温度制御装置
【課題】 マイクロチップの各部の温度を個別に精密に制御し、汎用性の高い温度制御装置を提供する。
【解決手段】 温度制御装置１０は、複数のペルチェモジュール２０を備えている。各ペルチェモジュール２０にはペルチェ素子の通電方向および通電期間を制御する素子制御部がそれぞれ設置されている。そのため、ペルチェ素子は、制御回路４２を通して、時分割によってペルチェモジュール２０ごとに個別に制御される。したがって、複数のペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３を所定の範囲ごとに個別かつ精密に制御することができる。また、ペルチェモジュール２０ごとに個別に温度が制御されるため、設定温度の変更が容易である。したがって、汎用性を高めることができる。さらに、隣接するペルチェモジュール２０は制御回路４２および温度検出回路４３を共有するため、配線を簡略化することができる。
【解決手段】 温度制御装置１０は、複数のペルチェモジュール２０を備えている。各ペルチェモジュール２０にはペルチェ素子の通電方向および通電期間を制御する素子制御部がそれぞれ設置されている。そのため、ペルチェ素子は、制御回路４２を通して、時分割によってペルチェモジュール２０ごとに個別に制御される。したがって、複数のペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３を所定の範囲ごとに個別かつ精密に制御することができる。また、ペルチェモジュール２０ごとに個別に温度が制御されるため、設定温度の変更が容易である。したがって、汎用性を高めることができる。さらに、隣接するペルチェモジュール２０は制御回路４２および温度検出回路４３を共有するため、配線を簡略化することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御装置に関し、特に複数のペルチェモジュールを個別に制御する温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばマイクロチップなどのように微小なチップを用いて微生物の培養、遺伝子の複製あるいは化学反応を行う場合、マイクロチップは温度制御装置によって温度が制御されている。すなわち、マイクロチップは、一つの温度制御装置によって全体の温度制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。
例えばマイクロチップを用いて遺伝子の複製を行う場合、大量の複製された遺伝子を得るためにマイクロチップには遺伝子の複製を行う複数の複製部が設置される。このとき、従来のようにマイクロチップの全体の温度を温度制御装置によって制御する場合、増幅率の低い複製部のみ複製サイクルを増加させたり、温度を変化させることは困難である。
【０００３】
また、マイクロチップを用いて化学反応を行う場合、マイクロチップには反応を行う複数の反応部が設置される。このとき、従来のようにマイクロチップの全体の温度を温度制御装置によって制御する場合、異なる化学反応を一つのマイクロチップで同時に行うことは困難である。
上述のように、マイクロチップの全体を温度制御する場合、マイクロチップの各部ごとの精密な温度制御は困難であり、例えば培養、複製あるいは反応に要する期間が増大する。また、マイクロチップごとに専用の温度制御装置を必要とする。そのため、温度制御装置の汎用性が低いという問題がある。
【特許文献１】特開平０７−３０３４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述の課題を鑑みて創作されたものであり、マイクロチップの各部の温度を個別に精密に制御し、汎用性の高い温度制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明の温度制御装置は、マイクロチップの温度を調節する温度制御装置であって、ペルチェ素子、および前記ペルチェ素子の熱を前記マイクロチップに伝達する温度調節部を有する複数のペルチェモジュールと、複数の前記ペルチェモジュールにそれぞれ設置され、前記ペルチェモジュールの各ペルチェ素子の加熱または冷却、および加熱または冷却期間を制御する素子制御部と、を備える。
これにより、複数設置されているペルチェモジュールには素子制御部がそれぞれ設置されているため、ペルチェ素子はペルチェモジュールごとに個別に温度が制御される。素子制御部は、各ペルチェ素子への通電方向および通電期間を制御する。素子制御部が制御するペルチェ素子は、通電方向によって一端側から他端側へ移動させる熱の方向が変化する。そのため、素子制御部は、ペルチェ素子の通電方向および通電期間を制御することにより、ペルチェ素子による温度調節部の加熱または冷却を制御する。したがって、複数のペルチェモジュールは、マイクロチップを所定の範囲ごとに個別かつ精密に制御することができる。
また、ペルチェモジュールごとに個別に温度が制御されるため、設定温度の変更が容易である。したがって、汎用性を高めることができる。
【０００６】
（２）前記ペルチェモジュールは、ｎ行×ｍ列（ｎ≧２、ｍ≧２）のマトリックス状に配置されている。
これにより、マイクロチップはｎ行×ｍ列のマトリックス状の各部ごとに温度を制御することができる。
【０００７】
（３）複数の前記ペルチェモジュールにそれぞれ設置され、前記ペルチェモジュールの各温度調節部の温度を検出する温度検出部をさらに備える。
これにより、温度検出部で検出した温度調節部の温度を利用して素子制御部はペルチェ素子の温度を制御する。したがって、温度調節部の温度を精密に制御することができる。
【０００８】
（４）複数の前記ペルチェモジュールを制御する総括制御部をさらに備える。
これにより、例えば所定の被温度調節部に対応するペルチェモジュールの温度を上昇させるとき、総括制御部はそのペルチェモジュールに近接するペルチェモジュールの温度も上昇させる。その結果、所定の被温度調節部に対応するペルチェモジュールの温度は速やかに所定の温度まで上昇する。したがって、複数のペルチェモジュールの総括的な制御が可能となり、各被温度調節部の温度を個別かつ精密に制御することができる。
【０００９】
（５）複数の前記ペルチェモジュールの各素子制御部と前記総括制御部とを接続する二系統の素子制御線部と、複数の前記ペルチェモジュールの各温度検出部と前記総括制御部とを接続する二系統の温度制御線部と、を備えている。
これにより、ペルチェモジュールは素子制御線部を経由して総括制御部によって制御される。また、温度検出部が検出した温度調節部の温度は、温度制御線部を経由して総括制御部に出力される。総括制御部は、複数のペルチェモジュールを時分割により個々に制御する。総括制御部は、信号を出力する際に複数のペルチェモジュールのうち一つのペルチェモジュールを特定し、そのペルチェモジュールの素子制御部へ温度調節部の温度を指示する。素子制御部は、総括制御部から指示された温度に基づいてペルチェ素子の通電方向および通電期間を設定し、ペルチェ素子の通電方向および通電時間を制御する。また、総括制御部は、特定したペルチェモジュールの温度検出部から温度調節部の温度を入手する。総括制御部は、入手した温度調節部の温度から特定のペルチェモジュールに次回出力する温度を設定する。このように、温度検出部によって検出した温度調節部の温度に基づいて、複数のペルチェモジュールを個別に制御する。したがって、複数のペルチェモジュールを総括的に制御することができ、各ペルチェモジュールの温度を個別かつ精密に制御することができる。
【００１０】
（６）前記ペルチェモジュール、前記素子制御線部および前記温度制御線部が設置され、前記ペルチェ素子を放熱するヒートシンクをさらに備える。
これにより、ペルチェ素子を放熱するヒートシンクに各制御線部が設置される。したがって、構造を簡略化することができる。
【００１１】
（７）複数の前記ペルチェモジュールの各素子制御部および各温度検出部と前記総括制御部とを接続する二系統のＩ／Ｏ制御線部をさらに備える。
これにより、ペルチェモジュールのペルチェ素子および温度検出部は、Ｉ／Ｏ制御線部によって総括制御部と接続している。総括制御部は、複数のペルチェモジュールを時分割により個々に制御する。総括制御部は、信号を出力する際に複数のペルチェモジュールのうち一つのペルチェモジュールを特定し、そのペルチェモジュールの素子制御部へ温度調節部の温度を指示する。素子制御部は、総括制御部から指示された温度に基づいてペルチェ素子の通電方向および通電期間を設定し、ペルチェ素子の通電方向および通電期間を制御する。このとき、総括制御部は、特定したペルチェモジュールの温度検出部から温度調節部の温度を入手する。総括制御部は、入手した温度調節部の温度から特定のペルチェモジュールに次回出力する温度を設定する。このように、Ｉ／Ｏ制御線部を備えることにより、ペルチェモジュールと総括制御部とを接続する制御線部が簡略化される。したがって、複数のペルチェモジュールを総括的に制御することができ、各ペルチェモジュールの温度を個別かつ精密に制御することができるとともに、配線を削減することができる。
【００１２】
（８）前記ペルチェモジュールおよび前記Ｉ／Ｏ制御線部が設置され、前記ペルチェ素子を放熱するヒートシンクをさらに備える。
これにより、ペルチェ素子を放熱するヒートシンクに各制御線部が設置される。したがって、構造を簡略化することができる。
【００１３】
（９）前記総括制御部は、複数の前記ペルチェモジュールのうち温度制御を行う特定ペルチェモジュールに隣接する隣接ペルチェモジュールを、前記特定ペルチェモジュールより温度を高くまたは低く設定する。
