JP4298085B2 - 電源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源に関し、特に、ＨＣＤ(Hollow Cathode Discharge)法を実施するのに用いられる電源の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大型のディスプレイとして、プラズマディスプレイパネル(Plasma Display Panel:ＰＤＰ)が注目されている。
ＰＤＰの製造工程には、ガラス基板表面にＭｇＯ保護膜を形成する工程が必須であるが、その製造工程においては、ＨＣＤ法という成膜方法が用いられている。
【０００３】
以下でＨＣＤ法について説明する。まず、真空雰囲気中で離間して配置された成膜材料と放電電極との間に高電圧(５００Ｖ程度)の直流電圧を印加すると、成膜材料と放電電極との間で高電圧かつ低電流の放電(以下でトリガ放電と称する。)が生じる。トリガ放電が生じると、成膜材料と放電電極との間のインピーダンスが低下する。インピーダンスが低下した状態で成膜材料と放電電極との間に大電流を流すと、成膜材料と放電電極との間にアーク放電が生じる。このアーク放電により、成膜材料が蒸発し、基板に付着することで基板表面に成膜材料が成膜される。
【０００４】
このようなＨＣＤ法に用いられる放電用電源１１１の具体的な構成を図６に示す。この放電用電源１１１は、イグニッション電源１９１とメイン電源１９２とリレー１９３とを有している。リレー１９３は、各電源１９１、１９２のいずれか一方の出力端子を、放電電極及び成膜材料に接続することができるようにされている。
【０００５】
この放電用電源１１１では、起動時には、リレー１９３がイグニッション電源１９１の出力端子を成膜材料及び放電電極とに接続している。イグニッション電源１９１は高電圧を出力できるようにされており、高電圧を成膜材料及び放電電極との間に印加することにより、この間にトリガ放電が生じる。
【０００６】
トリガ放電が生じると、成膜材料と放電電極との間のインピーダンスが低下する。インピーダンスが低下したら、手動でリレー１９３を操作して、イグニッション電源１９１の出力端子を成膜材料及び放電電極から切断するとともに、メイン電源１９２の出力端子を成膜材料及び放電電極に接続する。
【０００７】
メイン電源１９２は大電流を出力できるようにされており、メイン電源１９２の出力端子が成膜材料及び放電電極に接続されると、成膜材料及び放電電極の間には大電流が供給され、アーク放電が生じる。
【０００８】
上述の放電用電源１１１は、イグニッション電源１９１とメイン電源１９２という２個の電源を有しているため、通常の電源に比して電源装置の規模が大きくなるという問題が生じていた。
【０００９】
また、アーク放電を生じさせるためには、トリガ放電の発生により、成膜材料と放電電極との間が低インピーダンスになった状態で、大電流を流す必要があるが、低インピーダンス状態にある期間はごく短い。上述の電源１１１では、手動でリレー１９３を操作して、メイン電源１９２から大電流を供給していたので、低インピーダンスの状態が維持されている短い期間中に、タイミング良く大電流を供給するのが難しいという問題もあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、小型で容易に出力電圧を高電圧と低電圧のいずれかに切り換えることが可能な電源を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、一次巻線と、前記一次巻線と磁気結合された二次巻線と、前記二次巻線に接続され、該二次巻線に誘起された電圧により、マイナス端子とプラス端子との間に負で直流の運転電圧を出力するメイン回路と、前記マイナス端子と前記プラス端子の間に、前記運転電圧よりも大きな負のトリガ電圧を出力するコンデンサとを有する電源であって、カソード端子は前記メイン回路の前記運転電圧を出力する負出力側に接続され、アノード端子は前記マイナス端子に接続された整流素子と、前記コンデンサの前記トリガ電圧を出力する部分と前記マイナス端子の間を接続と遮断を切換えるトリガスイッチ素子と、前記一次巻線と磁気結合された補助巻線と、前記補助巻線の電圧を整流平滑する充電回路と、前記充電回路と前記コンデンサの間の接続と遮断を切換える充電用スイッチ素子と、前記マイナス端子からの出力電圧を検出する放電停止検出回路と、前記メイン回路と前記カソード端子の間に接続され、前記カソード端子に流れるカソード電流を検出する比較回路と、前記充電用スイッチ素子と前記トリガスイッチ素子の接続と遮断を切り替えるイグニッション駆動用回路とを有し、前記イグニッション駆動用回路は、前記放電停止検出回路の検出電圧が所定電圧よりも接地電圧に近く、且つ、前記比較回路が前記カソード電流を検出できないときに、前記トリガスイッチ素子と前記充電用スイッチ素子を切り替え、前記コンデンサを前記充電回路で充電した後放電させて前記トリガ電圧を出力させる電源である。
【００１２】
本発明の電源によれば、コンデンサが予め高電圧に充電された状態でトリガスイッチ素子をオンさせると、コンデンサからトリガスイッチ素子を介して、運転電圧よりも高い負のトリガ電圧がマイナス端子に出力される。
【００１３】
コンデンサとメイン回路との間には整流素子が設けられており、コンデンサからトリガ電圧が出力されると、整流素子のカソード側には運転電圧が出力され、アノード側には運転電圧よりも高いトリガ電圧が出力されるので、整流素子は逆バイアスされ、メイン回路には高電圧のトリガ電圧が印加されない。このため、高電圧によってメイン回路の動作に異常が生じないようにすることができる。
【００１４】
トリガ電圧がマイナス端子に出力された後にトリガスイッチ素子をオフさせると、コンデンサはマイナス端子と切り離されるのでマイナス端子には高電圧のトリガ電圧が出力されなくなる。また、トリガスイッチ素子がオフすると、整流素子のアノードはコンデンサと切り離されるので高電圧のトリガ電圧がアノードに印加されなくなり、整流素子が順バイアスされ、メイン回路から、整流素子を介してマイナス端子に電流を供給できるようになり、メイン回路からマイナス端子に電圧を供給できる状態になる。このため、メイン回路から出力される電圧により、マイナス端子には、メイン回路からの運転電圧が出力される。
