JP2007035486A - プラズマ発生装置の駆動電流制御方法及びプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】常に安定してプラズマを生じさせることが可能なプラズマ発生装置及びその駆動電流制御方法を提供する。
【解決手段】複数のガスを流すトーチ本体２５の外側に誘導コイル３１を配置してプラズマトーチ２３を構成する。プラズマトーチ２３の誘導コイル３１に高周波交流電流を供給して高周波電磁界を発生させ、トーチ本体２５に供給したガスを誘導的にイオン化し、プラズマ炎となる熱プラズマを発生させる発振器３２を設ける。誘導コイル３１に供給される発振器３２からの電流値Ｉｐを検出し、この電流値が第１の範囲内となるように発振器３２の電源電圧Ｖｐを制御する制御装置５１を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数のガスを流すトーチ本体の外側に高周波コイルを配置してプラズマを発生するプラズマ発生装置の駆動電流制御方法及びプラズマ発生装置に関する。

以前より、プラズマ発生装置を用いてガラス粒子を生成することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
このプラズマ発生装置は、トーチ本体の外側に誘導コイルを備えたもので、トーチ本体に所定の原料ガス等を注入するとともに、誘導コイルに高周波電力を供給して高周波誘導熱プラズマを生じさせ、このプラズマによって原料ガスからガラス粒子を生成する。

特開平６−２８７０１２号公報

ところで、上記のような高周波誘導熱プラズマを発生させるプラズマ発生装置では、プラズマの発生安定化が重要である。
しかしながら、この種のプラズマ発生装置では、特に、生産効率を高めるべく、発振電圧を上昇させた場合に、プラズマ炎の温度などの要因によりプラズマの発生条件が不安定となり、発振器の負荷インピーダンスが変化して供給電流が変動し、時間の経過とともにプラズマの発生が不安定となることがある。
このため、良好な生産効率を維持すべく、常に安定してプラズマを発生させることが要求されているのが現状であった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、常に安定してプラズマを生じさせることが可能なプラズマ発生装置の駆動電流制御方法及びプラズマ発生装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のプラズマ発生装置の駆動電流制御方法は、複数のガスを流すトーチ本体の外側に誘導コイルを配置してプラズマを発生するプラズマ発生装置であって、発振器から前記誘導コイルに供給される電流の電流値を検出する工程と、前記電流値が所定の第１の範囲内となるように前記発振器の出力電圧を制御する工程とを含むことを特徴とする。

また、前記発振器からの電流値が前記第１の範囲より大きい所定の第２の範囲を超えたときに警報を発し、装置駆動を停止することが好ましい。

さらに、本発明のプラズマ発生装置は、複数のガスを流すトーチ本体の外側に誘導コイルを配置してプラズマを発生するプラズマ発生装置であって、発振器から前記誘導コイルに供給される電流の電流値を検出し、前記電流値が所定の第１の範囲となるように前記発振器の出力電圧を制御することを特徴とする。

本発明のプラズマ発生装置の駆動電流制御方法及びプラズマ発生装置によれば、発振器から誘導コイルに供給される電流の電流値を検出し、電流値が所定の第１の範囲内となるように発振器の出力電圧を制御するので、プラズマ発生装置にて発生するプラズマ炎を常に安定した状態に維持することができる。
これにより、この安定したプラズマ炎によって、例えば、ガラス微粒子の生成などの加工を円滑に行うことができる。

以下、本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置及びその駆動電流制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、コアとなるガラスロッドの外周にクラッドとなるガラス層を堆積させて光ファイバ用のガラス母材を製造する装置に設けられたプラズマ発生装置を例にとって説明する。
図１は、本発明に係るプラズマ発生装置を備えたガラス母材製造装置を示す概略構成図、図２は、プラズマ発生装置を構成するプラズマトーチを説明する概略構成図、図３は、プラズマ発生装置の制御装置を説明するブロック図である。

図１に示すように、プラズマ発生装置を備えるガラス母材製造装置１０は、基台１１の上部に一対の支持部１２を備えた構造とされている。支持部１２は、それぞれチャック１３を有し、これらチャック１３は、ガラスロッドＧの端部を回動可能に把持する。そして、これらチャック１３にガラスロッドＧの端部を把持させることにより、ガラスロッドＧが、支持部１２に水平に支持される。

これら支持部１２は、図示しない駆動機構によって基台１１上にてスライド可能に支持されており、これら支持部１２が基台１１上をスライドすることにより、これら支持部１２に支持されたガラスロッドＧが軸方向へ移動される。
このガラス母材製造装置１０には、基台１１の中央にマッフル炉である反応容器２１が設置されている。そして、この反応容器２１内にて、ガラスロッドＧへの加工が行われる。この反応容器２１には、図示しない排気管が接続されており、反応容器２１からの排気ガスが排気される。

