JP6281884B1 - 機械制御装置、機械制御プログラムおよび機械制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、制御対象物の特性(温度、粘性、張力等)が経時的に変動する場合には、その制御対象物を一意にモデル化することが必ずしも容易ではない。さらに、制御対象物の状態の変動と機械装置の動作状況とが一義的に対応していない場合(制御対象物の特性変動が機械装置の様々な動作に起因して生じる場合等)においても、制御対象物のモデル化が困難となり得る。また、機械装置の動作が長時間に及ぶ場合には、予め動作試行して様々な現象を相当量把握した上で制御モデルを作成することは現実的でない。また、一般に機械装置の自動制御はリアルタイム性が求められるため、最良行動を探索しながら学習していくタイプの強化学習の適用は不向きである。
制御対象物を扱う機械装置に搭載されて用いられ、または前記機械装置に接続されて用いられる機械制御装置であって、
前記制御対象物の状態に関する計測を行う計測部と、
前記計測部での計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求める判定部と、
前記判定部で求めた制約判定値に基づき、前記機械装置に対する動作制御を、前記制御判定値と前記動作制御とについて設定された関係に従いつつ行う制御部と、
前記制御部が行う動作制御によって前記制約判定値が変動した場合に、前記制御判定値と前記動作制御との関係を再設定する学習部と、
を備える機械制御装置が提供される。
制御対象物を扱う機械装置に搭載されたコンピュータ、または前記機械装置に接続されて用いられるコンピュータに、
前記制御対象物の状態に関する計測を行う計測ステップと、
前記計測ステップでの計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求める判定ステップと、
前記判定ステップで求めた制約判定値に基づき、前記機械装置に対する動作制御を、前記制御判定値と前記動作制御とについて設定された関係に従いつつ行う制御ステップと、
前記制御ステップで行う動作制御によって前記制約判定値が変動した場合に、前記制御判定値と前記動作制御との関係を再設定する学習ステップと、
を実行させる機械制御プログラムが提供される。
制御対象物を扱う機械装置の動作を制御する機械制御方法であって、
前記制御対象物の状態に関する計測を行う計測ステップと、
前記計測ステップでの計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求める判定ステップと、
前記判定ステップで求めた制約判定値に基づき、前記機械装置に対する動作制御を、前記制御判定値と前記動作制御とについて設定された関係に従いつつ行う制御ステップと、
前記制御ステップで行う動作制御によって前記制約判定値が変動した場合に、前記制御判定値と前記動作制御との関係を再設定する学習ステップと、
を含む機械制御方法が提供される。
先ず、本実施形態に係る機械制御装置、機械制御プログラムおよび機械制御方法の説明に先立ち、その機械制御装置、機械制御プログラムおよび機械制御方法によって制御される機械装置の一例である単結晶製造装置と、その単結晶製造装置を用いて行う単結晶製造の概要について、簡単に説明する。
ここでは、原料と種結晶との間に溶融帯域を形成し、その溶融帯域から連続的に結晶を成長させて単結晶製造を行う場合、特に天地方向の地の位置(以下「下方」ともいう。)に原料を配置し、天地方向の天の位置(以下「上方」ともいう。)に種結晶を配置するアドバンスド・ペデスタル(AP)法を利用して単結晶製造を行う場合を例に挙げ、はじめに単結晶製造装置の基本構成を、次いで単結晶製造の基本的な手順を説明する。
図1は、本実施形態に係る単結晶製造装置の概略構成例を示す模式図である。
単結晶製造装置1は、主要な構成要素部として原料把持部2、種結晶把持部3および加熱部4,5を備えており、これらの各部2〜5を動作させることで単結晶を成長させるように構成されている。以下、これらの各部2〜5について順に説明する。
原料把持部2は、単結晶の成長に必要となる原料Mを把持するもので、AP法に対応して種結晶把持部3と対向する天地方向の地の位置(図中の下方側)に配置されている。
原料Mとしては、例えばペレット状のものを用いる。そのため、原料把持部2は、ペレット状の原料Mと係合自在な形状に構成された原料ホルダ21を有している。
また、原料把持部2は、天地方向に移動自在で、かつ、天地方向に延びる軸を中心にして回転自在に構成されている。そのために、原料把持部2は、原料ホルダ21から下方側に延びる下部シャフト22を有しており、その下部シャフト22が図示せぬ駆動源に連結されている。なお、駆動源は、後述する制御部からの指示に従って原料把持部2の駆動動作を行うようになっている。
種結晶把持部3は、単結晶の成長に必要となる種結晶Sを把持するもので、AP法に対応して原料把持部2と対向する天地方向の天の位置(図中の上方側)に配置されている。
種結晶Sとしては、例えば棒状のものを用いる。そのため、種結晶把持部3は、棒状の種結晶Sと係合自在な形状に構成された種結晶ホルダ31を有している。
