JP2022093298A - Data prediction device and quartz glass crucible manufacturing system - Google Patents

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Abstract

To provide a data prediction device capable of greatly shortening a cycle time required to adjust melting conditions in manufacturing a quartz glass crucible.SOLUTION: A data prediction device comprises: a storage part 12 which stores a data set generated by linking a measured value (input data) of a dimension at a predetermined position and a measured value (teacher data) of weight of a quartz glass crucible actually manufactured under melting conditions set to a crucible manufacturing device to each other; model generation means (control part 11) which generates a data prediction model for predicting the weight of the quartz glass crucible through machine learning using the data set; and data prediction means (control part 11) which receives as input data the measured value of the dimension at the predetermined position output from the crucible manufacturing device in a manufacturing process, and outputs a predicted weight of the quartz glass crucible manufactured in the manufacturing proces using the learnt data prediction model.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムに関する。 The present invention relates to a data prediction device for predicting the weight of a quartz glass crucible and a quartz glass crucible manufacturing system.

シリコン単結晶の育成に関し、チョクラルスキー法(CZ法)が広く用いられている。この方法は、石英ガラスルツボ(以下、単に「ルツボ」と呼ぶ場合がある。)内に形成されたシリコン融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、この種結晶を反対方向に回転させながら上方へ引き上げることによって、種結晶の下端に単結晶を形成していくものである。 The Czochralski method (CZ method) is widely used for growing silicon single crystals. In this method, a seed crystal is brought into contact with the surface of a silicon melt formed in a quartz glass crucible (hereinafter, may be simply referred to as a "crucible"), the crucible is rotated, and the seed crystal is rotated in the opposite direction. A single crystal is formed at the lower end of the seed crystal by pulling it upward while rotating it.

このシリコン融液を収容するための石英ガラスルツボには、内面側に高純度の合成シリカガラスにより形成された透明層を有し、外表側に熱性に優れた天然シリカガラスにより形成された不透明層を有する、2層構造の石英ガラスルツボが用いられるのが一般的である。 The quartz glass rutsubo for accommodating this silicon melt has a transparent layer formed of high-purity synthetic silica glass on the inner surface side, and an opaque layer formed of natural silica glass having excellent heat on the outer surface side. It is common to use a quartz glass rut with a two-layer structure.

このような石英ガラスルツボの製造方法の一例として、回転モールド法が知られている。回転モールド法では、まず、回転するルツボ成型用モールドの表面に天然シリカガラスの原料粉末(天然シリカ粉)を積層し、さらに天然シリカ粉の層の表面に合成シリカガラスの原料粉末(合成シリカ粉)を積層し、原料粉末積層体を形成する(成型工程)。つぎに、アーク放電でこの原料粉末積層体を内側から外側へ加熱溶融し、その後、冷却することにより、内面側に合成シリカガラス層(透明層)が形成され、外表側に天然シリカガラス層(不透明層)が形成され、2層構造のルツボ成型体が得られる(溶融工程)。最後に、ルツボ成型体の上端部を切断することによって、2層構造の石英ガラスルツボが得られる(切断工程)。 As an example of such a method for manufacturing a quartz glass crucible, a rotary molding method is known. In the rotary molding method, first, a raw material powder of natural silica glass (natural silica powder) is laminated on the surface of a rotating crucible molding mold, and then a raw material powder of synthetic silica glass (synthetic silica powder) is laminated on the surface of a layer of natural silica powder. ) Is laminated to form a raw material powder laminate (molding step). Next, the raw material powder laminate is heated and melted from the inside to the outside by arc discharge, and then cooled to form a synthetic silica glass layer (transparent layer) on the inner surface side and a natural silica glass layer (natural silica glass layer) on the outer front side. An opaque layer) is formed, and a crucible molded body having a two-layer structure is obtained (melting step). Finally, by cutting the upper end of the crucible molded body, a quartz glass crucible having a two-layer structure can be obtained (cutting step).

また、上記製造方法で得られる石英ガラスルツボには、重量について高い精度が要求される。そのため、上記切断工程の後には、実際に製造された石英ガラスルツボを用いて、重量の測定が行われる(測定工程)。そして、この測定結果により得られる重量の実測値に基づいて溶融条件の調整が行われている。なお、溶融条件の調整は、通常、製造作業者の経験に基づいて行われる。 Further, the quartz glass crucible obtained by the above manufacturing method is required to have high accuracy in terms of weight. Therefore, after the cutting step, the weight is measured using the actually manufactured quartz glass crucible (measurement step). Then, the melting conditions are adjusted based on the actually measured value of the weight obtained from this measurement result. The melting conditions are usually adjusted based on the experience of the manufacturing operator.

一方で、製造作業者の経験によらず、実際に製造された石英ガラスルツボの測定データに基づいて製造条件設定支援装置(コンピュータ)が製造条件(溶融条件を含む)を決定する方法について、従来から検討が行われている(特許文献1参照)。 On the other hand, regardless of the experience of the manufacturing operator, the manufacturing condition setting support device (computer) determines the manufacturing condition (including the melting condition) based on the measurement data of the actually manufactured quartz glass crucible. (See Patent Document 1).

たとえば、特許文献1には、所定の物性パラメータおよび製造条件に基づくシミュレーションにより得られたデータと、その製造条件に基づいて実際に製造したルツボの測定データとの一致度を計算し、さらに、一致度が所定の水準になるまで物性パラメータおよび製造条件を変更しながらシミュレーションを繰り返し実行し、一致度が所定の水準以上となったときの製造条件を改善された製造条件として採用する、ことが記載されている。 For example, in Patent Document 1, the degree of coincidence between the data obtained by the simulation based on the predetermined physical property parameters and the manufacturing conditions and the measurement data of the rutsubo actually manufactured based on the manufacturing conditions is calculated and further matched. It is stated that the simulation is repeatedly executed while changing the physical characteristics parameters and manufacturing conditions until the degree reaches the specified level, and the manufacturing conditions when the degree of agreement exceeds the specified level is adopted as the improved manufacturing conditions. Has been done.

特開2017-128509号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-128509

しかしながら、従来の石英ガラスルツボの製造方法においては、ルツボを製造した後に重量を測定する工程(測定データを得る工程)が実施されるため、測定データに基づく溶融条件の調整は、完成したルツボの測定データが製造作業者にフィードバックされた後の作業となる。 However, in the conventional method for manufacturing a quartz glass rutsubo, a step of measuring the weight (step of obtaining measurement data) is carried out after the rutsubo is manufactured, so that the adjustment of the melting conditions based on the measurement data is performed on the completed rutsubo. This is the work after the measurement data is fed back to the manufacturing operator.

すなわち、従来の石英ガラスルツボの製造方法を採用する場合、溶融条件の調整は、その調整作業を行う者が人あってもコンピュータであっても、ルツボを実際に製造し測定データがフィードバックされた後でなければ実施することができない。そのため、たとえば、特定の製造工程において溶融条件が設定された後つぎに調整された溶融条件が設定されるまでの時間(サイクルタイム)は、上記製造工程でルツボが完成するまでにかかった所要時間(リードタイム)を大幅に超えた時間となる。このような冗長なサイクルタイムは、ルツボ製造の効率化という観点から改善する必要がある。 That is, when the conventional method for manufacturing a quartz glass crucible is adopted, the melting conditions are adjusted by actually manufacturing the crucible and feeding back the measurement data regardless of whether the person performing the adjustment work is a person or a computer. It can only be done later. Therefore, for example, the time (cycle time) from the setting of the melting conditions in a specific manufacturing process to the setting of the next adjusted melting conditions is the time required for the rutsubo to be completed in the above manufacturing process. It will be a time that greatly exceeds (lead time). Such redundant cycle times need to be improved from the viewpoint of improving the efficiency of crucible manufacturing.

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、石英ガラスルツボの製造において、溶融条件の調整にかかるサイクルタイムを大幅に短縮可能なデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a data prediction device and a quartz glass crucible manufacturing system capable of significantly shortening the cycle time required for adjusting the melting conditions in the manufacture of quartz glass crucibles. The purpose is to provide.

