JP4170998B2

JP4170998B2 - 温度制御装置

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Publication number: JP4170998B2
Application number: JP2005063165A
Authority: JP
Inventors: 展明野口; 泰志上田; 青木　　透; 誠岡崎
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: JP2005294816A

Description

本発明は、蛍光顕微鏡、半導体露光装置、または光学特性評価装置等の発光素子の温度制御装置に関するものであり、より詳細には発光素子の発光波長や発光強度を安定に保つための温度制御を行う技術に関する。

従来から、レーザダイオードや発光ダイオードは、小型で低消費電力であることから、蛍光顕微鏡における励起光源、半導体露光装置や光学特性評価装置の光源としてよく用いられている。

しかし、レーザダイオードや発光ダイオードは温度依存性であり、温度変化に対して発光波長や発光強度が変化する。このため、ペルチェ素子のような加熱冷却手段と、サーミスタのような温度検出手段とを備え、発光素子（レーザダイオードや発光ダイオード等）の温度が一定になるように制御する温度制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、従来の一般的な温度制御装置を示したものである。
図５の温度制御装置は、発光素子５００と、発光素子５００の光強度信号を出力する光検出手段５０１と、光強度信号に基づき発光素子５００の光出力制御を行うための光出力制御信号を出力する発光素子制御手段５０２と、発光素子５００の温度を予め設定された目標温度に制御するペルチェ素子５０３と、発光素子５００の温度を検出する温度検出手段５０４と、目標温度に対応する温度検出手段の出力電圧を保持する基準電圧保持手段５０７と、温度検出手段５０４の出力電圧と基準電圧保持手段５０７の出力電圧との誤差を増幅する誤差増幅手段５０８と、誤差増幅手段５０８の出力に応じてペルチェ素子５０３を制御するペルチェ制御手段５０９を備えたものである。

誤差増幅手段５０８はオペアンプを使用した差動増幅回路で実現される。
また、温度検出手段５０４は、抵抗５０５とサーミスタ５０６を電源と接地間に直列に接続したものである。

サーミスタ５０６は、温度変化に応じて抵抗値が変化する素子である。Ｂ定数３３８０±１％、２５［℃］での抵抗値１０Ｋ±１％オームのサーミスタと１０Ｋオームの抵抗とを直列に５Ｖ電源と接地間に接続すると、温度検出手段５０４の出力電圧は表１のように変化する。２５［℃］では２．５［Ｖ］となり、温度が１℃上昇すると出力電圧はおよそ４０［ｍＶ］低下する。

一方、例えば発光素子５００の周辺の温度が低下して発光素子５００の温度が低下したときには、温度検出手段５０４の出力電圧が上昇するので、発光素子５００を加熱するようにペルチェ制御手段５０９がペルチェ素子５０３に対して駆動電流を流すことで、発光素子５００の温度を２５［℃］に保つことができる。

また、前記温度制御装置に、ペルチェ素子に流れる駆動電流に対応する電圧を、誤差増幅手段の入力に帰還させ、温度検出手段の出力電圧に加算する手段をさらに備える温度制御装置も提案されている。（例えば、特許文献２参照）。この温度制御装置によれば、冷却・加熱が切り替わるときの温度制御を安定化させ、ペルチェ素子に流れる駆動電流の限界値の温度変動を抑えることができる。
特開平７−２２６７８号公報特開平７−３２１３９２号公報

しかし、前記従来の温度制御装置は、発光素子の発光時もしくは消光時に、発光素子に流れる電流が変化して接地電位が変動するため、実際には発光素子が温度変化していないにもかかわらず、温度検出手段の出力電圧が変動し、それに伴いペルチェ制御手段が発光素子の温度を変化させ、発光素子の温度を所望の温度と異なる温度に制御してしまうという問題があった。

また、温度検出手段の電源と発光素子の電源が共通であれば、発光素子の発光時もしくは消光時に、発光素子に流れる電流が変化して電源電位が変動するため、実際には発光素子が温度変化していないにもかかわらず、温度検出手段の出力電圧が変動し、それに伴いペルチェ制御手段が発光素子の温度を変化させ、発光素子の温度を所望の温度と異なって制御してしまうという問題があった。

特に、近年の発光素子の高出力化に伴う発光素子の駆動電流の増大と、温度検出手段を含む発光素子モジュールの小型化によって安定な電源および接地を実現することが非常に困難になっている。

