(57)【要約】【課題】  省電力化を図ることができるプラズマ用電源装置を得る。【解決手段】  交流電源１および全波整流回路２によりトランス５の１次巻線５１に電源を供給する。１次巻線５１はスイッチング素子３でスイッチングされ、このスイッチング素子３は制御部４によって制御される。制御部４は、トランス５の３次巻線５３で発生する電圧、電流を入力し、この値に基づき、トランス５の２次巻線５２の振幅と周波数の少なくとも一方が変化するよう、スイッチング素子３のベース電流を制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを発生させるための電極に高周波を供給すると共に、前記高周波の振幅を所定の振幅範囲内で連続的に変化させるプラズマ用電源装置。
【請求項２】
プラズマを発生させるための電極に高周波を供給すると共に、前記高周波の周波数を所定の周波数範囲内で連続的に変化させるプラズマ用電源装置。
【請求項３】
高周波の周波数を所定の周波数範囲内で連続的に変化させることを特徴とする請求項１記載のプラズマ用電源装置。
【請求項４】
プラズマを発生させるための電極に高周波を供給する手段として、ＬＣ共振を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のプラズマ用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、プラズマを用いた脱臭装置等に用いられるプラズマ用電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、プラズマ放電を用いて、脱臭や除菌といった機能を実現する装置が広く用いられている。このような装置は、電極間に高電圧を印加し、プラズマ放電を発生させることによって、空気中に含まれる臭気物質やＴＶＯＣ（総揮発性有機化合物）等の分子を分解して脱臭や除菌を行うものである。
従来、このような装置では、電極には高周波が供給されていた（例えば、特許文献１参照）。これは、高周波を供給することによってプラズマ放電効率を向上させるためである。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２４７９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、高周波発振させることで、例えば、電源から電極までの配線の静電容量や電極自体の静電容量により電源のエネルギ（電流、電圧）がロスし、プラズマエネルギとして伝わりにくいといった問題があり、このようなことから、電源が大容量化、大型化、大電力化せざるを得ないという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、省電力化を図ることができるプラズマ用電源装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るプラズマ用電源装置は、プラズマを発生させるための電極に高周波を供給すると共に、高周波の振幅を所定の振幅範囲内で連続的に変化させるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明のプラズマ用電源装置は、振幅を連続的に変化させた高周波を出力するようにしたので、エネルギ効率を向上させ、省電力化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるプラズマ用電源装置を示す構成図である。
図示のプラズマ用電源装置は、交流電源１、全波整流回路２、スイッチング素子３、制御部４、トランス５からなり、この出力がバリア電極６に供給されるようになっている。
交流電源１は、例えば５０Ｈｚの商用交流電源といった交流電源である。全波整流回路２は、交流電源１の電流を全波整流するための整流回路である。スイッチング素子３は、例えばトランジスタであり、そのコレクタがスイッチング素子３の１次巻線５１に、ベースが制御部４に、エミッタがトランス５の３次巻線５３にそれぞれ接続されている。制御部４は、トランス５の３次巻線５３の電圧、電流に基づいて、スイッチング素子３のベース電流を制御してバリア電極６に供給される信号の振幅や周波数を変化させる機能を有している。トランス５は、２次巻線５２に接続されたバリア電極６に対して高電圧を供給するためのトランスであり、１次巻線５１、２次巻線５２、３次巻線５３を備えている。１次巻線５１は、全波整流回路２の出力が供給される１次側の巻線である。また、３次巻線５３には制御部４が接続されている。バリア電極６は、バリア放電によりプラズマを発生させるための電極である。
【０００９】
図２および図３は、それぞれ電極の一例を示す断面図である。尚、これらの図において、矢印は空気の流れ方向を示している。
図２に示す電極は、断面が円形状の高圧側電極６１と接地側電極６２を有している。また、ステンレス等からなるワイヤ状の高圧側電極６１は、ガラス等の誘電体６３で被覆されている。
【００１０】
また、図３に示す電極は、断面が円形状の高圧側電極６４と、平板状の接地側電極６５とからなり、接地側電極６５の両面に誘電体６６が設けられている。また、高圧側電極６４は、ワイヤ状に形成され、一対の接地側電極６５で形成される空間内に位置するよう配設されている。
【００１１】
次に、実施の形態１の動作について説明する。
