分光分析用の発電機
【課題】回路の構成要素を減らすことができ、分光分析用の誘導結合プラズマを励起して保持するための比較的安価なＲＦ発電機を提供する。
【解決手段】分光分析のための、トーチ２７内で誘導結合プラズマを励起する誘導コイル２６のためのＲＦ発電機１０。発電機１０は、誘導コイル２６と、並列接続させたコンデンサ２５とを備えた共振負荷回路１６にＲＦ電力を供給するためにゲート駆動電圧２２を介して固体スイッチング装置２０のオン・オフを交互に切り替えるためのスイッチング回路１２を備えている。各固定スイッチング装置２０のためのゲート駆動回路２４はそれぞれ、誘導コイル２６の導線と互いに誘導結合する一部分３０を有し、ゲート駆動電圧２２を提供する。
【解決手段】分光分析のための、トーチ２７内で誘導結合プラズマを励起する誘導コイル２６のためのＲＦ発電機１０。発電機１０は、誘導コイル２６と、並列接続させたコンデンサ２５とを備えた共振負荷回路１６にＲＦ電力を供給するためにゲート駆動電圧２２を介して固体スイッチング装置２０のオン・オフを交互に切り替えるためのスイッチング回路１２を備えている。各固定スイッチング装置２０のためのゲート駆動回路２４はそれぞれ、誘導コイル２６の導線と互いに誘導結合する一部分３０を有し、ゲート駆動電圧２２を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光分析用の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を励起するための誘導コイル用無線周波（ＲＦ）発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書で従来技術として示す特許文献またはその他の内容についての言及は、本願により確立された優先日において、その文献または内容がオーストラリアにおいて周知であること、または、それに含まれる情報が一般常識の一部であったことを認めているものとして解釈されるべきではない。
分光分析では、ＩＣＰは質量分析（ＭＳ）用のイオン源または原子発光分析（ＯＥＳ）用の光源として使用されてもよい。ＩＣＰ装置は、トーチアセンブリと同軸上に装着した１または複数の水冷誘導コイルから構成されてもよく、該トーチアセンブリからアルゴンガスが慎重に制御した速度で導入される。ＲＦ電力を誘電コイルに供給する。アルゴンは電気を通さないため、例えば高電圧火花によってアルゴン内で発生した小規模な放電でプラズマが「開始」されるまでは、誘導コイルのＲＦ電磁場によって加熱されない。この放電により、ＲＦ電磁場と相互に作用するのに十分な電子とイオンとが生成され、その結果、イオンおよび電子生成のプロセスで自己持続するのに十分な熱が発生し、それによりプラズマを保持する。
【０００３】
分光分析の用途では、プラズマの温度は一般に３，０００Ｋないし１０，０００Ｋの範囲内である。変動電磁場の周波数は、数ＭＨｚないし数ＧＨｚの範囲内にすることができるが、プラズマを適切な温度に比較的励起しやすい特に有用な範囲は１０ＭＨｚないし５０ＭＨｚの間である。
ＲＦ電力を供給する発電機は、プラズマを励起して維持するための十分な電力、例えば５００Ｗないし３ｋＷの範囲の電力を発生させることができなければならない。また、発電機は、例えば不意にプラズマが消える際に起きる負荷インピーダンスの急激かつ著しい変化に対応できなければならない。また、発電機は、例えばプラズマの励起と持続的発生との間に起きる負荷インピーダンスの非定常状態に対応できなければならない。
【０００４】
別の重要な要素は、分光分析機器のＲＦ発電機のコストである。分光分析の計装は高価であり、当業界は競争が激しい。したがって、そのような機器製造者が市場で競争力を維持していこうとするには、ＲＦ発電機または発振器といった構成要素のコストに制約がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，１９４，７３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、分光分析用の誘導結合プラズマを励起して保持するための比較的安価なＲＦ発電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、
固体スイッチング装置を備え、ＤＣ電源の両端に接続可能なスイッチング回路であって、前記固体スイッチング装置の各々がゲート駆動電圧を受けるためのゲート電極を有し、それによりＲＦ電力を供給するためにオン・オフを交互に切り替え可能であるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路からのＲＦ電力が結合される負荷回路であって、並列共振のために接続させた誘導コイルとコンデンサとを備えた負荷回路と、
各固体スイッチング装置のゲート駆動回路であって、各々が負荷回路の一部分と互いに誘導結合する一部分を有し、前記ゲート駆動電圧を提供するゲート駆動回路と、
を備えた分光分析用の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を励起するための誘導コイル用無線周波数（ＲＦ）発電機が提供される。
【０００８】
最も好都合には、前記負荷回路の前記一部分は誘導コイルの導線（リード）である。
誘導コイルの導線と互いに誘導結合する各ゲート駆動回路の一部分は、誘導コイルの導線と平行に延びている誘導ループであることが好ましい。
本発明の実施形態では、ＲＦ ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のフルブリッジは、ＲＦ周波数で切り替わり、並列接続されている誘導コイルとコンデンサとに結合回路網によって接続されている。ＭＯＳＦＥＴのゲート駆動電圧は、プラズマ誘導コイルの支持導線に近接した誘導結合ループから生じることが好ましい。この配置は、支持導線を１次インダクタとして使用して、それにより付加的な構成要素の必要性を回避し、コストを削減するので有利である。また、誘導結合ループ（すなわち、２次インダクタ）は、例えばプリント回路基板の導電性トラックを介して比較的安価に設けることができる。あるいは、ゲート駆動電圧は負荷回路の他の部分から生じるものとすることができる。例えば、スイッチング回路と、並列接続されている誘導コイルおよびコンデンサとの間を結合するためのインダクタから生じるものとすることができる。
【０００９】
固体スイッチング回路のＤＣ電源は、ＡＣ−ＤＣ変換器を使用してＡＣ商用（ユーティリティ）電源から得てもよい。ＡＣ−ＤＣ変換器は絶縁型であっても、非絶縁型であってもよいが、好ましくは２段階変換器で、ＡＣ−ＤＣ力率補正（ＰＦＣ）変換器とそれに続く絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器とを有する。また、非絶縁型のＤＣ−ＤＣ変換器を使用してもよい。無線周波数発電機の出力制御は、ＤＣ電源電圧の変化によって、できる限り２段階変換器の第２段階を出力ＤＣ電圧の変化に利用して、行ってもよい。調整する出力変数は、一般的なプラズマ状態に基づいて変化する出力電力、電流、電圧またはそれらの組合せであり得る。誘導コイルにおいて、電力または他の量ではなく電流を調整することで、制御が容易になり、プラズマが発生した際または消えた際に何も変更する必要がない。発生や消滅の際に、プラズマのインピーダンスは広範囲にわたって変化するが、電流を調整することにより、点火のための強い磁場が存在し、プラズマが存在するときでも電力を許容できる程度に一定に維持することが確実になる。
【００１０】
従来技術の固体発電機に比して、本発明の好適な実施形態は、高供給電圧を有し、寄生インダクタンスがそれほど問題にならず、ＭＯＳＦＥＴのフルブリッジ型に固有のクランプによる過電圧を上手く調整する。このような実施形態には、１または２つのスイッチング構成要素しか使用しない従来の固体発電機に対して、４つの構成要素を使用し、熱損失をそれらの間で分散させ、冷却処理を簡素化するという利点がある。
