JP2005308267A - 加熱炉の温度制御方法および加熱炉の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 炉内を移動する被加熱体に直接、熱電対を取り付けることができず、被加熱体の位置と熱源温度制御位置が離れているため、熱源の近くの炉内温度で制御を行なうと被加熱体の近くで要求されている炉内温度プロファイルが正確に実現できない。
【解決手段】測定された被加熱体の近くの複数の炉内温度プロファイルのうち少なくとも１つの任意の温度プロファイルと、所望の炉内温度プロファイルとの偏差温度を熱源の設定温度プロファイルの修正分としてフィードバック制御をする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被加熱体の所定の要求条件に適合する温度プロファイルに沿って、被加熱体を加熱するための加熱炉の熱源の温度制御方法及び当該温度制御方法を実現する温度制御装置に関する。より詳しくは、本発明は、塗布されたクリームはんだ上に電子部品を装着した回路基板を加熱炉で加熱し、はんだを溶融させて前記電子部品をはんだ付けするための適切な加熱炉の熱源の温度制御方法及び温度制御装置に関する。

本発明は更に、前記温度制御方法を実施するためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。

加熱装置を用いて被加熱体を加熱する際には、被加熱体を所定の加熱温度で所定の時間加熱るするとともに、加熱温度が被加熱体の耐熱限界温度を超えないようにする等、加熱温度、加熱時間を適切に管理する必要がある。被加熱体を単に一定の温度条件を維持して加熱するだけにとどまらず、予熱、加熱、冷却を含む被加熱体の要求条件に適合した温度プロファイルに沿って被加熱体を加熱するためには、慎重な温度制御が要求されている。そしてこの要求を解決するものとして、加熱源の温度を計測し、加熱温度を制御する制御方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
近年の環境保護要請に対応し、はんだ付けの分野においては従来から使用されてきた錫―鉛系はんだに代わって、有害な鉛を含まない錫−銀−銅系や、錫−亜鉛−ビスマス系などの鉛フリーはんだが使用される傾向にある。しかしながら、鉛系はんだの融点は約１９０℃と比較的低いのに対して、一般に鉛フリーはんだの溶融点は約２２０℃と高いため、リフローに際してこれを従来より高温度まで加熱しなければならない。一方、回路基板に装着される電子部品の熱破壊を防止するため、リフロー加熱時においてはこれらの各電子部品の耐熱限界温度（耐熱保証温度）を超えないようにすることが要求される。例えば、アルミ電解コンデンサーでは、この耐熱限界温度が約２４０℃とされている。加熱温度が低すぎる場合には電子部品のはんだ付けが保証できず、逆に温度が高すぎる場合には電子部品の熱破壊を引き起こす。したがって、リフロー装置で信頼性の高いはんだ付けを行なうためには、図３に示すように、加熱装置の温度を管理するモニタリング部を設け、はんだを溶融点以上の温度に加熱すると同時に、被加熱体である回路基板や電子部品が各々の耐熱限界温度を超えないよう厳格な温度管理をすることが求められる。このため、熱風やパネルヒータなどの加熱源の温度条件は、加熱装置を通過する被加熱体の要求度合いに応じて適切に設定しなければならない。
特開平６−２８１３６４号公報（段落番号）

しかしながら、炉内を移動する被加熱体に直接、熱電対を取り付けることができないため、実際には各加熱ゾーン熱源の近くの炉内雰囲気温度に基づいて熱源の温度を制御することが行なわれており、被加熱体の位置と熱源の温度を制御するための熱電対の位置が離れているため、炉内の熱風の流れの乱れにより被加熱体近くの雰囲気温度と熱源を制御するための熱電対の温度との間に偏差温度が発生していた。

また、炉体の断熱壁はコスト上の問題から、十分な断熱性を確保できない実情であるため、炉体外部の風の流れや温度などの外部環境が変化した時に断熱壁から逃げる熱量が変化し、炉体外部の環境変化に応じて被加熱体の近くの炉内雰囲気温度も変動し、結果として被加熱体の温度も変動するという問題があった。

