(57)【要約】【課題】試料等の被加熱物体が目標温度になるように通電加熱制御用トランジスタのゲート電圧をフィードバック制御しながら通電加熱を行い、フィードバック制御の停止後にゲート電圧ホールドすることで試料温度を保持する加熱制御において、ゲート電圧ホールド時に再現性良く温度を目標値に保持することを可能にする。。  【解決手段】試料への通電加熱制御トランジスタのゲート電圧を制御し、温度が目標値に達するまで急速加熱した後、温度が目標値に保持されるように前記ゲート電圧のフィードバック制御を開始し、温度が保持されたと見なせるまでフィードバック制御を継続した後、フィードバック制御を停止し、フィードバック制御を停止する直前の複数時点における制御値の平均値にホールドすることで試料の温度を目標値に保持する。この加熱方法を熱物性測定に用いる際、ゲート電圧ホールド時に光加熱し、温度変化とジュール発熱量を測定して複数の熱物性値を決定する。。【選択図】図１
2008116285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性被加熱物体への通電量を制御するために用いるトランジスタのゲート電圧を制御し、被加熱物体の温度が所定の目標値に達するまで急速加熱し、目標値に到達した後、
被加熱物体の温度が目標値に保持されるように前記ゲート電圧のフィードバック制御を開始し、被加熱物体の温度が目標値に一定保持されたと実質的に見なせる温度振幅範囲に収束するまでフィードバック制御を継続し、目標値に一定保持された時点でフィードバック制御を停止し、その後は、ゲート電圧値をフィードバック制御を停止する直前の任意の複数時点におけるゲート電圧制御値の平均値にホールドすることにより被加熱物体の温度を目標値に一定保持することを特徴とする物体加熱方法。
【請求項２】
前記ゲート電圧をフィードバック制御する期間において、ゲート電圧の制御範囲を予め定めた所定の範囲に制限することを特徴とする請求項１記載の物体加熱方法。
【請求項３】
前記被加熱物体は熱物性を測定する導電性試料であり、
前記ゲート電圧のホールド直後に試料を光加熱し、
試料のその後の温度変化を測定して熱物性を測定することを特徴とする請求項１記載の物体加熱方法を用いた熱物性測定方法。
【請求項４】
導電性被加熱物体に通電して加熱する通電加熱手段と、
前記被加熱物体の通電回路に配置したトランジスタと、
前記被加熱物体の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段により測定した温度の信号を入力し、被加熱物体の温度が所定の目標値になるように、前記トランジスタのゲート電圧を制御する温度制御手段とを備え、
前記温度制御手段では、最初にゲート電圧を制御して急速加熱し、一旦、目標値に到達した後は、試料の温度が目標値に一定保持されるように前記ゲート電圧をフィードバック制御し、フィードバック制御により温度が目標値に保持された後にフィードバック制御を停止し、その後は、ゲート電圧の値をフィードバック制御を停止する直前の複数時点におけるゲート電圧制御値の平均値に設定することにより、フィードバック制御を停止した後も試料温度を目標値に一定保持することを特徴とする物体加熱装置。
【請求項５】
前記ゲート電圧をフィードバック制御する期間において、ゲート電圧を予め定めた所定の範囲に制限することを特徴とする請求項４記載の物体加熱装置。
【請求項６】
前記被加熱物体は熱物性を測定する導電性試料であり、
前記ゲート電圧のホールド直後に試料を光加熱し、
試料のその後の温度変化を測定して熱物性を測定することを特徴とする請求項４記載の物体加熱装置を用いた熱物性測定装置。
【請求項７】
前記装置を各種の物体を加熱する高速精密温度ヒーターとして用いたことを特徴とする請求項４記載の物体加熱装置。
【請求項８】
前記装置を直接通電加熱を利用した金属或いは合金の熱処理方法として用いたことを特徴とする請求項４記載の物体加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は特に各種物質を高速で所定温度に加熱した後に一定温度保持するに際し、再現性良く、且つ効率良く所定温度に一定保持することができるようにした物体加熱方法及びその方法を実施する装置に関し、更に同物体加熱方法及び装置を用いる方法及び装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
