JP7640287B2 - ヒータ制御装置及び真空計 - Google Patents

Description

本発明は、ヒータ制御装置及び真空計に関する。

圧力センサを有する真空計は、特許文献１が開示するように、圧力センサの外周面を取り囲むヒータを有することがある。このヒータは、真空計が備えるヒータ制御部により制御され、圧力センサ内を加熱（自己加熱）することにより、圧力センサ内のダイアフラムの周辺の温度を、汚染物質が析出することのない高温度に保つ。

特開２０１９－７９０６号公報

上記ヒータ制御部は、ヒータの発熱を制御するが、このヒータ制御部が暴走してヒータの発熱を制御できなくなると、ヒータの温度が必要以上に高温となってしまう恐れがある。そこで、ヒータの温度が所定の温度よりも高温となったことを検出したときに、ヒータに電流が流れないようにして、ヒータがそれ以上発熱しないように制御するリミット回路を真空計に別途設けることが考えられる。しかし、当該リミット回路に不具合が生じた状態でそれに気づかず真空計が使用されると、ヒータ制御部の暴走が生じたときにリミット回路が動作せず、ヒータが必要以上に高温となってしまう恐れがある。なお、このようなことは、ヒータ一般に言えることでもある。

本発明は、ヒータが必要以上に高温となることを高い確度で抑制することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点に係るヒータ制御装置は、ヒータに流れる電流を制御することで前記ヒータの温度を制御するように構成された制御回路と、第１温度センサにより検出された前記ヒータの温度が第１閾値を超えたときに前記ヒータに前記電流を流さないように動作する第１リミット回路と、前記第１温度センサにより検出された前記温度が前記第１閾値を超えたときに前記ヒータに前記電流を流さないように動作する、前記第１リミット回路を冗長化した第２リミット回路と、を備える。

前記制御回路は、前記第１温度センサにより検出された前記温度が第２閾値を超えたときに前記ヒータに電流を流さない制御を行う、ようにしてもよい。

前記ヒータ制御装置は、前記電流の電流路上に設けられ、前記第１リミット回路が出力した信号に基づいて前記電流が流れないオフ状態に切り替わる第１スイッチング素子と、前記電流路上に設けられ、前記第２リミット回路が出力した信号に基づいて前記電流が流れないオフ状態に切り替わる第２スイッチング素子と、前記電流路上に設けられ、前記制御回路が出力した信号に基づいて前記電流が流れないオフ状態に切り替わる第３スイッチング素子と、をさらに備える、ようにしてもよい。

前記ヒータ制御装置は、前記電流路上に配置され、前記第１リミット回路からのオフ信号に基づいて前記電流路に電流が流れないオフ状態に切り替わる第４スイッチング素子と、前記電流路上に配置され、前記制御回路からの信号及び前記第２リミット回路からの信号のうち少なくとも一方がオフ信号である場合に前記電流路に電流が流れないオフ状態に切り替わる第５スイッチング素子と、をさらに備える、ようにしてもよい。

前記ヒータ制御装置は、前記制御回路からの信号及び前記第２リミット回路からの信号のうち少なくとも一方がオフ信号である場合にオフ信号を出力する論理ゲート素子をさらに備え、前記第５スイッチング素子は、前記論理ゲート素子から前記オフ信号が入力されたときに前記オフ状態に切り替わる、ようにしてもよい。

上記課題を解決するため、本発明の第２の観点に係る真空計は、上記のヒータ制御装置と、前記ヒータと、前記ヒータにより加熱される隔膜式の圧力センサと、を備え、前記制御回路は、前記圧力センサの温度が所定の温度となるように前記ヒータの発熱を制御する。

本発明によれば、ヒータが必要以上に高温となることが高い確度で抑制される。

図１は、本発明の第１実施形態に係る真空計の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第２実施形態に係る真空計の構成を示すブロック図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る真空計１０について、図面を参照して説明する。真空計１０は、隔膜真空計として形成されている。

