JP5501181B2 - 電磁石制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間に磁場を生成する複数の電磁石を備え、隔壁で仕切られた空間内に発生したプラズマ分布を、能動的に制御する電磁石制御装置、即ちチャンバー内に封入したプラズマの状態を任意に制御する電磁石制御装置に関する。

従来、この種の電磁石制御装置は複数の電磁石を備え、電流制御部からの指令によりドライバーから所定波形の電流を各電磁石の励磁コイルに通電することにより、隔壁で仕切られた空間に磁場を形成するようになっている。そして電流制御部は波形発生器を具備し、該波形発生器で発生した所定波形の電流信号をドライバーの電流増幅器に送り、該電流増幅器で電流増幅してコイル駆動電圧を生成し、各電磁石の励磁コイルに出力することにより、各励磁コイルに所定波形の励磁電流を通電している。ドライバーの電流増幅器は、アナログ式電流増幅器又は、ＰＷＭ式電流増幅器で構成されている。

上記波形発生器は、波形メモリに各種波形（正弦波、矩形波、三角波等）の出力データを記憶しておき、出力更新周期毎に本データを読み出してＤ／Ａ変換部へ指令を行い、また、出力周波数に応じて波形メモリのデータ参照ポインタを移動する処理を行っている。

特開平１０−１０７５９５号公報

しかしながら、上記従来の波形発生器は、波形の種類と出力分解能に応じて波形メモリのデータ容量を増加する必要がある。また、従来の波形発生器では、出力波形をオフセットさせる場合や、周波数の異なる正弦波の合成のような複雑な波形を出力するためには、合成波形の数に応じて、Ｄ／Ａ変換部の入出力チャネル数を多チャネル化する必要があった。

また、例えば励磁コイルに流す電流波形が正弦波などの交流波形である場合に、励磁コイルのインダクタンスの影響で交流波の周波数が高ければ高いほど、励磁コイルのインピーダンスが高くなり、その結果、励磁コイル両端に印加する電圧を大きくする必要があった。即ち、ドライバーの電流増幅器に供給する電源電圧を大きくする必要があった。このため、ドライバーの電流増幅器に供給する電源電圧は、励磁電流の使用周波数範囲における最大値によって決定されてしまい、励磁コイルに周波数が低い交流電流を流す場合には、必要としない電源電圧が電流増幅器に供給されることとなった。その結果、電流増幅器がアナログ式の場合は、必要としない電源電圧分が電流増幅器内での損失となり、またＰＷＭ式の場合はＰＷＭスイッチング素子のスイッチング損失或いは電磁石コアの鉄損を増大させる要因となっていた。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、簡素な構成の信号処理部で、複雑な波形の電流信号を発生させ、ドライバーを介して該電流信号に応じた波形の電流を各電磁石の励磁コイルに省エネルギーで通電できる電磁石制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数の電磁石を備え、各電磁石の励磁コイルに所定波形の励磁電流を通電することにより、隔壁で仕切られた空間内に発生したプラズマ分布を能動的に制御する電磁石制御装置であって、所定波形の励磁電流信号を生成する信号処理部と、該信号処理部からの所定波形の励磁電流信号を増幅して各電磁石の励磁コイルに通電するドライバーと、当該電磁石装置の各部に電力を供給する電源部とを備え、信号処理部は励磁コイルの目標励磁電流波形を保有し、励磁コイルに通電された励磁電流を電流検出器にて電流信号として検出し、該検出した電流信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換し、信号処理部が保有する励磁コイルの目標励磁電流波形と比較し、励磁コイルの励磁電流が所定の位相角となるように信号処理部から出力される励磁電流信号を補正する補正手段を設けたことを特徴とする。
また、信号処理部と励磁コイルは１：１に対応していることを特徴とする。
また、励磁コイルはそれぞれ対応する信号処理部によって個別に制御されることを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、ドライバーと信号処理部と電源部とを分離し、該ドライバー及び／又は信号処理部及び／又は電源部を交換できる構成としたことを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、信号処理部は、デジタル信号処理回路を備え、励磁電流の所定波形の信号をデジタル信号処理にて生成することを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、ドライバーにアナログ式電流増幅器を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、ドライバーにＰＷＭ式電流増幅器を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、電磁石の励磁コイルに印加する電圧のプラス／マイナスが切り替わるタイミングでドライバーのＰＷＭ駆動を一定期間休止し、ドライバーの電流増幅器の過電流を回避する過電流回避手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、信号処理部及びドライバーを２つ以上備え、該２つ以上の信号処理部の同期を取るため共通の同期信号を発生する同期信号発生手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、複数の電磁石、複数のドライバー、複数の信号処理部の同期を取るための通信手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、励磁コイルに通電する励磁電流信号の情報をドライバーに指令する電流制御部を備え、電流制御部からドライバーへ指令する励磁電流値の伝送、及び／又はドライバーが励磁コイルに供給している電流値の電流制御部への伝送をデジタル通信で行うことを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、信号処理部は、演算機能を有するデジタル演算部と、該デジタル演算部で演算して得たデジタル的な波形出力信号を連続的な波形出力信号に変換するＤ／Ａ変換部とを備え、デジタル演算部にて与えられた出力式によりＤ／Ａ変換部へ指示する任意波形の励磁電流信号を計算し、Ｄ／Ａ変換部から該励磁電流信号をドライバーに出力することを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、励磁コイルに流れる励磁電流を検出し、目標励磁電流波形と比較しその差がゼロになるようドライバーからの出力を制御するフィードバック系を形成し、該フィードバック系は、検出した励磁電流をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部で変換されたデジタルデータを基に、励磁コイルに目標励磁電流値を通電するようにドライバーの出力値を演算するデジタル演算部と、該デジタル演算部で演算された結果をドライバーに入力する信号に変換するＤ／Ａ変換部を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、ドライバーに電流増幅器を備え、電磁石の電流に応じた電流増幅器の出力電圧を電源部にフィードバックし、電源部から電流増幅器に供給する電圧を変動させることを特徴とする。

