(57)【要約】【課題】電流に含まれた交流成分を有効に利用できていないことを課題とする。【解決手段】電源装置と、熱電素子と、第１の平滑化器と、第２の平滑化器とを有し、第１、第２の平滑化器は、電源装置の出力電流を通電可能な状態で、電源装置と熱電素子との間にそれぞれ並列に配置接続され、電源装置の出力電流に含まれる交流成分を除去するものであって、電源装置の出力電流が、第１の平滑化器、熱電素子および第２の平滑化器の順に通電される場合に物体を加熱し、逆順に通電される場合に物体を冷却する温度制御装置であって、第１、第２の平滑化器の各々に並列に配置接続され、電源装置の出力電流が、第１の平滑化器、熱電素子および第２の平滑化器の順に通電される場合に、第１、第２の平滑化器を経由しないように迂回させ、逆順に通電される場合に、第２、第１の平滑化器を通電させる整流器をそれぞれ備える。【選択図】        図１
2009158814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源装置と、熱電素子と、第１の平滑化器と、第２の平滑化器とを有し、
第１の平滑化器および第２の平滑化器は、電源装置から出力される電流を通電可能な状態で、電源装置と熱電素子との間に、別個に配置接続され、電源装置から出力された電流に含まれる交流成分を除去するものであって、
電源装置から出力された電流が、第１の平滑化器、熱電素子および第２の平滑化器の順に通電される場合に、熱電素子に隣接された物体を熱電素子により加熱し、電源装置から出力された電流が、第２の平滑化器、熱電素子および第１の平滑化器の順に通電される場合に、熱電素子に隣接された物体を熱電素子により冷却することで、物体の温度を制御する温度制御装置であって、
前記第１の平滑化器および前記第２の平滑化器の各々に並列に配置接続され、電源装置から出力された電流が、第１の平滑化器、熱電素子および第２の平滑化器の順に通電される場合に、当該第１の平滑化器および当該第２の平滑化器を経由しないように迂回させ、電源装置から出力された電流が、第２の平滑化器、熱電素子および第１の平滑化器の順に通電される場合に、当該第２の平滑化器および当該第１の平滑化器を通電させる整流器をそれぞれ備えたことを特徴とする温度制御装置。
【請求項２】
第１の整流器および第２の整流器は、電源装置から出力された電流が、第１の平滑化器、熱電素子および第２の平滑化器の順に通電される場合に電気抵抗が小さくなり、電源装置から出力された電流が、第２の平滑化器、熱電素子および第１の平滑化器の順に通電される場合に電気抵抗が大きくなるＰＮ接合ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
【請求項３】
前記電源装置は、熱電素子に隣接された物体の熱時定数よりも小さな周期で電流を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物体の温度を制御する温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光通信用機器や、医療機器、車両に設置されたシートなど温度制御を要する物体の温度を制御する温度制御装置がある（特許文献１参照）。この温度制御装置について、図３および図４を参照しつつ、簡単に説明する。図３は、従来の温度制御装置の構成を説明するための図である。図４は、ペルチェ素子の構成を説明するための図である。
【０００３】
図３に示すように、従来の温度制御装置は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）と、第１のローパスフィルタと、第２のローパスフィルタと、ペルチェ素子とを有して構成される。ここで、第１のローパスフィルタおよび第２のローパスフィルタは、ＰＷＭから出力される電流を通電可能な状態で、ＰＷＭとペルチェ素子との間にそれぞれ配置接続され、ＰＷＭから出力された電流に含まれる交流成分を除去するものである。
【０００４】
