高頻電源裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于通過針對(duì)諧振電路中所含的感應(yīng)線圈而從直流電源經(jīng)由開 關(guān)電路供給高頻電力來生成等離子體的自激振蕩方式的高頻電源裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 例如在電感禪合等離子體（ICP :Inductively Coupled Plasma)發(fā)光分析裝置等 分析裝置中，采用了通過對(duì)諧振電路中所包括的感應(yīng)線圈供給高頻電力來在等離子槍中生 成等離子體的結(jié)構(gòu)（例如，參照下述專利文獻(xiàn)1~3)。通過對(duì)感應(yīng)線圈供給的高頻電力，產(chǎn) 生高頻電磁場(chǎng)，等離子體中的帶電粒子被加速而流過感應(yīng)電流，從而等離子體被加熱。
[0003] 在運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)的情況下，伴隨著等離子體的生成，感應(yīng)線圈的阻抗（電阻分量W 及電抗分量）發(fā)生變化。目P，由于感應(yīng)電流使通過感應(yīng)線圈而形成的磁場(chǎng)減小，所W感應(yīng)線 圈的有效的電感減小。另外，由于能量伴隨著等離子體的加熱而損失，所W在感應(yīng)線圈中產(chǎn) 生電阻分量。進(jìn)而，根據(jù)等離子體生成用氣體、分析試樣的狀態(tài)、等離子槍的形狀、離子體接 入功率等，等離子體的狀態(tài)也發(fā)生變化，感應(yīng)線圈的阻抗產(chǎn)生變化。
[0004] 在對(duì)等離子體接入功率時(shí)，W恒定的振蕩頻率驅(qū)動(dòng)通過感應(yīng)線圈與電容器而形成 的諧振電路。通常的高頻電源的輸出阻抗被設(shè)定為50Q，所W在高頻電源與諧振電路之間 配置阻抗變換電路，從高頻電源側(cè)看去的阻抗被控制成始終為50 Q。在運(yùn)種情況下，為了消 除阻抗變換電路產(chǎn)生的反射功率，一般執(zhí)行由馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)例如阻抗變換電路內(nèi)的真空可變 電容器來調(diào)整電容的方法。
[0005] 在運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)的情況下，等離子體接入功率與高頻電源的輸出功率相等，所W通 過使用例如50 Q的功率計(jì)來預(yù)先校正高頻電源的輸出功率，由此能夠正確地控制等離子 體接入功率。然而，在運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)中，為了控制阻抗變換電路而始終維持最佳的狀態(tài)，需要 使用復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)和昂貴的部件。因此，最近，正廣泛采用不使用真空可變電容器等昂貴 的部件而根據(jù)負(fù)載阻抗的變化來使頻率變化的方式（所謂的化ee-running方式）。
[0006] 在下述專利文獻(xiàn)1~3中，作為化ee-running方式的最簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，公開了 與自激振蕩方式相關(guān)的技術(shù)。在運(yùn)些技術(shù)中，采用了不將高頻電源的輸出阻抗限定于50Q 而直接驅(qū)動(dòng)由感應(yīng)線圈與電容器構(gòu)成的諧振電路的方式。運(yùn)樣，通過采用根據(jù)負(fù)載阻抗的 變化而頻率自動(dòng)地變化的自激振蕩方式，從而能夠省略頻率的控制電路、阻抗變換電路等， 所W能夠提供更簡(jiǎn)單的高頻電源裝置。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) [000引專利文獻(xiàn)
[0009] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開平10-214698號(hào)公報(bào)
[0010] 專利文獻(xiàn)2 :日本特表2009-537829號(hào)公報(bào)
