JP2004164432A - Ac power control device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はAC電力制御装置に係り、例えば調節計の出力側に負荷として使用されるヒータ等をAC電力制御するAC電力制御装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
調節計で制御対象を温度制御するシステムとしては、図5に示すように、例えば射出成形機等の制御対象1に配置した温度測定用のセンサ3からの測定値PVと予め設定した設定値SVとから、温度制御用の調節計5で操作量MVをPID演算してAC電力制御装置7へ出力し、制御対象1に配置した負荷としてのヒータ9に流すヒータ電流を操作量MVに応じてAC電力制御装置7でAC電力制御する構成が知られている。図5中の符号11は商用のAC負荷電源である。
【0003】
このような制御システムにおけるAC電力制御装置7の制御方式としては、一般的に位相制御、時間比例オンオフ制御および時分割制御がある。
【0004】
位相制御方式は、図6に示すように、AC負荷電源を任意の位相角で切換え通電することによってAC電力制御を行なうもので、任意の位相角で調整できるからきめ細かい制御が可能で、制御の安定性も高いが、AC負荷電源を任意の位相角でスイッチングするから、高周波ノイズが発生し易くなってノイズに弱い制御システムにはあまり適さない。
【0005】
時間比例オンオフ制御方式は、図7に示すように、一定周期中(図7では2秒間)のオン時間とオフ時間の割合を変化させてAC電力制御を行なうもので、AC負荷電源電圧の零電位付近でスイッチングするからノイズを発生させ難く、ノイズに弱い制御システムにも好適する反面、オン時間とオフ時間の時間的な間隔が長いため、制御に基づくリップルが長くなり易く、きめ細かい制御が望めず、制御の安定性に難点がある。
【0006】
時分割制御方式は、両者の制御方法を改善したもので、図8に示すように、AC負荷電源電圧の零電位付近でスイッチングするものであるが、時間比例オンオフ制御方式とは異なり周期がなく、オン時間とオフ時間を交互に頻繁に繰返す方式であり、ノイズを発生させ難いうえ、上述した位相制御により近い制御性を期待できる利点がある。
【0007】
ところが、時分割制御方式では、AC負荷電源電圧の半周期毎にしかAC負荷電源電圧をスイッチングしないから、例えば操作量MVが多少変化しても、その変化分がAC負荷電源電圧の半周期毎すなわち階段的にしか反映されず、AC電力制御が振動的になり易い。
【0008】
そこで、本発明者は、特許第3022051号(特許文献1、特願平5−122090号)をもって新規の「AC電力制御装置」を開示した。
【0009】
すなわち、この構成は、図9に示すように、操作量MVに対応した負荷率Xから電力供給帰還信号としての「1」か「0」かの一定信号gを減算するとともに積分した積分出力値を積分演算部13から出力し、その積分出力値が基準値以上になったとき比較部15からタイミング信号を出力し、AC検出部17でAC負荷電源11の零電位付近を検出して検出信号を出力し、上記零電位付近の間を少なくとも一単位とした駆動信号をそれらタイミング信号と検出信号との論理積に基づきゼロクロストリガ回路19からサイリスタ21へ出力し、AC負荷電源11からヒータ9へのAC電力供給をそのサイリスタ21でオン動作させ、そのヒータ9へのAC電力供給のオン期間に対応した上記一定信号gを帰還信号供給部23からその積分演算部13へ出力するようになっている。
【0010】
このような構成では、負荷率Xが変動しても、それを積分値に順次反映させることができるため、操作量MVの負荷率XであってAC電力供給前の負荷率Xが以降の演算に有効に活用され、操作量MVが大きく変化しないと負荷を可変制御できないと言ったような点が改善され、高精度な時分割方式の制御が可能となる。
【0011】
【特許文献1】
特許第3022051号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図9に示すAC電力制御装置においては、ヒータ9へのAC電力供給のオン期間に「1」か「0」かの一定信号gを帰還信号供給部23から積分演算部13へ出力して負荷率Xの積分値に反映させる構成であるから、AC負荷電源11からのAC負荷電源電圧が変動した場合、依然として、その影響が負荷率Xの積分値に反映されず、改善の余地があることが分かった。
【0013】
特に、商用のAC負荷電源は変動することがあり、高精度のAC電力制御を確保する観点から改善が望まれていた。
【0014】
本発明はこのような状況の下になされたもので、負荷に供給されるAC負荷電源が変動しても、これを操作量の変化とともにそのAC電力供給制御に反映させることが可能で、高精度の時分割制御方式を実現できるAC電力制御装置の提供を目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために本発明は、操作量に対応した負荷率から帰還信号を減算するとともに積分した積分出力値、又はその負荷率を積分するとともにその帰還信号で減算して上記負荷率の積分値とした積分出力値を出力する積分演算部と、その積分出力値が基準値以上になったときタイミング信号を出力する比較部と、AC負荷電源の零電位付近を検出して検出信号を出力するAC検出部と、それらタイミング信号と検出信号との論理積に基づき上記零電位付近間を少なくとも一単位とした駆動信号を出力して負荷へのAC電力供給をオン動作させる駆動部と、その負荷へ供給されるAC負荷電源電圧を測定するとともに予め設定された基準電源電圧に対する測定AC負荷電源電圧の変動値を形成し、この変動値を上記帰還信号として負荷へのAC電力供給オン期間にその積分演算部へ出力する帰還信号供給部とを具備している。
【0016】
また、本発明では、上記AC検出部で上記帰還信号供給部を形成することも可能である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明に係るAC電力制御装置の形態を示すブロック図である。
