(57)【要約】  本発明の回路、方法、及びシステムが、複数の負荷に対する電流の量及び極性をスイッチにより制御することに向けられている。複数の負荷は、スイッチングコンポーネントを共有する。複数の負荷は、熱電素子であってよく、これらの熱電素子は、スイッチ状態に基づいて加熱又は冷却する。スイッチは、１つのデューティサイクルの期間中の単一のモードにおいて動作させることが可能であり、或いは、複数の負荷の完全な制御を実現するべく１つのデューティサイクルの期間中の複数の連続したモードにおいて、動作させることが可能である。
2009537115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、第１スイッチ及び第２スイッチと、中央タップとを有する（Ｎ＋１）個のハーフブリッジと、
Ｎ個のチャネルであって、Ｋ番目のチャネルは、負荷と、Ｋ番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第１端子と、（Ｋ＋１）番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第２端子とを含むようなＮ個のチャネルとを備える回路であって、
前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチの状態は、電流が各々のチャネルを通して流れるか否かを決定すると共に、前記電流の極性を決定し、この場合に、Ｋ及びＮは、整数であり、Ｎは、１より大きく、且つ、Ｋは、１〜Ｎの範囲内にあることを特徴とする回路。
【請求項２】
各々のハーフブリッジの前記第１スイッチは、第１電位に結合され、且つ、各々のハーフブリッジの前記第２スイッチは、第２電位に結合される請求項１記載の回路。
【請求項３】
各々のチャネルは、充電可能な回路を更に含む請求項１記載の回路。
【請求項４】
前記充電可能な回路は、インダクタを有する請求項３記載の回路。
【請求項５】
前記ハーフブリッジの各々の第１及び第２スイッチは、トランジスタを有する請求項１記載の回路。
【請求項６】
前記トランジスタは、ダイオード動作によって逆電流の方向に対して保護される請求項５記載の回路。
【請求項７】
前記トランジスタは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタである請求項５記載の回路。
【請求項８】
前記回路は、更に、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを制御する制御回路を備える請求項１記載の回路。
【請求項９】
各々のチャネルの前記負荷は、熱電素子を有する請求項１記載の回路。
【請求項１０】
回路を使用する方法において、
各々が、第１スイッチ及び第２スイッチと、中央タップとを有する（Ｎ＋１）個のハーフブリッジと、Ｎ個のチャネルであって、Ｋ番目のチャネルは、負荷と、Ｋ番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第１端子と、（Ｋ＋１）番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第２端子とを含むようなＮ個のチャネルとを備える回路を提供するステップであって、この場合に、Ｋ及びＮは、整数であり、Ｎは、１より大きく、且つ、Ｋは、１〜Ｎの範囲内にあるようなステップと、
前記第１スイッチが、第１デューティサイクルの期間中の第１モードの第１部分の期間において閉路状態となるように、前記ハーフブリッジの中の１つの前記第１スイッチに対して第１信号を送信するステップと、前記第２スイッチが、前記第１部分の期間において閉路状態となるように、前記ハーフブリッジの中の他の１つの前記第２スイッチに対して第２信号を送信するステップとにより、前記第１デューティサイクルの期間中の前記第１モードにおいて動作させるべく、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを構成するステップとを有しており、
前記第１及び第２スイッチを構成するステップは、電流が各々のチャネルを通して流れるか否かを決定すると共に、アクティブのチャネルを通して流れる前記電流の極性を決定することを特徴とする、回路を使用する方法。
【請求項１１】
提供された前記回路の各々のチャネルは、充電可能な回路を更に含み、且つ、前記第１信号又は前記第２信号は、パルス幅変調信号である請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
提供された前記回路の各々のチャネルは、充電可能な回路を更に含み、
前記方法は、更に、
前記第１モードの各々のアクティブのチャネルの前記充電可能な回路を充電するステップと、
第１モードにおいて前記第１及び第２スイッチを構成するステップに続いて、前記第１デューティサイクルの期間中の１つ又は複数の追加のモードにおいて動作させるべく、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを構成するステップとを有する請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記方法は、更に、後続するデューティサイクルにおいて前記第１モード及び後続のモードにおいて動作させるべく、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを構成するステップを反復するステップを有する請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記第１モードは、第１チャネルを充電し、且つ、前記第２モードは、前記第１チャネルがフリーホイール状態にあるときに、第２チャネルを充電する請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記フリーホイール状態は、アースの電位において生成される請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記第１モードにおける前記第１チャネル内の電流の極性と同一の極性が、前記第２モードにおいて継続する請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記第１モードは、１つの極性において第１チャネルを充電し、且つ、前記第２モードは、反対の極性において前記第１チャネルを充電する請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
前記第１モードは、第１チャネルを充電し、且つ、第２チャネルを充電する請求項１２記載の方法。
【請求項１９】
１つのモードにおいて、１つのチャネルのみが充電され、
前記第１デューティサイクルの期間中の前記第１モード及び前記追加のモードにおいて動作させるべく、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを構成するステップは、
前記ハーフブリッジの全ての前記第２スイッチを閉路状態に設定する段階と、
前記第１モードにおいて動作させるべく、第１ハーフブリッジの前記第２スイッチを開路状態にし、且つ、前記第１ハーフブリッジの前記第１スイッチを閉路状態にする段階と、
Ｋ番目のモードにおいて動作させるべく、Ｋ番目のハーフブリッジの前記第２スイッチを開路状態にし、且つ、前記Ｋ番目のハーフブリッジの前記第１スイッチを閉路状態にする段階であって、各々のモードは、ゼロ又は有限の持続時間を有することが可能であるような段階と、
（Ｎ＋Ｋ）番目のモードにおいて動作させるべく、Ｋ番目のハーフブリッジの各々の第２スイッチを閉路状態にし、且つ、前記Ｋ番目のハーフブリッジの各々の第１スイッチを開路状態にする段階とを含む請求項１２記載の方法。
【請求項２０】
各々のデューティサイクルは、固定された持続時間を有する請求項１２記載の方法。
【請求項２１】
各々が、第１スイッチ及び第２スイッチと、中央タップとを有する（Ｎ＋１）個のハーフブリッジと、Ｎ個のチャネルであって、Ｋ番目のチャネルは、負荷と、Ｋ番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第１端子と、（Ｋ＋１）番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第２端子とを含むようなＮ個のチャネルとを具備する回路であって、この場合に、Ｋ及びＮは、整数であり、Ｎは、１より大きく、且つ、Ｋは、１〜Ｎの範囲内にあるような回路と、
