JP2008234413A - 温度制御装置及び温度制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】抵抗ヒータの温度制御における消費電力を抑え、抵抗ヒータの電圧等の測定に関して分解能の低下や誤差の増大を抑える。
【解決手段】温度制御装置５は、温度依存性抵抗ヒータ１１と、ＰＷＭコントローラ７１と、加算器５２と、反転増幅器５３と、ＰＷＭスイッチＳＷ１と、差動増幅器５４と、差動増幅器５５と、ＡＤＣ５６と、を備える。ＰＷＭコントローラ７１のＰＷＭ信号がオンである場合に、ＰＷＭスイッチＳＷ１によって強電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる。ＰＷＭコントローラ７１のＰＷＭ信号がオフである場合、ＰＷＭスイッチＳＷ１によって弱電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる。ＰＷＭコントローラ７１は、ＰＷＭ信号がオフの場合における差動増幅器５４、差動増幅器５５及びＡＤＣ５６の信号に基づき、温度依存性抵抗ヒータ１１の温度を設定温度に近づけるようにＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度制御装置及び温度制御方法に関し、特に、温度に依存して抵抗値が変化する特性を有した温度依存性抵抗ヒータによって温度を制御する温度制御装置及び温度制御方法に関する。
近年、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として燃料電池が注目されるようになり、燃料電池自動車や電化住宅などへの実用化が進められてきている。また、携帯電話機やノート型パソコンといった携帯型電子機器においても、燃料電池を電源として用いる研究・開発が進められている。
燃料電池は水素と酸素の電気化学反応により発電する装置である。燃料電池に供給する水素はメタノールといった液体燃料から生成されるので、液体燃料と水から水素を生成する反応装置が燃料電池に接続されている。反応装置は、液体燃料と水を気化させる気化器、気化された燃料と水を改質反応させて水素を生成する改質器、改質器で微量に生成された一酸化炭素を酸化により除去する一酸化炭素除去器等から構成されている。また、反応装置として、改質器と一酸化炭素除去器を一体化したものが開発されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、反応装置は複数の基板の接合体からなるものであり、これら基板の接合面に溝が形成され、溝の壁面に触媒が担持され、これら基板が接合されて溝が基板で覆われることによって、溝が改質器や一酸化炭素除去器の流路となっている。
また、改質器や一酸化炭素除去器において反応が効率よく起きる温度は室温よりも高いので、これら改質器や一酸化炭素除去器を加熱する必要がある。また、改質器や一酸化炭素除去器において最も効率よく起きる適温があり、改質器や一酸化炭素除去器を温度制御してその適温に維持する必要がある。
改質器や一酸化炭素除去器を適温に維持するためには、フィードバック制御法を用いるのが一般的である。つまり、抵抗ヒータによって改質器や一酸化炭素除去器を加熱し、改質器や一酸化炭素除去器の温度を熱電対など温度センサで測定し、その測定温度をフィードバックしてその測定温度に基づき抵抗ヒータの供給電力を制御する。これにより、改質器や一酸化炭素除去器を適温に維持することができる。
また、抵抗ヒータの抵抗値が温度に依存するのであるならば、抵抗ヒータの抵抗値から温度を測定することができるため、温度センサを省略することができる（例えば、特許文献２参照）。この場合、抵抗ヒータの電圧をオペアンプなどにより測定しながら、抵抗ヒータに流す電流を制御する。つまり、抵抗ヒータに流す電流の大きさを設定して、その大きさの電流を抵抗ヒータに流し、抵抗ヒータの電圧をオペアンプにより測定してフィードバックする。そして、設定した電流の大きさと測定電圧から抵抗ヒータの抵抗値が求まり、これにより抵抗ヒータの温度も求まる。その求まった抵抗値又は温度から電流の大きさを新たに設定し、新たに設定した大きさの電流を抵抗ヒータに流す。
特開２００５−３１４２０７号公報 特開２００５−１０８５５７号公報
しかしながら、抵抗ヒータを含む回路には一定の電源電圧が印加されているので、抵抗ヒータに流れる電流を調整しても、抵抗ヒータ以外の部分で電力が消費されてしまい、その無駄な電力の消費によって回路において発熱が生じる。
また、抵抗ヒータの電流を大きくすると、抵抗ヒータの応答電圧も大きくなる。そのため、抵抗ヒータの応答電圧を測定するために、オペアンプの入力電圧のレンジを広くとったり、入力電圧をアッテネータ等によって電圧範囲ごとに分割・減衰したりする必要がある。従って、抵抗ヒータの応答電圧を測定に関して分解能が低下したり、誤差要因が増えたりする。
そこで、本発明の課題は、抵抗ヒータの温度制御において、消費電力を抑えるようにすることと、抵抗ヒータの電圧等の測定に関して分解能の低下や誤差の増大を抑えるようにすることである。
以上の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、温度制御装置において、
温度に依存して抵抗値が変化する特性を有した温度依存性抵抗ヒータと、
オンとオフとに切り替わるＰＷＭ信号を出力するＰＷＭコントローラと、
前記ＰＷＭ信号がオンである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに第１の電流を流すとともに、前記ＰＷＭ信号がオフである場合に、前記第１の電流より小さい第２の電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流す切換部と、
前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定する電圧測定器と、を備え、
前記ＰＷＭコントローラは、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電圧測定器の測定電圧に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の温度制御装置において、
前記ＰＷＭコントローラは、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電圧測定器の測定電圧に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することによって、前記ＰＷＭ信号がオフであるときに前記電圧測定器により測定される測定電圧の値を、前記温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときの値に近づけることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の温度制御装置において、
前記温度依存性抵抗ヒータの電流を測定する電流測定器を更に備え、
前記ＰＷＭコントローラは、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電圧測定器の測定電圧に加えて、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電流測定器の測定電流に基づいて、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の温度制御装置において、
前記電圧測定部は、前記ＰＷＭ信号がオンの場合に前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定せず、前記ＰＷＭ信号がオフの場合に前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定し、その測定電圧を表す信号を前記ＰＷＭコントローラに出力することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、温度制御装置において、
温度に依存して抵抗値が変化する特性を有した温度依存性抵抗ヒータと、
オンとオフとに切り替わるＰＷＭ信号を出力するＰＷＭコントローラと、
前記ＰＷＭ信号がオンである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに第１の電流を流すとともに、前記ＰＷＭ信号がオフである場合に、前記第１の電流より小さい第２の電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流す切換部と、
前記ＰＷＭ信号がオフであるときの前記温度依存性抵抗ヒータの電圧と、前記第２の電流の電流値と、に基づいて、前記温度依存性抵抗ヒータの抵抗値を測定する抵抗測定器と、を備え、
前記ＰＷＭコントローラは、前記抵抗測定器の測定抵抗値に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の温度制御装置において、
前記ＰＷＭコントローラは、前記抵抗測定器の測定抵抗値に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することによって、前記抵抗測定器により測定される前記温度依存性抵抗ヒータの抵抗値の値を、該温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときの値に近づけることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項１から６の何れか一項に記載の温度制御装置において、
前記ＰＷＭ信号の電圧に一定の重畳電圧を加算し、その重畳電圧を加算した電圧の前記ＰＷＭ信号を前記切換部に出力する加算器を更に備えることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、請求項１又は２に記載の温度制御装置において、
前記第２の電流に対応する定電流を発生させる定電流回路を更に備え、