[0011] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開平6-20793號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0013] 上述專利文獻(xiàn)3中，提出了作為放大元件而使用真空管的結(jié)構(gòu)。但是，使用真空管 的放大元件不僅效率低，而且電氣特性的隨時(shí)間的變化大，并且壽命短且需要定期更換。
[0014] 另外，在上述專利文獻(xiàn)1 W及2那樣的結(jié)構(gòu)中，存在W下那樣的課題。首先，在具 有使用 MOS陽T (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,金屬氧化物半導(dǎo) 體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）等半導(dǎo)體元件的開關(guān)電路的W往的自激振蕩方式的高頻電源裝置中，對(duì) 半導(dǎo)體元件的控制端子提供反饋電壓的變壓器的初級(jí)線圈W及次級(jí)線圈的禪合度小，所W 反饋電壓、例如MOSFET的柵極?源極間的電壓振幅小。因此，構(gòu)成為對(duì)半導(dǎo)體元件的控制 端子、例如MOSFET的柵極端子與源極端子之間供給直流偏置電壓。
[0015] 然而，放大率、輸入闊值電壓等半導(dǎo)體元件的電氣特性的波動(dòng)、變動(dòng)大，難W將直 流偏置電壓始終控制為最佳的值。另外，在直流偏置電壓變得過大的情況下，半導(dǎo)體元件完 全成為導(dǎo)通狀態(tài)，從而有可能有大電流流過，半導(dǎo)體兀件破損。
[0016] 進(jìn)而，在開關(guān)電路是半橋式或者全橋式等情況下，必須針對(duì)全部的半導(dǎo)體元件供 給直流偏置電壓。而且，高壓側(cè)的半導(dǎo)體元件需要做成未與接地電位連接的直流偏置電路， 所W存在成本變高運(yùn)樣的問題。
[0017] 另一方面，在等離子體生成用的高頻電源裝置中，需要向感應(yīng)線圈供給幾百瓦~ 幾千瓦的高頻電力，用于自激振蕩的電路部等的溫度變高，所W需要冷卻包括該電路部的 發(fā)熱部。因此，一般采用通過使用例如空冷風(fēng)機(jī)將高頻電源裝置的外部的空氣吹到發(fā)熱部 并將該空氣排出到外部來冷卻發(fā)熱部那樣的結(jié)構(gòu)。
[0018] 自激振蕩方式的高頻電源裝置需要將裝置主體配置在感應(yīng)線圈的附近。然而，在 如電感禪合等離子體（IC巧發(fā)光分析裝置等那種有可能使用酸性的試樣的裝置中，配置有 感應(yīng)線圈的等離子體生成部的附近變成酸性環(huán)境。因此，在將高頻電源裝置的外部的空氣 吹到發(fā)熱部那樣的結(jié)構(gòu)中，有可能裝置內(nèi)的部件由于裝置外的酸性環(huán)境、粉塵等而被污染， 可靠性降低。
[0019] 本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于，提供一種通過增大反饋電壓、從而 不需要向半導(dǎo)體元件的控制端子供給直流偏置電壓、能夠防止裝置內(nèi)的部件被裝置外的空 氣污染的、高可靠性、高效率、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高頻電源裝置。
[0020] 解決技術(shù)問題的技術(shù)手段
[0021] 本發(fā)明的高頻電源裝置是自激振蕩方式的，具備直流電源、LC諧振電路、開關(guān)電 路W及變壓器。所述LC諧振電路包括等離子體生成用的感應(yīng)線圈W及電容器。所述開關(guān) 電路包括對(duì)從所述直流電源供給的直流電進(jìn)行切換而提供給所述LC諧振電路的半導(dǎo)體元 件。所述變壓器具有所述LC諧振電路中所包括的初級(jí)線圈、W及為了使所述半導(dǎo)體元件導(dǎo) 通或截止而與該半導(dǎo)體元件的控制端子連接了的次級(jí)線圈。所述變壓器形成為大致U字 形。所述變壓器的所述初級(jí)線圈W及所述次級(jí)線圈平行地配置。在所述半導(dǎo)體元件的控制 端子上與所述次級(jí)線圈并聯(lián)地連接有電容器。
