JP6413261B2 - Ｉｃｐ発光分析装置用高周波電源装置 - Google Patents

Description

本発明は高周波電源装置に関し、さらに詳しくは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析装置において、プラズマを生成し維持するために誘導コイルに高周波電力を供給するための高周波電源装置に関する。

ＩＣＰ発光分析装置では、誘導コイルに高周波電力を供給することで形成した電磁場により、アルゴンガスなどのプラズマ生成用ガスを電離させてプラズマを生成及び維持し、該プラズマ中に試料原子を導入する。試料原子はプラズマにより励起され、その励起された原子が低いエネルギ準位に戻るときに原子特有の波長光を放出する。この放出光を分光測定することにより、試料の定性及び定量を行う。

ＩＣＰ発光分析装置では、プラズマに高周波電力を供給するために、例えば周波数が２７[MHz]で数百W〜数kWの高周波電力を供給可能な高周波電源装置を用いて、誘導コイルとコンデンサとにより形成されるＬＣ共振回路を駆動する構成が広く利用されている。こうした構成において高周波電源装置を効率よく動作させるには、高周波電源装置側から見た負荷のインピーダンスが一定であり、且つインピーダンス整合がとれていることが好ましい。

しかしながら、誘導コイルに高周波電流を流すことでプラズマが生成されると、荷電粒子が移動することで発生する誘導電流の作用によって、誘導コイルのインピーダンスが変化する。また、プラズマ生成用ガスや分析対象である試料の状態、或いはプラズマへ供給される電力量などによってプラズマの状態は変化し、この変化に伴い誘導コイルのインピーダンスはさらに変化する。このように誘導コイルのインピーダンスが変化してしまうと、高周波電源装置側から見た負荷インピーダンスが変化することになるため、インピーダンス整合が最適な状態からずれてしまう。

そこで、こうした負荷インピーダンスの変化に対応するため、従来のこの種の高周波電源装置においては、誘導コイルを含むＬＣ共振回路をＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を含むハーフブリッジ回路又はフルブリッジ回路などのスイッチング回路により駆動し、そのＬＣ共振回路中の信号をトランスなどを介して上記半導体スイッチング素子の制御端子（ＭＯＳＦＥＴであればゲート端子）に正帰還させる自励方式の発振回路が利用されている。

図５は、特許文献１に記載の、自励発振を用いた高周波電源装置の概略構成図である。即ち、この回路では、４個のＭＯＳＦＥＴ１４１、１４２、１４３、１４４がフルブリッジ回路を構成し、このフルブリッジ回路から負荷結合インダクタ３０１、３０２、３０３、３０４を介して、誘導コイル３２及びコンデンサ３３を含むＬＣ共振回路３１に電力が供給される。それによってＬＣ共振回路３１に流れる電流は、トランス（誘導結合部）の１次巻線３４により検出され、図示しないフィードバック経路を通して各ＭＯＳＦＥＴ１４１〜１４４のゲート端子にそれぞれフィードバックされる。このような自励発振回路では、プラズマ状態の変化に伴って誘導コイル３２のインピーダンスが変化すると、ＬＣ共振回路３１の共振周波数が自動的に変化する。このため、外部から特別な制御や指示を何ら行うことなく、フルブリッジ回路側から見た負荷インピーダンスが常に最適な関係に保たれ、高い効率で発振を継続させることができるという利点がある。

特表２００９−５３７８２９号公報

ところで、ＩＣＰ発光分析装置では、大気圧雰囲気の下でプラズマを生成させるため、特にプラズマの点灯を開始させる際に、定常的な点灯中に比べて大きな高周波電流を誘導コイルに供給する必要がある。プラズマの点灯特性、つまり点灯のし易さ又はしにくさは、プラズマ生成用ガスの流量、プラズマ生成用ガスの純度、プラズマトーチ形状、プラズマスタンドが置かれた雰囲気、等の影響を受ける。そのため、安定的で良好なプラズマ点灯特性を維持するには、上記のような様々な要因の変動やばらつきを見込んだ上で、十分に余裕のある高周波電流を誘導コイルに供給する必要がある。図５に示した従来の回路において誘導コイル３２への電流を増加させるには、電源電圧＋Ｖccを増加させる必要がある。

