JP6660466B2 - 圧電トランスの駆動回路および圧電トランスを駆動するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電トランスの駆動回路および圧電トランスを駆動するための方法に関する。

この駆動回路の役割は、１つの圧電トランスを、その周波数に関して、信頼性良くプラズマを点火できるように駆動あるいは制御することである。プラズマ点火を可能とするためには、この圧電トランスは、少なくともその共振周波数の近傍にある周波数を用いて駆動されなければならない。これはこの共振周波数が多数のパラメータ、たとえばこの圧電トランスによって生成されるプラズマのパワー、製造バラつき、使用されるプロセスガス、および環境温度、に依存しているので、上記の駆動回路は、この周波数を常に調整することができるフィードバックを必要としている。

特許文献１は、１つの圧電トランス用の駆動回路を記載している。 この駆動回路では、圧電トランスの出力電圧あるいは出力電流が、このフィードバック用の信号として使用される。しかしながらこの圧電トランスが１つのプラズマ発生器に使用されることになると、出力電圧または出力電流のような出力側の信号をこのフィードバック用に用いることはできなくなる。これはこの圧電トランスの出力側でプラズマが点火されなければならないからである。

特許文献２および特許文献３には、それぞれ圧電トランスの入力側でフィードバック信号を取得する駆動回路が開示されている。これらの特許文献は、入力電圧と入力電流との間の位相差をフィードバック信号として使用し、これに基づいて駆動周波数が調整される。この位相の測定は、少なからず技術的な手間を伴うものであり、したがってコストのかかる測定回路を必要とする。

米国特許出願公開第５９２３５４２Ａ号明細書 米国特許第８７１０７６１Ｂ２号明細書 独国特許出願公開第１０２０１３１０３１５９Ａ１号明細書

したがって本発明の課題は、１つの圧電トランスの駆動のための、１つの改善された駆動回路ならびに１つの方法を提示することである。

これらの課題は、本願請求項１に記載の駆動回路、ならびに第２の独立請求項に記載の圧電トランスを駆動するための方法によって解決される。

本発明は１つの駆動回路を提示し、この駆動回路は、その周期の長さが１つの駆動周波数によって設定される、周期的に変化する電圧を１つの圧電トランスに印加するように構成されており、ここでこの駆動回路は、１つのインダクタンスおよび１つの制御ユニットを備え、この制御ユニットは、印加されたこの電圧の上記の駆動周波数を、このインダクタンスを通って流れる電流の平均的電流値に依存して調整するように構成されている。

これに応じて、このインダクタンスに流れる電流の平均的電流値が上記のフィードバック信号のパラメータとして使用されることになると、これに基づいて上記の駆動回路は、圧電トランスが駆動される上記の駆動周波数を調整する。この平均的電流値の使用は、多くの利点を備える。一方では、この平均的電流は、少ない数のデバイスを用いてモニタすることができる。このデバイスはたとえば１つのシャント抵抗、１つの電流トランス、またはこの平均的電流の測定用の１つのホールセンサであってよい。これに対応して、上記の駆動回路は、極めて少ない数のデバイスを備える。この少ない数のデバイスによって、この駆動回路に必要なスペースが低減される。これに対応して、この駆動回路は、具体的にはスペースに制限のあるアプリケーション、たとえば手持工具に使用可能なプラズマ発生器用に適している。

上記の圧電トランスは、ローゼン型トランスであってよい。上記の圧電トランスは、非熱大気圧プラズマの生成に適したものとすることができる。

上記の制御ユニットは、上記の駆動周波数を設定し、そして調整するように構成されており、この駆動周波数で上記の駆動回路が１つの周期的電圧信号を上記の圧電トランスに印加するように構成されていてよい。たとえばこの制御ユニットは、１つのスイッチを１つの周波数で駆動し、ここでこのスイッチが駆動される周波数は上記の駆動周波数を設定する。

上記の駆動回路は、１つのＥ級増幅器を備えてよく、このＥ級増幅器は上記のインダクタンスを備える。さらに加えてこのＥ級増幅器は、たとえば上記のスイッチのようなさらなるデバイス（複数）を備える。

Ｅ級増幅器は、１つのスイッチング段が１つの発振回路で動作する増幅器であり、その電圧が１つのローパスフィルタを介して負荷に与えられる。このスイッチング段は、上記の発振回路が毎回ゼロクロスに達した場合に閉となる。この発振回路は、ＬＣ発振回路であってよく、このＬＣ発振回路は、１つのインダクタンス素子および１つのキャパシタンス素子を備える。本発明での駆動回路においては、このＥ級増幅器は、１つのインダクタンスを備えてよく、このインダクタンスは上記の発振回路のインダクタンス素子を形成している。上記の発振回路のキャパシタンス素子は、上記の圧電トランスのキャパシタンスによって形成されており、この圧電トランスに上記のＥ級増幅器が回路接続されている。上述のスイッチング段は、このＥ級増幅器のスイッチであってよい。

