高频电源装置

技术领域

本发明涉及一种自激振荡方式的高频电源装置。

背景技术

专利文献1中公开了以往的自激振荡方式的高频电源的一例。在专利文献1中公开的高频电源装置的变压器中，以使初级线圈与次级线圈成为同轴结构的方式形成。另外，通过经由变压器施加的电压来驱动高频电源装置的半导体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-51556号公报

发明内容

发明要解决的问题

在上述的高频电源装置中，难以在变压器的结构上调整初级线圈与次级线圈的匝数比，因此优选另外设置用于适当地设定流过变压器的电流的结构。

本发明是鉴于上述实际情况而完成的，目的在于提供一种能够抑制过量的电流流过变压器并且使适当的电流流过该变压器的高频电源装置。

用于解决问题的方案

本发明的第一方式是具备直流电源、LC谐振电路、开关电路以及变压器的自激振荡方式的高频电源装置。所述LC谐振电路包括电容器和用于生成等离子体的感应线圈。所述开关电路包括半导体元件，该半导体元件对从所述直流电源供给的直流电力进行开关来向所述LC谐振电路提供直流电力。所述变压器具有所述LC谐振电路所包括的初级线圈、以及与所述半导体元件连接以使该半导体元件导通/截止的次级线圈。所述变压器形成为同轴地配置有所述初级线圈和所述次级线圈的同轴结构，所述LC谐振电路具有与所述初级线圈并联连接的电阻器。

发明的效果

根据本发明的第一方式，电阻器与变压器所具有的初级线圈并联连接，因此能够抑制过量的电流流过变压器，并且使适当的电流流过该变压器。

附图说明

图1是示出本实施方式的高频电源装置的结构例的电路图。

图2是用于说明本实施方式的变压器的内部结构的概要图。

图3是示出本实施方式的MOSFET的周边的结构例的局部俯视图的一例。

图4是示出图3的A-A截面的截面图。

图5是示出图3的B-B截面的截面图。

图6是示出本实施方式的MOSFET的周边的结构例的局部俯视图的另一例。

图7是示出LC谐振电路的结构例的电路图的一例。

图8是示出本实施方式的MOSFET的周边的结构例的局部俯视图的又一例。

图9是示出图1的高频电源装置的整体结构的概要截面图。

具体实施方式

1.高频电源装置的电气结构

图1是示出本实施方式的高频电源装置的结构例的电路图。该高频电源装置例如能够应用于电感耦合等离子体(ICP)发光分析装置等分析装置，是具备直流电源1、旁路电容器2、开关电路3、阻抗变换电路4以及LC谐振电路5等的自激振荡方式的高频电源装置。

直流电源1设定开关电路3的直流电压，并决定向LC谐振电路5供给的高频电力。旁路电容器2被配置于直流电源1与开关电路3之间，确保低阻抗的高频电流路径。

LC谐振电路5包括感应线圈51以及与该感应线圈51连接的电容器52。该LC谐振电路5所包括的感应线圈51用于生成等离子体，通过从直流电源1经由开关电路3向感应线圈51供给高频电力，能够在等离子体炬(未图示)中生成等离子体。

阻抗变换电路4包括2个线圈41、42以及串联连接在这些线圈41、42之间的电容器43。在开关电路3与阻抗变换电路4之间形成有包括阻抗变换电路4的线圈41、42和电容器43的环路。另外，在阻抗变换电路4与LC谐振电路5之间形成有包括阻抗变换电路4的电容器43、以及LC谐振电路5的感应线圈51及电容器52的环路。

开关电路3是包括半导体元件的结构，经由该半导体元件来与直流电源1连接。在该例子中，利用包括4个MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)31(31a、31b、31c、31d)的桥电路构成开关电路3。开关电路3由半桥型或全桥型的桥电路构成。但是，开关电路3所包括的半导体元件不限于MOSFET。另外，开关电路3不限于半桥型或全桥型。

在MOSFET 31a的漏极电极与MOSFET 31b的源极电极之间连接有直流电源1和旁路电容器2。另外，利用布线35将MOSFET 31a的源极电极与MOSFET 31b的漏极电极连接，在该布线35的中途部分连接有阻抗变换电路4的线圈41。

