JP2017146121A - 光学式計測器、プラズマ処理装置および燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象装置の出力調整に適した光学式計測器を提供することにある。
【解決手段】計測部４３が光源ＬＳのスペクトルから計測対象の活性種に応じて、バンドヘッド１１を含む第１波長帯域１３と、第１波長帯域１３のスペクトルよりもエネルギー依存度が大きい、回転スペクトル１２の一部を含む第２波長帯域１４と、における発光強度の積分値の比を基にして活性種の活性度合を計測する光学式計測器４とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、光源のスペクトルからプラズマ状態を計測する光学式計測器に関するものである。また、本発明は、光源のスペクトルからプラズマ状態を計測する光学式計測器を備えるプラズマ処理装置および燃焼装置に関するものである。

プラズマ処理装置や燃焼装置等、さまざまな装置でプラズマが利用されている。そして、これら装置の運転や保守においてプラズマ状態の計測が行われている。

プラズマ状態といった反応領域の状態を計測・解析する機器として、特許文献１に反応解析装置が開示されている。この反応解析装置は、反応領域から発せられた光の分光測定装置による結果から第１及び第２の波長成分の強度値を取得する。そのうえで第２の波長成分に対する第１の波長成分の相対強度を計測して反応領域の状態を解析する。

また、この反応解析装置は、反応状態における異なる粒子から発せられたそれぞれの発光強度のピークを、相対強度を計測するための波長成分としており、異常な反応状態の的確な検知を課題としている。

再公表特許２００８−０５９９７６号公報

このように、プラズマ状態を計測する機器が提案されているものの、プラズマが利用されている装置（以下「計測対象装置」と記載する）の出力調整において、より適したプラズマ状態の把握手段が望まれている。

本発明は、このような点に鑑み、計測対象装置の出力調整に適した光学式計測器を提供することにある。

上記課題を解決すべく、第１観点の光学式計測器は、光源のスペクトルからプラズマ状態を計測する光学式計測器であって、光源のスペクトルから計測対象の活性種に応じて、第１波長帯域と第２波長帯域とにおける発光強度の積分値の比を基にして、プラズマ状態の計測値として活性種の活性度合を計測する計測部を備える。第１波長帯域はバンドヘッドを含む波長帯域であり、第２波長帯域は、第１波長帯域におけるスペクトルよりもエネルギー依存度が大きい、回転スペクトルの一部を含む波長帯域である。

また、第２観点の光学式計測器は、第１観点の光学式計測器であって、前記計測部が活性度合を経時的に連続して計測を行う。

また、第３観点の光学式計測器は、第２観点の光学式計測器であって、計測部が第１波長帯域および第２波長帯域を、それぞれの帯域内におけるピーク波長を基準に、経時的に連続してシフト補正を行う。

また、第４観点の光学式計測器は、第１観点〜第３観点のいずれかの光学式計測器であって、計測部が活性度に対応するガス温度のテーブルを参照して活性種のガス温度を計測する。

また、第５観点の光学式計測器は、第１観点〜第４観点のいずれかの光学式計測器であって、計測対象の活性種が窒素、水素、酸素、および炭素の原子、分子、化合物、イオン、およびラジカルの少なくともいずれかである。

また、第６観点の光学式計測器は、第１観点〜第５観点のいずれかの光学式計測器であって、計測部によって計測された計測値を出力する出力部を備える。

また、第７観点の光学式計測器は、第１観点〜第６観点のいずれかの光学式計測器であって、プラズマ発生源の周囲近傍に配置されると共に光源の発光を受光する複数の受光部を備える。また、この受光部の少なくとも一つは、ミラーを介しプラズマ発生源近傍の第１発光範囲の発光を受光し、少なくとも一つ以外の受光部は、第１発光範囲よりもプラズマ発生源から離れた第２発光範囲の発光を受光する。

また、第８観点の光学式計測器は、第１観点〜第６観点のいずれかの光学式計測器であって、プラズマ発生源の周囲近傍に配置されると共に光源の発光を受光する受光部を備える。また、この光学式計測器は、受光部に固定されて受光部の受光範囲を移動させる受光移動機構を備える。

また、第９観点のプラズマ処理装置は、第１観点〜第８観点のいずれかの光学式計測器を備える。また、このプラズマ処理装置は、光学式計測器が計測した活性種の活性度合を基にプラズマ出力を調整するプラズマ出力調整部を備える。

また、第１０観点のプラズマ処理装置は、第７観点または第８観点のいずれかの光学式計測器を備える。また、このプラズマ処理装置は、プラズマ処理対象物であるワークの位置を、光学式計測器が計測した活性種の活性度合を基に調整するワーク移動機構を備える。

また、第１１観点の燃焼装置は、第１観点〜第８観点のいずれかの光学式計測器を備える。また、この燃焼装置は、光学式計測器が計測した活性種の活性度合を基に燃焼出力を調整する燃焼出力調整部を備える。

第１観点の光学式計測器によれば、この光学式計測器は、計測部がバンドヘッドを含む第１波長帯域における発光強度の積分値を計測に用いている。バンドヘッド付近の第１波長帯域におけるスペクトルは、計測対象の活性種における粒子の量に大きく依存し、粒子の活性度合で大きく変動しない。この第１波長帯域におけるスペクトルは、エネルギー依存度が小さく、活性種の粒子の量を示す指標となる。

また、この光学式計測器は、計測部が回転スペクトルの一部を含む第２波長帯域における発光強度の積分値を計測に用いている。第２波長帯域は、回転スペクトルの中から選択されて、第１波長帯域のスペクトルよりもエネルギー依存度が大きい波長帯域である。この第２波長帯域におけるスペクトルは、エネルギー依存度が大きく、活性種の粒子の活性度合を示す指標となる。なお、回転スペクトルは、粒子の量にも依存する。

そして、この光学式計測器は、計測部が第１および第２波長帯域における発光強度の積分値の比を基にして活性種の活性度合を計測する。これにより、第１観点の光学式計測器は、粒子の量による変動分を補正した形で活性種の活性度合を計測することができる。

