JP3719352B2 - プラズマ発生用電源装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【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およびその製造方法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１００％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５１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Ｃ１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Ｃ１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。また、その製造方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるプラズマ発生用電源装置及びその製造方法は、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、インダクタンスを有するように構成すると共に、上記インダクタンスの値Ｌは、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値Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）により決まる値であって、下記の式（イ）を満足する値としたものである。
Ｌ＝１／｛Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）×（２πｆ）2｝…（イ）
ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］
Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］
Ｖ*：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］
Ｖop：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］
【００１２】
また、本発明によるプラズマ発生用電源装置は、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（イ）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。
【００１３】
また、本発明によるプラズマ発生用電源装置は、式（イ）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。
【００１４】
また、本発明によるプラズマ発生用電源装置は、式（イ）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。
【００１５】
また、本発明によるプラズマ発生用電源装置は、式（イ）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。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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５１（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。
【００２０】
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Ｑmaxは、ｔａｎα＝Ｃ１であるから、
Ｑmax＝（Ｖop−Ｖ*）×ｔａｎα
＝Ｃ１×（Ｖop−Ｖ*） …（６）
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＝Ｑmax／Ｖop＝Ｃ１×（１−Ｖ*／Ｖop）…（７）
で与えられる。
【００２１】
ここで、放電終了時（Ｖ＝Ｖop）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。
【００２２】
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＝Ｑmax＝Ｃ１×（Ｖop−Ｖ*）で表され、このとき放電負荷５にはＶop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＝Ｑmax／Ｖop＝Ｃ１×（１−Ｖ*／Ｖop） …（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*／Ｖop）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］
Ｖop：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］
【００２３】
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Ｃ２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Ｌｐ１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。
【００２４】
図５は、誘電体静電容量値Ｃ１が４９．５ｎＦである放電負荷５を有するオゾナイザにおいて、Ｌｐ１＝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Ｖop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。
【００２５】
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*×｛Ｖop−（１＋Ｃ２／Ｃ１）・Ｖ*｝ …（１０）
である。これらの中で、Ｖop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Ｖopは、式（１０）で求められる。Ｖop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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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*／Ｖop）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。
【００３０】
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*／Ｖop）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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Ｌｓ１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。
【００３３】
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Ｌｓ１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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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Ｌｓ１、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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６１、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、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インダクタンスを有するように構成すると共に、上記インダクタンスの値Ｌは、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値Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）により決まる値であって、下記の式（イ）
Ｌ＝１／｛Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）×（２πｆ）2｝…（イ）
ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］
Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］
Ｖ*：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］
Ｖop：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］
を満足する値としたので、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。
【００４８】
また、本発明によれば、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（イ）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。
【００４９】
また、本発明によれば、式（イ）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。
【００５０】
また、本発明によれば、式（イ）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。
【００５１】
また、本発明によれば、式（イ）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、７，７１，７２ 直列インダクタ。
【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およびその製造方法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１００％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５１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Ｃ１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Ｃ１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。また、その製造方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるプラズマ発生用電源装置及びその製造方法は、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、インダクタンスを有するように構成すると共に、上記インダクタンスの値Ｌは、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値Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）により決まる値であって、下記の式（イ）を満足する値としたものである。
Ｌ＝１／｛Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）×（２πｆ）2｝…（イ）
ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］
Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］
Ｖ*：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］
Ｖop：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］
【００１２】
また、本発明によるプラズマ発生用電源装置は、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（イ）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。
【００１３】
また、本発明によるプラズマ発生用電源装置は、式（イ）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。
【００１４】
また、本発明によるプラズマ発生用電源装置は、式（イ）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。
【００１５】
また、本発明によるプラズマ発生用電源装置は、式（イ）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。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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５１（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。
【００２０】
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Ｑmaxは、ｔａｎα＝Ｃ１であるから、
Ｑmax＝（Ｖop−Ｖ*）×ｔａｎα
＝Ｃ１×（Ｖop−Ｖ*） …（６）
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＝Ｑmax／Ｖop＝Ｃ１×（１−Ｖ*／Ｖop）…（７）
で与えられる。
【００２１】
ここで、放電終了時（Ｖ＝Ｖop）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。
【００２２】
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＝Ｑmax＝Ｃ１×（Ｖop−Ｖ*）で表され、このとき放電負荷５にはＶop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＝Ｑmax／Ｖop＝Ｃ１×（１−Ｖ*／Ｖop） …（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*／Ｖop）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］
Ｖop：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］
【００２３】
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Ｃ２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Ｌｐ１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。
【００２４】
図５は、誘電体静電容量値Ｃ１が４９．５ｎＦである放電負荷５を有するオゾナイザにおいて、Ｌｐ１＝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Ｖop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。
【００２５】
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*×｛Ｖop−（１＋Ｃ２／Ｃ１）・Ｖ*｝ …（１０）
である。これらの中で、Ｖop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Ｖopは、式（１０）で求められる。Ｖop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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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*／Ｖop）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。
【００３０】
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*／Ｖop）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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Ｌｓ１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。
【００３３】
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Ｌｓ１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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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Ｌｓ１、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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６１、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、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インダクタンスを有するように構成すると共に、上記インダクタンスの値Ｌは、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値Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）により決まる値であって、下記の式（イ）
Ｌ＝１／｛Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）×（２πｆ）2｝…（イ）
ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］
Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］
Ｖ*：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］
Ｖop：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］
を満足する値としたので、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。
【００４８】
また、本発明によれば、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（イ）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。
【００４９】
また、本発明によれば、式（イ）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。
【００５０】
また、本発明によれば、式（イ）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。
【００５１】
また、本発明によれば、式（イ）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、７，７１，７２ 直列インダクタ。
Claims (6)
- 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インダクタンスを有するように構成すると共に、上記インダクタンスの値Ｌは、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値Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）により決まる値であって、下記の式（イ）を満足する値であることを特徴とするプラズマ発生用電源装置。
Ｌ＝１／｛Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）×（２πｆ）2｝…（イ）
ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］
Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］
Ｖ*：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］
Ｖop：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］ - 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（イ）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記載のプラズマ発生用電源装置。
- 式（イ）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記載のプラズマ発生用電源装置。
- 式（イ）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記載のプラズマ発生用電源装置。
- 式（イ）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記載のプラズマ発生用電源装置。
- 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の製造方法において、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インダクタンスを有するように構成すると共に、上記インダクタンスの値Ｌを、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値Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）により決まる値であって、下記の式（イ）を満足する値に設定したことを特徴とするプラズマ発生用電源装置の製造方法。
Ｌ＝１／｛Ｃ１×（１−Ｖ * ／Ｖ op ）×（２πｆ）2｝…（イ）
ここで、Ｌ：インダクタンス［Ｈ］
Ｃ１：誘電体の静電容量値［Ｆ］
Ｖ*：放電空間の放電維持電圧［Ｖ］
Ｖop：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］
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