JP2020161332A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大気圧近傍放電で生じたプラズマを、好適にターゲットに照射する、プラズマ処理装置を提供すること。【解決手段】プラズマ処理装置１は、高圧電極として電圧が印加される電極板１１と、電極板１１の接地電極３側の表面に配置される誘電体１３と、誘電体１３に対して接地電極３側に間隔を空けて配置されており、開口が互いに間隔を空けて複数形成された、照射窓１５と、放電に供されるガスを、少なくとも誘電体１３と照射窓１５との間に供給するためのガスインレット２０と、を備える。照射窓１５に対してガスの下流側に接地電極３が配置される場合において、電極板１１に高電圧を印加することで開口において大気圧近傍で放電を発生させ、放電で生じた活性粒子を含む放電ガスを、照射窓１５に形成された複数の開口から接地電極３に向けて噴出させる。【選択図】図１

Description

本開示は、大気圧近傍放電で生じた活性粒子（プラズマ）を、ターゲットに照射するプラズマ処理装置に関する。

従来より、大気圧下でプラズマを生成する各種の手法が知られている。例えば、特許文献１には、高圧電極と接地電極とを持ち、接地電極に多数の開口が形成されていることで、高圧電極と接地電極との間で発生した、いわゆる低温プラズマが接地電極を通過して、ターゲットに照射可能な装置が開示されている。

特表２００４−５３５０４１号公報

しかし、特許文献１のように、接地電極を通過したプラズマがターゲットに照射される方式では、有効な照射距離が短くなってしまいやすい。結果、ターゲットの形状等に制限を受けやすく、また、作業性の面からも不利である。

本開示は、従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、大気圧近傍放電で生じたプラズマを、好適にターゲットに照射する、プラズマ処理装置を提供すること、を技術課題の１つとする。

本開示の第１態様に係るプラズマ処理装置は、高圧電極として電圧が印加される電極板と、前記電極板の接地電極側表面に配置される誘電体と、前記誘電体に対して前記接地電極側に間隔を空けて配置されており、開口が互いに間隔を空けて複数形成された、照射窓と、放電に供されるガスを、少なくとも前記誘電体と前記照射窓との間に供給するためのガス供給路と、を備えており、前記照射窓に対して前記ガスの下流側に接地電極が配置される場合において、前記電極板に高電圧を印加することで前記開口において大気圧近傍で放電を発生させ、前記放電で生じた活性粒子を含む放電ガスを、前記照射窓に形成された複数の前記開口から前記接地電極に向けて噴出させる。

本開示の第２態様に係るプラズマ処理装置は、高圧電極として電圧が印加される電極板と、前記電極板の接地電極側表面に配置される誘電体と、前記誘電体に対して前記接地電極側に間隔を空けて配置されており、少なくとも１つのスリット状の開口が形成された、照射窓と、放電に供されるガスを、少なくとも前記誘電体と前記照射窓との間に供給するためのガス供給路と、を備えており、前記照射窓に対して前記ガスの下流側に接地電極が配置される場合において、前記電極板に高電圧を印加することで前記開口において大気圧近傍で放電を発生させ、前記放電で生じた活性粒子を含む放電ガスを、前記照射窓に形成された前記開口から前記接地電極に向けてスリット状に噴出させる。

本開示によれば、大容量のプラズマを効率的に発生できる。

第1実施例に係るプラズマ処理装置の外観構成を示した図である。 装置本体の部分断面図である。 照射窓の正面図である。 第２実施例を説明するための図である。 第３実施例における電気的な構成を説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、幾つかの実施例に係るプラズマ処理装置を説明する。なお、各実施例における構成の一部又は全部は、相互に適用可能である。

「第１実施例」
第１実施例におけるプラズマ処理装置１は、大気圧下で所定のガスを電離させて、プラズマを生成する。以下の説明では、プラズマ処理装置１は、主に、水をターゲットとして、プラズマ処理を行う場合を説明する。プラズマ処理が施された水は、プラズマ活性処理水（ＰＡＭ：Ｐｌａｓｍａ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｍｅｄｉｕｍ）として、近年、医療分野やアグリ分野等において、その応用が期待されている。但し、プラズマ処理装置１は、水以外の種々の物質を、ターゲットとすることもできる。

