JP3871055B2 - プラズマ発生方法及びプラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを噴射するプラズマ発生方法及びプラズマ発生装置、特に、ケーシング内にガスを送入し、ケーシング内における前段のコロナ放電と後段のアーク放電でプラズマとしてケーシングの噴射口から噴射するプラズマ発生方法及びプラズマ発生装置に関する。

この種のプラズマ発生方法及び装置として、特許文献１（特開２００１−６８２９８号公報）及び特許文献２（特表２００３−５１８３１７号公報）に記載されたものがある。

これらの従来例は、プラズマによる表面処理面積を大きくするため、プラズマの噴射面積を拡げることを主に意図しており、噴射されるプラズマの本質的向上や逆効果（弊害）については、ほとんど考慮されていない。

すなわち、特許文献１のものでは、作動ガスが通過するガス通路を区画形成するケーシング内の上部に、支持チューブを回転自在に軸受けし、この支持チューブの内周に電気絶縁性パイプ、その軸線上に針状の電極を配置するとともに、この電極と電気絶縁性パイプとの間に、孔付き円板である渦巻きシステムを設け、また噴射通路が傾斜した口金部分を、ケーシングの下端に固定又は回転可能に設けている。

そして、ケーシングに対して支持チューブを回転させると、これと一体に電気絶縁性パイプ、電極及び渦巻きシステムが回転して作動ガスの渦巻き流を形成しながら、電極と支持チューブとの間に高周波交流高電圧を印加することにより、電極と渦巻きシステムの周辺でコロナ放電を生じさせるとともに、電極先端からケーシングへ向けてアーク放電を誘起させ、それにより生ずるプラズマを口金部分の傾斜した噴射通路からプラズマジェットとして噴射するようになっている。

しかし、これによると、プラズマジェットの噴射について見ても次のような問題がある。
（１）口金部分を固定した場合、その傾斜した噴射通路からプラズマジェットを所定の角度で斜めに噴射するだけであるため、プラズマジェットをワークピースのアンダーカット部分に到達させることができるものの、プラズマそのものの噴射量及びその拡散範囲は小さい。
（２）口金部分を回転駆動する場合、その傾斜した噴射通路からプラズマジェットを旋回させるので、プラズマの拡散性はよいが、プラズマそのものの噴射量は少なく、また口金部分を回転駆動する機構が必要になる。
（３）ケーシング内で作動ガスの渦流をつくるに当たり、針状の電極と渦巻きシステムと電気絶縁性パイプを支持した支持チューブをケーシングに対して回転させており、その回転駆動は、電極と支持チューブに高周波交流高電圧を印加しながら行わなければならないため、その機構が複雑となり、口金部分を回転駆動する機構と併せて、機械的動力源を要する複雑な装置になるとともに、機械的な作動トラブルが生じやすく、またプラズマの発生が不安定になりやすい。

また、特許文献２のものは、ノズルの噴射口を、ノズルの軸線に対して横方向に延びる狭いスリットとすることで、プラズマジェットの拡散を図っているだけであり、単純な構造ではあるが、プラズマそのものの噴射量及びその拡散性はさほど向上しない。
特開２００１−６８２９８号公報（第４〜５頁、図１、図２） 特表２００３−５１８３１７号公報（第８頁、Ｆｉｇ．１）

本発明者らは、噴射されるプラズマの拡散性を良くすることも意図しながら、それよりもむしろ本質的なこと、すなわち第１に、プラズマによる表面改質の主要因子はラジカルであること、第２に、プラズマの噴射量を大きくしようとしてアーク放電を高めると、処理しようとする基材へ向かうアーク放電が生じて、基材に電食等の損傷を与えてしまうこと、第３に、アーク放電は副作用として電極を加熱し、高温プラズマにする傾向があることに着目し、第１の点については、生成されるラジカルの発生量を前段のコロナ放電により向上させることができ、第２の点については、基材へ向かうアーク放電の防止を図ることができ、第３の点については、アーク放電の発生頻度を抑制することで低温プラズマにすることができる、本発明を見出したものである。

ケーシング内にガスを送入し、ケーシング内における前段のコロナ放電と後段のアーク放電でプラズマとしてケーシングの噴射口から噴射するプラズマ発生方法であって、ケーシング内のガス流路に沿って形成されたコロナ放電電極から、ケーシングの周壁を対向電極として多数のコロナ放電を同時に発生させるとともに、ケーシング内のアーク放電電極に対してケーシングの噴射口を対向電極として間欠的にアーク放電させて、そのアーク放電によりプラズマを生成し、噴射口から噴射することを特徴とする。

