JP7168792B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本願は、大気圧でプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関するものである。

特許文献１には、プラズマ発生器の流出路から水平方向に流出したプラズマを、垂直方向から噴出した圧縮された不活性ガスによりプラズマ流路の下面に沿って流すようにした大気圧プラズマ発生装置が記載されている。この大気圧プラズマ発生装置では、不活性ガスにより増幅されたプラズマが、プラズマ流路から延出した傾斜面の傾斜部及び垂直部に沿って流れ、垂直部の下方に配設された被処理体にプラズマ処理する。

図４は、特許文献１に記載の大気圧プラズマ発生装置とは異なり、プラズマ発生器の流出路から流出したプラズマの方向を変えずに、ノズルから噴出させるようにした、従来のプラズマ発生器２００を示している。このプラズマ発生器２００は、導入口２１２から処理ガスを導入して、反応室２１６内に供給し、反応室２１６内でプラズマガスを発生させて、ノズル２３０からプラズマガスを噴出する。

プラズマガスの生成は、反応室２１６内の内圧や気体の流れ方に依存する。具体的には、反応室２１６内の内圧が上昇し過ぎると、放電が開始されない。また、反応室２１６内の気体に渦が発生すると、プラズマの生成が不安定になって、プラズマ処理にムラが発生したり、内部ノズルの損傷が激しくなって、内部ノズルの寿命が短くなったりする。

特開２０１５－１５３６５２号公報

ところで、被処理体の形状やプラズマ処理を施したい幅などにより、先端ノズルの形状には様々なニーズがある。先端ノズルの形状が変われば、導入口から先端ノズルまでの気体の流れが変わり、反応室内の内圧や気体の流れも変化する。

このため、プラズマガスの照射幅や照射距離、あるいは内部ノズル寿命など、要求仕様を満たす先端ノズルの形状を設計するために試行錯誤しなければならず、多大な手間や工数がかかっている。

そこで、本願は、多大な手間や工数をかけずに先端ノズルの形状を変更することが可能となるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願のプラズマ発生装置は、処理ガス発生装置が発生した
処理ガスを導入する処理ガス導入口と、処理ガス導入口から導入された処理ガスをプラズマ化して、プラズマガスを発生させるプラズマ発生部と、プラズマ発生部により発生されたプラズマガスをプラズマ発生部内から導出するプラズマガス導出口と、不活性ガス発生装置が発生した圧縮不活性ガスを導入する不活性ガス導入口と、プラズマガス導出口から導出されたプラズマガスと不活性ガス導入口から導入された圧縮不活性ガスを混合したプラズマ混合ガスを外部に排出するノズルと、プラズマガス導出口とノズルとの間を接続し、プラズマガスが流れるプラズマ流路と、不活性ガス導入口から導入された圧縮不活性ガスをプラズマ流路内に供給する不活性ガス供給路と、を備え、不活性ガス供給路は、圧縮不活性ガスの下流側への供給量を絞る絞り部を有する。

本願によれば、多大な手間や工数をかけずに先端ノズルの形状を変更することが可能となる。

本願の第１実施形態に係るプラズマ発生装置の概略構成を示すブロック図である。 図１のプラズマ発生装置に含まれるプラズマ発生器の概略構成を示す斜視断面図である。 本願の第２実施形態に係るプラズマ発生装置に含まれるプラズマ発生器の斜視断面図である。 従来のプラズマ発生装置に含まれるプラズマ発生器の斜視断面図である。

以下、本願の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本願の第１実施形態に係るプラズマ発生装置１の概略構成を示している。

本実施形態のプラズマ発生装置１は、大気圧下でプラズマガスを発生させ、そのプラズマガスを被処理体に噴射することにより、被処理体に対してプラズマ処理を行うものである。

プラズマ発生装置１は、図１に示すように、プラズマガスを発生させるプラズマ発生器２０と、プラズマ発生器２０を制御する制御装置８０とにより、主として構成されている。

プラズマ発生器２０は、電極３５と、処理ガス供給装置６０と、不活性ガス供給装置６２とを備えている。処理ガス供給装置６０は、プラズマガスの基になる処理ガスを、後述する処理ガス導入口３３（図２参照）に供給するものである。処理ガスは、希ガスや窒素ガス等の不活性ガスと、酸素等の活性ガスとを所定の割合で混合したものである。電極３５は、後述する反応室３６（図２参照）内に設けられ、反応室３６内に擬似アークを発生させる。処理ガスは、この擬似アークを通過する際にプラズマ化され、プラズマガスとなる。不活性ガス供給装置６２は、圧縮した不活性ガス（以下「圧縮不活性ガス」という）を、後述する不活性ガス導入口４４（図２参照）に供給するものである。

