JP6829326B2 - プラズマ用電源装置、プラズマ装置及びプラズマ用電源装置の制御方法 - Google Patents

プラズマ用電源装置、プラズマ装置及びプラズマ用電源装置の制御方法 Download PDF

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Description

本明細書は、一対の電極に交流電圧を印加するプラズマ用電源装置、プラズマ装置及びプラズマ用電源装置の制御方法に関する。
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、プラズマ用電源装置により生成された交流電圧を離間した一対の電極に印加することにより気体をプラズマ化する装置である。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。
特開２０１２−１７４７３６号公報 特開２００８−２９３９２５号公報
ところで、上述したように、プラズマ装置は、種々の用途に用いられているために、用途に応じてプラズマを発生する電極が移動できるように電極とプラズマ用電源装置との間を接続する電源ハーネスの長さを変化させることが望まれる。
電源ハーネスには、交流電源が接続されるため同軸ケーブルを採用することが望ましいが、電極の移動を実現するためには可撓性に乏しい同軸ケーブルを採用することは難しかった。
本明細書の開示は、上記実情に鑑み完成したものであり、可撓性に優れた電源ハーネスにより電極に接続して用いるプラズマ用電源装置及びそのプラズマ用電源装置を備えるプラズマ装置、並びにプラズマ用電源装置の制御方法を提供することを解決すべき課題とする。
上記課題を解決するために、本明細書は、シールドの無い電源ハーネスを介して、プラズマを発生させる一対の電極に印加する、所定周波数の交流電圧を生成する交流電源と、前記電源ハーネスが長くなるほど周波数が低くなるように前記交流電源の前記所定周波数を設定する制御部とを有するプラズマ用電源装置を開示する。
上記課題を解決するために、本明細書は、上述のプラズマ用電源装置を供え、前記一対の電極は、前記電源ハーネスを屈曲させることにより前記交流電源に対して相対移動が可能であるプラズマ装置を開示する。
上記課題を解決するために、本明細書は、シールドの無い電源ハーネスを介して、プラズマを発生させる一対の電極に印加する、所定周波数の交流電圧を生成する交流電源を有するプラズマ用電源装置を制御する方法を開示する。その制御方法は、前記電源ハーネスが長くなるほど周波数が低くなるように前記交流電源の前記所定周波数を設定する工程を有するプラズマ用電源装置の制御方法である。
本明細書で開示するプラズマ用電源装置によれば、電源ハーネスの長さを変化させても同程度のプラズマ能力にできるように電源を供給することができる。
本明細書で開示するプラズマ装置によれば、電源ハーネスの長さを変化させても同程度のプラズマ能力にすることができる。
本明細書で開示するプラズマ用電源装置の制御方法によれば、電源ハーネスの長さを変化させても同程度のプラズマ能力にできるように電源を供給することができる。
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。 電源ハーネスが通常の場合Ａよりも長くなった場合Ｂにおける電圧の立ち上がりが遅くなることを説明する模式図である。 正弦波交流電圧を変圧器に出力する場合に、制御部が行う制御方法を模式的に示した図である。 図４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場合に、制御部が行う制御方法を模式的に示した図である。 図６（実線）および図４（破線）のパルスから生成され、変圧器に出力される交流電圧波形を示した図である。 正弦波交流電圧波形を印加した場合において、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。 歪み波交流電圧波形を印加した場合において、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。 図１に示す構成の変形態様を示す模式図である。 実施形態のプラズマ照射システムを模式的に示した図である。
１．実施形態のプラズマ用電源装置及びプラズマ装置の構成
実施形態のプラズマ用電源装置及びプラズマ装置について、図１〜図１０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。原料ガスとしては、酸素ガス、空気、ドライエア、窒素と酸素の混合ガスを例示でき、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、変圧器７、および電源ハーネス８１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、複数のパルス電圧波形の正負や、デューティ比の調整に応じて、周波数の調整が可能であり、更には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、本実施形態の交流電源を構成する。なお、本明細書における「交流電源」における「交流」は、「直流」ではないことを意味するだけで有り、交流の周波数である「交流周波数」が取りうる範囲としては、プラズマを発生できる限りにおいて低周波から高周波までどのような周波数でも採用することができる。但し、プラズマは、交流電源に追随して発生・消滅を繰り返すため、交流周波数はプラズマが発生・消滅を繰り返すことが出来る程度が上限値になる。この上限値は交流電圧の波形、電極の形状などにより変化する値である。