在MOSFET 31c的漏极电极与MOSFET 31d的源极电极之间连接有直流电源1和旁路电容器2。另外，利用布线36将MOSFET 31c的源极电极与MOSFET 31d的漏极电极连接，在该布线36的中途部分连接有阻抗变换电路4的线圈42。

在各MOSFET 31a、31b、31c、31d的栅极电极连接有栅极驱动电路32(32a、32b、32c、32d)。因而，通过栅极驱动电路32将MOSFET 31以规定的定时切换为导通状态或截止状态。由此，能够对从直流电源1供给的直流电力进行开关来向LC谐振电路5提供直流电力。

各栅极驱动电路32a、32b、32c、32d具备彼此并联连接的线圈33(33a、33b、33c、33d)与电容器34(34a、34b、34c、34d)。栅极驱动电路32所具备的线圈33构成各变压器的次级线圈，该线圈33与MOSFET 31的控制端子(栅极电极、源极电极)连接以使MOSFET 31导通/截止(开关)。各变压器的初级线圈由LC谐振电路5所包括的线圈53(53a、53b、53c、53d)构成。

这样，在本实施方式中，将由1对线圈53和线圈33构成的变压器与各MOSFET 31相关联地设置，使得能够向各MOSFET 31供给反馈电压。

另外，在本实施方式中，利用线圈(初级线圈)53和线圈(次级线圈)33构成变压器，因此当在初级线圈53中流过过量的电流时，在次级线圈33中也流过过量的电流，从而有可能对MOSFET 31产生不良影响。

在本实施方式中，作为用于适当地设定流过变压器的电流的结构，电阻器54(54a、54b、54c、54d)与各变压器、具体地说与各初级线圈53a、53b、53c、53d并联连接。另外，并联连接的线圈53及电阻器54与感应线圈51及电容器52串联连接。

电阻器54是具有电阻值的导电体。也就是说，电阻器54也可以称为具有电阻值的电流流路。作为电阻器54，例如列举出金属板和电阻元件等。

这样，通过将变压器的初级线圈53与电阻器54并联连接，能够抑制过量的电流流过变压器，并且使适当的电流流过该变压器。

2.变压器的内部结构

图2是用于说明本实施方式的变压器6的内部结构的概要图。变压器6由LC谐振电路5所具备的初级线圈53以及栅极驱动电路32所具备的次级线圈33构成。

在本实施方式中，变压器6由半刚性同轴线缆构成。半刚性同轴线缆同轴地配置有线状的中心导体61、覆盖该中心导体61的外侧的筒状的绝缘体62以及覆盖该绝缘体62的外侧的筒状的外部导体63。变压器6的初级线圈53由外部导体63构成，次级线圈33由中心导体61构成。

由此，变压器6成为同轴地配置有初级线圈53和次级线圈33的同轴结构，即使在使变压器6弯曲或弯折的情况下，也维持初级线圈53与次级线圈33彼此平行地配置的状态。但是，也可以是，变压器6的初级线圈53由中心导体61构成，次级线圈33由外部导体63构成。

3.MOSFET的周边的结构

图3是示出本实施方式的MOSFET 31的周边的结构例的局部俯视图的一例。另外，图4是示出图3的A-A截面的截面图。另外，图5是示出图3的B-B截面的截面图。

另外，在图3～图5中，仅示出了MOSFET 31a等中的某一个MOSFET 31的周边的结构，但能够对各MOSFET 31的周边的结构均采用同样的结构。

在本实施方式中，开关电路3、阻抗变换电路4以及LC谐振电路5等各电路安装于基板10。利用图案布线11和图案布线12将各电路所包括的部件彼此电连接。在用于生成等离子体的感应线圈51中流过的电流非常大，因此，当图案布线11的宽度小时，发热会变得过多，这是无法允许的。因此，作为图案布线11，优选使用宽度大的图案。此外，基板10可以是1张，也可以被分割为2张以上。

各变压器6形成为U字状。U字状是指弯曲或弯折成变压器6的两端部60a与60b彼此接近的形状，是还包含形成为半圆状等实质上是U字状的其它形状的概念。由半刚性同轴线缆构成的变压器6在外部导体63的外侧不具有保护包覆件，外部导体63成为露出的状态，各变压器6的初级线圈53与图案布线11连接。另一方面，在基板10的与图案布线11侧相反的一侧的面，利用图案布线12使变压器6的次级线圈33的输入端(IN)及输出端(OUT)与MOSFET31的控制端子(栅极电极301、源极电极302)之间电连接。

