JP2006155169A

JP2006155169A - 温度制御方法、温度調節器および熱処理システム

Info

Publication number: JP2006155169A
Application number: JP2004344017A
Authority: JP
Inventors: Masahito Tanaka; 政仁田中; Takaaki Yamada; 隆章山田; Takeshi Wakabayashi; 武志若林; Takeshi Kishimoto; 武史岸元
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】ハウジング５の温度変動に拘わらず、熱処理部６で熱処理される被処理物３の熱処理のばらつきを低減する。
【解決手段】予め計測したハウジング５および被処理物３の熱処理における温度の相関データに基いて、補正式を求め、温度調節器２は、ハウジング５の温度を、第２の温度センサ１０で検出し、この検出温度に基いて、前記補正式に従って補正値を算出し、この補正値によって、熱処理部６の設定温度および熱処理部６の検出温度の少なくとも一方を補正するようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御対象の温度を制御する温度制御方法、温度調節器およびこの温度調節器を用いた熱処理システムに関する。

従来、例えば、基板等の被処理物の加熱処理に温度調節器が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１１４１５１号公報

かかる加熱処理においては、例えば、被処理物を、加熱装置のハウジング（熱処理室）内に搬入して該ハウジング内の熱処理部で加熱処理するような場合がある。

かかる場合に、熱処理部は、温度調節器によって温度制御が為されているが、ハウジングの温度制御が為されていないようなときには、熱処理部の温度が目標温度（設定温度）で安定している状態であっても、ハウジングの温度が安定しておらず、変動していると、ハウジングの温度変動の影響を受けて被処理物の加熱処理にばらつきが生じることがある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、温度制御されていない部分の温度変動による影響を可及的に低減することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

すなわち、本発明の温度制御方法は、ハウジング内に、被処理物を熱処理する熱処理部を備える熱処理装置の前記熱処理部の温度を制御する方法であって、前記ハウジングの検出温度に基いて、前記熱処理部の検出温度および前記熱処理部の目標温度の少なくとも一方を補正するものである。

ここで、ハウジングは、熱処理を行なう空間を区画するものをいい、ケース、筐体、容器、室などの呼称の如何を問わないものである。

このハウジングは、その内部に被処理物を熱処理する熱処理部を備えているものであればよく、したがって、熱処理炉、熱処理室などを含むものである。

このハウジングは、被処理物を内部の熱処理部で熱処理するものであり、したがって、被処理物を内部に搬入、搬出するために、開口、扉、あるいは、蓋などを備えるのが好ましい。

本発明によると、ハウジングの検出温度に基いて、熱処理部の検出温度および前記熱処理部の目標温度の少なくとも一方を補正するので、ハウジングの温度が安定しておらず、温度が変動しているような場合に、その温度変動が被処理物の熱処理に与える影響を抑制するように補正することが可能となり、被処理物の熱処理のばらつきを低減できることになる。

本発明の好ましい実施態様においては、前記ハウジングの検出温度から補正式に従って補正値を算出するステップを含むものである。

この実施態様によると、ハウジングの検出温度から補正式に従って補正値を算出し、前記熱処理部の検出温度および前記熱処理部の目標温度の少なくとも一方を補正することができる。

なお、他の実施態様として、ハウジングの検出温度に対応する補正値のテーブルを格納しておき、このテーブルの補正値を用いて補正するようにしてもよい。

本発明の一実施態様においては、前記ハウジングおよび前記被処理物の熱処理における温度の相関データを予め計測するステップと、前記相関データに基いて、前記補正式を求めるステップとを含んでいる。

この実施態様によると、ハウジングの温度と、該ハウジング内で熱処理される被処理物の温度との相関データを予め計測しておくことにより、実運用時には、被処理物の温度を、熱処理中に直接検出することなく、ハウジングの検出温度から把握することが可能となる。また、ハウジングの温度と被処理物の温度との相関データに基き、被処理物を、ハウジングの温度変動に拘わらず、所望の温度で熱処理するための補正式を求めることができる。

