JP4313775B2 - 誘導加熱方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に被加熱物に近接配置した複数の誘導加熱コイルを効果的に加熱制御する誘導加熱方法及び装置に関する。

半導体ウェハなどの加熱手段として誘導加熱方式による加熱装置が用いられている。この誘導加熱方式はクリーンで加熱昇温性、熱効率が良いため半導体分野のほか鉄鋼、非鉄など様々な製造分野で利用されている。
誘導加熱装置は被加熱物によって複数の誘導加熱コイルを用い、誘導加熱コイルの高効率化とコイル間の温度低下を防ぐため、複数の誘導加熱コイルを近接配置させている。

ところが近接配置された複数の加熱コイル間では、それぞれの磁束が相互に影響し合う相互誘導現象が発生し、素材の加熱制御が困難となり、均一加熱ができなくなってしまうことがあった。

そこで相互誘導の影響を抑制、回避する種々の手段が講じられている。特許文献１に示す誘導加熱装置は、同心円状に形成した複数の環状に形成した誘導加熱コイルの中心に磁性体を配置している。これにより被加熱物を誘導加熱するとともに中心に配置した磁性体に基づく磁気結合を促進させて均一加熱を行うようにしている。

また特許文献２に示す誘導加熱装置は本願発明者が提案したものである。特許文献２に示す誘導加熱装置は、円板コイルの各々の電流・周波数を同期又は設定範囲で保持させて投入電流に応じた温度制御を行っていることが開示されている。
特開平１０−１４６２７０号公報 特開２００４−２４１３０２号公報

上記特許文献１、２に開示されているものの他にも、コイル間に生じる相互誘導の影響を抑制・制御するための技術が数多く提案されている。
ところで本願出願人の研究により、コイル間の相互誘導に関し次のようなことが解明された。
複数の誘導加熱コイルを制御する高磁気結合の誘導加熱装置では、各コイルから発生される磁力線が他のコイルにおける被加熱物の加熱領域にも影響を及ぼす。このため１つのコイルの磁力線を受けてワーク内に発生した誘導起電力が、他のコイルに対して相互誘導電圧として影響を与えるという現象が起こる。

ここでワーク内における他の加熱コイルに対応した加熱ゾーンに干渉してワークの加熱を促す誘導起電力（ワーク内に生じる干渉磁場によって回路内に誘起される電圧成分）を有効分の相互誘導と定義する。またワーク内の加熱に関与しないコイル間の相互誘導を無効分の相互誘導と定義する。

前記有効分の相互誘導は、隣接する誘導加熱コイル間で特に次のような問題が生じる。従来の誘導加熱コイルでは、端部の磁束密度が小さいこと及び端部からの放射損失が大きいことから、端部コイルに投入する電流を増大する必要がある。

しかしながら、端部コイルの電流を増大すると、端部コイルに近接する内側のコイルに相当する被加熱部位に必要以上の誘導磁束が到来、すなわち有効分の相互誘導が生じる。このため近接する内側のコイルへの電流を最小まで低減しても過昇温させてしまうという問題がある。

そこで本発明は、誘導加熱装置によって被加熱物を加熱する場合に、前記被加熱物全体を均一に効率良く加熱することができる誘導加熱方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の誘導加熱方法は、被加熱物を誘導加熱する複数の誘導加熱コイルを近接配置して、前記誘導加熱コイルは磁束密度の低いコイルとその他のコイル間で異なる周波数ごとに群単位で区分けし、前記磁束密度の低いコイルを高周波数に設定し、区分けした各々の前記群単位内で加熱コイルの電流・周波数を同期させるとともに個別に各誘導加熱コイルの電力調整を行うことを特徴としている。

この場合において、前記群単位は、群間の周波数を相互誘導の影響を回避する周波数差を設けるとよい。前記群間の周波数差は、異周波数間のビート周波数を可聴周波数以上に離してあるとよい。

本発明の誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する複数の誘導加熱コイルを近接配置して、前記誘導加熱コイルは磁束密度の低いコイルとその他のコイルで異なる周波数ごとに区分けした群単位とし、前記磁束密度の低いコイルを高周波数に設定し、区分けした各々の前記群単位ごとに加熱コイル電流・周波数を同期させるとともに個別に各誘導加熱コイルの電力調整を行う制御部を備えたことを特徴としている。

この場合において、前記制御部は、前記群単位の群間の周波数を相互誘導の影響を回避する周波数差を設けてあるとよい。前記制御部は、前記群間の異周波数間のビート周波数を可聴周波数以上に離してあるとよい。

