JP2009129906A - イオン化システムのための多軸制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオナイザ制御のダイナミックレンジを広くする。
【解決手段】バイポーライオン化装置は、正高電圧電源に接続した少なくとも１つの正イオン放出電極を持つ出力を有し、正イオンを生成するように構成した正高電圧電源２２を含む。負高電圧電源２４は、負高電圧電源に接続した少なくとも１つの負イオン放出電極を持つ出力を有し、負イオンを生成するように構成されている。イオナイザのための制御装置１４は、正高電圧イオン化波形および負高電圧イオン化波形を出力する。制御装置１４は、各波形の振幅およびデューティサイクルを同時に調整する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、イオン化システムのための多軸制御装置に関する。

本出願は、その内容全体が参照によって本出願に組み込まれる、２００７年１１月１９日出願の米国仮特許出願第６１／００３，７３３号、「イオン化システムのための多軸制御の方法および装置（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ａｘｉｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」の利益を主張する。
高電圧電源およびイオナイザを有する直流（ＤＣ）、パルス、または交流（ＡＣ）イオン化システムは、２つの方法のうち１つを利用して、目標範囲のバランスまたは実効電荷を制御する。振幅制御は、正および負のイオン化の相対振幅を調整する。これは、イオナイザに印加する電流または電圧の何れかの調整を通じて達成できる。

また、目標領域のバランスまたは実効電荷を制御するためデューティサイクル制御を使用することもできる。この種の制御では、時間軸を基準とした正および負のイオン化サイクルの調整を行う。正および負のイオン化の相対的なデューティサイクルを延長または短縮することによって制御を達成する。

中和および／またはバランスの目的で、パルス周波数および波形の形状の調整を利用してもよい。制御のため高電圧パルス周波数を上下して調整してもよい。出力パルスの正確な形状を最適化する技術を利用してもよい。これらのパラメータの調整を行って性能を最適化する。

特に、イオナイザが移動ウェブまたは他の絶縁体といった高帯電物体の近くにある用途では、目標範囲を基準としたイオナイザ制御のダイナミックレンジを広くする制御方法を提供することが望ましい。さらに、何れかの制御技術の解像度を向上することが望ましい。

簡単に言うと、本発明の実施形態は、正高電圧電源に接続した少なくとも１つの正イオン放出電極を持つ出力を有し、正イオンを生成するように構成した正高電圧電源を含むバイポーライオン化装置を備える。負高電圧電源は、負高電圧電源に接続した少なくとも１つの負イオン放出電極を持つ出力を有し、負イオンを生成するように構成されている。イオナイザのための制御装置は、正高電圧イオン化波形および負高電圧イオン化波形を出力する。制御装置は、各波形の振幅およびデューティサイクルを同時に調整する。

本発明の別の実施形態は、正高電圧電源に接続した少なくとも１つの正イオン放出電極を持つ出力を有し、正イオンを生成するように構成した正高電圧電源を含むバイポーライオン化装置を備える。負高電圧電源は、負高電圧電源に接続した少なくとも１つの負イオン放出電極を持つ出力を有し、負イオンを生成するように構成されている。制御装置は、正および負の高電圧電源の各出力の振幅およびデューティサイクルを同時に調整するように構成する。

本発明のまた別の実施形態は、正高電圧電源に接続した少なくとも１つの正イオン放出電極を持つ出力を有し、正イオンを生成するように構成した正高電圧電源を含むバイポーライオン化装置を備える。負高電圧電源は、負高電圧電源に接続した少なくとも１つの負イオン放出電極を持つ出力を有し、負イオンを生成するように構成されている。正および負の高電圧電源の各出力は、振幅およびデューティサイクルを有する。制御装置は、正および負の高電圧電源の出力の振幅およびデューティサイクルのうち少なくとも１つを選択的に調整するように構成する。

本発明のさらに別の実施形態は、バイポーラ高電圧電源に接続した少なくとも１つのイオン放出電極を持つ少なくとも１つの出力を有するバイポーラ高電圧電源を含むバイポーライオン化装置を備える。バイポーラ高電圧電源は、正および負の電位を交互に出力する。イオン放出電極はそれによって正および負のイオンを交互に生成する。制御装置は、バイポーラ高電圧電源の出力の振幅およびデューティサイクルを同時に調整するように構成する。

上記の開示、および本発明の好適実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と共に読む時よりよく理解できるだろう。本発明の例示の目的で、図面には現在好適な実施形態を図示する。しかし、本発明は図示された通りの配置および手段に制限されるものではないことが理解されるだろう。

