(57)【要約】【課題】任意の1個のダイオードを用いて、出力と絶対温度Ｔとが本質的に直線性であり、少なくとも1つの温度で温度校正ができると共に、極めて単純で安価な広帯域の温度計測装置を提供する。【解決手段】半導体のダイオードと、このダイオードに所定の一定の直流電流Ioを流すようにする定電流回路手段と、このダイオードに所定の微小交流振幅の交流電流ΔIもしくは交流電圧ΔＶを重畳する交流電流もしくは交流電圧重畳回路手段と、この交流電流ΔIもしくは交流電圧ΔＶによるそれぞれに対応するΔVもしくはΔIを計測するΔVもしくはΔI計測回路手段とを備えてあり、Ioの値と、重畳するΔIもしくはΔVの値及び、それぞれに対応する交流出力変化分であるΔVの値もしくはΔＩの値を用いて温度を計測する。重畳する交流電流ΔIもしくは交流電圧ΔＶを一定の直流電流Ioに比例もしくは反比例で関連させると、安定で正確に動作できる。【選択図】  図１
2007316052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体のダイオードと、該ダイオードに所定の一定の直流電流Ioを流すようにする定電流回路手段と、該ダイオードに所定の交流振幅の交流電流ΔIを重畳する交流電流重畳回路手段と、該交流電流ΔIによる上記ダイオードの交流電圧変化分ΔVを計測するΔV計測回路手段とを備え、前記直流電流Io、交流電流ΔI及び交流電圧変化分ΔVの値を用いて温度を計測するようにしたことを特徴とするダイオード温度測定装置。
【請求項２】
半導体のダイオードと、該ダイオードに所定の一定の直流電流Ioを流すようにする定電流回路手段と、該ダイオードに所定の交流振幅の交流電圧ΔVを重畳する交流電圧重畳回路手段と、該交流電圧ΔVによる上記ダイオードの交流電流変化分ΔIを計測するΔI計測回路手段とを備え、前記直流電流Io、交流電圧ΔV及び交流電流変化分ΔIの値を用いて温度を計測するようにしたことを特徴とするダイオード温度測定装置。
【請求項３】
交流電流重畳回路手段による重畳する交流電流ΔIは、定電流回路手段による直流電流Ioに比例するようにした請求項１記載のダイオード温度測定装置。
【請求項４】
交流電圧重畳回路手段による重畳する交流電圧ΔVは、定電流回路手段による直流電流Ioに反比例するようにした請求項２記載のダイオード温度測定装置。
【請求項５】
ダイオードとして、ｐｎ接合ダイオードもしくはショットキバリアダイオードとした請求項１から４のいずれかに記載のダイオード温度測定装置。
【請求項６】
間欠的に直流電流Ioを流し、その直流電流Ioが流れている間に温度計測に必要なデータを取得するようにした請求項１から５のいずれかに記載のダイオード温度測定装置。
【請求項７】
少なくとも既知の1つの温度を利用して温度校正できるようにした請求項１から６のいずれかに記載のダイオード温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は  半導体のｐｎ接合ダイオードまたはショットキダイオードを利用した簡便で直線性の良い広温度範囲の絶対温度を測定する装置に関するもので、例えば、シリコンのｐｎ接合を利用すると、−２００℃から５００℃程度までの広範囲の温度領域で、1つのシリコンのｐｎ接合ダイオードで精度よく、簡便に温度が計測できる安価な温度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、サーミスタを使用して絶対温度を高感度に計測する温度測定装置があった。また、従来、サーモダイオードというｐｎ接合ダイオードに一定の電流を流し、温度Ｔの変化による順方向電圧Ｖｆの変化を計測することにより温度Ｔを計測する方法があった。これは順方向電圧Ｖｆの変化分は、絶対温度に比例するという直線性の良さが特徴であった。また、従来、ＩＣ温度センサと呼ばれ、サーモダイオードの性質を利用して、2個のトランジスタの異なるコレクタ電流を組み合わせて、それらのエミッタ・ベース間電圧の差が絶対温度Ｔに比例するということを利用する温度測定装置があった。
【０００３】
また、本出願人が発明したダイオードに所定の一定順電圧Ｖｆを印加しておき、温度によるダイオードの順方向電流の変化から絶対温度を計測する、極めて高感度で、順電圧Ｖｆを異なる値に設定すれば温度の計測範囲を変えることができて、サーミスタのように温度が計測できる温度センサである、トランジスタサーミスタ（特開平11-287713（特許第3366590号）とダイオードサーミスタ（特開２００１−２６４１７６（特許第3583704号））があった。
【特許文献１】特許第3366590号