熱を発生する機器や高温で使用する機器の熱移動解析を行うためには、機器の構成材料について熱の移動と蓄積に関わる熱物性値（比熱容量、半球全放射率、熱伝導率、熱拡散率）が必要となる。新しく開発された材料や信頼できる文献値の蓄積が無い材料を機器の構成材料に用いる場合、上記の熱物性値は実験的に求める必要がある。一般に上記４つの熱物性値はそれぞれ別の装置で測定されているため、コストと時間が重畳して掛かるという問題がある。また、１０００℃以上の高温における熱物性値が必要になる場合、各熱物性値の測定のたびに試料を高温に熱することにより、試料の変質や測定装置の劣化が生じる可能性がある。
【０００３】
１９７０年代に米国のCezairliyanらは、１０００℃以上の温度にある導電性物質の比熱容量、半球全放射率を一台の測定装置により高速で測定する方法を開発した。この測定方法の特徴は試料の加熱方法にあり、大容量のバッテリーもしくはコンデンサーに蓄えた電荷を導電性の試料に流し、試料内を流れるパルス状の大電流により発生するジュール熱によって試料を３０００℃以上に至る高温まで０．２秒以内に加熱させることができた。
【０００４】
この測定方法においては、上述の通電加熱中もしくは通電後の試料冷却中における試料の温度と電気抵抗を測定し、発生したジュール熱と試料の熱容量と熱放射との熱収支関係式により上記の２つの熱物性値を導出した。この測定方法は導電性物質に限られるが、それまで非常に測定が困難であった２０００℃以上の高温の熱物性値の高速測定を実現し、試料の変質や測定装置の劣化に起因する測定誤差を最小限にすると共に測定コストの大幅な低減を可能にする画期的な方法であった。
【０００５】
しかしながら、この測定方法では伝熱解析に必要な熱伝導率及び熱拡散率を測定することができず、これらの熱物性値は別個に測定する必要があった。これに対応してイタリアのRighiniらはパルス通電加熱中の試料の温度分布の時間変化を測定して熱伝導率も同時測定する方法を開発したが、熱伝導率は必ずしも自明でない仮定の下に算出されているため、一般に普及するには至っていない。
【０００６】
原理的に熱伝導率は比熱容量と密度と熱拡散率の積と定義される。多くの場合、固体の密度の温度依存性は熱伝導率や比熱容量の温度依存性に比べれば非常に小さいので、一般に高温での熱拡散率は室温での密度の値と高温での熱拡散率と比熱容量の測定結果から熱伝導率を算出することができる。現在、固体の熱拡散率は一般にフラッシュ法により測定されている。
【０００７】
しかしながら、フラッシュ法による高温物質の熱拡散率を測定する際には、一般に抵抗炉を用いて試料の温度制御が為されているため測定可能温度は２７００℃程度が上限であると共に、上述したような試料の変質や測定装置の劣化が測定に影響を与える可能性がある。
【０００８】
前記の問題点を解決し、高温物質の熱拡散率を測定するに際して、比熱容量、半球全放射率、熱伝導率、熱拡散率等の物性値を一度に測定することができ、しかも従来の方法では測定を行うことができないような高温においてもその物性値を測定することができるようにした多重熱物性測定方法及びその方法を実施する装置を下記特許文献１に開示している。
【０００９】
この技術は図５に示すようなシステム構成をなし、図中におけるコンデンサー３２は試料加熱に用いる電荷を蓄えるものであり、電界効果トランジスタからなる電流スイッチ３３のゲート電極へ制御装置としてのコンピュータによって構成されるデータ記録及び制御装置用コンピュータ４２からの制御電圧信号を印可することにより、厚さ１ｍｍ以下の平板状の試料３５に対して加熱用電流を供給し、発生したジュール熱により試料３５を自己加熱させる。
【００１０】
標準抵抗３４の両端の電位差を信号調節用アンプ４０で増幅した後の電圧信号をデータ記録及び制御装置用コンピュータ４２に入力して、試料３５を流れる加熱電流の大きさを測定する。また、試料３５における電位差を信号調節用アンプ４１で増幅した後の信号をデータ記録及び制御装置用コンピュータ４２に入力して、試料３５にかかる電圧の大きさを測定する。上記の電流と電圧の積から試料５を加熱するに要した電力を算出し、試料に発生する単位時間あたりのジュール熱を連続測定する。
【００１１】
上記のようにして加熱された試料３５の温度は、数十マイクロ秒程度の時間分解能をもつシリコンフォトダイオードを検出素子とする放射温度計３７によって測定され、その信号をデータ記録及び制御装置用コンピュータ４２に入力する。放射温度計３７で測定した輝度温度を真温度に変換するために必要な垂直分光放射率は、機械的な駆動部を有さずに光の偏光状態を表すストークス・パラメータを高速で決定するＤＯＡＰ型の単色エリプソメータを用いて連続測定する。
