JP6697470B2 - プラズマ照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、被処理体にプラズマを照射するプラズマ照射装置に関する。

プラズマ照射装置は、噴出口からプラズマを噴出させることで、被処理体にプラズマを照射する。この際、プラズマの照射条件を一定とすることが望まれており、下記特許文献には、被処理体とプラズマの噴出口との距離を調整するための技術が記載されている。

特開２０１４−１１３５３４号公報

上記特許文献に記載の技術によれば、プラズマの照射条件のうちの照射距離を調整することが可能となる。しかしながら、プラズマは、活性ラジカルを含んでいるため、酸素と反応すると、オゾンとなり、プラズマ照射の効果が低下する。このため、プラズマ照射条件として、プラズマ照射時において、被処理体の周囲の酸素等の特定の気体の濃度条件を管理することが好ましい。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、被処理体の周囲の特定の気体の濃度条件を管理することである。

上記課題を解決するために、本願に記載のプラズマ照射装置は、所定のスペースを区画するカバーハウジングと、前記カバーハウジングの内部に向かってプラズマを噴出するプラズマ発生装置と、前記カバーハウジングの内部にガスを供給するガス供給装置と、前記カバーハウジングの内部に配設され、被処理体を載置するためのステージと、前記ステージを移動させ、前記ステージと、前記プラズマ発生装置の前記カバーハウジングの内部へのプラズマの噴出口との間の距離を任意に変更するための移動装置と、前記ステージを冷却する冷却装置と、前記プラズマ発生装置と前記ガス供給装置との作動を制御する制御装置とを備え、前記カバーハウジングの内部に載置された被処理体にプラズマを照射するプラズマ照射装置において、前記被処理体が、液体であり、前記制御装置が、前記カバーハウジングの内部に前記ガス供給装置によってガスを供給した後に、前記カバーハウジングの内部に向かって前記プラズマ発生装置によってプラズマを噴出させるとともに、プラズマが噴出されている際も、前記カバーハウジングの内部に前記ガス供給装置によってガスを供給するように、前記プラズマ発生装置と前記ガス供給装置との作動を制御することを特徴とするプラズマ照射装置であって、前記カバーハウジングが、内部からガスを排気するためのダクト口を有し、前記ダクト口の前記カバーハウジングの内部への開口部に、前記カバーハウジングの内壁面に向かって傾斜し、前記移動装置を挿通するための穴が設けられたテーパ面が形成されたことを特徴とする。

本願に記載のプラズマ照射装置では、カバーハウジングの内部に不活性ガス等の所定のガスが供給された後に、カバーハウジングの内部に向かってプラズマが噴出される。また、プラズマが噴出されている際も、カバーハウジングの内部への不活性ガスの供給が継続される。これにより、カバーハウジングの内部から不活性ガスによって、空気等の特定のガスを排気することが可能となり、被処理体の周囲の特定の気体の濃度条件を管理することが可能となる。

大気圧プラズマ照射装置の斜視図である。 プラズマ発生装置の分解図である。 プラズマ発生装置の分解図である。 プラズマ発生装置の断面図である。 大気圧プラズマ照射装置の斜視図である。 大気圧プラズマ照射装置の側面図である。 大気圧プラズマ照射装置の側面図である。 大気圧プラズマ照射装置の斜視図である。 冷却装置の概略図である。 制御装置のブロック図である。

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照射装置１０を示す。大気圧プラズマ照射装置１０は、大気圧下でプラズマを培養液に照射するための装置であり、プラズマ発生装置２０と、カバーハウジング２２と、開閉機構２４と、ステージ２６と、昇降装置２８と、冷却装置（図９参照）３０と、パージガス供給機構（図５参照）３２、濃度検出機構３４と、排気機構３６と、制御装置（図１０参照）３８とを備えている。なお、大気圧プラズマ照射装置１０の幅方向をＸ方向と、大気圧プラズマ照射装置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。

プラズマ発生装置２０は、図２乃至図４に示すように、カバー５０と、上部ブロック５２と、下部ブロック５４と、１対の電極５６と、ノズルブロック５８とを含む。カバー５０は、概して、有蓋四角筒形状をなし、カバー５０の内部に、上部ブロック５２が配設されている。上部ブロック５２は、概して直方体形状をなし、セラミックにより成形されている。上部ブロック５２の下面には、１対の円柱状の円柱凹部６０が形成されている。

