JPS63262458A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は電源装置に係り、特に、負荷の状態を検出し
て負荷に注入されるエネルギを即座に制限することがで
きる直流電源装置に関する。

「従来の技術」 従来の直流電界を場にあたえてイオンを移動加速させる
イオンブレーティング装置は第４図に示すような構成で
あり、直流電界を場に与えるための直流電源装置が必要
である。

すなわち、この図において」は真空槽でありアースされ
ている。

この真空槽ｌの、図面上左端、側面部ＩＬにはチタンタ
ーゲツト板収納部２が形成されている。該収納部２には
チタンターゲツト板３が収納されている。チタンターゲ
ツト板３の一方の面３ａには電極棒４が固定接続されて
おり、該電極棒４の左端部が上記真空１１２１に対して
絶縁された状態で真空槽外部に突出している。

さらに、上記真空槽ｌの左端側面部ＩＬには穴５が形成
されており、アークスタート用電極６がＸ、Ｙ方向に摺
動可能に、電気的に接続された状態で取り付けられてい
る。。

７は第１のＤＣ電源である。このＤＣ電源のマイナス側
は上記型・柵棒４に接続され、一方プラス側は上記真空
槽Ｉに接続されており、このＤＣ電源により上記電極棒
４、および上記チタンターゲツト板３はアースに対しマ
イナスにバイアスされる。

８は第２のＤＣ電源である。このＤＣＩＩ源８のプラス
側は真空槽ｌに接続される一方、マイナス側は真空槽１
に対し真空状態を維持した状態でゆっくり回動する回動
シャフト９に接続されている。

この回動シャフト９は真空槽ｌの内部に突出しており、
突出部９ａにはサブストレート１１（被コーテイング材
）が取り付けられている。

そして、該サブストレート１１は上記回転シャフト９に
電気的には接続された状態にある。

イオンブレーティング装置は上述したような構成であり
、アークスタート用電極６の先端部６ａを一度チタンタ
ーゲット板面３ｂに接触させ、然る後、引き離しアーク
をスタートさせる。アークスタート用電極６をさらに引
き離すと、発生したアークの陽極側は引き離されたアー
クスタート用電極６よりも近くにある真空槽１に移動し
、持続する。アークの陰極側終端は電流の絞り作用のた
め、スポット状となりチタンターゲット板面３ｂ上をラ
ンダムに移動する。

この陰極スポットは電子衝突により発熱しチタンを溶解
蒸発させる。

このようなアーク式のイオンブレーティング装置の利点
は低圧大電流であり、この大電子密度のため気化したチ
タン原子は直ちに電子の衝突をうけ、てイオン化する。

この陽イオン化したチタン原子は第２のＤＣ電源８によ
り印加されている負電圧によりサブストレートＩＩに吸
い寄せられる結果、ザブストレートはイオンブレーティ
ングされる。

このイオンブレーティング装置に用いられる上記第２の
ＤＣ電源８の構成は第６図に示す構成である。

すなわち、第６図に示すＤＣ電源は制御回路を具備した
ＡＣ／ＤＣ変換器１２、該変換器１２の出力するリップ
ルを含む直流電圧を平滑するための、ＬＰ、ＣＦにより
構成された平滑フィルタ１４、該フィルタ１４の出力端
子電圧（負荷電圧）を検出するための抵抗１５ａ（抵抗
値Ｒ，）、１５ｂ（抵抗値Ｒ１）よりなる分圧回路によ
り構成された出力端子電圧検出回路１５等とから構成さ
れている。

上記ＡＣ／ＤＣ変換回路１２の具備する制御回路は上記
出力端子電圧とあらかじめ設定された基準電圧との差に
応じた制御信号を出力し、ＡＣ／ＤＣ変換器１２の出力
する直流電圧を制御するものである。このＡ　Ｃ／Ｄ　
Ｃ変換器１２はたとえば第７図、第８図に示すような構
成である。

