KR20010050917A

KR20010050917A - 광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치

Info

Publication number: KR20010050917A
Application number: KR1020000059069A
Authority: KR
Inventors: 간노다카유키
Original assignee: 다나카 아키히로; 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 2000-10-07
Publication date: 2001-06-25
Also published as: US6580059B1; KR100475353B1; EP1091622B1; EP1091622A2; TW545083B; DE60037379T2; JP2001110737A; EP1091622A3; JP3988338B2; DE60037379D1

Abstract

본 발명은, 역율을 개선하는 동시에, 고조파 변형의 영향을 제거할 수 있고, 제어지연없이 피가열물을 급속히 승온시킬 수 있는 광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

램프(1)는 광조사식 급속 가열처리장치의 램프실 내에 배치되고, 처리실(4) 내에는 가열처리되는 워크가 배치되어 있다. 램프(1)를 배치한 영역은 상기 영역의 중심으로부터의 거리에 따라서 다수의 구역으로 분할되고, 각 구역에 적어도 1이상의 램프가 설치되며, 전력제어유닛(12)은 각 구역에 대응하여 설치되어 있다. 제어부(11)는 미리 기억된 제어 패턴에 기초하여 PWM 신호를 생성하여 각 전력제어유닛(12)으로 송출한다. 전력제어유닛(12)은 스위칭 소자를 구비하고, 상기 PWM 신호에 의해 스위칭 소자를 온/오프하여 각 구역에 속하는 램프(1)에 공급하는 파워를 각각 제어한다.

Description

광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치{Apparatus for controlling rapid thermal processing apparatus using light illumination}

본 발명은 성막, 확산, 어닐링 등의 처리를 행하기 위해, 반도체 웨이퍼 등의 피처리물에 적외선을 포함하는 광을 조사하여 피처리물을 급속히 가열하는 광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치에 관한 것이다.

근래, 반도체 집적회로의 고집적화 및 미세화가 점점 요구되고 있으며, 예를 들면, 이온 주입에 의해 반도체 웨이퍼의 Si결정에 불순물을 주입하여 확산시키는 공정에서, 불순물의 확산층을 얇게 하여, 얕은 접합면을 형성할 필요성이 커지고 있다.

이온 주입법에 의한 불순물 확산에서는 이온화한 불순물을 전계로 가속시켜 Si결정에 주입하는 주입공정과, 주입에 의해 결정이 받은 손상을 회복하면서 결정 내로 확산시키는 어닐링 공정이 행해지지만, 얕은 확산층을 형성하기 위해서는 급속열처리(RTP)가 필요하고, 반도체 웨이퍼의 표면 온도를 균일하게 유지하면서 고속으로 승온시킬 필요가 있다. 확산층의 막두께의 요구가 예를 들면 0.13∼0.15㎛이면, 150∼200℃/초의 승온속도가 필요하게 된다.

필라멘트 램프로부터 방사되는 적외선을 포함하는 광을 조사하여 반도체 웨이퍼 등의 피처리물을 가열하는 광조사식 급속 가열처리장치는 상기 급속가열처리(RTP)에 적합하고, 피처리물을 예를 들면 수초에서 1000℃ 이상의 온도까지 승온시키는 것이 가능하다.

도 17은 상기한 광조사식 급속 가열처리장치(이하, 가열처리장치라고 약술한다)의 단면구성을 도시하는 도면이다.

램프실(2)에 다수개의 필라멘트 램프(1)(이하, 램프라고 약술한다)가 배치되고, 램프(1)의 배면에는 미러(3)가 설치되어 있다. 처리실(4) 내에는 워크 유지대(5)가 설치되고, 가열처리되는 반도체 웨이퍼 등의 피가열물(이하, 워크(W)라고 한다)이 워크 유지대(5) 상에 재치된다. 또, 램프실(2)과 처리실(4)의 사이는 예를 들면 석영창(6) 등으로 구획된다.

도 18에 상기 램프(1)의 구성의 일례를 도시한다. 램프(1)는 이 도면에 도시하는 바와 같이, 둥근 고리형상의 발광관(1a)과 발광관(1a)의 단부에 직각으로 형성된 한쌍의 도입관(1b)으로 이루어지고, 발광관(1a) 내에 코일형상의 필라멘트(1c)가 배치되어 있다. 도입관(1b)의 단부에는 시일부(1d)가 형성되고, 필라멘트(1c)의 단부에 리드선(1e)이 몰리브덴 박(1f)을 통해서 접속되어 있다.

도 17에서는 도 18에 도시하는 둥근 고리형상의 램프(1)를 예를 들면, 동심원상으로 배치하고 있고, 상기 다수개의 램프(1)를 점등시킴으로써, 램프(1)로부터 방사되는 적외선을 포함하는 광이 석영창(6)을 통해서 처리실 내에 배치된 워크(W)에 조사된다. 이것에 의해, 워크(W)는 급속히 가열되고, 또 램프(1)를 소등시킴으로써 워크(W)는 급속히 냉각한다.

도시하지 않은 제어장치는 워크(W) 전체가 균일하게 가열되도록 각 램프(1)에 공급되는 전력량을 제어하여, 예를 들면, 워크(W)를 수초에서 1000℃ 이상의 온도까지 승온시킨다.

도 19∼도 20은 상기한 램프의 점등 제어를 행하는 제어장치의 종래의 구성예를 도시하는 도면이다. 도 19는 전체 구성을 도시하고, 도 20은 각 램프를 제어하는 램프 점등 제어장치의 더욱 상세한 구성을 도시하고 있다.

도 19∼도 20에서, 100은 CPU 등으로 구성되는 제어부, 101은 온도조절기(이하, 온조기라고 한다), 102는 사이리스터 유닛, 1은 램프, 103은 온도검출기이고, 상기 도면에 도시하는 바와 같이 온조기(101), 사이리스터 유닛(102), 온도검출기(103)가 램프(1)에 대응하여(또는 다수개의 램프에 대응하여) 각각 설치되고, 온도검출기(103)는 각 램프(1)로부터 방사되는 광에 의해 가열되는 워크(W)의 온도를 검출한다. 온도검출기(103)에 의해 검출된 온도는 온조기(101)에 피드 백되고, 온조기(101)는 제어부(100)로부터 보내져 온 온도 설정치(아날로그 신호 또는 디지털 신호)와, 온도검출기(103)에 의해 검출된 온도의 편차에 따라서 제어신호(아날로그)를 사이리스터 유닛(102)으로 송출한다.

램프(1)에 공급되는 전압, 전류는 각각 사이리스터 유닛(102)에 피드 백되고, 사이리스터 유닛(102)은 상기 제어신호에 기초하여, 램프(1)에 공급되는 전력량을 제어한다.

사이리스터 유닛(102)은, 예를 들면, 도 21에 도시하는 바와 같은 구성을 구비하고, 사이리스터(SCR1, SCR2)의 게이트 전류를 흐르게 하는 타이밍을 변화시킴으로써, 램프(1)에 입력하는 전력을 제어한다.

사이리스터에 의한 전력제어에는 이하의 2가지 방식으로서 도통각 제어와 제로 크로스 제어를 들 수 있다.

