マイクロ波放電装置

【課題】マイクロ波放電装置において、放電空間に対する構造的な制約を増すことなく、大気圧プラズマによって活性化した粒子に流速を付与可能とする。
【解決手段】マイクロ波放電装置１は、マイクロ波を導波する第１および第２の導体２１，２２と、各導体２１，２２の終端部２１ａ，２２ａに形成された放電空間２３と、放電空間２３に生成されるプラズマ中の荷電粒子に作用させる電界を生成する電圧源３とを備えている。プラズマＰは、両導体２１，２２により導波されるマイクロ波によって生成される。電圧源３が印加する電界は、プラズマ中の荷電粒子に電磁気力を作用させて荷電粒子を含む気体の流れを発生させる。電界は、終端部２１ａ，２２ａを電極として印加することができ、放電空間２３に対する構造的な制約を増すことがない。流速を付与された気体中には、プラズマに起因する活性化した粒子が含まれる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波により大気圧プラズマを生成するマイクロ波放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大気圧中において、マイクロ波が伝搬するマイクロストリップ線路の終端部にマイクロ波によって大気圧プラズマを生成するようにしたマイクロ波放電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、プラズマが生成される放電空間に流速を有するガスを流入させることにより、放電空間からプラズマを吹き出させて被処理材料にプラズマを吹き付けて、その材料表面にＣＶＤ成膜やエッチング等のプラズマ処理を行うことを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９９７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような従来のマイクロ波放電装置においては、プラズマを被処理材料の表面に導くためにガス流を用いており、そのガスの導入のためのノズルや流路が放電空間に近接配置されるので、装置が複雑化している。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、放電空間に対する構造的な制約を増すことなく、大気圧プラズマによって活性化した粒子に流速を付与することができるマイクロ波放電装置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】
上記課題を達成するために、本発明のマイクロ波放電装置は、大気圧プラズマを生成するマイクロ波放電装置において、マイクロ波を導波する第１および第２の導体と、第１および第２の導体の終端部に形成された放電空間と、第１および第２の導体により導波されるマイクロ波によって放電空間に生成されるプラズマ中の荷電粒子に電磁気力を作用させて荷電粒子を含む気体の流れを発生させる駆動手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
このマイクロ波放電装置において、駆動手段は、第１および第２の導体間にバイアス電圧を印加して放電空間に電界を生成する電界発生手段を含むことができる。
【０００８】
このマイクロ波放電装置において、駆動手段は、放電空間に磁界を生成する磁界発生手段を含むことができる。
【０００９】
このマイクロ波放電装置において、第１および第２の導体は、誘電体の表面で終端しており、放電空間が誘電体の表面上の空間とされていてもよい。
【００１０】
このマイクロ波放電装置において、第１および第２の導体は、互いに平行かつ同じ方向に延伸して終端部を形成していてもよい。
【００１１】
このマイクロ波放電装置において、放電空間は、誘電体に設けた凹部によって形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のマイクロ波放電装置によれば、プラズマ中の荷電粒子に電磁力を作用させるので、放電空間に対する構造的な制約を増すことなく、大気圧プラズマによって活性化した粒子に流速を付与して、荷電粒子を含む気体の流れを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波放電装置についての斜視図、（ｂ）は同装置の断面図。
【図２】同装置に供給するマイクロ波のバイアス電圧を説明する波形図。
【図３】（ａ）は同装置の変形例の斜視図、（ｂ）は同装置の他の変形例の斜視図。
【図４】（ａ）は同装置のさらに他の変形例の斜視図、（ｂ）は同変形例の断面図。
