(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源とグランドの間に直列接続された第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の素子間の接続点と、前記電源とグランドの間に直列接続された第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の素子間の接続点との間にペルチェ素子が接続され、Ｈブリッジを構成する前記第１から第４までのスイッチング素子を制御して前記ペルチェ素子の放熱側と吸熱側を切替えるように電流を流すペルチェ素子駆動装置であって、
前記ペルチェ素子に流す電流の方向を示す電流方向信号に従って前記第１のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の一方、または前記第３のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の一方に閉状態にする開閉信号を入力する第１の切替え回路と、
前記第１の切替え回路の前記開閉信号に従って、前記第１のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の一方を閉状態にした時に他方に、前記第３のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の一方を閉状態にした時に他方に、前記ペルチェ素子に流す電流量に従った前記スイッチング素子での電流を制御する電流量制御信号を入力する第２の切替え回路と、
前記第２の切替え回路と同じ構成および特性を有し、前記第１の切替え回路の前記開閉信号に従って該当スイッチング素子に前記開閉信号を入力する第３の切替え回路と、
を備えたペルチェ素子駆動装置。
【請求項２】
電源とグランドの間に直列接続された第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の素子間の接続点と、前記電源とグランドの間に直列接続された第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の素子間の接続点との間にペルチェ素子が接続され、Ｈブリッジを構成する前記第１から第４までのスイッチング素子を制御して前記ペルチェ素子の放熱側と吸熱側を切替えるように電流を流すペルチェ素子駆動方法であって、
前記ペルチェ素子に流す電流の方向を示す電流方向信号に従って前記第１のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の一方、または前記第３のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の一方に閉状態にするための開閉信号を第１の切替え回路から出力し、
前記第１の切替え回路の前記開閉信号に従って、前記第１のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の一方が閉状態にされた時に他方に、前記第３のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の一方が閉状態にされた時に他方に、第２の切替え回路の電流量制御信号を入力して、前記ペルチェ素子に流す電流量に従った前記スイッチング素子での電流を制御し、
前記第２の切替え回路と同じ構成および特性を有する第３の切替え回路により、前記第１の切替え回路の前記開閉信号に従って該当スイッチング素子に前記開閉信号を入力する、
ペルチェ素子駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば光通信で用いられるレーザダイオード等の温度を制御するペルチェ素子を駆動するペルチェ素子駆動装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信で用いられるレーザダイオード等の素子の温度制御には流す電流の方向によって放熱側と吸熱側が切り替わるペルチェ素子が用いられている。ペルチェ素子は半導体素子の両側を２枚の金属板で挟み、一方の金属板の両端間に直流電流を流すと、一方の金属板が放熱側、他方の金属板が吸熱側となり、流す電流の方向を反対にすると、放熱側と吸熱側が入れ替わる。ペルチェ素子の駆動装置には電流を双方向に流すことのできるようにＦＥＴ等のスイッチングデバイスを用いＨ型のブリッジを形成したものが多い。
【０００３】
