JP7386305B1 - プラズマ照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ照射対象側の構成を削減又は省略した形で、プラズマ照射対象に過度に電流が流れることを抑制する。【解決手段】プラズマ照射装置２は、ガスの放出口３４を備えるとともに放出口３４に向かってガスを流すガス流路３０を有する本体部２０Ａと、誘電体層である誘電体部５０と誘電体部５０を介して互いに対向して配置される第１電極４２及び第２電極４４とを備えるとともにガス流路３０内でプラズマ放電を発生させる放電部４０と、交流電力を発生させる駆動回路６１と、駆動回路６１を制御する制御部７０と、を有する。駆動回路６１は、少なくとも所定位置に交流電力を発生させ、第１電極４２及び第２電極４４には、上記所定位置の交流電力に応じた大きさの交流電力が供給される。制御部７０は、上記所定位置の有効電力値を基準値以下に抑える制限制御を行う。【選択図】図８

Description

本開示はプラズマ照射装置に関するものである。

特許文献１には、タンパク質水溶液の処理方法が開示されている。特許文献１で開示される処理方法では、水系溶媒にタンパク質が混合されてタンパク質水溶液が作成され、このタンパク質水溶液に対してプラズマ発生装置で発生したプラズマが照射されることでタンパク質膜が製造される。

特開２０１５－２１８２４５号公報

特許文献１に開示されるプラズマ照射装置（プラズマ発生装置）は、商用交流電源からの交流電圧、即ち、正弦波のような一般的な交流電圧を昇圧して電極間に印加することで、プラズマを発生させる。しかし、この種のプラズマ照射装置では、プラズマ照射対象に流れる電流（漏れ電流）を適正範囲内にコントロールするためには、プラズマ照射対象に流れる電流を何らかの方法で把握しなければならない。プラズマ照射対象に流れる電流を把握する方法としては、例えば、プラズマ照射対象側に電極などを設けて監視する方法が考えられるが、この方法では、プラズマ照射対象側に特別な部品を設けることが必須となってしまい、プラズマ照射対象側において構成の煩雑化を招いてしまう。

そこで、上述した課題の少なくとも一部を解決するために、プラズマ照射対象側の構成を削減又は省略した形で、プラズマ照射対象に過度に電流が流れることを抑制し得る技術を提供する

本開示の一態様のプラズマ照射装置は、
ガスの放出口を備えるとともに前記放出口に向かって前記ガスを流すガス流路を有する本体部と、誘電体層と前記誘電体層を介して互いに対向して配置される第１電極及び第２電極とを備えるとともに前記ガス流路内でプラズマ放電を発生させる放電部と、交流電力を発生させる駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御部と、を有するプラズマ照射装置であって、
前記駆動回路は、少なくとも所定位置に交流電力を発生させ、
前記第１電極及び前記第２電極には、前記所定位置の交流電力に応じた大きさの交流電力が供給され、
前記制御部は、前記所定位置の有効電力値を基準値以下に抑える制限制御を行う
プラズマ照射装置。

本開示に係る技術は、プラズマ照射対象側の構成を削減又は省略した形で、プラズマ照射対象に過度に電流が流れることを抑制し得る。

図１は、第１実施形態に係るプラズマ照射装置が概略的に例示される概略図である。 図２は、第１実施形態に係るプラズマ照射装置の本体部が概念的に例示される斜視図である。 図３は、図２で例示された本体部が三分割して示される分解斜視図である。 図４は、図２で例示された本体部が第３方向（幅方向）中心位置にて第３方向と直交する方向に切断された切断面の断面概略図である。 図５は、図２で例示された本体部が第１方向中心位置にて第１方向と直交する方向に切断された切断面の断面概略図である。 図６は、図２で例示された本体部が第２方向（厚さ方向）中心位置にて第２方向と直交する方向に切断された切断面の断面概略図である。 図７は、第１実施形態に係るプラズマ照射装置の電気的構成を例示するブロック図である。 図８は、図７のプラズマ照射装置の具体例を示す回路図である。 図９は、実証実験に用いる構成を説明する説明図である。 図１０は、実験１、２において一対の第１電力路間に印加する電圧波形を示すグラフである。 図１１は、実験１、２において第１電力路を流れる電流の波形を示すグラフである。 図１２は、実験１、２において一対の第１電力路に供給される電力の波形を示すグラフである。 図１３は、実験１、２において銅板からグラウンドに流れる漏れ電流のピーク値の経時的変化を示すグラフである。 各交流電圧において漏れ電流を様々に変化させた場合の第１電力路に供給される有効電力値と漏れ電流の実効値との関係を示すグラフである。

以下の［１］～［５］には、実施形態の一例が列挙される。

［１］ガスの放出口を備えるとともに前記放出口に向かって前記ガスを流すガス流路を有する本体部と、誘電体層と前記誘電体層を介して互いに対向して配置される第１電極及び第２電極とを備えるとともに前記ガス流路内でプラズマ放電を発生させる放電部と、交流電力を発生させる駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御部と、を有するプラズマ照射装置であって、
前記駆動回路は、少なくとも所定位置に交流電力を発生させ、
前記第１電極及び前記第２電極には、前記所定位置の交流電力に応じた大きさの交流電力が供給され、
前記制御部は、前記所定位置の有効電力値を基準値以下に抑える制限制御を行う
プラズマ照射装置。

