(57)【要約】【課題】ペルチェ素子を用い、周囲温度より高い温度で温度制御を行う温度安定化装置において、ペルチェ素子に対する入力電力の低減を図ることにより、省エネルギー化された温度安定化装置を提供する。【解決手段】光モジュール１において、半導体レーザー２は、ペルチェ素子７を構成する基板１４上に搭載され、ペルチェ素子７は、当該光モジュール１の設置される環境に応じた温度値に、導体レーザー２から発生する熱量を全ての熱電半導体エレメント１３の熱コンダクタンス値で除した値を加えた温度値が、半導体レーザー２に対して設定する目標の温度値よりも小さくなるように温度制御を行うことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルチェ素子により制御対象物の温度制御を行う温度安定化装置であって、
前記ペルチェ素子は、電気的に直列に接続された複数の熱電エレメントを有し、
前記制御対象物は、前記ペルチェ素子を構成する基板上に搭載され、
前記ペルチェ素子は、当該温度安定化装置の設置される環境に応じた温度値に、前記制御対象物から発生する熱量を全ての前記熱電エレメントの熱コンダクタンス値で除した値を加えた温度値が、前記制御対象物に対して設定する目標の温度値よりも小さくなるように温度制御を行うことを特徴とする温度安定化装置。
【請求項２】
それぞれの前記熱電エレメントは、平面視における断面の面積の平方根が、当該断面に対して直交する方向における長さよりも大きな形状からなることを特徴とする請求項１に記載の温度安定化装置。
【請求項３】
前記温度安定化装置が光モジュールであり、前記制御対象物が半導体レーザーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルチェ素子により温度を一定あるいは安定的に保つための温度安定化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペルチェ素子は、通電により冷却および加熱を行うことができる固体素子であり、その扱いのし易さから精密な温度制御に広く使われている。当該ペルチェ素子は、半導体理論に基づく電子および正孔の移動により熱の移動を行う素子であり、機械的な駆動部が無いために振動等が生じない。また、ペルチェ素子は、理論的に熱と電気の基本的法則に従う。つまり、ペルチェ素子は、電気の基本則であるオームの法則と同様に大きさに対して相似則に似た性質を有している。
【０００３】
上述した性質を備えるペルチェ素子は、各種装置の冷却、室温維持および発熱体の温度上昇防止などに用いられている。具体的には、ペルチェ素子は、大型装置では低騒音冷蔵庫、半導体製造設備の恒温装置やバイオ関係の精密温度制御装置などに使われており、小型装置では光通信における光源である半導体レーザーからなる光モジュールの精密温度制御や高感度ＣＣＤカメラのＣＣＤ冷却等に用いられている。
【０００４】
ところで、当該ペルチェ素子を用いた温度安定化装置の技術としては、以下のようなものがある。例えば、ペルチェ素子による厳密な温度制御がなされる光通信用の光モジュールなどでは、ペルチェ素子の温度制御面に半導体レーザーなどの発熱体が配置されており、精密かつ高速な温度制御を要求されるため、非常に高度な制御回路を駆使したものが知られている（例えば、特許文献１）。また、温度制御面と反対面での放熱性を高めるため、ペルチェ素子を構成する基板と光モジュールを構成するパッケージ本体を一体化するなどの工夫がなされたものが知られている（例えば、特許文献２）。
【０００５】
ここで、ペルチェ素子を用いた温度安定化装置では、一般に、使用可能な周囲温度の範囲を広げるための工夫がなされている。特に、高温側の温度範囲に対しては、より高い値が望まれているため、そのための工夫が重要である。たとえば、温度安定化装置としての光通信用光モジュールでは、搭載されている半導体レーザーの温度を通常、２５℃付近の室温でコントロールして使用されているが、半導体レーザーそのものの信頼性向上が進んだことにより、この設定温度を室温より高い温度としている例がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１６６８２９号公報
【特許文献２】特開２００４−２６６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような周囲温度より高い温度で温度制御を行う温度安定化装置では、ペルチェ素子に対する入力電力が嵩むという課題があった。そこで本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、ペルチェ素子を用い、周囲温度より高い温度で温度制御を行う温度安定化装置において、ペルチェ素子に対する入力電力の低減を図ることにより、省エネルギー化された温度安定化装置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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係わる温度安定化装置は、ペルチェ素子により制御対象物の温度制御を行う温度安定化装置であって、前記ペルチェ素子は、電気的に直列に接続された複数の熱電エレメントを有し、前記制御対象物は、前記ペルチェ素子を構成する基板上に搭載され、前記ペルチェ素子は、当該温度安定化装置の設置される環境に応じた温度値に、前記制御対象物から発生する熱量を全ての前記熱電エレメントの熱コンダクタンス値で除した値を加えた温度値が、前記制御対象物に対して設定する目標の温度値よりも小さくなるように温度制御を行うことを特徴とする。
