JP6511640B2 - 面状採暖具 - Google Patents

Description

本発明は、電気カーペット、電気毛布などのヒータと一体に構成した容量分や抵抗分からなるインピーダンス特性を示す温度センサを使用する面状採暖具に関するものである。

従来、この種の面状採暖具はヒータと一体に構成した容量分や抵抗分からなるインピーダンス特性を示す温度センサの信号で通電状態を制御している（例えば、特許文献１参照）。

図５は温度センサ、検知電極線と一体構成にある線状ヒータの構造を示す模式図であり、図６は温度センサ３の特性を示したグラフであり、図７は従来の面状採暖具の制御系の構成を示す回路図である。

図５に示すように、線状ヒータ３０は芯線１の上にヒータ線２を巻回し、その上にプラスチックサーミスタによる温度センサ３を被覆し、その上に検知電極線４を巻回し、更にその上に絶縁用外被５を被覆している。

図６に示すように、インピーダンスＺは、容量分から決まるインピーダンスＺＣと抵抗分から決まるインピーダンスＺＲの合成値となり、高温側になるほど容量分のインピーダンスＺＣのウエイトが高くなる。

図７に示すように、面状採暖具は、ヒータ線２へ交流電源６を供給制御する電力制御素子７と、各部に直流電圧を供給する直流電源部８を備えている。ベース接地したトランジスタ９は、エミッタが検知電極線４に接続されている。温度信号部１０はトランジスタ９のコレクタに流れる電流を電圧変換して温度信号電圧ＶＴを出力する。温度設定部１１はヒータ線２の温度設定電圧Ｖｓを出力する。温度制御部１２は温度信号部１０の温度信号電圧ＶＴと温度設定部１１の温度設定電圧Ｖｓを比較処理して、ヒータ線２の温度が設定より低い時、すなわち、ＶＴ＞Ｖｓの時はＨｉ出力となって電力制御素子７を駆動する。

温度信号部１０の温度信号電圧ＶＴは、ヒータ線２の温度が低くて温度センサ３のインピーダンスが大きい時は、トランジスタ９のコレクタに流れる電流が小さいため、高い値を示す。逆にヒータ線２の温度が高くなり温度センサ３のインピーダンスが小さくなると、トランジスタ９のコレクタに流れる電流が多くなるため、低い値を示すことになる。この温度信号部１０の温度信号電圧ＶＴを検出することによってヒータ線２の温度を、設定した温度に制御している。

ダイオード１３はトランジスタ９のエミッタベース間の耐圧保証、及び、交流電源６の正サイクル側における温度センサ３の電流を流すように構成されている。

特許第４１６５１８６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、交流電源６に図８に示すような高調波や歪み波などの商用周波数より周波数の高い高周波成分１６が重畳した場合、高周波成分１６によっ
て温度信号部１０の温度信号電圧ＶＴが低くなり、ヒータ線２の温度が設定温度より低く制御される。

すなわち、温度センサ３の容量分Ｃから決まるインピーダンスＺＣは、ＺＣ＝１／（２πｆＣ）から求めることができるので、高周波成分１６が重畳することで、周波数ｆが高くなる側に影響を与え、インピーダンスＺＣは小さくなる。

一方、インピーダンスＺＣが小さくなると、インピーダンスＺも小さくなって、トランジスタ９のコレクタに流れる電流が多くなるため、温度信号部１０の温度信号電圧ＶＴは低い側に変化することになる。

温度信号電圧ＶＴが低い側に変化すると、ヒータ線２の温度が温度設定部１１で設定している温度に達する前に、温度制御部１２は電力制御素子７をオフしてしまって、ヒータ線２への通電が停止して、ヒータ線２の温度が設定温度より低くなってしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、交流電源の商用周波数より周波数の高い高調波や歪み波などの高周波成分が重畳した場合においても、設定した所定のヒータ線の温度が得られる面状採暖具を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の面状採暖具は、面状採暖具本体と、面状採暖具本体の内部に配設された線状ヒータと、制御部と、を含み、線状ヒータは、ヒータ線と、検知電極線と、ヒータ線と検知電極線の間に介挿され、容量分および抵抗分からなるインピーダンス特性を示す温度センサと、を備え、制御部は、交流電源の電力を前記ヒータ線に供給する電力制御素子と、交流電源の電力を整流して直流電圧を得る直流電源部と、温度センサのインピーダンスから決まる電流を直流電圧に変換して温度信号電圧とする温度信号部と、ヒータ線の温度を設定する温度設定電圧を出力する温度設定部と、温度信号電圧および温度設定電圧を処理して電力制御素子へ制御信号を出力する温度制御部と、高周波成分重畳検出部と、を備え、高周波成分重畳検出部は、交流電源への高周波成分重畳の度合いを高周波成分重畳検出信号に変換して、温度制御部へ入力することを特徴とするものである。

