JP2013251129A - Atmospheric-pressure plasma generating device and atmospheric-pressure plasma generating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大気圧プラズマ発生装置および大気圧プラズマ発生方法に関する。 The present invention relates to an atmospheric pressure plasma generation apparatus and an atmospheric pressure plasma generation method.
従来より、放電ガスが流れる放電管に高周波電力を供給することにより、放電管から大気圧プラズマを発生させる大気圧プラズマ発生装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載された大気圧プラズマ発生装置は、コンパクト化(小型化)されており、放電管近傍に配置されたアンテナと、アンテナに接続されて該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとるための整合回路とを有する。整合回路は、アンテナと直列に接続され、インダクタンスとキャパシタンスから構成される直列整合回路部と、アンテナと並列に接続され、キャパシタンスとから構成される並列整合回路部とを有する。このような構成の整合回路が高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合を適切にとることにより、高周波電源からアンテナに高周波電力が高効率に供給される。
2. Description of the Related Art Conventionally, an atmospheric pressure plasma generator that generates atmospheric pressure plasma from a discharge tube by supplying high-frequency power to a discharge tube through which discharge gas flows is known (see, for example, Patent Document 1). The atmospheric pressure plasma generator described in
ところで、製造された複数の大気圧プラズマ発生装置それぞれが発生するプラズマのエネルギは、装置の機差(固体差)によって異なる。例えば、高周波電源からアンテナに供給される高周波電流が流れる回路における配線の寄生リアクタンスや回路抵抗などのバラツキにより、複数の大気圧プラズマ発生装置のプラズマのエネルギのバラツキが生じる。 By the way, the energy of plasma generated by each of a plurality of produced atmospheric pressure plasma generators varies depending on the machine difference (solid difference) of the apparatuses. For example, variations in plasma energy of a plurality of atmospheric pressure plasma generators occur due to variations in parasitic reactance of wiring and circuit resistance in a circuit through which a high-frequency current supplied from a high-frequency power source to an antenna flows.
そこで、本発明は、複数の大気圧プラズマ発生装置のプラズマのエネルギのバラツキを低減することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the variation in plasma energy of a plurality of atmospheric pressure plasma generators.
上述の課題を解決するために、本発明の第1の態様によれば、高周波電力を発生する高周波電源と、放電ガスが流れる放電管と、高周波電源に接続され、放電管に高周波電力を供給するアンテナと、高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとるための整合回路とを有し、整合回路が、アンテナに並列に接続された第1の整合回路部と、アンテナに直列に接続された第2の整合回路部とを備え、第1の整合回路部が、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている、大気圧プラズマ発生装置が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to the first aspect of the present invention, a high-frequency power source that generates high-frequency power, a discharge tube through which discharge gas flows, and a high-frequency power source connected to the discharge tube are supplied with high-frequency power And a matching circuit for impedance matching between the high-frequency power source and the antenna, the matching circuit being connected in parallel to the antenna, a first matching circuit unit connected in series to the antenna Two matching circuit sections, and the first matching circuit section is configured by connecting a coiled or corrugated wiring member having an inductance component and a variable capacitor in series, and generating atmospheric pressure plasma. An apparatus is provided.
本発明の第2の態様によれば、第1の整合回路部の配線部材が、熱を吸収する芯材に巻回されたコイルで構成されている、第1の態様に記載の大気圧プラズマ発生装置が提供される。 According to the second aspect of the present invention, the atmospheric pressure plasma according to the first aspect, wherein the wiring member of the first matching circuit unit is configured by a coil wound around a core material that absorbs heat. A generator is provided.
本発明の第3の態様によれば、芯材が筒状であって、コイルが筒状の芯材の外周面に巻回されている、第2の態様に記載の大気圧プラズマ発生装置が提供される。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the atmospheric pressure plasma generator according to the second aspect, wherein the core material is cylindrical and the coil is wound around the outer peripheral surface of the cylindrical core material. Provided.
本発明の第4の態様によれば、第2の整合回路部が高周波電力の位相を調整するためのコイルを有し、第1の整合回路部のコイルの少なくとも一部と第2の整合回路部のコイルの少なくとも一部とが共通の芯材に巻回されている、第2または第3の態様に記載の大気圧プラズマ発生装置が提供される。 According to the fourth aspect of the present invention, the second matching circuit unit has a coil for adjusting the phase of the high-frequency power, and at least a part of the coil of the first matching circuit unit and the second matching circuit The atmospheric pressure plasma generator according to the second or third aspect is provided in which at least a part of the coil of the part is wound around a common core material.
