(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅制御信号およびパルス高さ制御信号を受け、任意のパルス高さおよびパルス幅をもつ方形パルス波を発生する可変波高可変波幅パルス波発生回路と、
前記方形パルス波によって駆動される電力増幅回路
を備える高周波電力増幅回路であって、
前記可変波高可変波幅パルス波発生回路は、高効率が必要な場合には前記電力増幅回路に用いられる電力スイッチング素子が飽和するのに十分なパルス高さの方形パルス波を発生して前記電力スイッチング素子を飽和動作させることによって高効率で前記電力増幅回路を動作させ、一方、低出力でかつそれ程高効率が必要でない場合には、パルス高さを下げた制御入力により、前記電力スイッチング素子を非飽和動作させることによって前記電力増幅回路の効率を下げることを特徴とする高周波電力増幅回路。
【請求項２】
前記可変波高可変波幅パルス波発生回路は、出力電力に加えて設定された消費電力になるよう、前記電力スイッチング素子を駆動する方形パルス波のパルス幅およびパルス高さの制御を行うことを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅回路。
【請求項３】
前記出力電力に応じた消費電力の設定を、損失が一定になるようパルス高さおよびパルス幅を制御することを特徴とする請求項２記載の高周波電力増幅回路。
【請求項４】
誘導結合プラズマ質量分析装置および誘導結合発光分光分析装置における誘導結合プラズマ生成のための高周波増幅回路であって、
前記高周波増幅回路は、
出力制御信号を受けて、パルス波のパルス高さ及びパルス幅を制御する制御回路と、
前記パルス波により駆動される電力増幅回路
を備え、
前記制御回路は、高効率が必要な場合には前記電力増幅回路に用いられる電力スイッチング素子が飽和するのに十分なパルス高さのパルス波を発生して前記電力スイッチング素子を飽和動作させることによって高効率で前記電力増幅回路を動作させ、一方、低出力でかつそれ程高効率が必要でない場合には、パルス高さを下げたパルス波を発生して前記電力スイッチング素子を非飽和動作させることによって前記電力増幅回路の効率を下げることを特徴とする高周波増幅回路。
【請求項５】
パルス波によって高周波増幅回路を駆動する方法であって、前記パルス波のパルス幅の制御とパルス高さの制御を組み合わせて出力制御を行い、高効率が必要な場合には、前記高周波増幅回路に用いられる電力スイッチング素子が飽和するのに十分なパルス高さのパルス波を発生して、前記電力スイッチング素子を飽和動作させることによって前記高周波増幅回路を高効率で動作させ、一方、低出力でかつそれ程高効率が必要でない場合には、パルス高さを下げたパルス波を発生して前記電力スイッチング素子を非飽和動作させることによって前記高周波増幅回路の消費電力を調整することを特徴とする高周波増幅回路の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波増幅回路及び高周波増幅回路の駆動方法に関する、中でも高周波プラズマを発生させる高周波増幅回路、さらに言えば誘導結合プラズマ質量分析装置及び誘導結合プラズマ発光分光分析装置に用いる誘導結合プラズマ生成用の高周波増幅回路及び高周波増幅回路の駆動方法に関する。しかしながら、本発明は広く一般的な高周波増幅回路にも適用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導結合プラズマ質量分析装置や、誘導結合プラズマ発光分光分析装置等においては、誘導結合プラズマ発生装置が用いられる。ここでは、この誘導結合プラズマ発生装置の高周波増幅回路を例にとって説明する。図４は誘導結合プラズマ発生装置の概念図である。図において、１は増幅回路であり、該増幅回路１によりマッチングボックス３を介して、プラズマ発生部分のコイル４を駆動している。コイルの巻数としては、例えば図に示すように３ターン程度が用いられる。前記マッチングボックス３はプラズマ側のインピーダンスと前記増幅回路１の出力インピーダンスの整合を取るため設けられているが、必ずしも必須のものではない。
【０００３】
石英の３重管よりなるプラズマトーチ６にはコイル４が巻回されている。そして、前記増幅回路１の出力は前記マッチングボックスを介して、コイル４の一端に接続され、該コイル４の他端は接地されている。プラズマトーチ６内には例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを流し、さらにコイル４に高周波電流を流すことにより、誘導結合でプラズマ５に電力を供給し、放電を維持する。プラズマ点火時には、小さな火花放電をプラズマトーチ６内に図示していない放電装置により生じさせ、プラズマを点火するのに適切な高周波電力と、プラズマが存在しない状態に応じた過渡的なインピーダンスマッチングを取り、火花放電の電流を急激に増やし誘導結合でコイル４からプラズマ５に電力が供給されるようにしプラズマ点火を行う。
