JP2021044194A - マイクロ波プラズマ発生装置、及び、マイクロ波プラズマ発生装置のプラズマ放電開始方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 発生させるプラズマの汚染を低減しつつ、且つ、高電力を投入可能な装置を追加せずに、始動性を改善したマイクロ波プラズマ発生装置を提供すること。【解決手段】 誘電体基板と、誘電体基板の第1面側に、第1方向に沿って設けられた線状導体と、誘電体基板の第2面側に設けられたグランド導体と、マイクロ波発振装置を接続するための接続部と、紫外線を出射する紫外線光源とを備え、誘電体基板とグランド導体との間には、第1方向の一端側から他端側にガスを流すためのガス流路が形成されており、ガス流路の他端側には、ガス流路を流れてきたガス、及び、ガス流路にて発生したプラズマを吹き出すための吹出口が形成されており、紫外線光源は、紫外線がガス流路内方向に出射されるように配置されているマイクロ波プラズマ発生装置。【選択図】 図1
Description
本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置、及び、マイクロ波プラズマ発生装置のプラズマ放電開始方法に関する。
プラズマ発生装置は、プラスチック、紙、繊維、半導体、液晶、フィルム等の製造工程で用いられている。例えば、プラズマ発生装置により発生させたプラズマを照射することにより、照射対象の表面の親水性、接着性、印刷密着性等を向上させる表面処理を行ったり、照射対象の表面を洗浄(デスミア)したり、照射対象の表面に酸化膜を生成したりすることができる。
図14は、従来のマイクロ波プラズマ発生装置を模式的に示す斜視図である。特許文献1には、図14に示すように、誘電体基板203と、マイクロストリップ線路201と、アース導体202と、マイクロ波入力部231と、ガスを誘電体基板内部に流すために誘電体基板内部に設けられたガス流路と、ガス流路にガスを導入するためのガス導入部250と、ガス流路からのガスが放出される吹出口251と、吹出口251を覆うように設けられた金属網260とを備えるマイクロ波プラズマ発生装置200が開示されている。
マイクロ波プラズマ発生装置200において、マイクロ波入力部231から誘電体基板203に導入されたマイクロ波は、マイクロストリップ線路201とアース導体202との間を伝搬する。そして、マイクロ波による電界強度が一定以上になると、ガス流路にプラズマを発生させる。そのプラズマはガスの流れと共に吹出口251から吹き出る。
マイクロストリップ構造の放電においては、その放電開始時には高い電力の投入が必要である一方、放電が開始されると、その後はより低い電力にしても放電を維持することができる。
放電を確実に開始させるためには、一般的には、放電開始時に高い電力を投入する方法が考えられる。しかしながら、このような対策では、高電力を投入可能な構成が必要となり、装置、特に電源装置が大型化してしまう問題がある。
このような問題を改善するため、特許文献1では、吹出口251を覆うように金属網260を設けたことが開示されている。特許文献1では、金属網260を設けることにより、インピーダンスマッチング用装置あるいはマッチング用回路を用いなくても、プラズマが自己着火したことが開示されている。
しかしながら、特許文献1のように吹出口に金属網を設けると、プラズマを構成する電子やイオン等が金属網に衝突し、金属網の温度が急激に上昇し、金属網を構成する材料が蒸発、拡散し、微粒子を形成して、プラズマとともに吹出口から吹き出すこととなる。プラズマガスの中に金属の微粒子(パーティクル)が混入し、しばしばこのパーティクルによる汚染がアプリケーションによっては問題となる。例えば、液晶製造工程で、マイクロ波プラズマ発生装置が用いられる場合、液晶回路上にパーティクルが異物として付着し、製品に支障をきたす。そのため、パーティクルが発生しないような構成が望ましい。
また、本発明者らは、鋭意研究した結果、マイクロ波プラズマ発生装置を消灯し、数時間程度経過した後、再度点灯を試みると、マイクロ波を投入してから始動するまでに、非常に時間を要することを見出した。そして、本発明者らはその原因について、再点灯時には、ガス流路内の初期電子の量が少なくなっているからであろうと考えるに至った。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発生させるプラズマの汚染を低減しつつ、且つ、高電力を投入可能な装置を追加せずに、始動性を改善したマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。また、本発明は、発生させるプラズマの汚染を低減しつつ、且つ、高電力を投入可能な装置を追加せずに、マイクロ波プラズマ発生装置の始動性を改善するプラズマ放電開始方法を提供することにある。
