JP2001118697A - 誘導プラズマの発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】直径の大きい誘導プラズマを発生させる場合で
あっても１つの高周波電源で済むようにする。 【解決手段】絶縁管内部に連通する補助絶縁管内に形成
される点弧プラズマでもって誘導プラズマを点弧させて
なる誘導プラズマの発生装置において、出力の途中の時
間Ｔ１で周波数がＦ１からＦ２へと低くなる波形２００
Ａを出力する高周波電源が設けられるとともに、この高
周波電源の出力端が誘導コイルと点弧コイルとの直列回
路の両端に並列接続される．

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、高周波誘導によ
ってプラズマを発生させる装置に関し、特に、その高周
波電源の構成がコンパクトな装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高周波電圧によって空間に電界を形成す
ると、その空間内で電子が往復運動を行う。この電子が
中性ガスと衝突電離をくり返すことによって、イオンが
増大しプラズマが形成される。高周波電圧によって誘導
されるプラズマは、空間に直接電極を配す必要がないの
で、電極から発生する不純物の混入を避けることができ
る。そのために、プラズマ化学やプラズマＣＶＤの分野
ではこの高周波誘導プラズマが材料の成膜やエッチング
処理にしばしば用いられている。

【０００３】図１０は、従来の誘導プラズマの発生装置
の構成を示す断面図である。円筒状の絶縁容器２の上下
にフランジ４，９が取り付けられ、上部のフランジ４に
は上蓋５が被さっている。フランジ４，９の中心には絶
縁管１１が固定されている。絶縁管１１と絶縁容器２と
の間には冷却水３が通され、絶縁容器２の外周には誘導
コイル１５が巻回されている。誘導コイル１５の両端は
高周波電源１０に接続されている。

【０００４】また、図１０において、上蓋５の中心にキ
ャリアガス８を通すための絶縁管８Ａと、シードガス７
を通すための絶縁管１３とが配されている。さらに、上
蓋５には絶縁管１１の内部に連通する横穴７Ａ，６Ａが
設けられてあり、それぞれシードガス７，シースガス６
を絶縁管１１の内部に導いている。絶縁管１１の上部内
周面と絶縁管１３の外周面との間には、スペーサ６Ｂが
介装されている。このスペーサ６Ｂは、らせん状に形成
されてあり、これによってシースガス６をらせん状に流
すように誘導している。なお、図１０の装置全体は、図
示されていない真空容器内に収納されている。

【０００５】次に、図１０を用いて絶縁管１１の内部に
誘導プラズマ１２が形成されるメカニズムを説明する。
横穴７Ａを介してシードガス７が絶縁管１１の内部の真
空中に流される。シードガス７は、例えば、Ａｒなどの
不活性気体が用いられ、誘導プラズマ１２の種（シー
ド）になるものである。また、同時に横穴６Ａを介して
Ａｒなどのシースガス６も絶縁管１１の内部に流され
る。このシースガス６はらせん状のスペーサ６Ｂの介在
によって絶縁管１１の内壁面に沿ったらせん状の流れ
（点線で示す）になる。この状態で高周波電源１０から
誘導コイル１５に高周波電流を流すと、絶縁管１１の内
部に軸方向の高周波磁界が発生する。さらに、この磁界
を打ち消すために絶縁管１１の中心軸のまわりを環状に
誘導電流が流れるようになる。シードガス７は、初期は
分子自体が中性であるが、このガス中に微小に含まれて
いる初期電子が高周波磁界によって絶縁管１１の内部で
周方向に振動する。この電子が中性分子と衝突電離し、
イオンおよび電子の増大によってシードガス７がプラズ
マ状態になる。図１０の誘導プラズマ１２は上述のメカ
ニズムによって形成されたものであり、この誘導プラズ
マ１２には誘導電流が流れ、その領域の温度はジュール
加熱によって数千度から数万度にも達する。

【０００６】シースガス６は、誘導プラズマ１２が絶縁
管１１の内壁面に直接触れないようにするためのもので
ある。シースガス６を絶縁管１１の内壁面に沿ってらせ
ん状に流すことによって誘導プラズマ１２の外周側を冷
却し、誘導プラズマ１２を絶縁管１１の中心軸側へ定在
させている。冷却水３を流すことによって、絶縁管１１
を冷却するとともにシースガス６も冷やし、シースガス
６自体がプラズマ化するのを防いでいる。

【０００７】図１０において、誘導プラズマ１２が形成
されると、絶縁管１１の上部から、キャリアガス８を流
し、誘導プラズマ１２中に混入させる。誘導プラズマ１
２の高温によって、キャリアガス８とシードガス７とを
反応させ、その反応ガスを絶縁管１１の下部より取り出
す。キャリアガス８は、ガス単独の場合もあれば、ガス
と粉末との混合体である場合もある。この誘導プラズマ
１２は、例えば半導体表面の成膜やエッチングなどのプ
ラズマ処理に使われる。オゾン層の破壊原因とされてい
るフロンをプラズマによって分解する装置などにも使用
することができる。

【０００８】しかしながら、前述した図１０の装置は、
直径の大きい誘導プラズマを形成すると、誘導プラズマ
内の温度分布が不均一になるという問題があった。図１
０の装置において、誘導コイル１５にはＭＨｚオーダ以
上、一般的には１０ＭＨｚオーダのラジオ周波数領域の
高周波電流が流されていた。そのために表皮効果により
誘導電流のほとんどが誘導プラズマの外周表面を流れ、
高温領域が外周側に片寄り、内部の温度上昇が充分では
なかった。したがって、従来は直径にして５０〜６０ｍ
ｍの誘導プラズマが実用に供されるのが限界であった。
プラズマ処理などの実用装置においては、温度分布が均
一で、かつ出来るだけ直径の大きい誘導プラズマを用い
た方がそのプラズマ処理能力が向上する。

