JP2007188228A - 光学機器用温度制御装置、それを有する光学機器及び光学機器の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部環境の温度を考慮して温度制御をすることによって、ハンチング及びオーバーシュートがほとんどない温度制御装置を提供すること。
【解決手段】 温度制御装置１１は、光学機器内温度測定装置１２と、外部環境温度測定装置１３と、ヒータ駆動信号出力装置１４と、ヒータ駆動回路１５とヒータ１７とを有する。ヒータ駆動信号出力装置から出力されるヒータ駆動信号は、外部環境温度信号を変数とした下記式１で表されることを特徴とする温度制御装置が好ましい。
Ｖ＝Ｋ（Ｔ^*−Ｔ_in）＋Ｃ（Ｔ_ex） ・・・式１
（式１中、Ｖはヒータにかかる電圧、Ｋは定数、Ｔ^*は目標温度、Ｔ_inは現在の光学機器内温度、Ｔ_exは外部環境温度、Ｃ（Ｔ_ex）はＴ_exの関数を示す。）
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部環境温度を考慮して温度制御を行う光学機器用温度制御装置、それを有する光学機器及び光学機器の温度制御方法に関するものである。

従来より、所定の温度を維持するための光学機器の温度制御方法について、種々の検討がなされている。
常温付近において、温度を安定化させるためには、外部環境温度（被加熱体等が曝されている環境の温度）が変動するため、加熱装置と冷却装置とが必要となり、装置が複雑化するだけでなく、精密な温度制御が困難となる。そこで、外部環境よりも高い温度で安定化させることにより、装置の簡略化及び精密な温度制御が行われている。

また、目標温度までの昇温時間を短縮することにより、作業効率を向上させることも必要である。しかしながら、単に急激に温度を上昇させるだけでは、目標温度を超えてしまい、被加熱体に影響を及ぼすだけでなく、目標温度まで冷却するための時間が必要となり、作業効率の向上にはつながらない。

そこで、ヒータを全通電加熱することにより、被加熱体を第１基準温度まで昇温した後、比例制御により目標温度まで昇温させる方法を用い、前記第１基準温度を所定温度レベルに向けて時系列的に変化させながら、被加熱体を全通電加熱温度域から第２基準温度へ移行させる方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法により、目標温度を超えた加熱であるオーバーシュート量を一定化することができる旨が記載されている。
しかしながら、上記の方法では、オーバーシュート自体を抑制することは難しく、温度が安定するまでに時間がかかっていた。

また、ヒータを全通電加熱することにより、被加熱体を第１基準温度まで昇温した後、比例制御、積分制御、微分制御を行うことによって、オーバーシュートを抑制するとともに、目標温度に対する温度のバラツキである温度リップルを抑制する方法も提案されている（特許文献２参照）。

特開平３−５９７０６号公報 特開平９−２５８６０１号公報

しかしながら、通常、温度制御を行うモジュールや回路には、温度変動による特性変動が生じやすく、同じ設定電圧でも安定する温度が同じになるわけではない。
このため、外部環境の温度が変化するに伴って、一定電圧をかけた場合の安定する温度も変化してしまい、季節や天候等の周囲の環境によって、ハンチング及びオーバーシュートが発生しやすい場合があり、温度の安定まで時間がかかるという問題があった。
特に、光学機器においては、精密な温度制御が要求され、温度の安定化をより精密にする必要があった。

また、光学機器（特に光通信用機器）では、少なくとも設定温度±０．５℃の温度制御が必要とされ、より精密な光学機器では設定温度±０．１℃の温度制御が必要とされる。そのため、初動時のハンチングやオーバーシュート等の温度変動をできるだけ小さくすることが必要となる。