【００１１】
また、本発明のいくつかの実施形態では、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング装置に見られる負荷を、ＭＯＳＦＥＴの出力キャパシタンスが、ＭＯＳＦＥＴがオンになる前に実質的に放電するようにすることで、発電機回路の効率を非常に高くすることができる。
本発明をより理解し、本発明がいかに実施されるかを示すために、非限定的な例として、添付の図面を参照しながら実施形態をよって以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るＲＦ発電機回路を示す機能ブロック図である。
【図２】ＲＦ ＭＯＳＦＥＴのフルブリッジを採用した本発明の好適な実施形態に係る発電機を示す図である。
【図３】ＲＦ負荷電流を制御するための変更が含まれた図２の発電機回路を示す。
【図４】負荷回路に容量分圧器が採用された図２の発電機回路の他の変更を示す。
【図５】相互結合しているインターレース方式のプラズマ誘導コイルを使用した本発明に係る発電機の他の実施形態を示す。
【図６】ゲート駆動回路の誘導ループ部分を示す本発明の一実施形態に係る構造の一部分を示す等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るＲＦ発電機１０は、ＤＣ電源１４の両端に接続可能なスイッチング回路１２を備え、ＤＣ電源１４は、結合回路１８を介して負荷回路１６にＲＦ電力を供給する。スイッチング回路１２は少なくとも２つの固体スイッチング装置２０を備え、各固体スイッチング装置２０は、それぞれのゲート駆動回路２４からゲート駆動電圧を受けるためのゲート電極２２を有する。ゲート駆動回路２４は、ＲＦ電力を負荷回路１６に供給するために固体スイッチング装置２０のオン・オフを交互に切り替える。負荷回路１６は、誘導コイル２６と、並列接続されているコンデンサ２５とを備えている。誘導コイル２６は、分光分析のためにプラズマトーチ２７においてＩＣＰを励起するためのものである。誘導コイル２６は、一般的にはプラズマトーチ２７と同軸上にあり、例えばアルゴンといったプラズマ形成ガスが制御した流量でプラズマトーチ２７を通過する。誘導コイル２６は支持導線２８を備え、各ゲート駆動回路２４は、当該ゲート駆動回路２４へのフィードバックのために誘導コイル２６の支持導線２８と互いに誘導結合する一部分３０を備え、固体スイッチング装置２０のオン・オフを切り替えるためにゲート電極２２にゲート駆動電圧を与える。
【００１４】
回路１０の出力は、負荷回路変数のフィードバックに応じてＤＣ入力供給電圧１４（符号３４を参照）を変化させるマイクロプロセッサ制御装置３２を介して制御してもよい。負荷回路変数は、符号３６で示すように誘導コイル２６の電流であってもよい。また、マイクロプロセッサ制御装置３２はゲート駆動回路２４にバイアス電圧３８を供給してもよい。無線周波数発電機１０の回路がマイクロプロセッサ制御装置３２を介して一旦作動すると、自己発振する。
【００１５】
図２に示す実施形態は、型ＤＥ３７５−５０１Ｎ２１Ａ（ＩＸＹＳ ＲＦ社）または同等のものである４つのＲＦ ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）を備えているフルブリッジ型スイッチング回路を有する発電機回路５０を示している。このＭＯＳＦＥＴの構成を利用して、約１．５〜２．０ｋＷのＲＦ電力出力をプラズマに発生できる。入力ＤＣ電源５６をコンデンサ（キャパシタ）５８（Ｃ１０）によってバイパスし、誘導コイル６０（Ｌ５）のＲＦ電流に低インピーダンスのリターンパスを提供する。ＥＭＩフィルタ５７がＤＣ電源５６とコンデンサ５８との間に配置されている。
【００１６】
電力は負荷結合インダクタ６１，６２，６３および６４（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４）によってＭＯＳＦＥＴ５１〜５４のフルブリッジから誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）に結合される。ドレイン−ソース間のコンデンサ６６，６７，６８および６９（Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８およびＣ９）がない場合、負荷コンデンサ７０（Ｃ５）と並列である、誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）および関連する導線８０および８２のインダクタンス（Ｌ５Ｂ，Ｌ５Ｃ）との組合せ、ならびに、ＭＯＳＦＥＴ５２（Ｍ２）および５３（Ｍ３）が導通している際の負荷結合インダクタ６２および６３（Ｌ２およびＬ３）（またはＭＯＳＦＥＴ５１（Ｍ１）および５４（Ｍ４）が導通している際の負荷結合インダクタ６１および６４（Ｌ１およびＬ４））の直列の組合せは、目的動作周波数（通常、１３ＭＨｚないし５０ＭＨｚの周波数範囲内）で共振するように設定されている。これら構成要素の最適値は、誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）のインダクタンス、誘導コイル６０内のプラズマトーチ５９におけるプラズマへの結合およびプラズマの温度とサイズとによるものであるため、シミュレーションと実験とで決定することができる。構成要素は、発電機回路５０の当該部分において高ＲＦ電流を伝搬できるよう設定しなければならない。負荷コンデンサ７０（Ｃ５）における少量の寄生インダクタンスは回路動作に著しく影響しない。
【００１７】
ドレイン−ソース間のコンデンサ６６，６７，６８および６９（Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８およびＣ９）はＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）上でドレインからソースに接続されている。これらのコンデンサを使用して、ＭＯＳＦＥＴにおけるドレイン−ソース間の電圧偏差を制限する。コンデンサの有用性は、ドレイン−ソース間の電圧の制限と、ＭＯＳＦＥＴが周期毎に放電する必要があることから減少する電力変換効率との折衷である。また、導通（通電）していないＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３または５４において、ドレイン−ソース間のコンデンサ６６，６７，６８または６９と負荷結合インダクタ６１，６２，６３または６４（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３またはＬ４）との直列の組合せは、近接した導通しているＭＯＳＦＥＴの負荷結合インダクタと並列に効果的に発生するため、コンデンサがあることで発電機回路５０の動作周波数も上がる。例えば、ＭＯＳＦＥＴ５２（Ｍ２）が導通しているとき、導通していないＭＯＳＦＥＴ５１（Ｍ１）に接続されている負荷結合インダクタ６１（Ｌ１）とコンデンサ６６（Ｃ６）との直列の組合せは負荷結合インダクタ６２（Ｌ２）と効果的に並列である。これは、両電源レール７２，７４がバイパスコンデンサ５８（Ｃ１０）によって同じＲＦ電位に保たれているためである。
【００１８】
ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）のゲート駆動は負荷回路からの誘導フィードバックによって得られる。ゲート駆動はそれぞれ、結合ループ７７，７６，７９および７８（Ｌ７，Ｌ６，Ｌ９およびＬ８）から生じる。結合ループ７７，７６，７９および７８は、支持導線によりプラズマ誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）に設けられているインダクタ８０および８２（Ｌ５ＢおよびＬ５Ｃ）に互いに誘導結合している。結合ループ７６および７７（Ｌ６およびＬ７）は支持導線８０（Ｌ５Ｂ）に結合している一方、結合ループ７８および７９（Ｌ８およびＬ９）は支持導線８２（Ｌ５Ｃ）に結合している。結合ループ７６，７７，７８および７９（Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８およびＬ９）の接続位相は、ＭＯＳＦＥＴ５１および５４（Ｍ１およびＭ４）が導通せず、ＭＯＳＦＥＴ５２および５３（Ｍ２およびＭ３）が同時に導通するものである。動作周波数における発振周期の逆相では、ＭＯＳＦＥＴ５２および５３（Ｍ２およびＭ３）が非導通状態である一方、ＭＯＳＦＥＴ５１および５４（Ｍ１およびＭ４）が導通する。
【００１９】
または、誘導フィードバックは、導線８０および８２の代わりに、結合インダクタ６１，６２，６３および６４（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４）から得ることができる。本実施形態では、ゲート駆動インダクタ７６，７７，７８および７９（Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８およびＬ９）はそれぞれ、結合インダクタ６２，６１，６４および６３（Ｌ２，Ｌ１，Ｌ４およびＬ３）と互いに誘導結合している。
【００２０】
ゲート駆動回路は、２つの機能を果たすゲートコンデンサ８４，８６，８８および９０（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３およびＣ４）を備えている。ゲートコンデンサ８４，８６，８８および９０は、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）へのバイアス電源の短絡を防止するためにＤＣ阻止機能を提供している。また、ゲートコンデンサ８４〜９０は、各々のゲート駆動回路の共振周波数を設定するためにも使用される。これらゲート駆動回路は、結合ループ７６，７７，７８および７９（Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８およびＬ９）ならびにゲートコンデンサ８４，８６，８８および９０（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３およびＣ４）の直列の組合せのインダクタンスと、それぞれのＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）のゲート入力キャパシタンスとを含む。ゲート駆動回路の共振周波数は一般に、発電機５０のＤＣ−ＲＦ電力変換効率を最大にするための動作周波数より高く設定される。
【００２１】
ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）のゲート−ソース間のバイアス電圧は、マイクロプロセッサ制御システム１０２によって制御されるＤＣバイアス電源９７，９８，９９および１００から無線周波数チョーク９１，９２，９３，９４，９５および９６（ＲＦＣ１，ＲＦＣ２Ａ，ＲＦＣ２Ｂ，ＲＦＣ３，ＲＦＣ４ＡおよびＲＦＣ４Ｂ）を介して結合される。抵抗器１１１，１１２，１１３および１１４（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４）はそれぞれ、各ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４のゲートとソースとの間に接続され、マイクロプロセッサにより制御されたバイアス電源９７〜１００からのバイアスがない場合にゲート−ソース間のバイアス電圧をゼロに設定して、バイアスが印加されて発電機回路５０が発振するまでＭＯＳＦＥＴ５１〜５４が確実に導通しないようにしている。
【００２２】
プラズマトーチ５９においてプラズマの温度を制御するには誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）のＲＦ電流を制御することが最も簡便である。この役割は、誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）と、それに関連する支持導線８０および８２（Ｌ５ＢおよびＬ５Ｃ）ならびにコンデンサＣ５とにより形成されている共振回路に１次巻線を直列接続させたＲＦ電流トランス１１６（Ｔ１）を使用することで容易に実行される。電流トランス１１６（Ｔ１）の２次巻線からの出力は、安定抵抗器に接続させてプラズマコイル電流検出器１１８で整流して、マイクロプロセッサ制御システム１０２内のアナログ−デジタル変換器により測定されるＤＣフィードバック信号を発生させてもよい。その後、マイクロプロセッサ制御システム１０２は、ＤＣ電力を発電機回路５０に提供する可変ＤＣ電源５６の出力電圧を制御する。このようにすれば、誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）のＲＦ電流は安定する。
【００２３】
誘導コイル６０のＲＦ電流を制御するための（図３に示す）他の方法は、一部または全部のＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４でゲート−ソース間の電圧を測定することによる。これは、電圧がゲート結合インダクタ７６，７７，７８および７９から引き出され、それにより誘導コイル６０の電流に比例するからである。図３に示すように、従来のダイオード整流器１１７（Ｄ４，Ｄ５）とコンデンサ１１９（Ｃ１３，Ｃ１４）とを備えたゲート電圧検出器回路を使用してライン１２１にＤＣ電圧を発生させ、そのＤＣ電圧をマイクロプロセッサ制御システム１０２により測定し、ＤＣ電源５６を制御するために使用する。これにより、誘導コイル６０のＲＦ電流は安定する。
【００２４】
プラズマ検出器出力からの可変電源を直接アナログ制御することも可能である。マイクロプロセッサ制御システム１０２はまた、電流感知抵抗器１２０（Ｒ５）の両端の電圧降下を測定することでＲＦ発電機５０によって生じるＤＣ電源電流も監視する。このようにして、誘導コイル６０の両端にアークが発生した場合には、ＲＦ発電機５０の構成要素を付加的に保護することができる。可変ＤＣ電源５６とマイクロプロセッサ制御システム１０２は共にＡＣ電源（商用電源）から動力を供給される。
【００２５】
図４（図２における同様の構成要素には同様の参照符号を使用）は固体ＲＦ電源５０の他の実施形態を示している。この固体ＲＦ電源５０には、共振コンデンサ７０（Ｃ５）ではなく、誘導またはワークコイル６０電位を接地電位に対して均衡（バランス）させることでプラズマ電位を最小限にする、コンデンサ７０ａおよび７０ｂ（Ｃ５ＡおよびＣ５Ｂ）の容量分圧器を使用する。本実施形態では、接地電位に対して均衡させた可変ＤＣ電源５６を使用する必要がある。その他の点については、この種のＲＦ発電機５０の動作は図４に示すものとすべて同じである。
【００２６】
マイクロプロセッサ制御システム１０２はＲＦ発電機５０を作動させるための手段である。マイクロプロセッサ制御システム１０２は、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）を導通させるゲート−ソース間のバイアス電源９７，９８，９９および１００を制御する。ＲＦ発電機５０を作動させるために、マイクロプロセッサ制御システム１０２はまず、可変ＤＣ電源５６を低減された電圧（例えば、５０ボルト）に設定して、ゲートバイアス電源９７，９８，９９および１００を、電流検知抵抗器１２０（Ｒ５）の両端の電圧降下によって測定されたゲート閾値電圧まで徐々に引き上げて導通させる。この時点で、発振が確立し、可変ＤＣ電源５６の出力電圧を最終的な動作値（例えば、２００ボルト）に引き上げることができる。プラズマ放電は、プラズマシステムで周知のように、プラズマトーチ５９へのアルゴンガス流への、電離のための火花放電を開始することで引き起こされる。
【００２７】
