JP6026833B2 - 電磁石用電源制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁石用電源制御装置および制御方法に関する。

荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム照射装置の走査電磁石に電力を供給する電源装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の装置には、ＸＹ各方向に走査する電磁石に電圧を印加する電源について、それぞれ２つの電源部（第１電源部と第２電源部）が設けられている。第１電源部は電磁石に流れる電流を短時間に変化させるために用いられ、第２電源部は変化した後の電流を一定値に保つために用いられるものであって、これら２つの電源部からの出力電流を足し合わせたものが電磁石に供給される。
第１電源部としては、一般にフィルタを出力側に有しないものが、第２電源部としては、脈動成分を除去するフィルタを出力側に有するものが用いられる。そして、走査電磁石に流れる励磁電流は、複数の照射領域に対して順番にビームを照射する場合、階段状に増加または減少するものとなる。そして、電流値が一定の期間では磁場が変化しないため、ビーム照射位置が動かず、電流値が変化している期間にビーム照射位置が移動する。

このとき、第１電源部の出力はオン／オフを繰り返すものとなる。走査電磁石に印加される電圧Ｖと、走査電磁石のインダクタンスＬと、走査電磁石における励磁電流の変化量ΔＩと、励磁電流をΔＩだけ変化させるのに要する時間ｔとの間には、下記の式（１）の関係が成り立つ。
Ｖ＝Ｌ・ΔＩ／ｔ （１）
したがって、第１電源部の停止タイミングは、インダクタンスＬが固定値であるので電圧Ｖが一定の場合、励磁電流の変化量ΔＩに応じた値に決定される。

一方、第２電源部の出力は常時オンとされる。走査電磁石に印加される電圧Ｖと、必要とされる電磁石の励磁電流Ｉと、電磁石の抵抗値Ｒとの関係は下記の式（２）で与えられ、この関係に従って電圧Ｖが決定される。
Ｖ＝Ｒ・Ｉ （２）

特許３５８０２５４号公報

上記式（１）に基づいて第１電源部の停止タイミングを決定すると、励磁電流の変化量ΔＩが大きい場合にｔも大きくなって停止タイミングが遅れ、電磁石の表皮効果、近接効果、渦電流などのために、第１電源の停止時に、電流設定値と電流モニタ値との差分である電流偏差が大きくなるという問題がある。

本発明の目的は、電源の停止時に電流偏差を小さくすることができる電磁石用電源制御装置および方法を提供することである。

本発明に係る電磁石用電源制御装置は、電源から電磁石に供給される励磁電流の設定値を階段状に変化させることで前記励磁電流を所望の値に変化させる電磁石用電源制御装置において、前記励磁電流の設定値を記憶する設定値記憶手段と、前記励磁電流の実測値を測定する測定手段と、前記設定値と前記実測値との偏差を算出する偏差算出手段と、前記偏差に対して所定の偏差閾値を設定する閾値設定手段と、前記偏差が前記偏差閾値を超えると前記電磁石への電源供給を停止させるように前記電源を制御する電流停止手段とを備える。

前記閾値設定手段は、前記偏差閾値を前記設定値の変化量ΔIrefに比例する１次関数値ａΔIref+ｂ（但し、ａ,ｂは定数）として設定する。前記閾値設定手段は、前記偏差閾値として設定された一次関数値ａΔＩref＋ｂの定数ａおよびｂを決定する定数決定手段を有し、前記設定値記憶手段は、前記設定値の変化量ΔIrefの変化前後に対応した２つの電流基準値Ｉrefを記憶し、前記偏差算出手段は、前記設定値記憶手段に記憶された変化後の前記設定値に対応した電流基準値Ｉrefと前記励磁電流の実測値Ｉmonとの差分である電流偏差Ｉdiffを順次算出し、前記電流停止手段は、電流偏差Ｉdiffと前記偏差閾値とを比較して前記電流偏差が前記偏差閾値を超えると前記電磁石への電源供給を停止させることが好ましい。

