JP2016054041A - 高周波電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成でプラズマ投入電力を正確に制御することができる高周波電源装置を提供する。
【解決手段】直列共振回路に対する高周波入力電圧Ｖ及び高周波入力電流Ｉを電圧検出部１０１及び電流検出部１０２によりそれぞれ検出し、検出された高周波入力電圧Ｖ及び高周波入力電流Ｉに基づいてプラズマ投入電力検出部１１１でプラズマ投入電力を検出する。このように、プラズマ投入電力を直接検出することにより、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態などにかかわらず、プラズマ投入電力を正確に制御することができる。また、半導体素子を含むスイッチング回路を用いることにより、真空管などを用いる構成と比較して、安価な構成とすることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、共振回路に含まれる誘導コイルに対し、直流電源からスイッチング回路を介して高周波電力を供給することにより、プラズマを生成するための高周波電源装置に関するものである。

例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）発光分析装置などの分析装置には、共振回路に含まれる誘導コイルに高周波電力を供給することにより、プラズマトーチにプラズマを生成するような構成が採用されている（例えば、下記特許文献１〜４参照）。誘導コイルに供給される高周波電力によって、高周波電磁界が発生し、プラズマ中の荷電粒子が加速されて誘導電流が流れることにより、プラズマが加熱されることとなる。

このような構成の場合、プラズマの生成に伴い、誘導コイルのインピーダンス（抵抗成分及びリアクタンス成分）が変化する。すなわち、誘導電流が、誘導コイルにより形成される磁場を減少させることに起因して、誘導コイルの実効的なインダクタンスが減少する。また、プラズマの加熱に伴いエネルギーが失われることに起因して、誘導コイルに抵抗成分が生じる。さらに、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態、プラズマ投入電力などによっても、プラズマの状態が変化し、誘導コイルのインピーダンスに変化が生じる。

プラズマに電力を投入する際には、誘導コイルとコンデンサにより形成される共振回路を一定の発振周波数で駆動する。通常の高周波電源の出力インピーダンスは５０Ωに設定されているため、高周波電源と共振回路との間にインピーダンス変換回路が配置され、高周波電源側から見たインピーダンスが常に５０Ωになるように制御される。この場合、インピーダンス変換回路からの反射電力をなくすために、例えばインピーダンス変換回路内の真空可変コンデンサをモータなどで駆動して、容量を調整する方法が一般的に行われている。

このような構成の場合、プラズマ投入電力は高周波電源の出力電力に等しくなるため、例えば５０Ωの電力計を用いて高周波電源の出力電力を予め校正しておくことにより、プラズマ投入電力を正確に制御することが可能である。しかしながら、このような構成では、インピーダンス変換回路を制御して、常に最適な状態を維持するために、複雑な制御機構と高価な部品を使用する必要がある。そのため、最近では、真空可変コンデンサなどの高価な部品を使用せず、負荷インピーダンスの変化に応じて周波数を変化させる方式（いわゆるｆｒｅｅ−ｒｕｎｎｉｎｇ方式）が広く用いられるようになってきている。

下記特許文献１〜４には、ｆｒｅｅ−ｒｕｎｎｉｎｇ方式の最もシンプルな回路構成として、自励発振方式に関する技術が開示されている。これらの技術では、高周波電源の出力インピーダンスを５０Ωに限定せず、誘導コイルとコンデンサで構成される共振回路を直接駆動する方式が採用されている。このように、負荷インピーダンスの変化に応じて周波数が自動的に変化する自励発振方式を採用することにより、周波数の制御回路やインピーダンス変換回路などを省略することができるため、より単純な高周波電源装置を提供することが可能になる。

特開平１０−２１４６９８号公報 特表２００９−５３７８２９号公報 特開平６−２０７９３号公報 国際公開第２０１２／０３９０３５号

上記のような従来の構成では、５０Ωの電力計を用いて高周波電源の出力電力を予め校正しておくことができないため、プラズマ投入電力を正確に制御するための構成が必要となる。

上記特許文献３では、増幅素子として真空管を用いた構成が提案されている。この構成において、共振回路は並列共振回路であり、並列共振回路の入力電圧及び入力電流からプラズマ投入電力を算出し、制御することができるようになっている。

