(57)【要約】【課題】  人工衛星に搭載される機器各部の温度計測において、省電力化と計測精度の向上を図った多チャンネル化を確立する。【解決手段】  定電流生成部２は、機器各部に配備された温度センサ群から成る温度センサ部４への駆動電流を生成する。温度センサと１対１対応のスイッチから成るアナログマルチプレクス部3a，3bは、外部から供給されるチャンネル設定データに従って切り替わり、駆動電流を一定時間のみ温度センサに供給し、駆動電流が流れることにより発生する温度センサ端子間の電圧を取り出す。アンプ回路５は取り出された電圧を増幅し、A/D変換部６はアンプ回路の出力をデジタル値に変換する。定電流生成部は還流してくる駆動電流の電流値が一定値になるように制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星に搭載された機器各部の温度を計測する温度計測回路において、
前記機器の各部に配備された温度センサへの駆動電流を生成する定電流生成部と、
外部から供給されるチャンネル設定データに従って切り替わり、前記駆動電流を一定時間のみ前記温度センサに供給する温度センサと１対１対応のスイッチから成る第１のアナログマルチプレクス部と、
前記チャンネル設定データに従って切り替わり、前記駆動電流が流れることにより発生する前記温度センサ端子間の電圧を取り出す温度センサと１対１対応のスイッチから成る第２のアナログマルチプレクス部と、
前記取り出された電圧を増幅するアンプ回路と、
前記アンプ回路の出力をデジタル値に変換するA/D変換部とで構成され、
前記定電流生成部は、前記定電流生成部，前記第１のアナログマルチプレクス部および前記温度センサによって形成された電流路により還流してくる前記駆動電流の電流値が一定値になるように制御することを特徴とする温度計測回路。
【請求項２】
前記一定時間は、前記第１のアナログマルチプレクス部のスイッチが閉じた時点から前記駆動電流の過渡現象が終息した後の所定の時点までの時間であることを特徴とする請求項１に記載の温度計測回路。
【請求項３】
前記第１のアナログマルチプレクス部と前記第２のアナログマルチプレクス部がそれぞれ前記温度センサの端子の両側に配備されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度計測回路。
【請求項４】
前記定電流生成部は、外部から供給されるレンジ設定データに基づいて所定の電流値の前記駆動電流を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の温度計測回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度計測回路、特に人工衛星に搭載された機器各部の温度を計測する温度計測回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、機械器具における温度計測は、温度変化に伴い抵抗値が変化する白金抵抗等のセンサを計測箇所に配置し、センサに一定値の電流を印可してセンサ両端の電圧を検出することによって行われることが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、この種のセンサー回路には演算増幅器がよく使用される（例えば、特許文献２参照）。特許文献２記載の技術は、湿度センサに関するものであるが、図５にブロック図で示すように、トランジスタＱ，密閉室のセンサ抵抗Rr，開放室のセンサ抵抗Rs，基準抵抗Ｒを直列に接続し、トランジスタＱを演算増幅器IC1で駆動する。
【０００４】
演算増幅器IC1の一方の入力端子に基準電源電圧Ｖref、他方の入力端子に基準抵抗Ｒの電圧Ｖrefを入力すると、上記直列回路にI=Ｖref/Ｒ=Ｖref/Ｒの定電流が流れる。Rr両端の電圧V1,V2の差分Vrを演算増幅器IC2、Rs両端の電圧V2,V3の差分Vsを演算増幅器IC3で取り出し、更に演算増幅器IC2の出力電圧Vrと演算増幅器IC3の出力電圧Vsの差分を演算増幅器IC4で取り出す出力電圧Voutは、Vout=Vr-Vsとなる。
