JPWO2008084660A1 - 高周波整合調整器 - Google Patents

Abstract

高周波整合調整器の信頼性の向上を得ることを目的として、高周波発生装置と負荷装置の整合を調整する整合調整回路を形成する高周波整合調整器において、筐体と、整合調整回路の電気部品と、電気部品の端子に接続する配線材と、を備え、電気部品を配線材により筐体から浮かせてある、高周波整合調整器にある。

Description

本発明は、高周波発生装置と負荷装置の整合を調整する高周波整合調整器に関するものである。

従来、高周波をコイルなどの負荷に印加するためには、高周波整合器（マッチングボックス）が必要である。従来の高周波整合器では、整合のために使用するキャパシタやリアクタや抵抗などの電気部品は、高周波整合器の筐体との絶縁のため、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、セラミックスなどの絶縁体で支持されていた。

（１）本発明は、高周波整合調整器の信頼性の向上を得ることにある。
（２）又は、本発明は、高周波整合調整器の高出力化を得ることにある。
（３）又は、本発明は、高周波整合調整器の小型化を得ることにある。

本発明は、高周波発生装置と負荷装置の整合を調整する整合調整回路を形成する高周波整合調整器において、筐体と、整合調整回路の電気部品と、電気部品の端子に接続する配線材と、を備え、電気部品を配線材により筐体から浮かせてある、高周波整合調整器にある。

（１）本発明は、高周波整合調整器の信頼性の向上を得ることができる。
（２）又は、本発明は、高周波整合調整器の高出力化を得ることができる。
（３）又は、本発明は、高周波整合調整器の小型化を得ることができる。

高周波整合装置の説明図 キャパシタを用いた高周波整合装置の説明図 コネクタを用いた高周波整合装置の説明図 電気部品、配線材とコネクタを一体に形成した一体部品の説明図 キャパシタの配置を変えた高周波整合装置の説明図 負荷装置にコイルを用いた高周波整合装置の説明図 高周波整合装置の等価回路の説明図 高周波整合装置の冷却方法の説明図 高周波整合装置を適用するプラズマ発生装置の説明図

（高周波整合調整器）
高周波整合調整器は、高周波電源などの高周波発生装置とコイルなどの負荷装置との間で整合（マッチング）をとる、或いは、整合をずらす装置である。高周波整合調整器は、高周波発生装置と負荷装置との間で整合させる高周波整合器として使用できる。或いは、高周波整合調整器は、意図的に整合をずらせる装置として使用できる。

なお、本発明者は、高周波発生装置と負荷装置の整合を調整する高周波整合調整器において、電気部品の絶縁のための絶縁体やそれを固定するためのネジを使用し、高出力の高周波を印加すると、絶縁体やネジなど僅かな突起があると誘導加熱され、高周波整合調整器内に予期しない放電が生じ、絶縁体の絶縁破壊や破損の原因となることを見出した。この放電を防ぐためには、筐体を大きく設計して絶縁距離を確保したり、ＳＦ６などの絶縁ガスを封入したり、外部から気流を導入するなどの絶縁対策が必要であった。また、このような高周波整合調整器は、高周波の周波数を上げることも困難であった。そこで、本発明者は、高周波整合調整器内の電気部品の支持に絶縁体やネジを使用せず、配線材よって電気部品の支持、冷却、高い電気伝導性が同時に得られる高周波整合調整器を創作した。

図１は、高周波整合調整器の例を示している。高周波整合調整器１０は、筐体１８、整合調整回路１００などを備えている。整合調整回路１００は、キャパシタ（Ｃ）、リアクタ（Ｌ）、抵抗（Ｒ）などの電気部品１２、これらの端子と電気的に接続する配線材１６などを備えている。なお、整合調整回路１００は、電気部品１２ａ、１２ｂの特性を調整して、高周波発生装置２０と負荷装置１４との間で整合（マッチング）をとる回路、或いは、整合（マッチング）をずらす回路である。配線材１６は、電気部品１２を筐体１８から浮かせて支持する。配線材１６は、高い電気伝導性を有する共に、可変の真空コンデンサなどの重い電気部品１２を支持するために強い強度を有し、支持可能な配線材となる。更に、配線材１６は、高周波整合調整器１０が高温になる場合、冷却機能を有することが望ましい。なお、電気部品１２を筐体１８から浮かせて支持するとは、電気部品１２を支持するための絶縁体やネジなどの支持用材料を用いることなく、電気部品１２に電力を供給する配線材１６で電気部品１２を筐体１８から離間して空間中に浮かせて保持することである。高周波整合調整器１０は、例えば、プラズマ発生用高圧装置、高圧放電装置、Ｘ線＆ガンマ線発生装置、インバータ式電力モータ装置、インバータ式電圧照明装置用電源、大出力スピーカの出力駆動電源部など広範囲な高電圧・高周波用装置に使用できる。

