JP2015162449A - 高周波発振回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】ICP発光分析装置のプラズマ生成用等に利用される大電力用の自励式高周波発振回路において、低廉なコストで安定的に自励発振を生じさせる。【解決手段】誘導コイル37、コンデンサ36等を含むLC共振回路30中に、起動用トランスの2次巻線38を配置し、該巻線38と磁気的に結合する1次巻線5にクラップ発振回路などによる起動部6を接続する。起動時の一定期間だけ、起動部6を動作させて1次巻線5、2次巻線38を通してLC共振回路30に高周波電流を誘導する。これによって1次巻線32、33、34、35と磁気的に結合するフルブリッジ駆動回路10中の各2次巻線11、14、17、20に電流が流れ、MOSFET13、16、19、22のゲート−ソース間に電圧が発生し、MOSFET13、16、19、22のオン/オフ動作が始まり自励発振が開始する。【選択図】図1

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、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している。
本発明に係る高周波発振回路がICP発光分析装置のプラズマ生成に利用される場合には、上記LC共振回路に含まれるコイルがプラズマ生成用の誘導コイルである。
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、例えば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CDS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、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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