(57)【要約】  【課題】  被処理物を、熱板に接近させて行う熱処理において、被処理物と熱板との距離を推定できるようにする。  【解決手段】  被処理物としてのワークが載置されて熱処理される熱板１の温度情報、例えば、熱板１の温度の傾きの絶対値に基いて、距離推定手段７でワークと熱板１との距離を推定し、推定した距離と閾値とを判定手段８で比較することによって、異常の有無を判定するように構成している。【選択図】        図１
2006292535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を、熱処理手段で熱処理する該熱処理における前記被処理物と前記熱処理手段との距離を推定する装置であって、
前記被処理物および前記熱処理手段の少なくともいずれか一方の温度情報に基いて、前記距離を推定する距離推定手段を備えることを特徴とする距離推定装置。
【請求項２】
前記熱処理は、前記被処理物を、前記熱処理手段に接近させて行うものである請求項１に記載の距離推定装置。
【請求項３】
前記温度情報は、前記接近させた後の温度変化の情報を含み、前記距離推定手段は、前記温度変化が大きい程、前記距離を小さく推定する請求項２に記載の距離推定装置。
【請求項４】
前記温度情報は、前記接近させた後の前記熱処理手段の温度と前記被処理物の温度との温度差の変化の情報を含み、前記距離推定手段は、前記温度差の変化が大きい程、前記距離を小さく推定する請求項２または３に記載の距離推定装置。
【請求項５】
前記距離推定手段は、前記少なくともいずれか一方の温度情報に加え、前記熱処理手段の温度を制御する温度制御手段の操作量情報に基いて、前記距離を推定する請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離推定装置。
【請求項６】
前記操作量情報は、前記接近させた後の前記温度制御手段の操作量の情報であり、前記距離推定手段は、前記操作量が大きい程、前記距離を小さく推定する請求項５に記載の距離推定装置。
【請求項７】
前記距離推定手段は、被処理物と熱処理手段との間の熱抵抗を推定する第１推定部と、推定された熱抵抗に基いて、前記距離を推定する第２推定部とを備える請求項６に記載の距離推定装置。
【請求項８】
前記距離推定手段で前記距離の推定に用いる前記各情報は、前記接近させた後であって、前記熱処理手段の温度が、一定温度に復帰するまでの期間の一部における情報である請求項２〜７のいずれか１項に記載の距離推定装置。
【請求項９】
前記熱処理手段は、前記被処理物が載置されて熱処理される熱板である請求項１〜８のいずれか１項に記載の距離推定装置。
【請求項１０】
前記距離推定手段は、前記熱処理手段の複数の点と前記被処理物の対応する複数の点との距離をそれぞれ推定する請求項１〜９のいずれか１項に記載の距離推定装置。
【請求項１１】
前記熱処理が、加熱処理および冷却処理の少なくともいずれか一方の処理である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の距離推定装置。
【請求項１２】
前記請求項１〜１１のいずれか１項に記載の距離推定装置と、該距離推定装置で推定される距離と閾値とを比較して熱処理の異常の有無を判定する判定手段とを備えることを特徴とする異常検出装置。
【請求項１３】
前記請求項１０に記載の距離推定装置と、該距離推定装置で推定された複数の点の距離に基いて、前記被処理物の状態を判定する判定手段とを備え、前記判定手段の出力に基いて、異常を検出することを特徴とする異常検出装置。
【請求項１４】
前記請求項１〜１１のいずれか１項に記載の距離推定装置を備え、前記熱処理手段の温度を制御することを特徴とする温度調節器。
【請求項１５】
前記熱処理手段の温度を検出する温度検出手段からの検出温度が、設定温度になるように前記熱処理手段の温度を制御するものであって、前記距離推定装置で推定された距離に基いて、前記設定温度および前記検出温度の少なくともいずれか一方を補正する補正手段を備える請求項１４に記載の温度調節器。
【請求項１６】
前記請求項１２または１３に記載の異常検出装置を備え、前記熱処理手段の温度を制御することを特徴とする温度調節器。
【請求項１７】
前記請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の温度調節器と、前記熱処理手段と、前記温度調節器の出力に基いて、前記熱処理手段を加熱および／または冷却する操作手段と、前記熱処理手段の温度を検出する温度検出手段とを備えることを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱処理や冷却処理などの熱処理における被処理物と熱処理手段との距離を推定する距離推定装置、それを用いた異常検出装置、温度調節器および熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、半導体装置の製造工程においては、ガラス基板等のワークを、設定温度に加熱した熱板に載置して所定時間の熱処理を行っている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
