JP2009266439A - 大気圧プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電管の破損やプラズマ発生量低下による放電管の交換を容易に行うことができ、また交換後のプラズマ再現性の良好な大気圧プラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】アンテナ３に高周波電力を供給し、アンテナ３の近傍に配置した放電管７の一端７ａからガス９を供給して誘導結合型のプラズマを発生し、放電管７の他端７ｂからプラズマを噴出する大気圧プラズマ発生装置１において、基板２と、基板２上に配設された平板状の導体からなる波状形態のアンテナ３と、放電管７を保持する放電管保持部８とを備え、放電管７がアンテナ３の近傍に配置されるように放電管保持部８を基板２に対して着脱可能に装着した。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気圧プラズマ発生装置に関し、特に基板上に平板状のアンテナを配置し、アンテナの近傍に放電管を配設したコンパクトな構成の大気圧プラズマ発生装置に関するものである。

従来、真空プラズマ発生装置や大気圧プラズマ発生装置は装置が大型であるため、ロボットに搭載して稼動させるような装置に適用することは不可能であったが、近年、大気圧近傍でマイクロ誘導結合プラズマジェットを生成する小型のマイクロプラズマジェット発生装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、本明細書における大気圧近傍とは、大気圧を含む近傍で、具体的な圧力で言うと、５００〜１５００ｍｍＨｇの範囲を言う。

このマイクロプラズマジェット発生装置は、図８に示すように、基板３１と、基板３１上に配設された波状形態のマイクロアンテナ３２と、マイクロアンテナ３２の近傍に配設された放電管３３とを備えたプラズマチップ３０を用い、放電管３３の一端からガス供給手段３４にてガスを供給するとともに、高周波電源（図示せず）にてマイクロアンテナ３２に対してＶＨＦ帯（３０〜５００ＭＨｚ）の高周波電力を供給することによって、大気圧にて小電力で放電管３３内の微小空間に良好に安定したプラズマＰを発生させ、マイクロプラズマジェットとして吹き出させるものである。なお、マイクロアンテナ３２と高周波電源（図示せず）との間には、マイクロアンテナ３２からの反射波を調整し、反射波によってマイクロアンテナ３２への投入電力が低下するのを防止してプラズマを安定して効率的に発生するための整合回路（図示せず）が接続される。

ところで、大気圧プラズマ発生装置の実際の適用に際しては、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向に移動可能な移動装置に大気圧プラズマ発生装置を搭載し、放電管３３の先端から吹き出したプラズマＰを被処理物表面に照射してプラズマ処理を行う（具体的には例えばガラスエポキシ基板やガラス基板に酸素プラズマを照射して親水性を向上させたり、水素プラズマを照射して撥水性を向上させる処理を行う）が、上記特許文献１に開示された構成では、基板３１に放電管３３を形成しており、かつ吹き出すプラズマＰの長さは数ｍｍ程度であるため、プラズマＰを被処理物表面に照射してプラズマ処理する際に、基板３１と被処理物表面との間の間隔を十分に確保することができず、被処理物表面の周辺部と干渉してしまう場合が多く、実際のプラズマ処理に適用するのが困難であるという課題があった。

そこで、本出願人はこのような問題の解消を図った大気圧プラズマ発生装置を先に提案している（例えば、特許文献２参照）。その大気圧プラズマ発生装置４１は、図９〜図１１に示すように、第１の基板４２上に複数巻きの波状形態のアンテナ４６を配設し、この第１の基板４２のアンテナ４６を配設した一側半部の領域上に第２の基板４３を配置し、第２の基板４３上に第３の基板４４を配置して積層基板４５を構成し、アンテナ４６を第１の基板４２と第２の基板４３の間に挟まれた状態で積層基板４５に内蔵させ、第２の基板４３の下面形成した収容溝４７に放電管４８を収容配置して構成されている。

