JP7014612B2 - プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法に関する。

プラズマ発生装置は、放電容器内で、一対の電極間の放電を生じさせることで、放電容器内に供給する放電用ガスをプラズマ化する装置であり、一対の電極が放電容器径方向（放電用ガスの流れ方向と直交する方向）で対向させている（特許文献１）。一対の電極を筒状誘電体（ガラス体）の外表面に配置して対向させ、その筒状誘電体の内部に放電用ガスを流過させてプラズマを発生させる装置も知られている（特許文献２）。

特開平１１－２６０５９７号公報 特開２００９-１８７８６２号公報

しかし、特許文献１の装置では、一対の電極を高電圧側電極（高圧側電極）と接地側電極（低電圧側電極、低圧側電極）とすることにより、放電開始電圧を低くすることができるものの、放電は高電圧側電極と接地側電極との間で生じるためプラズマ放出口からプラズマが放出され難く、さらに、プラズマが生成される空間からプラズマ放出口までの距離も長いのでプラズマの到達距離が短い。また、特許文献２では、筒状誘電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、筒状誘電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、プラズマ到達距離を長くすることができ、さらに放電容器内の電極の劣化及び沿面放電を防止することができるプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を得ることを目的とする。

本発明は、従来の一対の電極を筒状の放電容器の径方向に対向させた大気圧プラズマ発生装置に対し、放電（プラズマ）を放電用ガスの流れる方向に向かって生じさせることで、放出されたプラズマの到達距離を長くすることができる大気圧プラズマ発生装置を提供することを目的とする。

本発明によるプラズマ発生装置は、放電容器を介在させて配設された一対の電極を有するプラズマ発生装置において、上記一対の電極のうち、一方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部が、他方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部より、放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、上記一対の電極の一方の電極は、上記放電容器内の柱状の誘電体に埋設された内側電極であり、他方の電極は、上記放電容器の外表面に配置された外側電極であって、上記外側電極は上記内側電極より上記放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、上記放電容器は、外表面に上記外側電極が配置された縮径部を有し、上記縮径部の内径は、上記放電容器の内径及び上記誘電体の外径より小さい、ことを特徴とする。
本発明によるプラズマ発生装置は、放電容器を介在させて配設された一対の電極を有するプラズマ発生装置において、上記一対の電極のうち、一方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部が、他方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部より、放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、上記一対の電極の一方の電極は、上記放電容器内の柱状の誘電体に埋設された内側電極であり、他方の電極は、上記放電容器の外表面に配置された外側電極であって、上記外側電極は上記内側電極より上記放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、上記誘電体は、上記放電容器の一部を一体として構成している、ことを特徴とする。
本発明によるプラズマ発生装置は、放電容器を介在させて配設された一対の電極を有するプラズマ発生装置において、上記一対の電極のうち、一方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部が、他方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部より、放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、上記一対の電極の一方の電極は、上記放電容器内の柱状の誘電体に埋設された内側電極であり、他方の電極は、上記放電容器の外表面に配置された外側電極であって、上記外側電極は上記内側電極より上記放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、上記内側電極は帯状電極であり、上記誘電体の厚さは、上記帯状電極の幅方向の外側の厚さが最も薄い、ことを特徴とする。

好ましい実施形態では、上記一対の電極は、上記放電容器内を流れる上記放電用ガスの流れ方向に沿って離間させて配置することができる。

上記一対の電極は、具体的には上記内側電極が高電圧側電極であって、上記外側電極が低電圧側電極であり、上記低電圧側電極は、上記高電圧側電極より上記放電用ガスの流れ方向の下流側に配置することができる。

上記一対の電極は、該一対の電極の間の電界強度が上記放電容器の周方向に沿って不均一となるように形成することが望ましい。

上記誘電体は、その径方向の厚さが周方向に沿って不均一であってもよい。

上記帯状電極は、その幅方向の両縁部の少なくとも一方の厚さが、上記帯状電極の中央部の厚さよりも薄くてもよい。

上記帯状電極は、その幅方向の両縁部が、ナイフエッジ形状であってもよい。

本発明のプラズマ発生方法は、上記プラズマ発生装置を用い、上記放電容器内に放電用ガスを供給し、上記一対の電極の間に電圧を印加することで生じたプラズマを上記放電容器外へ放出する方法である。

