プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
【課題】 プラズマを簡便な機構にて安定化できるようにすること。
【解決手段】 放電を発生させるための対を成す電極１１，１３が配置された放電空間２０と、前記電極間１１，１３に電圧を印加する電圧印加手段２と、前記放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給する作動ガス供給手段４とを有し、前記電圧印加手段２にて電圧を印加することにより前記電極間１１，１３に発生する放電にて前記放電空間２０に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理装置において、前記ガス供給手段４により前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させる周期変動付与手段７を備える。
【解決手段】 放電を発生させるための対を成す電極１１，１３が配置された放電空間２０と、前記電極間１１，１３に電圧を印加する電圧印加手段２と、前記放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給する作動ガス供給手段４とを有し、前記電圧印加手段２にて電圧を印加することにより前記電極間１１，１３に発生する放電にて前記放電空間２０に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理装置において、前記ガス供給手段４により前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させる周期変動付与手段７を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電を安定化させることにより、安定性の高いプラズマジェットを生成することのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、安定性の高いプラズマジェット、つまりは、プラズマジェット中の所定領域において、所定温度以上の高温プラズマが時系列的に安定して生成し、その所定領域（高温プラズマ領域）内において、高温プラズマの発生にムラ等を生じることのないプラズマジェットを得るための方法としては、（１）作動ガスを放電ノズル内で旋回させる方法、（２）外部磁場を放電ノズル部に印加する方法、（３）陰極を３電極にする方法等が存在する。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８９０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの方法はいずれも、ある程度において、生成されるプラズマジェットを安定化させることが可能であるが、大流量のプラズマを生成させようとすると、作動ガスの流速を高めた場合等においては、安定性が損なわれてしまう場合があるとともに、これら安定化を行うために大型の装置が必要となってしまうという問題があり、これら大流量のプラズマを、簡便な機構にて安定化することのできる装置や方法が切望されていた。
【０００５】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、大流量のプラズマを、簡便な機構にて安定化することのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のプラズマ処理装置は、
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間と、前記電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給する作動ガス供給手段とを有し、前記電圧印加手段にて電圧を印加することにより、前記電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理装置において、
前記ガス供給手段により前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させる周期変動付与手段を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることで、放電における放電スポットの位置が定常的に移動するようになるので電極間の放電を、例えば作動ガスの流速が大きな場合でも安定化でき、よって、大流量プラズマにおいても安定性の高いプラズマジェットを生成でき、例えばプラズマ溶射であれば、注入微粒子を均一に加熱、加速できるとともに、前記周期的な変動による電極の放電スポットの位置の変動により、電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
【０００７】
本発明の請求項２に記載のプラズマ処理装置は、請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記周期変動付与手段は、前記変動の周期を連続的に変更するための周期変更手段を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、使用する作用ガスの種類や電極に印加される高周波電圧の周波数や電圧等の条件に応じて、放電が安定する最適な周期に変動の周期を変更することができる。
【０００８】
本発明の請求項３に記載のプラズマ処理装置は、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記周期変動付与手段が、前記作動ガスを通過可能な通過路と作動ガスが通過不能な遮断部とが形成された回転体と、前記作動ガスを供給する供給経路上に前記回転体を回転可能に配置するための配置部と、前記回転体を回転駆動する駆動部とから構成され、前記回転体が回転されることで該回転体を作動ガスが通過または非通過となることで供給経路から供給される作動ガスに周期変動を与えることを特徴としている。
この特徴によれば、比較的簡素な構成により、前記変動の周期を連続的に変更することのできる周期変動付与手段を形成することができる。
【０００９】
本発明の請求項４に記載のプラズマ処理方法は、