ゲート駆動回路の誘導フィードバックに誘導コイル６０の支持導線８０，８２を１次インダクタとして使用することでいくつかの利点が得られる。まず、構成要素が減る。またさらに、結合ループ７６，７７，７８および７９を、例えば適当に成形加工した銅ストリップを介してまたは後述するプリント回路基板の導電性トラックを介して容易に設けることができる点で簡素化が可能になる。また、結合ループ７６，７７，７８および７９は低インダクタンスを有しているため、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３，５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）の直接的なゲート駆動が可能になる。すなわち、ゲート駆動回路で構成要素（成分）を増幅する必要がない。
【００２８】
上記例示したＲＦ発電機５０に関しては、典型的なＤＣ−ＲＦ電力交換効率は、１９０ボルトのＤＣ電源電圧で８０％を上回る。
図５（図２における同様の構成要素には同様の参照符号を使用）は、ターナー（米国特許第５，１９４，７３１号明細書）が記述するような、相互結合したインターレース方式のプラズマ誘導コイル６０ａおよび６０ｂ（Ｌ５Ａ／１，Ｌ５Ａ／２）を使用する固体ＲＦ発電機５０’の別の実施形態を示す。この構成では、接地電位に対して均衡されたＤＣ電源５６’を採用する必要がある。２つの電源バイパスコンデンサ５８ａおよび５８ｂ（Ｃ１０Ａ，Ｃ１０Ｂ）がこの構成では必要になる。また、ＭＯＳＦＥＴ５１および５３（Ｍ１およびＭ３）のバイアス電源９７および９９は、図２の実施形態のように接地電位を基準にするよりもむしろ、負ＤＣ電源レール７４’に対して直ちに浮動しなければならないため、バイアス電圧基準点を確立するために別のＲＦチョーク９１ａ（ＲＦＣ１Ｂ）が必要になる。その他の点については、この種のＲＦ発電機５０’の動作は図２に示すものとすべて同じである。
【００２９】
可変ＤＣ電源５６の力率補正ブーストおよびＤＣ−ＤＣ変換器は、既に確立された手法に応じて構築することができるが、完全な交換器をユニットとして電源製造者から購入することもできる。この用途には出力電圧がほぼ２００Ｖであることを除いて特別な要件はない。
図６（図２における同様の構成要素には同様の参照符号を使用）を参照すると、本発明の図２の実施形態に係る電源装置５０の構造２００の一部分には、２対の対向するプリント回路基板２０４、２０６を支持するフレーム２０２が備えられている。プラズマトーチ（図示せず）が配置可能な誘導コイル６０は、プリント回路基板２０４，２０６とフレーム２０２とから成るアセンブリ２００に対して誘導コイル６０を構造的に支持する導線８０および８２を備えている。誘導コイル６０とその導線８０および８２は、発電機５０の作動中に冷媒が流れる銅管から形成されていてもよい。
【００３０】
プリント回路基板２０４は導電性トラック２１０を備え、各導電性トラック２１０は、導線８０に近接して平行に延びている部分であって、それぞれ誘導結合ループ７６（Ｌ６）および７７（Ｌ７）になる部分を有する。コンデンサ８４（Ｃ１）および８６（Ｃ２）とＭＯＳＦＥＴ５１（Ｍ１）および５２（Ｍ２）とは、プリント回路基板２０４の導電性トラック２１０の上に実装されている個々の構成要素である。導線８２に対する結合ループ７８，７９、およびコンデンサ８８，９０（Ｃ３，Ｃ４）とＭＯＳＦＥＴ５３および５４（Ｍ３およびＭ４）の同様な配置（図６では見えていない）が他方のプリント回路基板２０６によって設けられている。誘導コイル６０の支持導線８０，８２に対する誘導結合ループ７６，７７の配置を明確に示すために、その他の種々構成要素を図６から省略している。これら省略した構成要素には、コンデンサ７０，６６，６７，５８（Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ１０）、インダクタ６１，６２（Ｌ１，Ｌ２）、抵抗器１１１，１１２（Ｒ１，Ｒ２）および無線周波数チョーク９１，９２および９３（ＲＦＣ１，ＲＦＣ２Ａ，ＲＦＣ２Ｂ）が含まれている。
【００３１】
プリント回路基板２０４および２０６の導電性トラック２１０を介して誘導結合ループ７６，７７，７８および７９が設けられた回路トポロジーにより、容易に実現できて低コストな構造が可能になる。
本明細書に記載の発明は、具体的に記述した以外の変形、変更および／または追加が可能であり、そのような変形、変更および／または追加は、以下の特許請求の範囲内に含まれることを理解すべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光分析用の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を励起するための誘導コイル用無線周波（ＲＦ）発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書で従来技術として示す特許文献またはその他の内容についての言及は、本願により確立された優先日において、その文献または内容がオーストラリアにおいて周知であること、または、それに含まれる情報が一般常識の一部であったことを認めているものとして解釈されるべきではない。
分光分析では、ＩＣＰは質量分析（ＭＳ）用のイオン源または原子発光分析（ＯＥＳ）用の光源として使用されてもよい。ＩＣＰ装置は、トーチアセンブリと同軸上に装着した１または複数の水冷誘導コイルから構成されてもよく、該トーチアセンブリからアルゴンガスが慎重に制御した速度で導入される。ＲＦ電力を誘電コイルに供給する。アルゴンは電気を通さないため、例えば高電圧火花によってアルゴン内で発生した小規模な放電でプラズマが「開始」されるまでは、誘導コイルのＲＦ電磁場によって加熱されない。この放電により、ＲＦ電磁場と相互に作用するのに十分な電子とイオンとが生成され、その結果、イオンおよび電子生成のプロセスで自己持続するのに十分な熱が発生し、それによりプラズマを保持する。
【０００３】
分光分析の用途では、プラズマの温度は一般に３，０００Ｋないし１０，０００Ｋの範囲内である。変動電磁場の周波数は、数ＭＨｚないし数ＧＨｚの範囲内にすることができるが、プラズマを適切な温度に比較的励起しやすい特に有用な範囲は１０ＭＨｚないし５０ＭＨｚの間である。
ＲＦ電力を供給する発電機は、プラズマを励起して維持するための十分な電力、例えば５００Ｗないし３ｋＷの範囲の電力を発生させることができなければならない。また、発電機は、例えば不意にプラズマが消える際に起きる負荷インピーダンスの急激かつ著しい変化に対応できなければならない。また、発電機は、例えばプラズマの励起と持続的発生との間に起きる負荷インピーダンスの非定常状態に対応できなければならない。
【０００４】
別の重要な要素は、分光分析機器のＲＦ発電機のコストである。分光分析の計装は高価であり、当業界は競争が激しい。したがって、そのような機器製造者が市場で競争力を維持していこうとするには、ＲＦ発電機または発振器といった構成要素のコストに制約がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，１９４，７３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、分光分析用の誘導結合プラズマを励起して保持するための比較的安価なＲＦ発電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、
固体スイッチング装置を備え、ＤＣ電源の両端に接続可能なスイッチング回路であって、前記固体スイッチング装置の各々がゲート駆動電圧を受けるためのゲート電極を有し、それによりＲＦ電力を供給するためにオン・オフを交互に切り替え可能であるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路からのＲＦ電力が結合される負荷回路であって、並列共振のために接続させた誘導コイルとコンデンサとを備えた負荷回路と、
