JP6221833B2 - 高周波発振回路 - Google Patents

Description

本発明は高周波発振回路に関し、さらに詳しくは、大電力用の高周波発振回路の起動方法に関する。本発明に係る高周波発振回路は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析装置やプラズマＣＶＤ装置などプラズマを利用する分析装置や製造・加工処理装置において、プラズマを生成し維持するための高周波電源として好適である。

誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析装置では、誘導コイルに高周波電力を供給することで形成した電磁場により、アルゴンなどのプラズマ生成用ガスを電離させてプラズマを生成・維持し、該プラズマ中に試料原子を導入する。試料原子はプラズマにより励起され、その励起された原子が低いエネルギ準位に戻るときに原子特有の波長光を放出する。そこで、この光を分光測定することにより、試料の定性及び定量を行う。

ＩＣＰ発光分析装置では、プラズマに高周波電力を供給するために、誘導コイルとコンデンサとにより形成されるＬＣ共振回路を、例えば２７MHzの周波数で数百W〜数kWの高周波電力を供給する高周波電源で駆動する構成が広く利用されている。こうした高周波発振回路において効率の良い発振を生じさせるには、高周波電源側から見た負荷のインピーダンスが一定で、インピーダンス整合がとれていることが好ましい。しかしながら、誘導コイルに高周波電流を流すことでプラズマが生成されると、荷電粒子が移動することで発生する誘導電流の作用により、誘導コイルのインピーダンスが変化する。また、プラズマ生成用ガスや分析対象である試料の状態、プラズマへ供給される電力量などによってプラズマの状態は変化し、この変化に伴って誘導コイルのインピーダンスが変化する。このように誘導コイルのインピーダンスが変化すると、高周波電源側から見た負荷インピーダンスが変化し、インピーダンス整合が最適な状態からずれることになる。

そこで一般的に、誘導コイルとコンデンサとで形成されるＬＣ共振回路をスイッチング素子を含むハーフブリッジ回路又はフルブリッジ回路などのスイッチング回路で駆動し、ＬＣ共振回路の電流をトランスなどを介して該スイッチング素子の制御端子に正帰還させる自励方式の発振回路が利用されている（特許文献１〜３参照）。このような自励発振回路では、プラズマの状態の変化に応じて誘導コイルのインピーダンスが変化すると、ＬＣ共振回路の共振周波数が自動的に変化する。このため、外部から特別な制御や指示を何ら行うことなく、スイッチング回路側から見た負荷インピーダンスが常に最適に保たれ、高い効率で発振を継続させることができる。

一般的な小電力用の自励発振回路では、電源の投入により高周波ＬＣ発振回路に電力を供給し始めると、直流電源や共振回路中の微小ノイズが正帰還ループにより増幅されることで発振が始まり持続する。上述したプラズマ生成用の自励方式の高周波発振回路でも発振持続の原理は同様であるが、発振起動時の様相は異なる。何故なら、小電力用の自励発振回路ではＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子がリニア領域に比較的近い動作領域で駆動されるためオン／オフ動作が始まり易いのに対し、数kWもの大電力を出力する自励発振回路では、スイッチング素子が飽和領域に近い動作領域で駆動されるためオン／オフ動作を開始させるのに大きな電力を必要とする。そのため、多くの場合、単に電源を投入しただけでは発振状態に至らない。即ち、発振回路の起動に何らかの工夫が必要である。

こうした課題に対し、特許文献１〜３に記載の高周波発振回路では、スイッチング素子の制御端子に直流バイアス回路が接続され、主電源の投入後、電源電流をモニタして発振が開始したことが検出されるまで直流バイアス電圧を緩やかに増加させる方法が採られている。しかしながら、直流バイアス電圧を大きくしすぎるとスイッチング素子が完全にオンしてしまい大電流が流れ、素子が破損に至るおそれがある。そのため、スイッチング素子のゲインや入力閾値電圧などの特性に応じて直流バイアス電圧があまり大きくなり過ぎないように制御することが望ましいが、こうした特性の素子毎のばらつきは大きいため、高周波発振回路を安定に起動するには複雑な制御を必要とする。

