KR20220050790A

KR20220050790A - 핫 포일 스탬핑 기계

Info

Publication number: KR20220050790A
Application number: KR1020210134964A
Authority: KR
Inventors: 레이 리
Original assignee: 비＆알 인더스트리얼 오토메이션 게엠베하
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2022-04-25
Also published as: EP3984747B1; US11981118B2; EP3984747A1; US20220118757A1; CN114379207A; CA3134347A1; JP2022066151A

Abstract

본 발명에 따른 조건 변경하에서 개선된 스탬핑 품질을 허용하는, 기판(S) 상에 포일(9)을 스탬핑하기 위한 핫 포일 스탬핑 기계(1)가 제공되며, 상기 스탬핑 기계(1)는 미리 정의된 원하는 온도(T_{SI_D})로 스탬핑 계면 표면(ASI)의 온도(T_SI)를 제어하기 위한 제어 유닛(8)을 포함하며; 상기 제어 유닛(8)은 적어도 하나의 온도 센서(13)로부터 가열 플레이트(2)의 적어도 실제 온도(T_{H_ACT})를 수신하고, 조작된 변수(u)를 적어도 하나의 가열 장치(7)로 제공하게 구성되며; 상기 스탬핑 기계(1)는 가열 플레이트(2)와 스탬핑 플레이트(4) 사이의 열 전달에 대한 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델(17)에 기초하여 적어도 하나의 스탬핑 플레이트(4)에 대한 스탬핑 계면 표면(ASI)의 실제 온도(T _{SI_ACT} )를 추정하기 위한 상태 관찰기(14)를 더 포함하며; 그리고 상기 제어 유닛(8)은 상태 관찰기(14)가 제공하는, 미리 정의된 원하는 온도(T_{SI_D}) 및 스탬핑 계면 표면(ASI)의 추정된 실제 온도(T _{SI_ACT} )에 기초하여 적어도 하나의 가열 장치(7)에 대한 조작된 변수(u)를 계산하기 위한 피드백 제어기(15)를 더 포함하는 것이다.

Description

핫 포일 스탬핑 기계{HOT FOIL STAMPING MACHINE}

본 발명은 기판 상에 금속 포일(metal foil)을 스탬핑하기 위한 핫 포일 스탬핑 기계(hot foil stamping machine)에 관한 것으로, 스탬핑 기계는 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 가열 플레이트, 적어도 가열 플레이트의 영역에서 가열 플레이트의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 온도 센서, 그리고 제5 표면 및 반대쪽 스탬핑 계면을 갖는 적어도 하나의 스탬핑 플레이트를 포함하며, 스탬핑 플레이트의 제5 표면은 가열 플레이트의 제2 표면에 부착되고, 스탬핑 플레이트 계면은 스탬핑 기계의 스탬핑 요소에 의해 금속 포일이 스탬핑될 기판을 배치하게 구성된다. 본 발명은 또한 구성요소의 제2 표면에 대한 측정 불가능한 온도를 결정하는 방법에 관한 것이다.

핫 포일 스탬핑 기계는 일반적으로 비교적 높은 온도와 적절한 압력으로 기판 위에 바람직하게는 금속으로 만들어진 포일을 인쇄하는 데 사용된다. 핫 포일 스탬핑 기계는 기본적으로 가열 플레이트, 이에 부착된 설치 플레이트 및 설치 플레이트에 설치될 수 있는 하나 이상의 핫 스탬핑 플레이트로 구성된다. 다른 특정한 포일 스탬핑 작업을 수행하기 위해서 하나 이상의 핫 스탬핑 플레이트의 갯수, 크기 및 설치 위치를 조정할 수 있다. 각 스탬핑 플레이트에는 금속 포일이 스탬핑 헤드에 의해 스탬핑될 기판을 배치하기 위한 스탬핑 계면 표면(stamping interface surface)이 제공된다. 핫 포일 스탬핑 기계가 작동하는 동안 가열 플레이트는 예를 들어 저항 히터와 같은 가열 장치를 통해 가열된다. 따라서, 각 스탬핑 계면의 온도는 설치 플레이트 및 스탬핑 플레이트를 통해 가열 플레이트로부터의 열 전도에 의해 특정 작동 온도까지 상승한다.

각각의 스탬핑 공정의 말미에서, 스탬핑 계면에 기판이 접착되는 것을 방지하기 위해, 일련의 분사 노즐을 설치 플레이트의 외부 가장자리에 추가로 고정할 수 있다. 만족스러운 스탬핑 품질을 얻기 위해서는, 주변 온도, 분사 노즐의 분사 강도, 작동 속도 및 핫 스탬핑 영역에 관계없이, 스탬핑 계면 온도를 바람직하게는 일정한 값으로 유지하는 것이 필수적 이다. 그렇지 않으면 기판의 완성된 금속 포일이 원하지 않는 열화로 인해 열악한 스탬핑 품질을 초래할 수 있다. 그러나, 스탬핑 공정 중 기판과 스탬핑 유닛이 스탬핑 계면 표면을 덮는 스탬핑 공정의 특성으로 인해, 스탬핑 계면 표면에 대한 직접적인 온도 측정이 불가능하여, 계면 온도를 필요한 온도로 제어하기 위한 폐쇄 루프 제어 시스템을 구현하기가 어렵다.

이러한 단점을 극복하기 위해서, 가열 플레이트를 스탬핑 계면 표면의 지정한 원하는 온도에 대해 미리 설정된 상승된 온도까지 가열하는 것으로 알려져 있으며, 여기서는 상승된 온도 값을 룩업 테이블에서 얻으며, 룩업 테이블에는 가열 플레이트와 스탬핑 계면 표면 사이의 정상 상태 온도 차가 다양한 조건(예: 다양한 스탬핑 계면 표면 온도, 다양한 영역, 다양한 처리 속도, 다양한 주변 온도 등)에 대해 저장되어 있다.

그러나, 종래의 룩업 테이블 방법에는 예를 들어 적절한 온도 제어 성능을 달성하는 데 필요한 이용할 수 있는 역학적 온도 차이(dynamic temperature differences)가 없는 것과 같은, 많은 제한 사항이 있다. 따라서 비효율적인 가열 및 온도 결정의 큰 오류가 정상 상태 조건 이전의 과도 가열(transient heating) 중에 발생할 수 있다. 또한, 룩업 테이블로 얻은 균일한 온도 분포를 얻기 위해서는, 설치 플레이트에 설치된 스탬핑 플레이트의 수에 관계없이, 가열 플레이트의 사용 가능한 모든 가열 영역이 완전히 여기된다. 결과적으로, 입력 에너지의 많은 부분이 낭비될 것이다. 특히 다중 스탬핑 플레이트가 하나 또는 두 개의 가열 영역에 모여 있는 경우에 그러할 것이다. 또한, 주변 온도, 작동 속도, 설치된 스탬핑 플레이트의 수 및 분사 노즐의 기류에 의해 유도되는 강제 대류가 비교적 넓은 범위에서 변할 수 있다. 룩업 테이블 방식으로 가능한 한 높은 정확도를 보장하기 위해서는, 적절한 데이터 베이스를 만들기 위해 서로 다른 작동 조건에서 여러 테스트를 수행하는 데 상당한 노력과 그에 따른 많은 시간을 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 변하는 조건하에서도 개선된 스탬핑 품질을 얻을 수 있는 핫 포일 스탬핑 기계를 제공하는 것이다. 제2 목적은 구성요소의 표면에 대한 측정 불가능한 온도를 결정하는 방법을 제공하는 것이다.