また、種結晶把持部3は、天地方向に移動自在で、かつ、天地方向に延びる軸を中心にして回転自在に構成されている。そのために、種結晶把持部3は、種結晶ホルダ31から上方側に延びる上部シャフト32を有しており、その上部シャフト32が図示せぬ駆動源に連結されている。なお、駆動源は、後述する制御部からの指示に従って種結晶把持部3の駆動動作を行うようになっている。
加熱部4,5は、原料把持部2に把持された原料Mに対する局所的加熱を行って、その原料Mを溶融させるものである。ここでは、加熱部4,5のそれぞれが、局所的加熱に寄与するように構成された場合を例に挙げている。
また、ここでは、加熱部4が赤外線ランプ41と回転楕円鏡42を用いて局所的加熱を行う場合を例に挙げているが、加熱部4は、赤外線ランプ41に代わって、または赤外線ランプ41と併用して、レーザ光を照射して局所的加熱を行うように構成されたものであってもよい。
次に、上述した構成の単結晶製造装置1を用いて行う単結晶製造の基本的な手順を説明する。単結晶製造装置1による単結晶製造は、大別すると、準備工程と、加熱工程と、単結晶成長工程と、を経る。以下、これらの各工程について順に説明する。
単結晶製造に際しては、先ず、下方に位置する原料把持部2に原料Mを把持させ、上方に位置する種結晶把持部3に種結晶Sを把持させる。これにより、原料Mと種結晶Sとは、対向して配置されることになる。そして、原料把持部2および種結晶把持部3をそれぞれ天地方向に沿って移動させることで、原料把持部2に把持された原料Mと種結晶把持部3に把持された種結晶Sとを互いに近接させる。
次いで、原料Mと種結晶Sとが近接した状態で、原料把持部2および種結晶把持部3をそれぞれ逆相で周方向に回転させつつ、その近接部分の斜め上方側から、赤外線ランプ41で発生させた赤外線を、原料Mに対して直接、および、回転楕円鏡42により反射した上で、その原料Mに集光させて照射する。さらには、そのときに遮蔽筒51を適切な位置に配置する。これにより、原料把持部2に把持された原料Mにおける種結晶Sと対向する部分が局所的に加熱されることになり、その原料Mの上端側が溶融する。そして、その溶融部分に多少溶融した種結晶Sを接触させることで、原料Mと種結晶Sとの間に溶融帯域Mlが形成される。
溶融帯域Mlが形成された後は、その溶融帯域Mlから単結晶を成長させる。具体的には、種結晶把持部3を上昇させることで、溶融帯域Mlを上方へ引っ張り上げて、その溶融帯域Mlの上方側部分(成長部分Mc)が赤外線照射領域から外れるようにする。これにより、その成長部分Mcについては、温度が下降して冷却されて、単結晶Mcとして成長することになる。
ところで、上述した手順による単結晶製造にあたっては、溶融帯域Mlから連続的に単結晶Mcを成長させることから、その溶融帯域Mlを構成する融液が崩落せず結晶成長を継続させ得るように、その溶融帯域Mlが形成されている状態を維持することが必要不可欠である。
溶融帯域Mlの形状は、単結晶製造装置1の機差、原料Mの違い、原料把持部2に把持された原料Mと種結晶把持部3に把持された種結晶Sとの偏心状態等の影響で、単結晶製造装置1における動作毎に相違してしまう可能性がある。そのため、単結晶製造装置1における溶融帯域Mlの挙動について、これを予め正確に把握することは、非常に困難である。
また、溶融帯域Mlについては、その特性(融液の温度、粘性、張力等)が経時的に変動し得るため、それ自体を一つの物理モデルとして捉えること、すなわちそれ自体を一意にモデル化することが必ずしも容易ではない。さらに、単結晶製造装置1においては、溶融帯域Mlの特性変動が単結晶製造装置1の様々な動作に起因して生じ得る。具体的には、例えば、溶融帯域Mlの形状の膨らみは、融液加熱量の過剰によって生じる場合、融液加熱量の不足によって生じる場合、原料把持部2または種結晶把持部3の動作に起因して生じる場合のいずれもあり得る。したがって、溶融帯域Mlの形状が膨らんでいるという情報から、直ちに各部2〜5の動作コントロールのための制御値を求めることは容易ではない。このように、溶融帯域Mlの状態の変動と単結晶製造装置1の動作状況とが一義的に対応していない場合においても、溶融帯域Mlのモデル化が困難となり得る。
また、溶融帯域Mlによる結晶成長は長時間(例えば数十時間)に及ぶこともあるため、単結晶製造装置1において予め動作試行して様々な現象を相当量把握した上で制御モデルを作成することは現実的でない。しかも、単結晶製造装置1に対する自動制御はリアルタイム性が求められるため、最良行動を探索しながら学習していくタイプの強化学習の適用は不向きである。
次に、上述の知見に基づいて、機械装置の一例である単結晶製造装置1に対する自動制御を行うために案出された、本発明の一実施形態に係る機械制御装置および機械制御方法について、詳しく説明する。
図2は、本実施形態に係る機械制御装置の機能構成例を示すブロック図である。
単結晶製造装置1には、上述の知見に基づく制御処理を行うために、機械制御装置(以下、単に「制御装置」という。)6が付設されている。制御装置6は、単結晶製造装置1内に搭載されたもの(すなわち、単結晶製造装置1と一体のもの)であってもよいし、単結晶製造装置1に有線または無線の通信回線等を介して接続されたもの(すなわち、単結晶製造装置1とは別体のもの)であってもよい。
