JP2006135186A - 回路の加熱・保温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な構成よって、回路の必要な部位にだけ適切に熱を加えることが可能な回路部加熱・保温手段を提供する。
【解決手段】 加熱を必要とする部品である複数の回路３−１、３−２を搭載したプリント配線基板５上に、これらの回路が搭載されている面と同一面内の各回路３−１、３−２の周囲近傍に配置された複数の加熱用抵抗器１−１〜１−６と、各回路３−１、３−２上にそれぞれ配置された温度センサー２−１、２−２と、温度センサー２−１、２−２からの温度情報を監視し、複数の加熱用抵抗器１−１〜１−６をそれぞれ独立に通電制御するＣＰＵ（制御器）４を実装する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、寒冷地／低温地帯における装置使用部品の加熱／保温回路に関する。

電気的装置は、様々な環境温度でしばしば使用される。しかしながら、その装置内で使用される各部品が定格動作環境温度外で使用された場合、動作に支障をきたすことがあり、部品そのものにダメージを与えてしまう問題があった。そのため、例えば寒冷低温地帯や冬期に特に屋外で使用される装置では、部品の動作温度を保証するために、それらの環境温度に適合した部品を使用するか、あるいは加熱器や保温器、保温構造を有する専用の装置設計を行う必要がある。

しかし、低温動作を保証する部品は極めて選択肢が少なく、必ずしも目的にあった部品が得られるとは限らない。また、ヒーター等を使用して装置全体を温めることにより部品の動作温度を保証する構成では、大容量の電源の準備、および、より綿密な熱設計が必要となるなど、極めて設計の選択肢を少なくし、非常に高価とならざるを得ない。

例えば、ヒーターを電子部品が収容されている箱内に収容して直接加熱する方法を採用した場合、その構造が大規模となりやすく、必要な部位に適切な加熱をさせることが困難であることや放熱方法、供給電源の大容量化等、専用の設計が必要となる。また、保温構造としては、外殻を２重構造にしたり、カバーを設置したり、防寒用のシート等で装置を覆うなどの方法があるが、いずれも夏期等の温暖期には不要となるため、その設置や取り外しの作業が必要となる。

このような問題を解消する回路部品加熱手段として、回路部品を搭載したプリント配線基板を直接加熱する方法が特許文献１あるいは特許文献２において提案されている。

特許文献１では、２枚のプリント配線基板の各外面に配線パターンを形成するとともに、２枚のプリント配線基板の間に、発熱体を備えた発熱シートを積層することにより、周囲の外気温度が回路部品の使用下限温度を越えて低下したとき、発熱シートに通電して各プリント配線基板を同時に、かつ全面に亘って均一に加熱する構成とすることにより、信頼性の向上及び部品費の増大を抑制している。

また、特許文献２では、所望の動作を遂行する複数の部品が搭載されている回路板の層と、互いに独立して加熱制御される複数の加熱抵抗器を含む回路板の層とを積層して配置するとともに、各部品の周囲温度を別々に測定することにより、各部品の加熱の必要性に応じて部品毎に独立して加熱制御を可能にする技術が記載されている。

特開平６−２１６７８号公報 特表２００１−５０８９４２号公報

特許文献１に記載の技術によれば、プリント配線基板の両面を発熱シートで同時に加熱して、両面の回路部品に対する温度保証を行っているので、部品費の増大を最小限に抑制できる効果があり、また、特許文献２に記載の技術によれば、各部品の加熱の必要性に応じて部品毎に独立して加熱制御するので、必要な加熱電力を最小限とすることができる効果がある。

しかし、これら特許文献１〜２に記載の技術では、回路板の内部層に加熱素子を有する多層プリント回路板を積層する構造となっているために、構成が複雑であって回路板の製造コストが比較的高くなる。また、特許文献１に記載の技術では、プリント配線基板全体が発熱シートで均一に加熱する構成であるので、熱出力を個々の部品へ向けることが非常に困難であり、したがって、加熱を希望しない部品においても、過剰な熱を受ける可能性がある。

一方、特許文献２に記載の技術では、熱出力を個々の部品へ独立に向けることは可能であり、加熱を希望しない部品が過剰な熱を受ける危険性は少ないが、回路部品を搭載したプリント配線基板毎に、それぞれの回路部品の配置と一致する位置に加熱抵抗器を配置した回路板の層を別途形成する必要があり、回路板の製造コストは更に高くなる。更に積層構造としているために積層内部の加熱抵抗器等に故障が発生したときの保守、修理も面倒である。