さらに発光素子が経時劣化すると、同じ光強度を保つための電流値が次第に大きくなるので、電源電位もしくは接地電位の変動は次第に大きくなるという問題があった。

本発明は、前記課題を解決するもので、発光素子を温度制御するにあたり、電源電位もしくは接地電位の変動が発生した場合でも安定して発光素子の温度を所望の温度に制御することのできる温度制御装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の請求項１に係る温度制御装置は、発光素子と、前記発光素子の光出力制御を行うための光出力制御信号を出力する発光素子制御手段と、前記発光素子の温度を予め設定された目標温度に制御する加熱冷却手段と、前記発光素子の温度を検出し、検出結果を電圧に変換して出力する温度検出手段と、前記目標温度に対応する前記温度検出手段の出力電圧を予め保持しておく第一の基準電圧保持手段と、前記光出力制御信号に基づいて保持信号と切り替え信号を生成して出力する基準電圧制御手段と、前記保持信号に基づいて前記温度検出手段の出力電圧を保持する第二の基準電圧保持手段と、前記切り替え信号に基づいて、前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧と前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧のどちらかを選択し、基準電圧として出力する基準電圧切り替え手段と、前記温度検出手段の出力電圧と前記基準電圧切り替え手段が出力する前記基準電圧との誤差に基づいて制御電流を生成して、前記加熱冷却手段を制御する加熱冷却制御手段とを備え、前記基準電圧制御手段は、前記発光素子が消光しているときには、前記切り替え信号により前記基準電圧切り替え手段を制御して、前記基準電圧として前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を選択させ、前記発光素子が発光しているときには、前記切り替え信号により前記基準電圧切り替え手段を制御して、前記基準電圧として、前記保持信号に基づいて前記第二の基準電圧保持手段に保持された前記温度検出手段の出力電圧を選択させることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る温度制御装置は、請求項１に記載の温度制御装置において、前記温度検出手段が、異なる２つの基準電位間に、抵抗と、温度変化に応じて抵抗値が変化するサーミスタとを直列に接続したもので、前記サーミスタの抵抗値が変化することで、出力電圧が変化することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る温度制御装置は、請求項１に記載の温度制御装置において、前記保持信号が、前記発光素子が消光状態から発光状態に推移したときに、前記温度検出手段の出力電圧を保持するように指示する信号であることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る温度制御装置は、請求項１に記載の温度制御装置において、前記切り替え信号が、前記発光素子が消光している間は前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を前記基準電圧として選択し、前記発光素子が発光している間は前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧を前記基準電圧として選択するように指示する信号であることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る温度制御装置は、請求項１に記載の温度制御装置において、前記基準電圧制御手段が、前記光出力制御信号に基づいて前記発光素子が発光しているか消光しているかを判断し、前記発光素子が発光していると判断したときに、前記温度検出手段の出力電圧を第二の基準電圧保持手段に保持させるための前記保持信号を出力する保持制御手段と、前記光出力制御信号に基づいて前記発光素子が発光しているか消光しているかを判断し、前記発光素子が発光していると判断し、かつ前記保持制御手段が前記保持信号を出力したときに、前記基準電圧切り替え手段が前記基準電圧として前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧を選択するように前記切り替え信号の論理レベルを変化させ、消光していると判断したときに、前記基準電圧切り替え手段が前記基準電圧として前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を選択するように前記切り替え信号の論理レベルを変化させる基準電圧切り替え制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の請求項６に係る温度制御装置は、請求項５に記載の温度制御装置において、前記保持制御手段が、前記光出力制御信号の立ち上がりを検出したときに、前記発光素子が発光していると判断することを特徴とする。

本発明の請求項７に係る温度制御装置は、発光素子と、前記発光素子の光強度を示す光強度信号を出力する光検出手段と、前記光強度信号に基づいて前記発光素子の光出力制御を行うための光出力制御信号を出力する発光素子制御手段と、前記発光素子の温度を予め設定された目標温度に制御する加熱冷却手段と、前記発光素子の温度を検出し、検出結果を電圧に変換して出力する温度検出手段と、前記目標温度に対応する前記温度検出手段の出力電圧を予め保持しておく第一の基準電圧保持手段と、前記光強度信号に基づいて保持信号と切り替え信号を生成して出力する基準電圧制御手段と、前記保持信号に基づいて前記温度検出手段の出力電圧を保持する第二の基準電圧保持手段と、前記切り替え信号に基づいて、前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧と前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧のどちらかを選択し、基準電圧として出力する基準電圧切り替え手段と、前記温度検出手段の出力電圧と前記基準電圧切り替え手段が出力する前記基準電圧との誤差に基づいて制御電流を生成して、前記加熱冷却手段を制御する加熱冷却制御手段とを備え、前記基準電圧制御手段は、前記発光素子が消光しているときには、前記切り替え信号により前記基準電圧切り替え手段を制御して、前記基準電圧として前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を選択させ、前記発光素子が発光しているときには、前記切り替え信号により前記基準電圧切り替え手段を制御して、前記基準電圧として、前記保持信号に基づいて前記第二の基準電圧保持手段に保持された前記温度検出手段の出力電圧を選択させることを特徴とする。

また、本発明の請求項８に係る温度制御装置は、請求項７に記載の温度制御装置において、前記温度検出手段が、異なる２つの基準電位間に、抵抗と、温度変化に応じて抵抗値が変化するサーミスタとを直列に接続したもので、前記サーミスタの抵抗値が変化することで、出力電圧が変化することを特徴とする。

