JP3820942B2 - 熱電モジュール実装装置及びその温度制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電発電及び熱電冷却等に使用される熱電モジュールを実装した熱電モジュール実装装置及びその温度制御方法に関し、特に、複数の電子部品の温度制御を個別的に行う熱電モジュール実装装置及びその温度制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば光通信用レーザダイオード等の電子部品を複数個使用する際に、全ての電子部品に共通の1つのペルチェモジュールを使用する例が特開平9−49948号公報に開示されている(従来例1)。図13は、従来例1に記載のアレイ型発光素子である。
【0003】
図13に示すように、従来例1のアレイ型発光素子においては、基板130上に、複数の発光素子101を1列に配列した発光素子アレイ110と、複数の光ファイバ102を平面上に配列した光ファイバアレイ120とが実装され、更に、発光素子アレイ110の発光面と光ファイバアレイ120の入射端面との間には、光発光素子101と光ファイバ102との結合効率を向上させるレンズアレイ140が挿入されている。光ファイバアレイ120を構成する各光ファイバ102は、入射端近傍に回折格子102aを有し、これが発光素子101に対する外部共振器となり、回折格子102aおける回折波長を適切に設定することにより、各光ファイバ102毎に出射されるレーザ光の発振波長を任意に設定することができる。また、各発光素子101に結合された光ファイバ102の後端は、基板130上に実装された合波器150に結合され、各光ファイバ102から注入された光を合波して光ファイバ151に出力する。このアレイ型発光素子は、発光素子モジュール全体がペルチェ効果素子160上に実装されている。ペルチェ効果素子160は基板130上に温度検出素子を有してこの出力変化により、ペルチェ効果素子160に駆動電流を供給する駆動回路162を帰還制御している。
【0004】
また、複数個の電子部品を制御する方法として、複数のペルチェモジュールを1つずつ並べて実装した装置がある(従来例2)。図14は、従来例2のペルチェモジュール実装装置を示す断面図である。図14に示すように、従来例2においては、下部基板201の上に複数個配設された下部電極202を有し、各下部電極202上に夫々1対のp型熱電素子203a及びn型熱電素子203bが当接され、隣接する下部電極202上のp型熱電素子203aとn型熱電素子203bとの上端が上部電極204により接続され、更に上部電極204上に上部基板205が配置され、ペルチェモジュール210が構成されている。そして、このペルチェモジュール210上に、Cu−W合金製ベース211が配置され、この上に、LD(レーザダイオード(laser diode))212及び温度測定用のサーミスタ213が載せられている。このように、LD212を複数個有する装置では、複数個のペルチェモジュール210を各LD212に対して、1つずつ実装することにより、各LD毎に温度制御が可能となる。なお、図示していないが、Cu−Wベース上にはフォトダイオードも載せられていることが多い。
【0005】
更に、基板上にマウントするLDの発信波長を可変させるための微少ヒータを各LDの直下の基板上に配置した半導体レーザ装置が特開平10−233548号公報に開示されている(従来例3)。従来例3の半導体レーザ装置は、基板上に配置され複数のLDを1列に並べ、前記基板のLDをマウントする面に前記各LDの直下となるように微少ヒータが設けられている。この微少ヒータによりLDの発信波長制御を行うことができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例1の技術では、複数の電子部品を共通のペルチェ素子を使用して温度制御するため、各電子部品を個別的に温度制御することが困難であるという問題点がある。
【0007】
また、従来例2の技術においては、レーザダイオード1つに対して1つのペルチェモジュールを実装するため、レーザダイオードを個別に温度制御することが可能であるが、複数のペルチェモジュールを実装するため、実装面積が大きくなり、従って装置全体が大きくなると共に、組立の工数が増加するという問題点がある。
【0008】
更に、従来例3の技術においては、複数のLDが同一基板上に形成されているため、個々のLDを温度調節すると、隣接するLDにも熱が伝わり個別的に正確に温度制御することが困難であった。
