(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源の通電に伴って発熱する線路よりなる発熱線と、導体線路よりなる検知線とを、温度に応じてインピーダンスが変化する感熱材料を介して対向させて形成したワイヤー状感熱発熱線をジグザグ状に配設してなる面状感熱発熱体と、前記ワイヤー状感熱発熱線の発熱線より感熱材料を介して検知線に流れ込む交流電流を電圧に変換した温度・交流電圧特性電圧を直流電圧に変換する変換回路とを有し、この変換回路で変換されて得られた直流電圧を用いて温度制御を行なう面状採暖具の温度制御装置において、前記温度・交流電圧特性電圧を非反転入力端子に入力し、出力端子にダイオード、第１の抵抗の直列回路を接続し、前記ダイオードと前記第１の抵抗の一端との接続点と反転入力端子との間に帰還抵抗を接続したオペアンプと、コンデンサ、第２の抵抗の並列回路からなりこの並列回路に前記第１の抵抗の他端を接続した平滑回路とで前記変換回路を構成して成ることを特徴とする面状採暖具の温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、主として電気カーペットや電気フロアヒータ等の床暖房装置に用いられる面状採暖具の温度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気カーペット等の面状採暖具は、消費電力が比較的大きいので、温度制御は、従来、特開昭６２−１９９１７号公報等に示されているように、リレーを使用したオンオフ制御が一般的に用いられている。このオンオフ制御には種々の方式があるが、原理は以下のようになっている。
【０００３】
即ち、面状感熱発熱体と共に配設した面状の図４に示すような負特性を持つサーミスタからなる温度センサによって、発熱体の温度上昇を検知し、温度調節温度まで温度上昇があれば、リレーをオフして発熱を停止し、発熱体の温度が低下すれば、再びリレーをオンして発熱させることによって温度を一定に制御するものである。また、好みの温度を得るためには、温度調節温度を可変にできるようにしていた。
【０００４】
図５は上述の如きオンオフ制御をしている従来の温度制御装置の構成を示し、図５において、面状感熱発熱体２の発熱線２ａの両端にはリレー接点Ｓ１及び電源スイッチＳＷを介して商用交流電源１（ＡＣ１００Ｖ）が接続されており、センサー電極２ｂの一端は発熱線２ａの一端（制御回路のアース側）に接続されている。ここで使用される面状感熱発熱体２は、商用交流電源１の通電に伴って発熱する線路よりなる発熱線２ａと、導体線路よりなる検知線２ｂとを、温度に応じてインピーダンスが変化する感熱材料２ｃを介して対向させて形成した外観がワイヤー状の感熱発熱線をジグザグ状、つまり蛇行配線してなる。
【０００５】
さて検知線２ｂの他端はバイアス回路７を介して商用交流電源ラインに接続されると共に、増幅回路１０に接続され、増幅回路１０の出力は平滑回路３に入力されている。ここで、平滑回路３は入力された信号を整流・平滑して直流化を行うものであり、その出力はスイッチング回路４に接続され、スイッチング回路４の出力により、リレー駆動回路８が動作するようになっている。
【０００６】
また、オフ時間タイマー６はスイッチング回路４の出力信号がＬレベル（リレーのオフ信号）になってから、所定の時間が経過するまでスイッチング回路４の出力をＬレベルに保持（リレーオフロック）するためのものであり、リセット入力端子Ｒがスイッチング回路４の出力端子に接続され、出力端子はスイッチング回路４の入力側に接続されている。
【０００７】
すなわち、スイッチング回路４の出力がＬレベルになると、リレー接点Ｓ１がオフとなるため、発熱線２ａには商用交流電圧が印加されなくなり、検知線２ｂに電流が流れなくなるので、この際にスイッチング回路４が再び反転してしまわないようにするためのものである。また、電源回路９により、各回路部に直流電源を供給している。
【０００８】
次に、動作を説明する。面状感熱発熱体２の温度が低い場合は感熱材２ｃのインピーダンスが高く、発熱線２ａから感熱材２ｃを介して検知線２ｂに流れる電流は小さく、その電流によって生ずる検知線２ｂ間の温度・電圧特性電圧Ｖａは小さな値となる。