このＨブリッジは、２つのスイッチング素子を電源−ＧＮＤ(グランド)間に直列に接続した２つの直列回路の、それぞれの直列回路のスイッチング素子間の接続点の間に橋渡しするようにペルチェ素子を接続して構成される。そして、一方の直列回路の電源側のスイッチング素子と他方の直列回路のＧＮＤ側のスイッチング素子だけを「閉」状態とすることでペルチェ素子に一方の方向に電流が流れ、各直列回路の反対側のスイッチング素子だけを「閉」状態とすれば、ペルチェ素子に反対方向の電流が流れる。電流の流れる方向により、間に半導体を挟んだ２枚の金属板の放熱側と吸熱側が切り替わる。
【０００４】
このようなＨブリッジの制御において吸熱から放熱、またその逆で放熱から吸熱に変化させる場合にスイッチング素子の切り替えを高速で行いたいという要求があるが、切り替えの時間的なずれによって、直列回路の直列接続された両方のスイッチング素子が同時に「閉」状態となってしまうことがあり、ペルチェ素子を通過しない貫通電流と呼ばれる電流が電源からＧＮＤに対して流れてしまう。Ｈブリッジはペルチェ素子の駆動効率を上げるために、電流経路及びＨブリッジを構成するスイッチング素子には低抵抗な部品が用いられるため、貫通電流量が大きくなってしまい、電源回路やＨブリッジを構成するスイッチング素子にダメージを与えてしまう。
【０００５】
従来、例えば、Ｈブリッジに接続されているペルチェ素子の両端の電位をそれぞれ測定して比較判定部に取り込み、電圧の絶対値及び差分を計算して貫通電流の有無を判断し、Ｈブリッジ駆動部にフィードバックしている。制御部は貫通電流が無くなるようにスイッチング素子の駆動タイミング等を制御することで、貫通電流対策を行っている(例えば下記特許文献１参照)。しかし、貫通電流の有無を判断しており、貫通電流を完全に防止することはできない。
【０００６】
また、貫通電流を完全に防止するためには、Ｈブリッジを構成するスイッチング素子を１つの制御信号で”たすき(襷)”状に駆動する方法がある(例えば下記特許文献２参照)。この解決方法では、ペルチェ素子に流れる電流の方向を決め貫通電流防止に効果があるが、ペルチェ素子に流れる電流量を任意に制御するためには、スイッチング素子の「開」「閉」を周期的に繰り返し、「開」と「閉」の比率(デューティ比)を変化させてペルチェ素子に流れる電流を制御するパルス幅制御(ＰＷＭ制御)が必要になる。しかしパルス幅制御を行うと周期的な信号を発生させるため、一種の雑音源となってしまい、精密な温度制御を阻害してしまう可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−５４０４２号公報
【特許文献２】特開２００４−８０９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のことから、雑音の発生等の弊害を伴うことなく、より厳格に貫通電流を防止するペルチェ素子駆動装置が要求されている。
【０００９】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、Ｈブリッジに流れる貫通電流を防止しつつ、雑音の少ない制御方式のペルチェ素子駆動装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、電源とグランドの間に直列接続された第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の素子間の接続点と、前記電源とグランドの間に直列接続された第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の素子間の接続点との間にペルチェ素子が接続され、Ｈブリッジを構成する前記第１から第４までのスイッチング素子を制御して前記ペルチェ素子の放熱側と吸熱側を切替えるように電流を流すペルチェ素子駆動装置であって、前記ペルチェ素子に流す電流の方向を示す電流方向信号に従って前記第１のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の一方、または前記第３のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の一方に閉状態にする開閉信号を入力する第１の切替え回路と、前記第１の切替え回路の前記開閉信号に従って、前記第１のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の一方を閉状態にした時に他方に、前記第３のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の一方を閉状態にした時に他方に、前記ペルチェ素子に流す電流量に従った前記スイッチング素子での電流を制御する電流量制御信号を入力する第２の切替え回路と、前記第２の切替え回路と同じ構成および特性を有し、前記第１の切替え回路の前記開閉信号に従って該当スイッチング素子に前記開閉信号を入力する第３の切替え回路と、を備えたペルチェ素子駆動装置等にある。