【0009】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、複数の電子部品を個別的に温度制御ができると共に実装面積が小さく組立工数を低減することができる熱電モジュール実装装置及びその温度制御方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電モジュール実装装置は、p型熱電素子及びn型熱電素子のペルチェ効果により熱を移動させる熱電モジュールと、この熱電モジュール上に配置された複数の電子部品と、前記熱電モジュールと前記各電子部品との間に設けられ前記電子部品を個別的に温度調節する複数の温度調節部材と、前記温度調節部材上に夫々配置され各温度調節部材の温度を検知する第1のサーミスタと、を有し、前記温度調節部材は、温度調節素子及び前記温度調節素子と前記電子部品との間に配置された第1の熱伝導部材を有することを特徴とする。
【0011】
本発明においては、複数のレーザダイオード等の電子部品に対して、各1つずつの温度調節部材を有しているため、1つの熱電モジュールで複数の電子部品の温度制御を個別的に行うことが可能となる。複数の電子部品が配置される熱電モジュールが1つであるため、電子部品1つに対して1つの熱電モジュールを有している従来の装置に比べて、装置を小型化することができると共に組立工数を低減することができる。
【0012】
前記熱電モジュール上に直接前記温度調節素子が設けられていてもよい。また、前記温度調節部材は、前記前記温度調節素子と前記熱電モジュールとの間に配置された第2の熱伝導部材を有していてもよい。更に、前記熱電モジュールに設けられ、この熱電モジュールの温度を検知する第2のサーミスタを有することができる。
【0013】
更にまた、前記温度調節素子は、導通により発熱する薄膜抵抗、又は相互に平行に配置された1若しくは複数個の上部電極及び下部電極とこの電極間に接合されたn型熱電素子及びp型熱電素子とを有し、前記上部電極及び下部電極により前記n型熱電素子及びp型熱電素子が交互に直列接続された個別熱電モジュールとすることができる。
【0015】
更にまた、前記電子部品は、1又は複数のレーザダイオードとすることができる。
【0016】
本発明に係る熱電モジュール実装装置の温度制御方法は、熱電モジュールに設けられた第2のサーミスタにより前記熱電モジュールの温度を測定し、この熱電モジュールの測定温度と第1の温度範囲とを対比して、前記熱電モジュールの測定温度が前記第1の温度範囲から外れる場合は、前記熱電モジュールの温度が前記第1の温度範囲に入ように前記熱電モジュールの出力を調節する工程と、各温度調節部材上に個別的に設けられた第1のサーミスタのうち測定対象の第1のサーミスタを選択し、この選択された第1のサーミスタにより対応する温度調節部材の温度を測定した後、その測定温度と第2の温度範囲とを対比して、前記温度調節部材の測定温度が前記第2の温度範囲から外れる場合は、この温度調節部材の温度が前記第2の温度範囲に入るように前記温度調節部材に設けられた温度調節素子の出力を個別的に調節する工程と、前記第1のサーミスタによる測定温度と前記第2のサーミスタによる測定温度との温度差が予め設定された設定温度差以下であるか否かを判定する工程と、を有し、前記第1及び第2のサーミスタの測定温度の温度差を判定する工程において、前記温度差が前記設定温度差より大きいと判定されたときは、前記熱電モジュールの出力を調節する工程及び前記前記温度調節素子の出力を個別的に調節する工程を繰り返すことを特徴とする。
【0017】
本発明においては、熱電モジュールの温度を調節した後、熱電モジュール上の温度調節部材の温度を調節するため、温度調節部材上に例えばLD等の電子部品を配置した場合に極めて正確に温度制御することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1(a)は、本発明の第1の実施例の熱電モジュール実装装置を示す上面図、図1(b)は図1(a)の一部拡大図、図1(c)は図1(a)のA−A線による断面図である。
【0020】
図1(a)及び図1(b)に示すように、本実施例においては、バルク型熱電モジュール1上に、複数の薄膜型ヒータ2と、バルク型熱電モジュール用サーミスタ(第2のサーミスタ)3とが形成されている。薄膜型ヒータ(薄膜抵抗)2には通電用のワイヤ8が接続されている。更に、図1(b)に示すように、各薄膜型ヒータ2上には夫々絶縁体(図示せず)を介してCu又はCu−W等の熱伝導部材からなるベース基板4が形成され、このベース基板4上にサーミスタ(第1のサーミスタ)5及びLD6が形成されている。なお、図示されていないが、フォトダイオードもマウントされていることが多い。ベース基板4には、サーミスタ及びLD又はワイヤ等と導通をとるための導通用パターンが形成されたアルミナの薄膜又は薄板を形成してもよい。薄膜型ヒータ2上に熱伝導部材を設けるのは、薄膜型ヒータ2からの熱をLD6に均一に速く分散させると共に、各LD6毎に設けたサーミスタ5によりLD6の温度を極めて正確に測定するためである。これらの薄膜型ヒータ2及びベース基板4により温度調節部材が構成されている。即ち、温度調節部材は各LD6毎に個別に設けられ、各LD6を個別に温度調整することができる。これにより、バルク型熱電モジュール用サーミスタ3により、バルク型熱電モジュール1の温度が検出され、この検出結果によりバルク型熱電モジュール1の駆動電流が帰還制御され、各LD6毎に設けられたサーミスタ5により、各薄膜型ヒータ2の温度が検出され、この検出結果に基づき各薄膜ヒータ2が通電制御される。
