JP6732924B2 - プラズマ用電源装置、プラズマ装置、およびプラズマ発生方法 - Google Patents

プラズマ用電源装置、プラズマ装置、およびプラズマ発生方法 Download PDF

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Description

本発明は、交流電圧を用いるプラズマ用電源装置、およびこのプラズマ用電源装置を備えたプラズマ装置に関し、さらには、プラズマ発生方法に関する。
原料ガス中で放電することにより、プラズマを発生させるプラズマ装置が知られている。プラズマ装置は、固体材料の表面加工、洗浄、接着などの産業用や、殺菌、空気浄化などの環境保護用、医療用などに広く用いられている。開発の当初、プラズマ装置は、真空ポンプを用いて原料ガスを低気圧（負圧）とし、放電を安定化させてプラズマの品質維持を図っていた。近年では、大気圧の原料ガスを用いる大気圧プラズマ装置が実用化されており、高いプラズマ密度が得られるようになっている。この種のプラズマ装置の一技術例が特許文献１に開示されている。
特許文献１のプラズマ成膜装置は、真空チャンバの中で第１および第２の電極の間にプラズマを発生させて成膜を行う。そして、パルス変調された高周波電力が電極間に給電され、パルス波形のｏｎ時間における第１期間の第１電力が、第１期間に続く第２期間の第２電力よりも５％以上高いことを特徴としている。これによれば、パルス波形の初期の電力を残りの期間よりも高めたことにより、プラズマを確実に発生でき、均一なプラズマを得ることができる、とされている。
特開２０１２−１７４７３６号公報
ところで、プラズマの発生に高い電圧が必要な場合、特許文献１のパルス波形を高電圧化することが難しい。つまり、パルス波形は直流であるため、昇圧することが難しく、別の言い方をすれば、プラズマ用電源装置のコストが嵩む。したがって、変圧器を用いて交流電圧を昇圧し電極間に印加する構成を採用すれば、プラズマ用電源装置を低廉化できる。しかしながら、交流電圧を電極間に印加すると、交流電圧のゼロ点付近でプラズマが消滅してプラズマ発生能力が低下する、という問題点が生じる。なお、この問題点は、低気圧プラズマ装置よりもプラズマ発生電圧が高くなる大気圧プラズマ装置で顕在化しがちである。
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、プラズマ発生能力に優れたプラズマ用電源装置、およびこのプラズマ用電源装置を備えたプラズマ装置を提供すること、さらには、プラズマ発生能力に優れたプラズマ発生方法を提供することを解決すべき課題とする。
本明細書で開示するプラズマ用電源装置は、一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ用電源装置であって、正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調のみを施した歪み波交流電圧を出力する歪み波交流電源と、前記歪み波交流電圧を昇圧して一対の前記電極に印加する変圧器と、を備え、前記歪み波交流電圧は、前記正弦波交流電圧と比較して前記電圧波形のゼロ点、正ピーク点、および負ピーク点が時間軸上で移動せず、さらに、前記ゼロ点から前記正ピーク点までの間および前記負ピーク点から前記ゼロ点までの間で電圧瞬時値が滑らかに単調増加し、かつ、前記正ピーク点から前記ゼロ点を経て前記負ピーク点までの間で前記電圧瞬時値が滑らかに単調減少し、前記歪み波交流電源は、正負それぞれ複数のパルス電圧波形のデューティ比を可変に調整して出力するパルス幅変調電源と、正負それぞれ複数の前記パルス電圧波形を平滑して前記歪み波交流電圧にする平滑回路とを有し、前記パルス幅変調電源は、直流電圧を出力する直流電源と、４個のスイッチング素子のブリッジ接続によって構成され、前記直流電圧が入力されて、正負それぞれ複数の前記パルス電圧波形を出力するパルス発生回路と、４個の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御して、正負それぞれ複数の前記パルス電圧波形の正負を制御し、かつ前記デューティ比を可変に調整するパルス制御部とを有し、前記正弦波交流電圧を出力する場合と比較して、前記電圧波形の前記立ち上がりに相当する複数の前記パルス電圧波形の前記デューティ比をそれぞれ同じ比率だけ大きく調整する前記立ち上がり変調のみを施す。
本明細書で開示するプラズマ装置は、前記プラズマを発生させる容器と、前記容器の内部に配置された一対の前記電極と、プラズマ用電源装置と、を備えた。
本明細書で開示するプラズマ発生方法は、一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生方法であって、正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調のみを施した歪み波交流電圧を出力する歪み波交流電源と、前記歪み波交流電圧を昇圧して一対の前記電極に印加する変圧器とを用い、前記歪み波交流電源が前記正弦波交流電圧を出力する場合と比較して、前記電圧波形の前記立ち上がりに相当する複数のパルス電圧波形のデューティ比をそれぞれ同じ比率だけ大きく調整して前記歪み波交流電圧を出力させる。
本明細書で開示するプラズマ用電源装置では、正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くするので、交流電圧の１周期の中でプラズマの発生可能な時間帯が拡がる。したがって、プラズマ用電源装置は、プラズマ発生能力に優れる。
