(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力指令値を半サイクル×ｎ（入力指令値に応じた整数）のサイクル間保存する入力指令値サンプルホールド手段と、前記半サイクル×ｎのサイクル毎に前記入力指令値とその時点における出力値との誤差値を演算する出力誤差演算手段と、この演算された出力誤差を累積する出力誤差累積手段と、前記入力指令値と前記出力誤差累積値とを加算する加算手段と、この加算手段の出力値と所定の閾値を比較し、前記加算手段の出力値が前記閾値より大なる場合に１００％を、出力値が前記閾値より小なる場合に０％を出力する比較手段と、からなるサイクル制御装置と、このサイクル制御装置の出力を受け、交流負荷電源のゼロボルト付近でオン、オフするゼロクロス機能付きＳＳＲとを備えたことを特徴とする電力調整器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電圧のサイクル制御装置を備えた電力調整器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヒータ等の温度制御装置には、図１に示すように、温度調節器１より所定の入力指令値をサイクル制御装置２に与え、サイクル制御装置２では入力された指令値に応じ、所定の周期、例えば０．２〔ｓｅｃ〕毎に１ないし数サイクルの出力をゼロクロス機能付きＳＳＲ３に与え、前記所定の周期毎の何サイクルをヒータ４に与えてＯＮ／ＯＦＦし、そのヒータ４の温度を温度センサ５で検出し、温度調節器１にフィードバックし、サイクル制御を繰り返すことにより、ヒータ４の温度を入力指令値の応じた値となるように制御するものがある。
【０００３】
サイクル制御装置２は、図２に示すように、温度調節器で１００％が出力されていると、電源周波数が５０ＨＺの場合、この出力値１００％を受け、０．２ｓｅｃの制御周期の１０サイクルがフル出力される。温度調節器１の出力が７５％であると、サイクル制御装置２からは１０サイクル中、７．５サイクル分がＯＮで出力される。同様に、温度調節器１の出力が５０％の場合、サイクル制御装置２からは１０サイクル中、５サイクルがＯＮで出力される。以下、２５％の温度調節器出力の場合は１０サイクル中、２．５サイクルがＯＮされる。０％の温度調節器出力では、出力も１０サイクルすべてＯＦＦである。
【０００４】
なお、０．２ｓｅｃで５０Ｈｚの全サイクルは１０回となるが、図２は様式的なものであり、全サイクルが４回としている。
【０００５】
温度制御には、周期毎の数サイクル分中のオンサイクル比率を設定値に応じて変える上記サイクル制御の他に、設定値に応じ各サイクルにおける点弧角を制御する位相制御が採用されることもある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のサイクル制御では、制御周期が固定であり、且つ１サイクルを単位としてＯＮ／ＯＦＦ制御するので、出力分解能が低く、制御精度が悪く、出力応答も遅い。また、ＯＮ状態が時間的に偏るため、制御対象の寿命に悪影響、例えば制御対象がヒータの場合、熱ストレスが大きいという問題がある。
【０００７】
一方、位相制御では、高精度の制御が可能であるが、点弧角を制御するものであるから、基本波成分以外に高調波が発生するという問題がある。さらに高速処理が必要であるため、装置全体が高価になるという問題がある。
【０００８】
この発明は上記問題点に着目してなされたものであって、高調波を発生せず、しかも従来のサイクル制御に比し、高精度な制御が可能な電力調整器を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の電力調整器は、入力指令値を半サイクル×ｎ（入力指令値に応じた整数）のサイクル間保存する入力指令値サンプルホールド手段と、前記半サイクル×ｎのサイクル毎に前記入力指令値とその時点における出力値との誤差値を演算する出力誤差演算手段と、この演算された出力誤差を累積する出力誤差累積手段と、前記入力指令値と前記出力誤差累積値とを加算する加算手段と、この加算手段の出力値と所定の閾値を比較し、前記加算手段の出力値が前記閾値より大なる場合に１００％を、出力値が前記閾値より小なる場合に０％を出力する比較手段と、からなるサイクル制御装置と、このサイクル制御装置の出力を受け、交流負荷電源のゼロボルト付近でオン、オフするゼロクロス機能付きＳＳＲとを備えている。
