JP6974677B2 - プラズマ発生装置及びプラズマ発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生装置及びプラズマ発生方法に関する。

従来のプラズマ発生装置では、例えば放電容器内でプラズマを発生している（特許文献１、２）。また、誘電体材料を介在させて対向させた一対の電極の間に、放電用ガスを流過させて電極間にプラズマを発生させる装置も知られている（特許文献３）。

特開２０１４−２１２８３９号公報 特開２００７−２０７４７５号公報 特開２００９−１８７８６２号公報

しかし、特許文献１の装置では、一対の電極の一方の内側電極を放電空間内に直接配置しているため、放電空間を流動する放電用ガスが、電極と反応するガス（例えば酸素やフッ素）を含んだ反応性の高い放電ガス（以下単に放電用ガス）であると、電極の劣化（例えば酸化）が生じる。その結果、プラズマが生じ難くなるおそれがある。また、特許文献２に記載の装置は、放電空間と内側電極との間に誘電体が配置されているが、放電空間以外の放電用ガスが流動する領域では、内側電極は誘電体に覆われずに露出している。このため、特許文献１と同様に、内側電極が劣化してプラズマが生じ難くなるおそれがある。また、特許文献２の装置では、放電空間内の放電用ガスの状態（例えば圧力、濃度、流速）が不均一になりやすい。これにより、絶縁破壊に必要な電圧、すなわちプラズマ発生開始電圧（放電開始電圧）が不安定になり、プラズマの発生そのものが不安定になるおそれがあった。さらに、特許文献３の誘電体材料（ガラス体）は筒状であり、筒状ガラス体の外表面に、対向する一対の外側電極を配置しているため、一対の電極間に高周波電圧を印加した際に、筒状ガラス体の外表面を伝わって沿面放電（放電容器外表面上のプラズマ）が発生する場合がある。その結果、放電空間の電界強度が低下し、プラズマが発生しない場合があった。

本発明は、以上の問題意識に基づき、放電容器内の電極の劣化及び沿面放電を防止しながら、確実にプラズマを発生させることができるプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法を得ることを目的とする。

本発明のプラズマ発生装置は、誘電体を含んで軸方向に延びるとともに、内部に放電空間を構成する筒状管壁を有する放電容器と、前記筒状管壁に軸方向に沿って帯状に形成されるとともに、前記放電空間を介して対向するように配置された一対の帯状電極と、を有し、前記一対の帯状電極の少なくとも一方は、前記放電容器内の放電用ガスに露出しないように、前記筒状管壁に埋設されている、ことを特徴とする。

前記一対の帯状電極は、ともに、前記放電容器内の放電用ガスに露出しないように、前記筒状管壁に埋設されていてもよい。

前記一対の帯状電極は、前記筒状管壁の中心軸を通る対称軸を中心に対称形状をなしていてもよい。

前記一対の帯状電極は、前記筒状管壁の曲率に対応する曲率で曲げられていてもよい。

前記一対の帯状電極は、前記筒状管壁の周方向に沿って、中央部の厚さが最も厚く、両端部に向けて徐々に厚さを減じて薄くなるナイフエッジ形状をなしていてもよい。

前記一対の帯状電極は、前記筒状管壁を形成する小径管と大径管の間に前記一対の帯状電極を挿入した状態において、前記小径管と前記大径管の間の空気を吸引して、前記小径管と前記大径管を加熱溶着して一体とすることにより、前記筒状管壁に埋設されていてもよい。

本発明のプラズマ発生方法は、上述したいずれかのプラズマ発生装置を用いて、前記放電容器内に放電用ガスを導入し、前記一対の帯状電極の間にプラズマを発生させて、同プラズマを前記放電容器外へ放出するものであってもよい。

本発明のプラズマ発生装置は、放電用ガスが流動する放電容器内において、放電容器内の電極が誘電体に覆われる。これにより、放電用ガスに電極と反応性の高いガスが含まれても、放電用ガスと電極とが反応することが無くなり、放電用ガスの種類に関わらず、長期間にわたって確実にプラズマを発生できる。また、放電空間の電界強度を放電容器周方向に沿って不均一とすることで、電界強度が局所的に高い部分を放電空間に有し、低い電圧でも放電（プラズマ）を発生させることができる。このため、確実にプラズマを発生させることができ、プラズマ発生の始動性を向上させることができる。また、少なくとも一方の電極が放電容器内に設けられる、または誘電体で覆われることで、放電容器外表面での沿面放電が生じない。

