JP2013055002A

JP2013055002A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2013055002A
Application number: JP2011194032A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Okamura; 健広岡村; Tomoaki Iwamura; 知明岩村; Ryoji Kito; 了治木藤; Akihiro Kubota; 章裕久保田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-06
Also published as: JP5934484B2

Abstract

【課題】プラズマによる劣化を回避しつつ点火機構を簡略化する。
【解決手段】一方の端部が閉塞板１１ｂで閉塞され、かつ他方の端部が開放端に形成された筒状の筐体１１と、閉塞板１１ｂの内面に筐体１１の筒長方向に沿って延出するように立設されると共に入力した高周波信号Ｓ１を放射する棒状の放射器１４とを備え、閉塞板１１ｂ側から開放端側に向かう気流を筐体１１内に発生させるように筐体１１内にガス供給部４によって放電用ガスＧが供給され、かつ放射器１４が高周波信号Ｓ１を放射している状態において、放射器１４の先端近傍から気流に乗って筐体１１の外方へ伸びるプラズマＰを発生させるプラズマ処理装置１であって、放射器１４との間で放電Ｄを発生させてプラズマＰを点火する点火導体５ａを有する点火機構５を備え、放電電極としての点火導体５ａの先端は、放射器１４の先端よりも気流の上流側に配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一方の端部が閉塞板で閉塞された筒状の筐体、および閉塞板の内面に筐体の筒長方向に沿って延出するように立設された放射導体を備えて、放射導体の先端近傍にプラズマを発生させるプラズマ処理装置に関するものである。

この種のプラズマ処理装置として、本願出願人は、下記特許文献１に開示されたプラズマ処理装置を既に提案している。このプラズマ処理装置は、プラズマ処理室、ガス供給部、高周波電源、着火機構（点火機構）、移動機構および制御部を備えている。この場合、着火機構は、導体棒、電圧生成装置および移動機構を備えている。導体棒は、その一端側が移動機構に取り付けられて、プラズマを着火させる着火処理時には、その他端側が絶縁管の筒先（着火処理位置）に位置させられると共に、着火処理の完了後には、処理対象体に対するプラズマの照射の妨げとなることのない待避位置に待避させられる。また、この待避により、導体棒の先端部分がプラズマとの接触によって劣化する事態についても防止されている。電圧生成装置は、制御部の制御に従い、一例として、１０ｋＶ程度の直流電圧を生成して導体棒に印加する。移動機構は、制御部の制御に従い、上記したように、導体棒を着火処理位置および待避位置のいずれかに移動させる。

このプラズマ処理装置では、高周波電源において生成された高周波信号をプラズマ処理室に同軸ケーブルを介して供給すると共に着火機構を制御することにより、プラズマ処理室内（絶縁管等の内部）にプラズマを発生させて載置台上の処理対象体の表面をプラズマ処理するように構成されている。

特開２０１０−５６００２号公報（第４−７頁、第１図）

ところが、発明者は、上記した従来のプラズマ処理装置について鋭意研究した結果、このプラズマ処理装置には以下の改善すべき点が存在していることを見出した。すなわち、このプラズマ処理装置では、着火機構（点火機構）は、導体棒、電圧生成装置および移動機構を備え、移動機構によって導体棒を着火処理位置と待避位置との間で移動させるように構成されている。したがって、このプラズマ処理装置には、移動機構を備えているために着火機構が複雑化するという改善すべき点が存在している。また、これにより、プラズマ処理装置を小型化するのが困難であるという改善すべき点も存在している。