【特許文献２】特許第3583704号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サーミスタは、極めて高感度の絶対温度センサであるが、その分、1個のサーミスタの計測できる温度範囲が狭いという問題があった。これに対して本出願人が発明したトランジスタサーミスタやダイオードダイオードサーミスタは、1個のサーミスタで計測できる温度範囲を広げるために開発されたものである。しかし、サーミスタと同様に極めて高感度ではあるが、その分、印加電圧の変動が計測温度誤差にそのまま反映すると共に、サーミスタとして指数関数的な温度依存性を有するために直線性に多少問題があること、また、未知数が2個あるために最低2つの既知の温度で校正をする必要があるということが分かっている。
【０００５】
また、従来のサーモダイオードでは、一定の直流電流Ioを維持するに必要な印加直流順電圧Ｖｆの大きさが、絶対温度Ｔに比例するという関係を使用しているので、温度表示には直流増幅する必要があった。直流増幅はオフセット調整が必要であり、そのため経時変化の問題もあった。また、順方向直流電流Ioを指定しても、ダイオードの逆方向飽和電流Ｉｓと直流順電圧Ｖｆが温度依存性のあり、2つの未知数があることになる。したがって、2つの異なる温度で校正しなければならないという問題があった。
【０００６】
また、トランジスタを用いるＩＣ温度センサでは、2個のトランジスタを用意して、それらのコレクタ電流を2つの異なる値になるようにする必要があった。そして、これらの2個のトランジスタが同一の被計測温度になるように設置する必要があり、更に専用に製作した2個のトランジスタでなければならないという問題があった。
【０００７】
一般に定電流回路手段で一定の直流電流Ioを得るのに、ツェナーダイオードなどを利用した一定の電圧を発生する直流電圧源を用意して、この電源に所定の抵抗値の抵抗器を接続して、このときの流れる電流を一定の直流電流Ioになるようにし、この一定の直流電流Ioが、負荷抵抗などを通るような回路構成にしている。しかし、例えば、ツェナーダイオードの降伏電圧や抵抗器の所定の抵抗値が温度などで変動すると、一定値であるべき直流電流Ioが変動してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、従来の上述の問題を解決するためになされたもので、任意の1個のダイオードを用いて、出力と絶対温度Ｔとが、本質的に絶対零度を通る直線関係、または反比例関係であり、1つの温度で温度校正ができると共に、極めて単純で、かつ安価であり、しかも計測温度範囲が広い温度計測装置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】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わるダイオード温度測定装置は、半導体のダイオードと、このダイオードに所定の一定の直流電流Ioを流すようにする定電流回路手段と、このダイオードに所定の交流振幅の交流電流ΔIを重畳する交流電流重畳回路手段と、この交流電流ΔIによる上記ダイオードの交流電圧変化分ΔVを計測するΔV計測回路手段とを備え、前記直流電流Io、交流電流ΔI及び交流電圧変化分ΔVの値をもちいて温度を計測するようにしたものである。
【００１０】
一般に、ｐｎ接合ダイオードでもショットキバリアダイオードでも、その電流Ｉと順電圧Ｖｆとの関係は、絶対温度Ｔを用いて表現すると、その順電圧Ｖｆに電荷素量ｑを掛けてエネルギーの単位で表示するとき、これが絶対温度Ｔをエネルギーの単位で表示したｋＴに比べて大きいときには、次式のようになる。
【００１１】
【数１】
2007316052.tif 000003
【００１２】
ここで、Ｉｓは飽和電流であり、ｎは理想係数で、半導体の種類などにより異なる。また、ｋはボルツマン定数である。
【００１３】
数式１をＶｆで微分し、その電流の変化分をΔＩとし、電圧Ｖｆの変化分をΔＶとおくと、温度Ｔは、一定直流電流Ｉ＝Ioとして、次式で表すことができる。
【００１４】
【数２】
2007316052.tif 000004
【００１５】
数式２において、例えば、定電流回路手段を用いてIo＝１００μA一定とし、交流電流重畳回路手段によりΔI＝１０μAの交流１kＨｚの一定振幅になるように設定すれば、理想係数ｎは、定数であるので（シリコン半導体であるか、ゲルマニウム半導体であるか、更に、直流電流値Ioの値が定まれば、ほぼ定数値となる）、絶対温度Ｔは、交流出力電圧ΔＶに比例することが分かる。したがって、数式２の右辺のαは定数となる。この場合、交流出力電圧ΔＶはΔV計測回路手段を用いて測定可能であるから、未知数は理想係数ｎだけであり、所定の1つの絶対温度Ｔの下で校正すれば、使用している半導体のダイオードの理想係数ｎが求まり、定数αが決定される。このようにして、数式２を利用すれば、任意の絶対温度Ｔは、交流出力電圧ΔＶに比例し、交流出力電圧ΔＶの計測により、直読できることになる。
【００１６】