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給し、前記電極間に電圧を印加することにより、該電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理方法において、
前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることを特徴としている。
この特徴によれば、作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることで、放電における放電スポットの位置が定常的に移動するようになるので電極間の放電を、例えば作動ガスの流速が大きな場合でも安定化でき、よって、大流量プラズマにおいても安定性の高いプラズマジェットを生成でき、例えばプラズマ溶射であれば、注入微粒子を均一に加熱、加速できるとともに、前記周期的な変動による電極の放電スポットの位置の変動により、電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施例を以下に説明する。尚、以下の説明においては、プラズマ処理の一例をして、生成したプラズマジェットを溶射に用いた例を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら生成したプラズマジェットを溶射以外の表面処理、例えばエッチング等によるパターンニング等にも使用可能なことは言うまでもない。
【実施例】
【００１１】
本発明のプラズマ処理方法が適用された本実施例のプラズマ処理装置は、図１に示すような装置構成とされており、その構成自体は、通常のプラズマ処理装置と同様に、プラズマジェットを生成するプラズマトーチ１と、これらプラズマトーチ１内の両電極間に印加される直流電力を供給する本発明における電圧印加手段となる直流電源装置２と、前記プラズマトーチ１に接続されて、プラズマジェットによるプラズマ溶射を行う溶射材料の粒子をプラズマトーチ１内に供給する粒子供給装置３と、前記直流電源装置２や粒子供給装置３や前記プラズマトーチ１内に供給する供給ガス（本実施例では一次ガスであるアルゴン、二次ガスであるアルゴン・窒素・水素、三次ガスであるアルゴンの３種）とが接続され、これらプラズマトーチ１内に供給されるガスの流量や組成比率、供給電力、供給溶射粒子の量（速度）等の溶射条件を制御するための本発明における作動ガス供給手段となる制御装置４とから成るプラズマ処理装置（プラズマ溶射装置）とされている。尚、図１中においては供給ガスとしてアルゴン、窒素、水素の３種の気体が制御装置４に接続されているが、制御装置４では、これら各気体を分配供給可能とされており、通常は一次ガス〜三次ガスの全てにアルゴンガスを使用し、２次ガスとして適宜、窒素ガスや水素ガスを使用することが可能である。
【００１２】
また、プラズマトーチ１へ各種の供給ガスを供給するガス供給路５上には、供給される各種ガスの流量を検出するための流量検出部６が設けられているとともに、該流量検出部６のプラズマトーチ１側である下流部位置には、供給される供給ガスの主体ガスとなる一次ガスであるアルゴンガスの流量を周期的に変動させるための流量変動弁装置７が設けられているとともに、これら流量検出部６と流量変動弁装置７には、該流量変動弁装置７によるアルゴンガスの周期的な流量変動を制御するための制御コンピュータからなる流量変動弁制御装置８が接続されており、これら流量変動弁制御装置８において、流量変動弁の動作、具体的には後述するように流量変動弁となるバルブスピンドル７３の回転数を制御することで、流量検出部６におけるプラズマトーチ１に供給されるアルゴンガスの周期的な流量変動を制御できるようになっている。尚、この流量変動弁制御装置８は前述の制御装置４に接続されていて、該制御装置４と連動した動作が可能とされている。
【００１３】
次に、本実施例に用いた流量変動弁装置７について説明すると、該流量変動弁装置７は、図２に示すように、略円筒状の筐体７０の内部を、その一方の側部から他方の側部に貫通するアルゴンガスが流通可能な流路７１’、７２’が設けられており、その一方端をガスインレット７１とし、他方端をガスアウトレット７２とする。この筐体７０内の流路７１’、７２’の略中央位置には図２に示すように、該流路７１’、７２’に直交するように、断面視円形とされた円筒状の本発明における回転体となるバルブスピンドル７３を装着可能なバルブスピンドル装着部７４が形成されているとともに、該バルブスピンドル装着部７４の前記流路７１’、７２’に直交する延長線上には、該バルブスピンドル装着部７４に装着される円筒状のバルブスピンドル７３を回転可能に軸支する軸受け部７５が設けられており、該バルブスピンドル７３の一方端が本発明における駆動部となる駆動モータ（サーボモータ）７６の駆動軸７７に接続（ジョイント）されることで、該駆動モータ７６により回転駆動される。尚、本実施例では、前記した軸受け部７５としてアンギュラ軸受けを用いており、温度変化によりバルブスピンドル７３が膨張した場合に回転精度を高く保つことができるようになっている。
【００１４】
このように駆動モータ７６にて回転駆動されるバルブスピンドル７３には、図３に示すように、該バルブスピンドル７３が装着された際に、所定の回転位置において前記ガスインレット側の流路７１’と、ガスアウトレット側の流路７２’とを連通させるように、該円筒体の回転中心を通過して他方の対向する外周面に貫通するように、各流路７１’、７２’の径内に臨むように設けられた通過路７８ａ〜７８ｃを、回転角度に対して１２０度毎に３つ有しており、該バルブスピンドル７３が回転することで、ガスインレット側の流路７１’とガスアウトレット側の流路７２’との連通・非連通の状態が連続的に出現する回転弁が形成されており、これら駆動モータ７６にて通過路７８ａ〜７８ｃが形成されたバルブスピンドル７３を回転させた回転弁とし、これら駆動モータ７６の回転を前記流量変動弁制御装置８にて制御（変更）することで、ガス流量の変動の周期を連続的に変更することができ、よって該流量変動弁制御装置８にて本発明における周期変更手段が形成されている。
【００１５】
