JP2001035693A - プラズマ発生用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス領域の静電容量値が誘電体の静電容量値
に比べて無視できないような放電負荷に対しても、力率
補償が行え、かつ小型で安価なプラズマ発生用電源装置
を得る。 【解決手段】 対向配置する一対の電極間に誘電体を介
して放電空間となるガス領域が構成された放電負荷５に
対し、交流電源１より整流器２、インバータ３１、トラ
ンス４を介して交流高電圧を供給し、上記放電空間のガ
スを励起して、プラズマを発生させるプラズマ発生用電
源装置において、トランス４の２次側に、放電負荷５に
対して並列に、下記の式（１）を満足するインダクタン
スを有する並列インダクタ６２を設けた。 １／｛Ｃ１×（２πｆ）²｝≦Ｌ≦１／｛Ｃ３×（２π
ｆ）²｝…（１）ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］ Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］ ｆ：両電極間に印加される交流電圧の周波数［Ｈｚ］ Ｃ３：（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）で与えられる静
電容量値［Ｆ］ Ｃ２：ガス領域の静電容量値［Ｆ］

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、オゾン発生器、
レーザ発振器などのプラズマ発生用電源装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、オゾン発生器、レーザー発振
器などにはプラズマ発生用電源装置が用いられている。
図１２は、オゾナイザハンドブック（２２７頁、図２．
６３、コロナ社、昭和３５年６月１５日発行）に記載さ
れた従来のオゾン発生器用のプラズマ発生用電源装置の
電源回路図である。図１２において、１は交流の入力電
源、２は整流器、３はインバータ、４はトランス（変圧
器）、５は対向配置する一対の電極間に誘電体を介して
放電空間となるガス領域が構成され、上記放電空間のガ
スが励起されて、プラズマが発生する放電負荷、６は放
電負荷５に対して並列に接続された力率改善用の並列イ
ンダクタである。

【０００３】次に動作について説明する。入力電源１の
商用の交流電圧は整流器によって直流に変換され、さら
にインバータ３によって規定の周波数の交流電圧に変換
される。さらにトランス４により放電開始に到る電圧に
昇圧され、放電負荷５に高電圧が印加される。この印加
された高電圧により放電負荷５で放電が発生し、この放
電によりガス粒子が励起される。ここで、放電電極間に
誘電体を挿入した放電負荷を用いた場合、この放電負荷
５は電気的にはコンデンサとして働き、電圧に対して電
流の位相が進むことが知られている。このため皮相電力
と有効電力との比で表される力率が低く、放電負荷５に
エネルギーを投入するためには必要以上の電流を流さな
ければならない。

【０００４】したがって、トランス４やインバータ３を
構成する素子は、上記の電流値に耐えうる仕様を必要と
するため、電源装置の大型化および装置コストの増大が
必至となる。並列インダクタ６は、放電負荷における電
流位相の電圧に対する進みを補償するために、位相遅延
素子として放電負荷５と並列に接続されたものである。
放電負荷５での電流位相の進み分と並列インダクタ６に
よる電流位相の遅れ分を等しく設定すると、電源装置よ
り供給される電流と電圧の位相が合致し、最も小さな電
流で放電負荷５に効率的に電力を投入することができ
る。各素子が理想的な素子であれば、このとき力率は１
００％となって、共振と呼ばれる状態となる。

【０００５】従来のプラズマ発生用電源では、このよう
に放電負荷５と並列に並列インダクタ６を接続すること
により力率を改善し、小容量の電源素子を用いて小型で
安価な電源装置を構成できるようにしている。なお、図
１２では、トランス４の２次側に並列インダクタを接続
した場合を示したが、図１３に示すようにトランス４の
１次側に並列インダクタを接続しても同様の効果が得ら
れる。但し、この場合、耐圧の低い素子を使える反面、
トランスの力率は改善されないので必要以上の容量を有
するトランスが必要である。

【０００６】図１４はオゾン発生器などの電極間に誘電
体を介装した放電負荷５の等価回路である。図１４にお
いて、５１は電極間に介在する誘電体の静電容量であ
り、容量値Ｃ１を有する。５２はガス領域の静電容量で
あり、容量値Ｃ２を有する。５３はプラズマの発生・消
滅によって非線形性を有するプラズマ負荷部を等価的に
示したツェナーダイオードである。

【０００７】このプラズマ負荷５３の抵抗値は、ツェナ
ー電圧Ｖｚ未満では無限大となり、電流は流れない。す
なわち、回路は非放電状態であることを示している。し
かるに、素子５３の両端の電圧がツェナー電圧Ｖｚに達
すると、この素子は導通し、回路は放電状態となる。こ
のため非放電状態では、放電負荷５は誘電体静電容量５
１の値Ｃ１とガス静電容量５２の値Ｃ２が直列に結合し
て式（３）によって表される値Ｃを有する容量性負荷で
あるが、放電時には容量値Ｃ１単独の容量性負荷に変化
する。 Ｃ＝｛Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）｝ …（３）

