JP2023514644A - 低電圧プラズマイオナイザ - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態によるプラズマイオナイザによれば、スロット（Ｓｌｏｔ）電極及びその様々な配置を用いて電極を容易に利用及び設計することができ、除電性能を劇的に向上させることができる。また、追加の刺激や材料を利用するなどの様々な方法により、不活性ガスなしでプラズマ点火が可能なプラズマイオナイザを実装することができる。

Description

本発明の実施形態は、低電圧プラズマイオナイザに関する。

除電器（イオナイザ、Ｉｏｎｉｚｅｒ）とは、空気イオンを用いて静電気を中和する装置であり、半導体工程などの静電気防止が必要な様々な設備に使用されている。

このようなイオナイザには、空気分子を分離する方法によって、コロナ放電式イオナイザと光照射式イオナイザがある。

コロナ放電式イオナイザは、電気伝導体先端に高電圧を発生させて放電させるものであり、電子が付近の空気イオンと衝突して前記伝導体先端の付近の空気イオンを生成させる。

光照射式イオナイザは、微弱なＸ線を用いて空気中の分子を分解し、それにより大量の空気イオンを発生させる。このような光照射式イオナイザは、Ｘ線により人体に被害が生じないように、使用時に十分な管理と特別な遮断設備を必要とする。

この他にも、真空チャンバなどの複雑で高価なシステムが必要な低圧工程（あるいは、真空工程）のプラズマプロセスが開発された。近年では、簡単かつ低コストのシステムで実装することができ、真空環境の制約がなく、真空プラズマと同一又はそれ以上の効果を有するプラズマ生成が可能な大気圧プラズマ工程が注目されている。

多くのプラズマを発生させるメカニズムは主に電場を介して荷電粒子にエネルギーを伝達する方式で行われ、電場を形成する方法によって直流放電、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）放電、マイクロ波放電などに区分することができる。マイクロ波プラズマ発生方法は、周波数が異なることを除けばＲＦプラズマ発生方法と類似している。ＤＣ放電の場合、高電圧、高電力が要求され、放電維持条件が厳しいなどの技術的困難性により、ラジオ周波数（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を用いて一般的にＲＦ放電と呼ばれる交流放電が開発された。

しかしながら、ＲＦ放電は、放出されたプラズマの温度によって処理される対象が損傷を受ける危険が大きく、電極設計において制限を受けることになり、高周波電源装置を使用しなければならないため、高価な設置費が要求されるなどの限界がある。一方、大気圧プラズマは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅなどのような不活性ガスがなければプラズマを生成しにくい問題点がある。

本発明は、上記の問題を解決するために、スロット（Ｓｌｏｔ）電極及びその配置を用いて電極の設計及び利用を容易にし、除電性能が最適化されたプラズマイオナイザを提供することを目的とする。

さらに、追加の刺激や材料を介して不活性ガスなしでプラズマ点火が可能なプラズマイオナイザを提供しようとする。

本発明の一実施形態によるプラズマイオナイザは、長手方向に延びる長辺、前記長辺と交差する短辺、及び前記長手方向に延びるスロットを有する金属板を含み、電場を用いてプラズマを発生させる共振部と、前記共振部に接続され、前記金属板の周囲にプラズマイオンを含むプラズマが発生するように前記共振部に信号を供給する電圧源と、前記プラズマイオンをＸＹ平面と交差する方向に移動させるように設けられたファンとを含む。

前記ファンは、前記ＸＹ平面と平行な第１面、及び前記ＸＹ平面と平行で前記第１面と対向する第２面を含み、前記ファンから発生した風は、前記第１面から前記第２面の下部に向かって吹き出され、前記金属板は前記ファンの第１面の上部に配置することができる。

前記共振部は、複数の前記金属板を含み、前記複数の金属板のそれぞれに信号を分配して伝達する電力分配器をさらに含むことができる。

前記複数の金属板は第１金属板及び第２金属板を含み、前記第１金属板は第１長辺及び前記第１長辺と交差する第１短辺を含み、前記第２金属板は第２長辺及び前記第２長辺と交差する第２短辺を含み、前記第１短辺の延長線及び前記第２短辺の延長線のそれぞれは、ＸＹ平面に対して０度（°）以上１８０度未満の傾斜角を有することができる。

前記複数の金属板は、所定の間隔を置いて離隔配置された４つの金属板を含み、前記４つの金属板のそれぞれは長辺及び前記長辺と交差する短辺を含み、前記４つの金属板のそれぞれの短辺の延長線はＸＹ平面に対して０度（°）以上１８０度未満の傾斜角を有することができる。
前記金属板の一端部に配置された圧電素子をさらに含み、前記圧電素子を介して前記一端部に圧力を印加して前記プラズマを点火することができる。

前記金属板は、前記スロットを挟んで互いに対向する第１電極及び第２電極を含み、前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれが前記スロットに隣接する一端部にコーティングされている導電性材料層をさらに含むことができる。

本発明の実施形態によるプラズマイオナイザによれば、スロット（Ｓｌｏｔ）電極及びその様々な配置を用いて電極を容易に利用及び設計することができ、除電性能を劇的に向上させることができる。

