JP2011185742A - マイクロヒータの温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常発振や応答遅れを生ずることなく制御が行えるマイクロヒータの温度制御装置を提供する。
【解決手段】主電源１１と接地間に、主ＭＯＳＦＥＴ１２と、マイクロヒータ１４、抵抗１５〜１７をブリッジ接続したブリッジ回路１３とを順次直列に接続し、共通接続点Ｃ，Ｄの電圧がＣ＞Ｄである期間（マイクロヒータ１４の温度が低い期間）中に、Ｃが設定電圧源２４の設定電圧Ｖ３よりも大きくなったときに主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートをプルダウンさせるコンパレータ２３およびトランジスタ２１と、マイクロヒータ１４の温度が上昇してＣ＜Ｄとなったときに主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートをプルダウンさせるコンパレータ２５およびトランジスタ２２とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、限界電流式酸素センサ等に用いられるマイクロヒータの温度制御装置に関する。

限界電流式酸素センサ等に用いられるマイクロヒータの制御回路は、従来、例えば図４に記載のブリッジ回路（特許文献１の第３１図）が知られている。

図４において、負極端が接地された一定電圧源１の正極電圧はトランジスタ２のコレクタ−エミッタを介してブリッジ回路３の端子Ｂに印加される。

ブリッジ回路３は、端子Ｂと端子Ａ間に、抵抗４およびヒータ５の直列体と抵抗６およびポテンショメータ７の直列体を並列接続し、端子Ａを接地して構成されている。

８は抵抗４およびヒータ５の共通接続点である端子Ｃの電圧を反転入力とし、抵抗６およびポテンショメータ７の共通接続点である端子Ｄの電圧を正転入力とするオペアンプであり、その出力電圧は整流器９を介して前記トランジスタ２のベースに印加される。

ヒータ５は、例えばＰｔ（白金）で構成され、常温２０℃での抵抗値が２Ωとする。これを６００℃に一定制御することを考えると、Ｐｔの抵抗温度係数は０．００３なので６００℃での抵抗値は５．７２Ωになる。ここで、ヒータ５の温度が６００℃のときに、ブリッジ回路３を構成する対辺の抵抗の積どうしを等しくするべく、抵抗４を１Ω、抵抗６を１ｋΩ、ポテンショメータ７の抵抗を５．７２ｋΩとすれば、ヒータ５の温度が６００℃のときに端子Ｃと端子Ｄの電位差が０Ｖとなるので、オペアンプ８により接続点Ｃ、Ｄ間が０Ｖ一定になるようトランジスタ２の電流がフィードバック制御される。

特開昭５８−１２４９４３号公報

図４の制御回路では、オペアンプによるフィードバック動作を用いているため、外乱等により異常発振を起こしたり、応答遅れにより温度のオーバーシュートやアンダーシュートを生じたりする。

また、上記図４の例では、室温状態で無風のときに３００ｍＡの電流で６００℃を維持できるとしても、低温時や風が当たって熱が奪われるときのことを考慮して約３倍の１Ａの通電能力を持たせるとすると、一定電圧源１の電源電圧としては７Ｖ程度が必要となる。

ここでヒータ５が完全に冷めている状態からの電源投入時の動作を考える。最初ヒータ５の抵抗値は２Ωなので、図４のブリッジ回路３の電位差は、電源電圧を７Ｖとすると、端子Ｃは７Ｖ×２Ω／（１Ω＋２Ω）≒４．６２７Ｖ、端子Ｄは７Ｖ×５．７２ｋΩ／（１ｋΩ＋５．７２ｋΩ）≒５．９５７Ｖであるため、Ｃ＜Ｄとなる。

したがって、オペアンプ８の入力は反転入力＜正転入力となって出力はＨｉに振り切れるので、トランジスタ２は完全にオンした状態になる。そのためヒータ５には７Ｖ／（２Ω＋１Ω）≒２．３３Ａの大電流が流れる。

