KR100791199B1

KR100791199B1 - 거리 추정 장치, 이상 검출 장치, 온도 조절기 및 열처리장치

Info

Publication number: KR100791199B1
Application number: KR1020060032206A
Authority: KR
Inventors: 타카아키 야마다; 이쿠오 난노; 후미노리 오자키
Original assignee: 오므론 가부시키가이샤
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2008-01-02
Also published as: JP2006292535A; TWI298383B; CN1847786A; DE602006010261D1; CN100381784C; EP1712877A1; KR20060107924A; EP1712877B1; TW200726952A; US20060249502A1

Abstract

과제

피처리물을 열판에 접근시켜 행하는 열처리에 있어서, 피처리물과 열판과의 거리를 추정할 수 있도록 한다.

해결 수단

피처리물로서의 워크가 얹혀 열처리된 열판(1)의 온도 정보, 예를 들면, 열판(1)의 온도의 기울기의 절대치에 의거하여, 거리 추정 수단(7)에서 워크와 열판(1)과의 거리를 추정하고, 추정한 거리와 임계치를 판정수단(8)에서 비교함에 의해, 이상의 유무를 판정하도록 구성하고 있다.

거리 추정 장치, 이상 검출 장치, 온도 조절기, 열처리 장치

Description

거리 추정 장치, 이상 검출 장치, 온도 조절기 및 열처리 장치{Distance Estimating Apparatus, Abnormal Detecting Apparatus, Temperature Regulator and Heat Treatment Apparatus}

도 1은 본 발명의 하나의 실시의 형태에 관한 온도 조절기를 구비하는 시스템의 개략 구성도.

도 2는 워크와 열판과의 위치 관계를 개략적으로 도시한 도면.

도 3은 도 1의 실시의 형태의 거리 추정의 기본적인 사고방식을 설명하기 위한 도면.

도 4는 열판의 온도 변화를 도시한 도면.

도 5는 열판의 온도 기울기를 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 온도 조절기를 구비하는 시스템의 개략 구성도.

도 7은 도 6의 실시의 형태의 거리 추정의 기본적인 사고방식을 설명하기 위한 도면.

도 8은 도 6의 실시의 형태의 추정 거리를 도시한 도면.

도 9는 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 온도 조절기를 구비하는 시스템의 개략 구성도.

도 10은 도 9의 워크 모델을 도시한 도면.

도 11은 본 발명의 다른 실시의 형태의 이상 검출 장치의 블록도.

도 12는 본 발명의 다른 실시의 형태의 온도 조절기의 주요부의 블록도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 : 열판

2 : 온도 조절기

3 : PID 컨트롤러

4 : 워크(피처리물)

6, 6a, 6b : 이상 검출 장치

7, 7a 내지 7c : 거리 추정 수단

8 : 판정수단

기술 분야

본 발명은 가열 처리나 냉각 처리 등의 열처리에서의 피처리물과 열처리 수단과의 거리를 추정하는 거리 추정 장치, 그것을 이용한 이상 검출 장치, 온도 조절기 및 열처리 장치에 관한 것이다.

배경 기술

종래, 예를 들면, 반도체 장치의 제조 공정에서는 유리 기판 등의 워크를 설 정 온도로 가열한 열판에 얹혀(載置) 소정 시간의 열처리를 행하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

이러한 열처리에 있어서, 예를 들면, 워크와 열판 사이에 이물(異物) 등이 개재하거나 워크가 변형하여 있는 경우, 즉 워크와 열판 사이의 거리가 정상이 아닌 경우에는 가열 처리가 불완전하게 되어, 다량의 워크를 순번대로 열처리하는 제조 공정에서는 열처리가 불완전한 불량품이 대량으로 발생하는 일이 있다.

이 때문에, 워크와 열판 사이의 거리를 추정할 수 있도록 하고, 추정된 거리에 의거하여 워크와 열판 사이의 거리가 정상인지의 여부를 판정할 수 있도록 하는 것이 요망된다.

특허 문헌 1 : 일본특개2004-134723

본 발명은 상술한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 워크 등의 피처리물과 열판 등의 열처리 수단과의 거리를 추정할 수 있도록 하는 것을 주된 목적으로 하고, 또한 열처리의 이상(異常)을 검출할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명에서는, 상기 목적을 달성하기 위해 다음과 같이 구성하고 있다.

즉, 본 발명의 거리 추정 장치는, 피처리물을 열처리 수단으로 열처리하는 해당 열처리에서의 상기 피처리물과 상기 열처리 수단과의 거리를 추정하는 장치로서, 상기 피처리물 및 상기 열처리 수단의 적어도 어느 한쪽의 온도 정보에 의거하 여 상기 거리를 추정하는 거리 추정 수단을 구비하고 있다.

여기서, 열처리 수단이란 열판, 열처리로, 연속로, 포장기의 열압착부 등의 피처리물을 열처리하는 것을 말하고, 가열 처리로 한하지 않고, 냉각 처리 또는 가열냉각 처리라도 좋다.

열처리는, 피처리물 전체를 열처리하는 것이라도 좋고, 피처리물의 일부, 예를 들면, 피처리면만을 열처리하는 것이라도 좋다.

추정하는 상기 거리는, 피처리물과 열처리 수단과의 대향하는 부분 사이의 거리인 것이 바람직하다.

열처리는, 상기 피처리물을 상기 열처리 수단에 접근시켜서 행하는 것이 바람직하지만, 상기 피처리물을 상기 열처리 수단에 접촉 또는 밀착시켜서 행하는 것이라도 좋고, 접촉 또는 밀착시켜서 열처리를 행하는 경우에는, 접촉하지 않는 부분 또는 밀착하지 않는 부분의 거리를 추정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피처리물을 상기 열처리 수단에 접근시켜서 열처리를 행하는 경우에, 피처리물의 일부가 상기 열처리 수단에 접촉하고 있어도 좋다.

