JP4239419B2

JP4239419B2 - 熱処理炉及びその加熱制御装置

Info

Publication number: JP4239419B2
Application number: JP2001052129A
Authority: JP
Inventors: 雅則北村; 陽介平田; 茂秋本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: JP2002257479A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス成形体を加熱焼成する熱処理炉の加熱制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス成形品の製造工程においては、成形のために原料粉末にバインダが添加されている。成形体を加熱焼成する段階で、このバインダが急激に分解することがある。その際の発生ガス等が原因となってセラミックス成形体に割れ、クラックが生じることがあり、また積層品では層間剥がれなどを生じることがある。このような問題を防止するために長時間をかけて脱バインダ処理を行っているが、効率の良い最適な脱脂条件を決定するには長時間を要し、困難な作業を伴う。
【０００３】
上記問題を解決する一つの手段として、従来、例えば特開昭６３−３１６１０４号公報に記載されたものがある。この例では、セラミック試料を加熱炉で加熱し、セラミック試料の物理的性質の変化、例えば寸法の収縮，重量変化の時間的微分値を検出し、この値が亀裂，割れを生じない最大収縮速度あるいは最大減量速度を越えると、温度調節器により試料の収縮速度あるいは減量速度が上記最大値以下となるようにセラミック試料の温度を調節するようにしている。
【０００４】
また、特開平９−６８５０９号公報には、「材料の加熱によって該材料から発生するガスの発生量に基づいて加熱温度を制御することを特徴とする材料の加熱制御方法」が開示さている。
【０００５】
さらにまたニューセラミックス１９９７年No.1には、脱バインダ過程の解析に有効なダイナミック熱天秤、として所定の重量変化速度となるように昇温速度を制御するようにした方式が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来方法では、数グラム程度の成形体しか対応できないのが実情である。即ち、成形体が小さいか又は少量の場合は、所定温度を目標にして加熱した際の重量減少への反応が早く、比較的制御も容易である。しかし成形体が大きいか又は多量になると、加熱した際の重量減少への反応が遅く、また一度加熱され重量減少が進行すると所定の重量減少速度以上になった場合にこれを抑える制御は難しくなる。
【０００７】
結局、従来方式では量産条件とは大きく異なる試料にしか有効でないといった問題があった。そのため試料の種類・形状・重量・設置状態等による熱伝達の差や、試料の発熱等による様々な測定条件の変化に汎用的に対応し、しかも利用者が制御方式等に関する専門的な知識、経験、予備実験等を必要とせず、最適な制御開始温度（時間）や最適な制御パラメータ等を自動的に設定する方式が求められていた。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、量産に近い条件での制御が可能で、しかもより高精度な制御が可能な熱処理炉及びその加熱制御装置を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、セラミックス成形体を加熱焼成する熱処理炉の加熱制御装置において、上記成形体を加熱しながら重量を常時測定し、その重量変化に基づいて所定の重量変化速度になるようにヒータ出力の最大出力値に対する割合を制御する出力制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、上記出力制御手段は、重量変化速度の設定値と重量変化速度の実測値との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御方式により成形体の重量変化速度が設定値となるようにヒータ出力の最大出力値に対する割合を制御する機能を有することを特徴としている。