本発明は、かかる点を改善すべくなされたものであり、プラズマによる劣化を回避しつつ点火機構を簡略化し得るプラズマ処理装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載のプラズマ処理装置は、一方の端部が閉塞板で閉塞され、かつ他方の端部が開放端に形成された筒状の筐体と、前記閉塞板の内面に前記筐体の筒長方向に沿って延出するように立設されると共に入力した高周波信号を放射する棒状の放射導体とを備え、前記閉塞板側から前記開放端側に向かう気流を前記筐体内に発生させるように当該筐体内にガス供給部によって前記プラズマ放電用ガスが供給され、かつ前記放射導体が前記高周波信号を放射している状態において、当該放射導体の先端近傍から前記気流に乗って前記筐体の外方へ伸びるプラズマを発生させるプラズマ処理装置であって、前記放射導体との間で放電を発生させて前記プラズマを点火する放電電極を有する点火機構を備え、前記放電電極は、前記放射導体の前記先端よりも前記気流の上流側に配設されている。

また、請求項２記載のプラズマ処理装置は、請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記点火機構は、前記筐体内に前記放射導体と略平行な状態で配設された棒状の点火導体を備え、当該点火導体における前記開口端側の先端が前記放電電極として機能する。

また、請求項３記載のプラズマ処理装置は、請求項２記載のプラズマ処理装置において、前記プラズマが発生している状態における前記放射導体および前記点火導体の全体としての共振周波数が前記高周波信号の周波数と一致するように、当該放射導体の長さが規定されている。

請求項１記載のプラズマ処理装置によれば、放射導体との間で放電を発生させてプラズマを点火する放電電極が放射導体の先端よりもプラズマ放電用ガスの気流における上流側に配設されて、プラズマとの接触が回避されているため、プラズマと接触することに起因して放電電極が劣化する事態の発生、および放電電極がプラズマの照射の妨げとなる事態の発生を確実に防止しつつ、筐体内に放電電極を固定的に配置する構成を採用することができ、これによって従来のプラズマ処理装置において必要とされていた放電電極（導体棒）の移動機構を省いて点火機構を簡略化することができる。また、このプラズマ処理装置によれば、点火機構を簡略化できるため、処理装置全体を小型化することもできる。

請求項２記載のプラズマ処理装置によれば、先端が放電電極として機能する点火導体を放射導体と略平行な状態で筐体内に配設したことにより、閉塞板側から筐体の開放端に向かうプラズマ放電用ガスの気流が、放射導体および点火導体によって乱される事態を大幅に低減することができる。

請求項３記載のプラズマ処理装置によれば、プラズマが発生している状態における放射導体および点火導体の全体としての共振周波数が高周波信号の周波数と一致するように放射導体の長さを規定したことにより、高周波信号が供給された状態において、放射導体を確実に共振モノポールとして作動させて、筐体の開口端側に位置する先端側で電圧を最大にすることができ、これにより、効率よくプラズマを発生させることができる。

プラズマ処理装置１の構成図（筐体１１については中心軸Ｘを含む平面に沿った断面図）である。図１におけるＷ１−Ｗ１線断面図（同軸コネクタ１２を除く断面図）である。

以下、添付図面を参照して、プラズマ処理装置の実施の形態について説明する。

図１に示すプラズマ処理装置１は、プラズマ発生部２、高周波電源３、ガス供給部４、点火機構５およびテーブル６を備えている。また、このプラズマ処理装置１は、高周波電源３において生成された高周波信号Ｓ１をプラズマ発生部２に同軸ケーブル３ａを介して供給することによってプラズマ発生部２内にプラズマＰを発生させると共に、発生させたプラズマＰをテーブル６に載置された処理対象体７に放射してその表面をプラズマ処理可能に構成されている。一例として、このプラズマ処理装置１は、樹脂などの有機材料で形成された部材（例えば、シート状や板状の部材）を処理対象体７として、その表面の殺菌処理、洗浄処理、および親水性の向上処理などを実行する。

