WO2019031198A1

WO2019031198A1 - 定温発熱装置

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Publication number: WO2019031198A1
Application number: PCT/JP2018/027279
Authority: WO
Inventors: 彰宏北村
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2019-02-14

Abstract

定温発熱装置（１００）は、発熱素子として機能するＰＴＣサーミスタ素子（ＰＴＣ１）と、スイッチング素子（Ｑ１）と、温度検出素子として機能するＮＴＣサーミスタ素子（ＮＴＣ１）と、抵抗素子（Ｒ５，Ｒ９）と、制御部（５０）とを備える。スイッチング素子（Ｑ１）は、電源からＰＴＣサーミスタ素子（ＰＴＣ１）への電力の供給と遮断とを切換える。抵抗素子（Ｒ５）は、定電圧源とＮＴＣサーミスタ素子（ＮＴＣ１）との間に接続される。制御部（５０）は、設定温度に対応する基準電圧と、抵抗素子（Ｒ５）とＮＴＣサーミスタ素子（ＮＴＣ１）との間の接続ノードの電圧とに基づいてスイッチング素子（Ｑ１）を制御して、ＰＴＣサーミスタ素子（ＰＴＣ１）を設定温度近傍で発熱させる。抵抗素子（Ｒ９）は、電源（Ｖｃｃ）とＰＴＣサーミスタ素子（ＰＴＣ１）とを結ぶ経路に配置される。

Description

定温発熱装置

　本発明は、定温発熱装置に関し、より特定的には、ＰＴＣサーミスタ素子を発熱素子として用いる定温発熱装置の回路の保護に関する。

　常温以上１００℃未満の比較的低温の一定温度で対象物を加熱する定温発熱装置が求められている。特開２０１７－５９４５９号公報（特許文献１）には、発熱素子として正特性サーミスタ素子（以下、「ＰＴＣサーミスタ素子」とも称する。）を用いた定温発熱装置が開示されている。特許文献１における定温発熱装置では、ヒータ部の温度変化を負特性サーミスタ素子（以下、「ＮＴＣサーミスタ素子」とも称する。）の抵抗変化を利用して検出し、設定温度との差異に基づいてＰＴＣサーミスタ素子に供給する電力を制御することによって、ヒータ部の温度が所定の設定温度近傍に維持される。

特開２０１７－５９４５９号公報

　ＰＴＣサーミスタ素子は、素子温度が高くなるにつれて抵抗値が急激に増加する特性を有している。そのため、特許文献１に開示された定温発熱装置においては、電力供給を制御するスイッチング素子の異常などにより、ＰＴＣサーミスタ素子に電力が供給され続けた場合であっても、ＰＴＣサーミスタ素子の抵抗増加によって電流が制限され、回路の保護が行なわれる。

　しかしながら、特許文献１の定温発熱装置の回路構成においては、ＰＴＣサーミスタ素子自体に故障が生じて短絡が発生した場合には、スイッチング素子に過大な電流が流れてしまい、スイッチング素子の発熱による故障や劣化の原因となり得る。

　本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、発熱素子であるＰＴＣサーミスタ素子の短絡故障が発生した場合であっても、回路の保護が可能な定温発熱装置を提供することである。

　本発明による低温発熱装置は、電源からの電力を用いて、設定温度または設定温度近傍の温度で発熱する。低温発熱装置は、電源からの電力によって発熱するＰＴＣサーミスタ素子と、スイッチング素子と、第１のＮＴＣサーミスタ素子と、第１および第２抵抗素子と、制御部とを備える。スイッチング素子は、電源とＰＴＣサーミスタ素子との間に電気的に接続され、電源からＰＴＣサーミスタ素子への電力の供給と遮断とを切換えるように構成される。第１のＮＴＣサーミスタ素子は、ＰＴＣサーミスタ素子の近傍に配置され、ＰＴＣサーミスタ素子と熱的に結合される。第１抵抗素子は、定電圧源と第１のＮＴＣサーミスタ素子との間に接続される。第２抵抗素子は、電源とＰＴＣサーミスタ素子とを結ぶ経路に配置される。制御部は、設定温度に対応する基準電圧と、第１抵抗素子と第１のＮＴＣサーミスタ素子との間の接続ノードの電圧である検出電圧とに基づいて、スイッチング素子を制御する。

　好ましくは、定温発熱装置は、ＰＴＣサーミスタ素子で生成される熱を熱源として対象物を加熱するヒータとして用いられる。第２抵抗素子は、スイッチング素子とＰＴＣサーミスタ素子との間に接続されるとともに、第１のＮＴＣサーミスタ素子の近傍に配置されて、第１のＮＴＣサーミスタ素子と熱的に結合される。