【０００９】図１１は、従来の異なる誘導プラズマの発
生装置の構成を示す断面図である。この装置は、直径が
大きくなっても温度分布が均一な誘導プラズマを形成す
ることができるものであり、その発生原理は発明者が文
献１に公表している。

【００１０】文献１・・・作田他「低周波・大容量誘導
プラズマの安定発生条件」, 日本ＡＥＭ学会誌, Vol.1,
No.1, P.25 〜P.30, June 1993 図１１はプラズマ発生装置が２段に構成されたものであ
り、上段の装置は絶縁管１１の外周に高周波電源１０に
接続された点弧コイル１２０が巻回されてなり、その他
は図１０と同様な構成となっている。したがって、同じ
部分は同一参照符号を付けることによって説明は省略す
る。下段にもう１つの絶縁容器２１が設けられ、この絶
縁容器２１はフランジ４１と４２とで挟持されている。
絶縁容器２１の内部には絶縁管２２，２３が設けられる
とともに絶縁管２２と２３との間にらせん状のスペーサ
６０Ｂが介装されている。フランジ４１にはキャリアガ
ス８０を通すための横穴８０Ａと、シースガス６０を通
すための横穴６０Ａとが設けられ、いずれも絶縁管２２
の内部に連通している。一方、絶縁容器２１の内部には
冷却水２０が浸され、絶縁容器２１の外周には誘導コイ
ル１５が巻回されている。この誘導コイル１５は高周波
電源１４に接続されている。なお、図１０ではキャリア
ガス８は上蓋５から送り込まれていたが、図１０の装置
ではフランジ４１の横穴８０Ａから送り込まれている。
また、点弧コイル１２０にはＭHzオーダないし数１０Ｍ
Hzのラジオ周波数領域の高周波電流が流され、誘導コイ
ル１５には５００ｋHz以下である非ラジオ周波数領域の
高周波電流が流されている。点弧コイル１２０の内側に
形成される点弧プラズマ１８は、図１０における誘導プ
ラズマ１２と同様のメカニズムにて形成される。

【００１１】図１２は、図１１の点弧プラズマが点弧源
となって誘導プラズマが形成された状態を示す断面図で
ある。点弧プラズマ１８は、シードガス７の流れに従っ
て下方に進み、内径の広い絶縁管２２の中に送り込ま
れ、横穴８０Ａから流し込まれるキャリアガス８０と混
ざり合う。絶縁管２２の内部にプラズマ状態のものが流
れ込んでくるので、絶縁管２２の外周に配された誘導コ
イル１５による磁界形成によって誘導電流が絶縁管２２
内に誘起される。絶縁管２２の内径は絶縁管１１のそれ
より大きいので、上部で形成された点弧プラズマ１８は
半径方向に大きく広がった誘導プラズマ１９に成長す
る。なお、シースガス６０はらせん状のスペーサ６０Ｂ
を介して流れ出るので、シースガス６の流れと同様に絶
縁管２２の内壁面に沿ってらせん状に流れている。この
シースガス６０によって、誘導プラズマ１９が絶縁管２
２に直接触れないようにしている。上述のように、点弧
プラズマ１８は誘導プラズマ１９の点弧源となってい
る。すなわち、誘導コイル１５に流される高周波電流の
周波数は５００ｋHz以下である非ラジオ周波数領域にあ
るので、誘導プラズマ１９はそれ単独では点弧しない。
図１１の構成にしておけば、上部の絶縁管１１の内径ｄ
を必ずしも５０ないし６０ｍｍ以下とする必要はない。
点弧プラズマ１８は点弧するだけでよく、その内部の温
度分布は均一でなくてもよい。点弧プラズマ１８が下方
に流れ誘導プラズマ１９となったときに、誘導コイル１
５による誘導電流によって全体が均一に加熱される。例
えば、絶縁管１１の内径ｄを１００ｍｍ、絶縁管２２の
内径Ｄを３００ｍｍとした構成としても、直径が数１０
０ｍｍでかつ内部まで温度が均一な誘導プラズマ１９を
形成することができる。点弧コイル１８によって形成さ
れる誘導電流はＭHzオーダ以上の高周波なので、表皮効
果により誘導プラズマ１８の表面だけを主として流れ
る。一方、誘導コイル１５によって形成される誘導電流
は５００ｋHz以下と低周波になるので、その表皮効果が
薄れ誘導プラズマ１９の内部まで誘導電流が流れやすく
なる。そのために、誘導プラズマ１９は、その内部まで
温度が均一になる。高周波電源１４としては、数ｋHzか
ら数百Hzという低周波数のものを用いてもよい。高周波
電源１４の周波数が低周波になるに従って表皮効果が薄
れ、誘導プラズマ１９の温度がより均一になる。したが
って、図１０の従来の装置における絶縁管１１の内径ｄ
は５０〜６０ｍｍが限界であったのが、図１１の装置で
は絶縁管２２の内径Ｄを数１００ｍｍに拡大して構成し
ても、均一な誘導プラズマ１９を得ることができる。図
１１の装置によって、温度が均一でかつ、数１００ｍｍ
の直径の誘導プラズマを得ることができるので、プラズ
マ処理を広い面積で実施することができる。

【００１２】しかし、図１１の装置の点弧源としては、
高周波電源１０が必要であるという問題があった。その
高周波電源１０としては、周波数が少なくとも１ＭHzオ
ーダ以上、好ましくは数ＭHzから数１０ＭHzのラジオ周
波数領域のものでないと、点弧プラズマ１８が点弧しな
い。しかも、その出力容量としても数１０ｋＷ以上のも
のが必要であった。周波数が高くかつ容量も大きくなる
と、その発生熱量も増加するので設備も大型化しかつ高
価なものになってくる。