バイポーラパルスイオン化システムの概略構成図である。 図１のシステムのための調整プログラムを例示するフローチャートである。 図１のシステムのための代替的な調整プログラムを例示するフローチャートである。 図１のシステムのための第２の調整プログラムを例示するフローチャートである。 図１のシステムのための代替的な第２の調整プログラムを例示するフローチャートである。 均等出力の場合の振幅制御下のパルスを示すグラフである。 均等出力の場合のデューティサイクル制御下のパルスを示すグラフである。 均等出力の場合の２軸制御下のパルスを示すグラフである。 正シフトの場合の振幅制御下のパルスを示すグラフである。 負シフトの場合のデューティサイクル制御下のパルスを示すグラフである。 正シフトの場合の２軸制御下のパルスを示すグラフである。 負シフトの場合の振幅制御下のパルスを示すグラフである。 負シフトの場合のデューティサイクル制御下のパルスを示すグラフである。 負シフトの場合の２軸制御下のパルスを示すグラフである。 振幅制御下のパルスのそれぞれの合成波形を例示するグラフである。 デューティサイクル制御下のパルスのそれぞれの合成波形を例示するグラフである。 ２軸制御下の波形のそれぞれの合成波形を例示するグラフである。 図１６Ｂとともに、図４、図７、図１０および図１３のグラフを作成するために使用される値の表を示す。 図１６Ａとともに、図４、図７、図１０および図１３のグラフを作成するために使用される値の表を示す。 図１７Ｂとともに、図５、図８、図１１および図１４のグラフを作成するために使用される値の表を示す。 図１７Ａとともに、図５、図８、図１１および図１４のグラフを作成するために使用される値の表を示す。 図１８Ｂとともに、図６、図９、図１２および図１５のグラフを作成するために使用される値の表を示す。 図１８Ａとともに、図６、図９、図１２および図１５のグラフを作成するために使用される値の表を示す。 本発明の好適実施形態に係る多軸制御を適用する前のＨＶイネーブルタイミング信号およびＨＶ出力のグラフである。 本発明の好適実施形態に係る多軸制御を適用した後のＨＶイネーブルタイミング信号およびＨＶ出力のグラフである。 本発明の好適実施形態に係るイオン化システムの複数のモードのベースライン値の表である。 本発明の好適実施形態に係るバイポーライオン化システムの概略構成図である。 本発明の別の好適実施形態に係るバイポーライオン化システムの概略構成図である。

いくつかの用語は、便宜上本明細書で使用されるものにすぎず、本発明を制限するものと見なすべきではない。図面では、全図を通じて同じ参照番号は同じ要素を示すために利用される。

２軸制御は、正負の振幅およびデューティサイクルの制御を結合し、同時にこれらの制御をイオナイザに適用するものである。この制御方法の結果、目標範囲を基準としたイオナイザ制御のダイナミックレンジが大きく増大する。これは、イオナイザが移動ウェブまたは他の絶縁体といった高帯電物体の近くにある適用分野で特に有用である。振幅およびデューティサイクルの制御を結合するもう１つの利点は、それらの技術を単独で使用する場合と比較して解像度が向上することである。制御装置は出力パルス周波数および波形の形状を調整する能力も有するので、これらのパラメータも振幅および周波数と結合して、多軸制御を可能にすることができる。

好適実施形態では、目標上の残余電荷を表示するセンサを使用して２軸制御を操作してもよい。こうしたセンサは、イオナイザの下流に配置する。イオナイザは，センサ情報を使用して、イオナイザの振幅およびデューティサイクルを同時に調整し、下流の電荷を除去する。ここで、添付の図面を参照すると、本発明を例示する目的で、図面には、現在好適な実施形態が図示されている。しかし、本発明は図示された通りの配置および手段に制限されるものではないことが理解されるだろう。

図１は、バイポーラパルスイオン化システムの概略構成図である。この好適実施形態では、入力はバイポーライオン化装置１０に受信される。図１では、入力はイオナイザ電源１２によって受信される。入力は、ユーザ入力１６、センサ入力２０、マイクロプロセッサ入力、コンピュータ入力１８、等を含むがそれらに制限されない複数の入力源から導入してもよい。好適実施形態では、入力は制御装置、プロセッサ、または他の制御回路１４（簡潔にするため、以下「制御装置１４」と呼ぶ）によって受信される。本発明の実施形態では、様々な高電圧生成トポロジを使用することができる。特に、本発明の好適実施形態の用途で、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサといった，様々な制御装置１４を使用することができる。１つの適切な制御装置１４は、ザイログ社（Ｚｉｌｏｇ，Ｉｎｃ．）が製造する市販のＺ８ Ｅｎｃｏｒｅマイクロプロセッサである。

