JP2013077474A - Atmospheric pressure plasma generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大気圧プラズマ発生装置に関し、特に、アンテナの近傍に放電管を配設したコンパクトな構成の大気圧プラズマ発生装置に関するものである。 The present invention relates to an atmospheric pressure plasma generator, and more particularly to an atmospheric pressure plasma generator having a compact configuration in which a discharge tube is disposed in the vicinity of an antenna.
従来、コイル及びコンデンサを含んで構成される整合回路中に、互いに対向する２つの電極を設けてプラズマ発生部を形成し、高周波電源から当該整合回路に高周波電力を供給するとともに、プラズマ発生部に配置した放電管（反応容器）にプラズマ発生用のガスを供給することにより、放電管内にプラズマを発生させるようにした容量結合型のプラズマ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＣＣＰ）発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、整合回路と連続配線された巻線形状または波状形態のアンテナ設けてプラズマ発生部を形成し、高周波電源から当該整合回路に高周波電力を供給するとともに、当該アンテナの近傍に配置した放電管にプラズマ発生用のガスを供給することにより、放電管内にプラズマを発生させるようにした誘導結合型のプラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）発生装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
Conventionally, in a matching circuit including a coil and a capacitor, a plasma generator is formed by providing two electrodes facing each other, and high-frequency power is supplied to the matching circuit from a high-frequency power source. A capacitively coupled plasma (CCP) generator is known in which plasma is generated in a discharge tube by supplying a gas for generating a plasma to an arranged discharge tube (reaction vessel) ( For example, see Patent Document 1). In addition, a coil-shaped or wave-shaped antenna continuously wired to the matching circuit is provided to form a plasma generation unit, and high-frequency power is supplied from the high-frequency power source to the matching circuit, and a discharge tube disposed in the vicinity of the
このようなプラズマ発生装置では、整合回路のパラメータ（例えばコンデンサの容量）を変化させてプラズマ発生部と高周波電源との間のインピーダンス整合を行うことにより、プラズマ発生部に高周波電源から取り出せる最大のエネルギーを作用させて高密度なプラズマを得ることができる。このような構成を有するプラズマ発生装置は、大気圧下でプラズマを発生させることができ、構成が簡易であるため、作業の対象物としての基板端子の局所的な洗浄や表面改質などについて行う小規模なプラズマ処理に適したものとなっている。 In such a plasma generator, the maximum energy that can be extracted from the high-frequency power source to the plasma generator by performing impedance matching between the plasma generator and the high-frequency power source by changing the parameters of the matching circuit (for example, the capacitance of the capacitor). Can be used to obtain a high-density plasma. Since the plasma generator having such a configuration can generate plasma under atmospheric pressure and has a simple configuration, it performs local cleaning and surface modification of a substrate terminal as a work object. It is suitable for small-scale plasma processing.
しかしながら、前述した従来の容量結合型のプラズマ発生装置では、対向する２つの電極間に形成されるプラズマ発生部にプラズマが発生すると、両電極間の電気的な絶縁状態は破られて整合回路のインピーダンス整合状態が大幅に崩れてしまうため、プラズマを発生させ続けることが困難であるという問題点がある。また、整合回路のインピーダンス整合状態を維持しようとすると、整合回路のパラメータを自動調整する自動整合装置が必要になるが、自動整合装置を備えた場合、装置が大型化するという課題が発生する。 However, in the above-described conventional capacitively coupled plasma generator, when plasma is generated in the plasma generator formed between the two electrodes facing each other, the electrical insulation between the two electrodes is broken and the matching circuit There is a problem that it is difficult to continue generating plasma because the impedance matching state is greatly collapsed. In order to maintain the impedance matching state of the matching circuit, an automatic matching device that automatically adjusts the parameters of the matching circuit is required. However, when the automatic matching device is provided, there is a problem that the size of the device increases.
一方、前述した従来の誘導結合型のプラズマ発生装置では、放電管に対してアンテナと整合回路とが連続配線されており、プラズマの有無により整合回路の状態は大きく変動しないので、自動整合回路が不要になり、ユニットが小型化できる。しかし、アンテナに流れる電流成分しか活用していないため、プラズマ発生効率が低いという課題が発生する。 On the other hand, in the conventional inductively coupled plasma generator described above, the antenna and the matching circuit are continuously wired to the discharge tube, and the state of the matching circuit does not vary greatly depending on the presence or absence of plasma. It becomes unnecessary and the unit can be downsized. However, since only the current component flowing through the antenna is used, there is a problem that the plasma generation efficiency is low.
本発明は、上記課題に鑑み、小型かつ高効率のプラズマを発生できる大気圧プラズマ発生装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an atmospheric pressure plasma generator capable of generating a small and highly efficient plasma.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る大気圧プラズマ発生装置は、大気圧下でプラズマを発生する大気圧プラズマ発生装置であって、管軸方向に放電ガスが流れ高周波電源からの高周波電力が供給されることによりプラズマを発生する放電管と、前記放電管に前記高周波電力を伝達するアンテナ部と、前記高周波電源と前記アンテナ部との間に配置された整合回路とを備え、前記整合回路は、前記高周波電源の一端と前記アンテナ部の一端との間に接続されたインダクタと、前記高周波電源の他端と前記アンテナ部の他端との間に接続され可変コンデンサとを備え、前記アンテナ部は、前記整合回路と連続した配線であって、前記高周波電源からの高周波電流が流れる第１のアンテナ部と、少なくとも前記放電管の長手方向に沿って前記放電管と接触する部分を有する直線形状の、あるいは前記放電管の長手方向に沿って連続的に前記放電管の短手方向の幅内で前記放電管と接触する第２のアンテナ部とで構成されることを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, an atmospheric pressure plasma generator according to one aspect of the present invention is an atmospheric pressure plasma generator that generates plasma under atmospheric pressure, and a discharge gas flows in a tube axis direction and a high frequency power source. A discharge tube that generates plasma by being supplied with high-frequency power from, an antenna unit that transmits the high-frequency power to the discharge tube, and a matching circuit that is disposed between the high-frequency power source and the antenna unit. The matching circuit includes an inductor connected between one end of the high-frequency power source and one end of the antenna unit; a variable capacitor connected between the other end of the high-frequency power source and the other end of the antenna unit; The antenna unit is a wiring continuous with the matching circuit, and a first antenna unit through which a high-frequency current from the high-frequency power source flows, and at least in a longitudinal direction of the discharge tube A second antenna portion having a portion in contact with the discharge tube, or in contact with the discharge tube within the width of the discharge tube continuously along the longitudinal direction of the discharge tube It is comprised by these.
また、本発明の一態様は、前記放電管、前記アンテナ部及び前記整合回路は、同一の基板上に配置されていてもよい。 In one embodiment of the present invention, the discharge tube, the antenna unit, and the matching circuit may be disposed on the same substrate.
また、本発明の一態様は、前記第１のアンテナ部は、前記放電管と近接して配置され、両端が前記整合回路に接続され、前記第２のアンテナ部は、前記基板に対する法線方向から見て、前記放電管と交差する部分を有し、一端が前記第１のアンテナ部に接続され、他端が開放されていてもよい。 In one embodiment of the present invention, the first antenna unit is disposed in proximity to the discharge tube, both ends thereof are connected to the matching circuit, and the second antenna unit is in a normal direction with respect to the substrate. From the above, it may have a portion intersecting with the discharge tube, one end connected to the first antenna portion, and the other end open.
また、本発明の一態様は、前記アンテナ部は、さらに、前記第２のアンテナ部と対向し、前記基板に対する法線方向から見て、前記放電管と交差する部分を有する、接地された第３のアンテナ部を備えてもよい。 Further, according to one embodiment of the present invention, the antenna unit may further include a grounded first unit that has a portion that faces the second antenna unit and intersects the discharge tube when viewed from a normal direction to the substrate. Three antenna units may be provided.