【0018】
図1において、積分演算部13は図示しない調節計(図5参照)からの操作量MVを負荷率Xの形態で入力し、後述する出力量帰還部29からの帰還信号Gを負荷率Xから減算するとともに、その減算値を順次積分して比較部15へ出力するものであり、減算値YはY=X−Gで示すことができる。
【0019】
ここで負荷率Xは操作量MVの100%相当値をMVmaxとし、0%相当値をMVminとすると、次のように示すことができる。
【0020】
X=(MV−MVmin)/(MVmax−MVmin)
【0021】
例えば、4〜20mA出力の調節計において操作量MVが12mAであれば、負荷率Xは、
(12−4)/(20−4)=0.5
となる。
【0022】
調節計の操作量MVを0〜100%で表現する場合には、
X=MV(%)/100(%)
となる。
【0023】
また、減算値Yを積分して比較部15へ出力される積分出力値Aは次式で表せる。
【0024】
【数1】
【0025】
数1中の符号t0は電源投入時点、符号tは電源投入後の任意の時点を示しており、その積分出力値Aは、例えば図2Aの鋸歯状の実線のように推移するが、詳細は後述する。
【0026】
図2中の期間Tは、後述するAC負荷電源11のオンオフ切換え時に高周波ノイズを発生させないよう、AC負荷電源波形の零電位(0V)付近でオンオフさせるため、次式で示す値となっている。
【0027】
T=n×(1/2f)
【0028】
ここで、符号fはAC負荷電源11の電源周波数、符号nは任意の整数(一般的に1又は2に選定される。)であり、例えば50HzのAC負荷電源11の場合にn=1とすればT=10msとなり、最小オン時間TはAC負荷電源11の半周期となる。以下、n=1を例にして説明する。図2中の区間を示す符号t1〜t7……は所定期間Tである。
【0029】
また、基準値(1×T)は、出力の最小単位であって負荷率Xが「1」の場合の最小オン時間T中の積分値であり、次式のように示すことができる。
【0030】
【数2】
【0031】
図1において、比較部15は、予め設定した基準値と積分演算部13からの積分出力値Aとを比較し、積分出力値Aが基準値以上であればタイミング信号Bをゼロクロストリガ回路19へ出力するものである。
【0032】
AC検出部17は、AC負荷電源11のAC電源電圧波形をモニタし、その波形の0V付近を検出したとき、図2Cのような検出信号Cをゼロクロストリガ回路19へ出力するものである。
【0033】
ゼロクロストリガ回路19は、比較部15からのタイミング信号BとAC検出部17からの検出信号Cが揃ったとき、すなわちそれらの論理積(AND)を満たすとき、図2の所定期間Tだけオン動作する内部信号C’を内部に形成し、AC検出部17からの検出信号Cと内部信号C’が揃ったとき、AC負荷電源11の0V付近でサイリスタ21をオン動作(導通動作)させる駆動信号Dを出力する。
【0034】
従って、ゼロクロストリガ回路19はサイリスタ21の駆動部として機能し、駆動信号Dは図2Dのように表せる。
【0035】
AC負荷電源11、サイリスタ21および負荷としてのヒータ9は直列接続され、負荷回路25を形成している。
【0036】
AC負荷電源11は、一般のAC商用電源そのまま又は昇降圧したAC電源であり、サイリスタ21はトライアック(登録商標)等の電力制御用半導体スイッチング部(素子)であり、駆動信号DによってAC負荷電源をオン制御する双方性3端子型のものである。
【0037】
すなわち、サイリスタ21は、ゼロクロストリガ回路19からの駆動信号Dに基づいてオン動作してヒータ9にAC電力(半波電力)を供給し、もしAC負荷電源が0Vになるとヒータ9への電力供給を切り、次の駆動信号Dによって再びヒータ9へAC電力を供給するものである。図2Eはそのような電力供給状態を図示している。
【0038】
ヒータ9は、上述したように制御対象1等に配置されている(図5参照)。
【0039】
サイリスタ21の両端には出力モニタ27が接続されている。この出力モニタ27は、ヒータ9へ供給されるAC負荷電源のオフ動作期間を検出するとともにAC負荷電源電圧を測定し、それらを検出信号として出力量帰還部29へ出力するものである。
【0040】
すなわち、出力モニタ27は、サイリスタ21の両端電圧をモニタし、オフ動作期間のAC負荷電源電圧の半周期毎の最大値を測定している。図2Fはサイリスタ21の両端電圧の推移を示している。
【0041】
出力量帰還部29は、出力モニタ27からの検出信号に基づき帰還信号Gを作成し、サイリスタ21のオフ期間直後のオン動作期間中にその帰還信号Gを形成し、この帰還信号Gを積分演算部13へ出力するものであり、出力モニタ27とともに上述した帰還信号供給部23を形成している。
【0042】
帰還信号Gは、出力モニタ27で検出したAC負荷電源電圧の最大値をVとし、出力量帰還部29に予め設定された基準電源電圧をVtypとしたとき、次の式で表される変動値Gを形成し、これをマイナス成分の帰還信号Gとして出力するものである。
【0043】
G=(V/Vtyp)2 =測定電圧と基準電源電圧の電圧比の二乗
【0044】
なお、サイリスタ21のオフ動作期間中、出力量帰還部29から積分演算部13へ出力される帰還信号Gは「零(0)」である。
【0045】
すなわち、帰還信号供給部23は、ヒータ9にAC負荷電力が供給されている期間Tの整数倍の期間(n×T)のみ、サイリスタ21のオフ期間直後のオン動作期間中に、図2Gのように、基準電源電圧(Vtyp)に対する変動値を帰還信号Gとして積分演算部13へ出力し、AC負荷電力が供給されていない期間中には積分演算部13へ出力しないようになっている。
【0046】
図2Gでは、AC負荷電源電圧が基準電源電圧(Vtyp)と一致するとき「1.0」のレベル信号を、基準電源電圧(Vtyp)より低下して低いときそれに対応した「1.0」未満のレベル信号を、基準電源電圧(Vtyp)より上昇して高いときそれに対応した「1.0」を越えるレベル信号を出力する。
【0047】
なお、上述したAC負荷電源11およびヒータ9は、本発明のAC電力制御装置の外部に位置しており、場合によってはサイリスタ21も本発明のAC電力制御装置の外部に位置する構成も可能である。