形状認識部10は、本発明の「計測部」の一具体例として機能するもので、単結晶製造装置1における溶融帯域Mlの状態に関する計測を行うものである。さらに詳しくは、形状認部10は、溶融帯域Mlの撮像画像(当該溶融帯域Mlと原料Mとの接合箇所および当該溶融帯域Mlと単結晶Mcとの接合箇所の画像を含む。)を取得して、その撮像画像から溶融帯域Mlの形状を認識した上で、その溶融帯域Mlの形状の特徴値を計測するものである。そのために、形状認識部10は、画像撮像部11と、画像解析部12と、を備えて構成されている。
形状認識部10における画像撮像部11は、CCDセンサやCMOSセンサ等によって実現されるもので、溶融帯域Mlの形状についての撮像画像を取得するものである。取得する撮像画像は、静止画であってもよいし動画であってもよい。以下の説明では、画像撮像部11が撮像画像として動画を取得する場合を例に挙げる。
形状認識部10における画像解析部12は、演算部が所定プログラムを実行することによって実現されるもので、画像撮像部11で取得した撮像画像を解析して溶融帯域Mlの形状についての特徴値を抽出するものである。特徴値は、溶融帯域Mlにおける特徴的な形状部分を特定するもので、具体的にはその一例として特徴的な形状部分の寸法値を用いることが考えられる。どのような特徴値を抽出するかについては、予め設定されているものとする。また、抽出数については、予め設定されていれば、単数種類であってもよいし、複数種類であってもよい。
図例のように、溶融帯域Mlの形状についての特徴値としては、例えば、結晶径DU[mm]、原料側部分異常径DM[mm]、原料径DL[mm]、溶融帯域上部曲率CU[/mm]、溶融帯域下部曲率CL[/mm]、溶融帯域高LM[mm]、原料側部分異常高WM[mm]の少なくとも一つ、好ましくはこれら7種類の全てを抽出することが考えられる。
なお、ここで例示した特徴値は一具体例に過ぎず、抽出すべき特徴値がこれらに限定されることはない。
これらのことを考慮して、画像解析部12は、以下のようにして特徴値の抽出を行うものであってもよい。具体的には、原料把持部2および種結晶把持部3の回転に同期させた複数のフレーム画像(例えば、48分周の画像)のそれぞれから特徴値を求め、それらについて平滑化する処理を行ってノイズ成分等を除去した上で、抽出すべき特徴値を特定する。つまり、画像解析部12は、溶融帯域Mlについて取得した複数の撮像画像を基に、これら複数の撮像画像に対する平滑化処理を経て、その溶融帯域Mlの形状を認識するものであってもよい。
このようにすれば、例えば、溶融帯域Mlについて取得した撮像画像が回転や偏心等の影響を受け得るものであっても、その影響によるノイズ成分等を除去した上で溶融帯域Mlの形状の特徴値を抽出できるので、特徴値の抽出の精度向上が図れるようになる。
また図2において、動作制御部20は、単結晶製造装置1における各部2〜5に対して動作指示を与えることで、それぞれの動作を制御するものである。なお、ここでは、各部2〜5のいずれもが動作制御部20によって制御される場合を例に挙げるが、動作制御部20は、これら各部2〜5の少なくとも一つの動作を制御するものであってもよい。
制約判定部21は、本発明の「判定部」の一具体例として機能するもので、形状認識部10での計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求めるものである。さらに詳しくは、制約判定部21は、形状認識部10における画像解析部12で得た特徴値を、その特徴値について設定された限界値と対比して、特徴値の限界値に対する近接度を制約判定値ΔRとして求めるものである。つまり、制約判定部21は、所定の制約条件として、形状認識部10での計測結果である溶融帯域Mlの特徴値について設定された限界値を用い、その限界値に対する近接度を制約判定値ΔRとして求めるのである。
ここでいう限界値は、特徴値のそれぞれに対して個別に設定されているもので、例えば特徴値として規定された寸法値について許容される上限値または下限値が一具体例として挙げられる。したがって、限界値は、一つの種類の特徴値に対して複数種類(例えば、上限値と下限値の両方)が設定されることもあり得る。このような限界値によって特定される形状にある状態が、上述した所定形状状態に相当することになる。つまり、限界値は、溶融帯域Mlが所定形状状態を維持するために必要となる境界条件に相当する値である。したがって、特徴値と限界値との対比を経ることで、溶融帯域Mlは、特徴的な形状部分の寸法値(すなわち特徴値)が限界値から外れないように制御され、融液が崩落したり破断したりすることのない形状状態が維持されることになる。
また、特徴値の限界値に対する近接度は、特徴値が限界値に近接する度合い(すなわち、近接の深刻度)を定量的に特定するためのもので、予め設定された演算式に基づいて算出されるものである。演算式は、近接度の変化を線形に規定するものであってもよいし、限界値に近づくほど近接度の変化が大きくなるような非線形のものであってもよい。
制御値決定部22は、本発明における「制御部」の一部に相当する部分の一具体例として機能するもので、制約判定部21で求めた制約判定値ΔRに基づき、単結晶製造装置1における各部2〜5の動作を制御するための制御値ΔCを、制約判定値ΔRと制御値ΔCとの関係を規定する制御モデル式を用いて、その制御モデル式に従いつつ決定するものである。