【発明の効果】
【００１１】
この発明では、Ｈブリッジに流れる貫通電流を防止しつつ、雑音の少ない制御方式のペルチェ素子駆動装置等を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１によるペルチェ素子駆動装置の構成図である。
【図２】ペルチェ素子に流す電流の制御を説明するための図である。
【図３】この発明の実施の形態２によるペルチェ素子駆動装置の構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３によるペルチェ素子駆動装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明によるペルチェ素子駆動装置等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１４】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるペルチェ素子駆動装置の構成図である。図１に示すようにＨブリッジＨＢは、それぞれ電源とグランド(ＧＮＤ)の間に直列接続された、第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２の素子間の接続点と、第３のスイッチング素子ＳＷ３と第４のスイッチング素子ＳＷ４の素子間の接続点と、の間にペルチェ素子ＰＥが接続されている。
【００１５】
図２はペルチェ素子に流す電流の制御を説明するための図である。ペルチェ素子ＰＥの２枚の金属板の一方に着目し、吸熱側(冷却時)とする場合には(この時他方の金属板は放熱側(加熱時)となる)、例えば(ａ)に示すように、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４を「閉」状態、スイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ２を「開」状態として、ペルチェ素子ＰＥに矢印で示す図面の左から右方向に電流を流す。また、放熱側(加熱時)とする場合には、(ｂ)に示すように、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４を「開」状態、スイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ２を「閉」状態として、ペルチェ素子ＰＥに矢印で示す図面の右から左方向に電流を流す。なおこの際、直列接続された例えばスイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ４が同時に「閉」状態となると、(ｃ)に示すように、ペルチェ素子ＰＥには流れない貫通電流が発生してしまう。
【００１６】
図１に戻り、制御部ＣＬにおいて、演算部ＣＯは、ペルチェ素子ＰＥの温度をモニタする温度センサＴＨ１から得られる温度状態から、ペルチェ素子ＰＥのモニタ温度と予め設定された目標温度の比較に基づいて、吸熱するかまたは放熱するかを判定し、またペルチェ素子ＰＥに流す電流量を演算する。
演算部ＣＯでは、モニタ温度と目標温度との大小関係から吸熱か放熱かを決定し、またモニタ温度と目標温度との差の大きさ(絶対値)からペルチェ素子に流す電流量を求める。
【００１７】
第１の駆動部ＣＤ１は、演算部ＣＯで決定された吸熱か放熱かに従って、スイッチング素子ＳＷの開閉を制御する電流方向信号を出力する。
第２の駆動部ＣＤ２は、演算部ＣＯで求められたペルチェ素子に流す電流量に従ったスイッチング素子での電流を制御する電流量制御信号を出力する。
なお、ペルチェ素子ＰＥとスイッチング素子ＳＷは直列接続されているため、両者に流れる電流は同じと考えることができる。
【００１８】
演算部ＣＯにおいて、モニタ温度と目標温度との差からペルチェ素子に流す電流量を求める場合、例えば、両者の間の関係式を予め設定しておいて使用してもよく、また演算部ＣＯがプロセッサからなる場合には、両者の間の関係を示すテーブル等をメモリに格納して使用してもよい。