本発明の請求項２に係わるダイオード温度測定装置は、半導体のダイオードと、このダイオードに所定の一定の直流電流Ioを流すようにする定電流回路手段と、このダイオードに所定の交流振幅の交流電圧ΔVを重畳する交流電圧重畳回路手段と、この交流電圧ΔVによる上記ダイオードの交流電流変化分ΔIを計測するΔI計測回路手段とを備え、前記直流電流Io、交流電圧ΔV及び交流電流変化分ΔIの値を用いて温度を計測するようにしたものである。
【００１７】
前述の数式２を変形して次のように表すことができる。
【００１８】
【数３】
2007316052.tif 000005
【００１９】
ここで、ΔＶを所定の交流振幅、例えば、１ｋＨｚの正弦波の４ｍＶ一定の振幅になるように交流電圧重畳回路手段により設定し、上述のように理想係数ｎは定数であり、さらに直流電流値Ioの値は、指定した一定値になるようにしてあるので、βは定数となることが分かる。交流電流変化分ΔIを計測するΔI計測回路手段を用いて、交流電流変化分ΔIを計測すれば、数式３を用いて、絶対温度Ｔを求めることができる。重畳する微小交流電圧ΔVは、一定の直流電流Ioを流すのに必要な順方向直流電圧Vがダイオードに印加されており、この順方向直流電圧Vに重畳されることになる。
【００２０】
本発明によれば、未知数は定数である理想係数ｎだけであり、1つの温度Ｔの下で所定の直流電流Ioと交流電圧ΔVでの設定で、交流電流変化分ΔIを計測して定数βを決定できる。数式３から絶対温度Ｔは、出力される交流電流変化分ΔIの逆数で表示されることになる。
【００２１】
また、本発明の請求項３に係わるダイオード温度測定装置は、交流電流重畳回路手段による重畳する交流電流ΔIは、定電流回路手段による直流電流Ioに比例するようにした場合である。周囲温度の変動や定電流回路手段に用いる電源電圧の変動などで、所定の直流電流Ioに変動をきたした場合、または、交流電流重畳回路手段による重畳する交流電流ΔIが何らかの原因で変動した場合、数式２の利用した測定する絶対温度Tに誤差が生じることになる。しかし、本発明のように、重畳する交流電流ΔIが直流電流Ioに比例するように関連付けて、交流電流重畳回路手段を構成しておけば、直流電流Ioや交流電流ΔIが変動しても、それぞれ独立に変動できず比例関係にあるので、数式２のIo/ΔIの項が一定値になる。したがって、例えば、直流電流Ioが小さくなれば、重畳する交流電流ΔIもその分小さくなるので、数式２のIo/ΔIの項が一定値になり、直流電流Ioの変動による計測する絶対温度Tの誤差が打ち消されて正確な絶対温度Tを計測できることになる。もちろん、直流電流Ioが大きくなってしまっても、同様に正確な絶対温度Tを計測できる。
【００２２】
定電流回路手段による直流電流Ioの抵抗による公知の分流回路を構成して、容易に重畳する交流電流ΔIを直流電流Ioに比例するようにすることができる。この回路を交流電流重畳回路手段の中に搭載しておけば、定電流回路手段による直流電流Ioに比例するような重畳する交流電流ΔIを得ることができる。
【００２３】
定電流回路手段による直流電流Ioを抵抗で分流しておき、これをアナログスイッチなどでオン・オフして、例えば、１ｋHzの矩形波形にして、重畳する微小な交流電流ΔIとして、利用することができる。もちろん、アナログスイッチなどで分流抵抗を接続させたり、非接続状態にするなどして、直流電流Io成分自体を微小変化させることにより、等価的に重畳する交流電流ΔIを作るようにしてもよい。
【００２４】
また、定電流回路手段による直流電流Ioを作るための直流電源電圧を利用して、これを抵抗分割するなどして重畳する交流電流ΔIを作っても、直流電流Ioに比例する重畳する交流電流ΔIを容易に得ることもできる。
【００２５】
本発明の請求項４に係わるダイオード温度測定装置は、交流電圧重畳回路手段による重畳する交流電圧ΔVは、定電流回路手段による直流電流Ioに反比例するようにした場合である。上述の本発明の請求項３に係わるダイオード温度測定装置の場合と同様に、周囲温度の変動や定電流回路手段に用いる電源電圧の変動などで、所定の直流電流Ioに変動をきたした場合、または、交流電圧重畳回路手段による重畳する交流電圧ΔVが何らかの原因で変動した場合、数式３の利用した測定する絶対温度Tに誤差が生じることになる。しかし、本発明のように、重畳する交流電圧ΔVが直流電流Ioに反比例するように関連付けて、交流電圧重畳回路手段を構成しておけば、直流電流Ioや交流電圧ΔVが変動しても、それぞれ独立に変動できず反比例関係にあるので、数式３のIo・ΔVの項が一定値になる。したがって、例えば、直流電流Ioが小さくなれば、重畳する交流電圧ΔVもその分大きくなるので、数式３のIo・ΔV の項が一定値になり、直流電流Ioの変動による計測する絶対温度Tの誤差が補償されて正確な絶対温度Tを計測できることになる。もちろん、直流電流Ioが大きくなってしまっても、同様に正確な絶対温度Tを計測できる。
