JP2003109794A

JP2003109794A - プラズマ発生方法及びプラズマ発生装置

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Publication number: JP2003109794A
Application number: JP2001302893A
Authority: JP
Inventors: Koichi Matsunaga; 浩一松永; Koji Sawada; 康志澤田; Noboru Tanaka; 昇田中
Original assignee: HAIDEN KENKYUSHO KK; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: HAIDEN KENKYUSHO KK; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-11
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP4746804B2

Abstract

(57)【要約】【課題】連続使用しても電極が加熱されて高温プラズ
マになるようなことはなく、処理時間を短縮できるとと
もに、安定した低温プラズマにより処理品質を向上させ
ることができ、また異常放電により被処理物にダメージ
を与えることもなく、更にプラズマ発生の制御が容易で
あるのに加え装置規模も小さくできるようにする。【解決手段】一対の電極１・２間に印加する高電圧を
減衰振動波が間欠的に繰り返し生ずる減衰振動波形周期
波として各減衰振動波ごとに共振させ、その各減衰振動
波ごとに、アーク放電発生に伴い共振ズレを生じさせて
アーク放電を中断させることにより、間欠的アーク放電
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被処理物の改質や
洗浄や殺菌・消毒や切断等の各種の処理をプラズマによ
り大気圧下で行えるようにするプラズマ発生方法及びプ
ラズマ発生装置に関する。更に詳しくは、対向する一対
の電極間に高電圧を印加して強制的にアーク放電させ、
これら電極間にガスを送入してその風力によって放電を
拡張させるプラズマ発生方法及びプラズマ発生装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、基材の改質、例えば濡れ性改善の
ために使用されているこの種のプラズマ発生装置では、
商用周波数の電圧又は高周波（約３０ＫＨｚ）の電圧
を、高圧トランスで昇圧し、対向する電極間に同時に印
加して行っている。しかし、その印加電圧が、商用周波
数の場合も、また高周波の場合も正弦波状の連続波で、
放電開始電圧以降に上昇する電圧波分も継続してそのま
ま電極に印加するため、連続して使用すると電極が加熱
されて高温プラズマとなるので、間欠動作（例えば、低
周波信号を使ってＯＮ／ＯＦＦしてバースト動作させ
る）で使用し、更に昇圧トランスをリーケージ化して使
用しているので、トランスの容量が非常に大きくなり、
また大重量になる欠点と、間欠動作のため基材の濡れ性
改善に１秒間以上の時間がかかる欠点があり、実用上、
高速処理ができないので改質時間に限界があった。

【０００３】また、特に金属や半導体などの導電性や半
導電性を有するものを処理する場合は、被処理物に向か
って異常放電が生じ、これら被処理物にダメージを与え
るという欠点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、連続使用し
ても電極が加熱されて高温プラズマになるようなことは
なく、処理時間を短縮できるとともに、安定した低温プ
ラズマにより処理品質を向上させることができ、また異
常放電により被処理物にダメージを与えることもなく、
更にプラズマ発生の制御が容易であるのに加え装置規模
も小さくできるプラズマ発生方法及びプラズマ発生装置
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ発生方
法は、対向する一対の電極間に高電圧を印加して強制的
にアーク放電させ、これら電極間にガスを送入してその
風力によって放電を拡張させる方法であって、一対の電
極間に印加する高電圧を減衰振動波が間欠的に繰り返し
生ずる減衰振動波形周期波として各減衰振動波ごとに共
振させ、その各減衰振動波ごとに、アーク放電発生に伴
い共振ズレを生じさせてアーク放電を中断させることに
より、間欠的アーク放電とする。

【０００６】すなわち、本発明では、一対の電極間に印
加する電圧を正弦波状の連続波ではなく、減衰振動波の
間欠的繰り返しによる減衰振動波形周期波とし、しかも
各減衰振動波ごとに共振させる。そして、各減衰振動波
ごとに、高圧トランスが持つＬＣ成分等を利用してアー
ク放電発生に伴い共振ズレを生じさせることで、一対の
電極間に印加される減衰振動波の残部を相殺する（リー
ケージ化する）ことにより、アーク放電を瞬時に中断す
る。このような動作を減衰振動波の繰り返し周期で間欠
的に繰り返すことにより、電極の加熱を抑制しながら安
定した低温プラズマを発生させることができる。