상기 접근은, 피처리물을 열처리 수단에 대해 이동시켜서 행하여도 좋고, 열처리 수단을 피처리물에 대해 이동시켜서 행하여도 좋고, 또는 양자를 이동시켜서 행하여도 좋다.

본 발명에 의하면, 피처리물과 열처리 수단과의 거리에 의해 변화하는 피처리물 및 열처리 수단의 적어도 어느 한쪽의 온도 정보에 의거하여, 거리를 추정할 수 있다.

이 추정한 거리에 의거하여, 정상적인 거리인지의 여부 판정을 행하여 열처리의 이상을 검출하거나, 또는 피처리물의 피처리면의 형상이나 열처리 수단에 대한 피처리물의 배치 상태 등을 파악한다는 것이 가능해진다.

본 발명의 한 실시 양태에서는, 상기 온도 정보는, 상기 접근시킨 후의 온도 변화의 정보를 포함하고, 상기 거리 추정 수단은, 상기 온도 변화가 클수록 상기 거리를 작게 추정하는 것이다.

여기서, 상기 온도 정보는 피처리물을 열처리 수단이 접근시키기 전의 정보를 포함하여도 좋다.

또한, 온도 변화의 정보는 온도 변화의 기울기인 것이 바람직하다.

이 실시 양태에 의하면, 피처리물과 열처리 수단과의 거리가 작아짐에 따라 커지는 온도 변화의 정보에 의거하여, 거리를 추정할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 양태에서는, 상기 온도 정보는, 상기 접근시킨 후의 상기 열처리 수단의 온도와 상기 피처리물의 온도와의 온도차의 변화의 정보를 포함하고, 상기 거리 추정 수단은, 상기 온도차의 변화가 클수록 상기 거리를 작게 추정하는 것이다.

이 실시 양태에 의하면, 피처리물과 열처리 수단과의 거리가 작아짐에 따라, 커지는 열처리 수단의 온도와 피처리물의 온도와의 온도차의 정보에 의거하여, 거리를 추정할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 양태에서는, 상기 거리 추정 수단은, 상기 적어도 어느 한쪽의 온도 정보에 더하여, 상기 열처리 수단의 온도를 제어하는 온도 제어 수단의 조작량 정보에 의거하여 상기 거리를 추정하는 것이다.

이 조작량 정보는, 상기 접근시킨 후의 상기 온도 제어 수단의 조작량의 정보이고, 상기 거리 추정 수단은, 상기 조작량이 클수록 상기 거리를 작게 추정하는 것이 바람직하다.

이 실시 양태에 의하면, 온도 정보에 더하여 조작량 정보에 의거하여 거리를 추정하기 때문에, 보다 높은 정밀도로 거리를 추정할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 양태에서는, 상기 거리 추정 수단은, 피처리물과 열처리 수단 사이의 열저항을 추정하는 제 1 추정부와, 추정된 열저항에 의거하여 상기 거리를 추정하는 제 2 추정부를 구비하고 있다.

제 1 추정부는, 조작량 정보 및 온도 정보에 의거하여 열저항을 추정하는 것이 바람직하고, 이 제 1의 추정부는, 온도 정보에 의거하여 피처리물의 온도를 추정하는 피처리물의 모델을 구비하는 것이 바람직하다.

이 실시 양태에 의하면, 피처리물과 열처리 수단 사이의 열저항을 추정하고, 이 열저항을 이용하여 거리를 추정할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 양태에서는, 상기 거리 추정 수단에서 상기 거리의 추정에 이용하는 상기 각 정보는, 상기 접근시킨 후로서, 상기 열처리 수단의 온도가 일정 온도로 복귀하기까지의 기간의 일부에서의 정보이다.

이 실시 양태에 의하면, 피처리물을 열처리 수단에 접근시킨 후, 열처리 수단의 온도가 일정 온도로 복귀하기까지의 기간, 즉 열처리의 기간에서의 온도 정보나 조작량 정보에 의거하여 거리를 추정할 수 있다.

본 발명의 한 실시 양태에서는, 상기 열처리 수단은 상기 피처리물이 얹혀 열처리되는 열판이다.

피처리물은 열판에 얹혀 열처리되는 유리 기판 등인 것이 바람직하고, 거리 추정 수단에는 열판에 얹혀 열처리되는 피처리물이 열판에 접근하는 타이밍을 나타내는 신호가 주어지는 것이 바람직하다.

이 실시 양태에 의하면, 열판과 유리 기판 등의 피처리물과의 거리를 추정하기 때문에, 피처리물이 열판의 정규의 위치에 얹혀지지 않았거나, 열판과 피처리물 사이에 이물 등이 개재하여 정상적인 거리에서 빗나간 경우에는, 그것을 검출한다는 것이 가능해진다.

본 발명의 다른 실시 양태에서는, 상기 거리 추정 수단은, 상기 열처리 수단의 복수의 점과 상기 피처리물의 대응하는 복수의 점과의 거리를 각각 추정하는 것이다.

이 실시 양태에 의하면, 복수의 점에서의 거리를 추정하기 때문에, 예를 들면, 열처리 수단의 열처리면을 기준으로 한 상기 복수의 점의 거리에 의거하여, 피처리물의 형상이나 변형, 또는 피처리물의 열처리면에 대한 위치 관계 등을 파악하는 것이 가능해진다.

본 발명의 이상 검출 장치는, 본 발명에 관한 거리 추정 장치와 해당 거리 추정 장치에서 추정되는 거리와 임계치를 비교하여 열처리의 이상의 유무를 판정하는 판정수단을 구비하고 있다.

상기 임계치는, 정상적인 거리의 범위에 대응하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 추정된 거리와 임계치를 비교함에 의해, 정상적인 거리에서의 열처리인지의 여부를 판정할 수 있고, 이로써 열처리의 이상의 유무를 검출할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 이상 검출 장치는, 본 발명에 관한 거리 추정 장치와, 해당 거리 추정 장치에서 추정된 복수의 점의 거리에 의거하여, 상기 피처리물의 상태를 판정하는 판정수단을 구비하고, 상기 판정수단의 출력에 의거하여 이상을 검출하는 것이다.

