JP2017183119A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理時の処理ガス温度をコントロールすることでより効率のよい処理が可能なプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】処理ガスをプラズマ化させる反応室３８が形成された本体部３０と、前記本体部３０に形成され、前記反応室３８においてプラズマ化されたプラズマガスを噴出させるための噴出部材３６と、前記噴出部材３６に対して加熱ガスを噴出する加熱ガス噴出装置１４と、前記プラズマガスが噴出する方向に対し垂直な平面に、前記プラズマガスが処理を行う被処理体に対向するように設けられた遮蔽板と、前記遮蔽板の前記被処理体に対向する面とは反対側である前記本体部の一部から前記噴出部材に噴出させた加熱ガスを放出する放出口７０と、を備えることを特徴とするプラズマ発生装置。
【選択図】図７

Description

本発明は、プラズマ化されたガスを噴出口から噴出させるプラズマ発生装置に関する。

還元性処理ガスにより表面処理をするプラズマ処理装置がある。

特許第４９１４４３８号公報 特開２０１０−１２９１９８号公報

還元処理を大気圧プラズマで行うことで、真空設備等が不要になるが、処理効果が弱く時間がかかる。還元処理は処理時の温度が処理効果に影響することがわかっている。よって、処理時の温度をコントロールすることで、より効率のよい処理が可能となる。

上記課題を解決するために、本願に記載のプラズマ発生装置は、処理ガスをプラズマ化させる反応室が形成された本体部と、前記本体部に形成され、前記反応室においてプラズマ化されたプラズマガスを噴出させるための噴出部材と、前記噴出部材に対して加熱ガスを噴出する加熱ガス噴出装置と、前記プラズマガスが噴出する方向に対し垂直な平面に、前記プラズマガスが処理を行う被処理体に対向するように設けられた遮蔽板と、前記遮蔽板の前記被処理体に対向する面とは反対側である前記本体部の一部から前記噴出部材に噴出させた加熱ガスを放出する放出口、を備えることを特徴とする。

本願に記載のプラズマ発生装置では、プラズマ処理時の温度をコントロールすることでより効率のよい処理が可能となる。

大気圧プラズマ発生装置を示す斜視図である。 大気圧プラズマ発生装置を示す斜視図である。 大気圧プラズマ発生装置を示す斜視図である。 図３でのＡＡ線における断面図である。 大気圧プラズマ発生装置の下端部を示す斜視図である。 大気圧プラズマ発生装置の下端部を示す透過図である。 図６の電極の並ぶ方向から見た断面図である。

以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例を、図を参照しつつ詳しく説明する。

＜大気圧プラズマ発生装置の構成＞
図１乃至図７に、本発明の実施例の大気圧プラズマ発生装置１０を示す。大気圧プラズマ発生装置１０は、大気圧下でプラズマを発生させるための装置であり、プラズマガス噴出装置１２と加熱ガス供給装置１４とを備えている。なお、図１は、大気圧プラズマ発生装置１０を斜め上方からの視点において示す斜視図である。図２は、加熱ガス供給装置１４の保護カバー１６を取り外した状態の大気圧プラズマ発生装置１０を斜め上方からの視点において示す斜視図である。図３は、加熱ガス供給装置１４の保護カバー１６を取り外した状態の大気圧プラズマ発生装置１０を斜め下方からの視点において示す斜視図である。図４は、図３のＡＡ線における断面図である。図５は、大気圧プラズマ発生装置１０の下端部を斜め下方からの視点において示す斜視図である。図６は、プラズマガス噴出装置１２の要部の透過図である。図７は、図６のＢＢ線における断面図である。また、大気圧プラズマ発生装置１０の幅方向をＸ方向と、大気圧プラズマ発生装置１０の奥行方向をＹ方向と、Ｘ方向とＹ方向とに直行する方向、つまり、上下方向をＺ方向と称する。

プラズマガス噴出装置１２は、保護カバー１８、上部ハウジング１９、下部ハウジング２０、下部カバー２２、１対の電極２４，２６、１対のヒートシンク２７，２８によって構成されている。そして、連結された状態の上部ハウジング１９と下部ハウジング２０とが、側面において、保護カバー１８によって覆われている。下部カバー２２には、遮蔽板２００が取り付けられ、遮蔽板が有する冷却穴２０２、２０４に冷却ガスが供給されるようになっている。遮蔽板２００等は図１に示し、その他の図では省略している。また、下部カバー２２には放出口２０６が設けられている。

