JP2023540531A - エネルギーの制御を使用した電気ヒーターの制御のための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

電気ヒーターの加熱プロセスを制御するための方法は、前記ヒーターの目標温度を示すセットポイント変数を取得することを含む。前記方法は、前記セットポイント変数に基づいて、前記ヒーターのエネルギープロファイルを特定することを含む。前記エネルギープロファイルは、前記加熱プロセスの温度を前記目標温度に到達させるために前記ヒーターに印加される初期電気エネルギーの画定された大きさを提供する。前記方法は、前記加熱プロセスの性能特性を示すプロセス変数を取得することを含む。前記方法は、前記エネルギープロファイルおよび前記プロセス変数のうちの少なくとも一つに基づいて、前記ヒーターに電気エネルギーを供給することを含む。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０２０年９月４日に出願された米国特許出願第６３／０７４，５２０号の優先権および利益を主張する。上記出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、電気ヒーターの熱性能を制御する方法に関連する。

このセクションの記述は、単に本開示に関連する背景情報を提供し、先行技術を構成せずともよい。

産業プロセス用の熱システムは、典型的には、ヒーターシステムと、ヒーターシステムの動作を監視および制御するための制御システムと、を含む。制御システムは、ヒーターシステムの温度を目標温度に制御するように構成された温度比例積分微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌ－ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ、ＰＩＤ）制御システムであってもよい。しかし、温度センサが測定された温度の変化を検知すると、温度ＰＩＤコントローラは、熱システムの変化に反応する。そのため、温度ＰＩＤコントローラは、熱負荷の変化などの熱システムの変化に、クイックに、且つタイムリーに反応することは困難な場合がある。

このセクションは、本開示の一般的な要約を提供し、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。

本開示は、ヒーターの加熱プロセスを制御する方法を提供する。この方法は、ヒーターの目標温度を示すセットポイント変数を取得することを含む。この方法は、セットポイント変数に基づいてヒーターのエネルギープロファイルを特定することを含み、ここで、エネルギープロファイルは、加熱プロセスの温度を目標温度に到達させるためにヒーターに印加される初期電気エネルギーの画定された大きさを提供する。この方法は、加熱プロセスの性能特性を示すプロセス変数を取得することを含む。この方法は、エネルギープロファイルおよびプロセス変数のうちの少なくとも一つに基づいて、ヒーターに電気エネルギーを供給することを含む。

いくつかの形態において、電気エネルギーをヒーターに供給することは、画定された大きさの初期電気エネルギーをヒーターに供給することをさらに含む。いくつかの形態において、ヒーターに電気エネルギーを供給することは、プロセス変数がヒーターの温度がヒーターの目標温度の温度アプローチバンド内にあることを示していることに応じて、ヒーターへの電気エネルギーを減少させることをさらに含み、ここで、性能特性は、ヒーターの温度を含む。いくつかの形態において、電気エネルギーは、自然時定数に基づいて、定常状態の電力まで下げられる。いくつかの形態において、電気エネルギーは、比例積分制御に基づいて、定常状態の電力まで下げられる。

いくつかの形態において、方法は、ヒーターの温度がセットポイント変数未満であるか否かを判定することをさらに含む。ヒーターの温度がセットポイント変数未満であることに応じて、ヒーターに供給される電気エネルギーは、特定されたエネルギープロファイルに基づき、且つ初期電気エネルギーの画定された大きさに等しい。ヒーターの温度がセットポイント変数よりも高いことに応じて、方法は、ヒーターへの電気エネルギーをオフにすることと、ヒーターの性能特性を示すプロセス変数を取得することと、をさらに含み、ここで、性能特性は、ヒーターの温度を含む。いくつかの形態において、ヒーターの温度がセットポイント変数よりも高いことに応じて、方法は、ヒーターの温度がセットポイント変数に近づくことに応じて、ヒーターへの電気エネルギーを定常状態の電力まで増加させることをさらに含む。いくつかの形態において、電気エネルギーは、自然時定数に基づいて、ゼロから定常状態の電力まで増加される。いくつかの形態において、電気エネルギーは、比例積分制御に基づいて、ゼロから定常状態の電力まで増加される。

いくつかの形態において、方法は、ヒーターの温度がセットポイント変数に等しいか否かを判定することをさらに含む。いくつかの形態において、方法は、ヒーターの温度をセットポイント変数に維持するための温度制御モデルに基づいて、ヒーターへの電気エネルギーを制御することをさらに含む。いくつかの形態において、性能特性は、ヒーターの電圧、ヒーターの電流、およびヒーターの温度のうちの少なくとも一つを含む。

本開示は、ヒーターを制御するためのシステムを提供する。このシステムは、非一時的なコンピュータ可読媒体に格納された複数の命令を実行するように構成されたプロセッサを含む。命令は、ヒーターの目標温度およびヒーターの温度を取得すること、目標温度および温度に基づいて、エネルギーベース制御モードおよび温度制御モードのうちの一つでヒーターを制御すること、およびエネルギーベース制御モード中に、目標温度に基づくヒーターのエネルギープロファイルを特定することを含み、エネルギープロファイルは、温度を目標温度に到達させるためにヒーターに印加される初期電気エネルギーの画定された大きさを提供する。この方法は、エネルギーベース制御モード中に、エネルギープロファイルに基づいてヒーターに電気エネルギーを供給すること、および温度制御モード中に、温度に基づいてヒーターに電気エネルギーを選択的に供給することを含む。

ある形態において、エネルギーベース制御モード中に、エネルギープロファイルに基づいてヒーターに電気エネルギーを供給するための命令は、画定された大きさの初期電気エネルギーをヒーターに供給することと、ヒーターの温度がヒーターの目標温度の温度アプローチバンド内にあるか否かを判定することと、ヒーターの温度がヒーターの目標温度の温度アプローチバンド内にあることに応じて、ヒーターに供給される電気エネルギーを定常状態の電力に減少させることとをさらに含む。ある形態において、温度制御モード中に、温度に基づいてヒーターに電気エネルギーを選択的に提供するための命令は、ヒーターへの電気エネルギーをオフにすることと、ヒーターの温度がヒーターの目標温度の温度アプローチバンド内にあるか否かを判定することと、ヒーターの温度がヒーターの目標温度の温度アプローチバンド内にあることに応じて、ヒーターに供給される電気エネルギーを定常状態の電力まで増加させることとをさらに含む。