また、下部ブロック５４も、概して直方体形状をなし、セラミックにより成形されている。下部ブロック５４の上面には、凹部６２が形成されており、凹部６２は、１対の円柱状の円柱凹部６６と、それら１対の円柱凹部６６を連結する連結凹部６８とによって構成されている。そして、下部ブロック５４が、カバー５０の下端から突出した状態で、上部ブロック５２の下面に固定されており、上部ブロック５２の円柱凹部６０と、下部ブロック５４の円柱凹部６６とが連通している。なお、円柱凹部６０と円柱凹部６６とは、略同径とされている。また、凹部６２の底面には、下部ブロック５４の下面に貫通するスリット７０が形成されている。

１対の電極５６の各々は、上部ブロック５２の円柱凹部６０と、下部ブロック５４の円柱凹部６６とによって区画される円柱状の空間に配設されている。なお、電極５６の外径は、円柱凹部６０，６６の内径より小さい。また、ノズルブロック５８は、概して平板状をなし、下部ブロック５４の下面に固定されている。ノズルブロック５８には、下部ブロック５４のスリット７０と連通する噴出口７２が形成されており、その噴出口７２は、ノズルブロック５８を上下方向に貫通している。

プラズマ発生装置２０は、さらに、処理ガス供給装置（図１０参照）７４を有している。処理ガス供給装置７４は、酸素等の活性ガスと窒素等の不活性ガスとを任意の割合で混合させた処理ガスを供給する装置であり、円柱凹部６０，６６によって区画される円柱状の空間および、連結凹部６８の上部に、配管（図示省略）を介して、連結されている。これにより、電極５６と円柱凹部６６との隙間、および、連結凹部６８の上部から、処理ガスが、凹部６２の内部に供給される。

このような構造により、プラズマ発生装置２０は、ノズルブロック５８の噴出口７２からプラズマを噴出する。詳しくは、凹部６２の内部に、処理ガス供給装置７４によって処理ガスが供給される。この際、凹部６２では、１対の電極５６に電圧が印加されており、１対の電極５６間に電流が流れる。これにより、１対の電極５６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、スリット７０を介して、噴出口７２から噴出される。

また、カバーハウジング２２は、図５に示すように、上部カバー７６と、下部カバー７８とを含む。上部カバー７６は、概して有蓋円筒状をなし、上部カバー７６の蓋部には、プラズマ発生装置２０の下部ブロック５４に応じた形状の貫通穴（図示省略）が形成されている。そして、その貫通穴を覆うように、プラズマ発生装置２０のカバー５０が、上部カバー７６の蓋部に立設された状態で固定されている。このため、プラズマ発生装置２０の下部ブロック５４および、ノズルブロック５８が、上部カバー７６の内部に向かって、Ｚ方向に延びるように、突出している。これにより、プラズマ発生装置２０によって発生されたプラズマが、ノズルブロック５８の噴出口７２から、上部カバー７６の内部に向かって、Ｚ方向に噴出される。

また、上部カバー７６の側面には、３等配の位置に、概して矩形の貫通穴（図示省略）が形成されており、その貫通穴を塞ぐように、透明なガラス板８０が配設されている。これにより、ガラス板８０を介して、上部カバー７６の内部を視認することが可能とされている。

カバーハウジング２２の下部カバー７８は、概して、円板形状とされており、大気圧プラズマ照射装置１０が載置される載置部の筐体（図示省略）に固定されている。下部カバー７８の外径は、上部カバー７６の外径より大きくされており、下部カバー７８の上面には、上部カバー７６と同径の円環状のパッキン８２が配設されている。そして、上部カバー７６が、開閉機構２４によって下方にスライドされることで、上部カバー７６がパッキン８２に密着し、カバーハウジング２２の内部が密閉された状態となる。

詳しくは、開閉機構２４は、図６および図７に示すように、１対のスライド機構８６とエアシリンダ８８とを含む。各スライド機構８６は、支持軸９０とスライダ９２とを含む。支持軸９０は、上記載置部の筐体に、Ｚ方向に延びるように立設されている。また、スライダ９２は、概して円筒形状をなし、支持軸９０の軸方向にスライド可能に、支持軸９０に外嵌されている。そして、上部カバー７６が、上部ブラケット９６と下部ブラケット９８とによって、スライダ９２に保持されている。これにより、上部カバー７６は、Ｚ方向、つまり、上下方向にスライド可能とされている。

エアシリンダ８８は、ロッド１００とピストン（図示省略）とシリンダ１０２とを含む。ロッド１００は、Ｚ方向に延びるように配設され、上端部において上部カバー７６に固定されている。また、ロッド１００の下端部に、ピストンが固定されている。ピストンは、シリンダ１０２の上端から内部に嵌合されており、シリンダ１０２の内部において摺動可能に移動する。また、シリンダ１０２は、下端部において、上記載置部の筐体に固定されており、シリンダ１０２内部には、所定量のエアが封入されている。

