JP2006024537A - 電力制御装置および電力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒータを急速加熱制御する電力制御装置において、起動時のヒータへの過電力印加を抑えてヒータの損傷を防ぎ、急速昇温も確保する。
【解決手段】 電流検出部２７は交流の駆動電源１７からスイッチ部１９を介してヒータ１５に流れる電源電流を検出する。電圧検出部２９は駆動電源１７からヒータ１５に印加される電源電圧を検出する。抵抗値算出部３１は電流検出値と電圧検出値に基づきヒータ１５の抵抗値を交流半周期毎に算出する。電力算出部３３は電圧検出値と算出抵抗値からヒータ１５の印加電力Ｐを半周期毎に算出する。操作量補正演算部３５はヒータ１５に印加する基準電力Ｐ’に対する電源電力Ｐの係数αを算出し、ヒータ１５への操作量ＭＶを係数αで補正した半周期毎の補正操作量ＭＶａを演算し、スイッチ部１９をオンオフ制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は電力制御装置および電力制御方法に係り、例えば半導体製造装置（図示省略）などに用いられる加熱用ヒータを電力制御する電力制御装置および電力制御方法に関する。

従来から、半導体製造装置などに用いられる加熱用ヒータを電力制御する構成としては、例えば図１０に示すような構成が良く知られている。

すなわち、交流の駆動電源１からスイッチ部３を介してヒータ５を接続し、このヒータ５の近傍に配置されたセンサ７からの測定温度に基づき調節計９からその測定温度が所望の設定温度に近づくような操作量ｍｖを出力し、この操作量ｍｖに応じてスイッチ部３をオン制御させて制御対象としてのヒータ５に印加電力を印加するようにしたものである。

ところが、近年、半導体製造装置などでは、数秒で数百℃、例えば約２秒で３５０℃程度まで昇温させる急速昇温機能を搭載する要望が強くなっている。

このような半導体製造装置に使われるヒータ５は、図１１の温度対抵抗値特性に示すように、抵抗値変動が大きいうえ、図１２に示すように、常温からの立ち上げ動作等における時間当たりの抵抗値変化も激しいのが特徴的である。

しかも、このようなヒータ５では、初期抵抗値が小さいため電源電圧を印加すると、過大な初期電流が流れ込んでヒータ５がストレスを受け、損傷や断線を招き易い。

そこで、上述した図１０の構成において、駆動電源１からヒータ５までの電源ラインに電流検出部１１を直列的に挿入して電源電流（印加電流）を検出し、この電流検出値を監視し、電源電流が定常制御時の最大負荷電流（ヒータの最大定格電流）を越えるとき、その電源電流を最大負荷電流の上限値に抑えるよう出力リミット部１３にて操作量ｍｖを制限し、その制限された操作量ｍｖ’でスイッチ部３を切換え制御して電源電流を抑えることが行われている。

また、特許文献１のように、負荷としてのヒータの抵抗値変動に反比例した負荷電流制御目標値を設定し、その負荷電流の平均値と負荷電流制御目標値とを比較し、その結果に基づきヒータを駆動することにより、電源電圧変動や負荷変動に影響されることなく一定電力でヒータを加熱制御する構成も提案されている。
特開平８−１２３５５８号公報

しかしながら、上述したように電流検出部１１や出力リミット部１３を設け、ヒータ５に流れる電源電流を定常制御時の最大負荷電流上限値に抑えるよう電流制限機能を設けると、起動直後のヒータ５の低抵抗値状態では必要以上に電源電力を抑えることになり、昇温時間が長くなって上述した急速昇温ができない。

例えば、１００Ｖ、５００Ｗタイプのヒータ５で１５０℃に昇温する場合、電流制限機能の電流上限値を５Ａとすると、ヒータ５の昇温特性は電流制限機能を組み込まない構成では、図１３中の細実線のような試験結果となる一方、電流制限機能を組み込んだ構成では同図中の太実線のような試験結果となり、ヒータ５の電力特性は各々図１４中の細実線や太実線のようになった。

これらによれば、ヒータ５に流れる電源電流を抑える電流制限機能を組み込むと、ヒータ５の加熱直後の印加電力を低く抑えてストレスを受け難くできるが、目標温度への昇温時間が遅くなっていることが分かる。

また、図示はしないが、複数のヒータ５を昇温させる場合、各ヒータ５における抵抗値に個体差があったり、個々のヒータ５に印加する電源電圧に違いがあると、ヒータ５に印加される印加電力に違いが生じて昇温むらが生じ易い難点がある。

例えば、制御時の昇温目標値を１５０℃とし、１００Ｖ、５００Ｗタイプの３個のヒータ５に対して電源電圧９０Ｖ、１００Ｖ、１２０Ｖを各々独立して切換え印加した場合、図１５に示すように、電源電圧の違いに応じてヒータ５の昇温むらが生じ易く、安定した均一の急速昇温に対応できない。

なお、図１５において細実線■、太実線●、太実線▲は、電源電圧９０Ｖ、１００Ｖ、１２０Ｖの昇温特性を示している。

さらに、制御時の昇温目標値を１４０℃とし、１００Ｖ、５００Ｗタイプの４個のヒータ５を昇温状態が影響するように配置して各々に電源電圧１００Ｖを印加した場合、図１６中の実線（×、●、□、■）に示すように、各ヒータ５における抵抗値の個体差による電源電力に違いが生じ、やはり昇温むらが起き易く、安定した均一急速昇温には向かない。

