DE112018006138T5

DE112018006138T5 - Heizgerättemperatursteuerschaltkreis und denselben verwendende Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112018006138T5
Application number: DE112018006138.8T
Authority: DE
Inventors: Toshitsugu Ueda; Hiroshi Oigawa; Mitsuo Ohashi; Mizuho Shimojima; Takaaki Yano
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-08-13
Also published as: CN111418262A; US20200296800A1; WO2019107446A1; CN111418262B; US11510286B2; JP2019101645A; JP7015681B2

Abstract

Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist es, einen Heizertemperatursteuerschaltkreis, der eine Heizertemperatur mit höherer Genauigkeit als ein konventioneller Heizertemperatursteuerschaltkreis steuern kann, und eine Sensoreinrichtung, die denselben verwendet, bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung stellt einen Heizertemperatursteuerschaltkreis (10) bereit, der einen Heizer (6) und einen Steuerschaltkreis enthält, der eine Temperatur des Heizers steuert, wobei der Steuerschaltkreis eine Brückenschaltung (11), in der ein erster Schaltkreis (11c) und ein zweiter Schaltkreis (11d) parallel geschaltet sind, und einen mit der Brückenschaltung verbundenen Operationsverstärker (12) enthält, wobei in dem ersten Schaltkreis der Heizer und ein Widerstand in Serie geschaltet sind und ein Mittelpunkt des ersten Schaltkreises mit einem Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers (12) verbunden ist und ein Ausgabewert V_out aus dem zweiten Schaltkreis in den anderen Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers eingegeben wird, wobei der Ausgabewert Vout durch Multiplizieren eines Teilerverhältnisses eines Zielwiderstandswerts R_h des Heizers und eines Widerstandswerts R₁ des Widerstands mit einer Referenzspannung V_ref der Brückenschaltung erhalten wird.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizgerättemperatursteuerschaltkreis und eine denselben verwendende Sensorvorrichtung.
Technischer Hintergrund
Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2 offenbaren jeweils die sich auf eine Temperatursteuereinrichtung für einen Mikroheizer beziehende Erfindung.
Wie in 1 der Patentliteratur und 2 der Patentliteratur 2 illustriert, ist eine Temperatursteuereinrichtung mit einem Rückkopplungssteuerschema weithin bekannt, die eine Wheatstone-Brücke und einen mit der Wheatstone-Brücke verbundenen Antriebsoperationsverstärker enthält.
In Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2 wird ein Mikroheizer für eine Sauerstoffkonzentrationseinrichtung und eine Alkoholkonzentrationsdetektionseinrichtung verwendet.
Es ist übrigens notwendig, einen Steuerschaltkreis mit hoher Genauigkeit, der eine konstante Temperatur des Heizers beibehalten kann, bereitzustellen, um die Detektionsgenauigkeit der Gaskonzentration zu verbessern.
Zitatliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-185742 Patentliteratur 2: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-251975

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
In einer herkömmlichen Temperatursteuereinrichtung tritt jedoch ein von der Genauigkeit eines Widerstands abhängiger Temperaturfehler jedoch auf, wobei der Widerstand für einen Heiztemperatursteuerschaltkreis verwendet wird. Somit kann die Temperatur nicht mit hoher Genauigkeit bei einem konstanten Wert gehalten werden. Das herkömmliche Problem wird unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. 6 ist eine Minimaleinheit des herkömmlichen Heizertemperatursteuerschaltkreises.
Wie in 6 illustriert, ist die Wheatstone-Brücke so ausgebildet, dass sie einen Heizer und Widerstände 101, 102 und 103 enthält. Wie in 6 illustriert sind der Widerstand 101 und der Heizer 100 in Serie verbunden bzw. geschaltet und ein Mittelpunkt davon (Ausgabeabschnitt) 104 ist mit einer invertierenden Eingabeendstelle (V_in-Endabschnitt) 105a eines Operationsverstärkers 105 verbunden. Zusätzlich sind der Widerstand 102 und der Widerstand 103 in Serie verbunden bzw. geschaltet, und ein Mittelpunkt davon (Ausgabeabschnitt) 106 ist mit einem nichtinvertierenden Eingabeendabschnitt (Vin+-Endabschnitt) 105b des Operationsverstärkers 105 verbunden.
Die Gleichgewichtsbedingung des in 6 illustrierten Brückenschaltkreises wird durch den folgenden Ausdruck (1) ausgedrückt.
[Math. 1] $R_{h} = \frac{R_{1}}{R_{2}} R_{3}$
wobei R_h ein Widerstandswert bei einer Heiztemperatur (Zieltemperatur) in stabilem bzw. eingeschwungenen Zustand ist.
In dem in 6 illustrierten Heizertemperatursteuerschaltkreis wird eine negative Rückkopplung automatisch angewandt, indem die Widerstandswerte R₁, R₂ und R₃ der jeweiligen Widerstände 101, 102 und 103 ermittelt werden, wodurch der Schaltkreis so betrieben wird, dass sich der Heizer 100 bei der Zieltemperatur stabilisiert.
Übrigens hat jeder der Widerstandswerte R₁, R₂ und R₃ der betreffenden Widerstände 101, 102 und 103 eine inhärente Widerstandswerttoleranz bzw. inhärente Widerstandswertungenauigkeit und einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands TCT.
Somit wird der Ausdruck (1) durch den folgenden Ausdruck (2) vom Blickpunkt der Widerstandswerttoleranz und des Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) ausgedrückt.
[Math. 2] $R_{h} = \frac{(1 + E_{1} + E_{T 1}) R_{1}}{(1 + E_{2} + E_{T 2}) R_{2}} \times (1 + E_{3} + E_{T 3}) R_{3}$
E₁, E₂, E₃: Widerstandswerttoleranz jedes Widerstands
E_T1, E_T2, E_T3: vom Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) jedes Widerstands verursachter Fehler $E_{T} = TCR \times Δ T_{r}$
ΔT_r: externe Lufttemperaturveränderung
Somit ist es unausweichlich, dass ein Fehler bei R_h auftritt, der gemäß der Brückengleichgewichtsbedingung ermittelt wird.
Dieser Fehler erscheint folglich als Abweichung eines stabilen Punkts der Heizertemperatur in Bezug auf die Zieltemperatur.
Hier wird der Zielwiderstandswert R_h durch den folgenden Ausdruck (3) definiert.
[Math. 3] $R_{h} = R_{0} (1 + T C R (T_{h} - T_{0}))$
T_h: Heizertemperatur bei Stabilisierung bzw. eingeschwungenem Zustand
To: Referenztemperatur
Ro: Widerstandswert des Heizers bei der Referenztemperatur
Die Heizertemperatur bei Stabilisierung (Zieltemperatur) kann wie in dem folgenden Ausdruck (4) gezeigt berechnet werden, indem der Ausdruck (3) verwendet wird. [Math. 4] $T_{h} = \frac{1}{T C R} \cdot \frac{R_{h} - R_{0}}{R_{0}} + T_{0}$
Jedoch tritt, wie in dem obigen Ausdruck (2) gezeigt, in den Zielwiderstandswert R_h in dem Heizertemperatursteuerschaltkreis in 6 ein Fehler auf. Im schlimmsten Fall wird der Fehler in dem Zielwiderstandswert R_h extrem groß, wenn der Fehler so auftritt, dass er die Widerstandswerte R₁ und R₃ vergrößert und den Widerstandswert R₂ verringert.
Entsprechend kann die Temperaturgenauigkeit des Heizers 100 nicht verbessert werden, was wahrscheinlich zu geringer Sensorempfindlichkeit und hoher Variabilität der Sensoreinrichtung, die den Heizer 100 verwendet, führt.
Somit wurde die vorliegende Erfindung in Anbetracht des oben genannten Problems gemacht worden und eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist es, einen Heizertemperatursteuerschaltkreis, der eine Heizertemperatur mit höherer Genauigkeit als ein herkömmlicher steuern kann, und eine denselben verwendende Sensoreinrichtung bereitzustellen.
Aufgabenlösung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Heizertemperatursteuerschaltkreis bereit, der eine Temperatur eines Heizers steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis einen Brückenschaltkreis enthält, in dem ein erster Schalkreis und ein zweiter Schaltkreis parallel verbunden bzw. geschaltet sind, und einen mit dem Brückenschaltkreis verbundenen Operationsverstärker enthält, wobei in den ersten Schaltkreis der Heizer und ein Widerstand in Serie geschaltet sind und ein Mittelpunkt des ersten Schaltkreises mit einem Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden ist und ein Ausgabewert V_out aus dem zweiten Schaltkreis in den anderen Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers eingeben wird, wobei der Ausgabewert V_out durch Multiplizieren eines Teilerverhältnisses eines Zielwiderstandswerts R_h des Heizers und eines Widerstandswerts R₁ des Widerstands mit einer Referenzspannung Vref des Brückenschaltkreises erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Heizertemperatursteuerschaltkreis bereit, der eine Temperatur eines Heizers steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis eine Brückenschaltung enthält, in der ein erster Schaltkreis und ein zweiter Schaltkreis parallel verbunden bzw. geschaltet sind, einen mit dem Brückenschaltkreis verbundenen Operationsverstürker enthält, wobei der erste Schaltkreis den Heizer enthält und ein Mittelpunkt des ersten Schaltkreises mit einem Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden ist und der zweite Schaltkreis einen D/A-Wandler oder einen Multiplexer enthält und ein Ausgabeabschnitt des D/A-Wandlers oder Multiplexers mit dem anderen Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden ist.
Eine Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Sensorelement, einen Heizer, der Wärme auf das Sensorelement anwendet bzw. an das Sensorelement abgibt, und einen Heizertemperatursteuerschaltkreis, der eine Temperatur des Heizers steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis einen Brückenschaltkreis, in dem ein erster Schaltkreis und ein zweiter Schaltkreis parallel verbunden bzw. geschaltet sind, und eine mit dem Brückenschaltkreis verbundenen Operationsverstärker enthält, wobei in dem ersten Schaltkreis der Heizer und ein Widerstand in Serie verbunden bzw. geschaltet sind und ein Mittelpunkt des ersten Schaltkreises mit einem Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden ist und ein Ausgabewert H_out von dem zweiten Schaltkreis in den anderen Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers eingegeben wird, wobei der Ausgabewert V_out durch Multiplizieren eines Teilerverhältnisses eines Zielwiderstandswerts R_h des Heizers und eines Widerstandswerts R₁ des Widerstands mit einer Referenzspannung Vref des Brückenschaltkreises erhalten wird.
Eine Sensoreinrichtung gemäß der folgenden Erfindung enthält ein Sensorelement, einen Heizer, der Wärme auf das Sensorelement anwendet bzw. an das Sensorelement abgibt und einen Heizertemperatursteuerschaltkreis, der eine Temperatur des Heizers steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis einen Brückenschaltkreis, in dem ein erster Schaltkreis und ein zweiter Schaltkreis parallel verbunden bzw. geschaltet sind, und einen mit dem Brückenschaltkreis verbundenen Operationsverstärker enthält, wobei der erste Schaltkreis den Heizer enthält und ein Mittelpunkt des ersten Schaltkreises mit einem Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden ist und der zweite Schaltkreis einen D/A-Wandler oder Multiplexer enthält und ein Ausgabeabschnitt des D/A-Wandlers oder des Multiplexers mit dem anderen Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden ist.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Gemäß dem Heizertemperatursteuerschaltkreis der vorliegenden Erfindung kann die Temperaturgenauigkeit des Heizers mehr verbessert werden als verglichen mit einem herkömmlichen Heizertemperatursteuerschaltkreis. Die vorliegende Erfindung hat eine Wirkung, derzufolge die Einstelltemperatur des Heizers flexibel eingestellt und verändert werden kann, obwohl die Wirkung nicht von dem herkömmlichen Heizertemperatursteuerschaltkreis erzielt werden kann.
Figurenliste