真空管は、高耐圧のデバイスであり、誘導コイルとコンデンサの並列共振回路を直接駆動できる。この場合、並列共振回路の入力電圧及び入力電流はともに正弦波となり、入力電圧と入力電流との間の位相差が小さいため、入力電圧と入力電流の乗算値の直流成分としてプラズマ投入電力を検出することが可能である。しかし、真空管を用いた増幅素子は効率が低いだけでなく、真空管には寿命があるとともに、半導体素子を用いたスイッチング回路などと比べて高コストになるという問題がある。

上記特許文献１及び２では、増幅素子として半導体素子を用いた構成が提案されている。上記特許文献１では、１つ又は２つのＭＯＳＦＥＴによるソース接地のスイッチング回路が用いられており、スイッチング回路の直流電源ラインにチョークコイルが配置され、高周波に対する直流電源ラインのインピーダンスを大きくしている。このような回路では、負荷のインピーダンスが一定の条件において、高効率の高周波電源を実現できる。しかしながら、プラズマを生成するための高周波電源装置では、前述の様に、誘導コイルのインピーダンスが変化するため、スイッチング回路の負荷変動により、ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間電圧振幅が変化し、素子の最大定格を超えて、破損に至るおそれがある。

上記特許文献２では、４つのＭＯＳＦＥＴをブリッジ型に配置し、ハイサイドのＭＯＳＦＥＴ及びローサイドのＭＯＳＦＥＴと直列に、インピーダンス変換用のコイルを配置したスイッチング回路が用いられ、上記特許文献１と同様、スイッチング回路の負荷変動により、ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間電圧振幅が変化し、素子の最大定格を超えて、破損に至るおそれがある。また、誘導コイルとコンデンサは並列共振回路を構成しているが、真空管に比べて耐圧が低い半導体素子を用いるため、並列共振回路は、共振周波数を大きく外れた周波数で駆動され、スイッチング回路との間に、前記のインピーダンス変換用のコイルが配置されている。このため、並列共振回路の入力電圧と入力電流との間の位相差が９０°に近い値となり、入力電圧と入力電流の乗算値の直流成分は非常に小さくなり、プラズマ投入電力を検出することが困難となる。このため、本特許文献には、共振回路の高周波電流を検出することにより、プラズマ投入電力を制御するような構成が提案されている。このような構成の場合、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態などが一定であれば、共振回路の高周波電流を一定に制御することにより、誘導コイルに供給する高周波電力を安定化することが可能である。

しかしながら、ＩＣＰ発光分析装置では、分析試料の溶媒として、水を用いる場合と有機溶媒を用いる場合とがある。溶媒が水の場合と有機溶媒の場合とでは、誘導コイルに供給する高周波電力が同じであっても、誘導コイルのインピーダンスが大きく異なる。そのため、共振回路の高周波電流を一定に制御したとしても、負荷の状況に応じてプラズマ投入電力が大幅に変化し、プラズマ投入電力を正確に制御することができないという問題がある。この場合、溶媒が水の試料と有機溶媒の試料とを切り替えたときに、プラズマの消灯を招くおそれがある。

また、ＩＣＰ発光分析装置では、マトリックスが未知の試料を分析する要求がある。しかし、マトリックスが異なる場合には、誘導コイルのインピーダンスが異なるため、共振回路の高周波電流を一定に制御したとしても、プラズマ投入電力が変化することとなる。そのため、共振回路の高周波電流を検出するような方式では、上記のような要求を満足することができないという問題がある。

上記特許文献４では、増幅素子として半導体素子を用いたスイッチング回路を備え、当該スイッチング回路の入力電圧と入力電流の乗算値を一定に制御するような構成が提案されている。

しかしながら、プラズマ投入電力は、スイッチング回路の入力電圧と入力電流の乗算値から、スイッチング回路で発生する損失を減算した値である。そのため、スイッチング回路の入力電圧と入力電流の乗算値を一定に制御したとしても、スイッチング回路の効率の変化などに起因して、プラズマ投入電力に変動が生じるという問題がある。

一方で、上述の通り、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態、プラズマ投入電力などによって、プラズマの状態が変化するが、従来の高周波電源装置には、プラズマの状態の変化をモニタするための機構が備えられていなかった。