すなわち、本発明に係るマイクロ波プラズマ発生装置は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1面側に、第1方向に沿って設けられた線状導体と、
前記誘電体基板の第2面側に設けられたグランド導体と、
マイクロ波発振装置を接続するための接続部と、
紫外線を出射する紫外線光源と
を備え、
前記誘電体基板と前記グランド導体との間には、前記第1方向の一端側から他端側にガスを流すためのガス流路が形成されており、
前記ガス流路の前記他端側には、前記ガス流路を流れてきたガス、及び、前記ガス流路にて発生したプラズマを吹き出すための吹出口が形成されており、
前記紫外線光源は、紫外線が前記ガス流路内方向に出射されるように配置されていることを特徴とする。
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1面側に、第1方向に沿って設けられた線状導体と、
前記誘電体基板の第2面側に設けられたグランド導体と、
マイクロ波発振装置を接続するための接続部と、
紫外線を出射する紫外線光源と
を備え、
前記誘電体基板と前記グランド導体との間には、前記第1方向の一端側から他端側にガスを流すためのガス流路が形成されており、
前記ガス流路の前記他端側には、前記ガス流路を流れてきたガス、及び、前記ガス流路にて発生したプラズマを吹き出すための吹出口が形成されており、
前記紫外線光源は、紫外線が前記ガス流路内方向に出射されるように配置されていることを特徴とする。
プラズマ放電の開始には、気体中に初期電子が存在する必要がある。初期電子は、光電効果、熱電子放出や電界放出などにより供給される。本発明は、紫外線照射による光電効果を利用して初期電子を放電空間内に供給するものである。
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置によれば、接続部から誘電体基板に入力されたマイクロ波は、線状導体とグランド導体との間を伝搬する。一方、紫外線光源は、紫外線がガス流路内方向に出射されるように配置されており、ガス流路内に初期電子が供給される。その結果、入力されたマイクロ波の電界が強くなくても、供給された初期電子によりガス流路内において放電が開始される。
なお、上述したように、仮に、ガス流路内の初期電子の量が少なくても紫外線によりガス流路内に初期電子が供給されるため、供給された初期電子によりガス流路内において放電が開始される。そのため、マイクロ波プラズマ発生装置を消灯し、数時間程度経過した後、再度点灯を試みた場合であっても、比較的短時間で放電が開始される。
このように、前記マイクロ波プラズマ発生装置によれば、放電の開始を容易とするために紫外線を用いているため、発生させるプラズマの汚染は極めて低減されている。また、紫外線の照射により放電の開始を容易としているため、放電の開始のためだけに必要な高電力を投入可能な装置(例えば、電源容量の大きいマイクロ波発振装置やスタータ回路装置)を追加することなく、始動性を改善することができる。
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置によれば、接続部から誘電体基板に入力されたマイクロ波は、線状導体とグランド導体との間を伝搬する。一方、紫外線光源は、紫外線がガス流路内方向に出射されるように配置されており、ガス流路内に初期電子が供給される。その結果、入力されたマイクロ波の電界が強くなくても、供給された初期電子によりガス流路内において放電が開始される。
なお、上述したように、仮に、ガス流路内の初期電子の量が少なくても紫外線によりガス流路内に初期電子が供給されるため、供給された初期電子によりガス流路内において放電が開始される。そのため、マイクロ波プラズマ発生装置を消灯し、数時間程度経過した後、再度点灯を試みた場合であっても、比較的短時間で放電が開始される。
このように、前記マイクロ波プラズマ発生装置によれば、放電の開始を容易とするために紫外線を用いているため、発生させるプラズマの汚染は極めて低減されている。また、紫外線の照射により放電の開始を容易としているため、放電の開始のためだけに必要な高電力を投入可能な装置(例えば、電源容量の大きいマイクロ波発振装置やスタータ回路装置)を追加することなく、始動性を改善することができる。
前記構成において、前記紫外線光源は、紫外線が少なくとも前記吹出口の一部を含む領域に照射されるように配置されていることが好ましい。
