JPH01106211A - エミッションコントロール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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Ａｌ１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、１ｌＦＪ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灯オーバ
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やＯＦＦ制御する場合、
フィラメントのショート、オーブン或いはグリッド回路
のオーブ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
たパワートランジスタ等の破壊を招き、グリッド回路の
オーブ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低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。

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、熱電子放出に洪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。

なお、フィラメントの熱的な遅れを７１１３定すると数
１０ｍ５ｅｃ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２０　Ｋ　Ｈｚ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１、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Ｑｌ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Ｖｌ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Ｒ
３，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゜Ｒ２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
Ｑｌ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＊
　１６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）Ｄｌを介して電源
電圧Ｖｃｅ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の子端子との
間に接続され、Ｑｌのソースとゲートとの間には抵抗Ｒ
８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Ｒ１□を介して演算増幅器３１の反転入力端に接続
され、抵抗Ｒ１、には抵抗Ｒ１□及びダイオードＤ１、
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ｖ
ｃｅ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３
３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ｖ
２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、つまり基僧電圧Ｖ２よりもＶ２・　（Ｒ５
’／Ｒ６）だけ高くなった時に比較回路の出力は“Ｈ２
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−（Ｖｅｃ−Ｖｅ）・Ｒ６／（Ｒ５＋Ｒ
６）がハク電圧ｖ２を一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　）　　・（Ｒｓ　／　Ｒｂ　）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ＯＮｌ
　トランジスタＱ１がＯＮとなり、再びフィラメント１
１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Ｌ＄雷
電圧２に極めて近くなり、上下限の幅が基■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か発生するの
である。さらに、比例制御ではな（比較回路の２値出力
によるＯＮ・ＯＦＦ制御であるので、７ヒ源電圧変動等
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“Ｌｏ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“Ｌｏ、“Ｈ“を繰返し
ているので、入力端３２も同様に“Ｌｏ、”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０Ｎ−ＯＦＦ駆動（出力端３３が“Ｈ＃となるときス
イッチ２２を０ＦＦ）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ブ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０Ｎ−ＯＦＦ制御であることかち回路ロスが少ない
。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（自動的にマツチングがとれる）。

″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、真空度の測定精度の向上に寄
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、エミッション電流を直
接比較回路に人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Ｒ６，Ｒ，、コンデンサ０１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一側に
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、フィラメント自身から電子を放出するものに限
らず、フィラメントにより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、その比較円方（２値信号
）に基づいてフィラメント電流を０Ｎ−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
。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
。 出願人代理人　弁理１士　鈴江武彦 第２図 第３図 第４図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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. （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. （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. （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。