JP4381654B2 - グロー放電装置、その電力供給方法およびその電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力を直流電力に整流して真空雰囲気中の一対の電極に供給しグロー放電させるグロー放電装置、その電力供給方法およびその電源装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、例えばグロー放電によるイオン窒化処理に際して、アーク放電から電極や被イオン窒化物を保護するために、アーク放電を早期に検出する方法が知られている。このアーク放電を早期に検出する方法として、例えば特開平８−５７２９７号公報および特開平８−６７９６３号公報に記載の構成が知られている。
【０００３】
そして、特開平８−５７２９７号公報および特開平８−６７９６３号公報に記載のものは、サイリスタがブリッジ構造に接続された整流回路を備え、この整流回路の各サイリスタをそれぞれ位相制御することにより、三相交流電源をグロー放電させる一対の電極間に供給する直流電源に整流する。そして、一対の電極間の負荷電圧の変化と電源装置内の電流制限抵抗の電圧降下の変化とを監視する。これら負荷電圧および電圧降下の変化の割合に基づいて、真空槽内の電極間におけるグロー放電からアーク放電への遷移を検出するとともに、整流回路を位相制御して直流電源の供給を停止させる構成が採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平８−５７２９７号公報および特開平８−６７９６３号公報に記載の構成では、ブリッジ構成された整流回路のサイリスタは自己消弧できないので、例えば図８に示すように、位相により非導通状態にしたいタイミングで完全に非導通状態とならない時間帯Ｔｆが生じる。この時間帯Ｔｆは、最大で半波分の時間である例えば１０ｍｓでバラツキが生じる。このため、最大で１０ｍｓの間は導通状態となり、直ちに直流電源の供給を停止してアーク放電の発生を防止することができないおそれがある。このため、整流した直流電力の供給を遮断するためのスイッチング素子であるトランジスタおよびこのトランジスタをオンオフするためのゲート回路が必要となり、構成が複雑となる問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みて、簡単な構成で電力供給を高精度に制御してアーク放電による損傷を防止するグロー放電装置、その電力供給方法およびその電源装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、交流電力を直流電力に整流して真空雰囲気中に配設された一対の電極に供給してグロー放電を生じさせるグロー放電装置の電力供給方法であって、
前記交流電力が供給される一次側端子の各相と前記一対の電極にそれぞれ接続され直流電力を出力する二次側端子の正極および負極との間にそれぞれ自己消弧素子を設けた整流回路と、この整流回路と前記一対の電極との間に設けられる放電回路と、前記整流回路にて前記交流電力を前記直流電力に整流し前記二次側端子から前記電極に供給して前記一対の電極間でグロー放電させるとともに、前記放電回路に接続し、前記放電回路にて前記一対の電極間の蓄積電荷を放出させる制御手段とを構成し、前記制御手段により、前記整流回路の各自己消弧素子を、前記交流電力の正弦波に対応してそれぞれ所定の導通状態にパルス変調制御して前記交流電力を直流電力に整流し、前記二次側端子から前記一対の電極に供給させてグロー放電させるとともに、前記グロー放電中の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出し、これらの各変位を比較してグロー放電からアーク放電への遷移を認識し、このアーク放電への遷移の認識により前記自己消弧素子の導通状態を停止し、前記直流電力の供給の停止のタイミングで、前記放電回路にて前記一対の電極間の前記蓄積電荷を放出させることを特徴とするグロー放電装置の電力供給方法である。
【０００７】
この発明では、制御手段により、整流回路の自己消弧素子を、供給される交流電力の正弦波に対応してそれぞれ所定の導通状態にパルス変調制御して交流電力を直流電力に整流し、二次側端子から一対の電極に供給してグロー放電させる。このグロー放電中の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出して各変位を比較し、グロー放電からアーク放電への遷移を認識する。このアーク放電への遷移の認識により、自己消弧素子の導通状態を停止させる。このことにより、自己消弧素子による消弧作用にて、アーク放電への遷移を認識して導通状態を停止して非導通状態に制御する際に、自己消弧素子は直ちに確実に非導通状態となり、確実にアーク放電による電極などの損傷を防止する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のグロー放電装置の電力供給方法において、パルス変調制御は、起動後の所定時間内に、所定の包絡線パターンに従って追値制御した後に二次側端子からの出力が所定値となるように定値制御することを特徴とする。
【０００９】
この発明では、起動後の所定時間内に、所定の包絡線パターンに従って追値制御した後に二次側端子からの出力が所定値となるように定値制御してパルス変調制御することが好ましい。このことにより、自己消弧素子に次第に電流が流れる状態となり、自己消弧素子の負荷が低減されて保護されるとともに、この追値制御および定値制御の双方を組み合わせたパルス変調制御とするので、容易に自己消弧素子の導通状態が制御される。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のグロー放電装置の電力供給方法において、時間と直流電圧の出力との関係を示すグラフ、マップおよび関数のうちのいずれか１つの包絡線パターンを記憶する記憶手段を設け、この記憶手段に記憶された包絡線パターンに従ってパルス変調制御することを特徴とする。
【００１１】
この発明では、記憶手段に記憶した時間と直流電圧の出力との関係を示すグラフ、マップおよび関数のうちのいずれか１つの包絡線パターンに従って制御することが好ましい。このことにより、自己消弧素子の負荷を低減した追値制御および定値制御によるパルス変調制御が容易となる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のグロー放電装置の電力供給方法において、自己消弧素子として高速スイッチング素子が用いられることを特徴とする。
【００１３】
この発明では、自己消弧素子として高速スイッチング素子を用いる。このことにより、出力すべき電力に応じて自己消弧素子の導通時間を細かく調節することが可能で、きめ細かいパルス幅変調制御が得られ、適切な電力量の供給が可能となる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のグロー放電装置の電力供給方法をグロー放電装置の電源装置に展開したもので、交流電力が供給される一次側端子と、真空雰囲気中に配設された一対の電極に接続されて直流電力を出力する二次側端子と、前記一次側端子の各相と前記二次側端子の正極および負極との間にそれぞれ自己消弧素子が設けられて構成された整流回路と、この整流回路の各自己消弧素子を前記交流電力の正弦波に対応してそれぞれ所定の導通状態にパルス変調制御して前記交流電力を前記直流電力に整流し前記二次側端子から前記電極に供給して前記一対の電極間でグロー放電させるパルス変調制御手段と、前記グロー放電中の一対の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出し、これらの各変位を比較してグロー放電からアーク放電へ遷移したことを認識し、前記パルス変調制御手段により自己消弧素子の導通状態を停止させるアーク放電検出手段とを具備し、前記アーク放電検出手段は、前記整流回路と前記一対の電極との間に設けられた放電回路を備え、この放電回路は、前記パルス変調制御手段に接続され、前記パルス変調制御手段による前記直流電力の停止のタイミングにより、前記一対の電極間の蓄積電荷を放出することを特徴とする。このことにより、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を享受する。
【００１５】
請求項６ないし８に記載の発明は、請求項５に記載のグロー放電装置の電源装置において、請求項２ないし４に記載の発明のグロー放電装置の電力供給方法に対応するグロー放電装置の電源装置で、請求項２ないし４に記載の発明と同様の作用効果を享受する。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項５ないし８のいずれかに記載のグロー放電装置の電源装置と、内部に所定の真空雰囲気を形成する真空槽と、この真空槽内に配設されて前記電源装置に接続され前記電源装置にて整流された直流電力が供給されてグロー放電する一対の電極とを具備したことを特徴としたグロー放電装置である。
【００１７】
この発明では、自己消弧素子を直ちに確実に非導通状態として確実にアーク放電による電極などの損傷を防止する請求項５ないし８のいずれかに記載のグロー放電装置の電源装置を備えるので、良好なグロー放電が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
〔グロー放電装置の構成〕
図１は、本発明のグロー放電装置の一実施の形態に係る窒化処理装置の回路構成を示す。この図１に示す窒化処理装置１は、電源装置２を備えた図示しない制御盤と、一対の電極３Ａ，３Ｂを有した放電部４とを備えている。
【００２０】
そして、放電部４は、例えば内部が一部開放可能な真空槽としての真空チャンバ５と、この真空チャンバ５内を略真空状態にする図示しないポンプとを備えている。この放電部４の真空チャンバ５内には、一対の電極３Ａ，３Ｂ、すなわち陽極３Ａおよび陰極３Ｂが配設されている。
【００２１】
また、制御盤は、交流電源である三相交流電源７に接続されるとともに一対の電極３Ａ，３Ｂにそれぞれ接続され、電源装置２および電極３Ａ，３Ｂのグロー放電の動作を監視・制御する。この制御盤には、図示しない入出力手段（Ｉ／Ｏ（Input/Output））が設けられている。この入出力手段は、パルス変調制御であるパルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）制御のためのパラメータを入力操作にて設定入力するために、コンピュータなどの入力手段からの信号を認識する。さらに、制御盤は、入出力手段を介して電源装置２で三相交流を直流に整流した状態、放電部４の真空チャンバ５内の真空状態、グロー放電の状態、アーク放電への遷移、警報などを外部出力可能となっている。
【００２２】
そして、電源装置２は、一次側端子であるＵ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと、二次側端子としての出力端子である正極端子１１Ａおよび負極端子１１Ｂと、整流回路１２と、平滑回路１３と、パルス変調制御手段としてのパルス幅制御回路１４と、アーク放電検出手段１５とを備えている。これらパルス幅制御回路１４と、アーク放電検出手段１５とにて制御手段１６が構成される。また、二次側の正極端子１１Ａは陽極３Ａに接続され、二次側の負極端子１１Ｂは陰極３Ｂに接続される。
【００２３】
整流回路１２は、主要素子として複数の自己消弧素子である正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを有し、これら正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗで交流電力を整流する。この整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗとしては、高速スイッチング素子である電力制御用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar mode Transistor：ＩＧＢＴ）が採用されている。なお、自己消弧素子としては、高速スイッチング可能で、導通時の直流抵抗値が小さい素子である高速スイッチング素子が好ましく、ＩＧＢＴの他に、ＭＯＳ−ＦＥＴ（ＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）型電界効果トランジスタ（Field-Effect Transistor：ＦＥＴ））およびゲートターンオフサイリスタ（Gate Turn Off Thyristor：ＧＴＯ）を採用できる。また、高速スイッチング素子に限らず、他の自己消弧作用を示すいずれの素子でもできる。
【００２４】
この整流回路１２は、一次側のＵ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと二次側の負極端子１１Ａとの間に接続された、負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗおよび負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗの直列回路を有している。すなわち、Ｕ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと負極端子１１Ａとの間には、負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのドレイン、ソースおよび負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗの直列回路が接続されている。
【００２５】
また、整流回路１２は、一次側のＵ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと二次側の正極端子１１Ｂとの間に接続された、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよびダイオードである正極用ブロッキングダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗの直列回路を有している。すなわち、Ｕ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと正極端子１１Ｂとの間には、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗのソース、ドレインおよび正極用ブロッキングダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗの直列回路が接続されている。
【００２６】
また、整流回路１２の交流入力部分には、複数の交流リアクトル２３が三相に対応してそれぞれ設けられている。すなわち、交流リアクトル２３は、Ｕ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗのドレインおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのソースの接続点との間に位置してそれぞれ接続されている。そして、これら交流リアクトル２３は、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各スイッチング動作の際に発生する高周波電流、すなわち、キャリア波の高周波成分電流の交流電源側への逆流を阻止する。
【００２７】
さらに、整流回路１２の交流入力部分には、複数のコンデンサＣ１が三相に対応してそれぞれ設けられている。すなわち、コンデンサＣ１は、交流リアクトル２３と正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗのドレインおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのソースの接続点との接続点間にそれぞれ接続されている。そして、コンデンサＣ１は、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各スイッチング動作の際の電圧源、および発生するサージ電圧を吸収する。
【００２８】
整流回路１２には、平滑回路１３が接続されている。この平滑回路１３は、直流リアクトル２６を備えている。直流リアクトル２６は、負極端子１１Ａと負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗとの間、および、正極端子１１Ｂと正極用ブロッキングダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗとの間にそれぞれ接続されている。そして、直流リアクトル２６は、整流回路１２から出力されるとともにパルス状に断続する電流を平滑して直流電流にする。
【００２９】
