WO2021229633A1 - プラズマ発生装置、プラズマ発生方法、および制御装置 - Google Patents

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WO2021229633A1
WO2021229633A1 PCT/JP2020/018789 JP2020018789W WO2021229633A1 WO 2021229633 A1 WO2021229633 A1 WO 2021229633A1 JP 2020018789 W JP2020018789 W JP 2020018789W WO 2021229633 A1 WO2021229633 A1 WO 2021229633A1
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nitrogen
gas
plasma
head
electrode
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PCT/JP2020/018789
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English (en)
French (fr)
Inventor
聡一 白木
卓也 岩田
慎二 瀧川
Original Assignee
株式会社Fuji
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma

Definitions

  • the present disclosure relates to a plasma generator or the like that performs plasma processing using nitrogen.
  • plasma treatment is performed using nitrogen as an inert gas.
  • the subject of this specification is to provide a plasma generator or the like capable of appropriately supplying nitrogen.
  • the present specification has an electrode that generates plasma and a film that separates nitrogen gas having a predetermined concentration or more from a gas containing nitrogen, and nitrogen that supplies the nitrogen gas to the electrode.
  • a supply device and a plasma generator comprising.
  • the present specification discloses a plasma generation method for generating plasma by supplying the nitrogen gas separated by a film that separates nitrogen gas having a predetermined concentration or more from a gas containing nitrogen to an electrode.
  • the present specification is a control device of a plasma generator including an electrode for generating plasma, and the plasma generator has a film for separating a nitrogen gas having a predetermined concentration or more from a gas containing nitrogen.
  • a nitrogen supply device for supplying the nitrogen gas to the electrode is provided, the nitrogen supply device is arranged in the control device, and the control device is separate from the head in which the electrode is arranged.
  • a control device for supplying nitrogen gas from the nitrogen supply device to the head is disclosed.
  • nitrogen gas is supplied to an electrode from a nitrogen supply device having a film that separates nitrogen gas having a predetermined concentration or more from a gas containing nitrogen.
  • nitrogen can be appropriately supplied to the electrodes.
  • the plasma device 10 includes a plasma head 11, a robot 13, and a control box 15.
  • the plasma head 11 is attached to the robot 13.
  • the robot 13 is, for example, a serial link type robot (also referred to as an articulated robot).
  • the plasma head 11 can irradiate plasma gas while being held at the tip of the robot 13.
  • the plasma head 11 can move three-dimensionally according to the drive of the robot 13.
  • the control box 15 is mainly composed of a computer and controls the plasma device 10 in an integrated manner.
  • the control box 15 has a power supply unit 15A for supplying electric power to the plasma head 11 and a gas supply unit 15B for supplying gas to the plasma head 11.
  • the power supply unit 15A is connected to the plasma head 11 via a power supply cable 17.
  • the power supply unit 15A changes the voltage applied to the electrode 73 (see FIGS. 3 and 4) of the plasma head 11 based on the control of the control box 15.
  • the gas supply unit 15B is connected to the plasma head 11 via a plurality of (four in this embodiment) gas tubes 19, and based on the control of the control box 15, the reaction gas, carrier gas, which will be described later, will be used.
  • the heat gas is supplied to the plasma head 11.
  • the gas supply unit 15B includes a pump 20, a nitrogen separator 22, an air supply path 24, a nitrogen supply path 26, a mixed gas supply path 28, and a plurality of flow rate regulators. It has 30, a mixer 32, and an oxygen concentration detector 34.
  • the pump 20 sends out compressed air and is connected to one end of an air supply path 24. As the compressed air, the factory air used in the factory is used.
  • the pump 20 is for generating factory air, and factory air is used as compressed air supplied to the air supply path 24. Further, the other end of the air supply path 24 is branched into three branches. Then, the first air supply path 24a of the three branched air supply paths 24 is connected to the mixer 32, the second air supply path 24b is connected to the nitrogen separator 22, and the third air supply path is supplied. The road 24c is connected to the gas tube 19d.
  • the nitrogen separation device 22 is a device that separates nitrogen having a predetermined concentration or more (hereinafter, referred to as “nitrogen-rich gas”) from air, that is, a gas containing nitrogen, and as shown in FIG. 3, the housing 50. And the separation membrane 52.
  • the housing 50 has a generally cylindrical shape, and the housing 50 is formed with a through hole 54 penetrating from the inner peripheral surface to the outer peripheral surface.
  • the separation membrane 52 is filled inside the housing 50, and the separation membrane 52 is a hollow fiber-shaped polymer film.
  • An air supply path 24b is connected to one end of the housing 50, and a nitrogen supply path 26 is connected to the other end of the housing 50.
  • the nitrogen separation device 22 separates the nitrogen-rich gas from the compressed air sent out from the pump 20, and supplies the nitrogen-rich gas to the nitrogen supply path 26.
  • nitrogen passes axially through the separation membrane 52 inside the housing 50 due to the difference in molecular size between nitrogen and oxygen. ..
  • oxygen cannot pass through the separation membrane 52 inside the housing 50 in the axial direction and is discharged in the radial direction. Therefore, nitrogen is separated from the compressed air sent from one end of the housing 50 and sent out from the other end of the housing 50.
  • the pressure of the compressed air sent to the housing 50 is 0.5 MPa.
  • nitrogen-rich gas having a concentration equal to or higher than a predetermined concentration, for example, 99.9%, is supplied to the nitrogen supply path 26.
  • the concentration of the nitrogen-rich gas to be separated is determined according to the length of the housing 50, that is, the capacity of the separation membrane 52 filled in the housing 50. Therefore, for example, in order to separate a nitrogen-rich gas having a concentration of 99.9%, a nitrogen separation device 22 having a housing 50 having a length of 1 m or more is required, and the nitrogen separation device 22 is as shown in FIG. It is arranged inside the control box 15 in a posture extending in the vertical direction. The nitrogen separation device 22 is arranged so that the end portion of the housing 50 to which the compressed air is sent is located above and the end portion of the housing 50 to which the rich gas is discharged is located below. That is, the nitrogen separation device 22 is arranged inside the control box 15 so that compressed air is supplied from the upper part of the housing 50 of the nitrogen separation device 22 and rich gas is discharged from the lower part of the housing 50.
  • the nitrogen separating device 22 occupies a certain amount of space in the vertical direction inside the control box 15, but the space in the horizontal direction is used. Does not occupy so much.
  • the gas in which nitrogen is separated from the compressed air, that is, oxygen is discharged from the through hole 54 of the housing 50.
  • a high voltage current is passed through the power cable 17 that supplies current from the control box 15 to the electrode 73 of the plasma head 11. Therefore, the nitrogen separator 22 is arranged on the back side inside the control box 15 in order to discharge highly flammable oxygen to a position away from the power cable 17 through which a high voltage current flows.
  • the through hole 54 is open to the back surface of the control box 15.
  • the end of the nitrogen supply path 26 connected to the nitrogen separation device 22 and the end opposite to the end are branched into three branches. Then, the first nitrogen supply path 26a of the three branched nitrogen supply paths 26 is connected to the mixer 32, the second nitrogen supply path 26 is connected to the gas tube 19b, and the third nitrogen supply path is connected. 26c is connected to the gas tube 19c.
  • a mixed gas supply path 28 is also connected to the mixer 32, and in the mixer 32, the compressed air supplied from the air supply path 24a and the nitrogen-rich gas supplied from the nitrogen supply path 26a are mixed. , The mixed gas is supplied to the mixed gas supply path 28.
  • the mixed gas supply path 28 is connected to the gas tube 19a.
