(57)【要約】【課題】温度によって、その特性が変化する電子（電気）素子の特性を別途センサを用いることなく、その素子の電気的特性の変化を測定することによって検知し、その素子を制御することによって、温度を制御する方法を提供する。【解決手段】本発明によれば、温度によって特性が変化し、通電により機能する電子素子の温度−電気特性を温度検出信号としてとらえ、これらの素子に通電する電流・電圧量をコントロールすることを特徴とする素子の温度制御方法が提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度によって特性が変化し、通電により機能する電子素子の温度−電気特性を温度検出信号としてとらえ、これらの素子に通電する電流・電圧量をコントロールすることを特徴とする素子の温度制御方法。
【請求項２】
温度によって特性が変化する素子が発光素子、発熱素子又は冷却素子である請求項１記載の温度制御方法。
【請求項３】
発光素子がＬＥＤ、電子励起、光励起又は化学励起によって蛍光乃至燐光を発する素子、白熱電球、ハロゲンランプであり、発熱素子がヒータ又はペルチェ素子であり、冷却素子がペルチェ素子である請求項２記載の温度制御方法。
【請求項４】
温度−電気特性が正又は負の温度係数を有するものである請求項１記載の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー効率の高い省エネルギー回路型の温度・輝度調節方法を実現するための温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、バッテリ駆動による温度制御装置（例えば、半田こてや吸脱着反応を利用した消臭器や捕集器）において、２００℃以上の高い昇温温度が設定できるような装置はなく、また、発光素子の温度調節は、素子近傍に温度センサを備えて、温度コントロールをするか、パルス駆動をさせて平衡に保つ等の工夫をする以外に方法はなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
温度によってその特性が変化する電子（電気）素子の電気特性の変化を検知して制御する方法では、別途センサを用いて、そのセンサ信号の抵抗変化、輝度変化により素子を制御していたので、素子と別途センサとの間に時間的遅れやズレ等が発生して、制御の精度に限界があったり、また、エネルギーロスが生じたりしていた。また、何らかの方法によって素子と別途センサを熱結合させ、又は光結合させる必要があったので、用いる装置の構造が複雑にならざるを得なかった。
【０００４】
本発明は、温度調節を省エネルギー且つ低コストで実現すると共に、発光の輝度や照度を安定化させた温度制御方法を提供することを目的とする。本発明において、発光の輝度や照度を安定化させるということは、発光素子は、その内部で温度の変動が起こると、輝度や照度が変化するので、素子内部の温度を安定化させることによって、輝度や照度を安定化させると共に、環境温度の変化に対しても安定化することを意味する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、温度によって特性が変化し、通電により機能する電子素子の温度−電気特性を温度検出信号としてとらえ、これらの素子に通電する電流・電圧量をコントロールすることを特徴とする素子の温度制御方法が提供される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の方法においては、温度によってその特性が変化する電子（電気）素子の特性変化を素子の抵抗変化や順方向電圧変化を検知することによって制御するので、発光照度、発光輝度、発熱体の温度等を時間的遅れやズレ等の発生なしに制御でき、かくして、制御の精度が向上する。また、従来の方法と相違して、別途センサを必要としないので、装置も構造が簡単になり、従って、信頼性が向上すると共に、別途センサが不必要であるので、経済的にも有利である。
【０００７】
本発明の方法によれば、発光素子、発熱素子、冷却素子等のそれ自体の電気特性をとりだし、その信号を直接モニタして制御系に返す。即ち、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ハロゲンランプ、ヒータ、ペルチェ素子等の温度−電気特性そのものを温度検出信号としてとらえて、これらの素子に通電する電流・電圧量をコントロールすることによって、輝度の精密な制御や省エネルギー型の温度制御が可能となる。