前記切換部は、前記ＰＷＭ信号がオフである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに流す電流として前記定電流回路で発生する定電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流し、
前記ＰＷＭコントローラは、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電圧測定器の測定電圧に加えて、前記定電流の大きさに基づいて出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定して、前記ＰＷＭ信号がオフであるときに前記電圧測定器により測定される測定電圧の値を、前記温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときに、当該温度依存性抵抗ヒータに前記定電流を流したときの値に近づけることを特徴とする。
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の温度制御装置において、
前記電圧測定部は、前記ＰＷＭ信号がオンの場合に前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定せず、前記ＰＷＭ信号がオフの場合に前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定し、その測定電圧を表す信号を前記ＰＷＭコントローラに出力することを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、温度に依存して抵抗値が変化する特性を有した温度依存性抵抗ヒータによって温度を制御する温度制御方法において、
オンとオフとに切り替わるＰＷＭ信号を出力し、
前記ＰＷＭ信号がオンである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに第１の電流を流すとともに、前記ＰＷＭ信号がオフである場合に前記第１の電流より小さい第２の電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流し、
前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定し、
前記温度依存抵抗ヒータの測定電圧をフィードバックし、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記温度依存抵抗ヒータの測定電圧に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする。
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の温度制御方法において、
前前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記温度依存抵抗ヒータの測定電圧に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することによって、前記ＰＷＭ信号がオフであるときに測定される前記温度依存抵抗ヒータの測定電圧の値を、該温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときの値に近づけることを特徴とする。
請求項１２に係る発明は、請求項１０又は１１に記載の温度制御方法において、
前記温度依存性抵抗ヒータの電流を測定し、
前記ＰＷＭ信号がオフである場合において、前記温度依存性抵抗ヒータの測定電圧に加えて、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記温度依存性抵抗ヒータの測定電流に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする。
請求項１３に係る発明は、請求項１０又は１１に記載の温度制御方法において、
前記第２の電流に対応する定電流を発生させ、出力された前記ＰＷＭ信号がオフである場合にその定電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流し、
ＰＷＭ信号がオフである場合において前記電圧測定器により測定された電圧に加えて、定電流の大きさに基づいて出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする。
請求項１４に係る発明は、温温度に依存して抵抗値が変化する特性を有した温度依存性抵抗ヒータによって温度を制御する温度制御方法において、
オンとオフを有する所定のデューティ比のＰＷＭ信号を出力し、
出力された前記ＰＷＭ信号がオンである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに第１の電流を流すとともに、出力された前記ＰＷＭ信号がオフである場合に前記第１の電流より小さい第２の電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流し、
出力された前記ＰＷＭ信号がオフであるときの前記温度依存性抵抗ヒータの電圧と、前記第２の電流の電流値と、に基づいて、前記温度依存性抵抗ヒータの抵抗値を測定し、
前記温度依存性抵抗ヒータの測定抵抗値に基づき出力する前記ＰＷＭ信号の前記デューティ比を新たに設定することを特徴とする。
請求項１５に係る発明は、請求項１４に記載の温度制御方法において、
前記温度依存性抵抗ヒータの測定抵抗値に基づき出力する前記ＰＷＭ信号の前記デューティ比を新たに設定することによって、前記温度依存性抵抗ヒータの抵抗値の値を、該温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときの値に近づけることを特徴とする。
本発明によれば、ＰＷＭ信号のパルス幅によって温度依存性抵抗ヒータの消費電力を制御しているから、省電力化を図ることができる。つまり、ＰＷＭ信号がオンである場合には温度依存性抵抗ヒータの発熱に必要な電流が流れ、一方、ＰＷＭ信号のオフである場合には温度依存性抵抗ヒータに流れる電流が十分に小さいから、温度依存性抵抗ヒータ以外の部分での消費電力を抑えることができる。
また、ＰＷＭ信号がオフである場合において、十分に小さい電流が温度依存性抵抗ヒータに流れるので、その時の温度依存性抵抗ヒータの応答電圧や応答抵抗が小さい。そのため、温度依存性抵抗ヒータの電圧や抵抗値を電圧測定器又は抵抗測定器で測定するに関して、その分解能の低下や測定誤差要因の増加を抑えることができる。
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
［第１の実施の形態］
図１は、発電装置１のブロック図である。この発電装置１は、例えばノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられるものであり、これらの電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。
発電装置１は、燃料電池型発電セル２と、反応装置本体３と、燃料容器４とを備える。燃料容器４には、液体燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ガソリン）と水が別々に又は混合した状態で貯留されている。図示しないポンプによって燃料と水が混合した状態で反応装置本体３に供給される。なお、図１では、燃料容器４内の燃料がメタノールであるものとしている。
反応装置本体３は、気化器６と、改質器７と、一酸化炭素除去器８と、燃焼器９と、温度依存性抵抗ヒータ１０，１１と、を備える。なお、気化器６、改質器７、一酸化炭素除去器８、燃焼器９及び温度依存性抵抗ヒータ１０，１１は密閉空間を有した断熱パッケージの内側に収容されており、熱エネルギーの放散が断熱パッケージによって抑えられている。
燃料容器４から反応装置本体３に供給される燃料と水は、まず、気化器６に送られる。燃料と水が気化器６により気化され、燃料と水の混合気が改質器７に送られる。なお、気化器６の気化によって吸熱が起き、一酸化炭素除去器８の反応熱や温度依存性抵抗ヒータ１０の熱が気化器６の気化に用いられる。
改質器７は、気化した水と燃料から水素ガス等を触媒反応により生成し、更に微量ながら一酸化炭素ガスを生成する。燃料がメタノールの場合には、次式（１）、（２）のような化学反応が改質器７で起こる。改質器７における改質反応は吸熱反応であり、その改質反応に適した温度は室温よりも高く、約２８０℃である。そのため、燃焼器９の燃焼熱や温度依存性抵抗ヒータ１１の熱が改質器７の改質反応に用いられる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 …（１）
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ …（２）
改質器７で生成された水素ガス等は一酸化炭素除去器８に送られ、更に外部の空気が一酸化炭素除去器８に送られる。一酸化炭素除去器８は、副生された一酸化炭素を触媒により優先的に酸化させることで、一酸化炭素を選択的に除去する。以下、一酸化炭素を除去した混合気体を改質ガスという。なお、一酸化炭素が酸化する反応は発熱反応であるが、一酸化炭素除去器８における選択酸化反応に適した温度が室温よりも高いため、一酸化炭素除去器８の温度がその適温に達していない場合には、温度依存性抵抗ヒータ１０によって加熱される。
燃料電池型発電セル２は、燃料極２０と、酸素極２１と、燃料極２０と酸素極２１との間に挟まされた電解質膜２２とから構成される。一酸化炭素除去器８から送られた改質ガスは燃料電池型発電セル２の燃料極２０に供給され、更に外部の空気が酸素極２１に送られる。そして、燃料極２０に供給された改質ガス中の水素が、電解質膜２２を介して、酸素極２１に供給された空気中の酸素と電気化学反応することによって、燃料極２０と酸素極２１との間で電力が生じる。燃料電池型発電セル２で取り出された電力が電子機器本体に供給され、電子機器本体の二次電池に電力が蓄電されたり、電子機器本体の負荷（液晶ディスプレイ等）が電力により動作したりする。