これにより、エアシリンダ８８は、ダンパとして機能し、上部カバー７６の急激な下降が防止される。なお、シリンダ１０２内部のエア圧は、上部カバー７６と共にスライドする一体物、つまり、上部カバー７６，プラズマ発生装置２０，スライダ９２等の重量により圧縮可能な圧力とされている。つまり、作業者が、上部カバー７６を上昇させた状態で、上部カバー７６を離すと、上部カバー７６等の自重によって上部カバー７６が下降する。そして、上部カバー７６が、下部カバー７８のパッキン８２に密着し、図８に示すように、上部カバー７６と下部カバー７８とによって、カバーハウジング２２の内部が密閉された状態となる。

また、作業者が、上部カバー７６を上昇させることで、カバーハウジング２２の内部が開放される。なお、上部カバー７６の上面には、磁石（図１参照）１０６が固定されており、上部カバー７６が上昇されることで、磁石１０６が、上記載置部の筐体に引っ付く。このように、磁石１０６を上記載置部の筐体に引っ付けることで、上部カバー７６を上昇させた状態、つまり、カバーハウジング２２が開放された状態が維持される。

ステージ２６は、概して、円板形状とされており、ステージ２６の上面に、シャーレ１１０が載置される。また、ステージ２６の外径は、下部カバー７８の外径より小さくされている。そして、ステージ２６は、下部カバー７８の上面に配設されている。

昇降装置２８は、図７に示すように、支持ロッド１１２と、ラック１１４と、ピニオン１１６と、電磁モータ（図１０参照）１１７とを含む。下部カバー７８には、上下方向に貫通する貫通穴（図示省略）が形成されており、その貫通穴に、支持ロッド１１２が挿通されている。支持ロッド１１２の外径は、貫通穴の内径より小さくされており、支持ロッド１１２は、上下方向、つまり、Ｚ方向に移動可能とされている。その支持ロッド１１２の上端に、ステージ２６の下面が固定されている。

また、ラック１１４は、支持ロッド１１２の軸方向に延びるように、支持ロッド１１２の下部カバー７８から下方に延び出す部分の外周面に固定されている。ピニオン１１６は、ラック１１４に噛合されており、電磁モータ１１７の駆動により回転する。なお、ピニオン１１６は、上記載置部の筐体により回転可能に保持されている。このような構造によって、電磁モータ１１７の駆動によりピニオン１１６が回転することで、支持ロッド１１２がＺ方向に移動し、ステージ２６が昇降する。なお、下部カバー７８の上面には、ステージ２６の隣に、計測ロッド１１８が立設されている。計測ロッド１１８の外周面には、目盛りが記されており、その目盛りによって、ステージ２６のＺ方向の高さ、つまり、ステージ２６の昇降量を目視によって確認することが可能となっている。

冷却装置３０は、図９に示すように、冷却水路１２０と、循環装置１２２と、配管１２４とを含む。冷却水路１２０は、ステージ２６の面方向に沿って、内部を「コ」の字型に貫通しており、ステージ２６の外周面の２箇所において開口している。また、循環装置１２２は、水を冷却するとともに、冷却した水を循環させる装置である。そして、循環装置１２２が、配管１２４を介して、冷却水路１２０に接続されている。これにより、ステージ２６の内部を冷却水が流れることで、ステージ２６が冷却される。

パージガス供給機構３２は、図５に示すように、４個のエアジョイント（図では、３個図示されている）１３０と、パージガス供給装置（図１０参照）１３２とを含む。４個のエアジョイント１３０は、上部カバー７６の側面の上端部において、４等配の位置に設けられており、各エアジョイント１３０は、上部カバー７６の内部に開口している。パージガス供給装置１３２は、窒素等の不活性ガスを供給する装置であり、配管（図示省略）を介して、各エアジョイント１３０に接続されている。このような構造により、パージガス供給機構３２は、上部カバー７６の内部に、不活性ガスを供給する。

濃度検出機構３４は、エアジョイント１４０と、配管１４２と、検出センサ（図１０参照）１４４とを含む。下部カバー７８には、下部カバー７８の上面と側面とを連通する貫通穴（図示省略）が形成されている。その貫通穴の下部カバー７８の上面側の開口１４６は、パッキン８２の内側に位置している。一方、貫通穴の下部カバー７８の側面側の開口に、エアジョイント１４０が接続されている。また、検出センサ１４４は、酸素濃度を検出するセンサであり、配管１４２を介して、エアジョイント１４０に接続されている。このような構造により、濃度検出機構３４は、カバーハウジング２２が密閉された際に、カバーハウジング２２の内部の酸素濃度を検出する。