また、この光学式計測器は、単一波長における強度（いわゆる線スペクトル）ではなく、波長帯域における強度の積分値（いわゆる面スペクトル）を用いて計測している。このため、この光学式計測器は、プラズマ状態の変化や、外部環境の変化等の外乱に対応しやすい。

ここで、計測対象装置の出力調整は、活性種の粒子の量よりも仕事に寄与する反応力のある活性種の活動の状態、すなわち活性種の活性度合を基に調整すること好ましい。また、計測対象装置の出力調整は、プラズマ状態や外部環境の変化等の外乱に対応しやすいことが好ましい。したがって、第１観点によれば、計測対象装置の出力調整に適した光学式計測器を提供することができる。

第２観点の光学式計測器によれば、この光学式計測器は、計測部が連続計測を行うため、活性種の活性度合、すなわちプラズマの活性状態の連続的な変化を計測することができる。

第３観点の光学式計測器によれば、この光学式計測器は、計測部が第１波長帯域および第２波長帯域をそれぞれのピーク波長を基準に連続してシフト補正を行う。これにより、この光学式計測器は、外乱による変化に追従してプラズマの活性状態を計測することができる。

第４観点の光学式計測器によれば、この光学式計測器は、計測部が活性度に対応するガス温度のテーブルを参照して、活性種のガス温度を計測する。この光学式計測器は、このようにテーブルを参照することで高速処理をする。したがって、この光学式計測器は、リアルタイム計測に適している。

第５観点によれば、この光学式計測器は、プラズマ中の窒素、水素、酸素、および炭素の原子、分子、化合物、イオン、およびラジカルの少なくともいずれかの活性状態を計測することができる。

第６観点によれば、この光学式計測器は、出力部によって出力された計測値をモニタ確認やフィードバック制御に利用することができる。

第７観点によれば、この光学式計測器は、受光部を光源周囲に大きく張り出すことなく、プラズマ発生源の近傍の第１発光範囲および第１発光範囲より離れた第２発光範囲にわたって、プラズマ発生源からの距離に応じたプラズマの活性状態を計測することができる。

第８観点によれば、この光学式計測器は、受光部を光源周囲に大きく張り出すことなく、受光移動機構で受光範囲を移動させながら広い反応範囲にわたって、プラズマ発生源からの距離に応じたプラズマの活性状態を計測することができる。

第９観点によれば、このプラズマ処理装置は、活性種の活性度合を計測する光学式計測器を備えているため、仕事に寄与する反応力のある活性種の活性状態を基にして、適切にプラズマ出力を調整することができる。

第１０観点によれば、このプラズマ処理装置は、広い範囲にわたってプラズマ発生源からの距離に応じた活性度を基にワークの位置を調整するワーク移動機構を備えているため、ワークに対して適切にプラズマ処理を行うことができる。

第１１観点によれば、この燃焼装置は、活性種の活性度合を計測する光学式計測器を備えているため、仕事に寄与する反応力のある活性種の活性状態を基にして、適切に燃焼出力を調整することができる。

活性種のスペクトルを模式的に表した図である。 第１実施形態のプラズマ処理装置１の全体構成図である。 光学式計測器４のブロック図である。 光学式計測器４の受光部４１の取り付け構造を説明する図である。 プラズマトーチ３１からの距離と活性度との関係を示すグラフである。 第１実施形態のプラズマ計測方法のフローチャートである。 活性種のスペクトルから基準波長帯域１３および活性化指標波長１４を特定した図である。 活性度を計測するためのテーブルの基となるグラフである。 推定ガス温度を計測するためのテーブルの基となるグラフである。 第２実施形態の燃焼装置１０１の全体構成図である。

以下に、図面を参照して本発明の一実施形態を説明するが、本発明は、これらの実施形態に限定されるわけではない。

＜プラズマ計測の概要＞
本実施形態のプラズマ計測は、プラズマ状態における発光（光源）を波長成分によって分光して得たスペクトルからプラズマの状態を把握する、いわゆる発光分光法を用いたプラズマ計測である。プラズマ中には反応性の高い活性種が存在し、この活性種の反応力の強弱は、計測対象装置（プラズマが利用される装置）の仕事に影響を及ぼす。なお、本明細書において用いられる活性種の活性度合とは、活性種の反応性と同義である。

また、本実施形態では、計測対象の活性種は、少なくとも窒素、水素、酸素、および炭素等の原子、分子、化合物、イオン、およびラジカルのいずれかである。そして、本実施形態のプラズマ計測は、これらから選択された活性種の状態によって、プラズマの状態を把握する。

図１は、活性種のスペクトルを模式的に表したものであり、各活性種に対応した波長成分で観察される。実線で示されるグラフと破線で示されるグラフとは加えるエネルギーを異ならしている。図１に示すように、活性種のスペクトルでは、活性種固有の波長において、多くのスペクトルが重なり合って高い発光強度を示すバンドヘッド１１と呼ばれるピークが観察される。このバンドヘッド１１を含む波長帯域１３における集合部分の発光強度は、エネルギー依存度が小さく、粒子の量的変化に大きく左右される。

また、バンドヘッド１１の周辺には回転スペクトル（バンドスペクトル）１２と呼ばれるドップラー広がりで発生する複数のピークをもった集合部分が観測される。この回転スペクトル１２には、エネルギー依存度が大きく、加えるエネルギーによって大きく発光強度が変化する波長帯域がある。図１においては、バンドヘッド１１付近の光強度変化１１ａよりも大きな光強度変化１２ａが回転スペクトルの一部の波長帯域１４で観察される。このエネルギー依存度が大きい、回転スペクトルの一部は、粒子の質的変化の指標となる。なお、ここでいうエネルギーとしては、温度、電力、振動数等がある。

本実施形態においては、バンドヘッド１１を含む波長帯域１３を基準波長帯域（第１波長帯域）１３、回転スペクトルの中で特定されたエネルギー依存度が大きい波長帯域１４を活性化指標波長帯域（第２波長帯域）１４として説明する。

