JPS60107117A

JPS60107117A - 恒温装置

Info

Publication number: JPS60107117A
Application number: JP58215766A
Authority: JP
Inventors: Masao Hirano; 平野　正夫; Motoaki Takaoka; 高岡　元章
Original assignee: Tateisi Electronics Co; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1983-11-15
Filing date: 1983-11-15
Publication date: 1985-06-12

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】発明の費用この発明は、電子素子たとえば１ｃ回路、半導体発光素
子、半導体受光素子等の湿度補償や、融点測定装置等に
用いられる小型で精密な用途の恒温装置に関する。

アナログ光学計測、１ν密な温度補Ｉｎ、融点測定等に
おいて用いられる従来の恒温装置には、第１図に示ｔ　
にうなものがある。（Δ）は恒温化すべき物体（１）に
隣接配置したキャビティ（１１）内に恒温化した流体を
循環させることによって物体（１）の温度を一定に保と
うとするらのである。（Ｂ）ｌよ最ちに＜用いられるも
のて、ペルチェ素子等の電子冷熱素子（１２）を用いて
温度を一定に保とうとするものである。恒温化Ｊべさ物
体（１）の渇磨を熱雷対（１３）等によって検知し、ペ
ルチェ素子〈１２）に印加する電圧または流す電流を制
御することにＪ：って物体（１）の温度を一定に保持す
る。（Ｃ）は物体（１）またはそれに隣接する熱板（１
５）にヒータ（１４）を取付け、熱板り１５）の温度検
知にもとづいてヒータ（１４）に流す電流を調節して恒
温を維持するものである。恒温化を必要とする精度に応
じて（Ａ）〜（Ｃ）のやり方が組合せて用いられること
もある。

しかしながら、第１図く△）の装置において（３未、恒
温装置それ自体の形状が大きくなること、装置の劣化等
によって循環する流体が漏れる危険があること、および
循環づる流体を恒温化Ｊるための装置もまた人へ１！化
せざるを得ないこと等の欠点がある。

第１図（Ｂ）および（Ｃ）の装置は電気的に温度を制御
することができ便利なために最もよく用いられる。そし
て制御方式には０Ｎ１０ＦＦ制御やＰＴＤ比例制御等が
あり、±０．１℃程度６温調精度が１９られる。しかし
ながら、さらに高い温調精度を要求することはできない
。

また外気の温度変化にＪ：って影響されやすい欠点もあ
る。

第２図は、第１図（Ｂ）（Ｃ）に示す恒温装置の温度特
性を示している。第２図において、（ａ）は周囲温度の
変化、（ｂ）は加熱制御をした場合の物体（１）の温度
変化、（Ｃ）は冷却制御をした場合の物体（１）の温度
変化をそれぞれ示している。０Ｎ１０ＦＦ制御または比
例制御か行なわれるので、そのオン、オフなどの周期に
ｊ；つで物体（１）の温度（ｈ　）　（Ｇ　）には小さ
な波状の変化（脈ｖＪ）が生じている。

また周囲温度の変化（ａ）に対応してΔＴｄという制御
？ｍ　ＩＱドリフトが生じている。このように従来の温
度装置では湿度の脈動が生じるとともに周囲温度の変化
の影響を受けるという欠点があった。１発明の概要この発明は、恒温に保つべき物体の温度に脈動かはど／
υど生じることがなく、また周囲温度の変化にもほとん
ど影響されることのない安定したそして高精度の温度制
御が可能な恒温装置を提供するものである。

この発明による恒温装置は、恒温に保つべぎ物体（被温
度制抄０体）の周囲をほぼ囲む熱導体、この物体と熱導
体との間に設けられ、熱導体よりも熱伝導率の低い熱緩
％ＩＩｉ体、および熱導体の外側に設けられる断熱体を
備えていることを特徴とする。上記物体の温度制御は、
その物体またはその近傍の温度を測定する温度センサ、
ならびにこの温度はンサの検出信号にもとづいて、恒温
装置内の温度があらかじめ定められた一定温度になるよ
うに熱導体を加熱および／または冷却する温度制御手段
によって行なわれる。加熱および冷却の両方にｊ：って
温度制御する場合には、温度制御手段がペルチェ素子と
その加熱、冷却モードを切換える手段とを含むものであ
ることが好ましい。熱導体を加熱および／または冷却す
る制御は従来のＯＮ　／　ＯＦ　Ｆ　ｆｉｌｌ　Ｉｎや
ＰＩ　゛Ｄ比例制御でよい。