【０００７】その具体的手段として、次のような形態が
ある。請求項２に係る発明では、一対の電極間に印加す
る高電圧の減衰振動波は正負が逆位相とする。

【０００８】すなわち、一対の電極間に印加する高電圧
の減衰振動波は、片方を接地せずに正負が逆位相となる
ようにすることで、対接地間と無関係にすることができ
る。これは、基材を改質する場合、プラズマが基材に照
射されるときに、対接地間とは無関係であるため、感電
することなく電極間で電流が流れて改質できるからであ
る。また、逆位相の電圧を同時に印加するのは、電極間
の電位差が放電開始電圧以上となれば良いので、０点を
中心とした正負の繰り返し信号にする必要はない。高圧
トランスの二次側を接地から浮かすことで、一対の電極
間に印加する電圧を逆位相とすることができる。

【０００９】請求項３に係る発明では、ある時間間隔を
おいた正負一対のパルスをある繰り返し周波数で高圧ト
ランスの一次側に供給し、該高圧トランスの二次側から
各減衰振動波ごとに共振した減衰振動波形周期波を出力
して一対の電極間に印加する。

【００１０】一対の電極間に印加する電圧波形を、正弦
波のような整然とした連続波とすると、前述のように、
放電開始後も印加電圧が残って放電電流が持続するた
め、電極が加熱されて高温プラズマになってしまう。そ
こで、高圧トランスが持つＬＣ成分を利用して、正負一
対のパルスを高圧トランスの一次側で共振した減衰振動
波とし、二次側でアーク放電発生に伴い共振ズレを生じ
させれば、共振した減衰振動波は放電開始後に瞬時に消
滅する。これを各減衰振動波ごとに行って、連続波にせ
ずに間欠的に繰り返せば、安定した低温プラズマを発生
できる。

【００１１】請求項４に係る発明では、正負一対のパル
スのパルス幅を調整して減衰振動波の周波数を可変す
る。上記のように高圧トランスのＬＣ成分によって正負
一対のパルスを減衰振動波とするが、調整要素が無いと
高圧トランスのＬＣ成分にマッチングした共振周波数に
調整することができない。そのため、正負一対のパルス
のパルス幅を調整することで、共振した減衰振動波とす
る。

【００１２】請求項５に係る発明では、共振した各減衰
振動波の電圧立ち上がり時間を１μs以下とする。アー
ク放電を利用して低温プラズマを生成するには、上述の
ように、アーク放電した後の印加電圧を即０にしてしま
わないと、低温プラズマにはならない。また、商用周波
数を用いて行うと、立上り時間が緩やかなため瞬時に強
い電界を発生することができないので、プラズマの生成
効率が悪く、必要以上の電圧を印加しなければならな
い。この欠点をクリアーするため、立上り時間はできる
だけ短くした方が良いが、正負一対のパルスを生成する
ための半導体スイッチング素子のスイッチング特性など
に鑑み、減衰振動波の電圧立ち上がり時間は１μs以下
とするのが好ましい。

【００１３】請求項６に係る発明では、減衰振動波の繰
り返し周期を１０〜５０ＫＨｚとする。減衰振動波の繰
り返し周波数は、改質する基材の材質によって異なる
が、繰り返し周波数を１０〜５０ＫＨｚにしているの
は、改質時間が短縮できるからで、実験によれば最も良
い条件は１０〜２０ＫＨｚである。

【００１４】請求項７に係る発明では、一対の電極間の
距離を１〜１５ｍｍとする。電極間の距離を大きくする
と、プラズマ照射範囲が長く伸びて広がるが、改質に時
間がかかる。しかし、照射範囲が広がるので基材の改質
面積を大きく確保できる。一方、電極間の距離を小さく
すると、プラズマは広がらず狭い範囲に集中する。この
場合の利点は、改質する基材の改質時間を短縮させ、短
時間で改質が可能となる。従って、改質する基材の条件
によって電極間の距離を調整すれば良いが、１〜１５ｍ
ｍの範囲が実用的である。

【００１５】請求項８に係る発明では、減衰振動波を、
その繰り返し周波数よりも低い周波数で一対の電極間に
間欠的に印加する。改質する材質が金属の場合、繰り返
し生じる減衰振動波のみで行うと、アーク放電が金属の
一部分に集中してしまい、改質できないが、その繰り返
し周期よりも更に低い周期で間欠的に発生させることに
よって、金属等に照射しても均一にプラズマを照射する
ことができる。