本発明は、所定波形の励磁電流信号を生成する信号処理部と、該信号処理部からの所定波形の励磁電流信号を増幅して各電磁石の励磁コイルに通電するドライバーと、当該電磁石装置の各部に電力を供給する電源部とを備えているので、簡単な構成の信号処理部で、演算処理により種々の波形の電流信号を発生させ、ドライバーを介して該電流信号に応じた波形の電流を各電磁石の励磁コイルに通電できる電磁石制御装置を提供できる。
また、本発明は、信号処理部に励磁コイルの目標励磁電流波形を保有し、励磁コイルに通電された励磁電流を電流検出器にて電流信号として検出し、該検出した電流信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換し、信号処理部が保有する目標励磁電流波形と比較し、コイルの励磁電流が所定の電流値及び／又は位相角となるように信号処理部から出力される励磁電流信号を補正する補正手段を設けたので、電磁石を直列接続させた時の接続数、電磁石の種類、製造上のばらつき、温度・湿度等の使用環境によらず、目標励磁電流波形に従って精度良く所定の電流値及び／又は位相角で励磁電流を流すことができる。

また、本発明は、ドライバーと信号処理部と電源部とを分離し、該ドライバーを交換できる構成であるので、メンテナンス等によりドライバーのみ、或いは信号処理部のみ或いは電源部のみを代替交換する場合は容易に対応可能である。

また、本発明は、信号処理部にデジタル信号処理回路を備え、励磁電流の所定波形の信号をデジタル信号にて生成するので、部品点数を増大させることなく、例えばＣＰＵやＤＳＰを用いて励磁電流の波形をソフトウエアにて自在且つ容易に生成できる。

また、本発明は、ドライバーにアナログ式電流増幅器を備えているので、歪みが少ない電流を電磁石の励磁コイルに励磁電流として流すことができる。

また、本発明は、ドライバーにＰＷＭ式電流増幅器を備えているので、低損失で電磁石の励磁コイルに励磁電流を流すことができる。

また、本発明は、電磁石の励磁コイルに印加する電圧のプラス／マイナスが切り替わるタイミングでドライバーのＰＷＭ駆動を一定期間休止させる過電流回避手段を設けているので、ドライバーのＰＷＭ式電流増幅器の過電流によるダメージや故障を回避することができる。

また、本発明は、２つ以上の信号処理部の同期を取るため共通の同期信号を発生する同期信号発生手段を設けているので、追加で電磁石を設置する必要となった場合でも、それを駆動するためのドライバーを追加で設置し、電磁石の励磁コイルに流す電流を既存の励磁コイルに流す電流と同期させることができる。