真空計１０は、圧力センサ１１と、ヒータ１２と、ヒータ電源回路１３と、第２温度センサ１５と、第１温度センサ１４と、ヒータ制御装置２０と、を備えている。

圧力センサ１１は、内部に真空室を備え、真空室の気圧と、測定対象の部屋の気圧との差圧をダイアフラムの変位により検出する隔膜式の圧力センサである。測定対象の気圧としては、例えば、半導体製造装置の真空チャンバ内の気圧等が挙げられる。

ヒータ１２は、発熱することで圧力センサ１１を加熱する。この加熱により、圧力センサ内のダイアフラムの周辺の温度が、測定対象の部屋（真空チャンバ等）から圧力センサ１１内部に導入されるガスに含まれる汚染物質が析出されることのない高温度に保たれる。ヒータ１２は、シーズヒータ等を含んで構成されるバンドヒータなどである。ヒータ１２は、ヒータ電源回路１３から供給されるヒータ電流が流れること、つまり、通電することで発熱し、圧力センサ１１を加熱する。ヒータ電流の通電／非通電は、ヒータ制御装置２０により制御される。

ヒータ電源回路１３には、不図示の外部電源から入力される電圧をヒータ１２に印加する。後述のように、ヒータ制御装置２０が、ヒータ１２にヒータ電流を流す制御を行っているとき、ヒータ電源回路１３は、印加電圧に応じたヒータ電流をヒータ１２に流す。これにより、ヒータ１２は発熱し、圧力センサ１１を加熱する。

第１温度センサ１４は、ヒータ１２の所定箇所に設けられ、ヒータ１２の温度を検出し、検出した温度をヒータ制御装置２０に出力する。第２温度センサ１５は、圧力センサ１１の内部又は外周面に設けられて、圧力センサ１１の温度を検出し、検出した温度をヒータ制御装置２０に出力する。第１及び第２温度センサ１４及び１５それぞれは、温度を電圧値に変換する熱電対、サーミスタ等の素子を含んで構成され、ここでは温度を示す電圧値を出力することで、前記の温度を検出及び出力する。

ヒータ制御装置２０は、ヒータ１２に流れるヒータ電流を制御することでヒータ１２の発熱を制御してヒータ１２の温度を制御する。ヒータ制御装置２０は、トランジスタ２１Ａ～２１Ｃと、制御回路２２と、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter)２３及び２４と、第１及び第２リミット回路２５及び２６と、を備える回路構成を有する。

トランジスタ２１Ａ～２１Ｃは、ヒータ１２にヒータ電源回路１３からのヒータ電流を流す／流さないを切り替えるスイッチング素子である。トランジスタ２１Ａ～２１Ｃそれぞれは、ＦＥＴ（Field effect transistor）からなる。

トランジスタ２１Ａのドレインは、一端がヒータ電源回路１３に接続されたヒータ１２の他端に接続されている。トランジスタ２１Ａのソースは、トランジスタ２１Ｂのドレインに接続されている。トランジスタ２１Ｂのソースは、トランジスタ２１Ｃのドレインに接続されている。トランジスタ２１Ｃのソースは、グランドに接続されている。このような接続により、トランジスタ２１Ａ～２１Ｃは、ヒータ電源回路１３から前記のグランドに向かって流れるヒータ電流の電流路Ｒ１上に設けられる。そして、トランジスタ２１Ａ～２１Ｃすべてがオン状態になっているときのみ、ヒータ１２にヒータ電流が流れることができ、ヒータ１２が発熱できる。

トランジスタ２１Ｃのゲートには、ヒータ１２に流れる電流を制御する制御回路２２が接続されている。制御回路２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサから構成される。制御回路２２は、不図示の記憶部に記録されたプログラムを実行することで、かつ、当該記憶部に記憶されたデータに基づいて動作する。上記プロセッサは、前記の記憶部を含むマイクロコンピュータ等であってもよい。制御回路２２は、各種の論理回路であってもよい。

