JP5231096B2 - 温度制御方法および温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、繰り返し供給される被加熱物をその都度挟み込んで加熱するヒータの過度な温度上昇を防ぐに好適な温度制御方法および温度制御装置に関する。

半導体製造装置におけるテープボンダ等の加熱装置においては、図９(ａ)(ｂ)に示すように被加熱物１を上下一対のヒータ２,３の間に挟み込むことによってその加熱処理が行われる。特に繰り返し供給される複数の被加熱物１を次々と前記ヒータ２,３間に挟み込んで加熱する上での処理効率を高めるべく、前記ヒータ２,３を所定の高温状態に維持することが行われる。しかし被加熱物１の加熱によって溶着等を生起するような場合には、被加熱物1を必要以上に高温に加熱しないことが必要である。これ故、ヒータ２,３を必要、且つ十分な適正温度に制御することが重要である。

ところで、例えば上側ヒータ２を２００℃に温度制御し、下側ヒータ３を１００℃に温度制御している状態において、常温（例えば２５℃）状態で供給される被加熱物１を挟み込んだとき、図９(ｂ)に示すようにヒータ２,３と被加熱物１との接触による熱の移動によって被加熱物１が急速に加熱される一方、ヒータ２,３の温度は図１０に示すように急激に低下する。するとヒータ２,３の温度に対する、例えばＰＩＤ制御動作が働いて上記温度の低下がリカバリーされるが、一般的にその制御特性に起因してオーバーシュートが生じることが否めない。即ち、ＰＩＤ制御によるヒータ２,３の温度制御は、ヒータ２,３から被加熱物１への熱供給を高速に、しかも十分に行うべく、一般的には即応性（高速応答性）を重視してその制御パラメータ（ＰＩＤパラメータ）が設定される。この為、前述した急激な温度低下が生じた場合、その制御動作特性に起因してヒータ温度のオーバーシュートが生じ易い。

尚、上記各ヒータ２,３の温度は、上述したオーバーシュート後のリカバリー動作によって最終的には前述した所定の設定温度（制御温度）に戻る。しかし一般的にはヒータ２,３間の温度差や周囲温度との差、更には装置の構造上の問題等に起因して下側ヒータ３に熱が蓄積され易く、上側ヒータ２に比較して下側ヒータ３の温度が元の設定温度に戻るまでに時間が掛かる傾向がある。

またこのような装置において前記ヒータ２,３の温度が元の設定温度に戻る前に次の被加熱物１が供給されるような場合、上述した熱の蓄積に起因して図１１(ａ)に示すようにヒータ２,３の温度が次第に上昇していき、いわゆる過熱状態となることが否めない。換言すればヒータ２,３の温度をＰＩＤ制御しているといえども、外乱に起因する温度変化に追従したＰＩＤ制御により温度が安定化する前に次の外乱が与えられると、制御応答の追従性が損なわれて、ヒータ２,３の温度が次第に上昇していくと言う不具合が生じる。

するとヒータ２,３間に被加熱物１を挟み込んだ際、被加熱物１の加熱処理に必要な熱量以上の熱が被加熱物１に供給されることになり、被加熱物１にダメージを与える原因となる。このような繰り返し外乱要因に対して、外乱による温度変化に応じて制御目標とする温度を変更し、これによって前述したオーバーシュートを抑制することが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。
特開２００２−２９７２４５公報

しかしながら上述したオーバーシュートに起因するヒータ温度の上昇は、ヒータ２,３への熱の蓄積に起因するものであり、ＰＩＤ制御によるオーバーシュート後のリカバリー動作の再現性を損なう要因となっている。これ故、特許文献１に開示されるオーバーシュートの抑制法にあっては、その抑制効果自体が徐々に低下するので、結果的にはヒータ２,３の過熱を防止することができないと言う問題がある。

この点、熱の蓄積要因となる下側ヒータ３を、一旦、完全にオフ状態にすると言う対処法も考えられる。しかし、例えば被加熱物１の供給が遅れ、ヒータ２,３による被加熱物１の挟み込みまでに時間が掛かると、その間に下側ヒータ３の温度が必要以上に低下してしまう等の別の不具合が発生する。従って下側ヒータ３をオフにすることなく、継続的に温度制御することが必要である。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、繰り返し供給される被加熱物により温度を急激に低下させる外乱が繰り返し与えられるように作用する該被加熱物を加熱するヒータの過度な温度上昇を防ぐに好適な温度制御装置および温度制御方法を提供することにある。
即ち、本発明は、即応性を重視した特性でヒータを温度制御するに際して、オーバーシュート後のリカバリー動作の再現性を損なう短い周期で外乱が繰り返し与えられるような場合であっても、その温度制御を継続しながら、上記ヒータの必要以上の温度上昇を効果的に抑制することのできる温度制御装置および温度制御方法を提供することを目的としている。