【００１２】
データ記録及び制御装置用コンピュータ４２は、前記放射温度計３７の温度信号を監視し、試料３５が設定した温度になるように電流スイッチ３３のゲート電圧を調整することにより試料３５を流れる電流の制御を行う。この電流スイッチ３３として電界効果トランジスタを用い、そのゲート電圧をフィードバック制御することにより、試料温度を所定の目標値に一定保持する。 
【００１３】
試料加熱電流のフィードバック制御をある期間継続した後にフィードバック制御を停止し、その後のゲート電圧値をフィードバック制御を停止する直前の制御値にホールドすることにより短時間だけ維持される温度一定状態の間に、放射温度計３７が測定する試料３５の試料面に、データ記録及び装置制御用コンピュータ４２から出力されたトリガー信号によってパルスＹＡＧレーザ３６からレーザ光を照射して光加熱している。この光加熱用のレーザ光照射後の試料３５の表面温度変化を放射温度計３７によって測定し、データ記録及び制御装置用コンピュータ４２によってその温度変化を一次元熱拡散モデルにフィットさせることにより熱拡散率を算出する。この装置においては、試料の放射温度測定を数十マイクロ秒のサンプリング間隔で行うため、放射温度計の光強度検出素子には前記のように応答速度の速いシリコンフォトダイオードを用いている。また、試料と気体との熱交換による熱損失を低減するため、測定雰囲気は１ｍＰａ以下の真空にする。
【００１４】
一方、試料３５の表面に高速エリプソメータの光源３８からの光を照射し、その反射光を高速エリプソメータの検出器３９で検出し、その信号をデータ記録及び制御装置用コンピュータ４２に入力して試料表面の分光放射率を測定している。
【特許文献１】特開２００５−２４９４２７号公報
【非特許文献１】A.Cezairliyan,J.L.McClure,C.W.Beckett:J.Res.National Bureau of Standards, Vol.75C-1(1971),pp.7-18
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前記のような本発明者等が提案している熱物性測定手法においては、例えば図６に示すような試料の加熱が行われ、パルスレーザ照射による試料の温度変化の測定が行われる。即ち図６に示す例においては、０＜ｔ＜４８０ｍｓのステップ１において、室温状体にある試料に対して電界効果トランジスタのゲート電圧をフィードバック制御しながら通電加熱を行い、目標温度に保持する。次いで、ｔ＝４８０ｍｓのステップ２において、ステップ１で行っていたフィードバック制御を停止する。次いで、４８０＜ｔ＜８００ｍｓのステップ３において、フィードバック制御により最後に導出されたゲート電圧値を維持する。次いでｔ＝４８０．５５ｍｓのステップ４において、試料にパルスレーザを照射し、パルスレーザによる試料の温度変化を測定する。最後にｔ＞８００ｍｓのステップ５において、ゲート電圧を零として、迅速に試料温度を室温に戻す。
【００１６】
上記のような従来の手法によって、実際に所望の加熱が行われ、正確な測定を行うことができる場合もあるが、必ずしも前記図６と同様な試料温度変化が得られるとは限らず、再現性良く試料温度を一定に保持することができない場合があることがわかった。このような従来の手法による試料加熱の失敗例を図７に示す。図７（ａ）と図７（ｂ）には、同一のタンタル試料に対して同一の加熱条件下で連続して行った２回の加熱実験の結果を示している。これらの実験では、どちらも目標温度を２１００Ｋ、フィードバック制御を継続する時間を３００ｍｓに設定した。図７（ａ）の実験ではステップ３、即ちフィードバック制御により最後に導出されたゲート電圧値を維持するステップにおいて温度が一定に保持されず、次第に温度が上昇している。それに対して図７（ｂ）の例においては同ステップ３において、次第に温度が降下している。
【００１７】
上記のように試料加熱が失敗する原因を種々の実験で検討した結果、室温状態にある試料に対して電界効果トランジスタのゲート電圧をフィードバック制御しながら通電加熱を行い、目標温度に保持するステップ１におけるゲート電圧制御値の変動が大きいことが原因であることがわかった。前記図７（ｂ）に相当する図８（ａ）に示す加熱実験時の電界効果トランジスタのゲート電圧制御値の時間変化を示す図８（ｂ）に着目すると、加熱開始から時間１００ｍｓまでの急速加熱時とその後の目標温度近辺に到達した後のゲート電圧制御値に大きな差が存在することがわかる。