また、本発明の請求項９に係る温度制御装置は、請求項７に記載の温度制御装置において、前記保持信号が、前記発光素子が消光状態から発光状態に推移したときに、前記温度検出手段の出力電圧を保持するように指示する信号であることを特徴とする。

また、本発明の請求項１０に係る温度制御装置は、請求項７に記載の温度制御装置において、前記切り替え信号が、前記発光素子が消光している間は前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を前記基準電圧として選択し、前記発光素子が発光している間は前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧を前記基準電圧として選択するように指示する信号であることを特徴とする。

また、本発明の請求項１１に係る温度制御装置は、請求項７に記載の温度制御装置において、前記基準電圧制御手段が、前記光強度信号に基づいて前記発光素子が発光しているか消光しているかを判断し、前記発光素子が発光していると判断したときに、前記温度検出手段の出力電圧を第二の基準電圧保持手段に保持させるための保持信号を出力する保持制御手段と、前記光強度信号に基づいて前記発光素子が発光しているか消光しているかを判断し、前記発光素子が発光していると判断し、かつ前記保持制御手段が前記保持信号を出力したときに、前記基準電圧切り替え手段が前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧を選択するように前記切り替え信号の論理レベルを変化させ、前記発光素子が消光していると判断したときに、前記基準電圧切り替え手段が前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を選択するように前記切り替え信号の論理レベルを変化させる基準電圧切り替え制御手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項１２に係る温度制御装置は、請求項１１に記載の温度制御装置において、前記保持制御手段が、前記光強度信号の立ち上がりを検出したときに、前記発光素子が発光していると判断することを特徴とする。

本発明によれば、発光素子が発光したときに、電源電位もしくは接地電位が変動した直後の温度検出手段の出力電圧を保持し、保持した出力電圧を誤差増幅手段の基準電圧としたことから、発光素子の発光時に電源電位もしくは接地電位に変動が発生した場合においても、安定して発光素子の温度を所望の温度に制御することができる。

以下に、本発明の温度制御装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る温度制御装置の構成を示す。

図１の温度制御装置は、発光素子１００と、発光素子１００の光出力制御を行うための光出力制御信号を出力する発光素子制御手段１０１と、発光素子１００の温度を予め設定された目標温度に制御する加熱冷却手段（ペルチェ素子１０２）と、発光素子１００の温度を検出し、検出結果に対応する電圧を出力する温度検出手段１０３と、目標温度に対応する温度検出手段１０３の出力電圧を保持する第一の基準電圧保持手段１０６と、光出力制御信号に基づいて保持信号と切り替え信号とを生成して出力する基準電圧制御手段１０７と、保持信号に基づいて温度検出手段１０３の出力電圧を保持する第二の基準電圧保持手段１０８と、切り替え信号に基づいて、消光期間は第一の基準電圧保持手段１０６の出力電圧を基準電圧として選択し、発光期間は第二の基準電圧保持手段１０８の出力電圧を基準電圧として選択して出力する基準電圧切り替え手段１０９と、温度検出手段１０３の出力電圧と基準電圧切り替え手段１０９の出力電圧との誤差を増幅する誤差増幅手段１１０と、誤差増幅手段１１０の出力に応じてペルチェ素子１０２を制御するペルチェ制御手段１１１とを備える。

発光素子１００は、例えば半導体レーザモジュールであり、複数個の半導体レーザの出力を光ファイバーで集光させることにより高い光出力を得ることができるようにしたものである。

また、発光素子制御手段１０１は、発光素子１００の発光強度を制御する光出力制御信号を出力する。光出力制御信号は電圧値であり、発光素子１００はこの電圧値を電圧−電流変換し、これにより得られる駆動電流によって発光する。

また、誤差増幅手段１１０はオペアンプを使用した差動増幅回路で実現することができる。基準電圧切り替え手段１０９の出力電圧よりも温度検出手段１０３の出力電圧の方が高ければ誤差増幅手段１１０の出力電圧は正の電圧値となり、逆に基準電圧切り替え手段１０９の出力電圧よりも温度検出手段１０３の出力電圧の方が低ければ、誤差増幅手段１１０の出力電圧は負の電圧値となるように差動増幅回路を構成する。基準電圧切り替え手段１０９の出力電圧と温度検出手段１０３の出力電圧との差が大きいときには、誤差増幅手段１１０の出力電圧はオペアンプの正の電源もしくは負の電源で制限される。したがって、誤差増幅手段１１０によって、わずかな温度変化も増幅して電圧値に変換することができるため、精度の高い温度検出を実現できる。

また、ペルチェ制御手段１１１は、誤差増幅手段１１０の出力電圧が正の電圧値のとき、ペルチェ素子１０２が発光素子１００を加熱する方向の制御電流を出力する。一方、誤差増幅手段１１０の出力電圧が負の電圧値のとき、ペルチェ素子１０２が発光素子１００を冷却する方向の制御電流を出力する。誤差増幅手段１１０の出力電圧の絶対値が大きいほど制御電流を大きくして、誤差増幅手段１１０の出力電圧がゼロになるように制御する。

