JP5324533B2 - 直流高電圧電源装置の高安定化方法及び直流高電圧電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、安定に動作する電子部品装置を用い、出力高電圧の安定化機能を有する直流高電圧電源装置、その出力高電圧をより安定化する方法に関する。

半導体製造装置に用いられる電子ビーム又はイオンビームなどのような荷電粒子ビームによる集積回路のマスク描画装置、電子顕微鏡装置などにあっては、高精度の荷電粒子ビームなどを照射する必要が多々あり、このような場合には荷電粒子ビームなどの安定度に大きな影響を与える直流高電圧に対しても、非常に高い安定度が要求される。

このような非常に高い安定度の出力高電圧を要求される直流高電圧電源装置にあっては、周囲温度などの条件が理想状態にある場合には、要求される安定度を満足する高安定度の高出力電圧を出力する機能を備えている。

通常、半導体製造装置は室温が設定温度に対して±１℃程度の温度範囲で管理されているクリーンルーム内で使用され、これに伴い、半導体製造装置に用いられる高安定度の出力電圧を出力する直流高電圧電源装置もクリーンルーム内で使用されるが、１℃程度の室温の変動でも無視できない悪影響を受ける。この周囲温度の変化によって出力電圧の安定度が低下する主な原因は、電圧検出抵抗器の抵抗値が温度ドリフトにより変化することと、基準電圧発生回路の出力が温度ドリフトにより変動するということにあった。したがって、従来の一般的な高安定化電源装置では、温度ドリフトの小さい電子部品を選定して回路を構成し、また、出力電圧検出抵抗器の温度特性を補償して周囲温度が変化しても温度特性がほとんど変化しないようにするなどの対策がとられていた。

しかし、最近、集積回路のマスクなどの高密度化に伴って荷電粒子ビームをよりいっそう高精度で制御する必要が生じ、このためには荷電粒子ビーム装置から荷電粒子ビームを引き出す加速電圧の更なる高安定度化の要求がある。しかし、従来の場合には、クリーンルームにおいてさえ温度管理が十分高精度で行われていないために、温度の高安定性の要求される電圧検出抵抗器のような電子部品、あるいはこのような電子部品や基準電圧発生回路を含む直流高電圧部の温度の安定性が十分ではなく、電圧検出抵抗器の抵抗値が温度変化による影響で変化したり、基準電圧発生回路の温度ドリフト特性による影響で、高安定度の出力高電圧を得ることができなかった。

特に、高安定度の高電圧直流電源装置にあっても通常の高電圧直流電源と同じように、エポキシ樹脂などの電気絶縁被覆材料で直流高電圧部をモールドしている場合が多く、この場合には、高電圧直流電源装置を起動してから回路部品が発する熱によって電気絶縁被覆材料が徐々に上昇するために、熱的に飽和するまでに１０時間から３０時間程度の時間がかかり、その間、電圧検出抵抗器の抵抗値が変化したり、基準電圧発生回路がその温度ドリフトによる影響で、高精度の基準電圧を発生できない。また、電気絶縁被覆材料の熱時定数が大きいために、温度制御しても時間遅れが大きいので、電圧検出抵抗器や基準電圧発生回路などの温度を短時間で一定に制御することは難しかった。これらのことが、十分に高精度の直流出力高電圧を得る大きな妨げとなっていた。

さらに、荷電粒子ビームを発生する電子管のフィラメントを加熱するためにフィラメントに電力を供給するフィラメント給電部も電気絶縁被覆材料でモールドされている場合、
このフィラメント給電部も直流電源装置を起動してから回路部品が発する熱によって電気絶縁被覆材料が徐々に上昇するために、つまり、電気絶縁被覆材料の熱時定数によって熱的に飽和するまでに１０時間から３０時間程度の時間がかかり、その間、温度ドリフトによる影響を受け、このことが非常に安定度の高い荷電粒子ビームの発生、あるいは高精度の電子顕微鏡観察を更に困難なものにしていた。

したがって、電気絶縁被覆材料でモールドされた直流高電圧部の温度を一定に管理するだけならば、温度管理を高精度でできる恒温室に直流高電圧部を収納すればよいが、高電圧の電気絶縁なども考慮しなければならないので、恒温室が大規模なものになり、コスト的にも高くなるので、実用的でない。また、２０〜２５℃の範囲のいずれかの温度に設定されるクリーンルーム内に、かかる直流高電圧部を備える直流高電圧電源装置を配置する場合であっても、電源装置の収納方法などによって温度が周囲温度（クリーンルーム内の室温）に対して０〜１０℃程度の範囲で上昇してしまう。したがって、前述のようにクリーンルームが設定温度の±１℃以内に管理されるものとすると、周囲温度の変動範囲は１９〜３６℃として電源装置の設計を行う必要があった。

したがって、この場合には、温度制御能力を大きくしなければならず、そのためにはインバータ回路の大容量化を避けることができなかった。このことは、インバータ回路のスイッチングノイズを大きくし、出力直流高電圧の高安定化を妨げる一因となる。

このような問題点を考慮して、一部分の回路だけを恒温室に収納し、温度制御することによって、電子部品の発熱や周囲温度の変化による電流変化の小さい、安定度に優れた直流電源を得ることが既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来の直流電源では、直流出力を増減させる信号をスイッチング回路に供給する比較回路と、温度制御器とを恒温ユニット室に収納して、比較回路の温度を一定に制御している。また、特許文献１には電圧検出器や電流検出器とを恒温槽又は油槽に収納して温度制御することも開示されている。