【００１８】
図示の例では、試料温度の急速加熱状態から温度一定に保持する段階になった時点でゲート電圧Ｖｇが今回使用している電界効果トランジスタのゲート電圧の飽和ドレイン電圧値である６Ｖから約２．７Ｖに急減していることを示しており、温度一定に保持する段階ではＶｇの変動幅は飽和ドレイン電圧値よりかなり小さくする必要があることがわかる。しかし、従来の手法では、急速加熱を行っている段階において既にフィードバック制御を実行しているため、事前に設定するＶｇのフィードバック制御値の変動範囲は飽和ドレイン電圧値を上限とする広い範囲とする必要がある。また、急速加熱を実行するため、フィードバック制御アルゴリズムに採用したＰＩＤ制御理論の比例変数（Ｐ値）の値は大きくする必要がある。このような理由から、上記従来特許技術においてはＶｇの変動幅とＰ値は大きな値にする必要があり、必然的に、急速加熱後の温度一定時においてＶｇすなわち単位時間あたりに発生するジュール発熱量は大きく変動してしまう。上記従来技術では、フィードバック制御停止後にＶｇの値を最終制御値に維持した際、その最終制御値に対応するジュール発熱量が目標温度にある試料からの輻射や伝熱による熱損失量と一致することにより、フィードバック制御を停止した後も温度一定の状態を短時間ではあるが継続することを利用している。しかし、フィードバック制御中のＶｇの変動が大きい場合、最終制御値が試料の目標温度に対応しない値となってしまうことが多々生じてしまうことになる。このような不適切な加熱が行われるとき、最初に試料を定常状態に保持する必要がある熱物性測定の結果が不正確となる。
【００１９】
したがって本発明は、試料等の被加熱物体の温度が目標値になるように電界効果トランジスタ等のトランジスタのゲート電圧をフィードバック制御を行いながら通電加熱を行い、十分に被加熱物体の温度が目標値に維持された後にフィードバック制御を停止し、その後はゲート電圧をホールドすることだけで温度一定の状態を継続する加熱制御において、フィードバック制御停止後のゲート電圧ホールド時において、再現性良く温度一定状態を継続することができるようにした物体の加熱方法及び加熱装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る物体加熱方法は、上記課題を解決するため、導電性被加熱物体への通電量を制御するために用いるトランジスタのゲート電圧を制御し、被加熱物体の温度が目標値に達するまで急速加熱し、目標値に到達した後、被加熱物体の温度が目標値に一定保持されるように前記ゲート電圧のフィードバック制御を開始し、被加熱物体の温度が目標値に一定保持されたと実質的に見なせる温度振幅範囲に収束するまでフィードバック制御を継続し、目標値に一定保持された時点でフィードバック制御を停止し、その後は、ゲート電圧値をフィードバック制御を停止する直前の任意の複数時点におけるゲート電圧制御値の平均値にホールドすることにより被加熱物体の温度を目標値に一定保持することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係る他の物体加熱方法は、前記物体加熱方法において、前記ゲート電圧をフィードバック制御する期間において、ゲート電圧の制御範囲を予め定めた所定の範囲に制限することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る他の物体加熱方法は、前記物体加熱方法において、前記被加熱物体は熱物性を測定する導電性試料であり、前記ゲート電圧のホールド直後に試料を光加熱し、試料のその後の温度変化を測定して熱物性を測定することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る物体加熱装置は、導電性被加熱物体に通電して加熱する通電加熱手段と、前記被加熱物体の通電回路に配置したトランジスタと、前記被加熱物体の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段により測定した温度の信号を入力し、被加熱物体の温度が所定の目標値になるように、前記トランジスタのゲート電圧を制御する温度制御手段とを備え、前記温度制御手段では、最初にゲート電圧を制御することにより急速加熱し、一旦、目標値に到達した後は、試料の温度が目標値に一定保持されるように前記ゲート電圧をフィードバック制御し、フィードバック制御により温度が目標値に保持された後にフィードバック制御を停止し、その後は、ゲート電圧の値をフィードバック制御を停止する直前の複数時点におけるゲート電圧制御値の平均値に設定することにより、フィードバック制御を停止した後も試料温度を目標値に一定保持することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る他の物体加熱装置は、前記物体加熱装置において、前記ゲート電圧をフィードバック制御する期間に、ゲート電圧の制御範囲を予め定めた所定の範囲に制限することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明に係る他の物体加熱装置は、前記物体加熱装置において、前記被加熱物体は熱物性を測定する導電性試料であり、前記ゲート電圧のホールド直後に試料を光加熱し、試料のその後の温度変化を測定して熱物性を測定することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る他の物体加熱装置は、前記物体加熱装置を各種の物体を加熱する高速精密温度ヒーターとして用いたことを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る他の物体加熱装置は、前記物体加熱装置を直接通電加熱を利用した金属或いは合金の熱処理方法として用いたことを特徴とする。  
【発明の効果】
【００２８】
本発明は上記のように構成したので、試料等の被加熱物体が目標の温度になるように電界効果トランジスタ等のトランジスタのゲート電圧をフィードバック制御を行いながら通電加熱を行い、その後ゲート電圧をホールドすることだけで温度一定の状態を継続する加熱制御において、フィードバック制御を停止した後に再現性良く温度一定の状態を継続することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明は前記課題を解決するため、導電性被加熱物体への通電量を制御するために用いるトランジスタのゲート電圧を制御し、被加熱物体の温度が目標値に達するまで急速加熱し、目標値に到達達した後、被加熱物体の温度が目標値に一定保持されたと実質的に見なせる温度振幅範囲に収束するまでフィードバック制御を継続し、目標値に一定保持された時点でフィードバック制御を停止し、その後は、ゲート電圧値をフィードバック制御を停止する直前の複数時点におけるゲート電圧制御値の平均値にホールドすることにより被加熱物体の温度を目標値に一定保持するようにしたものである。
【実施例１】
【００３０】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１には本発明の加熱手法を用い、実際に加熱制御を行った際の試料の温度変化を示しており、前記図６に示した従来の加熱手法による実験時の試料温度変化に対応している。本発明における加熱手法を実行する加熱システムは、前記図５に示す本発明者等による先の出願と同様の加熱システムを利用しており、図２に示すような光通電ハイブリッド・パルス加熱システム１を用いている。
【００３１】
図２におけるコンデンサー２は試料加熱に用いる電荷を蓄え、電界効果トランジスタ３のゲート電極に制御装置としてのコンピュータによって構成される温度制御・信号記録用コンピュータ１２から制御電圧信号を印可することにより、平板状の試料５に対して加熱用電流を供給し、発生したジュール熱により試料５を自己加熱させる。
【００３２】
標準抵抗４の両端の電位差の信号を温度制御・信号記録用コンピュータ１２に入力して、試料５を流れる加熱電流の大きさを測定する。また、試料５における電位差の信号を温度制御・信号記録用コンピュータ１２に入力して、試料５にかかる電圧の大きさを測定する。上記の電流と電圧の積から試料５を加熱するに要した電力を算出し、試料に発生する単位時間あたりのジュール熱を連続測定する。
【００３３】
上記のようにして加熱された試料５の温度は、数十マイクロ秒程度の時間分解能をもつシリコンフォトダイオードを検出素子とする放射温度計７によって測定され、その信号を温度制御・信号記録用コンピュータ１２に入力する。放射温度計７で測定した輝度温度を真温度に変換するために必要な垂直分光放射率は、機械的な駆動部を有さずに光の偏光状態を表すストークス・パラメータを高速で決定するＤＯＡＰ型の単色エリプソメータを用いて連続測定する。