図２は、整合調整回路１００に電気部品１２を使用した高周波整合調整器１０の例を示している。図２（Ａ）は、高周波整合調整器１０の平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂの破線より矢印方向に見た側面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＣ−Ｃの破線より矢印方向に見た側面図である。図２（Ｄ）は、図２（Ａ）のＤ−Ｄの破線より矢印方向に見た側面図である。高周波整合調整器１０は、筐体１８内に２個の電気部品１２、例えばキャパシタを有している。電気部品１２がキャパシタの場合、調整ネジ１２０を備え、キャパシタの容量を調整することができる。

キャパシタは、例えば、（ａ）可変真空コンデンサであり、Ｊｅｎｎｉｎｇｓ社製真空コンデンサのＣＶＤＤ−３００−１５Ｓ１０−３００ｐＦ、９ｋＶ、８５Ａ、１．４ｋｇ、又は、（ｂ）コメット社製真空コンデンサのＣＶ１Ｃ−５００ＷＮ、１２−５００ｐＦ、９ｋＶ、８０Ａ、１．６ｋｇ、又は、（ｃ）明電舎製真空コンデンサのＶ−１５５Ｔ、７０−５００ｐＦ、９ｋＶ、８０Ａ、１．０ｋｇなどを使用する。高周波発生装置は、例えば、（ａ）パール工業（株）製のＲＰ−５０００Ｊ、１３〜４１ＭＨｚ、５ｋＷ、又は、（ｂ）Ｈｅｎｒｙ製の２０００Ｄ、２７．１２ＭＨｚ、２．５ｋＷ、又は、（ｃ）日本電子（株）製のＲＦ−１２０３０、１３．５６ＭＨｚ、３ｋＷ、又は、（ｄ）電気興業（株）製のＳＬＦ−１、１３．５６ＭＨｚ、１ｋＷなどを使用する。

筐体１８は、高周波整合調整器１０の高電圧又高周波からの危険を防止するものである。筐体１８は、例えば、高周波整合調整器１０の入れ物、衝立状、容器状など危険を防止する種々の形状を取ることができる。筐体１８は、高周波の漏れ防止、高電圧の危険防止など、シールドケースとしても利用することができる。シールドケースとして利用する場合、筐体１８は、伝導性の金属材で形成すると良い。

電気部品１２は、配線材１６により筐体１８内に浮かせて支持される。この構成により、電気部品１２は、筐体１８との絶縁のためのポリエチレン、テフロン（登録商標）、セラミックスなどの絶縁体で支持することを回避できる。配線材１６は、電気部品１２を支持できる強度を必要とする。高周波整合調整器１０は、上記構成を取ることにより、高い周波特性と大電力を得ることができる。もし、高周波整合調整器１０の筐体１８内に上記絶縁体を配置した場合、それらの絶縁体が加熱して変形し、信頼性が低下し、放電が生じ、又は、絶縁体の絶縁破壊や破損が生じる恐れがある。この高周波整合調整器１０は、保持用の絶縁体を配置する必要がないため、絶縁体が加熱して変形し、信頼性が低下し、放電が生じ、又は、絶縁体の絶縁破壊や破損が生じるような高い周波特性と大電力に対しても適用できる整合調整回路１８を備えることができる。配線材１６のみで電気部品１２を保持するので、配線材１６が重くなると、その荷重に耐えられる配線材１６を使用する。このような絶縁体の加熱などの問題は、例えば、数１０ｋＨｚから数１００ＭＨｚの周波数で数１００Ｖから数１００ｋＶ、数Ａから数１００Ａの電力で生じ易い。