本発明にかかるデータ予測装置は、ルツボ製造装置に設定された溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの所定位置の寸法の実測値を入力データとし、前記溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの重量の実測値を教師データとし、前記入力データに前記教師データを紐付けることで作成したデータセットを記憶する記憶手段(後述する記憶部12に相当)と、前記記憶手段から読み出したデータセットを用いて、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測モデルを機械学習により生成するモデル生成手段(後述する制御部11に相当)と、石英ガラスルツボの製造工程内の測定工程において前記ルツボ製造装置から出力される所定位置の寸法の実測値を入力データとして受け付け、学習済みのデータ予測モデルを用いて、前記製造工程で製造される石英ガラスルツボの予測重量を出力するデータ予測手段(後述する制御部11に相当)と、を備えることを特徴とする。 The data prediction device according to the present invention uses as input data the measured values of the dimensions of the quartz glass rutsubo actually manufactured under the melting conditions set in the rutsubo manufacturing device, and the quartz actually manufactured under the melting conditions. A storage means (corresponding to a storage unit 12 described later) for storing a data set created by associating the teacher data with the input data, and reading from the storage means, using the measured value of the weight of the glass rut as the teacher data. A model generation means (corresponding to the control unit 11 described later) that generates a data prediction model for predicting the weight of a quartz glass rut using a data set by machine learning, and the rut in the measurement process in the manufacturing process of the quartz glass rut. Data prediction means that accepts the measured values of the dimensions at a predetermined position output from the manufacturing equipment as input data and outputs the predicted weight of the quartz glass rutsubo manufactured in the manufacturing process using the trained data prediction model (described later). (Corresponding to the control unit 11), and the like.

本発明にかかるデータ予測装置によれば、完成した石英ガラスルツボを用いて重量を測定するのではなく、予め学習済みのデータ予測モデルを用いて、完成予定の石英ガラスルツボの重量を予測する。これにより、完成した石英ガラスルツボを用いて重量を測定する場合と比較して、その重量が製造作業者にフィードバックされるまでの時間を大幅に短縮することができ、これに伴って、製造作業者による溶融条件の調整を早めに開始することが可能となる。そのため、たとえば、特定の製造工程において溶融条件が設定された後つぎに調整後の溶融条件が設定されるまでのサイクルタイムを大幅に短縮することができる。 According to the data prediction device according to the present invention, the weight of the quartz glass crucible to be completed is predicted by using the data prediction model learned in advance, instead of measuring the weight using the completed quartz glass crucible. As a result, the time until the weight is fed back to the manufacturing operator can be significantly shortened as compared with the case where the weight is measured using the completed quartz glass crucible, and the manufacturing operation is accompanied by this. It is possible to start the adjustment of the melting condition by the person as soon as possible. Therefore, for example, the cycle time from the setting of the melting conditions in a specific manufacturing process to the next setting of the adjusted melting conditions can be significantly shortened.

また、本発明にかかるデータ予測装置は、前記データ予測手段が出力する予測重量を表示する表示手段を備えることが望ましい。 Further, it is desirable that the data prediction device according to the present invention includes a display means for displaying the predicted weight output by the data prediction means.

また、本発明にかかるデータ予測装置は、前記所定位置の寸法の実測値を、石英ガラスルツボにおける直胴部の外径、底部の肉厚、コーナー部の肉厚、直胴部の肉厚、底部の透明層の厚さ、コーナー部の透明層の厚さ、および直胴部の透明層の厚さ、の全部または一部とすることが望ましい。 Further, the data prediction device according to the present invention measures the measured values of the dimensions at the predetermined positions as the outer diameter of the straight body portion, the wall thickness of the bottom portion, the wall thickness of the corner portion, and the wall thickness of the straight body portion in the quartz glass rut. It is desirable to make all or part of the thickness of the transparent layer at the bottom, the thickness of the transparent layer at the corners, and the thickness of the transparent layer at the straight body.

本発明にかかる石英ガラスルツボ製造システムは、前記データ予測装置と、成型工程、溶融工程および測定工程を含む製造工程により石英ガラスルツボを製造するルツボ製造装置と、を備え、前記ルツボ製造装置は、機械学習済みのデータ予測モデルとして動作する前記データ予測装置から出力された石英ガラスルツボの予測重量の傾向に基づいて調整された溶融条件で溶融工程を実施することを特徴とする。 The quartz glass rutsubo manufacturing system according to the present invention includes the data prediction apparatus and a rutsubo manufacturing apparatus for manufacturing quartz glass rutsubo by a manufacturing process including a molding step, a melting step and a measuring step, and the rutsubo manufacturing apparatus includes the rutsubo manufacturing apparatus. It is characterized in that the melting process is carried out under the melting conditions adjusted based on the tendency of the predicted weight of the quartz glass rubbish output from the data prediction device that operates as a machine-learned data prediction model.

また、本発明にかかる石英ガラスルツボ製造システムにおいては、前記溶融条件を、溶融時の電流値、電圧値、積算電力値、電極開度、電極位置、溶融温度、圧力、冷却水温度、冷却水流量および溶融時間を含む溶融工程のデータとすることが望ましい。 Further, in the quartz glass crucible manufacturing system according to the present invention, the melting conditions are set to the current value at the time of melting, the voltage value, the integrated power value, the electrode opening degree, the electrode position, the melting temperature, the pressure, the cooling water temperature, and the cooling water. It is desirable to use the data of the melting process including the flow rate and melting time.

本発明にかかるデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムは、石英ガラスルツボの製造において、溶融条件の調整にかかるサイクルタイムを大幅に短縮することができる、という効果を奏する。 The data prediction device and the quartz glass crucible manufacturing system according to the present invention have an effect that the cycle time required for adjusting the melting conditions can be significantly shortened in the manufacturing of the quartz glass crucible.

図1は、本発明にかかる石英ガラスルツボ製造システムのシステム構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a system configuration of a quartz glass crucible manufacturing system according to the present invention. 図2は、ルツボ製造装置の構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a crucible manufacturing apparatus. 図3は、石英ガラスルツボの製造工程の一例を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing an example of a manufacturing process of a quartz glass crucible. 図4は、溶融工程にて形成されたルツボ成型体の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the crucible molded body formed in the melting step. 図5は、切断工程により得られた石英ガラスルツボの断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a quartz glass crucible obtained by the cutting step. 図6は、本発明にかかるデータ予測装置として動作するコンピュータのハードウェア構成例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a hardware configuration example of a computer operating as a data prediction device according to the present invention. 図7は、データ予測モデルを生成するためのデータセットの一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of a data set for generating a data prediction model. 図8は、ニューラルネットワークの構成の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of the configuration of the neural network. 図9は、入力データの構成の一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example of the configuration of input data. 図10は、学習の評価結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the evaluation results of learning. 図11は、学習済みのデータ予測モデルによる予測結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a prediction result by the trained data prediction model.

以下、本発明にかかるデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、本願の明細書および図面において、同様に説明することが可能な要素については、同一の符号を付すことにより重複説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the data prediction device and the quartz glass crucible manufacturing system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to this embodiment. Further, in the specification and drawings of the present application, elements that can be similarly described may be designated by the same reference numerals to omit duplicate description.

<システム構成>
図1は、本発明にかかる石英ガラスルツボ製造システムのシステム構成の一例を示す図である。本実施形態の石英ガラスルツボ製造システムは、実際に製造する石英ガラスルツボの重量を予測する処理(以下、データ予測処理と呼ぶ。)および重量予測を実行する学習モデルを生成する処理(以下、学習モデル生成処理と呼ぶ。)を行うホストコンピュータとして動作するデータ予測装置1と、重量の予測結果に基づいて製造作業者2により調整および設定された溶融条件に従い石英ガラスルツボを製造するルツボ製造装置3と、を備える。
<System configuration>
FIG. 1 is a diagram showing an example of a system configuration of a quartz glass crucible manufacturing system according to the present invention. The quartz glass crucible manufacturing system of the present embodiment is a process of predicting the weight of the quartz glass crucible actually manufactured (hereinafter referred to as a data prediction process) and a process of generating a learning model for executing the weight prediction (hereinafter, learning). A data prediction device 1 that operates as a host computer that performs model generation processing), and a crucible manufacturing device 3 that manufactures quartz glass crucibles according to melting conditions adjusted and set by the manufacturing operator 2 based on the weight prediction results. And.