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２において、上記出力制御手段は、上記重量変化速度の設定値と実測値との偏差、該偏差の時間微分値、及び炉体温度の時間微分値に基づいて、ファジィ推論を用いてＰＩＤ制御方式における制御係数を測定条件に合わせた最適な値となるように自動的に計算する機能を有することを特徴としている。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３において、上記出力制御手段は、重量変化速度の設定値より算出した所定の重量減少速度に到達したときファジィ推論を自動的に開始し、重量変化率の設定値が設定上限温度に到達したときファジィ推論を自動的に終了する機能を有することを特徴としている。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項２において、２つ以上の独立制御回路を備え、上記出力制御手段は、特定のゾーン（メインゾーン）のみヒータ出力の最大出力値に対する割合を制御し、該メインゾーン以外のゾーンは該メインゾーンの検出温度を設定温度として温度制御する機能を有することを特徴としている。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１ないし５の何れかに記載の加熱制御装置を備えたことを特徴とする熱処理炉である。
【００１５】
【発明の作用効果】
請求項１，６の発明によれば、成形体を加熱しながら重量を常時測定し、その重量変化に基づいて所定の重量変化速度になるようにヒータ出力値（ヒータ出力の最大出力値に対する割合）を制御するようにしたので、実際の量産に対応した条件のもとでの脱バインダ処理が可能であり、しかもより高精度な制御が可能である。
【００１６】
また一回の演算式によってヒータ出力を求めてフィードバック制御を行なうことにより、材料の加熱をより直接的に制御でき、対象となる材料が数百グラム以上の場合においても精度よく制御を行なうことができる。なお、従来は特定の演算式によって昇温速度または加熱温度を求めて、さらにその昇温速度または加熱温度に基づいてＰＩＤ制御等の演算式によってヒータ出力値を求めサイリスタに出力するという方式であったため少なくとも２回の演算を行なう必要があり制御形態が複雑になり、対象となる材料が多い場合（例えば数百グラム程度の場合）には制御精度の向上は困難であった。
【００１７】
請求項２，６の発明によれば、重量変化速度の設定値と重量変化速度の実測値との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御方式により成形体の重量変化速度が設定値となるようにヒータ出力値を制御するようにしたので、より一層実際の量産に対応した条件のもとでの脱バインダ処理が可能であり、しかもより高精度な制御が可能である。
【００１８】
請求項３，６の発明によれば、上記重量変化速度の設定値と実測値との偏差、該偏差の傾斜値（時間微分値）、炉体温度の傾斜値（時間微分値）に基づいて、ファジィ推論を用いて制御係数を測定条件に合わせて自動的に最適化する、いわゆるチューニングをするようにしたので、利用者が制御方式等に関する専門知識を持つ必要がなく、例えば熱伝導率の大きく異なる材料や、熱容量の大きな匣を多段に重ねた場合、あるいは材料のチャージ量を増加させた場合など様々な条件に汎用的に対応し、また外乱等によるバラツキも修正し、精度良く制御を行なうことができる。なお、従来の方式で測定条件に合わせて所定の重量変化速度を得るように制御を行なう場合、数多くの予備実験や経験、制御方式等に関する専門知識が必要であり、非常に困難であった。
【００１９】
請求項４，６の発明によれば、重量変化速度の設定値より算出した所定の重量減少速度に到達したときファジィ推論を自動的に開始し、重量変化率の設定値が設定上限温度に到達したときファジィ推論を自動的に終了するようにしたので、材料や重量変化速度設定値に合わせた最適な制御開始温度（時間）を、材料の重量変化速度から自動的に設定することができ、材料や制御方式等に関する専門知識を必要とせず使用できるようになり、また、重量変化開始直後の制御も精度よく所定の重量変化速度に制御可能になった。なお、従来の方法では、重量変化速度設定値や、測定材料が変わった場合、利用者が制御開始温度（時間）等を設定する必要があり、材料や制御等に関する知識，経験，予備実験等が要求され、また重量減少開始直後の重量変化速度が設定通りに制御できない問題があった。
【００２０】