ここでいう制御値ΔCは、各部2〜5における動作内容を指示するための制御変数(制御パラメータ)に相当するものである。具体的には、制御値決定部22で決定する制御値ΔCとして、例えば、赤外線ランプ41のランプ出力QL[%]、遮蔽筒51の上下方向位置PS[mm]、原料把持部2の上下方向への移動速度VL[mm/h]、種結晶把持部3の上下方向への移動速度VU[mm/h]の少なくとも一つ、好ましくはこれら4種類の全てについて、その変化量を規定するものが挙げられる(図3参照)。なお、ここで例示した制御値ΔCは一具体例に過ぎず、決定すべき制御値ΔCがこれらに限定されることはない。
このような制御値ΔCを決定するための制御モデル式ΔCj=Fj(ΔR1,ΔR2,…,ΔRi)(ただし、iは制約判定値ΔRの種類数、jは制御値ΔCの種類数、FはΔRとΔCとの関数)は、後述する再設定に対応し得るように、予め設定されているものとする。なお、制御モデル式の詳細については後述する。
シーケンス制御部23は、本発明における「制御部」の他の一部に相当する部分の一具体例として機能するもので、制御値決定部22が決定した制御値ΔCを基に、単結晶製造装置1における各部2〜5に対する動作制御を行うものである。つまり、シーケンス制御部23は、制御値決定部22が決定した制御値ΔCに従いつつ単結晶製造装置1における各部2〜5が動作するように、各部2〜5のそれぞれに対して動作指示を与えるものである。
モデル学習部24は、本発明の「学習部」の一具体例として機能するもので、シーケンス制御部23が行う動作制御によって制約判定値ΔRが変動した場合に、その制約判定値ΔRとシーケンス制御部23が行う動作制御との関係を再設定するものである。さらに詳しくは、モデル学習部24は、シーケンス制御部23が行う動作制御によって制約判定部21で求める制約判定値ΔRがどのように変動するかに応じて、制御値決定部22が用いる制御モデル式ΔCj=Fj(ΔR1,ΔR2,…,ΔRi)についての再設定を行うものである。
ここでいう再設定は、動作制御の結果の適切化が図れるように制御モデル式についての設定を更新することであり、例えば制御モデル式を構成する被更新項目(例えば、後述する重み変数)を必要に応じて更新することが一具体例として挙げられる。なお、再設定の詳細については後述する。
つまり、モデル学習部24は、周期的に繰り返すサイクリックな処理として行われる動作制御の結果に応じて制御モデル式の再設定を行うことで、その動作制御の結果を次に行う動作制御の内容に反映させるように学習させ、これにより動作制御を繰り返すうちに結果の適切化が図れるようにするものである。
以上のように構成された制御装置6において、形状認識部10における画像解析部12としての機能、並びに、動作制御部20における制約判定部21、制御値決定部22、シーケンス制御部23およびモデル学習部24として機能は、演算部が所定プログラムを実行することによって実現される。つまり、形状認識部10および動作制御部20における各機能を実現する所定プログラムは、本発明に係る「機械制御プログラム」の一実施形態に相当する。
その場合に、各機能を実現する所定プログラムは、コンピュータ装置としての制御装置6にインストール可能なものであれば、当該コンピュータ装置で読み取り可能な記録媒体(例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等)に格納されて提供されるものであってもよいし、インターネットや専用回線等のネットワークを通じて外部から提供されるものであってもよい。
次に、上述した構成の制御装置6によって行われる制御処理の手順、すなわち本実施形態に係る機械制御方法の手順について、詳しく説明する。
図4は、本実施形態に係る機械制御方法の手順の一例を示すフロー図である。
また、近接度が減少していれば、モデル学習部24は、制御値決定部22が用いる制御モデル式ΔCj=Fj(ΔR1,ΔR2,…,ΔRi)のうち、その前の処理回数k−1のときに決定した制御値ΔCj(すなわち制御パラメータの変化量)が正の値となった制御モデル式ΔCj=Fj(ΔR1,ΔR2,…,ΔRi)において、その制御モデル式を構成する被更新項目で、かつ、近接度が減少している種類の制約判定値ΔRに関する被更新項目(具体的には、例えば当該制約判定値ΔRに関する重み変数)を、ポジティブ方向(近接度減少を促進させる方向)に更新する(S108)。
また、近接度が同一であれば、モデル学習部24は、制御値決定部22が用いる制御モデル式ΔCj=Fj(ΔR1,ΔR2,…,ΔRi)に対する再設定を行わない。
なお、制御モデル式における被更新項目(重み変数等)およびその更新の具体的な態様については、詳細を後述する。
このような周期で処理を行うことで、制御装置6における各部11〜24は、単結晶製造装置1における各部2〜5に対する動作制御を、その単結晶製造装置1にて溶融帯域Mlを利用して行う単結晶の製造と並行して実行することになる。つまり、単結晶製造装置1では、単結晶の製造に必要である溶融帯域Mlの動きに追従しつつ、各部2〜5に対する動作制御を、単結晶の製造と並行してリアルタイムに行うことができるのである。
ここでいう時定数は、単結晶製造装置1における各部2〜5の動作状態を変化させてから溶融帯域Mlの形状が安定するまでに要する時間のことであり、経験則や実験結果等に基づいて定め得るものである。
