KR102383923B1 - 전자석 제어 장치 및 전자석 시스템 - Google Patents

전자석 제어 장치 및 전자석 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 자속 밀도의 목표치와, 실제로 얻어지는 자속 밀도를 정밀하게 일치시키는 것을 목적으로 한다.
전자석 제어 장치는, 자속 밀도 지령치에 기초하여 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 전류치 결정부를 포함한다. 전류치 결정부는, 제1 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에 제2 함수에 기초하여 전류치를 결정하는 제2 처리와, 제3 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에 제2 함수를 제1 확축률로 확대 또는 축소함으로써 제4 함수로 변환하고, 변환 후의 제4 함수에 기초하여 전류치를 결정하는 제4 처리를 실행하도록 구성된다. 전류치 결정부는 또한, 미리 제3 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시킴으로써 얻어진 실측 데이터에 제2 함수가 피트되도록 제1 확축률을 결정하도록 구성된다.

Description

전자석 제어 장치 및 전자석 시스템{ELECTROMAGNET CONTROL APPARATUS AND ELECTROMAGNET SYSTEM}
본 발명은, 요크(yoke)와 코일(coil)을 갖는 전자석의 코일에 흐르게 하는 전류를 제어하기 위한 기술에 관한 것이다.
종래, 플라즈마 처리 장치(예컨대, 플라즈마 에칭 장치 등)에 있어서, 마그네트론 방전을 이용한 에칭 방법이 실용화되고 있다. 이것은, 에칭 가스가 도입된 챔버 내에서, 서로 직행하는 방향의 전장 및 자장을 인가하고, 그때에 생기는 전자의 드리프트 운동을 이용하여 웨이퍼 표면을 고효율로 에칭하는 방법이다.
이러한 에칭 장치에서는, 챔버 내의 플라즈마 밀도의 분포를 제어하기 위해, 챔버의 외부에 배치된 자석에 의해 발생되는 자장이 제어된다. 자장을 제어하는 방법으로서, 예컨대, 영구 자석을 기계적으로 이동시키는 것이나, 전자석에 인가하는 전류를 제어하는 것이 알려져 있다. 영구 자석을 기계적으로 이동시키는 방법에서는, 영구 자석에 의해 발생되는 자장 강도가 고정되기 때문에, 플라즈마 밀도 분포를 미조정하는 것이 곤란하다. 이 때문에, 종래에는, 전자석에 인가하는 전류를 제어하는 방법이 채용되고 있다.
한편, 전자석에 관해서, 전자석에 인가하는 제어 전류와, 발생하는 자속 밀도 사이에 자기 히스테리시스(이하, 단순히, 히스테리시스라고도 부름)가 존재하는 것이 알려져 있다. 즉, 전자석에 인가한 전류에 대하여 얻어지는 자속 밀도는, 잔류 자장의 영향을 받기 때문에, 동일한 인가 전류에 대하여 매회 동일한 자속 밀도치가 재현되는 것은 아니다.
이러한 잔류 자기의 영향을 저감하는 방법의 하나는, 히스테리시스 특성을 고려하여 전류치를 보정하는 것이다(예컨대, 하기의 특허문헌 1).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2017-084563호 공보
자속 밀도의 목표치와, 실제로 얻어지는 자속 밀도를 정밀하게 일치시키는 것이 요구된다.
본 발명은, 전술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
본 발명의 제1 형태에 따르면, 요크와 코일을 갖는 전자석의 상기 코일에 흐르게 하는 전류를 제어하기 위한 전자석 제어 장치로서, 상기 코일에 전류를 흐르게 함으로써 얻어지는 자속 밀도의 목표치에 상당하는 자속 밀도 지령치(指令値), 또는, 상기 자속 밀도 지령치를 특정 가능한 정보를 취득하도록 구성된 지령치 취득부와, 상기 자속 밀도 지령치에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 전류치 결정부를 포함하고, 상기 전류치 결정부는, 상기 요크의 소자(消磁) 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에, 제1 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제1 처리와, 상기 요크의 제1 착자(着磁) 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에, 제2 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제2 처리와, 상기 요크의 제2 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에, 제3 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제3 처리와, 상기 요크의 제3 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에, 상기 제2 함수를 제1 확축률(擴縮率)로 확대 또는 축소함으로써 제4 함수로 변환하고, 변환 후의 상기 제4 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제4 처리와, 상기 요크의 제4 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에, 상기 제3 함수를 제2 확축률로 확대 또는 축소함으로써 제5 함수로 변환하고, 변환 후의 상기 제5 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제5 처리를 실행하도록 구성되며, 상기 전류치 결정부는, 상기 제4 처리에 있어서, 미리 상기 제3 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시킴으로써 얻어진 실측 데이터에 상기 제2 함수가 피트(fit)되도록, 상기 제1 확축률을 결정하고, 상기 제5 처리에 있어서, 미리 상기 제4 착자 상태로부터 밀도를 증가시킴으로써 얻어진 실측 데이터에 상기 제3 함수가 피트되도록, 상기 제2 확축률을 결정하도록 구성된 전자석 제어 장치가 제공된다.
이러한 전자석 제어 장치에 따르면, 3개의 함수를 전류 인가의 이력에 따라 구별하여 사용하여, 코일에 흐르게 하는 전류를 제어함으로써, 전류 인가의 이력에 관계없이, 히스테리시스에 기인하는 잔류 자기의 영향을 저감하여, 자속 밀도 지령치와, 코일에 전류를 흐르게 함으로써 실제로 얻어지는 자속 밀도치를 종래보다 정밀하게 일치시킬 수 있다. 그 결과, 상기 전자석 제어 장치를 포함하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 동일 플라즈마 처리 장치에 있어서의 프로세스 사용 조건의 재현성의 향상, 또는, 동일 사양의 플라즈마 처리 장치들간의 개체차를 저감할 수 있다. 게다가, 요크가 갖는 히스테리시스의 크기에 관계없이, 자속 밀도 지령치와, 실제로 얻어지는 자속 밀도치를 정밀하게 일치시킬 수 있다. 이 때문에, 요크에 히스테리시스가 작은 재료를 사용하지 않아도 좋다. 그 결과, 용이하게 입수할 수 있는 저렴한 재료를 요크에 이용할 수 있다. 즉, 전자석 제어 장치의 비용, 및, 전자석 제어 장치의 발주에서 납품까지 소요되는 시간을 저감할 수 있다.
또한, 이러한 전자석 제어 장치에 따르면, 실측 데이터에 기초한 확축률을 이용하여 제2 함수 및 제3 함수를 확대 또는 축소함으로써 제4 함수 및 제5 함수를 얻도록 하였기 때문에, 제4 함수 및 제5 함수에 따라서 결정되는 제어 전류치에 의한 실제의 자속 밀도를, 자속 밀도 지령치와 정밀하게 일치시킬 수 있다.
본 발명의 제2 형태에 따르면, 제1 형태에 있어서, 제1 함수, 제2 함수 및 제3 함수는, 자속 밀도와 전류와의 관계를 나타낸 함수이다. 이러한 형태에 따르면, 다른 파라미터로의 변환을 필요로 하지 않고, 원하는 자속 밀도로부터, 코일에 흐르게 하는 전류를 직접적으로 결정할 수 있다. 따라서, 전자석 제어 장치에 있어서의 연산 부하를 저감할 수 있다.