しかし、この従来の直流電源装置では出力電圧検出用電子部品や基準電圧を発生する電子回路を電気絶縁被覆材料でモールドしてなる高電圧直流電源を対象にしておらず、電気絶縁被覆材料の熱時定数を考慮していない。したがって、この従来の直流電源装置では電気絶縁被覆材料によってモールドされた電子部品、あるいはモールドされた直流高電圧部を備えている直流高電圧電源装置の温度の安定化を短時間で達成するのは難しく、また、これらの小型化も困難であるという問題がある。当然に、この特許文献には、電気絶縁被覆材料の熱時定数を逆に利用して、モールドされた物品の温度の高安定化を図ろうとする技術思想は開示されていない。

特開２００３−２８４３２３号公報

本発明は、前述の課題に鑑み、電気絶縁被覆材料によってモールドされた電子部品の温度を短時間で高精度に安定させ、それ以降、温度を高精度で一定に保持することが可能で、また、電気絶縁被覆材料によってモールドされた直流高電圧部を備える直流高電圧電源装置の出力高電圧を短時間に高精度で安定化させ、それ以降、温度を高精度で一定に保持することを目的としている。

第１の発明は、直流高電圧電源装置の出力電圧を検出するための出力電圧検出手段を電気絶縁被覆材料でモールドしてなるモールド物品による出力電圧検出値が、基準電圧発生手段の基準値になるように制御して、前記出力電圧を電気的に安定化する機能を有する直流高電圧電源装置の高安定化方法において、前記モールド物品の周囲温度Ｔａを考慮して求められるそのモールド物品の飽和温度の予想値Ｔｂになるように、前記モールド物品の温度を制御し、前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定するとき、その安定した温度を保持するように温度制御することを特徴とする直流高電圧電源装置の高安定化方法を提供するものである。

第２の発明は、出力電圧検出手段を電気絶縁被覆材料で覆ってなるモールド物品と、低電圧を直流高電圧に変換する直流高電圧昇圧部であって、前記出力電圧検出手段とは別に電気絶縁被覆材料でモールドされている前記直流高電圧昇圧部と、フィラメントとカソードとを有する管球の前記フィラメントに電力を供給するためのフィラメント給電部であって、前記出力電圧検出手段と前記直流高電圧昇圧部とは別に電気絶縁被覆材料でモールドされている前記フィラメント給電部とを備え、出力電圧を検出する前記出力電圧検出手段の検出値が基準電圧発生回路の基準値になるように制御して、前記出力電圧を電気的に安定化する機能を有する直流高電圧電源装置の安定化方法であって、前記モールド物品の周囲温度Ｔａを考慮して求められる該モールド物品の飽和温度の予想値Ｔｂになるように、前記モールド物品の温度を制御し、前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定するとき、その安定した温度を保持するように温度制御すると共に、前記直流高電圧電源装置の起動時には、前記フィラメント給電部がその飽和温度の予想値になるように、前記フィラメント給電部の外面を加熱又は冷却することを特徴とする直流高電圧電源装置の高安定化方法を提供する。

第３の発明は、前記第２の発明において、前記出力電圧の安定性、前記直流高電圧電源装置の運転時間、前記モールド物品の内部温度と前記フィラメント給電部の内部温度との差が所定値以内にあるか否か、前記モールド物品の内部温度と前記フィラメント給電部の内部温度とが前記飽和温度近辺にあるか否かの四つの条件のいずれか、又は組み合わせを前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定したか否かの判断ファクタとすることを特徴とする直流高電圧電源装置の高安定化方法を提供する。

第４の発明は、前記第２の発明又は前記第３の発明において、前記基準電圧発生回路の温度は、前記モールド物品の外面の温度とほぼ同じになるように設定されることを特徴とする直流高電圧電源装置の高安定化方法を提供する。

第５の発明は、直流高電圧電源装置の出力電圧を検出するための出力電圧検出手段を電気絶縁被覆材料でモールドしてなるモールド物品による出力電圧検出値が、基準電圧発生手段の基準値になるように制御して、前記出力電圧を電気的に安定化する機能を有する直流高電圧電源装置であって、前記モールド物品の周囲温度Ｔａを考慮して求められる該モールド物品の飽和温度の予想値Ｔｂになるように、前記モールド物品の温度を制御し、前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定するとき、その安定した温度を保持するように温度制御することを特徴とする直流高電圧電源装置を提供するものである。

第６の発明は、出力電圧検出手段を電気絶縁被覆材料で覆ってなるモールド物品と、低電圧を直流高電圧に変換する直流高電圧昇圧部であって、前記出力電圧検出手段とは別に電気絶縁被覆材料でモールドされている前記直流高電圧昇圧部と、フィラメントとカソードとを有する管球の前記フィラメントに電力を供給するためのフィラメント給電部であって、前記出力電圧検出手段と前記直流高電圧昇圧部とは別に電気絶縁被覆材料でモールドされている前記フィラメント給電部とを備え、出力電圧を検出する前記出力電圧検出手段の検出値が基準電圧発生回路の基準値になるように制御して、前記出力電圧を電気的に安定化する機能を有する直流高電圧電源装置であって、前記モールド物品の周囲温度Ｔａを考慮して求められる該モールド物品の飽和温度の予想値Ｔｂになるように、前記モールド物品の温度を制御し、前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定するとき、その安定した温度を保持するように温度制御すると共に、前記直流高電圧電源装置の起動時には、前記フィラメント給電部がその飽和温度の予想値になるように、前記フィラメント給電部の外面を加熱又は冷却することを特徴とする直流高電圧電源装置を提供する。