本発明の第5の態様によれば、大気圧下でプラズマを発生する大気圧プラズマ発生方法であって、高周波電源に接続されたアンテナを介して放電ガスが流れる放電管に高周波電源が発生した高周波電力を供給することによりプラズマを発生させ、アンテナに並列に接続された第1の整合回路部およびアンテナに直列に接続された第2の整合回路部によって高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとり、第1の整合回路部が、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている、大気圧プラズマ発生方法が提供される。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an atmospheric pressure plasma generation method for generating plasma under atmospheric pressure, wherein a high frequency power source is generated in a discharge tube through which discharge gas flows via an antenna connected to the high frequency power source. Plasma is generated by supplying high-frequency power, and impedance matching between the high-frequency power source and the antenna is performed by the first matching circuit unit connected in parallel to the antenna and the second matching circuit unit connected in series to the antenna. There is provided an atmospheric pressure plasma generation method in which the first matching circuit unit is configured by connecting a coiled or corrugated wiring member having an inductance component and a variable capacitor in series.
本発明によれば、アンテナと並列に接続された、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている第1の整合回路部により、高周波電源からアンテナに供給される高周波電力が流れる回路における配線の寄生リアクダンスや回路抵抗などのバラツキによって生じる、複数の大気圧プラズマ発生装置それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを低減することができる。 According to the present invention, the first matching circuit unit configured by connecting the coiled or corrugated wiring member having the inductance component and the variable capacitor connected in series with the antenna in series, It is possible to reduce variations in plasma energy output from each of a plurality of atmospheric pressure plasma generators caused by variations in wiring parasitic reactance and circuit resistance in a circuit through which high-frequency power supplied from a high-frequency power source to an antenna flows. .
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram of an atmospheric pressure plasma generator according to an embodiment of the present invention.
大気圧プラズマ発生装置10は、大気圧条件下でプラズマを発生させる装置であって、図1に示すように、高周波電力を発生する高周波電源12と、放電ガスが流れる放電管14と、高周波電源12に接続され、放電管14に高周波電力を供給するアンテナ16と、高周波電源12とアンテナ16とのインピーダンス整合をとるための整合回路18とを有する。
The atmospheric
高周波電源12は高周波電力を発生し、その発生した高周波電力を高周波電源12に接続されたアンテナ16に供給する。
The high
放電管14は、放電ガスが流れる管状部材であって、高周波電源12からアンテナ16を介して高周波電力を供給されることによりプラズマを発生させる。
The
アンテナ16は、放電管14近傍に設けられ、高周波電源12から供給された高周波電力を放電管14に供給する。
The
整合回路18は、高周波電源12とアンテナ16とのインピーダンス整合をとるための回路であって、アンテナ16に並列に接続された第1の整合回路部18aと、アンテナ16に直列に接続された第2の整合回路18bとを有する。
The matching
