JP6307591B2 - 大気圧プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気圧下でプラズマを発生させる大気圧プラズマ発生装置に関するものである。

大気圧プラズマ発生装置は、例えば、１対の電極間に電圧を印加することで、処理ガスをプラズマ化させ、プラズマにより、被処理体に対するプラズマ処理が行われる。ただし、処理ガスをプラズマ化させる際には、高電圧の電力が印加されるため、プラズマが高温となり、被処理体が熱により変形，変質する虞がある。このようなことに鑑みて、下記特許文献に記載の大気圧プラズマ発生装置は、電圧が印加される前に、処理ガスを冷却するためのガス冷却器を備えており、プラズマの温度に応じて、処理ガスが、ガス冷却装置によって冷却される。

詳しくは、大気圧プラズマ発生装置のプラズマの吹出口に、温度センサが設けられており、プラズマの温度が、温度センサによって測定される。そして、温度センサによって測定されたプラズマの温度を用いて、ガス冷却器の作動がフィードバック制御される。つまり、温度センサによって測定されたプラズマの温度が所定の温度より高い場合には、処理ガスの温度が低くなるように、ガス冷却器の作動が制御され、温度センサによって測定されたプラズマの温度が所定の温度より低い場合には、処理ガスの温度が高くなるように、ガス冷却器の作動が制御される。これにより、発生するプラズマの温度を所定の温度に保つことが可能となり、高温のプラズマの発生を防止することが可能となる。

特開２０１０−０６１９３８号公報

上記特許文献に記載の大気圧プラズマ発生装置は、処理ガスがプラズマ化する程度の温度で電極付近にも流れる。このようにプラズマ化する程度の温度でプラズマ発生を続けると、大気圧プラズマ発生装置の電極は消耗が早く進み寿命が短くなる。

上記課題を解決するために、本願に記載の大気圧プラズマ発生装置は、筐体と、前記筐体内に設けられる第１区域と、前記第１区域に加温した第１処理ガスを流入するガス加温器と、前記筐体内に設けられ前記第１区域に隣接する第２区域と、前記第２区域に冷却した第２処理ガスを流入するガス冷却器と、前記第２区域内に設けられるプラズマ発生用電極と、前記プラズマ発生用電極により前記第１区域に存する第１処理ガスをプラズマ化するプラズマ発生器と、前記プラズマ発生器によりプラズマ化されたプラズマガスを吹き出す吹出口と、を備えることを特徴とする大気圧プラズマ発生装置であって、前記大気圧プラズマ発生装置は、前記第１区域と前記第２区域の間に区分け部材を備え、前記第２区域に前記プラズマ発生用電極を２つ備え、前記プラズマ発生用電極は前記第１区域を挟んで対向するよう設けられ、前記区分け部材には、前記プラズマ発生用電極から前記第１区域を向く方向に放電用開口が設けられ、前記放電用開口を通して前記プラズマ発生用電極によりプラズマを発生させること、を特徴とする。

本願に記載の大気圧プラズマ発生装置では、プラズマ発生用電極が第２区域内で第２処理ガスによって冷却されるため、電極の消耗を抑えることができる。

本発明の実施例である大気圧プラズマ発生装置を示す図である。 本発明の実施例である大気圧プラズマ発生装置を放電用開口１８側から見た図を示すものである。 図１の大気圧プラズマ発生装置が備えるボルテックスチューブを示す概略図である。 図１の大気圧プラズマ発生装置が備える制御装置を示すブロック図である。 図１の大気圧プラズマ発生装置を備える対被処理体作業機を示す図である。

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に、本発明の実施例の大気圧プラズマ発生装置３０を示す。大気圧プラズマ発生装置３０は、大気圧下でプラズマを発生させるための装置である。大気圧プラズマ発生装置３０は、筐体１２を有しており、筐体１２は、第１区域１６と第２区域１４によって構成される。第１区域１６には、第１処理ガス流路６が繋がれと吹出口２０が形成されている。吹出口２０は被処理体へ向かう方向へ開口する。第１処理ガス流路６の一端部は、第１区域１６の上面に繋がれ、第２処理ガス流路８の一端部は、第２区域１４の上面に繋がれる。また、第１処理ガス流路６、及び、第２処理ガス流路８の他端部は、筐体１２に近接して配設されたボルテックスチューブ４に接続されている。