なお、活性種のスペクトルにおけるピークの波長は、プラズマの状態変化や外部環境の変化等の外乱がなければ固有のものと考えられるが、多くのプラズマを利用する装置では外乱を完全に取り除くことは困難であり、変動してしまう。

ここで、従来のプラズマ計測では、ピーク波長の強度、いわゆる線スペクトルを基にプラズマの状態を把握するものが多い。対して、本実施形態のプラズマ計測では、基準波長帯域１３と活性化指標波長帯域１４とにおける強度の積分値の比、いわゆる面スペクトル比を基にした活性度という計測値によってプラズマの状態を把握する。

なお、燃焼反応における火炎中もプラズマ状態になっており、後述する第２実施形態における燃焼装置にもプラズマ計測が利用される。

＜第１実施形態＞
＜＜全体構成＞＞
図２は、第１実施形態のプラズマ処理装置１の全体構図である。プラズマ処理装置１は、ワークＷにプラズマを照射し、表面状態を改質する装置である。このプラズマ処理装置１は、ワークＷをセットする処理器２と、プラズマを発生させて照射するプラズマ照射器３と、プラズマの状態を計測する光学式計測器４と、光学式計測器４の計測値を基に各部を制御する制御器５とを備えている。

＜＜処理器＞＞
処理器２は、箱状で内部空間が形成されている筐体２１と、筐体２１内に設置されてワークＷを上面で支持するテーブル２２と、このテーブル２２の下面を昇降可能に支持するワーク移動機構２３とを備えている。

テーブル２２は、矩形平板状で、処理器２の設置面に対し水平に広がっている。このテーブル２２の上面にプラズマ処理を行いたいワークＷが設置される。

ワーク移動機構２３は、ラボジャッキや昇降ステージ等であり、支持するテーブル２２を昇降させることが可能な昇降機構である。本実施形態では、ワーク移動機構２３として電動昇降ステージが採用されている。このワーク移動機構２３は、後述する制御器５からの指令によりテーブル２２を昇降させる。これにより、ワークＷは、適切なプラズマ照射距離で処理される。

＜＜プラズマ照射器＞＞
プラズマ照射器３は、プラズマを生成すると共にワークＷにプラズマ照射するためのプラズマトーチ３１と、プラズマトーチ３１に電源を印加するプラズマ電源３２と、プラズマトーチ３１にプラズマガスを供給するプラズマガス供給器３３と、を備えている。また、本実施形態のプラズマ照射器３は、プラズマを効率的に高エネルギー化するための添加剤を供給する添加剤供給器３４をさらに備えている。

プラズマトーチ（プラズマ発生源）３１は、一端から供給されたプラズマガス３３を、中央部においてプラズマ電源３２で電源を印加することによって、高エネルギー化、すなわちプラズマ状態にして、他端から照射する。このプラズマ電源３２は、プラズマトーチ３１に印加する電源を調整することで、プラズマ出力を調整するプラズマ出力調整部として機能する。本実施形態では、このプラズマ電源３２は、後述する制御器５の指令によりプラズマトーチ３１に印加する電源を調整する。

プラズマガスとしては、空気、窒素、酸素、ヘリウム、アルゴン等があり、プラズマガス供給器３３は、供給路を介しプラズマガスをプラズマトーチ３１に供給する。プラズマガスは、プラズマトーチ３１でプラズマ化されて照射され、プラズマの場を形成する。プラズマガスの供給路の途中にはプラズマガス調整バルブ３５が設けられており、このプラズマガス調整バルブ３５は、プラズマガスの供給量を調整する。つまり、プラズマガス調整バルブ３５は、プラズマガスの供給量を調整することで、プラズマ出力を調整するプラズマ出力調整部として機能する。本実施形態では、このプラズマガス調整バルブ３５は、後述する制御器５の指令によりプラズマガスの供給量を調整する。

添加剤としては、窒素、水素、酸素、炭素等があり、添加剤供給器３４は、供給路を介し添加剤をプラズマトーチ３１に供給する。添加剤は、プラズマトーチ３１からプラズマの場に供給されてプラズマ化し、活性種となる。また、本実施形態では、さまざまな処理に対応できるように、添加剤が複数種類搭載されている。これら複数種類の添加剤の供給路の途中には添加剤調整バルブ３６が設けられており、この添加材調整バルブ３６は、それぞれの添加剤の供給量を調整する。本実施形態では、この活性剤調整バルブ３６は、電磁弁が採用されており、後述する制御器５の指令により添加剤の供給量を調整する。なお、本実施形態では、添加剤をプラズマガスとは別にプラズマトーチ３１に供給してからプラズマの場に供給しているが、これに限らない。たとえば、添加剤を供給路でプラズマガスと混合してからプラズマトーチ３１に供給してもよい。また、添加剤をプラズマトーチ３１とは別に処理器２に取り付けた供給機器からプラズマ化している場に供給してもよい。また、使用するプラズマガスが所望の活性種ともなるのであれば、本実施形態のように添加剤供給器３４等を別に設けなくてもよい。

＜＜光学式計測器＞＞
図３は、光学式計測器４を構成する各部のブロック図であり、以下に図２も参照しながら光学式計測器４の各部について説明する。

光学式計測器４は、光源（プラズマ発光）ＬＳからの光を受光する受光部４１と、受光した光を波長成分ごとに分光する分光部４２と、分光して得られたスペクトルからプラズマの状態を計測する計測部４３とを備える。また、光学式計測器４は、計測部４３が計測の際にデータを保管したり、計測部４３が参照するためのデータを格納したりするための記憶部４４を備える。また、光学式計測器４は、計測結果等を出力するための出力部４５を備え、モニタ表示する表示部４６や外部の制御器５等に出力可能である。