【００３４】
温度制御・信号記録用コンピュータ１２は、前記放射温度計７の温度信号を監視し、試料５が設定した温度になるように電界効果トランジスタ３のゲート電圧を調節することにより、試料温度を目標値に一定保持する。 
【００３５】
ゲート電圧のフィードバック制御により試料温度が目標値に一定保持された後、フィードバック制御を停止し、フィードバック制御停止直前の任意の複数時点におけるゲート電圧制御値の平均値にゲート電圧値をホールドすることにより短時間だけ維持される温度一定状態の間に、放射温度計７が測定する試料５の面の裏面に対して、温度制御・信号記録用コンピュータ１２の信号によってパルス・レーザ６から光パルスを照射することにより瞬間光加熱を行う。その際、ビームスプリッタ１０によりパルス光束の一部を光検出器１３に取り込み、検出器からの信号を温度制御・信号記録用コンピュータにより解析して光パルスの照射時間を決定する。
【００３６】
この光パルス照射後の試料５の表面温度変化を放射温度計７によって測定し、温度制御・信号記録用コンピュータ１２によってその温度変化を一次元熱拡散モデルにフィットさせることにより熱拡散率を算出する。この装置においては、試料の放射温度測定を数十マイクロ秒のサンプリング間隔で行うため、放射温度計の光強度検出素子には前記のように応答速度の速いシリコンフォトダイオードを用いている。また、試料と気体との熱交換による熱損失を低減するため、測定雰囲気は１ｍＰａ以下の真空にする。
【００３７】
一方、試料５の表面に高速エリプソメータの光源である半導体レーザ８からの光を照射し、その反射光を高速エリプソメータ９でこれを検出し、その信号を温度制御・信号記録用コンピュータ１２に入力して試料表面の分光放射率を測定している。なお、その後の熱物性測定に関しては前記先の出願に詳述しており、本発明とは直接の関係は少ないので、ここでの説明は省略する。
【００３８】
上記のような装置を用い、本発明においては図１に示すような試料加熱を行うものである。図１に示す加熱実験においては、最初のステップ１において、事前に設定した目標温度２１００Ｋに達するまでの時間領域に対応するステップ１では急速加熱を行う。急速加熱により前記目標温度に一旦到達した時点から、目標温度に一定保持されるようにゲート電圧のフィードバック制御を開始する。このフィードバック制御期間は図１においてはステップ２の時間領域に対応しており、前記従来特許技術と異なり、フィードバック制御を開始する前に既に目標値近傍に試料温度が到達しているため、ゲート電圧制御値の変動範囲は急速加熱時に必要とするような大きな値を含む必要はない。そこで、目標温度に一定保持する上で適当なゲート電圧制御値の変動範囲を事前に設定する。ここに示す実験においては、ゲート電圧の制御値変動範囲を２．８〜２．９Ｖに限定し、ステップ２の時間領域での試料温度と制御ゲート電圧値の変動を小さくすることができた。
【００３９】
その後のステップ３の終了後にフィードバック制御を停止することとなるが、フィードバック制御を停止する直前に導出された２０点のゲート電圧制御値の平均値を温度制御・信号記録用コンピュータ１２によって算出し、フィードバック制御停止後のステップ４の開始からステップ６が終了する時間領域においてはゲート電圧の値はこの平均値にホールドされる。この実験では、平均値算出に用いた２０点のゲート電圧制御値を導出した時間間隔は２ｍｓであり、この時間領域がステップ３に対応しており、ステップ２の終了直前２ｍｓの期間に対応している。
【００４０】
フィードバック制御終了後、前記フィードバック制御を停止する直前の複数時点でのゲート電圧制御値の平均値を求めて、ステップ４の開始時点からステップ６の終了時までゲート電圧をその値にホールドする。ゲート電圧のホールドの開始から図中ステップ５として示しているパルス・レーザ照射時までの時間領域がステップ４に対応しており、この実験では２０ｍｓの長さである。この実験では、フィードバック制御後の試料温度の定常性を確認するため、パルスレーザの照射は行っていない。ステップ６に示すレーザ照射後の時間領域において、先の出願に詳述したような各種物性値を得るための、パルスレーザによる試料の温度変化の測定を行う。このステップ６の期間は、熱拡散率を算出するに必要なデータを取得する期間である。最後に予め設定された測定作業終了時期後にゲート電圧を零として、迅速に試料温度を室温に戻す。
