WO2024009422A1 - プラズマヘッド及びプラズマ発生装置 - Google Patents

プラズマヘッド及びプラズマ発生装置 Download PDF

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WO2024009422A1
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plasma
process gas
flow path
sectional area
ring
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French (fr)
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裕貴 佐野
俊之 池戸
卓也 岩田
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株式会社Fuji
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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
    • H05H1/26—Plasma torches

Definitions

  • This specification relates to a plasma head and a plasma generator.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 BACKGROUND ART Plasma heads and plasma generators (hereinafter referred to as "conventional devices, etc.") disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2 have been known.
  • a process gas eg, nitrogen gas, air containing nitrogen gas, etc.
  • the opening has a hole through which the process gas passes, and is provided so that the hole is obliquely inclined. Thereby, the process gas that has passed through the opening flows spirally between the outer electrode and the inner electrode.
  • the opening provided in the above-mentioned conventional device has a hole drilled in the disk so as to be oblique to the axis of the disk.
  • the process gas supplied from the upstream side it is necessary for the process gas supplied from the upstream side to pass through the holes, and a large reduction loss occurs in the process gas that passes through the holes with a small flow path cross-sectional area.
  • the flow rate of the process gas decreases downstream of the opening, that is, between the outer electrode and the inner electrode, and as a result, the plasma gas irradiated onto the workpiece is also affected by the process. The required flow rate may not be obtained. Therefore, in plasma heads and plasma generators, it is desired to reduce shrinkage loss of the process gas supplied to the electrodes in a spiral flow.
  • An object of the present specification is to provide a plasma head and a plasma generation device that can reduce shrinkage loss of a process gas supplied between electrodes by a spiral flow.
  • This specification includes a cylindrical main body that conducts a process gas to be turned into plasma, a pair of electrodes that are housed in the main body and discharge into a part of the process gas to form a plasma gas, and a pair of electrodes that are introduced into the main body.
  • a plasma head comprising: a rectifying member having a plurality of rectifying plates to spirally flow a process gas supplied to a pair of electrodes.
  • the process gas passes through the rectifying member having the rectifying plate, thereby reducing shrinkage loss that occurs in the process gas that is supplied to the electrode as a spiral flow.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the overall configuration of a plasma generator.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view for explaining the configuration of a plasma head.
  • 3 is a perspective view for explaining a rectifying member provided in the plasma head of FIG. 2.
  • FIG. FIG. 3 is a top view of the rectifying member of FIG. 2;
  • FIG. 3 is a bottom view of the rectifying member in FIG. 2;
  • FIG. 3 is a perspective view for explaining a rectifying plate and a first ring of a rectifying member.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the arrangement of current plates. It is a perspective view for explaining the second ring of a rectification member. It is a perspective view for explaining the rectification member concerning a first modification.
  • FIG. 10 is a top view of the rectifying member of FIG. 9.
  • FIG. 10 is a bottom view of the rectifying member of FIG. 9.
  • FIG. It is a perspective view for explaining the rectification member concerning the second modification.
  • 13 is a top view of the rectifying member of FIG. 12.
  • FIG. 13 is a bottom view of the rectifying member of FIG. 12.
  • FIG. It is a figure for explaining the plasma head concerning a third modification.
  • the plasma head and plasma generator will be explained with reference to the drawings.
  • the plasma generator is an atmospheric pressure plasma generator.
  • the plasma generator 1 is a device for generating plasma under atmospheric pressure. As shown in FIG. 1, the plasma generator 1 includes a plasma head 10, a power supply device 20, and a gas supply device 30. The plasma generator 1 supplies electric power Ph from a power supply device 20 to the plasma head 10 via a power cable 21, and supplies process gas Gs to be turned into plasma from a gas supply device 30 via a gas pipe 31. Thereby, the plasma generator 1 can irradiate the plasma gas Gp from the plasma head 10.
  • the plasma generation device 1 includes a control device 40 that includes a power supply device 20 and a gas supply device 30 and controls the operation of the plasma generation device 1 in an integrated manner.
  • the plasma head 10 is attached to the tip of a robot arm 51 of an industrial robot 50.
  • the power cable 21 and the gas pipe 31 are attached along the robot arm 51.
  • the robot arm 51 is an articulated robot in which two arm parts 511, 511 are connected in one direction.
  • the industrial robot 50 drives the robot arm 51 to move the plasma head 10, and performs the work of irradiating the workpiece W supported by the worktable D with the plasma gas Gp.
  • the irradiated plasma gas Gp can perform a modification process to modify the surface of the workpiece W from hydrophobic to hydrophilic, for example.
  • the power supply device 20 generates, for example, high-frequency AC power to be supplied from a commercial power source (not shown) to a pair of electrodes 12 of the plasma head 10, which will be described later. Then, the power supply device 20 supplies the generated AC power as power Ph to the electrodes 12 (more specifically, the outer electrode 121 and the inner electrode 122) of the plasma head 10 via the power cable 21.
  • the gas supply device 30 pumps and supplies, for example, air or the like as a process gas Gs, which contains at least one of an inert gas such as nitrogen and an active gas such as oxygen.
  • the gas supply device 30 includes a tank (not shown) that stores the plasma gas Gp.
  • the gas supply device 30 may include a heater for heating the process gas Gs supplied to the plasma head 10, if necessary.
  • the gas supply device 30 supplies, for example, only the process gas Gs heated by the heater to the plasma head 10, or the unheated process gas Gs supplied from the tank and the process gas heated by the heater. It is also possible to mix it with Gs and supply it to the plasma head 10.
  • the control device 40 controls the operation of the power supply device 20, the gas supply device 30, and the industrial robot 50.
  • the control device 40 also includes a display section 41.
  • the display section 41 displays various information on the plasma generator 1 and the like.
  • the plasma head 10 Next, the configuration of the plasma head 10 will be explained. As shown in FIG. 2, the plasma head 10 has its proximal end fixed to a housing 60, and its distal end covered by a cover 70. An opening 71 for irradiating plasma gas Gp generated by the plasma head 10 is provided at the bottom of the cover 70 .
