(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルチェ素子によって温度制御を実行する温度制御回路において、
ペルチェ素子へ供給する供給電圧を変化させるべくＦＥＴを有するスイッチング回路を備えたドライバ部と、
前記ドライバ部を、０Ｖ〜予め設定された所定電圧までは、所定電圧の電圧値を振幅とするパルス電圧のデューティー比を変更して供給電圧を出力させ、所定電圧〜定格電圧までは、各電圧に対応する直流電圧を供給電圧として出力させるように制御する制御部とを具備することを特徴とする温度制御回路。
【請求項２】
前記所定電圧は、前記定格電圧の１／３の電圧値となるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度を制御するための制御回路に関し、特にペルチェ素子を制御する温度制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で精密な温度制御ができる温度制御装置として、ペルチェ素子を用いた温度制御装置が一般的によく知られている。
ペルチェ素子は、２枚の異なる金属を接合し、この間に電流を流すことにより、一方の金属から他方の金属へ熱を移動させるペルチェ効果を利用した素子である。
【０００３】
特許文献１には、レーザーダイオードの温度制御を実行する温度制御装置が開示されている。この温度制御装置は、ペルチェ素子を用いており、ペルチェ素子の制御を温度制御部によって実行している。
特許文献１の温度制御部は、サーミスタによって温度制御対象となるレーザーダイオードの温度を検出し、この検出温度に基づいてペルチェ素子に印加する電圧を制御している。具体的には、サーミスタによる検出温度と目標温度との偏差の算出を演算処理回路で行い、さらに算出された偏差に応じて最適なペルチェ素子のオン時間を算出する。そして、ペルチェ素子のオン時間を複数に分割したパルス電圧をパルス生成回路が生成し、パルス生成回路によって生成されたパルス電圧によってペルチェ素子の制御を実行している。
【０００４】
また、特許文献２にもペルチェ素子を用いた温度制御装置が開示されている。この温度制御装置によれば、ペルチェ素子の制御は、温度検出部によって検出された温度データに基づいて、所定の通電期間通電するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１８９２号公報
【特許文献２】特開２００７−７９８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１及び特許文献２に開示されているように、従来のペルチェ素子の制御は、印加電圧を所定のパルス幅に分割し、目標温度に対してパルス幅を変更する、いわゆるＰＷＭ制御によって行われることが多い。
ＰＷＭ制御は、一般的にはＦＥＴなどを用いてＦＥＴを所定のタイミングでオンオフすることにより、所定周期のパルス電圧を得るようにしている。ペルチェ素子の温度を変更する場合には、デューティー比を変更することにより行われる。
【０００７】
しかし、ＰＷＭ制御されたパルス電圧によってペルチェ素子を制御する場合、０Ｖ〜定格電圧までの間全てをパルス電圧によって制御しようとすると、電圧が高い領域ではペルチェ素子が機械的に歪んでしまい、寿命が短くなってしまうとともに、破損や故障の原因となるという課題がある。
では、パルス電圧ではなく、直流電圧を用いて制御しようとする場合、制御回路としてＦＥＴを用いると、ドレイン−ソース間の電圧が飽和電圧以下の低い領域ではＦＥＴが動作しないという問題があった。すなわち、印加電圧が０Ｖ付近の低い領域では、温度コントロールが困難になってしまうという課題がある。
【０００８】
そこで本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、ペルチェ素子の機械的な歪みの発生を防止して長寿命化を図り、かつ低い電圧の領域でも良好に動作しうる温度制御回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる温度制御回路によれば、ペルチェ素子によって温度制御を実行する温度制御回路において、ペルチェ素子へ供給する供給電圧を変化させるべくＦＥＴを有するスイッチング回路を備えたドライバ部と、前記ドライバ部を、０Ｖ〜予め設定された所定電圧までは、所定電圧の電圧値を振幅とするパルス電圧のデューティー比を変更して供給電圧を出力させ、所定電圧〜定格電圧までは、各電圧に対応する直流電圧を供給電圧として出力させるように制御する制御部とを具備することを特徴としている。
この構成を採用することによって、０Ｖから所定電圧までの範囲では、パルス電圧のデューティー比を変更して供給電圧を生成している。このときのパルス電圧の電圧値は所定電圧の電圧値であるから、０Ｖ付近における低い電圧でＦＥＴを有するスイッチング回路を備えたドライバ部を制御しなくても良いので、ＦＥＴの動作の不安定な部分を使わないようにすることができる。
