JPWO2006057054A1 - 湿度計測装置 - Google Patents
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Abstract
例えば、4つのスイッチSW11〜14によって湿度センサ10aに交流電圧を印加するHブリッジ回路10bと、2つのスイッチSW15,SW16によって基準抵抗11aに電圧を印加する抵抗駆動回路11bと、これらの回路の動作電圧を固定するMOSトランジスタMN1,MN2と、前記Hブリッジ回路10bと前記抵抗駆動回路11bに流れる電流をそれぞれ伝達し、MOSトランジスタMP1〜4を含むカレントミラー回路と、前記カレントミラー回路によって伝達された電流をそれぞれ電圧に変換すると共に対数に圧縮するダイオード接続のバイポーラトランジスタQP1,QP2と、これら対数圧縮されたそれぞれの電圧の差分を増幅する差動増幅器AMP1とを設ける。
Description
本発明は、湿度計測装置に関し、特に、電気抵抗式の湿度センサを用いた湿度計測装置に適用して有効な技術に関するものである。
本発明者が検討したところによれば、湿度計測装置の技術に関しては、以下のような技術が考えられる。
湿度計測装置は、湿度センサとその制御回路によって構成される。湿度センサは、一般的に、電気抵抗式と電気容量式に大別することができる。電気抵抗式の湿度センサは、湿度の変化に対して電極間の電気抵抗値が変化し、電気容量式の湿度センサは、湿度の変化に対して電極間の電気容量が変化する。電気抵抗式の湿度センサは、電気容量式に比べて構造がシンプルであり、特にコスト面でメリットが大きいことから広く使用されている。なお、湿度センサを使用する際には、一方向に電圧印加が偏ることによる劣化を防止するため、直流電圧ではなく交流電圧を用いる必要がある。これらの詳細については、非特許文献1に記載されている。
また、非特許文献1には、電気抵抗式の湿度センサを制御する回路として、ハーフブリッジ方式の制御回路と対数変換方式の制御回路が示されている。ハーフブリッジ方式の制御回路は、湿度センサに対して直流電圧カット用のコンデンサを介して正弦波の交流電圧を印加し、これによって発生した電圧をオペアンプで増幅し、ピーク値の検出を行う構成となっている。また、これに加えて、本構成には、湿度センサの負の温度特性を補償するためのサーミスタが備わっている。
対数変換方式の制御回路は、前述した方式と同様に湿度センサに対してコンデンサを介して交流電圧を印加し、これによって発生した電流を、ダイオードとオペアンプを含む対数増幅回路を用いて電圧に変換すると共に対数圧縮を行う構成となっている。さらに、本構成においては、ダイオードの順方向電圧の温度特性を利用して湿度センサの温度特性を補償している。湿度センサの抵抗値は、湿度に依存して例えば103Ωから108Ωといったように変化する。そこで、対数圧縮を行うことで、湿度の計測範囲を広げ、リニアな出力特性が得ることが可能になる。
また、特許文献1には、電気抵抗式の湿度センサを制御する回路として、比較基準抵抗と湿度センサのそれぞれを用いてコンデンサを充電し、その充電時間をカウント手段で計測し、その計測した値を演算して湿度を求めるという構成が示されている。なお、この際に、湿度センサには、直流電圧を一定時間毎に反転した矩形波電圧が印加される。
また、特許文献2には、電気抵抗式の湿度センサを制御する回路として、複数の基準抵抗を備え、そのいずれかの基準抵抗と湿度センサを直列接続したものに交流電圧を印加し、湿度センサの両端に発生した電圧を検出および演算処理することによって湿度を求めるという構成が示されている。すなわち、前述したように、湿度に対して湿度センサの採り得る抵抗値の幅が大きいため、そのレンジに適した基準抵抗を選択することで広範囲な湿度の計測が可能になる。
特開平7−12768号公報
特開平5−149905号公報
「トランジスタ技術」、2003年12月号、p.159−164
ところで、前記のような湿度計測装置の技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。
例えば、非特許文献1の制御回路においては、1kHzで1VRMSの交流電圧を1μFのコンデンサを介して電気抵抗式の湿度センサに印加する例が示されている。この条件では、1μFの直流カット用のコンデンサは、160Ω程度のインピーダンスを持つことになる。一方、湿度センサは、高湿かつ高温の条件において、例えば数kΩ程度の値となる場合がある。そうすると、湿度センサの抵抗値に対して、本来無視すべきコンデンサのインピーダンスが無視できないものとなり、計測精度が低下する事態が起こり得る。そこで、交流電圧の周波数を高くすることも考えられるが、そうすると、湿度センサ内部の寄生容量等が無視できなくなり、この場合も計測精度が低下する事態が予想される。
また、特許文献1および特許文献2の制御回路においては、CPU等を用いた処理が必要となり、回路規模やコストが増大することが考えられる。また、多くの処理ステップによって計測が行われるため、処理が複雑となり、計測時間も増大する。
そこで、本発明の目的は、高い計測精度で広範囲な湿度計測を行うことが可能な湿度計測装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、安価なコストで実現可能な湿度計測装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明による湿度計測装置は、2つの端子を含んだ電気抵抗式の湿度センサと、湿度センサのそれぞれの端子に対し、この端子間に電位差が発生するように高電位側の固定電圧と低電位側の固定電圧を複数のスイッチを用いて交互に印加する手段と、これにより発生した湿度センサの電流を、電圧に変換すると共に対数に圧縮する手段とを有するものとなっている。
すなわち、例えば、4つのスイッチを備えたHブリッジ回路などによって湿度センサの端子間に交流電圧を印加し、これによって流れる電流を電圧に変換すると共に対数に圧縮する構成となっている。このような湿度センサの駆動方式によって、直流カット用コンデンサが不要となり、また、湿度センサの端子間が常に安定した電位差となるように湿度センサを駆動できるため、高い計測精度を得ることが可能となる。
