JP5891953B2 - 支持部材、加熱プレート支持装置及び加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱プレートの変形を抑制するためのバックアッププレートに用いる支持部材、加熱プレート支持装置及び加熱装置に関する。

従来より、平板状の被加熱物を加熱するために、シースヒータなどの加熱手段を備え平板状に形成された加熱プレートが用いられている。加熱プレートの材質は、金属製、セラミックス製などがあるが、コストなどの理由から金属製のものが多い。中でも銅やアルミニウムは熱伝導率が大きいため加熱面の温度分布が均一になり易く、ワット密度を大きくし易いことから、加熱プレートの材料として広く利用されている。

しかし、これらの材料はヤング率が低いため自重や外力により生じるたわみが大きく、比較的低い使用温度でクリープ変形しやすいことから、変形を抑制するために加熱プレートを剛性の高いバックアッププレートで支持することがある。ここで、加熱プレートの全面をバックアッププレートで支持する場合、面接触が十分でなく接触する部分と接触しない部分が存在すると、伝熱形態が異なることから大きな温度分布、たわみが発生するおそれがある。これにより、加熱プレートの加熱面の平面度が低下するおそれがある。特に真空中で使用する場合は、非接触部の伝熱形態が輻射のみとなるため、接触部との温度差が増大し、より大きな温度差、たわみが発生するおそれがある。

温度分布を改善する方法として、特許文献１に記載の技術のように、バックアッププレートと加熱プレートの間に複数の円柱状の支持部品を設置し、両者の間に空間を設ける方法や、特許文献２に記載の技術のように、先端形状が円錐等の尖塔状または半球状である支持部品を用いる方法が考えられる。

特開平１０−９５６３７号公報 特開２００２−２４６２８６号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、支持部品が設置された部分において加熱プレートからバックアッププレートへの熱の移動量が多くなり、温度分布が局所的に不均一になるという問題がある。
また、特許文献２に記載の技術では、加熱プレートと支持部品の接触部分で熱抵抗を大きくすることにより熱移動を抑制することができるが、加熱プレートを支持する面圧が高くなるため、加熱プレートに支持部品先端が食い込んだり、また、バックアッププレートと加熱プレートの熱膨張差により起こる相対的な移動が阻害され、新たな変形や応力を発生させるという問題がある。

そこで、本発明は、加熱プレートの温度差及び変形を抑制することができるバックアッププレートに用いる支持部材、加熱プレート支持装置及び加熱装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を実現するために、請求項１に記載の発明では、被加熱物を載置して加熱する平板状の加熱プレートを、前記加熱プレートの変形を抑制する平板状のバックアッププレートから離間して支持するための支持部材であって、前記加熱プレートよりも小さい平板状に形成された１個以上の支持プレートと、前記支持プレートを支持する１個以上の支持コマと、を備え、前記支持プレートと前記支持コマとは、交互に１層以上積層して設けられており、最上部の支持プレートの上面に前記加熱プレートを載置して支持し、前記支持プレートと前記支持コマとの接触面積が前記載置面の面積より小さくなるように構成されている、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、加熱プレートを支持部材によりバックアッププレートから離間して支持するため、加熱プレートが直接バックアッププレートに接触している場合に比べて、温度差を低減させることができ、変形を効果的に抑制することができる。
加熱プレートは支持プレートにより面で受けて支持されるため、加熱プレートに支持部材が食い込んだり、バックアッププレートと加熱プレートの熱膨張差により起こる相対的な移動を阻害することがなく、加熱プレートの変形を抑制して支持可能である。
更に、支持部材は支持コマにより大きな熱抵抗を発生させることができるため、加熱プレートからバックアッププレートへ流れる熱量を抑制させることができる。
これにより、加熱プレートの温度差及び変形を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１の発明に記載の支持部材において、前記最上部の支持プレートの上面の端部に、面取り加工が施されている、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明によれば、支持プレートに対して加熱プレートが相対的に移動する場合にも、加熱プレートと接触する支持プレートの上面の端部で過大な応力が生じるおそれがなく、好適である。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の支持部材において、前記支持プレートと前記支持コマとが一体的に形成されている、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明によれば、支持部材の部品点数を減らすことができ、バックアッププレートに支持部材を配置する工程で省力化が可能である。