【０００８】従来のオゾン発生器では、ガス静電容量５
２の容量値Ｃ２に比べて誘電体静電容量５１の容量値Ｃ
１が十分大きくなるよう設計されている。すなわち、放
電が生じるガス領域の空隙が数ｍｍと広い。このため、
式（３）で表される非放電時の負荷容量値ＣはＣ≒Ｃ２
となり、極めて小さな容量成分を持つ。また、放電時の
負荷容量値はＣ１となり、放電／非放電時で負荷容量値
は大きく変化する。ただし、非放電時には、前述のよう
に負荷の容量成分は非常に小さい。したがって、電流位
相が進んで力率が悪くても、無効電力自体も小さいた
め、電源の容量を大幅に増大させることはない。このよ
うなことから、従来のオゾン発生器のように、ガス静電
容量５２の容量値Ｃ２に比べて誘電体静電容量５１の容
量値Ｃ１が十分大きな場合には、放電時の負荷容量値Ｃ
１に合わせて、共振条件を満たすようなインダクタが選
定されていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のプラズマ発生用
電源装置は、放電負荷５に対して１種類のインダクタで
放電負荷５の静電容量を補償するように構成されてい
る。オゾン発生器を例にとった従来の例では、ガス静電
容量５２の容量値Ｃ２が誘電体静電容量５１の容量値Ｃ
１に比べて十分に小さかったので、放電時の負荷容量値
Ｃ１を補償するインダクタを選定することで力率改善が
可能であった。しかしながら、最近のオゾン発生器は、
その性能向上のためにガス領域の空隙（以下、放電ギャ
ップ長と呼ぶ。）が１ｍｍ以下のものが大半を占めてい
る。そのため、ガス静電容量５２の容量値Ｃ２は、誘電
体静電容量５１の容量値Ｃ１に比べて無視できない程度
まで増加し、装置によってはＣ１≒Ｃ２、あるいはＣ１
＜Ｃ２となるようなものも存在する。この場合、放電発
生の有無により放電負荷５の静電容量値が変化するだけ
でなく、非放電時にも大きな容量成分を持つ。したがっ
て、従来はあまり問題にならなかった非放電時の無効電
力が増大し、非共振時の力率補償がなされていないため
に、必要以上の容量を有する素子を用いて電源装置を構
成せねばならなくなる。これにより、装置は大型化し、
さらに高価になる。このように、従来のプラズマ発生用
電源装置には、解決すべき課題が存在する。

【００１０】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、ガス領域の静電容量値が誘電
体の静電容量値に比べて無視できないような放電負荷に
対しても、放電発生の有無に関わらず力率補償が行え、
それ故小型で安価なプラズマ発生用電源装置を得ること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成によ
るプラズマ発生用電源装置は、対向配置する一対の電極
間に誘電体を介して放電空間となるガス領域が構成さ
れ、上記両電極間に印加される交流高電圧により生じる
電界によって上記放電空間のガスを励起し、プラズマを
発生させる放電負荷に対し、トランスを介して交流電力
を供給するプラズマ発生用電源装置において、上記トラ
ンスの２次側で、上記放電負荷に対して並列または直列
に、下記の式（１）を満足するインダクタンスを有する
ように構成したものである。 １／｛Ｃ１×（２πｆ）²｝≦Ｌ≦１／｛Ｃ３×（２πｆ）²｝…（１） ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］ Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］ ｆ：両電極間に印加される交流電圧の周波数［Ｈｚ］ Ｃ３：（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）で与えられる静
電容量値［Ｆ］ Ｃ２：ガス領域の静電容量値［Ｆ］

【００１２】また、本発明の第２の構成によるプラズマ
発生用電源装置は、対向配置する一対の電極間に誘電体
を介して放電空間となるガス領域が構成され、上記両電
極間に印加される交流高電圧により生じる電界によって
上記放電空間のガスを励起し、プラズマを発生させる放
電負荷に対し、トランスを介して交流電力を供給するプ
ラズマ発生用電源装置において、上記トランスの２次側
で、上記放電負荷に対して並列または直列に、下記の式
（２）を満足するインダクタンスを有するように構成し
たものである。 Ｌ＝１／｛Ｃ×（２πｆ）²｝…（２） ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］ Ｃ：Ｃ１×（１−Ｖ^*／Ｖ_op）で与えられる静電容量値
［Ｆ］ Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］ Ｖ^*：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］ Ｖ_op：印加電圧波高値［Ｖ］ ｆ：両電極間に印加される交流電圧の周波数［Ｈｚ］

【００１３】また、本発明の第３の構成によるプラズマ
発生用電源装置は、第１または第２の構成において、ト
ランスの２次側に、放電負荷に対して並列または直列に
接続され、式（１）または式（２）を満足するインダク
タンスを有するインダクタを備えたものである。

【００１４】また、本発明の第４の構成によるプラズマ
発生用電源装置は、第１または第２の構成において、式
（１）または式（２）で示されるインダクタンスをＬ、
トランスの巻数比をｍとした時、トランスの１次側に、
放電負荷に対して並列または直列に接続され、Ｌ／ｍ²
を満足するインダクタンスを有するインダクタを備えた
ものである。

