WO2019102536A1 - 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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慎二 瀧川
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Definitions

  • the present specification relates to a power supply for plasma, a plasma device, and a control method of the power supply for plasma, which apply an alternating voltage to a pair of electrodes.
  • a plasma apparatus which generates plasma by discharging in a source gas.
  • a plasma device is a device that plasmifies a gas by applying an alternating voltage generated by a plasma power supply device to a pair of spaced apart electrodes.
  • Plasma devices are widely used in industrial applications such as surface processing of solid materials, cleaning and adhesion, for environmental protection such as sterilization and air purification, and for medical applications.
  • the plasma apparatus used a vacuum pump to make the source gas a low pressure (negative pressure), and stabilized the discharge to maintain the quality of the plasma.
  • an atmospheric pressure plasma apparatus using a source gas at atmospheric pressure has been put to practical use, and high plasma density can be obtained.
  • Patent Document 1 discloses an example of this type of plasma apparatus.
  • a power supply harness for connecting between the electrode and the plasma power supply device so that the electrode generating the plasma can move depending on the application It is desirable to change the length of the
  • the disclosure of the present specification is completed in view of the above situation, and is used for a plasma power supply device used by connecting to an electrode by a flexible power supply harness, and a plasma device provided with the plasma power supply device, and Providing a control method of a power supply device is an issue to be solved.
  • the present specification describes an AC power supply that generates an AC voltage of a predetermined frequency that is applied to a pair of electrodes that generate plasma via a power supply harness without a shield, and the power supply harness has a long length.
  • a control unit configured to set the predetermined frequency of the alternating current power supply so that the frequency becomes lower.
  • this specification provides the above-mentioned power supply for plasmas, and a pair of electrodes can move relative to the alternating current power by bending the power supply harness. Disclose.
  • a power supply device for plasma which has an alternating current power supply which generates an alternating voltage of predetermined frequency applied to a pair of electrodes which generate plasma via a power supply harness without a shield.
  • the control method is a control method of a plasma power supply device including a step of setting the predetermined frequency of the AC power supply so that the frequency decreases as the power supply harness becomes longer.
  • power can be supplied so that the same plasma capability can be obtained even if the length of the power supply harness is changed.
  • the plasma device disclosed in the present specification even if the length of the power supply harness is changed, the same plasma capability can be obtained.
  • the control method of the plasma power supply device disclosed in the present specification the power can be supplied so that the same plasma capability can be obtained even if the length of the power supply harness is changed.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a circuit configuration of a pulse width modulation power supply. It is a schematic diagram explaining that the rise of the voltage in B is delayed when a power supply harness becomes longer than A in a normal case. It is a figure showing typically the control method which a control part performs, when outputting a sine wave alternating current voltage to a transformer. It is the figure which showed the pulse voltage waveform in the case of FIG. 4, and a sine wave alternating voltage waveform. It is the figure which showed typically the control method which a control part performs, when outputting distortion wave alternating voltage to a transformer.
  • FIG. 1 is the figure which showed typically the power supply device 1 for plasma of embodiment which comprises the plasma apparatus of embodiment, and the main-body part 9. As shown in FIG. First, the main unit 9 will be described.
  • the main body portion 9 includes a container 91, a pair of electrodes 92, and an atmospheric pressure gas replacement portion 93.
  • the container 91 divides the interior space from the outside air.
  • the pair of electrodes 92 is disposed to face the inside of the container 91.
  • a plasma generation region 94 is formed between the pair of electrodes 92.
  • the atmospheric pressure gas replacement unit 93 introduces a source gas at atmospheric pressure into the generation region 94 and moves plasma generated in the generation region 94.
  • the plasma may be used in the container 91 or may be moved and used elsewhere.
  • source gas oxygen gas, air, dry air, mixed gas of nitrogen and oxygen can be illustrated, and it is not limited to these.
  • the plasma device according to the embodiment is an atmospheric pressure plasma device, and generally has a high plasma generation voltage as compared with a low pressure plasma device.
  • the plasma apparatus of the embodiment does not require a vacuum pump for reducing pressure (negative pressure), and the apparatus configuration is simple.
  • the plasma power supply device 1 includes a pulse width modulation power supply 2, a smoothing circuit 6, a transformer 7, and a power supply harness 81.