【００１６】また、本発明のプラズマ発生装置は、対向
する一対の電極間に高電圧を印加して強制的にアーク放
電させ、これら電極間にガスを送入してその風力によっ
て放電を拡張させるものであって、ある時間間隔をおい
た正負一対のパルスをある繰り返し周波数で発生させる
正負パルス波発生回路と、その正負パルス波を一次側に
入力され、各減衰振動波ごとに、共振した正負逆位相の
減衰振動波形周期波を二次側から出力して一対の電極間
に印加する高圧トランスとを備え、その各減衰振動波ご
とに、アーク放電発生に伴い共振ズレを生じさせてアー
ク放電を中断させることにより、間欠的アーク放電とす
る。

【００１７】狭いパルス幅で高速にスイッチングするス
イッチング回路を用いた高周波の正負パルス波発生回路
と、その信号を使って容易に昇圧することができる高圧
トランスとにより、従来のように商用周波数を利用して
昇圧する大型のリーケージ型高圧トランスを使用する必
要が無く、軽量・小型で効率の高いプラズマ発生用電源
とすることができる。

【００１８】その具体的手段として、次のような形態が
ある。請求項１０に係る発明では、正負パルス波発生回
路は、第１と第４を上アーム、第２を第１に対する下ア
ーム、第３を第４に対する下アームとして第１〜第４の
４個の半導体スイッチング素子をＨブリッジ接続すると
ともに、各半導体スイッチング素子にそれぞれダイオー
ドを並列接続したＨブリッジスイッチング回路を用い
て、正負パルス波を生成する。

【００１９】従って、インバータ部であるＨブリッジス
イッチング回路では、歪の無いスイッチング動作が可能
となり、幅の狭いパルス幅調整ができるので、立上り時
間が１μｓ以下の減衰振動波を容易に発生できる。

【００２０】請求項１１に係る発明では、正負パルス波
発生回路が、Ｈブリッジスイッチング回路の４個の半導
体スイッチング素子のためのゲートパルスのパルス幅を
調整することにより、Ｈブリッジスイッチング回路から
出力される正負一対のパルスのパルス幅を調整して減衰
振動波の周波数を可変するパルス幅設定手段を備えてい
る。

【００２１】従って、高圧トランスのＬＣ成分にマッチ
ングし、しかもアーク放電開始直後に瞬時に共振ズレを
生じさせることができる共振周波数に正確に調整するこ
とができる。

【００２２】請求項１２に係る発明では、正負パルス波
発生回路が、Ｈブリッジスイッチング回路の４個の半導
体スイッチング素子のためのゲートパルスの周期を調整
することにより、Ｈブリッジスイッチング回路から出力
される正負一対のパルスの繰り返し周波数を調整して減
衰振動波の繰り返し周波数を設定する繰り返し周波数設
定手段を備えている。

【００２３】従って、減衰振動波の繰り返し周波数を容
易に調整できるので、改質する基材の材質に適合したプ
ラズマ処理ができる。

【００２４】請求項１３に係る発明では、更に、Ｈブリ
ッジスイッチング回路の４個の半導体スイッチング素子
のためのゲートパルスを、その周波数より低い周期で間
欠的にＨブリッジスイッチング回路のゲートドライブ回
路へ入力させるバースト周波数設定手段を備えている。

【００２５】従って、改質する材質が金属であっても、
均一した処理が可能となる。

【００２６】本発明によれば、低温のプラズマ処理が可
能であるため、プラスチックやセラミックや金属やガラ
スなどの被処理物の表面改質（濡れ性を改善して接着剤
やインクなどの密着性を良くする）の他、表面に付着し
た有機物や汚れの洗浄、殺菌や消毒、プラスチック基板
の切断などに広範囲に適用できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００２８】本発明の実施例では、図１に示すように、
Ｊ字形の一対の電極１・２を互いの折り曲げ部を内側に
して対向させ、これら電極１・２間に、図２に示すよう
な回路の最終段の高圧トランス３の二次側から、後述す
るような高電圧を印加して強制的にアーク放電させてプ
ラズマ４を生成し、これら電極１・２間にファン５によ
り空気を送風してその風力によって放電を拡張、つまり
電極１・２を冷却しながらプラズマ４を拡張させ、被処
理物である基材６にプラズマ４を照射して基材６の表面
を改質する。

【００２９】送入するガスは特に限定しないが、好まし
くは空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素の単
独又は組み合わせたものが使用される。例えば、水素や
アンモニア、亜酸化窒素、水蒸気などの反応性を有する
ガスを少量添加することも可能である。添加量は特に限
定しないが、通常は０．１体積％から１０体積％が有効
である。また、電極１・２の材質としては、タングステ
ン、ステンレス、真鍮等の錆びにくい材質であれば良
い。

