特許 6725904 温度制御装置、方法、およびそれに使用される制御回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6725904

(24)【登録日】2020年6月30日

(45)【発行日】2020年7月22日

(54)【発明の名称】温度制御装置、方法、およびそれに使用される制御回路

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/38 20060101AFI20200713BHJP

   H01L 23/34 20060101ALI20200713BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20200713BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/38

   H01L23/34 D

   H05K7/20 S

【請求項の数】10

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-44364(P2016-44364)

(22)【出願日】2016年3月8日

(65)【公開番号】特開2017-162905(P2017-162905A)

(43)【公開日】2017年9月14日

【審査請求日】2019年2月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】301072650

【氏名又は名称】ＮＥＣスペーステクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077838

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 憲保

(74)【代理人】

【識別番号】100129023

【弁理士】

【氏名又は名称】佐々木 敬

(74)【代理人】

【識別番号】100147809

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 順一

(72)【発明者】

【氏名】星 遼子

【審査官】 庄司 一隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２９４８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１００７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０８４８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０１８４０９８１（ＥＰ，Ａ２）

【文献】 中国特許出願公開第１０１０４７２２４（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０９２７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５１６６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０２／０４９１０５（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 中国特許出願公開第１６５０４２２（ＣＮ，Ａ）

【文献】 実開昭６２−００２２５４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平０６−０８２８５６（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３８

Ｈ０１Ｌ ２３／３４

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

集積回路と、
該集積回路と接触する第１の外表面を持ち、印加される制御電圧に応じて前記集積回路を冷却する冷却器と、
前記第１の外表面と対向する前記冷却器の第２の外表面上に設けられ、外部温度に応答して前記制御電圧を可変して、前記集積回路の温度を所定の温度に保つように制御する制御回路と、
を有する温度制御装置。

【請求項2】

前記冷却器は、ペルチェ効果を利用した冷却器から成る、請求項１に記載の温度制御装置。

【請求項3】

前記集積回路はハイブリッド集積回路からなる、請求項１又は２に記載の温度制御装置。

【請求項4】

前記ハイブリッド集積回路はモノリシックマイクロ波集積回路を含む、請求項３に記載の温度制御装置。

【請求項5】

前記モノリシックマイクロ波集積回路は低雑音増幅器を含む、請求項４に記載の温度制御装置。

【請求項6】

前記制御回路は、
前記外部温度を検出する検出部と、
該検出部に接続されて、前記可変の制御電圧を供給する供給部と、
から成る、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度制御装置。

【請求項7】

前記検出部は前記外部温度に依存して抵抗値が変動する温度可変素子から成る、請求項６に記載の温度制御装置。

【請求項8】

第１の外表面上に搭載された集積回路の温度を、印加される制御電圧に応じて前記集積回路を冷却する冷却器を使用して制御する方法であって、
前記第１の外表面と対向する前記冷却器の第２の表面における、外部温度に応答して前記制御電圧を可変して、前記集積回路の温度を所定の温度に保つように制御する温度制御方法。

【請求項9】

前記外部温度を検出し、
該検出した外部温度に応答して、前記可変の制御電圧を供給する、
請求項８に記載の温度制御方法。

【請求項10】

第１の外表面上に搭載された集積回路の温度を、印加される制御電圧に応じて前記集積回路を冷却する冷却器を使用して制御するための制御回路であって、
前記第１の外表面と対向する前記冷却器の第２の表面における、外部温度に応答して前記制御電圧を可変して、前記集積回路の温度を所定の温度に保つように制御する制御回路。

【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、集積回路を搭載した冷却器を用いて集積回路の温度を制御する温度制御装置、方法、それに使用される制御回路に関する。

【背景技術】

【0002】

集積回路は、それを最適に動作させるために冷却することが必要である。集積回路は、例えば、人工衛星搭載用ＬＮＡ(Low Noise Amplifier、低雑音増幅器)であってよい。集積回路から熱を放散させる（集積回路を冷却する）ために、種々の提案がなされている。

【0003】

例えば、特許文献１は、マイクロ波、ミリ波帯用ＭＩＣ（Microwave Integrated Circuit）及びＭＭＩＣ（Microwave Monolithic Integrated Circuit）用のＩＣパッケージを開示している。特許文献１では、ＭＭＩＣを収容する、ケース、蓋及び壁等からなるパッケージ全体を高誘電率のかつ熱伝導性の良好なセラミック材料で構成している。

【0004】

また、特許文献２は、半導体素子の直下にペルチェ効果を利用した冷却器を設置した半導体装置を開示している。特許文献２では、低周波高出力増幅等のＨＩＣにも使用できることを記載している。

