JP6947384B2

JP6947384B2 - Plasma generator

Info

Publication number: JP6947384B2
Application number: JP2017104014A
Authority: JP
Inventors: 實牧田; 池田　裕二; 裕二池田
Original assignee: アイラボ株式会社
Priority date: 2017-05-25
Filing date: 2017-05-25
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2037-05-25
Also published as: JP2018200770A

Description

本発明は、プラズマ生成装置、特に小型でありながら生成するプラズマの体積が大きいプラズマ生成装置に関する。 The present invention relates to a plasma generator, particularly a plasma generator that is small in size but has a large volume of plasma to be generated.

一般に、大気圧下でプラズマを生成するプラズマ生成装置としては、絶縁破壊によるプラズマの生成装置の他、バリア放電やプラズマジェットを利用した生成装置が提案されている。 Generally, as a plasma generator that generates plasma under atmospheric pressure, a plasma generator by dielectric breakdown, a generator using a barrier discharge or a plasma jet has been proposed.

本発明者等は、電磁波波共振構造（マイクロ波共振構造）により、内燃機関の点火装置としても使用することのできるプラズマ生成装置を開発した（特許文献１）。このプラズマ生成装置は、外部発振器から入力したマイクロ波を共振構造により昇圧し、先端の放電電極と接地電極間で放電を生じさせる構造である。外部から繰り返しパルス状のマイクロ波を入力すれば、繰り返しの放電をさせることができ、安定したプラズマを生成し、内燃機関に利用するときは安定した着火を行うことができる。また、プラズマ（ＯＨラジカル）をプラズマ生成領域に連続的に供給することができる。これによって、内燃機関においてはリーンでの燃焼（希薄燃焼）が可能である。直径は約４ｍｍ程度であり、通常のスパークプラグ（直径１２ｍｍ）の１／３程度であるため、内燃機関の吸排気バルブ径の大径化も可能となり、内燃機関の高効率化にも寄与できる。また、小径であるから、シリンダヘッドに多数配設し、多点着火用の補助点火装置にも適するものである。 The present inventors have developed a plasma generator that can also be used as an ignition device for an internal combustion engine by using an electromagnetic wave resonance structure (microwave resonance structure) (Patent Document 1). This plasma generator has a structure in which microwaves input from an external oscillator are boosted by a resonance structure to generate a discharge between the discharge electrode at the tip and the ground electrode. By repeatedly inputting pulsed microwaves from the outside, repeated discharge can be performed, stable plasma can be generated, and stable ignition can be performed when used in an internal combustion engine. In addition, plasma (OH radicals) can be continuously supplied to the plasma generation region. As a result, lean combustion (lean combustion) is possible in the internal combustion engine. Since the diameter is about 4 mm, which is about 1/3 of the normal spark plug (diameter 12 mm), it is possible to increase the diameter of the intake / exhaust valve of the internal combustion engine, which also contributes to high efficiency of the internal combustion engine. .. Further, since it has a small diameter, it is suitable for an auxiliary ignition device for multi-point ignition by arranging a large number of cylinder heads.

また、本発明者等は、特許文献１と同様の共振構造を基板上に構成したプラズマ生成装置（特に、内燃期間用の点火装置として利用するプラズマ生成装置も提案している。このプラズマ生成装置は、電極や電磁波の伝送経路を基板状にパターンとして形成したもので、製造が容易、かつ、低コストで製造することができる。 The present inventors have also proposed a plasma generator having a resonance structure similar to that of Patent Document 1 on a substrate (particularly, a plasma generator used as an ignition device for an internal combustion period). Is formed by forming electrodes and electromagnetic wave transmission paths as a pattern on a substrate, and can be easily manufactured and can be manufactured at low cost.

特表２０１４−１１５７０７号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-115707 国際公開第２０１７／０６５３１０号International Publication No. 2017/065310

しかし、特許文献１のプラズマ生成装置は、小径であるゆえ、生成されるプラズマの体積が小さい。そのため、対象物の表面を改質したり、対象物（有害物）の除菌・殺菌をしたりする用途として、作用範囲が限定される。また、内燃機関の点火装置として使用する場合、特に大型の内燃機関、又は天然ガス等のガソリンよりも着火性に劣る燃料の点火に用いる場合、着火性が不十分な場合がある。 However, since the plasma generator of Patent Document 1 has a small diameter, the volume of the generated plasma is small. Therefore, the range of action is limited for applications such as modifying the surface of an object and sterilizing / sterilizing an object (hazardous substance). Further, when used as an ignition device for an internal combustion engine, particularly when used for ignition of a large internal combustion engine or a fuel which is inferior in ignitability to gasoline such as natural gas, the ignitability may be insufficient.