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、電源ハーネス８１を介して、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。昇圧後の電圧としては特に限定しないが、１５ｋＶ程度になるように設定することが好ましく、その場合の実効値としては５ｋＶ程度にすることが好ましい。
電源ハーネス８１は、本体部９の容器９１に対して絶縁が確保されつつ、本体部９が備える一対の電極９２とプラズマ用電源装置１との間を接続する。電源ハーネス８１は、同軸ケーブルではない。電源ハーネス８１は、一対の電極９２とプラズマ用電源装置１との間の一部乃至全部とすることができる。具体的に電源ハーネス８１は、変圧器７の二次巻線７２の出力と一対の電極９２との間を接続しており、変圧器７の二次巻線７２の出力に対してはコネクタ８１ａおよび８１ｂにて着脱可能な構成となり、一対の電極９２に対してはコネクタ８１ｃおよび８１ｄにて着脱可能な構成となっている。なお、電源ハーネス８１は、可撓性をもち屈曲可能であって、且つ、種々の長さのものが採用可能である。
電源ハーネス８１は、配線長を変化させるために一部乃至全部が取り替え可能であることが好ましい。電源ハーネス８１としては、特に限定しないが、一対の芯となる 導体を有するものであり、例えばキャブタイヤケーブルなどのシールドされていないケーブルか、シールドされていたとしても可撓性を優先してシールドが不完全なケーブルを採用することが出来る。充分なシールドが為されていなくてもケーブルが十分に長いため、高調波（反射波）は発生しないか、周辺環境への影響が出るほどは発生しない。
電源ハーネス８１は、一対の電極９２をどのように配設して用いるかによって適正な配線長のものを必要なときに選択して交換できる。例えば、プラズマ処理を行う対象である被処理物の近傍に本体部９を適宜移動させる必要がある場合などのように、電源ハーネス８１の長さは、想定される範囲に相対移動させたときに邪魔にならない配線長にすることができる。
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は、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。
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。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、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。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、制御部５は、交流電圧の交流周波数を所定周波数に設定する。
所定周波数は、電源ハーネス８１の長さに応じて設定する。所定周波数の値は、電源ハーネス８１の長さが長くなるほど低くする。所定周波数の好ましい上限値としては、９ｋＨｚが例示でき、好ましい下限値としては、５ｋＨｚや８ｋＨｚが例示できる。具体的には、電源ハーネス８１の長さの変動により一対の電極９２から出力されるプラズマの強度が変動するため、そのプラズマの強度の変動が小さくなるように、所定周波数は、決定される。例えば、所定周波数は、一対の電極９２に供給される電力の大きさを同じに近づけるように制御して決定することができる。具体的には、電源ハーネス８１が相対的に長くなるほど、所定周波数の値は、相対的に低くなる。例えば、ケーブルの長さが５ｍの場合には９ｋＨｚ程度、ケーブルの長さが７ｍの場合には８ｋＨｚ程度にすることができる。
電源ハーネス８１が長くなるほど所定周波数を低くする理由としては以下の通りである。電源ハーネス８１には、寄生容量などが存在する。電源ハーネス８１の寄生容量などは、長くなるほど大きくなるため、同じ所定周波数を交流周波数として出力しても電源ハーネス８１が長いほど、一対の電極９２に供給される電圧の立ち上がりは遅くなる。例えば、図３に模式的に示すように、電源ハーネス８１の長さが相対的に長い場合Ｂは、相対的に短い場合Ａと比較して、一対の電極９２に印加される電圧の立ち上がりが遅くなる。
ここで、一対の電極９２の間で放電する形態のプラズマ装置においては、プラズマの生成は、交流の１周期の間でも一定の電圧に至った後に放電し、その後、再度電圧が高まってまた放電するというサイクルを複数回繰り返している（後述する図８および図９参照）。前述した場合Ｂのように立ち上がりが遅くなると、１周期の長さが同じでも、１つのサイクル中における放電回数が場合Ａよりも少なくなる。その結果、電源ハーネス８１が長くなると、同じ電力を供給しても発生するプラズマの強度は相対的に小さくなる。
この１つのサイクルの中においては、図８に示すように、プラズマの発生に寄与しない無効期間Ｔ１１などがある時間存在する。無効期間の長さは、交流周波数の１周期が変動しても同程度には変化しないので、場合Ｂのように立ち上がりが遅くなっても交流周波数を低くして１周期を長くすることによりプラズマ発生に寄与しない無効期間がサイクル中に占める割合が相対的に小さくなる。その結果、全体で評価すると、単位時間あたりのプラズマの強度が確保できるようになる。
