JP3664125B2 - 制御装置、温度調節器および熱処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の温度、圧力、流量、液位などを制御する制御装置、制御対象の温度を制御する温度調節器および温度調節器を用いた熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、不純物拡散炉やＣＶＤ炉等の半導体熱処理炉を加熱制御する制御装置として、例えば、特開平１０−１８９４６４号公報に記載のように、半導体熱処理炉内に配列した熱電対からの目標測定値を主制御量とし、半導体熱処理炉の外周に配置した加熱用ヒータの近傍の熱電対からの測定値を副制御量として半導体熱処理炉内の温度を設定温度に制御するようにしたカスケード制御装置がある。
【０００３】
かかるカスケード制御では、主調節器の出力によって、副調節器の目標値を決定し、副調節器の出力によって、操作部を操作するものであり、即応性に優れるとともに、高精度な制御が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなカスケード制御では、上述のように主と副との二つの調節器（コントローラ）を必要とし、このためＰＩＤパラメータなどの制御パラメータを二組設定しなければならず、制御パラメータの組み合わせが非常に複雑となり、その調整が容易でないという難点がある。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、少なくとも二つの入力に対してフィードバック制御を行う場合に、一組の制御パラメータの設定のみでよく、しかも、即応性に優れるとともに、高精度な制御が可能な制御装置、温度調節器およびそれを用いた熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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。
【０００７】
すなわち、本発明の制御装置は、制御対象の物理状態をそれぞれ検出する設置場所が異なる少なくとも二つの検出手段からのフィードバック入力および目標値に基づいて、操作量を出力するＰＩＤコントローラを有し、前記制御対象の物理状態を制御する制御装置であって、前記ＰＩＤコントローラは、高周波ゲインの大きな高周波部と低周波ゲインの大きな低周波部とを有し、前記操作量の変化に対して応答の速い方の検出手段からのフィードバック入力を前記高周波部に与えるとともに、前記操作量の変化に対して応答の遅い方の検出手段からのフィードバック入力を前記低周波部に与えるものである。
【０００８】
ここで、物理状態とは、温度、流量、圧力あるいは液位などの物理量の状態をいう。
【０００９】
本発明によると、単一のコントローラを、高周波におけるゲインが大きな高周波部と低周波におけるゲインが大きな低周波部とに区分し、少なくとも二つの検出手段からのフィードバック入力の内、操作量の変化に対して応答の速い方のフィードバック入力を高周波部へ入力するとともに、操作量の変化に対して応答の遅い方のフィードバック入力を低周波部に入力するので、少なくとも二つの入力に対するフィードバック制御において、カスケード制御と同様に、即応性に優れるとともに、高精度な制御を行うことができ、しかも、単一のコントローラであるので、一組の制御パラメータの設定のみでよく、制御パラメータの調整が容易となる。
【００１０】
本発明の一実施態様においては、前記ＰＩＤコントローラは、比例、積分および微分の各動作を行ってＰＩＤ操作量を出力するものであって、前記高周波部は、少なくとも前記微分動作を行い、前記低周波部は、少なくとも前記積分動作を行うものである。
【００１１】
本発明によると、高周波におけるゲインが大きな高周波部は、微分動作を行う一方、低周波におけるゲインが大きな低周波部は、積分動作を行うものであり、即応性に優れるとともに、高精度な制御が行える。
【００１２】
本発明の他の実施態様においては、前記ＰＩＤコントローラは、比例および積分の各動作を行ってＰＩ操作量を出力するものであって、前記高周波部は、少なくとも前記比例動作を行い、前記低周波部は、少なくとも前記積分動作を行うものである。
【００１３】
本発明によると、高周波におけるゲインが大きな高周波部は、比例動作を行う一方、低周波におけるゲインが大きな低周波部は、積分動作を行うものであり、即応性に優れるとともに、高精度な制御が行える。
【００１４】
本発明の温度調節器は、設置場所が異なる少なくとも二つの温度センサからの検出温度および目標温度に基づいて、操作量を出力するＰＩＤコントローラを有し、制御対象の温度を前記目標温度になるように制御する温度調節器であって、前記ＰＩＤコントローラは、高周波ゲインの大きな高周波部と低周波ゲインの大きな低周波部とを有し、前記操作量の変化に対して応答の速い方の温度センサからの検出温度を前記高周波部に与えるとともに、前記操作量の変化に対して応答の遅い方の温度センサからの検出温度を前記低周波部に与えるものである。