また、本発明の一態様は、前記第１のアンテナ部は、前記第２のアンテナ部を含み、前記第２のアンテナ部は、前記基板に対する法線方向から見て、前記放電管と重複して配置され、前記第１のアンテナ部の両端は、前記整合回路に接続されていてもよい。 In one embodiment of the present invention, the first antenna unit includes the second antenna unit, and the second antenna unit overlaps with the discharge tube when viewed from the normal direction to the substrate. The both ends of the first antenna unit may be connected to the matching circuit.
また、本発明の一態様は、前記第１のアンテナ部は、前記第２のアンテナ部を含み、前記基板の法線方向から見て、前記放電管と交差する部分を有し、前記第２のアンテナ部は、前記放電管と近接して配置され、前記第１のアンテナ部の両端は、前記整合回路に接続されていてもよい。 In one embodiment of the present invention, the first antenna unit includes the second antenna unit, and includes a portion that intersects the discharge tube when viewed from the normal direction of the substrate. The antenna unit may be disposed in proximity to the discharge tube, and both ends of the first antenna unit may be connected to the matching circuit.
また、本発明の一態様は、前記第１のアンテナ部は、前記第２のアンテナ部を含み、前記第２のアンテナ部は、前記基板の法線方向から見て、前記放電管を横切るように配置され、前記第１のアンテナ部の両端は、前記整合回路に接続されていてもよい。 In one embodiment of the present invention, the first antenna unit includes the second antenna unit, and the second antenna unit traverses the discharge tube when viewed from the normal direction of the substrate. The both ends of the first antenna unit may be connected to the matching circuit.
上記構成の大気圧プラズマ発生装置によれば、第１のアンテナ部は、整合回路と連続した配線で構成されているので、安定した誘導結合型のプラズマを発生させることが可能となり、上記整合回路の整合度の変動は比較的少ないので、自動調整回路が不要となる。 According to the atmospheric pressure plasma generator having the above configuration, the first antenna unit is configured by the wiring that is continuous with the matching circuit, so that it is possible to generate stable inductively coupled plasma, and the matching circuit Since there is relatively little variation in the degree of matching, an automatic adjustment circuit becomes unnecessary.
また、アンテナ部は、従来の巻線型や平面波状型ではなく、少なくとも放電管の長手方向に沿って放電管と接触する部分を有する直線形状の、あるいは放電管の長手方向に沿って連続的に放電管の短手方向の幅内で放電管と接触する簡単な形状から構成されているので、銅板等の金属材料の打ち抜きや切断加工やエッチング加工にて容易かつ安価に製造することができる。 Further, the antenna unit is not a conventional winding type or plane wave type, but has a linear shape having at least a portion in contact with the discharge tube along the longitudinal direction of the discharge tube, or continuously along the longitudinal direction of the discharge tube. Since it is comprised from the simple shape which contacts a discharge tube within the width | variety of the transversal direction of a discharge tube, it can manufacture easily and cheaply by stamping, cutting, and etching processes of metal materials, such as a copper plate.
さらに、整合回路の整合状態を保ちながら、直列側のインダクタの値とコンデンサの容量の組合せを調整しても、リアクタンスの総和が変わらない限り、並列側のリアクタンスを調整することなく整合は維持される。この直列側のリアクタンスを一定にしておく限りアンテナ部に流れる電流は一定に保ったまま、アンテナ全体にかかる対地電圧を自由に調整することができる。可変コンデンサの容量が低いほど、アンテナ部に印加される対接地電圧が大きくなり、この対接地電圧と、放電管の終端方向の無限遠点に想定される接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマの発生効率を向上させることが可能となる。 Furthermore, even if the combination of the inductor value on the series side and the capacitance of the capacitor is adjusted while maintaining the matching state of the matching circuit, the matching is maintained without adjusting the reactance on the parallel side as long as the total reactance does not change. The As long as the reactance on the series side is kept constant, the ground voltage applied to the entire antenna can be freely adjusted while keeping the current flowing through the antenna portion constant. The lower the capacity of the variable capacitor, the greater the ground voltage applied to the antenna unit, and the greater the potential difference between this ground voltage and the ground voltage assumed at the infinity point in the end direction of the discharge tube, It is possible to improve the generation efficiency of capacitively coupled plasma.
よって、アンテナ部を流れる電流による誘導結合型のプラズマと、アンテナ部に印加される大きな対接地電圧による容量結合型のプラズマとのハイブリッドプラズマを発生することができ、高効率かつ小型のプラズマ発生装置を実現できる。 Therefore, it is possible to generate hybrid plasma of inductively coupled plasma due to current flowing through the antenna portion and capacitively coupled plasma due to large grounding voltage applied to the antenna portion, and a highly efficient and compact plasma generator Can be realized.
本発明の大気圧プラズマ発生装置によれば、アンテナ部に流れる電流と、アンテナ部の対接地電圧とをハイブリッドで利用することにより、自動整合回路不要で小型、かつ、高出力のプラズマを、大気圧下で発生させることが可能となる。 According to the atmospheric pressure plasma generator of the present invention, by using the current flowing through the antenna unit and the ground voltage of the antenna unit in a hybrid manner, a compact and high-power plasma can be generated without using an automatic matching circuit. It can be generated under atmospheric pressure.
以下、本発明に係る高周波電力増幅器の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of a high-frequency power amplifier according to the present invention will be described with reference to the drawings.
