JP2001336853A

JP2001336853A - ペルチェ素子の動作検出装置

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Publication number: JP2001336853A
Application number: JP2000161633A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Matsui; 一晃松井; Tetsuya Murata; 徹也村田; Noriaki Koyama; 典昭小山
Original assignee: RKC Instrument Inc
Current assignee: RKC Instrument Inc
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-12-07
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: JP3685005B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＰＷＭ信号に基づき動作中のペルチェ素子に
ついて、その動作状態を検出できるようにする。【解決手段】Ｈブリッジ回路１１はＰＷＭ信号に基づ
く切換信号の印加される複数のＦＥＴトランジスタで形
成する。ペルチェ素子１はそれらＦＥＴトランジスタ間
に接続し、流す駆動電流の方向によって加熱動作又は冷
却動作する。コントローラ２３は、センサ３および入力
部５を介して入力した測定値と設定値とからＰＷＭ制御
信号を出力する。ドライブ部９はそのＰＷＭ信号に基づ
き切換信号をＨブリッジ回路１１へ出力する。Ｈブリッ
ジ回路１１はこれに接続されたペルチェ素子１への駆動
電流方向を切換える。スイッチ部２７は、加熱動作時又
は冷却動作時にＰＷＭ信号における一定周期中の第１の
オフ期間でペルチェ素子の電位を入力する。検出部２９
は入力電位からペルチェ素子１のゼーベック電圧を検出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はペルチェ素子の動作
検出装置に係り、ペルチェ素子を用いて例えば半導体ウ
エハー等を加熱吸熱する温度制御装置に使用して好適す
る動作検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球温暖化を抑える観点から、フ
ロンガスの代替的加熱吸熱手段としてペルチェ素子が注
目されている。

【０００３】このペルチェ素子で制御対象を温度制御す
る温度制御装置としては、例えば図６に示すような構成
が提案されている。

【０００４】すなわち、ペルチェ素子１の近傍に温度測
定用のセンサ３を配置して入力部５に接続し、この入力
部５ではその測定温度に対応した測定値ＰＶとしての電
気信号をコントローラ７へ出力し、このコントローラ７
では設定値ＳＶとその測定値とを比較してその偏差を小
さくするような制御出力に基づいたＰＷＭ信号をドライ
ブ部９へ出力し、このドライブ部９ではそのＰＷＭ信号
に応じた切換信号を形成してＨブリッジ回路１１へ出力
する構成を有していた。

【０００５】このＨブリッジ回路１１は、Ｐチャネルお
よびＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１と
ＦＥＴ４、ＰチャネルおよびＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴ
トランジスタＦＥＴ３とＦＥＴ２を１対ずつ直列接続
し、ＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１とＦＥＴ４の
接続点とＦＥＴ３とＦＥＴ２の接続点の間にペルチェ素
子１を接続し、ドライブ部９からの切換信号によってＭ
ＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１とＦＥＴ２を同時に
オン／オフ動作させる時には、ＭＯＳ・ＦＥＴトランジ
スタＦＥＴ３とＦＥＴ４を同時にオフ／オン動作させる
ようになっている。

【０００６】このような温度制御装置では、コントロー
ラ７がペルチェ素子１による温度測定値ＰＶと設定値Ｓ
Ｖを比較し、制御対象に対する温度設定値ＳＶが制御対
象温度より高く、かつ例えば温度測定値ＰＶが設定値Ｓ
Ｖより低ければ、その偏差を小さくするような制御出力
に基づくＰＷＭ信号をドライブ部９へ出力し、ドライブ
部９がそのＰＷＭ信号に基づき、図７に示すように、Ｈ
型ブリッジ回路１１のＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥ
Ｔ１とＦＥＴ２をオン動作させる一方、ＭＯＳ・ＦＥＴ
トランジスタＦＥＴ３とＦＥＴ４をオフ動作させ、ペル
チェ素子１にＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１側か
らＦＥＴ２側へ駆動電流を流してこれを発熱動作させる
ことができる。

【０００７】他方、例えば制御対象に対する温度設定値
ＳＶが低く、かつ温度測定値ＰＶが設定値ＳＶを越えて
高ければ、コントローラ７がその偏差を小さくするよう
な制御出力に基づくＰＷＭ信号をドライブ部９へ出力
し、図７に示すように、ドライブ部９によってＨ型ブリ
ッジ回路１１のＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ３と
ＦＥＴ４をオン動作させる一方、ＭＯＳ・ＦＥＴトラン
ジスタＦＥＴ１とＦＥＴ２をオフ動作させ、ペルチェ素
子１にＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ３側からＦＥ
Ｔ４側へ駆動電流を流してこれを吸熱動作させることが
できる。

【０００８】従って、温度測定値ＰＶと設定値ＳＶの偏
差が小さくなるような制御出力に基づくＰＷＭ信号を出
力可能にコントローラ７を構成すれば、ペルチェ素子１
をある一定温度に制御可能となる。

【０００９】しかも、この温度制御装置では、ペルチェ
素子１へ流す駆動電流を切換えるスイッチ素子として、
抵抗性のオン導通損失を示すＭＯＳ・ＦＥＴトランジス
タＦＥＴ１〜ＦＥＴ４を用いるから、スイッチ素子とし
てパイポーラトランジスタを用いる構成に比べ、オン導
通損失が小さくなる利点がある。