尚、ガスインレット側の流路７１’並びにガスアウトレット側の流路７２’を形成する流路ユニット７１Ｕ、７２Ｕは、筐体に対してボルト７９にて着脱可能とされており、これら流路ユニット７１Ｕ、７２Ｕを異なる径の流路ユニットに変更することで、バルブスピンドル７３に形成された３つの通過路７８ａ〜７８ｃの使用状態を変更することにより、変動波形を変更できるようになっているとともに、バルブスピンドル７３に設けられた通過路７８ａ〜７８ｃの形状、本数、本体との隙間を変えることも簡便に実施でき、これらによっても変動波形を変更できるようになっている。
【００１６】
次に、本実施例に用いたプラズマトーチ１について、図９に基づいて簡潔に説明すると、図９中の１１は一段目陽極ノズル、１２は２段目陽極ノズルであり、図中の１３の陰極との間でアーク放電させる。
【００１７】
この本実施例に用いたプラズマトーチ１における動作を説明すると、１次ガス（アルゴンガス）を１次ガス流路１４に流すと、該１次ガスが絶縁体の旋回部１５を通り、軸方向旋回流として陰極１３と一段目陽極ノズル１１間の放電空間２０でプラズマジェットを発生させるとともに、２次ガス（アルゴン・窒素もしくは水素ガス）を２次ガス流路１６に流すと、該２次ガスが絶縁体の強旋回流部１７を通り、強旋回流として、陰極１３と２段目陽極ノズル１２の間の２次放電により、主プラズマ流を発生させる。また、放電ノズル出口部１８において、粒径１０〜２０μｍの溶射材料の粉体をキャリアガス（アルゴンガス）を通して３次ガス流路１９から供給することが可能である。
【００１８】
以下、本実施例のプラズマ処理装置における測定結果を図４から図８に示す。図４は、本実施例の前記流量変動弁装置７のガスアウトレット側に内径４ｍｍの管を継ぎ、管の解放端から熱線流速計を挿入した時のガス速度と、該流量変動弁装置７のガスアウトレット側の出口直後に設けられた圧力センサにより計測した圧力を示す。図５は、２次ガス（アルゴンガス）流量に流量変動を与えた時の、本実施例のプラズマ処理装置により生成したプラズマジェットの電子温度、電子密度、ガス温度、放射強度の時間変化を示す。この図において、放電電流は１００Ａであり、ガス流量は３０ＳＬ／ｍｉｎである。また、放射強度は先端に細管を取り付けたフォトダイオードを用いて測定した。
【００１９】
図６は、ＣＣＤカメラから得られた画像とその放射強度分布を示した図であり、放射強度が最大を示す位置を中心軸位置とし、本実施例ではプラズマジェットの半径方向の半値幅を解析し、プラズマジェット幅とした。
【００２０】
また図７は、２次ガス（アルゴンガス）流量の流量変動の周波数が０（無変動），０．５Ｈｚ，１Ｈｚ，２Ｈｚ，５Ｈｚ，１０Ｈｚと変化させ、１０００回分の半値幅ｗの標準偏差ｗ’を示す。ここで標準偏差ｗ’は変動強度を表す。
【００２１】
また図８は、２次ガス（アルゴンガス）の流量変動の周波数が３００Ｈｚにおける圧力分布を示す。
【００２２】
まず、前記した図４からわかるように、本実施例の流量変動弁装置７を用いた場合には、ガス流速の波形と圧力変化の波形はほぼ一致し、これらガス流速と圧力変化とには相関関係があることが判り、その結果、圧力変動の波形から流量変動の特性を予測することが可能であることが判るので、圧力変動を測定することで流量変動を特定することができることが判る。
【００２３】
そして図５に示す、ガス流量を周期的に変化させた場合のプラズマ温度と放射強度が相関関係の結果から、ガス圧力があがるとプラズマ温度と放射強度も増加することが判る。
【００２４】
そして図７に示す結果から、流量変動の周波数を大きくしていくと、流量変動を与えない無変動時よりも半値幅の変動強度が小さくなる。これらガス流量を周期的に変化させると、陰極１３と一段目陽極ノズル１１間のアーク放電における両電極の放電スポットの位置が定常的に移動する。つまり、これらの測定結果から、これら流量変動を与えることで、より安定した半値幅のプラズマジェットを得ることができることが判るとともに、これら流量変動を作動ガスに付与することで、放電スポットの定常的な移動が得られるようになるので電極の局部的な損耗が低減でき、よって電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
【００２５】
更に、図８から、本実施例の流量変動弁装置７は流量変動の周波数を５００Ｈｚまで、変動可能である。変動周波数を３００Ｈｚにした場合の圧力分布は変動周波数に追従していることがわかる。尚、位相が異なる理由は、速度の計測位置が圧力計測位置に比べて下流側にあることに基づくものである。
【００２６】
以上、本実施例によれば、作動ガス（アルゴンガス）の流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることで、アーク放電における放電スポットの位置が定常的に移動するようになるので電極間のアーク放電を、例えば作動ガスの流速が大きな場合でも安定化でき、よって、大流量プラズマにおいても安定性の高いプラズマジェットを生成でき、例えばプラズマ溶射であれば、注入微粒子を均一に加熱、加速できるとともに、前記周期的な変動による電極の放電スポットの位置の変動により、電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
【００２７】
また、本実施例によれば、駆動モータ７６の回転を連続的に変化させることで、供給ガス（作動ガス）であるアルゴンガスの流量（圧力）の周期的な変動を、連続的に変化させることができので、使用する作用ガスの種類や電極に印加される電圧等の条件に応じて、アーク放電が安定する最適な周期に変動の周期を変更することができる。
【００２８】
また、本実施例によれば、流量変動弁装置７を用いることで、比較的簡素な構成により、作業ガスであるアルゴンガスの変動の周期を連続的に変更することのできる周期変動付与手段を形成することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
【００３０】