  • a mixed gas of compressed air and nitrogen-rich gas is supplied from the gas supply unit 15B to the gas tube 19a, nitrogen-rich gas is supplied to the gas tubes 19b and 19c, and compressed air is supplied to the gas tube 19c.
  • a flow rate regulator 30a is arranged in the air supply path 24a
  • a flow rate regulator 30b is arranged in the nitrogen supply path 26a
  • a flow rate regulator 30c is arranged in the nitrogen supply path 26b
  • a flow rate regulator 30d is arranged in the nitrogen supply path 26c.
  • the flow rate regulator 30e is arranged in the air supply path 24c.
  • the oxygen concentration detector 34 is arranged at a non-branched portion of the nitrogen supply path 26 connected to the nitrogen separation device 22. Thereby, the nitrogen concentration of the nitrogen-rich gas separated by the nitrogen separation device 22 can be detected. That is, air contains nitrogen, oxygen, argon, and carbon dioxide as main components, nitrogen in the air is about 78%, oxygen in the air is about 21%, and argon in the air is about 0.9%. Carbon dioxide in the air is said to be about 0.03%. Therefore, the nitrogen-rich gas separated from the air is almost nitrogen except for oxygen. Therefore, the value obtained by subtracting the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detector 34 from 100% is the nitrogen concentration of the nitrogen-rich gas separated by the nitrogen separator 22.
  • the nitrogen-rich gas is separated from the compressed air, and the nitrogen concentration of the separated nitrogen-rich gas is controlled by the oxygen concentration detector 34.
  • control box 15 includes an operation unit 15C having a touch panel and various switches.
  • the control box 15 displays various setting screens, operating states (for example, gas supply state, etc.) and the like on the touch panel of the operation unit 15C. Further, the control box 15 receives various information by inputting an operation to the operation unit 15C.
  • the plasma head 11 includes a plasma generation unit 60, a heat gas supply unit 62, and the like.
  • the plasma generation unit 60 converts the processing gas supplied from the gas supply unit 15B of the control box 15 into plasma to generate plasma gas.
  • the heat gas supply unit 62 heats the gas supplied from the gas supply unit 15B to generate heat gas.
  • the plasma head 11 of the present embodiment ejects the plasma gas generated in the plasma generation unit 60 together with the heat gas generated by the heat gas supply unit 62 to the object W to be shown in FIG.
  • the plasma head 11 is supplied with the processing gas from the upstream side to the downstream side in the direction of the arrow shown in FIG.
  • the plasma head 11 may not be provided with the heat gas supply unit 62. That is, the plasma apparatus of the present disclosure may be configured without using heat gas.
  • the plasma generation unit 60 includes a head body unit 71, a pair of electrodes 73, a plasma irradiation unit 75, and the like.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the positions of the pair of electrodes 73 and a plurality of plasma passages 111 on the main body side, which will be described later
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • the head main body 71 is formed of a ceramic having high heat resistance, and a reaction chamber 77 for generating plasma gas is formed inside the head main body 71.
  • Each of the pair of electrodes 73 has, for example, a cylindrical shape, and the tip of the pair of electrodes 73 is fixed so as to project into the reaction chamber 77.
  • the pair of electrodes 73 may be simply referred to as electrodes 73.
  • the direction in which the pair of electrodes 73 are arranged is referred to as the X direction
  • the direction in which the plasma generation unit 60 and the heat gas supply unit 62 are arranged is referred to as the Y direction
  • the axial direction of the cylindrical electrodes 73 is referred to as the Z direction.
  • the X direction, the Y direction, and the Z direction are orthogonal to each other.
  • the heat gas supply unit 62 includes a gas pipe 81, a heater 83, a connecting unit 85, and the like.
  • the gas pipe 81 and the heater 83 are attached to the outer peripheral surface of the head main body 71 and are covered by the cover 87 shown in FIG.
  • the gas pipe 81 is connected to the gas supply unit 15B of the control box 15 via the gas tube 19d (see FIG. 2). As a result, air is supplied to the gas pipe 81 from the gas supply unit 15B.
  • the heater 83 is attached in the middle of the gas pipe 81. The heater 83 heats the air flowing through the gas pipe 81 to generate heat gas.
  • the connecting portion 85 connects the gas pipe 81 to the plasma irradiation portion 75.
  • the connecting portion 85 is connected to the gas pipe 81 at one end and the heat gas passage 91 formed in the plasma irradiation portion 75 at the other end. .. Heat gas is supplied to the heat gas passage 91 via the gas pipe 81.
  • an electrode cover 93 made of an insulator such as ceramics.
  • the electrode cover 93 has a substantially hollow cylindrical shape, and openings are formed at both ends in the longitudinal direction.
  • the gap between the inner peripheral surface of the electrode cover 93 and the outer peripheral surface of the electrode 73 functions as a gas passage 95.
  • the opening on the downstream side of the electrode cover 93 is connected to the reaction chamber 77.
  • the lower end of the electrode 73 protrudes from the opening on the downstream side of the electrode cover 93.
  • a reaction gas flow path 101 and a pair of carrier gas flow paths 103 are formed inside the head main body 71.
  • the reaction gas flow path 101 is provided in a substantially central portion of the head main body portion 71, and is connected to the gas supply portion 15B via a gas tube 19a (see FIG. 2).
  • the reaction gas flow path 101 causes the gas supplied from the gas tube 19a, that is, the mixed gas of air and the nitrogen-rich gas, to flow into the reaction chamber 77.
  • the pair of carrier gas flow paths 103 are arranged at positions sandwiched between the reaction gas flow paths 101 in the X direction.
  • the pair of carrier gas flow paths 103 are connected to the gas supply unit 15B via gas tubes 19b and 19c (see FIG. 2).
  • the nitrogen-rich gas supplied from the gas tubes 19b and 19c is supplied to the carrier gas flow path 103.
  • the carrier gas flow path 103 causes the nitrogen-rich gas to flow into the reaction chamber 77 through the gas passage 95.
  • the gas supply unit 15B supplies a mixed gas of air and nitrogen-rich gas to the reaction gas flow path 101 via the gas tube 19a. It flows between the electrodes 73 of the reaction chamber 77.
  • this mixed gas may be referred to as a reaction gas for convenience, and oxygen may be referred to as a seed gas.
  • Nitrogen can be used as the carrier gas, but nitrogen having a predetermined concentration or higher is required. Therefore, the gas supply unit 15B supplies nitrogen-rich gas to the carrier gas flow path 103 via the gas tubes 19b and 19c, and nitrogen is surrounded from each of the gas passages 95 so as to surround each of the pair of electrodes 73. Inflow rich gas.
  • this nitrogen-rich gas may be referred to as a carrier gas for convenience.
  • AC voltage is applied to the pair of electrodes 73 from the power supply unit 15A of the control box 15.
  • a voltage for example, as shown in FIG. 5
  • a pseudo arc A is generated between the lower ends of the pair of electrodes 73 in the reaction chamber 77.
  • the reaction gas passes through this pseudo arc A, the reaction gas is turned into plasma. Therefore, the pair of electrodes 73 generate a discharge of the pseudo arc A, turn the reaction gas into plasma, and generate plasma gas.
  • a plurality of (six in this embodiment) main body side plasmas formed by arranging them at intervals in the X direction and extending in the Z direction are formed.
  • a passage 111 is formed.
  • the upstream end of the plurality of main body side plasma passages 111 is open to the reaction chamber 77, and the downstream end of the plurality of main body side plasma passages 111 is open to the lower end surface of the head main body 71. There is.