另外，在本实施方式中，通过将变压器6形成为U字状，能够确保仅能够生成足够的反馈电压的长度，并且缩短变压器6的次级线圈33的输入端(IN)及输出端(OUT)与MOSFET31的控制端子(栅极电极301、源极电极302)之间的图案布线12，从而抑制由图案电感引起的反馈电压的衰减。另外，通过将变压器6的初级线圈53与次级线圈33平行地配置，来增大初级线圈53与次级线圈33的耦合度。

通过这些结构上的设计，能够经由变压器6向MOSFET 31供给足够的反馈电压。也就是说，能够经由变压器6来向各MOSFET 31供给足够的电流。

这样，能够增大反馈电压，因此，在本实施方式中，无需向各MOSFET31的控制端子供给直流偏置电压。即，在如本实施方式那样开关电路3的半导体元件由MOSFET 31构成的情况下，能够增大各MOSFET 31的栅极电压的振幅，从而无需向各MOSFET 31的栅极电极供给直流偏置电压。

并且，如图1所示，通过将电容器34与次级线圈33并联地连接于各MOSFET 31的控制端子，能够减小各MOSFET 31的栅极-源极间电容的偏差、变动的影响。另外，具有非线性的栅极充电特性的各MOSFET 31的控制端子的电压变得更加线性地变化，因此能够抑制由负载的电感导致的开关波形的振铃，实现高的电源效率。

另外，在本实施方式中，如图3和图5所示，各电阻器54与图案布线11连接。变压器6形成为同轴地配置有初级线圈53和次级线圈33的同轴结构，因此难以通过匝数比的调整来调整初级线圈53和次级线圈33中的电流的大小，但是例如，仅通过将电阻器54更换为电阻值不同的其它的电阻器54，就能够简单地调整初级线圈53和次级线圈33的电流的大小。

另外，电阻器54即使是相同材料的导电体，只要电流流路的长度不同，电阻值也就不同。具体地说，尽管是相同材料的导电体，但电流流路长的导电体的电阻值较大。因而，在规定的材料的导电体中，电阻器54的电流路径越长，则该电阻器54的电阻值越大。

如果如本实施方式那样电阻器54形成为与变压器6同样的U字状，则即使例如电阻器54的端部540a的连接位置与540b的连接位置接近也能够确保足够的电阻值。

并且，电阻器54即使是相同材料的导电体，只要电流流路的截面积不同，电阻值也就不同。具体地说，尽管是相同材料的导电体，但电流流路的截面积小的导电体的电阻值较大。因而，在规定的材料的导电体中，电阻器54的电流路径的截面积越小，则该电阻器54的电阻值越大。

由此，电阻器54的电阻值是由材料和形状而设定的。此外，在本实施方式中，在电阻器54的电阻值与初级线圈53的寄生电阻的值相比极小的情况下，流过电阻器54的电流的大小增加。也就是说，流过初级线圈53的电流变得极小。在该情况下，驱动MOSFET 31所需的电压(电流)有可能不会被供给到该MOSFET 31。

在本实施方式中，如图3～图5所示，电阻器54形成为与变压器6同样的U字状，但是只要被供给驱动MOSFET 31所需的最低限度的电压以上的电压，则电阻器54的材料和形状没有特别限定。

另外，如图3～图5所示，在本实施方式中，变压器6与电阻器54彼此相向且平行地延伸，绝缘性的散热器20位于变压器6与电阻器54之间，并且，与变压器6及电阻器54接触。

即，变压器6和电阻器54分别在彼此平行的面F1、F2弯曲或弯折，在这些面F1、F2与散热器20接触。

4.散热器和LC谐振电路的变形例

可以如图3～图5所示那样在基板10上各不相同的散热器20与成对的变压器6及电阻器54中的各对接触，也可以如图6所示那样1个散热器20与成对的变压器6及电阻器54中的各对接触。此外，图6是示出本实施方式的MOSFET31的周边的结构例的局部俯视图的另一例。另外，在图6中，具体地说，示出了MOSFET 31a等中的2个MOSFET 31的周边的结构。