前記定数決定手段は、前記電源から前記電磁石への電流供給を停止したときに発生する電流偏差Ｉdiffの最大値が、変化量ΔＩrefが所定範囲内で変化しても所定値以下となるように、電流偏差Ｉdiffの実測に基づいて定数ａおよびｂを決定することが好ましい。

前記設定値記憶手段が、互いに前後した時間に対応した２つの電流基準値Ｉrefを、後の時間に対応した電流基準値Ｉrefが次の段階では先の時間に対応した電流基準値Ｉrefとなるように、時間の経過に伴って順次記憶するものであるときに、前記電流停止手段が、電流供給が停止した後であって前記設定値記憶手段の記憶内容が変更された後に、前記電磁石への電流供給を再開する再開手段をさらに備えており、前記定数決定手段が定数ａおよびｂを決定した後に、前記偏差算出手段による偏差算出から、前記電流停止手段による前記電磁石への電流供給の停止、前記再開手段による前記電磁石への電流供給の再開までを複数回繰り返して行うことが好ましい。

前記閾値設定手段は、前記励磁電流の正負の極性と前記電磁石に印加される電圧の正負の極性との組合せからなる４つの極性パターンごとに、定数ａ,ｂを決定することが好ましい。

本発明に係る電磁石用電源制御方法は、電源から電磁石に供給される励磁電流の設定値を階段状に変化させることで前記励磁電流を所望の値に変化させる電磁石用電源制御装置の制御方法において、前記励磁電流の設定値を記憶する設定値記憶ステップと、前記励磁電流の実測値を測定する測定ステップと、前記設定値と前記実測値との偏差を算出する偏差算出ステップと、前記偏差に対して所定の偏差閾値を設定する閾値設定ステップと、前記偏差が前記偏差閾値を超えると前記電磁石への電源供給を停止させるように前記電源を制御する電流停止ステップとを備える。

前記閾値設定ステップでは、前記偏差閾値を前記設定値の変化量ΔIrefに比例する１次関数値ａΔIref+ｂ（但し、ａ,ｂは定数）として設定する。

本発明によると、電源の停止時に電流偏差を小さくすることができる。

本発明の一実施の形態に係る電磁石用電源制御装置を含む回路のブロック図である。 電源から電磁石に供給される電流の一例を示すグラフである。 本発明の一実施の形態に係る電磁石用電源制御方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に示す電磁石用電源制御装置１は、電磁石２のＸ方向照射位置を制御する装置であって、制御ユニット１０と、スイッチング素子である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）１２と、スイッチング素子である電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）１４と、ＩＧＢＴ１２の出力とＦＥＴ１４の出力とに接続された供給回路１６とを含んでいる。
制御ユニット１０は、ＩＧＢＴ１２およびＦＥＴ１４にこれらのオン／オフを制御する信号（ＩＧＢＴゲート信号、ＦＥＴゲート信号）をそれぞれ供給する。供給回路１６は、ＩＧＢＴ１２から出力された電流と、ＦＥＴ１４から出力された電流とを重ね合わせて電磁石２に供給する。
なお、電磁石２のＹ方向照射位置を制御する装置は別途設けられており、本装置１と同様の構成を有している。

制御ユニット１０は、デジタル基板２１と、アナログ基板２３とを有している。デジタル基板２１には、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）３１と、デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）３２と、コンパレータ３４とが実装されている。
アナログ基板２３には、２つのアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）４１、４２と、デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）４４と、コンパレータ４６とが実装されている。

