JP6801918B2 - 温度制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、ペルチェ素子を用いた温度制御回路に関する。

従来から、レーザーダイオードや論理回路等の温度制御対象物の温度を制御するために、ペルチェ素子が用いられている。例えば、特許文献１では、温度制御対象物の温度を検出し、検出温度と任意の設定温度との差に応じてデューティ比の異なるパルスを生成する温度制御回路が提案されている。この生成されたパルスに基づいてペルチェ素子を駆動することで、温度制御対象物の温度が一定に保たれる。特許文献２では、電源投入時に、検出温度と設定温度との差が大きい程、検出温度が設定温度となる時定数が大きくなるようにペルチェ素子へ電流を流す温度制御回路が提案されている。

また、複写機等の画像形成装置において、温度検知手段の検知結果に基づいてヒータへの通電のデューティを変化させる技術が知られている。特許文献３には、ヒータのオンオフ制御を行うためのオンオフコントローラと、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御を行うためのＰＩＤコントローラ及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動回路を有する制御回路が開示されている。ＰＩＤ制御では、目標温度と検知温度との偏差に応じてデューティを算出し、算出されたデューティに基づいてＰＷＭ駆動回路を通じてヒータが点灯される。また、定着温度が閾値よりも低いときにはオンオフ制御を行い、定着温度が閾値に達した時点でＰＩＤ制御によるＰＷＭ方式に切り替えることが記載されている。

特開平０５−２１６５４５号公報 特開２００３−２７３４４７号公報 特開２００８−１２２７５７号公報

引用文献１に記載のペルチェ素子による温度制御技術では、ペルチェ素子への直流電圧の印加にＰＷＭ方式を採用し、直流電圧の印加のためのパルス幅の算出法としてＰＩＤ制御が用いられている。ＰＷＭは、周期を一定とし、入力信号の大きさに応じてパルス幅のデューティサイクル（パルス幅のＨとＬの比）を変える制御方式である。ＰＷＭ方式では、ＦＥＴ（パワートランジスタ）を飽和領域で使用するため電力損失が軽減され電源の負担が軽くなるものの、パルスによるノイズの発生や、ペルチェ素子をパルス駆動するため温度が平衡になりづらいという問題がある。

一方、特許文献２では、電源投入後にレーザーダイオードの温度が安定するまで、ペルチェ素子に印加される直流電圧が変更される。このようなアナログ方式は、ＰＷＭ方式に比べ発生ノイズが低く、温度追従性と温度制御精度に優れる。しかしながら、消費電流が大きく、電源に負担がかかるという問題がある。
本開示の目的は、上述した問題を鑑み、消費電流を低減し、高精度な温度制御が可能な温度制御技術を提供することにある。

本発明の一態様に係る温度制御回路は、温度制御対象物を加熱・冷却するペルチェ素子と、前記温度制御対象物の温度を検出する温度センサと、前記温度センサにより検出された検出温度と目標温度とを比較する温度比較部と、前記目標温度に到達するまでは前記検出温度と前記目標温度との偏差に応じたデューティ比のパルス電圧を生成するＰＷＭ方式で、前記目標温度に到達した後は前記偏差に応じた直流電圧を決定するアナログ方式に切り替える制御部と、前記パルス電圧又は前記直流電圧に基づいて前記ペルチェ素子を駆動する駆動部とを備える。

本発明によれば、消費電流を低減し、高精度な温度制御が可能な温度制御技術を提供することができる。

実施の形態に係る温度制御回路の構成を示すブロック図である。 図１の制御部の構成を示すブロック図である。 図１の駆動部の構成を示す回路図である。 時間ｔ（ｓ）に対する、ペルチェ素子に流れる電流値Ｉ（Ａ）と検出温度Ｔ（℃）の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。

本発明は、ペルチェ素子を用いた温度制御回路に関する。実施の形態に係る温度制御回路は、温度制御対象物の検出温度と目標温度とを比較し、目標温度に到達するまでは検出温度と目標温度との偏差に応じたデューティ比のパルス電圧を生成するＰＷＭ方式で、目標温度に到達した後は該偏差に応じた直流電圧を決定するアナログ方式に切り替える。このパルス電圧又は直流電圧に基づいてペルチェ素子を駆動することで、消費電流を低減し、高精度な温度制御が可能となる。実施の形態に係る温度制御回路は、レーザ光の波長や発光パワーを管理する必要があるレーザ機器や、ＣＰＵ、医療機器等の温度制御に用いられる。

