JP7756553B2 - Data prediction device and quartz glass crucible manufacturing system - Google Patents
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Description
本発明は、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムに関する。 The present invention relates to a data prediction device that predicts the weight of a quartz glass crucible and a quartz glass crucible manufacturing system.
シリコン単結晶の育成に関し、チョクラルスキー法(CZ法)が広く用いられている。この方法は、石英ガラスルツボ(以下、単に「ルツボ」と呼ぶ場合がある。)内に形成されたシリコン融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、この種結晶を反対方向に回転させながら上方へ引き上げることによって、種結晶の下端に単結晶を形成していくものである。 The Czochralski method (CZ method) is widely used for growing silicon single crystals. In this method, a seed crystal is brought into contact with the surface of molten silicon formed in a quartz glass crucible (hereinafter sometimes simply referred to as the "crucible"), and while the crucible is rotated, the seed crystal is pulled upward while rotating in the opposite direction, forming a single crystal at the bottom of the seed crystal.
このシリコン融液を収容するための石英ガラスルツボには、内面側に高純度の合成シリカガラスにより形成された透明層を有し、外表側に熱性に優れた天然シリカガラスにより形成された不透明層を有する、2層構造の石英ガラスルツボが用いられるのが一般的である。 The quartz glass crucible used to contain this silicon melt typically has a two-layer structure, with a transparent layer made of high-purity synthetic silica glass on the inner surface and an opaque layer made of natural silica glass with excellent thermal properties on the outer surface.
このような石英ガラスルツボの製造方法の一例として、回転モールド法が知られている。回転モールド法では、まず、回転するルツボ成型用モールドの表面に天然シリカガラスの原料粉末(天然シリカ粉)を積層し、さらに天然シリカ粉の層の表面に合成シリカガラスの原料粉末(合成シリカ粉)を積層し、原料粉末積層体を形成する(成型工程)。つぎに、アーク放電でこの原料粉末積層体を内側から外側へ加熱溶融し、その後、冷却することにより、内面側に合成シリカガラス層(透明層)が形成され、外表側に天然シリカガラス層(不透明層)が形成され、2層構造のルツボ成型体が得られる(溶融工程)。最後に、ルツボ成型体の上端部を切断することによって、2層構造の石英ガラスルツボが得られる(切断工程)。 One example of a method for manufacturing such quartz glass crucibles is the rotating mold method. In the rotating mold method, natural silica glass raw powder (natural silica powder) is first layered on the surface of a rotating crucible mold, and then synthetic silica glass raw powder (synthetic silica powder) is layered on the surface of the natural silica powder layer to form a raw powder layered body (molding process). Next, this raw powder layered body is heated and melted from the inside to the outside using arc discharge, and then cooled to form a synthetic silica glass layer (transparent layer) on the inner surface and a natural silica glass layer (opaque layer) on the outer surface, resulting in a two-layered crucible molded body (melting process). Finally, the top end of the crucible molded body is cut off to obtain a two-layered quartz glass crucible (cutting process).
また、上記製造方法で得られる石英ガラスルツボには、重量について高い精度が要求される。そのため、上記切断工程の後には、実際に製造された石英ガラスルツボを用いて、重量の測定が行われる(測定工程)。そして、この測定結果により得られる重量の実測値に基づいて溶融条件の調整が行われている。なお、溶融条件の調整は、通常、製造作業者の経験に基づいて行われる。 Furthermore, the quartz glass crucible obtained using the above manufacturing method requires high weight accuracy. Therefore, after the above cutting process, the weight of the actually manufactured quartz glass crucible is measured (measurement process). The melting conditions are then adjusted based on the actual weight value obtained from this measurement. Note that adjustment of the melting conditions is usually made based on the experience of the manufacturing worker.
一方で、製造作業者の経験によらず、実際に製造された石英ガラスルツボの測定データに基づいて製造条件設定支援装置(コンピュータ)が製造条件(溶融条件を含む)を決定する方法について、従来から検討が行われている(特許文献1参照)。 Meanwhile, studies have been conducted on a method in which a manufacturing condition setting support device (computer) determines manufacturing conditions (including melting conditions) based on measurement data of actually manufactured quartz glass crucibles, without relying on the experience of the manufacturing worker (see Patent Document 1).
たとえば、特許文献1には、所定の物性パラメータおよび製造条件に基づくシミュレーションにより得られたデータと、その製造条件に基づいて実際に製造したルツボの測定データとの一致度を計算し、さらに、一致度が所定の水準になるまで物性パラメータおよび製造条件を変更しながらシミュレーションを繰り返し実行し、一致度が所定の水準以上となったときの製造条件を改善された製造条件として採用する、ことが記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a method of calculating the degree of agreement between data obtained by a simulation based on predetermined physical property parameters and manufacturing conditions and measurement data of a crucible actually manufactured based on those manufacturing conditions, and then repeatedly running the simulation while changing the physical property parameters and manufacturing conditions until the degree of agreement reaches a predetermined level, and adopting the manufacturing conditions when the degree of agreement reaches or exceeds the predetermined level as improved manufacturing conditions.
しかしながら、従来の石英ガラスルツボの製造方法においては、ルツボを製造した後に重量を測定する工程(測定データを得る工程)が実施されるため、測定データに基づく溶融条件の調整は、完成したルツボの測定データが製造作業者にフィードバックされた後の作業となる。 However, in conventional methods for manufacturing quartz glass crucibles, a process for measuring the weight of the crucible (a process for obtaining measurement data) is carried out after the crucible is manufactured, so adjustments to the melting conditions based on the measurement data are made after the measurement data for the completed crucible has been fed back to the manufacturing workers.
すなわち、従来の石英ガラスルツボの製造方法を採用する場合、溶融条件の調整は、その調整作業を行う者が人あってもコンピュータであっても、ルツボを実際に製造し測定データがフィードバックされた後でなければ実施することができない。そのため、たとえば、特定の製造工程において溶融条件が設定された後つぎに調整された溶融条件が設定されるまでの時間(サイクルタイム)は、上記製造工程でルツボが完成するまでにかかった所要時間(リードタイム)を大幅に超えた時間となる。このような冗長なサイクルタイムは、ルツボ製造の効率化という観点から改善する必要がある。 In other words, when using conventional methods for manufacturing quartz glass crucibles, adjustments to the melting conditions can only be made after the crucible has actually been manufactured and the measurement data has been fed back, whether the adjustments are performed by a person or a computer. As a result, for example, the time (cycle time) from when the melting conditions are set in a particular manufacturing process until the next adjusted melting conditions are set can significantly exceed the time (lead time) required to complete the crucible in that manufacturing process. This lengthy cycle time needs to be improved from the perspective of improving the efficiency of crucible manufacturing.
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、石英ガラスルツボの製造において、溶融条件の調整にかかるサイクルタイムを大幅に短縮可能なデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a data prediction device and a quartz glass crucible manufacturing system that can significantly shorten the cycle time required to adjust melting conditions in the manufacture of quartz glass crucibles.