受光部４１は、レンズ４１ａと光ファイバ４１ｂとを含み構成されている。受光部４１は、光源ＬＳからの光をレンズ４１ａで集光して光ファイバ４１ｂで伝送する。なお、集光する範囲によっては、レンズ４１ａを設けずに直接光ファイバ４１ｂで光源ＬＳからの光を取り込んでもよい。

ここで、受光部４１の取り付け状態について説明する。図４は、本実施形態における受光部４１の取り付け構造を説明する図である。なお、本実施形態では、受光部４１は２つ用いられており、図４においては、４１Ｍ、４１Ｒと符号を付している。また、図４において、上段に示す図と下段に示す図とでは、受光位置を異ならしている。

図４によれば、受光部４１は、受光補助器６を介してプラズマトーチ３１に取り付けられている。受光補助器６は、矩形ブロック状で中央においてプラズマトーチ３１に取り付けられており、プラズマ照射方向に対して垂直方向に広がるベース６１を有している。ベース６１の一端側にはプラズマ照射方向に張り出してミラー６２が固定されており、ベース６１の他端側には回転テーブル（受光移動機構）６３が固定されている。そして、一方の受光部４１Ｍは、先端をプラズマ照射方向に向けてプラズマトーチ３１の周囲近傍に配置されてベース６１に固定されている。この受光部４１Ｍは、図４の破線で示すように、ミラー６２を介しプラズマトーチ３１の先端に近い第１発光範囲ＬＳ１の発光を受光する。また、他方の受光部４１Ｒは、先端を照射方向に対して斜めに向けてプラズマトーチ３１の周囲近傍である回転テーブル６３に固定されている。回転テーブル６３は図４に示すように、受光部４１Ｒの先端をプラズマ発光ＬＳに向けつつ、プラズマ照射方向となす角を変更する方向Ｒに回転可能である。これにより、受光部４１Ｒの先端を図４上段のように向けた場合には、受光部４１Ｒは、第１発光範囲ＬＳ１よりもプラズマトーチ３１から離れた第２発光範囲ＬＳ２の発光を受光する。また、受光部４１Ｒの先端を図４下段のように向けた場合には、受光部４１Ｒは、第２発光範囲ＬＳ２よりもプラズマトーチ３１から離れた第３発光範囲ＬＳ３の発光を受光する。このように、回転テーブル６３は、受光部４１Ｒの受光範囲を移動させることが可能である。したがって、本実施形態の受光部４１（４１Ｍ、４１Ｒ）は、プラズマトーチ３１の先端から照射方向に向かって広い範囲の発光を受光する。なお、本実施形態では、受光部４１として受光部４１Ｍおよび受光部４１Ｒを用いているが、受光部４１は、受光部４１Ｍおよび受光部４１Ｒのいずれかのみでもよい。また、本実施形態では受光部４１Ｒは、回転テーブル６３に固定されているが、軸上を平行移動する移動機構に固定されていてもよい。

ここで、図５は、プラズマトーチ３１からの距離と活性度との関係を示すグラフであり、入力エネルギー１４を階段状に上げていったときのＯＨラジカル１５およびＮ２ラジカル１６の活性度を測定したグラフである。また、上段が第１発光範囲ＬＳ１、中段が、第２発光範囲ＬＳ２、下段が第３発光範囲ＬＳ３のスペクトルから計測して得られたグラフである。なお、活性度は、詳しくは後述するが、本実施形態の光学式計測器４の計測値であり、プラズマの状態を把握する指標となる。図５から、プラズマトーチ３１からの距離と活性度との関係は比例関係にないことがわかる。また、プラズマトーチ３１からの距離に活性度が大きく依存してしまう粒子があることもわかる。このことからも、光学式計測器４は、照射方向に広い範囲を計測できることが望ましい。

ふたたび図３にもどり説明を続けると、分光部４２は、レンズ４２ａ、回折格子４２ｂ、およびラインセンサー４２ｃを含み構成されている。受光部４１により受光された光は、レンズ４２ａを通り回折格子４２ｂで波長成分によって分散されて、波長成分に対応する強度がラインセンサー４２ｃによって検出される。これにより、分光部４２は、光源ＬＳのスペクトルを得る。なお、本実施形態では、分光部４２は、回折格子を用いて構成されているが、これに限らない。たとえば、プリズムを用いて構成されていてもよい。

計測部４３は、演算処理装置を備えた計算機であり、ピーク波長を設定する設定部４３ａと、分光部４２からスペクトルデータを取得する取得部４３ｂと、強度比率を計測する強度比率計測部４３ｃと、活性度を計測する活性度計測部４３ｄと、ガス温度を計測するガス温度計測部４３ｅとを備える。

ここで、各部を説明する前に記憶部４４について触れておくと、記憶部４４は、長期的に大容量データの記憶が可能な記憶媒体であり、計測部４３における測定結果を格納したり、計測部４３が測定結果を計測する際に参照するデータをあらかじめ格納させておいたりするのに用いられる。なお後述するが、本実施形態において記憶部４４には、強度比率と活性度との関連性とを示す活性度計測テーブル４４ａ、および活性度と推定ガス温度との関連性を示すガス温度計測テーブル４４ｂがあらかじめ格納されている。なお、本実施形態では、これらのテーブル４４ａ、４４ｂは、記憶部４４に格納されているが、これに限らない。たとえば、通信回線を介し別の場所に格納されていてもよい。

計測部４３の説明に戻ると、設定部４３ａは、計測値計測のために、基準波長帯域１３におけるピーク波長（図１参照）と活性化指標波長帯域１４におけるピーク波長（図１参照）とを計測対象の活性種に対応させて設定する部分である。また、設定部４３ａは、一度設定したピーク波長を補正する場合にピーク波長を再設定する部分でもある。取得部４３ｂは、光源ＬＳのスペクトルデータを分光部４２から取得する部分である。強度比率計測部４３ｃは、取得部４３ｂが得たスペクトルデータから、設定部４３ａで設定されたピーク波長を基とした基準波長帯域１３および活性化指標波長帯域１４の強度の積分値を計測する部分である。また、強度比率計測部４３ｃは、その計測したそれぞれの強度の積分値の比率を計測する部分である。活性度計測部４３ｄは、記憶部４４に記憶されている活性度計測テーブル４４ａを参照し、強度比率計測部４３ｃが計測した強度の積分値の比率と対応する活性度を計測する部分である。ガス温度計測部４３ｅは、記憶部４４に記憶されているガス温度計測テーブル４４ｂを参照し、活性度計測部４３ｄが計測した活性度と対応する推定ガス温度を計測する部分である。その他計測部では、装置を制御するための装置制御情報や装置を運転するための装置運転情報を計測する場合がある。