【００１５】
このように、トリガスイッチ素子をオフさせると、逆バイアスされていた整流素子が順バイアスされることにより、マイナス端子の電圧はトリガ電圧から運転電圧に自動的に切り換わるので、出力電圧の切換を手動で切り換えていた従来に比して、出力電圧を容易に切り換えることができる。
【００１６】
さらに、本発明の他の電源では、上述した本発明の電源において補助巻線と、充電回路と、充電用スイッチとを有している。
補助巻線は一次巻線と磁気結合しており、一次巻線に電圧が生じると電圧が誘起される。補助巻線に誘起された電圧は充電回路で整流平滑され、充電用スイッチが導通すると、整流平滑された電圧が充電用スイッチを介してコンデンサに印加され、コンデンサは整流平滑された電圧で充電される。
【００１７】
このように、一個の電源にコンデンサと補助巻線を設けることで、運転電圧よりも高電圧のトリガ電圧を生成することができるので、二個の電源を用意し、それぞれに高電圧と低電圧を生成させ、高電圧と低電圧のいずれか一方を選択して出力していた従来に比して、電源の小型化が可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１の符号１に、本発明の実施形態のＨＣＤ法に用いられる成膜装置を示す。
【００１９】
この成膜装置１は、真空排気可能な真空槽２を有している。真空槽２の内部底面にはるつぼ３が設けられており、るつぼ３内には成膜材料であるマグネシウム４が配置されている。るつぼ３の斜め上方には、るつぼ３に近接してホローカソード５が配置されており、鉛直上方には基板ホルダ６が配置されている。
【００２０】
真空槽２内部には、ガス導入管７の一端が取り付けられており、真空槽２外部に設けられた不図示のガス導入系により、真空槽２内にガスを導入できるように構成されている。
【００２１】
真空槽２の外部には、放電用電源１１が設けられている。放電用電源１１は、後述する不図示のプラス端子とるつぼ３とが接地され、不図示のマイナス端子がホローカソード５に接続されており、マイナス端子８２から負の直流電圧をホローカソード５に出力できるように構成されている。
【００２２】
この放電用電源１１の詳細な構成を図２に示す。この放電用電源１１は、電圧生成部１２と、トランス１３と、イグニッション回路１４と、メイン回路１５と、駆動制御回路１６と、ダイオード５０と、プラス端子８１と、マイナス端子８２とを有している。
【００２３】
電圧生成部１２は、整流回路２２と、平滑回路２３と、インバータ部２４とを有している。
整流回路２２は、商用電源２１に接続され、交流電圧を整流して平滑回路２３に出力するように構成されており、平滑回路２３は、整流された交流電圧を平滑し、脈動分の少ない直流電圧に変換してインバータ部２４に供給できるようにされている。
【００２４】
インバータ部２４は４個のスイッチを有し、各スイッチは下記のトランス１３内の一次巻線３１とともにＨブリッジ回路を構成しており、各スイッチの動作により、平滑回路２３から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、一次巻線３１に供給するように構成されている。
【００２５】
トランス１３は、一次巻線３１と二次巻線３２と補助巻線３３とを有している。一次巻線３１と、二次巻線３２と補助巻線３３とはそれぞれ互いに磁気結合されており、一次巻線３１の両端に印加された電圧により、二次巻線３２及び補助巻線３３のそれぞれに、電圧が誘起されるように構成されている。
【００２６】
イグニッション回路１４は、整流器４１と、スイッチ回路４２と、充放電用コンデンサ４５とを有している。
整流器４１は、入力側が補助巻線３３の両端に接続されており、補助巻線３３に誘起された電圧を整流平滑するように構成されている。整流器４１の出力側のプラス端子は二次側の共通のプラス端子８１に接続され、マイナス端子はスイッチ回路４２内の充電用スイッチ４６1を介して充放電用コンデンサ４５の低電圧側端子に接続されている。充放電用コンデンサ４５の高電圧側端子は二次側のプラス端子８１に接続されており、従って、充電用スイッチ４６1がオンすると、整流器４１のマイナス端子は充放電用コンデンサ４５の低電圧側端子に接続され、整流器４１で整流平滑された電圧が、充放電用コンデンサ４５に印加されるように構成されている。
【００２７】
また、充放電用コンデンサ４５の低電圧側の端子はスイッチ回路４２内の放電用スイッチ４６2と、抵抗４３とを介してマイナス端子８２に接続されている。従って、充放電用コンデンサ４５が充電された状態で、充電用スイッチ４６1をオフさせ、放電用スイッチ４６2をオンさせると、充放電用コンデンサ４５に蓄積された電圧をマイナス端子８２とプラス端子８１との間に印加することができるように構成されている。なお、図２において符号９０は、プラス端子８１とマイナス端子８２との間のインピーダンスを示す仮想的な負荷を示している。
【００２８】
他方、メイン回路１５は、二個の整流ダイオード６１、６２と、一個の平滑用コイル６３とを有している。
各整流ダイオード６１、６２は、カソードがそれぞれ二次巻線３２の両端の端子８３、８４に接続され、アノードがともに平滑用コイル６３の一端に接続されている。二次巻線３２はセンタータップの構成であって、その中点８７はプラス端子８１に接続されており、各整流ダイオード６１、６２は二次巻線３２に誘起された電圧を全波整流して平滑用コイル６３の一端に印加すると、平滑用コイル６３の他端とプラス端子８１との間に、負の直流電圧が出力されるように構成されている。
【００２９】
平滑用コイル６３の他端には、ダイオード５０のカソードが接続され、ダイオード５０のアノードはマイナス端子８２に接続されており、平滑用コイル６３の他端とプラス端子８１との間に負の直流電圧が出力されると、ダイオード５０が順バイアスされ、マイナス端子８２から負の電圧を出力できるようにされている。
