JPH1079283A

JPH1079283A - パルスヒータ

Info

Publication number: JPH1079283A
Application number: JP8232890A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Uesugi; 茂紀上杉
Original assignee: PFU Ltd
Current assignee: PFU Ltd
Priority date: 1996-09-03
Filing date: 1996-09-03
Publication date: 1998-03-24
Anticipated expiration: 2016-09-03
Also published as: JP3286178B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、パルスヒータに関し、トランスの
大型化、個数の増加等を招くことなく、温度上昇の急峻
さ及び高速温度制御を保つことを目的とする。【解決手段】矩形波インバータ３からの出力をトラン
ス５１及び５２を介してヒータ８に供給する。ヒータ８
のヒータプレート６の外周部分に４個の電極７１乃至７
４が設けられる。２個のトランス５１及び５２の各々の
２次側は、４個の電極７１乃至７４の隣接する各々の極
性が逆極性となるように、これらに接続される。矩形波
インバータ３からの出力を２個のトランス５１及び５２
の各々の１次側に供給し、２個のトランス５１及び５２
を同時に同一条件で駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルスヒータに関
し、特に矩形波インバータからの出力をトランスを介し
てヒータプレートに供給するパルスヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来技術説明図であり、従来のパ
ルスヒータを示す。従来のパルスヒータは、ヒータプレ
ート１０６に対して大電流を流して、ジュール発熱さ
せ、ヒータ１０８全体の急加熱と高速温度制御を実現し
ている。

【０００３】ヒータプレート（発熱体）１０６は、通
常、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）に示すように、金属又は
導電性セラミクスからなる非磁性特性の導電体を板状に
加工したものからなる。ヒータプレート１０６に対する
電流は、ヒータプレート１０６の４角に設けられた電極
（兼脚部）１０７を介して供給される。矩形波インバー
タ１０３及びこれに対応する変換用のトランス１０５が
２組設けられる。矩形波インバータ１０３において形成
された図８（Ｄ）に示す矩形波電圧が、対応するトラン
ス１０５を介して、ヒータプレート１０６の一対の電極
１０７に印加される。従って、ヒータプレート１０６に
おいて、主として、図８（Ａ）中の矢印の方向に電流が
流れる。矩形波インバータ１０３の出力電流波形は、図
８（Ｄ）に示すような波形となる。

【０００４】矩形波インバータ１０３は、図８（Ａ）に
示すように、対応するＰＩＤコントローラ１０２により
独立に制御、駆動される。ヒータ温度検出用の熱電対１
０９からの検出信号がＰＩＤコントローラ１０２に入力
される。ＰＩＤコントローラ１０２は、温度設定用のコ
ンピュータ１０１により監視制御され、熱電対１０９か
らの検出信号に基づいてヒータ１０８の温度がコンピュ
ータ１０１により与えられた温度となるように、矩形波
インバータ１０３の駆動信号を形成する。

【０００５】ＰＩＤコントローラ１０２からの駆動信号
は、発振器１１１及び図示のゲート回路１１２及び１１
３からなる時分割回路１１０を介して、各矩形波インバ
ータ１０３に供給される。時分割回路１１０は、２個の
矩形波インバータ１０３の同時動作を避けるようにこれ
らを時分割運転する。例えば、期間ｔ１の間は、図中左
の矩形波インバータ１０３に駆動パルスを１００個供給
し、図中右の矩形波インバータ１０３には駆動パルスを
供給せず停止させる。次の期間ｔ２の間は、この逆とす
る。これにより、ヒータプレート１０６に流れるピーク
電流Ｉｐの大きさを一定値以下に抑えつつ、その急加熱
と高速温度制御を実現している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】パルスヒータの特徴は
その急加熱性能と高速温度制御にある。しかし、発熱体
であるヒータプレート１０６が大きくなると、以下のよ
うな問題が生じる。

【０００７】第１に、温度上昇の急峻さを保つために
は、より大きな電流をヒータプレート１０６に流す必要
がある。このためには、矩形波インバータ１０３を用い
た場合、トランス１０５のサイズを大きくする他なく、
装置の大型化を招く。即ち、矩形波インバータ１０３に
流れる電流のピーク値Ｉｐは、Ｉｐ＝Ｅ／Ｌ₁・ｔ・・（式１）で表される。ここで、Ｅは印可電圧の波高値、Ｌ₁はト
ランス１０５の１次側から見たインダクタンス、ｔは電
圧印可時間である。従って、大きな電流Ｉｐを流そうと
すると、電圧Ｅを上げるか、インダクタンスＬ₁を下げ
るか、矩形波インバータ１０３の駆動周波数ｆ（＝１／
２ｔ）を下げるかのいずれかを選択することになる。但
し、駆動周波数を上げる事は、漏れ磁界が周囲に悪影響
を及ぼすので好ましくないため、これらは、同一の磁気
特性を持つコア材を用いるとすると、いずれもコアの断
面積を増加させること、即ち、トランス１０５を大きく
することによる対応となることを意味する。