【0021】
図2は、本実施例の温度調節部材の変形例を示す断面図である。本実施例においては、上部基板11a上に薄膜ヒータ2及びベース基板4(熱伝導部材)を形成したが、図2に示すように、上部基板11a上に温度調節部材として薄膜ヒータ2のみを形成し、この薄膜ヒータ2上に絶縁体(図示せず)を介してLD6及びサーミスタ5を形成してもよい。また、上部基板11a上に熱伝導部材、薄膜ヒータ及び熱伝導部材からなる積層体を形成してもよい。
【0022】
バルク型熱電モジュール1は、例えばアルミナ又は窒化アルミニウム等からなる下部基板11bの上に複数個の薄板状の例えばCu等からなる下部電極13bが接合されている。そして、各下部電極13b上には1対のp型熱電素子12a及びn型熱電素子12bがハンダ層等により接合されている。また、p型熱電素子12aの上端は、隣接する下部電極13b上に配置されたn型熱電素子12bに、例えばCu等からなる上部電極13aをハンダ層等により接合することにより接続され、n型熱電素子12bの上端は、隣接する別の下部電極13b上に配置されたp型熱電素子12aに上部電極13aをハンダ層等により接合することにより接続されている。この下部電極13b及び上部電極13aによりp型熱電素子12aとn型熱電素子12bとが交互に直列に接続されている。こうして、p型熱電素子12a、n型熱電素子12b、上部電極13a及び下部電極13bからバルク型熱電モジュール1が構成されている。そして、上部電極13a上には、例えばアルミナ等からなる上部基板11aが接合されている。また、この熱電素子の直列接続体の両端に配置された下部電極13bにはリード線7が接続されている。なお、バルク型熱電モジュールのサーミスタ3及び個々のLD6には夫々通電用の金ワイヤ(図示せず)が接続されている。
【0023】
図3は、本実施例の薄膜型ヒータ2を示す上面図である。このような薄膜型ヒータは、ニクロムシートをバルク型熱電モジュール1上に張り付けるか、又はバルク型熱電モジュール1の上部基板11aに予めニクロム薄膜を成膜し、所定の形状に加工することによって形成することができる。そして、各薄膜型ヒータ2には、図1に示すように、薄膜型ヒータ2に通電する金ワイヤー8が少なくとも各2本ずつ接続されている。なお、各ヒータ及びバルク型熱電モジュールへ電流を流すためのリードにおいて、例えばマイナス側のリードをアースとして共通化し、リード線の数量を減らすこともできる。この方法は他の実施例、例えばヒータの代わりに薄膜型熱電モジュールを使用した実施例でも適用できる。
【0024】
次に、本実施例の温度制御方法について更に詳しく説明する。図4は、本実施例の温度制御部を示す模式図である。なお、図4においては、バルク型熱電モジュール1及び薄膜型ヒータ2に接続された金ワイヤ8、7を各1本ずつのみ示し、また、ベース基板4上に配置されるLD6及びフォトダイオードは図示していない。図4に示すように、バルク型熱電モジュール1及びベース基板4上に配置された夫々サーミスタ3及びサーミスタ5は、金ワイヤ30により温度制御コントローラ31に接続されている。また、バルク型熱電モジュール1のリード線及び薄膜型ヒータ2に接続された金ワイヤ8、7が電源32に接続され、この電源32が温度制御コントローラ31に接続されている。更に、温度制御コントローラ31にはメモリ33が接続されている。バルク型熱電モジュール1及び各薄膜型ヒータ2は、所定の温度範囲が設定され、この温度範囲がメモリ33に入力されている。
【0025】
図5は、本実施例の温度制御方法を示すフローチャートである。先ず、第1のサーミスタであるバルク型熱電モジュール用サーミスタ3により、バルク型熱電モジュール1の温度を測定する(ステップ(以下、Sという)1)。このサーミスタ3の測定温度と、メモリ33から出力されるバルク型熱電モジュール1の設定された温度範囲とが温度制御コントローラ31に入力され、バルク型熱電モジュール1の測定温度が設定された温度範囲内であるか否かを対比する(S2)。このとき、サーミスタ3の温度が設定された温度範囲より高い又は低い場合は、温度制御コントローラ31によりバルク型熱電モジュール1に流す電流値を減少又は増加させ、バルク熱電モジュール1の温度が設定された温度範囲に入る方向にバルク型熱電モジュール1の出力を下げる又は上げる。こうしてバルク型熱電モジュール1の温度調節をする(S3)。なお、本実施例においては、温度制御部材として薄膜ヒータを使用しているため、第1のサーミスタ3は第2のサーミスタ5よりも常に設定温度を低くする必要がある。
【0026】
