JP7189086B2

JP7189086B2 - プラズマ発生装置用部品

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Publication number: JP7189086B2
Application number: JP2019104407A
Authority: JP
Inventors: 達哉谷口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: JP2020198235A

Description

本開示は、プラズマ発生装置に用いられるプラズマ発生装置用部品に関するものである。

大気圧プラズマは、半導体、医療、自動車、環境等幅広い分野で利用されている。大気圧プラズマを発生させる放電の形態は、電極における電子の発生機構によって、グロー放電とアーク放電とに大別される。大気圧におけるアーク放電では、プラズマは熱平衡にあり、ガス温度が１００００℃と高温である。そのため、被処理物の温度も高くなることから、アーク放電によるプラズマ発生装置は、廃棄物処理、リサイクルなどに用途が限定されている。一方、グロー放電では、均一な非平衡プラズマが生成され、アーク放電プラズマに比べて温度も低いことから、用途も幅広く、大気圧グロー放電の様々な分野への応用が期待されている。

しかしながら、大気圧でグロー放電を発生させる場合、プラズマの発生が不安定となる。そこで、例えば、特許文献１のように、誘電体バリア放電により空気をプラズマ化するプラズマ発生装置が提案されている。

特開２００９－５４３５９号公報

前述の特許文献１に記載される従来技術では、大気圧グロー放電によるプラズマ発生装置では、希ガスが用いられることが多い。しかしながら、例えば、ＨｅとＡｒとではイオン化エネルギーも異なり、電離させるための条件が異なるため、ガス種によらずに、安定的にプラズマを生成させることは困難である。

本開示に係るプラズマ発生装置用部品は、誘電体からなる筒状の基体と、前記基体に埋設された２つの放電電極と、を備え、前記基体は、第１筒状部と第２筒状部とを有し、前記第１筒状部の一方の端面と前記第２筒状部の一方の端面とが接しており、前記２つの放電電極は、前記第１筒状部の前記一方の端面と前記第２筒状部の前記一方の端面との間に配設されていることを特徴とする。
また、本開示に係るプラズマ発生装置用部品は、誘電体からなる筒状の基体と、前記基体に埋設された２つの放電電極と、を備え、前記基体は、第１筒状部と第２筒状部とを有し、前記第１筒状部の外周面が、前記第２筒状部の内周面に接しており、前記２つの放電電極は、前記第１筒状部の前記外周面と前記第２筒状部の前記内周面との間に配設されており、前記第１筒状部の誘電率が、前記第２筒状部の誘電率よりも大きいことを特徴とする。
さらに、本開示に係るプラズマ発生装置用部品は、誘電体からなる筒状の基体と、前記基体に埋設された２つの放電電極と、を備え、前記基体は、第１筒状部と第２筒状部と第３筒状部とを有し、前記第１筒状部の外周面と前記第２筒状部の内周面とが接し、前記第２筒状部の外周面と前記第３筒状部の内周面とが接しており、前記２つの放電電極のうちの一方が、前記第１筒状部の前記外周面と前記第２筒状部の前記内周面との間に配設されており、前記２つの放電電極のうちの他方が、前記第２筒状部の前記外周面と前記第３筒状部の前記内周面との間に配設されていることを特徴とする。

本開示によれば、低電圧であって、ガス種によらずに、安定的にプラズマを生成させることができるプラズマ発生装置用部品を提供することができる。

本開示の第１実施形態におけるプラズマ発生装置用部品の正面図である。本開示の第１実施形態におけるプラズマ発生装置用部品の平面図である。本開示の第２実施形態におけるプラズマ発生装置用部品の正面図である。本開示の第２実施形態におけるプラズマ発生装置用部品の平面図である。本開示の第３実施形態におけるプラズマ発生装置用部品の正面図である。本開示の第３実施形態におけるプラズマ発生装置用部品の平面図である。

以下、本開示の第１実施形態に係るプラズマ発生装置用部品１について、図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態におけるプラズマ発生装置用部品１の正面図であり、図２は、その平面図である。プラズマ発生装置用部品１は、基体１０と、２つの放電電極２０と、発熱抵抗体３０と、を備えている。

