KR100722562B1 - 이온화 장치를 위한 즉각적인 평형 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

양이온 및 음이온 출력은, 양이온 및 음이온 이미터(emitter) 및 상기 양이온 및 음이온 이미터 각각에 대한 양의 고 전압 전원 및 음의 고 전압 전원을 구비하는 전기적 이온화 장치에서 평형화된다. 상기 양의 고 전압 전원 및 음의 고 전압 전원 중 적어도 하나는 하이(high) 상태와 로우(low) 상태 사이를 스위칭 한다. 이온 평형 센서는 상기 이온 이미터 가까이에 위치하여 전압 값을 출력한다. 이온 평형 센서 설정 포인트 전압 값은 저장된다. 상기 전압 값은 전기적 이온화 장치 주위의 작업 공간에 평형화된 이온 상태를 제공하도록 설정된다. 상기 전기적 이온화 장치가 동작되는 동안에, 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값은 상기 설정 포인트 전압 값과 비교된다. 스위칭 가능한 고 전압 전원 중의 하나는, 상기 비교의 결과로써 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 1의 미리 정해진 양만큼 제 1 방향으로 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면 하이 상태로 스위칭 되고, 상기 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 2의 미리 정해진 양만큼 제 2 방향으로 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면, 스위칭 가능한 높은 전압 전원 중의 다른 하나가 로우 상태로 스위칭 되는데, 상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향과는 반대 방향이다.

Description

이온화 장치를 위한 즉각적인 평형 제어 방법{INSTANTANEOUS BALANCE CONTROL METHOD FOR IONIZER}
도 1은 기존의 오버헤드(overhead) 이온화 장치의 투시도.
도 2a는 본 발명의 오버헤드 이온화 장치의 제 1면(앞쪽 면)과 본 발명에 따른 유선의 원격 제어기를 도시한 도면.
도 2b는 본 발명의 오버헤드 장치의 제 2면(뒤쪽 면)과 본 발명에 따른 유선의 원격 제어기를 도시한 도면.
도 3은 도 2a에서의 다수의 오버헤드 이온화기의 개략적인 도면.
도 4는 도 2a의 오버헤드 이온화기 중 하나의 이온화기 내부의 분해도 및 도 2a의 오버헤드 이온화기를 작동시키기 위해 마이크로프로세서로 제어되는 회로의 개략적인 블록도.
도 5는 도 3에 도시된 오버헤드 이온화기의 프로세서와 관련된 소프트웨어의 흐름도.
도 6은 기존의 평형 제어 구조와 관련된 파형을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 평형 제어 시스템의 개략적인 블록도.
도 8은 평형 제어 시스템의 제 1 실시예에서 도 7의 시스템을 사용하여 생성된 평형 센서 파형을 도시한 도면.
도 9는 평형 제어 시스템의 제 2 실시예에서 도 7의 시스템을 사용하여 생성된 평형 센서 파형을 도시한 도면.
도 10은 평형 제어 시스템의 다른 실시예에서 도 7의 전원 도면 및 센서에 관련된 파형의 결합도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10/18: 오버헤드 이온화 장치 14/20: 이온화기
16/22: 팬 48: 프로세서
52: 비교기 62: 마이크로 제어기
68(70):양(음)극성의 HV DC 전원
정 전하를 제어하는 것은 반도체 제조에 있어서 중요한 문제인데, 왜냐하면 장치 수율(yield)에 있어 상기 정 전하가 중대한 영향을 미치기 때문이다. 정전기적으로 끌려 온 외부 물질 및 정전기적 방전 이벤트에 의해 야기된 장치 결함은 전체 제조 손실에 상당한 기여를 한다.
집적 회로를 생산하기 위한 다수의 공정은 웨이퍼 및 장치 상에 큰 정 전하 및 상보 전압을 발생시키는 비-전도성 물질을 이용한다.
공기 이온화는 비-전도성 물질 및 절연 도체 상의 정 전하를 제거하는 데 가장 효과적인 방법이다. 공기 이온화 장치는 공기 중에서 전하의 이동 캐리어로써 역할을 하고, 주위의 대기 중에 존재하는 많은 양의 음 이온 및 양이온을 생성시킨다. 이온이 공기를 통해 흐름에 따라, 상기 이온은 반대로 대전된 입자 및 표면과는 인력이 작용한다. 정전기적으로 대전된 표면의 중성화는 본 공정을 통해 신속히 달성될 수 있다.
공기 이온화는 코로나 방전으로써 공지된 공정에서 이온을 발생시키는 전기적 이온화 장치를 이용하여 수행될 수도 있다. 전기적 이온화 장치는 전계가 주위 공기의 유전 강도를 극복할 때가지 뾰족한 부분(sharp point) 주위에서 전계를 강화하여서, 본 공정을 통해 공기 이온을 발생시킨다. 음의 코로나(negative corona)는 전자가 전극으로부터 주위의 공기로 흐르고 있을 때 발생한다. 양의 코로나(positive corona)는 전자가 공기 분자로부터 상기 전극으로 흐르는 결과로써 발생한다.
일정한 출력을 갖는 이온화 장치로부터 최대로 가능한 정 전하 감소를 달성하기 위해서, 상기 이온화 장치는 동일한 양의 음이온과 양이온을 발생시켜야 한다. 즉, 상기 이온화 장치의 출력은 "평형"을 이루어야만 한다. 만일 상기 이온화 장치가 평형을 이루지 않는다면, 절연 도체 및 절연체는 대전될 수 있는데, 이는 상기 이온화 장치가 해결하는 것보다 더 많은 문제점을 발생시킨다. 이온화 장치는, 전원 드리프트(drift), 하나의 극성에 대한 전원 장애, 전극의 오염, 전극의 열화(degradation), 또는 습도 또는 투자율(permeability) 변화와 같은 주위의 대기 상태에 의해 불평형이 될 수도 있다. 게다가, 상기 이온화 장치의 출력이 평형화되었다 해도, 상기 출력이 시스템 구성 소자의 성능 저하로 인해 상기 장치의 바람직한 평형 레벨 이하로 떨어질 수도 있다.
따라서, 이온화 시스템은 피드백 시스템을 통한 감시 기능과 자동 평형화 기능, 그리고 조정되지 않은 불평형과 정해진 범위를 벗어난 출력을 검출하기 위한 경보 기능을 통합시킨다. 대부분의 피드백 시스템은 완전히 또는 주로, 하드웨어에 기초한다. 다수의 이러한 피드백 시스템은 아주 정밀한 평형 제어를 제공할 수는 없는데, 왜냐하면 피드백 제어 신호가 하드웨어의 구성 소자 값에 기초하여 고정되기 때문이다. 더욱이, 하드웨어에 기초한 그러한 피드백 시스템의 평형화 제어에 대한 전체 범위는 하드웨어 구성 소자 값에 기초하여 제한될 수도 있다. 또한, 하드웨어에 기초한 다수의 피드백 시스템은 쉽게 변형될 수도 없는데, 이는 각각의 구성 소자가 정확한 동작을 위해 서로 서로 종속되어 있기 때문이다.