본 발명의 제3 형태에 따르면, 제1 형태에 있어서, 상기 전류치 결정부는, 상기 요크의 제5 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에, 미리 상기 요크의 복수의 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시킴으로써 얻어진 각 실측 데이터에 상기 제2 함수가 각각 피트되도록, 상기 복수의 착자 상태의 각각에 대응하는 복수의 확축률을 결정하고, 상기 복수의 확축률을 이용한 근사에 의해 제3 확축률을 결정하고, 상기 제2 함수를 상기 제3 확축률로 확대 또는 축소함으로써 제6 함수로 변환하고, 변환 후의 상기 제6 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제6 처리와, 상기 요크의 제6 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에, 미리 상기 요크의 복수의 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시킴으로써 얻어진 각 실측 데이터에 상기 제3 함수가 각각 피트되도록, 상기 복수의 착자 상태의 각각에 대응하는 복수의 확축률을 결정하고, 상기 복수의 확축률을 이용한 근사에 의해 제4 확축률을 결정하며, 상기 제3 함수를 상기 제4 확축률로 확대 또는 축소함으로써 제7 함수로 변환하고, 변환 후의 상기 제7 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제7 처리를 실행하도록 구성된다.
이러한 형태에 따르면, 실측 데이터가 미리 취득되어 있는 착자 상태에 대하여 결정된 복수의 확축률을 근사 곡선으로 보간하여, 실측 데이터가 존재하지 않는 착자 상태에 대한 확축률을 구하도록 하였기 때문에, 자속 밀도 지령치의 증감을 전환하여 실측 데이터를 취득하는 작업을 모든 착자 상태에 대해서 실시해 둘 필요는 없고, 임의의 착자 상태에서 자속 밀도 지령치를 전환한 경우에도 함수 라인을 적절히 확대 또는 축소할 수 있다. 이것에 의해, 자속 밀도의 전체 범위에 걸쳐, 자속 밀도 지령치와 실제로 얻어지는 자속 밀도를 정밀하게 일치시킬 수 있다.
본 발명의 제4 형태에 따르면, 제1 내지 제3 중 어느 하나의 형태의 전자석 제어 장치와, 상기 전자석을 포함하는 전자석 시스템이 제공된다. 이러한 전자석 시스템에 따르면, 제1 내지 제3 중 어느 하나의 형태와 동일한 효과를 발휘한다.
본 발명은, 전술한 형태에 한정되지 않고, 전자석의 제어 방법, 전자석 제어용 프로그램, 상기 프로그램이 컴퓨터에 의해 판독 가능하게 기록된 기억 매체 등, 다양한 형태로 실현 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 플라즈마 에칭 시스템의 개략 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 전자석의 개략 구성을 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 함수에 기초하여 전류치를 결정하는 개념을 나타낸 설명도이다.
도 4는 전류치 결정 처리의 흐름을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 소자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에 전류치를 결정하는 개념을 나타낸 모식도이다.
도 6은 도 5의 상태로부터 자속 밀도를 더 증가시키는 경우에 전류치를 결정하는 개념을 나타낸 모식도이다.
도 7은 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에 전류치를 결정하는 개념을 나타낸 모식도이다.
도 8은 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에 전류치를 결정하는 개념을 나타낸 모식도이다.
도 9는 제2 함수 라인(F2)을 확대 또는 축소할 때에 있어서의 확축률의 결정 방법을 개념적으로 나타낸 모식도이다.
도 10은 제3 함수 라인(F3)을 확대 또는 축소할 때에 있어서의 확축률의 결정 방법을 개념적으로 나타낸 모식도이다.
도 11은 실측 데이터가 존재하지 않는 착자 상태에 있어서 자속 밀도 지령치의 증감이 전환되는 경우의, 확축률의 결정 방법을 개념적으로 나타낸 모식도이다.
A. 제1 실시예:
도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 플라즈마 처리 시스템(20)의 개략 구성을 나타낸 블록도이다. 플라즈마 처리 시스템(20)은, 본 실시예에서는, 플라즈마 에칭을 행하기 위한 시스템으로서, 예컨대, 반도체 제조 공정에서 기판(예컨대, 웨이퍼)을 에칭하기 위해 사용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 처리 시스템(20)은, 플라즈마 에칭 장치(21)와 지령부(22)와 전자석 시스템(30)을 포함하고 있다. 플라즈마 에칭 장치(21)는, 챔버(도시 생략)를 포함하고 있다. 챔버 내에서 플라즈마가 발생되고, 그것에 의해 생성되는 이온이나 라디칼에 의해 처리 대상물이 에칭된다. 지령부(22)는, 본 실시예에서는, 퍼스널 컴퓨터이며, 전자석 시스템(30)(보다 구체적으로는, 후술하는 전자석 제어 장치(50))에 통신 가능하게 접속되어 있다. 지령부(22)는, 전자석 시스템(30)에 지령을 부여하는 임의의 장치로 할 수 있고, 예컨대, 시퀀서 등이어도 좋다.
전자석 시스템(30)은, 전자석(40)과, 전자석 제어 장치(50)를 포함하고 있다. 전자석(40)은, 전자석(40)에 의해 발생되는 자장에 의해 플라즈마 에칭 장치(21)에 있어서의 플라즈마 밀도 분포를 제어하기 위해서, 전술한 챔버의 외부에 챔버에 인접하여 설치된다. 전자석 제어 장치(50)는, 지령부(22)로부터의 지령을 접수하여, 원하는 자속 밀도를 얻을 수 있도록 전자석(40)에 흐르게 하는 전류를 제어한다. 전자석 제어 장치(50)는, 플라즈마 에칭 장치(21)에서의 처리 상황에 따라 플라즈마 밀도 분포를 제어할 수 있도록, 미리 정해진 최대(또는 최소)의 전류치(바꾸어 말하면, 자속 밀도치)에 도달하기 전에, 전류(바꾸어 말하면, 자속 밀도)를 감소(또는 감소)시키도록 제어 가능하게 구성된다.
도 2는 전자석(40)의 개략 구성을 나타낸 단면도이다. 전자석(40)은, 코일(41)과, 요크(42)를 포함하고 있다. 본 실시예는, 설명을 단순화하기 위해서, 전자석(40)이 하나의 코일(41)을 포함하고 있는 것으로서 설명된다. 단, 전자석(40)은, 임의의 수의 코일(41)을 포함하고 있어도 좋다. 코일(41)은, 상면에서 보아 원 형상으로 배치되어 있지만, 도 2에서는, 원의 중심에 대하여 한쪽만을 나타내고 있다. 전자석(40)에서는, 코일(41)로부터 소정 거리만큼 떨어진 측정점(M1)(챔버 내의 점)에 있어서 원하는 자속 밀도를 얻을 수 있도록, 코일(41)에 흐르게 하는 전류가 제어된다.
그러나, 자성 재료에 의해 형성되는 요크(42)는, 자기 히스테리시스를 갖고 있다. 이 때문에, 원하는 자속 밀도(본 실시예에서는, 지령부(22)로부터 입력되는 자속 밀도 지령치)에 기초하여, 코일(41)에 흐르게 하는 전류를 단순히 연산하면, 원하는 자속 밀도와, 측정점(M1)에서 측정되는 자속 밀도 사이에, 코일(41)에 인가되는 전류의 이력에 따라 차이가 생긴다. 전자석 제어 장치(50)는, 이러한 히스테리시스의 영향(즉, 원하는 자속 밀도와, 측정점(M1)에서 측정되는 자속 밀도와의 불일치)을 저감하는 기능을 갖고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전자석 제어 장치(50)는, 지령치 취득부(60)와, 전류치 결정부(70)와, 드라이버(80)와, 소자부(85)와, 기억부(90)를 포함하고 있다. 지령치 취득부(60)는, 지령부(22)로부터 자속 밀도 지령치를 접수한다. 또한, 지령치 취득부(60)는, 접수한 자속 밀도 지령치를, 히스테리시스가 존재하지 않는다고 가정한 경우(즉, 코일(41)에 흐르게 하는 전류와, 측정점(M1)에서 측정되는 자속 밀도가 정비례한다고 가정한 경우)의 코일(41)에 흐르게 하는 전류의 전류치로 환산한다. 이렇게 해서 환산되는 전류치를 전류 지령치(I)라고도 부른다. 지령치 취득부(60)는, 산출한 전류 지령치(I)를 전류치 결정부(70)에 출력한다.