本発明にかかるデータ予測装置は、ルツボ製造装置に設定された溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの所定位置の寸法の実測値を入力データとし、前記溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの重量の実測値を教師データとし、前記入力データに前記教師データを紐付けることで作成したデータセットを記憶する記憶手段(後述する記憶部12に相当)と、前記記憶手段から読み出したデータセットを用いて、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測モデルを機械学習により生成するモデル生成手段(後述する制御部11に相当)と、石英ガラスルツボの製造工程内の測定工程において前記ルツボ製造装置から出力される所定位置の寸法の実測値を入力データとして受け付け、学習済みのデータ予測モデルを用いて、前記製造工程で製造される石英ガラスルツボの予測重量を出力するデータ予測手段(後述する制御部11に相当)と、を備えることを特徴とする。 The data prediction device of the present invention is characterized by comprising: storage means (corresponding to storage unit 12 described below) that stores a dataset created by linking the input data to the training data, where the input data is the measured value of the dimension at a predetermined position of a quartz glass crucible actually manufactured under melting conditions set in a crucible manufacturing apparatus, and the measured value of the weight of a quartz glass crucible actually manufactured under the melting conditions; model generation means (corresponding to control unit 11 described below) that generates a data prediction model by machine learning using the dataset read from the storage means; and data prediction means (corresponding to control unit 11 described below) that accepts as input data the measured value of the dimension at a predetermined position output from the crucible manufacturing apparatus during a measurement process in the quartz glass crucible manufacturing process, and uses the trained data prediction model to output a predicted weight of the quartz glass crucible manufactured in the manufacturing process.
本発明にかかるデータ予測装置によれば、完成した石英ガラスルツボを用いて重量を測定するのではなく、予め学習済みのデータ予測モデルを用いて、完成予定の石英ガラスルツボの重量を予測する。これにより、完成した石英ガラスルツボを用いて重量を測定する場合と比較して、その重量が製造作業者にフィードバックされるまでの時間を大幅に短縮することができ、これに伴って、製造作業者による溶融条件の調整を早めに開始することが可能となる。そのため、たとえば、特定の製造工程において溶融条件が設定された後つぎに調整後の溶融条件が設定されるまでのサイクルタイムを大幅に短縮することができる。 The data prediction device of the present invention predicts the weight of a quartz glass crucible that is to be completed using a pre-trained data prediction model, rather than measuring the weight using a completed quartz glass crucible. This significantly reduces the time it takes for the weight to be fed back to the manufacturing worker compared to measuring the weight using a completed quartz glass crucible, allowing the manufacturing worker to begin adjusting the melting conditions earlier. Therefore, for example, the cycle time from when the melting conditions are set in a specific manufacturing process until the adjusted melting conditions are then set can be significantly reduced.
また、本発明にかかるデータ予測装置は、前記データ予測手段が出力する予測重量を表示する表示手段を備えることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the data prediction device of the present invention be equipped with a display means for displaying the predicted weight output by the data prediction means.
また、本発明にかかるデータ予測装置は、前記所定位置の寸法の実測値を、石英ガラスルツボにおける直胴部の外径、底部の肉厚、コーナー部の肉厚、直胴部の肉厚、底部の透明層の厚さ、コーナー部の透明層の厚さ、および直胴部の透明層の厚さ、の全部または一部とすることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the data prediction device of the present invention use as the actual measured values of the dimensions at the specified positions all or some of the outer diameter of the body portion of the quartz glass crucible, the thickness of the bottom portion, the thickness of the corner portions, the thickness of the body portion, the thickness of the transparent layer at the bottom portion, the thickness of the transparent layer at the corner portions, and the thickness of the transparent layer at the body portion.
本発明にかかる石英ガラスルツボ製造システムは、前記データ予測装置と、成型工程、溶融工程および測定工程を含む製造工程により石英ガラスルツボを製造するルツボ製造装置と、を備え、前記ルツボ製造装置は、機械学習済みのデータ予測モデルとして動作する前記データ予測装置から出力された石英ガラスルツボの予測重量の傾向に基づいて調整された溶融条件で溶融工程を実施することを特徴とする。 The quartz glass crucible manufacturing system of the present invention comprises the data prediction device and a crucible manufacturing apparatus that manufactures quartz glass crucibles through a manufacturing process including a molding process, a melting process, and a measurement process, and is characterized in that the crucible manufacturing apparatus carries out the melting process under melting conditions that are adjusted based on the trend in the predicted weight of the quartz glass crucible output from the data prediction device, which operates as a machine-learned data prediction model.
また、本発明にかかる石英ガラスルツボ製造システムにおいては、前記溶融条件を、溶融時の電流値、電圧値、積算電力値、電極開度、電極位置、溶融温度、圧力、冷却水温度、冷却水流量および溶融時間を含む溶融工程のデータとすることが望ましい。 Furthermore, in the silica glass crucible manufacturing system according to the present invention, it is desirable that the melting conditions be data on the melting process, including the current value, voltage value, integrated power value, electrode opening, electrode position, melting temperature, pressure, cooling water temperature, cooling water flow rate, and melting time during melting.
本発明にかかるデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムは、石英ガラスルツボの製造において、溶融条件の調整にかかるサイクルタイムを大幅に短縮することができる、という効果を奏する。 The data prediction device and quartz glass crucible manufacturing system of the present invention have the effect of significantly shortening the cycle time required to adjust melting conditions in the manufacture of quartz glass crucibles.
以下、本発明にかかるデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、本願の明細書および図面において、同様に説明することが可能な要素については、同一の符号を付すことにより重複説明を省略する場合がある。 Embodiments of a data prediction device and a quartz glass crucible manufacturing system according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments. Furthermore, in the specification and drawings of this application, elements that can be similarly described may be designated by the same reference numerals, and duplicate explanations may be omitted.
<システム構成>
図1は、本発明にかかる石英ガラスルツボ製造システムのシステム構成の一例を示す図である。本実施形態の石英ガラスルツボ製造システムは、実際に製造する石英ガラスルツボの重量を予測する処理(以下、データ予測処理と呼ぶ。)および重量予測を実行する学習モデルを生成する処理(以下、学習モデル生成処理と呼ぶ。)を行うホストコンピュータとして動作するデータ予測装置1と、重量の予測結果に基づいて製造作業者2により調整および設定された溶融条件に従い石英ガラスルツボを製造するルツボ製造装置3と、を備える。
<System Configuration>
1 is a diagram showing an example of the system configuration of a vitreous silica crucible manufacturing system according to the present invention. The vitreous silica crucible manufacturing system of this embodiment comprises a data prediction device 1 that operates as a host computer for performing a process of predicting the weight of a vitreous silica crucible to be actually manufactured (hereinafter referred to as a data prediction process) and a process of generating a learning model for executing the weight prediction (hereinafter referred to as a learning model generation process), and a crucible manufacturing device 3 that manufactures vitreous silica crucibles in accordance with melting conditions adjusted and set by a manufacturing operator 2 based on the weight prediction results.
<ルツボ製造装置>
本実施形態のルツボ製造装置3は、一例として、回転モールド法により、内面側に高純度の合成シリカガラスにより形成された透明層を有し、外表側に熱性に優れた天然シリカガラスにより形成された不透明層を有する、2層構造の石英ガラスルツボを製造する。
<Crucible manufacturing equipment>
As an example, the crucible manufacturing apparatus 3 of this embodiment uses a rotating mold method to manufacture a two-layer quartz glass crucible having a transparent layer formed of high-purity synthetic silica glass on the inner surface and an opaque layer formed of natural silica glass with excellent thermal properties on the outer surface.
図2は、本実施形態のルツボ製造装置3の構成の一例を示す断面図である。このルツボ製造装置3は、たとえば、複数の貫通孔(図示せず)を穿設した金型で構成された内側部材31と、その外周に通気部32を設けて内側部材31を保持する保持体33と、から構成されたルツボ成型用モールド34を備える。 Figure 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a crucible manufacturing apparatus 3 according to this embodiment. This crucible manufacturing apparatus 3 includes a crucible molding mold 34, which is composed of an inner member 31 formed from a metal mold having multiple through-holes (not shown) drilled therein, and a holder 33 that holds the inner member 31 and has a ventilation portion 32 formed on its outer periphery.