대전된 플레이트 모니터(charged plate monitor)는 상기 전기적 이온화 장치의 실질적인 평형을 주기적으로 측정하고, 교정하기 위해 일반적으로 사용된다. 상기 대전된 플레이트 모니터는 또한 정 전하 하강 시간을 측정하는 데에도 사용된다. 만일 하강 시간이 너무 느리거나 너무 빠르면, 이온 출력은 사전 설정된 이온 전류 값을 증가시키거나 감소시켜 조정될 수도 있다. 이러한 조정은 일반적으로, 두 개의 트림 전위차계(trim potentiometer)(하나는 양이온 생성을 위한 것이고 다른 하나는 음이온 생성을 위한 것)를 조정하여 수행된다.
이온화 시스템은 전체 공간이나 미리 한정된 작업 표면(work surface) 영역에서 정 전하를 제어하는 데에 사용될 수도 있다. 도 1은 작업 표면(12) 상단면의 정 전하를 제어하기 위한 기존의 "오버헤드 이온화 공기 송풍기" 또는 "오버헤드 이온화 장치"(10)를 도시한다. 상기 오버헤드 이온화 장치(10)는 작업 표면(12) 위쪽으로, 이를테면 상기 작업 표면(12) 위쪽으로 0 내지 4인치(0 내지 10.2cm) 높이의, 이온화 공기 보호를 위한 완충 영역(cushion)을 제공한다. 상기 오버헤드 이온화 장치(10)는 일반적으로, 상기 작업 표면 위쪽, 예컨대 상기 작업 표면 위쪽으로 약 30 인치(약 76cm) 높이에 매달려 있다. 상기 오버헤드 이온화 장치(10)는 거기에 다수의 이온화기(14) 및 다수의 팬(16)을 포함하는데, 각각의 팬은 하나의 이온화기(14)와 관련된다. 기존의 구조 중 하나는 세 쌍의 이온화기(141 내지 143)/팬(161 내지 163)을 사용한다. 상기 팬(16)은 상기 이온화 장치(10)로부터 작업 표면(12)으로, 즉 아래쪽으로 단일 방향의 공기 흐름을 생성시킨다. 전력은 각각의 이온화기(14)와 병렬로 위치되어 있는 팬(16)에 공급되는데, 이는 상기 이온화기와 상기 팬을 모두 온(on)시키거나 모두 오프(off)시키기 위함이다. 팬의 속도는 조정 가능하지만, 상기 속도 조정은 동시에, 모든 팬을 동일하게 조정한다.
대전된 플레이트 모니터가 이온 불평형 또는 불충분한 이온 출력 검출을 판독하면, 이온 평형 및/또는 이온 출력은 조정되어야만 한다. 기존의 이온화기(14)는 그러한 조정을 실행하기 위해 아날로그 트림 전위차계 또는 디지털 전위차계를 포함한다. 기존의 오버헤드 이온화 장치(10)에서 상기 조정을 실행하려면, 상기 아날로그 전위차계를 조정하거나, 디지털 전위차계 설정을 제어하는 업/다운 버튼을 누르기 위해 사람이 오버헤드 이온화 장치(10)를 만져야 했다. 각각의 이온화기(141 내지 143)는 전위차계의 개별적인 세트를 갖는다. 기존의 평형 조정 구조가 갖는 중요한 문제점 중의 하나는, 상기 조정을 수행하기 위해 사람이 물리적 이동하는 것과, 상기 이온화 공기 보호 완충 영역의 내부 또는 가까이로 사람이 물리적으로 접근하는 것이 적절한 조정을 방해하고 갑자기 큰 정 전하를 상기 작업 영역에 유도할 수도 있다는 것이다.
기존의 이온화 장치에서 자동 평형 제어 시스템은 상기 시스템이 얼마나 빨리 그리고 얼마나 정확히 평형 상태에 도달할 수 있는지에 대해 또한 근본적으로 제한된다. 기존의 자동 평형 제어 시스템에서는, 지나간 다수의 시간 주기(time periods)들의 평형을 반복적으로 계속 측정하고, 이후의 시간 주기 동안 평형 상태를 달성하기 위해 음의 전원 및 양의 전원 중 하나 또는 둘 다를 어떻게 조정할지를 예측함으로써 불평형이 검출된다. 이러한 구조는 최소한 두 가지 중요한 문제점을 갖는다. 첫째, 이후의 조정을 결정하기 위해 지나간 시간 주기들을 샘플링 함으로써, 상기 구조는 이온화 장치가 불평형인 평형 조정에 있어서 지연(lag) 시간을 가져온다. 둘째, 이러한 구조는 장기간 동안 평형 상태를 제공할 수 없다. 즉, 만일 상기 이온화 장치가 수 밀리 초 동안(for a few milliseconds) 상당히 양이온화 된 상태라면, 상기 이온화 장치는 양이온의 초과량이 더 적은 평형 상태를 향해 진행해서 양이온의 초과량에 대해 조정하기만 하면 된다. 수 밀리 초 동안의 지나치게 양이온화 된 상태를, 예컨대 수 밀리 초 동안 동일한 양만큼 지나치게 음이온화 시키는 것처럼 보상하려고 노력할 필요는 없다. 이러한 두 가지 문제점으로 인해, 단기간 및 장기간 동안의 이상적인 평형 상태를 제공하려는 기존의 평형 구조의 성능이 제한된다.
따라서, 작업 영역 내 정 전계가 중성화되는 것을 방해하지 않고 오버헤드 이온화 장치가 조정되는 것을 허용하는 구조에 대한, 아직은 충족되지 않은 필요성이 존재한다. 또한 향상된 평형 조정 구조에 대한, 아직은 충족되지 않은 필요성도 존재한다. 더욱이, 이온화기 팬이 자신의 이온화기에 대해 좀 더 유동적인 방법으로 작동되는 것을 허용하는, 아직은 충족되지 않은 필요성이 존재한다. 마지막으로, 신속하고 정확한 평형 조정 구조에 대한, 아직은 충족되지 않은 필요성이 존재한다. 본 발명은 이러한 필요성을 충족시킨다.
본 발명은 양이온 및 음이온 이미터(emitter)를 구비하는 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온의 출력을 평형화시키기 위한 구조, 및 상기 양이온 및 음이온 이미터 각각과 관련된 양 및 음의 고 전압 전원을 제공한다. 본 구조에서, 양 및 음의 고 전압 전원 중 적어도 하나는 하이(high) 상태와 로우(low) 상태 사이를 스위칭 한다. 이온 평형 센서는 상기 이온 이미터 가까이에 위치하여 전압 값을 출력한다. 이온 평형 센서 설정 포인트 전압 값은 저장된다. 상기 전압 값은 상기 전기적 이온화 장치 주위의 작업 공간에 평형화된 이온 상태를 제공하기 위해 설정된다. 상기 전기적 이온화 장치가 작동하는 동안, 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값은 상기 설정 포인트 전압 값과 비교된다. 스위칭 가능한 고 전압 전원 중의 하나는, 상기 비교의 결과로써 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 1의 미리 정해진 양만큼 제 1 방향으로 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면 하이 상태로 스위칭 되고, 상기 비교의 결과로써 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 2의 미리 정해진 양만큼 제 2 방향으로 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면, 스위칭 가능한 높은 전압 전원 중의 하나는 로우 상태로 스위칭 되는데, 상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향과는 반대 방향이다.