<ルツボ製造装置>
本実施形態のルツボ製造装置3は、一例として、回転モールド法により、内面側に高純度の合成シリカガラスにより形成された透明層を有し、外表側に熱性に優れた天然シリカガラスにより形成された不透明層を有する、2層構造の石英ガラスルツボを製造する。
<Crucible manufacturing equipment>
As an example, the crucible manufacturing apparatus 3 of the present embodiment has a transparent layer formed of high-purity synthetic silica glass on the inner surface side and is formed of natural silica glass having excellent heat on the outer front side by a rotary molding method. A two-layer structure quartz glass crucible having an opaque layer is manufactured.

図2は、本実施形態のルツボ製造装置3の構成の一例を示す断面図である。このルツボ製造装置3は、たとえば、複数の貫通孔(図示せず)を穿設した金型で構成された内側部材31と、その外周に通気部32を設けて内側部材31を保持する保持体33と、から構成されたルツボ成型用モールド34を備える。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the crucible manufacturing apparatus 3 of the present embodiment. The crucible manufacturing apparatus 3 is, for example, an inner member 31 composed of a mold having a plurality of through holes (not shown), and a holding body provided with a ventilation portion 32 on the outer periphery thereof to hold the inner member 31. A mold 34 for crucible molding, which is composed of 33 and 33, is provided.

また、保持体33の下部には、図示しない回転手段に連結された回転軸35が固着され、ルツボ成型用モールド34を回転可能に支持している。また、通気部32は、保持体33の底部略中央から回転軸35の軸方向に貫通する排気口36に連結され、この排気口36がさらに減圧機構37に連結されている。 Further, a rotating shaft 35 connected to a rotating means (not shown) is fixed to the lower portion of the holding body 33 to rotatably support the crucible molding mold 34. Further, the ventilation portion 32 is connected to an exhaust port 36 penetrating in the axial direction of the rotating shaft 35 from substantially the center of the bottom of the holding body 33, and the exhaust port 36 is further connected to the decompression mechanism 37.

また、内側部材31に対向する上部には、アーク放電用のアーク電極38と、図示はしていないが、原料供給ノズル、およびルツボの所定部位にガス(窒素ガス、酸素ガス等)を吹付けるノズル等、が設けられている。 Further, on the upper portion facing the inner member 31, a gas (nitrogen gas, oxygen gas, etc.) is sprayed on an arc electrode 38 for arc discharge, a raw material supply nozzle (not shown), and a predetermined portion of the rutsubo. Nozzles and the like are provided.

ここで、上記ルツボ製造装置3による石英ガラスルツボの製造方法について説明する。図3は、石英ガラスルツボの製造工程の一例を示すフローチャートである。 Here, a method for manufacturing a quartz glass crucible by the crucible manufacturing apparatus 3 will be described. FIG. 3 is a flowchart showing an example of a manufacturing process of a quartz glass crucible.

上記ルツボ製造装置3を用いて石英ガラスルツボを製造するには、まず、回転駆動源(図示せず)を使用して回転軸35を矢印の方向(図2参照)に回転させることによって、ルツボ成型用モールド34を所定の速度で回転させる。そして、減圧機構37の駆動により通気部32を減圧させ、内側部材31に形成された多数の貫通孔を介して内側部材31内面側を吸引しつつ、内側部材31内に原料供給ノズルから石英ガラス原料粉末(天然シリカ粉、合成シリカ粉)を供給する。具体的には、先に粗粒の天然シリカ粉を供給し、吸引力および遠心力による押圧によって内側部材31の表面に天然シリカ粉の層を形成する。その後、微粒の合成シリカ粉を供給し、吸引力および遠心力による押圧によって天然シリカ粉の層の表面にさらに合成シリカ粉の層を形成し、2層構造の原料粉末積層体を形成する(ステップS1:成型工程)。 To manufacture a quartz glass crucible using the crucible manufacturing apparatus 3, first, a rotation drive source (not shown) is used to rotate the rotation shaft 35 in the direction of the arrow (see FIG. 2). The molding mold 34 is rotated at a predetermined speed. Then, the ventilation portion 32 is depressurized by driving the depressurizing mechanism 37, and while sucking the inner surface side of the inner member 31 through a large number of through holes formed in the inner member 31, quartz glass is introduced into the inner member 31 from the raw material supply nozzle. Supply raw material powder (natural silica powder, synthetic silica powder). Specifically, coarse-grained natural silica powder is first supplied, and a layer of natural silica powder is formed on the surface of the inner member 31 by pressing with suction force and centrifugal force. After that, fine synthetic silica powder is supplied, and a layer of synthetic silica powder is further formed on the surface of the layer of natural silica powder by pressing with attractive force and centrifugal force to form a raw material powder laminate having a two-layer structure (step). S1: Molding process).

原料粉末積層体を形成後、減圧機構37による減圧を継続しながら、アーク電極38に通電して原料粉末積層体を内側から加熱溶融し、まず表層をガラス化する(合成シリカガラス層が形成される)。その後も減圧機構37による減圧およびアーク電極38による加熱溶融を継続し、原料粉末積層体を外表側までガラス化し(天然シリカガラス層が形成される)、2層構造のルツボ成型体を形成する(ステップS2:溶融工程)。 After forming the raw material powder laminate, the arc electrode 38 is energized to heat and melt the raw material powder laminate from the inside while continuing the depressurization by the depressurizing mechanism 37, and the surface layer is first vitrified (a synthetic silica glass layer is formed). Ru). After that, the depressurization by the decompression mechanism 37 and the heating and melting by the arc electrode 38 are continued, and the raw material powder laminate is vitrified to the outer front side (a natural silica glass layer is formed) to form a crucible molded body having a two-layer structure (a natural silica glass layer is formed). Step S2: melting step).

図4は、溶融工程にて形成されたルツボ成型体の断面図である。図4に示すルツボ成型体40は、合成シリカガラス層を形成する透明層40aと天然シリカガラス層を形成する不透明層40bで構成される。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the crucible molded body formed in the melting step. The crucible molded body 40 shown in FIG. 4 is composed of a transparent layer 40a forming a synthetic silica glass layer and an opaque layer 40b forming a natural silica glass layer.

ルツボ成型体40を形成後、このルツボ形成体40を用いて外観検査および寸法測定を行う(ステップS3:測定工程)。寸法測定においては、たとえば、ルツボ形成体40における所定位置の外径、肉厚および透明層の厚さ等を測定する。 After forming the crucible molded body 40, visual inspection and dimensional measurement are performed using the crucible forming body 40 (step S3: measurement step). In the dimensional measurement, for example, the outer diameter, the wall thickness, the thickness of the transparent layer, and the like at a predetermined position in the crucible forming body 40 are measured.

最後に、ルツボ成型体40の上端部を所定の高さで切断することによって、2層構造の石英ガラスルツボが得られる(ステップS4:切断工程)。具体的には、図4に示すルツボ成型体40を点線部分で切断することにより2層構造の石英ガラスルツボが得られる。一般的に、回転モールド法で製造するルツボ成型体40は、完成形の石英ガラスルツボの要求寸法よりも高くなるように製造し、ルツボ成型体40の上端開口部分を切断することで要求寸法を満たしている。 Finally, by cutting the upper end portion of the crucible molded body 40 at a predetermined height, a quartz glass crucible having a two-layer structure can be obtained (step S4: cutting step). Specifically, a quartz glass crucible having a two-layer structure can be obtained by cutting the crucible molded body 40 shown in FIG. 4 at a dotted line portion. Generally, the crucible molded body 40 manufactured by the rotary molding method is manufactured so as to be higher than the required size of the finished quartz glass crucible, and the required size is obtained by cutting the upper end opening portion of the crucible molded body 40. Meet.

図5は、切断工程により得られた石英ガラスルツボの断面図である。図5に示す石英ガラスルツボ41は、合成シリカガラス層を形成する透明層41aと天然シリカガラス層を形成する不透明層41bで構成される。 FIG. 5 is a cross-sectional view of a quartz glass crucible obtained by the cutting step. The quartz glass crucible 41 shown in FIG. 5 is composed of a transparent layer 41a forming a synthetic silica glass layer and an opaque layer 41b forming a natural silica glass layer.