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る大気圧プラズマ発生装置の概略的な回路図としての構成図である。本構成図に記載された大気圧プラズマ発生装置１は、基板３０の上に、可変コンデンサ１２及び１４と、インダクタ１３と、アンテナ１５と、放電管１６とを備える。以下、図１の構成図により、各構成要素の接続関係を説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram as a schematic circuit diagram of an atmospheric pressure plasma generator according to
アンテナ１５は、可変コンデンサ１４及びインダクタ１３に接続され、放電管１６に高周波電力を伝達するアンテナ部である。
The
放電管１６は、放電ガスが流れ、高周波電源１１からの高周波電力が供給されることによりプラズマを発生する。
The
可変コンデンサ１２は、高周波電源１１に並列に接続されている。可変コンデンサ１４は、可変コンデンサ１２の基準端子である一端とアンテナ１５の一端との間に直列に接続された複数のコンデンサ素子からなるコンデンサ部である。インダクタ１３は、可変コンデンサ１２の基準端子とアンテナ１５の他の一端との間に、直列に接続されたインダクタ素子である。可変コンデンサ１４及びインダクタ１３、可変コンデンサ１２は、高周波電源１１とアンテナ１５とのインピーダンス整合をとるための整合回路を構成する。可変コンデンサ１２及び１４は、容量を変化させることにより、整合回路のインピーダンス整合を行うことができる。
The
具体的には、可変コンデンサ１２及び１４の容量をそれぞれＣ１２及びＣ１４、インダクタ１３のインダクタンスをＬ１３、アンテナ１５のインダクタンスをＬ１５、直列側回路の回路抵抗をRとすると、上記回路（図１）の並列側インピーダンスは−１／ｊωＣ１２であり、上記回路の直列側インピーダンスは（R＋ｊωＬ１３＋ｊωＬ１５−１／ｊωＣ１４）となる。この並列側インピーダンス及び直列側インピーダンスのリアクタンス成分を、可変コンデンサ１４の容量値及びインダクタ１３のインダクタンス値を調整することにより、高周波電源１１から出力される高周波電力を高効率にアンテナ１５へ供給することが可能となる。
Specifically, assuming that the capacitances of the
可変調整可能なコンデンサ部である可変コンデンサ１４は、可変コンデンサ１２の基準端子である接地端子とアンテナ１５の一端との間に配置された、直列に接続された複数のコンデンサ素子で構成される。図１では、上記複数のコンデンサ素子は、例えば、可変コンデンサであるトリマコンデンサ１４１と、固定コンデンサ１４２、１４３及び１４４とで構成されている。
The
トリマコンデンサ１４１により、複数のコンデンサ素子からなる可変コンデンサ１４の容量値を調整することが可能となる。さらに、複数のコンデンサ素子を直列に接続することにより、可変コンデンサ１４の容量値（以下、Ｔｕｎｅ容量とも記す）を低減させることが可能となる。複数のコンデンサ素子（１４１〜１４４）からなる可変コンデンサ１４の容量値（以下、Ｔｕｎｅ容量と記す）が低いほど、アンテナ１５に印加されるアンテナ電圧が大きくなり、このアンテナ電圧と、放電管内に発生したプラズマが放電管より照射される放電管の終端方向の無限遠点に想定される電位０Ｖ相当の接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマの発生効率を向上させることが可能となる。
The
なお、可変コンデンサ１４を構成する複数の容量素子（コンデンサ素子）は、少なくとも１つが可変コンデンサであればよく、その他の固定コンデンサは少なくとも１つあればよい。
Note that at least one of the plurality of capacitive elements (capacitor elements) constituting the
また、上述したリアクタンス成分の調整によりアンテナ１５と高周波電源とのインピーダンス整合を予めとっておけば、アンテナ１５、インダクタ１３及び可変コンデンサ１４のリアクタンス成分の総和を変えなければ、可変コンデンサ１２を調整することなくアンテナ１５とのインピーダンス整合は継続される。よって上記整合回路に連続的に接続された連続した配線を有するアンテナ１５に流れる電流は変化せず、安定した誘導結合型のプラズマを発生させることが可能となる。また、上記容量結合型のプラズマの有無により、上記整合回路の整合度の変動は比較的少ないので、自動調整回路は不要である。
Further, if impedance matching between the
以上により、アンテナ１５を流れる電流による誘導結合型のプラズマと、アンテナ１５にかかる大きな対接地電圧による容量結合型のプラズマとが合成されたハイブリッドプラズマが発生して、効率の良いプラズマが発生する。
As described above, a hybrid plasma in which the inductively coupled plasma generated by the current flowing through the
また、複数のコンデンサ素子を直列に接続させて１つのコンデンサ部である可変コンデンサ１４を構成することにより容量を低減させて可変コンデンサ１４に必要とされる耐電圧を分圧させて上記複数のコンデンサ素子の各々の耐電圧性能を緩和できるので、可変コンデンサ１４の部品コストを低減することが可能となり、複数のコンデンサ素子からなる小型の耐電圧性能の高いコンデンサ部を構成することができる。
In addition, a plurality of capacitor elements are connected in series to form the
以下、大気圧プラズマ発生装置１の構成要素の詳細について、例示して説明する。
Hereinafter, the details of the components of the atmospheric
アンテナ１５は、基板３０の上に配置される。当該基板上には、高周波電源１１と接続するためのコネクタが配設されている。基板３０の材質としては、熱伝導性の高いアルミナ、サファイヤ、アルミナイトライド、シリコンナイトライド、窒化ホウ素、及び炭化ケイ素などが好適である。
The
基板上に配置されたアンテナ１５の部位には、アンテナ１５に近接し、誘電体から成る放電管１６が配設される。放電管１６の長手方向（管軸方向）上端は、基板の上端近傍に配置されてこの上端からガスを供給するように構成されるとともに、放電管１６の長手方向（管軸方向）下端は基板の下端よりも適当距離下方に延出され、その下端から発生されたプラズマを吹き出してプラズマ処理を行うように構成されている。
A
基板のコネクタの配置部位にはコネクタ３１における高周波電圧のグランド側が接続されるグランド電極（基準電位の基準端子）が配設されている。
A ground electrode (a reference terminal for a reference potential) to which the ground side of the high frequency voltage in the
整合回路は、アンテナ１５と上記コネクタとの間に配設されている。
The matching circuit is disposed between the
インダクタ１３は、その一端がアンテナ１５と、そして他端が可変コンデンサ１２と電気的に接続されている。
One end of the
可変コンデンサ１４は、アンテナ１５と可変コンデンサ１２に電気的に接続されている。
The
アンテナ１５及びインダクタ１３を構成する金属材料としては、比抵抗値の低い金属、例えば銅（比抵抗：１７．２ｎΩｍ（２０℃）、温度係数：０．００４／℃）、銀（比抵抗：１６．２ｎΩｍ（２０℃）、温度係数：０．００４／℃）、金（比抵抗：２４．０ｎΩｍ（２０℃）、温度係数：０．００３４／℃）、アルミニウム（比抵抗：２８．２ｎΩｍ（２０℃）、温度係数：０．００４／℃）等の金属薄板ないし金属箔を打ち抜き加工したり、切断加工したり、エッチング加工したりして構成したものが好適であるが、銅が最も好適である。また、その厚さは、高周波電流が流れる表面からの深さδの２倍以上、３倍以下のものが好適である。ここで、高周波電流が流れる導体表面からの深さδは、δ＝（２／ωμσ）／２（式中、ωは高周波の角周波数、μは透磁率、σは導電率である）で与えられる。具体例を示すと、高周波電流の周波数が１００ＭＨｚの場合で、１００μｍ程度の厚さのものが好適である。
The metal material constituting the
図２Ａは、Ｔｕｎｅ用（調整用）の可変コンデンサ１４のＴｕｎｅ容量を変化させたときのＶＨＦ帯における高周波電力（ＶＨＦ電力）とアンテナ電流との関係を表すグラフであり、図２Ｂは、Ｔｕｎｅ容量を変化させたときのＶＨＦ帯における高周波電力（ＶＨＦ電力）とアンテナ電圧との関係を表すグラフである。
FIG. 2A is a graph showing the relationship between the high frequency power (VHF power) in the VHF band and the antenna current when the Tun capacity of the
アンテナ１５は、整合回路に連続的に接続された連続した配線を有しており、Ｔｕｎｅ容量とインダクタ１３とを変化させて整合しても、図２Ａに示されるように、Ｔｕｎｅ容量の変化に対するアンテナ１５を流れるアンテナ電流は変化しない。また、プラズマ発生の有無により整合回路の整合度の変動は比較的少ない。
The
一方、図２Ｂに示されるように、可変コンデンサ１４のＴｕｎｅ容量が低い値で整合するほど、アンテナ１５に印加される対接地電圧であるアンテナ電圧は大きくなる。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, the antenna voltage, which is the ground voltage applied to the
図２Ａ及び図２Ｂに表されたグラフより、可変コンデンサ１４のＴｕｎｅ容量が低いほど、大きなアンテナ電圧を確保することができ、アンテナ電流とアンテナ電圧との相乗効果で規定されるプラズマ出力は大きくなり、高効率化が達成される。
From the graphs shown in FIGS. 2A and 2B, the lower the Tun capacity of the
なお、ＶＨＦ帯（ＶＨＦ：Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（本実施の形態では４０．６８ＭＨｚ帯を例示）である４０．６８ＭＨｚ帯において、可変コンデンサ１４の容量値は１０ｐＦ以下であることが好ましい。図２Ｂに示されるように、可変コンデンサ１４の容量値が１０ｐＦ以下の場合、高周波入力電力（ＶＨＦ電力）の増加によりアンテナ電圧も増加するため、安定してプラズマを発生させることができる。一方、可変コンデンサ１４の容量値が１０ｐＦより大きい場合、高周波入力電力（ＶＨＦ電力）を増加してもアンテナ電圧が十分大きくならず、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）の寄与分が少ないためプラズマが弱い。
In the 40.68 MHz band, which is a VHF band (VHF: Very High Frequency) (40.68 MHz band is exemplified in this embodiment), the capacitance value of the
なお、高周波入力電力の周波数が高いほど、アンテナ電圧は低下する。よって、上述した４０．６８ＭＨｚ帯では、可変コンデンサ１４の上限値を１０ｐＦと設定したが、高周波入力電力が高周波になるほど可変コンデンサ１４の上限値は厳しく（低く）なり、低周波になるほど可変コンデンサ１４の上限値は緩和される（高くなる）。
Note that the higher the frequency of the high frequency input power, the lower the antenna voltage. Therefore, in the 40.68 MHz band described above, the upper limit value of the
図７Ａは、従来の容量結合型の大気圧プラズマ発生装置の回路構成図であり、図７Ｂは、従来の誘導結合型の大気圧プラズマ発生装置の回路構成図である。 FIG. 7A is a circuit configuration diagram of a conventional capacitively coupled atmospheric pressure plasma generator, and FIG. 7B is a circuit configuration diagram of a conventional inductively coupled atmospheric pressure plasma generator.