また、保持体33の下部には、図示しない回転手段に連結された回転軸35が固着され、ルツボ成型用モールド34を回転可能に支持している。また、通気部32は、保持体33の底部略中央から回転軸35の軸方向に貫通する排気口36に連結され、この排気口36がさらに減圧機構37に連結されている。 A rotating shaft 35 connected to a rotating means (not shown) is fixed to the bottom of the holder 33, rotatably supporting the crucible mold 34. The ventilation section 32 is connected to an exhaust port 36 that penetrates from approximately the center of the bottom of the holder 33 in the axial direction of the rotating shaft 35, and this exhaust port 36 is further connected to a pressure reduction mechanism 37.
また、内側部材31に対向する上部には、アーク放電用のアーク電極38と、図示はしていないが、原料供給ノズル、およびルツボの所定部位にガス(窒素ガス、酸素ガス等)を吹付けるノズル等、が設けられている。 In addition, an arc electrode 38 for arc discharge, as well as a raw material supply nozzle and a nozzle for spraying gas (nitrogen gas, oxygen gas, etc.) onto a specified portion of the crucible (not shown) are provided on the upper part facing the inner member 31.
ここで、上記ルツボ製造装置3による石英ガラスルツボの製造方法について説明する。図3は、石英ガラスルツボの製造工程の一例を示すフローチャートである。 Here, we will explain the method for manufacturing a quartz glass crucible using the crucible manufacturing apparatus 3. Figure 3 is a flowchart showing an example of the manufacturing process for a quartz glass crucible.
上記ルツボ製造装置3を用いて石英ガラスルツボを製造するには、まず、回転駆動源(図示せず)を使用して回転軸35を矢印の方向(図2参照)に回転させることによって、ルツボ成型用モールド34を所定の速度で回転させる。そして、減圧機構37の駆動により通気部32を減圧させ、内側部材31に形成された多数の貫通孔を介して内側部材31内面側を吸引しつつ、内側部材31内に原料供給ノズルから石英ガラス原料粉末(天然シリカ粉、合成シリカ粉)を供給する。具体的には、先に粗粒の天然シリカ粉を供給し、吸引力および遠心力による押圧によって内側部材31の表面に天然シリカ粉の層を形成する。その後、微粒の合成シリカ粉を供給し、吸引力および遠心力による押圧によって天然シリカ粉の層の表面にさらに合成シリカ粉の層を形成し、2層構造の原料粉末積層体を形成する(ステップS1:成型工程)。 To manufacture a vitreous silica crucible using the crucible manufacturing apparatus 3, first, a rotary drive source (not shown) is used to rotate the rotary shaft 35 in the direction of the arrow (see FIG. 2), thereby rotating the crucible mold 34 at a predetermined speed. The pressure in the ventilating section 32 is then reduced by driving the pressure reducing mechanism 37, and vitreous silica raw material powder (natural silica powder, synthetic silica powder) is supplied into the inner member 31 from the raw material supply nozzle while suction is applied to the inner surface of the inner member 31 through the numerous through-holes formed in the inner member 31. Specifically, coarse-grained natural silica powder is first supplied, and a layer of natural silica powder is formed on the surface of the inner member 31 by suction and centrifugal pressure. Fine-grained synthetic silica powder is then supplied, and another layer of synthetic silica powder is formed on the surface of the natural silica powder by suction and centrifugal pressure, forming a two-layered raw material powder laminate (Step S1: Molding Process).
原料粉末積層体を形成後、減圧機構37による減圧を継続しながら、アーク電極38に通電して原料粉末積層体を内側から加熱溶融し、まず表層をガラス化する(合成シリカガラス層が形成される)。その後も減圧機構37による減圧およびアーク電極38による加熱溶融を継続し、原料粉末積層体を外表側までガラス化し(天然シリカガラス層が形成される)、2層構造のルツボ成型体を形成する(ステップS2:溶融工程)。 After the raw material powder stack is formed, while continuing to reduce the pressure using the pressure reduction mechanism 37, electricity is passed through the arc electrode 38 to heat and melt the raw material powder stack from the inside, first vitrifying the surface layer (forming a synthetic silica glass layer). The pressure reduction using the pressure reduction mechanism 37 and the heating and melting using the arc electrode 38 continue, and the raw material powder stack is vitrified all the way to the outer surface (forming a natural silica glass layer), forming a two-layered crucible molded body (Step S2: Melting Process).
図4は、溶融工程にて形成されたルツボ成型体の断面図である。図4に示すルツボ成型体40は、合成シリカガラス層を形成する透明層40aと天然シリカガラス層を形成する不透明層40bで構成される。 Figure 4 is a cross-sectional view of the crucible molded body formed in the melting process. The crucible molded body 40 shown in Figure 4 is composed of a transparent layer 40a that forms the synthetic silica glass layer and an opaque layer 40b that forms the natural silica glass layer.
ルツボ成型体40を形成後、このルツボ形成体40を用いて外観検査および寸法測定を行う(ステップS3:測定工程)。寸法測定においては、たとえば、ルツボ形成体40における所定位置の外径、肉厚および透明層の厚さ等を測定する。 After the crucible molded body 40 is formed, an appearance inspection and dimensional measurements are performed using this crucible molded body 40 (Step S3: Measurement process). Dimensional measurements include, for example, measuring the outer diameter, wall thickness, and transparent layer thickness at predetermined positions on the crucible molded body 40.
最後に、ルツボ成型体40の上端部を所定の高さで切断することによって、2層構造の石英ガラスルツボが得られる(ステップS4:切断工程)。具体的には、図4に示すルツボ成型体40を点線部分で切断することにより2層構造の石英ガラスルツボが得られる。一般的に、回転モールド法で製造するルツボ成型体40は、完成形の石英ガラスルツボの要求寸法よりも高くなるように製造し、ルツボ成型体40の上端開口部分を切断することで要求寸法を満たしている。 Finally, the upper end of the crucible molded body 40 is cut at a predetermined height to obtain a two-layered quartz glass crucible (Step S4: Cutting process). Specifically, a two-layered quartz glass crucible is obtained by cutting the crucible molded body 40 shown in Figure 4 along the dotted lines. Generally, the crucible molded body 40 produced by the rotational mold method is manufactured to be taller than the required dimensions of the finished quartz glass crucible, and the required dimensions are met by cutting the upper opening of the crucible molded body 40.
図5は、切断工程により得られた石英ガラスルツボの断面図である。図5に示す石英ガラスルツボ41は、合成シリカガラス層を形成する透明層41aと天然シリカガラス層を形成する不透明層41bで構成される。 Figure 5 is a cross-sectional view of the quartz glass crucible obtained through the cutting process. The quartz glass crucible 41 shown in Figure 5 is composed of a transparent layer 41a that forms the synthetic silica glass layer and an opaque layer 41b that forms the natural silica glass layer.
なお、本実施形態においては、一例として、2層構造の石英ガラスルツボを製造する場合について記載したが、これに限るものではない。本発明にかかるデータ予測装置および石英ガラスルツボ製造システムについては、たとえば、3層構造以上の石英ガラスルツボを製造する場合においても同様に適用可能である。すなわち、内側層、中間層、外側層により形成された3層構造の石英ガラスルツボや、さらには、中間層が複数形成された4層構造以上の石英ガラスルツボ、を製造する場合においても適用可能である。たとえば、3層構造以上の石英ガラスルツボを製造する場合は、上述した成型工程および溶融工程において、内側層、単一または複数の中間層、外側層で構成された3層構造以上の原料粉末積層体およびルツボ成型体を形成することによって、3層構造以上の石英ガラスルツボが得られる。 While this embodiment has been described with reference to an example in which a two-layer quartz glass crucible is manufactured, the present invention is not limited to this. The data prediction device and quartz glass crucible manufacturing system of the present invention can also be applied to the manufacture of, for example, a three-layer or more quartz glass crucible. That is, they can also be applied to the manufacture of a three-layer or more quartz glass crucible formed by an inner layer, an intermediate layer, and an outer layer, or even a four-layer or more quartz glass crucible formed by multiple intermediate layers. For example, when manufacturing a three-layer or more quartz glass crucible, a three-layer or more quartz glass crucible can be obtained by forming a raw material powder stack and a crucible molded body having a three-layer or more structure composed of an inner layer, one or more intermediate layers, and an outer layer in the molding and melting processes described above.