[1] 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform illustriert.
[2] 2 ist ein Schaltkreisdiagramm, das eine Minimaleinheit eines Heizertemperatursteuerschaltkreises gemäß der vorliegenden Ausführungsform illustriert.
[3] 3 ist ein Schaltkreisdiagramm, das eine Minimaleinheit eines Heizertemperatursteuerschaltkreises der vorliegenden Ausführungsform illlustriert, das sich teilweise von demjenigen in 2 unterscheidet.
[4] 4 ist ein Schaltkreisdiagramm, das ein Anwendungsbeispiel für den Heizertemperatursteuerschaltkreis, der in 2 illustriert ist, illustriert.
[5] 5 ist ein Schaltkreisdiagramm, das ein Anwendungsbeispiel für den Heizertemperatursteuerschaltkreis, der in 2 illustriert ist, illustriert.
[6] 6 ist ein Schaltkreisdiagramm, das eine Minimaleinheit eines herkömmlichen Heizertemperatursteuerschaltkreises illustriert.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (nachfolgend als „eine Ausführungsform“ abgekürzt) detailliert beschrieben. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt ist und unterschiedliche Modifizierungen möglich sein können, ohne dass vom Wesen der Erfindung abgerückt wird.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform einer Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform illustriert. 1 illustriert ein Beispiel für einen Kontaktverbrennungstypgassensor, der zum Beispiel ein Wasserstoffsensor ist, der eine Wasserstoffkonzentration detektieren kann.
Bezugszeichen 1 illustriert in 1 eine Quarzplatte (ein Quarzsubstrat), das durch Schneiden von Quarzkristallen durch Ätzen oder dergleichen hergestellt worden ist. Bezugszeichen 2 bezeichnet einen detektierenden Quarzvibrator und Bezugszeichen bezeichnet einen Referenzquarzvibrator.
Wie in 1 illustriert, weist der Detektionsquarzvibrator 2 eine wasserstoffaktive Katalysatorschicht 4 auf einer durch Schneiden der Quarzplatte 1 gebildeten Quarzoberfläche auf. Die wasserstoffreaktive katalytische Schicht 4 ist zum Beispiel aus einem Platinfilm geformt.
Wie in 1 illustriert, weist der Referenzquarzvibrator 3 eine wasserstoffnichtreaktive Schicht 5 auf der durch Schneiden der Quarzplatte 1 geformten Quarzoberfläche auf. Die wasserstoffnichtreaktive Schicht 5 ist zum Beispiel aus einer Golddünnschicht geformt.
Man beachte, dass, obwohl dies nicht in der Figur illustriert ist, die wasserstoffreaktive Katalysatorschicht 4 und die wasserstoffnichtreaktive Schicht 5 auf beiden Seiten des Quarzvibrators 2 bzw. 3 gebildet sind.
Im Übrigen muss der die als wasserstoffreaktive Katalysatorschicht 4 dienende Platinschicht auf eine vorbestimmte Temperatur oder höher erhitzt werden, um eine katalytische Tätigkeit zu entfalten. Aus diesem Grund ist, wie in 1 illustriert, ein Linearheizer 6 zum Heizen benachbart der wasserstoffreaktiven Katalysatorschicht 4 gebildet.
Zusätzlich, wie in 1 illustriert, ist auch der Linearheizer 6 zum Heizen nahe der wasserstoffnichtreaktiven Schicht 5 gebildet.
In 1 ist der Heizer 6 so gebildet, dass er den Umfang der wasserstoffreaktiven Katalysatorschicht 4 und der wasserstoffnichtreaktiven Schicht 5 umgibt, aber dies ist nur ein Beispiel und beschränkt nicht die Gestalt, Anordnung und dergleichen des Heizers 6.
Man beachte, dass es bevorzugt ist, dass der Heizer 6 zum Heizen der wasserstoffreaktiven Katalysatorschicht 4 und der Heizer 6 zum Heizen der wasserstoffnichtreaktiven Schicht 5 aus zum Beispiel dem gleichen Material hergestellt sind, um dieselbe Eigenschaft zu haben. Dies ist so, weil eine von der wasserstoffreaktiven Katalysatorschicht 4 erzeugte Wärmemenge genau durch Heizen sowohl der wasserstoffreaktiven Katalysatorschicht 4 und der wasserstoffnichtreaktiven Schicht 5 unter der gleichen Bedingung genau detektiert wird.
Die in 1 illustrierten Endstellen 9 sind mit einem Oszillatorschaltkreis (nicht illustriert) wie zum Beispiel einem Colpitts-Oszillator verbunden, um eine Resonanzfrequenz des detektierenden Quarzvibrators 2 zu messen. Zusätzlich ist der Oszillatorschaltkreis mit einer Frequenzmesseinrichtung (nicht illustriert) verbunden.
Ein Betriebsprinzip des in 1 illustrierten Wasserstoffsensors wird beschrieben. Zuerst wird den Endstellen 7 und 8 des Heizers 6 elektrische Energie zugeführt, um den Heizer 6 zu heizen. Zu dieser Zeit wird der Heizer 6 so gesteuert, dass er eine vorbestimmte Temperatur aufweist. Die Temperatursteuerung wird durch den Heizertemperatursteuerschaltkreis (später beschrieben) durchgeführt. Aufgrund dieser elektrischen Energiezufuhr werden der detektierende Quarzvibrator 2 und der Referenzquarzvibrator 3 unter derselben Bedingung vorgeheizt. Hier bezieht sich das Vorheizen auf einen Vorgang zum Erhöhen der Temperatur der wasserstoffreaktiven Katalysatorschicht 4, sodass die wasserstoffreaktive Katalysatorschicht 4 als Katalysator wirken kann.
Zusätzlich sind die Endstellen 9 jeweils mit dem Oszillatorschaltkreis verbunden. Die Quarzplatten 2 und 3 vibrieren als Dickenschärvibratoren und ein der natürlichen Frequenz entsprechendes Frequenzsignal wird von dem Oszillatorschaltkreis ausgegeben. Die Oszillationsfrequenz des Oszillatorschaltkreises wird von der Frequenzmesseinrichtung gemessen und eine Resonanzfrequenz des detektierenden Quarzvibrators 2 wird gemessen.
Hier werden die Resonanzfrequenzen des detektierenden Quarzvibrators 2 und des Referenzvibrators 3 in einem Zustand gemessen, in dem der detektierende Quarzvibrator 2 und der Referenzquarzvibrator 3 durch Vorheizen hohe Temperaturen aufweisen.
In diesem Zustand wird, wenn die wasserstoffenthaltende Luft fließt, der Wasserstoff durch Sauerstoff in der Luft oxidiert aufgrund einer katalytischen Tätigkeit der wasserstoffreaktiven Katalysatorschicht 4 des Wasserstoffsensors. Als Antwort auf diese Oxidation wird Oxidationswärme erzeugt, so dass die Temperatur des detektierenden Quarzvibrators 2 sich auf eine Vorheiztemperatur oder höher erhöht.
Der Referenzquarzvibrator 3 enthält die wasserstoffnichtreaktive Schicht 5, so dass Wasserstoff selbst dann nicht oxidiert wird, wenn die Luft Wasserstoff enthält. Zusätzlich wird die Temperatur des Referenzquarzvibrators 3 bei der Vorheiztemperatur gehalten. Das heißt, der detektierende Quarzvibrator 2 hat eine Temperatur, die größer oder gleich der Vorheiztemperatur ist aufgrund der Oxidationswärme von Wasserstoff, wohingegen der Referenzquarzvibrator 3 eine Temperatur aufweist, die bei der Vorheiztemperatur gehalten wird. Somit weist der detektierende Quarzvibrator 2 eine Resonanzfrequenz auf, die bei einer Temperatur erzeugt wird, die von der Vorheiztemperatur und den von der Oxidationswärme von Wasserstoff verursachten Temperaturanstieg abhängt. Andererseits weist der Referenzquarzvibrator 3 eine Resonanzfrequenz auf die bei der Vorheiztemperatur erzeugt wurde.