そして、従来の温度制御装置は、図３の（Ａ）に示すように、ＰＷＭから所定の方向（例えば、Ｘ方向）に出力された電流が、第１のローパスフィルタ、ペルチェ素子および第２のローパスフィルタの順に通電される場合に、ペルチェ素子に隣接された物体をペルチェ素子により加熱する。
【０００５】
詳細に説明すると、従来の温度制御装置は、図４の（Ａ）に示すように、ペルチェ素子において、ＰＷＭから所定の方向（例えば、Ｘ方向）に出力された電流をｐ型下部電極、ｐ型半導体、上部電極、ｎ型半導体、ｎ型下部電極の順に通電させる。このとき、従来の温度制御装置は、ｐ型半導体における正孔およびｎ型半導体における電子によって下部基板を介して熱を吸収し、上部基板を介して熱を放出することで、上部基板に隣接された物体を加熱する。
【０００６】
さらに、ペルチェ素子の加熱効率について説明すると、Ｘ方向に流れる電流の大きさは、下記の式（１）で表わされる。ここで、「Ｉ」は、電流の大きさを表す。また、「Ｉ（０）」は、「Ｉ」における直流成分の大きさを表す。また、「Ａ（ｎ）」および「Ｂ（ｎ）」は、「Ｉ」における交流成分の係数を表す。また、「ｎ」は自然数を表す。また、「ω」は、角周波数を表す。また、「ｔ」は時間の長さを表す。また、「Σ」は、「ｎ」に対する級数を表す。また、「＊」は、乗算を表す。
【０００７】
【数１】
2009158814.tif 000003
【０００８】
このとき、下記の式（２−１）、式（２−２）および式（２−３）を含んだ式（２）が成立すると仮定することができる。ここで、「ｎ（１）」および「ｎ（２）」は、所定の自然数を表す。
【０００９】
【数２】
2009158814.tif 000004
【００１０】
式（１）を「ｔ」を「０（ゼロ）」から「Ｉ」の周期に比べて十分大きな「τ」まで積分し、式（２）を代入すると下記の式（３−１）、式（３−２）を含んだ式（３）を算出することができる。
【００１１】
【数３】
2009158814.tif 000005
【００１２】
また、ペルチェ素子における加熱量と、電流の大きさとの関係は、下記の式（４）で表される。ここで、「Ｑ（ｘ）」は、加熱量を表す。また、「Π（パイ）」は、ペルチェ係数を表す。また、「Ｓ」は、下部基板を介して熱を吸収し、上部基板を介して熱を放出するときの熱抵抗を表す。また、「ΔＴ」は、上部基板と、下部基板とにおける温度差を表す。また、「Ｒ」は、ペルチェ素子における電気抵抗を表す。
【００１３】
【数４】
2009158814.tif 000006
【００１４】
この式（４）において、「ｔ」を「０（ゼロ）」から「τ」まで積分すると、式（４）は、下記の式（５）に変形することができる。
【００１５】
【数５】
2009158814.tif 000007
【００１６】
さらに、式（５）に対して式（３）を代入すると、式（５）は、下記の式（６）に変形することができる。
【００１７】
【数６】
2009158814.tif 000008
【００１８】
この式（６）における右辺第３項は、交流成分によるジュール熱（電気抵抗に係る発熱）が含まれることを表している。つまり、ペルチェ素子により物体を加熱する場合に、Ｘ方向に流れる電流に含まれた交流成分は、加熱効率に寄与することを意味する。
【００１９】
一方で、従来の温度制御装置は、図３の（Ｂ）に示すように、ＰＷＭから所定の方向とは逆の方向（例えば、Ｙ方向）に出力された電流が、第２のローパスフィルタ、ペルチェ素子および第１のローパスフィルタの順に通電される場合に、ペルチェ素子に隣接された物体をペルチェ素子により冷却する。
【００２０】
詳細に説明すると、従来の温度制御装置は、図４の（Ｂ）に示すように、ペルチェ素子において、ＰＷＭから所定の方向とは逆の方向（例えば、Ｙ方向）に出力された電流をｎ型下部電極、ｎ型半導体、上部電極、ｐ型半導体、ｐ型下部電極の順に通電させる。このとき、従来の温度制御装置は、ｐ型半導体における正孔およびｎ型半導体における電子によって下部基板を介して熱を放出し、上部基板を介して熱を吸収することで、上部基板に隣接された物体を冷却する。
【００２１】
さらに、ペルチェ素子の冷却効率について説明すると、ペルチェ素子における吸熱量と、電流の大きさとの関係は、下記の式（７）で表される。ここで、「Ｑ（ｙ）」は、吸熱量を表す。