請求項５，６の発明によれば、特定のゾーン（メインゾーン）のみヒータ出力値制御とし、該メインゾーン以外のゾーンは該メインゾーンの検出温度を設定温度として温度制御するようにしたので、予備実験を必要とすることなく、炉内上下方向の温度分布のばらつきを低減でき、さらに汎用性の高いシステムをそのまま多ゾーン炉に適応可能になった。
【００２１】
【実施の形態】
以下本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１，図２は本発明の第１実施形態を説明するための図であり、図１はブロック構成図であり、図２は炉体温度及び材料重量の時間経過に伴う変化特性を示す特性図である。
【００２２】
図中、１は加熱炉、２は炉内に配置された材料ｗの重量を常時計測する天秤、３は材料ｗを加熱するヒータ、４はヒータ３への給電をオンオフ制御するサイリスタ、５は天秤２によって測定された材料ｗの重量データが入力され、該重量データをもとに所要のヒータ出力値を算出し、サイリスタ４に制御信号を出力するＣＰＵである。このＣＰＵ５にはあらかじめ所要の重量変化速度目標値、最終到達重量および上限温度が設定されている。なお、炉内温度は図示しない温度センサにより検出され、該検出値は上記ＣＰＵ５に入力されている。
【００２３】
本第１実施形態では、図２に示すように、まず、炉体温度が所定温度Ｔｏになるまでは一定の昇温速度となるようにヒータ３への給電量が制御されて上記材料ｗが加熱される。そして上記所定温度Ｔｏに達すると、ＣＰＵ５において、天秤２で測定された材料ｗの重量データに基づいて重量変化速度（単位時間当たりの重量変化量）が計算され、該計算値が所定の目標重量変化速度となるように所要のヒータ出力値が算出される。
【００２４】
上記算出されたヒータ出力値に基づく制御信号がサイリスタ４に出力されてヒータ３の出力制御が行なわれる。この一連の処理が一定の周期ごとに逐次繰り返えされ、このようにして材料ｗが所定の重量変化速度でもって減量していき、脱バインダ処理がなされる。なお、図２は材料ｗの重量減少状態を示しており、該重量減少の割合が重量変化速度となる。
【００２５】
上記脱バインダ処理の過程で材料ｗの重量があらかじめ設定された最終到達重量Ｗｏに達するか、または炉体温度が上限温度に達した場合、本脱バインダ処理が終了したとみなされ、その後は所定の温度プロファイルに合わせた温度制御が行われる。
【００２６】
このように本第１実施形態では、炉体温度が所定温度Ｔｏに達した後においては、材料ｗの重量が所定の目標重量変化速度で減量していくようにヒータ３の出力値を計算し、該計算値に基づいてヒータ３の出力制御を行うようにしたので、実際の量産に対応した条件のもとでの脱バインダ処理が可能であり、しかもより高精度な制御が可能である。
【００２７】
上述のように従来は所要の昇温速度または加熱温度を求めてフィードバック制御を行っていたが、この場合特定の演算式によって昇温速度または加熱温度を求めて、さらにその昇温速度または加熱温度に基づいて一般的にはＰＩＤ制御等の演算式によってヒータ出力値を求めサイリスタに出力するという方式であった。これでは制御を行なうために少なくとも２回の演算を行なう必要があるため制御形態が複雑になり、対象となる材料が多い場合（例えば数百グラム程度の場合）には制御精度の向上は困難であった。
【００２８】
これに対して本第１実施形態の方式では一回の演算式によってヒータ出力を求めてフィードバック制御を行なうことにより、材料の加熱をより直接的に制御でき、対象となる材料が数百グラム以上の場合においても精度よく制御を行なうことができる。
【００２９】
ちなみに、上記従来の所定の重量変化速度で減量するよう「温度制御」するようにした方式の場合には、数グラムといった少量の試料については、温度状態の重量減少への反応が早いため問題は生じない。しかし量産条件に対応した製品の場合には、温度状態の重量変化速度に対する反応が遅く、しかも一旦加熱されて重量減少が進行した場合に重量減少速度が過大となるとこれを抑える制御は非常に困難である。これに対して本実施形態では、重量変化速度が所定値となるようにヒータ出力自体を制御するようにしているので、該ヒータ出力の重量変化速度に対する反応が極めて直接的であることから、制御精度を向上できる。
【００３０】
次に本発明の第２実施形態を説明する。
本第２実施形態装置は上記第１実施形態と同様に図１に示す構成となっている。そして上記ＣＰＵ５は、直近の過去５回の重量測定データをもとに重量変化速度実測値を求め、これと目標値である重量変化速度設定値との偏差ｅを求め、該偏差ｅを基にＰＩＤ制御方式によりヒータ出力値を求める。具体的には、上記偏差ｅを下記の式に代入し、ヒータ出力値を求める。