Hier werden die Resonanzfrequenz des detektierenden Quarzvibrators 2 und die Resonanzfrequenz des Referenzquarzvibrators 3 gemessen, um eine Differenz daraus zu bilden, und es wird ein dem von dem Vorheizen bewirkten Temperaturanstieg entsprechender Faktor eliminiert. Somit ist es möglich, nur einen Faktor der Frequenzänderung des detektierenden Quarzvibrators 2, der ausschließlich dem Einfluss der Oxidationswärme von Wasserstoff unterliegt, zu detektieren.
Auf diese Weise kann eine Wasserstoffkonzentration in der Luft durch Messen einer von der Oxidationswärme von Wasserstoff verursachten Frequenzänderung gemessen werden.
Ein Kontaktverbrennungstypgassensor sowie der oben beschriebene Wasserstoffsensor wird von dem Heizer 6 so erwärmt, dass er eine Temperatur von ungefähr 100°C bis 350°C aufweist, um dadurch den Katalysator zu aktivieren, wodurch das zu messende Gas detektiert werden kann.
Weil die Sensorempfindlichkeit sich abhängig von der Katalysatortemperatur ändert ist es notwendig, einen Heizertemperatursteuerschaltkreis bereitzustellen, der eine Heizertemperatur bei einer Zieltemperatur halten kann, um die Detektionsgenauigkeit der Gaskonzentration zu verbessern.
Als Ergebnis der ernsthaften Studien der vorliegenden Erfinder ist ein Heizertemperatursteuerschaltkreis entwickelt worden, der einen Fehler in Bezug auf eine Zieltemperatur eines Heizers reduzieren kann, indem die Anzahl in einem Brückenschaltkreis verwendeter Widerstände reduziert wird, und eine Heiztemperatur mit höherer Genauigkeit als ein konventioneller Heizertemperatursteuerschaltkreis steuern kann. Nachfolgend wird der Heizertemperatursteuerschaltkreis gemäß der vorliegenden Ausführungsform detailliert beschrieben.
2 ist ein Schaltkreisdiagramm, das eine Minimaleinheit des Heizertemperatursteuerschaltkreises gemäß der vorliegenden Ausführungsform illustriert. Wie in 2 illustriert ist ein Heizertemperatursteuerschaltkreis 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform so eingerichtet, dass er einen Brückenschaltkreis 11 und einen Antriebsoperationsverstärker 12, der mit dem Brückenschaltkreis 11 verbunden ist, enthält.
Wie in 2 illustriert, sind in dem Brückenschaltkreis 11 ein erster Schaltkreis 11c und ein zweiter Schaltkreis 11b parallel zwischen einem Eingabeabschnitt 11a und einer Erde 11b verbunden bzw. geschaltet.
Wie in 2 illustriert, sind in dem ersten Schaltkreis 11c ein Widerstand 13 und der Heizer 6 in Serie verbunden bzw. geschaltet. Wie in 1 illustriert, ist ein Mittelpunkt (Ausgabeabschnitt) 11e des ersten Schaltkreises 11c mit einer invertierenden Eingabeendstelle (V_in-Endstelle) 12a des Operationsverstärkers 12 verbunden.
Wie in 2 illustriert ist ein D/A-Wandler (digital/analog-Wandler) 15 mit dem zweiten Schaltkreis 11d verbunden. Ein Ausgabeabschnitt 15a des D/A-Wandlers 15 ist mit einem einer nichtinvertierenden Eingabeendstelle (V_in+) Endstelle (12b) des Operationsverstärkers 12 verbunden. Man beachte, dass der D/A-Wandler, wie er hier verwendet wird, eine externe Eingabeendstelle Vref einer Referenzspannung enthält.
Wie aus dem Vergleich mit dem herkömmlichen Heizertemperatursteuerschaltkreis (Minimaleinheit) der in 6 illustriert ist, sind in der vorliegenden Ausführungsform die Widerstände 102 und 103 (siehe 6) nicht mehr in dem Brückenschaltkreis 11 enthalten und stattdessen ist der D/A-Wandler 15 mit dem zweiten Schaltkreis 11b verbunden. Auf diese Weise ist die Anzahl in dem Brückenschaltkreis verwendeter Widerstände nur 1, wodurch die Anzahl an Widerständen minimiert werden kann.
Die Gleichgewichtsbedingung des Heizertemperatursteuerschaltkreises gemäß der vorliegenden Ausführungsform, der in 2 illustriert ist, wird durch den folgenden Ausdruck 5 ausgedrückt.
[Math. 5] $\frac{V_{o u t}}{V_{r e f}} = \frac{R_{h}}{R_{1} + R_{h}}$
Hier ist V_out ein Ausgabewert des D/A-Wandlers 15. „V_ref“ ist eine Referenzspannung, die an den Eingangsabschnitt 11a angelegt werden soll. „R_h“ ist ein Zielwiderstandswert des Heizers 6. „R₁₁“ ist ein Widerstandswert des Widerstands 13.
Ein Betriebsprinzip des in 2 illustrierten Heizertemperatursteuerschaltkreises 10 wird beschrieben. Eine Spannungsausgabe (Ausgabewert V_out) aus dem D/A-Wandler 15 wird in den Operationsverstärker 12 eingegeben. Andererseits wird die Ausgabe aus dem Mittelpunkt 11b des ersten Schaltkreises 11c in den Operationsverstärker basierend auf dem Teilerverhältnis des Widerstandswerts R₁ und des Widerstandswerts des Heizers 6 in den Operationsverstärker 12 eingegeben. Entsprechend wird eine Differenz aus dem Operationsverstärker 12 erhalten und eine durch den Heizer 6 fließende Strommenge variiert abhängig von der Differenzausgabe. Man beachte, dass das meiste des Stroms durch die in Richtung des ersten Schaltkreises c fließt. Wenn der Strom in den Heizer 6 fließt, erhöht sich die Außentemperatur und der Widerstandswert des Heizers 6 erhöht sich. Wenn der Heizer 6 die Zieltemperatur erreicht hat, wird der Widerstandswert des Heizers 6 zum Zielwiderstandswert Rh, so dass die Ausgabespannung des Operationsverstärkers 12 nicht weiter zunimmt. In dem Fall, in dem die Temperatur des Heizers sich aufgrund einer Veränderung in der Außenlufttemperatur und der Störung durch Wind oder dergleichen ändert, ändert sich entsprechend die Ausgabespannung des Operationsverstärkers, wodurch sie stabil bei einem mit der Wärmestrahlung von dem Heizer ausgeglichenen Spannungswert wird.
Wenn der oben beschriebene Ausdruck (5) modifiziert wird, um den Ausdruck für den Zielwiderstandswert Rh des Heizers 6 zu erhalten, wird der folgende Ausdruck „6“ abgeleitet.
[Math. 6] $R_{h} = \frac{V_{o u t}}{V_{r e f} - V_{o u t}} R_{1}$
Hier kann der oben beschriebene Ausdruck (6) wie in dem folgenden Ausdruck (7) hinsichtlich der Widerstandswerttoleranz und es Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) des in dem Brückenschaltreises 11 vorgesehenen Widerstands 13 modifiziert werden.
[Math. 7] $R_{h} = \frac{V_{o u t}}{V_{r e f} - V_{o u t}} (1 + E_{1} + E_{T 1}) R_{1}$
E₁: Widerstandswerttoleranz des Widerstands 13
E_T1: vom Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) des Widerstands 13 verursachter Fehler. $E_{ET} = TCR \times Δ T_{r}$