여기서, 피처리물의 상태란, 열처리 수단에 대한 피처리물의 배치 상태, 예를 들면, 피처리물의 기울기, 또는 피처리물의 형상의 상태, 예를 들면, 피처리물의 휘어짐 등의 변형의 상태 등을 말한다.

본 발명에 의하면, 복수의 점의 거리에 의거하여, 피처리물의 상태를 판정하기 때문에, 예를 들면, 피처리물이 이물 등에 걸려 기울어져 있거나, 변형하고 있는 상태에서의 열처리의 이상을 검출할 수 있게 된다.

본 발명의 온도 조절기는, 본 발명에 관한 거리 추정 장치를 구비하고, 상기 열처리 수단의 온도를 제어하는 것이다.

본 발명에 의하면, 열처리 수단의 온도 정보가 주어짐과 함께, 조작량 정보를 출력하는 온도 조절기 자체에서 거리를 추정할 수 있게 된다.

본 발명의 한 실시 양태에서는, 상기 열처리 수단의 온도를 검출하는 온도 검출 수단으로부터의 검출 온도가 설정 온도가 되도록 상기 열처리 수단의 온도를 제어하는 것으로서, 상기 거리 추정 장치에서 추정된 거리에 의거하여, 상기 설정 온도 및 상기 검출 온도의 적어도 어느 한쪽을 보정하는 보정수단을 구비하고 있다.

이 보정수단은, 추정되는 거리가 클수록 열처리의 정도를 강하게 하는 방향으로 보정하는 것이 바람직하다.

이 실시 양태에 의하면, 정상적인 거리로부터 빗나간 경우에는, 그 빗나간 양에 따라 열처리의 정도를 보정하여 정상적인 열처리를 행하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 온도 조절기는, 본 발명에 관한 이상 검출 장치를 구비하고, 상기 열처리 수단의 온도를 제어하는 것이다.

본 발명에 의하면, 열처리 수단의 온도를 제어하면서, 열처리의 이상을 아울러 검출할 수 있다.

본 발명의 열처리 장치는, 본 발명에 관한 온도 조절기와, 열처리 수단과, 상기 온도 조절기의 출력에 의거하여, 상기 열처리 수단을 가열 및/또는 냉각하는 조작 수단과, 상기 열처리 수단의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비하고 있다.

본 발명에 의하면, 열처리의 이상을 검출할 수 있는 열처리 장치를 제공할 수 있다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하 본 발명의 실시의 형태에 관해 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

(실시의 형태 1)

도 1은 본 발명의 하나의 실시의 형태에 관한 열처리 장치의 개략 구성도이 다.

본 실시의 형태에서는, 피처리물로서의 유리 기판 등의 워크를 열처리 수단으로서의 열판(1)에 얹혀 열처리하는 장치에 적용하여 설명한다.

본 실시의 형태에서는, 워크를 가열 처리하는 열판(1)의 온도를 해당 열판(1)의 내부에 마련된 온도 센서로 검출하여 본 발명에 관한 온도 조절기(2)에 입력하고, 온도 조절기(2)에서는, 설정되어 있는 목표 온도(설정 온도)(SP)와 검출 온도(PV)와의 편차에 의거하여, 온도 제어 수단으로서의 PID 컨트롤러(3)에서 PID 연산 등을 행하여 조작량을 출력하고, 도시하지 않은 전자 스위치 등을 통하여 열판(1)에 배설되어 있는 히터(도시 생략)의 통전(通電)을 제어하여 열판(1)의 온도를 목표 온도(SP)가 되도록 제어하고 있다.

이 열처리 장치에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 열판(1)에서 열처리되는 워크(4)는, 도시하지 않은 반송 공급 수단에 의해 자동적으로 열판(1)에 얹혀 순번대로 열처리되는 것으로서, 정상적인 상태에서는, 열판(1)에 대해 유리 기판 등의 워크(4)는 그 일부가 도시하지 않은 지지부에서 지지됨에 의해 일정 거리(d) 이간한 상태에서 얹혀 열처리된다.

본 실시의 형태는, 워크(4)가, 열판(1)에 얹혀 열처리될 때의 워크(4)와 열판(1)과의 거리(d)를 후술하는 바와 같이 하여 추정하고, 추정되는 거리(d)에 의거하여, 거리가 정상인지의 여부를 판정하고, 이상(異常), 예를 들면, 워크(4)와 열판(1)과의 거리가 정상적인 거리보다도 커서 열처리가 불완전한 경우에, 그것을 검출할 수 있도록 구성되어 있다.

즉, 본 실시의 형태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 온도 조절기(2)는, 워크(4)를 열판(1)에 얹힌 후의 열판(1)의 온도(PV)에 의거하여, 워크(4)와 열판(1)과의 거리를 추정하고, 추정한 거리가 정상적인 범위 내인지의 여부를 판정하여 열처리의 이상을 검출하는 이상 검출 장치(6)를 내장하고 있다.

본 실시의 형태의 이상 검출 장치(6)는, 열판(1)의 온도의 기울기에 의거하여, 워크(4)와 열판(1)과의 거리를 추정하는 거리 추정 수단(7)과, 추정된 거리에 의거하여, 정상적인 열처리인지의 여부를 판정하는 판정수단(8)을 구비하고 있다. 거리 추정 수단(7)에는, 후술하는 바와 같이, 열처리의 전체를 제어한 상위 장치로부터 워크(4)가 열판(1)에 탑재되는 타이밍에 대응하는 타이밍 신호가 주어지는 한편, 유저에 의해 설정되는 거리 추정에 필요한 후술하는 설정 정보(t1, A) 등이 주어진다.

PID 컨트롤러(3) 및 이상 검출 장치(6) 등은, 예를 들면, 마이크로 컴퓨터에 의해 구성된다.

여기서, 피처리물을 워크(4)로 하고, 가열 처리 수단을 열판(1)으로 하여, 도 3에 의거하여 거리 추정의 기본적인 사고방식에 관해 설명한다.