時定数に基づいて周期を設定する場合には、サイクリック処理の周期を、時定数の経過を待ってから動作制御を行うような時系列のものとする。このようにすれば、溶融帯域Mlの形状が安定するまで待つことになるので、動作制御のリアルタイム性を担保しつつ、その動作制御の精度向上が図れるようになる。
ここで、上述した一連の制御処理において用いる制御モデル式について、具体例を挙げつつ、さらに詳しく説明する。
以下に示す(2)式は、制御値ΔCjにより制御される動作対象を増大させる方向(例えば、ランプ出力QLであれば温度を上昇させる出力増大方向)に変動させるための制御値ΔCj Pと、制御値ΔCjにより制御される動作対象を減少させる方向(例えば、ランプ出力QLであれば温度を降下させる出力減少方向)に変動させるための制御値ΔCj Nとを、それぞれ別個独立に求めた上で、これらの各制御値ΔCj P,ΔCj Nを合成して制御値ΔCjとする式である。このように、制御値ΔCjを増大方向と減少方向の各方向に分解して演算するのは、各方向で線形性がない場合を考慮したことによる。つまり、各方向に分解して求めた制御値ΔCj P,ΔCj Nを合成して制御値ΔCjとすれば、各方向の線形性の有無にかかわらずに(すなわち線形性がない場合であっても)、その制御値ΔCjを精度良く決定することが可能となる。
ところで、上述した制御モデル式は、既に説明したように、シーケンス制御部23が行う動作制御によって制約判定部21で求める制約判定値ΔRがどのように変動するかに応じて、モデル学習部24によって再設定(被更新項目の更新)がされる。
具体的には、処理回数k−1のときに決定した値が正の値となった(3)式または(4)式において、近接度が増大した制約判定値ΔR1の影響を軽減させるべく、その制約判定値ΔR1に関する重み変数α11または重み変数α21の重みが減少するように、その重み変数α11または重み変数α21の更新を行う。
このとき、被更新項目である重み変数α11または重み変数α21をどの程度変化させるかについては、その変化量が予め定められているものとする。予め定められていれば、変化量は、一律に定められた固定的なものであってもよいし、近接度の大きさに応じて定まる可変的なものであってもよい。可変的なものとする場合には、近接度の大きさとの関係を規定する演算式が設定されていれば、その演算式を用いることで、変化量を定めることができる。
具体的には、処理回数k−1のときに決定した値が正の値となった(3)式または(4)式において、近接度が減少した制約判定値ΔR1の影響を増加させるべく、その制約判定値ΔR1に関する重み変数α11または重み変数α21の重みが増大するように、その重み変数α11または重み変数α21の更新を行う。
このときも、被更新項目である重み変数α11または重み変数α21の変化量については、上述した場合と同様に、予め定められているものとする。
つまり、モデル学習部24は、制御モデル式ΔCj=Fj(ΔR1,ΔR2,…,ΔRi)についての再設定を、変動があった制約判定値ΔRに関する加重平均の重み変数を更新することによって行うのである。
本実施形態によれば、以下に示す一つまたは複数の効果を奏する。
具体的には、制御対象物である溶融帯域Mlの挙動について、これを予め正確に把握することが非常に困難であっても、本実施形態のように溶融帯域Mlが崩落や破綻等を招かない状態を維持するような動作制御を行うことで、その溶融帯域Mlからの結晶成長を継続させ得るようになる。また、溶融帯域Mlの特性(融液の温度、粘性、張力等)が経時的に変動し得るため、それ自体を一意にモデル化することが必ずしも容易ではない場合であっても、本実施形態の動作制御により、その溶融帯域Mlからの結晶成長を継続させ得るようになる。また、溶融帯域Mlの状態の変動と単結晶製造装置1の動作状況とが一義的に対応しておらず、そのために溶融帯域Mlのモデル化が困難となり得る場合においても、本実施形態の動作制御により、その溶融帯域Mlからの結晶成長を継続させ得るようになる。また、単結晶製造装置1において予め動作試行して様々な現象を相当量把握した上で制御モデルを作成することが現実的でない場合であっても、本実施形態の動作制御により、その溶融帯域Mlからの結晶成長を継続させ得るようになる。また、最良行動を探索しながら学習していくタイプの強化学習の場合とは異なり、本実施形態の動作制御によれば、リアルタイム性にも適切に対応することができる。
つまり、本実施形態によれば、制御対象物である溶融帯域Mlを一意にモデル化して目標状態となるように動作コントロールをすることが困難な場合であっても、その溶融帯域Mlが所望状態である所定形状状態を維持するように、その溶融帯域Mlを取り扱う単結晶製造装置1の動作を制御することが可能となる。
したがって、本実施形態によれば、単結晶製造装置1のオペレータに依らなくとも、溶融帯域Mlが所定形状状態(すなわち、結晶成長を継続させ得る状態)を維持するような自動制御が行われることになる。つまり、結晶成長を継続させ得るように溶融帯域Mlが形成されている状態を容易かつ確実に維持することができ、これにより高純度で均質な単結晶Mcを高い生産性で製造することができるようになる。