また、前記湿度センサの電流を前記対数に圧縮する手段に入力する際には、例えば、カレントミラー回路等のように電流を伝達する手段を介して行うとよい。これによって、湿度計測装置を低電源電圧で動作させることが可能となる。
また、例えば、前述したHブリッジ回路などにおいて、湿度計測を行わない間、4つのスイッチを全てOFFにする機能を設けるとよい。これによって、消費電力が低減され、発熱などによる計測精度の低下を抑制することができる。
また、本発明による湿度計測装置は、2つの端子を含んだ電気抵抗式の湿度センサと、2つの端子を含んだ基準抵抗と、湿度センサのそれぞれの端子に対し、この端子間に電位差が発生するように高電位側の固定電圧と低電位側の固定電圧を複数のスイッチを用いて交互に印加する手段と、この高電位側の固定電圧と低電位側の固定電圧を用い、基準抵抗のそれぞれの端子に対して電圧を印加する手段と、これらの手段によって発生した湿度センサの電流と基準抵抗の電流を、それぞれ電圧に変換すると共に対数に圧縮する手段と、これにより発生した湿度センサに対応する電圧と基準抵抗に対応する電圧の差電圧を増幅する手段とを有するものとなっている。
ここで、前記基準抵抗に対して電圧を印加する手段は、前記基準抵抗のそれぞれの端子間に、湿度センサのそれぞれの端子間の電位差と絶対値が等しくなる電位差を印加することが望ましい。
すなわち、本構成は、湿度センサと基準抵抗に常に同一の電圧を印加し、これによって流れる湿度センサの電流と基準抵抗の電流とを相対的に比較して湿度計測を行う方式となっている。ただし、この際に、湿度センサは、前述した4つのスイッチを備えたHブリッジ回路などによって交流的に駆動する。これによって、前述したような効果に加え、相対的な湿度計測を行うことによる計測精度の向上と計測範囲の拡大が可能となる。
一方、基準抵抗を駆動する際には、例えば、湿度センサと同様のHブリッジ回路を用いてもよく、また、基準抵抗は特に交流的な駆動が不要なことから、湿度センサのHブリッジ回路における2つの電流経路の内の一方の電流経路と等価となる回路などを用いてもよい。具体的には、例えば2つのスイッチと基準抵抗を接続する構成などが挙げられる。ただし、スイッチのON抵抗が極めて小さく、無視できるような場合には、前述した湿度計測を行わない間の省電力のため少なくとも1つのスイッチを備えるだけでもよい。Hブリッジ回路を用いた場合は、より正確な計測精度を得ることが可能となり、2つ又は1つのスイッチを用いた場合は、回路面積の低減などが可能となる。
なお、この2つ又は1つのスイッチを用いる場合には、低電位側の固定電圧に基準抵抗の一端が接続されるような構成にするとよい。すなわち、前述したような湿度計測装置の通常の実装形態では、前述したような各手段を実現する制御ICに対して、その外部ピンに基準抵抗が外付けされるような形態となる。この際に、低電位側の固定電圧に基準抵抗の一端が接続される構成にすることで、この外部ピン数を少なくできる場合がある。
また、前記対数に圧縮する手段は、例えば、湿度センサの電流をダイオードに流し、基準抵抗の電流を、このダイオードと同一特性を備えた別のダイオードに流すことで実現できる。また、別の方法として、例えば、湿度センサの電流と基準抵抗の電流を時分割で1つのダイオードに流すことでも実現できる。前者の場合、制御方法が容易となり、後者の場合、同一のダイオードを用いて対数圧縮を行うことから、前者の場合に比べて計測精度を向上させることができる。
また、前記差電圧を増幅する手段は、例えば、バイポーラトランジスタの差動増幅回路を含んだものとなっている。これによって、ダイオード特性を利用した対数圧縮に伴う温度依存性を補償することが可能となる。さらに、前記基準抵抗に例えばサーミスタなどを用いると、その温度特性が湿度センサのそれとほぼ等しいため、相対的な計測によって、この温度特性による誤差を相殺することができる。
そして、このような湿度計測装置は、IC化に適した構成となっており、安価なコストで実現可能である。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
高い計測精度を備え、また広範囲な湿度計測を行うことが可能な湿度計測装置を実現できる。さらに、安価なコストで実現可能な湿度計測装置を実現できる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図1は、本発明の一実施の形態による湿度計測装置において、その構成の一例を示すブロック図である。図1に示す湿度計測装置は、例えば、電気抵抗式の湿度センサ10aが接続されたR−I変換部(1)10と、基準抵抗11aが接続されたR−I変換部(2)11と、R−I変換部(1)10,(2)11の出力を入力とする対数圧縮部12と、対数圧縮部12の出力を入力とする差電圧検出部13と、差電圧検出部13の出力を入力とする温度補償部14と、温度補償部14の出力と電圧出力端子(出力電圧)Voutとの間に設けられた出力バッファ15と、これらの各ブロックに各種タイミング信号を供給するタイミング信号発生部18と、このタイミング信号の基となる基準クロックを発生する基準クロック発生部17と、各種基準電圧を発生する基準電圧発生部16などから構成される。
ここで、各ブロックの詳細を説明する前に、図2を用いて湿度計測の基本概念について説明する。図2は、図1の湿度計測装置において、その湿度計測の基本概念について説明するための図であり、(a)は、電気抵抗式の湿度センサの特性概要を示す図、(b)は、湿度計測装置の出力内容の一例を示す図である。
図2(a)に示すように、湿度センサ10aは、相対湿度に対して電気抵抗値が変化する特性を備えており、その抵抗値は、計測範囲内で103〜108Ωといったように数桁レベルで変化する。また、その抵抗値には、温度依存性があり、温度が高くなると抵抗値が小さくなる。湿度計測装置は、このような特性を備えた湿度センサ10aを用いて、図2(b)に示すように、0V〜5Vなどの範囲内で相対湿度に比例した出力電圧Voutを発生する必要がある。そのため、対数圧縮が用いられる。