また、変圧器による昇圧は容易であり、パルス電圧や直流電圧を印加する構成と比較して、装置コストが低廉になる。加えて、歪み波交流電圧波形の高周波成分の含有率が限定されるため、変圧器は、電圧波形の変歪を抑制しての昇圧が可能となる。さらに、変圧器の発生損失は、正弦波交流電圧波形と比較して顕著に増加しない。
また、本明細書で開示するプラズマ装置は、プラズマ用電源装置を備えるので、プラズマ発生能力に優れる。
また、本明細書で開示するプラズマ発生方法は、正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くできるので、交流電圧の１周期の中でプラズマの発生可能な時間帯を拡げることができる。したがって、プラズマ発生方法は、プラズマ発生能力に優れる。
実施形態のプラズマ装置を構成する実施形態のプラズマ用電源装置、および本体部を模式的に示した図である。 パルス幅変調電源の回路構成を例示した回路図である。 正弦波交流電圧を変圧器に出力する比較例の場合に、パルス制御部が行う制御方法を模式的に示した図である。 比較例の場合におけるパルス電圧波形、および正弦波交流電圧波形を示した図である。 歪み波交流電圧を変圧器に出力する実施例の場合に、パルス制御部が行う制御方法を模式的に示した図である。 実施例および比較例において、変圧器に出力される交流電圧波形を示した図である。 比較例において、プラズマの発生状況を示す電極間の電圧波形を実測した図である。 実施例において、プラズマの発生状況を示す電極間の電圧波形を実測した図である。
（１．実施形態のプラズマ装置およびプラズマ用電源装置１の構成）
実施形態のプラズマ装置およびプラズマ用電源装置１について、図１〜図８を参考にして説明する。図１は、実施形態のプラズマ装置を構成する実施形態のプラズマ用電源装置１、および本体部９を模式的に示した図である。まず、本体部９について説明する。本体部９は、容器９１、一対の電極９２、および大気圧ガス置換部９３を備える。
容器９１は、外気から内部空間を区画する。一対の電極９２は、容器９１の内部に対向して配置される。一対の電極９２の間が、プラズマの発生領域９４となる。大気圧ガス置換部９３は、発生領域９４に大気圧の原料ガスを導入するとともに、発生領域９４に発生したプラズマを移動させる。プラズマは、容器９１内で使用されてもよく、他に移動されて使用されてもよい。原料ガスとして、酸素ガスや空気を例示でき、これらに限定されない。実施形態のプラズマ装置は、大気圧プラズマ装置であり、低気圧プラズマ装置と比較して一般的にプラズマ発生電圧Ｖｐ（図６参照）が高い。実施形態のプラズマ装置は、低気圧（負圧）にするための真空ポンプが不要であり、装置構成が簡素である。
プラズマ用電源装置１は、パルス幅変調電源２、平滑回路６、および変圧器７を備える。パルス幅変調電源２は、正負それぞれ複数のパルス電圧波形のデューティ比を可変に調整して出力する。平滑回路６は、パルス幅変調電源２が出力した正負それぞれ複数のパルス電圧波形を平滑して交流電圧とし、変圧器７に出力する。交流電圧の波形は、デューティ比の調整に応じて、正弦波にも歪み波にもなり得る。
平滑回路６は、例えば、図１に示されたコイル６１およびコンデンサ６５で構成される。コイル６１の一端６１１は、パルス幅変調電源２の出力側の一端に接続される。コイル６１の他端６１２は、変圧器７の一次巻線７１の一端に接続される。コンデンサ６５の一端６５１は、コイル６１の他端６１２および一次巻線７１の一端に接続される。コンデンサ６５の他端６５２は、パルス幅変調電源２の出力側の他端および一次巻線７１の他端に接続される。パルス幅変調電源２および平滑回路６は、本発明の歪み波交流電源を構成する。
変圧器７は、単相器であり、電磁結合した一次巻線７１および二次巻線７２を有する。変圧器７は、二次巻線７２の巻数が一次巻線７１の巻数よりも多く、昇圧機能を有する。二次巻線７２の一端および他端は、本体部９の容器９１に対して絶縁が確保されつつ、一対の電極９２に接続される。変圧器７の構造に特別な制約は無いが、良好な高周波特性を有することが好ましい。変圧器７は、一次巻線７１に入力された交流電圧を昇圧して、二次巻線７２から一対の電極９２に印加する。
図２は、パルス幅変調電源２の回路構成を例示した回路図である。パルス幅変調電源２は、直流電源３、パルス発生回路４、およびパルス制御部５で構成される。直流電源３は、高圧端子３１および低圧端子から３２から直流電圧Ｖｄｃを出力する。直流電源３として、商用周波数の交流電圧を整流する整流電源や、バッテリ電源を用いることができる。
パルス発生回路４は、４個のスイッチング素子のブリッジ接続によって構成される。スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴ素子やＩＧＢＴ素子などを用いることができ、以下ＭＯＳＦＥＴ素子の場合を例にして説明する。第１スイッチング素子４１は、ドレインＤが直流電源３の高圧端子３１に接続され、ソースＳが第１出力端子４７に接続される。第２スイッチング素子４２は、ドレインＤが第１出力端子４７に接続され、ソースＳが直流電源３の低圧端子３２に接続される。第３スイッチング素子４３は、ドレインＤが直流電源３の高圧端子３１に接続され、ソースＳが第２出力端子４８に接続される。第４スイッチング素子４４は、ドレインＤが第２出力端子４８に接続され、ソースＳが直流電源３の低圧端子３２に接続される。