すなわち、第７図に示すＡ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器１７は、
交流入力電圧Ｖｉｎを整流するためのダイオードブリッ
ジ１６ａと、該ブリッジ１６ａにより整流された直流電
圧をさらに交流に変換するだめのトランジスタブリッジ
１６ｂ、該ブリッジ＋６ｂの出力電圧を昇圧するための
昇圧トランス１６ｃ、該トランス１６ｃにより昇圧され
た出力を再度整流する第２のダイオードブリッジ回路１
６ｄとから構成されるＤ　Ｃ／Ｄ　Ｃコンバータ、検出
回路１５の出力信号の大きさと、基準電圧設定手段１６
「によりあらかじめ設定された基準電圧Ｖｒｅｒとの差
を演算し、この演算結果をもとに上記ブリッジ１６ｂを
構成する各々のトランジスタをＰＷＭ信号によりオン／
オフ制御する制御回路１６ｅとから成る。

また、第８図に示すＡ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器１８は、交流
入力電圧を昇圧するための昇圧トランス１９、該昇圧ト
ランス１９の出力を整流するためのザイリスタブリッジ
２０、該ブリッジ２０を構成する各々のザイリスタを位
相制御する位相制御回路（図示略）等からなる。

上述した、ＡＣ／ＤＣ変換器１７．１８では検出回路１
５の出力信号の大きさと基準電圧Ｖ　ｒｅｒとの差をも
とに直流出力電圧が制御されるのであるが、制御される
際の過渡状態においては遅れが存在する。

「発明が解決しようとする問題点」 ところで、上述した従来のイオンブレーティング装置に
はつぎに述べるような問題点が存在した。

上記した第２のＤＣ電源８により、上記チタンターゲツ
ト板３とサブストレート１にとの間に与えられる電界は
せブストレートの表面の凹凸、電源の変動等により不平
等電界となりやすく、この不平等電界中では第５図（ロ
）に示すよう１こ一部分にエネルギが集中し、その結果
アークが発生し、このアークがサブストレートに傷を付
けることになる。この傷はイオンブレーティングされ１
サブストレートの商品価値を低下さけることになる。

この問題を排除するためには、（ａ）アーク発生をあら
かじめ防止するか、あるいは（ｂ）発生してしまったア
ークを即座に遮断するような手段がこうじられている。

曲者（ａ）では、たとえば電界をあたえる上記第２のＤ
Ｃ電源の直流電圧を下げ、アーク発生の確立を小さくす
ることであり、後者（ｂ）では、第７図、第８図に示す
ように、アーク発生に伴う負荷電圧すなわち出力端子電
圧の低下あるいは負荷電流の急増を検出して、Ａ　Ｃ／
Ｄ　Ｃ変換器１７．１９を停止させ、あるいは出力電圧
を制御することにより不平等電界を取り除き、発生した
アークを消去する。

しかし、上述した前者（ａ）の手段によると、アークが
発生ずればもはや打つ手はなく、後者（ｂ）の手段によ
ると、平滑フィルタ１４に蓄えられているエネルギはア
ーク発生部分に集中注入され、たとえば第７図に示すＤ
Ｃ／ＤＣコンバータを含むＡＣ／ＤＣ変換器１７におい
て変換周波数を１００ＫＨｚとしても、１００ＯＶ、２
ＯＡの負荷時にはフィルタ１４に蓄積されているエネル
ギは数百ミリ−数ジュールであり、このエネルギが注入
されることによってもサブストレート表面に傷が生ずる
。

しかし、この注入されるエネルギが数十ミリから数百ミ
リジュール程度であればサブストレートの傷は非常に軽
微なもの、あるいは傷が発生することはなくなる。

第７図に示したＤＣ／ＤＣコンバータを含むＡＣ／ＤＣ
変換器１７おいて変換周波数をあげればフィルタ！４に
蓄積されるエネルギは小さくなるが、数十ミリジュール
程度に低減させるには数Ｍ〜数十Ｍ　ＨＺのＤ　Ｃ／Ｄ
　Ｃコンバータが必要となり、このようなコンバータを
製作するのは困難であり現実的でない。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、本発
明は負荷の状態を検出して負荷に注入されるエネルギを
即座に抑制することにより、負荷に注入されるエネルギ
を制限することのできる直流電源装置を提供することを
目的としている。