【図５】（ａ）は同装置のさらに他の変形例の斜視図、（ｂ）は同変形例の断面図。
【図６】（ａ）は同装置のさらに他の変形例の斜視図、（ｂ）は同変形例の断面図。
【図７】同装置のさらに他の変形例の断面図。
【図８】（ａ）は同装置のさらに他の変形例の斜視図、（ｂ）は同変形例の断面図。
【図９】（ａ）は第２の実施形態に係るマイクロ波放電装置についての斜視図、（ｂ）は同装置の断面図。
【図１０】同装置の変形例の断面図。
【図１１】（ａ）は同装置の他の変形例の断面図、（ｂ）は同装置のさらに他の変形例の断面図。
【図１２】（ａ）は同装置のさらに他の変形例の斜視図、（ｂ）は同変形例の断面図。
【図１３】（ａ）は同装置のさらに他の変形例の斜視図、（ｂ）は同装置のさらに他の変形例の断面図。
【図１４】（ａ）は同装置におけるマイクロ波導波用の導体の終端部の他の変形例の断面図、（ｂ）は同終端部の斜視図。
【図１５】（ａ）は同装置におけるマイクロ波導波用の導体の終端部のさらに他の変形例の断面図、（ｂ）は同終端部の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係るマイクロ波放電装置について、図面を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）、図２は第１の実施形態に係るマイクロ波放電装置を示す。図１（ａ）（ｂ）に示すように、マイクロ波放電装置１は、マイクロ波によって大気圧プラズマを生成する放電素子２と、放電素子２によって生成されるプラズマ中の荷電粒子に電磁気力を作用させるための電界を生成する電圧源３（電界発生手段）とを備えている。放電素子２は、誘電体板２０と、誘電体板２０とともにマイクロストリップ線路を構成する第１および第２の導体２１，２２と、その導体の終端部２１ａ，２２ａに形成された放電空間２３とを備えている。第１の導体２１は、四角形の誘電体板２０の一端側から他端側（図中Ｘ方向）に向けて、誘電体板２０の上面に延設された細長い四角パターン形状の電極であり、その終端部２１ａは、誘電体板２０の中央部付近にある。第２の導体２２は、誘電体板２０の下面の一端側から他端側、さらに誘電体板２０の他端部表面を経由して誘電体板２０の上面にまで延設された幅の広い導体である。本例では、第２の導体２２の幅は、誘電体板２０の幅と同じであるが、第１の導体２１との間でマイクロストリップ線路を構成できる幅であればよい。第２の導体２２は、誘電体板２０の上面において、誘電体板２０の一端側に向けて突出した、第１の導体２１の幅と同じ幅の終端部２２ａを有している。両終端部２１ａ，２２ａは、互いに離間して対向し、その隙間の空間が放電空間２３を形成している。
【００１５】
大気中において、放電素子２の第１および第２の導体２１，２２間に、マイクロ波源１０からマイクロ波電力を供給すると、終端部２１ａ，２２ａ間の高周波電界によって放電空間２３における大気ガスが電離して大気圧プラズマＰが生成される。さらに、第１および第２の導体２１，２２間に、電圧源３によってバイアス電圧Ｖｂ（図２）を印加すると、終端部２１ａ，２２ａ間の高周波電界にバイアス電圧Ｖｂによる電界が重畳される。この重畳された電界は、プラズマＰ中の荷電粒子に電磁気力を作用させて、例えば正イオンを、例えばＸ方向に移動させる。すると、この正イオンの移動は、正イオンと大気中の分子との衝突を引き起こし、荷電粒子を含む気体のＸ方向の流れが発生する。電圧源３は、放電空間２３に電界を生成して荷電粒子を含む気体の流れを生成する駆動手段を構成している。
【００１６】
本実施形態によれば、プラズマ中の荷電粒子に電界の力を作用させて駆動するので、荷電粒子を含む気体の流れを発生させることができる。また、電界を発生させるための電極は、マイクロストリップ線路の終端部２１ａ，２２ａをそのまま用いるので、放電空間に対する構造的な制約を増すことがなく、マイクロ波放電装置１の産業上の利用範囲を広げることができる。すなわち、このような荷電粒子を含む気体の流れによって、プラズマ発生に基づく活性化粒子を放電素子２から放出させることができ、これらを、被処理表面に導くことにより、被処理表面の活性化や加工等を行うことができる。
【００１７】