  • the plasma irradiation unit 75 includes a nozzle 113, a nozzle cover 115, and the like.
  • the nozzle cover 115 is generally T-shaped when viewed from the side in the X direction, and is composed of a nozzle body 117 and a nozzle tip 119.
  • the nozzle 113 is an integral part of the nozzle body 117 and the nozzle tip 119, and is made of ceramic having high heat resistance.
  • the nozzle body 117 generally has a flange shape, and is fixed to the lower surface of the head body 71 by bolts 120. Further, the nozzle tip 119 has a shape extending downward from the lower surface of the nozzle body 117.
  • the nozzle 113 is formed with a plurality of nozzle-side plasma passages 121 (six in this embodiment) that penetrate the nozzle body 117 and the nozzle tip 119 in the vertical direction, that is, in the Z direction.
  • the plurality of nozzle-side plasma passages 121 are arranged at intervals in the X direction.
  • the plurality of nozzle-side plasma passages 121 are formed at the same positions as the plurality of main body-side plasma passages 111 in the Z direction. Therefore, the plasma passage 111 on the main body side and the plasma passage 121 on the nozzle side communicate with each other.
  • the nozzle cover 115 generally has a T-shape when viewed from the side in the X direction, and is composed of a cover main body 125 and a cover tip 127.
  • the nozzle cover 115 is an integral part of the cover main body 125 and the cover tip 127, and is formed of a ceramic having high heat resistance.
  • the cover main body 125 has a generally plate-shaped plate thickness, and the cover main body 125 is formed with a concave portion 129 having an opening on the upper surface and a concave shape in the Z direction.
  • the cover body 125 is fixed to the lower surface of the head body 71 by bolts 130 so that the nozzle body 117 of the nozzle 113 is housed in the recess 129.
  • the nozzle cover 115 is detachable from the head main body 71, and is removed from the head main body 71 when the nozzle 113 is replaced.
  • the cover body 125 is formed with a heat gas passage 91 extending in the Y direction, one end of the heat gas passage 91 opens in the recess 129, and the other end of the heat gas passage 91 is the cover body. It opens on the side of 125.
  • the end of the heat gas passage 91 that opens on the side surface of the cover body 125 is connected to the connecting portion 85 of the heat gas supply portion 62 described above.
  • the cover tip 127 extends downward from the lower surface of the cover body 125.
  • One through hole 133 penetrating in the Z direction is formed in the cover tip 127, and the upper end portion of the through hole 133 communicates with the recess 129 of the cover main body 125.
  • the nozzle tip 119 of the nozzle 113 is inserted into the through hole 133. As a result, the nozzle 113 is entirely covered by the nozzle cover 115.
  • the lower end of the nozzle tip 119 of the nozzle 113 and the lower end of the cover tip 127 of the nozzle cover 115 are located at the same height.
  • the nozzle body 117 of the nozzle 113 is located inside the recess 129 of the nozzle cover 115, and the nozzle tip 119 of the nozzle 113 is inside the through hole 133 of the nozzle cover 115. Is located.
  • the plasma gas generated in the reaction chamber 77 flows through the main body side plasma passage 111 and the nozzle side plasma passage 121 together with the carrier gas, and from the opening 121A at the lower end of the nozzle side plasma passage 121. It is ejected.
  • the flow rates of the carrier gas and the nitrogen-rich gas contained in the reaction gas at the time of plasma gas ejection are controlled within the range of 40 L / min to 80 L / min by the operation of the flow rate regulators 30b, 30c, and 30d. , Sufficient plasma gas ejection is guaranteed.
  • the heat gas supplied from the gas pipe 81 to the heat gas passage 91 flows through the heat gas output passage 135.
  • This heat gas functions as a shield gas that protects the plasma gas.
  • the heat gas flows through the heat gas output passage 135 and is ejected from the opening 135A at the lower end of the heat gas output passage 135 along the ejection direction of the plasma gas. At this time, the heat gas is ejected so as to surround the plasma gas ejected from the opening 121A of the plasma passage 121 on the nozzle side. In this way, by ejecting the heated heat gas around the plasma gas, it is possible to enhance the effect (wetting property, etc.) of the plasma gas, and the effect of the plasma treatment by ejecting the plasma gas is enhanced.
  • the ejection of the plasma gas is controlled based on the gas concentration of the carrier gas, that is, the nitrogen concentration of the nitrogen-rich gas.
  • the nitrogen-rich gas is separated from the air by the nitrogen separation device 22.
  • the nitrogen concentration of the nitrogen-rich gas separated by the nitrogen separation device 22 is detected by using the oxygen concentration detector 34. Therefore, when the nitrogen concentration detected by using the oxygen concentration detector 34 reaches a set concentration, specifically, 99.9%, a voltage is applied to the electrode 73. That is, until the nitrogen concentration reaches 99.9%, the nitrogen concentration waits for an increase, and no voltage is applied to the electrode 73.
  • the touch panel of the operation unit 15C of the control box 15 indicates that the nitrogen concentration is waiting to increase.
  • a voltage is applied to the electrode 73, so that plasma gas is ejected from the plasma head 11. This makes it possible to use a high-concentration nitrogen-rich gas as a carrier gas, and appropriate plasma treatment can be performed.
  • the nitrogen concentration detected by using the oxygen concentration detector 34 is monitored, and when the nitrogen concentration is less than 99.9%, the operation unit 15C of the control box 15 is monitored.
  • a warning screen is displayed on the touch panel of.
  • the operator can recognize the decrease in the nitrogen concentration of the carrier gas, and the usability is improved.
  • the warning screen can be displayed without stopping the ejection of the plasma gas, so that the operator can decide whether to continue the plasma processing.
  • the operator determines that the effect of the decrease in nitrogen concentration on the plasma treatment is minor, the plasma treatment is continued, so that the object W to be treated during plasma irradiation is discarded.
  • the nitrogen concentration at which the quality of the object W to be processed cannot be guaranteed due to the decrease in the nitrogen concentration is set as the minimum concentration, and the nitrogen concentration detected by using the oxygen concentration detector 34 is equal to or less than the minimum concentration. In that case, the voltage application to the electrode 73 is stopped. This ensures the quality of the plasma processing by the plasma apparatus 10.
  • the plasma device 10 is an example of a plasma generator.
  • the plasma head 11 is an example of a head.
  • the control box 15 is an example of a control device.
  • the nitrogen separation device 22 is an example of a nitrogen supply device.
  • the oxygen concentration detector 34 is an example of an oxygen concentration detector.
  • the housing 50 is an example of a cylindrical member.
  • the separation membrane 52 is an example of a membrane.
  • the electrode 73 is an example of an electrode.
  • the nitrogen-rich gas is separated from the compressed air by a nitrogen separation device 22 having a separation membrane 52, a so-called separation membrane type nitrogen supply device, and the separated nitrogen-rich gas is supplied to the electrode 73.
  • the nitrogen separating device 22 is composed of a cylindrical housing 50, and is arranged inside the control box 15 in a posture extending in the vertical direction. Therefore, the nitrogen separation device 22 occupies a certain amount of space in the vertical direction inside the control box 15, but does not occupy much space in the horizontal direction. As a result, it is possible to suppress an increase in the arrangement space of the control box 15. Further, the nitrogen separation device 22, that is, the separation membrane type nitrogen supply device is relatively inexpensive, and the cost increase of the plasma device 10 can be suppressed.
  • a nitrogen generator 152 is arranged next to the control box 150, and the control box 150 uses the nitrogen-rich gas generated by the nitrogen generator 152. It is supplied to the plasma head 11.
