WO2000019777A1

WO2000019777A1 - Dispositif permettant de faire fonctionner une lampe a incandescence

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Publication number: WO2000019777A1
Application number: PCT/JP1999/005186
Authority: WO
Inventors: Takayuki Kanno
Original assignee: Ushio Denki Kabushiki Kaisya
Priority date: 1998-09-28
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2000-04-06
Also published as: DE69902444D1; KR100450431B1; JP2000106283A; EP1058485B1; JP3304894B2; DE69902444T2; EP1058485A1; KR20010032378A; EP1058485A4; TW457833B; US6329765B1

Description

明細書

フィラメントランプ点灯装置技術分野

本発明は、一般照明、加熱処理装置等に用いられるフィラメントランプ点灯装置に関し、更に詳細には、出力側にフィラメントランプを接続し、出力電力を制御するフィラメントランプ点灯装置に関するものである。技術背景

フイラメントランプ点灯装置は、加熱処理や一般照明等に広く使用されている。フィラメントランプ点灯装置の加熱処理への応用例の一つとして、半導体ウェハ (以下ウェハという）の光照射式加熱処理装置があげられる。

半導体製造工程における加熱処理は、ウェハを急速加熱 ·高温保持 ·急速冷却処理するものであり、成膜、拡散、ァニールなど、広い範囲にわたって行われている。

上記いずれの処理も、ウェハを高温に加熱処理するものであり、この加熱処理に上記光照射式加熱処理装置を使用すれば、ウェハを急速に加熱することができ、 1 0 0 0 °c以上にまで十数秒から数十秒間で昇温させることができる。そして、光照射を停止すれば、急速に冷却することができる。ところが、ゥヱハを加熱する際にウェハに温度分布の不均一が生じると、ゥェハにスリップと呼ばれる現象、即ち結晶転移の欠陥が発生し、不良品となる恐れがある。

そこで、光照射式加熱処理装置を用いてウェハを加熱処理する場合に、ウェハの温度分布が均一になるように、加熱 ·高温保持 · 冷却する必要がある。

ウェハの温度分布が均一になるように光照射ができるようにした光照射式加熱処理装置としては、例えば特開平 8 - 4 5 8 6 3号公報に開示されたものがあげられる。上記公報に記載される光照射式加熱処理装置の光源部は、各々直径の異なる複数の環状の赤外線ランプが同心円状に配置されるような構造になっている ₍ ランプをそのように配置することにより、ウェハを同心円状のゾーン毎に分割でき、温度制御が容易になる。ウェハの温度を均一にするためには、ウェハの各ゾーンの温度を測定し、各ゾ —ンに対応する赤外線ランプの発熱量を制御する。すなわち、ウェハの周辺部の温度が低くなれば、ゥヱハの周辺部に配したランプの入力電力を大きくし、ランプの発熱量を上げウェハをより加熱する。以下、ランプの発熱量を変化させることをここでは「調光する」と言うこととする。

光照射式加熱処理装置における赤外線ランプには、一般に、効率良く赤外線を放射するフィラメントを有するハロゲンランプが用いられ、また、点灯用の電源としては交流電源が用いられる。フィラメントランプの調光は次のように行われる。

( 1 ) 一般の照明器具におけるフィラメントランプの調光には、通常、トライァックを用いた回路が使用され、トライアツクの導通角を制御することにより行われる。

( 2 ) 光照射式加熱処理装置の調光も基本的にはこの回路を適用したもので、サィリス夕が用いられる。サイリス夕を用いたランプ点灯装置の基本的な構成を図 9に示す。なお、 1本のランプに、このランプ点灯装置が 1台対応する。したがつて、複数本のランプを点灯制御する装置においては、ランプの本数だけこのようなランプの点灯装置があり、装置電源ボックスの中に収められる。図 9に示す点灯装置においては、サイリス夕 S C R 1 , S C R 2のゲート電流を流すタイミングを変化させることにより、ランプに入力する電力を制御し調光する。

サイリス夕による電力制御には以下の 2つの方式、導通角制御とゼロクロス制御があげられる。なお、ここで、以下の言葉の定義をする。ランプ点灯装置への商用交流電源による入力を「入力」と呼ぶ。ランプ点灯装置からランプへの出力を「出力」と呼ぶ。したがって「出力電力 I は「ランプ入力電力」のことである。 (a) 導通角制御