ΔT_r: äußere Lufttemperaturänderung
Übrigens werden in der vorliegenden Ausführungsform die im folgenden Ausdruck (8) gezeigten digitalen Daten (DATA) von einem digitalen Eingabeendgerät 15b des W/A-Wandlers 15 eingegeben.
$DATA = {R_{h} / (R_{1} + R_{h})} \times (2^{n} - 1)$
wobei „n“ die Anzahl von Bits des D/A-Wandlers ist.
„2ⁿ ^{- 1}“, das in dem oben beschriebenen Ausdruck (8) gezeigt wird, ist die volle Skala der digitalen Daten. Entsprechend können Dan der vollen Skala in die dem Teilerverhältnis entsprechenden digitalen Daten umgewandelt werden, indem das Teilerverhältnis {R_h/(R1+R_h)} mit dieser vollen Skala multipliziert wird. Man beachte, dass, obwohl die Anzahl an Bits n nicht begrenzt ist, der D/A-Wandler mit 8 bis 24 Bits zu günstigem Preis verfügbar ist.
Die digitalen Daten können von außen geschrieben werden, indem ein als Weckmikrocomputer oder dergleichen verwendet wird. Entsprechend können die digitalen Daten beliebig eingestellt und verändert werden. Beispiele für ein Kommunikationsschema enthalten sind aber nicht besonders beschränkt auf serielle Kommunikationen, die die mit den seriellen Daten umgeht wie zum Beispiel I^2c und SPI und Parallelkommunikation, die mit den parallelen Daten umgeht.
Der Zielwiderstandswert R_h und der feste Widerstand R₁ können zum Beispiel aus Katalogwerten eines Herstellers erhalten werden. Diese Widerstandswerte werden in geeigneter Weise eingestellt und die digitalen Daten werden auf den D/A-Wandler 15 geschrieben. Wie in 2 illustriert, wird die Referenzspannung Vref in den D/A-Wandler 15 eingegeben. Entsprechend kann der Ausgabewert V_out aus dem oben beschriebenen Ausdruck (5) erhalten werden und wird in den Operationsverstärker 12 eingegeben.
Hier wird der Zielwiderstandswert R_h der vorliegenden Ausführungsform diskutiert. Der Zielwiderstandswert R_h, der aus der Gleichgewichtsbedingung des Brückenschaltkreises 11 erhalten wird, wird von dem oben beschriebenen Ausdruck (7) repräsentiert. Wie aus dem Ausdruck (7) erkennbar ist, kann der Effekt der Fehler der Widerstände 102 und 103 in dem herkömmlichen Schaltkreis in der vorliegenden Ausführungsform eliminiert werden.
Zusätzlich kann die Genauigkeit des D/A-Wandlers 15 durch Verwendung der Anzahl von Bits und des Spezifikationswerts des Fehlers berücksichtigt werden. Zum Beispiel kann der D/W-Wandler 15, der einen Fehler von ± einigen LSBs bei 16 Bits die Genauigkeit von einigen Zehn ppm (10^-5) erhalten.
Somit kann in der vorliegenden Ausführungsform aus dem Ausdruck (7) erhaltene Fehler in dem Zielwiderstandswert R_h durch Verwendung des D/A-Wandlers 15 anstelle der Widerstände 102 und 103 (siehe 6) reduziert werden.
Entsprechend kann in der vorliegenden Ausführungsform die Temperaturgenauigkeit des Heizers (6) mehr verbessert werden als verglichen mit einem herkömmlichen Heizer. Man beachte, dass der Berechnungsausdruck für die Heizertemperatur dieselbe ist wie der oben beschriebene Ausdruck (4) und eine Beschreibung desselben wird ausgelassen.
Als nächstes wird der Temperaturfehler des Heizers unter Bezug auf einen Platinheizer als spezifisches Beispiel der Temperaturfehler des Heizers beschrieben. Zuerst wurde der Temperaturfehler in dem herkömmlichen Heizertemperatursteuerschaltkreis, der in 6 illustriert ist, erhalten. Während der Zielwiderstandswert R_h des Heizers 50 Ω und TCR+3900 ppm/°C beträgt (reines Platin), wurde der Fehler unter Verwendung der Toleranz ±5% und TCR=± 100 ppm/°C berechnet, als die Allzweckwiderstände als Widerstände 101, 102 und 103 verwendet wurden. Im Ergebnis war die maximal 8 Ω und 41°C bei der Temperatur. Das heißt, der herkömmliche Heizertemperatursteuerschaltkreis ergab einen Temperaturfehler von maximal 41°C. Man beachte, dass die nachfolgende Tabelle 1 physikalische Eigenschaften des für die Berechnung verwendeten Widerstands zeigt.
Tabelle 1