第1の整合回路部18aは、静電容量が一定の固定コンデンサ20と静電容量が調整可能な可変コンデンサ22との並列回路に対してコイル24を直列に接続することにより構成されている。第1の整合回路18aにおけるコイル24の一方の端子は固定コンデンサ20と可変コンデンサ22との並列回路に対して接続され、他方の端子は第2の整合回路18bと高周波電源12の出力端子とに電気的に接続されている。また、アンテナ16に並列に接続される第1の整合回路18aにおけるコイル24に接続されている端子とは反対側の固定コンデンサ20の端子および可変コンデンサ22の端子がGNDに対して電気的に接続されている。
The first
第2の整合回路部18bは、アンテナ16に対して、コイル26、28、および可変コンデンサ36を直列に接続することにより構成されている。厳密に言えば、アンテナ16が、第2の整合回路18bにおけるコイル28と、可変コンデンサ36との間に配置されている。コイル28に接続されているコイル26のコイル28とは反対側の端子が、高周波電源12の出力端子に対して電気的に接続されている。また、第2の整合回路18bにおける可変コンデンサ36のアンテナ16とは反対側の端子がGNDに対して電気的に接続されている。
The second
このような整合回路18において、コイル24、26、28のインダクタンスと、固定コンデンサ20と可変コンデンサ22、36のキャパシタンスとを適切に設定することにより、高周波電源12とアンテナ16とのインピーダンス整合をとることができる。
In such a
例えば、固定コンデンサ20の容量をC20、可変コンデンサ22の容量をC22、コイル24のインダクタンスをL24とすると、第1の整合回路部18aのインピーダンスは、jωL24−1/jω(C20+C22)となる。また、可変コンデンサ36の容量をC36、コイル26、28のインダクタンスをL26、L28、アンテナ16のインダクタンスをL16、回路抵抗をRとすると、第2の整合回路18bのインピーダンスは、R+jω(L16+L26+L28)−1/jω(C36)となる。第1の整合回路部18aのインピーダンスと第2の整合回路部18bのインピーダンスとをマッチングさせることにより、高周波電源12から出力された高周波電力をアンテナ16に高効率に供給することができる。
For example, when the capacitance of the
また、第2の整合回路部18bのコイル26、28は、アンテナ16における高周波電力(高周波電流)の位相を調整する整合回路18の位相調整部として機能する。具体的には、コイル26、28は、アンテナ16において高周波電流の振幅が最大になるように高周波電流の位相を調整する。これにより、アンテナ16を介して発生するプラズマのエネルギが最大化される。
In addition, the
なお、アンテナ16における高周波電流の振幅を最大にする位相調整部をコイル26、28によって構成する場合、位相調整部を小型化することができる。例えば、位相調整部を波板状(波状や蛇行状の平板状)の導線で構成すると、その導線の長さは、コイル26、28によって構成する場合に比べて長くなる。例えば、高周波電源12の周波数がISM(Industry−Science−Medical)バンド帯の一つである40、68MHzである場合、波板状の導線で構成される位相調整部の導線の長さは、2,300mm必要である。一方、コイル26、28のようにコイル状に構成される位相調整部の導線の長さは、半分以下の1,100mmで構成することが可能である。
When the phase adjustment unit that maximizes the amplitude of the high-frequency current in the
さらに、アンテナ16に対して並列接続の第1の整合回路部18aの可変コンデンサ22とアンテナ16に対して直列接続の第2の整合回路部18bの可変コンデンサ36それぞれの容量を調整することにより、複数の大気圧プラズマ発生装置10それぞれの機差(固体差)の原因である、第1の整合回路部18aおよび第2の整合回路部18bのインピーダンスのバラツキを小さくすることができる。それにより、複数の大気圧プラズマ発生装置10それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを最小化することができる。
Further, by adjusting the capacitances of the
特に、第1の整合回路部18aや第2の整合回路部18bのインピーダンスのバラツキが大きい場合に備えて、本実施の形態の大気圧プラズマ発生装置10の場合、その整合回路18のアンテナ16に対して並列接続の第1の整合回路部18aにコイル24が設けられている。このことについて具体的に説明する。
In particular, in the case of the atmospheric
大気圧プラズマ発生装置10の整合回路18の第1の整合回路部18aの配線には、寄生インダクタンスL0が存在する。この寄生インダクタンスL0は、複数の大気圧プラズマ発生装置10の機差(固体差)として異なることがある。また、第2の整合回路部18bの回路抵抗Rも、複数の大気圧プラズマ発生装置10の機差(固体差)として異なることがある。
The wiring of the first
寄生インダンクタンスL0や回路抵抗Rにバラツキが生じると、複数の大気圧プラズマ発生装置10それぞれの第1の整合回路部18aのインピーダンスのリアクダンス成分にバラツキが生じ、その結果、大気圧プラズマ発生装置10から出力されるプラズマのエネルギにバラツキが生じる。その対策として、第1の整合回路部18aにコイル24が設けられている。
When the parasitic inductance L 0 and the circuit resistance R are varied, the impedance components of the first
第1の整合回路部18aにコイル24を設けることによる効果について、図2を参照しながら具体的に説明する。図2示す回路は、図1に示す回路を簡素化したものである。
The effect of providing the