前記ハーフブリッジの中の第１のものである前記第１スイッチに閉路信号を送信するステップと、前記ハーフブリッジの中の第２のものである前記第２スイッチに閉路信号を送信するステップとにより、第１デューティサイクルの期間中の第１モードにおいて動作させるべく、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを構成する論理部とを備え、
前記第１および第２スイッチの構成は、電流が各々のチャネルを通して流れるか否かを決定すると共に、アクティブのチャネルを通して流れる前記電流の極性を決定するようになっていることを特徴とするシステム。
【請求項２２】
前記システムは、更に、前記回路から前記論理部へのフィードバックループを備える請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記論理部は、プログラム可能な論理部を有する請求項２１記載のシステム。
【請求項２４】
第１中央タップを有する第１ハーフブリッジスイッチング構造と、
前記第１中央タップに結合される第１端子を有する第１電気負荷と、
第２中央タップを有する第２ハーフブリッジスイッチング構造であって、前記第１電気負荷の第２端子は、前記第２中央タップに結合されるような第２ハーフブリッジスイッチング構造と、
前記第２中央タップに結合される第１端子を有する第２電気負荷と、
第３中央タップを有する第３ハーフブリッジスイッチング構造であって、前記第２電気負荷の第２端子は、前記第３中央タップに結合されるような第３ハーフブリッジスイッチング構造とを備える回路であって、
ハーフブリッジのスイッチ状態は、電流が各々の第１及び第２電気負荷に印加されるか否かを決定し、且つ、前記電流が印加された場合に前記電流の極性を決定することを特徴とする回路。
【請求項２５】
前記第１及び第２電気負荷は、それぞれ、熱電素子を含む請求項２４記載の回路。
【請求項２６】
前記熱電素子は、ペルティエ素子である請求項２５記載の回路。
【請求項２７】
各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造の第１スイッチは、第１電位に結合され、且つ、各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造の第２スイッチは、第２電位に結合される請求項２４記載の回路。
【請求項２８】
前記回路は、更に、前記ハーフブリッジスイッチング構造を制御する制御回路を備える請求項２４記載の回路。
【請求項２９】
前記第１及び第２電気負荷は、それぞれ、充電可能な回路を含む請求項１記載の回路。
【請求項３０】
各々がサンプル保持領域の温度を制御する少なくとも２つの熱素子と、
ａ）第１熱素子の第１端子に結合される第１中央タップを有する第１ハーフブリッジスイッチング構造と、ｂ）前記第１熱素子の第２端子及び第２熱素子の第１端子に結合される第２中央タップを有する第２ハーフブリッジスイッチング構造と、ｃ）前記第２熱素子の第２端子に結合される第３中央タップを有する第３ハーフブリッジスイッチング構造とを含む回路構成部と、
ハーフブリッジのスイッチ状態を制御する制御回路であって、前記ハーフブリッジのスイッチ状態は、電流が前記第１及び第２熱素子の各々に印加されるか否かを決定し、且つ、前記電流が印加された場合に前記電流の極性を決定するような制御回路とを備えることを特徴とするサーマルサイクラー。
【請求項３１】
各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造は、第１スイッチ及び第２スイッチを含み、この場合に、各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造の前記第１スイッチは、第１電位に結合され、且つ、各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造の前記第２スイッチは、第２電位に結合される請求項３０記載のサーマルサイクラー。
【請求項３２】
前記第１電位又は前記第２電位のいずれか１つは、アースである請求項３１記載のサーマルサイクラー。
【請求項３３】
第１極性の電流が熱素子に印加されたときには、前記熱素子は、熱を前記サンプル保持領域に伝達し、且つ、前記第１極性と反対の極性の電流が前記熱素子に印加されたときには、前記熱素子は、熱を前記サンプル保持領域から取り去る請求項３０記載のサーマルサイクラー。
【請求項３４】
各々の熱素子は、印加された前記電流の極性に応じて、熱を前記サンプル保持領域に伝達したり熱を前記サンプル保持領域から取り去ったりするように構成されるペルティエ素子を有する請求項３０記載のサーマルサイクラー。
【請求項３５】
サンプル保持領域は、サンプルを保持するウェルを有する請求項３０記載のサーマルサイクラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、熱装置に関し、更に詳しくは、複数の熱電負荷を有する熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱装置は、その内部にサンプルが存在可能である環境の温度を制御するべく使用される。例えば、１つのタイプの熱装置は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ  ｃｈａｉｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）等の生物学的反応又は化学的反応の温度を調節することが可能であるサーマルサイクラー（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｙｃｌｅｒ）である。いくつかの反応においては、個別の予めプログラミングされたステップにおいて温度を上昇させるか又は下降させなければならない。したがって、熱装置は、サンプルを冷却したり加熱したりすることが可能でなければならない。
【０００３】
加熱及び冷却を提供するために、いくつかの熱装置は、熱電冷却を使用している。熱電クーラー又はヒートポンプは、ペルティエ効果を使用して、２つの異なるタイプの材料の接合部の間に熱流束（ｔｈｅｒｍａｌ  ｆｌｕｘ）を生成する。２つの接合部（ペルティエ接合部）において互いに接続された２つの異なる金属又は半導体（ｎ型及びｐ型）を電流が通過したときに、ペルティエ効果が生ずる。印加される電流が１つの接合部からもう１つの接合部への熱の伝達を駆動し、これによって、１つの接合部が冷却されると共に、もう１つの接合部が加熱される。熱伝達の方向は、印加される電流の極性又は方向によって制御され、極性を反転させることにより、吸収／放出される熱の符号が変化する。熱勾配は、熱装置を通して印加される電流の量に比例する。
【０００４】
いくつかのサーマルサイクラーは、いくつかの異なる反応が同時に行われるのを可能にする複数のブロック及び／又はウェルを備えている。又、いくつかの装置は、勾配機能をも有しており、これによって、複数のブロックの異なる部分における異なる温度が許容される。いずれの装置構成も、複数のペルティエ接合部又は負荷を利用することが可能であり、これらのペルティエ接合部又は負荷を使用して、温度の均一性の実現を支援することが可能である。
【０００５】
電流の両方の極性を提供するべく、熱電装置は、多数の電力コンポーネントを使用して電流の流れを制御している。これらの電力コンポーネントは、通常、あらゆるタイプの増幅器の構造の中で最も高価なコンポーネントである。更には、電力コンポーネントの数は、複数の熱電（ペルティエ）負荷を有することによって増大する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それゆえに、電力コンポーネントの数を最小限に抑えつつ、複数の負荷に対する電流を制御する回路、方法、及びシステムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明の実施態様は、スイッチングコンポーネントを共有する複数の負荷を有する装置に対して完全な電流制御を提供するように方向付けられた回路、方法、及びシステムを提供する。
【０００８】