  • the nitrogen generator 152 has a built-in PSA (Pressure Swing Adsorption) type nitrogen supply device.
  • the PSA type nitrogen supply device separates nitrogen from air by adsorbing oxygen to an adsorbent, and is a structurally complicated and large device. Therefore, it is necessary to secure a large space for arranging the nitrogen generator 152. Further, since the PSA type nitrogen supply device is structurally complicated and relatively expensive, the cost burden on the user becomes large. Therefore, in the plasma device 10, by adopting a separation membrane type nitrogen supply device instead of the PSA type nitrogen supply device, it is possible to reduce the arrangement space and the cost burden on the user. It is said that.
  • the PSA type nitrogen supply device is structurally capable of separating 99.99% nitrogen-rich gas, while the separation membrane type nitrogen supply device separates 99.99% nitrogen-rich gas. No, only 99.9% nitrogen-rich gas can be separated. However, the plasma apparatus 10 does not require a nitrogen-rich gas having a high purity of 99.99%, and a sufficiently appropriate plasma treatment can be ensured with a nitrogen-rich gas of 99.9%. Therefore, in the plasma device 10, a separation membrane type nitrogen supply device is adopted instead of the PSA type nitrogen supply device in consideration of the arrangement space, cost, and the like.
  • the electrode 73 is arranged in the plasma head 11, and the nitrogen separating device 22 is arranged in the control box 15 separate from the plasma head 11. Then, the control box 15 supplies electric power and nitrogen-rich gas separated from the air by the nitrogen separation device 22 to the plasma head 11.
  • the nitrogen separation device 22 includes an oxygen concentration detector 34, and the oxygen concentration of the nitrogen-rich gas separated from the air by the nitrogen separation device 22 is measured by the oxygen concentration detector 34. This makes it possible to control the nitrogen concentration of the nitrogen-rich gas based on the oxygen concentration measured by the oxygen concentration detector 34, and it is possible to ensure appropriate plasma treatment.
  • the nitrogen-rich gas separated by the nitrogen separation device 22 is supplied from the gas supply unit 15B to the electrode 73 of the plasma head 11 at a flow rate of 40 L / min to 80 L / min. This makes it possible to perform plasma treatment using a sufficient amount of nitrogen-rich gas.
  • the nitrogen separation device 22 has a cylindrical housing 50, and the separation membrane 52 is built in the housing 50.
  • the housing 50 is arranged so as to extend in the vertical direction, and compressed air is supplied from the upper part of the housing 50, so that nitrogen-rich gas is discharged from the lower part of the housing 50. As a result, it is possible to suppress the increase in size of the control box 15 in which the nitrogen separation device 22 is arranged.
  • the present disclosure is not limited to the above embodiment, and can be carried out in various embodiments with various changes and improvements based on the knowledge of those skilled in the art.
  • the electrode 73 and the nitrogen separator 22 are arranged in different devices, but may be arranged in one device. In such a case, the device becomes large, but a gas tube 19 or the like can be arranged in the device.
  • oxygen having high flammability is discharged from the through hole 54 of the housing 50, and considering that a voltage is applied to the electrode 73, the electrode 73 and the electrode 73 It is desirable that the nitrogen separator 22 is arranged in a different device.
  • the gas in which nitrogen is separated from the compressed air that is, oxygen is discharged as it is from the through hole 54 of the housing 50, but the oxygen is diluted to a constant concentration and discharged. You may.
  • the electric power and the nitrogen gas rich gas are supplied to the plasma head 11 from the control box 15, but the electric power may be supplied to the plasma head 11 from a device different from the control box 15. That is, the power supply unit 15A may be arranged in a device different from the control box 15, and power may be supplied to the plasma head 11 from the different device.