【００３０】図２に示す回路において、先ず高圧トラン
ス３の一次側に印加する正負パルス波を生成するための
Ｈブリッジスイッチング回路（インバータ）７について
説明する。図２に示すように、このＨブリッジスイッチ
ング回路７は、第１、第２、第３、第４の４個の半導体
スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４を、
ＳＷ１とＳＷ４を上アーム、ＳＷ２をＳＷ１に対する下
アーム、ＳＷ３をＳＷ４に対する下アームとしてＨブリ
ッジ接続する（ＭＯＳ−ＦＥＴ等の２個入り半導体モジ
ュールをＨブリッジとする）とともに、各半導体スイッ
チング素子にダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４をそれ
ぞれ並列接続したものである。このＨブリッジスイッチ
ング回路７の電源として、商用周波数の電圧を整流する
整流回路８と直流安定化電源回路９による直流電源が使
用されている。直流安定化電源回路９の出力電圧は出力
設定器１０により調整できる。

【００３１】このＨブリッジスイッチング回路７を、ゲ
ートドライブ回路１１とその前段の回路により、次の表
１に示す、、、、の５つのＯＮ／ＯＦＦの組
み合わせ態様で順次繰り返しスイッチング動作させる。
図３は、このようなスイッチング動作によって、第１と
第２の半導体スイッチング素子ＳＷ１・ＳＷ２の中点
と、第３と第４の半導体スイッチング素子ＳＷ３・ＳＷ
４の中点との間から出力される正負交互のパルスのタイ
ミングチャートである。

【００３２】

【表１】

【００３３】図４は、Ｈブリッジスイッチング回路７の
等価回路を示す。図３に示すように、第２の半導体スイ
ッチング素子ＳＷ２をＯＦＦにするときの時間幅は、第
１の半導体スイッチング素子ＳＷ１をＯＮにするときの
時間幅よりも前後に長く、また第３の半導体スイッチン
グ素子ＳＷ３をＯＦＦにするときの時間幅は、第４の半
導体スイッチング素子ＳＷ４をＯＮにするときの時間幅
よりも前後に長くする。

【００３４】図４において、まず、ＳＷ１がＯＦＦにな
ってからＳＷ１がＯＮになると、Ｉ１の方向に電流が流
れ、負荷が正に充電される。次に、ＳＷ１がＯＦＦにな
ってからＳＷ２がＯＮになると、ＳＷ２とＤ３を通って
Ｉ２の方向に電流が流れるので、負荷のリーケージイン
ダクタンス及び浮遊容量分がＳＷ２とＤ３で強制的にリ
セットされる。

【００３５】この後、ＳＷ３がＯＦＦになってからＳＷ
４がＯＮになると、Ｉ３の方向に電流が流れ、負荷が負
に充電される。次に、ＳＷ３がＯＦＦになってからＳＷ
４がＯＮになると、Ｉ４の方向に電流が流れ、負荷のリ
ーケージインダクタンス及び浮遊容量分がＳＷ２とＤ３
で強制的にリセットされる。

【００３６】このような動作を表１に従って説明する
と、次のとおりである。では、ＳＷ２とＳＷ３はゲー
ト信号を入力されてＯＮとなり、負荷の両端はショート
された状態となる。

【００３７】では、ＳＷ２のゲート信号がＯＮされ、
少し遅れてＳＷ１にゲート信号が入力されてこれがＯＮ
になると、ＳＷ３はＯＦＦのままであるため、ＳＷ１か
ら負荷を通ってＩ１方向に電流が流れ、負荷を正に充電
する。

【００３８】では、ＳＷ１へのゲート信号入力が終わ
ってこれがＯＦＦとなってから、ＳＷ２へ再びゲート信
号が入力されてこれが再びＯＮになるので、負荷に充電
された電荷分は、ＳＷ２とＤ３を通ってディスチャージ
する。その結果、と同じ状態に戻ることになる。

【００３９】では、ＳＷ３がＯＦＦとなり、少し遅れ
てＳＷ４にゲート信号が入力されてこれがＯＮになる
と、ＳＷ２はＯＮのままであるため、ＳＷ４から負荷を
通ってＩ３方向に電流が流れ、負荷を負に充電する。