すなわち、炉体外部の環境変化に伴い、被加熱体の近くの雰囲気温度が変動し、熱源から離れている熱源の設定温度とは大きな偏差温度を生じている。そのため、熱源の温度で制御を行うと、被加熱体の近くでは要求されている炉内雰囲気温度プロファイルが正確に実現できないという問題があった。

この問題を解決すべく精度の高い温度制御を行う方法として幾つかが既に提案されている。

例えば、前記した特許文献１である特開平６−２８１３６４においては、加熱源である複数のバーナの近くの温度を計測し、それらの算術平均を用いて、加熱温度を制御することが提案されている。しかし、この方法では熱源であるバーナと被加熱体は離れており、被加熱体の近くでの温度は計測していないため、被加熱体の正確な温度制御は困難である。

上記目的を達成するために、本発明は、加熱炉の熱源の温度を制御する加熱炉の温度制御方法において、加熱炉の雰囲気温度プロファイルが、被加熱体の所定の温度条件に適合する所望の雰囲気温度プロファイルとなるよう、被加熱体近傍の複数の炉内雰囲気温度を予め求める工程と、被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルを計測する工程と、計測された被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルのうち、少なくとも１つの任意の温度プロファイルと、所望の炉内雰囲気温度プロファイルとの偏差温度を求め、熱源の設定温度プロファイルの修正分としてフィードバック制御する工程を備えたことを特徴とする加熱炉の温度制御方法である。

さらに、前記被加熱体の近傍の所望の炉内雰囲気温度プロファイルデータと、熱原の設定温度データをデータベースに蓄積する工程を備えたことを特徴し、さらに、前記炉内雰囲気温度プロファイルは、複数の炉内雰囲気温度の算術平均により算出されることを特徴とし、さらに、前記炉内雰囲気温度プロファイルは、被加熱体の中央部分から、複数の炉内雰囲気温度計測位置までの距離の逆数を重みとした加重平均で算出されたることを特徴し、さらに、前記炉内雰囲気温度のプロファイルは、熱源の座標と被加熱体近傍の複数の炉内雰囲気計測位置の座標による空間解析で算出されることを特徴し、さらに、前記所望の炉内雰囲気温度プロファイルは、実験により所望の被加熱体の温度プロファイルとなるように予め求めておくことを特徴とする。

また、加熱炉の複数の熱源の温度を制御する加熱炉の温度制御装置において、被加熱体の所定の温度条件に適合する所望の雰囲気温度プロファイルとなるよう、被加熱体近傍の複数の炉内雰囲気温度を予め求める手段と、被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルを計測する手段と、計測された被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルのうち、少なくとも１つの任意の温度プロファイルと、所望の炉内雰囲気温度プロファイルとの偏差温度を求め、熱源の設定温度プロファイルの修正分としてフィードバック制御する手段と、被加熱体の近傍の所望の炉内雰囲気温度プロファイルデータと、熱源の設定温度データをデータベースに蓄積する手段を備えたことを特徴とする。

また、さらに、加熱炉の熱源の温度を制御する加熱炉の温度制御方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体において、加熱炉の雰囲気温度プロファイルが、被加熱体の所定の温度条件に適合する所望の雰囲気温度プロファイルとなるよう、被加熱体近傍の複数の炉内雰囲気温度を予め求める工程と、被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルを計測する工程と、計測された被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルのうち、少くとも１つの任意の温度プロファイルと、所望の炉内雰囲気温度プロファイルとの偏差温度を求め、熱源の設定温度プロファイルの修正分としてフィードバック制御する工程と、被加熱体の近傍の所望の炉内雰囲気温度プロファイルデータと、熱源の設定温度データをデータベースに蓄積する工程を備えたことを特徴とする。