これにより、制御部は交流電源に重畳してきた高調波や歪み波などの高周波成分の大きさの度合いを検知することが可能となり、温度制御部は、交流電源に高周波成分が重畳してヒータの温度が低くなる方向に温度信号電圧が変化するのを補正することが可能となり、ヒータの温度を温度設定部で設定した温度に制御にすることができる。

本発明の面状採暖具は、交流電源に高調波や歪み波などの高周波成分のノイズが重畳している場合でも、ヒータの温度を温度設定部で設定した温度通りの制御にすることができる。

本発明の実施の形態１における面状採暖具の制御系の構成を示す回路図 本発明の実施の形態１における高周波成分重畳検出信号Ｖｋの変化を示すグラフ 本発明の実施の形態２における面状採暖具の制御系の構成を示す回路図 本発明の実施の形態３における面状採暖具の制御系の構成を示す回路図 従来の面状採暖具の線状ヒータの構成を示す模式図 従来の面状採暖具の温度センサの特性を示すグラフ 従来の面状採暖具の制御系の構成を示す回路図 従来の面状採暖具の高周波成分重畳の交流電源波形を示すグラフ

第１の発明は、面状採暖具本体と、前記面状採暖具本体の内部に配設された線状ヒータと、制御部と、を含み、前記線状ヒータは、ヒータ線と、検知電極線と、前記ヒータ線と前記検知電極線の間に介挿され、容量分および抵抗分からなるインピーダンス特性を示す温度センサと、を備え、前記制御部は、交流電源の電力を前記ヒータ線に供給する電力制御素子と、前記交流電源の電力を整流して直流電圧を得る直流電源部と、前記温度センサのインピーダンスから決まる電流を直流電圧に変換して温度信号電圧とする温度信号部と、前記ヒータ線の温度を設定する温度設定電圧を出力する温度設定部と、前記温度信号電圧および前記温度設定電圧を処理して前記電力制御素子へ制御信号を出力する温度制御部と、高周波成分重畳検出部と、を備え、前記高周波成分重畳検出部は、前記交流電源への高周波成分重畳の度合いを高周波成分重畳検出信号に変換して、前記温度制御部へ入力することを特徴とする、面状採暖具である。

これにより、制御部は交流電源に重畳してきた高調波や歪み波などの高周波成分の大きさの度合いを検知することが可能となり、温度制御部は、交流電源に高周波成分が重畳してヒータの温度が低くなる方向に温度信号電圧が変化するのを補正することが可能となり、ヒータの温度を温度設定部で設定した温度に制御にすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の発明において、前記高周波成分重畳検出部は、前記交流電源に接続され、周波数によってインピーダンスが変化するコンデンサを降圧手段とし、前記降圧手段から得られる高周波成分重畳検出信号を出力することを特徴とするものである。

これにより、交流電源に重畳してきた高調波や歪み波などの高周波成分の周波数によってコンデンサのインピーダンスが小さい側に変化する。その結果、温度制御部へ入力する高周波成分重畳検出信号の電圧は高くなる方向に変化することとなり、簡単で安価な構成で交流電源に重畳してきた高調波や歪み波などの高周波成分の度合いを検出することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記温度制御部は、前記高周波成分重畳検出部の前記高周波成分重畳検出信号が、所定値から変化した時に、変化量に応じて、前記温度信号電圧と前記温度設定電圧の少なくとも１つを、補正する補正部を備えたものである。

これにより、Ａ／Ｄ変換機能内蔵のマイコンで、ヒータの温度を温度設定部で設定した温度通りの制御を実施することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における面状採暖具の制御系の構成を示す回路図である。

図１に示すように、面状採暖具の制御系の主な構成としては、面状採暖具の面状採暖具本体（図示せず）の内部に配設された線状ヒータ３０と、線状ヒータの駆動を制御する制
御部４０を備え、制御部４０は交流電源６に接続され、交流電源６より電力が供給される構成となっている。