【０００４】
プラズマが点火した定常状態において、高周波出力を例えば１ｋWで動作させると、増幅回路１は、電力損失のために数１００Ｗ発熱する。そこで、増幅回路１の発熱部分には冷却パイプ２が配置されており、冷却水が循環するようになっている。このようにして、増幅回路１を冷却して熱のために部品が破壊されないようにしている。
【０００５】
この場合において、コイル４は増幅回路１の負荷になっている。図５は高周波増幅回路の概念図であり、（ａ）が当該回路、（ｂ）は等価回路である。この回路は、Ａ／Ｂ／Ｃ級の増幅素子としてＭＯＳ−ＦＥＴ（金属−酸化半導体型電界効果トランジスタ、以下ＦＥＴ）を用いたトランス結合プッシュプル増幅回路であり、非飽和動作電力増幅回路を示している。ここでは増幅素子としてＦＥＴを用いる例を示しているが、他の増幅素子を用いる場合も同様である。入力高周波信号は、トランスＴ１の１次側に入る。その２次側には１次側に従った高周波信号が発生する。トランスＴ１の２次側の２個の巻線の中点には増幅素子の動作点を決定するバイアス電圧が印加されている。これらの合成された高周波信号が、ＦＥＴＱ１、Ｑ２のゲートに入る。ＦＥＴＱ１、Ｑ２は、入力高周波信号に応じた動作を行ない、その機能は（ｂ）に示す可変抵抗ＶＲで表わすことができる。ＦＥＴＱ１、Ｑ２の負荷はトランスＴ２の１次側に接続されており、さらに１次側の中点には電圧Ｖが与えられている。
【０００６】
ＦＥＴＱ１とＱ２が入力高周波信号によって動作すると、トランスＴ２の１次側が駆動され、トランスＴ２の２次側には高周波電力が伝達する。この高周波で負荷７を駆動する。この結果、負荷７に供給される高周波電力は入力信号に応じ可変制御できることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の非飽和動作電力増幅回路では、入力信号に応じた出力電力が得られ制御性はよいものの、たとえばＢ級動作とした場合、理論上の最大効率は７８．５％と効率が上げられないという問題がある。例えば１．６ｋＷの出力で動作させた場合、効率は現実的には約６０％が限界で１ｋＷ弱の熱が増幅回路で発生することになる。この熱を除去するための冷却水循環装置の冷却能力も相応に増加することになる。大型の冷却水循環装置は騒音も大きく、結果として、高価な冷却能力の高い冷却水循環装置が必要でかつ冷却水循環装置の騒音のため、別の部屋に設置しなければならなくなるケースもある。さらには増幅回路の電源容量そのものも増加し、ひいては装置全体の小型化の阻害要因となる。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、第一に誘導結合プラズマ質量分析装置及び誘導結合プラズマ発光分光分析装置に用いる誘導結合プラズマ生成用高周波増幅回路の高効率化を実現した高周波増幅回路（請求項５）を提供することを目的としたものである。第二には、請求項５の発明における副作用である、低出力時での制御性の悪化及び、低出力運転時での、高出力時と同様の冷却能力で冷却システムを動作させることによる、過冷却によって生じる結露という問題の改善を含む、消費電力或いは効率を制御入力として設定できる一般的な高周波増幅回路及び高周波増幅回路の駆動方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項５記載の発明は、誘導結合プラズマ質量分析装置および誘導結合プラズマ発光分光分析装置において、従来用いられていた高周波増幅回路の効率が悪いという課題に対して、出力制御信号を受けてパルス幅を制御するパルス幅制御回路と、該パルス幅制御回路により駆動される電力増幅回路とを含んで構成される高周波増幅回路、すなわちＤ／Ｅ級電力増幅回路を用いることにより解決するものである。Ｄ／Ｅ級電力増幅回路の電源利用効率は理論上１００％と極めて高効率であり、該高周波増幅回路のための電源装置・冷却装置の小型化・簡略化が可能となる。さらに本発明を適用することにより、新たな改善点としてプラズマ点灯時の、インピーダンスマッチングが十分でない不安定な過渡的出力状態において、高周波増幅器が壊れにくくプラズマが点灯するまで出力を保ち易くなった点、また高調波成分の増加により放電が容易に起こり易く、こちらの理由においてもプラズマが容易に点灯し易くなった点で新しい効果のあることも指摘できる。
【００１０】