また、特許文献１〜２に記載の構成の場合、加熱用の抵抗器は、１つ、あるいは加熱を必要とする複数の部品に対してそれぞれ１つずつ加熱用抵抗器を配置することにより、部品毎に１つの加熱用抵抗器で独立して加熱する構成であるので、加熱用の抵抗器のいくつかが故障等で正常動作出来なくなった場合には、この故障した抵抗器が配置されている回路部品は加熱されないために、正常な動作ができなくなるという問題がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、比較的簡単な構成よって、回路の必要な部位にだけ適切に熱を加えることが可能な回路部加熱・保温手段を提供することにある。

本発明の他の目的は、簡単な構成にも関わらず、信頼性の高い加熱・保温手段を提供することにある。

本発明の加熱／保温装置は、加熱／保温が必要な部位を有する１つ又は複数の回路が搭載されたプリント配線基板に対して、前記プリント配線基板の前記回路が搭載されている面と同一の面内の前記加熱／保温が必要な部位近傍に配置され、通電制御される電流によって発熱して前記加熱／保温が必要な部位を加熱する加熱素子を備えたことを特徴とする。

また、前記加熱素子は通電することにより加熱する抵抗器等で構成することができ、また、過熱される回路が搭載されているプリント配線基板上の該回路周辺に配置された回路パターンとして構成することができる。これらの加熱素子は、前記加熱／保温が必要な部位毎に、その周囲近傍に互いに独立に通電制御される２つ以上配置することが好ましい。

また、前記プリント配線基板上もしくは回路上には、前記加熱／保温が必要な部位近傍の温度を測定する温度センサーと、該温度センサーで測定された温度情報を入力して、前記加熱素子に対する通電をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御回路を備えた構成とすることにより、加熱／保温が必要な部位を設定された温度範囲に保持することができるようにしている。

本発明では、加熱／保温が必要な部位を有する１つ又は複数の回路が搭載されたプリント配線基板上に、加熱／保温を目的とした部品（加熱素子）と温度センサーとそれらを制御する部品を設けているので、加熱／保温が必要な部位の近傍にのみ加熱素子を簡単に配置することができ、かつ必要な部位／部品を適切な温度状態まで加熱／保温することができる。

これらの部品は装置の動作に関わりなく、加熱／保温のみを目的として配置されており、温度センサーにより低温状態であることを認識すれば加熱素子を発熱させ装置内回路を適切な温度まで上昇させる。そして、十分な加熱が得られた後は、温度センサーと制御器により加熱のＯＮ／ＯＦＦを制御することで適切な温度条件に維持される。

本発明は、加熱／保温が必要な部位を有する回路が搭載されているプリント配線基板の、前記回路搭載面と同一の面に、該回路を加熱する素子を配置しているので、発熱用の基板を積層する必要はなくその構成は極めて簡単であり、非常に安価に実現可能であるとともに、保守も容易である。

また、加熱／保温が必要な部位毎に、互いに独立に通電制御される２つ以上の前記加熱用抵抗器を配置することも容易であり、加熱用の抵抗器のいくつかが故障等で正常動作出来なくなったとしても、残った抵抗器で補うことが出来る構成とすることにより、一度に全ての機能を失う可能性を極めて低くすることができ、信頼性の高い加熱／保温装置を実現することができる。

また、温度センサーを加えることできめ細かい温度管理を実現し、ＣＰＵ（制御器）の通電制御で温度状態を適切に設定することを可能とているので、その設計も容易であり、これらが全て汎用部品で構成可能であることから、特殊な部品や構成は必要なく通常の回路と同じように設計を行うことが出来る。また、各抵抗器の発熱量や発熱速度も、抵抗値や通電電流を変更するだけで容易に変更が可能であり、汎用性に優れ回路部品の変更や地域ごとの異なる環境にも柔軟に対応できる。

図１および図２は、本発明の第１の実施形態を示す回路の加熱／保温装置の平面図およびその断面図である。

本実施形態の加熱／保温装置は、プリント配線基板５上に加熱を必要とする部品である複数の回路３−１、３−２が搭載され、これらの回路の加熱／保温を行うために、該プリント配線基板５上に、各回路３−１、３−２の周囲近傍に位置するように配置された複数の加熱用抵抗器１−１〜１−６と、各回路３−１、３−２上にそれぞれ配置された温度センサー２−１、２−２と、温度センサー２−１、２−２からの温度情報を監視し、複数の加熱用抵抗器１−１〜１−６をそれぞれ独立に通電制御するＣＰＵ（制御器）４を実装することにより構成される。