また、特許文献２のプラズマ生成装置も、プラズマ生成領域が小さいという同様の問題がある。 Further, the plasma generator of Patent Document 2 also has a similar problem that the plasma generation region is small.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、容易かつ安価に製造することができるプラズマ生成装置で十分な大きさのプラズマを生成することのできるプラズマ生成装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a plasma generator capable of generating a plasma having a sufficient size with a plasma generator that can be easily and inexpensively manufactured. That is.

上記課題を解決するためになされた本発明のプラズマ生成装置は、
一端に電磁波入力部を備え、該入力部から他端側に向かって延設される電磁波伝送線路が主面に形成される直方体状の第１基板と、
主面に放電部、共振部及び放電部と共振部を繋ぐ連結部からなる共振電極を形成した直方体状の第２基板と、
前記第１基板が配設される天板と、
前記第２基板が複数配設される底板と、
前記放電電極との間で放電を生じせしめる接地電極と、
前記第１基板及び第２基板を、主面同士が対向するように前記天板及び底板を連結する連結部材とからなり、
前記底板には、前記第２基板間に立設するシールド板が配設されている。 The plasma generator of the present invention made to solve the above problems is
A rectangular parallelepiped first substrate having an electromagnetic wave input unit at one end and an electromagnetic wave transmission line extending from the input unit toward the other end on the main surface.
A rectangular parallelepiped second substrate having a discharge portion, a resonance portion, and a resonance electrode composed of a connecting portion connecting the discharge portion and the resonance portion on the main surface.
The top plate on which the first substrate is arranged and
A bottom plate on which a plurality of the second substrates are arranged and
A ground electrode that causes a discharge between the discharge electrode and
The first substrate and the second substrate are composed of a connecting member that connects the top plate and the bottom plate so that the main surfaces face each other.
A shield plate standing between the second substrates is arranged on the bottom plate.

本発明のプラズマ生成装置は、複数の放電電極によって十分な大きさのプラズマ生成領域を生成する。 In the plasma generation device of the present invention, a plasma generation region having a sufficiently large size is generated by a plurality of discharge electrodes.

上記構成において、前記接地電極は、天板、底板又は連結部材の何れかに配設することができる。 In the above configuration, the ground electrode can be arranged on any of the top plate, the bottom plate, and the connecting member.

さらにこれらの場合において、前記接地電極は、櫛歯状に構成することができる。 Further, in these cases, the ground electrode can be formed in a comb-teeth shape.

さらにこれらの場合において、対向する第１基板及び第２基板の主面間には、板状の結合度調整板を配設することができる。 Further, in these cases, a plate-shaped coupling degree adjusting plate can be arranged between the main surfaces of the first substrate and the second substrate facing each other.

本発明によれば、複数の絶縁基板から構成することで、容易かつ安価に製造することができるとともに、共振部及び放電電極を二重に設けるようにすることで、十分な大きさのプラズマを生成することのできるプラズマ生成装置を提供することができる。 According to the present invention, it can be easily and inexpensively manufactured by being composed of a plurality of insulating substrates, and by providing a double resonance portion and a discharge electrode, a plasma having a sufficiently large size can be produced. A plasma generator capable of generating can be provided.

本発明の一実施形態に係るプラズマ生成装置を示す外観図で、（ａ）は天板及び天板に配設した第１基板の平面図、（ｂ）は底板及び底板に配設した第２基板の平面図、（ｃ）は第１基板を配設した天板と第２基板を配設した底板の側面図である。It is an external view which shows the plasma generation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, (a) is a plan view of the top plate and the 1st substrate arranged on the top plate, (b) is the 2nd A plan view of the substrate, (c) is a side view of a top plate on which the first substrate is arranged and a bottom plate on which the second substrate is arranged. 同プラズマ生成装置のプラズマ生成部の拡大図で、（ａ）はアンテナ部を第１基板から突出させた例、（ｂ）はアンテナ部が位置する第１基板の厚みを薄くした例、（ｃ）はアンテナ部以外の電磁波伝送線路が形成されている第１基板と天板との間に、金属板を配設した例を示す。In the enlarged view of the plasma generation part of the plasma generator, (a) is an example in which the antenna part is projected from the first substrate, and (b) is an example in which the thickness of the first substrate on which the antenna part is located is thinned, (c). ) Indicates an example in which a metal plate is arranged between the first substrate on which the electromagnetic wave transmission line other than the antenna portion is formed and the top plate. 同プラズマ生成装置の分解状態の斜視図である。It is a perspective view of the disassembled state of the plasma generator. 同プラズマ生成装置の証圧回路の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the test pressure circuit of the plasma generation apparatus. 同プラズマ生成装置の別の実施例を示し、（ａ）は天板及び天板に配設した第１基板の平面図、（ｂ）は底板及び底板に配設した第２基板の平面図である。Another embodiment of the plasma generator is shown, where (a) is a plan view of the top plate and the first substrate arranged on the top plate, and (b) is a plan view of the bottom plate and the second substrate arranged on the bottom plate. be.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are preferred examples and are not intended to limit the scope of the present invention, its applications, or its uses.

