(57)【要約】【課題】検出対象等に応じて任意の周波数・検出範囲で温度検出を行うことができる温度検出回路を提供する。【解決手段】交流電源に接続された共振フィルタ回路と、共振フィルタ回路からの出力と交流電源からの出力との差分を取る差動増幅回路と、差動増幅回路からの出力に基づいて温度を検出する温度検出部とを備え、共振フィルタ回路は、キャパシタとインダクタを含む並列回路であって、キャパシタとインダクタのうちの少なくとも１つは電気特性が可変である。【選択図】図１
2017166981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続された共振フィルタ回路と、
前記共振フィルタ回路からの出力と前記交流電源からの出力との差分を取る差動増幅回路と、
前記差動増幅回路からの出力に基づいて温度を検出する温度検出部とを備え、
前記共振フィルタ回路は、キャパシタとインダクタを含む並列回路であって、前記キャパシタと前記インダクタのうちの少なくとも１つは電気特性が可変であることを特徴とする温度検出回路。
【請求項２】
前記共振フィルタ回路は、前記キャパシタと前記インダクタが並列に配置された回路を２つ備え、これら２つの回路は並列に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の温度検出回路。
【請求項３】
前記共振フィルタ回路の周波数帯域を、温度検出環境における電磁波ノイズの周波数帯域とは異なる周波数帯域に設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスの温度特性変化を利用した温度検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の静電容量式温度センサは、温度にしたがって静電容量が増減する２つのコンデンサを含む静電容量性回路を含むものであり、広い温度範囲にわたって高感度を有する、単純なデザインの温度センサを提供するものとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１５−５０７１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の静電容量式温度センサにおいては、静電容量性回路のコンデンサを構成する電極や誘電体層が基板上に直接形成されるため、各コンデンサの静電容量を動的に変更することができないことから、温度検出範囲が限定的になり、最も鋭敏な反応が得られる周波数を任意に選択することができない、という問題がある。さらに、汎用の安価なデバイスを活用ことができないため、製品コストを抑えることが難しい。また、コンデンサを構成する電極や誘電体層は、フォトリソグラフィやレーザエッチングといった工程によって作製することが必要となるため、製造工程が複雑となるという問題もある。
【０００５】
そこで本発明は、検出対象等に応じて任意の周波数・検出範囲で温度検出を行うことができる温度検出回路を提供することを目的とする。また、本発明は、複雑な製造工程を要さず、汎用のデバイスを利用することによってコストを抑えることができる温度検出回路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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の温度検出回路は、交流電源に接続された共振フィルタ回路と、共振フィルタ回路からの出力と交流電源からの出力との差分を取る差動増幅回路と、差動増幅回路からの出力に基づいて温度を検出する温度検出部とを備え、共振フィルタ回路は、キャパシタとインダクタを含む並列回路であって、キャパシタとインダクタのうちの少なくとも１つは電気特性が可変であることを特徴としている。
これにより、キャパシタの静電容量やインダクタのインダクタンスを動的に変更することが可能となるため、温度検出範囲を任意に設定することができることから、任意の温度範囲で正確な検出を行うことができる。さらに、キャパシタやインダクタとして汎用のデバイスを用いることができるため、コストを低減することが可能となる。また、フォトリソグラフィなどの特別な工程を要しないため、製造工程の複雑化を抑えることができる。
【０００７】
本発明の温度検出回路において、共振フィルタ回路は、キャパシタとインダクタが並列に配置された回路を２つ備え、これら２つの回路は並列に配置されていることが好ましい。