【０００５】
Vrは温度と電流の関数、Vsは湿度と温度と電流の関数であるから、上式により湿度を検出できることになる。
【０００６】
ところで、人工衛星に搭載される機器は数多くの箇所の温度計測が必要とされる。この種の用途に適応する温度計測技術としては、計測箇所を特定するためのチャネル・ブロック選択指令と、選択されるチャネル・ブロックの温度計測に適する電流値を供給するためのレンジ切替指令とをオンボードで設定することを可能とした技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
図６は、そのブロック図であり、予めインタフェース回路１５を介して、ＣＰＵ回路７にレンジ切替データおよびチャネル・ブロック選択データが設定されている。ＣＰＵ回路７は、設定されたレンジ切替データに基づいて、レンジ切替回路１０にレンジ切替指令を出力し、設定されたチャネル・ブロック選択データに基づいて、切替回路１３にチャネル・ブロック選択指令を出力する。
【０００８】
レンジ切替回路９は、ＣＰＵ回路７からのレンジ切替指令により、レンジの切り替えを行って、定電流源９から出力される電流値をレンジに対応して選択し、選択された値の電流が温度センサ１４に供給される。また、切替回路１３は、ＣＰＵ回路７からのチャネル・ブロック選択指令により、温度センサ１４のチャネルおよびブロックを選択する。
【０００９】
温度センサ１４の選択されたチャネルおよびブロックでの検出信号は、アンプ回路１０において、バイアス回路１２からのバイアス信号により、計測レンジに対応した信号値に設定され、Ａ／Ｄ変換器１１によりＡＤ変換され、得られたデータがＣＰＵ回路７に入力される。
【００１０】
また、内部回路の変更無しに１つの変換回路で複数種、複数個の測温抵抗体、サーミスタ等を切り換え使用しても温度を検出できるようにした技術も知られている（例えば、特許文献４参照）。この温度検出回路は、使用するセンサ種に応じてセンサに供給する電流量を選択的に切り替えるためのアナログマルチプレクサを設けることにより、センサに所要の電流量を流して温度検出を可能とするとともに、定電流を供給するセンサを選択的に切り替えるアナログマルチプレクサと、アナログーデジタル変換器に接続するセンサを選択的に切り替えるアナログマルチプレクサとを設けている。
【００１１】
【特許文献１】特開昭６４−８４１２５（第１頁、図２）
【特許文献２】特開平６−２０１６３０（第１頁、図１）
【特許文献３】特開平１１−３７８０８（第３頁、図１）
【特許文献４】特開平９−２０３６６７（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した特許文献１〜２記載の技術では、計測センサが増加した場合には増幅演算器や定電流源が増加して電力が増加することになるが、人工衛星においては数多くの箇所の温度計測が必要とされにもかかわらず、限られた電力で制御されているため、多チャンネル化が困難になるという第１の問題点がある。
【００１３】
また、特許文献記載１〜４の技術では、センサに常時電流を供給しているので、センサの自己発熱による抵抗値の変動のため計測誤差が生じるという第２の問題点がある。人工衛星の温度計測を行うに当り、計測精度に対する定電流の公差は２％以下であることが要求されている。
【００１４】