【００１５】また、本発明の第５の構成によるプラズマ
発生用電源装置は、第１または第２の構成において、式
（１）または式（２）で示されるインダクタンスをＬ、
トランスの巻数比をｍとした時、トランスの励磁インダ
クタンスが、Ｌ／ｍ²を満足するように構成したもので
ある。

【００１６】また、本発明の第６の構成によるプラズマ
発生用電源装置は、第１または第２の構成において、式
（１）または式（２）で示されるインダクタンスをＬ、
トランスの巻数比をｍとした時、トランスの漏れインダ
クタンスが、Ｌ／ｍ²を満足するように構成したもので
ある。

【００１７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、本発明の実
施の形態１を図を用いて説明する。図１は、この発明の
実施の形態１によるプラズマ発生用電源装置を示す回路
図である。図１において、１は入力用の交流電源、２は
整流器、３１はインバータ、４はトランス（変圧器）で
ある。５は対向配置する一対の電極間に誘電体を介して
放電空間となるガス領域が構成され、上記放電空間のガ
スが励起されて、プラズマが発生する放電負荷であり、
誘電体静電容量５１、ガス静電容量５２、ツェナーダイ
オード５３により、等価的に図１のように示すことがで
きる。６１は放電負荷５およびトランス４の２次側巻線
に対して並列に接続され、インダクタンスＬｐ１を有す
る力率改善用の並列インダクタである。従来技術には明
記されていないが、以上のような回路構成とする場合、
インバータ３１は、出力電流波形が矩形波となる定電流
制御方式のインバータを用いる。

【００１８】このようなプラズマ発生用電源装置は、例
えばオゾン発生器用電源として適用されるが、これに限
られるものではなく、誘電体を介した放電を用いるプラ
ズマ発生装置、例えばレーザ発振器、ＰＤＰ（プラズマ
ディスプレイパネル）、放電を用いた光源などの装置に
も適用可能である。なお、これに関しては以降に記す実
施の形態についても同様である。

【００１９】次に動作について説明する。入力電源１の
商用交流電圧は整流器２によって直流に変換され、さら
にインバータ３１によって規定の周波数の交流に変換さ
れる。インバータ３１は、この場合、定電流制御インバ
ータを用いる。インバータ３１からの出力電圧は、トラ
ンス４により昇圧された後、誘電体静電容量５１とガス
静電容量５２とに、それぞれの静電容量値の逆比に応じ
て分圧される。そして、ガス静電容量５２に分圧された
電圧がツェナー電圧Ｖｚに達した時、放電負荷５で放電
が発生する。

【００２０】一般的なオゾナイザでは、商用周波数から
数十ｋＨｚ程度の周波数の交流電圧が印加されるが、こ
のような周波数域では、１サイクルの間に放電期間と非
放電期間がそれぞれ２回現れ、図２のように概ね両軸対
称である平行四辺形のＶ（電圧）−Ｑ（電荷）リサジュ
ー波形が得られる。図２において、横軸Ｖは放電負荷５
の両端の電圧、縦軸Ｑは放電負荷５の両端の電荷であ
り、Ｂ点、Ｄ点は放電開始点、Ａ点、Ｃ点は放電終了点
である。ここで、Ｑ＝０におけるＶ軸の切片は、放電負
荷の等価回路で表された各容量素子に電荷が誘起されて
いない状態であるから、ガス領域は放電中であり、かつ
誘電体の両端にも電圧は発生していないから、放電空間
の放電維持電圧Ｖ^*で表され、Ｖ＝Ｖ^*、−Ｖ^*となる。
なお、放電維持電圧Ｖ^*は、放電期間中に放電空間に発
生している電圧の時間・空間的な平均値であるが、実際
には時間・空間的にランダムに放電が発生しており、し
たがって定常的な放電を仮定できる。よって、放電維持
電圧Ｖ^*はガス領域の放電開始電圧、すなわちツェナー
電圧Ｖｚにほぼ等しく、Ｖ^*≒Ｖｚの関係にある。ま
た、図２において、ｔａｎαは放電期間における放電負
荷５の静電容量値を表しており、放電期間ではガス静電
容量５２（容量値Ｃ２）は短絡され、誘電体静電容量５
１（容量値Ｃ１）のみが寄与するので、 ｔａｎα＝Ｃ１ …（４） となる。さらに、角度βで表された傾きを有する領域は
非放電期間である。非放電時の等価回路は、回路の浮遊
容量を無視すると、誘電体静電容量５１とガス静電容量
５２とが直列に接続されたものとなるので、 ｔａｎβ＝Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２） …（５） で表される。

【００２１】ここで、図２中のＡ点とＣ点を結んだ一点
鎖線は、リサジュー波形が両軸対称であるため、原点を
通る。これは、非放電期間の始点と放電期間の終点とを
結んだ直線であるから、非放電期間と放電期間とを含め
て評価した放電負荷５の平均的な静電容量を表している
ことになる。この直線の傾き角をγとすると、同図のＣ
点の最大電荷量Ｑ_maxは、ｔａｎα＝Ｃ１であるから、 と表すことができる。したがって、この一点鎖線で示さ
れた直線の傾き角γは、図２より、 ｔａｎγ＝Ｑ_max／Ｖ_op＝Ｃ１×（１−Ｖ^*／Ｖ_op）…（７） で与えられる。