(a) 도통각 제어

도 21에서, 사이리스터 유닛(102)에 교류상용전원(21)으로부터 교류를 입력한다. 사이리스터 유닛(102)에는 제1 사이리스터(SCR1)와, 제2 사이리스터(SCR2)로 이루어지는 램프 점등 제어회로(200)를 설치한다. 램프 점등 제어회로(200)의 사이리스터(SCR1, SCR2)의 게이트(G1, G2)에 게이트 전류를 흐르게 하면, 사이리스터(SCR1, SCR2)가 도통하여, 사이리스터(SCR1, SCR2)에 공급되는 전류가 0이 될 때까지, 사이리스터 유닛(102)으로부터 램프(1)에 전류가 출력된다.

도 22(a)는 사이리스터 유닛(102)의 입력전압파형이다. 도 22(b)는 사이리스터(SCR1, SCR2)의 게이트(G1, G2)에 게이트 전류를 흐르게 하는 타이밍의 예를 도시하는 도면이고, ①은 제1 사이리스터(SCR1)의 게이트 전류를, ②는 제2 사이리스터(SCR2)의 게이트 전류를 나타낸다. 도 22(c)는 상기 도면 (a)의 타이밍으로 게이트 전류를 흐르게 했을 때의 출력전류의 파형을 나타낸다.

사이리스터 유닛(102)으로부터의 출력전력은 도 22(c)의 사선부로 나타내는 출력전압파형과 출력전류파형을 합한 것이 되고, 사이리스터(SCR1, SCR2)에 가하는 게이트 전류의 타이밍을 변화시킴으로써, 출력전류파형 및 출력전압파형을 변화시킬 수 있고, 사이리스터 유닛의 출력전력 즉 램프입력전력을 변화시킬 수 있다.

(b) 제로 크로스 제어

제어회로 구성은 도 21과 동일하고, 사이리스터(SCR1, SCR2)의 게이트 전류를 흐르게 하는 타이밍을 도 23(b)와 같이 한다. 여기에서 ①은 제1 사이리스터(SCR1)의 게이트 전류를, ②는 제2 사이리스터(SCR2)의 게이트 전류를 나타낸다.

도 23(b)의 타이밍으로 게이트 전류를 흐르게 하였을 때의 출력전류 및 출력전압은 상기 도면 (c)와 같이 된다. 즉, 상기 도면(c)에 도시하는 바와 같이, 파형이 줄여진 전류 및 전압을 출력함으로써, 램프 입력전력을 변화시킬 수 있다.

그런데, 상기한 종래의 제어방식에는 다음과 같은 문제점이 있다.

(1) 제어 지연의 문제

광조사식 급속 가열처리장치에 의해 급속열처리(RTP)를 행하기 위해서는, 상기한 바와 같이 반도체 웨이퍼를 그 표면온도를 균일하게 유지하면서 예를 들면 수초에서 1000℃ 이상의 온도까지 승온시키는 것이 요구된다. 특히, 반도체 웨이퍼의 주변부분과 중심부 부분에서는 방열특성이 다르기 때문에, 반도체 웨이퍼의 온도가 균일하게 되도록 주변부분의 가열량을 중심부분의 가열량보다 약간 크게 유지하면서 급속히 승온시킬 필요가 있다.

이 때문에, 램프 전력을 제어하는 제어장치는 각 램프전력의 배분을 적절하게 유지하면서 램프에 공급하는 전력을 급속히 제어하는 것이 필요하게 된다.

도 19∼도 20에 나타낸 제어방식을 이용한 경우, 상기한 바와 같은 제어를 행하는 데에는 다음과 같은 문제가 있었다.

① 온도검출기(103)에 의해 검출한 온도를 온조기(101)에 피드 백하여 온도제어를 행하고 있기 때문에, 온도검출기(103)에 의한 검출지연 등에 의해 제어 지연이 발생하여 고속 제어가 곤란하다.

② 사이리스터 유닛(102)의 응답이 늦기 때문에, 램프 전력을 고속으로 제어할 수 없다. 또, 상기한 도통각 제어를 행하는 경우에는, 사이리스터 도통시에 상승 소음이라고 불리는 소음이 발생하여, 장치의 제어계가 잘못 동작하는 원인이 되는 경우가 있다. 또, 램프 필라멘트에 돌입전류가 흐르기 때문에, 필라멘트는 과부하의 상태가 되고, 필라멘트 끊어짐이 발생하기 쉽게 된다.

③ 제어부(100)로부터 온조기(101)에 디지털 또는 아날로그의 제어신호를 송출하고 있지만, 디지털 신호를 송출하는 경우에는 온조기(101)에서 아날로그 신호로 변환할 필요가 있어서 변환지연이 발생한다. 또, 아날로그 신호를 송출하는 경우에는, 제어부(100)에서 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환할 필요가 있어서 동일하게 변환지연이 생긴다.

(2) 고조파 변형의 발생

도 22에 나타낸 도통각 제어를 행하는 경우를 예를 들면, 상기한 바와 같이, 출력측의 전력제어를 행하는 경우, 출력전압과 출력전류는 각각 도 24 (a) (b)와 같이 된다.

한편, 사이리스터 유닛(102)의 입력전압의 파형은 도 24(c)와 같이 상용교류전원(21)의 전압파형이다. 또, 입력전류의 파형은 도 24(d)와 같이 출력전류의 파형과 동일하게 된다.

입력전류가 이와 같은 파형이 되면 다음의 문제가 생긴다. 도 24(d)의 원 표시의 파형부분이 비선형인 부분이고, 이것에 의해 입력전류에 고조파 변형이 발생한다. 이와 같은 고조파 변형은 규제의 대상이 되고 있다.

동일한 문제는 상기 도 23에 나타낸 제로 크로스 제어에서도 생긴다. 도 24(e)의 원 표시의 부분은 파형이 비선형이고, 고조파 변형이 발생한다.

(3) 무효전력의 발생

도 22에서, 입력전압을 V, 입력전류를 I로 하고, W를 실효전력, V×I를 피상전력으로 하면, 입력전압의 파형과 입력전류의 파형이, 함께 정현파로 위상차가 없으면 다음의 관계가 성립한다.

V×I=W

여기에서 W는 출력전력(램프 입력전력)이라고 생각할 수 있다.

그러나, 도 24(d)와 같이 변형된 파형의 경우, 무효전력(=V×I-W)이 반드시 발생한다. 따라서, 도 24(d)와 같은 변형된 파형에서 어떤 실효전력(W)을 출력하도록 하면, 파형이 정현파인 것에 비교하면, 보다 큰 피상전력(V×I)이 필요하게 된다.

동일하게, 제로 크로스 제어의 경우에는, 도 24(e) 화살표 부분이 1주기라고 생각되기 때문에, 무효전력이 생긴다.

상기, 무효전력에 관해서 말하면, 출력전력을 제어하자마자 무효전력이 발생하게 된다. 이것은 실용의 장치를 제작하는 경우에서 큰 문제가 된다.

즉, 이하의 이유에 의해, 사이리스터 유닛(102)의 출력전력은 항상 제어되게 되기 때문에 반드시 무효전력이 발생하게 되어 역율이 저하한다.