上記［１］のプラズマ照射装置は、所定位置の交流電力に応じた大きさの交流電力が第１電極及び第２電極に供給され、上記所定位置の有効電力を基準値以下に抑えるように制限制御がなされるため、放電部の有効電力を所定値（上記基準値に対応する値）以下に抑えることができる。放電部から照射対象に対してプラズマが照射される場合、照射対象を流れる電流と放電部の有効電力とは正の相関があり、照射対象を流れる電流と上記所定位置の有効電力も正の相関がある。ゆえに、上記所定位置の有効電力を基準値以下に抑えるように制限制御を行えば、照射対象を流れる電流を所定値（上記基準値に対応する電流値）以下に抑えやすい。このように、上記プラズマ照射装置は、照射対象において過剰に電流が流れることを抑制することができ、このような抑制動作を、プラズマ照射装置内でなされる制御に基づき、照射対象側の構成を削減又は省略した形で実現することができる。

［２］前記駆動回路は、電源からの電力に基づいて一対の第１電力路間に交流電圧を印加する交流電圧発生部と、第１巻線部及び第２巻線部を有する昇圧トランスと、を備え、
前記昇圧トランスは、一対の前記第１電力路からの交流電圧が前記第１巻線部の両端に印加され、前記第１巻線部の両端に印加される交流電圧を昇圧した交流電圧が前記第２巻線部の両端に印加され、
前記第２巻線部の両端に印加された交流電圧に基づく交流電圧が、一対の第２電力路を介して前記第１電極と前記第２電極との間に印加され、
前記制御部は、一対の前記第１電力路を介して供給される交流電力の有効電力を前記基準値以下に抑えるように前記制限制御を行う
［１］に記載のプラズマ照射装置。

上記［２］のプラズマ照射装置は、昇圧トランスによって変圧することで、第１電極と第２電極との間により高い交流電圧を発生させることができる。一方で、このプラズマ照射装置は、有効電力の監視を一次側（一対の第１電力路側）にて行うことができるため、照射対象において電流が過剰に流れること抑制する上で必要となる監視回路を小型化しやすい。つまり、このプラズマ照射装置は、放電部により高い交流電圧を印加することと、照射対象側の電流を抑制するために必要な監視回路を小型化することを、両立することができる。

［３］前記ガスは、希ガスである
［１］又は［２］に記載のプラズマ照射装置。

上記［３］のプラズマ照射装置は、希ガスの利用により、効率よく電離を促すことができるようになり、プラズマの照射を好適に行うことができる。

［４］前記ガスは、ヘリウムガスである
［３］に記載の溶液処理装置。

上記［４］のプラズマ照射装置は、ヘリウムガスの利用により、さらに効率よく電離を促すことができるようになり、プラズマの照射をより好適に行うことができる。

［５］前記放電部は、前記第１電極又は前記第２電極の一方が直接又は他部材を介して前記ガス流路内の空間に面し、前記第１電極と前記第２電極との間に前記電圧を印加することに応じて前記ガス流路内で沿面放電を発生させる
［１］から［４］のいずれか一つに記載の溶液処理装置。

上記［５］のプラズマ照射装置は、放電部が沿面放電を発生させる構成であるため、より低い印加電圧で、より効率的にプラズマを照射することができる。

＜第１実施形態＞
１．プラズマ照射装置２の構成
第１実施形態に係るプラズマ照射装置２は、図１のような構成をなす。図１に示されるプラズマ照射装置２は、例えば、タンパク質を含んだ溶液を照射対象としてプラズマを照射する装置として機能し得る。タンパク質を含んだ溶液は、例えば、血液に含まれるタンパク質（血液タンパク質）を含んだ溶液である。「血液タンパク質を含んだ溶液」は、例えば、血漿、赤血球、白血球、血小板などの成分（血液の成分）を含む血液であってもよい。但し、この場合、溶液には、白血球、血小板などの一部の成分が含まれていなくてもよい。上記「血液タンパク質」は、水に溶解しやすい血液中に多く存在するたんぱく質を指しており、アルブミン、ヘモグロビンなどの負に帯電したタンパク質や、イムノグロブリンなどの正に帯電したタンパク質を指す。プラズマの照射対象である溶液は、動物や人体などの表面や内部に存在する「血液タンパク質を含んだ溶液」（例えば、血液）などの容器に収容されていない溶液であってもよく、容器に収容された溶液であってもよい。いずれの場合でも、溶液の状態は、液体状、ゼリー状、ゲル状、ゾル状のいずれであってもよく、これらの２種以上の状態のものが含まれていてもよい。つまり、本明細書において「溶液」は、液体、ゲル、ゾルのいずれも含む概念である。

プラズマ照射装置２は、主に、照射ユニット３、ガス供給部７、制御部５、電源部９、などを備える。

ガス供給部７は、ヘリウムガスやアルゴンガスなどの不活性ガス（以下、単にガスともいう）を供給する装置であり、例えば、照射ユニット３とガス供給部７との間に介在する可撓性の管路を介して後述するガス流路３０に不活性ガスを供給する。ガス供給部７は、例えばボンベ等から供給される高圧ガスを減圧するレギュレータと、流量制御を行う流量制御部とを含み、この流量制御部は、ガス流路３０を流れるガスの流量を制御し得る。図１では、上記管路、上記レギュレータ、及び上記流量制御部などの図示が省略されている。

電源部９は、周期的な電圧を発生させ、照射ユニット３に設けられた後述の２つの電極間に電圧を印加する装置である。電源部９は、主に制御部５と電源回路６とを備える。電源回路６は、高周波数の高電圧を発生させて導電部間に印加し得る回路であればよく、公知の様々な電源回路が採用され得る。制御部５は、電源回路６を制御し得る装置であればよく、例えば、マイクロコンピュータなどの情報処理装置を有する制御装置によって構成されている。図１の例では、電源部９の全体が、照射ユニット３の外部に設けられている。しかし、電源部９の一部又は全部が、照射ユニット３に設けられていてもよい。電源部９の詳細は、後述される。