上述した目的を達成するべく本発明に係る温度制御方法は、繰り返し供給される被加熱物により温度を急激に低下させる外乱が繰り返し与えられるように作用する該被加熱物を加熱するヒータの温度を制御量ＰＶとし、この制御量ＰＶに応じて前記ヒータを駆動する操作量ＭＶを求めて前記ヒータの駆動を制御するに際し［前提条件］、
請求項１に記載するように、前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理を開始したとき、前記制御量ＰＶの最降下値を検出し、この制御量ＰＶの最降下値の上昇に応じて前記操作量ＭＶに対する上限値を低減設定することを特徴としている。

また本発明に係る温度制御方法は、請求項２に記載するように前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理を開始したとき、前記操作量ＭＶが飽和している時間を検出し、この飽和時間の短縮に応じて該飽和時間を一定化するように前記操作量ＭＶに対する上限値を低減設定することを特徴としている。或いは請求項３に記載するように、前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理を開始したとき、その加熱処理開始時における前記操作量ＭＶを検出し、この加熱処理開始時における操作量ＭＶに一定値Ｈを加算して該操作量ＭＶに対する上限値を低減設定することを特徴としている。

ちなみに前記ヒータは、例えば被加熱物に接触して該被加熱物を加熱するものからなり、また前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理の開始については、例えば前記ヒータと前記被加熱物との接触時、または接触動作時等として検出するようにすれば良い。尚、前記制御量ＰＶの変化量ΔＰＶを監視し、その変化量ΔＰＶが所定の閾値を超えた時点を加熱処理の開始として検出することも可能である。

また前述した目的を達成するべく本発明に係る温度制御装置は、繰り返し供給される被加熱物により温度を急激に低下させる外乱が繰り返し与えられるように作用する該被加熱物を加熱するヒータと、このヒータの温度を検出する温度センサと、この温度センサの出力に基づいて前記ヒータの駆動を制御する制御器とを具備したものであって［前提条件］、
請求項５に記載するように、
<ａ> 前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理の開始を検出する加熱処理検出部と、
<ｂ１> この加熱処理検出部により加熱処理の開始が検出されたとき、前記温度センサから前記制御器に与えられる制御量ＰＶの最降下値を検出する最降下値検出部と、
<ｃ１> この最降下値検出部により検出された前記制御量ＰＶの最降下値の上昇に応じて前記制御器による前記ヒータの操作量ＭＶの上限値を低減設定する操作量上限値決定部と
を備えたことを特徴としている。

ちなみに前記操作量上限値決定部については、例えば予め定めた前記制御量ＰＶの最降下値と前記操作量ＭＶの上限値との関係を記述したテーブルを参照して、または上記関係を示す数式に前記制御量ＰＶの最降下値を代入して前記操作量ＭＶの上限値を決定するように構成される。尚、上記関係については必ずしも線形である必要はなく、また前記テーブルに制御量ＰＶの最降下値が記述されていない場合には、適宜補間処理を施して操作量ＭＶの上限値を求めるようにすれば十分である。

また本発明に係る温度制御装置は、請求項７に記載するように、
<ａ> 前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理の開始を検出する加熱処理検出部と、
<ｂ２> この加熱処理検出部により加熱処理の開始が検出されたとき、前記制御器による前記ヒータの操作量ＭＶが飽和している時間を検出する飽和時間検出部と、
<ｃ２> この飽和時間検出部により検出された前記操作量ＭＶの飽和時間の短縮に応じて該飽和時間を一定化するように該操作量ＭＶの上限値を低減設定する操作量上限値決定部と
を備えたことを特徴としている。

この場合には前記操作量上限値決定部は、例えば前記操作量ＭＶの飽和時間を一定とする前記操作量ＭＶの上限値を求めるように構成される。具体的には、例えば操作量ＭＶが飽和した状態での継続時間Ｔ２を計測すると共に、前記操作量ＭＶの飽和状態を含む最大値ＭＶ２を求め、一方、加熱処理開始時の操作量ＭＶ１と操作量ＭＶが最大値ＭＶ２に達した後、元の操作量ＭＶ１に戻るまでの時間Ｔ１を求める。そしてこれらの情報Ｔ１,Ｔ２,ＭＶ１,ＭＶ２に基づいて、操作量ＭＶの飽和時間が一定となる上限値を算出するようにしても良い。

更には本発明に係る温度制御装置は、請求項８に記載するように、
<ａ> 前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理の開始を検出する加熱処理検出部と、
<ｂ３> この加熱処理検出部により加熱処理の開始が検出されたとき、加熱処理開始時の前記制御器による前記ヒータの操作量ＭＶを検出する開始操作量検出部と、
<ｃ３> この開始操作量検出部により検出された前記操作量ＭＶに一定値Ｈを加算して該操作量ＭＶの上限値を低減設定する操作量上限値決定部と
を備えたことを特徴としている。

この場合には、前記操作量上限値決定部は、例えば前記開始操作量検出部により検出された加熱処理開始時の操作量ＭＶに一定値Ｈを加えた値として前記操作量ＭＶの上限値を決定するように構成される。