次に、各温度調節部材の温度調節をする。先ず、複数の薄膜型ヒータ2上に個別に配置された第2のサーミスタ5から、任意の第2のサーミスタ5を選択する(S4)。そして、制御コントローラ31が選択された第2のサーミスタ5の設定された温度範囲をメモリから読みだし(S5)、選択された第2のサーミスタ5の温度を測定し(S6)、制御コントローラ31でこれら2つの温度を対比し、薄膜型ヒータ2の測定温度が設定温度範囲内にあるか否かを調べる(S7)。ここで、サーミスタ5の測定温度が設定された温度範囲より高い又は低いときは、薄膜型ヒータ2の温度が設定された温度範囲に入る方向に電流を減少又は増加して薄膜型ヒータ2の温度を下げる又は上げる(S8)。なお、上述した如く、本実施例においては、温度調節部材として、薄膜ヒータ2及びベース基板4を使用したが、薄膜ヒータ2単体又は熱伝導部材、薄膜ヒータ及び熱伝導部材からなる積層体を使用する場合においても同様にこれらの温度調節部材の温度を調節する。そして、ステップ5に戻り、再びサーミスタ5を選択して温度を測定する。選択したサーミスタ5の測定温度が設定温度範囲内である場合は、全てのサーミスタ5の温度測定が完了したか否かを確認し(S9)、全てのサーミスタ5の温度測定が完了していない場合はステップ3に戻り、再びサーミスタ5を選択する。また、全てのサーミスタ5の測定が完了している場合は、熱電モジュール実装装置の温度制御が完了(S10)する。
【0027】
本実施例においては、バルク型熱電モジュール用サーミスタ3により、バルク型熱電モジュール1の温度を検知し、これに基づいてバルク型熱電モジュール1に供給する駆動電流を帰還制御して、例えば20℃に温度調節する。そして、各薄膜型ヒータ2の上に配置されている各サーミスタ5により、各薄膜型ヒータ2の温度を検知し、これに基づいて各薄膜型ヒータ2に通電する各電流を制御して、例えば25℃に調節する。この方法により各LD6を任意の温度に調節できる。各LD6の温度調節は、バルク型熱電モジュール1及び各薄膜型ヒータ2を使用して2段階に行い、更に、LD6と同一個数の薄膜型ヒータ2及びベース基板4を有すると共に各ベース基板4上にはサーミスタ5が設けられているため同一温度又は異なる温度に極めて精度よく調節することができる。更に、第1のサーミスタ3の温度を常に一定にできるため、簡単なプログラムで温度制御の精度が高い。また、従来例2のように、LD6の温度調節個別的に行う薄膜型ヒータ2を有していない場合は、バルク型ペルチェモジュール(バルク型熱電モジュール1)がLDと同一個数必要であったが、本実施例では、LD6を個別的に温度調整するための薄膜型ヒータ2及びベース基板4をLD6と同一個数有しているため、複数のLD6の温度調節を個別的に行う場合にも、バルク型熱電モジュール1は1つしか必要なく、従って、組立工数を低減することができると共に、装置全体を小型化することができる。
【0028】
また、従来例3でヒータはLDの直下となるように配置されているが、本発明では、LD6と薄膜型ヒータ2との間には熱伝導部材のベース基板4が設けられ、各ベース基板4上に形成されるLD6に対して個別に同一ベース基板4上にサーミスタ5を配置することができるため、各LD6の波長に適する温度になるように各LD6毎に設けられたサーミスタ5を使用して各薄膜型ヒータ2を極めて精度よく温度調節することができる。更に、従来例3のように各LDが同一プラットフォーム上にあるのではなく、各薄膜型ヒータ2及びベース基板4がLD6に対して個別に分割されて設けられているため、ベース基板4により薄膜ヒータ2の温度を均一にLD6に伝えることができると共に各薄膜型ヒータ2及びベース基板4の間で熱の移動がなく、薄膜型ヒータ2及びベース基板4からなる温度調節部材の温度を極めて精度よく調節することができる。
【0029】
次に、本発明の第2の実施例について説明する。本実施例においては、第1の実施例の温度調節部材として使用した薄膜型ヒータの代わりに個別に設けられた熱電モジュールとすることができる。本実施例においては、個別熱電モジュールとして薄膜型ペルチェモジュール(薄膜型熱電モジュール)を使用する。図6(a)及び図6(b)は、本実施例の温度調節部材を示す図であって、図6(a)は上面図、図6(b)は図6(a)のB−B線による断面図である。
【0030】
図6(a)及び図6(b)に示すように、薄膜型熱電モジュール20は、例えばCu等からなる下部電極21b上に、例えばBi−Te系熱電材料からなるp型熱電素子22aが接合され、この下部電極21bとは隣接して配置される下部電極21c上には例えばBi−Te系熱電材料からなるn型熱電素子22bが接合され、下部電極21b上のp型熱電素子22aの他端と、下部電極21c上のn型熱電素子22bの他端とが、例えばCu等からなる上部電極21aに接合されている。こうして、薄膜型熱電モジュール20が構成されている。更に、上部電極21a上にはアルミナ又は窒化アルミニウム等からなる絶縁薄膜23が接合され、下部電極21b、21cには、この薄膜型熱電モジュール20に駆動電流を供給するためのリード線(図示せず)が設けられている。なお、熱電材料の種類及び熱電素対の数は必要に応じて適宜変更することができる。