【０００９】
従って、増幅回路１０の増幅出力電圧も小さく、平滑回路３によって直流化された信号は、スイッチング回路４の比較レベルに達しないため、リレー駆動回路８はリレー接点Ｓ１をオン状態に保ち、発熱線２ａに商用交流電源１からの通電を続けて加熱を行う。
【００１０】
面状感熱発熱体２の温度が上昇すると、検知線２ｂ間の温度・電圧特性電圧Ｖａも大きくなる。温度が設定値に達すると、スイッチング回路４が反転動作してリレー駆動回路８に信号を送出し、リレー接点Ｓ１をオフさせ、発熱線２ａへの通電を停止する。
【００１１】
而して、発熱線２ａが商用交流電源１と切り離されることにより、検知線２ｂに生じていた信号電圧は消失してスイッチング回路４は再び反転動作を行おうとするが、直前のオフ動作時にオフ時間タイマー６が動作を開始して、一定時間、リレー駆動回路８のオフ動作を保持しているので、リレー接点Ｓ１は即座にオンとならず、オフ時間タイマー６で設定される一定の冷却時間をおいて再びオンに復帰する。その後も前記の動作を繰り返し、よって面状感熱発熱体２は一定温度に保たれることになる。
【００１２】
ここで、好みの温度で制御するために、スイッチング回路４のスイッチングレベルを可変抵抗器等で選択できるようにしていた。
【００１３】
図６は図５に示したスイッチング回路４とオフ時間タイマー６をＡ／Ｄ変換回路１１とマイクロコンピュータ（以下マイコンと略す）１２に置き換えた従来の温度制御装置の構成を示す。
【００１４】
検知線２ｂ間の温度・電圧特性電圧Ｖａは増幅回路１０で増幅された後、平滑回路３で平滑され、直流電圧ＶＤＣに変換される。変換された直流電圧ＶＤＣはＡ／Ｄ変換回路１１でデジタル信号化され、マイコン１２に入力される。マイコン１２は検知線２ｂ間の温度・電圧特性電圧Ｖａが任意に設定した上限値に到達した場合、或る一定時間リレー接点Ｓ１をオフ状態に保ち、一定の冷却時間を於いて再びオンに復帰させるようにプログラムされている。
【００１５】
図７は図５及び図６に示した従来の温度制御装置の構成要素である増幅回路１０と平滑回路３の具体的構成例を示す。この図示例では検知線２ｂ間の温度・電圧特性電圧Ｖａは増幅回路１０のオペアンプＯＰの非反転入力端子に入力される。オペアンプＯＰの出力端子はダイオードＤ、抵抗Ｒ１の直列回路を介して、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ２の並列回路からなる平滑回路３に接続される。更にオペアンプＯＰの出力端子と反転入力端子との間に帰還抵抗Ｒｆを接続し、帰還抵抗Ｒｆと共にオペアンプＯＰの増幅率を決定する抵抗Ｒ３がオペアンプＯＰの反転入力端子と回路グランドとの間に接続されている。このようにして増幅回路１０に温度・電圧特性電圧Ｖａが入力された場合、平滑回路３から温度・電圧特性電圧Ｖａに応じた直流電圧ＶＤＣが得られるようにしている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような増幅回路１０と平滑回路３とからなる温度・電圧特性電圧Ｖａ−直流電圧ＶＤＣの変換回路の構成では、温度・電圧特性電圧Ｖａが小さく、オペアンプＯＰの出力電圧がダイオードＤのオン電圧より小さい場合、ダイオードＤが導通しないため、直流電圧ＶＤＣは０となるので、温度・電圧特性電圧Ｖａを常に一定の比率で直流電圧ＶＤＣに変換することができない。
【００１７】
またダイオードＤのオン電圧が個々の部品の特性ばらつきや温度特性のばらつきを持った場合にも、温度・電圧特性電圧Ｖａを常に一定の比率で直流電圧ＶＤＣに変換できなくなるという問題があった。
【００１８】
このような問題を解消するための回路としては、図８に示した増幅回路１０のようにオペアンプＯＰ、ダイオードＤからなる交流半波の負帰還増幅回路が一般に知られている。この図８に示す増幅回路１０では温度・電圧特性電圧Ｖａ−直流電圧ＶＤＣ変換特性にダイオードＤのオン電圧が影響を及ぼさないため温度・電圧特性電圧Ｖａを常に一定の比率で直流電圧ＶＤＣ変換することができる。