本発明に係る温度制御方法および制御装置によれば、ヒータの温度を示す制御量ＰＶに着目し、ヒータでの蓄熱に起因して加熱処理時のヒータ温度が上昇している状態を、ヒータによる被加熱物の加熱処理を開始した後の制御量ＰＶの最降下値から捉え、その制御量ＰＶの最降下値に応じて操作量ＭＶに対する上限値を設定するので、ヒータを過剰に加熱することがなくなる。従ってヒータの過熱を簡易にして効果的に抑制することが可能となる。

またヒータを駆動する操作量ＭＶに着目し、加熱開始時の操作量ＭＶに応じてその操作量ＭＶが飽和している時間が一定となるようにその上限値を設定するので、ヒータに過剰な熱量を加えることを防止し、該ヒータの過熱を簡易にして効果的に抑制することが可能となる。即ち、ＰＩＤ制御における操作量ＭＶに対する上限値は、上記上限値以上の操作量ＭＶによって加熱されるヒータの過剰な熱量を制限することを目的とするものであり、その過剰な熱量は、専ら、上限値によって操作量ＭＶが制限されている時間に相当する。従って上限値により操作量ＭＶが制限されている時間が短い場合には、その分、ヒータに与えられる熱量を制限した量が少なく、逆に上記時間が長い場合には熱量を制限した量が多いと言える。

従って上述したように加熱開始時の操作量ＭＶに応じて該操作量ＭＶに対する上限値を設定し、操作量ＭＶが飽和している時間が一定となるように制御することで、加熱開始時の操作量ＭＶの変化に拘わらずヒータを過剰に加熱する熱量の制限量を一定化することができる。この結果、ヒータを過剰に加熱することがなくなり、ヒータの過熱を簡易にして効果的に抑制することが可能となる。

或いは加熱処理の開始時における操作量ＭＶに応じて、その操作量ＭＶに一定値を加えた値としてその上限値を設定するので、ヒータ温度が高く、加熱開始時の操作量が低い場合には、その上限値も低く抑えられるので、同様にヒータを過剰に加熱することがなくなる。従ってヒータの過熱を簡易にして効果的に抑制することが可能となる。

［発明の着眼点］
ヒータの温度をＰＩＤ制御する場合、急激な温度低下のような外乱に対して、温度センサにより検出される制御量ＰＶの変化に応じた操作量ＭＶの変化量は、特に比例動作と微分動作に大きく影響して急激に上昇する。この操作量ＭＶの上昇は、例えば定常的に加わる外乱によって徐々に操作量ＭＶが変化することとは無関係な上昇分であり、例えば前述したように、上下一対のヒータ２,３によって被加熱物１を挟み込むことによってヒータ温度が急激に低下したような場合に生じる不可避的なものである。

このような場合、例えば前述したヒータ２,３による被加熱物１の最初の加熱処理時におけるヒータ温度の低下と言う外乱に対する制御動作において、一般的にはその操作量ＭＶの急激な上昇は、操作量上限値により制限されて実質的に抑制される。これ故、ＰＩＤ制御パラメータは、通常、ＰＩＤ演算によって求められる操作量ＭＶの上述した操作量上限値により制限される量（上記操作量ＭＶのカット分）を想定して設定される。

しかし更に上述した急激な外乱が繰り返し加わると、徐々にその操作量ＭＶの平均的な値が低下することが否めず、これに起因して前記操作量上限値によって制限される量（操作量ＭＶのカット分）が次第に低下する。すると比例動作と微分動作とにより決定される操作量ＭＶの変化分が、前述した如く操作量上限値により制限される量（操作量ＭＶのカット分）を想定して設定されたＰＩＤパラメータに基づいて求められる操作量ＭＶとは徐々に異なってくる。この結果、ヒータ温度をＰＩＤ制御しているにも拘わらず、そのヒータ温度が徐々に高くなって過熱状態に至ることになる。

本発明は、上述した急激な外乱が繰り返し加わる状況下において生じるＰＩＤ制御系での不具合が、専ら、操作量ＭＶの操作量上限値によるカット分の変化に起因することに着目している。特に本発明においては、種々の検証により操作量上限値により制限される量（操作量ＭＶのカット分）の変化に応じてＰＩＤ制御パラメータを変更するよりも、上記操作量上限値自体をその状況に応じて変更した方が、ＰＩＤ制御による制御特性を維持しながらヒータの過剰な温度上昇を抑制し得ることを見出してなされている。
［発明の原理１］
そこで第１の発明においては、被加熱物を加熱するヒータの温度を制御量ＰＶとし、この制御量ＰＶに応じて前記ヒータを駆動する操作量ＭＶを求めて前記ヒータの駆動を制御するに際して、特に前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理を開始したときに前記制御量ＰＶの最降下値を検出し、この制御量ＰＶの最降下値に応じて前記操作量ＭＶに対する上限値を設定することを特徴としている。