【0048】
ところで、上述した図1のAC電力制御装置を構成する積分演算部13、比較部15、出力モニタ27および出力量帰還部29、並びにゼロクロストリガ回路19の一部等は、実際には図3に示すように、制御部31を主体としたマイクロコンピュータで構成される例が多い。
【0049】
制御部31は、演算および比較判断機能を有するCPU31aと、このCPU31aの動作プログラムを格納したROM31bと、入出力用インターフェースI/O31c等を有しており、ROM31bには積分出力値と比較する基準値も格納されている。
【0050】
制御部31には、負荷率Xをデジタル信号にA/D変換して変換後のカウント値をその制御部31へ出力する負荷率入力部33と、積分出力値Aを一時的に記憶する記憶部(RAM)35と、制御部31からのトリガアクティブ信号によりサイリスタ21をオンオフする駆動信号を発生するトリガ回路37と、上述したAC検出部17が接続されている。
【0051】
すなわち、制御部31は、図1の積分演算部13および比較部15として機能するとともに、AC検出部17からの検出信号Cと内部信号C’が揃ったとき、トリガアクティブ信号をトリガ回路37へ出力する機能の他、帰還信号供給部23として機能しており、図3の制御部31とトリガ回路37によって図1のゼロクロストリガ回路19が形成されている。
【0052】
AC負荷電源11およびヒータ9が本発明に係るAC電力制御装置の外部に位置するのは図1と同様である。
【0053】
次に、このような本発明に係るAC電力制御装置について、第1の動作を図2を参照して説明する。
【0054】
図2Aにおいて区間t1およびt2では、サイリスタ21がオン動作していないため帰還信号Gは出力されず、操作量MVの負荷率Xは積分演算部13で減算処理されないまま順次積分され、図2Aの実線のように上昇する。
【0055】
この積分出力値Aが区間t2の後半で基準値(1×T)を越えると、比較部15からタイミング信号Bがゼロクロストリガ回路19へ出力される。
【0056】
AC検出部17は、AC負荷電源11のAC電源波形をモニタしており、その0V付近を検出すると、検出信号Cをゼロクロストリガ回路19へ出力する。
【0057】
ゼロクロストリガ回路19は、それらタイミング信号Bと検出信号Cの論理積から、所定期間Tだけオン動作する内部信号C’を形成するとともに、検出信号Cと内部信号C’が揃ったとき、駆動信号Dをサイリスタ21へ出力してこれをオン動作させる。
【0058】
そのため、区間t3では負荷回路25がオン動作してヒータ9へAC負荷電力が供給される。
【0059】
また、出力モニタ27は、サイリスタ21に加わるAC負荷電源電圧の最大値Vを測定するとともにそのオフ動作期間をモニタしており、それら最大値Vおよびオフ動作検出信号を検出信号として出力量帰還部29へ出力する。
【0060】
出力量帰還部29では、予め設定されている基準電源電圧Vtypに対する測定AC負荷電源電圧Vとから変動値GをG=(V/Vtyp)2 の式で求め、この変動分を帰還信号Gとしてオン動作期間中(区間t3)に積分演算部13へマイナス成分として出力する。
【0061】
すなわち、ヒータ9のAC負荷電力Wは、PID演算結果(MV)を0.5(負荷率50%)、測定AC負荷電源電圧の最大値をV、基準電源電圧をVtyp、そのAC負荷電源の実効値をVnとすると、一般に次のように表せる。
【0062】
つまり、電力をW、電圧をE、負荷をRとすると、一般式は「W=E2/R」となるが、ここで上述した負荷率を考慮すると、次の式で表される。
W=0.5×(E2/R)
【0063】
そして、測定AC負荷電源電圧Vが、例えばレベルにして0.9低下した場合、基準電源電圧をVtypを「1」とすれば、AC負荷電源の実効値VnはVn=0.9Eとなるから、ヒータ9のAC負荷電力Wは次のように表せる。
【0064】
W=0.5×(0.81E2/R)
【0065】
そこで、測定AC負荷電源電圧Vと基準電源電圧Vtypの電圧比Gを用い、積分演算部13で負荷率Xから減算すれば、測定AC負荷電源電圧Vの変動分をキャンセルできる。
【0066】
負荷率Xは「1」以下(X≦1)であるため、積分演算部13からの積分出力値Aは図2Aにおける区間t3のように減少して基準値(1×T)を超えて下降した結果、タイミング信号Bが出力されないため区間t4ではサイリスタ21がオン動作しない。
【0067】
そのため、帰還信号供給部23からの帰還信号Gは「0」になり、区間t4では区間t2と同様に積分演算部13からの積分出力値Aが上昇して基準値(1×T)を超え、タイミング信号Bの作用によってサイリスタ21がオン動作する。以降このような動作を繰り返す。
【0068】
なお、図示はしないが、図2A中ののこぎり歯状の積分出力波形は、例えば測定AC負荷電源電圧Vがレベル低下した場合、当然変化して傾きが大きくなる。
【0069】
このようにAC電力制御装置は、操作量MVに基づく負荷率Xの積分出力値Aが基準値以上のときにはヒータ9へAC負荷電力を供給し、そのAC負荷電力の供給時にはそのAC負荷電源電圧変動分を帰還させて負荷率Xから減算しながら積分してヒータ9をAC電力供給制御するから、調節計からの出力量が負荷率Xの形態で有効にAC電力制御に使用されるとともに、ヒータ9へ供給されるAC負荷電源11からのAC負荷電源電圧が変動しても、その変動分が負荷率Xの積分出力値Aに対してフィードフォワード的に反映されてAC電力供給制御され、高精度な時分割方式の制御が可能となる。
【0070】
しかも、操作量MVが変化してもその上昇分又は下降分は、積分出力値Aとして積分演算に活用されて基準値と比較されるから、以降のAC電力制御に生かされ、操作量MVが大きく変化しなくてもヒータ9へのAC電力供給を連続制御できる利点がある。
【0071】
このようなAC電力制御装置では、操作量MVに対応した負荷率Xをアナログ信号又はデジタル信号の何れの形態でも実施可能である。
【0072】