【００１０】このような温度制御装置は、例えば図８に
示すように、ペルチェ素子１の吸熱面（冷却面）に被冷
却物としての熱負荷１３を当接し、発熱面側に熱交換機
１５を当接させ、タンク１７からポンプ１９、熱交換機
１５およびタンク１７をパイプ２１を介して連結して冷
却媒体を環流させ、ペルチェ素子１の発熱面側を適当に
冷却しながらペルチェ素子１の吸熱面（冷却面）の熱負
荷１３を効率良く冷却する構成としていた。

【００１１】なお、図８においては図６におけるペルチ
ェ素子１以外の図示は省略した。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ペルチ
ェ素子を用いた温度制御装置では、次のような課題を含
んでいる。

【００１３】すなわち、ペルチェ素子１の放熱側の熱伝
達特性が劣化した場合に放熱側の温度が上昇するが、ペ
ルチェ素子１には放熱面から冷却面への熱伝導が存在す
るから、それに伴って冷却側の温度も上昇し易く、上述
した図８のような一般的な利用構成では冷却側の温度が
設定温度よりも高くなり易い。

【００１４】このような場合、上述した温度制御装置で
は、センサ３による測定温度ＰＶを設定温度ＳＶに近づ
けるために、ペルチェ素子１を冷却するための駆動電流
を大きくする方向に制御されるが、放熱側の温度は熱伝
達特性の劣化のため上昇し易くなってから冷却側の温度
上昇も招くことになり、極端な場合には熱暴走を発生さ
せるおそれがある。

【００１５】特に、ペルチェ素子１が示すぺルチェ効果
は駆動電流に比例するのに対し、ペルチェ素子１が示す
ペルチェ抵抗によるジュール熱は駆動電流の２乗に比例
し、駆動電流を大きくすると放熱側および冷却側の温度
上昇の要因となり、熱暴走を促してしまうえ、ペルチェ
素子１の熱暴走を増大し易い。

【００１６】もっもと、ペルチェ素子１は、放熱面から
冷却面に生じる温度差に応じたゼーベック電圧が発生す
るから、このゼーベック電圧を検出できれば、ペルチェ
素子１の熱暴走を把握可能であるが、ペルチェ素子１の
一般的なドライブ方法である上述した直流ドライブで
は、駆動電圧を完全にオフしないと検出できず、一度、
印加電源をオフすると温度制御は乱れてしまう難点があ
った。

【００１７】また、多湿な環境でペルチェ素子１を吸熱
動作させると、周囲の環境が飽和水蒸気量を超えて結露
をおこしてペルチェ素子１にそれが付着し、ペルチェ素
子１の電極（図示せず）間をショートさせて動作を不確
実にさせる可能性があるし、ペルチェ素子１を熱サイク
ルの厳しい環境下で使用すると、ペルチェ素子１の熱収
縮による振動又は熱負荷の機械的な応力に起因してペル
チェ素子１と熱負荷１３間に空隙を生じ易くなり、ペル
チェ素子１の劣化を早める。

【００１８】さらに、ペルチェ素子１には、これに流す
駆動電流に比例して例えば吸熱流が増大せず、図９に示
すように、途中のある電流値Ｉｍにおいて最大吸熱流を
示す。

【００１９】そのため、電流値Ｉｍを越えるとペルチェ
素子１の吸熱力が減少するから、ペルチェ素子１の劣化
を防止して適切な温度制御を図る観点から、ペルチェ素
子１に流す駆動電流値を適宜測定することが好ましい。

【００２０】例えば、ペルチェ素子１をＰＷＭ信号に基
づいてドライブする場合、誤って負荷電源電圧がＩｍに
対応する電圧よりも大きく選択されていると、電源投入
時等においてＰＷＭ信号のディーティー比が１００％に
なると、負荷の実効電流がＩｍより大きくなってしま
い、温度制御が発散して過電圧となり、効果的な加熱吸
熱を確保で難くなるし、ペルチェ素子１の劣化を早め易
い。

【００２１】そのため、従来からペルチェ素子１を用い
た温度制御装置において、ペルチェ素子１の動作状態を
検出して熱暴走等の障害の検知を容易にするとともに、
ペルチェ素子１の劣化も抑えるための動作検出装置の提
供が求められていた。

【００２２】そこで、本発明者は、ペルチェ素子１の動
作に加えてペルチェ素子１を用いた温度制御装置につい
て鋭意研究した結果、ＰＷＭ信号に基づく切換信号によ
ってペルチェ素子に駆動電流を流す場合、１周期中にペ
ルチェ素子１に流す駆動電流のオン・オフ区間のある点
に着目するとともに、ペルチェ素子１に駆動電流を流さ
ないオフ区間おいて、ゼーベック効果に基づき温度差に
比例した起電圧が生じる点に着目して本発明を完成させ
た。