しかも、本実施形態によれば、溶融帯域Mlによる結晶成長を継続させ得る状態を所定形状状態として規定し、溶融帯域Mlが所定形状状態から外れないように自動制御を行うので、溶融帯域Mlを一つの物理モデルとして明示的に記述することが容易ではなく、その溶融帯域Mlの形状を目標形状に追従させるように制御することが困難な場合であっても、その溶融帯域Mlが形成されている状態を容易かつ確実に維持することができる。つまり、理想的な目標値を規定することが困難な場合であっても、破綻を招く限界値から外れないような制御を行うことで、溶融帯域Mlが形成されている状態を容易かつ確実に維持し、これにより高純度で均質な単結晶Mcを高い生産性で製造することを実現可能としているのである。
以上に、本発明の一実施形態を具体的に説明したが、本発明の技術的範囲は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
上述の実施形態では、制御対象物である溶融帯域Mlを取り扱う単結晶製造装置1がAP法による単結晶製造を行う場合を例に挙げたが、例えば、特開2015−081218号公報に記載のように、上方に原料把持部2、下方に種結晶把持部3を配置した、いわゆるフローティングゾーン(FZ)法による単結晶製造を行う場合にも、全く同様に本発明を適用することが可能である。その場合であっても、種結晶Sと原料Mととの間に形成される溶融帯域Mlが所定形状状態から外れないように自動制御を行うことで、溶融帯域Mlによる結晶成長を継続させ得る状態を容易かつ確実に維持することができ、これにより高純度で均質な単結晶Mcを高い生産性で製造することができるようになる。
上述の実施形態では、制御対象物として結晶成長に必要な溶融帯域Mlを、またその制御対象物を取り扱う機械装置として単結晶を製造する単結晶製造装置1を、それぞれ例に挙げたが、本発明がこれらに限定されることはなく、他の制御対象物や機械装置等についても全く同様に適用することが可能である。
上述の実施形態では、制御対象物である溶融帯域Mlの形状についての特徴値を抽出する場合を例に挙げたが、本発明がこれに限定されることはない。つまり、特徴値は、制御対象物の状態についてのものであれば、物体の形状についてのもの以外に、例えば信号の波形についてのものも含み得る。
具体的には、例えば、加速度センサやジャイロセンサ等を用いたり、あるいは超音波センサおよびレーザセンサの併用によるセンシングを行ったりして、制御対象物の方位および距離について特徴値の抽出を行うことが考えられる。その場合には、制御対象物が倒れたりぶつかったりしないような動作制御、すなわち制御対象物の姿勢制御を行うことが実現可能となる。
また、その他にも、例えば、計算タスクの投入量と予定時間、それに対するマシン負荷等といったように、コンピュータ装置を利用する場合の処理について特徴値の抽出を行うことが考えられる。その場合には、マシンリソースのアロケーション(割当)を破綻しないようにする動作制御等を行うことが実現可能となる。
つまり、本発明は、制御対象物の状態に関する計測を行い、その計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求めた上で、その制約判定値に基づき機械装置に対する動作制御を行うものであれば、上述の実施形態以外の態様にも適用することが可能である。
上述の実施形態では、制御モデル式として、制約判定値の加重平均を利用して制御値を算出する式を用いる場合を例に挙げたが、本発明がこれに限定されることはない。つまり、制御モデル式は、予め設定されており、かつ、再設定に対応することが可能なものであれば、加重平均以外の他の手法を利用して制御値を算出する式であっても構わない。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
制御対象物を扱う機械装置に搭載されて用いられ、または前記機械装置に接続されて用いられる機械制御装置であって、
前記制御対象物の状態に関する計測を行う計測部と、
前記計測部での計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求める判定部と、
前記判定部で求めた制約判定値に基づき、前記機械装置に対する動作制御を、前記制御判定値と前記動作制御とについて設定された関係に従いつつ行う制御部と、
前記制御部が行う動作制御によって前記制約判定値が変動した場合に、前記制御判定値と前記動作制御との関係を再設定する学習部と、
を備える機械制御装置が提供される。
好ましくは、付記1に記載の機械制御装置において、
前記計測部は、
前記制御対象物についての撮像画像を取得する画像撮像部と、
前記画像撮像部で取得した撮像画像を解析して前記制御対象物の状態に関する計測を行う画像解析部と、
を備える。
好ましくは、付記1または2に記載の機械制御装置において、
前記計測部は、前記制御対象物の形状の特徴値を計測する。
好ましくは、付記1から3のいずれか1つに記載の機械制御装置において、
前記判定部は、
前記制約条件として、前記計測部での計測内容について設定された限界値を用いるとともに、前記限界値として前記制御対象物が所定の状態を維持するために必要となる境界条件に相当する値を用い、
前記計測部での計測結果の前記限界値に対する近接度を前記制約判定値として求める。
好ましくは、付記1から4のいずれか1つに記載の機械制御装置において、
前記制御判定値と前記動作制御との関係が、再設定可能な制御モデル式によって規定されている。
好ましくは、付記1から5のいずれか1つに記載の機械制御装置において、