【００２２】
【数７】
2009158814.tif 000009
【００２３】
そして、ペルチェ素子の加熱効率について説明したときと同様に、式（７）は、下記の式（８）に変形することができる。
【００２４】
【数８】
2009158814.tif 000010
【００２５】
この式（８）における右辺第３項も、交流成分によるジュール熱が含まれることを表している。つまり、ペルチェ素子により物体を冷却する場合に、Ｙ方向に流れる電流に含まれた交流成分は、冷却効率を低下させることを意味する。
【００２６】
【特許文献１】特開平７−２０９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
ところで、上記した従来の技術は、電流に含まれた交流成分を有効に利用できていないという課題があった。すなわち、従来の温度制御装置ではローパスフィルタを備えた装置構成をとることが一般的であるので、電流に含まれる交流成分が除去されてしまい、加熱効率に寄与する交流成分を有効に利用できていないという問題点があった。
【００２８】
そこで、この温度制御装置は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、電流に含まれた交流成分を有効に利用することが可能な温度制御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】
【００２９】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、開示の温度制御装置は、電源装置と、熱電素子と、第１の平滑化器と、第２の平滑化器とを有し、第１の平滑化器および第２の平滑化器は、電源装置から出力される電流を通電可能な状態で、電源装置と熱電素子との間に、別個に配置接続され、電源装置から出力された電流に含まれる交流成分を除去するものであって、電源装置から出力された電流が、第１の平滑化器、熱電素子および第２の平滑化器の順に通電される場合に、熱電素子に隣接された物体を熱電素子により加熱し、電源装置から出力された電流が、第２の平滑化器、熱電素子および第１の平滑化器の順に通電される場合に、熱電素子に隣接された物体を熱電素子により冷却することで、物体の温度を制御する温度制御装置であって、前記第１の平滑化器および前記第２の平滑化器の各々に並列に配置接続され、電源装置から出力された電流が、第１の平滑化器、熱電素子および第２の平滑化器の順に通電される場合に、当該第１の平滑化器および当該第２の平滑化器を経由しないように迂回させ、電源装置から出力された電流が、第２の平滑化器、熱電素子および第１の平滑化器の順に通電される場合に、当該第２の平滑化器および当該第１の平滑化器を通電させる整流器をそれぞれ備えることを要する。
【００３０】
また、上記の温度制御装置において、第１の整流器および第２の整流器整流器は、電源装置から出力された電流が、第１の平滑化器、熱電素子および第２の平滑化器の順に通電される場合に電気抵抗が小さくなり、電源装置から出力された電流が、第２の平滑化器、熱電素子および第１の平滑化器の順に通電される場合に電気抵抗が大きくなるＰＮ接合ダイオードであることを要する。
【００３１】
また、上記の温度制御装置において、前記電源装置は、熱電素子に隣接された物体の熱時定数よりも小さな周期で電流を出力することを要する。
【発明の効果】
【００３２】
開示の温度制御装置によれば、電流に含まれた交流成分を有効に利用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る温度制御装置の実施例を詳細に説明する。なお、以下では、光通信機器に用いられる半導体レーザに搭載されたレーザ素子の温度を制御する温度制御装置にこの発明を適用した場合を実施例として説明する。
【実施例１】
【００３４】
以下の実施例１では、実施例１に係る温度制御装置の概要および特徴、温度制御装置の構成、温度制御装置の処理の流れを順に説明し、最後に実施例１の効果を説明する。
【００３５】