① 실용상, 광조사식 급속 가열처리장치와 같은 장치에서는, 예를 들면, 램프 점등장치에 상용의 200V를 입력하는 경우, 10%의 전압변동을 고려하여, 사용하는 램프는 입력전압보다도 약 10% 작은 정격의 예를 들면, 180V 정격의 것을 이용하여, 장치에 여유를 갖게 하는 것이 상식이다. 따라서, 램프를 정격으로 점등하는 경우에도 램프 점등장치의 출력은 제어되게 된다.

② 또한, 광조사식 가열처리장치에서는 다수개의 램프에 공급하는 전력을 제어하지만, 사용하는 램프에 의해서 정격이 다른(필라멘트의 길이가 다른) 경우가 있다. 이 경우에도, 항상 출력전력을 제어하게 된다.

특히, 광조사식 급속 가열처리장치를 상기한 급속 가열처리(RTP)에 적용하는 경우에는, 워크의 온도를 수초에서 약 1000℃까지 급속히 승온시킬 필요가 있고, 램프(1)에 공급하는 전력량은 전체에서 수십㎾∼200㎾라고 하는 매우 큰 값이 되고, 입력전류도 대단히 큰 값이 된다. 이 때문에 무효전력의 발생을 매우 작게 하여 효율을 향상시키고, 입력전류를 감소시켜서 에너지 절약화를 도모할 필요가 있다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 표면온도를 균일하게 유지하면서 제어지연없이 피가열물을 급속히 승온시킬 수 있고, 또, 역율을 저하시키지 않고, 또한 고조파 변형이 발생하지 않는 광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명에서는 상기 과제를 다음과 같이 해서 해결한다.

(1) 다수의 필라멘트 램프를 갖고, 상기 필라멘트 램프로부터 방사되는 적외선을 포함하는 광을 피처리물에 조사함으로써, 피처리물을 급속히 가열하는 광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치에 있어서, 상기 다수의 필라멘트 램프를 배치한 영역을 상기 영역의 중심으로부터의 거리에 따라서 다수의 구역으로 분할하고, 각 구역에 적어도 1이상의 필라멘트 램프를 배치한다. 그리고, 상기 제어장치를 상기 구역에 대응하여 각각 설치되어 교류전원으로부터 공급되는 교류 정현파 또는 그 전파정류파를 스위칭하는 스위칭 소자를 구비한 다수의 램프 전력제어유닛과, 제어부로 구성한다. 상기 제어부는 상기 다수의 램프 전력제어유닛의 각각의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티를 변화시켜, 상기 각 구역에 속하는 필라멘트 램프에 공급되는 전력을 각각 제어한다.

(2) 상기 (1)에서, 피처리물의 방열특성과 각 구역에 속하는 필라멘트 램프의 상호 간섭을 고려하여, 각 구역의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티비의 시간적 변화 패턴을 구하고, 상기 시간적 변화 패턴을 상기 제어부에 미리 기억시켜 두고, 제어부는 상기 시간적 변화 패턴을 읽어내어, 각 구역에 속하는 필라멘트 램프에 공급되는 전력을 각각 제어한다.

(3) 상기 (1) (2)에 있어서, 교류전원의 위상을 검출하는 위상검출수단을 설치하고, 상기 제어부가 상기 위상검출수단에 의해 검출된 교류전원의 제로 크로스 점에서, 각 구역의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티비를 변경한다.

(4) 상기 (1) (2)에 있어서, 상기 교류전원의 위상을 검출하는 위상검출수단을 설치하고, 상기 램프 전력제어유닛이 상기 위상검출수단에 의해 검출된 교류전원의 위상신호에 동기하여 교류전원으로부터 공급되는 교류 정현파를 스위칭한다.

본 발명의 청구항 1의 발명에서는 상기 (1)과 같이 구성하였기 때문에, 제어지연없이 피처리물의 온도를 제어할 수 있다. 또, 전력제어유닛의 각각의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티를 변화시켜, 각 구역에 속하는 필라멘트 램프에 공급되는 전력을 각각 제어하고 있기 때문에, 고조파를 감소시켜 역율의 개선을 도모할 수 있고, 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 청구항 2의 발명에서는, 상기 (2)와 같이 구성하였기 때문에, 고속 제어가 가능하게 되는 동시에, 피처리물의 온도를 균일하게 제어하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 청구항 3, 4의 발명에서는, 상기 (3) (4)와 같이 구성하였기 때문에, 고조파를 한층 저감화하여, 역율을 개선할 수 있으며, 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예의 개략 구성을 도시하는 도면,

도 2는 램프의 배치예 (1)을 도시하는 도면,

도 3은 반원상의 램프를 2개 합하여 둥근 고리형상으로 한 램프의 구성예를 도시하는 도면,

도 4는 램프의 배치예 (2)를 도시하는 도면,

도 5는 램프의 배치예 (3)을 도시하는 도면,

도 6은 제어부의 구체적 구성예를 도시하는 도면,

도 7은 위상검출회로의 구성예를 도시하는 도면,

도 8은 PWM 제어회로로부터 출력되는 PWM 신호를 도시하는 도면,

도 9는 승온 패턴과 듀티 신호의 일례를 도시하는 도면,

도 10은 램프로부터 방출되는 광의 상호 간섭, 워크의 방열특성, 램프에 공급되는 전력비를 설명하는 도면,

도 11은 램프 전력제어유닛의 구성예를 도시하는 도면,

도 12는 도 11에 도시하는 램프 전력제어유닛의 각부의 파형을 도시하는 도면,

도 13은 도 11에서의 램프 점등 제어회로의 구성을 도시하는 도면,

도 14는 각 스위칭 소자를 구동하는 게이트 신호를 설명하는 도면,

도 15는 램프 전력제어유닛의 다른 구성예를 도시하는 도면,

도 16은 도 15에 도시하는 램프 전력제어유닛의 각부의 파형을 도시하는 도면,

도 17은 광조사식 급속 가열처리장치의 단면 구성을 도시하는 도면,

도 18은 둥근 고리형상으로 형성된 램프의 일례를 도시하는 도면,

도 19는 램프 점등의 제어를 행하는 제어장치의 종래 구성예를 도시하는 도면,

도 20은 도 19에서의 램프 점등 제어장치의 상세한 구성을 도시하는 도면,

도 21은 도 19, 도 20에 도시하는 사이리스터 유닛의 구성을 도시하는 도면,

도 22는 사이리스터의 도통각 제어를 행한 경우의 각부의 파형을 도시하는 도면,

도 23은 사이리스터의 제로 크로스 제어를 행한 경우의 각부의 파형을 도시하는 도면,

도 24는 도통각 제어, 제로 크로스 제어를 행한 경우의 입력, 출력전류, 전압파형을 도시하는 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 필라멘트 램프 2 : 램프실

3 : 미러 4 : 처리실

5 : 워크 유지대 11 : 제어부

12 : 램프 전력제어유닛 13 : CPU

14 : PWM 제어회로 14a : 레지스터

14b : 어드레스 디코더 14c : PWM 카운터

14d : 발진기 14e : 분주기

14f : 에지 검출 동기회로 15 : 버스

16 : 위상검출회로 21 : 교류전원

22 : 램프 점등 제어회로 22a : 게이트신호 발생회로

도 1은 본 발명의 실시예의 광조사식 급속 가열처리장치용 제어장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 상기 도면에서 11은 CPU 등으로 구성되는 제어부, 12는 램프(1)에 공급되는 전력을 제어하는 램프 전력제어유닛(이하, 전력제어유닛이라고 약술한다)이고, 제어부(11)로부터 출력되는 PWM 신호가 각 전력제어유닛(12)에 주어진다.