請求項４に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の支持部材において、前記支持プレートと前記支持コマとが球座を構成する、という技術的手段を用いる。

支持部材を請求項４に記載の発明のように構成することにより、支持部材に加熱プレートを載置したときに自動的に調心されるので、安定して支持することができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の支持部材を複数個と、バックアッププレートと、を備えた加熱プレート支持装置であって、各支持部材の最上部の支持プレートの上面により前記加熱プレートを載置して支持する載置面を構成し、当該載置面の面積及び前記支持部材の前記バックアッププレートにおける配置が前記加熱プレートの変形を抑制可能となるように構成されている、という技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明のように、バックアッププレートに複数個の支持部材を適切に配置することにより、加熱プレートの変形を抑制可能な加熱プレート支持装置を構成することができる。

請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の加熱プレート支持装置において、前記加熱プレートが金属材料からなる場合に、前記加熱プレートの重量を前記載置面の面積により除して求めた面圧が、使用温度における０．２％耐力以下である、という技術的手段を用いる。

請求項６に記載の発明のように面圧が使用温度における０．２％耐力以下であるように構成することにより、加熱プレートの支持部材との接触部近傍における変形をより効果的に抑制することができる。

請求項７に記載の発明では、請求項５または請求項６に記載の加熱プレート支持装置と、前記加熱プレートと、を備えた加熱装置、という技術的手段を用いる。

請求項７に記載の発明によれば、加熱プレートの変形及び温度差を抑制することができるので、加熱プレートの平面度が高く均一な加熱が可能な加熱装置とすることができる

本発明の支持部材、加熱プレート支持装置及び加熱装置の構造を示す断面説明図である。 支持部材の構造を示す説明図である。図２（Ａ）は断面説明図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 支持部材の配置の変更例を示す説明図である。図３（Ａ）は断面説明図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 支持部材の構造の変更例を示す説明図である。図４（Ａ）は、上図が第１支持プレートと支持コマとを交互に複数層設けた構成の断面説明図、下図が上図のＡ−Ａ矢視図である。図４（Ｂ）は、バックアッププレート上へ支持コマを直接設置する構成の断面説明図である。 支持部材の構造の変更例を示す断面説明図である。

本発明の支持部材、加熱プレート支持装置及び加熱装置について、図を参照して説明する。

図１に示すように、加熱装置１は、被加熱物を加熱面である上面２０ａに載置し加熱する加熱プレート２０、加熱プレート２０の変形を抑制するためのバックアッププレート３０及び加熱プレート２０を支持する支持部材１０を備えている。ここで、バックアッププレート３０及び支持部材１０が加熱プレート２０を支持する加熱プレート支持装置２を構成する。加熱装置１は、チャンバーなどに収容し、雰囲気制御下で被加熱物を加熱することもできる。

加熱プレート２０は、平板状に形成されたヒータユニットであり、銅やアルミニウムなどの金属プレートの内部にシースヒータが埋め込まれて、均一な面加熱が可能に構成されている。加熱手段としては、加熱されたオイルなどの熱媒体の循環によるもの、電磁誘導により自己発熱するものなどを採用することもできる。

