JP2015144982A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマによって生成された活性種を間接的に対象物（被処理物）に当てて殺菌等のプラズマ処理を行う場合に、該プラズマ処理の効率化を図ることができるプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】パルス電源１２からの高電圧パルスの供給に基づいて放電を発生させる放電電極部１６を少なくとも有するプラズマ処理装置１０を使用し、放電電極部１６に窒素を含む流体を導入しながら、放電によりプラズマを発生させ、その活性種を流体と共に被処理物２０に当てることにより、被処理物２０の少なくとも表面を処理するプラズマ処理方法であって、流体の流速が２０〜５００ｍｍ／ｓであり、パルス電源１２における放電電極部１６の面積当たりの電力量が１．４?１０4（Ｊ／ｃｍ2）以上であり、放電電極部１６の中心部から被処理物２０までの離間距離が３〜１７００ｍｍである。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマによって生成された活性種を間接的に対象物（被処理物）に当てて殺菌等のプラズマ処理を行うプラズマ処理方法に関する。

近時、プラズマ中の活性中性粒子を用いて、農作物や食品等の殺菌を行う試みがなされている（非特許文献１参照）。

ラジカルを生成する装置としては、上述した非特許文献１に記載された大気圧バリア放電プラズマトーチのほか、特許文献１及び２に記載された装置が知られている。

特許文献１に記載の装置は、第１の電極、第２の電極及び第３の電極からなる電極構成体を、ガスの流路の途中に設置し、第２の電極を第１の電極より上流側に設置し、第３の電極を第１の電極より下流側に設置して構成される。そして、パルス電源の一方の極を第１の電極に接続し、パルス電源の他方の極を第２の電極及び第３の電極に接続する。さらに、第１の電極を、第１のガス通過面を横切り、且つ、第１のガス通過面の一部を占めるように設置し、第２の電極及び第３の電極を、それぞれ第２のガス通過面及び第３のガス通過面を横切り、且つ、第２のガス通過面及び第３のガス通過面の一部を占めるように設置する。これにより、第１の電極より上流側及び下流側にプラズマが発生することとなる。また、第１の電極、第２の電極及び第３の電極の各末端が、放電の始点又は終点とならず、第１の電極、第２の電極及び第３の電極の耐久性が向上する。

特許文献２に記載の装置は、導電体で構成された筐体内に、流路形成物、トランス、電極構成体（陽極棒及び陰極板）、陽極側の給電経路及び陰極側の給電経路が収容されて構成される。陽極棒の延在方向と陰極板の延在方向とは非平行とされ、陽極棒及び陰極板はガス流路を横断する。陽極棒と陰極板とはガス流路の延在方向に離間して配置される。陽極棒の給電端とパルス電源の二次側巻線の正出力端とを電気的に接続し、陰極板の給電端と二次側巻線の負出力端とを電気的に接続し、さらに、筐体を陰極側の給電経路に電気的に接続する。これにより、パルス電圧の波形が乱れにくくなる。

国際公開第２０１１／０６５１７１号パンフレット 国際公開第２０１２／１２０９２８号パンフレット

ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１３２ Ｎｏ．１０．２０１２ ｐ．７０２〜７０５「プラズマの農業応用−農産物殺菌から植物成長制御まで−」

しかしながら、非特許文献１並びに特許文献１及び２には、プラズマによって生成された活性種の見かけの寿命、対象物までの最適な離間距離等の検証がなく、プラズマ処理の効率化を実現させることが困難である。そのため、従来技術では、プラズマの発生による活性種を間接的に被処理物に当てて殺菌等のプラズマ処理を行う場合に、プラズマ処理の効率化に限界が生じるという問題が内在している。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、プラズマによって生成された活性種を間接的に対象物（被処理物）に当てて殺菌等のプラズマ処理を行う場合に、該プラズマ処理の効率化を図ることができるプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

［１］ 本発明に係るプラズマ処理方法は、陽極と陰極とを有し、パルス電源からの高電圧パルスの供給に基づいて前記陽極と前記陰極間に放電を発生させる放電電極部を少なくとも有するプラズマ処理装置を使用し、前記放電電極部に窒素を含む流体を導入しながら、前記放電電極部において前記放電によりプラズマを発生させ、その活性種を前記流体と共に対象物に当てることにより、前記対象物の少なくとも表面を処理するプラズマ処理方法であって、前記流体の流速が２０ｍｍ／ｓ以上５００ｍｍ／ｓ以下であり、前記パルス電源における前記放電電極部の面積当たりの電力量が１．４×１０⁴（Ｊ／ｃｍ²）以上であり、前記放電電極部の中心部から前記対象物までの離間距離が３ｍｍ以上１７００ｍｍ以下であることを特徴とする。

これにより、プラズマによって生成された活性種を間接的に対象物（被処理物）に当てて殺菌等のプラズマ処理を行う場合に、該プラズマ処理の効率化を図ることができる。

［２］ 本発明において、前記離間距離が３０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることが好ましい。

［３］ 本発明において、前記パルス電源から出力される前記高電圧パルスのパルス周波数が１×１０³パルス／ｓｅｃ以上３×１０⁴パルス／ｓｅｃ以下であることが好ましい。