照射ユニット３は、プラズマを発生させて照射し得るユニットである。照射ユニット３は、主に、プラズマ照射部２０と、このプラズマ照射部２０を保持する保持部３Ａとを備える。照射ユニット３は、使用者によって把持されつつ使用される構成であってもよく、使用者以外の手段（例えば、ロボット等）によって移動可能とされる構成であってもよく、位置が固定された移動不能な状態で使用される構成であってもよい。

保持部３Ａは、プラズマ照射部２０における本体部２０Ａが固定される部位であり、本体部２０Ａを保持する機能を有する。保持部３Ａは、本体部２０Ａを自身の内部に配置しつつ保持する構成であってもよく、本体部２０Ａを自身の外側に配置しつつ保持する構成であってもよい。図１の例では、保持部３Ａは、ケース体として構成され、本体部２０Ａは、保持部３Ａの内部に収容されつつ保持部３Ａに対して固定されている。

プラズマ照射部２０は、誘電体バリア放電を生じさせる装置として構成されている。プラズマ照射部２０は、図２のような外観であり、所定の立体形状として構成された本体部２０Ａを備える。図２の例では、本体部２０Ａは、板状且つ直方体状に構成されている。プラズマ照射部２０は、本体部２０Ａの長手方向の端部に形成された放出口３４からプラズマＰを照射するように動作する。プラズマＰは、いわゆる大気圧低温プラズマである。

図３には、本体部２０Ａが３分割された構成が分解斜視図として概念的に示されている。本体部２０Ａは、厚さ方向中央部に第３誘電体層５３が設けられ、第３誘電体層５３よりも厚さ方向一方側に第４誘電体層５４が設けられている。更に、本体部２０Ａは、第３誘電体層５３よりも厚さ方向他方側に第１誘電体層５１及び第２誘電体層５２が設けられている。第１誘電体層５１及び第２誘電体層５２によって構成された誘電体領域の内部には、第１電極４２及び第２電極４４が埋め込まれている。図３には、本体部２０Ａが３分割された構成が概念的に示されているが、実際の構成は、第１誘電体層５１、第２誘電体層５２、第３誘電体層５３、及び第４誘電体層５４の各々が、一体的な誘電体部５０（図５参照）の一部として構成されている。

図４で示されるように、本体部２０Ａには、放出口３４に向かってガスを流すように構成されたガス流路３０が設けられている。ガス流路３０は、ガスを導入する導入口３２と、ガスを放出する放出口３４と、導入口３２と放出口３４との間に設けられる中間流路３６と、を有する。導入口３２は、本体部２０Ａの後端側において本体部２０Ａの内部と外部とに通じる開口部である。放出口３４は、本体部２０Ａの先端側において本体部２０Ａの内部と外部とに通じる開口部である。中間流路３６は、導入口３２と放出口３４とに通じる通気路であり、導入口３２と放出口３４との間でガスを流す流路である。ガス流路３０は、照射ユニット３の外部に設けられたガス供給部７から供給される不活性ガスを導入口３２から導入し、導入口３２側から導入されたガスを中間流路３６内の空間を通して放出口３４に誘導する誘導路となっている。図４では、ガス供給部７から供給される不活性ガスを導入口３２に導くための管路７Ａが二点鎖線によって概念的に示されている。

図４で示されるように、プラズマ照射部２０には放電部４０が設けられている。放電部４０は、ガス流路３０内でプラズマ放電を発生させる部位である。放電部４０は、誘電体部５０と第１電極４２と第２電極４４とを備え、第１電極４２と第２電極４４とが誘電体部５０の一部である第１誘電体層５１（図５参照）を介して互いに対向して配置される。放電部４０は、沿面放電部として構成され、第１電極４２と第２電極４４との電位差に基づく電界をガス流路３０内で発生させてその内壁面に沿った沿面放電による大気圧低温プラズマを発生させる。

本明細書では、プラズマ照射部２０においてガス流路３０が延びる方向が第１方向であり、第１方向と直交する方向のうち誘電体部５０の厚さ方向が第２方向であり、第１方向及び第２方向と直交する方向が第３方向である。図４の例では、誘電体部５０と第１電極４２と第２電極４４とが一体的に設けられて本体部２０Ａが構成され、本体部２０Ａの長手方向が第１方向である。図５のように、第２方向は、本体部２０Ａを第１方向と直交する平面方向に切断した切断面での本体部２０Ａの短手方向であり、本体部２０Ａの高さ方向且つ厚さ方向である。第３方向は、本体部２０Ａを第１方向と直交する平面方向に切断した切断面での本体部２０Ａの長手方向であり、本体部２０Ａの幅方向である。本明細書では、第１方向において放出口３４側が本体部２０Ａの先端側であり、第１方向において導入口３２側が本体部２０Ａの後端側である。