これにより、周囲の環境の影響による特定ペルチェモジュールの近傍における温度分布は低減される。そのため、特定ペルチェモジュールは、所定の温度に迅速に加熱または冷却されるとともに、所定の温度で一定に維持される。したがって、複数の部位の温度を、個別かつ精密に制御することができる。
【００１４】
（１０） 前記総括制御部は、複数の前記ペルチェモジュールのうち外周側のペルチェモジュールを、内周側のペルチェモジュールより温度を高くまたは低く設定する。
外周側のペルチェモジュールは、周囲の環境にさらされる。そのため、内周側および外周側のペルチェモジュールの温度を同一に設定しても、内周側のペルチェモジュールと外周側のペルチェモジュールとの間には温度分布が生じる。そこで、外周側のペルチェモジュールを内周側のペルチェモジュールの設定温度よりも高くまたは低く設定することにより、複数のペルチェモジュールは全体が均一な温度に設定される。したがって、マイクロチップの全体を加熱または冷却する場合、マイクロチップの全体に温度分布が生じることなく均一に加熱または冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した温度制御システム１の概略を示している。温度制御システム１は、温度制御装置１０および例えばパーソナルコンピュータなどの外部の処理装置２から構成されている。温度制御装置１０は、図１に示すように複数のペルチェモジュール２０を備えている。複数のペルチェモジュール２０は、ｎ行×ｍ列のマトリックス状に配置されている。ｎおよびｍは、２以上である。温度制御装置１０は、ペルチェモジュール２０に搭載されるマイクロチップ３の被温度調節部の温度を制御する。マイクロチップ３としては、例えば細胞や細菌などを培養する複数の培養槽を有するバイオチップ、あるいは化学反応や化合物の精製を行う複数の反応槽を有する合成チップなどを適用することができる。
【００１６】
温度制御装置１０は、ヒートシンク１１および回路形成部３０を備えている。ヒートシンク１１の上方に回路形成部３０が設置されている。複数のペルチェモジュール２０は、回路形成部３０のヒートシンク１１とは反対側に設置されている。ヒートシンク１１は、例えばアルミニウム合金などの熱伝導率の大きな材料で形成されている。回路形成部３０は、各ペルチェモジュール２０に電力および信号を供給する回路、およびヒートシンク１１と各ペルチェモジュール２０との間を絶縁する絶縁層を有している。なお、図１に示す回路形成部３０は、説明の簡単のため厚さ方向を拡大して示している。また、他の各図においても、図示する要素は概略図であり、説明を簡単にするため適宜拡大縮小している。
【００１７】
各ペルチェモジュール２０は、図３に示すようにＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを電極を経由して交互に接続した素子群（以下、「ペルチェ素子２１」という。）と、ペルチェ素子２１の一端側に配置され温度調節部２２となる上基板と、他端側に設置されヒートシンク１１と接する基板２３となる下基板とからなる。ペルチェ素子２１は、例えばはんだなどにより温度調節部２２および基板２３と接続されている。温度調節部２２は、例えばアルミナなどにより形成されている。ペルチェ素子２１は、通電することにより一方の面が発熱し、他方の面が吸熱する。ペルチェ素子２１に印加する電流の向きおよび大きさを制御することにより、温度調節部２２は加熱または冷却され、温度調節部２２は所定の温度に制御される。
【００１８】
温度制御装置１０は、素子制御部２４および温度検出部２５を備えている。素子制御部２４および温度検出部２５は、複数のペルチェモジュール２０にそれぞれ設置されている。素子制御部２４は、自身のペルチェモジュール２０のペルチェ素子２１へ通電する向きおよび通電期間を制御する。温度検出部２５は、自身のペルチェモジュール２０の温度調節部２２の温度を検出する。
【００１９】
回路形成部３０は、図１に示すようにヒートシンク１１と接する側に第一絶縁層３１が形成されている。第一絶縁層３１のヒートシンク１１と反対側には電力回路４１が形成されている。電力回路４１は、第二絶縁層３２により覆われている。電力回路４１は、図４に示すように電源ライン（Ｖｃｃ）４１１および接地ライン（ＧＮＤ）４１２から構成されている。
【００２０】
第二絶縁層３２のヒートシンク１１と反対側には、図５に示すように第三絶縁層３３に覆われている素子制御線部としての制御回路４２のコモンライン４２１および温度制御線部としての温度検出回路４３のコモンライン４３１が形成されている。さらに、第三絶縁層３３のヒートシンク１１と反対側には、図６に示すように第四絶縁層３４に覆われている制御回路４２のセグメントライン４２２および温度検出回路４３のセグメントライン４３２が形成されている。これらの第一絶縁層３１、第二絶縁層３２、第三絶縁層３３および第四絶縁層３４は、いずれも例えばエポキシ樹脂などの絶縁樹脂から形成されている。素子制御線部としての制御回路４２は、コモンライン４２１およびセグメントライン４２２の二系統の制御線から構成されている。また、温度制御線部としての温度検出回路４３は、コモンライン４３１およびセグメントライン４３２の二系統の制御線から構成されている。
【００２１】
回路形成部３０には、図１、図３から図６に示すようにスルーホール５１、スルーホール５２およびスルーホール５３が形成されている。スルーホール５１は、第二絶縁層３２、第三絶縁層３３および第四絶縁層３４を貫いている。スルーホール５２は、第三絶縁層３３および第四絶縁層３４を貫いている。スルーホール５３は、第四絶縁層３４を貫いている。これにより、各ペルチェモジュール２０は、スルーホール５１を経由して電力回路４１に接続している。各ペルチェモジュール２０は、図３に示すようにスルーホール５１を貫くボンディングワイヤ５４により電力回路４１に接続している。ボンディングワイヤ５４は、ペルチェモジュール２０側の端部がパッド５５に接続している。
【００２２】
各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４は、スルーホール５２を貫くボンディングワイヤ５６によって制御回路４２のコモンライン４２１に接続し、スルーホール５３を貫くボンディングワイヤ５７によって制御回路４２のセグメントライン４２２に接続している。同様に、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５は、スルーホール５２を貫くボンディングワイヤ５８によって温度検出回路４３のコモンライン４３１に接続し、スルーホール５３を貫くボンディングワイヤ５９によって温度検出回路４３のセグメントライン４３２に接続している。
【００２３】
温度制御装置１０は、図２に示すように各ペルチェモジュール２０を総括的に制御する総括制御部１２を備えている。電力回路４１、制御回路４２および温度検出回路４３は、総括制御部１２に接続している。総括制御部１２は、処理装置２であらかじめ設定されているプログラムにしたがうとともに、温度検出部２５で検出した各ペルチェモジュール２０の温度に基づいて、各ペルチェモジュール２０の温度を制御する。総括制御部１２は各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４に制御信号を出力し、素子制御部２４は総括制御部１２の制御信号に基づいてペルチェ素子２１の通電方向および通電期間を制御する。素子制御部２４は、電源回路４１に供給される電力によりペルチェ素子２１を制御する。
【００２４】
素子制御部２４は、図７に示すようにメモリ２６を有している。メモリ２６は、例えば１００ｍｓｅｃ程度の期間、総括制御部１２から出力された制御信号を保持するサンプルホールド機能を有している。また、素子制御部２４は、通電方向および通電の断続を制御するスイッチング機能、およびパルス幅を変調するＰＷＭ機能を有している。これにより、素子制御部２４は、ペルチェ素子２１への通電の方向および通電期間を制御する。
【００２５】
次に、上記構成による温度制御装置１０の作動について説明する。
図８に示すように、処理装置２のプログラムにしたがって総括制御部１２から各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４には制御信号が出力される。制御信号は、時分割により総括制御部１２から各ペルチェモジュール２０へ例えば１００ｍｓｅｃ程度の一定の周期で出力される。総括制御部１２からは制御回路４２のコモンライン４２１およびセグメントライン４２２を通してデータが送信される。各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４は、コモンライン４２１を通したデータがアクティブになると、セグメントライン４２２からデータを受け取る。素子制御部２４は、コモンライン４２１を通したデータが次にアクティブになるまで、セグメントライン４２２から受け取ったデータをメモリ２６に保持する。素子制御部２４がセグメントライン４２２から受け取るデータには、ペルチェ素子２１の通電方向および通電期間が含まれている。ペルチェ素子２１の通電期間は、ＰＷＭのパルス幅に対応する。
【００２６】
同様に、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５からは総括制御部１２へ検出信号が出力される。検出信号は、時分割により各ペルチェモジュール２０から一定の周期で総括制御部１２へ出力される。総括制御部１２は、温度検出回路４３のコモンライン４３１およびセグメントライン４３２を通して温度検出部２５からのデータを受け取る。各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５は、コモンライン４３１を通したデータがアクティブになると、セグメントライン４３２へ検出した温度のデータを出力する。温度検出部２５は、コモンライン４３１を通したデータがアクティブになるごとに温度検出部２５で検出した温度を検出信号として出力する。これにより、総括制御部１２は、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５で検出された検出信号を受け取る。