제1 목적은 스탬핑 계면 표면의 온도를 미리 정의된 원하는 온도로 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는 핫 포일 스탬핑 기계로 본 발명에 따라 달성되며, 제어 유닛은 가열 플레이트의 적어도 하나의 온도 센서로부터의 적어도 가열 플레이트의 실제 온도를 수신하여 적어도 하나의 가열 장치에 조작된 변수(manipulated variable)를 제공하도록 구성되며, 스탬핑 기계는 가열 플레이트와 스탬핑 플레이트 사이의 열 전달에 대한 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델에 기초한 적어도 하나의 스탬핑 플레이트의 스탬핑 계면 표면의 실제 온도를 추정하기 위한 상태 관찰기(state observer)를 더 포함하고, 그리고 제어 유닛은 상태 관찰기에 의해 제공된, 미리 정의된 원하는 온도 및 스탬핑 계면 표면의 추정된 실제 온도에 기초하여, 적어도 하나의 가열 장치에 대한 조작 변수를 계산하기 위한 피드백 제어기를 더 포함한다.

바람직하게는, 스탬핑 기계는 가열 플레이트와 스탬핑 플레이트 사이에 배치된 설치 플레이트를 추가로 포함하고, 상기 설치 플레이트는 가열 플레이트의 제2 표면에 부착된 제3 표면, 및 스탬핑 플레이트의 제5 표면이 부착되는 반대쪽 제4 표면을 갖는다. 따라서 예를 들어 적절한 장착 브래킷을 사용하여 하나 이상의 스탬핑 플레이트의 설치를 용이하게 하는, 예를 들어 벌집형 플레이트 등의 형태의 설치 플레이트(installation plate)가 사용될 수 있다.

유리한 실시예에서, 제어 유닛은 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델(physics-based analytical model)에 기초하여 스탬핑 계면 표면의 미리 정의된 원하는 온도로부터 피드포워드 제어 값을 계산하기 위한 피드포워드 제어기를 추가로 포함한다. 이러한 방식으로 피드백 제어기는 더 작은 오류만 조정하면 되기 때문에, 제어 성능이 향상된다.

만일, 상태 관찰기가 바람직하게 PID 제어기 형태의 관찰기 보상기(observer compensator)를 포함하여, 이용 가능한 온도 측정에 기초하여 적어도 하나의 스탬핑 플레이트의 스탬핑 계면 표면의 추정된 실제 온도를 수정하면, 더 유익할 수 있고, 여기서 이용 가능한 온도 측정은 적어도 하나의 온도 센서 및/또는 주변 온도로 측정된 가열 플레이트의 실제 온도를 적어도 포함하는 것이다.

바람직하게는 물리적 기반 분석 모델은 분산 매개변수 모델 및 집중 매개변수 모델을 포함하는 하이브리드 모델이며, 바람직한 실시예에서 분산 매개변수 모델은 고유 함수(eigen-function) 전개 모델이고 그리고 집중 매개변수 모델(lumped-parameter model)은 열 임피던스 회로 모델(thermal impedance circuit model)이다. 이에 의해, 가열 플레이트의 가열 장치(들)의 국부 제어 입력과 다양한 열유속 교란에 영향을 받는 스탬핑 계면 표면 온도 사이의 관계에 대한 실시간으로 가능하고 계산적으로 효율적인 모델이 제공되어, 온라인 온도 추정을 가능하게 하여서, 스탬핑 계면 표면의 우수한 온도 제어 성능을 제공한다.

유리하게, 하이브리드 모델에서, 적어도 하나의 가열 플레이트, 바람직하게 제공된 적어도 하나의 설치 플레이트, 및 적어도 하나의 스탬핑 플레이트가 각각 주축을 따라서, 바람직하게는 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 표면 또는 계면 표면 중 하나에 대해 직교하는 축을 따라서 다중 레이어로 각각 분할되며, 여기서 분산-매개변수 모델은 다중 레이어 각각의 온도 분포를 계산하고 그리고 집중 매개변수 모델은 주축 방향으로 다중 레이어 사이의 열유속(heat flux)을 계산한다. 따라서, 스탬핑 계면 표면에 대한 과도 온도의 지배적인 영향 요인(dominant influence factors)인 주축을 따른 평면 열 확산 및 열 전도가 처음에 별도로 공식화될 수 있으며, 이후 결합되어 하이브리드 모델을 형성할 수 있다.

하이브리드 모델은 포워드 경로(forward path) 및 피드백 경로를 포함하는 폐쇄 루프(closed-loop) 모델이고, 분산 매개변수 모델은 포워드 경로에서 구현되고 그리고 집중 매개변수 모델은 피드백 경로에서 구현되는 것이 더 바람직하다. 따라서 물리적으로 직관적이며, 열 전달의 고유한 구조를 나타내는 모델이 제공된다.

제2 목적은, 본 발명에 따라 제2 표면으로부터 이격된, 바람직하게는 제2 표면 반대쪽에 구성요소의 제1 표면의 실제 온도를 측정하는 단계, 및 제1 표면과 제2 표면 사이의 열 전달에 대한 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델을 사용하는 제1 표면의 측정된 실제 온도에 기초하여 제2 표면의 실제 온도를 추정하는 단계를 포함하는 방법으로 달성되며, 여기서 분산-매개변수 모델 및 집중-매개변수 모델을 포함하는 하이브리드 모델이 물리적 기반 분석 모델로서 사용된다.

바람직하게는, 상기 방법은: 피드백 제어기로 제2 표면의 추정된 실제 온도 및 제2 표면의 미리 정의된 원하는 온도에 기초하여 가열 장치에 대한 조작 변수를 계산함으로써, 구성요소의 제2 표면의 온도를 미리 정의된 원하는 온도로 제어하는 단계, 및 계산된 조작 변수를 사용하여 가열 장치로 구성요소의 제1 표면을 가열하는 단계를 추가로 포함한다. 이에 의해, 추정된 실제 온도는 피드백 제어에서 실제 값으로 유리하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 구성요소의 표면, 바람직하게는 핫 포일 스탬핑 기계의 스탬핑 플레이트의 스탬핑 계면 표면, 열 밀봉 머신의 가열 유닛의 가열 표면, 반도체 생산에서 웨이퍼 표면 또는 전자 장치에서 전자 부품의 열 임계 표면의 측정 불가능한 온도를 결정 및/또는 제어하는 데 유리하게 사용될 수 있다. 도 1 내지 도 4는 본 발명의 예시적이고, 개략적이고, 비제한적인 유리한 실시예를 도시한 것이며, 상기 도면을 참조하여 이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 핫 포일 스탬핑 기계의 기본 구성요소를 도시한다.
도 2는 온도 제어를 위한 제어 방식을 도시한다.
도 3은 온도 추정에 사용되는 하이브리드 모델을 도시한다.
도 4는 분석적 열전달 모델을 설명하기 위한 가열 플레이트를 도시한다.