ＦＰＧＡ３１は、ＩＧＢＴタイミング制御部５１、基準信号生成部５２、ＦＥＴ制御部５３、基準値記憶部５５、電流偏差記憶部５７、および、モニタ電流値記憶部５８を有する。
ＦＰＧＡ３１には、外部から、後述するトリガ信号および電流指示信号が供給される。基準値記憶部５５は、電源（ＩＧＢＴ１２およびＦＥＴ１４）から電磁石２に供給される電流の目標値を示す、互いに前後した時間に対応した２つの電流基準値Ｉref（本実施の形態ではＩref1が先の時間に対応しており、Ｉref2が後の時間に対応している）を記憶する。
基準値記憶部５５は、互いに前後した時間に対応した２つの電流基準値Ｉrefを、後の時間に対応した電流基準値Ｉrefが、次の段階では先の時間に対応した電流基準値Ｉrefとなるように、時間の経過に伴って順次記憶する。
つまり、基準値記憶部５５に記憶された２つの電流基準値は、１段階進むごとに、先の時間に対応した基準値Ｉref1が削除され、同時に、既に記憶されている後の時間に対応した基準値Ｉref2が先の時間に対応した基準値Ｉref1に名称変更され、新たに後の時間に対応した基準値Ｉref2が記憶されるというように、１つずつ更新される。
基準値記憶部５５に記憶される基準値Ｉrefは、電磁石用電源制御装置１の外部から供給される上述の電流指示信号によって基準値記憶部５５に順次与えられる。

基準信号生成部５２は、後述する手順によって決定された定数ａおよびｂを記憶しており、基準値記憶部５５に記憶された２つの基準値Ｉref1とＩref2の間の変化量（Ｉref1とＩref2の差分値）ΔＩrefの一次関数ａΔＩref＋ｂで表される一定値を有する基準信号を生成する。
生成された基準信号は、ＤＡＣ３２に供給される。ＦＥＴ制御部５３は、常にＦＥＴ１４をオンとするＦＥＴゲート信号をＦＥＴ１４に出力する。

本実施の形態において、基準信号生成部５２は、電圧と電流の正負で区分される四象限（（Ｖ，Ｉ）の各符号（＋，＋）、（＋，−）、（−，＋）、（−，−））のそれぞれについて定数ａおよびｂを記憶している。
渦電流などの影響が四象限のそれぞれにおいて異なるため、四象限のそれぞれ別々に定数ａおよびｂを記憶しておくことで、後述するように、ＩＧＢＴ１２の停止時に電流偏差（基準値Ｉrefとモニタ値Ｉmonの差分値）をより確実に小さくすることができる。

アナログ基板２３のＡＤＣ４１には、電磁石２に供給される電流のモニタ値Ｉmonが供給回路１６から入力される。ＡＤＣ４１のデジタル出力は、ＦＰＧＡ３１のモニタ電流値記憶部５８に供給されて記憶される。
アナログ基板２３のＤＡＣ４４には、基準値記憶部５５に記憶された２つの基準値Ｉref1、Ｉref2のうち、後の時間に対応した電流基準値Ｉref2が入力され、ＤＡＣ４４から出力されたアナログ信号がコンパレータ４６の一方の入力端子に供給される。
コンパレータ４６の他方の入力端子には、電磁石２に供給される電流のモニタ値Ｉmonが供給回路１６から入力される。

コンパレータ４６は、基準値記憶部５５に記憶された後の時間に対応した電流基準値Ｉref2と電磁石２に供給される電流のモニタ値Ｉmonとの差分である電流偏差Ｉdiffを順次算出する。
コンパレータ４６の出力端子は、ＡＤＣ４２とコンパレータ３４の一方の入力端子とに接続されている。ＡＤＣ４２から出力された電流偏差Ｉdiffのデジタル信号は、ＦＰＧＡ３１の電流偏差記憶部５７に供給されて記憶される。

コンパレータ３４の他方の入力端子には、ＤＡＣ３２から出力されたアナログ基準信号が供給される。コンパレータ３４は、基準信号と電流偏差Ｉdiffとを順次比較して、その差分をＩＧＢＴタイミング制御部５１に供給する。
ＩＧＢＴタイミング制御部５１は、ＩＧＢＴ１２をオンとするＩＧＢＴゲート信号を出力している期間に、コンパレータ３４から供給された差分信号の符号が変化（「＋から−」または「−から＋」）すると、ＩＧＢＴ１２をオフとするＩＧＢＴゲート信号をＩＧＢＴ１２に出力する。
また、ＩＧＢＴタイミング制御部５１は、基準値記憶部５５に記憶された２つの基準値Ｉrefの１つが書き換えられ、かつ上述のトリガ信号が外部から供給されると、ＩＧＢＴ１２をオンとするＩＧＢＴゲート信号を出力する。

