生命科学関連特許情報
| タイトル： | 特許公報(B2)_不活性雰囲気リフロー炉用の酸素濃度自動制御装置 |
| 出願番号： | 1994313506 |
| 年次： | 2004 |
| IPC分類： | 7,H05K3/34,B23K1/00,B23K1/008,B23K31/02,G01N27/26 |
特許情報キャッシュ
谷口 明夫 勝瀬 準一 小原 俊浩 JP 3563791 特許公報(B2) 20040611 1994313506 19941216 不活性雰囲気リフロー炉用の酸素濃度自動制御装置 株式会社タムラ製作所 390005223 樺澤 襄 100062764 島宗 正見 100084685 樺澤 聡 100092565 谷口 明夫 勝瀬 準一 小原 俊浩 20040908 7 H05K3/34 B23K1/00 B23K1/008 B23K31/02 G01N27/26 JP H05K3/34 507J H05K3/34 512A B23K1/00 A B23K1/008 C B23K31/02 310B G01N27/26 361A 7 H05K 3/00-3/34 B23K 1/00-31/02 特開平４−３５６３４９（ＪＰ，Ａ） 特開平４−２００８９３（ＪＰ，Ａ） 特開平５−２０８２６０（ＪＰ，Ａ） 特開平６−２２６４３９（ＪＰ，Ａ） 特開平３−１０１２９６（ＪＰ，Ａ） 特開平５−１３９４９（ＪＰ，Ａ） 1 1996172263 19960702 7 20011108 鏡 宣宏 【０００１】【産業上の利用分野】本発明は、リフローはんだ付けに使用される不活性雰囲気リフロー炉の炉体内を所定の低酸素濃度雰囲気に制御するための酸素濃度自動制御装置に関するものである。【０００２】【従来の技術】従来、不活性雰囲気リフロー炉の炉体内雰囲気を所定の低酸素濃度に制御する場合は、酸素濃度計と不活性ガスの注入量を制御する自動制御装置とを組合せて、酸素濃度の制御を行っている。【０００３】また、本発明の出願人は、特願平５−１３５８６６号の明細書および図面にて、リフロー炉内の雰囲気中の酸素濃度を測定しながら、所望の酸素濃度に近付けるために、不活性ガスの注入量をコントロールするとともに、必要に応じて雰囲気中に空気を強制的に供給するエアミックス法による酸素濃度制御方法およびその装置を提案している。この提案済みの酸素濃度制御装置は、酸素濃度計と制御装置とが分離したものである。【０００４】【発明が解決しようとする課題】このように酸素濃度計と制御装置とが分離したものは、酸素濃度計および制御装置が汎用目的で作られているため、リフロー炉内の酸素濃度制御を行うのに、濃度測定レンジの切換時の検出や、制御定数の決定およびエアミックス制御を自動化することが難しいという問題があった。【０００５】例えば、濃度測定レンジが切換ると別のパラメータを設定する必要があるにもかかわらず、従来は酸素濃度計が測定レンジを変えたときに、制御装置がそれに追従できなかった。【０００６】本発明は、このような点に鑑みなされたもので、濃度測定レンジの切換時の検出や、制御定数の決定や、エアミックス制御の自動化などを容易に行える不活性雰囲気リフロー炉専用の酸素濃度自動制御装置を提供することを目的とするものである。【０００７】【課題を解決するための手段】本発明は、不活性ガスおよび空気を注入して所定の低酸素濃度雰囲気を形成したリフロー用の炉体内より炉体内雰囲気を取出し、その雰囲気中の酸素濃度を測定して炉体内に注入される不活性ガスおよび空気の流量を制御する不活性雰囲気リフロー炉用の酸素濃度自動制御装置であって、制御装置本体内に、炉体内雰囲気をサンプリングして雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、この酸素濃度計から得られた酸素濃度情報に基づき炉体内に供給される不活性ガスおよび空気の流量を制御する酸素濃度制御回路とを、一体的に設けた構成の不活性雰囲気リフロー炉用の酸素濃度自動制御装置である。【０００８】【作用】本発明は、酸素濃度制御回路によって、酸素濃度計に対する濃度測定レンジの切換指示や、制御定数の決定や、不活性ガスおよび空気の自動供給に係るエアミックス制御を行う。【０００９】【実施例】以下、本発明を図１および図２に示される一実施例を参照しながら詳細に説明する。【００１０】図２は、本発明に係る不活性雰囲気はんだ付け用のリフロー炉および酸素濃度制御系を示す。【００１１】１１はリフロー用の炉体であり、この炉体１１の一側および他側に開口部１２が設けられ、この一側および他側の開口部１２を経て、ワーク（部品実装基板）Ｗを炉体内に搬入し炉体外に搬出する搬送コンベヤ１３が設けられている。