방사(放射)에 의한 열이동의 영향을 고려하지 않아도 좋을 만큼, 워크(4)와 열판(1)이 접근하여 있는 경우에는, 워크(4)와 열판(1) 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 워크(4)와 열판(1)과의 거리를 d, 워크(4)의 온도를 Tw, 열판(1)의 온도를 Th, 워크(4)의 열용량을 Cw, 열판(1)의 열용량을 Ch, 양자 사이의 열저항을 Rhw라고 한다.

열판(1)의 온도 변화의 속도(△Th)(=dTh/dt)

∝(워크 온도(Tw)-열판 온도(Th))/열저항(Rhw)

∝(워크 온도(Tw)-열판 온도(Th))/거리(d)

따라서

거리(d)∝(워크 온도(Tw)-열판 온도(Th))/열판의 온도 변화의 속도(△Th)

거리(d)=k×(워크 온도(Tw)-열판 온도(Th))/열판의 온도 변화의 속도(△Th)

여기서, 워크(4)를, 열판(1)에 얹힌 순간의 워크(4) 및 열판(1)의 초기 온도(Tw0, Th0)를 알고 있는 경우, 예를 들면, 워크(4)와 열판(1)의 초기 온도가 안정되어 있는 경우에는, (워크 초기 온도(Tw)0-열판 초기 온도(Th)w)를, 정수(定數)라고 간주하고, 워크(4)를 열판(1)에 얹힌 순간의 거리(d)는, 다음 식으로 추정할 수 있게 된다.

거리(d)=정수(k)/열판의 온도 변화의 속도(△Th)(열판의 온도 기울기) …… (a)

본 실시의 형태에서는, 열판(1)의 온도 변화의 속도(△Th)를 열판(1)의 온도 기울기로 하고, 이 열판(1)의 온도 기울기를 계측하고, 미리 구한 정수(k)를 이용하여 워크(4)와 열판(1)과의 거리(d)를 추정하도록 하고 있다.

또한, 이 정수(k)는, 워크(4)와 열판(1)과의 거리(d)를 기지(旣知)의 거리로 설정한 상태에서, 열처리를 행하여 열판(1)의 온도를 계측하고, 열판(1)의 온도 기울기를 산출함에 의해 미리 구할 수 있다.

도 4는 워크(4)와 열판(1)과의 거리에 의해, 열판(1)의 온도가 어떻게 변화하는지를 도시한 것으로서, 목표 온도(SP)로 가열 정정(整定)한 상태의 열판(1)에 대해, 워크(4)를 과대한 거리(1점쇄선), 정상적인 거리(실선), 과소한 거리(파선)로 각각 얹혀 가열 처리한 경우의 열판(1)의 온도 변화를 도시한 도면이다.

이 도 4에 도시한 바와 같이, 워크(4)를 열판(1)에 대해 정상적인 거리보다도 큰(과대한) 거리로 얹혀 열처리하는 경우에는, 1점쇄선으로 도시한 바와 같이, 정상적인 경우에 비하여, 워크(4)에의 열량의 이동이 적고 열판(1)의 온도 저하는 적다.

이에 대해, 워크(4)를 열판(1)에 대해 정상적인 거리보다도 작은(과소한) 거리로 얹혀 열처리한 경우에는, 파선으로 도시한 바와 같이, 정상적인 경우에 비하여, 워크(4)에의 열량의 이동이 많고 열판(1)의 온도 저하가 커진다.

이와 같이, 워크(4)와 열판(1)과의 거리에 따라, 열판(1)의 온도 저하의 정도, 즉 열판(1)의 온도의 기울기가 변화하고, 상술한 (a)식으로 설명한 바와 같이, 워크(4)와 열판(1)과의 거리는 열판(1)의 온도의 기울기에 따라 변화하는 것을 알 수 있다.

그래서, 본 실시의 형태에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 워크(4)를 열판(1)에 얹혀 열처리를 시작한 후의 제 1의 시점(t1)부터 일정 시간 경과한 제 2의 시점(t2)에서의 열판(1)의 온도를 각각 계측하고, 이 일정한 시간폭(A)에 대한 열판(1)의 온도 변화폭(B), 즉 열판(1)의 온도 기울기(=B/A)를 산출하도록 하고 있다.

열판(1)의 온도를 계측하는 점은, 거리를 추정하고 싶은 점에 가까운 쪽이 바람직하고, 워크(4)의 접근에 의한 열이동의 영향이 나타나기 쉬운 부분에 있는 것이 바람직하다. 즉, 워크(4)에 가까운 측의 표면 근처인 것이 바람직하다. 또한, 히터나 외란(外亂)이 되는 열원으로부터 먼 쪽이 바람직하다. 거리를 추정하는 점의 수(數)는 1점이라도 좋고, 복수점이라도 좋다.

열판(1)의 온도 기울기의 산출은, 열판(1)의 온도 저하가 생긴 시점부터 가장 온도가 저하된 시점까지의 기간의 적어도 일부의 기간에서의 열판(1)의 온도를 이용하여 행하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여 산출된 열판(1)의 온도 기울기와 미리 구한 정수(k)에 의거하여, 상술한 (a)식에 따라 거리(d)를 추정하는 것이다.

도 1에 도시한 온도 조절기(2)에서는, 열처리의 전체를 제어하는 상위 장치로부터 워크(4)가 열판(1)에 탑재되는 타이밍에 대응하는 타이밍 신호가 주어지도록 구성되어 있고, 이 타이밍 신호는, 예를 들면, 도 5에 도시한 시점(t3)에 대응한다.

다음에, 도 1에 도시한 온도 조절기(2)에 의한 거리 추정 및 이상 검출의 처리 순서를 설명한다.

우선, 워크(4)를 열판(1)으로 순번대로 열처리한다는 실(實) 운용에 앞서, 상술한 정수(k)나 일정한 시간폭(A) 등을 결정하기 위한 처리를 행한다.