【００１５】
本発明によると、単一のコントローラを高周波におけるゲインが大きな高周波部と低周波におけるゲインが大きな低周波部とに区分し、少なくとも二つの温度センサからの検出温度の内、操作量の変化に対して応答の速い方の検出温度を高周波部へ入力するとともに、操作量の変化に対して応答の遅い方の検出温度を低周波部に入力するので、少なくとも二つの入力に対するフィードバック制御において、カスケード制御と同様に、即応性に優れるとともに、高精度な制御を行うことができ、しかも、単一のコントローラであるので、一組の制御パラメータの設定のみでよく、制御パラメータの調整が容易となる。
【００１６】
本発明の一実施態様においては、前記ＰＩＤコントローラは、比例、積分および微分の各動作を行ってＰＩＤ操作量を出力するものであって、前記高周波部は、少なくとも前記微分動作を行い、前記低周波部は、少なくとも前記積分動作を行うものである。
【００１７】
本発明によると、高周波におけるゲインが大きな高周波部は、微分動作を行う一方、低周波におけるゲインが大きな低周波部は、積分動作を行うものであり、即応性に優れるとともに、高精度な制御が行える。
【００１８】
本発明の他の実施態様においては、前記ＰＩＤコントローラは、比例および積分の各動作を行ってＰＩ操作量を出力するものであって、前記高周波部は、少なくとも前記比例動作を行い、前記低周波部は、少なくとも前記積分動作を行うものである。
【００１９】
本発明によると、高周波におけるゲインが大きな高周波部は、比例動作を行う一方、低周波におけるゲインが大きな低周波部は、積分動作を行うものであり、即応性に優れるとともに、高精度な制御が行える。
【００２０】
本発明の他の実施態様においては、前記二つの温度センサは、前記操作量に応じて前記制御対象を加熱するヒータからの距離がそれぞれ異なる位置に配置されるものである。
【００２１】
本発明によると、二つの温度のセンサの内、制御対象を加熱するヒータに近い側の応答が速い温度センサからの検出温度を高周波部に入力し、前記ヒータから遠い側の応答の遅い温度センサからの検出温度を低周波部に入力することにより、即応性に優れるとともに、高精度な制御が行える。
【００２２】
本発明の熱処理装置は、本発明の温度調節器と、熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱または冷却する手段と、前記熱処理手段の温度をそれぞれ検出する少なくとも二つの温度センサとを備えている。
【００２３】
本発明によると、本発明の温度調節器によって熱処理炉や熱処理盤といった熱処理手段の温度制御を行うので、即応性に優れた高精度な温度制御が可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
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。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器１によって温度制御される熱処理装置としての半導体熱処理炉２の一部を示す概略図である。
【００２６】
この温度調節器１は、半導体熱処理炉２の外周の加熱用のヒータ４の近傍に配置された第１の温度センサ３からのフィードバック入力としての第１の検出温度ＰＶ１と、半導体熱処理炉２内に配置された第２の温度センサ５からのフィードバック入力としての第２の検出温度ＰＶ２とに基づいて、半導体熱処理炉２内の温度が、予め設定されている目標温度になるようにヒータ４の通電を制御するものである。なお、６は半導体熱処理炉２内に配置された半導体ウェハである。
【００２７】
第１の温度センサ３は、温度調節器１によって通電制御される半導体熱処理炉２外のヒータ４の近傍に配置されているので、温度調節器１の制御出力である操作量の変化に対する応答が速いのに対して、半導体熱処理炉２内に配置されている第２の温度センサ５は、第１の温度センサ３に比べて応答が遅い。
【００２８】
図２は、図１の温度調節器１の要部の概略構成図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００２９】
この実施の形態の温度調節器１は、上述のように、制御対象としての半導体熱処理炉２内の温度を、図示しない設定部から設定された目標温度ＳＰになるように上述のヒータ４の通電を制御するためのＰＩＤ操作量ＭＶを演算出力する単一のＰＩＤコントローラ７を備えている。
【００３０】
このＰＩＤコントローラ７は、比例（Ｐ）、積分（Ｉ）および微分（Ｄ）の各動作を行う回路８〜１０を備えており、ＰＩＤ制御を行うものである。
【００３１】
この実施の形態では、二つの入力に対してフィードバック制御を行う場合に、一組のＰＩＤパラメータの設定のみでよく、しかも、カスケード制御と同様に、即応性に優れるとともに、高精度な制御を可能にするために、次のように構成している。
【００３２】
