JP5669501B2 - 電磁石駆動制御装置、及び電磁石装置 - Google Patents

Description

本発明は、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装置の各電磁石を駆動制御する電磁石駆動制御装置、及び電磁石装置に関する。

この種の電磁石装置は、複数の電磁石を備え、該電磁石の励磁コイルに任意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磁界を形成するようになっている。この電磁石装置の各電磁石の駆動制御には、励磁コイルに励磁電流を通電するドライバーと、該ドライバーに励磁コイルに通電する励磁電流を指令する電流制御部を備えている。更に、前記空間内に形成され磁界の強度等を制御するために、励磁コイルに流れる励磁電流を電流検出部で検出し、該検出した電流値を電流制御部にフィードバックし、励磁コイルに流れる電流が目標励磁電流となるように制御する。これにより磁界強度が目標励磁電流相当の強度になるように制御している。

図１は従来の電磁石装置の各電磁石を駆動制御する電磁石駆動部の概略構成を示す図である。図示するように、従来の電磁石駆動制御部においては、電磁石駆動制御装置を構成する部品配置スペースの都合上、ドライバー１２０と電磁石１００とは離れた位置に配置されており、ドライバー１２０と電磁石１００のコア１０１に巻回された励磁コイル１０２とは電流容量の大きい長いケーブル１１０で接続されている。電流制御部１３０からドライバー１２０に電流信号Ｓ１を出力することにより、ドライバー１２０は電流信号Ｓ１で指定された励磁電流ｉを流すためのコイル駆動電圧ｖを励磁コイル１０２に出力する。また、励磁コイル１０２に流れた励磁電流は電流検出器１３１で検出され、該電流検出信号Ｓ２は増幅器（ＡＭＰ）１３２で増幅され、Ａ／Ｄ変換器１３３でデジタル量の電流検出信号Ｓ３に変換され、電流制御部１３０にフィードバックされている。これにより、任意波形の電流を励磁コイル１０２に流し、電磁石１００に隣接する図示しない隔壁で仕切られた空間内に磁場を形成する。該隔壁で仕切られた空間内には、プラズマが封入されており、電磁石１００が形成する磁場によって該空間内のプラズマ密度を空間的に制御できるようになっている。

電磁石のコア１０１には水冷ジャケットと１０３が取り付けられ、該水冷ジャケット１０３に冷却水を流すことにより、該冷却水と電磁石１００で発生する熱との間で熱交換が行われ、電磁石１００の温度上昇を抑制している。また、ドライバー１２０にはヒートシンク１２１が取り付けられ、ドライバー１２０で発生する熱を放熱している。

特開平１０−２４１９３３号公報

しかしながら、上記従来の電磁石駆動制御部では、ドライバー１２０と電磁石１００は離れて配置されているため、ケーブル１１０は電流容量の大きい長いケーブルである必要があると共に、該ケーブルに大きい励磁電流が流れるため、電流ロスが発生すると同時に熱が発生する。電流容量の大きい長いケーブルは高価であるだけでなく、電流損失に伴い発熱することからこの発熱に対する対策が必要となり、電磁石装置の設備コスト及び運転によるランニングコストが高くなるという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ドライバーと電磁石の励磁コイルと接続する大電流容量のケーブルが不必要で電流ロスの発生が少なくて、設備コスト及びランニングコストの安価な電磁石駆動制御装置、及び電磁石駆動制御装置を備えた電磁石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、電磁石を備え、該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、隔壁で仕切られた所定の空間に磁界を形成する電磁石装置を駆動制御する電磁石駆動制御装置であって、励磁コイルに任意の励磁電流を通電するドライバーと、励磁コイルに通電する励磁電流をドライバーに指令する電流制御部を備え、ドライバーと前記電流制御部を別置きとし、電磁石はコアに励磁コイルが巻回され、該コアに水冷ジャケットが一体に取り付けられた構成であり、コアにはドライバーを構成するプリント基板に実装された電流増幅器が取り付けられると共に、該プリント基板の出力部には電流増幅器の出力端が接続されており、プリント基板の出力部に接続された電流増幅器の出力端に励磁コイルの端部を直接接続し、ドライバーと励磁コイルを一体として配置したことを特徴とする。

また、本発明は、電磁石を備え、該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、隔壁で仕切られた所定の空間に磁界を形成する電磁石装置を駆動制御する電磁石駆動制御装置であって、励磁コイルに任意の励磁電流を通電するドライバーと、励磁コイルに通電する励磁電流をドライバーに指令する電流制御部を備え、ドライバーと電流制御部を別置きとし、電磁石はコアに励磁コイルが巻回され、該コアに水冷ジャケットが一体に取り付けられた構成であり、ドライバーは熱伝導体を介して電磁石のコアに接続され、ドライバーと水冷ジャケットは熱伝導体を介して一体に熱的に結合され、励磁コイルの端部をハーネスを介してドライバーの出力部に電気的に接続したことを特徴とする。

