JP2019008903A - プラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波を発振するパワーデバイスとして、エネルギ効率の高い半導体材料を用いることにより、従来の半導体電磁波発振器よりも大幅に小型化された電磁波発振器を備えたプラズマ生成装置を提供する。【解決手段】半導体材料として、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドを使い、エネルギ効率が７０％以上であり、電磁波の発振パターンがパルス発振方式である電磁波発振器ＭＷと、電磁波発振器ＭＷから供給される電磁波を昇圧する昇圧手段により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせブレークダウンプラズマを生成する電磁波放電器５と、電磁波発振器５からの電磁の発振をパルスモードで制御する制御装置４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ生成装置、特に電磁波を昇圧してプラズマを生成する装置に関し、電磁波を発振するパワーデバイスとして、エネルギ効率の高い半導体材料を用いることにより、従来の半導体電磁波発振器よりも大幅に小型化された電磁波発振器を備えたプラズマ生成装置に関する。

プラズマ生成装置によって生成されるプラズマは、有害排出物（ＣＯ_２、ＮＯＸ、未燃炭化水素）、揮発性有害化学物質（ＶＯＣ）、浮遊粒子状物質（ＰＭ）、スス等の削減、低減や、タール、汚泥、排水の処理・再利用などの環境（インプラント、エンドオブパイプ）対策分野及び滅菌、殺菌、洗浄技術など、医療・衛生分野で用いられる他、物質例えば被印刷物の表面改質にも用いられる。

一般に、プラズマを生成する装置として、コロナ放電やバリヤ放電によりプラズマを生成する装置が用いられており、多くの装置が実用化されている。本発明者は、電磁波、特にマイクロ波を、共振回路を用いて昇圧させブレークダウンプラズマを生成させる装置を提案している。このブレークダウンプラズマは、点火装置にも利用され、さらに生成されたプラズマにマイクロ波を照射しブレークダウンプラズマを維持・拡大する技術も提案している。

電磁波（マイクロ波）を生成するための電磁波発振器は、マグネトロンの利用が一般的である。しかし、マグネトロンには、出力、周波数の安定性に欠け、電磁波の発振モードの細やかな制御をすることができないという問題がある。そのため、近年、半導体デバイスを利用した電磁波発振器が実用化されている。

これらの半導体デバイスを利用した電磁波発振器として使用される半導体材料は、一般的にシリコンが用いられていた。

本発明者は、電磁波発振器として半導体デバイスを用い、昇圧回路を使って電磁波のみでブレークダウンプラズマを生成するプラズマ生成装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／１１５７０７号

半導体材料として、シリコンを用いた半導体デバイスは、多くの製品に利用され、入手性もよく比較的安価に製造される。しかし、シリコンを用いた半導体デバイスは、耐圧（降伏電圧）に対するオン抵抗（Ω・ｍ^２）が高く、エネルギ効率（エネルギ密度）が低い。エネルギ効率が低いと、電気エネルギが熱に変換されるため、大きな放熱手段が必要となり、電磁波発振器が大きくなり、プラズマ生成装置全体の小型化が困難となるという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギ効率が高い電磁波発振器を使いることにより、電磁波、特にマイクロ波を用いてプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、小型で人手により手軽に搬送することが可能なプラズマ生成装置を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本第１発明のプラズマ生成装置は、
半導体材料として、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドを使い、エネルギ効率が７０％以上であるとともに、電磁波の発振パターンがパルス発振方式である電磁波発振器と、
前記電磁波発振器から供給される電磁波を昇圧する共振回路からなる昇圧手段により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせブレークダウンプラズマを生成する電磁波放電器と、
前記電磁波発振器からの電磁の発振をパルスモードで制御する制御装置とを備える。

本発明のプラズマ生成装置は、電磁波発振器の半導体材料が、シリコンと比べて耐圧に対するオン抵抗が低く、エネルギ効率が高いので、小型で高効率の電磁波発振器が構成され、電磁波のみによってブレークダウンプラズマを生成することができる。

上記課題を解決するためになされた本第２発明のプラズマ生成装置は、
半導体材料として、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドを使い、エネルギ効率が７０％以上であるとともに、電磁波の発振パターンがパルス発振方式である電磁波発振器と、
ブレークダウンプラズマを生成する前記電磁波発振器から供給される電磁波を昇圧する共振回路からなる昇圧手段により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせる電磁波放電器、高電圧供給手段からの高電圧によって放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせる高電圧放電器又はレーザ照射器からなるブレークダウンプラズマ生成器と、
前記電磁波発振器から供給される電磁波を、前記ブレークダウンプラズマ生成器によって生成されたプラズマに照射する電磁波照射器と、
前記電磁波発振器からの電磁の発振をパルスモードで制御する制御装置とを備える。