【0031】
図7(a)及び図7(b)は、本実施例の応用例を示す図である。図7(a)は、4つの薄膜型熱電モジュール20をバルク型熱電モジュール1上に並列して実装する例を示している。また、図7(b)は、バルク型熱電モジュール1上に、5つの薄膜型熱電モジュール20を配置している例である。バルク型熱電モジュール1上には、バルク型熱電モジュールの温度を検知するサーミスタ3が設けられている。本実施例では、バルク型熱電モジュールの上部基板が薄膜型熱電モジュールの下部基板を兼ねているが、薄膜型熱電モジュールに個別に下部基板を設けてもよい。
【0032】
このようなバルク型熱電モジュール1の大きさは、例えば、縦が8mm、横が16mm、高さが2.3mmである。また、薄膜型熱電モジュール20の大きさは、例えば、縦が2mm、横が2mm、高さが0.3mmである。なお、第1の実施例のように薄膜型ヒータを使用する場合は、例えば、縦が2mm、横が2mm、高さが0.1mm等とすることができる。そして、これらのバルク型熱電モジュール1と薄膜型熱電モジュール又は薄膜型ヒータとを使用すると、±0.1℃以上の精度で、実装する電子部品の温度調節をすることができる。
【0033】
本実施例の薄膜型熱電モジュールは、メッキ法及びスパッタ法等により成膜することにより形成することができるため、図7に示すように、所望の位置に容易に配置することができる。また、従来の一方向凝固法又は焼結法等を使用して作成したバルク熱電材料に微細加工を施し、小型化及び薄膜化してもよい。なお、本実施例においては、温度調節部材を薄膜型熱電モジュールとして説明したが、本発明においては、この温度調節部材は、バルク型熱電モジュール1上に個別的に温度制御できるように複数個配置することができればよく、従って温度調節部材として熱電モジュールを使用する際には、バルク型熱電モジュール1上に複数個設置することができる程度に小型であればよい。
【0034】
本実施例においては、バルク型モジュール用サーミスタ3により、バルク型熱電モジュール1の温度を検知して、バルク型熱電モジュール1の駆動電流を制御する。そして、薄膜型熱電モジュール20のサーミスタ5によって、薄膜型熱電モジュール20の温度を検知し、薄膜型熱電モジュール20に供給する駆動電流を制御する。これにより、薄膜型熱電モジュール20を第1の実施例と同様のバルク型熱電モジュール1上であって、このバルク型ン捏電モジュール1に実装される各電子部品との間に、薄膜型熱電モジュール20を配置すると、各電子部品の温度調節を個別的に各薄膜型熱電モジュール20で行うことができる。
【0035】
次に、第3の実施例について説明する。第1及び第2の実施例においては、バルク型熱電モジュール上に温度調節部材として、薄膜型ヒータ及び熱伝導部材が積層されており、この温度調節部材上に電子部品及びサーミスタを配置しているが、本実施例においては、バルク型熱電モジュール上の温度調節部材として、熱伝導部材、薄膜型ヒータ及び熱伝導部材が積層されたものを配置する。図8は、本実施例の熱電モジュール実装装置を示す断面図である。
【0036】
図8に示すように、下部基板41b上に複数の下部電極(図示せず)が配置され、この下部電極上に1対のp型及びn型熱電素子42a、42bが配置され、下部電極上のp型熱電素子42aとこの下部電極と隣接する他の下部電極上のn型熱電素子42bとが上部電極(図示せず)により接続されている。更に、これらの上部電極上に上部基板41aが配置され、第1及び第2の実施例と同様に、バルク熱電モジュール40が形成されている。この上部基板41a上に熱電導部材43が配置され、更にこの上に薄膜型ヒータ44、更に熱伝導部材45が順次積層されている。そしてこれら熱伝導部材43、薄膜型ヒータ44及び熱伝導部材45から温度調節部材が構成されている。更に、この温度調整部材上には、電子部品46と温度調整部材の温度を検知するサーミスタ47が配置されている。
【0037】
熱伝導部材45は、例えばCuW等を使用することができ、バルク熱電モジュール40側の熱伝導部材43は、電子部品46を配置する熱伝導部材43にCuWを使用する場合は、下側の熱伝導部材43には酸化アルミニウム(アルミナ)(20W/mK)又は窒化アルミニウム(140乃至170W/mK)等の材料を使用することができる。
【0038】
このような温度調節部材の製造方法としては、バルク熱電モジュールの上部基板41a上に、アルミナ等により熱伝導部材43となる薄膜を形成し、更にニクロム薄膜、CuW薄膜を積層した後、所定の形状に加工することができる。なお、本実施例においては、熱伝導部材、薄膜ヒータ及び熱伝導部材からなる積層体としたが、薄膜ヒータ及び熱伝導部材からなる積層体とすることもでき、この場合は、上部基板41a上に直接ヒータ薄膜を形成して所定形状に加工して薄膜ヒータを形成し、これをCuW薄膜と接合してもよい。
【0039】