電解質膜２２が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、燃料極２０では次式（３）のような反応が起き、燃料極２０で生成された水素イオンが電解質膜２２を透過し、酸素極２１では次式（４）のような反応が起こる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（３）
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ …（４）
一方、電解質膜２２が酸素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体酸化物電解質膜）の場合には、酸素極２１では次式（５）のような反応が起き、酸素極２１で生成された酸素イオンが電解質膜２２を透過し、燃料極２０では次式（６）のような反応が起こる。
１／２Ｏ2＋２ｅ-→２Ｏ2- ・・・（５）
Ｈ2＋２Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ- ・・・（６）
燃料極２０で電気化学反応せずに残った水素ガス等が燃焼器９に送られる。更に、外部の空気が燃焼器９に送られる。燃焼器９は、水素ガス（オフガス）と酸素を混合させて触媒反応により燃焼させる。
温度依存性抵抗ヒータ１０，１１は、共に、例えば金といった電熱材（電気抵抗材）からなるものである。温度依存性抵抗ヒータ１０，１１はその温度に依存してその抵抗値が変化する特性を持ち、特に温度と抵抗値に比例の関係が成り立つ。そのため、温度依存性抵抗ヒータ１０，１１は、抵抗値から温度を読み取る温度センサとしても機能する。ここで、温度依存性抵抗ヒータ１０，１１による測定温度が温度制御装置５にフィードバックされ、温度制御装置５がその測定温度に基づき温度依存性抵抗ヒータ１０，１１の発熱量を制御する。
反応装置本体３においては、一酸化炭素除去器８と気化器６が積層されており、一酸化炭素除去器８と気化器６の組み体に温度依存性抵抗ヒータ１０が搭載されている。そのため、一酸化炭素除去器８及び気化器６が温度依存性抵抗ヒータ１０によって加熱される。また、改質器７及び燃焼器９が積層されており、改質器７及び燃焼器９の組み体に温度依存性抵抗ヒータ１１が搭載されている。そのため、改質器７は燃焼器９及び温度依存性抵抗ヒータ１１によって加熱される。なお、改質器７と燃焼器９の組み体は、一酸化炭素除去器８と気化器６の組み体にブリッジ部によって連結され、そのブリッジ部を通じて熱伝導する。なお、そのブリッジ部には、改質器７から一酸化炭素除去器８に水素等を流すための流路が形成されている。
図２を用いて温度制御装置５について具体的に説明する。図２は、温度依存性抵抗ヒータ１１についての温度制御装置５の回路図である。温度依存性抵抗ヒータ１０についても図２と同様である。
この温度制御装置５は、ＰＷＭコントローラ５１と、オペアンプＯＰ１等を有する加算器５２と、オペアンプＯＰ２等を有する反転増幅器５３と、オペアンプＯＰ３等を有する差動増幅器５４と、オペアンプＯＰ４等を有する差動増幅器５５と、アナログデジタル変換器（以下、ＡＤＣと略称）５６と、ＰＷＭスイッチＳＷ１と、サンプル抵抗Ｒ８と、温度依存性抵抗ヒータ１１と、を備える。
ＰＷＭコントローラ５１は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）を有して内蔵されたプログラム等に基づく種々の制御動作を行い、ＡＤＣ５６から供給されるデジタル信号に応じてオンとオフとに切り替わる一定周期のパルス幅変調信号（以下、ＰＷＭ信号という。）を生成してそのＰＷＭ信号を出力する。つまり、ＰＷＭコントローラ５１は、ＡＤＣ５６からフィードバックされた信号に基づいてＰＷＭ信号のオン時の時間長をコントロールすることによってＰＷＭ信号のデューティ比を制御する。ＰＷＭコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号は電圧でレベルを表されたものであり、ＰＷＭ信号がオンである場合とオフである場合とではＰＷＭ信号のレベルが異なる。具体的にはＰＷＭ信号がオンである場合には、そのレベル（電圧）の極性は正であり、ＰＷＭ信号がオフである場合には、そのレベルはゼロ［Ｖ］である。
加算器５２は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４及びオペアンプＯＰ１を具備する。加算器５２の一方の入力と出力との間に抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３が直列接続され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３の接続部と他方の入力５７との間に抵抗Ｒ２が接続され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３の接続部がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続され、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子が抵抗Ｒ４を介してグランドに接続されている。これら抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は何れも等しい。
加算器５２の一方の入力（抵抗Ｒ１）には、ＰＷＭコントローラ５１のＰＷＭ信号が入力され、加算器５２の他方の入力５７には一定の重畳電圧Ｖovが印加される。加算器５２は、ＰＷＭ信号のレベルと重畳電圧Ｖovを加算し、その和を、極性を反転させて出力するものである。そのため、ＰＭＷコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号がオンである場合には、加算器５２の出力はそのＰＷＭ信号のオン時のレベルと重畳電圧Ｖovとの和の極性を反転させたものとなる。一方、ＰＭＷコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号がオフである場合には、加算器５２の出力は、重畳電圧Ｖov（ゼロ〔Ｖ〕であるＰＷＭ信号のレベルと重畳電圧Ｖovとの和）の極性を反転させたものとなる。なお、重畳電圧Ｖovは正である。
反転増幅器５３は、抵抗Ｒ５〜Ｒ７及びオペアンプＯＰ２を具備する。反転増幅器５３の入力は加算器５２の出力に接続され、反転増幅器５３の入力と出力との間に抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６が直列接続され、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の接続部がオペアンプＯＰ２の反転入力端子に接続され、オペアンプＯＰ２の非反転入力端子が抵抗Ｒ７を介してグランドに接続されている。これら抵抗Ｒ５〜Ｒ７の抵抗値は何れも等しい。
加算器５２から出力された信号が入力信号として反転増幅器５３の抵抗Ｒ５に入力され、反転増幅器５３はその入力信号の極性を反転させて出力するものである。ここでは、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の抵抗値が等しいので、反転増幅器５３の増幅度は１である。そのため、図３に示すように、反転増幅器５３の出力のＰＷＭ信号がオンである場合には、そのレベルはＰＷＭコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号のオン時のレベルと重畳電圧Ｖovの和であり、反転増幅器５３の出力のＰＷＭ信号がオフである場合には、そのレベルは重畳電圧Ｖovである。ここで、反転増幅器５３の出力のＰＷＭ信号がオンであるときにおけるそのＰＷＭ信号のレベルをオンレベルといい、反転増幅器５３の出力のＰＷＭ信号がオフであるときにおけるそのＰＷＭ信号のレベルをオフレベルという。なお、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の抵抗値が等しくなくても良い。
ＰＷＭスイッチＳＷ１はエンハンスメント型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴであり、ＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートに反転増幅器５３の出力が接続されている。第１実施形態においては、ＰＷＭスイッチＳＷ１が切換部に相当する。
サンプル抵抗Ｒ８は固定抵抗である。また、電源入力端子５８とグランドとの間には、温度依存性抵抗ヒータ１１とＰＷＭスイッチＳＷ１とサンプル抵抗Ｒ８が直列接続されている。具体的には、ＰＷＭスイッチＳＷ１のドレインと電源入力端子５８との間に温度依存性抵抗ヒータ１１が接続され、ＰＷＭスイッチＳＷ１のソースとグランドとの間にサンプル抵抗Ｒ８が接続されている。なお、電源入力端子５８とグランドとの間に温度依存性抵抗ヒータ１１、ＰＷＭスイッチＳＷ１、サンプル抵抗Ｒ８が直列に接続されているのであれば、これらの並び順は図２の並び順に限定されるものではない。また、ＰＷＭスイッチＳＷ１は、ＭＯＳＦＥＴでなくとも、バイポーラトランジスタであっても良い。