【００２２】ここで、放電終了時（Ｖ＝Ｖ_op）の放電負
荷５の様子を図３に示す。ガス領域に分圧された電圧が
ツェナー電圧Ｖｚに到達すると、ガスは絶縁破壊される
ため、ガス領域の静電容量５２は短絡される。この時、
ツェナーダイオードは、非線形な抵抗成分Ｒのみを有す
るとすれば、電源から見た放電負荷５の容量成分として
は、誘電体の静電容量５１のみが寄与することとなる。
すなわち、放電負荷５は、静電容量５１とツェナーダイ
オードの抵抗Ｒとが直列接続された素子と見なすことが
できる。

【００２３】放電終了時において、電源側からみた放電
負荷５の見かけ上の容量成分を評価すると、放電負荷５
に蓄えられている電荷Ｑは、Ｖｚ≒Ｖ^*より、Ｑ＝Ｑ_max
＝Ｃ１×（Ｖ_op−Ｖ^*）で表され、このとき放電負荷５
にはＶ_opなる電圧が印加されているから、放電負荷の静
電容量値Ｃは、 Ｃ＝Ｑ_max／Ｖ_op＝Ｃ１×（１−Ｖ^*／Ｖ_op） …（８） となる。この値は、前述した非放電期間と放電期間とを
含めた放電負荷の平均的な静電容量（ｔａｎγ）の値と
等しい。すなわち電源側からは、１サイクルを通じて放
電負荷５があたかも式（８）で表される静電容量値Ｃを
有する容量成分のように見える。よって、放電負荷５に
対して効率良く電力を投入するには、次式（９）で表さ
れる電源側から見た放電負荷の容量成分Ｃをキャンセル
するだけのインダクタンスを有するインダクタを付加す
れば良い。 Ｌ＝１／［Ｃ×（２πｆ）²］ …（９） ここで、Ｌ：付加するインダクタのインダクタンス
［Ｈ］ Ｃ：Ｃ１×（１−Ｖ^*／Ｖ_op）で与えられる静電容量値
［Ｆ］ Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］ Ｖ^* ：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］ Ｖ_op：印加電圧波高値［Ｖ］ ｆ：両電極間に印加される交流電圧の周波数［Ｈｚ］

【００２４】以上のことから、図１において、放電負荷
５に対して並列に接続された並列インダクタ６１のイン
ダクタンスＬｐ１を、式（９）を満足するＬとなるよう
に設定すれば、ガス領域の静電容量値Ｃ２が誘電体の静
電容量値Ｃ１に比べて無視できないような放電負荷に対
しても、高い力率を維持することができる。一例とし
て、誘電体の静電容量値Ｃ１とガス領域の静電容量値Ｃ
２が、それぞれＣ１＝１０．９ｎＦ、Ｃ２＝８．４ｎＦ
である放電負荷を有する場合の、共振周波数ｆと並列イ
ンダクタ６１のインダクタンスＬｐ１の関係を調べた結
果を図４に示す。図４より、式（９）から与えられるＬ
ｐ１の計算値に極めて近いインダクタンスを有するイン
ダクタにより、共振状態が得られていることがわかる。
この場合、並列インダクタ６１を挿入しない状態での放
電負荷５の力率は３０％以下であったが、力率補償用の
インダクタ６１を放電負荷５に並列に接続することによ
り、トランス４を含めた放電負荷５の力率を９０％以上
にまで改善することができている。

【００２５】図５は、誘電体静電容量値Ｃ１が４９．５
ｎＦである放電負荷５を有するオゾナイザにおいて、Ｌ
ｐ１＝０．１６Ｈなるインダクタンスを有する力率改善
用インダクタ６１を放電負荷５に対して並列に接続した
場合の、共振周波数ｆと印加電圧波高値Ｖ_opの関係を示
したものである。この図からも、式（９）で与えられる
共振周波数の計算値と、実験的に得られた共振周波数は
±２％以内の差に収まり、式（９）により非常に高い精
度で共振条件を予測することが可能であることを示唆し
ている。

【００２６】オゾナイザの電気設計においては、まず、
装置に投入する放電電力Ｗが決定される。放電電力Ｗ
は、次式で与えられる。 Ｗ＝４・ｆ・Ｃ１・Ｖ^*×｛Ｖ_op−（１＋Ｃ２／Ｃ１）・Ｖ^*｝ …（１０） である。これらの中で、Ｖ_op以外の物理量は電極材質お
よび形状と、ガス圧力などの動作条件が決定されれば自
明となる。したがって、所望の放電電力Ｗを得るための
印加電圧波高値Ｖ_opは、式（１０）で求められる。Ｖ_op
が決定されれば、Ｃ１およびＶ^*も既知であるから、電
源から見た放電負荷５の容量成分Ｃも式（８）により求
めることができ、放電負荷５の容量に関わらず、式
（９）により力率改善用のインダクタを容易に設計する
ことができる。