  • the pulse width modulation power supply 2 variably adjusts and outputs duty ratios of a plurality of positive and negative pulse voltage waveforms.
  • the smoothing circuit 6 smoothes a plurality of positive and negative pulse voltage waveforms output from the pulse width modulation power supply 2 to generate an AC voltage, which is output to the transformer 7.
  • the waveform of the AC voltage can be adjusted in frequency depending on whether the pulse voltage waveforms are positive or negative, or the duty ratio is adjusted, and can be a sine wave or a distorted wave.
  • the smoothing circuit 6 includes, for example, a coil 61 and a capacitor 65 shown in FIG.
  • One end 611 of the coil 61 is connected to one end of the output side of the pulse width modulation power supply 2.
  • the other end 612 of the coil 61 is connected to one end of the primary winding 71 of the transformer 7.
  • One end 651 of the capacitor 65 is connected to the other end 612 of the coil 61 and one end of the primary winding 71.
  • the other end 652 of the capacitor 65 is connected to the other end of the output side of the pulse width modulation power supply 2 and the other end of the primary winding 71.
  • the pulse width modulation power supply 2 and the smoothing circuit 6 constitute the AC power supply of this embodiment.
  • AC in “AC power supply” in this specification only means that it is not “DC”, and as long as “AC frequency”, which is the frequency of AC, can be taken, plasma can be generated. Any frequency from low frequency to high frequency can be adopted. However, since the plasma repeats generation and annihilation following the AC power supply, the AC frequency has an upper limit value to the extent that the plasma can repeat generation and annihilation.
  • the upper limit value is a value that changes depending on the waveform of the AC voltage, the shape of the electrode, and the like.
  • the transformer 7 is a single-phase device and has an electromagnetically coupled primary winding 71 and a secondary winding 72.
  • the transformer 7 has a step-up function in which the number of turns of the secondary winding 72 is larger than the number of turns of the primary winding 71.
  • One end and the other end of the secondary winding 72 are connected to a pair of electrodes 92 via a power supply harness 81.
  • the transformer 7 boosts the alternating voltage input to the primary winding 71 and applies the voltage from the secondary winding 72 to the pair of electrodes 92.
  • the voltage after boosting is not particularly limited, but is preferably set to about 15 kV, and the effective value in that case is preferably about 5 kV.
  • the power supply harness 81 connects between the pair of electrodes 92 provided in the main body 9 and the plasma power supply device 1 while insulation is secured for the container 91 of the main body 9.
  • the power supply harness 81 is not a coaxial cable.
  • the power supply harness 81 can be a part or all of the space between the pair of electrodes 92 and the plasma power supply device 1.
  • the power supply harness 81 connects between the output of the secondary winding 72 of the transformer 7 and the pair of electrodes 92, and the connector 81a for the output of the secondary winding 72 of the transformer 7 And 81b, and the connector 81c and 81d can attach and detach the pair of electrodes 92.
  • the power supply harness 81 is flexible and bendable, and can be of various lengths.
  • the power supply harness 81 be partially or entirely replaceable in order to change the wiring length.
  • the power supply harness 81 is not particularly limited, but has a pair of core conductors.
  • an unshielded cable such as a cabtire cable or a shield is given priority even if it is shielded. Can adopt an incomplete cable. Even if the shield is not sufficient, the cable is long enough that no harmonics (reflected waves) are generated or enough to affect the surrounding environment.
  • the power supply harness 81 can be selected and replaced when necessary, depending on how the pair of electrodes 92 is disposed and used. For example, when the length of the power supply harness 81 is relatively moved to an expected range, as in the case where the main body portion 9 needs to be appropriately moved in the vicinity of the object to be processed which is to be subjected to plasma processing.
  • the wiring length can be made unobtrusive.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating the circuit configuration of the pulse width modulation power supply 2.
  • the pulse width modulation power supply 2 includes a DC power supply 3, a pulse generation circuit 4, and a control unit 5.
  • the DC power supply 3 outputs a DC voltage Vdc from the high voltage terminal 31 and the low voltage terminal 32.
  • the pulse generation circuit 4 is configured by bridge connection of four switching elements.
  • a switching element a MOSFET element, an IGBT element, etc. can be used, and the case of a MOSFET element is demonstrated to an example hereafter.