電源入力端子５８には、直流の定電圧Ｖsが印加される。そして、反転増幅器５３から出力されるＰＷＭ信号がＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートに入力され、ＰＷＭスイッチＳＷ１は反転増幅器５３からのＰＷＭ信号に従って動作する。つまり、ＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートに入力されるＰＷＭ信号がオンであると、ＰＷＭスイッチＳＷ１がオン状態となって電源入力端子５８からグランドまでが通電状態となり、電流が電源入力端子５８から温度依存性抵抗ヒータ１１、ＰＷＭスイッチＳＷ１及びサンプル抵抗Ｒ８を介してグランドに流れる。一方、ＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートに入力されるＰＷＭ信号がオフであると、ＰＷＭスイッチＳＷ１がオフ状態となる。ここで、ＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートに入力されるＰＷＭ信号がオフであってもそのオフレベルがゼロ〔Ｖ〕ではなく重畳電圧Ｖov〔Ｖ〕であるため、ＰＷＭスイッチＳＷ１はオフ状態となってもオン状態よりも小さい（弱い）電流を流すようになっている。
ＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートの電圧がオフレベルであってＰＷＭスイッチＳＷ１がオン状態である場合、つまり、ＰＷＭ信号がオンである場合、電流が電源入力端子５８から温度依存性抵抗ヒータ１１、ＰＷＭスイッチＳＷ１及びサンプル抵抗Ｒ８を通ってグランドに流れる。これにより、温度依存性抵抗ヒータ１１が発熱する。以下、ＰＷＭスイッチＳＷ１がオン状態である場合に、流れる電流を強電流という。強電流は第１の電流に相当する。
一方、ＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートの電圧がオンレベルであってＰＷＭスイッチＳＷ１がオフ状態である場合、つまり、ＰＷＭ信号がオフである場合、電流が電源入力端子５８から温度依存性抵抗ヒータ１１、ＰＷＭスイッチＳＷ１及びサンプル抵抗Ｒ８を通ってグランドに流れる。以下、ＰＷＭスイッチＳＷ１がオフ状態である場合に、流れる電流を弱電流という。弱電流は第２の電流に相当する。
このように、ＰＷＭコントローラ５１がＰＷＭ信号のデューティ比を制御することによって、温度依存性抵抗ヒータ１１に強電流が流れるデューティサイクルが制御され、これにより温度依存性抵抗ヒータ１１の発熱量が調整される。
また、差動増幅器５４及びＡＤＣ５６の組み合わせは、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を測定する電圧測定器に相当する。サンプル抵抗Ｒ８、差動増幅器５５及びＡＤＣ５６の組み合わせは、温度依存性抵抗ヒータ１１の電流を測定する電流測定器に相当する。従って、差動増幅器５４、差動増幅器５５、サンプル抵抗Ｒ８及びＡＤＣ５６の組み合わせは、温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値を測定する抵抗測定器に相当する。
差動増幅器５４は、定電圧Ｖsと、温度依存性抵抗ヒータ１１とＰＷＭスイッチＳＷ１の接続部の電圧との差を表す信号、つまり、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を表す信号をＡＤＣ５６に出力する。ＡＤＣ５６は、差動増幅器５４から入力される信号をデジタル変換し、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を表すデジタル信号（以下、電圧信号という。）をＰＷＭコントローラ５１に出力する。なお、差動増幅器５４は周知の回路であるため、差動増幅器５４についてはオペアンプＯＰ３以外のフィードバック抵抗等の図示を省略する。
差動増幅器５５は、サンプル抵抗Ｒ８の電圧を表す信号をＡＤＣ５６に出力する。ここで、サンプル抵抗Ｒ８が固定抵抗であり、サンプル抵抗Ｒ８の電圧はサンプル抵抗Ｒ８に流れる電流に、つまり、温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる電流に依存性を持つので、差動増幅器５５からＡＤＣ５６に出力される信号は温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる電流を表す。ＡＤＣ５６は、差動増幅器５５から入力される信号をアナログ−デジタル変換し、温度依存性抵抗ヒータ１１の電流を表すデジタル信号（以下、電流信号という。）をＰＷＭコントローラ５１に出力する。なお、差動増幅器５５は周知の回路であるため、差動増幅器５５についてはオペアンプＯＰ４以外のフィードバック抵抗等の図示を省略する。
ＡＤＣ５６からＰＷＭコントローラ５１に入力される電流信号と電圧信号の組み合わせは、温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値を表す信号に相当する。そのため、差動増幅器５４、差動増幅器５５、サンプル抵抗Ｒ８及びＡＤＣ５６の組み合わせは、温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値を測定して、その抵抗値を表す信号をＰＷＭコントローラ５１に出力する抵抗測定器に相当する。
上述のように、ＰＷＭ信号がオンのときには温度依存性抵抗ヒータ１１に強電流が流れ、ＰＷＭ信号がオフのときには温度依存性抵抗ヒータ１１に弱電流が流れる。ＰＷＭコントローラ５１は、ＰＷＭ信号がオフのときにおいてＡＤＣ５６からフィードバックされた信号から温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値（電圧と電流の比）を読み取って、その抵抗値から温度依存性抵抗ヒータ１１の温度として認識する。なお、温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値をＲhとすると、温度依存性抵抗ヒータ１１の電力はＶs×Ｖs÷Ｒhで表される。
ＰＷＭコントローラ５１は、ＰＷＭ信号がオフのときにおける温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値から新たなデューティ比を求め、その新たなデューティ比のＰＷＭ信号を加算器５２に出力する。
以上の温度制御装置５は以下のように動作する。
図４に示すように、まず、ＰＷＭコントローラ５１は初期のデューティ比を設定し（ステップＳ１）、設定したデューティ比のＰＷＭ信号を出力する（ステップＳ３）。重畳電圧Ｖovを加えた電圧のＰＷＭ信号がＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートに入力される。ＰＷＭ信号がオンのとき（このとき、反転増幅器５３から出力されるＰＷＭ信号のオフレベルは、ＰＷＭコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号のレベルよりもＶov〔Ｖ〕だけ高い。）においてＰＷＭスイッチＳＷ１がオンになり、強電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる。一方、ＰＷＭ信号がオフのときにおいて、ＰＷＭスイッチＳＷ１がオフになり、弱電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる。そして、温度依存性抵抗ヒータ１１の電流を表すデジタル信号がＡＤＣ５６からＰＷＭコントローラ５１に出力され、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を表すデジタル信号がＡＤＣ５６からＰＷＭコントローラ５１に出力され、ＰＷＭコントローラ５１はＰＷＭ信号のオフに同期して温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧・電流を読み取る（ステップＳ５）。そして、ＰＷＭコントローラ５１は温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧・電流から温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗及び温度を演算し（ステップＳ７）、状態評価を行う（ステップＳ９）。ここでの評価方法としては、例えばPID制御によるフィードバック制御が適用できる。すなわち、制御開始からｎ回目に求めた温度ＴR_nと設定温度（適温）Ｔsetの偏差をｅn＝ＴR_n−Ｔsetとしたとき、温度依存性抵抗ヒータ１１の温度を設定温度（適温）Ｔsetに近づけるための新たなデューティ比Ａを、事前に定めた比例加重係数P、積分加重係数I、微分加重係数Dを用いて、一般的な関係式A=P{en+IΣen+D(en-en-1)}によって設定することができる。このようにして、ＰＷＭコントローラ５１は温度依存性抵抗ヒータ１１の温度（抵抗）に従って、温度依存性抵抗ヒータ１１の温度を設定温度Ｔsetに近づけるための新たなデューティ比を設定し（ステップＳ１）、その後、ＰＷＭコントローラ５１の処理が繰り返される。なお、図４に示された処理の１周期は、ＰＷＭ信号の所定周期ごとに行われる。
以上のように本実施形態によれば、温度依存性抵抗ヒータ１１の温度を適温に設定・維持する温度制御において、ＰＷＭ制御法を用いているので、温度依存性抵抗ヒータ１１以外の部分での電力消費を抑えることができ、温度依存性抵抗ヒータ１１以外の部分での発熱を抑えることができる。つまり、ＰＷＭ制御法を用いているので、サンプル抵抗Ｒ８の抵抗値を十分に小さくすることができ、ＰＷＭ信号がオンである場合には、サンプル抵抗Ｒ８やＰＷＭスイッチＳＷ１における電力消費を抑えることができ、温度依存性抵抗ヒータ１１において殆どの電力が消費される。一方、ＰＷＭ信号がオフである場合には、電源入力端子５８からグランドに電流が流れるが、その電流は非常に小さいため、電力消費を抑えることができる。
ＰＷＭ信号がオフの場合に、非常に小さな電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れ、その結果、温度依存性抵抗ヒータ１１やサンプル抵抗Ｒ８の応答電圧も小さい。そのため、温度依存性抵抗ヒータ１１の小さな応答電圧を差動増幅器５４のオペアンプＯＰ３で測定し、サンプル抵抗Ｒ８の小さな応答電圧を差動増幅器５５のオペアンプＯＰ４で測定しているから、オペアンプＯＰ３，ＯＰ４のゲインを高く設定することができ、測定分解能を上げることができる。