［４］ 本発明において、前記パルス電源から出力される前記高電圧パルスのパルス周波数が３×１０³パルス／ｓｅｃ以上１×１０⁴パルス／ｓｅｃ以下であることが好ましい。

［５］ 本発明において、前記放電電極部は、前記陽極となる１以上の第１放電電極と、前記陰極となる１以上の第２放電電極とを有し、前記流体の流通方向に沿って前記第１放電電極と前記第２放電電極とが互いに離間して配列されていてもよい。これにより、第１放電電極及び第２放電電極間に発生する電界が最大となる方向に流体が流通することになるため、活性種の発生効率を向上させることができる。また、第１放電電極と第２放電電極との２段構造のほか、第１放電電極、第２放電電極及び第１放電電極、あるいは、第２放電電極、第１放電電極及び第２放電電極の３段構造でもよい。もちろん、４段以上の構造にしてもよい。多段構造にすることで、生成される活性種（例えばＮ₂ラジカル）の量を増加させることができる。

［６］ 前記第１放電電極は、第１導体を有する１以上の第１電極部を有し、前記第２放電電極は、第２導体を有する１以上の第２電極部を有し、前記第１電極部と前記第２電極部とが、互いに離間し、且つ、前記放電電極部に対する前記流体の流通方向から見たときに、前記第１電極部と前記第２電極部とが交差した位置関係にあることが好ましい。第１電極部と第２電極部との離間距離を大きくすることで、第１電極部と第２電極部間の電圧が大きくなり、活性種の強度、例えばＮ₂ラジカルの強度を向上させることができる。

［７］ この場合、前記放電電極部に対する前記流体の流通方向から見たときに、前記第１電極部と前記第２電極部とで複数の格子が形成されてもよい。格子構造とすることで、第１電極部及び第２電極部間に発生する電界を緩和させることができ、幅広のプラズマを生成することができる。これは、活性種の発生効率の向上につながる。

［８］ また、前記放電電極部に対する前記流体の流通方向から見たときに、前記第１電極部と前記第２電極部との交差部の数が１個／ｃｍ²以上２５個／ｃｍ²以下であってもよい。

［９］ この場合、前記交差部の配列ピッチが２〜１５ｍｍであってもよい。

［１０］ 前記交差部の配列ピッチが４〜６．５ｍｍであることが好ましい。

［１１］ 高電位電極間距離／対向電極間距離の比が０．５〜３の範囲であることが好ましい。高電位電極間距離は、隣接する第１電極部の中心間の距離、すなわち、第１電極部の配列ピッチである。対向電極間距離は、第１電極部の交差部分と、第２電極部の交差部分との間の距離を示す。

［１２］ この場合、高電位電極間距離／対向電極間距離の比が０．８〜１．３の範囲であることがさらに好ましい。

［１３］ また、前記第１電極部は、前記第１導体と、該第１導体を被覆する第１セラミック層とを有し、前記第２電極部は、前記第２導体と、該第２導体を被覆する第２セラミック層とを有してもよい。

［１４］ 本発明において、前記パルス電源は、前記陽極及び前記陰極間に前記高電圧パルスを印加するパルス発生部と、前記陽極及び前記陰極間に放電を発生させるように前記パルス発生部を制御するパルス制御部とを有し、前記パルス発生部は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオン制御によって前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積を行い、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオフ制御によって前記トランスの二次側での前記高電圧パルスの発生を行うパルス発生回路を有してもよい。

本発明に係るプラズマ処理方法によれば、プラズマによって生成された活性種を間接的に対象物（被処理物）に当てて殺菌等のプラズマ処理を行う場合に、該プラズマ処理の効率化を図ることができる。

本実施の形態に係るプラズマ処理方法で使用されるプラズマ処理装置を示す構成図である。 プラズマ処理装置の他の例を示す構成図である。 本実施の形態に係るプラズマ処理方法の他の使用例を示す構成図である。 放電電極部の第１放電電極及び第２放電電極の構成の一例を示す正面図である。 図５Ａは図４におけるＶＡ−ＶＡ線上の断面図であり、図５Ｂは図４におけるＶＢ−ＶＢ線上の断面図である。 第１放電電極と第２放電電極間でプラズマが発生している状態を示す斜視図である。 高電位電極間距離と対向電極間距離との比（Ｐａ／Ｄｄ）に対するｎ×Σ（１／ｋ）（電界強度を印加電圧で除した（１／ｋ）の和）の変化を示すグラフである。 パルス電源の構成を示す回路図である。 高電圧パルスのパルス周波数とパルス電源の電力量との関係を示すグラフである。 放電電極部の中心部から被処理物までの離間距離とパルス電源の電力量との関係を示すグラフである。 プラズマによって生成された活性種の見かけの寿命とパルス電源の電力量との関係を示すグラフである。 陽極を構成する第１放電電極と陰極を構成する第２放電電極間の容量と、放電電極部で発生するオゾン濃度との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係るプラズマ処理方法の実施の形態例を図１〜図１２を参照しながら説明する。なお、本明細書において数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。