この発明では、恒温に保つべき物体と熱導体どの間に、
熱導体よりも熱伝導率の低い熱緩衝体が設けられており
、熱導体の熱はこの熱緩衝体を介して１８！１体に伝え
られる。このため、熱導体の温度に従来のように小さな
脈動が生じても、熱伝導率のより低い熱緩衝体を介して
伝達されることによって脈動が減少する。熱導体の外側
は断熱体にＪ：ってほぼ囲まれているから周囲温度の影
響が内部の物体に及ぶことは非常に少ない。

またこの発明の恒温装置においては加熱冷却手段として
従来の電子冷熱素子やヒータを適用でき、恒温装置の構
成は断熱体や熱伝導率を調節した熱緩衝体を周辺に配設
するだけであるから、従来の技術をそのまま応用して精
度よく温調することができる利点を持っている。また構
成が簡単なため形状も容易に小形化することができ、半
導体発光索子、半導体受光素子、ＩＣ等のマイクロ七ジ
コール等に適用してもかさばらないので、実用」二非常
に便利に使うことができる。

実施例の説明第３図はこの発明による恒温装置の典型的な例を示して
いる。ＩＴＴ温状態に保つべぎ物体（１）の形状に合致
した空所をもつ熱ブロック（熱導体）（２）があり、こ
の空所内に物体（１）が収められている。物体（１）の
外周はこの熱ブロック（２）によって囲まれている。熱
ブロック（２）はアルミニウム、銅等の熱伝導率の高い
材１１によってつくられている。物体（１）と熱ブロッ
ク（２）との間に（ま熱緩衝体（３）が介在している。

熱緩衝体（３）は、熱ブロック（２）　Ｊ：りも熱伝導
率の低い材料でつくられている。熱緩衝体（３）はたと
えばテフロン・シートであり、このシー１−が物体（１
）の周囲に巻付（ｊられている。熱Ｍ’ｔ１体（３）と
熱ブロック（２）とは接している。

熱ブロック〈２）は電子冷熱素子たとえばペルチェ素子
（５）によって直接に加熱および／または冷却される。

物体（１）の温度が白金抵抗測渇体、ｔナーミスタ、ま
たは熱雷対等の温度検知素子（６）によって測定される
。そして、この測定調度にもとづいて物体（１）の温度
が一定になるようにペルチェ素子（５）に電流が流され
温度調節が行なわれる。温度制御のやり方としては、０
Ｎ１０ＦＦ制御、ＰＩＤ比例制御その他の方式が採用さ
れる。また、一定に保つべき温度に応じて、加熱制御の
み、冷却制御のみ、および加熱、冷却制御のいずれかが
行なわれる。加熱、冷却制御において、加熱手段、冷却
手段のうちの一方を主熱源どし、他方を制御用の補助熱
源として動作させるようにすれば高精度の制御が可能と
なる。

熱ブロック（２）の外側はざらに発泡１！１プラスデツ
クのような断熱体（／ｌ）にＪこって囲まれている。熱
ブロック（２）は断熱体（４）に接していても離れてい
てもどちらでもよいが、むしろ１Ｉｉ１［れていて熱ブ
ロック（２）と断熱体（４）との間に空隙があった方が
断熱効果が高くなるであろう。

第４図（Δ）の（Ｃ）は冷却制御した場合の物体（１）
の温度変化を示している。（ａ　）は周囲温度の変化を
表わしている。熱ブロック（２）の温度に脈動があって
も熱緩衝体（３）が熱抵抗となるので脈動が弱められ物
体（１）の温［σ（Ｃ）には脈動はほとんど現われない
。

また、熱ブロック（２）は断熱体（４）によって周囲と
熱的に絶縁されるので、温度（Ｃ）は外部温度（ａ）が
変化してもその影響をはどんと受りずにほぼ一定に保た
れ、温度ドリフトΔＴｄはきわめて小さな値となる。第
４図（Ｂ）において、（ｄ　）は加熱制御と冷却制御と
を併用した場合の物体（１）の濃度変化を表わしている
。

なお、温度検知素子（６）は物体（１）に接する位置に
配置することが望ましいが、物体（１）が非常に小さい
場合には熱ブロック（２）に配置してもよい。このとき
には物体（１）の正確な温度は不明となるが、物体（１
）の恒温化の目的は達成する。