交流電源１の電流は、全波整流回路２によって全波整流され、これが制御部４に供給される。これにより制御部４がスイッチング素子３を駆動すると、１次巻線５１を介してスイッチング素子３のコレクタからエミッタに電流が流れる。１次巻線５１に電流が流れることにより、２次巻線５２に電圧、電流が発生する。そして、２次巻線５２に電圧、電流が発生することにより、３次巻線５３に電圧、電流が発生し、これが制御部４に入力される。制御部４は、３次巻線５３の電圧、電流に基づいてスイッチング素子３をオン／オフさせ、バリア電極６に印加される信号の振幅（出力電圧）や周波数を変化させる。
【００１２】
図４は、振幅を変化させた場合の波形図である。
図示例は、例えば、バリア電極６に印加される信号として、１０ｋＨｚの基本波を５０Ｈｚで振幅変化させた場合を示している。このように振幅を変化させる場合、制御部４は、２次巻線５２から取り出される出力電圧が変化するよう、スイッチング素子３のオン／オフ制御を行う。これにより、出力電圧が放電期間（図中、Ａで示す）と、休止期間（図中、Ｂで示す）の繰り返しとなり、放電に強弱が発生する。このような信号をバリア電極６に与えた場合、定電圧波形の信号を与えるよりも、消費電力あたりの脱臭、除菌効率が向上する。これは、休止期間では放電が休止状態（あるいは放電しにくい状態）であるため、この休止期間には、イオン化されていない気体がバリア電極６に対して供給され易くなり、そして、このような気体がバリア電極６に供給された状態で、放電開始時の高いエネルギを持つプラズマ放電が行われることから、効率的な分解処理が行われ易くなるためであると考えられている。更には、休止期間の存在により誘電体の発熱を防止することが出来る。
【００１３】
図５は、周波数を変化させた場合の波形図である。
図示例は、例えば、バリア電極６に印加される信号として、５〜３０ｋＨｚの範囲で周波数変化させた場合を示している。このように周波数を変化させる場合、制御部４は、２次巻線５２から取り出される出力の周波数が変化するよう、スイッチング素子３のオン／オフ制御を行う。このような周波数の変化によっても放電に強弱が発生するため、上述した振幅変化の場合と同様の効果を得ることができる。また、出力信号には種々の周波数が含まれているため、例えば、電源から電極までの静電容量やバリア電極６自体の静電容量によって、共振周波数が存在し、これが出力周波数に一致することで出力がほとんど出なくなってしまうといった問題も回避することができる。更に、どのような成分の気体に対しても安定したプラズマ放電を発生させることができる。即ち、脱臭、除菌装置の場合、流入する気体には様々な成分が含まれているため、その成分とバリア電極６に印加する周波数との組み合わせによっても、プラズマ放電が発生しない（発生しにくい）場合が発生する。このような場合でも、出力信号には種々の周波数が含まれているため、このような問題を回避できると共に、どのような成分を含んでいても、必ず、その流入気体の成分に最適な周波数を含んでいるため、効率良く脱臭、除菌を行うことができる。
【００１４】
尚、上記の、変化させる振幅範囲および変化させる周波数範囲は、実装される装置の条件等に基づき、基準振幅（基準出力電圧）および基準周波数を中心としてその範囲を適宜設定する。
また、上記実施の形態１では、振幅と周波数をそれぞれ単独に変化させる例を説明したが、制御部４によって、振幅と周波数の両方を変化させるようにしてもよい。
【００１５】
以上のように、実施の形態１のプラズマ用電源装置によれば、プラズマを発生させるための電極に高周波を供給すると共に、高周波の振幅を所定の振幅範囲内で連続的に変化させるようにしたので、プラズマの発生効率を向上させることができるため、低消費電力化を図ることができる。
【００１６】
また、実施の形態１のプラズマ用電源装置によれば、プラズマを発生させるための電極に高周波を供給すると共に、高周波の周波数を所定の周波数範囲内で連続的に変化させるようにしたので、プラズマの発生効率を向上させ、低消費電力化を図ることができると共に、電源から電極までの静電容量や電極自体の静電容量の影響を軽減させることができる。
【００１７】
また、実施の形態１のプラズマ用電源装置によれば、プラズマを発生させるための電極に高周波を供給すると共に、高周波の振幅を所定の振幅範囲内で連続的に変化させると共に、その周波数を所定の周波数範囲内で連続的に変化させるようにしたので、更に多様なエネルギ準位のプラズマを発生させることができ、その結果、より低消費電力化を図ることができる。
【００１８】
更に、このような効果について、数値を示して説明する。
図６は、本実施の形態の効果を示す説明図である。
図示例は、上述した図２および図３の電極に、定電圧の高周波電源を加えた場合と、図４に示すような高周波の振幅を所定の振幅範囲内で連続的に変化させた場合のオゾン発生濃度を比較して示している。尚、測定の条件として、空間速度（ＳＶ）＝４８００００ｈ-1とし、高周波電源として１０ｋＨｚを使用した場合を示している。
【００１９】
図示の結果から明らかなように、例えば、図２の電極では、定電圧電源で電力３０Ｗの場合のオゾン発生量は０．０２ｐｐｍであるのに対し、振幅を変化させた高周波電源（図４に示す波形の電源）では、０．０３ｐｐｍのオゾン発生量が得られ、１５０％の効率向上が得られている。また、図３の電極では、電極と電源とのマッチングが考慮されることから、定電圧電源で電力３０Ｗの場合のオゾン発生量は１．３ｐｐｍであるのに対し、振幅を変化させた高周波電源では、３．５ｐｐｍのオゾン発生量が得られ、２７０％もの効率向上が得られている。このように、本実施の形態では、図２に示す電極の構成で１３２〜１５０％の効率向上、図３に示す電極の構成で１４５〜２７０％の効率向上の効果が得られている。
