JPH07281765A - 温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 交流電源に重畳した高調波を除去し、測温素
子に印加される電圧と流れる電流の位相差を検出して測
温信号とし、この測温信号に対応してヒータ温度を制御
する装置の各構成部品が短絡や断線した場合にヒータへ
の通電を断つ温度制御装置を得る。 【構成】 測温素子に印加される電圧とこれに流れる電
流の位相差の変化を、交流電源の１サイクル毎にトラン
ジスタのコレクタ出力の時間幅及び電圧の変化として検
出し測温信号とする。この測温信号をシュミット回路に
入力し、該シュミット回路から周期的に出力がある場合
にのみスイッチング回路が正常に動作して出力用トラン
ジスタをオン、オフ動作する。シュミット回路の出力が
高電位または低電位に固定されるとスイッチング回路は
出力用トランジスタをオフする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、温度に対応してインピ
ーダンスの位相角が変わる測温素子を利用してヒータの
温度を制御する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測温素子に印加される交流電圧とこれに
流れる交流電流の位相差を１個のトランジスタのコレク
タ出力で検出してヒータへの通電を制御する温度制御装
置の例としては、特開昭５１−２５６９２号公報に開示
の技術が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、上
記電圧と電流の位相差を検出し、この検出信号に対応し
て通電制御素子をオン・オフ動作させるものである。と
ころで、入力電源として一般商用電源を用いる場合、こ
の電源に他の電気機器で発生した高調波が重畳すると、
上記交流電圧及び交流電流の各ゼロクロス点がふらつい
て本来の位置から変位し、このため従来技術では制御温
度が安定しない問題点がある。

【０００４】また従来技術では、測温素子から位相差検
出用トランジスタに至る電路が断線したり測温素子の両
側電極が短絡した場合、正常な温度制御ができなくなっ
て、ヒータ温度が異常に上昇するといった問題点があ
る。さらに装置を構成する各部品が故障した場合に、温
度制御が正常に機能せずヒータ温度が異状上昇して焼損
事故をひき起こすといった問題点もある。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点を解消するも
ので、測温素子に印加される電圧とこれに流れる電流の
位相差をトランジスタで検出して測温信号とし、この測
温信号に対応してヒータ温度を制御する装置の各構成部
品が断線や短絡した場合にヒータへの通電を断つ温度制
御装置の提供を目的とする。

【０００６】本発明の更に他の目的は、測温素子から位
相差検出用トランジスタに至る電路の断線時あるいは測
温素子の両側電極の短絡時に通電制御素子をオフする温
度制御装置を提供することにある。

【０００７】本発明の更に他の目的は、入力電源に重畳
した高調波の影響を除去し、測温素子の寸法精度に影響
されず安定して温度制御できる装置を提供することにあ
る。

【０００８】本発明の更に他の目的は、通電制御素子に
リレーを用いた場合、リレー接点の開閉時期が交流電源
の周波数と同期しない温度制御装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、測温素子に印加される交流電圧とこれに
流れる交流電流の位相差を、測温素子の温度変化に対応
してトランジスタのコレクタ出力の時間幅及び電圧の変
化として交流電源の１サイクル毎に得、該コレクタ出力
側にシュミット回路及びスイッチング回路を接続し、該
スイッチング回路はシュミット回路の出力が周期的な矩
形波のときにのみ前記コレクタ出力に対応して通電制御
素子をオン、オフ動作させてヒータへの通電を制御する
ようにしている。

【００１０】交流電源と前記測温素子との間には高調波
除去フィルタを設け、上記通電制御素子はリレーとし、
上記スイッチング回路の次段に該リレーの開閉の時期を
交流電源の周波数と非同期にする発振回路を設けてい
る。

【００１１】

【作用】交流電源に重畳した高調波は高調波除去フィル
タで除去され、測温素子に印加される電圧及びこれに流
れる電流が共に正から負に変化するときの各ゼロクロス
点の区間において１サイクル毎にトランジスタのコレク
タ出力がある。該コレクタ出力は、測温素子の温度変化
に対応して電圧の時間幅及び電圧値が変化する。前記ト
ランジスタのコレクタ出力はシュミット回路の入力信号
となり、該入力信号が１サイクル毎の矩形波の場合には
シュミット回路から出力があり、該出力はスイッチング
回路で積分され、該積分電圧に対応して通電制御素子が
オン、オフしヒータの温度が制御される。