すなわち、プラズマ投入電力が同じでも、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態などが異なると、プラズマの状態が変化することとなる。しかし、従来の高周波電源装置では、プラズマの状態の変化をモニタすることができないため、設定を誤った場合には、プラズマトーチが溶融してしまうなどの問題がある。

また、ＩＣＰ発光分析装置で用いられる有機溶媒には、エタノール、メチルイソブチルケトン、メタノール、アセトンなどの多くの種類があり、複数の有機溶媒を種々の比率で混合する場合もある。有機溶媒の種類や混合比率が異なると、プラズマの状態も変化することとなる。しかし、従来の高周波電源装置では、プラズマの状態の変化をモニタすることができないため、設定を誤った場合には、分析結果に誤差が生じるなどの問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、安価な構成でプラズマ投入電力を正確に制御することができる高周波電源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、負荷変動に対して信頼性が高い高周波電源装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、プラズマの状態の変化を容易にモニタすることができる高周波電源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る高周波電源装置は、直流電源と、直列共振回路と、スイッチング回路と、電圧検出部と、電流検出部と、プラズマ投入電力検出部とを備える。前記直列共振回路は、プラズマ生成用の誘導コイル及びコンデンサを含む。前記スイッチング回路は、ハーフブリッジ型又はフルブリッジ型であり、前記直流電源から供給される直流電力をスイッチングして前記直列共振回路に与える半導体素子を含む。前記電圧検出部は、前記直列共振回路の高周波入力電圧を検出する。前記電流検出部は、前記直列共振回路の高周波入力電流を検出する。前記プラズマ投入電力検出部は、前記高周波入力電圧及び前記高周波入力電流に基づいてプラズマ投入電力を検出する。

このような構成によれば、直列共振回路に対する高周波入力電圧及び高周波入力電流に基づいてプラズマ投入電力を検出することができる。このように、プラズマ投入電力を直接検出することにより、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態などにかかわらず、プラズマ投入電力を正確に制御することができる。また、半導体素子を含むスイッチング回路を用いることにより、真空管などを用いる構成と比較して、安価な構成とすることができる。したがって、安価な構成でプラズマ投入電力を正確に制御することができる。

特に、直列共振回路に含まれるコンデンサの作用により、当該直列共振回路に対する高周波入力電圧及び高周波入力電流の位相差が小さくなるため、入力電圧と入力電流の乗算値の直流成分としてプラズマ投入電力をより精度よく検出することが可能となる。

さらに、ハーフブリッジ型又はフルブリッジ型のスイッチング回路を用いることにより、負荷インピーダンスが大きく変化しても、半導体素子間の電圧の変化を小さくできる。したがって、プラズマの点灯や消灯、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態、プラズマ投入電力などに応じて負荷インピーダンスが変化した場合であっても、スイッチング回路が破損するのを防止することができ、負荷変動に対して信頼性が高い高周波電源装置を提供することができる。

前記高周波電源装置は、前記プラズマ投入電力検出部により検出されるプラズマ投入電力が一定となるように、前記直流電源を制御する電圧制御部をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、プラズマ投入電力が一定となるように直流電源を制御することにより、プラズマ投入電力を正確に制御することができる。すなわち、スイッチング回路の入力電圧と入力電流の乗算値を一定に制御するような構成と比較して、スイッチング回路の効率が変化した場合などであっても、プラズマ投入電力を正確に制御することができる。

前記高周波電源装置は、前記高周波入力電圧又は前記高周波入力電流の振幅を検出する振幅検出部、あるいは、前記高周波入力電圧又は前記高周波入力電流の周波数を検出する周波数検出部をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、直列共振回路に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の振幅、あるいは、直列共振回路に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の周波数を検出することにより、その振幅又は周波数に基づいてプラズマの状態の変化などをモニタすることができる。これにより、プラズマの点灯や消灯、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態、プラズマの異常状態、特にＩＣＰ質量分析装置においてはサンプリングコーンとプラズマトーチの位置関係、などを判別することが可能となる。したがって、判別結果が意図しない結果であった場合には、直流電源を遮断するなどの措置を講ずることにより、高周波電源装置を保護することができる。