なお、本実施形態においては、一例として、2層構造の石英ガラスルツボを製造する場合について記載したが、これに限るものではない。本発明にかかるデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムについては、たとえば、3層構造以上の石英ガラスルツボを製造する場合においても同様に適用可能である。すなわち、内側層、中間層、外側層により形成された3層構造の石英ガラスルツボや、さらには、中間層が複数形成された4層構造以上の石英ガラスルツボ、を製造する場合においても適用可能である。たとえば、3層構造以上の石英ガラスルツボを製造する場合は、上述した成型工程および溶融工程において、内側層、単一または複数の中間層、外側層で構成された3層構造以上の原料粉末積層体およびルツボ成型体を形成することによって、3層構造以上の石英ガラスルツボが得られる。 In this embodiment, the case of manufacturing a quartz glass crucible having a two-layer structure has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The data prediction device and the quartz glass crucible manufacturing system according to the present invention can be similarly applied to, for example, the case of manufacturing a quartz glass crucible having a three-layer structure or more. That is, it can be applied even in the case of manufacturing a quartz glass crucible having a three-layer structure formed by an inner layer, an intermediate layer, and an outer layer, and further, a quartz glass crucible having a four-layer structure or more in which a plurality of intermediate layers are formed. Is. For example, in the case of producing a quartz glass crucible having a three-layer structure or more, in the molding step and the melting step described above, a raw material powder laminate having a three-layer structure or more composed of an inner layer, a single or a plurality of intermediate layers, and an outer layer. By forming the body and the crucible molded body, a quartz glass crucible having a three-layer structure or more can be obtained.

<データ予測装置の構成>
図6は、本発明にかかるデータ予測装置として動作するコンピュータのハードウェア構成例を示す図である。図6において、データ予測装置1は、CPU(Central Processing Unit)およびFPGA(Field Programmable Gate Array)等で構成される制御部11と、ROM(Read Only Memory),RAM(Random Access Memory)等の各種メモリを含む記憶部12と、キーボードおよびマウス等のユーザインタフェースを含む入力部13と、印刷やスキャン等の入出力処理を行うインタフェース部14と、ディスプレイである表示部15と、所定のネットワークを介して外部と通信を行う通信部16とを備える。なお、図6では、キーボードおよびマウス等のユーザインタフェースを含む入力部13を備えることとしたが、本実施形態のデータ予測装置1は、これに限るものではなく、表示部15にタッチパネルの機能を持たせることによって、入力部13を設けない構成、または入力部13と併用する構成としてもよい。
<Configuration of data prediction device>
FIG. 6 is a diagram showing a hardware configuration example of a computer operating as a data prediction device according to the present invention. In FIG. 6, the data prediction device 1 includes a control unit 11 composed of a CPU (Central Processing Unit) and an FPGA (Field Programmable Gate Array), and various types such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory). A storage unit 12 including a memory, an input unit 13 including a user interface such as a keyboard and a mouse, an interface unit 14 that performs input / output processing such as printing and scanning, a display unit 15 that is a display, and a predetermined network. A communication unit 16 that communicates with the outside is provided. Although it was decided to include an input unit 13 including a user interface such as a keyboard and a mouse in FIG. 6, the data prediction device 1 of the present embodiment is not limited to this, and the display unit 15 is provided with a touch panel function. By having the input unit 13, the input unit 13 may not be provided or may be used in combination with the input unit 13.

図6において、制御部11は、本実施形態のデータ予測装置1によるデータ予測処理および学習モデル生成処理を実現するために、たとえば、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測プログラムと、重量予測を行う学習モデルを生成するための学習モデル生成プログラムと、を実行する。記憶部12は、本実施形態のデータ予測処理および学習モデル生成処理にかかるプログラム(データ予測プログラム、学習モデル生成プログラム)および各種情報(学習のためのデータセット等)や、処理の過程で得られた各種データ(所定位置の寸法および予測した重量等)等を記憶する。制御部11では、記憶部12に記憶されている各種プログラムを読み出すことにより、本実施形態のデータ予測処理および学習モデル生成処理を実行する。 In FIG. 6, in order to realize the data prediction process and the learning model generation process by the data prediction device 1 of the present embodiment, the control unit 11 performs, for example, a data prediction program for predicting the weight of a quartz glass rut and a weight prediction. Execute a learning model generation program for generating a learning model to be performed. The storage unit 12 is obtained in the process of processing the program (data prediction program, learning model generation program) and various information (data set for learning, etc.) related to the data prediction process and the learning model generation process of the present embodiment. Various data (dimensions at predetermined positions, predicted weight, etc.) are stored. The control unit 11 executes the data prediction process and the learning model generation process of the present embodiment by reading out various programs stored in the storage unit 12.

なお、記憶部12は、内部メモリに限るものではなく、たとえば、DVD(Digital Versatile Disc)やSDメモリ等の外部記憶媒体であってもよいし、また、内部メモリおよび外部記憶媒体(DVDやSDメモリ等)の両方で構成されることとしてもよい。また、本実施形態のデータ予測装置1のハードウェア構成は、説明の便宜上、本実施形態のデータ予測処理および学習モデル生成処理にかかわる構成を列挙したものであり、データ予測装置1を構成するコンピュータのすべての機能を表現したものではない。 The storage unit 12 is not limited to the internal memory, and may be an external storage medium such as a DVD (Digital Versatile Disc) or an SD memory, and the internal memory and the external storage medium (DVD or SD). It may be composed of both (memory, etc.). Further, the hardware configuration of the data prediction device 1 of the present embodiment enumerates the configurations related to the data prediction processing and the learning model generation processing of the present embodiment for convenience of explanation, and is a computer constituting the data prediction device 1. It does not represent all the functions of.

また、本実施形態のデータ予測装置1は、デスクトップパソコン、ノートパソコン等の汎用PCを想定しているが、これらに限るものではなく、たとえば、スマートフォン、タブレット端末等の携帯端末であってもよい。 Further, the data prediction device 1 of the present embodiment is assumed to be a general-purpose PC such as a desktop personal computer and a notebook personal computer, but is not limited to these, and may be, for example, a mobile terminal such as a smartphone or a tablet terminal. ..

<学習モデル生成処理>
つづいて、本実施形態のデータ予測装置1におけるデータ予測処理を説明する前に、その前提となる学習モデル生成処理について詳細に説明する。なお、学習モデル生成処理およびデータ予測処理において使用する入力データは、制御部11にて予め標準化されたものとする。すなわち、制御部11では、機械学習および重量予測を行う前処理として、入力データを構成する所定位置の寸法の実測値について、個別に、平均値を0とし標準偏差を1とする標準化処理を行う。
<Learning model generation process>
Next, before explaining the data prediction process in the data prediction device 1 of the present embodiment, the learning model generation process which is a premise thereof will be described in detail. The input data used in the learning model generation process and the data prediction process are pre-standardized by the control unit 11. That is, as a preprocessing for performing machine learning and weight prediction, the control unit 11 individually performs standardization processing in which the average value is 0 and the standard deviation is 1 for the actually measured values of the dimensions of the predetermined positions constituting the input data. ..

本実施形態のデータ予測装置1において、制御部11は、石英ガラスルツボの重量を予測する学習モデル、すなわち、データ予測モデルとして動作し、たとえば、図3に示す製造工程内の測定工程(ステップS3)においてルツボ製造装置3から出力される所定位置の寸法の実測値を入力データとして受け付け、石英ガラスルツボの重量(予測重量)を出力する。そして、このデータ予測モデルは、たとえば、ニューラルネットワーク等、公知の機械学習アルゴリズムを利用して生成する。 In the data prediction device 1 of the present embodiment, the control unit 11 operates as a learning model for predicting the weight of the quartz glass rut, that is, a data prediction model, and for example, a measurement step (step S3) in the manufacturing process shown in FIG. ), The measured value of the dimension of the predetermined position output from the rutsubo manufacturing apparatus 3 is accepted as input data, and the weight (predicted weight) of the quartz glass rutsubo is output. Then, this data prediction model is generated by using a known machine learning algorithm such as a neural network.