図５で示されるように、誘電体部５０は、第１誘電体層５１、第２誘電体層５２、第３誘電体層５３、及び第４誘電体層５４を備え、本体部２０Ａは全体として中空状に構成されている。第１誘電体層５１は、中間流路３６内の空間よりも第２方向（厚さ方向）他方側に配置されるとともに自身の内部に第２電極４４が埋め込まれるように構成される。つまり、第１誘電体層５１を介して第１電極４２及び第２電極４４が対向している。第２誘電体層５２は、セラミック材料によって第１電極４２を覆うように構成されたセラミック保護層であり、第１誘電体層５１よりも中間流路３６の空間側において第１電極４２を覆うように配置される。第１誘電体層５１及び第２誘電体層５２は、中間流路３６における第２方向他方側の内壁部を構成する。第４誘電体層５４は、中間流路３６の空間よりも第２方向（厚さ方向）一方側に配置され、中間流路３６における第２方向一方側の内壁部を構成する。第３誘電体層５３は、第２方向において第１誘電体層５１と第４誘電体層５４との間に配置され、中間流路３６における第３方向一方側の側壁部及び第３方向他方側の側壁部を構成する。つまり、中間流路３６は、第１誘電体層５１、第２誘電体層５２、第３誘電体層５３、及び第４誘電体層５４により画成されている。第１誘電体層５１、第２誘電体層５２、第３誘電体層５３、及び第４誘電体層５４の材料は、例えばアルミナなどのセラミック、ガラス材料や樹脂材料を好適に用いることができる。誘電体部５０において機械的強度が高いアルミナが誘電体として用いられれば、放電部４０の小型化が図られやすくなる。

図５で示されるように、第１電極４２は、誘電体部５０の一部である第２誘電体層５２を介して中間流路３６内の空間に面する。第２電極４４は、第１電極４２に対して中間流路３６とは反対側に設けられる。第２電極４４は、第１電極４２と平行に配されており、第２方向において第１電極４２よりも中間流路３６から離れている。図６で示されるように、第１電極４２は、中間流路３６に沿うように第１方向に直線状に延び、第１の幅且つ第１の厚さで第１方向の第１領域に配置されている。第２電極４４は、中間流路３６に沿うように第１方向に直線状に延び、第２の幅且つ第２の厚さで第１方向の第２領域に配置されている。第１電極４２及び第２電極４４の厚さ、幅、配置は、特に限定されない。第１電極４２と第２電極４４の幅や厚さの一方又は両方は、同一であってもよく、異なっていてもよい。

このように構成された放電部４０は、周期的に変化する電圧が第１電極４２と第２電極４４との間に印加されたときに中間流路３６内で沿面放電を発生させる。沿面放電によって生じたプラズマは、ガス供給部７から中間流路３６内に供給されたガスによって放出口３４を介して外部に放出される。なお、図６の例では、第１方向の領域ＡＲ１において中間流路３６が一定幅で構成され、領域ＡＲ２では、先端側に向かうにつれて中間流路３６の幅が小さくなっており、放出口３４付近においてガスの流速を高め得る構成となっている。従って、中間流路３６で生じたプラズマが、より遠方まで届きやすくなっている。

２．電源部９の詳細
図７のように、電源部９は、駆動回路６１と制御部７０とを備える。駆動回路６１は、後述の所定位置に交流電力を供給し得る回路であり、第１電極４２と第２電極４４との間に交流電圧を印加し得る回路である。制御部７０は、駆動回路６１を制御し得る装置である。制御部７０は、情報処理機能や演算機能などを備えた制御装置であり、例えば、ＣＰＵや記憶部などを有する装置である。

駆動回路６１は、電源回路６２、昇圧トランス６４、電流センサ６６、電圧センサ６８、第１電力路７２，７４、第２電力路７６，７８などを有する。電源回路６２は、一対の第１電力路７２，７４の間に交流電圧を印加する回路である。昇圧トランス６４は、一対の第１電力路７２，７４を介して入力される交流電力を昇圧し、一対の第２電力路７６，７８に交流電力を供給する変圧器である。

電源部９は、例えば、図８のように構成することができる。図８の例では、電源回路６２は、電源６２Ａと交流発生回路６２Ｂとを有する。電源６２Ａは、直流電圧を出力する直流電源である。

交流発生回路６２Ｂは、交流電圧発生部の一例に相当し、電源６２Ａからの電力に基づいて一対の第１電力路７２，７４間に交流電圧を印加するように動作する回路である。交流発生回路６２Ｂは、一対の導電路６３Ａ，６３Ｂと、スイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄと、ダイオード６３Ｅ，６３Ｆとを有する。一対の導電路６３Ａ，６３Ｂには、電源６２Ａからの直流電圧が印加される。図８の例では、導電路６３Ａが電源６２Ａの高電位側の電極に短絡し、導電路６３Ｂが電源６２Ａの低電位側の電極に短絡する。

一対の第１電力路７２，７４は、交流発生回路６２Ｂから昇圧トランス６４の第１巻線部６４Ａに交流電力を供給する経路である。一対の第１電力路７２，７４には、交流発生回路６２Ｂから交流電圧が印加される。一方の第１電力路７２のうち、電力路７２Ａは抵抗６６Ａの一端側に接続され、電力路７２Ｂは抵抗６６Ａの他端側に接続される。

図８の例では、昇圧トランス６４は、第１巻線部６４Ａと第２巻線部６４Ｂとを備え、一対の第１電力路７２，７４からの交流電圧が第１巻線部６４Ａの両端に印加される。昇圧トランス６４は、第１巻線部６４Ａの両端に交流電圧が印加された場合に、第１巻線部６４Ａの両端に印加される交流電圧を昇圧した交流電圧を第２巻線部６４Ｂの両端に印加するように変圧する。第１巻線部６４Ａの一端は、一方の第１電力路７２の一端に短絡するように電気的に接続され、第１巻線部６４Ａの他端は、他方の第１電力路７４の一端に短絡するように電気的に接続される。第２巻線部６４Ｂの一端は、一方の第２電力路７６の一端に短絡するように電気的に接続され、第２巻線部６４Ｂの他端は、他方の第２電力路７８の一端に短絡するように電気的に接続される。一方の第２電力路７６の他端は第１電極４２に短絡するように電気的に接続され、他方の第２電力路７８の他端は第２電極４４に短絡するように電気的に接続される。従って、第２巻線部６４Ｂの両端に印加された交流電圧に基づく交流電圧は、一対の第２電力路７６，７８を介して第１電極４２と第２電極４４との間に印加される。