本発明による大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例を示す、図２に対応する断面図である。 本発明による大気圧プラズマ発生装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例を示す、図５に対応する断面図である。

以下図面について本発明に係る大気圧プラズマ発生装置１００の実施形態を説明する。図１及び図２は本発明による大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態を示している。図１、図２に示すように、本大気圧プラズマ発生装置１００は、放電容器（放電管）１０を備えている。この放電容器１０は、誘電体（例えば石英）からなるものであり、図示例では断面が真円である円筒状に形成されている。この放電容器１０の軸方向の一端には、放電容器１０の径方向に向けて反応性放電用ガス（以下単に放電用ガス）の流入口１１が形成され、他端部には放電容器１０の軸方向に向けて放電用ガスやプラズマ（ラジカル）を流出する流出口１２が形成されている。流入口１１は、放電容器１０の管壁１０ａに穿設したものであって、放電容器１０の径方向に延びる接続管１１ａと連通している。管壁１０ａの一端部は、管壁１０ａと一体の端部壁１０ｂによって塞がれている。なお、同様の構成により流入口と流出口を入れ替えて、放電用ガスを放電容器内で逆に流動させてもよい（図中の矢印の向きが逆になる）。

一方、放電容器１０の内部には、放電容器１０の軸心に沿って一対の電極の一方の電極となる内側電極１３ａと該内側電極１３ａを埋設した（被覆した）内側管１３ｂとが配設されている。内側電極１３ａを埋設した内側管１３ｂは、誘電体（例えば石英）から構成されるものであり、管状の誘電体内に内側電極１３ａを挿入した状態で、溶融軟化（加熱溶着）させることで形成される。また、内側管１３ｂは、放電容器１０の流入口１１側の端部壁１０ｂにおいて、加熱溶着（加熱成形）により放電容器１０と一体となり、放電容器１０の一部を構成している。この内側管１３ｂと放電容器１０（管壁１０ａ）の間の筒状空間が放電空間（プラズマ発生空間）１４を構成する。

内側電極１３ａは、図示実施形態では、図２に示すように、長手方向（放電容器１０の軸方向、放電容器内の放電用ガスの流れ方向）に一様断面の帯状（箔状、板状）に形成された帯状電極であり、その幅方向の中央部１３ａ１の厚さは両縁部１３ａ２の厚さより厚く、かつ両縁部１３ａ２（幅方向に沿った両端部）に向けて先鋭化し、その厚さは中央部１３ａ１に比べて薄くなり、両縁部１３ａ２は先細く尖ったナイフエッジ形状をなしている。内側電極１３ａを埋設した内側管１３ｂの放電容器１０の径方向の厚さは周方向に沿って不均一であり、埋設された内側電極１３ａの幅方向（幅方向に沿って両縁部１３ａ２を延長した方向）の外側の厚さｄが最も薄くなっている。

一方、放電容器１０（管壁１０ａ）の外周面には、一対の電極の他方の電極となる外側電極１５が配設されている。外側電極１５は、図示実施形態では、金属膜状（箔状）電極として描いているが、螺旋状に巻回された金属線材であってもよい。外側電極１５と内側電極１３ａが対向する軸方向長さは放電空間１４に対応している。

以上の内側電極１３ａと外側電極１５は、内側管１３ｂ、放電空間１４及び放電容器１０の管壁１０ａを介して対向する一対の電極であり、図示しない電源部に電気的に接続されている。また内側電極１３ａは高圧側電極であり、外側電極１５は接地側電極であるが、この逆であってもよい。

上記構成の本大気圧プラズマ発生装置１００を用いてプラズマ（ラジカル）を発生させるには、放電容器１０の流入口１１から放電容器１０内に放電用ガス等を流入させ、放電空間１４内を流動させた後、放電容器１０の流出口１２から大気である外部へ排出する。放電用ガスは、酸素などの反応性の高いガスだけでなく、ヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性なガス、さらには反応性の高いガスと不活性なガスの混合ガスなどでもよい。