また、本発明は、複数の電磁石を備え、該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、隔壁で仕切られた所定の空間内に磁界を形成する電磁石装置であって、電磁石を駆動制御する電磁石駆動制御装置に上記電磁石駆動制御装置のいずれかを用いることを特徴とする。

本発明によれば、ドライバーと電流制御部を別置きとし、電磁石はコアに励磁コイルが巻回され、該コアに水冷ジャケットが一体に取り付けられた構成であり、コアにはドライバーを構成するプリント基板に実装された電流増幅器が取り付けられると共に、該プリント基板の出力部には電流増幅器の出力端が接続されており、プリント基板の出力部に接続された電流増幅器の出力端に励磁コイルの端部を直接接続し、ドライバーと励磁コイルを一体として配置するか、又はドライバーは熱伝導体を介して電磁石のコアに接続され、ドライバーと水冷ジャケットは熱伝導体を介して一体に熱的に結合され、励磁コイルの端部をハーネスを介してドライバーの出力部に電気的に接続したので、ドライバーと励磁コイルとを接続する大電流容量の長いケーブルが不必要又は短くて済み、また、ドライバーの発熱を放熱するためのヒートシンクが不要となるので設備コストが安価となり、更に電流ロスが少なくて済むことから、熱対策が少なくて済むランニングコストの安価な電磁石駆動制御装置、及び電磁石装置を提供できる。

従来の電磁石駆動制御装置の概略構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石駆動制御装置の概略構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石駆動制御装置の他の概略構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石駆動制御装置の概略構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電磁石装置の全体概略構成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２は本発明に係る電磁石駆動制御装置の概略システム構成例を示すブロック図である。図示するように、本電磁石駆動制御装置では、電磁石１０とドライバー１２とが一体に構成されたドライバー・電磁石ユニット２を備えている。電磁石１０はコア１１に励磁コイルＸが巻回された構成であり、該コア１１には水冷ジャケット１３が一体に取り付けられている。また、コア１１にはドライバー１２を構成するプリント基板１５に実装された電流増幅器１４が取り付けられている。励磁コイルＸの端部はドライバー１２のプリント基板１５の出力部に直接接続されている。

電流制御部１６からの電流信号Ｓ１は信号伝送用配線１７を通して、ドライバー１２のプリント基板１５の入力部に入力し、該電流信号Ｓ１はドライバー１２の電流増幅器１４で電流増幅され、励磁コイルＸに電流信号Ｓ１で指示された励磁電流ｉを通電するに必要なコイル駆動電圧ｖとなり、プリント基板１５の出力部から直接励磁コイルＸに出力される。これにより励磁コイルＸには電流信号Ｓ１で指示された励磁電流ｉが流れ、磁束が発生し、隔壁（図示せず）で仕切られた空間に磁界が形成される。電流増幅器１４や励磁コイルＸやコア１１から発生する熱は、水冷ジャケット１３に流入する冷却水との間で熱交換が行われ、該熱は奪われ、電流増幅器１４や励磁コイルＸやコア１１の温度上昇は抑えられる。

上記のように電磁石１０の励磁コイルＸをドライバー１２のプリント基板１５の出力部に直接接続することにより、図１に示すように電流容量の大きい長いケーブル１１０を必要とせずその分コストが安価となる。また、長いケーブルを介して電流を流す必要が無く、その分電流ロスが少なくなる。また、電流容量の大きい長い高価なケーブルを必要しない分だけ設備コストも安価となり、電流損失及び該電流損失に伴い発熱に対する対策が必要でなくなり、電磁石装置の運転によるランニングコストが安価となる。

図３は本発明に係る電磁石駆動制御装置の他の概略システム構成例を示すブロック図である。図示するように、本電磁石駆動制御装置では、ドライバー１２と電磁石１０を接近させて配置したドライバー・電磁石ユニット２を備えている。電磁石１０のコア１１には水冷ジャケット１３が一体に取り付けられており、該水冷ジャケット１３とドライバー１２とは熱伝導体１９を介して一体に熱的に結合されている。ドライバー１２と電磁石１０のコア１１に巻回した励磁コイルＸは短いハーネス１８で電気的に接続されている。