【００２７】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、放電負荷５に並列に接続する並列インダクタ６１の
インダクタンスを式（９）を満足するように設定したの
で、放電負荷５の変化に対し、力率改善度合いを高く維
持することができるという効果がある。

【００２８】実施の形態２．図６は、この発明の実施の
形態２によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図であ
る。図６において、６２は放電負荷５およびトランス４
の２次側巻線に対して並列に接続され、インダクタンス
値Ｌｐ２を有する力率改善用の並列インダクタであり、
基本回路構成は実施の形態１と全く同様である。従来技
術には明記されていないが、以上のような回路構成とす
る場合、実施の形態１と同様、インバータ３１は、出力
電流波形が矩形波となる定電流制御方式のインバータを
用いる。なお、実施の形態１と同等あるいは同一要素に
ついては、同一符号を付して説明を省略する。

【００２９】次に動作について説明する。本実施の形態
２においては、図６に示すように、放電負荷５に対して
並列に接続された並列インダクタ６２のインダクタンス
値Ｌｐ２を次式を満足するように設定する。 １／｛Ｃ１×（２πｆ）²｝≦Ｌｐ２≦１／｛Ｃ３×（２πｆ）²｝…（１１） ここで、Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］ ｆ：両電極間に印加される交流電圧の周波数［Ｈｚ］ Ｃ３：（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）で与えられる静
電容量値［Ｆ］ Ｃ２：ガス領域の静電容量値［Ｆ］ である。Ｃ３は、誘電体の静電容量とガス領域の静電容
量の直列合成容量であり、電源側から見た非放電時の放
電負荷５の容量成分である。

【００３０】実施の形態１では、共振条件に極めて近い
状態を再現できるため、非常に高効率で放電負荷５への
電力投入が可能となり、インバータ３１の必要電流容量
を最小限に抑えることができる。しかし、共振点での動
作は負荷容量等の物理量の変化に対して一般に敏感であ
る。オゾナイザを例にとると、誘電体の絶縁破壊などに
よって放電負荷５の容量が変化する可能性が考えられ
る。（この場合、負荷５の静電容量は減少する。）この
ため、実際には、共振点を故意にずらして設計すること
が考えられる。この時、インダクタ６２のインダクタン
スを式（１１）を満足する範囲で選べば、図２のリサジ
ュー波形からもわかるように、 Ｃ３＜Ｃ＜Ｃ１ …（１２） （ここで、ＣはＣ１×（１−Ｖ^*／Ｖ_op）で与えられる
静電容量値）の関係があるので、共振点をわずかに外し
たところに、インダクタ６２のインダクタンスを設定す
ることが可能である。また、力率改善の度合いは実施の
形態１には及ばないが、放電負荷５の変化に対し、安定
して力率改善度合いを高く維持することができる。

【００３１】さらに、放電負荷５の容量成分Ｃ’が Ｃ＜Ｃ’＜Ｃ１ …（１３） （ここで、ＣはＣ１×（１−Ｖ^*／Ｖ_op）で与えられる
静電容量値）の範囲にあるとして力率改善用インダクタ
を設計すれば、上述のとおり放電負荷の静電容量が減少
しても、あらかじめ負荷の容量成分を共振条件を満足す
る値よりも大きく見積もっているため、力率が大幅に悪
化することを回避できる。この場合、容量の減少がわず
かであれば、その時の力率が設計時よりも改善されるこ
ともあり得る。

【００３２】以上のように、この実施の形態２によれ
ば、放電負荷５に並列に接続する並列インダクタ６２の
インダクタンスＬｐ２を式（１１）を満足するように設
定したので、放電負荷５によらず安定して力率改善度合
いを高く維持できる。さらに、あらかじめ放電負荷５の
容量成分Ｃ’が式（１３）を満足する範囲にあるとして
インダクタ６２のインダクタンスを決定すれば、放電負
荷の容量が誘電体の絶縁破壊等によって減少しても、力
率が極端に悪化することを回避でき、安定して力率改善
度合いを高く維持することができる。

【００３３】実施の形態３．図７は、この発明の実施の
形態３によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図であ
る。図７において、７は放電負荷５およびトランス４の
２次側巻線に対して直列に接続され、インダクタンスＬ
ｓ１を有する力率改善用の直列インダクタである。従来
技術には明記されていないが、以上のような回路構成と
する場合、本実施の形態ではインバータ３２は、出力電
圧波形が矩形波となる定電圧制御方式のインバータを用
いる。なお、前述の実施の形態と同等あるいは同一要素
については、同一符号を付して説明を省略する。

【００３４】図７において、前述のような定電圧制御式
インバータ３２を用いた場合に、放電負荷５に対して直
列に接続された直列インダクタ７のインダクタンスＬｓ
１に対しても、式（９）を満足するように設定すれば、
ガス領域の静電容量値Ｃ２が誘電体の静電容量値Ｃ１に
比べて無視できないような放電負荷に対しても、高い力
率を維持することができ、実施の形態１と同様の効果が
得られる。