本発明の温度調節器は、ハウジング内に、被処理物を熱処理する熱処理部を備える熱処理装置の前記熱処理部の温度を制御する温度調節器であって、前記ハウジングの検出温度に基いて、前記熱処理部の検出温度および前記熱処理部の目標温度の少なくとも一方を補正する補正手段を備えている。

本発明の一実施態様においては、前記補正手段は、前記ハウジングの検出温度から補正式に従って補正値を算出するものである。

本発明の他の実施態様においては、前記補正式は、予め計測した前記ハウジングおよび前記被処理物の熱処理における温度の相関データに基いて、求められるものである。

本発明の熱処理システムは、ハウジング内に熱処理部を備えるとともに、該ハウジング内に被処理物を搬入して前記熱処理部で熱処理する熱処理装置と、ハウジングの温度を検出する第１の温度センサと、前記熱処理部の温度を検出する第２の温度センサと、前記第１，第２の温度センサの検出温度に基いて、前記熱処理部の温度を制御する本発明に係る温度調節器とを備えている。

ここで、第１，第２の温度センサは、単数であってもよいし、複数であってもよく、また、その設置位置も適宜選択すればよい。

以上のように本発明によれば、ハウジングの検出温度に基いて、熱処理部の検出温度および前記熱処理部の目標温度の少なくとも一方を補正するので、ハウジングの温度が安定しておらず、温度が変動しているような場合に、その温度変動が被処理物の熱処理に与える影響を抑制するように補正することが可能となり、被処理物の熱処理のばらつきを低減できることになる。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る熱処理システムの概略構成図である。

この実施の形態の熱処理システムは、被処理物３を加熱処理する熱処理装置１と、本発明に係る温度調節器２とを備えている。

熱処理装置１は、被処理物３の搬入搬出のための開口４を有するハウジング５と、このハウジング５内に装備された熱板などの熱処理部６とを備えており、この熱処理部６には、第１の温度センサ７とヒータ８とが配設されている。なお、この図１では、第１の温度センサ７およびヒータ８は、各チャンネルに対応してそれぞれ複数備えられているが、代表的に１個のみを示している。

温度調節器２は、ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）やパソコンなどの上位装置９や設定部から設定された目標温度（設定温度）と、熱処理部６に配設された第１の温度センサ７からの検出温度とに基づいて、図示しない操作器を介して熱処理部６に配設されたヒータ８の通電を制御して熱処理部６の温度を制御する。

熱処理部６で熱処理される被処理物３は、図示しない搬送供給手段によって自動的にハウジング５内に搬入されて熱処理部６で加熱処理されて搬出されるものであり、被処理物３は、順番に加熱処理される。

かかる被処理物３の加熱処理では、被処理物３の温度が所望の均一な温度で加熱処理されるように熱処理部６の温度を制御する必要があるが、熱処理部６の温度が目標温度（設定温度）で安定している状態であっても、温度制御されていないハウジング５の温度が安定していないときには、ハウジング５の温度変動の影響を受けて被処理物３が所望の均一な温度で加熱処理されず、ばらつきが生じることがある。

そこで、この実施の形態では、ハウジング５の温度変動による影響を可及的に低減するために、図２に示すように、熱処理部６の目標温度を、例えば、ステップ状に変化させたときの被処理物３の温度、熱処理部６の温度およびハウジング５の温度をそれぞれ計測し、それらの温度の相関データを求め（Ｓ１）、それらの相関データからハウジング５の温度変動による影響を可及的に低減するために、ハウジング５の検出温度に基いて、熱処理部６の目標温度を補正する補正式を予め求め（Ｓ２）、求めた補正式を使って実運用を行うものである（Ｓ３）。

図３は、相関データを計測するための構成の一例を示す図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

この図３において、１０は熱処理部６に対向するハウジング５の上壁に配設された第２の温度センサ、１１は被処理物３に取り付けられた第３の温度センサ、１２は被処理物３の温度を計測する温度ロガーであり、この温度ロガー１２は、上位装置９に接続されている。

ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）やパソコンなどの上位装置９は、温度ロガー１２および温度調節器２との通信などによって、データの授受を行うことができる一方、温度調節器２の目標温度を変更できるとともに、この目標温度と被処理物３の温度とを同期して計測することができる。