【0005】

さらに、特許文献３は、熱電冷却素子を有する集積回路パッケージを開示している。特許文献３に開示されたパッケージは、集積回路と、集積回路を支持する支持部と、支持部の下に離間して配置されたベース部と、支持部とベース部との間に設けられた多数の熱電冷却（ＴＥＣ）素子と、備える。支持部とベース部とは、熱伝導性で電気絶縁性であるセラミック材料からなる。熱電冷却素子は、集積回路の反対側の支持部の他側において、支持部と熱結合されている。電流がＴＥＣ素子に流れると、ＴＥＣ素子は集積回路から熱を奪う。ＴＥＣ素子はｐ型材料とｎ型素子が交互に配置された素子を有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】実開平６−８２８５６号公報

【特許文献2】実開昭６２−２２５４号公報

【特許文献3】特表２００２−５１０８６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記特許文献１〜３には、それぞれ、次に述べるような課題がある。

【0008】

上記特許文献１に開示されたＩＣパッケージは、ＭＭＩＣで発生した熱を放散させている（自然冷却している）だけであって、ＭＭＩＣを強制的に冷却してはいない。

【0009】

上記特許文献２に開示された半導体装置では、ペルチェ効果冷却器を使用して、半導体素子を強制的に冷却しているだけである。したがって、特許文献２に開示された構造では、半導体素子の温度を一定に保つことができない。

【0010】

また、特許文献３にされた集積回路パッケージでも、ペルチェ素子を使用して、集積回路を強制的に冷却しているだけである。したがって、特許文献３に開示された構造でも、集積回路の温度を一定に保つことができない。

【0011】

すなわち、特許文献１〜３のいずれも、集積回路（半導体素子）の温度を一定に制御する装置（方法）について、何ら開示も示唆もしていない。

【0012】

尚、特許文献２および３に開示されているような、ペルチェ素子を用いた冷却器を使用して、集積回路（半導体素子）の温度を一定になるように制御しようとする場合、一般的には、例えば、次のようなフィードバック制御により温度制御することが行われると考えられる。

【0013】

すなわち、フィードバック制御では、集積回路（半導体素子）の温度を温度センサで検出し、その検出温度と目標温度とを比較し、それらの間の温度差（偏差）に基づいて、ペルチェ素子に印加する制御電圧を、検出温度が目標温度に近づくように、制御する。

【0014】

しかしながら、このようなフィードバック制御では、制御装置（制御回路）の構成が複雑になるという問題がある。

【0015】

本発明の目的は、上述した課題を解決する、温度制御装置、方法、およびそれに使用される制御回路を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明の温度制御装置は、集積回路と、該集積回路と接触する第１の外表面を持ち、印加される制御電圧に応じて前記集積回路を冷却する冷却器と、前記第１の外表面と対向する前記冷却器の第２の外表面上に設けられ、外部温度に応答して前記制御電圧を可変して、前記集積回路の温度を所定の温度に保つように制御する制御回路と、を有する。

【0017】

本発明の温度制御方法は、第１の外表面上に搭載された集積回路の温度を、印加される制御電圧に応じて前記集積回路を冷却する冷却器を使用して制御する方法であって、前記第１の外表面と対向する前記冷却器の第２の外表面における、外部温度に応答して前記制御電圧を可変して、前記集積回路の温度を所定の温度に保つように制御する。

【0018】

本発明の制御回路は、第１の外表面上に搭載された集積回路の温度を、印加される制御電圧に応じて前記集積回路を冷却する冷却器を使用して制御するための制御回路であって、前記第１の外表面と対向する前記冷却器の第２の表面における、外部温度に応答して前記制御電圧を可変する。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、構成が簡易な温度制御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】関連の温度制御装置を示すブロック図である。

【図2】図１に示した関連の温度制御装置で用いられる制御回路の構成を示すブロック図である。

【図3】本発明の一実施の形態に係る温度制御装置の構成を示すブロック図である。

【図4】図３に示した温度制御装置で用いられる制御回路の構成を示すブロック図である。

【図5】本発明の一実施例に係る温度制御装置に使用される、ＨＩＣパッケージ（制御対象）を示す斜視図である。

【図6】図５をＺ−Ｙ平面で切断した横断面図である。

【図7】図５に示したＨＩＣパッケージ（制御対象）に用いられるペルチェ素子の構造の一部分を示す部分縦断面図である。

【図8】図７に示したペルチェ素子の吸熱特性の一例を示す図である。

【図9】本発明の実施例に係る温度制御装置に使用される制御回路の一例を示す回路図である。

【図10】ペルチェ素子へ印加する制御電圧と温度との間の関係を示すグラフである。

【図11】温度に対するＮＦ値の特性（制御なし、本実施時）を示す図である。

【図12】ＭＭＩＣアナログ減衰器を用いて温度補償を行った際の、周波数に対する利得特性を示す図であって、（Ａ）は温度制御をしない場合のＬＮＡの利得特性を示すグラフであり、（Ｂ）は本実施例に係る温度制御装置を使用して温度制御を行なったときのＬＮＡの利得特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

