JPWO2003083537A1 - 温度制御装置とアレイ導波路格子型光波長合分波器 - Google Patents

Abstract

被制御体を予め設定した恒温状態に保持する温度制御装置およびアレイ導波路格子型光波長合分波器において、半導体制御素子の接合温度の悪影響を皆無とすることにより、全体の構成を簡単化すると共に、動作効率を無理なく、かつ充分に高めることを目的とする。アレイ導波路格子型光波長合分波素子である被制御体１０を固定した、熱伝導性の良い材料製の均熱板２に、その接合温度により発熱体として機能する制御端子付き半導体制御素子３と温度センサー５とを固定し、この温度センサー５からの温度検出信号ｓ４から得た現在温度信号ｓ２と、予め設定した目標温度信号ｓ１との誤差信号ｓ３に従って、半導体制御素子３の導通状態を負帰還制御し、これにより半導体制御素子３の接合温度を損失ではなく、加熱源として有効利用し、かつ消費電力の低減化および性能の安定化を達成する。

Description

技術分野
本発明は、アレイ導波路格子型光波長合分波素子等の被制御体を、予め設定した恒温状態に、精度良く加熱保持する温度制御装置と、この温度制御装置を使用したアレイ導波路格子型光波長合分波器に関するものである。
背景技術
アレイ導波路格子型光波長合分波素子等の被制御体を、予め設定した恒温状態に保持する温度制御装置の一般的な従来構成は、図６および図７に示すように、均熱部１と制御部６とから構成されている。
均熱部１は、被制御体１０を固定した、熱伝導性の良い材料製の均熱板２にヒーター４０を埋設すると共に、被制御体１０に隣接して温度センサー５を固定して構成されている。
制御部６は、温度センサー５からの温度検出信号ｓ４に従って温度検出回路７から出力された現在温度信号ｓ２と、予め加熱目標温度を設定している温度設定回路８から出力された目標温度信号ｓ１とを、ヒーター４０に直列接続された半導体制御素子３０の制御端子回路である比較器９で比較し、比較器９で得られた比較結果である誤差信号ｓ３を、半導体制御素子３０の制御端子に制御信号として入力する構成となっている。
すなわち、従来は、熱源として専らヒーター４０を使用し、このヒーター４０に熱結合された温度センサー５からの温度情報を制御部６で処理し、この制御部６の半導体制御素子３０でヒーター４０への供給電流を制御することにより、ヒーター４０を駆動して、均熱板２すなわち被制御体１０を一定温度に制御する、と云う負帰還制御を行っている（例えば、特開平９−３０６６３８号公報の従来技術の項を参照）。
しかしながら、上記した従来技術にあっては、ヒーター４０への供給電流を直接制御する半導体制御素子３０に、必然的に高い接合温度が発生するが、この半導体制御素子３０の接合温度を効率的に放熱させる専用の機能部分が必要となり、このため温度制御装置の制御部６の構造が複雑となると共に、この温度制御装置を使用したアレイ導波路格子型光波長合分波器の小型化が大幅に制限される、と云う問題があった。
また、ヒーター４０を発熱駆動させる電源電力の一部が、半導体制御素子３０の接合温度として無駄に消費されてしまうので、この半導体制御素子３０での損失が無効分となり、温度制御装置全体の効率を悪くする、と云う問題があった。
さらに、半導体制御素子３０の熱抵抗値（１Ｗあたりの温度上昇率）は、接合温度、アレイ導波路格子型光波長合分波器のケース温度、エアーまでの熱抵抗値であり、ケース温度からエアーまでの間は、ヒートシンク（放熱手段）の熱抵抗値となるのであるが、小型化すると高い数値となるので、温度制御装置の信頼性のさらなる向上は望み得ない、と云う問題があった。
そこで、本発明は、上記した従来技術における問題点を解消すべく創案されたもので、被制御体を予め設定した恒温状態に保持する温度制御装置および、この温度制御装置を用いたアレイ導波路格子型光波長合分波器において、半導体制御素子の接合温度の悪影響を皆無とすることを技術的課題とし、もって、温度制御装置およびアレイ導波路格子型光波長合分波器の構成を簡単化すると共に、動作効率を無理なく、かつ充分に高めることを目的とする。
発明の開示
上記技術的課題を解決する本発明の内、請求項１記載の発明の手段は、アレイ導波路格子型光波長合分波素子等の被制御体を、予め設定した恒温状態に保持する温度制御装置であること、
この温度制御装置を均熱部と制御部とから構成すること、
均熱部を、固定した被制御体を加熱する、金属等の熱伝導性の良い材料製の均熱板と、この均熱板に固定され、発熱体として機能する制御端子付き半導体制御素子と、被制御体に隣接して、均熱板に固定された温度センサーと、を有する構成とすること、
制御部を、加熱目標温度を設定する温度設定回路と、均熱部の温度センサーからの温度検出信号ｓ４に従って現在温度を検出する温度検出回路と、温度設定回路からの目標温度信号ｓ１と温度検出回路からの現在温度信号ｓ２とを比較して、その差を誤差信号ｓ３として出力する、半導体制御素子の制御端子回路である比較器と、を有する構成とすること、