【００１２】前記シュミット回路の入力信号が１サイク
ル毎の矩形波でない場合又はシュミット回路に基準用電
圧が印加されない場合或いはシュミット回路自身が故障
した場合には、シュミット回路の出力は高電位（以下
「Ｈ」と略称）若しくは低電位（以下「Ｌ」と略称）に
固定される。シュミット回路の出力が「Ｈ」又は「Ｌ」
に固定されると次段のスイッチング回路がオフし通電制
御素子もオフする。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明装置の回路図を示し、交流電
源１に温度ヒューズ２、リレー接点３、ヒータ４が直列
接続されてヒータ電源路を構成している。測温素子５は
一対の導体５ａ、５ｂ間に温度に対応してインピーダン
スの位相角が変化する感熱層５ｃを充填したもので、ヒ
ータ４に近接して設けられる。また電源１には抵抗６と
コンデンサ７が直列接続されて高調波除去フィルタを構
成し、両者６、７の接続部には前記導体５ａの一方が接
続され、導体５ａの他端には抵抗８とツェナーダイオー
ド９が直列接続されている。

【００１４】前記ツェナーダイオード９のカソード側に
は抵抗１０を介して位相差検出用トランジスタ１１のコ
レクタが接続され、該ベースは他方の導体５ｂに接続さ
れている。またトランジスタ１１のベース〜エミッタ間
にはこれと逆極性のダイオード１２と抵抗１３が並列接
続されている。トランジスタ１１のコレクタと電源他端
１ｂ間にはダイオード１４とコンデンサ１５が直列接続
され、コンデンサ１５の両端部には抵抗１６と、直列接
続した抵抗１７と抵抗１８とが並列接続され、両抵抗１
７、１８の接続部にはトランジスタ１９のベースが接続
されている。前記感熱層５ｃは柔軟な高分子化合物で構
成され、測温素子５は線状、面状、網目状など任意形状
に形成される。尚、ヒータ４、測温素子５の外側絶縁体
は図示省略している。

【００１５】上記ツェナーダイオード９のカソード側に
はダイオード２０とコンデンサ２１が直列接続され、該
ダイオード２０のカソード側には抵抗２２、抵抗２３、
抵抗２４、抵抗２５が直列接続され、前記抵抗２３には
可変抵抗２６が並列接続されている。また、両抵抗２
４、２５の接続部にはトランジスタ２７のベースが接続
されている。可変抵抗２６の可動子は抵抗２８を介して
比較器３１の−端子に接続され、該比較器３１の＋端子
には前記トランジスタ１１のコレクタが抵抗３０を介し
て接続されている。また、直流電圧Ｅと比較器３１の＋
端子間には抵抗４５とダイオード２９が直列接続され、
前記トランジスタ２７のコレクタはダイオード２９のア
ノード側に接続されている。

【００１６】比較器３１の出力側と電源他端１ｂ間には
ダイオード３２、コンデンサ３３、ダイオード３４及び
抵抗３５が直列接続され、ダイオード３４のカソード側
と電源他端１ｂ間にはダイオード３６を介してコンデン
サ３７と抵抗３８が並列接続されている。該ダイオード
３６と次段発振用比較器４１の−端子間にはダイオード
３９が介設されている。上記トランジスタ１９のコレク
タは比較器３１の＋端子に接続されているが、これとは
別に比較器４１の−端子に接続しても良い。また、比較
器３１の＋端子と出力端間には抵抗４０が接続されシュ
ミット回路を構成している。

【００１７】比較器４１の−端子と電源他端１ｂ間には
コンデンサ４２が接続され、また比較器４１の−端子と
出力端間には抵抗４３とダイオード４４が直列接続され
ている。電源一端１ａと電源他端１ｂ間にはダイオード
６６、発熱用抵抗６７、ヒータ４用の短絡検知線６８及
びコンデンサ６９が直列接続され、該コンデンサ６９の
＋側は抵抗７０、リレー６５のコイル一端に夫々接続さ
れている。抵抗７０の他端にはコンデンサ５４とツェナ
ーダイオード５５が並列接続されて直流低電圧の供給源
を構成する。該直流電源は抵抗４５、４６、４７、４
８、５３等によって比較器３１、同４１に供給される。

