JP2004047192A

JP2004047192A - 透磁コアによるトランス放電型プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP2004047192A
Application number: JP2002200684A
Authority: JP
Inventors: Shuitsu Fujii; 藤井　修逸
Original assignee: Adtec Plasma Technology Co Ltd
Current assignee: Adtec Plasma Technology Co Ltd
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】透磁コアによるトランス放電型のプラズマ発生装置を提供しようとする。
【解決手段】ＥＩコア１０、１１型変圧器において、高周波通電用の一次巻線１２と、その一次巻線の上に周回配置したガス通路用チューブ１３からなる二次巻線とを装備し、一次巻線に高周波電流を流すことにより二次巻線用チューブ内に高周波電界を誘起させ、その二次巻線用チューブ内のガスを通じ高周波放電させてプラズマ化し、プラズマ電流による二次巻線電流を形成するようにしたことを特徴とするプラズマ発生装置。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ発生装置、特に１種又は２種以上のガスをプラズマ化させることにより、ガスを分解又は活性化させて素材の表面に対し、化学反応と物理反応による表面反応処理を行ったり、粒子物質などとガスの反応生成物の製造や、大気中のバクテリアなどの殺菌又は滅菌を行うに適したプラズマ発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ発生装置を形態面から大別すると、電界伝達による平行平板型、電磁誘導結合型、μ波型等に分けられる。このうち、電磁誘導結合型は、高周波磁界を発生するために必ずコイルを用いるが、エネルギー変換効率に係わる磁界とプラズマ発生用空間との関係で、種々の問題がある。
【０００３】
まず、ソレノイド型コイルの場合にはガスを流すチューブの外周にコイルを巻き、ソレノイド軸を貫通及び還流する磁界によって、その流通ガスに磁界エネルギーを伝達する方式である。また、渦巻き型コイルを用いるものは、真空容器の磁気的に開放された一面から磁界エネルギーを加え、真空容器内のガスをプラズマ化する方式であった。
【０００４】
コイルを用いた上記二方式において、磁力線は真空容器内を如何に効率よく通過しても、必ず自由空間を通って還流するため、コイル近傍に装置自体のプラズマ発生目的以外の磁性体や誘電体があれば、それに起因する電磁ノイズを外部に与えたり、逆に装置自体が電磁ノイズの影響を受けることになる。またどちらの方式においても空心コイルであるため、磁力線の閉回路で自由空間に分布している部分の磁気抵抗は磁性体に比して高くなり、従ってエネルギー変換効率が悪くなる。
【０００５】
また、高周波電源装置からコイルに至る電力は、同軸ケーブルを介してインピーダンス整合装置に接続されることにより、負荷インピーダンス（コイルを含む電磁回路とプラズマ負荷）に整合させるのが一般的である。例えば、半導体製造装置のように極めて厳密なプロセスを実行する場合には、プロセスごとの再現性が求められるため、インピーダンス整合装置は不可欠な要素として用いられる。しかしながら、半導体製造プロセスほどの厳密性が要求されない用途においては、負荷に対して一定の範囲で必要なエネルギーを供給でき、且つ期待する仕事の結果が得られる範囲であれば、インピーダンス整合等を捨象し、小型で安価にシステムを構成することを重視すべきである。