  • the oxygen concentration of the nitrogen-rich gas separated by the nitrogen separator 22 is measured by using the oxygen concentration detector 34, and the nitrogen concentration of the nitrogen-rich gas is calculated based on the measured oxygen concentration. ing.
  • the nitrogen concentration of the nitrogen-rich gas separated by the nitrogen separation device 22 may be directly measured by using the nitrogen concentration detector.
  • the nitrogen separation device 22 is composed of one housing 50, but a nitrogen separation device composed of a plurality of housings may be adopted.
  • a nitrogen separator 162 composed of three housings 160 may be adopted.
  • the outer diameter of the housing 160 is less than half the outer diameter of the housing 50, and the length of the housing 160 is larger than the length of the housing 50. Slightly longer.
  • the outer diameter of the housing 160 is 109 mm, and the length of the housing 160 is 1110 mm.
  • the pressure of the compressed air sent into the housing 160 is 0.9 to 1.0 MPa.
  • Plasma device plasma generator
  • Plasma head head
  • Control box control device
  • Nitrogen separation device nitrogen supply device
  • Oxygen concentration detector 50: Housing (cylindrical member)
  • 52 Separation membrane (membrane) 73: Electrode

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Abstract

プラズマを発生させる電極と、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有し、窒素ガスを電極に供給する窒素供給装置と、を備えるプラズマ発生装置。

Description

プラズマ発生装置、プラズマ発生方法、および制御装置
　本開示は、窒素を用いてプラズマ処理を行うプラズマ発生装置等に関するものである。
　プラズマ発生装置では、下記特許文献に記載されているように、不活性ガスとして窒素を用いてプラズマ処理が行われる。
特開平１０－０３４３４３号公報
　本明細書は、窒素を適切に供給可能なプラズマ発生装置などの提供を課題とする。
　上記課題を解決するために、本明細書は、プラズマを発生させる電極と、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有し、当該窒素ガスを前記電極に供給する窒素供給装置と、を備えるプラズマ発生装置を開示する。
　また、本明細書は、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜によって分離させた当該窒素ガスを、電極に供給することでプラズマを発生させるプラズマ発生方法を開示する。
　また、本明細書は、プラズマを発生させる電極を備えるプラズマ発生装置の制御装置であって、前記プラズマ発生装置は、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有し、当該窒素ガスを前記電極に供給する窒素供給装置を備え、前記窒素供給装置は、前記制御装置に配設されており、前記制御装置は、前記電極が配設されるヘッドと別体であり、前記窒素供給装置から前記ヘッドに窒素ガスを供給する制御装置を開示する。
　本開示によれば、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有する窒素供給装置から、電極に窒素ガスが供給される。これにより、電極に窒素を適切に供給することができる。
プラズマ装置を示す図である。 ガス供給部を示す概略図である。 窒素分離装置を示す断面図である。 プラズマヘッドを示す斜視図である。 電極及び本体側プラズマ通路の位置においてＸ方向及びＺ方向にプラズマヘッドを切断した断面図である。 図５のＡＡ線における断面図である。 従来のプラズマ発生装置を示す図である。 変形例のプラズマ発生装置を示す図である。
　以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例を、図を参照しつつ詳しく説明する。
　図１に示すように、プラズマ装置１０は、プラズマヘッド１１、ロボット１３、制御ボックス１５を備えている。プラズマヘッド１１は、ロボット１３に取り付けられている。ロボット１３は、例えば、シリアルリンク型ロボット（多関節型ロボットと呼ぶこともできる）である。プラズマヘッド１１は、ロボット１３の先端に保持された状態でプラズマガスを照射可能となっている。プラズマヘッド１１は、ロボット１３の駆動に応じて３次元的に移動可能となっている。
　制御ボックス１５は、コンピュータを主体として構成され、プラズマ装置１０を統括的に制御する。制御ボックス１５は、プラズマヘッド１１に電力を供給する電源部１５Ａ及びプラズマヘッド１１へガスを供給するガス供給部１５Ｂを有している。電源部１５Ａは、電源ケーブル１７を介してプラズマヘッド１１と接続されている。電源部１５Ａは、制御ボックス１５の制御に基づいて、プラズマヘッド１１の電極７３（図３及び図４参照）に印加する電圧を変更する。
　また、ガス供給部１５Ｂは、複数（本実施形態では４本）のガスチューブ１９を介してプラズマヘッド１１と接続されており、制御ボックス１５の制御に基づいて、後述する反応ガス、キャリアガス、ヒートガスをプラズマヘッド１１へ供給する。詳しくは、ガス供給部１５Ｂは、図２に示すように、ポンプ２０と、窒素分離装置２２と、エア供給路２４と、窒素供給路２６と、混合ガス供給路２８と、複数の流量調整器３０と、混合器３２と、酸素濃度検出器３４とを有している。ポンプ２０は、圧縮空気を送り出すものであり、エア供給路２４の一端部に接続されている。なお、圧縮空気は、工場で用いられる工場エアが用いられている。つまり、ポンプ２０は、工場エアを発生させるためのものであり、エア供給路２４に供給される圧縮空気として、工場エアが利用されている。また、エア供給路２４の他端部は、３本に枝分かれしている。そして、枝分かれした３本のエア供給路２４のうちの１本目のエア供給路２４ａが混合器３２に接続され、２本目のエア供給路２４ｂが窒素分離装置２２に接続され、３本目のエア供給路２４ｃがガスチューブ１９ｄに接続されている。
　また、窒素分離装置２２は、空気、つまり、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素（以下、「窒素リッチガス」と記載する）を分離する装置であり、図３に示すように、ハウジング５０と分離膜５２とにより構成されている。ハウジング５０は、概して円筒形状をなし、ハウジング５０には、内周面から外周面に貫通する貫通穴５４が形成されている。そして、ハウジング５０の内部に分離膜５２が充填されており、その分離膜５２は、中空糸形状の高分子膜とされている。そして、ハウジング５０の一端部に、エア供給路２４ｂが接続され、ハウジング５０の他端部に、窒素供給路２６が接続されている。
　このような構造により、窒素分離装置２２は、ポンプ２０から送り出された圧縮空気から窒素リッチガスを分離し、窒素リッチガスを窒素供給路２６に供給する。具体的には、ハウジング５０の一端部から圧縮空気が送り込まれると、窒素と酸素との分子の大きさの相違に起因して、窒素はハウジング５０の内部の分離膜５２を軸方向に通過する。一方、酸素はハウジング５０の内部の分離膜５２を軸方向に通過することができず、径方向に排出される。このため、ハウジング５０の一端部から送り込まれた圧縮空気から窒素が分離されて、ハウジング５０の他端部から送り出される。なお、ハウジング５０に送り込まれる圧縮空気の圧力は、０．５ＭＰａである。また、圧縮空気から窒素が分離された気体、つまり、酸素がハウジング５０の貫通穴５４から排出される。これにより、所定の濃度以上、例えば、９９．９％の濃度の窒素リッチガスが、窒素供給路２６に供給される。