さらに、温度検出手段１０３は、抵抗１０４とサーミスタ１０５を電源と接地間に直列に接続したものである。
サーミスタ１０５は、温度変化に応じて抵抗値が変化する素子である。例えば、Ｂ定数３３８０±１％、２５［℃］での抵抗値１０Ｋ±１％オームのサーミスタと１０Ｋオームの抵抗を５Ｖ電源と接地間に直列に接続すると、温度検出手段１０３の出力電圧は表１のように変化する。２５［℃］では２．５［Ｖ］となり、温度が１℃上昇すると出力電圧はおよそ４０［ｍＶ］低下する。

第一の基準電圧保持手段１０６は、発光素子１００の温度を所望の目標温度とするために、目標温度に対応する温度検出手段１０３の出力電圧を基準電圧として保持する。この基準電圧は図示しないシステムコントローラから固定値を与えられるか、あるいは予め保持されたものである。例えば、発光素子１００を２５［℃］に制御したいときには、表１に示すように、温度検出手段１０３の出力電圧を２．５［Ｖ］に保てばよいので、第一の基準電圧保持手段１０６には２．５［Ｖ］が設定される。

基準電圧制御手段１０７は、光出力制御信号に基づいて、温度検出手段１０３の接地電位が上昇した時点の温度検出手段１０３の出力電圧を、第二の基準電圧保持手段１０８に保持させるために保持信号を出力する。また、発光素子１００の発光時と消光時とで、発光素子１００を温度制御するための基準電圧を、第一の基準電圧保持手段１０６に設定された電圧とするか、第二の基準電圧保持手段１０８に保持された電圧とするかの切り替えを指示する切り替え信号を出力する。すなわち、発光素子１００が消光状態から発光状態に推移、または発光状態から消光状態に推移したことを光出力制御信号から検知し、発光素子１００が発光したときに、保持信号により温度検出手段１０３の出力電圧を第二の基準電圧保持手段１０８に保持させ、その直後、切り替え信号によって基準電圧切り替え手段１０９に基準電圧として第二の基準電圧保持手段１０８の出力電圧を選択させる。一方、発光素子１００の消光時には、切り替え信号によって基準電圧切り替え手段１０９に基準電圧として第一の基準電圧保持手段１０６の出力電圧を選択させる。

これにより、発光素子１００の発光時に、発光素子１００の温度が変化していないにもかかわらず、温度検出手段１０３の出力電圧が変化しても、誤差増幅手段１１０に入力される、温度検出手段１０３の出力電圧と基準電圧切り替え手段１０９の出力電圧との誤差がなくなるので、ペルチェ制御手段１１１は不必要な温度制御を行わない。

基準電圧制御手段１０７について、図３を用いて詳細に説明する。図３は基準電圧制御手段１０７の構成例を示す。図３において、基準電圧制御手段１０７は、保持制御手段３０１と基準電圧切り替え制御手段３０３とを備える。基準電圧切り替え制御手段３０３は、切り替え制御手段３００と切り替え判断手段３０２とを備える。

切り替え制御手段３００は、例えば、所定の時間間隔で光出力制御信号を保持する光出力制御信号保持手段と、光出力制御信号保持手段の出力と光出力制御信号との差を求めて、光出力制御信号の立ち上がりもしくは立ち下がりを検出する状態変化検出手段と、所定の時間をカウントするカウンタと、光出力制御信号の立ち上がりもしくは立ち下がりを検出してから所定の時間が経過したときに選択信号の論理レベルを切り替える選択信号生成手段で構成される。前記選択信号生成手段は、光出力制御信号の立ち上がり検出時に、選択信号を基準電圧切り替え手段１０９が第二の基準電圧保持手段１０８の出力を選択する論理レベルに、光出力制御信号の立ち下がり検出時に基準電圧切り替え手段１０９が第一の基準電圧保持手段１０６の出力を選択する論理レベルにする。前記所定の時間間隔および所定の時間は、切り替え制御手段３００の動作クロックを基準として決定することができる。前記所定の時間間隔は１［ｍｓｅｃ］、前記所定の時間は５［ｍｓｅｃ］とする。これは、発光素子１００の発光時に、発光素子１００の温度が変化していないにもかかわらず、温度検出手段１０３の接地電位が上昇して出力電圧が変化し、ペルチェ制御手段１１１の不必要な温度制御による発光素子１００の温度変化が生じる前（例えば０．５［℃］変化する前）に、選択信号の論理レベルを切り替えることができるようにするためである。なお、光出力制御信号の応答時間、ペルチェ制御手段１１１の応答時間、及び発光素子１００の熱容量に応じて前記所定の時間間隔および所定の時間を決定することにより、所望の温度制御精度を達成することができる。

保持制御手段３０１は、光出力制御信号に基づいて、第二の基準電圧保持手段１０８と切り替え判断手段３０２に保持信号を出力する。保持信号は第二の基準電圧保持手段１０８が温度検出手段１０３の出力電圧を保持するタイミングを示すパルス信号である。