【００１３】図１３は、従来のさらに異なる誘導プラズ
マ発生装置の構成を示す断面図である。プラズマトーチ
１００が陰電極１０１（例えば、タングステンや銅−コ
ンスタンタン）および陽電極１０２（例えば、銅や黄
銅）よりなる電極対１０３と、この電極対１０３に常開
スイッチ１１１を介して並列接続された直流電源１０４
と高電圧パルス電源１０５とにより構成されている。陽
電極１０２は容器を形成し、絶縁体１０６を介して陰電
極１０１を支持している。また、陽電極１０２の絶縁管
２２側は横穴８０Ａ，６０Ａを形成するとともにプラズ
マジェット１０７を射出するノズル１０８を形成する穴
を備えている。さらに、陽電極１０２には、シードガス
７が吹き込まれる吹き込み穴１１０が設けられている。
その他の構成は、図１１の構成と同じである。

【００１４】図１３において、シードガス７を吹き込み
穴１１０から陽電極１０２の内部へ吹き込み、ノズル１
０８から絶縁管２２の内部へシードガス７を吹き出させ
る。シードガス７の流量としては、毎分１０〜３０リッ
トル程度である。その状態で常開スイッチ１１１を閉成
し電極対１０３に電圧を印加する。高電圧パルス電源１
０５からの高電圧パルスによって陰電極１０１の先端部
と陽電極１０２のノズル１０８付近との間にあるシード
ガス７を絶縁破壊させ、シードガス７をプラズマ状態に
する。ここで電極対１０３の電極間隙を例えば１ｍｍと
した場合、前記高電圧パルスの波高値は最低１０００Ｖ
程度であればよい。また、シードガス７の圧力は、プラ
ズマ発生の初期の段階では、印加電圧が直流でも放電し
やすい圧力、すなわち１００〜２００Ｐａの圧力まで減
圧している。高電圧パルスが消えた後でも、直流電源１
０４による直流電圧が電極対１０３に印加されているの
で、シードガス７のプラズマ状態は維持される。ここ
で、高電圧パルス印加により一旦プラズマが発生した後
シードガス７のプラズマ状態を維持するために必要な直
流印加電圧は、電極対１０３の電極間隙を例えば１ｍｍ
とした場合、最低２０Ｖ程度であればよい。吹き込み穴
１１０からは、シードガス７が継続して吹き込まれるの
でノズル１０８からプラズマ化したシードガス７の射出
体であるプラズマジェット１０７が絶縁管２２の軸中心
付近を下に伸びてくる。

【００１５】図１４は、図１３のプラズマジェット１０
７が点弧源となって誘導プラズマ１１２が形成された状
態を示す断面図である。絶縁管２２の内部にプラズマ状
態のプラズマジェットが流れ込んでくるので、絶縁管２
２の外周に配されるとともに高周波電源１４が接続され
た誘導コイル１５による磁界形成によって誘導電流が絶
縁管２２内に誘起され、誘導プラズマ１１２が発生す
る。絶縁管２２の内径（例えば、１００ｍｍ以上）は絶
縁管１１のそれより大きいので、プラズマジェットはキ
ャリアガス８０とともに半径方向に大きく広がった誘導
プラズマ１１２に成長する。上述のように、図１３のプ
ラズマジェット１０７は誘導プラズマ１１２の点弧プラ
ズマとなっている。すなわち、誘導コイル１５に流され
る高周波電流の周波数は５００ｋHz以下である非ラジオ
周波数領域にあるもので、誘導プラズマ１１２はそれ単
独では点弧しない。図１３の構成にすることによって、
ＭHzオーダ以上の高周波電源が必要なくなった。なお、
誘導プラズマ１１２の点弧後は、常開スイッチ１１１を
開成しても誘導プラズマ１１２は継続する。そのため、
直流電源１０４および高電圧パルス電源１０５は誘導プ
ラズマ１１２の点弧時だけに必要なものである。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような従来の誘導プラズマ発生装置は、直径の大きい
誘導プラズマを発生する場合、点弧用の電源がもう１つ
必要であるという問題があった。すなわち、従来は、非
ラジオ周波数領域の高周波電源だけでは直径の大きい誘
導プラズマが点弧しないので、点弧用の電源でもって誘
導プラズマを点弧させていた。そのために、電源がもう
１つ必要となり、誘導プラズマ発生装置が大型になると
ともにその据え付け面積も広くなっていた。この発明の
目的は、直径の大きい誘導プラズマを発生する場合であ
っても１つの高周波電源で済むようにすることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明によれば、絶縁管の外周に巻回された誘導
コイルを高周波励磁することによって前記絶縁管内部に
誘導プラズマを発生させる装置であって、前記絶縁管内
部に連通する補助絶縁管が設けられ、この補助絶縁管の
外周に点弧コイルが巻回され、この点弧コイルを高周波
励磁することによって前記補助絶縁管内部に形成される
点弧プラズマでもって前記誘導プラズマを点弧させてな
る誘導プラズマの発生装置において、所定周波数の高周
波電圧を出力させてから所定時間後に前記所定周波数よ
り低い周波数の高周波電力を出力する高周波電源が設け
られ、この高周波電源の出力端が前記誘導コイルと前記
点弧コイルとの直列回路に並列接続されるようにすると
よい。それによって、高周波電源の出力電圧が誘導コイ
ルと点弧コイルとに分圧される。まず、初めの高い周波
数の高周波電力を所定時間印加することによって補助絶
縁管内に点弧プラズマが発生する。この点弧プラズマが
点弧源となって所定時間後の低い周波数の高周波電力印
加によって誘導プラズマが発生し、以下そのプラズマ状
態が継続的に維持される。したがって、直径の大きい誘
導プラズマを発生させる場合であっても１つの高周波電
源で済む。