＜実施形態１＞プラズマ生成装置
本実施形態１は、本発明に係るプラズマ生成装置である。このプラズマ生成装置１は、図１に示すように、一端に電磁波発振器ＭＷと接続される電磁波入力部３０を備え、この入力部３０から他端側に向かって延設される電磁波伝送線路３が主面に形成される直方体状の第１基板２Ａと、主面に放電部４ａ、共振部４ｂ及び放電部４ａと共振部４ｂを繋ぐ連結部４ｃからなる共振電極４を形成した直方体状の第２基板２Ｂと、第１基板２Ａが配設される天板６Ａと、第２基板２Ｂが複数配設される底板６Ｂと、放電部４ａとの間で放電を生じせしめる接地電極５と、第１基板２Ａ及び第２基板２Ｂを、主面同士が対向するように天板６Ａ及び底板６Ｂを連結する連結部材７とからなり、第２基板２Ｂが配設される底板６Ｂには、第２基板２Ｂ間に立設するシールド板８が配設されている。 <Plasma Generation Device> The plasma generation device The present embodiment 1 is a plasma generation device according to the present invention. As shown in FIG. 1, the plasma generator 1 includes an electromagnetic wave input unit 30 connected to an electromagnetic wave oscillator MW at one end, and an electromagnetic wave transmission line 3 extending from the input unit 30 toward the other end. A rectangular first substrate 2A formed on the main surface and a resonance electrode 4 composed of a discharge portion 4a, a resonance portion 4b, and a connecting portion 4c connecting the discharge portion 4a and the resonance portion 4b are formed on the main surface. The second substrate 2B, the top plate 6A on which the first substrate 2A is arranged, the bottom plate 6B on which a plurality of second substrates 2B are arranged, the ground electrode 5 for causing a discharge between the discharge portions 4a, and the first The first substrate 2A and the second substrate 2B are composed of a connecting member 7 for connecting the top plate 6A and the bottom plate 6B so that the main surfaces face each other, and the bottom plate 6B on which the second substrate 2B is arranged has a second A shield plate 8 standing upright between the substrates 2B is arranged.

第１基板２Ａ及び第２基板２Ｂは、セラミックス（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム、コーディライト、ムライト等）の粉末（以下、セラミックス原料という）を焼成して形成する絶縁基板である。具体的には、セラミックス原料にバインダ・溶媒を加え混合粉砕して均一なスラリーを製造する。その後、スプレードライ（噴霧乾燥）により造粒して顆粒とする。この顆粒を、ＣＩＰ成形（冷間等方圧成形）、プレス成形、射出成形等により所望形状のセラミックス成形体を成形した後、焼成炉において焼成する。ＣＩＰ成形は、顆粒をゴム型に入れて水圧を利用して成型する方法、プレス成形は金型に顆粒を入れて成形する方法で小型の板状体を成形する場合に適しており、本実施形態の絶縁基板を成形する方法として最適である。また、絶縁基板は、上述した材料の他、樹脂製のプレート、例えばフッ素樹脂やガラスエポキシ材を使用したものであっても構わない。 The first substrate 2A and the second substrate 2B are _{insulating substrates formed by firing powders of ceramics (for example, alumina (Al 2} O ₃ ), aluminum nitride, cordylite, mullite, etc.) (hereinafter referred to as ceramic raw materials). be. Specifically, a binder and a solvent are added to the ceramic raw material and mixed and pulverized to produce a uniform slurry. Then, it is granulated by spray drying (spray drying) to obtain granules. These granules are molded into a ceramic molded body having a desired shape by CIP molding (cold isotropic molding), press molding, injection molding, or the like, and then fired in a firing furnace. CIP molding is suitable for molding granules in a rubber mold using water pressure, and press molding is suitable for molding small plate-like bodies by putting granules in a mold. It is most suitable as a method for molding an insulating substrate in a form. Further, the insulating substrate may be a resin plate, for example, a fluororesin or a glass epoxy material, in addition to the above-mentioned materials.