【００４１】
上記のような制御を行う結果、再現性よく、ゲート電圧ホールド時に温度を一定にすることができる。また、従来より短いフィードバック制御時間で、ゲート電圧ホールド時に温度を一定にすることができる。更に、フィードバック制御時の温度変動を小さくすることができると共に、急速加熱の終了時に生じる試料温度のオーバーシュートの大きさが小さくなる。これらの効果により、効率的かつ正確な熱物性測定を行うことができる。
【００４２】
本発明の前記効果を確認するため、同一のタンタル試料を用いて連続して行った従来特許技術と本発明の技術により行った加熱実験の比較を図３及び図４に示す。図３（ａ）には前記図８（ｂ）と同じ従来の加熱方法によるゲート電圧の変動幅の例を示しており、前記のようにＶｇ＝２．７〜６Ｖと、変動幅が大きいことが示されている。それに対して図３（ｂ）に示す本発明の加熱方法によると、ゲート電圧Ｖｇを２．８〜２．９Ｖに維持しており、ゲート電圧の制御値の許容範囲が狭くなっていることが示されている。このような制御を行うことにより、フィードバック制御後のゲート電圧のホールド時に再現性よく温度を一定にすることができ、従来より短いフィードバック制御時間でゲート電圧ホールド時に温度を所定の一定値にすることができる。それにより、実験時間が短縮し、試料の汚染時間が減少して正確な測定が可能となり、測定コストの削減を図ることができる。
【００４３】
また、図４（ａ）と図４（ｂ）は、それぞれ図３（ａ）と図（ｂ）に示す加熱時に得られた試料の温度変化を示しており、従来の加熱方法による試料の輝度温度変化を示す図４（ａ）では、前記のようにフィードバックを停止するステップ２以降のステップ３において温度が一定にならない状態があることが示されている。それに対して図３（ｂ）と図４（ｂ）に示す本発明の加熱方法、フィードバック停止後のゲート電圧ホールド時において、前記のようにステップ２におけるフィードバック制御中のゲート電圧が安定していることもあり、またフィードバック制御停止直前の数十点の値の平均値をホールド値に用いているため、フィードバック制御後もフィードバック制御の所定温度と同じ温度に極めて安定して維持することができる。このことは熱拡散率と半球全放射率測定の精度を向上させることができる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
上記のような本発明の加熱方法は、主として前記のように各種物質の高温時における比熱容量、半球全放射率、熱伝導率、熱拡散率等の熱物性値を測定するための試料の通電加熱に用いるために好適に利用することができるものであるが、この加熱方法は例えば試験装置や各種機器の通電加熱ヒーターにおいて、瞬間的に所定のエネルギーの熱量を必要とする高速精密温度ヒーターとしても利用することができる。
更に、例えば金属や合金の熱処理において、目的の温度に正確且つ高速に到達させ、正確な時間だけその温度を保持することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の加熱手法により試料を加熱したときの、輝度温度の変化を示す実験データである。
【図２】本発明の加熱手法を適用する光通電ハイブリッド・パルス加熱システムの例を示す図である。
【図３】本発明と従来例の加熱方法による、特にフィードバック制御中のゲート電圧の変動状態を示す実験データである。
【図４】本発明と従来例の加熱方法による試料の輝度温度変化の状態を示す実験データである。
【図５】本発明者等が先に提案している従来の熱物性測定装置のシステム図である。
【図６】従来の装置により試料を加熱した時の輝度温度変化の状態を示す実験データである。
【図７】従来の装置により試料を加熱した時の失敗例を示す実験データである。
【図８】従来の試料加熱失敗の原因を示す実験データである。
【符号の説明】
【００４６】
１  光通電ハイブリッド・パルス加熱システム
２  コンデンサ
３  電界効果トランジスタ
４  標準抵抗
５  試料
６  パルス・レーザ
７  放射温度計
８  半導体レーザ
９  高速エリプソメータ
１０  ビーム・スプリッタ
１１  電圧測定プローブ
１２  温度制御・信号記録用コンピュータ
１３  光検出器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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