第１出力端子４７および第２出力端子４８は、引き出されて平滑回路６に接続される。第１スイッチング素子４１のゲートＧおよび第４スイッチング素子４４のゲートＧは、まとめられてパルス制御部５に接続される。第２スイッチング素子４２のゲートＧおよび第３スイッチング素子４３のゲートＧも、まとめられてパルス制御部５に接続される。スイッチング素子４１〜４４は、ゲートＧに制御信号が入力されているときだけ、ドレインＤとソースＳの間が導通する。
パルス制御部５は、ゲートＧに制御信号を送出して、スイッチング素子のスイッチング動作を制御する。パルス制御部５は、ＣＰＵを有してソフトウェアで動作する電子制御回路により構成される。これに限定されず、パルス制御部５は、ハードウェア回路によって構成されてもよい。パルス制御部５は、パルス電圧波形の繰り返し周波数を表すパルス周波数を設定する。また、パルス制御部５は、交流電圧の交流周波数を設定する。パルス周波数として２００ｋＨｚを例示でき、交流周波数として５ｋＨｚを例示でき、これらに限定されない。パルス周波数を交流周波数で除算したパルス数は、交流電圧の１周期に対応するパルス電圧波形の個数を表す。パルス数は、数１０個以上であることが好ましい。
交流電圧の正の半波に相当する時間帯に、パルス制御部５は、第２スイッチング素子４２および第３スイッチング素子４３に制御信号を送出せず、遮断状態に維持する。かつ、パルス制御部５は、第１スイッチング素子４１および第４スイッチング素子４４に時間長可変の制御信号を送出して開閉制御し、デューティ比を可変に調整する。これにより、パルス幅変調電源２は、デューティ比が調整された複数の正のパルス電圧波形を出力する。
また、交流電圧の負の半波に相当する時間帯に、パルス制御部５は、第１スイッチング素子４１および第４スイッチング素子４４に制御信号を送出せず、遮断状態に維持する。かつ、パルス制御部５は、第２スイッチング素子４２および第３スイッチング素子４３に時間長可変の制御信号を送出して開閉制御し、デューティ比を可変に調整する。これにより、パルス幅変調電源２は、デューティ比が調整された複数の負のパルス電圧波形を出力する。正負のパルス電圧波形の高さは、直流電源３の直流電圧Ｖｄｃに一致する。
（２．実施形態のプラズマ用電源装置１の動作および作用）
次に、実施形態のプラズマ用電源装置１の動作および作用について説明する。図３は、正弦波交流電圧を変圧器７に出力する比較例の場合に、パルス制御部５が行う制御方法を模式的に示した図である。また、図４は、比較例の場合におけるパルス電圧波形、および正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎを示した図である。図３の比較例で、パルス制御部５は、交流電圧の１周期に相当する時間帯を第１区間Ｒ１から第１７区間Ｒ１７までの１７個に分割する。ただし、第１区間Ｒ１および第１７区間Ｒ１７は、時間幅の半分のみが交流電圧の１周期内に入る。第１〜第１７区間Ｒ１〜Ｒ１７には、それぞれ複数のパルス電圧波形が入る。
ここで、第１区間Ｒ１から第５区間Ｒ５は、交流電圧の正の半波の立ち上がりに対応している。したがって、第１〜第５区間Ｒ１〜Ｒ５において、パルス制御部５は、正弦波の立ち上がりの増加傾向に対応させて、デューティ比Ｄ１〜Ｄ５を順次増加させてゆく。これを不等式で表せば、次の関係が成り立つ。第１区間Ｒ１のデューティ比Ｄ１＜第２区間Ｒ２のデューティ比Ｄ２＜第３区間Ｒ３のデューティ比Ｄ３＜第４区間Ｒ４のデューティ比Ｄ４＜第５区間Ｒ５のデューティ比Ｄ５。
また、第５区間Ｒ５から第９区間Ｒ９は、交流電圧の正の半波の立ち下がりに対応している。したがって、第５〜第９区間Ｒ５〜Ｒ９において、パルス制御部５は、正弦波の立ち下がりの減少傾向に対応させて、デューティ比Ｄ５〜Ｄ９を順次減少させてゆく。これを不等式で表せば、次の関係が成り立つ。第５区間Ｒ５のデューティ比Ｄ５＞第６区間Ｒ６のデューティ比Ｄ６＞第７区間Ｒ７のデューティ比Ｄ７＞第８区間Ｒ８のデューティ比Ｄ８＞第９区間Ｒ９のデューティ比Ｄ９。
同様に、第９区間Ｒ９から第１７区間Ｒ１７は、交流電圧の負の半波に対応している。したがって、第９〜第１７区間Ｒ９〜Ｒ１７において、パルス制御部５は、正弦波の負の立ち上がりの減少傾向および立ち下がりの増加傾向に対応させて、デューティ比Ｄ９〜Ｄ１７を順次増加および減少させてゆく。これを不等式で表せば、次の関係が成り立つ。第９区間Ｒ９のデューティ比Ｄ９＜第１０区間Ｒ１０のデューティ比Ｄ１０＜第１１区間Ｒ１１のデューティ比Ｄ１１＜第１２区間Ｒ１２のデューティ比Ｄ１２＜第１３区間Ｒ１３のデューティ比Ｄ１３＞第１４区間Ｒ１４のデューティ比Ｄ１４＞第１５区間Ｒ１５のデューティ比Ｄ１５＞第１６区間Ｒ１６のデューティ比Ｄ１６＞第１７区間Ｒ１７のデューティ比Ｄ１７。
具体例として、パルス制御部５は、第１〜第１７区間Ｒ１〜Ｒ１７のデューティ比Ｄ１〜Ｄ１７を次のように設定する。
Ｄ１＝Ｄ９＝Ｄ１７＝０［％］
Ｄ２＝Ｄ８＝Ｄ１０＝Ｄ１６＝３０［％］
Ｄ３＝Ｄ７＝Ｄ１１＝Ｄ１５＝７０［％］
Ｄ４＝Ｄ６＝Ｄ１２＝Ｄ１４＝９０［％］
Ｄ５＝Ｄ１３＝１００［％］
ここで、図４は、第１〜第１７区間Ｒ１〜Ｒ１７にそれぞれ３個のパルス電圧波形が入る場合であって、交流電圧の正の半波の立ち上がりに対応する時間帯を示している。図４には、デューティ比Ｄ１の１個半のパルス電圧波形、デューティ比Ｄ２〜Ｄ４の各３個のパルス電圧波形、およびデューティ比Ｄ５の１個半のパルス電圧波形が示され、合計で１２個のパルス電圧波形が示されている。これらのパルス電圧波形が平滑回路６で平滑されて、ゼロ点ＺＰから正ピーク点ＰＰまでの正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎが得られる。実際には、平滑回路６から出力される正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎは、パルス電圧波形に対して位相遅れをもつ。
