(高周波整合調整器)
 高周波整合調整器は、高周波電源などの高� ��波発生装置とコイルなどの負荷装置との間� ��整合(マッチング)をとる、或いは、整合を� �らす装置である。高周波整合調整器は、高� �波発生装置と負荷装置との間で整合させる� �周波整合器として使用できる。或いは、高� �波整合調整器は、意図的に整合をずらせる� �置として使用できる。

 なお、本発明者は、高周波発生装置と負� ��装置の整合を調整する高周波整合調整器に� ��いて、電気部品の絶縁のための絶縁体やそ� ��を固定するためのネジを使用し、高出力の� ��周波を印加すると、絶縁体やネジなど僅か� ��突起があると誘導加熱され、高周波整合調� ��器内に予期しない放電が生じ、絶縁体の絶� ��破壊や破損の原因となることを見出した。� ��の放電を防ぐためには、筐体を大きく設計� ��て絶縁距離を確保したり、SF6などの絶縁ガ� ��を封入したり、外部から気流を導入するな� ��の絶縁対策が必要であった。また、このよ� ��な高周波整合調整器は、高周波の周波数を� ��げることも困難であった。そこで、本発明� ��は、高周波整合調整器内の電気部品の支持� ��絶縁体やネジを使用せず、配線材よって電� ��部品の支持、冷却、高い電気伝導性が同時� ��得られる高周波整合調整器を創作した。

 図1は、高周波整合調整器の例を示してい る。高周波整合調整器10は、筐体18、整合調� �回路100などを備えている。整合調整回路100� �、キャパシタ(C)、リアクタ(L)、抵抗(R)など� �電気部品12、これらの端子と電気的に接続す る配線材16などを備えている。なお、整合調� ��回路100は、電気部品12a、12bの特性を調整し� ��、高周波発生装置20と負荷装置14との間で整 合(マッチング)をとる回路、或いは、整合(マ ッチング)をずらす回路である。配線材16は、 電気部品12を筐体18から浮かせて支持する。� �線材16は、高い電気伝導性を有する共に、可 変の真空コンデンサなどの重い電気部品12を� ��持するために強い強度を有し、支持可能な� ��線材となる。更に、配線材16は、高周波整� �調整器10が高温になる場合、冷却機能を有す ることが望ましい。なお、電気部品12を筐体1 8から浮かせて支持するとは、電気部品12を支 持するための絶縁体やネジなどの支持用材料 を用いることなく、電気部品12に電力を供給� ��る配線材16で電気部品12を筐体18から離間し� ��空間中に浮かせて保持することである。高� ��波整合調整器10は、例えば、プラズマ発生� �高圧装置、高圧放電装置、X線&ガンマ線� �生装置、インバータ式電力モータ装置、イ� �バータ式電圧照明装置用電源、大出力スピ� �カの出力駆動電源部など広範囲な高電圧・� �周波用装置に使用できる。

 図2は、整合調整回路100に電気部品12を使� ��した高周波整合調整器10の例を示している� �図2(A)は、高周波整合調整器10の平面図であ� �。図2(B)は、図2(A)のB-Bの破線より矢印方向に 見た側面図である。図2(C)は、図2(A)のC-Cの破� ��より矢印方向に見た側面図である。図2(D)は 、図2(A)のD-Dの破線より矢印方向に見た側面� �である。高周波整合調整器10は、筐体18内に2 個の電気部品12、例えばキャパシタを有して� ��る。電気部品12がキャパシタの場合、調整� �ジ120を備え、キャパシタの容量を調整する� �とができる。

 キャパシタは、例えば、(a)可変真空コン� ��ンサであり、Jennings社製真空コンデンサのCV DD-300-15S10-300pF、9kV、85A、1.4kg、又は、(b)コメ� ��ト社製真空コンデンサのCV1C-500WN、12-500pF、9 kV、80A、1.6kg、又は、(c)明電舎製真空コンデ� �サのV-155T、70-500pF、9kV、80A、1.0kgなどを使用� ��る。高周波発生装置は、例えば、(a)パール� ��業(株)製のRP-5000J、13~41MHz、5kW、又は、(b)Henr y製の2000D、27.12MHz、2.5kW、又は、(c)日本電子(� ��)製のRF-12030、13.56MHz、3kW、又は、(d)電気興� �(株)製のSLF-1、13.56MHz、1kWなどを使用する。