本発明方法の好ましい具体的形態では、減衰振動波が間欠的に繰り返し生ずる減衰振動波形周期波の電圧を、コロナ放電電極とケーシングの周壁によるコロナ放電部、及びアーク放電電極とケーシングの噴射口によるアーク放電部に共に印加し、アーク放電部では間欠的にアーク放電させる。

減衰振動波形周期波の各減衰振動波ごとに共振させ、その各減衰振動波ごとにアーク放電発生に伴い共振ズレを生じさせてアーク放電を中断させることにより、間欠的アーク放電とする。

ある時間間隔をおいた正負逆位相のパルスをある繰り返し周波数で高圧トランスの一次側に供給し、該高圧トランスの二次側から各減衰振動波ごとに共振した減衰振動波形周期波として出力する。

減衰振動波の周波数を可変することにより、アーク放電の間欠周期を調整できる。

共振した各減衰振動波の電圧立ち上がり時間は、次の理由から１μｓ以下とする。
アーク放電を利用して低温プラズマを生成するには、アーク放電した後の印加電圧を即０にしてしまわないと、なかなか低温プラズマにならない。また、商用周波数を用いて行うと、立上り時間が緩やかなため瞬時に強い電界を発生することができないので、プラズマの生成効率が悪く、必要以上の電圧を印加しなければならない。この欠点をクリアーするため、立上り時間はできるだけ短くした方が良いが、正負交互のパルスを生成するための半導体スイッチング素子のスイッチング特性などに鑑み、減衰振動波の電圧立ち上がり時間は１μs以下とするのが好ましい。

減衰振動波の繰り返し周期は、次の理由から１０〜５０ＫＨｚの範囲が良い。
減衰振動波の繰り返し周波数は、改質する基材の材質によって異なるが、繰り返し周波数を１０〜５０ＫＨｚにするのは、改質時間が短縮できるからで、実験によれば最も良い条件は１０〜２０ＫＨｚである。

コロナ放電部では、ケーシング内のガス流路に沿って形成されたコロナ放電電極の多数の放電先端とケーシングの周壁との間で、それら間に介在された誘電体を介して多数の誘電体バリア放電を発生させる。

アーク放電部では、ケーシング内のアーク放電電極からのアーク放電ビームを、アーク放電を妨げるアーク放電拡散部材により円錐状に拡散させながら噴射口へ向ける。

本発明のプラズマ発生装置は、電源装置から高電圧を印加されるコロナ放電部及びアーク放電部を、ガス送入されるケーシング内に内蔵し、前段のコロナ放電と後段のアーク放電でプラズマとしてケーシングの噴射口から噴射するものであって、コロナ放電部は、ケーシング内のガス流に沿って多数の放電先端を形成していて、ケーシングの周壁を対向電極として多数のコロナ放電を同時に発生させ、アーク放電部は、ケーシング内のアーク放電電極に対してケーシングの噴射口の周縁が対向電極となっていて、それらの間で間欠的にアーク放電させてプラズマを生成し、電源装置は、減衰振動波が間欠的に繰り返し生ずる減衰振動波形周期波の電圧をコロナ放電部及びアーク放電部に印加し、アーク放電を間欠的に起こすことを特徴とする。

本発明装置の好ましい具体的形態では、電源装置は、印加する減衰振動波を、間欠的に繰り返し生ずる減衰振動波形周期波として各減衰振動波ごとに共振させ、その各減衰振動波ごとにアーク放電発生に伴い共振ズレを生じさせてアーク放電を中断させることにより、間欠的アーク放電とする。

電源装置は、ある時間間隔をおいた正負逆位相のパルスをある繰り返し周波数で高圧トランスの一次側に供給し、該高圧トランスの二次側から各減衰振動波ごとに共振した減衰振動波形周期波として出力する。

電源装置は、減衰振動波の周波数を可変する周波数可変手段を備えている。

コロナ放電部は、ケーシングの周壁を対向電極としてその内部に筒状のコロナ放電電極を有し、該コロナ放電電極の外周面に多数の放電先端を形成しているとともに、ケーシングの周壁内側に誘電体を設けていて、多数の誘電体バリア放電を同時に起こす。