【００４０】では、ＳＷ４へのゲート信号入力が終わ
ってこれがＯＦＦとなってから、ＳＷ３へ再びゲート信
号が入力されてこれが再びＯＮになるので、負荷に充電
された電荷分は、ＳＷ３とＤ２を通ってディスチャージ
する。その結果、と同じ状態に戻ることになる。

【００４１】このようにＳＷ１とＳＷ２との組、ＳＷ３
とＳＷ４の組がそれぞれ同時にＯＮにならないように、
デッドタイムを与えて〜と順番にスイッチングする
ことにより、入力信号（ゲート信号）に比例した波形の
出力信号（ある時間間隔をおいた正負一対のパルス）が
得られる。その場合、負荷側の浮遊容量及びリーケージ
インダクタンスは、上記のようなスイッチング動作によ
ってリセットされるので、歪みの無い出力波形が得られ
る。

【００４２】上記のようなスイッチング動作をするＨブ
リッジスイッチング回路７の出力は、図２において、第
１と第２の半導体スイッチング素子ＳＷ１・ＳＷ２の中
点を一方の極、第３と第４の半導体スイッチング素子Ｓ
Ｗ３・ＳＷ４の中点を他方の極として取り出され、コン
デンサＣを介して高圧トランス３の一次側に印加され
る。

【００４３】次に、ゲートドライブ回路１１を制御して
Ｈブリッジスイッチング回路７から正負一対のパルスを
繰り返し出力させるとともに、その周期及びパルス幅を
調整する前段の回路について、図５のタイミングチャー
トを参照して説明する。

【００４４】電圧制御発振器（ＶＣＯ）１２は、図５
（１）に示すような矩形波を繰り返し出力する。その繰
り返し周波数は繰り返し周波数設定器１３にて調整でき
る。

【００４５】第１のワンショットマルチバイブレータ１
４は、図５（２）に示すように、電圧制御発振器１２の
出力（ＶＣ０出力）の立ち上がりで立ち上がるパルスを
出力する。そのパルス幅は第１のパルス幅設定器１５に
て調整できる。

【００４６】遅延回路１６は、図５（３）に示すよう
に、第１のワンショットマルチバイブレータ１４のパル
スの立ち下がりにより立ち上がる一定時間幅（デッドタ
イム）のパルスを出力する。

【００４７】第２のワンショットマルチバイブレータ１
７は、図５（４）に示すように、遅延回路１６の出力の
立ち上がりで立ち上がるパルスを出力する。そのパルス
幅は第２のパルス幅設定器１８にて調整できる。

【００４８】第１のワンショットマルチバイブレータ１
４からのパルスは第１のＡＮＤゲート１９、第２のワン
ショットマルチバイブレータ１７からのパルスは第２の
ＡＮＤゲート２０にそれぞれ入力される。これらＡＮＤ
ゲート１９・２０には、起動スイッチ２１にてオン・オ
フされる起動・停止回路２２からの出力が入力されてお
り、それがオンになっているときに、第１・第２のワン
ショットマルチバイブレータ１４・１７のパルスが、第
３・第４のＡＮＤゲート２３・２４にそれぞれ入力され
る。

【００４９】第３のＡＮＤゲート２３の出力は、第１の
遅延用ＡＮＤ回路２５及び第１の遅延用ＮＡＮＤ回路２
６へ入力され、第４のＡＮＤゲート２４の出力は、第２
の遅延用ＡＮＤ回路２７及び第２の遅延用ＮＡＮＤ回路
２８へ入力される。図５の（５）、（６）、（７）、
（８）にこれらＡＮＤ回路２５、ＮＡＮＤ回路２６、Ａ
ＮＤ回路２７、ＮＡＮＤ回路２８の出力波形を示し、そ
の出力に従い、ゲートドライブ回路１１がＨブリッジス
イッチング回路７の４個の半導体スイッチング素子ＳＷ
１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４のためのゲートパルスを出
力して、これらが前述のようにスイッチングする。

【００５０】従って、図５（９）に示すように、Ｈブリ
ッジスイッチング回路７から、ある時間間隔をおいた正
負一対のパルスがある繰り返し周波数で正負のパルス波
として出力されることになる。その繰り返し周波数は繰
り返し周波数設定器１３にて調整でき、またパルス幅
は、パルス幅設定器１５・１８にて正負それぞれ調整で
きる。

