JP5038079B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱装置に関するものである。

従来の誘導加熱コイルは、平面視してＣ字型のコイル部（分割リング）を複数有しており、この分割リングを同心円状に配設している。そして各分割リングの両端部に電流端子が設けてあり、この電流端子を介して分割リングに電流を供給して磁束を発生させている。この磁束により、誘導加熱コイルの上方に設けた被加熱物を誘導加熱している。なお、このような誘導加熱コイルについて開示したものには、例えば、特許文献１が挙げられる。
特開２００５−２５９８３号公報（４頁）

前述したように誘導加熱コイルは、各分割リングの両端部に電流端子を設けている。図６は１つの分割リングの平面図である。分割リング１の空隙となっている部分は、対向している電流端子同士の短絡を防止するために、絶縁を確保できる距離ｄを有していなければならない。すなわち空隙の距離ｄが狭いと電流端子間の絶縁が困難になり、絶縁破壊の懸念が生じる。したがって空隙の距離ｄを広くしなければならないが、絶縁が確保できるまで空隙の距離ｄを広げると、誘導加熱コイルに磁束が生じない箇所が存在することになるので、誘導加熱コイルの上方に設けた被加熱物を均一に加熱できなくなる。具体的な一例としては、被加熱物の全体を１０００℃±１℃の精度で加熱することができなくなる。

また、このような誘導加熱コイルを容器の内部に配設するとともに、各分割リングに接続する電源を容器の外部に配設した誘導加熱装置では、容器の外部から内部に電力を供給する電流導入端子が必要となるが、この電流導入端子の数は、分割リングに接続する配線の数と同数必要になる。そして各分割リングには２本の配線が接続しているので、例えば、分割リングが５つある場合には、電流導入端子の数が１０個必要になる。したがって電流導入端子の数が多くなるので、容器が大型になってしまい、また電流導入端子を容器に設ける手間も多くなってしまう。

本発明は、被加熱物の全体を均一に加熱する誘導加熱装置を提供することを目的とする。

本発明に係る誘導加熱装置は、誘導加熱コイルに中間タップを設けて、前記誘導加熱コイルにおいて前記中間タップを介して直列に接続された複数のゾーンコイル部を形成し、各ゾーンコイル部に高周波電源を接続した誘導加熱装置において、互いに隣接する前記ゾーンコイル部の間の相互誘導を相殺する逆結合インダクタンスが、前記中間タップから各高周波電源に至る配線に設けられ、互いに隣接する逆結合インダクタンス同士は、前記中間タップに並列に接続されていることを特徴としている。より具体的には、コイル部の両端部に電流を供給する電流端子として端部電流端子を設けるとともに、両端部の間に電流端子として中間電流端子を設け、隣り合っている電流端子の間のコイル部をゾーンコイル部とし、隣り合うゾーンコイル部の端部同士が隣接している部分に設けた中間電流端子と共通にしている。

また本発明に係る誘導加熱装置は、前記高周波電源を用いて、前記ゾーンコイル部を構成する導体部位毎に電気量を制御してなることを特徴としている。
また前記高周波電源は、互いに同期した電流を出力してなることを特徴としている。

また本発明に係る誘導加熱装置は、隣接する前記ゾーンコイル部の間の相互誘導を相殺する逆結合インダクタンスを前記ゾーンコイル部毎に設けたことを特徴としている。より具体的には、誘導加熱装置は、誘導加熱コイルを備え、電流端子を介して各ゾーンコイル部に接続する電源を設け、中間電流端子と一方の電源とを接続する一方の引き出し部と、中間電流端子と他方の電源とを接続する他方の引き出し部とに、互いに反対となる方向への磁束を発生するリアクトルをそれぞれ設けることができる。

また誘導加熱装置は、誘導加熱コイルを容器内に配設し、誘導加熱コイルに近接して被加熱物を配設することができる。そして前述した被加熱物は、直径の異なる複数の環状発熱体を同心円状に配設することができる。

このような誘導加熱装置は、隣り合うゾーンコイル部で中間タップ（中間電流端子）を共通にしているので、各ゾーンコイル部を連続して配設できる。よってコイル部を密に配設でき、誘導加熱コイルの全体から均一に磁束を生じることができる。