本発明の典型的な実施例においては、回路は、（Ｎ＋１）個のハーフブリッジを有し、これらのハーフブリッジの各々は、第１スイッチ及び第２スイッチと、中央タップとを有する。又、回路は、Ｎ個のチャネルを有し、この場合に、Ｎは、２より大きい整数である。各々のチャネルに関しては、Ｋ番目のチャネルが、負荷と、Ｋ番目のハーフブリッジの中央タップに結合される第１端子と、（Ｋ＋１）番目のハーフブリッジの中央タップに結合される第２端子とを含むようになっている。各々のチャネルの負荷は、熱電素子を有することが可能である。ハーフブリッジのスイッチは、任意の時点において開路状態又は閉路状態になり、所定のスイッチ状態を形成することが可能である。ハーフブリッジのスイッチ状態は、電流が各々のチャネルを通して流れるか否かを決定すると共に、電流の極性を決定する。ここで、Ｋは、１〜Ｎの範囲の整数である。
【０００９】
本発明の一実施例においては、各々のハーフブリッジの第１スイッチは、第１電位に結合され、且つ、各々のハーフブリッジの第２スイッチは、第２電位に結合される。ハーフブリッジの各々のスイッチは、トランジスタを有することが可能である。トランジスタは、ダイオード動作により、逆電流の方向に対して保護されることが可能である。トランジスタは、金属酸化膜半導体（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電界効果トランジスタ（ＭＯＳ電界効果トランジスタとも呼ばれる）を含む多くのタイプからなるものであってよい。別の実施例においては、各々のチャネルは、充電可能な回路を含む。この充電可能な回路は、インダクタを有することが可能である。更に別の実施例においては、回路は、ハーフブリッジのスイッチを制御する制御回路を備える。
【００１０】
本発明の別の典型的な実施例においては、第１デューティサイクルの期間中の第１モードにおいて動作させるべく、ハーフブリッジの第１スイッチ及び第２スイッチを構成する方法が提供される。この方法は、第１スイッチが第１モードの少なくとも一部の期間において閉路状態となるように、第１信号をハーフブリッジの中の１つの第１スイッチに対して第１信号を送信する。又、この方法は、第２スイッチが第１モードの少なくとも一部の期間において閉路状態となるように、ハーフブリッジの中の他の１つの第２スイッチに対して第２信号を送信する。第１モードにおける第１及び第２スイッチの構成は、電流が各々のチャネルを通して流れるか否かを決定し、且つ、アクティブのチャネルを通して流れる電流の極性を決定する。回路の各々のチャネルが充電可能な回路を含む場合には、第１信号又は第２信号は、パルス幅変調信号であってよい。
【００１１】
一実施例においては、第１モードの各々のアクティブのチャネルの充電可能な回路が充電され、且つ、第１モードにおいて第１及び第２スイッチを構成するステップに続いて、ハーフブリッジのスイッチは、第１デューティサイクルの期間中の１つ又は複数の追加のモードにおいて動作させるべく構成される。第１モード及び後続のモードにおいて動作させるべく、ハーフブリッジの第１及び第２スイッチを構成するステップは、後続するデューティサイクルにおいて反復可能である。
【００１２】
別の実施例においては、第１モードは、第１チャネルを充電し、且つ、第２モードは、第１チャネルがフリーホイール（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌ）状態にあるときに、第２チャネルを充電する。フリーホイール状態は、アース、正電圧、又は負電圧の電位において生成されるものであってよい。第１チャネルがフリーホイール状態にあるときには、第１モードにおける第１チャネル内の電流の極性と同一の極性が、第２モードにおいて継続することが可能である。第１モードは、１つの極性において１つのチャネルを充電することが可能であり、且つ、第２モードは、反対の極性において、当該チャネルを充電することが可能である。又、第１モードが２つのチャネルを充電することも可能である。
【００１３】
更に別の実施例においては、１つのチャネルのみが１つのモードにおいて充電される。このモードにおいて第１及び第２スイッチを構成するステップは、ハーフブリッジの第２スイッチの全てを閉路状態において提供する段階と、第１モードにおいて動作させるべく、第１ハーブブリッジの第２スイッチを開路状態にすると共に第１スイッチを閉路状態にする段階と、Ｋ番目のモードにおいて動作させるべく、Ｋ番目のハーフブリッジの第２スイッチを開路状態にすると共に第１スイッチを閉路状態にする段階であって、各々のモードは、ゼロ又は有限の持続時間を有することが可能であるような段階と、（Ｎ＋Ｋ）番目のモードにおいて動作させるべく、Ｋ番目のハーフブリッジの各々の第２スイッチを閉路状態にすると共に各々の第１スイッチを開路状態にする段階とを含む。
【００１４】
本発明の更に別の典型的な実施例においては、システムは、回路と、回路を制御する論理部（ロジック）とを備える。システム又は論理部は、誤差回路、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバータ及びＤ／Ａ（デジタル／アナログ）コンバータ、メモリ用の記憶装置、発振器、及びスイッチドライバを有することが可能である。
【００１５】
図面及び特許請求の範囲の請求項を含む本明細書の残りの部分を参照することにより、本発明のその他の特徴及び利点を理解することができるであろう。以下、本発明の更なる特徴及び利点、並びに、本発明の様々な実施例の構造及び動作について、添付の図面に基づいて詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】単一の負荷又はチャネルを介して両方の極性において電流を送出する機能を有する熱電装置を示す回路図である。
【図２】複数のチャネルを有する熱電装置を示す回路図である。
【図３】本発明の実施例による複数のチャネルを有する熱電装置を示す回路図である。
【図４】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させる安定状態（ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ）モードにおいて全てのチャネルを加熱する様子を示す回路図である。
【図５】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させる安定状態モードにおいて全てのチャネルを冷却する様子を示す回路図である。
【図６】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させる安定状態モードにおいて、２つのチャネルを加熱し、且つ、１つのチャネルを冷却する様子を示す回路図である。
【図７】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させる安定状態モードにおいて、２つのチャネルを冷却し、且つ、１つのチャネルを加熱する様子を示す回路図である。
【図８Ａ】本発明の一実施例に従ってチャネルの充電及びフリーホイーリング（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｉｎｇ）を行うための異なるスイッチ状態を示す回路図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施例に従ってチャネルの充電及びフリーホイーリングを行うための異なるスイッチ状態を示す回路図である。
【図８Ｃ】本発明の一実施例に従ってチャネルの充電及びフリーホイーリングを行うための異なるスイッチ状態を示す回路図である。
【図８Ｄ】本発明の一実施例に従ってチャネルの充電及びフリーホイーリングを行うための異なるスイッチ状態を示す回路図である。
【図９】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させる時間スライス法を説明するためのフローチャートである。
【図１０Ａ】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させるときに発生する可能性がある３つの連続した安定状態モードを示す回路図である。
【図１０Ｂ】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させるときに発生する可能性がある３つの連続した安定状態モードを示す回路図である。
【図１０Ｃ】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させるときに発生する可能性がある３つの連続した安定状態モードを示す回路図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施例に従って１つのモードが複数のチャネルを充電する安定状態モードのシーケンスを示す回路図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施例に従って１つのモードが複数のチャネルを充電する安定状態モードのシーケンスを示す回路図である。