本実施の形態に係るプラズマ処理方法は、例えば図１に示すプラズマ処理装置１０を使用して行われる。

このプラズマ処理装置１０は、高電圧パルスを発生するパルス電源１２と、パルス電源１２からの高電圧パルスの印加によってプラズマを発生するリアクタ１４とを有する。

リアクタ１４は、陽極と陰極とを有し、且つ、パルス電源１２からの高電圧パルスの供給に基づいて陽極と陰極間に放電を発生させる放電電極部１６と、放電電極部１６に窒素を含む流体を案内する流体案内部１８とを有する。

そして、このプラズマ処理装置１０は、放電電極部１６に流体を導入しながら、放電電極部１６において放電によりプラズマを発生させ、その活性種を流体と共に被処理物２０に当てて、該被処理物２０の少なくとも表面を処理する。従って、このプラズマ処理装置１０を例えば殺菌処理に適用して殺菌装置とすることで、被処理物２０の殺菌を行うことができる。被処理物２０は例えばヒータ（図示せず）を有する基台２２上に載置され、所定温度範囲に保温されていることが好ましい。もちろん、流体案内部１８にヒータを設けて、流体を保温するようにしてもよい。流体の温度を高くすることで、処理時間（殺菌処理や表面処理等の時間）を短くすることができ、処理効率の向上につながる。なお、流体の温度は、例えば殺菌処理であれば５０℃〜６０℃が好ましく、金属の表面処理等であれば、７０℃〜８０℃が好ましい。

また、放電電極部１６と被処理物２０との間には、放電電極部１６を通過する流体（活性種を含む流体）に酸素が混入しないように、下部に排気部２４を有する筒状のチューブ２５（例えばアクリル製のチューブ）で覆うことが好ましい。チューブ２５の形状としては、図１に示すように、径が一定の筒状でもよいし、図２に示すように、流体の出力方向に向かって径が大きくなるスカート状でもよい。図２の例は、被処理物２０の平面サイズが、放電電極部１６の平面サイズよりも小さい場合でもよいし、大きい場合でもよい。

「活性種」は、ラジカル（オクテット則を満たさない中性非発光種）、励起種（分子／原子が高速な電子の衝突により、内部エネルギー状態が変化したもの（励起状態））、イオン、発光種、さらに活性種が流体分子と反応して生成した分子（例えばオゾン）等を指す。

被処理物２０の平面サイズは、図１の例では、放電電極部１６の平面サイズよりも小さい場合を示しているが、放電電極部１６の平面サイズと同じあるいは大きくてもよい。平面サイズが放電電極部１６の平面サイズよりも大きい被処理物２０に対してプラズマ処理を行う場合は、図３に示すように、流体案内部１８及び放電電極部１６を被処理物２０に沿って移動（走査）しながら被処理物２０の表面（及び裏面）をプラズマ処理してもよい。この場合、図１や図２に示すチューブ２５を取り付けて移動させることが好ましい。

放電電極部１６は、図４に示すように、陽極となる第１放電電極２６Ａと、陰極となる第２放電電極２６Ｂと、これら第１放電電極２６Ａ及び第２放電電極２６Ｂを所定の位置関係で保持するケース２８（図１参照）とを有する。第１放電電極２６Ａと第２放電電極２６Ｂは、流通方向に沿って第１放電電極２６Ａと第２放電電極２６Ｂとが互いに離間して配列される。これにより、第１放電電極２６Ａ及び第２放電電極２６Ｂ間に発生する電界が最大となる方向に流体が流通することになるため、活性種の発生効率を向上させることができる。また、第１放電電極２６Ａと第２放電電極２６Ｂとの２段構造のほか、第１放電電極２６Ａ、第２放電電極２６Ｂ及び第１放電電極２６Ａ、あるいは、第２放電電極２６Ｂ、第１放電電極２６Ａ及び第２放電電極２６Ｂの３段構造でもよい。もちろん、４段以上の構造にしてもよい。多段構造にすることで、生成される活性種（この場合、Ｎ₂ラジカル）の量を増加させることができる。

図４に示すように、第１放電電極２６Ａは、第１方向（ｘ方向）に延び、且つ、第１方向と直交する第２方向（ｙ方向）に配列した棒状の複数の第１導体３０Ａと、複数の第１導体３０Ａをつなぐ第１共通導体３２Ａと、少なくとも第１導体３０Ａを被覆する第１セラミック層３４Ａとを有する。第１導体３０Ａと該第１導体３０Ａを被覆する第１セラミック層３４Ａの部分を第１電極部３６Ａと記す。

第２放電電極２６Ｂは、第２方向（ｙ方向）に延び、且つ、第１方向（ｘ方向）に配列した棒状の複数の第２導体３０Ｂと、複数の第２導体３０Ｂをつなぐ第２共通導体３２Ｂと、少なくとも第２導体３０Ｂを被覆する第２セラミック層３４Ｂとを有する。第２導体３０Ｂと該第２導体３０Ｂを被覆する第２セラミック層３４Ｂの部分を第２電極部３６Ｂと記す。