また、整流回路１２には、パルス幅制御回路１４が接続されている。このパルス幅制御回路１４は、一次側のＵ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗに接続されるとともに、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各ゲートに接続されている。そして、パルス幅制御回路１４は、二次側端子から出力すべき電力に応じて正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通時間を制御する。すなわち、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを断続的に点弧するとともに、整流回路１２から出力される直流電圧パルスの幅を、出力すべき電力に応じて調節するパルス幅変調制御をする。なお、このパルス幅制御回路１４は、制御盤に設けられた図示しない入力手段に接続され、適宜パネル幅変調制御のためのパラメータの設定が可能となっている。
【００３０】
このパルス幅制御回路１４のパルス幅変調制御は、入力される三相交流電圧と、二次側端子から出力される直流電圧とを検出・監視し、直流電圧が所定の値となるように出力される直流電圧パルスの幅を可変制御する。
【００３１】
そして、パルス幅変調制御には、後述する整流モードと閉回路モードとが設定されている。すなわち、パルス幅制御回路１４は、整流モードおよび閉回路モードが交互に繰り返されるように、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのゲートに与えるパルス状の制御信号であるキャリア波を発生する。このキャリア波で正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを適宜点弧する。
【００３２】
また、パルス幅制御回路１４は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相に印加された電圧の極性が正から負に反転すると、その相の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗを所定時間が経過するまでの間で導通状態にするとともに、電圧の極性が負から正に反転すると、その相の負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを所定時間が経過するまでの間で導通状態にする機能を有している。
【００３３】
平滑回路１３には、アーク放電検出手段１５が接続されている。アーク放電検出手段１５は、放電回路３１と、電流制限用抵抗Ｒ１と、負荷電圧検出手段３２を構成する負荷電圧検出部３３と、負荷電流検出手段３４を構成する負荷電流検出用抵抗Ｒ２と、図２に示すアーク検出手段としてのアーク検出回路３５と、図２に示すアーク消弧制御回路３６とを備えている。
【００３４】
放電回路３１は、平滑回路１３に接続され、放電用トランジスタＱ１と、放電用抵抗Ｒ３とを備えている。放電用トランジスタＱ１のエミッタは、直流リアクトル２６を介して負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗに接続されている。放電用トランジスタＱ１のコレクタは、放電用抵抗Ｒ３に接続されている。放電用抵抗Ｒ３は、直流リアクトル２６を介して正極用ブロッキングダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗに接続されている。
【００３５】
また、放電用トランジスタＱ１のベースには、パルス幅制御回路１４が接続されている。そして、放電回路３１は、パルス幅制御回路１４から放電用トランジスタＱ１のベースにベース信号である駆動パルス信号が出力され、この駆動パルス信号のパルス幅で放電用トランジスタＱ１がオン・オフする。この放電用トランジスタＱ１のオン・オフは、パルス幅制御回路１４による整流回路１２のパルス幅変調制御にて整流した直流電力の供給の停止でオンする。このタイミングにより、放電回路３１は、一対の電極３Ａ，３Ｂ間の蓄積電荷を放出させる。
【００３６】
電流制限用抵抗Ｒ１は、放電回路３１と二次側の負極端子１１Ａとの間に接続されている。すなわち、電流制限用抵抗Ｒ１は、平滑回路１３の直流リアクトル２６と負極端子１１Ａとの間に接続されている。この電流制限用抵抗Ｒ１は、負荷側である一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる電流を制御する。この電流制限用抵抗Ｒ１の抵抗値は、アーク放電の発生時に一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる電流値を制限する抵抗値に設定されている。このことにより、電流制限用抵抗Ｒ１は、放電部４の真空チャンバ５内でアーク放電が発生した際に、一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる電流を制限し、過大なアーク電流が流れて電極３Ａ，３Ｂを損傷することを防止する。
【００３７】
負荷電圧検出部３３は、一対の直列に接続された負荷電圧検出用抵抗Ｒ４，Ｒ５を備えている。これら負荷電圧検出用抵抗Ｒ４，Ｒ５の直列回路は、二次側の負極端子１１Ａおよび正極端子１１Ｂ間に接続されている。この負荷電圧検出部３３は、負荷側の一対の電極３Ａ，３Ｂ間に印加される直流電圧を分圧検出する。
【００３８】
負荷電流検出用抵抗Ｒ２は、平滑回路１３の直流リアクトル２６と二次側の正極端子１１Ｂとの間に接続されている。すなわち、電流制限用抵抗Ｒ１、真空チャンバ５の電極３Ａ，３Ｂおよび負荷電流検出用抵抗Ｒ２が直列に接続され、この直列回路が放電回路３１の放電用トランジスタＱ１のエミッタ、コレクタおよび放電用抵抗Ｒ３の直列回路に並列に接続される。そして、負荷電流検出用抵抗Ｒ２は、負荷である一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる直流電流の電流値を検出する。なお、負荷電流を検出する構成としては、負荷電流検出用抵抗Ｒ２などの抵抗に限らず、直流電流を検出できるいずれの構成でもよい。例えば、ホールＣＴを用いた直流電流検出器などを用いることもできる。
【００３９】
アーク検出回路３５における負荷電圧検出用抵抗Ｒ４の一端は、電流制限用抵抗Ｒ１と二次側の負極端子１１Ａとの接続点Ａに接続されている。また、アーク検出回路３５における負荷電圧検出用抵抗Ｒ５の一端は、負荷電流検出用抵抗Ｒ２の接続点と二次側の正極端子１１Ｂとの接続点Ｂに接続されている。そして、アーク検出回路３５は、負荷電圧Ｖｃの電圧値として負荷電圧検出用抵抗Ｒ４，Ｒ５にて分圧された直流電圧Ｖｒを電圧検出入力する。
【００４０】
また、アーク検出回路３５は、負荷電流検出用抵抗Ｒ２と放電回路３１の放電用抵抗Ｒ３との接続点Ｃに接続されている。そして、アーク検出回路３５は、負荷である一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる直流電流Ｉｃにより負荷電流検出用抵抗Ｒ２で発生する電圧降下を検出する。
【００４１】
そして、アーク検出回路３５は、検出した負荷電圧Ｖｃの電圧値の降下と検出した負荷電流の上昇とを比較する。これら変位の比較結果に基づいて、放電部４の真空チャンバ５内で生じているグロー放電がアーク放電に遷移したか否かを判断し、アーク放電に遷移したと判断した場合に所定のアーク検出信号を出力する。
【００４２】
アーク消弧制御回路３６は、アーク検出回路３５に接続されるとともにパルス幅制御回路１４に接続されている。そして、このアーク消弧制御回路３６は、アーク検出回路３５から出力されるアーク検出信号を認識し、このアーク検出信号に基づいてパルス幅制御回路１４に所定の出力停止制御信号を出力し、パルス幅制御回路１４から整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗをオフさせるパルス幅変調制御のゲート信号を出力させる。
【００４３】
〔制御系内部構成〕
次に、パルス幅制御回路１４、アーク検出回路３５およびアーク消弧制御回路３６の内部構成について図面に基づいて説明する。
【００４４】
（パルス幅制御回路の内部構成）
パルス幅制御回路１４は、図３のブロック図に示すように、一定周期でパルス出力する図示しないクロック機構からそのパルスタイミングを認識するキャリア部４１が設けられている。また、パルス幅制御回路１４には、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗから出力される直流電力の電圧値を検出して、この電圧値をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換部４２が設けられている。
【００４５】
また、キャリア部４１には、図４に示すような、三相正弦波テーブルが記憶された波形記憶手段４３が接続されている。この三相正弦波テーブルは、各相の電源電圧値と時間との関係で構成された三相波形テーブル（図４（Ａ））と、この三相波形テーブルに対応して正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通状態と時間との関係で構成された整流波形テーブル（図４（Ｂ））とを有している。そして、整流波形テーブルは、三相波形テーブルの各相の電源電圧値に対応して波形の１周期を６分割した各期間Ｔ１〜Ｔ６に対応して導通状態のパルス幅のパターンが設定されている。
【００４６】
また、キャリア部４１には、関数記憶手段４４が接続されている。この関数記憶手段４４には、図５に示すような波形で正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを導通状態にするための所定の包絡線パターンの関数テーブルが記憶されている。この関数テーブルは、起動後の所定期間内にパルス状の導通状態に制御するためのものである。
【００４７】
すなわち、図５に示すように、関数テーブルには、非導通状態の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに徐々に電流が流れるようにキャリア部４１の定周波パルスに対応して追値制御する包絡線パターンである立ち上げ期間Ｔｓの関数テーブルと、整流回路１２で整流され平滑回路で平滑された直流電力を所定の出力値に設定するために正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに所定の電流が流れるようにキャリア部４１の定周波パルスに対応して定値制御する導通期間Ｔｎの関数テーブルとがある。これら関数テーブルにより、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗがパルス状の導通状態にパルス幅変調制御される。
【００４８】
なお、関数テーブルとしては、所定の包絡線パターンとなる時間と電流との関係、時間と直流電圧の出力との関係などを示すグラフやマップ関数など、いずれのものでもできる。また、パルス幅制御回路１４は、波形記憶手段４３および関数記憶手段４４に記憶する三相正弦波テーブルや関数テーブルを設定入力可能となっている。
【００４９】
さらに、キャリア部４１には、ＰＩＤ制御回路部４５が接続されている。このＰＩＤ制御回路部４５は、実際に出力される直流電力の電圧値をフィードバック制御する。すなわち、ＰＩＤ制御回路部４５は、アナログ／デジタル変換部４２で認識した電圧値と、関数記憶手段４４に記憶された目標値となる関数テーブルとの偏差、この偏差の積分値、偏差の微分値によってフィードバック信号を出力する。
【００５０】
そして、このＰＩＤ制御回路部４５には、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各ゲートに接続され、実際に通電状態にするためにパルス状のゲート信号を出力するＰＷＭパターン制御部４６が接続されている。
【００５１】
このように、パルス幅制御回路１４は、関数テーブルに基づいて正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通状態をＰＩＤ制御して、出力する直流電力をフィードバック制御する。
【００５２】
なお、整流回路１２に入力される各Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相交流電源電圧は、図４（Ａ）に示すように、各期間Ｔ１〜Ｔ６において、二つの相が同じ極性となる一方、残りの相が逆の極性となる。また、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５における各波形は、互いに同形状であり、期間Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６における各波形は、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５の各波形と正負が逆となっている。
【００５３】
このことにより、パルス幅制御回路１４は、この図４（Ａ）に示すような三相交流波形に対応して、図４（Ｂ）に示すように、各相に対応する正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各ゲートにパルス状のゲート信号を出力する。このことにより、各期間Ｔ１〜Ｔ６において、逆極性となる１つの相を基準として、他の２つの相のそれぞれについて整流し、直流電力に整流する制御をする。
【００５４】
例えば、期間Ｔ３では、期間Ｔ３の開始から終了までの間、負極用自己消弧素子１９Ｗを導通状態にする。さらに、正極用自己消弧素子１８Ｖ，１８Ｕ，１８Ｗのそれぞれにパルス状のゲート信号を順次送り、これらの正極用自己消弧素子１８Ｖ，１８Ｕ，１８Ｗを順次導通状態にする。このようにして、期間Ｔ３において、第１整流モード、第２整流モードおよび閉回路モードを繰り返し実施するように制御する。
【００５５】
また、期間Ｔ４では、期間Ｔ４の開始から終了までの間、正極用自己消弧素子１８Ｖを導通状態にする。さらに、負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｗ，１９Ｖのそれぞれにパルス状のゲート信号を順次送り、これらの負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｗ，１９Ｖを順次導通状態にする。このようにして、期間Ｔ４において、第１整流モード、第２整流モードおよび閉回路モードを順次実施する。
【００５６】
そして、期間Ｔ２から期間Ｔ３へ移行する際には、Ｖ相の電圧極性が負から正に反転する。このため、この極性の反転に対応して、パルス幅制御回路１４は、Ｖ相の極性が反転した時点から所定時間が経過するまでの間、具体的には、期間Ｔ３の開始から終了までの間、負極用自己消弧素子１９Ｖを導通状態にする。
【００５７】
また、期間Ｔ３から期間Ｔ４へ移行する際には、Ｕ相の電圧の極性が正から負に反転する。このため、この極性の反転に対応して、パルス幅制御回路１４は、Ｕ相の極性が反転した時点から所定時間が経過するまでの間、具体的には、期間Ｔ４の開始から終了までの間、正極用自己消弧素子１８Ｕを導通状態にする。
【００５８】
（アーク検出回路の内部構成）
アーク検出回路３５は、図２に示すように、負荷電圧検出回路５１と、負荷電流検出回路５２と、コンパレータ回路５３とを備えている。負荷電圧検出回路５１は、負荷電圧検出部３３により構成され、第１の分圧回路５６、第１のバッファ５７、第１のノイズルフィルタ５８および第１のピークホールド回路５９を備えている。また、負荷電流検出回路５２は、負荷電流検出用抵抗Ｒ２にて負荷電流検出手段３４を構成し、第２の分圧回路６１、第２のバッファ６２および第２のピークホールド回路６３を備えている。コンパレータ回路５３は、負荷電圧検出回路５１および負荷電流検出回路５２にそれぞれ接続され、負荷電圧検出回路５１にて検出する電圧検出値と、負荷電流検出回路５２にて検出する電流検出値とを比較して、適宜アーク検出信号を出力する。
【００５９】
負荷電圧検出回路５１は、図１に示す電源装置２の負荷電圧検出回路３３により分圧された負荷電圧Ｖｃを検出し、この検出した負荷電圧Ｖｃを第１の分圧回路５６にて分圧して第１の分圧電圧とする。この第１の分圧電圧に含まれるリップル成分であるノイズ成分を第１のバッファ５７と第１のノイズフィルタ５８とにより除去、すなわち平均化する。このノイズが除去された第１の分圧電圧のピーク値を第１のピークホールド回路５９により保持し、この第１のピークホールド回路５９から第１のピークホールド信号をコンパレータ回路５３に出力する。なお、第１のピークホールド回路５９には、例えば感度調整ボリューム６５が接続されている。そして、この第１のピークホールド回路５９のピークホールドレベルは、感度調整ボリューム６５によって調整可能となっている。
【００６０】
負荷電流検出回路５２は、図１に示す電源装置２の接続点Ｂ，Ｃから、負荷電流Ｉｃが負荷電流検出用抵抗Ｒ２で発生させる電圧降下を検出する。この検出した電圧降下を第２の分圧回路６１で分圧、すなわち所定レベルでクランプして第２の分圧電圧とする。この第２の分圧電圧のインピーダンス変換を第２のバッファ６２で実施した後、第２の分圧電圧のピーク値を第２のピークホールド回路６３により保持し、この第２のピークホールド回路６３から第２のピークホールド信号をコンパレータ回路５３に出力する。
【００６１】