【００３５】さらに、直列インダクタ７のインダクタン
スＬｓ２を、式（１１）を満足するように選んだ場合に
は、力率改善度合いはわずかに悪化するが、放電負荷５
の変化に対してもより安定して力率改善度合いを高く維
持することが可能である。

【００３６】実施の形態４．図８は、この発明の実施の
形態４によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図であ
る。本実施の形態４ではトランス４の１次側巻線と並列
に並列インダクタ６３を接続している。なお、実施の形
態１と同等あるいは同一要素については、同一符号を付
して説明を省略する。

【００３７】図８において、トランス４の１次側巻線と
並列に接続された並列インダクタ６３のインダクタンス
Ｌｐ３は、実施の形態１、２に示された、トランス４の
２次側に接続された並列インダクタ６１、６２のインダ
クタンスＬｐ１、Ｌｐ２に対して、トランス４の巻数比
（２次側巻数／１次側巻数）をｍとした時、 Ｌｐ３＝Ｌｐ１／ｍ² …（１４） Ｌｐ３＝Ｌｐ２／ｍ² …（１５） のうちのいずれかを満足するように構成されている。こ
のようにすれば、実施の形態１または２に示されたもの
と等価的に同じＬＣ並列回路となるため、同様の効果が
得られる。即ち、トランス４の２次側で、放電負荷５に
対して並列に、式（１）または式（２）を満足するイン
ダクタンスを有するように構成できる。

【００３８】実施の形態５．図９は、この発明の実施の
形態５によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図であ
る。本実施の形態５ではトランス４の１次側巻線と直列
に直列インダクタ７１を接続している。なお、実施の形
態３と同等あるいは同一要素については、同一符号を付
して説明を省略する。

【００３９】図９において、トランス４の１次側巻線と
直列に接続された直列インダクタ７１のインダクタンス
Ｌｓ３は、実施の形態３に示された、トランス４の２次
側に接続された直列インダクタ７のインダクタンスＬｓ
１、またはＬｓ２に対して、トランス４の巻数比をｍと
した時、 Ｌｓ３＝Ｌｓ１／ｍ² …（１６） Ｌｓ３＝Ｌｓ２／ｍ² …（１７） のうちのいずれかを満足するように構成されている。こ
のようにすれば、実施の形態３に示されたものと等価的
に同じＬＣ並列回路となるため、同様の効果が得られ
る。即ち、トランス４の２次側で、放電負荷５に対して
直列に、式（１）または式（２）を満足するインダクタ
ンスを有するように構成できる。

【００４０】実施の形態６．図１０は、この発明の実施
の形態６によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図で
ある。図１０において、６４はトランス４の１次側巻線
に対して等価的に並列接続された並列インダクタであ
り、トランス４の励磁インダクタンスに相当するもので
ある。なお、実施の形態１と同等あるいは同一の要素に
ついては同一符号を付し、説明を省略する。

【００４１】次に動作について説明する。実施の形態１
では、トランス４の２次側巻線と並列に並列インダクタ
６１を接続するようにしたが、この並列インダクタ６１
の代わりにトランス４の励磁インダクタンスを用いるよ
うにしても同じように作用する。この場合、トランス４
の１次側で力率を改善するので、並列インダクタ６４の
インダクタンスＬｐ４は、実施の形態１、２に示された
トランス４の２次側に接続された並列インダクタ６１、
６２のインダクタンスＬｐ１、Ｌｐ２に対して、トラン
ス４の巻数比をｍとした時、 Ｌｐ４＝Ｌｐ１／ｍ² …（１８） Ｌｐ４＝Ｌｐ２／ｍ² …（１９） のうちのいずれかを満足するように構成される。具体的
には、トランスの１次側鉄心と２次側鉄心とのギャップ
の長さを増減することにより、励磁インダクタンスの値
を調整し（ギャップが大きいと励磁インダクタンスは小
さくなる）、上式のいずれかを満足する所定値に設定す
る。

【００４２】このようにすれば、実施の形態１または２
に示されたものと等価的に同じＬＣ並列回路となるた
め、同様の効果が得られる。即ち、トランス４の２次側
で、放電負荷５に対して並列に、式（１）または式
（２）を満足するインダクタンスを有するように構成で
きる。

【００４３】さらに、本実施の形態６においては、トラ
ンス４の励磁インダクタンスを利用し、予め上記励磁イ
ンダクタンスＬｐ４が式（１８）、（１９）のいずれか
を満足するようにトランス４を設計し、この励磁インダ
クタンスが実施の形態１、または２の並列インダクタ６
１、６２と同じ役割を有するようにしたので、新たに並
列インダクタを接続する必要がなくなるため、より安価
な装置を提供することができる。

【００４４】実施の形態７．図１１は、この発明の実施
の形態７によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図で
ある。図１１において、７２はトランス４の１次側巻線
に対して等価的に直列接続された直列インダクタであ
り、トランス４の漏れインダクタンスに相当するもので
ある。なお、実施の形態３と同等あるいは同一の要素に
ついては同一符号を付し、説明を省略する。