また、所定電圧から定格電圧までの範囲では、パルス電圧を供給電圧とするのではなく、直流電圧をペルチェ素子に印加させている。このようにすることで、定格電圧内における高電圧側ではパルス電圧を印加しないので、ペルチェ素子の機械的な歪みを生じさせないようにすることができる。このため、ペルチェ素子の破損や故障を防ぐことができる。
【００１０】
前記所定電圧は、前記定格電圧の１／３の電圧値となるように設定されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、例えば、定格電圧１５Ｖの場合には、０Ｖ〜５Ｖ又は０Ｖ〜−５Ｖの範囲では、振幅５Ｖ又は−５Ｖのパルス電圧のデューティー比を変更することによって、ペルチェ素子を制御する。そして、５Ｖ〜１５Ｖ又は−５Ｖ〜−１５Ｖの範囲では、その電圧値の直流電圧を供給して制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ペルチェ素子の機械的な歪みの発生を防止し、かつ低い電圧の領域でも良好に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る温度制御回路の概略の全体構成を示すブロック図である。
【図２】ペルチェ素子に供給する供給電圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る温度制御回路の全体構成を図１に示す。
なお、図１に示されている温度制御対象物、ペルチェ素子及び放熱器は、本発明の温度制御装置には含まれていない。
温度制御対象物５は、どのようなものであっても良いが、例えば理化学分野や半導体製造などに用いられる恒温槽などがある。温度制御対象物５には温度センサ８が設けられており、温度制御対象物５の温度を測定している。
ペルチェ素子６は、温度制御対象物５の温度を電子的に制御するための素子である。ペルチェ素子６自体は公知のものが採用される。
【００１４】
なお、ペルチェ素子６の一方の面には温度制御対象物５に当接しており、他方の面には、放熱器９が設けられている。温度制御対象物５を冷却方向に温度制御する場合において、ペルチェ素子６の他方の面は高温となるため、放熱器９を設けることが好ましい。放熱器９としては、図１に示したように、空冷の放熱フィンであってもよいし、又は水冷式であってもよい。なお、加熱方向に温度制御する場合であっても、放熱器９を設けることが好ましい。
【００１５】
温度制御回路１０は、温度コントローラ１２、ドライバ部１４及び直流電源１６を具備している。
温度コントローラ１２は、温度制御対象物５の実際の温度と目標温度に基づいて、目標温度に到達させるために、ペルチェ素子６の定格電圧に対して何％の供給電圧を供給させるかを算出する。
具体的には、温度コントローラ１２には、ＡＤコンバータ２１、ＣＰＵ２２及び目標温度入力部２３が設けられている。ＡＤコンバータ２１には、温度センサ８で測定された温度データが入力される。ＡＤコンバータ２１は、アナログ値で入力された温度データをデジタル値に変換する。目標温度入力部２３は、タッチパネルまたは操作盤として操作者が目標温度を入力可能な構成となっている。入力された目標温度は、ＣＰＵ２２に入力される。
【００１６】
ＡＤコンバータ２１でデジタル値に変換された温度データは、ＣＰＵ２２に入力される。ＣＰＵ２２では、ドライバ部１４からペルチェ素子６へ出力する供給電圧を決定する。供給電圧の決定は、ＣＰＵ２２が、目標温度入力部２３から入力された目標温度と、測定された温度データとを比較し、ＰＩＤ制御により供給電圧値を決定する。ＣＰＵ２２は、決定した供給電圧値を制御信号としてドライバ部１４へ出力する。
【００１７】
ドライバ部１４は、ペルチェ素子６の両面のいずれか一方側に接続して供給電圧を供給する第１スイッチング回路３０と、ペルチェ素子６の他方側に接続して供給電圧を供給する第２スイッチング回路３２とを有している。
第１スイッチング回路３０は、ＰチャネルＦＥＴ２６のドレインと、ＮチャネルＦＥＴ２８のドレインとを接続して構成されている。ＰチャネルＦＥＴ２６のドレインとＮチャネルＦＥＴ２８のドレインとの間からペルチェ素子６の一方側に接続ライン３１が接続されている。接続ライン３１によって、ペルチェ素子６の一方側に供給電圧が供給される。
【００１８】
第２スイッチング回路３２も、第１スイッチング回路３０と同じ構成を有している。すなわち、第２スイッチング回路３２は、ＰチャネルＦＥＴ２７のドレインと、ＮチャネルＦＥＴ２９のドレインとを接続して構成されている。ＰチャネルＦＥＴ２７のドレインとＮチャネルＦＥＴ２９のドレインとの間からペルチェ素子６の他方側に接続ライン３３が接続されている。接続ライン３３によって、ペルチェ素子６の他方側に供給電圧が供給される。
【００１９】