出力部４５は、計測部４３が計測した活性度、推定ガス温度等の計測値や、その他装置制御情報、装置運転情報等を出力する各種出力部を備える。出力部４５のインターフェースには、表示部４６や外部制御器５等が接続され、これらの機器に対して計測値や各種情報が出力される。

表示部４６は、内蔵されたモニタ表示画面や外部モニタ等の表示機器といったものであり、出力部４５から出力される計測値や各種情報を表示する。

＜＜制御器＞＞
制御器５は、ＰＬＣ等の制御機器であり、光学式計測器４の出力部４５に接続されて、その計測値等を受信可能に構成されている。また、プラズマ照射器３のプラズマ電源３２、プラズマガス調整バルブ３５、添加剤調整バルブ３６に接続されて、それらの出力や開閉量を調節可能に構成されている。また、処理器２のワーク移動機構２３に接続されて、その昇降量を調整可能に構成されている。そして、光学計測器４が出力した計測値の一つである活性度が所望の値になるように、プラズマ出力調整部であるプラズマ電源３２や各調整バルブ３５、３６をフィードバック制御している。また、光学計測器４が出力した計測値の一つである活性度が最大になるように、ワーク移動機構２３をフィードバック制御している。

なお、本実施形態では、制御器５を設けて自動でプラズマトーチ３１の出力等の各部を調整するように構成したが、制御器５を設けずに、操作者が光学式計測器４の計測値を目視して、その測定値に基づいて手動で調整してもよい。また、本実施形態では光学式計測器４と制御器５とが別体の機器として構成されているが、一体の機器として構成されていてもよい。つまり、光学式計測器４および制御器５は、光学式計測機能および制御機能を持った１の機器であってもよい。

＜＜計測方法＞＞
図６は、上述のように構成された光学式計測器４によるプラズマ計測方法のフローチャートである。図７は、活性種のスペクトルから基準波長帯域１３および活性化指標波長帯域１４を特定した図である。図８は、活性度を計測するためのテーブルの基となるグラフであり、ＯＨラジカル１５およびＮ２ラジカル１６における強度比率と活性度との関係を示している。図９は、推定ガス温度を計測するためのテーブルの基となるグラフであり、ＯＨラジカル１５およびＮ２ラジカル１６における活性度と推定ガス温度との関係を示している。また、図１はピーク波長特定工程ＳＴ１の説明で用いる。以下、図６を参照しながら図１並びに図７〜図９で補足して光学式計測器４を用いてのプラズマ計測方法について説明する。なお、本説明においては、光源ＬＳから分光部４２がスペクトルデータを得るまでの間は説明を省略する。また、各部名称については、あわせて図３を参照する。

本実施形態のプラズマ計測方法は、まず、ピーク波長設定工程ＳＴ１で、実験結果等から計測対象の活性種に応じて基準波長帯域１３および活性化指標波長帯域１４を特定する（図１参照）。活性化指標波長帯域１４は、回転スペクトル１２の中で、基準波長帯域１３よりもエネルギー依存度が大きい波長帯域１４を特定する。そして、それぞれの波長帯域１３、１４におけるピーク波長１３ｂ、１４ｂを設定部４３ａに設定する。

次にスペクトル取得工程ＳＴ２で、取得部４３ｂが分光器４２から光源ＬＳのスペクトルデータを取得する。

次にスペクトル判定工程ＳＴ３で、スペクトル取得工程ＳＴ２で取得したスペクトルが規定以上の強度を示しているかを判定し、規定以上でなければ再びスペクトル取得工程ＳＴ２に戻してスペクトルを再取得させ、規定以上であれば次の工程に進める。

次にピーク補正工程ＳＴ４で、図２に示すようにピーク波長設定工程ＳＴ１で特定した基準波長帯域１３および活性化指標波長帯域１４の範囲で、スペクトル判定工程ＳＴ３で得られたスペクトルのピーク波長を設定部４３ａが検出する。そして、設定部４３ａは、ピーク波長設定工程ＳＴ１で設定したピーク波長と検出したピーク波長とがずれていれば、ピーク波長を検出したピーク波長に再設定する。それに併せ、基準波長帯域１３および活性化指標波長帯域１４が再設定されたピーク波長を基準にしてシフト補正される。たとえば、それまで図７の細い実線のスペクトルを示しており基準波長帯域ではピーク波長１３ｂ、活性化指標波長帯域ではピーク波長１４ｂが設定されていたとする。しかし、最新のスペクトル判定工程ＳＴ３から得られたスペクトルが基準波長帯域ではピーク波長１３ｃ、活性化指標波長帯域ではピーク波長１４ｃを示す太い実線のスペクトルとなった場合、設定されているピーク波長は、最新のスペクトルのピーク波長１３ｃおよびピーク波長１４ｃに再設定される。それに併せて、基準波長帯域１３および活性化指標波長帯域１４がシフト補正される。

次に、積分工程ＳＴ５で、シフト補正された基準波長帯域１３および活性化指標波長帯域１４における光強度を積分し、それぞれの強度の積分値（強度面積）１３Ｓ、１４Ｓを得る。なお、それぞれの強度の積分値１３Ｓ、１４Ｓを積分回数で除算して、それぞれの平均を求め、これら平均を以下の工程において積分値１３Ｓ、１４Ｓの代わりに用いてもよい。