ある形態において、命令は、ヒーターの温度が目標温度に等しいか否かを判定すること、およびヒーターの温度が目標温度と等しいことに応じて、ヒーターの温度を維持するために、温度制御モデルに基づいて、ヒーターに供給される電気エネルギーを制御することをさらに含む。

本開示は、ヒーターのエネルギープロファイルを学習するための方法を提供する。この方法は、ヒーターの目標温度を示すセットポイント変数を取得すること、およびヒーターに電気エネルギーを供給することを含み、ここで、電気エネルギーは較正マグニチュードを有する。この方法は、ヒーターの温度を示すプロセス変数を取得することを含む。プロセス変数が、ヒーターの温度が目標温度に等しいことを示すとき、方法は、ヒーターの応答時間を決定することと、応答時間に基づいて複数のゲイン値を選択的に調節することと、コントローラの複数のゲイン値およびセットポイント変数に基づいてエネルギープロファイルを生成することと、を含み、ここで、エネルギープロファイルは、セットポイント変数を電気エネルギーの所定値に相関させる。

ある形態において、エネルギープロファイルは、ヒーターの温度が目標温度の温度アプローチバンド内にあることに応じて、ヒーターに印加される定常状態の電力をさらに画定する。ある形態において、この方法は、数学的モデルに基づいて、目標温度の温度アプローチバンドを画定することをさらに含む。ある形態において、エネルギープロファイルは、ヒーターの温度を目標温度に到達させるために、所定値の電気エネルギーをヒーターに供給する持続時間をさらに画定する。ある形態において、応答時間に基づいて複数のゲイン値を選択的に調節することは、応答時間が閾値応答時間未満であることに応じて、ジーグラ・ニコルスチューニング（Ｚｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ ｔｕｎｉｎｇ）ルーチンに基づいて複数のゲイン値を調節することをさらに含む。ある形態において、エネルギープロファイルは、較正マグニチュードにさらに基づく。ある形態において、この方法は、ヒーターの温度が目標温度に等しいことをプロセス変数が示すときに、較正マグニチュードを選択的に調節することをさらに含む。

適用可能なさらなる領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。説明および特定の例は、説明のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。

本開示を十分に理解できるようにするために、例として与えられた、その様々な形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本開示に係る、エネルギー制御システムおよびヒーターシステムを有する熱システムのブロック図である。

図２は、本開示に係るエネルギー制御システムの動作制御モジュールのブロック図である。

図３は、本開示に係るエネルギー制御システムの学習モジュールのブロック図である。

図４は、本開示に係る第１の形態におけるヒーターの温度を制御するためのフローチャートである。

図５は、本開示に係る第２の形態におけるヒーターの温度を制御するための別のフローチャートである。

図６は、本開示に係る熱システムのエネルギープロファイルを学習するためのフローチャートである。

本明細書に記載の図面は、説明のみを目的としており、本開示の範囲を決して限定することを意図していない。

以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、適用、または用途を限定することを意図するものではない。図面を通して、対応する参照符号は、同様または対応する部分および特徴を示すことを理解されたい。

図１を参照すると、ヒーター２２を有するヒーターシステム２０と、所望の熱応答を提供するように構成された制御システム３０と、を含む熱システム１０が図示されている。ある形態において、制御システム３０は、ヒーターシステム２０、およびより具体的にはヒーター２２の動作を制御するように構成される。

熱システム１０は、加熱されているロードの熱的特性を制御するための様々なタイプの産業プロセスの一部であり得る。例えば、熱システム１０は、ヒーターシステム２０がウェハ（例えば、ロード）を加熱するためのペデスタルヒーターを含む半導体プロセスの一部であり得る。この例において、制御システム３０は、ペデスタルヒーターのエネルギープロファイルを制御するように構成され得、これは、異なる制御に基づいて変化し得る。例えば、制御は、これらに限らないが、ペデスタルヒーターに供給される電力、熱システム１０の動作モード（例えば、ユーザからの入力に基づいてヒーターへの電力を制御するマニュアルモード、ペデスタルヒーターの温度を徐々に上昇させるコールドスタートモード、ペデスタルヒーターを目標温度に維持するための定常状態モード、ヒーターシステム２０を制御するための他の画定された動作モード）、および／またはペデスタルヒーターがマルチゾーンヒーターのときのペデスタルヒーターの異なるゾーンの動作状態、とりわけ、熱システム１０によって制御可能な他のパラメータを、含み得る。さらに、制御は、これらに限らないが、加熱されているウェハのタイプ、ペデスタルヒーターを有するプロセスチャンバーに吹き込まれるガス、および／またはペデスタルヒーターにウェハを固定するためのチャンバー内の圧力差、などの他のファクターを含み得る。

別の例において、熱システム１０は、導管のネットワークを通って流れる流体を加熱するために、半導体プロセスの除害システムで使用され得る。ある形態において、ヒーターシステム２０は、導管の周りを包み、その中の流体を加熱する複数のフレキシブルヒーターを含み得る。さらに別の例において、熱システム１０は、導管を通って流れる、または容器内に提供される流体（例えば、気体および／または液体）を直接加熱するために、ヒーターシステム２０の一部としてカートリッジヒーターを使用し得る。

本明細書では、熱システム１０の特定の適用例が提供されるが、本開示は、ロードを加熱するための熱システムを有する他の産業プロセスに適用可能であり得る。さらに、ヒーターシステム２０のヒーター２２は、本明細書で提供される例に限定されるべきではなく、ヒーター２２は、層状ヒーター、カートリッジヒーター、管状ヒーター、ポリマーヒーター、フレキシブルヒーター、および抵抗発熱素子を有する他のヒーターを含み得る。