【００２７】
総括制御部１２は、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５で検出された検出信号から、次の周期で各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４に出力する制御信号を設定する。そして、総括制御部１２は、マトリックス状に配置された複数のペルチェモジュール２０へ時分割によって制御信号を出力する。各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４は、総括制御部１２からの制御信号に基づいて自身のペルチェモジュール２０のペルチェ素子２１への通電方向および通電期間を制御する。これにより、制御された温度調節部２２の温度は、再び温度検出部２５から総括制御部１２へ出力される。その結果、総括制御部１２は、時分割で得た各ペルチェモジュール２０の温度から各ペルチェモジュール２０を時分割によって制御する。各ペルチェモジュール２０は、時分割によって制御されるため、隣接する他のペルチェモジュール２０と電力回路４１、制御回路４２および温度検出回路４３の配線を共有する。したがって、各ペルチェモジュール２０と総括制御部１２との間に個別に電力回路４１、制御回路４２および温度検出回路４３を設置する必要がなく、配線を簡略化することができる。
【００２８】
また、第１実施形態では、各ペルチェモジュール２０は個別に制御される。したがって、各ペルチェモジュール２０に接するマイクロチップ３の被温度調節部を個別に精密に制御することができる。さらに、各ペルチェモジュール２０は個別に制御されるため、ペルチェモジュール２０ごとに設定温度を変更することができる。その結果、マイクロチップ３によって被温度調節部の温度、位置あるいは範囲などが異なる場合でも、適用されるマイクロチップ３に応じて被温度調節部の設定の変更が容易である。したがって、汎用性を高めることができる。
【００２９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による温度制御装置を図９および図１０に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施形態では、図９に示すようにコモンライン４５は制御回路４２のコモンラインと温度検出回路４３のコモンラインとを兼用し、セグメントライン４６は制御回路４２のセグメントラインと温度検出回路４３のセグメントラインとを兼用している。すなわち、第２実施形態では、コモンライン４５およびセグメントライン４６は、二系統のＩ／Ｏ制御線部を構成している。これにより、第２実施形態では、第１実施形態に比較してコモンラインおよびセグメントラインの本数が削減され、配線をさらに簡略化することができる。
【００３０】
第２実施形態による温度制御装置１０の作動について説明する。
図１１に示すように、総括制御部１２から各ペルチェモジュール２０へ制御信号が出力される。制御信号は、時分割により各ペルチェモジュール２０へ例えば１００ｍｓｅｃ程度の一定の周期で出力される。総括制御部１２からはコモンライン４５およびセグメントライン４６を通してデータが送受信される。総括制御部１２から各ペルチェモジュール２０へ出力されるコモンライン４５がアクティブになると、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５がセグメントライン４６へ検出信号を出力するとともに、各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４はセグメントライン４６からデータを受け取る。すなわち、ペルチェモジュール２０がアクティブになると、温度検出部２５は検出した検出信号をセグメントライン４６を経由して総括制御部１２へ出力する。そして、温度検出部２５と素子制御部２４とを接続しているＩＯ制御信号線４８を切り換えることにより、出力と入力とを切り換え、素子制御部２４は総括制御部１２から出力された制御信号を受け取る。素子制御部２４は、コモンライン４５を通したデータが次にアクティブになるまで、セグメントライン４６から受け取ったデータをメモリ２６に保持する。
【００３１】
第２実施形態では、コモンライン４５およびセグメントライン４６を制御回路４２と温度検出回路４３とで兼用している。そのため、制御回路４２および温度検出回路４３の配線をさらに簡略化することができる。
【００３２】
次に、上記の第１実施形態による温度制御装置１０を用いた実験例について説明する。なお、以下の複数の実験例では、第１実施形態による温度制御装置１０を用いた例について説明するが、第２実施形態による温度制御装置１０であっても同様の実験結果を得ることができる。
【００３３】
（実験例１）
実験例１では、図１２に示すように８行×１２列のペルチェモジュール２０を備える温度制御装置１０を適用する。温度制御装置１０には、ペルチェモジュール２０のヒートシンク１１とは反対側にマイクロチップ３が搭載される。温度制御装置１０の各ペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３の被温度調節部に対応している。
【００３４】
実験例１では、マイクロチップ３は温度制御装置１０のペルチェモジュール２０に対応して８行×１２列の被温度調節部を備えている。本実験例では、温度制御装置１０の第１行目に対応する位置のマイクロチップ３を温度Ｔ１に制御し、温度制御装置１０の第４行目に対応する位置のマイクロチップ３の温度を温度Ｔ２に制御し、温度制御装置１０の第８行目に対応する位置のマイクロチップ３を温度Ｔ３に制御する。このとき、図１３に示すように、第８行目の温度Ｔ３が最も高く、第２行目の温度Ｔ２が最も低い。第１行目の温度Ｔ１は、Ｔ２とＴ３との中間の温度である。
【００３５】
第１行目の温度Ｔ１に対し第４行目の温度Ｔ２を低く設定することにより、第１行目と第４行目との間には急激な温度勾配が生じる。そのため、第１行目および第４行目の温度を制御しただけでは、第１行目および第４行目の温度を正確にＴ１またはＴ２に制御するのは困難である。そこで、実験例１では、第１行目および第４行目の温度をそれぞれＴ１、Ｔ２に制御するとき、隣接ペルチェモジュールである第２行目および第３行目の温度も制御する。第２行目は、第１行目の温度Ｔ１よりもやや高いＴ１*に設定する。また、第３行目は、第４行目の温度Ｔ２よりもやや低いＴ２*に設定する。これにより、第１行目は、第４行目の温度Ｔ２が低いときでも、第２行目の温度をＴ１*に設定することよって温度Ｔ１が低下することがない。同様に、第４行目は、第１行目の温度Ｔ１が高いときでも、第３行目の温度をＴ２*に設定することによって温度Ｔ２が上昇することはない。その結果、第１行目の温度Ｔ１および第４行目の温度Ｔ２は精密に制御することができる。
【００３６】
また、第４行目と第８行目との間にも大きな温度差が設定されている。そこで、第４行目に隣接する隣接ペルチェモジュールである第５行目は第４行目の温度Ｔ２よりもやや低い温度Ｔ２**に設定している。第８行目に隣接する隣接ペルチェモジュールである第７行目は、第８行目の温度Ｔ３よりもやや高いＴ３**に設定されている。そして、第５行目と第７行目との間の第６行目は、第５行目の温度Ｔ２**と第７行目の温度Ｔ３**との間の温度Ｔ４に設定されている。これにより、第４行目と第８行目との間に大きな温度差が設定されているときでも、第４行目の温度Ｔ２および第８行目の温度Ｔ３を精密に制御することができる。
【００３７】
図１３に示す比較例では、温度Ｔ１、温度Ｔ２および温度Ｔ３の領域を確保するために、第１行目、第２行目および第３行目の温度をＴ１とし、第４行目、第５行目および第６行目の温度をＴ２とし、第７行目および第８行目の温度をＴ３とする例について示している。比較例では、第１行目と第４行目との間、および第４行目と第８行目との間に温度勾配は形成される。しかし、各領域の温度は隣接する領域の温度に影響され、全体として正確な温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３の領域を確保することはできない。
以上のように実験例１では、第１実施形態の温度制御装置１０により、マイクロチップ３の被温度制御部の温度を行ごとに制御している。これにより、マイクロチップ３を所定の領域ごとに温度を高精度に制御することができる。
【００３８】
（実験例２）
実験例２では、図１４に示すように８行×１２列のペルチェモジュール２０を備える温度制御装置１０を適用する。温度制御装置１０には、ペルチェモジュール２０のヒートシンク１１とは反対側にマイクロチップ３が搭載されている。温度制御装置１０の各ペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３の被温度調節部に対応している。
【００３９】
実験例２では、マイクロチップ３の全体を温度Ｔに制御する。このとき、図１５に示すように、マトリックス状に配置されているペルチェモジュール２０の最外周、すなわち第１行目、第８行目、第１列目および第１２列目の温度を所望する温度Ｔよりもやや高いＴ*に制御する。