ただし、電源電圧＋Ｖccはフルブリッジ回路に使用される半導体スイッチング素子（図５の例ではＭＯＳＦＥＴ１４１〜１４４）の定格電圧の制約を受けるため、電源電圧＋Ｖccを上げることで安定したプラズマ点灯特性を確保するには、電源電圧＋Ｖccの増加に耐え得るような定格電圧の大きな半導体スイッチング素子を使用しなければならない。しかしながら、定格電圧の大きな半導体スイッチング素子はオン抵抗が大きくなるため、高周波電源装置における電力損失の増加に繋がるおそれがある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フルブリッジ回路又はハーフブリッジ回路などのスイッチング回路に使用される半導体スイッチング素子の定格電圧を抑えながら、つまり、オン抵抗の小さい半導体スイッチング素子を使用しながら、プラズマ点灯特性の安定性を維持し、特にプラズマ点灯を安定的に開始させることができる高周波電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、直流電圧源と、プラズマ生成用の誘導コイルとコンデンサとを含むＬＣ共振回路と、前記直流電圧源から供給される直流電力をスイッチングして前記ＬＣ共振回路に与える半導体スイッチング素子を含むスイッチング回路と、を具備し、前記誘導コイルに高周波電力を投入することで大気圧雰囲気の下でプラズマを生成するＩＣＰ発光分析装置用高周波電源装置において、
a)前記スイッチング回路と前記ＬＣ共振回路との間に介挿され、インダクタと、並列接続された複数のコンデンサと、該複数のコンデンサの一部をその並列接続から切り離すスイッチング素子と、を含み、該スイッチング素子により前記複数のコンデンサの接続を切り替えてコンデンサの容量を変化させることでインピーダンス変換率を複数段階に切り替え可能であるとともに、前記スイッチング素子の切替えを制御する信号の変化を鈍化させる時定数回路を含むインピーダンス変換部と、
b)プラズマ点灯開始前とその点灯開始後の定常的な点灯時とで前記インピーダンス変換率を切り替えるように前記インピーダンス変換部を動作させる制御部であり、プラズマが消灯している状態から点灯を開始させるときには前記インピーダンス変換部におけるコンデンサの容量を相対的に大きくして前記ＬＣ共振回路へ相対的に大きな電流を供給し、プラズマが点灯して定常的な状態になるとコンデンサの容量を相対的に小さく切り替える制御部と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る高周波電源装置において、上記スイッチング回路は例えば、複数の半導体スイッチング素子を用いたハーフブリッジ回路又はフルブリッジ回路とすることができる。また、この半導体スイッチング素子としては、典型的には、電力用のＭＯＳＦＥＴを用いればよい。

インピーダンス変換部に含まれる回路素子（インダクタ、コンデンサ）の定数によって決まる複数段階のインピーダンス変換率の一つは、プラズマを定常的に点灯させているときにスイッチング回路から供給される電力が最も効率良くプラズマに投入されるように、つまりプラズマ生成時の電力効率が最大になるように予め調整される。通常、これはインピーダンス整合が最適な状態である。本発明に係る高周波電源装置において、制御部は、プラズマが点灯している期間中に、このようなインピーダンス変換率になるようにインピーダンス変換部のコンデンサの容量を設定する。したがって、プラズマ点灯中には、電力損失を抑え効率的にプラズマ生成状態を維持することができる。

これに対し、プラズマが消灯している状態からプラズマの点灯を開始させるときには、制御部は、より大きな電流をＬＣ共振回路に供給することが可能であるようなインピーダンス変換率となるようにインピーダンス変換部のコンデンサの容量を設定する。このときのインピーダンス変換率つまりコンデンサ容量値も、予め実験等により決めておくことができる。即ち、本発明に係る高周波電源装置では、プラズマ点灯開始時に、スイッチング回路等の電源電圧を増加させることなく、ＬＣ共振回路に含まれる誘導コイルに大きな高周波電流を流すことができる。これにより、ＩＣＰ発光分析装置においてプラズマトーチに大きな交番磁場が発生し、それによってプラズマガス雰囲気中に強い誘導電場が形成される。その結果、プラズマガスの電離が起こり易くなり、安定的にプラズマ点灯が開始される。