【０００８】第２に、図８（Ａ）のパルスヒータにおい
て、温度上昇の急峻さを保つために単純に電流値を増加
させた場合、ヒータプレート１０６内の電流経路の部分
とそうでない部分との間の温度差が大きくなってしま
う。このため、ヒータプレート１０６の全体に熱が伝わ
るまでに要する時間が長くなってしまい、結果として、
温度上昇の急峻さ及び高速温度制御を保つことができな
くなる。そこで、一般的には、図８（Ａ）のパルスヒー
タにおいて、矩形波インバータ１０３及びこれに対応す
るトランス１０５を２個から４個に増加し、この４個を
時分割運転することによって、温度上昇の急峻さ等を保
っている。しかし、このような構成は、装置の大型化と
高価格化を招く。

【０００９】本発明は、トランスの大型化を招くことな
く、大型のヒータの温度上昇の急峻さ及び高速温度制御
を保つことができるパルスヒータを提供することを目的
とする。

【００１０】また、本発明は、矩形波インバータ及びト
ランスの個数を増加させることなく、大型のヒータの温
度上昇の急峻さ及び高速温度制御を保つことができるパ
ルスヒータを提供することを目的とする。

【００１１】更に、本発明は、トランスの大型化、矩形
波インバータ及びトランスの個数の増加を招くことな
く、大型のヒータの温度上昇の急峻さ及び高速温度制御
を保つことができるパルスヒータを提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理構成
図であり、本発明によるパルスヒータの構成を示してい
る。図１（Ａ）は本発明の第１の原理構成を示す。図１
（Ａ）に示すパルスヒータは、矩形波インバータ３から
の出力をトランス５１及び５２を介してヒータ８に供給
する。ヒータ８の（ヒータプレート６の）外周部分に４
個の電極７１乃至７４が設けられる。２個のトランス５
１及び５２の各々の２次側は、ヒータ８の４個の電極７
１乃至７４の内の隣接する電極７１と７２及び７３と７
４に、当該４個の電極７１乃至７４の隣接する各々の極
性が逆極性となるように接続される。矩形波インバータ
３からの出力を２個のトランス５１及び５２の各々の１
次側に供給し、２個のトランス５１及び５２を同時に同
一条件で駆動する。

【００１３】図１（Ｂ）は本発明の第２の原理構成を示
す。図１（Ｂ）に示すパルスヒータは、矩形波インバー
タ３１からの出力をトランス５１を介してヒータ８に供
給する。トランス５１の２次側は、ヒータ８の電極７１
及び７２に接続される。矩形波インバータ３１からの出
力はトランス５１の１次側に供給される。矩形波インバ
ータ３１とトランス５１の１次側との間に、共振用のコ
ンデンサ４１が直列に挿入される。コンデンサ４１とト
ランス５１のインダクタンス及び直列等価抵抗とで、直
列共振回路が構成される。

【００１４】なお、図１（Ｂ）のパルスヒータにおい
て、ヒータ８（のヒータプレート６）が四角形状である
ために４個の電極７１乃至７４が設けられているので、
残りの電極７３及び７４について、前述と全く同様に、
矩形波インバータ３２、共振用のコンデンサ４２及びト
ランス５２が設けられる。これにより、前述と全く同様
に、コンデンサ４２とトランス５２のインダクタンス及
び直列等価抵抗とで、直列共振回路が構成される。但
し、ヒータ８の電極の数が２個である場合、矩形波イン
バータ３２、コンデンサ４２及びトランス５２は不要で
ある。

【００１５】図１（Ａ）に示す本発明のパルスヒータに
よれば、４個の電極７１乃至７４の隣接する各々の極性
が逆極性となるように接続される。従って、逆極性であ
る隣接する電極７１乃至７４の各々の間に電流が流れ
る。これにより、ヒータ８（のヒータプレート６）内に
おいて、電流径路が主としてその外周部分に沿って満偏
なく形成される。従って、大型のヒータ８において、温
度上昇の急峻さを保つために電流値を増加させた場合で
も、ヒータプレート６内の電流経路の部分とそうでない
部分との間の温度差を小さくすることができる。このた
め、ヒータプレート６の全体に熱が伝わるまでに要する
時間が長くなることを防止でき、温度上昇の急峻さ及び
高速温度制御を保つことができる。即ち、２個のトラン
ス５１及び５２のみで４極のパルスヒータを少ない温度
ばらつきで高速に加熱できる。従って、矩形波インバー
タ３及びトランス５１，５２の個数を２個から４個に増
加せずとも、大型のヒータ８において温度上昇の急峻さ
及び高速温度制御を保ちつつ、装置の大型化と高価格化
を防止できる。

【００１６】図１（Ｂ）に示す本発明のパルスヒータに
よれば、矩形波インバータ３１とトランス５１の１次側
との間に、共振用のコンデンサ４１が直列に挿入され
る。コンデンサ４１とトランス５１のインダクタンス及
び直列等価抵抗とで、直列共振回路が構成される。この
共振を利用することにより、当該直列共振回路を介して
ヒータ８により大きな電流を流すことができる。即ち、
矩形波インバータ３に流れる電流のピーク値Ｉｐを、
（式１）における電圧Ｅを上げたり、インダクタンスＬ
₁を下げたり、矩形波インバータ３の駆動周波数ｆ＝１
／２ｔを下げたりすることなく大きくすることができ
る。これはトランス５２についても同様である。以上の
ことは、コアの断面積を増加させること、即ち、トラン
ス５１及び５２を大きくすることなく、大型のヒータ８
において温度上昇の急峻さ（及び高速温度制御）を保つ
ために、より大きな電流をヒータ８（のヒータプレート
６）に流すことができることを意味する。従って、矩形
波インバータ３１，３２を用いた場合でも、大型のヒー
タ８において温度上昇の急峻さ及び高速温度制御を保ち
つつ、トランス５１及び５２のサイズの大型化、即ち、
装置の大型化を防止できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図２は本発明のパルスヒータの構
成及び動作を示す。図２（Ａ）に示すパルスヒータは、
１個の矩形波インバータ３、１個の共振用のコンデンサ
４、２個の変換用のトランス５１及び５２及びヒータ８
を備える。このパルスヒータにおいては、矩形波インバ
ータ３からの出力をコンデンサ４とトランス５１及び５
２とを介してヒータ８に供給する。