도 1은 핫 포일 스탬핑 기계(1)의 예를 개략적으로 도시한다. 핫 포일 스탬핑 기계의 구조 및 작동은 관련 기술분야에서 잘 알려져 있기 때문에, 본 발명과 관련된 구성요소들 만이 도시되었다. 핫 포일 스탬핑 기계(1)는 예를 들어 간략한 도시를 위해 도시되지 않은 베이스 구조 상에 배치될 수 있는 가열 플레이트(2)를 포함한다. 가열 플레이트(2)는 예를 들어, 적절한 열 전도성을 갖는 금속 등과 같은 강성 재료(rigid material), 예를 들어 강철 합금으로 제조될 수 있다. 가열 플레이트(2)는 정사각형, 직사각형 또는 임의의 다른 형상일 수 있고, 제1 표면(A1) 및 반대쪽 제2 표면(A2)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 가열 플레이트(2)는 대향 표면(A1, A2) 사이에서 균일한 두께를 갖는다. 가열 플레이트(2)는 예를 들어 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1) 상에 격자 패턴으로 배열될 수 있는 하나 이상의 저항 히터 형태의 적어도 하나의 가열 장치(7)를 포함한다. 가열 장치(들)(7)에 의해, 가열 플레이트(2)는 특정 온도로 가열될 수 있다. 또한, 가열 플레이트(2)의 온도를 측정하기 위해 가열 플레이트(2) 상에 하나 이상의 온도 센서(13)가 배치된다. 예를 들어 하나의 온도 센서(13)는, 도 1에 도시된 바와 같이 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1)의 온도를 측정하기 위해 각각의 가열 장치(7)의 영역에 제공될 수 있다.

가열 플레이트(2)의 제2 표면(A2)의 상부에, 선택적인 설치 플레이트(3)가 배치될 수 있으며, 이는 적절한 열 전도성을 갖는 강철 합금과 같은 적절한 강성 재료로 제조될 수 있다. 설치 플레이트(3)는 정사각형, 직사각형, 원형 또는 임의의 다른 형상을 가질 수 있다. 설치 플레이트(3)는 제3 표면(A3) 및 반대쪽 제4 표면(A4)을 포함하며, 제3 표면(A3)은 가열 플레이트(2)의 제2 표면(A2)과 접촉한다. 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1)과 설치 플레이트(3)의 제4 표면(A4)은 서로 반대 편에 있다. 설치 플레이트(3)는 차례로 바람직하게는 제3 및 제4 표면(A3, A4) 사이에서 균일한 두께를 가지며, 본질적으로 나사 또는 브래킷(도시되지 않음)과 같은 임의의 적절한 장착 수단에 의해 가열 플레이트(2)에 고정될 수 있다. 설치 플레이트(3)는 적어도 하나의 스탬핑 플레이트(4)의 설치를 위해 구성되지만, 물론 도 1에서 점선으로 도시된 바와 같이 다중 스탬핑 플레이트(4)가 동시에 설치 플레이트(3)에 설치될 수도 있다. 그러나 설치 플레이트(3)는 선택 사항일 뿐이며, 적어도 하나의 스탬핑 플레이트(4)는 가열 플레이트(2)에 직접 부착될 수도 있다. 이 경우, 스탬핑 플레이트(4)의 설치를 위한 적절한 고정 요소가 가열 플레이트(2)에 제공된다. 따라서, 가열 플레이트(2)는 가열을 위한 가열 플레이트 및 하나 또는 다수의 스탬핑 플레이트(4)의 설치를 위한 설치 플레이트로서의 역할을 한다. 이하, 본 발명은 하나의 스탬핑 플레이트(4)만을 참조하여 설명될 것이다.

적어도 하나의 스탬핑 플레이트(4)가 강철 합금과 같은 적절한 열 전도성을 갖는 강성 재료로 제조될 수 있다. 스탬핑 플레이트(4)는 정사각형, 직사각형, 원형 또는 임의의 다른 형상을 가질 수 있다. 스탬핑 플레이트(4)는 제5 표면(A5) 및 대향하는 스탬핑 계면 표면(ASI)을 포함한다. 도 1에 도시된 예에 따라 가열 플레이트(2)와 스탬핑 플레이트(4) 사이에 별도의 설치 플레이트(3)가 배치된다고 가정하면, 제5 표면(A5)은 설치 플레이트(3)의 제4 표면(A4)과 접촉한다. 그러나, 스탬핑 기계(1)에 별도의 설치 플레이트(3)가 제공되지 않는 경우, 스탬핑 플레이트(4)의 제5 표면(A5)은 가열 플레이트(2)의 제2 표면(A2)에 부착된다. 스탬핑 플레이트(4)는 제5 표면(A5)과 스탬핑 계면 표면(ASI) 사이에서 바람직하게 균일한 두께를 차례로 갖는다. 스탬핑 플레이트(4)는 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 적절한 장착 브래킷(5)에 의해 설치 플레이트(3)에 고정될 수 있다. 설치 플레이트(3) 상의 다른 위치에도 하나 이상의 스탬핑 플레이트(4)를 빠르고 간단하게 설치할 수 있도록 하기 위해, 설치 플레이트(3)는 예를 들어 다수의 오목부를 갖는 벌집 구조를 가질 수 있다. 도 1에 도시된 예시적인 설치 플레이트(3)는 대향 표면(A3, A4)을 연결하고 바람직하게는 벌집형 구조를 달성하기 위해 설치 플레이트(3) 위에 고르게 분포하는 다수의 구멍(6)을 포함한다.

스탬핑 플레이트(4)의 상부에는 스탬핑 기계(1)에 의한 스탬핑 공정을 수행함으로써 포일(9)이 스탬핑될 기판(S)이 배치될 수 있다. 기판(S) 및 포일(9)에 다양한 재료 조합물을 사용할 수 있다. 종이, 판지, 플라스틱, 가죽, 나무 등과 같은 재료를 기판(S)에 사용할 수 있다. 본질적으로 사용된 기판(S)의 재료와 결합하기에 적합한 모든 금속 및 플라스틱이 포일(9)의 재료로 사용할 수 있다. 그러나 금속 포일은 금, 은, 청동, 구리 또는 다른 금속 합금과 같이 주로 사용된다. 기판(S)은 예를 들어 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI) 상에 느슨하게 배치될 수 있고, 또는 적절한 고정 요소(들)에 의해 고정될 수 있지만, 그것은 기판(S)보다 약간 더 얇은 두께를 가져야 한다.

포일(9)은 예를 들어 포일(9)이 감겨 있는 하나 이상의 코일(9A)의 형태로 제공될 수 있다. 코일(9A)로부터, 포일(9)은 스탬핑 기계의 처리 영역에서, 예를 들어, 하나 이상의 고정 또는 조정 가능한 롤러(12)에 걸쳐 기판(S)에 공급될 수 있다. 간단한 실시예에서, 포일(9)은 예를 들어, 수동으로 포일(9)을 풀고 이동시켜 수동적으로 공급될 수 있다. 그러나 더 높은 생산성을 달성하기 위해서는 포일(9)을 처리 영역으로, 예를 들어 적절한 드라이브로 자동으로 공급하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 코일(9A) 및/또는 롤러(12)는 전기 모터(도시되지 않음)에 의해 구동될 수 있다.

핫 포일 스탬핑 기계(1)는 도 1에서 이중 화살표로 나타낸 바와 같이 일반적으로 스탬핑 플레이트(4) 위에 이동 가능하게 배치되는 적어도 하나의 스탬핑 헤드(10)를 더 포함할 수 있다. 스탬핑 헤드(10)는 적절한 재료, 예를 들어, 스탬핑 플레이트(4), 설치 플레이트(3) 또는 가열 플레이트(2)와 유사한 금속인 적절한 재료로 제조될 수 있다. 스탬핑 공정을 수행하기 위해, 스탬핑 헤드(10)는 기판(S) 위로 포일(9)을 누르기 위해 기판(S) 쪽으로 이동할 수 있어서, 특정 스탬핑 힘이 포일(9)과 기판(S)에 가해지게 된다. 스탬핑 공정을 하는 동안, 기판(S)은 가열 플레이트(2)에 의해 생성되어, 가열 플레이트(2)로부터 스탬핑 플레이트(4)로 설치 플레이트(3)를 통해 전도되는 열에 의해 특정한 원하는 스탬핑 온도로 가열된다. 가열 플레이트(2)에 의해 제공되는 열 및 가압력의 작용을 받아서, 포일(9)이 기판(S)에 도금된다.