本発明によると、被加熱体の近くの炉内雰囲気温度プロファイルを正確に制御することができる。

本発明にかかる温度制御方法によれば、炉体外部の風の流れや温度などの環境が変化した時の炉内雰囲気温度への影響をフィードバック制御することにより、被加熱体の近くの雰囲気温度プロファイルを一定に設定することが可能となり、また、炉内の熱風の流れが乱れても被加熱体近くの雰囲気温度への影響をフィードバック制御することにより、被加熱体の近くの炉内雰囲気温度プロファイルを一定に設定することが可能となる。その結果、被加熱体の温度管理が必要な加熱装置の加熱条件を高精度に設定することができ、生産中の炉の内外の温度変化に対して、安定して生産が可能となり、設備の稼働率の向上、生産品質の向上を図ることができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における加熱炉の断面図である。加熱炉としてここではリフロー炉を例として説明する。リフロー炉は、炉外壁１０１と断熱材１０２と炉内壁１０３で構成されている。熱源であるノズル１０４から熱風が吹き出し、レール１０５で搬送される実装基板１０６に熱風がリフローゾーン毎に一定の温度で吹き付けることによりはんだ付けされる。実装基板１０６の支持レール１０５の近傍をＰ１、Ｐ２とし、それぞれのポイントでの雰囲気温度プロファイルをＴ１、Ｔ２とする。支持レール１０５と炉内壁１０３との間をＰ３とし、そのポイントでの雰囲気温度プロファイルをＴ３とする。ノズル直下をＰ４とし、そのポイントでの雰囲気温度プロファイルＴ４とする。実装基板の中央部をＰ６とする。リフロー炉内部の雰囲気温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の温度プロファイルを熱電対で計測し、コンピュータに入力する。ここで、雰囲気温度プロファイルＴ１，Ｔ２，Ｔ３をＴｉ（ｉ＝１，２，３）と表す。

この雰囲気温度プロファイルＴ１，Ｔ２，Ｔ３の計測に先立ち、被加熱体１０６の温度が所望の雰囲気温度プロファイルとなるよう、予め実験により、被加熱体１０６の近くの炉内雰囲気温度ａＴ１，ａＴ２，ａＴ３を求め、コンピュータに入力しておく。

次に、温度制御の一形態として、算術平均温度による制御を行う場合を示す。
被加熱体１０６の温度が所望の温度プロファイルとなる被加熱体１０６近傍の炉内雰囲気温度ａＴ１，ａＴ２，ａＴ３から、数式１により所望の炉内雰囲気温度プロファイルａＴを求める。

数式１ a Ｔ＝｛ΣａＴｉ｝÷Ｎ （Ｎ＝３）
同様に、炉内雰囲気温度プロファイルＴ１，Ｔ２，Ｔ３から、数式２により炉内雰囲気温度プロファイルＴを求める。

数式２ Ｔ＝｛ΣＴｉ｝÷Ｎ （Ｎ＝３）
炉内雰囲気温度プロファイルＴと所望の炉内雰囲気温度プロファイルａＴとの偏差温度を、熱源の設定温度プロファイルＴ４の修正分としてフィードバックし、熱源の温度制御を行う。前記所望の炉内雰囲気温度プロファイルａＴと熱源の設定温度プロファイルＴ４の相関関係はデータベースに蓄積される。

次に、温度制御の他の形態として、加重平均温度による制御を行う場合を示す。

本形態では、フィードバック制御に用いる偏差温度は、被加熱体の近くの複数の炉内雰囲気温度プロファイルから被加熱体の中央部分からの炉内雰囲気温度計測位置までの距離の逆数を重みとした加重平均で算出される温度プロファイルと、所望の炉内雰囲気温度プロファイルとの偏差温度から算出される。

図１において、Ｐ１とＰ６との距離をＬ１、Ｐ２とＰ６の距離をＬ２、Ｐ３とＰ６の距離をＬ３する。

被加熱体１０６の温度が所望の温度プロファイルとなるよう、被加熱体１０６の近くの炉内雰囲気温度ａＴ１，ａＴ２，ａＴ３を予め求めておき、この炉内雰囲気温度ａＴ１，ａＴ２，ａＴ３から、数式３、数式４により所望の炉内雰囲気温度プロファイルａＴを求める。

数式３ Ａ＝Σ（１／Ｌｉ） （Ｎ＝３）
数式４ a Ｔ＝｛ΣａＴｉ×（１／Ｌｉ）÷Ａ｝÷Ｎ（Ｎ＝３）
同様に、炉内雰囲気温度プロファイルＴ１，Ｔ２，Ｔ３から、数式５、数式６により炉内雰囲気温度プロファイルＴを求める。