【図１２】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させるダブル・トラバース法を説明するためのフローチャートである。
【図１３Ａ】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させるときに発生する種々のスイッチ状態を示す回路図である。
【図１３Ｂ】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させるときに発生する種々のスイッチ状態を示す回路図である。
【図１３Ｃ】本発明の一実施例に従ってマルチチャネル熱電装置を動作させるときに発生する種々のスイッチ状態を示す回路図である。
【図１４】本発明の一実施例によるシステムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施例は、複数の負荷に対する電流の量及び極性を制御する回路、方法、及びシステムを提供する。本発明の実施例は、例えば、負荷を通して流れる電流の両方の極性を必要とする熱電クーラー／ヒートポンプにおいて有用である。１つの極性により、負荷は、１つの方向に対して熱を伝達し、別の極性により、反対方向に対して熱を伝達する。本発明の実施例は、特に、ＰＣＲサーマルサイクラー装置に有用である。
【００１８】
図１は、単一の負荷又は熱素子１１０を備える熱電装置１００を示す。熱電装置１００の上部端子は、正電圧（Ｖ＋）に接続されており、下部端子は、アースに接続されている。電圧は、値及び符号において変化可能であり、且つ、相対的な値を相互に比較することが可能である。４つのスイッチＱ１〜Ｑ４が、熱素子（ＴＥ）１１０を通して流れる電流の極性（方向）を制御する。スイッチがオン状態又は閉路状態になったときに、電流は、スイッチを通して流れるようになる。スイッチがオフ状態又は開路状態になったときには、電流は、スイッチを通して流れなくなる。
【００１９】
Ｑ１及びＱ２は、中央タップ１２０を有するハーフブリッジスイッチング構造を形成している。ＴＥ１１０の端子１３０は、中央タップ１２０に結合されている。Ｑ３及びＱ４は、中央タップ１４０を有する別のハーフブリッジスイッチング構造を形成している。ＴＥ１１０の端子１５０は、中央タップ１４０に結合されている。本明細書に使用されている「に結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｗｉｔｈ）」という用語は、結合対象の２つの素子の間に回路素子を介在させることを許容し、且つ、２つの回路素子の間の直接的な接続をも許容する。
【００２０】
２つのハーフブリッジ（すなわち、ハーフブリッジスイッチング構造）は、協働し、ＴＥ１１０を経由したいずれかの方向における電流の流れを許容するフルブリッジを形成する。Ｑ２及びＱ３が開路状態にある場合に、Ｑ１及びＱ４が閉路状態になったときには、電流は、左から右に流れ、この結果、ＴＥ１１０は加熱される。正確には、ＴＥ１１０は、ＴＥ１１０に近接したサンプル又は物体が加熱されるように、熱を伝達する。Ｑ１及びＱ４が開路状態にある場合に、Ｑ２及びＱ３が閉路状態になったときには、電流は、右から左に流れ、この結果、ＴＥ１１０は冷却される。加熱／冷却素子に対する電流の関係は、逆転可能であり、例えば、右から左への電流がＴＥ１１０を加熱することも可能である。又、加熱／冷却に対するスイッチの関係は、例えば、電圧端子に印加される電圧の極性又は電位差を反転させることにより、逆転させることも可能である。
【００２１】
複数のサンプル又は単一のサンプルの複数の部分の温度を制御するべく、更なる熱素子を使用することが可能である。図２は、各々が個別のＴＥ２１０、２１４、及び２１８を有する３つのチャネル２２０、２２４、及び２２８を備える熱電装置２００を示している。４つのスイッチＱ１〜Ｑ４は、チャネル２２０を通して流れる電流の方向を制御する。同様に、４つのスイッチＱ５〜Ｑ８は、チャネル２２４を通して流れる電流の方向を制御し、且つ、４つのスイッチＱ９〜Ｑ１２は、チャネル２２８を通して流れる電流の方向を制御する。
【００２２】
熱素子の各々は、相互に独立的に制御されることが可能である。したがって、各々のＴＥは、スイッチの構成に基づいて物体を冷却又は加熱するようにすることができる。又、装置２００の各々の熱素子は、前述の図１の熱電装置１００の場合と同様の方式によって制御される。熱電装置２００の欠点は、多数のスイッチであり、これらのスイッチは、しばしば、熱電装置の設計において最も高価なコンポーネントである。
【００２３】
図３は、本発明の一実施例による複数のチャネルを備える熱電装置３００を示している。各々が異なるチャネル内に位置する３つの熱素子３１０、３１４、及び３１８は、この場合には、ハーフブリッジのいくつかのものを共有している。例えば、ＴＥ３１０及びＴＥ３１４は、Ｑ３及びＱ４を含むハーフブリッジを共有し、ＴＥ３１４及びＴＥ３１８は、Ｑ５及びＱ６を含むハーフブリッジを共有している。したがって、熱電装置３００は、８つのスイッチＱ１〜Ｑ８のみを有し、これらのスイッチは、熱電装置２００よりも４つだけ少ない。
【００２４】
但し、熱電装置３００の動作は、１つのチャネルの動作が別のチャネルの動作に恐らくは影響を及ぼすということに起因して、熱電装置２００の動作よりも複雑である。４つのスイッチＱ１〜Ｑ４は、熱素子３１０を通して流れる電流の極性を直接的に制御する。但し、スイッチＱ３及びＱ４は、ＴＥ３１４を通して流れる電流の極性をも直接的に制御する。熱電装置３００の構成に起因し、Ｑ１及びＱ２は、全てのスイッチの設定に応じて、ＴＥ３１４を通して流れる電流の極性にも影響を及ぼす可能性がある。例えば、Ｑ１及びＱ６が閉路状態になり、且つ、Ｑ２〜Ｑ５が開路状態にある場合には、電流は、左から右にＴＥ３１４を通して流れることになる。その他のスイッチも、その他のＴＥとの関係において同様の状況となる。
【００２５】
熱電装置３００は、熱装置の一例にすぎず、且つ、本発明による熱装置は、２つのＴＥのみを、又は３つを上回る数のＴＥを備えることが可能であることを理解されたい。更には、スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＢＰＪＴ、その他のトランジスタ、複数のトランジスタの組み合わせ、ゲートターン−オフサイリスタ、又は任意のその他の適切なスイッチング装置であってよい。又、各々のスイッチは、例えば、ダイオード又は類似した保護を提供するその他の素子により、逆電流の方向に対して保護されることが可能である。
【００２６】
１つのモードにおける熱電装置３００の動作においては、相対的に高い電位に結合されるスイッチの中の１つ又は複数のものは、モードの少なくとも一部の期間において、オン状態又は閉路状態になり、且つ、相対的に低い電位に結合されるスイッチの中の１つ又は複数のものは、モードのこの部分の期間において、オン状態又は閉路状態になる。このスイッチ状態を構成する段階は、チャネルがアクティブであるか否か、すなわち、電流が流れるか否か、或いは、チャネルが非アクティブであるか否かを制御する。又、このスイッチ状態の構成は、チャネルが、チャネルを通して流れる電流の極性に基づいて加熱又は冷却するか否かをも決定する。このようなデューティサイクルにおいては、スイッチに送信される制御信号３８０が、スイッチの構成又は状態を制御する。
【００２７】
指定された極性によってアクティブのチャネルを制御する以外に、制御信号は、冷却／加熱の量をも制御する。このような制御は、一態様においては、１つのモードにおいてアクティブのスイッチをオン状態及びオフ状態にし、これによって、ＴＥを通して流れる電流を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって実現される。アクティブのスイッチとは、「オン」状態にあるもの、或いは、１つのモードにおいて、例えば、ＰＷＭ信号を介してアクティブに変化しているものである。デューティサイクルの期間において１つのモードしか存在しない場合には、このモードは、「安定状態（ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ）」モードと呼ばれ得る。このようにして、アクティブのスイッチは、１つのモードにおいて、ある時間の部分においてのみ、開路状態であることが可能であり、すなわち、チョッピング可能である。