【００３１】
Ｍ＝Ｋｐ×ｅ＋Ｋｉ×∫ｅｄｔ＋Ｋｄ×ｄｅ／ｄｔ
ここで、Ｍ：ヒータ出力値（％）
Ｋｐ：比例係数
Ｋｉ：積分係数
Ｋｄ：微分係数
ｄｔ：制御周期の単位時間。
積分項はｅの累積値とし、最大値をＭｍ（最大出力値）／Ｋｉに制限している。
微分値は現在の偏差ｅと前回制御時の偏差との差を用いた。
【００３２】
こうして求めた出力値によってヒータの出力制御を行い、これを例えば制御周期を６秒として繰り返し行なうことによって、上記重量変化速度の実測値が目標値となるように制御する。
【００３３】
このように本第２実施形態では、ＰＩＤ制御とヒータ出力値フィードバック制御の組み合わせによって材料ｗの重量変化速度が目標値になるように制御したので、実際の量産に対応した条件のもとでの脱バインダ処理が可能であり、しかもより高精度な制御が可能である。
【００３４】
ここで上記実施形態の場合、測定条件の変化に対して制御方式等に関する専門知識、経験、予備実験等を必要とするという問題が懸念される。また、ある特定条件では重量変化速度を一定に制御できるが、測定条件を変えた場合、重量変化開始温度，重量変化開始時間や試料への熱伝達や必要なヒータ出力等が大きく変わるため、同様の制御が困難であるといった懸念もある。
【００３５】
図３ないし図１４は上記懸念を回避できる本発明の第３実施形態を説明するための図であり、図３は全体構成を示すブロック構成図、図４はＣＰＵの機能を説明するための機能ブロック図、図５〜図１３はファジイ制御の説明図、図１４は制御結果を示す重量変化特性図であり、図中、図１と同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３６】
本第３実施形態の加熱炉１では、材料ｗは、その重量が常時天秤２によって測定されているとともに、その温度が熱電対６によって常時測定されている。またヒーター３の温度は熱電対７によって常時測定されている。そしてこれらの測定データは通信によってＣＰＵ５に読み込まれる。該ＣＰＵ５では、これらのデータをもとに材料ｗの重量変化速度が所定の目標重量変化速度となるように所要のヒータ出力を算出し、該ヒータ出力を発生させるための制御信号をサイリスタ４に出力し、該サイリスタ４はＣＰＵ５からの制御信号をもとにヒーター３の出力制御を行なう。
【００３７】
本第３実施形態では、ＣＰＵ５は図４に示す制御を行う。まず例えば過去１０回の重量測定データ（試料重量）をもとに重量変化速度実測値を求め、これと重量変化速度設定値（目標値）とから偏差ｅを求める。また重量変化速度の傾斜値ｄｅ／ｄｔを求める。次に、炉体温度実測値より、該炉体温度の傾斜値ｄT ／ｄt を求める。さらに過去１分間のヒータへの出力値の積算値Ｍtotal を求める。
【００３８】
そしてこれらのデータを入力要素としたファジィ推論により、例えば「偏差ｅが小さく、偏差の傾斜値ｄｅ／ｄｔが小さく、炉体温度の傾斜値ｄT ／ｄｔが大きく、出力値の１分間の積算値Ｍtotal が大きい場合は、比例定数Ｋｐを小さくし、積分係数Ｋｉを大きくし、微分係数Ｋｄを小さくする」といった約５００のルールに従い、後述する式の各係数（Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ）を出力要素として求める。
【００３９】
このファジィ推論における演算プロセスは図１３に示すとおりである。即ち、上記偏差ｅ，偏差の傾斜値ｄｅ／ｄｔ，炉体温度の傾斜値ｄT ／ｄｔ，出力値の１分間の積算値Ｍtotal 等が入力要素としてデータ入力され、メンバシップ関数より上記入力要素ラベルとその適合度が決定され、各入力要素ラベルの組合せに対応する出力要素ラベルをルールより決定し、各出力要素を重心法により計算し、各パラメータを決定する。
【００４０】
このような演算を数秒から数十秒周期で行い、最適な係数を設定することで様々な測定環境に汎用的に適用でき、さらに精度良くダイナミックＴＧ制御が可能となる。
【００４１】
ファジィ推論による本制御における入力要素は、
(1) 偏差ｅ
(2) 偏差の傾斜値ｄｅ/ ｄｔ
(3) 炉体温度の傾斜値ｄT/ｄｔ
(4) 過去１分間の出力積算値Motal
で、これらのメンバシップ関数を図６〜図９に示す。
【００４２】
また出力要素は
(1) 係数Ｋｐ