下部ハウジング２０は、下部カバー２２、メインハウジング３０、放熱板３１、アース板３２、連結ブロック３４、ノズルブロック３６を含む。メインハウジング３０は、概してブロック状をなし、メインハウジング３０の内部には、反応室３８が形成されている。また、メインハウジング３０には、Ｙ方向に延びるように、４本の第１ガス流路５０が形成されており、４本の第１ガス流路５０は、Ｘ方向に所定の間隔をおいて並んでいる。各第１ガス流路５０の一端部は、反応室３８に開口し、他端部は、メインハウジング３０の側面に開口している。さらに、メインハウジング３０には、４本の第１ガス流路５０に対応して、４本の第２ガス流路５２が、Ｚ方向に延びるように形成されている。各第２ガス流路５２の上端部は、対応する第１ガス流路５０に開口し、下端部は、メインハウジング３０の底面に開口している。

放熱板３１は、メインハウジング３０の第１ガス流路５０が開口する側面に配設されており、第１ガス流路５０の側面への開口を塞いでいる。放熱板３１は、複数のフィン（図示省略）を有しており、メインハウジング３０の熱を放熱する。また、アース板３２は、避雷針として機能するものであり、メインハウジング３０の下面に固定されている。アース板３２には、４本の第２ガス流路５２に対応して、上下方向に貫通する４個の貫通穴５６が形成されており、各貫通穴５６は、対応する第２ガス流路５２に連結されている。

連結ブロック３４は、アース板３２の下面に固定されている。連結ブロック３４の上面には、Ｘ方向に延びるように、凹部６０が形成されており、凹部６０は、アース板３２の４個の貫通穴５６と対向している。また、連結ブロック３４には、Ｚ方向に延びるように、凹部６０に対応するスリット状の第３ガス流路６２が形成されている。第３ガス流路６２の上端部は、凹部６０に開口し、下端部は、連結ブロック３４の底面に開口している。なお、アース板３２の各貫通穴５６は、連結ブロック３４の凹部６０のＹ方向における一端部と対向しており、連結ブロック３４の第３ガス流路６２は、凹部６０のＹ方向における他端部に開口している。

ノズルブロック３６は、連結ブロック３４の下面に固定されており、連結ブロック３４のスリット状の第３ガス流路６２に対応して、スリット状の第４ガス流路６６が、Ｚ方向に延びるように形成されている。第４ガス流路６６の上端部は、対応する第３ガス流路６２に連結され、下端部は、ノズルブロック３６の底面に開口している。なお、メインハウジング３０，連結ブロック３４，ノズルブロック３６は、耐熱性の高いセラミックにより成形されている。

下部カバー２２は、概して枡形をなし、連結ブロック３４およびノズルブロック３６を覆うように、アース板３２の下面に固定されている。下部カバー２２の下面には、貫通穴７０が形成されている。その貫通穴７０は、ノズルブロック３６の下面と同一サイズであり、加熱ガスがノズルブロック３６を加熱できるようになっている。加熱ガスがプラズマガスの噴出方向へ噴出することはない。また、下部カバー２２の加熱ガス供給装置１４側の側面にも、Ｙ方向に延びるように貫通穴７２が形成されている。なお、下部カバー２２も、メインハウジング３０等と同様に、耐熱性の高いセラミックにより成形されているが、下部カバー２２の素材のセラミックの熱伝導率は、メインハウジング３０等の素材のセラミックの熱伝導率より低い。加熱ガスは放出口２０６を通じて放出される。

１対の電極２４，２６は、メインハウジング３０の反応室３８の内部において、対向するように配設されている。その反応室３８には、流量調整弁７６を介して、処理ガス供給源７７が接続されている。処理ガス供給源７７は、不活性ガスとしてアルゴン、活性ガスとして水素を含んでいる。そして、処理ガスが反応室３８に供給されると、１対の電極２４，２６に電圧が印加される。この際、１対の電極２４，２６間に電流が流れ、放電が生じることで、処理ガスがプラズマ化される。そして、そのプラズマが、第１ガス流路５０，第２ガス流路５２，第３ガス流路６２，第４ガス流路６６を介して、ノズルブロック３６の下端の開口から噴出される。これにより、ノズルブロック３６の下端の開口からプラズマが照射される。なお、処理ガスに水素が含まれているため、照射されるプラズマは、水素プラズマとなる。