また、機械学習アルゴリズムで使用するデータセットは、たとえば、ルツボ製造装置3に設定された溶融条件(後述する溶融時の電流値や溶融時間等)で実際に製造された石英ガラスルツボの所定位置の寸法の実測値を入力データとし、前述した溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの重量の実測値を出力ラベル(正解ラベル)とし、この入力データに出力ラベルを紐付けることで作成する。 Further, the data set used in the machine learning algorithm is, for example, the predetermined position of the quartz glass crucible actually manufactured under the melting conditions (current value at the time of melting, melting time, etc., which will be described later) set in the crucible manufacturing apparatus 3. The measured value of the dimensions is used as the input data, the measured value of the weight of the quartz glass crucible actually manufactured under the above-mentioned melting conditions is used as the output label (correct answer label), and the output label is associated with this input data.

データセットの入力データは、上述したとおり、実際に製造された石英ガラスルツボの所定位置に対応する寸法の実測値であるが、本実施形態では、一例として、ルツボの位置Gの外径、位置Fの外径、位置Eの外径、位置Aの肉厚、位置Dの肉厚、位置Fの肉厚、位置Aの透明層の厚さ、位置Dの透明層の厚さ、位置Fの透明層の厚さ、の計9つの寸法(mm)とする。なお、各位置(A,D,E,F,G)は、図5に示す石英ガラスルツボ41の断面図に記載のとおり、たとえば、底部(A)、コーナー部(D)、直胴部(E,F,G)の各箇所を指すものとする。 As described above, the input data of the data set is an actually measured value of the dimension corresponding to the predetermined position of the actually manufactured quartz glass rutsubo, but in this embodiment, as an example, the outer diameter and the position of the rutsubo position G Outer diameter of F, outer diameter of position E, wall thickness of position A, wall thickness of position D, wall thickness of position F, thickness of transparent layer at position A, thickness of transparent layer at position D, thickness of position F The thickness of the transparent layer is 9 dimensions (mm) in total. The positions (A, D, E, F, G) are, for example, the bottom portion (A), the corner portion (D), and the straight body portion (as described in the cross-sectional view of the quartz glass crucible 41 shown in FIG. It shall refer to each part of E, F, G).

また、本実施形態においては、上述したとおり、入力データを上記9つの寸法としたが、これに限るものではなく、この入力データは、たとえば、上記9つの寸法のうちの一部であってもよいし、上記9つの寸法に他の寸法を加えることとしてもよいし、または上記9つの寸法以外の寸法で構成することとしてもよい。さらに、上記入力データには、寸法以外のパラメータとして、たとえば、溶融データ(溶融時の電流値、溶融時間等)や気候条件等の環境条件を含ませることとしてもよい。また、寸法以外のパラメータを入力データに含める場合において、たとえば、そのパラメータに非数値の質的データ(たとえば、電極や金型等の設備等)が含まれる場合については、質的データを量的データ(数値)に変換して入力することになる。数値化の方法については、特に限定はしないが、たとえば、ダミー変数(One-Hotエンコーディング)等を利用して質的データを量的データに変換する。 Further, in the present embodiment, as described above, the input data is set to the above nine dimensions, but the present invention is not limited to this, and the input data may be, for example, a part of the above nine dimensions. Alternatively, other dimensions may be added to the above nine dimensions, or the dimensions other than the above nine dimensions may be used. Further, the input data may include environmental conditions such as melting data (current value at the time of melting, melting time, etc.) and climatic conditions as parameters other than the dimensions. In addition, when parameters other than dimensions are included in the input data, for example, when the parameters include non-numerical qualitative data (for example, equipment such as electrodes and molds), the qualitative data is quantitatively included. It will be converted into data (numerical value) and input. The method of digitization is not particularly limited, but for example, qualitative data is converted into quantitative data by using a dummy variable (One-Hot encoding) or the like.

図7は、データ予測モデルを生成するためのデータセットの一例を示す図である。図7において、ニューラルネットワークに機械学習をさせるためのデータセットは、上述した入力データ(実際に製造されたルツボの位置Gの外径、位置Fの外径、位置Eの外径、位置Aの肉厚、位置Dの肉厚、位置Fの肉厚、位置Aの透明層の厚さ、位置Dの透明層の厚さ、位置Fの透明層の厚さ等の実測値)と、上述した出力ラベル(実際に製造されたルツボの重量の実測値)との組み合わせで構成される。 FIG. 7 is a diagram showing an example of a data set for generating a data prediction model. In FIG. 7, the data set for causing the neural network to perform machine learning is the above-mentioned input data (the outer diameter of the position G of the actually manufactured lutsubo, the outer diameter of the position F, the outer diameter of the position E, and the position A). Measured values of wall thickness, wall thickness at position D, wall thickness at position F, thickness of transparent layer at position A, thickness of transparent layer at position D, thickness of transparent layer at position F, etc.) and described above. It consists of a combination with an output label (actually measured value of the weight of the actually manufactured rutsubo).

また、本実施形態においては、たとえば、データ予測モデルを訓練するためのデータセット(図7に示すデータセット)を予め記憶部12に保存しておく。そして、記憶部12に保存されたデータセットのうち、約8割を訓練データとして使用し、約2割を評価データとして使用する。ここで、訓練データは、データ予測モデルの学習に使用されるデータセットであり、評価データは、モデルの学習には使用せずに、学習済みのデータ予測モデルに汎用性があるかどうかを検証するために使用されるデータセットである。データ予測モデルの検証はホールドアウト法により実施した。また、訓練データの数は、たとえば、データ予測モデルにおいて所望する精度が得られる程度の数を用意することが望ましい。また、本実施形態におけるデータ予測モデルの性能評価には、評価指標の1つである平均二乗誤差(MES:Mean Squared Error)を採用する。すなわち、実測値と予測値との差を2乗し、その総和をデータ数で割った計算結果を評価対象の値とするため、たとえば、その値が小さいほど誤差の少ないモデルといえる。なお、評価指標はこれに限定されるものではない。 Further, in the present embodiment, for example, a data set (data set shown in FIG. 7) for training a data prediction model is stored in the storage unit 12 in advance. Then, about 80% of the data set stored in the storage unit 12 is used as training data, and about 20% is used as evaluation data. Here, the training data is a data set used for training the data prediction model, and the evaluation data is not used for training the model, and it is verified whether the trained data prediction model is versatile. The data set used to do this. The data prediction model was verified by the holdout method. Further, it is desirable that the number of training data is prepared to the extent that the desired accuracy can be obtained in the data prediction model, for example. Further, in the performance evaluation of the data prediction model in the present embodiment, a mean squared error (MES: Mean Squared Error), which is one of the evaluation indexes, is adopted. That is, since the calculation result obtained by squaring the difference between the measured value and the predicted value and dividing the sum by the number of data is used as the value to be evaluated, for example, the smaller the value, the smaller the error. The evaluation index is not limited to this.

そして、上述したように用意されたデータセット(訓練データ、評価データ)が記憶部12に保存された状態において、制御部11は、記憶部12から上記訓練データを読み出し、たとえば、機械学習アルゴリズムの1つであるニューラルネットワークを利用して、訓練データによる教師あり学習を行わせることにより、ルツボの重量予測に最適化したデータ予測モデルを生成する。 Then, in a state where the data set (training data, evaluation data) prepared as described above is stored in the storage unit 12, the control unit 11 reads the training data from the storage unit 12, for example, a machine learning algorithm. A data prediction model optimized for the weight prediction of the rutsubo is generated by performing supervised learning with training data using one neural network.

<機械学習アルゴリズムの一例>
図8は、機械学習を行わせるニューラルネットワークの構成の一例を示す図である。本実施形態において使用する機械学習アルゴリズムは、全結合型のニューラルネットワークであり、たとえば、入力層と、1つまたは複数の層を有する中間層と、出力層で構成される。このニューラルネットワークの入力層の各ユニットは、上述したデータセット内の入力データを構成する所定位置の寸法(x1,x2,x3,…)と1対1に対応する。すなわち、入力データを構成する各寸法の数が入力ユニット数となる。一方、出力層のユニット数は、ルツボの重量(出力ラベル:z)に対応し、本実施形態においては1つとなる。
<Example of machine learning algorithm>
FIG. 8 is a diagram showing an example of the configuration of a neural network for performing machine learning. The machine learning algorithm used in this embodiment is a fully connected neural network, and is composed of, for example, an input layer, an intermediate layer having one or more layers, and an output layer. Each unit of the input layer of this neural network has a one-to-one correspondence with the dimensions (x 1 , x 2 , x 3 , ...) At predetermined positions constituting the input data in the above-mentioned data set. That is, the number of each dimension constituting the input data is the number of input units. On the other hand, the number of units in the output layer corresponds to the weight of the crucible (output label: z), and is one in the present embodiment.