さらにまた、上述した特許文献１は、電源電圧や負荷抵抗値が変動しても安定的に駆動制御ができるようにしたものであるが、数分といった比較的長い期間の電源電圧の平均値に基づき一定の電力でヒータを加熱制御する構成であるから、上述した課題を依然として含んでおり、同様に急速昇温には向かない。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、昇温に伴ってヒータの抵抗値が変化してもヒータに損傷などを与え難く、急速昇温も可能な電力制御装置および電力制御方法の提供を目的とする。

そのような課題を解決するために本発明に係る電力制御装置は、駆動電源からスイッチ部を介してヒータに流れる電源電流を所定の検出期間で検出する電流検出部と、その駆動電源からヒータに印加される電源電圧をその検出期間で検出する電圧検出部と、それら電流検出値および電圧検出値に基づきヒータの抵抗値を所定の演算期間で算出する抵抗値算出部と、それら電流検出値又は電圧検出値と抵抗値とからヒータにおける電源電力をその演算期間毎に算出する電力算出部と、そのヒータを制御する操作量にリニアに対応するヒータ基準電力が予め設定され、その操作量に対応したその基準電力に対する電源電力の係数を算出するとともに、その操作量をその係数で補正演算した演算期間毎の補正操作量によって上記スイッチ部をオンオフ制御する操作量補正演算部とを具備している。

そして、本発明では、その検出期間を、商用交流駆動電源の半周期以下に相当する期間とすることが可能である。

また、本発明では、上記演算期間を交流駆動電源の半周期とし、上記電流検出値および電圧検出値をその半周期の実効値とし、上記補正操作量がその半周期経過後の電源電力に基づく係数から得られるよう構成することも可能である。

また、上記演算期間を交流駆動電源の半周期とし、上記電流検出値および電圧検出値を前記半周期の実効値とし、上記補正操作量は直近に算出されたその電源電力に基づきその検出期間経過後にその係数から得られるよう構成することも可能である。

さらに、本発明では、上記電流検出値および電圧検出値として上記検出期間の経過点における値とし、上記補正操作量はその検出期間経過点のその電源電力に基づく係数から得られるよう構成可能である。

さらにまた、本発明では、上記抵抗値算出部又は電力算出部にそのヒータに関する低い初期抵抗値を予め設定し、上記補正操作量が動作開始時にその当該初期抵抗値に基づき演算されるよう構成可能である。

さらにまた、本発明において、上記電流検出部は、上記スイッチ部によって個別にオンオフ制御される複数のヒータに流れる電源電流を検出するよう形成し、上記抵抗値算出部は個々のヒータの抵抗値を算出し、上記電力算出部は個々のヒータにおけるそれら電源電力を算出し、上記操作量補正演算部は個々のヒータをこれら対応する基準電力に基づいて駆動する個々の補正操作量を演算して上記スイッチ部に出力するよう構成可能である。

しかも、本発明では、発熱量の最も低いヒータに関する基準電力を個々のそれらヒータの基準電力として設定する構成が可能である。

他方、本発明に係る電力制御方法は、駆動電源からスイッチ部を介してヒータに印加される印加電力を制御する電力制御方法であり、その駆動電源からスイッチ部を介してヒータに流れる電源電流を所定の検出期間で検出し、その駆動電源からそのヒータに印加される電源電圧を検出期間で検出し、それら電流検出値および電圧検出値に基づきヒータの抵抗値を所定の演算期間で算出し、それら電流検出値又は電圧検出値および抵抗値からそのヒータにおける電源電力を演算期間毎に算出し、予め設定されたそのヒータの基準電力であって、そのヒータを制御する操作量にリニアに対応するその基準電力に対する電源電力の係数を算出するとともに、その操作量をその係数で補正演算した上記演算期間毎の補正操作量によって上記スイッチ部をオンオフ制御する方法である。

そのような手段を有する本発明に係る電力制御装置では、電流検出部にて駆動電源からスイッチ部を介してヒータに流れる電源電流を検出期間で検出し、電圧検出部にてその駆動電源からヒータに印加される電源電圧を検出期間で検出し、それら電流検出値および電圧検出値に基づき抵抗値算出部にてヒータの抵抗値を演算期間で算出し、それら電流検出値又は電圧検出値と抵抗値とから電力算出部にてヒータにおける電源電力をその演算期間毎に算出し、そのヒータを制御する操作量にリニアに対応するヒータ基準電力を予め操作量補正演算部に設定し、この操作量補正演算部にてその操作量に対応したその基準電力に対する電源電力の係数を算出するとともに、その操作量をその係数で補正演算した演算期間毎の補正操作量によって上記スイッチ部をオンオフ制御する構成を有しているから、昇温に伴うヒータの抵抗値が変化しても、ヒータを損傷させることなく急速昇温も可能となる。

そして、その検出期間を商用交流駆動電源の半周期以下に相当する期間とする構成では、交流および直流の駆動電源双方においてヒータの損傷を確実に抑えることが可能で、急速昇温も確実となる。

また、上記演算期間を交流駆動電源の半周期とし、上記電流検出値および電圧検出値をその半周期の実効値とし、上記補正操作量がその半周期経過後の電源電力に基づく係数から得られるよう構成すれば、交流電源でヒータを昇温しても、昇温に伴うヒータの抵抗値変化を確実かつ早く算出可能となり、フィードフォワード制御による急速昇温が確実となる。