  • the drain D of the first switching element 41 is connected to the high voltage terminal 31 of the DC power supply 3, and the source S is connected to the first output terminal 47.
  • the drain D of the second switching element 42 is connected to the first output terminal 47, and the source S is connected to the low voltage terminal 32 of the DC power supply 3.
  • the drain D of the third switching element 43 is connected to the high voltage terminal 31 of the DC power supply 3, and the source S is connected to the second output terminal 48.
  • the fourth switching element 44 has a drain D connected to the second output terminal 48 and a source S connected to the low voltage terminal 32 of the DC power supply 3.
  • the first output terminal 47 and the second output terminal 48 are drawn out and connected to the smoothing circuit 6.
  • the gate G of the first switching element 41 and the gate G of the fourth switching element 44 are collectively connected to the control unit 5.
  • the gate G of the second switching element 42 and the gate G of the third switching element 43 are also collectively connected to the control unit 5.
  • the switching elements 41 to 44 conduct between the drain D and the source S only when a control signal is input to the gate G.
  • the control unit 5 sends a control signal to the gate G to control the switching operation of the switching element.
  • the control unit 5 includes an electronic control circuit having a CPU and operating with software. The invention is not limited to this, and the control unit 5 may be configured by a hardware circuit.
  • the controller 5 sets a pulse frequency that represents the repetition frequency of the pulse voltage waveform. Further, the control unit 5 sets the AC frequency of the AC voltage to a predetermined frequency.
  • the predetermined frequency is set according to the length of the power supply harness 81.
  • the value of the predetermined frequency is lowered as the length of the power supply harness 81 becomes longer.
  • As a preferable upper limit of the predetermined frequency 9 kHz can be exemplified, and as a preferable lower limit, 5 kHz or 8 kHz can be exemplified.
  • the predetermined frequency is determined so that the fluctuation of the plasma intensity becomes small.
  • the predetermined frequency can be determined by controlling the magnitudes of the power supplied to the pair of electrodes 92 to be close to the same.
  • the value of the predetermined frequency becomes relatively lower.
  • the length of the cable is 5 m, it may be about 9 kHz, and when the length of the cable is 7 m, it may be about 8 kHz.
  • the reason for lowering the predetermined frequency as the power supply harness 81 becomes longer is as follows.
  • the power supply harness 81 has parasitic capacitance and the like.
  • the parasitic capacitance and the like of the power supply harness 81 increase as the length increases. Therefore, even if the same predetermined frequency is output as an AC frequency, the longer the power supply harness 81 is, the slower the rising of the voltage supplied to the pair of electrodes 92 becomes. For example, as schematically shown in FIG. 3, when the length of the power supply harness 81 is relatively long B, compared with A when relatively short, the rise of the voltage applied to the pair of electrodes 92 is Become slow.
  • the generation of plasma is discharged after reaching a constant voltage even during one cycle of alternating current, and then the voltage is increased again and the discharge is performed again. Cycle is repeated multiple times (see FIG. 8 and FIG. 9 described later).
  • the rise is delayed as in the case B described above, the number of discharges in one cycle becomes smaller than that in the case A even if the length of one cycle is the same.
  • the power supply harness 81 becomes longer, the strength of the generated plasma is relatively reduced even if the same power is supplied.
  • the control unit 5 obtains the length of the power supply harness 81 by an appropriate method and determines a predetermined frequency.
  • the control unit 5 can provide a power supply harness length input mechanism that allows the operator to input the length of the power supply harness 81 to the plasma device or the operation panel of the plasma power supply device 1.
  • the control unit 5 outputs the length of the power supply harness 81 to the control unit 5 as the configuration of the power supply harness 81, for example, information related to the length of the power supply harness 81 in any of the connectors 81a to 81d (connector It is possible to adopt a device that reads information and outputs the information to the control unit 5 after giving information according to the shape of (1) and electrical information such as resistance value.
  • 200 kHz can be illustrated as a pulse frequency.
  • the pulse number obtained by dividing the pulse frequency by the AC frequency represents the number of pulse voltage waveforms corresponding to one cycle of the AC voltage.
  • the number of pulses is preferably several tens or more.