例えば、前記実施例では、供給ガスに周期的な流量変動を付与する周期変動付与手段として、回転するバルブスピンドル７３を用いた回転弁機構によりガスの通過・非通過を行う流量変動弁装置７を用いており、このようにすることは、例えばこれら周期変動付与手段として、自動車等に用いられているバルブ機構等を用いた場合に比較して、その構成を非常に簡素なものとすることができ、且つ、これら流量変動弁装置７を従来のプラズマ処理装置にも容易に取付けることで本発明のプラズマ処理装置とすることができることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら周期変動付与手段としては、供給ガスに周期的な流量変動を付与できる弁機能を備えるものであれば好適に使用することができる。
【００３１】
また、前記実施例では、作動ガス（供給ガス）であるアルゴンガスの流量と圧力とを周期的に変動するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば圧力は一定で流速と流量を変動させても良いし、流量は一定で、圧力と流速とを変動させても良く、つまりは、作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させれば良い。
【００３２】
また、前記実施例では、作動ガス（供給ガス）のうち、アルゴンガスの流量（圧力）を周期的に変動するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらアルゴンガス以外のその他の作動ガス（供給ガス）の流量（圧力）も周期的に変動するようにしても良い。
【００３３】
また、前記実施例では、電極間に印加する電力として直流電力を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら電力として高周波の交流電力を印加するようにしても良い。
【００３４】
また、前記実施例では、直流電力の印加により電極間にアーク放電を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら放電の形態としては、グロー放電でもコロナ放電でも、沿面放電であっても良い。
【００３５】
また、本発明における電圧印加手段となる前記実施例の直流電源装置２は、電極間に直流電圧を印加することで、当然のことながら放電により電極間に直流電流（高周波電圧を印加する場合には、交流電流）を供給することになるので、これら電圧印加手段は同様に電流印加手段でもある。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の活用例として、前述のプラズマ溶射以外に、被処理物の表面に存在する有機物等の異物のクリーニング、レジストの剥離、有機フィルムの密着性の改善、金属酸化物の還元、成膜、表面改質などのプラズマ処理に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例におけるプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例に用いた流量変動弁装置の構成を示す平面断面図である。
【図３】本発明の実施例に用いた流量変動弁装置のバルブスピンドルを示す断面図である。
【図４】本実施例の流量変動弁装置のガスアウトレット側の出口直後におけるガス速度とガス圧力との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例におけるプラズマ処理装置において、２次ガス（アルゴンガス）流量に流量変動を与えた時のプラズマジェットの電子温度、電子密度、ガス温度、放射強度の時間変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例におけるプラズマ処理装置におけるプラズマジェットの画像とその放射強度分布を示した図である。
【図７】本発明の実施例におけるプラズマ処理装置における流量変動の各周波数における半値幅ｗの標準偏差ｗ’を示す図である。
【図８】本発明の実施例に用いた流量変動弁装置における２次ガス（アルゴンガス）の流量変動の周波数が３００Ｈｚにおける圧力分布を示す。
【図９】本発明の実施例に用いたプラズマトーチの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ プラズマトーチ
２ 直流電源装置
３ 粒子供給装置
４ 制御装置
５ ガス供給路
６ 流量検出部
７ 流量変動弁装置
８ 流量変動弁制御装置
１１ １段目陽極ノズル
１２ ２段目陽極ノズル
１３ 陰極
１４ １次ガス流路
１５ 旋回部
１６ ２次ガス流路
１７ 強旋回流部
１８ 放電ノズル出口部
１９ ３次ガス流路
７０ 筐体
７１ ガスインレット
７１’ 流路
７１Ｕ 流路ユニット
７２ ガスアウトレット
７２’ 流路
７２Ｕ 流路ユニット
７３ バルブスピンドル
７４ バルブスピンドル装着部
７５ 軸受け部
７６ 駆動モータ
７７ 駆動軸
７８ａ 通過路
７９ ボルト
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電を安定化させることにより、安定性の高いプラズマジェットを生成することのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、安定性の高いプラズマジェット、つまりは、プラズマジェット中の所定領域において、所定温度以上の高温プラズマが時系列的に安定して生成し、その所定領域（高温プラズマ領域）内において、高温プラズマの発生にムラ等を生じることのないプラズマジェットを得るための方法としては、（１）作動ガスを放電ノズル内で旋回させる方法、（２）外部磁場を放電ノズル部に印加する方法、（３）陰極を３電極にする方法等が存在する。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８９０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの方法はいずれも、ある程度において、生成されるプラズマジェットを安定化させることが可能であるが、大流量のプラズマを生成させようとすると、作動ガスの流速を高めた場合等においては、安定性が損なわれてしまう場合があるとともに、これら安定化を行うために大型の装置が必要となってしまうという問題があり、これら大流量のプラズマを、簡便な機構にて安定化することのできる装置や方法が切望されていた。