第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂとしては、銅、鉄、タングステン、ステンレス、白金等を用いることができる。第１セラミック層３４Ａ及び第２セラミック層３４Ｂとしては、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等を用いることができる。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂの各直径ｄ１及びｄ２は２００〜１０００μｍである。また、第１導体３０Ａを被覆する第１セラミック層３４Ａ及び第２導体３０Ｂを被覆する第２セラミック層３４Ｂは共に、内部に５０μｍ以上の気孔を有しない。なお、パーセンテージで表されるくらいに気孔率が大きいとセラミックスにかかる電圧でたちまち絶縁破壊するおそれがある。全体で１個でも５０μｍの閉気孔があるだけで、該閉気孔の部分から絶縁破壊し、アークプラズマとなりセラミックスが溶解するおそれがある。理想的には閉気孔は存在せず、材料中に分散する閉気孔の径が全て１０μｍ未満であることが望ましい。

第１電極部３６Ａを軸方向に直交する方向に切断した断面において、第１導体３０Ａの面積をＡａ１、第１セラミック層３４Ａの面積をＡｂ１とし、第２電極部３６Ｂを軸方向に直交する方向に切断した断面において、第２導体３０Ｂの面積をＡａ２、第２セラミック層３４Ｂの面積をＡｂ２としたとき、
０．１＜Ａａ１／Ａｂ１＜１．０
０．０８＜Ａａ２／Ａｂ２＜２．０
である。

第１セラミック層３４Ａ及び第２セラミック層３４Ｂが厚いと電界強度が低下し、電子に与えるエネルギーが下がり、ラジカルの発生が少なくなる。これは、第１導体３０Ａと第２導体３０Ｂ間の誘電体が増えることに相当するため、見かけ上、容量成分が増加し、急峻な電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）を得難くなる。そこで、上述した範囲であることが望ましい。

第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂの各直径ｄ１及びｄ２は電界強度に影響を与える。特に、高電圧がかかる陽極（第１導体３０Ａ）は直径ｄ１が小さいほどその表面の電界強度は高くなる。従って、第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂは細い方が好ましいが、強度及び形状を保つためには限界がある。そこで、第１導体３０Ａの直径ｄ１は、０．２〜０．５ｍｍ、第１セラミック層３４Ａの厚みｔ１は０．２５〜０．６５ｍｍが好ましい。また、第２導体３０Ｂの直径ｄ２は、０．５〜１．０ｍｍ、第２セラミック層３４Ｂの厚みｔ２は０．２５〜１．２５ｍｍが好ましい。

ケース２８は、中央に流体が流通する例えば円形の貫通孔が設けられ、外周部の内部には、第１共通導体３２Ａ（図４参照）とパルス電源１２からの正極側配線４０Ａ（図１参照）との図示しない接続部分と、第２共通導体３２Ｂ（図４参照）とパルス電源１２からの負極側配線４０Ｂ（図１参照）との図示しない接続部分とが収容されている。

そして、第１放電電極２６Ａと第２放電電極２６Ｂをケース２８内に取り付けた際に、複数の第１電極部３６Ａと複数の第２電極部３６Ｂとが互いに対向し、且つ、放電電極部１６に対する流体の流通方向から見たときに、第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂ（図４参照）とが交差した位置関係（ねじれの位置関係）で保持される。すなわち、第１導体３０Ａと第２導体３０Ｂとが交差した位置関係（ねじれの位置関係）で保持される。このとき、第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂとが交差した部分がケース２８の貫通孔を通じて露出した状態となる。第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂとの離間距離を大きくすることで、第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂ間の電圧が大きくなり、Ｎ₂ラジカル強度を向上させることができる。

放電電極部１６に対する流体の流通方向から見たときに、図４に示すように、第１電極部３６Ａ（第１導体３０Ａ）と第２電極部３６Ｂ（第２導体３０Ｂ）とで複数の格子が形成される。格子構造とすることで、第１電極部３６Ａ及び第２電極部３６Ｂ間に発生する電界を緩和させることができ、幅広のプラズマを生成することができる。これは、Ｎ₂ラジカルの発生効率の向上につながる。この場合、第１電極部３６Ａ（第１導体３０Ａ）と第２電極部３６Ｂ（第２導体３０Ｂ）との交差部の数としては１個／ｃｍ²以上２５個／ｃｍ²が選択可能である。また、交差部の配列ピッチは２〜１５ｍｍが選択可能であり、好ましくは３〜１５ｍｍ、さらに好ましくは４〜６．５ｍｍである。なお、交差部とは、第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂとが交差した部分を意味する。また、後述するように、第１電極部３６Ａの交差部分とは、第１電極部３６Ａのうち、交差部に対応した部分を意味する。同様に、第２電極部３６Ｂの交差部分とは、第２電極部３６Ｂのうち、交差部に対応した部分を意味する。

陰極である第２電極部３６Ｂの配列ピッチＰｂは、例えば１〜１０ｍｍ程度に小さくてもよいが、陽極である第１電極部３６Ａの配列ピッチＰａは、第２電極部３６Ｂとの間隙ｄｃ（図５Ａ及び図５Ｂ参照）と正の相関をとるように設定することが好ましい。