コンパレータ回路５３は、負荷電圧検出回路５１から出力された負荷電圧Ｖｃに相当する第１のピークホールド信号と、負荷電流検出回路５２から出力された負荷電流Ｉｃに相当する第２のピークホールド信号とを比較する。この比較は、アーク放電に遷移したことを判別する条件に一致するか否かで判断し、適宜アーク放電信号を出力する。ここで、コンパレータ回路５３から出力されるアーク検出信号は、ハイレベルとする。
【００６２】
ここで、アーク検出回路３５におけるグロー放電からアーク放電への遷移を認識する負荷電圧Ｖｃと負荷電流Ｉｃによる電圧降下の変位の比較条件、すなわち電圧変位の比較条件について説明する。
【００６３】
電圧変位の比較条件は、電源装置２の電流制限用抵抗Ｒ１の設定抵抗値と、アーク放電の発生により電極３Ａ，３Ｂ間に流れるアーク電流により推定される電極３Ａ，３Ｂ側のインピーダンス値の比とによって設定される。なお、電流制限用抵抗Ｒ１は、電極３Ａ，３Ｂに対して直列抵抗となっているので、図６に示すように、電流制限用抵抗Ｒ１と電極３Ａ，３Ｂとを含む直列回路の両端の電圧をＶ０、電流制限用抵抗Ｒ１の両端における電圧をＶｒ、電極３Ａ，３Ｂの両端における電圧をＶｃとする。また、アーク放電の発生の際に電極３Ａ，３Ｂ間に印加される電圧を通常値の例えば１０％程度に設定する。そして、正常にグロー放電が生じている時、Ｖ０、Ｖｒ、Ｖｃは以下の数式および図７に示す電圧関係となる。
【００６４】
Ｖｒ＝Ｖ０×（１０／１００）＝０．１Ｖ０
Ｖｃ＝Ｖ０×（９０／１００）＝０．９Ｖ０
【００６５】
このように、正常にグロー放電が発生している場合には、Ｖｒ＜Ｖｃ（Ｉｃ＜Ｖｃ）となる。しかしながら、アーク放電が発生して負荷電流Ｉｃの値が増大する異常状態では、Ｖｒ＞Ｖｃ（Ｉｃ＞Ｖｃ）と逆転する。
【００６６】
したがって、これらＶｒ、Ｖｃの相関関係に基づいて、Ｖｒに相当する電圧を負荷電流検出用抵抗Ｒ２により発生する電圧降下として検出し、Ｖｃに相当する電圧を負荷電圧検出部３３による分圧される負荷電圧として検出する。そして、アーク検出回路３５は、Ｖｒの変位とＶｃの変位とをコンパレータ回路５３により比較し、Ｖｒ＜Ｖｃの電圧関係が、Ｖｒ＞Ｖｃの電圧関係に変化することを検出することにより、グロー放電からアーク放電への遷移を検出し、パルス幅制御回路にアーク検出信号を出力する
。
【００６７】
（アーク消弧制御回路の内部構成）
アーク消弧制御回路３６は、インバータゲート７１、第１のアンドゲート７２、モノマルチバイブレータ７３、カウンタ７４、第１のリレー７５、第２のリレー７６、パルス波発生器７７および第２のアンドゲート７８を備えている。
【００６８】
インバータゲート７１は、アーク検出回路３５に接続されている。このインバータゲート７１は、アーク検出回路３５から出力されたアーク検出信号であるハイレベルを反転させてローレベルとして出力する。
【００６９】
第１のアンドゲート７２は、このインバータゲート７１に接続されている。この第１のアンドゲート７２は、インバータゲート７１から出力されたアーク検出信号であるローレベルと、制御盤に設けられた外部操作回路により設定入力されるスタート／ストップ信号との論理和を出力する。ここで、外部操作回路によるストップ信号はローレベルとし、スタート信号はハイレベルとする。
【００７０】
モノマルチバイブレータ７３は、第１のアンドゲート７２に接続され、アーク放電への遷移を認識した場合に電源装置２の動作を一定時間停止させる停止信号を出力する回路である。このモノマルチバイブレータ７３は、第１のアンドゲート７２から出力された論理和の信号がハイレベルの場合、このハイレベルの信号を出力する。また、モノマルチバイブレータ７３は、第１のアンドゲート７２から出力された論理和の信号がローレベルの場合、すなわちアーク放電への遷移が認識された場合、設定された一定時間の間、停止信号であるローレベルを出力する。
【００７１】
カウンタ７４は、モノマルチバイブレータ７３に接続されている。このカウンタ７４は、モノマルチバイブレータ７３から出力される停止信号の出力回数を計数する。そして、この計数した停止信号の出力回数が所定値に達した時点で、所定の信号であるオン信号を出力する。
【００７２】
第１のリレー７５は、カウンタ７４に接続されている。この第１のリレー７５は、カウンタ７４から出力される信号に基づいてオン・オフする。すなわち、カウンタ７４から出力される停止信号の出力回数が所定値に達した旨のオン信号に基づいてオンし、異常の発生を知らせる旨の第１のトリップ信号を出力する。なお、この出力された第１のトリップ信号は、例えば制御盤などに出力され、電源装置２の動作を停止させるとともに、放電部４の真空チャンバ５内でアーク放電が生じている旨を報知させる。この報知により、オペレータは、アーク放電の発生原因を取り除く処理が促される。
【００７３】
第２のリレー７６は、モノマルチバイブレータ７３に接続されている。この第２のリレー７６は、モノマルチバイブレータ７３から出力される停止信号に基づいてオン・オフする。すなわち、モノマルチバイブレータ７３から出力される停止信号に基づいてオンし、異常の発生を知らせる旨の第２のトリップ信号を出力する。なお、この出力された第２のトリップ信号は、停止信号が出力されている間オンが継続し、例えば制御盤などに出力され、電源装置２の動作を停止させる。さらに、例えば制御盤などに配設された「ヒートオフ」の表示ランプを点灯させ、電源装置２の出力が停止して真空チャンバ５内の放電が停止していることを報知させる。
【００７４】
第２のアンドゲート７８は、モノマルチバイブレータ７３および制御盤に設けられた外部操作回路により設定入力されるスタート／ストップ信号が入力可能に接続されている。さらに、第２のアンドゲート７８は、パルス幅制御回路１４が接続されている。そして、第２のアンドゲート７８は、モノマルチバイブレータ７３から出力される停止信号と、外部操作回路によるスタート／ストップ信号との論理和を制御信号としてパルス幅制御回路１４に出力する。すなわち、第２のアンドゲート７８は、モノマルチバイブレータ７３から出力された停止信号がハイレベルの場合には、基準パルス信号をパルス幅制御回路１４に制御信号として出力する。また、第２のアンドゲート７８は、モノマルチバイブレータ７３から出力された停止信号が一定時間のローレベルの場合には、パルス幅制御回路１４の出力を停止させ、電源装置２の動作を一定時間停止させる。
【００７５】
〔窒化処理装置の動作〕
次に、上記実施の形態の窒化処理装置１の具体的な動作を説明する。
【００７６】
（グロー放電の動作）
まず、電源装置２から一対の直流電力を供給してグロー放電させるために、パルス幅制御回路１４により三相交流を直流に整流する具体的な動作を説明する。なお、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５の各波形は互いに同形状で、期間Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６の各波形は、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５の各波形と正負が逆ではあるが同形状であるため、期間Ｔ３，Ｔ４における動作を説明し、期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ５，Ｔ６における動作については、期間Ｔ３，Ｔ４と同様となるため説明を省略する。
【００７７】
電源装置２の整流回路１２には、図４（Ａ）に示すような正弦波状に変化する三相交流電圧が印加される。この状態では、期間Ｔ３において、この期間Ｔ３の開始から終了まで、図４（Ｂ）に示すように、パルス幅制御回路１４によりＷ相の負極用自己消弧素子１９Ｗが導通状態となる。また、期間Ｔ３への移行の際、Ｖ相の電圧極性が負から正に反転するので、期間Ｔ３の開始から終了までの間、パルス幅制御回路１４によりＶ相の負極用自己消弧素子１９Ｖが導通状態となる。
【００７８】
この状態で、Ｖ相の正極用自己消弧素子１８Ｖがパルス幅制御回路１４により導通され、整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｖおよび負極用自己消弧素子１９Ｗで整流された直流電圧が直流リアクトル２６を介して電極３Ａ，３Ｂ間に印加されて、第１整流モードが実施される。この第１整流モードでは、三相交流のＶ相の電圧は正で、Ｗ相の電圧は負となっているので、電流はＶ相からＷ相へ流れる。
【００７９】
続いて、Ｕ相の正極用自己消弧素子１８Ｕがパルス幅制御回路１４により導通され、整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｕおよび負極用自己消弧素子１９Ｗで整流された直流電圧が直流リアクトル２６を介して電極３Ａ，３Ｂ間に印加され、第２整流モードが実施される。この第２整流モードでは、三相交流のＵ相の電圧は正で、Ｗ相の電圧は負となっているので、電流はＵ相からＷ相へ流れる。
【００８０】
次に、Ｗ相の正極用自己消弧素子１８Ｗがパルス幅制御回路１４により導通され、整流回路１２および電極３Ａ，３Ｂが閉回路を形成する。この閉回路に直流リアクトル２６の誘導電流が循環し、閉回路モードが実施される。
【００８１】
なお、この期間Ｔ３における各第１整流モード、第２整流モードおよび閉回路モードでの各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのパルス幅制御回路１４による導通状態の制御は、パルス幅制御回路１４がキャリア部４１における定周波パルスのタイミングで、各相の波形を認識する。この認識した波形と波形記憶手段４３の三相正弦波テーブルとを対応させて、期間Ｔ３を認識する。そして、この期間Ｔ３における図４（Ｂ）に示すような各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通状態とする導通パターンを選択する。
【００８２】
そして、パルス幅制御回路１４は、この導通パターンに基づいてＰＷＭパターン制御部４６から各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのゲートにパルス状のゲート信号を出力させて、導通パターンに則った導通状態に制御する。
【００８３】
ここで、ＰＷＭパターン制御部４６からのゲート信号にて導通状態にする際には、非導通状態からの起動後の所定時間内に、図５に示すような所定の包絡線となる関数テーブルに基づいてパルス幅変調制御される。すなわち、まず立ち上げ期間Ｔｓの関数テーブルに基づいて、図５に示すように非導通状態の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに徐々に電流が流れるような所定の包絡線に沿うように、キャリア部４１の定周波パルスのタイミングで追値制御する。そして、所定の電流値に達した後は、導通期間Ｔｎの関数テーブルに基づいて、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに所定の電流が導通パターンに則った時間で流れるように、キャリア部４１の定周波パルスのタイミングで定値制御して、導通パターンにおける１パルスの導通状態にパルス幅変調制御する。
【００８４】
また、パルス幅制御回路１４は、アナログ／デジタル変換部４２で認識した正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗから出力される直流電力の電圧値と関数テーブルとの偏差、この偏差の積分値、偏差の微分値によって、フィードバック信号をＰＷＭパターン制御部４６に出力して、出力するゲート信号を制御し、適切な電圧値の直流電力に整流して出力させる。
【００８５】
そして、期間Ｔ３が完了し、期間Ｔ４へ移行すると、図４（Ｂ）に示すように、Ｖ相の正極用自己消弧素子１８Ｖが期間Ｔ４全体を通してパルス幅制御回路１４により導通状態に制御される。この期間Ｔ４への移行の際、Ｕ相の電圧極性が正から負に反転するので、期間Ｔ４の開始から終了までの間、正極用自己消弧素子１８Ｕがパルス幅制御回路１４により導通状態に制御される。
【００８６】
この状態で、Ｕ相の負極用自己消弧素子１９Ｕがパルス幅制御回路１４により導通されると、整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｖおよび負極用自己消弧素子１９Ｕで整流された電流が直流リアクトル２６を介して平滑回路１３に流れ、第１整流モードが実施される。この際、三相交流のＶ相の電圧は正で、Ｕ相の電圧は負となっているので、電流はＶ相からＵ相へ流れる。
【００８７】
続いて、Ｗ相の負極用自己消弧素子１９Ｗがパルス幅制御回路１４により導通されると、整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｖおよび負極用自己消弧素子１９Ｗで整流された直流電圧が直流リアクトル２６を介して電極３Ａ，３Ｂ間に印加され、第２整流モードが実施される。この際、三相交流のＶ相の電圧は正で、Ｗ相の電圧は負となっているので、電流はＶ相からＷ相へ流れる。
【００８８】
次に、Ｖ相の負極用自己消弧素子１９Ｖがパルス幅制御回路１４により導通され、整流回路１２および電極３Ａ，３Ｂが閉回路を形成する。この閉回路に直流リアクトル２６の誘導電流が循環し、閉回路モードが実施される。
【００８９】
この期間Ｔ４における各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのパルス幅制御回路１４による導通状態の制御も、上述した期間Ｔ３と同様に、関数テーブルに基づいて、期間Ｔ４における導通パターンに則り、ＰＩＤ制御にて整流する直流電力をフィードバック制御する。
【００９０】
ここで、期間Ｔ３の最後の閉回路モードにおいて、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕのカソードは、直流リアクトル２６および負荷である一対の電極３Ａ，３Ｂを介してＷ相と導通する。このため、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕのカソードの電位が負電位のＷ相とほぼ同電位となるとともに、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕには、順方向の電界が加わるので、そのアノードもＷ相とほぼ同電位となる。
【００９１】
また、正極用自己消弧素子１８Ｕは、遮断状態となっている。このため、この正極用自己消弧素子１８Ｕの両端には、電荷が溜まる。この結果、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕには、期間Ｔ３の最後の閉回路モードにより溜まった逆方向の電荷により、Ｕ相電圧およびＷ相電圧の電位差とほぼ等しい逆電圧が生じる。
【００９２】
そして、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕの両端に逆電位が加わった状態で、期間Ｔ４に移行し、最初の第１整流モードが実行される。この第１整流モードの実行により、正極用自己消弧素子１８Ｖを介して、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕのカソード側はＶ相に導通され、正極用ブロッキングダイオード２０ＵにはＶ相の電圧が印加される。
【００９３】
ここで、Ｖ相の電位は正電圧であり、Ｕ相の電位は負電位であるので、期間Ｔ３で溜まった逆方向の電荷が放電されないで残っていると、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕには、大きな逆方向電圧が加わることとなる。
【００９４】
一方、期間Ｔ４では、負極用自己消弧素子１９Ｕがパルス幅制御回路１４により導通状態となるので、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕは、このアノードとカソードとが、直流リアクトル２６、負荷である一対の電極３Ａ，３Ｂ、負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ、負極用自己消弧素子１９Ｕおよび正極用自己消弧素子１８Ｕを介して導通される。そして、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕの両端に蓄積された電荷が放電される。これにより、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕの両端に加わっていた電荷が放電され、電荷による逆方向電圧は０Ｖとなる。
【００９５】
この状態で、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕに逆方向のＶ相電圧が印加されても、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕの両端の電荷が放電されているので、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕに、大きな逆方向電圧が加わることがない。
【００９６】