［関連技術］
本発明の理解を容易にするために、関連の温度制御装置について説明する。

【0022】

図１は、関連の温度制御装置１００を示すブロック図である。

【0023】

図示の関連の温度制御装置１００は、制御対象１０として、集積回路１２と、冷却器１４とを有する。集積回路１２は、例えば、人工衛星搭載用ＬＮＡであってよい。このＬＮＡのＲＦ（Radio Frequency）回路は、通常、ＨＩＣ（Hybrid Integrated Circuit：ハイブリット集積回路）内に構成される。

【0024】

集積回路１４は、冷却器１４の第１の外表面１４ａに接触するように、冷却器１４上に搭載されている。この冷却器１４は、例えば、上記特許文献３に開示された構成をしていてよい。

【0025】

詳述すると、冷却器１４は、集積回路１２を支持する支持部と、支持部から下に離間して配置されたベース部と、支持部とベース部との間に配置された、多数のＴＥＣ素子から成るペルチェ素子と、を有する。支持部とベース部の各々は、熱伝導性で電気絶縁性であるセラミック材料からなる。ペルチェ素子は、支持部と熱結合されている。ペルチェ素子には、一対のリード線１４６ａ、１４６ｂが接続されている。

【0026】

図示の関連の温度制御装置１００は、集積回路１２の温度を検出するための温度センサ１６と、この温度センサ１６で検出された検出温度に基づいて、集積回路１２の温度を制御するための制御回路２００と、を更に有する。制御回路２００は、第１の外表面１４ａと対向する冷却器１２の第２の外表面１４ｂ上に設けられている。制御回路２００は、上記一対のリード線１４６ａ、１４６ｂを介して、後述するように、冷却器１４のペルチェ素子へ制御電圧を印加する。

【0027】

図２は、関連の制御回路２００の構成を示すブロック図である。

【0028】

関連の制御回路２００には、温度センサ１６からの検出温度を示す検出信号と、目標温度を示す目標信号とが供給される。

【0029】

制御回路２００は、比較器２２０と、制御電圧生成部２４０とを有する。比較器２２０は、目標信号と検出信号とを比較して、目標温度と検出温度との間の温度差を示す偏差信号を出力する。制御電圧生成部２４０は、偏差信号に応答して、温度差がゼロとなるような制御電圧を生成する。この制御電圧は、上記一対のリード線１４６ａ、１４６ｂを介して冷却器１４のペルチェ素子へ印加される。

【0030】

したがって、このような構成の関連の温度制御装置１００では、検出温度が目標温度に近づくように、集積回路１２の温度をフィードバック制御することができる。

【0031】

しかしながら、このような関連の温度制御装置１００の構成では、制御回路２００の構成が複雑になるという問題がある。

【0032】

［実施の形態］
次に、発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。

【0033】

図３は、本発明の一実施の形態に係る温度制御装置１００Ａの構成を示すブロック図である。

【0034】

図示の温度制御装置１００Ａは、温度センサ１６がなく、制御回路が後述のように変更されている点を除いて、図１に示した温度制御装置１００と同様の構成を有し、動作をする。したがって、制御回路に２００Ａの参照符号を付してある。以下では、図１に示したものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付し、説明の簡略化のために、相違点についてのみ説明する。

【0035】

図１に示す関連の温度制御装置１００では、フィードバック制御するために、集積回路１２の温度を検出する温度センサ１６を備えている。そして、関連の制御回路２００は、検出温度が目標温度に近づくような制御電圧を求めて、その制御電圧を一対のリード線１４６ａ、１４６ｂを介して冷却器１４のペルチェ素子へ印加している。

【0036】

これに対して、温度制御装置１００Ａの制御回路２００Ａは、集積回路１２の温度ではなく、外部温度（冷却器１４の第２の外表面１４ｂの近傍の温度）に応答して、制御電圧を可変して、集積回路１２の温度を所定の温度(目標温度)に保つように制御している。

【0037】

したがって、温度制御装置１００Ａは、フィードバック制御を行っていない。尚、所定の温度（目標温度）は、本実施例では、-20℃に等しい。

【0038】

図４は、制御回路２００Ａの構成を示すブロック図である。

【0039】

制御回路２００Ａは、一定の正電圧が供給される電源端子２００Ａａと、制御電圧を出力する出力端子２００Ａｂと、接地端子２００Ａｃとを持つ。

【0040】

制御回路２００Ａは、外部温度を検出する検出部２２０Ａと、この検出部２００Ａに接続されて、可変の制御電圧を供給する供給部２４０Ａとから成る。

【0041】

図示の例では、検出部２２０Ａは、外部温度に依存して抵抗値が変動する温度可変素子から成る。温度可変素子は、例えば、サーミスタから成ってよい。サーミスタは、集積回路１２の特定の指標が一定となるように予め調整されている。集積回路１２が低雑音増幅器を含む場合、特定の指標は雑音指数であってよい。