　なお、窒素分離装置２２では、ハウジング５０の長さ、つまり、ハウジング５０に充填される分離膜５２の容量などに応じて、分離される窒素リッチガスの濃度が定まる。このため、例えば、９９．９％の濃度の窒素リッチガスを分離するためには、１ｍ以上の長さのハウジング５０を有する窒素分離装置２２が必要となり、窒素分離装置２２は、図１に示すように、制御ボックス１５の内部において上下方向に延びる姿勢で配設されている。なお、窒素分離装置２２は、ハウジング５０の圧縮空気が送り込まれる端部が上方に位置し、ハウジング５０のリッチガスが排出される端部が下方に位置するように、配設される。つまり、窒素分離装置２２のハウジング５０の上部から圧縮空気が供給され、ハウジング５０の下部からリッチガスが排出されるように、窒素分離装置２２が制御ボックス１５の内部に配設されている。
　また、ハウジング５０の外径は２４４ｍｍであり、長さが１０８０ｍｍであるため、窒素分離装置２２は、制御ボックス１５の内部において、上下方向でのスペースをある程度、占有するが、左右方向でのスペースは然程、占有しない。なお、窒素分離装置２２では、上述したように、圧縮空気から窒素が分離された気体、つまり、酸素がハウジング５０の貫通穴５４から排出される。一方で、制御ボックス１５からプラズマヘッド１１の電極７３に電流を供給する電源ケーブル１７には、高電圧の電流が流される。このため、支燃性の高い酸素を、高電圧の電流が流される電源ケーブル１７から離れた位置に排出するべく、窒素分離装置２２は、制御ボックス１５の内部において背面側に配設されており、貫通穴５４は制御ボックス１５の背面に開口している。
　また、図２に示すように、窒素分離装置２２に接続されている窒素供給路２６の端部と反対側の端部は、３本に枝分かれしている。そして、枝分かれした３本の窒素供給路２６のうちの１本目の窒素供給路２６ａが混合器３２に接続され、２本目の窒素供給路２６がガスチューブ１９ｂに接続され、３本目の窒素供給路２６ｃがガスチューブ１９ｃに接続されている。また、混合器３２には、混合ガス供給路２８も接続されており、混合器３２において、エア供給路２４ａから供給された圧縮空気と、窒素供給路２６ａから供給された窒素リッチガスとが混合され、その混合されたガスが混合ガス供給路２８に供給される。そして、混合ガス供給路２８は、ガスチューブ１９ａに接続されている。
　このような構造により、ガス供給部１５Ｂからガスチューブ１９ａに、圧縮空気と窒素リッチガスとの混合ガスが供給され、ガスチューブ１９ｂ，１９ｃに窒素リッチガスが供給され、ガスチューブ１９ｃに圧縮空気が供給される。また、エア供給路２４ａに流量調整器３０ａが配置され、窒素供給路２６ａに流量調整器３０ｂが配置され、窒素供給路２６ｂに流量調整器３０ｃが配置され、窒素供給路２６ｃに流量調整器３０ｄが配置され、エア供給路２４ｃに流量調整器３０ｅが配置されている。これにより、各ガスチューブ１９に供給されるガスの流量が調整される。つまり、ガス供給部１５Ｂは、圧縮空気と窒素リッチガスとの混合ガス，窒素リッチガス，圧縮空気等のガスを、流量を調整した状態でプラズマヘッド１１に供給する。
　また、窒素分離装置２２に接続されている窒素供給路２６の枝分かれしていない箇所に、酸素濃度検出器３４が配設されている。これにより、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度を検出することができる。つまり、空気は、窒素，酸素，アルゴン，二酸化炭素を主成分として含んでおり、空気中の窒素は約７８％、空気中の酸素は約２１％、空気中のアルゴンは約０．９％、空気中の二酸化炭素は約０．０３％とされている。このため、空気から分離された窒素リッチガスでは、酸素を除けば殆ど窒素である。そこで、酸素濃度検出器３４により検出された酸素濃度を１００％から減じた数値が、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度となる。つまり、例えば、酸素濃度検出器３４により０．１％の酸素濃度が検出された場合には、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度は、９９．９（＝１００－０．１）％となる。このように、ガス供給部１５Ｂでは、圧縮空気から窒素リッチガスが分離され、その分離された窒素リッチガスの窒素濃度が酸素濃度検出器３４により管理されている。
　また、制御ボックス１５は、図１に示すように、タッチパネルや各種スイッチを有する操作部１５Ｃを備えている。制御ボックス１５は、各種の設定画面や動作状態（例えば、ガス供給状態など）等を操作部１５Ｃのタッチパネルに表示する。また、制御ボックス１５は、操作部１５Ｃに対する操作入力により各種の情報を受け付ける。
　また、プラズマヘッド１１は、図４に示すように、プラズマ生成部６０、ヒートガス供給部６２等を備えている。プラズマ生成部６０は、制御ボックス１５のガス供給部１５Ｂから供給された処理ガスをプラズマ化して、プラズマガスを生成する。ヒートガス供給部６２は、ガス供給部１５Ｂから供給されたガスを加熱してヒートガスを生成する。本実施形態のプラズマヘッド１１は、プラズマ生成部６０において生成したプラズマガスを、ヒートガス供給部６２によって生成したヒートガスとともに、図１に示す被処理物Ｗへ噴出する。プラズマヘッド１１には、図４に示す矢印の方向に上流側から下流側へと処理ガスが供給される。なお、プラズマヘッド１１は、ヒートガス供給部６２を備えない構成でも良い。即ち、本開示のプラズマ装置は、ヒートガスを用いない構成でも良い。
　図５及び図６に示すように、プラズマ生成部６０は、ヘッド本体部７１、一対の電極７３、プラズマ照射部７５等を含む。なお、図５は、一対の電極７３及び後述する複数の本体側プラズマ通路１１１の位置に合わせて切断した断面図であり、図６は、図５のＡＡ線における断面図である。ヘッド本体部７１は、耐熱性の高いセラミックにより成形されており、そのヘッド本体部７１の内部には、プラズマガスを発生させる反応室７７が形成されている。一対の電極７３の各々は、例えば、円柱形状をなしており、その先端部を反応室７７に突出させた状態で固定されている。以下の説明では、一対の電極７３を、単に電極７３と称する場合がある。また、一対の電極７３が並ぶ方向をＸ方向、プラズマ生成部６０とヒートガス供給部６２とが並ぶ方向をＹ方向、円柱形状の電極７３の軸方向をＺ方向と称して説明する。また、本実施形態では、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに直交する方向である。
　ヒートガス供給部６２は、ガス管８１、ヒータ８３、連結部８５等を備えている。ガス管８１及びヒータ８３は、ヘッド本体部７１の外周面に取り付けられ、図６に示すカバー８７によって覆われている。ガス管８１は、ガスチューブ１９ｄ（図２参照）を介して、制御ボックス１５のガス供給部１５Ｂに接続されている。これにより、ガス管８１には、ガス供給部１５Ｂから空気が供給される。ヒータ８３は、ガス管８１の途中に取り付けられている。ヒータ８３は、ガス管８１を流れる空気を温めてヒートガスを生成する。
　図６に示すように、連結部８５は、ガス管８１をプラズマ照射部７５に連結するものである。プラズマ照射部７５がヘッド本体部７１に取り付けられた状態では、連結部８５は、一端部をガス管８１に接続され、他端部をプラズマ照射部７５に形成されたヒートガス通路９１に接続される。ヒートガス通路９１には、ガス管８１を介してヒートガスが供給される。
　図６に示すように電極７３の一部の外周部は、セラミックス等の絶縁体で製造された電極カバー９３によって覆われている。電極カバー９３は、略中空筒状をなし、長手方向の両端部に開口が形成されている。電極カバー９３の内周面と電極７３の外周面との間の隙間は、ガス通路９５として機能する。電極カバー９３の下流側の開口は、反応室７７に接続されている。電極７３の下端は、電極カバー９３の下流側の開口から突出している。
　また、ヘッド本体部７１の内部には、反応ガス流路１０１と、一対のキャリアガス流路１０３とが形成されている。反応ガス流路１０１は、ヘッド本体部７１の略中央部に設けられ、ガスチューブ１９ａ（図２参照）を介してガス供給部１５Ｂと接続されている。これにより、反応ガス流路１０１は、ガスチューブ１９ａから供給されるガス、つまり、空気と窒素リッチガスとの混合ガスを反応室７７へ流入させる。また、一対のキャリアガス流路１０３は、Ｘ方向において反応ガス流路１０１を間に挟んだ位置に配置されている。一対のキャリアガス流路１０３は、ガスチューブ１９ｂ，１９ｃ（図２参照）を介してガス供給部１５Ｂと接続されている。これにより、ガスチューブ１９ｂ，１９ｃから供給される窒素リッチガスが、キャリアガス流路１０３に供給される。そして、キャリアガス流路１０３は、ガス通路９５を介して窒素リッチガスを反応室７７へ流入させる。