ボルテックスチューブ４は、ボルテックス効果を利用して、冷却ガスと高温ガスとを発生させるための装置である。ボルテックスチューブ４は公知の装置であるため、以下に簡単に説明する。ボルテックスチューブ４は、図２に示すように、概してチューブ状のハウジング５０を備えており、両端部に、冷却ガス吹出口５２と高温ガス吹出口５４とが形成されている。さらに、チューブ状のハウジング５０の側面には、圧縮ガス供給口５６が形成されている。そして、圧縮ガスが、圧縮ガス供給口５６からハウジング５０内に供給されると、供給されたガス５７は、ハウジング５０の内壁面に沿って渦状に、高温ガス吹出口５４に向かって流れる。

その高温ガス吹出口５４には、バルブ５８が設けられている。このため、ハウジング５０内に供給されたガスの一部が、バルブ５８の開閉量に応じて、高温ガス吹出口５４から吹き出されるが、残りのガスは、ハウジング５０内に戻される。バルブ５８によってハウジング５０内に戻されたガス５９は、ハウジング５０の内壁面に沿って渦状に流れるガス５７の内側、つまり、ハウジング５０の径方向における中心部を流れる。そして、ハウジング５０の中心部を流れるガス５９は、冷却ガス吹出口５２に向かって流れ、冷却ガス吹出口５２から吹き出される。

この際、ハウジング５０の内壁面に沿って渦状に流れるガス５７の運動エネルギーと、ハウジング５０の中心部を流れるガス５９の運動エネルギーとの差により、ハウジング５０の中心部を流れるガス５９から、ハウジング５０の内壁面に沿って渦状に流れるガス５７に熱エネルギーが移動する。これにより、高温ガス吹出口５４から、高温のガスが吹き出され、冷却ガス吹出口５２からは、冷却されたガスが吹き出される。

上記構造のボルテックスチューブ４が、図１に示すように、筐体１２に近接して配設されている。そして、ボルテックスチューブ４の圧縮ガス供給口５６は、圧縮ガス流路２に接続され、冷却ガス吹出口５２は第２ガス流路８に接続され、高温ガス吹出口５４は第１処理ガス流路６に接続されている。

第１区域１６は、第２区域１４と区分けされ、第２区域に挟まれるように設ける。また、第１区域１６は第１処理ガス流路６を介して第１処理ガスである高温ガスが流れ込むようにボルテックスチューブ４と繋がれる。そして、第１区域１６ではプラズマ発生用電極２４間の放電により第１処理ガスがプラズマ化される。さらに、プラズマは第１区域１６の吹出口２０から吹き出されるように流れる。

第２区域１４には、その内部にプラズマ発生電極２４が第１区域１６を挟んで対向するように設けられる。また、第２区域１４は、第２処理ガス流路８を介して第２処理ガスである冷却ガスが流れ込むようにボルテックスチューブ４と繋がれる。そして、第２区域１４は区分け部材３２により第１区域と区分けされている。さらに、区分け部材３２には放電用開口１８がプラズマ発生用電極２４間に電流が流れるように設けられる。この放電用開口１８から第２処理ガスである冷却ガスが第１区域１６へ流れる。プラズマ発生用電極２４は、配線のためのソケット２２が繋がれる。

区分け部材３２は管状であるとその作用をさらに発揮することができる。これは、ソケットから電極へ向かう方向が管状部材の長手方向と略平行であるとプラズマ発生電極２４が効率的に冷却ガスにより冷却されるからである。

また、プラズマ発生用電極２４に電圧を印加するとプラズマが発生するが、このとき電極にコンタミが発生し消耗する。区分け部材３２は管状であって封止部材３４によって第２区域１４の下方が冷却ガスの流れを止める空間になっていると、そこにコンタミを付着させ第１区域１６へコンタミが流出することを防ぐことができる。さらに、筐体１２をコンパクトに設計するため、第２区域から第１区域へガスを流す方向は、第２区域内で冷却ガスが流れる方向と略垂直であることが望ましい。

封止部材３４は筐体１２の外側から工具などで取り外し可能に形成されていることが望ましい。コンタミを除去する作業や、電極を交換する作業が容易に行うことができるからである。

さらに、第２区域１６に放電用開口１８とは別に冷却ガス排出用開口を設けても良い。このようにすればコンタミを別に回収することができるし、冷却ガスによって第１区域１６を冷却することを防ぐことができる。冷却ガス排出用開口は被処理体へは向かわない方向、例えば図１で示すところの横方向などに設けることが望ましい。