本実施形態において、基体１０は、円筒状をなし、第１筒状部１１と、第２筒状部１２と、中心部にガス通過孔１５とを備えている。第１筒状部１１の一方の端面１３は、第２筒状部１２の一方の端面１４と接している。基体１０は、筒状であればよく、円筒状に限らず、三角筒上、四角筒状、楕円筒状を含むその他の形状であってもよい。基体１０の軸線方向の長さは、任意の長さとすることができるが、例えば、１０ｍｍ～１５０ｍｍであってもよい。基体１０の外径は、例えば、２ｍｍ～５０ｍｍであってもよい。図２に示すように、基体１０は、外周面に溝１７を有していてもよい。

基体１０は、絶縁体であればよく、例えば、絶縁性のセラミックスであればよい。第１筒状部１１と第２筒状部１２は、同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。基体１０は、金属材料から成る被覆層によって被覆されていてもよい。被覆層に用いられる金属材料としては、例えば、銀、金、銅、ニッケル等を含む金属材料が挙げられる。被覆層の外表面には、酸化膜が形成されていてもよい。基体１０を被覆層で被覆することにより、基体１０の耐蝕性および耐久性を向上させることができる。

本実施形態では、図１に示すように、２つの放電電極２０は、第１筒状部１１の一方の端面１３と、第２筒状部１２の一方の端面１４との間に、基体１０の周方向に互いに間隔を空けて、２つの放電電極２０がガス通過孔１５を挟むように、対向して配設されている。放電電極２０が配設される位置は、基体１０に埋設されていれば、第１筒状部１１の一方の端面１３と第２筒状部１２の一方の端面１４との間に限られず、任意の位置に配設することができる。

放電電極２０は、ガス通過孔１５を通過するガスを電離または励起し、放電部１６においてプラズマ流を形成する。放電部１６は、ガス通過孔１５内で、対向する２つの放電電極２０の間およびその近傍に位置する空間である。ガスとしては、希ガスであるＨｅ、Ａｒ、Ｎｅなどが用いられる。

各放電電極２０は、交流電源に接続され、各放電電極２０間に３ｋＶ～５ｋＶの電圧が１０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの周波数で印加される。放電電極２０の材料は、誘電体バリア放電を発生できるものであればよい。放電電極２０の材料としては、例えば、タングステン、モリブデン、レニウム等が挙げられる。

発熱抵抗体３０は、基体１０に埋設されている。本実施形態においては、発熱抵抗体３０は、第１筒状部１１の外周部全周に埋設されているが、これに限らず、任意の位置に配設することができ、放電電極２０と、発熱抵抗体３０とを、軸線方向の間隔を空けて、より離れた位置に配設してもよい。放電電極２０と、発熱抵抗体３０とが間隔を空けて配設されることによって、放電時に放電電極２０から生じたノイズの周囲の各種電子機器への干渉を低減することができる。

発熱抵抗体３０は、線状または帯状の電熱線からなり、本実施形態のようにミアンダ状の形状であってもよい。発熱抵抗体３０は、電源に接続されており、電流が流れることによって発熱して基体１０を加熱し、基体１０の熱放射によってガス通過孔１５を通過するガスが加熱される。

ガスがガス通過孔１５に供給される方向は、第１筒状部１１側、第２筒状部１２側、のいずれの側からであってもよい。発熱抵抗体３０が本実施形態のように第１筒状部１１に位置し、第１筒状部１１側からガスが供給される場合、ガス通過孔１５を通過するガスは、発熱抵抗体３０によって加熱され、その後、放電部１６において、バリア放電によってプラズマが形成される。発熱抵抗体３０によるガスの加熱によって、ガスは電離されやすくなり、ガス通過孔１５において安定的にプラズマ流を形成することができる。

次に、本開示の第２実施形態に係るプラズマ発生装置用部品１００について図３および図４を参照して説明する。プラズマ発生装置用部品１００は、基体１１０と、２つの放電電極１２０と、発熱抵抗体１３０と、を備えている。

図４に示すように、基体１１０は、円筒状をなし、第１筒状部１１１と、第２筒状部１１２とを備えている。第１筒状部１１１の中心には、ガス通過孔１１５が形成されている。

第２筒状部１１２は、第１筒状部１１１の外周面１１３に沿って形成され、第１筒状部１１１の外周面１１３は、第２筒状部１１２の内周面１１４と接している。図４に示すように、第２筒状部１１２には、基体１１０の軸線方向に延びるスリット１１８が設けられていてもよい。