筒状のコロナ放電電極の外周面にネジが形成され、そのネジ山が多数の放電先端となっている。

アーク放電部は、ケーシング内のアーク放電電極とケーシングの噴射口との間に、アーク放電を妨げるアーク放電拡散部材を有し、アーク放電電極からアーク放電ビームをこのアーク放電拡散部材により円錐状に拡散させながら噴射口へ向ける。

アーク放電部は、ケーシング内のアーク放電電極がリング状の電極先端部を有し、アーク放電拡散部材が、リング状の電極先端部の内側からケーシングの噴射口まで外径を大きくしながら延びている。

アーク放電電極は、筒状のコロナ放電電極中を貫通する電極支持棒の先端に設けられている。

ケーシング、筒状のコロナ放電電極及び電極支持棒のそれぞれの基端が絶縁ホルダに保持され、ケーシング外からのガスを渦流にして筒状のコロナ放電電極とケーシングとの間のガス流路に導入する渦流発生体が、ケーシング内の基端部に設けられている。
この渦流発生体は、ガスを渦流にして通す螺旋状の孔を有する。
アーク放電拡散部材は、耐久性を考慮してセラミック製とする。

本発明では、前段のコロナ放電において、ケーシングの周壁へ向かって多数のコロナ放電を同時に起こすので、ラジカルの発生量の増加と共に、後段でのプラズマの発生量も多量となる。また、ケーシング内のアーク放電電極からケーシングの噴射口へ向かってアーク放電させて、そのアーク放電によりプラズマの電荷をケーシングへバイパスさせるので、プラズマの極性は中性となり、基材へ向かうアーク放電を防止できるとともに、基材を帯電させない。アーク放電は間欠的であるため、電極の加熱が抑制され、低温プラズマとなる。アーク放電は間欠的であっても、前段での上記のようなコロナ放電によりプラズマ発生量は多い。

電極間に印加する電圧を正弦波状の連続波ではなく、減衰振動波の間欠的繰り返しによる減衰振動波形周期波とし、しかも各減衰振動波ごとに共振させ、更に各減衰振動波ごとに、高圧トランスが持つＬＣ成分等を利用してアーク放電発生に伴い共振ズレを生じさせることで、電極間に印加される減衰振動波の残部を相殺する（リーケージ化する）ことにより、アーク放電を瞬時に中断し、このような動作を減衰振動波の繰り返し周期で間欠的に繰り返すことにより、電極の加熱を抑制しながら安定した低温プラズマを発生させることができる。

電極間に印加する高電圧の減衰振動波を、片方を接地せずに正負が逆位相となるようにすることで、対接地間と無関係にすることができる。これは、基材を改質する場合、プラズマが基材に照射されるときに、対接地間とは無関係であるため、感電することなく電極間で電流が流れて改質できるからである。

電極間に印加する電圧波形を、正弦波のような整然とした連続波とすると、放電開始後も印加電圧が残って放電電流が持続するため、電極が加熱されて高温プラズマになってしまう。そこで、高圧トランスが持つＬＣ成分を利用して、正負交互のパルスを高圧トランスの一次側で共振した減衰振動波とし、二次側でアーク放電発生に伴い共振ズレを生じさせれば、共振した減衰振動波は放電開始後に瞬時に消滅する。これを各減衰振動波ごとに行って、連続波にせずに間欠的に繰り返せば、安定した低温プラズマを発生できる。

ケーシング内のアーク放電電極からのアーク放電ビームを、アーク放電を妨げるアーク放電拡散部材により円錐状に拡散させながら噴射口へ向ければ、アーク放電電極と噴射口の口縁との間に、環ビーム状となるアーク放電経路を形成できると同時に、プラズマ電荷のケーシングへのバイパス経路も形成できるので、基材へ向かうアーク放電を防止しながら、噴射口から噴射されるプラズマを単純な構造で広範囲に拡散させて処理面積を大きくすることができる。

コロナ放電電極を筒状としてその外周面に多数の放電先端を形成するとともに、ケーシングの周壁内側に誘電体を設けて、多数の誘電体バリア放電を同時に起こせば、多量のラジカルを安全に生成できる。