【００１８】また、かかる構成において、前記点弧コイ
ルに常開スイッチが並列接続され、この常開スイッチは
前記所定時間に閉成されるようにしてもよい。それによ
って、所定時間後は点弧コイルが励磁されなくなる。す
なわち、所定時間後は誘導プラズマのプラズマ状態を継
続的に維持するために誘導コイルだけが励磁されていれ
ばよい。点弧コイルの励磁を途中で停止させるので、エ
ネルギー消費が少なくて済む。

【００１９】また、絶縁管の外周に巻回された誘導コイ
ルを高周波励磁することによって前記絶縁管内部に誘導
プラズマを発生させる装置であって、前記絶縁管内部に
連通する補助絶縁管が設けられ、この補助絶縁管の外周
に点弧コイルが巻回され、この点弧コイルを高周波励磁
することによって前記補助絶縁管内部に形成される点弧
プラズマでもって前記誘導プラズマを点弧させてなる誘
導プラズマの発生装置において、所定周波数の高周波電
力を出力させてから所定時間後に前記所定周波数より低
い周波数の高周波電力を出力する高周波電源が設けら
れ、この高周波電源の出力端が前記誘導コイルおよび前
記点弧コイルにそれぞれ並列接続されるようにしてもよ
い。それによって、まず、初めの高い周波数の高周波電
力印加でもって補助絶縁管内に点弧プラズマが発生す
る。この点弧プラズマが点弧源となって所定時間後の低
い周波数の高周波電力印加による誘導プラズマが発生
し、以下そのプラズマ状態が継続的に維持される。した
がって、直径の大きい誘導プラズマを発生させる場合で
あっても１つの高周波電源で済む。高周波電源の波高値
が誘導コイルと点弧コイルとに分圧しないので、高い波
高値の高周波電力を双方のコイルに印加することができ
る。

【００２０】また、かかる構成において、前記高周波電
源の出力端が常閉スイッチを介して前記点弧コイルに並
列接続され、この常閉スイッチは前記所定時間に開成さ
れるようにしてもよい。それによって、所定時間後は点
弧コイルが励磁されなくなる。すなわち、所定時間後は
誘導プラズマのプラズマ状態を継続的に維持するために
誘導コイルだけが励磁されていればよい。点弧コイルの
励磁を途中で停止させるので、エネルギー消費が少なく
て済む。

【００２１】また、絶縁管の外周に巻回された誘導コイ
ルを高周波励磁することによって前記絶縁管内部に誘導
プラズマを発生させる装置であって、前記絶縁管内部に
設けられた一対の電極間に点弧アークを形成することに
よって前記誘導プラズマを点弧させてなる誘導プラズマ
の発生装置において、前記一対の電極間の絶縁破壊電圧
より高い電圧を出力した後に誘導プラズマを持続させる
高周波電力を出力する高周波電源が設けられ、この高周
波電源の出力端が前記誘導コイルの両端に並列接続され
るとともに、常閉スイッチを介して前記一対の電極間に
並列接続され、前記常閉スイッチは前記一対の電極間の
絶縁破壊によって点弧アークが形成された後に開成され
るようにしてもよい。それによって、まず初めに一対の
電極間の絶縁破壊電圧より高い電圧が印加されると、電
極間が絶縁破壊して一対の電極間に点弧アークが発生す
る。この点弧アークが点弧源となって、後段の高周波電
力印加による誘導プラズマが発生し、以下そのプラズマ
状態が継続的に維持される。したがって、直径の大きい
誘導プラズマを発生させる場合であっても１つの高周波
電源で済む。なお、常閉スイッチは、誘導プラズマが発
生した後に点弧アークでもって誘導コイルが短絡されな
いように一対の電極側へ行く電流を遮断するためのもの
である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、この発明を実施例に基づい
て説明する。図１は、この発明の実施例にかかる誘導プ
ラズマの発生装置の構成を示す回路接続図である。誘導
コイル１５と点弧コイル１２０との直列回路に高周波電
源２００の出力端Ａ，Ｂが並列接続されている。図１の
実施例における誘導プラズマの発生装置としては、図１
１の従来の構成において誘導コイル１５と点弧コイル１
２０との結線方法および高周波電源の構成が異なるだけ
である。すなわち、図１１における２台の高周波電源１
０，１４の代わりに１台の高周波電源２００が設けられ
ている。図１のその他は、図１１の従来の構成と同じで
あり、従来と同じ部分は同一参照符号を付けることによ
って詳細な説明は省略する。

【００２３】図２は、図１の高周波電源２００の出力電
圧波形を示すタイムチャートである。縦軸は電圧であ
り、波高値±Ｖ１の波形２００Ａが高周波電源２００か
ら出力される波形であり、時間０から所定時間Ｔ１まで
の周波数がＦ１、所定時間時間Ｔ１以降の周波数がＦ２
である。すなわち、波形２００Ａは、時間Ｔ１において
その周波数が初期のそれより急に低くなる。周波数Ｆ１
はＭＨｚオーダから１０ＭＨｚオーダのラジオ周波数領
域であり、周波数Ｆ２は５００ｋＨｚ以下である。この
ような波形２００Ａは、例えば、次に示すような高周波
電源２００でもって発生させることができる。