전력제어유닛(12)에는 스위칭 소자가 설치되어 있고, 상기 제어부(11)가 출력하는 PWM 신호에 의해 스위칭 소자의 온 시간과 오프 시간의 비율(이하 듀티라고 한다)을 변화시켜, 램프(1)에 공급하는 전력을 제어한다.

램프(1)는 상기 도 17에 나타낸 바와 같이 램프실(2) 내에 배치되고, 처리실(4) 내에는 워크 유지대(5)가 설치되며, 가열처리되는 워크(W)가 워크 유지대(5) 상에 놓여진다.

또, 램프(1)를 배치한 영역은 상기 영역의 중심으로부터의 거리에 따라서 다수의 구역으로 분할되고, 각 구역에 적어도 1이상의 램프가 설치되어 있다. 전력제어유닛(12)은 각 구역에 대응하여 설치되어 있고, 각 전력제어유닛(12)에 의해 각 구역에 속하는 램프(1)에 공급하는 파워를 각각 제어한다.

도 2, 도 4, 도 5는 램프의 배치예를 나타내는 도면이다.

도 2는 도 3에 나타내는 바와 같이, 반원상의 램프(1, 1')를 2개 합해서 둥근 고리형상으로 형성하여, 이들을 동심원으로 배치한 경우를 나타내고 있다.

램프(1, 1')는 도 3에 나타내는 바와 같이, 발광관(1a)과 발광관(1a)의 단부에 직각으로 형성된 한쌍의 도입관(1b)으로 이루어지는 반원상의 램프(1, 1')를 2개 합해서 둥근 고리형상으로 한 것이고, 발광관(1a) 내에 코일형상의 필라멘트(1c)가 배치되고, 도입관(1b)의 단부에는 시일부(1d)가 형성되며, 필라멘트(1c)의 단부에 리드선(1e)이 몰리브덴 박(1f)을 통해서 접속되어 있다.

이들 램프를 배치한 영역은 도 2에 나타내는 바와 같이 동심원상의 구역(1∼4)으로 나누어져 있고, 상기 전력제어유닛(12)은 상기 구역마다 설치되며, 각 구역에 속하는 1 내지 다수개의 램프에 공급되는 전력을 제어한다. 또한, 도 2, 도 3에서는 반원상의 램프(1, 1')를 2개 합해서 둥근 고리형상으로 형성한 경우에 대해서 나타내고 있지만, 상기 도 18에 나타낸 둥근 고리형상의 램프를 동심원상으로 배치한 것을 사용할 수도 있다.

도 4는 가열처리를 행하는 워크의 형상이 예를 들면 4각형인 경우에 대응하여 직선형상의 램프(1), 직각형상으로 구부러진 램프(1')를 조합하여 램프를 직사각형 형상으로 배치한 경우를 나타내고 있고, 이 경우에도 램프(1, 1')를 배치한 영역은 상기 도면에 나타내는 바와 같이 영역의 중심으로부터 거리에 따라서 다수의 구역(1∼5)으로 나누어지고, 전력제어유닛(12)은 상기 구역마다 설치되며, 각 구역에 속하는 1 내지 다수개의 램프에 공급되는 전력을 제어한다.

도 5(a)는 시일부가 1개소인 싱글 엔드라고 호칭되는 도 5(b)에 나타내는 램프(1)를 이용한 경우를 나타내고 있고, 각 램프(1)에는 예를 들면 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 그릇형상의 미러(3)가 설치되며, 각 램프가 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 동심원상으로 배치된다. 이 경우에도 램프(1, 1')를 배치한 영역은 상기 도면에 나타내는 바와 같이 영역의 중심으로부터의 거리에 따른 다수의 구역(1∼n)으로 분할되어 있다.

도 6은 도 1에 나타낸 제어부(11)의 구체적 구성예를 나타내는 도면이다. 상기 도면에서, 11은 제어부이고, 제어부(11)는 CPU(13)와 PWM 제어회로(14)로 구성되어 있고, CPU(13)와 PWM 제어회로(14)는 버스(15)를 통해서 접속되어 있다. PWM 제어회로(14)에는 각 전력제어유닛(12)에 대응한 채널(CH1∼CH4)의 PWM 카운터(14c)가 설치되어 있고, 각 PWM 카운터(14c)로부터 출력되는 PWM 신호에 의해 각 전력제어유닛(12)은 각 구역에 속하는 램프의 파워를 제어한다(이 예에서는 구역이 4인 경우를 나타내고 있다).

또, 위상검출회로(16)가 설치되어 있고, 위상검출회로(16)에 의해 전원(21)의 전압위상을 검출한다.

도 7은 위상검출회로(16)의 구성예를 나타내는 도면이고, 위상검출회로(16)는 상기 도면에 나타내는 바와 같이 예를 들면, 포토 커플러(Ph1, Ph2)와 저항(R1∼R3), 슈미트 트리거 인버터(INV)로 구성된다. 그리고, 전원(17)의 전압이 정위상이 되면 포토 커플러(Ph1)가 도통하고, 또 부위상이 되면 포토 커플러(Ph2)가 도통한다. 이 때문에, 슈미트 트리거 인버터(INV)의 입력은 전원전압이 정위상일 때 하이 레벨, 부위상일 때 로우 레벨이 되고, 슈미트 트리거 인버터(INV)의 출력에는 전원위상에 따라서 하이 레벨, 로우 레벨의 출력이 발생한다. 즉, 전원전압의 제로 크로스 점에서 위상검출회로(16)의 출력은 하이 레벨→로우 레벨 또는 로우 레벨→하이 레벨로 변화한다.

도 6으로 되돌아가서, 제어부(11)의 CPU(13)에는 후술하는 바와 같이 미리 각 구역에 속하는 램프(1)에 공급하는 파워의 시간적 변화패턴 등이 기억되어 있고, 가열처리가 개시되면 CPU(13)는 각 구역이 속하는 램프에 공급하는 파워에 대응한 디지털 데이터를 어드레스 신호와 함께 출력한다.

상기 어드레스 신호는 어드레스 디코더(14b)에 의해 디코드되고, 그 디코드 결과에 따라서, CPU(13)가 출력하는 디지털 데이터는 PWM 제어회로(14)에 설치된 레지스터(14a)의 상기 어드레스 신호에 대응한 영역에 세트된다.