従って、究極的には、同軸ケーブルやインピーダンス整合装置を介さないで、高周波電源と一体型としたプラズマ発生装置が要求されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、（１）真空容器、すなわちプラズマチャンバーを大型化しないでプラズマを発生できる装置を提供すること、（２）大気圧や大気圧に近い低真空の圧力下で、ガス放電路としてのプラズマチャンバー内にプラズマを発生させること、（３）電気エネルギーからプラズマ相へのエネルギー変換又は伝達効率を向上させること、（４）外部への不要な電磁界（電波障害）を抑制すること、（５）それ自体一つの課題であり、且つ前記（１）〜（４）の課題の解決につながる構造として、高周波電源の出力トランスから同軸ケーブルやインピーダンス整合装置を介することなく、そのトランスの二次回路を直接プラズマ発生路とした小型、且つ安価なプラズマ発生装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するため、ＥＩコア型変圧器において、高周波通電用の一次巻線と、その一次巻線の上に周回配置したガス通路用チューブからなる二次巻線とを装備し、一次巻線に高周波電流を流すことにより二次巻線用チューブ内に高周波電界を誘起させ、その二次巻線用チューブ内のガスを通じ高周波放電させてプラズマ化し、プラズマ電流による二次巻線電流を形成するようにしたプラズマ発生装置を構成するものである。
【０００８】
本発明は更に、単位構造のＥＩコアを２段以上積み上げることにより、コア貫通空間の貫通長さを大きくし、二次巻線用チューブによるガス放電路の全長を長くすることにより、一次巻線と二次巻線との磁気結合面積を広げ、且つ相対的に磁気結合距離を短縮して、プラズマの生成に必要な二次巻線用チューブの側管距離及びプラズマ生成時間を調整できる構造としたプラズマ発生装置を構成するものである。
【０００９】
本発明はまた、前記プラズマ発生装置に高周波電力を供給するための高周波電源の出力トランスを、前記ＥＩコア型変圧器で兼用したプラズマ発生装置を構成するものである。
【００１０】
上記の構成によれば、プラズマ発生部はＥＩコア型変圧器の中央コア部に巻かれた二次巻線の部分を、商用周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ用電力変圧器のような通常の銅導線コイルからループ状の円形ガス通路に変え、この通路に沿って発生する二次誘導起電力で高周波放電させることによりガスのプラズマ化を図り、電気導体と等価であって、抵抗分を含むプラズマ相（装置の負荷状態）を流れる高周波電流により二次回路を構成するものであり、従来のプラズマ電源のように、同軸ケーブルやインピーダンス整合装置を、基本的に不可欠の要素として含むものではない。
【００１１】
本発明の各構成において、変圧器一次側から供給される電気エネルギーは、磁性体コアを介する電磁誘導によって二次側に伝達されるため、特に空心ソレノイドタイプよりもエネルギー伝達効率が高くなる。しかも二次側に伝達された電気エネルギーは、即プラズマ電流として流れるため、電気／プラズマ・エネルギー変換効率は極めて高い値となる。また、ＥＩ型なるが故に、変圧器の磁気回路は中央コア部から両側コア部に分岐・還流する態様で完全に自己完結し、近接空間に影響を与えない。このような磁気漏れの少なさもまた、更なるプラズマ発生効率の向上に寄与するため、本発明のプラズマ発生装置においては、大気圧及び大気圧に近い低真空の圧力下でも、空心ソレノイドタイプや渦巻き型コイル方式に比してプラズマ点火が容易である。
【００１２】
本発明のプラズマ発生装置において、負荷と電源との完全なインピーダンス整合を図るためには、常套的に同軸ケーブル及びインピーダンス整合装置を用いることもできる。しかし、本発明における、構成の小型簡素化という特徴を生かすためには、前述の如く高周波電源の出力トランスを、前記ＥＩコア型変圧器で兼用したプラズマ発生装置とするのが望ましい。この場合において、負荷インピーダンスＺの変動に対応したインピーダンス整合のあり方として、次の諸点に留意すべきである。
【００１３】
まず（１）負荷インピーダンスＺ＝Ｒ±ｊＸの範囲は使用するガス種や周回の長さ、圧力などによってある程度決まるが、（２）一次巻線の巻き数もしくはタップ選択により微調整できる。（３）ガス流量、圧力、温度などの経時変化による前記負荷インピーダンスＺ＝Ｒ±ｊＸの変動については、プラズマ用電源の終段増幅デバイスが、負荷中の実数部分、すなわち抵抗値Ｒの変化に追随してスイッチング動作するという態様により対応できる。また、虚数部±ｊＸの変動については、高周波電源の出力トランス（ＥＩコア型変圧器）の一次側に固定もしくは半固定の簡単なインピーダンス整合回路を設けることができる。