次に強度比率計測工程ＳＴ６で、基準波長帯域１３における強度の積分値１３Ｓを活性化指標波長帯域１４における強度の積分値１４Ｓで除算して強度比率を得る。

次に活性度計測工程ＳＴ７で、図８に示すようなグラフを基にした、記憶部４４に記憶されている活性度計測テーブル４４ａを参照し、強度比率から活性種の活性度合の指標となる計測値を計測する。本明細書では、この計測値を「活性度」と称する。なお、関係テーブルではなく、関係式を用いて強度比率から活性度を計測してもよい。

次に推定ガス温度計測工程ＳＴ８で、図９に示すようなグラフを基にした、記憶部４４に記憶されているガス温度計測テーブル４４ｂを参照し、活性度から推定ガス温度を計測する。なお、関係テーブルではなく、関係式を用いて活性度から推定ガス温度を計測してもよい。

次にスムージング処理工程ＳＴ９で、各計測結果の連続的な経時変化をスムージング処理する。

次に出力工程ＳＴ１０で、各計測結果等を表示部４６や制御器５等に出力する。

次にフィードバック確認工程ＳＴ１１で、制御器５の出力をフィードバック制御するか確認する。フィードバック制御する場合には、フィードバック制御工程ＳＴ１２で、制御器５に対して目標の活性度に対する計測した活性度との差から計測される装置制御情報を出力する。

次に運転情報記録工程ＳＴ１３で、制御器５の運転情報を記憶部４４に出力する。

最後に連続計測確認工程ＳＴ１４で、計測を終了するか確認し、計測を継続する場合は、スペクトル取得工程ＳＴ２に戻り連続計測を行う。

＜＜作用・効果＞＞
以上述べてきたように構成された光学式計測器４は、光源ＬＳのスペクトルからプラズマ状態を計測する。光源ＬＳのスペクトルから計測対象の活性種に応じて、基準波長帯域１３と活性化指標波長帯域１４とにおける発光強度の積分値１３Ｓ、１４Ｓの比から活性度を計測する計測部４３を備える。基準波長帯域１３はバンドヘッド１１を含む帯域であり、第２波長帯域１４はエネルギー依存度が大きい、回転スペクトル１２の一部を含む帯域である。

このように、光学式計測器４は、基準波長帯域１３における発光強度の積分値１３Ｓを計測値の計測に用いている。基準波長帯域１３におけるスペクトルは、計測対象の活性種における粒子の量に大きく依存し、粒子の活性度合で大きく変動しない。この第１波長帯域１３におけるスペクトルは、エネルギー依存度が小さく、活性種の粒子の量を示す指標となる。

また、この光学式計測器４は、活性化指標波長帯域１４における発光強度の積分値１４Ｓを計測値の計測に用いている。活性化指標波長帯域１４は、回転スペクトル１２の中から選択されたエネルギー依存度の大きい波長帯域である。この活性化指標波長帯域１４におけるスペクトルは、エネルギー依存度が大きく、活性種の粒子の活性度合を示す指標となる。なお、回転スペクトルは、粒子の量にも依存する。

そして、この光学式計測器４は、計測部４３が基準波長帯域１３および活性化指標波長帯域１４における発光強度の積分値１３Ｓ、１４Ｓの比を基にして活性種の活性度合を計測する。これにより、光学式計測器４は、粒子の量による変動分を補正した形で活性種の活性度合を計測することができる。

また、この光学式計測器４は、単一波長における強度（いわゆる線スペクトル）ではなく、波長帯域における強度の積分値（いわゆる面スペクトル）を用いて活性度を計測している。したがって、光学式計測器４は、プラズマ状態の変化や、外部環境の変化等の外乱に対応しやすくできる。

ここで、制御器５は、活性種の粒子の量よりも仕事に寄与する反応力のある活性種の活動の状態、すなわち活性状態を基に調整することが好ましい。また、制御器５は、プラズマ状態の変化や外部環境の変化等の外乱に対応しやすいことが好ましい。このため、光学式計測器４は、プラズマ処理装置１の出力調整に適した光学式計測器となっている。

また、光学式計測器４は、計測部４３が活性度合を経時的に連続して計測を行う。これにより、活性種の活性度合、すなわちプラズマの活性状態の連続的な変化を計測することができる。

また、光学式計測器４は、計測部４３が基準波長帯域１３および活性化指標波長帯域１４を、それぞれの発光線のピークを基準に、連続してシフト補正を行う。したがって、光学式計測器４は、外乱による変化に追従してプラズマの活性状態を計測することができる。

また、光学式計測器４は、計測部が活性度に対応するガス温度のテーブルを参照して活性種のガス温度を計測する。光学式計測器４は、このようにテーブルを参照することで高速処理をする。したがって、この光学式計測器４は、リアルタイム計測に適している。

また、光学式計測器４は、プラズマ中の窒素、水素、酸素、および炭素の原子、分子、化合物、イオン、およびラジカルの少なくともいずれかの活性状態を計測対象にすることができる。

また、光学式計測器４は、計測部４３によって計測された計測値を出力する出力部４５を備える。これにより、出力部４５によって出力された計測値をモニタ確認やフィードバック制御に利用することができる。
る。

また、光学式計測器４は、プラズマトーチ３１の周囲近傍に配置されると共に光源ＬＳの発光を受光する複数の受光部４１を備える。また、この受光部４１の少なくとも一つは、ミラー６２を介しプラズマトーチ３１近傍の第１発光範囲ＬＳ１の発光を受光し、少なくとも一つ以外の受光部４１は、第１発光範囲ＬＳ１よりもプラズマ発生源から離れた第２発光範囲ＬＳ２、ＬＳ３の発光を受光する。このため、この光学式計測器４は、受光部４１を光源ＬＳ周囲に大きく張り出すことなく、プラズマトーチ３１の近傍の第１発光範囲ＬＳ１および第１発光範囲ＬＳ１より離れた第２発光範囲ＬＳ２にわたって、プラズマトーチ３１からの距離に応じたプラズマの活性状態を計測することができる。