上記電磁石駆動制御装置において、電流制御部１６からの電流信号Ｓ１は信号伝送用配線１７を通して、ドライバー１２に入力し、該電流信号Ｓ１はドライバー１２の電流増幅器（図示せず）で電流増幅され、励磁コイルＸに電流信号Ｓ１で指示された励磁電流ｉを通電するのに必要なコイル駆動電圧ｖとなり、短いハーネス１８を通して励磁コイルＸに出力される。これにより励磁コイルＸには電流信号Ｓ１で指示された励磁電流ｉが流れ、磁束が発生し、隔壁（図示せず）で仕切られた空間に磁界が形成される。ドライバー１２で発生した熱Ｈは熱伝導体１９を通って水冷ジャケット１３に伝達され、電磁石１０の励コイルＸやコア１０から発する熱と共に、水冷ジャケット１３を通る冷却水との間の熱交換により奪われ、ドライバー１２や励磁コイルＸやコア１１の温度上昇が抑えられる。

上記のように電磁石１０の励磁コイルＸをドライバー１２の出力に短いハーネス１８を介して接続することにより、図１に示すように電流容量の大きい長いケーブル１１０を必要とせずその分コストが安価となる。また、長いケーブルを介して電流を流す必要が無くその分電流ロスが少なくなる。電流容量の大きい長い高価なケーブルを必要しない分だけ設備コストも安価となり、電流損失及び該電流損失に伴い発熱に対する対策が必要でなくなり、電磁石装置の運転によるランニングコストが安価となる。

図４は本発明に係る電磁石駆動制御装置のシステム構成例を示すブロック図である。図４において、２は電磁石１０とドライバー１２とが一体に構成されたドライバー・電磁石ユニット（図２参照）又は電磁石１０とドライバー１２が接近して配置されたドライバー・電磁石ユニット（図３参照）である。電流制御部１６はデジタル演算部２０とＤ／Ａ変換器２１とを備え、該電流制御部１６からの電流信号Ｓ１は信号伝送用配線１７を通して、ドライバー・電磁石ユニット２のドライバー１２に入力されるようになっている。また、電磁石１０の励磁コイルＸに流れた電流は電流検出器２２で検出され、該電流検出信号Ｓ２は増幅器（ＡＭＰ）２３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器２４でデジタル量の電流検出信号Ｓ３となって電流制御部１６のデジタル演算部２０にフィードバックされる。増幅器２３、Ａ／Ｄ変換器２４、及びデジタル演算部２０でフィードバックループ２５が形成される。なお、ここでドライバー・電磁石ユニット２は、図２又は図３に示す構成に限定されるものではない。

デジタル演算部２０はＣＰＵ或いはＤＳＰを具備し、ホストコンピュータ１空任意波形（例えば正弦波、矩形波、三角波等）を指令する電流指令信号Ｓが入力されると、演算処理にて電流指令信号Ｓで指定された波形に基づいた目標励磁電流信号を生成する。Ｄ／Ａ変換器２１は、電流制御部１６から出力された信号を連続した電流信号Ｓ１に変換し、信号伝送用配線１７を通してドライバー・電磁石ユニット２のドライバー１２に出力される。ドライバー１２では電流増幅器で電流信号Ｓ１を電流増幅（図示せず）し、該電流信号Ｓ１に対応する励磁電流ｉを電磁石１０の励磁コイルＸに通電するためのコイル駆動電圧ｖを生成し、励磁コイルＸに出力する。これにより励磁コイルＸに励磁電流ｉが流れ、電磁石１０から発生される磁束により、隔壁で仕切られた所定の空間に磁界を形成する。

励磁コイルＸに流れる電流ｉは電流検出器２２で検出され、該電流検出信号Ｓ２は増幅器２３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器２４でデジタル量の電流検出信号Ｓ３に変換され、フィードバックループ２５を通して電流制御部１６のデジタル演算部２０にフィードバックされる。デジタル演算部２０ではこのフィードバックされた電流検出信号Ｓ３とデジタル演算部２０内で生成された該目標励磁電流信号を比較し、励磁コイルＸに該目標励磁電流信号で指定された波形の「位相」と「値」の電流が流れるように電流制御部１６のＤ／Ａ変換器２１からドライバー１２に出力される電流信号Ｓ１を補正する。このように、ホストコンピュータからの電流指令信号Ｓで指定した励磁電流ｉが励磁コイルＸに流れるようデジタル演算部２０によってフィードバック制御される。