また、上述した実施の形態(第1の動作)では、帰還信号供給部23にてヒータ9へのAC負荷電力の供給期間(オン期間)を検出するとともに、AC負荷電力のオフ期間時にAC負荷電源電圧の最大値を測定し、予め設定した基準電源電圧に対する測定最大値の変動分を帰還信号Gとして積分演算部13へAC負荷電力のオン期間中に帰還させる構成であった。
【0073】
しかし、上述した構成では、図1中のAC検出部17に帰還信号供給部23のような機能を具備させ、AC検出部17から変動分を帰還信号Gとして積分演算部13へ出力する構成も可能である。
【0074】
このように、AC検出部17から帰還信号Gを積分演算部13へ帰還する構成では、AC検出部17がAC負荷電源11のAC電源波形をモニタしている関係から、AC負荷電源電圧の最大値を測定し易くて構成が複雑とならないうえ、帰還信号供給部23を別途設ける必要がない利点があるうえ、AC負荷電力のオン・オフの両期間の検出が可能となる。
【0075】
もっとも、負荷率Xをアナログ信号のまま動作させる場合には、独立した帰還信号供給部23によってサイリスタ21の両端波形を正確に検出して帰還信号Gを積分演算部13へ帰還した方が却って回路構成を簡単にでき、確実に動作させることができる。
【0076】
ところで、上述した積分演算部13では、負荷率Xを積分した後に帰還信号Gで減算して積分出力値を出力するよう構成しても良い。
【0077】
上述した実施の形態は、負荷率Xをデジタル信号のまま動作させる場合において、所定期間Tすなわち最小オン期間よりも小さいサンプリング周期で得られる負荷率Xを積分する動作であったが、本発明はこれに限定されない。
【0078】
例えば、所定期間T毎(最小オン時間1/2f)毎にサンプリングして得られる負荷率Xを積分する動作も可能である。
【0079】
すなわち、図1のAC電力制御装置において、積分演算部13は、図4に示すように、A/D変換された負荷率X1(X1n〜X1n+5……)をAC検出部17からの検出信号bに同期させて積分した積分値を出力する一方、後述する帰還信号供給部23からの帰還信号としての帰還信号Zが入力されたときにはこの帰還信号Zで減算した積分出力値ICnを比較部15へ出力するよう形成されている。この積分演算部13の詳細な動作は後述する。
【0080】
帰還信号Zも、基準電源電圧に対する測定最大値の変動分の逆数である点に変わりはない。
【0081】
なお、AC検出部17からの検出信号bに同期させて積分演算部13によって負荷率Xをデジタル値X1にA/D変換して取込むよう形成することも可能である。
【0082】
図4aはAC負荷電源11の電圧波形であり、図4bはAC検出部17からの検出信号bの波形、図4cは負荷率Xの推移であって符号Xn〜Xn+5……はA/D変換される負荷率、図4dの符号X1n〜X1n+5……はA/D変換された負荷率である。
【0083】
そして、積分演算部13における積分値ICnは次式で示すことができる。
【0084】
【数3】
【0085】
この数3において、符号Fmはヒータ9にAC電力を供給しない(オフ)とき「0」、供給する(オン)ときの帰還信号Z(X=1のときのA/D変換値)であり、変換後の負荷率X1をもとの積分値IC(n−1)に加算して次のように演算する。すなわち、積分演算部13の積分値ICnは、
ICn=IC(n−1)+X1n
で示される。ここで符号nはn時点を示し、項目(n−1)はn時点の一時点前を示す。
【0086】
積分演算部13は、その積分値ICnから帰還信号Zを減算した積分出力信号ICnを出力するものである。
【0087】
そのため、積分値ICnがICn≧Zの場合、積分演算部13では次式のような演算が行われて置き換えられることになり、図5eの実線はその関係を示している。
【0088】
ICn=IC(n−1)+X1n−Z
【0089】
比較部15は積分演算部13からの積分出力値ICnが所定の基準値Z以上か否かを比較し、基準値以上であれば上述した最小オン時間Tだけタイミング信号を駆動部としてのゼロクロストリガ回路19へ出力するものである。
【0090】
AC負荷電源11、AC検出部17、サイリスタ21、ヒータ9、出力モニタ27は上述した図1の構成と同様である。
【0091】
出力モニタ27とともに帰還信号供給部23を形成する出力量帰還部23は、出力モニタ27からの検出信号に基づいて上述した変動値Zを帰還信号Zとして積分演算部13へ出力するものである。
【0092】
この帰還信号Zは出力100%を最小オン時間Tだけ出力したときの値であり、上述した図2の基準値(1×T)に相当するカウント値であるうえ、測定AC負荷電源電圧Vと基準電源電圧Vtypの電圧比Gを測定AC負荷電源電圧Vの変動分として含むものである。
【0093】
ところで、このようなAC電力制御装置に係る第2の動作では、実際には図3のように制御部31を主体としたマイクロコンピュータで構成され、ROM31bには出力値ICnと比較する帰還信号Zが格納され、記憶部49には置換えた積分出力値ICnが一時的に順次格納される。
【0094】
このような構成では、負荷回路25の動作時に積分演算部13において積分値ICから変動分Zが引かれるため、図4eに点線で示したように負荷率X(X1)が積分された状態となって図2Aに示す積分動作と等価となるし、負荷33に供給されるAC負荷電力波形も図4gに示すように図2Eと同様の供給波形となる。
【0095】
例えば測定AC負荷電源電圧が低下した場合には、図4e中の減算する符号Zの値が減少するように変化する。
【0096】
このようなAC電力制御装置では、積分演算部13にて所定期間T毎にサンプリングして得られる負荷率Xを積分するとともに積分値から帰還信号Zを減算し、この積分出力値が帰還信号値Z以上のときには負荷へAC負荷電力を供給し、そのAC負荷電力のヒータ9への供給時にはその供給分を帰還信号供給部23から帰還させ、積分演算部13にて積分値からこの帰還信号Zを減算して積分出力値として置換えながらヒータ9をAC電力供給制御するから、上述した第1の動作構成における効果に加え、所定期間T毎に負荷率Xをサンプリングして取込むだけで高精度な時分割方式の制御が可能となる。
【0097】