【０００５】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、大流量のプラズマを、簡便な機構にて安定化することのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のプラズマ処理装置は、
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間と、前記電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給する作動ガス供給手段とを有し、前記電圧印加手段にて電圧を印加することにより、前記電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理装置において、
前記ガス供給手段により前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させる周期変動付与手段を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることで、放電における放電スポットの位置が定常的に移動するようになるので電極間の放電を、例えば作動ガスの流速が大きな場合でも安定化でき、よって、大流量プラズマにおいても安定性の高いプラズマジェットを生成でき、例えばプラズマ溶射であれば、注入微粒子を均一に加熱、加速できるとともに、前記周期的な変動による電極の放電スポットの位置の変動により、電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
【０００７】
本発明の請求項２に記載のプラズマ処理装置は、請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記周期変動付与手段は、前記変動の周期を連続的に変更するための周期変更手段を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、使用する作用ガスの種類や電極に印加される高周波電圧の周波数や電圧等の条件に応じて、放電が安定する最適な周期に変動の周期を変更することができる。
【０００８】
本発明の請求項３に記載のプラズマ処理装置は、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記周期変動付与手段が、前記作動ガスを通過可能な通過路と作動ガスが通過不能な遮断部とが形成された回転体と、前記作動ガスを供給する供給経路上に前記回転体を回転可能に配置するための配置部と、前記回転体を回転駆動する駆動部とから構成され、前記回転体が回転されることで該回転体を作動ガスが通過または非通過となることで供給経路から供給される作動ガスに周期変動を与えることを特徴としている。
この特徴によれば、比較的簡素な構成により、前記変動の周期を連続的に変更することのできる周期変動付与手段を形成することができる。
【０００９】
本発明の請求項４に記載のプラズマ処理方法は、
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給し、前記電極間に電圧を印加することにより、該電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理方法において、
前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることを特徴としている。
この特徴によれば、作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることで、放電における放電スポットの位置が定常的に移動するようになるので電極間の放電を、例えば作動ガスの流速が大きな場合でも安定化でき、よって、大流量プラズマにおいても安定性の高いプラズマジェットを生成でき、例えばプラズマ溶射であれば、注入微粒子を均一に加熱、加速できるとともに、前記周期的な変動による電極の放電スポットの位置の変動により、電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施例を以下に説明する。尚、以下の説明においては、プラズマ処理の一例をして、生成したプラズマジェットを溶射に用いた例を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら生成したプラズマジェットを溶射以外の表面処理、例えばエッチング等によるパターンニング等にも使用可能なことは言うまでもない。
【実施例】
【００１１】
本発明のプラズマ処理方法が適用された本実施例のプラズマ処理装置は、図１に示すような装置構成とされており、その構成自体は、通常のプラズマ処理装置と同様に、プラズマジェットを生成するプラズマトーチ１と、これらプラズマトーチ１内の両電極間に印加される直流電力を供給する本発明における電圧印加手段となる直流電源装置２と、前記プラズマトーチ１に接続されて、プラズマジェットによるプラズマ溶射を行う溶射材料の粒子をプラズマトーチ１内に供給する粒子供給装置３と、前記直流電源装置２や粒子供給装置３や前記プラズマトーチ１内に供給する供給ガス（本実施例では一次ガスであるアルゴン、二次ガスであるアルゴン・窒素・水素、三次ガスであるアルゴンの３種）とが接続され、これらプラズマトーチ１内に供給されるガスの流量や組成比率、供給電力、供給溶射粒子の量（速度）等の溶射条件を制御するための本発明における作動ガス供給手段となる制御装置４とから成るプラズマ処理装置（プラズマ溶射装置）とされている。尚、図１中においては供給ガスとしてアルゴン、窒素、水素の３種の気体が制御装置４に接続されているが、制御装置４では、これら各気体を分配供給可能とされており、通常は一次ガス〜三次ガスの全てにアルゴンガスを使用し、２次ガスとして適宜、窒素ガスや水素ガスを使用することが可能である。
【００１２】