【００２８】
ＰＷＭ信号内のパルスの幅は、サンプルの温度に基づいたフィードバックループ内の制御回路によって制御可能である。制御回路は、アナログ演算及び／又はデジタル演算を使用することが可能であり、且つ、プログラム可能なロジック（論理部）又は固定されたロジックを使用することが可能である。制御回路及びシステムについては、図１４との関係において更に後述する。
【００２９】
アクティブのチャネルを通して流れる均等な電流を促進するべく、チャネルは、ストレージ回路を有することが可能である。ストレージ回路は、スイッチが「オン」状態にあるときに、いくらかのエネルギー（電荷）を保存することが可能であり、且つ、スイッチが「オフ」状態にあるときに、エネルギーを放出することが可能である。例えば、インダクタ３０５を使用し、時間に対する平均電圧に対応した更に均等な電流の流れを生成することが可能である。各々のＴＥと関連した１つ又は複数のインダクタが存在可能であり、或いは、存在しなくてもよい。インダクタの代わりに、又はこのインダクタに加えて、負荷と並列のコンデンサ等のその他の回路素子を使用することも可能である。
【００３０】
図４〜図７は、本発明の一実施例に従って「安定状態」モードにおいて熱電装置３００を動作させるための種々の例を示している。図４は、ＴＥが全て加熱されるように、ＴＥ４１０〜４１８の全てが左から右への電流を有するモードを示している。スイッチＱ１及びＱ８は閉路状態にされる。その他のスイッチは、開路状態にあり、それゆえに、電流の通過を許容しない。したがって、電流は、経路４４０に沿って流れる。加熱のレベルは、スイッチＱ１又はＱ８のいずれか又はその両方を介して供給されるＰＷＭ信号によって制御可能である。例えば、Ｑ１がＰＷＭ制御信号を受信した場合には、Ｑ８は、このモードにおいて継続的に閉路状態にされることが可能である。又、電圧差を変更し、ＴＥを通して流れる電流を制御することも可能である。
【００３１】
図５は、全てのＴＥが冷却されるように、全てのＴＥ４１０〜４１８が右から左への電流を有するモードを示している。スイッチＱ７及びＱ２がオン状態にされる。その他のスイッチは、開路状態にあり、それゆえに、電流の通過を許容しない。したがって、電流は、経路５４０に沿って流れる。冷却のレベルは、スイッチＱ２及び／又はＱ７を介して供給されるＰＷＭ信号によって制御可能である。
【００３２】
「加熱」及び「冷却」の組み合わせも実現可能である。例えば、図６は、ＴＥ６１０及び６１４が加熱され、且つ、ＴＥ６１８が冷却されるモードを示している。スイッチＱ１、Ｑ７、及びＱ６がオン状態にされ、且つ、その他のスイッチは、オフ状態にされる。電流は、Ｑ１及びＱ６がアクティブであることから、ＴＥ６１０及び６１４を通して経路６４０に沿って流れる。又、電流は、Ｑ７及びＱ６がアクティブであることから、ＴＥ６１８を通して経路６５０に沿っても流れる。一実施例においては、スイッチＱ１及びＱ７は、個々のＴＥを通して流れる電流の量を制御する別個のＰＷＭ信号を受信し、且つ、Ｑ６は、継続的に閉路状態に維持される。したがって、スイッチＱ６は、ＰＷＭ信号により制御された素子であるスイッチＱ１及びＱ７からの電流を所定の方向に向ける。別個のＰＷＭ信号は、同一の又は異なる幅のパルスを有することが可能である。
【００３３】
図７は、ＴＥ７１０及び７１４が冷却され、且つ、ＴＥ７１８が加熱される状態を示している。スイッチＱ５、Ｑ２、及びＱ８は、オン状態にされ、且つ、その他のスイッチは、オフ状態にされる。電流は、Ｑ５及びＱ２がアクティブであることから、ＴＥ７１０及び７１４を通して経路７４０に沿って流れる。又、電流は、Ｑ５及びＱ８がアクティブであることから、ＴＥ７１８を通して経路７５０に沿っても流れる。一実施例においては、スイッチＱ２及びＱ８は、個々のＴＥを通して流れる電流の量を制御するために当該ＴＥを介して供給されるＰＷＭ信号を有し、且つ、Ｑ５は、継続的に閉路状態に維持される。したがって、スイッチＱ５は、ＰＷＭ信号により制御された素子であるスイッチＱ２及びＱ８を通して流れる電流を所定の方向に向ける。
【００３４】
追加の安定状態モードは、チャネルの負荷に対する電流を有しないモード、すなわち、非アクティブモードを含む。インダクタ等の充電可能な回路を含むいくつかの実施例においては、特定のモードは、非アクティブのチャネルを充電しない。非アクティブのチャネルの非充電は、ＴＥの周りの全てのスイッチがオフ状態にあるか又はＴＥの両方の端部が同一の電圧に結合されることに起因したものであってよい。後者の場合には、熱素子（負荷）は、フリーホイール状態になるであろう。
【００３５】
安定状態モードの動作においては、ＴＥ７１０が冷却され、ＴＥ７１４がオフ状態になり、且つ、ＴＥ７１８が冷却される等の利用可能ではない加熱及び冷却のいくつかのモードが存在する。又、安定状態モードの動作においては、隣接するチャネルは、同一の駆動信号に結合されることが可能であり、したがって、同じ速度において加熱又は冷却することが可能である。したがって、最大レベルの制御を実現することは不可能である。但し、一実施例による「時間スライス（ｔｉｍｅ−ｓｌｉｃｅ）」法は、これらの制限を解消する。
【００３６】
時間スライス法は、単一のデューティサイクルにおいて、複数の安定状態モード間を移動する。インダクタ３０５等のストレージ回路を利用して、ＴＥにおける適切な電流又は電圧を確保することが可能である。ＴＥと関連した各々のインダクタ３０５は、１つのモードにおいて特定の期間にわたって充電される。次いで、インダクタ３０５を有するチャネルは、別のチャネルが充電しているときに、別のモードにおいてフリーホイーリングを行うように設定することが可能である（例えば、両方の端子が同一電圧に結合される）。フリーホイール状態にあるときには、チャネルは、インダクタ内に保存されたエネルギーによって、同じ電流が継続的に流れるようにすることが可能である。
【００３７】
図８Ａは、インダクタ８０５及び負荷８１０の単一のチャネルに結合される４つのスイッチＱ１〜Ｑ４を示している。チャネルは、熱電装置３００等の本発明の実施例による装置の任意のチャネルであってよいであろう。図８Ａは、電流が正の極性において流れ、且つ、インダクタ８０５が正の極性において充電されるスイッチ状態を示している。
【００３８】
Ｑ１が開路状態になり、且つ、Ｑ２が閉路状態になった場合に結果的に得られるフリーホイール状態が、図８Ｄに示されている。この状態においては、インダクタ８０５内に保存された電荷（エネルギー）は、負荷８１０を通してアース８３０に放出され、これによって、正の極性において流れる電流を維持することになる。Ｑ４が開路状態になり、且つ、Ｑ３が閉路状態になった場合に結果的に得られるフリーホイール状態が、図８Ｃに示されている。この状態においては、インダクタ８０５内に保存された電荷は、この場合にも、閉路状態にされたスイッチＱ１及びＱ３によって形成されたループ内において負荷８１０を通して放出され、これによって、正の極性において流れる電流を維持することになる。この電流ループにおいては、スイッチは、いずれかの方向において導通することが可能であり、或いは、電流は、スイッチと並列のダイオード等のバイパスを通して反対方向に流れることも可能である。スイッチング時間（恐らくは、数百ナノ秒（ｎｓｅｃ））においては、必要に応じて、スイッチ装置の保護用ダイオードも電流を通過させることが可能である。
【００３９】
図８Ｂは、電流が負の極性において流れ、且つ、インダクタ８０５が負の極性において充電されるスイッチ状態を示している。Ｑ３が開路状態になり、且つ、Ｑ４が閉路状態になった場合に結果的に得られるフリーホイール状態が、図８Ｄに示されている。この状態においては、インダクタ８０５内に保存された電荷（エネルギー）は、負荷８１０を通してアース８４０に放出され、これによって、負の極性において流れる電流を維持することになる。Ｑ２が開路状態になり、且つ、Ｑ１が閉路状態になった場合に結果的に得られるフリーホイール状態が、図８Ｃに示されている。この状態においては、インダクタ８０５内に保存された電荷は、この場合にも、閉路状態にされたスイッチＱ１及びＱ３によって形成されたループ内において負荷８１０を通して放出され、これによって、負の極性において流れる電流を維持することになる。例えば、負荷８１０の右側に位置するもの等の更なるインダクタを使用することも可能である。
【００４０】