ところで、上述した構成において、出力モニタ27でサイリスタ21の両端のAC負荷電源電圧の最大値Vを測定し、この測定値から変動値を帰還信号Gとして用いる形成したが、本発明において測定値はこれに限定されない。
【0098】
例えば、上述した図5の制御対象1の起動時におけるある期間のAC負荷電源電圧、又は安定動作時のAC負荷電源電圧についての最大値や実効値など任意に選定可能であり、出力量帰還部29に予め設定する基準電源電圧Vtypもそれら測定値と同様に、任意に可変設定可能である。
【0099】
さらに、変動値はその測定値Vと基準電源電圧Vtypから、G=(V/Vtyp)2で求めて帰還信号Gとして出力するものに限らず、AC負荷電源電圧とともにAC負荷電流の測定値を検出しても良く、その場合には例えば次のような式も有用である。符号Itypは基準電源電流である。
【0100】
G=(V/Vtyp)×(I/Ityp)
【0101】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、操作量に対応した負荷率から帰還信号を減算するとともに積分した積分出力値、又はその負荷率を積分してその帰還信号Gで減算した積分出力値を出力し、その積分出力値が基準値以上になったときタイミング信号を出力し、AC負荷電源の零電位付近の検出信号とそのタイミング信号との論理積に基づき上記零電位付近間を少なくとも一単位とした駆動信号を出力し、その駆動信号に基づき負荷への上記AC負荷電力を供給し、帰還信号供給部にてその負荷へ供給されるAC負荷電源電圧を測定するとともに予め設定された基準電源電圧に対する測定AC負荷電源電圧の変動値を形成し、この変動値を上記帰還信号として負荷へのAC電力供給オン期間に出力する構成とした。
そのため、負荷率のみならず負荷へ印加するAC電源電力の変動分を積分値に順次寄与させることができるため、操作量の負荷率であってAC電力供給前の負荷率が以降の演算に有効に活用され、負荷に供給されるAC負荷電源が変動しても、操作量の変化にかかわらずこれをフィードフォワード的にAC負荷電力供給制御に反映させることが可能で、高精度の時分割制御方式を実現できる。
上記AC検出部で上記帰還信号供給部を形成する構成では、AC負荷電源電圧の変動値を得やすいうえ、帰還信号供給部を別途設ける必要がなくなり、構成が複雑とならない利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るAC電力制御装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図2】図1のAC電力制御装置に係る第1の動作を説明する波形図である。
【図3】本発明のAC電力制御装置を製品化する際の実際の回路構成を示すブロック図である。
【図4】図1に示すAC電力制御装置に係る第2の動作を説明する波形図である。
【図5】温度制御システムを示す一般的なブロック図である。
【図6】図5中のAC電力制御装置に適応する位相制御方式を説明するAC負荷電源波形図である。
【図7】図5中のAC電力制御装置に適応する時間比例オンオフ制御方式を説明するAC負荷電源波形図である。
【図8】図5中のAC電力制御装置に適応する時分割制御方式を説明するAC負荷電源波形図である。
【図9】時分割制御方式を用い本発明の参考となるAC電力制御装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 制御対象
3 センサ
5 調節計
7 AC電力制御装置
9、37 ヒータ(負荷)
11、31 AC負荷電源
13 積分演算部
15 比較部
17 AC検出部
19 ゼロクロストリガ回路(駆動部)
21 サイリスタ
23 帰還信号供給部
25 負荷回路
27 出力モニタ
29 出力量帰還部
31 制御部
31a CPU
31b ROM
31c インターフェースI/O
33 負荷率入力部
35 記憶部(RAM)
37 トリガ回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an AC power control device, and more particularly to an improvement of an AC power control device that controls AC power of a heater or the like used as a load on the output side of a controller.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 5, as a system for controlling the temperature of a control target by a controller, for example, a measurement value PV from a
[0003]
As a control method of the AC
[0004]
In the phase control method, as shown in FIG. 6, AC power control is performed by switching the AC load power supply at an arbitrary phase angle and energizing the power supply. Since the adjustment can be performed at an arbitrary phase angle, fine control is possible. Although the stability is high, since the AC load power supply is switched at an arbitrary phase angle, high-frequency noise is likely to be generated, which is not suitable for a control system which is susceptible to noise.