さらに、上記演算期間を交流駆動電源の半周期とし、上記電流検出値および電圧検出値を前記半周期の実効値とし、上記補正操作量は直近に算出された電源電力に基づきその検出期間経過後にその係数から得られるよう構成すれば、ヒータの抵抗値変化を確実に算出可能となり、フィードバック制御による確実な急速昇温が可能となる。

さらに、上記電流検出値および電圧検出値として上記検出期間の経過点における値とし、上記補正操作量がその検出期間経過点の電源電力に基づく係数から得られるよう構成すれば、昇温に伴うヒータの抵抗値が変化しても、リアルタイムでそれを補正した急速昇温が可能となる。

さらにまた、上記抵抗値算出部又は電力算出部にそのヒータに関する低い初期抵抗値を予め設定し、上記補正操作量が動作開始時にその当該初期抵抗値に基づき演算されるよう構成すれば、起動時から本発明の確実な動作を確保できる。

さらにまた、上記電流検出部は、上記スイッチ部によって個別にオンオフ制御される複数のヒータに流れる電源電流を検出するよう形成し、上記抵抗値算出部は個々のヒータの抵抗値を算出し、上記電力算出部は個々のヒータにおける電源電力を算出し、上記操作量補正演算部は個々のヒータをこれらに対応する基準電力に基づいて駆動する個々の補正操作量を演算して上記スイッチ部に出力するよう形成する構成では、複数のヒータの抵抗値が個別に変化しても、安定かつ均一な急速昇温が可能となる。

しかも、発熱量の最も低いヒータに関する基準電力を個々のそれらヒータの基準電力として設定する構成では、より一層、均一な急速昇温が可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る電力制御装置について、制御対象であるヒータを制御する制御システムとともに示すブロック図であり、本発明に係る電力制御方法はその電力制御装置を説明する過程で説明する。

図１において、例えば半導体製造装置（図示せず。）などに用いられる加熱用ヒータ１５は、本装置の使用環境下における商用の交流電源を供給する駆動電源１７からスイッチ部１９および本発明の電力制御装置２１を介して直列接続されている。

図１中の調節計２３は、ヒータ１５の近傍に配置されたセンサ２５からの検出温度と予め設定された目標値に基づき、その測定温度が目標値に近づくような操作量ＭＶを例えばＰＩＤ演算して出力する公知のもので、電力制御装置２１（後述する電力算出部３３、操作量補正演算部３５）に接続されている。

本発明の電力制御装置２１は、電流検出部２７、電圧検出部２９、抵抗値算出部３１、電力算出部３３、操作量補正演算部３５を有して構成されている。

駆動電源１７から図２Ａのような交流電源電圧が供給され、スイッチ部１９が操作量補正演算部３５からの同図Ｂのようなオンオフ信号によってオンオフ制御された場合、同図Ｃのように、電源電圧のゼロクロス点で切換えられた電源電圧がヒータ１５に印加される。

電流検出部２７は、ヒータ１５と駆動電源１７の直列回路に直列的に挿入されており、ヒータ１５を流れる負荷電流を電源電流として検出するものであって抵抗値算出部３１に接続され、スイッチ部１９のオン制御時における電流検出値およびその検出タイミング情報を抵抗値算出部３１に出力するものである。

電圧検出部２９は、駆動電源１７からヒータ１５への負荷電圧を電源電圧から検出するものであって抵抗値算出部３１および電力算出部３３に接続され、スイッチ部１９のオン制御時における電圧検出値およびその検出タイミング情報を抵抗値算出部３１に出力するものである。

スイッチ部１９がオンオフ制御される場合、電圧検出部２９では、図２Ｃに示すように、スイッチ部１９のオン期間では電源電圧波形で、オフ期間では「０」Ｖに変換された電圧波形が検出される。

電流検出部２７および電圧検出部２９は、例えば図３Ａに示すように、（１）〜（４）…の半周期（単位制御期間）において、例えば電源電圧波形の各ゼロクロス点から１００μ秒毎ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、……に同一タイミングで電流検出値および電圧検出値が検出されるようになっている。

本発明では、それら電流検出値および電圧検出値を検出する図３Ａ中のｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、…を、所定の検出期間とする。

抵抗値算出部３１は、電流検出部２７からの電流検出値および電圧検出部２９からの電圧検出値から、電源電圧印加時のヒータ１５の抵抗値を算出するものであり、電力算出部３３に接続されている。

抵抗値の算出方法は種々考えられるが、一例として実効値から算出する例について説明する。

例えば、図２Ｃのような波形の交流電圧がヒータ１５に印加されている場合、図３Ａに示すように、（１）の半周期で電流検出部２７および電圧検出部２９から１００μ秒毎ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、……毎に取り込まれた電圧検出値および電流検出値により、次の（２）の半周期で電圧検出値および電流検出値の実効値が演算される。図３中の符号ｔ１はゼロクロス点相当タイミングである。

すなわち、（１）の半周期の電圧検出値がＴ個あった場合、各電圧検出値（瞬時値）をｖとすれば、（１）の半周期における電圧検出値の実効値Ｖｒは次の式で算出できる。

図３中の（１）の半周期における電流検出値の実効値Ｉｒも、同様にして演算できる。

抵抗値算出部３１は、図３中の（２）の半周期で（１）の半周期におけるヒータ１５の抵抗値Ｒを次の式で算出し、これを電圧検出値の実効値Ｖｒとともに電力算出部３３に出力するものである。
Ｒ＝Ｖｒ／Ｉｒ