図５は、歪み波交流電圧を変圧器７に出力する実施例の場合に、パルス制御部５が行う制御方法を模式的に示した図である。図５の実施例で、パルス制御部５は、正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調を施している。具体例として、パルス制御部５は、第１区間Ｒ１から第４区間Ｒ４のデューティ比Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ、および第９区間Ｒ９から第１２区間Ｒ１２のデューティ比Ｄ９Ａ〜Ｄ１２Ａを次のように大きく調整する。
Ｄ１Ａ＝Ｄ９Ａ＝（Ｄ１＋α）［％］
Ｄ２Ａ＝Ｄ１０Ａ＝（Ｄ２＋α）［％］
Ｄ３Ａ＝Ｄ１１Ａ＝（Ｄ３＋α）［％］
Ｄ４Ａ＝Ｄ１２Ａ＝（Ｄ４＋α）［％］
なお、パルス制御部５は、立ち下がり変調を施さない。したがって、デューティ比Ｄ５〜Ｄ８、およびデューティ比Ｄ１３〜Ｄ１６は、正弦波交流電圧の場合に一致する。上記の＋αは、各区間Ｒ１〜Ｒ４、Ｒ９〜Ｒ１２で互いに異なっていてもよく、共通とされていてもよい。例えば、＋αは、各区間Ｒ１〜Ｒ４、Ｒ９〜Ｒ１２で共通に１０［％］と設定される。
パルス制御部５が立ち上がり変調を施した結果、変圧器７に歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓ（図６参照）が出力される。実際には、平滑回路６から出力される歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓは、パルス電圧波形に対して位相遅れをもつ。図６は、実施例および比較例において、変圧器７に出力される交流電圧波形を示した図である。図６の横軸は時間軸ｔを表し、縦軸は電圧Ｖを表している。図６において、比較例の正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎは、破線で示されている。また、実施例の歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓは、立ち上がりが実線で示され、立ち下がりが正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎに一致している。
図６中の正の半波に示されるように、歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓは、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して、電圧波形の立ち上がりが早くなっている。このため、歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓがプラズマ発生電圧Ｖｐに到達する時刻ｔ１は、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎがプラズマ発生電圧Ｖｐに到達する時刻ｔ２よりも早くなる。上記した説明は、負の半波についても同様に成り立つ。したがって、実施例によれば、プラズマの発生可能な時間帯は、比較例より拡がる。
また、立ち上がり変調を施した歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓに代えて、立ち下がり変調を施した歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎを用いることもできる。図６において、歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎは、立ち上がりが正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎに一致し、立ち下がりが一点鎖線で示されている。立ち下がり変調を施す具体例として、パルス制御部５は、第６区間Ｒ６から第９区間Ｒ９のデューティ比Ｄ６〜Ｄ９、および第１４区間Ｒ１４から第１７区間Ｒ１７のデューティ比Ｄ１４〜Ｄ１７を＋β［％］だけ大きく調整する。なお、パルス制御部５は、立ち上がり変調を施さないので、デューティ比Ｄ２〜Ｄ５、およびデューティ比Ｄ１０〜Ｄ１３は、正弦波交流電圧の場合に一致する。
図６中の正の半波に示されるように、立ち下がり変調を施した歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎは、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して、電圧波形の立ち下がり遅くなっている。このため、歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎがプラズマ消滅電圧Ｖｄまで低下する時刻ｔ４は、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎがプラズマ消滅電圧Ｖｄまで低下する時刻ｔ３よりも遅くなる。上記した説明は、負の半波についても同様に成り立つ。したがって、立ち下がり変調を施した歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎを用いたとき、プラズマの発生可能な時間帯は、比較例より拡がる。