「問題点を解決するための手段」 この発明は、端子に接続される負荷に直流電圧を印加す
る直流電源装置において、上記負荷の状態を検出する検
出手段と、該検出手段の出力する検出信号をもとに上記
負荷があらかじめ定められた状態にあるか否かを識別す
る識別手段と、上記負荷に直列に接続されて、上記識別
手段の出力する識別信号をもとに上記負荷に供給される
エネルギーを抑制する抑制手段とを具備することを特徴
とした直流電源装置により上記問題点を解決する。

「作用」 この発明によれば、検出手段により負荷の状態を検出し
、この検出手段の出力する検出信号をもとに負荷の状態
を識別する。そして、識別した結果として出力される識
別信号により、負荷に注入されるエネルギを抑制する負
荷に直列に接続された抑制手段を動作させる。このため
、負荷の状態が変化した場合であっても、該変化にすば
やく電源側が対応することができる。

「実施例」 以下、図面を参照し、この発明の実施例について説明す
る。

第１図はこの発明の一実施例の構成を示す電気回路図で
ある。この図において第７図と同一な部分については同
一の番号を付し説明を省略する。

まず、１００はコンパレータである。このコンパレータ
１００の反転入力端子１００ａには上述した出力端子電
圧検出回路Ｉ５により検出された負荷電圧Ｖｏに比例し
たＶｏ・Ｒｔ／（Ｒ＋＋Ｒｔ）なる電圧信号■。が加え
られている。ｌＯｌはアーク判定電圧発生回路であり、
抵抗１０１ａ（抵抗値ｒｔ）、抵抗１０１ｂ（抵抗値ｒ
ｔ）がシリーズに接続され、一定電圧＋Ｖｃを分圧し、
抵抗１０１ａと抵抗１０１ｂとの接続煮より＋Ｖ　ｃ−
ｒｔ／　（ｒ＋　＋　ｒｔ）なる判定電圧値Ｖ　ｄｅｔ
を取り出している。そしてこの判定電圧Ｖ　ｄｅｔはコ
ンパレータ１００の正転入力端子１００ｂに加えられて
いる。

この結果、コンパレータ１００はυ。＜Ｖｄｅｔの場合
にＩ（アクティブのパルス信号ＳＰ、を出力する。また
、υ。＞　Ｖ　ｄｅｔの場合にはコンパレータ１００の
出力はＬレベルである。

１０２は上記コンパレータ１００の反転入力端子１００
ｂをアースに落とすためのスイッチである。このスイッ
チ１０２は後述するパルス信号ＳＰ、によりオン／オフ
するように構成されているソリッドステートリレー接点
、あるいはアナログスイッチである。

＋０３はモノステーブルマルチバイブレータ、いわゆる
ワンショット回路であり、上記パルス信号Ｓ　Ｐ　＋の
立ち上がりエツジによりトリガーされて一定パルス幅Ｔ
のパルス信号ＳＰ２を出力する。

１０４は上記同様のモノステーブルマルチバイブレーク
であり、パルス信号ＳＰ３を出力するのであるが、上記
モノステーブルマルチバイブレーク！０３と異なる点は
、出力されるパルス信号ＳＰ３のパルス幅がｔ３であり
、該パルス幅ｔ３は上記パルス信号Ｓ　Ｐ　ｔのパルス
幅′ｒよりも小さいことである。１０５は後述する接点
１０６のドライバーである。このドライバー１０５は、
上記信号ＳＰ、に一致したパルス信号Ｓ　Ｐ　４を出力
し、該信号ＳＰ４により接点１０６をオン／オフする。

１０６は負荷りに直列に接続されたソリッドステートリ
レー接点である。

１０７は電流制限用のりアクドルであり、アークが発生
することにより、負荷に流れ込む負荷電流の上昇をおさ
える目的で上記フィルタと負荷との間に挿入される。

１０９はＡＣ／ＤＣ変換器である。この変換器１０９の
構成は第７図で述べた変換器１７と類似の構成であり、
ダイオードブリッジ１６ａ、１６ｄ。

トランジスタブリッジ１６ｂ、昇圧トランス１６ｃを具
備している点は同一であるが、トランジスタブリッジ１
６ｂを制御するための制御回路（図示路）の構成が異な
る。すなわち、この変換器１０９が具備する制御回路は
第７図の変換器の制御回路の機能に加えて、モノステー
ブルマルチ；（イブレータ１０４の出力するＨアクティ
ブの信号Ｓ　Ｐ　３を受けると、該信号ＳＦ５受けてい
る間、ブリッジ１６ｂを構成する各々のトランジスタを
オフにしてＡＣ／ＤＣ変換器としての動作を停止させる
機能を有する。１１０は上記ソリッドステートリレー接
点１０６に並列に接続された抵抗である。