이 처리에서는, 워크(4)가 열판(1)에 대해 정상적인 기지(旣知)의 거리가 되도록, 워크(4)를 열판(1)에 얹혀 열처리를 행하고, 열판(1)의 온도를 계측한다.

유저는, 계측된 열판(1)의 온도 파형에 의거하여, 상술한 도 5의 타이밍 신호의 시점(t3)을 기준으로, 제 1의 시점(t1) 및 일정한 시간폭(A)을 온도 조절기(2)에 설정함과 함께, 상기 기지(旣知)의 거리를 온도 조절기(2)에 설정한다.

온도 조절기(2)의 거리 추정 수단(7)은, 설정된 제 1의 시점(t1) 및 일정한 시간폭(A)에 의거하여 계측된 열판(1)의 온도 기울기를 산출하고, 또한 설정된 기지의 거리를 이용하여 상술한 정수(k)를 산출하여 격납한다.

이상과 같이 하여 온도 조절기(2)의 거리 추정 수단(7)에, 제 1의 시점(t1), 일정한 시간폭(A) 및 정수(k)가 설정된 후에, 실제로 워크의 열처리의 운용을 시작한다.

이 열처리에서는, 워크(4)가 열판(1)에 얹혀 열처리가 행하여질 때마다, 워크(4)와 열판(1)과의 거리가 거리 추정 수단(7)에서 상술한 (a)식에 따라 추정되고, 판정수단(8)에서는, 정상 범위에 대응하는 임계치와 비교되어 정상 범위 내에 있는지의 여부가 판정되고, 정상 범위 내에 없는 때는 열처리의 이상(異常)이라고 하여 검출 신호를, 예를 들면, 상위 장치에 출력하고, 상위 장치는, 열처리의 이상을 알리거나, 열처리를 정지시키는 등의 알맞은 조치를 취할 수 있다.

(실시의 형태 2)

도 6은 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 열처리 장치의 개략 구성도로서, 상술한 도 1에 대응하는 부분에는, 동일한 참조 부호를 붙인다.

상술한 실시의 형태에서는, 열판(1)의 온도 기울기에 의거하여, 워크(4)와 열판(1)과의 거리를 추정하였음에 대해, 본 실시의 형태에서는, 열판(1)의 온도 및 PID 컨트롤러(3)로부터의 조작량(U)에 의거하여, 워크(4)와 열판(1)과의 거리를 추정하는 것이다.

여기서, 본 실시의 형태의 거리 추정의 기본적인 사고방식에 관해 설명한다.

또한, 이하의 설명에서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 워크(4)와 열판(1)과의 거리를 d, 워크(4)의 온도를 Tw, 열판(1)의 온도를 Th, 워크(4)의 열용량을 Cw, 열판(1)의 열용량을 Ch, 양자 사이의 열저항을 Rhw, 열판(1)의 히터에 공급되는 전력을 W라고 한다.

일반적으로, 열판(1)의 열량은 다음 식으로 표시된다.

[수식 1]

또한,

[수식 2]

상기 (2)식을 시간으로 미분한다.

Ch×dTh/dt=(온도차/열저항)+히터 발열량

={(워크 온도(Tw)-열판 온도(Th))/열저항(Rhw)}+전력(W)

따라서

dTh/dt={(Tw-Th)/Rhw×Ch}+W/ch

여기서, 열저항(Rhw)은, 워크와 열판과의 거리(d)에 비례하고, 열판의 열용량(Ch)을 일정하게 하고, k0을 정수로 하면,

dTh/dt∝{(Tw-Th)/d}+k0·W

dTh/dt=△Th로 하여두면, 거리(d)는,

d∝(Tw-Th)/(△Th-k0·W)

k2를 비례 정수라고 하면,

d=k2(Tw-Th)/(△Th-k0·W)

k0·W=k1·U로 하여두면,

d=k2(Tw-Th)/(△Th-k1·U) … (3)

따라서 미리 비례 정수(k1, k2)를 구하여 두면, 워크 온도(Tw), 조작량(U), 열판 온도의 기울기(△Th)로부터 거리를 추정할 수 있다.

또한, △Th=dTh/dt

≒{Th(n)-Th(n-1)}/△t

다만, △t : 샘플링 시간

여기서, 조작량(U)과 전력(W)과의 관계는 설계적으로 정해지기 때문에, 상기 (3)식의 정수(k1)를 구할 수 있다.

또한, 정수(k2)는, 워크(4)와 열판(1)과의 거리를 기지(旣知)의 거리로 설정한 상태에서 열처리를 행하고, 그때의 워크(4)의 온도(Tw), 열판(1)의 온도(Th) 및 조작량(U)으로부터 구할 수 있다.

본 실시의 형태에서는, 워크(4)를 순번대로 열판(1)에 얹혀 열처리하는 것이며, 열처리된 모든 워크(4)의 온도를 검출하는 것은 용이하지 않다.

그래서, 본 실시의 형태에서는, 워크(4)의 온도 모델을 이용하여 워크(4)의 온도(Tw)를 추정하도록 하고 있다.

즉, 본 실시의 형태에서는, 도 6의 거리 추정 수단(7a)은, 상술한 (3)식에서 산출되는 거리(d)와 열판의 온도(Th)에 의거하여, 다음 식으로 워크 온도(Tw)를 추정하고 있다.

Tw(n)=k3·Tw(n-1)+k4·{Th(n-1)-Tw(n-1)}/d

즉, 금회(今回)의 샘플링의 워크의 온도(Tw(n))를, 전회(前回)의 샘플링의 워크의 온도(Tw(n-1)), 전회의 샘플링의 열판(1)의 온도(Th(n-1)) 및 전회의 샘플링으로 추정되는 거리(d)를 이용하여 추정하는 것이다.

여기서, 정수(k3, k4)는, 기지의 거리(d)에서의 열처리에 있어서 워크(4)의 온도(Tw)와 열판(1)의 온도(Th)를 계측함에 의해 미리 구할 수 있다.

