(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルチェ素子に流れる電流を常に測定するとともに、当該測定電流を基に前記ペルチェ素子の設定温度を任意に制御するように構成されたペルチェ制御装置において、
常に電流を監視して前記ペルチェ素子が温度制御不可能となる熱暴走を起こす前に電流を減少するように設定温度を再設定して熱暴走による前記ペルチェ素子の破損を回避する制御を行うように構成されていることを特徴とするペルチェ制御装置。
【請求項２】
撮像デバイスと、前記ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の電流を測定する電流測定部と、前記電流測定部の測定データから前記ペルチェ素子の温度を計算して設定し直す温度設定部と、前記温度設定部からの設定信号を基に前記ペルチェ素子を駆動する駆動回路部と、前記撮像デバイス上にある温度センサを備えていることを特徴とする請求項１に記載のペルチェ制御装置。
【請求項３】
ペルチェ素子に流れる電流を常に測定するとともに、当該測定電流を基に前記ペルチェ素子の設定温度を任意に制御するように構成されたペルチェ制御装置において、
前記ペルチェ素子は、Ｎ型半導体とＰ型半導体の２種類の半導体を第１の金属電極および第２の金属電極で接合したπ型直列回路を有することを特徴とするペルチェ制御装置。
【請求項４】
前記ペルチェ素子は、Ｎ型半導体とＰ型半導体の２種類の半導体を第１の金属電極および第２の金属電極で接合したπ型直列回路を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のペルチェ制御装置。
【請求項５】
前記π型直列回路に対して前記Ｎ型半導体側から直流電流を流した際に、ペルチェ効果により、前記π型直列回路の上部の前記第１の金属電極で吸熱が起こり、同時に前記π型直列回路の下部の２個の前記第２の金属電極で放熱が起こり、熱は上部から下部に向かって移行されて、温度制御する物体を冷却あるいは加熱して前記ペルチェ素子を所定温度に保つ制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のペルチェ制御装置。
【請求項６】
前記ペルチェ素子を流れる電流は前記電流測定部で測定され当該測定データは前記温度設定部に送られ、前記温度設定部は前記電流測定部での測定データを基に前記ペルチェ素子の設定温度となる制御信号を再計算して前記駆動回路部へ送り、前記駆動回路部は前記撮像デバイス上にある前記温度センサからの温度情報と前記温度設定部からの制御信号の差を検出しその差が減少するように前記駆動回路部の出力電圧を変化させるように構成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載のペルチェ制御装置。
【請求項７】
前記温度設定部は、前記電流測定部での測定データを基に環境温度が変化したと判定した場合であって前記ペルチェ素子への設定温度と前記温度センサからの温度情報の差を保つために前記ペルチェ素子に流れる電流が徐々に大きくなった際に、環境温度が十分変化したと判断して前記ペルチェ素子への設定温度の再設定を行うことで階段状に温度制御を実行することを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載のペルチェ制御装置。
【請求項８】
ペルチェ素子に流れる電流を常に測定するとともに、当該測定電流を基に前記ペルチェ素子の設定温度を任意に制御するペルチェ素子制御方法において、
常に電流を監視して前記ペルチェ素子が温度制御不可能となる熱暴走を起こす前に電流を減少するように設定温度を再設定して熱暴走による前記ペルチェ素子の破損を回避する制御を行うことを特徴とするペルチェ素子制御方法。
【請求項９】
環境温度が所定の範囲の間は、デバイス設定温度を一定に保つ階段状の制御を行うことで、デバイス特性の安定性を確保することを特徴とする請求項８に記載のペルチェ素子制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ素子制御技術に係り、特にデバイス自身の温度に対して感度が敏感な赤外線センサ等のデバイス温度を所定の温度に保つペルチェ素子の制御を行うペルチェ制御装置およびペルチェ素子制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デバイス自身の温度特性を安定化するため、環境温度に対して、ペルチェ素子を使用して温度を一定に保つ方法が用いられているが、この場合、環境温度とデバイス設定温度の差が大きくなるにつれて、消費電力が大きくなる。