【００２０】
以上のように、本実施の形態における振幅を変化させた高周波電源では、例えば図３の電極の場合、電力５０Ｗでの効率向上が１４５％に対して、電力３０Ｗでの効率向上は２７０％得られており、このような点からも本実施の形態の構成が低消費電力で大きな効果が得られることが分かる。
【００２１】
実施の形態２．
図７は、実施の形態２のプラズマ用電源装置を示す構成図である。
図示のプラズマ用電源装置は、交流電源１、全波整流回路２、スイッチング素子３、制御部４ａ、トランス５、コンデンサ７からなる。ここで、コンデンサ７は、トランス５の１次巻線５１と並列接続され、１次巻線５１と共にＬＣ共振回路を構成するコンデンサである。制御部４ａは、スイッチング素子３のベース電流を制御することにより出力信号の振幅と周波数を変化させると共に、スイッチング素子３のエミッタ電流の電流制御を行う機能を有している。これら以外の構成は実施の形態１の構成と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
【００２２】
次に、実施の形態２の動作について説明する。
図８は、実施の形態２におけるバリア電極６に供給される信号の波形図である。
先ず、全波整流回路２を介して電圧が制御部４ａに印加されることにより、制御部４ａは、スイッチング素子３を駆動する。これにより、トランス５の１次巻線５１を介してスイッチング素子３のコレクタからエミッタに電流が流れる。１次巻線５１に電流が流れることにより、２次巻線５２に電圧、電流が発生し、これにより、３次巻線５３に電圧、電流が発生する。制御部４ａでは３次巻線５３の電圧、電流の状態により、出力電圧や周波数を変化させる制御や、スイッチング素子３のエミッタ電流により電流制御を実施する。
スイッチング素子３をオン／オフさせることで１次巻線５１に起電力、逆起電力を発生させ、コンデンサ７の充電、放電が繰り返し発生する（ＬＣ共振）。これにより、２次巻線５２に電圧、電流が発生する。
【００２３】
例えば、交流電源１として商用交流５０Ｈｚの全波整流の脈流波形を入力した場合、電圧の波高値は変動する。電圧が低いときは出力も低く、電圧が高くなると出力も高くなる。これにエミッタ電流の電流制御を設けると、電圧が低いときは電流制限がかからないため低周波出力、電圧が高くなるとエミッタ電流も大きくなるため、電流制限により強制的にスイッチング素子３がオフされ、高周波出力となる。このような制御により、例えば、図４の波形と図５の波形を組み合わせた波形、即ち、１０ｋＨｚの基本波を５０Ｈｚで振幅変化させた波形を、更に、５〜３０ｋＨｚの範囲で周波数変化させた波形を得ることができる。
【００２４】
以上のように、実施の形態２のプラズマ用電源装置によれば、プラズマを発生させるための電極に高周波を供給すると共に、高周波の振幅を所定の振幅範囲内で連続的に変化させると共に、その周波数を所定の周波数範囲内で連続的に変化させるようにしたので、更に多様なエネルギ準位のプラズマを発生させることができ、その結果、より低消費電力化を図ることができる。また、プラズマを発生させるための電極に高周波を供給する手段としてＬＣ共振を用いたので、簡単な構成で所望の性能を得ることができる効果がある。
【００２５】
尚、上記実施の形態１、２では、交流電源１と全波整流回路２を用いて電源を供給するようにしたが、ＤＣ電源であってもよく、また、全波整流回路２の代わりに半波整流回路を用いてもよい。
また、上記実施の形態１、２では、プラズマの用途として、脱臭や除菌に適用する例を説明したが、これに限定されるものではなく、プラズマを用いて分子レベルの分解処理を行う装置であれば、種々の装置に対して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態１によるプラズマ用電源装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるプラズマ用電源装置が電源供給する電極の一例（その１）を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるプラズマ用電源装置が電源供給する電極の一例（その２）を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるプラズマ用電源装置で振幅を変化させた場合の波形図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるプラズマ用電源装置で周波数を変化させた場合の波形図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるプラズマ用電源装置の効果を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるプラズマ用電源装置を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態２によるプラズマ用電源装置の出力波形を示す波形図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  交流電源
２  全波整流回路
３  スイッチング素子
４，４ａ  制御部
５  トランス
６  バリア電極
７  コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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