(57)【要約】【課題】制御パラメータの微調整等の作業を必要とすることなく被処理物の温度を目標値に素早く追従させることができるランプ加熱装置を提供する。【解決手段】  ランプ加熱装置は、光源と、温度センサと、光量センサと、温度制御部と、光量制御部と、を備える。光源は、被処理物に光を照射して加熱する。温度センサは、被処理物の温度を検出する。光量センサは、光源の光量を検出する。温度制御部は、温度センサの検出温度を温度目標値に一致させるために光源が照射すべき光量を光量目標値として出力する。そして、光量制御部は、温度制御部から出力された光量目標値に光量センサの検出光量が一致するように光源を駆動する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物に光を照射して加熱する光源と、
前記被処理物の温度を検出する温度センサと、
前記光源の光量を検出する光量センサと、
前記温度センサの検出温度を温度目標値に一致させるために前記光源が照射すべき光量を光量目標値として出力する温度制御部と、
前記温度制御部から出力された前記光量目標値に前記光量センサの検出光量が一致するように前記光源を駆動する光量制御部と、
を備える、ランプ加熱装置。
【請求項２】
前記温度制御部は、前記温度センサの検出温度に基づいて当該検出温度を前記温度目標値に一致させる温度制御ループのフィードバック制御を実行し、
前記光量制御部は、前記光量センサの検出光量に基づいて前記光源の光量を制御する光量制御ループのフィードバック制御を実行し、
これにより、前記温度制御ループ及び前記光量制御ループを備えた二重制御ループのフィードバック制御を実行する、請求項１に記載のランプ加熱装置。
【請求項３】
前記光量センサは、光の波長の吸収域が前記被処理物の吸収域と略一致する、請求項１又は２に記載のランプ加熱装置。
【請求項４】
前記光量センサは、検出感度波長域が前記光源の照射光の波長域に重複する、請求項３に記載のランプ加熱装置。
【請求項５】
前記光量センサは、前記光源を挟んで前記被処理物の反対側に配置される、請求項１〜４の何れかに記載のランプ加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池の電極の焼成処理等の加熱処理に用いられる加熱装置に関し、特に、ハロゲンランプ等の可視光〜近赤外域光源を備えたランプ加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の電極の焼成処理等の加熱処理には、ハロゲンランプ等の可視光〜近赤外域光源を熱源としたランプ加熱装置が用いられている。ランプ加熱装置は、放射温度計によって被処理物の温度を測定し、被処理物の温度が適正な処理温度となるように、シングルループのフィードバック制御によって光源を駆動する（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４７９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、フィードバック制御による光源の光量の応答性は十分に速いが、光量に対する被処理物の温度の応答性は遅いため、シングルループによるフィードバック制御では被処理物の温度を目標値に素早く追従させることが難しい。このため、従来のランプ加熱装置を用いて、例えば、太陽電池の電極の焼成処理におけるスパイクアニールのように１００℃／秒を越える速度で被処理物の温度を急速に変化させる場合、制御パラメータの微調整等の煩雑な作業が必要になる。
【０００５】
このような問題は、太陽電池の電極の焼成処理に限らず、ランプ加熱装置における加熱処理に一般的に生じる。
【０００６】
そこで本発明の目的は、制御パラメータの微調整等の作業を必要とすることなく被処理物の温度を目標値に素早く追従させることができるランプ加熱装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るランプ加熱装置は、光源、温度センサ、光量センサ、温度制御部、光量制御部を備えている。光源は、被処理物に光を照射して加熱する。温度センサは、被処理物の温度を検出する。光量センサは、光源の光量を検出する。温度制御部は、温度センサの検出温度を温度目標値に一致させるために光源が照射すべき光量を光量目標値として出力する。光量制御部は、温度制御部から出力された光量目標値に光量センサの検出光量が一致するように光源を駆動する。
【０００８】
上記ランプ加熱装置において、温度制御部は、温度センサの検出温度に基づいて被処理物を目標温度に一致させる第１ループ（温度制御ループ）のフィードバック制御を実行し、光量制御部は、光量センサの検出光量に基づいて光源の光量を制御する第２ループ（光量制御ループ）のフィードバック制御を実行する。これにより、ランプ加熱装置は、第１ループ及び第２ループを備えた二重制御ループのフィードバック制御を実行する。そして、被処理物を加熱する光源の光量が第２ループのフィードバック制御によって直接制御されることにより、被処理物の温度が素早く目標温度に一致する。