即ち、第１の発明は、ヒータの温度を急激に低下させる外乱が加わったとき、ＰＩＤ制御系における制御量ＰＶは急激に低下した後、設定値ＳＰに対してオーバーシュートすることを前提としている。そしてオーバーシュートによって前記ヒータが過剰に加熱されることを防止するべく、被加熱物の加熱処理を開始したときにおける前記制御量ＰＶの最降下値ＰＶＬに応じて前記ヒータを加熱する操作量ＭＶに対する上限値ＯＨを可変設定するものとなっている。尚、制御量ＰＶの最降下値ＰＶＬと操作量ＭＶの上限値ＯＨとの関係については、予めテーブルとして登録しておいても良いし、その関係を示す数式として与えておいても良い。
［発明の原理２］
尚、制御量ＰＶの変化に着目することに代えて、操作量ＭＶに着目することも可能である。即ち、ＰＩＤ制御における操作量ＭＶに対する上限値は、上記上限値以上の操作量ＭＶによるヒータの過剰な加熱を制限する為のものであり、上限値によって制限される熱量（カット分）は、専ら、上限値によって操作量ＭＶが制限している時間に相当する。そして上限値による操作量ＭＶの制限時間が短い場合には、熱量の制限量が少なく（ヒータに与える熱量が多く）、逆に制限時間が長い場合には熱量を制限量が多くなる（ヒータに与える熱量が少なくなる）。

そこで第２の発明においては、ヒータによる被加熱物の加熱処理を開始したとき、前記操作量ＭＶが飽和している時間、即ち、上下値によって操作量ＭＶが制限されている時間を検出し、この飽和時間（制限時間）に応じて前記操作量ＭＶに対する上限値ＯＨを可変設定することを特徴としている。そして操作量ＭＶの変化に拘わることなく、制御応答のオーバシュート時にヒータに与える熱量を制限する上限値ＯＨでの前記制御量ＭＶに対するカット量を一定に保ち、これによってヒータの過熱を防止することを特徴としている。
［発明の原理３］
また第３の発明は、加熱処理の開始時における操作量ＭＶそのものに着目し、そのときの操作量ＭＶに応じてその上限値ＯＨを可変設定し、具体的には加熱処理開始時の操作量ＭＶに一定値Ｈを加えた値を上限値ＯＨとして設定することで、操作量ＭＶの変化に拘わることなく、制御応答のオーバシュート時にヒータに与える熱量自体を一定に保ち、これによってヒータの過熱を防止することを特徴としている。
［発明の第１の実施形態］
次に前述した第１の発明に係る第１の実施形態について説明する。この発明は前述した図９に示すような、順次に繰り返して供給される被加熱物１を、上下一対のヒータ２,３の間に挟み込んで加熱する装置に適用されるものであって、上記ヒータ２,３の温度をＰＩＤ制御する制御系を構築した温調計に組み込まれる機能として実現される。特に被加熱物１とヒータ２,３との接触によって前記被加熱物１を加熱したとき、被加熱物１との接触によって急激に温度低下するヒータ２,３をＰＩＤ制御の下で駆動する際、制御応答のオーバーシュートに起因して前記ヒータ２,３に次第に蓄熱される温度による影響を除去する機能として実現される。

図１はこの第１の実施形態に係る温度制御装置が備える本発明の特徴的な機能を示す概略構成図で、ここでは熱の蓄積による過熱が問題となる下側ヒータ３に対する制御の形態を例に説明する。この温度制御装置は、基本的には前記ヒータ３による被加熱物１の加熱処理の開始を検出する加熱処理検出部１１と、この加熱処理検出部１１にて検出された加熱処理の開始時に前述したＰＩＤ制御系における制御量ＰＶの最降下値ＰＶＬを検出する最降下値検出部１２を備える。上記加熱処理検出部１１は、例えばヒータ２,３による被加熱物１の挟み込み動作自体を機械的に検出するものや、その挟み込み動作を指令するコントロール信号を検出するものからなる。

尚、上記加熱処理検出部１１を、例えば温度センサにより検出される前記ヒータ３の温度（制御量ＰＶ）を監視してその単位時間当たりの変化量（変化の傾き）ΔＰＶを求め、この変化量ΔＰＶが予め設定した閾値よりも大きいとき、これを加熱処理の開始として検出するように構成することも可能である。このような制御量ＰＶの単位時間当たりの変化量ΔＰＶに着目すれば、前述したＰＩＤ制御における制御性を確実に維持することが可能となる。

また前記最降下値検出部１２は、被加熱物１との接触によってヒータ２,３の温度（制御量ＰＶ）が低下するとこれに伴ってＰＩＤ制御が働くこと、そしてこのＰＩＤ制御の下で前記制御量ＰＶが最も低下した後、ヒータ３に対する操作量ＭＶがオーバーシュートを伴いながら変化し、またそのオーバーシュートの大きさが前記制御量ＰＶの最降下値ＰＶＬに依存することを前提として、加熱処理開始時における制御量ＰＶの最降下値ＰＶＬを検出している。この最降下値ＰＶＬについては、例えばその制御量ＰＶが予め設定した制御目標値ＳＰを下回っている期間に亘って前記制御量ＰＶを監視し、最小値を逐次更新することによって求められる。尚、前述した制御量ＰＶの単位時間当たりの変化量ΔＰＶを監視して、その最降下値ＰＶＬを求めることも勿論可能である。