【0042】

次に、本実施形態の効果について説明する。

【0043】

本温度制御装置１００Ａでは、フィードバック制御を行うことなく、冷却器１４の第２の外表面１４ａ上に設けられた制御回路２００Ａが、外部温度に応答して制御電圧を可変して、集積回路１２の温度を所定の温度（目標温度）に保つように制御しているので、制御回路２００Ａの構成が簡易になるという効果がある。

【0044】

尚、本実施の形態では、検出部２２０Ａとしてサーミスタを使用しているが、検出部はこれに限定されない。例えば、検出部２２０Ａとしては、測温抵抗体やリニア抵抗などの他の温度可変素子や、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子（熱電素子、熱電対）などを使用してもよい。

【実施例】

【0045】

次に、本発明の一実施例に係る温度制御装置１００Ａについて説明する。

【0046】

以下の実施例では、集積回路１２が、人工衛星搭載用ＬＮＡからなる場合を例に挙げて説明する。この場合、前述したように、ＬＮＡのＲＦ回路は、通常、ＨＩＣ内に構成される。人工衛星搭載用ＬＮＡにおいて、ＮＦ(Noise Figure：雑音指数)及び利得は、重要性能である。

【0047】

公知のＬＮＡでは、ＮＦ値の温度変動を制御出来なかった。しかしながら、温度変動の影響は大きく、ＮＦ性能の改善には温度制御が必然となる。また、利得においても温度による性能劣化分が大きく、これらの状況からＬＮＡ全体の温度制御を行うことが必要である。

【0048】

次に、雑音指数について説明する。

【0049】

雑音指数の基本的な定義は、入力側のＳ／Ｎ（Ｓ:Signal 信号量、Ｎ:noise 雑音量）に対して、出力側のＳ／Ｎがどれだけ劣化するかを示すもので、下記の数１および数２で表される。

【数1】

【数2】

ここで、数２は雑音指数Ｆをデシベルで表したものである。

【0050】

雑音指数Ｆは経験的に、下記の数３の様に、温度に依存することが知られている。

【数3】

【0051】

ＮＦ特性は、上記数３のように温度に依存し、高温になるほど性能が劣化する。しかしながら、公知のＬＮＡでは、ＮＦの温度変動を制御出来なかった。

【0052】

人工衛星搭載用ＬＮＡの動作温度範囲は、一般的に-20℃〜+60℃程度であり、この温度範囲に対しＮＦの温度変動は、例えばKu帯において0.5dB程度である。

【0053】

また、利得は増幅素子の特性により温度変動するため、公知の人工衛星搭載用ＬＮＡでは、MMICアナログ減衰器等の利得可変素子を用いて利得温度補正を行っていた。しかしながら、温度変動により、増幅素子の利得の周波数特性も変動するが、周波数特性に関しては補正を行えていない状況である。

【0054】

これに対して、本実施例では、このＨＩＣパッケージ（制御対象）１０を、セラミックとペルチェ素子とで構成し、ペルチェ素子の吸熱作用を利用することで、ＨＩＣ内の温度を下げることができる。

【0055】

それにより、人工衛星搭載用ＬＮＡにおいて重要性能である、ＮＦ及び利得の温度変動に伴う変動を、ペルチェ素子を内蔵したＨＩＣパッケージ（制御対象）１０を使用することで制御している。

【0056】

さらに、本実施例では、ペルチェ素子に印加する制御電圧を温度により可変することで、ＨＩＣ内を低温状態で、所定の温度（一定）に保つことが可能になる。

【0057】

これにより、外部温度の変動に対してNF値は、低温状態の値を維持しつつ、同時に各増幅素子の温度を一定に保てるため、利得変動及び周波数特性変動も同時に制御することができる。

【0058】

また、ＨＩＣパッケージ（制御対象）１０の外ではなく、ＨＩＣパッケージ１０内にペルチェ素子を内蔵することで、アンプ素子の熱吸収率の向上、小型化等の利点がある。

【0059】

したがって、本実施例に係る人工衛星搭載用ＬＮＡは、公知のＬＮＡに比べ、ＮＦ性能、利得性能が格段に良くなり、衛星通信性能の大幅な向上が見込める。

【0060】

以下、図面を参照して、本発明の実施例について詳細に説明する。

【0061】

図５および図６は、それぞれ、本発明の実施例に係る温度制御装置１００Ａに使用される、ＨＩＣパッケージである制御対象１０を示す斜視図である。図６は図５をＺ−Ｙ平面で切断した横断面図である。