本発明のプラズマ生成装置は、生成したブレークダウンプラズマに電磁波（マイクロ波）エネルギを注入することにより、生成されたブレークダウンプラズマを維持拡大することができる。

この場合において、ブレークダウンプラズマ生成領域の圧力及び／又は温度の検出機構を備え、前記制御装置は、前記検出機構によって検出された圧力及び／又は温度に応じて、電磁波照射器の電磁波発振パターンを変動させ、プラズマを維持するようにすることができる。

さらに、これらの場合において、前記電磁波発振器を、可般式とすることができる。

本発明は、エネルギ効率が高い電磁波発振器を使いることにより、電磁波、特にマイクロ波を用いてプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、小型で人手により手軽に搬送することが可能なプラズマ生成装置を提供することができる。

（ａ）は第１の発明に係るプラズマ生成装置の概略ブロック図、（ｂ）は第２の発明に係るプラズマ生成装置の概略ブロック図である。 実施形態１のプラズマ生成装置の電磁波発振器に使用する半導体材料の特性を示す表及びグラフで、（ａ）はシリコンと比べた性能指標（バンドギャップ（Ｅｇ）、電子移動速度（μｅ）、破壊電界強度（Ｅｃ）、バリガ性能指数（ＢＦＭ））の値を、（ｂ）はシリコンと比べた、耐圧とオン抵抗値を示す。 実施形態１のプラズマ生成装置に使用する電磁波放電器を示し、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は電極部の平面図、（ｃ）は電極部の一部切り欠きの正面図である。 実施形態２のプラズマ生成装置に使用する電磁波放電器の概略図で、（ａ）は第１基板の概略図、（ｂ）、（ｃ）は中間基板の概略図、（ｄ）は第２基板の概略図、（ｅ）はケースに収納した状態の断面図、（ｆ）は正面図である。 実施形態２のプラズマ生成装置に使用する電磁波放電器の別の例を示し（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は共振電極を示す斜視図である。 プラズマ生成器の昇圧手段の等価回路を示し、（ａ）は実施形態１の等価回路であり、（ｂ）は実施形態２〜３の等価回路である。 （ａ）は第２の発明に係るプラズマ生成装置の別の例の概略ブロック図、（ｂ）は第２の発明に係るプラズマ生成装置の更に別の例の概略ブロック図である。 第３発明に係るプラズマ生成装置の概略ブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

＜実施形態１＞プラズマ装置
本実施形態１は、図１（ａ）に示すように、本第１発明に係るプラズマ生成装置である。電磁波を昇圧してブレークダウンプラズマを生成するプラズマ生成装置は、その主要構成要素として、電磁波を生成する電磁波発振器ＭＷが必要となる。電磁波発振器ＭＷは、電磁波用電源Pから電源供給され、制御装置４によって制御されて動作する。電磁波発振器ＭＷが発した電磁波は、昇圧回路（高電圧供給手段）及び放電電極からなる電磁波放電器５に送られ、放電電極と接地電極間でプラズマが生成される。

本実施形態２は、図１（ｂ）に示すように、本第２発明に係るプラズマ生成装置である。電磁波発振器ＭＷは、電磁波用電源Pから電源供給され、制御装置４によって制御されて動作する。電磁波発振器ＭＷが発した電磁波は、昇圧回路（高電圧供給手段）及び放電電極、電磁波照射器からなる電磁波放電器３，９に送られ、放電電極と接地電極間でプラズマが生成され、さらに放電によりインピーダンスの不整合が生じた後、電磁波放電器３のアンテナ部３１ａ、電磁波放電器９のアンテナ部９２ａは電磁波照射器となって生成されたプラズマを維持拡大する。

実施形態１及び２のプラズマ生成装置は、上述した電磁波放電器３、５、９の他、高電圧放電器又はレーザ照射器が、ブレークダウンプラズマ生成器として機能する。高電圧放電器は、例えば、高電圧用電源及び点火コイル（高電圧供給手段）から高電圧を供給される点火プラグ（図７（ａ）参照）である。また、レーザ照射器は、例えば、レーザ光源、光ファイバ及びレーザ用プローブを備えたレーザ発振装置（図７（ｂ）参照）である。レーザ光源は、特に限定するものではないが、Ｎｄ−ＹＡＧ（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ−Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ光源等を用いることができる。レーザ照射器を用いる場合、対象物表面にレーザを照射し、当該対象物表面でブレークダウンプラズマを生成させる。