電力算出部３３は、基準電力Ｐ’が複数個外部から予め設定記憶されている。

電力算出部３３は、ヒータ１５の抵抗値Ｒと電圧検出値（実効値）Ｖｒから、図３中の（１）の半周期の全期間中スイッチ部１９がオンであったとした場合のヒータ１５への電源電力Ｐを（２）の半周期中に算出するとともに、ヒータ１５への電源電力Ｐに対する基準電力Ｐ’との比（Ｐ’／Ｐ＝α）から係数αを演算する機能を有し、操作量補正演算部３５に接続されている。

電力算出部３３で算出する電源電力Ｐは、電流検出値（実効値）Ｉｒと抵抗値Ｒから算出しても良い。

図４中の実線は、操作量ＭＶに対する印加電力Ｗのリニアな比例関係を示す図である。

操作量補正演算部３５は、図３中の（２）の半周期において、上述した調節計２３からの操作量ＭＶに対して係数αを掛けて補正操作量ＭＶａを演算するものであり、スイッチ部１９および抵抗値算出部３１に接続されている。

操作量補正演算部３５は、補正操作量ＭＶａとしての２値制御信号であって、ヒータ１５に印加される電源電圧波形に基づき、図３Ｂに示すように、図３中の（３）の半周期において電源電圧の半周期のゼロクロス始点に対応させてオンするとともに、その半周期を１００％の操作量として補正操作量ＭＶａに応じた期間中オン継続してオフするオンオフ信号（図２Ｂ）を出力するものである。

スイッチ部１９は、例えば電力用半導体素子による無接点スイッチ機能を有し、操作量補正演算部３５からの補正操作量（オンオフ信号）ＭＶａに基き、駆動電源１７からヒータ１５に印加される電源電圧をその各半周期毎に、ゼロクロス点を始点としてオンするとともに、その半周期内にあって補正操作量ＭＶａに応じた期間オン継続してオフするもので、位相角制御機能を有している。

そのため、例えば、基準電力Ｐ’が１００Ｗであってヒータ１５への電源電力Ｐが２００Ｗとなって基準電力Ｐ’を超える場合、調節計２３からの操作量ＭＶが１００％であったとしても１／２の５０％に抑えられた印加電力でヒータ１５が昇温されることになる。

さらに、電流検出部２７および電圧検出部２９は、図３中の（２）の半周期においてこの期間の電流値および電圧値を検出し、抵抗値算出部３１は、同図中の（２）の半周期におけるヒータ１５の抵抗値を同図中の（３）の半周期で算出し、電力算出部３３は、同図中の（３）の半周期でヒータ１５への電源電力Ｐを算出するとともに、基準電力Ｐ’との比（Ｐ’／Ｐ＝α）から係数αを演算し、操作量補正演算部３５は、同図中の（３）の半周期において、補正操作量ＭＶａを演算して同図中の（４）の半周期においてスイッチ部１９へ出力するものである。以降、半周期単位でこれを繰り返す。

なお、抵抗値算出部３１は、起動前のその初期抵抗値として、ヒータ１５に係る十分小さな値が初期値として設定されている。なお、初期抵抗値は電力算出部３３に設定しても良い。

ヒータ１５の抵抗値、算出する電源電力Ｐおよび補正操作量ＭＶａの算出期間は、図３Ａ中の（１）〜（４）…であり、所定の演算期間とする。

次に、上述した本発明に係る電力制御装置の動作を説明する。

装置が常温から起動されると、抵抗値算出部３１に予め設定されたヒータ１５に係る十分小さな抵抗値が使用されるとともに、この抵抗値に基づく係数αで調節計２３からの操作量ＭＶ（１００％）が補正されて出力される。

そして、電流検出部２７にて、図３Ａ示すように、例えば同図（１）の半周期（演算期間）において検出期間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、…（１００μ秒毎）に同一タイミングで電源電流が検出され、それら電流検出値およびその検出タイミング情報が抵抗値算出部３１へ順次出力される。

一方、電圧検出部２９では、同様に図Ａの（１）の半周期（演算期間）において検出期間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、…（１００μ秒毎）に同一タイミングで駆動電源１７からヒータ１５への電源電圧が検出され、それら電圧検出値およびその検出タイミング情報が抵抗値算出部３１に順次出力される。

抵抗値算出部３１では、図３中（２）の半周期（演算期間）において、電流検出部２７からの電流検出値および電圧検出部２９からの電圧検出値に基づき、それら電圧検出値および電流検出値の実効値が演算されるとともに、図３中の（１）の半周期（演算期間）のヒータ１５の抵抗値が算出され、電力算出部３３へ出力される。

そして、電力算出部３３では、ヒータ１５の抵抗値と電圧検出値から、図３中の（２）の半周期（演算期間）において、同図（１）の半周期におけるヒータ１５への電源電力Ｐを算出するとともに、基準電力Ｐ’との比（Ｐ’／Ｐ＝α）から係数αを演算し、操作量補正演算部３５へ出力する。