基体１１０、第１筒状部１１１および第２筒状部１１２は、筒状であればよく、円筒状に限らず、三角筒上、四角筒状、楕円筒状を含むその他の形状であってもよい。基体１１０の軸線方向の長さは、任意の長さとすることができるが、例えば、１０ｍｍ～１５０ｍｍであってもよい。基体１１０の外径は、例えば、２ｍｍ～１０ｍｍであってもよい。第１筒状部１１１の厚さは、例えば、０．２５ｍｍ～１ｍｍであってもよい。第２筒状部１１２の厚さは、例えば、０．２５ｍｍ～１ｍｍであってもよい。第１筒状部１１１の厚さは、第２筒状部１１２の厚さよりも小さくてもよい。第２筒状部１１２の厚さが第１筒状部１１１の厚さよりも大きいことによって、基体１１０の外部への放電を抑制することができる。

基体１１０は、絶縁体であればよく、例えば、絶縁性のセラミックスであればよい。基体１１０は、金属材料から成る被覆層によって被覆されていてもよい。被覆層に用いられる金属材料としては、例えば、銀、金、銅、ニッケル等を含む金属材料が挙げられる。被覆層の外表面には、酸化膜が形成されていてもよい。基体１１０を被覆層で被覆することにより、基体１１０の耐蝕性および耐久性を向上させることができる。

第１筒状部１１１と第２筒状部１１２は、同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。また、第１筒状部１１１の誘電率は、第２筒状部１１２の誘電率よりも大きくてもよい。第１筒状部１１１の誘電率が第２筒状部１１２の誘電率よりも大きい場合、プラズマが第１筒状部１１１の外側よりも第１筒状部１１１の内側で発生しやすくなるため、安定的にプラズマを生成させることができる。

本実施形態では、図４に示すように、２つの放電電極１２０は、第１筒状部１１１の外周面１１３と、第２筒状部１１２の内周面１１４との間に、基体１１０の周方向に互いに間隔を空けて、ガス通過孔１１５を挟むように、対向して配設され、基体１１０の軸線方向に延びている。

放電電極１２０の軸線方向の長さは、バリア放電を発生させることができれば、任意に設定することができる。放電電極１２０が配設される位置は、基体１１０に埋設されていれば、第１筒状部１１１の外周面１１３と第２筒状部１１２の内周面１１４との間に限られず、任意の位置に配設することができる。

放電電極１２０は、ガス通過孔１１５を通過するガスを電離または励起し、放電部１１６においてプラズマ流を形成する。放電部１１６は、ガス通過孔１１５内で、対抗する２つの放電電極１２０の間およびその近傍に位置する空間である。ガスとしては、希ガスであるＨｅ、Ａｒ、Ｎｅなどが用いられる。

放電電極１２０には、交流電源が接続され、３ｋＶ～５ｋＶの電圧が１０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの周波数で印可される。放電電極１２０の材料は、誘電体バリア放電を発生できるものであればよい。放電電極１２０の材料は、放電電極１２０の自己発熱を抑制できる、体積固有抵抗値が低い材料であってもよい。放電電極１２０の材料としては、例えば、タングステン、モリブデン、レニウム等が挙げられる。また、放電電極１２０の形状は、例えば、ベタ状であってもよい。

本実施形態において、発熱抵抗体１３０は、第１筒状部１１１の外周面１１３と第２筒状部１１２の内周面１１４との間に配設されているが、これに限らず、任意の位置に配設することができる。図３に示すように、放電電極１２０と、発熱抵抗体１３０を、軸線方向に間隔を空けて配設してもよい。放電電極１２０と、発熱抵抗体１３０とが間隔を空けて配設されることによって、ノイズの干渉を低減することができる。また、放電電極１２０と発熱抵抗体１３０とが、軸線方向に重なって設けられていてもよい。これにより、プラズマ発生装置用部品１００の全長を小さくすることができる。

発熱抵抗体１３０は、線状または帯状の導電性の部材からなり、図３に示すようにミアンダ状の形状であってもよい。発熱抵抗体１３０は、電源に接続されており、電流が流れることによって、ガス通過孔１１５を通過するガスが加熱される。発熱抵抗体１３０の材料は、所定の温度を達成できる抵抗値を有する材料であればよく、例えば、タングステン、タングステンおよびモリブデンの合金、タングステンおよびレニウムの合金等であってもよい。

ガスがガス通過孔１１５に供給される方向は、基体１１０の一方端側、他方端側のいずれの側からであってもよいが、本実施形態において、ガスが発熱抵抗体１３０側から供給される場合、発熱抵抗体１３０によって加熱されたガスは、放電部１１６を通過する際に、電離されやすくなり、ガス通過孔１１５において、安定的にプラズマ流を形成することができる。