さらに、追加の刺激や材料を利用するなどの様々な方法により、不活性ガスなしでプラズマ点火が可能なプラズマイオナイザを実装することができる。

本発明の一実施形態によるプラズマイオナイザの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態による共振部をより具体的に示す図である。 本発明の一実施形態によるプラズマイオナイザの構成を３次元的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態による金属板の長辺が互いに異なる傾斜角で配置された共振部を一方向から見た側面図である。 図４Ａ～図４Ｄの各実施形態における減衰時間（Ｄｅｃａｙ ｔｉｍｅ）を測定したグラフである。 本発明の他の実施形態によるプラズマイオナイザの構成を３次元的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態による金属板の短辺が一角度で配置された共振部を互いに異なる方向から見た側面図である。 本発明の一実施形態による金属板の短辺が異なる角度で配置された共振部を互いに異なる方向から見た側面図である。 図７Ａ及び図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂの実施形態における減衰時間（Ｄｅｃａｙ ｔｉｍｅ）を測定したグラフである。 本発明の一実施形態による金属板とファンの配置を示す側面図である。 本発明の他の実施形態による金属板とファンの配置を示す側面図である。 図１０及び図１１の実施形態における減衰時間（Ｄｅｃａｙ ｔｉｍｅ）を測定したグラフである。 本発明の他の実施形態によるプラズマイオナイザの構成を３次元的に示す斜視図であり、マルチスロット構造の一例である。 図１３のイオナイザを一側面及び上面から見た様子を概略的に示す上面図である。 本発明の他の実施形態によるイオナイザをＹＺ平面から見た側面図である。 本発明の他の実施形態による金属板の配置をＸＹ平面から見た上面図である。 本発明の他の実施形態によるプラズマイオナイザの構成を３次元的に示す斜視図であり、マルチスロット構造の他の例である。 図１７のイオナイザを上面から見た様子を概略的に示す上面図である。 図６及び図１３の実施形態における減衰時間（Ｄｅｃａｙ ｔｉｍｅ）を測定して比較したグラフである。 本発明の他の実施形態によるプラズマイオナイザの構成を概略的に示す図である。 本発明の他の実施形態によるプラズマイオナイザの構成を概略的に示す図である。

本発明の一実施形態によるプラズマイオナイザは、長手方向に延びる長辺、前記長辺と交差する短辺、及び前記長手方向に延びるスロットを有する金属板を含み、電場を用いてプラズマを発生させる共振部と、前記共振部に接続され、前記金属板の周囲にプラズマイオンを含むプラズマが発生するように前記共振部に信号を供給する電圧源と、前記プラズマイオンをＸＹ平面と交差する方向に移動させるように設けられたファンとを含む。

本発明は、様々な変換を加えることができ、様々な実施形態を有することができるので、特定の実施形態を図に示し、詳細な説明に詳細に説明しようとする。本発明の効果及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、図と共に詳細に後述される実施形態を参照することによって明らかになるであろう。しかしながら、本発明は、以下に開示される実施形態に限定されず、様々な形態で実装することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明するが、図面を参照して説明するとき、同一又は対応する構成要素は同一の図面符号を付与し、これに対する重複の説明は省略する。

以下の実施形態において、第１、第２などの用語は限定的な意味ではなく、ある構成要素を他の構成要素と区別する目的で使用されている。以下の実施形態において、単数の表現は、文脈上明らかに別段の意味を持たない限り、複数の表現を含む。以下の実施形態において、含む又は有するなどの用語は、本明細書に記載の特徴又は構成要素が存在することを意味し、１つ又は複数の他の特徴又は構成要素が追加される可能性を予め排除するものではない。図では、説明の便宜上、構成要素は、その大きさを誇張又は縮小することができる。例えば、図に示される各構成の大きさ及び形状は説明の便宜上任意に示されているので、本発明は必ずしも示されたものに限定されない。

図１は、本発明の一実施形態による低電圧プラズマイオナイザの構成を概略的に示すブロック図である。

一実施形態による低電圧プラズマイオナイザ１０００（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｌａｓｍａ Ｉｏｎｉｚｅｒ）は、空気イオンを用いて帯電した表面を中和することにより静電気を除去するなどの表面処理を行うことができる。

一実施形態によるイオナイザ１０００は、電圧源３０、電力増幅器４０、電力分配器５０、共振部１０、及びファン（Ｆａｎ）２０を含むことができる。

電圧源３０（Ｓｏｕｒｃｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、プラズマ生成に必要な電気信号及び／又は電圧を発生することができる。電圧源３０は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）、マイクロ波（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）のソースジェネレータ（Ｓｏｕｒｃｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）とすることができる。

電力増幅器（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）４０は、電圧源３０で生成された信号及び／又は電圧をプラズマ生成に十分な電力を有するように増幅することができる。図示していないが、前記電圧源３０と電力増幅器４０とは単一の装置として設けられてもよい。

電力分配器（Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｖｉｄｅｒ）５０は、後述する共振部１０が複数の共振器を含む場合、複数の共振器のそれぞれに電力を分配して伝達することができる。実施形態によっては、電力分配器５０は省略されてもよい。

共振部（Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｍｏｄｕｌｅ）１０は、電圧源３０から発生された信号及び／又は電圧を受信して最終的にプラズマが生成されるモジュールであってもよい。電圧源３０によって発生する電場によって加熱された高温電子は中性の空気分子をイオン化（Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）してプラズマを生成するが、この時のプラズマは中性分子（Ｎｅｕｔｒａｌ）、空気イオン４００、及び電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）をすべて含む概念を意味することができる。以下、プラズマの空気イオンをプラズマイオン４００と命名して説明し得る。

共振部１０は、単数の共振器（Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を含んでもよく、複数の共振器を含んでもよい。各共振器は、後述するスロット（Ｓｌｏｔ）を有する金属を含むことができる。複数の共振器を含む場合、イオナイザ１０００の除電性能を向上させることができる利点がある。共振部１０については、後述する図２を参照してさらに詳細に説明する。