にある。
この請求項１記載の発明においては、均熱部で、半導体制御素子に電力を供給して発熱させ、これにより均熱板を加熱して被制御体を加熱するのであるが、被制御体に対する加熱温度は、温度センサーで常時測定され、その測定結果を測定信号ｓ４として制御部に送る。
制御部では、温度検出信号ｓ４を温度検出回路に入力して、現在温度信号ｓ２を作成し、この現在温度信号ｓ２と、予め設定した加熱目標温度に従って温度設定回路で作成した目標温度信号ｓ１とを比較器で比較し、両信号の差を誤差信号ｓ３として半導体制御素子の制御端子に入力する。
制御端子付き半導体制御素子は、誤差信号ｓ３に従って消費電力を制御するので、この誤差信号ｓ３が小さいほど、すなわち現在温度信号ｓ２の値が目標温度信号ｓ１の値に近いほど、消費電力は小さくなり、これにより被制御体を目標とする温度に加熱すると共に、目標とする恒温状態に維持する。
均熱部の発熱のための電力を直接制御する半導体制御素子を、均熱部の熱源としているので、均熱板が、半導体制御素子の放熱板として機能することになり、半導体制御素子に専用の放熱機能部分を設ける必要がない。
また、半導体制御素子は、所望するそれ自体の発熱に必要とする電力を制御するので、均熱部の発熱に要する電力の全てを直接制御することになり、このため均熱部の効率の良い加熱作用を得ることができ、そして加熱に要する電源の負荷が半導体制御素子だけであるので、電源の低電圧化が可能となる。
そして、半導体制御素子は、その接合温度を、従来のヒーターへの供給電流制御動作時の温度に比べて低い、予め設定された均熱部の温度とほぼ等しい温度とすれば良いので、その分、周囲温度に影響されることなく、信頼性が向上する。
すなわち、半導体制御素子の故障率（ＦＩＴ数）は、接合温度に依存しているので、この接合温度を低く抑えることができる分、半導体制御素子の信頼性が向上する。
さらに、半導体制御素子の熱抵抗値は、接合温度、ケース温度までの熱抵抗値となり、ケース温度からエアーまでの間が等しくなって、無限大放熱器を取付けたと等しい状態となっているので、接合温度が低下して、その分、信頼性が向上する。
制御部には、発熱する半導体制御素子がないので、放熱手段とか防熱手段を講じる必要がなく、その分、構造が簡単となると共に、全体が小型で軽量とすることが可能であり、これにより取扱いが容易であると共に、取付けに対する制約が大幅に少なくなる。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に、半導体制御素子に、ヒーターを直列接続したこと、を加えたものである。
この請求項２記載の発明においては、均熱部の発熱源が、半導体制御素子と、この半導体制御素子により動作が制御されるヒーターとの二つとなるので、被制御体に対する加熱能力が充分に高いものとなる。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明の構成に、半導体制御素子を、トランジスタとしたこと、を加えたものである。
この請求項３記載の発明においては、この種の温度制御装置の電源としては、直流定電圧電源を使用するのが一般であるので、発熱の制御、すなわち供給電力の制御としては、電流制御が適しており、それゆえ半導体制御素子として、高い電流利得を得ることのできるトランジスタを使用することにより、効率の良い温度制御を達成できる。
また、請求項４記載の発明の手段は、
アレイ導波路格子型光波長合分波素子である被制御体と、この被制御体を予め設定した恒温状態に保持する温度制御装置とから構成される、アレイ導波路格子型光波長合分波器であること、
温度制御装置を均熱部と制御部とから構成すること、
温度制御装置の均熱部は、固定した被制御体を加熱する、金属等の熱伝導性の良い材料製の均熱板と、この均熱板に固定され、発熱体として機能する制御端子付き半導体制御素子と、被制御体に隣接して、均熱板に固定された温度センサーとを有すること、
また温度制御装置の制御部は、加熱目標温度を設定する温度設定回路と、均熱部の温度センサーからの温度検出信号ｓ４に従って現在温度を検出する温度検出回路と、温度設定回路からの目標温度信号ｓ１と温度測定回路からの現在温度信号ｓ２とを比較して、その差を誤差信号ｓ３として出力する、均熱部の半導体制御素子の制御端子回路である比較器とを有すること、
にある。
この請求項４記載の発明においては、温度制御装置による被制御体に対する加熱温度制御が、雰囲気温度に影響されることなく、正確にかつ安定して行われるので、各出力導波路における出力波の波長を、設定された値に正確に維持することができる。
温度制御装置の消費電力を少なくすることができることから、アレイ導波路格子型光波長合分波器全体としても、その消費電力が小さくなる。
温度制御装置の電源の低電圧化が可能であると共に、半導体制御素子の信頼性を高めることができることから、寿命が延びることになる。