【００１８】矩形波インバータ３はＰＩＤコントローラ
２によって制御され、駆動される。このために、ヒータ
８のヒータプレート６の温度を検出するヒータ温度検出
用の熱電対９からの検出信号がＰＩＤコントローラ２に
入力される。ＰＩＤコントローラ２は、温度設定用のコ
ンピュータ１によって監視制御され、熱電対９からの検
出信号に基づいて、ヒータ８の温度がコンピュータ１に
よって与えられた温度となるように、矩形波インバータ
３の駆動信号を形成する。ＰＩＤコントローラ２からの
駆動信号は矩形波インバータ３に供給される。これによ
り、ヒータプレート６の急加熱と高速温度制御を実現し
ている。

【００１９】具体的には、ＰＩＤコントローラ２は、一
定周期で熱電対９からの温度データをサンプリングし
て、これを用いてＰＩＤ演算して、矩形波インバータ３
をＰＷＭ制御又は、周波数変調制御又は、発振器を内蔵
したインバータのＯＮ−ＯＦＦ制御を行う。これによ
り、矩形波インバータ３が出力する電力が変更され、ヒ
ータ８の通電時間も変更され、温度制御が行われる。

【００２０】なお、この例においては、ヒータプレート
６の温度がその外周部分において後述するように略均一
に保たれるので、熱電対９は１個のみ設ければ良い。従
って、この点でも、装置の高速温度制御性能の低下なし
で、図８との比較からも判るように、装置の簡略化によ
る低価格化を図り得る。

【００２１】ヒータ８のヒータプレート（発熱体）６
は、通常、図３（Ａ）に示すように、金属又は導電性セ
ラミクスからなる非磁性特性の導電体を一体の四角形状
の板状に加工したものからなる。ヒータプレート６の外
周部分の４角には、電極（兼脚部）７１乃至７４が設け
られる。ヒータプレート６に対する電流は電極７１乃至
７４を介して供給される。図３（Ａ）はヒータ８の平面
図及び側面図を示す。電極７２及び７３（及び７１、７
４）に形成された小孔は、ヒータプレート６に電流を流
すための大電流用リード線固定用ネジ穴である。

【００２２】これらのヒータ８即ちパルスヒータの主た
る用途は、半導体装置の一種であるフリップチップ実装
で用いる。半導体チップの平面形状が四角形状であるの
で、ヒータプレート６もその平面形状を四角形状とされ
る。

【００２３】なお、ヒータ８は、図３（Ｂ）に示すよう
に、脚部の付設された四角形状の枠体８１の四辺の各々
に抵抗からなるヒータ部６１乃至６４を設けた構造であ
っても良い。この場合の用途は、ＴＣＰ（テープキャリ
アパッケージ）のボンディング（ＴＡＢ）である。即
ち、ＴＣＰのアウターリードを実装基板にハンダ付けす
る際に、ＴＣＰに熱的ダメージを与えないように、急激
に加熱してハンダをリフローさせてハンダ付けを行うも
のである。ヒータ部６１乃至６４は、均一な加熱のため
に同一種類の同一形状の抵抗からなる。電極（図示省
略）は、隣接するヒータ部６１乃至６４の間にこれらを
接続するように設けられる。この場合、ＴＣＰの四辺か
ら外方に向けて延びるアウターリードの位置に対応する
位置にヒータ部６１乃至６４が設けられる。従って、ヒ
ータ部６１乃至６４は実質的に四角形状を描くようにさ
れる。図３（Ｂ）はヒータ８の平面図及び側面図を示
す。枠体８１に形成された小孔は、ヒータ部６１乃至６
４に電流を流すための大電流用リード線固定用ネジ穴で
ある。

【００２４】図２に戻って、ヒータ８のヒータプレート
６の外周部分に４個の電極７１乃至７４が設けられる。
トランス５１及び５２の各々の２次側は、４個の電極７
１乃至７４の内の隣接する電極７１と７２及び７３と７
４に、当該４個の電極７１乃至７４の隣接する各々の極
性が逆極性となるように接続される。矩形波インバータ
３からの出力はトランス５１及び５２の各々の１次側に
供給され、２個のトランス５１及び５２を同時に同一条
件で駆動する。

【００２５】なお、このような構成とすることにより、
図８との比較からも判るように、時分割回路は不要であ
り、矩形波インバータ３も１個でよく、これに対応する
ＰＩＤコントローラ２も１個で良い。これにより、装置
の小型化及び低価格化を図ることができる。