また誘導加熱装置は、ゾーンコイル部毎に逆結合リアクタンス（リアクトル）を接続したので、１つの中間タップに接続する一方の逆結合リアクタンスと他方の逆結合リアクタンスとで相互誘導を相殺できる。したがって隣り合うゾーンコイル部の中間タップが共通になっていても、それぞれのゾーンコイル部に供給される電流を調整でき、また誘導加熱装置を構成する回路全体を流れる循環電流の発生を防止できる。よって誘導加熱コイルの全体から均一に磁束を生じることができ、この誘導加熱コイルの上方等に配設した被加熱物を均一に加熱できる。

また誘導加熱装置は、ゾーンコイル部に接続する配線の本数を少なくできる。したがって容器の外部から内部へ電力を供給するために必要な電流導入端子等の真空貫通部の数を低減できる。よって容器を小型にでき、また真空貫通部を設ける手間も少なくできる。

以下に、本発明に係る誘導加熱装置の最良の実施形態について説明する。まず第１の実施形態について説明する。第１の実施形態では、誘導加熱コイルについて説明する。図１は誘導加熱コイルの平面図である。誘導加熱コイル１０は、平面視して渦巻き型のコイル部１２を有している。具体的に、誘導加熱コイル１０は、直径の異なる複数の環体（第１〜４ターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）を有している。なお本発明では、環体の数に制限がない。そして最も内部に配設される第１ターン１２ａとその外側に配設される第２ターン１２ｂとは、第１屈曲部１２ｅを介して接続している。また第２ターン１２ｂとその外側に配設される第３ターン１２ｃとは、第２屈曲部１２ｆを介して接続している。さらに第３ターン１２ｃと最も外側に配設される第４ターン１２ｄとは、第３屈曲部１２ｇを介して接続している。なお誘導加熱コイル１０は、様々な方法を用いて製造できるが、具体的な一例としては、板状の導体から削り出して製造できる。なお、この導体の周囲には、後述する電流端子を除き、磁束を通す絶縁体を設けておいてもよい。

この誘導加熱コイル１０は、コイル部１２の両端部に前記電流端子として端部電流端子（第１電流端子１４，第２電流端子１６）を備えている。またコイル部１２における最内部に設けた第１電流端子１４と、最外部に設けた第２電流端子１６との間に、前記電流端子として中間電流端子１８（中間タップ）を設けている。この中間電流端子１８は、図１に示す場合、第２屈曲部１２ｆに設けてある。第１電流端子１４と中間電流端子１８との間のコイル部１２が第１ゾーンコイル部２０となり、中間電流端子１８と第２電流端子１６との間のコイル部１２が第２ゾーンコイル部２２となっている。この第１ゾーンコイル部２０には、第１電流端子１４および中間電流端子１８を介して電力を供給している。また第２ゾーンコイル部２２には、第２電流端子１６および中間電流端子１８を介して電力を供給している。したがって中間電流端子１８は、第１ゾーンコイル部２０と第２ゾーンコイル部２２で共通になっている。

このような誘導加熱コイル１０は、隣り合うゾーンコイル部２０，２２で中間電流端子１８を共通にしているので、各ゾーンコイル部２０，２２が連続することになり、従来技術の分割リングのように空隙を設けて絶縁する必要がない。なお図６に示す従来技術では、空隙の距離ｄの一例としてセンチメートルのオーダーが必要である。したがってコイル部１２を密にして配設でき、誘導加熱コイル１０の全体から均一に磁束を生じることができる。そしてコイル部１２は渦巻き型になっているので、より密にして配設できる。よって誘導加熱コイル１０の上方等に配設する被加熱物を均一に加熱できる。