[0005]
The time-proportional on-off control method performs AC power control by changing the ratio of the on-time and off-time during a fixed period (two seconds in FIG. 7) as shown in FIG. Switching near the potential makes it difficult to generate noise and is suitable for noise-sensitive control systems.On the other hand, since the time interval between the ON time and the OFF time is long, ripples based on control are likely to be long, and fine control can be expected. However, there is a problem in control stability.
[0006]
The time division control method is an improvement of both control methods. As shown in FIG. 8, switching is performed near the zero potential of the AC load power supply voltage. However, unlike the time proportional on / off control method, there is no cycle. , The on-time and the off-time are alternately and frequently repeated, which is advantageous in that noise is hardly generated and controllability closer to the above-described phase control can be expected.
[0007]
However, in the time-division control method, the AC load power supply voltage is switched only every half cycle of the AC load power supply voltage. Therefore, for example, even if the manipulated variable MV slightly changes, the change is changed every half cycle of the AC load power supply voltage. That is, it is reflected only in a stepwise manner, and the AC power control is likely to be oscillating.
[0008]
Therefore, the present inventor has disclosed a new “AC power control device” in Japanese Patent No. 3022051 (
[0009]
That is, in this configuration, as shown in FIG. 9, an integrated output value obtained by subtracting and integrating a constant signal g of “1” or “0” as a power supply feedback signal from a load factor X corresponding to the manipulated variable MV. Is output from the
[0010]
In such a configuration, even if the load factor X fluctuates, it can be sequentially reflected in the integral value. Therefore, the load factor X of the manipulated variable MV and the load factor X before the AC power supply is calculated in the subsequent calculation. The point that the load cannot be variably controlled unless the manipulated variable MV changes significantly is improved, and highly accurate time-division control can be performed.
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3022051
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the AC power control device shown in FIG. 9, a constant signal g of “1” or “0” is output from feedback
[0013]
In particular, commercial AC load power supplies may fluctuate, and improvements have been desired from the viewpoint of ensuring highly accurate AC power control.
[0014]
The present invention has been made under such a circumstance, and even if the AC load power supply supplied to the load fluctuates, it can be reflected in the AC power supply control together with the change in the operation amount, and the high load can be obtained. It is an object of the present invention to provide an AC power control device capable of realizing an accurate time division control method.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the present invention provides an integrated output value obtained by subtracting and integrating a feedback signal from a load factor corresponding to a manipulated variable, or integrating the load factor and subtracting with the feedback signal to reduce the load. An integration operation unit that outputs an integrated output value as an integral value of a rate, a comparison unit that outputs a timing signal when the integrated output value exceeds a reference value, and detects and detects near zero potential of an AC load power supply. An AC detection unit that outputs a signal, and a driving unit that outputs a driving signal in which at least one unit near the zero potential is set based on a logical product of the timing signal and the detection signal to turn on AC power supply to a load. And measuring the AC load power supply voltage supplied to the load and forming a fluctuation value of the measured AC load power supply voltage with respect to a preset reference power supply voltage, and using the fluctuation value as the feedback signal. AC power supply ON period to the load Te to have and a feedback signal supply unit that outputs to the integration unit.
[0016]
Further, in the present invention, the feedback signal supply unit can be formed by the AC detection unit.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an AC power control device according to the present invention.
[0018]
In FIG. 1, an
[0019]
Here, the load factor X can be expressed as follows, assuming that a value equivalent to 100% of the manipulated variable MV is MVmax and a value equivalent to 0% is MVmin.
[0020]
X = (MV−MVmin) / (MVmax−MVmin)
[0021]
For example, if the manipulated variable MV is 12 mA in a controller having a 4 to 20 mA output, the load factor X is
(12-4) / (20-4) = 0.5
It becomes.
[0022]
When expressing the operation amount MV of the controller from 0 to 100%,
X = MV (%) / 100 (%)
It becomes.
[0023]
Further, an integrated output value A which is obtained by integrating the subtraction value Y and output to the comparing
[0024]
(Equation 1)
[0025]
The symbol t0 in
[0026]
The period T in FIG. 2 has a value represented by the following equation in order to turn on and off near the zero potential (0 V) of the AC load power supply waveform so as not to generate high-frequency noise when switching on and off the AC
[0027]
T = n × (1 / 2f)
[0028]
Here, the symbol f is the power source frequency of the AC
[0029]
The reference value (1 × T) is the minimum unit of the output, and is an integral value during the minimum on-time T when the load factor X is “1”, and can be expressed by the following equation.
