JPH06123656A - トンネル炉の非接触測温方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 炉内を移動する被焼成物の温度状態を輝度お
よび熱画像として検知することにより、その温度や温度
分布を精度よく測定するトンネル炉の非接触測温方法を
提供する。 【構成】 被焼成物３を搬送する鞘４の側壁部分に黒体
加工を施し、この鞘４の側壁部分に相当するトンネル炉
の炉壁１に形成したスリット５からＣＣＤカメラ６によ
り輝度を検知し、測定点に入射する炉内反射光の影響を
補正除去して温度変換することにより焼成物の温度を測
定し、前記スリットから得られる短冊状の温度画像を鞘
の移動速度に合わせて合成することによりＩＴＶモニタ
ーに焼成物の全体像として現出し、焼成物の温度分布を
測定することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル炉内を移動す
る被測定物の温度および温度分布を非接触状態で精度よ
く測定することができるトンネル炉の非接触測温方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネル炉を用いて焼成処理をおこなう
場合には、通常、被焼成物を鞘と呼ばれる焼成用皿に載
置し、この鞘を複数段に積み重ねた状態でトンネル炉内
を緩徐に搬送させながら加熱する方法が採られる。各ト
ンネル炉には入口から出口までの温度分布を示すヒート
パターンがあり、焼成物の品質は操業時にこの加熱プロ
グラムにどれだけ近付けることができるかに大きく左右
される。また、鞘の上段から下段までの間には炉内温度
に差がつき易いため、焼成品質に変動を招くことも多
い。

【０００３】これら不都合な要因を制御するためには、
炉内の搬送速度と発熱体の温度設定をそれぞれ適切に調
整する必要があるが、焼成物は長い密閉状のトンネル炉
内を移動しているため、その温度を直接的に測定するこ
とができない。このようなことから、従来は炉壁を貫通
するように挿着した熱電対によって測定した炉内雰囲気
温度と炉出し後における焼成物の温度などを基に、長年
の経験から最適と思われるヒートパターンを推測的に設
定していた。しかしながら、近時、例えば半導体基板の
ような精密部品を焼成処理する目的にトンネル炉を用い
るケースが増えるに伴い、熱電対によって間接的に測定
された炉内雰囲気温度に基づいてヒートパターンを推定
する方法では十分な信頼性と安定した焼成特性を得るこ
とができなくなってきている。

【０００４】これに代わる非接触型の炉内測温方式とし
て放射温度計やＣＣＤカメラによる方法もあるが、測温
時に様々な迷光が入射してデータ誤差を与えるため、そ
のままで精度のよい測温を期待することは不可能であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような実
情に鑑みて開発されたもので、その目的は、炉壁に設け
たスリットを介して移動する被焼成物の温度状態を輝度
および熱画像として捉えることによりその物の温度や温
度分布を精度よく測定し、よって炉操業における条件制
御化の信頼性を向上させることができるトンネル炉の非
接触測温方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるトンネル炉の非接触測温方法は、被焼
成物を搬送する鞘の側壁部分に黒体加工を施し、該鞘の
側壁部分に相当するトンネル炉の炉壁に形成したスリッ
トからＣＣＤカメラにより輝度を検知し、測定点に入射
する炉内反射光の影響を補正除去して温度変換すること
により焼成物の温度を測定し、前記スリットから得られ
る短冊状の温度画像を鞘の移動速度に合わせて合成する
ことによりＩＴＶモニターに焼成物の全体像として現出
し、焼成物の温度分布を測定することを構成上の特徴と
する。

【０００７】

【作用】本発明による非接触測温方法は、ＣＣＤカメラ
を用いて被焼成物を搬送するための鞘の輝度から反射光
の影響を除去して焼成物の温度に変換し、同時に断片的
に得られる熱画像を合成して温度分布を検知する点に特
徴付けられる。一般にトンネル炉内の状態を知るために
は、温度変動を避けるために可及的に小さな孔を開けて
覗く必要があるが、焼成温度が高い場合には放射光が強
烈なために肉眼で内部を観察することは殆ど不可能であ
る。本発明によれば、炉壁に形成した幅の狭いスリット
の外面にＣＣＤカメラが設置され、このＣＣＤカメラに
より移動する鞘の輝度と熱画像が連続的に捕捉検知され
る。

【０００８】焼成物の測温は、鞘の側壁部分に予め形成
した黒体加工点のＣＣＤ輝度から得た温度データを基に
して他の反射光の影響を補正することによりおこなわ
れ、焼成物の形状や温度分布は、スリットを介して得ら
れる熱画像を搬送速度に合わせて合成し、全体像として
現出する方法で測定される。この際の全体像はＩＴＶに
より疑似カラー表示ができるため、炉の外壁を外して直
接観察していると同等に再現させることができる。