図 9において、ランプ点灯装置 1 0 0に交流商用電源 2 1から交流を入力する。ランプ点灯装置 1 00には第 1のサイリスタ S CR 1と、第 2のサイリス夕 S C R 2とからなるランプ点灯制御回路 2 0 0を設ける。ランプ点灯制御回路 20 0 のサイリス夕 S CR 1 , 3〇1 2のゲ一ト 01 , G 2に制御部 300のゲート信号発生回路が発生するゲート信号によりゲート電流を流すと、ランプ点灯制御回路 200のサイリス夕 S C R 1， S C R 2に供給される電流が 0になるまで、ランプ点灯装置 1 00からランプ 23に電流が出力される。図 1 0は、図 9においてサイリス夕の導通角制御を行った場合の各部の波形を示す図である。図 1 0 (a) はランプ点灯装置 1 0 0の入力電圧波形を示す。図

1 0 (b) はサイリス夕 S CR 1 , S CR 2のゲ一ト G 1 , G 2にゲ一ト電流を流すタイミングの例を示す図であり、 ①は第 1のサイリス夕 S CR 1のゲ一ト電流を、 ②は第 2のサイリス夕 S C R 2のゲ一ト電流を示す。図 1 0 ( c ) は同図

(a) のタイミングでゲート電流を流したときの出力電流の波形を示す。なお、フィラメントランプ点灯装置の場合には出力電圧も出力電流と同様の波形になる ₍ したがって、ランプ点灯装置 1 00からの出力電力は、図 1 0 (c) の斜線部で示される出力電圧波形と出力電流波形とを掛け合わせたものとなる。サイリス夕 S CR 1 ,S CR 2に与えるゲート電流のタイミングを変化させることにより、図 2 (c) の出力電流波形及び出力電圧波形を変えることができるので、出力電力、すなわちランプ入力電力を変え、調光することができる。

(b) ゼロクロス制御

図 1 1は、図 9においてサイリス夕のゼロクロス制御を行った場合の各部の波形を示す図である。制御回路構成は、図 9と同じであり、サイリス夕 S CR 1 , S CR 2のゲート電流を流すタイミングを図 1 1 (b) のようにする。ここで、 ①は第 1のサイリス夕 S C R 1のゲ一ト電流を、 ②は第 2のサイリスタ S C R 2 のゲート電流を示す。図 1 1 (b) のタイミングでゲート電流を流したときの出力電流及び出力電圧は同図（c) のようになる。すなわち、同図（c) に示すように、波形が間引かれた電流 ·電圧を出力することにより、ランプ入力電力を変化させ、調光することができる。ところで、上記 2つの制御方式には次のような問題点がある。

( 1 ) 立ち上がりノイズの発生（導通角制御の場合）

図 1 0に示した導通角制御方式の場合、調光時、図 1 0 ( c ) に示すように、ランプに対し急激に大きな電圧が印加されることになる。このため、立ち上がりノィズと呼ばれるノィズがランプ点灯装置内に発生し、装置の制御系が誤動作する原因となる場合がある。また、ランプフィラメントに突入電流が流れるので、フイラメントは過負荷な状態になり、フイラメント切れが発生しやすくなる。

(2) 応答速度が低下、連続的な制御ができない（ゼロクロス制御の場合）ゼロクロス制御の場合には、電源電圧がゼロクロスする時点でサイリスタを導通させるようにしているので、ランプに対し急激に大きな電圧が印加されることはない。しかしながら、図 1 1 (b) のように、入力される商用周波数の波を間引くことになるので、調光の応答速度を入力する商用電源の周波数よりも早くすることができず、迅速な調光ができない。また、出力電力を連続的に変化させることができないので微妙な調光ができない。

(3) 高調波歪みの発生

図 1 0に示した導通角制御を行なう場合を例に取ると、前記したように、出力側の電力制御を行なう場合、出力電圧と出力電流は、それぞれ図 1 2 (a) (b) のようになる。

一方、ランプ点灯装置 1 0 0の入力電圧の波形は、図 1 2 ( c ) のように商用交流電源 2 1の電圧波形である。また、入力電流の波形は、図 1 2 ( d ) のように出力電流の波形と同じになる。

入力電流がこのように波形になると次の問題が生じる。図 1 2 (d) の丸印の波形部分が非線型な部分であり、これにより入力電流に高調波歪みが発生する。このような高調波歪みは規制の対象になりつつある。