従って、本発明の電源回路直結型プラズマ発生装置においては、多少の負荷変動が発生しても増幅器の安定動作やエネルギー変換効率にさほどの影響を受けることなく、実用的範囲で動作させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明によるプラズマ発生方式の独自性を理解するために、背景技術として提示した従来のトロイダル放電／プラズマ発生方式の略図である。この方式の原理は、核融合のトカマクや逆磁場ピンチ装置で用いられるもので、内鉄型コア１の一側部に巻かれた一次巻線２の回路にコンデンサーバンク３を接続し、そのコンデンサーバンク３に（図示しない別の電源から）電気エネルギーを蓄えたうえで、スイッチ４を介して前記一次巻線２に放電させることにより、コア２の他側部に周回配置されたリング状真空容器５に電磁エネルギーを伝達する。
【００１５】
これにより、真空容器５には過渡的に大きいエネルギーが供給され、いわゆるトロイダルプラズマが生成されるが、その前に種火としての初期プラズマが必要であるため、真空容器５内部には電子銃などを設け、初期電子による励起（初期点火）を行うことが不可欠である。しかしながら、本発明においては、使用条件や容量に相違があることを考慮しても、格別の初期点火手段を用いることなく、定格電気エネルギーの供給（一次巻線の付勢）、即、プラズマの点火・生成を行えるという特筆すべき効果を発揮する。
【００１６】
結局、従来の例では、銅線からなる一次巻線は鉄心の一側部に巻着するが、トロイダル放電用としての円環状チューブはやはり鉄心に適合するように他側部に配置し、ヨーク部を介して磁気結合させる内鉄型構成をとってきたものであるが、本発明の装置では、一次巻線の上にプラズマ容器たる二次巻線用チューブを周回配置した外鉄型変圧器としたので、一次巻線への通電が、直ちに二次巻線用チューブ内での定格プラズマ相の励起を（勿論、立ち上がり状態は生ずるとしても）もたらすほどに、強力な電磁エネルギー密度を達成できたものである。
【００１７】
その結果、副次効果としてエネルギー変換効率が改善され、大気圧又は大気圧に近い低真空の圧力下でプラズマを発生させることが可能となり、且つ外部に不要な電磁界が放射されるのを抑制することができる。また、単位構造のＥＩコアを段積みする構成により、磁路断面積を大きくして一次巻線と二次巻線用チューブとの誘導結合性を高めるとともに、段積みの度合いに応じてガス放電路の長さを、ガス種や必要なプラズマ解離度に応じて自由に調整することができる。
【００１８】
【実施例】
図２Ａ及びＢは、本発明装置の一実施例を示すもので、その断面図（Ａ）から明らかな通り、ＥＩコアのＥ部材１０における中心コア部には銅線からなる一次巻線１２が巻付けられ、更にこの一次巻線１２の外側に、二次巻線用チューブ１３が接触して周回配置される。斜視図（Ｂ）から明らかな通り、二次巻線用チューブ１３は、この場合、５段積みされたＥ部材１０の平行溝内を上下に貫通する一対のチューブ１３Ａ、１３Ｂを楕円又は長円形コイルの各コイル側部とし、それらチューブ１３Ａ、１３Ｂの上端同士、及び下端同士を、それぞれ三路ブロック１４、１５により接続して、１回巻のコイルとしたものである。これらのチューブ１３Ａ、１３Ｂ及び三路ブロック１４、１５は適当な物理的強度を有するプラスチック製品、例えばフッ素系樹脂チューブ、及びフッ素系樹脂ブロックより構成され、各ブロック１４、及び１５には、チューブ接続孔から直角に分岐したガス導入口、及び排出口が形成され、それらの口部には外部配管接続のために金属フランジ１６、及び１７がそれぞれ取り付けられる。
【００１９】
Ｅ部材１０の三肢の端面にはＩ部材１１の側面を密着させることにより、ＥＩコア／外鉄型変圧器構造が完成する。この変圧器に使用するコア材料は、概ね５０ＫＨｚ〜３０ＭＨｚの範囲内で選択される使用周波数と、一次巻線１２の巻数と、負荷インピーダンスの値によって決定される。また、二次巻線チューブ及びこのチューブの連結部たる三路ブロックとして、この実施例ではフッ素系樹脂（テトラフルオロエチレン）成形体を用いたが、使用するガス種や温度条件に応じて石英チューブや、耐腐食性アナダイズコートされたアルミニュームなどを用いることができる。アルミニューム等、プラズマ放電路の包囲体として導電性材料を用いる場合には、放電路の途中を電気的に絶縁することが必要である。
【００２０】