ファン（Ｆａｎ）２０は、共振部１０で生成されたプラズマイオン４００を移動させるための風Ｗを生成することができる。ファン２０によって発生する風によって、点火されたプラズマの強度が弱まったり消化したりするのを防ぐために、共振部１０の前方にファン２０を配置することができる。ファン２０の配置については、後述する図１０～図１２でさらに詳細に説明する。また、ファン２０は、プラズマ生成により加熱された共振部１０を冷やす役割も果たすことができる。

共振部１０で生成されたプラズマイオン４００は、ファン２０によって発生する風Ｗを介して電荷が蓄積された表面に到達して静電気を中和、除去することができる。

次に、図２を用いて共振部１０の構成及び原理について説明する。図２は、本発明の一実施形態による共振部１０をより具体的に示す図である。以下では、共振部１０が単数の金属板１００を含む場合の共振器１０として説明し得る。

共振器１０は、金属板１００と金属板１００に接続された伝送導体３００とを含むことができる。

金属板１００は、長手方向に延びる一対の長辺Ｓ１、長辺Ｓ１と交差する一対の短辺Ｓ２、及び長手方向に延びるスロット１０５を含むことができる。スロット１０５によって金属板１００は、第１電極１０１及び第２電極１０２に分けることができる。言い換えれば、第１電極１０１及び第２電極１０２は、スロット１０５を挟んで互いに対向して配置されることができる。第１電極１０１及び第２電極１０２の長さは、電圧源１０で発生する信号の波長λの１／４の倍数であり得る。図２では、電極１０１、１０２の長さがλ／４であることを例示的に示している。

スロット１０５の幅ｘは、約１０μｍ～約２００μｍであり得、一例として約１００μｍであり得るが、これらに限定されない。

本発明では、金属板１００がスロット１０５によってＣ型と類似した形状に曲げられた形態を例示して説明したが、スロット１０５及びこれにより形成される金属板１００の形態はこれに限定されない。

伝送導体３００は、電圧源３０と接続されて電圧源３０から発生した信号及び／又は電圧を金属板１００に供給してスロット１０５の周りにプラズマが生成されるようにすることができる。伝送導体３００は、電力増幅器４０及び／又は電力分配器５０を介して電圧源３０に接続することができる。

伝送導体３００は、金属板１００上の電圧源３０に対してインピーダンス整合する点Ｍに位置し、金属板１００と電気的又は物理的に接続することができる。伝送導体３００は、電圧源３０から供給される信号の周波数（１／θ）に対して５０Ωのインピーダンスを有するようにインピーダンス整合点Ｍに配置することができる。

金属板１００は、第１端Ｅ１及び第２端Ｅ２の両端を含むことができる。第１端Ｅ１はスロット１０５によって開放されていない閉鎖端であり、第２端Ｅ２はスロット１０５によって開放された開放端であり得る。

金属板１００の２つの電極１０１、１０２の間の空間であるスロット１０５上には、伝送導体３００によって供給される信号及び／又は電圧によってプラズマ２００を生成することができる。プラズマ２００は、金属板１００の開放端Ｅ２に生成することができる。プラズマ２００が含むプラズマイオン４００は、帯電した物体の一表面６０上に到達して静電気を除去することができる。図２に例示的に示すように、プラズマイオン４００の負電荷は、正電荷が蓄積された表面６０上の正電荷と結合して静電気を中和５００することができる。

共振部１０が複数の金属板１００を含む場合（マルチスロット構造）、複数の金属板１００のそれぞれは、上述した金属板１００と実質的に同一の構成であり得る。

図３は、イオナイザのより具体的な一実施形態を示すものである。以下、図１及び図２で説明した内容と重複する内容は説明を省略又は簡略化することができる。

図３を参照すると、イオナイザ１０００の構成要素のうち、電圧源３０、共振器１０、及びファン２０が示されている。共振器１０は、金属板１００及びそれに接続された伝送導体３００を含むことができる。

電圧源３０は、伝送導体３００を介して金属板１００にプラズマ生成のための信号（一例として、マイクロ波）を供給することができる。図３では、伝送導体３００が電圧源３０に直接接続されているものと示されているが、本発明は必ずしもこれに限定されず、たとえ図示していないが、電圧源３０と伝送導体３００との間に、上述した電力増幅器４０及び／又は電力分配器５０がさらに配置されてもよい。

金属板１００及びファン２０は、３次元空間上でＸＹ平面と並んで位置することができ、Ｚ軸方向に距離ｈだけ離隔して位置することができる。このとき、ＸＹ平面のうちファン２０からＺ軸方向の上部に向かって距離ｈだけ平行に離隔した平面をＸＹ－１平面という。

金属板１００は、一対の長辺Ｓ１及び長辺Ｓ１と交差する一対の短辺Ｓ２を含むことができる。以下、正確には、図面符号Ｓ１、Ｓ２のそれぞれは長辺及び短辺の「延長線」を意味するものであるが、説明の便宜上、「延長線」を省略して「長辺」、「短辺」と説明し得る。図３では、説明の便宜上、長辺Ｓ１及び短辺Ｓ２をそれぞれ１つずつ表示している。図３の実施形態では、金属板１００はＸＹ－１平面上に位置しているので、長辺Ｓ１及び短辺Ｓ２はともにＸＹ平面上に位置する。言い換えれば、図３の実施形態では、金属板１００の長辺Ｓ１及び短辺Ｓ２はともにＸＹ平面に対して０度（°）に配置されている。そのような実施形態は、図４Ｄに簡略に示されている。