특정한 처리공정 시간 후, 스탬핑 헤드(10)가 철회되고, 부착된 포일(9)을 포함하는 완성된 기판(S)이 제거될 수 있다. 물론, 기판(S)에 대한 요구되는 처리공정의 온도는 포일(9)의 재료와 기판(S) 자체의 재료에 따라 달라지며, 일반적으로 100℃ 내지 300℃ 사이의 범위에 있다. 지정된 조건(기판(S)의 재료 및 모양과 포일(9)의 재료)에 대해, 스탬핑 계면 표면(ASI)의 요구 온도는 알려져 있는 것으로 가정하고, 다음과 같이 스탬핑 플레이트(4)에 대한 계면 표면(ASI)의 원하는 온도(T_{SI_D})로 지정 한다. 스탬핑 플레이트(4)로부터 포일(9)이 스탬핑된 완성된 기판(S)의 제거를 용이하게 하기 위해, 분사 노즐(18)이 스탬핑 기계(1), 예를 들어 설치 플레이트(3)의 외부 모서리에 선택적으로 제공될 수 있다. 분사 노즐(18)에 의해, 압축 공기가 기판(S)에 공급될 수 있다. 바람직하게는 기판(S)과 스탬핑 계면 표면(ASI) 사이에 공급될 수 있다.

로고, 텍스트 등과 같이 기판(S)에 스탬핑된 포일(9)의 특정 패턴을 달성하기 위해, 스탬핑 헤드(10)의 표면(기판(S)을 향함)도 각각의 방식으로 성형될 수 있다. 패턴을 유연하게 변경하기 위해, 다른 패턴의 교체 가능한 인서트가 제공될 수 있다. 간단한 구현예에서, 스탬핑 헤드(10)는 예를 들어 수동으로 예를 들면 레버(도시되지 않음)를 통해 작동될 수 있다.. 그러나, 더 높은 생산성과 더 나은 스탬핑 품질을 달성하기 위해, 스탬핑 헤드가 예를 들어, (전기)-기계적으로 또는 (전기)-유압적으로 적절한 드라이브(11)에 의해 자동으로 작동되는 것이 유리할 수 있다. 따라서 일관된 공정처리 속도(기본적으로 프레스 동작의 지속 시간에 대응 함)와 일관된 스탬핑력에 도달할 수 있으며, 이는 일정한 스탬핑 품질로 이어진다.

핫 포일 스탬핑 기계(1)를 제어하기 위해, 적어도 하나의 제어 유닛(8)이 예를 들어 적절한 마이크로프로세서 기반 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 형태로 핫 포일 스탬핑 기계(1)에 제공된다. 제어 유닛(8)은 또한, 예를 들어 PLC(Programmable Logic Controller), FPGA(Field Programmable Gate Array), ASIC(application-specific integrated circuit), 아날로그 컴퓨터 또는 아날로그 회로를 포함할 수도 있다. 제어 유닛(8)으로, 적어도 가열 플레이트(2), 특히 하나 이상의 가열 장치(7)가 제어될 수 있다. 스탬핑 헤드(10)가 자동으로 예를 들어 드라이브(11)에 의해 구동되는 경우 및/또는 포일(9)이 예를 들어 롤러(12)의 드라이브에 의해 자동으로 공급되는 경우, 제어 유닛(8)이 또한 도 1의 연결 라인으로 표시된 바와 같이 드라이브(11) 및/또는 롤러(12)의 드라이브를 제어하는데 사용될 수도 있다. 제어 유닛(8)은, 예를 들어, 포일(9)의 공급 속도 및/또는 스탬핑 헤드(10)의 스탬핑 속도 및/또는 스탬핑력을 제어할 수 있다. 분사 노즐(18)이 스탬핑 기계(1)에 제공되는 경우, 제어 유닛(8)은 또한, 분사 노즐(18)을 제어하여 예를 들어 체적 흐름 또는 압력의 형태로, 예를 들어 분사 노즐(18)에 의해 공급되는 공기량을 제어할 수도 있다. 스탬핑 공정의 다양한 매개변수(예: 처리 속도, 스탬핑 계면 표면(ASI)의 원하는 온도, 스탬핑 압력 등)를 조정하기 위해, 유저 인터페이스(8a)가 스탬핑 기계(1)에, 예를 들어 제어 유닛(8)에 제공될 수 있다.

서두에서 설명한 바와 같이, 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI)의 온도의 직접적인 온도 측정이 불가능하기 때문에, 제어 입력은 지금까지 룩업 테이블을 기반으로 했으며, 여기서 가열 플레이트(2), 특히 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1)의 온도와, 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI) 사이의 안정 상태종속성(steady state dependency)이 저장된다. 그러나 룩업 테이블 방식으로는 가공 조건(스탬핑 플레이트 설치 수, 주변 온도, 가공 속도, 분사 노즐(18)에 의해 공급되는 공기의 온도 및 체적 유량 등)이 변화되기 때문에, 고품질 표준을 충분하게 충족시킬 수가 없다. 따라서, 본 발명에 따르면, 도 2 및 도 3을 참조하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 보다 양호한 성능을 갖는 개선된 스탬핑 기계(1)가 제공된다.

본 발명에 따르면, 스탬핑 기계(1)는 스탬핑 계면 표면(ASI)의 온도(T_SI)를 미리 정의된 원하는 온도(T_{SI_D})로 제어하기 위한 제어 유닛(8)을 포함하며, 상기 제어 유닛(8)은 가열 플레이트(2)의 적어도 하나의 온도 센서(13)로부터의 가열 플레이트(2)의 실제 온도(T_{H_ACT})를 적어도 수신하고 그리고 조작 변수(u)를 적어도 하나의 가열 장치(7)에 제공하게 구성된다. 스탬핑 기계(1)는 가열 플레이트(2)와 스탬핑 플레이트(4) 사이의 열 전달에 대한 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델(17)에 기초한 적어도 하나의 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI)의 실제 온도(T _{SI_ACT} )를 추정하기 위한 상태 관찰기(14)를 추가로 포함한다.

상태 관찰기(14)는, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 별도의 구성요소(예를 들어, 하드웨어 또는 소프트웨어의 일부)의 형태로 제공되거나 또는 제어 유닛(8)에서(예를 들어, 소프트웨어로서) 구현될 수 있다. 제어 유닛(8)은 일반적으로 원하는 온도(T_{SI_D})와 추정된 실제 온도(T _{SI_ACT} )와의 사이의 오차를 기반으로 하며, 상태 관찰기(14)에 의해 제공되는, 미리 정의된 원하는 온도(T_{SI_D}) 및 스탬핑 계면 표면(ASI)의 추정된 실제 온도(T _{SI_ACT} )에 기초하여 적어도 하나의 가열 장치(7)에 대한 조작 변수(u)를 계산하기 위한 피드백 제어기(15)를 더 포함한다. 피드백 제어기(15)는 예를 들어, 당업계에 공지된 적절한 제어기, 예를 들어, PID 제어기 또는 PI 제어기를 포함할 수 있다. 명료함을 위해, 스탬핑 기계(1)는 도 2에 단순화된 방식으로 도시되어 있고, 그리고 가열 장치(7) 및 온도 센서(13)는 그리드의 교점으로서 도시되어 있으며, 여기서 이들은 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1)에 배치된다. 물론, 가열 장치(7)는 도시된 바와 같이 정확히 한 교점에서 가열 플레이트(2)를 가열할 필요는 없는 것이지만, 특정 영역에서 가열 플레이트(2)를 가열할 수는 있는 것이다.

