JPH04504910A - モノリシック比率計式温度測定回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

モノリシック比率計式温度測定回路

【技術分野】

本発明は温度センサに関し、特に出力が電源電圧に比例し、高精度でトリム可能 であり、集積回路として器材化に好適な温度センサに関する。

【背景技術】

温度センサは多数の個別の用途に必要である。ここで特に関心のあるのは抵抗温 度検出器ＲＴＤである。ＲＴＤは電気的温度測定用に最も広く使用される温度セ ンサである。これは寸法、製造価格が適当であり広い作動温度範囲に使用できる 。例えばプラチナのＲＴＤは酸素点（−１８２，９８℃）からアンチモニ一点（ ６３０，７４℃）までの補間標準として使用される。ＲＴＤは受動抵抗素子であ るため、抵抗値即ちＲＴＤ温度を示す電圧又は電流信号を発生するには信号コン ディシッニング回路を必要とする。各種の信号コンディシタニング回路が存在す るが、既知のコンディシラニング回路は通常はＲＴＤと組合せて１個の集積回路 としてモノリシック構造とするには不適当である。更に、既知の信号コンディシ ッニング回路は本発明の目的とする自動車用には機能不十分である。 自動車の環境は電子回路には着しく不適当である。機関又は機関室に使用する温 度センサは一５０℃〜＋１５０℃以上の温度範囲の作動設計を必要とする。供給 電圧は例えば５±０．５ｖの仕様であっても、実際は最高１５．０Ｖとなり、電 池及び発電機の負荷条件の変化、切換遷移点の変化によって著しく変化する。 ＲＴＤ温度は抵抗測定によって定まるため、測定値は電圧又は電流値に着しく左 右される。更にこの励起値は供給電圧に応じて変化する。それ故、信号コンディ ジ雪二ング回路付のＲＴＤにおいては温度と供給電圧に共に機能的に関連するア ナログ出力電圧を生ずる必要がある。更にこの機能関連は温度測定の時の実際の 供給電圧に対する補正可能とする必要がある。 好適には、信号コンディシッニング回路のアナログ出力電圧は正規値からの供給 電圧変化に対して調節した時はＲＴＤ温度に対して直線変化を行う。 製造を容易にするための好適な例で、ＲＴＤ及び信号フンデイシツニング回路の 調整とトリミング（ｔｒｉｍｍｉｎｇ）はある温度で行う。 自動車の環境での好適な例で、ＲＴＤと信号コンディショニング回路は大きな振 動に耐え得る１個のパッケージとする。既知のＲＴＤでは振動に敏感なため使用 できないものがある。 それ故、本発明の目的は、ＲＴＤの新しい信号コンディショニング回路を提供す るにある。 本発明の他の目的はＲＴＤ用の信号コンディジ碧二ング回路を提供し、供給電圧 に比例する即ち供給電圧の変化に直線的に変化する出力信号を供給する。 本発明の別の目的はＲＴＤ用の信号コンディジ１ニング回路を提供し、１個の温 度で容易に直線化可能とする。 本発明の他の目的はＲＴＤ信号コンディジ１ニング回路を提供し、自動車の環境 に適する回路とする。

【発明の開示】