第１基板２Ａ及び第２基板２Ｂの主面に形成される電磁波伝送線路３及び共振電極４は、金属粉末（例えば、電気抵抗の低い銀、銅、タングステン、モリブデン等）を主成分とする導体ペーストを図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すような構成となるようにスクリーン印刷等の手法によって絶縁基板上に印刷する。この際、放電部４ａは、接地電極５との間で絶縁破壊が生じプラズマ放電が生じる部分であり、一定の厚み（例えば、１ｍｍ〜３ｍｍ）のある金属製（例えば、銅、タングステン、モリブデン、真鍮等）とすることが好ましい。また、導体ペーストの印刷ではなく、電磁波伝送線路３及び共振電極４の形状全体を金属板で構成し、第１基板２Ａ及び第２基板２Ｂに貼り付けて構成することもできる。 The electromagnetic wave transmission line 3 and the resonance electrode 4 formed on the main surfaces of the first substrate 2A and the second substrate 2B are conductors mainly composed of metal powder (for example, silver, copper, tungsten, molybdenum, etc. having low electrical resistance). The paste is printed on the insulating substrate by a method such as screen printing so as to have the configurations shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). At this time, the discharge portion 4a is a portion where dielectric breakdown occurs with the ground electrode 5 and plasma discharge occurs, and is made of a metal having a certain thickness (for example, 1 mm to 3 mm) (for example, copper, tungsten, molybdenum, etc.). Brass, etc.) is preferable. Further, instead of printing the conductor paste, the entire shape of the electromagnetic wave transmission line 3 and the resonance electrode 4 may be formed of a metal plate and attached to the first substrate 2A and the second substrate 2B.

電磁波伝送線路３は、第１基板２Ａの短辺の一端に配設した電磁波入力部３０と電気的に接続され第１基板２Ａの主面の長手方向の略全長に亘って形成されている線路３ｂと、線路３ｂの先端（反電磁波入力部３０側の短辺）に形成されるアンテナ部３ａとから構成される。アンテナ部３ａの幅は、線路３ｂの線路幅よりも大きく、長さは線路３ｂの線路幅と略同一の長さとしている。電磁波伝送線路３は、図１（ａ）に示すように、平面視Ｔ字状となるようにしている。電磁波伝送線路３のインピーダンスは線路幅、第１基板の誘電率及び第１基板の厚みによって決定される。電磁波入力部３０（例えば、ＳＭＡコネクタ）と電磁波発振器ＭＷとを連結する連結手段のインピーダンスを（例えば、通常仕様の同軸ケーブルの場合、多くは５０Ω）考慮して決定される。 The electromagnetic wave transmission line 3 is electrically connected to an electromagnetic wave input unit 30 arranged at one end of a short side of the first substrate 2A and is formed over substantially the entire length of the main surface of the first substrate 2A in the longitudinal direction. It is composed of 3b and an antenna portion 3a formed at the tip of the line 3b (short side on the anti-electromagnetic wave input portion 30 side). The width of the antenna portion 3a is larger than the line width of the line 3b, and the length is substantially the same as the line width of the line 3b. As shown in FIG. 1A, the electromagnetic wave transmission line 3 has a T-shape in a plan view. The impedance of the electromagnetic wave transmission line 3 is determined by the line width, the dielectric constant of the first substrate, and the thickness of the first substrate. It is determined in consideration of the impedance of the connecting means for connecting the electromagnetic wave input unit 30 (for example, the SMA connector) and the electromagnetic wave oscillator MW (for example, in the case of a coaxial cable having normal specifications, most of them are 50Ω).

アンテナ部３ａは、後述する放電部４ａと同様に、電磁波伝送線路３の他の部分よりも厚みを大きくすることが好ましい、また、図２に示すように、アンテナ部３ａは第１基板２Ａの端部からはみ出すように配設することが好ましい。このように、アンテナ部３ａを、第１基板２Ａの端部からはみ出すように構成することで、ストリップラインである電磁波伝送線路３のインピーダンスが上がることで当該部分の電圧が上昇し、放電部４ａと接地電極５との間で生じた種火となるプラズマに起因した放電（プラズマ）が大きく成長する。ストリップラインのインピーダンスは、ストリップラインが形成される誘電体の誘電率の平方根に反比例するため、アンテナ部３ａを第１基板２Ａの端部からはみ出すように構成し、図２(ａ)に示すアンテナ部３ａの背面に空間Ｋを形成することで、当該部分の誘電率が１となりインピーダンスは大きくなる。また、アンテナ部３ａの取付安定性を考慮する観点から、アンテナ部３ａが形成される部分のみ第１基板２Ａの厚みが薄くなるよう、図２(ｂ)に示す欠落部２０形成することもできる。また、第１基板２Ａをそのままにして、アンテナ部３ａ以外の電磁波伝送線路３が形成されている第１基板２Ａと天板６Ａとの間に、図２(ｃ)に示す金属板６０を配設することによって、アンテナ部３ａ近傍の電圧を上昇させることもできる。 The antenna portion 3a is preferably made thicker than the other portions of the electromagnetic wave transmission line 3, similarly to the discharge portion 4a described later, and as shown in FIG. 2, the antenna portion 3a is formed on the first substrate 2A. It is preferable to dispose of it so as to protrude from the end portion. By configuring the antenna portion 3a so as to protrude from the end portion of the first substrate 2A in this way, the impedance of the electromagnetic wave transmission line 3 which is a strip line rises, so that the voltage of the portion rises and the discharge portion 4a The discharge (plasma) caused by the plasma that becomes the pilot fire generated between the ground electrode 5 and the ground electrode 5 grows significantly. Since the impedance of the stripline is inversely proportional to the square root of the dielectric constant of the dielectric on which the stripline is formed, the antenna portion 3a is configured to protrude from the end portion of the first substrate 2A, and the antenna shown in FIG. 2A is formed. By forming the space K on the back surface of the portion 3a, the dielectric constant of the portion becomes 1 and the impedance becomes large. Further, from the viewpoint of considering the mounting stability of the antenna portion 3a, the missing portion 20 shown in FIG. 2B can be formed so that the thickness of the first substrate 2A is reduced only in the portion where the antenna portion 3a is formed. .. Further, while leaving the first substrate 2A as it is, the metal plate 60 shown in FIG. 2C is arranged between the first substrate 2A on which the electromagnetic wave transmission line 3 other than the antenna portion 3a is formed and the top plate 6A. By providing the antenna portion 3a, the voltage in the vicinity of the antenna portion 3a can be increased.