この電磁波発振器ＭＷとしては、マグネトロンの利用が一般的であったが、近年半導体デバイスを利用した電磁波発振器が実用化されている。半導体デバイスとして一般的に使用される半導体材料は、シリコン（ケイ素（Ｓｉ））である。シリコンを使った半導体デバイスは、酸化物ＳｉＯ_２を還元、清留させて製造される高純度のシリコンにさらに加工を加えて作ったシリコンウェーハから製造される。このシリコンウェーハの製造方法は確立しており、大量生産が可能なことから半導体材料として汎用されている。

本実施形態のプラズマ生成装置においては、電磁波発振器ＭＷに用いる半導体材料として、炭化ケイ素(ＳｉＣ)、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）又はダイヤモンドを用いている。電磁波発振器ＭＷは、エネルギ効率が７０％以上であるとともに、電磁波の発振パターンがパルス発振方式である。電磁波発振器ＭＷから供給される電磁波は、電磁波放電器５において、共振回路からなる昇圧手段となる昇圧回路により昇圧される。この昇圧により、放電電極において、放電ギャップの電位差が高まり、放電が生じてブレークダウンプラズマが生成される。制御装置４は、電磁波発振器ＭＷの発振をパルスモードで制御する。

電磁波発振器ＭＷを構成する半導体デバイスは、使われる半導体材料（半導体素材）の性能が高ければ、つまりエネルギ効率（エネルギ密度）が高ければ、同出力を発生させる場合に小型化が可能となる。半導体材料の性能指標として、バンドギャップ（Ｅｇ）、電子移動速度（μｅ）、破壊電界強度（Ｅｃ）、バリガ性能指数（ＢＦＭ）が挙げられる（図２（ａ）参照）。また、バリガ性能指数の逆数をグラフ化した図２（ｂ）からも明らかなように、シリコンと比べて、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンドは、同じオン抵抗値（Ｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）での耐圧（降伏電圧（Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ））が非常に高い。なお、図２（ｂ）は、耐圧（降伏電圧）に対するオン抵抗を示しており、通常、耐圧を上げると内部抵抗が上がり、発熱量も増す。また、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンドは、バリガ性能指標でそれぞれシリコンの３４０倍、８７０倍、３５００倍、５４０００倍程度という桁違いの性能を有するものである。これら同じオン抵抗値において耐圧が高い半導体材料を電磁波発振器ＭＷに適用すると、例えば、周波数が２．４５ＧＨｚの電磁波（マイクロ波）を発振するために必要となるλ／４の線路を、より細く小さな間隔で設計することが可能となり、基板サイズを大幅に小型化することが可能となる。

電磁波発振器ＭＷを構成する半導体材料として、バリガ性能指数が高い炭化ケイ素(ＳｉＣ)、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）又はダイヤモンドを使うことにより、上述したように、基板サイズの小型化を可能とし、電磁波発振器としての容積を大幅に小型化することが可能となる。これによって電磁波発振器ＭＷを含むプラズマ生成装置を可搬式とすることができる。これによって、本発明のプラズマ生成装置を使用した後述する種々のアプリケーション、例えば、土壌の含有物を測定する光分析装置等を小型軽量の可搬式分析装置として構成することができる。

このプラズマ生成装置においては、ブレークダウンプラズマ生成器により生成したブレークダウンプラズマに電磁波（マイクロ波）エネルギを注入することにより、生成されたブレークダウンプラズマを維持拡大することができる。この場合において、図８に示すように、ブレークダウンプラズマ生成領域ＰＡの圧力及び／又は温度の検出機構を備え、制御装置４は、検出機構によって検出された圧力及び／又は温度に応じて、電磁波照射器の電磁波発振パターンを変動させ、プラズマを維持するようにすることができる。つまり、ブレークダウンプラズマの圧力や温度が偏位してもブレークダウンプラズマを維持するフィードバック機能を備える。具体的には、プラズマ生成領域の圧力が高くなると、プラズマの維持が困難となる。そのため発振する電磁波の出力を上昇させたり、パルス発振のデューティ比を上げたりする。またブレークダウンプラズマの生成についても、一般には高圧環境より低圧環境での生成が容易であるが、所定の圧力においては高圧の方が低圧よりも生成が容易な圧力帯域も存在する。また、温度に関しても、圧力と同様に高温になるほどブレークダウンプラズマの維持は困難となる。

また、本発明のプラズマ生成装置は、任意のラジカル、電子温度密度を任意に設定することができ、ブレークダウンを任意に作ることができる。ここで、任意とは、温度・圧力・水分、混合ガスの濃度を任意に設定できることである。