制御装置８０は、コンピュータを主体として構成されたコントローラ８２と、電極３５を制御する制御回路８４と、処理ガス供給装置６０を駆動する第１駆動回路８６と、不活性ガス供給装置６２を駆動する第２駆動回路８８とを備えている。

コントローラ８２は、制御回路８４を制御することにより、電極３５への印加電圧を制御する。また、コントローラ８２は、第１駆動回路８６を制御することにより、処理ガス供給装置６０が供給する処理ガスの供給量を制御する。さらに、コントローラ８２は、第２駆動回路８８を制御することにより、不活性ガス供給装置６２が供給する圧縮不活性ガスの供給量を制御する。

図２は、プラズマ発生器２０の概略構成を示している。プラズマ発生器２０は、主として、プラズマガスを生成するプラズマ生成部３０と、生成したプラズマガスを噴射するノズル５０とによって構成されている。

プラズマ生成部３０は、本体３１を備えている。本体３１の内部には、反応室３６が形成され、反応室３６に処理ガスを導入する処理ガス導入路３２も形成されている。処理ガス導入路３２の上流側端部は、開口され、処理ガス導入口３３として機能する。また、処理ガス導入路３２の下流側端部も、開口され、反応室３６へ処理ガスを供給する処理ガス供給口３４として機能する。

反応室３６内には、上記電極３５が設けられている。電極３５を設ける位置は、各種考えられるが、本実施形態では、プラズマガスを生成する方法に特徴がある訳ではなく、公知の方法を用いればよいので、具体的な位置については言及しない。

反応室３６の底面には、反応室３６で生成されたプラズマガスを下流側に導出する孔３８が形成され、プラズマガス導出口３８として機能する。プラズマガス導出口３８に連結して、本体側プラズマ通路４０が形成されている。本体側プラズマ通路４０の他端は、プラズマガスと不活性ガスとを混合する混合室４２に連結されている。そして、混合室４２の底面は開口し、ノズル５０内に形成されたノズル側プラズマ通路５２と連結されている。ノズル側プラズマ通路５２の下端は開口し、噴射口５４として機能する。

ノズル５０に近い本体３１内には、混合室４２に圧縮不活性ガスを導入する不活性ガス導入路４６が形成されている。不活性ガス導入路４６の上流側端部は、開口され、不活性ガス導入口４４として機能する。不活性ガス導入路４６の下流側端部には、圧縮不活性ガスの下流側への供給量を絞る内部ノズル４８が形成されている。内部ノズル４８から排出された不活性ガスは、混合室４２に供給される。

以上のように構成されたプラズマ発生器２０において、コントローラ８２は、制御回路８４を制御することにより、電極３５から擬似アークが発生するような電圧を電極３５に印加する。

また、コントローラ８２は、第１駆動回路８６を制御することにより、処理ガス供給装置６０から処理ガスを処理ガス導入口３３に供給する。処理ガス導入口３３に供給された処理ガスは、処理ガス導入路３２を通って、反応室３６に供給される。処理ガスは、反応室３６内で、上述のようにプラズマ化され、プラズマガスとして、プラズマガス導出口３８から導出される。

一方、コントローラ８２は、第２駆動回路８８を制御することにより、不活性ガス供給装置６２から圧縮不活性ガスを不活性ガス導入口４４に供給する。不活性ガス導入口４４に供給された圧縮不活性ガスは、不活性ガス導入路４６を通って、内部ノズル４８に供給される。内部ノズル４８は、供給された圧縮不活性ガスの供給量を絞るため、内部ノズル４８からは非常に高速（例えば、超音速）の不活性ガスが排出される。そして、内部ノズル４８から排出された不活性ガスは、混合室４２内で膨張するため、ベンチュリ効果により、内部ノズル４８付近の混合室４２内の圧力が低下する。これにより、本体側プラズマ通路４０内のプラズマガスが混合室４２内に吸い込まれ、プラズマガスは、高速の不活性ガスとともに、ノズル側プラズマ通路５２を通って、噴射口５４から噴射される。

以上説明したように、本実施形態のプラズマ発生装置１は、処理ガス供給装置６０が発生した処理ガスを導入する処理ガス導入口３３と、処理ガス導入口３３から導入された処理ガスをプラズマ化して、プラズマガスを発生させる反応室３６と、反応室３６により発生されたプラズマガスを反応室３６内から導出するプラズマガス導出口３８と、不活性ガス供給装置６２が発生した圧縮不活性ガスを導入する不活性ガス導入口４４と、プラズマガス導出口３８から導出されたプラズマガスと不活性ガス導入口４４から導入された圧縮不活性ガスを混合したプラズマ混合ガスを外部に排出するノズル５０と、を備えている。

