JP2672949B2 - エミッションコントロール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、熱電子放出体から放出される電流（エミッ
ション電流）を制御するエミッションコントロール装置
に係わり、特にフィラメント通電電流のON・OFFを利用
してエミッション電流の安定化をはかったエミッション
コントロール装置に関する。 （従来の技術） 従来、３極管式の電離真空計では、フィラメントから
放出された電子をグリッドの正電位で加速し、この加速
電子によりガスをイオン化し、イオンを負電位のコレク
タに集める。そして、イオン化されたガス分子によって
流れるイオン電流が、真空中の残留ガス圧力に比例する
ことを利用して、真空度を測定している。 このような電離真空計では、エミッション電流が変動
すると、この変動によりイオン電流も変動するので正確
な真空度測定ができない。特に、フィラメントを加熱す
るための通電電流とエミッション電流との関係は指数関
数的となる。このため、フィラメント電流を安定化しな
いと、電源電圧変動等の外乱によりエミッション電流が
大きく変動してしまい、測定器として使用できない。従
って、エミッション電流を安定に制御するエミッション
コントロール装置が必要となる。 この種の装置としては、エミッション電流を抵抗の電
圧降下等により検出し、この検出値を演算増幅器等を介
してフィラメント電流にフィードバックする方法が考え
られるが、これはアナログの負帰還制御で外乱を平均化
して制御するものである。この場合、外乱に対して平均
で応答するので応答が遅く、また大きな外乱によりオー
バシュートが生じてしまう。さらに、比例制御であるこ
とから、数％オーダで揺ぎが生じる問題がある。 また、増幅器出力をスイッチングレギュレータに入力
し、フィラメントの通電電流をON・OFF制御（増幅器出
力に応じてパルス幅を可変:PWM制御）することも考えら
れる。しかしながら、この方法では応答時間の短縮をは
かることはできるが、オーバシュートの問題は依然とし
て解決できない。さらに、PWM制御するためのスイッチ
ングレギュレータ等の複雑な回路が必要となり、全体構
成の複雑化を招く問題がある。 一方、フィラメント電流をON・OFF制御する場合、フ
ィラメントのショート，オープン或いはグリッド回路の
オープン等の異常を検出する必要がある。特に、フィラ
メントのショートはフィラメント通電回路に接続された
パワートラジスタ等の破壊を招き、グリッド回路のオー
プンはフィラメントにそのままパワーを投入することに
なるのでフィラメントの寿命低下を招く。これらの異常
を検出するには各部に検出器を設ければよいが、検出器
の数が多くなり構成の複雑化を招く。また、フィラメン
トのショートを検出するために上記トランジスタと直列
に電流検出用抵抗を接続する方法もあるが、この場合は
抵抗自体が損失源となり望ましくない。特に、フィラメ
ント通電回路等の小電圧，大電流の回路では、電流検出
用抵抗を入れるのは大きな損失となる。 （発明が解決しようとする問題点） このように従来、電離真空計ではエミッション電流の
安定化が必要であるが、現状のエミッションコントロー
ル装置では、外乱に対する応答が遅い、オーバシュート
が生じる等の問題があった。さらに、フィラメント回路
やグリッド回路等の異常を検出する必要があるが、それ
ぞれの回路に異常センサを設けるのでは全体構成が複雑
化する等の問題があった。 また、上記問題は電離真空計に限るものではなく、フ
ィラメントの加熱により電子を放出し、エミッション電
流の安定化を必要とするものにあっては、同様に言える
ことである。 本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、オーバシュートを招くことなく、外
乱に対して応答性良くエミッション電流を制御すること
ができ、エミッション電流の安定化をはかり得、且つ単
一の異常検出回路で各部の異常を検出することのできる
エミッションコントロール装置を提供することにある。 （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、フィラメントの熱的な応答の後れを
利用してエミッション電流の安定化をはかることにあ
る。 即ち本発明は、熱電子放出に供されるフィラメントの
通電電流を可変して、該フィラメント若しくは該フィラ
メントで加熱されるカソードからのエミッション電流を
所望値に制御するエミッションコントロール装置におい
て、前記エミッション電流を検出する電流検出回路と、
この検出回路で検出された検出値と予め設定された基準
値とを比較して、検出値が基準値の上限を越える時に第
１レベルの信号を出力し、検出値が基準値の下限を越え
る時に第２レベルの信号を出力する比較回路と、この比
較回路の出力に応じて比較出力が第１レベルの時に前記
フィラメントへの通電電流をオフし、比較出力が第２レ
ベルの時に前記フィラメントへの通電電流をオンするス
イッチング回路と、前記比較回路の比較出力が第１及び