このように、放電容器１０の放電空間１４内へ放電用ガスを供給した（流入させた）状態にし、電源部によって内側電極１３ａと外側電極１５との間に放電開始（絶縁破壊）に必要な高電圧を印加すると、放電容器１０の放電空間１４内において、内側電極１３ａと外側電極１５との間で電界強度が高い両縁部１３ａ２付近からの絶縁破壊が起点になって、放電空間１４内の全体でプラズマ（放電）が発生する。このように両縁部１３ａ２付近の電界強度が局所的に高いことを以下に説明する。内側電極１３ａの厚さは幅方向の中央部１３ａ１から両縁部１３ａ２に向かって薄くなり、両縁部１３ａ２が尖ったナイフエッジ形状をなしているので、例えば円柱状の電極と比較して、電界集中が生じやすい。その結果、内側電極１３ａの幅方向に沿った放電空間１４（両縁部１３ａ２と外側電極１５との間で放電距離が最短となる領域）の電界強度が局所的に高くなる。

加えて、図示実施形態では、内側電極１３ａを覆う内側管１３ｂの厚さが周方向において不均一であり、内側電極１３ａの両縁部１３ａ２（ナイフエッジ形状の先端）において厚さが最小になっている。電界強度は、誘電体の厚さが薄い部分ほど高くなることが知られているから、放電空間１４において、内側電極１３ａの幅方向の２箇所の空間Ｘの少なくともいずれか一方において確実にプラズマ（放電）を発生させることができる。

別言すれば、一対の電極間の距離を放電容器（放電管）の周方向に沿って不均一とする観点で、内側電極１３ａの両縁部１３ａ２のどちらか一方を中央部の厚さよりも薄くする（ナイフエッジ形状とする）ことで、内側電極１３ａの幅を放電容器の周方向に沿って不均一とするか、一対の電極間の誘電体の厚さを放電容器の周方向に沿って不均一とする観点で、内側管１３ｂに厚さが薄くなる部分（薄肉部）を設けることで、内側管の厚さ（外径）を放電管の周方向に沿って不均一とするかのいずれかによって、放電容器内の電界強度を局所的に高くすることができ、放電容器（放電管）の周方向に沿って電界強度が不均一となる。これらの方法の少なくとも一つを適用することで、比較的低い放電開始電圧でもプラズマを生じさせることができるため、放電空間１４の放電用ガスの状態（例えば圧力、濃度、流速）が不均一になっても、放電開始電圧を増加させることなく、確実にプラズマを発生させることができる。なお、内側管１３ｂの薄肉部を、ナイフエッジ形状とした両縁部１３ａ２の外側に設けることで、相乗効果によって、放電容器内の電界強度を局所的により高くすることができ、より確実にプラズマを発生させることができる。

従って、以上の大気圧プラズマ発生装置１００によると、流入口１１から放電容器１０内の放電空間１４に流入した（供給された）放電用ガスは、放電空間１４を軸方向に沿って流動する過程でプラズマ（ラジカル）となる。

また、以上の第１の実施形態では、内側電極１３ａが内側管１３ｂ内に埋設されているために、放電の際に内側電極１３ａが損傷することが無い。すなわち、放電容器１０内の内側電極１３ａが内側管（誘電体）１３ｂに覆われることで、放電用ガス（放電用ガスに含まれる反応性の高いガス）と内側電極１３ａが接することがなく、内側電極１３ａが放電用ガスによって劣化することがないので、長期間にわたって、確実にプラズマを発生させることができる。さらに、内側電極１３ａを覆う内側管（誘電体）１３ｂと、放電容器１０とが一体として構成されていることによって、より確実に電極全体の劣化を防止できる。また、帯状の内側電極１３ａの幅方向の両縁部１３ａ２はナイフエッジ形状であるため、内側管１３ｂとの間に隙間が生じない。これにより、隙間に入り込んだ酸素（大気）と内側電極１３ａとが反応（酸化）し、内側電極１３ａが劣化することを防止できる。