その後、次第にヒータ５の温度が上がっていき電流も下がっていくが、このような大電流により、電球のフィラメントが点灯の繰り返しで寿命が短くなるのと同じように、劣化が進んでヒータ５の寿命が短くなってしまう。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、上記異常発振や応答遅れの問題を解決するとともに、ヒータが冷えているときの過電流を抑えて寿命を延ばすことができるマイクロヒータの温度制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明のマイクロヒータの温度制御装置は、スイッチング素子を介して電源電流が供給されるブリッジ回路の上流側アームにマイクロヒータを配設し、ブリッジ回路への供給電流が分流して通流する、一方の経路に直列接続されたマイクロヒータおよび抵抗（第３の抵抗）の共通接続点を第１の共通接続点とし、他方の経路に直列接続された２つの抵抗（第１および第２の抵抗）の共通接続点を第２の共通接続点とし、前記第１の共通接続点電圧が第２の共通接続点電圧よりも大きい期間中（マイクロヒータの温度が設定値よりも低く、その抵抗値が低い期間中）に、第１の共通接続点電圧が設定電圧よりも大きくなったときに前記スイッチング素子の制御端を第１のコンパレータによってプルダウンさせることで、前記期間中にマイクロヒータに供給される電流が設定電流値前後にとどまるように制御し、前記第２の共通接続点電圧が第１の共通接続点電圧よりも大きくなったとき（マイクロヒータの温度が設定値を超えたとき）に、前記スイッチング素子の制御端を第２のコンパレータによってプルダウンさせることで、マイクロヒータの温度が設定値前後となるように制御するように構成した。

また、前記ブリッジ回路の温度ドリフトを抑えるために、前記第３の抵抗を、並列接続された複数の抵抗で構成し、前記第２の抵抗と熱的に結合されるように配設し、且つ第２の抵抗の抵抗温度係数と同一に構成した。

また、前記スイッチング素子を過熱から保護するために、前記スイッチング素子と熱的に結合されたダイオードと、前記ダイオードの順方向電圧が設定電圧を超えたときに前記スイッチング素子の制御端をプルダウンさせる過熱遮断手段とをさらに設けた。

（１）請求項１〜３に記載の発明によれば、第１、第２のコンパレータのオン、オフによってスイッチング素子を制御し、マイクロヒータに流れる電流を制御することができる。コンパレータは一般的にオペアンプよりも動作が速いため、オペアンプを用いる場合よりもマイクロヒータの温度変動に追従する際の、オーバーシュート、アンダーシュートを小さくすることができる。

また、オペアンプによるフィードバック制御を行っていないので、ノイズ等による異常発振も生じない。

さらにマイクロヒータが冷えており、その抵抗値が下がっているときの過電流を抑制してマイクロヒータの寿命を延ばすことができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、第３の抵抗を、並列接続した複数の抵抗で構成しているため、マイクロヒータに流れる電流を分流した電流が、第３の抵抗を構成する各々の抵抗に流れることになるため、該各々の抵抗に流れる電流値が小さくなり、発熱を抑えることができる。また、第３の抵抗は、第２の抵抗と熱的に結合し抵抗温度係数を同一にしているため、ブリッジ回路の温度ドリフトを抑えることができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、過熱遮断手段を設けたので、スイッチング素子を過熱から保護することができる。

本発明の一実施形態例の構成図。 本発明のブリッジ回路の温度ドリフトを抑える手段を追加した実施例の要部構成図。 本発明のスイッチング素子に過熱遮断機能を追加した実施例の要部構成図。 従来のマイクロヒータの温度制御装置の一例を示す構成図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は本発明のマイクロヒータの制御装置の実施形態例の構成を示している。図１において、直流の主電源１１（電源電圧Ｖ１）の正極端と接地間には、スイッチング素子、例えば主ＭＯＳＦＥＴ１２（Ｍ１）およびブリッジ回路１３が順次直列に接続されている。

ブリッジ回路１３は、上流側アームに配設した、例えばＰｔ（白金）からなるマイクロヒータ１４および抵抗１５（第１の抵抗、抵抗値はＲ１）の一端どうしを共通接続し、該共通接続点Ｂを前記主ＭＯＳＦＥＴ１２のソースに接続し、抵抗１６（第２の抵抗、抵抗値はＲ２）および抵抗１７（第３の抵抗、抵抗値はＲ３）の一端どうしを共通接続し、該共通接続点Ａを接地し、マイクロヒータ１４の他端を抵抗１７の他端に接続し、抵抗１５の他端を抵抗１６の他端に接続して構成されている。

１８は主電源１１に直列に接続された昇圧電源（電圧Ｖ２）であり、その正極端は抵抗１９（抵抗値はＲ４）を介して主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートに接続されている。

主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートと接地間には、トランジスタ２１（Ｑ１）、２２（Ｑ２）が並列に接続されている。

２３は、主電源１１から印加される電圧を電源電圧とするコンパレータ（第１のコンパレータ：ＣＭＰ１）である。このコンパレータ２３の正転入力端はマイクロヒータ１４および抵抗１７の共通接続点Ｃ（第１の共通接続点）に接続され、反転入力端は設定電圧源２４（設定電圧Ｖ３）の正極端に接続され、出力端はトランジスタ２１のベースに接続されている。