また、本実施形態においては、中間層における活性化関数をReLU(Rectified Linear Unit)関数とし、出力層における活性化関数を線形関数(Linear function)とする。なお、中間層の層数およびユニット数について規定はなく、任意に設定可能である。そのため、中間層の層数およびユニット数については、データ量やデータの種類、および要求される出力の精度等に応じて適宜決定する。たとえば、中間層の層数およびユニット数が増えるほど、分析の柔軟性や出力の精度等のニューラルネットワークのパフォーマンスは向上するが、一方で、データ量やメモリの使用領域、および演算量等は増大する。 Further, in the present embodiment, the activation function in the intermediate layer is a ReLU (Rectified Linear Unit) function, and the activation function in the output layer is a linear function. The number of layers and the number of units of the intermediate layer are not specified and can be set arbitrarily. Therefore, the number of layers and the number of units of the intermediate layer are appropriately determined according to the amount of data, the type of data, the required accuracy of output, and the like. For example, as the number of layers and units in the middle layer increases, the performance of the neural network such as analysis flexibility and output accuracy improves, but on the other hand, the amount of data, memory usage area, calculation amount, etc. increase. do.

具体的には、まず、制御部11は、記憶部12から1つの訓練データを読み出し、この訓練データを構成する入力データ(x1,x2,x3,…,xn)を、入力層の各ユニットに入力する。そして、入力データ(x1,x2,x3,…,xn)にそれぞれ重み(w11~w1m,w21~w2m,w31~w3m,…,wn1~wnm)を乗算し、その乗算結果をつぎの層(中間層)の各ユニットに出力する。これにより、中間層の各ユニットの入力値(y1,y2,y3,…,ym)は、以下のようになる。なお、nは入力層のユニット数であり、mは中間層のユニット数であり、b1,b2,b3,…,bmはバイアスである。また、重み(w11~w1m,w21~w2m,w31~w3m,…,wn1~wnm)とバイアス(b1,b2,b3,,bm)は学習過程において更新される数値である。
1=x111+x221+x331+…+xnn1+b1
2=x112+x222+x332+…+xnn2+b2
3=x113+x223+x333+…+xnn3+b3

m=x11m+x22m+x33m+…+xnnm+bm
Specifically, first, the control unit 11 reads one training data from the storage unit 12, and inputs the input data (x 1 , x 2 , x 3 , ..., X n ) constituting the training data to the input layer. Input to each unit of. Then, weights (w 11 to w 1 m , w 21 to w 2 m , w 31 to w 3 m , ..., w n1 to w nm ) are added to the input data (x 1 , x 2 , x 3 , ..., X n ), respectively. Multiply and output the multiplication result to each unit of the next layer (intermediate layer). As a result, the input values (y 1 , y 2 , y 3 , ..., ym ) of each unit in the intermediate layer are as follows. Note that n is the number of units in the input layer, m is the number of units in the intermediate layer, and b 1 , b 2 , b 3 , ..., B m are biases. In addition, weights (w 11 to w 1 m , w 21 to w 2 m , w 31 to w 3 m , ..., w n1 to w nm ) and biases (b 1 , b 2 , b 3 , b m ) are used in the learning process. It is a numerical value to be updated.
y 1 = x 1 w 11 + x 2 w 21 + x 3 w 31 + ... + x n w n1 + b 1
y 2 = x 1 w 12 + x 2 w 22 + x 3 w 32 + ... + x n w n2 + b 2
y 3 = x 1 w 13 + x 2 w 23 + x 3 w 33 + ... + x n w n3 + b 3

y m = x 1 w 1m + x 2 w 2m + x 3 w 3m + ... + x n w nm + b m

つぎに、中間層の各ユニットでは、前層の各ユニットからの複数の入力値(y1,y2,y3,…,ym)に対し、それぞれ下式に記載のReLU関数を計算し、その結果を次層の各ユニットに出力する。なお、Mは1~mである。 Next, in each unit in the intermediate layer, the ReLU function described in the following equation is calculated for each of the multiple input values (y 1 , y 2 , y 3 , ..., ym ) from each unit in the previous layer. , The result is output to each unit in the next layer. In addition, M is 1 to m.

Figure 2022093298000002
Figure 2022093298000002

出力層では、たとえば、線形関数を適用し、中間層の各ユニットから受け取った入力値を合計し、その合計値をルツボの重量の予測値(予測重量)として出力する。 In the output layer, for example, a linear function is applied, the input values received from each unit in the intermediate layer are summed, and the total value is output as the predicted value (predicted weight) of the crucible weight.

そして、制御部11は、出力層の出力である予測値と教師データの重量との平均二乗誤差を計算し、この誤差が最小となるように、予め規定するエポック(epoch)数にわたって繰り返し学習を行うことで、データ予測モデルが訓練(重みとバイアスの更新)される。 Then, the control unit 11 calculates the mean square error between the predicted value which is the output of the output layer and the weight of the teacher data, and repeatedly learns over a predetermined number of epochs so that this error is minimized. By doing so, the data prediction model is trained (weight and bias updates).

なお、本実施形態においては、図7に示すデータセットを用いて学習モデルを生成することとしたが、データセットの入力データはこれに限るものではない。たとえば、図7に示す入力データを構成する各寸法の中から一部の寸法を選定し、選定した寸法(入力データ)と、実際に製造されたルツボの重量の実測値(出力ラベル)とを紐付けたデータセットを用いて、教師あり学習を行わせることとしてもよい。または、たとえば、上記入力データにその他のパラメータを新たに追加した入力データと、実際に製造されたルツボの重量の実測値(出力ラベル)とを紐付けたデータセットを用いて、教師あり学習を行わせることも可能である。 In the present embodiment, the learning model is generated using the data set shown in FIG. 7, but the input data of the data set is not limited to this. For example, some dimensions are selected from the dimensions constituting the input data shown in FIG. 7, and the selected dimensions (input data) and the actually measured value (output label) of the weight of the actually manufactured rutsubo are used. Supervised learning may be performed using the linked data set. Alternatively, for example, supervised learning can be performed using a data set in which the input data in which other parameters are newly added to the above input data and the measured value (output label) of the actually manufactured rutsubo weight are linked. It is also possible to do it.

また、本実施形態においては、機械学習アルゴリズムの一例としてニューラルネットワークを用い、上述したデータ予測モデルを生成することとしたが、データ予測モデルを生成するための機械学習アルゴリズムは、これに限るものではない。たとえば、LightGBMなどが代表される、決定木と勾配ブースティングを組み合わせたアルゴリズムなどの使用が考えられる。 Further, in the present embodiment, a neural network is used as an example of the machine learning algorithm to generate the above-mentioned data prediction model, but the machine learning algorithm for generating the data prediction model is not limited to this. do not have. For example, it is conceivable to use an algorithm that combines a decision tree and gradient boosting, such as LightGBM.

<データ予測処理>
つづいて、本実施形態のデータ予測装置1におけるデータ予測処理について詳細に説明する。
<Data prediction processing>
Subsequently, the data prediction process in the data prediction device 1 of the present embodiment will be described in detail.

本実施形態において、学習済みのデータ予測モデルとして動作する制御部11は、たとえば、図3に示す製造工程内の測定工程(ステップS3)においてルツボ製造装置3が出力する所定位置の寸法の実測値(位置Gの外径、位置Fの外径、位置Eの外径、位置Aの肉厚、位置Dの肉厚、位置Fの肉厚、位置Aの透明層の厚さ、位置Dの透明層の厚さ、位置Fの透明層の厚さ)を入力データとして受け付け、製造中の石英ガラスルツボの重量(予測重量)を出力する。すなわち、制御部11は、石英ガラスルツボの完成を待つことなく、測定工程(ステップS3)で得られる所定位置の寸法の実測値の入力により、即座に、完成予定の石英ガラスルツボの重量を予測する。 In the present embodiment, the control unit 11 that operates as a trained data prediction model is, for example, an actually measured value of the dimension of a predetermined position output by the rutsubo manufacturing apparatus 3 in the measurement step (step S3) in the manufacturing process shown in FIG. (Outer diameter of position G, outer diameter of position F, outer diameter of position E, wall thickness of position A, wall thickness of position D, wall thickness of position F, thickness of transparent layer at position A, transparency of position D The thickness of the layer and the thickness of the transparent layer at position F) are accepted as input data, and the weight (estimated weight) of the quartz glass rubbing pot being manufactured is output. That is, the control unit 11 immediately predicts the weight of the quartz glass crucible to be completed by inputting the measured value of the dimension at the predetermined position obtained in the measurement step (step S3) without waiting for the completion of the quartz glass crucible. do.