また第２の駆動部ＣＤ２において、ペルチェ素子に流す電流量からスイッチング素子での電流量を制御する電流量制御信号(スイッチング素子に流す電流量を制御するためのスイッチング素子の制御端子に入力する信号)を求める場合も、両者の間の関係式を予め設定しておいて使用してもよく、また第２の駆動部ＣＤ２がプロセッサからなる場合には、両者の間の関係を示すテーブル等をメモリに格納して使用してもよい。
【００１９】
第１の切替え回路ＳＷ−Ｈは、吸熱と放熱を制御する第１の駆動部ＣＤ１よりもたらされた電流方向信号に従ってＨブリッジＨＢのスイッチング素子の「開」／「閉」を切り替える。
第２の切替え回路ＳＷ−Ｌは、ペルチェ素子ＰＥに流す電流に従ったスイッチング素子ＳＷでの電流を制御する第２の駆動部ＣＤ２より得られた電流量制御信号をＨブリッジＨＢを構成するどのスイッチング素子ＳＷに入力するか選択を行う。
【００２０】
次に動作について説明する。温度センサＴＨ１はペルチェ素子ＰＥ上の温度をモニタする。制御部ＣＬ内の演算部ＣＯは、温度センサＴＨ１から得られたモニタ温度と予め設定された目標温度との比較を行い、ペルチェ素子ＰＥを加熱するか冷却するか(すなわち対象の金属板を放熱側にするか吸熱側にするか)の判断と、ペルチェ素子ＰＥに流す電流量を決定する。演算部ＣＯは放熱かまたは吸熱かの判断を第１の駆動部ＣＤ１に出力すると同時に、ペルチェ素子ＰＥに流す電流量の情報を第２の駆動部ＣＤ２に出力する。
【００２１】
第１の駆動部ＣＤ１は、放熱かまたは吸熱を示す電流方向信号により第１の切替え回路ＳＷ−Ｈを操作して、ＨブリッジＨＢのペルチェ素子ＰＥに流す電流方向を操作する。第１の切替え回路ＳＷ−Ｈは、ＨブリッジＨＢを構成するスイッチング素子を「閉」状態にする開閉信号をスイッチング素子ＳＷ１またはスイッチング素子ＳＷ３の制御端子に入力する。この時、スイッチング素子を「閉」状態にする開閉信号をスイッチング素子ＳＷ１またはスイッチング素子ＳＷ３のどちらか一方に入力するように切り替えることで、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ３の両方が「閉」状態になることを防止する。
【００２２】
第１の切替え回路ＳＷ−Ｈは例えば図１に示すように、第１の駆動部ＣＤ１からの電流方向信号に従って、スイッチング素子を「閉」状態にする「Ｈ」レベルの開閉信号を、スイッチング素子ＳＷ１および第２の切替え回路ＳＷ−Ｌと、スイッチング素子ＳＷ３と、の間で切替えて入力するスイッチを有する。
【００２３】
第１の切替え回路ＳＷ−Ｈの開閉信号は第２の切替え回路ＳＷ−Ｌにも入力される。第２の切替え回路ＳＷ−Ｌは、第１の切替え回路ＳＷ−Ｈの開閉信号で「閉」状態にされたスイッチング素子ＳＷとペアになるスイッチング素子ＳＷの制御端子に第２の駆動部ＣＤ２からの電流量制御信号が入力されるように経路を切り替える。具体的には、実線で示すように、スイッチング素子ＳＷ１が「閉」状態にされた場合には、第２の駆動部ＣＤ２からの電流量制御信号がスイッチング素子ＳＷ４に入力されるように第２の切替え回路ＳＷ−Ｌが切り替わる。また、破線で示すように、スイッチング素子ＳＷ３が「閉」状態にされた場合には、第２の駆動部ＣＤ２からの電流量制御信号がスイッチング素子ＳＷ２に入力されるように第２の切替え回路ＳＷ−Ｌが切り替わる。
【００２４】
図１の構成の場合、第２の切替え回路ＳＷ−Ｌは、第１の切替え回路ＳＷ−Ｈの開閉信号が「Ｌ」レベルでスイッチング素子ＳＷ１が「開」状態であることを示す時に、スイッチング素子ＳＷ３が「閉」状態と判定して、電流量制御信号をスイッチング素子ＳＷ２に入力するように動作する。
【００２５】
第２の駆動部ＣＤ２は、演算部ＣＯで演算された電流量の情報を元に、ＨブリッジＨＢを構成するスイッチング素子の開閉の程度すなわちスイッチング素子が流す電流を操作する電流量制御信号を出力する。ＨブリッジＨＢを構成するスイッチング素子の開閉の程度を操作する情報すなわち電流量制御信号は、ペルチェ素子ＰＥを放熱状態または吸熱状態に切り替える電流の方向に応じて設定された第２の切替え回路ＳＷ−Ｌの経路に応じてＨブリッジＨＢのスイッチング素子ＳＷ４またはスイッチング素子ＳＷ２の制御端子に入力される。
【００２６】
スイッチング素子ＳＷ１が「閉」状態でスイッチング素子ＳＷ４の開閉の程度を操作する電流量制御信号が入力されている場合と、スイッチング素子ＳＷ３が「閉」状態でスイッチング素子ＳＷ２の開閉の程度を操作する電流量制御信号が入力されている場合の２つの状態が存在し、この２つの状態を操作することでペルチェ素子ＰＥに流れる電流方向および電流量が制御される。
【００２７】