본 실시의 형태에서는, 온도 조절기(2a)의 거리 추정 수단(7a)에서는, 열판(1)의 온도, 해당 열판(1)의 온도에 의거하여 추정한 워크의 온도 및 조작량(U)에 의거하여, 상술한 (3)식에 따라서 거리를 추정하는 것이다.

그 밖의 구성은 상술한 실시의 형태와 같다.

도 8에 본 실시의 형태에 의한 거리 추정의 데이터의 한 예를 도시한다.

이 도 8은, 워크(4)와 열판(1)과의 거리를 1㎜, 4㎜로 한 경우의 추정 거리의 변화를 나타내고 있고, 워크(4)가 시간의 경과와 함께 열판(1)에 접근함에 따라 추정 거리가 작아지고, 1㎜, 4㎜에서 각각 일정하게 되어 있다.

본 실시의 형태에서는, 열판(1)의 온도와 조작량에 의거하여 거리를 추정하였지만, 본 발명의 다른 실시의 형태로서, 워크(4)의 온도, 워크(4)의 온도와 조작량, 열판(1)의 온도와 워크(4)의 온도 또는 열판(1)의 온도와 워크(4)의 온도와 조작량에 의거하여, 거리를 추정하도록 하여도 좋다.

(실시의 형태 3)

도 9는 본 발명의 또 다른 실시의 형태에 관한 열처리 장치의 개략 구성도로서, 상술한 도 1에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙인다.

본 실시의 형태에서는, 본건 출원인이 일본특개2004-94939(특원2003-289867) 「모델 구조, 제어 장치, 온도 조절기 및 열처리 장치」로서 먼저 제안하고 있는 비간섭화 제어 등에 알맞는 제어 대상의 모델 구조를 이용하여 거리를 추정하는 것이다.

도 9에 도시한 제어 대상의 모델 구조(30)는, 열판(1)에 대응하는 모델 요소(10)와 워크(4)에 대응하는 모델 요소(11)를 구비하고 있고, 각 모델 요소(10, 11)의 출력의 차(온도차)를 피드백 요소(12)를 통하여 정부(正負)를 다르게 하고 모델 요소(10, 11)의 입력측에 피드백하는 것이다.

이 모델은, 열판(1(10))과 워크(4(11))와의 온도차에 의해, 열판(1(10))으로부터 워크(4(11))에 열량의 이동이 생기고, 열판(1(10))은 열량이 빼앗기고(부(負)), 워크(4(11))에는 열량이 채워진다(정(正))는 열의 이동 현상을 블록선도로 도시한 것이다.

이 모델(이하 「온도차 모델」이라고도 한다)은, 온도차가 있는 때에 열량의 이동이 생기고, 이 열량의 이동은 온도차에 비례한다는 프리에의 법칙이 의미하는 것과 등가(等價)이다.

또한, 도 9에서 A₁₁, A₂₂는 열판(1) 및 워크(4)에 각각 대응하는 모델 요소(10, 11)의 전달 함수이고, 피드백 요소(12)는 온도차에 의해 얼마만큼 열량이 이동하는지를 나타내는 것이고, θ는 열판(1)과 워크(4) 사이의 열저항이다.

또한, 워크(4)가 열판(1)에 얹혀지기 전에는, 피드백 요소(12)의 출력측의 스위치 수단(19)이 오프하여 워크(4)와 열판(1)과의 온도차가 피드백되지 않도록 되어 있고, 워크(4)가 열판(1)에 얹혀지면, 온하여 워크(4)와 열판(1)과의 온도차가 피드백된다.

이 도 9에 도시한 바와 같이 열판(1) 및 워크(4)를 포함하는 제어 대상을 온도차 모델로 파악하면, 열판(1)과 워크(4)의 열저항(θ)을 구함에 의해, 공기의 열전도율(Ka) 및 워크(4)와 열판(1)의 대향 면적(S)에 의거하여, 워크(4)와 열판(1)과의 거리(d)를 다음 식으로 추정할 수 있게 된다.

d=Ka·S·θ

이 열저항(θ)은, 도 9에 도시한 바와 같이, 피드백 요소(12)의 입력(△T) 및 출력(Q)을 추정하고, 입력(△T)을 출력(Q)으로 제산(除算)함에 의해 추정할 수 있다.

그래서, 본 실시의 형태의 온도 조절기(2d)의 거리 추정 수단(7b)은, 워크 온도를 추정하는 워크 모델(13)과, 열판(1)의 온도로부터 열판(1)에 시간당으로 유입하는 열량(열류(熱流))을 추정하는 추정 요소(14)를 구비하고 있다.

본 실시의 형태에서는, 워크 모델(13)은, 도 10에 도시한 바와 같이, 온도차 모델의 모델 요소(11) 및 피드백 요소(12)와 같은 전달 함수(A'₂₂, 1/θ')의 보상 요소(11', 12')를 구비함과 함께, 스위치 수단(19)에 대응하는 스위치 수단(20)을 가지며, 상위 장치로부터의 타이밍 신호에 의해, 워크(4)가 열판(1)에 얹혀지면 온하고 열처리가 종료되면 오프된다.

또한, 이 워크 모델(13)은, 온도차 모델에 대응할 필요는 없고, ARX 모델이나 전달 함수 모델 등의 다른 모델이라도 좋고, 열판(1)의 온도로부터 워크(4)의 온도를 추정할 수 있으면 좋다.

추정 요소(14)는, 온도차 모델의 열판(1)의 모델 요소(10)에 대응하는 것이며, 이 모델 요소(10)의 전달 함수(A₁₁)의 열수(1/A'₁₁)를 전달 함수로 하고 있다.

본 실시의 형태에서는, 열판(1)의 온도(PV)와 워크 모델(13)에서 추정된 워크 온도와의 온도차(△T')가 감산부(15)에서 산출되는 한편, 히터로부터 발생한 열류로부터 추정 요소(14)에서 추정된 열판(1)에 유입한 열류를, 감산부(16)에서 감산하여 열판(1)과 워크(4) 사이를 흐르는 열류(Q')를 산출하고, 열저항 추정부(17)에서는, 추정된 온도차(△T')를 추정된 열류(Q')로 제산함에 의해, 열저항(θ')을 추정하고, 이 추정한 열저항(θ'), 공기의 열전도율(Ka) 및 워크(4)와 열판(1)의 대향 면적(S)을 이용하여, 거리 추정부(18)에서 워크(4)와 열판(1)과의 추정 거 리(d)를 산출한다.