また、本発明は、励磁コイルに通電する励磁電流信号の情報をドライバーに指令する電流制御部を備え、電流制御部からドライバーへ指令する励磁電流値の伝送、及び／又はドライバーが励磁コイルに供給する電流値の電流制御部への伝送をデジタル通信で行うので、励磁電流信号の情報がノイズ等により劣化することなくドライバーは励磁電流信号の情報に基づいて励磁コイルに電流を流すことができる。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、信号処理部は、演算機能を有するデジタル演算部と、該デジタル演算部で演算して得たデジタル的な波形出力信号を連続的な波形出力信号に変換するＤ／Ａ変換部とを備え、デジタル演算部にて与えられた出力式によりＤ／Ａ変換部へ指示する任意波形の励磁電流信号を計算し、Ｄ／Ａ変換部から該励磁電流信号をドライバーに出力するので、ドライバーの電流増幅器がアナログ増幅器である場合やＰＷＭ増幅器の入力がアナログ入力である場合は、該励磁電流信号を直接電流増幅器に入力することができる。

また、本発明は、上記電磁石制御装置において、励磁コイルに流れる励磁電流を検出し、目標励磁電流波形と比較しその差がゼロになるようドライバーからの出力を制御するフィードバック系を形成し、フィードバック系は、検出した励磁電流をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部で変換されたデジタルデータを基に、励磁コイルに目標励磁電流値を通電するようにドライバーの出力値を演算するデジタル演算部と、該デジタル演算部で演算された結果をドライバーに入力する信号に変換するＤ／Ａ変換部を備えたのでデジタル演算部で例えばＰＩＤ制御を実施でき、励磁コイルに流す電流を目標励磁電流に精度良く追従させることができる。

また、電磁石の電流に応じた電流増幅器の出力電圧を電源部にフィードバックし、電源部から電流増幅器に供給する電圧を変動させることができるので、励磁コイルに流す交流電流周波数が低い場合は電流増幅器に供給する電源電圧を小さくでき、交流電流周波数が高い場合は、電流増幅器に供給する電源電圧を大きくできるので、使用用途に応じて電流増幅器に必要最低限の電源電圧を供給することができ省エネルギー化することができる。

本発明に係る電磁石制御装置の全体のシステム構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の他の全体のシステム構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の信号処理部及びドライバーを含むフィードバック系の構成を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の電磁石の励磁コイルに通電する励磁電流の制御フローを示す図である。 ドライバーのスイッチングノイズを回避方法を説明するための図である。 電磁石の磁界がＮ極／Ｓ極に替わるタイミングに発生するノイズを回避方法を説明するための図である。 本発明に係る電磁石制御装置の他の全体のシステム構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の他の全体のシステム構成例を示すブロック図である。 従来の電磁石制御装置の一部構成を示すブロック図である。 従来の電磁石制御装置の一部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の一部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の一部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の一部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の一部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の一部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の一部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石制御装置の他の全体のシステム構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明に係る電磁石制御装置の全体のシステム構成例を示すブロック図である。本電磁石制御装置は、複数の電磁石１０の励磁コイルに通電する電流を制御することにより、隔壁で仕切られた空間内（例えば、チャンバー内）に磁場を形成し、該空間内に発生したプラズマ分布を能動的に制御する装置である。図示するように、本電磁石制御装置は、複数のドライバー１１、複数の信号処理部１３、電磁石装置全体管理部１４、及び電源部１７を備えている。

電磁石装置全体管理部１４は、ユーザ及び上位装置インタフェースを含み、各信号処理部１３に駆動電流波形伝達／状態ライン１５を通して波形形成指令信号（例えば、正弦波、矩形波、三角波等の各種波形を形成させる指令信号）Ｓ１を伝送するようになっている。信号処理部１３は波形形成指令信号Ｓ１を受け、演算処理により該波形形成指令信号Ｓ１に応じた波形の励磁電流信号Ｓ２を生成し、電流信号ライン１６を通してドライバー１１に伝送する。ドライバー１１はそれぞれ電流増幅器（図示せず）を具備し、該電流増幅器で励磁電流信号Ｓ２を増幅し、各電磁石１０の励磁コイルに通電する。これにより上記隔壁で仕切られた空間内に磁場を形成し、該空間に発生したプラズマ分布を能動的に制御する。電源部１７は電力供給ライン１８を通して、電磁石装置全体管理部１４、各信号処理部１３、各ドライバー１１に動作用電力Ｐｗを供給する。

図２は本発明に係る電磁石制御装置の他の全体のシステム構成例を示すブロック図である。図２において図１と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示す。なお、他の図面においても同様とする。本電磁石制御装置においては、ドライバー１１は信号処理部１３と分離し、ドライバー１１を他のドライバー１１’と交換できるように構成している。これによりドライバー１１に接続される電磁石の個数や電磁石の容量が異なる電磁石装置であっても、或いは電磁石の個数や電磁石の容量を変えた場合でも、ドライバー１１を交換するだけで本電磁石制御装置を適用できる。また、電源部１７も他の電源部１７’に交換できるように構成としている。これにより電磁石制御装置の各部の動作用電力Ｐｗ容量が変化した場合でも、電源部１７を交換するのみで対処できる。