さらに、立ち上がり変調および立ち下がり変調の両方を施した歪み波交流電圧波形を用いることもできる。この場合、電圧波形の立ち上がりおよび立ち下がりの両方で、プラズマの発生可能な時間帯を拡げる効果が発生する。
なお、歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓおよび歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎは、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して、電圧波形のゼロ点ＺＰ、正ピーク点ＰＰ、ゼロ点ＺＮ、および負ピーク点ＰＮが時間軸ｔ上で移動しない。さらに、歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓおよび歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎは、ゼロ点ＺＰから正ピーク点ＰＰまでの間および負ピーク点ＰＮからゼロ点ＺＰまでの間で電圧瞬時値が滑らかに単調増加し、かつ、正ピーク点ＰＰからゼロ点ＺＮを経て負ピーク点ＰＮまでの間で電圧瞬時値が滑らかに単調減少する。
歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓおよび歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎは、上記の性質を有するので、高周波成分の含有率が限定される。これにより、変圧器７は、電圧波形の変歪を抑制しての昇圧が可能となる。さらに、変圧器７の発生損失は、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して、顕著に増加しない。仮に、多くの高周波成分を含有するパルス波形を変圧器７の一次巻線７１に入力すると、二次巻線７２における電圧波形の変歪が顕著となる。さらには、変圧器７における発生損失の増加や、騒音および振動の増加を招く。このため、変圧器７でパルス波形を昇圧することは、実用的でない。
次に、比較例および実施例の場合におけるプラズマの発生状況の実測結果について説明する。図７は、比較例において、プラズマの発生状況を示す電極９２間の電圧波形Ｖ１を実測した図である。また、図８は、実施例において、プラズマの発生状況を示す電極９２間の電圧波形Ｖ２を実測した図である。図７に破線で示された正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎの交流周波数、および図８に破線で示された歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓの交流周波数は、ともに５ｋＨｚである。
図７において、プラズマが発生すると電極９２間がほぼ導通され、電圧波形Ｖ１の電圧瞬時値は正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎから大きく減少する。このことから、プラズマの発生に寄与しない無効期間Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４を判別できる。同様に、図８において、プラズマが発生すると電極９２間がほぼ導通され、電圧波形Ｖ２の電圧瞬時値は歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓから大きく減少する。このことから、プラズマの発生に寄与しない無効期間Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４を判別できる。各無効期間Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４は、ゼロ点ＺＰおよびゼロ点ＺＮの一方を含んでいる。
ここで、実施例の無効期間Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４は、比較例の無効期間Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４と比較して、平均的に時間幅が短い。特に、実施例の無効期間Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４は、ゼロ点ＺＰ以降やゼロ点ＺＮ以降の時間幅が短い。これは、図６を用いて説明したように、歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓの立ち上がりを正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎよりも早くすることによって生じる作用である。したがって、実施例の歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓによれば、比較例の正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して、交流電圧の１周期の中でプラズマの発生可能な時間帯が拡がる。
（３．実施形態のプラズマ用電源装置１の態様および効果）
実施形態のプラズマ用電源装置１は、一対の電極９２に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ用電源装置１であって、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調を施した歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓ、および電圧波形の立ち下がりを遅くする立ち下がり変調を施した歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎの少なくとも一方を出力する歪み波交流電源を備えた。