【００２６】具体的には、一方のトランス５１の２次側
の正極性端子が電極７１に接続され、負極性端子が電極
７２に接続される。そこで、他方のトランス５２の２次
側の正極性端子が負極性の電極７２に隣接する電極７３
に接続され、負極性端子が正極性の電極７１に隣接する
電極７４に接続される。これにより、４個の電極７１乃
至７４の隣接する各々の極性が逆極性となる。

【００２７】このような逆極性の接続を可能とするため
に、一方のトランス５１の１次側と２次側の正負の関
係、及び、他方のトランス５２の１次側と２次側の正負
の関係は、図２（Ａ）に示すように、互いに逆にされ
る。これにより、１個の矩形波インバータ３で、逆極性
の接続を可能にできる。なお、トランス５１及び５２の
１次側と２次側の巻数比は、いずれもｎ：１である。

【００２８】ここで、このような逆極性の接続をする理
由について図４により説明する。図２（Ａ）のパルスヒ
ータは、前述のように、トランス５１及び５２の２次側
を４個の電極７１乃至７４の隣接する各々の極性が逆極
性となるように接続すると共に、１個の矩形波インバー
タ３からの出力でトランス５１及び５２を同時に同一条
件で駆動する。従って、図２（Ａ）に示すパルスヒータ
は、等価的に図４（Ａ）に示すように表される。即ち、
絶縁された２つの逆相の交流電源を用いてこれらを同時
に運転したのに等しい。

【００２９】図４（Ａ）において、左側の交流電源、即
ち、図２（Ａ）のトランス５１からの電流を実線で示
し、右側の交流電源、即ち、図２（Ａ）のトランス５２
からの電流を点線で示す。２個のトランス５１及び５２
が同一条件で駆動されるので、ヒータプレート６にはこ
れらから同時に電流が流れ込む。これによる各方向の電
流成分は、図４（Ａ）に示すように表される。即ち、逆
極性である隣接する電極７１乃至７４の各々の間に電流
が流れる。従って、ヒータプレート６の対角線上におい
ては、大きさが同じで逆方向の電流が互いに打ち消しあ
う。ヒータプレート６の各辺に沿う外周部分において
は、大きさが異なる逆方向の電流が流れる。この結果、
図４（Ｂ）に示すように、ヒータプレート６の外周部分
に選択的に電流が流れ、当該部分が選択的に加熱され
る。

【００３０】前述のように、パルスヒータの主たる用途
は、ＴＣＰのボンディングにおいてＴＣＰの四辺から外
方に延びるアウターリード部分の急激な加熱にある。従
って、ヒータプレート６の中心部分があまり加熱されず
に外周部分が選択的に加熱されることは、何ら問題な
い。即ち、ヒータプレート６の加熱に有用な部分（実質
的なヒータ部）において、電流経路の部分とそうでない
部分との間の温度差を小さくすることができる。このた
め、ヒータプレート６の加熱に有用な部分の全体に熱が
伝わるまでに要する時間を短くでき、温度上昇の急峻さ
及び高速温度制御を保つことができる。また、逆に、供
給エネルギーの殆どがＴＣＰの加熱に用いられるのであ
るから、むしろ装置のエネルギー効率を良くすることが
できる。

【００３１】なお、このような逆極性の接続をしない
で、矩形波インバータ３からの出力でトランス５１及び
５２を同時に同一条件で駆動した場合を、図４（Ｃ）及
び図４（Ｄ）に示す。即ち、同相の交流電源を用いてこ
れらを同時に運転した場合である。

【００３２】この場合、図４（Ｃ）に示すように、ヒー
タプレート６の上辺及び下辺に沿う外周部分において
は、大きさが同じで逆方向の電流が互いに打ち消しあ
う。ヒータプレート６の左辺及び右辺に沿う外周部分に
おいては、一方向の電流のみが流れる。ヒータプレート
６の中央部分においては、大きさが異なる逆方向の電流
が流れる。この結果、図４（Ｄ）に示すように、ヒータ
プレート６の左辺、右辺及び中央部分に選択的に電流が
流れ、左辺及び右辺が選択的に強く加熱され、中央部分
が弱く加熱される。従って、前述したパルスヒータの主
たる用途を考えると、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す
逆極性の接続が優れていることが判る。

【００３３】図２に戻って、トランス５１の２次側は、
ヒータ８の電極７１及び７２に接続される。矩形波イン
バータ３からの出力はトランス５１の１次側に供給され
る。矩形波インバータ３とトランス５１の１次側との間
に、共振用のコンデンサ４が直列に挿入される。コンデ
ンサ４とトランス５１のインダクタンス及び直列等価抵
抗とで、直列共振回路が構成される。

【００３４】ヒータプレート６が四角形状であるために
ヒータ８の外周部分に４個の電極７１乃至７４が設けら
れているので、トランス５２の２次側が残りの電極７３
及び７４に接続される。矩形波インバータ３からの出力
はトランス５２の１次側に供給される。矩形波インバー
タ３とトランス５２の１次側との間に、共振用のコンデ
ンサ４が直列に挿入される。コンデンサ４とトランス５
２のインダクタンス及び直列等価抵抗とで直列共振回路
が構成される。従って、コンデンサ４はトランス５１及
び５２の作る２個の直列共振回路に共通である。