次に、本開示の第３実施形態に係るプラズマ発生装置用部品２００について図５および図６を参照して説明する。プラズマ発生装置用部品２００は、基体２１０と、２つの放電電極２２０と、発熱抵抗体２３０と、を備えている。

本実施形態において、基体２１０は、円筒状をなし、第１筒状部２１１と、第２筒状部２１２と、第３筒状部２１３とを備えている。第１筒状部２１１の中心には、ガス通過孔２１８が形成されている。

第２筒状部２１２は、第１筒状部２１１の外周面２１４に沿って形成され、第１筒状部２１１の外周面２１４は、第２筒状部２１２の内周面２１５と接している。また、第３筒状部２１３は、第２筒状部２１２の外周面２１６に沿って形成され、第２筒状部２１２の外周面２１６は、第３筒状部２１３の内周面２１７と接している。本実施形態では、図６に示すように、第３筒状部２１３に軸線方向に延びるスリット２２１が設けられているが、スリット２２１は、第２筒状部２１２および第３筒状部２１３の少なくとも一方に設けることができる。

基体２１０、第１筒状部２１１、第２筒状部２１２および第３筒状部２１３は、筒状であればよく、円筒状に限らず、三角筒上、四角筒状、楕円筒状を含むその他の形状であってもよい。基体２１０の軸線方向の長さは、任意の長さとすることができるが、例えば、１０ｍｍ～１５０ｍｍであってもよい。基体２１０の外径は、例えば、２ｍｍ～１０ｍｍであってもよい。第１筒状部２１１、第２筒状部２１２および第３筒状部２１３の厚さは、例えば、０．２５ｍｍ～１ｍｍであってもよい。第２筒状部２１２の厚さは、第３筒状部２１３の厚さよりも小さくてもよい。第３筒状部２１３の厚さが第２筒状部２１２の厚さよりも大きいことによって、基体２１０の外部への放電を抑制することができる。

基体２１０は、絶縁体であればよく、例えば、絶縁性のセラミックスであればよい。基体２１０は、金属材料から成る被覆層によって被覆されていてもよい。被覆層に用いられる金属材料としては、例えば、銀、金、銅、ニッケル等を含む金属材料が挙げられる。被覆層の外表面には、酸化膜が形成されていてもよい。基体２１０を被覆層で被覆することにより、基体２１０の耐蝕性および耐久性を向上させることができる。第１筒状部２１１、第２筒状部２１２、第３筒状部２１３は、同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。また、第２筒状部２１２の誘電率は、第３筒状部２１３の誘電率よりも大きくてもよい。

本実施形態では、図６に示すように、２つの放電電極２２０の一方は、第１筒状部２１１の外周面２１４と、第２筒状部２１２の内周面２１５との間に配設され、２つの放電電極２２０の他方は、第２筒状部２１２の外周面２１６と第３筒状部２１３の内周面２１７との間に配設され、第２筒状部２１２を挟んで対向している。また、２つの放電電極２２０は、基体２１０の軸線方向に延びて配設されている。

放電電極２２０の軸線方向の長さは、バリア放電を発生させることができれば、任意に設定することができる。放電電極２２０が配設される位置は、基体２１０に埋設されていれば、任意の位置に配設することができる。

放電電極２２０は、ガス通過孔２１８を通過するガスを電離または励起し、放電部２１９においてプラズマ流を形成する。図５に示すように、放電部２１９は、放電電極２２０の両端を通り基体２１０の軸線方向に垂直な２つの平面に囲まれた部分およびその近傍に位置する空間である。ガスとしては、希ガスであるＨｅ、Ａｒ、Ｎｅなどが用いられる。

放電電極２２０には、交流電源が接続され、３ｋＶ～５ｋＶの電圧が１０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの周波数で印可される。放電電極２２０の材料は、誘電体バリア放電を発生できるものであればよい。

本実施形態では、発熱抵抗体２３０は、第１筒状部２１１の外周面２１４と第２筒状部２１２の内周面２１５との間に配設されているが、これに限らず、任意の位置に配設することができる。図５に示すように、放電電極２２０と、発熱抵抗体２３０を、軸線方向に間隔を空けて配設してもよい。

発熱抵抗体２３０は、線状または帯状の導電性の部材からなり、図５に示すようにミアンダ状の形状であってもよい。発熱抵抗体２３０の材料は、所定の温度を達成できる抵抗値を有する材料であればよく、例えば、タングステン、タングステンおよびモリブデンの合金、タングステンおよびレニウムの合金等であってもよい。発熱抵抗体２３０によって、ガス通過孔２１８を通過するガスが加熱される。