例えば保持制御手段３０１は、所定の時間間隔で光出力制御信号を保持する光出力制御信号保持手段と、光出力制御信号保持手段の出力と光出力制御信号との差を求めて光出力制御信号の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、所定の時間をカウントするカウンタと、光出力制御信号の立ち上がりを検出してから所定の時間が経過したときに保持信号を出力する保持信号生成手段で構成される。前記所定の時間間隔および所定の時間は、保持制御手段３０１の動作クロックを基準として決定することができる。前記所定の時間間隔は１［ｍｓｅｃ］、所定の時間は５［ｍｓｅｃ］とする。これは、発光素子１００の発光時に、温度検出手段１０３の接地電位が上昇して出力電圧が変化し、ペルチェ素子１０２の不必要な温度制御による発光素子１００の温度変化が生じる前（例えば０．５［℃］変化する前）に、保持信号を出力することができるようにするためである。

なお、光出力制御信号の応答時間、ペルチェ制御手段１１１の応答時間、及び発光素子１００の熱容量に応じて前記所定の時間間隔と所定の時間を決定することにより、所望の温度制御精度を達成することができる。

切り替え判断手段３０２は、切り替え制御手段３００が出力する選択信号及び保持制御手段３０１が出力する保持信号に基づいて、基準電圧切り替え手段１０９に出力する切り替え信号の論理レベルを変化させる。切り替え判断手段３０２は、保持信号により温度検出手段１０３の出力電圧の保持を完了したことを示す論理レベルに変化し、選択信号が第一の基準電圧保持手段１０６の出力を選択する論理レベルに変化したときに初期化される保持完了信号を生成する。そして、切り替え制御手段３００が出力する選択信号が第一の基準電圧保持手段１０６の出力を選択する論理レベルから第二の基準電圧保持手段１０８の出力を選択する論理レベルに変化し、かつ保持完了信号が温度検出手段１０３の出力電圧の保持を完了したことを示す論理レベルであるときに、切り替え信号を基準電圧切り替え手段１０９が第二の基準電圧保持手段１０８の出力電圧を選択する論理レベルに変化させる。また、切り替え制御手段３００が出力する選択信号が第二の基準電圧保持手段１０８の出力を選択する論理レベルから第一の基準電圧保持手段１０６を選択する論理レベルに変化したときに、切り替え信号を基準電圧切り替え手段１０９が第一の基準電圧保持手段１０６の出力電圧を選択する論理レベルに変化させる。

なお、切り替え制御手段３００は、所定の時間間隔で光出力制御信号を保持する光出力制御信号保持手段と、光出力制御信号保持手段の出力と光出力制御信号との差を求めて光出力制御信号の立ち上がりもしくは立ち下がりを検出する状態変化検出手段と、光出力制御信号の立ち上がりもしくは立ち下がりを検出してから光出力制御信号保持手段の出力と光出力制御信号との差が所定の値以下になったことを判定する収束判定手段と、収束判定手段が収束したと判定したときに選択信号の論理レベルを変化させる選択信号生成手段で構成しても良い。

また、切り替え制御手段３００は、発光素子制御手段１０１から光出力制御信号の発光時の目標値（図示せず）を入力して、この目標値に所定の係数（例えば立ち上がりの場合は０．９９、立ち下がりの場合は０．０１）を乗算して比較電圧を生成する比較電圧生成手段と、立ち上がりの場合は光出力制御信号が比較電圧よりも大きくなったことを判定し、立ち下がりの場合は光出力制御信号が比較電圧よりも小さくなったことを判定する収束判定手段と、収束判定手段が収束したと判定したときに選択信号を変化させる選択信号生成手段で構成しても良い。

また、保持制御手段３０１は、所定の時間間隔で光出力制御信号を保持する光出力制御信号保持手段と、光出力制御信号保持手段の出力と光出力制御信号との差を求めて光出力制御信号の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、光出力制御信号の立ち上がりを検出してから光出力制御信号保持手段の出力と光出力制御信号との差が所定の値以下になったことを判断する収束判定手段と、収束判定手段が収束したと判断したときに保持信号を出力する保持信号生成手段で構成しても良い。

また、保持制御手段３０１は、所定の時間間隔で光出力制御信号を保持する光出力制御信号保持手段と、光出力制御信号保持手段の出力と光出力制御信号との差を求めて光出力制御信号の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、光出力制御信号の立ち上がりを検出してから光出力制御信号保持手段の出力と光出力制御信号との差が所定の値以下になったことを判定する収束判定手段と、所定の時間をカウントするカウンタと、収束判定手段が収束したと判定してから所定の時間が経過したときに保持信号を出力する保持信号生成手段で構成しても良い。