　好ましくは、制御部は、分圧回路と、コンパレータ素子とを含む。分圧回路は、直列接続された少なくとも２つの抵抗値を含み、定電圧源からの電圧を分圧することによって基準電圧を生成するように構成される。コンパレータ素子は、非反転入力端子、反転入力端子および出力端子を有する。非反転入力端子に基準電圧が入力され、反転入力端子に検出電圧が入力され、出力端子がスイッチング素子の制御端子に接続される。

　好ましくは、制御部は、基準設定部と、比較部と、駆動部とを含む。基準設定部は、設定温度に対応する基準電圧を設定する。比較部は、基準電圧と検出電圧とを比較する。駆動部は、比較部における比較結果に基づいて、スイッチング素子を駆動する。

　好ましくは、第２抵抗素子は、２５℃におけるＰＴＣサーミスタ素子の抵抗値と同じ抵抗値を有する。

　好ましくは、定温発熱装置は、風速測定装置として用いられる。ＰＴＣサーミスタ素子および第１のＮＴＣサーミスタ素子は、風速測定点に配置される。第２抵抗素子は、第１のＮＴＣサーミスタ素子と熱的に結合しない位置に配置される。定温発熱装置は、ＰＴＣサーミスタ素子に印加される電圧の波形に基づいて、風速測定点における風速を算出するように構成された風速測定部をさらに備える。

　好ましくは、制御部は、分圧回路と、コンパレータ素子とを含む。分圧回路は、第３抵抗素子、第４抵抗素子、および第２のＮＴＣサーミスタ素子が直列に接続され、定電圧源からの電圧を分圧することによって基準電圧を生成するように構成される。コンパレータ素子は、非反転入力端子、反転入力端子および出力端子を有する。非反転入力端子に基準電圧が入力され、反転入力端子に検出電圧が入力され、出力端子がスイッチング素子の制御端子に接続される。

　好ましくは、第１のＮＴＣサーミスタ素子および第２のＮＴＣサーミスタ素子は、同じ抵抗温度特性を有する。

　好ましくは、制御部は、温度検出部と、基準設定部と、比較部と、駆動部とを含む。温度検出部は、風速測定点の周囲温度を検出する。基準設定部は、温度検出部で検出された周囲温度に基づいて、設定温度に対応する基準電圧を設定する。比較部は、基準電圧と検出電圧とを比較する。駆動部は、比較部における比較結果に基づいて、スイッチング素子を駆動する。

　好ましくは、風速測定部は、ＰＴＣサーミスタ素子に印加されるパルス電圧のデューティ比、または、パルス電圧の１回あたりのオン時間の長さに基づいて風速を算出する。

　本発明によれば、発熱素子としてＰＴＣサーミスタ素子を用いる定温発熱装置において、ＰＴＣサーミスタ素子に直列接続された抵抗素子が設けられる。これによって、ＰＴＣサーミスタ素子に短絡故障が生じた場合でもスイッチング素子を流れる電流が制限される。そのため、定温発熱装置をより安全に保護することが可能となる。

実施の形態１に従う、ヒータとして機能する定温発熱装置の等価回路である。発熱素子に印加される電圧と、ヒータ部の温度変化の一例を示す図である。実施の形態１の変形例に従う定温発熱装置を示す図である。実施の形態２に従う、風速測定装置として機能する定温発熱装置の等価回路である。実施の形態２における設定温度の設定について説明するための図である。実施の形態２の変形例１に従う定温発熱装置を示す図である。実施の形態２の変形例２に従う定温発熱装置を示す図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　［実施の形態１］
　図１は、実施の形態１に係る定温発熱装置１００の等価回路である。定温発熱装置１００は、予め定められた設定温度、または当該設定温度近傍の温度で発熱する。実施の形態１においては、定温発熱装置１００は、常温（約２５℃）から１００℃未満の比較的低温で対象物を加熱するヒータとして動作する。当該ヒータは、たとえば食器あるいは子供用の玩具などに用いられる。

　図１を参照して、定温発熱装置１００は、温度制御部１０と、ヒータ部２０とを備える。

　温度制御部１０は、電源Ｖｃｃと、スイッチング素子Ｑ１と、抵抗素子Ｒ１～Ｒ５と、コンパレータＣＭＰ１とを含む。温度制御部１０において、抵抗素子Ｒ１～Ｒ４およびコンパレータＣＭＰ１により、制御部５０が形成される。

　ヒータ部２０は、発熱素子として機能する抵抗素子Ｒ９およびＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１と、温度センサとして機能するＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１とを含む。

　ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１は、素子温度が特定の温度以上になると、温度の増加に従って抵抗値が急激に増大する特性を有している。ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１は、素子温度が増加するに従って抵抗値が減少する特性を有している。