本発明は、放電容器を介在させて配設された一対の電極を有するプラズマ発生装置において、一対の電極のうち、一方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部を、他方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部より放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置することで、プラズマを放出口側に生じさせ、プラズマ到達距離を長くすることができる。さらに、上記構成に加えて、一対の電極を放電用ガスの流れ方向に互いに離間して配置することで、プラズマを放出口側に向かって集中して生じさせ、プラズマ到達距離をより長くすることができる。また、放電容器内の電極を誘電体で覆う（埋設する）ことにより、放電用ガスが電極と反応性の高いガスであっても、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、長期間安定して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形成し、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、プラズマ発生の始動性が向上し、その後安定して放電（プラズマ）を発生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。 本発明による大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態の変形例を示す縦断面図である。 図１または図２のIII-III線に沿う断面図である。 図１または図２のIV-IV線に沿う断面図である。 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。 本発明による大気圧プラズマ発生装置の第３の実施形態を示す縦断面図である。

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ないし図４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ないし図４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。放電容器１０の軸方向の一端部には、該放電容器１０の径方向に向けて放電用ガスを放電容器内に供給する放電用ガス供給口（以下、供給口）１１が形成され、他端部には該放電容器１０の軸方向に向けて放電用ガスやプラズマを放出させるプラズマ放出口（以下、放出口）１２が形成されている。供給口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。

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（高電圧側電極）１３ａと該内側電極１３ａを埋設した（被覆した）柱状の内側管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）させることで内側電極１３ａとの間に隙間なく（気密に）密着形成（埋設）される。また、内側管１３ｂは、放電容器１０の一部を構成するように、放電容器１０の供給口１１側の端部壁１０ｂにおいて加熱溶着により放電容器１０と一体となっている。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、プラズマ生成空間）１４を構成する。

内側電極１３ａは、図示実施形態では、図２及び図３に示すように、長手方向（放電容器１０の軸方向、放電容器１０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）の放出口１２側の外表面（外周面）には、一対の電極の他方の電極となる外側電極（低電圧側電極、低圧側電極、接地側電極）１５が配設されている。外側電極１５（の放電ガス流れ方向下流側端部１５ｓ）が、内側電極１３ａ（の外側電極１５側の端部１３ｔ）より、放電容器１０内の放電用ガスの流れ方向（円筒状の放電容器１０の軸方向）下流側に配置される。このように、外側電極１５が内側電極より放電用ガスの流れ方向下流側に突出していることで、後述する放電（プラズマ）が放電用ガスの流れる方向に向かって生じるため、プラズマ到達距離を長くすることができる。

さらに第１の実施形態の変形例では、図２に示すように外側電極１５と内側電極１３ａとを放電容器１０内の放電用ガスの流れ方向に離間（オフセット）させて配設している。図２では、内側電極１３ａ（の外側電極１５側の端部１３ｔ）と外側電極１５（の内側電極１３ａ側の端部１５ｔ）との放電用ガスの流れ方向の離間量（以下、軸方向のオフセット量という）をＯＳとして描いている。別言すると、外側電極１５と内側電極１３ａは、円筒状の放電容器１０の径方向にオーバラップしている部分がない（対向している部分がない）。
このように、外側電極１５が内側電極１３ａより放電用ガスの流れ方向下流側に突出していることに加えて、外側電極１５を放電用ガスの流れ方向に沿って内側電極１３ａと離間するように配設することで、後述するプラズマが放出口側に向かって集中して生じるようになり、より一層プラズマ到達距離を長くすることができる。

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や金属膜等の他の形態でもよい。また、外側電極１５は、放電容器１０の外周の一部分に配置し、あるいは放電容器１０を構成する誘電体によって放電容器１０に埋設するように被覆してもよい。例えば、第１の実施形態の変形例では外側電極１５は、内側電極１３ａと径方向にオーバラップせず、その内側電極１３ａ側の端部１５ｔが該内側電極１３ａの外側電極１５側の端部１３ｔと放電容器１０の軸方向にオフセットしていれば他の形態でもよい。

以上の例では、安全面を考慮して内側電極１３ａを高電圧側電極（高圧側電極）とし、外側電極１５を低電圧側電極（接地側電極）としているが、この高電圧側電極と低電圧側電極の内外関係は逆であってもよい。

上記構成の本大気圧プラズマ発生装置１００を用いてプラズマを発生させるには、放電容器１０の供給口１１から放電容器１０内に放電用ガス等（以下、単に放電用ガス）を供給し（流入させ）、放電空間１４内を流動させた後、放電容器１０の放出口１２から大気である外部へ放出する。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）状態において、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との間で放電（プラズマ）が発生する。

