JPWO2012173229A1 - プラズマ発生体及びプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

プラズマ発生体１は、内周面３ｄを有する誘電体３と、内周面３ｄに沿う方向において互いに離間して配置されるとともに誘電体３によって互いに隔てられ、電圧が印加されることにより内周面３ｄ上にプラズマを発生させることが可能な一対の電極９と、を有する。そして、内周面３ｄには、その平面視において一対の電極９間となる位置に、電界集中を生じさせる凹部３ｅが形成されている。

Description

本発明は、プラズマ発生体及びプラズマ発生装置に関する。

プラズマ発生体は、気体の改質装置、光源、イオン風発生装置等の種々の用途に利用されている。特許文献１では、プラズマ発生体（より具体的にはイオン風発生体）として、誘電体と、当該誘電体の所定面に沿う方向において互いに離間して誘電体に埋設された一対の電極とを有するものが開示されている。このプラズマ発生体では、一対の電極に電圧が印加されることにより、誘電体の前記所定面においてプラズマが発生する。

特開２００８−２９３９２５号公報

プラズマ発生体においては、消費電力の低減等の観点から、一対の電極に印加される電圧が低くされることが望まれる。このような要望に応える方法としては、電極を覆う誘電体の厚みを薄くする、若しくは、一対の電極間の距離を短くする方法が挙げられる。しかし、このような方法では、絶縁破壊が生じる可能性が高くなる等の種々の不都合がある。従って、他の方法により印加電圧を低くすることが可能なプラズマ発生体及びプラズマ発生装置が提供されることが望まれる。

本発明の一態様に係るプラズマ発生体は、所定面を有する誘電体と、前記所定面に沿う方向において互いに離間して配置されるとともに前記誘電体によって互いに隔てられ、電圧が印加されることにより前記所定面上にプラズマを発生させることが可能な一対の電極と、を有し、前記所定面には、その平面視において前記一対の電極間となる位置に凹部が設けられている。

本発明の一態様に係るプラズマ発生装置は、所定面を有する誘電体と、前記所定面に沿う方向において互いに離間して配置されるとともに前記誘電体によって互いに隔てられた一対の電極と、前記一対の電極に電圧を印加することにより前記所定面上にプラズマを発生させることが可能な電源装置と、を有し、前記所定面には、その平面視において前記一対の電極間となる位置に凹部が設けられている。

上記の構成によれば、印加電圧を低くすることができる。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るプラズマ発生体の外観を示す斜視概略図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面概略図。 図１のプラズマ発生体の分解斜視図。 図１の領域IIIの拡大図 図４（ａ）及び図４（ｂ）は比較例及び第１の実施形態に係る実施例の電界強度の分布を示す断面図。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は第１の実施形態に係る実施例の電界強度の分布を示す断面図。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は第１の実施形態に係る他の実施例の電界強度の分布を示す断面図。 図７（ａ）は第２の実施形態のプラズマ発生体を示す平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における断面図、図７（ｃ）は図７（ａ）のVIIｃ−VIIｃ線における断面図。 図７（ｃ）の領域VIIIの拡大図。 第２の実施形態に係る実施例の計算値を示す図。 図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は図２の実施形態の実施例の電界強度の分布を示す断面図。 第２の実施形態に係る他の実施例の計算値を示す図。 図１２（ａ）〜図１２（ｈ）は第２の実施形態に係る他の実施例の電界強度の分布を示す断面図。 第３の実施形態に係るプラズマ発生体の要部を示す断面図。 第４の実施形態に係るプラズマ発生装置を示す斜視図。

以下、本発明の複数の実施形態に係るプラズマ発生体及びプラズマ発生装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

互いに同一又は類似する構成については、例えば、「第１絶縁層７Ａ」、「第２絶縁層７Ｂ」のように、名称に数字を付すとともに、符号に大文字のアルファベットを付加して表わすことがあり、また、数字や大文字のアルファベットを省略して、単に「絶縁層７」といい、これらを区別しないことがある。

第２の実施形態以降において、既に説明された実施形態と共通又は類似する構成について、既に説明された実施形態と共通の符号を用い、また、図示や説明を省略することがある。

＜第１の実施形態＞
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るプラズマ発生体１の外観を示す斜視概略図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面概略図である。

プラズマ発生体１は、概ね平板状に形成された誘電体３を有している。誘電体３には、その厚み方向に貫通する複数の貫通孔３ｈが形成されている。誘電体３及び貫通孔３ｈの平面形状は適宜に設定されてよいが、図１では、円形の場合を例示している。複数の貫通孔３ｈは、例えば、互いに同一の形状及び大きさに形成され、概ね均等に誘電体３に分布している。

図２は、プラズマ発生体１の分解斜視図である。

プラズマ発生体１は、誘電体３を構成する複数の絶縁層７と、絶縁層７間に配置される一対の電極９とを有している。なお、プラズマ発生体１は、この他、電極９と誘電体３外部とを接続する配線等を有しているが、図示は省略する。