次にこの発明の恒温装置の詳細な具体例についてｊボベ
る。第５図および第６図は、光ファイバセンザ等の精密
なアナログ語測に用いる発光ダイオードの恒温装置の例
である。ここでは前述の物体（１）に相当する部分はス
テム（２７）に取（ｑけられた発光ダイＡ−ド（２１）
であり、発光ダイオード全体はその外周がテフロンテー
プ（２３）で巻かれ、熱ブロック（２２）内に嵌合され
るようになっている。熱ブロック（２２）の周りにはさ
らに発泡性プラスデックの断熱材（２４）が設けられ、
発光ダイオードの光軸にあわせて孔があけられ、この孔
にガラス（２８）がはめられている。熱ブロック〈２２
）には白金抵抗測温体（２６）が取付けられており、こ
の測温体（２Ｇ）が熱ブロック（２２）の渇痘を検出す
る。

そしてこの検知温度にもとづいて恒温装置内の温度があ
らかじめ定められた一定温度にくするように、温調器に
よってペルチェ素子（２５）が制御される。

第７図は、検出した温度と設定温度との比較結果に応じ
てペルチェ素子（２５）に印加する電圧の極＋１１を切
換えて加熱、冷Ｊ１１１制御を行なう回路の例を示して
いる。測温体（２６）の出力信号（：１温調器（５０）
の入力端子（５１）に入力している。温調制御を行なう
場合には接点（５２）がオンとされる。リレー（５４）
の接点（５５）のうら常閉接点が閉じており、加熱、冷
却のうちのいずれか一方の制御が行なわれている。極性
を反転する場合には端子（５３）にリレー駆動用出力が
発生し、リレー接点（５５）の常閉接点がオンとなり、
ペルチェ素子（２５）に逆極性の電圧が印加される。し
たがって、加熱→冷却または冷７ｉ→加熱への切換えが
行なわれる。このような加熱、冷却制御によって、設定
温度が室温よりも高い場合にも低い場合にも恒温化が可
能となり、広い動作温度範囲が得られる。

第６図に熱の移動の様子が示されている。発光ダイオー
ド（２１）の自己発熱は熱ブロック（２２）に向って放
射状に放熱される。また熱ブロック（２２）の熱量は熱
緩衝体（２３）を介して心的に移動する。熱ブロック（
２２）においては熱の伝導が良好なのですべての場所に
おいて均一り温度となる。熱ブロック（２２）と発光ダ
イオード（２１）との間に熱緩衝体（２３）が存在する
ので、熱ブロック（２２）が加熱、冷却制ね口されその
温度が波状に変化してもこの変化は熱緩衝体（２３）に
よってやわらげられ、発光ダイオード（２１）の温度の
脈動が減少する。熱ブロツク（２１）の温調制度は±０
．１〜±０．３℃程度であるから熱緩衝体く２３）は厚
くなくてもよく、数１０〜数１００μｍ程度でもよい。

断熱体く２４〉が然ブロック（２２）の周囲を取巻いて
いるので、大気からの熱量は熱ブロック（２２〉にはほ
とＩυど伝達されず、外気温度に影響されない。

この装置でｊｑられだ発光出力に対する恒温の効果は大
きい。発光素子にＱａ／１．ｓ赤外発光ダイオードを用
いた例で、発光出力の温度変化は周囲温度が０〜４０℃
変化した場合にも±０゜０１ｄ　Ｂ以下におさえること
ができた。使用した発光ダイオードの出力は０．０２６
ｄ　Ｂ／℃（したがって１．０４ｄ　Ｂ／４０℃）の温
度シフトをもつものであるから、改善度合が大きいこと
が分る。

一般に発光ダイオードでは発光や発光波長が温度変化に
よってシフトし、またフォトダイオードでは温度上昇に
伴なって光電流が大きくなったり、暗電流が増加する。

たとえば、シリコンブレーナ型フォトダイオードでは、
第８図（Ａ）および（Ｂ）に示寸ｊ：うに、光電流お」
：び暗電流が温度上昇に伴なって大きくなり、またＧａ
ＡＳ発光ダイオードでは、第８図（Ｃ）に示すように、
放剣束光庶が温度によって変化することになる。このｊ
：うに光電素子は温度シフト特性があるのでアナログ計
測に利用する際、シフト量の補償を要Ｊ゛ることになる
が、第５図および第６図の恒温装置を用いることによっ
て、温度特性の欠点を大幅に改善できることが叩解でき
よう。