これにより、キャパシタやインダクタの電気特性や共振フィルタ回路の共振周波数の変更や調整が行いやすくなるため、任意の温度検出範囲を設定しやすくなり、より正確な温度検出を行うことができる。
【０００８】
本発明の温度検出回路において、共振フィルタ回路の周波数帯域を、温度検出環境における電磁波ノイズの周波数帯域とは異なる周波数帯域に設定することが好ましい。
これにより、電磁妨害の影響を低減し、温度の検出精度を高めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、任意の周波数・検出範囲で温度検出を行うことができる温度検出回路を提供することができ、また、複雑な製造工程を要さず、汎用のデバイスを利用することによってコストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る温度検出回路の構成を示す図である。
【図２】フィルタ回路からの出力信号の電圧−周波数特性の例を示すグラフである。
【図３】フィルタ回路からの出力信号の最大電圧の温度特性の例を示すグラフである。
【図４】フィルタ回路におけるキャパシタの静電容量の温度特性の例を示すグラフである。
【図５】変形例に係る温度検出回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る温度検出回路について図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は本実施形態に係る温度検出回路の構成を示す図である。本実施形態に係る温度検出回路は、（１）交流電源１１に接続された共振フィルタ回路としてのフィルタ回路Ａ１、（２）フィルタ回路Ａ１からの出力と、フィルタ回路Ａ１を経由しない交流電源１１からの出力と、の差分をとる差動増幅回路Ａ２、および、（３）フィルタ回路Ａ１からの出力と、フィルタ回路Ａ１を経由しない交流電源１１からの出力と、の位相差を出力する位相比較器Ｕ２とからなる。
【００１２】
フィルタ回路Ａ１は、３つの可変キャパシタ２１、２２、２３と、３つのインダクタ３１、３２、３３とからなる。可変キャパシタ２１、２２、２３は、動的に可変な静電容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３をそれぞれ有し、インダクタ３１、３２、３３はインダクタンスＬ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ有する。交流電源１１側から順に、第３キャパシタ２３と第１インダクタ３１は直列に配列され、第３キャパシタ２３の入力側には、互いに並列に配置された第１キャパシタ２１と第２インダクタ３２からなる第１回路Ａ１１が接続され、第１インダクタ３１の出力側には、互いに並列に配置された第２キャパシタ２２と第３インダクタ３３からなる第２回路Ａ１２が接続されており、第１回路Ａ１１と第２回路Ａ１２は互いに並列に配置されている。なお、交流電源１１からの出力電圧はサイン波状であることが好ましい。
【００１３】
可変キャパシタ２１、２２、２３は、温度変化に対する容量の変化が大きいものが好ましく、例えば、汎用の可変容量ダイオード（バラクタダイオード）や誘電体デバイスを用いることができる。バラクタダイオードを用いる場合は、逆方向のバイアス電圧をかけるための回路を設ける。
インダクタ３１、３２、３３は、汎用のコイルを用いることができる。
【００１４】
差動増幅回路Ａ２においては、増幅部Ｕ１の負極入力には、交流電源１１に直接接続され、増幅率を定める２つの抵抗４１、４４が接続され、増幅部Ｕ１の正極入力には、フィルタ回路Ａ１からの出力が２つの抵抗４２、４３を介して接続されている。ここで、第１抵抗４１の抵抗値Ｒ１、第２抵抗４２の抵抗値Ｒ２、第３抵抗４３の抵抗値Ｒ３、および、第４抵抗４４の抵抗値Ｒ４は次式（１）、（２）の関係を有する。
Ｒ１＝Ｒ２      （１）
Ｒ３＝Ｒ４      （２）
また、差動増幅回路Ａ２からの出力電圧Ｖ０、正極入力への入力電圧Ｖ２、及び、交流電源１１の出力電圧Ｖ１との関係は次式（３）のとおりである。
Ｖ０＝Ｒ４／Ｒ１（Ｖ２−Ｖ１）      （３）
以上の構成により、差動増幅回路Ａ２は、図１に示す点Ｐ１と点Ｐ２の差分電圧を増幅して、出力電圧Ｖ０として出力する。
【００１５】
位相比較器Ｕ２は、フィルタ回路Ａ１からの出力と、フィルタ回路Ａ１を経由しない交流電源１１からの出力との位相差を電圧に変換して出力する。
