特開 2024-92075 温度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024092075

(43)【公開日】2024-07-08

(54)【発明の名称】温度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01K 7/01 20060101AFI20240701BHJP

【ＦＩ】

G01K7/01 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022207738

(22)【出願日】2022-12-26

(71)【出願人】

【識別番号】715010864

【氏名又は名称】エイブリック株式会社

(72)【発明者】

【氏名】冨岡 勉

【テーマコード（参考）】

2F056

【Ｆターム（参考）】

2F056JT01

(57)【要約】

【課題】微小な温度変化を測定可能でありながらも、低コストで使い勝手のよい温度センサを提供する。
【解決手段】温度センサ１は、感温素子（ＰＮ接合素子）であるダイオード５と、ダイオード５に少なくとも２つの異なる順方向電流を供給する可変電流源１０と、ダイオード５の順方向電圧Ｖｆと同じ温度特性を有する定電圧Ｖｂを出力する定電圧源７と、ダイオード５の順方向電圧Ｖｆと定電圧Ｖｂとの差分を増幅するアンプ６と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

感温素子であるＰＮ接合素子と、
前記ＰＮ接合素子に少なくとも２つの異なる順方向電流を供給する可変電流源と、
前記ＰＮ接合素子の順方向電圧と同じ温度特性を有する定電圧を出力する定電圧源と、
前記ＰＮ接合素子の順方向電圧と前記定電圧との差分を増幅するアンプと、
を備えることを特徴とする温度センサ。

【請求項2】

前記定電圧源は、前記ＰＮ接合素子と同じ温度特性を有する第２のＰＮ接合素子と、前記第２のＰＮ接合素子に順方向電流を供給する定電流源とを備え、前記第２のＰＮ接合素子の順方向電圧が前記定電圧であることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。

【請求項3】

前記定電圧源は、電圧変換回路と、前記電圧変換回路の入力に基準電圧を供給する基準電圧源とを備え、前記電圧変換回路の出力電圧が前記定電圧であることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温度センサに関する。

【背景技術】

【0002】

様々な用途で用いられる温度センサは、温度を正確に測定することが求められている。温度を正確に測定するためには、例えば、温度測定における誤差が生じないように、誤差の要因となるものをできるだけ取り除くことが望ましい。

【0003】

図５は、感温素子であるダイオードの飽和電流のバラツキの影響を取り除いた従来の温度センサを示す回路図である。従来の温度センサは、１つのダイオードに２つの異なる電流値の順方向電流を流した時の、それぞれの順方向電圧を増幅した電圧の差分から温度を求める（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

ダイオードに順方向電流Ｉを流した時の順方向電圧Ｖｆは次式で表される。
Ｖｆ＝（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ／Ｉｓ）…（１）
（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子電荷、Ｉｓは飽和電流）

【0005】

式（１）よりダイオードの順方向電圧Ｖｆは、Ｉ＝Ｉ１の時をＶｆ１、Ｉ＝Ｉ２の時をＶｆ２とすると、次のようになる。
Ｖｆ１＝（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ１／Ｉｓ）…（２）
Ｖｆ２＝（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ２／Ｉｓ）…（３）

【0006】

順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２は、それぞれ増幅率Ａのアンプによって増幅される。アンプの出力電圧は、それぞれＶｏ１、Ｖｏ２とすると、次のようになる。
Ｖｏ１＝Ａ＊（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ１／Ｉｓ）…（４）
Ｖｏ２＝Ａ＊（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ２／Ｉｓ）…（５）

【0007】

Ｉ１：Ｉ２＝Ｎ：１とすると、２つの電圧測定結果の差は、次のようになる。
ΔＶｏ＝Ｖｏ１－Ｖｏ２＝Ａ＊（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｎ）…（６）

【0008】

絶対温度Ｔは、次のようになる。
Ｔ＝ｑ＊ΔＶｏ／｛ｋ＊Ａ＊ｌｎ（Ｎ）｝…（７）

【0009】

式（７）の両辺を微分すると、温度係数ｄΔＶｏ／ｄＴが求められる。
ｄΔＶｏ／ｄＴ＝Ａ＊（ｋ／ｑ) ＊ｌｎ（Ｎ）…（８）

【0010】

ｋ＝１．３８＊１０＾－２３［Ｊ／Ｋ］、ｑ＝１．６０＊１０＾－１９［Ｃ］、Ｎ＝２とすると式（８）は次のようになる。
ｄΔＶｏ／ｄＴ≒Ａ＊６０［ｕＶ／Ｋ］…（９）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】米国特許第３８１２７１７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、従来の温度センサで微小な温度変化を測定する製品とした場合、温度センサの出力電圧を測定する電圧計は、測定レンジが大きく分解能の値が小さいことが求められる。