また、プラズマトーチ１へ各種の供給ガスを供給するガス供給路５上には、供給される各種ガスの流量を検出するための流量検出部６が設けられているとともに、該流量検出部６のプラズマトーチ１側である下流部位置には、供給される供給ガスの主体ガスとなる一次ガスであるアルゴンガスの流量を周期的に変動させるための流量変動弁装置７が設けられているとともに、これら流量検出部６と流量変動弁装置７には、該流量変動弁装置７によるアルゴンガスの周期的な流量変動を制御するための制御コンピュータからなる流量変動弁制御装置８が接続されており、これら流量変動弁制御装置８において、流量変動弁の動作、具体的には後述するように流量変動弁となるバルブスピンドル７３の回転数を制御することで、流量検出部６におけるプラズマトーチ１に供給されるアルゴンガスの周期的な流量変動を制御できるようになっている。尚、この流量変動弁制御装置８は前述の制御装置４に接続されていて、該制御装置４と連動した動作が可能とされている。
【００１３】
次に、本実施例に用いた流量変動弁装置７について説明すると、該流量変動弁装置７は、図２に示すように、略円筒状の筐体７０の内部を、その一方の側部から他方の側部に貫通するアルゴンガスが流通可能な流路７１’、７２’が設けられており、その一方端をガスインレット７１とし、他方端をガスアウトレット７２とする。この筐体７０内の流路７１’、７２’の略中央位置には図２に示すように、該流路７１’、７２’に直交するように、断面視円形とされた円筒状の本発明における回転体となるバルブスピンドル７３を装着可能なバルブスピンドル装着部７４が形成されているとともに、該バルブスピンドル装着部７４の前記流路７１’、７２’に直交する延長線上には、該バルブスピンドル装着部７４に装着される円筒状のバルブスピンドル７３を回転可能に軸支する軸受け部７５が設けられており、該バルブスピンドル７３の一方端が本発明における駆動部となる駆動モータ（サーボモータ）７６の駆動軸７７に接続（ジョイント）されることで、該駆動モータ７６により回転駆動される。尚、本実施例では、前記した軸受け部７５としてアンギュラ軸受けを用いており、温度変化によりバルブスピンドル７３が膨張した場合に回転精度を高く保つことができるようになっている。
【００１４】
このように駆動モータ７６にて回転駆動されるバルブスピンドル７３には、図３に示すように、該バルブスピンドル７３が装着された際に、所定の回転位置において前記ガスインレット側の流路７１’と、ガスアウトレット側の流路７２’とを連通させるように、該円筒体の回転中心を通過して他方の対向する外周面に貫通するように、各流路７１’、７２’の径内に臨むように設けられた通過路７８ａ〜７８ｃを、回転角度に対して１２０度毎に３つ有しており、該バルブスピンドル７３が回転することで、ガスインレット側の流路７１’とガスアウトレット側の流路７２’との連通・非連通の状態が連続的に出現する回転弁が形成されており、これら駆動モータ７６にて通過路７８ａ〜７８ｃが形成されたバルブスピンドル７３を回転させた回転弁とし、これら駆動モータ７６の回転を前記流量変動弁制御装置８にて制御（変更）することで、ガス流量の変動の周期を連続的に変更することができ、よって該流量変動弁制御装置８にて本発明における周期変更手段が形成されている。
【００１５】
尚、ガスインレット側の流路７１’並びにガスアウトレット側の流路７２’を形成する流路ユニット７１Ｕ、７２Ｕは、筐体に対してボルト７９にて着脱可能とされており、これら流路ユニット７１Ｕ、７２Ｕを異なる径の流路ユニットに変更することで、バルブスピンドル７３に形成された３つの通過路７８ａ〜７８ｃの使用状態を変更することにより、変動波形を変更できるようになっているとともに、バルブスピンドル７３に設けられた通過路７８ａ〜７８ｃの形状、本数、本体との隙間を変えることも簡便に実施でき、これらによっても変動波形を変更できるようになっている。
【００１６】
次に、本実施例に用いたプラズマトーチ１について、図９に基づいて簡潔に説明すると、図９中の１１は一段目陽極ノズル、１２は２段目陽極ノズルであり、図中の１３の陰極との間でアーク放電させる。
【００１７】
この本実施例に用いたプラズマトーチ１における動作を説明すると、１次ガス（アルゴンガス）を１次ガス流路１４に流すと、該１次ガスが絶縁体の旋回部１５を通り、軸方向旋回流として陰極１３と一段目陽極ノズル１１間の放電空間２０でプラズマジェットを発生させるとともに、２次ガス（アルゴン・窒素もしくは水素ガス）を２次ガス流路１６に流すと、該２次ガスが絶縁体の強旋回流部１７を通り、強旋回流として、陰極１３と２段目陽極ノズル１２の間の２次放電により、主プラズマ流を発生させる。また、放電ノズル出口部１８において、粒径１０〜２０μｍの溶射材料の粉体をキャリアガス（アルゴンガス）を通して３次ガス流路１９から供給することが可能である。
【００１８】
以下、本実施例のプラズマ処理装置における測定結果を図４から図８に示す。図４は、本実施例の前記流量変動弁装置７のガスアウトレット側に内径４ｍｍの管を継ぎ、管の解放端から熱線流速計を挿入した時のガス速度と、該流量変動弁装置７のガスアウトレット側の出口直後に設けられた圧力センサにより計測した圧力を示す。図５は、２次ガス（アルゴンガス）流量に流量変動を与えた時の、本実施例のプラズマ処理装置により生成したプラズマジェットの電子温度、電子密度、ガス温度、放射強度の時間変化を示す。この図において、放電電流は１００Ａであり、ガス流量は３０ＳＬ／ｍｉｎである。また、放射強度は先端に細管を取り付けたフォトダイオードを用いて測定した。
【００１９】
図６は、ＣＣＤカメラから得られた画像とその放射強度分布を示した図であり、放射強度が最大を示す位置を中心軸位置とし、本実施例ではプラズマジェットの半径方向の半値幅を解析し、プラズマジェット幅とした。
【００２０】
また図７は、２次ガス（アルゴンガス）流量の流量変動の周波数が０（無変動），０．５Ｈｚ，１Ｈｚ，２Ｈｚ，５Ｈｚ，１０Ｈｚと変化させ、１０００回分の半値幅ｗの標準偏差ｗ’を示す。ここで標準偏差ｗ’は変動強度を表す。
【００２１】
また図８は、２次ガス（アルゴンガス）の流量変動の周波数が３００Ｈｚにおける圧力分布を示す。
【００２２】
まず、前記した図４からわかるように、本実施例の流量変動弁装置７を用いた場合には、ガス流速の波形と圧力変化の波形はほぼ一致し、これらガス流速と圧力変化とには相関関係があることが判り、その結果、圧力変動の波形から流量変動の特性を予測することが可能であることが判るので、圧力変動を測定することで流量変動を特定することができることが判る。