한편, 위상검출회로(16)의 출력은 에지 검출 동기회로(14f)에 입력되고, 에지 검출 동기회로(14f)는 위상검출회로(16)가 출력하는 위상신호의 상승, 하강 에지(전원전압의 제로 크로스 점)를 검출한다. 그리고, 전원전압의 제로 크로스 점에서 에지검출동기회로(14f)는 PWM 데이터 세트 신호를 출력한다. 상기 PWM 데이터 세트 신호가 출력되면, 상기 레지스터(14a)의 각 영역에 세트되어 있었던 디지털 데이터가 각 PWM 카운터(14c)에 전송되어 프리셋된다. 또한, 디지털 데이터를 고속으로 전송하기 때문에, 레지스터(14a)와 PWM 카운터(14c) 사이는 예를 들면 12비트의 병렬전송 라인으로 접속되어 있다.

또, 발진기(14d)가 출력하는 클럭 펄스가 분주기(14e)에 의해 분주되고, PWM 카운터 스타트 신호로서 PWM 카운터(14c)에 주어진다.

PWM 카운터(14c)에 상기 PWM 카운터 스타트 신호가 입력되면, PWM 카운터(14c)는 도시하지 않은 클럭 신호의 카운트를 개시하고, 카운트 값이 상기 프리셋 값에 도달하면 제로로 리셋된다. 그리고, 다음의 PWM 카운트 스타트 신호가 입력되면 다시 카운트를 개시하여, 이하 동일한 동작을 반복한다.

PWM 카운터(14c)가 카운트를 하고 있는 기간, PWM 카운터(14c)는 하이 레벨의 출력을 발생한다. 이 때문에, PWM 카운터(14c)로부터 상기 PWM 데이터 세트 신호에 의해 세트된 프리셋 값에 따른 시간폭의 펄스 신호가 분주기(14e)가 출력하는 PWM 카운터 스타트 신호의 주기에서 반복하여 출력되고, 이 신호는 각 전력제어유닛(12)에 주어진다.

도 8은 PWM 제어회로(14)의 출력신호를 나타내는 도면이고, 상기 도면에 나타내는 바와 같이, PWM 제어회로(14)는 예를 들면, 20㎑의 반복주기(PWM 카운터 스타트 신호의 주기)로 상기 레지스터(14a)에 세트된 디지털 데이터에 따른 듀티의 펄스신호를 출력한다.

여기에서, 상기한 바와 같이 PWM 데이터 세트 신호는 전원전압의 제로 크로스 점에서 출력되기 때문에, 전원전압의 반주기 사이는 PWM 카운터(14c)가 출력하는 PWM 신호의 듀티는 변화하지 않는다. 이 때문에, 각 전력제어유닛(12)에 유입하는 전류값은 각 반주기에서 대략 정현파형상으로 변화한다. 이것에 의해, 고조파 변형을 저감화시킬 수 있고, 역율의 저하를 방지할 수 있다.

도 9는 워크(W)를 급속히 가열할 때의 승온패턴과 전력제어유닛(12)에 주어지는 듀티신호의 일례를 나타내는 도면이다.

워크(W)를 급속히 가열할 때에는, 상기 도면 (a)에 나타내는 바와 같이, 먼저 워크(W)를 상기 도면 A점까지 상승시킨 후, 소정 시간 그 온도로 유지한다. 이 때문에, PWM 제어회로(14)는 상기 도면 (b)에 나타내는 바와 같이 A점까지는 비교적 듀티가 큰 PWM 신호를 출력하고, A점에 달하면 PWM 신호의 듀티를 작게 한다.

상기 도면 (a)의 B점에 달하면 다시 워크(W)의 온도를 상승시킨다. 이 때문에, PWM 제어회로(14)가 출력하는 PWM 신호의 듀티는 상기 도면 (c)에 나타내는 바와 같이 커진다.

워크(W)의 온도가 다시 상승하여 C점에 달하면 소정 시간 그 온도로 유지한다. 이 때문에, PWM 제어회로(14)가 출력하는 PWM 신호의 듀티는 C점에서 상기 도면 (d)에 나타내는 바와 같이 작아진다.

워크(W)의 온도를 소정 시간 일정하게 유지한 후, D점에 달하면 워크(W)의 온도를 저하시킨다. PWM 제어회로(14)가 출력하는 PWM 신호의 듀티는 상기 도면 (e)에 나타내는 바와 같이 D점에서 0이 되어 램프는 소등한다.

도 9에서는 전력제어유닛(12)에 공급하는 PWM 신호의 전형예를 나타내었지만, 워크(W)는 단면으로부터 방열하고, 또 램프(1)로부터의 광은 상호 간섭한다. 따라서, 이들을 고려하여 각 구역에 속하는 램프에 공급하는 파워를 배분할 필요가 있다.

즉, 다수의 램프(1)로부터 워크(W)에 광이 조사되기 때문에, 도 10(a)에 나타내는 바와 같이 광이 상호 간섭한다(상기 도면의 해칭 부분). 이 때문에, 각 램프로부터 방출되는 광량을 같게 한 것에서는 워크(W)의 표면을 반드시 일정한 온도로 할 수는 없다.

또, 워크(W)는 단면에서 방사되기 때문에, 워크(W)의 방열특성은 상기 도면 (b)에 나타내는 바와 같이 된다. 따라서, 워크(W)의 온도를 일정하게 하기 위해서는 그만큼 주변부의 램프의 파워를 크게 할 필요가 있다. 그러나, 주변부의 램프 파워를 크게 하면 그 내측의 파워 표면의 온도가 상승하기 때문에, 그 부분의 램프 파워는 약간 저하시킬 필요가 있다.

이상으로부터 램프(1)에 공급하는 전력비를 예를 들면, 도 10(c)과 같이 함으로써, 파워(W)의 표면온도를 도 10(d)에 나타내는 바와 같이 대략 일정한 온도로 할 수 있다.

상기한 각 램프에 공급하는 파워의 시간적 변화 패턴, 각 구역의 램프의 파워 배분 등은 실험 혹은 이론식 등에 의해 구할 수 있고, 미리 실험, 이론식 등에 의해 파워(W)의 가열처리량에 따른 각 구역에 속하는 램프에 공급하는 전력량을 정한다. 그리고, CPU(13)의 도시하지 않은 기억부에 대응하는 제어신호를 기억시켜 두고, 설정전력이 입력되면 CPU(13)는 그것에 대응한 제어신호를 읽어내어, 상기한 PWM 제어회로(14)에 출력한다.

본 실시예에서는 이상과 같이 CPU(13)에 미리 기억된 디지털 데이터를 버스(15)를 통해서 PWM 제어회로(14)에 송출하고, PWM 제어회로(14)에서 PWM 신호를 생성하여 각 전력제어유닛에 송출하고 있기 때문에, 상기한 종래예와 같이 피드 백 지연에 의한 제어지연이 발생하지 않고, 또 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환할 때의 변환지연 등이 발생하지 않는다. 이 때문에, 고속 제어가 가능하게 된다.

다음에 상기 전력제어유닛에 대해서 설명한다.

도 11은 도 1, 도 6에 나타낸 램프 전력제어유닛(12)의 구성예를 나타내는 도면이다.

상기 도면에서, 21은 교류전원, 22는 램프 점등 제어회로(이하, 점등제어회로라고 약술한다)이다. 점등제어회로(22)의 스위칭 소자는 게이트 신호 발생회로(22a)에서 주어진 게이트 신호에 의해 제어되고, 교류전원(21)으로부터 공급되는 교류입력을 제어하여, 램프(1)에 전력을 공급한다.