ファン２０は、ＸＹ平面と平行な第１面Ｑ１、及びＸＹ平面と平行で第１面Ｑ１と対向する反対面である第２面Ｑ２を含むことができる。言い換えれば、図３において、第１面Ｑ１はファン２０の上部面であり、第２面Ｑ２はファン２０の下部面であり得る。ファン２０は、第１面Ｑ１から第２面Ｑ２の下部に向かって吹き出される風を生成することができる。金属板１００は、ファン２０の第１面Ｑ１の上部に位置することができる。

図４Ａ～図４Ｄは、本発明の一実施形態による金属板の長辺が互いに異なる傾斜角で配置された金属板を一方向から見た側面図であり、図５Ａ及び図５Ｂは、図４Ａ～図４Ｄの各実施形態における減衰時間（Ｄｅｃａｙ ｔｉｍｅ）を測定したグラフである。

図４を参照すると、金属板１００の長辺Ｓ１のＸＹ平面に対する傾斜角θ１（以下、第１傾斜角と命名して説明し得る）による金属板１００（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ）の側面図が示されている。図４の側面図は、Ｙ方向から見た側面図である。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ及び図４Ｄは、順次長辺Ｓ１の傾斜角θ１が９０度、６０度、３０度及び０度である実施形態を示す。図４Ａ～図４Ｄの実施形態において、短辺Ｓ２のＸＹ平面に対する傾斜角θ２（以下、第２傾斜角と命名して説明し得る。）はすべて０度である。

各実施形態において、金属板１００のＺ軸方向の下部には、除電性能を測定するためのＣＰＭ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐｌａｔｅ Ｍｏｎｉｔｏｒ）装置６１が配置されている。ＣＰＭ装置６１は、上部に金属板１００からプラズマイオン４００が到達するプレートを含むことができる。 ＣＰＭ装置６１は、減衰時間（Ｄｅｃａｙ Ｔｉｍｅ）測定を通じてイオナイザ１０００の除電性能をテストすることができる。減衰時間（Ｄｅｃａｙ Ｔｉｍｅ）測定は、イオナイザ１０００で発生したイオンを用いてＣＰＭ装置６１のプレート上に故意に印加された静電気が除去される時間を測定する方式である。一例として、初期定電圧の約１０％以下に低下するまでの時間を測定し得る。

図５Ａ及び図５Ｂのそれぞれは、図４Ａ～図４Ｄの各実施形態における初期定電圧として＋１０００Ｖ、－１０００Ｖを印加したときの減衰時間（すなわち、それぞれ＋１００Ｖ、－１００Ｖの定電圧になるまでの時間）分布を示すグラフである。金属板１００の最低点とＣＰＭ装置６１のプレートとは距離ｄだけ離隔しているとするとき、図５はｄによる減衰時間（Ｄｅｃａｙ Ｔｉｍｅ）を測定したグラフである。距離ｄは数ｃｍから数十ｃｍの範囲であり得るが、これに限定されない。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、概ね第１傾斜角θ１が０度のとき減衰時間が最も短いので、金属板１００の長辺Ｓ１はＸＹ平面と平行に位置する実施形態が除電性能に優れていることを確認することができる。

具体的には、図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、ｄが約１０ｃｍ～約２０ｃｍの場合、第１傾斜角θ１が０度、９０度、６０度、３０度の順で除電性能に優れることができる。

特に、図５Ａの初期定電圧が＋１０００Ｖの場合はｄが約１０ｃｍのとき、そして図５Ｂの初期定電圧が－１０００Ｖの場合はｄが約２０ｃｍのとき、第１傾斜角θ１が０度である実施形態において他の実施形態と比較して除電性能にはるかに優れている。一例として、図５Ａの場合、ｄが１０ｃｍのとき、第１傾斜角θ１が０度である実施形態における減衰時間は約１．７～１．８（秒、ｓｅｃ）であり、第１傾斜角θ１が３０度、６０度である実施形態（減衰時間が約２．７～２．８（ｓｅｃ））と比較すると、約３０％以上減少した時間を示す。図５Ｂの場合、ｄが２０ｃｍのとき、第１傾斜角θ１が０度である実施形態における減衰時間は約２．５（ｓｅｃ）であり、残りの実施形態（減衰時間が約４（ｓｅｃ）前後で測定される）と比較すると、約４０％減少した時間を示す。

総合すると、金属板１００の長辺Ｓ１が０度の傾斜角で、すなわちＸＹ平面と平行に配置されるとき、イオナイザ１０００の除電性能に最も優れることができる。その理由の一つとして、プラズマが安定的に維持していると仮定すると、第１傾斜角θ１が０度のときにスロット１０５に生成されたプラズマが風と当接する面積が最も広いためであると説明することができる。

以下、図６～図９Ｂを用いて、他の実施形態における金属板１００の短辺Ｓ２の配置によるイオナイザ１０００の除電性能について説明する。以下、上述した内容と重複する内容は説明を省略又は簡略化することができる。

まず、図６は、本発明の他の実施形態によるプラズマイオナイザの構成を３次元的に示す斜視図である。図６の実施形態において、金属板１００はファン２０から距離ｈだけ離間したＸＹ平面（ＸＹ－１平面）上で、長辺Ｓ１は固定された状態を維持し（θ１＝０度）、短辺Ｓ２がＸＹ－１平面に対して０°超過１８０°未満の傾斜角を有するように配置することができる。図６には、第２傾斜角θ２が６０度であることを例として示した。

図７Ａ及び図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂはそれぞれ、本発明の一実施形態による金属板１００の短辺Ｓ２がそれぞれ０度及び９０度に配置された金属板を異なる方向から見た側面図である。図９Ａ及び図９Ｂは、図７Ａ及び図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂの実施形態における減衰時間を測定したグラフである。