具体的には、まず、データ予測装置1の操作者(製造作業者2)が、ユーザインタフェース(キーボードおよびマウスを含む入力部13)を利用し、測定工程(ステップS3)で得られる所定位置の寸法の実測値を、入力データとしてデータ予測装置1に入力する(図3のステップS11)。このとき、入力データとしては、データ予測モデルを生成したときと同一位置の寸法の実測値を入力する。図9は、入力データの構成の一例を示す図である。なお、寸法以外のパラメータを入力データに含める場合において、たとえば、そのパラメータに非数値の質的データが含まれる場合については、上述したデータ予測モデルの生成時と同様の方法で質的データを量的データに変換してから入力する。そして、学習済みのデータ予測モデルとして動作する制御部11は、図9に示す入力データを受け取り、完成予定の石英ガラスルツボの重量を予測重量として出力する(図3のステップS12)。そして、ここで予測された重量(予測重量)は、データ予測装置1の表示部15に表示される。 Specifically, first, the operator (manufacturing worker 2) of the data prediction device 1 uses the user interface (input unit 13 including the keyboard and mouse) to obtain a predetermined position in the measurement step (step S3). The measured value of the dimension is input to the data prediction device 1 as input data (step S11 in FIG. 3). At this time, as the input data, the measured value of the dimension at the same position as when the data prediction model was generated is input. FIG. 9 is a diagram showing an example of the configuration of input data. When parameters other than dimensions are included in the input data, for example, when the parameters include non-numerical qualitative data, the amount of qualitative data is measured by the same method as when generating the data prediction model described above. Input after converting to target data. Then, the control unit 11 that operates as a trained data prediction model receives the input data shown in FIG. 9 and outputs the weight of the quartz glass crucible to be completed as the predicted weight (step S12 in FIG. 3). Then, the weight predicted here (predicted weight) is displayed on the display unit 15 of the data prediction device 1.

<製造工程への反映>
製造作業者2は、データ予測装置1の表示部15に表示された予測重量を確認することにより、現状の溶融条件で溶融工程を実施した場合に製造される石英ガラスルツボの傾向(寸法の大,小)を知ることができる。したがって、製造作業者2は、表示部15に表示された予測重量に基づいて、たとえば、重量の値の傾向が想定した値より大きい場合には小さくなるように、重量の値の傾向が想定した値より小さい場合には大きくなるように、現在の溶融条件を調整し(図3のステップS13)、ルツボの溶融工程に反映する(図3のステップS14)。
<Reflections in the manufacturing process>
By confirming the predicted weight displayed on the display unit 15 of the data prediction device 1, the manufacturing worker 2 tends to manufacture the quartz glass crucible when the melting process is performed under the current melting conditions (large size). , Small) can be known. Therefore, based on the predicted weight displayed on the display unit 15, the manufacturing worker 2 assumes that the tendency of the weight value becomes smaller when the tendency of the weight value is larger than the assumed value, for example. If it is smaller than the value, the current melting condition is adjusted so that it becomes larger (step S13 in FIG. 3) and reflected in the melting step of the crucible (step S14 in FIG. 3).

なお、上記溶融条件の調整においては、たとえば、溶融工程のデータ(溶融データ)の調整が行われる。調整される溶融データとしては、たとえば、溶融時の電流値(アーク電極38の電流値)、電圧値、積算電力値、電極開度、電極位置、溶融温度、圧力、冷却水温度、冷却水流量および溶融時間等が含まれ、これらの溶融時の数値データには、設定値、平均値、最大値、最小値、積算値等が含まれるものとする。 In the adjustment of the melting conditions, for example, the data of the melting process (melting data) is adjusted. The melting data to be adjusted includes, for example, the current value at the time of melting (current value of the arc electrode 38), the voltage value, the integrated power value, the electrode opening degree, the electrode position, the melting temperature, the pressure, the cooling water temperature, and the cooling water flow rate. And the melting time, etc., and the numerical data at the time of melting shall include the set value, the average value, the maximum value, the minimum value, the integrated value, and the like.

<効果>
本実施形態のデータ予測装置1は、ルツボ製造装置3に設定された溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの所定位置の寸法の実測値を入力データとし、前記溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの重量の実測値を教師データとし、前記入力データに前記教師データを紐付けることで作成したデータセットを記憶する記憶部12と、記憶部12から読み出したデータセットを用いて、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測モデルを機械学習により生成するモデル生成手段(制御部11)と、石英ガラスルツボの製造工程内の測定工程においてルツボ製造装置3から出力される所定位置の寸法の実測値を入力データとして受け付け、学習済みのデータ予測モデルを用いて、前記製造工程で製造される石英ガラスルツボの予測重量を出力するデータ予測手段(制御部11)と、を備えることとした。
<Effect>
The data prediction device 1 of the present embodiment is actually manufactured under the melting conditions, using the actually measured values of the dimensions of the quartz glass ruts actually manufactured under the melting conditions set in the rutsubo manufacturing device 3 as input data. Using the measured value of the weight of the quartz glass rut as the teacher data, the storage unit 12 that stores the data set created by associating the teacher data with the input data, and the data set read from the storage unit 12 are used. A model generation means (control unit 11) that generates a data prediction model for predicting the weight of a quartz glass rutsubo by machine learning, and dimensions at a predetermined position output from the rutsubo manufacturing apparatus 3 in a measurement step in the manufacturing process of the quartz glass rutsubo. It is decided to provide a data prediction means (control unit 11) that accepts the measured value of the above as input data and outputs the predicted weight of the quartz glass rut pot manufactured in the manufacturing process by using the trained data prediction model. ..

そして、本実施形態においては、完成した石英ガラスルツボを用いて重量を測定するのではなく(石英ガラスルツボの完成を待つことなく)、予め学習済みのデータ予測モデルを用いて、完成予定の石英ガラスルツボの重量を予測する。これにより、完成した石英ガラスルツボを用いて重量を測定する場合と比較して、その重量が製造作業者2にフィードバックされるまでの時間を大幅に短縮することができ、これに伴って、製造作業者2による溶融条件の調整を早めに開始することが可能となる。そのため、たとえば、特定の製造工程において溶融条件が設定された後つぎに調整後の溶融条件が設定されるまでのサイクルタイムを大幅に短縮することができる。 Then, in the present embodiment, instead of measuring the weight using the completed quartz glass rutsubo (without waiting for the completion of the quartz glass rutsubo), the quartz to be completed is to be completed using a pre-trained data prediction model. Predict the weight of the quartz pot. As a result, the time until the weight is fed back to the manufacturing operator 2 can be significantly shortened as compared with the case where the weight is measured using the completed quartz glass crucible. It is possible to start the adjustment of the melting conditions by the operator 2 as soon as possible. Therefore, for example, the cycle time from the setting of the melting conditions in a specific manufacturing process to the next setting of the adjusted melting conditions can be significantly shortened.

つづいて、上記学習モデル生成処理にて最適化したデータ予測モデルの実施例について説明する。 Next, an example of the data prediction model optimized by the above learning model generation process will be described.

本実施例においては、たとえば、ルツボの重量を予測するデータ予測モデルの生成に伴い、学習に使用するデータセットを6000件用意した。そして、このデータセットを訓練データと評価データの2つにランダムに振り分けた。その内訳は、訓練データを4800件、評価データを1200件とした。また、モデルの性能評価には、損失関数の1つである平均二乗誤差(MES:Mean Squared Error)を採用した。 In this embodiment, for example, with the generation of a data prediction model for predicting the weight of the crucible, 6000 data sets used for learning were prepared. Then, this data set was randomly divided into training data and evaluation data. The breakdown was 4800 training data and 1200 evaluation data. In addition, a mean squared error (MES: Mean Squared Error), which is one of the loss functions, was adopted for the performance evaluation of the model.