また、保持制御手段３０１は、発光素子制御手段１０１から光出力制御信号の発光時の目標値（図示せず）を入力して、この目標値に所定の係数（例えば０．９９）を乗算して比較電圧を生成する比較基準生成手段と、光出力制御信号が比較電圧よりも大きくなったことを判定する収束判定手段と、収束判定手段が収束したと判定したときに保持信号を出力する保持信号生成手段で構成しても良い。

第二の基準電圧保持手段１０８は、保持信号の保持を示すパルスを検出すると温度検出手段１０３の出力電圧を保持し、この出力電圧を次に保持信号の保持を示すパルスを検出するまで保持し続ける。そして保持した電圧値を基準電圧切り替え手段１０９に出力する。

以上のように構成された温度制御装置の動作について図２を用いて詳細に説明する。図２は、発光素子１００を２５［℃］に制御しているときの各種信号レベルの時間変化を図示したものであり、消光期間（１）、発光期間（２）、消光期間（３）、発光期間（４）の順で変化させた場合を図示している。なお、温度検出手段１０３は、Ｂ定数３３８０±１％、２５［℃］での抵抗値１０Ｋ±１％オームのサーミスタと１０Ｋオームの抵抗を５Ｖ電源と接地間に直列に接続して構成することとして、以下説明を行う。

消光期間（１）では、発光素子制御手段１０１が出力する光出力制御信号（ａ）が、消光中に相当する信号レベル（例えば０［Ｖ］とする）なので、発光素子１００の電流値は０．０［Ａ］である。また、目標温度が２５［℃］なので、２．５［Ｖ］の第一の基準電圧（ｂ）を第一の基準電圧保持手段１０６が保持する。切り替え信号（ｅ）は基準電圧制御手段１０７が出力するもので、第一の基準電圧を選択する論理レベルである。したがって、選択された基準電圧（ｆ）は２．５［Ｖ］となり、温度検出手段の出力電圧（ｇ）が２．５［Ｖ］に保たれる。すなわち、発光素子温度（ｈ）が２５［℃］に保たれる。

次に、発光素子１００に対する光出力制御信号（ａ）をＶａ＝３．０［Ｖ］にする（消光期間（１）から発光期間（２）に推移する）と、発光素子１００に流れる電流の影響で接地電位が上昇し、温度検出手段１０３の出力電圧（ｇ）も２．５［Ｖ］からＶｂ［Ｖ］に上昇する。例えば、接地電位が０［Ｖ］から０．１６［Ｖ］に上昇すると、Ｖｂ＝２．５８［Ｖ］になる。

このとき、発光素子１００の温度はほとんど変化していない。しかし、ペルチェ制御手段１１１は、温度検出手段１０３の出力電圧が２．５８［Ｖ］に変化したことで、発光素子１００の温度が２３［℃］に低下したと判断して、発光素子１００の加熱を開始するようにペルチェ素子１０２を制御しようとする。

このとき、第二の基準電圧保持手段１０８は、基準電圧制御手段１０７が出力する保持信号（ｄ）に基づいて、第二の基準電圧（ｃ）、Ｖｂ＝２．５８［Ｖ］を保持し、切り替え信号（ｅ）を第二の基準電圧を選択する論理レベルにする。これにより、誤差増幅手段１１０が比較する、選択された基準電圧（ｆ）と温度検出手段の出力電圧（ｇ）とが等しくなるため、ペルチェ制御手段１１１がペルチェ素子１０２に対して温度制御を行わず、ペルチェ素子１０２が発光素子１００を加熱することはない。よって、発光素子温度（ｈ）は２５［℃］に保たれる。

次に、発光素子１００に供給する電流を遮断し、発光素子を消光させた場合（発光期間（２）から消光期間（３）に推移した場合）、温度検出手段の出力電圧（ｇ）は２．５［Ｖ］に戻る。ここで基準電圧制御手段１０７は切り替え信号（ｅ）を第一の基準電圧（ｂ）を選択する論理レベルにする。これにより、誤差増幅手段１１０は予め設定された第一の基準電圧（ｂ）と、電圧変動のない温度検出手段１０３の出力電圧とを比較することになるので、発光素子温度（ｈ）は２５［℃］に保たれる。

さらに、発光素子１００に出力する光出力制御信号（ａ）を発光期間（２）とは異なるＶｃ＝１．５［Ｖ］にする（消光期間（３）から発光期間（４）に推移する）と、温度検出手段の出力電圧（ｇ）は２．５［Ｖ］からＶｄ［Ｖ］に上昇する。例えば、接地電位が０［Ｖ］から０．０８［Ｖ］に上昇すると、Ｖｄ＝２．５４［Ｖ］になる。このように発光素子１００の光出力を変化させても、消光期間（１）から発光期間（２）に推移したときと同様に、第二の基準電圧（ｃ）であるＶｄ［Ｖ］を保持して、選択された基準電圧（ｆ）をＶｄ［Ｖ］に切り替えることにより、発光素子温度（ｈ）は２５［℃］に保たれる。