図７Ａに記載された従来の大気圧プラズマ発生装置５００は、可変コンデンサ５１２及び５１３と、対向電極５１５と、放電管５１６とを備える。また、図７Ｂに記載された従来の大気圧プラズマ発生装置６００は、可変コンデンサ６１２及び６１３と、アンテナ６１５と、放電管６１６とを備える。
A conventional atmospheric
従来の容量結合型の大気圧プラズマ発生装置５００では、放電管５１６を介して高周波電源５１１からの高周波電圧が印加され、ガス供給された放電管５１６内にプラズマが発生する。本構成では、放電管がプラズマ発生回路の電流パスの一部を構成しているため、放電管５１６内のプラズマの有無により可変コンデンサ５１２及び５１３で構成される整合回路の状態が大きく変化する。つまり、プラズマの有無により回路のインピーダンスが大きく変動するため、自動整合回路が無いとプラズマが維持できない。そのため、調整用のモータが必要となりユニットが大型化してしまう。
In the conventional capacitively coupled atmospheric
また、従来の誘導結合型の大気圧プラズマ発生装置６００では、放電管６１６に対してアンテナ６１５と、可変コンデンサ６１２及び６１３で構成される整合回路とが連続して配線されている。このため、プラズマの有無により整合回路の状態は大きく変動せず、放電管６１６内のプラズマとアンテナ６１５の電波とのカップリング分のみが変わるため、容量結合型に比べほとんど整合回路は影響を受けない。よって、自動整合回路が不要となり、ユニットが小型化できるという利点を有する。しかし、高周波電源６１１からの電力供給に対して、アンテナ６１５に流れる電流成分しか活用できていないため（アンテナ６１５にかかる電圧を任意に制御できないため）、プラズマ発生効率が低い。
In the conventional inductively coupled atmospheric
これに対し、本発明の実施の形態１に係る大気圧プラズマ発生装置１は、アンテナ１５と高周波電源１１の一端との間に、可変コンデンサ１４を設け、可変コンデンサ１４の対抗側にインダクタ１３を設け、可変コンデンサ１４、インダクタ１３及びアンテナ１５のリアクタンス成分の和を調整し、可変コンデンサ１２のリアクタンス成分と調整して高周波電源１１とのマッチングを取ることにより、アンテナ１５への印加電圧を大きくしている。上記構成により、アンテナ１５に流れる電流とアンテナ１５の対地電圧とを、ハイブリッド状態で放電ガスが流れる放電管１６によるプラズマ発生により効率的に用いることが可能となる。よって、自動整合回路不要で小型、かつ、高効率のプラズマを大気圧下で発生させることが可能となる。
On the other hand, in the atmospheric
なお、上記実施の形態では、可変コンデンサ１２及び１４、インダクタ１３ならびにアンテナ１５の回路構成要素のみを考慮して並列側インピーダンスと直列側インピーダンスとの整合をとる場合を説明したが、配線のインダクタンス成分等も考慮してインピーダンス整合をとることが好ましい。以下、配線のインダクタンス成分等を考慮したインピーダンス整合について説明する。
In the above-described embodiment, the case where the parallel-side impedance and the series-side impedance are matched considering only the circuit components of the
図３は、実施の形態１の変形例に係る大気圧プラズマ発生装置の回路構成図である。同図に記載された大気圧プラズマ発生装置の回路は、図１に記載された大気圧プラズマ発生装置の回路と比較して、配線のインダクタンス成分（ｌ１〜ｌ６）が付加されている点が異なる。以下、図１に記載された大気圧プラズマ発生装置の回路と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。 FIG. 3 is a circuit configuration diagram of an atmospheric pressure plasma generator according to a modification of the first embodiment. Compared with the circuit of the atmospheric pressure plasma generator described in FIG. 1, the circuit of the atmospheric pressure plasma generator described in FIG. 1 has added wiring inductance components (l 1 to l 6 ). Is different. Hereinafter, the same points as the circuit of the atmospheric pressure plasma generator described in FIG. 1 will not be described, and only different points will be described.
図３に記載された大気圧プラズマ発生装置の回路図において、可変コンデンサ１２を接続する配線にはインダクタンスｌ１及びｌ２が付加され、インダクタ１３を接続する配線には、インダクタンスｌ３及びｌ６が付加され、可変コンデンサ１４を接続する配線には、インダクタンスｌ４及びｌ５が付加されている。
In the circuit diagram of the atmospheric pressure plasma generator shown in FIG. 3, inductances l 1 and l 2 are added to the wiring connecting the
この場合、並列側のインピーダンスＺｐは（ｊω（ｌ１＋ｌ２）−１／ｊωＣ１２）となり、直列側のインピーダンスＺｓは（Ｒ＋ｊω（Ｌ１３＋Ｌ１５＋ｌ３＋ｌ４＋ｌ５＋ｌ６）−１／ｊωＣ１４）となる。ここで、Ｚｐのリアクタンス成分が容量性の場合には、Ｚｓのリアクタンス成分が誘導性となるようインダクタ１３の値を設定し、可変コンデンサ１４を調整する。また、Ｚｐのリアクタンス成分が誘導性の場合には、Ｚｓのリアクタンス成分が容量性となるよう、インダクタ１３の値を設定し、可変コンデンサ１４を調整する。
In this case, the impedance Zp on the parallel side is (jω (l 1 + l 2 ) −1 / jωC 12 ), and the impedance Zs on the series side is (R + jω (L 13 + L 15 + l 3 + l 4 + l 5 + l 6 ) −1 / jωC 14 ). Here, when the reactance component of Zp is capacitive, the value of the
上述したように、配線のインダクタンス成分を考慮することにより、実回路におけるインピーダンス整合の精度が向上するので、より高効率なプラズマ発生を実現することが可能となる。 As described above, by considering the inductance component of the wiring, the impedance matching accuracy in the actual circuit is improved, so that it is possible to realize more efficient plasma generation.
