JP2013251129A - 大気圧プラズマ発生装置および大気圧プラズマ発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の大気圧プラズマ発生装置から出力されるプラズマのエネルギのバラツキを最小化する。
【解決手段】本発明の大気圧プラズマ発生装置１０は、放電ガスが流れる放電管１４と、高周波電源１２に接続され、放電管１４に高周波電力を供給するアンテナ１６と、高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンス整合をとるための整合回路１８とを有する。整合回路１８が、アンテナ１６に並列に接続された第１の整合回路部１８ａと、アンテナ１６に直列に接続された第２の整合回路部１８ｂとを備える。第１の整合回路部１８ａが、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材２４、２４’と可変コンデンサ２２とを直列に接続することによって構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気圧プラズマ発生装置および大気圧プラズマ発生方法に関する。

従来より、放電ガスが流れる放電管に高周波電力を供給することにより、放電管から大気圧プラズマを発生させる大気圧プラズマ発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された大気圧プラズマ発生装置は、コンパクト化（小型化）されており、放電管近傍に配置されたアンテナと、アンテナに接続されて該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとるための整合回路とを有する。整合回路は、アンテナと直列に接続され、インダクタンスとキャパシタンスから構成される直列整合回路部と、アンテナと並列に接続され、キャパシタンスとから構成される並列整合回路部とを有する。このような構成の整合回路が高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合を適切にとることにより、高周波電源からアンテナに高周波電力が高効率に供給される。

特開２００９−２５９６２６号公報

ところで、製造された複数の大気圧プラズマ発生装置それぞれが発生するプラズマのエネルギは、装置の機差（固体差）によって異なる。例えば、高周波電源からアンテナに供給される高周波電流が流れる回路における配線の寄生リアクタンスや回路抵抗などのバラツキにより、複数の大気圧プラズマ発生装置のプラズマのエネルギのバラツキが生じる。

そこで、本発明は、複数の大気圧プラズマ発生装置のプラズマのエネルギのバラツキを低減することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明の第１の態様によれば、高周波電力を発生する高周波電源と、放電ガスが流れる放電管と、高周波電源に接続され、放電管に高周波電力を供給するアンテナと、高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとるための整合回路とを有し、整合回路が、アンテナに並列に接続された第１の整合回路部と、アンテナに直列に接続された第２の整合回路部とを備え、第１の整合回路部が、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている、大気圧プラズマ発生装置が提供される。

本発明の第２の態様によれば、第１の整合回路部の配線部材が、熱を吸収する芯材に巻回されたコイルで構成されている、第１の態様に記載の大気圧プラズマ発生装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、芯材が筒状であって、コイルが筒状の芯材の外周面に巻回されている、第２の態様に記載の大気圧プラズマ発生装置が提供される。

本発明の第４の態様によれば、第２の整合回路部が高周波電力の位相を調整するためのコイルを有し、第１の整合回路部のコイルの少なくとも一部と第２の整合回路部のコイルの少なくとも一部とが共通の芯材に巻回されている、第２または第３の態様に記載の大気圧プラズマ発生装置が提供される。

本発明の第５の態様によれば、大気圧下でプラズマを発生する大気圧プラズマ発生方法であって、高周波電源に接続されたアンテナを介して放電ガスが流れる放電管に高周波電源が発生した高周波電力を供給することによりプラズマを発生させ、アンテナに並列に接続された第１の整合回路部およびアンテナに直列に接続された第２の整合回路部によって高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとり、第１の整合回路部が、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている、大気圧プラズマ発生方法が提供される。

本発明によれば、アンテナと並列に接続された、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている第１の整合回路部により、高周波電源からアンテナに供給される高周波電力が流れる回路における配線の寄生リアクダンスや回路抵抗などのバラツキによって生じる、複数の大気圧プラズマ発生装置それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを低減することができる。

本発明の一実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の回路図 大気圧プラズマ発生装置の比較例および実施例の簡素化された回路図 比較例と実施例の第１の整合回路部における寄生インダクタンスとキャパシタンスとの関係を示すグラフ図 比較例と実施例の第２の整合回路部における回路抵抗と第１の整合回路部のキャパシタンスとの関係を示すグラフ図 大気圧プラズマ発生装置の構造を示す図 コイルを巻回する芯材と芯材を収容するコイルケースの斜視図 本発明の別の実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の構造を示す図 コイルを巻回する芯材と芯材の両端を支持する支持部材の斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の回路図である。

