JP5373550B2

JP5373550B2 - 温度制御装置および異常判定方法

Info

Publication number: JP5373550B2
Application number: JP2009245269A
Authority: JP
Inventors: 雅人田中; 文仁菅原
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: JP2011090610A

Description

本発明は、制御対象の温度を制御する温度制御装置に係り、特にセンサ剥れなどの装置の異常や温度計測値の異常を検出する技術に関するものである。

温調計などの汎用の温度制御装置は、原則として不特定の加熱・冷却系を制御対象とすることが前提になっている。このような汎用の温度制御装置では、センサ（熱電対）によって制御対象の温度を計測することが行なわれている。また、計測される温度の正常な制御範囲を規定するために計測値に対する上下限値が予め設定されており、上下限値から外れたレンジオーバーの際に温度制御装置からアラームが出力される。

このとき、レンジオーバーに至る際の温度計測値の変化率に閾値を設定し、変化率が閾値を超えてレンジオーバーに至った場合には、センサ断線が発生したものと判定し、レンジオーバーのアラームではなく、センサ断線のアラームを出力する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００６−３２５３３４号公報

温度を計測するセンサとして使用される熱電対は寿命により断線することがあるが、熱電対を温度計測対象物の表面（計測面）に貼り付けて使用する場合には、センサ剥れと言うべき現象も発生し得る。この現象は、計測面への貼り付け方にミスがあるなどの原因により、計測面から熱電対が剥れて、正しい温度計測ができなくなるものである。この場合、センサが完全に剥れてしまえば、センサ断線の場合と同様に温度計測値がレンジオーバーになるのでアラームも出力されるが、中途半端な剥れ方の場合、温度計測値が不連続に急変したり戻ったりという現象になり、レンジオーバーに至らないことも多い。

したがって、従来のレンジオーバーを判断指標として利用する検出方法では、センサ剥れを検出することはできない。センサ剥れは、センサが中途半端に剥れたままであれば、温度計測値のズレとしてオペレータが異常を認識することも可能かも知れないが、計測面に伝わる振動などにより接触不良の状態が瞬間的に起こる程度であれば、一時的に温度計測値が急変するだけなので、オペレータが異常を認識するのは難しくなる。また、温度計測値の急変による問題は、その計測値に基づいて温度制御が行なわれているのであれば、加熱状態の一時的な異常に繋がる。しかし、例えば熱処理プロセスであれば、熱処理対象物の温度履歴に影響する程度になるので、すぐには悪影響が及んでいるか否かを判別し難い。また、温度制御のアクチュエータがバルブなどのメカニカルなものであれば、温度計測値の急変による急激な動作がアクチュエータの寿命に影響を与えることになるが、このようなアクチュエータの寿命への悪影響も早期に把握できるものではない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、センサ剥れなどの装置の異常や温度計測値の異常を検出することができる温度制御装置および異常判定方法を提供することを目的とする。

本発明の温度制御装置は、通常の制御動作時にヒータに電力を供給する電力調整器に操作量ＭＶを出力して制御対象の温度ＰＶを制御するＰＩＤ演算手段と、前記電力調整器に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて前記ＰＩＤ演算手段のＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するＡＴ実行手段と、ＡＴ実行時の温度ＰＶの最大昇温変化率を検出する最大昇温変化率検出手段と、ＡＴ実行時の温度ＰＶの最大降温変化率を検出する最大降温変化率検出手段と、前記最大昇温変化率と前記最大降温変化率とを利用して異常判定用の閾値を決定する閾値算出手段と、通常の制御動作時に計測される温度ＰＶの変化率ΔＰＶを検出する変化率検出手段と、通常の制御動作時に前記変化率ΔＰＶが前記閾値よりも大きな値になった場合に異常と判定する異常判定手段と、この異常判定手段の判定結果をオペレータに通知する判定出力手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の温度制御装置の１構成例において、前記閾値算出手段は、前記最大昇温変化率と前記最大降温変化率とを加算した結果に予め規定された係数α（α≧１．０）を乗算して前記閾値を算出することを特徴とするものである。