【0013】

微小な温度変化、例えば０．１Ｋの温度変化の測定が必要な場合、温度係数は式（９）からＡ＊６［ｕＶ／０．１Ｋ］となる。この時、ＩＣテスタ等の一般的な電圧計で測定可能な電圧変化（温度係数６００ｕＶ／０．１Ｋ）とするためには、アンプの増幅率Ａは１００以上にする必要がある。一方、ダイオードの順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２がある温度で０．６Ｖ程度の場合、増幅率Ａ＝１００以上のアンプの出力電圧は６０Ｖ以上となる。

【0014】

従って、従来の温度センサは、後段の測定回路の構成が複雑になるため使い勝手が悪い、又は検査工程に使用されるＩＣテスタにおいて高性能な電圧計を必要とするため製造コストが高くなる、という点で改善の余地がある。

【0015】

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、微小な温度変化を測定可能でありながらも、低コストで使い勝手のよい温度センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明の温度センサは、感温素子であるＰＮ接合素子と、ＰＮ接合素子に少なくとも２つの異なる順方向電流を供給する可変電流源と、ＰＮ接合素子の順方向電圧と同じ温度特性を有する定電圧を出力する定電圧源と、ＰＮ接合素子の順方向電圧と定電圧との差分を増幅するアンプと、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、微小な温度変化を測定可能でありながらも、低コストで使い勝手の良い温度センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態の温度センサを示す回路図である。

【図2】本実施形態の温度センサの順方向電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２及び定電圧Ｖｂの温度特性を示すグラフである。

【図3】本実施形態の温度センサの定電圧源の一例を示す回路図である。

【図4】本実施形態の温度センサの定電圧源の他の例を示す回路図である。

【図5】従来の温度センサを示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態に係る温度センサを、図面に基づいて説明する。

【0020】

図１は、本実施形態に係る温度センサ１の回路図である。
温度センサ１は、電源端子２と、接地端子３と、出力端子４と、感温素子であるダイオード５と、アンプ６と、定電圧源７と、可変電流源１０と、を備えている。可変電流源１０は、定電流源１１と、定電流源１２と、スイッチ２１と、スイッチ２２と、を備えている。

【0021】

電源端子２には、電源電圧ＶＤＤが供給される。定電流源１１は、定電流Ｉ１を出力する。定電流源１２は、定電流Ｉ１と異なる電流値の定電流Ｉ２を出力する。定電圧源７は、ダイオード５の順方向電圧Ｖｆと同じ温度特性を有する定電圧Ｖｂを出力する。出力端子４は、アンプ６の出力する電圧Ｖｏを出力する。

【0022】

可変電流源１０とダイオード５とは、電源端子２と接地端子３との間に直列に接続されている。可変電流源１０とダイオード５との接続点は、アンプ６の非反転入力端子に接続されている。定電圧源７は、アンプ６の反転入力端子と接地端子３との間に接続されている。アンプ６は、出力端子が温度センサ１の出力端子４に接続されている。

【0023】

定電流源１１とスイッチ２１とは、電源端子２と可変電流源１０の出力との間に直列に接続されている。定電流源１２とスイッチ２２とは、電源端子２と可変電流源１０の出力との間に直列に接続されている。

【0024】

本実施形態に係る温度センサ１の動作について説明する。
まず、可変電流源１０は、スイッチ２１をオン、スイッチ２２をオフにして、定電流源１１の定電流Ｉ１を出力する。ダイオード５には、可変電流源１０が出力する定電流Ｉ１が順方向電流として流れる。その時のダイオード５に発生する順方向電圧をＶｆ１とする。順方向電圧Ｖｆ１は、ダイオード５に定電流Ｉ１が流れた時の温度に対応した電圧である。