上記の駆動周波数は、この周波数が上記の圧電トランスの共振周波数と反共振周波数との間にあるように、調整されてよい。このようにして上記のスイッチの駆動回路は、常に上記の圧電トランスに電圧が全く印加されていない場合に、上記のスイッチを動作させることを可能とすることができる。これはゼロ電圧スイッチングと呼ばれている。ゼロ電圧スイッチングによって損失を低減することができる。

上記の圧電トランスの共振周波数および反共振周波数は、実際にこの圧電トランスによって生成されるプラズマパワーに依存する。このため上記の駆動周波数は定常的に、この周波数が常に上記の共振周波数と上記の反共振周波数との間にあるように調整されてよい。この際このトランスの動作用に、上記の反共振周波数よりも上記の共振周波数に近い駆動周波数が設定されてよい。上記のトランスのスイッチオン直後に、このトランスはまず上記の反共振周波数よりも上記の共振周波数に近い駆動周波数を用いて駆動されてよい。具体的には、このトランスによって生成されるプラズマのパワーは、このトランスが駆動される周波数が上記の共振周波数に向かって低下する場合に、上昇する。特定のアプリケーションにおいては、たとえば小さなプラズマパワーに調整するために、上記の共振周波数への距離が上記の反共振周波数への距離より大きい駆動周波数に設定されてもよい。

上記の制御ユニットは、上記の平均的電流値が１つの第１の所定の境界値を越えた場合に、上記の駆動周波数を高くするように構成されていてよく、ここでこの制御ユニットは、上記の平均的電流値が１つの第２の所定の境界値を下回った場合に、この駆動周波数を低くするように構成されている。このようにして上記の平均的電流値が常にこの第１の境界値とこの第２の境界値との間に維持されることを確実にすることができる。以上により上記の駆動回路によって駆動される圧電トランスが安定した動作となる。

代替として上記の制御ユニットは、上記の平均的電流値が１つの所定の目標値を越えた場合に、上記の駆動周波数を高くするように構成されており、そして上記の平均的電流値がこの所定の目標値を下回った場合に、この駆動周波数を低くするように構成されていてよい。これに応じて上記の駆動回路は定常的に、上記の平均的電流値をこの所定の目標値に合わせるように調整しようとする。これは上記の圧電トランスの安定した動作ももたらす。

印加された上記の電圧は、正弦波の半波形状または全波形状の変化を有してよい。この正弦波形状の変化は、たとえば２つのＥ級増幅器が互いに反対方向にスイッチングされる１つの駆動回路によって実現することができる。

さらに上記の駆動回路は、上記のインダクタンスを通る上記の平均的電流の測定用の１つの測定ユニットを備えてよく、この測定ユニットは、このインダクタンスと直列に接続されている。この測定ユニットは、たとえば１つのシャント抵抗、１つのホールセンサ、または１つの電流トランスを備えてよい。以上により簡単なデバイスを用いて、上記の平均的電流の測定を行うことができ、こうしてこの回路の実現のために必要なデバイスは全体として少なくなる。以上によりこの駆動回路用の必要スペースが低減され、そして手持工具における使用が可能となる。

上記の平均的電流値の測定ユニットは、上記の周期的信号の周期の長さよりも大幅に長い期間における電流値を測定することになる。たとえばこの測定ユニットは、上記の圧電トランスに印加される周期的信号の周期の長さより少なくとも１０倍長い周期的な期間で、上記の平均的電流値を測定することになる。

以上により、ある程度の測定時間に渡って電流値を積算し、そしてこれにより上記の平均的電流値を決定することが可能となる。この平均的電流値を測定する毎に、続いて、必要なようであれば、上記の駆動周波数が調整されてよい。

上記の制御ユニットは、１つのマイクロコントローラまたは１つの電圧制御発振器を備えてよい。これらは両方とも、スイッチが駆動される周波数の調整を可能とする。

上記の駆動回路は、１つのスイッチを備えてよく、ここで上記の制御ユニットは、このスイッチを周期的に駆動し、この際上記の駆動周波数がこのスイッチの駆動の周期の長さによって設定されるように構成されている。ここで周期の長さは、このスイッチの２回のスイッチオン発生の間に経過する時間を意味している。このスイッチの駆動は、このスイッチの開または閉であってよい。このスイッチは１つのスイッチングトランジスタ、具体的には１つのＭＯＳＦＥＴであってよい。

本発明のもう１つの態様は、１つのプラズマ発生器に関し、このプラズマ発生器は、上述の駆動回路および１つの圧電トランスを備える。この圧電トランスは、２つの外部電極を備え、ここで上記の駆動回路は、この圧電トランスのこれらの外部電極の間に上記の電圧が印加されるように構成されている。このプラズマ発生器は、非熱大気圧プラズマの生成用に設計されている。

本発明のもう１つの態様は、圧電トランスを駆動するための方法に関し、ここでこの圧電トランスは１つの駆動回路と接続されており、この駆動回路はこの圧電トランスに電圧を印加するように構成されており、そしてこの駆動回路は１つのインダクタンスを備える。この駆動回路は、具体的には上述の駆動回路であってよい。これに応じて、上記の駆動回路に関連して開示されたいかなる機能的または構造的特徴も本方法に当てはまるものである。

