(57)【要約】  簡易な構成でプラズマの発生量を調整することができるプラズマ発生器を提供する。  圧電トランスに供給される交流電力の周波数を制御する制御回路と、制御回路に制御信号を与える制御信号発生回路を備え、制御信号発生回路から出力される制御信号を適宜調整できるように構成されている。制御回路は、制御信号発生回路から与えられる制御信号に基づいて設定された目標値に、それに対応する検出値を近づけるように交流電力の周波数を制御する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を出力する電力源と、
前記電力源から出力される電圧と電流を検出する検出回路と、
前記直流電力を交流電力に変換する駆動回路と、
前記駆動回路から出力される前記交流電力の周波数を制御する制御回路と、
前記制御回路に入力される制御信号を生成する制御信号発生回路と、
前記交流電力が供給される圧電トランスと、を備え、
前記制御回路は、前記検出回路により検出された電圧と電流に基づいて前記電力源から供給される電力を算出し、当該電力が前記制御信号に基づいて決定される目標電力に近づくように前記交流電力の周波数を制御することを特徴とするプラズマ発生器。
【請求項２】
直流電力を出力する電力源と、
前記直流電力を交流電力に変換する駆動回路と、
前記駆動回路から出力される前記交流電力の周波数を制御する制御回路と、
前記制御回路に入力される制御信号を生成する制御信号発生回路と、
前記交流電力が供給される圧電トランスと、を備え、
前記制御回路は、前記圧電トランスに供給される交流電力の電圧と電流の位相差を検出し、当該位相差が前記制御信号に基づいて決定される目標位相差に近づくように前記交流電力の周波数を制御することを特徴とするプラズマ発生器。
【請求項３】
前記制御信号発生回路は、前記電力源から供給される直流電圧から所定の定電圧を出力するシリーズレギュレータと、前記シリーズレギュレータに並列に接続され、前記定電圧を分圧して前記制御信号を生成する第１および第２の抵抗と、を備え、
前記第１および第２の抵抗のいずれか一方は、抵抗値が変化可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電トランスを用いたプラズマ発生器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、幅広い分野において、低温プラズマ技術に対する関心が高まっている。例えば、材料の表面特性を改質する際に、この低温プラズマが用いられている。また、低温プラズマは、物質の表面や空気を清浄したり、滅菌したりする際にも利用できるため、医療分野や食品分野への応用も期待されている。【０００３】
上記の低温プラズマは、誘電体バリア放電を起こさせることにより発生させることができる。この誘電体バリア放電を起こさせるときには、圧電トランスが広く用いられている。特許文献１には、圧電トランスの入力側に交流電圧を印可し、その出力側に高電圧を生成して、その高電圧により誘電体バリア放電を発生させる技術が開示されている。さらに、この文献では、この誘電体バリア放電により発生したプラズマにより空気中の気体分子を電離させ、除電用イオンを発生させている。【０００４】
また、このようなプラズマ発生器やイオン発生器では、小型、軽量かつ携帯可能な製品の開発が求められている。また、低温プラズマは色々な用途に利用することができるため、その用途に応じてプラズマの発生量を調整できることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２９６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような要求により、小型、軽量かつ携帯可能な製品に適した圧電トランスの開発が行われている。しかしながら、その圧電トランスを用いたプラズマ発生器については十分な検討がなされていない。さらに、プラズマ発生器の潜在的な能力を活かすため、その用途に応じてプラズマの発生量を調整できるようなプラズマ発生器についても未だ十分に検討されていない。【０００７】
そこで、本発明は、上記のような要求を満たすため、簡易な構成でプラズマの発生量を調整することができるプラズマ発生器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記のような要求を満たすため、本発明に係るプラズマ発生器は、直流電力を出力する電力源と、前記電力源から出力される電圧と電流を検出する検出回路と、前記直流電力を交流電力に変換する駆動回路と、前記駆動回路から出力される前記交流電力の周波数を制御する制御回路と、前記制御回路に入力される制御信号を生成する制御信号発生回路と、前記交流電力が供給される圧電トランスと、を備え、前記制御回路は、前記検出回路により検出された電圧と電流に基づいて前記電力源から供給される電力を算出し、当該電力が前記制御信号に基づいて決定される目標電力に近づくように前記交流電力の周波数を制御することを特徴とする。【０００９】