そこで、本発明は、外部環境の温度を考慮して温度制御をすることによって、ハンチング及びオーバーシュートがほとんどない光学機器の温度制御装置を提供することを目的とする。
また、前記温度制御装置を有する光学機器を提供することをも目的とする。
さらに、外部環境の温度を考慮して温度制御をする光学機器の温度制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、以下のような構成を採用した。
（１） 光学デバイスを含む光学機器内をヒータにより加熱し、光学デバイス周囲の温度を外部環境温度以上の所定温度に保つことで、温度による光学特性の変化を防止する光学機器の温度制御装置であって、
前記ヒータと、前記ヒータにより加熱された光学機器内の温度を測定して光学機器内温度信号Ｔ_inを出力する光学機器内温度測定装置と、外部環境温度を測定して外部環境温度信号Ｔ_exを出力する外部環境温度測定装置と、前記外部環境温度信号を入力し、前記外部環境温度と予め設定された目標温度とから算出されたヒータ駆動信号Ｖを出力するヒータ駆動信号出力装置と、前記ヒータ駆動信号Ｖを入力してヒータを駆動するヒータ駆動回路とを有し、
前記ヒータ駆動信号は、前記外部環境温度と、前記目標温度と前記機器内温度との差分とから算出され、前記ヒータ駆動信号は、外部環境温度信号を変数とした下記式１で表されることを特徴とする光学機器用温度制御装置である。
Ｖ＝Ｋ（Ｔ^*−Ｔ_in）＋Ｃ（Ｔ_ex） ・・・式１
（式１中、Ｖはヒータ駆動回路に出力される電圧、Ｋは定数、Ｔ^*は目標温度、Ｔ_inは光学機器内温度、Ｔ_exは外部環境温度、Ｃ（Ｔ_ex）はＴ_exの関数を示す。）
（２） 光学機器内温度測定装置及び外部環境温度測定装置が出力した光学機器内温度信号及び外部環境温度信号は、Ａ／Ｄ変換されてヒータ駆動信号出力装置内のデジタル処理装置に入力され、
前記デジタル処理装置は、演算信号を出力し、
前記ヒータ駆動信号出力装置は、前記演算信号をＤ／Ａ変換したものと、前記光学機器内温度信号との偏差であるヒータ駆動信号をヒータ駆動回路に出力することを特徴とする前記（１）に記載の光学機器用温度制御装置である。
（３） 光学機器内温度測定装置が出力した光学機器内温度信号は、Ａ／Ｄ変換されてヒータ駆動信号出力装置内のデジタル処理装置に入力され、
前記デジタル処理装置が出力した演算信号は、Ｄ／Ａ変換されて、ヒータ駆動信号出力装置内のオフセット信号出力部に出力され、
前記オフセット信号出力部は、前記演算信号と、外部環境温度測定装置が出力した外部環境温度信号との差分であるオフセット信号を出力し、
前記ヒータ駆動信号出力装置は、前記オフセット信号と前記光学機器内温度信号との偏差であるヒータ駆動信号をヒータ駆動回路に出力することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の光学機器用温度制御装置である。
（４） 前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の光学機器用温度制御装置を有する光学機器。
（５） 光学機器内温度を外部環境温度以上の所定温度に保つ方法において、
光学機器内温度が所定温度未満であるときは、単調制御によって温度制御を行い、
光学機器内温度が所定温度以上であるときは、外部環境温度と、目標温度と光学機器内温度との偏差に基づく比例制御によって温度制御を行うことを特徴とする光学機器の温度制御方法である。

本発明は、上記構成を採用し、外部環境の温度を考慮して温度制御をすることによって、ハンチング及びオーバーシュートがほとんどない温度制御装置を得ることができる。
また、前記温度制御装置を有する光学機器とすることによって、精密な温度制御がなされた光学機器を得ることができる。

＜温度制御装置＞
本発明の温度制御装置１１は、図１に示すように、光学機器内温度測定装置１２と、外部環境温度測定装置１３と、ヒータ駆動信号出力装置１４と、ヒータ駆動回路１５とヒータ１７とを有する。
本発明の温度制御装置１１は、光学機器内をヒータにより加熱し、光学機器温度を外部環境温度以上に保つことで、温度による光学特性の変化を防止する光学機器に用いることができる。

（光学機器内温度測定装置）
前記光学機器内温度測定装置１２は、後述するヒータ１７により加熱された前記光学機器１６の内部の温度を測定する装置である。前記光学機器内温度測定装置１２は、サーミスタ等の温度により電気抵抗値が変化する抵抗器、熱電対等により光学機器内温度を測定することができる。
前記光学機器内温度測定装置１２は、後述するヒータ駆動信号出力装置１４に、光学機器内温度信号Ｔ_inを出力する。

（外部環境温度測定装置）
前記外部環境温度測定装置１３は、前記光学機器１６の外部の環境温度を直接的又は間接的に測定する装置である。
外部環境温度を直接的に測定する場合には、前記光学機器１６内が後述するヒータ１７により加熱されているため、前記外部環境温度測定装置１３の外部環境温度測定部位を前記光学機器外に配置する必要がある。また、外部環境温度を間接的に測定する場合には、前記光学機器１６内の遮熱材や断熱材等で隔離された位置に、前記外部環境温度測定装置１３の外部環境温度測定部位を配置することが必要である。
前記外部環境温度測定装置１３の構造としては、前記光学機器内温度測定装置１２と同様の構造を用いることができる。
前記外部環境温度測定装置１３は、後述するヒータ駆動信号出力装置１４に、外部環境温度信号Ｔ_exを出力する。