制御部４０は、交流電源６の電力をヒータ線２に供給する電力制御素子７と、交流電源６の電力を整流して直流電圧を得る直流電源部８と、温度センサ３のインピーダンスから決まる電流を直流電圧に変換して温度信号電圧とする温度信号部１０と、ヒータ線２の温度を設定する温度設定電圧を出力する温度設定部１１と、温度信号電圧および温度設定電圧を処理して電力制御素子へ制御信号を出力する温度制御部１２と、交流電源６より供給される交流電力へ重畳された高周波成分の度合いを検出する高周波成分重畳検出部２２を主な構成要素として備えている。

なお、本実施の形態においては、背景技術と同一の構成については、同一番号を付与している。また、ヒータ線２と検知電極線４の間に設けた容量分や抵抗分からなるインピーダンス特性を示す温度センサ３の特性も図６に示す特性と同様である。

図６に示すように、温度センサ３のインピーダンスＺは容量分から決まるインピーダンスＺＣと抵抗分から決まるインピーダンスＺＲの合成値となり、高温側になるほど容量分のインピーダンスＺＣのウエイトが高くなる。

温度センサ３の温度は、交流電源６のｂ側が＋側となる期間において流れる電流で検出している。その経路は、まず、交流電源６のｂ側から、トランジスタ９のベースからエミッタ、検知電極線４、温度センサ３、ヒータ線２、交流電源６のａ側へと順次ながれ、流れた電流はトランジスタ９のベース電流として印加される。

ベース電流として印加されることにより、トランジスタ９がオンして、温度センサ３に流れる電流の殆どがトランジスタ９のコレクタ電流として流れ、このコレクタ電流はダイオード１７、抵抗１８、電解コンデンサ１９から構成している直流電源部８から抵抗１４を通って流れることとなる。

抵抗１４にコレクタ電流が流れると、電圧降下が起こり、温度信号電圧ＶＴは、直流電源部８の電圧から抵抗１４に発生する電圧を引いた電圧となる。

この温度信号電圧ＶＴは、温度センサ３の温度が高くなってインピーダンスＺが小さくなると温度センサ３に流れる電流が大きくなりトランジスタ９のコレクタ電流も大きくなって抵抗１４での電圧降下も大きくなって、低下する。

温度信号電圧ＶＴは電解コンデンサ１５で平滑されて直流電圧となっており、トランジスタ９、ダイオード１３、抵抗１４、電解コンデンサ１５で温度信号部１０を構成している。

ダイオード１３はトランジスタ９のエミッタベース間の耐圧保証、及び、交流電源６のａ側が＋側となる正サイクル側における温度センサ３の電流を流すようになっている。

ヒータ線２の温度設定は抵抗２０とボリューム２１で構成する温度設定部１１で行いボリューム２１の抵抗値を変えることで変化する温度設定電圧Ｖｓで設定する。

ここでは温度設定電圧Ｖｓが低いほどヒータ線２の温度が高くなる設定としている。すなわち、温度信号電圧ＶＴが温度設定電圧Ｖｓより高ければヒータ線２の温度が設定温度に達していないと温度制御部１２は判断して電力制御素子７へオン信号を出力する。

逆に温度信号電圧ＶＴが温度設定電圧Ｖｓより低くなればヒータ線２の温度が設定温度に達したと温度制御部１２が判断して電力制御素子７へオフ信号を出力する。このように温度設定電圧Ｖｓに対して温度信号電圧ＶＴが温度センサ３の温度によって上下することでヒータ線２の温度を設定温度に制御している。

高周波成分重畳検出部２２は交流電源６に接続して高周波成分重畳検出信号Ｖｋを温度制御部１２に入力している。
以上のように構成された面状採暖具について、以下その動作、作用を説明する。

まず、交流電源６に図８に示すような高調波や歪み波などの高周波成分１６が重畳してくると、重畳した高周波成分１６の電流が温度センサ３に流れることになる。

温度センサ３は容量分を含んでいるので、高周波成分１６の周波数の高い電流が流れると、温度センサ３の容量分で決まるインピーダンスＺＣが影響を受けて小さくなり、抵抗分から決まるインピーダンスＺＲとの合成値であるインピーダンスＺも小さくなる。

高周波成分１６によって、インピーダンスＺが小さくなると、温度センサ３に流れる電流が増加し、トランジスタ９のコレクタ電流も増加して、抵抗１４での電圧降下が大きくなって温度信号電圧ＶＴは低下する。

温度信号電圧ＶＴが低下するということは、ヒータ線２の温度が上がったということになり、背景技術の面状採暖具では、ヒータ線２の温度が設定温度に達しない前に、電力制御素子７をオフにする早切れの動作が実施され、ヒータ線２は低温状態で維持されていた。