制御部５は、電源ハーネス８１の長さを適正な方法にて取得して所定周波数を決定する。例えば、制御部５は、プラズマ装置やプラズマ用電源装置１の操作パネルなどに操作者が電源ハーネス８１の長さを入力する電源ハーネス長さ入力機構を設けることができる。また、制御部５は、電源ハーネス８１の構成として電源ハーネス８１の長さを制御部５に出力する機構、例えばコネクタ８１ａ〜８１ｄの何れかに、電源ハーネス８１の長さに関連する情報（コネクタの形状による情報や、抵抗値などの電気的な情報）を持たせた上で、その情報を読み取って制御部５に出力する装置を採用したりすることができる。
パルス周波数として２００ｋＨｚを例示できる。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。
更に、制御部５は、電源ハーネス８１が長いほど、一対の電極９２に印加する交流電圧の立ち上がりを速くすることができる。また、立ち上がりを速く制御することに代えて、又は加えて、立ち下がりを遅く制御することもできる。立ち上がりを速く制御したり、立ち下がりを遅く制御したりすることにより、プラズマの強度が高くできるため、電源ハーネス８１が長くなって低下したプラズマの強度を補うことができる。なお、立ち上がりを速くしたり、立ち下がりを遅く制御したりした交流電圧の波形は、通常の交流電圧の波形（正弦波交流電圧波形）に対して、歪み波交流電圧波形と称する。また、制御部５は、電源ハーネス８１が長いほど、印加する交流電圧を高くすることもできる。印加する交流電圧を高くすることによりプラズマの強度を高くできるため、電源ハーネス８１が長くなって低下したプラズマの強度を補うことができる。
交流電圧の正の半波に相当する時間帯に、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、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、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、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４は、正弦波交流電圧を変圧器７に出力する場合に、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５は、図４の出力に応じて生成されるパルス電圧波形、および正弦波交流電圧波形Ｗｓｉｎを示した図である。図４の場合では、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。１周期の長さは、電源ハーネス８１の長さに応じて決定された交流周波数（所定周波数）から決定される。なお、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、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、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、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、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５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５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６は、歪み波交流電圧を変圧器７に出力する場合に、制御部５が行う制御方法を模式的に示した図である。図６では、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速くする立ち上がり変調を施している。電圧波形の立ち上がりの程度は、交流周波数が低くなるほど、すなわち電源ハーネス８１が長いほど、速くすることが好ましい。
具体例として、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、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。
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７参照）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７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７の横軸は時間軸ｔを表し、縦軸は電圧Ｖを表している。図７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７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速くなっている。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よりも速くなる。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、立ち上がり変調を施した場合（立ち上がり変調有）によれば、プラズマの発生可能な時間帯は、立ち上がり変調を行わない場合（立ち上がり変調無）に比べて拡がる。その結果、電源ハーネス８１が長くなることにより生じるプラズマの強度の低下が効果的に補償できる。