게이트 신호 발생회로(22a)는 상기한 PWM 제어회로(14)의 출력에 기초하여, 스위칭 신호를 발생하여 각 점등제어회로(22)의 스위칭 소자를 ON/OFF시킨다.

즉, 도 12(a)에 나타내는 입력전압(전류)을 상기 도면 (b)에 나타내는 스위칭 신호로 ON/OFF하고, 상기 도면 (c)에 나타내는 출력전류를 얻는다. 또한, 상기 도면은 듀티가 대략 50%인 경우를 나타내고 있고, 부하에 병렬로 전류용 스위칭 회로를 설치하는 동시에, 램프(1)에 직렬로 인덕턴스를 설치하고, 입력측에 직렬로 접속된 스위칭 회로가 오프되었을 때, 상기 전류용 스위칭 회로를 온으로 하고, 출력전류를 상시 전류회로를 통해서 계속적으로 흐르도록 구성한 경우를 나타내고 있다.

상기 도면 (c)에 나타내는 파형에서도 스위칭 신호의 주파수를 높게 하면, 정현파에 가까운 파형을 얻을 수 있지만, 상기 도면 (c)에 나타내는 출력전류를 또한 필터링함으로써, 상기 도면 (d)에 나타내는 정현파 출력을 얻을 수 있다. 또, 입력전류도 저역통과 필터를 통하게 함으로써 정현파로 할 수 있다.

다음에, 도 11에 나타낸 점등제어회로의 동작에 대해서 설명한다.

도 13은 도 11에 나타낸 본 실시예의 점등제어회로의 구성을 나타내는 도면이고, 상기 도면은 도 11에 나타낸 점등제어회로(22)의 1개를 취하여 나타낸 것이다. 상기 도면에서, 22는 점등제어회로, 21은 교류전원, Tr1∼Tr4는 스위칭 소자, D1∼D4는 다이오드, C1은 콘덴서, L1은 인덕턴스, 1은 램프이다.

스위칭 소자(Tr1∼Tr4)는 도 11에 나타낸 게이트 신호 발생회로(22a)가 발생하는 게이트 신호에 의해 상기 도 12에 나타낸 바와 같이 소정의 구동주파수로 ON/OFF한다. 이 구동주파수는 소정의 주파수, 예를 들면, 상기한 바와 같이 20㎑ 정도로 선정된다. 이 주파수는 너무 낮으면 출력측에 설치한 콘덴서(C1)의 용량이 커지고, 또한 음을 발하게 된다. 한편, 너무 높으면 스위칭 소자에서의 효율이 악화하기 때문에, 양자 사이의 영역에서 적당히 선정하면 좋다.

도 13에서, 점등제어회로(22)는 다음와 같이 동작한다.

점등제어회로(22)에 교류전원(21)으로부터 상용교류전원을 공급한다. 입력전류는 도 13의 A방향으로 흐르는 경우와, B방향으로 흐르는 경우가 있다. 각각의 경우에 도 14에 나타내는 바와 같이 각 스위칭 소자를 제어한다.

(1) 입력전류가 A방향으로 흐르는 경우

① 제1 및 제3 스위칭 소자(Tr1, Tr3)를 ON, 스위칭 소자(Tr2, Tr4)는 OFF로 한다. 출력전류는 제1 스위칭 소자(Tr1)→인덕턴스(L1)→램프(4)→제4 다이오드(D4)로 흐른다.

② 제3 스위칭 소자를 ON으로 한 채, 제1 스위칭 소자(Tr1)를 OFF로 하고, 다른 스위칭 소자(Tr2, Tr4)는 OFF인 채로 한다. 인덕턴스(L1)에 잔류하는 전류가 인덕턴스(L1)→램프(4)→제3 스위칭 소자(Tr3)→제2 다이오드(D2)→인덕턴스(L1)로 흐른다.

③ 상기 ①②의 조합의 스위칭을 반복한다.

(2) 입력전류가 B방향으로 흐르는 경우

④ 제2 및 제4 스위칭 소자(Tr2, Tr4)를 ON, 스위칭 소자 Tr1, Tr3은 OFF로 한다. 출력전류는 제4 스위칭 소자(Tr4)→램프(4)→인덕턴스(L1)→제1 다이오드(D1)로 흐른다.

⑤ 제2 스위칭 소자(Tr2)를 ON으로 한 채로, 제4 스위칭 소자(Tr4)를 OFF로 하고, 스위칭 소자 Tr1, Tr3은 OFF인 채로 한다. 인덕턴스(L1)에 잔류하는 전류가 인덕턴스(L1)→제2 스위칭 소자(Tr2)→제3 다이오드(D3)→램프(4)→인덕턴스(L1)로 흐른다.

⑥ 상기 ④⑤의 조합의 스위칭을 반복한다.

상기와 같이 제어함으로써, 점등제어회로(22)의 각부의 파형은 상기 도 12에 나타낸 바와 같이 된다. 또한, 여기에서는 점등제어회로(22)에는 50㎐의 상용교류전원이 입력되고, 스위칭 소자(Tr1∼Tr4)의 스위칭 주파수는 20㎑인 것으로 한다.

입력전압의 파형은 상기 도 12(a)에 나타낸 파형이고, 스위칭을 약 50%의 듀티에서 행한 경우, 스위칭 신호는 상기 도 12(b)에 나타낸 바와 같이 된다. 여기에서 상기 도면 중 ①은 회로가 상기 (1) ①의 동작을 하고 있을 때, ②는 (1) ②의 동작을 하고 있을 때를 나타낸다. ④⑤도 동일하게, 회로가 (2) ④⑤의 동작을 하고 있을 때이다.

상기 스위칭을 행함으로써, 점등제어회로(22)의 출력전류파형은 상기 도 12(c)와 같이 된다.

즉, 도 12(b) ①일 때에는 교류상용전원으로부터의 전류가 그대로 출력되어, 램프의 전류치는 서서히 증가한다. 또, 도 12(b) ②로 이동하면 출력측은 교류상용전원에서 분리되게 되지만, 인덕턴스(L1)에 전류가 남아 있기 때문에 램프(4)에 흐르는 전류가 서서히 작아진다. 잔류하는 전류가 0이 되기 전에 다시 상기 ①이 되도록 하면, 출력전류는 다시 증가한다. 이것은 ④⑤에 대해서도 동일하다.

또한, 도 12(c)에서는 설명을 위한 요철을 극단으로 나타내고 있지만, 실제로는 예를 들면, 20㎑에서 스위칭을 행하면, 요철은 매우 작아져서, 출력파형은 출력측에 필터회로를 설치하지 않고도 대략 정현파가 된다. 필요하면, 예를 들면, 출력측에 설치한 콘덴서(C1)에 의해 평탄화하면, 도 12(d)에 나타내는 바와 같이 보다 깨끗한 정현파가 된다.

여기에서 듀티가 1일 때에는 ①에서만 램프에의 입력파형은 램프점등장치에 입력되는 파형과 동일하게 되고, 한편, 듀티가 0일 때에는 ②에서만 램프에의 입력이 0이 된다.