바람직하게는, 제어 유닛(8)은 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델(17)에 기초한 스탬핑 계면 표면(ASI)의 미리 정의된 원하는 온도(T_{SI_D})로부터 피드포워드 제어 값을 계산하기 위한 피드포워드 제어기(16)를 더 포함한다. 특히, 피드포워드 제어 값은 스탬핑 기계(1)에 설치된, 스탬핑 플레이트(4)의 수의 스탬핑 플레이트 영역(들) 및 설치 위치(들)를 고려하여, 스탬핑 계면 표면(ASI)의 원하는 온도 분포에 대해 계산된다. 피드포워드 제어 값은 물리적 기반 분석 모델(17)의 역해법(inverse solution)으로 계산된다. 예를 들어, 가열 에너지를 줄이기 위해, 원하는 온도 분포는 하나 이상의 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(들)의 영역(들)에 대한 특정한 원하는 온도(T_{SI_D})를 포함할 수 있고, 그리고 부가적으로 하나 이상의 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(들)(ASI)의 영역 외부 영역(들)의 원하는 온도를 포함할 수 있다.

피드백 제어기(15), 상태 관찰기(14) 및 피드포워드 제어기(16)가 도 2에 도시된 제어 구조에서 별도의 구성요소로 표시되어 있지만, 당업자에게는 이들이 물론 제어 유닛(8)에서 소프트웨어의 형태로로도 구현될 수 있음을 분명히 알 것이다. 또한, 물리적 기반 분석 모델(17)은 도 2의 제어 회로의 물리적 구성요소(점선으로 표시)가 아니라, 상태 관찰기(14) 및 선택적인 피드포워드 제어기(16)의 설계에 대한 기초 역할을 하는 스탬핑 기계(1)의 열 거동(thermal behavior)에 관한 수학적 설명을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 물리적 기반 분석 모델(17)은 예를 들어 상태 관찰기(14) 및 적절한 형태의 선택적 피드포워드 제어기(16)에서 구현될 수 있다. 따라서, 물리적 기반 분석 모델(17)을 나타내는 도 2에 도시된 블록은 단순히 명확한 도시를 위해 도시된 것으로 이해한다.

스탬핑 기계(1)의 물리적 기반 분석 모델(17)로 인해, 직접적인 측정이 가능하지 않더라도, 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI)의 실제 온도(T _{SI_ACT} )를 비교적 정확하게 추정하는 것이 가능하기 때문에 스탬핑 계면 온도(T_SI)의 피드백 제어를 구현하는 것이 가능하다.

스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI)의 추정된 실제 온도(T _{SI_ACT} )를 보정하기 위해, 관찰기 보상기(19)가 선택적으로 스탬핑 기계(1)에 제공될 수 있어서, 특히 상태 관찰기(14)에서 구현되며, 바람직하게는 PID-제어기 또는 기타 적절한 제어기의 형태로 구현될 수 있다. 보정은 이용 가능한 온도 측정치(T_{i_ACT}), 바람직하게는 적어도 하나의 온도 센서(13)로 측정된 가열 플레이트(2)의 실제 온도(T_{H_ACT})에 기초한다.

바람직하게는, 물리적 기반 분석 모델(17)은 도 3을 참조하여 추가로 설명되는 바와 같이 분산-매개변수 모델(DPM) 및 집중-매개변수 모델(LPM)을 포함하는 하이브리드 모델이다. 하이브리드 모델에서, 가열 플레이트(2), (선택적) 설치 플레이트(3) 및 스탬핑 플레이트(4)는 각각 주축을 따라 다중 레이어(LAi)로 분할된다. 주축은 바람직하게는 예를 들어 도 1의 수직축인, 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 표면(A1-A5) 또는 계면 표면(ASI) 중 적어도 하나에 대해 수직인 것이다. 분산 매개변수 모델(DPM)의 도움으로, 다중 레이어(LAi) 각각의 온도 분포는 입력 레이어(LA_IP)로의 열유속 입력(HFI)을 기반으로 계산될 수 있다. 집중 매개변수 모델(LPM)의 도움으로, 주축을 따라 있는 다중 레이어(LAi) 사이의 열유속을 계산할 수 있다. 도 3에 도시된 예에 따르면, 스탬핑 기계(1)는 입력 레이어(LA_IP), 2개의 중간 레이어(LAM) 및 출력 레이어(LA_OP)로 분할되지만, 물론 더 많거나 더 적은 레이어로 다른 세분화를 선택하는 것이 가능하지만, 적어도 2개의 레이어는 필요하다(입력 레이어(LA_IP) 및 출력 레이어(LA_OP)). 입력 레이어(LA_IP)는 열유속 입력(HFI)을 제공하는, 가열 장치(7)가 배치된 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1)에 대응한다. 출력 레이어(LA_OP)는 실제 온도(T _{SI_ACT} )가 추정될 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI)에 대응한다. 가열 장치(들)(7)의 분할 가열 영역으로 인해, 열유속 입력(HFI)은 입력 레이어(LA_IP)에 국부적으로 가해지고 그리고 스탬핑 플레이트(들)(4)의 유한한 작동 영역(들)으로 인해 교란이 출력 레이어(LA_OP)에 불균일하게 분포된다. 결과적으로 매우 불균일한 온도 분포에 대한 가열 영역 간의 국부 경계 조건 및 열 결합의 영향을 설명하기 위해서, 만약 집중 매개변수 모델만이 스탬핑 기계(1)의 열 전달에 대한 수학적 설명을 위한 단일 모델로 사용된다면, 매우 많은 수의 모델 요소(예: 저항(R), 정전용량(C) 등 - 아래 참조)가 필요할 것이다. 그러나 이것은 바람직한 실시간 온도 추정/제어 측면에서 바람직하지 않은 많은 계산 시간을 초래할 것이다. 다른 한편으로, 분산 매개변수 모델만을 사용하여 과도 3차원 온도 필드(transient three-dimensional temperature field)를 해석적으로 해결하는 것도 매우 어려울 것이며, 수치 계산 기술(예: 유한 요소 방법)도 엄청난 계산 노력이 필요하다. 따라서 충분히 낮은 계산 노력을 달성하기 위해, 각각의 빠른 계산 시간과 동시에 충분한 계산 정확도를 제공하기 위해 본 발명에서는 집중 매개변수 모델과 분산 매개변수 모델을 조합한 하이브리드 모델 형태로 조합하여 사용한다.