そしてこの実施形態に係る温度制御装置は、更に上述した最降下値検出部１２にて求められた前記ヒータ３による被加熱部１の加熱処理開始時における制御量ＰＶの最降下値ＰＶＬに基づいて、例えばテーブル記憶部１３を参照して前述したＰＩＤ制御系における前記ヒータ２,３の操作量ＭＶに対する上限値ＯＨを可変設定する操作量上限値決定部１４を備えることを特徴としている。

前記テーブル記憶部１３は、予め実験によって求めたＰＩＤ制御系における前記最降下値ＰＶＬと、ヒータ３が過熱状態に至ることのない操作量ＭＶの上限値ＯＨとの関係を記述したものであり、例えば下側ヒータ３を１００℃に温度制御する場合（ＳＰ＝１００）には、図２に示すような関係（テーブル１３ａ）として与えられる。尚、ここでは最降下値ＰＶＬと上限値ＯＨとの関係を線形なものとして与えているが、非線形な関係であっても勿論良い。また前記最降下値検出部１２にて検出された最降下値ＰＶＬが、テーブル記憶部１３に記述されたテーブル１３ａの最降下値ＰＶＬに合致しない場合に、テーブル１２３ａに記述された関係から補間処理によって最降下値ＰＶＬの検出値に相当する上限値ＯＨを求めても良いことは言うまでもない。

尚、テーブル記憶部１３を用いて最降下値ＰＶＬと操作量ＭＶの上限値ＯＨとの関係（テーブル１３ａ）を記述することに代えて、その関係を示す数式を、例えば
ＯＨ＝ＯＨＸ−α（ＰＶＬ−ＰＶＸ）
等として予め求めておき、この数式に前記最降下値検出部１２にて検出された最降下値ＰＶＬを代入して上限値ＯＨを求めることも可能である。但し、上記ＯＨＸは、操作量ＰＶの上限値に対する基準上限値であり、またＰＶＸは最降下値ＰＶＬの基準値である。具体的には前記ヒータ３の制御目標温度（設定値）ＳＰが１００℃として与えられる場合には、前記基準上限値ＯＨＸは［１００］等として、また最降下基準値ＰＶＸは［９５］等として与えられる。この数式によって図２に示すテーブル１３ａと同様に、最降下値ＰＶＬと上限値ＯＨとの関係が示されることになる。

かくして上述したように加熱処理開始時における制御量ＰＶの最降下値ＰＶＬに応じてその操作量ＭＶに対する上限値ＯＨを可変設定する本発明の第１の実施形態によれば、図３(ａ)(ｂ)に制御量ＰＶおよび操作量ＭＶの変化の様子を模式的に示すように、繰り返し与えられる外乱によって生じる制御量ＰＶの最降下値ＰＶＬの変化に応じて、操作量ＭＶの上限値ＯＨが変化する。

即ち、ヒータ３の温度を急激に低下させるような外乱が周期的に加わると、これに伴って図３(ａ)に示すように制御量ＰＶが急激に低下し、これを受けたＰＩＤ制御の作用によって図３(ｂ)に示すようにヒータ３に対する操作量ＭＶが急激に増加する。するとこの操作量ＭＶの急激な増大に伴ってヒータ３の温度である制御量ＰＶが増大し、オーバーシュートを生じた後、元の温度（設定値ＳＰ）に戻ろうとする。しかしＰＩＤ制御の下で前記ヒータ３の温度である制御量ＰＶが元の値に戻る前に次の外乱が加わると、ヒータ３の温度（制御量ＰＶ）は、その制御目標温度（設定値ＳＰ）よりも高い状態から急激に低下するので、オーバーシュートを生じる前の最降下値ＰＶＬは、前回の外乱印加時よりも高くなる。この結果、図３(ｂ)に示すようにヒータ３に対する操作量ＭＶが前回の外乱印加時よりも小さくなり、操作量ＭＶが上限値ＯＨによって制限されることなくヒータ３にそのまま加えられるようになる。この現象が、前述したヒータ３の蓄熱によって生じる過熱状態の発生要因である。

この点、この実施形態においては図３(ａ)に示すように外乱の印加によって生じる制御量ＰＶの急激な低下時における最降下値ＰＶＬが上昇した場合、前述したテーブル記憶部１３に記述された上記最降下値ＰＶＬと上限値ＯＨとの関係に従って、上昇した最降下値ＰＶＬに応じて操作量ＭＶに対する上限値ＯＨが低減設定される。この結果、図３(ｂ)に示すように次に外乱が加わったときには、制御量ＰＶの変化に応じて生成される操作量ＭＶが上述した如く低減設定された上限値ＯＨにより制限されることになり、ヒータ３に対して過剰に熱量を与えることが抑制される。そしてこの制御量ＭＶの上限値ＯＨによる抑制効果によってヒータ３の過熱が次第に抑えられることになる。