본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 다음 설명은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더욱 이해가 될 것이다. 본 발명을 설명하기 위해, 현재의 바람직한 실시예를 도면에 도시하였다. 그러나, 본 발명은 도시된 그 구조 및 그 수단으로만 제한되지는 않는다.
여기서 특정 용어는 단지 편의를 위해 사용되며, 본 발명 상의 제한 사항으로써 취급되지는 않는다. 도면에서, 동일한 참조 문자는 여러 도면을 통해 동일한 요소를 나타내기 위해 사용된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따라 정 전하를 제어하기 위한 DC "오버헤드 이온화 공기 송풍기" 또는 DC "오버헤드 이온화 장치"(18)를 도시한다. 상기 오버헤드 이온화 장치(18)는 작업 표면에 관해, 도 1의 기존의 오버헤드 이온화 장치(10)에서와 동일한 방법으로 바람직하게 배치된다. 상기 기존의 오버헤드 이온화 장치(10)와 유사하게, 오버헤드 이온화 장치(18)는 내부에 다수의 전기적인 이온화기(20) 및 다수의 팬(22)을 포함하는데, 상기 각 팬은 하나의 이온화기(20)와 관련된다. 예를 들어, 본 발명의 하나의 바람직한 실시예는 세 쌍의 이온화기(201 내지 203)/팬(221 내지 223)을 구비한다.
아날로그 또는 디지털 전위차계를 사용하여 평형 설정을 설정하고 조정했던 기존의 이온화기(14)와는 달리, 이온화기(20)에서 평형 설정은 오버헤드 이온화 장치(18)의 (도 4에서 개략적으로 도시된) 하우징 내부에 위치된 마이크로프로세서와 관련된 메모리에 저장된다. 상기 오버헤드 이온화 장치(18) 회로의 추가적인 상세 사항은 이후에 논의된다.
본 발명의 중요한 특성은 상기 메모리에 저장된 평형 기준 파라메터를 조정하기 위해 {단지 설명을 목적으로 오버헤드 이온화 장치(18)에 비해 확대되어 도시된} 유선 원격 제어기(24)를 이용한다는 데에 있다. 상기 원격 제어기(24)는 표준 치수의 전화 케이블일 수도 있는 분리 가능한 케이블(26)을 통해 오버헤드 이온화 장치(18)에 연결된다. 사용자가 "접근 금지" 존("keep out" zone)(즉, 사용자의 존재 및 이동이 평형 조정에 방해를 일으키는 존)을 회피하기에는 7피트(210cm)의 길이이면 충분하다. 상기 원격 제어기(24)는 이온화기(201 내지 203) 각각에 대한 평형을 제어하기 위해 한 쌍의 (+)/(-) 버튼(281 내지 283)을 포함한다. 상기 한 쌍의 버튼(281 내지 283){일반적으로 (281 내지 28n)}은 각 쌍에 대해 순차적으로 배열된다. 각 버튼 쌍의 (+) 및 (-) 버튼은 임의의 특정 방위로 배열될 수도 있다.
더욱이, 상기 원격 제어기(24)는 버튼(28), 이온화기(20)와 케이블(26) 사이의 특정한 작업 관계를 갖도록 설계된다. 특히, 상기 원격 제어기(24)에 연결하는 케이블(26)의 종단에 가장 가까운 버튼 쌍(28)은, 상기 오버헤드 이온화 장치(18)를 연결하는 케이블(26)의 종단에 가장 가까운 이온화기(20)를 조정한다. 유사하게, 상기 원격 제어기(24)를 연결하는 케이블(26)의 종단에 가장 멀리 있는 버튼 쌍(28)은 상기 오버헤드 이온화 장치(18)를 연결하는 케이블(26)의 종단에 가장 멀리 있는 이온화기(20)를 조정한다. 중간에 위치한 버튼 쌍(28)은 동일한 순서로 각각의 중간에 위치한 이온화기(20)를 제어한다. 이러한 설계는, 사람이 평형을 직관적으로 조정하는 원격 제어기(24)를 이용한다. 원격 제어 케이블(26)이 연결된 오버헤드 이온화 장치(18)의 종단을 가리키도록 상기 케이블(26)을 유지시킴으로써, 도 2a 및 도 2b의 점선으로 도시된 것처럼, 상기 버튼 쌍(28)이 자신이 제어하는 이온화기(20)와 동일한 순서로 배향된다. 더욱이, 상기 방향은, 상기 원격 제어기(24)가 상기 오버헤드 이온화 장치(18)(도 2a)의 앞쪽 면(제 1면)과 마주보게 놓이든, 상기 오버헤드 이온화 장치(18)(도 2b)의 뒤쪽 면(제 2면)과 마주보게 놓이든 지간에 상관없이 동일하게 유지된다. 게다가, 심지어 케이블(26)이 꼬여 있거나 구불구불한 경로를 가졌다 할지라도, 또는 원격 제어기(24)가 상기 오버헤드 이온화 장치(18)에 관해 다른 방향, 예컨대 90°회전된 방향에 놓여 있다 할지라도 조정을 수행하기가 용이하다. 다른 예에서, 조정을 수행하는 사람은, 케이블 경로를 따라서 어느 버튼과 어느 이온화 장치(18)가 케이블(26)의 각 종단으로부터 가장 가깝고 가장 멀리 있는지를 시각적으로 기억해서 버튼 쌍(28), 이온화기(20)와 케이블(26) 사이의 관계를 단지 머릿속에만 기억할 필요가 있다. 이러한 구조를 사용할 때, 각각의 이온화기(20) 또는 버튼 쌍(28)에 라벨을 붙여 둘 필요가 없다.
본 발명의 대안적인 실시예에서, 상기 케이블(26)은, 예컨대 적외선 트랜스미터를 포함하고 상기 오버헤드 이온화 장치(18) 상에 적외선 수신기를 제공하는 무선 원격 제어기(24)를 사용함으로써 무선 시스템으로 대체될 수도 있다.
위에서 논의했듯이, 평형 조정을 수행하는 동안 발생하는 사람의 신체적인 이동 및 사람이 이온화 공기 보호 완충 영역의 내부나 그 가까이에 신체적으로 접근하는 것은 적절한 조정을 방해하고, 작업 영역으로의 갑작스럽고 큰 정 전하를 유도할 수도 있다. 발명자가 인식하는 기존의 오버헤드 이온화 장치는, 조정이 "접근 금지" 존의 외부에서 그러한 간섭 없이 수행되는 것을 허용하는 수동의 원격 제어 조정을 제공하지 않는다. 더욱이, 동일한 유닛의 다른 소자 상에서 동일한 기능을 조정하는 기존의 원격 제어기는 조정 버튼의 직관적 배열을 제공하지 않으며, 조정될 유닛이 서로 다른 방향으로 접근될 수도 있는 상황을 고려하지도 않는다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 설계 구조는 그러한 원격 제어기에서의 결함을 극복한다고 여겨진다.