温度制御装置の構造が簡単化し、かつ小型化していることから、全体を簡単に小型化することができ、これにより取扱いおよび取付けが容易となる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明によるアレイ導波路格子型光波長合分波器の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図１〜図３は第一実施例を示したもので、温度制御装置Ｔの均熱部１は、図１および図２に示すように、アルミや銅等の金属または焼結金属（セラミック）等の熱伝導性の良い材料で平板状に成形された均熱板２の上面に、温度変化に伴って特性が変化するので、恒温状態に保持する必要のある、アレイ導波路格子型光波長合分波素子である被制御体１０を、できるだけ広い接触面積で固着固定し、この被制御体１０に隣接して温度センサー５を固定し、さらに均熱板２の下面の被制御体１０に対向した箇所（図２参照）に、制御端子付き半導体制御素子３であるトランジスタ（パワートランジスタ）を固着固定し、さらに同じ均熱板２の下面に、ＩＣ化した制御部６を固着固定して構成されている。
温度制御装置Ｔの制御部６は、温度センサー５からの温度信号である温度検出信号ｓ４を入力して、この温度検出信号ｓ４に対応した大きさの現在温度信号ｓ２を出力する温度検出回路７と、被制御体１０を保持したい恒温値が予め設定されており、この恒温値に従った一定の大きさの目標温度信号ｓ１を出力する温度設定回路８と、目標温度信号ｓ１と現在温度信号ｓ２とを同時に入力して、その差を誤差信号ｓ３として出力する、半導体制御素子３の制御端子回路でもある比較器９と、から構成されている。
このように、制御部６は、実質的には、全体で半導体制御素子３の制御端子回路を構成するものとなっているので、小さな電力で稼動することができ、このため全体のＩＣ化がきわめて容易である。
また、半導体制御素子３が加熱源となって均熱板２に固着されているので、均熱板２が半導体制御素子３の放熱機能部を構成することになり、半導体制御素子３には、専用の放熱機能部分が設けられていない。
図４および図５は、本発明によるアレイ導波路格子型光波長合分波器の第二実施例を示すもので、第一実施例の温度制御装置Ｔの均熱部１に、半導体制御素子３に直列接続されたヒーター４を、均熱板２に埋設した状態で組付けたもので、温度制御装置Ｔの制御部６の構成は、第一実施例と全く同じである。
この第二実施例におけるヒーター４は、半導体制御素子３による均熱板２の加熱を補助するものであるので、従来のヒーター４０に比べてその定格は充分に小さいものであり、図４に示すように、半導体制御素子３で加熱される領域を囲む形態で取付けられることが望ましい。
発明の効果
本発明は、上記した構成となっているので、以下に示す効果を奏する。
請求項１記載の発明にあっては、均熱部の熱源として、この均熱部の発熱のための電力を制御している半導体制御素子の接合温度を利用しているので、熱源としての電力の負荷が小さく、これにより消費電力が低減して、低電圧化が可能となり、きわめて効率の良い稼動を得ることができる。
また、均熱板が、半導体制御素子の放熱機能部分を構成するので、その分、半導体制御素子の構成を簡単化することができ、かつ均熱部に要求される目標温度は、従来技術における半導体制御素子の接合温度に比べて充分に小さいので、半導体制御素子を、その接合温度を低くして動作させることができ、これにより半導体制御素子の信頼性が向上して、安全で安定した動作を得ることができる。
制御部は、放熱を必要とするほどに発熱する構成部分が全くないので、その全体を充分に小型にかつ軽量にするのが容易であり、これにより取扱いが容易となると共に、取付け場所の制限が殆どなくなり、場合によっては、均熱部と一体化が可能で、そのためのＩＣ化が容易となる。
請求項２記載の発明にあっては、発熱体である半導体制御素子の補助として、この半導体制御素子に直列接続されたヒーターを用いるので、充分に高い加熱能力を得ることができ、これにより速やかな加熱制御を得ることができる。
請求項３記載の発明にあっては、直流定電圧電源を使用する温度制御装置において、電流制御により発熱の制御を、高い電流利得を得る状態で達成することができるので、効率の良いそして安定した温度制御を得ることができる。
請求項４記載の発明にあっては、各出力導波路における出力波の波長を、設定された値に正確に維持することができるので、正確な分波特性を安定して維持することができ、また消費電力が少なく、高い安全性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第一実施例における、全体外観斜視図である。
図２は、図１に示した実施例の側面図である。
図３は、図１に示した第一実施例の回路構成を示す、ブロック図である。
図４は、本発明の第二実施例における、全体外観斜視図である。
図５は、図４に示した第二実施例の回路構成を示す、ブロック図である。
図６は、従来技術の構成を示す、外観斜視図である。
図７は、図６に示した従来技術における回路構成を示す、ブロック図である。