各固体スイッチング装置のゲート駆動回路であって、各々が負荷回路の一部分と互いに誘導結合する一部分を有し、前記ゲート駆動電圧を提供するゲート駆動回路と、
を備えた分光分析用の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を励起するための誘導コイル用無線周波数（ＲＦ）発電機が提供される。
【０００８】
最も好都合には、前記負荷回路の前記一部分は誘導コイルの導線（リード）である。
誘導コイルの導線と互いに誘導結合する各ゲート駆動回路の一部分は、誘導コイルの導線と平行に延びている誘導ループであることが好ましい。
本発明の実施形態では、ＲＦ ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のフルブリッジは、ＲＦ周波数で切り替わり、並列接続されている誘導コイルとコンデンサとに結合回路網によって接続されている。ＭＯＳＦＥＴのゲート駆動電圧は、プラズマ誘導コイルの支持導線に近接した誘導結合ループから生じることが好ましい。この配置は、支持導線を１次インダクタとして使用して、それにより付加的な構成要素の必要性を回避し、コストを削減するので有利である。また、誘導結合ループ（すなわち、２次インダクタ）は、例えばプリント回路基板の導電性トラックを介して比較的安価に設けることができる。あるいは、ゲート駆動電圧は負荷回路の他の部分から生じるものとすることができる。例えば、スイッチング回路と、並列接続されている誘導コイルおよびコンデンサとの間を結合するためのインダクタから生じるものとすることができる。
【０００９】
固体スイッチング回路のＤＣ電源は、ＡＣ−ＤＣ変換器を使用してＡＣ商用（ユーティリティ）電源から得てもよい。ＡＣ−ＤＣ変換器は絶縁型であっても、非絶縁型であってもよいが、好ましくは２段階変換器で、ＡＣ−ＤＣ力率補正（ＰＦＣ）変換器とそれに続く絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器とを有する。また、非絶縁型のＤＣ−ＤＣ変換器を使用してもよい。無線周波数発電機の出力制御は、ＤＣ電源電圧の変化によって、できる限り２段階変換器の第２段階を出力ＤＣ電圧の変化に利用して、行ってもよい。調整する出力変数は、一般的なプラズマ状態に基づいて変化する出力電力、電流、電圧またはそれらの組合せであり得る。誘導コイルにおいて、電力または他の量ではなく電流を調整することで、制御が容易になり、プラズマが発生した際または消えた際に何も変更する必要がない。発生や消滅の際に、プラズマのインピーダンスは広範囲にわたって変化するが、電流を調整することにより、点火のための強い磁場が存在し、プラズマが存在するときでも電力を許容できる程度に一定に維持することが確実になる。
【００１０】
従来技術の固体発電機に比して、本発明の好適な実施形態は、高供給電圧を有し、寄生インダクタンスがそれほど問題にならず、ＭＯＳＦＥＴのフルブリッジ型に固有のクランプによる過電圧を上手く調整する。このような実施形態には、１または２つのスイッチング構成要素しか使用しない従来の固体発電機に対して、４つの構成要素を使用し、熱損失をそれらの間で分散させ、冷却処理を簡素化するという利点がある。
【００１１】
また、本発明のいくつかの実施形態では、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング装置に見られる負荷を、ＭＯＳＦＥＴの出力キャパシタンスが、ＭＯＳＦＥＴがオンになる前に実質的に放電するようにすることで、発電機回路の効率を非常に高くすることができる。
本発明をより理解し、本発明がいかに実施されるかを示すために、非限定的な例として、添付の図面を参照しながら実施形態をよって以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るＲＦ発電機回路を示す機能ブロック図である。
【図２】ＲＦ ＭＯＳＦＥＴのフルブリッジを採用した本発明の好適な実施形態に係る発電機を示す図である。
【図３】ＲＦ負荷電流を制御するための変更が含まれた図２の発電機回路を示す。
【図４】負荷回路に容量分圧器が採用された図２の発電機回路の他の変更を示す。
【図５】相互結合しているインターレース方式のプラズマ誘導コイルを使用した本発明に係る発電機の他の実施形態を示す。
【図６】ゲート駆動回路の誘導ループ部分を示す本発明の一実施形態に係る構造の一部分を示す等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るＲＦ発電機１０は、ＤＣ電源１４の両端に接続可能なスイッチング回路１２を備え、ＤＣ電源１４は、結合回路１８を介して負荷回路１６にＲＦ電力を供給する。スイッチング回路１２は少なくとも２つの固体スイッチング装置２０を備え、各固体スイッチング装置２０は、それぞれのゲート駆動回路２４からゲート駆動電圧を受けるためのゲート電極２２を有する。ゲート駆動回路２４は、ＲＦ電力を負荷回路１６に供給するために固体スイッチング装置２０のオン・オフを交互に切り替える。負荷回路１６は、誘導コイル２６と、並列接続されているコンデンサ２５とを備えている。誘導コイル２６は、分光分析のためにプラズマトーチ２７においてＩＣＰを励起するためのものである。誘導コイル２６は、一般的にはプラズマトーチ２７と同軸上にあり、例えばアルゴンといったプラズマ形成ガスが制御した流量でプラズマトーチ２７を通過する。誘導コイル２６は支持導線２８を備え、各ゲート駆動回路２４は、当該ゲート駆動回路２４へのフィードバックのために誘導コイル２６の支持導線２８と互いに誘導結合する一部分３０を備え、固体スイッチング装置２０のオン・オフを切り替えるためにゲート電極２２にゲート駆動電圧を与える。
【００１４】
回路１０の出力は、負荷回路変数のフィードバックに応じてＤＣ入力供給電圧１４（符号３４を参照）を変化させるマイクロプロセッサ制御装置３２を介して制御してもよい。負荷回路変数は、符号３６で示すように誘導コイル２６の電流であってもよい。また、マイクロプロセッサ制御装置３２はゲート駆動回路２４にバイアス電圧３８を供給してもよい。無線周波数発電機１０の回路がマイクロプロセッサ制御装置３２を介して一旦作動すると、自己発振する。
【００１５】
図２に示す実施形態は、型ＤＥ３７５−５０１Ｎ２１Ａ（ＩＸＹＳ ＲＦ社）または同等のものである４つのＲＦ ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）を備えているフルブリッジ型スイッチング回路を有する発電機回路５０を示している。このＭＯＳＦＥＴの構成を利用して、約１．５〜２．０ｋＷのＲＦ電力出力をプラズマに発生できる。入力ＤＣ電源５６をコンデンサ（キャパシタ）５８（Ｃ１０）によってバイパスし、誘導コイル６０（Ｌ５）のＲＦ電流に低インピーダンスのリターンパスを提供する。ＥＭＩフィルタ５７がＤＣ電源５６とコンデンサ５８との間に配置されている。
【００１６】
電力は負荷結合インダクタ６１，６２，６３および６４（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４）によってＭＯＳＦＥＴ５１〜５４のフルブリッジから誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）に結合される。ドレイン−ソース間のコンデンサ６６，６７，６８および６９（Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８およびＣ９）がない場合、負荷コンデンサ７０（Ｃ５）と並列である、誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）および関連する導線８０および８２のインダクタンス（Ｌ５Ｂ，Ｌ５Ｃ）との組合せ、ならびに、ＭＯＳＦＥＴ５２（Ｍ２）および５３（Ｍ３）が導通している際の負荷結合インダクタ６２および６３（Ｌ２およびＬ３）（またはＭＯＳＦＥＴ５１（Ｍ１）および５４（Ｍ４）が導通している際の負荷結合インダクタ６１および６４（Ｌ１およびＬ４））の直列の組合せは、目的動作周波数（通常、１３ＭＨｚないし５０ＭＨｚの周波数範囲内）で共振するように設定されている。これら構成要素の最適値は、誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）のインダクタンス、誘導コイル６０内のプラズマトーチ５９におけるプラズマへの結合およびプラズマの温度とサイズとによるものであるため、シミュレーションと実験とで決定することができる。構成要素は、発電機回路５０の当該部分において高ＲＦ電流を伝搬できるよう設定しなければならない。負荷コンデンサ７０（Ｃ５）における少量の寄生インダクタンスは回路動作に著しく影響しない。