第２レベルを繰返しているか第２レベルのままとなって
いるかを判定して異常を検出する異常検出回路とを設け
るようにしたものである。 （作 用） 本発明によれば、検出値を基準値と比較しこれらの大
小に応じてフィラメント通電電流をON・OFF制御してい
るので、外乱に対する応答特性を極めて速くすることが
できる。さらに、エミッション電流を比較回路による比
較レベルの上限から下限までの間に抑えることができる
ので、オーバシュートを確実に防止することが可能であ
る。また、単一の異常検出回路を設けるのみで、各部の
異常を検出することができ、異常検出のために全体構成
が複雑化するのを抑えることが可能である。 なお、フィラメントの熱的な遅れを測定すると数10ms
ecの時定数である。そこで、連続制御でなく、直接フィ
ラメント電流をスイッチングした場合を考えると、エミ
ッション電流のリップルを十分少なくするには20KHz以
上のスイッチングが必要となる。また、制御の応答速度
を最高にするには、リップルをそのまま判断に使えば良
い。 （実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。 第１図は本発明の一実施例に係わるエミッションコン
トロール装置を示す概略構成図である。図中10は３極管
式の電離真空計であり、フィラメント11,グリッド12及
びコレクタ13から構成されている。この真空計10のコレ
クタ13にはイオン電流測定回路14が接続され、グリッド
12には正電圧を与えるためのグリッド定電圧回路15が接
続されている。真空計10のフィラメント11には、フィラ
メント電源21からの電流がFET等からなるスイッチング
用のパワートランジスタQ₁及びスイッチ22を介して供給
されている。ここで、電源21は、商用交流電圧を降圧・
整流して低電圧V₁の直流出力を得るものである。 フィラメント13には抵抗R₁,R₂が並列に接続されてお
り、これらの抵抗R₁,R₂の接続点が抵抗R₃,R₄を直列に介
して接地されている。そして、抵抗R₄にてエミッション
電流が電圧に変換されて検出される。ここで、抵抗R₁,R
₂は正確に等しい抵抗値を持つものであり、中点電圧を
とることによりトランジスタQ₁のスイッチングによる電
圧ノイズをエミッション電流の測定に影響しないように
する。抵抗R₃は、フィラメント11のバイアス用抵抗で、
イオンゲージの動作仕様により決める。 抵抗R₃,R₄の接続点は抵抗R₅を介して演算増幅器23の
非反転入力端に接続されている。演算増幅器14の反転入
力端は基準電圧電源24に接続され、非反転入力端と出力
端との間には抵抗R₆及びコンデンサC₁がそれぞれ接続さ
れ、これによりシュミット回路（比較回路）を構成して
いる。そして、前記抵抗R₄により検出される電圧Veは比
較回路により基準電圧V₂と比較され、検出電圧Veが基準
電圧（基準電圧V₂の上限）よりも大きい場合に比較回路
から“H"レベルの信号が出力され、検出電圧Veが基準電
圧（基準電圧V₂の下限）よりも小さい場合に“L"レベル
の信号が出力されるものとなっている。ここで、抵抗
R₅,R₆は比較回路の正帰還抵抗であり、エミッション電
流の上限と下限を決定するものである。コンデンサC₁は
比較回路における動作速度のスピードアップをはかるも
のである。 比較回路の出力端には、抵抗R₇及びフォトカプラ25の
発光素子（例えば発光ダイオード）D₁を介して電源電圧
Vccが供給されると共に、後述する異常検出回路26が接
続されている。フォトカプラ25の受光素子（例えばフォ
トトランジスタ）D₂は前記パワートランジスタQ₁のゲー
トとフィラメント電源21の＋端子との間に接続され、Q₁
のソースとゲートとの間には抵抗R₈が接続されている。
そして、前記比較回路の比較出力に応じて、トランジス
タQ₁がON・OFF駆動されるものとなっている。 一方、前記異常検出回路26は、第２図に示す如く構成
されている。即ち、前記演算増幅器23の出力端32は抵抗
R₁₁を介して演算増幅器31の反転入力端に接続され、抵
抗R₁₁には抵抗R₁₂及びダイオードD₁₁の直列回路が並列
に接続されている。さらに、演算増幅器31の反転入力端
はコンデンサC₁₁を介して電源Vccに接続され、非反転入
力端は抵抗R₁₃を介して電源Vccに接続されると共に抵抗
R₁₄を介して接地端に接続されている。そして、演算増
幅器31の出力端33が図示しないリレー等に接続され、前
記スイッチ22をON・OFF駆動するものとなっている。 次に、このように構成された本装置の作用について説
明する。 まず、エミッション電流が小さく抵抗R₄の両端電圧
（検出電圧）Veが基準電圧V₂よりも低い場合、即ち第３
図中の期間では、比較回路の出力は“L"レベルであ
り、このときフォトカプラ25のトランジスタD₂はON、ト
ランジスタQ₁もONとなる。つまり、フィラメント11に電
流が供給され、フィラメント温度は徐々に高くなる。 の期間において上限のレベルは、演算増幅器23の非
反転入力端の電圧Ｖ′が基準電圧V₂よりも高くなったと