（ヒータ駆動信号出力装置）
前記ヒータ駆動信号出力装置１４は、前記光学機器内温度測定装置１２から出力された光学機器内温度信号Ｔ_inと、前記外部環境温度測定装置１３から出力された外部環境温度信号Ｔ_exとを入力し、後述するヒータ駆動回路１５にヒータ駆動信号Ｖを出力する。
前記ヒータ駆動信号出力装置１４は、その内部にＣＰＵ１４１とＲＯＭ１４２とＲＡＭ１４３とからなるデジタル処理装置を有し、前記ＲＯＭ１４２又はＲＡＭ１４３には、前記光学機器内温度信号と前記外部環境温度信号とからヒータ駆動信号を算出するための下記式１に示す関数と、温度制御装置が制御する光学機器内の目標温度の値とが記録されている。
Ｖ＝Ｋ（Ｔ^*−Ｔ_in）＋Ｃ（Ｔ_ex） ・・・式１
（式１中、Ｖはヒータ駆動回路に出力される電圧、Ｋは定数、Ｔ^*は目標温度、Ｔ_inは光学機器内温度、Ｔ_exは外部環境温度、Ｃ（Ｔ_ex）はＴ_exの関数を示す。）

ここで、前記定数および前記目標温度は、入力操作により設定することができる。また、外部環境温度Ｔ_exの関数であるＣ（Ｔ_ex）は、ヒータの性能や前記目標温度等によって適宜変更することができる。
さらに、前記ヒータ駆動信号Ｖを算出するための式１は、関数としてＲＯＭ１４２又はＲＡＭ１４３に記録してもよいし、当該関数を予め計算した結果を表として記録していてもよい。

前記光学機器内温度測定装置１２や前記外部環境温度測定装置１３から出力される光学機器内温度信号Ｔ_inや外部環境温度信号Ｔ_exが、アナログ信号である場合には、前記デジタル処理装置に入力される前に、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１８によりデジタル信号に変換されて、前記デジタル処理装置に入力される。
さらに、前記デジタル処理装置が出力したデジタル信号であるヒータ駆動信号は、デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）１９によりアナログ信号（電圧）に変換されて、後述するヒータ駆動回路１５に出力される。

（ヒータ駆動回路）
前記ヒータ駆動回路１５には、前記ヒータ駆動信号出力装置１４が出力したヒータ駆動信号Ｖが入力され、前記ヒータ１７を駆動させる。
前記ヒータ駆動回路１５は、特に制限はされないが、トランジスタ等を用いた半導体スイッチングとすることができ、前記ヒータ１７に電圧Ｖ’が印加され、ヒータが加熱される。

（ヒータ）
ヒータ１７としては、一般的に使用されるヒータが使用でき、具体的には、電熱線ヒータ、セラミックヒータ等が挙げられる。

＜光学機器＞
本発明の光学機器は、光学デバイスと、光学機器内温度測定装置１２と、外部環境温度測定装置１３と、ヒータ駆動信号出力装置１４と、ヒータ駆動回路１５とヒータ１７とを有する温度制御装置１１を内蔵するものである。ここで光学デバイスとしては特に光通信用デバイスであり、更には、光源、カップラ、波長フィルタ、平面導波路、ＡＷＧ等、その光学特性（発振波長、反射／透過光波長、光分岐比等、偏波特性）が温度変化に対して敏感に変化するようなものが挙げられる。当該光学機器は、温度制御装置の働きにより、外部環境温度よりも高い温度に一定に保持され、高い精度で作動する。

＜温度制御方法＞
本発明の光学機器の温度制御方法は、光学機器内温度を外部環境温度以上の所定温度に保つ方法であって、これにより温度による光学特性の変化を低減することができ、当該方法の実施には、前述した光学機器の温度制御装置１１を用いることができる。
光学機器１６内温度Ｔ_inが所定温度未満であるときは、単調制御によって温度制御を行い、光学機器内温度が所定温度以上であるときは、外部環境温度Ｔ_exと、目標温度と光学機器内温度との偏差に基づく比例制御によって温度制御を行うことを特徴とする温度制御方法である。
前記所定温度は、目標温度Ｔ^*未満とすることができる。
前記所定温度は、単調制御から比例制御に変更する点であるため、当該変更が極短時間に行われる場合には、所定温度と目標温度との差を非常に小さくすることができ、光学機器内温度が安定するまでの時間を短くすることができる。