例えばマイクロチップ３の全体の温度Ｔを室温よりも高く設定する場合、マイクロチップ３の最外周は図１５の比較例に示すように室温の影響で温度Ｔよりもやや低くなる。そのため、マイクロチップ３の全体を温度Ｔに均一に設定するためには、マイクロチップ３よりも一回り大きな温度制御装置を用いる必要があり、消費電力の増大などを招く。
【００４０】
第２実験例では、マイクロチップ３の最外周に対応するペルチェモジュール２０の温度を温度Ｔよりもやや高いＴ*に設定する。これにより、マイクロチップ３の最外周の温度はＴに制御することができる。
以上のように実験例２では、第１実施形態の温度制御装置１０により、マイクロチップ３の被温度制御部の温度をペルチェモジュール２０ごとに制御している。これにより、マイクロチップ３の全体の温度を高精度に制御することができる。
【００４１】
（実験例３）
実験例３では、図１６に示すように８行×１２列のペルチェモジュール２０を備える温度制御装置１０を適用する。温度制御装置１０には、ペルチェモジュール２０のヒートシンク１１とは反対側にマイクロチップ３が搭載されている。温度制御装置１０の各ペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３の被温度調節部に対応している。
【００４２】
実験例３では、マイクロチップ３は温度制御装置１０のペルチェモジュール２０に対応して８行×１２列の被温度調節部を備えている。本実験例では、温度制御装置１０の第４行目に対応する位置のマイクロチップ３は、温度がＴ１→Ｔ２→Ｔ３と変化するように制御される。このとき、温度制御装置１０は、温度を制御する第４行目のペルチェモジュール２０だけでなく、第４行目に隣接する隣接ペルチェモジュールである第３行目および第５行目のペルチェモジュール２０の温度も制御する。
【００４３】
第４行目のペルチェモジュール２０をＴ１に設定するとき、第３行目および第５行目のペルチェモジュール２０の温度もＴ１に制御される。これにより、第４行目は、均一かつ高精度に温度Ｔ１に制御される。第４行目の温度がＴ１からＴ２へ変化するとき、第３行目および第５行目は図１７の実験例３の破線で示すように一旦Ｔ２よりも低い温度Ｔ２*に制御される。これにより、第４行目は、急速にＴ２へ冷却される。そして、第４行目の温度がＴ２に達する前に第３行目および第５行目の温度はＴ２に制御される。これにより、第４行目は、均一かつ高精度に温度Ｔ２に制御される。
【００４４】
第４行目の温度がＴ２からＴ３へ変化するとき、第３行目および第５行目は一旦Ｔ３よりも高い温度Ｔ３*に制御される。これにより、第４行目は、急速にＴ３へ加熱される。そして、第４行目の温度がＴ３に達する前に第３行目および第５行目の温度はＴ３に制御される。これにより、第４行目は、均一かつ高精度に温度Ｔ３に制御される。これらの結果、第４行目の温度はＴ１→Ｔ２→Ｔ３へ急速かつ正確に制御される。
【００４５】
これに対し、単純に第４行目のみをＴ１→Ｔ２→Ｔ３と変化させる比較例では、第４行目の温度を正確にＴ２およびＴ３に制御することは困難である。すなわち、第４行目では、Ｔ１からＴ２へ移行するとき、温度が安定する前にＴ３へ移行し、Ｔ２に到達しない。
以上のように実験例３では、第１実施形態の温度制御装置１０により、マイクロチップ３の被温度調節部の温度をペルチェモジュール２０ごとに制御している。これにより、マイクロチップ３の被温度調節部の温度を急速かつ正確に変化させることができる。
【００４６】
（実験例４）
実験例４では、図１８に示すように８行×１２列のペルチェモジュール２０を備える温度制御装置１０を適用する。温度制御装置１０には、ペルチェモジュール２０のヒートシンク１１とは反対側にマイクロチップ３が搭載されている。温度制御装置１０の各ペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３の被温度調節部に対応している。
【００４７】
実験例４では、マイクロチップ３は温度制御装置１０のペルチェモジュール２０に対応して８行×１２列の被温度調節部を備えている。本実験例では、マイクロチップ３の一部を加熱し、他の一部を冷却している。すなわち、ペルチェモジュール２０の第３行目から第５行目にかけて第２列目から第５列目を加熱する加熱領域Ａｈとし、第７列目から第１０列目までを冷却する冷却領域Ａｃとしている。
【００４８】
これにより、実験例４では、マイクロチップ３は加熱領域Ａｈに対応する領域で吸熱反応が促進され、冷却領域Ａｃに対応する領域で発熱反応が促進される。実験例４では、適用するマイクロチップ３に応じて温度制御装置１０の加熱領域Ａｈおよび冷却領域Ａｃを任意に容易に変更することができる。したがって、マイクロチップ３ごとに所定の領域を所定の温度に制御することができる。
【００４９】
以上説明した複数の実施形態および実験例では、ペルチェモジュール２０をマトリックス状に配置する例について説明した。しかし、ペルチェモジュール２０は、マトリックス状に限らず任意の形状に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施形態による温度制御装置を示す図であって、（Ａ）はマイクロチップ側から見た概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した温度制御システムを示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態による温度制御装置のペルチェモジュールを示す拡大図であって、（Ａ）はマイクロチップ側から見た概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ線における断面図である。
【図６】図１のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態による温度制御装置の回路構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第１実施形態による温度制御装置の作動のタイムチャートを示す概略図である。
【図９】本発明の第２実施形態による温度制御装置を示す図であって、（Ａ）はマイクロチップ側から見た概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による温度制御装置の回路構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による温度制御装置の作動のタイムチャートを示す概略図である。
【図１２】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した実験例１を示す概略図である。
【図１３】実験例１および比較例におけるペルチェモジュールの位置と温度との関係を示す概略図である。
【図１４】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した実験例２を示す概略図である。
【図１５】実験例２および比較例におけるペルチェモジュールの位置と温度との関係を示す概略図である。
【図１６】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した実験例３を示す概略図である。
【図１７】実験例３および比較例におけるペルチェモジュールの位置と温度との関係を示す概略図である。
【図１８】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した実験例４を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５１】
３ マイクロチップ、１０ 温度制御装置、１１ ヒートシンク、１２ 総括制御部、２０ ペルチェモジュール、２１ ペルチェ素子、２２ 温度調節部、２４ 素子制御部、２５ 温度検出部、４２ 制御回路（素子制御線部）、４３ 温度検出回路（温度制御線部）、４５ コモンライン（Ｉ／Ｏ制御線部）、４６ セグメントライン（Ｉ／Ｏ制御線部）、４２１ コモンライン（素子制御線部）、４２２ セグメントライン（素子制御線部）、４３１ コモンライン（温度制御線部）、４３２ セグメントライン（温度制御線部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御装置に関し、特に複数のペルチェモジュールを個別に制御する温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばマイクロチップなどのように微小なチップを用いて微生物の培養、遺伝子の複製あるいは化学反応を行う場合、マイクロチップは温度制御装置によって温度が制御されている。すなわち、マイクロチップは、一つの温度制御装置によって全体の温度制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。
例えばマイクロチップを用いて遺伝子の複製を行う場合、大量の複製された遺伝子を得るためにマイクロチップには遺伝子の複製を行う複数の複製部が設置される。このとき、従来のようにマイクロチップの全体の温度を温度制御装置によって制御する場合、増幅率の低い複製部のみ複製サイクルを増加させたり、温度を変化させることは困難である。
【０００３】
また、マイクロチップを用いて化学反応を行う場合、マイクロチップには反応を行う複数の反応部が設置される。このとき、従来のようにマイクロチップの全体の温度を温度制御装置によって制御する場合、異なる化学反応を一つのマイクロチップで同時に行うことは困難である。
上述のように、マイクロチップの全体を温度制御する場合、マイクロチップの各部ごとの精密な温度制御は困難であり、例えば培養、複製あるいは反応に要する期間が増大する。また、マイクロチップごとに専用の温度制御装置を必要とする。そのため、温度制御装置の汎用性が低いという問題がある。