（実施の形態２）
実施の形態１では、コンデンサ部の容量を調整し、アンテナ部に印加される対接地電圧と、放電管の終端方向の無限遠点に想定される電位０Ｖ相当の接地電圧との電位差を大きくすることにより、容量結合型のプラズマの発生効率を向上させている。これに対して、本実施の形態では、整合回路に対し連続的に接続されるアンテナ部の両端側のいずれかに直列に接続された複数のコンデンサ素子からなるコンデンサ部を配置することにより、アンテナ部に印加される対接地電圧と、放電管の終端方向の無限遠点に想定される電位０Ｖ相当の接地電圧との電位差を大きくし、容量結合型のプラズマの発生効率を向上させる。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the capacitance of the capacitor unit is adjusted to increase the potential difference between the ground voltage applied to the antenna unit and the ground voltage corresponding to a potential of 0 V assumed at the infinity point in the end direction of the discharge tube. This improves the generation efficiency of capacitively coupled plasma. On the other hand, in this embodiment, an antenna is provided by disposing a capacitor unit composed of a plurality of capacitor elements connected in series on either side of the antenna unit continuously connected to the matching circuit. The potential difference between the ground voltage applied to the section and the ground voltage corresponding to the potential of 0 V assumed at the infinity point in the terminal direction of the discharge tube is increased, and the generation efficiency of the capacitively coupled plasma is improved.
図４Ａは、本発明の実施の形態２に係る大気圧プラズマ発生装置の概略的な回路図としての第１の構成図である。本構成図に記載された大気圧プラズマ発生装置３００は、基板の上に、可変コンデンサ１２及び３１３と、インダクタ３１４と、アンテナ３１５と、放電管３１６とを備える。実施の形態１に係る大気圧プラズマ発生装置１と比較して、本実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置３００は、アンテナ３１５の両端側にアンテナ３１５と直列接続された可変コンデンサ３１３、インダクタ３１４が互いに対向するように整合回路内に配置されており、この整合回路内における可変コンデンサ３１３及びインダクタ３１４の配置関係が逆になっている点、及び、アンテナ３１５の構成が容量結合型である点が異なる。以下、実施の形態１に係る大気圧プラズマ発生装置１と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみ説明する。
FIG. 4A is a first configuration diagram as a schematic circuit diagram of an atmospheric pressure plasma generation apparatus according to
インダクタ３１４は、可変コンデンサ１２の基準端子であり接地端子である一端と、アンテナ３１５の一端との間に直列に接続されたインダクタ素子である。可変コンデンサ３１３は、高周波電源１１の他端とアンテナ３１５の他端との間に、直列に接続された複数のコンデンサ素子（図示せず）である。インダクタ３１４、可変コンデンサ３１３及び可変コンデンサ１２は、高周波電源とアンテナ３１５とのインピーダンス整合をとるための整合回路を構成する。可変コンデンサ１２及び３１３は、容量を変化させることにより、整合回路のインピーダンス整合を行うことができる。
The
アンテナ３１５の他端側に直列に接続された複数のコンデンサ素子（図示せず）からなる可変コンデンサ３１３により、アンテナ３１５に印加されるアンテナ電圧が大きくなり、このアンテナ電圧と、放電管内に発生したプラズマが放電管より照射される放電管の終端方向の無限遠点に想定される電位０Ｖ相当の接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマの発生効率を向上させることが可能となる。
The
また、上述したリアクタンス成分の調整によりアンテナ３１５と高周波電源とのインピーダンス整合を予めとり、アンテナ３１５、インダクタ３１４及び可変コンデンサ３１３のリアクタンス成分の総和を変えなければ、可変コンデンサ１２を調整することなくアンテナ３１５とのインピーダンス整合は継続される。よって上記整合回路に連続的に接続された連続した配線を有するアンテナ３１５に流れる電流は一定となり、安定した誘導結合型のプラズマを発生させることが可能となる。また、上記容量結合型のプラズマの有無により、上記整合回路の整合度の変動は比較的少ないので、自動調整回路は不要である。
Further, if the impedance matching between the
以上のように、整合回路に対し連続的に接続されるアンテナ３１５の両端側のいずれかに直列に接続された複数のコンデンサ素子からなるコンデンサ部を配置することにより、アンテナ３１５の両端側のいずれかにかかる大きな対接地電圧による容量結合型のプラズマが発生して、効率の良いプラズマが発生する。
As described above, by disposing a capacitor unit composed of a plurality of capacitor elements connected in series to either end of the
図４Ｂは、本発明の実施の形態２に係る大気圧プラズマ発生装置の概略的な回路図としての第２の構成図である。本構成図に記載された大気圧プラズマ発生装置４００は、基板の上に、可変コンデンサ１２及び４１３と、インダクタ４１４と、アンテナ４１５と、放電管４１６とを備える。上述の大気圧プラズマ発生装置３００と比較して、大気圧プラズマ発生装置４００は、アンテナ４１５の構成が異なる。以下、大気圧プラズマ発生装置３００と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみ説明する。
FIG. 4B is a second configuration diagram as a schematic circuit diagram of the atmospheric pressure plasma generation apparatus according to
アンテナ４１５は、アンテナ３１５と異なり、両端がインダクタ４１４、可変コンデンサ４１３及び可変コンデンサ１２で構成される整合回路に接続された、連続した巻線型の配線である。これにより、放電管４１６において、誘導結合型のプラズマが発生する。さらに、 アンテナ４１５の他端側に直列に接続された複数のコンデンサ素子（図示せず）からなる可変コンデンサ４１３により、アンテナ４１５に印加されるアンテナ電圧が大きくなり、このアンテナ電圧と、放電管内に発生したプラズマが放電管より照射される放電管の終端方向の無限遠点に想定される電位０Ｖ相当の接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマを発生させることが可能となる。
Unlike the
以上のように、整合回路に対し連続的に接続されるアンテナ４１５の両端側のいずれかに直列に接続された複数のコンデンサ素子からなるコンデンサ部を配置することにより、アンテナ４１５を流れる電流による誘導結合型のプラズマと、アンテナ４１５の両端側のいずれかにかかる大きな対接地電圧による容量結合型のプラズマとが合成されたハイブリッドプラズマが発生して、効率の良いプラズマが発生する。
As described above, the capacitor portion made up of a plurality of capacitor elements connected in series is arranged on either end of the
（実施の形態３）
本実施の形態では、容量結合型プラズマ及び誘導結合型プラズマを合成しハイブリッドで発生させることができる、製造容易なアンテナを備える大気圧プラズマ発生装置について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment mode, an atmospheric pressure plasma generation apparatus including an easily manufactured antenna that can synthesize capacitively coupled plasma and inductively coupled plasma and generate them in a hybrid manner will be described.