Name R₁ R₂ R₃ R_h

Typ Allzweckwiderstand Platinheizer

Widerstandswert [Ω] 10 10k 50k 50

Toleranz [%] ±5 ±5 ±5 —

TCR [ppm/°C] ±100 ±100 ±100 +390 0
Man beachte, dass die Werte der physikalischen Eigenschaften des Widerstands, die in Tabelle 1 gezeigt sind, Katalogwerte der Allzweckprodukte sind, die im Allgemeinen käuflich erworben werden können.
Bei Berechnung durch Addition der Temperaturänderung von 20°C ± 60°C betrug die Widerstandsabweichung des Heizers aufgrund zweier Fehler, nämlich der Toleranz und des Temperaturkoeffizienten des Widerstands TCR, maximal 9Ω, was einen Fehler von 47°C in Bezug auf die Temperatur ergibt. Man beachte, dass dies aus den Rechenergebnissen erkennbar ist, die Widerstandswerttoleranz hat einen dominanten Effekt auf den Temperaturfehler.
Als anderes Beispiel betrug die Widerstandsabweichung des Heizers aufgrund der Toleranz maximal 0.4 Ω bei Verwendung eines hochgenauen Widerstands (Toleranz: ±0. 1 %, TCR = ±25 ppm/°C), was einen Fehler von 1,9°C in Bezug auf die Temperatur ergibt. Durch Verwendung des hochgenauen Widerstands kann die Temperaturgenauigkeit des Heizers auf gewisse Weise verbessert werden, ist jedoch immer noch ungenügend. Man bemerke, dass die folgende Tabelle 2 physikalische Eigenschaften des hochgenauen Widerstands, der für die Berechnung verwendet wurde, zeigt.
Tabelle 2