そして、パルス電源１２の正極が第１放電電極２６Ａ（陽極）に接続され、パルス電源１２の負極が第２放電電極２６Ｂ（陰極）に接続される。これにより、第１放電電極２６Ａから第２放電電極２６Ｂに向かう電界が第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂとの間隙に印加される。その結果、第２電極部３６Ｂのうち、第１電極部３６Ａと対向する面の近傍にイオンシース層（イオンがたくさん集まった状態）が形成され、第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂとの間隙にプラズマが発生する。図６に第１放電電極２６Ａの第１電極部３６Ａと第２放電電極２６Ｂの第２電極部３６Ｂ間でプラズマが発生している状態を示す。

ここで、第１電極部３６Ａを高電位電極とし、第２電極部３６Ｂを接地電極とした場合の好ましい設置範囲について説明する。これは、第２電極部２８Ｂを高電位電極とし、第１電極部２８Ａを接地電極とした場合にも同様である。

先ず、第２電極部３６Ｂの延在方向をｘ方向とし、第２電極部３６Ｂ上の第１電極部３６Ａとの交差部分をｘ方向の原点０としたとき、１本の第１電極部３６Ａと１本の第２電極部３６Ｂ間のｘ方向の電界強度Ｅ（ｘ）は、第１電極部３６Ａ上の第２電極部３６Ｂとの交差部分と第２電極部３６Ｂとの間の距離をｋ（ｘ）とし、印加電圧をＶとしたとき、
Ｅ（ｘ）＝Ｖ／ｋ（ｘ）
となる。

なお、距離ｋ（ｘ）は、第１電極部３６Ａの交差部分と、第２電極部３６Ｂの交差部分との間の距離（対向電極間距離）をＤｄ（図５Ａ参照）としたとき、ｋ（ｘ）＝√（Ｄｄ²+ｘ²）から求めることができる。

従って、電界強度Ｅ（ｘ）は原点０が最も強く、ｘが大きくなるほど次第に弱くなる。つまり、１／ｋ（ｘ）はｘ方向の電界強度への寄与度を示す係数と考えてもよい。

従って、両側の低電界強度から中心（原点）の高電界強度までｘ方向に沿って足した電界（厳密には積分した電界）が第１電極部３６Ａ上の第２電極部３６Ｂとの交差部分に集中し、プラズマを立てる（生成する）。

このようなことから、ｘが大きくなるほど次第に電界強度は弱くなるものの、第１電極部３６Ａへの電界集中は高まることとなる。すなわち、第１電極部３６Ａの配列ピッチＰａが広がるほど足し合わせる交差部分への電界が増え、放電し易くなり、プラズマが安定する。従って、第１電極部３６Ａは、周囲に同電位の第１電極部３６Ａが存在しない１本のときが最も電界集中するため、放電が安定する。また、ｘが大きい方からの電界強度への寄与度は小さいため、寄与度の小さい距離に別の第１電極部３６Ａを置いた方がトータルのプラズマ領域が広がり活性種の発生量が増える。

しかし、第１電極部３６Ａを増やしすぎると、以下のような問題が発生するおそれがある。すなわち、最も外側の第１電極部３６Ａの交差部分については、片側に第１電極部３６Ａが存在しないため、周辺部からの電界強度がさらに加わることになる。この場合に、第１電極部３６Ａを増やすと、第１電極部３６Ａの配列ピッチＰａが狭くなるため、最も外側の第１電極部３６Ａにかかる電界強度が他の第１電極部３６Ａよりも強くなり、周辺部のみにプラズマが立つという非効率な状態になるおそれがある。

次に、Ｐａ／Ｄｄに対するｎ×Σ（１／ｋ）について図７のグラフを参照しながら説明する。

Σ（１／ｋ）は、電界強度を印加電圧で除した（１／ｋ）の和である。ｎは、第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂとの交差部の個数である。第１電極部３６Ａの配列ピッチＰａが広がると、第１電極部３６Ａにかかる電界強度は高くなるが、交差部の個数ｎは少なくなる。従って、ｎ×Σ（１／ｋ）は、第１電極部３６Ａ上の第２電極部３６Ｂとの交差部分に第２電極部３６Ｂからかかる電界強度の累積値に比例する値に、交差部の個数ｎを掛けて得られる値、すなわち、ＣＰＧ面内のプラズマ発生部位（交差部）の累積電界強度の総和値を示す。この総和値は、活性種発生量と正の相関を持つ値である。

Ｐａ／Ｄｄに対するｎ×Σ（１／ｋ）の関係は、図７に示すように、Ｐａ／Ｄｄが小さければ、ｎ×Σ（１／ｋ）が大きくなり、理想的には好ましいが、距離Ｄｄを一定にして配列ピッチＰａを小さくすると、上述したように、最も外側の第１電極部３６Ａにかかる電界強度が他の第１電極部３６Ａよりも強くなり、周辺部のみにプラズマが立つという非効率な状態となる。すなわち、放電が不安定で不均一となる。これは、配列ピッチＰａを一定にして距離Ｄｄを大きくしても同様である。また、反対に、距離Ｄｄを一定にして配列ピッチＰａを大きくすると、交差部に集中する電界強度が高くなるため、放電は強くなるが、交差部が少なくなるため、ストリーマが少なくなるという問題が生じる。これは、配列ピッチＰａを一定にして距離Ｄｄを小さくしても同様である。