従ってこの実施形態によれば、ＰＩＤ制御の下で外乱に対するヒータ３の温度変化を補償する前に次の外乱が繰り返し加わるような場合であっても、ヒータ３の過熱（不本意な温度上昇）を効果的に抑制することができる。特に制御量ＰＶがオーバーシュートする前に最降下値ＰＶＬに応じて操作量ＭＶに対する上限値ＯＨを可変設定するだけでヒータ３の過熱（不本意な温度上昇）を抑制することができ、その制御が簡単である。しかもヒータ３に蓄積された熱量に応じてＰＩＤ制御パラメータを変更するのではなく、単に操作量ＭＶに対する上限値ＯＨを可変設定するだけなので、ＰＩＤ制御特性を維持したままヒータ３の温度を制御することができる。故にヒータ３の温度制御を簡易にして効果的に実行し、その温度を適正化することが可能となる。
［発明の第２の実施形態］
ところで上述した第１の実施形態においては制御量ＰＶに着目して、特にオーバーシュート前の制御量ＰＶの最降下値ＰＶＬに着目して操作量ＭＶに対する上限値ＯＨを設定したが、前述したようにオーバーシュート前の操作量ＭＶに着目して操作量ＭＶの上限値ＯＨを可変設定することも可能である。図４はこのような操作量ＭＶに着目した本発明の第２の実施形態に係る温度制御装置が備える特徴的な機能を示す概略構成図である。

この温度制御装置は、前述した第１の実施形態と同様に前記ヒータ３による被加熱物１の加熱処理の開始を検出する加熱処理検出部２１を備えると共に、この加熱処理検出部２１にて加熱処理の開始が検出されたときに起動されて、加熱処理開始時における前記操作量ＭＶの飽和時間を計測する飽和時間計測部２２を備える。尚、前記加熱処理検出部２１は、前述した第１の実施形態における加熱処理検出部１１と同様なものからなる。

ちなみに前記飽和時間計測部２２は、制御量ＰＶの変化に応じてＰＩＤ演算される操作量ＭＶが最大値となった状態、および上記操作量ＭＶが前述した上限値ＯＨにより規制されて最大値（上限値）となっている状態を該操作量ＭＶが飽和している継続時間Ｔ２として検出する役割を担う。尚、この飽和時間計測部２２においては、同時に操作量ＭＶが飽和しているときの値（最大操作量）ＭＶ２を求めると共に、その操作量ＭＶが元の操作量ＭＶ１、つまり外乱が加わることによって制御量ＰＶが変化し、これに伴って操作量ＭＶが変化する前の状態での操作量ＭＶに戻るまでの時間Ｔ１についても計測するものとなっている。

そして操作量上限値決定部２３においては、予め求められて数式記憶部２４に登録された前記飽和時間と上限値ＯＨとの関係を示す式に基づいて、前記飽和時間計測部２２にて計測された操作量ＭＶの飽和時間Ｔ２から、その飽和時間を一定にする為の上限値ＯＨを算出している。この操作量上限値決定部２３にて計算された上限値ＯＨにて前記操作量ＭＶに対して設定されている上限値ＯＨが更新され、その後の温度制御ルーチンにおいて操作量ＭＶの飽和時間が一定化される。

具体的には前記操作量上限値決定部２３は、操作量ＭＶの変化が図５に示すように直線的であると看做し、操作量ＭＶが外乱の入力に伴って変化する操作量ＭＶが上限値ＯＨによって規定されて飽和している時間Ｔ２およびそのときの最大操作量ＭＶ２と、その操作量ＭＶがＰＩＤ動作開始前の元の値ＭＶ１に戻るまでの時間Ｔ１とから、例えば一定の飽和時間ＴＸを得る上限値ＯＨを
ＯＨ＝（ＭＶ２−ＭＶ１）（Ｔ１−ＴＸ）／（Ｔ１−Ｔ２）＋ＭＶ１
として幾何学的に算出している。

かくしてこのようにして上限値ＯＨが設定される制御系によれば、図６(ａ)(ｂ)にヒータ３の温度を急激に低下させる外乱が繰り返し加わったときの制御量ＰＶおよび操作量ＭＶの変化の様子を模式的に示すように、繰り返し与えられる外乱によって生じる制御量ＰＶ変化に追従して演算される操作量ＭＶを規定する上限値ＯＨが、該操作量ＭＶの飽和時間を一定化するように変化する。即ち、制御系に外乱が加わることによって操作量ＭＶが変化したとき、その操作量ＭＶが飽和している時間Ｔ２が計測され、この飽和時間に応じて該飽和時間を一定化するように操作量ＭＶに対する上限値ＯＨが変更される。この結果、外乱によって変化した制御量ＰＶが元の状態に戻る前に次の外乱が加わったとしても、上述した如く設定された上限値ＯＨによって操作量ＭＶの飽和時間が維持され、これによって操作量ＭＶの飽和時間が一定化制御される。