反応容器２１には、支持部１２に支持されたガラスロッドＧへプラズマ炎を照射するプラズマトーチ２３が配設されている。
図２に示すように、このプラズマトーチ２３は、トーチ本体２５を有しており、このトーチ本体２５のノズル部２５ａをガラスロッドＧに向けた状態に支持されている。
トーチ本体２５は、石英から形成された多重管構造とされており、中心側から順に、原料ガス供給管２６、作動ガス供給管２７及び冷却ガス供給管２８を備えている。作動ガス供給管２７の後端は、原料ガス供給管２６の外周に接続されて閉鎖され、冷却ガス供給管２８の後端は、作動ガス供給管２７の外周面に接続されて閉鎖されている。原料ガス供給管２６は、その後端部が原料ガス供給口２６ａとされており、作動ガス供給管２７及び冷却ガス供給管２８は、それぞれ後端近傍に、作動ガス供給口２７ａ及び冷却ガス供給口２８ａを有している。

そして、原料ガス供給管２６には、原料ガス供給口２６ａから、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）、四フッ化炭素（ＣＦ_４）を含む原料ガスが供給され、作動ガス供給管２７には、作動ガス供給口２７ａからアルゴン（Ａｒ）からなるプラズマ生成用の作動ガスが供給され、冷却ガス供給管２８には、冷却ガス供給口２８ａから窒素（Ｎ_２）からなる冷却ガスが供給される。なお、原料ガス及び作動ガスには、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）を二酸化珪素（ＳｉＯ_２）にガラス化するための酸素（Ｏ_２）が供給される。また、原料ガス中の四フッ化炭素（ＣＦ_４）は、ガラスの屈折率を持たせるためのドーパントである。

トーチ本体２５には、その外側に、誘導コイル３１が配設されている。この誘導コイル３１は、図３に示すように、発振器３２に接続されており、この発振器３２から誘導コイル３１へ高周波交流電流が供給される。そして、この誘導コイル３１に発振器３２から高周波交流電流が供給されると、高周波電磁界が発生し、この高周波電磁界によって作動ガスが誘導的にイオン化され、プラズマ炎となる熱プラズマが発生し、このプラズマ炎が反応容器２１内に配置されたガラスロッドＧに照射される。

この発振器３２には、誘導コイル３１へ供給する高周波交流電流の電流値Ｉｐを検出する検出手段からの検出結果に基づいて、発振器３２の電圧を制御する制御装置５１を備えている。

次に、この制御装置について説明する。
前述のように、誘導コイル３１に流れる高周波交流電流の電流値Ｉｐは、検出手段５２によって検出され、その検出結果は、制御装置（ＰＬＣ）５１へ送信される。制御装置５１では、前記検出手段５２からの電流値の、第１演算器５３において予め設定されたサンプリング時間に基づいてサンプリングが行われる。
そして、このサンプリングされた検出電流が、予め設定される目標電流値と比較され、この比較結果である電流偏差が、第２演算器５４において予め設定された所定の第１の電流偏差範囲内となるように、発振器３２に供給される電源電圧が演算される。

なお、第２演算器５４では、サンプリングされた電流値と、予め設定された所定の第１の範囲Ｉ１及び第２の範囲Ｉ２とを比較する。
第１の範囲Ｉ１は、プラズマトーチ２３から安定したプラズマ炎を生じさせるために必要な誘導コイル３１に供給する電流値の範囲であり、ガラスロッドＧへのガラス微粒子の堆積条件等によって予め設定される。

ここで、プラズマトーチ２３は、誘導コイル３１への供給電流が過剰となると、プラズマ炎の発生が不安定になり、また、誘導コイル３１への供給電流が過少となると、プラズマトーチ２３からのプラズマ炎によるガラス微粒子の生成がほとんどされなくなり、いずれの場合もガラスロッドＧへガラス微粒子が良好に堆積されなくなる。そして、制御装置５１の第２演算器５４では、このようにプラズマ炎が不安定になる供給電流Ｉｐの上限値と、ガラス微粒子の生成が不可となる供給電流Ｉｐの下限値との範囲を第２の範囲Ｉ２としている。

そして、この第２演算器５４では、このサンプリング電流値が第１の範囲Ｉ１を超えた際に、発振器３２における不図示のサイリスタへ制御信号として発振電圧位相指令を出力する。これにより、発振器３２では、不図示のサイリスタによって電源電圧Ｖｐが制御され、供給電流Ｉｐが第１の範囲Ｉ１内に収められ、このように、誘導コイル３１に供給される電流の電流値を第１の範囲Ｉ１内に収めることにより、プラズマトーチ２３にて発生するプラズマ炎が安定化される。
また、第２演算器５４では、サンプリング電流値が第２の範囲Ｉ２を超えた際に、発振器３２、ガラス母材製造装置１０の駆動部及び図示しない警報手段へ信号を出力する。これにより、ガラス母材製造装置１０が駆動を停止し、発振器３２が誘導コイル３１への高周波交流電流の供給を停止し、さらに、警報手段が警報を発する。