前記第１の発明、前記第２の発明によれば、直流高電圧電源装置の直流高電圧部を一定温度に維持することによって、高精度に安定した直流高電圧を得ることもできる。

前記第３の発明によれば、４種類の条件のいずれかによってモールド物品の温度の安定化を判断できるので、容易、かつ自動的に前記温度の安定性を判断することもできる。

また、前記第４の発明によれば、高精度の安定した基準電圧を得ることができるので、より一層、高精度に安定した直流高電圧を得ることができる。

前記第５の発明、前記第６の発明によれば、直流高電圧電源装置の直流高電圧部を一定温度に維持することによって、高精度に安定した直流高電圧を得ることもできる。

本発明に係る実施形態１の高電圧直流電源装置の直流高電圧部を示す図である。 実施形態１の高電圧直流電源装置に用いられる電子部品装置とそれの温度制御構造とを示す図であって、図１のＸ−Ｘ’での断面図である。 一般的な高電圧直流電源装置の概要を示すブロック図である。 本発明に係る実施形態１の温度制御の概要を示す図である。 本発明に係る実施形態１に係る温度制御を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の実施形態１に係るモールド体の温度−時間特性を示す図である。 本発明の他の実施形態１に係る高電圧直流電源装置の直流高電圧部の出力電圧−時間特性を示す図である。 本発明の実施形態１に係る高電圧直流電源装置の出力電圧検出部１の一部断面を示す図である。 本発明の実施形態２に係る電子部品装置を説明するための図である。

［実施形態１］
先ず、本発明を実施するための最良の形態である実施形態１の直流高電圧電源装置について説明する。本発明は、描画装置のような一定の加速電圧などを必要とする装置に適用され、検出抵抗のような電子部品の消費電力が一定、つまり発熱が一定である装置に有効である。

図１ないし図８により本発明の実施形態１について説明する。図１は本発明の実施形態１に係る高電圧直流電源装置の直流高電圧部を示す図である。図２はその直流高電圧部における出力電圧検出部として用いられる、電子部品を電気絶縁被覆材料で覆った電子部品装置とそれの温度制御構造とを示す図であって、図１のＸ−Ｘ’での断面図である。図３は一般的な高電圧直流電源装置の概要を示すブロック図である。図４は温度制御の概要を示す図である。図５はこの実施形態１に係る温度制御を説明するためのフローチャートを示す図である。図６は電子部品装置とフィラメントモールド体との温度−時間特性を示す。図７は出力電圧−時間特性を示す。図８は出力電圧検出部１の一部断面を示す図である。

この実施形態１では、図３に示すような高電圧直流電源装置の直流高電圧部を第１、第２、第３の三つのブロックに分けて、それぞれを電気絶縁被覆材料でモールドしている。図１に示すように、第１のブロックは、出力高電圧を検出する出力電圧検出部１からなる。第２のブロックは、荷電粒子ビームを発生する電子管のフィラメントを加熱するための電力を供給するフィラメント給電部２からなる。第３のブロックは、低電圧を直流高電圧に変換する高電圧トランスとコッククロフト・ウォルトン回路のような高電圧昇圧部とからなる高電圧昇圧部３である。

図２に示すように、出力電圧検出部１は高精度の出力電圧検出が可能な電子部品装置１０により構成されている。電子部品装置１０は、電子部品として複数の抵抗器を直列接続してなる一般的な高電圧抵抗器Ｒを電気絶縁被覆材料Ｃで樹脂モールドしてなるモールド物品１０Ａを備える。モールド物品１０Ａは直方体の形状をしており、モールド物品１０Ａの六つの外面は、図示しない高電圧接続部を除いて一般的な導電塗料などを塗布、又は金属を蒸着することによって形成された導電膜１０Ｂで覆われている。導電膜１０Ｂの上には導電膜１０Ｂと金属板１０Ｄとの間の熱的結合を高めるためのコンパウンド層１０Ｃが形成されている。なお、高電圧抵抗器Ｒにはコンデンサが並列接続されていても勿論よい。

モールド物品１０Ａを覆う金属ジャケットを形成する金属板１０Ｄは、モールド物品１０Ａの６面を覆う銅板のような熱伝導の良好なものであり、その厚みは熱伝導、熱容量などの面から、好ましくは厚い方がよいが、重量、コスト、大きさなどを考慮して決められる。導電膜１０Ｂは、モールド物品１０Ａの外面と金属板１０Ｄとの間の電位差をゼロにして、これらの間に放電が発生するのを防ぐ働きを行うものである。これら導電膜１０Ｂとコンパウンド層１０Ｃと金属板１０Ｄとは、モールド物品１０Ａの６面を覆う熱伝導材料手段を形成する。コンパウンド層１０Ｃは、金属板１０Ｄを導電膜１０Ｂに密接させることができれば、必要ではない。

対向する一対の金属板１０Ｄに、それぞれ温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’を設ける。温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’は、図示しないが、例えば、適切な抵抗値を有する多数の抵抗器を直列接続したものを熱収縮チューブ内に納め、それを角型に配列して熱伝導の良好なシート間に挟んでなる簡便なシート状のヒータである。このようなヒータが金属板１０Ｄに固着されている。温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’の動作、働きなどについては後で詳述するが、モールド物品１０Ａの温度が飽和予想値で安定したら、その温度を安定に維持する働きを行う。ここで、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’は２面の金属板１０Ｄだけに備えられているが、金属板１０Ｄは熱伝導がよいことと、その保持される温度が周囲温度に比較的近い温度であるので、すべての金属板１０Ｄがほぼ一様な温度に保持される。なお、温度調整用ヒータ１０Ｆは金属板１０Ｄの１面のみに設けても良い。又は金属板１０Ｄの３面に設けても良い。