図９は、本発明の一実施例による参照符号３００等のマルチチャネル装置を動作させる時間スライス法９００を示している。方法９００は、１つのデューティサイクルの期間中の連続したモードにおいてマルチチャネル装置を動作させる。ステップ９１０において、第１の安定状態モード（第１モード）において動作させるように、マルチチャネル装置のスイッチを構成する。この第１モードにおいては、スイッチの中の１つ又は複数のものをＰＷＭ信号によって駆動することが可能である。第１モードにおいてマルチチャネル装置を動作させた後に、ステップ９２０において、第２の安定状態モード（第２モード）において動作させるように、マルチチャネル装置のスイッチを構成する。第２モードにおいて動作させた後に、ステップ９３０において、任意選択により、デューティサイクルの終了時点まで、更なる連続した安定状態モードにおいて動作させるように、マルチチャネル装置のスイッチを構成する。ステップ９４０においてデューティサイクルの終了時点に到達したら、方法９００は、反復される。このようにして、任意の加熱／冷却の構成の完全な制御を実現することが可能である。単一のデューティサイクルの時間は、一定であってもよく、或いは、デューティサイクルごとに変化させることも可能である。
【００４１】
チャネルが１つのモードにおいてアクティブである場合には、当該チャネルは、そのモードに対して専用であるデューティサイクルの少なくとも一部の期間にわたって充電される。１つのモードは、一揃いのチャネルを充電することが可能である。一揃いのチャネルは、全てのチャネル又は１つのチャネルを含むことが可能であり、或いは、場合によっては、チャネルを含まなくてもよい。但し、少なくとも１つのモードは、少なくとも１つのチャネルを充電するステップを伴う。非アクティブのチャネルは、別の一揃いのチャネルが充電されている間にフリーホイーリングを実行することが可能である。新しい加熱／冷却の配分が望ましくなった場合には、連続したモードの異なるシーケンスを利用することが可能である。
【００４２】
図１０Ａ〜図１０Ｃは、方法９００の一実施例に従って熱電装置３００を動作させるための３つの連続したモードを示している。図１０Ａは、ＴＥ３１０を有するチャネルが正の極性において充電されるスイッチ状態を有する第１モードを示している。一実施例においては、図９のステップ９１０は、このスイッチ状態に対応する。その他のＴＥ３１４及び３１８は、アースにおいてフリーホイーリングを行っている。熱電装置３００は、デューティサイクルの特定の割合に相当する期間にわたって、このモードにおいて動作する。一実施例においては、このモードに費やされる時間は、デューティサイクルの約３３％である。
【００４３】
図１０Ｂは、ＴＥ３１４を有するチャネルが負の極性において充電される第２モードを示している。一実施例においては、図９のステップ９２０は、このモードに対応する。ＴＥ３１０は、アースにおいてフリーホイーリングを行っている。ＴＥ３１８は、Ｖ＋（正電圧）においてフリーホイーリングを行っている。図１０Ｃは、ＴＥ３１８を有するチャネルが正の極性において充電される第３モードを示している。その他のＴＥ３１０及び３１４は、Ｖ＋（正電圧）においてフリーホイーリングを行っている。
【００４４】
この結果、熱電装置３００は、任意の望ましいレベルにおいて、左チャネルを加熱し、中央チャネルを冷却し、且つ、右チャネルを加熱するべく動作する。各々のチャネルを通して流れる電流は、各々のモードにおいてアクティブのチャネルに印加されるＰＷＭ信号に基づいて、その他のチャネルを通して流れる電流とは独立的に制御されることが可能である。
【００４５】
別の実施例においては、複数のチャネルが一度に充電される。例えば、図１１Ａ及び図１１Ｂは、１つのモードが複数のチャネルを充電する安定状態モードのシーケンスを示している。図１１Ａは、正の極性によって充電されるチャネル３２０と、負の極性によって充電されるチャネル３２８とを示している。チャネル３２４は、アースにおいてフリーホイーリングを行っている。このモードにおいては、スイッチＱ１及びＱ７をＰＷＭ信号によって駆動することが可能である。図１１Ｂは、負の極性によって充電されるチャネル３２４を示している。チャネル３２０は、アースにおいてフリーホイーリングを行っており、且つ、チャネル３２８は、Ｖ＋（正電圧）においてフリーホイーリングを行っている。この実施例においては、１つのデューティサイクルの期間中の２つのモードのみを使用して３つのチャネルを充電しており、各々のチャネルを通して流れる電流は、依然として、独立的に制御される。
【００４６】
様々なモードが任意の順序において発生することが可能である点に留意されたい。更には、３つを上回る数のモードが任意のデューティサイクルにおいて発生することも可能であろう。チャネルの数に基づいたデューティサイクル内のモード数に対する制限は存在しない。又、安定状態モードは、デューティサイクル内において複数回にわたって発生することも可能である。したがって、異なる安定状態モードの一部として、１つのチャネルを、１つのデューティサイクル内において複数回にわたって充電することが可能である。又、１つのデューティサイクルにおいて、１つのチャネルを、両方の極性において充電することも可能である。例えば、特定の電圧を実現するために、反対極性において充電することにより、ある程度の時間を費やすことが可能であろう。更には、装置は、デューティサイクルを設定しない状態において、但し、フィードバック情報に基づいて連続的に変更される状態において、動作させることも可能である。
【００４７】
一実施例においては、一度に１つのチャネルのみが充電され、且つ、充電されていない全てのセクションのチャネルは、フリーホイーリングを行っている。各々のチャネルは、１つのデューティサイクルの期間中に、そのフリーホイーリングの一部を＋Ｖ（正電圧）において実行し、そして、上記フリーホイーリングの一部をアースにおいて実行することが可能である。例えば、スイッチの「ダブル・トラバース（ｄｏｕｂｌｅ  ｔｒａｖｅｒｓｅ）」に対応した特定の順序において、連続した安定状態モードが発生することが可能である。高電圧ゲートのトラバース（ｔｒａｖｅｒｓｅ）と、これに続く低電圧ゲートのトラバースを実行することが可能である。
【００４８】
図１２は、本発明の一実施例に従って熱電装置３００等のマルチチャネル装置を動作させる「ダブル・トラバース」法１２００を示している。ステップ１２１０において、アースに結合されるスイッチ（いずれも偶数番号が付与されたスイッチ）を有する全てのハーフブリッジを閉路状態に設定し、且つ、更に高い電位に結合される全てのスイッチを開路状態に設定する。ステップ１２２０において、アースに結合されているスイッチを開路状態にし、且つ、スイッチを更に高い電位において閉路状態にすることにより、第１ハーフブリッジを更に高い電位に設定する。このモード及びその他のモードは、有限な期間にわたって、又はほぼゼロの時間にわたって、実行可能である。又、ステップ１２２０においては、各々の残りのハーフブリッジも、以前のモードが実行されている時間の終了まで待機した後に、順番に、更に高い電位の状態に設定する。
【００４９】
最後のハーフブリッジの更に高い電位への設定が完了したときに、ステップ１２３０において、ハーフブリッジを横切り、更に低い電位に設定する。このシーケンスは、負荷の制御が望ましい限り、反復可能であり、この場合に、待ち時間は、負荷において所望の電流を取得するように選択される。待ち時間、逆に言えば、モードの実行時間を調節し、各々のダブル・トラバースの長さを、時間に関する何らかの定数に等しくなるように維持することが可能である。一実施例においては、各々のチャネルは、実際に使用される製品が負荷の極性の変化を必要とするような粗い時間フレームにて動作する場合を除いて、１つの極性においてのみ充電される。
【００５０】
図１３Ａ〜図１３Ｃは、左チャネル及び右チャネルを加熱し、且つ、中央チャネルを冷却するためのダブル・トラバース法の異なる段階における熱電装置３００を示している。図１３Ａは、Ｑ１を閉路状態にし、且つ、Ｑ２を開路状態にすることにより、第１ハーフブリッジ１３１０の更に高い電位への設定が完了した後の熱電装置３００を示している。一実施例においては、このモードに費やされる時間は、デューティサイクルの約３３％である。この実施例においては、装置が４つのチャネルを備える場合には、各々のチャネルは、各々のチャネルを充電するために専用にデューティサイクルの約２５％を有することになるであろう。
【００５１】