かかる熱処理において、例えば、ワークと熱板との間に、異物などが介在したり、ワークが変形しているような場合、すなわち、ワークと熱板との間の距離が正常でない場合には、加熱処理が不完全となり、多量のワークを順番に熱処理するような製造工程では、熱処理が不完全な不良品が大量に発生することがある。
【０００４】
このため、ワークと熱板との間の距離を推定できるようにし、推定された距離に基いて、ワークと熱板との間の距離が正常であるか否かを判定できるようにすることが望まれる。
【特許文献１】特開２００４−１３４７２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、ワーク等の被処理物と熱板等の熱処理手段との距離を推定できるようにすることを主たる目的とし、更に、熱処理の異常を検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【０００７】
すなわち、本発明の距離推定装置は、被処理物を、熱処理手段で熱処理する該熱処理における前記被処理物と前記熱処理手段との距離を推定する装置であって、前記被処理物および前記熱処理手段の少なくともいずれか一方の温度情報に基いて、前記距離を推定する距離推定手段を備えている。
【０００８】
ここで、熱処理手段とは、熱板、熱処理炉、連続炉、包装機の熱圧着部などの被処理物を熱処理するものをいい、加熱処理に限らず、冷却処理あるいは加熱冷却処理であってもよい。
【０００９】
熱処理は、被処理物全体を熱処理するものであってもよいし、被処理物の一部、例えば、被処理面のみを熱処理するものであってもよい。
【００１０】
推定する前記距離は、被処理物と熱処理手段との対向する部分間の距離であるのが好ましい。
【００１１】
熱処理は、前記被処理物を、前記熱処理手段に接近させて行うものであるのが好ましいが、前記被処理物を、前記熱処理手段に接触あるいは密着させて行なうものであってもよく、接触あるいは密着させて熱処理を行なう場合には、接触していない部分あるいは密着していない部分の距離を推定するのが好ましい。
【００１２】
また、前記被処理物を、前記熱処理手段に接近させて熱処理を行なう場合に、被処理物の一部が、前記熱処理手段に接触していてもよい。
【００１３】
前記接近は、被処理物を、熱処理手段に対して移動させて行ってもよいし、熱処理手段を、被処理物に対して移動させて行ってもよく、あるいは、両者を移動させて行ってもよい。
【００１４】
本発明によると、被処理物と熱処理手段との距離によって変化する被処理物および熱処理手段の少なくともいずれか一方の温度情報に基いて、距離を推定することができる。
【００１５】
この推定した距離に基いて、正常な距離であるか否かの判定を行って熱処理の異常を検出したり、あるいは、被処理物の被処理面の形状や熱処理手段に対する被処理物の配置状態などを把握するといったことが可能となる。
【００１６】
本発明の一実施態様においては、前記温度情報は、前記接近させた後の温度変化の情報を含み、前記距離推定手段は、前記温度変化が大きい程、前記距離を小さく推定するものである。
【００１７】
ここで、前記温度情報は、被処理物を熱処理手段の接近させる前の情報を含んでもよい。
【００１８】
また、温度変化の情報は、温度変化の傾きであるのが好ましい。
【００１９】
この実施態様によると、被処理物と熱処理手段との距離が小さくなるにつれて、大きくなる温度変化の情報に基いて、距離を推定することができる。
【００２０】
本発明の他の実施態様においては、前記温度情報は、前記接近させた後の前記熱処理手段の温度と前記被処理物の温度との温度差の変化の情報を含み、前記距離推定手段は、前記温度差の変化が大きい程、前記距離を小さく推定するものである。
【００２１】
この実施態様によると、被処理物と熱処理手段との距離が小さくなるにつれて、大きくなる熱処理手段の温度と被処理物の温度との温度差の情報に基いて、距離を推定することができる。
【００２２】
本発明の好ましい実施態様においては、前記距離推定手段は、前記少なくともいずれか一方の温度情報に加え、前記熱処理手段の温度を制御する温度制御手段の操作量情報に基いて、前記距離を推定するものである。
【００２３】
この操作量情報は、前記接近させた後の前記温度制御手段の操作量の情報であり、前記距離推定手段は、前記操作量が大きい程、前記距離を小さく推定するのが好ましい。
【００２４】
この実施態様によると、温度情報に加えて操作量情報に基いて、距離を推定するので、より高い精度で距離を推定できる。
【００２５】
本発明の他の実施態様においては、前記距離推定手段は、被処理物と熱処理手段との間の熱抵抗を推定する第１推定部と、推定された熱抵抗に基いて、前記距離を推定する第２推定部とを備えている。
【００２６】