本方法は、以下のステップを備える。
−周期的変化を有する電圧を上記の圧電トランスに印加するステップ。この周期の長さは１つの駆動周波数によって設定されている。
−上記のインダクタンスを通って流れる平均的電流値を測定するステップ。
−上記の駆動周波数をこの測定された平均的電流値に依存して制御するステップ。

上記のインダクタンスを通る平均的電流値は、上記の圧電トランスへの入力電流の電流値に直接依存するので、この値によってこの圧電トランスによって生成されるプラズマパワーを直接推定することができる。既に上述したように、さらにこの方法は、より少ない数のデバイスを有する１つの駆動回路を使用することを可能とし、こうしてこの方法は特に手持工具に適している。

上記の周期的な電圧を印加するステップにおいては、先ず上記の圧電トランスの反共振周波数より下の１つの駆動周波数を有する電圧が上記の圧電トランスに印加され、ここでこの駆動周波数はステップ状に低下される。上記のインダクタンスを流れる電流の平均的電流値が、１つの所定の境界値を越えると、このステップ状の駆動周波数の低下のステップは終了となる。これに対応して、上記の反共振周波数より下側の、ただしこの反共振周波数に近い駆動周波数で開始され、これは最初この圧電トランスの高いインピーダンスに対応している。次にこの駆動周波数は、所望のプラズマパワーに設定されるまで、ステップ状に低下され、これに伴ってこのインピーダンスも低下される。続いて微調整が必要である。

このため、上記の駆動周波数の制御のステップで、上記の平均的電流値が１つの第１の所定の境界値を越える場合はこの駆動周波数が高くされ、そして上記の平均的電流値が１つの第２の所定の境界値を下回る場合はこの駆動周波数が低くされる。

代替として、上記の駆動周波数の制御のステップで、上記の平均的電流値が１つの第１の所定の目標値を越える場合は、この駆動周波数が高くされ、そして上記の平均的電流値がこの所定の目標値を下回る場合はこの駆動周波数が低くされる。

以下では、添付した図を参照して、本発明を詳細に説明する。

１つの駆動回路および１つの圧電トランスを備える１つのプラズマ発生器の概略回路図を示す。 異なるプラズマパワーに対する、この圧電トランスのインピーダンスの変化を示す。 １つのスイッチに印加される電圧、１つのインダクタンスを通って流れる電流値、および上記の圧電トランスに印加される電圧、の変化を１つの周波数に対して、したがって上記の平均的電流値の１つの値に対して示す。 １つのスイッチに印加される電圧、１つのインダクタンスを通って流れる電流値、および上記の圧電トランスに印加される電圧、の変化を図３と異なる周波数に対して、したがって図３と異なる平均的電流値の値に対して示す。 １つの第１の実施形態例による１つの駆動回路を有する１つのプラズマ発生器を示す。 １つの第２の実施形態例による１つの駆動回路を有する１つのプラズマ発生器を示す。 １つの第３の実施形態例による１つの駆動回路を有する１つのプラズマ発生器を示す。

図１は、１つの駆動回路および１つの圧電トランスを備える１つのプラズマ発生器の概略回路図を示す。このプラズマ発生器１は、１つの駆動回路２および１つの圧電トランス３を備える。この駆動回路２は、１つの圧電トランス３に回路接続されており、そしてこの圧電トランスに電圧を印加することを可能とする。

この圧電トランス３は、たとえば１つのローゼン型トランスである。この圧電トランス３は、非熱大気圧プラズマの生成用に適している。この圧電トランス３は、１つの入力領域４および１つの出力領域５を備える。この圧電トランス３は、１つの第１の外部電極４および１つの第２の外部電極５を備え、これらはそれぞれ上記の入力領域において内部電極（複数）に回路接続されている。駆動回路２は、この圧電トランス３のこれら２つの外部電極４，５の間に電圧を印加するように構成されている。

上記の圧電トランス３の入力領域に周期的な電圧が印加され、その駆動周波数がこの圧電トランス３の共振周波数の充分近くにあると、これにより上記の圧電トランス３の出力領域に、プロセスガスをイオン化することができる高電圧が発生し、これによってプラズマを生成することができる。

駆動回路２は１つのＥ級増幅器６を備える。このＥ級増幅器６は、１つのスイッチ７および１つのインダクタンス８を備える。このスイッチ７は、１つのスイッチングトランジスタ、たとえば１つのＭＯＳＦＥＴである。さらにこのＥ級増幅器６は、１つのダイオード９を備える。

さらに上記の駆動回路２は、直流電圧を供給する１つの電圧源１０を備える。この電圧源１０は、上記のインダクタンス８に回路接続されている。この電圧源１０は、たとえば１つのバッテリーであってよい。