＜電磁波放電器＞
電磁波放電器５は、上述したように、電磁波発振器ＭＷから供給される電磁波を昇圧する共振回路からなる昇圧回路により放電ギャップの電位差を高め、放電を生じさせブレークダウンプラズマを生成するようにしている。具体的には、図３に示すように、電磁波発振器ＭＷから発振される電磁波の供給を受ける入力部５２と、入力された電磁波を昇圧する昇圧手段５０と、放電ギャップＧを形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａとを備え、昇圧手段５０により放電ギャップＧの電位差を高め放電を生じさせるようにしている。

放電電極５５ａは、入力部５２から伸びる入力軸部５３が挿通される有底の筒状部５４から反入力部側に伸びる電極軸部５５ｂの先端に形成されている。入力部５２から伸びる入力軸部５３は、筒状部５４とは絶縁されている。具体的には、筒状部５４内周面との間に筒状の絶縁体５９が介在している。絶縁体５９を介在させるか筒状部５４の内周面と接触しないように構成することで、筒状部５４と入力軸部５３は容量結合となり、後述する等価回路のＣ１を形成する。また、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとケーシング５１の先端側ケーシング５１Ａの内周面との間も電気的に絶縁されている。本実施形態においては、筒状部５４及び電極軸部５５ｂは筒状の絶縁体５９に内包されている。筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１Ａの内周面との間によって、後述する等価回路のＣ２を形成し、電極軸部５５ｂとケーシング５１Ａの内周面との間で等価回路のコンデンサＣ３を形成している。絶縁体５９の種類によって異なる誘電率によって、共振周波数が調整される。なお、上述したＣ１は、入力軸部５３を筒状部材５４と電気的に接続することで省略することもできる。

ケーシング５１の後端側ケーシング５１Ｂは貫通孔を備え、この貫通孔に、一端に電磁波発振器ＭＷからの電磁波の供給を受ける入力部５２を形成し、他端に入力部５２から伸びる入力軸部５３が突出する筒状の絶縁体５９を配設するとともに、放電電極５５ａ、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとこれらを覆う絶縁体５９を内包したケーシング５１Ａが組み込まれている。入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９のケーシング５１Ａが組み込み方法は特に限定するものではないが、本実施形態においては、絶縁体５９の外周面及びケーシング５１Ｂの貫通孔に対応する段差を設け、図中左側から挿通し、絶縁体を段差に係合させ、右側への抜け落ちを防止するとともに、左側からケーシング５１Ａを挿通して入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９の左側への抜け落ちも防止する。ケーシング５１Ｂに対するケーシング５１Ａの固定方法も特に限定するものではないが、本実施形態においては、貫通孔に刻設した雌ねじ部にケーシング５１Ａの外周面に刻設した雄ねじ部を螺合することによって固定する。螺合による固定後に溶接等の固定手段を用いてケーシング５１Ａをケーシング５１Ｂに対して確実に固定することもでき、また、ねじ部を形成することなく溶接等の固定手段を用いて固定することもできる。

接地電極５１ａは、放電電極５５ａを覆う筒状のケーシング５１Ａの先端で形成され、この接地電極５１ａの内面と放電電極５５ａの外面との間で放電ギャップＧを形成する。この放電ギャップＧを形成する接地電極５１ａ（ケーシング５１Ａの先端）は、図３（ｂ）に示すように、スリットｓを形成するようにしている。このスリットｓによって、放電ギャップＧ内に混合気を導き燃焼効率を向上させる。なお、放電ギャップＧの距離は０．２〜１．２ｍｍの範囲で設定することが好ましい。

昇圧手段５０は、図６（ａ）に示す等価回路で構成されている。昇圧手段５０は、電極軸部５５ｂをコイルＬとして、上述したコンデンサＣ１、Ｃ２及びＣ３との間の３箇所で共振構造形成し、供給される電磁波を昇圧するようにしている。特に、筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１の内周面との間に形成されるコンデンサＣ２による第１共振領域及び電極軸部５５ｂと電極軸部５５ｂを覆うケーシング５１との間に形成されるコンデンサＣ３による第２共振領域によって、供給される電磁波を昇圧して、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差を数十ｋＶまで高め放電を生じさせるようにしている。なお、入力軸部５３と筒状部５４を電気的に接続して容量結合としないことで等価回路のＣ１を形成しない構成とすることもできる。