また、第１の基板４２の他側端中央に、高周波電源（図示せず）に接続するコネクタ５１が配設されてコネクタ５１とアンテナ４６が配線５２にて接続されている。配線５２の途中にロード側の可変コンデンサ５３とターン側の可変コンデンサ５４を配設して整合回路が構成されている。また、この整合回路には、ロード側の可変コンデンサ５３とアンテナ４６との間にインダクタンス素子５５を、ターン側の可変コンデンサ５４とアンテナ４６との間に固定コンデンサ５６を配設し、アンテナ４６に対する印加電力の定在波の位相を調整設定する位相回路が包含されている。

前記インダクタンス素子５５は、図１１（ａ）に示すように、アンテナ４６を挟んでいる第２の基板４３の上面に渦巻き状の導体を配置して平面状に構成され、かつ渦巻き状のインダクタンス素子５５の両端が、図１１（ｂ）に示すように、第２の基板４３を貫通して形成された配線穴５７ａ、５７ｂを通して下面側に延出され、下面に設けられた接続部５８ａ、５８ｂに連続されるとともに、第１の基板４２上に配設されたアンテナ４６の一端に設けられた接続部５９ａと可変コンデンサ５３に接続された配線５２の先端の接続部５９ｂが、第１の基板４２上に第２の基板４３を積層して配置したときに接続部５８ａ、５８ｂに重なるように配設されており、第１の基板４２と第２の基板４３を圧接状態で積層したとき、接続部５８ａと５９ａ、５８ｂと５９ｂが互いに電気的に接続されるように構成されている。

この特許文献２に記載の構成によれば、第１及び第２の基板４２、４３とは別体の放電管４８を第２の基板４３に形成した収容溝４７に収容配置しているので、放電管４８を積層基板４５の端面から所定長突出させて配置することで、被処理表面にプラズマを確実に照射することができ、特許文献１の課題の解消を図ることができる。
特許第３６１６０８８号明細書 特開２００７−３０５３０８号公報

しかしながら、放電管４８は誘電体で構成する必要があるとともに、発生するプラズマの温度は数千度と非常に高い温度になるため、そのような高温に対する耐熱性が必要であり、そのためセラミックス製のものが使用されているが、セラミックス製の放電管４８は周辺の部材に不測に接触した場合に簡単に破損してしまい、破損した場合、特許文献２に記載の構成では放電管４８を交換するのが困難で、復旧に多大な手間と時間を要するという問題がある。

また、放電管４８の中で長時間、例えば４０００時間放電させると、放電管の内面に汚れが発生し、その結果プラズマの発生量が下がってしまい、プラズマ処理の能力が大きく低下してしまうため、放電管４８の交換が必要になるが、その場合にも上記のような問題がある。また、放電管４８を交換した場合に、放電管４８を同じ位置に配置するのが困難で、発生するプラズマの再現性が良くないという問題もある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、放電管の破損やプラズマ発生量低下による放電管の交換を容易に行うことができ、また交換後のプラズマ再現性の良好な大気圧プラズマ発生装置を提供することを目的とする。

本発明の大気圧プラズマ発生装置は、アンテナに高周波電力を供給し、アンテナ近傍に配置した放電管に一端からガスを供給して誘導結合型のプラズマを発生し、放電管の他端からプラズマを噴出する大気圧プラズマ発生装置において、基板と、基板上に配設された平板状の導体からなる波状形態のアンテナと、放電管を保持する放電管保持部とを備え、放電管保持部を基板に対して着脱可能にかつ放電管がアンテナの近傍に配置されるように装着したものである。

この構成によれば、基板に対して放電管を保持した放電管保持部を着脱可能に装着するようにしているので、放電管が破損したり、プラズマの発生量が低下したりして放電管を交換する必要が生じたときに、基板に対して放電管保持部を取り外して新たな放電管保持部を装着することで、容易かつ作業性良く放電管を交換できるとともに、放電管保持部の装着時にその位置を規制することで交換後においても高いプラズマ再現性を確保することができる。