図７を参照すると、金属板１００ｅの長辺Ｓ１及び短辺Ｓ２の傾斜角θ１、θ２が共に０度である実施形態（図３）が示されている。このような実施形態に対して、図７ＡはＹ軸方向から見た側面図であり、長辺Ｓ１の傾斜角θ１が０度に配置され、図７ＢはＸ軸方向から見た側面図であり、短辺Ｓ２の傾斜角θ２が０度に配置されている。

図８を参照すると、金属板１００ｆの長辺Ｓ１の傾斜角θ１は０度、短辺Ｓ２の傾斜角θ２はすべて９０度である実施形態が示されている。この実施形態において、図８Ａは、Ｙ軸方向から見た側面図であり、スロット１０５を含む金属板１００の平面形態を見ることができ、図８Ｂは、Ｘ軸方向から見た側面図であり、短辺Ｓ２の傾斜角θ２が９０度に傾斜している。

図９Ａ及び図９Ｂのそれぞれは、図７Ａ～図８Ｂなどの互いに異なる第２傾斜角θ２を有する実施形態における初期定電圧で＋１０００Ｖ、－１０００Ｖを印加したときの減衰時間分布を示すグラフである。

図９Ａ及び図９Ｂを参照すると、第２傾斜角θ２が概ね斜めになるときの減衰時間が最も短いので、金属板１００の短辺Ｓ２がＸＹ平面に対して傾斜するように配置される実施形態が除電性能に優れていることを確認することができる。

具体的には、図９Ａ及び図９Ｂを参照すると、ｄが約１０ｃｍ～約３０ｃｍの範囲で、第２傾斜角θ２が７５度、９０度、０度の順で除電性能に優れることができる。

特に、除電性能の観点から、図９Ａの初期定電圧が＋１０００Ｖの場合はｄが約１２ｃｍ～約３０ｃｍの範囲が有利であり、図９Ｂの初期定電圧が－１０００Ｖの場合はｄが約２０ｃｍ～約３０ｃｍの範囲が有利であり得る。

総合すると、金属板１００の短辺Ｓ２は、０度超過９０度未満の傾斜角θ２で、すなわちＸＹ平面に対して斜めに配置されるとき、イオナイザ１０００の除電性能に最も優れることができる。短辺Ｓ２の傾斜角θ２は、測定する基準点によって９０度超過１８０度未満の範囲を有することもできる。

その理由の一つとして、長辺Ｓ１の傾斜角θ１が０度の場合、除電性能は良いが、プラズマが風の影響を受けてその強度が弱化又は消化する可能性が存在するため、短辺Ｓ２を斜めに配置する場合、プラズマを安定的に維持できるからであることが挙げられる。

従来、プラズマイオナイザにおいて、ＲＦプラズマを生成させる場合、共振器の電極設計に困難があった。したがって、本発明では、スロット１０５を含む金属板１００、すなわちスロット電極を用いて電極の利用及び設計を容易かつ簡便にすることができる。上述したように、スロット電極１００の長辺Ｓ１及び短辺Ｓ２の傾斜角θ１、θ２を多様に調節して配置することにより、イオナイザ１０００の除電性能を最適化することができる。

以下、図１０～図１２Ｂを用いて、一実施形態による金属板１００とファン２０の配置によるイオナイザ１０００の除電性能について説明する。以下、上述した内容と重複する内容は説明を省略又は簡略化することができる。

図１０は、本発明の一実施形態による金属板１００とファン２０の配置を示す側面図であり、ファン２０がＺ軸方向に金属板１００の下部（又は前方）に位置している実施形態であり、図１１は、ファン２０がＺ軸方向に金属板１００の上部（又は後方）に位置している実施形態である。金属板１００は、Ｘ軸方向から見たとき、短辺Ｓ２が斜めに配置されており、金属板１００にはプラズマ２００が生成されていてもよい。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、それぞれ図１０及び図１１の実施形態（θ１＝０度、θ２＝７５度）における減衰時間（Ｄｅｃａｙ ｔｉｍｅ）を測定したグラフである。図１２Ａ及び図１２Ｂを参照すると、ファン２０が金属板１００の前方に位置するとき（図１０）、減衰時間がより短く示して、除電性能により優れていることを確認することができる。これは、ファン２０の強度、すなわちファン２０の第２面Ｑ２を通って吹き出される風の強度が等しいという仮定のもと、ファン２０の第１面Ｑ１に流入する風の強度が第２面Ｑ２に吹き出される風の強度より弱いため、金属板１００がファン２０の前方に位置するとき、プラズマ２００が風の影響をあまり受けないためだと説明することができる。

以下、図１３～図１８を用いて、一実施形態によるイオナイザのマルチスロット（Ｍｕｌｔｉ Ｓｌｏｔ）構造について説明する。以下、上述した内容と重複する内容は説明を省略又は簡略化することができ、上述した実施形態と比較して特徴となる部分を中心に説明することができる。以下の図では、説明の便宜上、プラズマ２００が生成された部分を円印で示している。

図１３は、本発明の他の実施形態によるプラズマイオナイザの構成を３次元的に示す斜視図であり、２つの金属板を含むマルチスロット構造の一例であり、図１４Ａ及び図１４Ｂは、図１３のイオナイザを一側面及び上面から見た様子を概略的に示す上面図であり、図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明の他の実施形態によるイオナイザをＹＺ平面から見た側面図である。

図１３を参照すると、イオナイザ１０００は、電圧源３０、電力分配器５０、共振部１０、及びファン２０を含むことができ、共振部１０は２つの金属板１００（１１０、１２０）を含むことができる。図１３には示されていないが、任意選択で、電圧源３０と電力分配器５０との間に電力増幅器４０をさらに介在してもよい。