筒状のコロナ放電電極の外周面にネジを形成すれば、そのネジ山が多数の放電先端となり、しかも個々のネジ山の全周からコロナ放電が生ずるので、筒状のコロナ放電電極の外周のネジ形成面の全長及び全面からコロナ放電が生ずる高密度の放電となり、大量のラジカルを生成できるとともに、プラズマの発生量も多量となる。高密度のコロナ放電によりオゾン発生量も増えるが、後段での上述したようなアーク放電により、オゾンはほとんど破壊されて大半がラジカルとなる。

ガスを渦流発生体により渦流にして、筒状のコロナ放電電極とケーシングとの間のガス流路に導入することにより、局所集中的なコロナ放電及びアーク放電の防止効果に加え、冷却効果や気体分子密度が大きくなることによる表面処理能力の向上が図れる。アーク放電部では、その放電点が渦流により常時移動する様相となるので、アーク密度の高い均一なアーク放電ビームとなる。アーク放電電極にリング状の電極先端部を形成すれば、アーク放電ビームが環状となりしかもそれが円錐形に拡散するので、プラズマの発生及びその拡散が一層助長される。

渦流発生体は、その螺旋状の孔にガスが通り抜けるだけで渦流にできるので、渦流生成部分の構造が従来に比べ単純になる。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明によるプラズマ発生装置の機械的構造を示す。このプラズマ発生装置は、本体である縦長円筒形のケーシング１を外筒として、その中に内筒となる縦長円筒形のコロナ放電電極２、更にその中に電極支持棒３を同心円状に配置し、ケーシング１の上端部（基端部）及び電極支持棒３の上端部を、絶縁材による絶縁ホルダ４に直接保持するとともに、電極支持棒３を介してコロナ放電電極２の上端を絶縁ホルダ４に保持している。

外筒であるケーシング１の内周面には、その下端部を残して、セラミックや耐熱ガラス材等の縦長円筒形誘電体５が付設されており、この誘電体５の上端部は、ケーシング１の上端を越えて絶縁ホルダ４の内部に保持されている。

ケーシング１の下端は緩やかな円弧ですぼまっていて、ケーシング１の周壁内径より小さい噴射口６を開口させている。ケーシング１はステンレス等の金属製であるが、噴射口６の口縁は、後述するようにアーク放電のための対向電極となることから、電食に強い合金等による補強リング７が嵌め込まれている。

ケーシング１の上端には鍔部８が形成されており、この鍔部８をその下側の押さえリング９にて電極ホルダ４の下面に固定することにより、ケーシング１は電極ホルダ４に保持されている。この鍔部８には、電極ホルダ４の上面から突出する電源端子１０が接続されており、ケーシング１は、この電源端子１０を介して後述する電源装置に接続される。

電極支持棒３もステンレス等の金属製で、その上端部を絶縁ホルダ４に貫通させてこれに保持され、貫通したその上端には電源端子１１が接続されていて、電極支持棒３もこの電源端子１１を介して電源装置に接続される。

縦長円筒形のコロナ放電電極２は、その上端と下端を環状の上下の電極セパレータ１２・１３を介して電極支持棒３に保持されている。上下の電極セパレータ１２・１３はセラミック等の絶縁材で、コロナ放電電極２と電極支持棒３とを電気的に絶縁する。コロナ放電電極２の上端には、絶縁ホルダ４を貫通する電源端子１４が接続されていて、コロナ放電電極２もこの電源端子１４を介して電源装置に接続される。

コロナ放電電極２の周壁外周面は、誘電体５が存在するところでこれを介してケーシング１の周壁の内周面と対向し、誘電体５の内周面との間に断面環状のガス流路１５を形成している。コロナ放電電極２の周壁外周面には、細かいネジ山ピッチ（例えば、１ｍｍ程度）でネジ１６が形成されており、その先端の尖ったネジ山の一つ一つしかもその全周が、ケーシング１の周壁を対向電極としてコロナ放電を起こす放電先端となる。

コロナ放電電極２の上端から下端までの全長で誘電体５を介した誘電体バリア放電が生ずるように、誘電体５は、コロナ放電電極２の上端よりも上方へ延びているとともに、コロナ放電電極２の下端よりも下方へ延びている。また、コロナ放電電極２の下端でのコロナ放電が、その下方でのアーク放電と干渉しないように、下側の電極セパレータ１３の下周縁には、環状の周壁１３ａが突出形成されている。

電極支持棒３は、縦長円筒形のコロナ放電電極２中をその軸線に沿って上下に貫通しており、この電極支持棒３の下端にはステンレスや合金等による環状のアーク放電電極１７が固定されている。アーク放電電極１７は、電極支持棒３を介して電源装置に接続される。このアーク放電電極１７と下側の電極セパレータ１３との間には、押さえボルト１８が介在している。