図１３Ａのモードの後に、第２ハーフブリッジ１３２０が更に高い電位に設定される。このモードに費やされる時間は、約ゼロである。図１３Ｂは、第３ハーフブリッジ１３３０が更に高い電位に設定される次のスイッチモードを示している。正の極性において右チャネルを充電するために、このモードにおいては、かなりの時間が費やされる。その他のチャネルは、右チャネルの充電のときには、フリーホイーリングを行っている。
【００５２】
図１３Ｂのモードの後に、最後のハーフブリッジ１３４０が、更に高い電位に設定される。このモードに費やされる時間は、約ゼロである。又、第１ハーフブリッジ１３１０が、更に低い電位に設定されるが、このモードにおいても、大きな時間は費やされない。図１３Ｃは、第２ハーフブリッジが更に低い電位に設定される次のモードを示している。負の極性において中央チャネルを充電するために、このモードにおいては、かなりの時間が費やされる。図１３Ｃの後に、第３及び第４ハーフブリッジが、更に低い電位に設定されるが、いずれのモードにおいても、大きな時間は費やされない。この後に、上記のシーケンスを反復することが可能である。
【００５３】
図１４は、本発明の一実施例によるシステム１４００を示している。図示のシステムは、図３の熱電装置３００等のマルチチャネル装置１４１０を含む。図示のように、マルチチャネル装置１４１０は、２つのチャネルを備える。マルチチャネル装置１４１０は、その温度が制御対象であるサンプルを包含又は保持することが可能である。誤差回路１４２０は、マルチチャネル装置１４１０から温度信号を受信し、又は、マルチチャネル装置１４１０に熱的に結合されたサンプルから等価的に温度信号を受信する。一実施例においては、誤差回路１４２０は、サンプルの実際の温度を望ましい温度と比較する。これは、温度に対応した電圧の差を検知することにより、実現可能である。
【００５４】
論理モジュール（論理部）１４３０は、誤差信号を受信する。一実施例においては、アナログ／デジタルコンバータが、アナログ誤差信号をデジタル誤差信号の形式に変換する。論理モジュール１４３０は、コンピュータシステム、ＡＳＩＣ（特殊用途向け集積回路）、マイクロプロセッサ等であってよく、或いは、これらを含むことが可能である。又、この論理モジュール１４３０は、ディスプレイ（例えば、モニタ、ＬＥＤディスプレイ等）及びユーザー入力装置（例えば、マウス、キーボード、ボタン等）を含むことが可能であり、或いは、これらと結合されることが可能である。論理モジュール１４３０及びその他のコンポーネントは、スタンドアロン型のコンピュータシステム又はネットワークに接続されたコンピュータシステムの一部であってよい。或いは、上記の論理モジュール１４３０及びその他のコンポーネントは、サーマルサイクラーシステム又はサーマルサイクラー装置に直接的に取り付けるか又はこれらに内蔵させることも可能である。又、論理モジュール１４３０は、マイクロプロセッサ内において稼働する最適化ソフトウェアを含むことも可能である。
【００５５】
一実施例によれば、論理モジュール１４３０は、部分的にユーザー入力パラメータに基づいて本明細書に記述されているように回路及びスイッチを最適化及び制御する命令を含む。この命令は、好ましくは、メモリモジュール１４５０（例えば、ハード・ドライブ、或いは、ローカルのＲＡＭやＲＯＭ又は付属物のＲＡＭやＲＯＭ等のその他のメモリ）内にダウンロードされ且つ保存される。なお、この命令は、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ、ＤＶＤ等の任意のソフトウェア記憶媒体上において提供されることも可能である。本発明の態様を実施するためのコンピュータコードは、Ｃ、Ｃ＋＋、ジャバ（登録商法）（Ｊａｖａ（登録商標））、ビジュアル・ベーシック（Ｖｉｓｕａｌ  Ｂａｓｉｃ）、及びその他のもの等の様々なコーディング言語、又は、ＶＢスクリプト（ＶＢＳｃｒｉｐｔ）、ジャバ（登録商標）スクリプト（Ｊａｖａ（登録商標）Ｓｃｒｉｐｔ）、パール（Ｐｅｒｌ）等の任意のスクリプト言語、或いは、ＸＭＬ等のマークアップ言語において実現可能であることを理解されたい。更には、本発明の態様に従ってデータ及び命令の外部記憶、内部記憶及び伝送において様々な言語及びプロトコルを使用することが可能である。
【００５６】
又、論理モジュール１４３０は、ＰＷＭ信号を生成する発振器１４４０に結合されることも可能である。論理モジュール１４３０は、信号をスイッチドライバ１４６０に送信し、このスイッチドライバ１４６０は、制御信号をマルチチャネル装置１４１０のスイッチに送信する。この制御信号は、マルチチャネル装置１４１０が所望のとおりに加熱及び冷却されるように、スイッチを開路状態又は閉路状態にする。システム１４００は、必要に応じて回路間においてインターフェイスを実行するためのＡ／Ｄコンバータ又はＤ／Ａコンバータを有するアナログ及び／又はデジタル回路を含むことが可能である。スイッチング動作のための時点を識別するために、ゼロ以上のデジタルバイナリ加算器を通して、マスタデジタルバイナリタイムカウンタ（ｍａｓｔｅｒ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｂｉｎａｒｙ  ｔｉｍｅ  ｃｏｕｎｔｅｒ）をアナログ／デジタルコンバータのデジタル出力と比較することが可能である。回路は、プログラム可能なロジック又はアプリケーション固有のロジックを使用することが可能である。
【００５７】
上記の実施例は、熱電クーラー／ヒートポンプに関するものであったが、当業者は、装置の様々な部分に対して異なる極性を必要とするようなその他の応用製品における使用法を認識するであろう。１つの例は、電流を制御することによってトルクが制御されるブラシタイプ又はブラシレスタイプの３つの直流モーターを動作させるというものであろう。制御ループは、被駆動メカニズムの速度又は位置を監視し、且つ、電流プログラミング信号を供給することが可能であろう。別の例は、両方の極性を可能な状態において有することを必要とするような複数のバッチに対して、各々のバッチの個別のニーズに従って、並行的に作用する電気化学プロセスである。
【００５８】
一例として、且つ、特定の実施例の観点において、本発明について説明したが、本発明は、開示された実施例に限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明は、当業者にとって明らかであるように、前述の実施例等に加えて、様々な変更及び類似した構成を包含することを意図している。したがって、添付の特許請求の範囲に記載の請求項の範囲に関しては、上記のような全ての変更及び類似した構成を包含させるために、最も広範な解釈を行うことを要する。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年6月11日(2009.6.11)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、第１スイッチ及び第２スイッチと、中央タップとを有する（Ｎ＋１）個のハーフブリッジと、
Ｎ個のチャネルであって、Ｋ番目のチャネルは、負荷と、Ｋ番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第１端子と、（Ｋ＋１）番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第２端子とを含むようなＮ個のチャネルとを備える回路であって、
前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチの状態は、電流が各々のチャネルを通して流れるか否かを決定すると共に、前記電流の極性を決定し、この場合に、Ｋ及びＮは、整数であり、Ｎは、１より大きく、且つ、Ｋは、１〜Ｎの範囲内にあることを特徴とする回路。
【請求項２】
各々のハーフブリッジの前記第１スイッチは、第１電位に結合され、且つ、各々のハーフブリッジの前記第２スイッチは、第２電位に結合される請求項１記載の回路。
【請求項３】
各々のチャネルは、充電可能な回路を更に含む請求項１又は２記載の回路。
【請求項４】
各々のチャネルの前記負荷は、熱電素子を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の回路。
【請求項５】
回路を使用する方法において、
各々が、第１スイッチ及び第２スイッチと、中央タップとを有する（Ｎ＋１）個のハーフブリッジと、Ｎ個のチャネルであって、Ｋ番目のチャネルは、負荷と、Ｋ番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第１端子と、（Ｋ＋１）番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第２端子とを含むようなＮ個のチャネルとを備える回路を提供するステップであって、この場合に、Ｋ及びＮは、整数であり、Ｎは、１より大きく、且つ、Ｋは、１〜Ｎの範囲内にあるようなステップと、