【０００９】
この温度安定化装置は、基板によって挟まれ、かつ、電気的に各々接続されている複数の熱電エレメントから構成されるペルチェ素子によって、基板に接続されている制御対象物が温度制御される。そして、ペルチェ素子は、ペルチェ素子を構成する全熱電エレメントの熱コンダクタンス値をこの制御対象物から発せられる熱量で除した値が、制御すべき温度（制御対象物に対して設定する目標の温度値）と周囲温度（温度安定化装置の設置される環境に応じた温度値）との差より小さくなるように温度制御を行うので、ペルチェ素子の温度制御面の温度は、制御すべき温度より上昇することは限定的な場合となる。つまり、ペルチェ素子は、温度制御において、温度制御面への熱の供給、すなわち、加熱制御が主体となる制御形態をとる。この場合、ペルチェ素子からの熱の供給は、ペルチェ素子への電力供給による自己発熱とペルチェ素子の温度制御面側の基板と反対側の基板から集められる外部の熱によるため、非常に高い効率でなされ、温度制御面側の温度が制御温度を超えた場合においても、ペルチェ素子への電力供給を停止するか、若干の通電方向の反転による冷却のみで済むため、全体として非常に効率が高いものとなる。
【００１０】
また、本発明に係わる温度安定化装置は、それぞれの前記熱電エレメントは、平面視における断面の面積の平方根が、当該断面に対して直交する方向における長さよりも大きな形状からなることを特徴とする。
【００１１】
この温度安定化装置は、使用されるペルチェ素子を構成する個々のエレメントのペルチェ素子を構成する基板と平行な断面における断面積の平方根がこの断面に対して垂直方向における長さより大きいので、エレメント一本当たりの熱コンダクタンスを大きくすることができるので、全体としてエレメントの本数を減らすことが出来ると同時に、ペルチェ素子における相似則にしたがって、ペルチェ素子の大きさ、高さを小さくすることができ、装置全体の大きさを小さくすることができ、さらに、ペルチェ素子本体と温度制御面の基板の熱容量を小さくすることが出来るので温度制御速度を上げることでき、より精密な温度制御を行うことができる。
【００１２】
また、本発明に係わる温度安定化装置は、前記温度安定化装置が光モジュールであり、前記制御対象物が半導体レーザーであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、省エネルギー化され、温度制御性に優れた温度安定化装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る温度安定化装置である光モジュールの主要部の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る実施形態について、図を参照して説明する。
この実施形態では、温度安定化装置として、主たる発熱体となる半導体レーザー（制御対象物）を搭載した光モジュールを一例として述べる。
【００１６】
光通信用に用いられる光モジュールは、半導体レーザーから発せられる数十ｍＷから数Ｗ程度の熱による温度上昇を抑え、かつ発せられるレーザー光の波長を一定に保つために、半導体レーザーの温度に保つ必要がある。一般に、光モジュールを備えた通信設備は、通常作業を行うための温度（環境温度）である２５℃付近の環境下に設置され、半導体レーザーの温度（駆動温度）を２５℃から４０℃の範囲で一定に駆動させる。ここで、環境温度は、光モジュール１の設置される環境に応じた温度値であり、駆動温度は、半導体レーザー２に対して設定する目標の温度値である。
【００１７】
この実施形態では、環境温度２５℃で駆動する発熱量２００ｍＷ、駆動温度３５℃の半導体レーザーを搭載した光モジュールを例として述べる。
図１は、本発明の実施形態の温度安定化装置である光モジュールの主要部の縦断面を示す図である。
【００１８】
図１に示したように、光モジュール１は、主たる発熱源となる半導体レーザー２と、半導体レーザー２から発せられたレーザー光を受け、当該レーザー光の波長をモニターするためのフォトダイオード３と、温度をモニターし温度制御を行うためのサーミスタ４と、半導体レーザー２からのレーザー光を集光するためのレンズ５と、等の部品が熱伝導性の高い部材から構成されたキャリヤ６に実装される。光モジュール１は、さらに、このキャリア６を搭載したペルチェ素子７がパッケージ８に搭載された構成からなる。ここで、ペルチェ素子７は、Ｐ型熱電エレメントとＮ型熱電エレメントとからなる熱電半導体エレメント１３と、上部に半導体レーザー２が搭載される基板１４と、を含んで構成される。
【００１９】
また、キャリア６に搭載された各部品およびペルチェ素子７は、それぞれは配線９および配線１０によって端子１１に接続され、パッケージ８の外部との電気的な接続が可能な構造を有している。また、レンズ５を通過したレーザー光は、必要に応じて図示しないアイソレーター等の光学素子を介し、ウインドウ１２を通して光モジュール１の外部に取り付けられた光ファイバー（図示省略）に導かれるようになっている。
【００２０】