また、プラズマ発生体１と、一対の電極９に電圧を印加する電源装置５３とを含んでプラズマ発生装置５１が構成されている。なお、プラズマ発生装置５１は、この他、電源装置５３から電極９に印加される電圧等を制御する制御装置、プラズマ発生体１に気体を導入するための若しくはプラズマ発生体１のプラズマを排出するための部材・装置等を有していてもよい。

各絶縁層７は、例えば、厚さが一定の平板状（基板状）に形成されている。その外形（外縁）は、例えば、絶縁層７間で互いに概ね同一の形状及び大きさである。そして、複数の絶縁層７が積層されることにより誘電体３が構成されている。複数の絶縁層７の数及び各絶縁層７の厚みは、電極９の配置位置等に応じて適宜に設定されてよい。

各絶縁層７には、複数の貫通孔７ｈが形成されている。複数の絶縁層７が積層され、複数の貫通孔７ｈが重なることにより、誘電体３の貫通孔３ｈが構成される。

絶縁層７は、無機絶縁物により形成されてもいし、有機絶縁物により形成されてもよい。無機絶縁物としては、例えば、セラミック、ガラスが挙げられる。セラミックとしては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）、ガラスセラミック焼結体（ガラスセラミックス）、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、コーディライト焼結体、炭化珪素質焼結体が挙げられる。有機絶縁物としては、例えば、ポリイミド、エポキシ、ゴムが挙げられる。複数の絶縁層７は、基本的には互いに同一の材料により形成されるが、互いに異なる材料により形成されてもよい。

各電極９は、例えば、厚さが一定の平板状（層状）に形成されている。、その外形（外縁）は、例えば、絶縁層７の外形と概ね相似形とされ、また、絶縁層７の外形よりも若干小さく形成されている。そして、一対の電極９は、複数の絶縁層７間に配置されることにより、誘電体３に埋設されるとともに誘電体３により互いに隔てられている。図２の例では、一対の電極９は、第２絶縁層７Ｂ〜第４絶縁層７Ｄによって隔てられるとともに、第１絶縁層７Ａ及び第５絶縁層７Ｅにより外側が覆われている。

各電極９には、複数の貫通孔３ｈに対応する位置に複数の開口９ｈが形成されている。これにより、貫通孔３ｈは、電極９に妨げられることなく誘電体３を貫通している。各電極９において、複数の開口９ｈは、例えば、互いに同一の形状及び大きさに形成されている。

電極９は、金属等の導電性材料により形成されている。金属としては、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、パラジウム、白金、ニッケル、コバルトまたはこれらを主成分とする合金が挙げられる。

電源装置５３は、交流電圧を一対の電極９に印加する。電源装置５３により電極９に印加される交流電圧は、正弦波等により表わされる、電位が連続的に変化するものであってもよいし、パルス状の、電位の変化が不連続なものであってもよい。また、交流電圧は、一対の電極９の双方において基準電位に対して電位が変動するものであってもよいし、一対の電極９の一方が基準電位に接続され、他方においてのみ電位が基準電位に対して変動するものであってもよい。電位の変動は、基準電位に対して正及び負の双方に変動するものであってもよいし、基準電位に対して正及び負の一方のみに変動するものであってもよい。

なお、誘電体３及び電極９の寸法、並びに、交流電圧の大きさ及び周波数は、プラズマ発生装置５１（プラズマ発生体１）が適用される技術分野、要求されるプラズマ量等の種々の事情に応じて適宜に設定されてよい。

図３は、図１の領域IIIの拡大図である。

第１絶縁層７Ａ、第２絶縁層７Ｂ、第４絶縁層７Ｄ及び第５絶縁層７Ｅの貫通孔７ｈは、互いに同一の形状及び大きさに形成されている。一方、第３絶縁層７Ｃの貫通孔７ｈは、他の絶縁層７の貫通孔７ｈよりも径が大きく形成されている。従って、これら複数の貫通孔７ｈからなる貫通孔３ｈの内周面３ｄには、凹部３ｅが形成されている。

また、電極９の開口９ｈは、第１絶縁層７Ａ、第２絶縁層７Ｂ、第４絶縁層７Ｄ及び第５絶縁層７Ｅの貫通孔７ｈよりも径が大きく形成されている。従って、電極９は貫通孔７ｈ内に露出していない。なお、第１電極９Ａの開口９ｈと第２電極９Ｂの開口９ｈとは、例えば、互いに同一の形状及び大きさに形成されている。

凹部３ｅは、例えば、一定の幅Ｗ及び一定の深さＤで貫通孔３ｈの内周面を１周するように延びている。すなわち、凹部３ｅは、溝状に形成されている。幅Ｗは、例えば、一対の電極９の電極間距離Ｓよりも短く、凹部３ｅは、一対の電極９間に収まっている。また、深さＤは、例えば、内周面３ｄから電極９までの深さＴよりも小さい。