前記高周波電源装置は、前記振幅検出部により検出された振幅、又は、前記周波数検出部により検出された周波数に基づいて、前記誘導コイルのインピーダンスを示す値を検出するインピーダンス検出部をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、検出された直列共振回路に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の振幅、あるいは、直列共振回路に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の周波数に基づいて、誘導コイルのインピーダンスを示す値を検出し、当該値に基づいて、プラズマの状態の変化を容易にモニタすることができる。

前記インピーダンス検出部は、周波数の測定値から前記誘導コイルのインピーダンスを示す値を直接検出するような構成に限らず、プラズマ点灯前に検出された周波数を基準とする周波数変化量から前記誘導コイルのインピーダンスを示す値を検出するような構成であってもよい。自励発振方式では、誘導コイルのばらつきにより、発振周波数にばらつきが生じる。このため、プラズマ点灯前に周波数を検出しておき、これを基準値として、そこからの周波数変化量を用いることによって、より正確に判定することができる。

前記高周波電源装置は、前記インピーダンス検出部の検出値を予め設定された閾値と比較するインピーダンス判定部をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、検出された誘導コイルのインピーダンスを示す値を所定の閾値と比較することにより、異常を検知することができるため、作業者が誤った操作や設定を行った場合などであっても、不具合の発生を回避することができる。

本発明によれば、プラズマ投入電力を直接検出することにより、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態などにかかわらず、プラズマ投入電力を正確に制御することができるとともに、半導体素子を含むスイッチング回路を用いることにより、真空管などを用いる構成と比較して、安価な構成とすることができる。また、本発明によれば、ハーフブリッジ型又はフルブリッジ型のスイッチング回路を用いることにより、負荷インピーダンスが大きく変化しても、半導体素子間の電圧の変化を小さくできるため、負荷変動に対して信頼性が高い高周波電源装置を提供することができる。さらに、本発明によれば、直列共振回路に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の振幅、あるいは、直列共振回路に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の周波数に基づいて、プラズマの状態の変化を容易にモニタすることができる。

本発明の一実施形態に係る高周波電源装置の構成例を示した回路図である。 プラズマ投入電力を検出するための構成例を示したブロック図である。 高周波電源装置の変形例を示した回路図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る高周波電源装置の構成例を示した回路図である。この高周波電源装置は、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析装置などの分析装置に適用可能であり、直流電源１、バイパスコンデンサ２、スイッチング回路３、インピーダンス変換回路４及び直列共振回路５などを備えた高周波電源装置である。

直流電源１は、スイッチング回路３の直流電圧を設定し、直列共振回路５に供給される高周波電力を決定する。バイパスコンデンサ２は、直流電源1とスイッチング回路３の間に配置され、低インピーダンスの高周波電流経路を確保する。

直列共振回路５には、誘導コイル５１と、当該誘導コイル５１に対して直列に接続されたコンデンサ５２とが含まれる。この直列共振回路５に含まれる誘導コイル５１はプラズマ生成用であり、当該誘導コイル５１に対し、直流電源１からスイッチング回路３を介して高周波電力を供給することにより、プラズマトーチ（図示せず）にプラズマを生成することができる。

インピーダンス変換回路４には、４つのコイル４１、４２、４４、４５と、コンデンサ４３とが含まれる。スイッチング回路３とインピーダンス変換回路４との間には、インピーダンス変換回路４のコイル４１、４２及びコンデンサ４３を含むループが形成されている。また、インピーダンス変換回路４と直列共振回路５との間には、インピーダンス変換回路４のコイル４４、４５、５３及びコンデンサ４３、並びに、直列共振回路５の誘導コイル５１及びコンデンサ５２を含むループが形成されている。

スイッチング回路３は、半導体素子を含む構成であり、当該半導体素子を介して直流電源１に接続されている。この例では、４つのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）３１、３２、３３、３４を含むブリッジ回路によりスイッチング回路３が構成されている。スイッチング回路３は、ハーフブリッジ型又はフルブリッジ型のブリッジ回路により構成されている。ただし、スイッチング回路３に含まれる半導体素子は、ＭＯＳＦＥＴに限られるものではない。

ＭＯＳＦＥＴ３１のドレイン電極と、ＭＯＳＦＥＴ３２のソース電極との間に、直流電源１及びバイパスコンデンサ２が接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ３１のソース電極と、ＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン電極とは、配線３５により接続されており、当該配線３５の途中部にインピーダンス変換回路４のコイル４１が接続されている。