【００１２】前記炉体１１は、仕切板１１ａ により内部を区画されて、複数の予加熱室およびリフロー室が形成されている。その各室にはヒータ１４、ブロワ１５および図示しない案内板が設けられ、高温の不活性雰囲気を循環する雰囲気循環系が形成されている。【００１３】この炉体１１内で、ヒータ１４により加熱された雰囲気がブロワ１５に吸引される経路中を横断する形で、前記ワーク搬送用のコンベヤ１３が設けられ、この搬送コンベヤ１３により炉体１１内に搬入されたワークＷを、高温の雰囲気によりリフローはんだ付けするようにしている。【００１４】前記炉体１１の少なくともリフロー室に対し、炉内酸素濃度を制御する自動制御系が設けられている。このリフロー室には、炉内の雰囲気をサンプリングして外部制御装置に取込むための雰囲気取込管１６がワーク搬送部近傍まで挿入され、さらに、窒素ガスなどの不活性ガスを炉内に供給するための不活性ガス供給管１７と、空気を炉内に供給するための空気供給管１８とがそれぞれ下部より挿入されている。【００１５】すなわち、この酸素濃度自動制御系は、炉内に不活性ガス（窒素ガス）を強制的に注入する不活性ガス供給系と、炉内に空気を強制的に混入する空気供給系とを併設してなるエアミックス制御系である。【００１６】不活性ガス供給系は、窒素タンクまたは窒素発生装置などの不活性ガス供給源２１から炉体１１内に至る不活性ガス供給管１７中に減圧弁２２および流量調整弁２３が設けられている。この流量調整弁２３は外部信号により制御可能の制御モータなどにより流量を可変調整できる。【００１７】空気供給系は、コンプレッサなどの空圧源２４から炉体１１内に至る空気供給管１８中に減圧弁２５および流量調整弁２６が設けられている。この流量調整弁２６も外部信号により制御可能の制御モータなどにより流量を可変調整できる。【００１８】前記雰囲気取込管１６は酸素濃度自動制御装置本体２７に接続され、この制御装置本体２７の出力端子は、不活性ガス量制御ライン２８および空気量制御ライン２９を経て、不活性ガス用流量調整弁２３および空気用流量調整弁２６の各制御モータ部にそれぞれ接続されている。【００１９】次に、この図２に示されるリフロー炉および酸素濃度制御系の動作を説明すると、炉体１１の内部に不活性ガス供給管１７および空気供給管１８から窒素ガスおよび空気をそれぞれ送込み、ブロワ１５により撹拌する。【００２０】この炉体内に供給された気体と炉体外部からの影響がバランスした状態で酸素濃度が平衡状態となる。一方、コンベヤ１３により外部から搬入されるワークＷによって外部から炉体内に酸素が持込まれ、平衡状態が乱される。【００２１】そこで、炉体内雰囲気を雰囲気取込管１６によりサンプリングして、酸素濃度自動制御装置本体２７に取込み、酸素濃度を測定し、その結果から演算を行って適切な流量の不活性ガスおよび空気を炉体１１内へ注入するための制御を行う。すなわち、流量調整弁２３を制御して炉体内に供給される窒素ガスなどの不活性ガスを流量制御するとともに、流量調整弁２６を制御して炉体内に供給される空気を流量制御する。【００２２】次に、図１を参照して前記酸素濃度自動制御装置本体２７の構成を説明する。【００２３】酸素濃度自動制御装置本体２７の内部にバイパスアウト管路３１、サンプリングイン管路３２およびサンプリングアウト管路３３が配管されている。バイパスアウト管路３１にはバルブ３４が設けられている。【００２４】前記サンプリングイン管路３２には前記雰囲気取込管１６が接続され、このサンプリングイン管路３２中に設けられたポンプ３５により、炉体１１内の不活性雰囲気がサンプリング吸引される。【００２５】このポンプ３５の吐出管路は、前記バイパスアウト管路３１への分岐用管継手３６を経て流量計３７に連通され、さらにこの流量計３７を経て検出セル３８ａ に連通され、さらにこの検出セル３８ａ を経て前記サンプリングアウト管路３３に連通されている。【００２６】前記流量計３７は、前記検出セル３８ａ に取込まれる炉体内雰囲気の流量を検出するための流量センサであり、バルブ３４を経て排気される雰囲気流量を調整することにより、流量計３７を経て検出セル３８ａ に供給される炉体内雰囲気流量を設定された値に保つことができる。【００２７】前記検出セル３８ａ は、内蔵ヒータにより約８００ ℃に加熱されるジルコニア素子を主要構成としたジルコニアセンサであり、加熱された状態では雰囲気中の酸素濃度に応じた起電力を発生するから、その起電力を検出信号ラインを経て酸素濃度測定回路３８ｂ に導き、測定する。この検出セル３８ａ および酸素濃度測定回路３８ｂ により、炉体内雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度計３８を構成している。