前記計測部、前記判定部、前記制御部および前記学習部がサイクリックに処理を行うとともに、一サイクルの処理が規定の時間内に完了する。
好ましくは、付記1から6のいずれか1つに記載の機械制御装置において、
前記機械装置は、単結晶製造装置であり、
前記制御対象物は、前記単結晶製造装置で単結晶を製造する際に、原料と種結晶との間に形成される溶融帯域である。
本発明の他の一態様によれば、
制御対象物を扱う機械装置に搭載されたコンピュータ、または前記機械装置に接続されて用いられるコンピュータに、
前記制御対象物の状態に関する計測を行う計測ステップと、
前記計測ステップでの計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求める判定ステップと、
前記判定ステップで求めた制約判定値に基づき、前記機械装置に対する動作制御を、前記制御判定値と前記動作制御とについて設定された関係に従いつつ行う制御ステップと、
前記制御ステップで行う動作制御によって前記制約判定値が変動した場合に、前記制御判定値と前記動作制御との関係を再設定する学習ステップと、
を実行させる機械制御プログラムが提供される。
本発明のさらに他の一態様によれば、
制御対象物を扱う機械装置の動作を制御する機械制御方法であって、
前記制御対象物の状態に関する計測を行う計測ステップと、
前記計測ステップでの計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求める判定ステップと、
前記判定ステップで求めた制約判定値に基づき、前記機械装置に対する動作制御を、前記制御判定値と前記動作制御とについて設定された関係に従いつつ行う制御ステップと、
前記制御ステップで行う動作制御によって前記制約判定値が変動した場合に、前記制御判定値と前記動作制御との関係を再設定する学習ステップと、
を含む機械制御方法が提供される。
本発明のさらに他の一態様によれば、
制御対象物を扱う機械装置に搭載されて用いられ、または前記機械装置に接続されて用いられる機械制御装置であって、
前記制御対象物の状態についての特徴値を得る形状認識部と、
前記形状認識部で得た特徴値を、当該特徴値について設定された限界値と対比して、当該特徴値の当該限界値に対する近接度を制約判定値として求める制約判定部と、
前記制約判定部で求めた制約判定値に基づき、前記機械装置の動作を制御するための制御値を、当該制約判定値と当該制御値との関係を規定する制御モデル式を用いて決定する制御値決定部と、
前記制御値決定部が決定した制御値を基に前記機械装置に対する動作制御を行うシーケンス制御部と、
前記シーケンス制御部が行う動作制御によって前記制約判定部で求める制約判定値がどのように変動するかに応じて、前記制御値決定部が用いる前記制御モデル式についての再設定を行うモデル学習部と、
を備える機械制御装置が提供される。
好ましくは、付記10に記載の機械制御装置において、
前記形状認識部は、
前記制御対象物の形状についての撮像画像を取得する画像撮像部と、
前記画像撮像部で取得した撮像画像を解析して前記制御対象物の状態についての特徴値を抽出する画像解析部と、
を備える。
好ましくは、付記10または11に記載の機械制御装置において、
前記制約判定部は、前記限界値として、前記制御対象物が所定形状状態を維持するために必要となる境界条件に相当する値を用いる。
好ましくは、付記10から12のいずれか1つに記載の機械制御装置において、
前記制御値決定部は、前記制御モデル式として、複数の前記制約判定値の加重平均を利用して前記制御値を算出する式を用い、
前記モデル学習部は、前記制御モデル式についての再設定を、変動があった前記制約判定値に関する前記加重平均の重み変数を更新することで行う。
好ましくは、付記13に記載の機械制御装置において、
前記制御値決定部は、前記制御モデル式として、指数空間で加重平均をとった後に対数をとって線形空間に戻す式を用いる。
好ましくは、付記10から14のいずれか1つに記載の機械制御装置において、
前記制御対象物と前記機械装置とに関する時定数を基に設定された周期で、前記形状認識部、前記制約判定部、前記制御値決定部、前記シーケンス制御部および前記モデル学習部がサイクリックに処理を行うとともに、当該処理が前記周期の一サイクルよりも短い規定時間内に完了する。
好ましくは、付記10から15のいずれか1つに記載の機械制御装置において、
前記機械装置は、単結晶製造装置であり、
前記制御対象物は、前記単結晶製造装置で単結晶を製造する際に、原料と種結晶との間に形成される溶融帯域である。
本発明のさらに他の一態様によれば、
制御対象物を扱う機械装置に搭載されたコンピュータ、または前記機械装置に接続されて用いられるコンピュータに、
前記制御対象物の状態についての特徴値を得る形状認識ステップと、
前記形状認識ステップで得た特徴値を、当該特徴値について設定された限界値と対比して、当該特徴値の当該限界値に対する近接度を制約判定値として求める制約判定ステップと、
前記制約判定ステップで求めた制約判定値に基づき、前記機械装置の動作を制御するための制御値を、当該制約判定値と当該制御値との関係を規定する制御モデル式を用いて決定する制御値決定ステップと、
前記制御値決定ステップで決定した制御値を基に前記機械装置に対する動作制御を行うシーケンス制御ステップと、