なお、図示されていないが、各加熱用抵抗器１−１〜１−６はそれぞれ、ＣＰＵ４からの通電制御信号によりＯＮ／ＯＦＦ制御されるスイッチを介して加熱用電源に接続されている。また、図では、ＣＰＵ４による通電制御のための配線を、プリント配線基板５の表面上に模式的に示しているが、これらの制御用配線は、必ずしもプリント配線基板５の表面上である必要はなく、プリント配線基板５の裏面に配置することもできる。

回路３−１、３−２は、装置の動作を行う回路部であり、ＣＰＵ（制御器）４は温度センサー２−１、２−２からの温度情報を監視し、各回路３−１、３−２の周囲に配置された加熱用抵抗器１−１〜１−６に対する通電をそれぞれ独立にＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことにより、動作中の各回路部が常に適切な温度状態を維持するように制御する。例えば、加熱用抵抗器１−３、１−４は、各回路３−１、３−２の両方を加熱する位置に配置されており、従って、ＣＰＵ４は、これら両方の回路の温度情報を加味した通電制御を行い、この加熱用抵抗器１−３、１−４の通電制御と、他の加熱用抵抗器１−１、１−２と１−５、１−６通電制御により、各回路３−１、３−２の動作温度が最適となるように制御する。

各加熱用抵抗器１−１〜１−６の抵抗値やその通電電流は、各回路３−１、３−２に対する加熱を効率よく制御できる発熱量となるように実験等により容易に変更、調整することができる。また、あらかじめ、通電ＯＮ／ＯＦＦの切り替え温度を設定しておくことで、回路を適切な温度状態に保つことが出来る。特に各センサー／各抵抗器毎に制御温度を設定しておけば、きめ細かな温度管理が出来るようになり、補償温度の異なる部位にも柔軟に対応し、無駄な加熱を抑えることが出来る。

低温起動時など、部品がダメージを受けたりする可能性がある場合には、電源ＯＮ時には加熱器となる抵抗器１−１〜１−６のみに通電し、一定温度あるいは一定時間経過し装置内が加熱された段階で回路３−１、３−２内の各部品に通電させるようにすれば、部品にダメージを与えることなく、適切な環境温度で起動させることができる。また、ＣＰＵ（制御器）４については、低温時にＣＰＵの動作自体が不良となる虞がある場合には、、熱スイッチ等の温度特性に優れたハード的な制御回路を、ＣＰＵの代わりに使用しても良い。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す平面図であり、図４及び図５は、本実施形態における低温起動時の加熱イメージ図及び定常（保温）時のイメージ図である。

本実施形態の回路の加熱・保温装置も、プリント配線基板５上に搭載されて装置の動作を行う回路３を加熱するために、該プリント配線基板上の回路３の周辺近傍に配置された複数の加熱抵抗器１−１〜１−９を備えており、ＣＰＵ４による通電制御により回路３−１、３−２の加熱が必要な部品を加熱制御する。

本実施形態では、厳密な温度監視を行うために、各回路３−１、３−２の加熱が必要な複数の部品の近傍に複数の温度センサー２−１〜２−７が必要な数だけそれぞれ配置される。これらの温度センサー２−１〜２−７は特に温度監視が必要な部位にそれぞれ設置される。また、加熱抵抗器１−１〜１−９も、加熱が必要な部品の近くにそれぞれ複数の加熱抵抗器が配置される。加熱抵抗器及び温度センサーの数は、回路規模等に応じて適宜選定配置すれば良い。また、加熱用抵抗器の抵抗値や通電電流を調整することで発熱量を容易に変更することが可能である。

ＣＰＵ４は、温度センサー２−１〜２−７からの情報を監視し、加熱用抵抗器１−１〜１−９への通電ＯＮ／ＯＦＦを行う。また、あらかじめ、通電ＯＮ／ＯＦＦの切り替え温度を設定しておくことで、回路を適切な温度状態に保つことが出来る。特に各センサー／各抵抗器毎に制御温度を設定しておけば、きめ細かな温度管理が出来るようになり、補償温度の異なる部位にも柔軟に対応し、無駄な加熱を抑えることが出来る。