本発明の光学機器の温度制御装置の具体的な回路図の例を図２および図３に示す。
図２では、電源とサーミスタとが光学機器内温度測定装置１２に該当し、電源とサーミスタとが外部環境温度測定装置１３に該当し、Ａ／Ｄ変換器１８とＤ／Ａ変換器１９とＣＰＵ１４１とＲＯＭ１４２とＲＡＭ１４３とコンパレータ１４４とがヒータ駆動信号出力装置１４に該当し、電源とトランジスタとがヒータ駆動回路１５に該当する。
図２に示す光学機器内温度測定装置は、現在の光学機器内温度を測定し、現在の光学機器内温度に係る光学機器内温度信号Ｔ_inを出力する。前記光学機器内温度信号Ｔ_inは、Ａ／Ｄ変換器１８によりデジタル信号に変換されてヒータ駆動信号出力装置内のＣＰＵ１４１に入力される。また、外部環境温度測定装置は、外部環境温度を測定し、外部環境温度信号Ｔ_exを出力する。前記外部環境温度信号Ｔ_exは、Ａ／Ｄ変換器１８によりデジタル信号に変換されてヒータ駆動信号出力装置内のデジタル処理装置に入力される。
前記デジタル処理装置では、前記光学機器内温度信号Ｔ_inと前記外部環境温度信号Ｔ_exとに基づいて、デジタル処理を行い、演算信号ＣＳを出力する。前記演算信号ＣＳと前記光学機器内温度信号Ｔ_inとの偏差をコンパレータ１４４によって導き、半導体スイッチングであるトランジスタのベース電圧とすることによって、当該ベース電圧に応じた電圧がヒータにかかる。このようなデジタル回路では高速演算処理を行なえるため、精密かつ短時間で温度安定化が可能となる。

図３では、電源とサーミスタとが光学機器内温度測定装置１２に該当し、電源とサーミスタとが外部環境温度測定装置１３に該当し、Ａ／Ｄ変換器１８とＤ／Ａ変換器１９とＣＰＵ１４１とＲＯＭ１４２とＲＡＭ１４３とコンパレータ１４４とオフセット１４５とがヒータ駆動信号出力装置１４に該当し、電源とトランジスタとがヒータ駆動回路１５に該当する。
図３に示す光学機器内温度測定装置１２は、現在の光学機器内温度を測定し、現在の光学機器内温度に係る光学機器内温度信号Ｔ_inを出力する。前記光学機器内温度信号Ｔ_inは、Ａ／Ｄ変換器１８によりデジタル信号に変換されてヒータ駆動信号出力装置内のＣＰＵ１４１に入力される。また、外部環境温度測定装置１３は、外部環境温度を測定し、外部環境温度信号Ｔ_exを出力する。
前記ＣＰＵ１４１から出力された演算信号ＣＳはＤ／Ａ変換器１９によりアナログ信号に変換されて、オフセット出力部１４５により、外部環境温度信号Ｔ_exとの偏差信号がコンパレータ１４４に出力され、偏差信号と光学機器内温度信号Ｔ_inとの偏差をコンパレータ１４４によって導き、半導体スイッチングであるトランジスタのベース電圧とすることによって、当該ベース電圧に応じた電圧がヒータにかかる。このようなアナログ回路では制御用ソフトを必要とせず、安価で簡便な回路構成とすることが可能となる。

図４および図５では、図２および図３で示した温度制御装置を光学機器に組み込んだ図を示す。これによって、光学機器において、光学機器温度を外部環境温度以上に保つことで、温度変化による光学特性の変化を抑制することができる。
図４および図５では、演算信号ＣＳを出力するＣＰＵ１４１と同一のＣＰＵが、光学機器内電気回路のインタフェイスに光学機器駆動信号ＯＤを出力する。

本発明の温度制御方法では、図６に示すように、電源を投入することによって、スタートされ、ヒータに電圧が印加されることによって、光学機器内温度Ｔ_inが上昇する（Ｓ１１）。
前記光学機器内温度Ｔ_inが所定温度に達するまで単調制御が行われる（Ｓ１２）。この際、ヒータ１７に印加する電圧は、最大電圧であってもよい。
前記光学機器内温度Ｔ_inが所定温度に達していない場合は、更に加熱が行われ、単調制御される（Ｓ１３）。前記光学機器内温度Ｔ_inが所定温度に達した場合には、前記光学機器内温度Ｔ_inの制御を比例制御に移行する（Ｓ１３）。
前記光学機器内温度Ｔ_inが所定温度に達した場合には、ヒータ駆動信号出力装置１４内のデジタル処理装置が、ＲＯＭ１４２又はＲＡＭ１４３に格納されている比例制御の式に従って前記光学機器内温度Ｔ_inの制御を比例制御に移行する（Ｓ１４）。
光学機器１６の作業が終了し、光学機器内温度Ｔ_inを制御する必要がない場合には、ヒータとともに温度制御装置の電源が切断される（Ｓ１５）。