図３は本発明に係る電磁石制御装置の信号処理部、及びドライバーを含むフィードバック系の構成を示すブロック図である。信号処理部１３はＣＰＵを備えたデジタル演算部２１とＤ／Ａ変換器２２で構成され、電磁石装置全体管理部１４からの波形形成指令信号（デジタル量）Ｓ１を受け、デジタル演算処理部２１にて演算処理により所定波形の出力指令信号値（デジタル量）を生成し、Ｄ／Ａ変換器２２に出力する。Ｄ／Ａ変換器２２では該出力指令信号値を連続した励磁電流信号Ｓ２に変換してドライバー１１に出力する。ドライバー１１は電流増幅器２３を備え、該電流増幅器２３で励磁電流信号Ｓ２を電力増幅によりコイル駆動電圧に変換し、電磁石１０の励磁コイルＸに供給する。これにより励磁コイルＸには、波形形成指令信号Ｓ１に応じた波形の励磁電流が流れる。

電磁石１０の励磁コイルＸに流れる電流は電流検出器２４で連続的な電圧信号Ｓ３として検出し、該検出した電圧信号Ｓ３はＡ／Ｄ変換器２５で電流フィードバック値（デジタル量）に変換してデジタル演算部２１にフィードバックしている。なお、電流検出器２４、Ａ／Ｄ変換器２５、及びデジタル演算部２１で電流検出部２０を構成している。

デジタル演算部２１は、目標電流波形を保持し、該目標電流波形と、電流検出器２４で検出され、Ａ／Ｄ変換器２５で変換された電流フィードバック値とを比較し、励磁コイルＸの励磁電流が所定の電流値及び／又は位相角となるように信号処理部１３から出力される励磁電流信号を補正する補正機能を有している。これにより、電磁石１０の励磁電流コイルＸに流れる励磁電流の電流値と位相を電磁石装置全体管理部１４からの波形形成信号Ｓ１の指令値と位相にすることが可能となる。なお、ドライバー１１の上記電流増幅器には、アナログ式電流増幅器を用いることもできるし、ＰＷＭ式電流増幅器を用いることもできる。

上記のようにＣＰＵを有するデジタル演算部２１で電磁石装置全体管理部１４からの波形形成指令信号Ｓ１を受け、演算処理にて任意波形の励磁電流信号Ｓ２を生成するので、従来の波形発生器のように、波形メモリに各種波形の出力データを記憶しておき、出力更新周期毎にデータを読み出してＤ／Ａ変換部へ指令を行うという複雑な構成を採用することなく、簡単な構成で任意波形の励磁電流信号Ｓ２を生成することが可能となる。

図４は上記電磁石１０の励磁コイルＸに流れる電流を制御するフローを示す図である。先ず、励磁コイルＸのコイル電流制御を開始する。続いてステップＳＴ１では電流検出部２０のＡ／Ｄ変換器２５の出力を読み込んでコイル電流値の読込み（Ａ／Ｄ変換器２５のＡ／Ｄ変換値を取得）を行い、ステップＳＴ２に移行する。ステップＳＴ２ではコイル電流（出力レベル）のフィードバック演算を行いステップＳＴ３に移行する。ステップＳＴ３では実測電流（ＳＴ１で取得したＡ／Ｄ変換値）より電流位相を計算し、ステップＳＴ４に移行する。ステップＳＴ４では出力波形位相のフィードバック演算を行い、ステップＳＴ５に移行する。

ステップＳＴ５では電流指令信号更新（Ｄ／Ａ変換器２２の出力更新）を行い、ステップＳＴ６に移行する。ステップＳＴ６では、励磁コイルＸの駆動停止である否かを判断し、ノー（Ｎ）の場合は前記ステップＳＴ１に戻り制御を継続する。イエス（Ｙ）の場合は停止指令するか異常検出を行い、ステップＳＴ７に移行する。ステップＳＴ７では、電流指令更新（Ｄ／Ａ変換器２２の出力更新）を行い励磁コイルＸの駆動停止時電流とし、励磁コイルＸのコイル電流制御終了とする。上記電流制御はＣＰＵを具備するデジタル演算部２１で行う。