図５は、本発明の実施の形態２に係る大気圧プラズマ発生装置の構成図である。本構成図に記載された大気圧プラズマ発生装置２は、基板３０の上に、高周波電源２１と並列に接続される可変コンデンサ２２及び複数のコンデンサ素子からなるコンデンサ部である可変コンデンサ２４と、インダクタ２３と、アンテナ２５と、放電管２６とを備える。可変コンデンサ２４とインダクタ２３とアンテナ２５のアンテナ配線２５１とは直列に接続される。大気圧プラズマ発生装置２は、実施の形態１に係る大気圧プラズマ発生装置１と比較して、アンテナの構成のみが異なる。以下、大気圧プラズマ発生装置１と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
FIG. 5 is a configuration diagram of an atmospheric pressure plasma generator according to
高周波電源２１、可変コンデンサ２２及び２４、インダクタ２３ならびに放電管２６は、それぞれ、実施の形態１に係る高周波電源１１、可変コンデンサ１２及び１４、インダクタ１３ならびに放電管１６と、構造及び機能は同じである。
The high-
アンテナ２５は、インダクタ２３及び可変コンデンサ２４で構成された整合回路の両端に接続されている。また、アンテナ２５は、当該整合回路と連続した配線であって、高周波電源２１からの高周波電流が流れ、放電管２６の長手方向（管軸方向）と平行に配置された直線形状の第１のアンテナ部である第１のアンテナ配線２５１と、第１のアンテナ配線２５１に接続され、放電管２６の長手方向（管軸方向）と垂直であって、基板に対する法線方向（図示、Ｙ軸方向）から見て放電管２６と交差し接触する部分を有する第２のアンテナ部である第２のアンテナ配線２５２と、第２のアンテナ配線２５２と対向し（に対して平行で）基板に対する法線方向（図示、Ｙ軸方向）から見て放電管２６と交差する部分を有し、第２のアンテナ配線２５２と対向、離間して配置された接地配線である、第３のアンテナ部である第３のアンテナ配線２５３とを有する。第２のアンテナ配線２５２は、一端が第１のアンテナ配線２５１に接続され、他端が開放されている。また、第２のアンテナ配線２５２に対向する第３のアンテナ配線２５３は、第２のアンテナ配線２５２より放電管２６のプラズマの吹き出し（照射）側に位置する。
The
上記アンテナ２５を有する大気圧プラズマ発生装置２は、例えば、以下のように構成される。
The atmospheric
アンテナ２５は、例えば、基板３０の上に、平板状の金属材料にてパターニング形成される。当該基板上には、高周波電源２１と接続するためのコネクタが配設されている。基板の材質としては、熱伝導性の高いアルミナ、サファイヤ、アルミナイトライド、シリコンナイトライド、窒化ホウ素、及び炭化ケイ素などが好適である。
The
アンテナ２５の上部には、第１のアンテナ配線２５１に近接し第１のアンテナ配線２５１に平行に、誘電体から成る放電管２６が配設される。放電管２６の上端は、基板の上端近傍に配置されてこの上端からガスを供給するように構成されるとともに、放電管２６の下端は基板の下端よりも適当距離下方に延出され、その下端から発生されたプラズマを吹き出してプラズマ処理を行うように構成されている。
Disposed above the
インダクタ２３は、その一端がアンテナ２５、その他端が可変コンデンサ２２と電気的に接続されている。
The
一方、可変コンデンサ２２は、その電極の一端がグランド電極側、他端がインダクタ２３側に半田付けされ、複数のコンデンサ素子からなる可変コンデンサ２４の外側のコンデンサ素子２４１、２４４の電極は、それぞれ、第１のアンテナ配線２５１と可変コンデンサ２２側のグランド電極に接続されている。
On the other hand, one end of the
以上の構成の大気圧プラズマ発生装置２によれば、高周波電源２１から整合回路を構成するインダクタ２３及び可変コンデンサ２４を介し、第１のアンテナ配線２５１に高周波電流が流れる。整合回路は、実施の形態１と同様にして、予めインピーダンス整合が取られているので、当該高周波電流により放電管２６に誘導結合型のプラズマが安定的に発生する。さらに、複数のコンデンサ素子からなる可変コンデンサ２４の容量値は、実施の形態１と同様にして低く設定されていることから、第２のアンテナ配線２５２に印加される対接地電圧が大きくなる。これにより、この対接地電圧と、第３のアンテナ配線２５３の接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマが安定的かつ高効率に発生する。
According to the atmospheric
以上により、第１のアンテナ配線２５１を流れる電流による誘導結合型のプラズマと、第２のアンテナ配線２５２にかかる大きな電圧による容量結合型のプラズマとが合成されたハイブリッドプラズマが発生して、効率の良いプラズマが発生する。また、第１のアンテナ配線２５１は、整合回路と連続配線で構成されているので、上記容量結合型のプラズマの有無により、上記整合回路の整合度の変動は比較的少ないので、自動調整回路は不要である。さらに、アンテナ２５は、巻線型や平面波状型ではなく、放電管２６に沿う方向に配置される簡単な直線形状から構成されているので、例えば、銅板等の金属材料の打ち抜きや切断加工やエッチング加工にて容易かつ安価に製造することができる。
As a result, a hybrid plasma in which an inductively coupled plasma caused by the current flowing through the
以下、本実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置２に適用されるアンテナの構造の変形例について説明する。
Hereinafter, a modification of the structure of the antenna applied to the atmospheric
図６Ａは、本発明の実施の形態３に係る大気圧プラズマ発生装置が備えるアンテナの第１の変形例を示す構成図である。同図に記載されたアンテナ３５は、図５に記載されたアンテナ２５と比較して、接地された第３のアンテナ配線２５３が構成されていない点のみが異なる。
FIG. 6A is a configuration diagram showing a first modification of the antenna provided in the atmospheric pressure plasma generation apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. The
このアンテナ３５を、例えば図５のアンテナ２５と入れ替えて構成した大気圧プラズマ発生装置によれば、高周波電源２１から第１のアンテナ配線３５１に高周波電流が流れる。当該高周波電流により、放電管２６に誘導結合型のプラズマが安定的に発生する。さらに、可変コンデンサ２４の容量値は低く設定されていることから、第２のアンテナ配線３５２に印加される対接地電圧が大きくなる。これにより、この対接地電圧と、放電管内に発生したプラズマが放電管より照射される放電管２６の終端方向の無限遠点に想定される接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマが安定的かつ高効率に発生する。よって、整合回路の整合度の変動は比較的少ないので、自動調整回路は不要である。さらに、アンテナ３５は、巻線型や平面波状型ではなく、簡単な直線形状から構成されているので、銅板等の金属材料の打ち抜きや切断加工やエッチング加工にて容易かつ安価に製造することができる。
According to the atmospheric pressure plasma generator configured by replacing the
なお、上述したアンテナ３５において、放電管２６に交差する第２のアンテナ配線３５２は１本の配線としているが、複数本の配線であってもよい。具体的には、例えば、複数の第２のアンテナ配線３５２の各々は、放電管２６と交差し、一端が第１のアンテナ配線３５１に接続され、他端が開放されている。また、複数の第２のアンテナ配線３５２は、互いに等間隔であり平行に配置されている。このような構成であっても、図６Ａに記載されたアンテナ３５と同様の効果が奏され、さらに、アンテナ３５と比較して容量結合プラズマの発生効率が向上する。
In the
図６Ｂは、本発明の実施の形態３に係る大気圧プラズマ発生装置が備えるアンテナの第２の変形例を示す構成図である。同図に記載されたアンテナ４５は、図５に記載されたアンテナ２５と比較して、第１のアンテナ配線４５１が、放電管２６の近傍ではなく、基板の法線方向（Ｙ軸方向、平面視）から見て放電管２６と接触かつ重複して配置されている点が異なる。さらに、第１のアンテナ配線４５１の両端に接続された第２のアンテナ配線４５２の両端は、整合回路に連続的に接続されている。第１のアンテナ配線４５１及び第２のアンテナ配線４５２は、高周波電源２１からの高周波電流が流れる閉じた回路を構成する第１のアンテナ部を構成している。また、第１のアンテナ配線４５１は、少なくとも放電管２６の長手方向に沿って放電管２６と接触する部分を有する直線形状あるいは放電管２６の長手方向に沿って連続的に放電管２６の短手方向の幅内で放電管２６と接触する第２のアンテナ部を構成している。
FIG. 6B is a configuration diagram showing a second modification of the antenna provided in the atmospheric pressure plasma generation apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. Compared with the
このアンテナ４５を例えば図５のアンテナ２５と入れ替えて構成した大気圧プラズマ発生装置によれば、高周波電源２１から第１のアンテナ配線４５１及び第２のアンテナ配線４５２に高周波電流が流れる。当該高周波電流により、放電管２６に誘導結合型のプラズマが安定的に発生する。さらに、可変コンデンサ２４の容量値は低く設定されていることから、第２のアンテナ配線４５２及び第１のアンテナ配線４５１に印加される対接地電圧が大きくなる。これにより、この対接地電圧と、放電管内に発生したプラズマが放電管より照射される放電管２６の終端方向の無限遠点に想定される接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマが安定的かつ高効率に発生する。よって、整合回路の整合度の変動は比較的少ないので、自動調整回路は不要である。さらに、アンテナ４５は、巻線型や平面波状型ではなく、簡単な直線形状から構成されているので、銅板等の金属材料の打ち抜きや切断加工やエッチング加工にて容易かつ安価に製造することができる。
For example, according to the atmospheric pressure plasma generator configured by replacing the