なお、幅Ｗは、第３絶縁層７Ｃの厚さを調整したり、他の絶縁層（７Ｂ、７Ｄ等）においても貫通孔７ｈの径を大きくしたりすること等により、電極間距離Ｓ未満の大きさから電極間距離Ｓを超える大きさまでの範囲で調整可能である。深さＤは、貫通孔７ｈの径の調整により調整可能である。

プラズマ発生体１の製造方法は、誘電体３がセラミック焼結体により構成される場合を例にとると、以下のとおりである。

まず、絶縁層７となるセラミックグリーンシートを用意する。セラミックグリーンシートは、例えば、スラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形することによって形成される。スラリーは、原料粉末に適当な有機溶剤及び溶媒を添加混合して作製される。原料粉末は、アルミナセラミックを例にとると、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）及びマグネシア（ＭｇＯ）等である。

次に、セラミックグリーンシートに電極９となる導電ペーストを設ける。具体的には、第１絶縁層７Ａとなるセラミックグリーンシートの第２絶縁層７Ｂ側の面若しくは第２絶縁層７Ｂとなるセラミックグリーンシートの第１絶縁層７Ａ側の面に第１電極９Ａとなる導電ペーストを設ける。また、第５絶縁層７Ｅとなるセラミックグリーンシートの第４絶縁層７Ｄ側の面若しくは第４絶縁層７Ｄとなるセラミックグリーンシートの第５絶縁層７Ｅ側の面に第２電極９Ｂとなる導電ペーストを設ける。

導電ペーストは、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等の金属粉末に有機溶剤及び有機バインダを添加し混合することによって作製される。導電ペーストは、必要に応じて分散剤や可塑剤などが添加されていてもよい。混合は、例えば、ボールミル、三本ロールミル、またはプラネタリーミキサー等の混練手段により行われる。また、導電ペーストは、例えば、スクリーン印刷法等の印刷手段を用いてセラミックグリーンシートに印刷塗布される。

そして、第１絶縁層７Ａ〜第５絶縁層７Ｅとなる複数のセラミックグリーンシートを積層し、導電ペースト及びセラミックグリーンシートを同時焼成する。これにより、一対の電極９が埋設された誘電体３、すなわち、プラズマ発生体１が形成される。

以下では、プラズマ発生体１の作用を説明する。

一対の電極９に電圧が印加されると、誘電体３の貫通孔３ｈには電界が形成される。そして、貫通孔３ｈ内の電界が所定の放電開始電界強度を超えると放電が開始され、プラズマが発生する。発生したプラズマは、例えば、気体の改質、光源若しくはイオン風の発生に利用される。ここで、上記説明から理解されるように、低電圧で強度の高い電界が形成されれば、低電圧でプラズマを発生させることができる。

図４（ａ）は、比較例の電界強度の分布を示す図であり、図４（ｂ）は、本実施形態の電界強度の分布を示す図である。

これらの図では、図３よりも若干範囲が広い断面において、強度Ａ１〜Ａ３の電界の分布が互いに異なるハッチングによって示されている。なお、強度Ａ１＞強度Ａ２＞強度Ａ３である。これらの図は、比較例及び実施形態のプラズマ発生体に対して同等の電圧を印加したと仮定したときのシミュレーション結果に基づいて作成されている。

比較例（図４（ａ））は、貫通孔３ｈに凹部３ｅが形成されていないものである。比較例では、強度Ａ１の電界が電極９の互いに対向する面付近に生じ、強度Ａ２の電界が一対の電極９間の中央付近に生じ、強度Ａ３の電界が電極９から内周面３ｄまでの範囲及び内周面３ｄ付近（貫通孔３ｈ内）において生じている。従って、比較例では、プラズマが発生するためには、換言すれば、誘電体３外（貫通孔３ｈ内）の電界が放電開始強度を超えるためには、強度Ａ３が放電開始強度を超える必要がある。

一方、実施形態（図４（ｂ））では、凹部３ｅ内（誘電体３外）において強度Ａ１の電界が生じている。これは、凹部３ｅにおいてはその周囲（誘電体３）よりも誘電率が低く、電界集中が生じることからである。その結果、実施形態では、強度Ａ１が放電開始強度を超えればよいことになる。すなわち、比較例に比較して、一対の電極９に印加する電圧を低くすることができる。

以上の実施形態によれば、プラズマ発生体１は、内周面３ｄを有する誘電体３と、内周面３ｄに沿う方向において互いに離間して配置されるとともに誘電体３によって互いに隔てられ、電圧が印加されることにより内周面３ｄ上にプラズマを発生させることが可能な一対の電極９と、を有する。そして、内周面３ｄには、その平面視において一対の電極９間となる位置に、電界集中を生じさせる凹部３ｅが形成されている。

従って、図４を参照して説明したように、電界集中を利用することにより、プラズマ発生に必要な印加電圧を低くすることができる。その結果、例えば、消費電力を低減することができる。