【００１０】
この電力調整器では入力指令値を、例えば半サイクル間、サンプルホールド手段で保持する。そして半サイクル毎に入力指令値と実際の出力値の誤差値が出力誤差演算部で演出される。最初、半サイクルでは実際出力値は０％であると言えるから、入力指令値が出力誤差となり、この出力誤差が累積される。最初の半サイクルでは累積値も０％であるから、入力指令値がそのまま比較手段に入力されることになり、入力指令値が予め設定してある閾値（例えば５０％）と比較される。入力指令値が閾値よりも小さい場合、比較手段より０％が出力される。この比較手段の出力０％を受け、ゼロクロス機能付ＳＳＲはその半サイクル間、ＯＦＦする。
【００１１】
次の半サイクルでは、出力演算手段により算出される出力誤差はやはり入力指令値と同じであるが、出力誤差値の累積は、入力指令値の２倍となる。一方、前回の累積値である入力指令値と今回の入力指令値が加算手段で加算され、２倍の入力指令値が比較手段に入力されるので、この2倍の入力指令値は閾値よりも大なので、比較手段は１００〔％〕を出力する。この１００〔％〕と指令入力値より、出力誤差は、指令入力値―出力１００〔％〕となり、出力誤差累積は2倍の入力指令値−１００〔％〕となる。このサイクルで、この比較手段の出力１００〔％〕を受け、ゼロクロス機能付ＳＳＲは、その半サイクル間ＯＮする。
【００１２】
さらに、次の半サイクルでは加算手段の出力は、入力指令値＋（2倍の入力指令値−１００〔％〕）となり、比較手段に入力されるが、この入力は閾値よりも小さいので、出力は、再び０〔％〕となる。以上の処理を制御周期にわたり繰り返す。制御周期間では入力指令値に対応する数の半サイクルだけ１００〔％〕出力を出す。例えば、入力指令値が４０％であると、制御周期が半サイクル期間×５とされ、うち２回の半サイクルだけ比較手段より１００〔％〕出力が、そしてゼロルクス機能付きＳＳＲが、その期間ＯＮする。制御周期毎にこの処理が繰り返される。また、他の例として、入力指令値が１５％であるとすると、制御周期が半サイクル期間×２０とされ、うち３回の半サイクルだけ比較手段の出力がより１００〔％〕とされ、ゼロクロス機能付ＳＳＲが、その期間ＯＮする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図３は、この発明の一実施形態であるヒータの温度制御装置の概略構成を示すブロック図である。この実施形態温度制御装置は、温度調節器１と、サイクル制御装置２０と、ゼロクロス機能付きＳＳＲ３と、ヒータ４と、温度センサ５とから構成されている。サイクル制御装置２０以外は図１に示したものと同様である。ここでは、サイクル制御装置２０とゼロクロス機能付きＳＳＲ３を合わせて、電力調整器に相当する。
【００１４】
サイクル制御装置２０は、温度調節器１からの指令値Ｘを半サイクル間保持するサンプル・ホールド部２１と、入力された指令値Ｘと実際の出力値Ｙの出力誤差Ｅを算出する出力誤差演算部２２と、出力誤差演算部２２で求めた出力誤差Ｅを累積する出力誤差累積部２３と、入力された指令値Ｘと、出力誤差累積値を加算する加算部（補正部）２４と、この加算部２４の出力を受け、その入力値と所定の閾値とを比較し、入力値が閾値より大きい場合に１００〔％〕出力、入力値が閾値より小なる場合に０〔％〕とする比較部２５とを備えている。
【００１５】
次に、この実施形態温度制御装置の動作を説明する。ここでは、図４に示すフロー図により、サイクル制御装置２０の動作を中心に説明する。動作の開始にあたり、先ず初期処理が実施される（ステップＳＴ１）。例えば、比較部２５の閾値Ｓの設定（ステップＳＴ１１）、変数ｎをクリア（ステップＳＴ１２）、パラメータ初期値を設定し、累積用レジスタΣ（ｎ）をクリアする（ステップＳＴ１３）。
