(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱駆動体を負荷に持ち、該負荷を発熱駆動するための電力を制御する電力制御装置において、
商用電源をより周波数の高い信号に変換して出力する周波数変換手段と、
前記負荷を発熱駆動するための電力量を算出すると共に、該電力量を前記周波数変換後の信号の周波数周期を単位とする時間長に置き換えたタイミング信号を生成する演算手段と、
前記周波数変換手段と前記負荷との間に設けられ、前記タイミング信号に基づき前記周波数変換後の信号をＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記負荷に供給される電力を調整する電力調整手段と
を具備することを特徴とする電力制御装置。
【請求項２】
前記周波数変換手段は、前記商用電源を数ＫＨｚオーダの周波数に変換する能力を持つ半導体回路素子で構成されることを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
【請求項３】
前記負荷は、半導体部材の温度を調整するために用いる半導体用温度調整プレートであることを特徴とする請求項１または２記載の電力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷を発熱駆動するための電力を制御する電力制御装置に係わり、特に、ヒータ等の軽負荷を用いた温度調節器に適した電力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体製造ラインでは、半導体部材に所定の加工を施す際に、該半導体部材を一定の温度に保った方が良い場合がある。かかる要請に対しては、半導体部材を温度調整用プレート（以下、温調プレートと略称する）の表面に載置し、該温調プレートを一定の温度に制御することで、その表面に載置された半導体部材を間接的に一定温度に維持する方法が知られている。
【０００３】
半導体用温調プレートへの供給電力を制御する代表的な方法として、従来より、位相制御方式とサイクル制御方式が知られている。
【０００４】
位相制御方式は、図３（ａ）に示すような波形の商用電源を、図３（ｂ）に示すような任意の位相角でＯＮさせるものである。この方式は、位相角を調整することで任意の制御量が得られるため、後述するサイクル制御方式に比べると電力制御の精度面では優れている。
【０００５】
しかしながら、この方式は、通常、ＯＮ開始時点の電源レベルが０レベルでないことから、図３（ｃ）に示す如く、ＯＮ時に発生する端子ノイズが大きいという特質を持つ。これは、近年、情報機器が高度化している中にあって、これら情報機器を誤動作させる危険性が高いというデメリットをもたらす。
【０００６】
一方、サイクル制御方式は、例えば、図４（ａ）に示す波形の商用電源を、図４（ｂ）に如くゼロクロスの半波単位にＯＮ／ＯＦＦさせるものである。この方式は、ゼロボルト付近でＯＮすることが基本であるため、位相制御方式で問題となっていた端子ノイズの発生は極めて小さい。
【０００７】
しかしながら、この方式では、負荷に供給される電源電力の分解能は商用電源の周波数に依存したものとなり、それよりも小さい電力を調整したい場合には位相制御方式に頼らざるを得なかった。
【０００８】
商用電源の周波数に依存して電力分解能が低いサイクル制御方式では、例えば、半導体用温調プレート等の軽負荷を駆動する場合に温度調整の精度の低下を来すことになる。
【０００９】
図４（ｃ）は、サイクル制御方式での電力制御による負荷の制御温度特性を示すものである。同図からは、負荷の制御温度が目標温度付近にまで到達した後、上述した理由から（より小さな電力調整が行えない）、該目標温度に対して上下動を繰り返す、不安定な温調制御しか行えない様子がうかがえる。
【００１０】
これを解消するためには、負荷の負荷容量を大きくする方法が一般的である。具体的には、例えば、半導体用温調プレートの場合には、その厚さを厚くする措置が講じられる。
【００１１】
しかしながら、この方法では、負荷容量が増えた分、該負荷の昇温・降温時間が長くかかることになった。つまり、半導体用温調プレート等の軽負荷を対象とした場合、サイクル制御方式による電力制御では、負荷の負荷容量を増大させ、しかも該負荷の昇温・降温時間を長くするだけであった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記従来の電力制御装置では、位相制御方式若しくはサイクル制御方式により負荷への供給電力を調整するのが一般的であったが、前者は高精度な電力制御が行える反面、ＯＮ時に発生する端子ノイズが大きく、高度化された情報機器を誤動作させる危険性が高いという問題点があり、後者は、負荷に供給する電力の分解能は商用電源の周波数に依存するために電力制御の精度が低く、特に、半導体用温調プレート等の軽負荷を対象とした場合には負荷容量を増大させ、該負荷の昇温・降温時間を長引かせるという問題点があった。