きで、比較回路の出力が“L"であるから、 Ｖ′＝Ve・R₆/（R₅＋R₆） が基準電圧V₂を越えるときである。従って、抵抗R₄の両
端電圧である検出電圧VeがV₂・（R₅＋R₆）/R₆より高く
なった時、つまり基準電圧V₂よりもV₂・（R₅/R₆）だけ
高くなった時に比較回路の出力は“H"レベルとなる。そ
して、比較出力が“H"となったの期間ではトランジス
タD₂はOFF、トランジスタQ₁もOFFとなり、フィラメント
11への通電が停止されることになる。 の期間において下限のレベルは、演算増幅器23の非
反転入力端の電圧Ｖ′が基準電圧V₂よりも低くなったと
きで、比較回路の出力が“H"であるから、 Ｖ′＝Vcc−（Vcc−Ve）・R₆/（R₅＋R₆） が基準電圧V₂を−側に越えるときである。従って、抵抗
R₄の両端電圧である検出電圧VeがV₂−（Vcc−V₂）・（R
₅/R₆）より小さくなった時、つまり基準電圧V₂よりも
（Vcc−V₂）・（R₅/R₆）だけ低くなった時に比較回路の
出力は“L"レベルとなる。そして、比較出力が“L"とな
ったの期間では、トランジスタD₂がON、トランジスタ
Q₁がONとなり、再びフィラメント11が通電加熱される。
この操作の繰返しでフィラメント電流はON・OFF制御さ
れ、エミッション電流は基準値の上限と下限の間で変化
することになる。 従って、R₆》R₅とすれば、上限，下限共に基準電圧V₂
に極めて近くなり、上下限の幅が基準電圧に比べて十分
に小さくなり、エミッション電流は極めて微小な範囲内
で安定に保持されることになる。そしてこの場合、エミ
ッション電流が基準値の上限と下限との間の微小範囲で
常に安定するから、第４図中Ａに示す如くオーバシュー
トが発生することはない。これに対し比例制御では、第
４図中Ｂに示す如くオーバシュートが発生するのであ
る。さらに、比例制御ではなく比較回路の２値出力によ
るON・OFF制御であるので、電源電圧変動等に対して応
答性良く制御することができる。 ところで、上記装置においてフィラメント回路のオー
プン，ショート或いはグリッド回路のオープン等の異常
が生じると、トランジスタQ₁の破壊やフィラメントの寿
命低下を招き望ましくない。そこで本実施例では、異常
検出回路26により上記異常を検出している。 即ち、上記の異常に対して比較回路の出力は“L"レベ
ルのままとなる。この場合、第２図の異常検出回路にお
いて、入力端32が“L"のままであるからコンデンサC₁₁
が充電されて、演算増幅器31の反転入力端の電圧が非反
転入力端よりも低くなる。そして、演算増幅器31の出力
は“L"から“H"レベルに変化する。上記の異常がない場
合、比較回路が“L",“H"を繰返しているので、入力端3
2も同様に“L",“H"を繰返しコンデンサC₁₁が完全に充
電されることはなく、演算増幅器31の出力は“L"のまま
である。従って、前記出力端33に現われる出力に応じて
前記スイッチ22をON・OFF駆動（出力端33が“H"となる
ときスイッチ22をOFF）すれば、異常が生じた場合にフ
ィラメントの通電を速やかに停止することができる。 これにより、フィラメント回路のショートに伴うトラ
ンジスタQ₁の破壊を未然に防止することができ、さらに
グリッド回路のオープンに伴うフィラメント11の寿命低
下を防止することができる。また、異常センサを複数箇
所に設けるものと異なり、１箇所に異常検出回路を設け
ればよいので、構成の複雑化を最小限に止どめることが
可能となる。 かくして本実施例によれば、電源電圧変動等の外乱に
対して応答性良くフィラメント電流を制御することがで
き、しかもオーバシュートの発生を未然に防止すること
ができる。また、回路構成が簡単であり、スイッチング
によるON・OFF制御であることから回路ロスが少ない。
スイッチングの周波数がシュミットの幅とフィラメント
の応答速度で決り、フィラメントを変えても回路の応答
に影響ない（自動的にマッチングがとれる）。このた
め、電離真空計におけるエミッション電流の安定化に極
めて有効であり、真空度の測定制度の向上に寄与するこ
とができる。 また、フィラメント回路やグリッド回路の異常を単一
の異常検出回路26により検出することができ、これらの
異常が発生した場合にフィラメントの通電を停止するこ
とができる。従って、フィラメント11の寿命低下やトラ
ンジスタQ₁の破壊を未然に防止することができる。 なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。例えば、エミッション電流検出回路は抵抗R₄の電
圧降下を利用したものに限らず、エミッションの電流を
直接比較回路に入力するようにしてもよい。また、比較
回路は演算増幅器，抵抗R₅,R₆,コンデンサC₁等からなる
ものに限らず、検出値と基準値とを比較し、検出値が基
準値の上限を＋側に越えるとき及び下限を−側に越える
ときにその出力が反転するものであればよい。さらに、
スイッチング回路はFETに限るものではなく、仕様に応