このようにして、整流回路１２で整流されて平滑回路１３で平滑された直流電圧が、一対の電極３Ａ，３Ｂ間に印加する。この電極３Ａ，３Ｂ間に印加された直流電圧により、放電部４の真空チャンバ５内に所定の圧力で導入される窒素ガスなどのガスの分子をイオン化させ、電極３Ａ，３Ｂ間にグロー放電を生じさせ、陰極３Ｂとして設置される被処理物の表面を窒化処理する。
【００９７】
また、電源装置２の放電回路３１の放電用トランジスタＱ１は、パルス幅制御回路１４のパルス幅変調制御にて整流した直流電力の供給・非供給に対応してパルス幅制御回路１４にて適宜オフ・オンされる。
【００９８】
この正常なグロー放電が生じている場合には、アーク検出回路３５で検出する負荷電圧Ｖｃのピークホールド値、および、負荷電流Ｉｃのピークホールド値は、アーク放電への遷移条件となるＶｒ＞Ｖｃ（Ｉｃ＞Ｖｃ）となっていない。このため、アーク検出回路３５は、コンパレータ回路５３からアーク消弧制御回路３６にアーク検出信号を出力しない。
【００９９】
そして、アーク消弧制御回路３６は、アーク検出回路３５からアーク検出信号のローレベルを検出しないので、アーク消弧制御回路３６が正常である信号をパルス幅制御回路１４に出力させ、整流回路１２の各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを三相交流の正弦波に対向して適宜パルス状にオン・オフさせ、直流電力を電極３Ａ，３Ｂに継続して供給する。
【０１００】
（アーク放電による停止）
一方、グロー放電を生じさせて窒化処理を継続すると、例えば被処理物の表面近傍に存在する気泡が破れて気泡内の空気やガスが真空チャンバ５内に流入し、真空チャンバ５内の所定の真空状態が保持できなくなる。このことにより、グロー放電からアーク放電に遷移する。
【０１０１】
このアーク放電の発生により、図７に示すように、アーク検出回路３５は、負荷電圧Ｖｃのピークホールド値が急激に低下するとともに、負荷電流Ｉｃのピークホールド値は急激に増大し、Ｖｒ＜Ｖｃ（Ｉｃ＜Ｖｃ）の電圧関係が、Ｖｒ＞Ｖｃ（Ｉｃ＞Ｖｃ）の電圧関係に逆転する。このため、アーク検出回路３５は、これら電圧変位が入力されたコンパレータ回路５３でＶｒ＞Ｖｃ（Ｉｃ＞Ｖｃ）であるとの比較結果となり、グロー放電からアーク放電へ遷移されたことを検出し、ハイレベルのアーク検出信号をアーク消弧制御回路３６に出力する。
【０１０２】
このアーク検出回路３５からのアーク検出信号を検出したアーク消弧制御回路３６は、モノマルチバイブレータ７３から一定時間の停止信号を出力してパルス幅制御回路１４への出力を一定時間停止させる。この出力の停止により、パルス幅制御回路１４は一定時間、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗをオフさせ、電極３Ａ，３Ｂへの直流電力の供給を一定時間停止させる。アーク放電を検出し制御回路１２がオフしたタイミングでオンし電極３Ａ，３Ｂ間の蓄積電荷を放出させる。このようにして、窒化処理装置１における異常放電時の蓄積電荷の消滅を早くする。この直流電力の供給の停止は、パルス幅変調制御によりパルス状に正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗが導通状態となって直流電力を供給しているので、パルス状の導通状態を停止させればよく、図５に示すように直ちに非導通状態となってアーク放電が直ちに停止できる。
【０１０３】
さらに、アーク消弧制御回路３６のモノマルチバイブレータ７３からの停止信号の出力により、第２のリレー７６がオンする。この第２のリレー７６のオンにより、例えば「ヒートオフ」の表示による電源装置２の直流電力の供給停止により放電を停止している旨が報知される。
【０１０４】
また、アーク消弧制御回路３６のカウンタ７４により、停止信号の出力回数が計数される。そして、カウンタ７４は、この計数した停止信号の出力回数が所定の回数に達したことを認識することによりオン信号を出力し、第１のリレー７５をオンさせる。この第１のリレー７５のオンにより、電源装置２の動作を停止させるとともに、アーク放電が継続して発生していることを報知させ、オペレータにアーク放電の発生原因を取り除く処理を促す。
【０１０５】
〔窒化処理装置の効果〕
上述した本実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。
【０１０６】
すなわち、整流回路１２の非導通状態の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを、供給される三相交流電源７の正弦波に対応してそれぞれパルス幅を可変しパルス状の導通状態とするパルス幅変調制御して三相交流を直流に整流し、二次側の負極端子１１Ａおよび正極端子１１Ｂ間に接続した一対の電極３Ａ，３Ｂに供給してグロー放電させる。そして、このグロー放電中の電極３Ａ，３Ｂ間の負荷電圧Ｖｃおよび電圧降下、負荷電流および電流上昇を検出して各変位を比較し、グロー放電からアーク放電への遷移を認識する。このアーク放電への遷移の認識により、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのパルス状の導通状態を停止すなわちオフさせる。このため、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗによる消弧作用にて、アーク放電への遷移を認識して導通状態を停止して非導通状態にパルス幅変調制御する際に、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗは直ちに確実に非導通状態となり、確実にアーク放電による電極３Ａ，３Ｂや被処理物などの損傷を防止できる。
【０１０７】
また、整流回路１２を構成する正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを、三相正弦波パターンに基づいて所定のパターンでパルス状に導通状態とする際に、非導通状態から所定の導通状態に起動する所定時間内に、図５に示すように次第に電流が流れるような包絡線となる立ち上げ期間Ｔｓの関数テーブルに基づいて所定のパルス幅変調制御する。このため、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに突入電流が流れるなどの負荷を低減でき、確実に正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを保護できる。
【０１０８】
そして、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗにより整流するため、これら正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの消弧作用により、導通状態から非導通状態に制御する際に、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗは確実に非導通状態となる。このため、従来のサイリスタに時定数回路を組み合わせて位相制御する場合に比して、高精度な制御ができる。
【０１０９】
また、追値制御および定値制御の双方を組み合わせたパルス変調制御とするので、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通状態の制御が容易にできる。
【０１１０】
さらに、パルス幅変調制御を関数に基づいて制御するので、ＰＩＤ制御により整流した直流電力と関数テーブルとからフィードバック信号を出力させて制御するため、より正確で適切な制御が容易にできる。
【０１１１】
そして、関数記憶手段４４に記憶した時間と直流電圧の出力との関係を示すグラフ、マップおよび関数のうちのいずれか１つの包絡線パターンである関数テーブルに従って制御する。このため、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの負荷を低減した追値制御および定値制御によるパルス変調制御が容易にできる。
【０１１２】
また、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗとして高速スイッチング素子を用いるため、出力すべき電力に応じて正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通時間を細かく調節することもでき、きめ細かいパルス幅変調制御ができ、適切な電力量を供給できる。
【０１１３】
〔他の実施の形態〕
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
【０１１４】
例えば、三相交流電力を直流電力に整流する構成について説明したが、三相に限られない。
【０１１５】
そして、パルス変調制御としてパルス幅変調制御について説明したが、例えば信号波の振幅に対応してパルスの高さすなわち振幅（amplitude）を変えるＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）、パルスの継続時間（duration）を変えるＰＤＭ（Pulse Duration Modulation）、周波数変調に対応してパルスの位置（position）を変えるＰＰＭ（Pulse Position Modulation）、２進数字などの符号（code）に変換してパルスを生ずるＰＣＭ（Pulse Code Modulation）など、他のパルス変調方式による制御でもできる。
【０１１６】
また、窒化処理の窒化処理装置１について説明したが、他のいずれのグロー放電装置にも適用できる。また、グロー放電装置のみに適用されるものではなく、三相交流を整流した直流電力を負荷としての一対の電極３Ａ，３Ｂに供給するいずれの電力供給装置である電源装置２にも対応できる。
【０１１７】
そして、整流回路１２の交流入力部分に交流リアクトル２３およびコンデンサＣ１を設けて説明したが、これら交流リアクトル２３およびコンデンサＣ１を設けない構成でもできる。なお、整流回路１２の交流入力部分に設けたコンデンサＣ１が、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのスイッチング動作の電力の供給源、および発生するサージ電圧を吸収し、モード切替時などのスイッチング動作時に発生する高調波の交流電源側への逆流が抑制される。また、パルス幅変調制御において発生するキャリア波の高周波成分電流は、交流リアクトル２３がコンデンサＣ１を通過した高周波成分電流の交流電源側への逆流を阻止するので、整流回路１２が正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗをスイッチングさせるキャリア波を発生させても、このキャリア波の高周波成分が交流電源側に漏れることを防止できる。したがって、スイッチング動作により発生する雑音としての高調波、および、スイッチング動作に必要な制御信号であるキャリア波に含まれる高周波成分の両方が交流電源側へ逆流せず、交流電源側の電流に含まれる高調波成分が確実に低減できるので、これらコンデンサＣ１および交流リアクトル２３を設けることが好ましい。
【０１１８】
また、第１整流モード、第２整流モードおよび閉回路モードを順次繰り返し、１／６周期の間に、３つのモードを三回ずつ実施する構成について説明したが、これに限らず、これらのモードを、１／６周期の間に、二回以下、あるいは、四回以上実施する構成としてもよい。
【０１１９】
さらに、整流回路１２の自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗ，１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗにダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗ，２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗをそれぞれ直列に接続して説明したが、ダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗ，２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗを用いなくてもできる。
【０１２０】
また、負荷電圧を検出する負荷電圧検出回路３２としては、負荷電圧検出用抵抗Ｒ４，Ｒ５の直列回路およびアーク検出回路３５の構成に限らず、いずれの構成で電極間の放電時の負荷電圧Ｖｃを検出できる。同様に、電圧降下を検出する構成としては、負荷電流検出用抵抗Ｒ２およびアーク検出回路３５の構成に限らず、いずれの構成でもできる。
【０１２１】
【発明の効果】
本発明によれば、整流回路の自己消弧素子を、交流電力の正弦波に対応してパルス変調制御して交流電力を直流電力に整流し電極に供給してグロー放電させ、グロー放電中の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出して各変位を比較してアーク放電への遷移を認識した場合、自己消弧素子のパルス状の導通状態を停止させるため、自己消弧素子による消弧作用にて、アーク放電への遷移を認識して導通状態を停止して非導通状態に制御する際に、自己消弧素子は直ちに確実に非導通状態となり、確実にアーク放電による電極などの損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る窒化処理装置を示す回路図である。
【図２】同上の窒化処理装置の電源装置を構成するアーク検出回路およびアーク消弧制御制御回路を示すブロック図である。
【図３】同上の誘導加熱装置を構成するコンバータのパルス幅制御回路の内部構成を示すブロック図である。
【図４】同上パルス幅制御回路によるパルス幅変調制御の動作を説明するための波形図である。（Ａ）三相正弦波形図（Ｂ）導通パターンの波形図
【図５】同上パルス幅変調制御による導通状態の１パルスの波形図を示す説明図である。
【図６】同上アーク検出回路で検出する負荷電圧および電圧降下の変位の比較条件を説明する回路図である。
【図７】同上グロー放電からアーク放電へ遷移する際の負荷電圧および負荷電流の変位を示すグラフである。
【図８】従来例のコンバータによる導通状態の１パルスの波形図を示す説明図である。
【符号の説明】
１ グロー放電装置としての窒化処理装置
２ 電源装置
３Ａ 電極である陽極
３Ｂ 電極である陰極
５ 真空槽としての真空チャンバ
１０Ｕ 一次側端子であるＵ相端子
１０Ｖ 一次側端子であるＶ相端子
１０Ｗ 一次側端子であるＷ相端子
１１Ａ 二次側端子である正極端子
１１Ｂ 二次側端子である負極端子
１２ 整流回路
１４ パルス変調制御手段としてのパルス幅制御回路
１５ アーク放電検出手段
１６ 制御手段
１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗ 自己消弧素子である正極用自己消弧素子
１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗ 自己消弧素子である負極用自己消弧素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力を直流電力に整流して真空雰囲気中の一対の電極に供給しグロー放電させるグロー放電装置、その電力供給方法およびその電源装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、例えばグロー放電によるイオン窒化処理に際して、アーク放電から電極や被イオン窒化物を保護するために、アーク放電を早期に検出する方法が知られている。このアーク放電を早期に検出する方法として、例えば特開平８−５７２９７号公報および特開平８−６７９６３号公報に記載の構成が知られている。
【０００３】
そして、特開平８−５７２９７号公報および特開平８−６７９６３号公報に記載のものは、サイリスタがブリッジ構造に接続された整流回路を備え、この整流回路の各サイリスタをそれぞれ位相制御することにより、三相交流電源をグロー放電させる一対の電極間に供給する直流電源に整流する。そして、一対の電極間の負荷電圧の変化と電源装置内の電流制限抵抗の電圧降下の変化とを監視する。これら負荷電圧および電圧降下の変化の割合に基づいて、真空槽内の電極間におけるグロー放電からアーク放電への遷移を検出するとともに、整流回路を位相制御して直流電源の供給を停止させる構成が採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平８−５７２９７号公報および特開平８−６７９６３号公報に記載の構成では、ブリッジ構成された整流回路のサイリスタは自己消弧できないので、例えば図８に示すように、位相により非導通状態にしたいタイミングで完全に非導通状態とならない時間帯Ｔｆが生じる。この時間帯Ｔｆは、最大で半波分の時間である例えば１０ｍｓでバラツキが生じる。このため、最大で１０ｍｓの間は導通状態となり、直ちに直流電源の供給を停止してアーク放電の発生を防止することができないおそれがある。このため、整流した直流電力の供給を遮断するためのスイッチング素子であるトランジスタおよびこのトランジスタをオンオフするためのゲート回路が必要となり、構成が複雑となる問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みて、簡単な構成で電力供給を高精度に制御してアーク放電による損傷を防止するグロー放電装置、その電力供給方法およびその電源装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、交流電力を直流電力に整流して真空雰囲気中に配設された一対の電極に供給してグロー放電を生じさせるグロー放電装置の電力供給方法であって、