以上のように、本実施の形態１に係る温度制御装置は、発光素子制御手段１０１の光出力制御により発光素子１００を発光させたとき、その直後の温度検出手段１０３の出力電圧を第二の基準電圧保持手段１０８に保持しておき、発光素子１００の発光期間には、発光素子１００を温度制御するための基準電圧として第二の基準電圧保持手段１０８の出力電圧を選択し、発光素子１００の消光期間には、発光素子１００を温度制御するための基準電圧として第一の基準電圧保持手段１０６の出力電圧を選択するようにした。これにより、本実施の形態１に係る温度制御装置によれば、発光素子を任意の出力で発光もしくは消光させても、適切な基準電圧の設定を行い、発光素子１００を目標温度に保つことが可能となる。

なお、実施の形態１では温度検出手段１０３の接地電位が変動した際の動作について説明したが、温度検出手段１０３の電源電位が変動した場合も温度検出手段１０３の出力変動は接地電位が変動した場合と同様の特性を示すため、発光素子の発光、消光に伴って温度検出手段１０３の電源電位が変動した場合においても、本発明の温度制御装置で同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態１では基準電圧の選択及び基準電圧の保持制御を発光素子制御手段１０１が出力する光出力制御信号に基づいて行うようにしたが、図４に示すように、基準電圧制御手段４０１が、光検出手段４００の出力する光強度信号に基づいて基準電圧の選択及び基準電圧の保持制御を行うようにしても良い。なお、図４において、その他の構成要素は図１と同様であるので説明を省略する。

図４において、光検出手段４００は発光素子１００の発光による光の強度を検出して光強度信号を出力するものである。光強度信号は図２（ａ）に示す光出力制御信号と同様の出力特性を有するものであれば、基準電圧制御手段４０１は図１で説明した基準電圧制御手段１０７と同じ構成で実現できる。

また、実施の形態１では、発光素子１００を加熱・冷却する加熱冷却手段としてペルチェ素子１０２を例に挙げたが、油もしくは水などの液体や冷却されたガスなどの気体を循環させて発光素子の温度を制御する加熱冷却手段でもよい。

また、実施の形態１では、温度検出手段１０３として抵抗とサーミスタで構成されたものを例に挙げたが、本発明の温度検出手段はこれに限るものではなく、熱電対のように温度情報を電圧情報に変換するものであればよい。

本発明にかかる温度制御装置は、発光素子の光出力制御により温度検出手段の電源電位や接地電位に変動が生じても安定な温度制御を行うことができるので、発光素子の温度を安定化させることができ、励起光の波長に敏感な蛍光を観測する蛍光顕微鏡や、高い加工精度が必要な半導体露光装置や、高い検出精度が必要な光学特性評価装置用に好適である。

本発明の実施の形態１に係る温度制御装置の構成例を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る温度制御装置における各種信号の時間変化を表す図である。本発明の実施の形態１に係る温度制御装置の基準電圧制御手段の構成を示すブロック図である。本発明の温度制御装置の構成例を示すブロック図である。従来の温度制御装置のブロック構成図である

符号の説明

１００，５００発光素子
１０１，５０２発光素子制御手段
１０２，５０３ペルチェ素子
１０３，５０４温度検出手段
１０４，５０５抵抗
１０５，５０６サーミスタ
１０６第一の基準電圧保持手段
１０７，４０１基準電圧制御手段
１０８第二の基準電圧保持手段
１０９基準電圧切り替え手段
１１０，５０８誤差増幅手段
１１１，５０９ペルチェ制御手段
３００切り替え制御手段
３０１保持制御手段
３０２切り替え判断手段
３０３基準電圧切り替え制御手段
４００，５０１光検出手段
５０７基準電圧保持手段