【００３５】このパルスヒータにおいては、図２（Ｂ）
に示す矩形波インバータ３の出力である矩形波電圧が、
コンデンサ４とトランス５１及び５２を介して、電極７
１乃至７４に印可される。ヒータプレート６において、
主として図２中の矢印の方向に電流が流れる。これによ
り、ヒータプレート６に対して大電流を流してジュール
発熱させる。トランス５１及び５２への印加電圧は、コ
ンデンサ４の働きにより、図２（Ｂ）に示すようにな
る。矩形波インバータ３の出力電流波形は、図２（Ｂ）
に示すような波形となる。

【００３６】以上から判るように、このパルスヒータ
は、矩形波インバータ３に代えて、矩形波インバータ３
とコンデンサ４からなる共振型のインバータを設け、こ
れによりトランス５１等を介してヒータプレート６に通
電しているとも言える。

【００３７】ここで、このような直列共振回路を設ける
理由について図５により説明する。図２（Ａ）のパルス
ヒータによれば、コンデンサ４とトランス５１（又は５
２）のインダクタンス及び直列等価抵抗とで、直列共振
回路が構成される。この直列共振回路は等価的に図５
（Ａ）に示すように表される。ここで、ｒは２次側にヒ
ータ８が接続された状態のトランス５１（又は５２）の
１次側から見た抵抗分（本明細書では、これを直列等価
抵抗と言う）、Ｃはコンデンサ４のキャパシタンス、Ｌ
はトランス５１（又は５２）のインダクタンスである。

【００３８】図５（Ａ）の直列共振回路に流れる電流ｉ
は、印加電圧をＶとした時、原理的には、ｉ＝Ｖ／ｒで表される。従って、電流ｉは、原理的には、コンデン
サ４のキャパシタンスＣ及びトランス５１（又は５２）
のインダクタンスＬの影響を受けず、結果として矩形波
インバータ３の駆動周波数の影響を受けない。これは、
従来の矩形波インバータ１０３に流れる電流のピーク値
Ｉｐが、（式１）で規定されることと対照的である。

【００３９】従って、この共振を利用することにより、
ヒータ８により大きな電流を流すことができる。即ち、
電流ｉ及びそのピーク値Ｉｐを、電圧Ｖを上げたり、イ
ンダクタンスＬを下げたり、矩形波インバータ３の駆動
周波数ｆ（＝１／２ｔ）を下げたりすることなく、大き
くすることができる。即ち、電圧Ｖが同じであっても、
トランス５１（又は５２）の直列等価抵抗ｒを小さくす
ることにより、電流ｉを大きくして、ヒータ８により大
きな電流を流すことができる。

【００４０】このことは、トランス５１を大きくせずと
も、大型のヒータ８において温度上昇の急峻さ（及び高
速温度制御）を保つために、より大きな電流をヒータ８
に流すことができることを意味する。従って、矩形波イ
ンバータ３を用いた場合でも、大型のヒータ８において
温度上昇の急峻さ及び高速温度制御を保ちつつ、トラン
ス５１のサイズの大型化を招くことなく、装置の大型化
を防止できる。

【００４１】なお、一般に、パルスヒータのヒータプレ
ート６（又はヒータ部６１等）は、抵抗値の低い（１ｍ
Ω以下）の金属等からなるので、トランス５１等の２次
側には１０００Ａ以上の電流が流れる。この場合、矩形
波インバータ３の駆動周波数が高いと、近傍の導体に大
きな渦電流を発生させてしまうので、数１００Ｈｚ乃至
数ｋＨｚの低い周波数が用いられる。この時、当該低い
周波数においても飽和しないようなトランスとしては、
飽和磁束密度が１乃至３Ｔ（テスラ）という特殊なもの
が要求される。このようなトランスは価格が高く、形状
が大きいという欠点を持つ。しかし、本発明によれば、
トランス５１等を大きくする必要がないので、少なくと
も形状が大きいという欠点の解消にある程度寄与でき
る。

【００４２】次に、どの程度大きな電流を流し得るかに
ついて図５（Ｂ）乃至図５（Ｄ）により説明する。トラ
ンスの飽和を防止する観点から、半周期においてトラン
スに印加する電圧時間積に着目する。図５（Ｂ）は、図
８に示す従来のパルスヒータにおいて、トランス１０５
に印加する電圧時間積Ｓを表す。この場合、図５（Ｂ）
から明らかなように、電圧時間積Ｓ＝Ａ・πとなる。

【００４３】一方、本発明のパルスヒータにおいて、ト
ランス５１等に印加される共振電圧は、図２（Ｂ）又は
図５（Ｃ）に示すような波形となる。そこで、図５
（Ｃ）に示すような波形の電圧時間積Ｓを求めると、Ｓ＝∫（Ａｃｏｓθ＋Ａ）ｄθ （θは０からπま
で）で与えられるので、電圧時間積Ｓ＝Ａ・πとなる。従っ
て、本発明のパルスヒータにおいては、トランス５１等
に印加される電圧時間積Ｓが同一（即ち、Ａ・π）であ
る場合、トランス５１等に印加されるピーク電圧は２Ａ
となる。即ち、本発明のパルスヒータは、トランス５１
等として従来と同一の形状、大きさのトランスを用いた
としても、従来の２倍の電圧（ピーク電圧）を印加で
き、ヒータ８により大きな電流を流すことができる。従
って、トランス５の大型化を招くことなく、温度上昇の
急峻さ及び高速温度制御を保つことができる。