しかしながら、このＤ／Ｅ級電力増幅回路は、高周波で動作させようとする場合、特に低出力を得ようとすると、必要とするパルス幅が極めて狭くなり、たとえば出力周波数ｆを２０ＭＨｚとするとき、デューティ比５％のパルス幅Ｐｗは
Ｐｗ ＝（１／２０Ｅ＋６）×１０％ ＝ ５ｎＳｅｃ
となり、安定して制御することが困難である。また高調波成分がますます増加し、不要輻射が増加する。
【００１１】
また、このＤ／Ｅ級電力増幅回路は、低出力時はスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ遷移時間を０とすると、発生する損失はスイッチング素子の導通抵抗によるものだけであり、これらが損失を発生する時間はスイッチング素子が導通している時間に比例する。このため、出力電力を絞るためにパルス幅を狭めると、スイッチング素子が導通している時間が短くなり、発生する損失はさらに低下する。そのため、発生する熱量は非常に低下し、高出力時と同様の冷却を行うと、結露などの不具合を生じることがある。請求項１〜４および６記載の発明は、これらの副作用に鑑みてなされたものである。
【００１２】
請求項１記載の発明は、前記効率は良いが、低出力時に安定して制御することが困難な点および過冷却のため結露が生じ易いという副作用を解決する為、従来のパルス高さによる出力制御をパルス幅による出力制御に加え合わせることができるよう、パルス幅制御信号およびパルス高さ制御信号を受けて、任意のパルス高さおよびパルス幅を持つパルス波（方形波）を発生する可変波高可変波幅パルス波発生回路と、該可変波高可変波幅パルス波発生回路が発生する方形波によって駆動される電力増幅回路を含んで構成される。この回路は高出力が必要な時はＤ／Ｅ級動作をし、前述のように高効率が得られる。しかし低出力時に高効率のままかつ高出力時と同様な冷却を行うとすれば、過冷却のため結露を生じ回路の故障の原因となる。そこで、低出力時にはパルス幅制御はある程度までとし、パルス高さを制御することにより、結露を防止できる程度の損失、つまりは熱を発生させ、パルス幅制御のみで低出力まで制御する場合に生じる結露という副作用を解決できる。さらにこの場合、パルス高さの制御も付け加えているため、低出力時に極端に駆動パルス幅を狭める必要がなくなり、駆動パルス幅が狭いことに起因する制御性の悪化、回路設計・製造上の困難さ、さらには不要輻射の増加などの問題をも解決することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記可変波高可変波幅パルス波発生回路において、パルス高さを制御して、スイッチング素子の導通抵抗を増加させるよう非飽和動作させるものである。この動作を低出力時にパルス幅制御に付け加えることにより、該スイッチング素子の導通抵抗における電力損失で必要な発熱が得られ過冷却の問題が解決できる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、前記可変波高可変波幅パルス波発生回路において、パルス高さによる出力制御を、パルス幅による出力制御に加え合わせる方法として出力に加えて、消費電力（電源利用効率）を制御パラメータにした回路である。あらかじめ設定された、出力電力および消費電力（電源利用効率）の入力値により本高周波増幅回路は動作し、設定入力を高出力時にパルス幅制御を主に用い電源利用効率を最大にし、一方低出力時にはパルス高さ制御を加えて電源利用効率が良くなり過ぎないように選ぶことにより、低出力時における制御性、過冷却の問題などを解決できる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、前記可変波高可変波幅パルス波発生回路において、パルス高さによる出力制御を、パルス幅による出力制御に加え合わせる方法として出力に加えて、損失電力を一定にするよう制御した装置である。あらかじめ設定された、動作範囲の出力電力で設定された損失電力になるよう制御される。この場合、冷却システムに対する本増幅回路の負荷は一定となり、過冷却の心配無しに、良い効率が得られる。また低出力時の制御性も良い。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項５の発明の所で述べた効率は良いが、低出力時に安定して制御することが困難な点および過冷却のため結露が生じ易いという副作用を解決する為、従来のパルス高さによる出力制御をパルス幅による出力制御に加え合わせることができるよう、パルス幅制御信号およびパルス高さ制御信号を受けて、任意のパルス高さおよびパルス幅を持つパルス波（方形波）によって電力増幅回路を駆動する方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