また、放電管保持部を基板上に螺着若しくは基板間に挟持固定して基板に装着すると、放電管保持部を基板に対して容易にかつ作業性良く着脱することができる。

また、放電管保持部の基板に対する装着時に放電管保持部の位置を規制する位置規制部を設けると、放電管保持部の高い位置精度を容易に確保することができ、交換後のプラズマ再現性をより簡単に確保することができる。

また、放電管の他端を放電管保持部の端面から突出させると、基板や放電管保持部と被処理物表面との間に距離を確保しながら発生したプラズマを被処理物表面に照射することができるので、被処理物表面の周辺の部材との干渉が発生する恐れなく、プラズマ処理を行うことができる。

また、放電管保持部には、放電管の他端が内部で開口する混合ガス空間を設け、混合ガス空間内に反応性ガスを含む混合ガスを供給するガス供給口を設けると、放電管で発生したプラズマが混合ガス空間内に吹き出し、この混合ガス空間内に供給されている反応性ガスを含む混合ガスに衝突することでプラズマが一挙に展開し、この反応性ガスを含む混合ガスの全体がプラズマ化して二次プラズマが発生し、混合ガス空間から吹き出すので、この二次プラズマを被処理物表面に向けて照射することで、被処理物表面を効率的にプラズマ処理することができる。

また、アンテナは、厚さが高周波電流が流れる導体表面からの深さδの２倍以上であり、δはδ＝（２／ωμσ）／２（式中、ωは高周波角周波数、μは透磁率、σは金属の導電率である）で与えられたものであるのが好適である。

本発明の大気圧プラズマ発生装置によれば、基板に対して放電管を保持した放電管保持部を着脱可能に装着するようにしているので、放電管が破損したり、プラズマの発生量が低下したりして放電管を交換する必要が生じたときに、基板から放電管保持部を取り外して新たな放電管保持部を装着することで、容易かつ作業性良く放電管を交換できるとともに、放電管保持部の装着時にその位置を規制することで交換後においても高いプラズマ再現性を確保することができる。

以下、本発明の大気圧プラズマ発生装置の各実施形態について、図１〜図７を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態について，図１〜図４を参照して説明する。

本実施形態の大気圧プラズマ発生装置１は、波状形態のアンテナ３と、位相回路としての機能も併せ持つ整合回路４と、高周波電源１１（図４参照）と接続するためのコネクタ５とが上面に配置された基板２と、基板２上のアンテナ３の配置部を除いて整合回路４とコネクタ５上を覆う被覆基板６と、誘電体から成り、一端７ａからガス９が供給され、発生したプラズマを他端７ｂから吹き出す放電管７と、放電管７を保持するとともに放電管７がアンテナ３の近傍位置でアンテナ３の中心線と平行となるように配置する放電管保持部８とを備え、放電管保持部８が基板２に対して着脱可能に装着されている。放電管７の他端７ｂは、放電管保持部８の端面よりも適当長さ突出されている。放電管７に供給されるガス９は、アルゴンガスやヘリウムガスなどの不活性ガス、又はその不活性ガスに反応性ガスを混合した混合ガスなどである。また、基板２、被覆基板６及び放電管保持部８の材質としては、熱伝導性の高いアルミナ、サファイヤ、アルミナイトライド、シリコンナイトライド、窒化ホウ素、及び炭化ケイ素などが好適である。

アンテナ３は、平板状の金属材料にて構成されるとともに中心線を上下方向にした複数巻きの波状形態に形成され、かつ基板２の図１〜図３における左右方向の一側部に配置されている。コネクタ５は基板２の他側縁に配設され、整合回路４は基板２の他側部、すなわちアンテナ３とコネクタ５の間に配設されている。基板２の一側部は、矩形状に区画形成したアンテナ配置部位１０を除いて凹陥部１１にて構成され、基板２の他側部及びアンテナ配置部位１０上面と凹陥部１１との間の段部にて放電管保持部８の装着位置を規制する位置規制部１２が構成されている。