【００４４】このような状況の下で、トランス５１等と
して従来と同一の形状、大きさのトランスを用いて、こ
れを同一の周波数で駆動した時、本発明のパルスヒータ
のトランス５１等に流れる電流は、図２（Ｂ）又は図５
（Ｄ）に示すような正弦波形になる。これに対して、従
来のパルスヒータのトランス１０５に流れる電流は、矩
形波インバータ１０３を用いるので、図８（Ｄ）又は図
５（Ｄ）に示すような三角波形になる。

【００４５】三角波電流の実効値はそのピーク値をＩｐ
とするとＩｐ／（３）^1/2である。正弦波電流の実効値
はそのピーク値をＩｐ’とするとＩｐ’／（２）^1/2で
ある。ここで、Ｉｐ’＝４／π×Ｉｐであり、Ｉｐより
大きい。

【００４６】今、ヒータプレート６の抵抗値をＲとし
て、その消費電力Ｐ＝Ｉ²・Ｒを求める。従来のパルス
ヒータのヒータプレート１０６の消費電力Ｐは、Ｐ＝（ｎ²／３）・Ｉｐ²・Ｒ＝０．３３ｎ²・Ｉｐ²
・Ｒである。一方、本発明のパルスヒータのヒータプレート
６の消費電力Ｐは、Ｐ＝（ｎ²／２）・（１６／π²）・Ｉｐ²・Ｒ＝０．
８１ｎ²・Ｉｐ²・Ｒである。

【００４７】なお、トランス５１等の１次側と２次側の
巻数比はｎ：１である。また、前述のように、本発明の
パルスヒータは従来と同一のトランスに従来の２倍の電
圧（ピーク電圧）を印加できるが、位相のずれ等から、
Ｐ＝Ｉ・Ｖに単純に２倍の電圧を代入して消費電力Ｐを
求めることはできない（無効電力まで含むことになる）
ので、Ｐ＝Ｉ²・Ｒを用いて消費電力Ｐを求める。な
お、実効電流値は、前述のように、２倍ではないが、４
／π倍である。

【００４８】以上より、トランス５１等として従来と同
一の形状、大きさのトランスを用いて、これを同一の周
波数で駆動した場合、本発明のパルスヒータにおける発
熱は、従来のパルスヒータにおける発熱の約２．４３倍
であることが判る。逆に、従来と同一出力でよい場合に
は、トランス５１のサイズを小型化できる。従って、こ
のことからも、トランス５１のサイズの大型化を招くこ
となく、温度上昇の急峻さ及び高速温度制御を保つこと
ができる。なお、これは、図５（Ｄ）において、本発明
のパルスヒータの電流波形の立ち上がりの傾きが、従来
のパルスヒータのそれの約２倍であることにも現れてい
る。

【００４９】図６は、共振用のコンデンサ４の挿入位置
について示す。図６（Ａ）のパルスヒータにおいては、
同一仕様の２個のトランス５１及び５２の１次側巻線を
並列接続し２次側巻線を各々ヒータ８に接続すると共
に、並列接続した１次側巻線から見たインダクタンスと
共振するように直列接続された共振用のコンデンサ４を
設ける。

【００５０】なお、この例は、図２に対応する例である
が、図２に示すパルスヒータのようにヒータプレート６
の各電極７１乃至７４が逆極性となるような接続はして
いない。即ち、コンデンサ４を挿入して直列共振回路を
構成することと逆極性の接続とは、これらを図１（Ａ）
及び図１（Ｂ）に個別に示したことから判るように、別
個独立に実施可能である。従って、以下に示す図６
（Ｂ）乃至図６（Ｄ）の各例においても、同様に、各電
極７１乃至７４が逆極性となる接続はしていない。但
し、図２のパルスヒータのように、コンデンサ４を挿入
して直列共振回路を構成することと逆極性の接続とを同
時に実施することは可能であり、また、同時に実施して
も何ら問題を生じることはなく、むしろ、双方の効果が
相まってより高性能のパルスヒータを実現することがで
きる。

【００５１】図６（Ｂ）のパルスヒータにおいては、同
一仕様の２個のトランス５１及び５２の１次側巻線を直
列接続し２次側巻線を各々ヒータ８に接続すると共に、
直列接続した１次側巻線から見たインダクタンスと共振
するように直列接続された共振用コンデンサ４を設け
る。

【００５２】図６（Ｃ）のパルスヒータにおいては、同
一仕様の２個のトランス５１及び５２の１次側巻線を各
々独立の矩形波インバータ３に接続し２次側巻線を各々
ヒータ８に接続すると共に、１次側巻線の各々に共振す
るように直列接続された共振用のコンデンサ４１及び４
２を設け、同期運転される２個の矩形波インバータ３に
より２個の直列共振回路を駆動する。この例は図１
（Ｂ）に対応し、また、従来の図８（Ａ）のパルスヒー
タに共振用のコンデンサ４１及び４２を設けた例であ
る。

【００５３】図６（Ｄ）のパルスヒータにおいては、同
一仕様の２個のトランス５１及び５２の２次側巻線を各
々ヒータ８に接続すると共に、２個のトランス５１及び
５２の１次側巻線の各々に共振するように直列接続され
た共振用のコンデンサ４１及び４２を設けて直列共振回
路とし、２個の直列共振回路を並列接続して１個の矩形
波インバータ３により２個の直列共振回路を駆動する。