第２基板２Ｂは、底板６Ｂに複数配設されている。配設数は、特に限定するものではないが、本実施形態においては、２基配設する例を示す。第２基板２Ｂに形成されている共振電極４は、放電部４ａ、共振部４ｂ及び放電部４ａと共振部４ｂを電気的に接続する連結部４ｃとから構成される。共振部４ｂ及び連結部４ｃの幅及び長さは、第２基板２Ｂの誘電率及び厚みとともに、共振電極４の共振周波数を決定する要素であり詳細に計算して決定される。放電部４ａは、放電スパークによる摩耗対策により、１ｍｍ〜３ｍｍ程度の厚みとすることが好ましい。放電部４ａ、共振部４ｂ及び連結部４ｃの形成パターンは、連結部４ｃの長手方向を対象軸とした対象形状としても構わないが、本実施形態においては、図１（ｂ）に示すように共振部４ｂの中心ではなく一端部側から連結部４ｃを延設し、放電部４ａも連結部４ｃの先端から９０°屈曲させるように構成する。そして、２基の第２基板２Ｂは、シールド板８を対象軸として放電部４ａ、共振部４ｂ及び連結部４ｃのパターンが対象となるようにする。底板６Ｂへは、シールド板８に放電部４ａ及び連結部４ｃが近接するように配設する。これによって、連結部４ｃが共振部４ｂの中心から延設される場合と比べて、天板６Ａに配設される電磁波伝送線路３を流れる電磁波と良好に結合する。 A plurality of the second substrates 2B are arranged on the bottom plate 6B. The number of arrangements is not particularly limited, but in the present embodiment, an example in which two units are arranged will be shown. The resonance electrode 4 formed on the second substrate 2B is composed of a discharge portion 4a, a resonance portion 4b, and a connecting portion 4c that electrically connects the discharge portion 4a and the resonance portion 4b. The width and length of the resonance portion 4b and the connecting portion 4c are factors that determine the resonance frequency of the resonance electrode 4 together with the dielectric constant and the thickness of the second substrate 2B, and are determined in detail. The discharge portion 4a preferably has a thickness of about 1 mm to 3 mm as a measure against wear due to the discharge spark. The forming pattern of the discharge portion 4a, the resonance portion 4b, and the connecting portion 4c may have a target shape with the longitudinal direction of the connecting portion 4c as the target axis, but in the present embodiment, as shown in FIG. 1 (b). The connecting portion 4c is extended from one end side instead of the center of the resonance portion 4b, and the discharging portion 4a is also configured to be bent by 90 ° from the tip of the connecting portion 4c. Then, the two second substrates 2B have the shield plate 8 as the target axis, and the patterns of the discharge portion 4a, the resonance portion 4b, and the connection portion 4c are targeted. The bottom plate 6B is arranged so that the discharge portion 4a and the connecting portion 4c are close to the shield plate 8. As a result, the connecting portion 4c is better coupled with the electromagnetic wave flowing through the electromagnetic wave transmission line 3 arranged on the top plate 6A as compared with the case where the connecting portion 4c extends from the center of the resonance portion 4b.

また、第２基板２Ｂの誘電率及び厚さと、放電部４ａ、共振部４ｂ及び連結部４ｃの幅及び長さとは電磁波発振器ＭＷから発振される電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波等）に合わせて共振する寸法となるように緻密に計算され、決定される。 Further, the permittivity and thickness of the second substrate 2B and the width and length of the discharge portion 4a, the resonance portion 4b and the connection portion 4c are the electromagnetic waves oscillated from the electromagnetic wave oscillator MW (for example, 2.45 GHz microwaves). It is precisely calculated and determined so that the dimensions resonate together.

底板６Ｂに配設する第２基板２Ｂは図５に示すように、４基配設することもできる。この場合、天板６Ａに配設する第１基板の電磁波伝送線路３の線路３ｂを分岐させる。 As shown in FIG. 5, four second substrates 2B arranged on the bottom plate 6B can also be arranged. In this case, the line 3b of the electromagnetic wave transmission line 3 of the first substrate arranged on the top plate 6A is branched.