  • control unit 5 can make the rising of the AC voltage applied to the pair of electrodes 92 faster as the power supply harness 81 is longer. Also, instead of or in addition to controlling the rising quickly, the falling may be controlled later. Since the plasma intensity can be increased by controlling the rising quickly or controlling the falling slowly, the length of the power supply harness 81 can be compensated to compensate for the reduced plasma.
  • the waveform of the alternating voltage which made the rising quick or controlled the falling late is called a distortion wave alternating voltage waveform with respect to the waveform (sine wave alternating voltage waveform) of a normal alternating voltage.
  • the control part 5 can also make the alternating voltage to apply high, so that the power supply harness 81 is long. Since the strength of the plasma can be increased by increasing the applied AC voltage, the length of the power supply harness 81 can be compensated to compensate for the reduced plasma.
  • the control unit 5 does not send out the control signal to the second switching element 42 and the third switching element 43, and maintains it in the cutoff state. Further, the control unit 5 sends a control signal of variable time length to the first switching element 41 and the fourth switching element 44 to perform opening / closing control, and variably adjusts the duty ratio. Thereby, the pulse width modulation power supply 2 outputs a plurality of positive pulse voltage waveforms whose duty ratio is adjusted.
  • control part 5 does not send out a control signal to the 1st switching element 41 and the 4th switching element 44, and maintains it in the interruption
  • control unit 5 sends a control signal of variable time length to the second switching element 42 and the third switching element 43 to perform opening / closing control, and variably adjusts the duty ratio.
  • the pulse width modulation power supply 2 outputs a plurality of negative pulse voltage waveforms whose duty ratio is adjusted. The heights of the positive and negative pulse voltage waveforms coincide with the DC voltage Vdc of the DC power supply 3.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a control method performed by the control unit 5 when the sine wave AC voltage is output to the transformer 7.
  • FIG. 5 is a diagram showing a pulse voltage waveform generated according to the output of FIG. 4 and a sine wave AC voltage waveform Wsin.
  • the control unit 5 divides a time zone corresponding to one cycle of the AC voltage into seventeen from the first section R1 to the seventeenth section R17. The length of one cycle is determined from an AC frequency (predetermined frequency) determined according to the length of the power supply harness 81. In the first section R1 and the seventeenth section R17, only half of the time width falls within one cycle of the AC voltage.
  • a plurality of pulse voltage waveforms enter each of the first to seventeenth sections R1 to R17.
  • the first section R1 to the fifth section R5 correspond to the rising of the positive half wave of the AC voltage. Therefore, in the first to fifth sections R1 to R5, the control unit 5 sequentially increases the duty ratios D1 to D5 in accordance with the increasing tendency of the rising of the sine wave. Expressing this as an inequality, the following relationship holds. Duty ratio D1 of first section R1 ⁇ duty ratio D2 of second section R2 ⁇ duty ratio D3 of third section R3 ⁇ duty ratio D4 of fourth section R4 ⁇ duty ratio D5 of fifth section R5.
  • the fifth section R5 to the ninth section R9 correspond to the falling of the positive half wave of the AC voltage. Therefore, in the fifth to ninth sections R5 to R9, the control unit 5 successively reduces the duty ratios D5 to D9 in accordance with the decreasing tendency of the falling of the sine wave. Expressing this as an inequality, the following relationship holds. Duty ratio D5 of fifth section R5> duty ratio D6 of sixth section R6> duty ratio D7 of seventh section R7> duty ratio D8 of eighth section R8> duty ratio D9 of ninth section R9.
  • control unit 5 successively increases and decreases duty ratios D9 to D17 in accordance with the decreasing tendency of the negative rise and the increasing tendency of the falling of the sine wave. go. Expressing this as an inequality, the following relationship holds.
  • Duty ratio D9 of ninth section R9 ⁇ duty ratio D10 of tenth section R10 ⁇ duty ratio D11 of eleventh section R11 ⁇ duty ratio D12 of twelfth section R12 ⁇ duty ratio D13 of thirteenth section R13.
  • control unit 5 sets the duty ratios D1 to D17 of the first to seventeenth sections R1 to R17 as follows.
  • FIG. 5 shows a time zone corresponding to the rising of the positive half wave of the AC voltage in the case where three pulse voltage waveforms enter each of the first to seventeenth sections R1 to R17.