なお、図３は、第１の実施形態の変形例を示すもので、内側電極１３ａ’を円形断面とし、内側管１３ｂ’を楕円（長円）状断面とすることで、誘電体の厚さが周方向において不均一になっている。この変形例においても、誘電体である内側管１３ｂ’の厚さが放電容器１０の周方向に沿って不均一となって、放電空間１４において、内側管１３ｂ’の厚さが最も薄くなる部分に接する内側電極１３ａ’付近の空間Ｘの電界強度を局所的に高くすることができる。内側電極１３ａ’が内側管１３ｂ’内に埋設されているために、内側電極１３ａ’が損傷することが無く、長期間にわたって、確実にプラズマを発生させることができる。

図４及び図５は、本発明による大気圧プラズマ発生装置の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態は、第１の実施形態に比して、一対の電極の配置態様と、放電用ガスの流入口の配置形態が異なっている。放電容器２０は、誘電体（例えば石英）からなる筒状の管壁２０ａと、放電容器２０の一方の端部を塞ぐ端部壁２０ｂと、この端部壁２０ｂの略中央に管壁２０ａと同軸に形成された放電用ガスの流入口２１と、管壁２０ａの他方の端部に管壁２０ａと同軸に形成された流出口２２とを備えている。端部壁２０ｂの外面には、流入口２１に連通する接続管２１ａが一体に形成されて、放電容器２０の一部を構成している。この管壁２０ａ内の筒状空間が放電空間（プラズマ発生空間）２４を構成する。

この実施形態では、一対の電極２３は、図５に示すように、放電容器２０の軸方向に沿って一様断面の帯状（板状）に形成された帯状電極であり、管壁２０ａ及び放電空間２４を介して対向するように、放電容器２０の管壁２０ａ内に埋設されている。一対の電極２３は、放電容器２０の中心軸を通る対称軸を中心に対称形状をなすものであって、放電容器２０の管壁２０ａの曲率に対応する曲率で曲げられており、かつ、周方向に沿って、中央部２３１の厚さが最も厚く、両縁部２３２に向けて徐々に厚さを減じて薄くなるナイフエッジ形状をなしている。この一対の電極２３はそれぞれ長手方向の一端に接続される給電部材２３ａによって、電源装置と電気的に接続される。

一対の電極２３を放電容器２０の管壁２０ａ内に加熱成形により埋設する方法としては、小径管（石英管）と大径管（石英管）との間に一対の電極２３を挿入した状態において、小径管と大径管の間の空気を吸引し、小径管と大径管を加熱溶着させて一体とさせる製造方法を適用できる。

以上の大気圧プラズマ発生装置１００は、放電容器２０の一対の電極２３の両縁部２３２が、尖ったナイフエッジ形状をなしており、放電空間２４と放電容器２０の筒状壁面（誘電体）を直径方向に挟んで対向している。このため、放電容器２０の径方向断面において、一対の電極２３間の距離や誘電体の厚さが、一対の電極２３の対称軸（放電管の径方向）に沿って不均一になるので、放電空間２４内の電界強度は、一対の電極２３の両縁部２３２付近において局所的に高くなって、放電容器２０の周方向に沿って不均一となる。従って、第１の実施形態と同様に、電源部によって一対の電極２３の間に放電開始（絶縁破壊）に必要な高電圧を印加すると、放電容器２０内の両縁部２３２付近における絶縁破壊を起点として、放電空間２４全体でプラズマ（放電）が発生することになる。

本実施形態では帯状の電極２３が管壁２０ａの内部に埋設され、管壁２０ａの外表面に露出していない。そのため、放電容器２０内の放電用ガスが電極２３に接することが無いので、電極２３が放電用ガスによって劣化されず、長期間にわたって、確実にプラズマを発生させることができる。さらに、放電容器２０の管壁２０ａの外表面で沿面放電が生じることがないので、沿面放電によって放電空間２４でのプラズマ発生が阻害されることがなく、かつ高電圧が印加される電極２３が放電容器２０の外表面に露出しない安全なプラズマ発生装置を提供できる。