【００５１】この正負のパルス波は、コンデンサＣを介
して高圧トランス３の一次側に印加され、高圧トランス
３が持つＬＣ成分により、共振した減衰振動波が間欠的
に繰り返す高圧の減衰振動波形周期波となる。高圧トラ
ンス３の二次側は、接地から浮かしてあるので、一対の
電極１・２にそれぞれ印加される高圧の電圧は、図５
（１０）、（１１）に示すように、高圧トランス３の二
次側の中点に対して正負が完全に逆位相となる。これら
図５（１０）、（１１）に示す波形は、電極１・２間が
放電しない状態での波形である。パルス幅設定器１５・
１８にてパルス幅を調整することにより、高圧トランス
３のＬＣ成分にマッチングする共振条件にすることがで
きる。

【００５２】電極１・２間でアーク放電が開始して、図
５（１４）に示すように放電電流が流れると、その放電
電流の最大波高値又はその付近で共振ズレが生じ、電極
１・２間に印加される以降の減衰振動波が相殺して消滅
するため、アーク放電は瞬時に中断する。その際の電極
１・２にそれぞれ印加される電圧波形を図５（１２）、
（１３）にそれぞれ示す。

【００５３】上記のように、電極１・２には、共振した
減衰振動波が間欠的に繰り返す逆位相の高圧の減衰振動
波形周期波が印加されるが、その印加と休止を次のよう
に間欠的に行えるようにもなっており、次にはその動作
について図６のタイミングチャートを参照して説明す
る。

【００５４】バースト波発振器２９は、図６（２）に示
すように、電圧制御発振器１２による同図（１）に示す
ような繰り返し周波数よりもはるかに低い周波数の矩形
波を出力し、それが連続・間欠動作切替スイッチ３０を
オンにしたときに、ＮＡＮＤゲート３１を介して第３及
び第４のＡＮＤゲート２３・２４に入力される。例え
ば、前者の繰り返し周波数を１００ＫＨｚとすると、後
者の周期は１ＫＨｚで、バースト波発振器２９の出力が
ＨＩＧＨのときに、図６（３）、（４）に示すように、
第３及び第４のＡＮＤゲート２３・２４から繰り返し周
波数に応じた前述のようなパルスが出力される。そし
て、その間だけＨブリッジスイッチング回路７から正負
のパルス波が図６（５）のように出力され、図６
（６）、（７）のように一対の電極１・２に、共振した
減衰振動波が間欠的に繰り返す逆位相の高圧の減衰振動
波形周期波が印加され、アーク放電開始直後に図６
（８）のように急峻に上昇する放電電流が流れることに
より、共振ズレが生じてアーク放電が瞬時に中断する。
このような動作が電圧制御発振器１２による繰り返し周
波数で繰り返され、またその周期よりはるかに低い周期
で運転・休止が反復される。

【００５５】一対の電極１・２間に送風するファン５
は、商用周波数で動作するシーケンス回路３２により駆
動される。

【００５６】次に、本発明者らが行った本発明の実験例
について説明する。基材に対する濡れ性の改善テストを
行い、濡れ性を接触角計（エルマ製Ｇ−１／２ＭＧ型）
で測定した。印加電圧の測定は、ソニーテクトロニクス
製高電圧プローブＰ−６０１５型、電流の測定にはヒア
ソン製４１００型を用いた。基材としてはＰＥＴフィル
ム、金属の場合は銅、アルミニウム、ステンレスを用い
た。

【００５７】［実験例１］電極１・２間の距離を１３ｍ
ｍとし、処理する基材６としてＰＥＴフィルムを使って
濡れ性改善を行った。送風するガスは空気を用いた。表
２は、繰り返し周波数を変化させたときの接触角のデー
タで、２０ＫＨｚ以上で改質され、３５〜４０ＫＨｚで
改質が飽和している。処理時間は３０ＫＨｚ以上で改質
し、時間を１秒かけても改質は良くならず飽和している
ことが判る。表３は、周波数を２０ＫＨｚに固定し、出
力を上げインバータであるＨブリッジスイッチング回路
７の電力に対する接触角のデータで、電力を上げれば良
くなることが判った。表４は、周波数を２０ＫＨｚに固
定、電力を４９７Ｗに固定のもとで、プラズマ中に基材
を照射する距離を変えたときのデータ、つまり電極から
基材までの距離（処理距離）に対する接触角のデータ
で、２０ｍｍのときが一番良い結果となっている。