【００１６】
初期処理に続いて、変数ｎを１インクリメントする（ステップＳＴ２）。処理開始で先ずｎ＝１とされる。そして、第１番目（ｎ＝１）のオン比率入力Ｘ1 を取り込む（ステップＳＴ３）。続いて前回までの出力誤差累積Σ（ｎ−１）に今回の入力指令値Ｘn を加算し、出力Ｙ（ｎ）を求める（ステップＳＴ４）。
【００１７】
最初の半サイクルの処理ではΣ（ｎ−１）は０〔％〕であり、Ｘn ＝Ｘ1 である。したがって、入力指令値を４０〔％〕に設定したとすると、Ｘ1 ＝４０〔％〕であり、Ｙi1も４０〔％〕である。比較部２５で入力された補正出力値Ｙi1と閾値Ｓが比較され（ステップＳＴ５）、補正出力値Ｙi1が閾値Ｓ以上であると、出力を１００〔％〕とする（ステップＳＴ６）。逆に補正出力値Ｙi1が閾値Ｓよりも小さいと、出力を０〔％〕とする（ステップＳＴ７）。
【００１８】
続いて今回の入力指令値Ｘ1 と出力Ｙ1 の偏差、出力誤差Ｅ←Ｘ1 −Ｙ1 を求める（ステップＳＴ８）とともに、それまでの出力誤差累積に今回の出力誤差Ｅ1 を加算して、出力誤差累積を更新する（ステップＳＴ９）。これにより、最初の半サイクルに係る処理を終了する。
【００１９】
その後、ステップＳＴ２に戻り、変数ｎを１インクリメント（ｎ＝２）し、第２回目の半サイクルの処理を実行する。ステップＳＴ２からステップＳＴ９の処理は制御周期間にわたり繰り返され、次の制御周期に入ると、再度、変数ｎ及びΣ（ｎ）をクリアして、同様の処理を繰り返す。
【００２０】
上記した処理動作を具体的な数値を例にあげて説明する。以下の説明では、入力指令値Ｘ＝４０〔％〕、閾値Ｓ＝５０〔％〕とし、５０〔ＨＺ〕の交流信号を制御するものとする。５０〔ＨＺ〕の半サイクル期間は１０〔ｍｓｅｃ〕であるから、１０〔ｍｓｅｃ〕毎に、図４に示すフロー図の処理を実行する。入力指令値Ｘは４０〔％〕であるから、制御周期は半サイクル期間×５と決定される。
【００２１】
最初の半サイクル（周期１）では、図５に示すように、入力指令値４０〔％〕、この指令値４０〔％〕と出力誤差累積Σ（０）の加算で補正出力Ｙi1が４０〔％〕、この補正出力Ｙi1＝４０〔％〕と閾値Ｓ＝５０〔％〕の比較で、閾値Ｓの方が大であるから、出力０〔％〕、指令値Ｘ1 ＝４０〔％〕とこの出力０〔％〕の偏差より、出力誤差Ｅ1 ＝４０〔％〕、同時に累積誤差Σ（１）＝４０〔％〕である。
【００２２】
第２番目の半サイクル（周期２）では、同じく図５に示すように、入力指令値は変わらず４０〔％〕、この指令値４０〔％〕と、前回までの累積値Σ（１）＝４０〔％〕の加算で、補正出力Ｙi2＝８０〔％〕、この補正出力Ｙi2＝８０〔％〕と閾値Ｓ＝５０〔％〕の比較で閾値Ｓよりも補正出力Ｙi2の方が大であるから、出力を１００〔％〕とする。指令値Ｘ2 ＝４０〔％〕と、出力１００〔％〕との偏差により出力誤差Ｅ2 ＝−６０〔％〕、前回までの累積値Σ（１）＝４０〔％〕に出力誤差−６０〔％〕を累積して、出力誤差累積Σ（２）＝−２０〔％〕である。
【００２３】
第３番目の半サイクル（周期３）では、入力指令値Ｘ3 は変わらず４０〔％〕、この指令値４０〔％〕と前回までの累積値Σ（２）＝−２０〔％〕の加算で補正出力Ｙi3＝２０〔％〕、この補正出力Ｙi3＝２０〔％〕と閾値Ｓ＝５０〔％〕の比較で閾値Ｓの方が大きいので、出力を０〔％〕とする。指令値Ｘ3 ＝４０〔％〕と出力０〔％〕との偏差で、出力誤差Ｅ3 ＝４０〔％〕、前回までの累積値Σ（２）＝−２０〔％〕を加算して、出力誤差累積Σ（３）＝２０〔％〕である。
【００２４】
第４番目の半サイクル（周期４）では、入力指令値Ｘ4 は４０〔％〕、この指令値４０〔％〕と、前回までの累積値Σ（３）＝２０〔％〕の加算で補正出力Ｙi4＝６０〔％〕、この補正出力Ｙi4＝６０〔％〕と閾値Ｓ＝５０〔％〕の比較で閾値Ｓよりも補正出力Ｙi4の方が大きいので、出力を１００〔％〕とする。指令値Ｘ4 ＝４０〔％〕と出力１００〔％〕の偏差で出力誤差Ｅ4 ＝−６０〔％〕、前回までの累積値Σ（３）＝２０〔％〕に出力誤差−６０〔％〕を累積して、出力誤差累積Σ（４）＝−４０〔％〕である。