図１は、実施の形態に係る温度制御回路１０の構成を示す図である。図１に示す例では、温度制御対象物としてＬＤ（レーザーダイオード）２が用いられ、温度センサとしてサーミスタ３が用いられている。なお、ＬＤ２、サーミスタ３は例示であり、限定するものではない。温度制御回路１０は、ＬＤ２の検出温度を目標温度と比較してその偏差を求め、この求めた偏差に基づきＬＤ２の加熱又は冷却を行う。図１に示すように、温度制御回路１０は、レーザーダイオード（ＬＤ）モジュール１、温度比較部５、制御部６、駆動部７を備える。

ＬＤモジュール１には、ＬＤ２、サーミスタ３、ペルチェ素子４が内蔵されている。ペルチェ素子４は、供給される電流の向きにより、加熱又は冷却効果を得ることができる温度制御素子である。ＬＤ２は、ペルチェ素子４の上に実装されている。ＬＤ２の近傍には、サーミスタ３が配置される。サーミスタ３は、ＬＤ２の温度を検出するための温度検出素子である。サーミスタ３は、温度により抵抗値が変化し、ＬＤ２の温度変化に比例した電圧を温度比較部５へ送信する。

温度比較部５は、サーミスタ３により検出された検出温度と任意に設定された目標温度とを比較すする。温度比較部５には、目標温度となる目標電圧が予め与えられている。温度比較部５は、目標電圧とサーミスタ３から送信される電圧との電位差を制御部６へと送信する。温度比較部５の回路構成例としては差動増幅器が挙げられる。この場合、温度比較部５には、目標電圧がリファレンス電圧として与えられ、サーミスタ３から入力される電圧とリファレンス電圧との差を増幅する。検出温度と目標温度の偏差が大きいほど、温度比較部５から出力される電圧も大きくなる。

制御部６は、ＬＤ２の検出温度が目標温度に到達するまで（検出温度＜目標温度）は検出温度と目標温度との偏差に応じたデューティ比のパルス電圧を生成するＰＷＭ方式を採用する。また、制御部６は、ＬＤ２の検出温度が目標温度に到達した後は該偏差に応じた直流電圧を決定するアナログ方式を採用する。制御部６については後に詳述する。

駆動部７は、制御部６からのパルス電圧又は直流電圧に基づいてペルチェ素子４を駆動する。制御部６からは、パルス電圧又は直流電圧に応じた供給電圧が駆動部７に供給される。駆動部７は、該供給電圧によってペルチェ素子４に電流を流す。また、駆動部７は、特定の条件に従って、ペルチェ素子４に流す電流の向きを変える。

ペルチェ素子４は電流を流すと一方の面が熱を吸収し反対面に発熱が起こる。電流の向きを逆転させると温度関係も反転する。上述したように、ＬＤモジュール１内部では、ペルチェ素子４上にＬＤ２、サーミスタ３が配置されているため、ＬＤ２及びサーミスタ３はペルチェ素子４と等しい温度となる。この一連の動作によりサーミスタ３が温度比較部５に設定されている目標温度となるようにペルチェ素子４が制御され、ＬＤ２の温度が一定に保たれる。

図２に、制御部６の構成を示す。図２に示すように、制御部６は、切替部１１、パルス生成部１２、ＰＩＤ制御部１３を有している。制御部６では、検出温度と目標温度との大小関係から加熱か冷却かを決定し、また、検出温度と目標温度との偏差の大きさ（絶対値）からペルチェ素子４に印加する供給電圧を決定する。

検出温度と目標温度が離れているほど温度比較部５が出力する電圧は大きくなり、ペルチェ素子４に大電流が流れる。実施の形態では、このような場合にＰＷＭ方式とすることで消費電流を減らし、電源負担を軽くする。そして、検出温度が目標温度に達した後は、リニアリティに優れたアナログ方式に切り替わる。

切替部１１は、温度比較部５から入力される電圧に応じて、パルス生成部１２とＰＩＤ制御部１３とを切り替えて動作させる。切替部１１には閾値が与えられており、入力された電圧が閾値よりも大きければ目標温度に到達していないと判断し、パルス生成部１２に切替える。パルス生成部１２が動作した場合、ペルチェ素子４の駆動方式はＰＷＭ方式となる。ＰＷＭ方式では、検出温度と目標温度との偏差に応じて、所定の周期内においてペルチェ素子４に電流を流す時間（デューティ）が算出され、パルス電圧が生成される。

一方、入力された電圧が閾値よりも小さければ、切替部１１は目標温度に達したと判断し、ＰＩＤ制御部１３に切り替える。ＰＩＤ制御部１３が動作した場合、ペルチェ素子４の駆動方式はアナログ方式に移行する。アナログ方式では、検出温度と目標温度との偏差に応じて、ペルチェ素子４に印加される直流電圧が直接決定される。ＰＩＤ制御部１３は、比例回路、積分回路、微分回路の構成を有する。ＰＩＤ制御部１３は、ＰＩＤ制御のアルゴリズムに基づいて、検出温度と目標温度との偏差から直流電圧を算出する。