以下、図1の各ブロックの詳細について説明する。R−I変換部(1)10は、湿度センサ10aの抵抗値に応じた電流を生成し、R−I変換部(2)11は、基準抵抗11aの抵抗値に応じた電流を生成する。対数圧縮部12は、例えば、ダイオードの対数的なI−V特性等を利用して、これら生成された電流のそれぞれを、対数圧縮すると共に電圧に変換する。差電圧検出部13は、変換および対数圧縮されたそれぞれの電圧の差分を増幅する。ここで、基準抵抗11aの抵抗値は、湿度センサ10aの特性が図2(a)の場合、その抵抗値の範囲の中間付近となる例えば105Ω程度などに設定するとよい。これによって、差電圧検出部13へ入力される差電圧の入力レンジが適正化され、広範囲で湿度を計測することが可能となる。
温度補償部14は、この増幅された差電圧に対して温度補償を行い、温度に依存しない安定した出力電圧を生成する。ここで、温度補償の対象となるのは、主に前述した湿度センサ10aにおける抵抗値の温度特性である。ただし、湿度センサ10aと基準抵抗11aの温度特性が同様であれば、差電圧検出部13によってこの温度補償を行うことが可能となる。従って、温度補償部14を設ける必要がない場合もある。なお、このような基準抵抗11aとしては、例えばサーミスタ等が挙げられる。そして、以上のような処理を経た出力電圧を、出力バッファ15を介して電圧出力端子Voutに出力する。
図3は、図1の湿度計測装置において、その外形の一例を示す概略図であり、(a)は側面図、(b)は正面図、(c)は背面図となっている。本発明による湿度計測装置は、例えば、図3(a)〜(c)に示すように、基板30の一方の面に電気抵抗式の湿度センサ10aが実装され(もしくは、基板30を備えた湿度センサ10aが用いられ)、他方の面にセンサ制御IC31および基準抵抗11aが実装された構成となっている。
湿度センサ10aの2つの端子は、基板30の対面側のセンサ制御IC31に接続され、基準抵抗11aの2つの端子は、基板30の同一面でセンサ制御IC31に接続される。センサ制御IC31は、図1に示した湿度センサ10aおよび基準抵抗11aを除く各種ブロック10〜18を1チップ化したものであり、外部端子として少なくとも電源端子(電源電圧)VDD、基準電圧端子(基準電圧)GNDおよび電圧出力端子Voutを含んだものとなっている。そして、このような実装によって湿度計測装置の小型化を図っている。
つぎに、図1の各種ブロックの詳細な構成について説明する。本発明による湿度計測装置は、特に、R−I変換部(1)10,(2)11の回路構成が特徴的となっている。図4は、図1の湿度計測装置において、R−I変換部と対数圧縮部と差電圧検出部の詳細な構成の一例を示す回路図である。
図4において、R−I変換部(1)10は、4つのスイッチSW11〜14と湿度センサ10aを含む所謂Hブリッジ回路(第1の駆動回路)10bと、このHブリッジ回路10bに印加する電源電圧を固定するNチャネル型のMOSトランジスタ(以下、NMOSトランジスタ)(第1のトランジスタ)MN2と、Hブリッジ回路10bに流れる電流を対数圧縮部12に伝達し、Pチャネル型のMOSトランジスタ(以下、PMOSトランジスタ)MP3,MP4を含むカレントミラー回路(第1のカレントミラー回路)とを有する構成となっている。
Hブリッジ回路10bでは、スイッチSW11,12として、例えばPMOSトランジスタMP6,MP7を用い、スイッチSW13,14として、例えばNMOSトランジスタMN4,MN5を用いている。なお、これらのスイッチは、勿論全てNMOSトランジスタで構成することなども可能である。そして、直列接続されたPMOSトランジスタMP6およびNMOSトランジスタMN4と、直列接続されたPMOSトランジスタMP7およびNMOSトランジスタMN5とが、Hブリッジ回路10bの電源端子(第1の電源端子)ND10と基準電圧端子(第2の電源端子)GNDとの間に並列に接続される。
Hブリッジ回路10bの電源端子ND10には、PMOSトランジスタMP6,MP7のソースと、NMOSトランジスタMN2のソースが接続される。基準電圧端子GNDには、NMOSトランジスタMN4,MN5のソースが接続される。
湿度センサ(Rh)10aは、その一端がPMOSトランジスタMP6とNMOSトランジスタMN4の接続点に接続され、他端がPMOSトランジスタMP7とNMOSトランジスタMN5の接続点に接続される。また、PMOSトランジスタMP7のゲートは、信号Φ1によって駆動され、NMOSトランジスタMN4のゲートは、その相補信号となる信号/Φ1によって駆動される。同様に、PMOSトランジスタMP6のゲートは、信号Φ2によって駆動され、NMOSトランジスタMN5のゲートは、その相補信号となる信号/Φ2によって駆動される。
NMOSトランジスタMN2は、ソースが前述したHブリッジ回路10bの電源端子ND10に接続され、ゲートには図1の基準電圧発生部16から発生した基準電圧Vrefが印加され、ドレインがPMOSトランジスタMP3のドレインに接続される。PMOSトランジスタMP3は、ソースが電源端子VDDに接続され、ゲートがPMOSトランジスタMP4のゲートと共通に接続されている。PMOSトランジスタMP4は、ソースが電源端子VDDに接続され、ドレインが対数圧縮部12に接続される。
一方、R−I変換部(2)11は、2つのスイッチSW15,SW16と基準抵抗(Rr)11aを含む抵抗駆動回路(第2の駆動回路)11bと、この抵抗駆動回路11bに印加する電源電圧を固定するNMOSトランジスタMN1(第2のトランジスタ)と、抵抗駆動回路11bに流れる電流を対数圧縮部12に伝達し、PMOSトランジスタMP1,MP2を含むカレントミラー回路(第2のカレントミラー回路)とを有する構成となっている。
抵抗駆動回路11bでは、スイッチSW15として、例えばPMOSトランジスタMP5を用い、スイッチSW16として、例えばNMOSトランジスタMN3を用いている。そして、抵抗駆動回路11bの電源端子(第3の電源端子)ND11と基準電圧端子GNDの間で、電源端子ND11側から直列接続でPMOSトランジスタMP5、基準抵抗11aおよびNMOSトランジスタMN3が設けられる。PMOSトランジスタMP5のゲートは、前述した信号Φ1と信号Φ2のOR出力で駆動され、NMOSトランジスタMN3のゲートは、前述した信号/Φ1と信号/Φ2のOR出力で駆動される。
NMOSトランジスタMN1は、ソースが前述した抵抗駆動回路11bの電源端子ND11に接続され、ゲートには前述した基準電圧Vrefが印加され、ドレインがPMOSトランジスタMP1のドレインに接続される。PMOSトランジスタMP1は、ソースが電源端子VDDに接続され、ゲートがPMOSトランジスタMP2のゲートと共通に接続されている。PMOSトランジスタMP2は、ソースが電源端子VDDに接続され、ドレインが対数圧縮部12に接続される。