連結部材７は、第１基板２Ａを配設した天板６Ａと、第２基板２Ｂを配設した底板６Ｂとを連結し、箱状のプラズマ生成装置１を構成する部材である。連結部材７は、その形状を特に限定するものではないが、本実施形態においては、図３に示すように天板６Ａ及び底板６Ｂの長手方向（線路３ｂと平行方向）の両端部に位置させ、両基板の主面間の距離を決定する直方体状のスペーサ７０と、天板６Ａを覆うケース上蓋７１と、底板６Ｂを載置するとともに、屈曲させた一端部に接地電極５を形成したケース本体７２とから構成される。そして、天板６Ａ、底板６Ｂに開口した挿通孔の対応箇所に、それぞれの部材に開口した挿通孔を合致させて、ボルトを挿通し、ナットで締結することによって固定する。 The connecting member 7 is a member that connects the top plate 6A on which the first substrate 2A is arranged and the bottom plate 6B on which the second substrate 2B is arranged to form a box-shaped plasma generator 1. The shape of the connecting member 7 is not particularly limited, but in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the connecting member 7 is located at both ends of the top plate 6A and the bottom plate 6B in the longitudinal direction (parallel to the line 3b). A case in which a rectangular parallelepiped spacer 70 that determines the distance between the main surfaces of both substrates, a case top lid 71 that covers the top plate 6A, and a bottom plate 6B are placed, and a ground electrode 5 is formed at one end of the bending. It is composed of a main body 72. Then, the insertion holes opened in the respective members are matched with the corresponding portions of the insertion holes opened in the top plate 6A and the bottom plate 6B, bolts are inserted, and the bolts are fastened with nuts to fix the holes.

図３に示す、プラズマ生成装置１は、ケース上蓋７１と、接地電極５を形成したケース本体７２を使用した例を示すが、図１、図２に示すように接地電極５を底板６Ａに形成し、ケース上蓋７１及びケース本体７２を省略することもできる。 The plasma generation device 1 shown in FIG. 3 shows an example in which the case top lid 71 and the case body 72 on which the ground electrode 5 is formed are used. As shown in FIGS. 1 and 2, the ground electrode 5 is formed on the bottom plate 6A. However, the case top lid 71 and the case body 72 can be omitted.

第１基板２Ａ及び第２基板２Ｂの主面間（図１（ｃ）の二点鎖線Ｌの位置）には、電磁波伝送線路３と共振電極４との結合度を調整する調整板９を配設する。調整板９は、電磁波伝送線路３と共振電極４との電磁波の結合度を調製するように、金属板で電磁波伝送線路３と共振電極４との間を遮蔽するように構成するものであれば特に限定するものではないが、図３に示すように、微調整可能なようにボルト挿通用の挿通孔を長孔として仮締め状態で長手方向に移動可能となるように構成することが好ましい。なお、この結合度の調整板９は、電磁波伝送線路３の共振電極４の寸法、第１基板２Ａ及び第２基板２Ｂの誘電率及び厚み、さらに主面間の距離を電磁波の結合に最適な寸法に調整することができた場合には配設することを要しない。 An adjusting plate 9 for adjusting the degree of coupling between the electromagnetic wave transmission line 3 and the resonance electrode 4 is arranged between the main surfaces of the first substrate 2A and the second substrate 2B (the position of the alternate long and short dash line L in FIG. 1C). Set up. If the adjusting plate 9 is configured to shield between the electromagnetic wave transmission line 3 and the resonance electrode 4 with a metal plate so as to adjust the degree of coupling of the electromagnetic wave between the electromagnetic wave transmission line 3 and the resonance electrode 4. Although not particularly limited, as shown in FIG. 3, it is preferable that the insertion hole for bolt insertion is a long hole so that it can be moved in the longitudinal direction in a temporarily tightened state so that it can be finely adjusted. The coupling degree adjusting plate 9 is optimal for coupling electromagnetic waves by adjusting the dimensions of the resonance electrode 4 of the electromagnetic wave transmission line 3, the dielectric constant and thickness of the first substrate 2A and the second substrate 2B, and the distance between the main surfaces. If it can be adjusted to the dimensions, it is not necessary to dispose of it.

上記構成において、外部の電磁波発振器ＭＷから供給される電磁波（本実施形態においては２．４５ＧＨｚのマイクロ波）は、電磁波伝送線路３から共振電極４に容量結合によって結合するとともに、昇圧され、共振電極４の放電部４ａと接地電極５との間の電位差が高められる。その結果、放電部４ａと接地電極５との間で１次プラズマＳＰ１（図２（ａ）参照）が生成される。電磁波伝送線路３と共振電極４は、容量結合されるコンデンサを形成している。 In the above configuration, the electromagnetic wave supplied from the external electromagnetic wave oscillator MW (2.45 GHz microwave in this embodiment) is coupled from the electromagnetic wave transmission line 3 to the resonance electrode 4 by capacitive coupling, and is boosted to be boosted to the resonance electrode. The potential difference between the discharge portion 4a of 4 and the ground electrode 5 is increased. As a result, the primary plasma SP1 (see FIG. 2A) is generated between the discharge unit 4a and the ground electrode 5. The electromagnetic wave transmission line 3 and the resonance electrode 4 form a capacitor that is capacitively coupled.