位相比較器Ｕ２からの出力と差動増幅回路Ａ２からの出力は、温度検出部としてのＭＣＵ（マイクロコントローラ）へ出力され、ＭＣＵにおいてＡＮＤ演算される。このＡＮＤ演算によって、フィルタ回路Ａ１からの出力と差動増幅回路Ａ２からの出力との間の位相のずれを除去することができる。
【００１６】
フィルタ回路Ａ１では、温度検出回路が置かれた環境の温度に応じて、通過周波数がシフトし、通過周波数範囲において電圧がピークとなる共振周波数が変化する。また、温度に応じて、可変キャパシタ２１、２２、２３の容量を変化させることができ、これによって通過周波数範囲をシフトさせて容量検出精度を調整することができるため、検出の対象や環境などに応じて任意の周波数範囲を選んで温度検出の精度を調整することができる。
【００１７】
図２〜図４を参照して、図１に示す温度検出回路を用いた温度検出の例について説明する。図２は、フィルタ回路Ａ１からの出力信号の電圧−周波数特性の例を示すグラフである。図３は、フィルタ回路Ａ１からの出力信号の最大電圧の温度特性の例を示すグラフである。図４は、フィルタ回路Ａ１におけるキャパシタの静電容量の温度特性の例を示すグラフである。
ここでは、図１にフィルタ回路Ａ１を、通過周波数が０．９〜１．１ＭＨｚのバンドパスフィルタ共振回路であると仮定する。フィルタ回路Ａ１は、その構成によりバタワース特性を有するため、図２に示すように、カットオフ周波数の範囲で出力がフラットとなる。
なお、フィルタ回路Ａ１を、電圧−周波数特性が急峻な形状となるバンドパスフィルタ共振回路として構成すれば、もっと狭い周波数範囲、例えば０．９９〜１．０１ＭＨｚなどにすることも可能である。電圧−周波数特性が急峻な形状のバンドパスフィルタは、一般的にはフィルタの段数を増やことによって得ることができ、図１に示す例では、フィルタ回路Ａ１の数（段数）を増やすことによって得ることができる。
【００１８】
また、フィルタ回路Ａ１における、キャパシタ２１〜２３の静電容量Ｃ１〜Ｃ３、および、インダクタ３１〜３３のインダクタンスＬ１〜Ｌ３が温度上昇にともなって値が増加する特性を有すると仮定する。さらにまた、交流電源１１の出力電圧が１ＭＨｚの周波数で０〜１Ｖであると仮定する。
【００１９】
一般的に、直列共振回路の共振周波数の式は以下（４）で表せる。
ｆ＝１／（２π（ＬＣ）１／２）      （４）
このため、温度上昇にしたがって直列共振回路における静電容量やインダクタンスが増加した場合、共振周波数ｆは低くなる。
【００２０】
このような特性は、図１に示すフィルタ回路Ａ１でも同様である。図２に示すように、温度ＴがＴ＋ΔＴ（ΔＴは正数）に上昇した場合、温度Ｔのときのフィルタ回路Ａ１からの出力信号（破線Ｌ１０）のうち、フィルタ回路Ａ１による通過周波数範囲ｆ１０が１．１〜１．３ＭＨｚであるのに対して、温度Ｔ＋ΔＴのときの出力信号（実線Ｌ２０）の通過周波数範囲ｆ２０は０．９〜１．１ＭＨｚへシフトし、共振周波数が低下する。この場合に、温度Ｔのとき最大電圧が１Ｖであるとすると、温度Ｔ＋ΔＴのときの最大電圧は「１Ｖ×フィルタの減衰度」となる。すなわち、温度の上昇によって、共振周波数が低くなるとともに、共振周波数に対応する最大電圧がフィルタ回路Ａ１による減衰度にしたがって低下する（図２、図３）。ここで、図３は、フィルタ回路Ａ１からの出力信号の通過周波数での電圧を示しており、温度Ｔの場合を点Ｄ１で示し、温度Ｔ＋ΔＴの場合を点Ｄ２で示している。また、フィルタの減衰度（単位：ｄＢ／ｏｃｔまたはｄＢ／ｄｅｃ）は、フィルタ回路Ａ１のキャパシタ２１〜２３の静電容量Ｃ１〜Ｃ３、および、インダクタ３１〜３３のインダクタンスＬ１〜Ｌ３によって定められる。
【００２１】
以上のとおり、温度変化にしたがってフィルタ回路Ａ１からの出力信号における通過周波数と最大電圧が変化する。このため、増幅部Ｕ１に入力される、フィルタ回路Ａ１からの出力信号と交流電源１１からの出力信号との間に位相差と振幅差が生じることから、温度に応じて増幅部Ｕ１からの出力信号が変化する。温度と増幅部Ｕ１からの出力信号の関係は予めテーブル化され、ＭＣＵ内のメモリに保存される。このように温度に対応する増幅部Ｕ１からの出力信号は、ＭＣＵにおいて、位相比較器Ｕ２からの出力とＡＮＤ演算され、その演算結果と上記テーブルに基づいて温度が検出される。
【００２２】
さらに、キャパシタ２１〜２３の静電容量Ｃ１〜Ｃ３が可変であるため、使用する周波数を動的に変更することが可能となり、これにより、温度変化による、通過周波数、共振周波数、および最大電圧の変化が最も大きな、別言すると最も敏感な変化が得られる容量に設定することができる。
【００２３】