【０００８】
具体的には、ＬＥＤの場合には、ダイオードのＰＮジャンクション温度変化による電流量や順方向電圧変化を直接とりだして、例えば、その順方向電圧変化を増幅した後、増幅電圧と参照電圧とをコンパレータ回路によって比較して、その結果をオン／オフの制御信号として出力し、ＬＥＤのの印加電圧とする。また、ヒータの場合には、ヒータの抵抗値をモニターしながら、そこに流れる電流のオン／オフを比較回路で出力することによって、温度センサをあらたに設けなくとも、ヒータの温度制御が可能になる。
【０００９】
図面を参照して説明すれば、図１に示すように、ＬＥＤの発光素子の相対輝度と順方向電圧には比例関係があるので、温度が上昇すれば、輝度は下がるが、そのときにダイオードに印加される電圧を高く設定することによって輝度が上がる方向に働く。図２に示すように、ヒータの内部抵抗が温度によって、図２のように変化したときに、そのヒータにかかる印加電圧を変えると、一定に保つことが可能である。
【００１０】
例えば、温度上昇に比例して内部抵抗が高くなるときに、発熱素子であるヒータの印加電圧を下げることで、発熱素子に流れる電流を少なくして、発熱素子の温度を一定に保つことが可能である。ヒータの種類によって、温度上昇によって内部抵抗が低くなる特性のものがあるが、その場合の発熱素子への印加電圧と内部抵抗との関係は変わらず、おのおのの特性が逆になるだけである。
【００１１】
以下にカーボンヒータを例に挙げて、本発明の実施の形態を更に具体的に説明する。形態として、（１）交流電源を利用した温度調節回路の説明（図３）、（２）携帯型を目的とする、直流バッテリを利用した実施回路例（図５）、（３）ＬＥＤの温度による相対輝度の変化を抑える回路の実施例（図７）について説明をする。
【００１２】
図３は、ＡＣ１００Ｖ電源（周波数は、例えば、６０Ｈｚとする）を用いた場合の温度調節回路を示す。Ｒ２にあたる部分がヒータ兼温度センサに相当する。Ａ地点においては、この交流電圧は全波整流されており、図４（ａ）に示すように、１２０Ｈｚ周期での温度調節をしている。カーボンヒータは特に昇温特性のよい材料であり、ＮＴＣ特性（負の温度係数を有する特性、即ち、温度が上がると抵抗が下がる特性）を示す材料である。カーボンヒータのような発熱素子をＮＴＣ特性をもつセンサとして兼用すれば、エネルギーの省力化につながる。それを用いた回路の例を示す。
【００１３】
この回路は、１／１２０秒おきに定期的に発熱素材の温度−電気特性（ある発熱温度において発生する抵抗、即ち、電位）を正確に測定するため、ゼロクロス時の発熱素子の電位検出機構を設けて、且つそのときの電位に応じて、測定後の１周期中（約１／１２０秒）に同発熱素子に負荷電流を流したり、流さなかったりを繰り返すオン／オフ制御を実現するものである。このように発熱素材自身の温度−電気特性を負荷電流変動のトレース上でのゼロクロスポイントにおいて測定するのが本発明の特徴である。
【００１４】
具体的には、図４（ａ）に示すように、図３Ａ地点の電圧がゼロレベルとクロスする０Ｖ電位のときに発熱素材の温度−電気特性を測定できるようにした。ＳＣＲ（サイリスタ）２を用いているのは、Ａ点がゼロレベルのときにのみ、地点Ｄの電位（即ち、ＨからＬレベル、図４（ｄ））に応じて、ＳＣＲを通して電流が流れたり、流れなかったりさせる（ターンオン及びターンオフすると称する）ためである。
【００１５】
従って、Ａ点がゼロレベル以外のときにおいては、ＳＣＲは動作しないので、地点Ｄからの投入電位にかかわらず、次のゼロクロス時まで、オン／オフが１周期の間持続することになる。即ち、サイリスタＳＣＲを通して発熱素子Ｒ２へ１周期の間、電流を流したり、流さなかったりを制御する。このゼロクロス時のオン／オフ動作にかかわるＤの電位（Ｈ又はＬレベル）の決定は、温度センサでもある発熱素子の温度−電気特性に対応した電位を別系統で発生させて、それをアンプ３で増幅、コンパレータ４で基準電圧と比較後に実施される。
【００１６】