【００３０】
上述の成膜装置１を用いて、ガラス基板の表面にＭｇＯ膜を成膜するには、まず、不図示の排気系で真空槽２内を真空排気し、真空状態を維持しながら基板８を基板ホルダ６に保持させる。
【００３１】
この状態でガス導入管７から酸素ガスを導入し、放電用電源１１を起動させる。
放電用電源１１内の駆動制御回路１６には、自動制御回路７５と電源駆動回路７６とが設けられており、放電用電源１１を起動させると、自動制御回路７５が電源駆動回路７６の制御を開始し、電源駆動回路７６が、自動制御回路７５の制御下でインバータ部２４を動作させる。すると、補助巻線３３と、二次巻線３２との両方に、それぞれ電圧が誘起される。
【００３２】
駆動制御回路１６には、イグニッション駆動用回路７２が設けられており、充電用スイッチ４６1、放電用スイッチ４６2は、イグニッション駆動用回路７２によってオン／オフされるように構成されている。
【００３３】
起動前は充電用スイッチ４６1、放電用スイッチ４６2はともにオフしており、放電用電源１１を起動させると、イグニッション駆動用回路７２が、充電用スイッチ４６1をオンさせるとともに放電用スイッチ４６2をオフさせる。
【００３４】
すると、補助巻線３３に誘起された電圧が整流器４１で整流され、整流器４１の正極側端子から、充放電用コンデンサ４５、充電用スイッチ４６1を順次介して整流器４１の負極側端子へと、図３に示す電流Ｉ1が流れ込み、充放電用コンデンサ４５が充電され始める。
【００３５】
次いで、充電開始時刻から予め設定された所定時間が経過して充電が完了したら、イグニッション駆動用回路７２が充電用スイッチ４６1をオフさせるとともに、放電用スイッチ４６2をオンさせると、充放電用コンデンサ４５に蓄積された負の高電圧(ここでは−５００Ｖ程度)がマイナス端子８２から出力される。
【００３６】
このときマイナス端子８２から出力される負の高電圧は、ダイオード５０のアノードにも印加される。他方、ダイオード５０のカソードには、メイン回路１５から−２０Ｖ程度の負電圧が印加される。カソードに印加される負電圧は、ダイオード５０のアノードに印加される電圧(−５００Ｖ程度)より接地電位に近いので、ダイオード５０は逆バイアスされる。
【００３７】
ダイオード５０が逆バイアスされると、マイナス端子８２から出力される負の高電圧はメイン回路１５に印加されないので、高電圧によりメイン回路１５の動作に異常が生じないようにすることができる。
【００３８】
上述したように、プラス端子８１はるつぼ３とともに接地され、るつぼ３はマグネシウム４と同電位にされており、他方、マイナス端子８２は図１のホローカソード５に接続されているので、プラス端子８１とマイナス端子８２との間の仮想的な負荷９０は、マグネシウム４とホローカソード５との間のインピーダンスに等しくなる。マイナス端子８２から負の高電圧が出力されると、マグネシウム４と、ホローカソード５との間に負の高電圧が印加され、この間に高電圧の放電(以下でトリガ放電と称する。)が生じる。
【００３９】
トリガ放電が生じると、図４に示すように、充放電用コンデンサ４５の高電圧側の端子から、仮想的な負荷９０と、放電用スイッチ４６2を介して、充放電用コンデンサ４５の低電圧側端子へと電流Ｉ2が流れ込む。この電流Ｉ2は、充放電用コンデンサ４５の放電によって供給されるので、充放電用コンデンサ４５の両端子間の電圧は次第に低下し、マイナス端子８２の電位は上昇して接地電位に近づく。
【００４０】
駆動制御回路１６には、放電停止検出回路７７が設けられており、マイナス端子８２の電位を検出するように構成されている。放電停止検出回路７７は、マイナス端子８２の電位が、所定電圧よりも接地電位に近づいたら、トリガ放電が停止したと判断し、トリガ放電が停止した旨をイグニッション駆動用回路７２に通知する。本実施形態では、放電後の出力電圧が−２５Ｖを超えて接地電位に近づいたら、トリガ放電が停止したと判断している。
【００４１】
イグニッション駆動用回路７２は、放電停止検出回路７７からトリガ放電が停止した旨を通知されたら、放電用スイッチ４６2をオフさせ、充放電用コンデンサ４５の低電圧側の端子をマイナス端子８２から切り離す。するとダイオード５０のアノードは充放電用コンデンサ４５の低電圧側の端子と切り離される。
【００４２】
このときダイオード５０のカソードにはメイン回路１５から−２０Ｖ程度の負電圧が印加されているので、ダイオード５０は順バイアスされ、メイン回路１５から−２０Ｖ程度の負電圧がマイナス端子８２に出力される。
【００４３】
トリガ放電停止時には、仮想的な負荷９０のインピーダンスすなわち真空槽２内におけるマグネシウム４とホローカソード５との間のインピーダンスは低下しているので、−２０Ｖ程度の比較的低い負電圧を印加しても、マグネシウム４とホローカソード５との間にアーク放電が生じ、図５に示すように、二次巻線３２の中点８７から、プラス端子８１、仮想的な負荷９０、ダイオード５０、平滑用コイル６３、ダイオード６１を順次介して、二次巻線３２の負極側の端子８４へと大電流Ｉ3が流れる。
【００４４】
アーク放電によりマグネシウム４が蒸発し、蒸発したマグネシウム粒子は、ガス導入管７から真空槽２内に導入された酸素ガスによって酸化されてＭｇＯの粒子となり、これが基板８の表面に付着して、ＭｇＯ薄膜が成膜される。
【００４５】
仮に、成膜中にアーク放電が停止した場合には、再び上述の動作によりトリガ放電、アーク放電を順次発生させ、ＭｇＯ薄膜の成膜を続ける。所定膜厚のＭｇＯ薄膜が成膜されたら、自動制御回路７５は、動作を停止する旨を電源駆動回路７６に通知する。動作を停止する旨が通知されたら、電源駆動回路７６はインバータ部２４の動作を停止させる。インバータ部２４の動作が停止するとマイナス端子８２からは電圧が出力されなくなり、成膜処理が終了する。
【００４６】
以上までは、トリガ放電が生じた後に、メイン回路１５から電流が供給されて正常にトリガ放電やアーク放電が生じて、成膜できた場合について説明した。