  • the number of plasma heads 10 is not limited to one, and a plurality of plasma heads 10 can be arranged and provided in the housing 60.
  • the axial direction of the head 10 is defined as the Y direction, and the direction perpendicular to the X and Y directions is defined as the Z direction.
  • the plasma head 10 generates plasma gas Gp by turning process gas Gs into plasma. Then, the plasma head 10 irradiates the surface of the workpiece W with the generated plasma gas Gp.
  • the plasma gas Gp irradiated onto the surface of the workpiece W can perform various surface treatments on the surface of the workpiece W, such as a modification treatment to modify the surface of the workpiece W from hydrophobic to hydrophilic.
  • the processing capacity for performing various surface treatments such as modification of the plasma gas Gp has a correlation with the flow rate of the plasma gas Gp reaching the processing position on the workpiece W. That is, in order to improve the processing capacity of the plasma gas Gp, it is necessary to increase the flow rate of the plasma gas Gp irradiated toward the workpiece W. In order to increase the flow rate of the plasma gas Gp, it is necessary to efficiently circulate the process gas Gs toward the electrodes.
  • the process gas Gs When the process gas Gs is turned into plasma, the process gas Gs is made into a spiral flow and circulated between the electrodes, as in the conventional apparatus described above. For this reason, in conventional devices, the process gas Gs flows through holes formed at an angle to create a spiral flow.
  • the plasma head 10 of this embodiment includes a cylindrical main body 11 that conducts the process gas Gs to be turned into plasma, and a cylindrical main body 11 that is housed in the main body 11 and discharges a part of the process gas Gs.
  • a rectifying member 13 includes a pair of electrodes 12 that transforms the process gas Gs introduced into the main body 11 into a spiral flow and supplies the process gas Gs to the electrodes 12.
  • the main body 11 is made of, for example, a conductive metal.
  • a conical nozzle 111 is attached to the distal end side of the main body 11 in the axial direction.
  • the nozzle 111 irradiates the workpiece W with a plasma gas Gp generated by converting the process gas Gs into plasma.
  • a gas pipe 31 is airtightly connected to the proximal end side in the axial direction of the main body 11, and a process gas Gs is supplied under pressure from a gas supply device 30 via the gas pipe 31.
  • the main body 11 and the nozzle 111 also function as the outer electrode 121 of the pair of electrodes 12.
  • the pair of electrodes 12 includes an outer electrode 121 formed by the main body 11 and the nozzle 111, and an inner electrode 122 housed inside the main body 11 and arranged on the center side of the main body 11. Then, by discharging the process gas Gs supplied between the outer electrode 121 and the inner electrode 122, the process gas Gs is turned into plasma and the plasma gas Gp is generated. Note that instead of forming the outer electrode 121 on the main body 11 and the nozzle 111, for example, it is also possible to separately form the outer electrode 121 on the inner peripheral surfaces of the main body 11 and the nozzle 111. In this case, the main body 11 and the nozzle 111 do not need to be made of conductive metal.
  • a power supply device 20 is connected to each of the outer electrode 121 and the inner electrode 122 via a power cable 21.
  • power Ph which is high-frequency AC power
  • the inner electrode 122 is supported by the rectifying member 13 fixed inside the main body 11, as described later.
  • the flow regulating member 13 of this embodiment has a disc shape and includes a flow regulating plate 131, a first ring 132, and a second ring 133.
  • the current plate 131 is formed using a thin plate, and one end is fixed to the outer peripheral surface of the first ring 132.
  • the current plate 131 is arranged in a helical-tooth shape, which is arranged obliquely so as to have an inclination angle ⁇ with respect to the axis O of the first circular ring 132.
  • the first ring 132 has rectifying plates 131 fixed at regular intervals along the circumferential direction of the outer circumferential surface, and has a female threaded portion 132a on the inner circumferential surface.
  • the female threaded portion 132a is screwed into the male threaded portion 122a provided on the inner electrode 122, as shown in FIG.
  • the first ring 132 supports the inner electrode 122, which is one of the pair of electrodes 12 and is disposed closer to the center of the main body 11.
  • the second ring 133 is formed to have a larger diameter than the first ring 132.
  • the second ring 133 is arranged concentrically with the first ring 132 and supports the other end of the current plate 131 in the radially outer direction of the first ring 132.
  • the current plate 131 having one end fixed to the first ring 132 is assembled by being press-fitted onto the inner periphery of the second ring 133, for example.
  • the flow regulating member 13 of this embodiment includes the outer circumferential surface of the first ring 132, the flow regulating plate 131 fixed at an inclination angle ⁇ , and the second ring 132. It has 10 flow paths 134 divided by 133 inner circumferential surfaces.
  • the second ring 133 is held and fixed by the support member 112 and the holding member 113 housed in the main body 11.
  • the rectifying plate 131 and the first ring 132 assembled to the second ring 133 are fixed to the main body 11, and the inner electrode 122, in which the male threaded part 122a is screwed into the female threaded part 132a of the first ring 132, is fixed to the main body 11. is fixed to the main body 11.
  • the process gas Gs is supplied under pressure from the gas supply device 30 to the upstream side of the rectifying member 13 (upward in the Y direction in FIG. 2).
  • the process gas Gs is directed toward the downstream side of the rectifier 13 (downward in the Y direction in FIG. 2) through the ten flow paths 134 formed in the rectifier 13. distributed.
  • the rectifying plate 131 is arranged at an angle of inclination ⁇ with respect to the axis O. Therefore, the process gas Gs that has passed through the flow path 134 becomes a spiral flow on the downstream side of the rectifying member 13, that is, between the outer electrode 121 and the inner electrode 122, and flows toward the nozzle 111. At this time, the process gas Gs in a spiral flow flows while contacting the outer electrode 121 and the inner electrode 122, and the outer electrode 121 and the inner electrode 122 are discharged. As a result, at least a portion of the process gas Gs is turned into plasma, and the plasma gas Gp is irradiated from the nozzle 111.
  • the rectifying plate 131 is arranged so as to satisfy, for example, the three conditions described below.