制御回路２２には、ＡＤＣ２３が接続されている。ＡＤＣ２３は、第２温度センサ１５が検出及び出力した圧力センサ１１の温度（電圧値）を、デジタルデータに変換して制御回路２２に供給する。制御回路２２は、ＡＤＣ２３からの温度つまり圧力センサ１１の温度が予め設定された目標温度となるよう、オン信号（例えば、Ｈｉｇｈ信号）又はオフ信号（例えば、Ｌｏｗ信号）をトランジスタ２１Ｃに出力してトランジスタ２１Ｃのオン／オフを制御する。制御回路２２は、例えば、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御等のフィードバック制御により、トランジスタ２１Ｃのオン／オフする。

制御回路２２には、ＡＤＣ２４も接続されている。ＡＤＣ２４は、第１温度センサ１４が検出及び出力したヒータ１２の温度（電圧値）を、デジタルデータに変換して制御回路２２に供給する。制御回路２２は、ＡＤＣ２４からの温度が閾値Ｓ１を超えたかを判定する。当該温度が閾値Ｓ１を超えた場合、ヒータ１２の温度が必要以上に高くなっていることになるので、制御回路２２は、上記フィードバック制御に優先して、トランジスタ２１Ｃにオフ信号（例えば、Ｌｏｗ信号）を供給し、トランジスタ２１Ｃをオフする。これにより、ヒータ１２の通電が遮断され、ヒータ１２の発熱が停止する。

トランジスタ２１Ａのゲートには、第１リミット回路２５が接続されている。トランジスタ２１Ｂのゲートには、第２リミット回路２６が接続されている。

第１リミット回路２５及び第２リミット回路２６は、同じ回路構成を有しており、第２リミット回路２６は第１リミット回路２５を冗長化した回路である。両回路２５及び２６には、第１温度センサ１４が検出したヒータ１２の温度が入力される。両回路２５及び２６それぞれは、入力された温度と閾値Ｓ２とを比較する。なお、閾値Ｓ２は、閾値Ｓ１と同じでもよいし、異なる値（特に、閾値Ｓ１よりも高い値）であってもよい。

第１リミット回路２５は、入力されたヒータ１２の温度が閾値Ｓ２以下であるとき、つまり、ヒータ１２の温度が正常範囲内であるとき、トランジスタ２１Ａのゲートにオン信号（例えば、Ｈｉｇｈ信号）を供給し、トランジスタ２１Ａをオンする。第１リミット回路２５は、入力された圧力センサ１１の温度が閾値Ｓ２を超えたとき、つまり、ヒータ１２の温度が必要以上に高いとき、トランジスタ２１Ａのゲートにオフ信号を供給し、トランジスタ２１Ａをオフする。トランジスタ２１Ａがオフとなることで、ヒータ１２の通電が遮断され、ヒータ１２の発熱が停止する。

第１リミット回路２５と同様に第２リミット回路２６は、入力されたヒータ１２の温度が閾値Ｓ２以下であるとき、トランジスタ２１Ｂのゲートにオン信号を供給し、トランジスタ２１Ｂをオンする。第２リミット回路２６は、入力された圧力センサ１１の温度が閾値Ｓ２を超えたとき、トランジスタ２１Ｂのゲートにオフ信号を供給し、トランジスタ２１Ｂをオフする。トランジスタ２１Ｂがオフとなることで、ヒータ１２の通電が遮断され、ヒータ１２の発熱が停止する。