なお、比例回路＋積分回路＋微分回路の構成を有するＰＩＤ制御部１３に限定されず、目標とする精度や制御対象によって、Ｐ制御を行う比例回路のみ、ＰＩ制御を行う比例回路＋積分回路等の他の可変制御を実現可能な構成を用いてもよい。また、温度比較部５、制御部６は、オペアンプを含むアナログ回路、ＡＤコンバータとＣＰＵの組合せ、あるいは、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）により幅広く実現可能であり、特に限定するものではない。

図３に、駆動部７の構成を示す。図３では、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）とオペアンプを使用した構成例が示される。なお、ＦＥＴの代わりにパワートランジスタ等の他のスイッチング素子を用いてもよい。温度比較部５での電圧極性はサーミスタ３の抵抗値に依存する。この電圧極性に基づいて、ペルチェ素子４による加熱／冷却が選択される。

図３に示すように、駆動部７は、切替回路２０と駆動回路３０とを含む。切替回路２０は、ＦＥＴ２１、ＦＥＴ２２、オペアンプ２３を含む。切替回路２０は、ペルチェ素子４に流す電流の極性を切り替える。駆動回路３０は、ＦＥＴ３１、ＦＥＴ３２、オペアンプ３３、オペアンプ３４を含む。駆動回路３０は、制御部６からのパルス電圧又は直流電圧に基づいてペルチェ素子４に印加する供給電圧を決定する。

駆動部７には、ペルチェ素子４に電流を双方向に流すことができるように、ＦＥＴを用いたＨ型のブリッジが形成されている。Ｈブリッジは、２つのＦＥＴ（２１と３１、２２と３２）を電源とグランドとの間に直列に接続した２つの直列回路を有している。それぞれの直列回路のＦＥＴ間（ＦＥＴ２１とＦＥＴ３１との間、ＦＥＴ２２とＦＥＴ３２との間）の接続点Ｎ１、Ｎ２の間に橋渡しするようにペルチェ素子４が接続される。

オペアンプ２３のマイナス入力端子（−）は制御部６に接続されており、プラス入力端子（＋）は接地されている。また、オペアンプ２３のマイナス入力端子（−）には、ＦＥＴ２２のゲートが抵抗を介して接続されている。オペアンプ２３の出力端子は、ＦＥＴ２１のゲートに抵抗を介して接続されている。オペアンプ２３は、制御部６で決定された加熱か冷却かに従って、ＦＥＴ２１とＦＥＴ２２のいずれか一方をオンとすることにより、ペルチェ素子４に流れる電流の向きを決定する。サーミスタ３による検出温度が目標温度より低い場合は加熱、検出温度が目標温度以上の場合は冷却となる。

オペアンプ３３、オペアンプ３４のそれぞれのプラス入力端子（＋）は制御部６に接続されている。オペアンプ３３の出力端子はＦＥＴ３２のゲートに接続され、オペアンプ３４の出力端子はＦＥＴ３１のゲートに接続されている。また、オペアンプ３３のマイナス入力端子（−）はＦＥＴ３２のソースに接続され、オペアンプ３４のマイナス入力端子（−）はＦＥＴ３１のソースに接続されている。

ペルチェ素子４に流れる電流値は、オペアンプ３３とＦＥＴ３２、オペアンプ３４とＦＥＴ３１により決定される。オペアンプ３３とＦＥＴ３２で決定される電流の向きとオペアンプ３４とＦＥＴ３１により決定される電流の向きは、互いに逆方向となる。すなわち、上述した２つの直列回路のうち、一方の直列回路の電源側のＦＥＴと他方の直列回路のＧＮＤ側のＦＥＴだけをオンとすることでペルチェ素子４に一方の方向に電流が流れ、各直列回路の反対側のＦＥＴだけをオンとすればペルチェ素子４に反対方向の電流が流れる。電流の流れる方向により、ペルチェ素子４の加熱と冷却が切り替わる。

検出温度と目標温度とが離れている場合には、ＦＥＴ３１又はＦＥＴ３２のゲート−ソース間電圧を増大させ、ペルチェ素子４に出力する電流を増大させる。ペルチェ素子４の加熱／冷却性能は電流値に依存するため、検出温度と目標温度との偏差が大きいほど急速に加熱／冷却が行われる。検出温度が目標温度に近づいた場合は、ＦＥＴ３１又はＦＥＴ３２のゲート−ソース間電圧を低下させ、ペルチェ素子４への出力電流を低下させる。