【００２８】前記酸素濃度測定回路３８ｂ は、測定信号ラインを経て酸素濃度制御回路４１に接続されている。この酸素濃度制御回路４１には操作指示パネル４２が接続され、さらに不活性ガス量制御ライン４３および空気量制御ライン４４が接続されている。【００２９】この酸素濃度制御回路４１は、操作指示パネル４２により設定された制御指令値（酸素濃度設定値）と前記測定回路３８ｂ から得られた信号との偏差を比例・積分・微分演算して、必要な不活性ガス供給流量および空気供給流量を制御し得る電気信号を出力するＰＩＤ制御回路を有し、この制御回路４１から引出された不活性ガス量制御ライン４３は、前記不活性ガス量制御ライン２８に接続され、空気量制御ライン４４は前記空気量制御ライン２９に接続されている。【００３０】次に、図１に示された酸素濃度自動制御装置本体２７の動作例を説明する。【００３１】炉体１１内の雰囲気（酸素濃度）をサンプリングイン管路３２からポンプ３５によって取込む。流量計３７によって検出セル３８ａ への流量をセル形状と大きさから例えば５００ ｃｃ／分に調整し、酸素濃度測定回路３８ｂ により炉体内雰囲気中の酸素濃度を測定する。【００３２】この測定された酸素濃度を酸素濃度制御回路４１で演算処理して、不活性ガス量制御ライン４３および空気量制御ライン４４に０〜１０ボルトの制御電圧をそれぞれ出力する。【００３３】前記炉体１１内から取込管１６を経て制御装置本体２７に取込まれる雰囲気の総流量は例えば１０００ｃｃ／分に制御して、濃度測定の遅れ時間を調整する。すなわち、前記総流量を大きくすることにより配管による遅れが小さくなるので炉体内の低酸素濃度ガスを短い時間で検出セル３８ａ に取込むことができる。この検出遅れ時間は、ＰＩＤ制御にとって一次遅れとなるのであまり遅れ時間が長いと制御不可能になる。【００３４】このとき、総流量１０００ｃｃ／分のうち検出セル３８ａ で必要としない５００ ｃｃ／分の雰囲気は、バイパスアウト管路３１中のバルブ３４で流量調整して制御装置本体２７の外部に排気する。【００３５】さらに、炉内でリフローはんだ付けに使用された雰囲気中には腐食性ガス、被毒物性ガスが混在しているが、これらのガスを直接検出セル３８ａ に入れると濃度測定不良やセルの故障の原因となるため、実際の使用に際しては酸素濃度自動制御装置本体２７の手前の管路中に活性炭フィルタを挿入することにより不純物の除去を行うとよい。【００３６】また、酸素濃度制御回路４１は、酸素濃度測定回路３８ｂ をも制御する。例えば、自らの受入準備が整った段階で、酸素濃度測定回路３８ｂ に対し濃度測定レンジの切換を指示する。【００３７】このように、酸素濃度制御回路４１は、酸素濃度測定、不活性ガス供給および空気供給の全てを制御でき、前記濃度測定レンジの切換時の検出や、炉体１１の構造、炉体内温度、ブロワ１５の駆動速度および配管系などに対応する制御定数の決定や、不活性ガスおよび空気の絶対的供給量または相対的供給量を制御するエアミックス制御を、酸素濃度制御回路４１により自動化できる。【００３８】そして、酸素濃度が上がった場合は不活性ガスの流量を増やし、また、必要以上に酸素濃度が下がってしまった場合は空気を流量調整しながら加えることにより、不活性ガスの流量を極端に絞ることなく雰囲気中の酸素濃度を迅速に上昇復帰させ、酸素濃度を一定の範囲内で安定させるようにする。【００３９】【発明の効果】本発明によれば、炉体内雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、不活性ガスおよび空気を流量制御する酸素濃度制御回路とを一体不可分に構成することにより、濃度測定レンジの切換時の検出や、制御定数の決定や、エアミックス制御の自動化を行うことが容易にできる。【図面の簡単な説明】【図１】本発明に係る酸素濃度自動制御装置本体の内部構造を示すブロック図である。【図２】同上制御装置本体を不活性雰囲気リフロー炉に適用した例を示す炉体断面図および流体回路図である。【符号の説明】１１ 炉体２７ 制御装置本体３８ 酸素濃度計４１ 酸素濃度制御回路 不活性ガスおよび空気を注入して所定の低酸素濃度雰囲気を形成したリフロー用の炉体内より炉体内雰囲気を取出し、その雰囲気中の酸素濃度を測定して炉体内に注入される不活性ガスおよび空気の流量を制御する不活性雰囲気リフロー炉用の酸素濃度自動制御装置であって、制御装置本体内に、炉体内雰囲気をサンプリングして雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、この酸素濃度計から得られた酸素濃度情報に基づき炉体内に供給される不活性ガスおよび空気の流量を制御する酸素濃度制御回路とを、一体的に設けたことを特徴とする不活性雰囲気リフロー炉用の酸素濃度自動制御装置。