これによれば、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して電圧波形の立ち上がりを早くし、または立ち下がりを遅くするので、交流電圧の１周期の中でプラズマの発生可能な時間帯が拡がる。したがって、実施形態のプラズマ用電源装置１は、プラズマ発生能力に優れる。
さらに、実施形態のプラズマ用電源装置１は、歪み波交流電圧を変成して一対の電極９２に印加する変圧器７をさらに備えた。これによれば、変圧器７の昇圧機能により、高い交流電圧を電極９２間に印加することができるので、プラズマ発生能力がさらに向上する。また、変圧器７による昇圧は容易であり、パルス電圧や直流電圧を印加する構成と比較して、装置コストが低廉になる。
さらに、歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓおよび歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎは、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して電圧波形のゼロ点ＺＰ、正ピーク点ＰＰ、ゼロ点ＺＮ、および負ピーク点ＰＮが時間軸ｔ上で移動せず、さらに、ゼロ点ＺＰから正ピーク点ＰＰまでの間および負ピーク点ＰＮからゼロ点ＺＰまでの間で電圧瞬時値が滑らかに単調増加し、かつ、正ピーク点ＰＰからゼロ点ＺＮを経て負ピーク点ＰＮまでの間で電圧瞬時値が滑らかに単調減少する。
これによれば、歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓおよび歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎは、高周波成分の含有率が限定される。これにより、変圧器７は、電圧波形の変歪を抑制しての昇圧が可能となる。さらに、変圧器７の発生損失は、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して、顕著に増加しない。
さらに、歪み波交流電源は、正負それぞれ複数のパルス電圧波形のデューティ比を可変に調整して出力するパルス幅変調電源２と、正負それぞれ複数のパルス電圧波形を平滑して歪み波交流電圧にする平滑回路６とを有する。これによれば、パルス幅変調方式を用いて、歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓや歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎを簡易に生成できる。
さらに、パルス幅変調電源２は、直流電圧Ｖｄｃを出力する直流電源３と、４個のスイッチング素子４１〜４４のブリッジ接続によって構成され、直流電圧Ｖｄｃが入力されて、正負それぞれ複数のパルス電圧波形を出力するパルス発生回路４と、４個のスイッチング素子４１〜４４のスイッチング動作を制御して、正負それぞれ複数のパルス電圧波形の正負を制御し、かつデューティ比を可変に調整するパルス制御部５とを有する。これによれば、簡素な回路構成でパルス幅変調電源２を実現できる。
さらに、パルス幅変調電源２は、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎを出力する場合と比較して、電圧波形の立ち上がりに相当するパルス電圧波形のデューティ比Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ、Ｄ９Ａ〜Ｄ１２Ａを大きく調整する立ち上がり変調、および、電圧波形の立ち下がりに相当するパルス電圧波形のデューティ比Ｄ６〜Ｄ９、Ｄ１４〜Ｄ１７を大きく調整する立ち下がり変調の少なくとも一方を施す。これによれば、デューティ比Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ、Ｄ９Ａ〜Ｄ１２Ａ、Ｄ６〜Ｄ９、Ｄ１４〜Ｄ１７を調整するだけで、所望する歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓおよび歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎを生成できる。
（４．実施形態のプラズマ装置および実施形態のプラズマ発生方法の態様および効果）
実施形態のプラズマ装置は、プラズマを発生させる容器９１と、容器９１の内部に配置された一対の電極９２と、実施形態のプラズマ用電源装置１と、を備えた。これによれば、実施形態のプラズマ装置は、プラズマ用電源装置１を備えるので、プラズマ発生能力に優れる。
さらに、実施形態のプラズマ装置は、一対の電極９２の間に大気圧の原料ガスを導入するとともに、一対の電極９２の間に発生したプラズマを移動させる大気圧ガス置換部９３をさらに備えた。これによれば、実施形態のプラズマ装置は、大気圧プラズマ装置であり、低気圧プラズマ装置と比較してプラズマ発生電圧Ｖｐが高くなる。したがって、前記した歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓおよび歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎを用いる効果や、変圧器７を用いる効果が顕著となる。