また、本発明の異常判定方法は、ヒータに電力を供給する電力調整器に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクルを発生させてＰＩＤ演算手段のＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するＡＴ実行手順と、ＡＴ実行時の制御対象の温度ＰＶの最大昇温変化率を検出する最大昇温変化率検出手順と、ＡＴ実行時の制御対象の温度ＰＶの最大降温変化率を検出する最大降温変化率検出手順と、前記最大昇温変化率と前記最大降温変化率とを利用して異常判定用の閾値を決定する閾値算出手順と、前記ＰＩＤ演算手段が前記電力調整器に操作量ＭＶを出力して温度ＰＶを制御する通常の制御動作時に、温度ＰＶの変化率ΔＰＶを検出する変化率検出手順と、通常の制御動作時に前記変化率ΔＰＶが前記閾値よりも大きな値になった場合に異常と判定する異常判定手順と、この異常判定手順の判定結果をオペレータに通知する判定出力手順とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、リミットサイクル方式のオートチューニングを実行することにより、温度ＰＶの正常な最大変化率である最大昇温変化率と最大降温変化率とを取得し、この最大昇温変化率と最大降温変化率に基づいて異常判定用の閾値を決定するようにしたので、実用レベルの信頼性のある閾値を決定することができる。その結果、本発明では、温度ＰＶが急変する異常だけでなく、センサ剥れなどの装置の異常も検出することができる。

半導体製造装置のテープボンダの構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る温度制御装置の構成を示すブロック図である。リミットサイクル方式のオートチューニングの実行中における制御対象の温度の波形の例を示す図である。本発明の実施の形態に係る温度制御装置のオートチューニング実行時の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る温度制御装置の異常判定動作を示すフローチャートである。

［発明の原理］
計測面に貼り付けて使用する温度センサでは、センサ剥れが発生すると、温度センサで計測する温度ＰＶの不安定ぶりは温度ＰＶの異常な急変現象として現れる。しかし、異常と判定するための閾値を決めるための知識と作業が要求される。センサ寿命による断線を検出する場合であれば、通常は断線に至るまでに正常な状態での計測が十分に行なわれることになるので、十分な計測データを参照しながらオペレータが適宜決定することが可能である。

しかし、センサ剥れは、多くの場合、計測面に伝わる振動などにより発生するので、熱処理プロセス装置が稼動状態に入ったらすぐに発生する可能性も高い。このような事情により、正常な計測状態を特定するのに十分なデータが得られる以前にセンサ剥れが発生することもあり、極端な場合には、センサ剥れによる温度ＰＶの急変現象も、その熱処理プロセスの正常な現象の範囲のように誤解されることもある。

つまり、熱処理プロセスが稼動状態に入る前に、正常な計測状態の目処を立てることが、センサ剥れの自動検出を実用水準に近づけるための重要な要素であることに、発明者は着眼した。そして、温度計測に基づきＰＩＤ制御により温度が制御される場合には、リミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を行なえば、温度ＰＶの正常な最大変化率の目処が得られることに想到した。すなわち、ＡＴ実行時の温度計測値に基づき異常と判定するための閾値を自動決定すれば、実用レベルの信頼性のある閾値が得られることになる。

また、ＡＴは装置が稼動状態に入る前に実施するものなので、搬送機構などの稼動装置が停止しており、計測面に振動が伝わるようなことは少ないので、汎用的な方法として利用できるケースが多いことも重要な特徴である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について説明する。半導体製造装置のテープボンダなどでは、上下のヒータを用いて被加熱物を挟み込んで熱を与えることにより、被加熱物に対する加熱処理を高速で実施する。図１（Ａ）は半導体製造装置のテープボンダの構成を示す図であり、図１（Ｂ）は上下のヒータを用いて被加熱物を挟み込んだときの様子を示す図である。図１（Ａ）、図１（Ｂ）において、１００は電子部品実装基板などの被加熱物、１０１は上部ヒータ、１０２は下部ヒータ、１０３は上部ヒータ１０１に貼り付けられた温度センサ、１０４は上部ヒータ１０１を移動させるヒータヘッド、１０５は温度センサ１０３によって計測された温度ＰＶが温度設定値ＳＰと一致するように操作量ＭＶを算出する温調計、１０６は操作量ＭＶに応じてヒータ１０１，１０２に電力を供給する電力調整器である。