対数圧縮部12(第1の変換回路)は、前述したPMOSトランジスタMP4のドレインにエミッタが接続され、基準電圧端子GNDにベースおよびコレクタが接続されたPNP型のバイポーラトランジスタQP1(第1のダイオード)と、前述したPMOSトランジスタMP2のドレインにエミッタが接続され、基準電圧端子GNDにベースおよびコレクタが接続されたPNP型のバイポーラトランジスタQP2(第2のダイオード)とを有している。すなわち、バイポーラトランジスタQP1,QP2は、所謂ダイオード接続となっている。このバイポーラトランジスタQP1,QP2は、勿論、通常のダイオード等に置き換えることも可能である。
差電圧検出部13は、前述したバイポーラトランジスタQP1のエミッタ電圧とバイポーラトランジスタQP2のエミッタ電圧とを差動増幅し、出力電圧Vout1を発生する差動増幅器AMP1を含んでいる。
次に、図4に示した湿度計測装置の動作について説明する。
既に述べたように、電気抵抗式の湿度センサは、交流信号によって駆動する必要がある。従来技術においては、例えば1kHzで1VRMSの交流電圧を直流カットのコンデンサを介して湿度センサに印加していたが、このコンデンサの影響による計測精度の低下が問題となっていた。そこで、図4のR−I変換部(1)10,(2)11では、前述したHブリッジ回路10bおよび抵抗駆動回路11bを用いて、直流カットのコンデンサを用いずに湿度センサ10aおよび基準抵抗11aを駆動する。
図5は、図4の湿度計測装置において、そのHブリッジ回路および抵抗駆動回路の動作の一例について説明するための図である。図5は、各時間(各クロックサイクル)における時系列的なスイッチSW11〜16の状態を示している。この図において、「−」はOFFを意味している。なお、これらのスイッチSW11〜16の駆動は、図1のタイミング信号発生部18内の図示しない例えばカウンタ回路などによって行われる。
図5に示すような各スイッチSW11〜14の駆動によって、Hブリッジ回路10b内の湿度センサ10aでは、その一端から他端に電流を流す動作と、その逆に他端から一端に電流を流す動作が各クロックサイクル毎に交互に繰り返される。すなわち、湿度センサ10aのそれぞれの端子では、Hブリッジ回路の電源端子ND10の振幅電圧を備えた矩形パルスが印加され、交流的な駆動を行うことが可能となっている。但し、各クロックサイクルにおいて、Hブリッジ回路10bの電源端子ND10上を流れる電流の方向は一方向である。このような湿度センサの駆動方式によって、湿度センサ10aの劣化等が防止でき、なおかつ直流カットのコンデンサに伴う計測精度の問題を解決することが可能となる。
一方、各スイッチSW15〜16の駆動によって、抵抗駆動回路11b内の基準抵抗11aに対しては、各クロックサイクルにおいて、常に、抵抗駆動回路11bの電源端子ND11の電圧を印加し、一方向の電流を流す動作が行われる。ここでは、基準抵抗11aを通常の抵抗素子と仮定しているため、湿度センサ10aのような劣化の問題がなく、特に交流的な駆動を行う必要がない。また、この理由で、基準抵抗11aは、Hブリッジ回路ではなく、Hブリッジ回路の一方の電流経路に伴う回路と等価となる抵抗駆動回路によって駆動している。これによって、回路面積を低減することが可能となる。
なお、湿度計測を行わない期間は、例えば図5の時間4〜Nに示すように、全てのスイッチSW11〜16をOFFにして、R−I変換部(1)10,(2)11に電流を流さないようにする。これによって、消費電力を低減することが可能となる。
また、前述したように、湿度センサは温度依存性を備えているため、可能な限り温度変動が小さい条件で湿度計測を行うことが望ましい。すなわち、消費電流が常時流れると、湿度センサ自体の抵抗成分に伴う発熱と、図3で示したように湿度センサ10aに密接したセンサ制御IC31および基準抵抗11aでの発熱が影響することによって、計測精度の低下が予想される。そこで、前述したように湿度計測を行わない期間の消費電力を低減することによって、温度上昇を低減し、湿度計測の精度を向上させることが可能となる。
なお、前述したHブリッジ回路10bの電源端子ND10の電圧および抵抗駆動回路11bの電源端子ND11の電圧は、それぞれNMOSトランジスタMN2およびNMOSトランジスタMN1によって同一の電圧に固定される。すなわち、NMOSトランジスタMN1,MN2のしきい値電圧が共にVthであるとすると、ゲートには基準電圧Vrefが印加されているため、電源端子ND10,ND11の電圧は、共にVref−Vthとなる。このように、常に、固定電圧で湿度センサ10aおよび基準抵抗11aを駆動できるため、安定した計測を行うことが可能となる。
そして、各スイッチとなるPMOSトランジスタMP5,MP6,MP7の特性(ON抵抗)を同一とし、NMOSトランジスタMN3,MN4,MN5の特性(ON抵抗)を同一とすると、湿度センサ10aの端子間電圧と基準抵抗11aの端子間電圧は同一となる。ここで、説明を判り易くするため、各スイッチのON抵抗を0Ωとすると、電源端子ND10には、湿度センサ10aの抵抗値をRhとして電流Irh=(Vref−Vth)/Rhが流れ、電源端子ND11には、基準抵抗11aの抵抗値をRrとして電流Irr=(Vref−Vth)/Rrが流れる。
これらの電流Irh,Irrは、カレントミラー回路を介して、対数圧縮部12に入力される。この際に、カレントミラー回路の各PMOSトランジスタMP1〜4は、全て同一トランジスタサイズ(すなわちカレントミラー回路の電流比は1対1)とする。なお、前述したHブリッジ回路や抵抗駆動回路の電流を、カレントミラー回路を用いずに直列で対数圧縮部12に入力するような構成も可能ではあるが、高い電源電圧VDDが必要となり、これに伴い消費電力や発熱等の問題も生じるため好ましくない。
対数圧縮部12に入力された電流Irh,Irrは、バイポーラトランジスタQP1,QP2のダイオード特性によって、電圧に変換されると共に対数圧縮される。したがって、差動増幅器AMP1への入力となるバイポーラトランジスタQP1とQP2の差電圧ΔVinは、
ΔVin=kT/q×ln(Irr/Irh)=kT/q×ln(Rh/Rr)