　反応ガス（種ガス）としては、酸素（Ｏ２）を採用できるため、ガス供給部１５Ｂは、ガスチューブ１９ａを介して、反応ガス流路１０１に、空気と窒素リッチガスとの混合ガスを供給し、反応室７７の電極７３の間に流入させる。以下、この混合ガスを、便宜的に反応ガスと呼び、酸素を種ガスと呼ぶ場合がある。また、キャリアガスとしては、窒素を採用できるが、所定の濃度以上の窒素が必要である。このため、ガス供給部１５Ｂは、ガスチューブ１９ｂ，１９ｃを介して、キャリアガス流路１０３に、窒素リッチガスを供給し、ガス通路９５の各々から、１対の電極７３の各々を取り巻くように窒素リッチガスを流入させる。以下、この窒素リッチガスを、便宜的にキャリアガスと呼ぶ場合がある。
　一対の電極７３には、制御ボックス１５の電源部１５Ａから交流の電圧が印加される。電圧を印加することによって、例えば、図５に示すように、反応室７７内において、一対の電極７３の下端の間に、擬似アークＡが発生する。この擬似アークＡを反応ガスが通過する際に、反応ガスは、プラズマ化される。従って、一対の電極７３は、擬似アークＡの放電を発生させ、反応ガスをプラズマ化し、プラズマガスを発生させる。
　また、ヘッド本体部７１における反応室７７の下流側の部分には、Ｘ方向に間隔を隔てて並び、Ｚ方向に伸びて形成された複数（本実施例においては、６本）の本体側プラズマ通路１１１が形成されている。複数の本体側プラズマ通路１１１の上流側の端部は、反応室７７に開口しており、複数の本体側プラズマ通路１１１の下流側の端部は、ヘッド本体部７１の下端面に開口している。
　プラズマ照射部７５は、ノズル１１３、ノズルカバー１１５等を備えている。ノズルカバー１１５は、Ｘ方向からの側面視において概してＴ字形をなし、ノズル本体１１７とノズル先端１１９とにより構成されている。なお、ノズル１１３は、ノズル本体１１７とノズル先端１１９とによる一体物であり、耐熱性の高いセラミックにより成形されている。ノズル本体１１７は、概してフランジ形状をなし、ボルト１２０により、ヘッド本体部７１の下面に固定されている。また、ノズル先端１１９は、ノズル本体１１７の下面から下方に向って延び出す形状とされている。そして、ノズル１１３には、ノズル本体１１７とノズル先端１１９とを上下方向、つまり、Ｚ方向に貫通する複数（本実施例においては、６本）のノズル側プラズマ通路１２１が形成されており、それら複数のノズル側プラズマ通路１２１は、Ｘ方向に間隔を隔てて並んでいる。なお、複数のノズル側プラズマ通路１２１は、Ｚ方向において複数の本体側プラズマ通路１１１と同じ位置に形成されている。このため、本体側プラズマ通路１１１とノズル側プラズマ通路１２１とは連通している。
　また、ノズルカバー１１５は、Ｘ方向からの側面視において概してＴ字形をなし、カバー本体１２５とカバー先端１２７とにより構成されている。なお、ノズルカバー１１５は、カバー本体１２５とカバー先端１２７とによる一体物であり、耐熱性の高いセラミックにより成形されている。カバー本体１２５は、板厚の概して板形状とされており、カバー本体１２５には、上面に開口するとともに、Ｚ方向に凹んだ形状の凹部１２９が形成されている。そして、その凹部１２９にノズル１１３のノズル本体１１７が収納されるように、カバー本体１２５が、ボルト１３０によりヘッド本体部７１の下面に固定されている。このため、ノズルカバー１１５は、ヘッド本体部７１に着脱可能とされており、ノズル１１３の交換時などに、ヘッド本体部７１から取り外される。さらに、カバー本体１２５には、Ｙ方向に延びるように、ヒートガス通路９１が形成されており、そのヒートガス通路９１の一端部が、凹部１２９に開口し、ヒートガス通路９１の他端部が、カバー本体１２５の側面に開口している。そして、カバー本体１２５の側面に開口するヒートガス通路９１の端部が、上記したヒートガス供給部６２の連結部８５に連結されている。
　カバー先端１２７は、カバー本体１２５の下面から下方に向って延び出している。カバー先端１２７には、Ｚ方向に貫通する１つの貫通孔１３３が形成されており、その貫通孔１３３の上端部は、カバー本体１２５の凹部１２９に連通している。そして、その貫通孔１３３に、ノズル１１３のノズル先端１１９が挿入されている。これにより、ノズル１１３は、ノズルカバー１１５により全体的に覆われている。なお、ノズル１１３のノズル先端１１９の下端と、ノズルカバー１１５のカバー先端１２７の下端とは、同じ高さに位置している。
　また、ノズル１１３がノズルカバー１１５により覆われた状態において、ノズルカバー１１５の凹部１２９の内部にノズル１１３のノズル本体１１７が位置し、ノズルカバー１１５の貫通孔１３３の内部にノズル１１３のノズル先端１１９が位置する。このような状態において、凹部１２９とノズル本体１１７との間及び、貫通孔１３３とノズル先端１１９との間に隙間が存在し、その隙間がヒートガス出力通路１３５として機能する。ヒートガス出力通路１３５には、ヒートガス通路９１を経てヒートガスが供給される。
　このような構造により、プラズマヘッド１１では、反応室７７で発生したプラズマガスは、キャリアガスとともに、本体側プラズマ通路１１１及びノズル側プラズマ通路１２１を流れ、ノズル側プラズマ通路１２１の下端の開口１２１Ａから噴出される。なお、プラズマガス噴出時におけるキャリアガスおよび、反応ガスに含まれる窒素リッチガスの流量は、流量調整器３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの作動により、４０Ｌ／ｍｉｎ～８０Ｌ／ｍｉｎの範囲内に制御されることで、充分なプラズマガスの噴出が担保される。また、ガス管８１からヒートガス通路９１へ供給されたヒートガスは、ヒートガス出力通路１３５を流れる。このヒートガスは、プラズマガスを保護するシールドガスとして機能するものである。ヒートガスは、ヒートガス出力通路１３５を流れ、ヒートガス出力通路１３５の下端の開口１３５Ａからプラズマガスの噴出方向に沿って噴出される。この際、ヒートガスは、ノズル側プラズマ通路１２１の開口１２１Ａから噴出されるプラズマガスの周囲を取り巻くように噴出される。このように、加熱したヒートガスをプラズマガスの周囲に噴出することで、プラズマガスの効能（濡れ性など）を高めること可能となり、プラズマガスの噴出によるプラズマ処理の効果が高められている。
　また、プラズマ装置１０では、プラズマヘッド１１によるプラズマガスの噴出時において、キャリアガスのガス濃度、つまり、窒素リッチガスの窒素濃度に基づいて、プラズマガスの噴出が管理されている。詳しくは、上述したように、制御ボックス１５のガス供給部１５Ｂでは、窒素分離装置２２により空気から窒素リッチガスが分離されている。そして、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度が酸素濃度検出器３４を利用して検出されている。そこで、酸素濃度検出器３４を利用して検出される窒素濃度が設定濃度、具体的には、例えば、９９．９％に達した場合に、電極７３に電圧が印加される。つまり、窒素濃度が９９．９％に達するまでの間は、窒素濃度の上昇待ちの状態となり、電極７３に電圧が印加されない。この際、制御ボックス１５の操作部１５Ｃのタッチパネルに、窒素濃度の上昇待ちの状態であることが表示される。そして、窒素濃度が９９．９％に達すると、電極７３に電圧が印加されることで、プラズマヘッド１１からプラズマガスが噴出される。これにより、高濃度の窒素リッチガスをキャリアガスとして用いることが可能となり、適切なプラズマ処理を行うことができる。
　また、プラズマガスの噴出時において、酸素濃度検出器３４を利用して検出される窒素濃度が監視されており、窒素濃度が９９．９％未満となった場合に、制御ボックス１５の操作部１５Ｃのタッチパネルに警告画面が表示される。これにより、作業者がキャリアガスの窒素濃度の低下を認識することができ、ユーザビリティが向上する。また、キャリアガスの窒素濃度の低下時において、プラズマガスの噴出を停止させずに、警告画面を表示することで、プラズマ処理の継続の判断を作業者に委ねることができる。これにより、例えば、作業者が、窒素濃度の低下によるプラズマ処理への影響が軽微であると判断した場合には、プラズマ処理が継続されることで、プラズマ照射中の被処理物Ｗの廃棄を抑制することができる。なお、窒素濃度の低下により被処理物Ｗの品質を担保できない窒素濃度が最低濃度として設定されており、酸素濃度検出器３４を利用して検出される窒素濃度が、その最低濃度以下となった場合には、電極７３への電圧印加が停止する。これにより、プラズマ装置１０によるプラズマ処理の品質が担保される。
　因みに、プラズマ装置１０は、プラズマ発生装置の一例である。プラズマヘッド１１は、ヘッドの一例である。制御ボックス１５は、制御装置の一例である。窒素分離装置２２は、窒素供給装置の一例である。酸素濃度検出器３４は、酸素濃度検出器の一例である。ハウジング５０は、筒状の部材の一例である。分離膜５２は、膜の一例である。電極７３は、電極の一例である。
　以上、上記した本実施形態では、以下の効果を奏する。
　プラズマ装置１０では、分離膜５２を有する窒素分離装置２２、所謂、分離膜方式の窒素供給装置により圧縮空気から窒素リッチガスを分離し、分離した窒素リッチガスが電極７３に供給されている。窒素分離装置２２は、上述したように、円筒形状のハウジング５０により構成されており、上下方向に延びる姿勢で制御ボックス１５の内部に配設されている。このため、窒素分離装置２２は、制御ボックス１５の内部において、上下方向でのスペースをある程度、占有するが、左右方向でのスペースは然程、占有しない。これにより、制御ボックス１５の配設スペースの増大を抑制することができる。また、窒素分離装置２２、つまり、分離膜方式の窒素供給装置は、比較的安価であり、プラズマ装置１０のコスト上昇を抑制することもできる。