また、本発明に係るプラズマ発生器は、直流電力を出力する電力源と、前記直流電力を交流電力に変換する駆動回路と、前記駆動回路から出力される前記交流電力の周波数を制御する制御回路と、前記制御回路に入力される制御信号を生成する制御信号発生回路と、前記交流電力が供給される圧電トランスと、を備え、前記制御回路は、前記圧電トランスに供給される交流電力の電圧と電流の位相差を検出し、当該位相差が前記制御信号に基づいて決定される目標位相差に近づくように前記交流電圧の周波数を制御することを特徴とする。【００１０】
上記のプラズマ発生器では、制御信号発生回路から出力される制御信号に基づいて、電力源から供給される電力の目標値、又は圧電トランスに供給される交流電力の電圧と電流の位相差の目標値が決定される。そして、プラズマの発生量はこれらの目標値に応じて変化するため、制御信号発生回路から出力される制御信号により、プラズマの発生量を制御することができる。【００１１】
前記制御信号発生回路は、前記電力源から供給される直流電圧から所定の定電圧を出力するシリーズレギュレータと、前記シリーズレギュレータに並列に接続され、前記定電圧を分圧して前記制御信号を生成する第１および第２の抵抗と、を備え、前記第１および第２の抵抗のいずれか一方は、抵抗値が変化可能に構成されていても構わない。これによれば、抵抗の抵抗値を調整することにより、制御回路に入力される制御信号を変化させることができる。したがって、使用者によってプラズマ発生器により発生するプラズマの発生量を簡便に調整することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のプラズマ発生器によれば、簡易な構成でプラズマの発生量を調整することができる。また、小型で安価なプラズマ発生器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマ発生器の回路構成を示したブロック図である。
【図２ａ】駆動回路の一例を示した説明図である。
【図２ｂ】駆動回路の一例を示した説明図である。
【図３】圧電トランスを示した説明図である。
【図４】圧電トランスの等価回路を示した回路図である。
【図５】第１の実施例を示した回路図である。
【図６】駆動周波数と圧電トランスの出力電圧の関係を示したグラフである。
【図７】図７は第２の実施例を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態で説明する内容により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において、同一要素または同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ発生器の回路構成を示すブロック図である。ここで、電力源１１は直流電力を出力する電源であり、電池等を用いることができる。駆動回路１２は、電力源１１から供給される直流電力を交流電力に変換する回路である。正弦化フィルタ１３は、駆動回路１２から供給される交流電圧の波形を正弦波に整形する回路である。圧電トランス１４は、交流電力を機械振動に変換し、更に、この機械振動を交流電力に変換することで電力伝送を行う素子である。制御回路１５は、駆動回路１２から出力される交流電力の周波数を制御する回路である。電圧検出回路１６は、駆動回路１２から出力される電圧の位相を検出する回路である。電流検出回路１７は、駆動回路１２から出力される電流の位相を検出する回路である。電圧検出回路１６により検出される電圧の位相と電流検出回路１７により検出される電流の位相との差である電圧と電流の位相差は制御回路１５により検出される。電源電圧検出回路１８は、電力源１１から出力される電圧の電圧値Ｖｉｎを検出する回路である。平均電流検出回路１９は、電力源１１から出力される電流の平均電流値Ｉｉｎを検出する回路である。制御信号発生回路１０は、制御回路１５に与える制御信号を生成する回路である。
【００１６】
駆動回路１２は、例えば、２つのスイッチング素子で構成された回路（図２ａ）、または４つのスイッチング素子で構成されたフルブリッジ回路（図２ｂ）を用いることができる。図２ａの回路では、スイッチング素子ＳＷ１がオンしたときにスイッチング素子ＳＷ２がオフし、スイッチング素子ＳＷ１がオフしたときにスイッチング素子ＳＷ２がオンする。図２ｂの回路では、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４が同時にオンしたときに、スイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ３が同時にオフする。そして、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４が同時にオフしたときに、スイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ３が同時にオンする。このようなスイッチング素子のオンオフにより、圧電トランス１４に交流電力が供給される。