＜構成＞
まず、図１を参照して、プラズマ処理装置１の概略構成を示す。プラズマ処理装置１は、少なくとも装置本体２を有する。追加的に、プラズマ処理装置１は、接地電極３、ホース５、配線９ａ、および、電源ユニット９（定圧電源）、のうち少なくもいずれかを有していてもよい。装置本体２に対して、ホース５と、配線９ａと、が接続される。ホース５は、ガスボンベ等の、ガスの供給源に接続されている。また、配線９ａは、電源ユニット９と接続されている。電源ユニット９は、ｋＨｚオーダーの周波数のパルス電流を、装置本体２へ出力する。装置本体２では、このパルス波に基づいてプラズマが生成される。電源ユニット９からの出力における周波数は、例えば、数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ程度であってもよい。また、必ずしも、ｋＨｚオーダーに限定される必要は無く、例えば、ＭＨｚオーダーや、ＧＨｚオーダーであってもよい。
装置本体２は、例えば、手持ち型のプラズマ処理装置として利用されてもよい。この場合、例えば、装置本体２には、ユーザーが把持するための把持部が形成されていてもよい。

また、図１において、プラズマ処理装置１の下方には、装置本体２とは分離して接地電極３が配置さている。接地電極３は、電気的に接地される。第１実施例では、ＳＵＳ板が、接地電極３として利用される。プラズマ処理のターゲットＴは、接地電極３と装置本体２との間に配置される。なお、ターゲットＴが導体である場合、ターゲットＴに、接地電極を兼用させることができる。

第１実施例のプラズマ処理装置１は、電極板１１と、誘電体１３と、照射窓１５と、ガスインレット２０と、を少なくとも有する。また、プラズマ処理装置１は、更に、ケース１９を有する。ケース１９は、電極板１１、誘電体１３、および、照射窓１５を収容する。ケース１９は、第１実施例では、直径１００ｍｍ程度の円筒状に形成されており、下面が大気開放されている。

電極板１１は、配線９ａと電気的に接続されており、これにより、高圧電極として電圧が印加される。電極板１１は、平面部を有しており、接地電極３へ平面部を向けて配置される。第１実施例では、一例として、銅が、電極板１１の材料として用いられる。より詳細には、直径７０ｍｍ程度の銅板として、電極板１１が形成される。但し、必ずしもこれに限られるものでは無く、種々の導電体を電極板１１の材料として利用できる。

誘電体１３は、電極板１１の接地電極側表面に配置される。誘電体１３は、電極板１１と隙間を空けずに配置されることが好ましい。電極板１１の接地電極側表面の全体が、誘電体１３で覆われてもよい。誘電体１３は、電極板１１と一体に接合されていてもよい。誘電体１３は、電極板１１と接地電極３との間でのアーク放電を防止する。更に、電極全体から均等に電子が放出されるように促すこともできる。誘電体１３は、強誘電体であることが好ましい。第１実施例では、一例として、ニオブ酸リチウムが、誘電体１３の材料として用いられる。しかし、必ずしもこれに限られるものでは無く、ピエゾ等の他の強誘電体であってもよい。また、強誘電体に限らず、石英などの一般的な誘電体を、誘電体１３の材料として採用してもよい。

照射窓１５は、誘電体に対して接地電極３側に間隔を空けて配置されている。第１実施例の照射窓１５は、ケース１９の下側を蓋する板状の部材である。装置本体２では、照射窓１５の下面（接地電極側表面）が、少なくとも大気に露出される。また、図２，図３に示すように、照射窓１５には、複数の開口１６が互いに間隔を空けて形成されている。照射窓１５は、絶縁性の部材であってもよく、例えば、絶縁性のセラミックスであってもよい。複数の開口１６は、各々から噴出されるガスの流量が略均一となるような間隔で形成されてもよい。なお、図３に示すように、第１実施例では、開口１６は、断面が円形であるが、必ずしもこれに限られるものではなく、矩形等の異形状に適宜変更可能である。

第１実施例において、照射窓１５と誘電体１３との間隔は、各位置で一定であってもよい。間隔が狭すぎるとガスの流れを妨げてしまい、間隔が広すぎるとプラズマの生成効率が低下すると考えられる。そこで、一例として、第１実施例では、照射窓１５と誘電体１３との間隔が、０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下の範囲で設定されている。但し、必ずしもこれに限られるものではなく、間隔は適宜変更し得る。照射窓１５と誘電体１３との間には、スペーサー１４が設けられていてもよく、スペーサー１４を挟んで照射窓１５と誘電体１３とが設けられていることで、上記の間隔が維持されてもよい。