【００４５】次に動作について説明する。実施の形態３
では、トランス４の２次側巻線と直列に直列インダクタ
７を接続するようにしたが、この直列インダクタ７の代
わりにトランス４の漏れインダクタンスを用いるように
しても同じように作用する。この場合、トランス４の１
次側で力率を改善するので、直列インダクタ７２のイン
ダクタンスＬｓ４は、実施の形態３に示されたトランス
４の２次側に接続された直列インダクタ７のインダクタ
ンスＬｓ１、またはＬｓ２に対して、トランス４の巻数
比をｍとした時、 Ｌｓ４＝Ｌｓ１／ｍ² …（２０） Ｌｓ４＝Ｌｓ２／ｍ² …（２１） のうちのいずれかを満足するように構成される。具体的
には、トランスの鉄心の量（断面積）を増減することに
より、漏れインダクタンスの値を調整し（断面積が大き
いと漏れインダクタンスは大きくなる）、上式のいずれ
かを満足する所定値に設定する。

【００４６】このようにすれば、実施の形態３に示され
たものと等価的に同じＬＣ並列回路となるため、同様の
効果が得られる。即ち、トランス４の２次側で、放電負
荷５に対して直列に、式（１）または式（２）を満足す
るインダクタンスを有するように構成できる。

【００４７】さらに、本実施の形態７においては、トラ
ンス４の漏れインダクタンスを利用し、予め上記漏れイ
ンダクタンスＬｓ４が式（２０）、（２１）のいずれか
を満足するようにトランス４を設計し、この漏れインダ
クタンスが実施の形態３の直列インダクタ７と同じ役割
を有するようにしたので、新たに直列インダクタを接続
する必要がなくなるため、より安価な装置を提供するこ
とができる。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、この発明の第１の構成に
よれば、対向配置する一対の電極間に誘電体を介して放
電空間となるガス領域が構成され、上記両電極間に印加
される交流高電圧により生じる電界によって上記放電空
間のガスを励起し、プラズマを発生させる放電負荷に対
し、トランスを介して交流電力を供給するプラズマ発生
用電源装置において、上記トランスの２次側で、上記放
電負荷に対して並列または直列に、下記の式（１） １／｛Ｃ１×（２πｆ）²｝≦Ｌ≦１／｛Ｃ３×（２πｆ）²｝…（１） ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］ Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］ ｆ：両電極間に印加される交流電圧の周波数［Ｈｚ］ Ｃ３：（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）で与えられる静
電容量値［Ｆ］ Ｃ２：ガス領域の静電容量値［Ｆ］ を満足するインダクタンスを有するように構成したの
で、ガス領域の静電容量値が誘電体の静電容量値に比べ
て無視できないような放電負荷に対しても、放電発生の
有無に関わらず、安定して力率補償が行え、その結果、
小型で安価なプラズマ発生用電源装置を得ることができ
る。

【００４９】また、本発明の第２の構成によれば、対向
配置する一対の電極間に誘電体を介して放電空間となる
ガス領域が構成され、上記両電極間に印加される交流高
電圧により生じる電界によって上記放電空間のガスを励
起し、プラズマを発生させる放電負荷に対し、トランス
を介して交流電力を供給するプラズマ発生用電源装置に
おいて、上記トランスの２次側で、上記放電負荷に対し
て並列または直列に、下記の式（２） Ｌ＝１／｛Ｃ×（２πｆ）²｝…（２） ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］ Ｃ：Ｃ１×（１−Ｖ^*／Ｖ_op）で与えられる静電容量値
［Ｆ］ Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］ Ｖ^*：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］ Ｖ_op：印加電圧波高値［Ｖ］ ｆ：両電極間に印加される交流電圧の周波数［Ｈｚ］ を満足するインダクタンスを有するように構成したの
で、ガス領域の静電容量値が誘電体の静電容量値に比べ
て無視できないような放電負荷に対しても、放電発生の
有無に関わらず、高い度合いの力率補償が行え、その結
果、小型で安価なプラズマ発生用電源装置を得ることが
できる。

【００５０】また、本発明の第３の構成によれば、第１
または第２の構成において、トランスの２次側に、放電
負荷に対して並列または直列に接続され、式（１）また
は式（２）を満足するインダクタンスを有するインダク
タを備えたので、容易に高い度合いの力率補償が行え、
小型で安価なプラズマ発生用電源装置を得ることができ
る。

【００５１】また、本発明の第４の構成によれば、第１
または第２の構成において、式（１）または式（２）で
示されるインダクタンスをＬ、トランスの巻数比をｍと
した時、トランスの１次側に、放電負荷に対して並列ま
たは直列に接続され、Ｌ／ｍ ²を満足するインダクタン
スを有するインダクタを備えたので、容易に高い度合い
の力率補償が行え、小型で安価なプラズマ発生用電源装
置を得ることができる。

【００５２】また、本発明の第５の構成によれば、第１
または第２の構成において、式（１）または式（２）で
示されるインダクタンスをＬ、トランスの巻数比をｍと
した時、トランスの励磁インダクタンスが、Ｌ／ｍ²を
満足するように構成したので、新たにインダクタを接続
する必要がなくなるため、簡単な装置構成により、力率
補償が行えが、より安価な装置を提供することができ
る。