ただし、プラズマが点灯した後にインピーダンス変換部のインピーダンス変換率が急に切り替えられると、具体的にはステップ的に切り替えられると、プラズマが消灯するおそれがある。そこで、本発明においてインピーダンス変換部は、並列接続されたコンデンサと、該コンデンサの一部をその並列接続から切り離すスイッチング素子と、を含み、さらに、該スイッチング素子の切替えを制御する信号の変化を鈍化させる時定数回路を備えている。該時定数回路としては例えばＲＣ回路などのローパスフィルタを用いればよい。

このため、プラズマ点灯が開始した後にインピーダンス変換部におけるインピーダンス変換率が切り替えられる際に、コンデンサの容量が急変せず、或る程度緩慢に変化する。それによって、誘導コイルに供給される電流の変化も緩慢になり、その変化によるプラズマの消灯を防止することができる。

本発明に係る高周波電源装置によれば、誘導コイルを含むＬＣ共振回路に電力を供給するスイッチング回路の電源電圧を増加させることなく、プラズマ点灯開始時に誘導コイルに大きな高周波電流を流し、安定的にプラズマを生成することができる。また、プラズマ点灯中には、電力の利用効率が最良又はそれに近い状態に維持されるようにすることができる。

本発明の一実施例である高周波電源装置の概略構成図。 図１中のインピーダンス変換回路の詳細回路構成図。 インピーダンス変換回路における回路定数とプラズマ投入電力との関係を示す図。 インピーダンス変換回路における回路定数とプラズマ生成時の電力効率との関係を示す図。 従来の自励発振を用いた高周波電源装置の概略構成図。

以下、本発明の一実施例として、ＩＣＰ発光分析装置のプラズマ生成用に用いられる高周波電源装置について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例の高周波電源装置の概略構成図である。

ＩＣＰ発光分析装置のプラズマトーチ（図示せず）中にプラズマを生成するべく該プラズマトーチに巻回された誘導コイル２１が、この高周波電源装置において高周波電流を供給する対象である。誘導コイル２１には、コンデンサ２０とフィードバック用トランスの１次巻線（実際にはこの１次巻線は４個であるが図１では省略して１個のみ記載している）２２とが直列に接続されており、これによりＬＣ共振回路１９が形成されている。なお、フィードバック用トランスの１次巻線２２によるインダクタンスに比べて誘導コイル２１のインダクタンスは十分に大きいので、ＬＣ共振回路１９の共振周波数を決めるインダクタンスは誘導コイル２１のインダクタンスが支配的である。

直流電源１１は例えばダイオードブリッジ回路などの整流回路を含み、外部の商用交流電源１０から供給される交流電力に基づいて所定の直流電圧を出力する。この直流電源１１の出力端には、並列接続されたコンデンサ１２を介してフルブリッジ駆動回路１３が接続されている。フルブリッジ駆動回路１３は、２個のＭＯＳＦＥＴ１４１、１４３の直列回路と同じく２個のＭＯＳＦＥＴ１４２、１４４の直列回路とが並列に接続された構成である。４個のＭＯＳＦＥＴ１４１〜１４４のゲート端子とソース端子との間にはそれぞれ、フィードバック用トランスの１次巻線２２と磁気的に結合する２次巻線（図示せず）を含むＭＯＳＦＥＴ駆動回路１５１〜１５４が接続されている。

フルブリッジ駆動回路１３とＬＣ共振回路１９とは、極性が相違する第１、第２リアクタンス素子１７、１８を含むインピーダンス変換回路１６を介して接続されており、それによって、フルブリッジ駆動回路１３においてＭＯＳＦＥＴ１４１とＭＯＳＦＥＴ１４４、又は、ＭＯＳＦＥＴ１４２とＭＯＳＦＥＴ１４３がオンしたときに、フルブリッジ駆動回路１３から第１、第２リアクタンス素子１７、１８に電流が流れるループが形成される。