配線材１６は、可能な限り接続個所や部品点数を減らすために、例えば、一枚板の金属から作製され、又は、切り出しにより作製される。更に、配線材１６は、高電気伝導率を得るために、銅や銀などの金属を使用し、必要に応じて金メッキや銀メッキを施す。更に、配線材１６は、パイプの配線材、冷却水など冷却媒体が流れる空間を有する銅板などの板状の配線材、内部にパイプを埋め込んだ配線材などの構造を取り、加熱を防止するとよい。

図３は、図２の高周波整合調整器１０において、コネクタ１８２を使用した例を示している。図３（Ａ）は、高周波整合調整器１０の平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂの破線より矢印方向に見た側面図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃの破線より矢印方向に見た側面図である。コネクタ１８２は、筐体１８に固定され、高周波発生装置２０と電気部品１２とを電気的に接続するものである。また、コネクタ１８２は、電気部品１２を保持する基点となる個所であり、筐体１８に強固に固定される。配線材１６ａは、コネクタ１８２に固定される。なお、高周波発生装置２０の高周波ケーブル２００を使用する場合、コネクタ１８２は、高周波ケーブル２００に接続される。

図２と図３において、第１の電気部品１２ａの他の端子には、配線材１６ｂが接続される。配線材１６ｂの他の端子は、接地（アース）として作用する筐体１８に電気的に接続され、固定される。配線材１６ｂは、第１電気部品１２ａの支持材としても利用できる。配線材１６ｂにより第１電気部品１２ａを十分に支持できれば、支持材の機能を持たせないで単に電気的な配線材としてもよい。配線材１６ｂは、高温になる場合、配線材１６ａと同様に、冷却機能を持たせるとよい。

第２の電気部品１２ｂの他の端子は、出力端子として利用され、負荷装置１４に接続される。電気部品１２ｂの他の端子は、負荷装置１４に直結しても、又は、配線材１６ｃを介して負荷装置１４に接続しても良い。負荷装置１４に直結する場合でも、負荷装置１４の引き出し線が、配線材１６ｃの機能を有することになる。配線材１６ｃは、負荷装置１４に電力や信号を供給するために、高電気伝導性を持たせ、更に、負荷装置１４を支持し、又は、自身を冷却するために、配線材１６ａと同様に支持用で冷却可能な構造を持たせると良い。配線材１６ｃは、負荷装置１４が軽い場合、又は負荷装置１４が別の個所で固定され、支持力を必要としない場合、支持材の機能を持たせないで単に電気的な配線材としてもよい。負荷装置１４を筐体１８外に配置する場合、配線材１６ｃは、筐体１８に窓１８０ａを設け、その窓１８０ａを通す必要がある。その場合、筐体１８と配線材１６ｃ間で放電が生じないように、窓１８０ａを大きくして、筐体１８と配線材１６ｃ間の距離を十分にとる必要がある。また、図２において、配線材１６ａは、筐体１８に窓１８０ｂを設け、その窓１８０ｂを通す必要がある。その場合、筐体１８と配線材１６ａ間で放電が生じないように、窓１８０ｂを大きくして、筐体１８と配線材１６ａ間の距離を十分にとる必要がある。

負荷装置１４は、コイルなど高周波電流が供給される電気回路である。負荷装置１４の他の端子は、筐体１８に直結しても、又は、配線材１６ｄを介して筐体１８に接続してもよい。配線材１６ｄは、負荷装置１４の支持材としても利用できるが、負荷装置１４が他の手段で十分に支持されていれば、支持材の機能を持たせないで単に電気的な配線材としてもよい。配線材１６ｄは、高温になる場合、配線材１６ａと同様に、冷却できる構造にするとよい。

図４は、電気部品１２と配線材１６とコネクト１８２とを一体に形成した構造を示している。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）を上方から見た図である。図４において、１つの部品を除いて一体に形成する例、電気部品１２と配線材１６とを一体構造に形成し、又は配線材１６とコネクト１８２とを一体構造に形成し、又は電気部品１２とコネクト１８２とを一体構造に形成してもよい。コネクト１８２は、筐体に固定され、電気部品１２の接続されていない端子は、配線材に接続される。

配線材１６は、例えば、厚さ１０ｍｍ、幅４４ｍｍ、長さ１３０ｍｍの銅板が使用される。銅板に窪みを形成して、窪み内に水冷パイプを配置する。コネクト１８２は、筐体１８の側面の開口部に取り付けられ、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、セラミックスなどの絶縁体で形成される。コネクト１８２は、配線材１６と筐体とを強固に固定する。