  • the flow path cross-sectional area when the process gas Gs pumped from the gas supply device 30 passes through the inside of the main body 11 is defined as a first flow path cross-sectional area S1.
  • the flow regulating member 13 of this embodiment allows the process gas Gs to change from the first channel cross-sectional area S1 to the second channel cross-sectional area S2.
  • the loss coefficient Ks representing the shrinkage loss that occurs when passing through the flow path 134 is 0.1 or less.
  • the flow regulating member 13 of this embodiment allows the process gas Gs to change from the first channel cross-sectional area S1 to the second channel cross-sectional area S2.
  • the shrinkage coefficient Kh due to the shrinkage loss that occurs when passing through the flow path 134 is 0.7 or more.
  • the rectifying member 13 can form the flow path 134 through which the process gas Gs flows by using the thin rectifier plate 131, compared to, for example, a case where a hole formed by drilling is used as the flow path, The narrowing of the flow path 134 can be made smaller.
  • the resistance that occurs when making the process gas Gs into a spiral flow can be reduced by using the holes formed by drilling to make the spiral flow. The resistance can be made smaller than that which would otherwise occur.
  • the process gas Gs can be smoothly made into a spiral flow, and can be made to flow toward the electrode 12 while suppressing a decrease in flow velocity.
  • the rectifying member 13 of the present embodiment has an inclination angle ⁇ of, for example, 5 degrees to 55 degrees, more preferably 10 degrees. to 50 degrees, and even more preferably from 15 degrees to 45 degrees.
  • the rectifying member 13 including the rectifying plate 131 arranged in a helical shape on the outer peripheral surface of the first ring 132, the side to which the process gas Gs is supplied to the rectifying member 13 ( That is, assume that the flow regulating member 13 is viewed from the upstream side of the flow regulating member 13 (for example, above in the Y direction in FIG. 2) in the axis O direction (Y direction) of the first circular ring 132.
  • the area occupied by the rectifier plate 131 arranged in a helical shape is the This is 90% or more of the cross-sectional area of the annular flow path through which the process gas Gs passes, which is formed by the inner peripheral surface of the second annular ring 133 and the inner peripheral surface of the second ring 133.
  • a linear flow path 135 along the axis O direction (Y direction) of the first circular ring 132 is less than 10%.
  • the plasma head 10 includes a cylindrical main body 11 that conducts a process gas Gs to be turned into plasma, and a cylindrical main body 11 that is housed in the main body 11 and discharges into a part of the process gas Gs to generate plasma.
  • a pair of electrodes 12 (outer electrode 121 and inner electrode 122) serve as gas Gp, and a process gas Gs introduced into the interior of main body 11 and supplied to the pair of electrodes 12 (outer electrode 121 and inner electrode 122) is spirally flowed. and a rectifying member 13 having a plurality of rectifying plates 131.
  • a spiral flow can be generated by the process gas Gs flowing through the rectifying member 13 having the flow path 134 formed by the rectifying plate 131.
  • the flow path cross-sectional area Sc of each flow path 134 through which the process gas Gs flows can be increased compared to the case where holes are drilled. can do.
  • the plasma head 10 in other words, the plasma generator 1 can improve the processing ability of the plasma gas Gp to be irradiated.
  • the inclination angle ⁇ of the rectifier plate 131 in the rectifier member 13 is set to be relatively small (that is, the rectifier plate 131 is on the side parallel to the axis O, so-called (with the current plate 131 upright).
  • the amount of plasma gas Gp generated may be increased depending on the processing content.
  • the angle of inclination ⁇ of the current plate 131 is increased (that is, the current plate 131 is angled with respect to the axis O, so that the current plate 131 is in a lying state). Can be set to .
  • FIG. 9-11 shows a case in which the inclination angle ⁇ of the first ring 132 of the current plate 131 with respect to the axis O is larger than that in the case of FIG. 3-5 described above, so-called a case where the current plate 131 is laid down. .
  • the rectifying plate 131 since the rectifying plate 131 is lying down, the flow passage cross-sectional area Sc of each flow passage 134 becomes smaller, and the reduction loss becomes larger.
  • a strong spiral flow can be generated by Gs. That is, in this case, since the process gas Gs is accompanied by a strong spiral flow, the number of times the process gas Gs turns (the number of turns) before being irradiated from the nozzle 111 increases.
  • the number of rectifying plates 131, that is, the number of channels 134 in the rectifying member 13 is not limited to the above-mentioned 10 pieces, and can be increased to 12 pieces, for example, as shown in FIGS. 12-15.
  • the rectifying member 13 when increasing the number of channels 134, although the channel cross-sectional area Sc of each channel 134 becomes relatively small, the second channel cross-sectional area S2 does not change, so the reduction loss also does not change. .
  • the resistance acting on the process gas Gs when passing through the flow channels 134 becomes relatively large, and as a result, the flow rate of the process gas Gs may decrease. Therefore, in order to compensate for the decrease in the flow rate of the process gas Gs, that is, the decrease in the flow rate of the plasma gas Gp, for example, the magnitude of the inclination angle ⁇ is increased (that is, the rectifying plate 131 is laid down), and as described above, the process gas Gs The number of turns of the plasma gas Gp is increased to increase the amount of plasma gas Gp generated. This makes it possible to compensate for a decrease in the processing capacity of the plasma gas Gp.
  • the number of rectifying plates 131 is, for example, 6 or more and 14 or less, More preferably, it is set to between 7 and 13, and even more preferably between 8 and 12.
  • R flow path cross-sectional area ratio
  • the first modified example, and the second modified example described above by assembling the integral body of the rectifying plate 131 and the first circular ring 132 to the second circular ring 133, . That is, in the above-described rectifying member 13, the second ring 133 is treated as a separate body.
  • the rectifier plate 131, the first annular ring 132, and the second annular ring 133 are integrally molded using a well-known additive manufacturing technique to manufacture the rectifier member 13 having a complicated shape. It is also possible. In this case, the work of separately assembling the rectifying member 13 can be omitted.