これに対して、本実施の形態の面状採暖具では、高周波成分重畳検出部２２で交流電源６に重畳した高調波や歪み波などの高周波成分１６の度合いを検出することが可能な構成となっている。

高周波成分重畳検出部２２は交流電源６に重畳した高調波や歪み波などの高周波成分１６の度合いを高周波成分重畳検出信号Ｖｋとして温度制御部１２へ入力する。温度制御部１２は高周波成分重畳検出信号Ｖｋを監視している。

図２は高周波成分重畳検出信号Ｖｋの変化を示している。交流電源６に重畳した高周波成分１６の度合いが大きい程、予め設定された所定値からの変化量Δｋも大きくなる。所定値は交流電源６への高周波成分重畳がない時の値である。この所定値からの変化量Δｋの有無を温度制御部１２が監視している。

温度制御部１２は高周波成分重畳検出信号Ｖｋに変化量Δｋが発生すると、交流電源６に高周波成分が重畳したことを認識して、温度信号部１０の出力である温度信号電圧ＶＴにも影響が出ていることを検知し、その影響度合いも検知することが可能となる。

上記のように、本実施の形態においては、交流電源６に重畳した高調波や歪み波などの高周波成分１６の度合いを交流電源６に接続した高周波成分重畳検出部２２で検出する構成とすることにより、交流電源６に重畳した高周波成分１６が温度センサ３に与える影響度合いを検知することが可能となり、影響が出ている分だけヒータ線２の温度を上げるように温度制御部１２が制御して電力制御素子７の早切れを防止することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態の面状採暖具の制御系の構成図である。

図３に示すように、高周波成分重畳検出部２２は、コンデンサ２３の一端を交流電源６のａ側に接続し、コンデンサ２３のもう一端にはダイオード２４のアノードを、そしてダイオード２４のカソードには抵抗２５を接続し、抵抗のもう一端は交流電源６のｂ側に接続している。さらに交流電源６のｂ側からは、コンデンサ２３とダイオード２４の接続部へ向って、ダイオード２６を接続する。また、抵抗２５の両端には平滑用の電解コンデンサ２７を接続して、高周波成分重畳検出部２２を構成している。

以上のように構成された面状採暖具について、以下その動作、作用を説明する。

まず、コンデンサ２３は降圧手段として用いており、交流電源６のａ側からは、コンデンサ２３、ダイオード２４、抵抗２５、交流電源６のｂ側へと電流が流れる。一方、交流電源６のｂ側からは、ダイオード２６、コンデンサ２３、交流電源６のａ側へと電流が流れる。

従って、コンデンサ２３には交流電流が流れることから、交流電流の周波数をｆ、コンデンサ２３の容量値をＣ２３とすると、コンデンサ２３のインピーダンスＺＣ２３は、ＺＣ２３＝１／（２πｆ・Ｃ２３）で求められ、このコンデンサ２３のインピーダンスＺＣ２３を降圧手段としている。

このように交流電源６の電圧をコンデンサ２３で降圧して、ダイオード２４で整流し、抵抗２５に発生した電圧を電解コンデンサ２７で平滑して高周波成分重畳検出信号Ｖｋとして温度制御部１２へ入力する。

そして、交流電源６に図８に示すような高調波や歪み波などの高周波成分１６が重畳すると、高周波成分１６の高い周波数によってコンデンサ２３のインピーダンスＺＣ２３が小さくなる方向へ影響を受け、抵抗２５への印加電圧が大きくなって高周波成分重畳検出信号Ｖｋが変化することとなる。

この高周波成分重畳検出信号Ｖｋの変化量は、交流電源６の高周波成分１６の重畳度合いが大きい程、大きく変化することになり、この高周波成分重畳検出信号Ｖｋの変化量から交流電源６への高調波や歪み波などの高周波成分１６の重畳度合いを知ることが可能となる。

上記のように、本実施の形態においては高周波成分重畳検出部２２を、コンデンサ２３のインピーダンスを降圧手段として得られる電圧を高周波成分重畳検出信号Ｖｋとすることにより、交流電源６の高調波や歪み波などの高周波成分１６の重畳度合いをコンデンサ２３のインピーダンス変化で検出することが可能となり、簡単で安価な構成で交流電源に重畳してきた高周波成分の度合いを検出することができる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態の面状採暖具の制御系の構成図である。