電流センサ６６は、第１電力路７２，７４を流れる電流の値を検出するセンサである。図８の例では、電流センサ６６は、第１電力路７２を流れる電流の値を特定し得る電圧値を制御部７０に与える。図８に示される電流センサ６６は、抵抗６６Ａと増幅部６６Ｂとを有し、抵抗６６Ａの両端に印加される電圧を増幅した検出値（第１電力路７２を流れる電流の値を特定し得るアナログ電圧値）を制御部７０に与える。なお、図８に開示される電流センサ６６はあくまで一例であり、第１電力路７２，７４を流れる電流の値を検出し得るセンサであれば、公知の他の構成であってもよい。

電圧センサ６８は、一対の第１電力路７２，７４間に印加される電圧の値を検出するセンサである。図８の例では、電圧センサ６８は、第１電力路７２，７４間に印加される電圧の値を特定し得る電圧値を制御部７０に与える。図８に示される電圧センサ６８は、第１電力路７２，７４間の電圧を抵抗６８Ａ，６８Ｂによって分圧した電圧を増幅部６８Ｃによって増幅した検出値（第１電力路７２，７４間に印加される電圧の値を特定し得るアナログ電圧値）を制御部７０に与える。なお、図８に開示される電圧センサ６８の構成はあくまで一例であり、第１電力路７２，７４間の電圧値を検出し得るセンサであれば、公知の他の構成であってもよい。

交流発生回路６２Ｂは、例えば制御部７０によって制御される。制御部７０は、スイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄをいずれも一定時間オン状態にする制御と、スイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄをいずれもオフ状態にする制御とを交互に行い、このような制御において、スイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄをいずれも一定時間オン状態にするオン動作を周期的に行う。図１０の太線の波形は、このような周期的制御によって一対の第１電力路７２，７４の間に印加される交流電圧の波形の一例であり、図１１の太線の波形は、図１０のような交流電圧に基づいて第１電力路７２に流れる電流の波形の一例である。図１０の横軸の時間と図１１の横軸の時間は対応している。

図１０の例では、スイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄがいずれもオフ状態であり且つ一対の第１電力路７２，７４の間の電圧が０である状態のときには、電源６２Ａに基づく直流電圧は一対の第１電力路７２，７４間に印加されない（図１０の時間３μｓ付近参照）。この状態からスイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄがいずれもオン状態に切り替わると、電源６２Ａに基づく直流電圧が一対の第１電力路７２，７４間に印加されるため、一対の第１電力路７２，７４間に印加される電圧（第１電力路７４を基準とする第１電力路７２の電圧）は上昇する（図１０の時間５μｓ付近参照）。このような電圧上昇に伴い、第１巻線部６４Ａにおいて一方の第１電力路７２側から他方の第１電力路７４側へ流れる電流は上昇する。このような電圧変化及び電流変化がなされるオン状態からスイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄがいずれもオフ状態に切り替わると、電源６２Ａから一対の第１電力路７２，７４への電力供給は停止し、一対の第１電力路７２，７４の間に印加される電圧は減少して０になる（図１０の時間８μｓ付近参照）。このような電圧変化に伴い、第１巻線部６４Ａにおいて一方の第１電力路７２側から他方の第１電力路７４側へ流れる電流は減少して０になる。

図８に示される電源部９は、このような交流電圧を一次側の電力路（一対の第１電力路７２，７４）に印加することができる。一対の第１電力路７２，７４間に交流電圧が印加されることにより第１巻線部６４Ａの両端に交流電圧が印加されると、第１巻線部６４Ａにおいて交流電流が生じるとともに、この交流電流に応じた交流電流が第２巻線部６４Ｂにおいて生じる。第１巻線部６４Ａの両端電圧をＥ１とし、第２巻線部６４Ｂの両端電圧をＥ２とし、第１巻線部６４Ａの巻数をＮ１とし、第２巻線部６４Ｂの巻数をＮ２とし、αを巻線比とした場合、Ｎ１＜Ｎ２であり、Ｅ２／Ｅ１＝Ｎ２／Ｎ１＝αとみなすことができる。よって、第１巻線部６４Ａに交流電圧が印加される場合、第２巻線部６４Ｂの両端には第１巻線部６４Ａに印加される交流電圧のα倍程度の電圧が生じるように昇圧がなされる。第１電極４２と第２巻線部６４Ｂの一端は短絡し、第２電極４４と第２巻線部６４Ｂの他端は短絡するため、第２巻線部６４Ｂの両端に印加される交流電圧と同等の交流電圧が第１電極４２と第２電極４４との間に印加される。本明細書では、第１電極４２と第２電極４４との間に印加される印加電圧は、第２電極４４の電位を基準とする第１電極４２の電位の相対的な大きさであり、第１電極４２の電位をＶ１とし、第２電極４４の電位をＶ２とする場合、上記印加電圧は、Ｖ１－Ｖ２である。

なお、図８の例では、電源部９が電源６２Ａを含んでいるが、電源６２Ａは、電源部９の外部に設けられていてもよい。また、図８に開示される回路はあくまで一例であり、電源部９は、交流電圧を発生し得る回路であれば、公知の様々な回路を採用し得る。

電源部９は、第１電極４２と第２電極４４との間に周期的に変化する電圧（交流電圧）を印加するが、この交流電圧の周波数は、例えば、２０ｋＨｚ～３００ｋＨｚの範囲内であることが望ましい。電源部９が第１電極４２と第２電極４４との間に印加する交流電圧は、例えば、第１電極４２と第２電極４４との間の電位差の最大値が０．５ｋＶ～１０ｋＶの範囲内となるように調整されることが望ましい。