ヒーターシステム２０は、これらに限定されないが、ヒーター２２の、温度、電圧、電流、電力、および／または抵抗などの、ヒーター２２の性能特性（すなわち、プロセス変数）を測定するための一つまたは複数のセンサ２４を含み得る。したがって、一つまたは複数のセンサ２４は、とりわけ、熱電対、測温抵抗体、赤外線カメラ、電流センサ、および／または電圧センサを含み得る。

ある変形例において、ヒーター２２は、性能特性を生成する一つまたは複数のセンサ２４の代わりに、またはそれに加えて、性能特性を生成し得る。一例として、ヒーターシステム２０は、ヒーター２２が熱を発生するように動作可能であり、且つヒーター２２の性能特性を測定するためのセンサとして動作する、二線式ヒーターシステムであり得る。特に、ヒーター２２は、抵抗発熱素子の抵抗に基づいて、抵抗発熱素子の平均温度を測定するためのセンサとして動作する、一つまたは複数の抵抗発熱素子を含み得る。二線式ヒーターシステムの例は、米国特許第７，１９６，２９５号に開示されており、これは本出願と共通に所有されており、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。二線式システムにおいて、熱システムは、電力、抵抗、電圧、および電流を組み込んだ制御と共にヒーター設計を、カスタマイズ可能なフィードバック制御システムにマージし、一つまたは複数のこれらのパラメータ（すなわち、電力、抵抗、電圧、および電流）を制限し、別のパラメータを制御する適応型熱システムである。ある形態において、制御システム３０は、抵抗発熱素子の抵抗、従って温度を決定するために、抵抗発熱素子に供給される電流、電圧、および電力のうちの少なくとも一つを監視するように構成される。

別の変形例において、二線式ヒーターとして、ヒーター２２は、ヒーター２２の温度を測定するための温度感知電力ピンを含むように構成される。熱電対として電力ピンを使用して、抵抗発熱素子の温度を測定することは、米国特許第１０，７２８，９５６号に開示されている。この特許は、本出願と共通に所有されており、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。一般に、ヒーター２２の抵抗発熱素子と制御システム３０とは、それぞれ第１接合部および第２接合部を画定する第１電力ピンおよび第２電力ピンを介して接続される。第１および第２電力ピンは、ヒーター２２の抵抗発熱素子の温度を測定するための熱電対感知ピンとして機能する。第１および第２電力ピンと通信する、制御システム３０は、第１および第２接合部における電圧の変化を測定するように構成され得る。より具体的には、制御システム３０は、接合部におけるミリボルト（ｍＶ）の変化を測定し得、そして、これらの電圧変化を使用して抵抗発熱素子の温度を計算する。

制御システム３０は、ヒーターシステム２０を制御するための出力制御を画定するエネルギープロファイルに基づいて、ヒーターシステム２０を制御するように構成されている。出力制御は、入力電力の百分率（例えば、入力電圧の７５％）、および／または実際の電圧レベルなど、様々な好適な形態で提供され得る。さらに、制御システム３０は、ヒーターシステム２０を制御するために利用される一つまたは複数のエネルギープロファイルを画定するように構成される。

ある形態において、制御システム３０は、ヒーター制御プロセスデータベース３８、モード制御モジュール４０、動作制御モジュール５０、学習モジュール６０、エネルギープロファイルデータベース７０、および電力モジュール８０を含む。本明細書で説明される機能を実行するために、制御システム３０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）回路、および／またはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）回路のような、一つまたは複数の非一時的なコンピュータ可読媒体に格納された機械可読命令を実行するように構成された一つまたは複数のプロセッサ回路を含むマイクロコントローラによって実装され得る。ヒーター制御プロセスデータベース３８、モード制御モジュール４０、動作制御モジュール５０、学習モジュール６０、エネルギープロファイルデータベース７０、および電力モジュール８０は、制御システム３０の一部として示されているが、これらの構成要素のいずれかが、制御システム３０に通信可能に結合された別個のコントローラ（複数可）上に配置されてもよいことは、理解されるべきである。

いくつかの形態において、制御システム３０は、制御システム３０によって実行されたとき、ヒーター２２の熱性能を制御する、ヒーター制御プロセスデータベース３８に格納された一つまたは複数の定義された制御プロセスを含む。所与の制御プロセスは、他のパラメータの中でも、ヒーター２２の一つまたは複数の目標温度、目標温度（複数可）の時間および持続時間を示すプロセスタイムライン、および／または制御システム３０の制御モードを画定し得る。ある形態において、ユーザは、ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）などの外部デバイスを介して実行される制御プロセスを選択し得る。

いくつかの形態において、モード制御モジュール４０は、目標温度を取得し、制御システム３０の制御モードを設定するように構成される。一例として、モード制御モジュール４０は、エネルギー制御モードを、学習モジュール６０によって提供されるエネルギープロファイル学習モード、および／または動作制御モジュール５０によって提供される動作制御モードに設定するように構成される。ある形態において、エネルギー制御モードは、外部装置を介してユーザによって設定される。例えば、ユーザは、ユーザによって設定された、および／またはあらかじめ格納された制御プロセスで画定された、一つまたはパラメータに基づいて、一つまたは複数のエネルギープロファイルを画定するエネルギープロファイル学習モードで制御システム３０を動作させ得る。別の形態において、エネルギー制御モードは、制御システム３０によって実行される制御プロセスに基づいて自動的に設定される。例えば、制御プロセスは、制御モード、目標温度（複数可）、および目標温度（複数可）のヒーターを制御するためのタイムラインを特定するように構成される。別の例において、エネルギー制御モードは、学習モジュール６０がエネルギープロファイル学習ルーチンを完了すると、自動的に動作制御モードに設定される。これについては、図３および６を参照して、以下でより詳細に説明される。