ＭＯＳＦＥＴ３３のドレイン電極と、ＭＯＳＦＥＴ３４のソース電極との間に、直流電源１及びバイパスコンデンサ２が接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ３３のソース電極と、ＭＯＳＦＥＴ３４のドレイン電極とは、配線３６により接続されており、当該配線３６の途中部にインピーダンス変換回路４のコイル４２が接続されている。

各ＭＯＳＦＥＴ３１、３２、３３、３４のゲート電極とソース電極には、ゲート駆動回路３７が接続されている。直列共振回路５を発振させる際には、ゲート駆動回路３７を介して各ＭＯＳＦＥＴ３１、３２、３３、３４が所定のタイミングでオン状態又はオフ状態に切り替えられることとなる。これにより、直流電源１から供給される直流電力をスイッチングして直列共振回路５に与えることができる。

各ゲート駆動回路３７には、互いに並列に接続されたコイル３７１及びコンデンサ３７２が備えられている。各ゲート駆動回路３７に備えられたコイル３７１は、トランスの２次コイルを構成しており、各ＭＯＳＦＥＴ３１、３２、３３、３４をオン／オフするために、各ＭＯＳＦＥＴ３１、３２、３３、３４の制御端子（ゲート電極とソース電極）に接続されている。各トランスの１次コイルは、インピーダンス変換回路４に含まれるコイル５３により構成されている。各コイル５３は、誘導コイル５１及びコンデンサ５２に対して直列に接続されている。このように、本実施形態では、１対の１次コイル５３及び２次コイル３７１により構成されるトランスが、各ＭＯＳＦＥＴ３１、３２、３３、３４に対応付けて設けられており、各ＭＯＳＦＥＴ３１、３２、３３、３４に対してフィードバック電圧を供給することができるようになっている。

本実施形態では、プラズマ投入電力を検出するために、直列共振回路５における電圧Ｖと電流Ｉが測定される。電圧Ｖは、直列共振回路５に対する高周波入力電圧であり、電流Ｉは、直列共振回路５に対する高周波入力電流である。電圧Ｖは、直列共振回路５と並列に配置され、その合成容量が充分小さいコンデンサ分圧回路で測定することができる。このとき測定される電圧Ｖは、正弦波となる。電流Ｉは、例えば直列共振回路５の一部と誘導結合した回路で測定することができる。

図２は、プラズマ投入電力を検出するための構成例を示したブロック図である。本実施形態では、直列共振回路５の高周波入力電圧（電圧Ｖ）を電圧検出部１０１で検出するとともに、直列共振回路５の高周波入力電流（電流Ｉ）を電流検出部１０２で検出することにより、それらの電圧Ｖ及び電流Ｉに基づいて、プラズマ投入電力を検出することができるようになっている。具体的には、電圧Ｖ及び電流Ｉを乗算器１０３で乗算することにより得られる出力信号に基づいて、プラズマ投入電力が算出される。乗算器１０３からの出力信号は、低域フィルタ１０４を介して制御部１１０に入力される。

電圧検出部１０１により検出された電圧Ｖは、乗算器１０３だけでなく、検波回路１０５にも入力される。検波回路１０５は、例えばダイオード及びコンデンサを含む構成である。この検波回路１０５により、電圧Ｖの振幅（最大値）が検出され、制御部１１０に入力される。電流検出部１０２により検出された電流Ｉは、乗算器１０３だけでなく、検波回路１０６及び周波数カウンタ１０７にも入力される。検波回路１０６は、例えばダイオード及びコンデンサを含む構成である。この検波回路１０６により、電流Ｉの振幅（最大値）が検出され、制御部１１０に入力される。また、周波数カウンタ１０７では、電流Ｉに基づいて周波数がカウントされ、制御部１１０に入力される。

ただし、周波数カウンタ１０７は、電流Ｉに基づいて周波数をカウントするような構成に限らず、例えば電圧Ｖに基づいて周波数をカウントするような構成であってもよい。この場合、電流Ｉが周波数カウンタ１０７に入力されるような構成ではなく、電圧Ｖが周波数カウンタ１０７に入力されるような構成となっていてもよい。