図2(a)は、比較例の大気圧プラズマ発生装置10の回路を示している。一方、図2(b)は、実施例の大気圧プラズマ発生装置10の回路を示している。比較例は、第1の整合回路部18aにコイル24が含まれていない点で実施例と異なる。
FIG. 2A shows a circuit of the atmospheric
まず、複数の大気圧プラズマ発生装置10の第1の整合回路部18aの配線の寄生インダクタンスL0が、18〜22nHの範囲内で異なる(バラツキが生じる)場合を例に挙げる。なお、高周波電源12の周波数が40.68MHzであって、第1の整合回路部18aのリアクタンス成分の目標値(高周波電源12とアンテナ16とのインピーダンスの整合に必要な値)が−5.025Ωであって、第2の整合回路部18bの回路抵抗Rが0.5Ωとする。さらに、実施例のコイル24のインダクタンスL24を27nHとする。
First, the parasitic inductance L 0 of the wiring of the first
図2(a)に示す比較例の場合、第1の整合回路部18aの配線の寄生インダクタンスL0が18〜22nHの範囲内で異なると、図3に示すように、第1の整合回路部18aのキャパシタンスC(固定コンデンサ20と可変コンデンサ22の容量の和C20+C22)は、406〜367pFの範囲内で変化する必要がある。すなわち、可変コンデンサ22として、容量の調整量が少なくとも39pFである可変コンデンサを採用する必要がある。
For comparative example shown in FIG. 2 (a), the parasitic inductance L 0 of the wiring of the first
一方、図2(b)に示す実施例の場合、すなわち第1の整合回路部18aにインダクタンスL24が27nHのコイル24が設けられる場合、第1の整合回路部18aの配線の寄生インダクタンスL0が18〜22nHの範囲内で異なると、図3に示すように、第1の整合回路部18aのキャパシタンスC(固定コンデンサ20と可変コンデンサ22の容量の和C20+C22)は、238〜223pFの範囲内で変化する必要がある。すなわち、可変コンデンサ22として、容量の調整量が少なくとも15pFである可変コンデンサ、例えば2〜20pFの容量の範囲を備える可変コンデンサを採用することで対応できる。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 2 (b), that is, when the inductance L 24 to the first
このような比較例と実施例とからわかるように、可変コンデンサ22を有する第1の整合回路部18aの寄生インダクタンスL0にバラツキが生じる場合、第1の整合回路部18aにコイル24を設ければ(実施例の場合)、可変コンデンサ22の容量の調整量をより小さくすることができる。
As can be seen from this comparative example and the example, if the variation in the parasitic inductance L 0 of the first
別の観点から言えば、実施例の可変コンデンサと比較例の可変コンデンサの容量の調整量が同一である場合、実施例は、比較例に比べて、第1の整合回路部18aの寄生インダクタンスL0のバラツキが大きい場合に効果的により小型の可変コンデンサ22で対応できることがわかる。
From another viewpoint, when the amount of adjustment of the capacitance of the variable capacitor of the embodiment and the variable capacitor of the comparative example is the same, the embodiment has a parasitic inductance L of the first
すなわち、高周波電源12とアンテナ16とのインピーダンス整合をとる整合回路18において、可変コンデンサ22とコイル24とが直列に接続されて構成される第1の整合回路部18aは、可変コンデンサのみで構成される第1の整合回路部に比べて、第1の整合回路部18aの配線の寄生リアクダンスL0のバラツキによって生じる、複数の大気圧プラズマ発生装置10それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを低減してより小さくできる。それを、容量の調整量が小さい小型の可変コンデンサ22で対応することができる。
That is, in the
次に、複数の大気圧プラズマ発生装置10の第2の整合回路部18bの回路抵抗Rが、0.4〜0.6Ωの範囲内で異なる場合を例に挙げる。なお、高周波電源12の周波数が40.68MHzであって、第1の整合回路部18aのリアクタンス成分の目標値(高周波電源12とアンテナ16とのインピーダンスの整合に必要な値)が−5.025Ωであって、第1の整合回路部18aの配線の寄生インダクタンスL0が例えば20nHとする。さらに、実施例のコイル24のインダクタンスL24を、27nHとする。
Next, the case where the circuit resistance R of the 2nd
図2(a)に示す比較例の場合、第2の整合回路部18bの回路抵抗Rが0.4〜0.6Ωの範囲内で異なると、図4に示すように、第1の整合回路部18aのキャパシタンスC(固定コンデンサ20と可変コンデンサ22の容量の和C20+C22)は、407〜368pFの範囲内で変化する必要がある。すなわち、可変コンデンサ22として、容量の調整量が少なくとも39pFである可変コンデンサを採用する必要がある。
In the case of the comparative example shown in FIG. 2A, if the circuit resistance R of the second