１次プラズマＳＰ１が生成されることで、インピーダンスの不整合が生じるが、電磁波伝送線路３を通る電磁波は、アンテナ部３ａから１次プラズマＳＰ１に供給され、１次プラズマＳＰ１が維持拡大される。そして、本実施形態においては、放電部４ａが２箇所に存在するため、１次プラズマＳＰ１も２箇所で発生し、２箇所で発生した１次プラズマＳＰ１が共に拡大され、生成領域の大きなプラズマとなる。このとき、上述したようにアンテナ部３ａ近傍の電圧を高めるように構成することで、アンテナ部３ａは１次プラズマＳＰ１に電磁波を供給する役割だけでなく、接地電極５とアンテナ部３ａとの間で放電プラズマを生成させることができ、１次プラズマＳＰ１と合わせてさらに大きなプラズマとなる効果を奏する。 Impedance mismatch occurs due to the generation of the primary plasma SP1, but the electromagnetic wave passing through the electromagnetic wave transmission line 3 is supplied from the antenna unit 3a to the primary plasma SP1 to maintain and expand the primary plasma SP1. Then, in the present embodiment, since the discharge portions 4a are present at two locations, the primary plasma SP1 is also generated at two locations, and the primary plasma SP1 generated at the two locations is expanded together to form a plasma having a large generation region. Become. At this time, by configuring so as to increase the voltage in the vicinity of the antenna portion 3a as described above, the antenna portion 3a not only plays a role of supplying an electromagnetic wave to the primary plasma SP1, but also between the ground electrode 5 and the antenna portion 3a. The discharge plasma can be generated at the above, and the effect of forming a larger plasma in combination with the primary plasma SP1 is exhibited.

図４は、本実施形態の昇圧手段の等価回路である（本等価回路は、便宜上共振部を１つとして表している）。まず、プラズマが発生していない状態では、抵抗Ｒｐ１、Ｒｐ２の両端は解放状態と等価であると考える。外部の電磁波発振器ＭＷから電磁波（マイクロ波）が入力されると、まずコンデンサＣ１に電流が流れる。この供給される電磁波の周波数に共振して、コンデンサＣ２、Ｃ３及びリアクタンスＬで形成されるループ回路に強い共振電流が流れると、特にコンデンサＣ３の両端に高い電圧が発生する。コンデンサＣ３の両端で絶縁破壊となり、放電してプラズマが発生する（これは上述の１次プラズマＳＰ１に相当する）。コンデンサＣ３の両端には、電気回路的には解放状態から抵抗Ｒｐ１が並列に接続された状態に変化することとなる。この状態では、インピーダンスの不整合状態が起きているので、反射波が大きくなる。次に、コンデンサＣ３の両端で発生した１次プラズマＳＰ１を種火として電磁波伝送線路の先端部（アンテナ部３ａ）との間で放電が発生する。これにより、伝送線とグランド（ＧＮＤ）の間に強い電流が流れる（電気回路的には、解放状態から抵抗Ｒｐ２が接続された状態となる）。しかし、伝送線と直結した経路による放電では共振部分（共振電極４の共振部４ｂ）を介さないから、インピーダンス不整合による反射の発生量が大幅に減少する。これにより入力電力を高効率にプラズマに与えることができる。これは、単にアンテナ部３ａから１次プラズマＳＰ１に電磁波が照射することでプラズマを拡大させるだけでなく、図２（ａ）に示すアンテナ部３ａと接地電極５との距離が、１次プラズマＳＰ１が生成されることによって近づくこととなり、係る部分でさらなる絶縁破壊は生じ、１次プラズマＳＰ１が成長すると考えられる。 FIG. 4 is an equivalent circuit of the boosting means of the present embodiment (this equivalent circuit represents one resonance portion for convenience). First, in the state where plasma is not generated, both ends of the resistors Rp1 and Rp2 are considered to be equivalent to the open state. When an electromagnetic wave (microwave) is input from the external electromagnetic wave oscillator MW, a current first flows through the capacitor C1. When a strong resonance current flows through the loop circuit formed by the capacitors C2, C3 and reactance L in resonance with the frequency of the supplied electromagnetic wave, a particularly high voltage is generated across the capacitor C3. Dielectric breakdown occurs at both ends of the capacitor C3, and plasma is generated by discharging (this corresponds to the above-mentioned primary plasma SP1). In terms of the electric circuit, the resistor Rp1 changes from the open state to the state in which the resistor Rp1 is connected in parallel to both ends of the capacitor C3. In this state, the impedance mismatch state occurs, so that the reflected wave becomes large. Next, a discharge is generated between the primary plasma SP1 generated at both ends of the capacitor C3 and the tip of the electromagnetic wave transmission line (antenna portion 3a) as a pilot fire. As a result, a strong current flows between the transmission line and ground (GND) (in the electrical circuit, the resistor Rp2 is connected from the open state). However, since the discharge by the path directly connected to the transmission line does not pass through the resonance portion (resonance portion 4b of the resonance electrode 4), the amount of reflection generated due to the impedance mismatch is significantly reduced. As a result, the input power can be applied to the plasma with high efficiency. This not only expands the plasma by irradiating the primary plasma SP1 from the antenna portion 3a with electromagnetic waves, but also the distance between the antenna portion 3a shown in FIG. 2A and the ground electrode 5 is the primary plasma SP1. It is considered that the primary plasma SP1 grows due to the generation of the plasma SP1.