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７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、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、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７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、正弦波交流電圧波形を用いた場合より拡がる。
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。
参考までに、図４（立ち上がり変調有）および図６（立ち上がり変調無）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８は、立ち上がり変調無の場合の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９は、立ち上がり変調有の場合において、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８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９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９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、立ち上がり変調有の場合の無効期間Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４は、立ち上がり変調を行った場合の無効期間Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４と比較して、平均的に時間幅が短い。特に、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７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よりも速くすることによって生じる作用である。したがって、立ち上がり変調を行った場合の歪み波交流電圧波形Ｗｒｉｓによれば、立ち上がり変調を行わない場合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、交換可能な電源ハーネス８１を介して、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である。実施形態のプラズマ用電源装置１は、電源ハーネス８１の長くなるにつれて交流周波数を低く制御する制御部５を備えた。
また、実施形態のプラズマ用電源装置１は、電源ハーネス８１が長くなるにつれ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速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ことが可能な交流電源を備えた。
一対の電極９２に供給する交流の交流周波数は、電源ハーネス８１の長さが長くなるにつれて相対的に低くしている。更に、電圧波形の立ち上がりを電源ハーネス８１の長さが長くなるほど速くする制御を行うこともできる。
これによれば、交流周波数を電源ハーネス８１の長さに応じて制御するため、電源ハーネス８１が長くなって一対の電極９２に供給される電力が相対的に少なくなったとしても交流周波数を低くすることにより、発生するプラズマの強度の低下を抑制することができる。
更には、電源ハーネス８１が長くなって、一対の電極９２に供給される電力が相対的に供給し難くなっても、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速くし、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、電源ハーネス８１を取り替えて長さが変化しても、プラズマ発生能力の低下を最低限に抑えることができる。
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。一対の電極９２とプラズマ用電源装置１との間は電源ハーネス８１により接続されている。電源ハーネス８１は、必要に応じて適正な長さのものに取り替え可能且つ可撓性をもつ。可撓性をもつ電源ハーネス８１について、必要に応じて取り替え可能な構成を採用しても発生するプラズマの強度の低下を抑制することが可能である。
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、変圧器７の二次巻線７２の出力と一対の電極９２との間を接続する電源ハーネス８１に代えて、平滑回路６の出力と変圧器７の一次巻線７１との間を接続する電源ハーネス８２を採用することもできる（図１０）。この場合でも、電源ハーネス８１を採用した場合と同様の制御を採用することにより同様の作用効果を発揮させることができる。
また、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。なお、交流周波数が高い方が発生する音が小さくなるため好ましい。更に、３ｋＨｚ程度の音が最も聞き取りやすいため、３ｋＨｚよりも高い範囲に交流周波数を設定する場合には、できるだけ高い周波数に設定することで耳障りな音の発生を抑制できるので好ましい。
さらに、本実施形態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。本実施形態は、その他にも様々な応用や変形が可能である。