また、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’が設けられた金属板１０Ｄにほぼ直交する面の金属板１０Ｄには初期加熱用ヒータ１０Ｅが取付けられている。初期加熱用ヒータ１０Ｅも、例えば、前述したような構造のシート状のヒータであり、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’に比べて数倍から十数倍程度の電力容量、つまり発熱容量を有する。この初期加熱用ヒータ１０Ｅの動作、働きなどについても後で詳述するが、モールド物品１０Ａは前述のように熱時定数が大きく、したがって、モールドされている高電圧抵抗器の発生する熱だけでは飽和温度に達するまでに長時間かかるので、起動初期にモールド物品１０Ａを飽和温度の予想値近辺まで短時間で上昇させる働きを行う。温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’は、市販のセラミックヒータ、あるいはペルチエ素子でも構わない。そして、これら温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’、初期加熱用ヒータ１０Ｅ、及びこれらが設けられていない金属板１０Ｄを断熱材料層１０Ｇで覆う。断熱材料層１０Ｇは市販されている一般的なもので良い。

図１〜図３では示していないが、モールド物品１０Ａの表面温度を測定する温度センサが、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’が設けられた金属板１０Ｄの表面に接着される。モールド物品１０Ａの表面温度と金属板１０Ｄの表面温度とは実質的に等しい。また、図示していないが、モールド物品１０Ａの内部温度を測定する温度センサも備えている。これら温度に関するデータは後述する温度制御装置に送られる。

次に、フィラメント給電部２は、図３に示すように、制御された高周波低電圧を２次巻線側に伝達し、直流高電圧を電気絶縁するフィラメントトランスＦＴと整流回路などである２次側回路ＦＣとグリッドＧの電圧を調整するグリッドバイアス回路ＧＢとからなるフィラメント回路によって構成され、図１に示すように、そのフィラメント回路を電気絶縁被覆材料でモールドしたフィラメントモールド体２Ａと、このフィラメントモールド体２Ａの一面に取付けられたフィラメント用ヒータ２Ｂとからなる。フィラメント給電部２は電子管ＥＥのフィラメントＦに調整された電力を供給する。また、必要に応じてこのフィラメント用ヒータ２Ｂが取付けられている面と対向する面に同様なフィラメント用ヒータを取付けても勿論よい。図１〜図３では示していないが、フィラメントモールド体２Ａにもその表面の温度、内部の温度をそれぞれ測定する温度センサを備える。

高電圧昇圧部３は、図３に示すように、一般的な構造の高電圧トランスＨＴの２次コイルとその交流高電圧を直流高電圧に変換するコッククロフト・ウォルトン回路のような高電圧整流器ＨＲなどを電気絶縁被覆材料で樹脂モールドしたものであり、グリッドＧに直流出力高電圧を供給する。この部分の電子部品や回路は温度変化しても出力高電圧の安定性に実質的に影響を与えないので、高電圧昇圧部３にはいかなるヒータも設けていない。

次に、図４によって温度制御装置２０及び関連する構成について説明する。この温度制御装置２０はマイコンなどを備え、モールド物品１０Ａ用の温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’の電力制御、初期加熱用ヒータ１０Ｅの駆動、フィラメント用ヒータ２Ｂの駆動を行う。温度制御装置２０は、直流入力端子２１、２１′から、例えば、ＤＣ２４Ｖの直流電圧を受けて動作する。そして、温度制御装置２０は、必要な種々の設定が行われた状態で、信号端子２２、２２′から直流高電圧電源装置の運転オン信号をＩ／Ｏ入力端子２３に受信すると、Ｉ／Ｏ出力端子２４から信号を出力して、第１のリレーコイル２５Ａ、第２のリレーコイル２５Ｂを付勢する。第１、第２のリレーコイル２５Ａ、２５Ｂが付勢されると、その第１のリレー接点２５′Ａ、第２のリレー接点２５′Ｂが閉じ、これに伴い、第１のリレー接点２５′Ａに直列接続されている初期加熱用ヒータ１０Ｅ、第２のリレー接点２５′Ｂに直列接続されているフィラメント用ヒータ２Ｂに、入力端子２１、２１′から電流が流れ始め、前述した電子部品装置１０、フィラメントモールド体２Ａをそれぞれ加熱し始める。

また、温度制御装置２０は、信号端子２２、２２′から直流高電圧電源装置の運転オン信号をＩ／Ｏ入力端子２３に受信すると、Ｄ／Ａ出力端子２６から前述の温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’に電流を流す。このとき温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’に供給される電流は、その最大の供給電流を１００％とすると、その半分である５０％の電流値に制御される。ただし、この時点で必ずしも温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’に電力が供給される必要はなく、電子回路部品装置１０が飽和温度の予想値でほぼ安定する時点以前の任意の時点で、電力供給が開始されて、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’が加熱動作を開始しても良い。