誘電体３には、所定方向（図１（ａ）の紙面上下方向）に貫通する複数の貫通孔３ｈが形成されている。一対の電極９は、前記所定方向において互いに対向するように誘電体３に設けられており、且つ、複数の貫通孔３ｈに対応する位置に複数の開口９ｈが形成されており、電圧が印加されることにより貫通孔３ｈ内にプラズマを発生可能である。そして、複数の凹部３ｅが、複数の貫通孔３ｈの内周面に形成されている。

従って、プラズマ発生体１は、一対の電極９により、複数個所においてプラズマを発生させることができる構成であり、効率的にプラズマを発生させることができる。そして、このような構成のプラズマ発生体１において凹部３ｅが形成されて低電圧化が図られることにより、極めて効率的にプラズマを発生させることができる。

一対の電極９は、誘電体３に埋設されており、凹部３ｅは、その深さＤが内周面３ｄから一対の電極９までの深さＴ以下である有底凹部である。

従って、電界集中が起きる場所を内周面３ｄ付近とし、内周面３ｄ上（貫通孔３ｈ内）においてプラズマを生じさせやすくすることができる。その結果、例えば、深さＤが非常に大きい場合に比較して、貫通孔３ｈを流れる気体の改質に寄与可能なプラズマの割合を多くすることができる。また、深さＤが大きい場合に比較して、消費電力を小さくすることもできる。

（第１の実施形態に係る実施例）
第１の実施形態のプラズマ発生体１において、幅Ｗ及び深さＤを変化させたときの電界強度を計算した。

幅Ｗを変化させたときの計算条件は以下のとおりである。なお、各種の寸法を示す符号については、図３に示す。
誘電体３の材料：セラミック
誘電体３（プラズマ発生体１）の厚さＨ：約１．０ｍｍ
内周面３ｄから電極９までの深さＴ：０．２５ｍｍ
凹部３ｅの深さＤ：０．１５ｍｍ
電極間距離Ｓ：０．５ｍｍ
凹部３ｅの幅Ｗ：０．５ｍｍ、０．３ｍｍ若しくは０．１ｍｍ

幅Ｗが上記の各値の場合の電界強度Ｅの最大値（計算値）は、以下のようであった。
Ｗ（ｍｍ） Ｅ（ｋＶ／ｍｍ）
０．５ １．２
０．３ １．８
０．１ ２．６

また、図５（ａ）〜図５（ｃ）は、上記の計算結果における電界強度の分布を示す図４と同様の断面図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）はそれぞれ、幅Ｗが０．５ｍｍ、０．３ｍｍ若しくは０．１ｍｍのときに対応している。

上記の計算値及び図５より、幅Ｗが小さいほど電界強度が向上することが分かった。また、図４（ａ）の比較例では誘電体３内にのみ分布している強度Ａ２の電界が、図５（ａ）では凹部３ｅ内（誘電体３外）にも分布しており、幅Ｗが電極間距離Ｓと同等でも、電界集中の効果が得られることが確認された。

従って、幅Ｗの好ましい範囲の上限値（広い側）としては、電界集中の効果が確認された電極間距離Ｓと等しい値が挙げられる。なお、電界は基本的には電極９間において強く形成されるものであることからも、この上限値は妥当である。

また、幅Ｗの好ましい範囲の下限値（狭い側）は、理論的には、狭ければ狭いほどよいということになる。ただし、実際には、加工精度によって幅Ｗの最小値は規定される。一例として、レーザの加工精度は１０μｍ程度である。

次に、深さＤを変化させたときの計算条件は以下のとおりである。
誘電体３の材料：セラミック
誘電体３（プラズマ発生体１）の厚さＨ：約１．０ｍｍ
内周面３ｄから電極９までの深さＴ：０．２５ｍｍ
凹部３ｅの深さＤ：０．２０ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．１０ｍｍ
電極間距離Ｓ：０．３ｍｍ
凹部３ｅの幅Ｗ：０．１ｍｍ

深さＤが上記の各値の場合の電界強度Ｅの最大値（計算値）は、以下のようであった。
Ｄ（ｍｍ） Ｅ（ｋＶ／ｍｍ）
０．２０ ３．１
０．１５ ３．２
０．１０ ２．７

また、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、上記の計算結果における電界強度の分布を示す図４と同様の断面図である。図６（ａ）〜図６（ｃ）はそれぞれ、深さＤが０．２０ｍｍ、０．１５ｍｍ若しくは０．１０ｍｍのときに対応している。

上記の最大値では、深さＤが０．１５ｍｍのときの値が深さＤが０．２０ｍｍのときの値よりも若干大きくなっているものの、図６（ｃ）の方が図６（ｂ）よりも強度Ａ１の分布は広くなっている。従って、基本的には、深さＤが大きいほど電界強度が向上することが分かった。また、図４（ａ）の比較例では誘電体３内にのみ分布している強度Ａ２の電界が、図６（ａ）では凹部３ｅ内（誘電体３外）にも分布しており、僅かの深さでも凹部３ｅが形成されれば、電界集中の効果が得られることが確認された。