すなわち、この実施の形態では、ＰＩＤコントローラ７は、高周波におけるゲインが大きな高周波部１１を構成する比例、微分回路８，１０と、低周波におけるゲインが大きな低周波部１２を構成する積分回路９とを備えており、ＰＩＤ操作量の変化に対する応答が速い第１の温度センサ３からの第１の検出温度ＰＶ１を高周波部１１に与える一方、ＰＩＤ操作量の変化に対する応答が遅い第２の温度センサ５からの第２の検出温度ＰＶ２を低周波部１２に与えるようにしている。
【００３３】
高周波部１１の比例、微分回路８，１０には、第１の検出温度ＰＶ１と目標温度ＳＰとの偏差がそれぞれ与えられる一方、低周波部１２の積分回路９には、第２の検出温度ＰＶ２と目標温度ＳＰとの偏差が与えられ、各回路８〜１０の出力が加算されてＰＩＤ操作量ＭＶとして出力される。
【００３４】
このようにＰＩＤコントローラ７を、高周波におけるゲインが大きな高周波部１１と、低周波におけるゲインが大きな低周波部１２とに区分して、応答の速い第１の検出温度ＰＶ１を高周波部１１にフィードバックする一方、応答の遅い第２の検出温度ＰＶ２を低周波部１２にフィードバックするので、カスケード制御と同様に、即応性に優れるとともに、高精度な制御を行うことができる。
【００３５】
すなわち、ヒータ４の近傍位置の応答の速い第１の温度センサ３からの第１の検出温度ＰＶ１を高周波部１１にフィードバックして即応性を高める一方、最終的に目標温度ＳＰに制御したい半導体熱処理炉２内の温度を検出する第２の温度センサ５からの第２の検出温度を低周波部１２にフィードバックして追従精度を高めることができる。
【００３６】
しかも、カスケード制御では、主と副との二つのコントローラを必要とするので、二組のＰＩＤパラメータを設定しなければならず、ＰＩＤパラメータの組み合わせが非常に複雑となり、その調整が容易でなかったが、本発明では、一組のＰＩＤパラメータを設定すればよく、ＰＩＤパラメータを容易に調整できる。
【００３７】
（実施の形態２）
図３は、本発明の他の実施の形態の温度調節器１₁の要部の概略構成図であり、図２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００３８】
上述の実施の形態では、第１の検出温度ＰＶ１が与えられる高周波部１１を比例回路８および微分回路１０で構成するとともに、第２の検出温度ＰＶ２が与えられる低周波部１２を積分回路９で構成したのに対して、この実施の形態では、低周波および高周波におけるゲインがあまり大きくない比例回路８を、高周波部１１₁ではなく、低周波部１２₁としている。
【００３９】
すなわち、この実施の形態では、第１の検出温度ＰＶ１が与えられる高周波部１１₁を微分回路１０で構成するとともに、第２の検出温度ＰＶ２が与えられる低周波部１２₁を積分回路９および比例回路８で構成したものであり、その他の構成および効果は、上述の実施の形態と同様である。
【００４０】
（実施の形態３）
図４は、本発明の更に他の実施の形態の温度調節器１₂の要部の概略構成図であり、図２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００４１】
上述の各実施の形態では、比例回路８は、高周波部１１または低周波部１２₁のいずれかとされたけれども、この実施の形態では、比例回路を、高周波用の比例回路８ａと低周波用の比例回路８ｂとに区分し、高周波用の比例回路８ａには、
第１の検出温度ＰＶ１と目標温度ＳＰとの偏差を、ハイパスフィルタ１３を介して与える一方、低周波用の比較回路８ｂには、第２の検出温度ＰＶ２と目標温度ＳＰとの偏差を、ローパスフィルタ１４を介して与えるのである。
【００４２】
その他の構成および効果は、上述の実施の形態と同様である。
【００４３】
この実施の形態では、比例回路を、高周波用と低周波用とに区分したけれども、
本発明の他の実施の形態として、積分回路を高周波用と低周波用とに区分し、高周波部を、微分、比例および高周波用の積分回路で構成するとともに、低周波部を、低周波用の積分回路で構成してもよい。
【００４４】
（その他の実施の形態）
上述の各実施の形態では、微分回路１０は、目標温度ＳＰとの偏差を微分するものであったけれども、本発明の他の実施の形態として、図５に示されるように、第１の検出温度ＰＶ１のみに微分動作が働くようにした微分先行型のＰＩＤ制御に適用してもよい。すなわち、この実施の形態では、高周波部１１₃を構成する微分回路１０には、第１の検出温度ＰＶ１が与えられる一方、低周波部１２₃を構成する比例、積分回路８，９には、第２の検出温度ＰＶ２と目標温度ＳＰとの偏差が与えられ、比例、積分回路８，９の出力が加算される一方、微分回路１０の出力が減算されてＰＩＤ操作量ＭＶとされるものである。
【００４５】
さらに、上述の各実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用して説明したけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば、図２に対応する図６に示されるように、ＰＩ制御に適用してもよく、この場合には、高周波部１１は、比例回路８のみで構成されることになる。