同様の問題は前記図 1 1 に示したゼロクロス制御においても生じる。図 1 2 ( e ) の丸印の部分は波形が非線型であり、高調波歪みが発生する。

( 4 ) 無効電力の発生

図 1 2において、入力電圧を V、入力電流を I とし、 Wを実効電力、 V X Iを皮相電力とすると、入力電圧の波形と入力電流の波形とが、ともに正弦波で位相差がなければ、次の関係が成り立つ。

V X I = W

ここで、 Wは出力電力（ランプ入力電力）と考えることができる。

しかしながら、図 1 2 ( d ) のように、歪んだ波形の場合、無効電力（ = V x

I 一 W ) が必ず発生する。したがって、図 1 2 ( d ) のような歪んだ波形において、ある実効電力 Wを出力しょうとすると、波形が正弦波のものに比べると、より大きな皮相電力 V X Iが必要になる。

同様に、ゼロクロス制御の場合には、図 1 2 ( e ) 矢印部分が 1周期と考えられるので無効電力が生じる。上記、無効電力に関して言うと、出力電力を制御したとたん無効電力が発生することになる。このことは、実用の装置を製作する場合において大きな問題になる。

即ち、以下の理由により、ランプ点灯装置 1 0 0の出力電力は常に制御されることになるから、ランプ点灯装置 1 0 0には必ず無効電力が発生することになり、ランプ点灯装置として効率が悪くなる。

① 実用上、光照射式加熱処理装置のような装置においては、例えばランプ点灯装置に商用の 2 0 0 Vを入力する場合、 1 0 %の電圧変動を考慮し、使用するランプは入力電圧よりも約 1 0 %小さい定格の例えば 1 8 0 V定格のものを用い、装置に余裕を持たせるのが常識である。したがって、ランプを定格で点灯する場合においても、ランプ点灯装置の出力は制御されることになる。

② さらに、光照射式加熱処理装置では、複数本のランプを点灯 ·調光するが、使用するランプによって、定格が異なる（フィラメントの長さが異なる）場合がある。この場合も、常に出力電力を制御することになる。一方、上述の無効電力の問題を解決する方式として、交流チヨッパ制御方式が提案されている。交流チヨッパ制御方式は、入力電圧（電流）をスイッチング回路によりチヨッビングすることにより、出力電圧（電流）を制御するものであり、スィツチング動作における O N時間を制御することにより、出力電圧（出力電流）を制御することができる。

図 1 3に交流チヨッパ制御方式を用いた場合の各部の波形を示す。

すなわち、図 1 3 ( a ) に示す入力電圧（電流）を同図（b ) に示すスィッチング信号で O N / 0 F Fし、同図（ c ) に示す出力電流を得る。なお、同図は、デューティが略 5 0 %の場合を示しており、また、負荷に並列に転流用のスイツチング回路を設けるとともに、フィラメントランプに直列にインダクタンスを設け、入力側に直列に接続されたスイッチング回路がオフになったとき、上記転流用のスィツチング回路をオンにして、出力電流を上記転流回路を介して継続的に流すように構成した場合を示している。同図（ c ) に示す波形でもスイッチング信号の周波数を高くすれば、正弦波に近い波形を得ることができるが、同図（ c ) に示す出力電流を更にフィルタリングすることにより、同図（d ) に示す正弦波出力を得ることができる。入力電流も口一パスフィルタを通すことにより正弦波とすることができる。

上記交流チヨッパ制御方式を用いれば、入力、出力波形を正弦波にすることができ、また、電圧 ·電流位相が略一致するので、前記した無効電力の問題は生じない。

また、出力電流が急激に立ち上がることがないので、立ち上がりノイズの問題も生ずることがなく、さらにスィツチング信号のデューティを制御することにより迅速かつ微妙な調光も可能となる。以上のように、フィラメントランプに入力する電力を変化させてランプの発熱量を制御するランプ点灯装置においては、ランプに対し急激に電圧を印加しない (ノイズを発生しない、ランプに大きな突入電流を流さない）ように、かつ、応答速度が迅速で連続的に調光できるように出力電力を変化させることが要求される。また、入力電流に高周波歪みが生ずることなく、また、無効電力が生じさせないように、出力電力を変化させる必要がある。