第１推定部は、操作量情報および温度情報に基いて、熱抵抗を推定するのが好ましく、この第１の推定部は、温度情報に基いて、被処理物の温度を推定する被処理物のモデルを備えるのが好ましい。
【００２７】
この実施態様によると、被処理物と熱処理手段との間の熱抵抗を推定し、この熱抵抗を用いて距離を推定できる。
【００２８】
本発明の好ましい実施態様においては、前記距離推定手段で前記距離の推定に用いる前記各情報は、前記接近させた後であって、前記熱処理手段の温度が、一定温度に復帰するまでの期間の一部における情報である。
【００２９】
この実施態様によると、被処理物を熱処理手段に接近させた後、熱処理手段の温度が、一定温度に復帰するまでの期間、すなわち、熱処理の期間における温度情報や操作量情報に基いて、距離を推定することができる。
【００３０】
本発明の一実施態様においては、前記熱処理手段は、前記被処理物が載置されて熱処理される熱板である。
【００３１】
被処理物は、熱板に載置されて熱処理されるガラス基板などであるのが好ましく、距離推定手段には、熱板に載置されて熱処理される被処理物が熱板に接近するタイミングを示す信号が与えられるのが好ましい。
【００３２】
この実施態様によると、熱板とガラス基板などの被処理物との距離を推定するので、被処理物が、熱板の正規の位置に載置されなかったり、熱板と被処理物との間に異物などが介在して正常な距離からずれたような場合には、それを検出するといったことが可能になる。
【００３３】
本発明の他の実施態様においては、前記距離推定手段は、前記熱処理手段の複数の点と前記被処理物の対応する複数の点との距離をそれぞれ推定するものである。
【００３４】
この実施態様によると、複数の点における距離を推定するので、例えば、熱処理手段の熱処理面を基準とした前記複数の点の距離に基いて、被処理物の形状や変形、あるいは、被処理物の熱処理面に対する位置関係などを把握することが可能となる。
【００３５】
本発明の異常検出装置は、本発明に係る距離推定装置と、該距離推定装置で推定される距離と閾値とを比較して熱処理の異常の有無を判定する判定手段とを備えている。
【００３６】
前記閾値は、正常な距離の範囲に対応するものであるのが好ましい。
【００３７】
本発明によると、推定された距離と閾値とを比較することにより、正常な距離での熱処理であるか否かを判定することができ、これによって、熱処理の異常の有無を検出できることになる。
【００３８】
また、本発明の異常検出装置は、本発明に係る距離推定装置と、該距離推定装置で推定された複数の点の距離に基いて、前記被処理物の状態を判定する判定手段とを備え、前記判定手段の出力に基いて、異常を検出するものである。
【００３９】
ここで、被処理物の状態とは、熱処理手段に対する被処理物の配置状態、例えば、被処理物の傾き、あるいは、被処理物の形状の状態、例えば、被処理物の反りなどの変形の状態などをいう。
【００４０】
本発明によると、複数の点の距離に基いて、被処理物の状態を判定するので、例えば、被処理物が異物等に乗り上げて傾いていたり、変形しているような状態での熱処理の異常を検出できることになる。
【００４１】
本発明の温度調節器は、本発明に係る距離推定装置を備え、前記熱処理手段の温度を制御するものである。
【００４２】
本発明によると、熱処理手段の温度情報が与えられるとともに、操作量情報を出力する温度調節器自体で距離を推定できることになる。
【００４３】
本発明の一実施態様においては、前記熱処理手段の温度を検出する温度検出手段からの検出温度が、設定温度になるように前記熱処理手段の温度を制御するものであって、前記距離推定装置で推定された距離に基いて、前記設定温度および前記検出温度の少なくともいずれか一方を補正する補正手段を備えている。
【００４４】
この補正手段は、推定される距離が大きい程、熱処理の度合いを強くする方向に補正するのが好ましい。
【００４５】
この実施態様によると、正常な距離からずれたような場合には、そのずれ量に応じて、熱処理の度合いを補正して正常な熱処理を行なうことが可能となる。
【００４６】
また、本発明の温度調節器は、本発明に係る異常検出装置を備え、前記熱処理手段の温度を制御するものである。
【００４７】
本発明によると、熱処理手段の温度を制御しつつ、熱処理の異常を併せて検出することができる。
【００４８】
本発明の熱処理装置は、本発明に係る温度調節器と、熱処理手段と、前記温度調節器の出力に基いて、前記熱処理手段を加熱および／または冷却する操作手段と、前記熱処理手段の温度を検出する温度検出手段とを備えている。
【００４９】
本発明によると、熱処理の異常を検出できる熱処理装置を提供できる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、被処理物および熱処理手段の少なくともいずれか一方の温度情報に基いて、被処理物と熱処理手段との距離を推定することができるので、この推定した距離に基いて、正常な距離であるか否かの判定を行って熱処理の異常を検出したり、あるいは、被処理物の形状や配置状態を把握するといったことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００５２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る熱処理装置の概略構成図である。