なお、ＰＷＭスイッチＳＷ１がディプレッション型のＭＯＳＦＥＴである場合、ＰＷＭコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号のオフレベルがゼロ〔Ｖ〕であっても、ＰＷＭコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号がＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートに直接入力されても良い。ＰＷＭスイッチＳＷ１がディプレッション型である場合、ＰＷＭコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号がオフであるときにＰＷＭスイッチＳＷ１がオフ状態であっても、弱電流が電源入力端子５８から温度依存性抵抗ヒータ１１、ＰＷＭスイッチＳＷ１及びサンプル抵抗Ｒ８を介してグランドに流れる。
また、ＰＷＭコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号がオフである時にそのオフレベルがゼロ［Ｖ］を越えている場合、ＰＷＭスイッチＳＷ１がエンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴであるときでも、ＰＷＭコントローラ５１から出力されるＰＷＭ信号がＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートに直接入力されても良い。この場合でも、ＰＷＭ信号がオフであるときにＰＷＭスイッチＳＷ１がオフ状態であっても、弱電流が電源入力端子５８から温度依存性抵抗ヒータ１１、ＰＷＭスイッチＳＷ１及びサンプル抵抗Ｒ８を介してグランドに流れる。
［第２の実施の形態］
図５に示された温度制御装置５は、図２に示された温度制御装置５に代えて図１に示された温度制御装置５として適用されるものである。図５に示すように、切換部に相当するＰＷＭスイッチＳＷ２が、エンハンスメント型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ６１と、エンハンスメント型のｐチャネルＭＯＳＦＥＴ６２と、抵抗Ｒ９とを備える。電源入力端子５８とグランドとの間には、ＭＯＳＦＥＴ６２と温度依存性抵抗ヒータ１１とサンプル抵抗Ｒ８が直列接続されている。具体的には、サンプル抵抗Ｒ８は温度依存性抵抗ヒータ１１とグランドとの間に接続され、温度依存性抵抗ヒータ１１がＭＯＳＦＥＴ６２のドレインとサンプル抵抗Ｒ８との間に接続され、ＭＯＳＦＥＴ６２のソースが電源入力端子５８に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ６１のソースがグランドに接続され、ＭＯＳＦＥＴ６１のドレインがＭＯＳＦＥＴ６２のゲートに接続され、その接続部と電源入力端子５８との間に抵抗Ｒ９が接続されている。第２実施形態における温度制御装置５は、第１実施形態における温度制御装置５と比較して、ＰＷＭスイッチＳＷ１をＰＷＭスイッチＳＷ２に変更したことを除いて、温度制御装置５と同様に設けられている。
第２実施形態の温度制御装置５においても、ＰＷＭコントローラ５１が温度依存性抵抗ヒータ１１の温度を設定温度に近づけるために、デューティ比を変更設定し、設定したデューティ比のＰＷＭ信号を出力する。重畳電圧Ｖovを加えた電圧のＰＷＭ信号がＭＯＳＦＥＴ６１のゲートに入力されると、ＰＷＭ信号がオンであるにおいてＭＯＳＦＥＴ６１，６２共にオンになり、強電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れ、ＰＷＭ信号がオフであるときにおいてＭＯＳＦＥＴ６１，６２共にオフになり、弱電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる。そして、温度依存性抵抗ヒータ１１の電流を表すデジタル信号がＡＤＣ５６からＰＷＭコントローラ５１に出力され、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を表すデジタル信号がＡＤＣ５６からＰＷＭコントローラ５１に出力され、ＰＷＭコントローラ５１はＰＷＭ信号がオフであるときに同期して温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧・電流を読み取る。そして、ＰＷＭコントローラ５１は温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧・電流から温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗及び温度を演算する。ＰＷＭコントローラ５１は温度依存性抵抗ヒータ１１の温度（抵抗）に従って新たなデューティ比を設定し、その後、ＰＷＭコントローラ５１の処理が繰り返される。
［第３の実施の形態］
図６に示された温度制御装置５は、図２に示された温度制御装置５に代えて図１に示された温度制御装置５として適用されるものである。図６に示された温度制御装置５は、図２に示された温度制御装置５の構成要素に加えて、更にスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４を備える。スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４は、温度依存性抵抗ヒータ１１と差動増幅器５４の入力（オペアンプＯＰ３の反転入力端子、非反転入力端子）との間にそれぞれ設けられている。なお、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４としては、ＦＥＴやバイポーラトランジスタを用いることができる。
第３実施形態の温度制御装置５においては、ＰＷＭコントローラ５１がデューティ比を設定し、設定したデューティ比のＰＷＭ信号を出力し、重畳電圧Ｖovを加えた電圧のＰＷＭ信号がＰＷＭスイッチＳＷ１のゲートに入力される。ＰＷＭ信号がオン信号レベルであるときにおいてＰＷＭスイッチＳＷ１がオンになり、強電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れ、ＰＷＭ信号がオフであるときにおいてＰＷＭスイッチＳＷ１がオフになり、弱電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる。更に、ＰＷＭコントローラ５１が、加算器５２に出力するＰＷＭ信号に同期した信号（反転させたものでも良い。）をスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４に出力する。そのため、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４は、ＰＷＭ信号がオフであるときに同期してオン状態になり、ＰＷＭ信号がオンであるときに同期してオフ状態になる。そのため、ＰＷＭ信号がオフのときにおいて、温度依存性抵抗ヒータ１１の弱電流を表すデジタル信号がＡＤＣ５６からＰＷＭコントローラ５１に出力され、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を表すデジタル信号がＡＤＣ５６からＰＷＭコントローラ５１に出力される。ＰＷＭコントローラ５１は、ＡＤＣ５６の出力から温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧・弱電流を読み取る。そして、ＰＷＭコントローラ５１は温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧・弱電流から温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗及び温度を演算し、ＰＷＭコントローラ５１は温度依存性抵抗ヒータ１１の温度（抵抗）に従って、温度依存性抵抗ヒータ１１の温度を設定温度に近づけるように新たなデューティ比を設定する。その後、ＰＷＭコントローラ５１の処理が繰り返される。
第３実施形態においては、ＰＷＭ信号がオンである場合に大きな電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れるが、その時の温度依存性抵抗ヒータ１１の応答電圧が差動増幅器５４のオペアンプＯＰ３に入力されずに測定されない。そのため、オペアンプＯＰ３にかかる負荷を抑えることができる。
［第４の実施の形態］
図７に示された温度制御装置５は、図２に示された温度制御装置５に代えて図１に示された温度制御装置５として適用されるものである。
図７に示された温度制御装置５は、ＰＷＭコントローラ７１と、定電流回路７２と、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４と、ダミー抵抗Ｒ１２と、ＰＷＭスイッチＳＷ１５と、オペアンプＯＰ１３等を有する差動増幅器７４と、アナログデジタル変換器（以下、ＡＤＣと略称）７６と、ＰＷＭスイッチＳＷ１５と、温度依存性抵抗ヒータ１１と、を備える。ここで、第４実施形態においては、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２及びＰＷＭスイッチＳＷ１５の組み合わせが切換部に相当する。
ＰＷＭコントローラ７１は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）を有して、ＡＤＣ５６から供給されるデジタル信号に応じてオン・オフに切り替わる一定周期のＰＷＭ信号を出力するものである。つまり、ＰＷＭコントローラ７１は、ＡＤＣ７６からフィードバックされた信号に基づいてＰＷＭ信号のオンの長さをコントロールすることによってＰＷＭ信号のデューティ比を制御する。ＰＷＭコントローラ７１から出力されるＰＷＭ信号は電圧レベルで表されたものであり、ＰＷＭ信号がオンである場合、ＰＷＭ信号の電圧の極性は正であり、オフである場合、ＰＷＭ信号の電圧はゼロ［Ｖ］である。