【００２３】本発明はそのような状況の下になされたも
ので、ＰＷＭ信号に基づく切換信号によって制御中のペ
ルチェ素子について、その動作状態の検出が可能な動作
検出装置の提供を目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】そのような課題を解決す
るために本発明の動作検出装置は、流す駆動電流の方向
によって制御対象を発熱又は吸熱動作するペルチェ素子
と、ＰＷＭ信号に基づく切換信号の印加されるゲート回
路を有する複数のＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタを有し、
それらＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタ間に接続されたペル
チェ素子へ流す駆動電流の方向を切換えるＨブリッジ回
路と、発熱動作時又は吸熱動作時にあってそのＰＷＭ信
号における一定周期中の第１のオフ区間でペルチェ素子
の電位を切換え入力するスイッチ部と、入力されたオフ
区間の電位からペルチェ素子のゼーベック電圧を検出す
る検出部とを具備している。

【００２５】そして、本発明では、上記発熱動作時又は
吸熱動作時にあってその一定周期中のオン区間でペルチ
ェ素子の電位を切換え入力する機能を有するよう上記ス
イッチ部を形成し、入力されたオン区間の電位からペル
チェ素子の負荷電圧を検出する機能を有するよう上記検
出部を形成することが可能である。

【００２６】また、本発明では、それら発熱動作時又は
吸熱動作時にあってその一定周期中における第１のオフ
区間と異なる第２のオフ区間において、上記ペルチェ素
子の電位を切換え入力する機能と、その第２のオフ区間
にペルチェ素子に所定の定電流を切換え入力する機能と
を有するよう上記スイッチ部を形成し、入力された第２
のオン区間の電位および定電流からペルチェ素子の抵抗
を検出する機能を有するよう上記検出部を形成すること
が可能である。

【００２７】さらに、本発明では、それら発熱動作時又
は吸熱動作時にあってその一定周期中におけるそれら第
１および第２のオフ区間と異なる第３のオフ区間で、そ
のＨブリッジ回路に印加された電源電圧を切換え入力す
る機能を有するよう上記スイッチ部を形成し、入力され
たその電源電圧を検出する機能を有するよう上記検出部
を形成可能である。

【００２８】さらにまた、本発明では、ＮチャネルＭＯ
Ｓ・ＦＥＴトランジスタを組合せて上記Ｈブリッジ回路
を形成し、それらＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタの各ゲー
ト回路を流れる信号が前段側へ帰線を介して回帰される
よう当該ＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタを接続構成するこ
とが好ましい。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。なお、従来例と共通する部分には
同一の符号を付す。

【００３０】図１は本発明に係る動作検出装置の実施の
形態を示すブロック図である。図１において、センサ３
は例えば熱電対等のような温度測定素子であり、後述す
る公知のペルチェ素子１又はペルチェ素子１で加熱冷却
する制御対象（図示せず。）の近傍に配置され、入力部
５に接続されている。

【００３１】入力部５は、センサ３とともに機能してそ
の温度測定値ＰＶとしての検出温度信号を出力するもの
で、コントローラ２３に接続されている。

【００３２】コントローラ２３は、例えばＰＩＤ演算す
る制御演算部およびＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ発生器
（いずれも図示せず。）を有してなり、入力部５からの
温度測定値ＰＶと所定の温度設定値ＳＶから、制御演算
部で例えばＰＩＤ演算してその偏差を小さくするように
制御出力量を出力し、これをＰＷＭ発生器にて制御出力
量をパルス幅信号（デューティー比）に変換したＰＷＭ
信号（２値コントロール信号）にして出力する機能を有
する。

【００３３】図２はコントローラ２３から出力されるＰ
ＷＭ信号を示しており、温度測定値ＰＶが設定値ＳＶを
越えて高い場合には、同図ＡおよびＢのように出力され
るデューティー比（ＯＮ期間）の小さいＰＷＭ信号であ
り、温度測定値ＰＶが設定値ＳＶを越えて低い場合に
は、同図ＣおよびＤのように出力されるデューティー比
（ＯＮ期間）の大きい２値信号である。

【００３４】なお、コントローラ２３においては、コン
トロール負荷率１００％を実質的負荷率９６％としたＰ
ＷＭ信号を出力するようになっており、以下、コントロ
ール負荷率で説明する。コントロール負荷率と実質的負
荷率の関係は、例えば図２のようになっている。

【００３５】コントローラ２３は、制御対象に対する温
度設定値ＳＶが制御対象の周囲温度よりも低く、かつ温
度測定値ＰＶが設定値ＳＶを越えて高い場合には、ＰＩ
Ｄ演算などの制御出力量を０％〜５０％の範囲とし、そ
の範囲においてＰＷＭ信号のデューティー比を１００％
〜０％としたＰＷＭ信号をドライブ部９に出力し、ペル
チェ素子１を吸熱動作させるような機能を有している。

【００３６】一方、制御対象に対する温度設定値ＳＶが
制御対象の周囲温度よりも高く、かつ温度測定値ＰＶが
設定値ＳＶよりも低い場合には、ＰＩＤ演算などの制御
出力量を５０％〜１００％の範囲とし、その範囲におい
てＰＷＭ信号のデューティー比を０％〜１００％とした
ＰＷＭ信号をドライブ部９に出力し、ペルチェ素子１を
発熱動作させるような機能を有している。