【００１８】上記比較器４１の出力側にはコンデンサ５
６、同５７、ダイオード５８、抵抗５９が直列接続さ
れ、該ダイオード５８のカソード側にはダイオード６０
とコンデンサ６１が直列接続されている。ダイオード６
０のカソード側電圧は抵抗６２、６３で分圧されトラン
ジスタ６４のベースに入力され、該トランジスタ６４の
コレクタはリレー６５のコイル他端に接続されている。

【００１９】図２（ａ）は抵抗６とコンデンサ７で電源
１に含まれる高調波成分が除去された測温素子５に印加
される電圧ｖとこれに流れる電流ｉの波形図で、トラン
ジスタ１１のコレクタ（図１のＰ点）には交流電源１の
１サイクル毎に電圧ｖと電流ｉが共に正から負に変わる
ゼロクロス点間の時間幅（ｃ〜ｄ）、（ｇ〜ｈ）で矩形
波の出力がある。図２（ｃ）はダイオード１４のカソー
ド側（図１のＱ点）電圧を示し、測温素子５の位相角を
φ（ラジアン）とすれば、φと２πの比に対応した充電
電圧となる。前記矩形波の最高電圧値はダイオード１４
によってこのＱ点電圧にクランプされる。即ちＰ点電圧
は、図２（ｂ）のように、測温素子５の温度変化に対応
して矩形波の時間幅及び最高値が変化する。

【００２０】ツェナーダイオード９のツェナー電圧はダ
イオード２０とコンデンサ２１で半波整流し、これを抵
抗２２、２３、２４、２５、トランジスタ２７のベース
〜エミッタ間電圧及び可変抵抗２６で分圧調節してＳ点
電圧を得、次段比較器３１のの基準用電圧として利用す
る。ツェナーダイオード９は上記位相差検出用と共用な
ので、その特性にばらつきがあっても比較器３１の動作
には影響しない。トランジスタ２７は常時オンしてお
り、例えば導体５ａ、ダイオード２０、抵抗２２等ベー
ス側の部品が故障して電流が流れなくなるとオフし異常
を表わす。

【００２１】比較器３１の−端子にはＳ点電圧が基準電
圧として、＋端子にはＰ点電圧が比較用電圧として夫々
抵抗２８、３０を通じて印加されており、Ｐ点電圧がＳ
点電圧よりも高くなっている期間だけ比較器３１の出力
Ｒは「Ｈ」となり、それ以外では「Ｌ」を保つ。出力Ｒ
に「Ｈ」が現われるのは、出力用トランジスタ６４をオ
ンすべきときであり、これは電源１の１サイクル毎に現
われる。但しトランジスタ２７が異常を検知してオフに
なれば、直流電圧Ｅが抵抗４５からダイオード２９を経
て比較器３１の＋端子に印加されるので出力Ｒは「Ｈ」
に固定される。また、比較器３１自身が故障するとその
出力Ｒは「Ｈ」か「Ｌ」に固定される。測温素子５の導
体５ｂとトランジスタ１１間の電路が断線時にはＱ点電
圧が最大（φはπラジアン）となるので、この場合にト
ランジスタ１９がオンするよう抵抗１７、同１８の値を
定めておけば、前記電路の断線で比較器３１の出力Ｒは
「Ｌ」に落とされる。

【００２２】図１Ｑ点の電圧にはリップルが生じている
のでＰ点の頭部波形には傾斜ができ、比較器３１の出力
幅は位相差φの時間幅よりも幅が狭いことがあるが、こ
れはコンデンサ３７の充放電回路の部品の定数を調整す
ることで解決できる。出力Ｒが「Ｈ」に固定されてコン
デンサ３３の充電が完了すると、ダイオード３６のカソ
ード側Ｔ点の電位は低い状態となってトランジスタ６４
はオフするが、出力Ｒが「Ｈ」と「Ｌ」を周期的に繰り
返すと、Ｔ点の充電電圧は該「Ｈ」出力に対応したもの
となる。即ち、出力Ｒが「Ｈ」のときは上記直流電圧Ｅ
が抵抗４７〜コンデンサ３３〜ダイオード３６の経路で
コンデンサ３７が充電され、出力Ｒが「Ｌ」のときはコ
ンデンサ３３の電荷はダイオード３２〜比較器３１〜抵
抗３５〜ダイオード３４を経て放電され、次の充電に備
える。尚電圧Ｅは出力Ｒが「Ｌ」のときダイオード３２
〜比較器３１を通して電源他端１ｂに落とされる。

