JP3829575B2

JP3829575B2 - 温度調節器および熱処理装置

Info

Publication number: JP3829575B2
Application number: JP2000071905A
Authority: JP
Inventors: 郁夫南野; 好洋長見; 田中　　均; 元米田
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP2001265448A

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】
図１１は、従来の温度調節器１ａを用いた温度制御システムの概略構成図である。
【０００３】
温度調節器１ａは、制御対象２の温度を検出する温度センサ３の検出温度ＰＶに基づいて、電磁開閉器などの出力装置４に操作信号（操作量）ＭＶを出力してヒータ５の通電を制御して制御対象２の温度が、予め設定される目標温度ＳＰになるように、例えばＰＩＤ制御するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ヒータは、後述の図３の実線Ａで示されるように温度によってその抵抗値が変化するものであり、温度が上昇すると、抵抗値が増大する。このため、温度が上昇すると、ヒータに流れる電流が低下し、同じパルス幅で駆動したとしても電力は、減少することになる。つまり、制御ループのゲインが低下する。
【０００５】
また、制御対象は、簡単に近似する時には、無駄時間＋１次遅れ要素として表すことができるが、１次遅れ要素の時定数τは、熱容量Ｃと熱抵抗Ｒとによってτ＝ＣＲで表される。したがって、熱容量Ｃまたは熱抵抗Ｒが変化すると、時定数τも変化することになる。例えば、温度が高くなった場合、対流現象が生じ、このとき、ヒータから周囲への熱伝導性が良好となって熱抵抗Ｒが低下し、時定数τが小さくなる。すなわち、後述の図８の実線Ａで示されるように、温度が上昇すると、時定数τが低下することになる。
【０００６】
以上のように、温度が上昇すると、ヒータの抵抗値や時定数が変化するので、そのままでは、ハンチングやオーバシュートが生じることになる。このため、従来では、温度変化によるハンチングやオーバシュートの発生を抑制するために、制御する温度に応じて、上位のコンピュータから制御パラメータ、例えばＰＩＤパラメータを温度調節器に対して切り替え設定しなければならず、面倒であり、また、上位のコンピュータもその分負荷が増えるといった難点がある。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、制御する温度に応じて制御パラメータの設定変更を行うといった面倒な操作を不要とするとともに、ハンチングやオーバシュートの発生を抑制した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。
【０００８】
【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。
【０００９】
すなわち、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、前記検出温度または前記目標温度に基づいて、前記温度制御手段における制御パラメータを補正する補正手段とを備え、前記補正手段は、予め設定される温度係数、基準温度および基準温度における前記制御パラメータを用いた算出式に従って、前記検出温度または前記目標温度から前記制御パラメータの補正値を算出するものである。
【００１０】
本発明によると、検出温度または目標温度に応じて制御パラメータを自動的に補正する、すなわち、リアルタイムで温度補償が行われるので、従来のように、制御する温度に応じて上位のコンピュータから制御パラメータを変更設定するといった面倒な操作が不要となる。また、過渡状態を除いて検出温度とほぼ等しい目標温度に基づいて補正することにより、時々刻々変化する検出温度に基づいて補正する構成に比べて処理が簡素化される。
【００１５】
本発明の好ましい実施態様においては、前記算出式が、一次の近似式であり、本発明によると、簡単な直線近似式で温度補償を行えることになる。
【００１６】
本発明の他の実施態様においては、前記算出式が、二次以上の近似式であり、本発明によると、より精度の高い温度補償が行えることになる。
【００１７】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、補正される制御パラメータが、比例ゲイン、積分時間および微分時間の少なくとも一つである。
【００１８】
本発明によると、温度変化によるゲインの変化を補償したり、温度変化による時定数の変化を補償したり、あるいは、その両者を補償することができる。
【００１９】
本発明の熱処理装置は、本発明の温度調節器と、制御対象としての熱処理炉あるいは熱処理盤と、該熱処理炉あるいは熱処理盤を加熱（または冷却）する加熱（または冷却）手段と、前記熱処理炉あるいは熱処理盤の温度を検出する温度検出手段とを備えている。
【００２０】
本発明によると、従来のように、制御する温度に応じて上位のコンピュータから制御パラメータを温度調節器に変更設定するといった面倒な操作を不要としながら、温度の変化によるハンチングやオーバーシュートの発生を抑制することができる。
【００２１】
【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。
【００２２】
（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を用いた温度制御システムの概略構成図であり、図１１の従来例に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００２３】
この実施の形態の温度調節器１は、制御対象２の温度を検出する温度センサ３からの検出温度ＰＶに基づいて、電磁開閉器などの出力装置４に操作信号（操作量）ＭＶを出力して加熱手段としてのヒータ５の通電を制御して制御対象２の温度が、予め設定される目標温度ＳＰになるようにＰＩＤ制御を行うものである。なお、６はヒータ電源である。
【００２４】
この温度制御システムは、熱処理装置、例えば図２に示される熱酸化装置１８に適用できるものであり、制御対象２を、熱処理炉としての反応管１９とし、反応管１９の周囲に分割して配置された複数のヒータ２１の通電制御を、複数の温度センサ２２からの検出温度に基づいて行う多点の温度調節器２３として適用することができる。
【００２５】
上述のように、ヒータ５は、図３の実線Ａで示されるように温度によってその抵抗値が変化するために、制御ループのゲインが変化するのであるが、この実施の形態では、温度変化によるゲインの変化を自動的に補償するために次のように構成している。
【００２６】
すなわち、図３の温度とヒータの抵抗値との関係を示す特性図において、実線Ａで示される実際の変化に対して、例えば、破線Ｂで示される下記の近似直線式を考える。
【００２７】
Ｒ／Ｒ₀＝ηｐ（Ｔ−Ｔ₀）＋１.０
ここで、Ｒ₀は、基準温度Ｔ₀、例えば室温における抵抗値、ηｐは温度係数である。
【００２８】
ヒータに印加する電圧Ｖは、一定であるので、ヒータに流れる電流は、ヒータの抵抗値の変化に応じて変化することになり、同じパルス幅で駆動したとしても電力Ｐは、温度によって次のように変化することになる。
【００２９】