　抵抗素子Ｒ９およびＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１は直列接続されており、さらに温度制御部１０に含まれる電源Ｖｃｃにスイッチング素子Ｑ１を介して接続されている。より具体的には、抵抗素子Ｒ９の一方端がスイッチング素子Ｑ１に接続され、他方端がＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１の一方端に接続される。ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１の他方端は、接地電位に接続される。スイッチング素子Ｑ１が導通状態とされることによって、電源Ｖｃｃからの電圧が直列接続された抵抗素子Ｒ９およびＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１に印加されると、抵抗素子Ｒ９およびＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１が発熱する。

　ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１は、抵抗素子Ｒ５を介して電源Ｖｃｃに接続されている。ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１および抵抗素子Ｒ５によって分圧回路が形成される。ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１と抵抗素子Ｒ５との間の接続ノードＮ２には、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１の抵抗値と抵抗素子Ｒ５の抵抗値とによって分圧された電圧が発生する。

　ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１は、発熱素子である抵抗素子Ｒ９およびＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１の近傍に配置されており、抵抗素子Ｒ９およびＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１と熱的に結合している。発熱素子が発熱すると、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１の素子温度が増加する。上述のように、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１の抵抗値は、素子温度が増加するにつれて減少する。そのため、発熱素子の発熱によりＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１の温度が増加して、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１の抵抗値が低下すると、それに応じて接続ノードＮ２に発生する電圧が低下する。すなわち、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１は、発熱素子の温度検出器として機能する。

　制御部５０において、抵抗素子Ｒ１は、電源Ｖｃｃと、スイッチング素子Ｑ１の制御端子との間に接続される。抵抗素子Ｒ２は、スイッチング素子Ｑ１の制御端子と、コンパレータＣＭＰ１の出力端子との間に接続される。

　抵抗素子Ｒ３は、一方端が電源Ｖｃｃに接続され、他方端が抵抗素子Ｒ４の一方端に接続される。抵抗素子Ｒ４の他方端は接地電位に接続される。すなわち、抵抗素子Ｒ３および抵抗素子Ｒ４は分圧回路を形成し、抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４との間の接続ノードＮ１には、抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４とによって分圧された電圧が発生する。

　コンパレータＣＭＰ１の非反転入力には接続ノードＮ１が接続され、反転入力には接続ノードＮ２が接続される。コンパレータＣＭＰ１は、接続ノードＮ１の電圧ＶＮ１と接続ノードＮ２の電圧ＶＮ２とを比較し、電圧ＶＮ２が電圧ＶＮ１よりも低い場合（ＶＮ１＞ＶＮ２）にはスイッチング素子Ｑ１を非導通状態とする。一方、電圧ＶＮ２が電圧ＶＮ１より高い場合（ＶＮ１＜ＶＮ２）にはスイッチング素子Ｑ１を導通状態とする。

　すなわち、温度制御部１０は、抵抗素子Ｒ３，Ｒ４で定められた基準電圧（ＶＮ１）と、ヒータ部２０の温度によって変動する検出電圧（ＶＮ２）とを比較し、ヒータ部２０の温度が基準電圧に対応する設定温度よりも高くなると、ヒータ部２０への電力供給を停止し、ヒータ部２０の温度が設定温度よりも低くなると、ヒータ部２０へ電力を供給する。これにより、ヒータ部２０の温度が、抵抗素子Ｒ３，Ｒ４によって定められる設定温度の近傍の一定温度となるように、温度制御部１０によって制御される。

　たとえば、抵抗素子Ｒ３，Ｒ５を同じ抵抗値に設定した場合には、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１の抵抗値が抵抗素子Ｒ４の抵抗値と同じになる温度が設定温度となる。言い換えれば、抵抗素子Ｒ４の抵抗値を調整することによって設定温度を変更することができる。

　なお、抵抗素子Ｒ３，Ｒ５で形成される分圧回路、および、抵抗素子Ｒ５とＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１とで形成される分圧回路には、電源Ｖｃｃ以外の定電圧源（図示せず）から電源が供給されてもよい。

　図２は、温度制御部１０における上述の制御を説明するための図であり、発熱素子に印加される電圧（下段）およびヒータ部２０の温度変化（上段）の一例が示されている。

　図２を参照して、ヒータ部２０の温度が設定温度Ｔｓｅｔを下回ると、スイッチング素子Ｑ１が導通状態とされて発熱素子に電源電圧Ｖｃｃが印加される。そして、発熱素子の発熱によってヒータ部２０の温度が設定温度Ｔｓｅｔを上回ると、スイッチング素子Ｑ１が非導通とされて、発熱素子への電圧印加が停止される。これを繰り返すことにより、ヒータ部２０の温度は設定温度Ｔｓｅｔの近傍の所定の温度範囲に維持される。