【００５３】
この実施の形態では、被処理物としてのガラス基板などのワークを、熱処理手段としての熱板１に載置して熱処理する装置に適用して説明する。
【００５４】
この実施の形態では、ワークを加熱処理する熱板１の温度を、該熱板１の内部に設けられた温度センサで検出して本発明に係る温度調節器２に入力し、温度調節器２では、設定されている目標温度(設定温度)ＳＰと検出温度ＰＶとの偏差に基づいて、温度制御手段としてのＰＩＤコントローラ３でＰＩＤ演算等を行って操作量を出力し、図示しない電磁開閉器等を介して熱板１に配設されているヒータ(図示せず)の通電を制御して熱板１の温度を目標温度ＳＰになるように制御している。
【００５５】
この熱処理装置においては、図２に示すように、熱板１で熱処理されるワーク４は、図示しない搬送供給手段によって自動的に熱板１に載置されて順番に熱処理されるものであり、正常な状態では、熱板１に対して、ガラス基板などのワーク４は、その一部が、図示しない支持部で支持されることによって、一定距離ｄ離間した状態で載置されて熱処理される。
【００５６】
この実施の形態は、ワーク４が、熱板１に載置されて熱処理される際のワーク４と熱板１との距離ｄを後述のようにして推定し、推定された距離ｄに基いて、距離が正常か否かを判定し、異常、例えば、ワーク４と熱板１との距離が正常な距離よりも大きくて、熱処理が不完全であるような場合に、それを検出できるように構成されている。
【００５７】
すなわち、この実施の形態では、図１に示すように、温度調節器２は、ワーク４を熱板１に載置した後の熱板１の温度ＰＶに基いて、ワーク４と熱板１との距離を推定し、推定した距離が正常な範囲内であるか否かを判定して熱処理の異常を検出する異常検出装置６を内蔵している。
【００５８】
この実施の形態の異常検出装置６は、熱板１の温度の傾きに基いて、ワーク４と熱板１との距離を推定する距離推定手段７と、推定された距離に基いて、正常な熱処理であるか否かを判定する判定手段８とを備えている。距離推定手段７には、後述のように、熱処理の全体を制御する上位装置からワーク４が熱板１に搭載されるタイミングに対応するタイミング信号が与えられる一方、ユーザによって設定される距離推定に必要な後述の設定情報ｔ１，Ａ等が与えられる。
【００５９】
ＰＩＤコントローラ３および異常検出装置６等は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。
【００６０】
ここで、被処理物をワーク４とし、加熱処理手段を熱板１として、図３に基いて、距離推定の基本的な考え方について説明する。
【００６１】
放射による熱移動の影響を考慮しなくてもよい程、ワーク４と熱板１とが接近している場合には、ワーク４と熱板１との間には、次のような関係が成立する。
【００６２】
なお、図３に示すように、ワーク４と熱板１との距離をｄ、ワーク４の温度をＴｗ、熱板１の温度をＴｈ、ワーク４の熱容量をＣｗ、熱板１の熱容量をＣｈ、両者間の熱抵抗をＲｈｗとする。
【００６３】
熱板１の温度変化の速さΔＴｈ(＝ｄＴｈ／ｄｔ)
∝(ワーク温度Ｔｗ−熱板温度Ｔｈ)／熱抵抗Ｒｈｗ
∝(ワーク温度Ｔｗ−熱板温度Ｔｈ)／距離ｄ
したがって、
距離ｄ∝(ワーク温度Ｔｗ−熱板温度Ｔｈ)／熱板の温度変化の速さΔＴｈ
距離ｄ＝ｋ×(ワーク温度Ｔｗ−熱板温度Ｔｈ)／熱板の温度変化の速さΔＴｈ
ここで、ワーク４を、熱板１に載置した瞬間のワーク４および熱板１の初期温度Ｔｗ０，Ｔｈ０が判っている場合、例えば、ワーク４と熱板１の初期温度が安定しているような場合には、(ワーク初期温度Ｔｗ０−熱板初期温度Ｔｈｗ)を、定数と見なし、ワーク４を熱板１に載置した瞬間の距離ｄは、次式で推定できることになる。
【００６４】
距離ｄ＝定数ｋ／熱板の温度変化の速さΔＴｈ(熱板の温度傾き)  ……(ａ)
この実施の形態では、熱板１の温度変化の速さΔＴｈを、熱板１の温度傾きとし、この熱板１の温度傾きを計測し、予め求めた定数ｋを用いてワーク４と熱板１との距離ｄを推定するようにしている。
【００６５】
なお、この定数ｋは、ワーク４と熱板１との距離ｄを、既知の距離に設定した状態で、熱処理を行なって熱板１の温度を計測し、熱板１の温度傾きを算出することによって、予め求めることができる。
【００６６】
図４は、ワーク４と熱板１との距離によって、熱板１の温度がどのように変化するかを示すものであり、目標温度ＳＰに加熱整定した状態の熱板１に対して、ワーク４を、過大な距離(一点鎖線)、正常な距離(実線)、過小な距離(破線)でそれぞれ載置して加熱処理した場合の熱板１の温度変化を示す図である。
【００６７】
この図４に示すように、ワーク４を、熱板１に対して正常な距離よりも大きい(過大な)距離で載置して熱処理した場合には、一点鎖線で示すように、正常な場合に比べて、ワーク４への熱量の移動が少なく、熱板１の温度低下は少ない。