マイクロ波プラズマ発生装置においては、吹出口近傍においてマイクロ波の電界が強くなるように設計される場合が多い。そこで、マイクロ波の電界が強くなる箇所、すなわち、少なくとも吹出口の一部を含む領域に紫外線が照射されるように紫外線光源を配置すれば、より始動性を改善することができる。
前記構成において、前記紫外線光源は、前記誘電体基板の前記第2面上、又は、前記グランド導体の前記誘電体基板側の面上に配置されていることが好ましい。
前記紫外線光源が、前記誘電体基板の前記第2面上に配置されていると、前記誘電体基板として紫外線を透過しない材質を用いたとしても、紫外線を前記ガス流路内方向に出射させることが可能となる。また、前記紫外線光源が、前記グランド導体の前記誘電体基板側の面上に配置されていると、前記グランド導体として紫外線を透過しない材質を用いたとしても、紫外線を前記ガス流路内方向に出射させることが可能となる。
前記構成において、前記紫外線光源は、LED(Light Emission Diode)、又は、LD(Laser Diode)であることが好ましい。
前記紫外線光源がLED、又は、LDであると、小型で省電力な紫外線発生源として好適である。
前記構成において、前記誘電体基板には、配線パターンが設けられており、
前記LED、又は、前記LDは、前記配線パターンに接続されていることが好ましい。
前記LED、又は、前記LDは、前記配線パターンに接続されていることが好ましい。
前記誘電体基板は、絶縁性である。そこで、前記誘電体基板に、配線パターンが設けられており、前記LED、又は、前記LDが、前記配線パターンに接続されていると、紫外線を出射させるための電力を前記配線パターンを介して得ることが可能である。また、誘電体基板に配線パターンを設ければよいので、配線の引き回しが容易となる。
前記構成においては、前記LED、又は、前記LDに対して並列に保護ダイオードが接続されていることが好ましい。前記LED、又は、前記LDに対して並列に保護ダイオードが接続されていると、逆電圧を印加することになるようなマイクロ波が前記LED、又は、前記LDの回路に混入した場合に、前記LED、又は、前記LDに逆電圧が印加されて破損することを防止することができる。
前記構成において、前記紫外線光源は、発光ガスが封入された発光管であることも好ましい。
マイクロ波が前記発光管に投入されると、前記発光管内に放電が誘起され、発光ガスに応じた波長の紫外線が放出されることになる。従って、発光管から紫外線を出射させるための回路や電源を別途設けなくてもよくなる。
前記構成において、前記グランド導体は、板状であり、
前記グランド導体の前記誘電体基板側の面には、前記第1方向の一端側から他端側までにわたって溝部が形成されており、
前記ガス流路は、前記溝部と前記誘電体基板の前記第2面とにより形成されており、
前記溝部には、前記吹出口に近づくにつれて前記溝部の底面が前記誘電体基板に近づくように、傾斜部が形成されていることが好ましい。
前記グランド導体の前記誘電体基板側の面には、前記第1方向の一端側から他端側までにわたって溝部が形成されており、
前記ガス流路は、前記溝部と前記誘電体基板の前記第2面とにより形成されており、
前記溝部には、前記吹出口に近づくにつれて前記溝部の底面が前記誘電体基板に近づくように、傾斜部が形成されていることが好ましい。
前記構成によれば、グランド導体に設けられた溝部に傾斜部が形成されているため、吹出口に近づくにつれて線状導体とグランド導体との距離が近くなる。そのため、入力されたマイクロ波の電界は、吹出口に近づくにつれて強くなり、吹出口付近でプラズマを発生させることができる。
また、前記構成によれば、グランド導体に溝部を形成し、前記溝部と前記誘電体基板の前記第2面とにより取り囲まれた部分をガス流路としており、誘電体基板自体に溝部や穴は形成されておらず、平板状である。一般的に金属で形成されるグランド導体に加工(例えば、溝部の形成)を施す方が、セラミック等で形成される誘電体基板に加工を施すよりも容易である。従って、前記マイクロ波プラズマ発生装置を容易に製造することができる。
また、前記構成によれば、グランド導体に溝部を形成し、前記溝部と前記誘電体基板の前記第2面とにより取り囲まれた部分をガス流路としており、誘電体基板自体に溝部や穴は形成されておらず、平板状である。一般的に金属で形成されるグランド導体に加工(例えば、溝部の形成)を施す方が、セラミック等で形成される誘電体基板に加工を施すよりも容易である。従って、前記マイクロ波プラズマ発生装置を容易に製造することができる。
また、本発明に係るプラズマ放電開始方法は、
マイクロ波プラズマ発生装置のプラズマ放電開始方法であって、