排気機構３６は、図１に示すように、Ｌ型配管１５０と、連結配管１５２と、メイン配管１５４とを含む。下部カバー７８には、図７に示すように、上面と下面とに開口するダクト口１６０が形成されている。ダクト口１６０の下部カバー７８の上面側の開口は、上方に向かうほど内径が大きくなるテーパ面１６２とされている。つまり、カバーハウジング２２が密閉された際に、テーパ面１６２は、上部カバー７６の内壁面に向かって傾斜した状態となる。一方、ダクト口１６０の下部カバー７８の下面側の開口に、Ｌ型配管１５０が接続されている。そして、そのＬ型配管１５０に、連結配管１５２を介して、メイン配管１５４が接続されている。なお、連結配管１５２のＬ型配管１５０側の部分は、省略されている。また、メイン配管１５４の内部には、オゾンフィルタ１６６が配設されている。オゾンフィルタ１６６は、活性炭により形成されており、オゾンを吸着する。

制御装置３８は、図１０に示すように、コントローラ１７０と、複数の駆動回路１７２とを備えている。複数の駆動回路１７２は、電極５６、処理ガス供給装置７４、電磁モータ１１７、循環装置１２２、パージガス供給装置１３２に接続されている。コントローラ１７０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、複数の駆動回路１７２に接続されている。これにより、プラズマ発生装置２０、昇降装置２８、冷却装置３０、パージガス供給機構３２の作動が、コントローラ１７０によって制御される。また、コントローラ１７０は、検出センサ１４４に接続されている。これにより、コントローラ１７０は、検出センサ１４４の検出結果、つまり、カバーハウジング２２の内部の酸素濃度を取得する。

＜大気圧プラズマ照射装置によるプラズマ照射＞
培養液にプラズマを照射することで、培養液が活性化するため、プラズマ照射された培養液を用いた癌の治療等、医療の分野でのプラズマの活用が期待されている。このため、プラズマ照射された培養液を用いた実験等が行われるが、実験で用いられる培養液は、プラズマ照射される際の条件が管理された状態でプラズマ照射されることが好ましい。大気圧プラズマ照射装置１０では、上述した構成により、培養液が貯留されたシャーレ１１０をステージ２６の上に載置し、カバーハウジング２２を密閉することで、所定の条件下で培養液にプラズマを照射することが可能である。以下に、所定の条件下で、培養液にプラズマを照射する手法について、詳しく説明する。

具体的には、まず、培養液が貯留されたシャーレ１１０をステージ２６の上に載置する。次に、昇降装置２８によってステージ２６を任意の高さに昇降させる。これにより、プラズマの噴出口７２と、プラズマの被照射体としての培養液との間の距離を任意に設定することが可能となる。なお、ステージ２６の昇降高さは、計測ロッド１１８の目盛りにより確認することが可能である。

次に、上部カバー７６を下降させ、カバーハウジング２２を密閉させる。そして、パージガス供給機構３２によって、カバーハウジング２２の内部に不活性ガスが供給される。この際、濃度検出機構３４によって、カバーハウジング２２内の酸素濃度が検出される。そして、検出された酸素濃度が予め設定された閾値以下となった後に、プラズマ発生装置２０によってプラズマが、カバーハウジング２２の内部に噴出される。なお、プラズマが照射されている際も、カバーハウジング２２の内部への不活性ガスの供給は、継続して行われる。

このように、カバーハウジング２２の内部に不活性ガスが供給されることで、カバーハウジング２２内の空気は、カバーハウジング２２の外部に排気される。この際、カバーハウジング２２内の酸素濃度が調整されることで、プラズマ照射に影響を及ぼす条件が管理される。詳しくは、プラズマは、活性ラジカルを含んでいるため、酸素と反応すると、オゾンとなり、プラズマ照射の効果が低下する。このため、カバーハウジング２２内の酸素濃度を調整することで、プラズマ照射された培養液の効果に対する酸素濃度の影響を調べることが可能となる。また、同一条件下で培養液にプラズマを照射することが可能となる。これにより、効率的に実験を行うことが可能となる。

また、大気圧プラズマ照射装置１０では、上述したように、プラズマの噴出口７２と培養液との間の距離が任意に設定される。これにより、プラズマ照射された培養液の効果に対する照射距離の影響を調べることが可能となり、効率的に実験を行うことが可能となる。