【0025】

次に、可変電流源１０は、スイッチ２１をオフ、スイッチ２２をオンにして、定電流源１２の定電流Ｉ２を出力する。ダイオード５には、可変電流源１０が出力する定電流Ｉ２が順方向電流として流れる。その時のダイオード５に発生する順方向電圧をＶｆ２とする。順方向電圧Ｖｆ２は、ダイオード５に定電流Ｉ２が流れた時の温度に対応した電圧である。

【0026】

ダイオード５に発生する順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２は、アンプ６の非反転入力端子に入力される。定電圧源７が出力する電圧Ｖｂは、アンプ６の反転入力端子に入力される。アンプ６は、順方向電圧Ｖｆ１と電圧Ｖｂの差を増幅率Ａで増幅し、また順方向電圧Ｖｆ２と電圧Ｖｂの差を増幅率Ａで増幅して出力する。温度センサ１は、アンプ６が出力する電圧Ｖｏを出力端子４から出力電圧Ｖｏとして出力する。

【0027】

図２は、本実施形態の温度センサの順方向電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２及び定電圧Ｖｂの温度特性を示すグラフである。
本実施形態では、定電流Ｉ１と定電流Ｉ２の関係がＩ１＞Ｉ２、即ち順方向電圧Ｖｆ１と順方向電圧Ｖｆ２の関係がＶｆ１＞Ｖｆ２とする。そして、順方向電圧Ｖｆ１と順方向電圧Ｖｆ２は、共にダイオード５に発生する順方向電圧であるため温度特性は等しい。
定電圧Ｖｂは、後述する定電圧源７の回路で発生する、順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２と温度特性が同じで、少しだけ低い電圧である。

【0028】

以下に、上述のように構成した温度センサ１の出力電圧Ｖｏから温度を求める方法について説明する。
温度センサ１は、ダイオード５に順方向電流Ｉ１及びＩ２を流した時の順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２と定電圧Ｖｂとの差を増幅率Ａで増幅してそれぞれ出力する。温度は、これらの出力電圧の差分から求めることができる。

【0029】

ダイオードに順方向電流Ｉを流した時の順方向電圧Ｖｆは次式で表される。
Ｖｆ＝（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ／Ｉｓ）…（１）
（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子電荷、Ｉｓは飽和電流）

【0030】

式（１）よりダイオードの順方向電圧Ｖｆは、順方向電流Ｉ１の時をＶｆ１、Ｉ２の時をＶｆ２とすると、次のようになる。
Ｖｆ１＝（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ１／Ｉｓ）…（２）
Ｖｆ２＝（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ２／Ｉｓ）…（３）

【0031】

順方向電圧Ｖｆ１と定電圧Ｖｂとの差、及び順方向電圧Ｖｆ２と定電圧Ｖｂとの差は、それぞれ増幅率Ａのアンプによって増幅される。アンプの出力電圧は、それぞれＶｏ１、Ｖｏ２とすると、次のようになる。
Ｖｏ１＝Ａ＊｛（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ１／Ｉｓ）－Ｖｂ｝…（４）´
Ｖｏ２＝Ａ＊｛（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｉ２／Ｉｓ）－Ｖｂ｝…（５）´

【0032】

順方向電流Ｉ１及びＩ２の比をＮ：１とすると、アンプの出力電圧の差ΔＶｏは、次のようになる。
ΔＶｏ＝Ｖｏ１－Ｖｏ２＝Ａ＊（ｋＴ／ｑ）＊ｌｎ（Ｎ）…（６）

【0033】

式（６）より、アンプの出力電圧の差をとることで、ダイオードの飽和電流Ｉｓの項に加え、定電圧Ｖｂの項も消去できることがわかる。絶対温度Ｔは、次のようになる。
Ｔ＝ｑ＊ΔＶｏ／｛ｋ＊Ａ＊ｌｎ（Ｎ）｝…（７）

【0034】

よって、アンプの出力電圧Ｖｏ１及びＶｏ２を電圧計で測定し、式（７）を用いれば温度を求めることができる。式（７）の両辺を微分すると、温度係数が求められる。
ｄΔＶｏ／ｄＴ＝Ａ＊（ｋ／ｑ) ＊ｌｎ（Ｎ）…（８）