1対のヒートシンク２７，２８の各々は、ベース部７８とフィン７９とにより構成されている。そして、１対のヒートシンク２７，２８は、ベース部７８において、メインハウジング３０のＸ方向における両側面に固定されている。なお、下部ハウジング２０の側面を覆う保護カバー１８には、切欠部が形成されており、その切欠部からヒートシンク２７，２８のフィン７９が外部に向かって延び出している。

また、加熱ガス供給装置１４は、上記保護カバー１６、ガス管８２、連結ブロック８４を含む。保護カバー１６は、プラズマガス噴出装置１２の放熱板３１を覆うように配設されている。ガス管８２は、保護カバー１６の内部において、放熱板３１と対向するとともに、Ｚ方向に延びるように配設されている。ガス管８２には、流量調整弁８６を介して、加熱ガス供給源８８が接続されている。加熱ガス供給源８８は、不活性ガスである窒素等の不活性ガスを所定の温度に加熱し、そのガスを供給するものである。これにより、ガス管８２に、任意の流量（Ｌ／ｍｉｎ）の加熱されたガスが供給される。

連結ブロック８４は、ガス管８２の下端に連結されるとともに、下部カバー２２のＹ方向での加熱ガス供給装置１４側の側面に固定されている。連結ブロック８４には、概してＬ字型に屈曲した連通路９０が形成されており、連通路９０の一端部は、連結ブロック８４の上面に開口するとともに、連通路９０の他端部は、Ｙ方向でのプラズマガス噴出装置１２側の側面に開口している。そして、連通路９０の一端部がガス管８２に連通し、連通路９０の他端部が、下部カバー２２の貫通穴７２に連通している。

さらに、大気圧プラズマ発生装置１０は、プラズマガス噴出装置１２と加熱ガス供給装置１４との間に配設された遮熱カバー１００を備えている。遮熱カバー１００は、概してコの字型に屈曲された板状をなし、概して矩形の平板部１０２と、平板部１０２の長辺の両縁に立設された1対の屈曲部１０４，１０６とにより構成されている。遮熱カバー１００は、平板部１０２の長手方向がＺ方向に沿う姿勢で、１対の屈曲部１０４，１０６において放熱板３１に固定されている。このため、遮熱カバー１００の平板部１０２と、放熱板３１とは、所定のクリアランス１０８を介して、対向している。

なお、加熱ガス供給装置１４の上面は、上部カバー１１０によって覆われている。このため、平板部１０２と放熱板３１との間のクリアランス１０８の上端は、上部カバー１１０により塞がれているが、上部カバー１１０に複数の貫通穴１１２が形成されており、それら複数の貫通穴１１２を介して、クリアランス１０８の上端は開口している。一方、加熱ガス供給装置１４の下面は、カバー等により覆われていないため、平板部１０２と放熱板３１との間のクリアランス１０８の下端は、開口している。

＜大気圧プラズマ発生装置によるプラズマ処理＞
大気圧プラズマ発生装置１０において、プラズマガス噴出装置１２では、上述した構成により、反応室３８の内部で処理ガスがプラズマ化され、ノズルブロック３６の第４ガス流路６６の下端からプラズマガスが噴出され、被処理体がプラズマ処理される。また、加熱ガス供給装置１４により加熱されたガスが下部カバー２２の内部に供給される。そして、下部カバー２２の放出口２０６から、加熱されたガスが噴出される。大気圧プラズマ発生装置１０において、上述した構成により、被処理体に対してプラズマ処理を行う。なお、大気圧プラズマ発生装置１０では、プラズマガス噴出装置１２によって水素プラズマが照射されるため、プラズマ処理によって被処理体の表面が還元され、被処理物の酸化膜が除去される。つまり、大気圧プラズマ発生装置１０では、被処理物の酸化膜を除去する目的で、プラズマ処理が行われる。以下に、大気圧プラズマ発生装置１０によるプラズマ処理について、詳しく説明する。

プラズマガス噴出装置１２では、処理ガス供給源７７によって処理ガスが反応室３８に供給され、その際、流量調整弁７６によって処理ガスの供給量が調整される。処理ガスの供給量は、プラズマ処理の処理内容，被処理体の材質等に応じて、任意に調整されるが、５〜３０Ｌ／ｍｉｎであることが好ましく、さらに言えば、１０〜２５Ｌ／ｍｉｎであることが好ましい。