特許文献３は、計測条件をオンボードで設定することを目的としているため、電流路に関する詳細な記述が無いので断言できないが、レンジ切替回路９は電流値を選択し、切替回路１３は温度センサ１４の検出信号を切り替えているのであって、電流を短時間だけ流すように切り替えるわけではないので上記問題点があると思われる。そして、特許文献４記載の技術においても、１つの変換回路で複数種、複数個の測温抵抗体、サーミスタ等を切り換え使用しても温度を検出できるように電流量を切り替えるだけでから同様である。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、電力増加を抑制した人工衛星搭載機器の温度計測の多チャンネル化を確立し、更に誤差の低減および計測精度を向上させた温度計測回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の温度計測回路は、人工衛星に搭載された機器各部の温度を計測する温度計測回路において、機器の各部に配備された温度センサ群から成る温度センサ部（図１の４）への駆動電流を生成する定電流生成部（図１の２）と、外部から供給されるチャンネル設定データに従って切り替わり、駆動電流を一定時間のみ温度センサに供給する温度センサと１対１対応のスイッチから成る第１のアナログマルチプレクス部（図１の3a，3bの一部）と、チャンネル設定データに従って切り替わり、駆動電流が流れることにより発生する温度センサ端子間の電圧を取り出す温度センサと１対１対応のスイッチから成る第２のアナログマルチプレクス部（図１の3a，3bの他の一部）と、取り出された電圧を増幅するアンプ回路（図１の５）と、アンプ回路の出力をデジタル値に変換するA/D変換部（図１の６）とで構成され、定電流生成部は、定電流生成部，第１のアナログマルチプレクス部および温度センサによって形成された電流路により還流してくる駆動電流の電流値が一定値になるように制御することを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、上記の一定時間は、第１のアナログマルチプレクス部のスイッチが閉じた時点から駆動電流の過渡現象が終息した後の所定の時点までの時間とされる。
【００１８】
また、好ましくは、第１のアナログマルチプレクス部と第２のアナログマルチプレクス部がそれぞれ温度センサの端子の両側に配備される。
【００１９】
また、好ましくは、定電流生成部は、外部から供給されるレンジ設定データに基づいて所定の電流値の駆動電流を生成する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、温度センサ，アナログスイッチを含む閉ループの駆動電流路を構成にすることにより、温度センサの駆動電流の変動を連続的に加減して相殺することができるため、駆動電流が一定の電流値に安定までの時間を短縮できるので、温度センサへの駆動電流供給時間も短縮でき、消費電力を低減できると共に、温度センサの自己発熱による影響を受けないで高精度な温度計測が可能になるという第１の効果が得られる。
【００２１】
また、チャンネル設定データによりアナログマルチプレクサのスイッチを切り替えて所望の温度センサを選択して駆動電流を供給し、またレンジ設定データにより駆動電流の電流値を温度センサの属性に適合するように設定するため、計測すべき機器の箇所が増加した場合でも、アナログスイッチの増加だけで対応できるという第２の効果も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の温度計測回路のブロック図である。この温度計測回路は、定電圧生成部１，定電流生成部２，２つのアナログマルチプレクス部3aと3b，温度センサ部４，アンプ回路部５およびA/D変換部６で構成されており、人工衛星に搭載される機器各部の温度を正確に計測できる。
【００２３】
機器の多くの箇所（チャンネルという）の温度を計測するために、その箇所を指定するために外部からチャンネル設定データ、そしてチャンネル設定データに対応するレンジ設定データが供給されている。チャンネル設定データとレンジ設定データとは、Ｎ対１（Ｎは複数）の関係にある。チャンネル設定データは、温度センサ部４のセンサ抵抗に短時間だけ電流を流すように機能する。定電流生成部２は、これを可能とするように短時間で駆動電流の電流値を一定の値になるように安定化する。
【００２４】