なお誘導加熱コイル１０は、図２に示すように、コイル部１２の１ターン毎に中間電流端子１８を設けてもよい。このように中間電流端子１８が複数ある場合でも、隣り合う電流端子の間、すなわち端部電流端子（第１電流端子１４，第２電流端子１６）と中間電流端子１８との間および隣り合う中間電流端子１８の間のコイル部１２がゾーンコイル部２４となる。よって、コイル部１２の１ターンがゾーンコイル部２４を形成している。このような誘導加熱コイル１０であっても、中間電流端子１８は、隣り合うゾーンコイル部２４で共通になり、図１に示した誘導加熱コイル１０と同じ効果を得る。
また図１，２に示す誘導加熱コイル１０は渦巻き型であるが、本発明の誘導加熱コイルは実施形態に応じて他の形状になっていてもよい。

次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、前述した誘導加熱コイル１０を備えた誘導加熱装置について説明する。図３は誘導加熱装置の説明図である。ここで図３（Ａ）は誘導加熱装置の構成を説明する回路図であり、図３（Ｂ）は電流の流れの説明図である。誘導加熱装置３０は、図３（Ａ）に示すように、第１ゾーンコイル部２０に接続する第１電源３２ａ（電源）を備えるとともに、第２ゾーンコイル部２２に接続する第２電源３２ｂ（電源）を備えている。具体的には、第１電流端子１４および中間電流端子１８に第１電源３２ａが接続するとともに、中間電流端子１８および第２電流端子１６に第２電源３２ｂが接続している。そして図３に示す場合、第１電流端子１４と第１電源３２ａとの間に第１コンデンサ３４ａを直列接続するとともに、第２電流端子１６と第２電源３２ｂとの間に第２コンデンサ３４ｂを直列接続している。

また中間電流端子１８には、引き出し部３６が接続しており、この引き出し部３６が分岐してそれぞれ第１電源３２ａおよび第２電源３２ｂに接続している。そして分岐後の引き出し部３６ａ，３６ｂのそれぞれに相互誘導を相殺するリアクトル３８（逆結合インダクタンス）が接続している。すなわち第１電源３２ａに接続する一方の引き出し部３６ａに第１リアクトル３８ａが接続し、第２電源３２ｂに接続する他方の引き出し部３６ｂに第２リアクトル３８ｂが接続している。この各リアクトル３８は、一方が他方に対して磁束を及ぼすことのできる間隔を保って配設されていればよい。

このような誘導加熱装置３０では、図３（Ｂ）に示すように電流が流れる。すなわち図３（Ｂ）に示す場合、第１電源３２ａからは、第１コンデンサ３４ａおよび第１電流端子１４を介して、第１ゾーンコイル部２０に電流ｉ１を供給する。そして、この電流ｉ１は、中間電流端子１８、引き出し部３６および第１リアクトル３８ａを介して、第１電源３２ａに戻ってくる。また第２電源３２ｂからは、第２リアクトル３８ｂ、引き出し部３６および中間電流端子１８を介して、第２ゾーンコイル部２２に電流ｉ２を供給する。そして、この電流ｉ２は、第２電流端子１６および第２コンデンサ３４ｂを介して、第２電源３２ｂに戻ってくる。なお第１電源３２ａと第２電源３２ｂは、各ゾーンコイル部２０，２２の導体の部位毎に電気量を制御することができる。このため電流ｉ１と電流ｉ２は、同期制御してもよく、周波数を変えておいてもよい。

このとき第１リアクトル３８ａに供給される電流ｉ１と第２リアクトル３８ｂに供給される電流ｉ２とは逆向きになっているので、第１リアクトル３８ａと第２リアクトル３８ｂのそれぞれに発生する磁束は、互いに反対に向くことになる。このため第１リアクトル３８ａで発生する磁束は、第２リアクトル３８ｂで発生する磁束によって相殺される。また第２リアクトル３８ｂで発生する磁束は、第１リアクトル３８ａで発生する磁束によって相殺される。

このようなことから、誘導加熱装置３０では、第１リアクトル３８ａおよび第２リアクトル３８ｂで相互誘導を相殺しているので、中間電流端子１８と引き出し部３６の分岐箇所３６ｃとの間を通ることのない循環電流ｉ３、すなわち第１電流端子１４、第１ゾーンコイル部２０、中間電流端子１８、第２ゾーンコイル部２２、第２電流端子１６、第２コンデンサ３４ｂ、第２リアクトル３８ｂ、第１リアクトル３８ａおよび第１コンデンサ３４ａを流れる循環電流ｉ３が生じることがない。