【００３７】コントローラ２３は、図３に示すように、
ＰＷＭ信号の１周期毎に、オフ区間を適当に３区間に分
割するとともにオン区間を加えた４区間の測定区間、
、、に分割し、各測定区間〜毎にスイッチ指
令信号を出力する機能を有している。

【００３８】このスイッチ指令信号は、ＰＷＭ信号のデ
ューティー比が変化する場合には、各測定区間〜も
それに伴って伸縮する。なお、このスイッチ指令信号の
詳細は後述する。

【００３９】ドライブ部９は、そのＰＷＭ信号のデュー
ティー比に応じてこれに対応した２値の切換信号を形成
する公知の回路構成を有しており、Ｈブリッジ回路１１
に接続されている。

【００４０】すなわち、上述した図７に示したように、
ペルチェ素子１を発熱動作させるときには、Ｈブリッジ
回路１１の後述するＦＥＴトランジスタＦＥＴ１および
ＦＥＴ２をオン動作させるような切換信号をそれらのゲ
ート回路へ出力し、ペルチェ素子１を吸熱動作させると
きには、後述するＦＥＴトランジスタＦＥＴ３およびＦ
ＥＴ４をオン動作させるような切換信号をそれらゲート
回路へ出力する機能を有している。

【００４１】Ｈブリッジ回路１１は、図４に示すよう
に、ＰチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１の
ドレイン（Ｄ）を電源Ｖｃに接続しソース（Ｓ）をＮチ
ャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ４のドレイン
（Ｄ）に接続し、ＰチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジス
タＦＥＴ３のドレイン（Ｄ）を電源Ｖｃに接続しソース
（Ｓ）をＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ
２のドレイン（Ｄ）に接続し、ＭＯＳ・ＦＥＴトランジ
スタＦＥＴ２とＦＥＴ４のソース（Ｓ）どうしを共通接
地して形成されており、ＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦ
ＥＴ１とＦＥＴ４の接続点とＦＥＴ３とＦＥＴ２の接続
点間にペルチェ素子１が橋絡するように接続されてい
る。

【００４２】なお、図４では、ドライブ部９と各ＭＯＳ
・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１〜ＦＥＴ４のゲートＧと
の接続状態の図示は省略した。

【００４３】図１に戻って符号２５は、ＭＯＳ・ＦＥＴ
トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ３その他、本発明の動作
検出装置を構成する部分や回路へ電源Ｖｃを供給する電
源部であり、符号２７はＨブリッジ回路１１に接続され
たスイッチ部である。

【００４４】スイッチ部２７は、図４に示すように、Ｍ
ＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ３のドレイ
ンＤに一端が接続されたスイッチ素子ＳＷ１と、ＭＯＳ
・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ４の接続点に一
端が接続されたスイッチ素子ＳＷ２と、ＭＯＳ・ＦＥＴ
トランジスタＦＥＴ３、ＦＥＴ２の接続点に一端が接続
されたスイッチ素子ＳＷ３と、ＭＯＳ・ＦＥＴトランジ
スタＦＥＴ２、ＦＥＴ４のソースＳに一端が接続された
スイッチ素子ＳＷ４と、ＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦ
ＥＴ３、ＦＥＴ２の接続点に一端が接続されたスイッチ
素子ＳＷ５とを有して形成されており、コントローラ２
３からのスイッチ指令信号によってオンオフ動作するよ
うになっている。

【００４５】スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４の他端は検出
部２９に接続されており、スイッチ素子ＳＷ５の他端は
定電流部３１を介して接地されている。

【００４６】これらスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ５は、コ
ントローラ２３からのスイッチ指令信号に基づき、図３
に示すように動作し、測定区間ではスイッチ素子ＳＷ
１とＳＷ４のみがタイミングをずらせてオン動作して他
がオフ動作し、測定区間〜では各々スイッチ素子Ｓ
Ｗ２とＳＷ３のみがタイミングをずらせてオン動作して
他がオフ動作するようになっており、測定区間ではス
イッチ素子ＳＷ２とＳＷ３とともにスイッチ素子ＳＷ５
も一緒にオン動作するようになっている。

【００４７】検出部２９は、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ
５のオン動作時に、ＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ
１〜ＦＥＴ４のドレインＤ、ソースＳの電圧を入力し、
ペルチェ素子１のゼーベック電圧、負荷電圧、ペルチェ
電圧および電源電圧を測定するものであり、測定結果を
表示部（図示せず。）へ出力表示させるとともに、所定
の基準値又は基準範囲と比較して基準値又は基準範囲を
はずれるとき、警報信号を警報部３３や表示部へ出力す
る機能を有している。

【００４８】すなわち、検出部２９は、スイッチ素子Ｓ
Ｗ１とＳＷ４がオン動作される測定区間では、ＭＯＳ
・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１とＦＥＴ４間（ＦＥＴ３
とＦＥＴ２間）の電圧Ｖ１とＶ４（図４参照）を測定
し、それら測定電圧Ｖ１とＶ４を用いてＶｃをＶｃ＝Ｖ
１−Ｖ４で算出する。