ＰＷＭスイッチＳＷ１５はエンハンスメント型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。また、電源入力端子７８とグランドとの間には、温度依存性抵抗ヒータ１１とＰＷＭスイッチＳＷ１５が直列接続されている。具体的には、ＰＷＭスイッチＳＷ１５のドレインと電源入力端子７８との間に温度依存性抵抗ヒータ１１が接続され、ＰＷＭスイッチＳＷ１５のソースがグランドに接続されている。なお、ＰＷＭスイッチＳＷ１５は、ＭＯＳＦＥＴでなくとも、バイポーラトランジスタであっても良い。
電源入力端子７８には、直流の定電圧Ｖsが印加される。ＰＷＭコントローラ７１から出力されるＰＷＭ信号がＰＷＭスイッチＳＷ１５のゲートに入力され、ＰＷＭスイッチＳＷ１５はＰＷＭ信号に従って動作する。つまり、ＰＷＭスイッチＳＷ１５のゲートに入力されるＰＷＭ信号がオンであると、ＰＷＭスイッチＳＷ１５がオン状態となって電源入力端子７８からグランドまでが通電状態となり、電流が電源入力端子７８から温度依存性抵抗ヒータ１１及びＰＷＭスイッチＳＷ１５を介してグランドに流れる。一方、ＰＷＭスイッチＳＷ１５のゲートに入力されるＰＷＭ信号がオフであると、ＰＷＭスイッチＳＷ１５がオフ状態となり、電流が温度依存性抵抗ヒータ１１及びＰＷＭスイッチＳＷ１５に流れない。
このように、ＰＷＭコントローラ７１がＰＷＭ信号のデューティ比を制御することによって、温度依存性抵抗ヒータ１１に電流が流れるデューティサイクルが制御され、これにより温度依存性抵抗ヒータ１１の発熱量が調整される。
定電流回路７２はオペアンプＯＰ１１及び抵抗Ｒ１１を有し、オペアンプＯＰ１１の非反転入力端子に定電圧が印加され、オペアンプＯＰ１１の反転入力端子とグランドとの間に抵抗Ｒ１１が接続されている。オペアンプＯＰ１１の出力にスイッチング素子ＳＷ１１が接続され、オペアンプＯＰ１１の反転入力端子にスイッチング素子ＳＷ１２が接続されている。スイッチング素子ＳＷ１１とスイッチング素子ＳＷ１２との間にダミー抵抗Ｒ１２が接続されている。更に、スイッチング素子ＳＷ１１とスイッチング素子ＳＷ１２との間に温度依存性抵抗ヒータ１１が接続されている。
スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２はＰＷＭコントローラ７１によってＰＷＭ信号に同期して切換を行うものである。ＰＷＭ信号がオンの場合には、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２がダミー抵抗Ｒ１２の通電に切り替わり、ＰＷＭ信号がオフの場合には、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２が温度依存性抵抗ヒータ１１の通電に切り替わる。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２が温度依存性抵抗ヒータ１１の通電に切り替わると、定電流が電源入力端子７８から温度依存性抵抗ヒータ１１、スイッチング素子ＳＷ１２及び抵抗Ｒ１１を通ってグランドに流れる。なお、定電流のレベルは、ＰＷＭ信号がオンの時に温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる電流のレベルよりも低い。
差動増幅器７４はオペアンプＯＰ１３等を有する。差動増幅器７４は周知の回路であり、差動増幅器７４についてはオペアンプＯＰ１３以外のフィードバック抵抗等の図示を省略する。スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４は、温度依存性抵抗ヒータ１１と差動増幅器７４の入力（オペアンプＯＰ１３の反転入力端子、非反転入力端子）との間にそれぞれ設けられている。なお、スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４としては、ＦＥＴやバイポーラトランジスタを用いることができる。
ＰＷＭコントローラ７１がＰＷＭ信号に同期した信号（反転させたものでも良い。）をスイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４に出力する。そのため、スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４は、ＰＷＭ信号がオフであるときに同期してオン状態になり、ＰＷＭ信号のオン・デューティに同期してオフ状態になる。
スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４がオン状態になっているとき、差動増幅器７４は、定電圧Ｖsと、温度依存性抵抗ヒータ１１とＰＷＭスイッチＳＷ１５の接続部の電圧との差を表す信号、つまり、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を表す信号をＡＤＣ７６に出力する。ＡＤＣ７６は、差動増幅器７４から入力される信号をアナログ−デジタル変換し、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を表すデジタル信号（以下、電圧信号という。）をＰＷＭコントローラ７１に出力する。そのため、差動増幅器７４及びＡＤＣ７６の組み合わせは、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を測定する電圧測定器に相当する。
ここで、ＰＷＭ信号がオフの時、スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４がオン状態になるので、定電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れている時に、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧信号がＡＤＣ７６からＰＷＭコントローラ７１に出力される。
ＰＷＭコントローラ７１は、ＰＷＭ信号がオフであるときにおいて、ＡＤＣ７６からフィードバックされた信号から温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を読み取って、その電圧から温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値を演算する。具体的には、ＰＷＭコントローラ７１は、定電流を測定電圧で除すことによって、温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値を演算し、その抵抗値から温度依存性抵抗ヒータ１１の温度を求める。
ＰＷＭコントローラ７１は、ＰＷＭ信号がオフであるときにおける温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値（測定電圧に依存する。）から新たなデューティ比を求め、その新たなデューティ比のＰＷＭ信号をＰＷＭスイッチＳＷ１５のゲートに出力する。
以上の温度制御装置５は以下のように動作する。
ＰＷＭコントローラ７１はデューティ比を設定し、設定したデューティ比のＰＷＭ信号を出力し、ＰＷＭ信号がＰＷＭスイッチＳＷ１５のゲートに入力される。ＰＷＭ信号がオンであるときにおいてＰＷＭスイッチＳＷ１５がオンになり、電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れ、ＰＷＭ信号がオフであるときにおいてＰＷＭスイッチＳＷ１５がオフになり、定電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる。そして、温度依存性抵抗ヒータ１１に定電流が流れている時に、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を表すデジタル信号がＡＤＣ７６からＰＷＭコントローラ７１に出力され、ＰＷＭコントローラ７１はＰＷＭ信号がオフであるときに同期して温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を読み取る。そして、ＰＷＭコントローラ７１は温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧から温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗及び温度を演算し、前述の第１の実施形態の場合と同様の状態評価を行う。ＰＷＭコントローラ７１は温度依存性抵抗ヒータ１１の温度（抵抗）に従って、温度依存性抵抗ヒータ１１の温度を設定温度に近づけるために、新たなデューティ比を設定し、その後、ＰＷＭコントローラ７１の処理が繰り返される。
本実施形態によれば、ＰＷＭ制御法を用いているので、温度依存性抵抗ヒータ１１以外の部分での電力消費を抑えることができ、温度依存性抵抗ヒータ１１以外の部分での発熱を抑えることができる。
また、ＰＷＭ信号がオフの場合に、非常に小さな電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れ、その結果、温度依存性抵抗ヒータ１１の応答電圧も小さいから、差動増幅器７４のオペアンプＯＰ１３のゲインを高く設定することができ、測定分解能を上げることができる。
また、ＰＷＭ信号がオンである場合に大きな電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れるが、その時の温度依存性抵抗ヒータ１１の応答電圧がスイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４によって遮断されて、差動増幅器７４のオペアンプＯＰ１３に入力されない。そのため、オペアンプＯＰ１３にかかる負荷を抑えることができる。
また、ＰＷＭ信号がオフである場合に、小さな安定した定電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れるから、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧を高精度に測定することができる。
＜比較例＞