また、この実施の形態では、上位装置９は、マイクロコンピュータを備えており、このマイクロコンピュータのＲＯＭに格納されているプログラムを実行することにより、後述のように相関データを計測し、この相関データに基いて、補正式を求め、この補正式を温度調節器２に設定格納する。

なお、この図３では、第２，第３の温度センサ１０，１１は、１個のみを代表的に示しているが、熱処理部６の各チャンネルのヒータ８および第１の温度センサ７に対応するよう配置されている。

図４は、以上のようにして計測された熱処理部６、被処理物３およびハウジング５の温度変化の一例を示す図であり、同図において、太い実線Ｌ１は熱処理部６の温度を、細い実線Ｌ２は被処理物の温度を、一点鎖線Ｌ３はハウジング５の温度をそれぞれ示している。なお、この図４では、複数のチャンネルの平均温度を示している。また、Ｔ１は目標温度（設定温度）を、Ｔ２は被処理物３の到達温度を、Ｔ３はハウジング５の到達温度をそれぞれ示している。

この図４に示すように、熱処理部６は、ヒータ８によって直接加熱されるので、被処理物３やハウジング５に比べて目標温度（設定温度）Ｔ１に安定するまでの時間が非常に短い。一方、ハウジング５は、熱容量が大きいために、温度が安定するまでに非常に時間がかかり、また、被処理物３もハウジング５に熱を奪われるために、安定するまでに非常に時間がかかることになる。

被処理物３の温度を、可及的速やかに目標温度Ｔ１に到達させるためには、図４に示す熱処理部６の温度Ｌ１と被処理物３との温度Ｌ２の温度差ΔＴを、補正値として、熱処理部６の目標温度に設定（加算）することにより、被処理物３の温度を速やかに目標温度Ｔ１に到達させることができる。

一方、実運用時においては、温度センサを被処理物３に取り付けて温度を計測するのは困難であるので、熱処理部６の温度とハウジング５の温度とから被処理物３の温度を推定する必要がある。

ここで、被処理物３は、ハウジング５によって熱を奪われるので、温度が安定するまでに時間がかかることから、ハウジング５の温度と被処理物３の温度が安定するまでの時定数は、ほぼ同じとなり、このため、下記の関係式が成立する。

被処理物到達温度Ｔ２−被処理物温度
＝（ハウジング到達温度Ｔ３−ハウジング温度）×係数 …（１）
ここで、上記（１）式の係数は、図４に示すデータを用いて最小二乗法によって求めることができる。

また、図４に示す上述の熱処理部６の温度の補正値ΔＴは、
熱処理部温度補正値ΔＴ
＝目標温度（設定温度）Ｔ１−被処理物温度 …（２）
上記（２）式の被処理物温度を、（１）式を使って置き換えると、
熱処理部温度補正値ΔＴ
＝目標温度（設定温度）Ｔ１−被処理物到達温度Ｔ２
＋（ハウジング到達温度Ｔ３−ハウジング温度）×係数 …（３）
となる。

目標温度（設定温度）Ｔ１、被処理物到達温度Ｔ２、ハウジング到達温度Ｔ３および係数は、上述のように設定あるいは計測されているので、被処理物３の温度を計測しなくてもハウジング５の温度を計測することにより、（３）式によって熱処理部６の温度補正値ΔＴを算出できることになる。

このようにして上位装置９で求められた補正式である（３）式は、温度調節器２に送信されて温度調節器２の記憶部に格納される。

図５は、かかる補正式によって、熱処理部６の目標温度を補正した場合の被処理物３の温度を示すものであり、この図５には、図４に示す補正しなかった場合の被処理物３の温度Ｌ２およびハウジング５の温度Ｌ３を併せて示している。

この図５に示すように、ハウジング５の温度が安定しておらず、変動している場合であっても、被処理物３の温度は、補正前に比べて速く目標温度Ｔ１に到達して安定しており、ハウジング５の温度変動の影響を抑制して被処理物３の熱処理のばらつきを低減できる。