アーク放電電極１７の下周縁には、径を拡げながらしかも肉厚を徐々に薄くしながら斜め下向きに突出する環状突部１７ａが形成されており、この環状突部１７ａの尖った先端しかもその全周が、噴射口６の口縁を対向電極としてアーク放電を起こす放電先端となる。この放電先端は、対向電極となる噴射口６の口縁より離れた（好ましくは、距離が１０〜２０ｍｍ程度）その上方に位置しているが、径は噴射口６の口縁よりも小さい。

アーク放電電極１７の下面であってその環状突部１７ａの内側に、セラミック製のアーク放電拡散部材１９が付設されている。このアーク放電拡散部材１９は円錐台形で、その外径を徐々に大きくしながら噴射口６まで延びており、噴射口６の口縁の内側周囲を環状に残して噴射口６を部分的に塞いでいる。

一方、上端の絶縁ホルダ４では、その下面開口した凹部４ａに円筒形の誘電体５の上端部を嵌合させて誘電体５が固定されているとともに、その更に内側に、渦流発生体２０を嵌合させてこの渦流発生体２０が固定されている。この渦流発生体２０には、絶縁ホルダ４に設けられたガス入口２１と連通する複数の螺旋状の孔２２が上下に貫通して設けられている。この孔２２は、コロナ放電電極２と誘電体４との間のガス流路１５と、絶縁ホルダ４の凹部４ａ内を介して連通している。

ガス入口２１にはガス管２３が接続されており、空気やアルゴンや窒素やヘリウム等のガスが外部から送入される。

以上のような機械的構造の本プラズマ発生装置において、外部からガスをガス入口２１へ送入すると、そのガスは、絶縁ホルダ４に固定された渦流発生体２０の螺旋状の孔２２を通り抜けることにより渦流となり、コロナ放電電極２と誘電体４との間のガス流路１５中を渦流となって流れ、噴射口６へ向かう。

このようにガスを流しながら、ケーシング１を共通の対向電極として、コロナ放電電極２とケーシング１との間、及びアーク放電電極１７とケーシング１との間に後述するような減衰振動波形周期波の電圧を同時に印加すると、前段のコロナ放電電極２とケーシング１の周壁との間では、コロナ放電電極２のネジ１６のネジ山の一つ一つしかもその全周が放電先端となって、誘電体４を介した無数のコロナ放電（誘電体バリア放電）が、コロナ放電電極２の全長及び全周でケーシング１の周壁に向かって同時に高密度に起こり、渦流となって流れるガス中に電離により大量のラジカルが生成される。渦流は、ネジ１６のネジ山での一点に集中するような局所集中的放電を防止する作用、及びラジカル生成を促進する作用がある。

後段のアーク放電電極１７とケーシング１の噴射口６の口縁との間では、アーク放電電極１７の尖った環状突部１７ａの先端の全周を放電先端として、 アーク放電が噴射口６の口縁に向かって起こる。このとき、円錐台形のアーク放電拡散部材１９はセラミック製であるためアーク放電の妨げとなり、アーク放電電極１７の環状突部１７ａより内側での放電を防止しながら噴射口６の口縁への放電を誘導し、またアーク放電を環ビーム状としてそれを円錐形に拡散させる。アーク放電拡散部材１９は、アーク放電に曝されることから、耐久性も考慮してセラミック製としてある。

このようなアーク放電によりプラズマが生成され、そのプラズマは、円錐台形のアーク放電拡散部材１９により円錐形に拡散して噴射口６から噴射される。その際、環ビーム状のアーク放電がケーシング１の噴射口６の口縁へ向かって生ずるので、プラズマの電荷は、噴射口６の口縁全周でケーシング１へバイパスされ、電荷をもたない（電位がほとんど０）極性が中性なプラズマとなる。また、前段でのコロナ放電が上述のように無数に高密度に生じ、しかもアーク放電が、線状ではなく環ビーム状でしかもそれが円錐形に拡散していくので、プラズマの発生量が多くなるとともに、その拡散範囲も広く、またガス中のオゾンはほとんど破壊されて大半がラジカルとなる。