【００１７】
ドレイン−ソース間のコンデンサ６６，６７，６８および６９（Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８およびＣ９）はＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）上でドレインからソースに接続されている。これらのコンデンサを使用して、ＭＯＳＦＥＴにおけるドレイン−ソース間の電圧偏差を制限する。コンデンサの有用性は、ドレイン−ソース間の電圧の制限と、ＭＯＳＦＥＴが周期毎に放電する必要があることから減少する電力変換効率との折衷である。また、導通（通電）していないＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３または５４において、ドレイン−ソース間のコンデンサ６６，６７，６８または６９と負荷結合インダクタ６１，６２，６３または６４（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３またはＬ４）との直列の組合せは、近接した導通しているＭＯＳＦＥＴの負荷結合インダクタと並列に効果的に発生するため、コンデンサがあることで発電機回路５０の動作周波数も上がる。例えば、ＭＯＳＦＥＴ５２（Ｍ２）が導通しているとき、導通していないＭＯＳＦＥＴ５１（Ｍ１）に接続されている負荷結合インダクタ６１（Ｌ１）とコンデンサ６６（Ｃ６）との直列の組合せは負荷結合インダクタ６２（Ｌ２）と効果的に並列である。これは、両電源レール７２，７４がバイパスコンデンサ５８（Ｃ１０）によって同じＲＦ電位に保たれているためである。
【００１８】
ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）のゲート駆動は負荷回路からの誘導フィードバックによって得られる。ゲート駆動はそれぞれ、結合ループ７７，７６，７９および７８（Ｌ７，Ｌ６，Ｌ９およびＬ８）から生じる。結合ループ７７，７６，７９および７８は、支持導線によりプラズマ誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）に設けられているインダクタ８０および８２（Ｌ５ＢおよびＬ５Ｃ）に互いに誘導結合している。結合ループ７６および７７（Ｌ６およびＬ７）は支持導線８０（Ｌ５Ｂ）に結合している一方、結合ループ７８および７９（Ｌ８およびＬ９）は支持導線８２（Ｌ５Ｃ）に結合している。結合ループ７６，７７，７８および７９（Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８およびＬ９）の接続位相は、ＭＯＳＦＥＴ５１および５４（Ｍ１およびＭ４）が導通せず、ＭＯＳＦＥＴ５２および５３（Ｍ２およびＭ３）が同時に導通するものである。動作周波数における発振周期の逆相では、ＭＯＳＦＥＴ５２および５３（Ｍ２およびＭ３）が非導通状態である一方、ＭＯＳＦＥＴ５１および５４（Ｍ１およびＭ４）が導通する。
【００１９】
または、誘導フィードバックは、導線８０および８２の代わりに、結合インダクタ６１，６２，６３および６４（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４）から得ることができる。本実施形態では、ゲート駆動インダクタ７６，７７，７８および７９（Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８およびＬ９）はそれぞれ、結合インダクタ６２，６１，６４および６３（Ｌ２，Ｌ１，Ｌ４およびＬ３）と互いに誘導結合している。
【００２０】
ゲート駆動回路は、２つの機能を果たすゲートコンデンサ８４，８６，８８および９０（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３およびＣ４）を備えている。ゲートコンデンサ８４，８６，８８および９０は、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）へのバイアス電源の短絡を防止するためにＤＣ阻止機能を提供している。また、ゲートコンデンサ８４〜９０は、各々のゲート駆動回路の共振周波数を設定するためにも使用される。これらゲート駆動回路は、結合ループ７６，７７，７８および７９（Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８およびＬ９）ならびにゲートコンデンサ８４，８６，８８および９０（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３およびＣ４）の直列の組合せのインダクタンスと、それぞれのＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）のゲート入力キャパシタンスとを含む。ゲート駆動回路の共振周波数は一般に、発電機５０のＤＣ−ＲＦ電力変換効率を最大にするための動作周波数より高く設定される。
【００２１】
ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）のゲート−ソース間のバイアス電圧は、マイクロプロセッサ制御システム１０２によって制御されるＤＣバイアス電源９７，９８，９９および１００から無線周波数チョーク９１，９２，９３，９４，９５および９６（ＲＦＣ１，ＲＦＣ２Ａ，ＲＦＣ２Ｂ，ＲＦＣ３，ＲＦＣ４ＡおよびＲＦＣ４Ｂ）を介して結合される。抵抗器１１１，１１２，１１３および１１４（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４）はそれぞれ、各ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４のゲートとソースとの間に接続され、マイクロプロセッサにより制御されたバイアス電源９７〜１００からのバイアスがない場合にゲート−ソース間のバイアス電圧をゼロに設定して、バイアスが印加されて発電機回路５０が発振するまでＭＯＳＦＥＴ５１〜５４が確実に導通しないようにしている。
【００２２】
プラズマトーチ５９においてプラズマの温度を制御するには誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）のＲＦ電流を制御することが最も簡便である。この役割は、誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）と、それに関連する支持導線８０および８２（Ｌ５ＢおよびＬ５Ｃ）ならびにコンデンサＣ５とにより形成されている共振回路に１次巻線を直列接続させたＲＦ電流トランス１１６（Ｔ１）を使用することで容易に実行される。電流トランス１１６（Ｔ１）の２次巻線からの出力は、安定抵抗器に接続させてプラズマコイル電流検出器１１８で整流して、マイクロプロセッサ制御システム１０２内のアナログ−デジタル変換器により測定されるＤＣフィードバック信号を発生させてもよい。その後、マイクロプロセッサ制御システム１０２は、ＤＣ電力を発電機回路５０に提供する可変ＤＣ電源５６の出力電圧を制御する。このようにすれば、誘導コイル６０（Ｌ５Ａ）のＲＦ電流は安定する。