전류치 결정부(70)는, 전자석(40)의 히스테리시스를 고려하여, 전류 지령치(I)를 보정하고, 코일(41)에 실제로 흐르게 하는 전류치(제어 전류치(I’)라고도 부름)를 결정한다. 이 처리는, 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)에 기초하여 행해진다. 이들 함수는, 기억부(90)에 미리 기억되어 있다. 단, 이들 함수는, 외부(예컨대, 지령부(22))로부터 통신에 의해 취득되어도 좋다. 또한, 후술하는 바와 같이, 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)는, 상황에 따라 변환되는 경우가 있지만, 전류치 결정부(70)는, 통신에 의해 외부로부터 변환 후의 함수를 취득하여도 좋다. 이들 함수의 상세한 내용에 대해서는 후술한다.
그리고, 전류치 결정부(70)는, 결정한 제어 전류치(I’)를 드라이버(80)에 출력한다. 드라이버(80)는, 코일(41)로의 전류 공급을 제어한다. 즉, 드라이버(80)는, 입력된 제어 전류치(I’)의 전류를 전자석(40)의 코일(41)에 흐르게 한다. 소자부(85)는, 요크(42)에 대하여 소자를 행한다. 구체적으로는, 본 실시예에서는, 소자부(85)는, 지령부(22)로부터 소자 지령을 접수하면, 기억부(90)로부터 소자의 파라미터(예컨대, 교류 소자의 진폭, 주파수 등)를 취득한다. 그리고, 소자부(85)는, 취득한 파라미터에 따른 지령을 드라이버(80)에 출력한다. 드라이버(80)는, 입력된 지령에 기초하여, 전류를 원하는 파형으로 변환하여 출력한다.
도 3은 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)에 기초하여 제어 전류치(I’)를 결정하는 개념의 설명도이다. 이상(理想) 직선(F0)은, 코일(41)에 흐르게 하는 전류와, 그것에 의해 얻어지는 자속 밀도의 이상적인 관계(즉, 히스테리시스가 존재하지 않는 경우의 관계)를 나타내고 있다. 이상 직선(F0)에서는, 전류와 자속 밀도는, 원점을 지나는 비례 관계에 있다. 이것에 대하여, 제1 함수 라인(F1), 제2 함수 라인(F2) 및 제3 함수 라인(F3)은, 히스테리시스의 영향을 고려하여 보정된 후의, 전류와 자속 밀도와의 관계를 개념적으로 나타내고 있다. 도 3에 도시된 제1 함수 라인(F1), 제2 함수 라인(F2) 및 제3 함수 라인(F3)은, 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)를 각각 그대로 그래프화한 것이 아니라, 이들 함수에 의해 전류 지령치(I)가 이상 직선(F0)에 대하여 어떻게 보정되는지를 개념적으로 나타낸 고 있는 것에 유의하기 바란다. 제1 함수 라인(F1)은, 이상 직선(F0)보다도 위쪽에 위치하고 있다. 제2 함수 라인(F2)은, 이상 직선(F0)보다도 아래쪽에 위치하고 있고, 제3 함수 라인(F3)은, 제2 함수 라인(F2)보다도 위쪽에 위치하고 있다. 도 3에 도시된 예에서는, 제3 함수 라인(F3)의 전체가 이상 직선(F0)보다도 아래쪽에 위치하고 있지만, 요크(42)의 재질에 따라서는, 제3 함수 라인(F3)의 일부분은, 이상 직선(F0)보다도 위쪽에 위치하는 경우도 있다.
함수 라인(F1∼F3)은, 전자석(40)의 히스테리시스 특성을 미리 실측하고, 그 결과에 기초하여, 근사적으로 정해진다. 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)는, 정해진 함수 라인(F1∼F3) 상의 전류치가 제어 전류치(I’)로서 얻어지 도록 근사적으로 정해진다. 본 실시예에서는, 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)의 각각은, 구간 선형 함수로서 정의되어 있다. 즉, 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)의 각각은, 그래프화한 경우, 복수의 선형이 절점(折点)에서 접속된 형상을 갖고 있다. 단, 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)는, 구간이 정의되어 있지 않은 단순한 선형 함수로서 정의되어도 좋거나 혹은 임의의 함수로서 정의되어도 좋다.
제1 함수(91)는, 요크(42)의 소자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에 사용된다. 제1 함수(91)에 대응하는 도 3의 제1 함수 라인(F1)은, 원점과, 자속 밀도의 최대치(Bmax) 사이에서 정의되어 있다. 즉, 도시된 제1 함수 라인(F1)은, 전류치 제로로부터 최대치(Bmax)에 상당하는 전류치(전류치(Imax))까지 전류를 일정 폭으로 증가시키는 경우에 있어서의, 코일(41)에 흐르는 전류치와, 측정점(M1)에 있어서 얻어지는 자속 밀도와의 관계를 근사적으로 나타내고 있다.
제2 함수(92)는, 요크(42)의 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에 사용된다. 제2 함수(92)에 대응하는 도 3의 제2 함수 라인(F2)은, 최대치(Bmax)와, x축 상의 점(전류치 제로) 사이에서 정의되어 있다. 즉, 도시된 제2 함수 라인(F2)은, 최대치(Bmax)에 상당하는 전류치로부터 전류치 제로까지 전류를 일정 폭으로 감소시키는 경우에 있어서의, 코일(41)에 흐르는 전류치와, 측정점(M1)에 있어서 얻어지는 자속 밀도와의 관계를 근사적으로 나타내고 있다.
제3 함수(93)는, 요크(42)의 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에 사용된다. 제3 함수(93)에 대응하는 도 3의 제3 함수 라인(F3)은, x축 상의 점(전류치 제로)과, 최대치(Bmax) 사이에서 정의되어 있다. 즉, 도시된 제3 함수 라인(F3)은, 최대치(Bmax)에 대응하는 전류치로부터 전류치 제로까지 전류를 저하시킨 후에, 재차, 최대치(Bmax)에 대응하는 전류치까지 전류를 일정 폭으로 증가시키는 경우에 있어서의, 코일(41)에 흐르는 전류치와, 측정점(M1)에 있어서 얻어지는 자속 밀도와의 관계를 근사적으로 나타내고 있다.
도 3에서는, 제1 상한만을 나타내고 있지만, 제2 내지 제4 상한의 각각에 있어서도, 도 3에 도시된 선형과 원점 대상의 그래프를 얻을 수 있고, 또한, 그것에 대응하도록 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)가 정의되는 것에 유의하기 바란다.
도 4는 전자석 제어 장치(50)에 의해 실행되는 전류치 결정 처리의 일례의 흐름을 나타낸 흐름도이다. 전류치 결정 처리는, 지령부(22)로부터 입력되는 지령치에 기초하여, 코일(41)에 흐르게 하는 전류의 전류치를 결정하는 처리이다. 전류치 결정 처리는, 지령부(22)로부터 전자석 제어 장치(50)에 지령치가 입력될 때마다 반복 실행된다. 도 4에서는, 설명을 단순화하기 위해서, 전류치 및 자속 밀도치의 각각이, 제로 이상의 범위(즉, 도 3에 도시된 제1 상한의 범위 내)로 제어되는 경우를 나타내고 있다. 전류치 결정 처리가 시작되면, 우선, 지령치 취득부(60)는, 지령부(22)로부터 입력된 자속 밀도 지령치를 접수하여, 전류 지령치(In)를 산출한다(단계 S110). 전류 지령치(I)의 첨자 「n」은, n번째로 입력된 자속 밀도 지령치에 대응하고 있는 것을 나타내고 있다. 이 전류 지령치(In)는, 도 3에 도시된 이상 직선(F0)에 기초하여 산출된다.