【０００９】
上記ランプ加熱装置において、光量センサは、検出感度波長域が光源の照射光の波長域に重複し、かつ光の波長の吸収域が被処理物の吸収域と略一致することが好ましい。光量センサの検出感度の高い波長域が被処理物を加熱する光の波長域に一致し、被処理物を加熱する波長域の光量を正確に検出することができる。
【００１０】
また、光量センサは、光源を挟んで被処理物の反対側に配置することが好ましい。光源の光を確実に受光できるとともに、被処理物における反射光を受光し難くなり、光源の光量を正確に検出することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、制御パラメータの微調整等の作業を必要とすることなく被処理物の温度を目標値に素早く追従させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るランプ加熱装置の概略の断面図である。
【図２】ランプ加熱装置の要部の断面図である。
【図３】ランプ加熱装置の光量センサの放射率特性の一例を示す図である。
【図４】ランプ加熱装置の制御部のブロック図である。
【図５】ランプ制御装置における被処理物の温度変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係るランプ加熱装置について、図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１に示すように、実施形態に係るランプ加熱装置１０は、炉体１、ハロゲンランプ２、温度センサ３、光量センサ４、制御部５及びランプ駆動部６を備え、被処理物Ｗを所定の温度に加熱する。被処理物Ｗは、一例としてシリコンを素材として板状を呈する太陽電池の電極材料である。
【００１５】
炉体１は、断熱性を有する筐体であり、内部に被処理物Ｗが搬入出される。ハロゲンランプ２は、本発明の光源であり、炉体１の内部に、一例として上下に５個ずつ配置される。被処理物Ｗは、上下のハロゲンランプ２の間に搬入される。本発明の光源は、ハロゲンランプに限るものではなく、個数、配置位置、形状も図１に示す状態に限るものではない。
【００１６】
温度センサ３は、一例として放射温度計であり、被処理物Ｗの温度を測定する。温度センサ３は、炉体１の外部に配置され、炉体１に形成された貫通孔１１を経由して、被処理物Ｗの底面に対向している。温度センサ３は、放射温度計に限るものではなく、例えば、被処理物Ｗの温度を直接測定するものであってもよい。
【００１７】
光量センサ４は、一例として、シリコンフォトダイオードであり、炉体１の外部に配置され、炉体１に形成された貫通孔１２を経由して、ハロゲンランプ２の光量を測定する。制御部５は、温度センサ３の検出温度及び光量センサ４の検出光量に基づいて作成したハロゲンランプ２の駆動データをランプ駆動部６に出力する。ランプ駆動部６は、駆動データに基づいてハロゲンランプ２を駆動する。制御部５及びランプ駆動部６が、本発明の駆動制御部に相当する。
【００１８】
温度センサ３及び光量センサ４について、図２及び図３により、さらに詳細に説明する。図２に示すように、温度センサ３は、水平方向について炉体１内に配置されている２つのハロゲンランプ２の間に位置しており、貫通孔１１を経由して被処理物Ｗの底面に直接対向している。これによって、温度センサ３は、被処理物Ｗの温度を正確に測定できる。
【００１９】
光量センサ４は、炉体１内に配置されている複数のハロゲンランプ２のうち、被処理物Ｗの全体の温度に与える影響が大きい例えば中央部のハロゲンランプ２に対向する位置で、被処理物Ｗや炉体１の内壁からの反射光の影響を受け難い位置に配置されている。
【００２０】
光量センサ４は、貫通孔１２に備えられている減光フィルタ４１を介してハロゲンランプ２の光を受光する。また、光量センサ４は、放熱部材４２に取り付けられている。光量センサ４は、減光フィルタ４１及び放熱部材４２によってハロゲンランプ２の光による温度上昇を最小限に抑えられ、ハロゲンランプ２の光量を正確に測定できる。
【００２１】
なお、温度センサ３及び光量センサ４の配置位置は、炉体１の下方に限るものではなく、一方又は両方を炉体１の上方又は側方に配置することもできる。但し、平板状の被処理物Ｗの温度を放射温度計である温度センサ３によって測定するためには、温度センサ３を被処理物Ｗの主面に対向して配置することが望ましい。また、光量センサ４は、被処理物Ｗや炉体１の内壁からの反射光の影響を受け難い位置でハロゲンランプ２に直接対向させる必要がある。さらに、温度センサ３及び光量センサ４は、ともに制御部５に接続されるため、互いに近接して配置することが好ましく、例えば放熱部材４２を介して両者を一体的に固定することもできる。
【００２２】