バックアッププレート３０は、加熱プレート２０のクリープ変形などの変形を抑制するために用いられる平板状の部材である。バックアッププレート３０は、自重、外力、温度差などによるたわみが小さく、熱的に安定である必要がある。具体的には、ヤング率が大きく、比重が軽く、熱膨張係数が小さく、耐クリープ性に優れる性質を有することが要求され、セラミックス材料で構成することが好適である。本実施形態では、アルミナ製のバックアッププレート３０を用いるが、加熱プレート２０の使用温度や使用環境、材質などを勘案し、材質は適宜選定することができる。例えば、セラミックス材料、特に、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化けい素、炭化けい素、窒化アルミニウムなど、セラミックス材料の中でも比較的ヤング率が大きく、比重が軽く、熱膨張係数が小さく、耐クリープ性に優れる性質を有するものを好適に用いることができる。また、耐熱合金を用いることもできる。

支持部材１０は、バックアッププレート３０の複数個所に設けられており、第１支持プレート１１の上面１１ａにより加熱プレート２０を載置して支持する載置面Ｓを構成する。これにより、バックアッププレート３０は、複数個所で複数個の支持部材１０を介して加熱プレート２０を離間した状態で支持することができる。これにより、加熱プレート２０からバックアッププレート３０への熱伝達は輻射及び対流が支配的となるため、加熱プレート２０が直接バックアッププレート３０に接触している場合に比べて、温度差を低減させることができ、変形をより効果的に抑制することができる。

支持部材１０は、加熱プレート２０の上面２０ａの平面度が所定の精度を維持できる個数でバックアッププレート３０に配置する。ここで、支持部材１０は、温度分布を改善し、加熱プレート２０の上面２０ａの平面度の維持する観点から、できるだけ少ない数を大きな偏りなく配置することが好ましい。本実施形態では、支持部材１０を対称に４個配置したが、これに限定されるものではない。

加熱プレート２０とバックアッププレート３０との間隙は、外部への放熱を少なくし温度差を抑えるため、できるだけ小さく設定することが好ましい。例えば、両プレート間の間隙を大きく設定した場合は、両プレートの側面全周にある間隙からその周辺への対流、輻射による放熱が多くなり、側面全周の温度が低下して両プレート共に温度分布による変形が生じやすくなる。よって、間隙は小さいほど、変形を抑制できる。また、構造や組み付け上の都合により間隙を大きく設定する必要がある場合は、加熱プレート２０とバックアッププレート３０との間にセラミックウール等の断熱材を充填し、間隙から周辺への放熱を抑制することもできる。

図２に支持部材１０の構造を示す。支持部材１０は、バックアッププレート３０の所定の位置に形成された凹部または段差を有する貫通孔からなる固定部３０ｂに、上面１１ａがバックアッププレート３０の上面３０ａからわずかに突出するように位置決めされて配置されている。

支持部材１０は、第１支持プレート１１、支持コマ１２及び第２支持プレート１３を備えている。支持部材１０を構成する材料は、バックアッププレート３０と同様の材料を用いることができ、本実施形態ではアルミナを用いる。

第１支持プレート１１は、円板状に形成されており、上面１１ａが加熱プレート２０を載置する載置面Ｓとなる。下面１１ｂには、支持コマ１２を位置決めするための受け部１１ｃが形成されている。

第１支持プレート１１の上面１１ａの面積は、加熱プレート２０から支持部材１０を介してバックアッププレート３０に伝達される熱量を少なくするために小さくすることが好ましいが、第１支持プレート１１が高温で軟化している加熱プレート２０に食い込む、など加熱プレート２０が変形することを抑制するために、面圧が高くならないようにする必要がある。例えば、加熱プレート２０の重量を載置面Ｓの合計面積により除して求めた面圧が、使用温度における０．２％耐力以下となるように設定すればよい。これにより、加熱プレート２０の変形をより効果的に抑制することができる。

上面１１ａは、加熱プレート２０の水平方向の動きを阻害しないような表面粗度に仕上げられている。また、上面１１ａの端部１１ｄにはＲ取り加工により面取り加工を施こすことが好ましい。これにより、第１支持プレート１１に対して加熱プレート２０が相対的に移動する場合にも、上面１１ａの端部で過大な応力が生じるおそれがない。Ｒ取り加工に代えてＣ取り加工により面取り加工を施してもよい。