Ａ／Ｄ入力端子２７には、電子部品装置１０の周囲の温度を検出する第１、第２の温度センサＳ１、Ｓ２、モールド物品１０Ａの内部の温度を検出する温度センサＳ３、モールド物品１０Ａの表面温度、つまり前述の金属板１０Ｄの温度を測定する第１、第２の温度センサＳ４、Ｓ５、フィラメントモールド体２Ａの内部の温度を検出する温度センサＳ６、フィラメントモールド体２Ａの表面の温度を検出する温度センサＳ７からの温度検出値が入力される。これらの温度検出値は温度データとして温度制御装置２０に入力される。なお、予備の温度センサＳ８も備えられている。ここで、前記内部の温度とはモールド体の比較的中心部に近い箇所の温度を言い、好ましくは高電圧抵抗器Ｒの近傍の温度がよい。

次に、図５を用いて前述した電子部品装置１０、及びこれを用いた直流高電圧電源装置の温度制御について説明する。先ず、各温度センサＳ１〜Ｓ７からのアナログ温度データがＡ／Ｄ入力端子２７に入力され（ステップ１、以下ではステップをＳｔで表す。）、それらはディジタル温度データに変換される。ここで、第１、第２の温度センサＳ１、Ｓ２の温度検出値は平均化され、その平均値が周囲温度Ｔａとされる。また、金属板１０Ｄの温度を測定する第１、第２の温度センサＳ４、Ｓ５の温度検出値は平均化され、その平均値がモールド物品１０Ａの表面温度とされる。以後、同じである。

そして、これら温度検出信号が図示しないマイコンに読み込まれ（Ｓｔ２）、直流高電圧電源装置が前述のようにして起動され、運転オン信号がＩ／Ｏ入力端子２３に入力される（Ｓｔ３）と、モールド物品１０Ａの飽和温度の予想値を不図示のマイコンに設定する（Ｓｔ４）。モールド物品１０Ａの飽和温度の予想値は、周囲温度を目安として実験から予め求め、確認されている飽和温度データから、温度センサＳ１とＳ２によって検出された周囲温度Ｔａの検出値に基づいて求められる。

次に、タイマー機能を働かせ、初期加熱用ヒータ１０Ｅとフィラメント用ヒータ２Ｂとをオンさせると共に、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’をオンさせて、加熱動作を開始させる（Ｓｔ５）。初期加熱用ヒータ１０Ｅのオン時間は、モールド物品１０Ａの飽和温度の予想値と、温度センサＳ３によって検出されたモールド物品１０Ａの内部温度の検出値との温度差に基づいて、どの程度のジュール熱をモールド物品１０Ａに注入し、そのジュール熱を注入するには１００％出力でどの程度の時間、初期加熱用ヒータ１０Ｅに電流を流せば良いかという観点から求められる。このタイマー機能によって、Ｉ／Ｏ出力端子２４は、オン時間が経過するまで初期加熱用ヒータ１０Ｅへ電力の供給を行わせる信号を出力する。

図６において、曲線Ｘｓは電子部品装置１０の金属板１０Ｄの温度、つまりモールド物品１０Ａの表面温度を示し、曲線Ｘｉはモールド物品１０Ａの内部の温度を示す。また、曲線Ｙｓはフィラメントモールド体２Ａの表面温度を示し、曲線Ｙｉはフィラメントモールド体２Ａの内部温度を示す。図６に示す曲線Ｘｓから分かるように、初期加熱用ヒータ１０Ｅの加熱で電子部品装置１０の金属板１０Ｄの温度は急上昇し、初期加熱用ヒータ１０Ｅのオフによって急に低下する。ここで、曲線Ｘｓのピーク値で初期加熱用ヒータ１０Ｅはオフになる。

他方、同様にしてフィラメントモールド体２Ａの飽和温度の予想値を求める。更に、この予想値と温度センサＳ６によって検出されたフィラメントモールド体２Ａの内部温度の検出値との温度差に基づいて、どの程度のジュール熱をフィラメントモールド体２Ａに注入し、そのジュール熱を注入するにはどの程度の時間、フィラメント用ヒータ２Ｂに電流を流せば良いかという観点からフィラメント用ヒータ２Ｂのオン時間は求められる。タイマー機能によって、Ｉ／Ｏ出力端子２４は、そのオン時間が経過するまでフィラメント用ヒータ２Ｂへ電力の供給を行わせる信号を出力する。図６の曲線Ｙｓで示すように、フィラメント用ヒータ２Ｂの加熱によってフィラメントモールド体２Ａの表面温度は急激に上昇し、フィラメント用ヒータ２Ｂのオフによってその表面温度は急激に下降を始め、従来に比べて短い時間で飽和温度に向かって減少する。ここで、曲線Ｙｓのピーク値でフィラメント用ヒータ２Ｂはオフになる。

つまり、初期加熱用ヒータ１０Ｅ、フィラメント用ヒータ２Ｂは無制御で１００％出力の状態でそれぞれ予め設定された時間だけ加熱を行い（Ｓｔ６）、タイマによって順次オフにする（Ｓｔ７）。初期加熱用ヒータ１０Ｅ、フィラメント用ヒータ２Ｂそれぞれの発熱によって、図６において曲線Ｘｓ、Ｙｓで示すように、モールド物品１０Ａ、フィラメントモールド体２Ａそれぞれの表面温度は短時間で上昇し、その熱が熱伝導によって電気絶縁被覆材料の内部まで伝わり、それによりモールドされている抵抗器、電子回路の発する熱の働きなどもあって、短い期間にそれぞれの飽和温度に近い予想値で安定する。そして、モールド物品１０Ａ、フィラメントモールド体２Ａそれぞれの内部温度も、曲線Ｘｉ、Ｙｉで示すように、同様に短時間で上昇すると共に、従来に比べて短い時間で温度安定領域に近づく。