ドライバー１１の電流増幅器にＰＷＭ式電流増幅器を用いる場合、ＰＷＭ式電流増幅器からのＰＷＭ信号の立上がり時間をＰＷＭキャリア周波数１周期の数％の範囲で長くすることにより、励磁電流のスイッチングによるノイズを軽減することができる。このノイズを軽減する方法を図５に基づいて説明する。図５（ａ）は電磁石１０の励磁コイルＸを駆動するドライバーのスイッチング素子（トランジスタ）３０の概略回路構成を示す図である。なお、図５（ａ）は、励磁コイルＸをフルブリッジ回路で駆動するＰＷＭ式電流増幅器であるが、説明の簡略化のためフルブリッジ回路の片側の駆動回路は図示していない。

スイッチング素子３０及び３０’の入力端子３０ａ、３０’ａにＰＷＭ式電流増幅から図５（ｂ）のＡに示すような矩形波のＰＷＭ信号が入力すると、励磁コイルＸに流れるコイル電流はＢに示すようになり、ＰＷＭ信号の立上り、立下り時にスイッチングノイズＮが発生する。このスイッチングノイズＮの発生を回避するため、図５（ｃ）のＡに示すようにＰＷＭ信号の立上り、立下りを滑らかに（立上がり時間を長く）すると、図５（ｃ）のＢに示すようにコイル電流の立上り、立下り時にノイズが発生しない。ＰＷＭ信号の立上り、立下り波形を滑らかにする方法としては、例えばスイッチング素子３０及び３０'の入力端子３０ａ、３０’ａとに所定抵抗値の抵抗器４２、４２'及び同端子とアースの間に所定容量のコンデンサ３１、３１’を挿入することで実現できる。

上記構成の磁場形成装置において、電磁石１０の磁界をＮ極からＳ極に切り替える場合、電流方向が切り替わるタイミングでドライバー１１のＰＷＭ駆動指令（Ｎ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器の出力、Ｓ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器の出力）を一定期間休止させることにより、ゼロクロス時の電流増幅器の過電流や、該過電流によるダメージや故障を回避することができる。このゼロクロス時の過電流発生回避方法を図６に基づいて説明する。図６（ａ）は電磁石１０の励磁コイルＸと該励磁コイルＸを駆動するＮ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器３２とＳ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器３３の接続状態を示す図である。Ｎ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器３２の（ア）、（エ）端子にＯＮ信号を入力すると、図６（ａ）の矢印Ｃに示す方向に電流が流れ、Ｓ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器３３の（イ）、（ウ）端子にＯＮ信号を入力すると、図６（ａ）の矢印Ｄに示す方向に電流が流れる。

従来は、Ｎ側／Ｓ側電流方向切り替え時に図６（ｂ）に示すようにＮ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器３２の（ア）、（エ）へのＯＮ信号入力とＳ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器３３の（イ）、（ウ）へのＯＮ信号入力を瞬時に切り替えるため、電流測定ポイントＰ１に図６（ｂ）のＦに示すような波形の電流が流れ、電流波形がゼロレベルを交差する時（ゼロクロス時Ｚ）に電流増幅器の過電流が発生する。これを回避するため本発明ではＮ側／Ｓ側電流方向切り替え時に図６（ｃ）に示すように、一定の休止時間Δｔを設けている。これによりＮ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器３２とＳ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器３３の同時動作による電流増幅器の過電流を回避できる。

図７は本発明に係る電磁石制御装置の他の全体のシステム構成例を示すブロック図である。本電磁石制御装置では、電磁石装置全体管理部１４に同期信号発生源２６を設け、該同期信号発生源２６から、同期用信号ライン２７を通して各信号処理部１３に同期信号Ｓ５を送信している。このように同期信号発生源２６から同期信号Ｓ５を送信することにより、複数の信号処理部１３、ドライバー１１、及び電磁石１０の動作を同期をとって行なうことができる。なお、上記例では同期信号発生源２６を電磁石装置全体管理部１４に設けているが、図８に示すように、複数の信号処理部１３の内のいずれか１つに同期信号発生源２６を設け、該同期信号発生源２６から同期用信号ライン２７を通して各信号処理部１３に同期信号Ｓ５を送信するようにしてもよい。

図３では信号処理部１３から連続した励磁電流信号Ｓ２をドライバー１１に出力しているが、信号処理部１３から励磁電流信号Ｓ２をドライバー１１へデジタル通信手段（第１デジタル通信手段）によりデジタル量で送信してもよい。また、励磁コイルＸに流れる電流を電流検出器２４で検出し、該検出電流信号をＡ／Ｄ変換器２５でデジタル量に変換したデジタル信号をデジタル演算部２１に送る手段として、デジタル通信手段（第２デジタル通信手段）によりデジタル通信で行うようにしてもよい。また、第１デジタル通信手段と第２デジタル通信手段の両方を備え、信号処理部１３からドライバー１１へ指令する励磁電流信号Ｓ２の伝送及び励磁コイルＸに流れる電流を検出した検出電流値信号のデジタル演算部１２への伝送をデジタル通信で行うようにしてもよい。この場合、ドライバー１１には信号処理部１３から送られてきたデジタルの電流信号を連続した電流信号に変換するＤ／Ａ変換部を設ける。