【００１７】
圧電トランスは、例えば、図３に示したような圧電セラミック材料からなる直方体の素子であり、１次側電極部２１の部分に、積層構造の内部電極が形成されている。圧電セラミック材料として、チタン酸ジルコン酸鉛をベースとした圧電セラミック材料等を用いることができる。この圧電トランスは積層ローゼン型圧電トランスであり、１次側電極部２１に交流電圧を印加することにより、直方体の素子に弾性定在波が発生する。その結果、２次側端部２２に高電圧が発生し、誘電体バリア放電という放電現象を発生する。この放電現象により、イオン化（気体の電離）が続くかぎり、プラズマ発生が維持される。なお、２次側端部２２に放電電極を持たないタイプの圧電トランスでは、電荷が２次側端部２２の表面に集まり、強い電界が形成され、この電界により放電現象を発生する。
【００１８】
圧電トランスは、図４に示した等価回路に基づいた電気的特性を有する。この等価回路で、トランスＴ１の１次側には、トランスＴ１に対して直列にインダクタＬ１、コンデンサＣ２及び抵抗Ｒ１が接続されており、更に、トランスＴ１に対して並列にコンデンサＣ２が接続されている。トランスＴ１の２次側には、トランスＴ１に対して並列にコンデンサＣ３が接続されている。圧電トランスは、これらの回路素子により共振周波数が決定され、その共振周波数の交流電圧が１次側に印可されることにより、２次側に高電圧が発生する。
【００１９】
本発明の実施形態に係るプラズマ発生器は、制御回路１５が制御信号発生回路１０から与えられる制御信号に基づいてプラズマの発生量が調整されるように構成されている。従って、制御信号発生回路１０から出力される制御信号を変えることにより、プラズマの発生量を調整することができる。
【実施例１】
【００２０】
図５は第１実施例に係るプラズマ発生器の回路図である。このプラズマ発生器では、駆動回路が２つのトランジスタＱ１、Ｑ２により構成されている。正弦化フィルタは、インダクタＬ２及びコンデンサＣ４により構成されている。インダクタＬ２及びコンデンサＣ４により構成される共振回路の共振周波数は、トランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数、つまり、駆動回路から供給される交流電力の周波数（以下、駆動周波数と言う）に応じて設定される。なお、この共振回路の共振周波数は、圧電トランスの電気特性（例えば、コンデンサＣ２）の影響を受けるが、コンデンサＣ４の容量が圧電トランスに含まれるコンデンサＣ２よりも十分に大きければ、その影響を無視することができる。また、駆動周波数は、所定の範囲内で変化するように制御され、共振回路の共振周波数はその範囲内の周波数に設定されることが好ましい。【００２１】
制御信号発生回路は、シリーズレギュレータ３１及び抵抗Ｒ２、Ｒ３により構成されている。シリーズレギュレータ３１は、電力源１１から供給される直流電圧から所定の定電圧を生成する。シリーズレギュレータ３１から出力された定電圧は抵抗Ｒ２、Ｒ３により分圧され、その分圧電圧は、制御回路１５に入力される。制御回路１５に入力される分圧電圧は、抵抗Ｒ２又は抵抗Ｒ３の抵抗値を変化させることにより、変えることができる。本実施例に係るプラズマ発生器では、このプラズマ発生器の使用者が抵抗Ｒ３の抵抗値を変化させることができるように設定されている。従って、使用者が抵抗Ｒ３の抵抗値を調整することにより、制御回路１５に入力される分圧電圧の電圧値を所定の電圧値に設定することができる。この分圧電圧が制御回路１５に入力される制御信号Ｖｃｎｔに対応する。【００２２】
制御回路１５は、制御信号Ｖｃｎｔの電圧値に基づいて、目標電力Ｖｔ又は目標位相差θを決定する。つまり、制御信号Ｖｃｎｔの電圧値に基づいて、目標電力Ｗｔ又は目標位相差θが設定され、その設定値に近づくように駆動回路１２のスイッチング動作が制御される。目標電力Ｖｔが設定される場合、制御回路１５は、電源電圧検出回路１８により検出される電圧値Ｖｉｎと平均電流検出回路１９により検出される平均電流値Ｉｉｎに基づいて、電力源１１から供給されている電力を算出し、その電力値が目標電力Ｗｔに近づくように駆動周波数が制御される。目標位相差θｔが設定される場合、制御回路１５は、電圧検出回路１６により検出される電圧の位相と電流検出回路１７により検出される電流の位相との差である電圧と電流の位相差が目標位相差θｔに近づくように駆動周波数が制御される。【００２３】