前記した交流チヨッパ制御方式を用いれば、出力電流 · 出力電圧 · 入力電流の波形を略正弦波にすることができるので、無効電力を発生させることなく、また、ランプに大きな突入電流を流さず、かつ、応答速度が迅速で連続的に調光することができる。しかしながら、交流チヨッパ制御方式は、前記図 1 3に示したように、入力電圧（電流）を同図（b ) に示すスイッチング信号で O N / 0 F Fするので、入力側にフィルタ回路を設けないと、入力電流に高調波歪みが発生する。

特に、光照射式加熱処理装置においては、複数のフィラメントランプを調光する必要があり、上記スイッチングされる入力電流も大きくなるため、高調波歪みが電源側に与える影響も大きくなる。

本発明は上記した事情に鑑みなされたものであって、複数のフイラメントランプを調光するフイラメントランプ点灯装置において、入力側に高調波歪み除去用のフィルタ回路を設ける必要がないか、もしくは、極めて小型化でき、電源側に高調波歪みの影響与えることがないフイラメントランプ点灯装置を提供することである。発明の開示

上記課題を本発明においては、次のように解決する。

入力側に交流電源を接続し、その出力電力を制御して複数のフィラメントランプを点灯させるフイラメントランプ点灯装置において、上記複数のフイラメントランプに対応させてそれぞれ点灯制御回路を設けるともに、該点灯制御回路を制御する制御部を設ける。

上記点灯制御回路は、上記交流電源から供給される正弦波電流もしくはその全波整流された電流をスィツチングするスイッチング素子を含み、このスィッチング素子がオンのとき、入力電流をフィラメントランプに供給し、スイッチング素子がオフのとき、当該フィラメントランプと直列に接続されたィンダクタンス要素に蓄積されたエネルギーによってフイラメントランプに持続的に電流を流し続け、以後、上記オン/オフを繰り返すことにより、全体として入力電流波形と略同一なる形状の出力電流をフィラメントランプに供給する。

また、上記制御部は、前記スイッチング素子のオン/オフ信号のデューティを変化させることで、上記出力電流のピーク値を変化させるとともに、上記各点灯制御回路にタイミングをずらしたオン/オフ信号を供給する。

本発明においては、上記のように、各点灯制御回路に供給するオン/オフ信号のタイミングをずらせたので、フィルタ回路が必要がないか、もしくは極めて小型化でき、フィラメントランプ点灯装置全体に流れ込む入力電流の波形を正弦波とすることができ、電源側に高調波歪みの影響を与えることがない。このため、装置の構成を簡単化し、コストダウンを図ることが可能となる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施例のフィラメントランプ点灯装置の構成を示す図である。

図 2は、本発明の第 1の実施例のランプ点灯制御回路の構成を示す図である。図 3は、ランプ点灯制御回路の各スィツチング素子を駆動するゲ一ト信号を説明する図である。

図 4は、ランプ点灯制御回路 2 _ 1〜 2— nへ供給されるゲート信号のタイミングの一例を示す図である。

図 5は、時間差を持ったゲート信号により複数のランプ点灯制御回路を動作させたときの入力電流波形を示す図である。

図 6は、複数のランプを同じタイミングで、同じデュティ一でスィツチングして点灯させた場合の入力電流波形を示す図である。

図 7は、本発明の第 2の実施例のランプ点灯装置の構成を示す図である。図 8は、第 2の実施例のランプ点灯制御回路の各部の波形を示す図である。図 9は、サイリス夕を用いたランプ点灯装置の基本的な構成例を示す図である。図 1 0は、図 9においてサイリス夕の導通角制御を行った場合の各部の波形を示す図である。

図 1 1は、図 9においてサイリス夕のゼロクロス制御を行った場合の各部の波形を示す図である。

図 1 2は、導通角制御、ゼロクロス制御を行った場合の入力、出力の電流、電圧波形を示す図である。

図 1 3は、交流チヨッパ制御方式を用いた場合の各部の波形を示す図である。発明を実施するための最良の形態

図 1は本発明の第 1の実施例のフィラメントランプ点灯装置の構成を示す図である。

同図において、 1はランプ点灯装置、 20は交流電源、 2— 1〜2— nはランプ点灯制御回路である。ランプ点灯制御回路 2— 1〜 2— nのスィツチング素子は制御部 3から与えられるゲート信号により制御され、交流電源 20から供給される交流入力を制御して、フィラメントランプ 4— 1〜4一 nを調光する。