【0062】

ここでは、図５および図６に示されるように、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を使用している。図５および図６に示された状態では、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、Ｘ軸方向は前後方向（奥行方向）であり、Ｙ軸方向は左右方向であり、Ｚ軸方向は上下方向（高さ方向）である。

【0063】

制御対象（ＨＩＣパッケージ）１０は、集積回路１２と、冷却器１４とから成る。

【0064】

図示の集積回路１２は、前後方向Ｘに延在し、３つの素子１２１と、４つの基板１２２とを有する。しかしながら、素子１２１の数や、基板１２２の数は、図５に示したものに限定されない。素子１２１は、例えば、増幅素子や、利得可変素子などのＭＭＩＣであってよい。基板１２２は、例えば、ＬＰＦ（Low Pass Filter）や、ＢＰＦ（Band Pass Filter）等のフィルタの役割を担っていたり、スルーのラインであってよい。

【0065】

冷却器１４は、集積回路１２を支持する支持部１４２と、支持部１４２から下に離間して配置されたベース部１４４と、支持部１４２とベース部１４４との間に配置された、多数のＴＥＣ素子から成るペルチェ素子１４６と、を有する。

【0066】

支持部１４２は、Ｘ−Ｙ平面と平行に延在して集積回路１２を搭載する搭載部１４２−１と、集積回路１２の周囲を囲むように、搭載部１４２−１から上方向へ延在する四角筒状の壁部１４２−２とを有する。尚、図５および図６では図示していないが、壁部１４２−２の上面の開口は、蓋で閉じられる。ベース部１４４も、支持部１４２の搭載部１４２−１と同様に、Ｘ−Ｙ平面と平行に延在している。ペルチェ素子１４６は、支持部１４２の搭載部１４２−１とベース部１４４との間に挟まれて、Ｘ−Ｙ平面と平行に延在している。

【0067】

支持部１４２とベース部１４４の各々は、熱伝導性で電気絶縁性であるセラミック材料からなる。ペルチェ素子１４６は、支持部１４２と熱結合されている。ペルチェ素子１４６には、一対のリード線１４６ａ、１４６ｂが接続されている。

【0068】

また、図５および図６では、ペルチェ素子１４６は、一枚の板から構成されているように図示されているが、実際には、上記特許文献３の図１に図示されているように、支持部１４２とベース部１４４との間に多数のＴＥＣ素子が並べて配置されている。

【0069】

尚、図５および図６には図示していないが、制御回路２００Ａは、冷却器１４の第２の表面１４ｂに設けられた基板上に形成されている。

【0070】

図７は、ペルチェ素子１４６の構造の一部分を示す部分縦断面図である。

【0071】

ペルチェ素子１４６は、前述したように多数のＴＥＣ素子１４６−１が多数並べて配置されて構造を有する。ＴＥＣ素子１４６−１は、図７に示されるように、Ｐ型の熱電半導体とＮ型の熱電半導体とが交互に配置された素子から成る。ＴＥＣ素子１４６−１の各々は、対応する上側リード（上側金属電極）１４６−２にはんだ付けされた上端と、対応する下側リード（下側金属電極）１４６−３にはんだ付けされた下面とを有している。したがって、ペルチェ素子１４６は、金属電極１４６−２、１４６−３と、Ｐ型の熱電半導体およびＮ型の熱電半導体とが、πの字型に交互に連結された構造を有する。

【0072】

図７に示されるように、ペルチェ素子１４６は、Ｐ型とＮ型の熱電半導体１４６−１に電流を流すことで吸熱及び放熱が起こる。この効果を利用して、本実施例に係る温度制御装置１００Ａは、ＨＩＣ１２内の温度を下げる。

【0073】

図８は、ペルチェ素子１４６の吸熱特性を示す図である。図８において、横軸はペルチェ素子１４６に流す電流（Ａ）を示し、縦軸はペルチェ素子１４６の吸熱量（Ｗ）を示す。

【0074】

図８に示すように、ペルチェ素子１４６の吸熱量は、一般的に、ペルチェ素子１４６に流す電流値と相関関係がある。このため、ペルチェ素子１４６に印加する制御電圧を外部温度により可変することで、ペルチェ素子１４６の吸熱量の制御を行うことができる。その結果、本実施に係る温度制御装置１００Ａは、ＨＩＣ１２内の温度を、外部温度の変動に対して所定の温度（一定）に保つことが可能である。尚、所定の温度は、例えば、−２０℃程度である。

【0075】

図９は、本実施例に係る温度制御装置１００Ａに使用される制御回路２００Ａの一例を示す回路図である。図示の例の制御回路２００Ａでは、温度可変素子としてサーミスタを使用した例を示している。