操作量補正演算部３５では、図３中の（３）の半周期（演算期間）において、上述した調節計２３からの操作量ＭＶに対して係数αを掛けて補正操作量ＭＶａを演算し、図３Ｂに示すように、補正操作量ＭＶａに応じた２値制御信号であってヒータ１５に印加される交流電圧のゼロクロス点に対応させてオンオフ信号を補正操作量ＭＶａとして出力する。

さらに、図３中の（２）の半周期（演算期間）における電流検出値および電圧検出値に基づき、同図中の（３）の半周期（演算期間）で基準電力Ｐ’に対する電源電力Ｐとの比（係数α）が演算され、同図中の（４）の半周期（演算期間）において、補正操作量ＭＶａがスイッチ部１９へ出力され、以降、半周期単位でこの動作が繰り返される。

仮に、上述した図１２のように、所望の昇温温度に達するまでに３秒程度の時間が必要であるとすると、ヒータ１５の抵抗値は最初の１秒間で３Ωから１５Ωへ変化し、その変化量が１２Ω／秒となる。

すなわち、図３中の半周期である１０ｍ秒の抵抗値は０．１２Ωの変化となり、同図中（１）の半周期の初期抵抗値が３Ωであれば同図中（２）の半周期の初期抵抗値が３．１２Ωへ変化する。

ヒータ１５の定格を１００Ｖ、５００Ｗとし、駆動電源１７の電源電圧を１００Ｖとした場合、電源電力ＰはＶ^２ ／Ｒで求まるから、ヒータ１５の抵抗値が３Ωから３．１２Ωに変化したことにより、電源電力Ｐが起動時の３３３３Ｗから３２０５Ｗへ変化することになるが、いずれもヒータ１５の定格５００Ｗを遥かに超えることになる。

そのため、ヒータ１５への印加電力Ｗを定格電力である５００Ｗに抑えるための最適な補正係数αは、ヒータ１５の抵抗値の変化に応じて１５．００％（＝５００／３３３３）から１５．６％（＝５００／３２０５）となる。

すなわち、起動初期において、調節計２３からの操作量ＭＶに対して係数α（１５．０％）を掛けた補正操作量ＭＶａがスイッチ部１９へ出力される一方、（１）の半周期に基づく係数α（１５．６％）を掛けた補正操作量ＭＶａが（３）の半周期にスイッチ部１９へ出力される。

そのため、例えば、ヒータ１５への電源電力Ｐが３３３３Ｗとなって基準電力Ｐ’である５００Ｗを超える場合、図３中の（２）の半周期において、調節計２３からの操作量ＭＶが１００％であったとしても１５．０％に抑えられた補正操作量ＭＶａが出力され、次の（３）の半周期では電源電力Ｗが３２０５Ｗとなって１５．６％に抑えられた補正操作量ＭＶａが出力され、ヒータ１５への印加電力Ｗが順次半周期毎に変更制御される。

この関係を図示するとすれば、図４中の破線で示す算出された電源電力Ｐを実線の基準電力Ｐ’における操作量ＭＶ相当の電力へ抑えることになる。

なお、目標温度に達した後の安定状態では、基準電力Ｐ’に対する電源電力Ｐとの比（係数α）は、結果として同レベルの係数となるであろう。

このような本発明の電力制御装置２１は、交流電源を供給する駆動電源１７からスイッチ部１９を介してヒータ１５に流れる電源電流を電源電圧の半周期における検出期間で検出する電流検出部２７と、その駆動電源１７からヒータ１５へ印加される電源電圧をその検出期間で検出する電圧検出部２９と、それら電流検出値および電圧検出値に基づきヒータ１５の抵抗値をその半周期（図３の（１）に相当）後に続く半周期（図３の（２）に相当）で算出する抵抗値算出部３１と、それら電圧検出値および算出抵抗値からヒータ１５における電源電力Ｐをその半周期毎に算出する電力算出部３３と、そのヒータ１５に印加する基準電力Ｐ’が予め設定され、半周期（図３の（２）に相当）にてその基準電力Ｐ’に対するその電源電力Ｐの係数αを算出するとともに、そのヒータ１５を制御する操作量ＭＶに対してその係数αで補正した半周期毎の補正操作量ＭＶａを演算してそれに続く半周期（図３の（３）に相当）にてそのスイッチ部１９をオンオフ制御する操作量補正演算部３５とを具備するから、基準電力Ｐ’をヒータ１５に損傷やストレスを与え難い範囲で可能な限り大きな電力に選定しておけば、起動直後にヒータ１５に流れる交流の電源電流が過大にならない。

そのため、ヒータ１５を損傷し難く、ヒータ１５の低抵抗値状態でも必要以上に印加電力Ｗを抑えず、ヒータ１５の定格電力近くで昇温駆動させることが可能となり、急速昇温も確保できる。

また、ヒータ１５の抵抗値や駆動電源１７の電源電圧の一方又は双方が変動しても、速やかに補正可能となる。

しかも、電力算出部３３には、基準電力Ｐ’が予め設定されているから、操作量ＭＶが変動した場合、電源電力Ｐと基準電力Ｐ’に基づく係数αを演算することが可能で、図４に示すように、ヒータ１５を操作量ＭＶの変化に対してリニア（線形）な状態でヒータ１５に印加電力Ｗを印加可能である。