しかしながら、マイナス端子８２の電位が−２５Ｖより接地電位に近づいた状態で充電用スイッチ４６1と放電用スイッチ４６2をともにオフさせても、メイン回路１５から供給される電流が、マグネシウム４とホローカソード５との間に流れない場合がある。例えば、充放電用コンデンサ４５を正常に充放電させても、トリガ放電が正常に生じなかった場合には、仮想的な負荷９０すなわちマグネシウム４とホローカソード５との間のインピーダンスが低くならないので、充電用スイッチ４６1と放電用スイッチ４６2をともにオフさせても、メイン回路１５からの電流は流れない。以下では、そのような異常が生じた場合の動作について説明する。
【００４７】
駆動制御回路１６には、比較回路７１が設けられており、比較回路７１は、ダイオード５０のカソードに流れる電流を検出するように構成されている。放電停止検出回路７７から出力電圧が−２５Ｖよりも接地電位に近づいたことを通知された後に、ダイオード５０のカソードに電流が流れたことが検出できない場合には、比較回路７１はその旨をイグニッション駆動回路７２に通知する。この場合イグニッション駆動回路７２は、再度充電用スイッチ４６1をオンさせるとともに、放電用スイッチ４６2をオフさせ、充放電用コンデンサ４５を再度充電する。
【００４８】
新たに充電を開始してから所定時間が経過し、充電が完了したら、イグニッション駆動回路７２は充電用スイッチ４６1をオフさせるとともに、放電用スイッチ４６2をオンさせることにより、充放電用コンデンサ４５を再度放電させ、マグネシウム４とホローカソード５との間にトリガ放電を生じさせようとする。
その後マイナス端子８２の電位が−２５Ｖよりも接地電位に近づいたら、イグニッション駆動回路７２は放電用スイッチ４６2をオフさせる。
【００４９】
比較回路７１は、ダイオード５０のカソードに電流が流れていない場合には、その旨をイグニッション駆動回路７２に通知する。するとイグニッション駆動回路７２は、再度スイッチ４６1、４６2をオン／オフさせて充放電用コンデンサ５０を充放電して、トリガ放電を発生させようとする。
【００５０】
駆動制御回路１６には、さらに時限回路７３と停止回路７４とが設けられている。時限回路７３は、起動開始時刻からの経過時間を計測するように構成されており、予め定められた所定時間が経過しても、比較回路７１からダイオード５０のカソードに電流が流れない旨の通知があった場合には、その旨を停止回路７４に通知する。この場合停止回路７４は負荷に異常があると判断し、負荷異常である旨を自動制御回路７５に通知する。すると自動制御回路７５は、電圧生成部１２の駆動を停止する旨を電源駆動回路７６に通知し、電源駆動回路７６はインバータ部２４の駆動を停止させ、電圧出力を停止させる。
【００５１】
このように、充放電用コンデンサ４５を１回充放電させても、トリガ放電が生じない等の異常が発生して、ダイオード５０のカソードに電流が流れない場合には、数回充放電用コンデンサ４５を充放電させてトリガ放電を生じさせるようにし、そのようにしても所定期間内にトリガ放電が生じない場合には、負荷異常とみなして電圧出力を停止させることができる。
【００５２】
上述した本実施形態の放電用電源１１は、補助巻線３３に生じる電圧でトリガ放電を生じさせることができ、２個の電源を用いる必要が無いので、２個の電源を放電用電源として用いていた従来に比して、電源装置を小型化することができる。また、インバータ部２４を用いて高周波の交流電圧を生成しているので、トランス１３を小さくすることができ、インバータを用いない電源に比して、さらなる小型化が可能になる。
【００５３】
また、起動時にはイグニッション部１４から高電圧(−５００Ｖ程度)を出力し、トリガ放電が停止した後には自動的にメイン回路１５からの低電圧(−２０Ｖ程度)を出力しているので、手動で出力電圧を切り換えていた従来に比して容易に電圧を切り換えることができる。
【００５４】
なお、本実施形態では、本発明の電源が、ＭｇＯ膜の成膜装置に適用された場合について説明しているが、本発明の電源が適用される装置はこれに限られるものではない。
【００５５】
また、一次巻線３１と磁気結合された補助巻線３３に生じる電圧を、充電回路の一例である整流器４１で整流してコンデンサ５０の充電をしているが、本発明の充電回路はこれに限られるものではない。
【００５６】
【発明の効果】
電源の小型化が可能になる。また、運転電圧を出力する電源に高電圧が印加されないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＣＤ法に用いられる成膜装置を説明する図
【図２】本発明の電源の一例を示す回路図
【図３】本発明の電源の電流状態を説明する第１の状態図
【図４】本発明の電源の電流状態を説明する第２の状態図
【図５】本発明の電源の電流状態を説明する第３の状態図
【図６】従来の電源の一例を示す構成図
【符号の説明】
１１……放電用電源(電源) １５……メイン回路 ３１……一次巻線 ３２……二次巻線 ３３……補助巻線 ４１……整流器(充電回路) ４５……コンデンサ ４６1……スイッチ(充電用スイッチ素子) ４６2……スイッチ(トリガスイッチ素子) ５０……ダイオード ８１……プラス端子 ８２……マイナス端子
【発明の属する技術分野】
本発明は電源に関し、特に、ＨＣＤ(Hollow Cathode Discharge)法を実施するのに用いられる電源の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大型のディスプレイとして、プラズマディスプレイパネル(Plasma Display Panel:ＰＤＰ)が注目されている。
ＰＤＰの製造工程には、ガラス基板表面にＭｇＯ保護膜を形成する工程が必須であるが、その製造工程においては、ＨＣＤ法という成膜方法が用いられている。
【０００３】