【0076】

図示の制御回路２００Ａは、前述したように、一定の正電圧（Ｖ）が印加される電源端子２００Ａａと、制御電圧を出力する出力端子２００Ａｂと、接地端子２００Ａｃとを持つ。制御回路２００Ａは、外部温度を検出する検出部２２０Ａと、この検出部２２０Ａに接続されて、可変の制御電圧を供給する供給部２４０Ａと、から成る。

【0077】

検出部２２０Ａは、電源端子２００Ａａと出力端子２００Ａｂとの間に接続された負特性サーミスタＮＴＣと、出力端子２００Ａｂと接地端子２００Ａｃとの間に接続された正特性サーミスタＰＴＣと、から成る。

【0078】

供給部２４０Ａは、負特性サーミスタＮＴＣと並列に接続された第１の抵抗器Ｒ１と、正特性サーミスタＰＣＴと並列に接続された第２の抵抗器Ｒ２と、から成る。

【0079】

サーミスタＮＴＣ、ＰＣＴは、集積回路１２の特定の指標が一定となるように予め調整されている。本実施例の場合、集積回路１２は低雑音増幅器（ＬＮＡ）から成るので、特定の指標として雑音指数が使用される。

【0080】

したがって、図示の制御回路２００Ａは、負特性サーミスタＮＴＣと正特性サーミスタＰＣＴとを用い、冷却器１４に印加する制御電圧を、外部温度の変動に対して可変する。

【0081】

次に、負特性サーミスタＮＴＣおよび正特性サーミスタＰＣＴの選択の仕方について説明する。

【0082】

周知のように、負特性サーミスタＮＴＣ、正特性サーミスタＰＣＴ自身が、温度によりその抵抗値が変動する特性を持っている。各外部温度でどのような制御電圧をペルチェ素子１４６に印加するかは、以下に述べるように、あらかじめ温度試験を行って決定する。

【0083】

例えば、−２０℃から＋６０℃の温度試験において、各温度（温度ステップは任意）でＮＦ値が一定となるように、ペルチェ素子１４６へ印加する制御電圧の電圧値を可変し、図１０に示すような温度特性が得られたと仮定する。

【0084】

図１０は、制御電圧と温度との間の関係を示すグラフである。図１０において、横軸は温度（℃）を示し、縦軸はペルチェ素子１４６へ印加した制御電圧［Ｖ］を示す。ここでの温度とは外部温度であり、ＨＩＣ１２内の正確な温度は分からない。すなわち、本実施例では、ＨＩＣ１２内の温度の測定を行わない。

【0085】

しかしながら、ＮＦ値を測定することで、ＨＩＣ１２内の温度を、−２０℃時のＮＦ値と同一の温度にすることが可能である。

【0086】

本実施例では、ペルチェ素子１４６へ印加する制御電圧と温度（外部温度）との間の関係が図１０となるように、図９に示した制御回路２００Ａを構成する、負特性サーミスタＮＴＣ、正特性サーミスタＰＣＴ、第１の抵抗器Ｒ１、および第２の抵抗器Ｒ２の定数、回路構成を決定する。

【0087】

尚、図９に示した制御回路２００Ａは、負特性サーミスタＮＴＣ、正特性サーミスタＰＣＴ、第１の抵抗器Ｒ１、および第２の抵抗器Ｒ２から成るが、この構成に限定されない。

【0088】

具体的には、図８に示すように、ペルチェ素子１４６の吸熱特性は一般的に非線形である。したがって、この曲線を再現するために、制御回路２００Ａを構成する、サーミスタおよび抵抗器の数、配置（直列、並列接続）を任意に選択する。

【0089】

尚、一例として、図１０の温度特性となるような制御回路２００Ａの定数は、制御回路２００Ａが図９のような回路であるとすると、次のようになる。

【0090】

正電圧は＋１０Ｖである。負特性サーミスタＮＴＣは、外部温度Ｔ＝２５℃の時、２７００Ωの抵抗値を持ち、１３．５Ω／Ｔの抵抗温度係数を持つ。正特性サーミスタＰＴＣは、外部温度Ｔ＝２５℃の時、２１８６Ωの抵抗値を持ち、次のような各温度での温度Ｔと抵抗値Ｒの関係を持つ。４５００Ｋ＝ｌｎ｛（２１８６）／Ｒ｝／（１／２５）−（１／Ｔ）｝。第１の抵抗器Ｒ１は、１２０００Ωの抵抗値を持ち、第２の抵抗器Ｒ２は、５０００Ωの抵抗値を持つ。

【0091】

次に、本実施例に係る温度制御装置１００Ａの効果について説明する。

【0092】

第１の効果は、ＬＮＡのＮＦ値の温度による変動を無くし、低温時の値で一定に保つことができることである。

【0093】

詳述すると、図１１は、温度に対するＮＦ値の特性を示す図である。図１１において、横軸は温度（外部温度）（℃）を示し、縦軸はＮＦ値（ｄＢ）を示す。図１１において、実線は温度制御を行なわないときのＬＮＡのＮＦ値を示し、破線は本実施例に係る温度制御装置１００Ａを使用して温度制御を行なったときのＬＮＡのＮＦ値を示す。