６．プラズマ装置を利用したプラズマ照射システム
本実施形態のプラズマ装置を利用したプラズマ照射システムについて一例を挙げて説明する。
本実施形態のプラズマ照射システムは、図１１に示すように、上述した本実施形態のプラズマ装置（１００、１２０、９、１１、１２）と、プラズマ装置駆動手段（１１１〜１１８）とを備える。
本実施形態のプラズマ装置（１００、１２０、９、１１、１２）は、ベース部１００と、本体部９と、ベース部１００と本体部９との間を連絡する連絡手段１２０と、操作装置１２と、操作装置１２とベース部１００とを接続する接続手段１１とを有する。
ベース部１００は、本実施形態のプラズマ用電源装置１の構成要素の一部であるパルス幅変調電源２、平滑回路６、及び変圧器７と、不活性ガス供給手段とが収納されている。連絡手段１２０は、電源ハーネス８１と不活性ガス供給管とを束ねたものである。不活性ガス供給管は、ベース部１００の不活性ガス供給手段から本体部９の大気圧ガス置換部に不活性ガスを供給できるように連絡する管である。連絡手段１２０は、可撓性をもつフレキシブルパイプにて被覆されており、その中程部分が後述する上腕アーム１１４の側面に取付部１２１により固定されている。
操作装置１２は、本実施形態のプラズマ照射システムを操作する装置であり、接続手段１１にてベース部１００に接続され、ベース部１００及びプラズマ装置駆動手段（１１１〜１１８）に操作信号を出力する。
プラズマ装置駆動手段（１１１〜１１８）は、プラズマ装置の本体部９を３次元的に駆動させて、その本体部９にて生成されたプラズマを被処理物Ｍに効果的に作用させることができる角度になるよう調整する多軸ロボットである。
プラズマ装置駆動手段（１１１〜１１８）は、アーム保持部１１１と、上腕アーム１１４と下腕アーム１１６と支持アーム１１８とを備えた多関節型ロボットからなる。
アーム保持部１１１は、アーム旋回部１１２を介して水平面でベース部１００に回転駆動自在に形成される。上腕アーム１１４は、上腕アーム回動部１１３を介してアーム保持部１１１に回動駆動自在に枢着される。下腕アーム１１６は上腕アーム１１４に下腕アーム回動部１１５を介して垂直面で回動駆動自在に枢着される。支持アーム１１８は下腕アーム１１６に支持アーム回動部１１７を介して垂直面で回動駆動自在に枢着される。支持アーム１１８は、その先端で本体部９を保持する。
上述の構成を有することにより、プラズマ装置駆動手段（１１１〜１１８）により、プラズマを発生される本体部９を、被処理物Ｍに対して相対位置関係が適正になるように自在に制御することが可能になる。その結果、発生したプラズマを効果的に利用することが可能になる。
更に、被処理物Ｍについてもプラズマ装置駆動手段（１１１〜１１８）に類する手段を採用して、３次元的に駆動させることにより更に本体部９と被処理物Ｍとの相対位置関係を適正化することが可能になる。
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：制御部 ６：平滑回路 ７：変圧器 ８１、８２：電源ハーネス ９：本体部 ９２：電極 ９３：大気圧ガス置換部 １００：ベース部 １１１〜１１８：プラズマ装置駆動手段 １２０：連絡手段 １２：操作装置 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 Ａ：電源ハーネスの長さが短い場合 Ｂ：電源ハーネスの長さが長い場合 Ｍ：被処理物

Claims (8)

  1. シールドの無い電源ハーネスを介して、プラズマを発生させる一対の電極に印加する、所定周波数の交流電圧を生成する交流電源と、
    前記電源ハーネスが長くなるほど周波数が低くなるように前記交流電源の前記所定周波数を設定する制御部と、
    を有するプラズマ用電源装置。
  2. 前記電源ハーネスは、配線長を変化させるために一部乃至全部が取り替え可能であって可撓性を持ち、かつ、一対の芯となる導体を含む請求項１に記載のプラズマ用電源装置。
  3. 前記制御部は、前記所定周波数を９ｋＨｚ以下の範囲で制御する請求項１又は２に記載のプラズマ用電源装置。
  4. 前記制御部は、前記電源ハーネスが長い程、電圧波形の立ち上がりを速くする請求項１〜３のうちの何れか１項に記載のプラズマ用電源装置。
  5. 前記制御部は、前記電源ハーネスが長い程、前記一対の電極に印加する電圧を高くする請求項１〜４のうちの何れか１項に記載のプラズマ用電源装置。
  6. 前記交流電源は、
    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、
    前記正負それぞれ複数のパルス電圧波形を平滑して前記交流電圧にする平滑回路とを有する、
    請求項１〜５のうちの何れか１項に記載のプラズマ用電源装置。
  7. 請求項１〜６のうちの何れか１項に記載のプラズマ用電源装置を供え、
    前記一対の電極は、前記電源ハーネスを屈曲させることにより前記交流電源に対して相対移動が可能であるプラズマ装置。
  8. シールドの無い電源ハーネスを介して、プラズマを発生させる一対の電極に印加する、所定周波数の交流電圧を生成する交流電源を有するプラズマ用電源装置を制御する方法であって、
    前記電源ハーネスが長くなるほど周波数が低くなるように前記交流電源の前記所定周波数を設定する工程を有するプラズマ用電源装置の制御方法。
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