２５は、主電源１１から印加される電圧を電源電圧とするコンパレータ（第２のコンパレータ：ＣＭＰ２）である。このコンパレータ２５の正転入力端は抵抗１５および抵抗１６の共通接続点Ｄ（第２の共通接続点）に接続され、反転入力端は、前記共通接続点Ｃと設定電圧源２４の正極端との間に直列接続された抵抗２６（抵抗値はＲ５）、２７（抵抗値はＲ６）の共通接続点に接続され、出力端はトランジスタ２２のベースに接続されている。

前記ブリッジ回路１３の各抵抗値は、設定温度でのマイクロヒータ１４の抵抗値をＲＨとすると、ＲＨ：Ｒ３＝Ｒ１：Ｒ２となるように設定される。尚、抵抗１５又は抵抗１６を可変抵抗としても良い。

マイクロヒータ１４は正の抵抗温度係数を持つので、温度が設定値よりも低いとブリッジ回路１３の電圧はＣ＞Ｄとなり、マイクロヒータ１４の温度が設定値よりも高いとブリッジ回路１３の電圧はＣ＜Ｄとなる。

マイクロヒータ１４と直列の抵抗１７はブリッジの一部を構成するとともに、ヒータ電流の検出手段も兼ねている。

前記主ＭＯＳＦＥＴ１２はゲート−ソース間電圧がしきい値を超えるとオンし、下流のブリッジ回路１３に電流が流れる。主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートには、昇圧電源１８から抵抗１９を通して主ＭＯＳＦＥＴ１２がオンするような電圧が加えられる。

本実施例においてはスイッチング素子をＭＯＳＦＥＴとしたが、これに限らずバイポーラトランジスタを用いても良い。

また、昇圧電源１８からオン電圧を供給するに限らず、昇圧電源１８を省略して主電源１１から主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートに供給するように構成しても良い。

マイクロヒータ１４および抵抗１７に電流Ｉが流れるとＩ＊Ｒ３の電圧が生じる。電流Ｉが上昇して設定電圧源２４の設定電圧Ｖ３＜Ｉ＊Ｒ３の条件になると、コンパレータ２３の正転入力Ｈｉにより出力がＨｉになりトランジスタ２１がオンして主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートをプルダウンする。

これら、設定電圧源２４、コンパレータ２３およびトランジスタ２１によって、第１の共通接続点Ｃの電圧が設定電圧（Ｖ３）よりも大きくなったときに、スイッチング素子（Ｍ１）の制御端をプルダウンさせる手段を構成している。

また、通電によりマイクロヒータ１４の温度が上昇しその抵抗値ＲＨが大となり、ブリッジ回路１３の電圧がＣ＜Ｄになるとコンパレータ２５の正転入力Ｈｉにより出力がＨｉになりトランジスタ２２がオンして主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートをプルダウンする。

これらコンパレータ２５およびトランジスタ２２によって、第２の共通接続点Ｄの電圧が第１の共通接続点Ｃの電圧よりも大きくなったときにスイッチング素子（Ｍ１）の制御端をプルダウンさせる手段を構成している。

また、抵抗２６および抵抗２７は、回路のスタートアップ用として設けられている。電源投入の瞬間は電流が流れていないので、ブリッジ回路１３のＢ点の電圧は０Ｖである。共通接続点ＣとＤの電圧も０Ｖなので、コンパレータ２５の両入力も０Ｖで、出力もＬｏになれば、抵抗１９を介して主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートに電荷が供給されて回路は起動する。

しかし、入力にオフセットがあってコンパレータ２５内部で正転入力が持ち上げられていると出力はＨｉになってしまい、トランジスタ２２がオンして主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートがプルダウンされたままになって、主ＭＯＳＦＥＴ１２がオンせず、回路が起動しないことになってしまう。

それを避けるために、抵抗２６，２７によりコンパレータ２５の反転入力をわずかに持ち上げている。

尚、例えば入力が０Ｖだと出力が必ずＬｏに振り切れるタイプのコンパレータをコンパレータ２５として用いるならば、例えば前記抵抗２６、２７のような追加部品は不要である。