この点、従来、ヒータの抵抗値や電源電圧が変動するため、ヒータへ印加する印加電力Ｗを上記のようなリニアな状態で印加することは従来大変困難であった。

例えば、上述した図１１において、１００Ｖで５００Ｗというヒータ１がある場合、これを操作量１００％で制御するとヒータ１に５００Ｗが印加され、約４００℃になる。

この場合、ヒータ１の抵抗値Ｒは２０Ωになるが（Ｒ＝Ｖ^２／Ｗ）、仮に操作量５０％で制御するとすれば、従来の方法では抵抗値Ｒを一定と考えるので、５００Ｗ／２＝２５０Ｗ＝Ｖ^２／２０となり、電源電圧Ｖが７０．７Ｖ印加されるような位相角でスイッチ部３をオン制御することになる。

そのため、図１１から分かるように、電源電圧７０．７Ｖの印加ではヒータ１が１５０℃程度になるから、実際には抵抗値Ｒが１５Ω程度になってしまう。

その結果、実際にヒータ１にかかる印加電力Ｗは３３３．３Ｗ（＝７０．７^２／１５）となり、操作量ＭＶが５０％に対して印加電力Ｗが２５０Ｗであるからリニアな結果は得られない。

これに対して、本発明のように操作量ＭＶを補正することにより、リニアな結果である印加電力２５０Ｗを印加することが可能になる。

すなわち、操作量ＭＶが５０％時に算出されるヒータ１５の抵抗値Ｒが１５Ωで、電源電力Ｐは６６６．６Ｗ（＝１００^２／１５）となる。

基準電力Ｐ’が定格電力５００Ｗとすると、係数αは７５％（＝Ｐ’／Ｐ＝５００／６６６．６）となり、この係数αで５０％の操作量ＭＶを補した補正操作量ＭＶａが３７．５％となる。

ここで、補正を考慮しない従来の方法の場合、操作量ＭＶが３７．５％の時、電源電圧が実効値換算で６１．２Ｖのタイミングである位相角でスイッチ部１９をオン制御するので、印加電力Ｗが２５０Ｗ（６１．２^２／１５、Ｗ＝Ｖ^２／Ｒ）となるから、操作量ＭＶが５０％に対して３７．５％に補正して制御することにより、ヒータ１５の抵抗値Ｒが変化しても操作量ＭＶに対して印加電力Ｗをリニアな関係に保った状態で制御できる。

また、電源電圧の変化が発生した場合でも、さらに両者の変化が同時に発生した場合においても、上述した効果と同様の効果が得られる。

次に、上述した本発明に係る電力制御装置２１の実験例を説明する。

図５は、１００Ｖ、５００Ｗタイプのヒータ１５で１５０℃に昇温する場合、電流制限機能の電流上限値を５Ａとして実験した昇温特性を示すもので、ヒータ１５の電力制限機能を組み込まない構成の昇温特性を同図中の細い実線で、一方本発明による電力制限機能を組み込んだ構成の昇温特性を同図中の太い実線で示している。

図６は、同じ実験条件における印加電力特性を示すもので、ヒータ１５の電流制限機能を組み込まない構成の特性を同図中の細い実線で、一方、本発明による電力制限機能を組み込んだ構成の特性を同図中の太い実線で示している。

これら図５および図６によれば、本発明のような電力制限機能を組み込んだ構成では、ヒータ１５の加熱起動直後の印加電力Ｗを低く抑え、ヒータ１５へのストレスを受け難くできる一方で、目標温度への急速昇温が確保されていることが分かる。

また、図７は、制御時の昇温目標値を１５０℃とし、１００Ｖ、５００Ｗタイプの３個のヒータ１５に対して９０Ｖ（実線●）、１００Ｖ（実線■）、１２０Ｖ（実線▲）を各々切換え印加して昇温特性を測定した場合を示すものである。

図７からは、各実線（●、■、▲）が重なって、電源電圧が異なってもほぼ同一の昇温特性が得られていることが分かる。

このように、本発明に係る電力制御装置２１は、ヒータ１５に印加する印加電力Ｗが所望の電力となるよう制御する構成であるから、電源電圧が異なってもヒータ１５の昇温むらが生じ難く、安定した均一の急速昇温を達成できることが分かる。

なお、本発明において、基準電力Ｐ’に対する電源電力Ｐの係数αで補正する操作量ＭＶは、上述したように調節計２３からのものに限らず、例えば通信回線を介して外部から伝送されたデータであっても良い。

ところで、上述した実施の形態では、交流電源の半周期（１単位制御期間）を演算期間とし、この期間における検出期間毎に電源電流や電源電圧を検出するとともに、その演算期間（図３の（１）に相当）に続く演算期間（図３の（２）に相当）にてそれらの検出値に基づく補正操作量ＭＶａを演算し、ヒータ１５をその半周期毎に制御する構成を説明した。

しかし、本発明は駆動電源として交流電源に限らず、直流電源を用いる構成も可能であり、駆動電源として交流電源又は直流電源を用いる場合、検出期間は商用交流駆動電源の半周期又はそれ以下に相当する期間とすれば良い。

さらに、図３中の符号ｔ１のタイミングは、駆動電源のゼロクロス点相当に限定するものではないし、更に、検出期間と演算期間は別個のタイミングとすることも可能である。

他方、演算期間も、検出期間以上の期間とすれば良い。

しかも、検出期間、演算期間ともに短く設定したい場合には、電子部品の性能にもよるが、数百μ秒程度、更には数μ秒程度まで短縮化すると、超高速の昇温制御が可能となる。

もっとも、本発明では、上記検出期間としては、そのヒータ１５の常温から所望の昇温温度へ至る期間の例えば９０％以内に達する時間相当分以下に選定すれば、実用に供することが可能である。