Claims

発光素子と、
前記発光素子の光出力制御を行うための光出力制御信号を出力する発光素子制御手段と、
前記発光素子の温度を予め設定された目標温度に制御する加熱冷却手段と、
前記発光素子の温度を検出し、検出結果を電圧に変換して出力する温度検出手段と、
前記目標温度に対応する前記温度検出手段の出力電圧を予め保持しておく第一の基準電圧保持手段と、
前記光出力制御信号に基づいて保持信号と切り替え信号を生成して出力する基準電圧制御手段と、
前記保持信号に基づいて前記温度検出手段の出力電圧を保持する第二の基準電圧保持手段と、
前記切り替え信号に基づいて、前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧と前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧のどちらかを選択し、基準電圧として出力する基準電圧切り替え手段と、
前記温度検出手段の出力電圧と前記基準電圧切り替え手段が出力する前記基準電圧との誤差に基づいて制御電流を生成して、前記加熱冷却手段を制御する加熱冷却制御手段とを備え、
前記基準電圧制御手段は、前記発光素子が消光しているときには、前記切り替え信号により前記基準電圧切り替え手段を制御して、前記基準電圧として前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を選択させ、前記発光素子が発光しているときには、前記切り替え信号により前記基準電圧切り替え手段を制御して、前記基準電圧として、前記保持信号に基づいて前記第二の基準電圧保持手段に保持された前記温度検出手段の出力電圧を選択させることを特徴とする温度制御装置。
前記温度検出手段は、異なる２つの基準電位間に、抵抗と、温度変化に応じて抵抗値が変化するサーミスタとを直列に接続したもので、前記サーミスタの抵抗値が変化することで、出力電圧が変化することを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
前記保持信号は、前記発光素子が消光状態から発光状態に推移したときに、前記温度検出手段の出力電圧を保持するように指示する信号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。
前記切り替え信号は、前記発光素子が消光している間は前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を前記基準電圧として選択し、前記発光素子が発光している間は前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧を前記基準電圧として選択するように指示する信号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。
前記基準電圧制御手段は、
前記光出力制御信号に基づいて前記発光素子が発光しているか消光しているかを判断し、前記発光素子が発光していると判断したときに、前記温度検出手段の出力電圧を第二の基準電圧保持手段に保持させるための前記保持信号を出力する保持制御手段と、
前記光出力制御信号に基づいて前記発光素子が発光しているか消光しているかを判断し、前記発光素子が発光していると判断し、かつ前記保持制御手段が前記保持信号を出力したときに、前記基準電圧切り替え手段が前記基準電圧として前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧を選択するように前記切り替え信号の論理レベルを変化させ、前記発光素子が消光していると判断したときに、前記基準電圧切り替え手段が前記基準電圧として前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を選択するように前記切り替え信号の論理レベルを変化させる基準電圧切り替え制御手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
前記保持制御手段は、前記光出力制御信号の立ち上がりを検出したときに、前記発光素子が発光していると判断することを特徴とする請求項５に記載の温度制御装置。
発光素子と、
前記発光素子の光強度を示す光強度信号を出力する光検出手段と、
前記光強度信号に基づいて前記発光素子の光出力制御を行うための光出力制御信号を出力する発光素子制御手段と、
前記発光素子の温度を予め設定された目標温度に制御する加熱冷却手段と、
前記発光素子の温度を検出し、検出結果を電圧に変換して出力する温度検出手段と、
前記目標温度に対応する前記温度検出手段の出力電圧を予め保持しておく第一の基準電圧保持手段と、
前記光強度信号に基づいて保持信号と切り替え信号を生成して出力する基準電圧制御手段と、
前記保持信号に基づいて前記温度検出手段の出力電圧を保持する第二の基準電圧保持手段と、
前記切り替え信号に基づいて、前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧と前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧のどちらかを選択し、基準電圧として出力する基準電圧切り替え手段と、
前記温度検出手段の出力電圧と前記基準電圧切り替え手段が出力する前記基準電圧との誤差に基づいて制御電流を生成して、前記加熱冷却手段を制御する加熱冷却制御手段とを備え、
前記基準電圧制御手段は、前記発光素子が消光しているときには、前記切り替え信号により前記基準電圧切り替え手段を制御して、前記基準電圧として前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を選択させ、前記発光素子が発光しているときには、前記切り替え信号により前記基準電圧切り替え手段を制御して、前記基準電圧として、前記保持信号に基づいて前記第二の基準電圧保持手段に保持された前記温度検出手段の出力電圧を選択させることを特徴とする温度制御装置。
前記温度検出手段は、異なる２つの基準電位間に、抵抗と、温度変化に応じて抵抗値が変化するサーミスタとを直列に接続したもので、前記サーミスタの抵抗値が変化することで、出力電圧が変化することを特徴とする請求項７に記載の温度制御装置。
前記保持信号は、前記発光素子が消光状態から発光状態に推移したときに、前記温度検出手段の出力電圧を保持するように指示する信号であることを特徴とする請求項７に記載の温度制御装置。
前記切り替え信号は、前記発光素子が消光している間は前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を前記基準電圧として選択し、前記発光素子が発光している間は前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧を前記基準電圧として選択するように指示する信号であることを特徴とする請求項７に記載の温度制御装置。
前記基準電圧制御手段は、
前記光強度信号に基づいて前記発光素子が発光しているか消光しているかを判断し、前記発光素子が発光していると判断したときに、前記温度検出手段の出力電圧を第二の基準電圧保持手段に保持させるための保持信号を出力する保持制御手段と、
前記光強度信号に基づいて前記発光素子が発光しているか消光しているかを判断し、前記発光素子が発光していると判断し、かつ前記保持制御手段が前記保持信号を出力したときに、前記基準電圧切り替え手段が前記基準電圧として前記第二の基準電圧保持手段の出力電圧を選択するように前記切り替え信号の論理レベルを変化させ、前記発光素子が消光していると判断したときに、前記基準電圧切り替え手段が前記基準電圧として前記第一の基準電圧保持手段の出力電圧を選択するように前記切り替え信号の論理レベルを変化させる基準電圧切り替え制御手段とを備えることを特徴とする請求項７に記載の温度制御装置。
前記保持制御手段は、前記光強度信号の立ち上がりを検出したときに、前記発光素子が発光していると判断することを特徴とする請求項１１に記載の温度制御装置。