【００１３】
本発明は上述の問題点を解消し、端子ノイズの発生を抑え、高度な情報処理機器を採用した場合における誤動作の危険性を低減できると共に、電力分解能を極力高めることで、半導体温調プレート等の軽負荷に対しても負荷容量を増やすことなく高精度の温度調整制御が行える電力制御装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、発熱駆動体を負荷に持ち、該負荷を発熱駆動するための電力を制御する電力制御装置において、商用電源をより周波数の高い信号に変換して出力する周波数変換手段と、前記負荷を発熱駆動するための電力量を算出すると共に、該電力量を前記周波数変換後の信号の周波数周期を単位とする時間長に置き換えたタイミング信号を生成する演算手段と、前記周波数変換手段と前記負荷との間に設けられ、前記タイミング信号に基づき前記周波数変換後の信号をＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記負荷に供給される電力を調整する電力調整手段とを具備することを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、前記周波数変換手段は、前記商用電源を数ＫＨｚオーダの周波数に変換する能力を持つ半導体回路素子で構成されることを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明は、上記請求項１または２記載の発明において、前記負荷は、半導体部材の温度を調整するために用いる半導体用温度調整プレートであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係わる電力制御装置の回路構成を示すブロック図である。
【００１９】
この電力制御装置は、商用電源１、商用電源１の周波数をより高い周波数に変換する周波数変換部２、周波数変換部２による周波数変換後の信号を導通／遮断（ＯＮ／ＯＦＦ）することにより負荷５に供給する電力を調整する電力調整部３、上記交流信号の導通／遮断のために電力調整部３をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部４を具備して構成される。なお、制御部４は、周波数読込部４１、演算処理部４２、信号発生部４３、温度変換部４４により構成される。
【００２０】
この電力制御装置では、負荷５としてヒータ等の軽負荷を想定しており、中でも、半導体用温調プレートを想定している。
【００２１】
次に、この電力制御装置の動作について説明する。
【００２２】
この電力制御装置は商用電源１を電源として動作する。商用電源１は、ＡＣ１００ＶかＡＣ２００Ｖかを問わない。また、電源周波数も５０Ｈｚか６０Ｈｚかは特に問わない。
【００２３】
この商用電源１からの交流信号は、周波数変換部２に入力される。周波数変換部２は、この交流信号を当該信号の周波数より高い周波数に変換して出力する。周波数変換部２は半導体素子で実現でき、該周波数変換部２による周波数変換後の交流信号は、この使用する半導体素子の動作速度に依存する。一例として、本実施形態では、５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの交流信号を数ＫＨｚオーダの周波数に変換して出力する。
【００２４】
周波数変換部２による周波数変換後の交流信号は、電力調整部３及び制御部４に入力される。
【００２５】
制御部４において、周波数読込部４１は、周波数変換部２から入力する交流信号をディジタル処理することによりその周波数を示すデータを生成し、該データを演算処理部４２に送出する。
【００２６】
演算処理部４２には、周波数読込部４１からの上記データの他、周波数変換部２から、該周波数変換部２による周波数変換後の交流信号に基づくＡＣ同期信号が入力される。また、同演算処理部４２には、図示しない操作部から、負荷５の目標温度を示す信号が入力される。更に、同演算処理部４２には、温度変換部４４から、負荷５の検出温度を示す信号が入力される。なお、温度変換部４４は、負荷５に近接して設けた温度センサ（図示せず）により検出された信号を上述した負荷５の検出温度に相当する信号に変換して演算処理部４２に送出する機能回路である。
【００２７】
演算処理部４２は、まず、上記目標温度と上記検出温度との差に応じた電力量を算出する。次に、この算出した電力量から、電力調整部３を駆動するタイミング信号を生成し、該タイミング信号を信号発生部４３に出力する。