図３（ａ）（ｂ）は、放電素子２の変形例を示す。図３（ａ）に示す放電素子２は、放電空間２３が誘電体板２０の上面他端部に形成され、図３（ｂ）に示す放電素子２は、放電空間２３が誘電体板２０の端部面に形成されている。このように、放電空間２３の配置は、誘電体板２０における任意の位置とすることができる。この両者は、誘電体板２０に対する、バイアス電圧Ｖｂによる電界の方向が互いに異なる。前者における電界の方向は、図１のＸ方向と同様であり、後者のそれは、誘電体板２０の厚み方向であり、図中における上下方向である。誘電体板２０の端部付近においては、駆動された気体の流れを制約する誘電体板２０がないので、放電空間２３からの気体の放出が容易となる。また、誘電体板２０は、四角形に限らず、マイクロストリップ線路を形成できる任意形状のもの、例えば、平板ではなく自由曲面を有するものとすることができる。曲面を有する誘電体の表裏を用いて、第１および第２の導体２１，２２を備えてマイクロストリップ線路を形成し、その曲面の頂部に放電空間２３を配設すると、誘電体に邪魔されずに気体の放出が容易となる。
【００１８】
図４（ａ）（ｂ）は、放電素子２の他の変形例を示す。この変形例は、上述のマイクロストリップ線路の代りに、同軸ケーブルを用いて放電素子２を形成している。すなわち、同軸ケーブルの端部において、同軸ケーブルの心線を成す第１の導体２１を拡径して円盤状の終端部２１ａとし、同軸ケーブルの外皮を成す第２の導体２２の端部を終端部２２ａとして、同軸ケーブルの端面に円形の放電空間２３を形成している。この変形例は、電圧源３による電界の方向を、同軸ケーブルの中心からの放射状とすることができ、正イオンの外向き加速により、荷電粒子を含む気体の流れを外向き放射状とすることができる。図５（ａ）（ｂ）は、放電素子２のさらに他の変形例を示す。この変形例は、同軸ケーブルの途中に設けた貫通穴を放電空間２３とする放電素子２である。この変形例では、貫通穴方向の気体の流れを生成できる。
【００１９】
図６（ａ）（ｂ）、図７、図８（ａ）（ｂ）は、放電素子２のさらに他の変形例を示す。図６（ａ）（ｂ）に示す変形例は、平板状のマイクロストリップ線路における第１の導体２１の終端に貫通穴を設け、その貫通穴を放電空間２３としている。第１の導体２１の終端部２１ａは、貫通穴の開口縁に周設されている。なお、図７に示すように、終端部２１ａ，２２ａを、貫通穴の内部に入り込ませることもでき、放電電極間をより近づけることにより、放電によるプラズマ生成がより容易となる。また、図８（ａ）（ｂ）に示すように、放電空間２３を、貫通穴ではなく、凹部によって形成することもできる。この場合、非貫通の凹部に連通する横穴２４ａを形成しておくことにより、放電用のガスの供給路を明確に設定することができ、荷電粒子を含む気体の流れをより容易に形成できる。これらの変形例は、電圧源３による電界の方向が、誘電体板２０の厚み方向（Ｙ方向）であり、荷電粒子や活性粒子を含む気体の流れを誘電体板２０の表面に対して垂直方向とすることができる。また、これらの変形例によれば、放電空間２３が、貫通穴または凹部から成り、露出していないので、その内部を汚す心配が少なく、放電素子２の取り扱いが容易となる。
【００２０】
（第２の実施形態）
図９（ａ）（ｂ）は、第２の実施形態に係るマイクロ波放電装置１を示す。この実施形態のマイクロ波放電装置１は、放電素子２によって生成されるプラズマ中の荷電粒子に電磁気力を作用させるため、第１の実施形態における電圧源３に代えて、磁界を生成する電磁コイル４（磁界発生手段）を備えたものである。電磁コイル４は、放電空間２３を磁界内に含むように、誘電体板２０の外部に巻回され、コイルの軸方向がストリップ線路の方向（Ｘ方向）となっている。電磁コイル４が、不図示の電流源からの電流によって励磁されると、ストリップ線路の方向に磁界が発生し、プラズマ中の電子が磁力線に沿った軌道に拘束されて運動する。プラズマＰ中の正イオンは、電子の移動に伴って移動し、荷電粒子を含む気体の流れが形成される。
【００２１】
図１０乃至図１３に、第２の実施形態の変形例を示す。図１０に示す変形例は、荷電粒子を含む気体の流れが形成する駆動源として、電界と磁界とを用いるものであり、電圧源３と電磁コイル４とを備えている。図１１（ａ）（ｂ）に示す変形例は、それぞれ、上述した図３（ａ）（ｂ）の放電素子２に、電磁コイル４を適用する変形例である。図１２（ａ）（ｂ）に示す変形例は、図４（ａ）（ｂ）の放電素子２に、電磁コイル４を適用する変形例である。また、図１３（ａ）（ｂ）に示す変形例は、図６（ａ）（ｂ）の放電素子２に、それぞれ、電磁コイル４、永久磁石４ａを適用する変形例である。図１１乃至図１３に示した変形例において、電磁コイル４に加え、電圧源３による電界を用いることもできる。また、電磁コイル４や永久磁石４ａによる磁界を、放電空間２３から発散する磁界とすることにより、プラズマＰ中の電子の軌道を発散させて、正イオンの外向きの移動を助けることができる。また、磁界により、プラズマをより安定に高密度にすることができる。
【００２２】