　このような定温発熱装置におけるヒータ部の発熱素子として、特許文献１（特開２０１７－５９４５９号公報）のようにＰＴＣサーミスタ素子のみを使用することも可能である（すなわち、図１において抵抗素子Ｒ９を除いた構成）。このような構成においては、ＰＴＣサーミスタ素子が正常であれば、制御部あるいはスイッチング素子の異常により発熱素子に電力が供給され続けた場合でも、ＰＴＣサーミスタ素子の発熱により素子抵抗が増加することによって電流が絞られるため、装置の異常発熱等の発生を抑制することができる。しかしながら、ＰＴＣサーミスタ素子自体に短絡故障（低抵抗状態）が生じた場合には、ＰＴＣサーミスタ素子による保護機能が動作しないため、スイッチング素子Ｑ１に大電流が流れてしまい、定温発熱装置の異常発熱や破損につながるおそれがある。

　一方で、実施の形態１のように、発熱素子として抵抗素子Ｒ９とＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１とを直列接続した構成とすることによって、仮にＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１の短絡故障が発生した場合でも、抵抗素子Ｒ９によって電流が制限されるため、定温発熱装置の異常発熱等を抑制することができる。

　このとき、抵抗素子Ｒ９は、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１の２５℃における抵抗値（公称抵抗値）と同じ抵抗値とすることが好ましい。これは、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１の抵抗値変化に対するＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１の消費電力変化が最小となるためである。

　以上のように、実施の形態１に係る定温発熱装置１００においては、ヒータ部２０の発熱素子として、抵抗素子Ｒ９とＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１とが直列接続された構成を有している。これにより、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１の短絡故障が生じた場合でも、スイッチング素子Ｑ１を流れる電流を制限することができるので、定温発熱装置１００をより安全に保護することが可能となる。

　（実施の形態１の変形例）
　図１においては、温度制御部１０における制御部５０が、コンパレータＣＭＰ１を用いたアナログ回路で実現された構成について説明した。この制御部５０における制御については、必ずしも図１のようなアナログ回路で構成されるものに限られず、その一部をたとえばＣＰＵのような演算処理装置を用いたソフトウェアによる処理で行なうようにしてもよい。実施の形態１の変形例においては、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１の検出信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１を制御するための制御部の少なくとも一部をソフトウェアによる処理とする場合の例について説明する。

　図３は、実施の形態１の変形例に従う定温発熱装置１００Ａを示す図である。図３においては、図１における制御部５０が、制御部５０Ａに置き換わった構成となっている。図３において、図１と重複する要素の説明は繰り返さない。

　制御部５０Ａは、いずれも図示しないが、ＣＰＵとメモリなどの記憶装置とを含んで構成される。制御部５０Ａは、機能ブロックとして、駆動部５２と、比較部５４と、基準設定部５６とを含む。

　基準設定部５６は、予め定められた設定温度に対応する基準電圧Ｖｒｅｆを記憶しており、当該基準電圧Ｖｒｅｆを比較部５４に出力する。この基準電圧Ｖｒｅｆは、予め固定的に設定されたものであってもよいし、図示しないユーザインターフェースを用いてユーザにより可変に設定されるものであってもよい。基準設定部５６の機能は、図１における抵抗素子Ｒ３，Ｒ４からなる分圧回路に対応する。

　比較部５４は、基準設定部５６からの基準電圧Ｖｒｅｆと、抵抗素子Ｒ５およびＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１の接続ノードＮ２からの検出電圧ＶＮ２とを受ける。比較部５４は、基準電圧Ｖｒｅｆと検出電圧ＶＮ２とを比較して、ヒータ部２０の温度が設定温度よりも高いか否かを判定し、その判定結果を駆動部５２に出力する。

　駆動部５２は、比較部５４の判定結果により、ヒータ部２０の温度が設定温度よりも低い場合には、スイッチング素子Ｑ１を導通状態とする駆動信号をスイッチング素子Ｑ１へ出力する。一方、駆動部５２は、ヒータ部２０の温度が設定温度よりも高い場合には、スイッチング素子Ｑ１を非導通状態とする駆動信号をスイッチング素子Ｑ１へ出力する。これにより、ヒータ部２０の温度を設定温度近傍に維持する。比較部５４および駆動部５２に機能は、図１におけるコンパレータＣＭＰ１に対応する。

　なお、制御部の構成は、設定温度に対応する基準電圧の設定、基準電圧と検出電圧との比較、および当該比較結果に基づくスイッチング素子Ｑ１１の駆動の機能を有していれば、ソフトウェア／ハードウェア、アナログ回路／デジタル回路のどのような構成であっても構わない。

　実施の形態１の変形例においても、温度制御部１０Ａの構成は異なっているものの、ヒータ部２０の発熱素子として、抵抗素子Ｒ９とＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１とが直列接続された構成を有しているため、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１の短絡故障が生じた場合でも、スイッチング素子Ｑ１を流れる電流を制限することができるので、定温発熱装置１００Ａをより安全に保護することが可能となる。

　［実施の形態２］
　実施の形態１においては、定温発熱装置をヒータとして用いる場合について説明した。実施の形態２においては、定温発熱装置を風速測定装置として用いる場合について説明する。