まず、請求項５に対応する実施例を示す。Ｄ／Ｅ級のスイッチング回路は、例えば図２のように構成される。図５と同一のものは、同一の符号を付して示す。（ａ）が当該回路であり、（ｂ）は等価回路である。この回路は、Ｄ／Ｅ級のスイッチング素子としてＦＥＴを用いたトランス結合プッシュプル増幅回路であり、飽和動作電力増幅回路を示している。ここではスイッチング素子としてＦＥＴを用いる例としているが、他のスイッチング素子を用いる場合も同様である。
【００１８】
入力パルス波は、φ１、φ２として表記されていて、ＦＥＴＱ１、Ｑ２のゲートに入る。入力パルス波φ１、φ２は目的とする高周波と同一の周波数ｆであり、最大デューティ比は５０％、またφ１、φ２は１８０度の位相差が与えられている。ＦＥＴＱ１、Ｑ２は入力パルスに従って交互にＯＮ／ＯＦＦ動作を行い、その機能は（ｂ）に示すスイッチＳＷ１、ＳＷ２で表すことができる。ＦＥＴＱ１、Ｑ２の負荷はトランスＴの一時側に接続されており、さらに１次側の中点には電圧Ｖが与えられている。ＦＥＴＱ１とＱ２は入力パルス信号によって交互にＯＮ／ＯＦＦ動作をすると、トランスＴの１次側が駆動され、それぞれのＦＥＴのＯＮに従ってトランスＴの２次側には電力が伝達する。パルス波φ１、φ２が最大デューティ動作時（デューティ比＝５０％）は、Ｄ級動作であり、常にＱ１、Ｑ２のいずれかがＯＮしている、この回路の最大出力動作状態となる。パルス波のデューティ比が５０％以下であれば、Ｑ１、Ｑ２いずれもＯＦＦしている時間があり、その間はＴの２次側に電力が伝達されない。この状態はＥ級動作であり、出力高周波電力はデューティ比に従って可変制御できる。Ｄ／Ｅ級増幅回路の電源利用効率は理論上１００％と、きわめて高効率である。この高周波電力で負荷７を駆動する。この結果、負荷７に供給される高周波電力はパルス波のデューティ比に応じて可変制御できることになる。すなわち、誘導結合プラズマ質量分析装置および誘導結合プラズマ発光分光分析装置における誘導結合プラズマ生成のための高周波を効率よく発生でき、この高周波増幅回路のための電源装置、冷却装置の小型化が可能となる。
【００１９】
次に請求項１〜４および６記載の発明に対応する一実施例を示す。用いられるプッシュプル高周波増幅回路を図３に示す。図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。（ａ）が当該回路であり、（ｂ）は等価回路である。等価回路は、それぞれスイッチＳＷ１と導通抵抗Ｒ１、スイッチＳＷ２と導通抵抗Ｒ２の直列回路から構成されている。この回路は、高出力電力が必要な時はＤ／Ｅ級動作をし、前述のように高電源利用効率で高出力を得ることができる。Ｄ／Ｅ級動作の場合は、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ遷移時間を０とすると、発生する損失は非常に小さな導通抵抗Ｒ１・Ｒ２によるものだけであり、これらが損失を発生する時間はＳＷ１・ＳＷ２がＯＮしている時間に比例するため、出力電力を絞るためにパルス幅を狭めると、ＳＷ１・ＳＷ２のＯＮにしている時間が短くなり、発生する損失は特に低下する。また、パルス幅が非常に狭くなり、制御や回路動作の実現が困難となる。さらに発生する高調波成分が増加し、不要輻射も増加する。そこで低出力で使用する場合、パルス波高を下げ、ＦＥＴＱ１、Ｑ２を非飽和動作させることにより、等価的に導通抵抗Ｒ１、Ｒ２が増加するように制御する。
【００２０】
この図３に示したプッシュプル高周波増幅回路の具体的なコントロールの一実施の形態例をさらに図１にブロック図で示す。ここでは、たとえば最大出力として２KW程度必要で、かつ、数Wといった極低出力からの安定した連続出力、および数百Wといった低出力から最大出力付近までに渡って一定の損失を生じさせることを目的とする高周波増幅回路の例を示す。しかしもちろん、必ずしもこの例に限定されるものではない。図において、１０は全体の制御動作を行うコントローラである。該コントローラ１０としては、例えばＣＰＵが用いられる。もちろんここでも、コントローラとしてはＣＰＵに限られるものではなく、ＣＰＵを用いないでコントローラ１０を構成することも可能である。該コントローラ１０は、メインＣＰＵ（図示せず）と接続され、信号のやりとりをしている。１１は該コントローラ１０からのパルス幅制御信号およびパルス高さ制御信号を受けて駆動パルス幅・パルス高さ制御を行う可変波高可変波幅パルス波発生回路である。
【００２１】
１２は、可変波高可変波幅パルス波発生回路１１の出力を受けて、電力増幅を行う電力増幅回路、１３は電源電圧・電流監視回路である。１４は、電力増幅回路１２の出力を監視する出力電力監視回路であり、その監視出力はコントローラ１０に与えられるようになっている。
