JP3757809B2

JP3757809B2 - 温度調節器

Info

Publication number: JP3757809B2
Application number: JP2001099003A
Authority: JP
Inventors: 政仁田中; 功策安藤
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002297245A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の温度を制御する温度調節器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱処理装置として、例えば、熱酸化装置がある。この熱酸化装置では、熱処理炉としての反応管の温度を、複数の温度センサで検出し、温度調節器は、検出された温度が、予め設定された目標温度になるように、反応管の周囲に分割して配置された複数のヒータの通電制御を行うものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような熱酸化装置やＣＶＤ装置などの熱処理装置では、真空中などの放熱しにくい環境で加熱を行うものであるために、外乱応答時に温度が一旦オーバーシュートして熱くなってしまうと、冷めにくいために、なかなか目標温度まで温度が低下せず、その結果、温度の整定までの時間がかかり、熱処理のタクトタイムが長くなるといった難点がある。
【０００４】
また、例えば、射出成形機や押し出し成形機のシリンダ部の温度制御においては、放熱を抑えて、いわゆる省エネを図るために、前記シリンダ部等の周囲を断熱材で囲んで断熱する場合があるが、かかる場合にも、外乱応答時に一旦オーバーシュートして熱くなってしまうと、冷めにくいために、なかなか目標温度まで温度が低下しないことになる。
【０００５】
また、例えば、複数のヒータが内蔵された熱処理盤に被処理物を載置して熱処理する場合に、前記被処理物の熱伝導性が均一でないようなときには、被処理物を熱処理盤に載置したときのオーバーシュート量を、前記複数のヒータで異ならせることにより、被処理物を均一に熱処理できるようにすることが望まれる。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、外乱応答に対するオーバーシュート量を調整できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【００１２】
本発明の温度調節器は、温度検出手段からの検出温度と目標温度との偏差に基づいて、操作信号を出力する温度制御手段と、外乱を検知する外乱検知手段と、外乱検知手段の検知出力に応答して、前記温度検出手段の検出温度を初期温度として前記目標温度へ徐々に近づくように前記温度制御手段への目標温度を変更する目標温度変更手段とを備え、前記外乱検知手段は、整定後に、前記温度検出手段の検出温度が最も低下または上昇したときに検知出力を与えるものである。
【００１３】
本発明によると、外乱が検知されると、外乱によって変化した検出温度を、初期温度として目標温度に徐々に近づくように、温度制御手段に対する目標温度を変更するので、この初期温度から目標温度への変更の度合いによって、外乱応答時のオーバーシュート量を調整できることになり、用途や特性に応じて、オーバーシュートを抑制したり、あるいは、オーバーシュートを強めて応答を高めたりするといったことが可能となる。しかも、外乱によって、検出温度が最も低下したとき、または、最も上昇したときに、検知出力を与えるので、外乱によって最も低下した温度または最も上昇した温度が初期温度として目標温度変更手段に取り込まれて該初期温度から徐々に目標温度に近づくにように目標温度が変更されることになる。
【００２２】
【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。
【００２３】
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器のブロック図である。
【００２４】
この実施の形態の温度調節器１は、熱処理盤や熱処理炉などの制御対象２の温度を検出する図示しない温度センサからの検出温度（現在温度）と目標温度との偏差に基づいて、操作信号を、電磁開閉器およびヒータを含む図示しない操作手段に出力して制御対象２の温度が目標温度になるようにＰＩＤ制御を行う温度制御手段としてのＰＩＤコントローラ３を備えている。