このことは、単にｎ×Σ（１／ｋ）が大きければよいというわけではなく、活性種を生成するストリーマ放電を発生させるには、好ましい範囲が存在することを示している。具体的には、第１電極部３６Ａ（高電位電極）の配列ピッチＰａ（高電位電極間距離）と対向電極間距離Ｄｄの比（Ｐａ／Ｄｄ）が０．５〜３の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、Ｐａ／Ｄｄが０．８〜１．３の範囲である。

ここで、パルス電源１２の構成について図８を参照しながら説明する。

パルス電源１２は、図８に示すように、陽極及び陰極間に高電圧パルスを印加するパルス発生部５０と、陽極と陰極間に放電を発生させるようにパルス発生部５０を制御するパルス制御部５２とを有する。

パルス発生部５０は、例えば下記構成を有するパルス発生回路５４を有する。すなわち、このパルス発生回路５４は、直流を供給する直流電源５６と直流電源５６からの直流の供給を安定させるキャパシタ５８とを有する直流電源部６０と、誘導エネルギーを蓄積するトランス６２と、トランス６２の一次巻線６４への直流の供給経路６６と、供給経路６６を開閉するＭＯＳＦＥＴ（酸化金属半導体電界効果トランジスタ）６８及びＳＩサイリスタ７０と、ＳＩサイリスタ７０のゲートへのバイアス付与経路７２と、ＳＩサイリスタ７０のゲートへ電流が流入することを抑制し、ＳＩサイリスタ７０のゲートから電流が流出することを許容するダイオード７４と、トランス６２の二次巻線７６からのパルス電圧の出力経路７８とを有する。一方、パルス制御部５２は、ＭＯＳＦＥＴ６８を駆動する駆動回路８０を有する。

ＳＩサイリスタ７０及びＭＯＳＦＥＴ６８は、ターンオンしたときに供給経路６６を閉じ、ターンオフしたときに供給経路６６を開くように、供給経路６６に直列に挿入される。一次巻線６４の一端８２ａは、直流電源５６の正極及びキャパシタ５８の一端に接続され、ＳＩサイリスタ７０のアノードは一次巻線６４の他端８２ｂに接続され、ＳＩサイリスタ７０のカソードはＭＯＳＦＥＴ６８のドレインに接続され、ＭＯＳＦＥＴ６８のソースは直流電源５６の負極及びキャパシタ５８の他端に接続される。ＳＩサイリスタ７０のゲートは、バイアス付与経路７２によりダイオード７４を経由して一次巻線６４の一端８２ａに接続される。ダイオード７４のカソードは、一次巻線６４の一端８２ａに接続され、ダイオード７４のアノードは、ＳＩサイリスタ７０のゲートに接続される。ダイオード７４により、ＳＩサイリスタ７０が電圧駆動により正バイアスされ、電流駆動により負バイアスされる。トランス６２に代えて単一の巻線を備えるインダクタを使用し、インダクタから直接的にパルス電圧を出力してもよい。

そして、駆動回路８０からＭＯＳＦＥＴ６８へのオン信号の入力が始まり、ＭＯＳＦＥＴ６８がターンオンすると、ＳＩサイリスタ７０のゲートが正バイアスされ、ＳＩサイリスタ７０もターンオンする。これにより、供給経路６６が閉じられる。供給経路６６が閉じられると、一次巻線６４への直流の供給が始まり、トランス６２への誘導エネルギーの蓄積が始まる。

駆動回路８０からＭＯＳＦＥＴ６８へのオン信号の入力が終わり、ＭＯＳＦＥＴ６８がターンオフすると、一次巻線６４に発生した誘導起電力により、ＳＩサイリスタ７０のゲートが負バイアスされ、ＳＩサイリスタ７０も高速にターンオフする。これにより、供給経路６６が高速に開かれる。供給経路６６が高速に開かれると、相互誘導により二次巻線７６に誘導起電力が発生し、二次巻線７６から正極８４と負極８６との間に立ち上がり時の電圧Ｖの時間上昇率ｄＶ／ｄｔが著しく大きいパルス電圧が出力される。

パルス電圧のパルス幅は、半値全幅（ＦＷＨＭ）で１０〜１０００ｎｓであることが望ましく、立ち上がり時の電圧Ｖの時間上昇率ｄＶ／ｄｔは、３０〜３０００ｋＶ／μｓであることが望ましく、単位時間当たりの繰り返し数（パルス周波数）は、１．０×１０³パルス／ｓｅｃ（１．０ｋｐｐｓ）以上３×１０⁴パルス／ｓｅｃ以下であることが望ましい。さらに望ましくは、３．０×１０³パルス／ｓｅｃ以上１×１０⁴パルス／ｓｅｃ以下である。

パルス電源１２のより詳細な動作原理は、例えば飯田克二、佐久間健：「ＳＩサイリスタによる極短パルス発生回路（ＩＥＳ回路）」、ＳＩデバイスシンポジウム講演論文集（２００２）に記載されている。