　一方で、従来のプラズマ装置では、図７に示すように、制御ボックス１５０の隣に窒素発生器１５２が配設されており、制御ボックス１５０は、窒素発生器１５２により発生させられた窒素リッチガスをプラズマヘッド１１に供給している。窒素発生器１５２には、一般的に、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式の窒素供給装置が内蔵されている。ＰＳＡ方式の窒素供給装置は、吸着剤に酸素を吸着させることで、空気から窒素を分離させるものであり、構造的に複雑かつ大型な装置である。このため、窒素発生器１５２を配設するべく、大きなスペースを確保する必要がある。また、ＰＳＡ方式の窒素供給装置は、構造的に複雑なため、比較的高価であることから、ユーザのコスト的な負担が大きくなる。このため、プラズマ装置１０では、ＰＳＡ方式の窒素供給装置でなく、分離膜方式の窒素供給装置を採用することで、配設スペースの抑制および、ユーザのコスト的な負担をも抑制することが可能とされている。
　なお、ＰＳＡ方式の窒素供給装置は、構造上、９９．９９％の窒素リッチガスを分離することが可能であるが、分離膜方式の窒素供給装置は、９９．９９％の窒素リッチガスを分離することはできず、９９．９％の窒素リッチガスしか分離できない。しかしながら、プラズマ装置１０では、９９．９９％もの高純度の窒素リッチガスは必要がなく、９９．９％の窒素リッチガスで充分に適切なプラズマ処理を担保することができる。このため、プラズマ装置１０では、配設スペース，コスト等を考慮して、ＰＳＡ方式の窒素供給装置でなく、分離膜方式の窒素供給装置が採用されている。
　また、電極７３はプラズマヘッド１１に配設されており、窒素分離装置２２は、プラズマヘッド１１と別体の制御ボックス１５に配設されている。そして、制御ボックス１５は、電力と、窒素分離装置２２により空気から分離された窒素リッチガスとをプラズマヘッド１１に供給する。このように、電極７３と窒素分離装置２２とを、それぞれ異なるデバイスに配設することで、それぞれのデバイスをコンパクトにすることができる。
　また、窒素分離装置２２は、酸素濃度検出器３４を備えており、窒素分離装置２２により空気から分離された窒素リッチガスの酸素濃度が、酸素濃度検出器３４により測定される。これにより、酸素濃度検出器３４により測定された酸素濃度に基づいて、窒素リッチガスの窒素濃度を管理することが可能となり、適切なプラズマ処理を担保することができる。
　また、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスは、４０Ｌ／ｍｉｎ～８０Ｌ／ｍｉｎの流量でガス供給部１５Ｂからプラズマヘッド１１の電極７３に供給される。これにより、充分な量の窒素リッチガスを用いてプラズマ処理を行うことができる。
　また、窒素分離装置２２は、円筒形状のハウジング５０を有しており、そのハウジング５０に分離膜５２が内蔵されている。そして、そのハウジング５０が上下方向に延びる姿勢で配設されており、ハウジング５０の上部から圧縮空気が供給されることで、ハウジング５０の下部から窒素リッチガスが排出される。これにより、窒素分離装置２２が配設される制御ボックス１５の大型化を抑制することができる。
　また、窒素分離装置２２に供給される圧縮空気として、工場で用いられる工場エアが使用されている。これにより、窒素分離装置専用の圧縮空気を発生させる装置の配設を抑制することができる。
　尚、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。具体的には、例えば、電極７３と窒素分離装置２２とが、それぞれ異なるデバイスに配設されているが、１つのデバイスに配設されてもよい。このような場合に、そのデバイスは大型化するが、ガスチューブ１９などをデバイス内に配設することができる。ただし、窒素分離装置２２では、上述したように、ハウジング５０の貫通穴５４から支燃性の高い酸素が排出されており、電極７３には、電圧が印加されることを考慮すると、電極７３と窒素分離装置２２とは、それぞれ異なるデバイスに配設されることが望ましい。
　また、上記実施例では、窒素分離装置２２において、圧縮空気から窒素が分離された気体、つまり、酸素がハウジング５０の貫通穴５４からそのまま排出されているが、酸素を一定の濃度に薄めて排出してもよい。
　また、上記実施例では、制御ボックス１５から電力及び窒素ガスリッチガスがプラズマヘッド１１に供給されているが、電力は制御ボックス１５と異なるデバイスからプラズマヘッド１１に供給されてもよい。つまり、電源部１５Ａを制御ボックス１５と異なるデバイスに配設し、その異なるデバイスから電力がプラズマヘッド１１に供給されてもよい。
　また、上記実施例では、酸素濃度検出器３４を用いて、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの酸素濃度が測定され、測定された酸素濃度に基づいて、窒素リッチガスの窒素濃度が演算されている。一方で、窒素濃度検出器を用いて、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度が直接的に測定されてもよい。
　また、上記実施例では、窒素分離装置２２が１本のハウジング５０により構成されているが、複数本のハウジングにより構成される窒素分離装置を採用してもよい。具体的には、例えば、図８に示すように、３本のハウジング１６０により構成される窒素分離装置１６２を採用してもよい。このように、窒素分離装置１６２が３本のハウジング１６０により構成される場合に、ハウジング１６０の外径は、ハウジング５０の外径の半分以下となり、ハウジング１６０の長さは、ハウジング５０の長さより僅かに長くなる。具体的には、ハウジング１６０外径は１０９ｍｍであり、ハウジング１６０の長さは１１１０ｍｍである。また、ハウジング１６０の内部に送り込まれる圧縮空気の圧力は、０．９～１．０ＭＰａである。
　１０：プラズマ装置（プラズマ発生装置）　　１１：プラズマヘッド（ヘッド）　　１５：制御ボックス（制御装置）　　２２：窒素分離装置（窒素供給装置）　　３４：酸素濃度検出器　　５０：ハウジング（筒状の部材）　　５２：分離膜（膜）　　７３：電極

Claims (9)

  1. 　プラズマを発生させる電極と、
    　窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有し、当該窒素ガスを前記電極に供給する窒素供給装置と、
    　を備えるプラズマ発生装置。
  2. 　前記電極は、
    　前記プラズマを発生させるヘッドに備えられ、
    　前記窒素供給装置は、
    　前記ヘッドとは別体である制御装置であって、前記ヘッドに窒素を供給する制御装置に備えられる請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  3. 　前記制御装置は、
    　電力も前記ヘッドに供給する請求項２に記載のプラズマ発生装置。
  4. 　前記窒素供給装置は、
    　前記膜により分離された前記窒素ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出器を備える請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
  5. 　前記膜により分離された前記窒素ガスは、４０Ｌ／ｍｉｎ～８０Ｌ／ｍｉｎの流量で前記窒素供給装置から前記電極へ供給される請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
  6. 　前記窒素供給装置は、前記膜を内蔵する筒状の部材を有し、
    　前記筒状の部材は、上下方向に延びる姿勢で配設されており、
    　前記筒状の部材の上部からエアが供給されることで、前記筒状の部材の下部から前記窒素ガスが排出される請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
  7. 　前記窒素供給装置は、
    　工場で用いられる工場エアから前記窒素ガスを分離し、当該窒素ガスを供給する請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
  8. 　窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜によって分離させた当該窒素ガスを、電極に供給することでプラズマを発生させるプラズマ発生方法。
  9. 　プラズマを発生させる電極を備えるプラズマ発生装置の制御装置であって、
    　前記プラズマ発生装置は、
    　窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有し、当該窒素ガスを前記電極に供給する窒素供給装置を備え、
    　前記窒素供給装置は、前記制御装置に配設されており、
    　前記制御装置は、
    　前記電極が配設されるヘッドと別体であり、前記窒素供給装置から前記ヘッドに窒素ガスを供給する制御装置。
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