Name R₁ R₂ R₃ R_h

Typ Hochpräzisionswiderstand Platinheizer

Widerstandswert [Ω] 10 10k 50k 50

Toleranz [%] ±0.1 ±0.1 ±0.1 —

TCR [ppm/°C] ±25 ±25 ±25 +3900
Man bemerke, dass die Werte der physikalischen Eigenschaften des Widerstands, die in Tabelle 2 gezeigt wird, Katalogwerte der hochgenauen Produkte sind, die im Allgemeinen käuflich erworben werden können.
Man hat herausgefunden, dass die Widerstandswertgenauigkeit sich umgekehrt verschlechtert und der Temperaturfehler sich erhöht, wenn ein variabler Widerstand (Volumen) für die Temperatureinstellung für den Widerstand (einen oder mehreren der Widerstände R₁, R₂ und R₃) verwendet wird. Ferner hat man herausgefunden, dass die Temperaturabweichung sich doppelt vergrößert im Verhältnis zum Verhältnis des Temperaturkoeffizienten des Widerstands zum Volumenanteil des Platins, wenn ein Heizer mit einem Temperaturkoeffizienten des Widerstands TCR, der geringer ist als ein Volumenanteil des Platins, wie zum Beispiel ein Metalldünnschichtheizer oder dergleichen, der oft als Material für den Mikroheizer verwendet wird, verwendet wird.
Im Gegensatz dazu ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Element des D/A-Wandlers 15 mit differentieller Nichtlinearität von ± 1 LSB bei 16 Bits in den Schaltkreis beispielsweise eingebaut. Folglich entsteht eine Genauigkeit von nur ungefähr 30 ppm (0.03%) des Fehlers. Somit hat man herausgefunden, dass die Genauigkeit um eine Stelle oder mehr als das verbessert werden kann, wenn die Widerstände 102 und 103 (siehe 6) als in dem herkömmlichen Heizertemperatursteuerschaltkreis verwendet werden. Wie oben beschrieben, beträgt in der vorliegenden Ausführungsform die Widerstandsabweichung des Heizers aufgrund der Toleranz maximal 0,16 Ω, was einen Fehler von 0,8°C in Bezug auf die Temperatur ergibt. Somit hat man herausgefunden, dass der Temperaturfehler auf ± 1°C oder weniger reduziert werden kann.
In einer Ausführungsform in 3 sind die Positionen der Heizer 6 und des Widerstands 13 in Bezug auf die 2 vertauscht. Man bemerke, dass, wie in 3 illustriert, das invertierende Eingabeendgerät 12a und das nichtinvertierende Eingabeendgerät 12b des Operationsverstärkers 12 verglichen mit 2 umgekehrt sind. Zusätzlich kann die Gleichgewichtsbedingung in dem Heizertemperatursteuerschaltkreis in 3 aus dem folgenden Ausdruck (9) erhalten werden.
[Math. 8] $\frac{V_{o u t}}{V_{r e f}} = \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{h}}$
Selbst wenn die Positionen des Heizers 6 und des Widerstands 13 wie in 3 illustriert vertauscht sind, kann der Heizertemperatursteuerschaltkreis in derselben Weise wie diejenige aus 2 betrieben werden und die Heizertemperatur kann mit hoher Genauigkeit beibehalten werden.
Übrigens kann in dem Heizertemperatursteuerschaltkreis, der den D/A-Wandler verwendet, ein Problem aufgrund einer positiven Rückkopplung abhängig vom Initialzustand der Ausgabe aus dem D/A-Wandler 15 auftreten. Das heißt, wenn ein Initialwert der Ausgabe aus dem D/A-Wandler 15 0V beträgt, wird der Heizertemperatursteuerschaltkreis so betrieben, dass die Ausgabe aus dem Operationsverstärker 12 reduziert wird, bis die digitalen Daten (DATA) geschrieben sind. Dann tritt ein Problem auf, dass der gesamte Schaltkreis abgeriegelt ist, wenn die Ausgabe aus dem Operationsverstärker 12 zu 0V wird.
Somit ist es zum Beispiel nötig, die Eingangsstufe des Operationsverstärkers 12 so auszulegen, dass die Ausgabe aus dem Operationsverstärker 12 nicht 0V wird. Insbesondere wird die positive Spannung zeitweise an das nichtinvertierende Eingabeendgerät V_in+ Endgerät (des Operationsverstärkers 12 angelegt. Alternativ wird die negative Spannung zeitweise an das invertierende Eingabeendgerät (V_in- Endgerät) des Operationsverstärkers 12 angelegt. Oder die positive Spannung wird zeitweise an das V_ref-Endgerät des D/A-Wandlers 15 angelegt und so eingestellt, dass die Ausgabe des Operationsverstärkers 12 nicht 0V wird. Man bemerke, dass jede der oben beschriebenen Konfigurationen lediglich ein Beispiel ist und nicht darauf beschränkt ist.
In jedem der in 2 und 3 illustrierten Heizertemperatursteuerschaltkreise 10 als Minimalkonfiguration ist ein Verzögerungselement einer Zeitkonstante des Heizers 6 in dem Steuersystem enthalten. Somit verursacht der Operationsverstärker 12 ein anomales Oszillationsproblem, die Phase des Ausgabesignals um 180° gedreht wird. Zum Beispiel wird eine Oszillationsbedingung bei der Frequenz, die der Zeitkonstante des Kopplungssteuersystemheizers entspricht, aufgebaut, wenn die Kreisverstärkung größer 1 bei einer Frequenz, bei der die Phase um 180° in dem negativen Rückkopplungssteuersystem gedreht ist, ist, was dazu führt, dass die anomale Oszillation auftritt.
In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 4 illustrierten Anwendungsbeispiel ist ein Tiefpassfilter (LPF bzw. TPF) 20 zum Verhindern einer anomalen Oszillation mit der Ausgabestufe des Operationsverstärkers 12 verbunden. In 4 ist ein Rückkopplungswiderstand 21 dem Operationsverstärker 12 hinzugefügt. Somit kann die Kreisverstärkung auf 1 oder weniger reduziert werden, indem eine Antwortfrequenz des Heizertemperatursteuerschaltkreises 10 geringer als die Zeitkonstante des Heizers 6 gemacht. Auf diese Weise kann die anomale Oszillation unterdrückt werden.
Man beachte, dass die Heizzeitperiode, die notwendig ist, damit der Heizer 6 die Zieltemperatur erreicht, länger wird und die Folgsamkeit an die Veränderung in äußerer Lufttemperatur wahrscheinlich verschlechtert wird, wenn eine Antwortgeschwindigkeit des Heizertemperatursteuerschaltkreises 10 abnimmt. Der Bereich, der die Bedingung erfüllt, dass die Kreisverstärkung 1 oder geringer ist kann durch Verwendung des Tiefpassfilters (TPF) 20 wie zum Beispiel eines Filters höherer Ordnung und eines aktiven Filters mit einem hohen Dämpfungsfaktor aufgeweitet werden. Auf diese Weise kann die Antwortgeschwindigkeit des Heizertemperatursteuerschaltkreises 10 maximiert werden.
Jedoch kann der Schaltkreis, wenn die Antwort nicht betont wird, mit der minimalen Anzahl von Elementen durch Verwendung eines Filters erster Ordnung als Tiefpassfilter 20 erzielt werden. 5 illustriert ein Anwendungsbeispiel, in dem ein Transistor zum Verstärken des Stroms der Schaltkreiskonfiguration der 4 hinzugefügt ist. Wie in 5 illustriert, ist ein Transistor 22 zum Verstärken des Stroms zwischen dem Eingabeabschnitt 11a des Brückenschaltkreises und einen Ausgabeabschnitt 20a des Tiefpassfilters 20 verbunden bzw. geschaltet. Dies ermöglicht es, den Strom zu dem ersten Schaltkreis als c des Brückenschaltkreises f zu verstärken. Das heißt, eine in dem Heizer 6 fließende Strommenge kann erhöht werden und der Heizertemperatursteuerschaltkreis 10 kann selbst einen Heizer mit einem hohen Leistungsverbrauch bzw. Stromverbrauch antreiben.
In dem Heizertemperatursteuerschaltkreis 10 der vorliegenden Ausführungsform wird der Ausgabewert V_out an den Operationsverstärker 12 von dem zweiten Schaltkreis 11d des Brückenschaltkreises 11 als ein Wert gesteuert, der durch Multiplizieren des Teilerverhältnisses des Zielwiderstandswerts R_h des Heizers und des Widerstandswerts R₁ und der Referenzspannung V_ref des Brückenschaltkreises 11, d.h. V_ref × {R_h/(R_h+R₁)} oder V_ref x (R₁/(R_h+R₁)}, erhalten wird.
Der oben beschriebene Ausgabewert V_out kann in analoger Weise verarbeitet werden, indem ein Multiplexer zusätzlich zu dem D/A-Wandler 15 verwendet wird.
Die charakteristische Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform wird insgesamt unten beschrieben.
Die vorliegende Ausführungsform stellt den Heizertemperatursteuerschaltkreis 10 bereit, der die Temperatur des Heizers 6 steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis den Brückenschaltkreis 11, in dem der erste Schaltkreis 11c und der zweite Schaltkreis 11d parallel verbunden bzw. geschaltet sind, und den Operationsverstärker (12), der mit dem Brückenschaltkreis verbunden ist, enthält. In dem ersten Schaltkreis 11c sind der Heizer 6 und der Widerstand 13 in Serie verbunden bzw. geschaltet und der Mittelpunkt 11e des ersten Schaltkreises 11c ist mit einem Eingabeabschnitt (dem invertierenden Eingabeendgerät 12a oder dem nichtinvertierenden Eingabeendgerät 12b) des Operationsverstärkers 12 verbunden bzw. verschaltet. Der Ausgabewert V_out aus dem zweiten Schaltkreis 11d wird in den anderen Eingabeabschnitt (das nichtinvertierende Eingabeendgerät 12b oder das invertierende Eingabeendgerät 12a) des Operationsverstärkers 12 eingegeben, wobei der Ausgabewert V_out durch Multiplizieren des Teilerverhältnisses des Zielwiderstandswerts R_h des Heizers 6 und des Widerstandswerts R₁ des Widerstands 13 mit der Bezugsspannung V_ref des Brückenschaltkreises 11 erhalten wird.
In der vorliegenden Ausführungsform enthält der zweite Schaltkreis 11d den D/A-Wandler 15 oder den Multiplexer und es ist bevorzugt, dass der Ausgabeabschnitt des D/A-Wandlers 15 oder des Multiplexers mit dem anderen Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers 12 verbunden bzw. verschaltet ist.