このとき、外側電極１５（の放電ガス流れ方向下流側端部１５ｓ）が、内側電極１３ａ（の外側電極１５側の端部１３ｔ）より、放電容器１０内の放電用ガスの流れ方向（円筒状の放電容器１０の軸方向）下流側に配置されているので、外側電極１５と、電界強度が高い内側電極１３ａの両縁部１３ａ２との距離が最も小さい部分（例えば、外側電極１５と内側電極１３ａが放電容器径方向に対向している部分のどこか）での絶縁破壊を起点として、外側電極１５の端部１５ｔから放出口１２側の放電空間１４（空間Ｘ）で放電（プラズマ）が生じる。そして、生じたプラズマは放出口１２から放出される（流出する）。このように放電（プラズマ）を放出口１２側の空間Ｘ、すなわち放電用ガスの流れる方向に向かって生じさせることで、プラズマ到達距離を長くすることができる。

また、第１の実施形態の変形例では、内側電極１３ａと外側電極１５とは軸方向にオフセットされているので、内側電極１３ａに近い外側電極１５の端部１５ｔ（の周方向のどこか）付近と、電界強度が高い内側電極１３ａの両縁部１３ａ２の外側電極１５に近い端部１３ｔ付近での絶縁破壊を起点として、内側電極１３ａの端部１３ｔから放出口１２側の放電空間１４（空間Ｘ）で放電（プラズマ）が生じる。そして、生じたプラズマは放出口１２から放出される（流出する）。このように内側電極１３ａと外側電極１５を離間（オフセット）することにより、放電（プラズマ）を内側電極１３ａの端部１３ｔより放出口１２側の空間Ｘ、すなわち放電用ガスの流れる方向に向かって集中して生じさせることで、プラズマ到達距離をより長くすることができる。

さらに、外側電極１５を放出口１２の近傍に配置することで、プラズマを放出口１２に近い部分で生じさせることができ、放出口１２から放出されたプラズマの到達距離を長くすることができる。内側電極１３ａと外側電極１５のオフセット量ＯＳは、プラズマの到達距離に加えて、放電開始電圧等の諸条件を勘案して定める。

内側電極１３ａは、内側電極１３ａと外側電極１５との間（端部１３ｔと端部１５ｔとの間）の電界強度が周方向で異なる（電界強度が部分（局所）的に高くなる）ような形状であることが好ましい。以上の実施形態では、内側電極１３ａは帯状電極であることから、外側電極１５との距離が放電容器周方向において均一ではなく、内側電極１３ａの外側電極側の端部１３ｔの両縁部１３ｂ２が最も小さくなる。そのため、円柱状の電極と比較して、端部１３ｔの両縁部１３ｂ２と、外側電極１５との間には電界集中が生じ、電界強度が高くなる。さらに、内側電極１３ａの厚さは短手方向の中央部１３ａ１から両縁部１３ｂ２に向かって薄くなり、内側電極１３ａの両縁部１３ｂ２が尖ったナイフエッジ形状をなしている。これにより、端部１３ｔの両縁部１３ｂ２の尖った部分のみに電界集中が生じるので、電界強度が局所的に高くなり、外側電極１５と内側電極１３ａとが放電用ガスの流れ方向に離間していても、高い印加電圧を加えることなく確実にプラズマ（放電）を発生させることができる。

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、端部１３ｔの両縁部１３ａ２の電界強度を局所的に高くでき、より確実にプラズマ（放電）を発生させることができる。

また、以上の実施形態では、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１３ｂの誘電体に覆われることで、放電用ガスに含まれる反応ガスと内側電極１３ａが接することがなく、内側電極１３ａが反応ガスによって劣化することがないので、プラズマを長期間、安定して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（気密に埋設される）。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が劣化することや、隙間を介した沿面放電を防止できる。

以上の実施形態では、外側電極１５を放出口１２に接近させて設けているが、内側電極１３ａを放出口１２に接近させて設ける態様も可能である。この態様は、図１および図２の構成において、放電容器１０の左方に放電用ガスの供給口を配置し、右方に放出口を配置して、放電用ガスを逆方向に流動させる形態に相当する。

図５は、本発明によるプラズマ発生装置の別の実施形態を示している。この第２の実施形態は、放電容器１０の形状を、放出口１２１側において縮径し、その部分に外側電極１５を設けたものである。このように放出口１２１側において放電容器１０内側の断面積を縮小させた縮径部１６を設けると、プラズマ（放電用ガス）の流速が増加する。また、縮径部１６に外側電極１５を設けると、内側電極１３aと外側電極１５との距離が小さくなり、プラズマ発生電圧（放電開始電圧）が低下する。これにより、第２の実施形態では、プラズマ到達距離が長いプラズマを容易に生じさせることができる。