【００４９】スイッチ素子ＳＷ２とＳＷ３がオン動作さ
れる測定区間では、ペルチェ素子１の両端電圧Ｖ２、
Ｖ３を入力測定し、それら測定電圧Ｖ２、Ｖ３（図４参
照）を用いてゼーベック電圧ＶｚをＶｚ＝Ｖ２−Ｖ３で
算出する。なお、駆動電流の流れる方向によってゼーベ
ック電圧Ｖｚの符号が変る。

【００５０】スイッチ素子ＳＷ２、ＳＷ３およびＳＷ５
がオン動作される測定区間では、定電流部３１からの
定電流Ｉｄｃおよび定電流Ｉｄｃによるペルチェ素子１
の両端電圧Ｖ２、Ｖ３と測定区で測定されたゼーベッ
ク電圧Ｖｚとから、次式に基づいてペルチェ素子１の抵
抗値Ｒｐを算出する。Ｒｐ＝｜｛Ｖｚ−（Ｖ２−Ｖ３）／Ｉｄｃ｝｜但し絶
対値

【００５１】検出部２９は、スイッチ素子ＳＷ２、ＳＷ
３がオン動作される測定区間では、ペルチェ素子１の
両端電圧Ｖ２、Ｖ３を入力測定し、それら測定電圧Ｖ
２、Ｖ３を用いて発熱動作領域の負荷電圧ＶｐをＶｐ＝
Ｖ２−Ｖ３で算出するとともに、吸熱動作領域の負荷電
圧ＶｐをＶｐ＝Ｖ３−Ｖ２で算出する。

【００５２】次に、上述した本発明に係る動作検出装置
の動作を簡単に説明する。まず、センサ３からの測定信
号に基づき入力部５からコントローラ２３へ出力された
温度測定値ＰＶが設定値ＳＶより低く、ペルチェ素子１
を発熱動作させる場合を説明する。

【００５３】この場合、コントローラ２３は、温度測定
値ＰＶと設定値ＳＶとの偏差に基づきＰＩＤ演算し、そ
の偏差を小さくするような制御出力に基づいたＰＷＭ信
号（図２Ｃ又はＤ参照）をドライブ部９へ出力する。

【００５４】ドライブ部９は、ＭＯＳ・ＦＥＴトランジ
スタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のゲート回路へ切換信号を加え
るからそれらがオン導通動作し、ＭＯＳ・ＦＥＴトラン
ジスタＦＥＴ１からＦＥＴ２へ駆動電流が流れて、ペル
チェ素子１が発熱動作する。

【００５５】この発熱動作状態では、ＭＯＳ・ＦＥＴト
ランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２について、コントローラ
２３が、ＰＷＭ信号の１周期毎に４測定区間〜毎に
スイッチ指令信号を出力してスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を
オンオフし、検出部２９が、ＰＷＭ信号のオフ区間〜
にてＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１とＦＥＴ４
間（ＦＥＴ３とＦＥＴ２間）の電圧Ｖｃ、ペルチェ素子
１のゼーベック電圧Ｖｚ、ペルチェ素子１の抵抗値Ｒｐ
を検出するとともに、ＰＷＭ信号のオン区間では発熱
動作領域の負荷電圧Ｖｐを検出する。

【００５６】次に、センサ３からの測定信号に基づき入
力部５からコントローラ２３へ出力された温度測定値Ｐ
Ｖが設定値ＳＶより高くて、ペルチェ素子１を吸熱動作
させる場合を説明する。

【００５７】この場合、コントローラ２３は、温度測定
値ＰＶと設定値ＳＶとの偏差が小さくなるような制御出
力に基づいたＰＷＭ信号（図２Ａ又はＢ参照）をドライ
ブ部９へ出力する。

【００５８】ドライブ部９は、ＭＯＳ・ＦＥＴトランジ
スタＦＥＴ３、ＦＥＴ４のゲート回路へ切換信号を加え
るからそれらがオン導通動作し、ＭＯＳ・ＦＥＴトラン
ジスタＦＥＴ３からＦＥＴ４へ駆動電流が流れ、ペルチ
ェ素子１が吸熱動作する。

【００５９】この吸熱動作状態においても、ＭＯＳ・Ｆ
ＥＴトランジスタＦＥＴ３、ＦＥＴ４について、コント
ローラ２３が、ＰＷＭ信号の１周期毎に４測定区間〜
毎にスイッチ指令信号を出力してスイッチＳＷ１〜Ｓ
Ｗ５をオンオフし、検出部２９が、ＰＷＭ信号のオフ区
間〜にてＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１とＦ
ＥＴ４間（ＦＥＴ３とＦＥＴ２間）の電圧Ｖｃ、ペルチ
ェ素子１のゼーベック電圧Ｖｚ、ペルチェ素子１の抵抗
値Ｒｐを検出するとともに、ＰＷＭ信号のオン区間で
は発熱動作領域の負荷電圧Ｖｐを検出する。