一方、図2(b)に示す実施例の場合、すなわち第1の整合回路部18aにインダクタンスL24が27nHのコイル24が設けられる場合、第2の整合回路部18bの回路抵抗Rが0.4〜0.6Ωの範囲内で異なると、図4に示すように、第1の整合回路部18aのキャパシタンスC(固定コンデンサ20と可変コンデンサ22の容量の和C20+C22)は、237〜223pFの範囲内で変化する必要がある。すなわち、可変コンデンサ22として、容量の調整量が少なくとも14pFである可変コンデンサ、例えば2〜20pFの容量の範囲を備える可変コンデンサを採用することで対応できる。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 2 (b), that is, when the inductance L 24 is a
このような比較例と実施例とからわかるように、第2の整合回路部18bの回路抵抗Rにバラツキが生じる場合、第1の整合回路部18aにコイル24を設ければ(実施例の場合)、可変コンデンサ22の容量の調整量を小さくすることができる。
As can be seen from the comparative example and the embodiment, when the circuit resistance R of the second
別の観点から言えば、実施例の可変コンデンサと比較例の可変コンデンサの容量の調整量が同一である場合、実施例は、比較例に比べて、第2の整合回路部18bの回路抵抗Rのバラツキが大きい場合に効果的により小型の可変コンデンサ22で対応できることがわかる。
From another viewpoint, when the amount of adjustment of the capacitance of the variable capacitor of the embodiment and the variable capacitor of the comparative example is the same, the embodiment has a circuit resistance R of the second
すなわち、高周波電源12とアンテナ16とのインピーダンス整合をとる整合回路18において、可変コンデンサ22とコイル24とが直列に接続されて構成され、アンテナ16に対して並列に接続される第1の整合回路部18aは、可変コンデンサのみで構成され、アンテナ16に対して並列に接続される第1の整合回路部に比べて、アンテナ16に対して直列に接続される第2の整合回路部18bの回路抵抗Rのバラツキによって生じる、複数の大気圧プラズマ発生装置10それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを低減してより小さくすることができる。
That is, in the
次に、本実施の形態の大気圧プラズマ発生装置10の構造について説明する。図5は、図1に示す回路に対応する、大気圧プラズマ発生装置10の構造図である。
Next, the structure of the atmospheric
図5は、筐体カバー(図示せず)を取り外した状態の大気圧プラズマ発生装置10を示している。図5に示すように、大気圧プラズマ発生装置10の構成要素である、放電管14と、アンテナ16と、固定コンデンサ20と、可変コンデンサ22、36と、コイル24、26、28は、ベース部材40に設けられている。例えば、プラズマ処理される基板に対して相対移動するヘッド(図示せず)に大気圧プラズマ発生装置10を搭載するとき、このベース部材40はブラケットとして機能する。
FIG. 5 shows the atmospheric
また、アンテナ16、第1の整合回路部18aの固定コンデンサ20と可変コンデンサ22、第2の整合回路部18bの可変コンデンサ36は、ベース部材40に取り付けられた絶縁性の基板42上に設けられている。
The
アンテナ16は、基板42上に設けられた、第2の整合回路部18bのコイル28と可変コンデンサ36とを電気的に接続する導体44の一部によって構成されている。このアンテナ16は、波板状(波状や蛇行状の平板状)の電極として形成されている。第1の整合回路部18aの固定コンデンサ20と可変コンデンサ22、および第2の整合回路部18bの可変コンデンサ36それぞれの一方の端子は、基板42上に設けられてGNDに接続されている導体46に電気的に接続されている。第1の整合回路部18aにおける固定コンデンサ20と可変コンデンサ22それぞれの他方の端子は、導体48を介してコイル24に電気的に接続されている。第2の整合回路部の可変コンデンサ36の他方の端子は、その一部がアンテナ16を構成する導体44に接続されている。具体的には、可変コンデンサ36の他方の端子は、コイル28が接続された導体44の一方の端とアンテナ16を挟んで反対側の他方の端に接続されている。なお、第2の整合回路部18bは、キャパシタンスとして1つの可変コンデンサ36を有するが、可変コンデンサと固定コンデンサの組み合わせによって構成されてもよい。
The
複数の導体44〜48が設けられた基板42は、高い吸熱性(放熱性)を備えるセラミックスなどの絶縁材料(誘電体材料)から作製されている。大気圧プラズマ発生装置10の動作中、導体44〜48に発生した熱は基板42に吸収される。基板42に吸収された熱は、ベース部材40を介して間接的にまたは直接的に外気に放熱される。これにより、熱によって生じる導体44〜48の抵抗やインダクタンスなどの電気的特性の変化を抑制することができる。その結果、高周波電源12とアンテナ16とのインピーダンス整合が維持され、大気圧プラズマ発生装置10は安定したプラズマを発生させることができる。
The board |
第1の整合回路部18aのコイル24、および第2の整合回路部18bのコイル26、28は、絶縁性の芯材56、58に巻回されている。具体的には、図6に示すように、芯材56,58は、コイルの導線を収容するらせん状の溝56a、58aを外周面に備える。
The