図５は複数のドライバー・電磁石ユニット２を備えた電磁石装置の構成例を示すブロック図である。図示するように、本電磁石装置は複数のドライバー・電磁石ユニット２を備えている。ドライバー・電磁石ユニット２ではドライバー１２と電磁石１０とは図２に示すように一体に構成されているか、又は図３に示すように接近して配置されている。各ドライバー１２には、デジタル演算部２０とＤ／Ａ変換器２１を備えた電流制御部１６から電流信号Ｓ１が入力されるようになっており、該電流信号Ｓ１をドライバー１２が備える電流増幅器（図示せず）で増幅し、コイル駆動電圧ｖを生成して、各電磁石１０の励磁コイルＸに出力する。これにより、各電磁石１０の励磁コイルＸにホストコンピュータ１からの電流指令信号Ｓで指定され励磁電流ｉが流れる。

各励磁コイルＸに流れた励磁電流ｉはそれぞれ電流検出器２２で検出され、該電量検出信号Ｓ２はそれぞれ増幅器２３、Ａ／Ｄ変換器２４を備えたフィードバックループ２５を通して電流制御部１６のデジタル演算部２０にフィードバックされる。これにより、各電磁石１０で発生する磁束で隔壁で仕切られた空間内にホストコンピュータ１で指定する励磁電流に相当する強度の磁界が形成される。

このとき、上記のように各ドライバー・電磁石ユニット２のドライバー１２と電磁石１０の励磁コイルＸとは図２に示すように一体又は図３に示すように接近して配置されているため、図１に示すようにドライバーの出力部と励磁コイルＸとを接続する電流容量の大きい長いケーブルは不要となり、その分安価になると共に、電流ロスも少なくなる。なお、図２の電流増幅器１４及び図３〜５のドライバー１２の電流増幅器は、アナログ式電流増幅器であってもＰＷＭ式増幅器であってもよい。

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。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用効果を奏する以上、本願発明の技術範囲である。

本発明は、ドライバーと電流制御部を別置きとし、ドライバーと励磁コイルを一体として配置するか又は接近させて配置したので、ドライバーと励磁コイルとを接続する大電流容量のケーブルを不必要又は短いハーネスで済み設備コストが安価となり、更に電流ロスが少なくて済むことから、熱対策を少なくて済み、設備コストとランニングコストの安価な電磁石駆動制御装置、及び電磁石装置として利用できる。

１ ホストコンピュータ
２ ドライバー・電磁石ユニット
１０ 電磁石
１１ コア
１２ ドライバー
１３ 冷却ジャケット
１４ 電流増幅器
１５ プリント基板
１６ 電流制御部
１７ 信号伝送用配線
１８ ハーネス
１９ 熱伝導体
２０ デジタル演算部
２１ Ｄ／Ａ変換器
２２ 電流検出器
２３ 増幅器
２４ Ａ／Ｄ変換器
２５ フィードバックループ

Claims (3)

1. 電磁石を備え、該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、隔壁で仕切られた所定の空間に磁界を形成する電磁石装置を駆動制御する電磁石駆動制御装置であって、
   前記励磁コイルに任意の励磁電流を通電するドライバーと、前記励磁コイルに通電する励磁電流を前記ドライバーに指令する電流制御部を備え、
   前記ドライバーと前記電流制御部を別置きとし、
   前記電磁石はコアに前記励磁コイルが巻回され、該コアに水冷ジャケットが一体に取り付けられた構成であり、
   前記コアには前記ドライバーを構成するプリント基板に実装された電流増幅器が取り付けられると共に、該プリント基板の出力部には前記電流増幅器の出力端が接続されており、前記プリント基板の出力部に接続された前記電流増幅器の出力端に前記励磁コイルの端部を直接接続し、前記ドライバーと前記励磁コイルを一体として配置したことを特徴とする電磁石駆動制御装置。
2. 電磁石を備え、該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、隔壁で仕切られた所定の空間に磁界を形成する電磁石装置を駆動制御する電磁石駆動制御装置であって、
   前記励磁コイルに任意の励磁電流を通電するドライバーと、前記励磁コイルに通電する励磁電流を前記ドライバーに指令する電流制御部を備え、
   前記ドライバーと前記電流制御部を別置きとし、
   前記電磁石はコアに前記励磁コイルが巻回され、該コアに水冷ジャケットが一体に取り付けられた構成であり、
   前記ドライバーは熱伝導体を介して前記電磁石のコアに接続され、前記ドライバーと前記水冷ジャケットは前記熱伝導体を介して一体に熱的に結合され、
   前記励磁コイルの端部をハーネスを介して前記ドライバーの出力部に電気的に接続したことを特徴とする電磁石駆動制御装置。
3. 複数の電磁石を備え、該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、隔壁で仕切られた所定の空間内に磁界を形成する電磁石装置であって、
   前記電磁石を駆動制御する電磁石駆動制御装置に請求項１又は２に記載の電磁石駆動制御装置を用いることを特徴とする電磁石装置。

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