となり、この差電圧ΔVinが差動増幅器AMP1によって増幅される。
ΔVin=kT/q×ln(Irr/Irh)=kT/q×ln(Rh/Rr)
となり、この差電圧ΔVinが差動増幅器AMP1によって増幅される。
このように、湿度センサ10aと基準抵抗11aとの差分によって湿度計測を行うことにより、前述した広範囲の湿度計測が行えることに加え、仮に基準電圧Vrefの値が変動した場合にも、差電圧ΔVinの式から判るようにその変動が相殺されるため、精度が高く安定した湿度計測が可能となる。
また、基準抵抗11aの抵抗値を基準として湿度センサ10aの抵抗値を相対的に計測する方式のため、例えば基準抵抗11aを用いない方式の場合に懸念される計測値の絶対値変動(オフセット変動)などが問題とならず、高精度な計測値が得られる。さらに、図4の回路は、回路規模が小さくIC化に適した回路構成となっているため、低コストで実現可能である。
図6は、図4の湿度計測装置において、R−I変換部(2)の別の構成の一例を示す回路図である。図4においては、R−I変換部(2)11で基準抵抗11aを駆動するため、前述した抵抗駆動回路11bを用いたが、より高精度な湿度計測を行うためには、図6に示すように、湿度センサ10aと同様のHブリッジ回路を用いるとよい。すなわち、図6に示すR−I変換部(2)11では、基準抵抗11aを駆動するため、4つの枝にそれぞれPMOSトランジスタMP51,PMOSトランジスタMP52,NMOSトランジスタMN31,NMOSトランジスタMN32を備えたHブリッジ回路を用いている。それ以外の構成や、Hブリッジ回路の動作は、これまでの説明と同様である。
図11は、図4の湿度計測装置において、R−I変換部(2)の更に別の構成の一例を示す回路図であり、(a)、(b)にはそれぞれ異なる構成例を示している。図11(a),(b)においては、前述した図4の構成に比べて抵抗駆動回路の構成が異なっている。図11(a)に示す抵抗駆動回路110は、前述した抵抗駆動回路の電源端子ND11と基準電圧端子GNDとの間に、電源端子ND11より直列で、NMOSトランジスタMN110とNMOSトランジスタMN111と基準抵抗11aが接続されている。各NMOSトランジスタMN110,MN111のゲートは、例えば信号/Φ1と信号/Φ2のOR出力で駆動される。
ここで、図4のHブリッジ回路10bにおける各スイッチSW11〜14のON抵抗を同一として、図11(a)の2つのスイッチとなる各NMOSトランジスタMN110,MN111も、これに等しいON抵抗を備えるものとする。これによって、基準抵抗11aの両端子に印加される電圧の絶対値は、湿度センサ10aのそれと同一となる。
また、本構成例を用いた場合、そのセンサ制御IC31(図3参照)の外部ピンを削減してもよい。すなわち、図3(c)のセンサ制御IC31において、基準抵抗11aの基準電圧GNDを供給している外部ピンを削減し、その代わり、基準抵抗11aの基準電圧GNDを、例えば電気抵抗式湿度センサ10aの基準電圧GNDを供給している外部ピンから基板配線等で共通に供給してもよい。なお、NMOSトランジスタMN110,MN111のゲートは、信号/Φ1と信号/Φ2のOR出力で駆動しているが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、湿度計測を行う間は常時ON(湿度計測を行わない間はOFF)するような信号を用いてもよい。
図11(b)に示す抵抗駆動回路111は、前述した抵抗駆動回路の電源端子ND11と基準電圧端子GNDとの間に、電源端子ND11より直列で、NMOSトランジスタMN112と基準抵抗11aが接続されている。スイッチとなるNMOSトランジスタMN112は、そのON抵抗を、前述した各スイッチSW11〜14のON抵抗の2倍にするとよく、また若干精度を落とすなら、各スイッチSW11〜14のON抵抗と同一としてもよい。その他の説明に関しては、図11(a)の説明と同様である。
図7は、本発明の一実施の形態の湿度計測装置において、図4を拡張した構成の一例を示す回路図である。図7においては、図4に示した構成例に加えて、差電圧検出部13の詳細な回路構成例などが示されている。すなわち、図7に示す湿度計測装置の差電圧検出部13は、例えば、2つのNPN型のバイポーラトランジスタQN1,QN2と、2つの抵抗RLと、2つのダイオードD1,D2と、定電流源(定電流)I0とを備えた差動増幅回路13aと、この差動増幅回路13aの出力を取り出すNPN型のバイポーラトランジスタQN3とを有するものとなっている。
バイポーラトランジスタQN1は、ベースが図4で説明したバイポーラトランジスタQP2の出力に接続され、コレクタが抵抗RLを介して電源端子VDDに接続され、エミッタがダイオードD1のアノードに接続されている。一方、バイポーラトランジスタQN2は、ベースが図4で説明したバイポーラトランジスタQP1の出力に接続され、コレクタが抵抗RLを介して電源端子VDDに接続され、エミッタがダイオードD2のアノードに接続されている。
ダイオードD1,D2のカソードは、定電流源I0に共通接続されている。バイポーラトランジスタQN3は、ベースがバイポーラトランジスタQN1と抵抗RLの接続ノードに接続され、コレクタが電源端子VDDに接続され、エミッタが出力となっている。
このような差電圧検出部13の出力は、温度補償部14に入力される。温度補償部14は、例えば、差電圧検出部13の出力(バイポーラトランジスタQN3のエミッタ)に接続された抵抗R1と、この抵抗R1のもう一方の端子に接続された温度補償回路14aとを備えている。そして、抵抗R1と温度補償回路14aの接続ノードが、出力バッファ15を介して電圧出力端子Voutに接続されている。なお、図7の対数圧縮部12のバイポーラトランジスタQP1,QP2では、差電圧検出部13のダイオードD1,D2および定電流源I0の電圧を保つため、図4と異なりベースにバイアス電圧V1を印加しているが、対数圧縮の動作は、図4と同様に可能である。
次に、この差電圧検出部13などの動作について説明する。
対数圧縮部12までの動作は、前述した図4の説明と同様であり、差電圧ΔVin=kT/q×ln(Rh/Rr)が前述した差電圧検出部13内の差動増幅回路13aに入力される。ここで、差動増幅回路13aの電圧増幅率Gは、G≒q/kT×(RL×I0)/8で与えられる。なお、差動増幅回路13aにおいてダイオードD1,D2を備えない構成では、電圧増幅率Gが大きくなる反面、線形増幅が可能な入力電圧幅が狭くなる。差電圧ΔVinは、比較的大きな電圧となる場合があるため、ここでは、ダイオードD1,D2を用いて入力電圧幅を広くしている。