図３は、光量センサ４の放射率特性の一例として、シリコンフォトダイオードによって構成された光量センサ４の放射率特性を示している。同図に示すように、光量センサ４の放射率特性は、被処理物Ｗの素材であるシリコンの放射率特性と略一致する。また、シリコンフォトダイオードの検出感度波長域は、ハロゲンランプ２の発光波長とオーバラップする。放射率特性は光の吸収特性と等価と考えられる。このため、光量センサ４は、被処理物Ｗのハロゲンランプ２の光による加熱状態を、ハロゲンランプ２の光の光量によって正確に検出することができる。
【００２３】
なお、本発明の光源は、ハロゲンランプ２に限るものではない。ハロゲンランプ２以外であっても、使用する光源の発光波長にオーバラップする検出感度波長域を有し、放射率特性が略一致する材料で構成された光量センサ４を使用することで、被処理物Ｗの光源の光による加熱状態を、光源の光の光量によって正確に検出することができる。
【００２４】
温度センサ３及び光量センサ４の検出値に基づくハロゲンランプ２の駆動制御について、図４により、さらに詳細に説明する。図４に示すように、制御部５は、温度制御器５１、光量制御器５２及び電力変換器５３を備えている。制御部５は、図示しない記憶部に予め記憶されているシーケンスに従って被処理物Ｗの温度目標値ＴＯを経時的に設定する。温度制御器５１は、温度センサ３が検出した被処理物Ｗの現在の温度ＴＲと温度目標値ＴＯとの差分に基づいて、ハロゲンランプ２が照射すべき光量目標値ＬＯを出力する。光量制御器５２は、光量センサ４が検出したハロゲンランプ２の現在の光量ＬＲと光量目標値ＬＯとの差分に基づいてハロゲンランプ２に供給すべき電力制御値を決定し、電力変換器５３に入力する。
【００２５】
即ち、制御部５は、温度センサ３の検出温度に基づいて被処理物Ｗを目標温度に一致させる第１ループのフィードバック制御に加えて、光量センサ４の検出光量に基づいてハロゲンランプ２の光量を制御する第２ループのフィードバック制御を行う。制御部５は、被処理物Ｗを加熱するハロゲンランプ２の光量を直接制御することができ、被処理物Ｗの温度を素早く目標温度に一致させることができ、被処理物Ｗの温度軌跡を１／１０秒単位の高速で制御することができる。
【００２６】
制御理論に示されるように、制御目標値が時系列的に変化しない一定値である定値制御を行う場合、制御系が積分極を１つ備えれば制御遅れを生じない（制御偏差が０）。これに対して、時系列的に変化する制御目標値に追随させるランピング制御を行う場合は、制御系が積分極を２つ備えることが望ましい。
【００２７】
一般的なＰＩＤ制御における制御系の伝達関数Ｃ（ｓ）は、比例ゲインをＫＰ、積分ゲインをＫＩ、微分ゲインをＫＤとして、
Ｃ（ｓ）＝ＫＰ＋ＫＩ・１／ｓ＋ＫＤ・ｓ
で表される。制御対象が積分極を有する場合は、１つのみの積分極１／ｓを有する単一制御ループの制御系であっても、ランピング制御における制御偏差を抑制できるが、一般に制御対象が積分極を有することは少ない。そこで、制御系に２つの制御ループを構成し、それぞれが積分極を有する２つの制御器を備えることで、ランピング制御における制御偏差を０にすることができる。
【００２８】
例えば、被処理物Ｗの温度を所望のピーク温度で保持するスパイクアニール処理を１つの制御ループのみを有する制御系を用いて行おうとすると、図５に示すように、所望のピーク温度に達した後に一定時間ｐにわたって目標値を保持する必要があり、目標値の調整作業が必要となる。また、制御遅れを生じて、制御対象を目標値に追随させることができない。
【００２９】
これに対して、２つの制御ループを構成して積分極を２つ備えた制御系では、目標値が所望のピーク値に達した時点で制御量を０とすることができ、スパイクアニール処理等の時系列的に変化する目標値に制御対象を追随させることができする。
【００３０】
したがって、光量に対する被処理物Ｗの温度の応答性がハロゲンランプ２の光量のフィードバック制御によって向上し、制御パラメータの微調整等の作業を必要とすることなく被処理物Ｗの温度を目標温度軌跡に素早く追従させることができる。
【００３１】
上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。更に、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３２】
１  炉体
２  ハロゲンランプ、光源
３  温度センサ
４  光量センサ
５  制御部
６  ランプ駆動部
Ｗ  被処理物
１０  ランプ加熱装置
１１、１２  貫通孔
４１  減光フィルタ
４２  放熱部材
５１  温度制御器
５２  光量制御器
５３  電力変換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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