上記のインダクタンス８は、上記の駆動回路２の１つのノード点１１に直列に回路接続されており、ここでこのノード点１１は、この駆動回路２の他の経路１２，１３，１４に直列に回路接続されている。ここで１つの経路１２に上記のスイッチ７が配設されている。このスイッチ７を介して上記のノード点１１は基準電位１５に接続することができる。この基準電位１５は、接地電位であってよい。 このスイッチ７が閉じられると、これにより上記のノード点１１に上記の基準電位１５が印加される。

このスイッチ７が閉じられると、これにより上記の電圧源１０からの電流が、上記のインダクタンス８およびこのスイッチ７を介して上記の基準電位１５に流れる。ここでこのインダクタンス８に磁場が形成され、これによりエネルギーが蓄積される。このスイッチ７が開かれると、このスイッチ７２を介して電流は全く流れ得ない。

上記のノード点１１に回路接続されているもう１つの経路１３は、ダイオード９を備える。このもう１つの経路１３は、このノード点１１をこのダイオード９を介して上記の基準電位１５に接続している。ここでこのダイオード９は、保護ダイオードとして用いられている。具体的にはこのダイオード９は、上記のスイッチ７の保護用に用いられている。具体的には、上記の圧電トランス３が上記の第１の外部電極４と上記の第２の外部電極５との間に大きな負電圧を発生する場合、たとえばスイッチオン時に、このスイッチ７が動作された場合の損傷に対して、このダイオード９は、このスイッチ７を保護する。この場合ゼロ電圧スイッチングはまだ達成されていない。

ノード点１１に回路接続されている経路１４は、上記の圧電トランス３の第１の外部電極４に接続されている。上記の圧電トランス３の第２の外部電極５は、基準電位１５に接続されている。

スイッチ７が閉じられると、これにより第１の外部電極４に基準電位１５が印加される。これに対応して、圧電トランス３の２つの外部電極４，５の間には電圧が全く印加されない。

スイッチ７が開かれると、これによりこのスイッチ７を介して電流は全く流れない。これに対応してインダクタンス８の磁場は消滅する。上記のインダクタンス８に蓄積された電流は、第３の経路１４を介して上記の圧電トランス３の第１の外部電極４へ流れる。以上により上記の第１の外部電極４と上記の第２の外部電極５との間には電圧が生成される。

さらに駆動回路２は、１つの制御ユニット１６を備える。この制御ユニット１６は、上記のスイッチ７に接続されている１つのマイクロコントローラ１７を備える。このマイクロコントローラ１７は、このスイッチ７を動作させる、すなわちこのスイッチ７を開閉するように構成されている。このマイクロコントローラ１７は、このスイッチ７を周期的な間隔で動作させることができ、ここでこのスイッチ７が動作される周波数によって、駆動周波数が設定される。この駆動周波数は、上記の駆動回路２から圧電トランス３に印加される周期的な電圧の周波数に対応している。

さらに駆動回路２は、上記のインダクタンス１８を通る平均的電流を測定するための１つの測定ユニット１８を備える。この測定ユニット１８は、図１に示す概略図においては、電圧源１０とインダクタンス８との間に回路接続されている。代替としてこの測定ユニット１８は、たとえばこのインダクタンス８と上記のノード点１１との間に配設されていてもよい。

この測定ユニット１８は、ここでは電流トランスである。この測定ユニット１８は、上記の制御ユニット１６に接続されている。この測定ユニット１８によって、上記のインダクタンス８を通る電流の平均的電流値を与えるフィードバック信号がこの制御ユニット１６に伝送される。この平均的電流値に依存して、次にこの制御ユニット１６は上記のスイッチ７の駆動周波数を調整する。

代替として測定ユニット１８は、現在インダクタンス８を通って流れる電流を測定してよく、そしてこれに対応した信号を制御ユニット１６に伝送してよい。これからこの制御ユニット１６は、上記の平均的電流値を決定し、たとえばこの平均的電流値が１つのマイクロコントローラで計算される。

図２は上記の圧電トランス３のインピーダンス特性を示す。ここで横軸にはこの圧電トランス３に印加される周期的電圧の周波数がプロットされている。縦軸には入力インピーダンスの値がプロットされている。

図２では、上記のインピーダンス特性が圧電トランス３によって生成されたプラズマパワーに依存していることが見て取れる。曲線Ｋ_ｌｏｗは、圧電トランス３の出力側で、小さなパワーのプラズマが生成される場合の、この圧電トランス３のインピーダンス特性を表している。この曲線Ｋ_ｌｏｗでは、インピーダンスが極小を示す１つの目立って顕著な共振周波数ｆ_{ｒ，ｌｏｗ}、およびインピーダンスが極大を示す１つの目立って顕著な反共振周波数ｆ_{ａ，ｌｏｗ}が認識される。