電源部９が一対の第１電力路７２，７４間に印加する電圧の波形は、電圧が上昇する波形である凸波形と電圧が下降する波形である凹波形とが交互の繰り返されるように周期的に変化する波形である。この波形は、図１０のような波形でもよいが、正弦波の波形、矩形波の波形、三角波の波形などであってもよく、その他の交流波形でもよい。同様に、電源部９が第１電極４２と第２電極４４との間に印加する電圧の波形は、図１０のような交流電圧を昇圧した交流電圧の波形でもよいが、正弦波の波形、矩形波の波形、三角波の波形などであってもよく、その他の交流波形でもよい。

３．電源部９の制御
電源部９では、制御部７０が駆動回路６１を制御することで、第１電極４２と第２電極４４との間に交流電圧を印加する。駆動回路６１は、このように交流電圧を印加する際に、交流発生回路６２Ｂによって所定位置に交流電力を発生させ、第１電極４２及び前記第２電極４４には、上記所定位置の交流電力に応じた大きさの交流電力が供給される。制御部７０は、このような動作の際に上記所定位置の電圧及び電流を監視する。以下で説明される代表例では、上記所定位置は、一対の第１電力路７２，７４であり、一対の第１電力路７２，７４に供給される交流電力に応じた交流電力が一対の第２電力路７６，７８及び両電極（第１電極４２、第２電極４４）に供給される。制御部７０は、一対の第１電力路７２，７４（所定位置）を介して供給される交流電力を監視し、上記所定位置の有効電力値を基準値以下に抑えるように制限制御を行う。

一対の第１電力路７２，７４を介して供給される交流電力（瞬時電力）の値Ｐ１は、電流センサ６６によって検出される第１電力路７２の電流値Ｉ１（瞬時電流値）と電圧センサ６８によって検出される一対の第１電力路７２，７４間の電圧値（瞬時電圧値）Ｖ１との積（Ｉ１×Ｖ１）として、Ｐ１＝Ｉ１×Ｖ１の式により求めることができる。以下では、交流電力値Ｐ１を瞬時電力値Ｐ１とも称する。本明細書では、このように得られる瞬時電力値Ｐ１の１周期分の平均値を一対の第１電力路７２，７４の有効電力値Ｐｅとする。例えば、図１０において太線で示される波形のような交流電圧を一対の第１電力路７２，７４間に対して周期Ｔで印加する場合、ある時間（時点）ｔにおける一対の第１電力路７２，７４の有効電力値Ｐｅは、時間ｔの直近の１周期分の期間（時間ｔよりも周期Ｔだけ前の時間（時点）ｔ０から時間（時点）ｔまでの期間）における瞬時電力値Ｐ１の平均値である。制御部７０は、電流センサ６６の検出値及び電圧センサ６８の検出値に基づいて第１電力路７２の電流値Ｉ１（瞬時電流値）及び第１電力路７２，７４間の電圧値Ｖ１（瞬時電圧値）を継続的に検出しつつ、電流値Ｉ１及び電圧値Ｖ１を検出した時点毎の有効電力値Ｐｅを検出する。このようにして、制御部７０は、一対の第１電力路７２，７４の有効電力値Ｐｅを継続的に検出する。

制御部７０は、交流発生回路６２Ｂを制御する際にスイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄのオン時間を制御することにより一対の第１電力路７２，７４（所定位置）の有効電力値Ｐｅを増減することができる。そして、制御部７０は、一対の第１電力路７２，７４（所定位置）の有効電力値Ｐｅを継続的に監視しながら、有効電力値Ｐｅをコントロールする。制御部７０によってなされる「有効電力値Ｐｅをコントロールする制御」は、具体的には、有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下に抑える制御（制限制御）を含む。有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下に抑える制御は、有効電力値Ｐｅが基準値Ｐｔｈを超えないように維持する制御であってもよく、有効電力値Ｐｅが基準値Ｐｔｈを超えた場合に有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下に導く制御であってもよく、有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下の目標値に維持しようとする制御であってもよい。具体的には、例えば、「有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下に抑える制御」は、制御部７０が一対の第１電力路７２，７４（所定位置）の有効電力値Ｐｅを所定の短時間毎に検出し、この短時間毎の各検出時点においていずれかの検出時点の有効電力値Ｐｅが基準値Ｐｔｈに達した場合に、スイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄのオン時間をその達した検出時点でのオン時間よりも一定時間低減させるような制御であってもよい。

放電部４０から放出されるプラズマが照射される照射対象（例えば血液タンパク質を含んだ溶液）において流れる電流と、一対の第１電力路７２，７４（所定位置）の有効電力値Ｐｅとは強い正の相関があり、照射対象を流れる電流が大きいほど有効電力値Ｐｅは大きくなる。よって、制御部７０によって上記有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下に抑えるように制御することができれば、照射対象を流れる電流が過剰に上昇しないような制御（例えば、照射対象を流れる電流を基準値Ｐｔｈに対応する規定値以下に抑える制御）が可能である。

４．実証実験
次の説明は、照射対象において流れる電流と有効電力値Ｐｅとの間に正の相関があることを確認する実験に関する。以下で説明される実験は、図８に示されるような第１実施形態に係るプラズマ照射装置２を用いて図９のような環境で行われた実験である。図９の例では、プラズマ照射装置２から導電性の銅板１０２に対してプラズマが照射されうる。銅板１０２とグラウンドとの間には電流が流れる経路（導電性の部材からなる導電路）が構成される。電流計１０４は、銅板１０２からグラウンドに流れる電流の値を計測する。