以上説明したように、本第１実施形態では、制御回路２２によりヒータ１２の温度が圧力センサ１１の温度に基づいてフィードバック制御される。そして、制御回路２２は、第１温度センサ１４が検出したヒータ１２の温度が閾値Ｓ１よりも高くなったときに、トランジスタ２１Ｃをオフして、ヒータ１２の通電を強制的に遮断する。他方、冗長化された第１及び第２リミット回路２５及び２６も、それぞれ個別に、第１温度センサ１４が検出したヒータ１２の温度を監視し、第１温度センサ１４が検出したヒータ１２の温度が閾値Ｓ２よりも高くなったときに、トランジスタ２１Ｂ又は２１Ｃをオフする。これによっても、ヒータ１２の通電が強制的に遮断される。このような構成により、第１及び第２リミット回路２５及び２６のどちらか一方が故障してリミット機能が働かなくなり、それにユーザーが気づかずに制御回路２２が暴走しても、他方によって、ヒータ１２の通電を強制的に遮断できる。以上のように、第１実施形態によれば、リミット回路が冗長化されずに１つの場合よりも、正常に動作するリミット回路が残る可能性が高く、ヒータ１２が必要以上に高温となることが高い確度で抑制される。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る真空計５０について、図２を参照して説明する。以下の説明では、第１実施形態と異なる部分を中心にして説明し、第１実施形態と重複する説明については適宜省略する。特に、第１実施形態と同じ又は同様の部材又は回路については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図２に示すように、真空計５０は、第１実施形態のヒータ制御装置２０の代わりにヒータ制御装置６０を有する。ヒータ制御装置６０は、ヒータ制御装置２０が有するトランジスタ２１Ｃを有さない代わりに、論理ゲート素子６７を有する。論理ゲート素子６７は、ここでは、ＡＮＤ素子である。論理ゲート素子６７には、制御回路２２から出力される上述のオン又はオフ信号と、第２リミット回路２６から出力される上述のオン又はオフ信号と、が入力される。論理ゲート素子６７は、これら信号の論理積を取り、論理積の結果を示すオン又はオフ信号をトランジスタ２１Ｂに出力する。論理ゲート素子６７は、制御回路２２及び第２リミット回路２６の両者からオン信号が入力されたときは、オン信号をトランジスタ２１Ｂに出力する。論理ゲート素子６７は、制御回路２２及び第２リミット回路２６のうちの少なくとも一方からオフ信号が入力されたとき、つまり、制御回路２２からＰＩＤ制御によるオフ信号が入力されたとき、又は、第１温度センサ１４からのヒータ１２の温度が閾値Ｓ１又はＳ２を超えたときに制御回路２２又は第２リミット回路２６からオフ信号が入力されたときに、オフ信号をトランジスタ２１Ｂに出力する。これにより、ヒータ１２の通電が遮断される。

以上のような構成により、上記第１実施形態と同様に、ヒータ１２が必要以上に高温となることが高い確度で抑制される。さらに、第２実施形態では、第１実施形態に比べて、トランジスタ２１Ｃが削減され、その代わりに論理ゲート素子６７が追加されている。一般に、ＡＮＤ素子等の論理ゲート素子は、トランジスタ（特にＦＥＴ）に比べて安価でありかつ故障し難い。従って、第２実施形態のヒータ制御装置６０は、第１実施形態のヒータ制御装置２０に比べて、安価に形成でき、かつ、ヒータ制御装置全体の故障率が低い。

（変形例）
上記第１実施形態及び第２実施形態について種々の変更を施してもよい。例えば、本発明は、真空計以外の装置のヒータを対象とした装置に適用してもよい。第１及び第２リミット回路２５及び２６は、それぞれ、例えば、第１温度センサ１４により検出されたヒータ１２の温度が第１閾値を超えたときにヒータ１２に電流を流さないように動作するように構成されればよい。制御回路２２は、例えば、ヒータ１２に流れる電流を制御するほか、第１温度センサ１４により検出されたヒータ１２の温度が第２閾値（上記第１閾値と同じでもよい）を超えたときにヒータ１２に電流を流さない制御を行うように構成されていればよい。このように構成される各回路の回路構成は、上記実施の形態に限らず任意である。