制御部 3はランプ点灯制御回路 2— 1〜2— nのスィツチング素子にゲート信号 GSを与えるゲート信号発生回路 3 aと CPU 3 bから構成され、ゲート信号発生回路 3 aは、 CPU 3 bの出力に基づき、前記図 1 3 (b) に示したスイツチング信号を発生し、各ランプ点灯制御回路 2— 1〜2— nのスィツチング素子を ON/OF Fさせる。次に、図 1に示したランプ点灯制御回路の動作について説明する。

図 2は図 1に示した本実施例のランプ点灯制御回路の構成を示す図であり、同図は、図 1に示したランプ点灯制御回路の一つを抜き出して示したものである。同図において、 2はランプ点灯制御回路、 2 0は交流電源、 T r l〜T r 4はスイッチング素子、 D 1〜D 4はダイオード、 Cはコンデンサ、 Lはインダクタンス、 4はフィラメントランプ（以下ランプと略記する）である。

スイッチング素子 T r 1 ~T r 4は図 1に示したゲート信号発生回路 3 aが発生するゲ一ト信号により前記図 1 3に示したように所定の駆動周波数で ON/ 0 F Fする。この駆動周波数は所定の高周波、例えば 20 k H z程度に選定される。この周波数は低くしすぎると出力側に設けたコンデンサ Cの容量が大きくなり、また音を発するようになる。一方、高くしすぎるとスィツチング素子における効率が悪化する。両者の間の領域で適宜設定すれば良い。図 2において、ランプ点灯制御回路 2は次のように動作する。

ランプ点灯制御回路 2に交流電源 2 0から商用交流電源を供給する。入力電流は図 2の A方向に流れる場合と、 B方向に流れる場合とがある。それぞれの場合に図 3に示すように各スイッチング素子を制御する。

( 1 ) 入力電流が A方向に流れる場合

① 第 1および第 3のスイッチング素子 T r l , T r 3を ON、外のスィッチング素子 T r 2 , T r 4は O F Fとする。出力電流は、第 1のスイッチング素子 T r l→インダクタンス →ランプ 4→第 4のダイオード D 4と流れる。

② 第 3のスイッチング素子を ONにしたまま、第 1のスイッチング素子 T r l を OF Fとし、ほかのスイッチング素子 T r 2 , T r 4は OF Fのままとする。インダクタンス Lに残留する電流が、インダクタンス L ランプ 4→第 3のスィツチング素子 T r 3→第 2のダイオード D 2→インダクタンス Lと流れる。

③ 上記①②の組み合わせのスイッチングを繰り返す。

( 2 ) 入力電流が B方向に流れる場合

④ 第 2および第 4のスィツチング素子を ON、外のスイッチング素子 T r 1 , T r 3は OF Fとする。出力電流は、第 4のスイッチング素子 T r 4→ランプ 4 →ィンダクタンスし→第 1のダイォ一ド D 1と流れる。

⑤ 第 2のスイッチング素子 T r 2を ONにしたまま、第 4のスイッチング素子 T r 4を OF Fとし、外のスイッチング素子 T r l , TR 3は O F Fのままとする。インダクタンス Lに残留する電流が、インダク夕ンス L→第 2のスィッチング素子 T r 2→第 3のダイオード D 3→ランプ 4一インダクタンス Lと流れる。

⑥ 上記④⑤の組み合わせのスイッチングを繰り返す。上記のように制御することにより、ランプ点灯制御回路 2の各部の波形は前記図 1 3に示したようになる。なお、ここでは、ランプ点灯制御回路 2には、 5 0 H zの商用交流電源が入力され、スィツチング素子 T r l ~T r 4のスィッチング周波数は 20 kH ζであるとする。 ― 入力電圧の波形は、前記図 1 3 (a) に示した波形であり、スイッチングを約 50 %のデユティーで行なった場合、スイッチング信号は前記図 1 3 (b) に示したようになる。ここで、同図中①は回路が上記（ 1 ) ①の動作をしているとき、 ②は（ 1 ) ②の動作をしているときを示す。 ④⑤も同様に、回路が（2) ④⑤の動作をしているときである。