前記第１スイッチが、第１デューティサイクルの期間中の第１モードの第１部分の期間において閉路状態となるように、前記ハーフブリッジの中の１つの前記第１スイッチに対して第１信号を送信するステップと、前記第２スイッチが、前記第１部分の期間において閉路状態となるように、前記ハーフブリッジの中の他の１つの前記第２スイッチに対して第２信号を送信するステップとにより、前記第１デューティサイクルの期間中の前記第１モードにおいて動作させるべく、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを構成するステップとを有しており、
前記第１及び第２スイッチを構成するステップは、電流が各々のチャネルを通して流れるか否かを決定すると共に、アクティブのチャネルを通して流れる前記電流の極性を決定することを特徴とする、回路を使用する方法。
【請求項６】
提供された前記回路の各々のチャネルは、充電可能な回路を更に含み、且つ、前記第１信号又は前記第２信号は、パルス幅変調信号である請求項５記載の方法。
【請求項７】
提供された前記回路の各々のチャネルは、充電可能な回路を更に含み、
前記方法は、更に、
前記第１モードの各々のアクティブのチャネルの前記充電可能な回路を充電するステップと、
第１モードにおいて前記第１及び第２スイッチを構成するステップに続いて、前記第１デューティサイクルの期間中の１つ又は複数の追加のモードにおいて動作させるべく、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを構成するステップとを有する請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記第１モードは、第１チャネルを充電し、且つ、前記第２モードは、前記第１チャネルがフリーホイール状態にあるときに、第２チャネルを充電する請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第１モードにおける前記第１チャネル内の電流の極性と同一の極性が、前記第２モードにおいて継続する請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記第１モードは、１つの極性において第１チャネルを充電し、且つ、前記第２モードは、反対の極性において前記第１チャネルを充電する請求項７記載の方法。
【請求項１１】
前記第１モードは、第１チャネルを充電し、且つ、第２チャネルを充電する請求項７記載の方法。
【請求項１２】
１つのモードにおいて、１つのチャネルのみが充電され、
前記第１デューティサイクルの期間中の前記第１モード及び前記追加のモードにおいて動作させるべく、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを構成するステップは、
前記ハーフブリッジの全ての前記第２スイッチを閉路状態に設定する段階と、
前記第１モードにおいて動作させるべく、第１ハーフブリッジの前記第２スイッチを開路状態にし、且つ、前記第１ハーフブリッジの前記第１スイッチを閉路状態にする段階と、
Ｋ番目のモードにおいて動作させるべく、Ｋ番目のハーフブリッジの前記第２スイッチを開路状態にし、且つ、前記Ｋ番目のハーフブリッジの前記第１スイッチを閉路状態にする段階であって、各々のモードは、ゼロ又は有限の持続時間を有することが可能であるような段階と、
（Ｎ＋Ｋ）番目のモードにおいて動作させるべく、Ｋ番目のハーフブリッジの各々の第２スイッチを閉路状態にし、且つ、前記Ｋ番目のハーフブリッジの各々の第１スイッチを開路状態にする段階とを含む請求項７記載の方法。
【請求項１３】
各々が、第１スイッチ及び第２スイッチと、中央タップとを有する（Ｎ＋１）個のハーフブリッジと、Ｎ個のチャネルであって、Ｋ番目のチャネルは、負荷と、Ｋ番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第１端子と、（Ｋ＋１）番目のハーフブリッジの前記中央タップに結合される第２端子とを含むようなＮ個のチャネルとを具備する回路であって、この場合に、Ｋ及びＮは、整数であり、Ｎは、１より大きく、且つ、Ｋは、１〜Ｎの範囲内にあるような回路と、
前記ハーフブリッジの中の第１のものである前記第１スイッチに閉路信号を送信するステップと、前記ハーフブリッジの中の第２のものである前記第２スイッチに閉路信号を送信するステップとにより、第１デューティサイクルの期間中の第１モードにおいて動作させるべく、前記ハーフブリッジの前記第１及び第２スイッチを構成する論理部とを備え、
前記第１および第２スイッチの構成は、電流が各々のチャネルを通して流れるか否かを決定すると共に、アクティブのチャネルを通して流れる前記電流の極性を決定するようになっていることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
前記システムは、更に、前記回路から前記論理部へのフィードバックループを備える請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
第１中央タップを有する第１ハーフブリッジスイッチング構造と、
前記第１中央タップに結合される第１端子を有する第１電気負荷と、
第２中央タップを有する第２ハーフブリッジスイッチング構造であって、前記第１電気負荷の第２端子は、前記第２中央タップに結合されるような第２ハーフブリッジスイッチング構造と、
前記第２中央タップに結合される第１端子を有する第２電気負荷と、
第３中央タップを有する第３ハーフブリッジスイッチング構造であって、前記第２電気負荷の第２端子は、前記第３中央タップに結合されるような第３ハーフブリッジスイッチング構造とを備える回路であって、
ハーフブリッジのスイッチ状態は、電流が各々の第１及び第２電気負荷に印加されるか否かを決定し、且つ、前記電流が印加された場合に前記電流の極性を決定することを特徴とする回路。
【請求項１６】
各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造の第１スイッチは、第１電位に結合され、且つ、各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造の第２スイッチは、第２電位に結合される請求項１５記載の回路。
【請求項１７】
各々がサンプル保持領域の温度を制御する少なくとも２つの熱素子と、
ａ）第１熱素子の第１端子に結合される第１中央タップを有する第１ハーフブリッジスイッチング構造と、ｂ）前記第１熱素子の第２端子及び第２熱素子の第１端子に結合される第２中央タップを有する第２ハーフブリッジスイッチング構造と、ｃ）前記第２熱素子の第２端子に結合される第３中央タップを有する第３ハーフブリッジスイッチング構造とを含む回路構成部と、
ハーフブリッジのスイッチ状態を制御する制御回路であって、前記ハーフブリッジのスイッチ状態は、電流が前記第１及び第２熱素子の各々に印加されるか否かを決定し、且つ、前記電流が印加された場合に前記電流の極性を決定するような制御回路とを備えることを特徴とするサーマルサイクラー。
【請求項１８】
各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造は、第１スイッチ及び第２スイッチを含み、この場合に、各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造の前記第１スイッチは、第１電位に結合され、且つ、各々の第１、第２及び第３ハーフブリッジスイッチング構造の前記第２スイッチは、第２電位に結合される請求項１７記載のサーマルサイクラー。
【請求項１９】
第１極性の電流が熱素子に印加されたときには、前記熱素子は、熱を前記サンプル保持領域に伝達し、且つ、前記第１極性と反対の極性の電流が前記熱素子に印加されたときには、前記熱素子は、熱を前記サンプル保持領域から取り去る請求項１７記載のサーマルサイクラー。
【請求項２０】
各々の熱素子は、印加された前記電流の極性に応じて、熱を前記サンプル保持領域に伝達したり熱を前記サンプル保持領域から取り去ったりするように構成されるペルティエ素子を有する請求項１７記載のサーマルサイクラー。
【国際調査報告】
2009537115.tif 000025