Ｄ／Ａ出力端子２６は、５０％出力で温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’を動作させる（Ｓｔ７）。温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’の加熱動作は、初期加熱用ヒータ１０Ｅのオンと同時に開始する。前記設定時間の経過により、初期加熱用ヒータ１０Ｅがオフして加熱動作を停止しても、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’はそのまま５０％出力で加熱動作を行う。ここで、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’は必ずしも初期加熱用ヒータ１０Ｅと同時にオンすることはなく、初期加熱用ヒータ１０Ｅがオフするまでに、加熱動作に入っていればよい。そのときには、５０％出力まで徐々に増大するソフトスタート起動であってもよい。

そして、モールド物品１０Ａの表面温度が時刻Ｔ１でその飽和温度の予想値付近で安定すると（Ｓｔ８）、温度制御装置２０はその安定値を制御目標として、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’をフィードバック制御し（Ｓｔ９）、検出温度が設定値よりも低ければ（Ｓｔ１０）、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’への出力電力を大きくし（Ｓｔ１１）、検出温度が設定値よりも高ければ（Ｓｔ１０）、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’への出力電力を小さくして（Ｓｔ１２）、モールド物品１０Ａを飽和温度の予想値で安定させる。したがって、周囲温度の変化にかかわらず、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ’がモールド物品１０Ａの表面の温度を一定に保持し、このことがモールド物品１０Ａの内部をその飽和温度に保持する。つまり、電子部品、ここでは出力電圧検出抵抗器の温度を高い精度で一定に維持するので、その抵抗値も高い精度で一定に保持される。

フィラメントモールド体２Ａについても述べると、前述したように、フィラメント用ヒータ２Ｂのオン時間が経過してオフすると（Ｓｔ７）、図６の曲線Ｙｉで示すように、短時間でフィラメントモールド体２Ａ内部で発生される熱と外部に放熱される熱とが平衡し、その内部のフィラメント回路の温度は一定に保持される。しかし、フィラメントモールド体２Ａの場合には温度調整用ヒータを備えていないので、周囲温度が変化すると変化してしまうが、電気絶縁被覆材料の熱時定数によってその変化率は小さい。このため、実際はグリッドバイアス回路ＧＢがバイアス電圧を調整するので、フィラメント電圧の変動による問題は生じない。また、従来の場合には、電気絶縁被覆材料の熱時定数によって飽和温度に達するまでに長時間かかっていたのを、この実施形態では大幅に短縮することができ、短時間で安定した出力特性を得ることが可能である。

ここで、モールド物品１０Ａの飽和温度の予想値で安定したか否かの判断について説明する。先ず、第１の判断基準として、（１）図７に示すように、出力高電圧の変動がほぼ１／１００００００Ｖ（１ＰＰＭ）以内になること。第２の判断基準として、（２）モールド物品１０Ａの内部温度とフィラメントモールド体２Ａの内部温度との双方が、それぞれの飽和温度の予想値の±１℃の範囲内にあること。第３の判断基準として、（３）モールド物品１０Ａの内部温度とフィラメントモールド体２Ａの内部温度との双方が、１時間当たり±０．１℃の範囲内にあること。第４の判断基準として、（４）直流高電圧部がオン動作を開始して、モールド物品１０Ａが温度飽和する目標時間を超える時間、例えば５時間が経過していること。があげられる。これら（１）〜（４）項のいずれかが満足された時点をもって、モールド物品１０Ａの温度が飽和温度の予想値で安定したと判断する。

次に、前記モールド物品１０Ａを用いた出力電圧検出部１について説明を行う。出力電圧検出部１のモールド物品１０Ａは、図８に示すように、高電圧抵抗器（鎖線で示す）Ｒを電気絶縁被覆材料Ｃでモールドしてなり、その構造は図２に示したものとほぼ同様であるが、モールド物品１０Ａの後面ａと金属板１０Ｄとの間に空間ｂが存在するように、金属板１０Ｄで金属ジャケットを構成している。その空間に位置するように、モールド物品１０Ａの後面ａに基準電圧信号発生回路３０を構成する各種電子部品を搭載してなるプリント基板３０Ａが固定されている。前述したようにして、金属板１０Ｄからなる金属ジャケットの温度を一定に保持することによって、空間ｂの温度も一定になるから、基準電圧信号発生回路３０は一定温度に管理された状態にある。なお、プリント基板３０Ａのモールド物品１０Ａの後面ａへの取り付けは機械的なストレスがかからないように行われるのが好ましい。ここで、基準電圧信号発生回路３０は、図３に示すように、出力電圧検出部１により検出した電圧検出信号と比較される基準信号を発生するものである。

このように、基準電圧信号発生回路３０を電気絶縁被覆材料でモールドしないことによって、基準電圧信号発生回路３０に電気絶縁被覆材料の硬化時に生じる機械的ストレスを与えないだけでなく、金属板１０Ｄの温度を利用して基準電圧信号発生回路３０の温度を一定に保持しているので、基準電圧信号発生回路３０の温度ドリフトを小さくできる。したがって、基準電圧信号発生回路３０は高精度の基準電圧を発生することができ、出力電圧の高安定化、高精度化に寄与する。なお、基準電圧信号発生回路３０を電気絶縁被覆材料Ｃで一緒にモールドしてもよい。

三つの部分に分割してモールドされた出力電圧検出部１、フィラメント給電部２、高電圧昇圧部３からなる直流高電圧部を備える直流高電圧電源装置を半導体製造に用いる場合には、通常、直流高電圧電源装置はクリーンルームに配置される。クリーンルームの室温は、一般に２０〜２５℃の温度範囲のいずれかの値に設定され、前述のようにその設定温度に対して±１℃以内に保持される。したがって、前記直流高電圧部の周囲温度は最大でも２℃以内の変動となるので、電力容量の小さな温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ′でもって、十分に出力電圧検出部１を一定温度に保持することができる。