従って、深さＤの好ましい範囲の上限値（深い側）は、電界強度の観点のみで言えば、深ければ深いほどよいということになる。ただし、上述のように、貫通孔３ｈの内周面３ｄ付近においてプラズマを発生させること等も考慮すると、深さＤの好ましい範囲の上限値としては、内周面３ｄから電極９までの深さＴと等しい値が挙げられる。

また、深さＤの好ましい範囲の下限値（浅い側）は、理論的には、僅かでもよいということになる。ただし、幅Ｗと同様に、実際には、加工精度によって幅Ｗの最小値は規定される（例えば１０μｍ）。

＜第２の実施形態＞
図７（ａ）は、第２の実施形態のプラズマ発生体２０１（プラズマ発生装置２５１）を示す平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における断面図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）のVIIｃ−VIIｃ線における断面図である。

プラズマ発生体２０１は、誘電体２０３と、誘電体２０３に埋設された第１電極２０９Ａ及び第２電極２０９Ｂとを有している。プラズマ発生体２０１は、誘電体２０３の主面２０３ａ上にプラズマを生じさせるものとして構成されている。

誘電体２０３は、例えば、全体として概ね薄型の直方体状に形成されている。なお、誘電体２０３の平面形状は適宜に設定されてよいが、図７では矩形の場合を例示している。誘電体２０３は、第１の実施形態の誘電体３と同様に、複数の絶縁層２０７が積層されることにより構成されている。複数の絶縁層２０７の数及び各絶縁層２０７の厚みは、電極２０９の配置位置等に応じて適宜に設定されてよい。また、各絶縁層２０７の材料は、第１の実施形態と同様でよい。

一対の電極２０９は、第１絶縁層２０７Ａと第２絶縁層２０７Ｂとの間に配置された、誘電体２０３の主面２０３ａに平行な層状電極である。各電極２０９の平面形状は櫛歯状に形成されている。すなわち、各電極２０９は、長尺状のベース部２０９ａと、ベース部２０９ａからベース部２０９ａに交差（例えば直交）する方向に延びる複数の歯２０９ｂとを有している。そして、一対の電極２０９は、互いに噛み合うように（複数の歯２０９ｂが互いに交差するように）配置されている。なお、電極２０９の材料は、第１の実施形態の電極９と同様でよい。

電極２０９には端子２１０が接続されており、第１絶縁層２０７Ａに形成された開口から露出している。そして、一対の端子２１０には、電源装置５３により交流電圧が印加される。

図８は、図７（ｃ）の領域VIIIの拡大図である。

図７（ａ）及び図８に示すように、誘電体２０３の主面２０３ａには、その平面視において第１電極２０９Ａと第２電極２０９Ｂとの間となる位置に、凹部２０３ｅが形成されている。凹部２０３ｅは、例えば、図７（ａ）に示すように、第１電極２０９Ａの歯２０９ａと、第２電極２０９Ｂの歯２０９ｂとの間において、これらの歯に沿って延びる溝状に形成されている。凹部２０３ｅは、例えば、電極２０９を覆う第１絶縁層２０７Ａに形成された貫通孔により構成されており、その深さＤは、誘電体２０３の主面２０３ａから電極２０９までの深さＴと実質同等である。

なお、深さＤは、複数の絶縁層２０７により電極２０９を覆い、そのうちの一部の絶縁層２０７についてのみ貫通孔を形成することにより深さＴ未満の範囲で調整可能であり、また、電極２０９よりも主面２０３ａとは反対側の絶縁層２０７（例えば２０７Ｂ）にも貫通孔を形成することにより深さＴ超の範囲で調整可能である。レーザ等により適宜な深さまで誘電体２０３をエッチングすることにより深さＤを任意の深さとすることもできる。幅Ｗについては、言うまでもなく、エッチング等において適宜な大きさに調整可能である。

プラズマ発生体２０１の形成方法は、第１の実施形態と同様でよい。すなわち、絶縁層２０７となるセラミックグリーンシートに電極２０９となる導電ペーストを印刷し、積層されたセラミックグリーンシートを焼成することにより、電極２０９が埋設された誘電体２０３が形成されてよい。

以上の第２の実施形態によれば、プラズマ発生体１は、主面２０３ａ（所定面）を有する誘電体２０３と、主面２０３ａに沿う方向において互いに離間して配置されるとともに誘電体３によって互いに隔てられ、電圧が印加されることにより主面２０３ａ上にプラズマを発生させることが可能な一対の電極２０９とを有する。主面２０３ａには、その平面視において一対の電極２０９間となる位置に、電界集中を生じさせる凹部２０３ｅが形成されている。

従って、第１の実施形態と同様に、電界集中を利用することにより、プラズマ発生に必要な印加電圧を低くすることができる。

一対の電極２０９は、主面２０３ａに平行な層状に形成されている。

従って、プラズマ発生体１は、全体として絶縁層の積層によって形成することが容易な構成となっている。また、後述するイオン風を発生させるプラズマ発生体への応用も容易化される。