【００２３】
そして図５に示す、ガス流量を周期的に変化させた場合のプラズマ温度と放射強度が相関関係の結果から、ガス圧力があがるとプラズマ温度と放射強度も増加することが判る。
【００２４】
そして図７に示す結果から、流量変動の周波数を大きくしていくと、流量変動を与えない無変動時よりも半値幅の変動強度が小さくなる。これらガス流量を周期的に変化させると、陰極１３と一段目陽極ノズル１１間のアーク放電における両電極の放電スポットの位置が定常的に移動する。つまり、これらの測定結果から、これら流量変動を与えることで、より安定した半値幅のプラズマジェットを得ることができることが判るとともに、これら流量変動を作動ガスに付与することで、放電スポットの定常的な移動が得られるようになるので電極の局部的な損耗が低減でき、よって電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
【００２５】
更に、図８から、本実施例の流量変動弁装置７は流量変動の周波数を５００Ｈｚまで、変動可能である。変動周波数を３００Ｈｚにした場合の圧力分布は変動周波数に追従していることがわかる。尚、位相が異なる理由は、速度の計測位置が圧力計測位置に比べて下流側にあることに基づくものである。
【００２６】
以上、本実施例によれば、作動ガス（アルゴンガス）の流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることで、アーク放電における放電スポットの位置が定常的に移動するようになるので電極間のアーク放電を、例えば作動ガスの流速が大きな場合でも安定化でき、よって、大流量プラズマにおいても安定性の高いプラズマジェットを生成でき、例えばプラズマ溶射であれば、注入微粒子を均一に加熱、加速できるとともに、前記周期的な変動による電極の放電スポットの位置の変動により、電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
【００２７】
また、本実施例によれば、駆動モータ７６の回転を連続的に変化させることで、供給ガス（作動ガス）であるアルゴンガスの流量（圧力）の周期的な変動を、連続的に変化させることができので、使用する作用ガスの種類や電極に印加される電圧等の条件に応じて、アーク放電が安定する最適な周期に変動の周期を変更することができる。
【００２８】
また、本実施例によれば、流量変動弁装置７を用いることで、比較的簡素な構成により、作業ガスであるアルゴンガスの変動の周期を連続的に変更することのできる周期変動付与手段を形成することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
【００３０】
例えば、前記実施例では、供給ガスに周期的な流量変動を付与する周期変動付与手段として、回転するバルブスピンドル７３を用いた回転弁機構によりガスの通過・非通過を行う流量変動弁装置７を用いており、このようにすることは、例えばこれら周期変動付与手段として、自動車等に用いられているバルブ機構等を用いた場合に比較して、その構成を非常に簡素なものとすることができ、且つ、これら流量変動弁装置７を従来のプラズマ処理装置にも容易に取付けることで本発明のプラズマ処理装置とすることができることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら周期変動付与手段としては、供給ガスに周期的な流量変動を付与できる弁機能を備えるものであれば好適に使用することができる。
【００３１】
また、前記実施例では、作動ガス（供給ガス）であるアルゴンガスの流量と圧力とを周期的に変動するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば圧力は一定で流速と流量を変動させても良いし、流量は一定で、圧力と流速とを変動させても良く、つまりは、作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させれば良い。
【００３２】
また、前記実施例では、作動ガス（供給ガス）のうち、アルゴンガスの流量（圧力）を周期的に変動するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらアルゴンガス以外のその他の作動ガス（供給ガス）の流量（圧力）も周期的に変動するようにしても良い。
【００３３】
また、前記実施例では、電極間に印加する電力として直流電力を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら電力として高周波の交流電力を印加するようにしても良い。
【００３４】
また、前記実施例では、直流電力の印加により電極間にアーク放電を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら放電の形態としては、グロー放電でもコロナ放電でも、沿面放電であっても良い。
【００３５】
また、本発明における電圧印加手段となる前記実施例の直流電源装置２は、電極間に直流電圧を印加することで、当然のことながら放電により電極間に直流電流（高周波電圧を印加する場合には、交流電流）を供給することになるので、これら電圧印加手段は同様に電流印加手段でもある。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の活用例として、前述のプラズマ溶射以外に、被処理物の表面に存在する有機物等の異物のクリーニング、レジストの剥離、有機フィルムの密着性の改善、金属酸化物の還元、成膜、表面改質などのプラズマ処理に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例におけるプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例に用いた流量変動弁装置の構成を示す平面断面図である。
【図３】本発明の実施例に用いた流量変動弁装置のバルブスピンドルを示す断面図である。