另外，如图7所示的LC谐振电路5那样，电阻器54也可以与多个初级线圈53并联连接。例如，如图7所示，在电阻器54与2个初级线圈53并联连接的情况下，MOSFET 31的周边能够如图8所示那样构成。此外，图7是示出LC谐振电路5的结构例的电路图的一例。另外，图8是示出本实施方式的MOSFET 31的周边的结构例的局部俯视图的又一例。并且，在图8中，具体地说，示出了MOSFET 31a等中的2个MOSFET 31的周边的结构。

由此，在本实施方式中，只要在基板10上设置散热器20，就能够利用至少一个散热器20来冷却各变压器6和各电阻器54。

散热器20例如由氮化铝制的块构成。但是，只要是热传导率高且具有绝缘性的材料，就可以利用氮化铝以外的材料来形成散热器20。

在本实施方式中，变压器6由同轴线缆构成，因此变压器6的外表面成为圆周面。因而，在散热器20的与变压器6接触的接触面由平面构成的情况下，散热器20仅与同轴线缆的极小一部分接触而有可能散热不充分。因此，优选的是，在变压器6与散热器20的接触部分的周边涂布例如导热油脂，或者将散热器20的与变压器6接触的接触面设为与变压器6的外表面对应的凹面，由此使散热器20与变压器6的接触面积增加。可以说这对于电阻器54而言也是同样的情况。

5.高频电源装置的整体结构

图9是示出图1的高频电源装置的整体结构的概要截面图。该高频电源装置具有在中空状的壳体100内具备各种部件的结构。在壳体100形成有用于使线缆插通的插通孔等，但除此以外未形成开口部，壳体100内成为大致密闭状态。即，未在壳体100上形成用于向壳体100内吸入空气的吸气口、以及用于排出壳体100内的空气的排出口等。

壳体100内的空间被一个或多个划分壁101划分。安装有开关电路3、阻抗变换电路4以及LC谐振电路5等各电路的基板10例如被划分壁101保持。由此，开关电路3、LC谐振电路5以及变压器6等各种部件被收容在壳体100内。

但是，LC谐振电路5所包括的感应线圈51未收容于壳体100内，而是被配置于等离子体支架(未图示)的内部。壳体100内的基板10与壳体100外的感应线圈51利用例如铜板等导电体来连接，感应线圈51与等离子体支架之间例如被氟树脂等绝缘体隔开。

设置于壳体100内的散热器23安装于基板10。散热器23例如是水冷方式，具备供制冷剂流动的主体部21以及从主体部21突出的多个散热片22。散热器23主要对安装于基板10的MOSFET 31进行冷却。也能够使该主体部21与例如基板10直接接触，来冷却基板10以及安装于基板10的部件。但是，由于为经由了基板10的绝缘材料的散热，因此散热是不充分的。

因此，在壳体100内，除了上述的基板10和散热器23以外，还设置有空冷风扇40。空冷风扇40例如被划分壁101保持，同基板10的与散热器23侧相反的一侧的面相向。由此，在空冷风扇40被旋转驱动的情况下，壳体100内的空气从该空冷风扇40吹向基板10。

壳体100内的被划分壁101划分出的空间构成了用于使壳体100内的空气循环的循环路102。即，从空冷风扇40的吹出口401吹出的空气在直吹设置在循环路102的中途的基板10和散热器23之后，被从吸入口402吸入到空冷风扇40，并再次从吹出口401吹出。

将散热器23所具备的多个散热片22以分别沿着循环路102中的空气的流通方向延伸的方式彼此隔开间隔且平行地配置。这样，在循环路102的中途配置散热器23(散热片22)，由此能够利用空冷风扇40一边将壳体100内的空气导向散热器23一边使其循环。

这样，在本实施方式中，将除感应线圈51以外的LC谐振电路5、开关电路3以及变压器6之类的部件收容在壳体100内，并且，利用空冷风扇40来使壳体100内的空气循环，由此装置外的空气难以流入到装置内。因而，能够防止装置内的部件被装置外的空气污染。

另外，壳体100内的部件被水冷方式的散热器23冷却，并且，利用空冷风扇40在壳体100内循环的空气一边被水冷方式的散热器23冷却一边进行循环，因此能够实现高的冷却效率。因而，即使是装置外的空气难以流入到装置内的结构，也能够良好地冷却装置内的部件。