第１実施例では、誘電体１３の下面（接地電極側表面）において、各々の開口１６と対向する領域には、導電性の小片１７が接着されている。電極板１１に電圧が印加された際、小片１７には電荷が集中する。これにより、電極板１１と接地電極３との間では、特に、小片１７が配置された箇所において、プラズマが発生しやすくなる。小片１７の面積は、開口１６の断面積（深さ方向と交差する方向の断面積）と等しくてもよい。但し、ここでいう「等しい」とは、小片１７の面積と開口１６の断面積とが完全一致する場合に限定されるものではなく、多少の誤差は許容され得る。なお、第１実施例において、両者は、直径３ｍｍの円形に形成されている。また、開口１６の断面形状と同様に、小片１７の形状についても、円形に限定されるものでは無く、種々の形状を、適宜採用可能である。

ガスインレット２０は、ガス供給路を形成している。ガスインレット２０は、放電に供されるガスを、ケース１９内に導入する。ケース１９内へ導入されたガスは、図２の点線で示した流路で、照射窓１５の開口１６からケース１９の外に排出される。その過程で、第１実施例では、少なくとも誘電体１３と照射窓１５との間に、ガスが供給される。放電に供されるガスには、いわゆる不活性ガスが用いられる。一例として、第１実施例では、ヘリウムガスが利用される。但し、必ずしもこれに限られるものではなく、ヘリウム以外の希ガスが利用されてもよい。また、窒素等の反応性の低いガスが、不活性ガスとして利用されてもよい。また、ガスインレット２０には、図示無き調整弁が設けられていてもよく、調整弁において、バルブ開度を調整することで、ケース１９内に導入されるガスの流量が調整されてもよい。

＜動作説明＞
次に、上記の実施例に係る装置の動作を説明する。まず、接地電極３に対する装置本体２の位置は、照射窓１５と接地電極３との間に電離ガスが生じ、且つ、電離ガスがターゲットに照射される範囲内で調整される。つまり、装置本体２の位置は、不活性ガスの種類、流量、印加電圧の各種の条件に応じて適宜調整され得る。第１実施例のように、ヘリウムガスを用いる場合、誘電体１３から接地電極３までの間隔が、１８ｍｍ〜３５ｍｍとなるように、調整される。このとき、照射窓１５の下面と接地電極３との間隔は、１０ｍｍ〜２７ｍｍ程度となる。接地電極３と照射窓１５との間には、水が、ターゲットＴとして配置される。この場合、水は、シャーレ等の上面が開放された容器に収容されていてもよい。

次に、ガスインレット２０からヘリウムガスがケース１９内に導入される。ヘリウムガスの流量は、３Ｌ／ｍｉｎ〜２０Ｌ／ｍｉｎの範囲（より好ましくは、５Ｌ／ｍｉｎ〜１２Ｌ／ｍｉｎ の範囲）に調整される。ケース１９内におけるヘリウムガスが適正な濃度
になった状態で、電源ユニット９（定圧電源）が駆動され、電極板１１へ高電圧が印加される。例えば、９ｋＶの電圧が、２０ｋＨｚの周波数でパルス出力により印加される。

電極板１１へ高電圧の印加が開始されると、誘電体１３の下面と接地電極３との空間において、ヘリウムガスが電離され、これにより、プラズマが発生する（つまり、プラズマ放電が生じる）。

上記の空間において、ヘリウムガスは、誘電体１３と照射窓１５との間を通って、複数の開口１６の各々からターゲットＴへ噴出される。電離によって活性化された粒子（電子、イオン、および、ラジカル）が有効な距離は、大気圧中では短いので、誘電体１３と照射窓１５との間隔が広いほど、無駄な電離が生じやすくなると考えられる。これに対し、第１実施例では、誘電体１３と照射窓１５との間のスペースが制限されているので、活性化された粒子を含む放電ガス（つまり、プラズマ）を、開口１６を通じてターゲットＴへ、効率よく照射させやすくなっている。また、プラズマ処理装置１は、照射窓１５の下方（放電ガスの下流側）に接地電極３が配置されているため、照射窓１５から接地電極３までの空間をプラズマ処理に利用できる。これにより、特許文献１のように、接地電極を通過したプラズマがターゲットに照射される方式と比べて、有効な照射距離が長大化されやすくなっている。これにより 、プラズマ処理装置１は、プラズマ処理を効率よく施すこと
ができる。