また、駆動電源として交流電源を用いる場合、電源電流や電源電圧の検出値およびこれらに基づくヒータの抵抗値や電力の算出は、上述したように実効値である必要はなく、ピーク値や同じタイミングの瞬時値もしくはそれらの値の平均値等などでも可能であるが、実効値を用いることで電源電力Ｐおよび印加電力Ｗを算出し易くする効果と、二乗和平均を取ることになるので、抵抗値および電源電力、印加電力を瞬時値から算出するよりも安定する効果がある。

さらに、駆動電源として交流電源を用いる場合、毎回、第１の所定周期で電流検出値および電圧検出値を算出し、これに基づく（推定）電源電力Ｐから補正操作量ＭＶａを演算するフィードフォワード制御構成に限らず、直近に算出された既知の電源電力Ｐに基づき演算期間で補正操作量ＭＶａを演算するフィードバック制御構成も可能であり、これに合わせて電力算出部３３や操作量補正演算部３５を形成すれば良い。

さらにまた、本願発明は、所定の期間毎の時点を所定期間毎とし、その時点の電源電流や電源電圧を検出するとともに、それに基づいて補正操作量を演算してヒータ１５をその検出時点以降の所定時点（所定期間毎）でリアルタイムで補正制御する構成も可能である。

すなわち、上記検出期間、演算期間は、当該期間中継続する場合の他、検出時点や補正演算時点の間隔（インターバル）を意味する場合もある。

上述した各実施の形態は、１個のヒータ１５を昇温制御する構成を説明したが、本発明はこれに限定されない。

図８は、本発明に係る電力制御装置２１における応用例、すなわち複数のヒータを制御する構成を説明する要部ブロック図である。

図８において、ヒータは独立した複数の個別ヒータ１５ａ〜１５ｎからなり、電流検出部２７は個別ヒータ１５ａ〜１５ｎの個別電源電流の検出が可能になっており、抵抗値算出部３３も各々の電流検出値および電圧検出値に基づいて個別ヒータ１５ａ〜１５ｎの各抵抗値の算出が可能になっており、電力算出部２７も個々の抵抗値に基づき各々の個別ヒータ１５ａ〜１５ｎ毎の電源電力Ｐ１〜Ｐｎの算出が可能になっている。

しかも、電力算出部２７には、個別ヒータ１５ａ〜１５ｎに応じた複数の基準電力Ｐ’１〜Ｐ’ｎが、個別ヒータ１５ａ〜１５ｎ毎に同一の印加電力Ｗとなるよう又は所望の印加電力Ｗとなるよう外部から予め設定されており、これら個別ヒータ１５ａ〜１５ｎ毎の基準電力Ｐ’１〜Ｐ’ｎに応じた補正係数α１〜αｎが操作量補正演算部３５に出力されるようになっている。

また、操作量補正演算部３５は、個別ヒータ１５ａ〜１５ｎ毎に補正操作量ＭＶａ１〜ＭＶａｎがスイッチ部１９に出力されるようになっており、スイッチ部１９が個別ヒータ１５ａ〜１５ｎ毎に個別にオンオフ制御するようになっている。他の構成や検出期間、演算期間も、図１とほぼ同様である。

そのため、例えば、制御時の昇温目標値を１４０℃とし、１００Ｖ、５００Ｗタイプの４個のヒータ１５ａ〜１５ｎを昇温状態が影響するように配置して各々に駆動電源電圧１００Ｖを印加して同時昇温した場合、図９中の実線（◆、■、▲、●）に示すように、各個別ヒータ１５ａ〜１５ｎにおける抵抗値の個体差に違いが生じても、やはり昇温特性を一致させ、安定した均一の急速昇温が可能となる。

そして、本発明を方法として把握すれば、例えば上述した図１において、駆動電源１７からスイッチ部１９を介してヒータ１５に印加される印加電力Ｗを制御する電力制御方法であり、駆動電源１７からスイッチ部１９を介してヒータ１５に流れる電源電流を検出期間で検出し、その駆動電源１７からヒータ１５に印加される電源電圧をその検出期間で検出し、それら電流検出値および電圧検出値に基づきヒータ１５の抵抗値を演算期間で算出し、それら電圧検出値および抵抗値からヒータ１５における電源電力Ｐを交流電源の演算期間毎に算出し、予め設定されたヒータ１５に印加する基準電力Ｐ’に対する電源電力Ｐの係数αを算出するとともに、ヒータ１５を制御する操作量ＭＶを係数αで補正演算し演算期間毎の補正操作量ＭＶａによってスイッチ部１９をオンオフ制御する方法を特徴とすることになる。

また、本発明に係る電力制御装置および電力制御方法では、電源検出部で負荷電圧から電源電圧を検出することも可能である。更に、上述した位相角制御の他、例えばゼロクロス制御、ＰＷＭ制御などに適応可能であるし、ヒータ１５についても従来技術では難しいとされていた貴金属系ヒータ、ランプヒータなどの高速動特性を有するヒータに限らず、一般的なヒータに応用可能である。