ゼロクロスポイントにおいて発熱素子の電位を測定するためには、Ｃ地点において、発熱素子の抵抗に応じた電位を測定し、コンパレータ４で比較しなければならない。そのため、地点Ｂのゼロクロス時に、それを反映した電位、即ち、図４（ｂ）に示すような０．７Ｖとなるようにして、そのゼロクロス時のみ、トランジスタを動作させない。それ以外のときは　発熱素子の電位を測定しないときには、地点Ｂの電位は、図４（ｂ）のように０．７Ｖを超えるため、トランジスタが動作して、地点Ｃは接地されて、０Ｖとなる。ゼロクロス時の地点Ｃの電位によって、地点Ｄの電位がＨ／Ｌとなり、負荷電流のオン／オフスイッチが動作する機構について以下に説明する。
【００１７】
地点Ｃに応じて地点Ｅの電位（図４（ｅ））が変化し、地点Ｅの電位に応じて、電位ＤがＨレベル若しくはＬレベルになるような機構を設ける。アンプ３にＥのレベルを調整して、コンパレータ４が発熱温度に応じて、Ｈ／Ｌレベルの電位を出力するように動作させる。カーボンヒータ素材はＮＴＣ特性を有する。（前述したように、ＮＴＣ特性とは負の温度係数を意味する。ＮＴＣサーミスタは、温度が上昇すると抵抗値が減少するという特性を有する。）使用した発熱素子の抵抗と測定温度の関係は、例えば、１００℃で２．０Ω、３００℃で１．７７Ωとなった。
【００１８】
具体的に実現するための抵抗の定数をＲ１＝１００Ω、Ｒ２＝２．０Ω、Ｒ３＝１ｋΩ、Ｒ４＝１０ｋΩとし、使用する電源電圧Ｖ０を５Ｖとする。Ｃ点での電位は、Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ１）×Ｖ０＝０．０９８Ｖとなり、Ｅ点での電圧は、Ｃ点での電位０．０９８Ｖ×（Ｒ４／Ｒ３＋１）＝１．０８Ｖとなる。同様に、Ｒ２に１．７７Ωを代入して計算すると、０．８７Ｖとなる。即ち、１００℃でゼロクロス時にＥ点では１．０８Ｖの電位が発生して、３００℃では０．８７Ｖの電位が発生することになる。
【００１９】
このことから、２００℃の変化で１．０８−０．８７＝０．２１Ｖの電位差が生じることから、１ｍＶ／℃の電位差が生じることになる。例えば、半田こてにカーボンヒータを使う場合には、３８０℃が半田こての最適温度とすると、０．８７Ｖ−０．０８Ｖ＝０．７９Ｖにコンパレータ４の電位Ｇを設定すればよいことになる。
【００２０】
上記実施例では、コンパレータ４の動作は、例えば、Ｇ電位を０．８７Ｖに設定すると、０．８７Ｖ以下の０．７Ｖでは、Ｈレベルの信号が出力され、０．９ＶではＬレベルの信号が出力されるような動作になる。即ち、図４（ｄ）が示すＤ点でのトレースのようになる。この出力がＳＣＲのオン／オフ動作をさせることになる。また、ガスの吸着や脱離反応を行ううえで、カーボンヒータは多孔質であるので、ヒータそのものが吸着・脱離素材として安価で有用な材料であるが、脱離温度に維持するような使い方も可能である。尚、図４（ｆ）は図３のＦ時点の電位変化を示す。
【００２１】
従来、発熱体の近傍に温度センサをおいても、熱接触抵抗や界面の熱容量によって、必ず、応答の遅れ、即ち、ヒステリシスが生じて、そのハンチングによって熱損失が生じて、電気エネルギーの変換効率が悪かったが、これに対して、本発明の方法の最大の効果は、温度センサが発熱体と完全に一体化した状態であるので、熱的な損失を限りなく最小に抑えることができる点にある。従って、このエネルギーの省力化によって、従来は不可能であった半田こてや吸着・脱離モジュールの電池駆動等が可能となり、携帯化できるようになる。
【００２２】
図５は、実際の電池駆動、即ち、直流電源７（例えば、１２〜１６Ｖ）によって発熱体に通電する場合の温度調節回路の例を示す。図３と異なる点は、ゼロクロスにあたる部分を持つクロックパルスを発生させて、図３と同じように、発熱素子Ｒ２の温度−電気特性をモニターするためのゼロ電位をクロックパルスによって周期的に作製する点である。具体的には、図５のＡ点のクロック波形を図６（ａ）に示す。そのクロックはクロック回路８によって作製されたものである。
【００２３】
また、図３のサイリスタＳＣＲ２にあたる部分をＶ−ＭＯＳ（ＦＥＴ）で構成した点である。ＦＥＴのゲート電位は前段の論理素子９の出力電位によってオン／オフ動作をする。また、論理素子９の出力電位は、クロック回路８から発生するパルスＡ点のゼロレベルのときにのみ、論理素子９のゲートが開いて出力される構成になっている。従って、図３と同様に温度調節の電位に相当するＣ点での電圧（図６（ｃ））は、Ａ点でのゼロ電位の時にのみ変化することになる。
【００２４】