ここで、図４に示すものは、制御装置５１による供給電流の制御の一例を示したグラフである。
図に示すように、この例では、第１の範囲Ｉ１を１０．２±０．２Ａとし、第２の範囲Ｉ２を９〜１１．５Ａとしている。
第１の範囲Ｉ１は、前述したように、ガラスロッドＧへのガラス微粒子の堆積条件等によって変動するもので、各条件に応じて予め求められる。

図５は、誘導コイル３１に印加する高周波交流電流の電圧Ｖｐと電流値Ｉｐとの関係を示すものである。
図に示すように、誘導コイル３１の高周波交流電流Ｉｐが予め設定された所定の第１の範囲Ｉ１内に収まるようにするためには、各条件に応じて変化する電圧Ｖｐに対する電流Ｉｐの関係（図中符号Ａ〜Ｅにて示す）に基づいて電圧Ｖｐを制御する。
図４にて示した第１の範囲Ｉ１は、条件Ｃの場合を示し、誘導コイル３１に印加する電圧８ｋＶを中心とする電源電圧の範囲から制御電流範囲１０．２±０２（Ａ）が導き出される。

ここで、制御装置５１による制御時及び非制御時における供給電流Ｉｐについて説明する。
図６は、制御時の供給電流Ｉｐ及び電源電圧Ｖｐを示すグラフであり、図７は、非制御時の供給電流Ｉｐ及び電源電圧Ｖｐを示すグラフである。
図６に示すように、誘導コイル３１に流れる電流Ｉｐが所定範囲内に収まるように制御装置５１が電源電圧Ｖｐを制御すると、誘導コイル３１への供給電流Ｉｐが第１の範囲Ｉ１内に収められ、常に安定な状態に維持される。これにより、プラズマトーチ２３では、常に安定した供給電流Ｉｐにより、安定したプラズマ炎が生じ、ガラスロッドＧへのガラス微粒子の良好な堆積が可能となり、高品質なガラス微粒子堆積体を得ることができる。

これに対して、制御装置５１による制御を行わなかった場合では、図７に示すように、誘導コイル３１に流れる電流Ｉｐの変動に伴い発振器３２の電源電圧Ｖｐも変動してしまう。これにより、プラズマトーチ２３にて発生するプラズマ炎が不安定となり、ガラスロッドＧへのガラス微粒子の堆積状態にばらつきが生じ、ガラス微粒子堆積体の品質低下を招いてしまう。

このように、上記実施形態によれば、誘導コイル３１に供給される発振器３２からの電流値Ｉｐを検出し、電流値Ｉｐが第１の範囲Ｉ１内となるように発振器３２の電源電圧Ｖｐを制御するので、プラズマトーチ２３にて発生するプラズマ炎を常に安定した状態にすることができる。
これにより、この安定したプラズマ炎によって、ガラスロッドＧへガラス微粒子を良好に堆積させることができ、高品質なガラス微粒子堆積体を得ることができる。
また、発振器３２からの電流値Ｉｐが第１の範囲Ｉ１より大きい第２の範囲Ｉ２を超えたときに警報を発し、装置駆動を停止するので、装置の不具合に迅速に対応することができる。

なお、上記実施形態では、ガラスロッドＧへプラズマ炎によってガラス微粒子を生成して堆積させる場合を例にとって説明したが、本発明は、上記ガラス加工に限らず、各種のガラス微粒子の生成時に適用可能である。

本発明に係るプラズマ発生装置を備えたガラス母材製造装置を示す概略構成図である。 プラズマ発生装置を構成するプラズマトーチを説明する概略構成図である。 プラズマ発生装置の制御装置を説明するブロック図である。 制御装置による供給電流の制御の一例を示したグラフである。 誘導コイルに印加する発振器の電源電圧と供給電流との関係を示すグラフである。 制御時の供給電流及び発振器の電源電圧を示すグラフである。 非制御時の供給電流及び発振器の電源電圧を示すグラフである。

符号の説明

２３ プラズマトーチ（プラズマ発生装置）
２５ トーチ本体
３１ 誘導コイル
３２ 発振器
５１ 制御装置
Ｉ１ 第１の範囲
Ｉ２ 第２の範囲
Ｉｐ 供給電流
Ｖｐ 電源電圧

Claims (3)

1. 複数のガスを流すトーチ本体の外側に誘導コイルを配置してプラズマを発生するプラズマ発生装置の駆動電流制御方法であって、
   発振器から前記誘導コイルに供給される電流の電流値を検出する工程と、前記電流値が所定の第１の範囲内となるように前記発振器の出力電圧を制御する工程とを含むことを特徴とするプラズマ発生装置の駆動電流制御方法。
2. 前記発振器からの電流値が前記第１の範囲より大きい所定の第２の範囲を超えたときに警報を発し、装置駆動を停止することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置の駆動電流制御方法。
3. 複数のガスを流すトーチ本体の外側に誘導コイルを配置してプラズマを発生するプラズマ発生装置であって、
   発振器から前記誘導コイルに供給される電流の電流値を検出し、前記電流値が所定の第１の範囲内となるように前記発振器の出力電圧を制御することを特徴とするプラズマ発生装置。

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