【００１９】
つまり、図８の回路でのダイオードＤのカソード端子電圧は、
カソード端子電圧＝［（Ｒｆ＋Ｒ３）／Ｒ３］×Ｖａ
と表すことができ、そのため、ダイオードＤのオン電圧には影響されない。そしてダイオードＤのカソード端子電圧が帰還されるため、温度・電圧特性電圧Ｖａを常に一定の比率で直流電圧ＶＤＣに変換できるのである。
【００２０】
尚図７の回路の場合には、ダイオードＤのオン電圧をＶＤとすると、ダイオードＤのカソード端子電圧は、
カソード端子電圧＝［（Ｒｆ＋Ｒ３）／Ｒ３］×Ｖａ−ＶＤ
と表せる。
【００２１】
しかし、図８の回路では、増幅回路１０を平滑回路３と組み合わせた場合、オペアンプＯＰが増幅動作をするのは、交流半波のピーク付近の極短い時間に限られる。
【００２２】
つまり、ダイオードＤのカソード端子にコンデンサＣ１ 、抵抗Ｒ２が接続されているため、ダイオードＤのカソード端子電圧は、コンデンサＣ１の働きで、交流半波のピーク付近の電圧に保たれることになる。一方オペアンプＯＰが増幅動作（出力）するのは、
Ｖａ＞ダイオードＤのカソード端子電圧×Ｒ３／（Ｒｆ＋Ｒ３）
の条件、つまりＶａ＞オペアンプＯＰの反転入力端子の電圧Ｖ−が成立する期間に限られ、そのため交流半波のピーク付近の極短い時間に限られることになるのである。
【００２３】
即ち平滑回路３のコンデンサＣ１の容量と、抵抗Ｒ２の抵抗値を調整して時定数を大きくすると、直流電圧ＶＤＣの低下は小さくなるものの、オペアンプＯＰの反転入力端子の電圧Ｖ−＜温度・電圧特性電圧Ｖａの条件が成立している期間が短くなり、図９に示すように温度・電圧特性電圧Ｖａの１サイクル飛びに短い増幅期間が生じる。そしてこの短い増幅期間でのオペアンプＯＰの出力電圧ＶＯＰによってコンデンサＣ１は充電されず、そのため温度・電圧特性電圧Ｖａの２サイクルに亘るコンデンサＣ１の放電によって直流電圧ＶＤＣの最大値と最小値の間の幅は、つまりリップル幅が大きくなる。
【００２４】
一方平滑回路３のコンデンサＣ１の容量と、抵抗Ｒ２の抵抗値を調整して時定数を小さくすると、オペアンプＯＰの反転入力端子の電圧Ｖ−＜温度・電圧特性電圧Ｖａの条件が成立している期間が長くなる。その結果温度・電圧特性電圧Ｖａの各サイクル毎の増幅期間を長くすることができ、そのためオペアンプＯＰの出力電圧ＶＯＰを図１０に示すように各サイクル毎で大きくとれ、その都度コンデンサＣ１を充電することができることになる。しかし、平滑回路３の時定数が小さいため、直流電圧ＶＤＣの低下が大きくなって、直流電圧ＶＤＣのリップル幅が更に大きくなるという問題がある。尚図９，図１０の縦軸は電圧を、横軸は時間を示す。
【００２５】
本発明は上述の問題点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは温度・電圧特性電圧を常に一定の比率で直流電圧に変換でき、しかも直流電圧のリップル幅を小さくすることができ、面状感熱発熱体の制御温度ばらつきを小さくすることが可能な面状採暖具の温度制御装置を提供するにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の目的を達成するために、商用交流電源の通電に伴って発熱する線路よりなる発熱線と、導体線路よりなる検知線とを、温度に応じてインピーダンスが変化する感熱材料を介して対向させて形成したワイヤー状感熱発熱線をジグザグ状に配設してなる面状感熱発熱体と、前記ワイヤー状感熱発熱線の発熱線より感熱材料を介して検知線に流れ込む交流電流を電圧に変換した温度・交流電圧特性電圧を直流電圧に変換する変換回路とを有し、この変換回路で変換されて得られた直流電圧を用いて温度制御を行なう面状採暖具の温度制御装置において、前記温度・交流電圧特性電圧を非反転入力端子に入力し、出力端子にダイオード、第１の抵抗の直列回路を接続し、前記ダイオードと前記第１の抵抗の一端との接続点と反転入力端子との間に帰還抵抗を接続したオペアンプと、コンデンサ、第２の抵抗の並列回路からなりこの並列回路に前記第１の抵抗の他端を接続した平滑回路とで前記変換回路を構成したものである。