【００６０】そして、検出部２９は、それら電圧Ｖｃ、
ゼーベック電圧Ｖｚ、ペルチェ素子１の抵抗値Ｒｐおよ
び負荷電圧Ｖｐが、予め設定された基準値又は基準範囲
から外れるとき警報信号を警報部３３へ出力するととも
に、図示しない表示部へそれらを表示出力する。

【００６１】このような本発明に係るペルチェ素子の動
作検出装置では、ＰＷＭ信号に基づく切換信号の印加さ
れるゲート回路を有する複数のＭＯＳ・ＦＥＴトランジ
スタＦＥＴ１〜ＦＥＴ４でＨブリッジ回路１１を形成
し、これらＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１〜ＦＥ
Ｔ４間にペルチェ素子１を接続し、それらＭＯＳ・ＦＥ
ＴトランジスタＦＥＴ１〜ＦＥＴ４を切換え通電するこ
とによりペルチェ素子１へ流す駆動電流の方向を切換え
ることによって発熱又は吸熱動作させる一方、それらＭ
ＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１〜ＦＥＴ４にはスイ
ッチＳＷ１〜ＳＷ５からなるスイッチ部２７を接続し、
それら発熱動作時又は吸熱動作時にあってＰＷＭ信号の
１周期中を４区間に分割された測定区間〜について
それらスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を切換え制御し、検出部
２９が、ＰＷＭ信号のオフ区間〜で入力したＭＯＳ
・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の端子電圧Ｖ
１〜Ｖ４から、電源電圧Ｖｃ、ペルチェ素子１のゼーベ
ック電圧Ｖｚ、ペルチェ素子１の抵抗値Ｒｐを検出する
とともに、ＰＷＭ信号のオン区間で発熱動作領域又は
吸熱動作領域の負荷電圧Ｖｐを検出するよう構成した。

【００６２】そのため、本発明では、ペルチェ素子１を
加熱又は吸熱動作中にあっても、ＰＷＭ信号に基づく２
値の切換信号のオフ区間を用いて、ペルチェ素子１のゼ
ーベック効果に伴うゼーベック電圧を正確に検出できる
ので、ペルチェ素子１の吸熱面と発熱面の温度差の異常
を検知可能となるから、熱暴走を未然に防ぐことが可能
となる。

【００６３】また、ペルチェ素子１を発熱又は吸熱動作
中にあっても、ペルチェ素子１の負荷電圧を測定できる
ので、ペルチェ素子１に印加される過電圧の判別が可能
となり、適切なペルチェ素子１の動作状態を確保でき
る。

【００６４】さらに、ペルチェ素子１の抵抗Ｒｐを検出
できるので、ペルチェ素子１の劣化の検出が可能とな
り、適切なペルチェ素子１の動作状態を確保してその寿
命を延すことができる。

【００６５】さらにまた、ペルチェ素子１の負荷電圧お
よび抵抗Ｒｐからペルチェ素子１に流れる駆動電流の検
出が可能となり、例えば複数のペルチェ素子１を並列接
続して構成した場合にも、部分的なペルチェ素子１の動
作不良の発見が容易となる利点がある。

【００６６】そして、電源電圧の検出も可能であるの
で、電源投入時の電源電圧診断ができるし、電源投入時
に電源電圧とペルチェ素子の許容電圧との比較診断がで
き、それを要因とする熱暴走を防止できる。

【００６７】上述した本発明に係るペルチェ素子の動作
検出装置では、発熱動作時又は吸熱動作時にあってＰＷ
Ｍ信号の１周期中を４測定区間〜に分割し、ＰＷＭ
信号のオフ区間〜でＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦ
ＥＴ１とＦＥＴ４間（ＦＥＴ３とＦＥＴ２間）の電源電
圧Ｖｃ、ペルチェ素子１のゼーベック電圧Ｖｚおよびペ
ルチェ素子１の抵抗値Ｒｐを検出し、ＰＷＭ信号のオン
区間で発熱動作領域又は吸熱動作領域の負荷電圧Ｖｐ
を検出するよう構成したが、本発明ではこれに限定され
ない。

【００６８】すなわち、本発明においては、ＰＷＭ信号
の１周期に係る測定区間を第１のオフ区間とし、この
第１のオフ区間において、少なくともＰＷＭ信号のペル
チェ素子１のゼーベック電圧Ｖｚを検出できるように構
成すれば、製品として実用性が高まる。

【００６９】さらに、本発明においては、その１周期に
係る測定区間をオン区間とし、このオン区間において
ＰＷＭ信号のオン区間におけるペルチェ素子１の両端に
おける負荷電圧を検出し、その１周期に係る測定区間
を第２のオフ区間とし、この第２のオフ区間においてペ
ルチェ素子１の抵抗値Ｒｐを検出し、その１周期に係る
測定区間を第３のオフ区間とし、この第３のオフ区間
において電源電圧を検出する機能を付加し、これに合せ
てコントローラ２３を形成してスイッチ部２７を切換え
制御するとともに、検出部２９を形成すれば良い。

【００７０】さらにまた、本発明では、各１周期におい
て上述した〜測定区間を分割する構成に限らず、
測定区間がある周期に割当てられ、測定区間が次の周
期に割当てられ、測定区間が更に次の周期に割当てら
れる構成も可能であるし、飛び飛びの周期毎に〜の
測定区間が分割又は一緒に割当てられる構成も可能であ
る。要は、一定周期中に割当てられれば本発明の目的達
成が可能である。