또한, PID 컨트롤러(3)로부터 감산부(16)에 입력되는 열류는, PID 컨트롤러(3)로부터의 출력치가 열류 그 자체라면 직접 계측함에 의해, 또한 PID 컨트롤러(3)로부터의 출력치가 조작량이라면 출력치로부터 계산함에 의해 구할 수 있다.

본 실시의 형태의 거리 추정 수단(7b)은, 워크(4)와 열판(1)과의 열저항을 추정하는 제 1 추정부와, 추정된 열저항에 의거하여 거리를 추정하는 제 2 추정부를 구비하고 있다.

또한, 열판(1)의 전달 함수(A₁₁)는, 예를 들면, 1차 지연계(遲延系)로서, 예를 들면, 오토튜닝에 의한 최대 기울기로부터 구할 수 있고, 또한, 워크(4)의 전달 함수는, 예를 들면, 워크(4)의 열용량에 대응한 정수와 워크(4)의 열저항에 대응한 정수를 포함한 1차 지연계로서, 예를 들면, 열용량은 워크(4)의 재질과 크기로부터 구할 수 있다.

(그 밖의 실시의 형태)

상술한 실시의 형태에서는, 판정수단(8)에서는 추정한 거리와 임계치를 비교하여 이상의 유무를 판정하였지만, 본 발명의 다른 실시의 형태로서, 복수의 점에서의 워크와 열판의 거리를 각각 추정하고, 그들 복수의 점에서의 추정 거리에 의거하여, 워크의 형상이나 기울기 등을 판정하여 이상을 검출하도록 하여도 좋다.

즉, 도 11에 도시한 바와 같이, 거리 추정부(7c)에서는, 온도나 조작량에 의거하여, 상술한 각 실시의 형태와 마찬가지로 하여, 복수의 점에서의 워크(4)와 열 판(1)과의 거리를 추정하고, 형상 인식부(21)에서는, 이들 복수의 추정 거리에 의거하여, 워크의 형상을 인식하고, 판정부(22)에서는, 인식된 형상이 임계치를 넘었는지의 여부를 판정하고, 임계치를 넘은 때는 이상 검출 신호를 출력하는 것이다.

예를 들면, 워크(4)의 피처리면이 평면 형상인 때에는, 형상 인식부(21)에서는, 복수의 추정 거리 내의 최대 추정 거리(dmax)와 최소 추정 거리(dmin)와의 차(dmax-dmin)를 산출하여 평면도를 인식하고, 판정부(22)에서는, 이 평면도가 어떤 범위(임계치)를 초과하는지의 여부를 판정하고, 초과한 때에 워크(4)의 형상이 이상이라고 하여 이상 검출 신호를 출력하는 것이다.

또한, 워크(4)의 피처리면이 사발(椀)형상 또는 산(山)형상인 때에는, 형상 인식부(21)에서는, 워크(4)의 중앙부의 추정 거리(d1)와 주변부의 추정 거리(d2)와의 차(d1-d2)를 산출하여 만곡도를 인식하고, 판정부(22)에서는, 이 만곡도가, 어던 범위(임계치)를 초과하는지의 여부를 판정하고, 초과한 때에 워크(4)의 형상이 이상이라고 하여, 이상 검출 신호를 출력하는 것이다.

또한, 워크(4)와 열판(1) 사이에, 예를 들면, 이물이 개재하고 워크(4)가 이물에 걸려 경사된 경우는, 워크(4)의 형상은 정상인데도 이상인 것으로 오검출할 우려가 있다. 이들의 오검출을 방지하기 위해, 워크(4)의 주변부는 동심원형상으로 점대칭으로 복수 개의 거리의 추정점을 마련하고, 이들의 추정 거리의 평균치를 d2ave로 하면, 상술한 만곡도를 d1-d2ave로 함에 의해 걸림에 의한 경사분을 캔슬할 수 있게 된다.

또한, 워크(4)의 피처리면이 평면형상인 때에, 복수의 추정 거리 내의 최대 추정 거리(dmax)와 최소 추정 거리(dmin)와의 차(dmax-dmin)를 산출하고, 임계치와 비교함에 의해, 임계치보다 큰 때는, 예를 들면, 워크(4)가 이물 등에의 걸림으로 경사하고 있다고 하여 이상을 검지하도록 하여도 좋다.

또한, 본 발명의 다른 실시의 형태로서, 추정되는 거리가 정상적인 거리에 비하여 큰 때에는, 가열을 강화하도록 목표 온도를 높게 보정하고, 역으로, 추정되는 거리가 정상적인 거리에 비하여 작은 때에는, 가열을 약하게 하도록 목표 온도를 낮게 보정하도록 하여도 좋다.

즉, 도 12에 도시한 바와 같이, 거리 추정부(7c)에서 추정된 추정 거리에 의거하여, 목표 온도 보정부(23)에서는 목표 온도 보정치(△SP)를 산출하고, 이 목표 온도 보정치(△SP)로 목표 온도(SP)를 보정하도록 하여도 좋다. 이 목표 온도 보정치(△SP)로서는, 예를 들면, 다음 식에 의해 산출되는 보정치를 이용할 수 있다.

△SP(t)=(기준 열판 온도(t)-기준 워크 온도(t))(d(t)-기준 거리(d)0)/d0

여기서, 시각(t)은 워크를 탑재한 신호를 트리거로 하여 계측한 시각이다.

또한, 기준 열판 온도 및 기준 워크 온도란, 미리 취득한 정상적인 거리(기준 거리)인 경우의 열판 및 워크의 응답 파형(시계열의 온도 데이터)이다.