実証実験における実験１では、図９のような構成を用い、ガス供給路にヘリウムガスを流した状態で、一対の第１電力路７２，７４において図１０の太線のような波形の交流電圧（一次電圧）を発生させるように交流発生部を動作させた。そして、このように動作させた場合に第１電力路７２を流れる電流（一次電流）を計測するとともに、銅板１０２からグラウンドに流れる電流を電流計１０４によって計測した。実験１において一対の第１電力路７２，７４に印加される交流電圧の周波数は２００ｋＨｚであり、この交流電圧の実効値は１．５ｋＶである。なお、電流計１０４は、銅板１０２とグラウンドとの間に２００Ωの抵抗を介在させ、この２００Ωの抵抗に生じる電圧を検出して銅板１０２からグラウンドに流れる電流の値を求める。なお、実証実験において銅板１０２からグラウンドに流れる電流は、漏れ電流とも称する。一方、実験２では、図９のような構成を用い、ヘリウムガスを流さない点以外は実験１と同一の条件でプラズマ照射装置２を動作させた。

図１０において太線で示される波形は、実験１において一対の第１電力路７２，７４間に印加される交流電圧の波形であり、図１０において細線で示される波形は、実験２において一対の第１電力路７２，７４間に印加される交流電圧の波形である。図１０において、縦軸は第１電力路７２，７４間に印加される交流電圧（瞬時電圧）の値であり、横軸は経過時間である。図１１において太線で示される波形は、実験１において第１電力路７２を流れる電流の波形であり、図１１において細線で示される波形は、実験２において第１電力路７２を流れる電流の波形である。図１１において、縦軸は第１電力路７２を流れる電流（瞬時電流）の値であり、横軸は経過時間である。図１２において太線で示される波形は、実験１において一対の第１電力路７２，７４に供給される電力（瞬時電力）の波形であり、図１２において細線で示される波形は、実験２において一対の第１電力路７２，７４に供給される電力（瞬時電力）の波形である。図１２において、縦軸は第１電力路７２，７４間の交流電力（瞬時電力）の値であり、横軸は経過時間である。図１３において太線で示される波形は、実験１において銅板１０２からグラウンドに流れる電流（漏れ電流）の実効値の波形であり、図１３において細線で示される波形は、実験２において銅板１０２からグラウンドに流れる電流（漏れ電流）の瞬時値の波形である。図１３において、縦軸は漏れ電流の瞬時値であり、横軸は経過時間である。なお、漏れ電流の実効値は上記瞬時値の波形から算出される。図１０、図１１、図１２、図１３において横軸の時間は対応している。つまり、図１０、図１１、図１２、図１３における時間０の各タイミングは互いに同一のタイミングであり、図１０、図１１、図１２、図１３における時間が２μｓの各タイミングは互いに同一のタイミングである。

本実証実験の実験１と実験２では、プラズマ照射装置２と銅板１０２の位置関係を同一とし、ガス流路３０内にガス供給部７からガス（ヘリウムガス）を流すか否かが実験１と実験２とで異なる。この場合、実験１の位置関係での「漏れ電流の実効値」は、実験１において銅板１０２からグラウンドに流れる電流（漏れ電流）の実効値と実験２において銅板１０２からグラウンドに流れる電流（漏れ電流）の実効値との差である。また、プラズマ照射装置２と銅板１０２とがいずれの位置関係にあるときでも、プラズマ照射装置２と銅板１０２とが所定の位置関係にあるときの当該位置関係での「漏れ電流の実効値」は、放電部４０に交流電圧を印加するように第１動作を行いつつガス供給部７からガス流路３０内にガス（ヘリウムガス）を流す場合に銅板１０２からグラウンドに流れる電流（漏れ電流）の実効値から、上記第１動作と同一の第１動作を行いつつガス流路３０内に上記ガス（ヘリウムガス）を流さない場合に銅板１０２からグラウンドに流れる電流（漏れ電流）の実効値を引いた値である。

更に、実証実験では、第１電極４２と第２電極４４の間に印加する交流電圧の実効値を５種類（１．３ｋＶ、１．４ｋＶ、１．５ｋＶ、１．６ｋＶ、１．７ｋＶ）用意し、各々の交流電圧の場合において「銅板１０２と放電部４０の間の距離を様々に変化させて各第１動作（ヘリウムガスを流す場合の第１動作及び流さない場合の第１動作）を行い、銅板１０２からグラウンドに流れる電流（漏れ電流）の実効値を検出する」という実験を行った。そして、交流電圧と上記距離（銅板１０２と放電部４０の間の距離）の組み合わせを様々に異ならせた場合の各条件において第１電力路７２，７４の有効電力値Ｐｅと上記漏れ電流との関係を求めた。図１４には、その実験結果が示される。図１４において、縦軸は有効電力値であり、横軸は漏れ電流の実効値である。図１４のように、５種類（１．３ｋＶ、１．４ｋＶ、１．５ｋＶ、１．６ｋＶ、１．７ｋＶ）の交流電圧のいずれの場合でも、漏れ電流の実効値が大きくなるほど第１電力路７２，７４の有効電力値Ｐｅが大きくなる「正の相関」が確認された。換言すれば、５種類（１．３ｋＶ、１．４ｋＶ、１．５ｋＶ、１．６ｋＶ、１．７ｋＶ）の交流電圧のいずれの場合でも、有効電力値Ｐｅが大きいほど漏れ電流の実効値は大きくなり、有効電力値Ｐｅと漏れ電流の実効値との関係は近似式（漏れ電流の実効値が大きくなるほど大きい有効電力値Ｐｅが定まる近似式）によって近似することもできる。このように、第１電力路７２，７４の有効電力値Ｐｅと漏れ電流の実効値は強い正の相関関係があるため、制御部７０によって上記有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下に抑えるように制御することができれば、照射対象を流れる電流が過剰に上昇しないような制御（具体的には、照射対象の漏れ電流の実効値を規定値（上記相関関係によって基準値Ｐｔｈに対応する値として特定される規定値）以下に抑える制御）が可能である。