前記交流電力が供給される一次側端子の各相と前記一対の電極にそれぞれ接続され直流電力を出力する二次側端子の正極および負極との間にそれぞれ自己消弧素子を設けた整流回路と、この整流回路と前記一対の電極との間に設けられる放電回路と、前記整流回路にて前記交流電力を前記直流電力に整流し前記二次側端子から前記電極に供給して前記一対の電極間でグロー放電させるとともに、前記放電回路に接続し、前記放電回路にて前記一対の電極間の蓄積電荷を放出させる制御手段とを構成し、前記制御手段により、前記整流回路の各自己消弧素子を、前記交流電力の正弦波に対応してそれぞれ所定の導通状態にパルス変調制御して前記交流電力を直流電力に整流し、前記二次側端子から前記一対の電極に供給させてグロー放電させるとともに、前記グロー放電中の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出し、これらの各変位を比較してグロー放電からアーク放電への遷移を認識し、このアーク放電への遷移の認識により前記自己消弧素子の導通状態を停止し、前記直流電力の供給の停止のタイミングで、前記放電回路にて前記一対の電極間の前記蓄積電荷を放出させることを特徴とするグロー放電装置の電力供給方法である。
【０００７】
この発明では、制御手段により、整流回路の自己消弧素子を、供給される交流電力の正弦波に対応してそれぞれ所定の導通状態にパルス変調制御して交流電力を直流電力に整流し、二次側端子から一対の電極に供給してグロー放電させる。このグロー放電中の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出して各変位を比較し、グロー放電からアーク放電への遷移を認識する。このアーク放電への遷移の認識により、自己消弧素子の導通状態を停止させる。このことにより、自己消弧素子による消弧作用にて、アーク放電への遷移を認識して導通状態を停止して非導通状態に制御する際に、自己消弧素子は直ちに確実に非導通状態となり、確実にアーク放電による電極などの損傷を防止する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のグロー放電装置の電力供給方法において、パルス変調制御は、起動後の所定時間内に、所定の包絡線パターンに従って追値制御した後に二次側端子からの出力が所定値となるように定値制御することを特徴とする。
【０００９】
この発明では、起動後の所定時間内に、所定の包絡線パターンに従って追値制御した後に二次側端子からの出力が所定値となるように定値制御してパルス変調制御することが好ましい。このことにより、自己消弧素子に次第に電流が流れる状態となり、自己消弧素子の負荷が低減されて保護されるとともに、この追値制御および定値制御の双方を組み合わせたパルス変調制御とするので、容易に自己消弧素子の導通状態が制御される。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のグロー放電装置の電力供給方法において、時間と直流電圧の出力との関係を示すグラフ、マップおよび関数のうちのいずれか１つの包絡線パターンを記憶する記憶手段を設け、この記憶手段に記憶された包絡線パターンに従ってパルス変調制御することを特徴とする。
【００１１】
この発明では、記憶手段に記憶した時間と直流電圧の出力との関係を示すグラフ、マップおよび関数のうちのいずれか１つの包絡線パターンに従って制御することが好ましい。このことにより、自己消弧素子の負荷を低減した追値制御および定値制御によるパルス変調制御が容易となる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のグロー放電装置の電力供給方法において、自己消弧素子として高速スイッチング素子が用いられることを特徴とする。
【００１３】
この発明では、自己消弧素子として高速スイッチング素子を用いる。このことにより、出力すべき電力に応じて自己消弧素子の導通時間を細かく調節することが可能で、きめ細かいパルス幅変調制御が得られ、適切な電力量の供給が可能となる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のグロー放電装置の電力供給方法をグロー放電装置の電源装置に展開したもので、交流電力が供給される一次側端子と、真空雰囲気中に配設された一対の電極に接続されて直流電力を出力する二次側端子と、前記一次側端子の各相と前記二次側端子の正極および負極との間にそれぞれ自己消弧素子が設けられて構成された整流回路と、この整流回路の各自己消弧素子を前記交流電力の正弦波に対応してそれぞれ所定の導通状態にパルス変調制御して前記交流電力を前記直流電力に整流し前記二次側端子から前記電極に供給して前記一対の電極間でグロー放電させるパルス変調制御手段と、前記グロー放電中の一対の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出し、これらの各変位を比較してグロー放電からアーク放電へ遷移したことを認識し、前記パルス変調制御手段により自己消弧素子の導通状態を停止させるアーク放電検出手段とを具備し、前記アーク放電検出手段は、前記整流回路と前記一対の電極との間に設けられた放電回路を備え、この放電回路は、前記パルス変調制御手段に接続され、前記パルス変調制御手段による前記直流電力の停止のタイミングにより、前記一対の電極間の蓄積電荷を放出することを特徴とする。このことにより、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を享受する。
【００１５】
請求項６ないし８に記載の発明は、請求項５に記載のグロー放電装置の電源装置において、請求項２ないし４に記載の発明のグロー放電装置の電力供給方法に対応するグロー放電装置の電源装置で、請求項２ないし４に記載の発明と同様の作用効果を享受する。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項５ないし８のいずれかに記載のグロー放電装置の電源装置と、内部に所定の真空雰囲気を形成する真空槽と、この真空槽内に配設されて前記電源装置に接続され前記電源装置にて整流された直流電力が供給されてグロー放電する一対の電極とを具備したことを特徴としたグロー放電装置である。
【００１７】
この発明では、自己消弧素子を直ちに確実に非導通状態として確実にアーク放電による電極などの損傷を防止する請求項５ないし８のいずれかに記載のグロー放電装置の電源装置を備えるので、良好なグロー放電が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
〔グロー放電装置の構成〕
図１は、本発明のグロー放電装置の一実施の形態に係る窒化処理装置の回路構成を示す。この図１に示す窒化処理装置１は、電源装置２を備えた図示しない制御盤と、一対の電極３Ａ，３Ｂを有した放電部４とを備えている。
【００２０】
そして、放電部４は、例えば内部が一部開放可能な真空槽としての真空チャンバ５と、この真空チャンバ５内を略真空状態にする図示しないポンプとを備えている。この放電部４の真空チャンバ５内には、一対の電極３Ａ，３Ｂ、すなわち陽極３Ａおよび陰極３Ｂが配設されている。
【００２１】
また、制御盤は、交流電源である三相交流電源７に接続されるとともに一対の電極３Ａ，３Ｂにそれぞれ接続され、電源装置２および電極３Ａ，３Ｂのグロー放電の動作を監視・制御する。この制御盤には、図示しない入出力手段（Ｉ／Ｏ（Input/Output））が設けられている。この入出力手段は、パルス変調制御であるパルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）制御のためのパラメータを入力操作にて設定入力するために、コンピュータなどの入力手段からの信号を認識する。さらに、制御盤は、入出力手段を介して電源装置２で三相交流を直流に整流した状態、放電部４の真空チャンバ５内の真空状態、グロー放電の状態、アーク放電への遷移、警報などを外部出力可能となっている。
【００２２】
そして、電源装置２は、一次側端子であるＵ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと、二次側端子としての出力端子である正極端子１１Ａおよび負極端子１１Ｂと、整流回路１２と、平滑回路１３と、パルス変調制御手段としてのパルス幅制御回路１４と、アーク放電検出手段１５とを備えている。これらパルス幅制御回路１４と、アーク放電検出手段１５とにて制御手段１６が構成される。また、二次側の正極端子１１Ａは陽極３Ａに接続され、二次側の負極端子１１Ｂは陰極３Ｂに接続される。
【００２３】
整流回路１２は、主要素子として複数の自己消弧素子である正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを有し、これら正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗで交流電力を整流する。この整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗとしては、高速スイッチング素子である電力制御用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar mode Transistor：ＩＧＢＴ）が採用されている。なお、自己消弧素子としては、高速スイッチング可能で、導通時の直流抵抗値が小さい素子である高速スイッチング素子が好ましく、ＩＧＢＴの他に、ＭＯＳ−ＦＥＴ（ＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）型電界効果トランジスタ（Field-Effect Transistor：ＦＥＴ））およびゲートターンオフサイリスタ（Gate Turn Off Thyristor：ＧＴＯ）を採用できる。また、高速スイッチング素子に限らず、他の自己消弧作用を示すいずれの素子でもできる。
【００２４】
この整流回路１２は、一次側のＵ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと二次側の負極端子１１Ａとの間に接続された、負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗおよび負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗの直列回路を有している。すなわち、Ｕ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと負極端子１１Ａとの間には、負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのドレイン、ソースおよび負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗの直列回路が接続されている。
【００２５】
また、整流回路１２は、一次側のＵ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと二次側の正極端子１１Ｂとの間に接続された、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよびダイオードである正極用ブロッキングダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗの直列回路を有している。すなわち、Ｕ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと正極端子１１Ｂとの間には、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗのソース、ドレインおよび正極用ブロッキングダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗの直列回路が接続されている。
【００２６】
また、整流回路１２の交流入力部分には、複数の交流リアクトル２３が三相に対応してそれぞれ設けられている。すなわち、交流リアクトル２３は、Ｕ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗと、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗのドレインおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのソースの接続点との間に位置してそれぞれ接続されている。そして、これら交流リアクトル２３は、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各スイッチング動作の際に発生する高周波電流、すなわち、キャリア波の高周波成分電流の交流電源側への逆流を阻止する。
【００２７】
さらに、整流回路１２の交流入力部分には、複数のコンデンサＣ１が三相に対応してそれぞれ設けられている。すなわち、コンデンサＣ１は、交流リアクトル２３と正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗのドレインおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのソースの接続点との接続点間にそれぞれ接続されている。そして、コンデンサＣ１は、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各スイッチング動作の際の電圧源、および発生するサージ電圧を吸収する。
【００２８】
整流回路１２には、平滑回路１３が接続されている。この平滑回路１３は、直流リアクトル２６を備えている。直流リアクトル２６は、負極端子１１Ａと負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗとの間、および、正極端子１１Ｂと正極用ブロッキングダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗとの間にそれぞれ接続されている。そして、直流リアクトル２６は、整流回路１２から出力されるとともにパルス状に断続する電流を平滑して直流電流にする。
【００２９】
また、整流回路１２には、パルス幅制御回路１４が接続されている。このパルス幅制御回路１４は、一次側のＵ相端子１０Ｕ、Ｖ相端子１０ＶおよびＷ相端子１０Ｗに接続されるとともに、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各ゲートに接続されている。そして、パルス幅制御回路１４は、二次側端子から出力すべき電力に応じて正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通時間を制御する。すなわち、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを断続的に点弧するとともに、整流回路１２から出力される直流電圧パルスの幅を、出力すべき電力に応じて調節するパルス幅変調制御をする。なお、このパルス幅制御回路１４は、制御盤に設けられた図示しない入力手段に接続され、適宜パネル幅変調制御のためのパラメータの設定が可能となっている。
【００３０】
このパルス幅制御回路１４のパルス幅変調制御は、入力される三相交流電圧と、二次側端子から出力される直流電圧とを検出・監視し、直流電圧が所定の値となるように出力される直流電圧パルスの幅を可変制御する。
【００３１】
そして、パルス幅変調制御には、後述する整流モードと閉回路モードとが設定されている。すなわち、パルス幅制御回路１４は、整流モードおよび閉回路モードが交互に繰り返されるように、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのゲートに与えるパルス状の制御信号であるキャリア波を発生する。このキャリア波で正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを適宜点弧する。
【００３２】
また、パルス幅制御回路１４は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相に印加された電圧の極性が正から負に反転すると、その相の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗを所定時間が経過するまでの間で導通状態にするとともに、電圧の極性が負から正に反転すると、その相の負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを所定時間が経過するまでの間で導通状態にする機能を有している。
【００３３】