図６は、この実施の形態の温度調節器２のブロック図である。

温度調節器２は、目標温度（設定温度）を補正する目標温度補正部１３を備えており、この目標温度補正部１３には、上述のようにして求められた補正式が格納されており、第２の温度センサ１０からのハウジング５の検出温度に基いて、この補正式によって算出された補正値を、設定された目標温度に加算して出力する。

したがって、補正値が加算された目標温度と、熱処理部６の第１の温度センサ７からの検出温度との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御部１４でＰＩＤ演算を行って操作量ＭＶを出力し、熱処理部６に配設されているヒータ８の通電を制御して被処理物３の加熱処理を行うようにしており、これによって、ハウジング５の温度が安定しておらず、変動している状態であっても、その影響を可及的に低減して被処理物３の加熱処理をばらつきなく行えるようにしている。

なお、目標温度補正部１３およびＰＩＤ制御部１４等は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。

（その他の実施の形態）
上述の実施の形態では、上位装置９において、相関データを計測して補正式を求めたけれども、本発明の他の実施の形態として、温度調節器２で被処理物３の温度を計測できるようにし、温度調節器２で相関データを計測して補正式を求めるようにしてもよい。

上述の実施の形態では、温度調節器２に補正式を格納して補正値を算出したけれども、本発明の他の実施の形態として、補正値のテーブルを格納しておき、このテーブルの補正値あるいはその補正値を用いて補間した補正値を用いて目標温度や検出温度を補正してもよい。

上述の実施の形態では、熱処理部６の目標温度を補正したけれども、本発明の他の実施の形態として、熱処理部６の検出温度を補正するようにしてもよい。

上述の実施の形態では、ヒータを用いた加熱処理に適用して説明したけれども、ペルチェ素子や冷却器などを用いた冷却処理に適用してもよく、更に、加熱と冷却とを併用する温度制御に適用してもよい。

また、本発明の熱処理装置としては、ＣＶＤ装置、アニール装置、熱酸化装置などに適用できるものである。

本発明は、温度調節器および熱処理システムなどとして有用である。

本発明の一つの実施の形態に係る熱処理システムの概略構成図である。本発明の温度制御方法を説明するためのフローチャートである。相関データを計測するための構成を示す図である。設定温度を変化させたときの熱処理部、被処理物およびハウジングの温度変化を示す図である。補正を行なった場合の被処理物の温度変化を示すずある。図１の温度調節器のブロック図である。

符号の説明

１熱処理装置２温度調節器
３被処理物５ハウジング
６熱処理部７第１の温度センサ
８ヒータ１０第２の温度センサ

Claims

ハウジング内に、被処理物を熱処理する熱処理部を備える熱処理装置の前記熱処理部の温度を制御する方法であって、
前記ハウジングの検出温度に基いて、前記熱処理部の検出温度および前記熱処理部の目標温度の少なくとも一方を補正することを特徴とする温度制御方法。
前記ハウジングの検出温度から補正式に従って補正値を算出するステップを含む請求項１に記載の温度制御方法。
前記ハウジングおよび前記被処理物の熱処理における温度の相関データを予め計測するステップと、
前記相関データに基いて、前記補正式を求めるステップと、
を含む請求項２記載の温度制御方法。
ハウジング内に、被処理物を熱処理する熱処理部を備える熱処理装置の前記熱処理部の温度を制御する温度調節器であって、
前記ハウジングの検出温度に基いて、前記熱処理部の検出温度および前記熱処理部の目標温度の少なくとも一方を補正する補正手段を備えることを特徴とする温度調節器。
前記補正手段は、前記ハウジングの検出温度から補正式に従って補正値を算出する請求項４に記載の温度調節器。
前記補正式は、予め計測した前記ハウジングおよび前記被処理物の熱処理における温度の相関データに基いて、求められる請求項５に記載の温度調節器。
ハウジング内に熱処理部を備えるとともに、該ハウジング内に被処理物を搬入して前記熱処理部で熱処理する熱処理装置と、
ハウジングの温度を検出する第１の温度センサと、
前記熱処理部の温度を検出する第２の温度センサと、
前記第１，第２の温度センサの検出温度に基いて、前記熱処理部の温度を制御する請求項４〜６のいずれか１項に記載の温度調節器と、
を備えることを特徴とする熱処理システム。