一対の電極２０９は、平面形状が櫛歯状に形成され、互いに噛み合うように配置されており、凹部２０３ｅは、主面２０３ａの平面視において櫛歯状電極の複数の歯２０９ｂの間となる位置に、複数の歯２０９ｂに沿って延びるように複数設けられている。

従って、プラズマ発生体２０１は、一対の電極２０９により、複数個所においてプラズマを発生させることができる構成であり、効率的にプラズマを発生させることができる。そして、このような構成のプラズマ発生体２０１において凹部２０３ｅが形成されて低電圧化が図られることにより、極めて効率的にプラズマを発生させることができる。

なお、凹部２０３ｅは、複数の歯２０９ｂの間に、長さ方向の途中に途切れた部分を有して延びるような形態で設けられていてもよい。言い換えれば、凹部２０３ｅは、複数の歯２０９ｂの一つの間に、例えば平面視で長方形状等のものが、歯２０９ｂに沿って並んでいるようなものであってもよい。

（第２の実施形態に係る実施例）
第２の実施形態のプラズマ発生体２０１において、幅Ｗ及び深さＤを変化させたときの電界強度を計算した。

幅Ｗを変化させたときの計算条件は以下のとおりである。なお、各種の寸法を示す符号については、図８に示す。
誘電体２０３の材料：セラミック
主面２０３ａから電極２０９までの深さＴ：０．１０ｍｍ
凹部２０３ｅの深さＤ：０．１ｍｍ
電極間距離Ｓ：１．０ｍｍ
凹部２０３ｅの幅Ｗ：０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ若しくは０．５ｍｍ

幅Ｗが上記の各値の場合の電界強度Ｅの最大値（計算値）は、以下のようであった。
Ｗ（ｍｍ） Ｅ（ｋＶ／ｍｍ）
０．１ １．２
０．２ １．２
０．３ １．１
０．４ １．０
０．５ ０．９

図９は、上記の計算値を示す図であり、横軸は幅Ｗ、縦軸は電界強度Ｅを示している。また、図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、上記の計算結果における電界強度の分布を示す図４と同様の断面図である。ただし、各種のハッチングに対応する電界強度の範囲は図４と異なっている。電界強度は、強度Ｂ１（図１２）＞強度Ｂ２＞強度Ｂ３である。図１０（ａ）〜図１０（ｅ）はそれぞれ、幅Ｗが０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ若しくは０．５ｍｍのときに対応している。

上記の計算値及び図９より、第１の実施形態と同様に、幅Ｗが小さいほど電界強度が向上することが分かった。また、図９から、幅Ｗが０．２ｍｍよりも大きくなると、幅Ｗが０．１ｍｍ以下のときよりも電界強度の向上の効果が低下することが読み取れる。

この実施例では、電極集中の効果の確認がなされたのは幅Ｗが電極間距離Ｓの半分までの範囲であるが、第１の実施形態の実施例に基づく類推から、及び、電界は基本的には電極９間において強く形成されるものであることから、第２の実施形態においても、幅Ｗの好ましい範囲の上限値（広い側）としては、電極間距離Ｓと等しい値が挙げられる。

また、更に範囲を狭めた好ましい範囲の上限値としては、上述のように、幅Ｗが０．２ｍｍのときを境に電界集中の効果の変化に差異が見られるから、電極間距離Ｓ（１．０ｍｍ）の１／５程度が挙げられる。なお、第１の実施形態の実施例においても、幅Ｗが電極間距離Ｓ（０．５ｍｍ）の１／５程度（０．１ｍｍ）となるときには、電界集中の効果が顕著となっている。

また、幅Ｗの好ましい範囲の下限値（狭い側）は、理論的には、狭ければ狭いほどよいということになる。ただし、第１の実施形態と同様に、実際には、加工精度によって幅Ｗの最小値は規定される（例えば１０μｍ）。

次に、深さＤを変化させたときの計算条件は以下のとおりである。
誘電体２０３の材料：セラミック
主面２０３ａから電極２０９までの深さＴ：０．１０ｍｍ
凹部２０３ｅの深さＤ：０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．３０ｍｍ、０．４０ｍｍ、０．５０ｍｍ、０．６０ｍｍ、貫通
電極間距離Ｓ：１．０ｍｍ
凹部２０３ｅの幅Ｗ：０．１ｍｍ

深さＤが上記の各値の場合の電界強度Ｅの最大値（計算値）は、以下のようであった。
Ｄ（ｍｍ） Ｅ（ｋＶ／ｍｍ）
０．０５ １．２
０．１０ １．６
０．２０ ２．１
０．３０ ２．３
０．４０ ２．５
０．５０ ２．７
０．６０ ２．９
貫通 ２．９

図１１は、上記の計算値を示す図であり、横軸は深さＤ、縦軸は電界強度Ｅを示している。また、図１２（ａ）〜図１２（ｈ）は、上記の計算結果における電界強度の分布を示す図１０と同様の断面図である。図１２（ａ）〜図１２（ｈ）はそれぞれ、深さＤが０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．３０ｍｍ、０．４０ｍｍ、０．５０ｍｍ、０．６０ｍｍ、貫通のときに対応している。