【００２８】
なお、上記タイミング信号の生成においては、上記電力量の他、周波数変換部２から入力するＡＣ同期信号と、周波数読込部４１から入力するデータ（周波数を示す）とが参照される。
【００２９】
具体的に、演算処理部４２は、上記制御量を上記周波数変換後の交流信号のゼロクロスの半波の数に換算し、更に、上記ＡＣ同期信号のタイミングを起点として上記周波数に基づく時間尺度で当該換算値を時間に置き換えた分の時間長を持つタイミング信号を生成し、これを出力する。
【００３０】
信号発生部４３は、上記タイミング信号に基づき電力調整部３の駆動形態に合わせた駆動信号を生成し、該駆動信号を当該電力調整部３に送出する。
【００３１】
電力調整部３は、上記駆動信号に基づきＯＮ／ＯＦＦ駆動され、周波数変換部２による周波数変換後の交流信号を導通／遮断することにより、負荷５に供給される電力を調整する。負荷５は、電力調整部３のＯＮ時に供給される電力により加熱され、かつＯＦＦ時の電力遮断により冷却される。
【００３２】
なお、電力調整部３は、例えば、ＳＳＲ、ＳＣＲ、ＭＯＳ・ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体素子で実現できる。
【００３３】
上記電力制御を本装置の運転状態の間、繰り返し実施することにより、温度制御対象である負荷５の検出温度が上記目標温度に一致すべく温度制御が行われる。この例では、負荷５としての半導体温調用プレートが上記目標温度に維持され、更には該プレート表面に載置される半導体部材も一定温度に保たれる。
【００３４】
図２は、図１における電力制御装置での電力制御時の各信号の信号波形と負荷５の制御温度特性を示す図である。
【００３５】
この装置には、商用電源１から図２（ａ）に示すような周波数特性（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を持つ交流信号が入力される。この交流信号は、周波数変換部２によって、図２（ｂ）に示すような、より周波数の高い信号に変換される。なお、図２（ｂ）では、簡単のために、４倍の周波数に変換する場合の例を示しているが、実際の運用では、数ＫＨｚオーダの周波数に変換される。
【００３６】
制御部４において、演算処理部４２は、上述した如く、負荷５の検出温度と目標温度との差に応じた電力量を、上記周波数変換後の交流信号の周期単位の時間の情報に置き換えたタイミング信号を生成し、信号発生部４３に入力する。
【００３７】
信号発生部４３は、演算処理部４２から入力される上記タイミング信号に基づき、電力調整部３の駆動形態に合わせた駆動信号を発生する。この駆動信号は、図２（ｄ）に示す如く、周波数変換部２から入力するＡＣ同期信号との同期がとられ、かつ上記制御量に相当する期間（周波数変換後の交流信号のゼロクロスの半波周期が単位となる）が「Ｈ」レベルとなる信号である。
【００３８】
電力調整部３は、信号発生部４３から与えられる上記駆動信号が「Ｈ」レベルの時にはＯＮ状態となって周波数変換部２からの周波数変換後の交流信号を負荷５に供給すると共に、上記駆動信号が「Ｌ」レベルの時にはＯＦＦ状態となって負荷５に対する同交流信号の供給を遮断する。
【００３９】
これにより、電力調整部３の出力信号は図２（ｃ）に示す如くの形態となって負荷５に与えられる。ここで、斜線部分が負荷５に供給される信号を表しており、白抜きの部分が遮断される信号を表している。
【００４０】
図２（ａ）〜（ｄ）からも分かるように、この装置では、周波数変換部２による周波数変換後の交流信号のゼロクロスの半波周期での電力制御が行われる。ここで、周波数変換部２は商用電源１をより高い周波数に変換するものであるから、該周波数変換後の交流信号のゼロクロスの半波周期は、商用電源１を周波数変換しない場合の同周期に比べて当然の如くに短く、その分だけ負荷５に供給する電源電力の分解能を高める（小さくする）ことができる。
【００４１】
例えば、この装置の実際の運用では、５０Ｈｚの商用電源１を数ＫＨｚ程度まで上昇変換させる周波数変換部２を用いることを想定しているが、この場合には、周波数変換を適用しない場合の数百倍まで電力分解能を高めることができる。
【００４２】
電力分解能が高い場合には、その分だけ短い周期単位に負荷５の加熱・冷却制御を行うことができ、当該負荷５に対するより高精度の温度調整が可能となる。
【００４３】
図２（ｅ）は、本発明の装置における電力制御時の負荷５の制御温度特性を示す図である。この図２（ｅ）と図４（ｃ）の制御温度特性を比較すると、本発明の装置では、周波数変換を行わない場合に比べてより安定した温度調整が実現されている様子が分かる。これは、本発明の装置において、特に、負荷５が目標温度に到達した後に該目標温度に対する上下動に対してこれを解消するための電力調整が周波数変換を適用しない場合に比べてより短周期で行われる結果である。