さらに曲線Ｋ_{ｍｅｄｉｕｍ}は、圧電トランス３の出力側で、中程度のパワーのプラズマが生成される場合の、この圧電トランス３のインピーダンス特性を表しており、ここで中程度のパワーおよび小さなパワーで示されたものは互いに相対的にずれている。この曲線Ｋ_{ｍｅｄｉｕｍ}においては、中程度のパワーでのトランス３のインピーダンス特性が小さなパワーでのインピーダンス特性に対して平坦になっていることが見て取れる。中程度のプラズマパワーに対する共振周波数でのインピーダンスの極小値ｆ_{ｒ，ｍｅｄｉｕｍ}は、小さなプラズマパワーに対する共振周波数でのインピーダンスの極小値_{ｆｒ，ｌｏｗ}よりも大きな入力インピーダンスでのインピーダンスの値を有している。さらに、中程度のプラズマパワーに対する共振周波数でのインピーダンスの極大値ｆ_{ａ，ｍｅｄｉｕｍ}は、小さなプラズマパワーに対する反共振周波数でのインピーダンスの極大値ｆ_{ａ，ｌｏｗ}よりも小さな入力インピーダンスでのインピーダンスの値を有している。

さらにこの共振周波数およびこの反共振周波数は、プラズマパワーの増加と共に低下する。以上のように図２には、中程度のプラズマパワーに対するこの共振周波数ｆ_{ｒ，ｍｅｄｉｕｍ}が、小さなプラズマパワーに対する共振周波数ｆ_{ｒ，ｌｏｗ}よりも低くなり、そして中程度のプラズマパワーに対するこの反共振周波数ｆ_{ａ，ｍｅｄｉｕｍ}が、小さなプラズマパワーに対する共振周波数ｆ_{ａ，ｌｏｗ}よりも低くなることが見て取れる。

曲線Ｋ_ｈｉｇｈは、圧電トランス３の出力側で大きなパワーが生成される場合のインピーダンス特性を示しており、ここでこの大きなパワーとは、具体的には上述の中程度あるいは小さなパワーに対して比較したものであると理解されるべきものである。この曲線では、プラズマパワーの上昇と共に、圧電トランス３の共振周波数および反共振周波数が低下し、そしてインピーダンス特性がさらに平坦化することが見て取れる。

圧電トランス３のプラズマパワーは、具体的にはその入力パワーに依存する。この圧電トランス３に大きな電流値の電流が印加されると、これによりプラズマパワーが大きくなる。この逆に、印加される電流の電流値の低下は、より小さなプラズマパワーをもたらす。

以下ではプラズマ発生器１の自己安定性をもたらすために、駆動回路２が、上記の圧電トランス３のインピーダンス特性のプラズマパワーへの依存性を利用することが説明される。ここでは共振周波数および反共振周波数のシフトがこの圧電トランス３の安定制御に寄与する。

さらに本発明による方法が提示され、この方法を用いて上記のの駆動回路２が圧電トランス３を駆動する。プラズマ発生器１のスイッチオン後、スイッチ７の制御ユニット１６は先ず、この圧電トランス３の反共振周波数より低く、但しこれに近い周波数で動作される。この際、プラズマが生成されない、この圧電トランス３が有する反共振周波数から開始される。

これは上記の駆動周波数は、上記の反共振周波数の近くにあるので、ここでは上記の圧電トランス３は、大きなインピーダンスを備え、これにより最初は、プラズマは全く生成されないからである。

次の方法ステップにおいて、ここでこの駆動回路２の駆動周波数は、上記の共振周波数に向かってステップ状に低減される。この際この圧電トランス３のインピーダンスは、毎回の駆動周波数の低減と共に同様に低下する。この圧電トランスのインピーダンスが低下し、そして入力電圧は一定であるので、入力電流は増加する。これにより入力パワーは増加する。この入力パワーが１つの所定の値を越えると、この圧電トランス３の出力側でプラズマが点火される。

既に図２を参照して説明したように、この駆動周波数の低下、そしてこれに結びついたプラズマパワーの上昇には、上記のインピーダンス曲線のシフトも結びついている。具体的には、上記の共振周波数は、より小さな周波数にシフトされる。以上により、上記の駆動周波数が低減されるステップのステップ幅を充分に小さくすることで、この駆動周波数は上記の共振周波数より下に低下することがないことが確実にされる。

さらに、インダクタンス８を通る上記の平均的電流を測定するための測定ユニット１８を用いて、この電流の平均的電流値が定常的にモニターされる。上記の駆動周波数がステップ状に低下される間に、この圧電トランス３のインピーダンスが減少するので、この平均的電流値は増加する。ここでこの平均的電流値が所定の第１の限界値を越えて上昇すると、上記の駆動周波数が高くされる。さらに上記の第１の所定の限界値より小さな、１つの第２の所定の限界値が規定されていてよい。上記の平均的電流値がこの第２の所定の限界値より小さい場合、これにより上記の駆動周波数が低減される。

このようにして上記の駆動周波数は、上記のインダクタンス８を通る電流の平均的電流値が常に上記の第１の所定の限界値と上記の第２の所定の限界値との間にあるように制御されることを確実にすることができる。以上により、圧電トランス３のプラズマパワーは、ほぼ一定の特性に調整することができる。