  • SYMBOLS 1 Plasma generator, 10... Plasma head, 11... Main body, 111... Nozzle, 112... Supporting member, 113... Holding member, 12... Electrode, 121... Outer electrode, 122... Inner electrode, 122a... Male screw part, 13... rectifying member, 131... rectifying plate, 132... first circular ring, 132a... female threaded portion, 133... second circular ring, 134... channel, 135... channel, 20... power supply device, 21... power cable, 30... gas Supply device, 31... Gas piping, 40... Control device, 41... Display section, 50... Industrial robot, 51... Robot arm, 511... Arm section, 60... Housing, 70... Cover, 71... Opening, Gs...
  • Process gas Gp...Plasma gas, ⁇ ...Inclination angle, O...Axis line, S1...First channel cross-sectional area, S2...Second channel cross-sectional area, Sc...Channel cross-sectional area, R...Channel cross-sectional area ratio, Ks...Loss Coefficient, Kh...shrinkage coefficient, Ph...power (AC power), W...work, D...work table

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Abstract

プラズマヘッドは、プラズマ化されるプロセスガスを導通する筒状の本体と、本体に収容されて、プロセスガスの一部に放電してプラズマガスとする一対の電極と、本体の内部に導入されて一対の電極に供給されるプロセスガスを螺旋流にする複数の整流板を有する整流部材と、を備える。

Description

プラズマヘッド及びプラズマ発生装置
　本明細書は、プラズマヘッド及びプラズマ発生装置に関するものである。
　従来から、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されたプラズマヘッド及びプラズマ発生装置（以下、「従来の装置等」と称呼する。）が知られている。従来の装置等は、プロセスガス（例えば、窒素ガスや窒素ガス等を含有する空気等）が開口部を通過して内部に供給される。開口部は、プロセスガスが通過する孔を有し、孔が斜めに傾斜するように設けられている。これにより、開口部を通過したプロセスガスは、外側電極と内側電極との間を螺旋状に流れるようになっている。
特開２００９－２０２０８７号公報 特開２０１０－１３２４６９号公報
　ところで、上述した従来の装置等に設けられる開口部は、円板において円板の軸線に対して斜めとなるように削孔された孔を有する。このため、従来の装置等においては、上流側から供給されたプロセスガスが孔を通過する必要があり、流路断面積の小さい孔を通過するプロセスガスには大きな縮小損失が生じる。このため、従来の装置等においては、開口部よりも下流側、つまり、外側電極と内側電極との間においてプロセスガスの流速が低下し、その結果、ワークに照射されるプラズマガスにも処理に必要な流速が得られない可能性がある。従って、プラズマヘッド及びプラズマ発生装置においては、螺旋流にして電極に供給されるプロセスガスの縮小損失を低減することが望まれる。
　本明細書は、螺旋流によって電極間に供給されるプロセスガスの縮小損失を低減できるプラズマヘッド及びプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
　本明細書は、プラズマ化されるプロセスガスを導通する筒状の本体と、本体に収容されて、プロセスガスの一部に放電してプラズマガスとする一対の電極と、本体の内部に導入されて一対の電極に供給されるプロセスガスを螺旋流にする複数の整流板を有する整流部材と、を備えた、プラズマヘッドを開示する。
　本明細書では、出願当初の請求項５において、「請求項２又は３に記載のプラズマヘッド」を「請求項２－４の何れか一項に記載のプラズマヘッド」に変更した技術的思想も開示されている。又、本明細書では、出願当初の請求項８において、「請求項１－３の何れか一項に記載のプラズマヘッド」を「請求項１－７の何れか一項に記載のプラズマヘッド」に変更した技術的思想も開示されている。又、本明細書では、出願当初の請求項９において、「請求項１－３の何れか一項に記載のプラズマヘッド」を「請求項１－８の何れか一項に記載のプラズマヘッド」に変更した技術的思想も開示されている。
　これによれば、プラズマヘッドは、プロセスガスが整流板を有する整流部材を通過することにより、螺旋流として電極に供給されるプロセスガスに生じる縮小損失を低減することができる。
プラズマ発生装置の全体構成を説明するための概略図である。 プラズマヘッドの構成を説明するための一部断面図である。 図２のプラズマヘッドに設けられる整流部材を説明するための斜視図である。 図２の整流部材の上面図である。 図２の整流部材の下面図である。 整流部材の整流板及び第一円環を説明するため斜視図である。 整流板の配置を説明するための図である。 整流部材の第二円環を説明するための斜視図である。 第一変形例に係る整流部材を説明するための斜視図である。 図９の整流部材の上面図である。 図９の整流部材の下面図である。 第二変形例に係る整流部材を説明するための斜視図である。 図１２の整流部材の上面図である。 図１２の整流部材の下面図である。 第三変形例に係るプラズマヘッドを説明するための図である。