定電圧生成部１は、公知の技術であり、宇宙環境下でも±5mV以下の精度の安定した基準電圧Ｖrefを生成し、定電流生成部２に供給する。定電流生成部２は、基準電圧Ｖrefに基づいてレンジ設定データに従った駆動電流Ｉcを生成する。駆動電流Ｉcはアナログマルチプレクス部3a，温度センサ部４，アナログマルチプレクサ部3bを流れて定電流生成部２に還流する。このフィードバックにより、定電流生成部２は短時間で電流値を一定の値になるように駆動電流Ｉcを制御する。
【００２５】
アナログマルチプレクス部3aおよび3bは、チャンネル設定データに従い、一定時間のみ電流を供給するスイッチである。このスイッチがＯＮ、すなわち電流を供給している間、アンプ回路部５が温度センサ部４にあるセンサ抵抗の両端電圧を検出し、A/D変換部６にてデジタル値に変換する。これにより、人工衛星に搭載される機器において、温度センサ部４にあるセンサ抵抗が置かれている箇所の温度を計測できる。
【実施例１】
【００２６】
図２は、本発明の温度計測回路の一実施例を示すブロック図であり、図１におけるアナログマルチプレクス部3a,3bと、温度センサ部４の詳細を示している。この例は、１６チャンネルに対応するものであって、温度センサ部４はチャンネル対応の１６個の温度センサS0〜S15で構成され、温度センサS0〜S15は温度を計測したい機器の部位に設置される。
【００２７】
アナログマルチプレクス部3aは、温度センサS0〜S15の一方の端子電圧をアンプ回路５へ導く１６個のスイッチから成るスイッチ群3a-1と、定電流生成部２からの電流Ｉcを温度センサS0〜S15の一方の端子ヘ導く１６個のスイッチから成るスイッチ群3a-2とで構成されている。同様に、アナログマルチプレクス部3bは、温度センサS0〜S15の他方の端子電圧をアンプ回路５へ導く１６個のスイッチから成るスイッチ群3b-1と、定電流生成部２からの電流Ｉcを温度センサS0〜S15の他方の端子ヘ導く１６個のスイッチから成るスイッチ群3b-2とで構成されている。
【００２８】
このような構成により、チャンネル数を増やしても定電圧生成部１，定電流生成部２，アンプ回路部５およびA/D変換部６は、１チャンネル時と変わることはない。
【００２９】
アナログマルチプレクス部3aおよび3bはチャンネル設定データに従い、温度センサS0〜S15の内の１チャンネルを選択する。スイッチ群3a-1，3a-2，3b-1,3b-2のそれぞれは、チャンネル設定データがSEL部に入力され、そのデータによってＸ（スイッチの共通部分）とI0〜I15（スイッチの個別部分）を接続する。例えば、温度センサS0を検出する場合は、スイッチ群3a-1，3a-2，3b-1,3b-2のそれぞれの端子I0と端子Ｘを接続することになる。
【００３０】
定電流生成部２で生成される駆動電流Ｉcは、定電流生成部２→スイッチ群3a-2の端子I0→温度センサS0→スイッチ群3b-2の端子I0→定電流生成部２という形成された電流路を流れる。駆動電流Ｉcが流れ込む温度センサS0の端子は、スイッチ群3a-1の端子I0、従ってスイッチ群3a-1の端子Ｘを介してアンプ回路５にも接続されているが、アンプ回路部５の入力インピーダンスは高いため、駆動電流Ｉcがアンプ回路部５に流れ込むことはない。また、駆動電流Ｉcが流れ出す温度センサS0の端子は、スイッチ群3b-1のI0、従ってスイッチ群3b-1の端子Ｘを介してアンプ回路５にも接続されているが、アンプ回路部５の入力インピーダンスは高いため、駆動電流Ｉcがアンプ回路部５に流れ込むことはない。
【００３１】
上述のように駆動電流Ｉcが温度センサS0に流れることによって、温度センサS0に電位差が生じ、温度センサS0に流れ込む側の電圧をVH0、温度センサS0から流れ出す側の電圧をVR0とすると、その差分VD＝VH0-VR0を温度センサS0の電圧値としてアンプ回路部５が検出する。アンプ回路部５にて検出された計測データは、A/D変換部６にてデジタル値に変換される。
【００３２】
図３は、１チャンネルの温度センサに対する本温度計測回路の電流系を定電流生成部２の詳細と共に示す。図３において、定電流生成部２は、シリーズレギュレータ回路であり、トランジスタＱ，演算増幅器OP、２つの発振防止用コンデンサＣ1,Ｃ2，５つの抵抗Ｒ1〜Ｒ5で構成されている。