上記の計算値及び図１１より、深さＤが深いほど電界強度が向上することが分かった。また、図１１から、深さＤが０．２ｍｍを超えると、電界強度の向上の効果の増加が緩やかになることが読み取れる。

従って、深さＤの好ましい範囲の上限値（深い側）としては、まず、電界集中の効果が確認された凹部２０３ｅが貫通する深さが挙げられる。また、電界強度の増加が緩やかになる深さＴ（０．１ｍｍ）の２倍程度（０．２ｍｍ）が挙げられる。更に、第１の実施形態と同様に、プラズマの発生割合を主面２０３ａ側において多くしたり、消費電力を抑える観点から、深さＴと同等の値が挙げられる。

また、深さＤの好ましい範囲の下限値（浅い側）は、第１の実施形態と同様に、理論的には、僅かでもよいということになり、実際には、加工精度によって規定される（例えば１０μｍ）。

＜第３の実施形態＞
図１３は、第３の実施形態のプラズマ発生体３０１の要部を示す断面図である。

プラズマ発生体３０１は、第１及び第２の実施形態と同様に、所定面３０３ａを有する誘電体３０３と、所定面３０３ａに沿う方向において互いに離間して配置されるとともに誘電体３０３によって互いに隔てられ、電圧が印加されることにより所定面３０３ａ上にプラズマを発生させることが可能な一対の電極３０９とを有している。また、所定面３０３ａには、その平面視において一対の電極３０９間となる位置に、電界集中を生じさせる凹部３０３ｅが形成されている。

ただし、凹部３０３ｅには、多孔質体３０４が充填されている。多孔質体３０４の内部には、複数の空所３０４ａが形成されている。複数の空所３０４ａは、隣接するもの同士が互いに結合して連通されており、また、所定面３０３ａ側に位置している空所３０４ａは所定面３０３ａに開口している。なお、複数の空所３０４ａは、所定面３０３ａに形成された凹部と捉えることも可能である。

多孔質体３０４は、例えば、セラミック等の絶縁物により形成されている。ただし、多孔質体３０４は、誘電体３０３よりも誘電率が低い材料により形成されていることが好ましい。

以上の第３の実施形態によれば、多孔質体３０４の材料の誘電率が誘電体３０３の誘電率よりも低いことにより、及び／又は、複数の空所３０４ａにて誘電率が低下していることにより、凹部３０３ｅにおいて電界集中が生じる。従って、第１及び第２の実施形態と同様に、低電圧でプラズマを発生させることができる。

＜第４の実施形態＞
図１４は、第４の実施形態のプラズマ発生装置４５１（プラズマ発生体４０１）を示す斜視図である。

プラズマ発生体４０１では、平板状の誘電体４０３の一方の主面４０３ａ上に第１電極４０９Ａが重ねられ、他方の主面４０３ｂ上に第２電極４０９Ｂが重ねられている。また、第１電極４０９Ａ及び第２電極４０９Ｂは、主面４０３ａの平面視において互いに離間して配置されている。そして、電源装置５３により一対の電極４０９に電圧が印加されると、主面４０３ａ上及び主面４０３ｂ上において放電が生じ、プラズマが発生する。

従って、プラズマ発生体４０１は、第１及び第２の実施形態と同様に、主面４０３ａ（所定面）を有する誘電体４０３と、主面４０３ａに沿う方向において互いに離間して配置されるとともに誘電体４０３によって互いに隔てられ、電圧が印加されることにより主面４０３ａ上にプラズマを発生させることが可能な一対の電極４０９とを有していると言える。

そして、主面４０３ａには、電界集中を生じさせるための複数の凹部４０３ｅが形成されている。複数の凹部４０３ｅは、一対の電極４０９の対向方向に交差する方向に配列されている。換言すれば、凹部４０３ｅは、当該交差する方向において複数に分割されている。また、各凹部４０３ｅは、第１電極４０９Ａ側及び第２電極４０９Ｂ側が浅く形成されている。

このような凹部４０３ｅによれば、電源装置５３の適宜な制御により主面４０３ａを第１電極４０９Ａ側から第２電極４０９Ｂ側へ流れるイオン風を生じさせたり、適宜な送風装置により第１電極４０９Ａ側から第２電極４０９Ｂ側へプラズマを移動させたりしたときに、凹部４０３ｅにおいて流体抵抗が生じることが抑制される。

上述した複数の実施形態は、適宜に組み合わされてよい。

例えば、第１の実施形態の凹部３ｅは、第２の実施形態の実施例において例示した凹部２０３ｅのように、貫通してもよい。すなわち、凹部３ｅは、貫通孔３ｈ同士を連通するもの（無底凹部、連通孔）であってもよい。