基板２のコネクタ５が配置されている他側部には高周波電圧のグランド側が接続されるグランド電極１３が配設されている。整合回路４は、コネクタ５の高圧端子５ａとアンテナ３の一端３ａとの間に配置したインダクタンス素子１４と、コネクタ５のグランド端子が接合されたグランド電極１３とアンテナ３の他端３ｂとの間に配置したターン側のコンデンサ素子１５と、コネクタ５の高圧端子５ａとグランド電極１３との間に配置したロード側のコンデンサ素子１６にて構成されている。

インダクタンス素子１４は、平板状の金属材料から成るとともにアンテナ３の中心を通る中心線ａと直交する方向の仮想線を中心線ｂとする複数巻きの波状形態に構成され、かつアンテナ３とインダクタンス素子１４とが一体的にかつ連続して形成されている。一方、コンデンサ素子１５は立体形状のもので一体化は不可能であるため、その両端電極がグランド電極１３とアンテナ３の他端３ｂに半田付けされ、同様にコンデンサ素子１６の両端電極が、インダクタンス素子１４のアンテナ３側とは反対の端部１４ａとグランド電極１３に半田付けされている。

アンテナ３及びインダクタンス素子１４を構成する金属材料としては、比抵抗値の低い金属、例えば銅（比抵抗：１７．２ｎΩｍ（２０℃）、温度係数：０．００４／℃）、銀（比抵抗：１６．２ｎΩｍ（２０℃）、温度係数：０．００４／℃）、金（比抵抗：２４．０ｎΩｍ（２０℃）、温度係数：０．００３４／℃）、アルミニウム（比抵抗：２８．２ｎΩｍ（２０℃）、温度係数：０．００４／℃）等の金属薄板ないし金属箔を打ち抜き加工したり、切断加工したりして構成したものが好適であるが、銅が最も好適である。また、その厚さは、高周波電流が流れる表面からの深さδの２倍以上、３倍以下のものが好適である。ここで、高周波電流が流れる導体表面からの深さδは、δ＝（２／ωμσ）／２（式中、ωは高周波の角周波数、μは透磁率、σは導電率である）で与えられる。具体例を示すと、高周波電流の周波数が１００ＭＨｚの場合で、１００μｍ程度の厚さのものが好適である。

放電管保持部８は、基板２の一側部の凹陥部１１上に配置されるとともに位置規制部１２に係合して位置規制されており、その状態で放電管保持部８の上下の角部に形成されたボルト穴１７に挿通した締結ボルト１８を基板２に形成したねじ穴１９に螺合して着脱可能に装着固定されている。

以上の構成の大気圧プラズマ発生装置１によれば、基板２に対して放電管７を保持した放電管保持部８を着脱可能に装着するようにしているので、放電管７が破損したり、プラズマ発生時間が、例えば４０００時間以上のように長時間となって放電管７の内面に汚れが発生してプラズマの発生量が低下した場合など、放電管７を交換する必要が生じたときに、締結ボルト１８を緩めて基板２から放電管保持部８を取り外し、新たな放電管保持部８を装着して締結ボルト１８にて締結固定することで、容易かつ作業性良く放電管７の交換を完了することができ、大気圧プラズマによるプラズマ処理工程の中断時間を大幅に短縮でき、生産性向上に大きな効果を発揮する。

また、放電管保持部８を基板２に装着する時に、基板２の位置規制部１２に放電管保持部８を係合させることで放電管保持部８の位置が規制され、その状態で締結ボルト１８にて締結固定することで、放電管保持部８の位置精度を容易に確保することができ、交換後においてもプラズマ再現性をより確保することができる。

また、放電管７の他端７ｂを放電管保持部８の端面から適当長さ突出させ、基板２と被覆基板６と放電管保持部８から成るブロックから放電管７の先端が突出するようにしているので、このブロックと被処理物表面（図示せず）との間に距離を確保しながら放電管７の他端７ｂから吹き出したプラズマを被処理物表面（図示せず）に効果的に照射することができ、被処理物表面の周辺の部材との干渉が発生する恐れなく、プラズマ処理を行うことができる。