上述の及び他の目的を達するための本発明によるＲＴＤ用の信号コンディショニ ング回路はフィードバック手段を含み、ＲＴＤの非線型温度特性を修正する。 フィードバック手段はＲＴＤに温度の直線関数である電流を供給し、固定のオフ セットを加える。回路からの出力信号はＲＴＤ温度と供給電圧に共に比例する。 フィードバックシステム内の抵抗は所定温度で容易にトリム可能であり、出力を 較正する。これは金属フィルムＲＴＤ上に１個のチップとして組合せることがで きる。トリミングはＲＴＤ抵抗の広い偏差を補正し得る。 本発明とその利点とを以下詳細に図面と共に説明する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるＲＴＤ信号コンディジツナの回路線図、第２図は第１図の 回路の変形とし機能的に同等な回路の線図である。

【発明を実施するための最良の形態】

第１図は本発明による基本比例ＲＴＤ信号信号コンディジ上０の回路線図である 。抵抗１２はＲＴＤであり温度にほぼ比例する抵抗を生ずる。他の抵抗は温度に 無関係とする。抵抗１４．１６を通る電源Ｖｃｃからの電流によって抵抗１２の 端子間に生ずる電圧は抵抗１８と並列抵抗２２．２４によって定まる非反転ゲイ ンによって増幅される。抵抗２２．２４は増幅器３０の非反転入力においてオフ セットを生ずる。このオフセットは零出力温度点を定める。 通常は抵抗１２の抵抗値は温度の非線型関数である。抵抗ＸＸの抵抗値を今後Ｒ ｘｘと記載する。抵抗は温度にほぼ比例するが、多くの金属では線型から外れカ レンダーパンデユーセン（Ｃａｌｌｅｎｄａｒ−Ｖａｎ　Ｄｅｕｓｅｎ）の式こ こに、ＲＴ　：温度Ｔでの抵抗 Ｒｏ　：Ｔ＝０℃での抵抗 α　：Ｔ＝０℃での抵抗係数 δ、φ：実験的に定めた係数である。 抵抗３２．１４を含む正フィードバック回路網はこの非線型の修正を行う。 モノリシック製造を容易にするために、ＲＴＤ１２を高価なプラチナでなくアル ミニウムの薄いフィルム製とし、他の抵抗は５ｉＣｒ製とする。５ｉＣｒ抵抗は 後述する通り１個の温度でトリムできる。これは相対シート抵抗の任意の範囲を 定め得る。 抵抗の初期値を選択した後に、ノード（結線点）３４をスパンの中央の出力電圧 ｖＯのほぼ中央のレベルに固定する。ノード３４の電圧を測定し、供給電源Ｖｃ ｃから出力Ｖｏまでのゲインをトリム抵抗２２によって調節し、同時に供給電圧 をディザ−（シェードランダム方式によって僅かに変化）させる。かくして、ノ ード３４から出力電圧までのゲインはトリム抵抗（ｔｒｉｍｍｉｎｇｒｅｓｉｓ ｔｏｒ）２４によって調節され、同時にノード３４の電圧をディザ−する。最後 にトリム抵抗１６によって独立に測定して出力電圧を調節してＲＴＤ温度を示さ せる。 簡単に表現すれば、上述の方式は前述のカレンダーパンデユーセンの式に示され たＲＴＤ１２の抵抗を式Ｒ１２＝Ａ＋ＢＴ＋ＣＴ２として近似値とし、出力が線 型ならばＲＴＤ１２を通る抵抗はｉ＝Ｄ＋ＥＴＳＴは温度、他の係数は定め得る 数値である。両開数の積はＲＴＤ１２を通りオフセットＨを有する直線電圧ＦＴ を示す。この式は（Ａ＋ＢＴ＋ＣＴ２）（Ｄ＋ＥＴ）＝ＦＴ＋Ｈとなり、書き直 してＡＤ＋ＢＤＴ＋ＣＤＴ２＋ＡＥＴ＋ＢＥＴ２＋ＣＥＴ”　＝ＦＴ＋Ｈとなる 。