平滑回路１３には、アーク放電検出手段１５が接続されている。アーク放電検出手段１５は、放電回路３１と、電流制限用抵抗Ｒ１と、負荷電圧検出手段３２を構成する負荷電圧検出部３３と、負荷電流検出手段３４を構成する負荷電流検出用抵抗Ｒ２と、図２に示すアーク検出手段としてのアーク検出回路３５と、図２に示すアーク消弧制御回路３６とを備えている。
【００３４】
放電回路３１は、平滑回路１３に接続され、放電用トランジスタＱ１と、放電用抵抗Ｒ３とを備えている。放電用トランジスタＱ１のエミッタは、直流リアクトル２６を介して負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗに接続されている。放電用トランジスタＱ１のコレクタは、放電用抵抗Ｒ３に接続されている。放電用抵抗Ｒ３は、直流リアクトル２６を介して正極用ブロッキングダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗに接続されている。
【００３５】
また、放電用トランジスタＱ１のベースには、パルス幅制御回路１４が接続されている。そして、放電回路３１は、パルス幅制御回路１４から放電用トランジスタＱ１のベースにベース信号である駆動パルス信号が出力され、この駆動パルス信号のパルス幅で放電用トランジスタＱ１がオン・オフする。この放電用トランジスタＱ１のオン・オフは、パルス幅制御回路１４による整流回路１２のパルス幅変調制御にて整流した直流電力の供給の停止でオンする。このタイミングにより、放電回路３１は、一対の電極３Ａ，３Ｂ間の蓄積電荷を放出させる。
【００３６】
電流制限用抵抗Ｒ１は、放電回路３１と二次側の負極端子１１Ａとの間に接続されている。すなわち、電流制限用抵抗Ｒ１は、平滑回路１３の直流リアクトル２６と負極端子１１Ａとの間に接続されている。この電流制限用抵抗Ｒ１は、負荷側である一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる電流を制御する。この電流制限用抵抗Ｒ１の抵抗値は、アーク放電の発生時に一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる電流値を制限する抵抗値に設定されている。このことにより、電流制限用抵抗Ｒ１は、放電部４の真空チャンバ５内でアーク放電が発生した際に、一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる電流を制限し、過大なアーク電流が流れて電極３Ａ，３Ｂを損傷することを防止する。
【００３７】
負荷電圧検出部３３は、一対の直列に接続された負荷電圧検出用抵抗Ｒ４，Ｒ５を備えている。これら負荷電圧検出用抵抗Ｒ４，Ｒ５の直列回路は、二次側の負極端子１１Ａおよび正極端子１１Ｂ間に接続されている。この負荷電圧検出部３３は、負荷側の一対の電極３Ａ，３Ｂ間に印加される直流電圧を分圧検出する。
【００３８】
負荷電流検出用抵抗Ｒ２は、平滑回路１３の直流リアクトル２６と二次側の正極端子１１Ｂとの間に接続されている。すなわち、電流制限用抵抗Ｒ１、真空チャンバ５の電極３Ａ，３Ｂおよび負荷電流検出用抵抗Ｒ２が直列に接続され、この直列回路が放電回路３１の放電用トランジスタＱ１のエミッタ、コレクタおよび放電用抵抗Ｒ３の直列回路に並列に接続される。そして、負荷電流検出用抵抗Ｒ２は、負荷である一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる直流電流の電流値を検出する。なお、負荷電流を検出する構成としては、負荷電流検出用抵抗Ｒ２などの抵抗に限らず、直流電流を検出できるいずれの構成でもよい。例えば、ホールＣＴを用いた直流電流検出器などを用いることもできる。
【００３９】
アーク検出回路３５における負荷電圧検出用抵抗Ｒ４の一端は、電流制限用抵抗Ｒ１と二次側の負極端子１１Ａとの接続点Ａに接続されている。また、アーク検出回路３５における負荷電圧検出用抵抗Ｒ５の一端は、負荷電流検出用抵抗Ｒ２の接続点と二次側の正極端子１１Ｂとの接続点Ｂに接続されている。そして、アーク検出回路３５は、負荷電圧Ｖｃの電圧値として負荷電圧検出用抵抗Ｒ４，Ｒ５にて分圧された直流電圧Ｖｒを電圧検出入力する。
【００４０】
また、アーク検出回路３５は、負荷電流検出用抵抗Ｒ２と放電回路３１の放電用抵抗Ｒ３との接続点Ｃに接続されている。そして、アーク検出回路３５は、負荷である一対の電極３Ａ，３Ｂ間に流れる直流電流Ｉｃにより負荷電流検出用抵抗Ｒ２で発生する電圧降下を検出する。
【００４１】
そして、アーク検出回路３５は、検出した負荷電圧Ｖｃの電圧値の降下と検出した負荷電流の上昇とを比較する。これら変位の比較結果に基づいて、放電部４の真空チャンバ５内で生じているグロー放電がアーク放電に遷移したか否かを判断し、アーク放電に遷移したと判断した場合に所定のアーク検出信号を出力する。
【００４２】
アーク消弧制御回路３６は、アーク検出回路３５に接続されるとともにパルス幅制御回路１４に接続されている。そして、このアーク消弧制御回路３６は、アーク検出回路３５から出力されるアーク検出信号を認識し、このアーク検出信号に基づいてパルス幅制御回路１４に所定の出力停止制御信号を出力し、パルス幅制御回路１４から整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗをオフさせるパルス幅変調制御のゲート信号を出力させる。
【００４３】
〔制御系内部構成〕
次に、パルス幅制御回路１４、アーク検出回路３５およびアーク消弧制御回路３６の内部構成について図面に基づいて説明する。
【００４４】
（パルス幅制御回路の内部構成）
パルス幅制御回路１４は、図３のブロック図に示すように、一定周期でパルス出力する図示しないクロック機構からそのパルスタイミングを認識するキャリア部４１が設けられている。また、パルス幅制御回路１４には、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗから出力される直流電力の電圧値を検出して、この電圧値をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換部４２が設けられている。
【００４５】
また、キャリア部４１には、図４に示すような、三相正弦波テーブルが記憶された波形記憶手段４３が接続されている。この三相正弦波テーブルは、各相の電源電圧値と時間との関係で構成された三相波形テーブル（図４（Ａ））と、この三相波形テーブルに対応して正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通状態と時間との関係で構成された整流波形テーブル（図４（Ｂ））とを有している。そして、整流波形テーブルは、三相波形テーブルの各相の電源電圧値に対応して波形の１周期を６分割した各期間Ｔ１〜Ｔ６に対応して導通状態のパルス幅のパターンが設定されている。
【００４６】
また、キャリア部４１には、関数記憶手段４４が接続されている。この関数記憶手段４４には、図５に示すような波形で正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを導通状態にするための所定の包絡線パターンの関数テーブルが記憶されている。この関数テーブルは、起動後の所定期間内にパルス状の導通状態に制御するためのものである。
【００４７】
すなわち、図５に示すように、関数テーブルには、非導通状態の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに徐々に電流が流れるようにキャリア部４１の定周波パルスに対応して追値制御する包絡線パターンである立ち上げ期間Ｔｓの関数テーブルと、整流回路１２で整流され平滑回路で平滑された直流電力を所定の出力値に設定するために正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに所定の電流が流れるようにキャリア部４１の定周波パルスに対応して定値制御する導通期間Ｔｎの関数テーブルとがある。これら関数テーブルにより、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗがパルス状の導通状態にパルス幅変調制御される。
【００４８】
なお、関数テーブルとしては、所定の包絡線パターンとなる時間と電流との関係、時間と直流電圧の出力との関係などを示すグラフやマップ関数など、いずれのものでもできる。また、パルス幅制御回路１４は、波形記憶手段４３および関数記憶手段４４に記憶する三相正弦波テーブルや関数テーブルを設定入力可能となっている。
【００４９】
さらに、キャリア部４１には、ＰＩＤ制御回路部４５が接続されている。このＰＩＤ制御回路部４５は、実際に出力される直流電力の電圧値をフィードバック制御する。すなわち、ＰＩＤ制御回路部４５は、アナログ／デジタル変換部４２で認識した電圧値と、関数記憶手段４４に記憶された目標値となる関数テーブルとの偏差、この偏差の積分値、偏差の微分値によってフィードバック信号を出力する。
【００５０】
そして、このＰＩＤ制御回路部４５には、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各ゲートに接続され、実際に通電状態にするためにパルス状のゲート信号を出力するＰＷＭパターン制御部４６が接続されている。
【００５１】
このように、パルス幅制御回路１４は、関数テーブルに基づいて正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通状態をＰＩＤ制御して、出力する直流電力をフィードバック制御する。
【００５２】
なお、整流回路１２に入力される各Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相交流電源電圧は、図４（Ａ）に示すように、各期間Ｔ１〜Ｔ６において、二つの相が同じ極性となる一方、残りの相が逆の極性となる。また、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５における各波形は、互いに同形状であり、期間Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６における各波形は、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５の各波形と正負が逆となっている。
【００５３】
このことにより、パルス幅制御回路１４は、この図４（Ａ）に示すような三相交流波形に対応して、図４（Ｂ）に示すように、各相に対応する正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの各ゲートにパルス状のゲート信号を出力する。このことにより、各期間Ｔ１〜Ｔ６において、逆極性となる１つの相を基準として、他の２つの相のそれぞれについて整流し、直流電力に整流する制御をする。
【００５４】
例えば、期間Ｔ３では、期間Ｔ３の開始から終了までの間、負極用自己消弧素子１９Ｗを導通状態にする。さらに、正極用自己消弧素子１８Ｖ，１８Ｕ，１８Ｗのそれぞれにパルス状のゲート信号を順次送り、これらの正極用自己消弧素子１８Ｖ，１８Ｕ，１８Ｗを順次導通状態にする。このようにして、期間Ｔ３において、第１整流モード、第２整流モードおよび閉回路モードを繰り返し実施するように制御する。
【００５５】
また、期間Ｔ４では、期間Ｔ４の開始から終了までの間、正極用自己消弧素子１８Ｖを導通状態にする。さらに、負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｗ，１９Ｖのそれぞれにパルス状のゲート信号を順次送り、これらの負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｗ，１９Ｖを順次導通状態にする。このようにして、期間Ｔ４において、第１整流モード、第２整流モードおよび閉回路モードを順次実施する。
【００５６】
そして、期間Ｔ２から期間Ｔ３へ移行する際には、Ｖ相の電圧極性が負から正に反転する。このため、この極性の反転に対応して、パルス幅制御回路１４は、Ｖ相の極性が反転した時点から所定時間が経過するまでの間、具体的には、期間Ｔ３の開始から終了までの間、負極用自己消弧素子１９Ｖを導通状態にする。
【００５７】
また、期間Ｔ３から期間Ｔ４へ移行する際には、Ｕ相の電圧の極性が正から負に反転する。このため、この極性の反転に対応して、パルス幅制御回路１４は、Ｕ相の極性が反転した時点から所定時間が経過するまでの間、具体的には、期間Ｔ４の開始から終了までの間、正極用自己消弧素子１８Ｕを導通状態にする。
【００５８】
（アーク検出回路の内部構成）
アーク検出回路３５は、図２に示すように、負荷電圧検出回路５１と、負荷電流検出回路５２と、コンパレータ回路５３とを備えている。負荷電圧検出回路５１は、負荷電圧検出部３３により構成され、第１の分圧回路５６、第１のバッファ５７、第１のノイズルフィルタ５８および第１のピークホールド回路５９を備えている。また、負荷電流検出回路５２は、負荷電流検出用抵抗Ｒ２にて負荷電流検出手段３４を構成し、第２の分圧回路６１、第２のバッファ６２および第２のピークホールド回路６３を備えている。コンパレータ回路５３は、負荷電圧検出回路５１および負荷電流検出回路５２にそれぞれ接続され、負荷電圧検出回路５１にて検出する電圧検出値と、負荷電流検出回路５２にて検出する電流検出値とを比較して、適宜アーク検出信号を出力する。
【００５９】
負荷電圧検出回路５１は、図１に示す電源装置２の負荷電圧検出回路３３により分圧された負荷電圧Ｖｃを検出し、この検出した負荷電圧Ｖｃを第１の分圧回路５６にて分圧して第１の分圧電圧とする。この第１の分圧電圧に含まれるリップル成分であるノイズ成分を第１のバッファ５７と第１のノイズフィルタ５８とにより除去、すなわち平均化する。このノイズが除去された第１の分圧電圧のピーク値を第１のピークホールド回路５９により保持し、この第１のピークホールド回路５９から第１のピークホールド信号をコンパレータ回路５３に出力する。なお、第１のピークホールド回路５９には、例えば感度調整ボリューム６５が接続されている。そして、この第１のピークホールド回路５９のピークホールドレベルは、感度調整ボリューム６５によって調整可能となっている。
【００６０】
負荷電流検出回路５２は、図１に示す電源装置２の接続点Ｂ，Ｃから、負荷電流Ｉｃが負荷電流検出用抵抗Ｒ２で発生させる電圧降下を検出する。この検出した電圧降下を第２の分圧回路６１で分圧、すなわち所定レベルでクランプして第２の分圧電圧とする。この第２の分圧電圧のインピーダンス変換を第２のバッファ６２で実施した後、第２の分圧電圧のピーク値を第２のピークホールド回路６３により保持し、この第２のピークホールド回路６３から第２のピークホールド信号をコンパレータ回路５３に出力する。
【００６１】
コンパレータ回路５３は、負荷電圧検出回路５１から出力された負荷電圧Ｖｃに相当する第１のピークホールド信号と、負荷電流検出回路５２から出力された負荷電流Ｉｃに相当する第２のピークホールド信号とを比較する。この比較は、アーク放電に遷移したことを判別する条件に一致するか否かで判断し、適宜アーク放電信号を出力する。ここで、コンパレータ回路５３から出力されるアーク検出信号は、ハイレベルとする。
【００６２】
ここで、アーク検出回路３５におけるグロー放電からアーク放電への遷移を認識する負荷電圧Ｖｃと負荷電流Ｉｃによる電圧降下の変位の比較条件、すなわち電圧変位の比較条件について説明する。
【００６３】
電圧変位の比較条件は、電源装置２の電流制限用抵抗Ｒ１の設定抵抗値と、アーク放電の発生により電極３Ａ，３Ｂ間に流れるアーク電流により推定される電極３Ａ，３Ｂ側のインピーダンス値の比とによって設定される。なお、電流制限用抵抗Ｒ１は、電極３Ａ，３Ｂに対して直列抵抗となっているので、図６に示すように、電流制限用抵抗Ｒ１と電極３Ａ，３Ｂとを含む直列回路の両端の電圧をＶ０、電流制限用抵抗Ｒ１の両端における電圧をＶｒ、電極３Ａ，３Ｂの両端における電圧をＶｃとする。また、アーク放電の発生の際に電極３Ａ，３Ｂ間に印加される電圧を通常値の例えば１０％程度に設定する。そして、正常にグロー放電が生じている時、Ｖ０、Ｖｒ、Ｖｃは以下の数式および図７に示す電圧関係となる。
【００６４】
Ｖｒ＝Ｖ０×（１０／１００）＝０．１Ｖ０
Ｖｃ＝Ｖ０×（９０／１００）＝０．９Ｖ０
【００６５】
このように、正常にグロー放電が発生している場合には、Ｖｒ＜Ｖｃ（Ｉｃ＜Ｖｃ）となる。しかしながら、アーク放電が発生して負荷電流Ｉｃの値が増大する異常状態では、Ｖｒ＞Ｖｃ（Ｉｃ＞Ｖｃ）と逆転する。
【００６６】
したがって、これらＶｒ、Ｖｃの相関関係に基づいて、Ｖｒに相当する電圧を負荷電流検出用抵抗Ｒ２により発生する電圧降下として検出し、Ｖｃに相当する電圧を負荷電圧検出部３３による分圧される負荷電圧として検出する。そして、アーク検出回路３５は、Ｖｒの変位とＶｃの変位とをコンパレータ回路５３により比較し、Ｖｒ＜Ｖｃの電圧関係が、Ｖｒ＞Ｖｃの電圧関係に変化することを検出することにより、グロー放電からアーク放電への遷移を検出し、パルス幅制御回路にアーク検出信号を出力する
。
【００６７】
（アーク消弧制御回路の内部構成）