【００５４】図６（Ｅ）はヒータ８の電極の数が２個で
ある場合のパルスヒータについて示す。このようなパル
スヒータにおいては、１個のトランス５１の２次側巻線
をヒータ８に接続すると共に、トランス５１の１次側巻
線から見たインダクタンスと共振するように直列接続さ
れた共振用のコンデンサ４を設ける。この例は、図１
（Ｂ）に示すパルスヒータにおいて、電極７３及び７４
とこれに対応するトランス等を省略した例に相当する。

【００５５】なお、図６（Ａ）乃至図６（Ｅ）のいずれ
の例においても、トランス５１等の１次側巻線に対する
コンデンサ４の接続位置は、当該図中において点線で示
すように、トランス５１等の逆の極性の側に挿入するよ
うにしても良い。これは、図１（Ｂ）及び図２（Ａ）に
おいても同様である。

【００５６】図７は、本発明のパルスヒータの他の構成
を示す。図７（Ａ）のパルスヒータは、図２（Ａ）のパ
ルスヒータにおいて、カレントトランス１０を設けた例
である。

【００５７】図２（Ａ）のパルスヒータは前述の逆極性
の接続により１個の矩形波インバータ３で２個のトラン
ス５１及び５２を駆動するので、その等価回路は図４
（Ａ）のようになる。従って、トランス５１及び５２と
して同一仕様のものを用た場合、例えば一方のトランス
５１の往路電流と他方のトランス５２の復路電流とは、
原理的には必ず同一になる。そこで、両者の相違を検出
することにより、ヒータプレート６に送り込まれる電力
の異常（ヒータ８の異常）を検出することができる。

【００５８】カレントトランス１０は、２個のトランス
５１及び５２の一方（トランス５１）の往路電流と他方
（トランス５２）の復路電流との差を検出する。カレン
トトランス１０は、例えばトランス５１の往路電流の径
路及びトランス５２の復路電流の径路とがその内部を貫
通する鉄心にコイルを巻いた構成からなる。

【００５９】カレントトランス１０により検出された電
流レベルの差は、検出回路１１において整流され、電圧
に変換され、平滑された後、比較器１２において所定の
値の参照レベルと比較される。検出された電流レベルの
差に基づく値（検出値）が所定の値より大きい場合、タ
イマ１３が動作を開始する。タイマ１３は、検出値が所
定の値より大きい期間が所定の時間以上継続した場合、
所定の信号（アラーム）を出力する。このアラームは矩
形波インバータ３に入力され、その運転を強制的に遮断
する。即ち、このアラームは強制遮断信号である。アラ
ームの入力と略同時に矩形波インバータ３の運転を強制
的に遮断しても誤動作することはない。

【００６０】なお、通常、インバータの出力部にカレン
トトランス１０を用いる検出回路において、タイマ１３
が用いられることはない。即ち、カレントトランス１０
を用いることは高速応答性を求めることであるので、タ
イマ１３を用いることはない。しかし、図７（Ａ）のパ
ルスヒータは、トランス５１ないし５２のバラツキ等の
原因でインバータ起動時に前記往路電流と復路電流とに
アンバランスを生じる場合がある。従って、このアンバ
ランスを検出してすぐにアラームを形成すると、誤動作
の原因になる。そこで、タイマ１３を用いて、往路電流
と復路電流との不一致が所定時間だけ続いた場合にアラ
ームを形成する。

【００６１】また、図７（Ａ）の構成は、図６（Ａ）、
図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）のパルスヒータにも適用でき
る。即ち、図７（Ａ）の構成は逆極性の接続をしている
場合について示したが、２個の同一仕様のトランスを用
いる場合には、逆極性の接続をしているか否かに無関係
に適用できる。また、図７（Ａ）の構成は、直列共振回
路を有するか否かに無関係に適用できる。

【００６２】図７（Ｂ）のパルスヒータは、図２（Ａ）
のパルスヒータにおいて、タイマ１４を設けた例であ
る。この例のタイマ１４は、図７（Ａ）のタイマ１３と
は異なり、矩形波インバータ３に印加される駆動信号を
形成する制御回路であるＰＩＤコントローラ２の出力を
監視する。即ち、タイマ１４は、ＰＩＤコントローラ２
の出力する駆動信号の所定の状態が所定の時間以上継続
した場合に、矩形波インバータ３を強制的に遮断する所
定の信号（強制遮断信号）を出力する。

【００６３】ＰＩＤコントローラ２の動作は、現在のヒ
ータ８の温度に比べて目標温度が非常に高い場合、ＯＮ
信号のデューティ比が１００％となるように制御され
る。通常は、ＯＮ信号のデューティ比は数５乃至数十％
内であり、デューティ比が１００％の状態が長く続くこ
とはない。しかし、例えば、ヒータ８の加熱開始の時点
において熱電対９がヒータ８から外れてしまっている場
合、ＯＮ信号のデューティ比が１００％の状態が長く続
くので、ヒータ８が焼損するまで、矩形波インバータ３
は電力を供給し続ける。