ヒータヘッド１０４は、図１（Ｂ）に示すように上部ヒータ１０１を下降させて、被加熱物１００を上部ヒータ１０１と下部ヒータ１０２で挟み込んで熱を与える。この工程は、被加熱物１００を交換しながら繰り返し行われる。上部ヒータ１０１と下部ヒータ１０２を特定の高温状態に維持することで、加熱処理を効率よく進めることができるが、この加熱処理が例えばテープを被加熱物１００に溶着する処理である場合は、必要以上に高温になることは避けなければならないので、上部ヒータ１０１と下部ヒータ１０２は温調計１０５によって必要かつ適度な温度に制御される。図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示したテープボンダの場合、上部ヒータ１０１が下降して被加熱物１００と接触したときに、微小な振動が温度センサ１０３に伝わることになり、この振動がセンサ剥れの原因になり得る。

図２は本発明の実施の形態に係る温度制御装置の構成を示すブロック図である。温度制御装置は、温度センサによって計測された温度ＰＶを入力するＰＶ入力部１と、通常の制御動作時に温度設定値ＳＰと温度ＰＶとの偏差に基づき操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算部２と、ＰＩＤ演算部２によって算出された操作量ＭＶを制御対象に出力するＭＶ出力部３と、リミットサイクル方式のＡＴによりＰＩＤパラメータを算出するＡＴ実行部４と、ＡＴ実行部４が算出したＰＩＤパラメータを記憶するＰＩＤパラメータ記憶部５と、ＡＴ実行時の最大昇温変化率を検出する最大昇温変化率検出部６と、ＡＴ実行時の最大降温変化率を検出する最大降温変化率検出部７と、検出された最大昇温変化率と最大降温変化率とを利用して異常判定用の閾値を算出する閾値算出部８と、ＰＩＤ制御を実行中に計測される制御量ＰＶの変化率ΔＰＶを検出する変化率検出部９と、変化率ΔＰＶが閾値よりも大きな値になった場合に異常と判定する異常判定部１０と、異常判定部１０の判定結果をオペレータに通知する判定出力部１１とを備える。この温度制御装置は、例えば図１に示した温調計１０５の内部に設けられる。

図３は、操作量振幅が一定のリミットサイクルを発生させてＰＩＤ演算部２のＰＩＤパラメータを調整するリミットサイクル方式のＡＴの実行中における制御対象の温度ＰＶ（制御量）の波形の例を示す図である。ＡＴ実行時の操作量上限値ＯＨ＿ＡＴは１００％であり、操作量下限値ＯＬ＿ＡＴは０％に設定されている。

ヒータヘッド全体の熱保有状態（いわゆる温まり具合）の影響があまりないため、ＡＴ実行中の平均操作量ＭＶが約５０％になっている。このとき、温度ＰＶの最大昇温変化率ＡＴＵは０．０７５３℃／ｓｅｃ．であり、最大降温変化率ＡＴＤは０．０７７７℃／ｓｅｃ．である。これらより、ＡＴＵ＋ＡＴＤの数値は０．１５３になり、温度ＰＶの正常な最大変化率の目処がこの値になる。

以下、本実施の形態の温度制御装置の動作をより詳細に説明する。図４は温度制御装置のＡＴ実行時の動作を示すフローチャートである。
温度設定値ＳＰは、オペレータによって設定され、ＰＩＤ演算部２とＡＴ実行部４とに入力される。温度ＰＶは、温度センサによって計測され、ＰＶ入力部１を介してＰＩＤ演算部２とＡＴ実行部４と変化率検出部９とに入力される。