 筐体18は、高周波整合調整器10の高電圧又 高周波からの危険を防止するものである。筐 体18は、例えば、高周波整合調整器10の入れ� �、衝立状、容器状など危険を防止する種々� �形状を取ることができる。筐体18は、高周波 の漏れ防止、高電圧の危険防止など、シール ドケースとしても利用することができる。シ ールドケースとして利用する場合、筐体18は� ��伝導性の金属材で形成すると良い。

 電気部品12は、配線材16により筐体18内に� ��かせて支持される。この構成により、電気� ��品12は、筐体18との絶縁のためのポリエチレ ン、テフロン(登録商標)、セラミックスなど� ��絶縁体で支持することを回避できる。配線� ��16は、電気部品12を支持できる強度を必要と する。高周波整合調整器10は、上記構成を取� ��ことにより、高い周波特性と大電力を得る� ��とができる。もし、高周波整合調整器10の� �体18内に上記絶縁体を配置した場合、それら の絶縁体が加熱して変形し、信頼性が低下し 、放電が生じ、又は、絶縁体の絶縁破壊や破 損が生じる恐れがある。この高周波整合調整 器10は、保持用の絶縁体を配置する必要がな� ��ため、絶縁体が加熱して変形し、信頼性が� ��下し、放電が生じ、又は、絶縁体の絶縁破� ��や破損が生じるような高い周波特性と大電� ��に対しても適用できる整合調整回路18を備� �ることができる。配線材16のみで電気部品12� ��保持するので、配線材16が重くなると、そ� �荷重に耐えられる配線材16を使用する。この ような絶縁体の加熱などの問題は、例えば、 数10kHzから数100MHzの周波数で数100Vから数100kV� ��数Aから数100Aの電力で生じ易い。

 配線材16は、可能な限り接続個所や部品� �数を減らすために、例えば、一枚板の金属� �ら作製され、又は、切り出しにより作製さ� �る。更に、配線材16は、高電気伝導率を得る ために、銅や銀などの金属を使用し、必要に 応じて金メッキや銀メッキを施す。更に、配 線材16は、パイプの配線材、冷却水など冷却� ��体が流れる空間を有する銅板などの板状の� ��線材、内部にパイプを埋め込んだ配線材な� ��の構造を取り、加熱を防止するとよい。

 図3は、図2の高周波整合調整器10において 、コネクタ182を使用した例を示している。図 3(A)は、高周波整合調整器10の平面図である。 図3(B)は、図3(A)のB-Bの破線より矢印方向に見� ��側面図である。図3(C)は、図3(A)のC-Cの破線� �り矢印方向に見た側面図である。コネクタ18 2は、筐体18に固定され、高周波発生装置20と� ��気部品12とを電気的に接続するものである� �また、コネクタ182は、電気部品12を保持する 基点となる個所であり、筐体18に強固に固定� ��れる。配線材16aは、コネクタ182に固定され� ��。なお、高周波発生装置20の高周波ケーブ� �200を使用する場合、コネクタ182は、高周波� �ーブル200に接続される。

 図2と図3において、第1の電気部品12aの他� ��端子には、配線材16bが接続される。配線材1 6bの他の端子は、接地(アース)として作用す� �筐体18に電気的に接続され、固定される。配 線材16bは、第1電気部品12aの支持材としても� �用できる。配線材16bにより第1電気部品12aを� ��分に支持できれば、支持材の機能を持たせ� ��いで単に電気的な配線材としてもよい。配� ��材16bは、高温になる場合、配線材16aと同様� ��、冷却機能を持たせるとよい。

 第2の電気部品12bの他の端子は、出力端子 として利用され、負荷装置14に接続される。� ��気部品12bの他の端子は、負荷装置14に直結� �ても、又は、配線材16cを介して負荷装置14に 接続しても良い。負荷装置14に直結する場合� ��も、負荷装置14の引き出し線が、配線材16c� �機能を有することになる。配線材16cは、負� �装置14に電力や信号を供給するために、高電 気伝導性を持たせ、更に、負荷装置14を支持� ��、又は、自身を冷却するために、配線材16a� ��同様に支持用で冷却可能な構造を持たせる� ��良い。配線材16cは、負荷装置14が軽い場合� �又は負荷装置14が別の個所で固定され、支持 力を必要としない場合、支持材の機能を持た せないで単に電気的な配線材としてもよい。 負荷装置14を筐体18外に配置する場合、配線� �16cは、筐体18に窓180aを設け、その窓180aを通� ��必要がある。その場合、筐体18と配線材16c� �で放電が生じないように、窓180aを大きくし� ��、筐体18と配線材16c間の距離を十分にとる� �要がある。また、図2において、配線材16aは� ��筐体18に窓180bを設け、その窓180bを通す必要 がある。その場合、筐体18と配線材16a間で放� ��が生じないように、窓180bを大きくして、筐 体18と配線材16a間の距離を十分にとる必要が� ��る。