図６は、放電容器１０の放出口１２２側の内径をさらに縮径し、内側管１３ｂの外径より小さくした実施形態である。この第３の実施形態は第２の実施形態の効果に加えて、放出口１２２側の内径を内側管１３ｂの外径（好ましくは帯状の内側電極１３ａの幅方向長さ）より小さくすることで、プラズマを内側管１３ｂの放出口１２２側の空間に集中して生じさせることができ、さらにプラズマ到達距離を長くすることができる。放出口１２２側をどの程度縮径するかは、放電開始電圧等の諸条件を勘案して、適当なプラズマ到達距離が得られるように定める。

１０ ：放電容器（放電管）
１０ａ ：管壁
１０ｂ ：端部壁
１１ ：供給口（放電用ガス供給口、流入口）
１１ａ ：接続管
１２ ：放出口（プラズマ放出口、流出口）
１３ａ ：内側電極（一方の電極、帯状電極、高電圧側電極、高圧側電極）
１３ａ１ ：中央部
１３ａ２ ：両縁部
１３ｂ ：内側管
１３ｂ２ ：両縁部（縁部）
１３ｔ ：端部（放電ガス流れ方向下流側端部、外側電極側の端部）
１４ ：放電空間（プラズマ発生空間）
１５ ：外側電極（他方の電極、低電圧側電極、低圧側電極、接地側電極）
１５ｔ ：端部（内側電極側の端部）
１５ｓ ：放電ガス流れ方向下流側端部
１６ ：縮径部
１００ ：大気圧プラズマ発生装置
１２１ ：放出口（プラズマ放出口、流出口）
１２２ ：放出口（プラズマ放出口、流出口）
ＯＳ ：オフセット量
Ｘ ：空間

Claims (10)

1. 放電容器を介在させて配設された一対の電極を有するプラズマ発生装置において、
   上記一対の電極のうち、一方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部が、他方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部より、放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、
   上記一対の電極の一方の電極は、上記放電容器内の柱状の誘電体に埋設された内側電極であり、他方の電極は、上記放電容器の外表面に配置された外側電極であって、上記外側電極は上記内側電極より上記放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、
   上記放電容器は、外表面に上記外側電極が配置された縮径部を有し、上記縮径部の内径は、上記放電容器の内径及び上記誘電体の外径より小さい、
   ことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 放電容器を介在させて配設された一対の電極を有するプラズマ発生装置において、
   上記一対の電極のうち、一方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部が、他方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部より、放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、
   上記一対の電極の一方の電極は、上記放電容器内の柱状の誘電体に埋設された内側電極であり、他方の電極は、上記放電容器の外表面に配置された外側電極であって、上記外側電極は上記内側電極より上記放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、
   上記誘電体は、上記放電容器の一部を一体として構成している、
   ことを特徴とするプラズマ発生装置。
3. 放電容器を介在させて配設された一対の電極を有するプラズマ発生装置において、
   上記一対の電極のうち、一方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部が、他方の電極の放電用ガスの流れ方向下流側端部より、放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、
   上記一対の電極の一方の電極は、上記放電容器内の柱状の誘電体に埋設された内側電極であり、他方の電極は、上記放電容器の外表面に配置された外側電極であって、上記外側電極は上記内側電極より上記放電用ガスの流れ方向に沿って下流側に配置されており、
   上記内側電極は帯状電極であり、上記誘電体の厚さは、上記帯状電極の幅方向の外側の厚さが最も薄い、
   ことを特徴とするプラズマ発生装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ発生装置において、上記帯状電極の幅方向の両縁部の少なくとも一方の厚さが、上記帯状電極の中央部の厚さよりも薄いプラズマ発生装置。
5. 請求項３または４に記載のプラズマ発生装置において、上記帯状電極の幅方向の両縁部が、ナイフエッジ形状であるプラズマ発生装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載のプラズマ発生装置において、上記一対の電極は、上記放電容器内を流れる上記放電用ガスの流れ方向に沿って離間して配置されているプラズマ発生装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載のプラズマ発生装置において、上記内側電極は高電圧側電極であって、上記外側電極は低電圧側電極であるプラズマ発生装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項記載のプラズマ発生装置において、上記一対の電極の間の電界強度が上記放電容器の周方向に沿って不均一であるプラズマ発生装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項記載のプラズマ発生装置において、上記誘電体の径方向の厚さが周方向に沿って不均一であるプラズマ発生装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項記載のプラズマ発生装置を用い、上記放電容器内に上記放電用ガスを供給し、上記一対の電極の間に電圧を印加することで生じたプラズマを上記放電容器外へ放出するプラズマ発生方法。

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