이러한 목표 온도의 보정에 의해, 예를 들면, 워크(4)와 열판(1)과의 거리가 크면 워크(4)의 승온이 지연되기 때문에, 이것을 앞당기기 위해 목표 온도가 인상되게 된다. 또한, 목표 온도의 보정에 대신하여, 온도 센서로부터의 검출 온도를 보정하도록 하여도 좋다.

상술한 실시의 형태에서는, 이상 검출 장치(6, 6a, 6b)를 온도 조절기(2, 2a, 2b)에 내장시켰지만, 이상 검출 장치는, 온도 조절기와는 별도의 장치로서 구성하여도 좋다. 또한, 거리 추정 수단만을 별도의 독립된 거리 추정 장치로서 구성하여도 좋다.

상술한 실시의 형태에서는, 열처리 수단의 열처리면은 평면형상이였지만, 평면형상으로 한하지 않고, 곡면형상이나 요철형상 등 임의의 형상이라도 좋고, 마찬가지로 피처리물의 형상도 임의이다.

상술한 실시의 형태에서는, 워크 등의 피처리물을 열판 등의 열처리 수단으로 얹혀 열처리하였지만, 본 발명의 다른 실시의 형태로서, 피처리물을 열처리 수단에 대해 접근하도록 통과시켜 열처리하여도 좋고, 또한 피처리물을 열처리 수단에 접촉시켜서 열처리하여도 좋다.

산업상의 이용 가능성

본 발명은, 예를 들면, 워크를 열판으로 열처리하는 열처리에서의 이상의 검출 등에 유용하다.

본 발명에 의하면, 피처리물 및 열처리 수단의 적어도 어느 한쪽의 온도 정보에 의거하여 피처리물과 열처리 수단과의 거리를 추정할 수 있기 때문에, 이 추정한 거리에 의거하여, 정상적인 거리인지의 여부 판정을 행하여 열처리의 이상을 검출하거나, 또는 피처리물의 형상이나 배치 상태를 파악한다는 것이 가능해진다.

Claims

피처리물을, 열처리 수단으로 열처리하는 해당 열처리에 있어서의 상기 피처리물과 상기 열처리 수단과의 거리를 추정하는 장치에 있어서,

상기 열처리 수단으로부터의 검출 온도에 의거하여 상기 열처리 수단의 온도를 제어하는 온도 제어수단과,

상기 피처리물 및 상기 열처리 수단의 적어도 어느 한쪽의 온도 정보에 의거하여, 상기 거리를 추정하는 거리 추정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 1항에 있어서,

상기 열처리는, 상기 피처리물을 상기 열처리 수단에 접근시켜서 행하는 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 2항에 있어서,

상기 온도 정보는, 상기 접근시킨 후의 온도 변화의 정보를 포함하고, 상기 거리 추정 수단은, 상기 온도 변화가 클수록 상기 거리를 작게 추정하는 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 2항에 있어서,

상기 온도 정보는, 상기 접근시킨 후의 상기 열처리 수단의 온도와 상기 피처리물의 온도와의 온도차의 변화의 정보를 포함하고, 상기 거리 추정 수단은, 상 기 온도차의 변화가 클수록 상기 거리를 작게 추정하는 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 1항에 있어서,

상기 거리 추정 수단은, 상기 적어도 어느 한쪽의 온도 정보에 더하여, 상기 열처리 수단의 온도를 제어하는 온도 제어 수단의 조작량 정보에 의거하여, 상기 거리를 추정하는 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 5항에 있어서,

상기 조작량 정보는, 상기 접근시킨 후의 상기 온도 제어 수단의 조작량의 정보이고, 상기 거리 추정 수단은, 상기 조작량이 클수록 상기 거리를 작게 추정하는 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 6항에 있어서,

상기 거리 추정 수단은, 피처리물과 열처리 수단 사이의 열저항을 추정하는 제 1 추정부와, 추정된 열저항에 의거하여 상기 거리를 추정하는 제 2 추정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 2항에 있어서,

상기 거리 추정 수단에서 상기 거리의 추정에 이용하는 상기 각 정보는, 상 기 접근시킨 후로서, 상기 열처리 수단의 온도가 일정 온도로 복귀하기까지의 기간의 일부에서의 정보인 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서,

상기 열처리 수단은, 상기 피처리물이 얹혀 열처리되는 열판인 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서,

상기 거리 추정 수단은, 상기 열처리 수단의 복수의 점과 상기 피처리물의 대응하는 복수의 점의 거리를 각각 추정하는 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서,

상기 열처리가, 가열 처리 및 냉각 처리의 적어도 어느 한쪽의 처리인 것을 특징으로 하는 거리 추정 장치.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 거리 추정 장치와,

해당 거리 추정 장치에서 추정되는 거리와 임계치를 비교하여 열처리의 이상 유무를 판정하는 판정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 이상 검출 장치.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 거리 추정 장치와,

해당 거리 추정 장치에서 추정된 복수 점의 거리에 의거하여 상기 피처리물의 상태를 판정하는 판정수단을 구비하고, 상기 판정수단의 출력에 의거하여 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 이상 검출 장치.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 거리 추정 장치를 구비하고,

상기 열처리 수단의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 온도 조절기.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 거리 추정 장치를 구비하고,

상기 열처리 수단의 온도를 검출하는 온도 검출 수단으로부터의 검출 온도가 설정 온도가 되도록 상기 열처리 수단의 온도를 제어하는 것으로서, 상기 거리 추정 장치에서 추정된 거리에 의거하여, 상기 설정 온도 및 상기 검출 온도의 적어도 어느 한쪽을 보정하는 보정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 조절기.
상기 제 12항에 기재된 이상 검출 장치를 구비하고, 상기 열처리 수단의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 온도 조절기.
상기 제 14항에 기재된 온도 조절기와, 상기 열처리 수단과, 상기 온도 조절기의 출력에 의거하여, 상기 열처리 수단을 가열 및/또는 냉각하는 조작 수단과, 상기 열처리 수단의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.