바람직한 실시예에서, 분산 매개변수 모델(DPM)은 고유 함수 전개 모델(eigen-function expansion model)이고 그리고 집중 매개변수 모델(LPM)은 열 임피던스 회로 모델이다. 열 임피던스 회로 모델을 사용하여, 레이어 사이의 역학 관계가 모델링 되며, 여기서 각 레이어(LAi)는 회로 교점으로서 공식화되고(Kirchhoff의 노드 법칙이 충족됨) 그리고 인접 레이어(LAi) 사이의 열 역학 관계는 도 3에 도시된 바와 같이 열 저항(R) 및 열 커패시턴스(C)로 설명된다. 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI)에 대응하는 출력 레이어(LA_OP)의 국부 열유속 교란이 또한 국부 열 저항(R)으로 모델링된다. 하이브리드 모델은 바람직하게는 포워드 경로 및 피드백 경로를 포함하는 폐루프 모델로 모델링되며, 여기서 포워드 경로는 입력 레이어(LA_IP)에 대한 지정된 열유속 입력(HFI)을 기반으로 각 레이어(LAi)의 레이어 온도 분포를 설명하고, 반면 피드백 경로는 지정된 온도 분포에 대한 전도된 열유속(레이어(LAi) 사이)를 설명한다. 분산 매개변수 모델(DPM)은 도 3에 나타낸 바와 같이 포워드 경로에서 구현되고 그리고 집중 매개변수 모델(LPM)은 피드백 경로에서 구현된다.

하이브리드 모델이 공식화되면, 식별 알고리즘(identification algorithm)을 사용하여 식별 실험을 수행하여 작업 조건(예: 처리 속도, 주변 온도, 분사 노즐 사용 등)의 함수로 열유속 교란(heat-flux disturbance)을 결정할 수 있다. 이러한 식별 알고리즘은 예를 들어 OZISIK, M. Necati 등의, 2000. Inverse Heat Transfer: Fundamentals and Applications, ISBN 978-1560328384 인 책에서 당업계에 알려져 있다. 도 2에 따른 제어 방식으로 하이브리드 모델을 구현하면, 가열 플레이트(2)는 온도 차이로 인해 스탬핑 플레이트(4)를 향한 열유속이 생성되는 방식으로 (가열 장치(7)에 제공된 계산된 조작 변수(u)에 기초하여) 가열되며, 이는 스탬핑 계면 표면(ASI)에서 다양한 열 유속 교란(다른 작업 조건 하에서 스탬핑에 의해 유발됨)에 대응하여 스탬핑 계면 온도(T_SI)를 원하는 온도(T_{SI_D})로 유지한다.

예시적인 물리적 기반 분석 모델(17)을 도 4를 참조하여 다음에 제시한다. 단순함을 기하기 위해, 물리적 기반 분석 모델(17)은 가열 플레이트(2)에 대해서만 도시했다. 좌측에는 수학적 설명에 사용되는 좌표계가 있는 가열 플레이트(2)가 도시되며, 좌측 상단 모서리에 원점(O)이 있다. X-축 및 Y-축에 걸쳐 있는 XY-평면은 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1)에 해당한다. 주축인 Z-축은 제1 표면(A1)에 수직이고, 가열 플레이트(2)의 반대쪽 제2 표면(A2)을 향한 방향으로 연장된다. 전술한 바와 같이, 다수의 가열 장치(7)(도시되지 않음)는 격자 패턴으로 가열 플레이트(2) 상에 배치되며, 각각의 가열 장치(7)는 도 4에서 교점(node)으로 표시된다. 열원으로서의 각 가열 장치(7)는 도 4에서 화살표로 표시된 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1)의 각각의 교점에 열유속 입력(HFI)을 제공한다.

가열 플레이트(2)는 제2(바닥) 표면(A2)에서 열 전달 계수(h_z)를 갖는 시변 대류(time-varying convection)를 받게 된다. 가열 플레이트(2)가 주변 온도의 환경에 노출되면, 과도 온도 분포는 주어진 제어 입력에 의한 XY-평면 열확산에 의해 결정될 뿐만 아니라, 제2 표면(A2)을 향한 Z-축 방향으로 흐르는 열유속에 의해 영향을 받는다. 열유속 입력(HFI)은 XY-평면의 온도를 높여 Z-축 방향의 열 전도에 대한 온도 차이를 제공하며, 이를 통해서, 열유속이 제2 표면(A2)쪽으로 제1 표면(A1)으로부터 흘러서, 제2 표면(A2)의 온도를 특정 수준(= 원하는 온도, 예를 들어 전체 스탬핑 기계(1)에서 스탬핑 계면 표면(ASI)의 원하는 온도(T_{SI_D})에 해당, 도 1 및 도 2 참조)으로 유지하기 위해 시변 대류 경계 조건에 대처한다.

온도 분포의 과도 거동(transient behaviors)에 대한 Z-축 열전도 및 XY-평면 열확산의 언급된 효과는, 도 3을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 바람직하게는 폐쇄 루프 모델의 형태로 하이브리드 모델에 의해 완전히 특성화될 수 있다. 다시, 포워드 경로는 알려진 열유속 입력(HFI)을 사용하여 XY-평면 열 확산에 의해 결정된 온도 분포를 설명하고, 반면에 음의 피드백은 주어진 온도 분포 및 대류 경계 조건에 대해 Z-축 열 전도를 통해 소산된 열유속을 설명한다. XY-평면 열확산은 분산 매개변수 모델(DPM)로 설명하는 것이 바람직하고 그리고 Z-축 방향의 열전도는 집중 매개변수 모델(LPM), 특히 임피던스 회로(도 3 참고)로 설명하는 것이 바람직하다 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 하이브리드 모델에서 가열 플레이트(2)는 다중 레이어(LAi)로 분할되며, 도 4에 도시된 예에서는 2개의 레이어(LAi)만이 사용되었다. 도 4의 우측에 도시된 바와 같이, 제1 레이어는 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1)에 대응하는 입력 레이어(LA_IP)이고, 제2 레이어는 가열 플레이트(2)의 제1 표면(A1) 반대편의 제2 표면(A2)에 대응하는 출력 레이어(LA_OP)이다.

다음 예에서, 입력 레이어(LA_IP)(XY-평면, z=0)의 온도 분포는 고유 함수 전개법(eigen-function expansion method)을 사용하여 먼저 해석적으로 해결한다. 그 후 Z-축 방향의 열전도 해석 모델 공식을 열 임피던스 회로로 설명하고(도 3 참조), 마지막으로 폐쇄 루프 모델 형태의 조합을 나타낸다.

가열 플레이트(2) 내의 온도 필드(T_he)(t, x, y, z)에 대한 지배 방정식은 방정식(1a)에 의해 도출될 수 있으며, 여기서 T_he = T-T_A 이고, T_A 는 주변 온도이다.

방정식(1b)은 X, Y, Z-축에 대한 경계조건(BC)을 나타낸다.

시간 t=0 에 대한 초기 조건은 방정식(1c, 1d)으로 나타낸 바와 같다.

T_he(0,x,y,z) = 0 α² = κ/ρc_p (1c, 1d)

방정식(1c, 1d)에서 α는 열확산계수, h_n 및 h_z 는 각각 XY-평면 및 Z-축의 열전달계수, κ는 열전도율, ρ는 밀도, Cp는 가열 플레이트(2)의 비열 용량이다. X, Y, Z는 가열 플레이트(2)의 길이, 너비 및 높이이다(도 4 참조). 방정식(1b)에서 경계 입력(g)(t, x, y, 0)은 방정식(2a)과 같이 표현되며, 여기서 제어 입력 벡터(u(t))의 요소(ui)는 i번째 가열 영역에 적용되며(예를 들어, 도 4의 예에 제시되어 있는 12개의 교점의 경우 i=1, 2,...12 는 가열 장치(7)에 대응), 그 가열 영역(g_i(x, y))은 길이(Li), 폭(Wi) 및 XY-평면(l_i+L_i/2, w_i+W_i/2)상의 설치위치로 특징지을 수 있다.