また、処理ガスが反応室３８に供給される際に、反応室３８では、１対の電極２４，２６に電圧が印加されており、１対の電極２４，２６間に電流が流れる。これにより、１対の電極２４，２６間に放電が生じ、その放電により、処理ガスがプラズマ化される。反応室３８で発生したプラズマは、第１ガス流路５０内をＹ方向に向かって流れ、第２ガス流路５２および貫通穴５６内を下方に向かって流れる。そして、プラズマガスは、凹部６０内に流れ込む。さらに、プラズマガスは、凹部６０内をＹ方向に向かって流れ、第３ガス流路６２および、第４ガス流路６６内を下方に向かって流れる。これにより、第４ガス流路６６の下端から、プラズマガスが噴出される。

このように、プラズマガス噴出装置１２では、反応室３８において発生したプラズマガスが、クランク状に屈曲した流路を経由して、第４ガス流路６６の下端から噴出される。このため、反応室３８内での放電により生じた光が、第４ガス流路６６の下端から漏れることを防ぐとともに、放電により劣化した部材等の第４ガス流路６６の下端からの排出、つまり、被処理体への異物混入を防止することが可能となる。

また、加熱ガス供給装置１４では、加熱ガス供給源８８によって高温の加熱ガスがガス管８２に供給され、その際、流量調整弁８６によって加熱ガスの供給量が調整される。この際、加熱ガスの供給量は、プラズマ処理の処理内容，被処理体の材質等に応じて、任意に調整されるが、処理ガスの供給量が３０Ｌ／ｍｉｎの場合、２０Ｌ／ｍｉｎに設定される。また、加熱ガスは、６００℃〜８００℃に加熱される。被処理体が半田の場合、その位置で１２０℃〜２００℃に設定することが望ましい。これは、１２０℃以下であると還元効果が薄れ、２００℃以上であると被処理体である半田が溶融するからである。

加熱ガス供給源８８からガス管８２に加熱ガスが供給されると、連結ブロック８４の連通路９０を介して、加熱ガスが、貫通穴７２から下部カバー２２の内部に流入する。そして、下部カバー２２の内部に流入した加熱ガスが放出口２０６から放出される。この際、ノズルブロック３６の第４ガス流路６６を通るプラズマガスが加熱される。加熱ガスは放出口２０６から放出され、加熱されたプラズマガスは第４ガス流路６６から噴出される。遮蔽板２００は加熱ガスが被処理体に向かうのを防止している。プラズマ処理時において、大気圧プラズマ発生装置のプラズマガスの噴出口から所定の距離、離れた位置に載置された被処理体に向かって、プラズマガスが照射される。水素プラズマの還元効果により被処理体の全体の酸化膜が除去される。特に、プラズマ照射の直前に、プラズマガスは加熱ガスにより加熱されているため、水素プラズマによる還元効果が高くなり、酸化膜が効率的に除去される。

大気圧プラズマ発生装置１０では、プラズマガスを噴出するノズルブロック３６が、下部カバー２２により覆われており、下部カバー２２の内部には、加熱ガスが供給されている。これにより、下部カバー２２の貫通穴７０からプラズマガスが噴出される際に、ノズルブロック３６の周囲を囲むように、加熱ガスが流れる。

さらに、大気圧プラズマ発生装置１０では、被処理体の加熱によりプラズマ処理を効果的に行うために、被処理体の位置で１２０℃〜２００℃となるような温度のプラズマガスを供給することが望ましい。具体的には、加熱ガス供給源８８から６００℃〜８００℃の加熱ガスを供給することが望ましい。また、遮蔽板２００が有する冷却穴２０２、２０４に冷却ガスであるアルゴンが供給されるようになっている。プラズマガスと併せて、被処理体が外気に触れるのを防ぐためである。さらに、冷却ガスにより再酸化を防ぐ効果もある。

ただし、加熱ガス供給装置１４は、相当高い温度の加熱ガスを供給するため、装置自体も相当高い温度となる。このため、加熱ガス供給装置１４に対向するように配設されているプラズマガス噴出装置１２に、加熱ガス供給装置１４の熱が伝わり、プラズマガス噴出装置１２の１対の電極２４，２６等が劣化する虞がある。そこで、大気圧プラズマ発生装置１０では、プラズマガス噴出装置１２と加熱ガス供給装置１４との間に、遮熱カバー１００が配設されている。この遮熱カバー１００では、上述したように、遮熱カバー１００の平板部１０２と、プラズマガス噴出装置１２の放熱板３１との間に、クリアランス１０８が存在している。このため、遮熱カバー１００及び、クリアランス１０８によって、加熱ガス供給装置１４からプラズマガス噴出装置１２への熱の伝達を効果的に防止することが可能となる。