また、実施形態のプラズマ発生方法は、一対の電極９２に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生方法であって、正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎと比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調を施した歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓ、および電圧波形の立ち下がりを遅くする立ち下がり変調を施した歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎの少なくとも一方を出力する歪み波交流電源（パルス幅変調電源２および平滑回路６）を用い、歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓまたは歪み波交流電圧波形Ｗｄｗｎを一対の電極９２に印加する。
これによれば、本発明は、プラズマ発生方法として実施することもできる。実施形態のプラズマ発生方法は、実施形態のプラズマ用電源装置１と同様に、交流電圧の１周期の中でプラズマの発生可能な時間帯を拡げることができる。したがって、実施形態のプラズマ発生方法は、プラズマ発生能力に優れる。
（５．実施形態の応用および変形）
なお、実施形態で説明した第１〜第１７区間Ｒ１〜Ｒ１７、およびデューティ比Ｄ１〜Ｄ１７、Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ、Ｄ９Ａ〜Ｄ１２Ａの設定方法は一例であって、変形例は多数ある。例えば、交流電圧の立ち上がりに対応する複数のパルス電圧波形のデューティ比が全て異なり、徐々に増加していてもよい。また、パルス周波数や交流周波数も適宜変更可能である。さらに、本発明のプラズマ用電源装置は、大気圧プラズマ装置への利用に限定されず、例えば、変圧器７を省略して低気圧プラズマ装置に利用することもできる。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。
１：プラズマ用電源装置 ２：パルス幅変調電源 ３：直流電源 ４：パルス発生回路 ４１：第１スイッチング素子 ４２：第２スイッチング素子 ４３：第３スイッチング素子 ４４：第４スイッチング素子 ５：パルス制御部 ６：平滑回路 ７：変圧器 ９：本体部 ９２：電極 ９３：大気圧ガス置換部 Ｄ１〜Ｄ１７、Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ、Ｄ９Ａ〜Ｄ１２Ａ：デューティ比 Ｗｓｉｎ：正弦波交流電圧波形 Ｗｒｉｓ：歪み波交流電圧波形（立ち上がり変調） Ｗｄｗｎ：歪み波交流電圧波形（立ち下がり変調） ＺＰ：ゼロ点 ＰＰ：正ピーク点 ＺＮ：ゼロ点 ＰＮ：負ピーク点

Claims (8)

  1. 一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ用電源装置であって、
    正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調のみを施した歪み波交流電圧を出力する歪み波交流電源と、
    前記歪み波交流電圧を昇圧して一対の前記電極に印加する変圧器と、を備え、
    前記歪み波交流電圧は、
    前記正弦波交流電圧と比較して前記電圧波形のゼロ点、正ピーク点、および負ピーク点が時間軸上で移動せず、さらに、
    前記ゼロ点から前記正ピーク点までの間および前記負ピーク点から前記ゼロ点までの間で電圧瞬時値が滑らかに単調増加し、かつ、前記正ピーク点から前記ゼロ点を経て前記負ピーク点までの間で前記電圧瞬時値が滑らかに単調減少し、
    前記歪み波交流電源は、
    正負それぞれ複数のパルス電圧波形のデューティ比を可変に調整して出力するパルス幅変調電源と、
    正負それぞれ複数の前記パルス電圧波形を平滑して前記歪み波交流電圧にする平滑回路とを有し、
    前記パルス幅変調電源は、
    直流電圧を出力する直流電源と、
    ４個のスイッチング素子のブリッジ接続によって構成され、前記直流電圧が入力されて、正負それぞれ複数の前記パルス電圧波形を出力するパルス発生回路と、
    ４個の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御して、正負それぞれ複数の前記パルス電圧波形の正負を制御し、かつ前記デューティ比を可変に調整するパルス制御部とを有し、
    前記正弦波交流電圧を出力する場合と比較して、前記電圧波形の前記立ち上がりに相当する複数の前記パルス電圧波形の前記デューティ比をそれぞれ同じ比率だけ大きく調整する前記立ち上がり変調のみを施す、
    プラズマ用電源装置。
  2. 一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ用電源装置であって、
    正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調、および、前記電圧波形の立ち下がりを遅くする立ち下がり変調を施した歪み波交流電圧を出力する歪み波交流電源と、
    前記歪み波交流電圧を昇圧して一対の前記電極に印加する変圧器と、を備え、
    前記歪み波交流電圧は、