更に、印加される電圧が、後述するような減衰振動波形周期波であるため、減衰振動波の繰り返し周期でアーク放電が間欠的に繰り返され、しかも各周期でアーク放電が瞬時に中断されるため、アーク放電による電極の加熱が抑制される。渦流は、ここでも、環状突部１７ａの先端で一点に集中するような局所集中的放電を防止する作用があるとともに、更に電極を冷却する作用、プラズマの噴射とその拡散を助長する作用もある。

次に、コロナ放電電極２とケーシング１との間、及びアーク放電電極１７とケーシング１との間に減衰振動波形周期波の電圧を同時に印加する電源装置について説明する。

図２はそのブロック図で、先ず高圧トランス３０の一次側に印加する正負パルス波を生成するためのフルブリッジスイッチング回路（インバータ）３１について説明する。

このフルブリッジスイッチング回路３１は、商用周波数の電圧を整流する整流回路３２と直流安定化電源回路３３による直流電源を電源としている。直流安定化電源回路３３の出力電圧は出力設定器３４により調整できる。

フルブリッジスイッチング回路３１は、２組のトーテムポール回路、すなわち第１の半導体スイッチング素子ＳＷ１を上アーム、第２の半導体スイッチング素子ＳＷ２を下アームとする第１組のトーテムポール回路と、第３の半導体スイッチング素子ＳＷ３を上アーム、第４の半導体スイッチング素子ＳＷ４を下アームとする第２組のトーテムポール回路とで構成され、各半導体スイッチング素子にダイオードを並列接続したＨブリッジ回路であって、位相制御によるＰＷＭ（パルス幅変調）にて次のようにスイッチング動作される。

すなわち、スイッチングさせるパルス幅を５０％デューティとし、図３のタイミングチャートに示すように、先ず第１と第２の半導体スイッチング素子ＳＷ１・ＳＷ２による第１組のトーテムポール回路をスイッチングさせてから、これより遅れて第３と第４の半導体スイッチング素子ＳＷ３・ＳＷ４による第２組のトーテムポール回路をスイッチングさせる。同図において破線で示すようなＰＷＭ動作により、第１の半導体スイッチング素子ＳＷ１と第４の半導体スイッチング素子ＳＷ４から正のパルスが出力され、次の半サイクルで第２の半導体スイッチング素子ＳＷ２と第３の半導体スイッチング素子ＳＷ３から負のパルスが出力される。このようにすると、出力されるパルス幅を０％から５０％まで直線的に可変することができる。

このようにスイッチング動作させるための前段の回路について、図２のブロック図と図４のタイミングチャートを参照して説明する。

電圧制御発振器（ＶＣＯ）３５の発振信号は、その繰り返し周波数を繰り返し周波数設定器３６にて調整できるようになっており、その発振信号は、矩形波発振回路３７によりデューティ５０％の図４（１）・（２）に示すような矩形波信号及びその反転信号として出力される。その出力は、一方では第１のＡＮＤゲート３８に直接入力され、他方では、遅延回路４０にて図４（３）に示すように遅延されてから第２のＡＮＤゲート３９に入力されるものとに分かれ、後者は、図４（４）・（５）に示すように遅延された矩形波信号及びその反転信号となる。これら４種の矩形波信号は、シーケンス回路４１により起動スイッチ４２がオンとなり、起動／停止回路４３からゲート信号がＡＮＤゲート３８・３９に入力されることにより、これらＡＮＤゲート３８・３９から出力される。

第１のＡＮＤゲート３８の出力は、第１の遅延用ＡＮＤ回路４４及び第１の遅延用ＮＯＲ回路４５を介してゲートドライブ回路４６へ入力され、第２のＡＮＤゲート３９の出力は、第２の遅延用ＡＮＤ回路４７及び第２の遅延用ＮＯＲ回路４８を介して同じくゲートドライブ回路４６へ入力される。そして、このゲートドライブ回路４６によりフルブリッジスイッチング回路３１の４個の半導体スイッチング素子ＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４が上述のようにスイッチングされることにより、図４（６）に示すように、フルブリッジスイッチング回路３１の第１の半導体スイッチング素子ＳＷ１と第４の半導体スイッチング素子ＳＷ４から正のパルスが出力され、次の半サイクルで第２の半導体スイッチング素子ＳＷ２と第３の半導体スイッチング素子ＳＷ３から負のパルスが出力され、これが周期的に繰り返される。その繰り返し周波数は繰り返し周波数設定器３６にて調整できる。