実施の形態のように、駆動部７にＦＥＴを用いた場合、直流電圧の値を変化させるアナログ方式では、ＦＥＴのドレイン−ソース間電圧が飽和電圧以下の領域ではＦＥＴが動作せず、温度制御が困難になるという欠点を持つ。そこで、上述したように、実施の形態では、オペアンプ３３、オペアンプ３４のマイナス入力端子（−）はそれぞれＦＥＴ３２、ＦＥＴ３１のソースに接続され、ソースフォロワとなっている。これにより、ゲート−ソース間電圧が維持され、飽和領域での動作となり、温度制御不能領域をなくすことが可能となる。

図４は、時間ｔ（ｓ）に対する、ペルチェ素子４に流れる電流値Ｉ（Ａ）と検出温度Ｔ（℃）の関係を示している。図４において、横軸が時間ｔ（ｓ）を示しており、縦軸が電流値Ｉ（Ａ）と検出温度Ｔ（℃）を示している。また、実線が検出温度を示しており、一点鎖線が電流値を示している。Ｔｔは、目標温度である。

図４に示すように、目標温度Ｔｔに達するまでは消費電流が低いＰＷＭ方式を採用し、目標温度Ｔｔに到達した後に温度追従性と温度制御精度に優れたアナログ方式に切り替えている。このため、検出温度が目標温度から離れており消費電流が増える条件下、例えば、装置の起動時や環境温度が大きく変化した大電流が必要な時には、ＰＷＭ方式で消費電流を抑制することができる。また、目標温度に到達した後には、アナログ方式で高精度の温度制御が可能となり、両方式のメリットを生かした温度制御回路を実現することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。実施の形態では、検出温度が目標温度に達したか否かでＰＷＭ方式とアナログ方式を切り替えたが、これに限定されず、検出温度と目標温度との偏差が大きい場合はＰＷＭ方式で、該偏差が小さい場合はアナログ方式としてもよい。

この場合、温度比較部５には、上述した目標温度と共に、下側設定温度と上側設定温度とが予め設定されうる。検出温度が下側設定温度に達するまではＰＷＭ方式とし、下側設定温度から上側設定温度まではアナログ方式とし、上側設定温度を超えた場合は再度ＰＷＭ方式として、ＬＤ２の温度が目標温度となるようにペルチェ素子４に流れる電流値を制御する。例えば、検出温度が目標温度に対して±３℃より離れている場合にＰＷＭ方式に、±３℃以内であればアナログ方式が採用される。

また、パルス生成部１２によるデューティ比の演算にＰＩＤ制御をはじめとした種々の可変制御を用いることも可能である。

１ ＬＤモジュール
２ ＬＤ
３ サーミスタ
４ ペルチェ素子
５ 温度比較部
６ 制御部
７ 駆動部
１０ 温度制御回路
１１ 切替部
１２ パルス生成部
１３ ＰＩＤ制御部
２０ 切替回路
２１ ＦＥＴ
２２ ＦＥＴ
２３ オペアンプ
３０ 駆動回路
３１ ＦＥＴ
３２ ＦＥＴ
３３ オペアンプ
３４ オペアンプ

Claims (4)

1. 温度制御対象物を加熱・冷却するペルチェ素子と、
   前記温度制御対象物の温度を検出する温度センサと、
   目標温度と下側設定温度と上側設定温度とが設定され、前記温度センサにより検出された検出温度と目標温度、下側設定温度、上側設定温度とをそれぞれ比較する温度比較部と、
   前記検出温度が前記下側設定温度よりも低い温度から前記下側設定温度に達するまでは前記検出温度と前記目標温度との偏差に応じたデューティ比のパルス電圧を生成するＰＷＭ方式とし、前記下側設定温度から前記上側設定温度までは前記偏差に応じた直流電圧を決定するアナログ方式とし、前記上側設定温度を超えた場合は前記ＰＷＭ方式とする制御部と、
   前記パルス電圧又は前記直流電圧に基づいて前記ペルチェ素子を駆動する駆動部と、
   を備える温度制御回路。
2. 前記駆動部は、前記ペルチェ素子に流れる電流値を決定する駆動回路を備え、
   前記駆動回路は、ソースフォロワ構成のトランジスタを含む、
   請求項１に記載の温度制御回路。
3. 前記駆動回路は、演算増幅器をさらに含み、
   前記トランジスタのソースが、前記演算増幅器のマイナス入力端子に接続されている、
   請求項２に記載の温度制御回路。
4. 前記制御部は、可変制御を行って前記パルス電圧及び／又は前記直流電圧を決定する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度制御回路。

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