【００２６】
定電流回路手段による直流電流Ioを、例えば、所定の抵抗器に流して、その電圧降下分を取り出し、この電圧を抵抗分割などで所望のバイアス電圧にして、トランジスタのエミッタ・ベース間に加えると、動作点におけるコレクタ電圧を抵抗分割して所定の重畳する交流電圧ΔVを作成するようにしておくと、公知の負荷直線を考えれば分かるように、例えば、直流電流Ioが大きくなると、エミッタ・ベース間に加わるバイアス電圧が大きくなり、動作点におけるコレクタ電圧は小さくなる。このように、定電流回路手段による直流電流Ioの微小変動に対して、重畳する交流電圧ΔVは直流電流Ioに反比例するような回路を構成することができる。もちろん、直流電流Ioに反比例するような出力電圧を発生するような公知の回路を用いて、直流電流Ioに反比例する交流電圧ΔVを作成することができる。このような直流電流Ioに反比例する交流電圧ΔVを発生する回路を、交流電圧重畳回路手段に搭載しておくことにより、数式３のIo・ΔV の項が一定値になるようにすることができる。
【００２７】
また、本発明の請求項５に係わるダイオード温度測定装置は、ダイオードとして、ｐｎ接合ダイオードもしくはショットキバリアダイオードとした場合である。
【００２８】
ダイオードとして、シリコン（Ｓｉ）半導体以外にも種々の半導体、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンドなどが使用できる。特に、ｐｎ接合が困難な半導体では、ショットキバリアダイオードとして使用すると良い。また、エネルギーギャップが大きい、炭化珪素（ＳｉＣ）やダイヤモンドなどの半導体を用いたダイオードを使用すると、500℃以上の高温での温度測定ができる。
【００２９】
ダイオードとして、シリコン（Ｓｉ）半導体を用いたショットキバリアダイオードであった場合、本願発明のショットキバリアダイオードの障壁が高い方が高温の測定まで可能になるので、障壁が大きくなるように作成したショットキバリアダイオードの方が良い。このためには、高濃度ｎ型Siを用いた方が、フェルミエネルギーEfがｎ型Siの伝導帯に近づく、または、縮退した場合には伝導帯の中に入り込むので、ショットキバリアダイオードの障壁を大きくさせることができる。更に、ショットキバリアダイオードのショットキ金属は、仕事関数が大きい方が一層、障壁を大きくさせることができるので、白金（Pt）などの仕事関数が大きい金属を利用すると良い。
【００３０】
縮退した高い不純物濃度のｎ型Siを用いたショットキバリアダイオードでは、空乏層の幅が小さくなるので、トンネル電流が流れやすく、本発明の主旨である温度による障壁を越えて流れる拡散電流を主体とする電流以外の電流が寄与することになり、前述の数式２１、数式２および数式３が成立しないことになる。このためには、トンネル電流が流れ難いように、空乏層幅が広くなるようにする必要がある。例えば、仕事関数が大きい白金（または、白金シリサイドなど）との接触によるショットキバリアダイオードでは、縮退した高い不純物濃度のｎ型Si半導体チップの表面付近（例えば、表面から数百ナノメートル以内）の不純物濃度を少なくし、表面から深くなるにつれて高濃度になるような不純物分布にすると、表面付近では空乏層幅が広がるので、トンネル電流成分を無視できるほど小さくさせることができる。
【００３１】
また、本発明の請求項６に係わるダイオード温度測定装置は、間欠的に直流電流Ioを流し、その直流電流Ioが流れている間に温度計測に必要なデータを取得するようにした場合である。
【００３２】
本発明によれば、所定の大きさの直流電流Ioを、例えば１秒間に１回の割合で、０．１秒間だけ流して繰り返すようにする（繰り返しの矩形パルス状に流す）、１０ｋＨｚの微小の一定振幅の交流電圧ΔＶか、もしくは交流電流ΔＩを重畳するようにすれば、消費電力を低減させることができる。更に、印加する直流電流Ioに同期して、重畳する交流電圧ΔＶもしくは交流電流ΔＩも矩形パルス状に、その期間だけ発生させるようにすれば、その分、更に消費電力も低減できるので、電源である電池の節約になる。
【００３３】
また、本発明の請求項７に係わるダイオード温度測定装置は、少なくとも既知の1つの温度を利用して温度校正できるようにした場合である。シリコン（Si）半導体を用いた場合は、その不純物濃度にもよるが、例えば、−２００℃程度から１５０℃程度までは、ｐｎ接合ダイオードまたはショットキバリアダイオードのそれぞれに対して同一の理想係数ｎの値を使用することができる。そして、150℃から500℃程度までは、理想係数ｎをその範囲で求めておき、更に必要に応じて、直流電流Ioの値も変更しておくと良い。このような温度範囲では、それに適した理想係数ｎや直流電流Ioの値を使用するように、切り替えて計測するようにすると誤差が少なくて済む。また、同一のダイオードで、直流電流Ioの大きさが極端に変化させたとき（室温付近では、電流値が５桁程度の変化まで直線性がよいが、この範囲を超えたとき）には、理想係数ｎの値を校正して使用する必要がある。