ここで、図２を参照して、電磁石２に供給される電流の一例を説明する。上述したように、複数の照射領域に対して順番にビームを照射する場合、電磁石２に流れる励磁電流は、図２に描かれたように階段状に増加または減少するものとなる。
図２のグラフにおいて、電流値が一定の期間ではビーム照射位置が動かず、電流値が変化している期間にビーム照射位置が移動する。

電圧と電流の正負で区分される四象限のうち、電圧が正であるＡ象限（（＋，＋））つまり時刻ｔ４〜ｔ５およびＤ象限（（＋，−））つまり時刻ｔ３〜ｔ４ではビーム照射位置が＋Ｘ方向に増加する。
一方、電圧が負であるＢ象限（（−，＋））つまり時刻ｔ１〜ｔ２、およびＣ象限（（−，−））つまり時刻ｔ２〜ｔ３ではビーム照射位置がそれぞれ−Ｘ方向に移動する。
他方、電磁石２のＹ方向照射位置を制御する図示しない装置は、時刻ｔ３、ｔ５に電流値を変更し、このときビーム照射位置がそれぞれ、−Ｙ方向および＋Ｙ方向に移動する。このようにして、ビーム照射位置を順次変更することができる。

次に、図１に示す電磁石用電源制御装置１を用いて行われる、本実施の形態に係る電磁石用電源制御方法について、図３を参照しつつ説明する。

まず、ステップＳ１（定数決定ステップ）において、装置１を用いた実測（モニタ値Ｉmonの測定）によって定数ａおよびｂを決定する。
具体的には、ＩＧＢＴ１２から電磁石２への供給回路１６を介した電流供給を停止したときに発生する電流偏差Ｉdiff（基準値Ｉref2−モニタ値Ｉmon）の最大値が、変化量ΔＩrefが所定範囲内で変化しても所定値以下となるように、電流偏差Ｉdiffの算出値に基づいて定数ａおよびｂを決定する。ステップＳ１を実行する定数決定回路は、制御ユニット１０内の複数の部位によって構築されている。決定された定数ａおよびｂは、基準信号生成部５２に記憶される。
所定範囲は、変化量ΔＩrefが変化し得る最大範囲を参酌して予め決定される。所定値は、電磁石２の電流追従性に対する悪影響を低減させることができ、ＩＧＢＴ１２の停止時に電流偏差を確実に小さくすることができるという観点から予め決定される。

なお、ステップＳ１では、上記した四象限のそれぞれについて定数ａおよびｂが決定される。

ステップＳ２では、電源（ＩＧＢＴ１２およびＦＥＴ１４）から電磁石２に供給される電流の目標値を示す、２つの電流基準値Ｉref（Ｉref1, Ｉref2）が外部から電流指示信号によってＦＰＧＡ３１に入力され、それが基準値記憶部５５に記憶される。

続いて、ステップＳ３では、外部からトリガ信号がＦＰＧＡ３１に入力されたか否かを繰り返して判断する。
そして、トリガ信号が入力された場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んでＩＧＢＴ１２をオンとするＩＧＢＴゲート信号がＩＧＢＴタイミング制御部５１から出力され始めると共に、ＦＥＴ１４をオンとするＦＥＴゲート信号がＦＥＴ制御部５３から出力され始める。これによって、電磁石２に励磁電流が流れ始める。
ステップＳ４から後述するステップＳ７までは、図２に示す階段状の励磁電流の段差部に対応しており、励磁電流は変化（増加または減少）する。ＩＧＢＴ１２およびＦＥＴ１４の両方から電流が供給されて、上述したように、ＦＥＴ制御部５３は、この後常に、ＦＥＴ１４をオンとするＦＥＴゲート信号を出力している。