<データ予測装置の構成>
図6は、本発明にかかるデータ予測装置として動作するコンピュータのハードウェア構成例を示す図である。図6において、データ予測装置1は、CPU(Central Processing Unit)およびFPGA(Field Programmable Gate Array)等で構成される制御部11と、ROM(Read Only Memory),RAM(Random Access Memory)等の各種メモリを含む記憶部12と、キーボードおよびマウス等のユーザインタフェースを含む入力部13と、印刷やスキャン等の入出力処理を行うインタフェース部14と、ディスプレイである表示部15と、所定のネットワークを介して外部と通信を行う通信部16とを備える。なお、図6では、キーボードおよびマウス等のユーザインタフェースを含む入力部13を備えることとしたが、本実施形態のデータ予測装置1は、これに限るものではなく、表示部15にタッチパネルの機能を持たせることによって、入力部13を設けない構成、または入力部13と併用する構成としてもよい。
<Configuration of Data Prediction Device>
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the hardware configuration of a computer operating as a data prediction device according to the present invention. In FIG. 6, the data prediction device 1 includes a control unit 11 including a central processing unit (CPU) and a field programmable gate array (FPGA), a storage unit 12 including various memories such as read-only memory (ROM) and random access memory (RAM), an input unit 13 including a user interface such as a keyboard and a mouse, an interface unit 14 performing input/output processing such as printing and scanning, a display unit 15 serving as a display, and a communication unit 16 for communicating with the outside via a predetermined network. While FIG. 6 illustrates the data prediction device 1 including the input unit 13 including a user interface such as a keyboard and a mouse, the present invention is not limited to this. The display unit 15 may have touch panel functionality, eliminating the input unit 13 or using the input unit 13 in combination.
図6において、制御部11は、本実施形態のデータ予測装置1によるデータ予測処理および学習モデル生成処理を実現するために、たとえば、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測プログラムと、重量予測を行う学習モデルを生成するための学習モデル生成プログラムと、を実行する。記憶部12は、本実施形態のデータ予測処理および学習モデル生成処理にかかるプログラム(データ予測プログラム、学習モデル生成プログラム)および各種情報(学習のためのデータセット等)や、処理の過程で得られた各種データ(所定位置の寸法および予測した重量等)等を記憶する。制御部11では、記憶部12に記憶されている各種プログラムを読み出すことにより、本実施形態のデータ予測処理および学習モデル生成処理を実行する。 In FIG. 6, the control unit 11 executes, for example, a data prediction program for predicting the weight of a quartz glass crucible and a learning model generation program for generating a learning model for weight prediction, in order to realize the data prediction process and learning model generation process by the data prediction device 1 of this embodiment. The memory unit 12 stores programs (data prediction program, learning model generation program) related to the data prediction process and learning model generation process of this embodiment, various information (datasets for learning, etc.), and various data obtained during the process (dimensions of specified positions, predicted weight, etc.). The control unit 11 executes the data prediction process and learning model generation process of this embodiment by reading out the various programs stored in the memory unit 12.
なお、記憶部12は、内部メモリに限るものではなく、たとえば、DVD(Digital Versatile Disc)やSDメモリ等の外部記憶媒体であってもよいし、また、内部メモリおよび外部記憶媒体(DVDやSDメモリ等)の両方で構成されることとしてもよい。また、本実施形態のデータ予測装置1のハードウェア構成は、説明の便宜上、本実施形態のデータ予測処理および学習モデル生成処理にかかわる構成を列挙したものであり、データ予測装置1を構成するコンピュータのすべての機能を表現したものではない。 Note that the storage unit 12 is not limited to internal memory, but may be an external storage medium such as a DVD (Digital Versatile Disc) or SD memory, or may be composed of both internal memory and external storage medium (such as a DVD or SD memory). Furthermore, for the sake of convenience, the hardware configuration of the data prediction device 1 of this embodiment lists the configuration related to the data prediction processing and learning model generation processing of this embodiment, and does not represent all of the functions of the computer that makes up the data prediction device 1.
また、本実施形態のデータ予測装置1は、デスクトップパソコン、ノートパソコン等の汎用PCを想定しているが、これらに限るものではなく、たとえば、スマートフォン、タブレット端末等の携帯端末であってもよい。 Furthermore, the data prediction device 1 of this embodiment is intended to be a general-purpose PC such as a desktop personal computer or laptop computer, but is not limited to these and may also be a mobile terminal such as a smartphone or tablet terminal.
<学習モデル生成処理>
つづいて、本実施形態のデータ予測装置1におけるデータ予測処理を説明する前に、その前提となる学習モデル生成処理について詳細に説明する。なお、学習モデル生成処理およびデータ予測処理において使用する入力データは、制御部11にて予め標準化されたものとする。すなわち、制御部11では、機械学習および重量予測を行う前処理として、入力データを構成する所定位置の寸法の実測値について、個別に、平均値を0とし標準偏差を1とする標準化処理を行う。
<Learning model generation process>
Next, before describing the data prediction process in the data prediction device 1 of this embodiment, the learning model generation process, which is a prerequisite for the data prediction process, will be described in detail. Note that the input data used in the learning model generation process and the data prediction process is assumed to be standardized in advance by the control unit 11. That is, as a preprocessing step for machine learning and weight prediction, the control unit 11 performs a standardization process on each of the actual measurement values of dimensions at predetermined positions that make up the input data, setting the average value to 0 and the standard deviation to 1.
本実施形態のデータ予測装置1において、制御部11は、石英ガラスルツボの重量を予測する学習モデル、すなわち、データ予測モデルとして動作し、たとえば、図3に示す製造工程内の測定工程(ステップS3)においてルツボ製造装置3から出力される所定位置の寸法の実測値を入力データとして受け付け、石英ガラスルツボの重量(予測重量)を出力する。そして、このデータ予測モデルは、たとえば、ニューラルネットワーク等、公知の機械学習アルゴリズムを利用して生成する。 In the data prediction device 1 of this embodiment, the control unit 11 operates as a learning model that predicts the weight of a quartz glass crucible, i.e., a data prediction model. For example, it accepts as input data the actual measured values of dimensions at a predetermined position output from the crucible manufacturing device 3 in the measurement step (step S3) within the manufacturing process shown in Figure 3, and outputs the weight (predicted weight) of the quartz glass crucible. This data prediction model is generated using a known machine learning algorithm, such as a neural network.
また、機械学習アルゴリズムで使用するデータセットは、たとえば、ルツボ製造装置3に設定された溶融条件(後述する溶融時の電流値や溶融時間等)で実際に製造された石英ガラスルツボの所定位置の寸法の実測値を入力データとし、前述した溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの重量の実測値を出力ラベル(正解ラベル)とし、この入力データに出力ラベルを紐付けることで作成する。 The dataset used in the machine learning algorithm is created by, for example, using the measured values of the dimensions at a specified position of a quartz glass crucible actually manufactured under the melting conditions (such as the current value and melting time during melting, as described below) set in the crucible manufacturing device 3 as input data, using the measured value of the weight of a quartz glass crucible actually manufactured under the aforementioned melting conditions as the output label (correct answer label), and linking this output label to this input data.