【００３４】
理想係数ｎの値は、半導体の種類や印加電圧範囲により異なり、最初からそのダイオードのｎの値が分っているならば、数式２のαまたは数式３のβを構成している他の係数は、すべて指定値かまたは定数であるので、１つの絶対温度Ｔの下での校正も必要がなく、出力から直読できるが、実際は温度精度などの心配がある。そこで、本発明のように、1つの絶対温度Ｔの下で所定の直流電流Ioと交流電圧ΔVでの設定で、交流電流変化分ΔIを計測して、定数αや定数βを決定しておくという、少なくとも1つの絶対温度Ｔの下で校正が高精度のダイオード温度測定装置には、適当であると思われる。
【００３５】
直流電流Ioや重畳する交流電圧ΔVまたは交流電流ΔＩの大きさは、ダイオードを形成する半導体の種類や温度領域、更に測定精度などにより、適宜、設定すると良い。
【発明の効果】
【００３６】
以上のように、本発明によれば、任意の1個のダイオードで、例えば、市販のシリコンのｐｎ接合ダイオードを使用すると、例えば、−２００℃程度から１５０℃程度、１５０℃程度から５００℃程度までという広範囲の温度計測ができると共に、それぞれの領域では、その領域の１つの温度で校正すれば良いという、直線性の良い簡便なダイオード温度測定装置が提供できると言う利点がある。  
【００３７】
理想係数ｎの値は、半導体の種類により異なり、最初からｎの値が分っているならば、他はすべて指定値かまたは定数であるので、１つの絶対温度Ｔの下での校正も必要がなく、出力から直読できるダイオード温度測定装置が提供できるという利点がある。
【００３８】
また、本発明によれば、直流増幅ではなく、交流増幅で済むので、オフセットの問題がなく、測定回路が単純であると共に経時変化なども無視できるダイオード温度測定装置が提供できるという利点がある。
【００３９】
また、ＩＣ温度センサでは、同一のバイアス電圧で異なるコレクタ電流を有するトランジスタを２個用意する必要があり、しかも、同一の被測定温度に晒す必要があるが、本発明によれば、１個のダイオード、例えば、市販の任意の１個のｐｎ接合ダイオードなどを用いて、温度測定することもできると言う利点がある。
【００４０】
また、本発明によれば、一定の直流電流Ioの値を作る定電流回路手段の電源が変動したり、温度変動などにより、一定の直流電流Ioが変化してしまったときに、重畳する交流電流ΔIを直流電流Ioに比例するようにする、または、重畳する交流電圧ΔVを直流電流Ioに反比例するようにすることにより、直流電流Ioの変化を補償することができるので、正しい温度を表示するダイオード温度測定装置を提供できるという利点がある。
【００４１】
重畳する交流電流ΔIや重畳する交流電圧ΔVを正弦波形ばかりでなく、矩形波形にすることができる。特に、矩形波形にした場合には、直流電流をアナログスイッチなどでオン・オフさせて形成したり、クロック信号を用いたりすることができるので、容易に安定な振幅の信号を作成することができるという利点がある。
【００４２】
また、本発明によれば、間欠的に電流を流すようにして温度測定動作ができるので、低消費電力の測定装置が提供できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明のディスプレイ装置の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。  
【実施例１】
【００４４】
図１は、本発明の一定振幅の微小交流電流ΔIをダイオード１に流す一定の直流電流Ioに重畳させて、このときのダイオード１に発生する交流電圧変化分ΔVを計測して、絶対温度Tを計測するようにしたダイオード温度測定装置を構成するための一実施例のブロック図を示している。この場合、数式２に示すように、絶対温度Tは、ダイオード１に発生する交流電圧変化分ΔVに比例することになり、絶対温度Tと交流電圧変化分ΔVとの特性は、絶対零度を通る直線になるはずである。実験によると、シリコンのｐｎ接合ダイオードを用いた場合、ほぼ、液体窒素温度である７７K（約−２００℃）付近から４５０Kまで、ショットキダイオードでも７７K付近から４００Kまで、絶対零度を通る直線となることが確認されている。
【００４５】