アンテナ16に並列に接続される第1の整合回路部18aのコイル24とアンテナ16に直列に接続される第2の整合回路部18bのコイル26は、共通の芯材56に巻回されている。これにより、コイル巻回用の芯材の数が減少される。また、第1の整合回路部18aのコイル24と第2の整合回路部18bのコイル26とを、一体(一つのコイル状の形態)で構成することが可能になる。すなわち、芯材56に巻回されている1つのコイルの一部分によって第1の整合回路部18aのコイル24を構成し、残りの部分によって第2の整合回路部18bのコイル26を構成することが可能になる。そのために、図1に示すように、1つのコイル状の形態で形成されている見かけ上は1つのコイルを、第1の整合回路部18aのコイル24と第2の整合回路部18bのコイル26とに電気的に分割することができる、芯材56に巻回されている1つのコイルの部分に、高周波電源12にコネクタ端60を介して電気的に接続された導線62が接続されている。
The
第1の整合回路部18aのコイル24と第2の整合回路部18bのコイル26とが巻回された芯材56と、第2の整合回路部18bのコイル28が巻回された芯材58は、コイルケース64に収容された状態でベース部材40に設けられている。このコイルケース64は、コイル24、26が巻回された芯材56と、コイル28が巻回された芯材58とを収容する2つの凹部64aを備える。凹部64aそれぞれは、互いに平行に延びる溝状であって、芯材56、58の外周面と接触する円筒状の内面を備える。
A
なお、芯材56、58がコイルケース64の凹部64aに収容されたときにコイル24、26の巻回方向とコイル28の巻回方向とが互いに逆向きになるように、コイル24、26、28は対応する芯材56、58に巻回されている。これにより、コイル24、26から発生する磁界とコイル28から発生する磁界が互いに打ち消し合い、磁界によって生じるコイル24、26、28のインダクタンスの変化を抑制することができる。
In addition, when the
コイル24、26、28が巻回される芯材56、58と、芯材56、58を収容するコイルケース64は、コイル24、26、28の熱を吸収できるように構成するのが好ましい。例えば、芯材56、58は、管状部材によって作製され、図5や図6に示すように外気に連通する中空部56b、58bを備える。また、芯材56、58とコイルケース64は、例えば、セラミックスなどの高い吸熱性(放熱性)を備える絶縁材料から作製される。これにより、大気圧プラズマ発生装置10の動作中、コイル24、26、28に発生した熱は、芯材56、58やコイルケース64に吸収される。芯材56,58に吸収された熱は、芯材56、58の表面や芯材56、58の中空部56b、58bを介して外気に放熱される、またはコイルケース64に伝達される。コイルケース64の熱は、ベース部材40を介してまたは直接的に外部に放熱される。その結果、熱によって生じるコイル24、26、28のインダクタンスなどの電気的特性の変化を抑制することができる。それにより、高周波電源12とアンテナ16とのインピーダンス整合が維持され、大気圧プラズマ発生装置10は安定したプラズマを発生させることができる。
The
なお、芯材56、58は、中空部56a、56bを備えているが、コイル24、26、28の放熱性やインピーダンス等の電気的特性について特に問題が生じないのであれば、中実状であってもよい。
The
また、導体44〜48から熱を吸収した基板42、コイル24〜28から熱を吸収した芯材56、58やコイルケース64等を冷却するために、基板42、芯材56、58やコイルケース64周りの空気を強制的に移動させるファンなどの送風装置(図示せず)を大気圧プラズマ発生装置10に設けてもよい。
Further, in order to cool the
また、コイル24〜28全体を、高い吸熱性を備える部材によって覆ってもよい。例えば、図6に示すように、コイルケース64の凹部64a内に収容されていない、コイル24、26、28が巻回されている芯材56、58の部分上を覆う、セラミックス製のカバー部材(図示せず)を設けてもよい。または、例えば、2つの貫通穴が形成されたセラミックス製のブロック(図示せず)に、コイル24、26、28が巻回された芯材56、58を挿入してもよい。これにより、熱によって生じる、コイル24、26、28のインダクタンスなどの電気的特性の変化をさらに抑制することができる。
Moreover, you may cover the coils 24-28 whole with the member provided with high heat absorption. For example, as shown in FIG. 6, a ceramic cover member that covers the portions of the
同様に、少なくとも基板42上の導体44の一部、特にアンテナ16を覆う、すなわち基板42と協働してこれらを内包する、セラミック製のカバー部材(図示せず)を設けてもよい。これにより、熱によって生じる導体44の抵抗やインダクタンスなどの電気的特性の変化を抑制することができる。
Similarly, a ceramic cover member (not shown) may be provided that covers at least a portion of the
本実施の形態によれば、アンテナ16に並列に接続された、可変コンデンサ22とコイル24とを直列に接続することによって構成されている第1の整合回路部18aにより、高周波電源12からアンテナ16に供給される高周波電力が流れる回路における配線の寄生リアクダンスや回路抵抗などのバラツキによって生じる、複数の大気圧プラズマ発生装置10それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを最小化することができる。
According to the present embodiment, the first
上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されない。 Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment.