XY-평면 온도 분포 및 Z-축 열 전도에 대한 분절 경계 제어 입력의 영향을 설명하기 위해, 지배 방정식(1a-1c)에 대한 해결은 방정식(3a)의 형식을 취하는 것으로 가정하고, 여기서 T_hei 는 i번째 가열 구역에 의해 초래되는 z = 0 에서의 입력 레이어(LA_IP)의 과도 온도 분포이며, T_he(t, z)는 Z-축의 열 전도 역학을 특징 짓는다.

초기 조건 T_hei(0, x, y) = 0 (3d)

고유 함수 전개 모델을 사용하여, 레이어 온도 필드 지배 방정식(3b-3d)에 대한 해결이 방정식(4a)에 따른 시간-공간 분리 형태(time-space separation form )로 도출될 수 있다.

방정식(4a-4c)에서, Φ_mn(x, y)는 시간 종속 계수(T^hei _mn)를 갖는 레이어 온도 분포의 공간 조화 커널 함수(spatial harmonic kernel function)이다. 유사하게, 분절 제어 입력(segmental control input)은 방정식(5a-5e)에 따라 일련의 공간 조화 커널 함수로 공식화될 수도 있다.

방정식(4a) 및 (5a)를 방정식(3b)에 대입하면, T_hei 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

방정식(6b)에서, τ_mn 은 (m,n)번째 공간 조화(spatial harmonics)의 열확산 시간 상수(heat-diffusion time constant)이다. 열확산 계수(α)가 증가하고, 조화 차수(m, n)가 증가하고, 윤곽 치수(X, Y)가 줄어들면, 감소한다. 방정식(6c)이 방정식(3a)과 결합하면, 모든 가열 구역이 기여하는 온도 분포는 방정식(7a, 7b)에 따라 설명되며, 여기서 u_mn은 경계 제어 입력의 과도 공간 분포를 특성화 한다.

국소 열유속 입력(HFI) 및 입력 레이어(LA_IP)의 결과적인 온도 분포를 각각 U_mn(t) 및 T^he _mn(t)으로 특성화하면, XY-평면 열 확산의 역학을 설명하는 포워드 경로 전달 함수(도 3 참조)는 방정식(7c)에 나타낸 바와 같이 방정식(7c)에서 도출할 수 있으며, 여기서, s 는 라플라스(Laplace) 연산자이다.

도 3에 도시된 열 임피던스 회로를 사용하여, 알려진 온도 분포(T^he _mn)를 갖는 소산 열유속(Q^he _mn)의 전달 함수를 방정식(8a, 8b)에서 구할 수 있다. 제어 입력(U_mn(s))에 대한 온도 분포(T^he _mn)를 계산하는 폐루프 전달 함수는 방정식(8c, 8d)에 따라 정의할 수 있다.

방정식(8a-8d)에서, C_he는 Z-축 열용량이고, R_he는 가열 플레이트(2)의 Z-축 내열성이다. τ_{he_mn}은 XY-평면 열확산 시간 상수(τ_mn) 및 Z-축 열전도 시간 상수(τ_he)를 고려한 합성 시간 상수이다. 다른 시간 상수 비율(τ_he/τ_mn)에 대해, 방정식(8c, 8d)은 z=0 에서 입력 레이어(LA_IP)에 온도 분포(T^he _mn)의 역학 특성을 제공한다. 기본적으로 다음 두 가지 경우를 고려할 수 있다. 경우1(τ_mn >> τ_he 또는 τ_{he_mn}

2τ_he)에서, Z-축 열전도의 역학은 XY-평면의 열확산의 것에 비해 상대적으로 빠르므로, 제어 입력 에너지는 주로 시간 상수(2τ_he)로 레이어 z=Z로 전달된다. 경우2(τ_mn << τ_he 또는 τ_{he_mn}

2τ_mn)에서, Z-축 열전도의 역학은 XY-평면의 열확산의 것에 비해 상대적으로 느리고, 제어 입력 에너지가 주로 시간 상수(2τ_mn)을 갖는 XY-평면 열확산에 사용된다.

z=0 에서 입력 레이어(LA_IP)에 과도(또는 시간-영역) 온도 분포 (T_he(t,x,y,0))는 방정식(9)에 따라 도출될 수 있다.

방정식(9)은 방정식(7a, 7b)과 동일한 형태를 갖지만, 음의 피드백 루프에 의해 일부 제어 입력 에너지가 소비된다는 사실로 인해, 다른 시간 상수와 더 작은 정상 상태 진폭을 가짐을 알 수 있다. 출력 레이어(LA_OP)에 온도가 관심이 있는 경우, 방정식(8c)을 사용하여 해당 전달 함수를 구할 수 있으므로, 출력 레이어(LA_OP)에서 과도 온도 분포를 구할 수 있다. 앞에 제시된 (다중 레이어) 하이브리드 모델에서는, Z-축 열전도 및 XY-평면 열확산의 역학성이 방정식(9)에 따라 최상부 레이어 온도 분포에 포함되고, 그리고 국소 경계 조건(BC)을 사용한 방정식(1a, b)-(2a, b)에 따른 과도 3D 온도 필드의 해석 모델이 공식화된다.

위의 해석 모델은 직사각형 가열 플레이트(2)의 예를 사용하여 설명되었지만, 그 원리는 물론 가열 플레이트(2), 설치 플레이트(3), 및 하나 이상의 스탬핑 플레이트(4)(도 1 참조)가 있는 핫 포일 스탬핑 기계(1)에서와 같이, 적층된 플레이트가 있는 3차원 필드와 같은 더 복잡한 용도에도 적용될 수 있다. 물론, 해석 모델은 롤러와 같은 원통형 또는 구형의 구성요소와 같은 직사각형이 아닌 구성요소에도 적용할 수 있다. 분석 모델, 특히 설명된 폐쇄 루프 하이브리드 모델을 사용하여 표면의 측정 불가능한 온도를 추정(및 선택적으로 제어)하기 위한 본 발명에 따른 방법의 사용은, 물론 관심있는 표면 온도를 직접 측정할 수 없는 장소에서, 다양한 다른 기술 용도로 구현될 수 있다. 예시적인 용도로는 열 밀봉 기계의 가열 장치에 대한 가열 표면의 표면 온도를 결정 및/또는 제어하거나, 반도체 생산에서 웨이퍼의 표면 온도를 결정 및/또는 제어하거나, 또는 전자 장치의 전자 부품에 대한 열 임계 표면의 표면 온도를 결정(예: 모니터링) 및/또는 제어하는 것이 있다.