プラズマ発生部２は、一例として、図１に示すように、筐体１１、同軸コネクタ１２、給電導体１３、および放射導体としての放射器（アンテナ）１４を備えている。筐体１１は、一例として、両端が開口する導電性の筒体１１ａ、導電性の閉塞板１１ｂおよび絶縁管１１ｃを備え、筒体１１ａにおける一方の端部（同図中の上端部）がこの一方の端部に密着して配設された閉塞板１１ｂによって閉塞されることにより、全体として、同図中の下端（筒体１１ａにおける他方の端部）側が開放端に形成されたトーチ型筐体に構成されている。また、筐体１１には、グランド電位が付与されている。

本例では、一例として、筒体１１ａは、図２に示すように、中心軸Ｘと直交する平面に沿った外周面の断面形状が四角形（つまり、外形が四角筒体）であるが、この平面に沿った内周面の断面形状が円形であるため、実質的には円筒体として機能する。また、筒体１１ａは、図１に示すように、その長さ（筒長。同図中の上下方向の長さ）が、閉塞板１１ｂに立設された放射器１４の長さＬ１よりも長く規定されて、放射器１４の先端（同図中の下端）が筒体１１ａの開放端から突出しない構成となっている。また、筒体１１ａには、図１に示すように、一方の端部寄りの位置に、筐体１１内に高周波信号Ｓ１を導入するための第１貫通孔２１が形成されている。

閉塞板１１ｂには、プラズマ放電用ガスＧ（以下、「放電用ガスＧ」ともいう）を筒体１１ａ内に供給する後述の配管４ａを取り付けるための第２貫通孔２２と、点火機構５を構成する後述の点火導体５ａを取り付けるための第３貫通孔２３とが形成されている。

この場合、第２貫通孔２２の位置は、図１，２に示すように、筒体１１ａの中心軸Ｘから外れた位置（具体的には、中心軸Ｘに配設された放射器１４と干渉しない位置）に規定されている。また、第３貫通孔２３の位置は、第３貫通孔２３に貫通させられた点火導体５ａが放射器１４の近傍に位置するように、中心軸Ｘに近接する位置に規定されている。本例では一例として、第３貫通孔２３の位置は、図２に示すように、中心軸Ｘと第２貫通孔２２との間に規定されているが、これに限定されず、放射器１４、第２貫通孔２２および給電導体１３と干渉しない任意の位置に規定することができる。

絶縁管１１ｃは、図１，２に示すように、断面形状が円形の筒体１１ａにおける内周面の形状に合わせて円筒体に形成されて、外周面が筒体１１ａの内周面に密着した状態で筒体１１ａ内に配設されている。また、絶縁管１１ｃは、図１に示すように、筒体１１ａの他方の端部から第２貫通孔２２（の下方の縁部）に至るまでの筒長（同図中の上下方向に沿った長さ）に形成されている。絶縁管１１ｃは、高周波信号Ｓ１の出力電力を高めたときに、放射器１４から筐体１１（の内周面）への不要な放電の発生を防止する。

同軸コネクタ１２は、図１に示すように、高周波電源３に接続された同軸ケーブル３ａの先端に装着されている。また、同軸コネクタ１２は、第１貫通孔２１を閉塞するようにして筒体１１ａの外周面に取り付けられている。この場合、同軸コネクタ１２の芯線１２ａは、第１貫通孔２１内において、筒体１１ａと非接触な状態で位置している。

給電導体１３は、高導電性の線材を用いて、一例として、図１，２に示すように、棒状（ほぼ真っ直ぐな棒状）に形成されて、一端側が同軸コネクタ１２の芯線１２ａに接続されると共に、他端側が放射器１４の給電位置Ａに接続されている。この場合、給電位置Ａは、放射器１４における閉塞板１１ｂに固定された基端部から所定距離Ｌ２だけ離間した位置に規定されている。ここで、所定距離Ｌ２は、高周波信号Ｓ１の波長をλとしたときに、λ／１０≧Ｌ２＞０の範囲に規定するのが好ましい。これにより、放射器１４と、これに接続される閉塞板１１ｂおよび給電導体１３とで逆Ｆ形のアンテナが構成されて、後述するように、プラズマ発生（点火）前後でのＶＳＷＲの変化を低減し得る構成となる。なお、所定距離Ｌ２がλ／１０を超える構成では、後述するようにプラズマ発生前のＶＳＷＲが悪化し始める（つまり、プラズマの点火性が低下し始める）。このため、Ｌ２はλ／１０以下とするのが好ましい。