【特許文献１】特開平０７−３０３４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述の課題を鑑みて創作されたものであり、マイクロチップの各部の温度を個別に精密に制御し、汎用性の高い温度制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明の温度制御装置は、マイクロチップの温度を調節する温度制御装置であって、ペルチェ素子、および前記ペルチェ素子の熱を前記マイクロチップに伝達する温度調節部を有する複数のペルチェモジュールと、複数の前記ペルチェモジュールにそれぞれ設置され、前記ペルチェモジュールの各ペルチェ素子の加熱または冷却、および加熱または冷却期間を制御する素子制御部と、を備える。
これにより、複数設置されているペルチェモジュールには素子制御部がそれぞれ設置されているため、ペルチェ素子はペルチェモジュールごとに個別に温度が制御される。素子制御部は、各ペルチェ素子への通電方向および通電期間を制御する。素子制御部が制御するペルチェ素子は、通電方向によって一端側から他端側へ移動させる熱の方向が変化する。そのため、素子制御部は、ペルチェ素子の通電方向および通電期間を制御することにより、ペルチェ素子による温度調節部の加熱または冷却を制御する。したがって、複数のペルチェモジュールは、マイクロチップを所定の範囲ごとに個別かつ精密に制御することができる。
また、ペルチェモジュールごとに個別に温度が制御されるため、設定温度の変更が容易である。したがって、汎用性を高めることができる。
【０００６】
（２）前記ペルチェモジュールは、ｎ行×ｍ列（ｎ≧２、ｍ≧２）のマトリックス状に配置されている。
これにより、マイクロチップはｎ行×ｍ列のマトリックス状の各部ごとに温度を制御することができる。
【０００７】
（３）複数の前記ペルチェモジュールにそれぞれ設置され、前記ペルチェモジュールの各温度調節部の温度を検出する温度検出部をさらに備える。
これにより、温度検出部で検出した温度調節部の温度を利用して素子制御部はペルチェ素子の温度を制御する。したがって、温度調節部の温度を精密に制御することができる。
【０００８】
（４）複数の前記ペルチェモジュールを制御する総括制御部をさらに備える。
これにより、例えば所定の被温度調節部に対応するペルチェモジュールの温度を上昇させるとき、総括制御部はそのペルチェモジュールに近接するペルチェモジュールの温度も上昇させる。その結果、所定の被温度調節部に対応するペルチェモジュールの温度は速やかに所定の温度まで上昇する。したがって、複数のペルチェモジュールの総括的な制御が可能となり、各被温度調節部の温度を個別かつ精密に制御することができる。
【０００９】
（５）複数の前記ペルチェモジュールの各素子制御部と前記総括制御部とを接続する二系統の素子制御線部と、複数の前記ペルチェモジュールの各温度検出部と前記総括制御部とを接続する二系統の温度制御線部と、を備えている。
これにより、ペルチェモジュールは素子制御線部を経由して総括制御部によって制御される。また、温度検出部が検出した温度調節部の温度は、温度制御線部を経由して総括制御部に出力される。総括制御部は、複数のペルチェモジュールを時分割により個々に制御する。総括制御部は、信号を出力する際に複数のペルチェモジュールのうち一つのペルチェモジュールを特定し、そのペルチェモジュールの素子制御部へ温度調節部の温度を指示する。素子制御部は、総括制御部から指示された温度に基づいてペルチェ素子の通電方向および通電期間を設定し、ペルチェ素子の通電方向および通電時間を制御する。また、総括制御部は、特定したペルチェモジュールの温度検出部から温度調節部の温度を入手する。総括制御部は、入手した温度調節部の温度から特定のペルチェモジュールに次回出力する温度を設定する。このように、温度検出部によって検出した温度調節部の温度に基づいて、複数のペルチェモジュールを個別に制御する。したがって、複数のペルチェモジュールを総括的に制御することができ、各ペルチェモジュールの温度を個別かつ精密に制御することができる。
【００１０】
（６）前記ペルチェモジュール、前記素子制御線部および前記温度制御線部が設置され、前記ペルチェ素子を放熱するヒートシンクをさらに備える。
これにより、ペルチェ素子を放熱するヒートシンクに各制御線部が設置される。したがって、構造を簡略化することができる。
【００１１】
（７）複数の前記ペルチェモジュールの各素子制御部および各温度検出部と前記総括制御部とを接続する二系統のＩ／Ｏ制御線部をさらに備える。
これにより、ペルチェモジュールのペルチェ素子および温度検出部は、Ｉ／Ｏ制御線部によって総括制御部と接続している。総括制御部は、複数のペルチェモジュールを時分割により個々に制御する。総括制御部は、信号を出力する際に複数のペルチェモジュールのうち一つのペルチェモジュールを特定し、そのペルチェモジュールの素子制御部へ温度調節部の温度を指示する。素子制御部は、総括制御部から指示された温度に基づいてペルチェ素子の通電方向および通電期間を設定し、ペルチェ素子の通電方向および通電期間を制御する。このとき、総括制御部は、特定したペルチェモジュールの温度検出部から温度調節部の温度を入手する。総括制御部は、入手した温度調節部の温度から特定のペルチェモジュールに次回出力する温度を設定する。このように、Ｉ／Ｏ制御線部を備えることにより、ペルチェモジュールと総括制御部とを接続する制御線部が簡略化される。したがって、複数のペルチェモジュールを総括的に制御することができ、各ペルチェモジュールの温度を個別かつ精密に制御することができるとともに、配線を削減することができる。
【００１２】
（８）前記ペルチェモジュールおよび前記Ｉ／Ｏ制御線部が設置され、前記ペルチェ素子を放熱するヒートシンクをさらに備える。
これにより、ペルチェ素子を放熱するヒートシンクに各制御線部が設置される。したがって、構造を簡略化することができる。
【００１３】
（９）前記総括制御部は、複数の前記ペルチェモジュールのうち温度制御を行う特定ペルチェモジュールに隣接する隣接ペルチェモジュールを、前記特定ペルチェモジュールより温度を高くまたは低く設定する。
これにより、周囲の環境の影響による特定ペルチェモジュールの近傍における温度分布は低減される。そのため、特定ペルチェモジュールは、所定の温度に迅速に加熱または冷却されるとともに、所定の温度で一定に維持される。したがって、複数の部位の温度を、個別かつ精密に制御することができる。
【００１４】
（１０） 前記総括制御部は、複数の前記ペルチェモジュールのうち外周側のペルチェモジュールを、内周側のペルチェモジュールより温度を高くまたは低く設定する。
外周側のペルチェモジュールは、周囲の環境にさらされる。そのため、内周側および外周側のペルチェモジュールの温度を同一に設定しても、内周側のペルチェモジュールと外周側のペルチェモジュールとの間には温度分布が生じる。そこで、外周側のペルチェモジュールを内周側のペルチェモジュールの設定温度よりも高くまたは低く設定することにより、複数のペルチェモジュールは全体が均一な温度に設定される。したがって、マイクロチップの全体を加熱または冷却する場合、マイクロチップの全体に温度分布が生じることなく均一に加熱または冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した温度制御システム１の概略を示している。温度制御システム１は、温度制御装置１０および例えばパーソナルコンピュータなどの外部の処理装置２から構成されている。温度制御装置１０は、図１に示すように複数のペルチェモジュール２０を備えている。複数のペルチェモジュール２０は、ｎ行×ｍ列のマトリックス状に配置されている。ｎおよびｍは、２以上である。温度制御装置１０は、ペルチェモジュール２０に搭載されるマイクロチップ３の被温度調節部の温度を制御する。マイクロチップ３としては、例えば細胞や細菌などを培養する複数の培養槽を有するバイオチップ、あるいは化学反応や化合物の精製を行う複数の反応槽を有する合成チップなどを適用することができる。
【００１６】
温度制御装置１０は、ヒートシンク１１および回路形成部３０を備えている。ヒートシンク１１の上方に回路形成部３０が設置されている。複数のペルチェモジュール２０は、回路形成部３０のヒートシンク１１とは反対側に設置されている。ヒートシンク１１は、例えばアルミニウム合金などの熱伝導率の大きな材料で形成されている。回路形成部３０は、各ペルチェモジュール２０に電力および信号を供給する回路、およびヒートシンク１１と各ペルチェモジュール２０との間を絶縁する絶縁層を有している。なお、図１に示す回路形成部３０は、説明の簡単のため厚さ方向を拡大して示している。また、他の各図においても、図示する要素は概略図であり、説明を簡単にするため適宜拡大縮小している。
【００１７】
各ペルチェモジュール２０は、図３に示すようにＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを電極を経由して交互に接続した素子群（以下、「ペルチェ素子２１」という。）と、ペルチェ素子２１の一端側に配置され温度調節部２２となる上基板と、他端側に設置されヒートシンク１１と接する基板２３となる下基板とからなる。ペルチェ素子２１は、例えばはんだなどにより温度調節部２２および基板２３と接続されている。温度調節部２２は、例えばアルミナなどにより形成されている。ペルチェ素子２１は、通電することにより一方の面が発熱し、他方の面が吸熱する。ペルチェ素子２１に印加する電流の向きおよび大きさを制御することにより、温度調節部２２は加熱または冷却され、温度調節部２２は所定の温度に制御される。