データセットの入力データは、上述したとおり、実際に製造された石英ガラスルツボの所定位置に対応する寸法の実測値であるが、本実施形態では、一例として、ルツボの位置Gの外径、位置Fの外径、位置Eの外径、位置Aの肉厚、位置Dの肉厚、位置Fの肉厚、位置Aの透明層の厚さ、位置Dの透明層の厚さ、位置Fの透明層の厚さ、の計9つの寸法(mm)とする。なお、各位置(A,D,E,F,G)は、図5に示す石英ガラスルツボ41の断面図に記載のとおり、たとえば、底部(A)、コーナー部(D)、直胴部(E,F,G)の各箇所を指すものとする。 As described above, the input data for the dataset are actual measurement values of dimensions corresponding to specific positions on an actually manufactured quartz glass crucible. In this embodiment, as an example, nine dimensions (mm) are used: the outer diameter of the crucible at position G, the outer diameter at position F, the outer diameter at position E, the wall thickness at position A, the wall thickness at position D, the wall thickness at position F, the transparent layer thickness at position A, the transparent layer thickness at position D, and the transparent layer thickness at position F. Note that each position (A, D, E, F, G) refers to, for example, the bottom (A), corner (D), and straight body (E, F, G), as shown in the cross-sectional view of the quartz glass crucible 41 in Figure 5.
また、本実施形態においては、上述したとおり、入力データを上記9つの寸法としたが、これに限るものではなく、この入力データは、たとえば、上記9つの寸法のうちの一部であってもよいし、上記9つの寸法に他の寸法を加えることとしてもよいし、または上記9つの寸法以外の寸法で構成することとしてもよい。さらに、上記入力データには、寸法以外のパラメータとして、たとえば、溶融データ(溶融時の電流値、溶融時間等)や気候条件等の環境条件を含ませることとしてもよい。また、寸法以外のパラメータを入力データに含める場合において、たとえば、そのパラメータに非数値の質的データ(たとえば、電極や金型等の設備等)が含まれる場合については、質的データを量的データ(数値)に変換して入力することになる。数値化の方法については、特に限定はしないが、たとえば、ダミー変数(One-Hotエンコーディング)等を利用して質的データを量的データに変換する。 In addition, in this embodiment, as described above, the input data is the nine dimensions, but this is not limited to this. The input data may be, for example, a portion of the nine dimensions, or may include other dimensions in addition to the nine dimensions, or may be composed of dimensions other than the nine dimensions. Furthermore, the input data may include parameters other than dimensions, such as melting data (current value during melting, melting time, etc.) and environmental conditions such as climatic conditions. When parameters other than dimensions are included in the input data, if the parameters include non-numeric qualitative data (for example, equipment such as electrodes or molds), the qualitative data is converted into quantitative data (numeric values) and then input. The method of quantification is not particularly limited, but may, for example, be to convert qualitative data into quantitative data using dummy variables (one-hot encoding) or the like.
図7は、データ予測モデルを生成するためのデータセットの一例を示す図である。図7において、ニューラルネットワークに機械学習をさせるためのデータセットは、上述した入力データ(実際に製造されたルツボの位置Gの外径、位置Fの外径、位置Eの外径、位置Aの肉厚、位置Dの肉厚、位置Fの肉厚、位置Aの透明層の厚さ、位置Dの透明層の厚さ、位置Fの透明層の厚さ等の実測値)と、上述した出力ラベル(実際に製造されたルツボの重量の実測値)との組み合わせで構成される。 Figure 7 shows an example dataset for generating a data prediction model. In Figure 7, the dataset for performing machine learning on a neural network is composed of a combination of the above-mentioned input data (actually measured values of the outer diameter at position G, outer diameter at position F, outer diameter at position E, wall thickness at position A, wall thickness at position D, wall thickness at position F, transparent layer thickness at position A, transparent layer thickness at position D, transparent layer thickness at position F, etc. of an actually manufactured crucible) and the above-mentioned output label (actually measured value of the weight of an actually manufactured crucible).
また、本実施形態においては、たとえば、データ予測モデルを訓練するためのデータセット(図7に示すデータセット)を予め記憶部12に保存しておく。そして、記憶部12に保存されたデータセットのうち、約8割を訓練データとして使用し、約2割を評価データとして使用する。ここで、訓練データは、データ予測モデルの学習に使用されるデータセットであり、評価データは、モデルの学習には使用せずに、学習済みのデータ予測モデルに汎用性があるかどうかを検証するために使用されるデータセットである。データ予測モデルの検証はホールドアウト法により実施した。また、訓練データの数は、たとえば、データ予測モデルにおいて所望する精度が得られる程度の数を用意することが望ましい。また、本実施形態におけるデータ予測モデルの性能評価には、評価指標の1つである平均二乗誤差(MES:Mean Squared Error)を採用する。すなわち、実測値と予測値との差を2乗し、その総和をデータ数で割った計算結果を評価対象の値とするため、たとえば、その値が小さいほど誤差の少ないモデルといえる。なお、評価指標はこれに限定されるものではない。 In this embodiment, for example, a dataset for training the data prediction model (the dataset shown in FIG. 7) is stored in advance in the storage unit 12. Approximately 80% of the dataset stored in the storage unit 12 is used as training data, and approximately 20% is used as evaluation data. Here, the training data is a dataset used to train the data prediction model, and the evaluation data is a dataset that is not used to train the model but is used to verify whether the trained data prediction model is versatile. The data prediction model was verified using the holdout method. It is desirable to prepare a number of training data sets sufficient to achieve the desired accuracy in the data prediction model. To evaluate the performance of the data prediction model in this embodiment, the mean squared error (MES), one of the evaluation indices, is used. That is, the difference between the actual measured value and the predicted value is squared, and the sum is divided by the number of data points to be evaluated. Therefore, for example, the smaller this value, the lower the model's error. Note that the evaluation indices are not limited to this.
そして、上述したように用意されたデータセット(訓練データ、評価データ)が記憶部12に保存された状態において、制御部11は、記憶部12から上記訓練データを読み出し、たとえば、機械学習アルゴリズムの1つであるニューラルネットワークを利用して、訓練データによる教師あり学習を行わせることにより、ルツボの重量予測に最適化したデータ予測モデルを生成する。 Then, with the prepared data set (training data, evaluation data) as described above stored in the memory unit 12, the control unit 11 reads the training data from the memory unit 12 and generates a data prediction model optimized for predicting the weight of the crucible by performing supervised learning using the training data, for example, using a neural network, which is a machine learning algorithm.
<機械学習アルゴリズムの一例>
図8は、機械学習を行わせるニューラルネットワークの構成の一例を示す図である。本実施形態において使用する機械学習アルゴリズムは、全結合型のニューラルネットワークであり、たとえば、入力層と、1つまたは複数の層を有する中間層と、出力層で構成される。このニューラルネットワークの入力層の各ユニットは、上述したデータセット内の入力データを構成する所定位置の寸法(x1,x2,x3,…)と1対1に対応する。すなわち、入力データを構成する各寸法の数が入力ユニット数となる。一方、出力層のユニット数は、ルツボの重量(出力ラベル:z)に対応し、本実施形態においては1つとなる。
<Example of a machine learning algorithm>
FIG. 8 is a diagram showing an example of the configuration of a neural network for performing machine learning. The machine learning algorithm used in this embodiment is a fully connected neural network, which is composed of, for example, an input layer, an intermediate layer having one or more layers, and an output layer. Each unit in the input layer of this neural network corresponds one-to-one to the dimensions ( x1 , x2 , x3 , ...) of a predetermined position that constitutes the input data in the above-mentioned dataset. In other words, the number of each dimension that constitutes the input data is the number of input units. Meanwhile, the number of units in the output layer corresponds to the weight of the crucible (output label: z), and in this embodiment, it is one.