本発明の光学機器の温度制御装置は、光学機器内をヒータにより加熱し、光学機器温度を外部環境温度以上に保つことで、光学機器の温度による光学特性の変化を抑制することができる。中でも光学通信用機器に有用である。

本発明の光学機器の温度制御装置の構成を示す図である。 本発明の光学機器の温度制御装置の一例を示す回路図である。 本発明の光学機器の温度制御装置の一例を示す回路図である。 本発明の光学機器の一例を示す回路図である。 本発明の光学機器の一例を示す回路図である。 本発明の光学機器の温度制御方法のフローチャートである。

符号の説明

１１ 温度制御装置
１２ 光学機器内温度測定装置
１３ 外部環境温度測定装置
１４ ヒータ駆動信号出力装置
１５ ヒータ駆動回路
１６ 光学機器
１７ ヒータ
１８ アナログ／デジタル変換器
１９ デジタル／アナログ変換器
１２１ サーミスタ
１３１ サーミスタ
１４１ ＣＰＵ
１４２ ＲＯＭ
１４３ ＲＡＭ
１４４ コンパレータ
１４５ オフセット
１５１ トランジスタ

Claims (5)

1. 光学デバイスを含む光学機器内をヒータにより加熱し、光学デバイス周囲の温度を外部環境温度以上の所定温度に保つことで、温度による光学特性の変化を防止する光学機器の温度制御装置であって、
   前記ヒータと、前記ヒータにより加熱された光学機器内の温度を測定して光学機器内温度信号を出力する光学機器内温度測定装置と、外部環境温度を測定して外部環境温度信号を出力する外部環境温度測定装置と、前記外部環境温度信号を入力し、前記外部環境温度と予め設定された目標温度とから算出されたヒータ駆動信号を出力するヒータ駆動信号出力装置と、前記ヒータ駆動信号を入力してヒータを駆動するヒータ駆動回路とを有し、
   前記ヒータ駆動信号は、前記外部環境温度と、前記目標温度と前記機器内温度との差分とから算出され、前記ヒータ駆動信号は、外部環境温度信号を変数とした下記式１で表されることを特徴とする光学機器用温度制御装置。
   Ｖ＝Ｋ（Ｔ^*−Ｔ_in）＋Ｃ（Ｔ_ex） ・・・式１
   （式１中、Ｖはヒータ駆動回路に出力される電圧、Ｋは定数、Ｔ^*は目標温度、Ｔ_inは光学機器内温度、Ｔ_exは外部環境温度、Ｃ（Ｔ_ex）はＴ_exの関数を示す。）
2. 光学機器内温度測定装置及び外部環境温度測定装置が出力した光学機器内温度信号及び外部環境温度信号は、Ａ／Ｄ変換されてヒータ駆動信号出力装置内のデジタル処理装置に入力され、
   前記デジタル処理装置は、演算信号を出力し、
   前記ヒータ駆動信号出力装置は、前記演算信号をＤ／Ａ変換したものと、前記光学機器内温度信号との偏差であるヒータ駆動信号をヒータ駆動回路に出力することを特徴とする請求項１に記載の光学機器用温度制御装置。
3. 光学機器内温度測定装置が出力した光学機器内温度信号は、Ａ／Ｄ変換されてヒータ駆動信号出力装置内のデジタル処理装置に入力され、
   前記デジタル処理装置が出力した演算信号は、Ｄ／Ａ変換されて、ヒータ駆動信号出力装置内のオフセット信号出力部に出力され、
   前記オフセット信号出力部は、前記演算信号と、外部環境温度測定装置が出力した外部環境温度信号との差分であるオフセット信号を出力し、
   前記ヒータ駆動信号出力装置は、前記オフセット信号と前記光学機器内温度信号との偏差であるヒータ駆動信号をヒータ駆動回路に出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学機器用温度制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学機器用温度制御装置を有する光学機器。
5. 光学機器内温度を外部環境温度以上の所定温度に保つ方法において、
   光学機器内温度が所定温度未満であるときは、単調制御によって温度制御を行い、
   光学機器内温度が所定温度以上であるときは、外部環境温度と、目標温度と光学機器内温度との偏差に基づく比例制御によって温度制御を行うことを特徴とする光学機器の温度制御方法。
   
   

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