【００６４】そこで、タイマ１４は、ＰＩＤコントロー
ラ２の出力する駆動信号のＯＮ信号のデューティ比が１
００％の状態（又はこれに近い状態）が所定時間以上維
持された場合、強制遮断信号を出力して、矩形波インバ
ータ３の運転を遮断する。タイマ１４は、ＰＩＤコント
ローラ２の駆動信号のＯＮに応じてセットされ、ＯＦＦ
に応じてリセットされる。これにより、ヒータ８の焼損
を防止することができる。なお、図７（Ｂ）の構成は、
直列共振回路を有するか否か及び逆極性の接続をしてい
るか否かに無関係に適用できる。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
矩形波インバータからの出力をトランスを介してヒータ
に供給するパルスヒータにおいて、２個のトランスの各
々の２次側をヒータの４個の電極の内の隣接する各々の
極性が逆極性となるように接続し２個のトランスを同時
に同一条件で駆動することにより、逆極性である隣接す
る電極の各々の間に電流を流しヒータ内の電流径路を主
としてその外周部分に均一に形成することができるの
で、温度上昇の急峻さを保つために電流値を増加させた
場合でもヒータ内の電流経路の部分とそうでない部分と
の間の温度差を小さくすることができ、ヒータプレート
の全体に熱が伝わるまでに要する時間が長くなることを
防止でき、温度上昇の急峻さ及び高速温度制御を保つこ
とができる。

【００６６】また、本発明によれば、矩形波インバータ
からの出力をトランスを介してヒータに供給するパルス
ヒータにおいて、矩形波インバータとトランスの１次側
との間に共振用のコンデンサを直列に挿入しこれとトラ
ンスのインダクタンス及び直列等価抵抗とで直列共振回
路を構成することにより、矩形波インバータに流れる電
流のピーク値の電圧を上げたりインダクタンスを下げた
り矩形波インバータの駆動周波数を下げたりすることな
く大きくすることができるので、トランスを大きくせず
とも温度上昇の急峻さ及び高速温度制御を保つためによ
り大きな電流をヒータに流すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】本発明のパルスヒータ構成図である。

【図３】ヒータの説明図である。

【図４】本発明の動作説明図である。

【図５】本発明の動作説明図である。

【図６】本発明の他の構成説明図である。

【図７】本発明の他の構成説明図である。

【図８】従来技術説明図である。

【符号の説明】１コンピュータ２ＰＩＤコントローラ３、３１、３２矩形波インバータ４、４１、４２共振用コンデンサ５１、５２トランス６ヒータプレート７１、７２、７３、７４電極８ヒータ９熱電対

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形波インバータからの出力をトランス
を介してヒータに供給するパルスヒータにおいて、前記ヒータの外周部分に４個の電極を設け、２個のトランスの各々の２次側を、前記ヒータの４個の
電極の内の隣接する電極に、当該４個の電極の隣接する
各々の極性が逆極性となるように接続し、前記矩形波インバータからの出力を前記２個のトランス
の各々の１次側に供給し、前記２個のトランスを同時に
同一条件で駆動することを特徴とするパルスヒータ。
【請求項２】前記２個のトランスの一方の往路電流と
他方の復路電流との差を検出する手段と、この検出された差が所定の値より大きい期間が所定の時
間以上継続した場合に所定の信号を出力する手段とを、
更に、備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス
ヒータ。
【請求項３】前記矩形波インバータに印加される駆動
信号を形成する制御回路と、前記制御回路の出力する駆動信号の所定の状態が所定の
時間以上継続した場合に、前記矩形波インバータを強制
的に遮断する所定の信号を出力する手段とを、更に、備
えることを特徴とする請求項１に記載のパルスヒータ。
【請求項４】矩形波インバータからの電圧をトランス
を介してヒータに印加するパルスヒータにおいて、前記トランスの２次側を、前記ヒータの電極に接続し、前記矩形波インバータからの出力を前記トランスの１次
側に供給し、前記矩形波インバータと前記トランスの１次側との間に
共振用のコンデンサを直列に挿入し、これと前記トラン
スのインダクタンス及び直列等価抵抗とで直列共振回路
を構成することを特徴とするパルスヒータ。
【請求項５】前記ヒータの外周部分に４個の電極を設
け、２個のトランスの各々の２次側を、前記ヒータの４個の
電極の内の隣接する電極に接続し、前記矩形波インバータからの出力を前記２個のトランス
の１次側に供給して駆動すると共に、前記矩形波インバータと前記トランスの１次側との間に
共振用のコンデンサを直列に挿入し、これと前記トラン
スのインダクタンス及び直列等価抵抗とで直列共振回路
を構成することを特徴とする請求項４に記載のパルスヒ
ータ。
【請求項６】矩形波インバータからの出力をトランス
を介してヒータに供給するパルスヒータにおいて、前記ヒータの外周部分に４個の電極を設け、２個のトランスの各々の２次側を、前記ヒータの４個の
電極の内の隣接する電極に、当該４個の電極の隣接する
各々の極性が逆極性となるように接続し、前記矩形波インバータからの出力を前記２個のトランス
の各々の１次側に供給し、前記２個のトランスを同時に
同一条件で駆動し、前記矩形波インバータと前記トランスの１次側との間に
共振用のコンデンサを直列に挿入し、これと前記トラン
スのインダクタンス及び直列等価抵抗とで直列共振回路
を構成することを特徴とするパルスヒータ。