6.其它的变形例

在以上的实施方式中，说明了具有感应线圈51的LC谐振电路5由电容器52与感应线圈51串联连接的串联谐振电路构成的情况。然而，不限于这样的结构，LC谐振电路5也可以由电容器52与感应线圈51并联连接的并联谐振电路构成。

变压器6不限于由半刚性同轴线缆构成，也可以由其它的同轴线缆构成。在将具备保护包覆件的同轴线缆用作变压器6的情况下，优选的是，去除保护包覆件来使用。但是，不限于使用同轴线缆的结构，也可以是仅将变压器6的初级线圈53与次级线圈33同轴地配置的结构。

另外，作为电阻器54，也可以使用高频电源装置所具备的部件，具体地说，可以使用能够电连接的部件，即具有导电性和电阻值的部件。

例如，在高频电源装置具备通用的金属壳体的风扇、并且使用该通用的金属壳体的风扇作为电阻器54的情况下，如果设置为散热器20被从风扇吹出的空气直吹，则能够提高散热器20的冷却效率。

另外，在多个基板10中，即使各种电路相同地构成，但根据部件的品质等的差异，流过变压器6的电流的值有时也会稍微地不同。如果使用可变电阻器作为电阻器54，则即使流过变压器6的电流是与本来的值不同的电流，也能够不更换电阻器54地适当地调整流过变压器6的电流。也就是说，容易在高频电源装置的制造中保持一定的品质。

本发明所涉及的高频电源装置不限于ICP发光分析装置，也能够应用于利用等离子体来进行分析的其它分析装置。另外，本发明所涉及的高频电源装置不限于分析装置，也能够应用于利用等离子体的其它各种装置(例如等离子体CVD用的高频振荡电路等)。

7.方式

本领域技术人员者应理解，上述的实施方式是以下的方式的具体例。

(第一项)在一个方式所涉及的自激振荡方式的高频电源装置中，可以是，具备：

直流电源；

LC谐振电路，其包括电容器和用于生成等离子体的感应线圈；

开关电路，其包括半导体元件，所述半导体元件对从所述直流电源供给的直流电力进行开关来向所述LC谐振电路提供直流电力；以及

变压器，其具有所述LC谐振电路所包括的初级线圈、以及与所述半导体元件连接以使该半导体元件导通/截止的次级线圈，

其中，所述变压器形成为同轴地配置有所述初级线圈和所述次级线圈的同轴结构，

所述LC谐振电路具有与所述初级线圈并联连接的电阻器。

根据第一项所记载的自激振荡方式的高频电源装置，通过将电阻器与变压器的初级线圈并联连接，能够抑制过量的电流流过变压器，并且使适当的电流流过该变压器。

(第二项)在第一项所记载的自激振荡方式的高频电源装置中，也可以是，

所述变压器和所述电阻器的形状为U字状。

根据第二项所记载的自激振荡方式的高频电源装置，能够确保仅能够生成足够的反馈电压的长度，并且缩短变压器的次级线圈的输入端及输出端与半导体元件之间的布线，从而抑制由图案电感引起的反馈电压的衰减。另外，即使电阻器的端部的连接位置接近也能够确保足够的电阻值。

(第三项)在第一项或第二项所记载的自激振荡方式的高频电源装置中，也可以是，

还具备具有绝缘性的散热器，

所述散热器与所述变压器及所述电阻器这两方接触。

根据第三项所记载的自激振荡方式的高频电源装置，来自变压器和电阻器的发热经由散热器而散热，因此能够实现高的散热效率。

(第四项)在第三项所记载的自激振荡方式的高频电源装置中，也可以是，

所述变压器与所述电阻器彼此相向且平行地延伸，

所述散热器位于所述变压器与所述电阻器之间。

根据第四项所记载的自激振荡方式的高频电源装置，能够利用至少一个散热器来冷却变压器和电阻器。

(第五项)在第一项～第四项中的任一项所记载的自激振荡方式的高频电源装置中，也可以是，

所述电阻器是可变电阻器。

根据第五项所记载的自激振荡方式的高频电源装置，能够不更换电阻器地调整流过变压器的电流。