前記マイクロ波プラズマ発生装置は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1面側に、第1方向に沿って設けられた線状導体と、
前記誘電体基板の第2面側に設けられたグランド導体と、
マイクロ波発振装置を接続するための接続部と
を備え、
前記誘電体基板と前記グランド導体との間には、前記第1方向の一端側から他端側にガスを流すためのガス流路が形成されており、
前記ガス流路の前記他端側には、前記ガス流路を流れてきたガス、及び、前記ガス流路にて発生したプラズマを吹き出すための吹出口が形成されており、
前記プラズマ放電開始方法は、前記吹出口の一部を含む領域に紫外線を照射する工程Aを含むことを特徴とする。
マイクロ波プラズマ発生装置のプラズマ放電開始方法であって、
前記マイクロ波プラズマ発生装置は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1面側に、第1方向に沿って設けられた線状導体と、
前記誘電体基板の第2面側に設けられたグランド導体と、
マイクロ波発振装置を接続するための接続部と
を備え、
前記誘電体基板と前記グランド導体との間には、前記第1方向の一端側から他端側にガスを流すためのガス流路が形成されており、
前記ガス流路の前記他端側には、前記ガス流路を流れてきたガス、及び、前記ガス流路にて発生したプラズマを吹き出すための吹出口が形成されており、
前記プラズマ放電開始方法は、前記吹出口の一部を含む領域に紫外線を照射する工程Aを含むことを特徴とする。
本発明のプラズマ放電開始方法によれば、マイクロ波プラズマ発生装置の前記吹出口の一部を含む領域に紫外線を照射するため、少なくとも前記吹出口の一部を含む領域に初期電子が供給される。その結果、マイクロ波プラズマ発生装置に入力されたマイクロ波の電界が強くなくても、供給された初期電子により放電が開始される。
このように、前記プラズマ放電開始方法によれば、マイクロ波プラズマ発生装置での放電の開始を容易とするために紫外線を用いているため、発生させるプラズマの汚染は極めて低減されている。また、紫外線の照射により放電の開始を容易としているため、放電の開始のためだけに必要な高電力を投入可能な装置(例えば、電源容量の大きいマイクロ波発振装置やスタータ回路装置)を追加することなく、始動性を改善することができる。
このように、前記プラズマ放電開始方法によれば、マイクロ波プラズマ発生装置での放電の開始を容易とするために紫外線を用いているため、発生させるプラズマの汚染は極めて低減されている。また、紫外線の照射により放電の開始を容易としているため、放電の開始のためだけに必要な高電力を投入可能な装置(例えば、電源容量の大きいマイクロ波発振装置やスタータ回路装置)を追加することなく、始動性を改善することができる。
前記構成において、前記工程Aは、プラズマ放電を開始させる際に紫外線の照射を開始する工程A−1と、プラズマ放電が開始された後に紫外線の照射を停止する工程A−2とを含むことが好ましい。
前記構成によれば、プラズマ放電が開始された後に紫外線の照射を停止するため、紫外線を照射するための電力消費を抑制することができる。
本発明によれば、発生させるプラズマの汚染を低減しつつ、且つ、高電力を投入可能な装置を追加せずに、始動性を改善したマイクロ波プラズマ発生装置を提供することができる。また、本発明によれば、発生させるプラズマの汚染を低減しつつ、且つ、高電力を投入可能な装置を追加せずに、マイクロ波プラズマ発生装置の始動性を改善するプラズマ放電開始方法を提供することができる。
以下、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ発生装置(以下、「プラズマ発生装置」ともいう)について、図面を参酌しつつ、説明する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係るマイクロ波プラズマ発生装置を模式的に示す斜視図であり、図2は、図1に示したマイクロ波プラズマ発生装置のA−A断面図であり、図3は、図1に示したマイクロ波プラズマ発生装置のグランド導体の斜視図である。図4(a)は、マイクロ波プラズマ発生装置をガス送出装置及びマイクロ波発振装置に接続した状態を模式的に示す図である。図4(b)は、マイクロ波プラズマ発生装置をマイクロ波発振装置に接続した状態を示す断面図である。図5は、図1に示したマイクロ波プラズマ発生装置について、LEDの位置の理解を容易とするために、LED及び配線パターンを隠れ線で示した図である。図6は、図1に示した誘電体基板の底面図である。
図1に示すように、マイクロ波プラズマ発生装置10(以下、「プラズマ発生装置10」ともいう)は、誘電体基板12と、線状導体14と、グランド導体20とを備える。