次に、本実施例の動作について第１図を参照して説明す
る。

第１図に示した直流電源装置を第２のＤＣ電源とする、
第４図に示したイオンブレーティング装置により、サブ
ストレート１１に対しイオンブレーティングが行なわれ
ている。

いま、何等かの理由、たとえばザブストレートの表面の
凹凸、電源の変動等により電界に第５図（ロ）に示すよ
うな歪が発生して、タゲット材ＩＩの表面の一部にエネ
ルギが集中してアークが発生する。この結果、負荷電圧
（出力端子電圧）ＶＯは約１１５程度に降下し負荷電流
は上昇する。しかし、リアクトル１０７により負荷電流
の急激な変化は緩和されることになる。

この降下する負荷電圧は検出回路１５により検出されて
、コンパレータｌＯＯの反転入力端子１００ａに電圧信
号！。とじてくわえられる。一方、反転入力端子１００
ｂには判定電圧Ｖ　ｄｅｔが加えられているので、アー
クが発生しυ。＜　Ｖ　ｄｅＬの条件を満足した時点で
、コンパレータｌＯＯはトｌアクティグの信号Ｓ　Ｐ　
ｔを出力する。

モノステーブルマルチバイブレーク１０４および１０３
は信号ＳＰｌの立ち上がりエツジにタイミングを合わせ
て各々パルス幅Ｔおよびｔ、のパルス信号Ｓ　Ｐ　ｓ、
ＳＰ、を出力する。

パルス信号ＳＰ３はドライバー１０５およびＡＣ／ＤＣ
弯換器１０９に加えられる。

ドライバー１０５は信号ＳＰ、を受けると信号ＳＰ、を
出力して、これにより接点１０６をオフとする。一方Ａ
　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器１０９は動作を停止する。このアー
クが発生してから接点１０６がオフとなるまでに要する
時間はｔｌである。接点１０６がオフとなりＡ　Ｃ／Ｄ
　Ｃ変換器１０９が動作を停止する結果、フィルタ！４
に蓄積されているエネルギは抵抗１１０により大部分が
消費され、負荷に注入されるエネルギが小さくなり時間
ｔ、後アークは消失する。

接点１０６がオフとなっている時間およびＡＣ／ＤＣ変
換器１０９が停止している時間はｔ、であり、この時間
ｔ、はスイッチオフ後アークが消失するまでの時間ｔ、
より大に選ばれている。時間【、が経過した時点でＡ　
Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器１０９は再起動されるとともに、接点
！０６はオンの状態となる。

したがって付加電圧Ｖ０は上昇する。

一方、パルス信号ＳＰ、はスイッチ１０２を時間Ｔにわ
たってオンとしており、判定電圧Ｖ　ｄｅｔはこのため
グランドレベルとなっている。コンパレータ１００の出
力は最初Ｈレベルに立ち上がった後、再度Ｌレベルに落
ちる。これは、モノステーブルマルチバイブレーク＋０
３の出力するパルス信号Ｓ　Ｐ　ｔのパルス幅Ｔが、モ
ノステーブルマルチバイブレーク１０４が出力するパル
ス信号ＳＰ３のパルス幅ｔ、に比べて大に設定されてい
るためで、モノステーブルマルチバイブレーク１０３は
、この時間ｔ、経過の時点でも信号ＳＰ！を出力してお
り、スイッチ！０２はオンの状態を維持している。時間
Ｔが経過する間に負荷電圧ｖ０は上昇して少なくとも判
定電圧Ｖ　ｄｅｔより大、あるいは定常状態になってい
るため（υ。＞　Ｖ　ｄｅｔ）、時間Ｔ経過の時点でス
イッチ１０２がオフとなっても、コンパレータ１００は
Ｈアクティブの信号ＳＰ１を出力することはない。