つまり、制御ループのゲインＧは、温度によって下記のように変化する。
【００３０】

なお、Ｐ₀，Ｇ₀は、基準温度Ｔ₀における電力およびゲインである。
【００３１】
前記式から明らかなように温度が上昇してヒータの抵抗値Ｒが増加すると、ゲインが低下することになる。
【００３２】
そこで、この実施の形態の温度調節器１は、このゲインの低下を補償するようにＰＩＤパラメータの比例ゲインＫｐを補正するようにしている。
【００３３】
すなわち、図４は、図１の温度調節器１内部のブロック線図であり、この図４に示されるように、温度センサ３からの検出温度ＰＶと予め設定される前記温度係数ηｐとに基づいて、下記の一次近似式に従って比例ゲインＫｐの補正値を算出して比例要素８の比例ゲインを補正する補正手段７を備えている。
【００３４】
Ｋｐ＝｛ηｐ（ＰＶ−ＰＶ₀）＋１｝Ｋｐ₀
ここで、ＰＶ₀は室温などの基準温度、Ｋｐ₀は基準温度における比例ゲインである。なお、図４において、９は微分要素、１０は積分要素を示している。
【００３５】
このように検出温度ＰＶに応じて補正した比例ゲインＫｐを算出し、その算出した比例ゲインＫｐによってＰＩＤ制御を行うので、ゲインの温度による変化を補償したＰＩＤ制御が行われることになり、従来例のように、制御する温度に応じてＰＩＤパラメータを上位のコンピュータから変更設定しなくても、ハンチングやオーバーシュートの発生を抑制できることになる。したがって、上位のコンピュータの通信の負荷も軽減されることになる。
【００３６】
また、検出温度ＰＶだけで補正するので、例えば、検出温度ＰＶおよび操作量ＭＶなどの複数の入力に基づいて補正する場合に比べて、構成が簡素化され、さらに、複雑な制御対象のモデリングなども不要である。
【００３７】
なお、補正の一次近似式に用いる温度係数ηｐは、予め計測するか、あるいは、ヒータの温度係数として分かっている場合には、それを用いればよい。また、この温度係数ηｐは、例えば、図１に示されるようにキー入力によってインタフェース１１を介して予め設定すればよく、あるいは、図５に示されるように、通信基板１２を介して例えば、ＲＳ−２３２Ｃのシリアル通信などによって外部から通信で設定してもよい。
【００３８】
この実施の形態では、検出温度ＰＶを用いて比例ゲインＫｐを補正したけれども、本発明の他の実施の形態として、図６に示されるように、目標温度ＳＰを用いて比例ゲインＫｐを補正してもよい。
【００３９】
すなわち、上述の補正式を、Ｋｐ＝｛ηｐ（ＳＰ−ＰＶ₀）＋１｝Ｋｐ₀とするのである。
【００４０】
目標温度ＳＰは、過渡的な状態を除いてほとんど検出温度ＰＶと等しいので、時々刻々変化する検出温度ＰＶを用いる場合に比べて、固定値である目標温度ＳＰを用いることで処理の負担を大幅に低減することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図７は、本発明の他の実施の形態の温度調節器内部のブロック線図であり、上述の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符号を付す。なお、温度制御システムの構成は、図１と基本的に同様である。
【００４２】
上述のように、時定数τは、図８の実線で示されるように、温度によって変化するのであるが、この実施の形態では、温度変化による時定数τの変化を自動的に補償するために次のように構成している。
【００４３】
すなわち、図８の温度と時定数τとの関係を示す特性図において、実線Ａで示される実際の変化に対して、例えば、破線Ｂで示される下記の近似直線式を考えることができる。
【００４４】
τ／τ₀＝−ｋ_τ（Ｔ−Ｔ₀）＋１.０
ここで、τ₀は、基準温度Ｔ₀、例えば室温における時定数、−ｋ_τは近似式の傾きである。
【００４５】