  • FIG. 5 shows one half pulse voltage waveform of duty ratio D1, three pulse voltage waveforms of duty ratios D2 to D4, and one half pulse voltage waveform of duty ratio D5, and a total of 12 Pulse voltage waveforms are shown.
  • These pulse voltage waveforms are smoothed by the smoothing circuit 6 to obtain a sine wave AC voltage waveform Wsin from the zero point ZP to the positive peak point PP.
  • the sinusoidal AC voltage waveform Wsin output from the smoothing circuit 6 has a phase delay with respect to the pulse voltage waveform.
  • FIG. 6 is a view schematically showing a control method performed by the control unit 5 when the strain wave AC voltage is output to the transformer 7.
  • the control unit 5 performs rise modulation to make the rise of the voltage waveform faster as compared to the sine wave AC voltage.
  • the rising degree of the voltage waveform is preferably made faster as the alternating current frequency is lower, that is, as the power supply harness 81 is longer.
  • the control unit 5 adjusts the duty ratios D1A to D4A of the first section R1 to the fourth section R4 and the duty ratios D9A to D12A of the ninth section R9 to the twelfth section R12 as follows.
  • the controller 5 does not perform fall modulation. Therefore, the duty ratios D5 to D8 and the duty ratios D13 to D16 coincide with those in the case of a sinusoidal AC voltage.
  • the above + ⁇ may be different from each other in each of the sections R1 to R4 and R9 to R12, or may be common. For example, + ⁇ is commonly set to 10% in each of the sections R1 to R4 and R9 to R12.
  • FIG. 7 is a diagram showing an AC voltage waveform output to the transformer 7 in the embodiment and the comparative example.
  • the horizontal axis of FIG. 7 represents time axis t, and the vertical axis represents voltage V.
  • the sine wave AC voltage waveform Wsin of the comparative example is indicated by a broken line.
  • the rising is indicated by a solid line, and the falling corresponds to the sine wave AC voltage waveform Wsin.
  • the distortion wave AC voltage waveform Wris has a faster rising of the voltage waveform than the sine wave AC voltage waveform Wsin. Therefore, the time t1 at which the distortion wave AC voltage waveform Wris reaches the plasma generation voltage Vp is faster than the time t2 at which the sine wave AC voltage waveform Wsin reaches the plasma generation voltage Vp.
  • the above description holds for negative half waves as well. Therefore, according to the rise modulation (with rise modulation), the time zone in which the plasma can be generated is expanded as compared to the case without rise modulation (with no rise modulation). As a result, it is possible to effectively compensate for the decrease in plasma intensity caused by the lengthening of the power supply harness 81.
  • a distorted wave AC voltage waveform Wdwn subjected to the fall modulation can be used.
  • the rising edge corresponds to the sine wave AC voltage waveform Wsin
  • the falling edge is indicated by an alternate long and short dash line.
  • the control unit 5 adds + ⁇ [% to the duty ratios D6 to D9 of the sixth section R6 to the ninth section R9 and the duty ratios D14 to D17 of the fourteenth section to the 17th section R17. ] Adjust the only larger. Note that, since the control unit 5 does not perform the rise-up modulation, the duty ratios D2 to D5 and the duty ratios D10 to D13 coincide with those in the case of a sine wave AC voltage.
  • the falling modulation distortion wave AC voltage waveform Wdwn is slower in falling of the voltage waveform than the sine wave AC voltage waveform Wsin. Therefore, the time t4 at which the strain wave AC voltage waveform Wdwn falls to the plasma extinction voltage Vd is later than the time t3 at which the sine wave AC voltage waveform Wsin falls to the plasma extinction voltage Vd.
  • the above description holds for negative half waves as well. Therefore, when the distortion-wave alternating voltage waveform Wdwn subjected to the fall modulation is used, the time period in which the plasma can be generated is wider than in the case where the sine-wave alternating voltage waveform is used.