(2) 係数Ｋｉ
(3) 係数Ｋｄ
で、これらのメンバシップ関数を図１０〜図１２に示す。これらの図に示された、ＮＳ，ＮＬ，ＺＲ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＬは大きさを定性的に評価するためにメンバシップ関数に与えた名称であり、下記の意味を持つ。
【００４３】
ＮＬ：負側大（ＮｅｇａｔｉｖｅＬａｒｇｅ）
ＮＳ：負側小（ＮｅｇａｔｉｖｅＳｍａｌｌ）
ＺＲ：零（Ｚｅｒｏ）
ＰＳ：正側小（ＰｏｓｉｔｉｖｅＳｍａｌｌ）
ＰＭ：正側中（ＰｏｓｉｔｉｖｅＭｅｄｉｕｍ）
ＰＬ：正側大（ＰｏｓｉｔｉｖｅＬａｒｇｅ）
ここで図５の破線で示す状態▲１▼におけるファジィ推論演算プロセスを示す。状態▲１▼における各入力要素は、
(1)偏差ｅ＝５
(2)偏差の傾斜値ｄｅ/ ｄｔ＝−１
(3)炉体温度の傾斜値ｄT/ｄｔ＝−１
(4)過去１分間の出力積算値Motal ＝８０
である。
【００４４】
各要素のメンバシップ関数よりラベルとその適合度を求めると、図６〜図９に破線で示すように、
(1)偏差ｅ：ＰＬ＝０．６，ＰＳ＝０．３
(2)偏差の傾斜値ｄｅ/ ｄｔ：ＺＲ＝０．７，ＮＳ＝０．２
(3)炉体温度の傾斜値ｄT/ｄｔ：ＺＲ＝０．６，ＮＳ＝０．４
(4)過去１分間の出力積算値Motal ：ＰＳ＝０．８，ＺＲ＝０．２
となる。
【００４５】
これらの入力要素の適合ラベル組合せに対応した出力要素ラベルを経験則より記述したのが「ルール」であるが、この「ルール」は各入力要素メンバシップ関数ラベルの組合せである。本制御における入力要素ラベル数はそれぞれ５、５、５、４であるため、ルール数は、５×５×５×４＝５００（通り）である。その抜粋を表１に示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
上述の状態▲１▼の入力要素ラベルの組合せは表２に示すように１６通りあり（表２中の（）内の数字は各適合度を示す）、ルールによりそれらに対応する出力要素のラベルが決定する。また各入力要素適合度の最少値をルールの適合度とする。表１のルールより上記入力要素に対応する出力要素ラベルを探すと表３に示す通りとなる。
【００４８】
【表２】

【００４９】
【表３】

【００５０】
これらの結果から各出力値を重心法により計算する。この方法は、各ラベルの座標と考えその適合度で重み付けをして合計した値を適合度の総和で割ることで、メンバシップ関数を図形として考えた際の重心位置の計算に相当する方法である。各出力要素Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄは式１，式２，式３に示すように、それぞれ２６．２、６５．５、３７．１となる。
【００５１】
【式１】

【００５２】
【式２】

【００５３】
【式３】

【００５４】
これらの出力値を下記の演算式に代入しヒーター出力値を計算する。
【００５５】
Ｍ＝Ｋｐ×ｅ＋Ｋｉ×∫ｅｄｔ＋Ｋｄ×ｄｅ／ｄｔ
ここで、Ｍ：出力値（％）
Ｋｐ：比例係数
Ｋｉ：積分係数
Ｋｄ：微分係数
ｄｔは制御周期の単位時間、積分項は偏差ｅの累積値、微分項は現在の偏差ｅと前回制御時の偏差との差を用いている。
【００５６】
これを例えばファジィ推論を１分周期で、ヒータ出力値計算を６秒周期で行い、その出力値よりヒータ出力制御を繰り返し行なうことで、所定の重量変化速度を得るように制御する。
【００５７】
従来の方式で測定条件に合わせて所定の重量変化速度を得るように制御を行なう場合、数多くの予備実験や経験、制御方式等に関する専門知識が必要であり、非常に困難であった。
【００５８】
本第３実施形態では、測定条件に合わせた最適なＰＩＤの制御係数を、ファジィ推論により自動的に計算することによって、利用者が制御方式等に関する専門知識を持つ必要がなく、例えば熱伝導率の大きく異なる材料や、熱容量の大きな匣を多段に重ねた場合、あるいは材料のチャージ量を増加させた場合など様々な条件に汎用的に対応し、また外乱等によるバラツキも修正し、精度良く制御を行なうことができる。
【００５９】
実際に評価を行った際の制御結果を図１４に示す。同図から明らかなように、本第３実施形態方式を採用することにより、ハンチングを抑え一定の重量変化速度で制御を行なうことができた。なお、ファジィ推論の出力要素は、ＰＩＤの制御係数の増減量でも可能である。
【００６０】
次に本発明の第４実施形態を説明する。