上記スィツチングを行うことにより、ランプ点灯制御回路 2の出力電流波形は、前記図 1 3 ( c ) のようになる。すなわち、図 1 3 (b) ①の時は、交流商用電源からの電流がそのまま出力され、ランプの電流値は徐々に増加する。また、図 1 3 (b) ②に移ると出力側は交流商用電源から切り離されることになるが、ィンダクタンス Lに電流が残っているためにランプ 4に流れる電流が徐々に小さくなる。残留する電流が 0になる前に再び上記①となるようにすれば、出力電流は再び増加する。これは④⑤についても同様である。

なお、図 1 3 ( c ) では説明のため凹凸を極端に示しているが、実際には例えば 2 0 kH zでスイッチングを行なうと、凹凸はきわめて小さくなり、出力波形は出力側にフィル夕回路を設けなくとも略正弦波となる。必要であれば、例えば出力側に設けたコンデンサ Cにより平坦化すれば、図 1 3 (d) に示すようによりきれいな正弦波となる。ここで、上記のスイッチング周波数における①：② （または③：④）の時間の比がデユティーと呼ばれる。デユティーが 1のときは、 ①のみでありランプへの入力波形はランプ点灯装置に入力される波形と同じになり、一方、デユティーが 0のときは、 ②のみでランプへの入力 0となる。したがって、スィヅチングのデュティ一を 0から 1の間で変えることにより、 0≤ 〔出力電流のピーク値 I p '〕 ≤ 〔入力電流のピーク値 I p〕の範囲でピーク値が可変の正弦波である波形の出力電流を得ることができる。すなわち、ランプ 4に対し連続的に変化可能な電流を与えることができる。一方、ランプ点灯制御回路 2への入力電流の波形は、スイッチング素子のデュティ一によって ON/OF Fが繰り返されているので、前記図 1 3 (a) のようになる（同図中の斜線部分参照）。

図 1 3 (a) に示すように、 20 kH zでスイッチングされているため、ランプ点灯制御回路 2の入力電流は、高調波歪みの大きな波形となる。

そこで、本実施例では、各ランプ点灯制御回路のスイッチング制御を以下のようにすることで、入力側の高調波歪みを小さくする。図 4は、ランプ点灯制御回路 2— 1 ~2 _nのゲート信号を示す図であり、同図は n二 4の場合を示している。

同図に示すように、本実施例においては、スイッチング周波数をランプの本数分だけ分割し、それそれのランプに出力するランプ点灯制御回路 2— 1〜 2 _ n のスィツチング素子 T r 1〜T r 4を、時間差を設けて順番に動作させる。スィツチング周波数 20 k H zで、 4本のランプを点灯させる場合を例にとると、ランプ 1本に対しランプ点灯制御回路は 1個であり、したがってランプ点灯制御回路は 1〜4まで 4個ある。この場合には、 20 kH z (周期 5 0〃 s) の 1周期を 4分割し、各ゲ一ト信号の時間差を 1 2. 5 s とする。図 5は上記のように時間差を持ったゲート信号により複数のランプ点灯制御回路を動作させたときの入力電流波形を示す図であり、同図はランプが 4本の場合を示している。

同図において、ランプ 4 _ 1を調光するランプ点灯制御回路 2 - 1をゲート信号によりスィツチング動作させると、スィツチング素子は所定のデユティーで動作し、ランプ点灯制御回路 2 _ 1の入力電流波形は図 5 (a) のようになる。ついで、ランプ点灯制御回路 2— 1の動作から 1 2. 5 Ai s後に、ランプ点灯制御回路 2 _ 2のスィツチング素子を動作させると、ランプ点灯制御回路 2— 2 の入力電流波形は図 5 (b ) に示すようになる。続いて、同様にランプ点灯制御回路 2— 3→ランプ点灯制御回路 2— 4と順番に動作させと、それぞれの入力電流波形は図 5 ( c ) ( d) のようになる。

図 5 (a) 〜（d) の電流波形を重ね合わせると、複数のランプを点灯させる場合のランプ点灯装置全体としての入力電流の波形となり、それは図 5 (e) に示すように正弦波となる。

例えば、 n= 4でデューティが 1 0 %の場合は、入力電流は正弦波とならないが、入力電流の周波数が 80 kH zとなり、最大電流値も増加しないため、小型のフィルタ回路により正弦波を得ることができる。図 6は複数のランプを同じタイミングで、同じデユティーでスイッチングして点灯させた場合の入力電流波形である。同図において、図 6 (a)、 ( c ), (e)、