以上の動作により、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４またはスイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ２のどちらかの組み合わせでしか同時に「閉」状態にならない回路を構成することで、スイッチング素子ＳＷ１からスイッチング素子ＳＷ２に、またはスイッチング素子ＳＷ３からスイッチング素子ＳＷ４に、ペルチェ素子ＰＥを通過しない貫通電流が発生することを防止でき、ペルチェ素子ＰＥに流れる電流量を制御する手法を実現している。
【００２８】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２によるペルチェ素子駆動装置の構成図である。図３では、図１に示した実施の形態１の装置に対して、第１の切替え回路ＳＷ−Ｈと第１の切替え回路ＳＷ−Ｈに制御されるスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３の間、および第１の切替え回路ＳＷ−Ｈと第２の切替え回路ＳＷ−Ｌの間に遅延器ＤＬ１，ＤＬ２，ＤＬ３がそれぞれ設けられている。すなわち第１の切替え回路ＳＷ−Ｈから出力される開閉信号に遅延を与え、その遅延量を操作することで、スイッチング素子ＳＷ１またはスイッチング素子ＳＷ３の開閉信号による開閉動作と、スイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ４の開閉の程度を操作する電流量制御信号の時間的な整合を取ることができる構成となっている。
【００２９】
すなわち例えば、スイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ２が「閉」状態にある放熱状態からスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４が「閉」状態にある吸熱状態に移行する際、不感帯を設けて、放熱状態と吸熱状態でのスイッチング素子ＳＷの「閉」状態の期間が重なることを防止することができる。
【００３０】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態２によるペルチェ素子駆動装置の構成図である。図４では、図３に示した実施の形態２と同じく制御信号の時間的な整合を確保する手法として、第２の切替え回路ＳＷ−Ｌと同じ構成および特性の第３の切替え回路ＳＷ−Ｈ２を、第１の切替え回路ＳＷ−Ｈとスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ３の間に挿入した。すなわち、第３の切替え回路ＳＷ−Ｈ２は、第１の切替え回路ＳＷ−Ｈの開閉信号に従って該当スイッチング素子ＳＷに開閉信号を出力する。特に第３の切替え回路ＳＷ−Ｈ２は第２の切替え回路ＳＷ−Ｌと同じ動作遅延特性を有する。
【００３１】
これにより遅延器の操作を行わなくても、放熱状態と吸熱状態との間の切替え動作において、切替え回路の上記動作遅延特性によりスイッチング素子ＳＷが「開」状態になって前の動作が完了した後に、第３の切替え回路ＳＷ−Ｈ２からの開閉信号と、第２の切替え回路ＳＷ−Ｌからの電流量制御信号を、ＨブリッジＨＢを構成するそれぞれ所定のスイッチング素子ＳＷに同時に入力できる。
【００３２】
なお上記各実施の形態では、ＨブリッジＨＢの電源側のスイッチング素子ＳＷで開閉信号によるペルチェ素子ＰＥに流す電流の方向、ＧＮＤ側のスイッチング素子ＳＷで電流量制御信号による電流量の制御を行っていたが、逆に、ＧＮＤ側のスイッチング素子ＳＷで開閉信号によるペルチェ素子ＰＥに流す電流の方向、電源側のスイッチング素子ＳＷで電流量制御信号による電流量の制御を行ってもよく、さらには一緒に駆動されるスイッチング素子ＳＷの組ごとに制御方法を変えてもよい。
【００３３】
また各スイッチング素子ＳＷは、ＦＥＴ形でもバイポーラ形でも、その他の種類のものであってもよい。
【符号の説明】
【００３４】
ＣＬ  制御部、ＣＯ  演算部、ＣＤ１  第１の駆動部、ＣＤ２  第２の駆動部、
ＨＢ  Ｈブリッジ、ＰＥ  ペルチェ素子、ＳＷ  スイッチング素子、
ＳＷ−Ｈ  第１の切替え回路、ＳＷ−Ｌ  第２の切替え回路、
ＳＷ−Ｈ２  第３の切替え回路、ＤＬ１，ＤＬ２，ＤＬ３  遅延器、
ＴＨ１  温度センサ。
【図１】
0006312089.tif 000002
【図２】
0006312089.tif 000003
【図３】
0006312089.tif 000004
【図４】
0006312089.tif 000005