따라서, 스위칭의 듀티를 0에서 1 사이에서 변화시킴으로서, 0≤[출력전류의 피크값(Ip')]≤[입력전류의 피크값(Ip)]의 범위에서 피크값이 가변인 정현파인 파형의 출력전류를 얻을 수 있다. 즉, 램프(4)에 대해서 연속적으로 변화가능한 전류를 줄 수 있다.

한편, 점등제어회로(22)로의 입력전류의 파형은 스위칭 소자의 듀티에 의해서 ON/OFF가 반복되고 있기 때문에, 상기 도 12(a)와 같이 되고(상기 도면 중 사선부분 참조), 입력전류는 고조파 변형이 큰 파형이 된다. 그래서, 점등제어회로(22)의 입력측에 도 11에 나타내는 바와 같이 인덕턴스(L2)와 콘덴서(C2)를 설치한다. 이것에 의해, 입력전류를 평활화하여 고조파 변형을 저감화할 수 있다. 여기에서 인덕턴스(L2)에 대해서는 특정한 소자를 설치하지 않고 배선의 인덕턴스를 이용할 수 있다.

또한, 본 출원인이 먼저 제안한 바와 같이(일본국 특원평 10-273342호 참조), 각 점등제어회로(22)의 스위칭 소자를 시간차를 설치하여 순서대로 동작시켜도 동일하게 입력전류의 고조파 변형을 저감화하여 역율을 개선할 수 있다.

이상과 같이, 입력전압(전류)을 스위칭 회로에 의해 초핑하여, 출력전압(전류)을 제어함으로써, 출력전류·출력전압·입력전류의 파형을 대략 정현파로 할 수 있고, 고조파 변형을 저감화할 수 있다. 또, 무효전력을 발생시키지 않고, 입력의 역율을 개선하여 램프에 큰 돌입전류를 흐르지 않게 하며, 또한 응답속도가 신속하여 연속적으로 제어를 행할 수 있다.

즉, 상기한 바와 같이 위상검출수단을 설치하고, 전원위상을 검출하여, 전원위상에 동기한 PWM 신호를 발생시켜, 전원위상에 동기시켜 스위칭 소자를 동작시키고 있기 때문에 무효전력을 발생시키지 않고 입력의 역율을 개선하여, 고조파 변형을 저감할 수 있다. 즉, 교류전원에서 공급되는 교류 정현파가 정위상의 반주기인지 부위상의 반주기인지를 검출함으로써, 전력제어유닛은 그것에 따라서 소정의 스위칭 소자를 구동할 수 있다.

또한, PWM 신호의 듀티를 변경시킬 때에는, 점등제어회로의 스위칭 소자를 구동하는 PWM 신호의 듀티비를 교류전원의 제로 크로스 점에서 변경하도록 하고 있기 때문에, 입력전류파형이 대략 정현파 형상이 되어 고조파 변형의 발생을 방지할 수 있다.

이 때문에, 무효전력의 발생을 억제할 수 있고, 입력전류를 감소시킬 수 있는 동시에, 고조파 변형을 감소시키는 것이 가능하게 된다.

도 15는 램프 전력제어유닛의 다른 구성예를 나타내는 도면이다.

도 15에서, 22는 램프 점등 제어회로(이하, 점등제어회로라고 약술한다), 21은 교류전원, 23은 전파정류회로, Tr10은 스위칭 소자, D10은 다이오드, L1은 인덕턴스, C1은 콘덴서, 1은 램프, 22a는 게이트 신호 발생회로이다.

상기 도면에 나타내는 스위칭 소자(Tr10)는 게이트 신호 발생회로(22a)가 발생하는 게이트 신호에 의해 소정의 구동주파수에서 ON/OFF한다. 이 구동주파수는 상기한 도 11과 동일, 소정의 고주파, 예를 들면, 20㎑ 정도로 선정된다.

도 15에서 점등제어회로는 다음과 같이 동작한다.

도 16은 도 15에 나타내는 점등제어회로(22)의 각부의 파형을 나타내는 도면이고, 상기 도면에 의해 본 실시예의 점등제어회로의 동작을 설명한다.

점등제어회로(22)에 교류전원(21)으로부터 상용교류전원을 공급한다. 입력전압은 전파정류회로(23)에 의해 전파정류되고, 스위칭 소자(Tr10)에는 도 16(a)에 나타내는 전파정류전압이 공급된다.

① 게이트 신호 발생회로(22a)로부터 스위칭 소자(Tr10)에 온 신호가 공급되고, 스위칭 소자(Tr10)가 온이 되면, 출력전류는 전파정류회로(23)→스위칭 소자(Tr10)→인덕턴스(L1)→램프(1)→전파정류회로(23)로 흐른다.

② 다음에, 스위칭 소자(Tr10)가 오프가 되면, 인덕턴스(L1)에 잔류하는 전류가 인덕턴스(L1)→램프(1)→다이오드(D10)→인덕턴스(L1)로 흐른다.

③ 상기 ①②의 조합의 스위칭을 반복한다.

상기와 같이 제어함으로써, 점등제어회로(22)의 각부의 파형은 도 16에 나타낸 바와 같이 된다. 또한, 여기에서는 점등제어회로에는 50㎐의 상용교류전원이 입력되고, 스위칭 소자(Tr10)의 스위칭 주파수는 20㎑인 것으로 한다.

입력전압의 파형은 도 16(a)에 나타낸 파형이고, 스위칭을 약 50%의 듀티로 행한 경우, 점등제어회로의 출력전류파형은 상기 도 16(b)와 같이 된다.

즉, 스위칭 소자(Tr10)가 온이 되었을 때에는, 교류상용전원으로부터의 전류가 그대로 출력되고, 램프(1)의 전류치는 서서히 증가한다. 또, 스위칭 소자(Tr10)가 오프가 되면, 출력측은 전파정류회로(23)에서 분리되게 되지만, 인덕턴스(L1)에 전류가 남아 있기 때문에, 램프(1)에 흐르는 전류가 서서히 작아진다. 잔류하는 전류가 0이 되기 전에 다시 스위칭 소자(Tr10)를 온으로 하면, 출력전류는 다시 증가한다.

또한, 도 16(b)에서는 설명을 위해 요철을 극단적으로 나타내고 있지만, 실제로는 예를 들면, 20㎑에서 스위칭을 행하면, 제1 실시예와 동일 요철은 매우 작아지고, 출력파형은 출력측에 필터회로를 설치하지 않아도 대략 정현파가 된다. 필요하면 예를 들면, 출력측에 설치한 콘덴서(C1)에 의해 평탄화하면, 도 16(d)에 나타내는 바와 같이 보다 깨끗한 정현파가 된다.

따라서, 스위칭 소자(Tr10)의 스위칭의 듀티를 0에서 1의 사이에서 변화시킴으로써, 상기한 바와 같이 피크값이 가변인 전파정류파형의 출력전류를 얻을 수 있다. 즉, 램프(1)에 대해서 연속적으로 변화가능한 전류를 줄 수 있다.