また、光学式計測器４は、プラズマトーチ３１の周囲近傍に配置されると共に光源ＬＳの発光を受光する受光部４１を備える。また、この光学式計測器４は、受光部４１に固定されて受光部４１の受光範囲を移動させる回転テーブル６３を備える。これにより、この光学式計測器４は、受光部４１を光源ＬＳ周囲に大きく張り出すことなく、回転テーブル６３で受光範囲を移動させながら広い反応範囲にわたって、プラズマトーチ３１からの距離に応じたプラズマの活性状態を計測することができる。

また、プラズマ処理装置１は、光学式計測器４と光学式計測器４が計測した活性度を基にプラズマ出力を調整するプラズマ電源３２、プラズマガス調整バルブ３５、添加剤調整バルブ３５といったプラズマ出力調整部を備えている。このプラズマ処理装置１は、活性種の活性度を計測する光学式計測器４を備えていることによって、仕事に寄与する反応力のある活性種の活性状態を基にして、適切にプラズマ出力を調整することができる。

また、プラズマ処理装置１は、プラズマ処理対象物であるワークＷの位置を、光学式計測器４が計測した活性度を基に調整する昇降テーブル２３を備えている。これにより、ワークＷに対して適切にプラズマ処理を行うことができる。

＜第２実施形態＞
＜＜全体構成＞＞
図１０は、第２実施形態の燃焼装置１０１の全体構成図である。このような燃焼装置は、蒸気タービン発電機、産業用ボイラ、焼却炉等、多くの施設で利用される。燃焼装置１０１は、燃料と酸化剤とを供給して燃焼器（ボイラ）１０２内で燃焼反応させてエネルギーを得るものである。この燃焼反応下においては前述したようにプラズマ状態となっており、火炎として観察される。この燃焼装置１０１は、内部で燃焼反応をさせる反応器１０２と、先端から火炎を照射する主燃焼器１０３と、火炎（プラズマ）の状態を計測する光学式計測器４と、光学式計測器の計測値を基に各部を制御する制御器５とを備えている。なお、光学式計測器４および制御器５は、第１実施形態のプラズマ処理装置１と同様であるため、同一の符号付して説明を省略する。

＜＜燃焼器＞＞
反応器１０２は、箱状で内部空間が形成されている燃焼室１２１と燃焼室１２１内から外部に引き出される環状の排気口１２２とを備えている。排気口１２２からは排気ガスが外部に排出される。また、反応器１０２には環状のエネルギー引出口（不図示）が接続されており、ここからエネルギーを引き出し、タービン等の動力源となる。

＜＜燃焼器＞＞
主燃焼器１０３は、燃焼室１２１の壁面に固定されて先端から燃料等を噴射する燃焼バーナ１３１（プラズマ発生源）と、燃焼バーナ１３１に燃料を供給するための燃料供給器１３２と、燃焼バーナ１３１に酸化剤を供給するための酸化剤供給器１３３とを備えている。また、主燃焼器１０３は、燃焼反応を効率的に高エネルギー化するための高エネルギー化活性剤を供給するための活性剤供給器１３４をさらに備えている。また、主燃焼器１０３は、燃焼室１２１の壁面に固定されて、燃焼バーナ１３１から噴射された燃料に着火するための着火バーナ１３５を備えている。

燃焼バーナ１３１は、一端から供給された燃料および酸化剤を混合して他端から燃焼室１２１内に噴射する。この噴射した燃料等に着火バーナ１３５で着火すると燃焼反応がはじまり、光源である火炎ＬＳが観察される。

燃料としては、ＬＰＧ，ＬＮＧ，油、石炭、バイオマス、廃棄物等といったものがあるが、燃料供給器１３２は、供給路を介し燃焼バーナ１３１に燃料を供給する。燃料の供給路の途中には燃料調整バルブ１３６が設けられており、この燃料調整バルブ１３６は、燃料の供給量を調整する。つまり、燃料調整バルブ１３６は、燃料の供給量を調整することで、燃焼出力を調整する燃焼出力調整部として機能する。なお、固体の燃料の場合は、直接燃焼室１２１に投入されることもある。

酸化剤としては、一般的には空気であり、酸化剤供給器１３３は、供給路を介し燃焼バーナ１３１に酸化剤を供給する。酸化剤の供給路の途中には酸化剤調整バルブ１３７が設けられており、この酸化剤調整バルブ１３７は、酸化剤の供給量を調整する。つまり、酸化剤調整バルブ１３７は、酸化剤の供給量を調整することで、燃焼出力を調整する燃焼出力調整部として機能する。

高エネルギー化活性剤としては、水蒸気、水素、水素酸素ガス等があり、活性剤供給器１３４は、供給路を介して高エネルギー化活性剤を先に混合部１３９で酸化剤と混合してから燃焼バーナ１３１に供給する。また、本実施形態では、さまざまな燃料に対応できるように、高エネルギー化活性剤が複数種類備えられている。これら複数種類の高エネルギー化活性剤の供給路の途中には、高エネルギー化活性剤調整バルブ１３８が設けられており、この高エネルギー化活性剤調整バルブ１３８は、それぞれの高エネルギー化活性剤の供給量を調整する。つまり、高エネルギー化活性剤調整バルブ１３８は、高エネルギー化活性剤の供給量を調整することで、燃焼出力を調整する燃焼出力調整部として機能する。なお、本実施形態では、高エネルギー化活性剤を混合部１３９で酸化剤と混合してから燃焼バーナ１３１に供給しているが、燃焼バーナ１３１に直接供給したり、燃焼バーナ１３１内で混合したりしてもよい。また、別にトーチ等の助燃器を設けて燃焼室１２１内に直接供給してもよい。

上記、燃焼出力調整部として機能する燃料調整バルブ１３６、酸化剤調整バルブ１３７、および高エネルギー化活性剤調整バルブ１３８は、第１実施形態と同様に、光学式計測器４が計測した活性度を基に制御器５により調整される。