大気圧プラズマ発生装置１０は、大気圧条件下でプラズマを発生させる装置であって、図１に示すように、高周波電力を発生する高周波電源１２と、放電ガスが流れる放電管１４と、高周波電源１２に接続され、放電管１４に高周波電力を供給するアンテナ１６と、高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンス整合をとるための整合回路１８とを有する。

高周波電源１２は高周波電力を発生し、その発生した高周波電力を高周波電源１２に接続されたアンテナ１６に供給する。

放電管１４は、放電ガスが流れる管状部材であって、高周波電源１２からアンテナ１６を介して高周波電力を供給されることによりプラズマを発生させる。

アンテナ１６は、放電管１４近傍に設けられ、高周波電源１２から供給された高周波電力を放電管１４に供給する。

整合回路１８は、高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンス整合をとるための回路であって、アンテナ１６に並列に接続された第１の整合回路部１８ａと、アンテナ１６に直列に接続された第２の整合回路１８ｂとを有する。

第１の整合回路部１８ａは、静電容量が一定の固定コンデンサ２０と静電容量が調整可能な可変コンデンサ２２との並列回路に対してコイル２４を直列に接続することにより構成されている。第１の整合回路１８ａにおけるコイル２４の一方の端子は固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２との並列回路に対して接続され、他方の端子は第２の整合回路１８ｂと高周波電源１２の出力端子とに電気的に接続されている。また、アンテナ１６に並列に接続される第１の整合回路１８ａにおけるコイル２４に接続されている端子とは反対側の固定コンデンサ２０の端子および可変コンデンサ２２の端子がＧＮＤに対して電気的に接続されている。

第２の整合回路部１８ｂは、アンテナ１６に対して、コイル２６、２８、および可変コンデンサ３６を直列に接続することにより構成されている。厳密に言えば、アンテナ１６が、第２の整合回路１８ｂにおけるコイル２８と、可変コンデンサ３６との間に配置されている。コイル２８に接続されているコイル２６のコイル２８とは反対側の端子が、高周波電源１２の出力端子に対して電気的に接続されている。また、第２の整合回路１８ｂにおける可変コンデンサ３６のアンテナ１６とは反対側の端子がＧＮＤに対して電気的に接続されている。

このような整合回路１８において、コイル２４、２６、２８のインダクタンスと、固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２、３６のキャパシタンスとを適切に設定することにより、高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンス整合をとることができる。

例えば、固定コンデンサ２０の容量をＣ_２０、可変コンデンサ２２の容量をＣ_２２、コイル２４のインダクタンスをＬ_２４とすると、第１の整合回路部１８ａのインピーダンスは、ｊωＬ_２４−１／ｊω（Ｃ_２０＋Ｃ_２２）となる。また、可変コンデンサ３６の容量をＣ_３６、コイル２６、２８のインダクタンスをＬ_２６、Ｌ_２８、アンテナ１６のインダクタンスをＬ_１６、回路抵抗をＲとすると、第２の整合回路１８ｂのインピーダンスは、Ｒ＋ｊω（Ｌ_１６＋Ｌ_２６＋Ｌ_２８）−１／ｊω（Ｃ_３６）となる。第１の整合回路部１８ａのインピーダンスと第２の整合回路部１８ｂのインピーダンスとをマッチングさせることにより、高周波電源１２から出力された高周波電力をアンテナ１６に高効率に供給することができる。

また、第２の整合回路部１８ｂのコイル２６、２８は、アンテナ１６における高周波電力（高周波電流）の位相を調整する整合回路１８の位相調整部として機能する。具体的には、コイル２６、２８は、アンテナ１６において高周波電流の振幅が最大になるように高周波電流の位相を調整する。これにより、アンテナ１６を介して発生するプラズマのエネルギが最大化される。