＜他の実施形態＞
本開示は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではない。上述又は後述の実施形態の特徴は、矛盾しない範囲であらゆる組み合わせが可能である。また、上述又は後述の実施形態のいずれの特徴も、必須のものとして明示されていなければ省略することもできる。更に、上述した実施形態の特徴は、次のように変更されてもよい。

上述の実施形態に係るプラズマ照射装置２は、「所定位置」が一対の第１電力路７２，７４であったが、「所定位置」は、一対の第２電力路７６，７８であってもよい。この場合、第１電極４２及び第２電極４４には、当該所定位置の交流電力に応じた大きさ（具体的には同等の大きさ）の交流電力が供給される。そして、この場合、制御部７０は、当該所定位置の有効電力値を基準値以下に抑えるように制限制御を行えばよい。

上述の実施形態に係るプラズマ照射装置は、ガス流路３０内に供給するガスとしてヘリウムガスが用いられるが、ヘリウムガス以外の希ガスであってもよい。

上述の実施形態に係るプラズマ照射装置は、図５のように、第１電極４２が他部材である第２誘電体層５２を介してガス流路３０内の空間に面していたが、第１電極４２が他部材を介さずにガス流路３０内の空間に面していてもよい。つまり、第１電極４２がガス流路３０内の空間に露出し、第１電極４２がガス流路３０の内壁の一部をなすような構成であってもよい。

上述の実施形態に係る説明では、「有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下に抑える制御」の一例が説明されたが、この例に限定されない。例えば、「有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下に抑える制御（制限制御）」は、制御部７０が有効電力値Ｐｅを監視しながら有効電力値Ｐｅを基準値Ｐｔｈ以下の目標値で維持しようとするフィードバック制御などであってもよい。このフィードバック制御は、有効電力値Ｐｅを監視しながらこの有効電力値Ｐｅを上記目標値に導くようにスイッチング素子６３Ｃ，６３Ｄのオン時間を調整するフィードバック制御（例えば、公知のＰＩ制御やＰＩＤ制御など）であってもよい。

上述した例では、第１電極が直接又は他部材を介してガス流路内の空間に面するが、第２電極が直接又は他部材を介してガス流路内の空間に面してもよい。例えば、第２電極が「他部材」である誘電体層に覆われる構成で誘電体層を介してガス流路内の空間に面していてもよい。或いは、第２電極がガス流路内の空間に露出し、第２電極がガス流路の内壁の一部をなすような構成であってもよい。いずれの場合でも、第１電極は、第２電極よりもガス流路から離れた位置に配置されていればよい。

なお、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、今回開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示された範囲内又は特許請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

２ ：プラズマ照射装置
７ ：ガス供給部
９ ：電源部
２０ ：プラズマ照射部
２０Ａ ：本体部
３０ ：ガス流路
３４ ：放出口
４０ ：放電部
４２ ：第１電極
４４ ：第２電極
５０ ：誘電体部（誘電体層）
６１ ：駆動回路
６２Ａ ：電源
６２Ｂ ：交流発生回路（交流電圧発生部）
６４ ：昇圧トランス
６４Ａ ：第１巻線部
６４Ｂ ：第２巻線部
６６ ：電流センサ
６８ ：電圧センサ
７０ ：制御部
７２ ：第１電力路
７４ ：第１電力路
７６ ：第２電力路
７８ ：第２電力路
Ｐ ：プラズマ

Claims (4)

1. ガスの放出口を備えるとともに前記放出口に向かって前記ガスを流すガス流路を有する本体部と、誘電体層と前記誘電体層を介して互いに対向して配置される第１電極及び第２電極とを備えるとともに前記ガス流路内でプラズマ放電を発生させる放電部と、交流電力を発生させる駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御部と、を有するプラズマ照射装置であって、
   前記駆動回路は、少なくとも所定位置に交流電力を発生させ、
   前記第１電極及び前記第２電極には、前記所定位置の交流電力に応じた大きさの交流電力が供給され、
   前記制御部は、前記所定位置の有効電力値を基準値以下に抑える制限制御を行う
   プラズマ照射装置。
2. 前記駆動回路は、電源からの電力に基づいて一対の第１電力路間に交流電圧を印加する交流電圧発生部と、第１巻線部及び第２巻線部を有する昇圧トランスと、を備え、
   前記昇圧トランスは、一対の前記第１電力路からの交流電圧が前記第１巻線部の両端に印加され、前記第１巻線部の両端に印加される交流電圧を昇圧した交流電圧が前記第２巻線部の両端に印加され、
   前記第２巻線部の両端に印加された交流電圧に基づく交流電圧が、一対の第２電力路を介して前記第１電極と前記第２電極との間に印加され、
   前記制御部は、一対の前記第１電力路を介して供給される交流電力の有効電力値を前記基準値以下に抑えるように前記制限制御を行う
   請求項１に記載のプラズマ照射装置。
3. 前記ガスは、希ガスである
   請求項１又は請求項２に記載のプラズマ照射装置。
4. 前記ガスは、ヘリウムガスである
   請求項３に記載のプラズマ照射装置。

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