전류 지령치(In)를 산출하면, 지령치 취득부(60)는, 산출된 전류 지령치(In)를 기억부(90)에 기억하고(단계 S120), 상기 전류 지령치(In)를 전류치 결정부(70)에 출력한다. 본 실시예에서는, 기억부(90)에 기억된 전류 지령치(In)는, 다음번 실행되는 전류치 결정 처리가 종료할 때에 소거된다.
전류치 결정부(70)는, 입력된 전류 지령치(In)가 소자 상태로부터의 자속 밀도의 증가의 지령을 나타내고 있는지 여부를 판단한다(단계 S130). 여기서의 「소자 상태로부터의 자속 밀도의 증가 지령」에는, 초기 상태(즉, 잔류 자기 없음)로부터의 처음 자속 밀도의 증가 지령과, 초기 상태로부터, 한 번도 자속 밀도를 감소시키지 않고, 단계적으로 자속 밀도를 증가시키는 경우의, 중간 단계의 자속 밀도의 증가 지령이 포함된다. 이 판단은, 본 실시예에서는, 전회 실행된 전류치 결정 처리의 단계 S120에 의해 전류 지령치(In-1)가 기억되어 있는지 여부와, 후술하는 함수 플래그에 기초하여 행해진다. 처음 전류치 결정 처리가 실행되는 경우, 전류 지령치(In-1)는, 당연히 기억되어 있지 않다. 또한, 본 실시예에서는, n회째의 전류치 결정 처리 후에 소자부(85)에 의해 소자가 실행된 경우, 기억부(90)에 기억된 전류 지령치(In)는 소거된다. 이 때문에, 전류치 결정부(70)는, 전류 지령치(In-1)가 기억부(90)에 기억되어 있는지 여부에 기초하여, 입력된 전류 지령치(In)가 초기 상태로부터의 처음의 자속 밀도의 증가를 나타내는지 여부를 판단할 수 있다. 입력된 전류 지령치(In)가 중간 단계에서의 자속 밀도의 증가를 나타내는지 여부에 대해서는, 후술하는 함수 플래그에 의해 판단할 수 있다. 이 판단에 대해서는 후술한다.
판단 결과, 전류 지령치(In)가 소자 상태로부터의 자속 밀도의 증가 지령을 나타내고 있는 경우(단계 S130: YES), 전류치 결정부(70)는, 제1 함수(91)를 선택하고, 함수 플래그를 값 1로 설정한다(단계 S140). 함수 플래그는, 기억부(90)에 확보된 플래그 영역에 기록된다. 이 함수 플래그의 사용 방법에 대해서는 후술한다. 계속해서, 전류치 결정부(70)는, 제1 함수(91)를 이용하여 전류 보정량(Ic)을 결정한다(단계 S150). 본 실시예에서는, 제1 함수(91)는, 자속 밀도 지령치(B)(또는 전류 지령치(I))와 전류 보정량(Ic)과의 대응 관계를 나타내는 함수이다. 이 점은, 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)에 대해서도 동일하다. 여기서의 전류 보정량(Ic)의 결정 방법은 후술한다. 계속해서, 전류치 결정부(70)는, 상기 단계 S110에서 산출한 전류 지령치(In)에 전류 보정량(Ic)을 가산하여, 제어 전류치(In’)를 산출한다(단계 S210). 그리고, 전류치 결정부(70)는, 제어 전류치(In’)를 기억부(90)에 기억함(단계 S220)과 더불어, 제어 전류치(In’)를 드라이버(80)에 출력하고(단계 S230), 전류치 결정 처리를 종료한다.
한편, 전류 지령치(In)가 소자 상태로부터의 자속 밀도의 증가 지령을 나타내지 않는 경우(단계 S130: NO), 즉, 요크(42)가 착자 상태에 있는 경우, 전류치 결정부(70)는, 전류 지령치(In)가 전류 지령치(In-1)보다도 작은지 여부를 판단한다(단계 S160). 전류 지령치(In-1)는, 전회 실행된 전류치 결정 처리의 상기 단계 S120에 있어서, 기억부(90)에 기억되어 있다. 판단 결과, 전류 지령치(In)가 전류 지령치(In-1)보다도 작은 경우(단계 S160: YES), 즉, 자속 밀도를 감소시키는 지령이 입력되어 있는 경우, 전류치 결정부(70)는, 제2 함수(92)를 선택하고, 함수 플래그를 값 2로 설정한다(단계 S170). 계속해서, 전류치 결정부(70)는, 제2 함수(92)에 기초하여 전류 보정량(Ic)을 결정한다(단계 S180). 여기서의 전류 보정량(Ic)의 결정 방법은 후술한다. 그리고, 전류치 결정부(70)는, 처리를 상기 단계 S210으로 진행시킨다.
판단 결과, 전류 지령치(In)가 전류 지령치(In-1)보다도 큰 경우(단계 S160: NO), 즉, 자속 밀도를 증가시키는 지령이 입력되어 있는 경우, 전류치 결정부(70)는, 제3 함수(93)를 선택하고, 함수 플래그를 값 3으로 설정한다(단계 S190). 계속해서, 전류치 결정부(70)는, 제3 함수(93)에 기초하여 전류 보정량(Ic)을 결정한다(단계 S200). 여기서의 전류 보정량(Ic)의 결정 방법은 후술한다. 그리고, 전류치 결정부(70)는, 처리를 상기 단계 S210으로 진행시킨다.
도 5∼도 8은 상기 단계 S150, S180, S200에 있어서의 전류 보정량(Ic)의 결정 방법의 구체예를 개념적으로 나타내고 있다. 도 5는 소자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에 전류치를 결정하는 개념을 나타내고 있고, 상기 단계 S150에 대응하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 최대치(Bmax)보다도 작은 자속 밀도 지령치(B1)가 입력되면, 전자석 제어 장치(50)는, 이상 직선(F0)을 이용하여 전류 지령치(I1)를 산출한다(단계 S110). 도 5에 있어서, 점 P1은, 최대치(Bmax)에 상당하는 이상 직선(F0) 상의 점이다. 점 P2는, 자속 밀도 지령치(B1)에 의해 정해지는 이상 직선(F0) 상의 점이며, 전류 지령치(I1)에 대응하고 있다. 그리고, 전자석 제어 장치(50)는, 제1 함수(91)를 이용하여, 전류 보정량(IC1)을 결정하고(단계 S150), 이것에 전류 지령치(I1)를 가산하여, 제어 전류치(I’1)를 산출한다. 점 P3은, 제1 함수 라인(F1) 상의 점이며, 자속 밀도 지령치(B1) 및 제어 전류치(I’1)에 대응하고 있다. 즉, 소자 상태로부터 자속 밀도 지령치(B1)까지 자속 밀도를 증가시키는 경우, 전류치는, 제로로부터, 제1 함수 라인(F1) 상의 점 P3에 대응하는 제어 전류치(I’1)까지 증가된다. 제1 함수(91)에서는, 이러한 결과가 얻어지도록, 전류 지령치(I)와 전류 보정량(Ic)과의 대응 관계가 정의되어 있다.
도 6은 도 5의 상태로부터 자속 밀도를 더 증가시키는 경우에 전류치를 결정하는 개념을 나타내고 있다. 자속 밀도 지령치(B2)(B2>B1)가 입력되면, 전자석 제어 장치(50)는, 이상 직선(F0)을 이용하여 전류 지령치(I2)(점 P4에 대응)를 산출한다(단계 S110). 그리고, 전자석 제어 장치(50)는, 제1 함수(91)를 이용하여 전류 보정량(IC2)을 결정하고(단계 S150), 이것에 전류 지령치(I2)를 가산하여, 제어 전류치(I’2)(점 P5에 대응)를 산출한다. 즉, 입력되는 자속 밀도 지령치가 소자 상태로부터 계속해서 증가하는 한, 제어 전류치(I’)는, 제1 함수(91)를 계속적으로 사용하여, 제1 함수 라인(F1) 상의 점에 대응하는 값으로서 결정된다. 입력되는 자속 밀도 지령치가 소자 상태로부터 계속해서 증가되는지 여부는, 함수 플래그를 참조하여 판단할 수 있다. 구체적으로는, 함수 플래그가 값 1로 설정되어 있는 상태에서, 전회보다도 큰 자속 밀도 지령치가 입력된 경우에는, 입력되는 자속 밀도 지령치가 소자 상태로부터 계속해서 증가한다고 판단할 수 있다.