電磁波発振器ＭＷは、上述したように電磁波（マイクロ波）をナノ秒〜ミリ秒まで任意変更することのできるパルス発振装置であるため、様々なパルス発振パターンを簡単に変更することができる。これによって電離時のエネルギ状態を変更させ発生するラジカルの種類を容易にコントロールすることができる。 Since the electromagnetic wave oscillator MW is a pulse oscillator capable of arbitrarily changing the electromagnetic wave (microwave) from nanoseconds to milliseconds as described above, various pulse oscillation patterns can be easily changed. As a result, the type of radical generated by changing the energy state at the time of ionization can be easily controlled.

このようにして生成されたプラズマは、例えば、印刷装置のインクカートリッジの上流側で被印刷物の表面を改質し、インクの付着性を向上させることができる。さらに、印字面が平面ではなく曲面状態であっても、プラズマ生成装置１は、インクカートリッジの印字面からの高さを微調整可能に取り付けることで任意の曲率に沿って、かつ、一定のギャップでプラズマを生成し被印刷物表面を良好に改質することができる。 The plasma generated in this way can, for example, modify the surface of the printed matter on the upstream side of the ink cartridge of the printing apparatus to improve the adhesiveness of the ink. Further, even if the printed surface is not a flat surface but a curved surface, the plasma generator 1 is attached so that the height of the ink cartridge from the printed surface can be finely adjusted so that the ink cartridge has a constant gap along an arbitrary curvature. Can generate plasma and satisfactorily modify the surface of the printed matter.

以上説明したように、本発明の無電極ランプは、印刷装置の表面改質装置として好適に用いることができる他、水や空気の消臭殺菌の他、プラズマを利用する種々の装置の用途としても好適に用いることができる。 As described above, the electrodeless lamp of the present invention can be suitably used as a surface modification device for a printing device, as well as for deodorizing and sterilizing water and air, as well as for various devices using plasma. Can also be preferably used.

１プラズマ生成装置プ
２Ａ第１基板
２Ｂ第２基板
３電磁波伝送線路３
４共振電極
４ａ放電部
４ｂ共振部
４ｃ連結部
５接地電極
６Ａ天板
６Ｂ底板
７連結部材
８シールド板
９結合度調整板
ＭＷマイクロ波発振器

1 Plasma generator 2A 1st board 2B 2nd board 3 Electromagnetic wave transmission line 3
4 Resonance electrode 4a Discharge part 4b Resonance part 4c Connection part 5 Ground electrode 6A Top plate 6B Bottom plate 7 Connecting member 8 Shield plate 9 Coupling degree adjustment plate MW Microwave oscillator

Claims

A rectangular parallelepiped first substrate having an electromagnetic wave input unit at one end and an electromagnetic wave transmission line extending from the input unit toward the other end on the main surface.
A rectangular parallelepiped second substrate having a discharge portion, a resonance portion, and a resonance electrode composed of a connecting portion connecting the discharge portion and the resonance portion on the main surface.
The top plate on which the first substrate is arranged and
A bottom plate on which a plurality of the second substrates are arranged and
A ground electrode that causes a discharge to occur with the discharge unit,
The first substrate and the second substrate are composed of a connecting member that connects the top plate and the bottom plate so that the main surfaces face each other.
A plasma generator in which a shield plate standing between the second substrates is arranged on the bottom plate.

The plasma generator according to claim 1, wherein the ground electrode is arranged on any of a top plate, a bottom plate, and a connecting member.

The plasma generator according to claim 1 or 2, wherein the ground electrode is formed in a comb-teeth shape.

The plasma generating apparatus according to claim 1, 2 or 3, wherein a plate-shaped coupling degree adjusting plate is arranged between the main surfaces of the first substrate and the second substrate facing each other.