本第４実施形態における制御装置は上記第３実施形態と同様に図３，図４に示す構成となっている。そしてＣＰＵ５にはあらかじめ所要の重量変化速度目標値、最終到達重量および上限温度が設定されており、該ＣＰＵ５は、上記重量変化速度目標値より計算開始係数Ｋｒを自動的に決定する。ただし、このＫｒは０より大きく１以下の値で、重量変化速度目標値が小さいほど１に近い値をとる。
【００６１】
まず、ある温度プロファイルで材料ｗを加熱する。その際に、ＣＰＵ５は、天秤２によって測定された材料ｗの過去１０回の重量データをもとに、重量変化速度を常時計算する。その重量変化速度が設定値に計算開始係数Ｋｒを掛けた値に到達したら、設定プロファイルでの加熱を終了し、所定の重量変化速度になるようなヒータ出力値を算出し、ヒータ３の出力を該計算値に制御することで所定の重量変化速度を得る。
【００６２】
上記過程で材料ｗの重量があらかじめ設定しておいた最終到達重量に達するか、または温度が上限温度に達した場合、本制御の終了とみなしてその後は所定の温度プロファイルに合わせて温度制御を行なう。
【００６３】
従来の方法では、重量変化速度設定値や、測定材料が変わった場合、利用者が制御開始温度（時間）等を設定する必要があり、材料や制御等に関する知識，経験，予備実験等が要求され、また重量減少開始直後の重量変化速度が設定通りに制御できない問題があった。
【００６４】
本第４実施形態では、材料や重量変化速度設定値に合わせた最適な制御開始温度（時間）を、材料の重量変化速度寄り自動的に設定することにより、材料や制御方式等に関する専門知識を必要とせず使用できるようになり、また、重量変化開始直後の制御も精度よく所定の重量変化速度に制御可能になった。
【００６５】
上記第４実施形態は、量産に近い条件でのダイナミックＴＧ制御が可能な、材料の加熱制御方式であるが、これをさらに量産に近づけようと考えた場合、炉体自体の容積の増加に伴う回路構成の多ゾーン化が予想される。例えば、上中下の３ゾーン構成の炉床昇降式炉の場合、炉体下部からの放熱の影響により下段ゾーンは上段・中断に比べ高い出力値が必要である。このような回路構成の炉に上述のダイナミックＴＧ制御方式を適用する場合、各ゾーンへの出力値を独立に計算することができないため、出力値の補正等が必要である。しかし、その補正値は炉体構造、ヒーター構成・種類等で全く異なり、汎用的に対応することは困難である。
【００６６】
図１５〜１６は本発明の第５実施形態を説明するための図であり、図１，図３と同一符号は同一又は相当部分を示す。本第５実施形態では、炉体１は上下方向中心のメインゾーン１ａと、その上，下に位置する上，下サブゾーン１ｂ，１ｃとで構成されている。該各ゾーン１ａ〜１ｃの材料ｗの合計重量は電子天秤２によって常時測定されている。
【００６７】
上記各ゾーン１ａ〜１ｃは別個独立に設けられたヒータ出力制御回路を備えており、該各制御回路は、各ゾーン用のヒータ３ａ〜３ｃ、該各ヒータ３ａ〜３ｃの温度を常時計測する熱電対７ａ〜７ｃ、上記各ヒータ３ａ〜３ｃへの給電回路をオンオフするサイリスタ４ａ〜４ｃを備えている。
【００６８】
そして上記各熱電対７ａ〜７ｃ及び天秤２の検出データは通信によってＣＰＵ５に読み込まれる。このＣＰＵ５は、これらのデータをもとに、材料ｗの重量変化速度が所定の目標値となるようにメインゾーン１ａのヒータ３ａにて発生させるべきヒーター出力を算出し、サイリスタ４ａにサイリスタ制御信号を出力する。サイリスタ４ａはＣＰＵ５からの制御信号をもとにヒーター４ａの出力制御を行なう。
【００６９】
そして上記ＣＰＵ５は、熱電対７ａで測定されたメインゾーン１ａの温度を上，下サブゾーン１ｂ，１ｃの目標温度として温調器８ａ，８ｂに設定し、該温調器８ａ，８ｂにより該サブゾーン１ｂ，１ｃの温度をメインゾーン１ａの温度に一致させる温度制御を行う。
【００７０】
本実施形態では、メインゾーン１ａにおいては、上記実施形態におけるのと同様のヒータ出力制御が行われ、サブゾーン１ｂ，１ｃでは上記メインゾーン１ａにおける制御方式で制御されたヒーター温度を設定値とし、温調器にて独立に制御される。
【００７１】
多ゾーンに分割された構造の炉は、そのゾーン毎に必要な出力値が異なるため独立に制御することが望ましい。この独立制御の場合、各ゾーンを、材料ｗの重量変化により計算されたヒータ出力値に基づいて制御するには各ゾーン独立に計算することが必要となるが、出力値の計算式は１つであるため各ゾーン独立に計算することは不可能である。よって、計算された値を各ゾーン毎に補正することが必要となるが、そのための補正式を導くための予備実験の手間が大きく、しかも汎用性に欠けるという問題がある。