図１７は上記第１デジタル通信手段、及び第２デジタル通信手段を備えた、本発明に係る電磁石制御装置の全体のシステム構成を示すブロック図である。図示するように、本電磁石制御装置では、各信号処理部１３に通信ポート４３を備え、各ドライバー１１に通信ポート４４を備えている。そして各通信ポート４３と対応する通信ポート４４を伝送ライン４５で接続している。各信号処理部１３から対応するドライバー１１に伝送する励磁電流信号情報を通信ポート４３、伝送ライン４５、及び通信ポート４４を介してデジタル通信で送信し、ドライバ−１１から対応する電磁石１０の励磁コイルＸに供給している励磁電流情報を通信ポート４４、伝送ライン４５、及び通信ポート４３を介してデジタル通信で信号処理部１３に送信している。

図９は従来の電磁石制御装置の一部の構成を示す図である。ドライバー１１にアナログ電流増幅器を具備するアナログ式ドライバーを用い、該ドライバー１１に＋電源３４から＋Ｅの固定電圧電力が、−電源３５から−Ｅの固定電圧電力が供給され、更に電磁石１０の励磁コイルＸに流れる電流ｉは電流検出器３６で検出され、検出信号はデジタル量に変換され（この電流検出器３６は検出したアナログ検出信号をデジタル量に変換する機能を備えている）、信号処理部にフィードバックするようになっている。ここで、Ｅは電源電圧を、ｖはアナログ電流増幅器の出力電圧を、ｉはアナログ電流増幅器の出力電流を示す。このようにアナログ式ドライバーを用いた場合は、アナログ電流増幅器内で、
（Ｅ−ｖ）×ｉ
の電力損失が発生する。

また、図１０は従来の電磁石制御装置の一部の構成を示す図である。ドライバー１１にＰＷＭ電流増幅器を具備するＰＷＭ式ドライバーを用い、該ドライバー１１に電源３７から＋Ｅの固定電圧電力が供給され、更に電磁石１０の励磁コイルＸに流れる電流ｉは電流検出器３６で検出され、検出信号はデジタル量に変換され、信号処理部１３にフィードバックするようになっている。このようなＰＷＭ式ドライバーではＰＷＭ電流増幅器を構成するトランジスタのスイッチング損失、及び電磁石１０のコアでの鉄損が発生する。本発明に係る電磁石制御装置ではアナログ電流増幅器内での上記電力損失を小さくすること、ＰＷＭ電流増幅器を構成するトランジスタのスイッチング損失、及び電磁石１０のコアの鉄損を低減させる手法を採用している。下記にアナログ電流増幅器の電力損失、ＰＷＭ電流増幅器のスイッチング損失、及び電磁石１０のコアの鉄損を低減する手法を説明する。

図１１乃至図１３はドライバー１１にアナログ式ドライバーを用い電流増幅器の電力損失を低減するための電磁石制御装置の一部の構成を示す図である。図１１では＋電源３８と−電源３９に電圧可変の電源を用い、ドライバー１１のアナログ電流増幅器の出力電圧ｖを＋電源３８及び−電源３９にフィードバックし、該出力電圧ｖに応じた＋Ｅ及び−Ｅの＋電力及び−電力をドライバー１１に供給している。また、電磁石１０の励磁コイルＸに流れる電流ｉは電流検出器３６で検出されデジタル量に変換され、信号処理部１３にフィードバックするようになっている。このように＋電源３８及び−電源３９に電圧可変の電源を用い、出力電圧ｖに基づいてドライバー１１に供給する電源電圧を制御することにより、ドライバー１１の電流増幅器に増幅動作に必要最小限の電圧電源を供給することができ、アナログ電流増幅器内での（Ｅ−ｖ）×ｉを小さくすることができ、電流増幅器内での損失を低減できる。