【００１８】
温度制御装置１０は、素子制御部２４および温度検出部２５を備えている。素子制御部２４および温度検出部２５は、複数のペルチェモジュール２０にそれぞれ設置されている。素子制御部２４は、自身のペルチェモジュール２０のペルチェ素子２１へ通電する向きおよび通電期間を制御する。温度検出部２５は、自身のペルチェモジュール２０の温度調節部２２の温度を検出する。
【００１９】
回路形成部３０は、図１に示すようにヒートシンク１１と接する側に第一絶縁層３１が形成されている。第一絶縁層３１のヒートシンク１１と反対側には電力回路４１が形成されている。電力回路４１は、第二絶縁層３２により覆われている。電力回路４１は、図４に示すように電源ライン（Ｖｃｃ）４１１および接地ライン（ＧＮＤ）４１２から構成されている。
【００２０】
第二絶縁層３２のヒートシンク１１と反対側には、図５に示すように第三絶縁層３３に覆われている素子制御線部としての制御回路４２のコモンライン４２１および温度制御線部としての温度検出回路４３のコモンライン４３１が形成されている。さらに、第三絶縁層３３のヒートシンク１１と反対側には、図６に示すように第四絶縁層３４に覆われている制御回路４２のセグメントライン４２２および温度検出回路４３のセグメントライン４３２が形成されている。これらの第一絶縁層３１、第二絶縁層３２、第三絶縁層３３および第四絶縁層３４は、いずれも例えばエポキシ樹脂などの絶縁樹脂から形成されている。素子制御線部としての制御回路４２は、コモンライン４２１およびセグメントライン４２２の二系統の制御線から構成されている。また、温度制御線部としての温度検出回路４３は、コモンライン４３１およびセグメントライン４３２の二系統の制御線から構成されている。
【００２１】
回路形成部３０には、図１、図３から図６に示すようにスルーホール５１、スルーホール５２およびスルーホール５３が形成されている。スルーホール５１は、第二絶縁層３２、第三絶縁層３３および第四絶縁層３４を貫いている。スルーホール５２は、第三絶縁層３３および第四絶縁層３４を貫いている。スルーホール５３は、第四絶縁層３４を貫いている。これにより、各ペルチェモジュール２０は、スルーホール５１を経由して電力回路４１に接続している。各ペルチェモジュール２０は、図３に示すようにスルーホール５１を貫くボンディングワイヤ５４により電力回路４１に接続している。ボンディングワイヤ５４は、ペルチェモジュール２０側の端部がパッド５５に接続している。
【００２２】
各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４は、スルーホール５２を貫くボンディングワイヤ５６によって制御回路４２のコモンライン４２１に接続し、スルーホール５３を貫くボンディングワイヤ５７によって制御回路４２のセグメントライン４２２に接続している。同様に、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５は、スルーホール５２を貫くボンディングワイヤ５８によって温度検出回路４３のコモンライン４３１に接続し、スルーホール５３を貫くボンディングワイヤ５９によって温度検出回路４３のセグメントライン４３２に接続している。
【００２３】
温度制御装置１０は、図２に示すように各ペルチェモジュール２０を総括的に制御する総括制御部１２を備えている。電力回路４１、制御回路４２および温度検出回路４３は、総括制御部１２に接続している。総括制御部１２は、処理装置２であらかじめ設定されているプログラムにしたがうとともに、温度検出部２５で検出した各ペルチェモジュール２０の温度に基づいて、各ペルチェモジュール２０の温度を制御する。総括制御部１２は各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４に制御信号を出力し、素子制御部２４は総括制御部１２の制御信号に基づいてペルチェ素子２１の通電方向および通電期間を制御する。素子制御部２４は、電源回路４１に供給される電力によりペルチェ素子２１を制御する。
【００２４】
素子制御部２４は、図７に示すようにメモリ２６を有している。メモリ２６は、例えば１００ｍｓｅｃ程度の期間、総括制御部１２から出力された制御信号を保持するサンプルホールド機能を有している。また、素子制御部２４は、通電方向および通電の断続を制御するスイッチング機能、およびパルス幅を変調するＰＷＭ機能を有している。これにより、素子制御部２４は、ペルチェ素子２１への通電の方向および通電期間を制御する。
【００２５】
次に、上記構成による温度制御装置１０の作動について説明する。
図８に示すように、処理装置２のプログラムにしたがって総括制御部１２から各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４には制御信号が出力される。制御信号は、時分割により総括制御部１２から各ペルチェモジュール２０へ例えば１００ｍｓｅｃ程度の一定の周期で出力される。総括制御部１２からは制御回路４２のコモンライン４２１およびセグメントライン４２２を通してデータが送信される。各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４は、コモンライン４２１を通したデータがアクティブになると、セグメントライン４２２からデータを受け取る。素子制御部２４は、コモンライン４２１を通したデータが次にアクティブになるまで、セグメントライン４２２から受け取ったデータをメモリ２６に保持する。素子制御部２４がセグメントライン４２２から受け取るデータには、ペルチェ素子２１の通電方向および通電期間が含まれている。ペルチェ素子２１の通電期間は、ＰＷＭのパルス幅に対応する。
【００２６】
同様に、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５からは総括制御部１２へ検出信号が出力される。検出信号は、時分割により各ペルチェモジュール２０から一定の周期で総括制御部１２へ出力される。総括制御部１２は、温度検出回路４３のコモンライン４３１およびセグメントライン４３２を通して温度検出部２５からのデータを受け取る。各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５は、コモンライン４３１を通したデータがアクティブになると、セグメントライン４３２へ検出した温度のデータを出力する。温度検出部２５は、コモンライン４３１を通したデータがアクティブになるごとに温度検出部２５で検出した温度を検出信号として出力する。これにより、総括制御部１２は、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５で検出された検出信号を受け取る。
【００２７】
総括制御部１２は、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５で検出された検出信号から、次の周期で各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４に出力する制御信号を設定する。そして、総括制御部１２は、マトリックス状に配置された複数のペルチェモジュール２０へ時分割によって制御信号を出力する。各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４は、総括制御部１２からの制御信号に基づいて自身のペルチェモジュール２０のペルチェ素子２１への通電方向および通電期間を制御する。これにより、制御された温度調節部２２の温度は、再び温度検出部２５から総括制御部１２へ出力される。その結果、総括制御部１２は、時分割で得た各ペルチェモジュール２０の温度から各ペルチェモジュール２０を時分割によって制御する。各ペルチェモジュール２０は、時分割によって制御されるため、隣接する他のペルチェモジュール２０と電力回路４１、制御回路４２および温度検出回路４３の配線を共有する。したがって、各ペルチェモジュール２０と総括制御部１２との間に個別に電力回路４１、制御回路４２および温度検出回路４３を設置する必要がなく、配線を簡略化することができる。
【００２８】
また、第１実施形態では、各ペルチェモジュール２０は個別に制御される。したがって、各ペルチェモジュール２０に接するマイクロチップ３の被温度調節部を個別に精密に制御することができる。さらに、各ペルチェモジュール２０は個別に制御されるため、ペルチェモジュール２０ごとに設定温度を変更することができる。その結果、マイクロチップ３によって被温度調節部の温度、位置あるいは範囲などが異なる場合でも、適用されるマイクロチップ３に応じて被温度調節部の設定の変更が容易である。したがって、汎用性を高めることができる。
【００２９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による温度制御装置を図９および図１０に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施形態では、図９に示すようにコモンライン４５は制御回路４２のコモンラインと温度検出回路４３のコモンラインとを兼用し、セグメントライン４６は制御回路４２のセグメントラインと温度検出回路４３のセグメントラインとを兼用している。すなわち、第２実施形態では、コモンライン４５およびセグメントライン４６は、二系統のＩ／Ｏ制御線部を構成している。これにより、第２実施形態では、第１実施形態に比較してコモンラインおよびセグメントラインの本数が削減され、配線をさらに簡略化することができる。
【００３０】
第２実施形態による温度制御装置１０の作動について説明する。