【０００３】
このような問題点を解決することを目的とする従来技術として、例えば、特開平６−１８１５２９号公報に記載のものがある。図３は、従来技術の温度制御における環境温度とデバイス設定温度の関係を示すグラフである。すなわち、特開平６−１８１５２９号公報に記載の従来技術では、図３に示すように、環境温度に追従してデバイスの温度を変化させ、かつ、デバイスが使用可能な温度範囲内で、環境温度に対するデバイス温度の変化量を少なくして、消費電力を低減している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術を用いて温度制御を行った場合、赤外線センサのような撮像デバイスでは感度がデバイス自身の温度に対して敏感であるため、環境温度に対してデバイス自身の温度が変化すると温度特性が安定しないという問題点があった。
【０００５】
また、従来技術におけるペルチェ素子の制御では、環境温度とデバイス上の温度を測定し、それぞれの温度から設定温度を制御しているが、この場合、設定温度によっては、ペルチェ素子への消費電力が増大することがある。このように消費電力が増えることでペルチェ素子への熱流入が増加した場合にこの熱を処理できなくなり、ペルチェ素子の温度制御ができなくなるために熱暴走が発生するという問題点もあり、最悪の場合、ペルチェ素子が破損してしまう可能性があった。
【０００６】
本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、デバイス自身の温度を環境温度に応じて安定化でき、消費電力の低減を図ることができ、ペルチェ素子が温度制御不可能となる熱暴走を起こす前に、電流を減少するように設定温度を再設定して、熱暴走によるペルチェ素子の破損を回避できるペルチェ制御装置およびペルチェ素子制御方法を提供する点にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明の要旨は、ペルチェ素子に流れる電流を常に測定するとともに、当該測定電流を基に前記ペルチェ素子の設定温度を任意に制御するように構成されたペルチェ制御装置において、常に電流を監視して前記ペルチェ素子が温度制御不可能となる熱暴走を起こす前に電流を減少するように設定温度を再設定して熱暴走による前記ペルチェ素子の破損を回避する制御を行うように構成されていることを特徴とするペルチェ制御装置に存する。
また、請求項２に記載の発明の要旨は、撮像デバイスと、前記ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の電流を測定する電流測定部と、前記電流測定部の測定データから前記ペルチェ素子の温度を計算して設定し直す温度設定部と、前記温度設定部からの設定信号を基に前記ペルチェ素子を駆動する駆動回路部と、前記撮像デバイス上にある温度センサを備えていることを特徴とする請求項１に記載のペルチェ制御装置に存する。
また、請求項３に記載の発明の要旨は、ペルチェ素子に流れる電流を常に測定するとともに、当該測定電流を基に前記ペルチェ素子の設定温度を任意に制御するように構成されたペルチェ制御装置において、前記ペルチェ素子は、Ｎ型半導体とＰ型半導体の２種類の半導体を第１の金属電極および第２の金属電極で接合したπ型直列回路を有することを特徴とするペルチェ制御装置に存する。
また、請求項４に記載の発明の要旨は、前記ペルチェ素子は、Ｎ型半導体とＰ型半導体の２種類の半導体を第１の金属電極および第２の金属電極で接合したπ型直列回路を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のペルチェ制御装置に存する。
また、請求項５に記載の発明の要旨は、前記π型直列回路に対して前記Ｎ型半導体側から直流電流を流した際に、ペルチェ効果により、前記π型直列回路の上部の前記第１の金属電極で吸熱が起こり、同時に前記π型直列回路の下部の２個の前記第２の金属電極で放熱が起こり、熱は上部から下部に向かって移行されて、温度制御する物体を冷却あるいは加熱して前記ペルチェ素子を所定温度に保つ制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のペルチェ制御装置に存する。