【００７２】
本第５実施形態では、メインゾーンのみヒータ出力制御を行い、上下サブゾーンについてはメインゾーンの温度実測値を目標温度とする温度制御を行うようにしたので、上記予備実験の手間等の問題を回避しつつ、炉内上下方向の温度分布のばらつきを低減でき、さらに汎用性の高いシステムをそのまま多ゾーン炉に適応可能になった。
【００７３】
本実施形態では、多ゾーン炉においてダイナミックＴＧ制御を行なう場合、ある１つのゾーン（メインゾーンとする）を従来の出力値制御方式で制御し、その他のゾーンはその出力値制御されたメインゾーンの温度を設定温度とし、これを制御する方式を開発した。これにより、様々な回路構成の炉に汎用的に対応し、各ソーンを独立に制御することにより炉内温度分布が均一になり、より量産に近い条件（匣２０段以上）でのダイナミックＴＧ制御が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱処理炉の加熱制御装置のブロック構成図である。
【図２】上記第１実施形態における重量変化速度自動制御結果を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る熱処理炉の加熱制御装置のブロック構成図である。
【図４】上記第２実施形態におけるＣＰＵの制御内容を示すブロック構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態におけるファジィ制御を説明するための炉体温度及び材料重量の時間変化を示す特性図である。
【図６】上記ファジィ制御におけるメンバシップ関数を示す図である。
【図７】上記ファジィ制御におけるメンバシップ関数を示す図である。
【図８】上記ファジィ制御におけるメンバシップ関数を示す図である。
【図９】上記ファジィ制御におけるメンバシップ関数を示す図である。
【図１０】上記ファジィ制御におけるメンバシップ関数を示す図である。
【図１１】上記ファジィ制御におけるメンバシップ関数を示す図である。
【図１２】上記ファジィ制御におけるメンバシップ関数を示す図である。
【図１３】上記ファジィ制御のプロセスを示すブロック図である。
【図１４】上記制御結果を示す特性図である。
【図１５】本発明の第５実施形態に係る加熱炉の制御装置を示すブロック構成図である。
【図１６】上記第５実施形態における制御結果を示す特性図である。
【符号の説明】
１熱処理炉
３ヒータ
４サイリスタ
５ＣＰＵ（出力制御手段）
ｗセラミックス成形体

Claims

セラミックス成形体を加熱焼成する熱処理炉の加熱制御装置において、上記成形体を加熱しながら重量を常時測定し、その重量変化に基づいて所定の重量変化速度になるようにヒータ出力の最大出力値に対する割合を制御する出力制御手段を備えたことを特徴とする熱処理炉の加熱制御装置。
請求項１において、上記出力制御手段は、重量変化速度の設定値と重量変化速度の実測値との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御方式により成形体の重量変化速度が設定値となるようにヒータ出力の最大出力値に対する割合を制御する機能を有することを特徴とする熱処理炉の加熱制御装置。
請求項２において、上記出力制御手段は、上記重量変化速度の設定値と実測値との偏差、該偏差の時間微分値、及び炉体温度の時間微分値に基づいて、ファジィ推論を用いてＰＩＤ制御方式における制御係数を測定条件に合わせた最適な値となるように自動的に計算する機能を有することを特徴とする熱処理炉の加熱制御装置。
請求項３において、上記出力制御手段は、重量変化速度の設定値より算出した所定の重量減少速度に到達したときファジィ推論を自動的に開始し、重量変化率の設定値が設定上限温度に達したときファジィ推論を自動的に終了する機能を有することを特徴とする熱処理炉の加熱制御装置。
請求項２において、２つ以上の独立制御回路を備え、上記出力制御手段は、特定のゾーン（メインゾーン）のみヒータ出力の最大出力値に対する割合を制御し、該メインゾーン以外のゾーンは該メインゾーンの検出温度を設定温度として温度制御する機能を有することを特徴とする熱処理炉の加熱制御装置。
請求項１ないし５の何れかに記載の加熱制御装置を備えたことを特徴とする熱処理炉。