Ｔの同じ乗数の係数はＨ冨ＡＤ、Ｆ−ＢＤ＋ＡＥ、ＣＤ＋ＢＥ＝Ｏ，ＣＥ＝０ となる。Ｃ，Ｅ共に零でないとすれば、この結果は正確に得られない。しかしＣ 即ち非線型と、Ｅ即ちこの修正とが共に小さい時はこの近似値が得られる。上述 の関係から、Ｄ−−ＣＤ／Ｂ、Ｆ＝ＢＤ−ＡＣＢ／Ｂ−Ｄ　（Ｂ−ＡＣ／Ｄ）が 得られ、Ｆはノード３４における温度感知電圧のスロープである。Ｇを出力Ｖ。 に対するノード３４のゲインとすれば、スケール係数はＦＧとなる。かくしてト リム増幅器の非反転電圧ゲインはＧ＝Ｓｆ／Ｆ＝Ｓｆ　（Ｄ　（Ｂ−ＡＣ／Ｂ） ）となり、Ｓｆは℃当り電圧ユニットで示す出力のスケール係数である。 出力における温度オフセットを生ずるために抵抗２２を供給電圧に接続する。 オフセットに関しては増幅器はゲイン−Ｒ１８／Ｒ２２を有する反転増幅器とみ なし得る。零出力を得る温度において、供給電圧と抵抗１８．２２の比との積は Ｇとノード３４の電圧との積に等しい。ノード３４の電圧Ｇと温度オフセットが 定まれば抵抗２２をトリムでき、ノード３４の電圧を限度内出力とし、抵抗２２ の値を調節してＶｃｃ供給リード線に供給される小電圧に対して適切なゲインを 与える。 抵抗比Ｒ２２／Ｒ１８をセットすれば、抵抗２４はトリムでき、ノード３４から 出力までのゲインＧを与える。供給電圧を所定値に固定した時のノード３４に供 給される小さな信号によってゲインを測定する。抵抗２４をトリムしてＧの適切 な値を得る。 次に抵抗１６をトリムして正確なスケール係数と、出力を直線化するための正確 な正フィードバック値を共に得る。この過程を理解するために、第１図と同等な 回路を示す第２図を参照する。ＲＴＤ１２の駆動補正回路の同等な回路を示され る。抵抗３２．１４の示す正フィードバックをセブニン式によって評価する。 このために、フィードバックと駆動を並列抵抗１４．３２によって出力電圧Ｖｃ ｃに対してスケールダウンし、抵抗１６と直列とする。電源３６は同等電源とＬ ｒＶＴ−（Ｍｅｃ−Ｖｏ）Ｒ１４／　（Ｒ３２＋Ｒ１４）となる。パラメータＫ をに＝Ｒ１４／　（Ｒ３２＋Ｒ１４）とすれば、ＶＴ＝Ｋ　（ＶｃＣ−Ｖｏ）と なる。Ｖｃｃとして供給される駆動電流を抵抗３２．１４，１６．１２の並列抵 抗の与えるセブニン電圧によって減少させる。実際の励起電流は抵抗１６と抵抗 １４．３２の組合せの端子間に供給される電圧である。ＲＴＤ１２の頂部のノー ド３４の電圧が上昇すれば駆動に影響する。このため、ＲＴＤ１２の電圧が温度 に正確に比例しても、抵抗１４．３２の回路網は抵抗３２の端子間電圧と同じ値 だけ直列抵抗の頂部で電圧を上げる必要がある。これは励起電流を一定に保ち、 ノード３４の電圧を温度に比例させる。ＲＴＤを金属フィルム抵抗とすれば、フ ィルムの抵抗の変化は上述の正確な温度比例から変化する。ノード３４における 電圧を示す式はＤ＋ＥＴを含み、励起電流を示す。この電流は抵抗１６と抵抗１ ４．３２の組合せの端子間電流の正味電圧による。この電圧をＶｘとする。 Ｖｘはセブニン電源の底部の電圧と、ＦＴ＋Ｈで示すノード３４の電圧との差で ある。故に Ｖｘ＝Ｋ　（Ｖｏ−Ｖｃｃ）＋Ｖｃｃ−（ＦＴ＋Ｈ）＝ＫＶｏ＋Ｖｃｃ　（１− Ｋ）−Ｈ 出力電圧ｖＯはノード３４の電圧とゲインＧと抵抗２２の生ずるオフセット電圧 Ｖｏｓ（Ｄ積である。