【００２４】図３は、図１の高周波電源２００の内部構
成を示す回路接続図である。商用周波電源３０１の出力
が整流部３０２に入力され、その整流部３０２の出力が
互いに直列接続された平滑用コンデンサＣａ，Ｃｂと、
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、スイッチング素子Ｐ
１，Ｐ２とにそれぞれ並列接続されている。スイッチン
グ素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチング素子Ｐ１，Ｐ２の
接続部は、それぞれ共振用コンデンサＣ１，Ｃ２を介し
て共通に接続されるとともに高周波電源２００の出力端
Ａに引き出されている。一方、高周波電源２００のもう
一つの出力端Ｂは、平滑用コンデンサＣａ，Ｃｂ同士の
接続部から引き出されている。スイッチング素子Ｑ１，
Ｑ２のベースと、スイッチング素子Ｐ１，Ｐ２のベース
とは、それぞれ別々に制御装置３０３に接続され、この
制御装置３０３から制御信号Ｑ_S1，Ｑ_S2、Ｐ_S1，Ｐ_S2を
受けるようになっている。これらの制御信号によってス
イッチング素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタとエミッタとの
間、および、スイッチング素子Ｐ１，Ｐ２のコレクタと
エミッタとの間が開閉されるようになっている。制御信
号Ｑ_S1，Ｑ_S2は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が周波数
Ｆ１の半サイクル毎に交互に開閉を繰り返すような信号
であり、制御信号Ｐ_S1，Ｐ_S2は、スイッチング素子Ｐ
１，Ｐ２が周波数Ｆ２の半サイクル毎に交互に開閉を繰
り返すような信号である。

【００２５】図３において、高周波電源２００の出力端
Ａ，Ｂには、インダクタである図１のような誘導コイル
１５と点弧コイル１２０との直列回路が接続される。共
振用コンデンサＣ１のキャパシタンスは、周波数Ｆ１で
もって前記の直列回路のインダクタンスＬ１と共振する
ような値に選ばれる。一方、共振用コンデンサＣ２のキ
ャパシタンスも、周波数Ｆ２でもってインダクタンスＬ
１と共振するような値に選ばれる。例えば、インダクタ
ンスＬ１が３μＨの場合、周波数Ｆ１の値を４５０ｋＨ
ｚとすると共振用コンデンサＣ１のキャパシタンスは４
１ｎＦとなり、周波数Ｆ２の値を５０ｋＨｚとすると共
振用コンデンサＣ２のキャパシタンスは３．３８μＦと
なる。

【００２６】次に、図３における高周波電圧の発生メカ
ニズムを説明する。予め商用周波電源３０１からの商用
周波電圧が整流部３０２と平滑用コンデンサＣａ，Ｃｂ
とを介して直流電圧に変換される。時間０において制御
装置３０３から制御信号Ｑ_S1，Ｑ_S2が送られると、共振
用コンデンサＣ１とインダクタンスＬ１との直列回路に
高周波電流が流れ、インダクタンスＬ１の両端に周波数
Ｆ１の高周波電圧が発生する。所定時間Ｔ１において、
制御装置３０３は、制御信号Ｑ_S1，Ｑ_S2の送りを止めて
制御信号Ｐ_S1，Ｐ_S2を発生するようにする。それによっ
て、共振用コンデンサＣ２とインダクタンスＬ１との直
列回路に高周波電流が流れ、インダクタンスＬ１の両端
に周波数Ｆ２の高周波電圧が発生する。すなわち、図３
の高周波電源２００によれば、１台の装置でもって周波
数が所定時間Ｔ１に急に切り換わる波形を発生させるこ
とができる。この高周波電源２００を１台使用した場合
と、従来のように異なる周波数を発生させる高周波電源
を２台使用した場合とを比べると、前者の場合の方が整
流部３０２や制御装置３０３を共有できる点から製作コ
ストを約２割節約することができるとともに、据え付け
面積も縮小することができる。さらに、前者の装置は制
御装置３０３を共有しているので、周波数切り換えのタ
ンミングを高精度に制御することができると言うメリッ
トも有している。

【００２７】図２に戻り、時間０から所定時間Ｔ１まで
は周波数Ｆ１、すなわち、ラジオ周波数領域の電圧でも
って点弧コイル１２０が励磁されるので補助絶縁管内に
点弧プラズマが点弧する。その際、誘導コイル１５もラ
ジオ周波数領域の電圧でもって励磁されるが、絶縁管２
２（図１１）の直径が大きい場合は、前述されたように
誘導プラズマが発生しない。所定時間Ｔ１以降、補助絶
縁管内の点弧によって低い周波数の高周波電圧印加でも
誘導プラズマが発生するようになる。したがって、直径
の大きい誘導プラズマを発生させる場合であっても１つ
の高周波電源２００で済む。

【００２８】図４は、この発明の異なる実施例にかかる
誘導プラズマ発生装置の構成を示す回路接続図である。
点弧コイル１２０に常開スイッチ２０１が並列接続さ
れ、この常開スイッチ２０１は所定時間Ｔ１に閉成され
る。常開スイッチ２０１の動作指令は、図３における制
御装置３０３から受ける。すなわち、図３の制御装置３
０３からは、その端子Ｓに図４の常開スイッチ２０１を
時間Ｔ１において閉成するための信号Ｓ０が出力され
る。この信号Ｓ０が、時間Ｔ１に図４の常開スイッチ２
０１に入力され、常開スイッチ２０１が閉成されて点弧
コイル１２０が短絡される。図４のその他は、図１の構
成と同じである。常開スイッチ２０１の閉成によって、
所定時間Ｔ１後は点弧コイル１２０が励磁されなくな
る。すなわち、所定時間Ｔ１以後は誘導プラズマのプラ
ズマ状態を継続的に維持するために誘導コイル１５だけ
が励磁されていればよい。点弧コイル１２０の励磁を所
定時間Ｔ１で停止させるので、エネルギー消費が少なく
て済み電力の節約ができる。なお、当然のことながら、
時間Ｔ１以降は、誘導コイル１５の励磁だけになるの
で、インダクタンスＬ１が小さくなり、周波数Ｆ２の値
に共振させるための共振用コンデンサＣ２のキャパシタ
ンスを図１の場合よりは大きくする必要がある。