  • the distortion wave AC voltage waveform Wris and the distortion wave AC voltage waveform Wdwn have a zero point ZP, a positive peak point PP, a zero point ZN, and a negative peak point PN of the voltage waveform in comparison with the sine wave AC voltage waveform Wsin. It does not move on the time axis t. Furthermore, distortion wave AC voltage waveform Wris and distortion wave AC voltage waveform Wdwn are such that voltage instantaneous values smoothly and monotonously increase between zero point ZP to positive peak point PP and between negative peak point PN to zero point ZP. Also, the voltage instantaneous value smoothly and monotonously decreases from the positive peak point PP to the negative peak point PN via the zero point ZN.
  • the distortion wave AC voltage waveform Wris and the distortion wave AC voltage waveform Wdwn have the above-described properties, so the content of the high frequency component is limited.
  • the transformer 7 can perform boosting by suppressing the distortion of the voltage waveform.
  • the generated loss of the transformer 7 does not increase significantly as compared with the sinusoidal AC voltage waveform Wsin. If a pulse waveform containing many high frequency components is input to the primary winding 71 of the transformer 7, the distortion of the voltage waveform in the secondary winding 72 becomes noticeable. Furthermore, it causes an increase in generated loss in the transformer 7 and an increase in noise and vibration. For this reason, it is not practical to boost the pulse waveform with the transformer 7.
  • FIG. 8 is a diagram obtained by measuring a voltage waveform V1 between the electrodes 92, which shows the generation state of plasma in the case of no rise modulation.
  • FIG. 9 is a diagram obtained by measuring a voltage waveform V2 between the electrodes 92, which indicates the generation state of plasma, in the case where the rise modulation is present.
  • the AC frequency of the sine wave AC voltage waveform Wsin indicated by the broken line in FIG. 8 and the AC frequency of the distortion wave AC voltage waveform Wris indicated by the broken line in FIG. 9 are both 5 kHz.
  • each ineffective period T11, T12, T13, T14, T21, T22, T23, T24 includes one of the zero point ZP and the zero point ZN.
  • the ineffective periods T21, T22, T23, and T24 in the case of the rise modulation have an average shorter time width than the ineffective periods T11, T12, T13, and T14 in the case of the rise modulation.
  • the time widths after the zero point ZP and after the zero point ZN are short. This is an effect caused by making the rising of the distortion wave AC voltage waveform Wris faster than the sine wave AC voltage waveform Wsin, as described with reference to FIG. Therefore, according to the distortion wave AC voltage waveform Wris when the rise modulation is performed, plasma can be generated in one cycle of the AC voltage as compared to the sine wave AC voltage waveform Wsin when the rise modulation is not performed.
  • the time zone expands.
  • the plasma power supply device 1 of the embodiment is a plasma power supply that generates an plasma by applying an alternating voltage to the pair of electrodes 92 via the replaceable power supply harness 81.
  • Device 1 The power supply apparatus 1 for plasma of embodiment was provided with the control part 5 which controls alternating current frequency low as the power supply harness 81 becomes long.
  • a distortion wave AC voltage waveform Wr is subjected to rise modulation that accelerates the rising of the voltage waveform as compared to the sine wave AC voltage waveform Wsin as the power harness 81 becomes longer
  • the AC power supply is provided which can output at least one of the down-modulated distortion wave AC voltage waveform Wdwn that slows down the falling of the waveform.
  • the alternating current frequency of the alternating current supplied to the pair of electrodes 92 is relatively lowered as the length of the power supply harness 81 becomes longer. Further, control can be performed to make the rising of the voltage waveform faster as the length of the power supply harness 81 becomes longer.
  • the AC frequency is controlled according to the length of the power harness 81, the AC frequency is lowered even if the power harness 81 is lengthened and the power supplied to the pair of electrodes 92 is relatively reduced. By doing this, it is possible to suppress a decrease in the strength of the generated plasma.
  • the plasma power supply device 1 can minimize the decrease in the plasma generation capability even if the power supply harness 81 is replaced and the length changes.
  • the plasma apparatus of the embodiment includes a container 91 for generating plasma, a pair of electrodes 92 disposed inside the container 91, and the plasma of the embodiment. And a power supply 1.
  • the pair of electrodes 92 and the plasma power supply device 1 are connected by a power supply harness 81.
  • the power supply harness 81 is replaceable and flexible as needed with the correct length. With regard to the flexible power supply harness 81, it is possible to suppress the decrease in plasma intensity that is generated even if a configuration that can be replaced as necessary is adopted.