上記のごとくなっている本発明は、誘導加熱コイルを群単位ごとに周波数・電流を同期させて、個別に投入電力を調整することができる。これまでソレノイドコイルの場合、両端部の放熱が大きく、両端コイル部の磁束密度が小さい問題があったが、本発明を適用することによって相互誘導の影響を回避して両端部の被加熱物をより高温にできるとともに近接する被加熱物の過加熱を防止することができる。

また円板コイルの場合、外周部の放熱が大きく、外周コイル部の磁束密度が低く、中心コイル部の磁束密度が低いという問題に対し、本発明を適用することによって相互誘導の影響を回避して中心部及び外周部の被加熱物をより高温にできるとともに内側の過加熱の発生を防止することができる。

区分けした群単位は群間の周波数を相互誘導の影響を回避する周波数差に設けてある。群間の周波数差は到来相互誘導電圧に対し、被到来側のインピーダンスが大きくなるように設定しているので、相互誘導電流が小さくなりインバータを安定に運転制御することができる。

さらに区分けした群単位間の周波数差は、異周波数間のビート周波数を可聴周波数以上に設定している。ビート周波数は振動数の異なった二つの単振動を組み合わせたときに生じる振幅の周期的な変化として定義することができる。ビート周波数を可聴周波数以上にすることにより、作業環境（騒音）を改善できる。

本発明に係る誘導加熱方法及び装置の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１に本発明に係る誘導加熱装置の概略図を示す。なお、図１において、図１（Ａ）は平面図を示し、図１（Ｂ）は側面断面図を示す。図２は実施形態に係る誘導加熱コイルの説明図を示す。

本実施形態における誘導加熱装置の概略構成は、図１に示すように被加熱物１０と、前記被加熱物１０の下面側に備えられ、前記被加熱物１０を加熱するための誘導加熱コイル１２、１４、１６、１８、２０、２２と、前記それぞれの誘導加熱コイルに電流・電圧を供給するための電源部とから成る。

前記被加熱物１０は、導電性物質から構成されており、本実施形態の場合、図１に示すように円形の板状体としている。このような被加熱物１０は、加熱効率を高める場合には、体積あたりの固有抵抗が高い物質を用いることができる。

前記誘導加熱コイル１２、１４、１６、１８、２０、２２は、それぞれ同心円上となるように環状（Ｃ型）に近接配置されており、被加熱物１０の均一加熱を可能とするために、後述する電源部により相互誘導の影響によって各誘導加熱コイル内に生じる相互誘導電流を抑制して、それぞれの誘導加熱コイル１２、１４、１６、１８、２０、２２への投入電力を制御可能に設定されている。

なお図１に示す誘導加熱コイルは円板コイルの構成を示すが、誘導加熱コイルの形態は、図２（２）に示すような誘導加熱コイルを円筒状に形成したソレノイド型コイル７０を適用することもできる。ここで同図（１）に示す円板コイル８０の場合、再内に配置された誘導加熱コイル１２を第１ゾーンの誘導加熱コイルとし、その外側に配置された誘導加熱コイル１４を第２ゾーンの誘導加熱コイル、第３誘導加熱コイル、・・・、最外に配置された誘導加熱コイル２２を第６ゾーンの誘導加熱コイルを称し、以下の説明を行う。

また同図（２）に示すようにソレノイド型コイル７０の場合、一方の端部の誘導加熱コイルから他方の端部に向かって順に第１ゾーンの誘導加熱コイル、第２ゾーンの誘導加熱コイル、・・・、第６ゾーンの誘導加熱コイルと称し、以下の説明を行う。

前記電源部は、装置全体の電源となる三相交流電源２４と、前記三相交流電源２４からの出力電流を直流電流に変換する順変換器２６と、出力する電流電圧を大枠で制御するチョッパ回路３０（３０ａ〜３０ｆ）と、誘導加熱コイル１２〜２２への出力電圧を詳細に制御し、前記順変換器２６によって直流とした電流を交流に変換して出力するインバータ（逆変換器）３２（３２ａ〜３２ｆ）とから成る。

本実施形態の誘導加熱装置の場合、前記インバータ３２は直列共振型インバータとしており、誘導加熱コイルと、インバータ３２との間に、前記誘導加熱コイルと直列にキャパシタ（コンデンサ）４２を接続している。また、誘導加熱コイルと、インバータ３２との間には、前記インバータ３２と並列に変圧器３８が設けられ、前記誘導加熱コイルと直列に変流器３６が設けられており、インバータ３２からの出力電圧と出力電流とを検出できるようになっている。なお、変圧器３８及び変流器３６によって検出されたインバータ３２の出力電圧、及び出力電流は、後述する制御ユニット３４（３４ａ〜３４ｆ）へフィードバックされる構成としている。