図５は、図２の電気部品１２ａの配置を変えた高周波整合調整器１０を示している。図４の配置の場合、電気部品１２ａと１２ｂとの接続端子間を接近でき、しかも、電気部品１２ａと１２ｂの他の接続端子を配線材１６ａに対して反対側に配置するので、電気部品１２ａと１２ｂの他の接続端子間の間隔を長くできる。その結果、配線材１６ａの長さを短縮でき、電圧降下を小さくできるので、高周波整合調整器１０内で発生する電圧を低下することができると共に、筐体１８を小型化することができる。

図６は、図２の負荷装置１４としてコイル１４０を使用した高周波整合調整器１０を示している。コイル１４０を負荷装置１４として使用する場合、図２の配線材１６ｃと１６ｄは、コイル１４０の一部を使用することができる。コイル１４０は、例えばプラズマ発生装置のコイルとして使用することができる。コイル１４０は、用途に応じて筐体１８の内部又は外部に配置される。

図７は、図６において、電気部品１２ａ、１２ｂにキャパシタを使用した高周波整合調整器１０の等価回路を示している。図７（Ａ）は、図６の等価回路を示し、図７（Ｂ）は、ほぼ同様の機能をする他の整合調整回路を示している。このように、高周波整合調整器１０は、用途に応じて種々の回路構成や電気部品の配置を取ることができる。

図８は、高周波整合調整器１０の冷却方法を示している。図８（Ａ）は、１本の冷却経路で図１の高周波整合調整器１０を冷却する構造を示している。図８（Ｂ）は、蓋１８４付きの箱状の筐体１８を使用し、筐体１８の内部を冷気で冷却するために、筐体１８の上面を冷却する構造を示している。図８（Ａ）では、配線材１６の内部に冷却液などの媒体が流れる配管を備えている。冷却管２２ａは、配線材１６ａの配管に接続され、冷却管２２ｂは、配線材１６ａと１６ｂの配管に接続され、冷却管２２ｃは、配線材１６ｂと１６ｃの配管に接続され、冷却管２２ｄは、配線材１６ｃと１６ｄの配管に接続され、負荷装置１４を冷却し、冷却管２２ｅは、１６ｄの配管に接続されている。冷却管１６は、接続する両端の電気部品の端子の電位差により、材質や長さを決める必要がある。冷却管１６の両端の電位差が大きい場合、絶縁性を高める必要があり、絶縁性の高い材質で長く形成する必要がある。冷却管１６の両端に電位差がない場合、高伝導性の材料で短く形成すると良い。高周波整合調整器１０の冷却方法は、用途に応じて、冷却経路を複数にしてもよい。負荷装置１４がコイル１４０の場合、コイル１４０を中空パイプで形成し、パイプ内に冷却媒体を流して、冷却すると良い。

図８（Ｂ）は、筐体１８の蓋１８４を冷却する例を示している。冷却管２２を蓋１８４の内部又は外部に取り付け、蓋１８４を冷却する。蓋１８４の内壁には、多数の放熱フィン２２０を取り付ける。これにより、筐体１８内の気体は、多数の放熱フィン２２０、２２０、・・・で冷却され、冷気が静かに下降し、筐体１８内の気体の乱れを少なくでき、高周波整合調整器１０を冷却できる。

（プラズマ発生装置）
図９は、図６のような高周波整合調整器１０を用いたプラズマ発生装置３０の例を示している。プラズマ発生装置３０は、プラズマ３４を発生するプラズマ発生室３２を備えている。プラズマ発生室３２の周囲にコイル１４０が配置される。プラズマ発生室３２には、配管を介して、プラズマガス３６、又は、サポートガス４０が導入される。液体噴射装置４２は、ネブライザとして作用し、プラズマ発生室３２に試料４４を導入する。高周波発生装置２０は、高周波整合調整器１０を介して高周波をコイル１４０に供給する。プラズマ発生室３２内のプラズマガス３６はプラズマ状態になる。その際、プラズマ発生室３２は、冷却ガス３８により冷却される。プラズマ発生装置３０で使用する高周波整合調整器１０は、例えば、数ＭＨｚから数１０ＭＨｚの周波数で数１０Ｖから数ｋＶ、数１０Ａから数１００Ａの電力が印加される。