ガスがガス通過孔２１８に供給される方向は、基体２１０の一方端部、他方端部のいずれの側からであってもよいが、本実施形態において、ガスが発熱抵抗体２３０側から供給される場合、発熱抵抗体２３０によって加熱されたガスは、放電部２１９を通過する際に、電離されやすくなり、ガス通過孔２１８において、安定的にプラズマ流を形成することができる。

上記においては、ガスとして希ガスを用いる場合に限定して説明してきたが、本開示の発明は、これに限らず、バリア放電によりプラズマを生成できるガスであれば、どのようなものに対しても適用できる。

１，１００，２００プラズマ発生装置用部品
１０，１１０，２１０基体
１１，１１１，２１１第１筒状部
１２，１１２，２１２第２筒状部
２１３第３筒状部
１３，１４端面
１５，１１５，２１８ガス通過孔
１６，１１６,２１９放電部
１７溝
２０，１２０，２２０放電電極
３０，１３０，２３０発熱抵抗体
１１４，２１５，２１７内周面
１１３，２１４，２１６外周面
１１８，２２１スリット

Claims

誘電体からなる筒状の基体と、前記基体に埋設された２つの放電電極と、を備え、
前記基体は、第１筒状部と第２筒状部とを有し、
前記第１筒状部の一方の端面と前記第２筒状部の一方の端面とが接しており、
前記２つの放電電極は、前記第１筒状部の前記一方の端面と前記第２筒状部の前記一方の端面との間に配設されていることを特徴とするプラズマ発生装置用部品。
前記２つの放電電極は、前記基体の周方向、および前記基体の軸線方向に直交する方向の少なくとも一方の方向に互いに間隔を空けて配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用部品。
発熱抵抗体が、前記基体に埋設されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生装置用部品。
前記発熱抵抗体と前記２つの放電電極とは、前記基体の軸線方向に間隔を空けて配設されていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ発生装置用部品。
前記基体は、外周面に溝を有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のプラズマ発生装置用部品。
発熱抵抗体が、前記第１筒状部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用部品。
誘電体からなる筒状の基体と、前記基体に埋設された２つの放電電極と、を備え、
前記基体は、第１筒状部と第２筒状部とを有し、
前記第１筒状部の外周面が、前記第２筒状部の内周面に接しており、
前記２つの放電電極は、前記第１筒状部の前記外周面と前記第２筒状部の前記内周面との間に配設されており、
前記第１筒状部の誘電率が、前記第２筒状部の誘電率よりも大きいことを特徴とするプラズマ発生装置用部品。
発熱抵抗体が前記第１筒状部の前記外周面と前記第２筒状部の前記内周面との間に配設されていることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ発生装置用部品。
前記発熱抵抗体と前記２つの放電電極とは、前記基体の軸線方向に間隔を空けて配設されていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ発生装置用部品。
前記第２筒状部は、スリットを有することを特徴とする請求項７～９のいずれかに記載のプラズマ発生装置用部品。
誘電体からなる筒状の基体と、前記基体に埋設された２つの放電電極と、を備え、
前記基体は、第１筒状部と第２筒状部と第３筒状部とを有し、
前記第１筒状部の外周面と前記第２筒状部の内周面とが接し、前記第２筒状部の外周面と前記第３筒状部の内周面とが接しており、
前記２つの放電電極のうちの一方が、前記第１筒状部の前記外周面と前記第２筒状部の前記内周面との間に配設されており、前記２つの放電電極のうちの他方が、前記第２筒状部の前記外周面と前記第３筒状部の前記内周面との間に配設されていることを特徴とするプラズマ発生装置用部品。
発熱抵抗体が、前記第１筒状部の前記外周面と前記第２筒状部の前記内周面との間に配設されていることを特徴とする請求項１１に記載のプラズマ発生装置用部品。
前記発熱抵抗体と前記２つの放電電極とは、前記基体の軸線方向に間隔を空けて配設されていることを特徴とする請求項１２に記載のプラズマ発生装置用部品。
前記第１筒状部の誘電率が、前記第２筒状部の誘電率よりも大きいことを特徴とする請求項１１～１３のいずれかに記載のプラズマ発生装置用部品。
前記第２筒状部および前記第３筒状部の少なくとも一方は、スリットを有することを特徴とする請求項１１～１４のいずれかに記載のプラズマ発生装置用部品。