Claims

스탬핑 기계(1)는:
- 제1 표면(A1) 및 반대쪽 제2 표면(A2)을 갖는 가열 플레이트(2),
- 가열 플레이트(2)의 적어도 한 영역을 가열하기 위한 적어도 하나의 가열 장치(7),
- 적어도 가열 플레이트(2)의 영역에서, 가열 플레이트(2)의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 온도 센서(13),
- 스탬핑 플레이트(4)의 제5 표면(A5)이 가열 플레이트(2)의 제2 표면(A2)에 부착되는, 제5 표면(A5) 및 반대쪽 스탬핑 계면 표면(ASI)을 갖는 적어도 하나의 스탬핑 플레이트(4)를 포함하며,
기판(S) 상에 포일(9)을 스탬핑하기 위한 핫 포일 스탬핑 기계(1)에 있어서:
상기 스탬핑 기계(1)는 미리 정의된 원하는 온도(T_{SI_D})로 스탬핑 계면 표면(ASI)의 온도(T_SI)를 제어하기 위한 제어 유닛(8)을 포함하며; 상기 제어 유닛(8)은 적어도 하나의 온도 센서(13)로부터 가열 플레이트(2)의 적어도 실제 온도(T_{H_ACT})를 수신하고, 조작된 변수(u)를 적어도 하나의 가열 장치(7)로 제공하게 구성되며; 상기 스탬핑 기계(1)는 가열 플레이트(2)와 스탬핑 플레이트(4) 사이의 열 전달에 대한 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델(17)에 기초하여 적어도 하나의 스탬핑 플레이트(4)에 대한 스탬핑 계면 표면(ASI)의 실제 온도(T _{SI_ACT} )를 추정하기 위한 상태 관찰기(14)를 더 포함하며; 그리고 상기 제어 유닛(8)은 상태 관찰기(14)가 제공하는, 미리 정의된 원하는 온도(T_{SI_D}) 및 스탬핑 계면 표면(ASI)의 추정된 실제 온도(T _{SI_ACT} )에 기초하여 적어도 하나의 가열 장치(7)에 대한 조작된 변수(u)를 계산하기 위한 피드백 제어기(15)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스탬핑 기계(1).
제1항에 있어서, 스탬핑 기계(1)는 가열 플레이트(2)와 스탬핑 플레이트(4) 사이에 배치된 설치 플레이트(3)를 더 포함하고, 상기 설치 플레이트(1)는 가열 플레이트(2)의 제2 표면(A2)에 부착된 제3 표면(A3), 및 스탬핑 플레이트(4)의 제5 표면(A5)이 부착되는 반대쪽 제4 표면(A4)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스탬핑 기계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 제어 유닛(8)은 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델(17)을 기초로 하는 스탬핑 계면 표면(ASI)의 미리 정의된 원하는 온도(T_{SI_D})로부터 피드포워드 제어 값을 계산하기 위한 피드포워드 제어기(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스탬핑 기계(1).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상태 관찰기(14)는 이용 가능한 온도 측정치(T_{i_ACT})에 기초한 적어도 하나의 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI)의 추정된 실제 온도(T_{SI_ACT})를 보정하기 위해 바람직하게 PID 제어기 형태의 관찰기 보상기(19)를 포함하며; 이용 가능한 온도 측정치(T_{i_ACT})는 적어도 하나의 온도 센서(13)로 측정된 가열 플레이트(2)의 실제 온도(T_{H_ACT})를 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 스탬핑 기계(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 물리적 기반 분석 모델(17)은 분산 매개변수 모델(DPM) 및 집중 매개변수 모델(LPM)을 포함하는 하이브리드 모델이며, 분산 매개변수 모델(DPM)은 바람직하게는 고유 함수 전개 모델이고 그리고 집중 매개변수 모델(LPM)은 바람직하게는 열 임피던스 회로 모델인 것을 특징으로 하는 스탬핑 기계(1).
제5항에 있어서, 하이브리드 모델에서, 적어도 하나의 가열 플레이트(2), 바람직하게 제공된 적어도 하나의 설치 플레이트(3), 및 적어도 하나의 스탬핑 플레이트(4)가, 각각이 주축(Z)을 따라 바람직하게 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 표면(A1-A5) 또는 계면 표면(ASI) 중 하나에 수직하여 다중 레이어(LAi)로 분할되며; 분산-매개변수 모델(DPM)은 다중 레이어(LAi) 각각의 온도 분포를 계산하고; 그리고 집중 매개변수 모델(LPM)은 주축(Z) 방향으로 다중 레이어(LAi) 사이의 열유속을 계산하는 것을 특징으로 하는 스탬핑 기계(1).
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 하이브리드 모델은 포워드 경로 및 피드백 경로를 포함하는 폐쇄 루프 모델이고; 상기 분산 매개변수 모델(DPM)은 포워드 경로에서 구현되고 그리고 집중 매개변수 모델(LPM)은 피드백 경로에서 구현되는 것을 특징으로 하는 스탬핑 기계(1).
구성요소(2)의 제2 표면(A2)의 측정 불가능한 온도를 결정하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
- 바람직하게는 제2 표면(A2)의 반대쪽, 제2 표면(A2)으로부터 이격된, 구성요소(2)의 제1 표면(A1)의 실제 온도를 측정하는 단계, 및
- 제1 표면(A1)과 제2 표면(A2) 사이의 열 전달에 대한 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델(17)을 사용하여 제1 표면(A1)의 측정된 실제 온도를 기초로 제2 표면의 실제 온도를 추정하는 단계를 포함하며; 분산 매개변수 모델(DPM)과 집중 매개변수 모델(LPM)을 포함하는 하이브리드 모델은 물리적 기반 분석 모델로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 방법은 이용가능한 온도 측정에 기초하여 상기 제2 표면의 추정된 실제 온도를 보정하는 단계를 더 포함하며; 상기 이용가능한 온도 측정은 적어도 구성요소의 제1 표면(A1)의 측정된 실제 온도를 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 고유 함수 전개 모델이 분산 매개변수 모델(DPM)로 사용되고 그리고 열 임피던스 회로 모델이 바람직하게 집중 매개변수 모델(LPM)로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 방법은 하이브리드 모델에서, 구성요소(2)를 제1 표면(A1)과 제2 표면(A2) 사이의 주축(Z)을 따라 바람직하게는 제1 표면(A1)에 수직으로 다중 레이어(LA_IP, LA_OP)로 분할하는 단계, 분산 매개변수 모델(DPM)을 사용하여 다중 레이어(LA_IP, LA_OP) 각각의 온도 분포를 계산하는 단계, 및 집중 매개변수 모델(LPM)을 사용하여 주축(Z) 방향으로 다중 레이어(LA_IP, LA_OP) 사이의 열유속을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 포워드 경로 및 피드백 경로를 포함하는 폐쇄 루프 모델이 하이브리드 모델로 사용되며; 분산 매개변수 모델(DPM)은 포워드 경로에서 구현되고 그리고 집중 매개변수 모델(LPM)은 피드백 경로에서 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은:
구성요소(2)의 제2 표면(A2)의 온도를 미리 정의된 원하는 온도로 제어하는 단계를 더 포함하며, 상기 제어 단계는:
- 제2 표면의 추정된 실제 온도와 제2 표면(A2)의 미리 정의된 원하는 온도에 기초하여 가열 장치(7)에 대한 조작 변수를 피드백 제어기로 계산하고,
- 계산된 조작 변수를 사용하여 가열 장치(7)로 구성요소(2)의 제1 표면(A1)을 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 방법은: 적어도 하나의 물리적 기반 분석 모델에 기초하여 제2 표면의 미리 정의된 원하는 온도로부터 피드포워드 제어 값을 피드포워드 제어기로 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
구성요소의 표면, 바람직하게는 핫 포일 스탬핑 기계(1)의 스탬핑 플레이트(4)의 스탬핑 계면 표면(ASI), 열 밀봉 기계의 가열 장치의 가열 표면, 반도체 생산의 웨이퍼 표면, 또는 전자 장치의 전자 구성요소의 열 임계 표면의 측정 불가능한 온도를 결정 및/또는 제어하기 위한 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도.