なお、プラズマ照射時において、冷却装置３０によりステージ２６の内部に冷却水を循環させる。これにより、ステージ２６が冷却されることで、プラズマ照射によるシャーレ１１０内の培養液の温度上昇を抑制し、培養液の蒸発を防止することが可能となる。また、冷却水の温度を管理することで、プラズマ照射時の培養液の温度を調整することが可能となる。

また、下部カバー７８には、ダクト口１６０が形成されている。このため、カバーハウジング２２内への不活性ガスの供給により、カバーハウジング２２内が正圧となり、カバーハウジング２２内から自然排気される。また、下部カバー７８のダクト口１６０には、下部カバー７８の上面に向かうほど内径の大きいテーパ面１６２が形成されている。これにより、カバーハウジング２２の内部からの気体の排気を促進することが可能となる。さらに、排気機構３６には、オゾンフィルタ１６６が設けられている。これにより、プラズマと酸素とが反応し、オゾンが発生した場合であっても、オゾンの外部への排気を防止することが可能となる。

さらに言えば、上部カバー７６には、内部を視認可能なガラス板８０が配設されているため、プラズマ照射の状況を確認することが可能である。

ちなみに、上記実施例において、大気圧プラズマ照射装置１０は、プラズマ照射装置の一例である。プラズマ発生装置２０は、プラズマ発生装置の一例である。カバーハウジング２２は、カバーハウジングの一例である。ステージ２６は、ステージの一例である。昇降装置２８は、移動装置の一例である。冷却装置３０は、冷却装置の一例である。制御装置３８は、制御装置の一例である。噴出口７２は、噴出口の一例である。パージガス供給装置１３２は、ガス供給装置の一例である。検出センサ１４４は、検出センサの一例である。ダクト口１６０は、ダクト口の一例である。テーパ面１６２は、テーパ面の一例である。

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。具体的には、例えば、上記実施例では、検出センサ１４４が酸素濃度を検出するためのセンサであったが、他の特定の気体を検出するためのセンサを採用することが可能である。

また、上記実施例では、被処理体として、培養液が採用されているが、培養液以外の液体、また、液体に限られず種々の物体を、被処理体として採用することが可能である。また、医療の分野に限られず、工業分野等の種々の分野に、本発明を適用することが可能である。

１０：大気圧プラズマ照射装置 ２０：プラズマ発生装置 ２２：カバーハウジング ２６：ステージ ２８：昇降装置（移動装置） ３０：冷却装置 ３８：制御装置 ７２：噴出口 １３２：パージガス供給装置（ガス供給装置） １４４：検出センサ １６０：ダクト口 １６２：テーパ面

Claims (2)

1. 所定のスペースを区画するカバーハウジングと、
   前記カバーハウジングの内部に向かってプラズマを噴出するプラズマ発生装置と、
   前記カバーハウジングの内部にガスを供給するガス供給装置と、
   前記カバーハウジングの内部に配設され、被処理体を載置するためのステージと、
   前記ステージを移動させ、前記ステージと、前記プラズマ発生装置の前記カバーハウジングの内部へのプラズマの噴出口との間の距離を任意に変更するための移動装置と、
   前記ステージを冷却する冷却装置と、
   前記プラズマ発生装置と前記ガス供給装置との作動を制御する制御装置と
   を備え、前記カバーハウジングの内部に載置された被処理体にプラズマを照射するプラズマ照射装置において、
   前記被処理体が、液体であり、
   前記制御装置が、
   前記カバーハウジングの内部に前記ガス供給装置によってガスを供給した後に、前記カバーハウジングの内部に向かって前記プラズマ発生装置によってプラズマを噴出させるとともに、プラズマが噴出されている際も、前記カバーハウジングの内部に前記ガス供給装置によってガスを供給するように、前記プラズマ発生装置と前記ガス供給装置との作動を制御することを特徴とするプラズマ照射装置であって、
   前記カバーハウジングが、内部からガスを排気するためのダクト口を有し、
   前記ダクト口の前記カバーハウジングの内部への開口部に、前記カバーハウジングの内壁面に向かって傾斜し、前記移動装置を挿通するための穴が設けられたテーパ面が形成されたことを特徴とするプラズマ照射装置。
2. 当該プラズマ照射装置が、
   前記カバーハウジングの内部の酸素の濃度を、前記カバーハウジングの底面に設けられた開口を通じて検出する検出センサを備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ照射装置。

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