［実施例１に係る温度制御装置の概要および特徴］
まず最初に、図１を用いて、実施例１に係る温度制御装置の概要および特徴を説明する。図１は、実施例１に係る温度制御装置の概要および特徴を説明するための図である。
【００３６】
実施例１に係る温度制御装置は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）と、第１のローパスフィルタ（平滑化回路）と、第２のローパスフィルタと、ペルチェ素子とを有して構成される。ここで、第１のローパスフィルタおよび第２のローパスフィルタは、ＰＷＭから出力される電流を通電可能な状態で、ＰＷＭとペルチェ素子との間にそれぞれ配置接続され、電流に含まれる交流成分を除去するものである。
【００３７】
そして、実施例１に係る温度制御装置は、図１の（Ａ）に示すように、例えば、ＰＷＭからＸ方向に出力された電流が、第１のローパスフィルタ、ペルチェ素子および第２のローパスフィルタの順に通電される場合に、ペルチェ素子に隣接されたレーザ素子をペルチェ素子により加熱し、図１の（Ｂ）に示すように、例えば、ＰＷＭからＸ方向とは逆のＹ方向に出力された電流が、第２のローパスフィルタ、ペルチェ素子および第１のローパスフィルタの順に通電される場合に、ペルチェ素子に隣接されたレーザ素子をペルチェ素子により冷却することで、レーザ素子の温度を制御することを概要とする。
【００３８】
このような概要の下、実施例１に係る温度制御装置は、第１のローパスフィルタに並列に配置接続された第１のダイオード（整流器）と、第２のローパスフィルタに並列に配置接続された第２のダイオードとをさらに備えて構成することを主たる特徴とする。
【００３９】
そして、実施例１に係る温度制御装置は、ＰＷＭからＸ方向に出力された電流が、第１のローパスフィルタ、ペルチェ素子および第２のローパスフィルタの順に通電される場合に、第１のローパスフィルタおよび第２のローパスフィルタを経由しないように迂回させ、ＰＷＭからＹ方向に出力された電流が、第２のローパスフィルタ、ペルチェ素子および第１のローパスフィルタの順に通電される場合に、第２のローパスフィルタおよび第１のローパスフィルタを通電させることができる。
【００４０】
具体的には、実施例１に係る温度制御装置は、図１の（Ａ）に示すように、ペルチェ素子に隣接されたレーザ素子を加熱するときには、ＰＷＭからＸ方向に出力された電流を、第１のダイオード、ペルチェ素子および第２のダイオードの順に通電させることで、加熱効率に寄与する交流成分をペルチェ素子に入力させる。
【００４１】
また、実施例１に係る温度制御装置は、図１の（Ｂ）に示すように、ペルチェ素子に隣接されたレーザ素子を冷却するときには、ＰＷＭからＹ方向に出力された電流を、第２のローパスフィルタ、ペルチェ素子および第１のローパスフィルタの順に通電させることで、冷却効率を低下させる交流成分をペルチェ素子に入力される電流から除去する。
【００４２】
このようなことから、実施例１に係る温度制御装置は、電流に含まれた交流成分を有効に利用することが可能である。
【００４３】
［温度制御装置の構成］
次に、図２を用いて、図１に示した温度制御装置１０の構成を説明する。図２は、温度制御装置１０の構成を示すブロック図である。図２に示すように、この温度制御装置１０は、ＰＷＭ２０と、第１のローパスフィルタ３１と、第２のローパスフィルタ３２と、第１のダイオード４１と、第２のダイオード４２と、ペルチェ素子５０とを備える。
【００４４】
このうち、ＰＷＭ２０は、電源装置から入力された電流を制御出力する。具体的には、ＰＷＭ２０は、レーザ素子を加熱する場合には、Ｘ方向から電流を出力する。また、ＰＷＭ２０は、レーザ素子を冷却する場合には、Ｙ方向から電流を出力する。
【００４５】
第１のローパスフィルタ３１は、ＰＷＭ２０から出力される電流を通電可能な状態で、ＰＷＭ２０と、ペルチェ素子５０との間に配置接続され、ＰＷＭ２０から出力された電流に含まれる交流成分を除去する。具体的には、第１のローパスフィルタ３１は、ＰＷＭ２０から出力され、Ｙ方向に流れる電流を受け付け、交流成分を除去し、ペルチェ素子５０に対して電力を出力する。