制御部となる制御ユニット３４には、インバータ３２やチョッパ回路３０の駆動を制御する駆動制御部（不図示）や、近接配置した誘導加熱コイル内を流れる負荷電流（出力電流）の位相を調整する位相制御部（不図示）等が備えられている。制御ユニット３４には、基準信号生成部２８から各誘導加熱コイル１２〜２２に供給する電流指令信号が入力され、これを基に各インバータ３２や各チョッパ回路３０へ制御信号を送る。
電流指令信号は前記誘導加熱コイルを後述する任意の異なる周波数ごとに区分けした群単位内で電流・周波数を同期させるとともに個別の各誘導加熱コイルの電気調整を行っている。

前記誘導加熱コイル１２、１４、１６、１８、２０、２２の周波数の設定は、ソレノイド型コイル７０の場合には両端部、円板コイル８０の場合には中心部のような磁束密度が低いコイルと、その他のコイルを区分けして複数の群単位を形成する。そして群単位の群間で周波数に差を設けて設定する。

この区分けした群単位の周波数の設定には、無効分の相互誘導に関与するインピーダンスＺが関係する。
ここでインピーダンスＺと、共振素子を構成するインダクタンスＬとキャパシタンスＣとの関係は数式１に示すように表すことができる。

なおＬは誘導加熱コイルの自己インダクタンス、Ｃはコンデンサのキャパシタンス、ｊは虚数、ωはインバータが出力する電流の周波数をそれぞれ示す。
インピーダンスＺは、例えば周波数ｆ_１を２００ｋＨｚと、ｆ_２を４０ｋＨｚと設定した場合、インピーダンスＺが大きくなり、相互誘導電流が低減されインバータ３２を安定制御できる。

ところで被加熱物に近接配置する誘導加熱コイルで誘導加熱を行う場合、発明が解決しようとする課題でも示したように誘導加熱コイル自身の自己誘導電流によって被加熱物を加熱している。この他隣り合う誘導加熱コイル間でも相互誘導が発生する。一般に被加熱物の加熱に関与しない誘起電圧に基づく無効分の相互誘導と、自己の誘導加熱コイルと被加熱物の間に隣の誘導加熱コイルの影響によって被加熱物の加熱に関与する有効分の相互誘導が発生する。

この有効分の相互誘導は近接する誘導加熱コイル間の発熱量Ｑｗ１、Ｑｗ２に対し数式２に示すように関与している。

ここでＲはｎゾーン（ｎ＝１、２）の等価抵抗であり、αは有効分の相互誘導の干渉係数であり、Ｉは投入電流である。

数式２に示すように発熱量Ｑｗ１には自己のコイルに基づく投入電流Ｉ１に加えて、隣接する誘導加熱コイルに基づく有効分の相互誘導に由来する電流も加算されることになる。発熱量Ｑｗ２においても隣接する誘導加熱コイルに基づく有効分の相互誘導に由来する電流も加算されることになる。

そうすると従来の複数の誘導加熱コイルを一定の周波数に設定した場合には有効分の相互誘導に関して数式３に示す発熱量Ｑｎとなる。

数式３は６ゾーンの誘導加熱コイルを用いた場合の発熱量Ｑｎを示す。ここで数式３のｎは１〜６である。数式３に示すように誘導加熱コイルの周波数を一定とした場合、発熱量は１から６ゾーンの各成分のスカラー和を二乗することとなる。
そこで実施形態に係る誘導加熱コイルを区分けした群単位では、群間の周波数を相互誘導の影響を回避する周波数差に設定している。

そうすると群間に周波数差を設けた発熱量Ｑは次式に示す関係となる。数式４は６ゾーンからなる誘導加熱コイルの１ゾーン目の発熱量Ｑ１を示す。

数式４に示すように、発熱量Ｑ１は異なる周波数（群単位）ごとの和の二乗となり、数式３に示す各成分の和を二乗するよりも発熱量が小さくなる。この発熱量の低下によって誘導加熱コイルに投入する電流量を制御することができる。