また、最適化アルゴリズムは“Adam”を用い、中間層における活性化関数をReLU関数とし、出力層における活性化関数を線形関数とし、さらに、学習率は初期値を“0.01”として、学習経過に応じて自動的に学習率を下げるようにした。バッチサイズは32とした。また、エポック(epoch)数の初期値を1000とし、過学習を防ぐことを目的として、前エポックのときと比べ誤差が改善されなければ学習を打ち切るようにした。 In addition, the optimization algorithm uses "Adam", the activation function in the intermediate layer is the ReLU function, the activation function in the output layer is the linear function, and the learning rate is learned with the initial value set to "0.01". The learning rate is automatically lowered according to the progress. The batch size was 32. In addition, the initial value of the number of epochs was set to 1000, and for the purpose of preventing overfitting, learning was terminated if the error was not improved as compared with the case of the previous epoch.

そして、訓練データを用いて上記の仕様でニューラルネットワークに機械学習を行わせ、予め用意しておいたテストデータ9件を用いて、学習済みのデータ予測モデルに重量予測を行わせた。 Then, using the training data, the neural network was made to perform machine learning according to the above specifications, and the trained data prediction model was made to perform weight prediction using nine test data prepared in advance.

図10は、学習の評価結果を示す図であり、たとえば、学習の程度(Epochs)に対する平均二乗誤差(Mean Squared Error)の推移を示したものである。図10に示すとおり、本実施例のデータ予測モデルは、学習が進むほど平均二乗誤差が小さくなっていることから、学習が順調に進行していることが確認できる。また、エポック数:4くらいからは平均二乗誤差が十分に小さく、以後、平均二乗誤差に変化がないことから、本実施例では、データ予測モデルの学習にはエポック数4程度が適していると言える。 FIG. 10 is a diagram showing the evaluation results of learning, and shows, for example, the transition of the mean squared error with respect to the degree of learning (Epoches). As shown in FIG. 10, in the data prediction model of this embodiment, the mean square error becomes smaller as the learning progresses, so that it can be confirmed that the learning is proceeding smoothly. In addition, since the mean square error is sufficiently small from about 4 epochs and the mean square error does not change thereafter, it is said that about 4 epochs are suitable for learning the data prediction model in this embodiment. I can say.

また、図11は、テストデータを用いた学習済みのデータ予測モデルによる予測結果を示す図である。ここでは、ルツボの重量を予測するデータ予測モデルから出力された予測値と、教師データの重量(実測値)とをプロットし、その結果を観察した。図11のプロットデータを観察した結果、教師データに対して予測値のばらつきは少なく、誤差は最大でも5%程度であった。 Further, FIG. 11 is a diagram showing a prediction result by a trained data prediction model using test data. Here, the predicted value output from the data prediction model for predicting the weight of the rutsubo and the weight of the teacher data (actual measurement value) were plotted and the results were observed. As a result of observing the plot data of FIG. 11, the variation of the predicted value was small with respect to the teacher data, and the error was about 5% at the maximum.

1 データ予測装置
2 製造作業者
3 ルツボ製造装置
11 制御部
12 記憶部
13 入力部
14 出力部
15 表示部
16 通信部
31 内側部材
32 通気部
33 保持体
34 ルツボ成型用モールド
35 回転軸
36 排気口
37 減圧機構
38 アーク電極
40 ルツボ成型体
40a,41a 透明層
40b,41b 不透明層
41 石英ガラスルツボ
1 Data prediction device 2 Manufacturing worker 3 Crucible manufacturing device 11 Control unit 12 Storage unit 13 Input unit 14 Output unit 15 Display unit 16 Communication unit 31 Inner member 32 Ventilation unit 33 Retaining body 34 Crucible molding mold 35 Rotating shaft 36 Exhaust port 37 Decompression mechanism 38 Arc electrode 40 Crucible molded body 40a, 41a Transparent layer 40b, 41b Opaque layer 41 Quartz glass crucible

Claims (5)

ルツボ製造装置に設定された溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの所定位置の寸法の実測値を入力データとし、前記溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの重量の実測値を教師データとし、前記入力データに前記教師データを紐付けることで作成したデータセットを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段から読み出したデータセットを用いて、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測モデルを機械学習により生成するモデル生成手段と、
石英ガラスルツボの製造工程内の測定工程において前記ルツボ製造装置から出力される所定位置の寸法の実測値を入力データとして受け付け、学習済みのデータ予測モデルを用いて、前記製造工程で製造される石英ガラスルツボの予測重量を出力するデータ予測手段と、
を備える、
ことを特徴とするデータ予測装置。
The measured value of the dimensions of the quartz glass crucible actually manufactured under the melting conditions set in the crucible manufacturing equipment is used as input data, and the measured value of the weight of the quartz glass crucible actually manufactured under the melting conditions is used as the teacher. As data, a storage means for storing a data set created by associating the teacher data with the input data, and
Using the data set read from the storage means, a model generation means for generating a data prediction model for predicting the weight of the quartz glass crucible by machine learning, and a model generation means.
In the measurement process in the manufacturing process of quartz glass rutsubo, the measured value of the dimension of the predetermined position output from the rutsubo manufacturing device is accepted as input data, and the quartz manufactured in the manufacturing process is used by using the trained data prediction model. A data prediction means that outputs the predicted weight of the glass rutsubo,
To prepare
A data prediction device characterized by that.
さらに、
前記データ予測手段が出力する予測重量を表示する表示手段、
を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のデータ予測装置。
moreover,
A display means for displaying the predicted weight output by the data prediction means,
To prepare
The data prediction device according to claim 1.
前記所定位置の寸法の実測値を、石英ガラスルツボにおける直胴部の外径、底部の肉厚、コーナー部の肉厚、直胴部の肉厚、底部の透明層の厚さ、コーナー部の透明層の厚さ、および直胴部の透明層の厚さ、の全部または一部とする、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のデータ予測装置。
The measured values of the dimensions at the predetermined positions are the outer diameter of the straight body portion, the wall thickness of the bottom portion, the wall thickness of the corner portion, the wall thickness of the straight body portion, the thickness of the transparent layer at the bottom, and the thickness of the corner portion in the quartz glass rut. All or part of the thickness of the transparent layer and the thickness of the transparent layer on the straight body,
The data prediction apparatus according to claim 1 or 2.
請求項1、2または3に記載のデータ予測装置と、
成型工程、溶融工程および測定工程を含む製造工程により石英ガラスルツボを製造するルツボ製造装置と、
を備え、
前記ルツボ製造装置は、機械学習済みのデータ予測モデルとして動作する前記データ予測装置から出力された石英ガラスルツボの予測重量の傾向に基づいて調整された溶融条件で溶融工程を実施する、
ことを特徴とする石英ガラスルツボ製造システム。
The data prediction device according to claim 1, 2 or 3,
A rutsubo manufacturing device that manufactures quartz glass rutsubo by a manufacturing process including a molding process, a melting process, and a measuring process.
Equipped with
The crucible manufacturing apparatus carries out the melting process under melting conditions adjusted based on the tendency of the predicted weight of the quartz glass crucible output from the data prediction apparatus that operates as a machine-learned data prediction model.
A quartz glass crucible manufacturing system characterized by this.
前記溶融条件を、溶融時の電流値、電圧値、積算電力値、電極開度、電極位置、溶融温度、圧力、冷却水温度、冷却水流量および溶融時間を含む溶融工程のデータとする、
ことを特徴とする請求項4に記載の石英ガラスルツボ製造システム。
The melting conditions are used as data of the melting process including the current value, the voltage value, the integrated power value, the electrode opening degree, the electrode position, the melting temperature, the pressure, the cooling water temperature, the cooling water flow rate and the melting time at the time of melting.
The quartz glass crucible manufacturing system according to claim 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115725910A (en) * 2022-11-24 2023-03-03 上海交通大学内蒙古研究院 Method and device for preparing stainless steel for casting, electronic equipment and storage medium

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