また、特許文献２のようにＬＣ共振回路をフルブリッジ回路で駆動する構成の場合、４個のスイッチング素子に対してそれぞれ直流バイアス回路を必要とする。しかも、そのうちの２個は接地電位から浮いた直流バイアス回路とする必要があるために、コストがかなり高いものとなるという問題もある。

一方、別の起動方法として、定常的な発振動作時に動作するスイッチング素子と並列に起動専用のスイッチング素子を接続し、起動時の一定時間だけその起動専用スイッチング素子を駆動することで強制的に発振を開始させる方法も考えられる。この起動方法によれば、直流バイアス回路を付加することによる上記のような問題は生じないものの、起動専用スイッチング素子を本来のスイッチング素子と並列に接続した結果、等価的にスイッチング素子の出力容量が大きくなってしまう。スイッチング素子の周波数特性はその出力容量に大きく依存するため、出力容量が大きくなると周波数特性の劣化を招き、高周波領域でのゲインが下がって充分な発振振幅を確保することが難しくなるおそれがある。

特開平１０−２１４６９８号公報 特表２００９−５３７８２９号公報 米国特許第７８５２４７１号明細書

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スイッチング素子の制御端子に直流バイアス電圧を印加する直流バイアス回路を設けることなく、且つスイッチング素子と並列に起動用のスイッチング素子を設けることもなく、低廉なコストで安定的に自励発振を開始させることが可能な高周波発振回路を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、直流電圧源と、プラズマ生成用の誘導コイルとコンデンサを含むＬＣ共振回路と、前記直流電圧源から供給される直流電力をスイッチングし前記ＬＣ共振回路に与えるスイッチング素子を含むスイッチング回路と、前記ＬＣ共振回路に含まれる１次巻線と前記スイッチング素子をオン／オフするために該スイッチング素子の制御端子に接続された２次巻線とからなるトランスと、を具備するプラズマ生成用である自励方式の高周波発振回路において、
c)前記ＬＣ共振回路中に２次巻線が接続された起動用トランスと、
d)当該高周波発振回路の自励発振を開始させるべく、起動時の一定期間中に、前記起動用トランスの１次巻線に前記ＬＣ共振回路の共振周波数に近い周波数の高周波電流を供給する起動手段と、
を備えることを特徴としている。

また本発明に係る高周波発振回路において、スイッチング回路は例えば複数のスイッチング素子を用いたハーフブリッジ駆動回路又はフルブリッジ駆動回路である。またスイッチング素子は通常、半導体スイッチング素子であり、典型的にはＭＯＳＦＥＴである。

また、上記起動手段は、ＬＣ共振回路の共振周波数に近い周波数の信号を発生できさえすればその構成は問わないが、例えば起動用トランスの１次巻線を共振回路に組み入れたクラップ発振回路などを用いることができる。

即ち、本発明に係る高周波発振回路では、プラズマ生成用の誘導コイルが組み込まれた主ＬＣ共振回路とは別に、該ＬＣ共振回路の一部と磁気的に結合する、換言すれば電気的には絶縁された、発振回路が起動手段として設けられる。そして、起動時の一定期間だけこの発振回路を動作させ、それにより主ＬＣ共振回路に高周波電流を供給し、自励発振を促進させる。主ＬＣ共振回路及びスイッチング回路により安定的な発振状態に至ったならば、起動手段における発振を停止させて該手段を実質的に切り離せばよい。

なお、起動手段による起動動作により当該高周波発振回路で自励発振が始まると、その自励発振により主ＬＣ共振回路に流れる電流によって、起動用トランスを逆に介して起動手段の発振回路中に過大な電流が誘導され、該発振回路中の素子が破損に至るおそれがある。そこで、これを回避するために、前記起動手段を、前記起動用トランスの１次巻線を共振回路の一部とする高周波ＬＣ発振回路とし、該高周波ＬＣ発振回路内の共振回路の抵抗値を、自励発振開始後にそれ以前よりも大きい値に切り替える抵抗値切替手段をさらに備える構成とするとよい。