本実施形態では上記構成の誘導加熱装置の制御ユニット３４において、群単位に区分けした誘導加熱コイルは群間の周波数を、例えば１、２ゾーンの周波数を１５０ｋＨｚと周波数を高く設定している。その他のゾーン（３〜６ゾーン）は４０ｋＨｚに設定している。図３は誘導加熱コイルのｎゾーンの発熱量を示す図である。同図は誘導加熱コイルの６ゾーンの電流及び発熱量を示す。同図（１）は１ゾーンの周波数を１５０ｋＨｚとし、その他のゾーン（２ゾーン〜６ゾーン）を４０ｋＨｚに設定にした場合の各ゾーンの電流及び発熱量を示す。端部側の１ゾーン及び２ゾーンの温度が低くなり、近接配置した３ゾーンは相互誘導の影響により電流を流さなくてもコイル全体として均一な発熱量が得られる。これに対し、温度の低い１ゾーン及び２ゾーンに電流を大きくするとこのゾーン間の発熱量を上げることができるが、相互誘導の影響により隣接する３ゾーンの発熱量も増加してしまう。前述のように３ゾーンに配置する加熱コイルの投入電流は０であり、これ以上電流を下げることができない。よって発熱量を制御することができず過熱状態となる。

一方、同図（２）は１ゾーン及び２ゾーンの群単位の誘導加熱コイルを周波数１５０ｋＨｚに設定し、その他のゾーン（３ゾーン〜６ゾーン）の群単位の誘導加熱コイルを４０ｋＨｚに設定した場合の各ゾーンの電流及び発熱量を示す。端部側（１ゾーン及び２ゾーン）の群単位は群単位内で電流・周波数を同期させている。また端部側の群単位とその他の群単位は相互誘導の影響を回避する周波数差を設けて設定している。このため相互誘導を回避することができる。したがって１ゾーン及び２ゾーンの電力を制御して発熱量を上げても、隣接する３ゾーンの過加熱を防止することができる。
また本実施形態の誘導加熱装置では、群間の周波数は、異周波数間のビート周波数を可聴周波数以上に設定して騒音を防止している。

以上より誘導加熱コイルが円板コイル８０の場合には、コイル径の小さい中心部（１ゾーン、２ゾーン）に高周波数の群単位の誘導加熱コイルを設置するとよい。これにより相互誘導の影響を回避して中心部の被加熱物をより高温にできるとともに、中心部に隣接するコイルの過加熱を防止することができる。

また誘導加熱コイルがソレノイド型コイル７０の場合には、両端（１ゾーン又は６ゾーン）に異周波数の群単位の誘導加熱コイルを設置するとよい。これにより相互誘導の影響を回避して両端部の被加熱物をより高温にできるとともに近接するコイルの過加熱の発生を防止することができる。

本発明に係る誘導加熱装置の概略図を示す。 実施形態に係る誘導加熱コイルの説明図である。 誘導加熱コイルの発熱量を示す図である。

符号の説明

１０………被加熱物、１２………誘導加熱コイル（最内）、１４、１６、１８、２０、２２………誘導加熱コイル（他）、３２（３２ａ〜３２ｆ）………インバータ、４２………キャパシタ（コンデンサ）、７０………ソレノイド型コイル、８０………円板コイル。

Claims (6)

1. 被加熱物を誘導加熱する複数の誘導加熱コイルを近接配置して、
   前記誘導加熱コイルを磁束密度の低いコイルとその他のコイル間で異なる周波数ごとに群単位で区分けし、
   前記磁束密度の低いコイルを高周波数に設定し、
   区分けした各々の前記群単位内で加熱コイルの電流・周波数を同期させるとともに個別に各誘導加熱コイルの電力調整することを特徴とする誘導加熱方法。
2. 前記群単位は、群間の周波数を相互誘導の影響を回避する周波数差を設けてあることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱方法。
3. 前記群間の周波数差は、異周波数間のビート周波数を可聴周波数以上に離してあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘導加熱方法。
4. 被加熱物を誘導加熱する複数の誘導加熱コイルを近接配置して、前記誘導加熱コイルは磁束密度の低いコイルとその他のコイルで異なる周波数ごとに区分けした群単位とし、
   前記磁束密度の低いコイルを高周波数に設定し、区分けした各々の前記群単位ごとに加熱コイル電流・周波数を同期させるとともに個別に各誘導加熱コイルの電力調整を行う制御部を備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
5. 前記制御部は、前記群単位の群間の周波数を相互誘導の影響を回避する周波数差に設定してあることを特徴とする請求項４記載の誘導加熱装置。
6. 前記制御部は、前記群間の異周波数間のビート周波数を可聴周波数以上に離してあることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の誘導加熱装置。

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