図６Ｃは、本発明の実施の形態３に係る大気圧プラズマ発生装置が備えるアンテナの第３の変形例を示す構成図である。同図に記載されたアンテナ５５は、図６Ｂに記載されたアンテナ４５と比較して、第２のアンテナ部である第１のアンテナ配線５５１が、放電管２６の長手方向に沿って近接配置されている点、及び、第２のアンテナ配線５５２の互いに対向して配置される少なくとも一部が、基板の法線方向（Ｙ軸方向、平面視）から見て放電管２６と接触かつ交差して配置されている点が異なる。さらに、第１のアンテナ配線５５１の両端に接続された第２のアンテナ配線５５２の両端は、整合回路に接続されている。第１のアンテナ配線５５１及び第２のアンテナ配線５５２は、高周波電源２１からの高周波電流が流れる第１のアンテナ部を構成している。
FIG. 6C is a configuration diagram illustrating a third modification of the antenna included in the atmospheric pressure plasma generation apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In the
このアンテナ５５を例えば図５のアンテナ２５と入れ替えて構成した大気圧プラズマ発生装置によれば、高周波電源２１から第２のアンテナ配線５５２を介して第１のアンテナ配線５５１に高周波電流が流れる。当該高周波電流により、放電管２６に誘導結合型のプラズマが安定的に発生する。さらに、可変コンデンサ２４の容量値は低く設定されていることから、第２のアンテナ配線５５２に印加される対接地電圧が大きくなる。これにより、この対接地電圧と、放電管内に発生したプラズマが放電管より照射される放電管２６の終端方向の無限遠点に想定される接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマが安定的かつ高効率に発生する。よって、整合回路の整合度の変動は比較的少ないので、自動調整回路は不要である。さらに、アンテナ５５は、巻線型や平面波状型ではなく、簡単な直線形状から構成されているので、銅板等の金属材料の打ち抜きや切断加工やエッチング加工にて容易かつ安価に製造することができる。
For example, according to the atmospheric pressure plasma generator configured by replacing the
図６Ｄは、本発明の実施の形態３に係る大気圧プラズマ発生装置が備えるアンテナの第４の変形例を示す構成図である。同図に記載されたアンテナ７５は、図５に記載されたアンテナ２５と比較して、接地された第３のアンテナ配線２５３が構成されていない点、第１のアンテナ配線７５１が放電管２６と近接して配置されていない点、及び第１のアンテナ７５１に接続され放電管２６に近接して平行に配置されたアンテナ配線７５２を備える点が異なる。
FIG. 6D is a configuration diagram illustrating a fourth modification example of the antenna included in the atmospheric pressure plasma generation device according to Embodiment 3 of the present invention. The
このアンテナ７５を、例えば図５のアンテナ２５と入れ替えて構成した大気圧プラズマ発生装置によれば、高周波電源２１から第１のアンテナ部である第１のアンテナ配線７５１に高周波電流が流れる。また、第１のアンテナ配線７５１と放電管２６とが、近傍に配置されている場合、当該高周波電流により、放電管２６に誘導結合型のプラズマが発生する。一方、可変コンデンサ２４の容量値は低く設定されていることから、第２のアンテナ部である第２のアンテナ配線７５２に印加される対接地電圧が大きくなる。これにより、この対接地電圧と、放電管内に発生したプラズマが放電管より照射される放電管２６の終端方向の無限遠点に想定される接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマが安定的かつ高効率に発生する。よって、アンテナ７５は、巻線型や平面波状型ではなく、簡単な直線形状から構成されているので、銅板等の金属材料の打ち抜きや切断加工やエッチング加工にて容易かつ安価に製造することができる。
For example, according to the atmospheric pressure plasma generator configured by replacing the
図６Ｅは、実施の形態３に係る大気圧プラズマ発生装置が備えるアンテナの第５の変形例を示す構成図である。同図に記載されたアンテナ８５は、図５に記載されたアンテナ２５と比較して、接地された第３のアンテナ配線２５３が構成されていない点、第１のアンテナ配線８５１が放電管２６と近接して配置されていない点、及び第１のアンテナ７５１に接続され放電管２６を覆うように配置された円筒型の第２のアンテナ配線８５２を備える点が異なる。
FIG. 6E is a configuration diagram illustrating a fifth modification of the antenna included in the atmospheric pressure plasma generation device according to Embodiment 3. The
このアンテナ８５を、例えば図５のアンテナ２５と入れ替えて構成した大気圧プラズマ発生装置によれば、高周波電源２１から第１のアンテナ部である第１のアンテナ配線８５１に高周波電流が流れる。また、第１のアンテナ配線８５１と放電管２６とが、近傍に配置されている場合、当該高周波電流により、放電管２６に誘導結合型のプラズマが発生する。一方、可変コンデンサ２４の容量値は低く設定されていることから、第２のアンテナ部である第２のアンテナ配線８５２に印加される対接地電圧が大きくなる。これにより、この対接地電圧と、放電管内に発生したプラズマが放電管より照射される放電管２６の終端方向の無限遠点に想定される接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマが安定的かつ高効率に発生する。
According to the atmospheric pressure plasma generator configured by replacing the
図６Ｆは、本発明の実施の形態３に係る大気圧プラズマ発生装置が備えるアンテナの第６の変形例を示す構成図である。同図に記載されたアンテナ９５は、図６Ｂに記載されたアンテナ４５と比較して、第２のアンテナ配線９５２が、放電管２６に斜めに１回の交差にて配置されている点が異なる。さらに、第２のアンテナ配線９５２の両端に接続された第１のアンテナ配線９５１の両端は、整合回路に接続されている。第１のアンテナ配線９５１及び第２のアンテナ配線９５２は、高周波電源２１からの高周波電流が流れる第１のアンテナ部を構成している。
FIG. 6F is a configuration diagram illustrating a sixth modification of the antenna included in the atmospheric pressure plasma generation device according to Embodiment 3 of the present invention. The
このアンテナ９５を、例えば図５のアンテナ２５と入れ替えて構成した大気圧プラズマ発生装置によれば、高周波電源２１から第１のアンテナ配線９５１及び第２のアンテナ配線９５２に高周波電流が流れる。当該高周波電流により、放電管２６に誘導結合型のプラズマが安定的に発生する。さらに、可変コンデンサ２４の容量値は低く設定されていることから、第２のアンテナ部である第２のアンテナ配線９５２に印加される対接地電圧が大きくなる。これにより、この対接地電圧と、放電管内に発生したプラズマが放電管より照射される放電管２６の終端方向の無限遠点に想定される接地電圧との電位差が大きくなるので、容量結合型のプラズマが安定的かつ高効率に発生する。よって、整合回路の整合度の変動は比較的少ないので、自動調整回路は不要である。さらに、アンテナ９５は、巻線型や平面波状型ではなく、簡単な直線形状から構成されているので、銅板等の金属材料の打ち抜きや切断加工やエッチング加工にて容易かつ安価に製造することができる。
For example, according to the atmospheric pressure plasma generator configured by replacing the
なお、本実施の形態において、図５に記載された可変コンデンサ２４が、複数のコンデンサ素子からなるコンデンサ部でない場合であっても、本実施の形態に係る第１のアンテナ部及び第２のアンテナ部からなり容量結合型及び誘導結合型が合成されたハイブリッドプラズマを生成可能な大気圧プラズマ発生装置は構成可能である。
In the present embodiment, even if the
以上、本発明の大気圧プラズマ発生装置について、実施の形態１〜３に基づいて説明してきたが、本発明に係る大気圧プラズマ発生装置は、上記実施の形態１〜３に限定されるものではない。実施の形態１〜３における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態１〜３に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る大気圧プラズマ発生装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。 As mentioned above, although the atmospheric pressure plasma generator of this invention has been demonstrated based on Embodiment 1-3, the atmospheric pressure plasma generator which concerns on this invention is not limited to the said Embodiment 1-3. Absent. Other embodiments realized by combining arbitrary constituent elements in the first to third embodiments, and various modifications conceivable by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention to the first to third embodiments. Modifications obtained in this manner and various devices incorporating the atmospheric pressure plasma generator according to the present invention are also included in the present invention.