【0035】

ｋ＝１．３８＊１０＾－２３［Ｊ／Ｋ］、ｑ＝１．６０＊１０＾－１９［Ｃ］、Ｎ＝２とすると式（８）は次のようになる。
ｄΔＶｏ／ｄＴ≒Ａ＊６０［ｕＶ／Ｋ］…（９）

【0036】

微小な温度変化、例えば０．１Ｋの温度変化の測定が必要な場合、温度係数は式（９）からＡ＊６［ｕＶ／０．１Ｋ］となる。この時、ＩＣテスタ等の一般的な電圧計で測定可能な電圧変化（温度係数６００ｕＶ／０．１Ｋ）とするために、アンプの増幅率Ａは１００以上に設定する。ここで、ダイオードの順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２がある温度で０．６Ｖ程度の場合、定電圧Ｖｂを０．５９４Ｖに設定すると、増幅率Ａが１００のアンプの出力電圧は、順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２と定電圧Ｖｂとの差０．００６Ｖを増幅しているため０．６Ｖ程度となる。

【0037】

以上説明したように、本実施形態の温度センサは、出力電圧が０．６Ｖ程度でありながらも、微小な温度変化（温度係数６００ｕＶ／０．１Ｋ）を測定することが可能である。従って、後段の測定回路の構成が複雑になることがないため使い勝手が良い、又は検査工程に使用されるＩＣテスタにおいて高性能な電圧計を必要としないため製造コストを低くすることができる。

【0038】

次に、本実施形態の温度センサの定電圧源の回路について説明する。
図３は、本実施形態の温度センサの定電圧源の一例を示す回路図である。
定電圧源７は、定電流源１３とダイオード５０とを備えている。定電流源１３とダイオード５０は、電源端子２と接地端子３との間に直列に接続されている。定電流源１３とダイオード５０との接続点は、定電圧源７の出力端子に接続されている。

【0039】

ダイオード５０の順方向電圧Ｖｆ＿ｒｅｐは、ダイオード５の順方向電圧Ｖｆと同じ温度特性を有する。定電流源１３は、定電圧Ｖｂが順方向電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２よりも少しだけ低い上述した値になるような定電流Ｉ３を出力する。従って、定電圧源７は、順方向電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２よりも少しだけ低く、ダイオード５の順方向電圧Ｖｆと同じ温度特性を有する定電圧Ｖｂを出力する。

【0040】

図４は、本実施形態の温度センサの定電圧源の他の例を示す回路図である。
定電圧源７は、基準電圧源８と電圧変換回路９とを備えている。基準電圧源８は、接地端子３と電圧変換回路９の入力との間に接続されている。基準電圧源８の出力端子は、電圧変換回路９の入力端子に接続されている。電圧変換回路９の出力端子は、定電圧源７の出力端子に接続されている。

【0041】

基準電圧源８は、ダイオード５の順方向電圧Ｖｆと同じ温度特性を有する基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。電圧変換回路９は、基準電圧Ｖｒｅｆを定電圧Ｖｂに変換して出力する。定電圧Ｖｂは、順方向電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２よりも少しだけ低い電圧である。従って、定電圧源７は、順方向電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２よりも少しだけ低く、ダイオード５の順方向電圧Ｖｆと同じ温度特性を有する定電圧Ｖｂを出力する。電圧変換回路９は、例えばボルテージレギュレータやＤＡコンバータなどである。

【0042】

上述のような定電圧源７は、電圧変換回路９を備えるので、定電圧Ｖｂを容易に所望の電圧に調整することができる。

【0043】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施形態以外にも様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え又は変更することができる。

【0044】

例えば、実施形態では感温素子であるダイオードと説明したが、これに限定されるものではなく、ダイオード接続したＰＮＰトランジスタ又はＮＰＮトランジスタ等、ＰＮ接合素子であればよい。また上記例では、ダイオードの順方向電圧Ｖｆを０．６Ｖ程度、ダイオードの順方向電圧Ｖｆと同じ温度特性を有する定電圧Ｖｂを０．５９４Ｖとして説明したが、それぞれ０．６Ｖと０．５９４Ｖに限定されるものではない。また上記例では、可変電流源がダイオードに供給する２つの異なる電流値は、２つに限定されるものではなく、３つ以上の異なる電流値を用いて温度測定を行ってもよい。

【0045】

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0046】

１ 温度センサ
２ 電源端子
３ 接地端子
４ 出力端子
５ ダイオード
６ アンプ
７ 定電圧源
８ 基準電圧源
９ 電圧変換回路
１０ 可変電流源
１１、１２、１３ 定電流源
２１、２２ スイッチ
５０ ダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】