한편, 점등제어회로(22)로의 입력전류의 파형은 스위칭 소자(Tr10)의 듀티에 의해 ON/OFF가 반복되고 있기 때문에, 상기 도 16(c)와 같이 되고, 점등제어회로의 입력전류는 고조파 변형이 큰 파형이 된다.

그래서, 이 경우에도 상기한 바와 같이 점등제어회로(22)의 입력측에 도 15에 나타낸 바와 같이 인덕턴스(L2)와 콘덴서(C2)를 설치한다. 이것에 의해, 입력전류를 평활화하여 고조파 변형을 저감화할 수 있다. 여기에서 인덕턴스(L2)에 대해서는 특정한 소자를 설치하지 않고 배선의 인덕턴스를 이용할 수도 있다.

또한, 상기한 바와 같이 각 점등제어회로(22)의 스위칭 소자를 시간차를 설치하여 순서대로 동작시켜, 입력측의 고조파 변형을 작게 할 수도 있다.

도 15에 나타내는 점등제어회로를 이용함으로써, 상기 도 11에 나타낸 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 1개의 스위칭 소자로 점등제어장치를 구성할 수 있고, 회로구성을 간단하게 할 수 있으며, 또한, 교류입력의 반사이클마다 램프로의 출력전류가 대략 0에 가까운 값까지 저하하기 때문에, 교류점등의 경우와 동일하게, 램프의 필라멘트 끊어짐이 발생하였다고 해도 직류로 점등시킨 경우와 같이 끊어진 필라멘트 사이에서 아크가 접속하는 경우도 없다.

PWM 신호의 듀티를 변화시킬 때에는, 교류전원의 제로 크로스 점에서, 전력제어유닛의 스위칭 소자를 구동하는 PWM 신호의 듀티비를 변경하고 있기 때문에, 전력제어유닛(12)의 입력전류파형이 대략 전파정류파형이 되고, 교류전원의 입력전류는 대략 교류 정현파이기 때문에, 고조파 변형의 발생을 방지할 수 있다. 또, 무효전력의 발생을 억제하여 입력의 역율을 개선할 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는 항상 동일 위상인 전파정류파형에 대해서 전력제어 유닛의 스위칭 소자가 온/오프 구동하기 때문에, 교류전원으로부터의 교류 정현파가 정위상인지 부위상인지를 검지할 필요는 없다.

또한, 이상의 설명에서는 워크(W)의 온도를 검출하는 온도검출소자를 설치하지 않고, CPU(13)에 미리 기억된 제어신호(PWM신호의 시간적 변화패턴)에만 기초하여 램프에 공급하는 파워를 제어하는 경우에 대해서 설명하였지만, 워크(W)의 온도를 검출하는 온도검출소자를 설치하고, 상기 온도검출소자에서 검출된 워크(W)의 온도를 CPU(13)에 내장하여 워크(W)가 소정의 온도까지 상승하였는지 등의 확인을 행하도록 해도 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 이하의 효과를 얻을 수 있다.

(1) 다수의 필라멘트 램프를 배치한 영역을 상기 영역의 중심으로부터의 거리에 따른 다수의 구역으로 분할하고, 각 구역에 적어도 1이상의 필라멘트 램프를 설치하여, 상기 필라멘트 램프에 공급하는 전력을 제어하는 제어장치를 상기 구역에 대응하여 각각 설치하여 교류전원으로부터 공급되는 교류 정현파 또는 그 전파정류파를 스위칭하는 스위칭 소자를 구비한 다수의 램프 전력제어유닛과, 상기 다수의 램프 전력제어유닛의 각각의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티를 변화시켜, 상기 각 구역에 속하는 필라멘트 램프에 공급되는 전력을 각각 제어하는 제어부로 구성하였기 때문에, 제어지연없이 피처리물의 온도를 제어할 수 있다. 또, 고조파를 감소시켜 역율의 개선을 도모할 수 있으며, 효율을 향상시킬 수 있다.

(2) 피처리물의 방열특성과 각 구역에 속하는 필라멘트 램프의 상호 간섭을 고려하여, 각 구역의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티비의 시간적 변화 패턴을 구하고, 상기 시간적 변화패턴을 상기 제어부에 미리 기억시켜 두고, 제어부가 상기 시간적 변화 패턴을 읽어내어, 각 구역에 속하는 필라멘트 램프에 공급되는 전력을 각각 제어하도록 하였기 때문에, 고속 제어가 가능하게 되는 동시에, 피처리물의 온도를 균일하게 제어할 수 있다.

(3) 교류전원의 위상을 검출하는 위상검출수단을 설치하고, 상기 제어부가 상기 위상검출수단에 의해 검출된 교류전원의 제로 크로스 점에서 각 구역의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티비를 변경하도록 하였기 때문에, 고조파를 한층 저감화하여 역율을 개선할 수 있다.

(4) 교류전원의 위상을 검출하는 위상검출수단을 설치하고, 상기 램프 전력제어유닛이 상기 위상검출수단에 의해 검출된 교류전원의 위상신호에 동기하여, 교류전원으로부터 공급되는 교류 정현파를 스위칭하도록 하였기 때문에, 고조파를 저감화하여 역율을 개선할 수 있고, 입력전류를 감소시킬 수 있다.

Claims

다수의 필라멘트 램프를 갖고, 상기 필라멘트 램프로부터 방사되는 적외선을 포함하는 광을 피처리물에 조사함으로써, 피처리물을 급속히 가열하는 광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치에 있어서,

상기 다수의 필라멘트 램프를 배치한 영역을 상기 영역의 중심으로부터의 거리에 따른 다수의 구역으로 분할하고, 각 구역에는 적어도 1이상의 필라멘트를 설치하고,

상기 제어장치를,

상기 구역에 대응하여 각각 설치되어 교류전원으로부터 공급되는 교류 정현파 또는 그 전파정류파를 스위칭하는 스위칭 소자를 구비한 다수의 램프 전력제어유닛과,

상기 다수의 램프 전력제어유닛의 각각의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티를 변화시켜, 상기 각 구역에 속하는 필라멘트 램프에 공급되는 전력을 각각 제어하는 제어부로 구성한 것을 특징으로 하는 광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치.
제1 항에 있어서, 상기 제어부에는 피처리물의 방열특성과 각 구역에 속하는 필라멘트 램프의 상호 간섭을 고려하여 정한, 각 구역의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티비의 시간적 변화 패턴이 미리 기억되어 있고,

제어부는 상기 듀티비의 시간적 변화 패턴을 읽어내어, 상기 각 구역에 속하는 필라멘트 램프에 공급되는 전력을 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 광조사식 급속 가열 처리장치의 제어장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 교류전원의 위상을 검출하는 위상검출수단을 구비하고,

상기 제어부는 상기 위상검출수단에 의해 검출된 교류전원의 제로 크로스 점에서 각 구역의 스위칭 소자의 온/오프 신호의 듀티비를 변경하는 것을 특징으로 하는 광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 교류전원의 위상을 검출하는 위상검출수단을 구비하고, 상기 램프 전력제어유닛은 상기 위상검출수단에 의해 검출된 교류전원의 위상신호에 동기하여 교류전원으로부터 공급되는 교류 정현파를 스위칭하는 것을 특징으로 하는 광조사식 급속 가열처리장치의 제어장치.