従って先の第１の実施形態と同様に、ＰＩＤ制御の下で外乱に対するヒータ３の温度変化を補償する前に次の外乱が繰り返し加わるような場合であっても、ヒータ３の過熱（不本意な温度上昇）を効果的に抑制することができる。また操作量ＭＶの飽和時間を一定化するので、ＰＩＤ制御の下でヒータ３に供給しようとする熱量のうち、前記上限値ＯＨにより制限する熱量（カット分）を一定にすることができるので、ヒータ３を過剰に加熱することなく制御応答性良くヒータ３の温度を制御することが可能となる。特にこの場合、第１の実施形態と異なって制御量ＰＶを監視するものではないので、第１の実施形態に比較してその制御効果が早く表れると言う利点がある。
［発明の第３の実施形態］
ところで操作量ＭＶに応じて上限値ＯＨを可変設定するに際し、操作量ＭＶそのものに着目することで、更に簡単にヒータ３の過熱を抑制することも可能である。図７はその実施形態を示すもので、温度制御装置が備える特徴的な機能を示す概略構成を示している。

この温度制御装置は、前述した第１の実施形態と同様に前記ヒータ３による被加熱物１の加熱処理の開始を検出する加熱処理検出部３１を備えると共に、この加熱処理検出部３１にて加熱処理の開始が検出されたとき、その加熱処理開始時における操作量ＭＶ、具体的には加熱処理開始に伴って操作量ＭＶが変化する直前の値ＭＶ１を計測する開始操作量検出部３２を備える。尚、前記加熱処理検出部３１は、前述した第１の実施形態における加熱処理検出部１１と同様なものからなる。

そして操作量上限値決定部３３においては、予め求められて数式記憶部３４に登録された制御開始時の操作量ＭＶ１と上限値ＯＨとの関係を示す式に基づいて、前記開始操作量検出部３２にて計測された操作量ＭＶ１に応じた上限値ＯＨを算出している。具体的には操作量上限値決定部３３は、開始操作量検出部３２にて計測された操作量ＭＶ１に一定値Ｈを加算し、
ＯＨ＝ＭＶ１＋Ｈ
として上限値ＯＨを算出している。この操作量上限値決定部２３にて計算された上限値ＯＨにて既に前記操作量ＭＶに対して設定されている上限値ＯＨが更新され、その後の温度制御ルーチンにおいて操作量ＭＶの最大値が規定される。

かくしてこのような実施形態によれば、図８(ａ)(ｂ)にヒータ３の温度を急激に低下させる外乱が繰り返し加わったときの制御量ＰＶおよび操作量ＭＶの変化の様子を模式的に示すように、繰り返し与えられる外乱によって生じる制御量ＰＶ変化に追従して演算される操作量ＭＶを規定する上限値ＯＨが、その制御開始時における操作量ＭＶ１に応じて可変設定される。この結果、外乱によって変化した制御量ＰＶが元の状態に戻る前に次の外乱が加わったとしても、上述した如く設定された上限値ＯＨによって操作量ＭＶの最大値が抑えられるので、ヒータ３への過剰な熱量の供給が抑制される。またこのような制御系によれば、外乱に起因して制御動作が開始されるときの操作量ＭＶ１に応じて上限値ＯＨがリアルタイムに可変設定されるので、制御遅れなくヒータ３の過熱を抑制することができる。また前述した各実施形態と同様に、ＰＩＤ制御パラメータを変更する必要がないので、その制御応答性を十分に確保しうると言う利点がある。
［発明の他の実施形態］
尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない、ここでは下側ヒータ３に対する温度制御を例に説明したが上側ヒータ２に対しても同様に実施することができる。また上下一対のヒータ２,３によって被加熱物１を挟み込んで加熱する場合のみならず、１つのヒータだけをそなえ、そのヒータを被加熱物１に接触させて加熱する場合でも同様に適用することができる。要は本発明はヒータ等の温度制御対象物に、その温度を急激に低下させるような外乱が繰り返し与えられるような場合に適用するに好適なものであって、例えば温調計が備える機能や、温調計が形成した制御系に付加的に組み込まれる装置等として、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の第１の実施形態に係る温度制御装置が備える本発明の特徴的な機能を示す概略構成図。 図１に示すテーブル記憶部に記録される最降下値ＰＶＬと操作量ＭＶの上限値ＯＨとの関係の一例を示す図。 第１の実施形態に係る制御の下での制御量ＰＶおよび操作量ＭＶの変化の様子を模式的に示す図。 本発明の第２の実施形態に係る温度制御装置が備える本発明の特徴的な機能を示す概略構成図。 図４に示す操作量上限値決定部での上限値ＯＨの決定手法の例を示す図。 第２の実施形態に係る制御の下での制御量ＰＶおよび操作量ＭＶの変化の様子を模式的に示す図。 本発明の第３の実施形態に係る温度制御装置が示す概略構成図。 第３の実施形態に係る制御の下での制御量ＰＶおよび操作量ＭＶの変化の様子を模式的に示す図。 本発明が適用される加熱装置の例を示す図。 図９に示す加熱装置における外乱印加時のヒータの温度変化を示す図。 従来の温度制御の形態とその問題点を説明する為の、ＰＩＤ制御の下での外乱印加時における制御量ＰＶおよび操作量ＭＶの変化を模式的に示す図。