このように、本実施形態のプラズマ発生装置１では、反応室３６からはプラズマガスのみが導出され、混合室４２内で、高流速の不活性ガスと混合されて、高流速のプラズマガスが生成され、ノズル５０から外部に噴出されるので、被処理体の形状に適したノズル５０の設計を個別に行うことができる。

また、反応室３６内の処理ガスのガス流量を変えることで、プラズマガスのラジカル密度を変化させることができ、さらに、圧縮不活性ガスのガス流量を変えることで、ノズル５０から噴射するプラズマガスのガス流量やラジカル密度を変化させることができる。つまり、プラズマ処理の能力を容易に変更することができる。

ちなみに、本実施形態において、処理ガス供給装置６０は、「処理ガス発生装置」の一例である。反応室３６は、「プラズマ発生部」の一例である。不活性ガス供給装置６２は、「不活性ガス発生装置」の一例である。

また、本実施形態のプラズマ発生装置１は、プラズマガス導出口３８とノズル５０との間を接続し、プラズマガスが流れる本体側プラズマ通路４０、混合室４２及びノズル側プラズマ通路５２と、不活性ガス導入口４４から導入された圧縮不活性ガスを本体側プラズマ通路４０、混合室４２及びノズル側プラズマ通路５２内に供給する不活性ガス導入路４６と、をさらに備えている。

ちなみに、本体側プラズマ通路４０、混合室４２及びノズル側プラズマ通路５２は、「プラズマ流路」の一例である。不活性ガス導入路４６は、「不活性ガス供給路」の一例である。

また、不活性ガス導入路４６は、圧縮不活性ガスの下流側への供給量を絞る内部ノズル４８を有し、内部ノズル４８は、圧縮不活性ガスを高速化して、本体側プラズマ通路４０、混合室４２及びノズル側プラズマ通路５２内に供給する、

ちなみに、内部ノズル４８は、「絞り部」の一例である。

（第２実施形態）
図３は、本願の第２実施形態に係るプラズマ発生装置に含まれるプラズマ発生器を示している。

本実施形態のプラズマ発生装置は、上記第１実施形態のプラズマ発生装置１に対して、プラズマ発生器１００の構成のみが異なっている。したがって、本実施形態のプラズマ発生装置においても、プラズマ発生装置１に含まれる構成の一部、具体的には、制御装置８０、電極３５、処理ガス供給装置６０及び不活性ガス供給装置６２は、そのまま用い、各構成についての説明は省略する。

上記第１実施形態のプラズマ発生器２０は、プラズマ流路、つまり、本体側プラズマ通路４０、混合室４２及びノズル側プラズマ通路５２からなる通路に、不活性ガス導入路４６から圧縮不活性ガスを供給する。これに対して、本実施形態のプラズマ発生器１００は、不活性ガス通路にプラズマガスを供給する点が異なっている。したがって、プラズマ発生器１００の構成において、プラズマ発生器２０と対応する構成についての説明は省略する。

プラズマ生成部１１０は、本体１１１を備えている。本体１１１に形成されている、反応室１１６、処理ガス導入路１１２、処理ガス導入口１１３、処理ガス供給口１１４、プラズマガス導出口１１８及び本体側プラズマ通路１２０はそれぞれ、上記第１実施形態における本体３１に形成されている、反応室３６、処理ガス導入路３２、処理ガス導入口３３、処理ガス供給口３４、プラズマガス導出口３８及び本体側プラズマ通路４０に対応する。

本体側プラズマ通路１２０の他端は、プラズマガスと不活性ガスとを混合する混合室１２２に連結されている。

本体１１１の外側には、圧縮不活性ガスを導入する不活性ガス導入路１２６が形成されている。不活性ガス導入路１２６の上流側端部は、開口され、不活性ガス導入口１２４として機能する。不活性ガス導入路１２６の下流側端部には、圧縮不活性ガスの下流側への供給量を絞る内部ノズル１２８が形成されている。内部ノズル１２８から排出された不活性ガスは、混合室１２２に供給される。

そして、混合室１２２の底面は開口し、ノズル１３０内に形成されたノズル側プラズマ通路１３２と連結されている。ノズル側プラズマ通路１３２の下端は開口し、噴射口１３４として機能する。

以上のように構成されたプラズマ発生器１００において、コントローラ８２は、制御回路８４を制御することにより、電極３５から擬似アークが発生するような電圧を電極３５に印加する。

また、コントローラ８２は、第１駆動回路８６を制御することにより、処理ガス供給装置６０から処理ガスを処理ガス導入口１１３に供給する。処理ガス導入口１１３に供給された処理ガスは、処理ガス導入路１１２を通って、反応室１１６に供給される。処理ガスは、反応室１１６内で、上述のようにプラズマ化され、プラズマガスとして、プラズマガス導出口１１８から導出される。