さらに本発明による方法は、プラズマ発生器１の自己安定特性をもたらすために、上述したプラズマパワーの上昇の際のインピーダンス曲線の平坦化を利用することを可能とする。プラズマパワーが非常に大きくなると、プラズマパワーの上昇と共にインピーダンスは共振周波数のインピーダンスに近づく。以上によりこのプラズマパワーは上側で限界がある。

本発明による方法の１つの代替の構成においては、上記の第１の所定の限界値および第２の所定の限界値の代わりに１つの単一の所定の目標値が規定される。上記の平均的電流値がこの所定の目標値を越えると、上記の駆動周波数は高くされる。上記の平均的電流値がこの所定の目標値を下回ると、上記の駆動周波数は低減される。このようにしてほぼ一定の平均的電流値に常に制御することができ、これはまた圧電トランス３のほぼ一定のプラズマパワーをもたらす。この代替の方法は、圧電トランス３の自己安定特性をもたらすために、上記のインピーダンス曲線の平坦化を利用している。

上記の駆動回路の特性が、図３を参照して詳細に説明される。図３はスイッチ７に印加されるスイッチ電圧、インダクタンス８を通る平均的電流値、および圧電トランス３での電圧の時間的変化を、それぞれこのインダクタンス８を通る平均電流０．６Ａに対して示す。

具体的にはこの曲線Ｕ_Ｓは、スイッチ７に印加されるスイッチ電圧の時間的変化を表す。ここで横軸には時間がμｓでプロットされており、そして縦軸にはこのスイッチ電圧がＶでプロットされている。このスイッチ電圧の値が０Ｖであれば、これによりこのスイッチ７は開かれる。このスイッチ電圧が０Ｖより大きな他の値になると、これによりこのスイッチ７は閉じられるここで考慮されている例においては、このスイッチ７は５Ｖのスイッチ電圧で閉じられている。

さらに図３から、このスイッチ７が周期的な間隔で開閉されることが見て取れる。このスイッチ７が動作される周波数は、ここでは９３．８ｋＨｚとなっている。この周波数は、圧電トランス３の駆動周波数を決定する。

曲線Ｉ_Ｌは、インダクタンス８を通る電流値の時間的変化を表している。ここでも横軸には時間がμｓでプロットされており、そして縦軸にはこのインダクタンス８を通る電流の電流値がＡでプロットされている。

スイッチ７が閉じられると、これにより電圧源１０からの電流はインダクタンス８を通って基準電位１５に流れる。この電流の電流値は、このスイッチ７が開かれるまで、ほぼ直線的に増加する。このスイッチが開かれると、このインダクタンス８によって生成される磁場は消失し、この際電流は圧電トランス３を通って流れ続ける。この電流の電流値は、スイッチ７が再び開かれるまで、ほぼ直線的に減少する。

さらに図３には、上記の電流値の平均値を表す直線ｉ_Ｌが示されている。この電流値の平均値はここでは０．６Ａとなっている。この平均値がこの値に調整されるように、スイッチ７の駆動周波数は常に再調整される。

曲線Ｕ_ＰＴは、圧電トランス３に印加される電圧の時間的変化を表す。ここでも横軸には時間がμｓでプロットされており、そして縦軸にはこの電圧がＶでプロットされている。

スイッチ７が閉じられると、これにより圧電トランス３には電圧が全く印加されない。２つの外部電極４，５は、基準電位１５に接続されている。ここでスイッチ７が開かれると、これによりインダクタンス８から圧電トランス３へ流れる電流によって、これら２つの外部電極４，５の間に電圧が形成される。全体としてこの圧電トランス３では、電圧の正弦波の半波形状の変化が生じる。この正弦波の半波形状の変化は、上記のスイッチ７が動作される周波数に対応した周波数を含んでいる。この周波数は、駆動周波数と呼称される。この正弦波の半波形状の変化は、インダクタンス８ならびに圧電トランス３自身に形成されている発振回路が組み合わされたこの圧電トランス３の入力キャパシタンスの共振特性から生じる。

上記のインダクタンス８および駆動周波数の適切な選択によって、圧電トランス３での上記の正弦波の半波形状の電圧は、スイッチ７が閉じられる時刻でゼロになることが達成される。こうしてスイッチングは、この圧電トランス３に電圧がまたく印加されない時に行われる。このようなスイッチングはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）とも呼称される。ＺＶＳは、圧電トランス３の共振周波数と反共振周波数との間にある駆動周波数に対して可能である。

図２を参照して説明するように、上記の駆動周波数に依存して、圧電トランス３のインピーダンスが変化する。上記のインダクタンス８を通る電流の平均的電流値も、この駆動周波数に関係している。図４は、図３に示す曲線Ｕ_Ｓ，Ｉ_Ｌ，Ｕ_ＰＴの平均的電流値を１Ａとする駆動周波数の制御でのものを示す。これは低い駆動周波数９３．５ｋＨｚで生じるものである。