【００２３】ダイオード３２は、比較器３１がオープン
コレクタ出力なのでそのアノード側の回路の状態がシュ
ミット回路の特性に悪影響を与えないように設けたもの
である。出力用トランジスタ６４の動作は、前記Ｔ点の
出力電圧を利用して行なっても良いが、リレー６５（リ
レー接点３）の動作を電源１の周波数と非同期にし、リ
レー接点の損傷を防止するため次の発振回路を設ける。

【００２４】発振回路は比較器４１によってコンデンサ
４２をある電圧範囲（図３のｅＬ〜ｅＨ間）で充放電さ
せ、電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの両方に同期しな
い周期、例えば０．０２３秒の周期で発信させている。
この発振はコンデンサ４２の電圧をｅＨよりも下げる
（このとき出力Ｕは「Ｈ」になる）か、ｅＬよりも上げ
る（このとき出力Ｕは「Ｌ」になる）と停止する。上述
したように比較器３１からの出力用トランジスタ６４の
オフ指令は「Ｌ」なので、このときＴ点電圧は低く、ダ
イオード３９は導通してコンデンサ４２の電圧をｅＨよ
りも下げて発振を停止させている。上記トランジスタ１
９のコレクタを比較器４１の−端子に接続した場合、ト
ランジスタ１９が異常を検知してオンすれば、コンデン
サ４２の電圧をｅＨよりも下げて発振を停止させる。比
較器４１が故障するとその出力Ｕは「Ｈ」又は「Ｌ」に
固定される。

【００２５】比較器４１の出力Ｕが「Ｈ」と「Ｌ」を周
期的に繰り返す場合のみに出力部が正常動作するのは上
記の比較器３１の出力側と同理同様であり、コンデンサ
５６、５７を直列接続したのは、比較器４１の出力Ｕが
「Ｈ」のときリレー６５はオフしなければならないが、
一方のコンデンサ５６又は５７が短絡故障してもトラン
ジスタ６４がオン（リレー接点３が閉）し続けないよう
にするためである。尚ダイオード４４は出力部の状態が
発振部の特性に悪影響を与えるのを防ぐために設けてい
る。

【００２６】何等かの原因でヒータ４の温度が異状上昇
して合成樹脂７１が溶解し、短絡検知線６８がヒータ４
に接触すると、電源一端１ａ〜ダイオード６６〜発熱用
抵抗６７〜短絡検知線６８〜ヒータ４〜電源他端１ｂの
電路ができて発熱用抵抗６７に大電流が流れて発熱し、
該抵抗６７に接触させてある温度ヒューズ２が溶断して
ヒータ電源路が遮断される。尚、電源１には抵抗７２と
表示灯７３が直列接続されている。

【００２７】図４は位相検出部の他の実施例を示し、抵
抗１０とダイオード１４の間に抵抗７５を設け、トラン
ジスタ１１のコレクタと比較器３１の＋端子の間にコン
デンサ７６を設けている。トランジスタ１１がオフにな
った瞬間抵抗７５〜ダイオード１４の経路でコンデンサ
１５に充電されるが、このときＰ点電圧は抵抗７５の電
圧降下分だけＪ点電圧よりも高くなる。この電圧はコン
デンサ７６によってＫ点に伝えられ、Ｋ点電圧の立上が
り部分に尖頭部分（ピーク；図５の矢示ｈ）が生じる。
このピークｈで比較器３１が状態変化し、ピークｈが終
わった後の電圧変動分が比較器３１（シュミット回路）
のヒステリシスの範囲内であれば該電圧変動分で比較器
３１が再び状態変化を起こすことはない。従って、出力
Ｒに位相差φの時間幅よりも短い幅の波形が生じること
はない。