例えば、上述の実施の形態の大気圧プラズマ発生装置10の場合、図1に示すように、整合回路18の第1の整合回路部18aのインピーダンスのキャパシタンス成分は、固定コンデンサ20と可変コンデンサ22の並列回路によって与えられるが、本発明はこれに限らない。第1の整合回路部18aのキャパシタンス成分は、可変コンデンサ22のみで与えられてもよい。
For example, in the case of the atmospheric
また、上述の実施の形態の大気圧プラズマ発生装置10の場合、第1の整合回路部18aのコイル24や第2の整合回路部18bのコイル26、28は、図6に示すように、円筒状の芯材56、58に巻回されているが、本発明はこれに限らない。本発明に係る芯材は、コイル24、26、28が巻回できる形状であればよく、例えば円柱状、U字状、C字状、凹凸状等であってもよい。
In the case of the atmospheric pressure
さらに、上述の実施の形態の大気圧プラズマ発生装置10の場合、図1に示すように、整合回路18の第1の整合回路部18aはコイル24を備えるが、本発明はこれに限らない。第1の整合回路部18aのインピーダンスにインダクタンス成分を与えることができる配線部材であればよい。
Furthermore, in the case of the atmospheric
図7は、本発明の別の実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の構造を示している。 FIG. 7 shows the structure of an atmospheric pressure plasma generator according to another embodiment of the present invention.
図7に示す大気圧プラズマ発生装置10’は、電気回路的には図5に示す大気圧プラズマ発生装置10と同一であるが、構造的には異なる。なお、図7においてアポストロフィが参照符号に付されている構成要素は、同一参照符号が付されている図5に示す構成要素と電気的には同じであるが、機械的(形状や構造)には異なる。
The atmospheric pressure plasma generator 10 'shown in FIG. 7 is the same as the atmospheric
第1の整合回路部18aのインピーダンスのインダクタンス成分が、図5に示す大気圧プラズマ発生装置10の場合にはコイル24によって与えられるのに対して、図7に示す大気圧プラズマ発生装置10’の場合には波板状(波状の平板状)の導体24’によって与えられる。
The inductance component of the impedance of the first
例えば、アンテナ16に高周波電力を供給する高周波電源12の周波数が40.68MHz等の相対的に低い周波数である場合、第1の整合回路部18aのインピーダンスにインダクタンス成分を与える配線部材は、相対的に長い必要がある。この場合、図5に示すコイル24のように、第1の整合回路部18aのインピーダンスにインダクタンス成分を与える配線部材は、大気圧プラズマ発生装置の大型化を回避するために、コイル状が好ましい。
For example, when the frequency of the high-
一方、高周波電源12の周波数が160MHz等の相対的に高い周波数である場合、第1の整合回路部18aのインピーダンスにインダクタンス成分を与える配線部材は、高周波電源12の周波数が低い周波数の場合に比べて相対的に短くてもよい。この場合、図7に示すように、第1の整合回路部18aのインピーダンスにインダクタンス成分を与える配線部材は、波板状(波状や蛇行状の平板状)であってもよい。
On the other hand, when the frequency of the high-
このように、本発明は、第1の整合回路部18aのインピーダンスにインダクタンス成分を与えることができる配線部材であれば、その配線部材の形状はコイル状または波板状のいずれであってもよい。
Thus, in the present invention, as long as the wiring member can give an inductance component to the impedance of the first
さらにまた、上述の実施の形態の大気圧プラズマ発生装置10の場合、図1や図5に示すように、整合回路18の第2の整合回路部18bは2つのコイル26、28を有し、またアンテナ16に対して並列接続の第1の整合回路部18aのコイル24とアンテナ16に対して直列接続の第2の整合回路部18bのコイル26とが共通の芯材56に巻回されているが、本発明はこれに限らない。これは、大気圧プラズマ発生装置10を小型化するための一例の形態にすぎない。
Furthermore, in the case of the atmospheric
具体的には、上述の実施の形態の場合、大気圧プラズマ発生装置10を小型化するために、第2の整合回路部18bの2つのコイル26、28の導線長さの合計が、高周波電源12からアンテナ16に供給される高周波電流の位相調整に必要な導線長さになるように、コイル26、28が作製されている。そして、第2の整合回路部18bの2つのコイル26、28が別々の芯材56、58に巻回され、第1の整合回路部18aのコイル24が芯材56に巻回されている。
Specifically, in the case of the above-described embodiment, in order to reduce the size of the atmospheric
大気圧プラズマ発生装置10が使用する高周波電電流の周波数が異なると、この高周波電流の位相調整に必要な第2の整合回路部18bのコイルの導線長さも異なる。そのため、大気圧プラズマ発生装置10を小型化するために、例えば、第2の整合回路部18bが3つ以上のコイルを有し、そのコイルそれぞれが別々の芯材に巻回される場合がある。また例えば、第2の整合回路部18bが1つのコイルを有し、そのコイルが1つの芯材に巻回される場合もある。同様に、第1の整合回路部18aが複数のコイルを有し、そのコイルが別々の芯材に巻回される場合もある。さらに、例えば、第1の整合回路部18aのコイルと第2の整合回路部18bのコイル全てが1つの芯材に巻回される場合もある。
When the frequency of the high-frequency electric current used by the atmospheric
したがって、本発明は、アンテナ16に供給する高周波電流を位相調整することができ、且つ大気圧プラズマ装置10を小型化できる、第1の整合回路部18aおよび第2の整合回路部18bそれぞれのコイルの数と芯材の数とのあらゆる組み合わせを含んでいる。
Therefore, the present invention can adjust the phase of the high-frequency current supplied to the
加えて、図5に示す大気圧プラズマ発生装置10において、図6に示すようにコイル24、26、28が巻回される芯材56、58は、コイルケース64の溝状の凹部64aに収容されているが、本発明はこれに限らない。
In addition, in the atmospheric
