JP2003332025A - 温度制御装置、温度制御方法、及び加熱炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒータ表面に経時劣化が生じても、ヒータの
温度制御を高精度に実行でき、これによって製品の加熱
処理を信頼性をもって実施できるようにする。 【解決手段】 加熱炉の熱源であるヒータの温度制御を
行うために、非接触式の温度検出センサ３を電動式チル
トステージ５の上に設置する。そのステージ５を駆動す
ることによってヒータ２の表面の複数点で順次温度測定
を行う。ヒータの制御を行う制御手段は、複数点からの
温度検出データを分析し、複数点の検出温度における最
高の温度検出データを採用してその採用データに基づい
てヒータの通電を制御する。ヒータ表面の劣化による剥
離が生じると、検出温度が実際の値より低くなるため、
複数点の最高の温度検出データを採用することによっ
て、正常な部分のヒータ温度をヒータ制御に反映させる
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度制御装置、温
度制御方法及び該温度制御装置を有する加熱炉に関し、
より具体的には、ヒータに電流を流して発熱させること
によって炉内を加熱雰囲気にし、各種の工業的処理を行
う加熱炉の温度制御に好適な温度制御装置、温度制御方
法及び加熱炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種工業用途において、抵抗炉ないし誘
導炉等の加熱炉が用いられている。抵抗炉や誘導炉によ
る加熱炉は、多くの場合、円筒状のヒータを備え、その
ヒータに電流を流して発熱させることによって炉内を加
熱雰囲気にし、各種の工業的処理を行う。このときに、
ヒータの加熱温度の制御を行う必要があるが、従来の加
熱炉においては、炉体が有する温度測定窓を用いて、固
定型で非接触式の温度検出センサを配置し、そのセンサ
の検出信号に基づいて、ヒータの温度制御を行ってい
る。

【０００３】図４は、従来の加熱炉におけるヒータ温度
検出用センサの装着部の部分斜視概略図で、図中、１は
加熱炉の炉体、２はヒータ、３は非接触式の温度検出セ
ンサ、４は架台、５は温度測定窓、ｍは温度検出センサ
による温度検出スポットである。上記の温度検出センサ
３は、加熱炉の炉体１に溶接等によって取り付けられた
架台４に固定され、温度測定窓５を通して炉体１内部の
ヒータ２の温度を非接触で検出する。温度検出センサ３
は例えばボルト及びナットを用いて固定されているの
で、温度検出スポットｍの位置における温度検出が常時
実行される。

【０００４】温度検出センサ３から出力された電気信号
は、図示しない温度計測器本体のコントローラに送られ
て所定のシーケンスで演算され、温度データが算出され
る。例えば、電気信号０〜５Ｖ又は４〜２０ｍＡを温度
数値（℃）データに換算する演算を行う。そしてコント
ローラは、算出された温度データに基づいて、サイリス
タ等のＳＣＲやマグネットスイッチ等の電流制御装置を
制御することにより、ヒータの通電状態を調整する。こ
のような機構によって、ヒータの温度が目的の温度とな
るように制御される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとくの温度制
御機構を有する加熱炉において、カーボン製のヒータ２
の表面は、使用期間を経るに従ってその表面が徐々に劣
化して剥離してくる。すなわち、カーボン製のヒータ２
の表面が消耗して薄膜状に剥離し、そのカーボンの薄膜
がヒータ２の表面に付着し、その表面状態が変化してい
く。上記のような非接触式の温度検出センサ３で温度検
出を行うと、ヒータ表面の剥離が生じた部分では、実際
の温度より低い温度が検出されてしまう。例えば、非接
触式の温度センサとして、ヒータの表面から発生する所
定波長域の電磁波の強度を検出するものを用いた場合、
ヒータ表面が剥離することによってその強度が減衰し、
実際の温度より低い温度として検出されてしまう。この
温度検出データに基づいてヒータを制御すると、ヒータ
の温度を必要以上に昇温させることになりオーバーパワ
ーとなってしまう。