以下でＨＣＤ法について説明する。まず、真空雰囲気中で離間して配置された成膜材料と放電電極との間に高電圧(５００Ｖ程度)の直流電圧を印加すると、成膜材料と放電電極との間で高電圧かつ低電流の放電(以下でトリガ放電と称する。)が生じる。トリガ放電が生じると、成膜材料と放電電極との間のインピーダンスが低下する。インピーダンスが低下した状態で成膜材料と放電電極との間に大電流を流すと、成膜材料と放電電極との間にアーク放電が生じる。このアーク放電により、成膜材料が蒸発し、基板に付着することで基板表面に成膜材料が成膜される。
【０００４】
このようなＨＣＤ法に用いられる放電用電源１１１の具体的な構成を図６に示す。この放電用電源１１１は、イグニッション電源１９１とメイン電源１９２とリレー１９３とを有している。リレー１９３は、各電源１９１、１９２のいずれか一方の出力端子を、放電電極及び成膜材料に接続することができるようにされている。
【０００５】
この放電用電源１１１では、起動時には、リレー１９３がイグニッション電源１９１の出力端子を成膜材料及び放電電極とに接続している。イグニッション電源１９１は高電圧を出力できるようにされており、高電圧を成膜材料及び放電電極との間に印加することにより、この間にトリガ放電が生じる。
【０００６】
トリガ放電が生じると、成膜材料と放電電極との間のインピーダンスが低下する。インピーダンスが低下したら、手動でリレー１９３を操作して、イグニッション電源１９１の出力端子を成膜材料及び放電電極から切断するとともに、メイン電源１９２の出力端子を成膜材料及び放電電極に接続する。
【０００７】
メイン電源１９２は大電流を出力できるようにされており、メイン電源１９２の出力端子が成膜材料及び放電電極に接続されると、成膜材料及び放電電極の間には大電流が供給され、アーク放電が生じる。
【０００８】
上述の放電用電源１１１は、イグニッション電源１９１とメイン電源１９２という２個の電源を有しているため、通常の電源に比して電源装置の規模が大きくなるという問題が生じていた。
【０００９】
また、アーク放電を生じさせるためには、トリガ放電の発生により、成膜材料と放電電極との間が低インピーダンスになった状態で、大電流を流す必要があるが、低インピーダンス状態にある期間はごく短い。上述の電源１１１では、手動でリレー１９３を操作して、メイン電源１９２から大電流を供給していたので、低インピーダンスの状態が維持されている短い期間中に、タイミング良く大電流を供給するのが難しいという問題もあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、小型で容易に出力電圧を高電圧と低電圧のいずれかに切り換えることが可能な電源を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、一次巻線と、前記一次巻線と磁気結合された二次巻線と、前記二次巻線に接続され、該二次巻線に誘起された電圧により、マイナス端子とプラス端子との間に負で直流の運転電圧を出力するメイン回路と、前記マイナス端子と前記プラス端子の間に、前記運転電圧よりも大きな負のトリガ電圧を出力するコンデンサとを有する電源であって、カソード端子は前記メイン回路の前記運転電圧を出力する負出力側に接続され、アノード端子は前記マイナス端子に接続された整流素子と、前記コンデンサの前記トリガ電圧を出力する部分と前記マイナス端子の間を接続と遮断を切換えるトリガスイッチ素子と、前記一次巻線と磁気結合された補助巻線と、前記補助巻線の電圧を整流平滑する充電回路と、前記充電回路と前記コンデンサの間の接続と遮断を切換える充電用スイッチ素子と、前記マイナス端子からの出力電圧を検出する放電停止検出回路と、前記メイン回路と前記カソード端子の間に接続され、前記カソード端子に流れるカソード電流を検出する比較回路と、前記充電用スイッチ素子と前記トリガスイッチ素子の接続と遮断を切り替えるイグニッション駆動用回路とを有し、前記イグニッション駆動用回路は、前記放電停止検出回路の検出電圧が所定電圧よりも接地電圧に近く、且つ、前記比較回路が前記カソード電流を検出できないときに、前記トリガスイッチ素子と前記充電用スイッチ素子を切り替え、前記コンデンサを前記充電回路で充電した後放電させて前記トリガ電圧を出力させる電源である。
【００１２】
本発明の電源によれば、コンデンサが予め高電圧に充電された状態でトリガスイッチ素子をオンさせると、コンデンサからトリガスイッチ素子を介して、運転電圧よりも高い負のトリガ電圧がマイナス端子に出力される。
【００１３】
コンデンサとメイン回路との間には整流素子が設けられており、コンデンサからトリガ電圧が出力されると、整流素子のカソード側には運転電圧が出力され、アノード側には運転電圧よりも高いトリガ電圧が出力されるので、整流素子は逆バイアスされ、メイン回路には高電圧のトリガ電圧が印加されない。このため、高電圧によってメイン回路の動作に異常が生じないようにすることができる。
【００１４】
トリガ電圧がマイナス端子に出力された後にトリガスイッチ素子をオフさせると、コンデンサはマイナス端子と切り離されるのでマイナス端子には高電圧のトリガ電圧が出力されなくなる。また、トリガスイッチ素子がオフすると、整流素子のアノードはコンデンサと切り離されるので高電圧のトリガ電圧がアノードに印加されなくなり、整流素子が順バイアスされ、メイン回路から、整流素子を介してマイナス端子に電流を供給できるようになり、メイン回路からマイナス端子に電圧を供給できる状態になる。このため、メイン回路から出力される電圧により、マイナス端子には、メイン回路からの運転電圧が出力される。
【００１５】
このように、トリガスイッチ素子をオフさせると、逆バイアスされていた整流素子が順バイアスされることにより、マイナス端子の電圧はトリガ電圧から運転電圧に自動的に切り換わるので、出力電圧の切換を手動で切り換えていた従来に比して、出力電圧を容易に切り換えることができる。
【００１６】
さらに、本発明の他の電源では、上述した本発明の電源において補助巻線と、充電回路と、充電用スイッチとを有している。