図４に示すように、温度制御部１２は補正部２８を備えた構成となっている。

上記のように構成された面状採暖具について、以下その動作、作用を説明する。

まず、補正部２８には、高周波成分重畳検出部２２の高周波成分重畳検出信号Ｖｋと、温度センサ３のインピーダンスＺから決まる温度信号電圧ＶＴと、温度設定部１１の温度設定電圧Ｖｓを入力する。

補正部２８は、図２に示すように高周波成分重畳検出信号Ｖｋの所定値からの変化量Δｋから交流電源６に重畳して来た高周波成分の度合いを検知することができる。これによって、変化量Δｋから温度信号電圧ＶＴへ及ぼす高周波成分の度合いを検出ことができる。

検出した温度信号電圧ＶＴへ及ぼす高周波成分の度合いから、例えば、温度信号電圧ＶＴを補正する。

高周波成分重畳検出信号Ｖｋの変化量Δｋに対して、ヒータ線２の温度を所定の設定温度にする為に温度信号電圧ＶＴをどれだけ補正すれば良いかは、あらかじめ求めて補正量ΔＴとして補正部２８に記憶させている。

補正部２８は記憶している補正量ΔＴに従って温度信号電圧ＶＴを補正する。仮に、補正量ΔＴが０．３Ｖであれば、温度信号部１０の出力の温度信号電圧ＶＴが２．２Ｖであるとすると、補正量ΔＴの０．３Ｖを嵩上げして温度信号電圧ＶＴを２．５Ｖとして制御する。

補正量ΔＴの０．３Ｖを嵩上げするということは、ヒータ線２の温度を上げる方向に動作するので高周波成分の影響を補正することとなる。

また、温度信号電圧ＶＴではなく、温度設定電圧Ｖｓを補正しても同様にヒータ線２の温度を上げることができる。さらには、温度信号電圧ＶＴと温度設定電圧Ｖｓの両方を補正することも可能である。

上記のように、本実施の形態においては、補正部２８を高周波成分重畳検出信号Ｖｋの変化量Δｋをもとに温度信号電圧ＶＴ、または、温度設定電圧Ｖｓ、または、温度信号電圧ＶＴと温度設定電圧Ｖｓの両方を補正する構成とすることにより、交流電源６に重畳してきた高周波成分の影響をなくすこととなり、ヒータ線２の温度を温度設定部１１で設定した所定の温度で制御することができる。

以上のように、本発明にかかる面状採暖具は、交流電源に重畳してきた高周波成分の度合いを知ることが可能となるので、他の交流電源機器等の用途にも適用できる。

２ ヒータ線
３ 温度センサ
４ 検知電極線
６ 交流電源
７ 電力制御素子
８ 直流電源部
１０ 温度信号部
１１ 温度設定部
１２ 温度制御部
１６ 高周波成分
２２ 高周波成分重畳検出部
２３ コンデンサ
２８ 補正部
３０ 線状ヒータ
４０ 制御部

Claims (3)

1. 面状採暖具本体と、
   前記面状採暖具本体の内部に配設された線状ヒータと、
   制御部と、を含み、
   前記線状ヒータは、
   ヒータ線と、
   検知電極線と、
   前記ヒータ線と前記検知電極線の間に介挿され、容量分および抵抗分からなるインピーダンス特性を示す温度センサと、を備え、
   前記制御部は、
   交流電源の電力を前記ヒータ線に供給する電力制御素子と、
   前記交流電源の電力を整流して直流電圧を得る直流電源部と、
   前記温度センサのインピーダンスから決まる電流を直流電圧に変換して温度信号電圧とする温度信号部と、
   前記ヒータ線の温度を設定する温度設定電圧を出力する温度設定部と、
   前記温度信号電圧および前記温度設定電圧を処理して前記電力制御素子へ制御信号を出力する温度制御部と、
   高周波成分重畳検出部と、を備え、
   前記高周波成分重畳検出部は、前記交流電源への高周波成分重畳の度合いを高周波成分重畳検出信号に変換して、前記温度制御部へ入力することを特徴とする、
   面状採暖具。
2. 前記高周波成分重畳検出部は、
   前記交流電源に接続され、周波数によってインピーダンスが変化するコンデンサを降圧手段とし、前記降圧手段から得られる高周波成分重畳検出信号を出力することを特徴とする、
   請求項１に記載の面状採暖具。
3. 前記温度制御部は、
   前記高周波成分重畳検出部の前記高周波成分重畳検出信号が、所定値から変化した時に、変化量に応じて、前記温度信号電圧と前記温度設定電圧の少なくとも１つを、補正する補正部を備えた、
   請求項１または２に記載の面状採暖具。

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