【００２７】
【作用】
本発明の構成によれば、温度・電圧特性電圧が小さい場合でも常に一定の比率で直流電圧に精度良く変換することができ、しかもダイオードのオン電圧の影響を受けないため、ダイオードの部品ばらつきによってダイオードのオン電圧がばらついた場合でも温度電圧特性電圧ー直流電圧の変換特性には影響がなく、そのため面状感熱発熱体の制御温度のばらつきが小さくなる。
【００２８】
また第１の抵抗により平滑回路から出力される直流電圧のリップル幅を小さくすることができる。
【００２９】
更にオペアンプの入力インピーダンスが十分に大きいため、感熱発熱線の発熱線と検知線との間の感熱材料には直流成分が生じないので、イオン伝導性の高感度のサーミスタ材料の使用も可能となる。
【００３０】
【実施例】
本発明の面状採暖具の温度制御装置の回路構成は本発明の主要な構成である温度・電圧特性電圧Ｖａ−直流電圧ＶＤＣの変換回路以外は従来例と基本的に同様な構成を為すものであるから、温度・電圧特性電圧Ｖａ−直流電圧ＶＤＣの変換回路を実施例により説明する。
【００３１】
図１は一実施例の温度・電圧特性電圧Ｖａ−直流電圧ＶＤＣの変換回路を示しており、この変換回路の増幅回路１０は、非反転入力端子に温度・電圧特性電圧Ｖａが入力されるオペアンプＯＰの出力端子をダイオードＤと第１の抵抗Ｒ１との直列回路を介して平滑回路３のコンデンサＣ１と第２の抵抗Ｒ２との並列回路に接続している点では図７の従来例と同様であるが、オペアンプＯＰの反転入力端子を帰還抵抗Ｒｆを介してダイオードＤと抵抗Ｒ１との接続点に接続している点で相違している。
【００３２】
ここで図１のオペアンプＯＰの非反転入力端子の電圧Ｖ＋、反転入力端子の電圧Ｖ−は次のようになる。
【００３３】
Ｖ＋＝Ｖａ
Ｖ−＝［Ｒ３／（Ｒｆ＋Ｒ３）］×Ｖ１  …（１）
また、ダイオードDのオン電圧をＶＤ、オペアンプＯＰの出力電圧をＶｏｐとすると、
Ｖ１＝Ｖｏｐ−ＶＤ
となる。但しＶ１はダイオードＤと抵抗Ｒ１の接続点の電圧を示す。
【００３４】
また電圧Ｖ＋、Ｖ−の関係がＶ＋＞Ｖ−の場合にはオペアンプＯＰの出力電圧は、Ｖｏｐ＝Ｈi（オペアンプＯＰの電源電圧）となり、またＶ＋＜Ｖ−の場合には、Ｖｏｐ＝Lｏ（０Ｖ）となる。
【００３５】
而して温度・電圧特性電圧Ｖａが上昇してピーク付近でオペアンプＯＰの反転入力端子の電圧Ｖ−を越えると、オペアンプＯＰを用いた負帰還増幅回路はイマジナルショートの原則に従い、Ｖａ＝Ｖ−となるように出力電圧Ｖｏｐ出力を変化させる増幅動作を行う。
【００３６】
そしてＶ＋＝Ｖ−として上記の式（１）を整理すると、
Ｖ１＝［（Ｒｆ＋Ｒ３）／Ｒ３］×Ｖａ
（Ｖｏｐ−ＶＤ）＝［（Ｒｆ＋Ｒ３）／Ｒ３］×Ｖａ
となる。
【００３７】
この式は、電圧ＶＤがいかなる値であろうともＶ１（＝Ｖｏｐ−ＶＤ）が一義的に決まることを示す。
【００３８】
そして増幅期間のオペアンプＯＰの出力端子には図２に示すように出力電圧ＶＯＰ が出力される。この出力電圧Ｖｏｐにより電圧Ｖ１が平滑回路３の直流電圧ＶＤＣより高くなるまでは、平滑回路３のコンデンサＣ１からの放電電流によって抵抗Ｒ３ に電圧Ｖ−を発生させる。
【００３９】
そして電圧Ｖ１が直流電圧ＶＤＣ以上となると抵抗Ｒ１を介して平滑回路３側へ電流が流れてコンデンサＣ１を充電し、直流電圧ＶＤＣを上昇させることになる。同時にオペアンプＯＰの出力による電流で抵抗Ｒ３に電圧Ｖ−が発生することになり、この際、オペアンプＯＰの増幅作用により電圧Ｖ−が温度・電圧特性電圧Ｖａに等しくなるように出力電圧Ｖｏｐが上昇する。
【００４０】
やがて温度・電圧特性電圧Ｖａがピークを越えて下降し始めると、出力電圧Ｖｏｐも下降し、これに伴い電圧Ｖ１も直流電圧ＶＤＣと等しくなるまで下降することになる。
【００４１】
そして交流半波のピークから少し時間が経過して、Ｖａ＜Ｖ−となると、Ｖｏｐ＝Ｌｏ（０Ｖ）となりオペアンプＯＰは、増幅動作（出力）を停止するため、コンデンサＣ１に充電されている電荷が抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ１、Ｒｆ、Ｒ３の経路で放電され、電圧Ｖ−は低下する。そしてこのときの電圧Ｖ１は、次の式（２）で表され、交流半波のピーク値のＶ１より少し低いほぼ一定の値を保つことになる。
