖ］＝２×（Ｒ１［Ω］／Ｒ２［Ω］）×Ｅ［Ｖ］ …（４）
したがって、抵抗比Ｒ１／Ｒ２を調整することで、三角波回路２１の三角波信号Ｓの振幅Ｖｈを調整することができる。

図７（ａ）には、第１実施形態と同様に、２つの入力信号を示し、図７（ｂ）には出力信号を示している。図７（ａ）において、三角波信号Ｓは時間の推移と共に上昇および下降の形状が同じ傾向を示す三角波状の電位変化をする信号としてコンパレータ４に入力されており、補正前の三角波信号Ｓａのピーク値は振幅ＶｈＸである。この三角波信号Ｓａに対して、オフセット回路３から入力されるオフセット調整信号Ｖｘは、ダイオード１の順方向電圧Ｖｆにオフセット調整を行ったレベルの信号としてコンパレータ４に入力されている。

コンパレータ４は、図７（ｂ）に示すように、オフセット調整信号Ｖｘが三角波信号Ｓａよりも大となるときにハイレベルの出力信号を出力する。コンパレータ４は、三角波信号Ｓａが下降してオフセット調整信号Ｖｘよりも小となる時刻ｔ１から、再び三角波信号Ｓａが上昇してオフセット調整信号Ｖｘと一致する時刻ｔ２までの期間ＴＸ（＝ｔ２−ｔ１）において、ハイレベルの出力信号となる。コンパレータ４は、時刻ｔ２でローレベルの出力信号となり、この後、再び三角波信号Ｓａが最小となる時刻ｔ４までの期間ローレベルを保持する。この結果、コンパレータ４の出力信号がハイレベルの期間ＴＸ（もしくは時刻ｔ１からｔ２の間）が、ダイオード１による検出温度に相当する検出信号となる。

これに対して、ダイオード１の温度特性Ｌ１は、オフセット回路３により温度特性Ｌ２となるように調整した出力信号Ｖｘとされている。この出力信号Ｖｘの温度特性Ｌ２を低い温度Ｔ２側において高い電圧となる温度特性Ｌ３となるように傾き補正するには、三角波信号Ｓａの振幅ＶｈＸを低くなるようにして例えば振幅ＶｈＹの三角波信号Ｓに調整する。この結果、図７（ａ）に示しているように、三角波信号Ｓの振幅がＶｈＸからＶｈＹ（＜ＶｈＸ）となるように傾き補正回路２２の抵抗比Ｒ１／Ｒ２を調整すると、コンパレータ４においては、オフセット調整信号と一致するタイミングが時刻ｔ１からｔ０、ｔ２からｔ３にずれるようになる。この結果、コンパレータ４の出力信号のパルス幅は時刻ｔ０からｔ３の間の時間ＴＹ（＝ｔ３−ｔ０＞ＴＸ）となる。

したがって、このような第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記実施形態において、可変抵抗器２４、２５は８個の抵抗を用いる場合に限らず、７個以下のものでも良いし、９個以上のものでも良い。また、並列接続に限らず、直列接続により調整するものでも良い。

（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した一実施形態のみ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種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。

感温素子は、温度特性が線形もしくは線形に順ずる信号出力特性を得ることができるものであれば、ダイオード１以外のものを用いることができる。例えばサーミスタや抵抗素子などを用いることができる。

三角波回路５は、第１実施形態のＲ２Ｒラダー回路や第２実施形態の積分回路などに限らず、他の回路により構成することができる。この場合においても、三角波信号の振幅を調整するように傾き補正回路６を設けることができる。

図面中、１はダイオード（感温素子）、３はオフセット回路、４はコンパレータ、５、２１は三角波回路、６、２２は傾き補正回路、７は温度補正回路、８は抵抗ラダー回路、１３は可変抵抗器、２４、２５は可変抵抗器である。

Claims (5)

1. 感温素子（１）の検出出力をオフセット補正して検出信号とするオフセット回路（３）と、
   コンパレータ（４）にて前記検出信号と比較することにより温度検出信号を生成するための三角波信号を発生する三角波回路（５、２１）と、
   前記三角波回路が出力する前記三角波信号の振幅を調整可能とすることで前記感温素子の検出信号の温度係数を調整可能な傾き補正回路（６、２２）と
   を備えたことを特徴とする温度補正回路。
2. 請求項１に記載の温度補正回路において、
   前記三角波回路（５）は、Ｒ２Ｒの抵抗ラダー回路（８）に電流源から定電流を供給して順次切り換えることで前記三角波信号を生成するように設けられ、
   前記傾き補正回路（６）は、前記電流源の定電流の電流値を調整するように構成されることを特徴とする温度補正回路。
3. 請求項１に記載の温度補正回路において、
   前記三角波回路（２１）は、オペアンプによる積分回路を用いる回路で前記三角波を生成するように設けられ、
   前記傾き補正回路（２２）は、オペアンプの入力抵抗と帰還抵抗の比を調整するように構成されることを特徴とする温度補正回路。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の温度補正回路において、
   前記感温素子（１）は、ダイオードであり、一定電流を通電したときの順方向電圧を検出出力とすることを特徴とする温度補正回路。
5. 感温素子の検出出力を検出信号とし、その検出信号と三角波信号とを比較することで温度検出信号を生成する温度検出回路を対象とするものであって、
   前記感温素子の検出出力のオフセット調整をする第１調整過程と、
   前記三角波信号の振幅を調整して前記感温素子の検出信号の温度係数を調整する第２調整過程と
   を実行することで前記感温素子の温度検出信号を補正することを特徴とする感温素子の検出温度補正方法。

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