本発明の温度調節部材としては、第1及び第3並びに第2の実施例の夫々薄膜型ヒータ及び薄膜型熱電モジュールに限らず、例えば、ニクロム薄膜等の高抵抗薄膜等を使用することも可能である。
【0040】
次に、本発明の第4の実施例について説明する。第2の実施例においては、温度調節部材として、n型及びP型の熱電素子を1つずつ有する薄膜型の熱電ジュールを使用したが、本実施例においては、複数個の熱電素子を有する個別熱電モジュールを実装したものである。図9は本実施例の熱電モジュール実装装置を示す断面図である。また、図10は本実施例の変形例を示す断面図である。なお、図9、図10に示す第4の実施例において、図1に示す第1の実施例と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0041】
図9に示すように、バルク型熱電モジュール1上に、個別熱電モジュール100が形成されている。個別熱電モジュール100は、例えばアルミナ又は窒化アルミニウム等からなる下部基板111bの上に複数個の薄板状の例えばCu等からなる下部電極113bが接合されている。そして、各下部電極113b上には1対のp型熱電素子112a及びn型熱電素子112bがハンダ層等により接合されている。また、p型熱電素子112aの上端は、隣接する下部電極113b上に配置されたn型熱電素子112bに、例えばCu等からなる上部電極113aをハンダ層等により接合することにより接続され、n型熱電素子112bの上端は、隣接する別の下部電極113b上に配置されたp型熱電素子112aに上部電極113aをハンダ層等により接合することにより接続されている。この下部電極113b及び上部電極113aによりp型熱電素子112aとn型熱電素子112bとが交互に直列に接続されている。こうして、p型熱電素子112a、n型熱電素子112b、上部電極113a及び下部電極113bから個別熱電モジュール100が構成されている。そして、上部電極113a上には、例えばアルミナ等からなる上部基板111aが接合されている。
【0042】
また、図10に示すように、個別熱電モジュールの下部基板111bは形成せず、バルク型熱電モジュール1の上部基板11aと個別熱電モジュールの下部基板111bとを共通化した個別熱電モジュール120を形成してもよい。なお、上述した如く、本発明の温度調節部材はバルク型熱電モジュール1上に複数個配置される電子部品を個別的に温度制御するものであって、バルク型熱電モジュール1上に複数個配置することができる程度に小型のものが得られれば、製造方法は限定されない。
【0043】
個別熱電モジュール100又は120上には複数のベース基板158が形成され、各ベース基板158上に個別に温度制御される半導体レーザモジュール130及びこの半導体レーザモジュール130の温度を測定するサーミスタ5が形成されている。
【0044】
更に、本実施例においても、図4に示す第1の実施例の温度制御部と同様の構成の温度制御部を有する。
【0045】
次に、半導体レーザモジュール130について説明する。第1乃至第3の実施例においては、個別に温度制御される電子部品をLDとしたが、本実施例のように、複数の電子部品から構成される場合もある。図11は、本実施例の半導体レーザモジュールを示す模式的側面図である。
【0046】
図11に示すように、ベース板158上に半導体レーザ素子154、レンズ150、及び受光素子157が固定され、半導体レーザモジュール130が構成されている。ベース板158は個別熱電モジュール100の上部基板111aに固定されている。なお、ベース板158を形成せず、直接上部基板111a上に電子部品を固定してもよい。半導体レーザ素子154はベース板158上に固定されたヘッダ156に搭載されたヒートシンク155上に固定されている。ヘッダ156は半導体レーザ素子154の電極用端子(図示せず)を有し、ヒートシンク155は半導体レーザ素子154の放熱を行うとと共に半導体レーザ素子154とほぼ同程度の熱膨張係数を有する例えばダイヤモンド、SiC、シリコン、Cu−W溶浸材又はCu−W−Ni合金等の材料から形成されて熱応力による故障を防止している。受光素子(フォトダイオード)157は、ヘッダ156の後方に設けられ半導体レーザ素子154の温度変化等による光出力の変化を監視し、その光出力が常に一定になるように駆動回路にフィードバックをかけている。また、レンズ150はレンズホルダ153により固定されている。レンズホルダ153は、半導体レーザ素子154から出射され広がったレーザ光がレンズ150により平行光になるように光軸調整された後、ベース158に溶接固定されている。この際、光調節後の半導体レーザ素子154とレンズ150との軸ずれ感度が1μm以下と高いため、固定安定度が高いYAGレーザ溶接を使用することが好ましい。これにより、半導体レーザ素子154から出射されたレーザ光はレンズ150により平行に変換される。
【0047】