【００５８】

【表２】

【００５９】

【表３】

【００６０】

【表４】

【００６１】［実験例２］電極間距離を４ｍｍとし、Ｐ
ＥＴフィルムに対して濡れ性改善を行った。送風するガ
スは空気を用いた。表５は、繰り返し周波数を変化させ
たときの接触角のデータで、２０ＫＨｚ以上で改善さ
れ、３５〜４０ＫＨｚで改質が飽和している。実験例１
の表と比較すると、実験例２の電極の方が改質性能が良
く、プラズマ照射電力密度が高い電極が効果的である。
表６は、周波数を２０ＫＨｚに固定し、出力を段階的に
上げた場合のインバータの電力に対する接触角のデータ
で、電力を上げれば良くなることが判った。また、電極
間の距離を４ｍｍとした場合、照射電力５００Ｗ印加が
限度であったので、照射電力を上げるには電極間距離を
広げることが必要となることが判る。

【００６２】

【表５】

【００６３】

【表６】

【００６４】［実験例３］同様の方法において、処理す
る金属として銅、アルミニウム、ステンレスを用い、電
極間距離を５ｍｍと１０ｍｍにした場合の濡れ性データ
を表７に示す。

【００６５】

【表７】

【００６６】［実験例４］ＩＴＯ透明電極接続端子を端
部に設けた液晶ディスプレイ用パネル（大きさ５０ｍｍ
×３０ｍｍ）において、その電極接続端子を実験例１と
同一条件で、空気を用いてプラズマ処理を行った。次い
で、異方導電性フィルムを介してポリイミドフィルム
（５０ミクロン厚）で構成される駆動回路を熱圧着し
た。この熱圧着の条件は、温度１７０℃、圧力３ＭＰ
ａ、時間２０秒とした。そして、上記のよにして接合さ
れたパネルと回路体とを互いに逆方向に引っ張って剥離
強度を測定した結果、プラズマ処理を行わない場合に比
べて約２倍の剥離強度が得られた。

【００６７】以上の結果から、発振周波数は繰り返し周
波数を高く（４０ＫＨｚ以上）すると、接触角は飽和
し、プラスチック基材が熱によって溶けてしまう結果と
なり、最適繰り返し周波数は１０〜２０ＫＨｚが最も良
いと言うことが判った。また、金属を改質するには、繰
り返し周波数の持つ連続信号で行うと、金属の一部に集
中してしまうので、バースト動作させる必要が有るとい
うことが判った。電極間距離に対しては、距離を離せば
プラズマの広がりは大きく広がるが、処理するには１秒
以上かかり、均一な処理ができにくいことが判った。電
極間距離を狭くするとプラズマの広がりは狭くなるが、
処理時間が短縮でき、０．１〜０．２秒間で即改質され
ることが判った。

【００６８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、連
続使用しても電極が加熱されて高温プラズマになるよう
なことはなく、処理時間を短縮できるとともに、安定し
た低温プラズマにより処理品質を向上させることがで
き、また異常放電により被処理物にダメージを与えるこ
ともなく、更にプラズマ発生の制御が容易であるのに加
え装置規模も小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ発生装置によるプラズマ処理
例を示す図である。