ここで、第１支持プレート１１の外周形状は、上面１１ａが平面であれば円板状以外でもよく、楕円や多角形などにすることもできる。

第２支持プレート１３は、第１支持プレート１１と同様、円形の平板状に形成されており、下面１３ｂにおいてバックアッププレート３０により支持される。上面１３ａには、支持コマ１２を位置決めするための受け部１３ｃが形成されている。本実施形態では、第１支持プレート１１と同形状とするが、支持コマ１２を介して第１支持プレート１１を適切に支持することができれば形状は任意である。但し、あまり大きな形状とするとバックアッププレート３０の固定部３０ｂを大きくする必要があり、バックアッププレート３０の強度低下を引き起こす恐れがあるので、過度に大きな形状とすることは好ましくない。ここで、第２支持プレート１３は、バックアッププレート３０との間に熱膨張差に起因する応力が発生しないように、バックアッププレート３０と同じ材料で構成することが好ましい。

支持コマ１２は、第１支持プレート１１と第２支持プレート１３との間に介在し、支持部材１０を介して加熱プレート２０からバックアッププレート３０へ流れる熱量を抑制する熱抵抗となる部材である。本実施形態において、支持コマ１２は、円柱状の本体１２ａの両端部に突起部１２ｂを有し、その突起部１２ｂが第１支持プレート１１の受け部１１ｃ及び第２支持プレート１３の受け部１３ｃにそれぞれ嵌合され、第１支持プレート１１と第２支持プレート１３との間に位置決めされて配置されている。

支持コマ１２は、第１支持プレート１１との接触面積が、第１支持プレート１１の上面１１ａ、つまり載置面Ｓの面積よりも小さくなるように形成されている。加熱プレート２０から第１支持プレート１１へ伝達されバックアッププレート３０へ向かう熱流に対して、大きな熱抵抗として作用するため、支持部材１０を介して加熱プレート２０からバックアッププレート３０へ流れる熱量を少なくすることができる。これにより、加熱プレート２０の温度差及び変形を抑制することができる。

加熱装置１の使用環境において、支持部材１０として十分な構造強度を有するならば、支持コマ１２は、熱抵抗を大きくするためにできるだけ水平方向の断面形状が小さくなるように形成することが好ましい。ここで、本実施形態では、支持コマ１２は断面形状が円形に形成されているが、これに限定されるものではなく、各種形状を採用することができる。

支持コマ１２は、第１支持プレート１１の受け部１１ｃ及び第２支持プレート１３の受け部１３ｃなどのように互いに設けた凸凹を組み合わせるなどをして位置決めすることが好ましいが、位置決め方法は特に限定されるものではない。支持コマ１２を突起部１２ｂのない円柱形状とし、受け部１１ｃ及び受け部１３ｃをその円柱形状に合わせた形状に形成してもよい。また、支持コマ１２で安定して第１支持プレート１１を支持できるならば、必ずしも受け部などを設けなくてもよい。

１つの第１支持プレート１１を支える支持コマ１２の数は、熱抵抗を大きくするためには少ない方がよいが、安定した支持状態を得るためには複数個用いることが好ましく、図３に示すように、３個の支持コマで支えることが更に好ましい。ここで、複数個の支持コマ１２が第１支持プレート１１と接触する面積は、第１支持プレート１１が加熱プレート２０と接触する面積よりも小さい。

加熱プレート２０からバックアッププレート３０への伝熱を更に抑制するために、図４（Ａ）に示すように、第１支持プレート１１と支持コマ１２とを交互に複数層重ねて設けることもできる。ここで、１層目の３個の支持コマ１２と２層目の３個の支持コマ１２とは点対称となるように配置した。
また、図４（Ｂ）に示すように、バックアッププレート３０上へ支持コマ１２を直接設置し、第１支持プレート１１を支持する構成を採用することもできる。