また、請求項６に記載の発明の要旨は、前記ペルチェ素子を流れる電流は前記電流測定部で測定され当該測定データは前記温度設定部に送られ、前記温度設定部は前記電流測定部での測定データを基に前記ペルチェ素子の設定温度となる制御信号を再計算して前記駆動回路部へ送り、前記駆動回路部は前記撮像デバイス上にある前記温度センサからの温度情報と前記温度設定部からの制御信号の差を検出しその差が減少するように前記駆動回路部の出力電圧を変化させるように構成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載のペルチェ制御装置に存する。
また、請求項７に記載の発明の要旨は、前記温度設定部は、前記電流測定部での測定データを基に環境温度が変化したと判定した場合であって前記ペルチェ素子への設定温度と前記温度センサからの温度情報の差を保つために前記ペルチェ素子に流れる電流が徐々に大きくなった際に、環境温度が十分変化したと判断して前記ペルチェ素子への設定温度の再設定を行うことで階段状に温度制御を実行することを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載のペルチェ制御装置に存する。
また、請求項８に記載の発明の要旨は、ペルチェ素子に流れる電流を常に測定するとともに、当該測定電流を基に前記ペルチェ素子の設定温度を任意に制御するペルチェ素子制御方法において、常に電流を監視して前記ペルチェ素子が温度制御不可能となる熱暴走を起こす前に電流を減少するように設定温度を再設定して熱暴走による前記ペルチェ素子の破損を回避する制御を行うことを特徴とするペルチェ素子制御方法に存する。
また、請求項９に記載の発明の要旨は、環境温度が所定の範囲の間は、デバイス設定温度を一定に保つ階段状の制御を行うことで、デバイス特性の安定性を確保することを特徴とする請求項８に記載のペルチェ素子制御方法に存する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るペルチェ制御装置３０を説明するための機能ブロック図である。図１において、１は撮像デバイス、２はペルチェ素子、３は電流測定部、４は温度設定部、５は駆動回路部、６は温度センサ、３０はペルチェ制御装置を示している。
【０００９】
本発明のペルチェ制御装置３０は、デバイス自身の温度に対して感度が敏感な赤外線センサ等のデバイス温度を所定の温度に保つペルチェ素子２の制御技術に適用できる。図１にその構成を示す。
【００１０】
図１を参照すると、本実施の形態のペルチェ制御装置３０は、撮像デバイス１、ペルチェ素子２、ペルチェ素子２の電流を測定する電流測定部３、電流測定部３の測定データからペルチェ素子２の温度を計算して設定し直す温度設定部４、温度設定部４からの設定信号を基にペルチェ素子２を駆動する駆動回路部５、撮像デバイス１上にある温度センサ６を備えている。
【００１１】
このような構成のペルチェ制御装置３０は、ペルチェ素子２に流れる電流を常に測定し、この電流を基にデバイスの設定温度を任意に制御できる点に特徴を有している。
【００１２】
これにより、デバイス自身の温度を環境温度に応じて安定化でき、かつ、消費電力の低減を図ることができる。また、常に電流を監視しているため、ペルチェ素子２が温度制御不可能となる熱暴走を起こす前に、電流を減少するように設定温度を再設定して、熱暴走によるペルチェ素子２の破損を回避できるようになるといった効果を奏する。
【００１３】
図２は、図１のペルチェ制御装置３０におけるペルチェ効果を説明するためのモデル図である。図２において、７はＮ型半導体、８はＰ型半導体、９，１０は金属電極を示している。
【００１４】
上記撮像デバイス１は、感度がデバイス自身の温度に対して敏感な赤外線センサ等であって、所定温度（室温で十分）に保っておくことが必要である。この温度保持を行うデバイスがペルチェ素子２であり、図２に示すようにＮ型半導体７、Ｐ型半導体８、金属電極９（第１の金属電極）、金属電極１０（第２の金属電極）から構成される。
【００１５】
次に、ペルチェ素子２が行う温度制御の原理を図２を参照して説明する。Ｎ型半導体７とＰ型半導体８の２種類の半導体を金属電極９，１０（第１の金属電極、第２の金属電極）で接合したπ型直列回路に対してＮ型半導体７側から直流電流を流すと、ペルチェ効果により、π型直列回路の上部の金属電極９（第１の金属電極）で吸熱が起こり、同時にπ型直列回路の下部の２個の金属電極１０（第２の金属電極）で放熱が起こるため、熱は上部から下部に向かって移行される。この原理を利用して、温度制御する物体を冷却あるいは加熱してデバイスを所定温度に保っている。
【００１６】