図1は、第1実施形態に係るマイクロ波プラズマ発生装置を模式的に示す斜視図であり、図2は、図1に示したマイクロ波プラズマ発生装置のA−A断面図であり、図3は、図1に示したマイクロ波プラズマ発生装置のグランド導体の斜視図である。図4(a)は、マイクロ波プラズマ発生装置をガス送出装置及びマイクロ波発振装置に接続した状態を模式的に示す図である。図4(b)は、マイクロ波プラズマ発生装置をマイクロ波発振装置に接続した状態を示す断面図である。図5は、図1に示したマイクロ波プラズマ発生装置について、LEDの位置の理解を容易とするために、LED及び配線パターンを隠れ線で示した図である。図6は、図1に示した誘電体基板の底面図である。
図1に示すように、マイクロ波プラズマ発生装置10(以下、「プラズマ発生装置10」ともいう)は、誘電体基板12と、線状導体14と、グランド導体20とを備える。
誘電体基板12は、平板状である。つまり、誘電体基板12は、溝部や穴の加工、傾斜加工がなされていない、厚みの薄い直方体である。なお、平板形状を大きく損なわない程度の加工(例えば、面取り)であれば、施されていても構わない。
誘電体基板12は、誘電体損失を低減する観点から、比誘電率の低い材料で構成されていることが好ましい。前記材料の比誘電率は、10以下であることが好ましい。前記材料の比誘電率の下限値としては、低いほど好ましいが、例えば、4以上等とすることができる。
誘電体基板12の材質としては、特に限定されないが、比誘電率εの電線路における損失はεの平方根に比例するため、可能な限り誘電率の小さい材料が好ましい。耐久性の観点から、セラミックスが好ましい。前記セラミックスとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、ステアタイト、等が挙げられる。アルミナ、窒化アルミニウム、ステアタイトは、比誘電率が比較的低い、且つ、比較的高い強度を有し、耐久性に優れる。従って、誘電体基板12をアルミナ、窒化アルミニウム、又は、ステアタイトで構成すれば、誘電体損失をより低減することができ、単位電力当たりのプラズマの生成量をより多くすることができる。また、誘電体基板12をより薄くしても破損のおそれを低減することができる。
さらに、誘電体基板12は、上記誘電体の材料を母材として、電子生成を補助する物質を含有したものであってもよい。前記電子生成を補助する物質としては、銀、白金、銅、炭素(カーボン)、遷移金属化合物等が挙げられる。前記電子生成を補助する物質にマイクロ波電界が印加されることにより初期電子が生成され、放電空間に放出される。このことから始動性に有利に働かせる利点がある。
前記電子生成を補助する物質の含有量は、誘電体基板12全体に対して(誘電体基板12を100重量%としたときに)、1重量%以下で含有することが好ましい。前記電子生成を補助する物質を含有させる場合、前記電子生成を補助する物質の含有量を1重量%以下とするのは、放電に伴い本材料が蒸発、飛散し、これが微粒子となってプラズマとともに吹き出し、照射対象物を汚染することから可能な限り低減する理由による。
また、前記電子生成を補助する物質を含有させる場合、含有量は、実験的に0.05重量%以上とすることが好ましい。
さらに、誘電体基板12は、上記誘電体の材料を母材として、電子生成を補助する物質を含有したものであってもよい。前記電子生成を補助する物質としては、銀、白金、銅、炭素(カーボン)、遷移金属化合物等が挙げられる。前記電子生成を補助する物質にマイクロ波電界が印加されることにより初期電子が生成され、放電空間に放出される。このことから始動性に有利に働かせる利点がある。
前記電子生成を補助する物質の含有量は、誘電体基板12全体に対して(誘電体基板12を100重量%としたときに)、1重量%以下で含有することが好ましい。前記電子生成を補助する物質を含有させる場合、前記電子生成を補助する物質の含有量を1重量%以下とするのは、放電に伴い本材料が蒸発、飛散し、これが微粒子となってプラズマとともに吹き出し、照射対象物を汚染することから可能な限り低減する理由による。
また、前記電子生成を補助する物質を含有させる場合、含有量は、実験的に0.05重量%以上とすることが好ましい。
線状導体14は、誘電体基板12の第1面12a(図2では、上側の面)上に、第1方向(図2では、左右方向)に沿って設けられている。本明細書では、図2における左右方向が第1方向であることとして説明する。つまり、本明細書における「左右方向」は、本発明の「第1方向」に相当する。なお、本明細書では、第1方向を「長さ方向」、第1方向に対して直交する方向を、「幅方向」と説明する場合もある。