具体的には、第１コンデンサ３４ａおよび第１ゾーンコイル部２０で共振回路を形成し、また第２コンデンサ３４ｂおよび第２ゾーンコイル部２２で共振回路を形成している。このため電流ｉ１の周波数ｆ１は数式１に示すようになり、電流ｉ２の周波数ｆ２は数式２に示すようになる。

ここでＣ１は第１コンデンサ３４ａの容量値、Ｌ１は第１ゾーンコイル部２０のリアクタンス、Ｌ_Ｍは第１リアクトル３８ａのリアクタンスである。

ここでＣ２は第２コンデンサ３４ｂの容量値、Ｌ２は第２ゾーンコイル部２２のリアクタンス、Ｌ_Ｍは第２リアクトル３８ｂのリアクタンスである。

また循環電流ｉ３の周波数ｆ３は数式３に示すようになる。

そして周波数ｆ１と周波数ｆ２は、同様の共振周波数に設定してあればよいので、周波数ｆ１、周波数ｆ２および周波数ｆ３の関係は、ｆ３＜ｆ１≒ｆ２となる。
すなわち電流ｉ１が流れる回路および電流ｉ２が流れる回路は、いずれも同様の周波数ｆ１，ｆ２でそれぞれ共振できるが、電流ｉ３が流れる回路は、電流ｉ１の周波数ｆ１や電流ｉ２の周波数ｆ２よりも低い周波数ｆ３となっている。したがって周波数ｆ３と周波数ｆ１，ｆ２が同様の周波数になった場合（電流ｉ１と電流ｉ２が同期した場合）は、循環電流ｉ３が流れる回路のインピーダンスが、電流ｉ１，ｉ２が流れる回路のインピーダンスに比べて高くなる。よって循環電流ｉ３を抑えることができる。

このような誘導加熱装置３０は、第１リアクトル３８ａおよび第２リアクトル３８ｂを備えているので、第１ゾーンコイル部２０および第２ゾーンコイル部２２を通過する循環電流ｉ３の発生を防止できる。したがって第１ゾーンコイル部２０と第２ゾーンコイル部２２の中間電流端子１８を共通にしても、各ゾーンコイル部２０，２２に供給する電流を調整でき、第１ゾーンコイル部２０および第２ゾーンコイル部２２から磁束を発生できる。よって誘導加熱コイル１０の全体から均一に磁束を生じることができ、この誘導加熱コイル１０の上方等に配設する被加熱物を均一に加熱できる。

なおゾーンコイル部２４が３つ以上ある誘導加熱コイル１０であっても、電源３２、コンデンサ３４およびリアクトル３８を備えた回路をゾーンコイル部２４の数に合わせて増やしていけばよい。すなわち図４に示すように、ゾーンコイル部２４に接続する回路は、端部電流端子（第１電流端子１４、第２電流端子１６）に接続する場合、電源３２、コンデンサ３４およびリアクトル３８を備えていればよい。またゾーンコイル部２４に接続する回路は、中間電流端子１８のみに接続する場合、電源３２、コンデンサ３４および２つのリアクトル３８を備えていればよい。そして共通の中間電流端子１８に接続している各リアクトル３８によって、相互誘導を相殺している。

次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、誘導加熱装置の一例として、第１の実施形態で説明した誘導加熱コイル１０を容器内に設けた構成について説明する。図５は誘導加熱装置の一部の説明図である。ここで図５（Ａ）は第１の被加熱物の平面図、図５（Ｂ）は第２の被加熱物の平面図、図５（Ｃ）は誘導加熱装置を構成する容器の内部の説明図である。

図５（Ａ），（Ｂ）に示す被加熱物４２，４４は、誘導加熱コイル１０に近接して配設され、誘導加熱コイル１０で発生した磁束によって渦電流が発生し加熱される。すなわち被加熱物４２，４４は、誘導加熱コイル１０の上部または上方等において、この誘導加熱コイル１０から磁束を受けることのできる距離に配設してあればよい。そして図５（Ａ）に示す被加熱物４２は円板状になっている。これにより被加熱物４２の全体が加熱される。