いくつかの形態において、動作制御モジュール５０は、目標温度と、ヒーターシステム２０の測定可能な性能特性を示すプロセス変数（例えば、一つまたは複数のセンサ２４からの温度測定値）に基づいて出力制御を決定するために、制御プロセス（複数可）を実行するように構成される。動作制御モジュール５０の機能は、図２、４、および５を参照して、以下でより詳細に説明される。

いくつかの形態において、学習モジュール６０は、一つまたは複数のエネルギープロファイル７２を生成し、エネルギープロファイルデータベース７０に格納するように構成される。いくつかの形態において、エネルギープロファイル７２は、目標温度を、ヒーター２２の温度を目標温度に到達させるためにヒーター２２に印加されるべき初期電力および／またはエネルギーの画定された大きさに相関させる。エネルギープロファイル７２は、また、目標温度へのヒーター２２の過渡的な制御を提供するため、ヒーター２２の温度がヒーター２２の目標温度の画定された温度アプローチバンド内にあることに応じて、ヒーター２２に印加される定常状態電圧を画定し得る。これにより、目標温度のオーバーシュートが低減または抑制される。いくつかの形態において、温度アプローチバンド（例えば、温度閾値許容値として表される目標温度からのずれ）は、エネルギープロファイル７２のそれぞれの間で一意である。ある変形例において、温度アプローチバンドは、エネルギープロファイルのそれぞれで等しい。いくつかの形態において、温度アプローチバンドは、とりわけ、ユーザ、数学的モデル、および／または学習ルーチンによって画定される。別の形態において、エネルギープロファイル７２の温度アプローチバンドは、熱システム１０の様々な状態に基づいて動的に更新され得る。

適用例において、選択された制御プロセスを実行するため、動作制御モードと学習モードの両方が選択され得る。このような適用例において、動作制御モジュール５０は、ヒーター２２の熱性能を制御するように、以下で示されるようにヒーター２２を動作させ、学習モジュール６０は、実行されている制御プロセスのエネルギープロファイル７２を画定するように構成される。したがって、画定されたエネルギープロファイル７２は、熱システム１０を有する産業プロセスの既知および未知のパラメータを考慮に入れる。例えば、半導体プロセスでは、既知および未知のパラメータは、ロード（例えば、ウェハ）の質量、液体／粉末の挿入／除去、および／またはバルブ／ドアの開／閉を含み得る。

電力モジュール８０は、動作制御モジュール５０および学習モジュール６０のうちの一つからの出力制御に基づいて、ヒーターシステム２０に供給される電気エネルギーを制御するように構成される。ある形態において、電力モジュール８０は、電源（不図示）に電気的に結合される、そして、電源からの電力を選択された電力レベルに調節して、調節された電力をヒーター２２に印加するパワーレギュレーター回路（不図示）を含み得る。あらかじめ画定されたアルゴリズムおよび／またはテーブルを使用して、電力モジュール８０は、出力制御に基づいてヒーターシステム２０の電力レベルを選択するように構成される。

図２を参照すると、動作制御モジュール５０の例示的なブロック図が示されている。いくつかの形態において、動作制御モジュール５０は、制御モード選択モジュール５２、温度制御ループモジュール５４、およびエネルギーベース制御モジュール５６を含む。制御モード選択モジュール５２は、一つまたは複数のセンサ２４からの目標温度およびプロセス変数に基づいて、動作制御モードを、エネルギーベース動作制御モードまたは温度制御モードのうちの一つとして設定するように構成される。ある形態において、制御モード選択モジュール５２は、動作制御モードをエネルギーベース制御モードに設定し、これによって、目標温度がヒーターの測定された温度よりも高いとき、エネルギーベース制御モジュール５６によって制御される。一方、目標温度がヒーター２２の測定された温度以下であるとき、制御モード選択モジュール５２は、動作制御モードを温度制御モードに設定し、これによって、温度制御ループモジュール５４によって制御される。ある変形例において、制御モード選択モジュール５２は、測定された温度が目標温度よりも画定されたずれ（例えば、１０℃、１５℃、または他の適切な値のずれ）だけ低いとき、動作制御モードをエネルギーベース制御モードに設定する。それ以外の場合、測定温度が目標温度よりも画定されたずれだけ高い場合、温度制御モードが選択される。

エネルギーベース制御モードの間、エネルギーベース制御モジュール５６は、目標温度、および目標温度および／または制御プロセスについて画定されたエネルギープロファイルに基づいて、ヒーター２２を制御するように構成される。より具体的には、ヒーター２２の温度が目標温度の温度アプローチバンドの外にあるとき、エネルギーベース制御モジュール５６は、目標温度に基づいて、画定された大きさの初期電力および／またはエネルギーをヒーター２２に提供するように構成される。

一例として、エネルギーベース制御モジュール５６は、実行中の制御プロセス、目標温度（例えば、２００℃の目標温度）、および／またはヒーターの測定された温度に基づいて、データベース７０に格納されたエネルギープロファイル７２の中からエネルギープロファイル７２を特定する。特定されたエネルギープロファイル７２は、ヒーター２２の現在の温度を目標温度に到達させるためにヒーター２２に印加されるべき、初期電気エネルギーおよび／または電力の画定された大きさを提供する（例えば、特定されたエネルギープロファイル７２は、現在の測定された温度から２００℃の目標温度に到達させるために、ヒーター２２に１２，５００ワット秒（Ｗｓ）の電気エネルギーが印可される必要があることを示す）。その後、エネルギーベース制御モジュール５６は、画定された大きさの初期電気エネルギーおよび／または電力がヒーター２２に提供されるように、電力モジュール８０に出力制御を提供する。