【００４２】
Ｖ１＝［（Ｒｆ＋Ｒ３）／（Ｒｆ＋Ｒ３＋Ｒ１）］×ＶＤＣ  …（２）
従って抵抗Ｒ１の働きにより、交流半波のピーク値のＶ１より少し低いほぼ一定の値を保つことにより、次の交流半波のピーク値付近でオペアンプＯＰは、確実に増幅動作（出力）が行えるため、直流電圧ＶＤＣのリップル幅を小さくできるのである。
【００４３】
尚オペアンプＯＰの入力端子の入力インピーダンスが一般的に数ＭΩであり、オペアンプＯＰの入力端子に流れ込む電流が十分小さく無視できるため直流成分は生じない。
【００４４】
以上のような動作の結果、本実施形態では、、オペアンプＯＰの増幅動作時間を長くすることができるため、交流半波のピーク毎にオペアンプＯＰが増幅動作することが可能となり、図２に示すようにリップル幅の小さい直流電圧ＶＤＣを得ることができる。
【００４５】
尚図中縦軸は電圧、横軸は時間を示す。また図３は抵抗Ｒ１の両端電圧Ｖ２を示しており、図示するようにオペアンプＯＰが増幅動作中はダイオードＤが導通し、抵抗Ｒ１を介して平滑回路３に電流が流れている間は、電圧Ｖ２は正となるが、オペアンプＯＰが増幅動作を停止した瞬間、平滑回路３のコンデンサＣ１に充電されている電荷が抵抗Ｒ１を介して、放電されるためオペアンプＯＰの増幅動作中とは逆方向に電流が流れることになり、電圧Ｖ２は極性が入れ換わり負となる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、上述のように温度・交流電圧特性電圧を非反転入力端子に入力し、出力端子にダイオード、第１の抵抗の直列回路を接続し、前記ダイオードと前記第１の抵抗の一端との接続点と反転入力端子との間に帰還抵抗を接続したオペアンプと、コンデンサ、第２の抵抗の並列回路からなりこの並列回路に前記第１の抵抗の他端を接続した平滑回路とで、温度・電圧特性電圧−直流電圧の変換回路を構成しているので、温度・電圧特性電圧が小さい場合でも常に一定の比率で直流電圧に精度良く変換することができ、しかもダイオードのオン電圧に影響を受けないため、ダイオードの部品ばらつきによってダイオードのオン電圧がばらついた場合でも温度電圧特性電圧ー直流電圧の変換特性には影響がなく、そのため面状感熱発熱体の制御温度のばらつきが小さくなるという効果があり、また第１の抵抗により平滑回路から出力される直流電圧のリップル幅を小さくすることができ、更にオペアンプの入力インピーダンスが十分に大きいため、感熱発熱線の発熱線と検知線との間の感熱材料には直流成分が生じず、そのためイオン伝導性の高感度のサーミスタ材料の使用も可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の要部の回路図である。
【図２】同上の各部の電圧関係を示す波形図である。
【図３】同上の増幅回路の抵抗Ｒ１の両端電圧の波形図である。
【図４】従来使用の温度センサの温度特性図である。
【図５】従来例の温度制御装置の回路構成図である。
【図６】別の従来例の回路構成図である。
【図７】各従来例に用いられる増幅回路及び平滑回路の一例の回路図である。
【図８】各従来例に用いられる増幅回路及び平滑回路の他の例の回路図である。
【図９】図８の回路における平滑回路の時定数を大きくした場合の各部の電圧関係を示す波形図である。
【図１０】図８の回路における平滑回路の時定数を小さくした場合の各部の電圧関係を示す波形図である。
【符号の説明】
３  平滑回路
１０  増幅回路
Ｒ１  第１の抵抗
Ｒ２  第２の抵抗
Ｒｆ  帰還抵抗
Ｃ１  コンデンサ
Ｖａ  温度・電圧特性電圧
ＶＤＣ  直流電圧
ＯＰ  オペアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003548185.tif 000010
【図１０】
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