Ｖｏ−Ｖｏｓ＋　（ＦＴ＋Ｈ）となる。Ｖｘを書直ｅば、 Ｖｘ＝ＫＶｏｓ＋ＫＧＦＴ＋ＫＧＨ−ＦＴ＋Ｖｃｃ　（１−Ｋ）−Ｈ−Ｋ　（Ｖ ｏｓ＋ＧＨ−Ｖｃｃ）＋Ｖｃｃ−Ｈ＋Ｆ　（ＫＧ−１）Ｔこの電圧によって、固 定抵抗の端子間に生じた時にＤ＋ＥＴの形式の電流を生じさせる。更にＶｘを書 直せば、近似値としたカレンダーパンデユーセンの式によって要求される同じ形 式を得る。同様の関数となり、Ｖｘ−（Ｋ　（Ｖｏｓ＋ＧＨ−Ｖｃｃ）＋Ｖｃｃ −Ｈ）（１＋Ｑ）ココニ、Ｑ＝Ｆ　（ＫＧ−ＤＴ）／　（Ｋ　（Ｖｏｓ＋ＧＨ− ｖｅｃ）＋Ｖｃｃ−Ｈ）Ｅ／Ｄに相当する項となるＶｘの部分は−Ｃ／Ｂにセッ トされ次式となる。 Ｋ−Ｆ−（ｖｃｃ−Ｈ）Ｃ／Ｂ／　（ＦＧ＋　（Ｖｏｓ＋ＧＨ−Ｖｃｃ）Ｃ／Ｂ ）上述の項を減算すれば、Ｆ＝ＨＢ／Ａ−ＨＣ／Ｂとなる。これをＶｘ’の式に 減算して整理すれば、 に＝（ＨＢ２／ＡＣ−Ｖｃｃ／（ＧＨＢ２／（ＡＣ）＋Ｖｏｓ−Ｖｃｃ）・・・ ・・・・・・（１００） Ｋは各種の抵抗値の組の項によって画成される。最初の定義は上式となる。 更に抵抗１６と抵抗３２．１４の組合せの全抵抗を必要とする。この抵抗Ｒｘは Ｖｘを割って励起電流常数りを得る。Ｄ　＝　Ｖ　ｘ　／　Ｒｘとなる。Ｖｘを 引いて整理してＲｘに関して解けば Ｒｘ＝Ｋ　（Ｖｏ−Ｖｃｃ）＋Ｖｃｃ−（ＦＴ＋Ｈ）／Ｄ温度Ｔ＝Ｏ℃において 、Ｄは全励起電流であり、ＦＴ＋Ｈは抵抗である。故に、Ｒ１２（０）をＲ１２ の０℃値とすれば、Ｒｘ＝　［（Ｋ　（Ｖｏ−Ｖｃｃ）＋Ｖｃｃ）／Ｄｌ　−Ｒ １２（０）評価を簡単にするには、回路値をＴ＝０で選択し、所要の測定範囲内 に配置する。有効零の抵抗パラメータを所要範囲に配置するのは簡単である。例 えばＲＴＤ表記のケルビン温度表記Ｔｓ＋３００’は２７℃で温度範囲零となる 。これは−５０℃〜＋１５０℃で作動する回路用の構成を開始するに合理的であ り、トリム及び近似に利点を有する。標準抵抗値と回路トリム用の他の数値とを 計算し得る。 ＲＴＤ１２の端子間電圧が大きくなればゲインは小さくなり、増幅器のオフセッ トが誤差を大きくする。大きな面積と高電流の大きな抵抗にはトレードオフがあ り自己加熱を生ずる。このトレードオフのため、１１２（０）、標準抵抗、設計 温度、Ｄ１励起電流を選択する。Ｄ＝Ｏにおいて、ＦＴ＋Ｈ＝Ｈ，Ｈ＝ＤＡとな る。それ故、ノード３４での電圧の基準値はＴ＝ＯでＨとなる。 スケール係数は出力の所要の温度係数であり、Ｆはノード３４の電圧の温度係数 である。それ故、ゲインＧは比Ｇ＝Ｓｃｆ／Ｆによって定まる。置換を行ってＧ ＝Ｓｆ／　（（ＨＢ／Ａ）−ＨＣ／Ｂ）Ｖｏｓは設計温度における所要出力とＧ Ｈとの差である。Ｖｏｓ＝所要出カーＧＨとなる。Ｇ、Ｖｏｓを使用して抵抗１ ８．２２．２４の抵抗値を定め得る。 第１に抵抗１８を駆動容易に定め、抵抗２４の値がＧ倍小さいことを顧慮する。 抵抗１８はトリムの必要はないが、抵抗２４が製造困難なほど過小となり、又は 過大面積となる過大となるのを防ぐ。増幅器入力電流は抵抗１８を流れるため誤 差を最小にする寸法とする。 