また、本実施形態では、アンテナ３と整合回路４を構成するインダクタンス素子１４が基板２上に一体的にかつ連続して形成された平板状の導体にて構成されているので、アンテナ３とインダクタンス素子１４を別体にて構成した場合に設けざるを得ない接続部が存在しないため、接続部での大きな接続抵抗によって発熱を生じるとことがなく、発熱による不具合の発生を効果的に防止することができ、また一体となったアンテナ３とインダクタンス素子１４を銅板等の金属材料の打ち抜きやエッチング加工にて容易かつ安価に製造することができる。

また、整合回路４を構成する各素子を、アンテナ３及びその延長幅よりも外側の一側方に配設し、インダクタンス素子１４を、アンテナ３の中心線ａと直交する方向の仮想線を中心線ｂとする波状形態に構成しているので、整合回路４を構成する各素子がアンテナ３の一側方に配置されていることで配線がアンテナ３の中心線ａと交差せず、かつインダクタンス素子１４を波状形態に構成していることで容易にかつコンパクトで形成できるとともにインダクタンス素子１４とアンテナ３の中心線ａ、ｂが直交しているので両者で発生する高周波電界の間で相互に影響を与え合う恐れがない。

また、整合回路４を、コネクタ５の高圧端子５ａとアンテナ３の一端３ａとの間に配置したインダクタンス素子１４と、グランド電極１３とアンテナ３の他端３ｂとの間に配置したターン側のコンデンサ素子１５と、コネクタ５の高圧端子５ａとグランド電極１３との間に配置したロード側のコンデンサ素子１６にて構成しているので、基板２上に必要最少の素子を配置した構成でありながらコネクタ５に電源を接続するだけでアンテナ３に対するプラズマ発生電力を供給することができるので、大気圧プラズマ発生装置１の装置構成の大幅なコンパクト化を図ることができる。

なお、以上の説明では、基板２上に放電管保持部８を着脱可能に装着するのに、締結ボルト１８にて螺着するようにした例を示したが、これに限定されるものでなく、放電管保持部８の厚さを薄く構成するとともに、被覆基板６を基板２の全面と対向する大きさに形成し、放電管保持部８を基板２と被覆基板６との間で挟持固定するようにしても良い。この場合、基板２と被覆基板６とは締結ボルトにて締結固定しても、その他の固定具にて固定するようにしても良い。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について，図５〜図７を参照して説明する。なお、本実施形態の説明においては、上記第１の実施形態と共通の構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。

第１の実施形態においては、放電管保持部８の下端から放電管７の下端を適当長突出させている構成を示したが、本実施形態においては、図５〜図７に示すように、放電管保持部８の下部に下面開放の混合ガス空間２０が設けられ、放電管保持部８の下部外側面に混合ガス空間２０内に不活性ガスと反応性ガスの混合ガス２２を供給するガス供給口２１が形成されている。放電管７の他端７ｂは、混合ガス空間２０の内部の上部位置で開口されており、放電管７内で発生して他端７ｂから吹き出したプラズマが、混合ガス空間２０内の混合ガス２２に衝突するように構成されている。

この構成によると、放電管７で発生したプラズマが混合ガス空間２０内に吹き出し、この混合ガス空間２０内に供給されている不活性ガスと反応性ガスの混合ガス２２に衝突することでプラズマが一挙に展開し、この混合ガス２２の全体がプラズマ化した二次プラズマが発生し、混合ガス空間２０の下端開口の全面から略均一に吹き出すので、この二次プラズマ中のプラズマ化した反応性ガスを広い面積の被処理物表面に向けて照射してプラズマ処理することができ、かつ二次プラズマは寿命が長いために混合ガス空間２０の下端開口と被処理物表面との間に距離があっても被処理物表面を効率的にプラズマ処理することができる。