アーク消弧制御回路３６は、インバータゲート７１、第１のアンドゲート７２、モノマルチバイブレータ７３、カウンタ７４、第１のリレー７５、第２のリレー７６、パルス波発生器７７および第２のアンドゲート７８を備えている。
【００６８】
インバータゲート７１は、アーク検出回路３５に接続されている。このインバータゲート７１は、アーク検出回路３５から出力されたアーク検出信号であるハイレベルを反転させてローレベルとして出力する。
【００６９】
第１のアンドゲート７２は、このインバータゲート７１に接続されている。この第１のアンドゲート７２は、インバータゲート７１から出力されたアーク検出信号であるローレベルと、制御盤に設けられた外部操作回路により設定入力されるスタート／ストップ信号との論理和を出力する。ここで、外部操作回路によるストップ信号はローレベルとし、スタート信号はハイレベルとする。
【００７０】
モノマルチバイブレータ７３は、第１のアンドゲート７２に接続され、アーク放電への遷移を認識した場合に電源装置２の動作を一定時間停止させる停止信号を出力する回路である。このモノマルチバイブレータ７３は、第１のアンドゲート７２から出力された論理和の信号がハイレベルの場合、このハイレベルの信号を出力する。また、モノマルチバイブレータ７３は、第１のアンドゲート７２から出力された論理和の信号がローレベルの場合、すなわちアーク放電への遷移が認識された場合、設定された一定時間の間、停止信号であるローレベルを出力する。
【００７１】
カウンタ７４は、モノマルチバイブレータ７３に接続されている。このカウンタ７４は、モノマルチバイブレータ７３から出力される停止信号の出力回数を計数する。そして、この計数した停止信号の出力回数が所定値に達した時点で、所定の信号であるオン信号を出力する。
【００７２】
第１のリレー７５は、カウンタ７４に接続されている。この第１のリレー７５は、カウンタ７４から出力される信号に基づいてオン・オフする。すなわち、カウンタ７４から出力される停止信号の出力回数が所定値に達した旨のオン信号に基づいてオンし、異常の発生を知らせる旨の第１のトリップ信号を出力する。なお、この出力された第１のトリップ信号は、例えば制御盤などに出力され、電源装置２の動作を停止させるとともに、放電部４の真空チャンバ５内でアーク放電が生じている旨を報知させる。この報知により、オペレータは、アーク放電の発生原因を取り除く処理が促される。
【００７３】
第２のリレー７６は、モノマルチバイブレータ７３に接続されている。この第２のリレー７６は、モノマルチバイブレータ７３から出力される停止信号に基づいてオン・オフする。すなわち、モノマルチバイブレータ７３から出力される停止信号に基づいてオンし、異常の発生を知らせる旨の第２のトリップ信号を出力する。なお、この出力された第２のトリップ信号は、停止信号が出力されている間オンが継続し、例えば制御盤などに出力され、電源装置２の動作を停止させる。さらに、例えば制御盤などに配設された「ヒートオフ」の表示ランプを点灯させ、電源装置２の出力が停止して真空チャンバ５内の放電が停止していることを報知させる。
【００７４】
第２のアンドゲート７８は、モノマルチバイブレータ７３および制御盤に設けられた外部操作回路により設定入力されるスタート／ストップ信号が入力可能に接続されている。さらに、第２のアンドゲート７８は、パルス幅制御回路１４が接続されている。そして、第２のアンドゲート７８は、モノマルチバイブレータ７３から出力される停止信号と、外部操作回路によるスタート／ストップ信号との論理和を制御信号としてパルス幅制御回路１４に出力する。すなわち、第２のアンドゲート７８は、モノマルチバイブレータ７３から出力された停止信号がハイレベルの場合には、基準パルス信号をパルス幅制御回路１４に制御信号として出力する。また、第２のアンドゲート７８は、モノマルチバイブレータ７３から出力された停止信号が一定時間のローレベルの場合には、パルス幅制御回路１４の出力を停止させ、電源装置２の動作を一定時間停止させる。
【００７５】
〔窒化処理装置の動作〕
次に、上記実施の形態の窒化処理装置１の具体的な動作を説明する。
【００７６】
（グロー放電の動作）
まず、電源装置２から一対の直流電力を供給してグロー放電させるために、パルス幅制御回路１４により三相交流を直流に整流する具体的な動作を説明する。なお、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５の各波形は互いに同形状で、期間Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６の各波形は、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５の各波形と正負が逆ではあるが同形状であるため、期間Ｔ３，Ｔ４における動作を説明し、期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ５，Ｔ６における動作については、期間Ｔ３，Ｔ４と同様となるため説明を省略する。
【００７７】
電源装置２の整流回路１２には、図４（Ａ）に示すような正弦波状に変化する三相交流電圧が印加される。この状態では、期間Ｔ３において、この期間Ｔ３の開始から終了まで、図４（Ｂ）に示すように、パルス幅制御回路１４によりＷ相の負極用自己消弧素子１９Ｗが導通状態となる。また、期間Ｔ３への移行の際、Ｖ相の電圧極性が負から正に反転するので、期間Ｔ３の開始から終了までの間、パルス幅制御回路１４によりＶ相の負極用自己消弧素子１９Ｖが導通状態となる。
【００７８】
この状態で、Ｖ相の正極用自己消弧素子１８Ｖがパルス幅制御回路１４により導通され、整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｖおよび負極用自己消弧素子１９Ｗで整流された直流電圧が直流リアクトル２６を介して電極３Ａ，３Ｂ間に印加されて、第１整流モードが実施される。この第１整流モードでは、三相交流のＶ相の電圧は正で、Ｗ相の電圧は負となっているので、電流はＶ相からＷ相へ流れる。
【００７９】
続いて、Ｕ相の正極用自己消弧素子１８Ｕがパルス幅制御回路１４により導通され、整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｕおよび負極用自己消弧素子１９Ｗで整流された直流電圧が直流リアクトル２６を介して電極３Ａ，３Ｂ間に印加され、第２整流モードが実施される。この第２整流モードでは、三相交流のＵ相の電圧は正で、Ｗ相の電圧は負となっているので、電流はＵ相からＷ相へ流れる。
【００８０】
次に、Ｗ相の正極用自己消弧素子１８Ｗがパルス幅制御回路１４により導通され、整流回路１２および電極３Ａ，３Ｂが閉回路を形成する。この閉回路に直流リアクトル２６の誘導電流が循環し、閉回路モードが実施される。
【００８１】
なお、この期間Ｔ３における各第１整流モード、第２整流モードおよび閉回路モードでの各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのパルス幅制御回路１４による導通状態の制御は、パルス幅制御回路１４がキャリア部４１における定周波パルスのタイミングで、各相の波形を認識する。この認識した波形と波形記憶手段４３の三相正弦波テーブルとを対応させて、期間Ｔ３を認識する。そして、この期間Ｔ３における図４（Ｂ）に示すような各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通状態とする導通パターンを選択する。
【００８２】
そして、パルス幅制御回路１４は、この導通パターンに基づいてＰＷＭパターン制御部４６から各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのゲートにパルス状のゲート信号を出力させて、導通パターンに則った導通状態に制御する。
【００８３】
ここで、ＰＷＭパターン制御部４６からのゲート信号にて導通状態にする際には、非導通状態からの起動後の所定時間内に、図５に示すような所定の包絡線となる関数テーブルに基づいてパルス幅変調制御される。すなわち、まず立ち上げ期間Ｔｓの関数テーブルに基づいて、図５に示すように非導通状態の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに徐々に電流が流れるような所定の包絡線に沿うように、キャリア部４１の定周波パルスのタイミングで追値制御する。そして、所定の電流値に達した後は、導通期間Ｔｎの関数テーブルに基づいて、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに所定の電流が導通パターンに則った時間で流れるように、キャリア部４１の定周波パルスのタイミングで定値制御して、導通パターンにおける１パルスの導通状態にパルス幅変調制御する。
【００８４】
また、パルス幅制御回路１４は、アナログ／デジタル変換部４２で認識した正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗから出力される直流電力の電圧値と関数テーブルとの偏差、この偏差の積分値、偏差の微分値によって、フィードバック信号をＰＷＭパターン制御部４６に出力して、出力するゲート信号を制御し、適切な電圧値の直流電力に整流して出力させる。
【００８５】
そして、期間Ｔ３が完了し、期間Ｔ４へ移行すると、図４（Ｂ）に示すように、Ｖ相の正極用自己消弧素子１８Ｖが期間Ｔ４全体を通してパルス幅制御回路１４により導通状態に制御される。この期間Ｔ４への移行の際、Ｕ相の電圧極性が正から負に反転するので、期間Ｔ４の開始から終了までの間、正極用自己消弧素子１８Ｕがパルス幅制御回路１４により導通状態に制御される。
【００８６】
この状態で、Ｕ相の負極用自己消弧素子１９Ｕがパルス幅制御回路１４により導通されると、整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｖおよび負極用自己消弧素子１９Ｕで整流された電流が直流リアクトル２６を介して平滑回路１３に流れ、第１整流モードが実施される。この際、三相交流のＶ相の電圧は正で、Ｕ相の電圧は負となっているので、電流はＶ相からＵ相へ流れる。
【００８７】
続いて、Ｗ相の負極用自己消弧素子１９Ｗがパルス幅制御回路１４により導通されると、整流回路１２の正極用自己消弧素子１８Ｖおよび負極用自己消弧素子１９Ｗで整流された直流電圧が直流リアクトル２６を介して電極３Ａ，３Ｂ間に印加され、第２整流モードが実施される。この際、三相交流のＶ相の電圧は正で、Ｗ相の電圧は負となっているので、電流はＶ相からＷ相へ流れる。
【００８８】
次に、Ｖ相の負極用自己消弧素子１９Ｖがパルス幅制御回路１４により導通され、整流回路１２および電極３Ａ，３Ｂが閉回路を形成する。この閉回路に直流リアクトル２６の誘導電流が循環し、閉回路モードが実施される。
【００８９】
この期間Ｔ４における各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのパルス幅制御回路１４による導通状態の制御も、上述した期間Ｔ３と同様に、関数テーブルに基づいて、期間Ｔ４における導通パターンに則り、ＰＩＤ制御にて整流する直流電力をフィードバック制御する。
【００９０】
ここで、期間Ｔ３の最後の閉回路モードにおいて、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕのカソードは、直流リアクトル２６および負荷である一対の電極３Ａ，３Ｂを介してＷ相と導通する。このため、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕのカソードの電位が負電位のＷ相とほぼ同電位となるとともに、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕには、順方向の電界が加わるので、そのアノードもＷ相とほぼ同電位となる。
【００９１】
また、正極用自己消弧素子１８Ｕは、遮断状態となっている。このため、この正極用自己消弧素子１８Ｕの両端には、電荷が溜まる。この結果、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕには、期間Ｔ３の最後の閉回路モードにより溜まった逆方向の電荷により、Ｕ相電圧およびＷ相電圧の電位差とほぼ等しい逆電圧が生じる。
【００９２】
そして、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕの両端に逆電位が加わった状態で、期間Ｔ４に移行し、最初の第１整流モードが実行される。この第１整流モードの実行により、正極用自己消弧素子１８Ｖを介して、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕのカソード側はＶ相に導通され、正極用ブロッキングダイオード２０ＵにはＶ相の電圧が印加される。
【００９３】
ここで、Ｖ相の電位は正電圧であり、Ｕ相の電位は負電位であるので、期間Ｔ３で溜まった逆方向の電荷が放電されないで残っていると、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕには、大きな逆方向電圧が加わることとなる。
【００９４】
一方、期間Ｔ４では、負極用自己消弧素子１９Ｕがパルス幅制御回路１４により導通状態となるので、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕは、このアノードとカソードとが、直流リアクトル２６、負荷である一対の電極３Ａ，３Ｂ、負極用ブロッキングダイオード２１Ｕ、負極用自己消弧素子１９Ｕおよび正極用自己消弧素子１８Ｕを介して導通される。そして、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕの両端に蓄積された電荷が放電される。これにより、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕの両端に加わっていた電荷が放電され、電荷による逆方向電圧は０Ｖとなる。
【００９５】
この状態で、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕに逆方向のＶ相電圧が印加されても、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕの両端の電荷が放電されているので、正極用ブロッキングダイオード２０Ｕに、大きな逆方向電圧が加わることがない。
【００９６】
このようにして、整流回路１２で整流されて平滑回路１３で平滑された直流電圧が、一対の電極３Ａ，３Ｂ間に印加する。この電極３Ａ，３Ｂ間に印加された直流電圧により、放電部４の真空チャンバ５内に所定の圧力で導入される窒素ガスなどのガスの分子をイオン化させ、電極３Ａ，３Ｂ間にグロー放電を生じさせ、陰極３Ｂとして設置される被処理物の表面を窒化処理する。
【００９７】
また、電源装置２の放電回路３１の放電用トランジスタＱ１は、パルス幅制御回路１４のパルス幅変調制御にて整流した直流電力の供給・非供給に対応してパルス幅制御回路１４にて適宜オフ・オンされる。
【００９８】
この正常なグロー放電が生じている場合には、アーク検出回路３５で検出する負荷電圧Ｖｃのピークホールド値、および、負荷電流Ｉｃのピークホールド値は、アーク放電への遷移条件となるＶｒ＞Ｖｃ（Ｉｃ＞Ｖｃ）となっていない。このため、アーク検出回路３５は、コンパレータ回路５３からアーク消弧制御回路３６にアーク検出信号を出力しない。
【００９９】
そして、アーク消弧制御回路３６は、アーク検出回路３５からアーク検出信号のローレベルを検出しないので、アーク消弧制御回路３６が正常である信号をパルス幅制御回路１４に出力させ、整流回路１２の各正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを三相交流の正弦波に対向して適宜パルス状にオン・オフさせ、直流電力を電極３Ａ，３Ｂに継続して供給する。
【０１００】
（アーク放電による停止）
一方、グロー放電を生じさせて窒化処理を継続すると、例えば被処理物の表面近傍に存在する気泡が破れて気泡内の空気やガスが真空チャンバ５内に流入し、真空チャンバ５内の所定の真空状態が保持できなくなる。このことにより、グロー放電からアーク放電に遷移する。
【０１０１】
このアーク放電の発生により、図７に示すように、アーク検出回路３５は、負荷電圧Ｖｃのピークホールド値が急激に低下するとともに、負荷電流Ｉｃのピークホールド値は急激に増大し、Ｖｒ＜Ｖｃ（Ｉｃ＜Ｖｃ）の電圧関係が、Ｖｒ＞Ｖｃ（Ｉｃ＞Ｖｃ）の電圧関係に逆転する。このため、アーク検出回路３５は、これら電圧変位が入力されたコンパレータ回路５３でＶｒ＞Ｖｃ（Ｉｃ＞Ｖｃ）であるとの比較結果となり、グロー放電からアーク放電へ遷移されたことを検出し、ハイレベルのアーク検出信号をアーク消弧制御回路３６に出力する。
【０１０２】