好適実施形態では、制御装置１４は正高電圧（ＨＶ）電源２２および負ＨＶ電源２４に結合されており、これらは、イオナイザバー２６としての、図１に示すイオン化エミッタ２６に入力電力を供給する。

好適実施形態では、制御装置１４を使用して、パルス振幅および望ましい周波数のために要求される周波数応答を提供する。イネーブル信号３０、３１がそれぞれ正および負のＨＶ電源２２、２４に提供され、高電圧パルスのタイミングを設定する。Ｖｐｒｏｇ＋およびＶｐｒｏｇ−の信号３２、３３は出力レベルを設定する。センサ３４は目標領域３６の中和に関するデータを収集する。上記で説明したように、装置１０はユーザ入力１６、コンピュータ入力１８、センサ入力２０、または他の入力に応答する。

図２Ａは、本発明の好適実施形態に係るイオン化システムのための調整プログラム２５０を例示するフローチャートである。イオナイザ１６の設定を決定したら（ステップ２５２）、装置１０を初期化してベースライン値とし（ステップ２５４）、イオン生成を開始して（ステップ２５６）、調整プログラム２５０の主ループに入る。目標領域３６での２軸制御の効果は、振幅またはデューティサイクル何れかの制御を単独で使用するよりも、電荷レベルを中和できる範囲が大きくなることである。図２に示すように、振幅およびデューティサイクルの制御を同時に調整し、イオナイザ１６に適用する。極性の制御も同時に行う。一例として、センサ、ユーザ、またはマイクロプロセッサの入力を受信すると（ステップ２５８）、極性の調整が必要か否かに関する決定を行う（ステップ２６０）。極性を調整する必要があると決定したら（ステップ２６０）、振幅およびデューティサイクルの調整を同時に行う。負の極性（ステップ２６２）を正方向に調整する必要があると決定した場合（ステップ２６４）、（１）Ｖｐｒｏｇ＋を増やす（ステップ２６６）、（２）Ｖｐｒｏｇ−を減らす（ステップ２６８）、および（３）極性反転カウンタのタイミングを増やす（ステップ２７０）、という調整を同時に行う。変数を調整したら、検査値を１組の制限値と比較する（ステップ２８０）。検査値が制限値の範囲内である場合、出力を、検査値に対応する新しい値に変更する（ステップ２８２）。正の極性（ステップ２６２）を負方向に調整する必要があると決定した場合（ステップ２７２）、（１）Ｖｐｒｏｇ−を増やす（ステップ２７４）、（２）Ｖｐｒｏｇ＋を減らす（ステップ２７６）、および（３）極性反転カウンタのタイミングを減らす（ステップ２７８）という調整を同時に行う。変数を調整したら、検査値を１組の制限値と比較する（ステップ２８０）。検査値が制限値の範囲内である場合、出力を、検査値に対応する新しい値に変更する（ステップ２８２）。望ましい極性が得られるまでこの処理を繰り返す。時間を基準とした正および負のイオン化サイクルを調整し、正および負のイオン化のデューティサイクルを延長および／または短縮することによって、目標範囲３６のバランスまたは実効電荷の制御を達成する。振幅およびデューティサイクルの変数のこうした同時調整の結果、何れかの変数を個別に適用するより大きな効果が得られる。

パルス周波数および波形の形状といった、制御装置１４がサポートする他の調整変数を、図２Ｂに示すステップ２７１、２７９のように、図２Ａのアルゴリズムにオプションで追加してもよい。こうした追加変数を振幅およびデューティサイクルと組み合わせて調整することによって、イオン生成の解像度をさらに増大することができる。