電力分配器５０は、複数の金属板１００のそれぞれに電力を分配して伝達することができる。図１３において、電力分配器５０は、伝送導体３１０、３２０を介して２つの金属板１１０、１２０のそれぞれに電力を分配して伝達することができる。

共振部１０は、２つの金属板１００として第１金属板１１０及び第２金属板１２０、各金属板１１０、１２０に接続された伝送導体３００（３１０、３２０）を含むことができる。

第１金属板１１０は、一対の第１長辺Ｓ１－１（Ｓｌｆ－１、Ｓ１ｍ－１）、一対の第１短辺Ｓ２－１及びスロット１５０－１を含むことができる。第２金属板１２０は、一対の第２長辺Ｓ１－２（Ｓｌｆ－２、Ｓ１ｍ－２）、一対の第２短辺Ｓ２－２及びスロット１５０－２を含むことができる。

第１金属板１１０及び第２金属板１２０は、ＸＹ平面から見たとき、互いに対向するように配置することができる。金属板１１０、１２０のＸＹ平面上の配置については、後述する図１６を参照してさらに詳細に説明する。

第１金属板１１０は、互いに平行な第１－１長辺Ｓ１ｆ－１及び第１－２長辺Ｓ１ｍ－１を含み、第２金属板１２０は、互いに平行な第２－１長辺Ｓ１ｆ－１及び第２－２長辺Ｓｌｍ－２を含むことができる。

このとき、金属板１１０、１２０の長辺Ｓｌｆ－１、Ｓ１ｍ－１、Ｓｌｆ－２、Ｓ１ｍ－２は、ＸＹ平面に対して０度以上１８０度未満の傾斜角を有することができる。言い換えれば、金属板１００の長辺は、ＸＹ平面と平行な平面上に位置するか、またはＸＹ平面と０度超過１８０度未満の傾斜角を有することができる。一方、金属板１１０、１２０の短辺Ｓ２－１、Ｓ２－２も、０度以上１８０度未満の傾斜角を有することができる。一例として、短辺Ｓ２－１、Ｓ２－２のうちの少なくとも１つは、ＸＹ平面と平行な平面と０°超過１８０°未満の傾斜角を有することができる。図１３には、両方の短辺Ｓ２－１、Ｓ２－２がともにＸＹ平面に対して約６０度の傾斜角を有する例を示している。

図１４Ａは、イオナイザをＹＺ平面と交差する方向（一例として、Ｘ方向、以下単にＹＺ平面方向といえる）から見た側面図であり、図１４Ｂは、ＸＹ平面と交差する方向（一例として、Ｚ方向、以下単にＸＹ平面方向といえる）から見た上面図である。図１４Ａ及び図１４Ｂを併せて参照すると、第１金属板１１０の短辺Ｓ２－１及び第２金属板１２０の短辺Ｓ２－２は、第１－２長辺Ｓ１ｍ－１と第２－２長辺Ｓ１ｍ－２との間の距離ｄ１が、第１－１長辺Ｓ１ｆ－１と第２－１長辺Ｓ１ｆ－２との間の距離ｄ２より短くなるように傾斜して配置することができる。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明の他の実施形態によるイオナイザをＹＺ平面から見た側面図である。第１金属板１１０の第１短辺Ｓ２－１及び第２金属板１２０の第２短辺Ｓ２－２は、第１－２長辺Ｓ１ｍ－１と第２－２長辺Ｓ１ｍ－２との間の距離ｄ１が、第１－１長辺Ｓ１ｆ－１と第２－１長辺Ｓ１ｆ－２との間の距離ｄ２と等しくなるように傾斜して配置することができる。言い換えれば、図１５Ａ又は図１５Ｂのように、２つの金属板１１０、１２０がＹＺ平面から見たとき、同じ方向に傾斜するように配置することができる。

図１６Ａ～図１６Ｃは、本発明の他の実施形態による金属板の配置をＸＹ平面から見た上面図である。

図１６Ａ～図１６Ｃを参照すると、金属板１１０、１２０は、プラズマ２００が生成された第２端Ｅ２と他端である第１端Ｅ１とを含み、第２端Ｅ２は、一方向（図１６のＸ方向及び／又はＹ方向）に互いに対向するように配置されてもよい。

図１６Ａは、図１３の実施形態の上面図を示す。図１６Ａの実施形態によれば、金属板１１０、１２０の第１端Ｅ１は、ファン２０の中央線ＣＬに対して一方向（図１６ではＸ方向）に同じ側に配置することができる。図１６Ｂの実施形態によれば、金属板１１０、１２０の第１端Ｅ１は、ファン２０の中央線ＣＬに対して一方向（図１６ではＸ方向）に互いに反対側に配置することができる。図１６Ｃの実施形態によれば、金属板１１０、１２０の第１端Ｅ１及び第２端Ｅ２がすべて一直線ｌ上に位置するように配置することができる。このとき、金属板１１０、１２０の第１端Ｅ１は、ファン２０の中央線ＣＬに対して一方向（図１６ではＸ方向）に互いに反対側に配置することができる。

実施形態によって、金属板１１０、１２０の短辺Ｓ２－１、Ｓ２－２は、ＸＹ平面と平行な平面上に位置してもよい。

上述の金属板１１０、１２０の長辺Ｓ１及び／又は短辺Ｓ２の互いに異なる配置による実施形態における、イオナイザ１０００の性能が状況／環境に合わせて最適化されるように、図１６Ａ～図１６ＣのようにＸＹ平面から見た金属板１００の様々な配置を様々な組み合わせで適用することができる。図１６Ａ～図１６ＣによるＸＹ平面から見た金属板１００の様々な配置は、後述する図１７による金属板１００が４つである実施形態だけでなく、複数の金属板１００の数に関係なく適当な組み合わせで適用することができる。