【００４６】
また、本発明は、２自由度ＰＩＤ制御方式に適用してもよい。
【００４７】
上述の各実施の形態では、温度を制御する温度調節器に適用して説明したけれども、本発明は、温度調節器に限らず、他の制御装置に適用してもよいのは勿論である。
【００４８】
上述の各実施の形態では、制御対象を加熱する場合に適用して説明したけれども、本発明は、制御対象を冷却する場合にも適用できるのは勿論である。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＰＩＤコントローラを、高周波におけるゲインが大きな高周波部と低周波におけるゲインが大きな低周波部とに区分し、応答の速い方のフィードバック入力を高周波部へ入力するとともに、応答の遅い方のフィードバック入力を低周波部に入力するので、二つの入力に対するフィードバック制御において、カスケード制御と同様に、即応性に優れるとともに、高精度な制御を行うことができ、しかも、一組の制御パラメータの設定のみでよく、制御パラメータの調整が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度調節器によって温度制御される半導体熱処理炉の一部を示す概略図である。
【図２】図１の温度調節器の要部の概略構成図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の温度調節器の要部の概略構成図である。
【図４】本発明の更に他の実施の形態の温度調節器の要部の概略構成図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の温度調節器の要部の概略構成図である。
【図６】本発明の他の実施の形態の温度調節器の要部の概略構成図である。
【符号の説明】
１，１₁〜１₃ 温度調節器
２ 半導体熱処理炉
３ 第１の温度センサ
５ 第２の温度センサ
７，７₁〜７₃ ＰＩＤコントローラ
１１，１１₁〜１１₃ 高周波部
１２，１２₁〜１２₃ 低周波部
８，８ａ，８ｂ 比例回路
９ 積分回路
１０ 微分回路

Claims (8)

1. 制御対象の物理状態をそれぞれ検出する設置場所が異なる少なくとも二つの検出手段からのフィードバック入力および目標値に基づいて、操作量を出力するＰＩＤコントローラを有し、前記制御対象の物理状態を制御する制御装置であって、
   前記ＰＩＤコントローラは、高周波ゲインの大きな高周波部と低周波ゲインの大きな低周波部とを有し、前記操作量の変化に対して応答の速い方の検出手段からのフィードバック入力を前記高周波部に与えるとともに、前記操作量の変化に対して応答の遅い方の検出手段からのフィードバック入力を前記低周波部に与えることを特徴とする制御装置。
2. 前記ＰＩＤコントローラは、比例、積分および微分の各動作を行ってＰＩＤ操作量を出力するものであって、前記高周波部は、少なくとも前記微分動作を行い、前記低周波部は、少なくとも前記積分動作を行う請求項１記載の制御装置。
3. 前記ＰＩＤコントローラは、比例および積分の各動作を行ってＰＩ操作量を出力するものであって、前記高周波部は、少なくとも前記比例動作を行い、前記低周波部は、少なくとも前記積分動作を行う請求項１記載の制御装置。
4. 設置場所が異なる少なくとも二つの温度センサからの検出温度および目標温度に基づいて、操作量を出力するＰＩＤコントローラを有し、制御対象の温度を前記目標温度になるように制御する温度調節器であって、
   前記ＰＩＤコントローラは、高周波ゲインの大きな高周波部と低周波ゲインの大きな低周波部とを有し、前記操作量の変化に対して応答の速い方の温度センサからの検出温度を前記高周波部に与えるとともに、前記操作量の変化に対して応答の遅い方の温度センサからの検出温度を前記低周波部に与えることを特徴とする温度調節器。
5. 前記ＰＩＤコントローラは、比例、積分および微分の各動作を行ってＰＩＤ操作量を出力するものであって、前記高周波部は、少なくとも前記微分動作を行い、前記低周波部は、少なくとも前記積分動作を行う請求項４記載の温度調節器。
6. 前記ＰＩＤコントローラは、比例および積分の各動作を行ってＰＩ操作量を出力するものであって、前記高周波部は、少なくとも前記比例動作を行い、前記低周波部は、少なくとも前記積分動作を行う請求項４記載の温度調節器。
7. 前記二つの温度センサは、前記操作量に応じて前記制御対象を加熱するヒータからの距離がそれぞれ異なる位置に配置される請求項４〜６のいずれかに記載の温度調節器。
8. 請求項４〜７のいずれかに記載の温度調節器と、熱処理手段と、前記熱処理手段を加熱または冷却する手段と、前記熱処理手段の温度をそれぞれ検出する少なくとも二つの温度センサとを備えることを特徴とする熱処理装置。

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