【００６８】
これに対して、ワーク４を、熱板１に対して正常な距離よりも小さい(過小な)距離で載置して熱処理した場合には、破線で示すように、正常な場合に比べて、ワーク４への熱量の移動が多く、熱板１の温度低下が大きくなる。
【００６９】
このように、ワーク４と熱板１との距離に応じて、熱板１の温度低下の度合い、すなわち、熱板１の温度の傾きが変化し、上述の(ａ)式で説明したように、ワーク４と熱板１との距離は、熱板１の温度の傾きに応じて変化することが判る。
【００７０】
そこで、この実施の形態では、図５に示すように、ワーク４を熱板１に載置して熱処理を開始した後の第１の時点ｔ１から一定時間経過した第２の時点ｔ２における熱板１の温度をそれぞれ計測し、この一定の時間幅Ａに対する熱板１の温度変化幅Ｂ、すなわち、熱板１の温度傾き(＝Ｂ／Ａ)を算出するようにしている。
【００７１】
熱板１の温度を計測する点は、距離を推定したい点に近い方が好ましく、ワーク４の接近による熱移動の影響が現れ易い部分にあるのが好ましい。すなわち、ワーク４に近い側の表面近くであるのが好ましい。また、ヒータや外乱となる熱源から遠い方が好ましい。距離を推定する点数は、１点であってもよいし、複数点であってもょい。
【００７２】
熱板１の温度傾きの算出は、熱板１の温度低下が生じた時点から最も温度が低下した時点までの期間の少なくとも一部の期間における熱板１の温度を用いて行うのが好ましい。
【００７３】
このようにして算出される熱板１の温度傾きと、予め求めた定数ｋとに基いて、上述の(ａ)式に従って距離ｄを推定するのである。
【００７４】
図１に示す温度調節器２では、熱処理の全体を制御する上位装置からワーク４が熱板１に搭載されるタイミングに対応するタイミング信号が与えられるように構成されており、このタイミング信号は、例えば、図５に示す時点ｔ３に対応する。
【００７５】
次に、図１に示す温度調節器２よる距離推定および異常検出の処理手順を説明する。
【００７６】
先ず、ワーク４を、熱板１で順番に熱処理するという実運用に先立って、上述の定数ｋや一定の時間幅Ａ等を決定するための処理を行う。
【００７７】
この処理では、ワーク４が、熱板１に対して正常な既知の距離となるように、ワーク４を、熱板１に載置して熱処理を行い、熱板１の温度を計測する。
【００７８】
ユーザは、計測された熱板１の温度波形に基いて、上述の図５のタイミング信号の時点ｔ３を基準に、第１の時点ｔ１および一定の時間幅Ａを、温度調節器２に設定するとともに、前記既知の距離を、温度調節器２に設定する。
【００７９】
温度調節器２の距離推定手段７は、設定された第１の時点ｔ１および一定の時間幅Ａに基いて、計測された熱板１の温度傾きを算出し、さらに、設定された既知の距離を用いて、上述の定数ｋを算出して格納する。
【００８０】
以上のようにして温度調節器２の距離推定手段７に、第１の時点ｔ１、一定の時間幅Ａおよび定数ｋが設定された後に、実際のワークの熱処理の運用を開始する。
【００８１】
この熱処理では、ワーク４が熱板１に載置されて熱処理が行われる度に、ワーク４と熱板１との距離が、距離推定手段７で上述の(ａ)式に従って推定され、判定手段８では、正常範囲に対応する閾値と比較されて正常範囲内にあるか否かが判定され、正常範囲内にないときには、熱処理の異常であるとして検出信号を、例えば、上位装置に出力し、上位装置は、熱処理の異常を報知したり、熱処理を停止させるなどの適宜の措置をとることができる。
【００８２】
（実施の形態２）
図６は、本発明の他の実施の形態に係る熱処理装置の概略構成図であり、上述の図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００８３】
上述の実施の形態では、熱板１の温度傾きに基いて、ワーク４と熱板１との距離を推定したのに対して、この実施の形態では、熱板１の温度およびＰＩＤコントローラ３からの操作量Ｕに基いて、ワーク４と熱板１との距離を推定するものである。
【００８４】
ここで、この実施の形態の距離推定の基本的な考え方について説明する。
【００８５】
なお、以下の説明では、図７に示すように、ワーク４と熱板１との距離をｄ、ワーク４の温度をＴｗ、熱板１の温度をＴｈ、ワーク４の熱容量をＣｗ、熱板１の熱容量をＣｈ、両者間の熱抵抗をＲｈｗ、熱板１のヒータに供給される電力をＷとする。
【００８６】
一般に、熱板１の熱量は、次式で示される。
【００８７】
【数１】
2006292535.tif 000003
更に、
【００８８】
【数２】
2006292535.tif 000004
上記(２)式を時間で微分する。
Ｃｈ×ｄＴｈ／ｄｔ＝(温度差／熱抵抗)＋ヒータ発熱量
＝{(ワーク温度Ｔｗ−熱板温度Ｔｈ)／熱抵抗Ｒｈｗ}＋電力Ｗ
したがって、
ｄＴｈ／ｄｔ＝{(Ｔｗ−Ｔｈ)／Ｒｈｗ×Ｃｈ}＋Ｗ／ｃｈ
ここで、熱抵抗Ｒｈｗは、ワークと熱板との距離ｄに比例し、熱板の熱容量Ｃｈを一定とし、ｋ０を定数とすると、
ｄＴｈ／ｄｔ∝{(Ｔｗ−Ｔｈ)／ｄ}＋ｋ０・Ｗ