補助巻線は一次巻線と磁気結合しており、一次巻線に電圧が生じると電圧が誘起される。補助巻線に誘起された電圧は充電回路で整流平滑され、充電用スイッチが導通すると、整流平滑された電圧が充電用スイッチを介してコンデンサに印加され、コンデンサは整流平滑された電圧で充電される。
【００１７】
このように、一個の電源にコンデンサと補助巻線を設けることで、運転電圧よりも高電圧のトリガ電圧を生成することができるので、二個の電源を用意し、それぞれに高電圧と低電圧を生成させ、高電圧と低電圧のいずれか一方を選択して出力していた従来に比して、電源の小型化が可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１の符号１に、本発明の実施形態のＨＣＤ法に用いられる成膜装置を示す。
【００１９】
この成膜装置１は、真空排気可能な真空槽２を有している。真空槽２の内部底面にはるつぼ３が設けられており、るつぼ３内には成膜材料であるマグネシウム４が配置されている。るつぼ３の斜め上方には、るつぼ３に近接してホローカソード５が配置されており、鉛直上方には基板ホルダ６が配置されている。
【００２０】
真空槽２内部には、ガス導入管７の一端が取り付けられており、真空槽２外部に設けられた不図示のガス導入系により、真空槽２内にガスを導入できるように構成されている。
【００２１】
真空槽２の外部には、放電用電源１１が設けられている。放電用電源１１は、後述する不図示のプラス端子とるつぼ３とが接地され、不図示のマイナス端子がホローカソード５に接続されており、マイナス端子８２から負の直流電圧をホローカソード５に出力できるように構成されている。
【００２２】
この放電用電源１１の詳細な構成を図２に示す。この放電用電源１１は、電圧生成部１２と、トランス１３と、イグニッション回路１４と、メイン回路１５と、駆動制御回路１６と、ダイオード５０と、プラス端子８１と、マイナス端子８２とを有している。
【００２３】
電圧生成部１２は、整流回路２２と、平滑回路２３と、インバータ部２４とを有している。
整流回路２２は、商用電源２１に接続され、交流電圧を整流して平滑回路２３に出力するように構成されており、平滑回路２３は、整流された交流電圧を平滑し、脈動分の少ない直流電圧に変換してインバータ部２４に供給できるようにされている。
【００２４】
インバータ部２４は４個のスイッチを有し、各スイッチは下記のトランス１３内の一次巻線３１とともにＨブリッジ回路を構成しており、各スイッチの動作により、平滑回路２３から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、一次巻線３１に供給するように構成されている。
【００２５】
トランス１３は、一次巻線３１と二次巻線３２と補助巻線３３とを有している。一次巻線３１と、二次巻線３２と補助巻線３３とはそれぞれ互いに磁気結合されており、一次巻線３１の両端に印加された電圧により、二次巻線３２及び補助巻線３３のそれぞれに、電圧が誘起されるように構成されている。
【００２６】
イグニッション回路１４は、整流器４１と、スイッチ回路４２と、充放電用コンデンサ４５とを有している。
整流器４１は、入力側が補助巻線３３の両端に接続されており、補助巻線３３に誘起された電圧を整流平滑するように構成されている。整流器４１の出力側のプラス端子は二次側の共通のプラス端子８１に接続され、マイナス端子はスイッチ回路４２内の充電用スイッチ４６1を介して充放電用コンデンサ４５の低電圧側端子に接続されている。充放電用コンデンサ４５の高電圧側端子は二次側のプラス端子８１に接続されており、従って、充電用スイッチ４６1がオンすると、整流器４１のマイナス端子は充放電用コンデンサ４５の低電圧側端子に接続され、整流器４１で整流平滑された電圧が、充放電用コンデンサ４５に印加されるように構成されている。
【００２７】
また、充放電用コンデンサ４５の低電圧側の端子はスイッチ回路４２内の放電用スイッチ４６2と、抵抗４３とを介してマイナス端子８２に接続されている。従って、充放電用コンデンサ４５が充電された状態で、充電用スイッチ４６1をオフさせ、放電用スイッチ４６2をオンさせると、充放電用コンデンサ４５に蓄積された電圧をマイナス端子８２とプラス端子８１との間に印加することができるように構成されている。なお、図２において符号９０は、プラス端子８１とマイナス端子８２との間のインピーダンスを示す仮想的な負荷を示している。
【００２８】
他方、メイン回路１５は、二個の整流ダイオード６１、６２と、一個の平滑用コイル６３とを有している。
各整流ダイオード６１、６２は、カソードがそれぞれ二次巻線３２の両端の端子８３、８４に接続され、アノードがともに平滑用コイル６３の一端に接続されている。二次巻線３２はセンタータップの構成であって、その中点８７はプラス端子８１に接続されており、各整流ダイオード６１、６２は二次巻線３２に誘起された電圧を全波整流して平滑用コイル６３の一端に印加すると、平滑用コイル６３の他端とプラス端子８１との間に、負の直流電圧が出力されるように構成されている。
【００２９】
平滑用コイル６３の他端には、ダイオード５０のカソードが接続され、ダイオード５０のアノードはマイナス端子８２に接続されており、平滑用コイル６３の他端とプラス端子８１との間に負の直流電圧が出力されると、ダイオード５０が順バイアスされ、マイナス端子８２から負の電圧を出力できるようにされている。
【００３０】
上述の成膜装置１を用いて、ガラス基板の表面にＭｇＯ膜を成膜するには、まず、不図示の排気系で真空槽２内を真空排気し、真空状態を維持しながら基板８を基板ホルダ６に保持させる。
【００３１】
この状態でガス導入管７から酸素ガスを導入し、放電用電源１１を起動させる。
放電用電源１１内の駆動制御回路１６には、自動制御回路７５と電源駆動回路７６とが設けられており、放電用電源１１を起動させると、自動制御回路７５が電源駆動回路７６の制御を開始し、電源駆動回路７６が、自動制御回路７５の制御下でインバータ部２４を動作させる。すると、補助巻線３３と、二次巻線３２との両方に、それぞれ電圧が誘起される。
【００３２】