以上述べたようにこの実施形態では、出力電圧検出部１の飽和温度の予想値を求め、初期加熱用ヒータ１０Ｅを無制御で所定時間動作させて前記予想値に近い温度まで短時間で上昇させ、温度が安定した後には、温度調整用ヒータ１０Ｆ、１０Ｆ′をフィードバック制御して、電子部品装置１０のモールド物品１０Ａの温度を一定に保持しているので、周囲温度の外乱による温度変化に対して応答が極めて早く、電子部品装置１０のモールド物品１０Ａの内部温度を一定に維持することができる。そして、出力電圧の検出値の精度の安定化を図るばかりでなく、出力電圧の検出値と比較される基準電圧を発生する基準電圧発生回路の温度の高安定化も図って、基準電圧を高安定化させているので、直流出力高電圧の安定化をより高めることができる。

［実施形態２］
実施形態１では、温度制御手段をヒータとして説明したが、温度の上昇だけではなく、温度を降下、つまり、液体の温度制御を行って、昇温と冷却とを行える能力を有する手段とすることもできる。図９によって実施形態２について説明する。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の切断線Ｙ−Ｙ′での断面を示す。

図９（Ｂ）に示すように、この実施形態におけるモールド物品１０Ａは、その面積の大きな２面、好ましくはその２面を含む３面又は４面が、金属粉末の混入された導電性と熱伝導の良好な樹脂のようなコンパウンド層１０Ｂで覆われ、更にその外側をアルミニウムのような４枚の金属板１０Ｄでそれぞれ４面を囲んでいる。各金属板１０Ｄには銅パイプ１０Ｈが蛇行して形成されている。各金属板１０Ｄの銅パイプ１０Ｈは、それぞれの接続配管１０Ｉで接続されている。各金属板１０Ｄは断熱材１０Ｇで覆われている。図９（Ａ）では分かり易くするため、断熱材料層１０Ｇを省略している。ここで、コンパウンド層１０Ｂは金属板１０Ｄからなる金属ジャケットにモールド物品１０Ａを収納した状態で、それらの間にコンパウンドを流し込むことによって、接触熱抵抗を小さくすると共に、電位差を小さくしている。

各金属板１０Ｄの銅パイプ１０Ｈは、一対の配管１０Ｊ、１０Ｋによって温度制御ユニット４０に接続されている。この温度制御ユニット４０は、電気を熱に変換する電気−熱変換素子であるペルチエ素子を用いた電子的なものであり、水のような液体、又は空気のような気体を設定温度に対して±０．１℃の範囲で高精度の制御が可能なチラーである。なお、温度センサは図示していないが、実施形態１と同様にモールド物品１０Ａの周囲温度、内部温度、表面温度を検出する温度センサを備えている。

温度制御ユニット４０は、通過する液体又は気体を図示しない電気−熱変換素子で設定温度に温度制御し、温度調整された液体又は気体は配管１０Ｊ、１０Ｋを通って銅パイプ１０Ｈを流れ、循環する。温度調整された液体又は気体によって、金属板１０Ｄからなる金属ジャケットは設定温度に保持される。この温度制御ユニット４０においても、前述したように、初期にはモールド物品１０Ａの飽和温度の予想値よりも高い温度に制御温度を設定し、短時間で、金属板１０Ｄからなる金属ジャケットを設定温度まで上昇させる。その後、モールド物品１０Ａの飽和温度の予想値に温度を設定して、金属板１０Ｄからなる金属ジャケットの温度の様子を見、その温度が設定温度よりも高いときには、制御温度を下げて冷却を行い、又は設定温度よりも低いときには制御温度を上昇させて金属板１０Ｄからなる金属ジャケットの温度を上げる。つまり、温度制御ユニット４０はフィードバック制御により、配管１０Ｊ、１０Ｋへ流れる液体又は気体の温度制御を行って、モールド物品１０Ａが飽和温度の予想値にあるように制御する。

この実施形態２では、実施形態１のようにモールド物品１０Ａを温度上昇させる温度制御だけでなく、温度上昇と冷却との双方を行う能力を有しているので、モールド物品１０Ａの温度を上昇させ過ぎたとしても、冷却を行うことによって短時間でモールド物品１０Ａを設定温度にすることができる。また、冷却能力を有効に利用することによって、モールド物品１０Ａの温度を低めに安定させることができ、電子部品の利用効率を高めることができる。さらに、温度制御ユニット４０は初期用温度制御手段と温度調整用制御手段との双方の働きを行うので、単一の制御だけで良い。

また、実施形態２では、かなり高温の雰囲気でモールド物品１０Ａを使用する場合、モールド物品１０Ａを冷却する手段として利用でき、特にモールド物品１０Ａの電子部品に供給される電力が一定のときには、かなり高温の雰囲気よりも低い一定温度の下で電子部品を動作させることができる。なお、前記電子部品は電子回路又は電気回路、あるいはＦＥＴ、コンデンサ、これらと抵抗との組み合わせなどでも勿論よく、電力供給源として太陽電池を用いることも可能である。

また、図示しないが、実施形態１と実施形態２とを組み合わせた形で、加熱用ヒータと冷却用液体又は気体を供給する機構の双方をもつ構造としても良い。

半導体デバイスの製造に用いられる集積回路のマスク描画装置、種々の電子顕微鏡装置などの直流高電圧機器に安定な直流高電圧を供給する直流高電圧電源装置として利用される。