ｄＴｈ／ｄｔ＝ΔＴｈとおくと、距離ｄは、
ｄ∝(Ｔｗ−Ｔｈ)／(ΔＴｈ−ｋ０・Ｗ)
ｋ２を比例定数とすると、
ｄ＝ｋ２(Ｔｗ−Ｔｈ)／(ΔＴｈ−ｋ０・Ｗ)
ｋ０・Ｗ＝ｋ１・Ｕとおくと、
ｄ＝ｋ２(Ｔｗ−Ｔｈ)／(ΔＴｈ−ｋ１・Ｕ)      …(３)
したがって、予め比例定数ｋ１，ｋ２を求めておけば、ワーク温度Ｔｗ、操作量Ｕ、熱板温度の傾きΔＴｈから距離が推定できる。
【００８９】
なお、ΔＴｈ＝ｄＴｈ／ｄｔ
≒｛Ｔｈ（ｎ）−Ｔｈ（ｎ−１）｝／Δｔ
但し、Δｔ：サンプリング時間
ここで、操作量Ｕと電力Ｗとの関係は、設計的に決まるので、上記(３)式の定数ｋ１を求めることができる。
【００９０】
また、定数ｋ２は、ワーク４と熱板１との距離を、既知の距離に設定した状態で、熱処理を行って、その時のワーク４の温度Ｔｗ、熱板１の温度Ｔｈおよび操作量Ｕから求めることができる。
【００９１】
この実施の形態では、ワーク４を、順番に熱板１に載置して熱処理するものであり、熱処理されるすべてのワーク４の温度を検出するのは容易でない。
【００９２】
そこで、この実施の形態では、ワーク４の温度モデルを用いてワーク４の温度Ｔｗを推定するようにしている。
【００９３】
すなわち、この実施の形態では、図６の距離推定手段７ａは、上述の(３)式で算出される距離ｄと、熱板の温度Ｔｈとに基いて、次式でワーク温度Ｔｗを推定している。
【００９４】
Ｔｗ(ｎ)＝ｋ３・Ｔｗ(ｎ−１)＋ｋ４・｛Ｔｈ（ｎ−１）−Ｔｗ（ｎ−１）｝／ｄ
すなわち、今回のサンプリングのワークの温度Ｔｗ（ｎ）を、前回のサンプリングのワークの温度Ｔｗ（ｎ−１）、前回のサンプリングの熱板１の温度Ｔｈ（ｎ−１）および前回のサンプリングで推定される距離ｄを用いて推定するのである。
【００９５】
ここで、定数ｋ３，ｋ４は、既知の距離ｄでの熱処理において、ワーク４の温度Ｔｗと熱板１の温度Ｔｈとを計測することにより、予め求めることができる。
【００９６】
この実施の形態では、温度調節器２ａの距離推定手段７ａでは、熱板１の温度、該熱板１の温度に基いて推定したワークの温度、および、操作量Ｕに基いて、上述の(３)式に従って距離を推定するものである。
【００９７】
その他の構成は、上述の実施の形態と同様である。
【００９８】
図８に、この実施の形態による距離推定のデータの一例を示すす。
【００９９】
この図８は、ワーク４と熱板１との距離を、１ｍｍ、４ｍｍとした場合の推定距離の変化を示しており、ワーク４が、時間の経過とともに、熱板１に接近するにつれて推定距離が小さくなり、１ｍｍ、４ｍｍでそれぞれ一定になっている。
【０１００】
この実施の形態では、熱板１の温度と操作量とに基いて、距離を推定したけれども、本発明の他の実施の形態として、ワーク４の温度、ワーク４の温度と操作量、熱板１の温度とワーク４の温度、あるいは、熱板１の温度とワーク４の温度と操作量とに基いて、距離を推定するようにしてもよい。
【０１０１】
（実施の形態３）
図９は、本発明の更に他の実施の形態に係る熱処理装置の概略構成図であり、上述の図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【０１０２】
この実施の形態では、本件出願人が、特開２００４−９４９３９（特願２００３−２８９８６７）「モデル構造、制御装置、温度調節器および熱処理装置」として先に提案している非干渉化制御などに好適な制御対象のモデル構造を利用して距離を推定するものである。
【０１０３】
図９に示す制御対象のモデル構造３０は、熱板１に対応するモデル要素１０と、ワーク４に対応するモデル要素１１とを備えており、各モデル要素１０，１１の出力の差(温度差)を、フィードバック要素１２を介して正負を異ならせてモデル要素１０，１１の入力側にフィードバックするものである。
【０１０４】
このモデルは、熱板１(１０)とワーク４(１１)との温度差によって、熱板１(１０)からワーク４(１１)へ熱量の移動が生じ、熱板１(１０)は熱量が奪われ（負）、ワーク４(１１)には熱量が足される（正）という熱の移動現象をブロック線図で表したものである。
【０１０５】
このモデル（以下「温度差モデル」ともいう）は、温度差があるときに、熱量の移動が生じ、この熱量の移動は、温度差に比例するというフーリエの法則の意味するところと等価である。
【０１０６】
なお、図９において、Ａ１１，Ａ２２は、熱板１およびワーク４にそれぞれ対応するモデル要素１０，１１の伝達関数であり、フィードバック要素１２は、温度差によってどれだけ熱量が移動するかを示すものであり、θは、熱板１とワーク４との間の熱抵抗である。
【０１０７】
また、ワーク４が熱板１に載置される前には、フィードバック要素１２の出力側のスイッチ手段１９がオフしてワーク４と熱板１との温度差がフィードバックされないようになっており、ワーク４が熱板１に載置されると、オンしてワーク４と熱板１との温度差がフィードバックされる。
【０１０８】