 負荷装置14は、コイルなど高周波電流が� �給される電気回路である。負荷装置14の他の 端子は、筐体18に直結しても、又は、配線材1 6dを介して筐体18に接続してもよい。配線材16 dは、負荷装置14の支持材としても利用できる が、負荷装置14が他の手段で十分に支持され� ��いれば、支持材の機能を持たせないで単に� ��気的な配線材としてもよい。配線材16dは、� ��温になる場合、配線材16aと同様に、冷却で� ��る構造にするとよい。

 図4は、電気部品12と配線材16とコネクト18 2とを一体に形成した構造を示している。図4( B)は、図4(A)を上方から見た図である。図4に� �いて、1つの部品を除いて一体に形成する例� ��電気部品12と配線材16とを一体構造に形成し 、又は配線材16とコネクト182とを一体構造に� ��成し、又は電気部品12とコネクト182とを一� �構造に形成してもよい。コネクト182は、筐� �に固定され、電気部品12の接続されていない 端子は、配線材に接続される。

 配線材16は、例えば、厚さ10mm、幅44mm、長 さ130mmの銅板が使用される。銅板に窪みを形� ��して、窪み内に水冷パイプを配置する。コ� ��クト182は、筐体18の側面の開口部に取り付� �られ、ポリエチレン、テフロン(登録商標)、 セラミックスなどの絶縁体で形成される。コ ネクト182は、配線材16と筐体とを強固に固定� ��る。

 図5は、図2の電気部品12aの配置を変えた� �周波整合調整器10を示している。図4の配置� �場合、電気部品12aと12bとの接続端子間を接� �でき、しかも、電気部品12aと12bの他の接続� �子を配線材16aに対して反対側に配置するの� �、電気部品12aと12bの他の接続端子間の間隔� �長くできる。その結果、配線材16aの長さを� �縮でき、電圧降下を小さくできるので、高� �波整合調整器10内で発生する電圧を低下する ことができると共に、筐体18を小型化するこ� ��ができる。

 図6は、図2の負荷装置14としてコイル140を 使用した高周波整合調整器10を示している。� ��イル140を負荷装置14として使用する場合、� �2の配線材16cと16dは、コイル140の一部を使用� ��ることができる。コイル140は、例えばプラ� ��マ発生装置のコイルとして使用することが� ��きる。コイル140は、用途に応じて筐体18の� �部又は外部に配置される。

 図7は、図6において、電気部品12a、12bに� �ャパシタを使用した高周波整合調整器10の等 価回路を示している。図7(A)は、図6の等価回� ��を示し、図7(B)は、ほぼ同様の機能をする他 の整合調整回路を示している。このように、 高周波整合調整器10は、用途に応じて種々の� ��路構成や電気部品の配置を取ることができ� ��。

 図8は、高周波整合調整器10の冷却方法を� ��している。図8(A)は、1本の冷却経路で図1の� ��周波整合調整器10を冷却する構造を示して� �る。図8(B)は、蓋184付きの箱状の筐体18を使� �し、筐体18の内部を冷気で冷却するために、 筐体18の上面を冷却する構造を示している。� ��8(A)では、配線材16の内部に冷却液などの媒� ��が流れる配管を備えている。冷却管22aは、� ��線材16aの配管に接続され、冷却管22bは、配� ��材16aと16bの配管に接続され、冷却管22cは、� ��線材16bと16cの配管に接続され、冷却管22dは� ��配線材16cと16dの配管に接続され、負荷装置1 4を冷却し、冷却管22eは、16dの配管に接続さ� �ている。冷却管16は、接続する両端の電気部 品の端子の電位差により、材質や長さを決め る必要がある。冷却管16の両端の電位差が大� ��い場合、絶縁性を高める必要があり、絶縁� ��の高い材質で長く形成する必要がある。冷� ��管16の両端に電位差がない場合、高伝導性� �材料で短く形成すると良い。高周波整合調� �器10の冷却方法は、用途に応じて、冷却経路 を複数にしてもよい。負荷装置14がコイル140� ��場合、コイル140を中空パイプで形成し、パ� ��プ内に冷却媒体を流して、冷却すると良い� ��

 図8(B)は、筐体18の蓋184を冷却する例を示� ��ている。冷却管22を蓋184の内部又は外部に� �り付け、蓋184を冷却する。蓋184の内壁には� �多数の放熱フィン220を取り付ける。これに� �り、筐体18内の気体は、多数の放熱フィン220 、220、・・・で冷却され、冷気が静かに下降 し、筐体18内の気体の乱れを少なくでき、高� ��波整合調整器10を冷却できる。

(プラズマ発生装置)
 図9は、図6のような高周波整合調整器10を用 いたプラズマ発生装置30の例を示している。� ��ラズマ発生装置30は、プラズマ34を発生する プラズマ発生室32を備えている。プラズマ発� ��室32の周囲にコイル140が配置される。プラ� �マ発生室32には、配管を介して、プラズマガ ス36、又は、サポートガス40が導入される。� �体噴射装置42は、ネブライザとして作用し、 プラズマ発生室32に試料44を導入する。高周� �発生装置20は、高周波整合調整器10を介して� ��周波をコイル140に供給する。プラズマ発生� ��32内のプラズマガス36はプラズマ状態になる 。その際、プラズマ発生室32は、冷却ガス38� �より冷却される。プラズマ発生装置30で使用 する高周波整合調整器10は、例えば、数MHzか� ��数10MHzの周波数で数10Vから数kV、数10Aから数 100Aの電力が印加される。

(高周波整合調整器の特徴)
 プラズマ発生装置に適用した高周波整合調� ��器10は、以下のように構成することができ� �。(1)電気部品12の支持には、絶縁体を使用せ ず、銅や銀などの電気伝導度の高い金属の配 線材16を用いる。(2)配線材16は、可能なかぎ� �接続部(部品点数)を減らし、一枚板より、又 は、削り出しにより製作する。(3)コネクタ182 を使用する場合、配線材16aと一体化する。(4) これらの配線材16は、パイプまたは中空の板� ��形成し、内部には冷却水などの冷却媒体を� ��すとよい。(5)整合調整回路100の接地部と筐� ��18を一体化する。又は、アルミなどの強度� �ある筐体18の内側に銅などの電極を大面積で 接着する。この構成により、回路の電気抵抗 及びインダクタンスを減少し、発熱を減らす ことができる。及び、この構成により、内部 の熱が放散しやすくなり、内部温度を低下で きる。(6)電気部品12同士、例えばコンデンサ� ��ロードコイル(負荷)140を直接接続する。そ� �結果、コンデンサの電圧が下がるため、高� �力化が可能となる。又は、耐圧の低いコン� �ンサが使用可能となり、かつ筐体18の体積を 小さくでき、更に、インダクタンスを低減で き、より高い周波数も使用可能となる。(7)配 線材16は、冷却と支持と電気伝導を同時に満� ��することができる。(8)電気部品12aの低電圧� ��を配線材16bで筐体18と熱結合をさせること� �より、冷却高利率を向上できる。(9)冷却媒� �を筐体18の上方の蓋に流し、放熱フィン220を 冷却して、筐体18内に冷気の対流を発生させ� ��放熱ファンを使わずに、有効な冷却が可能� ��なる。

 上記実施の形態により、以下のような効� ��を得ることができる。(1)印加できる高周波� ��出力を数倍に増大できる。(2)印加できる高� ��波の周波数を数倍に向上できる。(3)高周波� ��合調整器10の筐体18の体積を数十分の一に減 少できる。(4)コンデンサなど電子部品12の寿� ��を延ばすことができる。(5)高周波整合調整� ��10、特に電気部品12の発熱による整合ポイン トのずれを低減できる。(6)支持用の絶縁材や ネジによる発熱がなくなるので、電力使用効 率を向上できる。(7)絶縁ガスや冷却ファンを 使わないので、クリーンルームなどでの使用 に有利となる。

 即ち、上記実施の形態により、放電破壊の� ��因となる電気部品12の支持用部材、例えば� �縁体やネジなどを使用しない構造とする。� �体的には、金属製(銅や銀などの電気伝導度� ��高いもの)の高周波配線自身によって各電気 部品12を連続的に接続するとともに、支持す� ��ことができる。また、高周波ケーブル200の� ��続に用いるコネクタ182も配線と一体成型と� ��る。これによって絶縁体や電気伝導度の低� ��ネジなどの金属(鉄や真ちゅうなど)からの� �熱等を原因とする放電は生じなくなり、高� �波整合調整器10の高出力化が実現できる。ま た、金属を使用するため、冷却の効果が増大 し、高周波整合調整器10の特性の熱変化が低� ��され、動作の安定性が向上する。