符号の説明

１１ 加熱処理検出部
１２ 最降下値検出部
１３ テーブル記憶部
１４ 操作量上限値決定部
２１ 加熱処理検出部
２２ 飽和時間計測部
２３ 操作量上限値決定部
２４ 数式記憶部
３１ 加熱処理検出部
３２ 開始操作量検出部
３３ 操作量上限値決定部
３４ 数式記憶部

Claims (8)

1. 繰り返し供給される被加熱物により温度を急激に低下させる外乱が繰り返し与えられるように作用する該被加熱物を加熱するヒータの温度を制御量ＰＶとし、この制御量ＰＶに応じて前記ヒータを駆動する操作量ＭＶを求めて前記ヒータの駆動を制御するに際し、
   前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理を開始したとき、前記制御量ＰＶの最降下値を検出し、この制御量ＰＶの最降下値の上昇に応じて前記操作量ＭＶに対する上限値を低減設定することを特徴とする温度制御方法。
2. 繰り返し供給される被加熱物により温度を急激に低下させる外乱が繰り返し与えられるように作用する該被加熱物を加熱するヒータの温度を制御量ＰＶとし、この制御量ＰＶに応じて前記ヒータを駆動する操作量ＭＶを求めて前記ヒータの駆動を制御するに際し、
   前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理を開始したとき、前記操作量ＭＶが飽和している時間を検出し、この飽和時間の短縮に応じて該飽和時間を一定化するように前記操作量ＭＶに対する上限値を低減設定することを特徴とする温度制御方法。
3. 繰り返し供給される被加熱物により温度を急激に低下させる外乱が繰り返し与えられるように作用する該被加熱物を加熱するヒータの温度を制御量ＰＶとし、この制御量ＰＶに応じて前記ヒータを駆動する操作量ＭＶを求めて前記ヒータの駆動を制御するに際し、
   前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理を開始したとき、その加熱処理開始時における前記操作量ＭＶを検出し、この加熱処理開始時における操作量ＭＶに一定値Ｈを加算して該操作量ＭＶに対する上限値を低減設定することを特徴とする温度制御方法。
4. 前記ヒータは、前記被加熱物に接触して該被加熱物を加熱するものであって、
   前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理の開始は、前記ヒータと前記被加熱物との接触時として検出されるものである請求項１〜３のいずれかに記載の温度制御方法。
5. 繰り返し供給される被加熱物により温度を急激に低下させる外乱が繰り返し与えられるように作用する該被加熱物を加熱するヒータと、このヒータの温度を検出する温度センサと、この温度センサの出力に基づいて前記ヒータの駆動を制御する制御器とを具備した温度制御装置であって、
   前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理の開始を検出する加熱処理検出部と、
   この加熱処理検出部により加熱処理の開始が検出されたとき、前記温度センサから前記制御器に与えられる制御量ＰＶの最降下値を検出する最降下値検出部と、
   この最降下値検出部により検出された前記制御量ＰＶの最降下値の上昇に応じて前記制御器による前記ヒータの操作量ＭＶの上限値を低減設定する操作量上限値決定部と
   を具備したことを特徴とする温度制御装置。
6. 前記操作量上限値決定部は、予め定めた前記制御量ＰＶの最降下値と前記操作量ＭＶの上限値との関係を記述したテーブルを参照して、または上記関係を示す数式に前記制御量ＰＶの最降下値を代入して前記操作量ＭＶの上限値を決定するものである請求項５に記載の温度制御装置。
7. 繰り返し供給される被加熱物により温度を急激に低下させる外乱が繰り返し与えられるように作用する該被加熱物を加熱するヒータと、このヒータの温度を検出する温度センサと、この温度センサの出力に基づいて前記ヒータの駆動を制御する制御器とを具備した温度制御装置であって、
   前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理の開始を検出する加熱処理検出部と、
   この加熱処理検出部により加熱処理の開始が検出されたとき、前記制御器による前記ヒータの操作量ＭＶが飽和している時間を検出する飽和時間検出部と、
   この飽和時間検出部により検出された前記操作量ＭＶの飽和時間の短縮に応じて該飽和時間を一定化するように該操作量ＭＶの上限値を低減設定する操作量上限値決定部と
   を具備したことを特徴とする温度制御装置。
8. 繰り返し供給される被加熱物により温度を急激に低下させる外乱が繰り返し与えられるように作用する該被加熱物を加熱するヒータと、このヒータの温度を検出する温度センサと、この温度センサの出力に基づいて前記ヒータの駆動を制御する制御器とを具備した温度制御装置であって、
   前記ヒータによる前記被加熱物の加熱処理の開始を検出する加熱処理検出部と、
   この加熱処理検出部により加熱処理の開始が検出されたとき、加熱処理開始時の前記制御器による前記ヒータの操作量ＭＶを検出する開始操作量検出部と、
   この開始操作量検出部により検出された前記操作量ＭＶに一定値Ｈを加算して該操作量ＭＶの上限値を低減設定する操作量上限値決定部と
   を具備したことを特徴とする温度制御装置。

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