【０００６】上記のようにカーボン製のヒータ２の劣化
によってその表面状態が変化し、検出温度の誤差が次第
に大きくなっていくと、加熱炉によって処理を行う製品
の品質が不安定になるという問題が生じる。このような
問題に対して、従来は、所定の期間使用したヒータもし
くは劣化が始まったヒータを交換するようにしていた。
しかしながら、ヒータ２の交換作業において、温度検出
センサ３の検出スポットｍと、ヒータ２の最適な温度検
出位置とが微妙にずれてしまうと、その検出温度の精度
に誤差が生じることになる。例えば、図３に示すように
ヒータ２がスリットＳを有する構成である場合、スリッ
トＳの部分に温度検出スポットｍが設定されてしまう
と、スリットＳの部分は発熱体が存在しないために、本
来のヒータ温度を測定していないことになって誤差が生
じてしまう。

【０００７】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、加熱炉のヒータ表面の経時劣化等によって
その表面状態の変化が生じた場合でも、ヒータの温度制
御を高精度に実行でき、これによって製品の加熱処理を
信頼性をもって実施することができるようにした加熱炉
を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の温度制御装置
は、ヒータの温度を制御するための温度制御装置であっ
て、前記温度制御装置は、非接触式の温度検出センサ
と、前記温度検出センサによる検出結果に基づいてヒー
タの加熱状態を制御する制御手段とを有し、前記温度検
出センサは、前記ヒータの複数の位置で表面温度を検出
し、前記制御手段は、検出した複数の位置の温度に基づ
いてヒータの加熱状態を制御することを特徴としたもの
である。

【０００９】本発明の温度制御方法は、ヒータの温度を
制御するための温度制御方法であって、非接触式の温度
検出センサによってヒータの複数の位置で表面温度を検
出し、検出した複数の位置の温度に基づいてヒータの加
熱状態を制御することを特徴としたものである。

【００１０】本発明の加熱炉は、炉体と、炉体内に収納
した加熱対象を加熱するためのヒータを有する加熱炉で
あって、上記本発明の温度制御装置を備え、温度制御装
置によって前記ヒータの温度制御を行うことを特徴とし
たものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係わる加熱炉に
おける温度検出センサ部周辺の部分斜視図で、図中、６
は電動式チルトステージ、７，８は電動式チルトステー
ジを駆動するモータで、その他従来例として説明した図
４と同様の機能を有する部分には、図４と同じ符号が付
してある。本発明の加熱炉に備えるヒータの温度検出セ
ンサ３は、架台４に載置された電動式チルトステージ６
の上に固定される。電動式チルトステージ６は、モータ
７，８の駆動によってステージ面を回転／傾斜可能にし
たものである。

【００１２】本実施例では、電動式チルトステージ６と
して二軸傾斜ステージを用いる。二軸傾斜ステージは、
直交する二軸周りの回動運動を可能とするもので、ステ
ージ中心の高さを変えることなく、ステージの傾斜状態
を設定することができる。このような電動式チルトステ
ージ６に温度検出センサ３を載置することにより、ヒー
タの複数の点における温度測定を行うようにする。例え
ば、電動式チルトステージ６を制御して、予め定めた複
数の位置に温度検出スポットｍを順次移動させ、各位置
において温度検出を行うようにする。このときの温度検
出スポットｍは、検出範囲Ａのごとくに広いヒータ領域
をカバーできるようにするとよい。また、温度検出点を
多くとることによって、より信頼性の高い制御を行うこ
とができる。

【００１３】図２は、本発明の加熱炉に適用する電動式
チルトステージの構成例を説明するための図で、図２
（Ａ）はその平面概略図、図２（Ｂ）は側断面概略図で
ある。図中、６は電動式チルトステージ、７はステージ
回転用モータ、８はステージ傾斜用モータ、９はステー
ジ回転用モータに連結するロッド、１０はステージ回転
用カム、１１は回転ステージのカム作用部、１２は回転
ステージ、１３はステージ傾斜用モータのロッド、１４
はステージ傾斜用カム、１５はステージ傾斜用カムの作
用部、１６は傾斜ステージである。