本実施形態においても、温度センサー２−１〜２−７からの温度情報を監視し、各加熱用抵抗器１−１〜１−９への通電のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うＣＰＵ４を実装しているが、低温時のＣＰＵ動作が不良となる虞がある場合等には、熱スイッチ等の温度特性に優れたハード的な制御回路を、ＣＰＵの代わりに使用しても良い。また、低温起動時など、部品がダメージを受けたりする可能性がある場合には、電源ＯＮ時には加熱器となる抵抗器のみに通電し、一定温度あるいは一定時間経過し装置内が加熱された段階で各部品に通電させるようにすれば、部品にダメージを与えることなく、適切な環境温度で起動させることができる。

即ち、低温起動時には、回路３−１、３−２の電源は、低温による誤動作や部品へのダメージをさけるためＯＦＦ状態としておき、図４に示すように加熱用の抵抗器１−１〜１−９にのみ通電して、先に回路３−１、３−２を適切な温度まで上昇させる。そして、設定温度以上になった後、回路３−１、３−２に対する動作電源の投入を行う。このようにすれば、低温時の加熱特性の良くない部品の温度上昇も助けることが出来、装置は起動時から安定した動作が可能となる。

装置内が加熱され、各部品が適切な環境温度で動作出来るようになれば、加熱用抵抗器への通電がＯＦＦにされる。もし、それにより、環境温度が下がるようであれば再度加熱用抵抗器への通電をＯＮして加熱を行う。この制御を繰り返すことで、回路は常に一定の環境温度が維持される。さらに、各部位に配された温度センサー２−１〜２−７と加熱用抵抗器１−１〜１−９の制御を個々に行うことで、それぞれの部位に応じた最適な環境温度設定を行うことができる。

定常／保温時には、回路３が通電されたことで回路自身も加熱されるため、図５に示すように、適切な温度となった部位の抵抗器１への通電はＯＦＦにされる。温度が十分でない部位や抵抗器１の通電ＯＦＦにより温度が下がってしまった部位の抵抗器１への通電は継続あるいは再度ＯＮして、加熱を継続あるいは再加熱することにより、動作中の回路全体が適切な温度状態に維持される。

なお、上記実施形態では、ＣＰＵ４や温度センサー２を用いて、回路３の加熱必要な部品に対してきめ細かい制御を行っているが、本発明は、単に回路３の加熱を目的として、回路３が搭載されているプリント配線基板５上において、該回路の周辺近傍に加熱用抵抗器１を設置する構成とすれば、本発明の目的とする、比較的簡単な構成よって、回路の必要な部位にだけ適切に熱を加えることが可能な回路部加熱・保温手段を実現することができる。

また、本発明は素子の通電損によって発熱させるので、通電損失がある素子や回路パターンを加熱用抵抗器の代わりに用いることも可能である。

本発明の実施形態を示す回路の加熱／保温装置の平面図である。 本実施形態の断面図である。 本発明の他の実施形態を示す平面図である。 本実施形態における低温起動時の加熱イメージ図である。 本実施形態における定常（保温）時のイメージ図である。

符号の説明

１−１〜１−９ 加熱用抵抗器
２−１〜２−７ 温度センサー
３−１，３−２ 回路
４ ＣＰＵ（制御器）
５ プリント配線基板

Claims (6)

1. 加熱／保温が必要な部位を有する１つ又は複数の回路が搭載されたプリント配線基板における加熱／保温装置において、
   前記プリント配線基板の前記回路が搭載されている面と同一の面内の前記加熱／保温が必要な部位近傍に配置され、通電制御される電流によって発熱して前記加熱／保温が必要な部位を加熱する加熱素子を備えていることを特徴とする加熱／保温装置。
2. 前記加熱素子は、加熱用抵抗器であることを特徴とする請求項１に記載の加熱／保温装置。
3. 前記加熱素子は、前記プリント配線基板上に回路パターンとして形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱／保温装置。
4. 前記加熱／保温が必要な部位毎に、その周囲近傍に互いに独立に通電制御される２つ以上の前記加熱素子を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加熱／保温装置。
5. 前記プリント配線基板上もしくは前記回路上に、前記加熱／保温が必要な部位近傍の温度を測定する温度センサーと、該温度センサーで測定された温度情報を入力して、前記素子に対する通電をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御回路を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加熱／保温装置。
6. 前記温度センサーは、前記回路の温度監視が必要な複数の部位の近傍にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項５に記載の加熱／保温装置。
   

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