本実施例の高周波電源装置では、第１リアクタンス素子１７はインダクタであり、第２リアクタンス素子１８はコンデンサであるので、以下の説明では、インダクタ１７、コンデンサ１８と記す。直流電源１１からフルブリッジ駆動回路１３へ印加される電圧、つまりフルブリッジ駆動回路１３の電源電圧が一定である場合、インダクタ１７のインダクタンスＬと、コンデンサ１８の容量Ｃと、プラズマ投入電力との関係は図３に示すようになる。

直流電源１１からフルブリッジ駆動回路１３へ印加される電圧の最適値はＭＯＳＦＥＴ１４１〜１４４の定格特性に依存するから、この定格特性に応じて直流電源１１の出力電圧を定めておくようにする。そして、その条件の下で、インダクタ１７のインダクタンスＬの値は、コンデンサ１８の容量Ｃの値を所定範囲内で変化させたときのプラズマ投入電力の最大値が要求される値（仕様値）を満足するように設定される。通常、適正な電源電圧において必要以上にプラズマ投入電力が大きくなるのは好ましくないため、最適な電源電圧のときに、プラズマ投入電力の最大値が仕様値を若干上回る程度にインダクタンスを決めるとよい。こうしたことから、例えば図３の例では、インダクタンスＬはＬ2に決められる。

図４は、インダクタ１７のインダクタンスＬが或る値（例えば上述したＬ2）に定められたときの、コンデンサ１８の容量Ｃとプラズマ生成時の電力効率との関係を示す図である。即ち、コンデンサ１８の容量ＣがＣ1であるときにプラズマ生成時の電力効率は最大となる。一般的には、これはインピーダンス変換回路１６におけるインピーダンス変換作用によってインピーダンス整合がとれている（最適である）状態であると推定される。ただし、コンデンサ１８の容量ＣをＣ1とした場合には、プラズマ点灯開始時に確実な点灯を行うのに十分な誘導コイル電流を確保できない可能性がある。一方、コンデンサ１８の容量ＣをＣ1よりも大きなＣ2とすると、プラズマ生成時の電力効率は下がるものの、プラズマ点灯開始時に誘導コイル２１への供給電流が増大し、プラズマ点灯開始時の点灯特性が良好になる。

そこで、本実施例の高周波電源装置では、インピーダンス変換回路１６におけるコンデンサ１８の容量Ｃの値がＣ1とＣ2とで切り替え可能な構成となっており、プラズマの点灯を制御する制御部２４の指示の下に、切替駆動部２３がインピーダンス変換回路１６におけるコンデンサ１８の容量Ｃを切り替える。インダクタ１７のインダクタンスＬは不変でコンデンサ１８の容量Ｃのみが変化するので、これはインピーダンス変換回路１６におけるインピーダンス変換率が変化することを意味する。具体的に、制御部２４は以下のような制御を行う。

即ち、プラズマが消灯している状態から点灯を開始させるときに、制御部２４は、インピーダンス変換回路１６におけるコンデンサ１８の容量ＣがＣ2になるように切替駆動部２３に指示を与える。これにより、インピーダンス変換回路１６におけるインピーダンス変換率は、プラズマ生成開始前に、より大きな高周波電流をＬＣ共振回路１９に供給できる状態に設定される。その結果、プラズマ点灯時に誘導コイル２１に大きな高周波電流が流れ、プラズマトーチに大きな交番磁場が発生し、それによってプラズマガス雰囲気中に強い誘導電場が形成される。その結果、プラズマガスの電離が起こり易くなり、安定的にプラズマ点灯が開始される。

プラズマが点灯してから例えば所定時間が経過すると、制御部２４は、インピーダンス変換回路１６におけるコンデンサ１８の容量ＣがＣ2からＣ1に切り替わるように切替駆動部２３に指示を与える。これにより、インピーダンス変換回路１６におけるインピーダンス変換率は、プラズマ生成時の電力効率がほぼ最適である状態に設定される。これにより、効率よくエネルギをプラズマに投入し、安定的にプラズマを維持することができる。