도 3은 RS-485 통신선(32)에 의한 연쇄(daisy-chain) 방식으로 감시 컴퓨터(34)에 연결된 다수의 오버헤드 이온화 장치(181 내지 18n)를 포함하는 작업 영역을 도시한다. 주기적인 교정 및/또는 초기 설정 동안에, 대전된 플레이트 모니터(36)는 실질적인 평형 판독을 위해 오버헤드 이온화 장치(181)의 작업 표면 위에 위치한다. 만일 조정이 필요하다면, 조정을 실행하는 사람은 상기 원격 제어기(24)에 플러깅(plugging)하여, 상기 대전된 플레이트 모니터(36)에 가장 큰 영향을 미치는 특정 이온화기(201, 202 또는 203)를 조정한다. 상기 원격 제어기(24)는 도 3에 도시된 것처럼, 통신선 커넥터의 사용치 않은 잭(jack)에 플러깅 될 수도 있다. 대안으로써, 상기 통신선(32)은 제거될 수도 있고, 상기 원격 제어기(24)(도시되어 있지는 않음)가 통신선이 제거된 곳에 플러그 될 수도 있다. 상기 대전된 플레이트 모니터(36)는 각 이온화기(201, 202 및 203)의 평형을 검사하고 조정하기 위해 작업 표면을 따라 이동될 수도 있다. 그 다음, 상기 대전된 플레이트 모니터(36)는 오버헤드 이온화 장치(182)의 작업 표면으로 이동되고, 상기 원격 제어기(24)는 상기 오버헤드 이온화 장치(182)의 통신 잭에 연결되며, 평형 조정 과정이 다시 반복된다.
도 4는 오버헤드 이온화 장치(18)를 작동시키기 위한, 마이크로프로세서로 제어되는 회로의 개략적인 블록도이다. 설명을 위해, 도 4는 오버헤드 이온화 장치(181)와, 이 장치와 관련된 이온화기(201)를 도시한다.
상기 이온화기(201)의 하드웨어 구성 소자는 이온화 실(ionizing chamber)(401)을 통해 공기를 내부로 유도하는 DC 모터(38)에 의해 제어되는 저 전압 DC 팬(221)을 포함한다. 상기 팬(221)의 흡입구 측 상에 위치한 이온화 실(401)은 유지 보수를 위해 제거할 수 있는 이온 이미터(포인트)(42)를 포함한다. 상기 팬(221)의 배출구 측은 이온 평형 센서(44)를 포함한다. 상기 팬(221)의 배출 측은 정적 중성화(static neutralization)를 위해 양이온과 음이온을 포함하는 이온화 된 공기를 분배한다. 상기 오버헤드 이온화 장치(18)는 50/60Hz의 100 내지 240 VDC 사이의 어떤 입력 전원에서 작동 가능한 범용 입력 전원에 의해 내부적으로 전력을 공급받는다. 상기 전원 입력은 표준 IEC320 커넥터에 의해 이루어지고, 전원 출력은 표준 IEC320 콘센트에 의해 반대편 종단에서 이용 가능하다. 이러한 하드웨어 구성 소자는 기존의 것이므로 여기에서 더 자세히 설명하지는 않겠다.
각각의 오버헤드 이온화 장치(18) 내에 있는 각각의 이온화 실(40)은 바람직하게는 마이크로프로세서인 프로세서(48)의 독립적인 제어 하에서, 개별적인 양 및 음의 고전압 전원(46)에 의해 에너지를 공급받는다. 상기 프로세서(48)는 평형 기준 메모리(50)와 비교기(52)를 포함한다. 상기 메모리(50)는 상기 오버헤드 이온화 장치(18)와 관련된 각 이온화기(20)에 대한 평형 기준 값을 저장한다. 3개를 기본 단위로 하는 오버헤드 이온화 장치(18)의 예에서, 상기 메모리(50)는 3개의 전압 값(BREF1, BREF2 및 BREF3)을 저장한다. 상기 평형 기준 값은 각각의 이온화기(20)와 관련된 이온 평형 센서(44)의 바람직한 전압 값이다. 이온화기(201)를 평형화시키기 위해서, 이온 평형 센서(44)에 의해 결정되는 측정된 평형(BMEAS1)과 BREF1은 비교기(52)에서 비교된다. 만일 그 값이 동일하다면, 양 또는 음의 고 전압 전원(46)에서 어떠한 조정도 이루어지지 않는다. 만일 상기 값이 동일하지 않다면, 값이 동일해질 때까지 전원(46)에서 적절한 조정이 이루어진다. 이러한 과정은 이온화기(201)가 작동하는 동안, 연속적이며 자동적으로 발생한다. 교정 또는 초기 설정 동안, 상기 이온화기(201) 주위의 작업 공간에서 실제 평형 판독(BACTUAL1)을 얻기 위해서, 대전된 플레이트 모니터에서 평형 판독이 취해진다. 만일, 상기 비교기(52)의 출력이 BREF1과 BMEAS1이 동일함을 표시하고, 이 때 만일 BACTUAL1이 0이면, 상기 이온화기(201)는 평형 상태이고, 따라서 추가적인 다른 동작이 취해지지 않는다. 그러나, 만일 상기 비교기(52)의 출력이 BREF1과 BMEAS1이 동일함을 표시하고, 이 때 만일 BACTUAL1이 0이 아니라면, 상기 이온화기(201)는 불평형 상태이다. 따라서, BREF1은 원격 제어기(24)를 사용하여 위의 값 또는 아래 값으로 조정된다. 교정 또는 초기 설정 동안에, 대전된 플레이트 모니터는 이온화기(202 및 203) 주위의 작업 공간에서 실제 평형 판독(BACTUAL2 및 BACTUAL3)을 얻기 위해 이동되고, 위에서 설명한 과정이 그러한 이온화기에 대해 반복된다. 제조상의 허용 오차 및 시간 경과에 따른 시스템의 성능 저하로 인해, 각 이온화기(20)는 다른 BREF 값을 가질 수 있다.
각각의 오버헤드 이온화 장치(18)는 알람(alarm)(54)을 포함하는데, 상기 알람은 이온 평형이 적절히 제어될 수 없을 때와 이온 전류가 정해진 범위를 벗어날 때를 경보하기 위한 것이다. 프로세서(48)는 알람 신호를 출력한다. 상기 알람 신호는 또한 통신선(32)을 통해 (만일 컴퓨터가 부착되어 있다면) 감시 컴퓨터(34)에 전송된다.
도 5는 상기 프로세서(48)와 관련된 소프트웨어의 자체-설명 흐름도이다.
상술했듯이, 기존의 자동 평형화 시스템은 하드웨어 기반의 피드백 시스템을 구비하고, 최소한 다음의 문제들을 경험한다.
(1)그러한 시스템은 매우 정밀한 평형 제어를 제공할 수 없는데, 왜냐하면 피드백 제어 신호는 하드웨어 구성 소자 값에 기초하여 정해지기 때문이다.
(2)평형 제어의 전체 범위는 하드웨어 구성 소자 값에 기초하여 제한된다.
(3)신속하고 저렴하게 변형시키는 것이 어려운데, 왜냐하면 각각의 구성 소자가 정확한 동작을 위해 서로 종속되어 있기 때문이다. 기존의 시스템과는 대조적으로, 본 발명의 소프트웨어 기반의 평형 제어 회로는 이러한 결함 중 어떠한 것도 경험하지 않는다.