図３Ａは、本発明の好適実施形態に係るイオン化システムのための別の調整プログラム３５０を例示するフローチャートである。図２のステップと同様に、イオナイザの設定を決定し（ステップ３５２）、システムを初期化して選択したイオナイザのための１組のベースライン値とする（ステップ３５４）。イオン生成を開始し（ステップ３５６）、ユーザ、センサ、またはマイクロプロセッサからの入力を受信する（ステップ３５８）。イオナイザの極性を調整するか否かに関する決定を行う（ステップ３６０）。この好適実施形態では、個別のステップとして調整を処理するのであって、例えば、負の極性（ステップ３６２）を正方向に調整する必要があると決定した場合（ステップ３６４）、（１）極性反転カウンタのタイミングを増やす（ステップ３７０）、または（２）Ｖｐｒｏｇ＋を増やす（ステップ３６６）、または（３）Ｖｐｒｏｇ−を減らす（ステップ３６８）というステップのうち１つ以上を処理する。解像度を向上または増大するようなやり方で調整が行われる。図３に示すように、正の極性（ステップ３６２）を負方向に調整する必要があると決定した場合（ステップ３７２）、（１）極性反転カウンタのタイミングを減らす（ステップ３７８）、または（２）Ｖｐｒｏｇ−を増やす（ステップ３７４）、または（３）Ｖｐｒｏｇ＋を減らす（ステップ３７６）というステップのうち１つ以上を処理する。図３に示すように、極性を調整した後検査値を１組の制限値と比較する（ステップ３８０）。検査値が制限値の範囲内である場合、出力を検査値に対応する新しい値に変更する（ステップ３８２）。望ましい極性が得られるまでこの処理を繰り返す。出力をイオン化電源１２に入力として送信し、必要に応じて処理を繰り返す。図３Ａに示す実施形態によって、図２の同時調整技術よりもさらに大きな解像度が提供される。

パルス周波数および波形の形状といった、制御装置１４がサポートする他の調整変数を、図３Ｂに示すステップ３７１、３７９のように、図３Ａのアルゴリズムにオプションで追加してもよい。こうした追加変数を振幅およびデューティサイクルと組み合わせて調整することによって、イオン生成の解像度をさらに増大することができる。

図４および図５は、均等出力の場合の振幅およびデューティの制御の個別調整を例示するグラフである。図６は、均等出力の場合の振幅およびデューティの制御の２軸結合を例示するグラフである。図１６Ａ〜図１８Ｂは、図４〜図６に示すグラフを作成するために使用されるデータの表である。図４〜図６のグラフについては、振幅が等しく極性が逆であり、パルス幅は等しいことに注意されたい。

図７は、正方向にシフトした振幅制御を例示する。負出力に対して正出力が相対的に増大し、パルス幅は等しいことに注意されたい。図８は、正方向にシフトしたデューティサイクル制御を例示する。負パルスに対して正パルスの幅が相対的に増大し、パルスの振幅は等しいことに注意されたい。図９は、振幅およびデューティサイクルの調整を同時に行った時負パルスに対して正パルスの幅および振幅による面積が相対的に増大していることを例示する。図１６Ａ〜図１８Ｂに見られる表は、図７〜図９に示すグラフを作成するために使用されるデータを含む。

図１０は、負方向にシフトした振幅制御を例示する。正出力に対して負出力が相対的に増大し、パルス幅は等しいことに注意されたい。図１１は、負方向にシフトしたデューティサイクル制御を例示する。正パルスに対して負パルスの幅が相対的に増大し、パルスの振幅は等しいことに注意されたい。図１２は、振幅およびデューティサイクルの調整を同時に行った時正パルスに対して負パルスの幅および振幅による面積が相対的に増大していることを例示する。図１６Ａ〜図１８Ｂに見られる表は、図１０〜図１２に示すグラフを作成するために使用されるデータを含む。

図１３および図１４は、振幅制御のパルスのそれぞれの合成波形（図１３）およびデューティサイクル制御のパルスのそれぞれの合成波形（図１４）を例示するグラフを示す。図１５は、振幅およびデューティサイクルの調整を同時に行った時の正振幅解像度および時間軸解像度を全体的に組み合わせることによって増大した調整範囲を示す。図１６Ａ〜図１８Ｂに見られる表は、図１３〜図１５に示すグラフを作成するために使用されるデータを含む。

図１９は、本発明の好適実施形態に係るイオン化システムに多軸制御を適用する前のＨＶイネーブルタイミング信号１９９２およびＨＶ出力１９９３のグラフである。ＨＶ出力１９９３のデューティサイクルの分布が均一で振幅が均等であることに注意されたい。図２０は、本発明の好適実施形態に係るイオン化システムに多軸制御を適用した後のＨＶイネーブルタイミング信号２０９２およびＨＶ出力２０９３のグラフである。ＨＶ出力２０９３のデューティサイクルの分布が２０／８０となり振幅が不均等であることに注意されたい。

図２１は、本発明の好適実施形態に係る複数のモードのベースライン値の表である。この表は、周波数と共に、高速、ハイブリッド、および遠距離の各動作モードについての上限および下限レベルの範囲を示している。