コントローラ１０には、電源電圧・電流監視回路１３からの電圧、電流が入力され、また出力電力監視回路１４からの進行波、反射波が入力され、その他に各部温度、ファン状態等が入力されている。コントローラ１０は、これら信号を常時監視しており、これら監視信号に応じて、可変波高可変波幅パルス波発生回路１１を制御している。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００２２】
例えば、メインＣＰＵから増幅回路の出力が設定されると、コントローラ１０は、その設定出力および必要とする電力損失に応じたパルス幅制御信号およびパルス高さ制御信号を可変波高可変波幅パルス波発生回路１１に与える。
【００２３】
電力増幅回路１２は、可変波高可変波幅パルス波発生回路１１の出力により制御され、負荷（図示せず）に高周波電力が供給される。出力電力監視回路１４は、電力増幅回路１２の出力を常時監視しており、その出力はコントローラ１０にフィードバックされている。コントローラ１０は、出力電力監視回路１４の出力を監視しながら、メインＣＰＵに設定された出力になるように、出力電力に応じて設定された損失を生じるよう、電力増幅回路１２の出力を制御している。ここでは例としてクローズドループによるコントロールの例を示したが、オープンループで動作させることも可能である。
【００２４】
このように、この実施の形態例によれば、極低出力時にスイッチング素子の導通抵抗を増やすことにより、当該導通抵抗部での損失を増やし、この結果、出力電力を絞ることが必要なときに、極端に駆動パルス幅を狭めることなく出力を制御することができ、また低出力から最大出力付近までの広範囲の出力電力範囲にわたって高効率のメリットを保ったまま、副作用としての過冷却といった問題を解決できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果が得られる。
【００２６】
（１）請求項１記載の発明によれば、必要とする出力電力範囲の全域にわたって、駆動パルス幅と駆動パルス高さを可変にできるため、高効率でかつ良好な出力電力制御性を得ることができる。
【００２７】
（２）請求項２記載の発明によれば、低出力時にはスイッチング素子による損失を増加させることができ、これにより効率を低下させ、過冷却による結露を防ぐ為に必要とする損失、すなわち発熱を得ることができる。
【００２８】
（３）請求項３記載の発明によれば、出力電力を低下させたい場合に、消費電力（電源利用効率）をパラメータとして設定することにより、パルス幅制御だけでなくパルス高さ制御も併用した出力電力制御と組み合わせ、安定した出力制御が得られ、また不要な輻射（高調波）を減らすことができる。
【００２９】
（４）請求項４記載の発明によれば、高周波増幅回路の損失が一定であるため、増幅回路の冷却システム側に一定でかつ最小限の負荷しかかけないようにできる。従って最小限の冷却能力の冷却システムで安定に動作でき、また過冷却による結露が無いように設定するのが容易である。
【００３０】
（５）請求項５記載の発明によれば、従来電力利用効率の悪い誘導結合結合プラズマ質量分析装置および誘導結合プラズマ発光分光分析装置であった為、大きな冷却システムが必要であり、かつ電源容量も大きくならざるを得なかったが、最大の電力を消費している高周波電源の高効率化で小さな冷却システムで済み、全体の電源容量も小さくて済むようになった。さらにプラズマの点灯が今まで以上に容易になった。
【００３１】
（６）請求項６の発明によれば、高出力が必要な時は高効率で、また低出力が必要な時は必要な損失を保ち、かつ安定な制御が可能な高周波増幅回路が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】最も一般的な本発明の動作の一実施の形態例を示すブロック図である。
【図２】請求項５に対応する本発明で用いる高周波増幅回路の一実施の形態例を示す図である。
【図３】請求項１〜４および６に対応する本発明で用いる高周波増幅回路の一実施の形態例を示す図である。
【図４】誘導結合プラズ発生装置の概念図である。
【図５】誘導結合プラズマ質量分析装置に用いられる誘導結合プラズマ生成用高周波増幅回路の従来例の概念図である。
【符号の説明】
１０  コントローラ
１１  可変波高可変波幅パルス波発生回路
１２  電力増幅回路
１３  電源電圧・電流監視回路
１４  出力電力監視回路
【図１】
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【図２】
0004772232.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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