具体例を示すと、放電管７の内径を０．８ｍｍ、混合ガス空間２０の内径を５ｍｍとし、放電管７に供給するガス９として不活性ガスであるアルゴンガスを５０ｓｃｃｍの流量で供給し、ガス供給口２１から混合ガス空間２０に供給する混合ガス２２として、不活性ガスであるアルゴンガス又はヘリウムガス（流量５００ｓｃｃｍ）と反応性ガスである酸素ガス又は水素ガス（流量５０ｓｃｃｍ）の混合ガスを用いることで、被処理物表面を効率的にプラズマ処理することができた。なお、混合ガス２２については、不活性ガスと反応性ガスを事前に所定の割合で混合し、その混合ガスを供給する混合ガス貯蓄タンクより供給してもよい。

本発明の大気圧プラズマ発生装置によれば、基板に対して放電管を保持した放電管保持部を着脱可能に装着するようにしているので、放電管が破損したり、プラズマの発生量が低下したりして放電管を交換する必要が生じたときに、基板から放電管保持部を取外して新たな放電管保持部を装着することで、容易かつ作業性良く放電管を交換できるとともに、放電管保持部の装着時にその位置を規制することで交換後においても高いプラズマ再現性を確保することができるので、各種大気圧プラズマ発生装置、特に各種装置に搭載する小型の大気圧プラズマ発生装置に好適に利用することができる。

本発明の大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態の放電管保持部を取外した状態の斜視図。 同実施形態の放電管保持部を取付けた状態の下面図。 同実施形態の基板の平面図。 同実施形態の回路構成図。 本発明の大気圧プラズマ発生装置の第２の実施形態の放電管保持部を取外した状態の斜視図。 図５のＡ部詳細正面図。 同実施形態の放電管保持部を取付けた状態の下面図。 第１の従来例の大気圧プラズマ発生装置の斜視図。 第２の従来例の大気圧プラズマ発生装置の正面図。 同従来例の大気圧プラズマ発生装置の第１の基板の平面図。 同従来例の大気圧プラズマ発生装置の第２の基板を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図。

符号の説明

１ 大気圧プラズマ発生装置
２ 基板
３ アンテナ
６ 被覆基板
７ 放電管
７ａ 一端
７ｂ 他端
８ 放電管保持部
９ ガス
１２ 位置規制部
１８ 締結ボルト
２０ 混合ガス空間
２１ ガス供給口
２２ 混合ガス

Claims (6)

1. アンテナに高周波電力を供給し、アンテナ近傍に配置した放電管に一端からガスを供給して誘導結合型のプラズマを発生し、放電管の他端からプラズマを噴出する大気圧プラズマ発生装置において、基板と、基板上に配設された平板状の導体からなる波状形態のアンテナと、放電管を保持する放電管保持部とを備え、放電管保持部を基板に対して着脱可能にかつ放電管がアンテナの近傍に配置されるように装着したことを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
2. 放電管保持部は、基板上に螺着若しくは基板間に挟持固定して基板に装着したことを特徴とする請求項１記載の大気圧プラズマ発生装置。
3. 放電管保持部の基板に対する装着時に放電管保持部の位置を規制する位置規制部を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の大気圧プラズマ発生装置。
4. 放電管の他端は、放電管保持部の端面から突出させたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の大気圧プラズマ発生装置。
5. 放電管保持部には、放電管の他端が内部で開口する混合ガス空間を設け、混合ガス空間内に反応性ガスを含む混合ガスを供給するガス供給口を設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の大気圧プラズマ発生装置。
6. アンテナは、厚さが高周波電流が流れる導体表面からの深さδの２倍以上であり、δはδ＝（２／ωμσ）／２（式中、ωは高周波角周波数、μは透磁率、σは金属の導電率である）で与えられたものであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の大気圧プラズマ発生装置。

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