図１において、例えば、ダイオード１として、シリコン（Ｓｉ）のｐｎ接合ダイオードを利用し、このダイオード１に定電流回路手段により、例えば一定の直流電流Io＝１００μＡの電流を流すようにしている。本実施例では、直流電源２を介して直流電流Ioが流れるような構成にしている。必要に応じて、直流電源２は、定電流回路手段の中に組み入れても良い。更に、例えば、交流電流重畳回路手段により、ピークとピーク間の振幅が一定である微小交流電流ΔI＝１０μＡの電流が直流電流Ioに重畳されるようにしている。このとき、交流周波数は、１ｋＨｚから１０ｋＨｚ程度にしておくとＯＰアンプなどの増幅器を用いたときに計測しやすい。微小交流電流ΔIを重畳しているので、これに対応して、微小交流電圧ΔＶがダイオード１に発生する。この交流電圧ΔＶをＯＰアンプなどで増幅すると良い。また、実際には、図１に示すように演算回路や温度表示部を備えた方が実用的で、この出力の交流電圧ΔＶと、設定した直流電流Ioの値と交流電流ΔIの値などを利用して演算回路で温度などに変換して、温度表示部で表示する。
【００４６】
また、周囲温度の変動や定電流回路手段に用いる電源電圧の変動などで、所定の直流電流Ioに変動をきたした場合、または、交流電流重畳回路手段による重畳する交流電流ΔIが何らかの原因で変動した場合、重畳する交流電流ΔIが直流電流Ioに比例するように関連付けて、交流電流重畳回路手段を構成しておけば、直流電流Ioや交流電流ΔIが変動しても、それぞれ独立に変動できず比例関係にあるので、数式２のIo/ΔIの項が一定値になる。図1において、交流電流重畳回路手段の中に、定電流回路手段による直流電流Ioの抵抗による公知の分流回路を構成して、容易に交流電流ΔIを直流電流Ioに比例するようにする回路を搭載しておくことにより達成できる。
【実施例２】
【００４７】
図２は、本発明のダイオード温度測定装置であり、ダイオード１に印加される直流電圧に一定振幅の微小交流電圧ΔＶを重畳させて、このときの交流電流変化分ΔＩを計測するようにしたダイオード温度測定装置を構成するための一実施例のブロック図であり、交流電圧重畳回路手段による重畳する交流電圧ΔVと定電流回路手段による直流電流Ioとが、独立に形成された場合である。図１に示した場合との違いは、重畳する微小交流信号が、図１では微小交流電流ΔIであるのに対し、図２では微小交流電圧ΔＶに変更したことによる回路構成の変更だけである。従って、重畳する既知（設定）の微小交流信号として、ΔＩとするか、それともΔＶにするか、だけの違いであり、温度測定原理はほぼ同一である。ただし、一定振幅の微小交流電圧ΔＶを既知として重畳した場合、交流出力は、ΔＩに比例するが、絶対温度Ｔは、数式３のようにΔＩの逆数に比例することになる。また、この場合、ダイオードの順方向の電流Ｉと電圧Ｖｆとの関係から、一定振幅の微小交流電流ΔＩを既知として重畳した場合に比べて、温度感度が大きいダイオード温度測定装置が達成される。
【００４８】
図３は、本発明の一定振幅の微小交流電圧ΔＶを重畳させて、このときの交流電流変化分ΔＩを計測するようにしたダイオード温度測定装置を構成するための他の一実施例のブロック図であり、交流電圧重畳回路手段による重畳する交流電圧ΔVを、定電流回路手段による直流電流Ioと関連させて、直流電流Ioに反比例するようにする回路を、交流電圧重畳回路手段に搭載させた場合である。これにより、周囲温度の変動や定電流回路手段に用いる電源電圧の変動などで、所定の直流電流Ioに変動をきたした場合、または、交流電圧重畳回路手段による重畳する交流電圧ΔVが何らかの原因で変動した場合、重畳する交流電圧ΔVが直流電流Ioに反比例するように関連付けて、交流電圧重畳回路手段を構成しておけば、直流電流Ioや交流電圧ΔVが変動しても、それぞれ独立に変動できず反比例関係にあるので、数式３のIo・ΔVの項が一定値になることを利用する。したがって、例えば、直流電流Ioが小さくなれば、重畳する交流電圧ΔVもその分大きくなるので、数式３のIo・ΔV の項が一定値になり、直流電流Ioの変動による計測する絶対温度Tの誤差を補償して正確な絶対温度Tを計測できるようにしている。
【実施例３】
【００４９】
図４には、本発明のダイオード温度測定装置において、間欠的に直流電流Ioを流し、その直流電流Ioが流れている間に温度計測に必要なデータを取得するようにした場合の一実施例の直流電流Ioのタイミングチャートと、所定の一定振幅の重畳する交流信号である交流電圧ΔVまたは交流電流ΔIのタイミングチャートを示したものである。
【００５０】
間欠的な直流電流Ioとして、例えば、１秒間に１回の割合で０．１秒間の一定振幅（直流成分）の電流Ioを繰り返し流すようにしている。このように矩形パルス状の間欠的な直流電流Ioを流し、この矩形パルス状の電流Ioが流れている間だけ、同期して交流電圧ΔVまたは交流電流ΔIを発生させて、これらをそれぞれ重畳できるようにした様子を図４に時間経過と共に示している。このようにすることにより、電力消費が少なくて済むので、電池の浪費が少なく、携帯用の温度測定装置として長時間使用可能になる。重畳する交流電圧ΔVまたは交流電流ΔIの周波数は、例えば、増幅器として安価なＯＰアンプを用いて良いし、そのＯＰアンプの安定な周波数帯を選ぶ方が良く、例えば、１−２０ｋＨｚ程度が好適である。