そして、差動増幅回路13aは、前述した差電圧ΔVinを電圧増幅率Gで増幅する。これによって、差動増幅回路13aの出力は、温度Tの関数ではなくなり、温度に依存しない出力を得ることが可能となる。すなわち、対数圧縮部12の温度依存性を補償することが可能となる。差動増幅回路13aの出力は、バイポーラトランジスタQN3のベースに入力され、バイポーラトランジスタQN3によって、そのVBE分の電圧が低下した出力が発生する。
例えば、温度特性を備えない基準抵抗11aを用いた場合、この出力電圧は、湿度センサ10aの温度特性とバイポーラトランジスタQN3の温度特性によって、温度が高くなると高電圧となり、温度が低くなると低電圧となる。そこで、例えば図8に示すような温度補償部14によって、このような特性を補償し、温度に依存しない出力電圧が得られるようにする。
図8は、図7の湿度計測装置において、その温度補償部の構成の一例を示す回路図である。図8に示す温度補償部14は、例えば、定電流源(定電流)I1と、NPN型のバイポーラトランジスタQN4と、このトランジスタとカレントミラー回路を構成するNPN型のバイポーラトランジスタQN5と、抵抗R2とを備えた温度補償回路14aと、抵抗R1などを有している。バイポーラトランジスタQN4は、エミッタが基準電圧GNDに接続され、コレクタが定電流源I1を介して電源端子VDDに接続され、ベースがコレクタとバイポーラトランジスタQN5のベースに共通に接続されている。
バイポーラトランジスタQN5は、エミッタが抵抗R2を介して基準電圧GNDに接続され、コレクタが抵抗R1を介して前述した差電圧検出部13内のバイポーラトランジスタQN3のエミッタに接続される。そして、バイポーラトランジスタQN5と抵抗R1の接続ノードが出力バッファ15に接続されている。ここで、バイポーラトランジスタQN5のエミッタ面積は、バイポーラトランジスタQN4のエミッタ面積の例えば8倍の大きさなどとなっている。
このような温度補償回路14aは、温度が高くなると、バイポーラトランジスタQN5のエミッタ−コレクタ間に流れる電流が増加し、温度が低くなると、その電流が減少する。この電流変化の大きさは、主に、抵抗R2とバイポーラトランジスタQN4,QN5のエミッタ面積比によって調整することができる。
前述したように、差電圧検出部13の出力電圧は、温度に正比例して増加するが、これに対して、温度補償部14では、温度に正比例して抵抗R1による電圧降下が大きくなる。これによって、温度特性が補償され、出力電圧端子Voutには、温度に依存しない安定した電圧が出力される。なお、差電圧検出部13および温度補償部14の構成は、これに限定されるものではなく、一般的に広く知られている構成を用いることも当然可能である。
図9は、図4の湿度計測装置において、その構成を変形した構成の一例を示す回路図である。図9の湿度計測装置は、図4の湿度計測装置に対して、そのR−I変換部(1)10,(2)11のカレントミラー回路の中にそれぞれスイッチSW1,SW2が備わり、さらに、それぞれのカレントミラー回路の出力が共通に接続され、これに応じて対数圧縮部12と差電圧検出部13の構成が異なったものとなっている。
この湿度計測装置の特徴は、対数圧縮を1つのバイポーラトランジスタで行うことにある。すなわち、図4においては、湿度センサ10aと基準抵抗11aによって発生した電流をそれぞれバイポーラトランジスタQP1とQP2によって対数圧縮する構成となっていたが、図9においては、これら2つの電流をダイオード接続である1つのPNP型のバイポーラトランジスタQP3(第3のダイオード)で対数圧縮する構成となっている。
対数圧縮を行う際、図4のように2つのバイポーラトランジスタQP1,QP2を用いた場合は、高い計測精度を保つため、双方の特性に対して非常に高い同一性が要求される。しかしながら、実際上は製造ばらつきによって、双方の特性を厳密に揃えることは難しい。そこで、図9においては、1つのバイポーラトランジスタQP3を用い、これに対して、湿度センサ10aによる電流と基準抵抗11aによる電流を時分割で入力することで、このような問題の解決を図る。
図9において、スイッチSW1は、カレントミラー回路内のPMOSトランジスタMP3のソース−ドレイン間に設けられ、スイッチSW2は、カレントミラー回路内のPMOSトランジスタMP1のソース−ドレイン間に設けられる。このスイッチSW1,SW2は、例えばMOSトランジスタなどによって実現される。
このようなスイッチSW1,SW2によって、例えばスイッチSW1がON、スイッチSW2がOFFの状態では、湿度センサ10aのカレントミラー回路には電流が流れなくなるため、対数圧縮部12に対して基準抵抗11aによる電流のみを出力することができる。反対に、スイッチSW1がOFF、スイッチSW2がONの状態では、対数圧縮部12に対して湿度センサ10aによる電流のみを出力することができる。したがって、図1のタイミング信号発生部18によりスイッチSW1,SW2を制御することで、対数圧縮部12のバイポーラトランジスタQP3に対して、例えば、湿度センサ10aによる電流と基準抵抗11aによる電流を交互に時分割で出力することが可能となる。
対数圧縮部12によって、時分割でI−V変換および対数圧縮された電圧は、差電圧検出部13に入力される。差電圧検出部13は、例えば、出力電圧Vout2を発生する差動増幅器AMP2を含み、この一方の入力には、対数圧縮部12の出力(バイポーラトランジスタQP3のエミッタ)がスイッチSW3を介して接続され、他方の入力には、対数圧縮部12の出力がスイッチSW4を介して接続される。さらに、差動増幅器AMP2の前記他方の入力と基準電圧GNDの間には、電圧を保持するためのキャパシタC1が設けられている。
このような差電圧検出部13を用い、前述したスイッチSW1,SW2の制御と連動してスイッチSW3,SW4を制御する。すなわち、湿度センサ10aの電流を変換した電圧と基準抵抗11aの電流を変換した電圧のいずれか一方が発生するタイミングでスイッチSW4をONにし、その電圧をキャパシタC1に保持する。そして、スイッチSW4をOFFにした後、他方の電圧が発生するタイミングでスイッチSW3をONにし、その電圧を差動増幅器AMP2に入力する。この状態で、差動増幅器AMP2による増幅を行うことで、差電圧を検出することが可能となる。