ヒーター２２の温度が温度アプローチバンド内に入るまで、画定された大きさの初期電気エネルギーおよび／または電力がヒーター２２に供給される。一例として、エネルギーベース制御モジュール５６は、ヒーター２２の温度を監視して、その温度が温度アプローチバンド内にあるか否かを判定する。プロセス変数によって示されるように、ヒーター２２の温度が温度アプローチバンド内にある場合、エネルギーベース制御モジュール５６は、特定されたエネルギープロファイル７２に関連付けられた定常状態の大きさの電力をヒーター２２に供給する（例えば、特定されたエネルギープロファイル７２は、電力の定常状態の大きさが２００℃で１，５００ワットであることを示す）。電力の定常状態の大きさは、エネルギーベース制御モジュール５６の、自然時定数、オーバーシュートの大きさ、応答時間、および／または定常状態の誤差に基づき得る。いくつかの形態において、電力の定常状態の大きさは、エネルギーベース制御モジュール５６によって実施される、比例積分（ＰＩ）制御ルーチンに基づき得る。

ヒーター２２の温度が目標温度に達すると、動作制御モジュール５０は、温度制御モードに移行する。温度制御モードの間、温度制御ループモジュール５４は、ヒーター２２の温度のような、目標温度およびプロセス変数に基づいて、ヒーター２２を制御するように構成される。例えば、ある形態において、温度制御ループモジュール５４は、ヒーター２２の温度を監視し、実際の温度と目標温度との間の差を決定する、ＰＩＤ制御を実行する。そして、温度制御ループモジュール５４は、出力制御として、ヒーター２２の実際の温度と目標温度との間の差を減少させるために必要とされる電気エネルギーのレベルを決定する。

エネルギーベース制御モード（すなわち、開ループ制御ルーチン）と、温度制御モード（すなわち、閉ループ制御ルーチン）との間で動作制御モードを選択的に指定することによって、制御システム３０は、目標温度への到達のため、および変化する目標温度の間の移行のための、ヒーター２２の応答時間を減らす。さらに、ある形態において、動作制御モジュール５０は、異なる動作状態に対する異なる動作制御モードを選択するように構成される。例えば、ヒーターシステム２０の温度が安定している場合、動作制御モジュール５０は、その温度を目標温度に維持するように、温度制御モードを選択する。動的状態の間、動作制御モジュール５０は、ヒーターシステム２０の温度を監視しながら、応答を最適化するためにエネルギーベース制御を選択する。

図３を参照すると、学習モジュール６０の例示的なブロック図が示されている。いくつかの形態において、学習モジュール６０は、パラメータモジュール６２、応答時間モジュール６４、温度決定モジュール６６、エネルギープロファイル生成モジュール６８、およびパラメータ調節モジュール６９を含む。ＰＩＤ制御モジュールによって実現され得る、学習モジュール６０は、モード制御モジュール４０が制御システム３０をエネルギープロファイル学習モードに設定したとき、エネルギープロファイル学習ルーチンを実行するように構成される。

学習モジュール６０は、エネルギープロファイルを画定するように、エネルギープロファイル学習ルーチンを周期的に実行し得る。いくつかの形態において、学習モジュール６０は、動作制御モジュール５０によって実行される動作制御ルーチンと併せてエネルギープロファイル学習ルーチンを実行し得る。これにより、制御システム３０が、熱システム１０の他の状態の中でも、エネルギー消費量、ヒーターまたはセンサの故障、熱伝達の変化など、熱システム１０の様々な状態を特定することを可能にする。

いくつかの形態において、学習モジュール６０は、エネルギープロファイル学習ルーチンを実行しながら、セットポイント／目標温度の範囲のエネルギープロファイル７２を生成するように構成される（例えば、学習モジュール６０は、エンドポイントを含む、－１０℃から２５０℃までの間の複数の目標温度のエネルギープロファイル７２を生成するように構成される）。いくつかの形態において、エネルギープロファイル７２は、目標温度を、ヒーター２２に印加されるべき初期電気エネルギーおよび／または電力の画定された大きさ、および／またはヒーター２２の温度を目標温度に到達させるために電気エネルギーを提供する持続時間と、相関させる。エネルギープロファイル７２は、また、ヒーター２２の温度がヒーター２２の目標温度の温度アプローチバンド内にあることをプロセス変数が示していることに応じて、ヒーター２２に印加される電気エネルギーの定常状態の電圧の大きさを画定し得る。いくつかの形態において、エネルギープロファイル学習ルーチン中に、各エネルギープロファイル７２の温度アプローチバンドも、例えば、とりわけ、ユーザ、数学的モデル、および／または学習ルーチンによって画定される。

エネルギープロファイル学習ルーチンの間、パラメータモジュール６２は、ヒーター２２の目標温度（例えば、２００℃）を示すセットポイント変数を取得するように構成され、電力モジュール８０が較正マグニチュード（例えば、１０，５００Ｗｓ）を有する電気エネルギーをヒーター２２に出力するように出力制御を提供する。さらに、パラメータモジュール６２は、エネルギープロファイル学習ルーチンの間、ヒーター２２を評価し、且つ制御するためのゲイン値のセットを指定するように構成される（すなわち、パラメータモジュール６２は、学習モジュール６０の、比例ゲイン値、積分ゲイン値、および／または微分ゲイン値のうちの少なくとも一つを画定する）。ゲイン値のセットは、例えば、ジーグラ・ニコルスチューニング法を使用して決定され得る。

電気エネルギーがヒーター２２に供給されている間、温度決定モジュール６６は、プロセス変数として、ヒーター２２の性能特性に基づいて、ヒーター２２の温度を決定するように構成される。さらに、電気エネルギーがヒーター２２に供給されている間、応答時間モジュール６４は、起動され、且つ経過時間の量に比例して、対応する値を増加させるように構成される。ヒーター２２の温度が目標温度に等しいとき、応答時間モジュール６４は、ヒーター２２の応答時間を決定するように構成される。本明細書で使用されるように、「ヒーター２２の応答時間」は、セットポイント変数を得た後、ヒーター２２が目標温度に到達するために必要とされる時間の量を指す。いくつかの形態において、ヒーター２２の応答時間は、学習モジュール６０のゲイン値（例えば、比例ゲイン値、積分ゲイン値、および／または微分ゲイン値）に基づき得る。