次に、上記のように構成された装置の動作を説明する。まず、主電源１１と昇圧電源１８を投入すると、投入の瞬間はまだ主ＭＯＳＦＥＴ１２がオンせず電流が流れていないので、Ｂ点の電圧は０Ｖである。ＣとＤの電圧も０Ｖだが、設定電圧源２４から抵抗２７、２６、１７を通してＧＮＤに微小電流が流れるので、コンパレータ２５の反転入力はＶ３＊{(Ｒ３＋Ｒ５）／（Ｒ３＋Ｒ５＋Ｒ６）}となり、正転入力は０Ｖなので出力Ｌｏでトランジスタ２２がオフになって、昇圧電源１８から抵抗１９を介して主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートに電流が供給されて、ゲート−ソース間電圧が徐々に上がっていくので、主ＭＯＳＦＥＴ１２はオンし、ブリッジ回路１３に電流Ｉが流れ始める。

設定温度でのマイクロヒータ１４の抵抗値をＲＨとして、ＲＨ：Ｒ３＝Ｒ１：Ｒ２となるようにブリッジ回路１３の各抵抗が設定されているので、マイクロヒータ１４が冷えている初期状態では、ブリッジ回路１３の電圧はＣ＞Ｄとなり、コンパレータ２５の出力はＬｏのままであるが、マイクロヒータ１４の抵抗値が低いので電流Ｉが上昇しＶ３＜Ｉ＊Ｒ３の条件となるので、コンパレータ２３のほうは、正転入力Ｈｉで出力がＨｉになり、トランジスタ２１がオンして主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートをプルダウンする。ゲート電荷が放電されゲート電圧が下がっていくと、主ＭＯＳＦＥＴ１２のオン抵抗が増加し電流が減るので、再びコンパレータ２３の出力はＬｏになりトランジスタ２１がオフしてゲート電圧は上昇に転じる。

マイクロヒータ１４の温度が上昇してＶ３＞Ｉ＊Ｒ３の条件になるまでこのようにトランジスタ２１はオン、オフを繰り返し、Ｉが設定電流値の前後にとどまるように制御される。

さらにマイクロヒータ１４の温度が上がっていき、設定温度をわずかに超えてブリッジ回路１３の電圧がＣ＜Ｄになると、コンパレータ２５の正転入力Ｈｉにより出力がＨｉになりトランジスタ２２がオンして主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートをプルダウンする。電荷が放電されゲートが下がっていくと、主ＭＯＳＦＥＴ１２のオン抵抗が増加し電流Ｉが減るので温度が下がりマイクロヒータ１４の抵抗値が下がってブリッジ回路１３の電圧はＣ＞Ｄとなり、再びコンパレータ２５の出力はＬｏになり、トランジスタ２２がオフしてゲート電圧は上昇に転じ、主ＭＯＳＦＥＴ１２のオン抵抗が下がって電流Ｉが増えるのでマイクロヒータ１４の温度が上がる。

このようにトランジスタ２２がオン、オフを繰り返し、マイクロヒータ１４の温度は設定値を挟んで上下しながら平均的には設定値と等しくなる。

尚、前記動作が行えるように、図１の各部の抵抗値、電圧値、電流値を設定しておくものである。

従来の、例えば特許文献１では、オペアンプのフィードバック作用によりヒータ温度が一定に保たれるが、本発明ではコンパレータのオン、オフで主ＭＯＳＦＥＴ１２のオン抵抗を小刻みに上下させることにより、ヒータ温度が設定値付近を上下するという点が異なる。

コンパレータは一般的にオペアンプよりも動作が速く、オペアンプを用いる従来方法よりも変動に追従する際のオーバーシュート、アンダーシュートが小さくなる。また、フィードバックで一定値に収束させるような制御を行っていないので、ノイズ等による異常発振も起こらない。

次に、ブリッジ回路１３の温度ドリフトを抑える手段を追加した実施例を図２とともに説明する。ブリッジ回路１３の抵抗１７にはマイクロヒータ１４と同じ電流が流れるので発熱する。通常、抵抗には温度係数があるので、温度上昇により抵抗値がずれる。すると抵抗１６との比率が変わり、マイクロヒータ１４の制御温度がずれてしまう。そこで抵抗ブリッジ（ブリッジ回路１３）の構成を、図２のように、抵抗１７を、並列接続した複数の抵抗１７ａ（抵抗値はＲ３ａ）および１７ｂ（抵抗値はＲ３ｂ）の合成として抵抗１６と熱的に結合するような配置とし、さらに抵抗１６と抵抗１７ａ，１７ｂの抵抗温度係数を同じにすることにより、ブリッジの動作点のずれを抑えることができる。