図８は、比較例の温度制御装置３００を示すものである。この温度制御装置３００は、温度依存性抵抗ヒータ１１、差動増幅器５４及びＡＤＣ５６については図２の温度制御装置５と同様である。そして、この温度制御装置３００においては、トランジスタのスイッチング素子ＳＷ３１、オペアンプＯＰ３１及び抵抗Ｒ３１から定電流回路３１０が構成されている。
ＣＰＵ３２０がデジタル信号をデジタルアナログ変換器（以下、ＤＡＣと略称）３３０に出力すると、そのデジタル信号がＤＡＣ３３０によってアナログに変換され、デジタル信号に応じたレベルの電圧がオペアンプＯＰ３１の非反転入力端子に入力され、その電圧レベルに応じた大きさの定電流が温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる。つまり、ＣＰＵ３２０は温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる電流の大きさを調整する。
その定電流が流れている時の温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧が差動増幅器５４及びＡＤＣ５６により測定され、ＣＰＵ３２０にフィードバックされる。ＣＰＵ３２０は温度依存性抵抗ヒータ１１の測定電圧から温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値、温度、電力を演算し、その求めた抵抗値、温度、電力に基づき温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる電流の大きさを調整する。
図８に示された温度制御装置３００について、具体的な数値を交えて、回路設計の一例について説明する。図８において、オペアンプＯＰ３には、入力電圧レンジが１２０Ｖと十分に大きいAnalog Devices社の計装アンプ（製品名：AD628）等を用いる。温度依存性抵抗ヒータ１１については、２８０［℃］の時に抵抗値が２５０［Ω］であるものを用いる。
初期状態において、起動時に温度依存性抵抗ヒータ１１に１２０［ｍＡ］の定電流を流すものとすれば、２８０［℃］に到達した時においては温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧が３０［Ｖ］であり、電力が３．６［Ｗ］である。オペアンプＯＰ３の入力の最大は、このときの電圧であり、８ｂｉｔのＡＤＣ５６及びＣＰＵ ３２０にてオペアンプＯＰ３の出力電圧を処理する場合、３０／２５６ =１１７［ｍＶ／ｄｉｇｉｔ］の分解能となる。この分解能を温度で考えると、２８０／２５６＝１．０９［℃／ｄｉｇｉｔ］となり、１℃単位での温度管理が求められる触媒反応に対して適切な精度が得られている。
このような状態から反応装置本体３の全体に熱が伝播し、熱平衡状態となったときの改質器７の熱損失が１．５［Ｗ］であるとすれば、温度依存性抵抗ヒータ１１の電力も同じく１．５［Ｗ］となる。このとき、改質器７の温度は２８０［℃］で一定であり、温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値も２５０［Ω］で一定であるため、温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧が１９．４［Ｖ］、電流が７７．５［ｍＡ］として、温度制御がなされていることになる。
以上のような熱平衡状態から燃料や水の供給がなされて、改質器７において改質反応が開始し、燃焼器９にて燃焼が生じた時（運転状態）、改質器７を２８０［℃］に維持するために必要な温度依存性抵抗ヒータ１１による供給熱量が０．４［Ｗ］であるとすれば、このとき温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧が１０［Ｖ］、電流が４０［ｍＡ］である。なお、この状態においてもオペアンプＯＰ３のゲインは起動時におけるゲインと同じであるから、この温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧はＡＤＣ５６にて１０［Ｖ］／１１７［Ｖ］＝８５［ｄｉｇｉｔ］のみでの測定となる。これは温度で考えると、２８０℃／８５［ｄｉｇｉｔ］＝３．２９［℃／ｄｉｇｉｔ］ の分解能となり、フィードバック制御に用いる温度としては適切な精度が得られていないことがわかる。
＜実施例＞
図２に示された温度制御装置５について、具体的な数値を交えて、回路設計の一例について説明する。図２の温度制御装置５において、オペアンプＯＰ３，ＯＰ４には、入力電圧レンジが１２０Ｖと十分に大きいAnalog Devices社の計装アンプ（製品名：AD628）等を用いると良い。温度依存性抵抗ヒータ１０については、２８０℃の時に抵抗値が２５０Ωものを用いる。また、サンプル抵抗Ｒ８は０．１［Ω］であり、他の抵抗Ｒ１〜Ｒ７は何れも１０［ｋΩ］である。
まず、ＰＷＭ信号の周波数は、ＰＷＭ信号がオフであるときにおいて温度依存性抵抗ヒータ１１に流れる弱電流が所望のレベルまで下がり、それが安定しうる周波数であるという上限の条件と、ミリ秒オーダーである改質器７の温度の追従速度よりも速い周波数であるという下限の条件のもと、オペアンプＯＰ３，ＯＰ４の計測速度等を加味して設定される。ここで、オペアンプＯＰ３，ＯＰ４での計測に２０［μｓ］だけ必要であるとして、ＰＷＭ信号のオン・オフの切り替えと温度依存性抵抗ヒータ１１の弱電流の安定とに１０［μｓ］の余裕を持たせるならば、ＰＷＭ信号がオフである時間は３０［μｓ］以上必要ということになる。ただし、上述の改質器７で改質反応が起きている状態（運転状態）においては非常に低いデューティ比での制御が予想され、このときの温度制御性を確保するためにＰＷＭ信号の周波数はできるだけ下限条件から離れた、上限条件に近い速さとしたい。ここで、制御の分解能を最大限確保する狙いで最低必要時間（３０［μｓ］）をデューティ比の１［％］相当と設定したならば、ＰＷＭ信号の周期は３ｍｓ（３３０Ｈｚ）とミリ秒オーダーまで遅くなってしまい、温度が制御周期に追従して乱れる可能性がある。一方、逆に最低必要時間を10%より高いデューティ比に相当させるならば、ＰＷＭ信号がオンである比率が最大が９０［％］未満の比率となり、この比率にて起動時に必要な電力を確保するためには定電圧Ｖsをより高く設定しなければならず、制御精度と電源を用意する側の回路効率が悪くなる。これらの要素も考慮して、ここでは電圧測定に必要な最低限の時間（３０［μｓ］を、デューティ比における１０［％］相当とし、ＰＷＭ信号を０〜９０［％］のデューティ比にて行うことと設定する。このとき、ＰＷＭ信号の周期は３００［μｓ］（３．３［ｋＨｚ］）となる。
以上の設計によると、初期状態においてはＰＷＭ信号のデューティ比は９０％で、２８０［℃］の時に温度依存性抵抗ヒータ１１の抵抗値が２５０［Ω］であり、それに対応する電流が１２６［ｍＡ］、電圧が３１．５［Ｖ］となる。このときの温度依存性抵抗ヒータ１１の電圧が制御上の最大電圧であり、定電圧Ｖsとして設定される。熱平衡状態において、定電圧Ｖsが３１．５［Ｖ］のまま、温度依存性抵抗ヒータ１１の電力が１．５［Ｗ］となるようなデューティ比が３８％であり、運転状態において温度依存性抵抗ヒータ１１の電力が０．４［Ｗ］となるようなデューティ比が１０％である。ここで、この運転状態においても、PWM制御のためのマージンを分解能の一割ほどは確保できていることが確認できた。また、オペアンプＯＰ３の入力の最大は、ＰＷＭ信号がオフであるときの弱電流が３［ｍＡ］とすれば、２５０［Ω］×３［ｍＡ］＝７５０［ｍＶ］に抑えられ、これを８ｂｉｔのＡＤＣ５６にて処理すれば、温度で考えた分解能は、同じ温度で同じbit数であるので当然、比較例の場合の初期状態で求めた値と同じ２８０［℃］／２５６＝１．０９［℃／ｄｉｇｉｔ］となる。ただし、ここで設計したPWM制御回路の方法においてはシステムの全ての状態において、この温度分解能での測定ができる点が優れ、電圧分解能は７５０［ｍＶ］／２５６＝２．９［ｍＶ／ｄｉｇｉｔ］となる。
この温度制御装置５では、温度制御装置３００と比較して電力消費を抑えることができ、システムとしてのエネルギー効率を上げることができる。そのため、温度制御装置５の放熱対策が不要となるため、回路の小型化を図ることができる。さらに、電圧の測定をＰＷＭ信号がオフのときに限って行うため、それに対する応答電圧も小さく、これを高いゲインで増幅できるため、その結果として測定電圧、そしてそこから求める温度の精度を高めることができる。
本発明に係る温度制御装置を備えた発電装置の概略構成を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態における温度制御装置の概略回路構成を示した回路図である。 ＰＷＭ信号の変化について時間と電圧との関係の一例を示したチャートである。 上記温度制御装置による処理の流れを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態における温度制御装置の概略回路構成を示した回路図である。 本発明の第３実施形態における温度制御装置の概略回路構成を示した回路図である。 本発明の第４実施形態における温度制御装置の概略回路構成を示した回路図である。 比較例の温度制御装置の概略回路構成を示した回路図である。
符号の説明
５ 温度制御装置
１０、１１ 温度依存性抵抗ヒータ
５１ ＰＷＭコントローラ
５２ 加算器
５４、５５ 差動増幅器
５６ アナログデジタル変換器
６１、６２ ＭＯＳＦＥＴ
７２ 定電流回路
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１５ ＰＷＭスイッチ
ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１１〜ＳＷ１４ スイッチング素子
ＯＰ３、ＯＰ４ オペアンプ

Claims (15)

  1. 温度に依存して抵抗値が変化する特性を有した温度依存性抵抗ヒータと、
    オンとオフとに切り替わるＰＷＭ信号を出力するＰＷＭコントローラと、