エネルギープロファイル生成モジュール６８は、ゲイン値、目標温度、較正マグニチュード、およびヒーター２２の応答時間に基づいて、エネルギープロファイル７２を生成するように構成される。例として、ヒーター２２の応答時間がヒーター２２を制御するのに十分であると判定された場合（すなわち、応答時間が閾値未満である場合）、エネルギープロファイル生成モジュール６８は、対応する目標温度に対するエネルギープロファイル７２を生成し、エネルギープロファイル７２は、較正マグニチュードとゲイン値とを特定の目標温度に相関させる。さらに、ヒーター２２の応答時間がヒーター２２を制御するのに十分であると判定された場合、エネルギープロファイル生成モジュール６８は、定常状態の大きさを特定の目標温度に関連付け得、定常状態の大きさはゲイン値によって示される時定数に基づいている。

別の例として、ヒーター２２の応答時間がヒーター２２を制御するに不十分であると判定された場合（すなわち、応答時間が閾値より大きい）、パラメータ調節モジュール６９は、ヒーター２２の応答時間を減少させるように、較正マグニチュードおよびゲイン値の少なくとも一つを調節し得る。いくつかの形態において、パラメータ調節モジュール６９は、ジーグラ・ニコルスチューニング法に基づいて、ゲイン値を選択的に調節し得る。いくつかの形態において、パラメータ調節モジュール６９は、ヒーター２２の応答時間を短縮するために、較正マグニチュードを増加させ得る。パラメータ調節モジュール６９は、ヒーター２２の応答時間がヒーター２２の制御に十分であると判定されるまで、較正マグニチュードおよびゲイン値のうちの少なくとも一つを繰り返し調節する。

ある形態において、本開示の学習モジュール６０は、必ずしもユーザ入力を必要とし得ない反復する動的状態に対するヒーターシステム２０の応答を改善することができる。例えば、学習モジュール６０は、動的状態の発生および重大度を予測し、且つ制御システムの応答を改善するための制御モードおよび制御設定を確認するために、機械学習ルーチンを実行し得る。したがって、制御システム３０は、熱システム１０の構成要素が徐々に変化するにつれて、性能を改善および／または維持することができる。さらに、制御システム３０によって収集および決定されたデータは、追加の分析のためにユーザに提供され得る。

図４を参照すると、動作制御モード中にヒーターシステム２０の温度を制御するための例示的なルーチン４００を示すフローチャートが示されている。４０４で、制御システム３０は、ヒーター２２の目標温度を示すセットポイント変数を取得する。ある形態において、セットポイント変数は、実行される制御プロセスで提供される。別の形態において、セットポイント変数は、ユーザによって手動で入力される。４０８で、制御システム３０は、セットポイント変数に基づいて、ヒーター２２のエネルギープロファイル７２を特定する。セットポイント変数に加えて、エネルギープロファイル７２は、制御プロセス、およびヒーター２２の現在の温度に基づいて、選択され得る。４１２で、制御システム３０は、ヒーター２２の性能特性（複数可）を示すプロセス変数を取得する。４１６で、制御システム３０は、エネルギープロファイル７２および性能特性のうちの少なくとも一つに基づいて、ヒーター２２に電気エネルギーを提供する。

図５を参照すると、動作制御モード中にヒーターシステム２０の温度を制御するための別の例示的なルーチン５００を示すフローチャートが示されている。５０４で、制御システム３０は、セットポイント変数がヒーター２２の目標温度がヒーター２２の温度よりも大きいことを示しているか否かを判定する。そうである場合、ルーチン５００は、５０８に進む。また、ヒーター２２の目標温度がヒーター２２の温度より低い場合、ルーチン５００は５２４に進む。

５０８で、制御システム３０は、目標温度に対するエネルギープロファイル７２によって提供されるような、電気エネルギーおよび／または電力の画定された大きさを有する電気エネルギーを提供する。５１２で、制御システム３０は、プロセス変数として、ヒーター２２の温度を取得する。５１６で、制御システム３０は、エネルギープロファイル７２によって示されるように、ヒーター２２の温度が温度アプローチバンド内にあるか否かを判定する。そうである場合、ルーチン５００は、５２０に進む。また、ヒーター２２の温度が温度アプローチバンド内でない場合、ルーチン５００は、５０８に進む。５２０で、制御システム３０は、エネルギープロファイル７２によって示されるように、電力の大きさを電力の定常状態の大きさに減少させ、そして、５４０に進む。

５２４で、および５０８でセットポイント変数がヒーター２２の目標温度がヒーター２２の温度よりも低いことを示すことに応じて、制御システム３０は、ヒーター２２への電気エネルギーの供給を停止する。５２８で、制御システム３０は、プロセス変数として、ヒーター２２の温度を取得する。５３２で、制御システム３０は、エネルギープロファイル７２によって示されるように、ヒーター２２の温度が温度アプローチバンド内にあるか否かを判定する。そうである場合、ルーチン５００は、５３６に進む。また、ヒーター２２の温度が温度アプローチバンド内でない場合、ルーチン５００は、５２８に進む。５３６で、制御システム３０は、エネルギープロファイル７２によって示されるように、電力の大きさを、電力の定常状態の大きさまで増加させ（例えば、電力の大きさは、比例積分制御および／または自然時定数に基づいて、ゼロから定常状態の電力まで増加される）、そして５４０に進む。

５４０において、制御システム３０は、上記で提供されたように、目標温度でヒーターの温度を制御するように、閉ループ温度制御を実行する。５４４で、制御システム３０は、新しい目標温度が利用可能であるか否かを判定する。そうである場合、ルーチン５００は５０４に進む。そうでない場合、ルーチン５００は、新しい目標温度が利用可能になるまで、５４４にとどまる。