数式５ Ａ＝Σ（１／Ｌｉ） （Ｎ＝３）
数式６ Ｔ＝｛ΣＴｉ×（１／Ｌｉ）÷Ａ｝÷Ｎ （Ｎ＝３）
炉内雰囲気温度プロファイルＴと所望の炉内雰囲気温度プロファイルａＴとの偏差温度を熱源の設定温度プロファイルＴ４の修正分としてフィードバック制御する。

なお、本実施の形態として、数式２、数式６により炉内雰囲気温度プロファイルを求めたが、熱源の座標と被加熱体の近くの炉内雰囲気計測位置の座標による空間解析を用いて、熱源の温度と被加熱体の近くの炉内雰囲気温度との関係付けを行い、フィードバック制御してもよい。また、炉内３個所の温度プロファイルから偏差温度を求めたが、少くとも１つの任意の温度プロファイルから偏差温度を求めることも可能である。
（実施の形態２）
図２は、本発明による実施の形態２における加熱炉温度制御装置の概略図であり、システムの構成を示している。矢印はデータの流れ方向を示している。図２は、加熱装置２００と制御部２０４を相互に接続することで、加熱装置２００を制御の対象とすることを可能にしたシステム構成図である。すなわち、制御部２０４には、加熱装置２００の入り側から出側までの使用範囲温度全域にわたって、例えば一例として、加熱装置内部の雰囲気温度を２００℃に保持するように制御する機能を有している。以下に動作内容を説明する。

加熱装置内温度分布モニタリング部２０１には、加熱装置２００からの出力データである一定時間毎の複数の炉内雰囲気温度データＶ１と、環境温度の変化や空調装置の有無などの外乱２０６の温度変化データＶ２が、入力データとして受信される。加熱装置内温度分布モニタリング部２０１では、受信した前記データＶ１とＶ２をもとに、前記、加熱装置２００の内部雰囲気温度をある所望の一定温度に保持するための設定温度を求める計算を行うため、解析部２０２に、前記データＶ１とＶ２、および加熱装置２００の形状データなど炉内雰囲気温度プロファイルの計算に必要なデータＷ２を送信する。解析部２０２では、一例として、前記数式２により、加熱装置内部をある一定温度に保持すべく加熱装置の設定温度が計算される。解析部２０２で計算された炉内雰囲気温度プロファイルである温度データＷ１が実測された温度データＶ１と比較され、その偏差温度をＸとして入力部２０３に送信される。入力部２０３からは加熱装置２００の設定温度としてデータＹが加熱装置に送信され、加熱装置２００の設定温度が所望の温度に設定される。

なお、本実施の形態として、以下の形態を用いてもよい。データ蓄積部２０５には、加熱装置２００から被加熱体をある所望の温度プロファイルで加熱したい場合の、被加熱体近くの所望の炉内温度プロファイルデータと、それを実現する加熱装置２００の熱源の設定温度データがＺ１として入力部２０３から送信され、被加熱体の種類毎に蓄積され、データベースを構築している。加熱装置内温度分布モニタリング部２０１から、現在の加熱装置内の温度分布温度データがＷ３としてデータ蓄積部２０５に送信され、熱源の設定温度データＺ１と対応させて蓄積される。データ蓄積部２０５では、解析部を利用せず、蓄積されたデータベースを基に、現在の加熱装置２００の温度分布に対応して、加熱装置の設定温度を検索し、その温度プロファイルＺ２を入力部２０３に送信することによって、加熱装置を制御することも可能である。

以上の手順により、加熱装置の温度を制御することができるシステムが構築できる。なお、数式２を用いた上記説明は、一つの例であって、本発明は、使用される温度制御の温度範囲に応じて、任意の温度設定に適用できることは明らかである。

また、加熱装置としてリフロー炉を例として説明したが、熱処理装置、焼結装置、焼成装置、焼却装置、溶解装置に適用できることは明らかである。

本発明にかかる温度制御方法によれば、被加熱物の温度管理が必要な加熱装置の加熱条件を、炉体外部の風の流れや環境温度の変化による影響を受けずに、被加熱体の近傍の温度プロファイルを一定に設定することが可能となり、また、炉内の熱風の流れの乱れによる影響を受けずに、被加熱体の近傍の炉内温度プロファイルを一定に設定することができるため、被加熱物の所定の要求条件に適合する温度プロファイルに沿って加熱する加熱炉に適用することができる。