駆動制御回路１６には、イグニッション駆動用回路７２が設けられており、充電用スイッチ４６1、放電用スイッチ４６2は、イグニッション駆動用回路７２によってオン／オフされるように構成されている。
【００３３】
起動前は充電用スイッチ４６1、放電用スイッチ４６2はともにオフしており、放電用電源１１を起動させると、イグニッション駆動用回路７２が、充電用スイッチ４６1をオンさせるとともに放電用スイッチ４６2をオフさせる。
【００３４】
すると、補助巻線３３に誘起された電圧が整流器４１で整流され、整流器４１の正極側端子から、充放電用コンデンサ４５、充電用スイッチ４６1を順次介して整流器４１の負極側端子へと、図３に示す電流Ｉ1が流れ込み、充放電用コンデンサ４５が充電され始める。
【００３５】
次いで、充電開始時刻から予め設定された所定時間が経過して充電が完了したら、イグニッション駆動用回路７２が充電用スイッチ４６1をオフさせるとともに、放電用スイッチ４６2をオンさせると、充放電用コンデンサ４５に蓄積された負の高電圧(ここでは−５００Ｖ程度)がマイナス端子８２から出力される。
【００３６】
このときマイナス端子８２から出力される負の高電圧は、ダイオード５０のアノードにも印加される。他方、ダイオード５０のカソードには、メイン回路１５から−２０Ｖ程度の負電圧が印加される。カソードに印加される負電圧は、ダイオード５０のアノードに印加される電圧(−５００Ｖ程度)より接地電位に近いので、ダイオード５０は逆バイアスされる。
【００３７】
ダイオード５０が逆バイアスされると、マイナス端子８２から出力される負の高電圧はメイン回路１５に印加されないので、高電圧によりメイン回路１５の動作に異常が生じないようにすることができる。
【００３８】
上述したように、プラス端子８１はるつぼ３とともに接地され、るつぼ３はマグネシウム４と同電位にされており、他方、マイナス端子８２は図１のホローカソード５に接続されているので、プラス端子８１とマイナス端子８２との間の仮想的な負荷９０は、マグネシウム４とホローカソード５との間のインピーダンスに等しくなる。マイナス端子８２から負の高電圧が出力されると、マグネシウム４と、ホローカソード５との間に負の高電圧が印加され、この間に高電圧の放電(以下でトリガ放電と称する。)が生じる。
【００３９】
トリガ放電が生じると、図４に示すように、充放電用コンデンサ４５の高電圧側の端子から、仮想的な負荷９０と、放電用スイッチ４６2を介して、充放電用コンデンサ４５の低電圧側端子へと電流Ｉ2が流れ込む。この電流Ｉ2は、充放電用コンデンサ４５の放電によって供給されるので、充放電用コンデンサ４５の両端子間の電圧は次第に低下し、マイナス端子８２の電位は上昇して接地電位に近づく。
【００４０】
駆動制御回路１６には、放電停止検出回路７７が設けられており、マイナス端子８２の電位を検出するように構成されている。放電停止検出回路７７は、マイナス端子８２の電位が、所定電圧よりも接地電位に近づいたら、トリガ放電が停止したと判断し、トリガ放電が停止した旨をイグニッション駆動用回路７２に通知する。本実施形態では、放電後の出力電圧が−２５Ｖを超えて接地電位に近づいたら、トリガ放電が停止したと判断している。
【００４１】
イグニッション駆動用回路７２は、放電停止検出回路７７からトリガ放電が停止した旨を通知されたら、放電用スイッチ４６2をオフさせ、充放電用コンデンサ４５の低電圧側の端子をマイナス端子８２から切り離す。するとダイオード５０のアノードは充放電用コンデンサ４５の低電圧側の端子と切り離される。
【００４２】
このときダイオード５０のカソードにはメイン回路１５から−２０Ｖ程度の負電圧が印加されているので、ダイオード５０は順バイアスされ、メイン回路１５から−２０Ｖ程度の負電圧がマイナス端子８２に出力される。
【００４３】
トリガ放電停止時には、仮想的な負荷９０のインピーダンスすなわち真空槽２内におけるマグネシウム４とホローカソード５との間のインピーダンスは低下しているので、−２０Ｖ程度の比較的低い負電圧を印加しても、マグネシウム４とホローカソード５との間にアーク放電が生じ、図５に示すように、二次巻線３２の中点８７から、プラス端子８１、仮想的な負荷９０、ダイオード５０、平滑用コイル６３、ダイオード６１を順次介して、二次巻線３２の負極側の端子８４へと大電流Ｉ3が流れる。
【００４４】
アーク放電によりマグネシウム４が蒸発し、蒸発したマグネシウム粒子は、ガス導入管７から真空槽２内に導入された酸素ガスによって酸化されてＭｇＯの粒子となり、これが基板８の表面に付着して、ＭｇＯ薄膜が成膜される。
【００４５】
仮に、成膜中にアーク放電が停止した場合には、再び上述の動作によりトリガ放電、アーク放電を順次発生させ、ＭｇＯ薄膜の成膜を続ける。所定膜厚のＭｇＯ薄膜が成膜されたら、自動制御回路７５は、動作を停止する旨を電源駆動回路７６に通知する。動作を停止する旨が通知されたら、電源駆動回路７６はインバータ部２４の動作を停止させる。インバータ部２４の動作が停止するとマイナス端子８２からは電圧が出力されなくなり、成膜処理が終了する。
【００４６】
以上までは、トリガ放電が生じた後に、メイン回路１５から電流が供給されて正常にトリガ放電やアーク放電が生じて、成膜できた場合について説明した。
しかしながら、マイナス端子８２の電位が−２５Ｖより接地電位に近づいた状態で充電用スイッチ４６1と放電用スイッチ４６2をともにオフさせても、メイン回路１５から供給される電流が、マグネシウム４とホローカソード５との間に流れない場合がある。例えば、充放電用コンデンサ４５を正常に充放電させても、トリガ放電が正常に生じなかった場合には、仮想的な負荷９０すなわちマグネシウム４とホローカソード５との間のインピーダンスが低くならないので、充電用スイッチ４６1と放電用スイッチ４６2をともにオフさせても、メイン回路１５からの電流は流れない。以下では、そのような異常が生じた場合の動作について説明する。
【００４７】