なお、アンテナ１６における高周波電流の振幅を最大にする位相調整部をコイル２６、２８によって構成する場合、位相調整部を小型化することができる。例えば、位相調整部を波板状（波状や蛇行状の平板状）の導線で構成すると、その導線の長さは、コイル２６、２８によって構成する場合に比べて長くなる。例えば、高周波電源１２の周波数がＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ−Ｓｃｉｅｎｃｅ−Ｍｅｄｉｃａｌ）バンド帯の一つである４０、６８ＭＨｚである場合、波板状の導線で構成される位相調整部の導線の長さは、２，３００ｍｍ必要である。一方、コイル２６、２８のようにコイル状に構成される位相調整部の導線の長さは、半分以下の１，１００ｍｍで構成することが可能である。

さらに、アンテナ１６に対して並列接続の第１の整合回路部１８ａの可変コンデンサ２２とアンテナ１６に対して直列接続の第２の整合回路部１８ｂの可変コンデンサ３６それぞれの容量を調整することにより、複数の大気圧プラズマ発生装置１０それぞれの機差（固体差）の原因である、第１の整合回路部１８ａおよび第２の整合回路部１８ｂのインピーダンスのバラツキを小さくすることができる。それにより、複数の大気圧プラズマ発生装置１０それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを最小化することができる。

特に、第１の整合回路部１８ａや第２の整合回路部１８ｂのインピーダンスのバラツキが大きい場合に備えて、本実施の形態の大気圧プラズマ発生装置１０の場合、その整合回路１８のアンテナ１６に対して並列接続の第１の整合回路部１８ａにコイル２４が設けられている。このことについて具体的に説明する。

大気圧プラズマ発生装置１０の整合回路１８の第１の整合回路部１８ａの配線には、寄生インダクタンスＬ_０が存在する。この寄生インダクタンスＬ_０は、複数の大気圧プラズマ発生装置１０の機差（固体差）として異なることがある。また、第２の整合回路部１８ｂの回路抵抗Ｒも、複数の大気圧プラズマ発生装置１０の機差（固体差）として異なることがある。

寄生インダンクタンスＬ_０や回路抵抗Ｒにバラツキが生じると、複数の大気圧プラズマ発生装置１０それぞれの第１の整合回路部１８ａのインピーダンスのリアクダンス成分にバラツキが生じ、その結果、大気圧プラズマ発生装置１０から出力されるプラズマのエネルギにバラツキが生じる。その対策として、第１の整合回路部１８ａにコイル２４が設けられている。

第１の整合回路部１８ａにコイル２４を設けることによる効果について、図２を参照しながら具体的に説明する。図２示す回路は、図１に示す回路を簡素化したものである。

図２（ａ）は、比較例の大気圧プラズマ発生装置１０の回路を示している。一方、図２（ｂ）は、実施例の大気圧プラズマ発生装置１０の回路を示している。比較例は、第１の整合回路部１８ａにコイル２４が含まれていない点で実施例と異なる。

まず、複数の大気圧プラズマ発生装置１０の第１の整合回路部１８ａの配線の寄生インダクタンスＬ_０が、１８〜２２ｎＨの範囲内で異なる（バラツキが生じる）場合を例に挙げる。なお、高周波電源１２の周波数が４０．６８ＭＨｚであって、第１の整合回路部１８ａのリアクタンス成分の目標値（高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンスの整合に必要な値）が−５．０２５Ωであって、第２の整合回路部１８ｂの回路抵抗Ｒが０．５Ωとする。さらに、実施例のコイル２４のインダクタンスＬ_２４を２７ｎＨとする。

図２（ａ）に示す比較例の場合、第１の整合回路部１８ａの配線の寄生インダクタンスＬ_０が１８〜２２ｎＨの範囲内で異なると、図３に示すように、第１の整合回路部１８ａのキャパシタンスＣ（固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２の容量の和Ｃ_２０＋Ｃ_２２）は、４０６〜３６７ｐＦの範囲内で変化する必要がある。すなわち、可変コンデンサ２２として、容量の調整量が少なくとも３９ｐＦである可変コンデンサを採用する必要がある。