具体的には、この抵抗値切替手段は、例えば、共振回路中に挿入されたＰＩＮダイオードと、該ダイオードにバイアス電圧を印加する電圧印加手段とから構成し、起動時には電圧印加手段からＰＩＮダイオードに順方向バイアス電圧を印加し、自励発振開始後に逆方向バイアス電圧に切り替えるようにするとよい。

本発明に係る高周波発振回路によれば、徐々に上昇する直流バイアス電圧をスイッチング素子の制御端子に印加する直流バイアス回路は不要であるので、直流バイアス電圧が大きくなり過ぎてスイッチング素子が完全にオンし該素子が破損に至るおそれがない。それにより、安定的に発振を開始させることができる。また本発明に係る高周波発振回路では、スイッチング回路がハーフブリッジ駆動回路、フルブリッジ駆動回路のいずれであっても、起動手段を一つのみ用意すればよいので、コストを抑えることができる。

また本発明に係る高周波発振回路によれば、起動のためにスイッチング素子と並列に起動用スイッチング素子を設ける必要もないので、スイッチング素子の出力容量は増加せず、周波数特性の劣化も招かない。それにより、共振周波数が高い場合であっても、充分に大きな発振振幅を得ることができる。

本発明の一実施例による高周波発振回路の構成図。 図１に示した高周波発振回路の等価回路を示す図。 図１中の起動部の回路構成の一例を示す図。 図１中の起動部の回路構成の他の例を示す図。

以下、本発明の一実施例として、ＩＣＰ発光分析装置のプラズマ生成用に用いられる高周波発振回路について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本実施例の高周波発振回路の構成図、図２は本実施例の高周波発振回路の等価回路を示す図、図３は図１中の起動部の回路構成の一例を示す図である。

ＩＣＰ発光分析装置のプラズマトーチ９中にプラズマを生成するべく該プラズマトーチ９に巻回された誘導コイル３７が、この高周波発振回路において高周波電流を供給する対象である。この誘導コイル３７には、コンデンサ３６と、４個のフィードバック用トランスの１次巻線３２、３３、３４、３５とが直列に接続されている。さらに、これら回路素子と直列に、起動用トランスの２次巻線３８が接続されており、これによりＬＣ共振回路３０が形成されている。このＬＣ共振回路３０には、誘導コイル３７のほかに、フィードバック用トランスの１次巻線３２、３３、３４、３５、起動用トランスの２次巻線３８によるインダクタンスを含むが、他のインダクタンスに比べて誘導コイル３７のインダクタンスは充分に大きいので、ＬＣ共振回路３０の共振周波数を決めるインダクタンスは誘導コイル３７のインダクタンスが支配的である。

直流電源１の出力端には、並列接続されたバイパスコンデンサ２を介してフルブリッジ駆動回路１０が接続されている。フルブリッジ駆動回路１０は、２個のＭＯＳＦＥＴ１３、１６の直列回路と２個のＭＯＳＦＥＴ１９、２２の直列回路とが並列に接続された構成である。４個のＭＯＳＦＥＴ１３、１６、１９、２２のゲート端子とソース端子との間には、それぞれコンデンサ１２、１５、１８、２１とフィードバック用トランスの２次巻線１１、１４、１７、２０とが接続されている。これらフィードバック用トランスの２次巻線１１、１４、１７、２０はそれぞれ、ＬＣ共振回路３０に含まれるフィードバック用トランスの１次巻線３２、３３、３４、３５と磁気的に結合している。フィードバック用トランスの１次巻線３２、３３、３４、３５と２次巻線１１、１４、１７、２０は、フルブリッジ構成である４個のＭＯＳＦＥＴ１３、１６、１９、２２のうちの対角の位置の２個のＭＯＳＦＥＴがペアとなって、二つのペアが交互にオン／オフするように、それぞれの極性が定められている。