しかも、第１実施例では、誘電体１３の下面（接地電極側表面）において、各々の開口１６と対向する領域には、導電性の小片１７が接着されており、小片１７−開口１６−接地電極３の３者を結ぶ空間内に存在するヘリウムガスが、集中的に電離される。これによって、ターゲットＴへ照射される放電ガスにおいて、活性粒子の割合を向上させることができる。つまり、大容量のプラズマが、効率的に生成および照射される。

そして、プラズマ処理装置１は、複数の開口１６の各々から放電ガスがターゲットＴへ噴射されるので、ターゲットＴにおける放電ガスの照射面積を広くできる。しかも、放電ガスが、複数の開口１６から分散されて出射されるので、ターゲットＴが水のような液体である場合、放電ガスによってターゲットＴが吹き飛ばされ難くなる。これらにより、プラズマ処理装置１は、より一層、プラズマ処理を効率よく施すことができる。

「第２実施例」
次に、図４を参照し、第２実施例に係るプラズマ処理装置を説明する。第２実施例に係るプラズマ処理装置は、第１実施例に係るプラズマ処理装置に対し、追加的に、棒状部材１７a、および、導電材料１６ａ、を更に有する。第２実施例に係るプラズマ処理装置におけるその他の構成については、第１実施例と同様であってもよいため、特に断りが無い限り説明を省略する。

棒状部材１７ａは、図４に示すように、小片１７から開口内へ延びる導電性の部材である。図４に示すように、棒状部材１７ａの長さは、開口１６を貫通する程度であってもよい。また、複数の開口１６の内面に、導電材料１６ａが取り付けられていてもよい。導電材料１６ａは、開口１６に沿ってパイプ状に形成されていてもよい。各部材１６ａ，１７ａは、それぞれ、小片１７−開口１６−接地電極３の３者を結ぶ空間内で電流を流しやすくして、ヘリウムガスの電離を促すうえで、有効である。但し、導電材料１６aの長さは、開口１６の全長と一致している必要は無く、開口１６の中ほどまでの長さであってもよい。

「第３実施例」
次に、図５を参照し、第３実施例に係るプラズマ処理装置１００を説明する。図５において、第１および第２実施例と同様な構成については、第１および第２実施例と同一な符号を付し、詳細な説明は省略する。

第３実施例に係るプラズマ処理装置１００は、高圧電極である電極板１１と、接地電極３との間に、中間電極２１が設けられている。そして、電極板１１と中間電極２１との間、中間電極２１と接地電極３との間、のそれぞれにおいて高電圧が印加される。これにより、大気圧下でプラズマが生じさせる際に、電極板１１と接地電極３との間でのアーク放電が、より良好に防止される。

図５に示すように、本実施例において、中間電極２１は、接地電極３と誘電体１３との間に配置される。このとき、複数の開口１６の近傍に配置されることが好ましい。図５の例において、中間電極２１は、それぞれの開口１６の内面に取り付けられている。また、それぞれの中間電極２１は、別体として形成されている。中間電極２１は、第２実施例における導電材料を兼用する。

第３実施例では、図１に示した電源ユニット９の代わりに、第１電源ユニット２２と、第２電源ユニット２３と、が設けられている。第１電源ユニット２２は、電極板１１と中間電極２１との間に、第１の電圧を印加する。一例として、第１の電圧は、９ｋＶ、２０ｋＨｚ程度としてもよい。また、第２電源ユニット２３は、それぞれの中間電極２１と接地電極３との間に、第２の電圧を印加する。一例として、第２の電圧は、４．５ｋＶ，６０Ｈｚ程度としてもよい。

第３実施例では、誘電体１３を挟んで配置される電極板１１と中間電極２１との間に、第１の電圧が印加されることで、誘電体１３と照射窓１５との間のスペースにおいて、効率的にプラズマを発生させることができる。また、中間電極２１と接地電極３との間に第２の電圧が印加されることで、プラズマの照射距離を伸展させることができる。このとき、第２の電圧の値を適宜設定することによって、アーク放電が発生しない範囲で、照射距離を伸展させることができる。

また、第３実施例において、各配線上には、抵抗（抵抗器）２４が設けられている。この抵抗２４によって、仮にアーク放電が発生したとしても、過大な電流となることを防止できる。