一般に、共振領域、特に第２共振領域での共振周波数から外れた周波数の電磁波を供給しても、電磁波を昇圧して放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差高めることができない。共振領域で定まる共振周波数からどの程度外れた周波数を供給しても昇圧することができるかは、所謂Ｑ値によって決定される。Ｑ値とは、
Ｑ=ω_０／（ω_１−ω_２）で表される。
ここで、ω_０：共振周波数、ω_１及びω_２（ω_１＞ω_２）：それぞれ周波数ω_０のときのエネルギが１／２となる周波数である。従って、ω_１及びω_２の値がω_０に近いほど、共振のピークが鋭く、Ｑ値が大きくなり、大きなエネルギを得ることができ一般的にはＱ値が大きくなる設計をすることが望ましい。しかし、Ｑ値が大きい場合、共振させるためには共振領域で定まる共振周波数からのズレを大きくとることはできない。本発明者等の実験によるときは、Ｑ値が５０程度のときに±３０Ｈｚ、より好ましくは±２０Ｈｚの範囲の周波数の電磁波であれば共振させて放電させることが可能である。

電磁波発振器ＭＷは、常時所定電圧、例えば１２Ｖを電磁波用電源Ｐから供給される。そして、制御装置４から電磁波発振信号を所定のデューティ比、パルス時間等を設定した発振パターンのパルス波として電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）を出力する。この際、発振する周波数は、上述した共振周波数ω_０に設定して発振されるが、共振周波数は、温度・圧力その他の要因によって変動する。そのため、本実施形態においては、制御装置４によって制御されるモニタリング装置（Ｓ１１モニタリング）により反射波を検知し、最適な発振周波数となるように制御する。具体的には、反射波の値が閾値以下となるように制御するものである。この制御間隔は、半導体発振器を使用しているから１ＭＨｚ（１μｓｅｃ）の間隔で行うことができる。これにより高速なフィードバック制御を可能とした。

＜実施形態２＞プラズマ生成装置
本実施形態２は、図１（ｂ）に示すように、本第２発明に係るプラズマ生成装置である。

＜電磁波放電器９＞
図４に実施形態２のプラズマ生成装置に使用する電磁波放電器の１例を示す。この電磁波放電器９は、複数の絶縁基板に所定のパターンを形成し、積層して構成する。絶縁基板は長方形形状で、一端に入力端子部、多端にプラズマ生成部（放電部）を形成する。

絶縁基板は、セラミックス（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム、コーディライト、ムライト等）の粉末（以下、セラミックス原料という）を焼成して形成する。本実施形態では単層のセラミックス製の絶縁基板を用いることができる。具体的には、セラミックス原料にバインダ・溶媒を加え混合粉砕して均一なスラリーを製造する。その後、スプレードライ（噴霧乾燥）により造粒して顆粒とする。この顆粒を、ＣＩＰ成形（冷間等方圧成形）、プレス成形、射出成形等により所望形状のセラミックス成形体を成形した後、焼成炉において焼成する。ＣＩＰ成形は、顆粒をゴム型に入れて水圧を利用して成型する方法、プレス成形は金型に顆粒を入れて成形する方法で小型の板状体を成形する場合に適しており、本実施形態の絶縁基板を成形する方法として最適である。また、絶縁基板は、上述した材料の他、樹脂製のプレート、例えばフッ素樹脂やガラスエポキシ材を使用したものであっても構わない。

絶縁基板上に形成する中心電極９２及び放電電極９３ａを構成する共振電極９３は、金属粉末（例えば、電気抵抗の低い銀、銅、タングステン、モリブデン等）を主成分とする導体ペーストを図４（ａ）及び（ｄ）に示すような構成となるようにスクリーン印刷等の手法によって絶縁基板上に印刷するようにしているが、これに限られるものではない。

この電磁波放電器９は、４枚の基板を積層し、中空角柱状のケース９０に収納するように構成しているが、中間基板である基板９１Ｂ及び９１Ｃは厚みを考慮して１枚の基板で構成することもできる。

第１基板９１Ａは、主面に中心電極９２を形成し、短辺の一端に外部の電磁波発振器ＭＷと接続される入力部９５（例えばＳＭＡコネクタ）を配設し、多端に所定の厚みと長さを有するアンテナ部９２ａを備えるようにしている。

第２基板９１Ｄは、共振電極９３を備える。この共振電極９３は放電部９３ａ、共振部９３ｂ及び放電部９３ａと共振部９３ｂを電気的に接続する連結部９３ｃとから構成される。放電部９３ａは、積層した際に、アンテナ部９２ａと対向する位置となるように構成されている。そして、放電部９３ａの両脇は、ケース９０に積層した基板を収納したとき、ケース９０の端部に形成する接地電極部９０ａが入り込むように切り欠き部を設けるようにしている。これによって放電部９３ａが形成される短辺側は凸状となる。