放射器１４は、図１に示すように、導電性材料を用いて１本の棒状（柱状。本例では一例として円柱状）に形成されている。また、放射器１４は、その一方の端部（同図中の上端）が閉塞板１１ｂの内面に取り付けられる（導通状態を確保した状態で取り付けられる）ことにより、閉塞板１１ｂの内面（筒体１１ａとの当接面）に筐体１１の筒長方向に沿って延出する状態で（つまり、閉塞板１１ｂに対して直角な状態で）立設されている。本例では、一例として、放射器１４は、軸線が筒体１１ａの中心軸Ｘ上に位置した状態で立設されている。また、放射器１４は、同軸コネクタ１２および給電導体１３を介して高周波電源３から入力された高周波信号Ｓ１を放射する。

ところで、放射器１４は、筐体１１内に単独で配設されているときには、その長さＬ１は（（１／４＋ｎ／２）×λ）に規定される。ここで、ｎは、０以上の整数であり、例えば、ｎ＝０としたときには、放射器１４の長さＬ１は（λ／４。高周波信号Ｓ１の周波数が一例として２．４５ＧＨｚであるため、１２２．４５ｍｍ／４＝３０．６ｍｍ）に規定される。一方、このプラズマ処理装置１では、放射器１４の近傍に点火導体５ａを配設する構成を採用している。このため、放射器１４の長さを規定する際に、点火導体５ａの影響を考慮するのがより好ましい。具体的には、プラズマＰが発生している状態における放射器１４および点火導体５ａの全体としての共振周波数が、高周波信号Ｓ１の周波数と一致するように、放射器１４の長さを規定するのが好ましい。

高周波電源３は、準マイクロ波帯（１ＧＨｚ〜３ＧＨｚ）またはマイクロ波帯（３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）の高周波信号（一例として、２．４５ＧＨｚ程度の準マイクロ波）Ｓ１を所定の電力で生成すると共に、同軸ケーブル３ａを介してプラズマ発生部２に出力する高周波信号生成部として機能する。なお、本例では、高周波電源３が、準マイクロ波を高周波信号Ｓ１として出力する構成を採用しているが、マイクロ波を高周波信号Ｓ１として出力する構成を採用することもできる。また、高周波電源３からプラズマ発生部２に対する高周波信号Ｓ１の供給効率を高めるため、高周波電源３とプラズマ発生部２との間に整合器を配設することもできる。

ガス供給部４は、配管４ａを介してプラズマ発生部２に連結されている。具体的には、配管４ａは、一方の端部（プラズマ発生部２側の端部）が筐体１１の閉塞板１１ｂに形成された第２貫通孔２２に挿入されて固定され、他方の端部（ガス供給部４側の端部）がガス供給部４に連結されている。この構成により、ガス供給部４は、図１に示すように、プラズマ発生部２の筐体１１内に配管４ａを介して放電用ガスＧを供給する。また、このようにして閉塞板１１ｂ側から筐体１１内に放電用ガスＧが供給されるため、筐体１１内には、閉塞板１１ｂ側から開放端としての筐体１１の他方の端部（図１中の下端部）に向かう放電用ガスＧの気流が発生する。また、放電用ガスＧとしては、通常は、電離電圧が低くプラズマが発生し易いガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）が使用されるが、大気圧下で反応性の高いガス（例えば、窒素ガスや酸素ガス、また空気）が使用される場合もある。なお、ガス供給部４は、本発明におけるプラズマ処理装置にとって必須の構成ではなく、プラズマ処理装置に配管４ａを介して放電用ガスＧが供給される構成であればよい。