このように、周波数カウンタ１０７は、直列共振回路５に対する高周波入力電圧（電圧Ｖ）又は高周波入力電流（電流Ｉ）の周波数を検出する周波数検出部を構成している。周波数カウンタ１０７のような周波数検出部を設けることにより、直列共振回路５の周波数を容易に検出することができる。

制御部１１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を含む構成であり、プログラムを実行することにより、プラズマ投入電力検出部１１１、電圧制御部１１２、インピーダンス検出部１１３、インピーダンス判定部１１４、異常処理部１２０、などの各種機能部として機能する。

プラズマ投入電力検出部１１１は、電圧Ｖ及び電流Ｉに基づいて、プラズマ投入電力を検出する。具体的には、電圧Ｖ及び電流Ｉから乗算器１０３及び低域フィルタ１０４を介して得られる出力値が、プラズマ投入電力に比例することに基づいて、ゲインなどに応じた所定の係数を当該出力値に乗じた値がプラズマ投入電力として検出される。

すなわち、本実施形態では、直列共振回路５に対する高周波入力電圧（電圧Ｖ）及び高周波入力電流（電流Ｉ）を電圧検出部１０１及び電流検出部１０２によりそれぞれ検出し、検出された高周波入力電圧及び高周波入力電流に基づいてプラズマ投入電力を検出することができる。このように、プラズマ投入電力を直接検出することにより、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態などにかかわらず、プラズマ投入電力を正確に制御することができる。また、半導体素子を含むスイッチング回路３を用いることにより、真空管などを用いる構成と比較して、安価な構成とすることができる。したがって、安価な構成でプラズマ投入電力を正確に制御することができる。

特に、直列共振回路５に含まれるコンデンサ５２の作用により、当該直列共振回路５に対する高周波入力電圧及び高周波入力電流の位相差が小さくなるため、入力電圧と入力電流の乗算値の直流成分としてプラズマ投入電力をより精度よく検出することが可能となる。

さらに、ハーフブリッジ型又はフルブリッジ型のスイッチング回路３を用いることにより、負荷インピーダンスが大きく変化しても、各ＭＯＳＦＥＴ３１、３２、３３、３４のドレイン・ソース間の電圧の変化は小さい。したがって、プラズマの点灯や消灯、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態、プラズマ投入電力などに応じて負荷インピーダンスが変化した場合であっても、スイッチング回路３が破損するのを防止することができ、負荷変動に対して信頼性が高い高周波電源装置を提供することができる。

電圧制御部１１２は、プラズマ投入電力検出部１１１により検出されるプラズマ投入電力が一定となるように、直流電源１を制御する。より具体的には、電圧制御部１１２による電圧制御はプラズマ生成後に行われる。プラズマ生成前は、例えば直流電源１の電圧あるいは、直列共振回路５に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の振幅が一定になるように制御され、プラズマ生成後に、制御モードが電圧制御部１１２による電圧制御に切り替えられることにより、プラズマ投入電力が一定となるように制御される。この際、直流電源１の電圧、あるいは直列共振回路５に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の振幅は、制御モードの切り替え前後の変化量が小さくなる値に設定しておくことが好ましい。

このように、プラズマ生成後にプラズマ投入電力が一定となるように直流電源１を制御することにより、プラズマ投入電力を正確に制御することができる。すなわち、スイッチング回路３の入力電圧と入力電流の乗算値を一定に制御するような構成と比較して、スイッチング回路３の効率が変化した場合などであっても、プラズマ投入電力を正確に制御することができる。

本実施形態において、検波回路１０５、１０６は、直列共振回路５に対する高周波入力電圧（電圧Ｖ）又は高周波入力電流（電流Ｉ）の振幅を検出するための振幅検出部を構成している。このように、直列共振回路５に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の振幅を検出することにより、その振幅に基づいてプラズマの状態の変化などをモニタすることができる。また、周波数カウンタ１０７のような周波数検出部を用いて、直列共振回路５に対する高周波入力電圧（電圧Ｖ）又は高周波入力電流（電流Ｉ）の周波数を検出することにより、その周波数に基づいてプラズマの状態の変化などをモニタすることもできる。

これにより、プラズマの点灯や消灯、プラズマ生成用ガスや分析試料の状態、プラズマの異常状態、特にＩＣＰ質量分析装置においてはサンプリングコーンとプラズマトーチの位置関係、などを判別することが可能となる。したがって、判別結果が意図しない結果であった場合には、直流電源１を遮断するなどの措置を講ずることにより、高周波電源装置を保護することができる。