【００５３】また、本発明の第６の構成によれば、第１
または第２の構成において、式（１）または式（２）で
示されるインダクタンスをＬ、トランスの巻数比をｍと
した時、トランスの漏れインダクタンスが、Ｌ／ｍ²を
満足するように構成したので、新たにインダクタを接続
する必要がなくなるため、簡単な装置構成により、力率
補償が行えが、より安価な装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１によるプラズマ発生用
電源装置を示す回路図である。

【図２】 オゾナイザを例にした場合の、Ｖ（電圧）−
Ｑ（電荷）リサジュー波形を示す図である。

【図３】 放電終了時でのオゾナイザの等価回路を説明
する図である。

【図４】 共振周波数と付加するインダクタのインダク
タンス値の関係を示す図である。

【図５】 共振周波数と印加電圧波高値の関係を示す図
である。

【図６】 本発明の実施の形態２によるプラズマ発生用
電源装置を示す回路図である。

【図７】 本発明の実施の形態３によるプラズマ発生用
電源装置を示す回路図である。

【図８】 本発明の実施の形態４によるプラズマ発生用
電源装置を示す回路図である。

【図９】 本発明の実施の形態５によるプラズマ発生用
電源装置を示す回路図である。

【図１０】 本発明の実施の形態６によるプラズマ発生
用電源装置を示す回路図である。

【図１１】 本発明の実施の形態７によるプラズマ発生
用電源装置を示す回路図である。

【図１２】 従来のプラズマ発生用電源装置を示す回路
図である。

【図１３】 従来の別のプラズマ発生用電源装置を示す
回路図である。

【図１４】 放電負荷の等価回路を示す図である。

【符号の説明】

１ 交流電源、２ 整流器、３，３１，３２ インバー
タ、４ トランス、５放電負荷、５１ 誘電体静電容
量、５２ ガス静電容量、５３ ツェナーダイオード、
６，６１，６２，６３，６４ 並列インダクタ、７，７
１，７２ 直列インダクタ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向配置する一対の電極間に誘電体を介
   して放電空間となるガス領域が構成され、上記両電極間
   に印加される交流高電圧により生じる電界によって上記
   放電空間のガスを励起し、プラズマを発生させる放電負
   荷に対し、トランスを介して交流電力を供給するプラズ
   マ発生用電源装置において、上記トランスの２次側で、
   上記放電負荷に対して並列または直列に、下記の式
   （１）を満足するインダクタンスを有するように構成し
   たことを特徴とするプラズマ発生用電源装置。 １／｛Ｃ１×（２πｆ）²｝≦Ｌ≦１／｛Ｃ３×（２πｆ）²｝…（１） ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］ Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］ ｆ：両電極間に印加される交流電圧の周波数［Ｈｚ］ Ｃ３：（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）で与えられる静
   電容量値［Ｆ］ Ｃ２：ガス領域の静電容量値［Ｆ］
2. 【請求項２】 対向配置する一対の電極間に誘電体を介
   して放電空間となるガス領域が構成され、上記両電極間
   に印加される交流高電圧により生じる電界によって上記
   放電空間のガスを励起し、プラズマを発生させる放電負
   荷に対し、トランスを介して交流電力を供給するプラズ
   マ発生用電源装置において、上記トランスの２次側で、
   上記放電負荷に対して並列または直列に、下記の式
   （２）を満足するインダクタンスを有するように構成し
   たことを特徴とするプラズマ発生用電源装置。 Ｌ＝１／｛Ｃ×（２πｆ）²｝…（２） ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］ Ｃ：Ｃ１×（１−Ｖ^*／Ｖ_op）で与えられる静電容量値
   ［Ｆ］ Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］ Ｖ^*：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］ Ｖ_op：印加電圧波高値［Ｖ］ ｆ：両電極間に印加される交流電圧の周波数［Ｈｚ］
3. 【請求項３】 トランスの２次側に、放電負荷に対して
   並列または直列に接続され、式（１）または式（２）を
   満足するインダクタンスを有するインダクタを備えたこ
   とを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ発生用
   電源装置。
4. 【請求項４】 式（１）または式（２）で示されるイン
   ダクタンスをＬ、トランスの巻数比をｍとした時、トラ
   ンスの１次側に、放電負荷に対して並列または直列に接
   続され、Ｌ／ｍ²を満足するインダクタンスを有するイ
   ンダクタを備えたことを特徴とする請求項１または２記
   載のプラズマ発生用電源装置。
5. 【請求項５】 式（１）または式（２）で示されるイン
   ダクタンスをＬ、トランスの巻数比をｍとした時、トラ
   ンスの励磁インダクタンスが、Ｌ／ｍ²を満足するよう
   に構成したことを特徴とする請求項１または２記載のプ
   ラズマ発生用電源装置。
6. 【請求項６】 式（１）または式（２）で示されるイン
   ダクタンスをＬ、トランスの巻数比をｍとした時、トラ
   ンスの漏れインダクタンスが、Ｌ／ｍ²を満足するよう
   に構成したことを特徴とする請求項１または２記載のプ
   ラズマ発生用電源装置。