一方、コントローラ８２は、第２駆動回路８８を制御することにより、不活性ガス供給装置６２から圧縮不活性ガスを不活性ガス導入口１２４に供給する。不活性ガス導入口１２４に供給された圧縮不活性ガスは、不活性ガス導入路１２６を通って、内部ノズル１２８に供給される。内部ノズル１２８は、供給された圧縮不活性ガスの供給量を絞るため、内部ノズル１２８からは非常に高速（例えば、超音速）の不活性ガスが排出される。そして、内部ノズル１２８から排出された不活性ガスは、混合室１２２内で膨張するため、ベンチュリ効果により、内部ノズル１２８付近の混合室１２２内の圧力が低下する。これにより、本体側プラズマ通路１２０内のプラズマガスが混合室１２２内に吸い込まれ、プラズマガスは、高速の不活性ガスとともに、ノズル側プラズマ通路１３２を通って、噴射口１３４から噴射される。

このように、本実施形態のプラズマ発生装置も、上記第１実施形態のプラズマ発生装置１と同様に、反応室１１６からはプラズマガスのみが導出され、混合室１２２内で、高流速の不活性ガスと混合されて、高流速のプラズマガスが生成され、ノズル１３０から外部に噴出されるので、被処理体の形状に適したノズル１３０の設計を個別に行うことができる。

また、反応室１１６内の処理ガスのガス流量を変えることで、プラズマガスのラジカル密度を変化させることができ、さらに、圧縮不活性ガスのガス流量を変えることで、ノズル１３０から噴射するプラズマガスのガス流量やラジカル密度を変化させることができる。つまり、プラズマ処理の能力を容易に変更することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

１：プラズマ発生装置 ２０，１００：プラズマ発生器 ３３，１１３：処理ガス導入口 ３５：電極 ３６，１１６：反応室 ３８，１１８：プラズマガス導出口 ４０，１２０：本体側プラズマ通路 ４２，１２２：混合室 ４４，１２４：不活性ガス導入口 ４６，１２６：不活性ガス導入路 ４８，１２８：内部ノズル ５０，１３０：ノズル ５２，１３２ノズル側プラズマ通路 ５４，１３４：噴射口 ６０：処理ガス供給装置 ６２：不活性ガス供給装置 ８０：制御装置 ８２：コントローラ ８４：制御回路 ８６：第１駆動回路 ８８：第２駆動回路

Claims (4)

1. 処理ガス発生装置が発生した処理ガスを導入する処理ガス導入口と、
   前記処理ガス導入口から導入された前記処理ガスをプラズマ化して、プラズマガスを発生させるプラズマ発生部と、
   前記プラズマ発生部により発生された前記プラズマガスを前記プラズマ発生部内から導出するプラズマガス導出口と、
   不活性ガス発生装置が発生した圧縮不活性ガスを導入する不活性ガス導入口と、
   前記プラズマガス導出口から導出された前記プラズマガスと前記不活性ガス導入口から導入された前記圧縮不活性ガスを混合したプラズマ混合ガスを外部に排出するノズルと、
   前記プラズマガス導出口と前記ノズルとの間を接続し、前記プラズマガスが流れるプラズマ流路と、
   前記不活性ガス導入口から導入された前記圧縮不活性ガスを前記プラズマ流路内に供給する不活性ガス供給路と、
   を備え、
   前記不活性ガス供給路は、
   前記圧縮不活性ガスの下流側への供給量を絞る絞り部
   を有する、
   プラズマ発生装置。
2. 前記絞り部は、前記圧縮不活性ガスを高速化して、前記プラズマ流路内に供給する、
   請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 処理ガス発生装置が発生した処理ガスを導入する処理ガス導入口と、
   前記処理ガス導入口から導入された前記処理ガスをプラズマ化して、プラズマガスを発生させるプラズマ発生部と、
   前記プラズマ発生部により発生された前記プラズマガスを前記プラズマ発生部内から導出するプラズマガス導出口と、
   不活性ガス発生装置が発生した圧縮不活性ガスを導入する不活性ガス導入口と、
   前記プラズマガス導出口から導出された前記プラズマガスと前記不活性ガス導入口から導入された前記圧縮不活性ガスを混合したプラズマ混合ガスを外部に排出するノズルと、
   前記不活性ガス導入口と前記ノズルとの間を接続し、前記圧縮不活性ガスが流れる不活性ガス流路と、
   前記プラズマガス導出口から導出された前記プラズマガスを前記不活性ガス流路内に供給するプラズマガス供給路と、
   を備え、
   前記不活性ガス流路は、
   前記圧縮不活性ガスの下流側への供給量を絞る絞り部
   を有する、
   プラズマ発生装置。
4. 前記絞り部は、前記圧縮不活性ガスを高速化して、前記プラズマ混合ガスを前記ノズルに供給する、
   請求項３に記載のプラズマ発生装置。

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