【００２５】
第５番目の半サイクル（周期５）では、入力指令値Ｘ5 は４０〔％〕、この指令値４０〔％〕と前回までの累積値−４０〔％〕の加算で補正出力Ｙi5＝０〔％〕、この補正出力Ｙi5と閾値Ｓ＝５０〔％〕の比較では明らかに閾値Ｓの方が大なので、出力を０〔％〕とする。指令値Ｘ5 ＝４０〔％〕と出力０〔％〕の偏差で出力誤差Ｅ5 ＝４０〔％〕、前回までの累積値Σ（４）＝−４０〔％〕を加算して、出力誤差累積Σ（５）＝０〔％〕である。
【００２６】
以上５回の半サイクルで制御周期が終了し、次の制御周期に移る。１制御周期の中では、指令値４０〔％〕に対し、出力１００〔％〕の半サイクルが２回有り、５回の半サイクル中に２回の１００〔％〕出力で他の３回のサイクルが出力０〔％〕であるから、指令値に対応した出力となる。
【００２７】
図６に示す径２００ｍｍのセラミック基板３１にＣＨ１〜ＣＨ６の埋め込みヒータ３２を設けた半導体ウェア用ヒータで１ＣＨのみを使用し、ヒータ抵抗：１３Ω、ヒータ電圧：約２０ＶＡＣ、ヒータ電力：約３０〔Ｗ〕、温調制御周期：０．５〔ｓｅｃ〕、ＰＩＤ調整則：ジーグラニコラス法から微調整で実験を行ったところ、従来のサイクル制御では図７で示す最大０．２°Ｃ、上記実施形態のサイクル制御では図８に示す最大０．１°Ｃの温度変化となり、この実施形態による場合の方が変化幅が小さいことが確認できた。
【００２８】
また、図９に示す原理のハロゲンランプ４１と反射鏡４２を備える半導体テスト用加熱用のスポットヒータで加熱対象４３を、定格電圧：１００ＶＡＣ、消費電力：３４０Ｗ、最高到達温度：６５０°Ｃで加熱実験したところ、従来のサイクル制御では温度変化幅が図１０に示す５．２°Ｃとなり、実施形態のサイクル制御では、図１１に示す２．６°Ｃとなり、やはりこの実施形態による場合の方が、制御過程における変化幅が小さい。
【００２９】
図１２は、半導体ウエハ用ヒータに従来のサイクル法（図１２のａ）と、実施形態で使用したサイクル法（図１２のｃ）による制御をシミュレーションしたものであり、従来のサイクル法による場合に比し、この実施形態の方が温度変化の振れ幅が小さい結果が出ている。
【００３０】
図１３は、スポットヒータ（ハロゲンランプ）に、従来のサイクル法（図１３のａ）、位相制御（図１３のｂ）、この実施形態のサイクル法（図１３のｃ）による制御をシミュレーションしたものであり、やはり従来のサイクル法による場合に比し、この実施形態の方が温度変化の振れ幅が小さく、位相制御と同程度の振れ幅となる結果が出ている。
【００３１】
図１４は、はんだごてを想定して、従来のサイクル法（図１４のａ）、位相制御（図１４のｂ）、この実施形態のサイクル法（図１４のｃ）による制御をシミュレーションしたものであり、従来のサイクル法による場合に比し、この実施形態の方が温度変化の振れ幅が小さく、位相制御と同程度の振れ幅となる結果が出ている。
【００３２】
図１５、図１６、図１７は、それぞれ５０〔ＨＺ〕の交流成分を基本波とするシミュレーションによる出力電圧に含まれる基本波と高調波成分を示している。図１５は位相制御、図１６は従来のサイクル制御、図１７はこの発明の実施形態のサイクル制御の場合であり、位相制御の場合、第３高調波、第５高調波、第７高調波、……、と基本波の大きさの数十％の高調波が発生しているが、この実施形態のサイクル制御では、従来のサイクル制御と同様に、高周波が十分に低減されている。
【００３３】
なお、上記実施形態のサイクル制御装置は、アナログ演算回路で構成してもよいし、コンピュータ等のソフトウェアを含むデジタル演算回路で構成してもよい。
【００３４】
また、上記実施形態のサイクル制御装置２０は、ゼロクロス機能付きＳＳＲ３とで電力調整器を構成する場合を想定しているが、この発明はサイクル制御装置２０を温度調節器１に内蔵させること、サイクル制御装置２０を単独ユニットとして構成し、温度制御装置の温度調節器１とゼロクロス機能付きＳＳＲ３（電力調整器）との間に設けることにも適用できる。