図６を参照すると、エネルギープロファイル学習モード中に制御システム３０によって実行される学習ルーチン６００のフローチャートが示されている。６０４で、制御システム３０は、ヒーター２２の目標温度を示すセットポイント変数を取得する。６０６で、制御システム３０は、特定の目標温度に対するゲイン値と較正マグニチュードとの初期セットを画定する。６０８で、制御システム３０は、較正マグニチュードを有する電気エネルギーをヒーター２２に供給する。６１２で、制御システム３０は、プロセス変数として、ヒーター２２の温度を取得する。６１６で、制御システム３０は、ヒーター２２の温度が目標温度と等しいか否かを判定する。そうである場合、ルーチン６００は、６２０に進む。６１６で、ヒーター２２の温度が目標温度と等しくない場合、ルーチン６００は６０８に進む。

６２０で、制御システム３０は、ヒーター２２の応答時間を決定する。６２４で、制御システム３０は、応答時間が閾値応答時間未満であるか否かを判定する。そうである場合、ルーチン６００は６３２に進み、制御システム３０は、ゲイン値および電気エネルギーの大きさに基づいて、特定の目標温度のエネルギープロファイル７２を生成する。６２４で、ヒーター２２の応答時間が閾値応答時間より大きい場合、ルーチン６００は６２８に進み、ここで制御システム３０は、ゲイン値（例えば、ジーグラ・ニコルスチューニング法を使用）、および較正マグニチュードの少なくとも一つを調節し、そして、６０８に進む。

ルーチン４００、５００、および６００は、例示的な制御ルーチンであり、本開示の制御システムの動作を実行するために、他の適切な制御ルーチンが使用され得ることは容易に理解されるべきである。

本明細書において特に明示的に示されない限り、力学的／熱的特性、組成パーセンテージ、寸法および／または公差、または他の特徴を示すすべての数値は、本開示の範囲を説明する際に「約」または「およそ」という言葉によって修飾されるものとして理解されるべきである。この修飾は、産業的な慣行、材料、製造、組み立て公差、および試験能力を含む、さまざまな理由から望まれる。

要素間の空間的および機能的な関係は、「接続された」、「取り付けられた」、「結合された」、「隣接した」、「隣にある」、「上にある（ｏｎ ｔｏｐ ｏｆ）」、「上にある（ａｂｏｖｅ）」、「下にある」、および「配置された」を含む、さまざまな用語を使用して説明される。「直接的に」であると明示的に記載されない限り、本開示における第１要素と第２要素との間の関係が記載されるとき、その関係は、第１要素と第２要素との間に他の介在要素が存在しない直接的関係であり得、且つ第１要素と第２要素との間に一つまたは複数の介在要素が（空間的に、または機能的に）存在する非直接的な関係でもあり得る。本明細書で使用される場合、Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも一つという語句は、非排他的な論理ＯＲを使用した論理（Ａ ＯＲ Ｂ ＯＲ Ｃ）を意味すると解釈されるべきであり、「少なくとも一つのＡ、少なくとも一つのＢ、および少なくとも一つのＣ」を意味すると解釈されるべきではない。

本出願において、「モジュール」という用語は、「回路」という用語に置き換えられ得る。「モジュール」という用語は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル、アナログ、またはデジタル／アナログ混合のディスクリート回路、デジタル、アナログ、またはデジタル／アナログ混合の集積回路、組み合わせ論理回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コードを実行するプロセッサ回路（共有、専用、またはグループ）、プロセッサ回路によって実行されるコードを格納するメモリ回路（共有、専用、またはグループ）、説明されている機能を提供するその他の適切なハードウェアコンポーネント、または、システムオンチップ内などの、上記の一部またはすべての組み合わせ、を指し得る、の一部であり得る、または含み得る。

コードという用語は、ソフトウェア、ファームウェア、および／またはマイクロコードを含む得、プログラム、ルーチン、関数、クラス、データ構造、および／またはオブジェクトを指し得る。メモリ回路という用語は、コンピュータ可読媒体という用語のサブセットである。本明細書で使用されるコンピュータ可読媒体という用語は、媒体（搬送波など）を通して伝播する一時的な電気信号または電磁気信号を含まない。したがって、コンピュータ可読媒体という用語は、有形で非一時的であると見なされ得る。

本開示の記載は、本質的に単なる例示であり、したがって、本開示の内容から逸脱しない変形は、本開示の範囲内にあることが意図される。そのような変形は、本開示の精神および範囲からの逸脱と見なされるべきではない。

Claims (20)