【００２５】
この温度調節器１は、例えば、熱処理装置としての枚葉式のＣＶＤの熱処理盤の温度制御に適用できるものである。この熱処理盤には、ウェハが順番に載置されて熱処理されるものであり、ウェハが熱処理盤に載置されると、ウェハに熱が奪われる結果、熱処理盤の温度が目標温度以下に低下することになる。このようなウェハの載置による温度低下は、外乱とされるものである。
【００２６】
この実施の形態の温度調節器１は、かかる外乱応答時のオーバーシュート量を調整できるように、外乱を検知する外乱検知部４と、この外乱検知部４の検知出力に応答して、温度センサからの検出温度を初期温度として設定温度である目標温度へ徐々に近づくようにＰＩＤコントローラ３への目標温度を変更する目標温度変更部５を備えている。
【００２７】
外乱検知部４は、制御対象２の検出温度が設定温度、すなわち、目標温度に整定している状態で外乱が印加されたときの検出温度の変動に基づいて、外乱を検知するものである。この実施の形態では、整定した後、温度センサからの検出温度が、設定温度を中心とした一定の温度範囲を外れたときに外乱であるとして、最も温度が低下した最下点温度になったときに検知出力を与えるものである。
【００２８】
目標温度変更部５は、設定温度を目標温度としてそのまま出力しており、外乱検知部４で外乱が検知されると、温度センサからの上記最下点温度が一旦与えられた後、再び設定温度が与えらる。これによって、目標温度変更部５は、最下点温度を初期温度として目標温度である設定温度に徐々に近づくように目標温度を変更して出力するものであり、目標値フィルタと同様な動作を行うものである。
【００２９】
図２は、外乱の印加による検出温度（現在温度）の変化および目標温度変更部５による目標温度の変更の状態を示す図である。
【００３０】
設定温度に整定している状態において、例えば、ウェハが制御対象２である熱処理盤に載置される、すなわち、外乱が印加されると、検出温度（現在温度）は、実線Ａで示されるように急激に低下し、最下点温度Ｔ１に達したときに、外乱検知部４が検知出力を与え、これに応答して、目標温度変更部５は、最下点温度Ｔ１を初期温度とし、該初期温度から目標温度である設定温度まで徐々に近づけるように、ＰＩＤコントローラ３に対する目標温度を、破線Ｂで示されるように変更するものである。
【００３１】
この目標温度変更部５による外乱応答時の目標温度の変更の度合いを調整することにより、オーバーシュート量を調整することができる。
【００３２】
図３は、この実施の形態の目標温度変更部５の構成の一例を伝達関数を用いて示したものである。
【００３３】
この図３の目標温度変更部５は、２自由度ＰＩＤの目標値フィルタを使用しており、同図において、Ｔ_IはＰＩＤコントローラ３の積分時間、Ｔ_DはＰＩＤコントローラ３の微分時間、ηはＰＩＤコントローラ３の不完全微分係数を表す。目標温度変更部５の調整パラメータはα、β、γの３つである。
【００３４】
図４は、上記構成の目標温度変更部５において、調整パラメータβとγを固定値として、調整パラメータαだけを変化させた場合の目標温度の変更の状態を示す図である。
【００３５】
この図に示されるように、調整パラメータαの値を０から１．０までの間で、大きくするほど、オーバーシュート量を小さくできる。逆に、調整パラメータαを、−１までの負の値に設定すると、オーバーシュート量を大きくできる。
【００３６】
すなわち、調整パラメータαの値を設定するだけで外乱に対するオーバーシュート量を自由に調整できることになる。
【００３７】
しかも、検出温度の最下点温度Ｔ１を基準（初期温度）にして目標温度を変更するので、感覚的にわかりやすく、調整パラメータαの設定が容易であり、用途や制御対象の特性等に応じて、調整パラメータαを予め設定してオーバーシュート量を所望の量に調整できることになる。
【００３８】
なお、初期温度は、最下点温度Ｔ１に限らず、例えば、最下点の直前の温度などを用いてもよい。
【００３９】
次に、以上の構成を有する温度調節器１を、各種の温度制御に適用した例について説明する。
【００４０】
図５は、被処理物である商品６を、内蔵のヒータによって加熱される熱処理盤７で熱処理する場合の温度制御に適用した例であり、同図（ａ）は商品６および熱処理盤７を示し、同図（ｂ）は商品６を熱処理盤７に搭載したときの商品６の温度変化および熱処理盤７のヒータに対応する温度変化を示す図である。
【００４１】