【００３５】
【発明の効果】
この発明によれば、指令値に応じ、半サイクル×ｎ（入力指令値に応じた整数）の制御周期を決定し、この半サイクル×ｎのサイクル毎に出力補正し、指令値に応じ、１００〔％〕出力か０〔％〕出力を選択して出力するものであるから、従来のサイクル制御に比し、出力分解能が高い。従来のサイクル制御に比し、出力応答が速い。従来のサイクル制御に比し。ＯＮ状態が時間的に分散されるので、制御対象を長寿命化できる。従来の位相制御に比べて高速処理が必要ないため、装置が安価に実現できる。また電力調整がゼロクロス機能付きＳＳＲによるゼロ電圧スイッチングであるため、電気ノイズが小さい。等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の温度制御装置を示すブロック図である。
【図２】同温度制御装置のサイクル制御を説明するための図である。
【図３】この発明の一実施形態である温度制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】同実施形態温度制御装置を構成するサイクル制御装置の動作を説明するフロー図である。
【図５】同サイクル制御装置の半サイクル毎の動作を説明するための各部のレベルの一例を示す図である。
【図６】半導体ウエハ用ヒータの一例を示す図である。
【図７】同半導体ウエハ用のヒータを実験により、従来のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図８】半導体ウエハ用ヒータを実験により、この発明のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図９】スポットヒータを説明する図である。
【図１０】スポットヒータを実験により、従来のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図１１】スポットヒータを実験により、この発明のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図１２】半導体ウエハ用ヒータをシミュレーションにより、従来のサイクル制御法、この発明のサイクル制御法により、温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図１３】スポットヒータをシミュレーションにより、従来のサイクル法、位相制御法、この発明のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図１４】はんだごてを想定し、シミュレーションにより、従来のサイクル制御法、位相制御法、この発明のサイクル制御法により、温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図１５】温度制御を位相制御法で行った場合の出力電圧の周波数スペクトルを示す図である。
【図１６】温度制御を従来のサイクル制御法で行った場合の出力電圧の周波数スペクトルを示す図である。
【図１７】温度制御を、この発明のサイクル制御で行った場合の出力電圧の周波数スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１          温度調節器
２、２０    サイクル制御装置
３          ゼロクロス機能付きＳＳＲ
４          ヒータ
５          温度センサ
２１        サンプル・ホールド部
２２        出力誤差演算部
２３        出力誤差累積部
２４        加算部
２５        比較部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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