一方、流体案内部１８は、図１〜図３に示すように、流体を放電電極部１６に対して均一に供給する整流網部８８を有する。

整流網部８８は、図示しないが、１以上の整流網と、整流網を両側（上流側及び下流側）から押さえる押さえ枠とを有する。整流網の開口率は１０〜４５％が望ましい。

そして、本実施の形態に係るプラズマ処理方法は、放電電極部１６に窒素を含む流体を導入しながら、放電電極部１６において放電によりプラズマを発生させ、その活性種を流体と共に被処理物２０に当てることにより、被処理物２０の少なくとも表面を処理する。

この場合、パルス電源１２における放電電極部１６の面積当たりの電力量は１．４×１０⁴（Ｊ／ｃｍ²）以上であることが好ましい。これにより、活性種の見かけの寿命として最大で４．５秒を実現することができる。流体の流速を２０ｍｍ／ｓ以上５００ｍｍ／ｓ以下とすることで、図１に示すように、放電電極部１６の中心部から被処理物２０までの離間距離Ｌａを３ｍｍ以上１７００ｍｍ以下にすることができる。ここで、活性種の見かけの寿命とは、プラズマによって生成された活性種の実際の寿命ではなく、被処理物の表面での滅菌が確認された場合における離間距離Ｌａを流体の流速で除した値（時間）を示す。これは、プラズマ中で発生した活性種がそのまま被処理物に到達する場合や、プラズマ中で発生した活性種に起因してプラズマから離れた場所で生成された別の活性種が被処理物に到達する場合等が考えられるからである。

すなわち、本実施の形態においては、プラズマによって生成された活性種を間接的に対象物（被処理物２０）に当てて殺菌等のプラズマ処理を行う場合に、該プラズマ処理の効率化を図ることができる。

ここで、プラズマ処理方法での殺菌特性について、図９〜図１２を参照しながら説明する。

図９は、被処理物２０の雰囲気を１気圧、ケースの貫通孔の径を３０ｍｍ、流体である窒素ガスの供給流量を２リットル／ｍｉｎ、離間距離Ｌａを１９４ｍｍとした場合に、高電圧パルスのパルス周波数とパルス電源１２の電力量との関係を示すグラフである。図９において、殺菌効果があったポイントを「●」で示し、殺菌効果がなかったポイントを「×」で示す。縦軸の電力量は対数目盛である。

図９に示すように、１．５ｋｐｐｓでは２．０×１０⁵（Ｊ）以上で殺菌効果があり、２．５ｋｐｐｓでは１．０×１０⁵（Ｊ）以上で殺菌効果があることがわかる。

図１０は、被処理物２０の雰囲気を１気圧、ケースの貫通孔の径を３０ｍｍ、窒素ガスの供給流量を２リットル／ｍｉｎ、パルス周波数を１．５ｋｐｐｓとした場合に、離間距離Ｌａとパルス電源１２の電力量との関係を示すグラフである。図１０において、殺菌効果があったポイントを「■」で示し、殺菌効果がなかったポイントを「×」で示す。縦軸の電力量は対数目盛である。

図１０に示すように、離間距離Ｌａが３４ｍｍでは６．０×１０⁴（Ｊ）以上で殺菌効果があり、１９４ｍｍでは２．０×１０⁵（Ｊ）以上で殺菌効果があることがわかる。なお、窒素を含む流体の流速は４７ｍｍ／ｓであったことから、離間距離Ｌａが１９４ｍｍの場合から換算して、活性種の見かけの寿命が少なくとも４．１２秒であることがわかる。

図１１は、被処理物２０の雰囲気を１気圧、ケースの貫通孔の径を３０ｍｍ、窒素ガスの供給流量を２リットル／ｍｉｎ、パルス周波数を１．５ｋｐｐｓとした場合に、活性種の見かけの寿命とパルス電源１２の電力量との関係を示すグラフである。縦軸の電力量は対数目盛である。

図１１に示すように、パルス電源１２の電力量を大きくするに従って、活性種の見かけの寿命が長くなり、パルス電源１２の電力量が１．０×１５⁵（Ｊ）以上であれば、見かけの寿命として２秒以上を実現することができ、実用性に富むことがわかる。

図１２は、陽極を構成する第１放電電極２６Ａと陰極を構成する第２放電電極２６Ｂ間の容量と、放電電極部１６で発生するオゾン濃度との関係を示すグラフである。ここでは、流体としての空気の供給流量を８６０リットル／ｍｉｎ、パルス周波数を１．０ｋｐｐｓとした。第１放電電極２６Ａと第２放電電極２６Ｂ間の容量は、第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂとの交差部の数で示した。図１２では、第１電極部３６Ａと第２電極部３６Ｂとが共に１本の場合の交差部の数を１×１と示し、以下同様に、２×２、３×３、・・・７×７と示した。

図１２に示すように、交差部の数が増えるに従って、すなわち、第１放電電極２６Ａと第２放電電極２６Ｂ間の容量が大きくなるに従って、発生するオゾン濃度も高くなっていることがわかる。交差部を増やす構造としては、第１放電電極２６Ａの第１電極部３６Ａの本数と、第２放電電極２６Ｂの第２電極部３６Ｂの本数を増やすようにしてもよいし、例えば第２放電電極２６Ｂを間に挟んで、第２放電電極２６Ｂの両側にそれぞれ第１放電電極２６Ａを設置し、３段構造にしてもよい。もちろん、４段以上の構造にしてもよい。