　以下、プラズマヘッド及びプラズマ発生装置について、図面を参照しながら説明する。本実施形態においては、プラズマ発生装置が大気圧プラズマ発生装置である場合を例示して説明する。
１．プラズマ発生装置１の全体構成
　プラズマ発生装置１は、大気圧下でプラズマを発生させるための装置である。プラズマ発生装置１は、図１に示すように、プラズマヘッド１０、電源装置２０、ガス供給装置３０を備えている。プラズマ発生装置１は、電源装置２０から電力ケーブル２１を介してプラズマヘッド１０に電力Ｐｈを供給し、ガス供給装置３０からガス配管３１を介してプラズマ化するプロセスガスＧｓを供給する。これにより、プラズマ発生装置１は、プラズマヘッド１０からプラズマガスＧｐを照射することができる。プラズマ発生装置１は、電源装置２０及びガス供給装置３０を含んでプラズマ発生装置１の動作を統括的に制御する制御装置４０を備えている。
　プラズマヘッド１０は、産業用ロボット５０のロボットアーム５１の先端に取り付けられている。ここで、電力ケーブル２１及びガス配管３１は、ロボットアーム５１に沿って取り付けられている。ロボットアーム５１は、２つのアーム部５１１，５１１を一方向に連結させた多関節ロボットである。そして、産業用ロボット５０は、ロボットアーム５１を駆動してプラズマヘッド１０を移動させ、ワーク台Ｄが支持するワークＷにプラズマガスＧｐを照射する作業を行う。尚、照射されたプラズマガスＧｐは、例えば、ワークＷの表面を疎水性から親水性へと改質する改質処理を行うことができる。
　電源装置２０は、例えば、商用電源（図示省略）から後述するプラズマヘッド１０の一対の電極１２に供給する高周波の交流電力を生成する。そして、電源装置２０は、生成した交流電力を電力Ｐｈとして電力ケーブル２１を介してプラズマヘッド１０の電極１２（より詳しくは、外側電極１２１及び内側電極１２２）に供給する。
　ガス供給装置３０は、窒素等の不活性ガスと酸素等の活性ガスとの少なくとも一方を含む、例えば、空気等をプロセスガスＧｓとして圧送して供給する。このため、ガス供給装置３０は、プラズマガスＧｐを貯留するタンク（図示省略）を備えている。尚、本実施形態においては省略するが、ガス供給装置３０は、必要に応じて、プラズマヘッド１０に供給するプロセスガスＧｓを加熱するためのヒータを備えることができる。この場合、ガス供給装置３０は、例えば、ヒータによって加熱されたプロセスガスＧｓのみをプラズマヘッド１０に供給したり、或いは、タンクから供給される非加熱のプロセスガスＧｓとヒータによって加熱されたプロセスガスＧｓとを混合してプラズマヘッド１０に供給したりすることができる。
　制御装置４０は、電源装置２０、ガス供給装置３０及び産業用ロボット５０の作動を制御する。又、制御装置４０は、表示部４１を備える。表示部４１は、プラズマ発生装置１における各種情報等が表示される。
２．プラズマヘッド１０
　次に、プラズマヘッド１０の構成について説明する。プラズマヘッド１０は、図２に示すように、基端側がハウジング６０に固定されると共に、先端側がカバー７０によって覆われる。カバー７０の下部には、プラズマヘッド１０によって生成されたプラズマガスＧｐを照射するための開口７１が設けられている。
　ここで、本実施形態においては、プラズマヘッド１０を１つ設ける場合を例示する。但し、プラズマヘッド１０の数については、１つの限られず、ハウジング６０に対して複数配列して設けることができる。尚、以下の説明において、図２に示すように、例えば、ハウジング６０及びカバー７０の幅方向をＸ方向、ハウジング６０及びカバー７０の高さ（上下）方向（即ち、ハウジング６０に固定されたプラズマヘッド１０の軸方向）をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向とに直交する方向をＺ方向とする。
　プラズマヘッド１０は、プロセスガスＧｓをプラズマ化することにより、プラズマガスＧｐを生成する。そして、プラズマヘッド１０は、生成したプラズマガスＧｐをワークＷの表面に照射する。ワークＷの表面に照射されたプラズマガスＧｐは、例えば、ワークＷの表面を疎水性から親水性に改質する改質処理等、ワークＷの表面に対して各種表面処理を行うことができる。
　ここで、プラズマガスＧｐの改質等の各種表面処理を行う処理能力については、一般に、ワークＷにおける処理位置に到達するプラズマガスＧｐの流速と相関関係を有すると言われている。即ち、プラズマガスＧｐの処理能力を向上させるためには、ワークＷに向けて照射されるプラズマガスＧｐの流速を大きくする必要がある。プラズマガスＧｐの流速を大きくするためには、プロセスガスＧｓを電極に向けて効率良く流通させる必要がある。
　プロセスガスＧｓをプラズマ化する場合、上述した従来の装置等のように、プロセスガスＧｓを螺旋流にして電極間を流通させる。このため、従来の装置等では、傾斜して形成された孔をプロセスガスＧｓが流通することによって螺旋流にする。
　ところで、従来の装置等においては、プロセスガスＧｓが孔を流通する際、流路断面積が大きく絞られることによる大きな縮小損失が生じる。その結果、従来の装置等においては、電極間を流通するプロセスガスＧｓの流速が低下し、従って、生成されてワークＷに向けて照射されるプラズマガスＧｐの流速も低下する。
　この場合、削孔する孔の孔径を大きくすることにより、流路断面積を大きくすることが考えられるが、削孔する加工上の制約から、孔径の大きさにも限界がある。従って、従来の装置等のように、螺旋流とするために削孔された孔をプロセスガスＧｓが流通する場合には、縮小損失、即ち、プロセスガスＧｓが孔を通過する際に流路断面積が絞られることによるエネルギー損失が大きく、ワークＷに向けて照射されるプラズマガスＧｐの流速を大きくすることが難しい。
　そこで、本実施形態のプラズマヘッド１０は、図２に示すように、プラズマ化されるプロセスガスＧｓを導通する筒状の本体１１と、本体１１に収容されて、プロセスガスＧｓの一部に放電してプラズマガスＧｐとする一対の電極１２と、本体１１の内部に導入されたプロセスガスＧｓを螺旋流にして電極１２に供給する複数の整流板１３１を有する整流部材１３と、を備える。