フィルタ回路Ａ１の可変キャパシタ２１〜２３の温度特性について、図４を参照して説明する。可変キャパシタ２１〜２３は、いずれも図４に示すような曲線で示される温度特性を有すると仮定して説明する。
図４に示すように、範囲Ｄ１０では温度の増加にともなう静電容量の変化が大きい。したがって、温度変化に対して静電容量が急峻に変化し、静電容量の変化を検出することによって温度を正確に検出することができる。
これに対して範囲Ｄ２０においては、温度変化に対する静電容量の変化が小さい。この場合には、可変キャパシタの容量を小さく設定することにより、わずかな温度の変化であっても静電容量の変化の割合を正確に検出することが可能となり、これによって温度を正確に検出できるようになる。このように可変キャパシタの容量を調整する場合、調整にともなってフィルタ回路Ａ１からの出力信号における共振周波数も変化するため、キャパシタの容量と共振周波数の関係をテーブル化し、このテーブルを用いて温度変化に対する静電容量の変化の割合を検出する。このテーブルは、ＭＣＵ内のメモリ内に予め保存される。
【００２４】
次に、変形例について説明する。
可変キャパシタに加えて、インダクタ３１、３２、３３のインダクタンスを動的に可変にすることができるようにすると、フィルタ回路Ａ１における共振周波数をさらに精密に調整できるため、温度範囲への対応をより柔軟かつ適切に行うことが可能となる。
【００２５】
図５は変形例に係る温度検出回路の構成を示す図である。図５に示す温度検出回路は、フィルタ回路Ａ３の構成を除いて、図１に示す温度検出回路と同様の構成を備え、差動増幅回路Ａ４は図１に示す差動増幅回路Ａ２と同じ構成である。
【００２６】
フィルタ回路Ａ３は、２つの可変キャパシタ１２１、１２２と、インダクタ１３１とからなる。可変キャパシタ１２１、１２２はそれぞれ、動的に可変な静電容量Ｃ１、Ｃ２を有し、インダクタ１３１はインダクタンスＬ１を有する。交流電源１１に接続されたインダクタ１３１の入力側には第１キャパシタ１２１が接続され、インダクタ１３１の出力側には第２キャパシタ１２２が接続されており、第１キャパシタ１２１と第２キャパシタ１２２は互いに並列に配置されている。このフィルタ回路Ａ３は、図１に示すフィルタ回路Ａ１よりも簡単な構成であり、温度検出回路が置かれた環境での温度に応じて、通過周波数・共振周波数がシフトする。また、温度に応じて、可変キャパシタ１２１、１２２の容量を変化させて、容量検出精度を調整することができるため、どの温度範囲でも正確な温度検出を行うことができる。
【００２７】
以上のように構成されたことから、上記実施形態又は変形例によれば、次の効果を奏する。
（１）キャパシタの静電容量やインダクタのインダクタンスを動的に変更することが可能となるため、フィルタ回路の共振周波数を動的に変更できることから、温度変化に対して最も鋭敏な反応を示す周波数を選択でき、任意の温度範囲で正確な検出を行うことができる。また、使用する周波数帯域を任意に設定できるため、電磁妨害などを受けにくくなり、検出精度を高めることができる。つまり、使用環境あるいは温度検出環境における周囲の電子機器等から発せられる電波や高周波の電磁波ノイズとは異なる周波数帯域に設定することで、電磁妨害の影響を低減し、温度の検出精度を高めることができる。温度検出環境における周囲の電磁波ノイズは公知の電磁波測定器によって測定することができる。
【００２８】
（２）キャパシタやインダクタとして汎用のデバイスを用いることができるため、コストを低減することが可能となる。また、通常の基板実装部品を用いることができる。
【００２９】
（３）フォトリソグラフィなどの特別な工程を要しないため、製造工程の複雑化を抑えることができる。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように、本発明に係る温度検出回路は、温度検出に用いる、周波数や温度の範囲を動的に変更可能である点で有用である。
【符号の説明】
【００３１】
１１    交流電源
２１、２２、２３  可変キャパシタ
３１、３２、３３  インダクタ
４１、４２、４３、４４  抵抗
１２１、１２２  可変キャパシタ
１３１  インダクタ
Ａ１、Ａ３  フィルタ回路（共振フィルタ回路）
Ａ１１  第１回路
Ａ１２  第２回路
Ａ２、Ａ４  差動増幅回路
Ｕ１    増幅部
Ｕ２    位相比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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