Zusätzlich enthält in der vorliegenden Ausführungsform der zweite Schaltkreis 11d den D/A-Wandler 15 und es ist bevorzugt, dass die durch Mulitplizieren von ,,2^n-1" („n“ ist die Anzahl von Bits des D/A-Wandlers) mit dem Teilerverhältnis erhaltenden digitalen Daten in den D/A-Wandler 15 eingegeben werden.
Die vorliegende Ausführungsform stellt den Heizertemperatursteuerschaltkreis 10 bereit, der die Temperatur des Heizers 6 steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis 10 den Brückenschaltkreis 11, in dem der erste Schaltkreis 11c und der zweite Schaltkreis 11d parallel geschaltet sind, und den Operationsverstärker 12, der mit dem Brückenschaltkreis 11 verbunden ist, enthält. Der erste Schaltkreis 11c enthält den Heizer 6 und der Mittelpunkt 11e des ersten Schaltkreises 11c ist mit einem Eingabeabschnitt (dem invertierenden Eingabeendgerät 12a oder dem nichtinvertierenden Eingabeendgerät 12b) des Operationsverstärkers 12 verbunden. Der zweite Schaltkreis 11d enthält den D/A-Wandler 15 oder den Multiplexer und der Ausgabeabschnitt des D/A-Wandlers oder des Multiplexers ist mit dem anderen Eingabeabschnitt (dem nichtinvertierenden Eingabeendgerät 12b oder dem invertierenden Eingabeendgerät 12a) des Operationsverstärkers 12 verbunden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Tiefpassfilter 20 mit der Ausgabeabschnittseite des Operationsverstärkers 12 verbunden ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass der Transistor 22 zum Verstärken des Stroms zwischen dem Eingabeabschnitt des Brückenschaltkreises 11 und dem Ausgabeabschnitt des Tiefpassfilters 20 verbunden bzw. geschaltet ist.
Die Sensoreinrichtung (zum Beispiel ein Wasserstoffsensor) der vorliegenden Ausführungsform enthält Sensorelemente (zum Beispiel den detektierenden Quarzvibrator 2 und den Referenzquarzvibrator 3), den Heizer 6, der den Sensorelementen Wärme zuführt, und den Heizertemperatursteuerschaltkreis 10, der die Temperatur des Heizers 6 steuert. Der Heizertemperatursteuerschaltkreis 10 enthält die Brückenschaltung bzw. den Brückenschaltkreis 11, indem der erste Schaltkreis 11c und er zweite Schaltkreis 11d parallel verbunden bzw. geschaltet sind, und den Operationsverstärker 12, der mit dem Brückenschaltkreis 11 verbunden ist. In dem ersten Schaltkreis 11c sind der Heizer 6 und der Widerstand 13 in Serie geschaltet und der Mittelpunkt 11e des ersten Schaltkreises 11c ist mit einem Eingabeabschnitt (den invertierenden Eingabeendgerät 12a oder dem nichtinvertierenden Eingabeendgerät 12b) des Operationsverstärkers 12 verbunden. Der Ausgabewert V_out aus dem zweiten Schaltkreis 11d wird in den anderen Eingabeabschnitt (das nichtinvertierende Eingabeendgerät 12b oder das invertierende Eingabeendgerät 12a) des Operationsverstärkers 12 eingegeben, wobei der Ausgabewert V_out durch Multiplizieren des Teilerverhältnisses des Zielwiderstandswerts R_h des Heizers 6 und des Widerstandswerts R₁ des Widerstands mit der Referenzspannung V_ref des Brückenschaltkreises 11 erhalten wird.
Die Sensoreinrichtung (zum Beispiel ein Wasserstoffsensor) gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält Sensorelemente (zum Beispiel den detektiven Quarzvibrator 2 und den Referenzquarzvibrator 3, den Heizer 6, der den Sensorelementen Wärme zuführt, und den Heizertemperatursteuerschaltkreis 10, der die Temperatur des Heizers bzw. Heizgeräts 6 steuert. Der Heizertemperatursteuerschaltkreis 10 enthält den Brückenschaltkreis 11, in dem der erste Schaltkreis 11c und der zweite Schaltkreis 11d parallelgeschaltet sind, und den Operationsverstärker 12 der mit 11 verbunden ist. Der erste Schaltkreis 11c enthält den Heizer 6 und der Mittelpunkt 11e des ersten Schaltkreises 11c ist mit einem Eingabeabschnitt (dem invertierenden Eingabeendgerät 12a oder dem nichtinvertierenden Eingabeendgerät 12b) des Operationsvertärkers 12 verbunden. Der zweite Schaltkreis 11d enthält den D/A-Wandler 15 oder den Multiplexer und der Ausgabeabschnitt des D/A-Wandlers oder des Multiplexers ist mit dem anderen Eingabeabschnitt (dem nichtinvertierenden Eingabeendgerät 12b oder dem invertierenden Eingabeendgerät 12a) des Operationsverstärkers 12 verbunden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Sensorelement die Gaskonzentration detektiert.
Die Wirkungen der Verwendung des Heizertemperatursteuerschaltkreises 10 in der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. Erstens kann die Temperaturgenauigkeit des Heizers 6 mehr verbessert werden als verglichen mit dem herkömmlichen Heizer. Zweitens kann die Temperatureinstellung des Heizers 6 flexibel eingestellt und verändert werden. Das heißt, die Temperatureinstellung in dem Heizertemperatursteuerschaltkreis 10, der den D/A-Wandler 15 verwendet, kann während es Heizerheizbetriebs frei eingestellt werden, obwohl es nicht in der Brückenschaltung, die den festen Widerstand oder den halbfesten Widerstand enthält, nicht erzielt werde kann.
Zum Beispiel kann die thermische Belastung auf die Sensorelemente durch Schalten der Temperatur des Heizers 6 zum Detektieren einer Mehrzahl von Gasen während des Betriebs der Sensoreinrichtung oder schrittweisen Erwärmens des Heizers 6 von der Raumtemepratur verringert werden. Zusätzlich wird die Temperatur des Heizers zeitweise auf eine Temperatur, die höher als die ursprüngliche Einstellungstemperatur ist, eingestellt und kann so eingestellt werden, dass die Heizertemperatur eine hohe Zunahmegeschwindigkeit besitzt.
Jedoch ist der Spannungsabfall, der durch den Heizer 6 und den Widerstand 13, das heißt die Referenzspannug V_ref, nicht auf einen Bereich begrenzt, der nicht die maximale Ausgabespannung des Operationsverstärkers 12 überschreitet.
Man bemerke, dass selbst in dem die herkömmliche Brückenschaltung enthaltenden Heizertemperatursteuerschaltkreis die Widerstandswertgenauigkeit zweitweise durch passgenaues Einstellen des Widerstandswerts mit dem Volumen verbessert werden kann, aber die Drift des Widerstandswerts aufgrund von Vibration und Rückschlag kann nicht vermieden werden. Ferner ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) größer als jener des Hochgenauigkeitswiderstands (siehe Tabelle 2). Somit kann in dem Heizertemperatursteuerschaltkreis 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Temperaturgenauigkeit des Heizers effektiver verbessert werden als in dem konventionellen Heizertemperatursteuerschaltkreis, der die oben beschriebene Konfiguration aufweist.
In der konventionellen Technik wird ein Verfahren zum Detektieren des in dem Heizer fließenden Stroms mit einem Shuntwiderstand (Widerstand für Stromdetektion) und zum dynamischen Steuern der anzulegenden Spannung verwendet, aber der Mikroheizer von 1W oder weniger wird durch einen von dem Widerstandswert des Shuntwiderstands verursachten Fehler in großer Weise betroffen. Entsprechend kann in dem Heizertemperatursteuerschaltkreis gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Temperaturgenauigkeit des Heizers effektiver verbessert werden als in dem herkömmlichen Heizertemperatursteuerschaltkreis, der die oben beschriebene Konfiguration aufweist.
Ein zur Spannungssteuerung in dem Steuerschaltkreis, der den Shuntwiderstand verwendet, genutzter Steuermikrocomputer benötigt einen Echtzeitvorgang so wie etwas PID-Steuerung und somit belegt der Vorgang bzw. Prozess die CPU. Im Gegensatz dazu ist in der vorliegenden Ausführungsform die an den Mikrocomputer angelegte Last extrem gering, weil die Schaltkreissteuerung unabhängig durch Durchführen von Schreiben digitaler Daten in den D/A-Wandler 15 oder Steuern des Teilerverhältnisses an dem Multiplexer einzeln zu jeder Zeit, zu der der Heizertemperatursteuerschaltkreis gestartet wird, durchgeführt wird.
Man bemerke, dass der Heizertemperatursteuerschaltkreis gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht nur auf einen Kontaktverbrennungstypgassensor wie zum Beispiel einen in 1 illustrierten Wasserstoffsensor sondern auch für die Temperatursteuerung verschiedener Sensoreinrichtungen, an denen ein Oxidhalbleitertypgassensor oder ein Mikroheizer bzw. ein Mikroheizgerät wie zum Beispiel ein Thermosensor, der einen Flusssensor enthält, montiert ist, angewandt werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Entsprechend dem Heizertemperatursteuerschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Heizertemperaturgenauigkeit verbessert werden und somit kann der Heizertemperatursteuerschaltkreis nicht nur auf einen Kontaktverbrennungstypgassensor, einen Oxidhalbleitertypgassensor oder einen Gassensor sondern auch auf unterschiedliche Einrichtungen für die Sensorgenauigkeit benötigt wird wie zum Beispiel einen Heizer aufweisenden NEMS-Sensor, angewandt werden.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Anmeldung Nr. 2017 - 230501 , eingereicht am 30. November 2017, die hiermit durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017 [0098]
JP 230501 [0098]