このある時間間隔の正負交互のパルス波は、コンデンサＣを介して高圧トランス３０一次側に印加され、高圧トランス３０が持つＬＣ成分により、図４（７）に示すように、共振した減衰振動波が間欠的に繰り返す高圧の減衰振動波形周期波となり、これがコロナ放電電極２とケーシング１の周壁とによるコロナ放電部、及びアーク放電電極１７とケーシング１の噴射口６の口縁とによるアーク放電部に同時に印加される。

このような電圧印加によりアーク放電は間欠的に行われる。減衰振動波であるためアーク放電時のトランス出力は図４（８）に示すようなトリガとなり、各アーク放電は図４（９）に拡大して示すように瞬時に中断する。コロナ放電は、図４（９）及び図４（１０）に示すようにアーク放電終了時点まで継続し、これが減衰振動波形周期波の繰り返し周期で繰り返される。

フルブリッジスイッチング回路３１から出力されるパルス幅は、位相制御により上述のように０％から５０％まで直線的に可変することができることから、共振した各減衰振動波の電圧立ち上がり時間を容易に１μｓ以下にできるとともに、０から１μｓ以下の狭い範囲でもその調整が容易であり、発生するプラズマの低温化に効果的である。

図２に示したような電源装置の高圧トランス３０の二次側に、図１に示したような構造の複数台のプラズマ装置の電極を図５に示すように直列に接続すれば、１台の電源装置を用いて複数台のプラズマ装置から平均化したプラズマを同時に発生できる。

本発明は、その用途として表面改質に限らず、大気圧プラズマエッチング、アッシング、洗浄、プリント基板の検査装置（非接触センサ）、ガス分解、プラズマカッタ、殺菌等にも適用できる。

本発明によるプラズマ発生装置の機械的構造を示す断面図である。 その電源装置のブロック図である。 図２中のフルブリッジスイッチング回路の動作タイミングチャートである。 図２の電源装置の動作タイミングチャートである。 本発明の応用例を示す概要構成図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ コロナ放電電極
３ 電極支持棒
４ 絶縁ホルダ
４ａ 凹部
５ 誘電体
６ 噴射口
７ 補強リング
８ 鍔部
９ 押さえリング
１０ 電源端子
１１ 電源端子
１２・１３ 電極セパレータ
１３ａ 周壁
１４ 電源端子
１５ ガス流路
１６ ネジ
１７ アーク放電電極
１７ａ 環状突部
１８ 押さえボルト
１９ アーク放電拡散部材
２０ 渦流発生体
２１ ガス入口
２２ 螺旋状の孔
２３ ガス管
３０ 高圧トランス
３１ フルブリッジスイッチング回路
ＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４ 半導体スイッチング素子
３２ 整流回路
３３ 直流安定化電源回路
３４ 出力設定器
３５ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）
３６ 繰り返し周波数設定器
３７ 矩形波発振回路
３８・３９ ＡＮＤゲート
４０ 遅延回路
４１ シーケンス回路
４２ 起動スイッチ
４３ 起動／停止回路
４４・４７ 遅延用ＡＮＤ回路
４５・４８ 遅延用ＮＯＲ回路
４６ ゲートドライブ回路

Claims (21)