駆動制御回路１６には、比較回路７１が設けられており、比較回路７１は、ダイオード５０のカソードに流れる電流を検出するように構成されている。放電停止検出回路７７から出力電圧が−２５Ｖよりも接地電位に近づいたことを通知された後に、ダイオード５０のカソードに電流が流れたことが検出できない場合には、比較回路７１はその旨をイグニッション駆動回路７２に通知する。この場合イグニッション駆動回路７２は、再度充電用スイッチ４６1をオンさせるとともに、放電用スイッチ４６2をオフさせ、充放電用コンデンサ４５を再度充電する。
【００４８】
新たに充電を開始してから所定時間が経過し、充電が完了したら、イグニッション駆動回路７２は充電用スイッチ４６1をオフさせるとともに、放電用スイッチ４６2をオンさせることにより、充放電用コンデンサ４５を再度放電させ、マグネシウム４とホローカソード５との間にトリガ放電を生じさせようとする。
その後マイナス端子８２の電位が−２５Ｖよりも接地電位に近づいたら、イグニッション駆動回路７２は放電用スイッチ４６2をオフさせる。
【００４９】
比較回路７１は、ダイオード５０のカソードに電流が流れていない場合には、その旨をイグニッション駆動回路７２に通知する。するとイグニッション駆動回路７２は、再度スイッチ４６1、４６2をオン／オフさせて充放電用コンデンサ５０を充放電して、トリガ放電を発生させようとする。
【００５０】
駆動制御回路１６には、さらに時限回路７３と停止回路７４とが設けられている。時限回路７３は、起動開始時刻からの経過時間を計測するように構成されており、予め定められた所定時間が経過しても、比較回路７１からダイオード５０のカソードに電流が流れない旨の通知があった場合には、その旨を停止回路７４に通知する。この場合停止回路７４は負荷に異常があると判断し、負荷異常である旨を自動制御回路７５に通知する。すると自動制御回路７５は、電圧生成部１２の駆動を停止する旨を電源駆動回路７６に通知し、電源駆動回路７６はインバータ部２４の駆動を停止させ、電圧出力を停止させる。
【００５１】
このように、充放電用コンデンサ４５を１回充放電させても、トリガ放電が生じない等の異常が発生して、ダイオード５０のカソードに電流が流れない場合には、数回充放電用コンデンサ４５を充放電させてトリガ放電を生じさせるようにし、そのようにしても所定期間内にトリガ放電が生じない場合には、負荷異常とみなして電圧出力を停止させることができる。
【００５２】
上述した本実施形態の放電用電源１１は、補助巻線３３に生じる電圧でトリガ放電を生じさせることができ、２個の電源を用いる必要が無いので、２個の電源を放電用電源として用いていた従来に比して、電源装置を小型化することができる。また、インバータ部２４を用いて高周波の交流電圧を生成しているので、トランス１３を小さくすることができ、インバータを用いない電源に比して、さらなる小型化が可能になる。
【００５３】
また、起動時にはイグニッション部１４から高電圧(−５００Ｖ程度)を出力し、トリガ放電が停止した後には自動的にメイン回路１５からの低電圧(−２０Ｖ程度)を出力しているので、手動で出力電圧を切り換えていた従来に比して容易に電圧を切り換えることができる。
【００５４】
なお、本実施形態では、本発明の電源が、ＭｇＯ膜の成膜装置に適用された場合について説明しているが、本発明の電源が適用される装置はこれに限られるものではない。
【００５５】
また、一次巻線３１と磁気結合された補助巻線３３に生じる電圧を、充電回路の一例である整流器４１で整流してコンデンサ５０の充電をしているが、本発明の充電回路はこれに限られるものではない。
【００５６】
【発明の効果】
電源の小型化が可能になる。また、運転電圧を出力する電源に高電圧が印加されないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＣＤ法に用いられる成膜装置を説明する図
【図２】本発明の電源の一例を示す回路図
【図３】本発明の電源の電流状態を説明する第１の状態図
【図４】本発明の電源の電流状態を説明する第２の状態図
【図５】本発明の電源の電流状態を説明する第３の状態図
【図６】従来の電源の一例を示す構成図
【符号の説明】
１１……放電用電源(電源) １５……メイン回路 ３１……一次巻線 ３２……二次巻線 ３３……補助巻線 ４１……整流器(充電回路) ４５……コンデンサ ４６1……スイッチ(充電用スイッチ素子) ４６2……スイッチ(トリガスイッチ素子) ５０……ダイオード ８１……プラス端子 ８２……マイナス端子
Claims (1)
- 一次巻線と、
前記一次巻線と磁気結合された二次巻線と、
前記二次巻線に接続され、該二次巻線に誘起された電圧により、マイナス端子とプラス端子との間に負で直流の運転電圧を出力するメイン回路と、
前記マイナス端子と前記プラス端子の間に、前記運転電圧よりも大きな負のトリガ電圧を出力するコンデンサとを有する電源であって、
カソード端子は前記メイン回路の前記運転電圧を出力する負出力側に接続され、アノード端子は前記マイナス端子に接続された整流素子と、
前記コンデンサの前記トリガ電圧を出力する部分と前記マイナス端子の間を接続と遮断を切換えるトリガスイッチ素子と、
前記一次巻線と磁気結合された補助巻線と、
前記補助巻線の電圧を整流平滑する充電回路と、
前記充電回路と前記コンデンサの間の接続と遮断を切換える充電用スイッチ素子と、
前記マイナス端子からの出力電圧を検出する放電停止検出回路と、
前記メイン回路と前記カソード端子の間に接続され、前記カソード端子に流れるカソード電流を検出する比較回路と、
前記充電用スイッチ素子と前記トリガスイッチ素子の接続と遮断を切り替えるイグニッション駆動用回路とを有し、
前記イグニッション駆動用回路は、前記放電停止検出回路の検出電圧が所定電圧よりも接地電圧に近く、且つ、前記比較回路が前記カソード電流を検出できないときに、前記トリガスイッチ素子と前記充電用スイッチ素子を切り替え、前記コンデンサを前記充電回路で充電した後放電させて前記トリガ電圧を出力させる電源。
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