大気圧プラズマ発生装置３０は、図３に示すように、制御装置８０を備えている。制御装置８０は、コントローラ８２と駆動回路８４と制御回路８６とを備えている。駆動回路８４は電磁式リニア弁６６に接続されている。そして、このリニア弁は圧縮ガス流路２に圧縮された処理ガスを供給するものである。また、制御回路８６は、１対の電極７２に接続されている。コントローラ８２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備え、コンピュータを主体とするものであり、駆動回路８４および制御回路８６に接続されている。これにより、電磁式リニア弁６６の作動、および、１対の電極７２への電圧の印加が、コントローラ８２によって制御される。

＜大気圧プラズマ発生装置によるプラズマの発生＞大気圧プラズマ発生装置３０は、上述した構成により、筐体１２内に供給されたガスに、電圧を印加することで、ガスをプラズマ化させる。そして、大気圧プラズマ発生装置３０は、吹出口２０からプラズマを吹き出すことで、被処理体に対してプラズマ処理を施す。具体的に、大気圧プラズマ発生装置３０によるプラズマの発生について以下に、詳しく説明する。

大気圧プラズマ発生装置３０は、まず、圧縮ガス流路２に圧縮された処理ガスを供給する。処理ガスは、窒素等の不活性ガスと、空気中の酸素等の活性ガスとを任意の割合で混合させたガスであってもよく、不活性ガスや空気のみであってもよい。圧縮ガス流路２に供給された処理ガスは、ボルテックスチューブ４に供給される。これにより、上述したように、処理ガスが冷却され、ボルテックスチューブ４の冷却ガス吹出口５２から、冷却された処理ガスが吹き出される。また、処理ガスが加熱され、ボルテックスチューブ４の高温ガス吹出口５４から、高温の処理ガスが吹き出される。

冷却ガス吹出口５２から吹き出された処理ガスは、第２処理ガス流路８を介して、第２区域１４に流入する。一方、高温ガス吹出口５４から吹き出された処理ガスは、第１処理ガス流路６を介して、第１区域１６に流入する。

制御装置８０は第１処理ガスと第２処理ガスがそれぞれ第１区域１６と第２区域１４内に充満してから、筐体１２内において１対のプラズマ発生用電極２４に電圧が印加され電極間に電流が流れる。これにより、電極間に放電が生じ、その放電により処理ガスがプラズマ化される。そして、プラズマが吹出口２０から吹き出され被処理体に対するプラズマ処理が行われる。ガスが充満してから電圧を印加することは、制御装置８０がタイマーを持ち、電磁式リニア弁６６の作動後に、既知である圧縮ガス流路２を処理ガスが流れる流量と大気圧プラズマ発生装置３０内の空間の体積から求められる時間が経過した後、電圧を印加することで行う。

大気圧プラズマ発生装置３０は、ボルテックスチューブ４により処理ガスを冷却・加熱する。このため、大気圧プラズマ発生装置３０はボルテックスチューブ４が持つ能力以上に処理ガスが冷却・加熱されることがない。これにより、大気圧プラズマ発生装置３０に異常が発生した場合であっても、大気圧プラズマ発生装置１０は、被処理体において不適切な低温や高温
のプラズマの発生を確実に防止する。

さらに言えば、大気圧プラズマ発生装置３０では、常閉型の電磁式リニア弁６６が採用されている。このため、例えば、大気圧プラズマ発生装置３０が、何らかの理由で、電磁式リニア弁６６への電力供給を停止した場合には、電磁式リニア弁６６は閉弁するため、圧縮ガス流路２への処理ガスの流入が停止する。つまり、大気圧プラズマ発生装置３０は、電磁式リニア弁６６への電力供給を停止した場合に、処理ガスの供給を停止する。このように、大気圧プラズマ発生装置３０は、電磁式リニア弁６６への電力供給を停止した場合あっても、被処理体において不適切なプラズマの発生を確実に防止することが可能となる。

また、大気圧プラズマ発生装置３０は、処理ガスを冷却する機器として、ボルテックスチューブ４を採用している。ボルテックスチューブ３０は、電力や薬品等を用いることなく、処理ガスを冷却することが可能である。このため、大気圧プラズマ発生装置３０は、環境性能のよい大気圧プラズマ発生装置３０となる。

さらに、大気圧プラズマ発生装置３０は、ボルテックスチューブ５により発生した高温の処理ガスを用いて第１区域においてプラズマ化を行う。つまり、大気圧プラズマ発生装置３０は、処理ガスを冷却する際だけでなく、冷却された処理ガスの温度調整を行う際にも、電力や薬品等を用いていない。これにより、大気圧プラズマ発生装置３０の環境性能を相当高くすることが可能となる。