【００２９】図５は、この発明のさらに異なる実施例に
かかる誘導プラズマ発生装置の構成を示す回路接続図で
ある。高周波電源２００の出力端が、誘導コイル１５お
よび点弧コイル１２０の双方に並列接続されている。高
周波電源２００は図１のものと同じであり、所定時間Ｔ
１において周波数Ｆ１からＦ２に切り変わる。図５のそ
の他は、図１の構成と同じである。誘導コイル１５およ
び点弧コイル１２０のそれぞれに図２の波形２００Ａが
印加され、時間０から所定時間Ｔ１までは周波数Ｆ１、
すなわち、ラジオ周波数領域の電圧でもって点弧コイル
１２０が励磁されるので補助絶縁管内に点弧プラズマが
点弧する。その際、誘導コイル１５もラジオ周波数領域
の電圧でもって励磁されるが、絶縁管２２（図１１）の
直径が大きい場合は、前述されたように誘導プラズマが
発生しない。補助絶縁管内の点弧によって、所定時間Ｔ
１以降の低い周波数の高周波電圧印加でも誘導プラズマ
が発生するようになる。したがって、直径の大きい誘導
プラズマを発生させる場合であっても１つの高周波電源
２００で済み、図２における波形２００Ａの波高値Ｖ１
が誘導コイル１５および点弧コイル１２０の双方にかか
る。図１の場合のように、波形２００Ａの波高値±Ｖ１
が誘導コイル１５と点弧コイル１２０とに分圧されるこ
とがないので、より高い出力電圧を双方のコイルに印加
することができる。

【００３０】図６は、この発明のさらに異なる実施例に
かかる誘導プラズマ発生装置の構成を示す回路接続図で
ある。高周波電源２００の出力端が常閉スイッチ２０４
を介して点弧コイル１２０に並列接続され、この常閉ス
イッチ２０４は所定時間Ｔ１に開成される。常閉スイッ
チ２０４の動作指令は、図３における制御装置３０３か
ら受ける。すなわち、図３の制御装置３０３からは、そ
の端子Ｕに図６の常閉スイッチ２０４を所定時間Ｔ１に
おいて開成するための信号Ｓ１が出力される。この信号
Ｓ１が、所定時間Ｔ１に図６の常閉スイッチ２０４に入
力され、常閉スイッチ２０４が開成されて点弧コイル１
２０の励磁が開放される。図６のその他は、図１の構成
と同じである。常閉スイッチ２０１の開成によって、所
定時間Ｔ１後は点弧コイル１２０が励磁されなくなる。
すなわち、所定時間Ｔ１以後は誘導プラズマのプラズマ
状態を継続的に維持するために誘導コイル１５だけが励
磁されていればよい。点弧コイル１２０の励磁を所定時
間Ｔ１で停止させるので、エネルギー消費が少なくて済
み電力の節約ができる。なお、当然のことながら、時間
Ｔ１以降は、誘導コイル１５の励磁だけになるので、イ
ンダクタンスＬ１が大きくなり、周波数Ｆ２の値に共振
させるための共振用コンデンサＣ２のキャパシタンスを
図１の場合よりは小さくする必要がある。

【００３１】図７は、この発明のさらに異なる実施例に
かかる誘導プラズマ発生装置の構成を示す回路接続図で
ある。高周波電源２０２の出力端Ｃ，Ｄが、誘導コイル
１５の両端に接続されるとともに、図１３で説明された
陰電極１０１と陽電極１０２とからなる電極対１０３に
常閉スイッチ２０３を介して接続されている。図７の実
施例における誘導プラズマの発生装置としては、図１３
の従来の構成において誘導コイル１５と電極対１０３と
の結線方法および高周波電源の構成が異なるだけであ
る。すなわち、図１３における高電圧パルス電源１０５
と高周波電源１４との２台の電源の代わりに１台の高周
波電源２０２だけが設けられている。図７のその他は、
図１３の従来の構成と同じである。

【００３２】図８は、図７の高周波電源２０２の出力電
圧波形を示すタイムチャートである。縦軸は電圧であ
り、一点鎖線の波形２０２Ｂが高周波電源２０２から出
力される波形であり、時間０から所定時間Ｔ３までの波
高値は±Ｖ３であり、所定時間時間Ｔ３以降の波高値は
±Ｖ２である。所定時間Ｔ３以降の周波数Ｆ２は５０ｋ
Ｈｚ以下であり、所定時間Ｔ３以前の周波数Ｆ３はＦ２
より若干低い。実線の波形２０２Ａは、図７における電
極対１０３が時間Ｔ２において絶縁破壊した場合の波形
である。すなわち、電極対１０３が絶縁破壊すれば、高
周波電源２０２の出力端Ｃ，Ｄが短絡状態になるので一
時的に低下する。所定時間Ｔ３において、常閉スイッチ
２０３を開成すれば、高周波電源２０２の出力端Ｃ，Ｄ
が誘導コイル１５だけにかかるので、所定時間Ｔ３以降
は波高値が±Ｖ２の波形となる。このような波形２０２
Ａは、例えば、次に示すような高周波電源２０２でもっ
て発生させることができる。