伝送導体３１０、３２０を介してそれぞれに接続された金属板１１０、１２０に電力分配器５０から分配された信号を供給することができる。

図１７は、本発明の他の実施形態によるプラズマイオナイザの構成を３次元的に示す斜視図であって、４つの金属板を含むマルチスロット構造の他の例であり、図１８は、図１７のイオナイザを上面から見た様子を概略的に示す上面図である。

図１７を参照すると、イオナイザ１０００は、電圧源３０、電力分配器５０、共振部１０及びファン（Ｆａｎ）２０を含むことができ、共振部１０は４つの金属板１００（１１０、１２０、１３０、１４０）を含むことができる。複数の金属板１００は、所定の間隔及び角度で、実施形態によって均一な間隔及び角度で互いに離隔して配置することができる。第１金属板１１０を基準に時計回り方向に第２金属板１２０、第３金属板１３０、及び第４金属板１４０と命名して説明する。図１７に示す実施形態の場合でも、任意選択で、電圧源３０と電力分配器５０との間に電力増幅器４０をさらに介在してもよい。

電力分配器５０は、伝送導体３００を介して伝送導体３００のそれぞれに接続された４つの金属板１１０、１２０、１３０、１４０に電力を分配して伝達することができる。

４つの金属板１１０、１２０、１３０、１４０のそれぞれは、長辺Ｓ１（Ｓ１－１、Ｓ１－２、Ｓ１－３、Ｓ１－４）及び長辺と交差する短辺Ｓ２（Ｓ２－１、Ｓ２－２、Ｓ２－３、Ｓ２－４）を含むことができる。前記４つの金属板１１０、１２０、１３０、１４０のそれぞれの長辺Ｓ１又は短辺Ｓ２は、０度（°）以上１８０度未満の傾斜角を有することができる。

例えば、複数の金属板１１０、１２０、１３０、１４０は、それぞれ互いに平行な下部長辺Ｓ１ｆ（Ｓ１ｆ－１、Ｓ１ｆ－２、Ｓ１ｆ－３、Ｓ１ｆ－４）と上部長辺Ｓ１ｍ（Ｓ１ｍ－１、Ｓ１ｍ－ ２、Ｓ１ｍ－３、Ｓ１ｍ－４）を含むことができる。上部長辺Ｓ１ｍは、下部長辺Ｓ１ｆに対して一定の角度を有し、短辺Ｓ２の傾斜角θ２を決定することができる。図１７には、第２傾斜角θ２が鋭角基準で約６０度である例を示したが、第２傾斜角θ２はこれに限定されない。

図１８を併せて参照すると、複数の金属板１００はＸＹ平面から見たとき、複数の金属板１００の短辺Ｓ２（Ｓ２－１、Ｓ２－２、Ｓ２－３、Ｓ２－４）は、互いに対向する一対の金属板１１０と１３０、１２０と１４０の上部長辺Ｓ１ｍ－１、Ｓ１ｍ－３（又は下部長辺Ｓ１ｆ－１、Ｓ１ｆ－３）が互いに反対方向に位置するように配置することができる。例えば、金属板１１０、１３０は、互いに対向する第１金属板１１０と第３金属板１３０の下部長辺Ｓ１ｆ－１、Ｓ１ｆ－３がＸ方向に互いに反対側に位置するように傾斜することができる。あるいは、金属板１２０、１４０は、互いに対向する第２金属板１２０と第４金属板１４０の下部長辺Ｓ１ｆ－２、Ｓ１ｆ－４がＹ方向に互いに反対側に位置するように傾斜することができる。

実施形態によって、複数の金属板１００の短辺Ｓ２（Ｓ２－１、Ｓ２－２、Ｓ２－３、Ｓ２－４）は、互いに対向する一対の金属板１１０と１３０、１２０と１４０の上部長辺Ｓ１ｍ（又は下部長辺Ｓ１ｆ）が互いに同じ方向に位置するように配置されてもよい。

複数の金属板１００の短辺Ｓ２の傾斜角はこれに限定されず、一対の金属板１１０と１３０の上部長辺Ｓ１ｍ（又は下部長辺Ｓ１ｆ）は互いに反対方向に位置し、他の一対の金属板１２０と１４０の上部長辺Ｓ１ｍ（又は下部長辺Ｓ１ｆ）は互いに同じ方向に位置するなど、イオナイザ１０００の除電性能が最適化されるように複数の金属板１００の短辺Ｓ２の傾斜角の関係を適当に組み合わせることができる。

共振部１０がマルチスロット構造である場合にも、ファン２０は、ＸＹ平面と平行で互いに対向する第１面Ｑ１及び第２面Ｑ２を含み、風は前記第１面Ｑ１から前記第２面Ｑ２の下部面に向かって吹き出され、金属板１００はファン２０の第１面Ｑ１上に位置することができる。金属板１００がファン２０の前方に位置するように配置されることにより、金属板１００上に生成されるプラズマ２００への風の影響を最小限に抑え、イオナイザ１０００の除電性能を最適化することができる。

以上では、イオナイザ１０００がマルチスロット構造の場合に２つ又は４つの金属板１００を含むことを例示して説明したが、共振部１０が含む複数の金属板１００の数は、これに限定されない。