熱処理盤７が設定温度で整定しているときに、商品６を熱処理盤７に搭載し、商品６を熱処理盤７の設定温度に到達させる用途の場合、商品６の温度がオーバーシュートせず、かつできるだけ立ち上がり時間を短くしなければならない。
【００４２】
従来では、調整段階で商品６の搭載実験を数回行い、試行錯誤的にＰＩＤの３つのゲインを調整しなければならなかった。このような従来例では、オーバーシュートとＰＩＤゲインとの関係は感覚的にはわかりにくいので、調整が困難である。また一般的に積分時間を大きめに設定することにより、オーバーシュートを小さくできるけれども、積分時間を大きめに設定すると、応答時間が遅くなるので商品６の温度の立ち上がり時間が遅くなることや、整定温度に戻るまでに時間がかかるなどの問題点があった。
【００４３】
これに対して、本発明の温度調節器１によれば、調整パラメータαを一つ調整するだけで効果があり、かつ、目標温度を変更するので感覚的にわかりやすいので調整が容易である。しかも、従来のようにＰＩＤゲインは変更不要なので、応答が遅くなるなどの問題点がない。
【００４４】
図６は、多入出力干渉系の温度制御に適用した例を示しており、二つの第１，第２のヒータ８，９によって加熱される熱処理盤１０で商品１１を熱処理する場合の温度制御であり、同図（ａ）は熱処理盤１０および商品１１を示し、同図（ｂ）は従来例による商品温度の変化および各ヒータに対応する検出温度の変化を示し、同図（ｃ）は本発明の温度調節器１による商品温度の変化および各ヒータに対応する検出温度の変化を示している。
【００４５】
熱処理盤１０の各ヒータ８，９に対応する処理点の温度が設定温度で整定しているときに、商品１１を熱処理盤１０に搭載し、商品１１を、熱処理盤１０の設定温度まで到達させる用途の場合、商品全体の温度を均一に昇温させなければならない。
【００４６】
ところが、例えば、ヒータ８，９または熱処理盤１０に搭載する商品の熱伝導特性にばらつきがあるような場合は、同図（ｂ）に示されるように、商品全体の温度を均一に昇温させることができない。
【００４７】
これに対して、本発明の温度調節器１によれば、各ヒータ８，９のオーバーシュート量を上述のように調整して異ならせることにより、同図（ｃ）に示されるように、商品全体の温度を均一に昇温させることができるものである。
【００４８】
次に、多入出力干渉系に対して本発明と、本件出願人が先に出願して既に公開されている傾斜温度制御とを組み合わせて使用した場合に適用して説明する。
【００４９】
ここで、傾斜温度制御の概要について説明する。傾斜温度制御は、本件出願人が、優先権主張を伴う平成１１年７月２９日提出の特願平１１−２１５０６１号（特開２０００−１８７５１４）において、提案して既に公開されて公知となったものである。
【００５０】
この傾斜温度制御では、例えば、複数の温度センサの検出温度の平均温度（代表温度）および複数の検出温度の温度差である傾斜温度を制御量として制御するものであり、複数の検出温度から平均温度およぴ傾斜温度を算出する平均温度・傾斜温度算出手段（モード変換器）と、各ＰＩＤ制御手段からの操作信号（操作量）を、所定の配分比で各ヒータに配分する配分手段（前置補償器）とを備えている。
【００５１】
かかる傾斜温度制御によると、複数の温度検出手段から得られる検出温度を、傾斜温度と平均温度といった干渉のない独立の情報に変換して制御を行うとともに、配分手段によって各温度制御手段による制御が、他の温度制御手段による制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分するので、干渉のある制御対象の制御において、その干渉を低減することが可能となり、例えば、ウェハを熱処理する熱処理盤の温度を所望の温度、例えば、均一な温度に制御することが可能となる。
【００５２】
図７は、かかる傾斜温度制御と本発明とを組み合わせたブロック図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００５３】
同図において、１６は制御対象２の温度を検出する二つの温度センサの検出温度に基づいて、平均温度および傾斜温度（温度差）を算出するモード変換器であり、１７は、各ＰＩＤコントローラ３₁，３₂からの操作信号（操作量）を、所定の配分比で各ヒータに配分する前置補償器である。かかる温度制御では、平均温度が目標平均温度に、傾斜温度が目標傾斜温度になるように温度制御がなされる。なお、外乱検知部４₁，４₂および目標値変更部５₁，５₂は、上述の図１の外乱検知部４および目標温度変更部５と同様である。