図２は、ブリッジ回路１３のみを図示しているが、その他の部分は図１と同様に構成されているものである。

図２の構成によれば、マイクロヒータ１４を流れる電流は抵抗１７ａと１７ｂに分流するため、抵抗１７ａ，１７ｂ各々に流れる電流値が小さくなってそれらの発熱を抑えることができる。

また、抵抗１７ａ，１７ｂを抵抗１６と熱的に結合し、抵抗温度係数を同じにしているため、ブリッジ回路１３の温度ドリフトを抑えることができる。

次に、主ＭＯＳＦＥＴ１２の過熱遮断機能を追加した実施例を図３とともに説明する。図３において、主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲート−ソース間には遮断用ＦＥＴ３１が接続されている。

主ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートには抵抗３２の一端が接続され、該抵抗３２の他端と遮断用ＦＥＴ３１のソース間には、図示極性のツェナーダイオード３３，３４の直列回路と、図示極性の定電流ダイオード３５、ダイオード３６（Ｄ１），３７（Ｄ２）の直列回路とが並列に接続されている。

コンパレータ３８の正転入力端は、負極端が遮断用ＦＥＴ３１のソースに接続された基準電圧源３９の正極端に接続され、反転入力端は定電流ダイオード３５およびダイオード３６の共通接続点に接続され、出力端は遮断用ＦＥＴ３１のゲートに接続されている。

図３は主ＭＯＳＦＥＴ１２の過熱遮断機能を達成する回路のみを図示しているが、その他の部分は図１と同一に構成されているものである。

ダイオード３６，３７は主ＭＯＳＦＥＴ１２と熱的に結合されており、該ＦＥＴ１２の温度が上がるとダイオード３６，３７の温度も上がる。ダイオードの順方向電圧は負の温度特性を持っており、許容限界温度を超えたところでコンパレータ３８が反転し、遮断用ＦＥＴ３１をオンさせて、主ＭＯＳＦＥＴ１２を遮断する。これによって主ＭＯＳＦＥＴ１２を過熱から保護することができる。

１１…主電源
１２…主ＭＯＳＦＥＴ
１３…ブリッジ回路
１４…マイクロヒータ
１５，１６，１７，１７ａ，１７ｂ，１９，２６，２７，３２…抵抗
１８…昇圧電源
２１，２２…トランジスタ
２３，２５，３８…コンパレータ
２４…設定電圧源
３１…遮断用ＦＥＴ
３３，３４…ツェナーダイオード
３５…定電流ダイオード
３６，３７…ダイオード
３９…基準電圧源
Ｃ…第１の共通接続点
Ｄ…第２の共通接続点

Claims (3)

1. 直流電源と接地間に、制御端に制御電圧が供給されるスイッチング素子と、抵抗およびマイクロヒータをブリッジ接続したブリッジ回路とが順次直列に接続され、
   前記ブリッジ回路は、第１の抵抗および前記マイクロヒータの一端どうしを共通接続した共通接続点が前記スイッチング素子側に接続され、第２の抵抗および第３の抵抗の一端どうしを共通接続した共通接続点が接地され、前記第１の抵抗の他端が第２の抵抗の他端に接続され、前記マイクロヒータの他端が第３の抵抗の他端に接続されて構成され、
   前記ブリッジ回路の、マイクロヒータおよび第３の抵抗の第１の共通接続点電圧と設定電圧を比較する第１のコンパレータを有し、前記第１の共通接続点電圧が第１の抵抗および第２の抵抗の第２の共通接続点電圧よりも大きい期間中に、前記第１の共通接続点電圧が設定電圧よりも大きくなったときに、前記スイッチング素子の制御端をプルダウンさせる手段と、
   前記ブリッジ回路の、前記第１の共通接続点電圧と第２の共通接続点電圧を比較する第２のコンパレータを有し、前記第２の共通接続点電圧が第１の共通接続点電圧よりも大きくなったときに、前記スイッチング素子の制御端をプルダウンさせる手段と、を設けたことを特徴とするマイクロヒータの温度制御装置。
2. 前記ブリッジ回路の第３の抵抗は、並列接続された複数の抵抗で構成されるとともに、前記第２の抵抗と熱的に結合されるように配設され、且つ第２の抵抗の抵抗温度係数と同一に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロヒータの温度制御装置。
3. 前記スイッチング素子と熱的に結合されたダイオードと、前記ダイオードの順方向電圧が設定電圧を超えたときに前記スイッチング素子の制御端をプルダウンさせる過熱遮断手段とをさらに設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロヒータの温度制御装置。

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