点火機構５は、点火導体５ａ、絶縁管５ｂおよび高圧電源５ｃを備えている。点火導体５ａは、図１に示すように、絶縁管５ｂ内に装着された状態で、筐体１１の閉塞板１１ｂに形成された第３貫通孔２３に挿入されて固定されている。この固定された状態では、点火導体５ａは、絶縁管５ｂによって閉塞板１１ｂと電気的に絶縁された状態が維持されると共に、閉塞板１１ｂにおける放射器１４に近接する位置から放射器１４と略平行（完全な平行であっても良い。）に突出した状態となっている。また、点火導体５ａは、本例では、放電電極として機能する先端（同図中の下端）が絶縁管５ｂの端部から露出した状態となっている。さらに、点火導体５ａは、この先端が放射器１４の先端よりも放電用ガスＧの気流の上流側（放射器１４の先端よりも閉塞板１１ｂ側）に位置するように、閉塞板１１ｂからの突出長が規定されて配設されている。

高圧電源５ｃは、直流電圧Ｖを生成すると共に、生成した直流電圧Ｖを配線５ｄを介して点火導体５ａに供給する。この構成により、点火機構５は、直流電圧Ｖが供給されている状態の点火導体５ａの先端と、放射器１４との間で放電Ｄを発生させて、プラズマＰを点火させる。

次に、プラズマ処理装置１の動作について説明する。なお、テーブル６上には処理対象体７が載置されているものとする。

プラズマ処理装置１では、処理対象体７に対するプラズマ処理の実行に際して、まず、ガス供給部４から配管４ａを介して筐体１１内に放電用ガスＧが供給される。これにより、筐体１１内には、閉塞板１１ｂ側から筒体１１ａの開放端（筐体１１の他方の端部）に向かう放電用ガスＧの気流が発生する。この場合、放射器１４および点火導体５ａは放電用ガスＧの気流の方向に沿って延出する状態で筐体１１内にそれぞれ立設されている（点火導体５ａが筒体１１ａの中心軸Ｘ上に配設された放射器１４と略平行な状態で配設されている）ため、放射器１４および点火導体５ａによって放電用ガスＧの気流が乱される事態が大幅に低減されている。

次いで、この状態において、高周波電源３が高周波信号Ｓ１のプラズマ発生部２への出力を開始する。高周波電源３から出力された高周波信号Ｓ１は、同軸ケーブル３ａ、同軸コネクタ１２および給電導体１３を介して、放射器１４にその給電位置Ａから供給される。これにより、上記の長さＬ１に規定されている放射器１４が、高周波信号Ｓ１によって共振する。共振状態の放射器１４は共振モノポールとして作動して、筐体１１の開口端側に位置する先端（図１中の下端）側で電圧が最大となる。

続いて、点火機構５では、高圧電源５ｃが点火導体５ａに直流電圧Ｖを一定時間（短時間）だけ出力する。これにより、点火導体５ａの先端と放射器１４（の外周面）との間に放電Ｄが発生する。この放電Ｄによって放射器１４の近傍に大量に電子が発生するが、放射器１４の先端では電圧が最大となっているため、この大量に発生した電子により、なだれ式に電離を連鎖させることができ、プラズマ点火が行われる。この場合、筐体１１内は、プラズマＰの発生が可能な放電用ガスＧが存在しているため、プラズマＰは、一旦点火された後は、放電Ｄの停止後も、グロー放電状態となることから、放射器１４への高周波信号Ｓ１の供給のみで放射器１４の先端に継続して発生する。

また、上記したように筐体１１内には、閉塞板１１ｂ側から筒体１１ａの開口端に向かう放電用ガスＧの気流が発生しているため、このようにして放射器１４の先端に発生したプラズマＰは、図１に示すように、この気流に乗ってこの先端近傍から筐体１１の外方へ伸びる状態で連続発生して、処理対象体７に放射される。これにより、プラズマ処理装置１による処理対象体７の表面処理が実行される。