    前記ＰＷＭ信号がオンである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに第１の電流を流すとともに、前記ＰＷＭ信号がオフである場合に、前記第１の電流より小さい第２の電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流す切換部と、
    前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定する電圧測定器と、を備え、
    前記ＰＷＭコントローラは、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電圧測定器の測定電圧に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする温度制御装置。
  2. 前記ＰＷＭコントローラは、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電圧測定器の測定電圧に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することによって、前記ＰＷＭ信号がオフであるときに前記電圧測定器により測定される測定電圧の値を、前記温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときの値に近づけることを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
  3. 前記温度依存性抵抗ヒータの電流を測定する電流測定器を更に備え、
    前記ＰＷＭコントローラは、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電圧測定器の測定電圧に加えて、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電流測定器の測定電流に基づいて、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度制御装置。
  4. 前記電圧測定部は、前記ＰＷＭ信号がオンの場合に前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定せず、前記ＰＷＭ信号がオフの場合に前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定し、その測定電圧を表す信号を前記ＰＷＭコントローラに出力することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の温度制御装置。
  5. 温度に依存して抵抗値が変化する特性を有した温度依存性抵抗ヒータと、
    オンとオフとに切り替わるＰＷＭ信号を出力するＰＷＭコントローラと、
    前記ＰＷＭ信号がオンである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに第１の電流を流すとともに、前記ＰＷＭ信号がオフである場合に、前記第１の電流より小さい第２の電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流す切換部と、
    前記ＰＷＭ信号がオフであるときの前記温度依存性抵抗ヒータの電圧と、前記第２の電流の電流値と、に基づいて、前記温度依存性抵抗ヒータの抵抗値を測定する抵抗測定器と、を備え、
    前記ＰＷＭコントローラは、前記抵抗測定器の測定抵抗値に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする温度制御装置。
  6. 前記ＰＷＭコントローラは、前記抵抗測定器の測定抵抗値に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することによって、前記抵抗測定器により測定される前記温度依存性抵抗ヒータの抵抗値の値を、該温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときの値に近づけることを特徴とする請求項５に記載の温度制御装置。
  7. 前記ＰＷＭ信号の電圧に一定の重畳電圧を加算し、その重畳電圧を加算した電圧の前記ＰＷＭ信号を前記切換部に出力する加算器を更に備えることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の温度制御装置。
  8. 前記第２の電流に対応する定電流を発生させる定電流回路を更に備え、
    前記切換部は、前記ＰＷＭ信号がオフである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに流す電流として前記定電流回路で発生する定電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流し、
    前記ＰＷＭコントローラは、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記電圧測定器の測定電圧に加えて、前記定電流の大きさに基づいて出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定して、前記ＰＷＭ信号がオフであるときに前記電圧測定器により測定される測定電圧の値を、前記温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときに、当該温度依存性抵抗ヒータに前記定電流を流したときの値に近づけることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度制御装置。
  9. 前記電圧測定部は、前記ＰＷＭ信号がオンの場合に前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定せず、前記ＰＷＭ信号がオフの場合に前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定し、その測定電圧を表す信号を前記ＰＷＭコントローラに出力することを特徴とする請求項８に記載の温度制御装置。
  10. 温度に依存して抵抗値が変化する特性を有した温度依存性抵抗ヒータによって温度を制御する温度制御方法において、
    オンとオフとに切り替わるＰＷＭ信号を出力し、
    前記ＰＷＭ信号がオンである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに第１の電流を流すとともに、前記ＰＷＭ信号がオフである場合に前記第１の電流より小さい第２の電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流し、
    前記温度依存性抵抗ヒータの電圧を測定し、
    前記温度依存抵抗ヒータの測定電圧をフィードバックし、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記温度依存抵抗ヒータの測定電圧に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする温度制御方法。
  11. 前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記温度依存抵抗ヒータの測定電圧に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することによって、前記ＰＷＭ信号がオフであるときに測定される前記温度依存抵抗ヒータの測定電圧の値を、該温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときの値に近づけることを特徴とする請求項１０に記載の温度制御方法。
  12. 前記温度依存性抵抗ヒータの電流を測定し、
    前記ＰＷＭ信号がオフである場合において、前記温度依存性抵抗ヒータの測定電圧に加えて、前記ＰＷＭ信号がオフである場合における前記温度依存性抵抗ヒータの測定電流に基づき、出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の温度制御方法。
  13. 前記第２の電流に対応する定電流を発生させ、出力された前記ＰＷＭ信号がオフである場合にその定電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流し、
    ＰＷＭ信号がオフである場合において前記電圧測定器により測定された電圧に加えて、定電流の大きさに基づいて出力する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を新たに設定することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の温度制御方法。
  14. 温度に依存して抵抗値が変化する特性を有した温度依存性抵抗ヒータによって温度を制御する温度制御方法において、
    オンとオフを有する所定のデューティ比のＰＷＭ信号を出力し、
    出力された前記ＰＷＭ信号がオンである場合に前記温度依存性抵抗ヒータに第１の電流を流すとともに、出力された前記ＰＷＭ信号がオフである場合に前記第１の電流より小さい第２の電流を前記温度依存性抵抗ヒータに流し、
    出力された前記ＰＷＭ信号がオフであるときの前記温度依存性抵抗ヒータの電圧と、前記第２の電流の電流値と、に基づいて、前記温度依存性抵抗ヒータの抵抗値を測定し、
    前記温度依存性抵抗ヒータの測定抵抗値に基づき出力する前記ＰＷＭ信号の前記デューティ比を新たに設定することを特徴とする温度制御方法。
  15. 前記温度依存性抵抗ヒータの測定抵抗値に基づき出力する前記ＰＷＭ信号の前記デューティ比を新たに設定することによって、前記温度依存性抵抗ヒータの抵抗値の値を、該温度依存性抵抗ヒータが所定の設定温度であるときの値に近づけることを特徴とする請求項１４に記載の温度制御方法。
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