また、図１２では＋電源３８と−電源３９に電圧可変の電源を用い、電磁石１０の励磁コイルＸに流れる電流ｉは電流検出器３６で検出し、デジタル量に変換して信号処理部１３にフィードバックすると共に、＋電源３８及び−電源３９にフィードバックしている。＋電源３８及び−電源３９からドライバー１１に供給される＋Ｅ及び−Ｅの電源電圧は励磁コイルＸに流れる電流ｉに基いて制御している。これにより、ドライバー１１の電流増幅器に増幅動作に必要最小限の電圧電源を供給することになり、アナログ電流増幅器内での（Ｅ−ｖ）×ｉを小さくすることができ、電流増幅器内での損失を低減することができる。

また、図１３では＋電源３８と−電源３９に電圧可変の電源を用い、信号処理部１３からの目標電流信号Ｓｏを＋電源３８と−電源３９にフィードバックしている。また、電磁石１０の励磁コイルＸに流れる電流ｉは電流検出器３６で検出し、デジタル量に変換して信号処理部１３にフィードバックしている。これにより＋電源３８及び−電源３９からドライバー１１に供給される＋Ｅ及び−Ｅの電源電圧は信号処理部１３からの目標電流信号Ｓｏに基いて制御されることになり、ドライバー１１の電流増幅器に増幅動作に必要最小限の電圧を供給することになり、アナログ電流増幅器内での（Ｅ−ｖ）×ｉを小さくすることができ、電流増幅器内での損失を低減できる。

図１４乃至図１６はドライバー１１にＰＷＭグ式ドライバーを用いＰＷＭ電流増幅器のスイッチング損失低減と電磁石１０のコア鉄損を低減するための電磁石制御装置の一部の構成を示す図である。図１４では電源４０に電圧可変の＋電源を用い、電磁石１０の励磁コイルＸに流れる電流ｉを電流検出器３６で検出し、デジタル量に変換し電源４０にフィードバックすると共に、信号処理部１３にフィードバックしている。電源４０の出力電圧は励磁コイルＸに流れる電流ｉに基いて制御され、ドライバー１１のＰＷＭ電流増幅器には増幅動作に必要最小限の電圧が供給されることになる。これによりＰＷＭ電流増幅器を構成するトランジスタのスイッチング損失の低減及び電磁石１０のコア鉄損失の低減を図ることができる。

図１５ではＰＷＭ増幅回路４１で電磁石１０の励磁コイルＸを駆動するようにし、ＰＷＭ増幅回路４１に目標電流信号Ｓｏを入力している。そして電源４０には電圧可変の＋電源を用い、ＰＷＭ増幅回路４１の出力ｖを電源４０にフィードバックする。また、電磁石１０の励磁コイルＸに流れる電流ｉを電流検出器３６で検出し、デジタル量に変換し信号処理部１３にフィードバックしている。電源４０の出力電圧はＰＷＭ増幅回路４１の出力電圧ｖに基いて制御され、ＰＷＭ電流増幅回路４１に増幅動作に必要最小限の電圧が供給されることになる。これによりＰＷＭ電流増幅回路を構成するトランジスタのスイッチング損失の低減及び電磁石１０のコア鉄損失の低減を図ることができる。

図１６ではＰＷＭ増幅回路４１で電磁石１０の励磁コイルＸを駆動するようにし、ＰＷＭ増幅回路４１に目標電流信号Ｓｏを入力している。そして電源４０には電圧可変の＋電源を用い、該電源４０の出力電圧を目標電流信号Ｓｏに基いて制御している。これによりＰＷＭ増幅回路４１には増幅動作に必要最小限の電源電圧が供給され、ＰＷＭ電流増幅回路４１を構成するトランジスタのスイッチング損失の低減及び電磁石１０のコア鉄損失の低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明は、所定波形の励磁電流信号を生成する信号処理部と、該信号処理部からの所定波形の励磁電流信号を増幅して各電磁石の励磁コイルに通電するドライバーと、当該電磁石装置の各部に電力を供給する電源部とを備えているので、簡単な構成の信号処理部で、演算処理により種々の波形の電流信号を発生させ、ドライバーを介して該電流信号に応じた波形の電流を各電磁石の励磁コイルに省エネルギー通電できる電磁石制御装置に利用することができる。

１０ 電磁石
１１ ドライバー
１３ 信号処理部
１４ 電磁石装置全体管理部
１５ 駆動電流波形伝達／状態ライン
１６ 電流信号ライン
１７ 電源部
１８ 電力供給ライン
２０ 電流検出部
２１ デジタル演算部
２２ Ｄ／Ａ変換器
２３ 電流増幅器
２４ 電流検出器
２５ Ａ／Ｄ変換器
２６ 同期信号発生源
２７ 同期用信号ライン
３０ スイッチング素子
３１ コンデンサ
３２ Ｎ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器
３３ Ｓ側磁束発生用コイル駆動電流増幅器
３４ ＋電源
３５ −電源
３６ 電流検出器
３７ 電源
３８ ＋電源
３９ −電源
４０ 電源
４１ ＰＷＭ増幅回路
４２ 抵抗器
４３ 通信ポート
４４ 通信ポート
４５ 伝送ライン
ＰＷ 動作用電力