【００４６】
第２のローパスフィルタ３２は、ＰＷＭ２０から出力される電流を通電可能な状態で、ＰＷＭ２０と、ペルチェ素子５０との間に、第１のローパスフィルタ３１とは異なる流路によって配置接続され、ＰＷＭ２０から出力された電流に含まれる交流成分を除去する。具体的には、第２のローパスフィルタ３２は、ＰＷＭ２０から出力され、ペルチェ素子５０を通電したＹ方向に流れる電流を受け付け、交流成分を除去し、ＰＷＭ２０に対して電力を出力する。
【００４７】
第１のダイオード４１は、第１のローパスフィルタ３１に並列に配置接続され、ＰＷＭ２０からＸ方向に出力された電流が、第１のローパスフィルタ３１、ペルチェ素子５０および第２のローパスフィルタ３２の順に通電される場合に、第１のローパスフィルタ３１を経由しないように迂回させる。
【００４８】
具体的には、第１のダイオード４１は、ｐ型半導体およびｎ型半導体が接合されて構成されるＰＮ接合ダイオードなどであり、ＰＷＭ２０からＸ方向に出力された電流を受け付けた場合には、電気抵抗が小さく（低インピーダンス）なることで、Ｘ方向に流れる電流を通電しやすくなり、その結果、第１のローパスフィルタ３１を経由しないように電流を迂回させる。そして、第１のダイオード４１は、受け付けた電流をペルチェ素子５０に対して出力する。
【００４９】
一方では、第１のダイオード４１は、ＰＷＭ２０からＹ方向に出力された電流が、第２のローパスフィルタ３２、ペルチェ素子５０および第１のローパスフィルタ３１の順に通電される場合に、第１のローパスフィルタ３１を通電させる。
【００５０】
具体的には、第１のダイオード４１は、ＰＷＭ２０から出力され、ペルチェ素子５０を通電したＹ方向に流れる電流を受け付けた場合には、電気抵抗が大きく（高インピーダンス）なることで、Ｙ方向に流れる電流を通電しにくくなり、その結果、第１のローパスフィルタ３１を通電させる。
【００５１】
第２のダイオード４２は、第２のローパスフィルタ３２に並列に配置接続され、ＰＷＭ２０からＸ方向に出力された電流が、第１のローパスフィルタ３１、ペルチェ素子５０および第２のローパスフィルタ３２の順に通電される場合に、第２のローパスフィルタ３２を経由しないように迂回させる。
【００５２】
具体的には、第２のダイオード４２は、ペルチェ素子５０からＸ方向に出力された電流を受け付けた場合には、電気抵抗が小さく（低インピーダンス）なることで、Ｘ方向に流れる電流を通電しやすくなり、その結果、第２のローパスフィルタ３２を経由しないように電流を迂回させる。そして、第２のダイオード４２は、受け付けた電流をペルチェ素子５０に対して出力する。なお、第２のダイオード４２の電気抵抗が小さくなることは、ＰＷＭ２０からＸ方向に出力された電流がＰＷＭ２０に入力されるまでの電気抵抗を小さくし、Ｘ方向に流れる電流の交流成分を通電しやすくすることを意味する。
【００５３】
一方では、第２のダイオード４２は、ＰＷＭ２０からＹ方向に出力された電流が、第２のローパスフィルタ３２、ペルチェ素子５０および第１のローパスフィルタ３１の順に通電される場合に、第２のローパスフィルタ３２を通電させる。
【００５４】
具体的には、第２のダイオード４２は、ＰＷＭ２０からＹ方向に出力された電流を受け付けた場合には、電気抵抗が大きく（高インピーダンス）なることで、Ｙ方向に流れる電流を通電しにくくなり、その結果、第２のローパスフィルタ３２を通電させる。
【００５５】
ペルチェ素子５０は、ＰＷＭ２０から出力された電流が、第１のローパスフィルタ３１、ペルチェ素子５０および第２のローパスフィルタ３２の順に通電される場合に、隣接するレーザ素子を加熱し、ＰＷＭ２０から出力された電流が、第２のローパスフィルタ３２、ペルチェ素子５０および第１のローパスフィルタ３１の順に通電される場合に、隣接するレーザ素子を冷却することで、レーザ素子の温度を制御する。
【００５６】
具体的には、ペルチェ素子５０は、ＰＷＭ２０からＸ方向に出力され、第１のダイオード４１によって第１のローパスフィルタ３１を迂回した電流を受け付けた場合に、隣接するレーザ素子を加熱する。一方では、ペルチェ素子５０は、ＰＷＭ２０からＹ方向に出力され、第２のローパスフィルタ３２によって交流成分を除去された電流を受け付けた場合に、隣接するレーザ素子を冷却する。