図６は、第２の実施形態の変形例を示している。この変形例は、第２の実施形態の一対の電極のうち、電極２３’’を放電容器２０の管壁２０ａ内に埋設し、電極２３’を管壁２０ａの外表面に沿わせて配設したものである。この変形例の一対の電極２３’、２３’’は、対称軸を中心に対称形状をなすものであって、周方向に沿って、中央部２３１’、２３１’’の厚さが最も厚く、周方向の両縁部２３２’、２３２’’に向けて徐々に厚さを減じて薄くなるナイフエッジ形状をなしている。したがってこの変形例においても、放電容器２０の径方向断面において、一対の電極２３’、２３’’間の距離や誘電体の厚さが、一対の電極２３’、２３’’の対称軸（放電容器２０の径方向）に沿って不均一となるので、一対の電極２３’、２３’’の間の電界強度は、両縁部２３２’と２３２’’付近において局所的に高くなり、放電容器２０の周方向に沿って不均一になる。第１の実施形態と同様に、電源部によって一対の電極２３’、２３’’の間に放電開始（絶縁破壊）に必要な高電圧を印加すると、放電容器２０内の両縁部２３２’と２３２’’付近における絶縁破壊を起点として、放電空間２４全域でプラズマが発生する。

この変形例においても、一対の電極２３’、２３’’が放電空間２４に露出することなく、放電空間２４の全域が誘電体からなる管壁２０ａに覆われている。そのため、放電容器２０内の放電用ガスが一対の電極２３’、２３’’に接することがないので、一対の電極２３’、２３’’が放電用ガスによって劣化されず、長期間にわたって、確実にプラズマを発生させることができる。またこの変形例は、一方の電極２３’’が放電容器２０の管壁２０ａ内部に埋設され、管壁２０ａの外表面に露出していない。そのため、管壁２０ａ外表面で沿面放電が生じることがないので、沿面放電によって放電空間２４でのプラズマ発生が阻害されることがなく、かつ高電圧が印加される電極２３’’が放電容器２０の外表面に露出しない安全なプラズマ発生装置を提供できる。

１０ 放電容器（放電管）
１０ａ 管壁
１０ｂ 端部壁
１１ 流入口（放電用ガス流入部）
１１ａ 接続管
１２ 流出口
１３ａ、１３ａ’ 内側電極（一方の電極、帯状電極）
１３ａ１ 中央部
１３ａ２ 縁部（両縁部）
１３ｂ、１３ｂ’ 内側管
１４ 放電空間
１５ 外側電極（他方の電極、帯状電極）
２０ 放電容器（放電管）
２０ａ 管壁
２０ｂ 端部壁
２１ 流入口
２２ 流出口
２３、２３’、２３’’ 電極（帯状電極）
２３１、２３１’、２３１’’ 中央部
２３２、２３２’、２３２’’ 縁部（両縁部）
２４ 放電空間
１００ 大気圧プラズマ発生装置

Claims (7)

1. 誘電体を含んで軸方向に延びるとともに、内部に放電空間を構成する筒状管壁を有する放電容器と、
   前記筒状管壁に軸方向に沿って帯状に形成されるとともに、前記放電空間を介して対向するように配置された一対の帯状電極と、
   を有し、
   前記一対の帯状電極の少なくとも一方は、前記放電容器内の放電用ガスに露出しないように、前記筒状管壁に埋設されている、
   ことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記一対の帯状電極は、ともに、前記放電容器内の放電用ガスに露出しないように、前記筒状管壁に埋設されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記一対の帯状電極は、前記筒状管壁の中心軸を通る対称軸を中心に対称形状をなしている、
   ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記一対の帯状電極は、前記筒状管壁の曲率に対応する曲率で曲げられている、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記一対の帯状電極は、前記筒状管壁の周方向に沿って、中央部の厚さが最も厚く、両端部に向けて徐々に厚さを減じて薄くなるナイフエッジ形状をなしている、
   ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
6. 前記一対の帯状電極は、前記筒状管壁を形成する小径管と大径管の間に前記一対の帯状電極を挿入した状態において、前記小径管と前記大径管の間の空気を吸引して、前記小径管と前記大径管を加熱溶着して一体とすることにより、前記筒状管壁に埋設される、
   ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のプラズマ発生装置を用いて、前記放電容器内に放電用ガスを導入し、前記一対の帯状電極の間にプラズマを発生させて、同プラズマを前記放電容器外へ放出するプラズマ発生方法。

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