Claims

Heizertemperatursteuerschaltkreis, der eine Temperatur eines Heizgeräts bzw. Heizers steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis enthält: eine Brückenschaltung bzw. einen Brückenschaltkreis, in dem ein erster Schaltkreis bzw. eine erste Schaltung und ein zweiter Schaltkreis bzw. eine zweite Schaltung parallel verbunden bzw. geschaltet sind; und einen Operationsverstärker, der mit Brückenschaltung verbunden bzw. verschaltet ist, wobei in den ersten Schaltkreis der Heizer und ein Widerstand in Serie geschaltet sind und ein Mittelpunkt des ersten Schaltkreises mit einem Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden bzw. verschaltet ist und eine Ausgabewert V_out aus dem zweiten Schaltkreis in den anderen Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers eingegeben wird, wobei der Ausgabewert V_out erhalten wird durch Multiplizieren eines Teilerverhältnisses eines Zielwiderstandwerts R_h des Heizgeräts und eines Widerstandswerts R₁ des Widerstands mit einer Referenzspannung V_ref der Brückenschaltung erhalten wird.
Heizertemperatursteuerschaltkreis bzw. Heizertemperatursteuerschaltung gemäß Anspruch 1, bei der der zweite Schaltkreis einen D/A-Wandler oder einen Multiplexer enthält und ein Ausgabeabschnitt des D/A-Wandlers oder des Multiplexers mit dem anderen Eingabeabschnitt des Operatoinsverstärkers verbunden bzw. verschaltet ist.
Heizertemperatursteuerschaltkreis gemäß Anspruch 2, bei dem der zweite Schaltkreis den D/A-Wandler enthält und digitale Daten, die durch Multiplizieren von „2^n-1“ („n“ ist die Anzahl von Bits des D/A-Wandlers) mit dem Teilerverhältnis erhalten werden, in den D/A-Wandler eingegeben werden.
Heizertemperatursteuerschaltkreis bzw. Heizertemperatursteuerschaltung, die die Temperatur eines Heizers bzw. Heizgeräts steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis enthält: eine Brückenschaltung, in der ein erster Schaltkreis und ein zweiter Schaltkreis parallel verbunden bzw. geschaltet sind; und einen Operationsverstärker, der mit der Brückenschaltung verbunden ist, wobei der erste Schaltkreis den Heizer enthält und ein Mittelpunkt des ersten Schaltkreises mit einem Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden ist und der zweite Schaltkreis einen D/A-Wandler oder einen Multiplexer enthält und ein Ausgabeabschnitt des D/A-Wandlers oder des Multiplexers mit dem anderen Eingabeabschnitt des Operatoinsverstärkers verbunden bzw. verschaltet ist.
Heizertemperatursteuerschaltkreis gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 4, bei dem ein Tiefpassfilter mit einer Ausgabeabschnittsseite des Operationsverstärkers verbunden bzw. verschaltet ist.
Heizertemperatursteuerschaltkreis gemäß Anspruch 5, bei dem ein Transistor zum Verstärken eines Stroms zwischen dem Eingabeabschnitt der Brückenschaltung und einem Ausgabeabschnitt des Tiefpassfilters verbunden bzw. geschaltet ist.
Sensoreinrichtung bzw. Sensorvorrichtung, enthaltend: ein Sensorelement; einen Heizer bzw. ein Heizgerät, das dem Sensorelement Wärme zuführt; und einen Heizertemperatursteuerschaltkreis, der eine Temperatur des Heizers steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis enthält: eine Brückenschaltung, in der ein erster Schaltkreis und ein zweiter Schaltkreis parallel verbunden bzw. geschaltet sind; und einen Operationsverstärker, der mit dem Brückenschaltkreis verbunden bzw. verschaltet ist, in dem ersten Schaltkreis sind der Heizer und ein Widerstand in Serie verbunden bzw. geschaltet und ein Mittelpunkt des ersten Schaltkreises ist mit einem Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden bzw. verschaltet und ein Ausgabewert V_out aus dem zweiten Schaltkreis wird in den anderen Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers eingegeben, wobei der Ausgabewert V_out durch Multiplizieren eines Teilerverhältnisses des Zielwiderstandswerts R_h des Heizers und eines Widerstandswerts R₁ des Widerstands mit einer Referenzspannung V_ref der Brückenschaltung erhalten wird.
Sensoreinrichtung bzw. Sensorvorrichtung, enthaltend: ein Sensorelement; einen Heizer bzw. ein Heizgerät, das dem Sensorelement Wärme zuführt; und einen Heizertemperatursteuerschaltkreis, der eine Temperatur des Heizers steuert, wobei der Heizertemperatursteuerschaltkreis enthält: eine Brückenschaltung, in der ein erster Schaltkreis und ein zweiter Schaltkreis parallel verbunden bzw. geschaltet sind; und einen Operationsverstärker, der mit der Brückenschaltung verbunden ist, der erste Schaltkreis enthält den Heizer bzw. das Heizgerät und ein Mittelpunkt des ersten Schaltkreises ist mit einem Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden und der zweite Schaltkreis enthält einen D/A-Wandler oder einen Multiplexer und ein Ausgabeabschnitt des D/A-Wandlers oder des Multiplexers ist mit dem anderen Eingabeabschnitt des Operationsverstärkers verbunden.
Sensoreinrichtung gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei der das Sensorelement eine Gaskonzentration detektiert.