図２２は、本発明の好適実施形態に係るバイポーライオン化システムの概略図である。図２２に示すように、イネーブル信号２２３０、２２３１は高電圧パルスのタイミングを設定し、Ｖｐｒｏｇ＋／−信号２２３２、２２３３は出力レベルを設定する。例示されるシステムでは、システムは、ユーザ２２１６、センサ２２２０、コンピュータ２２１８、または他の入力源からの入力に応答する。イオン化バー２２２６上のエミッタ（図示せず）は一方のみが正になり他方のみが負になる。

図２３は、本発明の別の好適実施形態に係るバイポーライオン化システムの概略図である。図２３のシステムは図２２のシステムと同様であるが、この実施形態では、バイポーラＨＶ電源２３２３に結合した、イオン化バー２３２６上のエミッタは正および負の両方になる。

本発明の広範な概念から逸脱することなく、上記で説明した実施形態への変更を行いうることを、当業者は認識するだろう。したがって、本発明は開示した特定の実施形態に制限されず、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内にある修正を包含することを企図していることが理解されるだろう。

Claims (12)

1. バイポーライオン化装置であって、
   正高電圧電源に接続した少なくとも１つの正イオン放出電極を持つ出力を有し、正イオンを生成するように構成した正高電圧電源と、
   負高電圧電源に接続した少なくとも１つの負イオン放出電極を持つ出力を有し、負イオンを生成するように構成した負高電圧電源と、
   正および負の高電圧イオン化波形を出力するイオナイザのための制御装置であって、各前記波形の振幅およびデューティサイクルを同時に調整する制御装置とを備える装置。
2. 前記制御装置がさらに、前記波形の前記振幅および前記デューティサイクルと同時に前記波形の少なくとも１つの追加特性を調整する、請求項１に記載の装置。
3. 前記追加特性が、周波数および波形の形状のうち１つである、請求項２に記載の装置。
4. バイポーライオン化装置であって、
   正高電圧電源に接続した少なくとも１つの正イオン放出電極を持つ出力を有し、正イオンを生成するように構成した正高電圧電源と、
   負高電圧電源に接続した少なくとも１つの負イオン放出電極を持つ出力を有し、負イオンを生成するように構成した負高電圧電源と、
   前記正および負の高電圧電源の前記出力の振幅およびデューティサイクルを同時に調整するように構成した制御装置とを備える装置。
5. 前記制御装置がさらに、前記正および負の高電圧電源の前記振幅および前記デューティサイクルと同時に前記正および負の高電圧電源の前記出力の少なくとも１つの追加特性を調整するように構成されている、請求項４に記載の装置。
6. 前記追加特性が、周波数および波形の形状のうち１つである、請求項５に記載の装置。
7. バイポーライオン化装置であって、
   正高電圧電源に接続した少なくとも１つの正イオン放出電極を持つ出力を有し、正イオンを生成するように構成した正高電圧電源と、
   負高電圧電源に接続した少なくとも１つの負イオン放出電極を持つ出力を有し、負イオンを生成するように構成した負高電圧電源であって、前記正および負の高電圧電源の各前記出力が振幅およびデューティサイクルを有する負高電圧電源と、
   前記正および負の高電圧電源の前記出力の前記振幅および前記デューティサイクルのうち少なくとも１つを選択的に調整するように構成した制御装置とを備える装置。
8. 前記正および負の高電圧電源の各前記出力が少なくとも１つの追加特性を含み、前記制御装置がさらに、前記正および負の高電圧電源の前記出力の前記振幅、前記デューティサイクル、および前記少なくとも１つの追加特性のうち少なくとも１つを選択的に調整するように構成されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記追加特性が周波数および波形の形状のうち１つである、請求項８に記載の装置。
10. バイポーライオン化装置であって、
    バイポーラ高電圧電源に接続した少なくとも１つのイオン放出電極を持つ出力を有するバイポーラ高電圧電源であって、前記バイポーラ高電圧電源が正および負の電位を交互に出力し、前記イオン放出電極がそれによって正および負のイオンを交互に生成するバイポーラ高電圧電源と、
    前記バイポーラ高電圧電源の前記出力の振幅およびデューティサイクルを同時に制御するように構成した制御装置とを備える装置。
11. 前記制御装置がさらに、前記バイポーラ高電圧電源の前記振幅および前記デューティサイクルと同時に前記バイポーラ高電圧電源の前記出力の少なくとも１つの追加特性を調整するように構成されている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記追加特性が、周波数および波形の形状のうち１つである、請求項１１に記載の装置。

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