そして、ステップＳ５では、アナログ基板２３においてコンパレータ４６が、基準値記憶部５５に記憶された後の時間に対応した電流基準値Ｉref2と電磁石２に供給される電流のモニタ値Ｉmonとの差分である電流偏差Ｉdiffを順次算出する（差分算出ステップ）。
同時に、基準信号生成部５２は、ステップＳ１で決定された定数ａおよびｂのうち当該象限に相当するものを用いて、基準値記憶部５５に記憶された２つの基準値Ｉref1、Ｉref2の変化量ΔＩrefの一次関数ａΔＩref＋ｂで表される一定値を有する基準信号を生成する（信号生成ステップ）。

ステップＳ６では、基準信号と電流偏差Ｉdiffとが入力されたコンパレータ３４の差分出力を参照して、ＩＧＢＴタイミング制御部５１が、コンパレータ３４から供給された差分信号の符号が変化（「＋から−」または「−から＋」）したか否かを判断する。
そして、符号が変化した時に、ＩＧＢＴタイミング制御部５１は、ＩＧＢＴ１２をオフとするＩＧＢＴゲート信号をＩＧＢＴ１２に出力する。これによって、ステップＳ７において、ＩＧＢＴ１２が停止し（電流停止ステップ）、電磁石２にはＦＥＴ１４からの励磁電流だけが供給される。
ステップＳ７から後述するステップＳ１０までは、図２に示す階段状の励磁電流の平坦部に対応しており、励磁電流は一定値となる。ただし、励磁電流が実際に平坦となる時刻は、ＩＧＢＴ１２がオフとなる時刻から少々の遅延がある。

続いて、ステップＳ８では、外部から電流指示信号によって基準値記憶部５５に記憶された電流基準値Ｉrefが更新されたか否かを繰り返して判断する。そして、電流基準値Ｉrefが更新されたと判断された場合には（Ｓ８：ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。
ステップＳ９では、外部からトリガ信号がＦＰＧＡ３１に入力されたか否かを繰り返して判断する。そして、トリガ信号が入力された場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んでＩＧＢＴ１２をオンとするＩＧＢＴゲート信号がＩＧＢＴタイミング制御部５１から出力され始め、ＩＧＢＴ１２から電磁石２への電流供給が再開される（再開ステップ）。そして、ステップＳ５に戻る。
ステップＳ７からステップＳ１０までは、励磁電流は変化（増加または減少）する。ただし、励磁電流が実際に変化し始める時刻は、ＩＧＢＴ１２がオンとなる時刻から少々の遅延がある。
以下、同様にしてステップＳ５からステップＳ１０までが複数回繰り返し実行される。

以上説明した実施の形態によると、実測に基づいて決定された定数ａおよびｂを用いて、２つの電流基準値Ｉref1からＩref2への変化量ΔＩrefが大きいほど早めに電磁石２へのＩＧＢＴ１２からの電流供給を停止させることができるので、電流基準値Ｉrefの変化量ΔＩrefの値に関わらず、電磁石２の電流追従性に対する悪影響を低減させることができ、ＩＧＢＴ１２の停止時に電流偏差を確実に小さくすることができる。

また、本実施の形態では、電流基準値Ｉrefが順次更新されると共に差分算出ステップから再開ステップまでを複数回繰り返して行うので、電磁石２に供給される励磁電流を徐々に変化させることができる。

さらに、本実施の形態では、四象限のそれぞれについて定数ａおよびｂを決定し、これら定数ａおよびｂのうち当該象限に相当するものを用いて制御を行うので、ＩＧＢＴ１２の停止時に電流偏差をより確実に小さくすることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更を上述の実施の形態に施すことが可能である。例えば、電源として用いられる素子は、ＩＧＢＴ１２およびＦＥＴ１４以外であってもよい。また、四象限で同じ定数ａおよびｂを用いてもよい。

１ 電磁石用電源制御装置
２ 電磁石
１０ 制御ユニット
１２ 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）
１４ 電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
１６ 供給回路
２１ デジタル基板
２３ アナログ基板
３１ ＦＰＧＡ
３２ デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）
３４ コンパレータ
４１、４２ アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）
４４ デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）
４６ コンパレータ
５１ ＩＧＢＴタイミング制御部
５２ 基準信号生成部
５３ ＦＥＴ制御部
５５ 基準値記憶部
５７ 電流偏差記憶部
５８ モニタ電流値記憶部