【００２８】尚、コンデンサ１５に並列接続した抵抗１
６を、２個の抵抗１６、１６′を直列接続したものと
し、回路に対する有効抵抗値を変更する切替スイッチ７
７を介設すれば、該スイッチ７７の状態に応じてＱ点の
電圧を変えることができる。切替スイッチ７７をヒータ
４の発熱面を切替えるスイッチ（図示省略）に連動させ
ることで測温素子５への測温回路（位相検出部）は１回
路で済む。この場合、切替スイッチ７７を他部、例えば
トランジスタ２７のベース側に設けたものと比較する
と、発熱面切替えによる設定温度の相違が少なく調整し
やすい。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、測温素
子の温度に対応する印加電圧と流れる電流の位相差を電
源の１サイクル毎に、位相差の時間幅と電圧値の両方で
検出して測温信号を得、該測温信号をシュミット回路に
入力し位相差の電圧値は温度信号として、また位相差の
幅は動作確認用に利用しているので、各部品の断線や短
絡の故障を自身の出力で確認できると共に、前記故障の
場合の出力では次段のスイッチング回路部を動作しない
構成としているので、個々の部品に対する断線や短絡時
の保護対策を施す必要が無く、簡単な回路構成の装置で
部品故障時の異常動作を防止できる。

【００３０】交流電源に重畳した高調波は高調波除去フ
ィルタによって除去されるので、測温信号として検出し
た測温素子への印加電圧と流れる電流の位相差は高調波
の有無に関係なく安定したものとなる。その上、高調波
除去フィルタを構成する抵抗は、測温素子の両側導体が
短絡時位相差検出用トランジスタに流れる電流を制限し
てその損壊を防ぎ再使用を可能とする。

【００３１】さらに、通電制御素子にリレーを用いた場
合に、該リレーの開閉の時期を交流電源の周波数と非同
期としたので、リレー接点の損傷を防ぐことができて長
期の使用を可能とする。その上リレー動作を電源周波数
と非同期とする回路が故障した場合にもリレー動作用の
トランジスタはオフされる構成なので、この点でも装置
の安全性は確保される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る温度制御装置の回路図である。

【図２】本発明装置の位相検出部の動作を説明する波形
図である。

【図３】発振部の動作を説明する波形図である。

【図４】本発明装置の他の実施例に係る位相検出部の回
路図である。

【図５】図４に示す回路の動作を説明するための波形図
である。

【符号の説明】

１ 交流電源 ３ リレー接点 ４ ヒータ ５ 測温素子 ６、８、１０、１６、１７、１８、２２、２３、２４、
２５、２８ 抵抗 ３０、３５、３７、３８、４０、４３、４５、４６、４
７、４８、５３ 抵抗 ７、１５、２１、３３、３７、４２ コンデンサ ９、５５ ツェナーダイオード １２、１４、２０、２９、３２、３４、３６、３９ ダ
イオード １１、１９、２７、６４ トランジスタ ３１、４１ 比較器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測温素子に印加される交流電圧とこれに
   流れる交流電流の位相差を、測温素子の温度変化に対応
   してトランジスタのコレクタ出力の時間幅及び電圧の変
   化として交流電源の１サイクル毎に得、該コレクタ出力
   に対応して通電制御素子をオン、オフ動作させてヒータ
   への通電を制御するようにした温度制御装置。
2. 【請求項２】 上記トランジスタのコレクタ出力側にシ
   ュミット回路及びスイッチング回路を接続し、該シュミ
   ット回路の出力が電源の１サイクル毎の矩形波として現
   われる場合にのみ上記スイッチング回路の出力に対応し
   てヒ記通電制御素子がオン、オフ動作するようにした請
   求項１記載の温度制御装置。
3. 【請求項３】 上記通電制御素子はリレーとし、上記ス
   イッチング回路の次段に発振回路を介設して該リレーの
   開閉の時期を交流電源と非同期にした請求項２記載の温
   度制御装置。
4. 【請求項４】 前記測温素子と交流電源との間に高調波
   除去フィルタを設けた請求項１記載の温度制御装置。
5. 【請求項５】 上記測温素子とトランジスタ間の電路が
   断線あるいは測温素子の両側電極間が短絡したときに通
   電制御素子をオフしてヒータへの通電を断つようにした
   請求項１記載の温度制御装置。