以上のように、第３実施例では、アーク放電の発生がより良好に抑制されるので、アルゴンガスのような、放電開始電圧が比較的高いガスを、プラズマの生成に利用しやすくなる。勿論、第１実施例において示したヘリウムガス及びその他を用いる場合であっても、有意義である。

＜変容例＞
以上、実施例に基づいて本開示を説明したが、本開示は必ずしも上記実施例に限定されるものでは無く、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施例に係るプラズマ処理装置１は、スポット状の複数の開口１６が形成された照射窓１５を有していた。これに代えて、プラズマ処理装置１は、スリット状の開口が少なくとも１つ形成された照射窓を有していてもよい。スリット状の開口は、複数形成されていてもよく、この場合、複数列のスリットが、開口として形成されていてもよい。この場合、誘電体に形成される導電性の小片は、各々の開口の直上に形成されていてもよい。開口の径上に合せて、導電性の小片も細長い形状に形成されていてもよい。また、１つの開口に対して複数個の小片が、スリットの方向に沿って並べられていてもよい。このようなスリット状の開口を持つ場合、放電ガスが、照射窓に形成された開口から接地電極に向けてスリット状に噴出される。この場合、上記実施例と同様に、噴射圧が適度に分散された状態で、効率よくプラズマ処理を施すことができる。勿論、スポット状の開口と、スリット状の開口と、の両方が、１つの照射窓に形成されていてもよい。

１ プラズマ処理装置
２ 装置本体
３ 接地電極
１１ 電極板
１３ 誘電体
１６ 開口
１５ 照射窓
２０ ガスインレット

Claims (12)

1. 高圧電極として電圧が印加される電極板と、
   前記電極板の接地電極側表面に配置される誘電体と、
   前記誘電体に対して前記接地電極側に間隔を空けて配置されており、開口が互いに間隔を空けて複数形成された、照射窓と、
   放電に供されるガスを、少なくとも前記誘電体と前記照射窓との間に供給するためのガス供給路と、
   を備えており、
   前記照射窓に対して前記ガスの下流側に接地電極が配置される場合において、前記電極板に高電圧を印加することで前記開口において大気圧近傍で放電を発生させ、前記放電で生じた活性粒子を含む放電ガスを、前記照射窓に形成された複数の前記開口から前記接地電極に向けて噴出させるプラズマ処理装置。
2. 前記誘電体と前記照射窓との間隔は、０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下である請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記誘電体における前記接地電極側の表面のうち、それぞれの前記開口と対向する領域に貼り付けられた導電性の小片を複数有する、請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記小片の面積は、前記開口の深さ方向と交差する方向の断面積と同じである、請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記小片から前記開口内へ延びる導電性の棒状部材を更に有する、請求項３又は４記載のプラズマ処理装置。
6. 前記照射窓は、前記開口が複数形成された絶縁体による板状部材を含む請求項１から５の何れかに記載のプラズマ処理装置。
7. 前記照射窓には、前記開口の内面に、それぞれ、導電材料が取り付けられている請求項６記載のプラズマ処理装置。
8. 前記電極板には、高周波の電圧を印可する請求項１記載のプラズマ処理装置。
9. 前記照射窓の近傍に、中間電極を有し、前記電極板と中間電極との間に、第１の高電圧が印加され、更に、前記中間電極と前記接地電極との間に、第２の高電圧が印加されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
10. 前記中間電極は、複数の前記開口のそれぞれに１つずつ設けられている請求項９記載のプラズマ処理装置。
11. アーク放電を抑制するための抵抗器を、複数の前記中間電極の配線上にそれぞれ有する請求項１０記載のプラズマ処理装置。
12. 高圧電極として電圧が印加される電極板と、
    前記電極板の接地電極側表面に配置される誘電体と、
    前記誘電体に対して前記接地電極側に間隔を空けて配置されており、少なくとも１つのスリット状の開口が形成された、照射窓と、
    放電に供されるガスを、少なくとも前記誘電体と前記照射窓との間に供給するためのガス供給路と、
    を備えており、
    前記照射窓に対して前記ガスの下流側に接地電極が配置される場合において、前記電極板に高電圧を印加することで前記開口において大気圧近傍で放電を発生させ、前記放電で生じた活性粒子を含む放電ガスを、前記照射窓に形成された前記開口から前記接地電極に向けてスリット状に噴出させるプラズマ処理装置。

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