次に、本実施例の温度制御方法について説明する。図12は本実施例の温度制御方法を示すフローチャートである。本実施例においては、図5に示す第1の実施例の温度制御方法に加え、低消費電力化のための工程を有する。
【0048】
予め、温度制御部において、バルク型熱電モジュール1の温度範囲(第1の温度範囲)がメモリに設定されている。図12に示すように、先ず、第1のサーミスタであるバルク型熱電モジュール用サーミスタ3により、バルク型熱電モジュール1の温度を測定する(S101)。このサーミスタ3の測定温度と、メモリから出力されるバルク型熱電モジュール1の設定温度範囲とが温度制御コントローラに入力され、バルク型熱電モジュール1の測定温度が設定温度範囲内であるか否かを対比する(S102)。サーミスタの温度が設定された温度範囲から外れる場合は、バルク型熱電モジュール1へ出力する電流値を変更し、バルク型熱電モジュール1の温度調節をする(S103)。例えば、ここで温度調節されたバルク熱電モジュール1の温度を20℃とする。
【0049】
次に、各温度調節部材の温度調節をする。先ず、複数の個別熱電モジュール100上に個別に配置された第2のサーミスタ5から、任意の第2のサーミスタ5を選択する(S104)。そして、制御コントローラが選択された第2のサーミスタ5の予め設定された温度範囲(第2の温度範囲)をメモリから読みだし(S105)、選択された第2のサーミスタ5の温度を測定し(S106)、制御コントローラでこれら2つの温度を対比し、個別熱電モジュール100の測定温度が設定温度範囲内にあるか否かを調べる(S107)。ここで、サーミスタ5の測定温度が設定された温度範囲から外れるときは、個別熱電モジュール100へ出力する電流値を変更して個別熱電モジュール100の温度を調整する(S108)。選択したサーミスタ5の測定温度が設定温度範囲内である場合は、全てのサーミスタ5の温度測定が完了したか否かを確認する(S109)。ステップ109で確認された場合はステップ110に進む。個別熱電モジュール100が例えば3個配置されている場合、各個別熱電モジュール100が調整された温度は、例えば23℃、24℃、25℃である。
【0050】
ステップ110にいては、ステップ101において測定した第1のサーミスタ3の温度が最適であったか否かを判定する。この最適である状態とは、バルク型熱電モジュール1及び複数個の個別熱電モジュール100の総消費電力が最低である状態である。ここでは、例えば、ステップ101におけるバルク型熱電モジュール1のサーミスタ3による測定温度と、ステップ106で測定された個別熱電モジュール100のサーミスタ5による測定温度のうち、例えばサーミスタ3の測定温度に最も近いものとの温度差が一定温差以下でない場合は、最適状態でないと判定される。ここで最適状態でないと判定された場合は、メモリに設定されているバルク型熱電モジュール1の設定温度が書き換えられ、再びステップ101乃至ステップ109の工程を繰り返し、熱電モジュール実装装置の総消費電力が最低になるように、バルク型熱電モジュール1及び個別熱電モジュール100の温度制御が行われる。例えば、ステップ102において、上述したように、バルク型熱電モジュール1の温度、即ち第1のサーミスタ3の測定温度が20℃であり、個別熱電モジュール100のうち、最もサーミスタ3の測定温度と近いものが23℃で合った場合、その温度差は3℃である。ここで、ステップ110で低消費電力化のために許容される温度差が±2℃以内と設定されていた場合、サーミスタ3とサーミスタ5との温度差が3℃で、許容される温度差以上であるため、再びステップ101へ戻り、バルク型熱電モジュール1の温度を例えば22℃に調整する。ステップ110において最適状態と判定された場合は、温度調整が完了する(ステップ111)。
【0051】
本実施例においては、温度調節部材として個別熱電モジュール100を使用するため、例えば薄膜ヒータを使用すると温度調節部材では加熱のみしか温度調節できなかったが、電子部品の発熱又は外部温度の変化等でバルク熱電モジュール1の温度が高くなってしまった場合においても、個別熱電モジュール100で冷却できるため、温度制御しやすくなる。更に、温度制御方法に、総消費電力が最小であるか否かを判定する工程を有するため、熱電モジュール実装装置を低消費電力化することができる。
【0052】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、1つの熱電モジュール上に、実装する電子部品に対応する複数の温度調節部材を有しているため、複数の特性又は種類が異なる等する電子部品の温度調節を個別的に、且つ精度よく行うことが可能となる。また、装置全体を小型化する共に、組立工数を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)乃至(c)は、本発明の第1の実施例に係る熱電モジュール実装装置を示す図であって、(a)は上面図、(b)は(a)の一部拡大図、(c)は(a)のA−A線による断面図である。