도 7은 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에 전류치를 결정하는 개념을 나타내고 있다. 도 6에 도시된 상태로부터 자속 밀도 지령치(B3)(B3<B2)가 입력되면, 즉, 자속 밀도 지령치가 증가에서 감소로 전환되면, 전자석 제어 장치(50)는, 이상 직선(F0)을 이용하여 전류 지령치(I3)(점 P6에 대응)를 산출한다(단계 S110). 그리고, 전자석 제어 장치(50)는, 제2 함수(92)에 기초하여 전류 보정량(IC3)을 결정하고(단계 S150), 이것에 전류 지령치(I3)를 가산하여, 제어 전류치(I’3)(점 P7에 대응)를 산출한다. 점 P7은, 제2 함수 변환 라인(F2’) 상의 점이다. 제2 함수 변환 라인(F2’)이 이상 직선(F0)보다도 아래쪽에 위치하기 때문에, 전류 보정량(IC3)은, 마이너스의 값으로서 산출된다.
제2 함수 변환 라인(F2’)은, 제2 함수 라인(F2)이 변환된 라인이다. 구체적으로는, 제2 함수 변환 라인(F2’)은, 제2 함수 라인(F2)과 이상 직선(F0) 사이에 위치하도록 변환된 라인이다. 예컨대, 제2 함수 변환 라인(F2’)은, 이하와 같이 하여 얻을 수 있다. 우선, 제2 함수 라인(F2)은, 점 P1(제2 함수 라인(F2)의 원점과 반대측의 끝점)이, 점 P5(자속 밀도(바꾸어 말하면, 전류)가 증가에서 감소로 바뀔 때의 자속 밀도(B2)에 대응하는 제1 함수 라인(F1) 상의 점)에 위치하도록 평행 이동된다. 그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 평행 이동된 제2 함수 라인(F2)이 확대 또는 축소된다. 이때의 확축률의 결정 방법에 대해서는 후술한다. 이렇게 해서 스케일 변환된 후의 제2 함수 라인(F2)이 제2 함수 변환 라인(F2’)이다.
전류 보정량(IC3)은, 제어 전류치(I’3)가 이러한 제2 함수 변환 라인(F2’) 상에 위치하도록 결정된다. 바꾸어 말하면, 제2 함수(92)는, 이러한 결과가 얻어지 도록 변환된 후에 사용된다.
도 7에 도시된 상태 후, 입력되는 자속 밀도 지령치가 계속해서 감소되는 한, 제어 전류치(I’)는, 동일 함수(전술한 변환된 제2 함수(92))를 사용하여, 제2 함수 변환 라인(F2’) 상의 점에 대응하는 값으로서 결정된다. 입력되는 자속 밀도 지령치가 착자 상태로부터 계속해서 감소되는지 여부는, 함수 플래그를 참조하여 판단할 수 있다. 구체적으로는, 함수 플래그가 값 2로 설정되어 있는 상태에서, 전회보다도 작은 자속 밀도 지령치가 입력된 경우에는, 입력되는 자속 밀도 지령치가 착자 상태로부터 계속해서 감소된다고 판단할 수 있다. 또한, 자속 밀도 지령치가 점 P1에 도달한 후에 자속 밀도 지령치가 증가에서 감소로 전환되는 경우에는, 제2 함수 변환 라인(F2’)이 아니라, 제2 함수 라인(F2) 상에 제어 전류치(I’)가 위치하도록, 제어 전류치(I’)가 결정된다.
도 8은 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에 전류치를 결정하는 개념을 나타내고 있다. 도 7에 도시된 상태로부터 자속 밀도 지령치(B4)(B4>B3)가 입력되면, 즉, 착자 상태에 있어서 자속 밀도 지령치가 감소에서 증가로 재차 전환되면, 전자석 제어 장치(50)는, 이상 직선(F0)을 이용하여 전류 지령치(I4)(점 P8에 대응)를 산출한다(단계 S110). 착자 상태에 있어서 자속 밀도 지령치가 감소에서 증가로 재차 전환되는지 여부는, 함수 플래그를 참조하여 판단할 수 있다. 구체적으로는, 함수 플래그가 값 2로 설정되어 있는 상태에서, 전회보다도 큰 자속 밀도 지령치가 입력된 경우에는, 착자 상태에 있어서 자속 밀도 지령치가 감소에서 증가로 재차 전환된다고 판단할 수 있다.
그리고, 전자석 제어 장치(50)는, 제3 함수(93)에 기초하여 전류 보정량(IC4)을 결정하고(단계 S150), 이것에 전류 지령치(I4)를 가산하여, 제어 전류치(I’4)(점 P9에 대응)를 산출한다. 점 P9는, 제3 함수 변환 라인(F3’) 상의 점이다. 제3 함수 변환 라인(F3’)이 이상 직선(F0)보다도 아래쪽에 위치하기 때문에, 전류 보정량(IC4)은, 마이너스의 값으로서 산출된다.
제3 함수 변환 라인(F3’)은, 제3 함수 라인(F3)이 변환된 라인이다. 예컨대, 제3 함수 변환 라인(F3’)은, 이하와 같이 하여 얻을 수 있다. 우선, 제3 함수 라인(F3)의 원점측의 끝점이 점 P7(자속 밀도(바꾸어 말하면, 전류)가 감소에서 증가로 바뀔 때의 제2 함수 변환 라인(F2’) 상의 점)에 위치하도록 제3 함수 라인(F3)이 평행 이동된다. 그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 평행 이동된 제3 함수 라인(F3)이 확대 또는 축소된다. 이때의 확축률의 결정 방법에 대해서는 후술한다. 이렇게 해서 스케일 변환된 후의 제3 함수 라인(F3)이 제3 함수 변환 라인(F3’)이다.
전류 보정량(IC4)은, 제어 전류치(I’4)가 이러한 제3 함수 변환 라인(F3’) 상에 위치하도록 결정된다. 바꾸어 말하면, 제3 함수(93)는, 이러한 결과가 얻어지도록 변환된 후에 사용된다.
도 8에 도시한 상태 후, 착자 상태에 있어서, 입력되는 자속 밀도 지령치가 계속해서 증가되는 한, 제어 전류치(I’)는, 동일 함수(전술한 변환된 제3 함수(93))를 사용하여, 제3 함수 변환 라인(F3’) 상의 점에 대응하는 값으로서 결정된다. 착자 상태에 있어서 자속 밀도 지령치가 계속해서 증가되는지 여부는, 함수 플래그를 참조하여 판단할 수 있다. 구체적으로는, 함수 플래그가 값 3으로 설정되어 있는 상태에서, 전회보다도 큰 자속 밀도 지령치가 입력된 경우에는, 착자 상태에 있어서 자속 밀도 지령치가 계속해서 증가된다고 판단할 수 있다. 또한, 자속 밀도가 재차 감소로 바뀌는 경우(함수 플래그에 의해 판단할 수 있음)에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 함수 라인(F2)이 변환된 라인 상에 제어 전류치(I’)가 위치하도록, 제어 전류치(I’)가 결정된다. 또한, 자속 밀도 지령치가, 제2 함수 라인(F2)의 최소치(x축 상의 점)에 도달한 후에 자속 밀도 지령치가 감소에서 증가로 전환되는 경우에는, 제3 함수 변환 라인(F3’)이 아니라, 제3 함수 라인(F3) 상에 제어 전류치(I’)가 위치하도록, 제어 전류치(I’)가 결정된다. 설명은, 생략하지만, 제2 내지 제4 상한의 각각에 있어서도, 제1 상한과 동일하게 하여, 제어 전류치(I’)가 결정된다.