Claims (14)

1. 複数の電磁石を備え、各前記電磁石の励磁コイルに所定波形の励磁電流を通電することにより、隔壁で仕切られた空間内に発生したプラズマ分布を能動的に制御する電磁石制御装置であって、
   前記所定波形の励磁電流信号を生成する信号処理部と、該信号処理部からの所定波形の励磁電流信号を増幅して前記各電磁石の励磁コイルに通電するドライバーと、当該電磁石装置の各部に電力を供給する電源部とを備え、
   前記信号処理部は励磁コイルの目標励磁電流波形を保有し、
   前記励磁コイルに通電された励磁電流を電流検出器にて電流信号として検出し、該検出した電流信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換し、前記信号処理部が保有する励磁コイルの目標励磁電流波形と比較し、前記励磁コイルの励磁電流が所定の位相角となるように前記信号処理部から出力される励磁電流信号を補正する補正手段を設けたことを特徴とする電磁石制御装置。
2. 請求項１に記載の電磁石制御装置において、
   前記信号処理部と励磁コイルは１：１に対応していることを特徴とする電磁石制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の電磁石制御装置において、
   前記励磁コイルはそれぞれ対応する信号処理部によって個別に制御されることを特徴とする電磁石制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
   前記ドライバーと前記信号処理部と電源部とを分離し、該ドライバー及び／又は信号処理部及び／又は電源部を交換できる構成としたことを特徴とする電磁石制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
   前記信号処理部は、デジタル信号処理回路を備え、前記励磁電流の所定波形の信号をデジタル信号処理にて生成することを特徴とする電磁石制御装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
   前記ドライバーにアナログ式電流増幅器を備えたことを特徴とする電磁石制御装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
   前記ドライバーにＰＷＭ式電流増幅器を備えたことを特徴とする電磁石制御装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
   前記電磁石の励磁コイルに印加する電圧のプラス／マイナスが切り替わるタイミングで前記ドライバーのＰＷＭ駆動を一定期間休止し、前記ドライバーの電流増幅器の過電流を回避する過電流回避手段を設けたことを特徴とする電磁石制御装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
   前記信号処理部及び前記ドライバーを２つ以上備え、該２つ以上の信号処理部の同期を取るため共通の同期信号を発生する同期信号発生手段を設けたことを特徴とする電磁石制御装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
    複数の前記電磁石、複数の前記ドライバー、複数の前記信号処理部の同期を取るための通信手段を設けたことを特徴とする電磁石制御装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
    前記励磁コイルに通電する励磁電流信号の情報を前記ドライバーに指令する電流制御部を備え、
    前記電流制御部から前記ドライバーへ指令する励磁電流値の伝送、及び／又は前記ドライバーが前記励磁コイルに供給している電流値の前記電流制御部への伝送をデジタル通信で行うことを特徴とする電磁石制御装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
    前記信号処理部は、演算機能を有するデジタル演算部と、該デジタル演算部で演算して得たデジタル的な波形出力信号を連続的な波形出力信号に変換するＤ／Ａ変換部とを備え、
    前記デジタル演算部にて与えられた出力式により前記Ｄ／Ａ変換部へ指示する任意波形の励磁電流信号を計算し、前記Ｄ／Ａ変換部から該励磁電流信号を前記ドライバーに出力することを特徴とする電磁石制御装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
    前記励磁コイルに流れる励磁電流を検出し、目標励磁電流波形と比較しその差がゼロになるよう前記ドライバーからの出力を制御するフィードバック系を形成し、
    前記フィードバック系は、前記検出した励磁電流をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部で変換されたデジタルデータを基に、前記励磁コイルに目標励磁電流値を通電するように前記ドライバーの出力値を演算するデジタル演算部と、該デジタル演算部で演算された結果を前記ドライバーに入力する信号に変換するＤ／Ａ変換部を備えたことを特徴とする電磁石制御装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電磁石制御装置において、
    前記ドライバーに電流増幅器を備え、前記電磁石の電流に応じた前記電流増幅器の出力電圧を前記電源部にフィードバックし、前記電源部から前記電流増幅器に供給する電圧を変動させることを特徴とする電磁石制御装置。

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