【００５１】
上述のように、間欠的な直流電流Ioとして、矩形パルス状の電流Ioを流すが、もちろん、重畳する交流電圧ΔVや交流電流ΔIを発生する発振器は、常に動作させておき、矩形パルス状の電流Ioと同期させて、その電流Ioが流れている期間の交流電圧変化分ΔＶや交流電流変化分ΔIを増幅しても良い。
【００５２】
また、上述した実施例は、一実施例であり、本願発明の主旨、作用、効果が同一の各種の変形がありえることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のダイオード温度測定装置は、特別のダイオードを製作する必要がなく、市販の１個のシリコンダイオードでも利用でき、更に、直流増幅を使用する従来の温度センサとは異なり、交流増幅で達成されオフセットの問題がないから、回路構成が極めて単純であり、安価なダイオード温度測定装置となる。また、本来、特定の既知のダイオードを用いると、その理想係数ｎが分っているので、特別に温度校正する必要がないが、任意のダイオードを用いた場合には、１つの絶対温度の下で校正すれば足りる。また、１つのダイオードで広範囲の温度の計測が可能であり、安価で高精度の温度測定装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のダイオード温度測定装置で、一定振幅の微小交流電流ΔIを重畳させて、交流電圧変化分ΔVを計測するようにした場合の一実施例のブロック図である。（実施例１）
【図２】本発明のダイオード温度測定装置で、一定振幅の微小交流電圧ΔＶを重畳させて、交流電流変化分ΔＩを計測するようにした場合の一実施例のブロック図である。（実施例２）
【図３】本発明のダイオード温度測定装置で、一定の直流電流Ioに反比例するような一定振幅の微小交流電圧ΔＶを重畳させる回路を交流電圧重畳回路手段に搭載して、交流電流変化分ΔＩを計測するようにした場合の一実施例のブロック図である。（実施例２）
【図４】本発明のダイオード温度測定装置で、間欠的に直流電流Ioを流し、その直流電流Ioが流れている間に温度計測に必要なデータを取得するようにした場合の一実施例であり、この直流電流Ioと、重畳する交流電圧ΔVまたは交流電流ΔIのタイミングチャートを示している。（実施例３）
【符号の説明】
【００５５】
１  ダイオード
２  直流電源
【図２】
2007316052.tif 000006
【図３】
2007316052.tif 000007
【図１】
2007316052.tif 000008
【図４】
2007316052.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月3日(2007.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
数式２において、例えば、定電流回路手段を用いてIo＝１００μA一定とし、交流電流重畳回路手段によりΔI＝１０μAの交流１kＨｚの一定振幅になるように設定すれば、理想係数ｎは、定数であるので（シリコン半導体であるか、ゲルマニウム半導体であるか、更に、直流電流値Ioの値が定まれば、ほぼ定数値となる）、絶対温度Ｔは、交流出力電圧ΔＶに比例することが分かる。したがって、数式２の右辺のαは定数となり、Io＝１００μA付近において、ダイオードの温度Ｔを求める場合の交流出力電圧ΔＶ依存性の傾きを表す。この場合、交流出力電圧ΔＶはΔV計測回路手段を用いて測定可能であるから、未知数は理想係数ｎだけであり、所定の1つの絶対温度Ｔの下で校正すれば、使用している半導体のダイオードの理想係数ｎが求まり、定数αが決定される。このようにして、数式２を利用すれば、任意の絶対温度Ｔは、交流出力電圧ΔＶに比例し、交流出力電圧ΔＶの計測により、直読できることになる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
定電流回路手段による直流電流Ioを抵抗で分流しておき、これをアナログスイッチなどでオン・オフして、例えば、１ｋHzの矩形波形にして、重畳する交流電流ΔIとして、利用することができる。もちろん、アナログスイッチなどで分流抵抗を接続させたり、非接続状態にするなどして、直流電流Io成分自体を変化させることにより、等価的に重畳する交流電流ΔIを作るようにしてもよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