　本体１１は、例えば、導電性を有する金属から形成される。本体１１の軸方向にて先端側には、円錐状のノズル１１１が装着される。ノズル１１１は、プロセスガスＧｓがプラズマ化されて生成されたプラズマガスＧｐをワークＷに向けて照射する。又、本体１１の軸方向にて基端側には、気密的にガス配管３１が接続されており、ガス配管３１を介してガス供給装置３０からプロセスガスＧｓが圧送されて供給される。尚、本実施形態においては、本体１１及びノズル１１１は、一対の電極１２のうちの外側電極１２１としても機能する。
　一対の電極１２は、上述したように、本体１１及びノズル１１１によって形成される外側電極１２１と、本体１１の内部に収容されて本体１１の中心側に配置された内側電極１２２と、を有する。そして、外側電極１２１及び内側電極１２２の間に供給されたプロセスガスＧｓに対して放電することにより、プロセスガスＧｓをプラズマ化してプラズマガスＧｐを生成する。尚、本体１１及びノズル１１１が外側電極１２１を形成することに代えて、例えば、本体１１及びノズル１１１の内周面に対して、別途、外側電極１２１を形成することも可能である。この場合、本体１１及びノズル１１１は、導電性を有する金属から形成する必要がない。
　ここで、外側電極１２１及び内側電極１２２の各々には、電力ケーブル２１を介して電源装置２０が接続される。これにより、外側電極１２１及び内側電極１２２には、高周波の交流電力である電力Ｐｈが供給されて電圧が印加される。尚、本実施形態においては、内側電極１２２は、後述するように、本体１１の内部に固定された整流部材１３によって支持される。
　本実施形態の整流部材１３は、図３－５に示すように、円板形状であり、整流板１３１と、第一円環１３２と、第二円環１３３と、を有する。整流板１３１は、図６に示すように、薄板を用いて形成されており、第一円環１３２の外周面に一端が固定される。そして、整流板１３１は、図７に示すように、第一円環１３２の軸線Ｏに対して傾斜角θを有するように斜めに配置されたはす歯形状に配置される。
　第一円環１３２は、図６に示すように、整流板１３１が外周面の周方向に沿って等間隔に固定されると共に、内周面に雌ねじ部１３２ａを有する。雌ねじ部１３２ａは、図２に示すように、内側電極１２２に設けられた雄ねじ部１２２ａと螺合する。これにより、第一円環１３２は、一対の電極１２のうちの本体１１の中心側に配置された一方である内側電極１２２を支持する。
　第二円環１３３は、図８に示すように、第一円環１３２よりも大径に形成されている。第二円環１３３は、第一円環１３２と同心に配置されて、第一円環１３２の径外方向にて、整流板１３１の他端を支持する。尚、第一円環１３２に一端が固定された整流板１３１は、例えば、第二円環１３３の内周に対して圧入されることによって組み付けられる。これにより、本実施形態の整流部材１３は、図３－５に示すように、第一円環１３２の外周面、傾斜角θとなるように固定された整流板１３１、及び、第二円環１３３の内周面によって区画された１０個の流路１３４を有する。
　又、第二円環１３３は、図２に示すように、本体１１に収容された支持部材１１２及び保持部材１１３によって挟持されて固定される。これにより、第二円環１３３に組み付けられた整流板１３１及び第一円環１３２が本体１１に固定され、更に、第一円環１３２の雌ねじ部１３２ａに雄ねじ部１２２ａが螺合した内側電極１２２が本体１１に固定される。
　ここで、整流部材１３がプロセスガスＧｓを螺旋流にすることを図２を参照して説明する。プラズマヘッド１０においては、ガス供給装置３０から整流部材１３の上流側（図２においてＹ方向にて上方）にプロセスガスＧｓが圧送されて供給される。そして、プロセスガスＧｓが供給されると、プロセスガスＧｓは整流部材１３に形成された１０個の流路１３４を介して、整流部材１３の下流側（図２においてＹ方向にて下方）に向けて流通する。
　上述したように、整流部材１３においては、整流板１３１が軸線Ｏに対して傾斜角θだけ傾いて配置されている。このため、流路１３４を通過したプロセスガスＧｓは、整流部材１３の下流側、即ち、外側電極１２１及び内側電極１２２の間において、螺旋流になってノズル１１１に向けて流通する。このとき、螺旋流になったプロセスガスＧｓは外側電極１２１及び内側電極１２２に接触しながら流通し、外側電極１２１及び内側電極１２２が放電する。これにより、プロセスガスＧｓの少なくとも一部がプラズマ化され、プラズマガスＧｐがノズル１１１から照射される。
　ところで、プラズマガスＧｐの流速の低下を抑制するためには、プロセスガスＧｓが整流部材１３を通過する際の縮小損失を低減して流速を維持する必要がある。このため、本実施形態の整流部材１３は、例えば、以下に説明する３つの条件を満たすように、整流板１３１が配置される。
　先ず、図２に示すように、ガス供給装置３０から圧送されたプロセスガスＧｓが本体１１の内部を通過する際の流路断面積を第一流路断面積Ｓ１とする。又、図２に示すように、整流板１３１によって形成された各々の流路１３４の流路断面積Ｓｃを合計した流路断面積を第二流路断面積Ｓ２（＝Ｓｃ×１０）とする。
　本実施形態の整流部材１３は、第一流路断面積Ｓ１に対する第二流路断面積Ｓ２の流路断面積比Ｒ（＝Ｓ２／Ｓ１）が０．８以上となるように、整流板１３１が配置される。そして、流路断面積比Ｒが０．８以上に設定されることにより、本実施形態の整流部材１３は、プロセスガスＧｓが第一流路断面積Ｓ１から第二流路断面積Ｓ２に変化する流路１３４を通過する際に発生する縮小損失を表す損失係数Ｋｓが０．１以下となる。更に、流路断面積比Ｒが０．８以上に設定されることにより、本実施形態の整流部材１３は、プロセスガスＧｓが第一流路断面積Ｓ１から第二流路断面積Ｓ２に変化する流路１３４を通過する際に発生する縮小損失に伴う収縮係数Ｋｈが０．７以上となる。