【0094】

図１１から、温度制御を行なわないとき、ＮＦ値は、外部温度が上昇するとともに、大きくなっていることが分かる。それに対して、温度制御装置１００Ａを使用して温度制御を行なうと、ＮＦ値はほぼ一定に保たれていることが分かる。これは、温度制御装置１００Ａを使用して温度制御を行なうことによって、ＨＩＣ１２内の温度が−２０℃に保たれているからである。

【0095】

第２の効果は、ＬＮＡの利得の温度変動を無くすことができることである。

【0096】

詳述すると、図１２は、ＭＭＩＣアナログ減衰器を用いて温度補償を行った際の、周波数に対する利得特性を示す図である。図１２において、（Ａ）は温度制御をしない場合のＬＮＡの利得特性を示すグラフであり、（Ｂ）は本実施例に係る温度制御装置１００Ａを使用して温度制御を行なったときのＬＮＡの利得特性を示すグラフである。図１２（Ａ）および（Ｂ）において、横軸は、相対周波数（Relative Frequency）（ＧＨｚ）を示し、縦軸は利得のスケール（Scale）（０．５ｄＢ／ｄｉｖ）を示す。

【0097】

図１２（Ａ）に示されるように、温度制御を行なわない場合、外部温度が低温（−２０℃）、常温（＋２５℃）、高温（＋６０℃）において、利得の周波数特性が変動していることが分かる。特に、 外部温度が常温や高温のときには、外部温度が低温のときと比較して、利得の周波数特性が大幅に変動してことが分かる。

【0098】

これに対して、図１２（Ｂ）に示されるように、本実施例に係る温度制御装置１００Ａを使用して温度制御を行なった場合、たとえ外部温度が低温（−２０℃）、常温（＋２５℃）、高温（＋６０℃）に変動したとしても、利得の周波数特性が常に一定に変動していることが分かる。これは、外部温度が変動しても、ＨＩＣ１２内の温度が低温（−２０℃）に維持されているからである。

【0099】

このように、本実施例では、外部温度による利得変動・周波数変動を無くすことができる。

【0100】

以上、実施の形態（実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態（実施例）に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

【0101】

例えば、上記実施の形態（実施例）では、冷却器としてペルチェ効果を利用した冷却器を例に挙げて説明しているが、冷却器はこれに限定されず、印加される制御電圧に応じて対象物（集積回路）を冷却できるものであればどのようなものであってもよい。また、上記実施例では、ペルチェ素子を両側から挟む支持部およびベース部の材料として、セラミック材料を例に挙げているが、他の熱伝導性で電気絶縁性のある材料を使用してよいのは勿論である。さらに、上記実施例では、集積回路として、低雑音増幅器を含むモノリシックマイクロ波集積回路等のハイブリッド集積回路を例に挙げて説明しているが、他の集積回路であってもよい。

【0102】

また、上記実施例では、集積回路の特定の指標が雑音指数である場合を例に挙げて説明しているが、他の特性の指標を用いてもよい。さらに、上記実施例では、温度可変素子として、サーミスタを例に挙げて説明したが、測温抵抗体やリニア抵抗、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子（熱電素子、熱電対）などを使用してもよい。

【0103】

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

【0104】

集積回路と、
該集積回路と接触する第１の外表面を持ち、印加される制御電圧に応じて前記集積回路を冷却する冷却器と、
前記第１の外表面と対向する前記冷却器の第２の外表面上に設けられ、外部温度に応答して前記制御電圧を可変して、前記集積回路の温度を所定の温度に保つように制御する制御回路と、
を有する温度制御装置。

【0105】

（付記２）
前記所定温度が-20℃である、付記１に記載の温度制御装置。

【0106】

（付記３）
前記冷却器は、ペルチェ効果を利用した冷却器から成る、付記１又は２に記載の温度制御装置。

【0107】

（付記４）
前記冷却器は、
前記第１の表面を持ち、前記集積回路を支持する支持部と、
前記第２の表面を持つベース部と、
前記支持部と前記ベース部との間に配置され、複数の熱電冷却素子から成るペルチェ素子と、
から成る付記３に記載の温度制御装置。