インピーダンス検出部１１３は、検波回路１０５、１０６により検出された直列共振回路５に対する高周波入力電圧及び高周波入力電流の振幅に基づいて、誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値を検出する。ここで、誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値とは、インピーダンスＺの値自体に限らず、インピーダンスＺに応じて変化する値も含む概念である。

プラズマ投入電力が一定となるように制御されている状態では、直列共振回路５に対する高周波入力電圧及び高周波入力電流の振幅の変化に応じて、誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値も変化する。したがって、直列共振回路５に対する高周波入力電圧及び高周波入力電流の振幅（当該振幅の変化量を含む。）に基づいて、誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値を検出することが可能である。本実施形態にように、直列共振回路５に対する高周波入力電圧及び高周波入力電流の振幅をいずれも検出するような構成であれば、インピーダンスを示す値をより正確に検出することができる。ただし、検波回路１０５、１０６のいずれか一方が省略されることにより、直列共振回路５に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の振幅（当該振幅の変化量を含む。）に基づいて、誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値を検出するような構成であってもよい。

同様に、プラズマ投入電力が一定となるように制御されている状態では、直列共振回路５に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の周波数の変化に応じて、誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値も変化する。したがって、直列共振回路５に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の周波数（当該周波数の変化量を含む。）に基づいて、誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値を検出することも可能である。

このように、本実施形態では、検出された直列共振回路５に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の振幅、あるいは、直列共振回路５に対する高周波入力電圧又は高周波入力電流の周波数に基づいて、誘導コイル５１のインピーダンスを示す値を検出し、当該値に基づいて、プラズマの状態の変化を容易にモニタすることができる。

ただし、インピーダンス検出部１１３は、周波数の測定値から誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値を直接検出するような構成に限らず、プラズマ点灯前に検出された周波数を基準とする周波数変化量から誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値を検出するような構成であってもよい。自励発振方式では、誘導コイル５１のばらつきにより、発振周波数にばらつきが生じる。このため、プラズマ点灯前に周波数を検出しておき、これを基準値として、そこからの周波数変化量を用いることによって、より正確に判定することができる。

インピーダンス判定部１１４は、インピーダンス検出部１１３の検出値、すなわち誘導コイル５１のインピーダンスＺを示す値を予め設定された閾値と比較する。これにより、例えばインピーダンスＺを示す値が想定外の値である場合に、異常を検知することができる。インピーダンス判定部１１４による判定結果は、異常処理部１２０に入力される。

異常処理部１２０は、インピーダンス判定部１１４の判定結果に基づいて異常処理を行う。例えば作業者が誤った操作や設定を行った場合などには、インピーダンス判定部１１４による判定結果に基づいて異常を報知することにより、不具合の発生を回避することができる。また、例えば高周波電源装置が想定外の動作をした場合などには、直流電源1の出力を遮断してプラズマを消灯させ不具合の拡大を防止することができる。

図３は、高周波電源装置の変形例を示した回路図である。この変形例では、直流電源１、バイパスコンデンサ２及びスイッチング回路３などの構成は上記実施形態と同様であるが、インピーダンス変換回路４及び直列共振回路５の構成が上記実施形態とは異なっている。具体的には、コイル４４、４５、５３が、インピーダンス変換回路４ではなく直列共振回路５に含まれている。

この変形例では、プラズマ投入電力を検出するために、インピーダンス変換回路４のコンデンサ４３の両端における電圧Ｖ´と、直列共振回路５における電流Ｉが測定される。電圧Ｖ´は、直列共振回路５に対する高周波入力電圧であり、電流Ｉは、直列共振回路５に対する高周波入力電流である。電圧Ｖ´は、例えばコンデンサ４３と並列に配置したコンデンサ分圧回路で測定することができる。この場合、コンデンサ分圧回路の合成容量をコンデンサ４３の一部とすることができるため、合成容量を充分小さくする必要はない。電流Ｉは、例えば直列共振回路５の一部と誘導結合した回路で測定することができる。ここで、電流Ｉは正弦波となるが、インピーダンス変換回路４のコンデンサ４３にはスイッチング回路３から高調波電流が流入するため、電圧Ｖ´には多くの高調波が含まれ、電圧Ｖ´は正弦波とはならない。ただし、電流Ｉが正弦波であるため、電圧Ｖ´と電流Ｉの乗算結果の直流成分には電圧Ｖ´の高調波成分は現れず、プラズマ投入電力に一致する。