一方、図２（ｂ）に示す実施例の場合、すなわち第１の整合回路部１８ａにインダクタンスＬ_２４が２７ｎＨのコイル２４が設けられる場合、第１の整合回路部１８ａの配線の寄生インダクタンスＬ_０が１８〜２２ｎＨの範囲内で異なると、図３に示すように、第１の整合回路部１８ａのキャパシタンスＣ（固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２の容量の和Ｃ_２０＋Ｃ_２２）は、２３８〜２２３ｐＦの範囲内で変化する必要がある。すなわち、可変コンデンサ２２として、容量の調整量が少なくとも１５ｐＦである可変コンデンサ、例えば２〜２０ｐＦの容量の範囲を備える可変コンデンサを採用することで対応できる。

このような比較例と実施例とからわかるように、可変コンデンサ２２を有する第１の整合回路部１８ａの寄生インダクタンスＬ_０にバラツキが生じる場合、第１の整合回路部１８ａにコイル２４を設ければ（実施例の場合）、可変コンデンサ２２の容量の調整量をより小さくすることができる。

別の観点から言えば、実施例の可変コンデンサと比較例の可変コンデンサの容量の調整量が同一である場合、実施例は、比較例に比べて、第１の整合回路部１８ａの寄生インダクタンスＬ_０のバラツキが大きい場合に効果的により小型の可変コンデンサ２２で対応できることがわかる。

すなわち、高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンス整合をとる整合回路１８において、可変コンデンサ２２とコイル２４とが直列に接続されて構成される第１の整合回路部１８ａは、可変コンデンサのみで構成される第１の整合回路部に比べて、第１の整合回路部１８ａの配線の寄生リアクダンスＬ_０のバラツキによって生じる、複数の大気圧プラズマ発生装置１０それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを低減してより小さくできる。それを、容量の調整量が小さい小型の可変コンデンサ２２で対応することができる。

次に、複数の大気圧プラズマ発生装置１０の第２の整合回路部１８ｂの回路抵抗Ｒが、０．４〜０．６Ωの範囲内で異なる場合を例に挙げる。なお、高周波電源１２の周波数が４０．６８ＭＨｚであって、第１の整合回路部１８ａのリアクタンス成分の目標値（高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンスの整合に必要な値）が−５．０２５Ωであって、第１の整合回路部１８ａの配線の寄生インダクタンスＬ_０が例えば２０ｎＨとする。さらに、実施例のコイル２４のインダクタンスＬ_２４を、２７ｎＨとする。

図２（ａ）に示す比較例の場合、第２の整合回路部１８ｂの回路抵抗Ｒが０．４〜０．６Ωの範囲内で異なると、図４に示すように、第１の整合回路部１８ａのキャパシタンスＣ（固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２の容量の和Ｃ_２０＋Ｃ_２２）は、４０７〜３６８ｐＦの範囲内で変化する必要がある。すなわち、可変コンデンサ２２として、容量の調整量が少なくとも３９ｐＦである可変コンデンサを採用する必要がある。

一方、図２（ｂ）に示す実施例の場合、すなわち第１の整合回路部１８ａにインダクタンスＬ_２４が２７ｎＨのコイル２４が設けられる場合、第２の整合回路部１８ｂの回路抵抗Ｒが０．４〜０．６Ωの範囲内で異なると、図４に示すように、第１の整合回路部１８ａのキャパシタンスＣ（固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２の容量の和Ｃ_２０＋Ｃ_２２）は、２３７〜２２３ｐＦの範囲内で変化する必要がある。すなわち、可変コンデンサ２２として、容量の調整量が少なくとも１４ｐＦである可変コンデンサ、例えば２〜２０ｐＦの容量の範囲を備える可変コンデンサを採用することで対応できる。

このような比較例と実施例とからわかるように、第２の整合回路部１８ｂの回路抵抗Ｒにバラツキが生じる場合、第１の整合回路部１８ａにコイル２４を設ければ（実施例の場合）、可変コンデンサ２２の容量の調整量を小さくすることができる。

別の観点から言えば、実施例の可変コンデンサと比較例の可変コンデンサの容量の調整量が同一である場合、実施例は、比較例に比べて、第２の整合回路部１８ｂの回路抵抗Ｒのバラツキが大きい場合に効果的により小型の可変コンデンサ２２で対応できることがわかる。