例えば、実施の形態２の係る大気圧プラズマ発生装置３００及び４００におけるアンテナ部の構成を、実施の形態３に係るアンテナ２５、３５、４５、５５、７５、８５及び９５に置き換えた構成も、本発明の範囲であり、同様の効果を奏する。
For example, a configuration in which the configuration of the antenna unit in the atmospheric pressure
なお、実施の形態３において、第１のアンテナ配線及び第２のアンテナ配線と放電管の長手方向（管軸方向）とが平行または垂直（交差）の位置関係にあることを説明したが、当該平行及び当該垂直とは、それぞれ、第１のアンテナ配線及び第２のアンテナ配線と放電管の管軸方向とのなす角度が厳密に１８０度及び９０度であることに限定されず、常識的に許容される範囲の誤差が含まれる。 In the third embodiment, it has been described that the first antenna wiring and the second antenna wiring and the longitudinal direction (tube axis direction) of the discharge tube have a parallel or vertical (intersection) positional relationship. The parallel and the vertical are not limited to the fact that the angle formed by the first antenna wiring and the second antenna wiring and the tube axis direction of the discharge tube is strictly 180 degrees and 90 degrees, respectively. An acceptable range of errors is included.
本発明の大気圧プラズマ発生装置は、基板端子の局所的な洗浄や表面改質などについて行う小型かつ高効率のプラズマ処理に有用である。 The atmospheric pressure plasma generator of the present invention is useful for small and high-efficiency plasma processing performed for local cleaning or surface modification of a substrate terminal.
１、２、５００、６００ 大気圧プラズマ発生装置
１１、２１、５１１、６１１ 高周波電源
１２、２２、２４、３１３、４１３、５１２、５１３、６１２、６１３ 可変コンデンサ
１３、２３、３１４、４１４ インダクタ
１４ 可変コンデンサ、コンデンサ部
１５、２５、３５、４５、５５、７５、８５、９５、３１５、４１５、６１５ アンテナ
１６、２６、３１６、４１６、５１６、６１６ 放電管
３０ 基板
３１ コネクタ
１４１ トリマコンデンサ、コンデンサ素子
１４２、１４３、１４４ 固定コンデンサ、コンデンサ素子
２５１、３５１、４５１、５５１、７５１、８５１、９５１ 第１のアンテナ配線
２５２、３５２、４５２、５５２、７５２、８５２，９５２ 第２のアンテナ配線
２５３ 第３のアンテナ配線
５１５ 対向電極
1, 2, 500, 600 Atmospheric
Claims (7)
管軸方向に放電ガスが流れ高周波電源からの高周波電力が供給されることによりプラズマを発生する放電管と、
前記放電管に前記高周波電力を伝達するアンテナ部と、
前記高周波電源と前記アンテナ部との間に配置された整合回路とを備え、
前記整合回路は、
前記高周波電源の一端と前記アンテナ部の一端との間に接続されたインダクタと、
前記高周波電源の他端と前記アンテナ部の他端との間に接続され可変コンデンサとを備え、
前記アンテナ部は、
前記整合回路と連続した配線であって、前記高周波電源からの高周波電流が流れる第１のアンテナ部と、
少なくとも前記放電管の長手方向に沿って前記放電管と接触する部分を有する直線形状の、あるいは前記放電管の長手方向に沿って連続的に前記放電管の短手方向の幅内で前記放電管と接触する第２のアンテナ部とで構成される
大気圧プラズマ発生装置。 An atmospheric pressure plasma generator for generating plasma under atmospheric pressure,
A discharge tube that generates plasma by flowing a discharge gas in the direction of the tube axis and supplying high-frequency power from a high-frequency power source; and
An antenna unit for transmitting the high-frequency power to the discharge tube;
A matching circuit disposed between the high-frequency power source and the antenna unit;
The matching circuit includes:
An inductor connected between one end of the high-frequency power source and one end of the antenna unit;
A variable capacitor connected between the other end of the high-frequency power source and the other end of the antenna unit;
The antenna unit is
A wiring that is continuous with the matching circuit, the first antenna unit through which a high-frequency current from the high-frequency power source flows;
The discharge tube having a linear shape having at least a portion in contact with the discharge tube along the longitudinal direction of the discharge tube, or continuously within the width of the discharge tube along the longitudinal direction of the discharge tube An atmospheric pressure plasma generator composed of a second antenna unit that comes into contact with the device.
請求項１に記載の大気圧プラズマ発生装置。 The atmospheric pressure plasma generation apparatus according to claim 1, wherein the discharge tube, the antenna unit, and the matching circuit are disposed on the same substrate.
前記第２のアンテナ部は、前記基板に対する法線方向から見て、前記放電管と交差する部分を有し、一端が前記第１のアンテナ部に接続され、他端が開放されている
請求項２に記載の大気圧プラズマ発生装置。 The first antenna unit is disposed in proximity to the discharge tube, and both ends are connected to the matching circuit,
The second antenna portion has a portion intersecting with the discharge tube when viewed from a normal direction to the substrate, one end is connected to the first antenna portion, and the other end is open. The atmospheric pressure plasma generator according to 2.
前記第２のアンテナ部と対向し、前記基板に対する法線方向から見て、前記放電管と交差する部分を有する、接地された第３のアンテナ部を備える
請求項３に記載の大気圧プラズマ発生装置。 The antenna unit further includes
4. The atmospheric pressure plasma generation according to claim 3, further comprising a grounded third antenna portion facing the second antenna portion and having a portion intersecting with the discharge tube when viewed from a normal direction to the substrate. apparatus.
前記第２のアンテナ部は、前記基板に対する法線方向から見て、前記放電管と重複して配置され、
前記第１のアンテナ部の両端は、前記整合回路に接続されている
請求項２に記載の大気圧プラズマ発生装置。 The first antenna unit includes the second antenna unit,
The second antenna unit is disposed so as to overlap the discharge tube as viewed from the normal direction to the substrate,
The atmospheric pressure plasma generator according to claim 2, wherein both ends of the first antenna unit are connected to the matching circuit.
前記第２のアンテナ部は、前記放電管と近接して配置され、
前記第１のアンテナ部の両端は、前記整合回路に接続されている
請求項２に記載の大気圧プラズマ発生装置。 The first antenna portion includes the second antenna portion, and has a portion intersecting with the discharge tube when viewed from the normal direction of the substrate,
The second antenna unit is disposed in proximity to the discharge tube,
The atmospheric pressure plasma generator according to claim 2, wherein both ends of the first antenna unit are connected to the matching circuit.
前記第２のアンテナ部は、前記基板の法線方向から見て、前記放電管を横切るように配置され、
前記第１のアンテナ部の両端は、前記整合回路に接続されている
請求項２に記載の大気圧プラズマ発生装置。 The first antenna unit includes the second antenna unit,
The second antenna portion is disposed across the discharge tube as viewed from the normal direction of the substrate,
The atmospheric pressure plasma generator according to claim 2, wherein both ends of the first antenna unit are connected to the matching circuit.
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