図１１に示すように、総括制御部１２から各ペルチェモジュール２０へ制御信号が出力される。制御信号は、時分割により各ペルチェモジュール２０へ例えば１００ｍｓｅｃ程度の一定の周期で出力される。総括制御部１２からはコモンライン４５およびセグメントライン４６を通してデータが送受信される。総括制御部１２から各ペルチェモジュール２０へ出力されるコモンライン４５がアクティブになると、各ペルチェモジュール２０の温度検出部２５がセグメントライン４６へ検出信号を出力するとともに、各ペルチェモジュール２０の素子制御部２４はセグメントライン４６からデータを受け取る。すなわち、ペルチェモジュール２０がアクティブになると、温度検出部２５は検出した検出信号をセグメントライン４６を経由して総括制御部１２へ出力する。そして、温度検出部２５と素子制御部２４とを接続しているＩＯ制御信号線４８を切り換えることにより、出力と入力とを切り換え、素子制御部２４は総括制御部１２から出力された制御信号を受け取る。素子制御部２４は、コモンライン４５を通したデータが次にアクティブになるまで、セグメントライン４６から受け取ったデータをメモリ２６に保持する。
【００３１】
第２実施形態では、コモンライン４５およびセグメントライン４６を制御回路４２と温度検出回路４３とで兼用している。そのため、制御回路４２および温度検出回路４３の配線をさらに簡略化することができる。
【００３２】
次に、上記の第１実施形態による温度制御装置１０を用いた実験例について説明する。なお、以下の複数の実験例では、第１実施形態による温度制御装置１０を用いた例について説明するが、第２実施形態による温度制御装置１０であっても同様の実験結果を得ることができる。
【００３３】
（実験例１）
実験例１では、図１２に示すように８行×１２列のペルチェモジュール２０を備える温度制御装置１０を適用する。温度制御装置１０には、ペルチェモジュール２０のヒートシンク１１とは反対側にマイクロチップ３が搭載される。温度制御装置１０の各ペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３の被温度調節部に対応している。
【００３４】
実験例１では、マイクロチップ３は温度制御装置１０のペルチェモジュール２０に対応して８行×１２列の被温度調節部を備えている。本実験例では、温度制御装置１０の第１行目に対応する位置のマイクロチップ３を温度Ｔ１に制御し、温度制御装置１０の第４行目に対応する位置のマイクロチップ３の温度を温度Ｔ２に制御し、温度制御装置１０の第８行目に対応する位置のマイクロチップ３を温度Ｔ３に制御する。このとき、図１３に示すように、第８行目の温度Ｔ３が最も高く、第２行目の温度Ｔ２が最も低い。第１行目の温度Ｔ１は、Ｔ２とＴ３との中間の温度である。
【００３５】
第１行目の温度Ｔ１に対し第４行目の温度Ｔ２を低く設定することにより、第１行目と第４行目との間には急激な温度勾配が生じる。そのため、第１行目および第４行目の温度を制御しただけでは、第１行目および第４行目の温度を正確にＴ１またはＴ２に制御するのは困難である。そこで、実験例１では、第１行目および第４行目の温度をそれぞれＴ１、Ｔ２に制御するとき、隣接ペルチェモジュールである第２行目および第３行目の温度も制御する。第２行目は、第１行目の温度Ｔ１よりもやや高いＴ１*に設定する。また、第３行目は、第４行目の温度Ｔ２よりもやや低いＴ２*に設定する。これにより、第１行目は、第４行目の温度Ｔ２が低いときでも、第２行目の温度をＴ１*に設定することよって温度Ｔ１が低下することがない。同様に、第４行目は、第１行目の温度Ｔ１が高いときでも、第３行目の温度をＴ２*に設定することによって温度Ｔ２が上昇することはない。その結果、第１行目の温度Ｔ１および第４行目の温度Ｔ２は精密に制御することができる。
【００３６】
また、第４行目と第８行目との間にも大きな温度差が設定されている。そこで、第４行目に隣接する隣接ペルチェモジュールである第５行目は第４行目の温度Ｔ２よりもやや低い温度Ｔ２**に設定している。第８行目に隣接する隣接ペルチェモジュールである第７行目は、第８行目の温度Ｔ３よりもやや高いＴ３**に設定されている。そして、第５行目と第７行目との間の第６行目は、第５行目の温度Ｔ２**と第７行目の温度Ｔ３**との間の温度Ｔ４に設定されている。これにより、第４行目と第８行目との間に大きな温度差が設定されているときでも、第４行目の温度Ｔ２および第８行目の温度Ｔ３を精密に制御することができる。
【００３７】
図１３に示す比較例では、温度Ｔ１、温度Ｔ２および温度Ｔ３の領域を確保するために、第１行目、第２行目および第３行目の温度をＴ１とし、第４行目、第５行目および第６行目の温度をＴ２とし、第７行目および第８行目の温度をＴ３とする例について示している。比較例では、第１行目と第４行目との間、および第４行目と第８行目との間に温度勾配は形成される。しかし、各領域の温度は隣接する領域の温度に影響され、全体として正確な温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３の領域を確保することはできない。
以上のように実験例１では、第１実施形態の温度制御装置１０により、マイクロチップ３の被温度制御部の温度を行ごとに制御している。これにより、マイクロチップ３を所定の領域ごとに温度を高精度に制御することができる。
【００３８】
（実験例２）
実験例２では、図１４に示すように８行×１２列のペルチェモジュール２０を備える温度制御装置１０を適用する。温度制御装置１０には、ペルチェモジュール２０のヒートシンク１１とは反対側にマイクロチップ３が搭載されている。温度制御装置１０の各ペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３の被温度調節部に対応している。
【００３９】
実験例２では、マイクロチップ３の全体を温度Ｔに制御する。このとき、図１５に示すように、マトリックス状に配置されているペルチェモジュール２０の最外周、すなわち第１行目、第８行目、第１列目および第１２列目の温度を所望する温度Ｔよりもやや高いＴ*に制御する。
例えばマイクロチップ３の全体の温度Ｔを室温よりも高く設定する場合、マイクロチップ３の最外周は図１５の比較例に示すように室温の影響で温度Ｔよりもやや低くなる。そのため、マイクロチップ３の全体を温度Ｔに均一に設定するためには、マイクロチップ３よりも一回り大きな温度制御装置を用いる必要があり、消費電力の増大などを招く。
【００４０】
第２実験例では、マイクロチップ３の最外周に対応するペルチェモジュール２０の温度を温度Ｔよりもやや高いＴ*に設定する。これにより、マイクロチップ３の最外周の温度はＴに制御することができる。
以上のように実験例２では、第１実施形態の温度制御装置１０により、マイクロチップ３の被温度制御部の温度をペルチェモジュール２０ごとに制御している。これにより、マイクロチップ３の全体の温度を高精度に制御することができる。
【００４１】
（実験例３）
実験例３では、図１６に示すように８行×１２列のペルチェモジュール２０を備える温度制御装置１０を適用する。温度制御装置１０には、ペルチェモジュール２０のヒートシンク１１とは反対側にマイクロチップ３が搭載されている。温度制御装置１０の各ペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３の被温度調節部に対応している。
【００４２】
実験例３では、マイクロチップ３は温度制御装置１０のペルチェモジュール２０に対応して８行×１２列の被温度調節部を備えている。本実験例では、温度制御装置１０の第４行目に対応する位置のマイクロチップ３は、温度がＴ１→Ｔ２→Ｔ３と変化するように制御される。このとき、温度制御装置１０は、温度を制御する第４行目のペルチェモジュール２０だけでなく、第４行目に隣接する隣接ペルチェモジュールである第３行目および第５行目のペルチェモジュール２０の温度も制御する。
【００４３】
第４行目のペルチェモジュール２０をＴ１に設定するとき、第３行目および第５行目のペルチェモジュール２０の温度もＴ１に制御される。これにより、第４行目は、均一かつ高精度に温度Ｔ１に制御される。第４行目の温度がＴ１からＴ２へ変化するとき、第３行目および第５行目は図１７の実験例３の破線で示すように一旦Ｔ２よりも低い温度Ｔ２*に制御される。これにより、第４行目は、急速にＴ２へ冷却される。そして、第４行目の温度がＴ２に達する前に第３行目および第５行目の温度はＴ２に制御される。これにより、第４行目は、均一かつ高精度に温度Ｔ２に制御される。
【００４４】
第４行目の温度がＴ２からＴ３へ変化するとき、第３行目および第５行目は一旦Ｔ３よりも高い温度Ｔ３*に制御される。これにより、第４行目は、急速にＴ３へ加熱される。そして、第４行目の温度がＴ３に達する前に第３行目および第５行目の温度はＴ３に制御される。これにより、第４行目は、均一かつ高精度に温度Ｔ３に制御される。これらの結果、第４行目の温度はＴ１→Ｔ２→Ｔ３へ急速かつ正確に制御される。
【００４５】
これに対し、単純に第４行目のみをＴ１→Ｔ２→Ｔ３と変化させる比較例では、第４行目の温度を正確にＴ２およびＴ３に制御することは困難である。すなわち、第４行目では、Ｔ１からＴ２へ移行するとき、温度が安定する前にＴ３へ移行し、Ｔ２に到達しない。
以上のように実験例３では、第１実施形態の温度制御装置１０により、マイクロチップ３の被温度調節部の温度をペルチェモジュール２０ごとに制御している。これにより、マイクロチップ３の被温度調節部の温度を急速かつ正確に変化させることができる。
【００４６】
（実験例４）
実験例４では、図１８に示すように８行×１２列のペルチェモジュール２０を備える温度制御装置１０を適用する。温度制御装置１０には、ペルチェモジュール２０のヒートシンク１１とは反対側にマイクロチップ３が搭載されている。温度制御装置１０の各ペルチェモジュール２０は、マイクロチップ３の被温度調節部に対応している。