次に、図１４、図１５により、第１および第２の導体２１，２２の終端部２１ａ，２２ａの構成について説明する。上述した各実施形態および変形例において、第１および第２の導体２１，２２は、誘電体板２０の表面で終端しており、放電空間２３が誘電体板２０の表面上の空間とされているが、終端部２１ａ，２２ａの構成はこれに限るものではない。すなわち、終端部２１ａ，２２ａを、誘電体板２０の表面から離れた状態で形成してもよい。例えば、図１４（ａ）（ｂ）、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、終端部２１ａ，２２ａを、誘電体板２０の表面から立ち上げたり、立ち上げた端部をさらに、誘電体板２０の表面と平行に成るように屈曲させたりしてもよい。このように、終端部２１ａ，２２ａを、誘電体板２０の表面から離れた状態で形成することにより、放電空間２３を誘電体板２０の表面に影響されない位置に形成することができる。また、図１、図３等に示した放電空間２３において、終端部２１ａ，２２ａ間の誘電体板２０の表面に凹部を形成してもよく、これにより、同様の効果が得られる。
【００２３】
マイクロストリップ線路における終端部２１ａ，２２ａの構成について、さらに説明する。通常、第２の導体２２は接地電極（ＧＮＤ）である。終端部２１ａ，２２ａは、相互の間にマイクロ波電場を形成する放電電極を構成するものであり、放電空間２３を介して互いに対向配置され、その間隔が狭いほど、また、電界を集中させて強くするほど、放電生成（プラズマ生成）が容易となる。そのような対向配置を形成するために、図３（ａ）（ｂ）では、第１および第２の導体２１，２２が、互いに平行かつ同じ方向に延伸して終端部２１ａ，２２ａを形成している。図１（ａ）（ｂ）における第１および第２の導体２１，２２は、互いに平行かつ同じ方向に延伸した後、第２の導体２２が、第１の導体２１がよりも先に延伸した後、逆戻りして、互いに対向する終端部２１ａ，２２ａを形成している。この場合に、放電空間２３に電界が集中するように、終端部２２ａに突出部が設けられている。
【００２４】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態や変形例の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。
【符号の説明】
【００２５】
１マイクロ波放電装置
１０マイクロ波源
２放電素子
２０誘電体
２１第１の導体
２１ａ第１の導体の終端部
２２第２の導体
２２ａ第２の導体の終端部
２３放電空間
３電圧源（駆動手段、電界発生手段）
４電磁コイル（駆動手段、磁界発生手段）
４ａ永久磁石（駆動手段、磁界発生手段）
Ｐプラズマ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧プラズマを生成するマイクロ波放電装置において、
マイクロ波を導波する第１および第２の導体と、
前記第１および第２の導体の終端部に形成された放電空間と、
前記第１および第２の導体により導波されるマイクロ波によって前記放電空間に生成されるプラズマ中の荷電粒子に電磁気力を作用させて前記荷電粒子を含む気体の流れを発生させる駆動手段と、を備えたことを特徴とするマイクロ波放電装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、前記第１および第２の導体間にバイアス電圧を印加して前記放電空間に電界を生成する電界発生手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波放電装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記放電空間に磁界を生成する磁界発生手段を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波放電装置。
【請求項４】
前記第１および第２の導体は、誘電体の表面で終端しており、前記放電空間が前記誘電体の表面上の空間とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイクロ波放電装置。
【請求項５】
前記第１および第２の導体は、互いに平行かつ同じ方向に延伸して前記終端部を形成していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のマイクロ波放電装置。
【請求項６】
前記放電空間は、誘電体に設けた凹部によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイクロ波放電装置。

【図１】