각각의 오버헤드 이온화 장치(18) 내부의 이온화기(20) 및 팬(22)의 마이크로프로세서 제어는 다음과 같이, 복잡한 특성이 구현되게 한다.
(1)마이크로프로세서는 BREF 와 BMEAS 값 각각을 비교하기 위한 비교기의 출력을 감시한다. 만일 그 차이 값이 미리 정해진 값보다 작다면, 이온화기(20)는 정상 작동과 관련해 필요한 작은 조정을 하도록 추정된다. 그러나, 만일 상기 차이 값 중의 하나가 하나 또는 그 이상의 시간 순간에서 미리 정해진 값보다 더 크다면, 상기 이온화기(20)는 서비스 부족 상태에(in need of servicing) 있다고 추정된다. 이러한 경우에, 경보는 상기 알람(54)에 출력하거나 및/또는 상기 경보는 만일 감시 컴퓨터가 부착되어 있다면 이 감시 컴퓨터(34)에 전달된다.
(2)기존 모드에서 동작될 때, 상기 팬(22) 및 이온화기(20)는 동시에 턴 온(turn on) 및 턴 오프(turn off) 된다. 팬 속도는 원하면 수동으로 조정할 수도 있다. 마이크로프로세서의 제어 하에서 동작될 때, 상기 프로세서(48)는 상기 팬의 DC 모터(38)를 제어하고, 이온 불평형을 최소로 하기 위해서 팬 작동이 개시와 중단(startup and shutdown) 동안에 지연될 수도 있다. 예를 들어, 개시되는 동안에, 상기 이온화기(20)는 상기 팬(22)이 동작을 시작하기 전에 이온 평형을 안정화시키도록 에너지를 공급받을 수도 있다. 중단된 동안에는, 상기 팬(22)은 턴 오프 되어 상기 이온화기(20)의 에너지를 소멸시키기 전에 정지해 있도록 할 수도 있다. 대안으로써, 상기 팬 속도는 유사한 효과를 얻기 위해 램프 다운(ramp down)하거나 램프 업(ramp up) 할 수도 있다.
(3)각각의 개별적인 이온화기(20)에 대한 자동 이온 평형 변화는 갑작스런 스윙(swing) 또는 전위의 오버슈트(overshoot)를 회피하도록 램프 업 또는 램프 다운될 수도 있다. 예를 들어, 정상-상태(steady-state) DC 모드를 사용할 때, DC 진폭은 제 1 값에서 바람직한 값으로 점차적으로 조정될 수도 있는데, 이는 바람직한 램프 업 또는 램프 다운을 얻기 위함이다.
배경이 되는 기술에서 상술했듯이, 기존의 이온화 장치에서 자동 평형 제어 시스템은 또한 상기 시스템이 얼마나 신속하게 그리고 얼마나 정확하게 단기간 평형 상태에 도달할 수 있는지에 대해 근본적으로 제한되고, 또 장기간 평형 상태를 제공하도록 설계되지도 않았다. 이러한 제한을 좀 더 설명하기 위해, 고정된 폭(즉, 고정된 주파수)을 갖는 펄스 주기(cycle)가 양 및 음의 고 전압 전원을 제어하는, 기존의 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 구조의 예를 생각해 보자. 그러한 기존의 PWM 구조의 한 예에서, 음의 고 전압 전원의 온/오프(ON/OFF) 주기의 펄스 폭은 변화하는 반면, 양의 고 전압 전원의 온/오프 주기의 펄스 폭은 온 상태와 오프 상태 사이에서 균등하게 고정된다. 구동 전압은 고정된다.
동작 시에, 이온 평형 센서로부터의 평형 판독은 감시되고 재검토된다. 만일 최근에 측정된 주기에 대한 평형 판독으로부터 평형 상태가 너무 음이온화 되어 있음이 표시되면, 음의 전원의 온 주기가 미리 정해진 양만큼 감소된다. 마찬가지로, 만일 최근에 측정된 주기에 대한 평형 판독으로부터 평형 상태가 너무 양이온화 되어 있음이 표시되면, 음의 전원의 온 주기가 미리 정해진 양만큼 증가된다. 평형 판독에 대한 그 다음 설정이 재검토되고, 필요하다면 음의 전원의 온 주기에 대한 다른 조정이 수행된다.
도 6은 위에서 설명한 종래의 구조를 도시한다. 도 6에서 파형은 20 ㎳의 펄스 폭이 사용된 음의 전원과 관련된 펄스 신호이다. 이상적인 평형 작동 상태에서는, 온/오프 시간이 온 상태와 오프 상태 사이에서 동일하게 나누어진다(10 ㎳ 온, 10 ㎳ 오프). 시간(t2)에서, 평형 제어 시스템은 불평형 상태, 특히 과도한 음이온을 검출한다. 결과적으로, 음의 전원의 온 주기(ON cycle)는 다음의 20 ㎳ 주기 동안에, 미리 정해진 양(예를 들어, 1㎳)만큼 감소되므로, 9㎳ 온 과 11 ㎳ 오프를 제공하게 된다. 시간(t6)에서, 평형 제어 시스템은 여전히 과도한 음이온을 검출하고 있어서, 온 주기가 예를 들어 또 다른 1 ㎳만큼 더 감소되어 8㎳ 온과 12㎳ 오프를 제공하게 되는 것이다. 시간(t9)에서 평형이 달성되어 있고, 그 다음의 주기는 8 ㎳ 온과 12 ㎳ 오프로 유지된다.
위에서 상술한 공정은 신속한 단기간 평형 제어를 제공하지 못하는데, 왜냐하면 이온화 장치가 평형 상태로 되돌아 가기 전에 다수의 주기가 발생하기 때문이다. 일반적으로는, 다수의 지나간 주기(도 6의 예에서는 3개의 주기)로부터 평형 측정이, 심지어 어떠한 정정 작용이 이루어지기 전에 이루어진다. 더욱이, 상기 정정 작용은 평형 상태에 도달하기 전에 추가의 주기를 필요로 한다. 위에서 상술한 공정은 또한 장기간 평형 제어를 제공하지도 못한다. 도 6의 예를 참조하면, 평형은 시간(t0)과 시간(t7)사이에서 상당히 음이온화 되어 있다. 그러나, 이온 출력을 재평형화 시키는 것 이외에, 예컨대 후속하여 여분의 양이온을 생성시킴으로써 이러한 시간 주기 동안에 생성된 여분의 음이온을 보상할 필요는 없다. 대신, 평형 제어 시스템만이 과도한 음이온을 감소시키기 위해 작동한다. 그러므로, 만일 상기 시스템이 나머지 동작 기간 동안에 평형 상태를 유지했거나, 상기 이온화 장치가 계속해서 과도한 음이온 생성 문제를 반복했다면, 음이온에 대해 장기간 불평형 상태가 될 것이다.
또한 위에서 상술한 단점을 가지는 기존의 다른 구조는, 고정된 주파수와 고정된 듀티 사이클(duty cycle)을 사용하지만 고 전압 DC전원을 구동시키는 입력 전압은 변화시키는 구조이고, 또한 구동 전압을 변화시키고 일정하게 구동되는(정상- 상태:steady-state) 고 전압 DC 전원을 사용하는 구조이다.