ここで、ペルチェ素子７を構成するビスマス・テルル系材料からなる熱電半導体エレメント１３は、図１における横方向に対して、Ｐ型熱電エレメントとＮ型熱電エレメントが交互に対をなして配置されており、電気的には直列に接続されている。なお、熱電半導体エレメント１３の材料として、Ｐ型熱電エレメントには、Ｐ型材料のゼーベック係数が２００μＶ／Ｋ、電気抵抗率が１ｍΩｃｍ、熱伝導率が１．１Ｗ／ｍＫのものを用いた。一方、Ｎ型熱電エレメントには、Ｎ型材料のゼーベック係数が１９０μＶ／Ｋ、電気抵抗率が１ｍΩｃｍ、熱伝導率が１．２Ｗ／ｍＫのものを使用した。
【００２１】
ここで、半導体レーザー２の温度は３５℃であり、環境温度は２５℃であるので、その温度差は１０Ｋである。そこで、ペルチェ素子７は、これらの物性値や条件を踏まえ、各エレメント１３の断面が０．５ｍｍ×０．５ｍｍ、高さが０．３ｍｍ、ＰＮの対の数が１５対、からなり、全エレメント１３の熱コンダクタンスが０．０２８８（Ｗ／Ｋ）であるものを搭載した。この時の各エレメント１３は、断面積の平方根が０．５ｍｍ，高さが０．３ｍｍであり、機械的強度が低いビスマス・テルル系熱電材料により構成されるエレメントに要求されるのに十分な強度を与えるものである。これにより、半導体レーザー２の発熱量２００ｍＷをペルチェ素子７の全エレメントの熱コンダクタンスで除した値は、６．９（Ｋ）となる。
【００２２】
これにより、この光モジュール１が接続される放熱器付通信機器の吸放熱能力が十分ある場合、このペルチェ素子７は、キャリア６が接続されている側（図１に示すペルチェ素子７の上側）において発熱駆動を行い、その反対面となるパッケージ８側（図１に示すペルチェ素子７の下側）において吸熱駆動を行う。すなわち、パッケージ８側において光モジュール１の外部から熱を吸収するので、光モジュール１の周辺温度は下がることとなる。
【００２３】
一方、光モジュール１が搭載されている通信機器全体では、種々の機器がその駆動により発熱しており、光モジュール１の周辺温度が環境温度より高くなる。このため、周辺温度と半導体レーザー２との温度差が小さくなるため、半導体レーザー２を加熱するためにペルチェ素子７へ投入する電力は小さくなる。
【００２４】
本実施形態の場合、周辺温度が２８℃付近となったときに、ペルチェ素子７への投入電流方向を変化させることとなる。すなわち、この温度付近において、ペルチェ素子７への投入電力を最小とすることができ、省エネルギー効果がもっとも大きくなる。
【００２５】
以上、本実施形態に係る温度制御装置の例であるペルチェ素子７を用いた光モジュール１において、ペルチェ素子７を構成するエレメント１３の熱コンダクタンスにより半導体レーザー２からの発熱量を除した値を、温度制御されるべき半導体レーザー２の駆動温度と光モジュール１が搭載される通信機器の設置される環境温度との温度差より小さくすることにより省エネルギー性に優れたものとすることができる。
【００２６】
そのため、ペルチェ素子７の温度制御面（図１に示す基板１４側の面）の温度は、制御すべき温度（半導体レーザー２の駆動温度）より上昇することが限定的となる。つまり、ペルチェ素子７は、温度制御において、温度制御面への熱の供給、すなわち、加熱制御が主体となる。この場合、ペルチェ素子７からの熱の供給は、ペルチェ素子７への電力供給による自己発熱と、ペルチェ素子７の温度制御面側の基板と反対側の基板（図１に示すペルチェ素子７の下側の基板）から集められる外部の熱と、によるため、非常に高い効率でなされる。また、光モジュール１は、温度制御面側の温度が制御温度を超えた場合においても、ペルチェ素子７への電力供給を停止するか、若干の通電方向の反転による冷却のみで済むため、全体として非常に効率が高いものとなる。
【００２７】
また、ペルチェ素子７は、各エレメント１３の断面積の平方根の値を高さの値よりも大きくすることにより強度に優れたものとなる。また、ペルチェ素子７は、エレメント１３の熱コンダクタンスにより、温度制御対象物からの発熱量を除した値を、温度制御されるべき温度制御対象物の駆動温度とこれが搭載される機器の設置される環境温度との温度差よりも小さくすることにより、省エネルギー性に優れたものとすることができる。
【００２８】
さらに、本実施の形態では、半導体レーザーの駆動温度と環境温度の差を１０Ｋとし、半導体レーザーの発熱量をペルチェ素子の熱コンダクタンスで除した値を６．９Ｋとしたが、搭載機器の発熱により周囲温度の上昇が大きい場合には、ペルチェ素子の熱コンダクタンスをより大きくすることにより、ペルチェ素子への投入電力を小さくすることが可能となる。
【００２９】
なお、本実施形態では、温度制御装置の例として光モジュールを挙げたが、適用範囲がこれにとどまる必要はないことは言うまでも無い。
【符号の説明】
【００３０】
１            光モジュール
２            半導体レーザー
３            フォトダイオード
４            サーミスタ
５            レンズ
６            キャリア
７            ペルチェ素子
８            パッケージ
９、１０      配線
１１          端子
１２          ウインドウ
１３          熱電半導体エレメント
１４          基板
【図１】
2013195018.tif 000003