本発明によれば、所定の大きさの直流電流Ioを、例えば１秒間に１回の割合で、０．１秒間だけ流して繰り返すようにする（繰り返しの矩形パルス状に流す）、１０ｋＨｚの一定振幅の交流電圧ΔＶか、もしくは交流電流ΔＩを重畳するようにすれば、消費電力を低減させることができる。更に、印加する直流電流Ioに同期して、重畳する交流電圧ΔＶもしくは交流電流ΔＩも矩形パルス状に、その期間だけ発生させるようにすれば、その分、更に消費電力も低減できるので、電源である電池の節約になる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
直流電流Ioや重畳する交流電圧ΔVまたは交流電流ΔＩの大きさは、ダイオードを形成する半導体の種類や温度領域、更に測定精度などにより、適宜、設定すると良い。また、交流電圧ΔVまたは交流電流ΔＩは、実際には、交流信号であれば良く、必ずしも直流電流Ioに比べて微小信号である必要はない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
図１は、本発明の一定振幅の微小交流電流ΔIをダイオード１に流す一定の直流電流Ioに重畳させて、このときのダイオード１に発生する交流電圧変化分ΔVを計測して、絶対温度Tを計測するようにしたダイオード温度測定装置を構成するための一実施例のブロック図を示している。この場合、数式２に示すように、絶対温度Tは、ダイオード１に発生する交流電圧変化分ΔVに比例することになり、絶対温度Tと交流電圧変化分ΔVとの特性は、絶対零度を通る直線になるはずである。実験によると、シリコンのｐｎ接合ダイオードを用いた場合、ほぼ、液体窒素温度である７７K（約−２００℃）付近から４５０Kまで、ショットキダイオードでも７７K付近から４００Kまで、絶対零度を通る直線となることが確認されている。また、実際には、一定振幅の交流電流ΔIであれば良く、必ずしも微小交流電流Δである必要はない。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図２は、本発明のダイオード温度測定装置であり、ダイオード１に印加される直流電圧に一定振幅の微小交流電圧ΔＶを重畳させて、このときの交流電流変化分ΔＩを計測するようにしたダイオード温度測定装置を構成するための一実施例のブロック図であり、交流電圧重畳回路手段による重畳する交流電圧ΔVと定電流回路手段による直流電流Ioとが、独立に形成された場合である。図１に示した場合との違いは、重畳する微小交流信号が、図１では微小交流電流ΔIであるのに対し、図２では微小交流電圧ΔＶに変更したことによる回路構成の変更だけである。従って、重畳する既知（設定）の微小交流信号として、ΔＩとするか、それともΔＶにするか、だけの違いであり、温度測定原理はほぼ同一である。ただし、一定振幅の微小交流電圧ΔＶを既知として重畳した場合、交流出力は、ΔＩに比例するが、絶対温度Ｔは、数式３のようにΔＩの逆数に比例することになる。また、この場合、ダイオードの順方向の電流Ｉと電圧Ｖｆとの関係から、一定振幅の微小交流電流ΔＩを既知として重畳した場合に比べて、温度感度が大きいダイオード温度測定装置が達成される。なお、上述では、傾きの意味で分かりやすいために微小交流信号を重畳する形で説明したが、必ずしも微小な交流信号である必要はない。
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月18日(2007.9.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
従来、サーミスタを使用して絶対温度を高感度に計測する温度測定装置があった。また、従来、サーモダイオードというｐｎ接合ダイオードに一定の電流を流し、温度Ｔの変化による順方向電圧Ｖｆの変化を計測することにより温度Ｔを計測する方法があった。これは順方向電圧Ｖｆの変化分は、絶対温度に比例するという直線性の良さが特徴であった。また、従来、ＩＣ温度センサと呼ばれ、サーモダイオードの性質を利用して、2個のトランジスタの異なるコレクタ電流を組み合わせ、更に、トランジスタのベースとコレクタを短絡して、トランジスタをダイオードとして扱えるようにしておき、それらのエミッタ・ベース間のpｎ接合ダイオードの電圧の差が絶対温度Ｔに比例するということを利用する温度測定装置があった。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
また、ＩＣ温度センサでは、同一のバイアス電圧で異なるコレクタ電流を有するトランジスタを２個用意する必要があり、しかも、同一の被測定温度に晒す必要があるが、本発明によれば、１個のダイオード、例えば、市販の任意の１個のｐｎ接合ダイオードなどを用いて、温度測定することもできると言う利点がある。なお、ＩＣ温度センサでは、トランジスタのベースとコレクタを短絡しておき、エミッタとベース間のｐｎ接合ダイオードを利用しているが、ダイオードとして、このようにしたエミッタとベース間のｐｎ接合ダイオードでも良い。