また、本実施形態においては、中間層における活性化関数をReLU(Rectified Linear Unit)関数とし、出力層における活性化関数を線形関数(Linear function)とする。なお、中間層の層数およびユニット数について規定はなく、任意に設定可能である。そのため、中間層の層数およびユニット数については、データ量やデータの種類、および要求される出力の精度等に応じて適宜決定する。たとえば、中間層の層数およびユニット数が増えるほど、分析の柔軟性や出力の精度等のニューラルネットワークのパフォーマンスは向上するが、一方で、データ量やメモリの使用領域、および演算量等は増大する。 In addition, in this embodiment, the activation function in the intermediate layer is a ReLU (Rectified Linear Unit) function, and the activation function in the output layer is a linear function. There are no regulations regarding the number of layers and units in the intermediate layer, and they can be set arbitrarily. Therefore, the number of layers and units in the intermediate layer is determined appropriately depending on the amount of data, type of data, required output accuracy, and other factors. For example, as the number of layers and units in the intermediate layer increases, the performance of the neural network, such as analytical flexibility and output accuracy, improves; however, the amount of data, memory usage, and calculation volume also increase.
具体的には、まず、制御部11は、記憶部12から1つの訓練データを読み出し、この訓練データを構成する入力データ(x1,x2,x3,…,xn)を、入力層の各ユニットに入力する。そして、入力データ(x1,x2,x3,…,xn)にそれぞれ重み(w11~w1m,w21~w2m,w31~w3m,…,wn1~wnm)を乗算し、その乗算結果をつぎの層(中間層)の各ユニットに出力する。これにより、中間層の各ユニットの入力値(y1,y2,y3,…,ym)は、以下のようになる。なお、nは入力層のユニット数であり、mは中間層のユニット数であり、b1,b2,b3,…,bmはバイアスである。また、重み(w11~w1m,w21~w2m,w31~w3m,…,wn1~wnm)とバイアス(b1,b2,b3,,bm)は学習過程において更新される数値である。
y1=x1w11+x2w21+x3w31+…+xnwn1+b1
y2=x1w12+x2w22+x3w32+…+xnwn2+b2
y3=x1w13+x2w23+x3w33+…+xnwn3+b3
…
ym=x1w1m+x2w2m+x3w3m+…+xnwnm+bm
Specifically, the control unit 11 first reads one training data from the memory unit 12 and inputs the input data ( x1 , x2 , x3 , ..., xn ) constituting this training data to each unit in the input layer. Then, the control unit 11 multiplies the input data ( x1 , x2 , x3 , ..., xn ) by weights ( w11 to w1m , w21 to w2m , w31 to w3m , ..., wn1 to wnm ) and outputs the multiplication results to each unit in the next layer (hidden layer). As a result, the input values ( y1 , y2 , y3 , ..., ym ) of each unit in the hidden layer are as follows: where n is the number of units in the input layer, m is the number of units in the hidden layer, and b1 , b2 , b3 , ..., bm are biases. Furthermore, the weights (w 11 to w 1m , w 21 to w 2m , w 31 to w 3m , . . . , w n1 to w nm ) and biases (b 1 , b 2 , b 3 , . . . b m ) are values that are updated in the learning process.
y 1 =x 1 w 11 +x 2 w 21 +x 3 w 31 +...+x n w n1 +b 1
y 2 =x 1 w 12 +x 2 w 22 +x 3 w 32 +...+x n w n2 +b 2
y 3 =x 1 w 13 +x 2 w 23 +x 3 w 33 +…+x n w n3 +b 3
…
y m =x 1 w 1m +x 2 w 2m +x 3 w 3m +...+x n w nm +b m
つぎに、中間層の各ユニットでは、前層の各ユニットからの複数の入力値(y1,y2,y3,…,ym)に対し、それぞれ下式に記載のReLU関数を計算し、その結果を次層の各ユニットに出力する。なお、Mは1~mである。 Next, each unit in the intermediate layer calculates the ReLU function given by the following equation for each of the multiple input values (y 1 , y 2 , y 3 , ..., y m ) from each unit in the previous layer, and outputs the results to each unit in the next layer, where M ranges from 1 to m.
出力層では、たとえば、線形関数を適用し、中間層の各ユニットから受け取った入力値を合計し、その合計値をルツボの重量の予測値(予測重量)として出力する。 In the output layer, for example, a linear function is applied, the input values received from each unit in the middle layer are summed, and the sum is output as the predicted value of the crucible weight (predicted weight).
そして、制御部11は、出力層の出力である予測値と教師データの重量との平均二乗誤差を計算し、この誤差が最小となるように、予め規定するエポック(epoch)数にわたって繰り返し学習を行うことで、データ予測モデルが訓練(重みとバイアスの更新)される。 The control unit 11 then calculates the mean squared error between the predicted value, which is the output of the output layer, and the weight of the training data, and trains the data prediction model (updating the weights and biases) by repeatedly learning over a predefined number of epochs so as to minimize this error.
なお、本実施形態においては、図7に示すデータセットを用いて学習モデルを生成することとしたが、データセットの入力データはこれに限るものではない。たとえば、図7に示す入力データを構成する各寸法の中から一部の寸法を選定し、選定した寸法(入力データ)と、実際に製造されたルツボの重量の実測値(出力ラベル)とを紐付けたデータセットを用いて、教師あり学習を行わせることとしてもよい。または、たとえば、上記入力データにその他のパラメータを新たに追加した入力データと、実際に製造されたルツボの重量の実測値(出力ラベル)とを紐付けたデータセットを用いて、教師あり学習を行わせることも可能である。 In this embodiment, a learning model is generated using the dataset shown in FIG. 7, but the input data for the dataset is not limited to this. For example, some dimensions may be selected from the dimensions that make up the input data shown in FIG. 7, and supervised learning may be performed using a dataset in which the selected dimensions (input data) are linked to the measured values (output labels) of the weights of crucibles that have actually been manufactured. Alternatively, supervised learning may be performed using a dataset in which input data in which other parameters have been newly added to the above input data is linked to the measured values (output labels) of the weights of crucibles that have actually been manufactured.
また、本実施形態においては、機械学習アルゴリズムの一例としてニューラルネットワークを用い、上述したデータ予測モデルを生成することとしたが、データ予測モデルを生成するための機械学習アルゴリズムは、これに限るものではない。たとえば、LightGBMなどが代表される、決定木と勾配ブースティングを組み合わせたアルゴリズムなどの使用が考えられる。 In addition, in this embodiment, a neural network is used as an example of a machine learning algorithm to generate the above-mentioned data prediction model, but the machine learning algorithm for generating the data prediction model is not limited to this. For example, an algorithm that combines a decision tree and gradient boosting, such as LightGBM, can be used.
<データ予測処理>
つづいて、本実施形態のデータ予測装置1におけるデータ予測処理について詳細に説明する。
<Data prediction processing>
Next, the data prediction process in the data prediction device 1 of this embodiment will be described in detail.