【図２】本発明のプラズマ発生装置の一例のブロック図
である。

【図３】同プラズマ発生装置中のＨブリッジスイッチン
グ回路の等価回路図である。

【図４】同回路のスイッチング動作のタイミングチャー
トである。

【図５】図２の回路の動作を示すタイミングチャートで
ある。

【図６】同じくバースト動作のタイミングチャートであ
る。

【符号の説明】

１・２電極３高圧トランス４プラズマ５ファン６基材７Ｈブリッジスイッチング回路（インバータ）ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４半導体スイッチング
素子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ダイオードＣコンデンサ８整流回路９直流安定化電源回路１０出力設定器１１ゲートドライブ回路１２電圧制御発振器（ＶＣ０）１３繰り返し周波数設定器１４ワンショットマルチバイブレータ１５パルス幅設定器１６遅延回路１７ワンショットマルチバイブレータ１８パルス幅設定器１９・２０ＡＮＤゲート２１起動スイッチ２２起動・停止回路２３・２４ＡＮＤゲート２５遅延用ＡＮＤ回路２６遅延用ＮＡＮＤ回路２７遅延用ＡＮＤ回路２８遅延用ＮＡＮＤ回路２９バースト波発振器３０連続・間欠動作切替スイッチ３１ＮＡＮＤゲート３２シーケンス回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者澤田康志大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者田中昇大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 4C058 AA01 BB02 DD03 DD11 DD12 KK06 KK11 KK21 KK27 KK50 4G075 AA22 BA05 BA10 CA17 CA47 DA02 DA03 DA04 EC21 EC30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する一対の電極間に高電圧を印加して
強制的にアーク放電させ、これら電極間にガスを送入し
てその風力によって放電を拡張させるプラズマ発生方法
において、前記一対の電極間に印加する高電圧を減衰振
動波が間欠的に繰り返し生ずる減衰振動波形周期波とし
て各減衰振動波ごとに共振させ、その各減衰振動波ごと
に、アーク放電発生に伴い共振ズレを生じさせてアーク
放電を中断させることにより、間欠的アーク放電とする
ことを特徴とするプラズマ発生方法。
【請求項２】一対の電極間に印加する高電圧の減衰振動
波は正負が逆位相であることを特徴とする請求項１に記
載のプラズマ発生方法。
【請求項３】ある時間間隔をおいた正負一対のパルスを
ある繰り返し周波数で高圧トランスの一次側に供給し、
該高圧トランスの二次側から各減衰振動波ごとに共振し
た減衰振動波形周期波を出力して一対の電極間に印加す
ることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生方
法。
【請求項４】正負一対のパルスのパルス幅を調整して減
衰振動波の周波数を可変することを特徴とする請求項３
に記載のプラズマ発生方法。
【請求項５】共振した各減衰振動波の電圧立ち上がり時
間が１μs以下であることを特徴とする請求項１、２、
３又は４に記載のプラズマ発生方法。
【請求項６】減衰振動波の繰り返し周期が１０〜５０Ｋ
Ｈｚであることを特徴とする請求項１、２、３、４又は
５に記載のプラズマ発生方法。
【請求項７】減衰振動波を、その繰り返し周波数よりも
低い周波数で一対の電極間に間欠的に印加することを特
徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載のプラ
ズマ発生方法。
【請求項８】一対の電極間の距離を１〜１５ｍｍとする
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７
に記載のプラズマ発生方法。
【請求項９】対向する一対の電極間に高電圧を印加して
強制的にアーク放電させ、これら電極間にガスを送入し
てその風力によって放電を拡張させるプラズマ発生装置
において、ある時間間隔をおいた正負一対のパルスをあ
る繰り返し周波数で発生させる正負パルス波発生回路
と、その正負パルス波を一次側に入力され、各減衰振動
波ごとに、共振した正負逆位相の減衰振動波形周期波を
二次側から出力して一対の電極間に印加する高圧トラン
スとを備え、その各減衰振動波ごとに、アーク放電発生
に伴い共振ズレを生じさせてアーク放電を中断させるこ
とにより、間欠的アーク放電とすることを特徴とするプ
ラズマ発生装置。
【請求項１０】正負パルス波発生回路は、第１と第４を
上アーム、第２を第１に対する下アーム、第３を第４に
対する下アームとして第１〜第４の４個の半導体スイッ
チング素子をＨブリッジ接続するとともに、各半導体ス
イッチング素子にそれぞれダイオードを並列接続したＨ
ブリッジスイッチング回路を用いて、正負パルス波を生
成することを特徴とする請求項９に記載プラズマ発生装
置。
【請求項１１】正負パルス波発生回路が、Ｈブリッジス
イッチング回路の４個の半導体スイッチング素子のため
のゲートパルスのパルス幅を調整することにより、Ｈブ
リッジスイッチング回路から出力される正負一対のパル
スのパルス幅を調整して減衰振動波の周波数を可変する
パルス幅設定手段を備えていることを特徴とする請求項
１０に記載プラズマ発生装置。
【請求項１２】正負パルス波発生回路が、Ｈブリッジス
イッチング回路の４個の半導体スイッチング素子のため
のゲートパルスの周期を調整することにより、Ｈブリッ
ジスイッチング回路から出力される正負一対のパルスの
繰り返し周波数を調整して減衰振動波の繰り返し周波数
を設定する繰り返し周波数設定手段を備えていることを
特徴とする請求項１０又は１１に記載のプラズマ発生装
置。
【請求項１３】Ｈブリッジスイッチング回路の４個の半
導体スイッチング素子のためのゲートパルスを、その周
波数より低い周期で間欠的にＨブリッジスイッチング回
路のゲートドライブ回路へ入力させるバースト周波数設
定手段を備えたことを特徴とする請求項１０、１１又は
１２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１４】一対の電極間の距離を１〜１５ｍｍとし
たことを特徴とする請求項１０、１１、１２又は１３に
記載のプラズマ発生装置。