フルブリッジ駆動回路１０とＬＣ共振回路３０とは、インピーダンス変換回路３９のインダクタ３、４及びコンデンサ３１を介して接続され、それによって、フルブリッジ駆動回路１０側から見た負荷インピーダンスを最適な状態としている。

ＬＣ共振回路３０に含まれる起動用トランスの２次巻線３８と磁気的に結合した１次巻線５には起動部６が接続され、この起動部６と直流電源１とは制御部７により制御されるようになっている。なお、起動用トランスの２次巻線３８は実際にはコイル状に巻回された構造ではなく単なる直線状の伝送路であり、１次巻線５はその伝送路の周りに環状に巻回された構造とすることができる。制御部７は例えば外部からの起動指示を受けて、直流電源１の出力端から電力が供給可能となるように電源投入動作を行うとともに、起動部６に駆動電力を供給することで起動部６を動作させる。

図３に示すように、起動部６は起動用トランスの１次巻線５をＬＣ共振回路に組み入れたクラップ発振回路である。詳しく説明すると、１次巻線５には容量可変のコンデンサ７０、容量固定の２個のコンデンサ６８、６９が直列に接続されており、これによりＬＣ共振回路のループが形成されている。なお、後述の理由により、１次巻線５と並列に別のコンデンサ７１を接続するようにしてもよい。２個のコンデンサ６８、６９との間はＭＯＳＦＥＴ６３のソース端子に接続され、該ソース端子は抵抗６６及びインダクタ６７を介して接地されている。ＭＯＳＦＥＴ６３のドレイン端子にはインダクタ６１とコンデンサ６２とからなるフィルタを通して直流電圧ＶDCが印加され、またＭＯＳＦＥＴ６３のゲート端子には２個の抵抗６４、６５で直流電圧ＶDCを抵抗分割した電圧が印加される。さらに、このゲート端子はＬＣ共振回路中のコンデンサ７０とコンデンサ６８との間に接続されている。

この起動部６の回路構成は典型的なクラップ発振回路であり、その動作原理は広く知られているので詳しい説明は略す。コンデンサ７０の容量を分圧器であるコンデンサ６８、６９の容量に比べて小さく定めておきコンデンサ７０の容量を調整することで、安定的な発振を確保しつつ共振回路の発振周波数を調整することができる。そこで、この発振周波数がＬＣ共振回路３０の自励の発振周波数の近傍となるように予め調整すればよい。

また、図３中に点線で示したように１次巻線５に並列にコンデンサ７１を追加配置した場合には、発振周波数はコンデンサ７０の容量とコンデンサ７１の容量との和に依存する。したがって、コンデンサ７０の容量とコンデンサ７１の容量との和が同じであれば発振周波数自体は変化しないが、コンデンサ７０の容量に比べてコンデンサ７１の容量が大きいほど、共振回路のインピーダンスは大きくなり、動作モードは電圧モードとなる。逆にコンデンサ７０の容量に比べてコンデンサ７１の容量が小さいほど、共振回路のインピーダンスは小さくなり、動作モードは電流モードとなる。例えば、ＭＯＳＦＥＴ６３の耐圧が比較的低い場合には、共振回路を電圧モードで動作させると、ＭＯＳＦＥＴ６３に耐圧を超える電圧が掛かって破損が起こるおそれがある。そこで、使用するＭＯＳＦＥＴ６３の特性に合わせて、特に共振回路を電圧モードで動作させたい場合には、コンデンサ７１を配置し、２個のコンデンサ７０、７１の容量を適宜に調整すればよい。

図１に示した回路構成において、４個のＭＯＳＦＥＴ１３、１６、１９、２２の出力容量Ｃ_DSに比べて、バイパスコンデンサ２の容量が充分に大きいと仮定すると、自励発振開始前の図１の回路構成は図２に示す等価回路で表すことができる。一般に、バイパスコンデンサ２としては容量の大きなコンデンサが用いられるので、上記仮定は妥当である。但し、図２では全てのＭＯＳＦＥＴの出力容量が同じであると仮定している。この等価回路から、起動部６の発振周波数を図２に示した右方の共振回路の共振周波数近傍に設定すれば、起動部６からこの共振回路に大きな高周波電流を誘導することができることが分かる。