　つまり、整流部材１３は、薄板の整流板１３１を用いてプロセスガスＧｓが流通する流路１３４を形成することができるため、例えば、削孔によって形成した孔を流路とする場合に比べて、流路１３４の絞り込みを小さくすることができる。換言すれば、整流部材１３を用いる場合には、加工上の制約が少なくなるため、プロセスガスＧｓを螺旋流にする際に発生する抵抗を、削孔によって形成した孔を用いて螺旋流にする場合に発生する抵抗に比べて小さくすることができる。
　即ち、プラズマヘッド１０に整流部材１３を用いることにより、プロセスガスＧｓをスムーズに螺旋流にすることができ、流速が低下することを抑制しながら電極１２に向けて流通させることができる。その結果、電極１２間の通過によって生成されたプラズマガスＧｐの流速が低下することを抑制して、ノズル１１１からワークＷに向けてプラズマガスＧｐを照射することができる。
　ここで、本実施形態の整流部材１３は、上述した条件を満たすように、整流板１３１を配置する際の傾斜角θの大きさとして、例えば、５度から５５度、より好ましくは、１０度から５０度、更により好ましくは、１５度から４５度に設定される。
　又、図４に示すように、第一円環１３２の外周面にはす歯状に配置された整流板１３１を備えた整流部材１３について、整流部材１３にプロセスガスＧｓが供給される側（即ち、整流部材１３よりも上流側であって例えば図２においてＹ方向にて上方）から第一円環１３２の軸線Ｏ方向（Ｙ方向）にて整流部材１３を見た場合を想定する。この場合、はす歯状に配置された整流板１３１の占有面積は、第一円環１３２の外周面に整流板１３１が設けられないことを仮定した場合に、第一円環１３２の外周面と第二円環１３３の内周面とによって形成されるプロセスガスＧｓが通過する環状の流路断面積の９０％以上である。
　つまり、はす歯状に配置された整流板１３１を有する整流部材１３においては、第一円環１３２の軸線Ｏ方向（Ｙ方向）に沿った直線状の流路１３５（図４にてドットパターン（暗色）により示す）の流路断面積が１０％未満となる。これにより、プロセスガスＧｓが整流部材１３を通過する際には、プロセスガスＧｓの大部分がはす歯状に配置された整流板１３１に接触するため、プロセスガスＧｓに螺旋流を生じさせることができる。
　以上の説明からも理解できるように、プラズマヘッド１０は、プラズマ化されるプロセスガスＧｓを導通する筒状の本体１１と、本体１１に収容されて、プロセスガスＧｓの一部に放電してプラズマガスＧｐとする一対の電極１２（外側電極１２１及び内側電極１２２）と、本体１１の内部に導入されて一対の電極１２（外側電極１２１及び内側電極１２２）に供給されるプロセスガスＧｓを螺旋流にする複数の整流板１３１を有する整流部材１３と、を備える。
　プラズマヘッド１０によれば、整流板１３１によって形成された流路１３４を有する整流部材１３をプロセスガスＧｓが流通することにより、螺旋流を生じさせることできる。このように、薄板の整流板１３１を用いて流路１３４を区画することにより、孔を削孔する場合に比べて、プロセスガスＧｓが流通する各々の流路１３４の流路断面積Ｓｃを大きくすることができる。
　これにより、プロセスガスＧｓが整流部材１３を流通する際の縮小損失を低減することができ、従って、一対の電極１２に供給されるプロセスガスＧｓの流速が低下することを抑制することができる。その結果、生成されるプラズマガスＧｐの流速が低下することも抑制され、ワークＷに向けて照射されるプラズマガスＧｐの流速を大きくすることができる。これにより、プラズマヘッド１０、換言すれば、プラズマ発生装置１は、照射するプラズマガスＧｐの処理能力を向上させることができる。
３．第一変形例
　上述した実施形態においては、整流部材１３における整流板１３１の傾斜角θの大きさを比較的小さく（即ち、整流板１３１を軸線Ｏに対して平行になる側であり、所謂、整流板１３１を立てた状態）とした。ところで、例えば、ワークＷに対して各種表面処理を行う際には、処理内容に応じて、プラズマガスＧｐの生成量を多くする場合がある。この場合には、整流板１３１の傾斜角θの大きさが大きくなる（即ち、整流板１３１を軸線Ｏに対して角度を付ける側であり、所謂、整流板１３１を寝かせた状態になる）ように設定することができる。
　図９－１１は、上述した図３－５の場合に比べて、整流板１３１の第一円環１３２の軸線Ｏに対する傾斜角θが大きい、所謂、整流板１３１を寝かせた場合を示している。この場合には、上述した実施形態の場合に比べて、整流板１３１が寝ているために各々の流路１３４の流路断面積Ｓｃが小さくなって縮小損失が大きくなるものの、通過したプロセスガスＧｓにより強力な螺旋流を生じさせることができる。即ち、この場合には、プロセスガスＧｓが強い螺旋流を伴うことにより、プロセスガスＧｓがノズル１１１から照射されるまでに旋回する回数（旋回回数）が多くなる。従って、この場合には、プロセスガスＧｓが外側電極１２１及び内側電極１２２に接触する距離が長くなるため、プラズマ化されるプロセスガスＧｓの割合、換言すれば、生成されるプラズマガスＧｐの生成量を増やすことが可能となる。
４．第二変形例
　上述した実施形態及び第一変形例においては、整流部材１３における整流板１３１の数、即ち、整流部材１３における流路１３４の数は、１０個とした。しかし、整流板１３１の数、即ち、整流部材１３における流路１３４の数は上述した１０個に限られず、例えば、図１２－１５に示すように、１２個に増やすことも可能である。整流部材１３においては、流路１３４の数を増やす場合、各々の流路１３４の流路断面積Ｓｃが相対的に小さくなるものの、第二流路断面積Ｓ２の変化しないため縮小損失も変化しない。
　但し、流路１３４の数が増えるに伴って流路１３４を通過する際にプロセスガスＧｓに作用する抵抗が相対的に大きくなり、その結果、プロセスガスＧｓの流速低下が生じる可能性がある。従って、プロセスガスＧｓの流速低下、即ち、プラズマガスＧｐの流速低下を補うべく、例えば、傾斜角θの大きさを大きくし（即ち、整流板１３１を寝かせて）、上述したようにプロセスガスＧｓの旋回回数を増やし、プラズマガスＧｐの生成量を多くする。これにより、プラズマガスＧｐの処理能力の低下を補うことが可能となる。