このように温度変化に対する時定数τの変化を直線近似するのと同様に、時定数τに対応するＰＩＤパラメータの積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄも下記のように直線近似することができる。
【００４６】
Ｔｉ＝｛ηｉ（ＰＶ−ＰＶ₀）＋１｝Ｔｉ₀
Ｔｄ＝｛ηｄ（ＰＶ−ＰＶ₀）＋１｝Ｔｄ₀
ここで、Ｔｉ₀，Ｔｄ₀は基準温度Ｔ₀における積分時間および微分時間であり、ηｉ，ηｄは、温度係数である。
【００４７】
この温度係数ηｉ，ηｄは、例えば、予めステップ応答法によって無駄時間を計測することによって算出することができる。
【００４８】
そこで、この実施の形態では、図７に示されるように、温度センサ３からの検出温度ＰＶと予め設定される前記温度係数ηｉ，ηｄとに基づいて、上記一次近似式に従って積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄの補正値を算出して積分要素１０および微分要素９の積分時間および微分時間を補正する補正手段１３を備えている。
【００４９】
このように検出温度ＰＶに応じて補正した積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄを算出し、その算出した積分時間Ｔｉおよび微分時間ＴｄによってＰＩＤ制御を行うので、時定数τの温度による変化を補償したＰＩＤ制御が行われることになり、従来例のように、制御する温度に応じてＰＩＤパラメータを上位のコンピュータから変更設定しなくても、ハンチングやオーバーシュートの発生を抑制できることになる。
【００５０】
なお、本発明の他の実施の形態として、図９に示されるように、検出温度ＰＶに代えて目標温度ＳＰを用いて積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄを補正してもよい。また、積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄのいずれか一方を補正するようにしてもよい。
【００５１】
（その他の実施の形態）
本発明の他の実施の形態として、図１０に示されるように、上述の実施の形態１および実施の形態２を組み合わせて比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉおよび微分時間Ｔｄをすべて補正するようにしてもよい。
【００５２】
上述の各実施の形態では、一次の直線近似を行ったけれども、本発明は、二次以上の近似式を用いてもよい。例えば、時定数τについての二次の近似式の例を示す。
【００５３】
τ／τ₀＝ｋａ（Ｔ−Ｔ₀）²＋ｋｂ（Ｔ−Ｔ₀）＋ｋｃ
３つのパラメータ（ｋａ，ｋｂ，ｋｃ）は、次のようにして求める。近似する元の制御対象の特性曲線のデータ３点の温度の値（Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃）に対するτ／τ₀を、（τ₁／τ₀，τ₂／τ₀，τ₃／τ₀）とすると、以下の３つの方程式ができる。
【００５４】
τ₁／τ₀＝ｋａ（Ｔ₁−Ｔ₀）²＋ｋｂ（Ｔ₁−Ｔ₀）＋ｋｃ
τ₂／τ₀＝ｋａ（Ｔ₂−Ｔ₀）²＋ｋｂ（Ｔ₂−Ｔ₀）＋ｋｃ
τ₃／τ₀＝ｋａ（Ｔ₃−Ｔ₀）²＋ｋｂ（Ｔ₃−Ｔ₀）＋ｋｃ
この３つの式から３つの変数は、数学的に求まるので、３つのパラメータ（ｋａ，ｋｂ，ｋｃ）は、求まる。
【００５５】
ｎ次の近似式も同様にｎ＋１点の温度に対する時定数の変化τ／τ₀データで求めることができる。
【００５６】
このように複数の次数で求めると、制御対象の変化曲線に一致した近似式が作れるので、より精度の高い補正が実現できるという効果が有る。
【００５７】
上述の実施の形態では、ＰＩＤ制御に適用して説明したけれども、本発明は、ＰＩＤ制御に限らず、比例制御、積分制御などの他の制御方式にも適用できるものである。
【００５８】