도 9는 제2 함수 변환 라인(F2’)(이하, 제4 함수 라인(F4)이라 기술함)을 구하기 위해서, 제2 함수 라인(F2)을 평행 이동한 후에 확대 또는 축소할 때에 있어서의, 확축률의 결정 방법의 구체예를 개념적으로 나타내고 있다. 도 9에 있어서, 횡축은 도 5∼도 8과 마찬가지로 자속 밀도 지령치를 나타내고 있지만, 종축은 도 5∼도 8과는 달리, 전류 보정량(Ic)을 나타내고 있는 것에 유의하기 바란다.
도 9에 있어서의 제1 함수 라인(F1), 제2 함수 라인(F2) 및 제3 함수 라인(F3)은, 전술(도 3 등)한 함수 라인(F1∼F3)과 마찬가지로, 기억부(90)에 미리 기억되어 있는 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)에 각각 기초하는 것이다. 예컨대, 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93)는, N차 다항식(예컨대 N=5) 또는 임의의 다른 함수로서 정의된다. 또한 도 9에 있어서, 제1 함수 라인(F1)은, 자속 밀도가 제로와 최대치(Bmax)의 범위에서 정의되고, 제2 함수 라인(F2) 및 제3 함수 라인(F3)은, 자속 밀도가 최대치(Bmax)와 최소치(Bmin)(=-Bmax)의 범위에서 정의되어 있다.
전술한 바와 같이, 자속 밀도 지령치가 최대치(Bmax)(제1 착자 상태)에 도달한 후에 자속 밀도 지령치가 증가에서 감소로 전환될 경우에는, 제2 함수 라인(F2)에 따라서 제어 전류치(I’)가 결정된다. 그러나, 자속 밀도 지령치가 증가해 나가, 최대치(Bmax)에 도달하는 것보다도 전에 최대치(Bmax)보다 작은 소정의 자속 밀도(제3 착자 상태)에 있어서 자속 밀도 지령치가 증가에서 감소로 전환되는 경우에는, 제2 함수 라인(F2)을 변환한 제4 함수 라인(F4)에 따라서 제어 전류치(I’)가 결정된다.
제2 함수 라인(F2)을 제4 함수 라인(F4)으로 변환하기 위해서, 제3 착자 상태에 대응하는 제3 함수 라인(F3) 상의 점(예컨대 점 Q2, Q3, Q4)에 있어서 자속 밀도 지령치를 증가에서 감소로 전환한 경우의, 자속 밀도 지령치(또는 전류 지령치(I))와 전류 보정량(Ic)과의 대응 관계를 나타내는 실측 데이터를 미리 취득해 둔다. 도 9에는 이러한 실측 데이터 중 몇개가 플롯되어 있다.
제2 함수 라인(F2)은, 우선, 점 Q1(제2 함수 라인(F2) 상의 제1 착자 상태에 대응하는 끝점)이, 상기한 바와 같이 미리 취득된 실측 데이터에 대응하는 점 Q2(또는 Q3, Q4)에 위치하도록 평행 이동된다. 그리고, 평행 이동된 제2 함수 라인(F2)이 점 Q2(또는 Q3, Q4)에 관련된 실측 데이터에 피트되도록, 제2 함수 라인(F2)에 적용되는 확축률(제1 확축률)이 결정된다. 이 확축률에 따라서, 평행 이동 후의 제2 함수 라인(F2)이 확대 또는 축소됨으로써, 제4 함수 라인(F4)이 얻어진다. 실측 데이터가 미리 취득되어 있는 제3 착자 상태(도 9에 있어서의 제3 함수 라인(F3) 상의 점 Q2, Q3, Q4)에 관해서는, 동일한 방법으로 제2 함수 라인(F2)에서 제4 함수 라인(F4)으로의 변환을 행할 수 있다.
이와 같이, 실측 데이터에 기초한 확축률을 이용하여 제2 함수 라인(F2)을 확대 또는 축소함으로써 제4 함수 라인(F4)을 얻도록 하였기 때문에, 제4 함수 라인(F4)에 따라서 결정되는 제어 전류치(I’)에 의한 실제의 자속 밀도를, 자속 밀도 지령치와 정밀하게 일치시킬 수 있다. 또한, 확축률은, 도 9의 횡축 방향으로 제2 함수 라인(F2)을 확대 또는 축소하기 위한 확축률과, 도 9의 종축 방향으로 제2 함수 라인(F2)을 확대 또는 축소하기 위한 확축률을 독립적으로 결정하는 것이 좋다. 이것에 의해, 제2 함수 라인(F2)을 도 9의 횡축 방향과 종축 방향으로 독립적으로 확대 또는 축소하여, 제2 함수 라인(F2)을 유연하게 실측 데이터에 피트시킬 수 있다.
도 10은 제3 함수 변환 라인(F3’)(이하, 제5 함수 라인(F5)이라 기술함)을 구하기 위해서, 제3 함수 라인(F3)을 평행 이동한 후에 확대 또는 축소할 때에 있어서의, 확축률의 결정 방법의 구체예를 개념적으로 나타내고 있다. 도 10에 있어서, 횡축 및 종축은, 도 9와 마찬가지로 각각 자속 밀도 지령치와 전류 보정량(Ic)을 나타내고 있는 것에 유의하기 바란다.
도 10에 있어서의 제1 함수 라인(F1), 제2 함수 라인(F2) 및 제3 함수 라인(F3)은, 도 9의 경우와 마찬가지로, 기억부(90)에 미리 기억되어 있는 제1 함수(91), 제2 함수(92) 및 제3 함수(93에 각각 기초한 것이다. 또한 도 10에 있어서, 제1 함수 라인(F1)은, 자속 밀도가 제로와 최대치(Bmax)의 범위에서 정의되고, 제2 함수 라인(F2) 및 제3 함수 라인(F3)은, 자속 밀도가 최대치(Bmax)와 최소치(Bmin)(=-Bmax)의 범위에서 정의되어 있다.
전술한 바와 같이, 자속 밀도 지령치가 최소치(Bmin)(제2 착자 상태)에 도달한 후에 자속 밀도 지령치가 감소에서 증가로 전환되는 경우에는, 제3 함수 라인(F3)에 따라서 제어 전류치(I’)가 결정된다. 그러나, 자속 밀도 지령치가 감소해 나가, 최소치(Bmin)에 도달하는 것보다도 전에 최소치(Bmin)보다 큰 소정의 자속 밀도(제4 착자 상태)에 있어서 자속 밀도 지령치가 감소에서 증가로 전환되는 경우에는, 제3 함수 라인(F3)을 변환한 제5 함수 라인(F5)에 따라서 제어 전류치(I’)가 결정된다.
제3 함수 라인(F3)을 제5 함수 라인(F5)으로 변환하기 위해서, 제4 착자 상태에 대응하는 제2 함수 라인(F2) 상의 점(예컨대 점 Q6, Q7, Q8)에 있어서 자속 밀도 지령치를 감소에서 증가로 전환한 경우의, 자속 밀도 지령치(또는 전류 지령치(I))와 전류 보정량(Ic)과의 대응 관계를 나타내는 실측 데이터를 미리 취득해 둔다. 도 10에는 이러한 실측 데이터 중 몇개가 플롯되어 있다.