なお、時分割で対数圧縮を行い、差動増幅を行うための回路は、勿論これに限定されるものではない。例えば、時分割で対数圧縮を行う方法は、Hブリッジ回路内の各スイッチの駆動と抵抗駆動回路内の各スイッチの駆動とを時分割で行うことなどによっても実現できる。
図10は、図1の湿度計測装置において、そのR−I変換部を拡張した構成の一例を示す回路図である。図10においては、これまでに説明したようなR−I変換部(1)10,(2)11に加えて、更にR−I変換部(3)100が備わっている。このR−I変換部(3)は、図4等で説明したような抵抗駆動回路100bが備わっており、この抵抗駆動回路100bの中に、スイッチとなるPMOSトランジスタMP52およびNMOSトランジスタMN32と、その間に基準抵抗100aが備わっている。
そして、この抵抗駆動回路100bの電源電圧は、ゲートに基準電圧Vrefが印加されたNMOSトランジスタMN10によって固定されている。なお、これら3個のR−I変換部(1)10,(2)11,(3)100には、それぞれ図4または図9で説明したようなカレントミラー回路が備わっているが、図10では記載を省略している。
このように、図10に示す構成は、2つの基準抵抗11a,100aを用いることが可能となっている。これは、差電圧検出部13での線形増幅可能な入力レンジの制限などにより、広範囲な湿度計測が困難な場合に特に有益な構成となる。
すなわち、例えば、湿度センサ10aの特性が図2(a)のような場合、基準抵抗11aを104〜105Ω程度の値とし、基準抵抗100aを106〜107Ω程度の値とする。そして、湿度計測の際、それぞれの基準抵抗11a,100aを基準として、湿度センサ10aの抵抗値を計測することで、相対湿度が10%〜100%までといった広範囲な湿度計測が可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の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種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、これまでの説明においては基準抵抗と電気抵抗式の湿度センサを相対的に比較する計測方式を用いたが、図4のような構成から基準抵抗に関連する回路を省き、湿度センサのみで絶対的に計測するような方式を用いることも可能である。このような構成を用いた場合でも、前述したようなHブリッジ回路を用いることによる計測精度の向上等が得られる。
本発明の湿度計測装置は、電気抵抗式の湿度センサと基準抵抗を比較して湿度計測を行う1チップ構成の制御ICに適用して特に有益なものであり、これに限らず、現存している電気抵抗式の湿度センサ用の制御ICに対し、その高精度化技術として広く適用可能である。
Claims (21)
- 2つの端子を含んだ電気抵抗式の湿度センサと、
複数のスイッチを含み、前記湿度センサのそれぞれの端子に対し、前記それぞれの端子間に電位差が発生するように高電位側の固定電圧と低電位側の固定電圧を前記複数のスイッチを用いて交互に印加する手段と、
前記固定電圧を交互に印加する手段により発生した前記湿度センサの電流を、電圧に変換すると共に対数に圧縮する手段とを有することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項1記載の湿度計測装置において、
更に、前記固定電圧を交互に印加する手段により発生した前記湿度センサの電流を、前記対数に圧縮する手段に伝達する手段とを有することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項1記載の湿度計測装置において、
前記固定電圧を交互に印加する手段は、Hブリッジ回路によって実現されることを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項1記載の湿度計測装置において、
前記固定電圧を交互に印加する手段は、湿度計測を行わない間、前記複数のスイッチを全てOFFにする機能を含むことを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項2記載の湿度計測装置において、
前記電流を伝達する手段は、カレントミラー回路によって実現されることを特徴とする湿度計測装置。 - 2つの端子を含んだ電気抵抗式の湿度センサと、
2つの端子を含んだ基準抵抗と、
複数のスイッチを含み、前記湿度センサのそれぞれの端子に対し、前記それぞれの端子間に電位差が発生するように高電位側の固定電圧と低電位側の固定電圧を前記複数のスイッチを用いて交互に印加する手段と、
前記高電位側の固定電圧と前記低電位側の固定電圧を用い、前記基準抵抗のそれぞれの端子に対して電圧を印加する手段と、
前記固定電圧を交互に印加する手段により発生した前記湿度センサの電流と前記基準抵抗に対して電圧を印加する手段により生じた前記基準抵抗の電流を、それぞれ電圧に変換すると共に対数に圧縮する手段と、
前記対数に圧縮する手段により発生した前記湿度センサに対応する電圧と前記基準抵抗に対応する電圧の差電圧を増幅する手段とを有することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項6記載の湿度計測装置において、
前記基準抵抗に対して電圧を印加する手段は、少なくとも1つのスイッチを介して前記基準抵抗に対して電圧を印加することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項6記載の湿度計測装置において、
前記基準抵抗に対して電圧を印加する手段は、前記基準抵抗のそれぞれの端子間に、前記湿度センサのそれぞれの端子間の電位差と絶対値が等しくなる電位差を印加することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項6記載の湿度計測装置において、