＜＜燃焼反応測定＞＞
前述したように、燃焼反応における火炎ＬＳはプラズマ状態であるため、本実施形態においては、第１実施形態にプラズマ処理装置１の例で説明したのと同様に、光学式計測器４を用いて燃焼反応の状態（プラズマ状態）を計測している。また、燃焼室１２１には燃焼室監視機器１０４が接続され、温度、圧力、流量等を計測するさまざまな運転状態を計測している。また、光学式計測器４と燃焼室監視機器１０４とは互いに接続されており、連動して装置の制御情報を定めて、制御器５に制御情報を送っている。

以上述べてきたように構成された燃焼装置１０１は、光学式計測器４が計測した活性度を基に燃焼出力を調整する燃焼出力調整部である燃料調整バルブ１３６、酸化剤調整バルブ１３７、および高エネルギー化活性剤調整バルブ１３８を備える。このように、この燃焼装置１０１は、活性種の活性度を計測する光学式計測器４を備えており、反応力のある活性種の活性状態を基にして、適切に燃焼出力を調整することができる。

１‥プラズマ処理装置
４‥光学式計測器
１１‥バンドヘッド
１２‥回転スペクトル
１３‥基準波長帯域（第１波長帯域）
１４‥活性化指標波長帯域（第２波長帯域）
２３‥昇降テーブル（ワーク移動機構）
３１‥プラズマトーチ（プラズマ発生源）
３２‥プラズマ電源（プラズマ出力調整部）
３５‥プラズマガス調整バルブ（プラズマ出力調整部）
３６‥活性剤調整バルブ(プラズマ出力調整部)
４１、４１Ｍ、４１Ｒ‥受光部
４３‥計測部
４４‥記憶部
４４ａ‥活性度計測テーブル、４４ｂ‥ガス温度計測テーブル
４５‥出力部
６２‥ミラー
６３‥回転テーブル（受光移動機構）
１０１‥燃焼装置
１３１‥燃焼バーナ（プラズマ発生源）
１３６‥燃料調整バルブ（燃焼出力調整部）
１３７‥酸化剤調整バルブ（燃焼出力調整部）
１３８‥活性剤調整バルブ（燃焼出力調整部）
１３９‥混合部
ＬＳ‥光源（火炎）
ＬＳ１‥第１発光範囲
ＬＳ２‥第２発光範囲
ＬＳ３‥第３発光範囲
Ｒ‥回転方向

また、第５観点の光学式計測器は、第１観点〜第４観点のいずれかの光学式計測器であって、計測対象の活性種が窒素、水素、酸素、および炭素の少なくともいずれかを構成に含む、原子、分子、化合物、イオン、およびラジカルの少なくともいずれかである。

第５観点によれば、この光学式計測器は、プラズマ中の窒素、水素、酸素、および炭素の少なくともいずれかを構成に含む、原子、分子、化合物、イオン、およびラジカルの少なくともいずれかの活性状態を計測することができる。

また、本実施形態では、計測対象の活性種は、少なくとも窒素、水素、酸素、および炭素等の少なくともいずれかを構成に含む、原子、分子、化合物、イオン、およびラジカルのいずれかである。そして、本実施形態のプラズマ計測は、これらから選択された活性種の状態によって、プラズマの状態を把握する。

また、光学式計測器４は、プラズマ中の窒素、水素、酸素、および炭素の少なくともいずれかを構成に含む、原子、分子、化合物、イオン、およびラジカルの少なくともいずれかの活性状態を計測対象にすることができる。

Claims (11)

1. 光源のスペクトルからプラズマ状態を計測する光学式計測器であって、
   前記スペクトルから計測対象の活性種に応じて、バンドヘッドを含む第１波長帯域と、前記第１波長帯域のスペクトルよりもエネルギー依存度が大きい、回転スペクトルの一部を含む第２波長帯域と、における発光強度の積分値の比を基にして、前記プラズマ状態の計測値として前記活性種の活性度合を計測する計測部を備える光学式計測器。
2. 請求項１に記載の光学式計測器であって、
   前記計測部は、前記活性度合を経時的に連続して計測を行う光学式計測器。
3. 請求項２に記載の光学式計測器であって、
   前記計測部は、前記第１波長帯域および前記第２波長帯域を、それぞれの帯域内におけるピーク波長を基準に、経時的に連続してシフト補正を行う光学式計測器。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光学式計測器であって、
   前記計測部は、前記活性度に対応するガス温度のテーブルを参照して前記活性種のガス温度を計測する光学式計測器。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光学式計測器であって、
   前記計測対象の活性種は、窒素、水素、酸素、および炭素の原子、分子、化合物、イオン、およびラジカルの少なくともいずれかである光学式計測器。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光学式計測器であって、
   前記計測部によって計測された計測値を出力する出力部を備える光学式計測器。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学式計測器であって、
   プラズマ発生源の周囲近傍に配置されると共に前記光源の発光を受光する複数の受光部を備え、
   前記受光部の少なくとも一つは、ミラーを介し前記プラズマ発生源近傍の第１発光範囲の発光を受光し、
   前記少なくとも一つ以外の受光部は、前記第１発光範囲よりも前記プラズマ発生源から離れた第２発光範囲の発光を受光する光学式計測器。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学式計測器であって、
   プラズマ発生源の周囲近傍に配置されると共に前記光源の発光を受光する受光部と、
   前記受光部に固定されて当該受光部の受光範囲を移動させる受光移動機構と、を備える光学式計測器。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光学式計測器と、
   前記光学式計測器が計測した前記活性種の前記活性度合を基にプラズマ出力を調整するプラズマ出力調整部と、を備えるプラズマ処理装置。
10. 請求項７または請求項８に記載の光学式計測器と、
    プラズマ処理対象物であるワークの位置を、前記光学式計測器が計測した前記活性種の前記活性度合を基に調整するワーク移動機構と、を備えるプラズマ処理装置。
11. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光学式計測器と、
    前記光学式計測器が計測した前記活性種の前記活性度合を基に燃焼出力を調整する燃焼出力調整部と、を備える燃焼装置。

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