【００３３】
定電流生成部２は、定電圧生成部１から供給される基準電圧Ｖrefと、アナログマルチプレクス部3a，温度センサ部４，アナログマルチプレクス部3bを経由して還流してくる駆動電流を検出し、駆動電流の変化を連続的に加減して相殺することによって、短時間で定電流値の駆動電流Ｉcを生成する。
【００３４】
温度センサに駆動電流Ｉcが流れることによって、温度センサに自己発熱が生じる。この自己発熱を極力抑制することが、計測精度向上に不可欠となる。そのために、アナログマルチプレクス部3aとアナログマルチプレクス部3bを定電流生成部２と温度センサ部４の間に挿入し、接続時間を制御している。そして、定電流生成部２がこれを可能にする。
【００３５】
次に、図３に示す定電流生成部２の設計手法を記載し、希望する定電流値と基準電圧値から、演算増幅器OPに接続される抵抗Ｒ1〜Ｒ3の値R1〜R3を求める。
【００３６】
抵抗Ｒ1，Ｒ2に流れる直流電流をＩ1、定電圧生成部１から入力される基準電圧Ｖrefをマイナス電圧、駆動電流を検出するＲ5の端子に生成されるセンシング電圧をVMとする。
【００３７】
シリーズレギュレータ回路では以下の式が成立する。
Ｉ1＝Ｖref／R1  ・・・・・    （１）
Ｉ1＝VM／R2＝Ｉc×R5/R2  ・・ （２）
1/R3＝1/R1＋1/R2  ・・・・    （３）
いま、Ｉ1＝0.3ｍＡ、VM＝1.00V、Ｉc＝1.35mA、Ｖref＝−8.25Vとする。
【００３８】
（２）式により、R2＝3.32ｋΩ、R5＝740Ωである。Ｉ1は、コンデンサＣ1，演算増幅器OPおよび抵抗Ｒ1に接続されているが、コンデンサＣ1は直流電流を流さず、かつ演算増幅器OPはハイインピーダンスと仮定しており、演算増幅器OPにも電流は流れないことになる。
【００３９】
（１）式によりR1＝27.5ｋΩとなる（理論値）。但し、R1に関しては、アナログマルチプレクサ部のオン抵抗および温度センサを含むインピーダンスを考慮する必要があり、駆動電流Ｉc＝1.35mAの場合、R1＝35.5ｋΩが最適値となる。R1およR2が算出できたことから、（３）式により、R3＝3.01ｋΩとなる。
【００４０】
次に、本回路の動作を説明する。温度センサ部４の温度センサを計測する場合、チャンネル設定データに従い、アナログマルチプレクス部3aにおけるスイッチの端子Ｉと端子Ｘを接続する。同様に、アナログマルチプレクス部3bにおけるスイッチの端子Ｉと端子Ｘを接続する。
【００４１】
スイッチがクローズされることによって、定電流生成部２で生成される駆動電流Ｉcの流れるルートが形成される。定電流生成部２では駆動電流Ｉcが流れ出すことによって、還流してくる電流が変化するが、その変化分を相殺し一定の電流値に制御する。
【００４２】
駆動電流Ｉcは回路に付帯する浮遊容量を充電するので、図４に示すように、定電流生成部２で一定電流値に安定するまでに60μs程度の時間がかかり、その後は、0.2％以下の精度で安定している。定電流値に安定した状態において、アナログマルチプレクス部3aにおけるスイッチの端子Ｘから端子Ｉに電流が流れる。従って、温度センサに向かって駆動電流Ｉcが流れる。
【００４３】
温度センサに流れた駆動電流Ｉcは、そのままアナログマルチプレクス部3bにおけるスイッチの端子Ｉから端子Ｘを経由し、再度、定電流生成部２に流れ込む。従って、アナログマルチプレクス部3bにおけるスイッチを経由して定電流生成部２に流れ込む電流は、定電流生成部２から流れ出した駆動電流Ｉcと同じとなる。
【００４４】
この計測構成の定電流評価波形を図４に示す。図４の縦軸は駆動電流値を表し、単位はmA（ミリアンペア）である。横軸はアナログスイッチ制御設定時間を表し、単位はμs（マイクロ秒）である。40μsにおいて、アナログマルチプレクス部3aおよび3bのスイッチをクローズする。これは、図３において端子Ｘと端子Ｉをショートすることを意味する。この結果、駆動電流Ｉcが流れ始める。