この図９に示すように熱板１およびワーク４を含む制御対象を、温度差モデルで把握すると、熱板１とワーク４との熱抵抗θを求めることにより、空気の熱伝導率Ｋａおよびワーク４と熱板１との対向面積Ｓに基いて、ワーク４と熱板１との距離ｄを、次式で推定できることになる。
【０１０９】
ｄ＝Ｋａ・Ｓ・θ
この熱抵抗θは、図９に示すように、フィードバック要素１２の入力ΔＴおよび出力Ｑを推定し、入力ΔＴを出力Ｑで除算することによって推定することができる。
【０１１０】
そこで、この実施の形態の温度調節器２ｄの距離推定手段７ｂは、ワーク温度を推定するワークモデル１３と、熱板１の温度から熱板１に時間当たりに流入する熱量(熱流)を推定する推定要素１４とを備えている。
【０１１１】
この実施の形態では、ワークモデル１３は、図１０に示すように、温度差モデルのモデル要素１１およびフィードバック要素１２と同じ伝達関数Ａ’２２，１／θ’の補償要素１１’，１２’を備えるとともに、スイッチ手段１９に対応するスイッチ手段２０を有し、上位装置からのタイミング信号によって、ワーク４が熱板１に載置されるとオンし、熱処理が終了するとオフされる。
【０１１２】
なお、このワークモデル１３は、温度差モデルに対応する必要はなく、ＡＲＸモデルや伝達関数モデルなどの他のモデルであってもよく、熱板１の温度からワーク４の温度を推定できればよい。
【０１１３】
推定要素１４は、温度差モデルの熱板１のモデル要素１０に対応するものであり、このモデル要素１０の伝達関Ａ１１の逆数１／Ａ’１１を伝達関数としている。
【０１１４】
この実施の形態では、熱板１の温度ＰＶとワークモデル１３で推定されたワーク温度との温度差ΔＴ’が、減算部１５で算出される一方、ヒータから発生した熱流から推定要素１４で推定された熱板１に流入した熱流を、減算部１６で減算して熱板１とワーク４間を流れる熱流Ｑ’を算出し、熱抵抗推定部１７では、推定された温度差ΔＴ’を推定された熱流Ｑ’で除算することよって、熱抵抗θ’を推定し、この推定した熱抵抗θ’、空気の熱伝導率Ｋａおよびワーク４と熱板１との対向面積Ｓとを用いて、距離推定部１８でワーク４と熱板１との推定距離ｄを算出する。
【０１１５】
なお、ＰＩＤコントローラ３から減算部１６に入力される熱流は、ＰＩＤコントローラ３からの出力値が熱流そのものであれば、直接計測することにより、また、ＰＩＤコントローラ３からの出力値が操作量であれば、出力値から計算することにより、求めることができる。
【０１１６】
この実施の形態の距離推定手段７ｂは、ワーク４と熱板１との熱抵抗を推定する第１推定部と、推定された熱抵抗に基いて、距離を推定する第２推定部とを備えている。
【０１１７】
なお、熱板１の伝達関数Ａ１１は、例えば、一次遅れ系であり、例えば、オートチューニングによる最大傾きから求めることができ、また、ワーク４の伝達関数は、例えば、ワーク４の熱容量に対応した定数とワーク４の熱抵抗に対応した定数を含む一次遅れ系であり、例えば、熱容量は、ワーク４の材質と大きさから求めることができる。
【０１１８】
(その他の実施の形態)
上述の実施の形態では、判定手段８では、推定した距離と閾値とを比較して異常の有無を判定したけれども、本発明の他の実施の形態として、複数の点におけるワークと熱板との距離をそれぞれ推定し、それら複数の点における推定距離に基いて、ワークの形状や傾きなどを判定して異常を検出するようにしてもよい。
【０１１９】
すなわち、図１１に示すように、距離推定部７ｃでは、温度や操作量に基いて、上述の各実施の形態と同様にして、複数の点におけるワーク４と熱板１との距離を推定し、形状認識部２１では、これら複数の推定距離に基いて、ワークの形状を認識し、判定部２２では、認識された形状が閾値を越えたか否かを判定し、閾値を越えたときには、異常検出信号を出力するものである。
【０１２０】
例えば、ワーク４の被処理面が平面状であるときには、形状認識部２１では、複数の推定距離の内の最大推定距離ｄmaxと、最小推定距離ｄminとの差ｄmax−ｄminを算出して平面度を認識し、判定部２２では、この平面度が、ある範囲(閾値)を超えたか否かを判定し、超えたときに、ワーク４の形状が異常であるとして異常検出信号を出力するものである。
【０１２１】
あるいは、ワーク４の被処理面が椀状または山状であるときには、形状認識部２１では、ワーク４の中央部の推定距離ｄ１と、周辺部の推定距離ｄ２との差ｄ１−ｄ２を算出して湾曲度を認識し、判定部２２では、この湾曲度が、ある範囲(閾値)を超えた否かを判定し、超えたときに、ワーク４の形状が異常であるとして、異常検出信号を出力するものである。
【０１２２】
また、ワーク４と熱板１との間に、例えば、異物が介在し、ワーク４が異物に乗り上げて傾斜したような場合は、ワーク４の形状は、正常であるのに、異常であると誤検出する虞がある。かかる誤検出を防止するために、ワーク４の周辺部は、同心円上に点対称に複数個の距離の推定点を設け、これらの推定距離の平均値をｄ２ａｖｅとすれば、上述の湾曲度を、ｄ１−ｄ２ａｖｅとすることにより、乗り上げによる傾き分をキャンセルできることになる。
【０１２３】