【００７１】ところで、上述した実施の形態では、Ｈブ
リッジ回路１１をＰチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジス
タＦＥＴ１およびＦＥＴ３と、ＮチャネルＭＯＳ・ＦＥ
ＴトランジスタＦＥＴ２およびＦＥＴ４を用いて形成し
たが、本発明におけるＨブリッジ回路はこれに限定され
ない。

【００７２】ＰチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦ
ＥＴ１およびＦＥＴ３を、例えば図５に示すように、Ｎ
チャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ５およびＦ
ＥＴ６で置き換え、各ＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトラン
ジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４、ＦＥＴ５、ＦＥＴ６におい
て、切換信号が抵抗Ｒ１を介して各ＮチャネルＭＯＳ・
ＦＥＴトランジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６のゲ
ート回路に印加されるるように接続形成するとともに、
各ＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ２、Ｆ
ＥＴ４〜ＦＥＴ６のソース（Ｓ）が帰線Ｆを介してゲー
ト（Ｇ）側（又は前段側）に回帰接続してＨブリッジ回
路３５を構成することも可能である。

【００７３】なお、図５中の符号Ｒ２は、各Ｎチャネル
ＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４〜ＦＥ
Ｔ６のゲート回路にバイアスをかけるため、ゲート
（Ｇ）と帰線Ｆ間に接続されたバイアス抵抗であり、同
図中ではドライブ部９およびスイッチ部２７等の図示は
省略した。

【００７４】このように、Ｈブリッジ回路３５をＮチャ
ネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４〜
ＦＥＴ６のみで形成すると、これらＮチャネルＭＯＳ・
ＦＥＴトランジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６のゲ
ート回路を流れる電流が帰線Ｆを介して前段側へ回帰さ
れ、電源＋Ｖｃから当該ＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトラ
ンジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６を流れる駆動電
流にそれが影響せず、個々のＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴ
トランジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６において任
意のゲート電圧の印加が可能となり、高いレベルのゲー
ト電圧を使用する必要がなくなる。

【００７５】すなわち、ＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトラ
ンジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６のフローティン
グドライブが可能となる。

【００７６】これにより、図４のようにＰチャネルＭＯ
Ｓ・ＦＥＴトランジスタを使用せず、負荷としてのペル
チェ素子１のハイレベル側およびローレベル側の双方に
ＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ２、ＦＥ
Ｔ４〜ＦＥＴ６を配置することが可能となり、Ｎチャネ
ルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４〜Ｆ
ＥＴ６のみでＨブリッジ回路３５を形成できる。

【００７７】そのため、ＰチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトラ
ンジスタよりもオン導通時の損失抵抗が極めて低いＮチ
ャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４
〜ＦＥＴ６のみを使用してＨブリッジ回路３５を形成で
きるから、オン導通時の損失を極めて低く抑えることが
できるし、ＮチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＦＥ
Ｔ２、ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６自体の発熱も小さくなるうえ
これらの配置スペースも狭くしたり小型化することが可
能となる。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る温度制
御装置は、ＰＷＭ信号に基づく切換信号の印加されるゲ
ート回路を有する複数のＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタで
Ｈブリッジ回路を形成し、それらＭＯＳ・ＦＥＴトラン
ジスタ間に接続されたペルチェ素子へ流す駆動電流の方
向をそのＨブリッジ回路で切換えて発熱動作又は吸熱動
作させ、それら発熱動作時又は吸熱動作時にあってＰＷ
Ｍ信号の第１のオフ区間においてスイッチ部でペルチェ
素子の電位を切換え入力し、入力された第１のオフ区間
の電位からペルチェ素子のゼーベック電圧を検出部で検
出する構成としたから、ペルチェ素子の動作中に当該ペ
ルチェ素子のゼーベック電圧の検出が可能となり、ペル
チェ素子を動作させながら検出ゼーベック電圧によって
ペルチェ素子の動作状態、特に、熱暴走の発生を検出し
たりその予想が可能となる。そして、発熱動作時又は吸
熱動作時にあってＰＷＭ信号のオン区間において、ペル
チェ素子の電位を切換え入力する機能を有するよう上記
スイッチ部を形成し、入力されたオン区間の電位からペ
ルチェ素子の負荷電圧を検出する機能を上記検出部に設
ける構成では、ペルチェ素子の両端の検出負荷電圧から
当該ペルチェ素子の動作状態の把握が可能となり、適切
な駆動電圧の印加が可能となる。また、発熱動作時又は
吸熱動作時にあってＰＷＭ信号の第１のオフ区間と異な
る第２のオフ区間において、ペルチェ素子の電位を切換
え入力する機能と、その第２のオフ区間にペルチェ素子
に所定の定電流を切換え入力する機能とを有するよう上
記スイッチ部を形成し、入力された第２のオン区間の電
位および定電流からペルチェ素子の抵抗を検出する機能
を上記検出部に設ける構成では、ペルチェ素子の動作動
作状態、特に、ペルチェ素子の劣化状態の把握が可能と
なり、適切な加熱又は冷却制御を確保できる。さらに、
発熱動作時又は吸熱動作時にあってＰＷＭ信号の第１お
よび第２のオフ区間と異なる第３のオフ区間において、
その第３のオフ区間にＨブリッジ回路に印加された電源
電圧を切換え入力する機能を有するよう上記スイッチ部
を形成し、入力された電源電圧を検出する機能を上記検
出部に設ける構成では、電源投入時の電源電圧診断が可
能なるうえ、ペルチェ素子の動作に許容される駆動電圧
との比較が可能となってペルチェ素子の劣化を抑えるこ
とが可能となる。さらにまた、ＮチャネルＭＯＳ・ＦＥ
Ｔトランジスタを組合せてＨブリッジ回路を形成し、そ
れら各ＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタのゲート回路を流れ
る信号が前段側へ帰線を介して回帰されるよう当該ＭＯ
Ｓ・ＦＥＴトランジスタを接続する構成では、Ｈブリッ
ジ回路におけるオン導通時の損失が少なくできる利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る動作検出装置の実施の形態を示す
ブロック図である。