本実施形態において、学習済みのデータ予測モデルとして動作する制御部11は、たとえば、図3に示す製造工程内の測定工程(ステップS3)においてルツボ製造装置3が出力する所定位置の寸法の実測値(位置Gの外径、位置Fの外径、位置Eの外径、位置Aの肉厚、位置Dの肉厚、位置Fの肉厚、位置Aの透明層の厚さ、位置Dの透明層の厚さ、位置Fの透明層の厚さ)を入力データとして受け付け、製造中の石英ガラスルツボの重量(予測重量)を出力する。すなわち、制御部11は、石英ガラスルツボの完成を待つことなく、測定工程(ステップS3)で得られる所定位置の寸法の実測値の入力により、即座に、完成予定の石英ガラスルツボの重量を予測する。 In this embodiment, the control unit 11, which operates as a trained data prediction model, accepts as input data, for example, the actual measurement values of dimensions at predetermined positions (outer diameter at position G, outer diameter at position F, outer diameter at position E, wall thickness at position A, wall thickness at position D, wall thickness at position F, transparent layer thickness at position A, transparent layer thickness at position D, transparent layer thickness at position F) output by the crucible manufacturing apparatus 3 in the measurement step (step S3) within the manufacturing process shown in FIG. 3 , and outputs the weight (predicted weight) of the quartz glass crucible being manufactured. In other words, the control unit 11 instantly predicts the weight of the quartz glass crucible to be completed by inputting the actual measurement values of dimensions at predetermined positions obtained in the measurement step (step S3), without waiting for the quartz glass crucible to be completed.
具体的には、まず、データ予測装置1の操作者(製造作業者2)が、ユーザインタフェース(キーボードおよびマウスを含む入力部13)を利用し、測定工程(ステップS3)で得られる所定位置の寸法の実測値を、入力データとしてデータ予測装置1に入力する(図3のステップS11)。このとき、入力データとしては、データ予測モデルを生成したときと同一位置の寸法の実測値を入力する。図9は、入力データの構成の一例を示す図である。なお、寸法以外のパラメータを入力データに含める場合において、たとえば、そのパラメータに非数値の質的データが含まれる場合については、上述したデータ予測モデルの生成時と同様の方法で質的データを量的データに変換してから入力する。そして、学習済みのデータ予測モデルとして動作する制御部11は、図9に示す入力データを受け取り、完成予定の石英ガラスルツボの重量を予測重量として出力する(図3のステップS12)。そして、ここで予測された重量(予測重量)は、データ予測装置1の表示部15に表示される。 Specifically, first, the operator of the data prediction device 1 (manufacturing worker 2) uses the user interface (input unit 13 including a keyboard and mouse) to input the actual measurement values of the dimensions at the predetermined positions obtained in the measurement process (step S3) as input data to the data prediction device 1 (step S11 in FIG. 3). At this time, the input data input is the actual measurement values of the dimensions at the same positions as when the data prediction model was generated. FIG. 9 shows an example of the configuration of the input data. Note that when parameters other than dimensions are included in the input data, for example, if the parameters include non-numerical qualitative data, the qualitative data is converted to quantitative data in the same manner as when the data prediction model was generated. The control unit 11, operating as a trained data prediction model, then receives the input data shown in FIG. 9 and outputs the weight of the quartz glass crucible to be completed as the predicted weight (step S12 in FIG. 3). The weight predicted here (predicted weight) is then displayed on the display unit 15 of the data prediction device 1.
<製造工程への反映>
製造作業者2は、データ予測装置1の表示部15に表示された予測重量を確認することにより、現状の溶融条件で溶融工程を実施した場合に製造される石英ガラスルツボの傾向(寸法の大,小)を知ることができる。したがって、製造作業者2は、表示部15に表示された予測重量に基づいて、たとえば、重量の値の傾向が想定した値より大きい場合には小さくなるように、重量の値の傾向が想定した値より小さい場合には大きくなるように、現在の溶融条件を調整し(図3のステップS13)、ルツボの溶融工程に反映する(図3のステップS14)。
<Reflection in manufacturing processes>
The manufacturing worker 2 can know the tendency (large or small dimensions) of the quartz glass crucible to be manufactured when the melting process is carried out under the current melting conditions by checking the predicted weight displayed on the display unit 15 of the data prediction device 1. Therefore, based on the predicted weight displayed on the display unit 15, the manufacturing worker 2 adjusts the current melting conditions, for example, so that the weight value becomes smaller if the trend of the weight value is larger than the assumed value, or so that the weight value becomes larger if the trend of the weight value is smaller than the assumed value (step S13 in FIG. 3), and reflects this in the crucible melting process (step S14 in FIG. 3).
なお、上記溶融条件の調整においては、たとえば、溶融工程のデータ(溶融データ)の調整が行われる。調整される溶融データとしては、たとえば、溶融時の電流値(アーク電極38の電流値)、電圧値、積算電力値、電極開度、電極位置、溶融温度、圧力、冷却水温度、冷却水流量および溶融時間等が含まれ、これらの溶融時の数値データには、設定値、平均値、最大値、最小値、積算値等が含まれるものとする。 In adjusting the melting conditions, for example, data on the melting process (melting data) is adjusted. The melting data to be adjusted includes, for example, the current value (current value of the arc electrode 38) during melting, the voltage value, the integrated power value, the electrode opening, the electrode position, the melting temperature, the pressure, the cooling water temperature, the cooling water flow rate, and the melting time. These numerical data during melting include the set value, average value, maximum value, minimum value, integrated value, etc.
<効果>
本実施形態のデータ予測装置1は、ルツボ製造装置3に設定された溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの所定位置の寸法の実測値を入力データとし、前記溶融条件で実際に製造された石英ガラスルツボの重量の実測値を教師データとし、前記入力データに前記教師データを紐付けることで作成したデータセットを記憶する記憶部12と、記憶部12から読み出したデータセットを用いて、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測モデルを機械学習により生成するモデル生成手段(制御部11)と、石英ガラスルツボの製造工程内の測定工程においてルツボ製造装置3から出力される所定位置の寸法の実測値を入力データとして受け付け、学習済みのデータ予測モデルを用いて、前記製造工程で製造される石英ガラスルツボの予測重量を出力するデータ予測手段(制御部11)と、を備えることとした。
<Effects>
The data prediction device 1 of this embodiment is equipped with a memory unit 12 that stores a dataset created by linking the input data to the teacher data, using the actual measured values of the dimensions at a predetermined position of a quartz glass crucible actually manufactured under the melting conditions set in the crucible manufacturing apparatus 3 as input data and the actual measured values of the weight of the quartz glass crucible actually manufactured under the melting conditions as input data, a model generation means (control unit 11) that generates a data prediction model by machine learning using the dataset read from the memory unit 12, and a data prediction means (control unit 11) that accepts the actual measured values of the dimensions at a predetermined position output from the crucible manufacturing apparatus 3 during the measurement process in the quartz glass crucible manufacturing process as input data, and uses the trained data prediction model to output a predicted weight of the quartz glass crucible manufactured in the manufacturing process.
そして、本実施形態においては、完成した石英ガラスルツボを用いて重量を測定するのではなく(石英ガラスルツボの完成を待つことなく)、予め学習済みのデータ予測モデルを用いて、完成予定の石英ガラスルツボの重量を予測する。これにより、完成した石英ガラスルツボを用いて重量を測定する場合と比較して、その重量が製造作業者2にフィードバックされるまでの時間を大幅に短縮することができ、これに伴って、製造作業者2による溶融条件の調整を早めに開始することが可能となる。そのため、たとえば、特定の製造工程において溶融条件が設定された後つぎに調整後の溶融条件が設定されるまでのサイクルタイムを大幅に短縮することができる。 In this embodiment, rather than measuring the weight using a completed quartz glass crucible (without waiting for the quartz glass crucible to be completed), a pre-trained data prediction model is used to predict the weight of the quartz glass crucible that is to be completed. This significantly reduces the time it takes for the weight to be fed back to manufacturing worker 2 compared to measuring the weight using a completed quartz glass crucible, allowing manufacturing worker 2 to begin adjusting the melting conditions earlier. Therefore, for example, the cycle time from when the melting conditions are set in a particular manufacturing process until the adjusted melting conditions are then set can be significantly reduced.
つづいて、上記学習モデル生成処理にて最適化したデータ予測モデルの実施例について説明する。 Next, we will explain an example of a data prediction model optimized using the above learning model generation process.