ボルテックスチューブはその仕様や圧縮ガスの圧力によって冷却ガスと高温ガスの温度が決まる。したがって、温度が設計値より大幅に上回ったり下回ったりすることがなくフェールセーフを実現することができる。

プラズマ発生用電極には通常モリブデン等の材料が用いられる。

図５は対被処理体作業機１０２を示す図である。Ｘロボット１２２とＹロボット１０８により、大気圧プラズマ発生装置１１０とボルテックスチューブ１１４は対被処理体作業機１０２内を移動することができる。被処理体１０３は搬送レーン１０４により対被処理体作業機１０２２に搬入・保持され、処理が終わったら搬出される。

大気圧プラズマ発生装置は、少なくとも１方向に動くロボットのヘッドに取り付けられガス加温器とガス冷却器も共に前記ヘッドに取り付けられることを特徴とする対被処理体作業機とすることが望ましい。このような態様により、大気圧プラズマ発生装置は被処理体に対し効率的にプラズマ処理を施すことができる。また、ボルテックスチューブはなるべく近い位置に配置した方が、より効率的に冷却、加温を行うことができる。

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。具体的には、例えば、上記実施例では、処理ガスを冷却する機器として、ボルテックスチューブ４が採用されているが、冷却媒体等を用いた機器等を採用することが可能である。また、冷却された処理ガスの温度調整に、ボルテックスチューブ４によって加温された処理ガスが用いられているが、ヒータ等の加温装置によって、冷却された処理ガスの温度調整を行うことが可能である。

４：ボルテックスチューブ１８：放電用開口３０：大気圧プラズマ発生装置３６：ボルテックスチューブ８０：制御装置１０２：対被処理体作業機１０２

Claims (9)

1. 筐体と、前記筐体内に設けられる第１区域と、前記第１区域に加温した第１処理ガスを流入するガス加温器と、前記筐体内に設けられ前記第１区域に隣接する第２区域と、前記第２区域に冷却した第２処理ガスを流入するガス冷却器と、前記第２区域内に設けられるプラズマ発生用電極と、前記プラズマ発生用電極により前記第１区域に存する第１処理ガスをプラズマ化するプラズマ発生器と、前記プラズマ発生器によりプラズマ化されたプラズマガスを吹き出す吹出口と、を備えることを特徴とする大気圧プラズマ発生装置であって、
   前記大気圧プラズマ発生装置は、前記第１区域と前記第２区域の間に区分け部材を備え、前記第２区域に前記プラズマ発生用電極を２つ備え、前記プラズマ発生用電極は前記第１区域を挟んで対向するよう設けられ、前記区分け部材には、前記プラズマ発生用電極から前記第１区域を向く方向に放電用開口が設けられ、前記放電用開口を通して前記プラズマ発生用電極によりプラズマを発生させること、を特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
2. 前記プラズマ発生用電極はソケットと電極片を備え、前記第２区域は管状部材により前記第１区域と区分けされ、前記ソケットから前記電極片へ向かう方向と前記管状部材の長手方向とが略平行であること、を特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ発生装置。
3. 前記第２処理ガスが流れる冷却方向と前記放電用開口を通して前記第２処理ガスが前記第１区域へ流れる向きが略垂直であること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の大気圧プラズマ発生装置。
4. 前記第２区域の下端には処理ガスが流れないような封止部材を備え、前記放電用開口の下端と前記封止部材との間に空間が設けられること、を特徴とする請求項１乃至請求項３の内いずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。
5. 前記ガス加温器又は前記ガス冷却器の少なくとも一方がボルテックスチューブであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の内いずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。
6. 前記大気圧プラズマ発生装置は、ボルテックスチューブを備え、前記ガス加温器はボルテックスチューブの暖気排出口であり、前記ガス冷却器がボルテックスチューブの冷気吹出口であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の内いずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。
7. 前記吹出口は前記第１区域に繋がること、を特徴とする請求項１乃至請求項６の内いずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。
8. 前記大気圧プラズマ発生装置は、制御装置を備え、前記制御装置は、前記第１処理ガス及び前記第２処理ガスが前記筐体に内に充満してから前記プラズマ発生用電極に電圧を印加すること、を特徴とする請求項１乃至請求項７の内いずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。
9. 請求項１乃至請求項８の内いずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置は、少なくとも１方向に動くロボットのヘッドに取り付けられ、前記ガス加温器と前記ガス冷却器も共に前記ヘッドに取り付けられること、を特徴とする対被処理体作業機。
   

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