  • the setting methods of the first to seventeenth sections R1 to R17 and the duty ratios D1 to D17, D1A to D4A, and D9A to D12A described in the embodiment are merely an example, and many modifications are possible. is there.
  • the power supply harness 81 instead of the power supply harness 81 connecting between the output of the secondary winding 72 of the transformer 7 and the pair of electrodes 92, the connection between the output of the smoothing circuit 6 and the primary winding 71 of the transformer 7
  • the power supply harness 82 can also be adopted (FIG. 10). Even in this case, the same operation and effect can be exhibited by adopting the same control as in the case of adopting the power supply harness 81.
  • the duty ratios of the plurality of pulse voltage waveforms corresponding to the rise of the AC voltage may be all different and may be gradually increased.
  • the pulse frequency and the AC frequency can be changed as appropriate.
  • the one where an alternating current frequency is high becomes small, it is preferable.
  • a sound of about 3 kHz is most easily heard, when setting an AC frequency in a range higher than 3 kHz, setting the frequency as high as possible can suppress generation of offensive sounds, which is preferable.
  • the power supply apparatus for plasma of this embodiment is not limited to utilization to an atmospheric pressure plasma apparatus,
  • the transformer 7 can be abbreviate
  • the present embodiment can be variously applied and modified in other ways.
  • Plasma Irradiation System Using Plasma Device A plasma irradiation system using the plasma device of the present embodiment will be described by way of an example.
  • the plasma irradiation system of the present embodiment includes, as shown in FIG. 11, the above-described plasma devices (100, 120, 9, 11, 12) of the present embodiment, and plasma device driving means (111 to 118).
  • the plasma apparatus (100, 120, 9, 11, 12) according to the present embodiment includes a base unit 100, a body unit 9, a communication unit 120 for communicating between the base unit 100 and the body unit 9, and an operation device 12. And connection means 11 for connecting the operation device 12 and the base portion 100.
  • the base unit 100 accommodates the pulse width modulation power supply 2, the smoothing circuit 6, the transformer 7, which is a part of the components of the plasma power supply device 1 of the present embodiment, and an inert gas supply unit.
  • the communication means 120 is a bundle of the power supply harness 81 and the inert gas supply pipe.
  • the inert gas supply pipe is a pipe in communication so that the inert gas can be supplied from the inert gas supply means of the base unit 100 to the atmospheric pressure gas replacement unit of the main unit 9.
  • the communication means 120 is covered with a flexible flexible pipe, and the middle part thereof is fixed to the side surface of the upper arm 114 described later by the attachment portion 121.
  • the operating device 12 is a device that operates the plasma irradiation system of the present embodiment, is connected to the base unit 100 by the connection unit 11, and outputs an operation signal to the base unit 100 and the plasma device driving unit (111 to 118). .
  • the plasma apparatus driving means (111 to 118) can drive the main body 9 of the plasma apparatus three-dimensionally to effectively cause the plasma generated by the main body 9 to act on the object M It is a multi-axis robot that adjusts to an angle.
  • the plasma apparatus driving means (111 to 118) is an articulated robot including an arm holding portion 111, an upper arm 114, a lower arm 116, and a support arm 118.
  • the arm holding portion 111 is rotatably formed on the base portion 100 in a horizontal plane via the arm pivoting portion 112.
  • the upper arm 114 is pivotally connected to the arm holding portion 111 via the upper arm rotation portion 113 so as to be rotatable.
  • the lower arm 116 is pivotally connected to the upper arm 114 via a lower arm pivot 115 in a vertical plane.
  • the support arm 118 is pivotably connected to the lower arm arm 116 via a support arm pivoting portion 117 in a vertical plane.
  • the support arm 118 holds the main body 9 at its tip.
  • the main body portion 9 generating plasma is freely controlled by the plasma device driving means (111 to 118) so that the relative positional relationship with the object M becomes appropriate. Becomes possible. As a result, it is possible to effectively use the generated plasma.
  • the object M a means similar to the plasma device drive means (111 to 118) is adopted, and the relative positional relationship between the main body 9 and the object M is further optimized by driving three-dimensionally. It will be possible to

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Abstract

プラズマ用電源装置は、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つ電源ハーネスを介して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。

Description

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
　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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