1. ケーシング内にガスを送入し、ケーシング内における前段のコロナ放電と後段のアーク放電でプラズマとしてケーシングの噴射口から噴射するプラズマ発生方法であって、前記ケーシング内のガス流路に沿って形成されたコロナ放電電極から、ケーシングの周壁を対向電極として多数のコロナ放電を同時に発生させるとともに、ケーシング内のアーク放電電極に対してケーシングの噴射口を対向電極として間欠的にアーク放電させて、そのアーク放電によりプラズマを生成し、噴射口から噴射することを特徴とするプラズマ発生方法。
2. 減衰振動波が間欠的に繰り返し生ずる減衰振動波形周期波の電圧を、コロナ放電電極とケーシングの周壁によるコロナ放電部、及びアーク放電電極とケーシングの噴射口によるアーク放電部に共に印加し、アーク放電部では間欠的にアーク放電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方法。
3. 減衰振動波形周期波の各減衰振動波ごとに共振させ、その各減衰振動波ごとにアーク放電発生に伴い共振ズレを生じさせてアーク放電を中断させることにより、間欠的アーク放電とすることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生方法。
4. ある時間間隔をおいた正負逆位相のパルスをある繰り返し周波数で高圧トランスの一次側に供給し、該高圧トランスの二次側から各減衰振動波ごとに共振した減衰振動波形周期波として出力することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ発生方法。
5. 減衰振動波の周波数を可変することを特徴とする請求項４に記載のプラズマ発生方法。
6. 共振した各減衰振動波の電圧立ち上がり時間が１μｓ以下であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のプラズマ発生方法。
7. 減衰振動波の繰り返し周期が１０〜５０ＫＨｚであることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載のプラズマ発生方法。
8. コロナ放電部では、ケーシング内のガス流路に沿って形成されたコロナ放電電極の多数の放電先端とケーシングの周壁との間で、それら間に介在された誘電体を介して多数の誘電体バリア放電を発生させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ発生方法。
9. アーク放電部では、ケーシング内のアーク放電電極からのアーク放電ビームを、アーク放電を妨げるアーク放電拡散部材により円錐状に拡散させながら噴射口へ向けることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマ発生方法。
10. 電源装置から高電圧を印加されるコロナ放電部及びアーク放電部を、ガス送入されるケーシング内に内蔵し、前段のコロナ放電と後段のアーク放電でプラズマとしてケーシングの噴射口から噴射するプラズマ発生装置であって、
    前記コロナ放電部は、前記ケーシング内のガス流に沿って多数の放電先端を形成していて、ケーシングの周壁を対向電極として多数のコロナ放電を同時に発生させ、
    前記アーク放電部は、前記ケーシング内のアーク放電電極に対してケーシングの噴射口の周縁が対向電極となっていて、それらの間で間欠的にアーク放電させてプラズマを生成し、
    前記電源装置は、減衰振動波が間欠的に繰り返し生ずる減衰振動波形周期波の電圧をコロナ放電部及びアーク放電部に印加し、アーク放電を間欠的に起こすことを特徴とするプラズマ発生装置。
11. 電源装置は、印加する減衰振動波を、間欠的に繰り返し生ずる減衰振動波形周期波として各減衰振動波ごとに共振させ、その各減衰振動波ごとにアーク放電発生に伴い共振ズレを生じさせてアーク放電を中断させることにより、間欠的アーク放電とすることを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ発生装置。
12. 電源装置は、ある時間間隔をおいた正負逆位相のパルスをある繰り返し周波数で高圧トランスの一次側に供給し、該高圧トランスの二次側から各減衰振動波ごとに共振した減衰振動波形周期波として出力することを特徴とする請求項１１に記載のプラズマ発生装置。
13. 電源装置は、減衰振動波の周波数を可変する周波数可変手段を備えていることを特徴とする請求項１２に記載のプラズマ発生装置。
14. コロナ放電部は、ケーシングの周壁を対向電極としてその内部に筒状のコロナ放電電極を有し、該コロナ放電電極の外周面に多数の放電先端を形成しているとともに、ケーシングの周壁内側に誘電体を設けていて、多数の誘電体バリア放電を同時に起こすことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
15. 筒状のコロナ放電電極の外周面にネジが形成され、そのネジ山が多数の放電先端となっていることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ発生装置。
16. アーク放電部は、ケーシング内のアーク放電電極とケーシングの噴射口との間に、アーク放電を妨げるアーク放電拡散部材を有し、アーク放電電極からアーク放電ビームをこのアーク放電拡散部材により円錐状に拡散させながら噴射口へ向けることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
17. アーク放電部は、ケーシング内のアーク放電電極がリング状の電極先端部を有し、アーク放電拡散部材が、リング状の電極先端部の内側からケーシングの噴射口まで外径を大きくしながら延びていることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマ発生装置。
18. アーク放電電極が、筒状のコロナ放電電極中を貫通する電極支持棒の先端に設けられていることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のプラズマ発生装置。
19. ケーシング、筒状のコロナ放電電極及び電極支持棒のそれぞれの基端が絶縁ホルダに保持され、ケーシング外からのガスを渦流にして筒状のコロナ放電電極とケーシングとの間のガス流路に導入する渦流発生体が、ケーシング内の基端部に設けられていることを特徴とする請求項１８に記載のプラズマ発生装置。
20. 渦流発生体が、ガスを渦流にして通す螺旋状の孔を有することを特徴とする請求項１９に記載のプラズマ発生装置。
21. アーク放電拡散部材がセラミック製であることを特徴とする請求項１６〜２０のいずれかに記載のプラズマ発生装置。

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