支持部材１０は、図５に示すように、第１支持プレート１１及び第２支持プレート１３と支持コマ１２とが球座を構成するように形成することができる。これにより、支持部材１０に加熱プレート２０を載置したときに球座により自動的に調心されるので、加熱プレート２０を安定して支持することができる。

第１支持プレート１１または第２支持プレート１３と、支持コマ１２と、を一体的に形成することもできる。これによれば、支持部材１０の部品点数を減らすことができ、バックアッププレート３０に支持部材１０を配置する工程で省力化が可能である。

（実施形態の効果）
本発明の支持部材１０によれば、加熱プレート２０をバックアッププレート３０から離間して支持するため、加熱プレート２０が直接バックアッププレート３０に接触している場合に比べて、温度差を低減させることができ、変形を効果的に抑制することができる。
加熱プレート２０は第１支持プレート１１により面で受けて支持されるため、加熱プレート２０に支持部材１０が食い込んだり、バックアッププレート３０と加熱プレート２０の熱膨張差により起こる相対的な移動を阻害することがなく、加熱プレート２０の変形を抑制して支持可能である。
更に、支持部材１０は支持コマ１２により大きな熱抵抗を発生させることができるため、加熱プレート２０からバックアッププレート３０へ流れる熱量を抑制させることができる。
これにより、加熱プレート２０の温度差及び変形を抑制することができる。
また、複数個の支持部材１０とバックアッププレート３０とを備えた加熱プレート支持装置２は、バックアッププレート３０に複数個の支持部材１０を適切に配置することにより、加熱プレート２０の変形を抑制可能な加熱プレート支持装置として構成される。
そして、加熱プレート支持装置２及び加熱プレート２０を備えた加熱装置１は、加熱プレート２０の変形及び温度差を抑制することができるので、加熱プレート２０の平面度が高く均一な加熱が可能な加熱装置とすることができる

１…加熱装置
２…加熱プレート支持装置
１０…支持部材
１１…第１支持プレート
１２…支持コマ
１３…第２支持プレート
２０…加熱プレート
３０…バックアッププレート
Ｓ…載置面

Claims (7)

1. 被加熱物を載置して加熱する平板状の加熱プレートを、前記加熱プレートの変形を抑制する平板状のバックアッププレートから離間して支持するための支持部材であって、
   前記加熱プレートよりも小さい平板状に形成された１個以上の支持プレートと、
   前記支持プレートを支持する１個以上の支持コマと、を備え、
   前記支持プレートと前記支持コマとは、交互に１層以上積層して設けられており、
   最上部の支持プレートの上面に前記加熱プレートを載置して支持し、前記支持プレートと前記支持コマとの接触面積が前記載置面の面積より小さくなるように構成されていることを特徴とする支持部材。
2. 前記最上部の支持プレートの上面の端部に、面取り加工が施されていることを特徴とする請求項１に記載の支持部材。
3. 前記支持プレートと前記支持コマとが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の支持部材。
4. 前記支持プレートと前記支持コマとが球座を構成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の支持部材。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の支持部材を複数個と、バックアッププレートと、を備えた加熱プレート支持装置であって、
   各支持部材の最上部の支持プレートの上面により前記加熱プレートを載置して支持する載置面を構成し、
   当該載置面の面積及び前記支持部材の前記バックアッププレートにおける配置が前記加熱プレートの変形を抑制可能となるように構成されていることを特徴とする加熱プレート支持装置。
6. 前記加熱プレートが金属材料からなる場合に、前記加熱プレートの重量を前記載置面の面積により除して求めた面圧が、使用温度における０．２％耐力以下であることを特徴とする請求項５に記載の加熱プレート支持装置。
7. 請求項５または請求項６に記載の加熱プレート支持装置と、
   前記加熱プレートと、
   を備えたことを特徴とする加熱装置。
   

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