【００１４】上述したように、電動式チルトステージ６
は、直交する二軸周りの回動運動を可能とするステージ
を有するもので、ステージ中心の高さを変えることな
く、ステージの回転及び傾斜状態を設定することができ
る。すなわち、図２に示す構成例の電動式チルトステー
ジは、回転ステージ１２と傾斜ステージ１６とを有し、
回転ステージ１２が傾斜ステージ１６の上に載置され、
回転ステージ１２は、傾斜ステージ１６に連動して傾斜
するようになっている。そしてそれぞれのステージ１
２，１６の回転または傾斜状態が制御されることによっ
て、回転ステージ１２上に固定されたヒータの温度検出
センサ３の向きを適宜設定することができ、これによ
り、ヒータ上の検出スポットを適宜変更することができ
る。

【００１５】回転ステージ１２の回転位置は、ステージ
回転用モータ７によって制御する。すなわち、ステージ
回転用モータ７によって、ロッド９を所定量進退させる
ように制御する。ロッド９はカム１０を揺動させ、回転
ステージのカム作用部１１にカム１０が作用して回転ス
テージ１２を回転軸Ｂの周りに回転させる。

【００１６】傾斜ステージ１６の傾斜位置は、ステージ
傾斜用モータ８によって制御する。すなわち、ステージ
傾斜用モータ８によってロッド１３を所定量進退させる
ように制御する。ロッド１３はカム１４を揺動させ、ス
テージ傾斜用カムの作用部１５にカム１４が作用して傾
斜ステージ１６を傾斜させる。上記のごとくの機構によ
って、電動でステージの回転・傾斜を制御することがで
きる。電動二軸傾斜ステージの回転／傾斜量の仕様の一
例として、回転角度が±２．５°，傾斜角度が−４°〜
＋７°で回転／傾斜の制御が可能なものが提供されてい
る。なお、本発明に適用する電動チルトステージは、上
記の構成例に限定されることなく、温度検出センサ３に
よるヒータの検出範囲を広範囲にとれるように、温度検
出センサ３の角度を変更できる機能を有するものであれ
ばよい。

【００１７】図３は、本発明の温度制御装置の制御機構
について説明するためのブロック図である。温度検出セ
ンサ３が順次ヒータ２の複数位置を移動して、各位置毎
に計測を行うことにより出力された電気信号は、温度計
測器本体の制御手段２０に送られる。制御手段２０は、
温度検出センサ３からの入力信号に基づいてヒータ制御
のための制御信号を出力するコントローラ２１と、コン
トローラ２１からの制御信号に基づいてヒータへの電流
の通電制御を行う電流制御装置２２とを有する。また電
流制御装置２２を介して電源２３からの電流がヒータ２
に送られる。電流制御手段としては、サイリスタ等のＳ
ＣＲ（Silicon Controlled Rectifier）もしくはＳＣＲ
と同等の機能を有する電流制御素子、またはマグネット
スイッチ等の電流調節器を用いることができる。

【００１８】コントローラ２１は、温度検出センサ３か
らの電気信号を入力し、電気信号を所定のシーケンスで
演算して各測定位置毎の温度データを算出する。そして
複数の測定点における温度検出データを分析し、複数点
の検出温度における最高の温度検出データを採用してそ
の採用データに基づいて、制御信号を電流制御装置２２
に出力する。そして電流制御装置２２によって、ヒータ
２の通電が制御される。

【００１９】ヒータの表面に劣化による剥離が生じる
と、基本的に検出温度が実際の値より低くなるため、複
数点の最高の温度検出データを採用することによって、
正常な部分のヒータ温度をヒータ制御に反映させる。こ
れにより、信頼性のあるヒータ制御を実施することがで
きる。また、前述したヒータのスリット部等の非発熱部
における相対的に低い温度データは、複数点の最高温度
を採用することによって除外することができる。