【００４７】
実験例４では、マイクロチップ３は温度制御装置１０のペルチェモジュール２０に対応して８行×１２列の被温度調節部を備えている。本実験例では、マイクロチップ３の一部を加熱し、他の一部を冷却している。すなわち、ペルチェモジュール２０の第３行目から第５行目にかけて第２列目から第５列目を加熱する加熱領域Ａｈとし、第７列目から第１０列目までを冷却する冷却領域Ａｃとしている。
【００４８】
これにより、実験例４では、マイクロチップ３は加熱領域Ａｈに対応する領域で吸熱反応が促進され、冷却領域Ａｃに対応する領域で発熱反応が促進される。実験例４では、適用するマイクロチップ３に応じて温度制御装置１０の加熱領域Ａｈおよび冷却領域Ａｃを任意に容易に変更することができる。したがって、マイクロチップ３ごとに所定の領域を所定の温度に制御することができる。
【００４９】
以上説明した複数の実施形態および実験例では、ペルチェモジュール２０をマトリックス状に配置する例について説明した。しかし、ペルチェモジュール２０は、マトリックス状に限らず任意の形状に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施形態による温度制御装置を示す図であって、（Ａ）はマイクロチップ側から見た概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した温度制御システムを示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態による温度制御装置のペルチェモジュールを示す拡大図であって、（Ａ）はマイクロチップ側から見た概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ線における断面図である。
【図６】図１のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態による温度制御装置の回路構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第１実施形態による温度制御装置の作動のタイムチャートを示す概略図である。
【図９】本発明の第２実施形態による温度制御装置を示す図であって、（Ａ）はマイクロチップ側から見た概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による温度制御装置の回路構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による温度制御装置の作動のタイムチャートを示す概略図である。
【図１２】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した実験例１を示す概略図である。
【図１３】実験例１および比較例におけるペルチェモジュールの位置と温度との関係を示す概略図である。
【図１４】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した実験例２を示す概略図である。
【図１５】実験例２および比較例におけるペルチェモジュールの位置と温度との関係を示す概略図である。
【図１６】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した実験例３を示す概略図である。
【図１７】実験例３および比較例におけるペルチェモジュールの位置と温度との関係を示す概略図である。
【図１８】本発明の第１実施形態による温度制御装置を適用した実験例４を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５１】
３ マイクロチップ、１０ 温度制御装置、１１ ヒートシンク、１２ 総括制御部、２０ ペルチェモジュール、２１ ペルチェ素子、２２ 温度調節部、２４ 素子制御部、２５ 温度検出部、４２ 制御回路（素子制御線部）、４３ 温度検出回路（温度制御線部）、４５ コモンライン（Ｉ／Ｏ制御線部）、４６ セグメントライン（Ｉ／Ｏ制御線部）、４２１ コモンライン（素子制御線部）、４２２ セグメントライン（素子制御線部）、４３１ コモンライン（温度制御線部）、４３２ セグメントライン（温度制御線部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチップの温度を調節する温度制御装置であって、
ペルチェ素子、および前記ペルチェ素子の熱を前記マイクロチップに伝達する温度調節部を有する複数のペルチェモジュールと、
複数の前記ペルチェモジュールにそれぞれ設置され、前記ペルチェモジュールの各ペルチェ素子の通電方向および通電期間を制御する素子制御部と、
を備える温度制御装置。
【請求項２】
前記ペルチェモジュールは、ｎ行×ｍ列（ｎ≧２、ｍ≧２）のマトリックス状に配置されている請求項１記載の温度制御装置。
【請求項３】
複数の前記ペルチェモジュールにそれぞれ設置され、前記ペルチェモジュールの各温度調節部の温度を検出する温度検出部をさらに備える請求項１または２記載の温度制御装置。
【請求項４】
複数の前記ペルチェモジュールを制御する総括制御部をさらに備える請求項１、２または３記載の温度制御装置。
【請求項５】
複数の前記ペルチェモジュールの各素子制御部と前記総括制御部とを接続する二系統の素子制御線部と、
複数の前記ペルチェモジュールの各温度検出部と前記総括制御部とを接続する二系統の温度制御線部と、
を備える請求項４記載の温度制御装置。
【請求項６】
前記ペルチェモジュール、前記素子制御線部および前記温度制御線部が設置され、前記ペルチェ素子を放熱するヒートシンクをさらに備える請求項５記載の温度制御装置。
【請求項７】
複数の前記ペルチェモジュールの各素子制御部および各温度検出部と前記総括制御部とを接続する二系統のＩ／Ｏ制御線部をさらに備える請求項４記載の温度制御装置。
【請求項８】
前記ペルチェモジュールおよび前記Ｉ／Ｏ制御線部が設置され、前記ペルチェ素子を放熱するヒートシンクをさらに備える請求項７記載の温度制御装置。
【請求項９】
前記総括制御部は、複数の前記ペルチェモジュールのうち温度制御を行う特定ペルチェモジュールに隣接する隣接ペルチェモジュールを、前記特定ペルチェモジュールより温度を高くまたは低く設定する請求項５から８のいずれか一項記載の温度制御装置。
【請求項１０】
前記総括制御部は、複数の前記ペルチェモジュールのうち外周側のペルチェモジュールを、内周側のペルチェモジュールより温度を高くまたは低く設定する請求項５から８のいずれか一項記載の温度制御装置。
【請求項１】
マイクロチップの温度を調節する温度制御装置であって、
ペルチェ素子、および前記ペルチェ素子の熱を前記マイクロチップに伝達する温度調節部を有する複数のペルチェモジュールと、
複数の前記ペルチェモジュールにそれぞれ設置され、前記ペルチェモジュールの各ペルチェ素子の通電方向および通電期間を制御する素子制御部と、
を備える温度制御装置。
【請求項２】
前記ペルチェモジュールは、ｎ行×ｍ列（ｎ≧２、ｍ≧２）のマトリックス状に配置されている請求項１記載の温度制御装置。
【請求項３】
複数の前記ペルチェモジュールにそれぞれ設置され、前記ペルチェモジュールの各温度調節部の温度を検出する温度検出部をさらに備える請求項１または２記載の温度制御装置。
【請求項４】
複数の前記ペルチェモジュールを制御する総括制御部をさらに備える請求項１、２または３記載の温度制御装置。
【請求項５】
複数の前記ペルチェモジュールの各素子制御部と前記総括制御部とを接続する二系統の素子制御線部と、
複数の前記ペルチェモジュールの各温度検出部と前記総括制御部とを接続する二系統の温度制御線部と、
を備える請求項４記載の温度制御装置。
【請求項６】
前記ペルチェモジュール、前記素子制御線部および前記温度制御線部が設置され、前記ペルチェ素子を放熱するヒートシンクをさらに備える請求項５記載の温度制御装置。
【請求項７】
複数の前記ペルチェモジュールの各素子制御部および各温度検出部と前記総括制御部とを接続する二系統のＩ／Ｏ制御線部をさらに備える請求項４記載の温度制御装置。
【請求項８】
前記ペルチェモジュールおよび前記Ｉ／Ｏ制御線部が設置され、前記ペルチェ素子を放熱するヒートシンクをさらに備える請求項７記載の温度制御装置。
【請求項９】
前記総括制御部は、複数の前記ペルチェモジュールのうち温度制御を行う特定ペルチェモジュールに隣接する隣接ペルチェモジュールを、前記特定ペルチェモジュールより温度を高くまたは低く設定する請求項５から８のいずれか一項記載の温度制御装置。
【請求項１０】
前記総括制御部は、複数の前記ペルチェモジュールのうち外周側のペルチェモジュールを、内周側のペルチェモジュールより温度を高くまたは低く設定する請求項５から８のいずれか一項記載の温度制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００７−７９８９３（Ｐ２００７−７９８９３Ａ）
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６６３７３（Ｐ２００５−２６６３７３）
【出願日】平成１７年９月１４日（２００５．９．１４）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月１４日（２００５．９．１４）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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