【０００９】したがって、トンネル炉の長さ方向に複数
箇所に亘って本発明の測温機構を設置することにより、
焼成物の正確な測温が可能となるうえ、得られた温度デ
ータから信頼性の高い炉内のヒートパターンを作成する
ことができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。

【００１１】図１は本発明によるトンネル炉の非接触測
温方法の実施状態を示した断面略図で、１はトンネル炉
の炉壁、２は炉内の上下位置に設置された発熱体、４は
被焼成物３を載置して炉内を搬送する２段重ね構造の
鞘、５は鞘４の側壁部分に相当するトンネル炉の炉壁に
形成されたスリット、そして６は減光フィルター７を介
して前記スリット５の前面炉外にセットされたＣＣＤカ
メラである。ＣＣＤカメラ６に接続する画像装置のメモ
リーには、基準とする黒体炉温度とその反射光から得ら
れるＣＣＤ輝度データを対応させて製作した輝度−温度
変換機構が組み込まれている。

【００１２】図１のような加熱状態では、鞘上の一点に
おいて次の (1)式が成り立つ。 Ｐ（Ｔ）＝εＰ（Ｔｓ）＋（１−ε）Ｐ（Ｔｗ） … (1) 但し、Ｐ（Ｔ）はＴＫにおける黒体の放射エネルギー、
εは鞘の放射率、Ｔは鞘の温度（見掛け上の温度）、Ｔ
ｓは鞘の真温度、Ｔｗは測定点に入射する外光を一点に
代表させた温度である。

【００１３】ＣＣＤカメラ６は、完全黒体を測定対象と
した場合にはその温度が正確な測定値となるが、被焼成
物は完全黒体ではないため様々な反射光の影響を受け
る。反射光には、図１の矢印で示されるような発熱体か
らの直接光、その壁面反射光、測定点以外の鞘部分から
の反射光（最も大きな迷光原因）など複雑な要素の迷光
が含まれる。しかし、前述したように黒体についてはＣ
ＣＤ輝度から正確な温度が得られるから、測定部分を黒
体と同じにすれば輝度からの測温が可能となる。本発明
では、この際の温度データを基に他の反射光の影響を除
去する補正をおこなう。

【００１４】すなわち、図２のように鞘４の側壁部分
（Ａ点を含む斜線部分）に予め黒体加工を施す。黒体加
工は、例えば炭化珪素を塗布形成するような手段でおこ
なう。炭化珪素の放射率は０．８〜０．９であるため完
全黒体とは言えないが、この放射率差から生じる誤差は
許容範囲であるため問題はない。操業時、鞘４は緩徐な
速度で炉内を移動（左方向）する。この過程でＣＣＤカ
メラは鞘間の壁部分Ｗ、鞘側壁の黒体加工点Ａ、鞘の黒
体加工点以外の側壁Ｂ、Ｃの各輝度を順次に検知する。
黒体加工点Ａにおいては輝度から正確な温度が得られる
が、黒体加工が施されていないＢ、Ｃ点では多様な迷光
の影響を含めた輝度データとなる。

【００１５】上記した (1)式において、Ｗ，Ａ，Ｂ各点
の輝度データをそれぞれＴW,ＴA およびＴB とすれば、
鞘の放射率 (ε) は次の (2)式によって求まる。 このときのεは、Ｗ点から全ての迷光が出ていると考
え、ＡとＢを同じ点とした場合の放射率である。同一鞘
上においてこの値を有効とし、任意の点Ｃの輝度をＴC
とすると、その温度ＴCSは (3)式の関係となる。

【００１６】鞘４が通過すると、それまでの計算操作は
初期化され、次の鞘が搬送されると再び同一の計算が繰
り返される。このようにして鞘ごとの補正計算が反復さ
れる結果、搬送速度や発熱体温度の設定変動に伴う最新
の外光影響をリアルタイムで補正することが可能とな
る。

【００１７】一方、ＣＣＤカメラ６で捉えた温度画像
は、スリット幅に沿った短冊状のものであるが、鞘４の
移動速度に合わせて画像を繋ぎ合わせることによりＩＴ
Ｖモニターに焼成物の全体像として現出させることがで
きる。図３は、鞘画像の合成例を示した模式図である。
まず、トンネル炉８の内部を搬送する鞘４の側壁をＣＣ
Ｄカメラに映し、スリット幅に相当する最初の画像９を
得る。この場合の取り込み画像領域は、スリット端の乱
光を避けるためにスリット幅よりも狭い範囲を指定す
る。鞘４の移動により次のスリット幅の画像が完全に現
れたら、その画像を取り込む。このようにして各画像を
合成することにより焼成物の全体像をＩＴＶモニターに
映し出すことができ、これを繰り返すことで炉内の状態
を系外に再現することができる。したがって、焼成物の
形状および温度分布の連続的なチェックが可能となる。