본 발명의 다른 중요한 특징은, 순간적인 단기간 평형 제어 및 제로(0) 장기간 평형 제어를 제공하여 위에서 설명된 단점을 처리하는 개선된 평형 제어 구조이다. 상기 개선된 평형 제어 구조의 바람직한 일실시예는 도 2 내지 도 5에 대해 위에서 설명된 오버헤드 이온화 장치(18)와 관련하여 작동한다. 그러나, 상기 구조는 임의의 이온화 장치 유형에 적용될 수도 있다. 그러므로, 본 발명의 범주가 여기에 설명된 오버헤드 이온화 장치 응용에 제한되지는 않는다.
도 7은 본 발명과 관련한 평형 제어 시스템(56)의 개략적인 블록도이다. 도 8은 평형 제어 시스템의 제 1 실시예에서 도 7의 시스템을 사용하여 생성된 평형 센서 파형이다.
도 7을 참조하면, 시스템(56)은 센서(58), 센서 회로(60), 마이크로 제어기(62), 스위치 제어기(64), 일정한 출력 DC 전압 전원(66), 양극성 HV DC 전원(68) 및 음극성 HV DC 전원(70), 개별적인 이온화 포인트(들) 또는 핀(들)(72 및 74)을 포함한다. 선택적 공기 이동 장치(미도시)가 이온화 포인트들(72 및 74) 가까이에 위치할 수도 있다. 센서(58)는 마이크로 제어기(62)에 피드백을 제공하기 위해 이온화 포인트들(72 및 74) 가까이에 위치한다. 즉, 상기 센서(58)의 출력은 센서 회로(60)의 입력에 연결되고, 상기 센서 회로(60)의 출력은 마이크로 제어기(62)의 입력에 연결된다. 상기 마이크로 제어기(62)의 출력은 스위치 제어기(64)의 제 1 입력에 연결되고, DC 전압 전원(66)의 출력은 상기 스위치 제어기(64)의 제 2 입력에 연결된다. 상기 DC 전압 전원(66)의 출력은 양극성의 HV DC 전원(68)의 입력에 또한 연결된다. 상기 스위치 제어기(64)의 출력은 음극성의 HV DC 전원(70)의 입력에 연결된다. 이러한 방법으로, 상기 양극성의 HV DC 전원(68)은 선택된 입력 전압(예를 들어 +5V)에서 계속하여 구동되어서, 정상 상태의 DC 출력을 갖는다. 음극성의 HV DC 전원(70)은 마이크로 제어기(62)의 제어 하에서, 스위치 제어기(64)를 통해 DC 전압 전원(66)에 의해 구동된다. 이러한 구성으로 인해, 음극성의 HV DC 전원(70)은 양극성의 HV DC 전원(68)보다 더 많은 양의 이온을 생성할 수 있다. 그러므로, 음극성의 HV DC 전원(70)은, 스위치 제어기(64)를 제어하는 마이크로 제어기(62)로부터의 출력 제어 신호에 기초하여, 하이 상태와 로우 상태 사이를 스위칭 한다. 본 발명의 대체 예에서, 양극성의 HV DC 전원(68)은 스위칭 되고, 음극성의 HV DC 전원(70)은 정상 상태의 DC 출력을 갖는다. 본 발명의 또 다른 대체 실시예에서는, 양극성 및 음극성의 HV DC 전원 모두가 스위칭 된다.
아래에서 설명된 본 발명의 일실시예에서, 하이 상태는 완전히 스위칭 온되는 상태, 즉 전원이 완전히 스위칭 온된 상태이고, 로우 상태는 완전히 스위칭 오프되는 상태, 즉 전원이 완전히 스위칭 오프된 상태이다. 본 발명의 대체 실시예에서, 하이 상태는 제 1 전압 레벨 일 수도 있고, 제 2 상태는 제 1 전압 레벨 보다 더 낮지만 반드시 0일 필요는 없는 제 2 전압 레벨일 수도 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 마이크로 제어기(62) 및 스위치 제어기(64)의 동작은 마이크로 제어기(62)에 의해 수신된 센서 전압 파형과 관련하여 설명된다.
개시(startup)할 때, 계속하여 구동된 양극성의 HV DC 전원(68)은 완전히 턴 온 된다. 상기 마이크로 제어기(62)는, 계속하여 구동된 양의 전원(68)과 동일한 극성의, 미리 결정되었지만 조정 가능한 설정 포인트를 상기 센서(58)가 초과하기를 기다린다. 예를 들어, 상기 설정 포인트는 상기 이온화 장치로부터 특정 거리에 위치한 정전기적 분석기(예를 들어, 대전된 플레이트 모니터)와 상관된 전압 레벨, 예컨대 +2V 일 수도 있다. 상기 전압 레벨이 초과되었을 때, 마이크로 제어기(62)는 센서 설정 포인트를 동일한 값의 반대 극성 전압 레벨, 예컨대 -2V로 설정하고, 음극성의 HV DC 전원(70)은 턴 온 된다. 그 다음에, 마이크로 제어기(62)는, 상기 센서(58)가 새로운 레벨(이 예에서는 -2V)을 초과하기를 기다리는데, 이 때 이전의 센서 설정 포인트(이 예에서는 +2V)가 로드(load)되고 음극성의 HV DC 전원이 턴 오프 되면서 새로운 주기가 시작된다.
제로(0) "설정 포인트"는, 대전된 플레이트 모니터가 제로 평형 판독을 제공해야 하는 포인트이다.
위에서 상술한 평형 제어 시스템은 도 2a 및 도 4에 도시된 오버헤드 이온화 장치(18)와 함께 사용될 수도 있다. 대안으로, 평형 제어 시스템은 다른 유형의 이온화 장치에서 사용될 수도 있다. 만일 상기 평형 제어 시스템이 오버헤드 이온화 장치(18)에서 사용된다면, 초기 설정 포인트는 저장된다. 양의 설정 포인트는 BREF 와 오프셋 숫자의 합인 반면에, 음의 설정 포인트는 BREF에서 동일한 오프셋 숫자를 뺀 값과 동일하다. 만일, 사용하는 동안, 양의 전원은 원래의 설정 값(예를 들어, +2V 내지 +2.2V)으로부터 조정되어야 하면, 새로운 설정 포인트는 이후의 턴 온을 위해 저장된다. 또한, 마이크로 제어기(62)는 최근의 이온 전류 값인 이온 전류 값을 저장하기 위한 예비 메모리(80) 뿐 만 아니라 사전 설정된 이온 전류 값을 저장하기 위한 메모리(78)를 구비한다. 동작되는 동안에, 만일 값이 예비 메모리(80) 내에 존재하면, 그 값이 사용된다. 만일 예비 메모리(80) 내에 값이 없다면, 메모리(78) 내에 있는 값이 사용된다.
센서 전압이 설정 포인트에 "도달" 할 때 스위칭이 발생하는 구조에서, 센서 전압에 의해 측정될 때, 음극성의 HV DC 전원의 스위칭과 실질적인 이온 평형 상의 필드 내 효과 사이에는 지연 시간(lag time)이 존재한다. 이러한 효과는 상기 센서 전압으로 하여금 상기 설정 포인트를 약간 초과하도록 만든다. 이러한 효과는 도 7에 도시되지는 않았다.