すなわち、高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンス整合をとる整合回路１８において、可変コンデンサ２２とコイル２４とが直列に接続されて構成され、アンテナ１６に対して並列に接続される第１の整合回路部１８ａは、可変コンデンサのみで構成され、アンテナ１６に対して並列に接続される第１の整合回路部に比べて、アンテナ１６に対して直列に接続される第２の整合回路部１８ｂの回路抵抗Ｒのバラツキによって生じる、複数の大気圧プラズマ発生装置１０それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを低減してより小さくすることができる。

次に、本実施の形態の大気圧プラズマ発生装置１０の構造について説明する。図５は、図１に示す回路に対応する、大気圧プラズマ発生装置１０の構造図である。

図５は、筐体カバー（図示せず）を取り外した状態の大気圧プラズマ発生装置１０を示している。図５に示すように、大気圧プラズマ発生装置１０の構成要素である、放電管１４と、アンテナ１６と、固定コンデンサ２０と、可変コンデンサ２２、３６と、コイル２４、２６、２８は、ベース部材４０に設けられている。例えば、プラズマ処理される基板に対して相対移動するヘッド（図示せず）に大気圧プラズマ発生装置１０を搭載するとき、このベース部材４０はブラケットとして機能する。

また、アンテナ１６、第１の整合回路部１８ａの固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２、第２の整合回路部１８ｂの可変コンデンサ３６は、ベース部材４０に取り付けられた絶縁性の基板４２上に設けられている。

アンテナ１６は、基板４２上に設けられた、第２の整合回路部１８ｂのコイル２８と可変コンデンサ３６とを電気的に接続する導体４４の一部によって構成されている。このアンテナ１６は、波板状（波状や蛇行状の平板状）の電極として形成されている。第１の整合回路部１８ａの固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２、および第２の整合回路部１８ｂの可変コンデンサ３６それぞれの一方の端子は、基板４２上に設けられてＧＮＤに接続されている導体４６に電気的に接続されている。第１の整合回路部１８ａにおける固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２それぞれの他方の端子は、導体４８を介してコイル２４に電気的に接続されている。第２の整合回路部の可変コンデンサ３６の他方の端子は、その一部がアンテナ１６を構成する導体４４に接続されている。具体的には、可変コンデンサ３６の他方の端子は、コイル２８が接続された導体４４の一方の端とアンテナ１６を挟んで反対側の他方の端に接続されている。なお、第２の整合回路部１８ｂは、キャパシタンスとして１つの可変コンデンサ３６を有するが、可変コンデンサと固定コンデンサの組み合わせによって構成されてもよい。

複数の導体４４〜４８が設けられた基板４２は、高い吸熱性（放熱性）を備えるセラミックスなどの絶縁材料（誘電体材料）から作製されている。大気圧プラズマ発生装置１０の動作中、導体４４〜４８に発生した熱は基板４２に吸収される。基板４２に吸収された熱は、ベース部材４０を介して間接的にまたは直接的に外気に放熱される。これにより、熱によって生じる導体４４〜４８の抵抗やインダクタンスなどの電気的特性の変化を抑制することができる。その結果、高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンス整合が維持され、大気圧プラズマ発生装置１０は安定したプラズマを発生させることができる。

第１の整合回路部１８ａのコイル２４、および第２の整合回路部１８ｂのコイル２６、２８は、絶縁性の芯材５６、５８に巻回されている。具体的には、図６に示すように、芯材５６，５８は、コイルの導線を収容するらせん状の溝５６ａ、５８ａを外周面に備える。

アンテナ１６に並列に接続される第１の整合回路部１８ａのコイル２４とアンテナ１６に直列に接続される第２の整合回路部１８ｂのコイル２６は、共通の芯材５６に巻回されている。これにより、コイル巻回用の芯材の数が減少される。また、第１の整合回路部１８ａのコイル２４と第２の整合回路部１８ｂのコイル２６とを、一体（一つのコイル状の形態）で構成することが可能になる。すなわち、芯材５６に巻回されている１つのコイルの一部分によって第１の整合回路部１８ａのコイル２４を構成し、残りの部分によって第２の整合回路部１８ｂのコイル２６を構成することが可能になる。そのために、図１に示すように、１つのコイル状の形態で形成されている見かけ上は１つのコイルを、第１の整合回路部１８ａのコイル２４と第２の整合回路部１８ｂのコイル２６とに電気的に分割することができる、芯材５６に巻回されている１つのコイルの部分に、高周波電源１２にコネクタ端６０を介して電気的に接続された導線６２が接続されている。