このアーク検出回路３５からのアーク検出信号を検出したアーク消弧制御回路３６は、モノマルチバイブレータ７３から一定時間の停止信号を出力してパルス幅制御回路１４への出力を一定時間停止させる。この出力の停止により、パルス幅制御回路１４は一定時間、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗをオフさせ、電極３Ａ，３Ｂへの直流電力の供給を一定時間停止させる。アーク放電を検出し制御回路１２がオフしたタイミングでオンし電極３Ａ，３Ｂ間の蓄積電荷を放出させる。このようにして、窒化処理装置１における異常放電時の蓄積電荷の消滅を早くする。この直流電力の供給の停止は、パルス幅変調制御によりパルス状に正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗが導通状態となって直流電力を供給しているので、パルス状の導通状態を停止させればよく、図５に示すように直ちに非導通状態となってアーク放電が直ちに停止できる。
【０１０３】
さらに、アーク消弧制御回路３６のモノマルチバイブレータ７３からの停止信号の出力により、第２のリレー７６がオンする。この第２のリレー７６のオンにより、例えば「ヒートオフ」の表示による電源装置２の直流電力の供給停止により放電を停止している旨が報知される。
【０１０４】
また、アーク消弧制御回路３６のカウンタ７４により、停止信号の出力回数が計数される。そして、カウンタ７４は、この計数した停止信号の出力回数が所定の回数に達したことを認識することによりオン信号を出力し、第１のリレー７５をオンさせる。この第１のリレー７５のオンにより、電源装置２の動作を停止させるとともに、アーク放電が継続して発生していることを報知させ、オペレータにアーク放電の発生原因を取り除く処理を促す。
【０１０５】
〔窒化処理装置の効果〕
上述した本実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。
【０１０６】
すなわち、整流回路１２の非導通状態の正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを、供給される三相交流電源７の正弦波に対応してそれぞれパルス幅を可変しパルス状の導通状態とするパルス幅変調制御して三相交流を直流に整流し、二次側の負極端子１１Ａおよび正極端子１１Ｂ間に接続した一対の電極３Ａ，３Ｂに供給してグロー放電させる。そして、このグロー放電中の電極３Ａ，３Ｂ間の負荷電圧Ｖｃおよび電圧降下、負荷電流および電流上昇を検出して各変位を比較し、グロー放電からアーク放電への遷移を認識する。このアーク放電への遷移の認識により、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのパルス状の導通状態を停止すなわちオフさせる。このため、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗによる消弧作用にて、アーク放電への遷移を認識して導通状態を停止して非導通状態にパルス幅変調制御する際に、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗは直ちに確実に非導通状態となり、確実にアーク放電による電極３Ａ，３Ｂや被処理物などの損傷を防止できる。
【０１０７】
また、整流回路１２を構成する正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを、三相正弦波パターンに基づいて所定のパターンでパルス状に導通状態とする際に、非導通状態から所定の導通状態に起動する所定時間内に、図５に示すように次第に電流が流れるような包絡線となる立ち上げ期間Ｔｓの関数テーブルに基づいて所定のパルス幅変調制御する。このため、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗに突入電流が流れるなどの負荷を低減でき、確実に正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗを保護できる。
【０１０８】
そして、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗにより整流するため、これら正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの消弧作用により、導通状態から非導通状態に制御する際に、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗは確実に非導通状態となる。このため、従来のサイリスタに時定数回路を組み合わせて位相制御する場合に比して、高精度な制御ができる。
【０１０９】
また、追値制御および定値制御の双方を組み合わせたパルス変調制御とするので、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通状態の制御が容易にできる。
【０１１０】
さらに、パルス幅変調制御を関数に基づいて制御するので、ＰＩＤ制御により整流した直流電力と関数テーブルとからフィードバック信号を出力させて制御するため、より正確で適切な制御が容易にできる。
【０１１１】
そして、関数記憶手段４４に記憶した時間と直流電圧の出力との関係を示すグラフ、マップおよび関数のうちのいずれか１つの包絡線パターンである関数テーブルに従って制御する。このため、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの負荷を低減した追値制御および定値制御によるパルス変調制御が容易にできる。
【０１１２】
また、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗとして高速スイッチング素子を用いるため、出力すべき電力に応じて正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗの導通時間を細かく調節することもでき、きめ細かいパルス幅変調制御ができ、適切な電力量を供給できる。
【０１１３】
〔他の実施の形態〕
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
【０１１４】
例えば、三相交流電力を直流電力に整流する構成について説明したが、三相に限られない。
【０１１５】
そして、パルス変調制御としてパルス幅変調制御について説明したが、例えば信号波の振幅に対応してパルスの高さすなわち振幅（amplitude）を変えるＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）、パルスの継続時間（duration）を変えるＰＤＭ（Pulse Duration Modulation）、周波数変調に対応してパルスの位置（position）を変えるＰＰＭ（Pulse Position Modulation）、２進数字などの符号（code）に変換してパルスを生ずるＰＣＭ（Pulse Code Modulation）など、他のパルス変調方式による制御でもできる。
【０１１６】
また、窒化処理の窒化処理装置１について説明したが、他のいずれのグロー放電装置にも適用できる。また、グロー放電装置のみに適用されるものではなく、三相交流を整流した直流電力を負荷としての一対の電極３Ａ，３Ｂに供給するいずれの電力供給装置である電源装置２にも対応できる。
【０１１７】
そして、整流回路１２の交流入力部分に交流リアクトル２３およびコンデンサＣ１を設けて説明したが、これら交流リアクトル２３およびコンデンサＣ１を設けない構成でもできる。なお、整流回路１２の交流入力部分に設けたコンデンサＣ１が、正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗのスイッチング動作の電力の供給源、および発生するサージ電圧を吸収し、モード切替時などのスイッチング動作時に発生する高調波の交流電源側への逆流が抑制される。また、パルス幅変調制御において発生するキャリア波の高周波成分電流は、交流リアクトル２３がコンデンサＣ１を通過した高周波成分電流の交流電源側への逆流を阻止するので、整流回路１２が正極用自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗおよび負極用自己消弧素子１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗをスイッチングさせるキャリア波を発生させても、このキャリア波の高周波成分が交流電源側に漏れることを防止できる。したがって、スイッチング動作により発生する雑音としての高調波、および、スイッチング動作に必要な制御信号であるキャリア波に含まれる高周波成分の両方が交流電源側へ逆流せず、交流電源側の電流に含まれる高調波成分が確実に低減できるので、これらコンデンサＣ１および交流リアクトル２３を設けることが好ましい。
【０１１８】
また、第１整流モード、第２整流モードおよび閉回路モードを順次繰り返し、１／６周期の間に、３つのモードを三回ずつ実施する構成について説明したが、これに限らず、これらのモードを、１／６周期の間に、二回以下、あるいは、四回以上実施する構成としてもよい。
【０１１９】
さらに、整流回路１２の自己消弧素子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗ，１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗにダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗ，２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗをそれぞれ直列に接続して説明したが、ダイオード２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗ，２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗを用いなくてもできる。
【０１２０】
また、負荷電圧を検出する負荷電圧検出回路３２としては、負荷電圧検出用抵抗Ｒ４，Ｒ５の直列回路およびアーク検出回路３５の構成に限らず、いずれの構成で電極間の放電時の負荷電圧Ｖｃを検出できる。同様に、電圧降下を検出する構成としては、負荷電流検出用抵抗Ｒ２およびアーク検出回路３５の構成に限らず、いずれの構成でもできる。
【０１２１】
【発明の効果】
本発明によれば、整流回路の自己消弧素子を、交流電力の正弦波に対応してパルス変調制御して交流電力を直流電力に整流し電極に供給してグロー放電させ、グロー放電中の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出して各変位を比較してアーク放電への遷移を認識した場合、自己消弧素子のパルス状の導通状態を停止させるため、自己消弧素子による消弧作用にて、アーク放電への遷移を認識して導通状態を停止して非導通状態に制御する際に、自己消弧素子は直ちに確実に非導通状態となり、確実にアーク放電による電極などの損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る窒化処理装置を示す回路図である。
【図２】同上の窒化処理装置の電源装置を構成するアーク検出回路およびアーク消弧制御制御回路を示すブロック図である。
【図３】同上の誘導加熱装置を構成するコンバータのパルス幅制御回路の内部構成を示すブロック図である。
【図４】同上パルス幅制御回路によるパルス幅変調制御の動作を説明するための波形図である。（Ａ）三相正弦波形図（Ｂ）導通パターンの波形図
【図５】同上パルス幅変調制御による導通状態の１パルスの波形図を示す説明図である。
【図６】同上アーク検出回路で検出する負荷電圧および電圧降下の変位の比較条件を説明する回路図である。
【図７】同上グロー放電からアーク放電へ遷移する際の負荷電圧および負荷電流の変位を示すグラフである。
【図８】従来例のコンバータによる導通状態の１パルスの波形図を示す説明図である。
【符号の説明】
１ グロー放電装置としての窒化処理装置
２ 電源装置
３Ａ 電極である陽極
３Ｂ 電極である陰極
５ 真空槽としての真空チャンバ
１０Ｕ 一次側端子であるＵ相端子
１０Ｖ 一次側端子であるＶ相端子
１０Ｗ 一次側端子であるＷ相端子
１１Ａ 二次側端子である正極端子
１１Ｂ 二次側端子である負極端子
１２ 整流回路
１４ パルス変調制御手段としてのパルス幅制御回路
１５ アーク放電検出手段
１６ 制御手段
１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗ 自己消弧素子である正極用自己消弧素子
１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗ 自己消弧素子である負極用自己消弧素子
Claims (9)
- 交流電力を直流電力に整流して真空雰囲気中に配設された一対の電極に供給してグロー放電を生じさせるグロー放電装置の電力供給方法であって、
前記交流電力が供給される一次側端子の各相と前記一対の電極にそれぞれ接続され直流電力を出力する二次側端子の正極および負極との間にそれぞれ自己消弧素子を設けた整流回路と、
この整流回路と前記一対の電極との間に設けられる放電回路と、
前記整流回路にて前記交流電力を前記直流電力に整流し前記二次側端子から前記電極に供給して前記一対の電極間でグロー放電させるとともに、前記放電回路に接続し、前記放電回路にて前記一対の電極間の蓄積電荷を放出させる制御手段とを構成し、
前記制御手段により、前記整流回路の各自己消弧素子を、前記交流電力の正弦波に対応してそれぞれ所定の導通状態にパルス変調制御して前記交流電力を直流電力に整流し、前記二次側端子から前記一対の電極に供給させてグロー放電させるとともに、
前記グロー放電中の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出し、これらの各変位を比較してグロー放電からアーク放電への遷移を認識し、このアーク放電への遷移の認識により前記自己消弧素子の導通状態を停止し、
前記直流電力の供給の停止のタイミングで、前記放電回路にて前記一対の電極間の前記蓄積電荷を放出させる
ことを特徴とするグロー放電装置の電力供給方法。 - 請求項１に記載のグロー放電装置の電力供給方法において、
パルス変調制御は、起動後の所定時間内に、所定の包絡線パターンに従って追値制御した後に二次側端子からの出力が所定値となるように定値制御する
ことを特徴とするグロー放電装置の電力供給方法。 - 請求項２に記載のグロー放電装置の電力供給方法において、
時間と直流電圧の出力との関係を示すグラフ、マップおよび関数のうちのいずれか１つの包絡線パターンを記憶する記憶手段を設け、
この記憶手段に記憶された包絡線パターンに従ってパルス変調制御する
ことを特徴とするグロー放電装置の電力供給方法。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載のグロー放電装置の電力供給方法において、
自己消弧素子として高速スイッチング素子が用いられる
ことを特徴とするグロー放電装置の電力供給方法。 - 交流電力が供給される一次側端子と、
真空雰囲気中に配設された一対の電極に接続されて直流電力を出力する二次側端子と、
前記一次側端子の各相と前記二次側端子の正極および負極との間にそれぞれ自己消弧素子が設けられて構成された整流回路と、
この整流回路の各自己消弧素子を前記交流電力の正弦波に対応してそれぞれ所定の導通状態にパルス変調制御して前記交流電力を前記直流電力に整流し前記二次側端子から前記電極に供給して前記一対の電極間でグロー放電させるパルス変調制御手段と、
前記グロー放電中の一対の電極間の負荷電圧および電圧降下と負荷電流および電流上昇との少なくともいずれか一方を検出し、これらの各変位を比較してグロー放電からアーク放電へ遷移したことを認識し、前記パルス変調制御手段により自己消弧素子の導通状態を停止させるアーク放電検出手段とを具備し、
前記アーク放電検出手段は、前記整流回路と前記一対の電極との間に設けられた放電回路を備え、
この放電回路は、前記パルス変調制御手段に接続され、前記パルス変調制御手段による前記直流電力の停止のタイミングにより、前記一対の電極間の蓄積電荷を放出する
ことを特徴としたグロー放電装置の電源装置。 - 請求項５に記載のグロー放電装置の電源装置において、
パルス変調制御手段は、起動後の所定時間内に、所定の包絡線パターンに従って追値制御した後に二次側端子からの出力が所定値となるように定値制御してパルス変調制御する
ことを特徴としたグロー放電装置の電源装置。 - 請求項６に記載のグロー放電装置の電源装置において、
時間と直流電圧の出力との関係を示すグラフ、マップおよび関数のうちのいずれか１つを有する包絡線パターンを記憶する記憶手段を具備した
ことを特徴としたグロー放電装置の電源装置。 - 請求項５ないし７のいずれかに記載のグロー放電装置の電源装置において、
自己消弧素子は、高速スイッチング素子である
ことを特徴としたグロー放電装置の電源装置。 - 請求項５ないし８のいずれかに記載のグロー放電装置の電源装置と、
内部に所定の真空雰囲気を形成する真空槽と、
この真空槽内に配設されて前記電源装置に接続され前記電源装置にて整流された直流電力が供給されてグロー放電する一対の電極とを具備した
ことを特徴としたグロー放電装置。
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