図２は図１中のインピーダンス変換回路１６及び切替駆動部２３の詳細回路の一例である。図１中のインダクタ１７は、図２中の第１インダクタ１７ａ及び第２インダクタ１７ｂに相当し、同じく図１中のコンデンサ１８は、図２中のコンデンサ１８ａ、及び、これに並列に接続された、二つのコンデンサ１８ｂ、１８ｃ、ＰＩＮダイオード１８ｄの直列接続回路、に相当する。ここで、ＰＩＮダイオード１８ｄはスイッチング素子として機能し、ＰＩＮダイオード１８ｄが実質的にオン状態であるときには、コンデンサ１８ｂ、１８ｃを含む直列接続回路はコンデンサ１８ａに並列に接続され、ＰＩＮダイオード１８ｄが実質的にオフ状態であるときには、コンデンサ１８ｂ、１８ｃを含む直列接続回路は機能せず、コンデンサ１８ａのみがリアクタンス素子として有効になる。

周知のようにＰＩＮダイオードは高周波領域において抵抗を含む等価回路で表され、直流バイアスによってその等価抵抗が変化する。本実施例の高周波電源装置では、このことを利用し、ＰＩＮダイオード１８ｄの直流バイアスを切り替えることで、上述したようなコンデンサ１８の容量Ｃの切替えを実現している。

具体的に説明すると、図２に示すように、切替駆動部２３は、ＰＩＮダイオード１８ｄのアノード端子、カソード端子にそれぞれ一端が接続された二つのインダクタ２３１、２３２、その二つのインダクタ２３１、２３２の他端の間に接続されたコンデンサ２３３、インダクタ２３１の他端と負の電源電圧ＶDC2との間に接続された抵抗２３４、ソース電位がＣＯＭ電位にフローティングされたＭＯＳＦＥＴ２３８、制御部（図２中には図示せず）から送られる制御信号を受けてＭＯＳＦＥＴ２３８に信号（ＭＯＳＦＥＴをオン又はオフさせる信号）を伝達するフォトカプラ２４１、及び、ＭＯＳＦＥＴ２３８のソース端子と上記インダクタ２３１との間に接続された抵抗２３６、を含む。

制御部から制御信号がフォトカプラ２４１に入力され、該フォトカプラ２４１の出力端から所定の電圧（二値論理の論理「１」に相当する電圧）が出力されるとＭＯＳＦＥＴ２３８はオンし、ＭＯＳＦＥＴ２３８のソース端子と抵抗２３６との接続点の電位はほぼＶDC1になる。このため、インダクタ２３１とコンデンサ２３３との接続点Ｐの電位は、正極性であるＶDC1と負極性であるＶDC2との電位差を抵抗２３６、２３４で分圧した電位となる。抵抗２３６の抵抗値を抵抗２３４の抵抗値よりも充分小さくしておくと、上記接続点Ｐの電位は、ＰＩＮダイオード１８ｄを順方向バイアスする電位となり、ＰＩＮダイオード１８ｄはオンして、コンデンサ１８ｂ、１８ｃの直列回路がコンデンサ１８ａに並列接続される。これによって、インピーダンス変換回路１６におけるコンデンサ１８の容量は相対的に大きくなる。これが、図４においてコンデンサ１８の容量ＣがＣ2である状態である。

制御部からフォトカプラ２４１に供給される電流が遮断されると、フォトカプラ２４１出力端の電圧は二値論理の論理「０」に相当する電圧に下がり、ＭＯＳＦＥＴ２３８はオフする。すると、抵抗２３６は実質的に存在しないものとみなせ、インダクタ２３１とコンデンサ２３３との接続点Ｐは抵抗２３４を介して負極性であるＶDC2と接続される。そのため、この接続点Ｐの電位は負になり、ＰＩＮダイオード１８ｄは逆方向バイアスされてオフする。その結果、コンデンサ１８ｂ、１８ｃの直列回路自体が存在しないものとみなせ、インピーダンス変換回路１６におけるコンデンサ１８の容量は相対的に小さくなる。これが、図４においてコンデンサ１８の容量ＣがＣ1である状態である。