第１の整合回路部１８ａのコイル２４と第２の整合回路部１８ｂのコイル２６とが巻回された芯材５６と、第２の整合回路部１８ｂのコイル２８が巻回された芯材５８は、コイルケース６４に収容された状態でベース部材４０に設けられている。このコイルケース６４は、コイル２４、２６が巻回された芯材５６と、コイル２８が巻回された芯材５８とを収容する２つの凹部６４ａを備える。凹部６４ａそれぞれは、互いに平行に延びる溝状であって、芯材５６、５８の外周面と接触する円筒状の内面を備える。

なお、芯材５６、５８がコイルケース６４の凹部６４ａに収容されたときにコイル２４、２６の巻回方向とコイル２８の巻回方向とが互いに逆向きになるように、コイル２４、２６、２８は対応する芯材５６、５８に巻回されている。これにより、コイル２４、２６から発生する磁界とコイル２８から発生する磁界が互いに打ち消し合い、磁界によって生じるコイル２４、２６、２８のインダクタンスの変化を抑制することができる。

コイル２４、２６、２８が巻回される芯材５６、５８と、芯材５６、５８を収容するコイルケース６４は、コイル２４、２６、２８の熱を吸収できるように構成するのが好ましい。例えば、芯材５６、５８は、管状部材によって作製され、図５や図６に示すように外気に連通する中空部５６ｂ、５８ｂを備える。また、芯材５６、５８とコイルケース６４は、例えば、セラミックスなどの高い吸熱性（放熱性）を備える絶縁材料から作製される。これにより、大気圧プラズマ発生装置１０の動作中、コイル２４、２６、２８に発生した熱は、芯材５６、５８やコイルケース６４に吸収される。芯材５６，５８に吸収された熱は、芯材５６、５８の表面や芯材５６、５８の中空部５６ｂ、５８ｂを介して外気に放熱される、またはコイルケース６４に伝達される。コイルケース６４の熱は、ベース部材４０を介してまたは直接的に外部に放熱される。その結果、熱によって生じるコイル２４、２６、２８のインダクタンスなどの電気的特性の変化を抑制することができる。それにより、高周波電源１２とアンテナ１６とのインピーダンス整合が維持され、大気圧プラズマ発生装置１０は安定したプラズマを発生させることができる。

なお、芯材５６、５８は、中空部５６ａ、５６ｂを備えているが、コイル２４、２６、２８の放熱性やインピーダンス等の電気的特性について特に問題が生じないのであれば、中実状であってもよい。

また、導体４４〜４８から熱を吸収した基板４２、コイル２４〜２８から熱を吸収した芯材５６、５８やコイルケース６４等を冷却するために、基板４２、芯材５６、５８やコイルケース６４周りの空気を強制的に移動させるファンなどの送風装置（図示せず）を大気圧プラズマ発生装置１０に設けてもよい。

また、コイル２４〜２８全体を、高い吸熱性を備える部材によって覆ってもよい。例えば、図６に示すように、コイルケース６４の凹部６４ａ内に収容されていない、コイル２４、２６、２８が巻回されている芯材５６、５８の部分上を覆う、セラミックス製のカバー部材（図示せず）を設けてもよい。または、例えば、２つの貫通穴が形成されたセラミックス製のブロック（図示せず）に、コイル２４、２６、２８が巻回された芯材５６、５８を挿入してもよい。これにより、熱によって生じる、コイル２４、２６、２８のインダクタンスなどの電気的特性の変化をさらに抑制することができる。

同様に、少なくとも基板４２上の導体４４の一部、特にアンテナ１６を覆う、すなわち基板４２と協働してこれらを内包する、セラミック製のカバー部材（図示せず）を設けてもよい。これにより、熱によって生じる導体４４の抵抗やインダクタンスなどの電気的特性の変化を抑制することができる。

本実施の形態によれば、アンテナ１６に並列に接続された、可変コンデンサ２２とコイル２４とを直列に接続することによって構成されている第１の整合回路部１８ａにより、高周波電源１２からアンテナ１６に供給される高周波電力が流れる回路における配線の寄生リアクダンスや回路抵抗などのバラツキによって生じる、複数の大気圧プラズマ発生装置１０それぞれから出力されるプラズマのエネルギのバラツキを最小化することができる。