図１９Ａ及び図１９Ｂは、図６（単一のスロット電極）及び図１３（マルチスロット電極）の実施形態における減衰時間（Ｄｅｃａｙ ｔｉｍｅ）を測定して比較したグラフである。図１９Ａ及び図１９Ｂは、それぞれ金属板１００とＣＰＭ装置６１のプレートとの間の間隔ｄが３０ｃｍのときを基準として、それぞれ２０Ｗ、４０Ｗの電力を供給したときの減衰時間を測定したグラフである。

初期定電圧が＋１０００Ｖ、－１０００Ｖの場合ともに、単一の金属板１００を含む場合よりも、２つの金属板１００を含むマルチスロット構造の場合が、減衰時間がより短く示して、除電性能により優れていることを確認することができる。

上述した本発明の各実施形態において、金属板の長辺及び／又は短辺がＸＹ平面となす角度は多様に調節することができ、これにより最適な性能を示す角度に設定することができる。

以下、図２０及び図２１を用いてプラズマを点火する他の方法に関する実施形態について説明する。図２０及び図２１は、本発明の他の実施形態によるプラズマイオナイザの構成を概略的に示す図である。以下、上述した内容と重複する内容は説明を省略し、特徴となる構成を中心に説明する。

図２０を参照すると、イオナイザ１０００の構成のうち、電圧源３０、伝送導体３００、及びスロット１０５上にプラズマ２００が生成されている金属板１００が示されている。イオナイザ１０００は、金属板１００の一端部に配置された圧電素子７００をさらに含むことができる。図示していないが、電圧源３０と伝送導体３００との間に電力増幅器及び／又は電力分配器をさらに介在してもよい。

圧電素子７００に圧力Ｐを加えると、圧電素子７００の両端に電位差が生じる。圧電素子７００の一端は接地されており、圧電素子７００の他端は金属板１００のプラズマ２００が生成される一端部に隣接するように配置することができる。圧電素子７００に圧力Ｐを加えると、接地された一端対比瞬間的に発生した電位差によってプラズマ２００が点火することができる。この場合、アルゴンガスなどの不活性ガスがなくてもプラズマ２００を点火することができるという利点がある。

図２１を参照すると、金属板１００は、スロット１０５を挟んで互いに対向する第１電極１０１及び第２電極１０２を含む。このとき、金属板１００は、第１電極１０１及び第２電極１０２のそれぞれがスロット１０５に隣接し、スロット１０５によって開放されている一端部Ｅ２にコーティングされている材料層８００をさらに含むことができる。材料層８００はグラファイト（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）を含むことができる。このように、電気伝導度の高いグラファイトなどの材料層をコーティングすることにより、アルゴンガスなどの不活性ガスなしでプラズマ２００の自己点火（Ｓｅｌｆ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）を可能にすることができる。

このように、本発明の一実施形態によれば、追加の刺激（例えば、圧力など）や導電性材料を利用するなどの様々な方法により、不活性ガスなしでプラズマ点火が可能なプラズマイオナイザ１０００を実装することができる。

以上では、本発明の好ましい実施形態について示して説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって様々な変形実施が可能であることは勿論であり、そのような変形実施は本発明の技術的思想や見通しから個別に理解されてはならない。

したがって、本発明の思想は、上述した実施形態に限定されず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等な又はそれから等価的に変更された全ての範囲が本発明の思想カテゴリーに属すると言えるだろう。

Claims (7)

1. 長手方向に延びる長辺、前記長辺と交差する短辺、及び前記長手方向に延びるスロットを有する金属板を含み、電場を用いてプラズマを発生させる共振部と、
   前記共振部に接続され、前記金属板の周囲にプラズマイオンを含むプラズマが発生するように前記共振部に信号を供給する電圧源と、
   前記プラズマイオンをＸＹ平面と交差する方向に移動させるように設けられたファンと、を含む、プラズマイオナイザ。
2. 前記ファンは、前記ＸＹ平面と平行な第１面、及び前記ＸＹ平面と平行で前記第１面と対向する第２面を含み、
   前記ファンから発生した風は、前記第１面から前記第２面の下部に向かって吹き出され、
   前記金属板は、前記ファンの第１面の上部に位置する、請求項１に記載のプラズマイオナイザ。
3. 前記共振部は、複数の前記金属板を含み、
   前記複数の金属板のそれぞれに信号を分配して伝達する電力分配器をさらに含む、請求項１に記載のプラズマイオナイザ。
4. 前記複数の金属板は、第１金属板及び第２金属板を含み、
   前記第１金属板は第１長辺及び前記第１長辺と交差する第１短辺を含み、前記第２金属板は第２長辺及び前記第２長辺と交差する第２短辺を含み、
   前記第１短辺の延長線及び前記第２短辺の延長線は、それぞれＸＹ平面に対して０度（°）以上１８０度未満の傾斜角を有する、請求項３に記載のプラズマイオナイザ。
5. 前記複数の金属板は、所定の間隔を置いて離隔配置された４つの金属板を含み、
   前記４つの金属板はそれぞれ長辺及び前記長辺と交差する短辺を含み、
   前記４つの金属板のそれぞれの短辺の延長線は、ＸＹ平面に対して０度（°）以上１８０度未満の傾斜角を有する、請求項３に記載のプラズマイオナイザ。
6. 前記金属板の一端部に配置された圧電素子をさらに含み、
   前記圧電素子を介して前記一端部に圧力を印加して前記プラズマを点火する、請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマイオナイザ。
7. 前記金属板は、
   前記スロットを挟んで互いに対向する第１電極及び第２電極を含み、
   前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれが前記スロットに隣接する一端部にコーティングされている導電性材料層をさらに含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマイオナイザ。

Images