図３と同様に、Ｃ点で測定された電位は、アンプ３で増幅された後、コンパレータ４によって設定電圧Ｇと比較されて、低い場合は、Ｈレベルとしてコンパレータ４より出力され、Ｇより高い電圧の場合は、Ｌレベルとして出力される。図６（ｄ）のＤ点の出力波形がそれを示している。その出力を反映して、１周期分の間、Ｖ−ＭＯＳがオンの状態又はオフの状態が続くことになり、Ｆ点での電位（図６（ｆ））は、Ｃ点での電位（図６（ｃ））によって、電流のオン／オフが制御されて、温度調節されることになる。尚、図６（ｅ）は、図５のＥ点の電位である。
【００２５】
図３と図５に用いたコンパレータ４の代わりに、ウインドコンパレータを用いてもよい。また、このような発熱体の使用方法は、ＰＴＣ特性（正の温度係数を有する特性をいう。正の温度係数をもつサーミスタは、素子温度が設定温度を越えると、急激に電気抵抗が大きくなる。温度が下がると電気抵抗も下がる）を持つものでも同様に利用できる。
【００２６】
この回路を使った応用として、省エネルギー型のはんだこて回路、化学物質等の消臭・脱臭・捕臭・凝縮・発散用回路、照明安定化回路等を挙げることができる。
【００２７】
照明安定化回路の例を図７に示す。ダイオードも同様に温度センサと考えられる。発光ダイオードも温度特性を有している。発光ダイオード内部のＰＮ接合部分の温度によって、ＬＥＤの輝度は大きく変化する。例えば、温度変化として２０℃ほど変化すると、相対輝度はそれによって数十％も変化する。
【００２８】
マシンビジョンやパターン検出等においては、照明輝度が変化すると、それによって画像処理条件が大きく変動して、認識精度の低下を招く。そこで、精密な位置を測定したり、位置合わせするときには、従来は、照明の設置条件に制約が生じたり、環境温度変化が激しい朝夕では、検査結果や制御結果に大きく影響するので、生産効率の低下を招くことがしばしば生じる。発光素子の温度変化を直接とらえて、発光素子に印加する電圧をそれに応じて変化させれば、そのような問題は解決する。
【００２９】
即ち、接合温度に対応して、電流変化又は順方向電圧の変化を検出して、その変化量を電圧に変換し、その電位を発光素子であるＬＥＤの駆動電圧に反映させるような回路構成にすることで上記問題は解決する。
【００３０】
また、ＬＥＤの駆動電圧を変調させて、この温度変化による輝度誤差を解決しようとする対策がとられることがあるが、根本的な解決にはならず、温度影響は殆ど解消されいないのが現状である。本発明では、このような変調電圧にも対応し、変調電圧の振幅をＬＥＤの環境温度による輝度変化に対応させて調節する発光制御方法である。
【００３１】
図７に示すように、ＬＥＤ発光素子１１の順方向電流は、降下電位差として差動アンプ１２によって出力される。その降下電位に適当な電位１６を加算回路アンプ１３によって加え、そして、生じた電圧を反転アンプ１４によって反転させて、バッファ回路１５を介して、再び、ＬＥＤに印加させることによって、ＬＥＤの順方向電流変化に応じて、ＬＥＤの印加電圧を変化させ、かくして、順方向電流を一定に保持することができる。即ち、電流を一定に保つことによって、発光輝度を一定に保つことが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷抵抗や電流検出を設けなくてもよいので、温度の昇温時間が早く、エネルギーロスが少ない省エネルギー化が実現できる。また、マシンビジョン等での命であるワークにあてる照明精度が環境温度に左右されずに安定化する。特に、ＬＥＤ照明等では、発光素子内部のＰＮジャンクション温度を直接モニターして、プルアップ電圧を調節できるので、きめの細かい温度調節ができる。その他、温度調節の際のロスが少ないので、ヒータ加熱等がバッテリでできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＬＥＤの発光素子の相対輝度と順方向電圧の関係図である。
【図２】発熱素子の相対温度と順方向電圧の関係図である。
【図３】本発明による温度調節回路の一例を示す。
【図４】図３の各地点の電圧を示す図である。
【図５】温度調節回路の他の実施例を示す。
【図６】図５の各地点の電圧を示す図である。
【図７】照明安定化回路図の一例を示す。
【符号の説明】
１…安定化電源
２…サイリスタ
３…アンプ
４…コンパレータ
５…トランジスタ
Ｒ２…発熱素子
【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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