　或いは、整流板１３１の数、即ち、整流部材１３における流路１３４の数を、図示を省略するが、１０個から減らすことも可能である。整流部材１３においては、整流板１３１即ち流路１３４の数を減らす場合、各々の流路１３４の流路断面積Ｓｃが相対的に大きくできる。しかし、整流部材１３においては、整流板１３１即ち流路１３４の数を減らす場合、特に傾斜角θが小さいとプロセスガスＧｓに十分な螺旋流を発生させることが難しい場合がある。従って、整流部材１３においては、強力な螺旋流を生じさせる場合には、上述したように、整流板１３１の傾斜角θを相対的に大きくする必要があり、その結果、相対的に縮小損失が大きくなる可能性がある。
　このことに基づき、縮小損失の大きさと、プロセスガスＧｓの螺旋流の強さ（旋回回数）とのバランスを勘案した場合には、例えば、整流板１３１の数は、６枚以上１４枚以下、より好ましくは、７枚上１３枚以下、更により好ましくは、８枚以上１２枚以下に設定すると良い。このように整流板１３１の数を設定することにより、０．８以上の流路断面積比Ｒを維持でき、損失係数Ｋｓを０．１以下及び収縮係数Ｋｈを０．７以上とすることができる。
５．第三変形例
　上述した実施形態及び各変形例においては、整流部材１３が第二円環１３３を有する、即ち、整流板１３１の他端が第二円環１３３によって支持される場合を例示して説明した。しかし、必要に応じて、整流部材１３の第二円環１３３を省略することも可能である。
　整流部材１３の第二円環１３３を省略した場合には、図１５に示すように、例えば、本体１１に収容された支持部材１１２及び保持部材１１３によって整流板１３１が挟持されることにより、整流部材１３を本体１１に固定することができる。又、整流部材１３が本体１１に固定されることにより、第一円環１３２の雌ねじ部１３２ａに内側電極１２２の雄ねじ部１２２ａを螺着して内側電極１２２を固定することができる。そして、この場合には、整流部材１３の第一円環１３２の外周面、整流板１３１、及び、本体１１の内周面によって流路１３４が形成される。従って、この場合においても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。
６．第四変形例
　上述した実施形態、第一変形例及び第二変形例においては、第二円環１３３に対して、整流板１３１及び第一円環１３２の一体物を組み付けることにより、整流部材１３を形成するようにした。即ち、上述した整流部材１３においては、第二円環１３３を別体として扱うようにした。しかしながら、これに代えて、例えば、周知の付加製造技術を用いて、整流板１３１、第一円環１３２及び第二円環１３３を一体に成形して、複雑な形状の整流部材１３を製造することも可能である。この場合には、別途、整流部材１３を組み立てる作業を省略することができる。
　１…プラズマ発生装置、１０…プラズマヘッド、１１…本体、１１１…ノズル、１１２…支持部材、１１３…保持部材、１２…電極、１２１…外側電極、１２２…内側電極、１２２ａ…雄ねじ部、１３…整流部材、１３１…整流板、１３２…第一円環、１３２ａ…雌ねじ部、１３３…第二円環、１３４…流路、１３５…流路、２０…電源装置、２１…電力ケーブル、３０…ガス供給装置、３１…ガス配管、４０…制御装置、４１…表示部、５０…産業用ロボット、５１…ロボットアーム、５１１…アーム部、６０…ハウジング、７０…カバー、７１…開口、Ｇｓ…プロセスガス、Ｇｐ…プラズマガス、θ…傾斜角、Ｏ…軸線、Ｓ１…第一流路断面積、Ｓ２…第二流路断面積、Ｓｃ…流路断面積、Ｒ…流路断面積比、Ｋｓ…損失係数、Ｋｈ…収縮係数、Ｐｈ…電力（交流電力）、Ｗ…ワーク、Ｄ…ワーク台

Claims (10)

  1. 　プラズマ化されるプロセスガスを導通する筒状の本体と、
    　前記本体に収容されて、前記プロセスガスの一部に放電してプラズマガスとする一対の電極と、
    　前記本体の内部に導入されて一対の前記電極に供給される前記プロセスガスを螺旋流にする複数の整流板を有する整流部材と、
    　を備えた、プラズマヘッド。
  2. 　前記整流部材は、
    　一対の前記電極のうちの前記本体の中心側に配置された一方を支持する第一円環と、
    　前記第一円環の外周面に一端が固定され、前記第一円環の軸線に対して斜めにはす歯形状に配置された前記整流板と、を有する、請求項１に記載のプラズマヘッド。
  3. 　前記整流部材は、
    　前記第一円環と同心に配置されて、前記第一円環の径外方向にて、前記整流板の他端を支持する第二円環を有する、請求項２に記載のプラズマヘッド。
  4. 　前記整流部材に前記プロセスガスが供給される側から前記第一円環の軸線方向にて前記整流部材を見た場合、
    　前記整流板の占有面積は、
    　前記第一円環の前記外周面に前記整流板が設けられないことを仮定した場合に前記プロセスガスが通過する環状の流路断面積の９０％以上である、請求項２又は３に記載のプラズマヘッド。
  5. 　前記整流部材は、
    　前記プロセスガスが前記本体の内部を通過する第一流路断面積に対する、前記整流板によって形成されて前記プロセスガスが通過する流路の流路断面積を合計した第二流路断面積の流路断面積比が０．８以上となるように、前記整流板が配置される、請求項２又は３に記載のプラズマヘッド。
  6. 　前記整流部材は、
    　前記プロセスガスが前記第一流路断面積から前記第二流路断面積に変化する前記流路を通過する際に発生する縮小損失を表す損失係数が０．１以下となる、請求項５に記載のプラズマヘッド。
  7. 　前記整流部材は、
    　前記プロセスガスが前記第一流路断面積から前記第二流路断面積に変化する前記流路を通過する際に発生する縮小損失に伴う収縮係数が０．７以上となる、請求項５に記載のプラズマヘッド。
  8. 　前記整流部材が有する前記整流板の数は、６枚以上１４枚以下である、請求項１－３の何れか一項に記載のプラズマヘッド。
  9. 　請求項１－３の何れか一項に記載の前記プラズマヘッドと、
    　前記電極に電力を供給する電源装置と、
    　前記プロセスガスを前記本体に供給するガス供給装置と、
    　を備えた、プラズマ発生装置。
  10. 　前記電源装置は、
    　前記電極に高周波の交流電力を供給する、請求項９に記載のプラズマ発生装置。
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