上記構成において、外部の電磁波発振器ＭＷから供給される電磁波（本実施形態においては２．４５ＧＨｚのマイクロ波）は中心電極９２のアンテナ部９２ａから放電部９３ａを介して共振電極９３の共振部９３ｂに到達して昇圧され、共振電極９３の放電部９３ａと接地電極９０ａとの間の電位差が高められる。その結果、放電部９３ａと接地電極９０ａとの間で１次プラズマＳＰ１が生成される。アンテナ部９２ａと放電部９３ａは、容量結合されるコンデンサを形成している。

１次プラズマＳＰ１が生成されることで、インピーダンスの不整合が生じるが、共振部を介さない中心電極９２を通る電磁波は、アンテナ部９２ａから１次プラズマＳＰ１に供給され、１次プラズマＳＰ１が維持拡大される。このようにして生成されたプラズマは実施形態１と同様、印刷装置のインクカートリッジ２の上流側で被印刷物Ｔの表面を改質し、インクの付着性を向上させる。

図６（ｂ）は、本実施形態の昇圧手段の等価回路である。プラズマが発生していない状態では、抵抗Ｒｐ１、Ｒｐ２の両端は解放状態と等価であると考える。外部の電磁波発振器ＭＷから電磁波（マイクロ波）が入力されると、まずコンデンサＣ１に電流が流れる。この供給される電磁波波の周波数に共振して、コンデンサＣ２、Ｃ３及びリアクタンスＬで形成されるループ回路に強い共振電流が流れると、特にコンデンサＣ３の両端に高い電圧が発生する。コンデンサＣ３の両端で絶縁破壊となり、放電してプラズマが発生する（これは上述の１次プラズマＳＰ１に相当する）。コンデンサＣ３の両端には、解放状態から抵抗Ｒｐ１が並列に接続された状態に変化する。この状態では、図６（ａ）の実施形態１の昇圧手段と同様、インピーダンスの不整合状態が起きているので、反射波が大くなる。次に、コンデンサＣ３の両端で発生したプラズマＳＰ１を種火として伝送線との間で放電が発生する。これにより、伝送線とグランド（ＧＮＤ）の間に強い電流が流れる（電気回路的には、解放状態から抵抗Ｒｐ２が接続された状態となる）。しかし、伝送線と直結した経路による放電では共振部分（共振電極９３の共振部９３ｂ）を介さないから、インピーダンス不整合による反射の発生量が大幅に減少する。これにより入力電力を高効率にプラズマに与えることができる。

＜電磁波放電器３＞
図５に実施形態２のプラズマ生成装置に使用する電磁波放電器の別の例を示す。この電磁波放電器３は、図５に示すように、中空円筒状のケース３０と、ケース３０と略同軸状で、一端が外部の電磁波発振器ＭＷと接続される入力部３３と連結されるとともに、他端に入力部３３から供給される電磁波を放射するアンテナ部３１ａを形成した中心電極３１と、中心電極３１のアンテナ部３１ａと入力部３３を連結するアンテナ部３１ａより小径の軸部３１ｂを覆うシールドパイプ３３と、アンテナ部３１ａを覆う放電部３２ａとシールドパイプ３３を覆う筒状の共振部３２ｂとからなる共振電極３２とから構成される。そして、共振部Ｒｅで供給される電磁波が昇圧され放電部３２ａとケース３０の先端に形成された接地電極３０ａとの間の電位差が高められ、１次プラズマＳＰ１が生成される。この１次プラズマＳＰ１が生成されるまでの行程は上述した電磁波放電器９と同様である。

共振電極３２を構成するアンテナ部３１ａを覆う放電部３２ａは、筒状部であっても構わないが、図５（ｄ）に示すように、半円形状となるように構成している。そして、放電部３２ａと共振部３２ｂは１５乃至３０°程度の円弧部を残して切り欠いた連結部３２ｃによって連結されている。図より明らかなように、共振電極３２は薄肉の円筒状金属材料を切り欠いて製作する。ケース３０の先端に形成される接地電極３０ａは、図５（ｂ）〜（ｃ）に示すように、複数の切り欠き部（スリット）を形成することが好ましく、これにより、生成されるプラズマボールを大きく成長させることができる。

シールドパイプ３３は、軸部３１ｂから共振部３２ｂへ供給される電磁波が容量結合しないためのシールドで、中心電極３１及び共振電極３２と電気的に絶縁されている。シールドパイプ３３は、一端が入力部３３と一体に形成し、ケース３０の反接地電極側に固定するようにしている。シールドパイプ３３の内周面と中心電極３１の外周面との間には絶縁体としてセラミックパイプやセラミック粉末等を充填し、絶縁するようにしても構わない。また、シールドパイプ３３の外周面と共振部３２ｂの内周面との間にも絶縁パイプを設けることが好ましく、この絶縁パイプは共振電極３２の位置決めができるようにケース３０内周面の段差とシールドパイプ３３の外周面と共振部３２ｂの内周面との隙間形状に沿った絶縁パイプ３４を配設することが好ましい。