【００１８】各点の放射はＣＣＤカメラで電圧に変換さ
れ、画像装置に取り込まれて８ビットのデジタル値とし
たのち、輝度−温度変換式により温度データとなる。こ
の演算操作は、次のような順序で図２のＷ、Ａ、Ｂの各
点でおこなう。 測定位置に壁があるときに、その１点の輝度を取って
Ｗ点の温度を得る。この際、壁のサンプリング位置は迷
光が代表できるような位置を予め実験によって定めてお
く。 鞘が搬送され、Ａ点の位置でその温度を算出する。 Ｂ点に至ったところで、その温度を算出する。この時
点でＷ、Ａ、Ｂ各点の温度が得られるので、これら温度
データを放射エネルギーとして (2)式に代入して鞘の放
射率 (ε) を得る。

【００１９】これより計測が開始される。前記〜
で得られたデータのうちＰ（Ｔw ）およびεは同一鞘上
において有効であるから定数と見做せる。したがって、
(3)式は下記 (4)式に変形される。 Ｐ（Ｔcs）＝ｆ〔Ｐ（Ｔc)〕 … (4) Ｂ点以降、右側のＣ点ほか各点の見掛け温度が指定時間
ごとに取り込まれ、(4) 式に代入して補正後の温度とし
て得られる。この温度データは画像装置からコンピュー
ターに転送され、時間−温度のプロットグラフ、または
カメラ位置（回路）−温度のヒートパターンとして表示
される。後者の場合には、同時に目的とするヒートパタ
ーンとのずれを検知し、ヒーターの制御、搬送速度の調
整をおこなう。 鞘の全体が通過し壁が見えた時点で、再度の段階に
戻る。からまでの間は計測ができないため、に戻
る時点での温度データを表示することとする。

【００２０】図４は、本発明を用いてトンネル炉の連続
操業をおこなう場合の構成図を示したものである。トン
ネル炉８の側壁に複数個のスリットを穿設し、各スリッ
トの前面にＣＣＤカメラ６をセットする。各ＣＣＤカメ
ラ６は画像処理装置10に接続しており、画像処理装置10
はＩＴＶモニター11およびコンピューター(CRT) と連結
している。操業時、画像処理装置10で検知して画像を基
に合成した画像情報をＩＴＶモニター11に現出し、輝度
として得られたデータは温度に変換される。同時に画像
処理装置10の信号は発熱体制御装置13および移送制御装
置14に入り、炉内の処理条件が調整される。この機構に
おいて、設定条件の異常時には警報を発するように設計
しておくと、オペレーターは不良焼成のチェックやヒー
トパターンの検討をおこなうことができる。

【００２１】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によればスリット
を介してＣＣＤカメラで炉内を移動する鞘の輝度および
熱画像を捉えることにより非接触状態でトンネル炉内の
温度状況を精度よく検知することができ、炉操業条件の
信頼性を著しく向上させることが可能となる。そのう
え、熱画像表示により焼成物の微妙な温度分布をビジュ
アルに再現できるため、異常を即座に判定することもで
きる。したがって、トンネル炉を用いて精密部材の焼成
処理をおこなう目的に対して極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるトンネル炉の非接触測温状態を示
した断面略図である。

【図２】黒体加工を施した鞘の斜視説明図である。

【図３】鞘画像の合成例を示した模式図である。

【図４】本発明を用いてトンネル炉の連続操業をおこな
う場合の構成図である。

【符号の説明】

１ トンネル炉の炉壁 ２ 発熱体 ３ 被焼成物 ４ 鞘 ５ スリット ６ ＣＣＤカメラ ７ 減光フィルター ８ トンネル炉 ９ 画像 10 画像処理装置 11 ＩＴＶモニター 12 コンピューター 13 発熱体制御装置 14 移送制御装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被焼成物を搬送する鞘の側壁部分に黒体
   加工を施し、該鞘の側壁部分に相当するトンネル炉の炉
   壁に形成したスリットからＣＣＤカメラにより輝度を検
   知し、測定点に入射する炉内反射光の影響を補正除去し
   て温度変換することにより焼成物の温度を測定し、前記
   スリットから得られる短冊状の温度画像を鞘の移動速度
   に合わせて合成することによりＩＴＶモニターに焼成物
   の全体像として現出し、焼成物の温度分布を測定するこ
   とを特徴とするトンネル炉の非接触測温方法。