なお、第１放電電極２６Ａ及び第２放電電極２６Ｂを作製する場合は、ゲルキャスト法を用いることが好ましい。ゲルキャスト法では、金型内に、第１導体３０Ａをセットし、セラミック粉末、分散媒、及びゲル化剤を含むスラリーを注型した後に、このスラリーを温度条件や架橋剤の添加等によりゲル化させることにより固化し、成形して、その後、焼成することで、第１放電電極２６Ａを作製する。第２放電電極２６Ｂも同様の方法により、作製することができる。このゲルキャスト法によれば、スラリーの低粘度状態を介して第１導体３０Ａと混合させるため、混合後に空隙が残存しにくい。そのため、成形後に、焼成を行って第１放電電極２６Ａを作製しても、第１セラミック層３４Ａは緻密な状態が保たれる。第２セラミック層３４Ｂにおいても同様である。

なお、本発明に係るプラズマ処理方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…プラズマ処理装置 １２…パルス電源
１４…リアクタ １６…放電電極部
１８…流体案内部 ２０…被処理物
２６Ａ…第１放電電極 ２６Ｂ…第２放電電極
３０Ａ…第１導体 ３０Ｂ…第２導体
３４Ａ…第１セラミック層 ３４Ｂ…第２セラミック層
３６Ａ…第１電極部 ３６Ｂ…第２電極部

Claims (14)

1. 陽極と陰極とを有し、パルス電源からの高電圧パルスの供給に基づいて前記陽極と前記陰極間に放電を発生させる放電電極部を少なくとも有するプラズマ処理装置を使用し、前記放電電極部に窒素を含む流体を導入しながら、前記放電電極部において前記放電によりプラズマを発生させ、その活性種を前記流体と共に対象物に当てることにより、前記対象物の少なくとも表面を処理するプラズマ処理方法であって、
   前記流体の流速が２０ｍｍ／ｓ以上５００ｍｍ／ｓ以下であり、
   前記パルス電源における前記放電電極部の面積当たりの電力量が１．４×１０⁴（Ｊ／ｃｍ²）以上であり、
   前記放電電極部の中心部から前記対象物までの離間距離が３ｍｍ以上１７００ｍｍ以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、
   前記離間距離が３０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項１又は２記載のプラズマ処理方法において、
   前記パルス電源から出力される前記高電圧パルスのパルス周波数が１×１０³パルス／ｓｅｃ以上３×１０⁴パルス／ｓｅｃ以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項１又は２記載のプラズマ処理方法において、
   前記パルス電源から出力される前記高電圧パルスのパルス周波数が３×１０³パルス／ｓｅｃ以上１×１０⁴パルス／ｓｅｃ以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
   前記放電電極部は、前記陽極となる１以上の第１放電電極と、前記陰極となる１以上の第２放電電極とを有し、
   前記流体の流通方向に沿って前記第１放電電極と前記第２放電電極とが互いに離間して配列されていることを特徴とするプラズマ処理方法。
6. 請求項５記載のプラズマ処理方法において、
   前記第１放電電極は、第１導体を有する１以上の第１電極部を有し、
   前記第２放電電極は、第２導体を有する１以上の第２電極部を有し、
   前記第１電極部と前記第２電極部とが、互いに離間し、且つ、前記放電電極部に対する前記流体の流通方向から見たときに、前記第１電極部と前記第２電極部とが交差した位置関係にあることを特徴とするプラズマ処理方法。
7. 請求項６記載のプラズマ処理方法において、
   前記放電電極部に対する前記流体の流通方向から見たときに、前記第１電極部と前記第２電極部とで複数の格子が形成されることを特徴とするプラズマ処理方法。
8. 請求項６又は７記載のプラズマ処理方法において、
   前記放電電極部に対する前記流体の流通方向から見たときに、前記第１電極部と前記第２電極部との交差部の数が１個／ｃｍ²以上２５個／ｃｍ²以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。
9. 請求項８記載のプラズマ処理方法において、
   前記交差部の配列ピッチが２〜１５ｍｍであることを特徴とするプラズマ処理方法。
10. 請求項９記載のプラズマ処理方法において、
    前記交差部の配列ピッチが４〜６．５ｍｍであることを特徴とするプラズマ処理方法。
11. 請求項６〜１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
    高電位電極間距離／対向電極間距離の比が０．５〜３の範囲であることを特徴とするプラズマ処理方法。
12. 請求項６〜１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
    高電位電極間距離／対向電極間距離の比が０．８〜１．３の範囲であることを特徴とするプラズマ処理方法。
13. 請求項６〜１２のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第１電極部は、前記第１導体と、該第１導体を被覆する第１セラミック層とを有し、
    前記第２電極部は、前記第２導体と、該第２導体を被覆する第２セラミック層とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
    前記パルス電源は、前記陽極及び前記陰極間に前記高電圧パルスを印加するパルス発生部と、前記陽極及び前記陰極間に放電を発生させるように前記パルス発生部を制御するパルス制御部とを有し、
    前記パルス発生部は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオン制御によって前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積を行い、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオフ制御によって前記トランスの二次側での前記高電圧パルスの発生を行うパルス発生回路を有することを特徴とするプラズマ処理方法。

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