【００２０】上記のように、複数点の温度検出結果にお
ける最高温度を採用し、その採用した最高温度に基づい
てヒータ制御を行うことにより、常に安定した品質で製
品の製造を行うことができる。またヒータのオーバーパ
ワーを防止できるため、ヒータに過負荷がかかることが
なく、ヒータ寿命を長くし、消費電力を減少させること
ができる。またオーバーパワーの防止により、炉体内部
の部品損傷が抑えられ、加熱炉の安全性を高めることが
できる。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の加熱炉によれば、加熱炉のヒータ表面の経時劣化等に
よってその表面状態の変化が生じた場合でも、ヒータの
温度制御を高精度に実行でき、これによって製品の加熱
処理を信頼性をもって実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる加熱炉における温度検出センサ
部周辺の部分斜視図である。

【図２】本発明の加熱炉に適用する電動式チルトステー
ジの構成例を説明するための図である。

【図３】本発明の温度制御装置の制御機構について説明
するためのブロック図である。

【図４】従来の加熱炉におけるヒータ温度検出用センサ
の装着部の部分斜視概略図である。

【符号の説明】

１…加熱炉の炉体、２…ヒータ、３…温度検出センサ、
４…架台、５…温度測定窓、６…電動式チルトステー
ジ、７…ステージ回転用モータ、８…ステージ傾斜用モ
ータ、９…ロッド、１０…カム、１１…回転ステージの
カム作用部、１２…回転ステージ、１３…ステージ傾斜
用モータのロッド、１４…ステージ傾斜用カム、１５…
ステージ傾斜用カムの作用部、１６…傾斜ステージ、２
０…制御手段、２１…コントローラ、２２…電流制御装
置、２３…電源、ｍ…温度検出スポット。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒータの温度を制御するための温度制御
   装置であって、前記温度制御装置は、非接触式の温度検
   出センサと、前記温度検出センサによる検出結果に基づ
   いてヒータの加熱状態を制御する制御手段とを有し、前
   記温度検出センサは、前記ヒータの複数の位置で表面温
   度を検出し、前記制御手段は、検出した複数の位置の温
   度に基づいてヒータの加熱状態を制御することを特徴と
   する温度制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記検出した複数の位
   置の温度から最も高い温度を採用し、採用した温度に従
   ってヒータの加熱状態を制御することを特徴とする請求
   項１に記載の温度制御装置。
3. 【請求項３】 前記温度検出センサは、電動のチルトス
   テージ上に設置され、予め定めた複数の位置の温度検出
   を前記電動チルトステージの動作によって順次実行する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の温度制御装
   置。
4. 【請求項４】 ヒータの温度を制御するための温度制御
   方法であって、非接触式の温度検出センサによって前記
   ヒータの複数の位置で表面温度を検出し、検出した複数
   の位置の温度に基づいてヒータの加熱状態を制御するこ
   とを特徴とする温度制御方法。
5. 【請求項５】 前記温度検出センサによって検出した複
   数の位置の温度から最も高い温度を採用し、採用した温
   度に従ってヒータの加熱状態を制御することを特徴とす
   る請求項４に記載の温度制御方法。
6. 【請求項６】 前記温度検出センサを電動のチルトステ
   ージ上に設置し、予め定めた複数の位置の温度検出を前
   記電動チルトステージの動作によって順次実行すること
   を特徴とする請求項４または５に記載の温度制御方法。
7. 【請求項７】 炉体と、前記炉体内に収納した加熱対象
   を加熱するためのヒータを有する加熱炉であって、請求
   項１〜３のいずれか１項に記載の温度制御装置を備え、
   前記温度制御装置によって前記ヒータの温度制御を行う
   ことを特徴とする加熱炉。