　図４は、実施の形態２に従う、風速測定装置として機能する定温発熱装置２００の等価回路である。

　図４を参照して、定温発熱装置２００は、温度制御部１１０と、風速センサ部１２０と、風速測定部１４０とを備える。

　温度制御部１１０は、電源Ｖｃｃと、スイッチング素子Ｑ１１と、抵抗素子Ｒ１１～Ｒ１５，Ｒ１９と、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２と、コンパレータＣＭＰ１１と、電圧モニタ部１１５とを含む。温度制御部１１０において、抵抗素子Ｒ１１～Ｒ１４、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２、およびコンパレータＣＭＰ１１により、制御部１５０が形成される。

　風速センサ部１２０は、発熱素子として機能するＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１と、温度センサとして機能するＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１とを含む。

　定温発熱装置２００は、実施の形態１の定温発熱装置１００と基本的には同様の機能を有しており、温度制御部１１０によって、実施の形態１のヒータ部２０に対応する風速センサ部１２０の温度が所定の設定温度となるように、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１への電力の供給および停止が制御される。実施の形態２の定温発熱装置２００においては、風速を測定すべき箇所に風速センサ部１２０が配置され、風速によってＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度が変化するように構成される。そのため、定温発熱装置２００においては、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度の変化に応じて変化する、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１に供給される電力を検出することによって、風速を測定することができる。

　ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１は、温度制御部１１０の抵抗素子Ｒ１９に接続される。抵抗素子Ｒ１９は、スイッチング素子Ｑ１１を介して電源Ｖｃｃに接続される。すなわち、スイッチング素子Ｑ１１、抵抗素子Ｒ１９、およびＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１は、電源Ｖｃｃと接地電位との間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１１が導通状態とされることによって、電源Ｖｃｃからの電圧がＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１に印加される。これによりＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１が発熱する。

　ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１は、抵抗素子Ｒ１５を介して電源Ｖｃｃに接続されている。ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１および抵抗素子Ｒ１５によって分圧回路が形成される。ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１と抵抗素子Ｒ１５との間の接続ノードＮ１２には、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の抵抗値と抵抗素子Ｒ５の抵抗値とによって分圧された電圧が発生する。

　ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１は、発熱素子であるＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１の近傍に配置されており、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１と熱的に結合している。なお、実施の形態２においては、抵抗素子Ｒ１９の発熱によるＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１への影響をなくすために、抵抗素子Ｒ１９は温度制御部１１０に配置される。

　ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度が変化すると、その抵抗値も素子温度に応じて変化する。たとえば、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度が増加して、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の抵抗値が低下すると、それに応じて接続ノードＮ１２に発生する電圧が低下する。逆に、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度が低下して、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の抵抗値が増加すると、それに応じて接続ノードＮ１２に発生する電圧が増加する。

　制御部１５０において、抵抗素子Ｒ１１は、電源Ｖｃｃと、スイッチング素子Ｑ１１の制御端子との間に接続される。抵抗素子Ｒ１２は、スイッチング素子Ｑ１１の制御端子と、コンパレータＣＭＰ１１の出力端子との間に接続される。

　抵抗素子Ｒ１３は、一方端が電源Ｖｃｃに接続され、他方端が抵抗素子Ｒ１４の一方端に接続される。抵抗素子Ｒ１４の他方端はＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２の一方端に接続される。ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２の他方端は接地電位に接続される。すなわち、抵抗素子Ｒ１３，Ｒ１４およびＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２によって分圧回路が形成される。より具体的には、抵抗素子Ｒ１３と、直列接続された抵抗素子Ｒ１４およびＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２との分圧回路が形成され、抵抗素子Ｒ１３と抵抗素子Ｒ１４との間の接続ノードＮ１１に、抵抗素子Ｒ１３の抵抗値と、抵抗素子Ｒ１４およびＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２の合成抵抗値とによって分圧された電圧が発生する。

　コンパレータＣＭＰ１１の非反転入力には接続ノードＮ１１が接続され、反転入力には接続ノードＮ１２が接続される。コンパレータＣＭＰ１１は、接続ノードＮ１１の電圧ＶＮ１１と接続ノードＮ１２の電圧ＶＮ１２とを比較し、電圧ＶＮ１２が電圧ＶＮ１１よりも低い場合（ＶＮ１１＞ＶＮ１２）にはスイッチング素子Ｑ１１を非導通状態とする。一方、電圧ＶＮ１２が電圧ＶＮ１１より高い場合（ＶＮ１１＜ＶＮ１２）にはスイッチング素子Ｑ１１を導通状態とする。