前記シーケンス制御ステップで行う動作制御によって前記制約判定ステップで求める制約判定値がどのように変動するかに応じて、前記制御値決定ステップで用いる前記制御モデル式についての再設定を行うモデル学習ステップと、
を実行させる機械制御プログラムが提供される。
本発明のさらに他の一態様によれば、
制御対象物を扱う機械装置の動作を制御する機械制御方法であって、
前記制御対象物の状態についての特徴値を得る形状認識ステップと、
前記形状認識ステップで得た特徴値を、当該特徴値について設定された限界値と対比して、当該特徴値の当該限界値に対する近接度を制約判定値として求める制約判定ステップと、
前記制約判定ステップで求めた制約判定値に基づき、前記機械装置の動作を制御するための制御値を、当該制約判定値と当該制御値との関係を規定する制御モデル式を用いて決定する制御値決定ステップと、
前記制御値決定ステップで決定した制御値を基に前記機械装置に対する動作制御を行うシーケンス制御ステップと、
前記シーケンス制御ステップで行う動作制御によって前記制約判定ステップで求める制約判定値がどのように変動するかに応じて、前記制御値決定ステップで用いる前記制御モデル式についての再設定を行うモデル学習ステップと、
を含む機械制御方法が提供される。
Claims (8)
- 制御対象物を扱う機械装置に搭載されて用いられ、または前記機械装置に接続されて用いられる機械制御装置であって、
前記制御対象物の状態に関する計測を行う計測部と、
前記計測部での計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求める判定部と、
前記判定部で求めた制約判定値に基づき、前記機械装置に対する動作制御を、前記制御判定値と前記動作制御とについて設定された関係に従いつつ行う制御部と、
前記制御部が行う動作制御によって前記制約判定値が変動した場合に、前記制御判定値と前記動作制御との関係を再設定する学習部と、
を備え、
前記判定部は、
前記制約条件として、前記計測部での計測内容について設定された限界値を用いるとともに、前記限界値として前記制御対象物が所定の状態を維持するために必要となる境界条件に相当する値を用い、
前記計測部での計測結果の前記限界値に対する近接度を前記制約判定値として求める
機械制御装置。 - 前記計測部は、
前記制御対象物についての撮像画像を取得する画像撮像部と、
前記画像撮像部で取得した撮像画像を解析して前記制御対象物の状態に関する計測を行う画像解析部と、
を備える請求項1に記載の機械制御装置。 - 前記計測部は、前記制御対象物の形状の特徴値を計測する
請求項1または2に記載の機械制御装置。 - 前記制御判定値と前記動作制御との関係が、再設定可能な制御モデル式によって規定されている
請求項1から3のいずれか1項に記載の機械制御装置。 - 前記計測部、前記判定部、前記制御部および前記学習部がサイクリックに処理を行うとともに、一サイクルの処理が規定の時間内に完了する
請求項1から4のいずれか1項に記載の機械制御装置。 - 前記機械装置は、単結晶製造装置であり、
前記制御対象物は、前記単結晶製造装置で単結晶を製造する際に、原料と種結晶との間に形成される溶融帯域である
請求項1から5のいずれか1項に記載の機械制御装置。 - 制御対象物を扱う機械装置に搭載されたコンピュータ、または前記機械装置に接続されて用いられるコンピュータに、
前記制御対象物の状態に関する計測を行う計測ステップと、
前記計測ステップでの計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求める判定ステップと、
前記判定ステップで求めた制約判定値に基づき、前記機械装置に対する動作制御を、前記制御判定値と前記動作制御とについて設定された関係に従いつつ行う制御ステップと、
前記制御ステップで行う動作制御によって前記制約判定値が変動した場合に、前記制御判定値と前記動作制御との関係を再設定する学習ステップと、
を実行させ、
前記判定ステップでは、
前記制約条件として、前記計測ステップでの計測内容について設定された限界値を用いるとともに、前記限界値として前記制御対象物が所定の状態を維持するために必要となる境界条件に相当する値を用い、
前記計測ステップでの計測結果の前記限界値に対する近接度を前記制約判定値として求める
機械制御プログラム。 - 制御対象物を扱う機械装置の動作を制御する機械制御方法であって、
前記制御対象物の状態に関する計測を行う計測ステップと、
前記計測ステップでの計測結果を所定の制約条件と対比して制約判定値を求める判定ステップと、
前記判定ステップで求めた制約判定値に基づき、前記機械装置に対する動作制御を、前記制御判定値と前記動作制御とについて設定された関係に従いつつ行う制御ステップと、
前記制御ステップで行う動作制御によって前記制約判定値が変動した場合に、前記制御判定値と前記動作制御との関係を再設定する学習ステップと、
を含み、
前記判定ステップでは、
前記制約条件として、前記計測ステップでの計測内容について設定された限界値を用いるとともに、前記限界値として前記制御対象物が所定の状態を維持するために必要となる境界条件に相当する値を用い、
前記計測ステップでの計測結果の前記限界値に対する近接度を前記制約判定値として求める
機械制御方法。
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