위에서 상술한 구조는 본질적으로 펄스 폭 변조 형태의 작동이다. 센서 레벨이 전원을 제어하기 때문에, 주기마다 동작 차이가 계산되고, 결과적으로 주파수 및 듀티 사이클을 변화시킨다. 결국, 장기간 뿐 만 아니라 단기간 동안의 좀 더 안정적인 평형 결과를 가져온다. 즉, 단기간 불평형 상태는 기존의 평형 제어 구조에서 요구되는 것처럼 다수의 주기를 기다려야만 하는 것 없이도, 모든 주기에서 정정된다. 사실, 평균 평형은 모든 주기에서 항상 제로이다. 따라서, 장기간 평균 평형은 또한 항상 제로이다. 위에서 논의했듯이, 기존의 구조는 근본적으로 장기간 불평형 상태를 보상하지 않는다.
도 8에서 설명된 구조는 두 개의 기준 레벨(설정 포인트)에서 동작하고 현재의 상태에 따라 반응한다. 만일 무언가가 이온화 공정을 방해하거나 금지시키면, 적절한 설정 포인트에 도달할 때까지 음극성의 HV DC 전원(70)과 관련한 어떠한 상태 변화도 발생하지 않는다. 이것은 듀티 사이클을 효과적으로 증가시켜 준다. 반대로, 만일 무언가가 포인트 세척(cleaning)처럼 이온화 과정을 개선시키면, 설정 포인트 한계에 좀 더 빨리 도달되어 듀티 사이클이 감소된다. 전체 "주파수"는 센서 설정 포인트에 기초하고, 더 높은 설정 포인트는 더 느린 주파수를 가져온다. 즉, 설정 포인트에 도달하는 시간이 길어지면 길어질수록, 주어진 시간 기간에서 더 작은 주기가 발생할 것이다.
본 발명의 평형 제어 시스템은, 사용자가, 일정하게 구동된 HV DC 전원(도 8의 실시예에서 양의 전원) 상태를 감시하고 이온화 포인트 마모를 조정하도록 해 준다. 예를 들어, 상기 양의 전원의 출력 전압의 감소는 음의 전원의 듀티 사이클의 감소로 검출될 수도 있다.
도 9는 평형 제어 구조의 제 2 실시예에서 도 7의 시스템을 사용하여 생성된 평형 센서 파형이다. 도 9의 구조에서, 단일 설정 포인트가 존재한다. 이온 평형 센서(58)의 출력 전압이 제 1 방향으로(예를 들어, 양의 방향으로) 설정 포인트를 미리 정해진 제 1 양만큼 초과할 때 음의 전원이 턴 온 되고, 상기 이온 평형 센서(58)의 출력 전압이 제 2 방향으로(예를 들어, 음의 방향으로) 설정 포인트를 제 2 미리 정해진 양만큼 초과할 때 음의 전원은 턴 오프 된다. 제 1 및 제 2의 미리 정해진 양은 도 9에 도시된 것처럼 동일할 수도 있고, 또는 서로 다른 양일 수도 있다. 상기 단일 설정 포인트 전압은, 상기 이온화 장치로부터 특정 거리, 예컨대 18 인치(45.7cm)에서 제로(0) 전압을 대전된 플레이트 모니터(CPM) 상에 유도하는 전압이다. 도 9의 예에서, 설정 포인트 값은 제로이다. 센서 전압 파형은 최종적으로 정현파의 형태를 갖는다. 센서 전압에 의해 측정되었듯이, 음극성의 HV DC 전원의 스위칭과 실질적인 이온 평형 상의 필드 내 효과 사이의 지연(lag) 시간은 정현파 형성에 기여한다. 센서 전압 검사 과정의 처리 속도 및 음극성의 고 전압 전원의 응답 시간이 두 가지 구조(도 8 및 도 9의 구조) 모두에서 동일하다고 가정하면, 도 9의 구조는 불평형 상태에 대해 도 8의 구조에서 보다 더 신속한 정정을 제공한다.
도 10은 평형 제어 시스템의 다른 실시예에서 도 7의 센서와 전원에 관련된 파형의 개략적인 결합도이다. 도 10의 몇몇 파형은 본 발명을 설명하기 위해 확대되거나 간소화 될 수 있다. 도 10은 도 8과 유사하게, 두 개의 센서 설정 포인트 구조를 도시한다.
도 10에서 첫 번째 파형은 평형 센서 파형이고, 평형 상태를 유지하기 위해 듀티 사이클 및 주파수가 어떻게 변화하는 지를 도시한다. 두 번째 파형은 일정하게 온 상태인 양극성의 HV DC 전원(68)의 일정한 출력을 도시한다. 세 번째 파형은 음극성의 HV DC 전원(70)의 입력 전압{즉, 음극성의 HV DC 전원(70)의 구동 전압}을 도시한다. 네 번째 파형은 음극성의 HV DC 전원(70)의 출력을 도시한다. 상기 전원(70)에 저장된 에너지로 인하여, 입력 구동 전압이 완전히 턴 온 및 턴 오프 되어도 출력 전압이 완전히 턴 온 및 턴 오프 되지는 않는다. 대신, 구동 전압이 온 및 오프로 스위칭 될 때, 상기 출력 전압은 최대 출력 전압으로부터 상승하고 하강한다. 도 10의 예에서, 구동 전압이 0V 와 12V 사이에서 변화할 때 상기 출력 전압은 -5.6 kV와 -6.0kV 사이에서 변화한다. 다른 스위칭 구조는 본 발명의 범주 내에 있다. 예를 들어, 상술했듯이, 스위칭 된 전원은 임의의 두 개의 입력 전압 레벨 사이에서 스위칭 된 자신의 입력 전압을 가질 수도 있는데, 이때 반드시 완전히 오프로 스위칭 된 레벨 및 완전히 온으로 스위칭 된 레벨일 필요는 없다.
위에서 상술한 구조와 동일한 발명 원리를 이용하고 동일한 목적을 달성하는 대체 가능한 구조는 본 발명의 범위 내에 존재한다. 몇몇 변형은 다음과 같다:
1. 양극성의 HV DC 전원은 스위칭 되고 음극성의 HV DC 전원은 계속하여 구동될 수도 있다.
2. 양극성 및 음극성의 HV DC 전원이 둘 다 스위칭 될 수도 있다. 도 8 및 도 9의 구조에서, 음극성의 전원이 스위칭 오프될 때마다 양극성의 전원은 스위칭 온되고, 이는 역으로도 가능하다. 이러한 구조는 좀 더 신속하게 평형을 가져오지만, 좀 더 복잡하고 값비싼 스위칭 회로 및 소프트웨어 제어를 필요로 한다.
3. 대전된 플레이트 모니터(76)는, 마이크로 제어기(62)가 스위칭 신호를 생성하도록 데이터를 제공하기 위해 센서(58)를 대신해서 사용될 수도 있다.