例えばオペレータの指示によりＡＴ機能が起動すると（図４ステップＳ１）、ＡＴ実行部４は、リミットサイクルを発生させてＡＴを実行する（ステップＳ２）。つまり、ＡＴ実行部４は、温度ＰＶが温度設定値ＳＰより大きい場合、予め定められた操作量下限値ＯＬ＿ＡＴを操作量ＭＶとして制御対象に出力し、温度ＰＶが温度設定値ＳＰ以下の場合、予め設定された操作量上限値ＯＨ＿ＡＴを操作量ＭＶとして制御対象に出力することを、一定の動作周期毎に繰り返し行う。こうして、図３に示したような操作量ＭＶの振幅が一定のリミットサイクルが発生する。なお、図１（Ａ）の例の場合、操作量ＭＶは電力調整器１０６に出力されることは言うまでもない。

そして、ＡＴ実行部４は、操作量ＭＶの出力に応じた温度ＰＶの応答に基づいてＰＩＤパラメータを算出し、このＰＩＤパラメータをＰＩＤパラメータ記憶部５に記憶させる（ステップＳ２）。なお、リミットサイクル方式のＡＴについては、例えば特開２００３−３３０５０４号公報に開示されているので、ＰＩＤパラメータの算出方法については説明を省略する。

最大昇温変化率検出部６は、ＡＴ実行時の温度ＰＶの時間当たりの最大昇温変化率ＡＴＵ［℃／ｓｅｃ．］を検出し（ステップＳ３）、最大降温変化率検出部７は、ＡＴ実行時の温度ＰＶの時間当たりの最大降温変化率ＡＴＤ［℃／ｓｅｃ．］を検出する（ステップＳ４）。

閾値算出部８は、最大昇温変化率ＡＴＵと最大降温変化率ＡＴＤとから、次式により異常判定のための閾値Ｔを決定する（ステップＳ５）。
Ｔ＝α（ＡＴＵ＋ＡＴＤ）・・・（１）
式（１）において、α（α≧１．０）は予め規定された係数である。なお、係数αを１以上とした理由は、異常通知の誤報を削減するためである。以上で、温度制御装置の本稼働前に行う処理が終了する。

次に、温度制御装置の通常の制御動作について説明する。ＰＩＤ演算部２は、温度設定値ＳＰとＰＶ入力部１から入力された温度ＰＶに基づいて周知のＰＩＤ制御演算を行い、温度設定値ＳＰと温度ＰＶとが一致するように操作量ＭＶを算出してＭＶ出力部３に出力する。図１（Ａ）の例の場合、操作量ＭＶはＭＶ出力部３を介して電力調整器１０６に出力されることは言うまでもない。

このような制御動作中に、変化率検出部９と異常判定部１０と判定出力部１１とは、以下のような異常判定動作を行う。図５は温度制御装置の異常判定動作を示すフローチャートである。
変化率検出部９は、ＰＩＤ制御を実行中に計測される温度ＰＶの変化率ΔＰＶを検出する（図５ステップＳ６）。

異常判定部１０は、温度ＰＶの変化率ΔＰＶと閾値算出部８によって決定された閾値Ｔとを比較し（ステップＳ７）、変化率ΔＰＶが閾値Ｔを超えたときに（ΔＰＶ＞Ｔ）、センサ剥れ等の異常が発生していると判定する（ステップＳ８）。
判定出力部１１は、異常判定部１０の判定結果をオペレータに通知する（ステップＳ９）。異常発生の通知方法としては、例えばランプの点灯や、警報音の出力、メッセージの表示等がある。

変化率検出部９と異常判定部１０と判定出力部１１とは、ステップＳ６〜Ｓ９の処理を例えばオペレータの指示により制御が終了するまで（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、一定時間毎に行う。