出力オフセットは電流Ｖｃｃ／Ｒ２２’によって誘起され、ｖＣＣとノード３４ の電圧の差’？’ｌ！ない。Ｖｏｓ＝−ＶｃｃＲ１８／Ｒ２２によってＲ２２に 関して容易に得る。次に増幅器の非反転ゲインは（Ｒ１８／Ｒｐ）＋１　（Ｒｐ は抵抗２２．２４の並列抵抗）であり、すなわち、Ｇ＝１＋Ｒ１８／Ｒｐ’でＲ ２＝Ｒ１８／（Ｇ−１）からＲｐ’を得る。Ｒ２４はＲｐ、Ｒ２２から直に得る 。即ちＲ２４＝Ｒ１８（Ｖｃ　ｃ／　（Ｖｏ　ｓ＋Ｖｃ　ｃ）Ｇ−４）　とｆ！ る。 上述の計算のＶｏｓ、Ｇを使用してＫの値を前述の式（１００）から計算できる 。 Ｒ１４の値は確定できない。Ｒ３２，Ｒ１４の比はＫによって定まるがこの値は Ｒｘの値によって限定されて上下する。Ｒ３２，Ｒ１４の並列値はＲｘより小さ くする。理論的には両抵抗を適切に選択すれば抵抗１６は省略できる。しかし実 用上ＲＴＤは製造の時に正確な値でない。ＲＴＤを直接調節するのは困難である 。抵抗１６を置けばトリムしてＲＴＤ１２、他のシート抵抗の変化を補正できる 。抵抗１４．３２を選択すれば抵抗１６の値は並列組合せの残差となる。 Ｒ１４を製造容易な大きさに、Ｒｘより蕾しく小さく選択すればＲ３２の計算は Ｒ３２＝Ｒ１４（（１／Ｋ）−１）となる。Ｒ１６′の基準値は、Ｒ１６＝Ｒｘ −Ｒ３２Ｒ１４／　（Ｒ３２＋Ｒ１４）最初の製造、即ちレイアウトに際して、 抵抗２２．２４は設計中央値よりも僅かに小さくして初期相対誤差を除去するト リム可能とする。抵抗１６の初期製造値は著しく低くして薄いフィルムとＲＴＤ シート抵抗の全偏差を補正する。抵抗１６のトリムに際して、実際にＲｘがトリ ムされる。上述のセベニンの式において、Ｒｘはノード３４の電圧を設計温度の 基準値に等しくする。これによって、Ｖｏフィードバックの割合は正確となりノ ード３４の温度補正も正確になる。 実施の例として、スケール係数２２．　５ｍＶ／’Ｃ１−５０℃でｖＯ”ｏ、２ ５Ｖとする。基準Ｖｃｃ＝＋５Ｖとする。ＲＴＤは薄いアルミニウムフィルムと しＲＴＤのデータ仕様は２７℃とする。近似カレンダーパンデユーセン式と既知 の薄膜アルミニウムの係数から、 Ｒ１２（０）＝４４５．８０＋　（１，６８３Ω１０）１２７℃の基準励起を２ ００μＡに選択する。こ泪こよって、ＤＡ　（Ｔ＝Ｏ）＝２００μＡｘ４４５． ８Ω＝８９．　１６ｍＶ２２、　５ｗ１１０／　（（１，６８３Ω／ｅ″／４４ ５．８Ω）＋１．６６７Ｅ−４０／’　／１．６８３０／’　）＝５．８０７５ ２３４ＶＧ＝ＧＴ（／Ｈ＝６５．１３５９７３ ２７℃における所要出力は Ｖｏ−（２２，５ｍＶ／’Ｃ）　Ｘ　（（２７℃−（−５０℃）　）　〕＋０． ２５Ｖ＝Ｌ　９８２５Ｖ Ｖｏｓ＝１゜９８２５Ｖ−５，８０７５２３４Ｖ＝−３，８２５０２３４ＶＲ１ ８＝１００にΩとし、駆動容易であり過大でな（１゜Ｒ２２＝　（−５Ｖ）（Ｌ ｏｏｋΩ）／−３，８２５０２３４Ｖ＝１３０．７１８１５にΩ Ｒ２４＝　（１００にΩ）（５Ｖ）／３．８２５０２４５Ｖ＋５Ｖ　（６４，１ ３５９７３）＝１．５７８００９ｋＱＫ＝０．０３６４８６２８９ Ｒｘ＝２４．００３７１３にΩ Ｒ１４＝３にΩとすれば、Ｒ３２＝７９．２２２６６５にΩ最後にＲ３２，Ｒ１ ４の並列の組合せをＲ３２，ｌ＝２．