기존의 평형 제어 시스템과 본 발명의 평형 제어 시스템에서 수행된 실험에서, 단기간 테스트는, 기존의 시스템에서는 대전된 플레이트 모니터의 판독이 ±5 내지 ±10V 사이에서 변화하는 반면, 본 발명의 평형 제어 시스템을 사용하여 취해진 판독은 ±2 내지 ±3V 사이에서 변화함을 나타낸다.
위에서 상술한 실시예는 본 발명의 광범위한 사상을 벗어나지 않고서 변형 될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명은 개시된 특정 실시예로만 제한되지 않으며 본 발명의 사상과 범주 내에서 변형이 이루어짐이 이해된다.

Claims (10)

  1. (ⅰ)양이온 및 음이온 이미터, 및 (ⅱ)상기 양이온 및 음이온 이미터 각각에 양 및 음의 고전압을 공급하는 양의 고 전압 전원 및 음의 고 전압 전원을 구비하는 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법으로서, 상기 양 및 음의 고 전압 전원 중 적어도 하나는 하이(high) 상태와 로우(low) 상태 사이에서 스위칭 하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법에 있어서,
    (a)상기 이온 이미터와 가깝게 위치되어 상기 이온 이미터에서 생성되는 이온의 평형 상태를 나타내는 전압 값을 출력하는 이온 평형 센서를 제공하는 단계와,
    (b)상기 전기적 이온화 장치 주위의 작업 공간에 평형화된 이온 상태를 제공하도록 설정된 이온 평형 센서 설정 포인트 전압 값을 저장하는 단계,
    (c)상기 전기적 이온화 장치가 작동되는 동안에, 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값을 상기 설정 포인트 전압 값과 비교하는 단계,
    (d)상기 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 1의 미리 정해진 양만큼 제 1 방향으로 상기 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원 중의 하나를 상기 작업 공간에서 평형화된 이온 상태를 이루기 위해 하이 상태로 스위칭 하는 단계,
    (e)상기 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 2의 미리 정해진 양만큼 상기 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향으로 상기 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원 중의 상기 하나를 상기 작업 공간에서 평형화된 이온 상태를 이루기 위해 로우 상태로 스위칭 하는 단계
    를 포함하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 양의 고 전압 전원 및 음의 고 전압 전원 중의 하나는 정상 상태 DC 출력(steady state DC output)을 갖고, 상기 양의 고 전압 전원 및 음의 고 전압 전원 중의 나머지 하나의 전원은 하이 상태와 로우 상태 사이를 스위칭 하되,
    상기 단계 (d)는, 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 1의 미리 정해진 양만큼 제 1 방향으로 상기 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원을 하이 상태로 스위칭 하는 단계를 포함하고;
    상기 단계 (e)는, 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 2의 미리 정해진 양만큼 제 2 방향으로 상기 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원을 로우 상태로 스위칭하는 단계를 포함하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 양의 고 전압 전원은 정상 상태의 DC 출력을 갖고, 상기 음의 고 전압 전원은 하이 상태와 로우 상태 사이를 스위칭 하되,
    상기 단계들 (d) 및 (e)는 상기 음의 고 전압 전원을 하이 상태 및 로우 상태로 스위칭 하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 양의 고 전압 전원 및 음의 고 전압 전원은 둘 다 하이 상태와 로우 상태 사이를 스위칭 하되,
    상기 단계 (d)는, 상기 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 1의 미리 정해진 양만큼 제 1 방향으로 상기 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원 중의 나머지 하나를 로우 상태로 스위칭하는 단계를 더 포함하고;
    상기 단계 (e)는, 상기 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 제 2의 미리 정해진 양만큼 제 2 방향으로 상기 설정 포인트 전압 값을 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원 중의 나머지 하나를 하이 상태로 스위칭하는 단계를 더 포함하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 하이 상태는 완전히 스위칭 온(on)된 입력 전력을 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 고 전압 전원에 제공하고, 상기 로우 상태는 완전히 스위칭 오프(off)된 입력 전력을 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 고 전압 전원에 제공하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 하이 상태는 제 1 입력 전압을 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 고 전압 전원에 제공하고, 상기 로우 상태는 상기 제 1 입력 전압보다는 낮은 제 2 입력 전압을 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 고 전압 전원에 제공하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 미리 정해진 제 1 및 제 2 값은 동일한 값인, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
  8. (ⅰ)양이온 및 음이온 이미터, 및 (ⅱ)상기 양이온 및 음이온 이미터 각각에 양 및 음의 고전압을 공급하는 양의 고 전압 전원 및 음의 고 전압 전원을 구비하는 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법으로서, 상기 양 및 음의 고전압 전원 중 적어도 하나는 하이(high) 상태와 로우(low) 상태 사이에서 스위칭 하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법에 있어서,
    (a)상기 이온 이미터와 가깝게 위치되어 상기 이온 이미터에서 생성되는 이온의 평형 상태를 나타내는 전압 값을 출력하는 이온 평형 센서를 제공하는 단계,
    (b)양의 이온 평형 센서 설정 포인트 전압 값 및 음의 이온 평형 센서 설정 포인트 전압 값을 저장하는 단계,
    (c)상기 전기적 이온화 장치가 작동되는 동안에, 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값을 상기 양 및 음의 설정 포인트 전압 값과 비교하는 단계,
    (d)상기 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 상기 양 및 음의 설정 포인트 전압 값 중의 하나를 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원 중의 하나를 작업 공간에서 평형화된 이온 상태를 이루기 위해 하이 상태로 스위칭 하는 단계,
    (e)상기 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 상기 양 및 음의 설정 포인트 전압 값의 나머지 하나를 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원 중의 상기 하나를 상기 작업 공간에서 평형화된 이온 상태를 이루기 위해 로우 상태로 스위칭 하는 단계
    를 포함하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 양 및 음의 고 전압 전원 중 하나는 정상 상태 DC 출력을 갖고, 상기 양 및 음의 고 전압 전원 중의 나머지 하나의 전원은 하이 상태와 로우 상태 사이를 스위칭 하되,
    상기 단계 (d)는, 상기 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 상기 양 및 음의 설정 포인트 전압 값 중의 하나를 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원을 하이 상태로 스위칭 하는 단계를 더 포함하고,
    상기 단계 (e)는, 상기 비교의 결과로서 상기 이온 평형 센서의 출력 전압 값이 상기 양 및 음의 설정 포인트 전압 값의 다른 하나를 초과한다는 것이 검출되면, 상기 스위칭 가능한 고 전압 전원을 로우 상태로 스위칭 하는 단계를 더 포함하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 양의 고 전압 전원은 정상 상태의 DC 출력을 갖고, 상기 음의 고 전압 전원은 하이 상태와 로우 상태 사이를 스위칭 하되,
    상기 단계 (d)는, 상기 이온 평형 센서가 상기 양의 설정 포인트 전압 값을 초과할 때 상기 음의 고 전압 전원을 하이 상태로 스위칭하고,
    상기 단계 (e)는, 상기 이온 평형 센서가 상기 음의 설정 포인트 전압 값을 초과할 때 상기 음의 고 전압 전원을 로우 상태로 스위칭 하는, 전기적 이온화 장치에서 양이온 및 음이온 출력을 평형화시키는 방법.
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