以上のようにして、切替駆動部２３はインピーダンス変換回路１６におけるコンデンサ１８の容量Ｃを２段階に切り替えることができる。このようなＰＩＮダイオード１８ｄのオン・オフの切替えによって容量Ｃは切り替えられるが、その際に、抵抗２３４とコンデンサ２３３はローパスフィルタによる時定数回路として機能する。即ち、ＭＯＳＦＥＴ２３８のオン・オフの切替えによってＭＯＳＦＥＴ２３８のソース端子の電位は急に変化するが、インダクタ２３１とコンデンサ２３３との接続点Ｐの電位の変化は、時定数回路の時定数に応じて緩慢になる。その結果、コンデンサ１８の容量Ｃの変化も緩慢になり、インピーダンス変換回路１６のインピーダンス変換率が急変する（ステップ的に切り替わる）ことによるプラズマの消灯現象を回避することができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

例えば、図１、図２に示した回路構成は一例であり、上述したような動作を実行可能な回路がこれら図面に記載の例に限らないことは当業者には常識である。また上記実施例ではＬＣ共振回路を駆動するスイッチング回路としてフルブリッジ駆動回路を用いているが、ハーフブリッジ駆動回路などの他の構成のスイッチング回路を用いてもよい。

１０…商用交流電源
１１…直流電源
１２、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、２０、２３３…コンデンサ
１３…フルブリッジ駆動回路
１４１〜１４４、２３８…ＭＯＳＦＥＴ
１５１〜１５４…ＭＯＳＦＥＴ駆動回路
１６…インピーダンス変換回路
１７…第１リアクタンス素子（インダクタ）
１７ａ…第１インダクタ
１７ｂ…第２インダクタ
１８…第２リアクタンス素子（コンデンサ）
１８ｄ…ＰＩＮダイオード
１９…ＬＣ共振回路
２１…誘導コイル
２２…１次巻線
２３…切替駆動部
２３１、２３２…インダクタ
２３４、２３６…抵抗
２４１…フォトカプラ
２４…制御部

Claims (3)

1. 直流電圧源と、プラズマ生成用の誘導コイルとコンデンサとを含むＬＣ共振回路と、前記直流電圧源から供給される直流電力をスイッチングして前記ＬＣ共振回路に与える半導体スイッチング素子を含むスイッチング回路と、を具備し、前記誘導コイルに高周波電力を投入することで大気圧雰囲気の下でプラズマを生成するＩＣＰ発光分析装置用高周波電源装置において、
   a)前記スイッチング回路と前記ＬＣ共振回路との間に介挿され、インダクタと、並列接続された複数のコンデンサと、該複数のコンデンサの一部をその並列接続から切り離すスイッチング素子と、を含み、該スイッチング素子により前記複数のコンデンサの接続を切り替えてコンデンサの容量を変化させることでインピーダンス変換率を複数段階に切り替え可能であるとともに、前記スイッチング素子の切替えを制御する信号の変化を鈍化させる時定数回路を含むインピーダンス変換部と、
   b)プラズマ点灯開始前とその点灯開始後の定常的な点灯時とで前記インピーダンス変換率を切り替えるように前記インピーダンス変換部を動作させる制御部であり、プラズマが消灯している状態から点灯を開始させるときには前記インピーダンス変換部におけるコンデンサの容量を相対的に大きくして前記ＬＣ共振回路へ相対的に大きな電流を供給し、プラズマが点灯して定常的な状態になるとコンデンサの容量を相対的に小さく切り替える制御部と、
   を備えることを特徴とするＩＣＰ発光分析装置用高周波電源装置。
2. 請求項１に記載のＩＣＰ発光分析装置用高周波電源装置であって、
   前記制御部は、プラズマが定常的な状態になり前記コンデンサの容量を相対的に小さく切り替える際に、プラズマ生成における電力効率が最大となるようにインピーダンス変換率を設定して誘導コイルに対するインピーダンスを整合させることを特徴とするＩＣＰ発光分析装置用高周波電源装置。
3. 請求項１又は２に記載のＩＣＰ発光分析装置用高周波電源装置であって、
   前記制御部は、プラズマが点灯してから所定時間が経過したときに前記コンデンサの容量を相対的に小さく切り替えることを特徴とするＩＣＰ発光分析装置用高周波電源装置。

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