　すなわち、温度制御部１０は、抵抗素子Ｒ１３，Ｒ１４およびＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２で定められた基準電圧（ＶＮ１１）と、風速センサ部１２０の温度によって変動する検出電圧（ＶＮ１２）とを比較し、風速センサ部１２０の温度が基準電圧に対応する設定温度よりも高くなると、風速センサ部１２０の発熱素子への電力供給を停止し、風速センサ部１２０の温度が設定温度よりも低くなると、風速センサ部１２０へ電力を供給する。これにより、風速センサ部１２０の温度が、設定温度の近傍の一定温度となるように、温度制御部１１０によって制御される。

　電圧モニタ部１１５は、スイッチング素子Ｑ１１と抵抗素子Ｒ１９とを結ぶ経路に印加される電圧を検出する。風速センサ部１２０に印加される電圧波形は、図２に示したようにパルス状の波形となる。風速測定部１４０は、電圧モニタ部１１５で検出された電圧から、パルス状の電圧波形のデューティ比および／またはパルス電圧の１回あたりのオン時間の長さを検出し、これらの情報から風速を検出する。なお、デューティ比とは、電圧パルスのオン時間（パルス幅）をパルスの周期で割った値である。

　一般的に、風速が大きいほど、風速センサ部１２０におけるＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度が低下する傾向となるため、風速センサ部１２０の温度を一定に維持するために、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１により多くの電力が供給される。すなわち、風速が大きいほど、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１に印加される電圧のデューティ比は大きくなり、パルス電圧の１回あたりのオン時間の長さは長くなる。したがって、印加電圧のデューティ比／パルス電圧長さと、風速との関係を予め実験等により定めておき、風速センサ部１２０に印加される電圧波形を観測することによって風速を測定することができる。

　ここで、基準電圧の生成についてより詳細に説明する。定温発熱装置を風速測定装置として用いる場合には、上述のように、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１に印加される電圧に基づいて風速を間接的に測定している。この印加電圧は、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１およびＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度特性に基づいているため、風速による温度変化だけでなく、周囲温度（すなわち、測定する風の温度）にも影響される。

　たとえば、同じ風速であっても、風の温度が高い場合には、風の温度が低い場合に比べてＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度低下量が小さくなり、それによってＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１に供給する電力が少なくなる（すなわち、電圧パルス幅が狭くなる）。そのため、風の温度が高い場合には、風の温度が低い場合に比べて、相対的に低い風速と判定されてしまうことになる。

　そのため、実施の形態２においては、基準電圧を生成するための分圧回路において、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２を用いており、これによって、周囲温度に応じて基準電圧を変化するようにしている。特に、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２と風速センサ部１２０のＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１とを同じ抵抗温度特性とし、抵抗素子Ｒ１３，Ｒ１５の抵抗値を適切に設定することによって、たとえば、設定温度（ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度）が、周囲温度（ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２の温度）に対して一定の温度差（たとえば１０℃）を維持したまま変化するように制御することができる。

　一方で、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１は、温度が上昇すると抵抗値が増大して発熱しにくくなるため、周囲温度（風の温度）が高くなるにつれて、同じ風速であってもパルス電圧のオン時間が長くなってしまうという問題が生じ得る。そこで、実施の形態２では、基準電圧の設定において、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２に直列接続した抵抗素子Ｒ１４を設けることによって、図５のように、接続ノードＮ１１の基準電圧と接続ノードＮ１２の検出電圧の温度特性を異ならせ、周囲温度（ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２の温度）が高くなるにつれて、設定温度（ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の温度）と周囲温度との温度差が小さくなるようにしている。

　より具体的には、図５においては、線Ｌ１は接続ノードＮ１１における電圧の温度特性を示しており、線Ｌ２は接続ノードＮ１２における電圧の温度特性を示している。抵抗素子Ｒ１３～Ｒ１５の抵抗値の設定により、双方のＮＴＣサーミスタ素子の温度がＴ０の時の電圧がそれぞれＶ０，Ｖ１であるとする。このとき、風速センサ部１２０のＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の設定温度は、ΔＴ１の温度差となるＴ１となる。

　周囲温度が上昇すると、ＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２の抵抗値が低下することに伴って、接続ノードＮ１１の電圧が線Ｌ１に沿って低下する。これに応じてＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の設定温度も上昇するが、その温度差は徐々に小さくなる（ΔＴ１＞ΔＴ２＞ΔＴ３）。

　このように、周囲温度の上昇に伴って設定温度と周囲温度との温度差を小さく設定することで、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１の温度特性に起因する風速の誤差を補償することができる。

　上記のように、定温発熱装置２００を風速測定装置として使用した場合においても、発熱素子のＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１に固定の抵抗素子Ｒ１９が直列接続されているため、実施の形態１と同様に、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１が短絡故障となった場合においても装置の異常発熱等を抑制することが可能となる。