次に、ペルチェ制御装置３０の動作（ペルチェ素子制御方法）について説明する。図４は、本発明の第１の実施の形態に係るペルチェ制御装置３０の温度制御における環境温度とデバイス設定温度の関係を示すグラフである。本実施の形態では、図４に示すように、環境温度が所定の範囲の間は、デバイス設定温度を一定に保つ階段状の制御を行うことで、デバイス特性の安定性を確保する。また、ペルチェ素子２に流れる電流を直接測定・監視して、ペルチェ素子２の制御を行うため、消費電力の低減や熱暴走を回避できる。
【００１７】
さらに詳しく、ペルチェ制御装置３０の動作（ペルチェ素子制御方法）を説明する。ペルチェ素子２を流れる電流は電流測定部３で測定される。当該測定データは温度設定部４に送られる。電流測定部３は、電流検知用のＩＣ（集積回路）を使用したり、抵抗を直列接続して電圧測定し計算で求めることにより実現できる。
【００１８】
温度設定部４は、電流測定部３での測定データを基に、ペルチェ素子２の設定温度となる制御信号を再計算して駆動回路部５へ送る。ペルチェ素子２の駆動回路部５は、撮像デバイス１上にある温度センサ６からの温度情報（電圧値）と温度設定部４からの制御信号（電圧値）の差を検出し、その差（電圧差）が減少するように駆動回路部５の出力電圧を変化させる。駆動回路部５の出力電圧の変化に応じて、ペルチェ素子２に流れる電流が変化するので、ペルチェ素子２の温度を制御することができることになる。
【００１９】
次に、電流測定部３での測定データを基に温度設定部４が設定する温度設定値の制御方法を示す。まず、所定の環境温度の範囲内で、ペルチェ素子２への設定温度と温度センサ６からの温度情報にあまり差がない場合、ペルチェ素子２に流れる電流は少なくてすむが、環境温度が変化すると、この差を保つために、ペルチェ素子２に流れる電流が徐々に大きくなる。よって、ある程度、電流が大きくなったときには、環境温度が十分変化したと判断でき、ペルチェ素子２への設定温度を変更する。
【００２０】
具体的には、温度設定部４で設定温度の計算を行い、かつ、設定する制御信号を変化させて、温度の再設定を行うことで、温度差がまた小さくなり、電流が減少する。この電流がある程度大きくなった時点で温度の再設定を行うことで、階段状に温度制御ができ、環境温度の変化に応じて、デバイス温度の安定化を図ることができる。
【００２１】
以上説明したように第１の実施の形態によれば以下に掲げる効果を奏する。まず第１の効果は、ペルチェ素子２の温度設定を環境温度に対して階段状に制御することで、デバイス自身の温度に対する性能変化を安定化することができることである。
【００２２】
また第２の効果は、ペルチェ素子２に流れる電流を常に測定して、この測定電流をもとに撮像デバイス１の温度設定を行っているので、最適なペルチェ電流の制御ができ、消費電力の低減を図ることができることである。
【００２３】
そして第３の効果は、ペルチェ素子２に流す電流を監視しているので、電流が極端に大きくなるときは、任意に設定温度を変えられるため、ペルチェ素子２の熱暴走や破損を防ぐことができることである。
【００２４】
（第２の実施の形態）
次に、駆動回路部５および電流測定方法の一実施の形態を示す。図５は、本発明の第２の実施の形態に係るペルチェ制御装置３０を説明するための回路図である。図５において、１２は抵抗素子（Ｒ１），１３は抵抗素子（Ｒ２），１４は抵抗素子（Ｒ３），１５は抵抗素子（Ｒ４），１６はＮＰＮトランジスタ（ＴＲ１），１７はＰＮＰトランジスタ（ＴＲ２），１８はＮＰＮトランジスタ（ＴＲ３），１９はＰＮＰトランジスタ（ＴＲ４），２０は制御部、３０はペルチェ制御装置、Ｖ１，Ｖ２はエミッタ電位、Ｖ１’，Ｖ２’はベース電位を示している。
【００２５】
本実施の形態の駆動回路部５は、制御部２０、抵抗素子１２（Ｒ１）、抵抗素子１３（Ｒ２）、抵抗素子１４（Ｒ３）、抵抗素子１５（Ｒ４），ＮＰＮトランジスタ１６（ＴＲ１），ＮＰＮトランジスタ１８（ＴＲ３），ＰＮＰトランジスタ１７（ＴＲ２），ＰＮＰトランジスタ１９（ＴＲ４）を備え、前述のペルチェ素子２および電流測定部３を備えている。
【００２６】
制御部２０は、図１の温度センサ６から送られる温度情報や温度設定部４から送られる制御信号を基に、両者の温度情報が一致するように、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御理論に基づき、ベース電位Ｖ１’およびベース電位Ｖ２’を制御する。ペルチェ素子２に流れる電流は、このベース電位Ｖ１’およびベース電位Ｖ２’から求まるエミッタ電位Ｖ１とエミッタ電位Ｖ２の電位差とペルチェ素子２の特性により決まる。例えば、設定温度と環境温度の差が広がると、ペルチェ素子２の特性により電流は大きくなる。