上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されない。

例えば、上述の実施の形態の大気圧プラズマ発生装置１０の場合、図１に示すように、整合回路１８の第１の整合回路部１８ａのインピーダンスのキャパシタンス成分は、固定コンデンサ２０と可変コンデンサ２２の並列回路によって与えられるが、本発明はこれに限らない。第１の整合回路部１８ａのキャパシタンス成分は、可変コンデンサ２２のみで与えられてもよい。

また、上述の実施の形態の大気圧プラズマ発生装置１０の場合、第１の整合回路部１８ａのコイル２４や第２の整合回路部１８ｂのコイル２６、２８は、図６に示すように、円筒状の芯材５６、５８に巻回されているが、本発明はこれに限らない。本発明に係る芯材は、コイル２４、２６、２８が巻回できる形状であればよく、例えば円柱状、Ｕ字状、Ｃ字状、凹凸状等であってもよい。

さらに、上述の実施の形態の大気圧プラズマ発生装置１０の場合、図１に示すように、整合回路１８の第１の整合回路部１８ａはコイル２４を備えるが、本発明はこれに限らない。第１の整合回路部１８ａのインピーダンスにインダクタンス成分を与えることができる配線部材であればよい。

図７は、本発明の別の実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の構造を示している。

図７に示す大気圧プラズマ発生装置１０’は、電気回路的には図５に示す大気圧プラズマ発生装置１０と同一であるが、構造的には異なる。なお、図７においてアポストロフィが参照符号に付されている構成要素は、同一参照符号が付されている図５に示す構成要素と電気的には同じであるが、機械的（形状や構造）には異なる。

第１の整合回路部１８ａのインピーダンスのインダクタンス成分が、図５に示す大気圧プラズマ発生装置１０の場合にはコイル２４によって与えられるのに対して、図７に示す大気圧プラズマ発生装置１０’の場合には波板状（波状の平板状）の導体２４’によって与えられる。

例えば、アンテナ１６に高周波電力を供給する高周波電源１２の周波数が４０．６８ＭＨｚ等の相対的に低い周波数である場合、第１の整合回路部１８ａのインピーダンスにインダクタンス成分を与える配線部材は、相対的に長い必要がある。この場合、図５に示すコイル２４のように、第１の整合回路部１８ａのインピーダンスにインダクタンス成分を与える配線部材は、大気圧プラズマ発生装置の大型化を回避するために、コイル状が好ましい。

一方、高周波電源１２の周波数が１６０ＭＨｚ等の相対的に高い周波数である場合、第１の整合回路部１８ａのインピーダンスにインダクタンス成分を与える配線部材は、高周波電源１２の周波数が低い周波数の場合に比べて相対的に短くてもよい。この場合、図７に示すように、第１の整合回路部１８ａのインピーダンスにインダクタンス成分を与える配線部材は、波板状（波状や蛇行状の平板状）であってもよい。

このように、本発明は、第１の整合回路部１８ａのインピーダンスにインダクタンス成分を与えることができる配線部材であれば、その配線部材の形状はコイル状または波板状のいずれであってもよい。

さらにまた、上述の実施の形態の大気圧プラズマ発生装置１０の場合、図１や図５に示すように、整合回路１８の第２の整合回路部１８ｂは２つのコイル２６、２８を有し、またアンテナ１６に対して並列接続の第１の整合回路部１８ａのコイル２４とアンテナ１６に対して直列接続の第２の整合回路部１８ｂのコイル２６とが共通の芯材５６に巻回されているが、本発明はこれに限らない。これは、大気圧プラズマ発生装置１０を小型化するための一例の形態にすぎない。

具体的には、上述の実施の形態の場合、大気圧プラズマ発生装置１０を小型化するために、第２の整合回路部１８ｂの２つのコイル２６、２８の導線長さの合計が、高周波電源１２からアンテナ１６に供給される高周波電流の位相調整に必要な導線長さになるように、コイル２６、２８が作製されている。そして、第２の整合回路部１８ｂの２つのコイル２６、２８が別々の芯材５６、５８に巻回され、第１の整合回路部１８ａのコイル２４が芯材５６に巻回されている。