　さらに、一般的にＰＴＣサーミスタ素子の抵抗値は、公称値に対して最大で約２０％程度の誤差が発生し得ることが知られている。本実施の形態２ではＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１に抵抗素子Ｒ１９を直列接続することによって、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１に印加される電圧の大きさを抵抗値に応じて変化させることができる。これにより、ＰＴＣサーミスタ素子の抵抗値に誤差があった場合でも、それに応じて印加される電圧も低下するため、ＰＴＣサーミスタ素子で消費される電力、言い換えればＰＴＣサーミスタ素子に供給する電力の誤差を低減することができる。その結果、印加される電圧パルス幅の誤差も低減できるため、ＰＴＣサーミスタ素子の抵抗値の誤差に起因する風速の測定誤差を低減することが可能となる。

　たとえば、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１の２５℃における抵抗値（公称抵抗値）と同じ値の抵抗素子Ｒ１９を直列接続することにより、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１の抵抗値に２０％の誤差が生じた場合でも、供給電力の誤差（すなわち、風速の測定誤差）を約１％程度に抑制することができる。

　（実施の形態２の変形例１）
　図４に記載した風速測定装置においては、温度制御部１１０における制御部１５０が、コンパレータＣＭＰ１１を用いたアナログ回路で実現された構成の場合について説明した。実施の形態２においても、実施の形態１の変形例で説明したように、制御部１５０をアナログ回路とは異なる構成とすることが可能である。

　図６は、実施の形態２の変形例１に従う定温発熱装置２００Ａを示す図である。図６においては、図４の制御部１５０が、制御部１５０Ａに置き換わった構成となっている。図６において、図４と重複する要素の説明は繰り返さない。

　図６を参照して、制御部１５０Ａは、駆動部１５２と、比較部１５４と、基準設定部１５６と、温度検出部１５８とを含む。

　温度検出部１５８は、周囲温度を検出する。温度検出部１５８としては、任意のタイプの温度センサを用いることができる。基準設定部１５６は、温度検出部１５８で検出された周囲温度を考慮して、風速センサ部１２０のＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の設定温度に対応した基準電圧Ｖｒｅｆを設定する。温度検出部１５８と基準設定部１５６の機能は、図４における抵抗素子Ｒ１３，Ｒ１４およびＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１２で形成される分圧回路に対応する。

　比較部１５４は、基準設定部１５６からの基準電圧Ｖｒｅｆと、抵抗素子Ｒ１５およびＮＴＣサーミスタ素子ＮＴＣ１１の接続ノードＮ１２からの検出電圧ＶＮ１２とを受ける。比較部１５４は、基準電圧Ｖｒｅｆと検出電圧ＶＮ１２とを比較して、風速センサ部１２０の温度が設定温度よりも高いか否かを判定し、その判定結果を駆動部１５２に出力する。

　駆動部１５２は、比較部１５４の判定結果により、風速センサ部１２０の温度が設定温度よりも低い場合には、スイッチング素子Ｑ１１を導通状態とする駆動信号をスイッチング素子Ｑ１へ出力する。一方、駆動部１５２は、風速センサ部１２０の温度が設定温度よりも高い場合には、スイッチング素子Ｑ１１を非導通状態とする駆動信号をスイッチング素子Ｑ１１へ出力する。比較部１５４および駆動部１５２に機能は、図４におけるコンパレータＣＭＰ１１に対応する。

　実施の形態２の変形例１においても、温度制御部１１０Ａの構成は異なっているものの、発熱素子であるＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１と、抵抗素子Ｒ１９とが直列接続された構成を有しているため、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１の短絡故障が生じた場合でも、スイッチング素子Ｑ１１を流れる電流を制限することができるので、定温発熱装置２００Ａをより安全に保護することが可能となる。さらに、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１の抵抗値の誤差の影響についても低減することができる。

　（実施の形態２の変形例２）
　図４に記載した風速測定装置においては、ＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１に直列接続される抵抗素子Ｒ１９が、スイッチング素子Ｑ１１とＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１との間に接続される構成について説明したが、この抵抗素子Ｒ１９の接続位置は、電源ＶｃｃとＰＴＣサーミスタ素子ＰＴＣ１１とを結ぶ経路であれば、どこに設けられてもよい。たとえば、図７に示すように、電源Ｖｃｃとスイッチング素子Ｑ１１との間に抵抗素子Ｒ１９Ａを設ける構成であってもよい。

　また、実施の形態２の変形例１においても、同様に抵抗素子Ｒ１９の配置を変更してもよい。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１０，１０Ａ，１１０，１１０Ａ　温度制御部、２０　ヒータ部、５０，５０Ａ，１５０，１５０Ａ　制御部、５２，１５２　駆動部、５４，１５４　比較部、５６，１５６　基準設定部、１００，１００Ａ，２００，２００Ａ　定温発熱装置、１１５　電圧モニタ部、１２０　風速センサ部、１４０　風速測定部、１５８　温度検出部、ＣＭＰ１，ＣＭＰ１１　コンパレータ、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ１１，Ｎ１２　接続ノード、ＮＴＣ１，ＮＴＣ１１，ＮＴＣ１２，ＰＴＣ１，ＰＴＣ１１　サーミスタ素子、Ｑ１，Ｑ１１　スイッチング素子、Ｒ１～Ｒ５，Ｒ９，Ｒ１１～Ｒ１９，Ｒ１９Ａ　抵抗素子。