Claims (4)

1. アレイ導波路格子型光波長合分波素子等の被制御体（１０）を、予め設定した恒温状態に保持する温度制御装置（Ｔ）であって、均熱部（１）と制御部（６）とから構成し、前記均熱部（１）を、固定した前記被制御体（１０）を加熱する、金属等の熱伝導性の良い材料製の均熱板（２）と、該均熱板（２）に固定され、発熱体として機能する制御端子付き半導体制御素子（３）と、前記被制御体（１０）に隣接して、前記均熱板（２）に固定された温度センサー（５）と、を有する構成とし、前記制御部（６）を、加熱目標温度を設定する温度設定回路（８）と、前記温度センサー（５）からの温度検出信号（ｓ４）に従って現在温度を検出する温度検出回路（７）と、前記温度設定回路（８）からの目標温度信号（ｓ１）と温度測定回路（７）からの現在温度信号（ｓ２）とを比較して、その差を誤差信号（ｓ３）として出力する、前記半導体制御素子（３）の制御端子回路である比較器（９）と、を有する構成とした温度制御装置。
2. 半導体制御素子（３）に、ヒーター（４）を直列接続した請求項１記載の温度制御装置。
3. 半導体制御素子（３）を、トランジスタとした請求項１または２記載の温度制御装置。
4. アレイ導波路格子型光波長合分波素子である被制御体（１０）と、該被制御体（１０）を予め設定した恒温状態に保持する温度制御装置（Ｔ）とから構成され、該温度制御装置（Ｔ）を均熱部（１）と制御部（６）とから構成し、前記均熱部（１）は、固定した前記被制御体（１０）を加熱する、金属等の熱伝導性の良い材料製の均熱板（２）と、該均熱板（２）に固定され、発熱体として機能する制御端子付き半導体制御素子（３）と、前記被制御体（１０）に隣接して、前記均熱板（２）に固定された温度センサー（５）と、を有し、また前記制御部（６）は、加熱目標温度を設定する温度設定回路（８）と、前記温度センサー（５）からの温度検出信号（ｓ４）に従って現在温度を検出する温度検出回路（７）と、前記温度設定回路（８）からの目標温度信号（ｓ１）と温度測定回路（７）からの現在温度信号（ｓ２）とを比較して、その差を誤差信号（ｓ３）として出力する、前記半導体制御素子（３）の制御端子回路である比較器（９）と、を有するアレイ導波路格子型光波長合分波器。

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