以上の実施形態では、図１を用いてスイッチング回路３、インピーダンス変換回路４及び直列共振回路５の構成を具体的に説明したが、このような構成に限らず、スイッチング回路３、インピーダンス変換回路４及び直列共振回路５の少なくとも１つに、他の各種構成を採用することができる。

また、以上の実施形態では、直列共振回路５に対する高周波入力電圧（電圧Ｖ）及び高周波入力電流（電流Ｉ）をそれぞれ電圧検出部１０１及び電流検出部１０２により検出するような構成について説明したが、例えばフィルタにより電圧Ｖ及び電流Ｉの基本波成分を抽出し、それらの基本波成分に基づいてプラズマ投入電力を検出するような構成であってもよい。

この場合、各フィルタにより抽出された電圧Ｖ及び電流Ｉの基本波成分は、それらの基本波成分間の位相差が位相差調整機構で調整された上で、乗算器１０３に入力されるような構成であってもよい。位相差調整機構は、例えば手動で基本波成分間の位相差を調整することができるものであり、高周波電源装置の出荷時に予め調整しておくことにより、部品のばらつきを補正することができる。これにより、部品のばらつきなどに起因して、電圧Ｖ及び電流Ｉの基本波成分間に位相差が生じるのを防止することができるため、プラズマ投入電力の検出値の精度を向上することができる。

本発明に係る高周波電源装置は、ＩＣＰ発光分析装置に限らず、プラズマを利用して分析を行う他の分析装置にも適用可能である。また、本発明に係る高周波電源装置は、分析装置に限らず、プラズマを利用する他の各種装置（例えば、プラズマＣＶＤ用の高周波発振回路など）にも適用可能である。

１ 直流電源
２ バイパスコンデンサ
３ スイッチング回路
４ インピーダンス変換回路
５ 直列共振回路
３１〜３４ ＭＯＳＦＥＴ
３５ 配線
３６ 配線
３７ ゲート駆動回路
４１ コイル
４２ コイル
４３ コンデンサ
４４ コイル
４５ コイル
５１ 誘導コイル
５２ コンデンサ
５３ コイル（１次コイル）
１０１ 電圧検出部
１０２ 電流検出部
１０３ 乗算器
１０４ 低域フィルタ
１０５ 検波回路
１０６ 検波回路
１０７ 周波数カウンタ
１１０ 制御部
１１１ プラズマ投入電力検出部
１１２ 電圧制御部
１１３ インピーダンス検出部
１１４ インピーダンス判定部
１２０ 異常処理部
３７１ コイル（２次コイル）
３７２ コンデンサ

Claims (5)

1. 直流電源と、
   プラズマ生成用の誘導コイル及びコンデンサを含む直列共振回路と、
   前記直流電源から供給される直流電力をスイッチングして前記直列共振回路に与える半導体素子を含むハーフブリッジ型又はフルブリッジ型のスイッチング回路と、
   前記直列共振回路の高周波入力電圧を検出する電圧検出部と、
   前記直列共振回路の高周波入力電流を検出する電流検出部と、
   前記高周波入力電圧及び前記高周波入力電流に基づいてプラズマ投入電力を検出するプラズマ投入電力検出部とを備えたことを特徴とする高周波電源装置。
2. 前記プラズマ投入電力検出部により検出されるプラズマ投入電力が一定となるように、前記直流電源を制御する電圧制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記高周波入力電圧又は前記高周波入力電流の振幅を検出する振幅検出部、あるいは、前記高周波入力電圧又は前記高周波入力電流の周波数を検出する周波数検出部をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波電源装置。
4. 前記振幅検出部により検出された振幅、又は、前記周波数検出部により検出された周波数に基づいて、前記誘導コイルのインピーダンスを示す値を検出するインピーダンス検出部をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の高周波電源装置。
5. 前記インピーダンス検出部の検出値を予め設定された閾値と比較するインピーダンス判定部をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の高周波電源装置。

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