1. ヒーターの加熱プロセスを制御する方法であって、
   前記ヒーターの目標温度を示すセットポイント変数を取得することと、
   前記セットポイント変数に基づいて前記ヒーターのエネルギープロファイルを特定することと、前記エネルギープロファイルは、前記加熱プロセスの温度を前記目標温度に到達させるために前記ヒーターに印加される画定された大きさの初期電気エネルギーを提供し、
   前記加熱プロセスの性能特性を示すプロセス変数を取得することと、
   前記エネルギープロファイルおよび前記プロセス変数のうちの少なくとも一つに基づいて、前記ヒーターに電気エネルギーを供給することと、を具備する、
   方法。
2. 前記ヒーターに前記電気エネルギーを供給することは、
   前記ヒーターに前記画定された大きさの初期電気エネルギーを供給することと、
   前記プロセス変数が、前記ヒーターの前記温度が前記ヒーターの前記目標温度の温度アプローチバンド内にあることを示すことに応じて、前記ヒーターへの前記電気エネルギーを減少させることと、前記性能特性は前記ヒーターの前記温度を含む、をさらに具備する、
   請求項１の方法。
3. 前記電気エネルギーは、自然時定数に基づいて定常状態の電力に低減される、請求項２の方法。
4. 前記電気エネルギーは、比例積分制御に基づいて定常状態の電力に低減される、請求項２の方法。
5. 前記方法は、前記ヒーターの前記温度が前記セットポイント変数よりも低いか否かを判定すること、をさらに具備し、
   前記ヒーターの前記温度が前記セットポイント変数未満であることに応じて、前記ヒーターに供給される前記電気エネルギーは、前記特定されたエネルギープロファイルに基づき、且つ初期電気エネルギーの前記画定された大きさに等しく、
   前記ヒーターの前記温度が前記セットポイント変数よりも大きいことに応じて、前記方法は、
   前記ヒーターへの電気エネルギーをオフにすることと、
   前記ヒーターの前記性能特性を示す前記プロセス変数を取得することであって、前記性能特性は前記ヒーターの前記温度を含み、と、
   前記ヒーターの前記温度が前記セットポイント変数に近づくことに応じて、前記ヒーターへの前記電気エネルギーを定常状態の電力まで増加させることと、をさらに具備する、
   請求項１の方法。
6. 前記電気エネルギーは、自然時定数に基づいて、ゼロから前記定常状態の電力まで増加される、請求項５の方法。
7. 前記電気エネルギーは、比例積分制御に基づいて、ゼロから前記定常状態の電力まで増加される、請求項５の方法。
8. 前記ヒーターの前記温度が前記セットポイント変数に等しいか否かを判定することと、
   前記ヒーターの前記温度を前記セットポイント変数で維持するための温度制御モデルに基づいて、前記ヒーターへの前記電気エネルギーを制御することと、をさらに具備する、
   請求項１の方法。
9. 前記性能特性は、前記ヒーターの電圧、前記ヒーターの電流、および前記ヒーターの温度のうちの少なくとも一つを含む、請求項１の方法。
10. ヒーターを制御するためのシステムであって、
    前記システムは、
    非一時的なコンピュータ可読媒体に格納された複数の命令を実行するように構成されたプロセッサ、を具備し、
    前記複数の命令は、
    前記ヒーターの目標温度と、前記ヒーターの温度を取得することと、
    前記目標温度および前記温度に基づいて、エネルギーベース制御モードおよび温度制御モードのうちの一つで前記ヒーターを制御することと、
    前記エネルギーベース制御モード中に、前記目標温度に基づいて、前記ヒーターのエネルギープロファイルを特定することであって、前記エネルギープロファイルは、前記温度を前記目標温度に到達させるために前記ヒーターに印加される画定された大きさの初期電気エネルギーを提供し、
    前記エネルギーベース制御モード中に、前記エネルギープロファイルに基づいて、前記ヒーターに電気エネルギーを提供することと、
    前記温度制御モード中に、前記温度に基づいて、前記ヒーターに前記電気エネルギーを選択的に供給することと、を具備する、
    システム。
11. 前記エネルギーベース制御モード中に、前記エネルギープロファイルに基づいて、前記ヒーターに前記電気エネルギーを供給するための前記複数の命令は、
    前記画定された大きさの初期電気エネルギーを前記ヒーターに供給することと、
    前記ヒーターの前記温度が、前記ヒーターの前記目標温度の温度アプローチバンド内にあるか否かを判定することと、
    前記ヒーターの前記温度が前記ヒーターの前記目標温度の前記温度アプローチバンド内にあることに応じて、前記ヒーターに供給される前記電気エネルギーを定常状態の電力に減少させることと、をさらに具備する、
    請求項１０のシステム。
12. 前記温度制御モード中に、前記温度に基づいて、前記ヒーターに前記電気エネルギーを選択的に供給するための前記複数の命令は、
    前記ヒーターへの電気エネルギーをオフにすることと、
    前記ヒーターの前記温度が、前記ヒーターの前記目標温度の温度アプローチバンド内にあるか否かを判定することと、
    前記ヒーターの前記温度が前記ヒーターの前記目標温度の前記温度アプローチバンド内にあることに応じて、前記ヒーターに供給される前記電気エネルギーを定常状態の電力まで増加させることと、をさらに具備する、
    請求項１０のシステム。
13. 前記複数の命令は、
    前記ヒーターの前記温度が前記目標温度に等しいか否かを判定することと、
    前記ヒーターの前記温度が前記目標温度に等しいことに応じて、前記ヒーターの前記温度を維持するための温度制御モデルに基づいて、前記ヒーターに供給される前記電気エネルギーを制御することと、をさらに具備する、
    請求項１０のシステム。
14. ヒーターのエネルギープロファイルを学習する方法であって、前記方法は、
    前記ヒーターの目標温度を示すセットポイント変数を取得することと、
    前記ヒーターに電気エネルギーを供給することであって、前記電気エネルギーが較正マグニチュードを有し、
    前記ヒーターの温度を示すプロセス変数を取得することと、
    前記プロセス変数が、前記ヒーターの前記温度が前記目標温度に等しいことを示している場合に、
    前記ヒーターの応答時間を決定することと、
    前記応答時間に基づいて、コントローラの複数のゲイン値を選択的に調節することと、
    前記複数のゲイン値および前記セットポイント変数に基づいて、エネルギープロファイルを生成することであって、前記エネルギープロファイルは前記セットポイント変数を電気エネルギーの所定値に相関させる、を具備する、
    方法。
15. 前記エネルギープロファイルは、前記ヒーターの前記温度が前記目標温度の温度アプローチバンド内にあることに応じて、前記ヒーターに印加される定常状態の電力をさらに画定する、
    請求項１４の方法。
16. 数学的モデルに基づいて、前記目標温度の前記温度アプローチバンドを画定することをさらに具備する、
    請求項１５の方法。
17. 前記エネルギープロファイルは、前記ヒーターの前記温度を前記目標温度に到達させるために、前記所定値の電気エネルギーを前記ヒーターに供給する持続時間をさらに画定する、
    請求項１４の方法。
18. 前記応答時間に基づいて前記複数のゲイン値を選択的に調節することは、前記応答時間が閾値応答時間未満であることに応じて、ジーグラ・ニコルスチューニングルーチンに基づいて、前記複数のゲイン値を調節することをさらに具備する、
    請求項１４の方法。
19. 前記エネルギープロファイルは、前記較正マグニチュードにさらに基づく、
    請求項１４の方法。
20. 前記プロセス変数が、前記ヒーターの前記温度が前記目標温度に等しいことを示す場合、前記較正マグニチュードを選択的に調節することをさらに具備する、
    請求項１４の方法。

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