前記対数に圧縮する手段は、前記湿度センサの電流をダイオードに流し、前記基準抵抗の電流を、前記ダイオードと同一特性を備えた別のダイオードに流すことで、それぞれ電圧に変換すると共に対数に圧縮することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項6記載の湿度計測装置において、
前記対数に圧縮する手段は、前記湿度センサの電流と前記基準抵抗の電流を時分割で1つのダイオードに流すことで、それぞれ電圧に変換すると共に対数に圧縮することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項8記載の湿度計測装置において、
前記固定電圧を交互に印加する手段は、4つのスイッチを備えたHブリッジ回路によって実現され、
前記基準抵抗に対して電圧を印加する手段は、前記4つのスイッチとON抵抗が等しい2つのスイッチを備えた回路によって実現されることを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項8記載の湿度計測装置において、
前記固定電圧を交互に印加する手段は、4つのスイッチを備えたHブリッジ回路によって実現され、
前記基準抵抗に対して電圧を印加する手段は、前記4つのスイッチとON抵抗が等しい4つのスイッチを備えたHブリッジ回路によって実現されることを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項9または10記載の湿度計測装置において、
前記差電圧を増幅する手段は、バイポーラトランジスタの差動増幅回路を含んでいることを特徴とする湿度計測装置。 - 第1の端子と第2の端子の間に接続された電気抵抗式の湿度センサと、前記第1の端子と第1の電源端子の間、前記第1の端子と第2の電源端子の間、前記第2の端子と前記第1の電源端子の間、前記第2の端子と前記第2の電源端子の間にそれぞれ接続された4個のスイッチとを含む第1の駆動回路と、
第1の制御入力端子と第3および第4の端子を含む3個の端子を備え、前記第1の駆動回路の前記第1の電源端子に前記第3の端子が接続され、前記第1の制御入力端子が固定電圧となる基準電圧端子に接続された第1のトランジスタと、
第1の電流端子と第2の電流端子を備え、前記第1の電流端子が前記第1のトランジスタの前記第4の端子に接続され、前記第1の電流端子に流れる電流を前記第2の電流端子に伝達する第1のカレントミラー回路と、
少なくとも1個のスイッチと前記1個のスイッチに接続された基準抵抗を含み、第3の電源端子と前記第2の電源端子に接続された第2の駆動回路と、
第2の制御入力端子と第5および第6の端子を含む3個の端子を備え、前記第2の駆動回路の前記第3の電源端子に前記第5の端子が接続され、前記第2の制御入力端子が前記基準電圧端子に接続された第2のトランジスタと、
第3の電流端子と第4の電流端子を備え、前記第3の電流端子が前記第2のトランジスタの前記第6の端子に接続され、前記第3の電流端子に流れる電流を前記第4の電流端子に伝達する第2のカレントミラー回路と、
前記第2の電流端子と前記第4の電流端子に接続され、前記第2の電流端子と前記第4の電流端子に流れるそれぞれの電流を、ダイオード特性を利用して電圧に変換すると共に対数圧縮を行う第1の変換回路とを有することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項14記載の湿度計測装置において、
前記第2の駆動回路は、
前記基準抵抗が、第7の端子と第8の端子の間に接続され、
前記第7の端子と前記第3の電源端子の間、前記第7の端子と前記第2の電源端子の間、前記第8の端子と前記第3の電源端子の間、前記第8の端子と前記第2の電源端子の間にそれぞれ接続された4個のスイッチを有することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項14記載の湿度計測装置において、
前記第2の駆動回路は、2個のスイッチを有し、
前記2個のスイッチの一方は、一端が前記第3の電源端子に接続され、他端が前記基準抵抗の一端に接続され、
前記2個のスイッチの他方は、一端が前記第2の電源端子に接続され、他端が前記基準抵抗の他端に接続されることを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項14記載の湿度計測装置において、
前記第2の駆動回路は、
前記第3の電源端子と前記基準抵抗の一端との間で直列に接続された2個のスイッチを有し、
前記基準抵抗の他端は、前記第2の電源端子に接続されることを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項14記載の湿度計測装置において、
前記第2の駆動回路は、
前記第3の電源端子と前記基準抵抗の一端との間に接続された1個のスイッチを有し、
前記基準抵抗の他端は、前記第2の電源端子に接続されることを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項14記載の湿度計測装置において、
前記第1の変換回路は、
前記第2の電流端子に接続された第1のダイオードと、
前記第4の電流端子に接続された第2のダイオードとを有することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項14記載の湿度計測装置において、
前記第1の変換回路は、前記第2の電流端子と前記第4の電流端子に共通に接続された第3のダイオードとを有することを特徴とする湿度計測装置。 - 請求項14記載の湿度計測装置において、
前記基準抵抗は、サーミスタであることを特徴とする湿度計測装置。
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JPN7010002159, 臼井豊弘, "湿度センサの実用知識とセンサICによる試作「電気抵抗式湿度センサの基礎と使い方」", トランジスタ技術, 200312, pp.159−163 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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WO2006057054A1 (ja) | 2006-06-01 |
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