大気圧プラズマ発生装置１０が使用する高周波電電流の周波数が異なると、この高周波電流の位相調整に必要な第２の整合回路部１８ｂのコイルの導線長さも異なる。そのため、大気圧プラズマ発生装置１０を小型化するために、例えば、第２の整合回路部１８ｂが３つ以上のコイルを有し、そのコイルそれぞれが別々の芯材に巻回される場合がある。また例えば、第２の整合回路部１８ｂが１つのコイルを有し、そのコイルが１つの芯材に巻回される場合もある。同様に、第１の整合回路部１８ａが複数のコイルを有し、そのコイルが別々の芯材に巻回される場合もある。さらに、例えば、第１の整合回路部１８ａのコイルと第２の整合回路部１８ｂのコイル全てが１つの芯材に巻回される場合もある。

したがって、本発明は、アンテナ１６に供給する高周波電流を位相調整することができ、且つ大気圧プラズマ装置１０を小型化できる、第１の整合回路部１８ａおよび第２の整合回路部１８ｂそれぞれのコイルの数と芯材の数とのあらゆる組み合わせを含んでいる。

加えて、図５に示す大気圧プラズマ発生装置１０において、図６に示すようにコイル２４、２６、２８が巻回される芯材５６、５８は、コイルケース６４の溝状の凹部６４ａに収容されているが、本発明はこれに限らない。

熱を原因とするコイル２４、２６、２８のインダクタンスなどの電気的特性の変化が相対的に小さいのであれば、例えば、図８に示すように、芯材５６、５８の両端を支持部材６６ａ、６６ｂによって支持してもよい。この支持部材６６ａ、６６ｂは、ベース部材４０上に設けられているとともに、ベース部材４０から離れた状態で芯材５６、５８を支持するように構成されている。支持部材６６ａ、６６ｂは、芯材５６、５８や基板４２（図５参照）と同様に、高い吸熱性（放熱性）を備えるセラミックスなどの絶縁材料から作製されるのが好ましい。

このように、コイル２４、２６、２８が巻回される芯材５６、５８を支持できるのであれば、より好ましくは吸熱性（放熱性）に優れているのであれば、本発明は、芯材５６、５８の支持方法や支持部材の形態を問わない。

本発明は、大気圧下でプラズマ処理を行う装置であれば、適用可能である。

１０ 大気圧プラズマ発生装置
１２ 高周波電源
１４ 放電管
１６ アンテナ
１８ 整合回路
１８ａ 第１の整合回路部
１８ｂ 第２の整合回路部
２２ 可変コンデンサ
２４ 配線部材（コイル）

Claims (5)

1. 高周波電力を発生する高周波電源と、
   放電ガスが流れる放電管と、
   高周波電源に接続され、放電管に高周波電力を供給するアンテナと、
   高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとるための整合回路とを有し、
   整合回路が、
   アンテナに並列に接続された第１の整合回路部と、
   アンテナに直列に接続された第２の整合回路部とを備え、
   第１の整合回路部が、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている、大気圧プラズマ発生装置。
2. 第１の整合回路部の配線部材が、熱を吸収する芯材に巻回されたコイルで構成されている、請求項１に記載の大気圧プラズマ発生装置。
3. 芯材が筒状であって、
   コイルが筒状の芯材の外周面に巻回されている、請求項２に記載の大気圧プラズマ発生装置。
4. 第２の整合回路部が高周波電力の位相を調整するためのコイルを有し、
   第１の整合回路部のコイルの少なくとも一部と第２の整合回路部のコイルの少なくとも一部とが共通の芯材に巻回されている、請求項２または３に記載の大気圧プラズマ発生装置。
5. 大気圧下でプラズマを発生する大気圧プラズマ発生方法であって、
   高周波電源に接続されたアンテナを介して放電ガスが流れる放電管に高周波電源が発生した高周波電力を供給することによりプラズマを発生させ、
   アンテナに並列に接続された第１の整合回路部およびアンテナに直列に接続された第２の整合回路部によって高周波電源とアンテナとのインピーダンス整合をとり、
   第１の整合回路部が、インダクタンス成分を有するコイル状または波板状の配線部材と可変コンデンサとを直列に接続することによって構成されている、大気圧プラズマ発生方法。

Images