제3 함수 라인(F3)은, 우선, 점 Q5(제3 함수 라인(F3) 상의 제2 착자 상태에 대응하는 끝점)가, 상기한 바와 같이 미리 취득된 실측 데이터에 대응하는 점 Q6(또는 Q7, Q8)에 위치하도록 평행 이동된다. 그리고, 평행 이동된 제3 함수 라인(F3)이 점 Q6(또는 Q7, Q8)에 관련된 실측 데이터에 피트하도록, 제3 함수 라인(F3)에 적용되는 확축률(제2 확축률)이 결정된다. 이 확축률에 따라서, 평행 이동 후의 제3 함수 라인(F3)이 확대 또는 축소됨으로써, 제5 함수 라인(F5)이 얻어진다. 실측 데이터가 미리 취득되어 있는 제4 착자 상태(도 10에 있어서의 제2 함수 라인(F2) 상의 점 Q6, Q7, Q8)에 관해서는, 동일한 방법으로 제3 함수 라인(F3)에서 제5 함수 라인(F5)으로의 변환을 행할 수 있다.
이와 같이, 실측 데이터에 기초한 확축률을 이용하여 제3 함수 라인(F3)을 확대 또는 축소함으로써 제5 함수 라인(F5)을 얻도록 하였기 때문에, 제5 함수 라인(F5)에 따라서 결정되는 제어 전류치(I’)에 의한 실제의 자속 밀도를, 자속 밀도 지령치와 정밀하게 일치시킬 수 있다. 또한, 확축률은, 도 10의 횡축 방향으로 제3 함수 라인(F3)을 확대 또는 축소하기 위한 확축률과, 도 10의 종축 방향으로 제3 함수 라인(F3)을 확대 또는 축소하기 위한 확축률을 독립적으로 결정하는 것이 좋다. 이것에 의해, 제3 함수 라인(F3)을 도 10의 횡축 방향과 종축 방향으로 독립적으로 확대 또는 축소하여, 제3 함수 라인(F3)을 유연하게 실측 데이터에 피트시킬 수 있다.
도 11은, 실측 데이터가 존재하지 않는 착자 상태에 있어서 자속 밀도 지령치의 증감이 전환되는 경우의, 확축률의 결정 방법의 구체예를 개념적으로 나타내고 있다. 도 11에 있어서, 횡축은 자속 밀도 지령치를 나타내고, 종축은 함수 라인을 스케일 변환하기 위한 확축률을 나타내고 있다.
도 11에는 도 9 및 도 10에 도시된 방법에 따라서 결정된 제1 확축률과 제2 확출률이 플롯되어 있다. 구체적으로는, 도 11에 있어서의 R2x, 점 R3x, 및 점 R4x는 각각 도 9의 점 Q2, Q3, Q4에 대해서 결정된, 제2 함수 라인(F2)을 도 9의 횡축 방향으로 확대 또는 축소하기 위한 제1 확축률을 나타내고, 도 11에 있어서의 점 R2y, 점 R3y, 및 점 R4y는 각각 도 9의 점 Q2, Q3, Q4에 관해서 결정된, 제2 함수 라인(F2)을 도 9의 종축 방향으로 확대 또는 축소하기 위한 제1 확축률을 나타내고 있다. 또한, 도 11에 있어서의 점 R6x, 점 R7x, 및 점 R8x는 각각 도 10의 점 Q6, Q7, Q8에 관해서 결정된, 제3 함수 라인(F3)을 도 10의 횡축 방향으로 확대 또는 축소하기 위한 제2 확축률을 나타내고, 도 11에 있어서의 점 R6y, 점 R7y, 및 점 R8y는 각각 도 10의 점 Q6, Q7, Q8에 관해서 결정된, 제3 함수 라인(F3)을 도 10의 종축 방향으로 확대 또는 축소하기 위한 제2 확축률을 나타내고 있다. 또한, 도 11의 점 R1 및 점 R5는 각각 도 9의 점 Q1과 도 10의 점 Q5에 대응하고, 확축률이 1인(즉 제2 함수 라인(F2) 및 제3 함수 라인(F3)이 그대로 이용되는) 것을 나타낸다.
도 9에 있어서, 제3 함수 라인(F3) 상의 점 Q9는 점 Q2, 점 Q3, 점 Q4에 있어서와 같은 실측 데이터가 존재하지 않는 제5 착자 상태를 나타내고 있다. 따라서, 이러한 점 Q9에 있어서 자속 밀도 지령치를 증가에서 감소로 전환한 경우에는, 전술한 도 9에 나타낸 방법에 따라서 제2 함수 라인(F2)의 확축률을 결정할 수 없다. 점 Q9에 대응하는 확축률을 구하기 위해서, 도 11에 있어서 점 R1, 점 R2x, 점 R3x, 점 R4x에 가장 근접하는 근사 곡선(G1), 및 점 R1, 점 R2y, 점 R3y, 점 R4y에 가장 근접하는 근사 곡선(G2)이 이용된다. 근사 곡선(G1) 상의 점 R9x(도 9의 점 Q9와 자속 밀도 지령치가 일치하는 점)에 대응하는 확축률이, 제2 함수 라인(F2)을 도 9의 횡축 방향으로 확대 또는 축소하기 위한 확축률(제3 확축률)로서 채용되며, 근사 곡선(G2) 상의 점 R9y(도 9의 점 Q9와 자속 밀도 지령치가 일치하는 점)에 대응하는 확축률이, 제2 함수 라인(F2)을 도 9의 종축 방향으로 확대 또는 축소하기 위한 확축률(제3 확축률)로서 채용된다. 이와 같이 하여 결정된 제3 확축률로 제2 함수 라인(F2)을 (평행 이동 후에) 확대 또는 축소함으로써, 제2 함수 라인(F2)이 제6 함수 라인으로 변환되고, 변환 후의 제6 함수 라인에 따라서 제어 전류치(I’)가 결정된다.
마찬가지로, 도 10에 있어서, 제2 함수 라인(F2) 상의 점 Q10은, 점 Q6, 점 Q7, 점 Q8에 있어서와 같은 실측 데이터가 존재하지 않는 제6 착자 상태를 나타내고 있다. 따라서, 이러한 점 Q10에 있어서 자속 밀도 지령치를 감소에서 증가로 전환한 경우에는, 전술한 도 10에 도시된 방법에 따라서 제3 함수 라인(F3)의 확축률을 결정할 수 없다. 점 Q10에 대응하는 확축률을 구하기 위해, 점 R5, 점 R6x, 점 R7x, 점 R8x에 가장 근접하는 근사 곡선(G3), 및 점 R5, 점 R6y, 점 R7y, 점 R8y에 가장 근접하는 근사 곡선(G4)이 이용된다. 근사 곡선(G3) 상의 점 R10x(도 10의 점 Q10과 자속 밀도 지령치가 일치하는 점)에 대응하는 확축률이, 제3 함수 라인(F3)을 도 10의 횡축 방향으로 확대 또는 축소하기 위한 확축률(제4 확축률)로서 채용되고, 근사 곡선(G4) 상의 점 R10y(도 10의 점 Q10과 자속 밀도 지령치가 일치하는 점)에 대응하는 확축률이, 제3 함수 라인(F3)을 도 10의 종축 방향으로 확대 또는 축소하기 위한 확축률(제4 확축률)로서 채용된다. 이와 같이 하여 결정된 제4 확축률로 제3 함수 라인(F3)을 (평행 이동 후에) 확대 또는 축소함으로써, 제3 함수 라인(F3)이 제7 함수 라인으로 변환되고, 변환 후의 제7 함수 라인에 따라서 제어 전류치(I’)가 결정된다.
이와 같이, 실측 데이터가 미리 취득되어 있는 착자 상태에 대하여 결정된 복수의 확축률을 근사 곡선으로 보간하여, 실측 데이터가 존재하지 않는 착자 상태에 대한 확축률을 구하도록 하였기 때문에, 자속 밀도 지령치의 증감을 전환하여 실측 데이터를 취득하는 작업을 모든 착자 상태에 대해서 실시해 둘 필요는 없고, 임의의 착자 상태에서 자속 밀도 지령치를 전환한 경우에도 함수 라인을 적절히 확대 또는 축소할 수 있다. 이것에 의해, 자속 밀도의 전체 범위에 걸쳐, 자속 밀도 지령값과 실제로 얻어지는 자속 밀도를 정밀하게 일치시킬 수 있다.