１・・・出力電圧検出部
２・・・フィラメント給電部
２Ａ・・・フィラメントモールド体
２Ｂ・・・フィラメント用ヒータ
３・・・高電圧昇圧部
１０・・・電子部品装置
１０Ａ・・・モールド物品
１０Ｂ・・・導電膜
１０Ｃ・・・コンパウンド
１０Ｄ・・・金属板
１０Ｅ・・・初期加熱用ヒータ
１０Ｆ、１０Ｆ’・・・温度調整用ヒータ
１０Ｇ・・・断熱材
１０Ｈ・・・銅パイプ
１０Ｉ・・・接続配管
１０Ｊ・・・配管
１０Ｋ・・・配管
２０・・・温度制御装置
３０・・・基準電圧発生回路
３０Ａ・・・基準電圧発生回路のプリント基板
４０・・・温度制御ユニット
Ｓ１〜Ｓ８・・・温度センサ

Claims (6)

1. 直流高電圧電源装置の出力電圧を検出するための出力電圧検出手段を電気絶縁被覆材料でモールドしてなるモールド物品による出力電圧検出値が、基準電圧発生手段の基準値になるように制御して、前記出力電圧を電気的に安定化する機能を有する直流高電圧電源装置の高安定化方法であって、
   前記モールド物品の周囲温度Ｔａを考慮して求められる該モールド物品の飽和温度の予想値Ｔｂになるように、前記モールド物品の温度を制御し、前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定するとき、その安定した温度を保持するように温度制御することを特徴とする直流高電圧電源装置の高安定化方法。
2. 出力電圧検出手段を電気絶縁被覆材料で覆ってなるモールド物品と、低電圧を直流高電圧に変換する直流高電圧昇圧部であって、前記出力電圧検出手段とは別に電気絶縁被覆材料でモールドされている前記直流高電圧昇圧部と、フィラメントとカソードとを有する管球の前記フィラメントに電力を供給するためのフィラメント給電部であって、前記出力電圧検出手段と前記直流高電圧昇圧部とは別に電気絶縁被覆材料でモールドされている前記フィラメント給電部とを備え、出力電圧を検出する前記出力電圧検出手段の検出値が基準電圧発生回路の基準値になるように制御して、前記出力電圧を電気的に安定化する機能を有する直流高電圧電源装置の安定化方法であって、
   前記モールド物品の周囲温度Ｔａを考慮して求められる該モールド物品の飽和温度の予想値Ｔｂになるように、前記モールド物品の温度を制御し、前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定するとき、その安定した温度を保持するように温度制御すると共に、
   前記直流高電圧電源装置の起動時には、前記フィラメント給電部がその飽和温度の予想値になるように、前記フィラメント給電部の外面を加熱又は冷却することを特徴とする直流高電圧電源装置の高安定化方法。
   
3. 請求項２において、
   前記出力電圧の安定性、前記直流高電圧電源装置の運転時間、前記モールド物品の内部温度と前記フィラメント給電部の内部温度との差が所定値以内にあるか否か、前記モールド物品の内部温度と前記フィラメント給電部の内部温度とが前記飽和温度近辺にあるか否かの四つの条件のいずれか、又は組み合わせを前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定したか否かの判断ファクタとすることを特徴とする直流高電圧電源装置の高安定化方法。
4. 請求項２又は請求項３において、
   前記基準電圧発生回路の温度は、前記モールド物品の外面の温度とほぼ同じになるように設定されることを特徴とする直流高電圧電源装置の高安定化方法。
5. 直流高電圧電源装置の出力電圧を検出するための出力電圧検出手段を電気絶縁被覆材料でモールドしてなるモールド物品による出力電圧検出値が、基準電圧発生手段の基準値になるように制御して、前記出力電圧を電気的に安定化する機能を有する直流高電圧電源装置であって、
   前記モールド物品の周囲温度Ｔａを考慮して求められる該モールド物品の飽和温度の予想値Ｔｂになるように、前記モールド物品の温度を制御し、前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定するとき、その安定した温度を保持するように温度制御することを特徴とする直流高電圧電源装置。
6. 出力電圧検出手段を電気絶縁被覆材料で覆ってなるモールド物品と、低電圧を直流高電圧に変換する直流高電圧昇圧部であって、前記出力電圧検出手段とは別に電気絶縁被覆材料でモールドされている前記直流高電圧昇圧部と、フィラメントとカソードとを有する管球の前記フィラメントに電力を供給するためのフィラメント給電部であって、前記出力電圧検出手段と前記直流高電圧昇圧部とは別に電気絶縁被覆材料でモールドされている前記フィラメント給電部とを備え、出力電圧を検出する前記出力電圧検出手段の検出値が基準電圧発生回路の基準値になるように制御して、前記出力電圧を電気的に安定化する機能を有する直流高電圧電源装置であって、
   前記モールド物品の周囲温度Ｔａを考慮して求められる該モールド物品の飽和温度の予想値Ｔｂになるように、前記モールド物品の温度を制御し、前記モールド物品の温度が前記飽和温度の予想値Ｔｂ又はその近辺の温度で安定するとき、その安定した温度を保持するように温度制御すると共に、
   前記直流高電圧電源装置の起動時には、前記フィラメント給電部がその飽和温度の予想値になるように、前記フィラメント給電部の外面を加熱又は冷却することを特徴とする直流高電圧電源装置。
   

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