じて適宜変更可能である。また、フォトカプラは必ずし
も必要なく、比較回路の出力で直接スイッチング回路を
制御するようにしてもよい。 また、実施例では電離真空計について説明したが、本
発明はフィラメントの加熱により電子を放出し、エミッ
ション電流の安定化を必要とするもの、例えば電子ビー
ム蒸着や電子ビーム溶接等における電子放出源に適用す
ることが可能である。さらに、フィラメントから直接電
子を放出するものに限らず、フィラメントで加熱された
カソードから電子を放出するものにも適用可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施することができる。 （発明の効果） 以上詳述したように本発明によれば、エミッション電
流の検出値と基準値とを比較し、その比較出力（２値信
号）に基づいてフィラメント電流をON・OFF制御してい
るので、オーバシュートを招くことなく、外乱に対して
応答性良くエミッション電流を制御することができる。
しかも、比較回路の出力に基づいて異常を検出している
ので、単一の異常検出回路で各部の異常を検出すること
ができ、異常検出のために全体構成が複雑化するのを抑
えることができる。従って、フィラメントの加熱により
電子を放出し、エミッション電流の安定化を必要とする
ものに適用して絶大な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例に係わるエミッションコント
ロール装置を示す概略構成図、第２図は上記装置に用い
た異常検出回路の具体的構成を示す回路構成図、第３図
及び第４図はそれぞれ上記装置の作用を説明するための
模式図である。 10……電離真空計、11……フィラメント、12……グリッ
ド、13……コレクタ、14……イオン電流測定回路、15…
…グリッド定電圧回路、21……フィラメント電源、22…
…スイッチ、23,31……演算増幅器、24……基準電圧電
源、25……フォトカプラ、26……異常検出回路、Ｑ……
トランジスタ、Ｒ……抵抗、Ｃ……コンデンサ。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．熱電子放出に供されるフィラメントの通電電流を可
   変して、該フィラメント若しくは該フィラメントで加熱
   されるカソードからのエミッション電流を所望値に制御
   するエミッションコントロール装置において、前記エミ
   ッション電流を検出する電流検出回路と、この検出回路
   で検出された検出値と予め設定された基準値とを比較し
   て、検出値が基準値の上限を越える時に第１レベルの信
   号を出力し、検出値が基準値の下限を越える時に第２レ
   ベルの信号を出力する比較回路と、この比較回路の比較
   出力が第１レベルの時に前記フィラメントへの通電電流
   をオフし、比較出力が第２レベルの時に前記フィラメン
   トへの通電電流をオンするスイッチング回路と、前記比
   較回路の比較出力が第１及び第２レベルを繰返している
   か第２レベルのままとなっているかを判定して異常を検
   出する異常検出回路とを具備してなることを特徴とする
   エミッションコントロール装置。 ２．前記電流検出回路は、エミッション電流の流れる回
   路に直列に接続された抵抗からなり、エミッション電流
   の大きさに応じた電圧を出力するものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のエミッションコント
   ロール装置。 ３．前記比較回路は、反転入力端に基準電圧電源を接続
   した演算増幅器，この演算増幅器の非反転入力端と前記
   電流検出回路の出力端との間に接続された第１の抵抗、
   演算増幅器の非反転入力端と出力端との間に接続された
   第２の抵抗からなるものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のエミッションコントロール装置。 ４．前記比較回路の第２の抵抗に、コンデンサを並列に
   接続したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   エミッションコントロール装置。 ５．前記スイッチング回路は、前記フィラメントの通電
   回路に挿入されたパワーFETと、このFETのゲートと前記
   比較回路の出力端との間に接続されたフォトカプラから
   なるものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のエミッションコントロール装置。 ６．前記異常検出回路は、前記比較回路の比較出力を積
   分する積分器と、この積分器の積分出力と所定のレベル
   を比較する比較器とで構成され、比較出力が第１及び第
   ２レベルを繰返すときと第２レベルのままのときとで異
   なるレベルを出力するものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のエミッションコントロール装
   置。