さらに、クリアランス１０８の上端部及び、下端部は、開口している。このため、煙突効果によって、クリアランス１０８の下端部の開口から外部の冷たい空気が、クリアランス１０８の内部に引き込まれ、クリアランス１０８内部の暖かい空気が、クリアランス１０８の上端部の開口、つまり、貫通穴１１２から排出される。これにより、加熱ガス供給装置１４からプラズマガス噴出装置１２への熱の伝達を、更に効果的に防止することが可能となる。

また、加熱ガス供給装置１４に直接、連結される下部カバー２２、つまり、加熱ガス供給装置１４の連結ブロック８４に連結される下部カバー２２は、プラズマガス噴出装置１２の下部カバー２２以外の部材、具体的には、メインハウジング３０，連結ブロック３４，ノズルブロック３６よりも熱伝導率の低い素材により成形されている。このため、加熱ガス供給装置１４からプラズマガス噴出装置１２への熱の伝導が、下部カバー２２において抑制され、プラズマガス噴出装置１２の内部まで熱が伝達し難くなる。これにより、１対の電極２４，２６等への熱の伝達を効果的に防止することが可能となる。

さらに、メインハウジング３０には、プラズマガス噴出装置１２の外部に露出するヒートシンク２７，２８が取り付けられている。このため、メインハウジング３０の熱が効果的に放熱され、１対の電極２４，２６等への熱の伝達を効果的に防止することが可能となる。

このように、大気圧プラズマ発生装置１０では、加熱ガス供給装置１４によって適切なプラズマ処理が担保されるとともに、加熱ガス供給装置１４によるプラズマガス噴出装置１２への熱の影響が効果的に抑制されている。これにより、適切なプラズマ処理と、熱によるプラズマガス噴出装置１２の劣化の防止との両立を図ることが可能となる。また、プラズマガスが１対の電極２４，２６を通過してから、加熱ガスにより加熱するため、熱による電極の消耗を抑えながら、処理時の温度をコントロールでき、より効率のよい処理が可能となる。

ちなみに、上記実施例において、大気圧プラズマ発生装置１０は、プラズマ発生装置の一例である。加熱ガス供給装置１４は、加熱ガス噴出装置の一例である。下部ハウジング２０は、本体部の一例である。反応室３８は、反応室の一例である。ノズルブロック３６は噴出部材の一例である。第４ガス流路６６の開口は、噴出口の一例である。遮蔽板２００は、遮蔽板の一例である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。

１０：大気圧プラズマ発生装置（プラズマ発生装置） １４：加熱ガス供給装置（加熱ガス噴出装置） ２０：下部ハウジング（本体部） ２２：下部カバー（カバー） ２７：ヒートシンク（放熱部材） ２８：ヒートシンク（放熱部材） ３８：反応室 ６６：第４ガス流路（噴出口） ２００：遮蔽板

Claims (5)

1. 処理ガスをプラズマ化させる反応室が形成された本体部と、
   前記本体部に形成され、前記反応室においてプラズマ化されたプラズマガスを噴出させるための噴出部材と、
   前記噴出部材に対して加熱ガスを噴出する加熱ガス噴出装置と、
   前記プラズマガスが噴出する方向に対し垂直な平面に、前記プラズマガスが処理を行う被処理体に対向するように設けられた遮蔽板と、
   前記遮蔽板の前記被処理体に対向する面とは反対側である前記本体部の一部から前記噴出部材に噴出させた加熱ガスを放出する放出口と、
   を備えることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記遮蔽板は、少なくとも一つの冷却穴が設けられ、
   前記冷却穴から前記プラズマガスが噴出する側に向けて、冷却ガスを噴出させること、
   を特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記本体部は、前記プラズマガスが噴出する方向に対し垂直な平面方向に、前記被処理体と相対的に移動可能とされ、
   前記本体部の進行方向に前記冷却穴が設けられたこと、
   を特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記噴出部材が、スリット状に形成され、前記噴出部材の長手方向の平面に前記加熱ガスが噴出されるように構成されたこと、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
5. 前記プラズマ発生装置はクランク状に屈曲した流路を有し、
   前記流路を通して前記プラズマガスを噴出させること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
   

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