また、例えば、第１の実施形態の凹部３ｅは、第４の実施形態のように、貫通孔３ｈにおける貫通方向の流体抵抗を低減するように、貫通孔３ｈの貫通方向の一方側若しくは双方側において浅く形成されたりしてもよいし、貫通孔３ｈを囲む点線状に形成（一対の電極の対向方向に交差する方向において分割）されたりしてもよい。なお、このような変形は、例えば、絶縁層７の厚さ・数、及び、貫通孔７ｈの平面形状を適宜に調整することにより可能である。

また、例えば、第３の実施形態の多孔質体４０４は、第１、第２及び第４の実施形態の凹部に配置されてもよい。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

誘電体の形状及び電極の形状は実施形態に例示したものに限定されない。例えば、誘電体は筒状のものであってもよいし、電極はその筒の内周面若しくは外周面にプラズマを発生させるものであってもよい。また、例えば、電極は、平板状のものに限定されず、軸状のものであってもよい。

電極は、３つ以上設けられていてもよい。例えば、一の電極の両側に当該一の電極とは異なる電位が付与される電極が設けられてもよい。例えば、第１の実施形態において、第２電極９Ｂの第１電極９Ａとは逆側に第１電極９Ａと同一の電位が付与される第３電極が設けられてもよい。なお、第２の実施形態においては、ベース部２０９ａを除いた歯２０９ｂのみを３つ以上の電極と捉えることもできる。

電極は、必ずしも誘電体に設けられる必要はない。一対の電極は、誘電体の所定面の平面視において互いに離間して配置されるとともに互いに誘電体により隔てられ、所定面上にプラズマを発生可能であればよい。例えば、第４の実施形態の誘電体４０３の両縁部に、他の部材により保持された電極が位置してもよい。ただし、電極が誘電体に設けられれば、プラズマ発生体は簡素となるし、また、電極が誘電体に埋設されるプラズマ発生体では、凹部による電界集中の効果は顕著となる。なお、誘電体の表面に配置された電極が誘電材料によりコーティングされている態様は、電極が（コーティングの誘電材料を含む）誘電体に埋設されていると捉えられてもよい。

凹部は、１対の電極間に複数設けられてもよい。この場合において、複数の凹部は、第４の実施形態のように１対の電極の対向方向に対して交差する方向に分布していてもよいし、及び／又は、１対の電極の対向方向において分布していてもよい。複数の凹部が設けられることにより、例えば、広い範囲においてプラズマが発生しやすくなることが期待される。

また、凹部は、上端の角部（凹部の内側面と誘電体の所定面との角部）が、断面視において円弧状に形成されていてもよい（面取りされていてもよい。）。この場合、角部における、欠け等の機械的な破壊が抑制される。

１…プラズマ発生体、３…誘電体、３ｄ…内周面、３ｅ…凹部、９…電極。

Claims (9)

1. 所定面を有する誘電体と、
   前記所定面に沿う方向において互いに離間して配置されるとともに前記誘電体によって互いに隔てられ、電圧が印加されることにより前記所定面上にプラズマを発生させることが可能な一対の電極と、
   を有し、
   前記所定面には、その平面視において前記一対の電極間となる位置に凹部が設けられている
   プラズマ発生体。
2. 前記誘電体は、所定方向に貫通する複数の貫通孔を備え、
   前記一対の電極は、前記所定方向において互いに対向するように前記誘電体に設けられており、且つ、前記複数の貫通孔に対応する位置に複数の開口が形成されており、電圧が印加されることにより前記複数の貫通孔内にプラズマを発生可能であり、
   複数の前記凹部が、前記所定面としての前記複数の貫通孔の内周面に設けられている
   請求項１に記載のプラズマ発生体。
3. 前記一対の電極は、前記所定面に平行な層状である
   請求項１に記載のプラズマ発生体。
4. 前記一対の電極は、平面形状が櫛歯状であり、互いに噛み合うように配置されており、
   前記凹部は、前記所定面の平面視において前記櫛歯状電極の複数の歯の間となる位置に設けられている
   請求項３に記載のプラズマ発生体。
5. 前記櫛歯状電極の間に設けられた前記凹部は、前記歯に沿って延びるように設けられている
   請求項４に記載のプラズマ発生体。
6. 前記櫛歯状電極の間に設けられた前記凹部は、前記歯に沿って複数設けられている請求項４に記載のプラズマ発生体。
7. 前記一対の電極は、前記誘電体に埋設されており、
   前記凹部は、有底であり、その深さが前記所定面から前記一対の電極までの深さ以下である
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマ発生体。
8. 前記凹部に多孔質体を更に有する
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のプラズマ発生体。
9. 所定面を有する誘電体と、
   前記所定面に沿う方向において互いに離間して配置されるとともに前記誘電体によって互いに隔てられた一対の電極と、
   前記一対の電極に電圧を印加することにより前記所定面上にプラズマを発生させることが可能な電源装置と、
   を有し、
   前記所定面には、その平面視において前記一対の電極間となる位置に凹部が設けられている
   プラズマ発生装置。

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