【0108】

（付記５）
前記支持部および前記ベース部の各々は、熱伝導性で電気絶縁性の材料から成る、付記４に記載の温度制御装置。

【0109】

（付記６）
前記材料がセラミック材料から成る、付記５に記載の温度制御装置。

【0110】

（付記７）
前記集積回路はハイブリッド集積回路からなる、付記１乃至６のいずれか１項に記載の温度制御装置。

【0111】

（付記８）
前記ハイブリッド集積回路はモノリシックマイクロ波集積回路を含む、付記７に記載の温度制御装置。

【0112】

（付記９）
前記モノリシックマイクロ波集積回路は低雑音増幅器を含む、付記８に記載の温度制御装置。

【0113】

（付記１０）
前記制御回路は、
前記外部温度を検出する検出部と、
該検出部に接続されて、前記可変の制御電圧を供給する供給部と、
から成る、付記１乃至９のいずれか１項に記載の温度制御装置。

【0114】

（付記１１）
前記検出部は前記外部温度に依存して抵抗値が変動する温度可変素子から成る、付記１０に記載の温度制御装置。

【0115】

（付記１２）
前記温度可変素子がサーミスタからなる、付記１１に記載の温度制御装置。

【0116】

（付記１３）
前記サーミスタは、前記集積回路の特定の指標が一定となるように予め調整されている、付記１２に記載の温度制御装置。

【0117】

（付記１４）
前記集積回路が低雑音増幅器を含む場合、前記特定の指標は雑音指数である、付記１３に記載の温度制御回路。

【0118】

（付記１５）
前記制御回路は、一定の正電圧が印加される電源端子と、前記制御電圧を出力する出力端子と、接地端子とを持ち、
前記検出部は、前記電源端子と前記出力端子との間に接続された負特性サーミスタと、前記出力端子と前記接地端子との接続された正特性サーミスタと、から成り、
前記供給部は、前記負特性サーミスタと並列に接続された第１の抵抗器と、前記正特性サーミスタと並列に接続された第２の抵抗器と、から成る、
付記１４に記載の温度制御装置。

【0119】

（付記１）
第１の外表面上に搭載された集積回路の温度を、印加される制御電圧に応じて前記集積回路を冷却する冷却器を使用して制御する方法であって、
前記第１の外表面と対向する前記冷却器の第２の外表面における、外部温度に応答して前記制御電圧を可変して、前記集積回路の温度を所定の温度に保つように制御する温度制御方法。

【0120】

（付記１７）
前記外部温度を検出し、
該検出した外部温度に応答して、前記可変の制御電圧を供給する、
付記１６に記載の温度制御方法。

【0121】

（付記１８）
第１の外表面上に搭載された集積回路の温度を、印加される制御電圧に応じて前記集積回路を冷却する冷却器を使用して制御するための制御回路であって、
前記第１の外表面と対向する前記冷却器の第２の表面における、外部温度に応答して前記制御電圧を可変して、前記集積回路の温度を所定の温度に保つように制御する制御回路。

【0122】

（付記１９）
前記外部温度を検出する検出部と、
該検出部に接続されて、前記可変の制御電圧を供給する供給部と、
から成る、付記１８に記載の制御回路。

【0123】

（付記２０）
前記検出部は前記外部温度に依存して抵抗値が変動する温度可変素子から成る、付記１９に記載の制御回路。

【0124】

（付記２１）
前記温度可変素子がサーミスタからなる、付記２０に記載の制御回路。

【0125】

（付記２２）
前記サーミスタは、前記集積回路の特定の指標が一定となるように予め調整されている、付記２１に記載の制御回路。

【0126】

（付記２３）
前記集積回路が低雑音増幅器を含む場合、前記特定の指標は雑音指数である、付記２２に記載の制御回路。

【0127】

（付記２４）
前記制御回路は、一定の正電圧が印加される電源端子と、前記制御電圧を出力する出力端子と、接地端子とを持ち、
前記検出部は、前記電源端子と前記出力端子との間に接続された負特性サーミスタと、前記出力端子と前記接地端子との接続された正特性サーミスタと、から成り、
前記供給部は、前記負特性サーミスタと並列に接続された第１の抵抗器と、前記正特性サーミスタと並列に接続された第２の抵抗器と、から成る、
付記２３に記載の制御回路。

【産業上の利用可能性】

【0128】

本発明による温度制御装置は、通信衛星搭載用ＬＮＡばかりでなく、地上用の通信機器にも利用可能である。

【符号の説明】

【0129】

１０ 制御対象（ＨＩＣパッケージ）
１２ 集積回路（ＨＩＣ）
１２１ 素子
１２２ 基板
１４ 冷却器
１４ａ 第１の外表面
１４ｂ 第２の外表面
１４２ 支持部
１４２−１ 搭載部
１４２−２ 壁部
１４４ ベース部
１４６ ペルチェ素子
１４６ａ、１４６ｂ リード線
１４６−１ ＴＥＣ素子
１４６−２ 上側リード（上側金属電極）
１４６−３ 下側リード（下側金属電極）
１００Ａ 温度制御装置
２００Ａ 制御回路
２２０Ａ 検出部
２４０Ａ 供給部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】