[0030]
(Equation 2)
[0031]
In FIG. 1, a
[0032]
The
[0033]
When the timing signal B from the
[0034]
Therefore, the zero-
[0035]
The AC
[0036]
The AC
[0037]
That is, the
[0038]
The
[0039]
Output monitors 27 are connected to both ends of the
[0040]
That is, the output monitor 27 monitors the voltage between both ends of the
[0041]
The output amount feedback unit 29 generates a feedback signal G based on the detection signal from the output monitor 27, forms the feedback signal G during the ON operation period immediately after the OFF period of the
[0042]
When the maximum value of the AC load power supply voltage detected by the output monitor 27 is V and the reference power supply voltage preset in the output amount feedback unit 29 is Vtyp, the feedback signal G is a fluctuation value represented by the following equation. G is formed and output as a negative component feedback signal G.
[0043]
G = (V / Vtyp) 2 = Square of voltage ratio between measured voltage and reference power supply voltage
[0044]
During the OFF operation period of the
[0045]
That is, only during a period (n × T) that is an integral multiple of the period T during which the AC load power is being supplied to the
[0046]
In FIG. 2G, when the AC load power supply voltage matches the reference power supply voltage (Vtyp), the level signal of “1.0” is lowered below the reference power supply voltage (Vtyp) and lower than the corresponding “1.0”. When the level signal rises above the reference power supply voltage (Vtyp) and rises, a corresponding level signal exceeding "1.0" is output.
[0047]
The AC
[0048]
Incidentally, the
[0049]
The
[0050]
The
[0051]
That is, the
[0052]
The AC
[0053]
Next, a first operation of the AC power control apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0054]
2A, the feedback signal G is not output because the
[0055]
When the integrated output value A exceeds the reference value (1 × T) in the latter half of the section t2, the timing signal B is output from the
[0056]
The
[0057]
The zero-
[0058]
Therefore, in the section t3, the
[0059]
The output monitor 27 measures the maximum value V of the AC load power supply voltage applied to the
[0060]
The output amount feedback unit 29 calculates a fluctuation value G from the measured AC load power supply voltage V with respect to a preset reference power supply voltage Vtyp by G = (V / Vtyp). 2 This variation is output as the feedback signal G to the
[0061]
That is, as for the AC load power W of the
[0062]
That is, if the power is W, the voltage is E, and the load is R, the general formula is “W = E 2 / R ", where the above-mentioned load factor is taken into consideration and expressed by the following equation.
W = 0.5 × (E 2 / R)
[0063]
Then, when the measured AC load power supply voltage V is reduced by 0.9, for example, to a level, if the reference power supply voltage Vtyp is set to “1”, the effective value Vn of the AC load power supply is Vn = 0.9E. And the AC load power W of the
[0064]
W = 0.5 × (0.81E 2 / R)
[0065]
Therefore, by using the voltage ratio G between the measured AC load power supply voltage V and the reference power supply voltage Vtyp and subtracting it from the load factor X in the
[0066]
Since the load factor X is equal to or less than “1” (X ≦ 1), the integrated output value A from the
[0067]
Therefore, the feedback signal G from the feedback
[0068]
Although not shown, the saw-tooth integrated output waveform in FIG. 2A naturally changes and increases in slope when the level of the measured AC load power supply voltage V decreases, for example.
[0069]
As described above, the AC power control device supplies the AC load power to the
[0070]
In addition, even if the manipulated variable MV changes, the rise or fall is used as an integral output value A for integration calculation and compared with a reference value, so that it is utilized in subsequent AC power control, and the manipulated variable MV is used. There is an advantage that the AC power supply to the
[0071]
In such an AC power control device, the load factor X corresponding to the manipulated variable MV can be implemented in any form of an analog signal or a digital signal.
[0072]
Further, in the above-described embodiment (first operation), the feedback
[0073]
However, in the configuration described above, the
[0074]
As described above, in the configuration in which the feedback signal G is fed back from the
[0075]
However, when the load factor X is operated as an analog signal, the independent feedback
[0076]
By the way, the above-mentioned
[0077]
In the above-described embodiment, when the load factor X is operated as a digital signal, the load factor X obtained in a sampling period smaller than the predetermined period T, that is, the minimum ON period, is integrated. It is not limited to this.
[0078]
For example, an operation of integrating a load factor X obtained by sampling every predetermined period T (minimum ON
[0079]
That is, in the AC power control device of FIG. 1, as shown in FIG. 4, the
[0080]
The feedback signal Z is still the reciprocal of the variation of the measured maximum value with respect to the reference power supply voltage.
[0081]
The load factor X may be converted into a digital value X1 by A / D conversion and taken in by the
[0082]
4A shows the voltage waveform of the AC
[0083]
The integral value ICn in the
[0084]
[Equation 3]
[0085]
In
ICn = IC (n-1) + X1n
Indicated by Here, the symbol n indicates the time point n, and the item (n-1) indicates one time point before the time point n.