図６は、駆動周波数ｆｄと圧電トランス１４の出力電圧Ｖｏの関係を示したグラフである。このグラフで、ｆ０が共振周波数に対応し、駆動周波数ｆｄがこの共振周波数と一致したときに、圧電トランス１４の出力電圧Ｖｏが最大になる。ここで、駆動周波数ｆｄを、共振周波数ｆ０に近づけていくと、圧電トランス１４の出力電圧Ｖｏは、駆動周波数ｆｄが共振周波数ｆ０に近づくにつれて上昇していく。また、圧電トランスに供給される交流電力の電圧と電流の位相差θは、駆動周波数ｆｄが共振周波数ｆ０に近づくにつれて小さくなっていく。例えば、駆動周波数ｆｄを共振周波数ｆ０より高い３つ周波数ｆ３、ｆ２、ｆ１（ｆ３＞ｆ２＞ｆ１）で切り替えていった場合、駆動周波数ｆｄがｆ３のときに圧電トランス１４の出力電圧Ｖｏが一番低くなり、圧電トランスに供給される交流電力の電圧と電流の位相差θは一番大きくなる。ここで、駆動周波数ｆｄをｆ３からｆ２に変化させると、圧電トランス１４の出力電圧Ｖｏが上昇し、圧電トランスに供給される交流電力の電圧と電流の位相差θは減少する。さらに、駆動周波数ｆｄをｆ２からｆ１に変化させると、圧電トランス１４の出力電圧Ｖｏが更に上昇し、圧電トランスに供給される交流電力の電圧と電流の位相差θは更に減少する。そして、駆動周波数ｆｄがｆ１のときに圧電トランス１４の出力電圧Ｖｏが一番高くなり、圧電トランスに供給される交流電力の電圧と電流の位相差θは一番小さくなる。【００２４】
図５に示したプラズマ発生器において、電源電圧検出回路１８により検出される電圧値Ｖｉｎと平均電流検出回路１９により検出される平均電流値Ｉｉｎに基づいて算出された電力値が目標電力Ｗｔより小さい場合、駆動周波数ｆｄが共振周波数ｆ０に近づくように駆動周波数ｆｄが制御される。反対に、算出された電力値が目標電力Ｗｔより大きい場合、駆動周波数ｆｄが共振周波数ｆ０から遠ざかるように駆動周波数ｆｄが制御される。また、電圧検出回路１６により検出される電圧の位相と電流検出回路１７により検出される電流の位相との差である電圧と電流の位相差が目標位相差θｔよりも大きい場合、駆動周波数ｆｄが共振周波数ｆ０に近づくように駆動周波数が制御される。反対に、電圧と電流の位相差が目標位相差θｔよりも小さい場合、駆動周波数ｆｄが共振周波数ｆ０から遠ざかるように駆動周波数が制御される。【００２５】
本実施例に係るプラズマ発生器では、使用者が抵抗Ｒ３の抵抗値を調整することにより、制御回路１５に入力される制御信号Ｖｃｎｔを変化させることができる。そして、このプラズマ発生器により発生するプラズマの発生量は制御信号Ｖｃｎｔに基づいて変化する。このような構成により、使用者は、プラズマ発生器により発生するプラズマの発生量を適宜調整することができる。
【実施例２】
【００２６】
図７は第２実施例に係るプラズマ発生器の回路図である。この回路では、トランジスタＱ１とインダクタＬ３の接続部と、トランジスタＱ２とインダクタＬ４の接続部から圧電トランス１４に交流電力が供給されるように構成されている。正弦化フィルタは、インダクタＬ３、Ｌ４とコンデンサＣ４で構成されている。電圧と電流の位相差は、圧電トランス１４の１次側の入力端子において検出している。【００２７】
第２実施例に係るプラズマ発生器の動作、及び制御回路１５による制御は、第１実施例に係るプラズマ発生器と同様であるが、トランジスタＱ１、Ｑ２がローサイド側に接続されてり、ハイサイド側のトランジスタがないため、トランジスタＱ１、Ｑ２をオンオフさせるための回路を比較的簡単に構成することができる。【００２８】
以上、本発明に係るプラズマ発生器の実施形態を説明したが、本発明は、上記で説明した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変更を加えることができる。また、本発明に係るプラズマ発生器は、誘電体バリア放電によって生じるプラズマだけを利用する製品に限定されるものではなく、誘電体バリア放電によって生じるイオンやオゾンを利用する製品を除外するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係るプラズマ発生器は、工業や医療分野における表面処理、洗浄、殺菌、消臭などの用途に利用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１０    制御信号発生回路
１１    電力源
１２    駆動回路
１３    正弦化フィルタ
１４    圧電トランス
１５    制御回路
１６    電圧検出回路
１７    電流検出回路
１８    電源電圧検出回路
１９    平均電流検出回路
【図１】
2018101126.tif 000003
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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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【国際調査報告】
2018101126.tif 000011
2018101126.tif 000012
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