【００２３】
誘導コイル６０のＲＦ電流を制御するための（図３に示す）他の方法は、一部または全部のＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４でゲート−ソース間の電圧を測定することによる。これは、電圧がゲート結合インダクタ７６，７７，７８および７９から引き出され、それにより誘導コイル６０の電流に比例するからである。図３に示すように、従来のダイオード整流器１１７（Ｄ４，Ｄ５）とコンデンサ１１９（Ｃ１３，Ｃ１４）とを備えたゲート電圧検出器回路を使用してライン１２１にＤＣ電圧を発生させ、そのＤＣ電圧をマイクロプロセッサ制御システム１０２により測定し、ＤＣ電源５６を制御するために使用する。これにより、誘導コイル６０のＲＦ電流は安定する。
【００２４】
プラズマ検出器出力からの可変電源を直接アナログ制御することも可能である。マイクロプロセッサ制御システム１０２はまた、電流感知抵抗器１２０（Ｒ５）の両端の電圧降下を測定することでＲＦ発電機５０によって生じるＤＣ電源電流も監視する。このようにして、誘導コイル６０の両端にアークが発生した場合には、ＲＦ発電機５０の構成要素を付加的に保護することができる。可変ＤＣ電源５６とマイクロプロセッサ制御システム１０２は共にＡＣ電源（商用電源）から動力を供給される。
【００２５】
図４（図２における同様の構成要素には同様の参照符号を使用）は固体ＲＦ電源５０の他の実施形態を示している。この固体ＲＦ電源５０には、共振コンデンサ７０（Ｃ５）ではなく、誘導またはワークコイル６０電位を接地電位に対して均衡（バランス）させることでプラズマ電位を最小限にする、コンデンサ７０ａおよび７０ｂ（Ｃ５ＡおよびＣ５Ｂ）の容量分圧器を使用する。本実施形態では、接地電位に対して均衡させた可変ＤＣ電源５６を使用する必要がある。その他の点については、この種のＲＦ発電機５０の動作は図４に示すものとすべて同じである。
【００２６】
マイクロプロセッサ制御システム１０２はＲＦ発電機５０を作動させるための手段である。マイクロプロセッサ制御システム１０２は、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３および５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびＭ４）を導通させるゲート−ソース間のバイアス電源９７，９８，９９および１００を制御する。ＲＦ発電機５０を作動させるために、マイクロプロセッサ制御システム１０２はまず、可変ＤＣ電源５６を低減された電圧（例えば、５０ボルト）に設定して、ゲートバイアス電源９７，９８，９９および１００を、電流検知抵抗器１２０（Ｒ５）の両端の電圧降下によって測定されたゲート閾値電圧まで徐々に引き上げて導通させる。この時点で、発振が確立し、可変ＤＣ電源５６の出力電圧を最終的な動作値（例えば、２００ボルト）に引き上げることができる。プラズマ放電は、プラズマシステムで周知のように、プラズマトーチ５９へのアルゴンガス流への、電離のための火花放電を開始することで引き起こされる。
【００２７】
ゲート駆動回路の誘導フィードバックに誘導コイル６０の支持導線８０，８２を１次インダクタとして使用することでいくつかの利点が得られる。まず、構成要素が減る。またさらに、結合ループ７６，７７，７８および７９を、例えば適当に成形加工した銅ストリップを介してまたは後述するプリント回路基板の導電性トラックを介して容易に設けることができる点で簡素化が可能になる。また、結合ループ７６，７７，７８および７９は低インダクタンスを有しているため、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３，５４（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）の直接的なゲート駆動が可能になる。すなわち、ゲート駆動回路で構成要素（成分）を増幅する必要がない。
【００２８】
上記例示したＲＦ発電機５０に関しては、典型的なＤＣ−ＲＦ電力交換効率は、１９０ボルトのＤＣ電源電圧で８０％を上回る。
図５（図２における同様の構成要素には同様の参照符号を使用）は、ターナー（米国特許第５，１９４，７３１号明細書）が記述するような、相互結合したインターレース方式のプラズマ誘導コイル６０ａおよび６０ｂ（Ｌ５Ａ／１，Ｌ５Ａ／２）を使用する固体ＲＦ発電機５０’の別の実施形態を示す。この構成では、接地電位に対して均衡されたＤＣ電源５６’を採用する必要がある。２つの電源バイパスコンデンサ５８ａおよび５８ｂ（Ｃ１０Ａ，Ｃ１０Ｂ）がこの構成では必要になる。また、ＭＯＳＦＥＴ５１および５３（Ｍ１およびＭ３）のバイアス電源９７および９９は、図２の実施形態のように接地電位を基準にするよりもむしろ、負ＤＣ電源レール７４’に対して直ちに浮動しなければならないため、バイアス電圧基準点を確立するために別のＲＦチョーク９１ａ（ＲＦＣ１Ｂ）が必要になる。その他の点については、この種のＲＦ発電機５０’の動作は図２に示すものとすべて同じである。
【００２９】
可変ＤＣ電源５６の力率補正ブーストおよびＤＣ−ＤＣ変換器は、既に確立された手法に応じて構築することができるが、完全な交換器をユニットとして電源製造者から購入することもできる。この用途には出力電圧がほぼ２００Ｖであることを除いて特別な要件はない。
図６（図２における同様の構成要素には同様の参照符号を使用）を参照すると、本発明の図２の実施形態に係る電源装置５０の構造２００の一部分には、２対の対向するプリント回路基板２０４、２０６を支持するフレーム２０２が備えられている。プラズマトーチ（図示せず）が配置可能な誘導コイル６０は、プリント回路基板２０４，２０６とフレーム２０２とから成るアセンブリ２００に対して誘導コイル６０を構造的に支持する導線８０および８２を備えている。誘導コイル６０とその導線８０および８２は、発電機５０の作動中に冷媒が流れる銅管から形成されていてもよい。
【００３０】
プリント回路基板２０４は導電性トラック２１０を備え、各導電性トラック２１０は、導線８０に近接して平行に延びている部分であって、それぞれ誘導結合ループ７６（Ｌ６）および７７（Ｌ７）になる部分を有する。コンデンサ８４（Ｃ１）および８６（Ｃ２）とＭＯＳＦＥＴ５１（Ｍ１）および５２（Ｍ２）とは、プリント回路基板２０４の導電性トラック２１０の上に実装されている個々の構成要素である。導線８２に対する結合ループ７８，７９、およびコンデンサ８８，９０（Ｃ３，Ｃ４）とＭＯＳＦＥＴ５３および５４（Ｍ３およびＭ４）の同様な配置（図６では見えていない）が他方のプリント回路基板２０６によって設けられている。誘導コイル６０の支持導線８０，８２に対する誘導結合ループ７６，７７の配置を明確に示すために、その他の種々構成要素を図６から省略している。これら省略した構成要素には、コンデンサ７０，６６，６７，５８（Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ１０）、インダクタ６１，６２（Ｌ１，Ｌ２）、抵抗器１１１，１１２（Ｒ１，Ｒ２）および無線周波数チョーク９１，９２および９３（ＲＦＣ１，ＲＦＣ２Ａ，ＲＦＣ２Ｂ）が含まれている。
【００３１】
プリント回路基板２０４および２０６の導電性トラック２１０を介して誘導結合ループ７６，７７，７８および７９が設けられた回路トポロジーにより、容易に実現できて低コストな構造が可能になる。