以上のように、本実施の形態では、リミットサイクル方式のＡＴを実行することにより、温度ＰＶの正常な最大変化率である最大昇温変化率ＡＴＵと最大降温変化率ＡＴＤとを取得し、この最大昇温変化率ＡＴＵと最大降温変化率ＡＴＤに基づいて異常判定用の閾値を決定するようにしたので、実用レベルの信頼性のある閾値を決定することができる。その結果、本実施の形態では、温度ＰＶが急変する異常だけでなく、センサ剥れなどの装置の異常も検出することができる。

また、ＡＴ実行中は図３に示したように温度ＰＶが上下動するので、被加熱物を挟み込んで熱を与えるという稼動状態にするようなことは行なわれない。したがって、ヒータヘッドの移動・停止に伴う振動が発生することはなく、センサ剥れが発生する確率は極めて低い。この状態でのＡＴ動作であるから、制御特性としての温度ＰＶの正常な最大変化率を、効率よく、かつオペレータが特に意識することなく、計測することができる。

なお、本実施の形態で説明した温度制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、制御対象の温度を制御するプロセス制御技術に適用することができる。

１…ＰＶ入力部、２…ＰＩＤ演算部、３…ＭＶ出力部、４…ＡＴ実行部、５…ＰＩＤパラメータ記憶部、６…最大昇温変化率検出部、７…最大降温変化率検出部、８…閾値算出部、９…変化率検出部、１０…異常判定部、１１…判定出力部。

Claims

通常の制御動作時にヒータに電力を供給する電力調整器に操作量ＭＶを出力して制御対象の温度ＰＶを制御するＰＩＤ演算手段と、
前記電力調整器に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクルを発生させて前記ＰＩＤ演算手段のＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するＡＴ実行手段と、
ＡＴ実行時の温度ＰＶの最大昇温変化率を検出する最大昇温変化率検出手段と、
ＡＴ実行時の温度ＰＶの最大降温変化率を検出する最大降温変化率検出手段と、
前記最大昇温変化率と前記最大降温変化率とを利用して異常判定用の閾値を決定する閾値算出手段と、
通常の制御動作時に計測される温度ＰＶの変化率ΔＰＶを検出する変化率検出手段と、
通常の制御動作時に前記変化率ΔＰＶが前記閾値よりも大きな値になった場合に異常と判定する異常判定手段と、
この異常判定手段の判定結果をオペレータに通知する判定出力手段とを備えることを特徴とする温度制御装置。
請求項１記載の温度制御装置において、
前記閾値算出手段は、前記最大昇温変化率と前記最大降温変化率とを加算した結果に予め規定された係数α（α≧１．０）を乗算して前記閾値を算出することを特徴とする温度制御装置。
ヒータに電力を供給する電力調整器に一定振幅の操作量ＭＶを繰り返し出力するリミットサイクルを発生させてＰＩＤ演算手段のＰＩＤパラメータを設定するリミットサイクル方式のオートチューニング（ＡＴ）を実行するＡＴ実行手順と、
ＡＴ実行時の制御対象の温度ＰＶの最大昇温変化率を検出する最大昇温変化率検出手順と、
ＡＴ実行時の制御対象の温度ＰＶの最大降温変化率を検出する最大降温変化率検出手順と、
前記最大昇温変化率と前記最大降温変化率とを利用して異常判定用の閾値を決定する閾値算出手順と、
前記ＰＩＤ演算手段が前記電力調整器に操作量ＭＶを出力して温度ＰＶを制御する通常の制御動作時に、温度ＰＶの変化率ΔＰＶを検出する変化率検出手順と、
通常の制御動作時に前記変化率ΔＰＶが前記閾値よりも大きな値になった場合に異常と判定する異常判定手順と、
この異常判定手順の判定結果をオペレータに通知する判定出力手順とを備えることを特徴とする異常判定方法。
請求項３記載の異常判定方法において、
前記閾値算出手順は、前記最大昇温変化率と前記最大降温変化率とを加算した結果に予め規定された係数α（α≧１．０）を乗算して前記閾値を算出することを特徴とする異常判定方法。