Claims (6)

1. 電源から電磁石に供給される励磁電流の設定値を階段状に変化させることで前記励磁電流を所望の値に変化させる電磁石用電源制御装置において、
   前記励磁電流の設定値を記憶する設定値記憶手段と、
   前記励磁電流の実測値を測定する測定手段と、
   前記設定値と前記実測値との偏差を算出する偏差算出手段と、
   前記偏差に対して所定の偏差閾値を設定する閾値設定手段と、
   前記偏差が前記偏差閾値を超えると前記電磁石への電源供給を停止させるように前記電源を制御する電流停止手段と
   を備え、
   前記閾値設定手段は、前記偏差閾値を前記設定値の変化量ΔIrefに比例する１次関数値ａΔIref+ｂ（但し、ａ,ｂは定数）として設定することを特徴とする電磁石用電源制御装置。
2. 前記閾値設定手段は、前記偏差閾値として設定された一次関数値ａΔＩref＋ｂの定数ａおよびｂを決定する定数決定手段を有し、
   前記設定値記憶手段は、前記設定値の変化量ΔIrefの変化前後に対応した２つの電流基準値Ｉrefを記憶し、
   前記偏差算出手段は、前記設定値記憶手段に記憶された変化後の前記設定値に対応した電流基準値Ｉrefと前記励磁電流の実測値Ｉmonとの差分である電流偏差Ｉdiffを順次算出し、
   前記電流停止手段は、電流偏差Ｉdiffと前記偏差閾値とを比較して前記電流偏差が前記偏差閾値を超えると前記電磁石への電源供給を停止させることを特徴とする請求項１記載の電磁石用電源制御装置。
3. 前記定数決定手段は、前記電源から前記電磁石への電流供給を停止したときに発生する電流偏差Ｉdiffの最大値が、変化量ΔＩrefが所定範囲内で変化しても所定値以下となるように、電流偏差Ｉdiffの実測に基づいて定数ａおよびｂを決定することを特徴とする請求項２に記載の電磁石用電源制御装置。
4. 前記設定値記憶手段が、互いに前後した時間に対応した２つの電流基準値Ｉrefを、後の時間に対応した電流基準値Ｉrefが次の段階では先の時間に対応した電流基準値Ｉrefとなるように、時間の経過に伴って順次記憶するものであるときに、
   前記電流停止手段が、電流供給が停止した後であって前記設定値記憶手段の記憶内容が変更された後に、前記電磁石への電流供給を再開する再開手段をさらに備えており、
   前記定数決定手段が定数ａおよびｂを決定した後に、前記偏差算出手段による偏差算出から、前記電流停止手段による前記電磁石への電流供給の停止、前記再開手段による前記電磁石への電流供給の再開までを複数回繰り返して行うことを特徴とする請求項２または３記載の電磁石用電源制御装置。
5. 前記閾値設定手段は、前記励磁電流の正負の極性と前記電磁石に印加される電圧の正負の極性との組合せからなる４つの極性パターンごとに、定数ａ,ｂを決定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電磁石用電源制御装置。
6. 電源から電磁石に供給される励磁電流の設定値を階段状に変化させることで前記励磁電流を所望の値に変化させる電磁石用電源制御装置の制御方法において、
   前記励磁電流の設定値を記憶する設定値記憶ステップと、
   前記励磁電流の実測値を測定する測定ステップと、 前記設定値と前記実測値との偏差を算出する偏差算出ステップと、
   前記偏差に対して所定の偏差閾値を設定する閾値設定ステップと、
   前記偏差が前記偏差閾値を超えると前記電磁石への電源供給を停止させるように前記電源を制御する電流停止ステップと
   を備え、
   前記閾値設定ステップでは、前記偏差閾値を前記設定値の変化量ΔIrefに比例する１次関数値ａΔIref+ｂ（但し、ａ,ｂは定数）として設定することを特徴とする電磁石用電源制御装置の制御方法。