図５は、１つのプラズマ発生器１の回路図を示し、このプラズマ発生器は、上記の圧電トランス３および１つの第１の実施形態例による１つの駆動回路２を備える。Ｅ級増幅器６の構成は、図１に示す概略回路図に対して鏡像となっている。ここでは電圧源１０は、スイッチ７に直接接続されている。具体的には、この電圧源１０は、スイッチ７として使用されている１つのスイッチングトランジスタのソース電極に接続されている。このスイッチングトランジスタ７は、１つのｐチャネルＭＯＳＦＥＴである。

上記のインダクタンス８を通る平均的電流の測定のために、ここでは１つのシャント抵抗を備える１つの測定ユニット１８が利用され、このシャント抵抗はこのインダクタンス８と直列に回路接続されている。さらにこのシャント抵抗は、基準電位１５に回路接続されている。さらに駆動回路２は、１つのＲＣローパスフィルタ１９を備え、このローパスフィルタは、このシャント抵抗に接続されており、そして電流信号をフィルタリングすることになる。このＲＣローパスフィルタ１９を通って、信号が制御ユニット１６に与えられ、この信号の電圧は上記の平均的電流値に比例している。この制御ユニット１６は、１つのマイクロコントローラ１７を備え、このマイクロコントローラは、この信号を解析するために、１つの組込みのアナログデジタル変換器を基準電位源と共に備えてよい。代替としてこの制御ユニット１６は、１つのコンパレータを備えてよく、このコンパレータは、上記の電圧信号を外部の基準電圧と比較する。

ここではスイッチ７として使用される上記のｐチャネルＭＯＳＦＥＴは、制御ユニット１６によって駆動することができる。電源電圧によっては、この制御ユニットとこのｐチャネルＭＯＳＦＥＴとの間にゲートドライバが必要となり得る。図５に示すダイオード９は、このＭＯＳＦＥＴに組込まれたボディダイオードであってよい。代替としてこのダイオード９は、このＭＯＳＦＥＴに並列に回路接続されている、ディスクリートなダイオードであってよい。

図６は、１つのプラズマ発生器１の回路図を示し、このプラズマ発生器は、上記の圧電トランス３および１つの第２の実施形態例による１つの駆動回路２を備える。

この第２の実施形態例による駆動回路２では、制御ユニット１６は、上記のマイクロコントローラ１７の代わりに、１つの電圧制御発振器（ＶＣＯ）２０を備え、この電圧制御発振器は、スイッチ７のスイッチング周波数を規定する。さらに駆動回路２は、１つのＰＩ制御器（ＰＩ＝Proportional-Integral）２１を備え、このＰＩ制御器は、上記の平均的電流値を１つの基準値と比較し、そしてこれに対応した信号を上記の電圧制御発振器２０に渡し、この信号によってこの電圧制御発振器２０の周波数が設定される。この基準値は、１つの基準電圧源２２から供給される。

図７は、１つのプラズマ発生器１の回路図を示し、このプラズマ発生器は、上記の圧電トランス３および１つの第３の実施形態例による１つの駆動回路２を備える。

この第３の実施形態例による駆動回路は、１つの第２のＥ級増幅器２３を備える。上記のＥ級増幅器６およびこの第２のＥ級増幅器２３は、一緒に１つのプッシュプル増幅器を形成する。この第２のＥ級増幅器２３は、１つのスイッチ７および１つのインダクタンス８を備える。この第２のＥ級増幅器２３は、圧電トランス３を正弦波形状の電圧で駆動することを可能とする。２つのスイッチ７は、互いにコンプリメンタリに駆動され、こうして常にこれらのスイッチ７の１つが開かれ、そしてこれらのスイッチ７の１つが閉じられている。ここでも駆動周波数の制御は、上記のインダクタンス８を通る電流の平均的電流値に依存して行われる。

この第３の実施形態例は、上記の第１および第２の実施形態例より多くの部品を必要とするが、圧電トランス３での損失が小さくなるという利点を提供する。

制御ユニット１６としては、この第３の実施形態例によれば、１つのマイクロコントローラ１７または１つの電圧制御発振器２０を利用することができる。

１ ： プラズマ発生器
２ ： 駆動回路
３ ： 圧電トランス
４ ： 第１の外部電極
５ ： 第２の外部電極
６ ： Ｅ級増幅器
７ ： スイッチ
８ ： インダクタンス
９ ： ダイオード
１０ ： 電圧源
１１ ： ノード点
１２ ： 経路
１３ ： 経路
１４ ： 経路
１５ ： 基準電位
１６ ： 制御ユニット
１７ ： マイクロコントローラ
１８ ： 測定ユニット
１９ ： ＲＣローパスフィルタ
２０ ： 電圧制御発振器
２１ ： ＰＩ制御器
２２ ： 基準電圧源
２３ ： 第２のＥ級増幅器

Claims (13)