（高周波整合調整器の特徴）
プラズマ発生装置に適用した高周波整合調整器１０は、以下のように構成することができる。（１）電気部品１２の支持には、絶縁体を使用せず、銅や銀などの電気伝導度の高い金属の配線材１６を用いる。（２）配線材１６は、可能なかぎり接続部（部品点数）を減らし、一枚板より、又は、削り出しにより製作する。（３）コネクタ１８２を使用する場合、配線材１６ａと一体化する。（４）これらの配線材１６は、パイプまたは中空の板で形成し、内部には冷却水などの冷却媒体を流すとよい。（５）整合調整回路１００の接地部と筐体１８を一体化する。又は、アルミなどの強度のある筐体１８の内側に銅などの電極を大面積で接着する。この構成により、回路の電気抵抗及びインダクタンスを減少し、発熱を減らすことができる。及び、この構成により、内部の熱が放散しやすくなり、内部温度を低下できる。（６）電気部品１２同士、例えばコンデンサとロードコイル（負荷）１４０を直接接続する。その結果、コンデンサの電圧が下がるため、高出力化が可能となる。又は、耐圧の低いコンデンサが使用可能となり、かつ筐体１８の体積を小さくでき、更に、インダクタンスを低減でき、より高い周波数も使用可能となる。（７）配線材１６は、冷却と支持と電気伝導を同時に満足することができる。（８）電気部品１２ａの低電圧側を配線材１６ｂで筐体１８と熱結合をさせることにより、冷却高利率を向上できる。（９）冷却媒体を筐体１８の上方の蓋に流し、放熱フィン２２０を冷却して、筐体１８内に冷気の対流を発生させ、放熱ファンを使わずに、有効な冷却が可能となる。

上記実施の形態により、以下のような効果を得ることができる。（１）印加できる高周波の出力を数倍に増大できる。（２）印加できる高周波の周波数を数倍に向上できる。（３）高周波整合調整器１０の筐体１８の体積を数十分の一に減少できる。（４）コンデンサなど電子部品１２の寿命を延ばすことができる。（５）高周波整合調整器１０、特に電気部品１２の発熱による整合ポイントのずれを低減できる。（６）支持用の絶縁材やネジによる発熱がなくなるので、電力使用効率を向上できる。（７）絶縁ガスや冷却ファンを使わないので、クリーンルームなどでの使用に有利となる。

即ち、上記実施の形態により、放電破壊の原因となる電気部品１２の支持用部材、例えば絶縁体やネジなどを使用しない構造とする。具体的には、金属製（銅や銀などの電気伝導度の高いもの）の高周波配線自身によって各電気部品１２を連続的に接続するとともに、支持することができる。また、高周波ケーブル２００の接続に用いるコネクタ１８２も配線と一体成型とする。これによって絶縁体や電気伝導度の低いネジなどの金属（鉄や真ちゅうなど）からの発熱等を原因とする放電は生じなくなり、高周波整合調整器１０の高出力化が実現できる。また、金属を使用するため、冷却の効果が増大し、高周波整合調整器１０の特性の熱変化が低減され、動作の安定性が向上する。

Claims (7)

1. 高周波発生装置と負荷装置の整合を調整する整合調整回路を形成する高周波整合調整器において、
   筐体と、整合調整回路の電気部品と、電気部品の端子に接続する配線材と、を備え、電気部品を配線材により筐体から浮かせてある、高周波整合調整器。
2. 請求項１に記載の高周波整合調整器において、
   電気部品は、支持用部材を使わずに配線材のみにより筐体から浮かせてある、高周波整合調整器。
3. 請求項１に記載の高周波整合調整器において、
   電気部品の端子を配線材の一端に接続し、配線材の他端を筐体に接続し、電気部品を配線材により筐体から浮かせてある、高周波整合調整器。
4. 請求項１に記載の高周波整合調整器において、
   筐体は、シールド材である、高周波整合調整器。
5. 請求項１に記載の高周波整合調整器において、
   配線材の内部に冷却媒体を流す、高周波整合調整器。
6. 請求項１に記載の高周波整合調整器において、
   電気部品は、配線材と一体に構成されている、高周波整合調整器。
7. 請求項１に記載の高周波整合調整器において、
   筐体に固定されるコネクタを備え、
   配線材は、コネクタに固定されている、高周波整合調整器。
   

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