( g) はランプ 4一 1〜 4を調光するランプ点灯制御回路 2— 1〜 4のゲート信号を、図 6 (b)、（d)、（f )、 (h) はランプ点灯制御回路 2— 1〜 4は入力電流波形を、図 6 ( i) はランプ点灯制御回路への入力電流（合計）を示す。この場合には、同図に示すように電流値が重ね合されることになり、電源側の高調波歪みが極めて大きくなる。このため、大きな電流値に対応できて、かつ 2 0 kH zをフィルタリングできるるフィルタ回路が必要になり、装置が大型化し、コストアップの要因となる。図 7は本発明の第 2の実施例のランプ点灯装置の構成を示す図である。

図 7において、 1はランプ点灯装置、 1 0— 1〜 1 0— nはランプ点灯制御回路、 20は交流電源、 1 1は全波整流回路、 T r 1 0はスイッチング素子、 D 1 0はダイオード、 Lはインダクタンス、 Cはコンデンサ、 4はフィラメントランプ、 3は制御部、 3 aはゲート信号発生回路、 3 bは CPUである。

同図に示すスィツチング素子 T r 1 0はゲ一ト信号発生回路 3 aが発生するゲ —ト信号 G Sにより所定の駆動周波数で O N / 0 F Fする。この駆動周波数は、前記した第 1の実施例と同様、所定の高周波、例えば 2 0 k H z程度に選定される。図 7において、ランプ点灯制御回路は次のように動作する。

図 8は本実施例のランプ点灯制御回路 1 0— 1〜 1 0— nの各部の波形を示す図であり、同図により本実施例のランプ点灯制御回路の動作を説明する。

ランプ点灯制御回路に交流電源 2 0から商用交流電源を供給する。入力電流は全波整流回路 1 1により全波整流され、スィツチング素子 T r 1 0には図 8 ( a ) に示す全波整流電圧が供給される。

① 制御部 3からスイッチング素子 T r 1 0にオン信号が供給され、スィッチング素子 T r 1 0がオンになると、出力電流は、全波整流回路 1 1 スイッチング素子 T r 1 0→インダク夕ンス L→ランプ 4→全波整流回路 1 1 と流れる。

② 次いで、スイッチング素子 T r 1 0がオフになると、インダクタンス Lに残留する電流が、ィンダク夕ンス L ランプ 4→ダィォ一ド D 1 0→ィンダクタンス Lと流れる。

③ 上記①②の組み合わせのスイッチングを繰り返す。上記のように制御することにより、ランプ点灯制御回路 1 0— 1 ~ 1 0— nの各部の波形は図 8に示したようになる。なお、ここでは、ランプ点灯制御回路には、 5 0 H zの商用交流電源が入力され、スィツチング素子 T r 1〜 T r 4のスイッチング周波数は 2 0 k Η ζであるとする。

入力電圧の波形は、図 8 ( a ) に示した波形であり、スイッチングを約 5 0 % のデユティーで行なった場合、ランプ点灯制御回路の出力電流波形は、前記図 8 ( b ) のようになる。

すなわち、スイッチング素子 T r 1 0がオンになったときは、交流商用電源からの電流がそのまま出力され、ランプの電流値は徐々に増加する。また、スイツチング素子 T r 1がオフになると、出力側は全波整流回路 1 1から切り離されることになる力インダクタンス Lに電流が残っているためにランプ 4に流れる電流が徐々に小さくなる。残留する電流が 0になる前に再びスィツチング素子 T r 1 0をオンにすれば、出力電流は再び増加する。なお、図 8 ( b ) では説明のため凹凸を極端に示している力実際には例えば 2 0 k H zでスィツチングを行なうと、第 1の実施例と同様凹凸はきわめて小さ— くなり、出力波形は出力側にフィルタ回路を設けなくとも略正弦波となる。必要であれば、例えば出力側に設けたコンデンサ Cにより平坦化すれば、図 8 ( d ) に示すようによりきれいな正弦波となる。