８９０５４１１にΩとすれば、Ｒ１６＝２ １．１１３１７１にΩとなる。Ｒ１６のレイアウト値（よトリム前は著し、く低 くする。計算電圧Ｈに対してＲ１２（０）の最低値として充分な電流を通す低い 値とする。 Ｒ３２，Ｒ１４間の比及び他の抵抗の誤差はＲ１６のトリムの特に修正する。 かくして、上述によって信号コンデイシラニング回路をアルミニウム、プラチナ 等の材料の集積ＲＴＤと共にモハシックに製造可能である。回路内の抵抗（よ製 造間にトリム可能であり、ＲＴＤ抵抗内の温度関連非線型を補正可能であり、Ｒ ＴＤ温度に比例し、供給電圧に直線的に変化する出力信号を得る。回路内の各抵 抗はトリムしてＲＴＤに作用するオフセット電圧を調節し、信号変換をＲＴＤに 関連させる。それ故、供給電圧と信号コンデイシタニングの出力を共に同時にサ ンプリングできる。測定供給電圧を使用してセンサ出力の目盛り可能である。 一定電圧の電源を使用すれば出力電圧はＲＴＤ温度のみに直線変化し、供給電源 の変動に無関係となる。 本発明の原理と回路と本発明の実施方法とを説明したが、上述の説明は例示であ って発明を限定しない。各種の変形は当業者に容易であり、本発明は請求の範囲 のみに限定される。 浄書（！！ｇ容に変更なし） ＦＩＧ　＋ ＦＩＧ、２ 手続補正書坊幻 １、事件の表示 ＰＣＴ／ＵＳ９０１０３７５０ 平成　２年特許願第５１０２２９号 ２、発明の名称 モノリシック比率計式温度測定回路 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所 名　称　アナログ・ディバイセス・インコーホレーテッド４、代理人 住　所　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区 電話３２７０−６６４１〜６６４６ ５、補正命令の日付　平成　４年　４月１４日　侵送日）６、補正の対象 （１）出願人の代表音名を記載した国内書面（２）委任状及び翻訳文 （３）タイプ印書により浄書した明細書及び請求の範囲の翻訳文国際調査報告 一一一一＾帥−ａｌｌｌＮ　Ｎ＃　ｐσ／υＳ　９０１０３７５０国際調査報告

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．供給電圧によって付勢され抵抗温度検出器（ＲＴＤ）からＲＴＤ温度と供給 電圧に対して直線的に変化する出力信号を導出する信号コンディショニング回路 において、 ａ．温度に対して直線的に変化し所定温度において零からオフセットする駆動信 号をＲＴＤに供給する手段と、 ｂ．駆動信号を温度に対して直線的に変化させ、所定温度において零からオフセ ットさせる手段とを含むことを特徴とする信号コンディショニング回路。
2. ２．前記駆動信号をＲＴＤに供給する手段は、ＲＴＤに作用すべき所要オフセッ ト電圧を生ずる選択とした値の１個の抵抗を含むことを特徴とする請求項１記載 の回路。
3. ３．前記駆動信号を温度に対して直線的に変化させる手段はＲＴＤから出力まで のゲインを調節するために１個のＲＴＤ温度で値を選択する１個の抵抗を含むこ とを特徴とする請求項１記載の回路。