【００５４】
図８は、図７の温度制御が適用される二つのヒータ１４，１５を備える熱処理盤１２および該熱処理盤１２で熱処理される商品１３を示しており、各ヒータ１４，１５が、図７の各ＰＩＤコントローラ３₁，３₂によってそれぞれ制御される。この際に、各ヒータ１４，１５に個別的に対応して設けられている図示しない二つの温度センサからの各検出温度の平均温度および各検出温度の温度差である傾斜温度が、それぞれ目標平均温度および目標傾斜温度になるように制御されるものである。
【００５５】
本発明と傾斜温度制御における平均のＰＩＤ制御とを組み合わせると、オーバーシュート量を調整する一つのの調整パラメータα、または一組のパラメータα、β、γを調整するだけで、全チャンネルのオーバーシュート量を同時に調整できるので、各チャンネル個別に調整する手間が省けることになる。
【００５６】
外乱印可時の傾斜温度のオーバーシュートを小さくするためには、傾斜のＰ、Ｉを弱めに設定しなければならない。このため、チャンネル間の差を均一にする速度が遅くなる。これに対して、本発明と傾斜温度制御の傾斜のＰＩＤ制御とを組み合わせると、応答速度を重視したＰＩＤゲインに設定してもオーバーシュート量を小さくできるので、応答速度が速く、かつオーバーシュートのない高精度なチャンネル間均一が実現できることになる。
【００５７】
図９（ａ）は、傾斜温度制御における目標平均温度に対する各ヒータ１４，１５の外乱印加時の温度変化を示し、図９（ｂ）は、目標傾斜温度（この例では０）に対する各ヒータ１４，１５の温度差である傾斜温度の変化を示しており、図１０（ａ），（ｂ）は、本発明と傾斜温度制御とを組み合わせた場合の図９（ａ），（ｂ）にそれぞれ対応する波形を示している。
【００５８】
図９（ｂ）および図１０（ｂ）を比較することにより、本発明によってオーバーシュート量を調整することにより、傾斜温度が０に速やかに整定して高精度なチャンネル間の均一化が可能となる。
【００６１】
上述の実施の形態では、調整パラメータとしてαのみを調整したけれども、その他の調整パラメータβ，γを調整してもよいのは勿論である。
【００６２】
上述の実施の形態では、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。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、外乱の印加に応答して、外乱によって変化した検出値を、初期値として、該初期値から目標値に徐々に近づくように、制御手段に対する目標値を変更するので、この初期値から目標値への変更の度合いによって、外乱応答時のオーバーシュート量を調整できることになり、用途や特性に応じて、オーバーシュートを抑制したり、あるいは、オーバーシュートを強めて応答を高めたりするといったことが可能となる。これによって、より高精度な温度制御などが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器のブロック図である。
【図２】外乱の印加による検出温度（現在温度）の変化および目標温度変更部５による目標温度の変更の状態を示す図である。
【図３】目標温度変更部の構成図である。
【図４】調整パラメータによる目標温度の変更の状態を示す図である。
【図５】本発明の温度制御を適用した第１の例を示す図である。
【図６】本発明の温度制御を適用した第２の例を示す図である。
【図７】本発明の温度制御と傾斜温度制御とを組み合わせた構成を示すブロック図である。
【図８】図７の制御対象である熱処理盤および商品を示す図である。
【図９】傾斜温度制御における目標平均温度に対する各ヒータの温度変化および目標傾斜温度に対する各ヒータの温度差である傾斜温度の変化を示す図である。
【図１０】図７の実施の形態の図９に対応する図である。
【符号の説明】
１温度調節器
２制御対象
３ＰＩＤコントローラ
４外乱検知部
５目標温度変更部

Claims

温度検出手段からの検出温度と目標温度との偏差に基づいて、操作信号を出力する温度制御手段と、外乱を検知する外乱検知手段と、外乱検知手段の検知出力に応答して、前記温度検出手段の検出温度を初期温度として前記目標温度へ徐々に近づくように前記温度制御手段への目標温度を変更する目標温度変更手段とを備え、
前記外乱検知手段は、整定後に、前記温度検出手段の検出温度が最も低下または上昇したときに検知出力を与えることを特徴とする温度調節器。