【００３３】図９は、図７の高周波電源２０２の内部構
成を示す回路接続図である。商用周波電源３０１の出力
が整流部３０２に入力され、その整流部３０２の出力が
互いに直列接続された平滑用コンデンサＣａ，Ｃｂと、
スイッチング素子Ｒ１，Ｒ２とそれぞれ並列接続されて
いる。スイッチング素子Ｒ１，Ｒ２の接続部は、共振用
コンデンサＣ０を介して高周波電源２０２の出力端Ｃに
引き出されている。一方、高周波電源２０２のもう一つ
の出力端Ｄは、平滑用コンデンサＣａ，Ｃｂ同士の接続
部から引き出されている。スイッチング素子Ｒ１，Ｒ２
のベースは、それぞれ制御装置３０４に接続され、この
制御装置３０４から制御信号Ｒ_S1，Ｒ_S2を受けるように
なっている。この制御信号によってスイッチング素子Ｒ
１，Ｒ２のコレクタとエミッタとの間が開閉されるよう
になっている。制御信号Ｒ_S1，Ｒ _S2は、スイッチング素
子Ｒ１，Ｒ２が周波数Ｆ２あるいはＦ３の半サイクル毎
に交互に開閉を繰り返すような信号である。

【００３４】図９において、高周波電源２０２の出力端
Ｃ，Ｄには、インダクタである図７のような誘導コイル
１５が接続される。共振用コンデンサＣ０のキャパシタ
ンスは、周波数Ｆ３でもって誘導コイル１４のインダク
タンスＬ２と共振するような値に選ばれる。

【００３５】次に、図９における高周波電圧の発生メカ
ニズムを説明する。予め商用周波電源３０１からの商用
周波電圧を整流部３０２と平滑用コンデンサＣａ，Ｃｂ
とを介して直流電圧に変換される。時間０において制御
装置３０４から周波数Ｆ３の半サイクル毎に交互に開閉
を繰り返すような制御信号Ｒ_S1，Ｒ_S2が送られると、共
振用コンデンサＣ０とインダクタンスＬ２との直列回路
に高周波電流が流れ、インダクタンスＬ２に周波数Ｆ３
でかつ波高値±Ｖ３の高周波電圧が発生する。所定時間
Ｔ３において、制御装置３０４は、周波数Ｆ３よりは若
干高い周波数Ｆ２でもって半サイクル毎に交互に開閉を
繰り返すような制御信号Ｒ_S1，Ｒ_S2を送る。その周波数
Ｆ２は、共振用コンデンサＣ０とインダクタンスＬ２と
の共振条件からずれるので、共振用コンデンサＣ０とイ
ンダクタンスＬ２との直列インピーダンスが大きくな
る。それによって、インダクタンスＬ２に流れる電流が
絞られるのでインダクタンスＬ２にかかる電圧、すなわ
ち、高周波電源２０２の出力電圧が低下し、波高値±Ｖ
２の波形になり、以下その波形が続く。

【００３６】なお、図９の制御装置３０４からは、端子
Ｇに図７の常閉スイッチ２０３を所定時間Ｔ３において
開成するための信号Ｓ２が出力される。この信号Ｓ２
は、図７に示すように常閉スイッチ２０３に入力され
る。常閉スイッチ２０３を所定時間Ｔ３において開成す
るのは、電極対１０３が絶縁破壊すると誘導コイル１５
の両端は短絡状態になるので、電極対１０３と誘導コイ
ル１５との接続を遮断するためである。この高周波電源
２０２を１台使用した場合と、従来の図１３のように異
なる電源を２台使用した場合とを比べると、前者の場合
の方が高電圧パルス電源が不用になることから、製作コ
ストを約２割節約することができるとともに、据え付け
面積も縮小することができる。さらに、前者の装置は１
つの制御装置３０４で制御するので、高周波電源２０２
の動作させるタンミングを高精度に制御することができ
ると言うメリットも有している。

【００３７】図７に戻り、時間０から所定時間Ｔ３まで
は波高値±Ｖ３の高い電圧でもって電極１０３対を絶縁
破壊させ、そのアークが補助絶縁管内部の点弧プラズマ
になる。その際、誘導コイル１５もその波高値±Ｖ３の
高い電圧でもって励磁されるが、絶縁管２２（図１３）
の直径が大きい場合は、前述されたように誘導プラズマ
が発生しない。補助絶縁管内部の点弧プラズマによっ
て、所定時間Ｔ３以降の波高値±Ｖ２の低い電圧印加で
も誘導プラズマが発生するようになる。したがって、直
径の大きい誘導プラズマを発生させる場合であっても１
つの高周波電源２０２で済む。

【００３８】

【発明の効果】この発明は前述のように、所定周波数の
高周波電力を出力させてから所定時間後に前記所定周波
数より低い周波数の高周波電力を出力する高周波電源が
設けられ、この高周波電源の出力端が誘導コイルと点弧
コイルとの直列回路に並列接続されるようにすることに
よって、高周波電源の製作コストが節約されるととも
に、高周波電源の据え付け面積が縮小される。

【００３９】また、かかる構成において、前記点弧コイ
ルに常開スイッチが並列接続され、この常開スイッチは
前記所定時間に閉成されるようにすることによって、点
弧コイルに流す電力を節約することができる。

【００４０】また、所定周波数の高周波電力を出力させ
てから所定時間後に前記所定周波数より低い周波数の高
周波電力を出力する高周波電源が設けられ、この高周波
電源の出力端が誘導コイルおよび点弧コイルにそれぞれ
並列接続されるようにすることによっても、高周波電源
の製作コストが節約され、高周波電源の据え付け面積が
縮小される。

【００４１】また、かかる構成において、前記高周波電
源の出力端が常閉スイッチを介して前記点弧コイルに並
列接続され、この常閉スイッチは前記所定時間に開成さ
れるようにすることによっても、点弧コイルに流す電力
を節約することができる。