[0086]
The
[0087]
Therefore, when the integrated value ICn satisfies ICn ≧ Z, the
[0088]
ICn = IC (n-1) + X1n-Z
[0089]
The comparing
[0090]
The AC
[0091]
The output
[0092]
This feedback signal Z is a value when an output of 100% is output for the minimum ON time T, and is a count value corresponding to the reference value (1 × T) in FIG. It includes a voltage ratio G of the reference power supply voltage Vtyp as a variation of the measured AC load power supply voltage V.
[0093]
By the way, in the second operation according to the AC power control device, the microcomputer is actually constituted by a microcomputer mainly including the
[0094]
In such a configuration, since the variation Z is subtracted from the integrated value IC in the
[0095]
For example, when the measured AC load power supply voltage decreases, the value of the sign Z to be subtracted in FIG. 4E changes so as to decrease.
[0096]
In such an AC power control device, the
[0097]
By the way, in the configuration described above, the maximum value V of the AC load power supply voltage at both ends of the
[0098]
For example, it is possible to arbitrarily select an AC load power supply voltage for a certain period when the
[0099]
Further, the fluctuation value is obtained from the measured value V and the reference power supply voltage Vtyp by G = (V / Vtyp). 2 The measured value of the AC load current together with the AC load power supply voltage may be detected, and the following expression is also useful. Symbol Ityp is a reference power supply current.
[0100]
G = (V / Vtype) × (I / Itype)
[0101]
【The invention's effect】
As described above, the present invention outputs an integrated output value obtained by subtracting and integrating the feedback signal from the load factor corresponding to the manipulated variable, or an integrated output value obtained by integrating the load factor and subtracting the feedback signal G. A timing signal is output when the integrated output value is equal to or more than a reference value, and the interval between the vicinity of the zero potential is determined as at least one unit based on a logical product of the detection signal near the zero potential of the AC load power supply and the timing signal. A drive signal is output, the AC load power is supplied to the load based on the drive signal, an AC load power supply voltage supplied to the load is measured by a feedback signal supply unit, and a predetermined reference power supply voltage is measured. A variation value of the measured AC load power supply voltage is formed, and the variation value is output as the above-mentioned feedback signal during an AC power supply ON period to the load.
Therefore, not only the load factor but also the variation of the AC power applied to the load can be made to sequentially contribute to the integral value, so that the load factor of the manipulated variable and the load factor before the AC power supply is effective for the subsequent calculations. Even if the AC load power supply supplied to the load fluctuates, it can be reflected in the AC load power supply control in a feed-forward manner regardless of the change in the manipulated variable. The system can be realized.
The configuration in which the feedback signal supply unit is formed by the AC detection unit is advantageous in that a fluctuation value of the AC load power supply voltage can be easily obtained, and it is not necessary to separately provide a feedback signal supply unit, so that the configuration is not complicated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an AC power control device according to the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram illustrating a first operation according to the AC power control device in FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing an actual circuit configuration when commercializing the AC power control device of the present invention.
FIG. 4 is a waveform diagram illustrating a second operation according to the AC power control device shown in FIG.
FIG. 5 is a general block diagram showing a temperature control system.
FIG. 6 is an AC load power supply waveform diagram for explaining a phase control method adapted to the AC power control device in FIG. 5;
FIG. 7 is an AC load power supply waveform diagram for explaining a time proportional on / off control method applied to the AC power control device in FIG. 5;
FIG. 8 is an AC load power supply waveform diagram for explaining a time division control method adapted to the AC power control device in FIG.
FIG. 9 is a block diagram showing an AC power control device using a time division control method and serving as a reference of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Control target
3 Sensor
5 Controller
7 AC power control device
9, 37 Heater (load)
11, 31 AC load power supply
13 Integral operation unit
15 Comparison section
17 AC detector
19 Zero-cross trigger circuit (drive unit)
21 Thyristor
23 Feedback signal supply unit
25 Load circuit
27 Output monitor
29 Output amount feedback section
31 Control unit
31a CPU
31b ROM
31c interface I / O
33 Load factor input section
35 Storage (RAM)
37 Trigger Circuit
Claims (2)
前記積分出力値が基準値以上になったときタイミング信号を出力する比較部と、
AC負荷電源の零電位付近を検出して検出信号を出力するAC検出部と、
前記タイミング信号と検出信号との論理積に基づき前記零電位付近間を少なくとも一単位とした駆動信号を出力して負荷へのAC電力供給をオン動作させる駆動部と、
前記負荷へ供給される前記AC負荷電源電圧を測定するとともに、予め設定された基準電源電圧に対する前記測定AC負荷電源電圧の変動値を形成し、この変動値を前記帰還信号として前記負荷へのAC電力供給オン期間に前記積分演算部へ出力する帰還信号供給部と、
を具備することを特徴とするAC電力制御装置。An integral output value obtained by subtracting and integrating the feedback signal from the load factor corresponding to the manipulated variable or an integral output value integrating the load factor and subtracting the feedback signal to obtain an integrated output value of the load factor. An operation unit;
A comparing unit that outputs a timing signal when the integrated output value is equal to or greater than a reference value,
An AC detection unit that detects near zero potential of the AC load power supply and outputs a detection signal;
A drive unit that outputs a drive signal with at least one unit between the vicinity of the zero potential based on a logical product of the timing signal and the detection signal to turn on AC power supply to a load,
The AC load power supply voltage supplied to the load is measured, and a fluctuation value of the measured AC load power supply voltage with respect to a preset reference power supply voltage is formed. The fluctuation value is used as the feedback signal as an AC signal to the load. A feedback signal supply unit that outputs to the integration operation unit during a power supply ON period;
An AC power control device, comprising:
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