Claims

　電源からの電力を用いて、設定温度または前記設定温度近傍の温度で発熱する定温発熱装置であって、
　前記電源からの電力によって発熱するＰＴＣサーミスタ素子と、
　前記電源と前記ＰＴＣサーミスタ素子との間に電気的に接続され、前記電源から前記ＰＴＣサーミスタ素子への電力の供給と遮断とを切換えるように構成されたスイッチング素子と、
　前記ＰＴＣサーミスタ素子の近傍に配置され、前記ＰＴＣサーミスタ素子と熱的に結合される第１のＮＴＣサーミスタ素子と、
　定電圧源と前記第１のＮＴＣサーミスタ素子との間に接続された第１抵抗素子と、
　前記電源と前記ＰＴＣサーミスタ素子とを結ぶ経路に配置された第２抵抗素子と、
　前記設定温度に対応する基準電圧と、前記第１抵抗素子と前記第１のＮＴＣサーミスタ素子との間の接続ノードの電圧である検出電圧とに基づいて、前記スイッチング素子を制御するように構成された制御部とを備える、定温発熱装置。
　前記定温発熱装置は、前記ＰＴＣサーミスタ素子で生成される熱を熱源として対象物を加熱するヒータとして用いられ、
　前記第２抵抗素子は、前記スイッチング素子と前記ＰＴＣサーミスタ素子との間に接続されるとともに、前記第１のＮＴＣサーミスタ素子の近傍に配置されて、前記第１のＮＴＣサーミスタ素子と熱的に結合される、請求項１に記載の定温発熱装置。
　前記制御部は、
　直列接続された少なくとも２つの抵抗値を含み、前記定電圧源からの電圧を分圧することによって前記基準電圧を生成するように構成された分圧回路と、
　非反転入力端子、反転入力端子および出力端子を有し、前記非反転入力端子に前記基準電圧が入力され、前記反転入力端子に前記検出電圧が入力され、前記出力端子が前記スイッチング素子の制御端子に接続されたコンパレータ素子とを含む、請求項２に記載の定温発熱装置。
　前記制御部は、
　前記設定温度に対応する前記基準電圧を設定する基準設定部と、
　前記基準電圧と前記検出電圧とを比較する比較部と、
　前記比較部における比較結果に基づいて、前記スイッチング素子を駆動する駆動部とを含む、請求項２に記載の定温発熱装置。
　前記第２抵抗素子は、２５℃における前記ＰＴＣサーミスタ素子の抵抗値と同じ抵抗値を有する、請求項２～４のいずれか１項に記載の定温発熱装置。
　前記定温発熱装置は、風速測定装置として用いられ、
　前記ＰＴＣサーミスタ素子および前記第１のＮＴＣサーミスタ素子は、風速測定点に配置され、
　前記第２抵抗素子は、前記第１のＮＴＣサーミスタ素子と熱的に結合しない位置に配置され、
　前記定温発熱装置は、
　前記ＰＴＣサーミスタ素子に印加される電圧の波形に基づいて、前記風速測定点における風速を算出するように構成された風速測定部をさらに備える、請求項１に記載の定温発熱装置。
　前記制御部は、
　第３抵抗素子、第４抵抗素子、および第２のＮＴＣサーミスタ素子が直列に接続され、前記定電圧源からの電圧を分圧することによって前記基準電圧を生成するように構成された分圧回路と、
　非反転入力端子、反転入力端子および出力端子を有し、前記非反転入力端子に前記基準電圧が入力され、前記反転入力端子に前記検出電圧が入力され、前記出力端子が前記スイッチング素子の制御端子に接続されたコンパレータ素子とを含む、請求項６に記載の定温発熱装置。
　前記第１のＮＴＣサーミスタ素子および前記第２のＮＴＣサーミスタ素子は、同じ抵抗温度特性を有する、請求項７に記載の定温発熱装置。
　前記制御部は、
　前記風速測定点の周囲温度を検出するように構成された温度検出部と、
　前記温度検出部で検出された周囲温度に基づいて、前記設定温度に対応する前記基準電圧を設定する基準設定部と、
　前記基準電圧と前記検出電圧とを比較する比較部と、
　前記比較部における比較結果に基づいて、前記スイッチング素子を駆動する駆動部とを含む、請求項６に記載の定温発熱装置。
　前記風速測定部は、前記ＰＴＣサーミスタ素子に印加されるパルス電圧のデューティ比、または、前記パルス電圧の１回あたりのオン時間の長さに基づいて風速を算出する、請求項６～９のいずれか１項に記載の定温発熱装置。