1. １つの駆動回路（２）であって、
   前記駆動回路は、その周期の長さが１つの駆動周波数によって設定される、周期的に変化する電圧を１つの圧電トランス（３）に印加するように構成されており、
   前記駆動回路（２）は、１つのインダクタンス（８）および１つの制御ユニット（１６）を備え、
   前記制御ユニット（１６）は、印加された前記電圧の前記駆動周波数を、前記インダクタンス（８）を通って流れる電流の平均的電流値に依存して調整するように構成され、
   前記制御ユニット（１６）は、先ず前記圧電トランス（３）の反共振周波数より下の１つの前記駆動周波数を前記圧電トランス（３）に印加し、印加された前記駆動周波数を、前記インダクタンス（８）を流れる前記電流の前記平均的電流値が、１つの所定の境界値を越えるまで、ステップ状に低下させる、ように構成されている、
   ことを特徴とする駆動回路。
2. 請求項１に記載の駆動回路において、
   前記駆動周波数が、前記圧電トランス（３）の共振周波数と反共振周波数との間にあるように調整されることを特徴とする駆動回路。
3. 請求項１または２に記載の駆動回路において、
   前記制御ユニット（１６）は、前記平均的電流値が１つの第１の所定の境界値を越えた場合に、前記駆動周波数を高くするように構成されており、
   前記制御ユニット（１６）は、前記平均的電流値が１つの第２の所定の境界値を下回った場合に、前記駆動周波数を低くするように構成されている、
   ことを特徴とする駆動回路。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の駆動回路において、
   前記制御ユニット（１６）は、前記平均的電流値が１つの所定の目標値を越えた場合に、前記駆動周波数を高くするように構成されており、
   前記平均的電流値が前記所定の目標値を下回った場合に、前記駆動周波数を低くするように構成されている、
   ことを特徴とする駆動回路。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の駆動回路において、
   印加された前記電圧は、正弦波の半波形状または全波形状の変化を有することを特徴とする駆動回路。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の駆動回路において、
   前記駆動回路（２）は、前記インダクタンス（８）を通る前記平均的電流値の測定用の１つの測定ユニット（１８）を備え、
   前記測定ユニット（１８）は、前記インダクタンス（８）と直列に接続されており、
   前記測定ユニット（１８）は、１つのシャント抵抗、１つのホールセンサ、または１つの電流トランスを備える、
   ことを特徴とする駆動回路。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の駆動回路において、
   前記制御ユニット（１６）は、１つのマイクロコントローラ（１７）または１つの電圧制御発振器（２０）を備えることを特徴とする駆動回路。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の駆動回路において、
   前記駆動回路（２）は、１つのスイッチ（７）を備え、
   前記制御ユニット（１６）は、前記スイッチ（７）を周期的に駆動し、この際前記駆動周波数が前記スイッチ（７）の駆動の周期の長さによって設定されるように構成されている、
   ことを特徴とする駆動回路。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の駆動回路において、
   前記駆動回路は１つのＥ級増幅器（６）を備え、
   前記Ｅ級増幅器は、１つのスイッチ（７）および１つのインダクタンス（８）を備える、
   ことを特徴とする駆動回路。
10. プラズマ発生器（１）であって、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の駆動回路（２）および１つの圧電トランス（３）を備え、
    前記圧電トランスは、２つの外部電極（４，５）を備え、
    前記駆動回路（２）は、前記圧電トランス（３）の２つの前記外部電極（４，５）の間に電圧が印加されるように構成されている、
    ことを特徴とするプラズマ発生器。
11. 圧電トランス（３）を駆動するための方法であって、
    前記圧電トランス（３）は１つの駆動回路（２）と接続されており、
    前記駆動回路は前記圧電トランス（３）に電圧を印加するように構成されており、そして前記駆動回路は１つのインダクタンス（８）を備え、
    前記方法は、以下のステップ、
    周期的変化を有する電圧を前記圧電トランス（３）に印加するステップであって、当該周期の長さが１つの駆動周波数によって設定されているステップと、
    前記インダクタンス（８）を通って流れる平均的電流値を測定するステップと、
    前記駆動周波数を測定された前記平均的電流値に依存して制御するステップと、
    を備え、
    前記周期的変化を有する電圧を前記圧電トランス（３）に印加するステップにおいて、先ず前記圧電トランス（３）の反共振周波数より下の前記駆動周波数を有する電圧が前記圧電トランス（３）に印加され、前記駆動周波数は、前記インダクタンス（８）を流れる電流の平均的電流値が、１つの所定の境界値を越えるまで、ステップ状に低下される、ことを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、
    前記駆動周波数の制御のステップで、前記平均的電流値が１つの第１の所定の境界値を越える場合は前記駆動周波数が高くされ、
    前記駆動周波数の制御のステップで、前記平均的電流値が１つの第２の所定の境界値を下回る場合は前記駆動周波数が低くされる、
    ことを特徴とする方法。
13. 請求項１１に記載の方法において、
    前記駆動周波数の制御のステップで、前記平均的電流値が１つの所定の目標値を越える場合は前記駆動周波数が高くされ、
    前記駆動周波数の制御のステップで、前記平均的電流値が前記所定の目標値を下回る場合は前記駆動周波数が低くされる、
    ことを特徴とする方法。

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