    前記正弦波交流電圧と比較して前記電圧波形のゼロ点、正ピーク点、および負ピーク点が時間軸上で移動せず、さらに、
    前記ゼロ点から前記正ピーク点までの間および前記負ピーク点から前記ゼロ点までの間で電圧瞬時値が滑らかに単調増加し、かつ、前記正ピーク点から前記ゼロ点を経て前記負ピーク点までの間で前記電圧瞬時値が滑らかに単調減少し、
    前記歪み波交流電源は、
    正負それぞれ複数のパルス電圧波形のデューティ比を可変に調整して出力するパルス幅変調電源と、
    正負それぞれ複数の前記パルス電圧波形を平滑して前記歪み波交流電圧にする平滑回路とを有し、
    前記パルス幅変調電源は、
    直流電圧を出力する直流電源と、
    ４個のスイッチング素子のブリッジ接続によって構成され、前記直流電圧が入力されて、正負それぞれ複数の前記パルス電圧波形を出力するパルス発生回路と、
    ４個の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御して、正負それぞれ複数の前記パルス電圧波形の正負を制御し、かつ前記デューティ比を可変に調整するパルス制御部とを有し、
    前記正弦波交流電圧を出力する場合と比較して、前記電圧波形の前記立ち上がりに相当する複数の前記パルス電圧波形の前記デューティ比をそれぞれ同じ比率だけ大きく調整する前記立ち上がり変調、および、前記電圧波形の前記立ち下がりに相当する複数の前記パルス電圧波形の前記デューティ比をそれぞれ同じ比率だけ大きく調整する前記立ち下がり変調を施す、
    プラズマ用電源装置。
  3. 一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ用電源装置であって、
    正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調のみを施した歪み波交流電圧を出力する歪み波交流電源と、
    前記歪み波交流電圧を昇圧して一対の前記電極に印加する変圧器と、を備え、
    前記歪み波交流電圧は、
    前記正弦波交流電圧と比較して前記電圧波形のゼロ点、正ピーク点、および負ピーク点が時間軸上で一致し、さらに、
    前記ゼロ点から前記正ピーク点までの前記立ち上がりの間で電圧瞬時値が滑らかに単調増加し、かつ、前記正ピーク点から前記ゼロ点までの立ち下がりの間で前記電圧瞬時値が前記正弦波交流電圧に一致する、
    プラズマ用電源装置。
  4. 一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ用電源装置であって、
    正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調、および、前記電圧波形の立ち下がりを遅くする立ち下がり変調を施した歪み波交流電圧を出力する歪み波交流電源と、
    前記歪み波交流電圧を昇圧して一対の前記電極に印加する変圧器と、を備え、
    前記歪み波交流電圧は、
    前記正弦波交流電圧と比較して前記電圧波形のゼロ点、正ピーク点、および負ピーク点が時間軸上で一致し、さらに、
    前記ゼロ点から前記正ピーク点までの間および前記負ピーク点から前記ゼロ点までの間で電圧瞬時値が滑らかに単調増加し、かつ、前記正ピーク点から前記ゼロ点を経て前記負ピーク点までの間で前記電圧瞬時値が滑らかに単調減少する、
    プラズマ用電源装置。
  5. 前記プラズマを発生させる容器と、前記容器の内部に配置された一対の前記電極と、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ用電源装置と、を備えたプラズマ装置。
  6. 一対の前記電極の間に大気圧の原料ガスを導入するとともに、一対の前記電極の間に発生した前記プラズマを移動させる大気圧ガス置換部をさらに備えた請求項５に記載のプラズマ装置。
  7. 一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生方法であって、
    正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調のみを施した歪み波交流電圧を出力する歪み波交流電源と、前記歪み波交流電圧を昇圧して一対の前記電極に印加する変圧器とを用い、
    前記歪み波交流電源が前記正弦波交流電圧を出力する場合と比較して、前記電圧波形の前記立ち上がりに相当する複数のパルス電圧波形のデューティ比をそれぞれ同じ比率だけ大きく調整して前記歪み波交流電圧を出力させる、プラズマ発生方法。
  8. 一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生方法であって、
    正弦波交流電圧と比較して電圧波形の立ち上がりを早くする立ち上がり変調、および、前記電圧波形の立ち下がりを遅くする立ち下がり変調を施した歪み波交流電圧を出力する歪み波交流電源と、前記歪み波交流電圧を昇圧して一対の前記電極に印加する変圧器とを用い、
    前記歪み波交流電源が前記正弦波交流電圧を出力する場合と比較して、前記電圧波形の前記立ち上がりに相当する複数のパルス電圧波形のデューティ比をそれぞれ同じ比率だけ大きく調整するとともに、前記電圧波形の前記立ち下がりに相当する複数の前記パルス電圧波形の前記デューティ比をそれぞれ同じ比率だけ大きく調整して前記歪み波交流電圧を出力させる、プラズマ発生方法。
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