本発明の実施の形態１で使用した加熱炉の一例を示す図。 本発明の実施の形態２で使用した加熱炉制御装置の概略図。 従来方法

符号の説明

１０１ 炉外壁
１０２ 断熱材
１０３ 内壁
１０４ ノズル
１０５ レール
１０６ 実装基板
２００ 加熱装置
２０１ 加熱装置内温度分布モニタリング部
２０２ 解析部
２０３ 入力部
２０４ 制御部
２０５ データ蓄積部

Claims (10)

1. 加熱炉の熱源の温度を制御する加熱炉の温度制御方法において、加熱炉の雰囲気温度プロファイルが、被加熱体の所定の温度条件に適合する所望の雰囲気温度プロファイルとなるよう、被加熱体近傍の複数の炉内雰囲気温度を予め求める工程と、被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルを計測する工程と、計測された被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルのうち、少なくとも１つの任意の温度プロファイルと、所望の炉内雰囲気温度プロファイルとの偏差温度を求め、熱源の設定温度プロファイルの修正分としてフィードバック制御する工程を備えたことを特徴とする加熱炉の温度制御方法。
2. 前記被加熱体の近傍の所望の炉内雰囲気温度プロファイルデータと、熱原の設定温度データをデータベースに蓄積する工程を備えたことを特徴とする請求項１記載の加熱炉の温度制御方法。
3. 前記炉内雰囲気温度プロファイルは、複数の炉内雰囲気温度の算術平均により算出されることを特徴とする請求項１または２記載の加熱炉の温度制御方法。
4. 前記炉内雰囲気温度プロファイルは、被加熱体の中央部分から、複数の炉内雰囲気温度計測位置までの距離の逆数を重みとした加重平均で算出されることを特徴とする請求項１または２記載の加熱炉の温度制御方法。
5. 前記炉内雰囲気温度プロファイルは、熱源の座標と被加熱体近傍の複数の炉内雰囲気計測位置の座標による空間解析で算出されることを特徴とする請求項１または２記載の温度制御方法。
6. 前記所望の炉内雰囲気温度プロファイルは、実験により所望の被加熱体の温度プロファイルとなるように予め求めておくことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の加熱炉の温度制御方法。
7. 前記加熱装置は、リフロー炉、熱処理装置、焼結装置、焼成装置、焼却装置、溶解装置のいずれかであることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の加熱炉の温度制御方法。
8. 加熱炉の複数の熱源の温度を制御する加熱炉の温度制御装置において、加熱炉の雰囲気温度プロファイルが、被加熱体の所定の温度条件に適合する所望の雰囲気温度プロファイルとなるよう、被加熱体近傍の複数の炉内雰囲気温度を予め求める手段と、被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルを計測する手段と、計測された被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルのうち、少なくとも１つの任意の温度プロファイルと、所望の炉内雰囲気温度プロファイルとの偏差温度を求め、熱源の設定温度プロファイルの修正分としてフィードバック制御する手段を備えたことを特徴とする加熱炉の温度制御装置。
9. 被加熱体の近傍の所望の炉内雰囲気温度プロファイルデータと、熱源の設定温度データをデータベースに蓄積する手段を備えたことを特徴とする請求項８記載の加熱炉の温度制御装置。
10. 加熱炉の熱源の温度を制御する加熱炉の温度制御方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体において、加熱炉の雰囲気温度プロファイルが、被加熱体の所定の温度条件に適合する所望の雰囲気温度プロファイルとなるよう、被加熱体近傍の複数の炉内雰囲気温度を予め求める工程と、被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルを計測する工程と、計測された被加熱体の近傍の複数の炉内雰囲気温度プロファイルのうち、少くとも１つの任意の温度プロファイルとの所望の炉内雰囲気温度プロファイルとの偏差温度を求め、熱源の設定温度プロファイルの修正分としてフィードバック制御する工程と、被加熱体の近傍の炉内雰囲気温度プロファイルデータと、熱源の設定温度データをデータベースに蓄積する工程を備えたことを特徴とする加熱炉の温度制御方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。