【００４４】
このように、本発明では、商用電源１をより高い周波数に変換し、この変換後の信号の周期で負荷５に供給する電力を制御するため、周波数変換を適用しない場合に比べて負荷５に供給する電源電力の分解能を高くすることができる。
【００４５】
周波数変換を行わない従来装置では、この種の電力分解能が低い（大きい）ため、特に、軽負荷の場合には負荷容量（物理的容量）を大きくせざるを得ず、これにより当該負荷の昇温・降温時間が長くかかることになった。
【００４６】
これに対して、本発明では、高い電力分解能を持つことで、この電力分解能に対応したより短い周期で供給電力を調整でき、軽負荷に対してもわざわざ負荷容量を増やすことなく高精度の温度調整制御が実現できる。
【００４７】
言い換えれば、本発明では、温度調整制御の精度を低下させることなく、負荷５の負荷容量を低減できる。これにより、負荷５として、例えば、半導体用温調プレートを用いる場合は、周波数変換を適用しない装置で温度調整する場合に比べて該プレートの厚さを大幅に薄くできる。
【００４８】
また、半導体用温調プレートの厚さを薄くできることで、該プレートの昇温・降温時間を大幅に短縮することができ、高精度の温調制御が実現できる。
【００４９】
更に、本発明は、基本的にはサイクル制御方式の電力制御技術を改良したものであるため、位相制御方式とは違って端子ノイズの発生は小さく、高度な情報処理機器を採用した場合においても、当該機器の誤動作を招来する危険性を極めて低く抑えることができる。
【００５０】
なお、上記実施形態では、負荷５が１つの場合について述べているが、電力調整部３の出力側に所定の切り換え装置を介して複数の負荷５を接続し、この切り換え装置を介して各負荷５に対して電力を時分割で切り換え供給する構成としても良い。
【００５１】
商用電源１を従来のように周波数変換せず用いる場合には、複数の負荷５への電力供給を切り換えて制御することは各負荷毎に更なる電力分解能低下をもたらし、制御精度の面で問題となるが、本発明では、商用電源１をより高い周波数に変換して利用しているため、上記切り換え制御を併用したとしても、各負荷毎に常に一定以上の電力分解能を確保でき、その結果、各負荷５ともに高精度の温度調整制御を実現できる。
【００５２】
従って、本発明の制御方法を適用した装置は、ヒータなどの軽負荷を多数用いた温度調節器に特に適している。
【００５３】
この他、本発明は上記実施形態に限らず、その主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形あるいは応用が可能なものである。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、商用電源の周波数をより高い周波数に変換し、該周波数変換後の信号の周波数周期に基づき負荷への供給電力を調整するようにしたため、負荷に供給する電力の分解能を変換後の周波数に見合ったレベルまで高めることができ、この電力分解能に応じたより短い単位時間での電力調整によって、軽負荷に対してもその負荷容量を増やすことなく高精度の温度調整制御が行える。
【００５５】
つまり、本発明では、温度調整制御を低下させることなく負荷容量を低減でき、特に、半導体用温調プレートを負荷とした場合は、周波数変換を適用せずに温度調整する場合に比べて該プレートの厚さを大幅に薄くできる。
【００５６】
また、半導体用温調プレートの厚さを薄くできることで、該プレートの昇温・降温時間を大幅に短縮でき、極めて高精度の温度調整が実現できる。
【００５７】
また、本発明は、基本的にはサイクル制御方式の電力制御を踏襲しているため、位相制御方式とは違って端子ノイズの発生を小さく抑えことができ、上述した高精度の温度調整と低ノイズ化の両立が果たせる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる電力制御装置の回路構成を示すブロック図。
【図２】本発明装置における電力制御時の各信号波形と負荷の制御温度特性を示す図。
【図３】位相制御方式による電力制御波形を示す図。
【図４】サイクル制御方式による電力制御波形と負荷の制御温度特性を示す図。
【符号の説明】
１  商用電源
２  周波数変換部
３  電力調整部
４  制御部
４１  周波数読込部
４２  演算処理部
４３  信号発生部
４４  温度変換部
５  制御対象の負荷
【図１】
0004219522.tif 000002
【図２】
0004219522.tif 000003
【図３】
0004219522.tif 000004
【図４】
0004219522.tif 000005