この時間Ｔ経過後再度アーク発生により負荷電圧が低下
すると、上述した動作が繰り返される。

アーク発生から再電圧印加までの時間（ｔ＋＋ｔｓ）は
再アークしないような十分な時間であり、通常数ｍ５ｅ
ｃ程度である。

なお、本実施例では接点１０６はソリッドステートリレ
ー接点を用いたのであるが、その他の半導体スイッチ素
子でも同様である。ただしトランジスタのように逆阻止
能力のない半導体スイッチを用いる場合、トランジスタ
保護のためにコレクタ回路に直列にダイオードを挿入す
るか、あるいはコレクタ、エミッタ間に逆並列にダイオ
ードを接続する必要がある。

以上説明したように、この実施例によれば、負。

荷に直列に接続された抑制手段により、アーク発生箇所
に注入されるエネルギが数十ミリジュールに制限され、
アーク発生箇所にエネルギが集中することにより生じる
サブストレートの傷の発生を防止もしくは軽微なものと
する事ができる。

さらにまた、本実施例ではアーク発生による出力端子電
圧（負荷電圧）の低下を検出したが、他の実施例として
、第２図に示すようにアーク発生によって負荷に流れる
電流の絶対値を、電流検出手段、たとえば変流器ＣＴ、
あるいはＣＴ、、ホール素子等により検出し、その電流
の絶対値に対応する値が任意に定めた判定値１　ｄｅｔ
を超過したことをもってアーク発生を検出するようにし
てもよい。

この場合の変流器ＣＴ、あるいはＣＴ、の出力波形を第
３図に示す。

「発明の効果」 この発明によれば、負荷の状態を検出して負荷に注入さ
れるエネルギを即座に抑制することにより、負荷に注入
されるエネルギを制限することができるので、負荷変動
により生ずる障害を速やかに回避することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にがかる一実施例である直流電源装置
の電気回路の構成を示す図、第２図は他の実施例である
直流電源装置の電気回路の構成を示す図、第３図は第２
図における直流電源装置の変流器ＣＴの出力波形を示す
図、第４図は従来のイオンブレーティング装置の構成を
示す図、第５図は（イ）は平行電極間の平等電界におけ
る電気力線を示す図、（ロ）は同不平等電界における電
気力線を示す図、第６図は従来のイオンブレーティング
装置に用いられている第２のＤＣ電源の概略構成を示す
図、第７図は第６図におけるＡＣ／ＤＣ変換器がＤ　Ｃ
／Ｄ　Ｃコンバータを含む場合の直流電源装置の電気回
路構成を示す図、第８図は上記Ａ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器が
昇圧トランスとサイリスクブリッジにより構成されてい
る場合の従来の直流電源装置の電気回路構成を示す図で
ある。 ８・・・・・・第２のＤＣ電源、１４・・・・・・平滑
フィルタ、１５・・・・・・負荷電圧検出回路、１００
・・・・・・コンパレータ、１０し・・・・・アーク判
定電圧発生回路、１０２・・・・・・スイッチ、１０３
．１０４・・・・・・モノステーナルマルチバイブレー
ク、１０５・・・・・・ドライバ、１０６・・・・・・
ソリッドステートリレー接点、１０７・・・・・・リア
クトル、１０９・・・・・・Ａ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、端子に接続される負荷に直流電圧を印加する直流電
   源装置において、上記負荷の状態を検出する検出手段と
   、該検出手段の出力する検出信号をもとに上記負荷があ
   らかじめ定められた状態にあるか否かを識別する識別手
   段と、該識別手段の出力する識別信号をもとに動作し、
   上記負荷に直列に接続されて、上記負荷に供給されるエ
   ネルギーを抑制する抑制手段とを具備することを特徴と
   した直流電源装置。 ２、上記検出手段が、出力端子電圧の降下によりアーク
   発生を検出する検出手段であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の直流電源装置。 ３、上記検出手段が、負荷電流の上昇によりアーク発生
   を検出する検出手段であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の直流電源装置。 ４、上記負荷に、直列にリアクトルを挿入し、その電流
   制限作用によりアーク遮断に至るまでのアーク電流を制
   限し負荷に注入されるエネルギを小さくしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第２項または第３項記載の直流電
   源装置。