ドライバ部１４には、温度コントローラ１２からの制御信号を受信し、これに基づいて第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２を制御する制御部３６が設けられている。
そして、制御部３６は、第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２の各ＦＥＴのゲートに印加するゲート電圧を出力することによって各ＦＥＴのオンオフを実行することができる。
また、制御部３６は、直流電源１６へ直流電圧の出力可変指示信号を出力する。直流電源１６は、直流電圧の出力可変指示信号に基づいて、第１スイッチング回路３０と第２スイッチング回路３２のドレイン−ソース間に所定の直流電圧を供給している。
このような制御部３６の動作は、予めＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ３８に記憶された制御プログラムＰ１に基づいて実行される。
【００２０】
直流電源１６は、商用電源ＡＣ１００Ｖ又はＡＣ２００Ｖを入力して、所定の直流電圧を出力することができる電源装置である。
【００２１】
次に、制御部３６の制御動作を説明する。
図２には、ペルチェ素子６の動作電圧（供給すべき電圧）に対する、ペルチェ素子６へ実際に供給する供給電圧の関係を示している。このグラフは、横軸がペルチェ素子の動作電圧（供給すべき電圧）であり、縦軸が実際の供給電圧を示している。図２では、具体的には定格電圧−１５Ｖ〜１５Ｖのペルチェ素子を制御する場合について示している。
ただし、本発明としては、ペルチェ素子の定格電圧を−１５Ｖ〜１５Ｖに限定するものではない。
【００２２】
図２に示すように、本実施形態の温度制御回路１０は、供給すべき電圧が０Ｖから予め設定された電圧までは、供給電圧として、振幅が予め設定された電圧値のパルス電圧をペルチェ素子６に供給する。
本実施形態では、予め設定された電圧として、±１５Ｖの１／３の値である±５Ｖとしている。したがって、０Ｖ〜±５Ｖの範囲では、振幅±５Ｖのパルス電圧をペルチェ素子６に供給している。
【００２３】
まず、例えば０Ｖ〜５Ｖの範囲の電圧値を供給電圧としてペルチェ素子６に供給する場合について説明する。
必要な供給電圧が０Ｖ〜５Ｖの範囲である場合、制御部３６は予め設定された５Ｖの電圧値の直流電圧を、第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２の各ドレイン−ソース間に入力させるように、直流電源１６に指示する。
直流電源１６は、５Ｖの直流電圧を第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２のドレイン−ソース間に入力する。
【００２４】
さらに制御部３６は、供給電圧がパルス電圧となるように、第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２へ、ゲート信号を出力する。ゲート信号のオンオフによって第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２がオンオフするので、振幅５Ｖのパルス電圧を生成できる。
また、ゲート信号のオンオフのタイミングによって、デューティ比が変更される。０Ｖ〜５Ｖの間でも、０Ｖに近い場合にはパルス電圧のオン時間を短く、オフ時間が長くなるように、デューティ比を変更する。５Ｖに近い場合には、パルス電圧のオン時間を長く、オフ時間を短くすることによって、パルス電圧での制御が実行される。
【００２５】
例えば、接続ライン３１を＋、接続ライン３３を−としたときに０Ｖ〜＋５Ｖの電圧を印加する場合には、制御部３６は、第１スイッチング回路３０のＦＥＴ２６をオンのままで制御し、ＦＥＴ２８はオフのままで制御する。一方、制御部３６は、第２スイッチング回路３２のＦＥＴ２７をオフのまま、ＦＥＴ２９を所定のタイミングでオンオフ制御する。このため、接続ライン３１と接続ライン３３との間に５Ｖのパルス電圧が印加される。
【００２６】
なお、０Ｖ〜−５Ｖの範囲の電圧値を供給電圧としてペルチェ素子６に供給する場合、制御部３６が第１スイッチング回路３０と第２スイッチング回路３２へゲート信号を出力する点は同様であるが、上述した０Ｖ〜＋５Ｖの場合から第１スイッチング回路３０と第２スイッチング回路３２の極性を切り換えて制御が行われる。
【００２７】
すなわち、接続ライン３１を＋、接続ライン３３を−としたときに０Ｖ〜−５Ｖの電圧を印加する場合には、制御部３６は、第１スイッチング回路３０のＦＥＴ２６をオフのままで、ＦＥＴ２８は所定のタイミングでオンオフ制御する。一方、制御部３６は、第２スイッチング回路３２のＦＥＴ２７をオンのままで制御し、ＦＥＴ２９をオフのままで制御する。このため、接続ライン３１と接続ライン３３との間に−５Ｖのパルス電圧が印加される。
【００２８】