【００２７】
今、制御部２０により電圧が▲１▼に示す破線の向きに印加されると、ベースとエミッタ間電圧の関係から、ＮＰＮトランジスタ１６（ＴＲ１），ＰＮＰトランジスタ１９（ＴＲ４）が動作状態となり、ＰＮＰトランジスタ１７（ＴＲ２），ＮＰＮトランジスタ１８（ＴＲ３）がカットオフ状態となって、ペルチェ素子２の両端にエミッタ電位Ｖ１−エミッタ電位Ｖ２（ただし、エミッタ電位Ｖ１＞エミッタ電位Ｖ２）の電圧が印加される。これにより、▲１▼に示す破線の向きに電流が流れ、抵抗素子１５（Ｒ４）にペルチェ素子２に流れる電流が流れる。
【００２８】
また、制御部２０により電圧が▲２▼に示す一点鎖線の向きに印加されると、ベースとエミッタ間電圧の関係から、ＮＰＮトランジスタ１６（ＴＲ１），ＰＮＰトランジスタ１９（ＴＲ４）がカットオフ状態となり、ＰＮＰトランジスタ１７（ＴＲ２），ＮＰＮトランジスタ１８（ＴＲ３）が動作状態となって、ペルチェ素子２の両端にエミッタ電位差｛Ｖ２−Ｖ１｝（ただし、エミッタ電位Ｖ１＜エミッタ電位Ｖ２）の電圧が印加される。これにより、電流は▲２▼に示す一点鎖線の向きに流れ、抵抗素子１３（Ｒ２）にペルチェ素子２に流れる電流が流れる。
【００２９】
このように、▲１▼に示す破線の向きや▲２▼に示す一点鎖線の向きの電流の向きにより、ペルチェ素子２の吸熱面と放熱面が逆転するので、撮像デバイス１の冷却と加熱の両方が可能となる。
【００３０】
また、電流測定部３は、ペルチェ素子２に流れる電流が通過する抵抗素子１３（Ｒ２）、抵抗素子１５（Ｒ４）の両端の電圧を測定する電圧計測ＩＣ（集積回路）である。
【００３１】
電流測定部３が測定した電圧の値と抵抗素子１３（Ｒ２）または抵抗素子１５（Ｒ４）の抵抗値からオームの法則により、ペルチェ素子２に流れる電流を求めることができ、温度設定部４で使用する情報となる。
【００３２】
なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。また、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されているので、以下に掲げる効果を奏する。まず第１の効果は、ペルチェ素子の温度設定を環境温度に対して階段状に制御することで、デバイス自身の温度に対する性能変化を安定化することができることである。
【００３４】
また第２の効果は、ペルチェ素子に流れる電流を常に測定して、この測定電流をもとに撮像デバイスの温度設定を行っているので、最適なペルチェ電流の制御ができ、消費電力の低減を図ることができることである。
【００３５】
そして第３の効果は、ペルチェ素子に流す電流を監視しているので、電流が極端に大きくなるときは、任意に設定温度を変えられるため、ペルチェ素子の熱暴走や破損を防ぐことができることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るペルチェ制御装置を説明するための機能ブロック図である。
【図２】図１のペルチェ制御装置におけるペルチェ効果を説明するためのモデル図である。
【図３】従来の温度制御における環境温度とデバイス設定温度の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るペルチェ制御装置の温度制御における環境温度とデバイス設定温度の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るペルチェ制御装置を説明するための回路図である。
【符号の説明】
１…撮像デバイス
２…ペルチェ素子
３…電流測定部
４…温度設定部
５…駆動回路部
６…温度センサ
７…Ｎ型半導体
８…Ｐ型半導体
９，１０…金属電極
１２…抵抗素子（Ｒ１）
１３…抵抗素子（Ｒ２）
１４…抵抗素子（Ｒ３）
１５…抵抗素子（Ｒ４）
１６…ＮＰＮトランジスタ（ＴＲ１）
１７…ＰＮＰトランジスタ（ＴＲ２）
１８…ＮＰＮトランジスタ（ＴＲ３）
１９…ＰＮＰトランジスタ（ＴＲ４）
２０…制御部
３０…ペルチェ制御装置
Ｖ１，Ｖ２…エミッタ電位
Ｖ１’，Ｖ２’…ベース電位
【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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