本明細書に記載の発明は、具体的に記述した以外の変形、変更および／または追加が可能であり、そのような変形、変更および／または追加は、以下の特許請求の範囲内に含まれることを理解すべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体スイッチング装置を備え、ＤＣ電源の両端に接続可能なスイッチング回路であって、前記固体スイッチング装置の各々がゲート駆動電圧を受けるためのゲート電極を有し、それによりＲＦ電力を供給するためにオン・オフを交互に切り替え可能であるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路からのＲＦ電力に結合される負荷回路であって、並列共振のために接続させた誘導コイルとコンデンサとを備えた負荷回路と、
各固体スイッチング装置のためのゲート駆動回路であって、各々が前記負荷回路の一部分と互いに誘導結合する一部分を有し、前記ゲート駆動電圧を提供するゲート駆動回路と、
を備えたことを特徴とする分光分析用の誘導結合プラズマを励起するための誘導コイル用無線周波数発電機。
【請求項２】
前記負荷回路の前記一部分は前記誘導コイルの導線であることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数発電機。
【請求項３】
各ゲート駆動回路の前記一部分は誘導ループであることを特徴とする請求項２に記載の無線周波数発電機。
【請求項４】
前記誘導ループは前記誘導コイルの前記導線と平行に延びていることを特徴とする請求項３に記載の無線周波数発電機。
【請求項５】
各誘導ループはプリント回路基板の導通性トラックにより設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の無線周波数発電機。
【請求項６】
前記固体スイッチング装置は絶縁ゲート電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の無線周波数発電機。
【請求項７】
前記スイッチング装置は、フルブリッジ型に構成した４つのＭＯＳＦＥＴを備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の無線周波数発電機。
【請求項８】
ＤＣ電圧源を備え、前記ＤＣ電圧は、前記発電機の出力を変化させるために変えられることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の無線周波数発電機。
【請求項９】
前記ＤＣ電圧は前記負荷回路の測定変数に応じて変えられることを特徴とする請求項８に記載の無線周波数発電機。
【請求項１０】
前記負荷回路の測定変数は前記誘導コイル共振回路の無線周波数電流であることを特徴とする請求項９に記載の無線周波数発電機。
【請求項１１】
前記ＤＣ電圧は少なくとも１つの前記固体スイッチング装置のゲート駆動電圧に応じて変えられることを特徴とする請求項８に記載の無線周波数発電機。
【請求項１２】
前記ＤＣ電圧源は、ＡＣ商用電源に接続可能なＡＣ−ＤＣ変換器を備えたことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の無線周波数発電機。
【請求項１３】
前記ＡＣ−ＤＣ変換器は、ＡＣ−ＤＣ力率補正変換器と、それに続くＤＣ−ＤＣ変換器とを有する２段階変換器であることを特徴とする請求項１２に記載の無線周波数発電機。
【請求項１】
固体スイッチング装置を備え、ＤＣ電源の両端に接続可能なスイッチング回路であって、前記固体スイッチング装置の各々がゲート駆動電圧を受けるためのゲート電極を有し、それによりＲＦ電力を供給するためにオン・オフを交互に切り替え可能であるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路からのＲＦ電力に結合される負荷回路であって、並列共振のために接続させた誘導コイルとコンデンサとを備えた負荷回路と、
各固体スイッチング装置のためのゲート駆動回路であって、各々が前記負荷回路の一部分と互いに誘導結合する一部分を有し、前記ゲート駆動電圧を提供するゲート駆動回路と、
を備えたことを特徴とする分光分析用の誘導結合プラズマを励起するための誘導コイル用無線周波数発電機。
【請求項２】
前記負荷回路の前記一部分は前記誘導コイルの導線であることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数発電機。
【請求項３】
各ゲート駆動回路の前記一部分は誘導ループであることを特徴とする請求項２に記載の無線周波数発電機。
【請求項４】
前記誘導ループは前記誘導コイルの前記導線と平行に延びていることを特徴とする請求項３に記載の無線周波数発電機。
【請求項５】
各誘導ループはプリント回路基板の導通性トラックにより設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の無線周波数発電機。
【請求項６】
前記固体スイッチング装置は絶縁ゲート電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の無線周波数発電機。
【請求項７】
前記スイッチング装置は、フルブリッジ型に構成した４つのＭＯＳＦＥＴを備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の無線周波数発電機。
【請求項８】
ＤＣ電圧源を備え、前記ＤＣ電圧は、前記発電機の出力を変化させるために変えられることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の無線周波数発電機。
【請求項９】
前記ＤＣ電圧は前記負荷回路の測定変数に応じて変えられることを特徴とする請求項８に記載の無線周波数発電機。
【請求項１０】
前記負荷回路の測定変数は前記誘導コイル共振回路の無線周波数電流であることを特徴とする請求項９に記載の無線周波数発電機。
【請求項１１】
前記ＤＣ電圧は少なくとも１つの前記固体スイッチング装置のゲート駆動電圧に応じて変えられることを特徴とする請求項８に記載の無線周波数発電機。
【請求項１２】
前記ＤＣ電圧源は、ＡＣ商用電源に接続可能なＡＣ−ＤＣ変換器を備えたことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の無線周波数発電機。
【請求項１３】
前記ＡＣ−ＤＣ変換器は、ＡＣ−ＤＣ力率補正変換器と、それに続くＤＣ−ＤＣ変換器とを有する２段階変換器であることを特徴とする請求項１２に記載の無線周波数発電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００９−５３７８２９（Ｐ２００９−５３７８２９Ａ）
【公表日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５１１３０１（Ｐ２００９−５１１３０１）
【出願日】平成１９年５月９日（２００７．５．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００７／０００６１０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１３４３６３
【国際公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（５０３００２０４２）ヴァリアン オーストラリア ピーティーワイ．エルティーディー． (5)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月９日（２００７．５．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００７／０００６１０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１３４３６３
【国際公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（５０３００２０４２）ヴァリアン オーストラリア ピーティーワイ．エルティーディー． (5)
【Ｆターム（参考）】
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