図３は、高周波電源における終段増幅回路の出力トランスと、本発明のＥＩコア型変圧器式プラズマ発生装置とを合体させた回路実施例を示す結線図である。終段増幅器１８は４個のパワートランジスタからなるプッシュプル増幅回路として構成され、出力トランスとしてのＥＩコア型変圧器１９における一次巻線１２は、使用するガス種によってある程度定まるプラズマ負荷インピーダンスＺ＝Ｒ±ｊＸに対応して一次／二次インピーダンス変換を行うことができる範囲に定められた巻数の巻線端子Ｔ１、タップＴ２、Ｔ３、─のいずれかを選択・接続される。プッシュプル増幅回路から、このトランス一次巻線への結合コンデンサＣ１、Ｃ２の値は上記Ｚの虚数成分±ｊＸと整合するように定められる。
【００２１】
なお、上述した一次巻線１２と、好ましくはこれに接触して周回配置された二次巻線チューブ１３との間には、図３の回路で示すように、副次的な容量結合（Ｃｓ）も存在し、これによってプラズマの点火に必要な二次側高電圧の発生を助けることができる。プッシュプル増幅回路中の４個のトランジスタ（Ｔ_Ｒ　）のうち、一対のＡ相トランジスタと、他の一対のＢ相トランジスタの動作波形と、一次巻線１２に加わる出力波形との関係は図４に示す通りである。
【００２２】
かくして、図４Ｃに示すような一次巻線電圧が加えられると、二次巻線チューブ１３内には、電磁誘導結合に基づく二次交流電界が発生し、同チューブ１３内に導入されたガスと、そのガス圧とに応じたプラズマ点火が生じ、図３のような等価回路２０によるプラズマ電流路が確立され、必要なプラズマ相を持続的に形成することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明のＥＩコアによるトランス放電型プラズマ発生装置によれば、トロイダル放電に比較してエネルギー変換効率が改善され、大気圧及び大気圧に近い低圧力下でプラズマを発生させることができる。またトランス巻線によって生ずる磁力線は、Ｅコア中心脚部から両側脚部に分岐して殆ど全部が還流し、外部に不所望の電磁界が放射されることを抑制することができる。
【００２４】
またＥＩコアを段積み調整する構造により、磁路断面積を増やし且つ結合距離を近くした状態において、ガス放電路の長さを自由に調整できる、等の利点を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマ発生方式の独自性を理解するために、背景技術として提示した従来のトロイダル放電／プラズマ発生方式の略斜視図である。
【図２】本発明装置の一実施例を示すために、要部横断面図（Ａ）と斜視図（Ｂ）を描いたものである。
【図３】本発明のＥＩコア型変圧器式プラズマ発生装置と、高周波電源における終段増幅回路の出力トランスとを合体させた回路実施例を示す結線図である。
【図４】高周波電源中のプッシュプル増幅回路を構成するトランジスタ（Ｔ_Ｒ　）のうち、一対のＡ相トランジスタと、他の一対のＢ相トランジスタの動作波形をＡ段及びＢ段に、これに対応して一次巻線に加わる出力波形との関係をＣ段に示す動作波形図である。
【符号の説明】
１０　Ｅ部材
１１　Ｉ部材
１２　一次巻線
１３　二次巻線チューブ
１４、１５　三路ブロック
１６、１７　フランジ
１８　プッシュプル増幅器
１９　ＥＩコア型変圧器
２０　プラズマ電流路等価回路

Claims

ＥＩコア型変圧器において、高周波通電用の一次巻線と、その一次巻線の上に周回配置したガス通路用チューブからなる二次巻線とを装備し、一次巻線に高周波電流を流すことにより二次巻線用チューブ内に高周波電界を誘起させ、その二次巻線用チューブ内のガスを通じ高周波放電させてプラズマ化し、プラズマ電流による二次巻線電流を形成するようにしたことを特徴とするプラズマ発生装置。
単位構造のＥＩコアを２段以上積み上げることにより、コア貫通空間の貫通長さを大きくし、二次巻線用チューブによるガス放電路の全長を長くすることにより、一次巻線と二次巻線との磁気結合面積を広げ、且つ相対的に磁気結合距離を短縮して、プラズマの生成に必要な二次巻線用チューブの側管距離及びプラズマ生成時間を調整できる構造とした請求項１記載のプラズマ発生装置。
前記プラズマ発生装置に高周波電力を供給するための高周波電源の出力トランスを、前記ＥＩコア型変圧器で兼用したことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。