【００５７】
［実施例１の効果］
上記したように、実施例１によれば、物体を加熱するときに、第１のローパスフィルタ３１を経由しないように電流を迂回させる結果、電流に含まれた交流成分を有効に利用することが可能である。
【００５８】
例えば、仮に、ＰＷＭ２０から５０％の出力でＸ方向に電流が出力されている場合には、上記式（６）の第３項に示した交流成分によるジュール熱（電気抵抗に係る発熱）と、直流成分によるジュール熱とが等しくなるため、加熱効率におけるジュール熱の寄与を２倍にするという効果を奏する。
【００５９】
さらに、仮に、加熱時におけるペルチェ素子５０の消費電力が「０．２Ｗ（ワット）」であり、上記式（６）の第３項において、「Ｒ＝５Ω（オーム）」であり、「Ｉ（０）＝０．２Ａ（アンペア）」である場合には、消費電力の約半分に相当するジュール熱を発生する交流成分を有効に利用することが可能であるという効果を奏する。
【実施例２】
【００６０】
さて、これまで実施例１について説明したが、本発明は上述した実施例以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、実施例２として、他の実施例を説明する。
【００６１】
例えば、実施例１では、ＰＷＭ２０と、第１のローパスフィルタ３１と、第２のローパスフィルタ３２と、ペルチェ素子５０とを有して構成される温度制御装置に、第１のダイオード４１と、第２のダイオード４２とをさらに備える場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第２のダイオード４２を備えず、第１のダイオード４１のみをさらに備え、第１のローパスフィルタ３１、ペルチェ素子５０および第２のローパスフィルタ３２の順に通電される電流が、第１のローパスフィルタ３１を経由しないように迂回させるようにしてもよい。
【００６２】
また、実施例１に係る温度制御装置では、交流成分を迂回させた結果、レーザ素子の温度がゆらぐ場合があるが、レーザ素子の熱時定数よりも小さな周期でＰＷＭ２０から電流を制御出力するようにすれば、レーザ素子の温度を繊細に制御することが可能である。
【００６３】
また、上記文書中や図面中で示した具体的名称や制御対象物などについては、特記する場合を除いて任意に変更することができる。また、図示した各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。例えば、図２に示した、第１のローパスフィルタ３１および第２のローパスフィルタ３２の構成や、図４に示した、ペルチェ素子５０の構成については図示のものに限られず、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
【００６４】
そして、上述してきた温度制御装置１０の構成は、あくまでも一実施形態に過ぎず、温度制御装置１０および温度制御装置１０が有する各構成要素のサイズを適宜変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】実施例１に係る温度制御装置の概要および特徴を説明するための図である。
【図２】温度制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】従来の温度制御装置の構成を説明するための図である。
【図４】ペルチェ素子の構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  温度制御装置
２０  ＰＷＭ
３１  第１のローパスフィルタ
３２  第２のローパスフィルタ
４１  第１のダイオード
４２  第２のダイオード
５０  ペルチェ素子
【図１】
2009158814.tif 000011
【図２】
2009158814.tif 000012
【図３】
2009158814.tif 000013
【図４】
2009158814.tif 000014