とくに半導体発光素子では駆動時に自己発熱を（’ｌ”
、’ｒうので、周囲４匹の影響も含めて考慮Ｊるど温度
に対する制御が複雑になる。第５図および第６図の恒温
装置ではこのような点についてｂｌＩＩ！慮されている
。この観点から発光素子チップと発光素子を保持するス
テムの間に放熱体どして小型のヒートシンクを付りると
一層良い。

次にこの発明の他の実施例について詳述する。

第９図は融点測定装量等において用いられる小型の超精
密恒温装置である。恒温化される物体は、試Ｆｌ（３１
）と、この試料（３１）を上下から挾んだプレパラ−１
〜（４１）およびカバーグラス（４２）と、これらをさ
らに挾む熱板（４３）とである。これらの物体を覆うよ
うに熱伝導率を調整した熱緩衝体（３３）、たとえばテ
フロンシー１〜、セラミック性接首剤が適当な厚さに設
けられている。さらに熱緩衝体（３３）で被覆された物
体は熱ブロック（３２）内に収容され、この外側がさら
に断熱体（３４）で囲まれている。熱ブロック（３２）
はたとえばアルミニウムや銅であり、断熱体（３４）は
アスベストや気孔性セラミックが用いられる。熱ブロッ
ク（３２）内には抵抗体ヒータ（３５）と検温素子（３
６）とが段【ノられ、検温素子〈３６）で検出された温
度と設定温度とにもとづいてヒータ（３５）に流れる電
流が制御されることにより、熱ブロック（３２）が設定
温度になるように調整される。さらに必要ならば、外気
を遮断する効果を持たせるために、この恒温装置全体が
箱体内に入れられる。この恒温装置では±０．１°Ｃ以
下の精密な温度測定が可能となる。

恒温装置には光の透過孔（４４）があ（）られており、
この孔（４４）を試料（３１）が遮断してぃる。孔〈４
４）の入口側および出口側には２枚の偏光板（４５）が
その偏光軸Ｐ１、Ｐ２が直交するように配買される。そ
してこれらの偏光板（４！ｉ）および透過孔（４４）を
通して光を投射してａＥ　＜。試料（３１）の温度が融
点に到達した時点で試わ１（３１）は溶融Ｊるから、こ
のときの透過光量の変化を検知することにより試料＜３
１）が融点に達したことが分る。そのとぎの恒温されて
いる高度が試料（３１）の融点である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の恒温装置の例を示すものであって、（△
）は恒温流体循環方式、（Ｂ）は電子冷熱素子を用いた
恒温方式、（Ｃ）はヒータを用いた方式の略図、第２図
は従来の恒温装置の制御温度特性を示すグラフ、第３図
はこの発明の一実施例の構成図、第４図は第３図の実施
例の制御温度特性を示づグラフ、第５図および第６図は
この発明の他の実施例を示すものであり、第５図は縦断
面図、第６図は第５図のＶＩ　−ＶＩ線にそう断面図、
第７図はＦＦｎ度制御回路の一例を示す回路図、第８図
は半導体発光および受光素子の潤度特性を示Ｊ−グラフ
、第９図はこの発明のさらに他の実施例を示す断面図で
ある。（１）・・・恒温すべき物体、（２）　（２２＞　（３
２）・・・熱ブロック（熱導体）、（３）　（２３）　
（３３）・・・熱緩衝体、（／Ｉ）　（２／ｌ）　（３
４）・・・断熱体。以　上外４名第１８図＜Ａ）（Ｂ）第２図第８図第４図（Ａ）（Ｂ）時間第７図５第８図（Ａ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　被温度制御体の周囲をほぼ囲む熱導体、被温度
制御体と熱導体との間に設けられ、熱々休Ｊ：りも熱伝
導率の低い熱緩衝体、および熱導体の外側に設けられる
断熱体、を備えた恒温装置。
（２）　被温度１ｒＩｌｌＩＩ１体またはその近傍の温
度を測定覆る温度センサ、ならびにこの温度センサの検出信号にもとづいて、恒温装置内の
温度があらかじめ定められた一定高麻になるように熱導
体を加熱および／または冷却する温度制御手段、を備えた特許請求の範囲第（１）項記載の恒温装置。
（３）　温度制御手段かペルヂＴ素子とそのｆａｌｌ熱
、冷却モードを切換える手段とを含む、特許請求の範囲
第（１）項記載の恒温装置。