【図４】本実施例の流量変動弁装置のガスアウトレット側の出口直後におけるガス速度とガス圧力との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例におけるプラズマ処理装置において、２次ガス（アルゴンガス）流量に流量変動を与えた時のプラズマジェットの電子温度、電子密度、ガス温度、放射強度の時間変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例におけるプラズマ処理装置におけるプラズマジェットの画像とその放射強度分布を示した図である。
【図７】本発明の実施例におけるプラズマ処理装置における流量変動の各周波数における半値幅ｗの標準偏差ｗ’を示す図である。
【図８】本発明の実施例に用いた流量変動弁装置における２次ガス（アルゴンガス）の流量変動の周波数が３００Ｈｚにおける圧力分布を示す。
【図９】本発明の実施例に用いたプラズマトーチの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ プラズマトーチ
２ 直流電源装置
３ 粒子供給装置
４ 制御装置
５ ガス供給路
６ 流量検出部
７ 流量変動弁装置
８ 流量変動弁制御装置
１１ １段目陽極ノズル
１２ ２段目陽極ノズル
１３ 陰極
１４ １次ガス流路
１５ 旋回部
１６ ２次ガス流路
１７ 強旋回流部
１８ 放電ノズル出口部
１９ ３次ガス流路
７０ 筐体
７１ ガスインレット
７１’ 流路
７１Ｕ 流路ユニット
７２ ガスアウトレット
７２’ 流路
７２Ｕ 流路ユニット
７３ バルブスピンドル
７４ バルブスピンドル装着部
７５ 軸受け部
７６ 駆動モータ
７７ 駆動軸
７８ａ 通過路
７９ ボルト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間と、前記電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給する作動ガス供給手段とを有し、前記電圧印加手段にて電圧を印加することにより、前記電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理装置において、
前記ガス供給手段により前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させる周期変動付与手段を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記周期変動付与手段は、前記変動の周期を連続的に変更するための周期変更手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記周期変動付与手段が、前記作動ガスを通過可能な通過路と作動ガスが通過不能な遮断部とが形成された回転体と、前記作動ガスを供給する供給経路上に前記回転体を回転可能に配置するための配置部と、前記回転体を回転駆動する駆動部とから構成され、前記回転体が回転されることで該回転体を作動ガスが通過または非通過となることで供給経路から供給される作動ガスに周期変動を与えることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給し、前記電極間に電圧を印加することにより、該電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理方法において、
前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１】
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間と、前記電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給する作動ガス供給手段とを有し、前記電圧印加手段にて電圧を印加することにより、前記電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理装置において、
前記ガス供給手段により前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させる周期変動付与手段を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記周期変動付与手段は、前記変動の周期を連続的に変更するための周期変更手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記周期変動付与手段が、前記作動ガスを通過可能な通過路と作動ガスが通過不能な遮断部とが形成された回転体と、前記作動ガスを供給する供給経路上に前記回転体を回転可能に配置するための配置部と、前記回転体を回転駆動する駆動部とから構成され、前記回転体が回転されることで該回転体を作動ガスが通過または非通過となることで供給経路から供給される作動ガスに周期変動を与えることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給し、前記電極間に電圧を印加することにより、該電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理方法において、
前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることを特徴とするプラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１９０４９３（Ｐ２００６−１９０４９３Ａ）
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３８１６９９（Ｐ２００４−３８１６９９）
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（８９９００００３５）株式会社東北テクノアーチ (68)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（８９９００００３５）株式会社東北テクノアーチ (68)
【Ｆターム（参考）】
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