【００４２】また、一対の電極間の絶縁破壊電圧より高
い電圧を出力した後に誘導プラズマを持続させる高周波
電力を出力する高周波電源が設けられ、この高周波電源
の出力端が前記誘導コイルの両端に並列接続されるとと
もに、常閉スイッチを介して前記一対の電極間に並列接
続され、前記常閉スイッチは前記一対の電極間の絶縁破
壊によって点弧アークが形成された後に開成されるよう
にすることによっても、高周波電源の製作コストが節約
され、高周波電源の据え付け面積が縮小される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例にかかる誘導プラズマ発生装
置の構成を示す回路接続図

【図２】図１の高周波電源の出力電圧波形を示すタイム
チャート

【図３】図１の高周波電源の内部構成を示す回路接続図

【図４】この発明の異なる実施例にかかる誘導プラズマ
発生装置の構成を示す回路接続図

【図５】この発明のさらに異なる実施例にかかる誘導プ
ラズマ発生装置の構成を示す回路接続図

【図６】この発明のさらに異なる実施例にかかる誘導プ
ラズマ発生装置の構成を示す回路接続図

【図７】この発明のさらに異なる実施例にかかる誘導プ
ラズマ発生装置の構成を示す回路接続図

【図８】図７の高周波電源の出力電圧波形を示すタイム
チャート

【図９】図７の高周波電源の内部構成を示す回路接続図

【図１０】従来の誘導プラズマの発生装置の構成を示す
断面図

【図１１】従来の異なる誘導プラズマの発生装置の構成
を示す断面図

【図１２】図１１の点弧プラズマが点弧源となって誘導
プラズマが形成された状態を示す断面図

【図１３】従来のさらに異なる誘導プラズマ発生装置の
構成を示す断面図

【図１４】図１３の点弧プラズマが点弧源となって誘導
プラズマが形成された状態を示す断面図

【符号の説明】

２２：絶縁管、１００：プラズマトーチ、１５：点弧コ
イル、７：シードガス、１０３：電極対、１０４：直流
電源、１０７：プラズマジェット、１０１：陰電極、１
０２：陽電極、１０５：高電圧パルス電源、１２０：点
弧コイル、１５：誘導コイル、１８：点弧プラズマ、１
９，１１２：誘導プラズマ、１０，１４，２００，２０
２：高周波電源、２０１，１１１：常開スイッチ、２０
３，２０４：常閉スイッチ、３０３，３０４：制御装
置、Ｔ１，Ｔ３：所定時間、Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２：共振コ
ンデンサ、Ｌ１，Ｌ２：インダクタンス、Ｃａ，Ｃｂ：
平滑用コンデンサ、Ｑ１，Ｑ２，Ｐ１，Ｐ２，Ｒ１，Ｒ
２：スイッチング素子、３０２：整流部、３０１：商用
周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武 達男 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 林 静男 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 中村 清和 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4K030 FA04 JA18 KA09 KA30

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁管の外周に巻回された誘導コイルを高
   周波励磁することによって前記絶縁管内部に誘導プラズ
   マを発生させる装置であって、前記絶縁管内部に連通す
   る補助絶縁管が設けられ、この補助絶縁管の外周に点弧
   コイルが巻回され、この点弧コイルを高周波励磁するこ
   とによって前記補助絶縁管内部に形成される点弧プラズ
   マでもって前記誘導プラズマを点弧させてなる誘導プラ
   ズマの発生装置において、所定周波数の高周波電力を出
   力させてから所定時間後に前記所定周波数より低い周波
   数の高周波電力を出力する高周波電源が設けられ、この
   高周波電源の出力端が前記誘導コイルと前記点弧コイル
   との直列回路に並列接続されることを特徴とする誘導プ
   ラズマの発生装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の誘導プラズマの発生装置
   において、前記点弧コイルに常開スイッチが並列接続さ
   れ、この常開スイッチは前記所定時間に閉成されること
   を特徴とする誘導プラズマの発生装置。
3. 【請求項３】絶縁管の外周に巻回された誘導コイルを高
   周波励磁することによって前記絶縁管内部に誘導プラズ
   マを発生させる装置であって、前記絶縁管内部に連通す
   る補助絶縁管が設けられ、この補助絶縁管の外周に点弧
   コイルが巻回され、この点弧コイルを高周波励磁するこ
   とによって前記補助絶縁管内部に形成される点弧プラズ
   マでもって前記誘導プラズマを点弧させてなる誘導プラ
   ズマの発生装置において、所定周波数の高周波電力を出
   力させてから所定時間後に前記所定周波数より低い周波
   数の高周波電力を出力する高周波電源が設けられ、この
   高周波電源の出力端が前記誘導コイルおよび前記点弧コ
   イルにそれぞれ並列接続されることを特徴とする誘導プ
   ラズマの発生装置。
4. 【請求項４】請求項３に記載の誘導プラズマの発生装置
   において、前記高周波電源の出力端が常閉スイッチを介
   して前記点弧コイルに並列接続され、この常閉スイッチ
   は前記所定時間に開成されることを特徴とする誘導プラ
   ズマの発生装置。
5. 【請求項５】絶縁管の外周に巻回された誘導コイルを高
   周波励磁することによって前記絶縁管内部に誘導プラズ
   マを発生させる装置であって、前記絶縁管内部に設けら
   れた一対の電極間に点弧アークを形成することによって
   前記誘導プラズマを点弧させてなる誘導プラズマの発生
   装置において、前記一対の電極間の絶縁破壊電圧より高
   い電圧を出力した後に誘導プラズマを持続させる高周波
   電力を出力する高周波電源が設けられ、この高周波電源
   の出力端が前記誘導コイルの両端に並列接続されるとと
   もに、常閉スイッチを介して前記一対の電極間に並列接
   続され、前記常閉スイッチは前記一対の電極間の絶縁破
   壊によって点弧アークが形成された後に開成されること
   を特徴とする誘導プラズマの発生装置。