したがって、スイッチング素子 T r 1 0のスイッチングのデユティーを 0から 1の間で変えることにより、前記したようにピーク値が可変の全波整流波形の出力電流を得ることができる。すなわち、ランプ 4に対し連続的に変化可能な電流を与えることができる。一方、ランプ点灯制御回路への入力電流の波形は、スイッチング素子 T r 1 0 のデュティ一によって 0 N / 0 F Fが繰り返されているので、前記図 8 ( c ) のようになり、ランプ点灯制御回路の入力電流は、高調波歪みの大きな波形となる。そこで、本実施例においても、第 1の実施例と同様、各ランプ点灯制御回路のスィツチング制御のタイミングをずらすことで入力側の高調波歪みを小さくする ₍ すなわち、前記図 4に示したように、スイッチング周波数をランプの本数分だけ分割し、それそれのランプに出力する各ランプ点灯制御回路 1 0— 1 ~ 1 0— nのスィツチング素子 T r 1 0を、時間差を設けて順番に動作させる。

スィヅチング周波数 2 0 k H zで、 4本のランプを点灯させる場合を例にとると、前記したように、 2 0 k H z (周期 5 0〃 s ) の 1周期を 4分割し、各ゲ一ト信号の時間差を 1 2 . となる。 ¹

上記のように時間差を持ったゲート信号により図 7に示す複数のランプ点灯制御回路 1 0— 1〜 1 0 _ nを動作させれば、前記図 5で説明したように、複数のランプを点灯させたときの、全波整流回路 1 1の出力電流波形は全波整流波形となり、ランプ点灯装置全体としての交流入力電流の波形も略正弦波となる。本実施例においては、上記したように、全波整流波形をランプ点灯制御回路によりスイッチングして、ピーク値が可変な全波整流波形を得て、これによりランプを点灯させるようにしているので、前記した導通角制御のようにランプに急激に大きな電圧が印加されることがなく、前記第 1の実施例と同様な効果を得ることができる。

また、 1個のスィツチング素子でランプ点灯制御装置を構成することができ、回路構成を簡単にすることができる。

さらに、交流入力の半サイクル毎にランプへの出力電流が略 0に近い値まで低下するので、直流で点灯させた場合のようにフィラメント切れが発生したときァ —クが持続することもない。以上説明したように本発明においては、以下の効果を得ることができる。

( 1 ) 出力電流 · 出力電圧の波形を正弦波とし、ピークの高さを変えることにより、出力電力を変え、複数のフィラメントランプの発熱量を制御することができる。ランプに急激な電圧が印加されることがないのでノイズが発生しない。ランプフィラメントに突入電流が流れないのでランプの寿命が長くなる。スィッチング素子のデユティーを変えることで、ピークの高さを連続的に、即時に変化させることができるので、ランプの輝度も連続的に、かつ即時に変化させることができる。

( 2 ) 複数の点灯制御回路に供給するオン/オフ信号のタイミングをずらせたので、入力側に高調波歪み除去用のフィル夕回路を設ける必要がないか極めて小型化でき、入力電流の波形を正弦波とすることができる。このため、装置の構成を簡単化し、コストダウンを図ることが可能となる。

さらに、ランプ点灯装置から制御した電力を出力する場合であっても無効電力が発生することがない。このため、効率の良いランプ点灯装置を実現することができる。産業上の利用分野本発明のフィラメントランプ点灯装置は、加熱処理や一般照明等、具体的には半導体ウェハの光照射式加熱処理装置に利用できる。

Claims

請求の範囲

1 . 入力側に交流電源を接続し、その出力電力を制御して複数のフィラメントランプを点灯させるフィラメントランプ点灯装置であって、

上記複数のフィラメントランプに対応してそれそれ設けられ、上記交流電源から供給される正弦波電流もしくはその全波整流された入力電流をスィツチングするスィツチング素子を具備した点灯制御回路と、

上記スィツチング素子のオン/オフ信号を出力する制御部とを備え、上記点灯制御回路は、上記スイッチング素子がオンのとき、入力電流をフイラメントランプに供給し、スイッチング素子がオフのとき、当該フィラメントランプと直列に接続されたィンダクタンス要素に蓄積されたエネルギーによってフィラメントランプに持続的に電流を流し続け、以後、上記オン/オフを繰り返すことにより、全体として入力電流波形と略同一なる形状の出力電流をフィラメントランプに供給し、

上記制御部は、各点灯制御回路のスィツチング素子のオン/オフ信号のデュ一ティを変化させることで、上記出力電流のピーク値を変化させるとともに、上記各点灯制御回路にタイミングをずらしたオン/オフ信号を供給する

ことを特徴とするフイラメントランプ点灯装置。