次に、本実施例の高周波発振回路における起動から発振停止までの動作を説明する。ＩＣＰ発光分析装置において分析を行うためにプラズマ生成の開始が指示されると、指示を受けた制御部７は直流電源１からフルブリッジ駆動回路１０への直流電力の供給を開始する。但し、単にフルブリッジ駆動回路１０への直流電力の供給が開始されただけではＭＯＳＦＥＴ１３、１６、１９、２２のゲート−ソース間には電圧が発生せず、高周波発振回路の自励発振は開始しない。そこで、制御部７は起動部６を動作させるために直流電圧ＶDCの印加を開始する。直流電圧ＶDCの印加により、ＭＯＳＦＥＴ６３のゲート−ソース間に電圧が発生し、ＭＯＳＦＥＴ６３が駆動される。それにより、１次巻線５、コンデンサ７０等を含む共振回路は設定された周波数で発振を開始し、１次巻線５には高周波電流が流れる。

１次巻線５に流れる高周波電流によって２次巻線３８には高周波電流が誘導される。起動部６の発振回路の共振周波数とＬＣ共振回路３０の共振周波数とはほぼ一致しているので、数周期〜１０周期程度でＬＣ共振回路３０の高周波電流は所定の値に達する。同じＬＣ共振回路３０に含まれる１次巻線３２、３３、３４、３５にも高周波電流が流れるため、それら巻線と磁気的に結合している２次巻線１１、１４、１７、２０にも電流が誘導される。その結果、ＭＯＳＦＥＴ１３、１６、１９、２２のゲート−ソース間には充分なフィードバック電圧が発生し、ＭＯＳＦＥＴ１３、１６、１９、２２はオン／オフ動作を開始する。それによって、フルブリッジ駆動回路１０からＬＣ共振回路３０に高周波電力が供給され、起動部６での発振を停止してもＬＣ共振回路３０での発振は安定的に持続する。そこで、制御部７は起動から所定時間が経過した時点で起動部６への直流電圧ＶDCの印加を停止し、起動部６の動作を終了させる。通常、起動部６を動作させる時間はかなり短くてよく、例えば１０μs程度で充分である。

上述したように高周波発振回路で発振が生じると、誘導コイル３７に高周波電流が流れ、プラズマトーチ９中に高周波電場が形成される。そこで、図示しないイグナイタなどによりプラズマトーチ９中に導入されたプラズマ生成ガスの電離のトリガを与える。これにより、プラズマトーチ９中にはプラズマ生成ガスの安定的な電離により生じたプラズマが形成される。一方、プラズマトーチ９中のプラズマを停止するには、直流電源１からフルブリッジ駆動回路１０に出力する直流電圧をゼロにするか、或いはＭＯＳＦＥＴ１３、１６、１９、２２が駆動されない程度の低い電圧とすればよい。これによって、誘導コイル３７に流れる高周波電流は減少し、ＭＯＳＦＥＴ１３、１６、１９、２２のゲート−ソース間に、ＭＯＳＦＥＴ１３、１６、１９、２２をオン状態に切り替えるのに充分なフィードバック電圧が発生しなくなり、高周波発振回路の発振は停止する。

以上のように本実施例の高周波発振回路では、誘導コイル３７を含むＬＣ共振回路３０中の２次巻線３８と磁気的に結合した１次巻線５を通して、起動時に起動部６からＬＣ共振回路３０に高周波電流を誘導し、高周波発振回路の発振を促すようにしている。起動部６の構成は簡易であってコストもそれほど掛からず、高周波発振回路の周波数特性を損なうこともない。したがって、低廉なコストで安定して高周波発振回路を起動し、自励発振を持続させることが可能となる。