【００４５】
流れ始めた時には、希望の定電流値より大きくなるが、シリーズレギュレータ化した定電流制御により、100μs（アナログスイッチをクローズしてから60μs後）付近で電流値が安定する。170μsにおいて、アナログマルチプレクス部3aおよび3bのスイッチをオープンにする。これは、図３において端子Ｘと端子Ｉをオープンにすることを意味する。このの結果、駆動電流Ｉcが停止する。
【００４６】
温度センサ部４の温度センサ周辺の温度が変化した場合に、チャンネル設定データによって駆動時間を限定しても、定電流公差は0.2％以下であり、計測システムの温度範囲を宇宙環境下に模擬させても、１％以下であることが確認できた。なお、計測誤差は８ビットのA/D変換においても±１LSB分の誤差となる。
【００４７】
以上より、定電流値の安定性、温度センサへの定電流供給時間の短縮が可能となる。同時に、アナログマルチプレクサを使用することにより、電力の増加は無視でき、多チャンネル化への拡張性も保証できる。
【００４８】
以上は、使用する温度センサが１種類の場合に多チャンネル化を実現する例についての説明である。人工衛星で計測する温度範囲は-100℃〜+150℃であり、かつ宇宙環境下での使用可能な温度センサとして白金センサとサーミスタの２種類が考えられる。白金センサは正特性の線形素子（１次関数で表現可能）であり絶対的な温度計測に適している。一方、サーミスタは負特性素子（３次関数以上の多項式で表現可能）であり相対的な温度計測に適しているが、絶対的な温度計測も可能である。絶対的な温度計測にサーミスタを使用する場合は、サーミスタに並列抵抗を挿入して近似的に線形素子に変換する。
【００４９】
このように種類が異なる温度センサを同時に使用する場合、アナログマルチプレクス部3aおよび3bにスイッチを増加するだけで対応すると不都合が生じる。温度センサへの駆動電流を固定にすると、温度センサの端子電圧値が異なってくるので、アンプ回路部５での演算増幅器が増加することになるからである。
【００５０】
この問題を解決するため、定電流生成部２はレンジ設定データに応じて定電流値を変え、アンプ回路部５に入力する温度センサの端子電圧値を同一にする。その結果、アナログスイッチの利用だけで、定電流値を変化させることができ、余分な電力の増加を抑制できる。追加部品はアナログスイッチだけであり、電力増加のない、数種類、多（複数）チャンネルの温度センサを使用した温度計測が可能となる。同時に計測誤差の低減も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の温度計測回路のブロック図
【図２】本発明の温度計測回路の一実施例を示すブロック図
【図３】本発明の温度計測回路の電流系を定電流生成部の詳細と共に示す図
【図４】本発明の温度センサに流れる定電流の評価波形を示す図
【図５】従来のセンサ回路の一例を示すブロック図
【図６】従来のセンサ回路の他の例を示すブロック図
【符号の説明】
【００５２】
１        定電圧生成部
２        定電流生成部
3a，3b    アナログマルチプレクス部
3a-1      スイッチ群
3a-2      スイッチ群
3b-1      スイッチ群
3b-2      スイッチ群
４        温度センサ部
５        アンプ回路部
６        A/D変換部
Ｑ        トランジスタ
OP        演算増幅器
Ｒ1〜Ｒ5  抵抗
Ｃ1，Ｃ2  コンデンサ
Ｖref     基準電圧
【図１】
2006153606.tif 000003
【図２】
2006153606.tif 000004
【図３】
2006153606.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006153606.tif 000007
【図６】
2006153606.tif 000008