上記構成において、外部の電磁波発振器ＭＷから供給される電磁波（本実施形態においては２．４５ＧＨｚのマイクロ波）は中心電極３１のアンテナ部３１ａから放電部３２ａを介して共振電極３２の共振部３２ｂの外周面とケース３０の内周面との間に形成される共振部Ｒｅで昇圧され、共振電極３２の放電部３２ａと接地電極３０ａとの間の電位差が高められる。その結果、放電部３２ａと接地電極３０ａとの間で１次プラズマＳＰが生成される。アンテナ部３１ａと放電部３２ａは、容量結合されるコンデンサを形成している。

＜表面改質装置＞
本発明のプラズマ生成装置は、インクジェットプリンタ等により印字を行う印字面の表面改質を行うことができる。

本発明のプラズマ生成装置は、電磁波（マイクロ波）をナノ秒〜ミリ秒まで任意変更することのできるパルス発振装置であるため、様々なパルス発振パターンを簡単に変更することができる。これによって電離時のエネルギ状態を変更させ発生するラジカルの種類を容易にコントロールすることができる。さらに、印字面が平面ではなく曲面状態であっても、プラズマ生成装置は、インクカートリッジの印字面からの高さを微調整可能に取り付けているから任意の曲率に沿って、かつ、一定のギャップでプラズマを生成し被印刷物表面を良好に改質することができる。

＜光分析装置＞
本発明のプラズマ生成装置は、計測手段と組み合わせて、分析装置を構成することができる。この分析装置は、本発明のプラズマ生成装置を備え、このプラズマ生成装置によって生じたブレークダウンプラズマにより分析対象物の一部をプラズマ状態にし、この分析対象物のプラズマ光を集光光学系により集光し、計測手段により計測する。

制御装置は、ブレイクダウンプラズマと電磁波とを同期的に制御して、プラズマの生成タイミングと電磁波の放射タイミングとを制御するとともに、生成されたプラズマが短時間で消滅しないようにマイクロ波の放射時間を制御することにより、プラズマの維持時間を制御する。計測手段は、ＬＩＢＳ（レーザ励起ブレークダウン分光法）の計測系と同様の計測手段であり、プラズマから発せられた光を分光する分光器と、分光器により分光された光を受ける光センサとを有し、光センサが出力する電気信号に基づいて演算処理を行うように構成されている。

この光分析装置は、ファイバなどを用いて受光するシステムとして構成できる。受光はレンズであってもファイバであっても直接であってもよい。受光システムをファイバ等でパラレルにするとき、順番に受光を分析することにより、スキャンしていることと同じになる。つまり１個の分析器で多点を同時に分析することが可能である。これを計測系に導けば、１点ではなく多点（体積的なもの）を分析するスキャニング装置となる。これを可搬式（ハンドキャリー方式）に構成することができる。

この応用として、前にある物質を分析し、そこに流れている物質又は分子、原子、温度、圧力等を同定する計測制御装置を構成することができる。例えば、アルミのリサイクル装置、蒸籠、車の部品の全数検査、半導体部品検査、郵便物の異物検査等を行うことができ、また、車・熱機関の後ろに付ければガス分析装置として使用でき、人間の皮膚をスキャンすることで皮膚に付着するオイル・ウィルス検査を行うことができる。

なお、本発明の装置は、計測したデータをネットワークでビックデータに移して解析することが可能である。本発明の装置では、計測したデータだけを蓄積し、大きなデータを持たない。この計測データを携帯電話やパソコンを通じてビックデータに移し、解析、過去の類似したデータからの推測等を行うことができる。計測データは、プラズマの温度・濃度、計測したアルミニウム、セシウム等のデータだけだが、このデータを使って次に予測される、例えばセシウムが多い場合、そこは危険である旨の警告。それが魚からのデータなら食用に不適である旨の警告や、類推・注意喚起をすることができる。工場ラインにおいては、ラインの中のスキャニングのところで、異物混入検知のシステムとして使用できる。ハンドキャリーであるから、聴診器のようにハンディーなものとして使うことができるが、ビックデータを用いて結果を分析し、類推しワーニングを行うシステムを構成することができる。