この処理の際に、プラズマＰは、上記したように、放電用ガスＧの気流に乗って放射器１４の先端近傍から筐体１１の外方へ伸びる状態で発生し、また放電電極としての点火導体５ａの先端は放射器１４の先端よりも放電用ガスＧの気流の上流側に位置しているため、点火導体５ａの先端とプラズマＰとの接触が回避されている。

このように、このプラズマ処理装置１によれば、放射器１４との間で放電Ｄを発生させてプラズマＰを点火する放電電極としての点火導体５ａの先端が放射器１４の先端よりも放電用ガスＧの気流における上流側に配設されて、プラズマＰとの接触が回避されているため、プラズマＰと接触することに起因して点火導体５ａ（放電電極として機能する先端）が劣化する事態の発生、および点火導体５ａがプラズマＰの照射の妨げとなる事態の発生を確実に防止しつつ、筐体１１内に点火導体５ａを固定的に配置する構成を採用することができ、これによって従来のプラズマ処理装置において必要とされていた点火導体５ａ（導体棒）の移動機構を省いて点火機構を簡略化することができる。また、このプラズマ処理装置１によれば、点火機構５を簡略化できるため、処理装置全体を小型化することもできる。

また、このプラズマ処理装置１によれば、先端が放電電極として機能する点火導体５ａを放射器１４と略平行な状態で筐体１１内に配設したことにより、閉塞板１１ｂ側から筐体１１の開放端に向かう放電用ガスＧの気流が、放射器１４および点火導体５ａによって乱される事態を大幅に低減することができる。

また、このプラズマ処理装置１によれば、プラズマＰが発生している状態における放射器１４および点火導体５ａの全体としての共振周波数が高周波信号Ｓ１の周波数と一致するように放射器１４の長さを規定したことにより、高周波信号Ｓ１が供給された状態において、放射器１４を確実に共振モノポールとして作動させて、筐体１１の開口端側に位置する先端側で電圧を最大にすることができ、これにより、効率よくプラズマＰを発生させることができる。

なお、放射器１４の形状については、棒状（柱状）に形成した例を挙げて説明したが、柱状に限定されず、直方体や樋状体（ハーフパイプ状体）などの板状に構成することもできるし、筒状に構成することもできる。

１プラズマ処理装置
２プラズマ発生部
３高周波電源
４ガス供給部
５点火機構
５ａ点火導体
７処理対象体
１１筐体
１１ｂ閉塞板
１４放射器
Ｐプラズマ
Ｓ１高周波信号

Claims

一方の端部が閉塞板で閉塞され、かつ他方の端部が開放端に形成された筒状の筐体と、前記閉塞板の内面に前記筐体の筒長方向に沿って延出するように立設されると共に入力した高周波信号を放射する棒状の放射導体とを備え、前記閉塞板側から前記開放端側に向かう気流を前記筐体内に発生させるように当該筐体内にガス供給部によって前記プラズマ放電用ガスが供給され、かつ前記放射導体が前記高周波信号を放射している状態において、当該放射導体の先端近傍から前記気流に乗って前記筐体の外方へ伸びるプラズマを発生させるプラズマ処理装置であって、
前記放射導体との間で放電を発生させて前記プラズマを点火する放電電極を有する点火機構を備え、前記放電電極は、前記放射導体の前記先端よりも前記気流の上流側に配設されているプラズマ処理装置。
前記点火機構は、前記筐体内に前記放射導体と略平行な状態で配設された棒状の点火導体を備え、当該点火導体における前記開口端側の先端が前記放電電極として機能する請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマが発生している状態における前記放射導体および前記点火導体の全体としての共振周波数が前記高周波信号の周波数と一致するように、当該放射導体の長さが規定されている請求項２記載のプラズマ処理装置。