もっとも、本発明では抵抗値と発熱温度の変化が逆方向に相関するヒータに関しては、フィードフォワードによる電力補正が好ましい。

さらに、本発明の電力制御装置および電力制御方法では、ヒータや電源電圧などの差をャンセルすることができるから、例えば、温度依存のある生成物を製造するシステムなどにおいて、製造環境下の品質を統一したい場合などに応用できる。

本発明に係る電力制御装置および電力制御方法の実施の形態を示すブロック図である。 図１の電力制御装置および電力制御方法の動作を説明する図である。 図１の電力制御装置および電力制御方法の動作を説明する図である。 図１の電力制御装置および電力制御方法の動作を説明する図である。 図１の電力制御装置および電力制御方法の動作特性図である。 図１の電力制御装置および電力制御方法の動作特性図である。 図１の電力制御装置および電力制御方法の動作特性図である。 本発明に係る電力制御装置および電力制御方法の他の実施の形態を示す要部ブロック図である。 図８の電力制御装置および電力制御方法の動作特性図である。 従来の電力制御装置を示すブロック図である。 ヒータの静的特性図である。 昇温時のヒータ抵抗値の動的な特性図である。 図１０の電力制御装置の動作特性図である。 図１０の電力制御装置の動作特性図である。 図１０の電力制御装置の動作特性図である。 図１０の電力制御装置の動作特性図である。

符号の説明

１、１７ 駆動電源（交流電源）
３、１９ スイッチ部
５、１５、１５ａ〜１５ｎ ヒータ
７、２５ センサ
９、２３ 調節計
１１ 電流検出部
１３ 出力リミット部
２１ 電力制御装置
２７ 電流検出部
２９ 電圧検出部
３１ 抵抗値算出部
３３ 電力算出部
３５ 操作量補正演算部

Claims (9)

1. 駆動電源からスイッチ部を介してヒータに流れる電源電流を所定の検出期間で検出する電流検出部と、
   前記駆動電源から前記ヒータに印加される電源電圧を前記検出期間で検出する電圧検出部と、
   前記電流検出値および電圧検出値に基づき前記ヒータの抵抗値を所定の演算期間で算出する抵抗値算出部と、
   前記電流検出値又は電圧検出値と前記抵抗値とから前記ヒータにおける電源電力を前記演算期間毎に算出する電力算出部と、
   前記ヒータを制御する操作量にリニアに対応する前記ヒータの基準電力が予め設定され、前記操作量に対応した前記基準電力に対する前記電源電力の係数を算出するとともに、前記操作量を前記係数で補正演算した前記演算期間毎の補正操作量によって前記スイッチ部をオンオフ制御する操作量補正演算部と、
   を具備することを特徴とする電力制御装置。
2. 前記検出期間は、商用交流駆動電源の半周期以下に相当する期間である請求項１記載の電力制御装置。
3. 前記演算期間は交流駆動電源の半周期であり、前記電流検出値および電圧検出値は前記半周期の実効値であり、前記補正操作量は前記半周期経過後の前記電源電力に基づく前記係数から得られたものである請求項１記載の電力制御装置。
4. 前記演算期間は交流駆動電源の半周期であり、前記電流検出値および電圧検出値は前記半周期の実効値であり、前記補正操作量は直近に算出された前記電源電力に基づき前記検出期間経過後に前記係数から得られたものである請求項１記載の電力制御装置。
5. 前記電流検出値および電圧検出値は、前記検出期間の経過点における値であり、前記補正操作量は前記検出期間経過点の電源電力に基づく前記係数から得られたものである請求項１記載の電力制御装置。
6. 前記抵抗値算出部又は電力算出部は、前記ヒータに関する低い初期抵抗値が予め設定され、前記補正操作量は動作開始時には当該初期抵抗値に基づき演算される請求項１〜５のいずれか１項記載の電力制御装置。
7. 前記電流検出部は、前記スイッチ部によって個別にオンオフ制御される複数の前記ヒータに流れる電源電流を検出するものであり、前記抵抗値算出部は個々の前記ヒータの抵抗値を算出するものであり、前記電力算出部は個々の前記ヒータにおける前記電源電力を算出するものであり、前記操作量補正演算部は個々の前記ヒータをこれらに対応する前記基準電力に基づいて駆動する個々の補正操作量を演算して前記スイッチ部に出力するものである請求項１〜６記載のいずれか１項記載の電力制御装置。
8. 発熱量の最も低い前記ヒータに関する基準電力が個々の前記ヒータの基準電力として設定されてなる請求項７記載の電力制御装置。
9. 駆動電源からスイッチ部を介してヒータに印加される印加電力を制御する電力制御方法であり、
   前記駆動電源から前記スイッチ部を介して前記ヒータに流れる電源電流を所定の検出期間で検出し、
   前記駆動電源から前記ヒータに印加される電源電圧を前記検出期間で検出し、
   前記電流検出値および電圧検出値に基づき前記ヒータの抵抗値を所定の演算期間で算出し、
   前記電流検出値又は電圧検出値および前記抵抗値から前記ヒータにおける電源電力を前記演算期間毎に算出し、
   予め設定された前記ヒータの基準電力であって、前記ヒータを制御する操作量にリニアに対応する前記基準電力に対する前記電源電力の係数を算出するとともに、前記操作量を前記係数で補正演算した前記演算期間毎の補正操作量によって前記スイッチ部をオンオフ制御することを特徴とする電力制御方法。

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