なお、起動部６による起動動作によって高周波発振回路が自励発振を開始すると、ＬＣ共振回路３０を流れる電流に誘導され、起動用トランスの１次巻線５に大きな電流が流れる場合がある。起動部６の共振回路中の抵抗が小さいと、誘導された電流が過大となり、ＭＯＳＦＥＴ６３などを破壊するおそれがある。実際には、プラズマトーチ９中にプラズマが形成されると誘導コイル３７のインピーダンスが変化し、ＬＣ共振回路３０を流れる電流の周波数が変わるので、起動用トランスの１次巻線５に誘導される電流はそれほど大きくならない。このため、上記問題は実際には起こりにくいものの、こうした不具合をより確実に回避するために、起動部６の回路構成を図４に示すように変形してもよい。図４では上述した図３に示した構成と同じ構成要素には同じ番号を付している。

即ち、この変形例では、起動用トランスの１次巻線５と直列にＰＩＮダイオード７２が配置され、さらに抵抗７３、７５、インダクタ７４、及びスイッチ７６を介して、正電源線ＶP及び負電源線ＶNからＰＩＮダイオード７２にバイアス電圧を与えるようになっている。周知のようにＰＩＮダイオードは順方向にバイアスされた状態のときに、抵抗が低く高周波電流の通過が可能であり、逆方向バイアスされた状態のときには抵抗値が大きくなる。そこで、起動時にはスイッチ７６をオンにして順方向バイアス電圧を与えてＰＩＮダイオード７２による抵抗値を小さくしておき、起動から所定時間が経過したときにスイッチ７６をオフすることにより逆方向バイアス電圧を印加して共振回路の抵抗を大きくするとよい。これにより、上述したような起動用トランスを介した不所望の誘導電流を軽減し、起動部６の回路素子を保護することができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

例えば、上記実施例ではＬＣ共振回路を駆動するスイッチング回路としてフルブリッジ駆動回路を用いているが、ハーフブリッジ駆動回路を用いた構成としてもよい。また、起動部６はクラップ発振回路に限るものでなく、安定度には劣るもののコルピッツ発振回路などの他の形態の発振回路を用いてもよい。

１…直流電源
２…バイパスコンデンサ
３、４、６１、６７、７４…インダクタ
５…起動用トランスの１次巻線
６…起動部
７…制御部
９…プラズマトーチ
１０…フルブリッジ駆動回路
１１、１４、１７、２０…フィードバック用トランスの２次巻線
１２、１５、１８、２１、３１、３６、６２、６８、７０、７１…コンデンサ
１３、１６、１９、２２、６３…ＭＯＳＦＥＴ
３０…ＬＣ共振回路
３２、３３、３４、３５…フィードバック用トランスの１次巻線
３７…誘導コイル
３８…起動用トランスの２次巻線
３９…インピーダンス変換回路
６４、６６、７３、７５…抵抗
７２…ＰＩＮダイオード
７６…スイッチ

Claims (3)

1. 直流電圧源と、プラズマ生成用の誘導コイルとコンデンサを含むＬＣ共振回路と、前記直流電圧源から供給される直流電力をスイッチングし前記ＬＣ共振回路に与えるスイッチング素子を含むスイッチング回路と、前記ＬＣ共振回路に含まれる１次巻線と前記スイッチング素子をオン／オフするために該スイッチング素子の制御端子に接続された２次巻線とからなるトランスと、を具備するプラズマ生成用である自励方式の高周波発振回路において、
   a)前記ＬＣ共振回路中に２次巻線が接続された起動用トランスと、
   b)当該高周波発振回路の自励発振を開始させるべく、起動時の一定期間中に、前記起動用トランスの１次巻線に前記ＬＣ共振回路の共振周波数に近い周波数の高周波電流を供給する起動手段と、
   を備えることを特徴とする高周波発振回路。
   
2. 請求項１に記載の高周波発振回路であって、
   前記起動手段は、前記起動用トランスの１次巻線を共振回路の一部とする高周波ＬＣ発振回路であることを特徴とする高周波発振回路。
3. 請求項２に記載の高周波発振回路であって、
   前記高周波ＬＣ発振回路内の共振回路の抵抗値を、自励発振開始後にそれ以前よりも大きい値に切り替える抵抗値切替手段をさらに備えることを特徴とする高周波発振回路。

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