【図２】図１中のコントローラからのＰＷＭ信号を示す
波形図である。

【図３】図１に係る動作検出装置の動作を説明する波形
図である。

【図４】図１中のＨブリッジ回路およびスイッチ部の構
成例を示す回路図である。

【図５】本発明におけるＨブリッジ回路の他の構成例を
示す回路図である。

【図６】従来のペルチェ素子を用いた温度制御装置を示
すブロック図である。

【図７】Ｈブリッジ回路によるペルチェ素子の発熱動作
および吸熱動作を説明する波形図である。

【図８】ペルチェ素子の温度制御装置を用いた加熱又は
冷却システムを示す図である。

【図９】ペルチェ素子が示す駆動電流と吸熱流の関係を
示す特性図である。

【符号の説明】

１ペルチェ素子３センサ５入力部７、２３コントローラ９ドライブ部１１、３５Ｈブリッジ回路１３熱負荷１５熱交換機１７タンク１９ポンプ２１パイプ２５電源部２７スイッチ部２９検出部３１定電流部３３警報部Ｆ帰線ＦＥＴ１、ＦＥＴ３ＰチャネルＭＯＳ・ＦＥＴトラン
ジスタＦＥＴ２、ＦＥＴ４、ＦＥＴ５、ＦＥＴ６Ｎチャネル
ＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタＲ１、Ｒ２抵抗ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５スイッチ素
子Ｖｃ電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流す駆動電流の方向によって発熱又は吸
熱動作するペルチェ素子と、ＰＷＭ信号に基づく切換信号の印加されるゲート回路を
有する複数のＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタを有し、前記
ＭＯＳ・ＦＥＴトランジスタ間に接続された前記ペルチ
ェ素子へ流す前記駆動電流の方向を切換えるＨブリッジ
回路と、前記発熱動作時又は吸熱動作時にあって前記ＰＷＭ信号
における一定周期中の第１のオフ区間で前記ペルチェ素
子の電位を切換え入力するスイッチ部と、入力された前
記オフ区間の電位から前記ペルチェ素子のゼーベック電
圧を検出する検出部と、を具備するペルチェ素子の動作検出装置。
【請求項２】前記スイッチ部は、前記発熱動作時又は
吸熱動作時にあって前記一定周期中のオン区間で前記ペ
ルチェ素子の電位を切換え入力する機能を有し、前記検
出部は、入力された前記オン区間の電位から前記ペルチ
ェ素子の負荷電圧を検出する機能を有する請求項１記載
のペルチェ素子の動作検出装置。
【請求項３】前記スイッチ部は、前記発熱動作時又は
吸熱動作時にあって前記一定周期中における前記第１の
オフ区間と異なる第２のオフ区間において、前記ペルチ
ェ素子の電位を切換え入力する機能と、前記第２のオフ
区間に前記ペルチェ素子に所定の定電流を切換え入力す
る機能とを有し、前記検出部は、入力された前記第２の
オン区間の電位および前記定電流から前記ペルチェ素子
の抵抗を検出する機能を有する請求項１又は２記載のペ
ルチェ素子の動作検出装置。
【請求項４】前記スイッチ部は、前記発熱動作時又は
吸熱動作時にあって前記一定周期中における前記第１お
よび第２のオフ区間と異なる第３のオフ区間で、前記Ｈ
ブリッジ回路に印加された電源電圧を切換え入力する機
能を有し、前記検出部は、入力された前記電源電圧を検
出する機能を有する請求項１〜３のいずれか１項記載の
ペルチェ素子の動作検出装置。
【請求項５】Ｈブリッジ回路は、ＮチャネルＭＯＳ・
ＦＥＴトランジスタを組合せてなり、前記ＭＯＳ・ＦＥ
Ｔトランジスタの各ゲート回路を流れる信号が前段側へ
帰線を介して回帰されるよう当該ＭＯＳ・ＦＥＴトラン
ジスタが接続されてなる請求項１〜４のいずれか１項記
載のペルチェ素子の動作検出装置。