熱を原因とするコイル24、26、28のインダクタンスなどの電気的特性の変化が相対的に小さいのであれば、例えば、図8に示すように、芯材56、58の両端を支持部材66a、66bによって支持してもよい。この支持部材66a、66bは、ベース部材40上に設けられているとともに、ベース部材40から離れた状態で芯材56、58を支持するように構成されている。支持部材66a、66bは、芯材56、58や基板42(図5参照)と同様に、高い吸熱性(放熱性)を備えるセラミックスなどの絶縁材料から作製されるのが好ましい。
If the change in electrical characteristics such as the inductance of the
このように、コイル24、26、28が巻回される芯材56、58を支持できるのであれば、より好ましくは吸熱性(放熱性)に優れているのであれば、本発明は、芯材56、58の支持方法や支持部材の形態を問わない。
Thus, if it can support the
本発明は、大気圧下でプラズマ処理を行う装置であれば、適用可能である。 The present invention is applicable to any apparatus that performs plasma processing under atmospheric pressure.
10 大気圧プラズマ発生装置
12 高周波電源
14 放電管
16 アンテナ
18 整合回路
18a 第1の整合回路部
18b 第2の整合回路部
22 可変コンデンサ
24 配線部材(コイル)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
放電ガスが流れる放電管と、
高周波電源に接続され、放電管に高周波電力を供給するアンテナと、
高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとるための整合回路とを有し、
整合回路が、
アンテナに並列に接続された第1の整合回路部と、
アンテナに直列に接続された第2の整合回路部とを備え、
第1の整合回路部が、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている、大気圧プラズマ発生装置。 A high frequency power source for generating high frequency power;
A discharge tube through which discharge gas flows;
An antenna connected to a high frequency power supply and supplying high frequency power to the discharge tube;
A matching circuit for impedance matching between the high-frequency power source and the antenna;
Matching circuit
A first matching circuit connected in parallel to the antenna;
A second matching circuit unit connected in series to the antenna,
The atmospheric pressure plasma generator, wherein the first matching circuit unit is configured by connecting a coiled or corrugated wiring member having an inductance component and a variable capacitor in series.
コイルが筒状の芯材の外周面に巻回されている、請求項2に記載の大気圧プラズマ発生装置。 The core is cylindrical,
The atmospheric pressure plasma generator according to claim 2, wherein the coil is wound around the outer peripheral surface of the cylindrical core member.
第1の整合回路部のコイルの少なくとも一部と第2の整合回路部のコイルの少なくとも一部とが共通の芯材に巻回されている、請求項2または3に記載の大気圧プラズマ発生装置。 The second matching circuit section has a coil for adjusting the phase of the high-frequency power;
The atmospheric pressure plasma generation according to claim 2 or 3, wherein at least a part of the coil of the first matching circuit unit and at least a part of the coil of the second matching circuit unit are wound around a common core member. apparatus.
高周波電源に接続されたアンテナを介して放電ガスが流れる放電管に高周波電源が発生した高周波電力を供給することによりプラズマを発生させ、
アンテナに並列に接続された第1の整合回路部およびアンテナに直列に接続された第2の整合回路部によって高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとり、
第1の整合回路部が、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている、大気圧プラズマ発生方法。 An atmospheric pressure plasma generation method for generating plasma under atmospheric pressure,
Plasma is generated by supplying high-frequency power generated by the high-frequency power source to a discharge tube through which discharge gas flows through an antenna connected to the high-frequency power source,
The high frequency power supply and the antenna are impedance-matched by the first matching circuit unit connected in parallel to the antenna and the second matching circuit unit connected in series to the antenna,
A method for generating atmospheric pressure plasma, wherein the first matching circuit unit is configured by connecting a coiled or corrugated wiring member having an inductance component and a variable capacitor in series.
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