本実施例においては、たとえば、ルツボの重量を予測するデータ予測モデルの生成に伴い、学習に使用するデータセットを6000件用意した。そして、このデータセットを訓練データと評価データの2つにランダムに振り分けた。その内訳は、訓練データを4800件、評価データを1200件とした。また、モデルの性能評価には、損失関数の1つである平均二乗誤差(MES:Mean Squared Error)を採用した。 In this example, for example, when generating a data prediction model to predict the weight of a crucible, 6,000 datasets were prepared for use in learning. These datasets were then randomly divided into training data and evaluation data. The breakdown was 4,800 training data and 1,200 evaluation data. Furthermore, mean squared error (MES), a loss function, was used to evaluate the performance of the model.
また、最適化アルゴリズムは“Adam”を用い、中間層における活性化関数をReLU関数とし、出力層における活性化関数を線形関数とし、さらに、学習率は初期値を“0.01”として、学習経過に応じて自動的に学習率を下げるようにした。バッチサイズは32とした。また、エポック(epoch)数の初期値を1000とし、過学習を防ぐことを目的として、前エポックのときと比べ誤差が改善されなければ学習を打ち切るようにした。 The optimization algorithm used was "Adam," with the activation function in the intermediate layer being a ReLU function and the activation function in the output layer being a linear function. Furthermore, the initial learning rate was set to "0.01," and the learning rate was automatically decreased as the learning progressed. The batch size was set to 32. Furthermore, the initial number of epochs was set to 1000, and in order to prevent overfitting, learning was terminated if the error had not improved compared to the previous epoch.
そして、訓練データを用いて上記の仕様でニューラルネットワークに機械学習を行わせ、予め用意しておいたテストデータ9件を用いて、学習済みのデータ予測モデルに重量予測を行わせた。 Then, we used the training data to perform machine learning on the neural network with the above specifications, and had the trained data prediction model predict weights using nine sets of test data that had been prepared in advance.
図10は、学習の評価結果を示す図であり、たとえば、学習の程度(Epochs)に対する平均二乗誤差(Mean Squared Error)の推移を示したものである。図10に示すとおり、本実施例のデータ予測モデルは、学習が進むほど平均二乗誤差が小さくなっていることから、学習が順調に進行していることが確認できる。また、エポック数:4くらいからは平均二乗誤差が十分に小さく、以後、平均二乗誤差に変化がないことから、本実施例では、データ予測モデルの学習にはエポック数4程度が適していると言える。 Figure 10 shows the results of the learning evaluation, showing, for example, the progress of the mean squared error (Mean Squared Error) against the degree of learning (Epochs). As shown in Figure 10, the mean squared error of the data prediction model in this example decreases as learning progresses, confirming that learning is progressing smoothly. Furthermore, the mean squared error becomes sufficiently small from about epoch number 4 onwards, and there is no change in the mean squared error thereafter. Therefore, in this example, it can be said that an epoch number of around 4 is suitable for training the data prediction model.
また、図11は、テストデータを用いた学習済みのデータ予測モデルによる予測結果を示す図である。ここでは、ルツボの重量を予測するデータ予測モデルから出力された予測値と、教師データの重量(実測値)とをプロットし、その結果を観察した。図11のプロットデータを観察した結果、教師データに対して予測値のばらつきは少なく、誤差は最大でも5%程度であった。 Figure 11 shows the prediction results of a trained data prediction model using test data. Here, the predicted values output from the data prediction model that predicts the crucible weight were plotted against the weight (actual measured value) of the training data, and the results were observed. Observation of the plotted data in Figure 11 revealed that there was little variation in the predicted values compared to the training data, with a maximum error of around 5%.
1 データ予測装置
2 製造作業者
3 ルツボ製造装置
11 制御部
12 記憶部
13 入力部
14 出力部
15 表示部
16 通信部
31 内側部材
32 通気部
33 保持体
34 ルツボ成型用モールド
35 回転軸
36 排気口
37 減圧機構
38 アーク電極
40 ルツボ成型体
40a,41a 透明層
40b,41b 不透明層
41 石英ガラスルツボ
REFERENCE SIGNS LIST 1 Data prediction device 2 Manufacturing worker 3 Crucible manufacturing device 11 Control unit 12 Memory unit 13 Input unit 14 Output unit 15 Display unit 16 Communication unit 31 Inner member 32 Ventilation unit 33 Holder 34 Crucible molding mold 35 Rotating shaft 36 Exhaust port 37 Pressure reduction mechanism 38 Arc electrode 40 Crucible molding body 40a, 41a Transparent layer 40b, 41b Opaque layer 41 Quartz glass crucible
Claims (5)
前記記憶手段から読み出したデータセットを用いて、石英ガラスルツボの重量を予測するデータ予測モデルを機械学習により生成するモデル生成手段と、
石英ガラスルツボの製造工程内の測定工程において前記ルツボ製造装置から出力される所定位置の寸法の実測値を入力データとして受け付け、学習済みのデータ予測モデルを用いて、前記製造工程で製造される石英ガラスルツボの予測重量を出力するデータ予測手段と、
を備える、
ことを特徴とするデータ予測装置。 A storage means for storing a data set created by using the measured values of the dimensions of a predetermined position of a quartz glass crucible actually manufactured under the melting conditions set in the crucible manufacturing device as input data and the measured values of the weight of the quartz glass crucible actually manufactured under the melting conditions as training data and linking the training data to the input data;
A model generation means for generating a data prediction model for predicting the weight of a quartz glass crucible by machine learning using the data set read from the storage means;
A data prediction means for receiving as input data the actual measurement values of the dimensions at a predetermined position output from the crucible manufacturing apparatus in a measurement step within the manufacturing process of the quartz glass crucible, and outputting a predicted weight of the quartz glass crucible manufactured in the manufacturing process using a trained data prediction model;
Equipped with
A data prediction device comprising:
前記データ予測手段が出力する予測重量を表示する表示手段、
を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のデータ予測装置。 moreover,
a display means for displaying the predicted weight output by the data prediction means;
Equipped with
2. The data prediction device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または2に記載のデータ予測装置。 The actual measured values of the dimensions at the predetermined positions are all or part of the outer diameter of the straight body part of the quartz glass crucible, the thickness of the bottom part, the thickness of the corner parts, the thickness of the straight body part, the thickness of the transparent layer at the bottom part, the thickness of the transparent layer at the corner parts, and the thickness of the transparent layer at the straight body part.
3. The data prediction device according to claim 1 or 2.
成型工程、溶融工程および測定工程を含む製造工程により石英ガラスルツボを製造するルツボ製造装置と、
を備え、
前記ルツボ製造装置は、機械学習済みのデータ予測モデルとして動作する前記データ予測装置から出力された石英ガラスルツボの予測重量の傾向に基づいて調整された溶融条件で溶融工程を実施する、
ことを特徴とする石英ガラスルツボ製造システム。 A data prediction device according to claim 1, 2 or 3;
A crucible manufacturing apparatus for manufacturing a quartz glass crucible through a manufacturing process including a molding process, a melting process, and a measuring process;
Equipped with
The crucible manufacturing apparatus carries out a melting process under melting conditions adjusted based on the trend of the predicted weight of the quartz glass crucible output from the data prediction device operating as a machine-learned data prediction model.
A quartz glass crucible manufacturing system characterized by:
ことを特徴とする請求項4に記載の石英ガラスルツボ製造システム。 The melting conditions are melting process data including a current value, a voltage value, an integrated power value, an electrode opening degree, an electrode position, a melting temperature, a pressure, a cooling water temperature, a cooling water flow rate, and a melting time during melting.
5. The quartz glass crucible manufacturing system according to claim 4.
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