【図2】 本発明の第1の実施例の温度調節部材の変形例を示す断面図である。
【図3】 本発明の第1の実施例の薄膜型ヒータ2を示す上面図である。
【図4】 本発明の第1の実施例の温度制御部を示す模式図である。
【図5】 本発明の第1の実施例の温度制御方法を示すフローチャートである。
【図6】 (a)及び(b)は、本発明の第2の実施例の温度調節部材を示す図であって、(a)は上面図、(b)は(a)のB−B線による断面図である。
【図7】 (a)及び(b)は本発明の第2の実施例の応用例を示す図である。
【図8】 本発明の第3の実施例に係る熱電モジュール実装装置を示す断面図である。
【図9】 本発明の第4の実施例に係る熱電モジュール実装装置を示す断面図である。
【図10】 本発明の第4の実施例の変形例を示す断面図である。
【図11】 本発明の第4の実施例の電子部品を示す側面図である。
【図12】 本発明の第4の実施例の温度制御方法を示すフローチャートである。
【図13】 従来例1のアレイ型発光素子モジュールを示す斜視図である。
【図14】 従来例2の熱電モジュール実装装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1;バルク型熱電モジュール、 2;薄膜型ヒータ、 3、5;サーミスタ、4;ベース基板、 6;LD、 7;リード線、 8;金ワイヤー、 11a;下部基板、 11b;上部基板、 12a、22a;p型熱電素子、 12b、22b;n型熱電素子、 13a、21a;上部電極、 13b、21b、21c;下部電極、 20;薄膜型熱電モジュール、 23;絶縁薄膜
Claims (7)
- p型熱電素子及びn型熱電素子のペルチェ効果により熱を移動させる熱電モジュールと、この熱電モジュール上に配置された複数の電子部品と、前記熱電モジュールと前記各電子部品との間に設けられ前記電子部品を個別的に温度調節する複数の温度調節部材と、前記温度調節部材上に夫々配置され各温度調節部材の温度を検知する第1のサーミスタと、を有し、前記温度調節部材は、温度調節素子及び前記温度調節素子と前記電子部品との間に配置された第1の熱伝導部材を有することを特徴とする熱電モジュール実装装置。
- 前記熱電モジュール上に直接前記温度調節素子が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の熱電モジュール実装装置。
- 前記温度調節部材は、更に、前記前記温度調節素子と前記熱電モジュールとの間に配置された第2の熱伝導部材を有することを特徴とする請求項1に記載の熱電モジュールの実装装置。
- 前記熱電モジュールに設けられ、この熱電モジュールの温度を検知する第2のサーミスタを有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱電モジュール実装装置。
- 前記温度調節素子は、導通により発熱する薄膜抵抗、又は相互に平行に配置された1若しくは複数個の上部電極及び下部電極とこの電極間に接合されたn型熱電素子及びp型熱電素子とを有し、前記上部電極及び下部電極により前記n型熱電素子及びp型熱電素子が交互に直列接続された個別熱電モジュールであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の熱電モジュールの実装装置。
- 前記電子部品は、1又は複数のレーザダイオードであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の熱電モジュール実装装置。
- 熱電モジュールに設けられた第2のサーミスタにより前記熱電モジュールの温度を測定し、この熱電モジュールの測定温度と第1の温度範囲とを対比して、前記熱電モジュールの測定温度が前記第1の温度範囲から外れる場合は、前記熱電モジュールの温度が前記第1の温度範囲に入ように前記熱電モジュールの出力を調節する工程と、各温度調節部材上に個別的に設けられた第1のサーミスタのうち測定対象の第1のサーミスタを選択し、この選択された第1のサーミスタにより対応する温度調節部材の温度を測定した後、その測定温度と第2の温度範囲とを対比して、前記温度調節部材の測定温度が前記第2の温度範囲から外れる場合は、この温度調節部材の温度が前記第2の温度範囲に入るように前記温度調節部材に設けられた温度調節素子の出力を個別的に調節する工程と、前記第1のサーミスタによる測定温度と前記第2のサーミスタによる測定温度との温度差が予め設定された設定温度差以下であるか否かを判定する工程と、を有し、前記第1及び第2のサーミスタの測定温度の温度差を判定する工程において、前記温度差が前記設定温度差より大きいと判定されたときは、前記熱電モジュールの出力を調節する工程及び前記前記温度調節素子の出力を個別的に調節する工程を繰り返すことを特徴とする熱電モジュール実装装置の温度制御方法。
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