이상 설명한 플라즈마 처리 시스템(20)에 따르면, 3개의 함수(91, 92, 93)를, 코일(41)로의 전류의 인가 이력에 따라 구별하여 사용하여, 코일(41)에 흐르게 하는 전류를 제어함으로써, 전류 인가의 이력에 관계없이, 히스테리시스에 기인하는 잔류 자기의 영향을 저감할 수 있다. 즉, 자속 밀도 지령치와, 코일(41)에 전류를 흐르게 함으로써 실제로 얻어지는 자속 밀도치를 종래보다도 정밀하게 일치시킬 수 있다. 그 결과, 동일 플라즈마 처리 시스템(20)에 있어서의 프로세스 사용 조건의 재현성의 향상, 또는, 동일 사양의 플라즈마 처리 시스템(20)들 사이의 개체차를 저감할 수 있다. 게다가, 요크(42)가 갖는 히스테리시스의 크기에 관계없이, 자속 밀도 지령치와, 실제로 얻어지는 자속 밀도치를 정밀하게 일치시킬 수 있다. 이 때문에, 요크(42)에 히스테리시스가 작은 재료를 사용하지 않아도 좋다. 그 결과, 용이하게 입수할 수 있는 저렴한 재료를 요크(42)에 이용할 수 있다. 즉, 플라즈마 처리 시스템(20)의 비용, 및, 플라즈마 처리 시스템(20)의 발주에서 납품까지 소요되는 시간을 저감할 수 있다.
B. 변형예:
전술한 플라즈마 처리 시스템(20)에 있어서, 외부(본 실시예에서는, 지령부(22))로부터 입력되는 지령치는, 자속 밀도 지령치에 한정되지 않는다. 예컨대, 지령부(22)에 있어서, 자속 밀도 지령치가 전류 지령치(I)로 변환되고, 전류 지령치(I)가 지령치 취득부(60)에 입력되어도 좋다. 지령치 취득부(60)가 취득하는 정보는, 자속 밀도 지령치를 특정 가능한 임의의 정보여도 좋다.
또한, 함수(91, 92, 93)는, 자속 밀도 지령치(B)(또는 전류 지령치(I))와 전류 보정량(Ic)의 대응 관계를 나타내는 함수에 한정되지 않는다. 함수(91, 92, 93)는, 자속 밀도 지령치에 대응하는 제어 전류치(I’)를 최종적으로 도출할 수 있는 임의의 파라미터의 대응 관계를 나타내는 함수여도 좋다. 예컨대, 함수(91, 92, 93)는, 자속 밀도와 전압과의 대응 관계를 나타내고 있어도 좋다. 혹은, 함수(91, 92, 93)는, 자속 밀도와 전류와의 관계를 나타내는 함수여도 좋다. 혹은, 함수(91, 92, 93)는, 자속 밀도 지령치와 제어 전류치(I’)와의 관계를 나타내는 함수여도 좋다. 이와 같이, 자속 밀도와 전압을 대응시킨 함수를 사용하면, 다른 파라미터로의 변환을 필요로 하지 않고, 원하는 자속 밀도로부터, 제어 전류치(I’)를 직접적으로 결정할 수 있다. 따라서, 전자석 제어 장치(50)에 있어서의 연산 부하를 저감할 수 있다.
이상, 몇 개의 본 발명의 실시형태에 대해서 설명하였지만, 상기한 발명의 실시형태는, 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 그 취지를 일탈하지 않고 변경, 개량될 수 있음과 더불어, 본 발명에는 그 등가물이 포함되는 것은 물론이다. 또한, 전술한 과제의 적어도 일부를 해결할 수 있는 범위, 또는, 효과의 적어도 일부를 발휘하는 범위에서, 특허청구범위 및 명세서에 기재된 각 구성 요소의 임의의 조합, 또는, 생략이 가능하다.
20 : 플라즈마 처리 시스템 21 : 플라즈마 에칭 장치
22 : 지령부 30 : 전자석 시스템
40 : 전자석 41 : 코일
42 : 요크 50 : 전자석 제어 장치
60 : 지령치 취득부 70 : 전류치 결정부
80 : 드라이버 85 : 소자부
90 : 기억부 91 : 제1 함수
92 : 제2 함수 93 : 제3 함수

Claims (4)

  1. 요크(yoke)와 코일(coil)을 갖는 전자석의 상기 코일에 흐르게 하는 전류를 제어하기 위한 전자석 제어 장치로서,
    상기 코일에 전류를 흐르게 함으로써 얻어지는 자속 밀도의 목표치에 상당하는 자속 밀도 지령치(指令値), 또는 상기 자속 밀도 지령치를 특정 가능한 정보를 취득하도록 구성된 지령치 취득부와,
    상기 자속 밀도 지령치에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 전류치 결정부
    를 포함하고,
    상기 전류치 결정부는,
    상기 요크의 소자(消磁) 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에, 제1 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제1 처리와,
    상기 요크의 제1 착자(着磁) 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에, 제2 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제2 처리와,
    상기 요크의 제2 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에, 제3 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제3 처리와,
    상기 요크의 제3 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에, 상기 제2 함수를 제1 확축률(擴縮率)로 확대 또는 축소함으로써 제4 함수로 변환하고, 변환 후의 상기 제4 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제4 처리와,
    상기 요크의 제4 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에, 상기 제3 함수를 제2 확축률로 확대 또는 축소함으로써 제5 함수로 변환하고, 변환 후의 상기 제5 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제5 처리와,
    상기 요크의 제5 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시키는 경우에, 미리 상기 요크의 복수의 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시킴으로써 얻어진 각 실측 데이터에 상기 제2 함수가 각각 피트되도록, 상기 복수의 착자 상태의 각각에 대응하는 복수의 확축률을 결정하고, 상기 복수의 확축률을 이용한 근사에 의해 제3 확축률을 결정하며, 상기 제2 함수를 상기 제3 확축률로 확대 또는 축소함으로써 제6 함수로 변환하고, 변환 후의 상기 제6 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제6 처리
    를 실행하도록 구성되며,
    상기 전류치 결정부는,
    상기 제4 처리에 있어서, 미리 상기 제3 착자 상태로부터 자속 밀도를 감소시킴으로써 얻어진 실측 데이터에 상기 제2 함수가 피트(fit)되도록, 상기 제1 확축률을 결정하고,
    상기 제5 처리에 있어서, 미리 상기 제4 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시킴으로써 얻어진 실측 데이터에 상기 제3 함수가 피트되도록, 상기 제2 확축률을 결정하도록 구성된 것인 전자석 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 함수, 상기 제2 함수 및 상기 제3 함수는, 자속 밀도와 전류와의 관계를 나타내는 함수인 것인 전자석 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류치 결정부는,
    상기 요크의 제6 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시키는 경우에, 미리 상기 요크의 복수의 착자 상태로부터 자속 밀도를 증가시킴으로써 얻어진 각 실측 데이터에 상기 제3 함수가 각각 피트되도록, 상기 복수의 착자 상태의 각각에 대응하는 복수의 확축률을 결정하고, 상기 복수의 확축률을 이용한 근사에 의해 제4 확축률을 결정하며, 상기 제3 함수를 상기 제4 확축률로 확대 또는 축소함으로써 제7 함수로 변환하고, 변환 후의 상기 제7 함수에 기초하여 상기 코일에 흐르게 하는 전류의 값을 결정하는 제7 처리
    를 실행하도록 구성된 것인 전자석 제어 장치.
  4. 전자석 시스템으로서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 전자석 제어 장치와,
    상기 전자석
    을 포함하는 전자석 시스템.
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