また図５（Ｂ）に示す被加熱物４４は、直径の異なる複数の環状発熱体４６を同心円状に配設した構成である。この環状発熱体４６は、誘導加熱コイル１０の磁束によって渦電流が発生し、これにより加熱される。ここで図５（Ａ）に示す被加熱物４２では、この被加熱物４２と誘導加熱コイル１０が平面視して重ならず、ずれて配設されてしまった場合には、被加熱物４２に均一に渦電流が発生しないので、被加熱物４２を均一に加熱することができない。しかしながら図５（Ｂ）に示す被加熱物４４では、渦電流が各環状発熱体４６を周回するように流れるので、被加熱物４４の全体で見ると渦電流は同心円状になる。したがって図５（Ｂ）に示す被加熱物４４は、誘導加熱コイル１０に対して平面方向にずれて配設されてしまった場合でも、全体を均一に加熱できる。

そして図５（Ｃ）に示す誘導加熱装置４０は、誘導加熱コイル１０および被加熱物４２，４４を容器５０内に配設している。この容器５０の一例としては、成膜装置のチャンバ等であればよい。したがって、この例示の場合の容器５０は、真空容器となる。そして容器５０内に台座５２を設けておき、その上に誘導加熱コイル１０を配設し、その下に誘導加熱コイル１０に接続する配線５４（引き出し部３６等）を設けておけばよい。また容器５０の外部には電源３２等（図５には図示せず）を設けておき、電流導入端子５６等の真空貫通部を用いて電源３２と誘導加熱コイル１０を配線５４で接続すればよい。したがって中間電流端子１８に接続する引き出し部３６は、電流導入端子５６を介して容器５０の外部に引き出された後に分岐しており、この分岐後の各引き出し部３６にリアクトル３８が設けてある。

このような誘導加熱装置４０は、誘導加熱コイル１０における中間電流端子１８を隣り合うゾーンコイル部２４で共通使用しているので、誘導加熱コイル１０に接続する配線５４の本数を少なくできる。したがって容器５０の外部から内部へ電流を供給するために必要な電流導入端子５６の数を低減できる。具体的な一例としては、誘導加熱コイル１０が５つのゾーンコイル部２４で構成される場合には、電流導入端子５６の数を６個に低減できる。よって容器５０を貫通して設ける電流導入端子５６の数を少なくできるので、容器５０を小型にでき、また電流導入端子５６を設ける手間も少なくできる。
なお前述した誘導加熱装置４０は、具体的な一例を示したものである。このため誘導加熱コイル１０を容器５０の内部に設けていない構成であってもよい。

誘導加熱コイルの平面図である。 変形例に係る誘導加熱コイルの平面図である。 誘導加熱装置の説明図である。 変形例に係る誘導加熱装置の説明図である。 誘導加熱装置の一部の説明図である。 従来技術に係り、１つの分割リングの平面図である。

符号の説明

１０………誘導加熱コイル、１２………コイル部、１４………第１電流端子、１６………第２電流端子、１８………中間電流端子、２０………第１ゾーンコイル部、２２………第２ゾーンコイル部、２４………ゾーンコイル部、３０，４０………誘導加熱装置、３２………電源、３４………コンデンサ、３６………引き出し部、３８………リアクトル、４２，４４………被加熱物、５０………容器。

Claims (3)

1. 誘導加熱コイルに中間タップを設けて、前記誘導加熱コイルにおいて前記中間タップを介して直列に接続された複数のゾーンコイル部を形成し、各ゾーンコイル部に高周波電源を接続した誘導加熱装置において、
   互いに隣接する前記ゾーンコイル部の間の相互誘導を相殺する逆結合インダクタンスが、前記中間タップから各高周波電源に至る配線に設けられ、
   互いに隣接する逆結合インダクタンス同士は、前記中間タップに並列に接続されていることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記高周波電源を用いて、前記ゾーンコイル部を構成する導体部位毎に電気量を制御してなることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記高周波電源は、互いに同期した電流を出力してなることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。

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