[0022] 根據(jù)運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)，通過將變壓器形成為大致U字形，能夠確保足W能夠生成充分 的反饋電壓的長(zhǎng)度，并且縮短變壓器的次級(jí)線圈的輸入端和輸出端、與半導(dǎo)體元件的控制 端子之間的布線，抑制由圖案電感導(dǎo)致的反饋電壓的衰減。另外，通過平行地配置變壓器的 初級(jí)線圈W及次級(jí)線圈，從而使初級(jí)線圈W及次級(jí)線圈的禪合度變大。通過運(yùn)些構(gòu)造上的 鉆研，能夠增大反饋電壓，所W不需要向半導(dǎo)體元件的控制端子供給直流偏置電壓。
[0023] 進(jìn)而，通過針對(duì)半導(dǎo)體元件的控制端子，與次級(jí)線圈并聯(lián)地連接電容器，能夠減小 例如MOSFET的柵極、源極間電容的波動(dòng)、變動(dòng)的影響。另外，由于使得具有非線性的柵極充 電特性的半導(dǎo)體元件的控制端子的電壓更加線性地變化，所W能夠抑制由負(fù)載的電感引起 的開關(guān)波形的阻尼振蕩，實(shí)現(xiàn)高的電源效率。
[0024] 所述變壓器也可W通過在同軸上具有所述初級(jí)線圈W及所述次級(jí)線圈的同軸構(gòu) 造來形成。在運(yùn)種情況下，所述變壓器也可W通過半剛性同軸電纜而構(gòu)成。
[0025] 根據(jù)運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)，通過將初級(jí)線圈W及次級(jí)線圈相互配置在同軸上，能夠使它們 的禪合度進(jìn)一步增大。另外，在使用不具有保護(hù)包覆的半剛性同軸電纜來構(gòu)成了變壓器的 情況下，無需進(jìn)行拆除保護(hù)包覆的作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)高的散熱效率。
[0026] 所述變壓器也可W與絕緣性的散熱器接觸。
[0027] 根據(jù)運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)，來自變壓器的發(fā)熱經(jīng)由散熱器而被散熱，所W能夠使散熱效率 進(jìn)一步提高。特別是，通過使用絕緣性的散熱器，即使在變壓器不具有保護(hù)包覆的情況下， 也能夠防止初級(jí)線圈的電流在散熱器中流過、與次級(jí)線圈的交鏈磁通減小、反饋電壓變小 的情況。
[0028] 所述半導(dǎo)體元件也可W是MOS陽T。
[0029] 根據(jù)運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)，能夠增大MOSFET的柵極振幅，不需要向MOSFET的柵極電極供給 直流偏置電壓。
[0030] 本發(fā)明的高頻電源裝置是自激振蕩方式的，具備直流電源、LC諧振電路、開關(guān)電 路、變壓器、框體、散熱器W及空冷風(fēng)機(jī)。所述LC諧振電路包括等離子體生成用的感應(yīng)線圈 W及電容器。所述開關(guān)電路包括對(duì)從所述直流電源供給的直流電進(jìn)行切換而提供給所述LC 諧振電路的半導(dǎo)體元件。所述變壓器具有所述LC諧振電路中所包括的初級(jí)線圈、W及為了 使所述半導(dǎo)體元件導(dǎo)通或截止而與該半導(dǎo)體元件的控制端子連接的次級(jí)線圈。所述框體收 容除去所述感應(yīng)線圈的所述LC諧振電路、所述開關(guān)電路W及所述變壓器。所述散熱器是水 冷方式的，設(shè)置在所述框體內(nèi)，冷卻該框體內(nèi)的部件。所述空冷風(fēng)機(jī)設(shè)置在所述框體內(nèi)，一 邊將該框體內(nèi)的空氣引導(dǎo)到所述散熱器一邊使其循環(huán)。
[0031] 根據(jù)運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)，在框體內(nèi)收容除去感應(yīng)線圈的LC諧振電路、開關(guān)電路化及變壓 器運(yùn)些部件，并且，通過空冷風(fēng)機(jī)使框體內(nèi)的空氣循環(huán)，從而使裝置外的空氣不易流入到裝 置內(nèi)。因此，能夠防止裝置內(nèi)的部件被裝置外的空氣污染。
[0032] 另外，框體內(nèi)的部件通過水冷方式的散熱器來冷卻，并且通過空冷風(fēng)機(jī)而在框體 內(nèi)循環(huán)的空氣一邊通過水冷方式的散熱器來冷卻一邊進(jìn)行循環(huán)，所W能夠?qū)崿F(xiàn)高的冷卻效 率。因此，即使是裝置外的空氣難W流入到裝置內(nèi)的結(jié)構(gòu)，也能夠良好地冷卻裝置