また、０Ｖ〜−５Ｖの範囲の電圧値を供給電圧としてペルチェ素子６に供給する場合も、ゲート信号のオンオフのタイミングによって、デューティ比が変更される。０Ｖ〜−５Ｖの間でも、０Ｖに近い場合にはパルス電圧のオン時間を短く、オフ時間が長くなるように、デューティ比を変更する。−５Ｖに近い場合には、パルス電圧のオン時間を長く、オフ時間を短くすることによって、パルス電圧での制御が実行される。
【００２９】
このように動作電圧が０Ｖ〜±５Ｖの範囲では、振幅５Ｖのパルス電圧をペルチェ素子６に供給している。このため、ドライバ部１４の第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２の各ＦＦＴのドレイン−ソース間を飽和させた状態、すなわちＦＥＴが正常に動作できる状態となるので、ペルチェ素子６へ供給すべき電圧が低い場合であっても、温度コントロールを確実に実行できる。
【００３０】
次に、５Ｖ〜１５Ｖの範囲の電圧値を供給電圧としてペルチェ素子６に供給する場合について説明する。
必要な供給電圧が５Ｖ〜１５Ｖの範囲である場合、制御部３６は必要な電圧値の直流電圧を、第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２の各ドレイン−ソース間に入力させるように、直流電源１６に指示する。
直流電源１６は、指示された直流電圧を第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２のドレイン−ソース間に入力する。
【００３１】
さらに制御部３６は、直流電源１６からの電圧をそのままペルチェ素子６へ供給するように、第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２がオンの状態を維持するようゲート信号を出力する。すなわち、制御部３６は、第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路３２がオンしっぱなしとなるように、オンオフしないゲート信号を出力している。
これにより、５Ｖ〜１５Ｖの範囲では、ペルチェ素子６には、目標温度となるために必要な供給電圧を直流電圧として供給している。
【００３２】
例えば、接続ライン３１を＋、接続ライン３３を−としたときに５Ｖ〜１５Ｖの電圧を印加する場合には、制御部３６は、第１スイッチング回路３０のＦＥＴ２６をオンのまま、ＦＥＴ２８はオフのままで制御する。一方、制御部３６は、第２スイッチング回路３２のＦＥＴ２７をオフのまま、ＦＥＴ２９をオンのままで制御する。このため、接続ライン３１と接続ライン３３との間に５Ｖ〜１５Ｖの直流電圧が印加される。
【００３３】
なお、必要な供給電圧が−５Ｖ〜−１５Ｖの範囲である場合、制御部３６は上述した＋５Ｖの場合から第１スイッチング回路３０と第２スイッチング回路３２の極性を切り換えて制御が行われる。
【００３４】
すなわち、接続ライン３１を＋、接続ライン３３を−としたときに−５Ｖ〜−１５Ｖの電圧を印加する場合には、制御部３６は、第１スイッチング回路３０のＦＥＴ２６をオフのまま、ＦＥＴ２８はオンのままで制御する。一方、制御部３６は、第２スイッチング回路３２のＦＥＴ２７をオンのまま、ＦＥＴ２９をオフのままで制御する。このため、接続ライン３１と接続ライン３３との間に−５Ｖ〜−１５Ｖの直流電圧が印加される。
【００３５】
このように、予め設定した所定電圧から定格電圧までの間は、直流電圧でペルチェ素子６を制御している。もし、この間もパルス電圧で制御する場合には、ペルチェ素子６の機械的な歪みが大きくなってしまうが、オンオフしない直流電圧で制御することで、ペルチェ素子６への機械的な負担をかけることが無く制御できる。
【００３６】
なお、上述してきた実施形態では、温度コントローラ１２とドライバ部１４とを別体として説明してきた。しかし、温度コントローラ１２とドライバ部１４とを一体にした構成であってもよい。
さらに、温度コントローラ１２のＣＰＵ２２と、ドライバ部１４の制御部３６を別体にしなくてもよく、目標温度にするために供給すべき電圧値の算出・決定と、各スイッチング回路３０，３２の制御と、直流電源１６への指示とを全て１つの制御部で実行するようにしてもよい。
【００３７】
以上本発明につき好適な実施形態を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３８】
５     温度制御対象物
６     ペルチェ素子
８     温度センサ
９     放熱器
１０   温度制御回路
１２   温度コントローラ
１４   ドライバ部
１６   直流電源
２１   Ａ／Ｄコンバータ
２３   目標温度入力部
２６，２７   ＰチャネルＦＥＴ
２８，２９   ＮチャネルＦＥＴ
３０   第１スイッチング回路
３２   第２スイッチング回路
３１，３３    接続ライン
３６   制御部
３８   メモリ
Ｐ１   制御プログラム
【図１】
0005804382.tif 000002
【図２】
0005804382.tif 000003