上述の実施の形態では、ヒータなどの加熱手段を用いた温度制御に適用した説明したけれとも、ペルチェ素子や冷却器などを用いた温度制御に適用してもよいのは勿論であり、さらに、加熱手段と冷却手段とを併用する温度制御に適用してもよい。
【００５９】
また、本発明の熱処理装置は、熱酸化装置に限らず、拡散炉やＣＶＤ装置、例えば、図１２に示されるように、枚葉式のＣＶＤ装置における熱処理盤の温度制御にも適用できるものである。なお、図１２において、ウェーハ６０が載置される熱処理盤６１は、同心状に外円部６２、中間部６３、中心部６４に３分割されており、各部に個別的に対応するヒータ６５〜６７が設けられて各ゾーン毎に温度制御するものである。また、本発明の熱処理装置は、射出成形機のシリンダ部の温度制御あるいは包装機のヒータ台の温度制御などにも適用できるものである。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、検出温度あるいは目標温度に応じて、比例ゲイン、積分時間および微分時間といった制御パラメータを自動的に補正するので、制御する温度に応じて上位のコンピュータから制御パラメータを変更設定するといった面倒な操作が不要となり、通信の負荷も軽減され、しかも、温度の変化によるハンチングやオーバーシュートの発生を抑制することができる。
【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制御システムの概略構成図である。
【図２】本発明の一つの実施の形態に係る熱処理装置の概略構成図である。
【図３】温度とヒータ抵抗値との関係を示す特性図である。
【図４】図１の温度調節器内部のブロック線図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の温度制御システム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内部のブロック線図である。
【図７】本発明のさらに他の実施の形態の温度調節器内部のブロック線図である。
【図８】温度と時定数との関係を示す特性図である。
【図９】本発明の他の実施の形態の温度調節器内部のブロック線図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施の形態の温度調節器内部のブロック線図である。
【図１１】従来例の概略構成図である。
【図１２】熱処理装置の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１温度調節器
２制御対象
３温度センサ
５ヒータ
７，１３補正手段

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、
前記検出温度または前記目標温度に基づいて、前記温度制御手段における制御パラメータを補正する補正手段とを備え、
前記補正手段は、予め設定される温度係数、基準温度および基準温度における前記制御パラメータを用いた算出式に従って、前記検出温度または前記目標温度から前記制御パラメータの補正値を算出することを特徴とする温度調節器。
前記算出式が、一次の近似式である請求項１記載の温度調節器。
前記算出式が、二次以上の近似式である請求項１記載の温度調節器。
補正される制御パラメータが、比例ゲイン、積分時間および微分時間の少なくとも一つである請求項１ない３のいずれかに記載の温度調節器。
請求項１ないし４のいずれかに記載の温度調節器と、制御対象としての熱処理炉と、該熱処理炉を加熱（または冷却）する加熱（または冷却）手段と、前記熱処理炉の温度を検出する温度検出手段とを備えることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載の温度調節器と、制御対象としての熱処理盤と、該熱処理盤を加熱（または冷却）する加熱（または冷却）手段と、前記熱処理盤の温度を検出する温度検出手段とを備えることを特徴とする熱処理装置。