トランジスタ２１Ａ～２１Ｃは、それぞれ、バイポーラトランジスタ等の他の各種のスイッチング素子に変更可能である。スイッチング素子それぞれは、例えば、ヒータ１２に流れるヒータ電流の電流路Ｒ１上に配置され、第１リミット回路２５、第２リミット回路２６、制御回路２２、又は、論理ゲート素子６７からの信号（オフ信号等）に基づいて電流路Ｒ１ないしヒータ１２に電流が流れないオフ状態に切り替わる素子であればよい。トランジスタ２１Ｂは、例えば、第２実施形態のように、制御回路２２からの信号及び第２リミット回路２６からの信号のうち少なくとも一方がオフ信号である場合に電流路Ｒ１ないしヒータ１２に電流が流れないオフ状態に切り替わるスイッチング素子であればよい。論理ゲート素子６７は、例えば、例えば、制御回路２２からの信号及び第２リミット回路２６からの信号が入力され、両信号のうち少なくとも一方がオフ信号である場合にオフ信号をトランジスタ２１Ｂ等のスイッチング素子に出力する素子であればよい。

以上、実施の形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記の実施の形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施の形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。

１０…真空計、１１…圧力センサ、１２…ヒータ、１３…ヒータ電源回路、１４…第１温度センサ、１５…第２温度センサ、２０…ヒータ制御装置、２１Ａ～２１Ｃ…トランジスタ、２２…制御回路、２３，２４…ＡＤＣ、２５…第１リミット回路、２６…第２リミット回路、５０…真空計、６０…ヒータ制御装置、６７…論理ゲート素子、Ｒ１…電流路。

Claims (6)

1. 加熱対象を加熱するヒータに流れる電流を制御することで前記ヒータの温度を制御するように構成された制御回路と、
   第１温度センサにより検出された前記ヒータの温度が第１閾値を超えたときに前記ヒータに前記電流を流さないように動作する第１リミット回路と、
   前記第１温度センサにより検出された前記温度が前記第１閾値を超えたときに前記ヒータに前記電流を流さないように動作する、前記第１リミット回路を冗長化した第２リミット回路と、を備え、
   前記制御回路は、
   第２温度センサにより検出された前記加熱対象の温度に基づいて前記加熱対象の温度が目標温度となるように前記電流をフィードバック制御し、
   前記第１温度センサにより検出された前記温度が第２閾値を超えたときに前記電流のフィードバック制御に優先して前記ヒータに電流を流さない制御を行う、
   ヒータ制御装置。
2. 前記第１閾値は、前記第２閾値より高い値である、
   請求項１に記載のヒータ制御装置。
3. 前記電流の電流路上に設けられ、前記第１リミット回路が出力した信号に基づいて前記電流が流れないオフ状態に切り替わる第１スイッチング素子と、
   前記電流路上に設けられ、前記第２リミット回路が出力した信号に基づいて前記電流が流れないオフ状態に切り替わる第２スイッチング素子と、
   前記電流路上に設けられ、前記制御回路が出力した信号に基づいて前記電流が流れないオフ状態に切り替わる第３スイッチング素子と、
   をさらに備える請求項１又は２に記載のヒータ制御装置。
4. 前記電流路上に配置され、前記第１リミット回路からのオフ信号に基づいて前記電流路に電流が流れないオフ状態に切り替わる第４スイッチング素子と、
   前記電流路上に配置され、前記制御回路からの信号及び前記第２リミット回路からの信号のうち少なくとも一方がオフ信号である場合に前記電流路に電流が流れないオフ状態に切り替わる第５スイッチング素子と、
   をさらに備える請求項１又は２に記載のヒータ制御装置。
5. 前記制御回路からの信号及び前記第２リミット回路からの信号のうち少なくとも一方がオフ信号である場合にオフ信号を出力する論理ゲート素子をさらに備え、
   前記第５スイッチング素子は、前記論理ゲート素子から前記オフ信号が入力されたときに前記オフ状態に切り替わる、
   請求項４に記載のヒータ制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のヒータ制御装置と、
   前記ヒータと、
   前記ヒータにより加熱される隔膜式の圧力センサと、を備え、
   前記制御回路は、前記圧力センサの温度が所定の温度となるように前記ヒータの発熱を制御する、
   真空計。

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