故障診断を行うこともできる。ハンドキャリーのプラズマ発生装置であるから、あらゆる装置に取り付けて使うことができる。携帯電話に付帯させることで、携帯電話に触れている人間の体温であったり、手の汚れ、菌の有無を検知できる。例えば、菌がＯ１５７であることが分かるので、日本中でＯ１５７を測れという指示を出せば、現在のＯ１５７の存在する地域を判定することが可能となる。その他の災害やウィルス対策にも使うことができる。同様に、子供の中に持っているのなら風邪の蔓延についてどういう風に風邪が拡がっていくかの調査に使うことが可能となる。

自動車の排ガス検査もでき、自動車自体をモニタリング装置として、例えば、中国を走ればＰＭが増えてくるといったことが分かる。つまり、移動物体自体がセンサの役割を果たす。１個のデータではなくして、地域全体、社会全体、工場の中のラインの現在の物質とその物質から予測される次の現象事象をコントロールすることができる。フィードバックのための制御関数を得ることができるので、そこから予測される次のアクションンを起こすことができる。そのような例としては、アルミニウムの純度の違いによる選別、医療アプリケーション、工場のラインに携帯機器を持ち込むことで、ラインで流れてきたものの検査などである。

＜点火装置＞
本発明のプラズマ生成装置は、点火装置を構成することができる。この点火装置は、可燃性の混合気に、最小放電エネルギよりも高いエネルギを与えて点火させる装置である。最小放電エネルギ以下なら点火しないので、所謂防爆性対応が可能である。高温高圧混合気の濃度、付着性、煤に対応して、適切な点火をすることができる

＜乾燥装置＞
本発明のプラズマ生成装置は、乾燥装置を構成することができる。この乾燥装置は、水分に電磁波を放射し、プラズマ生成装置によって生じたブレークダウンプラズマによりエネルギを与えて蒸発させる装置である。

＜浄化装置＞
本発明のプラズマ生成装置は、浄化装置を構成することができる。この浄化装置は、廃棄物等に含まれる不純物に電磁波を放射し、プラズマ生成装置によって生じたブレークダウンプラズマによりエネルギを与えて蒸発させる装置である。

＜除菌殺菌滅菌装置＞
本発明のプラズマ生成装置は、除菌殺菌滅菌装置を構成することができる。この除菌殺菌滅菌装置は、種々の細菌及びウィルスに電磁波を放射し、プラズマ生成装置によって生じたブレークダウンプラズマにより死滅させる装置である。

以上説明したように、本発明は、プラズマ生成装置、特に電磁波を昇圧してプラズマを生成する装置に適用され、電磁波を発振するパワーデバイスとして、エネルギ効率の高い半導体材料を用いることにより、従来の半導体電磁波発振器よりも大幅に小型化された電磁波発振器を備えたプラズマ生成装置に適用される。

３ 電磁波放電器（第３の例）
４ 制御装置
５ 電磁波放電器（第１の例）
９ 電磁波放電器（第２の例）
ＭＷ 電磁波発振器
P 電磁波用電源

Claims (4)

1. 半導体材料として、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドを使い、エネルギ効率が７０％以上であるとともに、電磁波の発振パターンがパルス発振方式である電磁波発振器と、
   前記電磁波発振器から供給される電磁波を昇圧する共振回路からなる昇圧手段により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせブレークダウンプラズマを生成する電磁波放電器と、
   前記電磁波発振器からの電磁の発振をパルスモードで制御する制御装置と、
   を備えたプラズマ生成装置。
2. 半導体材料として、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドを使い、エネルギ効率が７０％以上であるとともに、電磁波の発振パターンがパルス発振方式である電磁波発振器と、
   ブレークダウンプラズマを生成する前記電磁波発振器から供給される電磁波を昇圧する共振回路からなる昇圧手段により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせる電磁波放電器、高電圧供給手段からの高電圧によって放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせる高電圧放電器又はレーザ照射器からなるブレークダウンプラズマ生成器と、
   前記電磁波発振器から供給される電磁波を、前記ブレークダウンプラズマ生成器によって生成されたプラズマに照射する電磁波照射器と、
   前記電磁波発振器からの電磁の発振をパルスモードで制御する制御装置と、
   を備えたプラズマ生成装置。
3. ブレークダウンプラズマ生成領域の圧力及び／又は温度の検出機構を備え、
   前記制御装置は、前記検出機構によって検出された圧力及び／又は温度に応じて、電磁波照射器の電磁波発振パターンを変動させ、プラズマを維持するようにした請求項２に記載のプラズマ生成装置。
4. 前記電磁波発振器は、可般式である請求項１、２又は３に記載のプラズマ生成装置。

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