なお、ワーク４の被処理面が平面状であるときに、複数の推定距離の内の最大推定距離ｄmaxと、最小推定距離ｄminとの差ｄmax−ｄminを算出し、閾値と比較することにより、閾値より大きいときには、例えば、ワーク４が異物等への乗り上げて傾斜しているとして異常を検知するようにしてもよい。
【０１２４】
また、本発明の他の実施の形態として、推定される距離が、正常な距離に比べて大きいときには、加熱を強めるように目標温度を高く補正し、逆に、推定される距離が、正常な距離に比べて小さいときには、加熱を弱めるように目標温度を低く補正するようにしてもよい。
【０１２５】
すなわち、図１２に示すように、距離推定部７ｃで推定された推定距離に基いて、目標温度補正部２３では、目標温度補正値ΔＳＰを算出し、この目標温度補正値ΔＳＰで目標温度ＳＰを補正するようにしてもよい。この目標温度補正値ΔＳＰとしては、例えば、次式によって算出される補正値を用いることができる。
【０１２６】
ΔSP(t)＝（基準熱板温度(t)-基準ワーク温度(t)）（ｄ(t)-基準距離ｄ0）/ｄ0
ここで、時刻ｔは、ワークを搭載する信号をトリガとして計測した時刻である。
【０１２７】
また、基準熱板温度および基準ワーク温度とは、予め取得した正常な距離(基準距離)の場合の熱板およびワークの応答波形（時系列の温度データ）である。
【０１２８】
かかる目標温度の補正によって、例えば、ワーク４と熱板１との距離が大きいと、ワーク４の昇温が遅れるので、これを早めるために目標温度が嵩上げされることになる。なお、目標温度の補正に代えて、温度センサからの検出温度を補正するようにしてもよい。
【０１２９】
上述の実施の形態では、異常検出装置６，６ａ，６ｂを、温度調節器２，２ａ，２ｂに内蔵させたけれども、異常検出装置は、温度調節器とは、別の装置として構成してもよい。また、距離推定手段のみを、別の独立の距離推定装置として構成してもよい。
【０１３０】
上述の実施の形態では、熱処理手段の熱処理面は、平面状であったけれども、平面状に限らず、曲面状や凹凸状など任意の形状であってもよく、同様に、被処理物の形状も任意である。
【０１３１】
上述の実施の形態では、ワーク等の被処理物を、熱板等の熱処理手段に載置して熱処理したけれども、本発明の他の実施の形態として、被処理物を、熱処理手段に対して、接近するように通過させて熱処理してもよく、あるいは、被処理物を、熱処理手段に接触させて熱処理してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
本発明は、例えば、ワークを熱板で熱処理するような熱処理における異常の検出などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３３】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る温度調節器を備えるシステムの概略構成図である。
【図２】ワークと熱板との位置関係を概略的に示す図である。
【図３】図１の実施の形態の距離推定の基本的な考え方を説明するための図である。
【図４】熱板の温度変化を示す図である。
【図５】熱板の温度傾きを示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る温度調節器を備えるシステムの概略構成図である。
【図７】図６の実施の形態の距離推定の基本的な考え方を説明するための図である。
【図８】図６の実施の形態の推定距離を示す図である。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る温度調節器を備えるシステムの概略構成図である。
【図１０】図９のワークモデルを示す図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態の異常検出装置のブロック図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態の温度調節器の要部のブロック図である。
【符号の説明】
【０１３４】
１  熱板                          ２  温度調節器    
３  ＰＩＤコントローラ            ４  ワーク（被処理物）
６，６ａ，６ｂ  異常検出装置      ７，７ａ〜７ｃ  距離推定手段
８  判定手段
【図１】
2006292535.tif 000005
【図２】
2006292535.tif 000006
【図３】
2006292535.tif 000007
【図４】
2006292535.tif 000008
【図５】
2006292535.tif 000009
【図６】
2006292535.tif 000010
【図７】
2006292535.tif 000011
【図８】
2006292535.tif 000012
【図９】
2006292535.tif 000013
【図１０】
2006292535.tif 000014
【図１１】
2006292535.tif 000015
【図１２】
2006292535.tif 000016