線状導体14は、一定の幅を有しており、誘電体基板12の一端(図2では、左端)から他端(図2では、右端)まで連続して形成されている。線状導体14の幅は、一端から他端まで均一であっても構わないが、本第1実施形態のように、下側に配置されているグランド導体20の溝部22との距離に応じた幅とすることが好ましい。具体的に、本第1実施形態において、線状導体14の幅は、下側に配置されているグランド導体20に傾斜部32が形成されていない箇所においては均一であり、傾斜部32が形成されている箇所においては傾斜部32の上面が線状導体14に近づくにつれて狭くなる構成である。
第1実施形態では、線状導体14とグランド導体20との距離が変更されることに伴うインピーダンスの変化を、線状導体14の幅を変更することにより吸収し、インピーダンスの整合を図っている。つまり、第1実施形態では、インピーダンスの整合を図るための別途の機構等を設けることなく、インピーダンスの整合を図ることができる。
インピーダンスは、線状導体14のインダクタンスと線状導体14とグランド導体20間で形成される結合容量で割った値の平方根に比例する。接続部34から吹出口30までの間、インピーダンスの変化をなるべく小さくすれば、マイクロ波を効率よく吹出口30まで伝送させることができる。
第1実施形態では、平板状に構成された誘電体基板12の上に線状導体14が設けられており、線状導体14とグランド導体20との配置関係を容易に決定することができる。このため、インダクタンス及び結合容量も算出しやすく、より簡単にインピーダンスの整合を図ることができ、インピーダンスの変化をなるべく小さくすることができる。第1実施形態に係る誘電体基板12は、平板状であり、特段の加工を必要とせず自ずと高い精度を実現できる利点がある。
第1実施形態では、線状導体14とグランド導体20との距離が変更されることに伴うインピーダンスの変化を、線状導体14の幅を変更することにより吸収し、インピーダンスの整合を図っている。つまり、第1実施形態では、インピーダンスの整合を図るための別途の機構等を設けることなく、インピーダンスの整合を図ることができる。
インピーダンスは、線状導体14のインダクタンスと線状導体14とグランド導体20間で形成される結合容量で割った値の平方根に比例する。接続部34から吹出口30までの間、インピーダンスの変化をなるべく小さくすれば、マイクロ波を効率よく吹出口30まで伝送させることができる。
第1実施形態では、平板状に構成された誘電体基板12の上に線状導体14が設けられており、線状導体14とグランド導体20との配置関係を容易に決定することができる。このため、インダクタンス及び結合容量も算出しやすく、より簡単にインピーダンスの整合を図ることができ、インピーダンスの変化をなるべく小さくすることができる。第1実施形態に係る誘電体基板12は、平板状であり、特段の加工を必要とせず自ずと高い精度を実現できる利点がある。
線状導体14は、吹出口30の直上において幅広となっている幅広部16を有する。幅広部16の第1方向の長さは、傾斜部32の長さよりも短く設定されている。つまり、線状導体14の線幅は、下側に配置されているグランド導体20に傾斜部32が形成されていない箇所においては均一であり、傾斜部32が形成されている箇所においては傾斜部32の上面が線状導体14に近づくにつれて狭くなるが、吹出口30の直上では、幅広となる。
プラズマ発生装置10では、幅広部16を有するため、幅方向に広い範囲でプラズマを発生させることができる。幅広部16の幅は、特に制限されないが、幅方向に広い範囲でプラズマを発生させる観点からは、広くしてもよい。
幅広部16の長さは、マイクロ波の波長の1/4以下であることが好ましい。幅広部16の長さをマイクロ波の波長の1/4以下とすることにより、インピーダンス不整合による不利益を無視できる程度に小さくすることができる。なお、マイクロ波として周波数2.45GHzを採用した場合、波長は約12.2cm(真空中)であり、波長の1/4は、約3cmである。また、誘電体を介する場合はそれよりも短い波長とすれば良い。
プラズマ発生装置10では、幅広部16を有するため、幅方向に広い範囲でプラズマを発生させることができる。幅広部16の幅は、特に制限されないが、幅方向に広い範囲でプラズマを発生させる観点からは、広くしてもよい。
幅広部16の長さは、マイクロ波の波長の1/4以下であることが好ましい。幅広部16の長さをマイクロ波の波長の1/4以下とすることにより、インピーダンス不整合による不利益を無視できる程度に小さくすることができる。なお、マイクロ波として周波数2.45GHzを採用した場合、波長は約12.2cm(真空中)であり、波長の1/4は、約3cmである。また、誘電体を介する場合はそれよりも短い波長とすれば良い。
線状導体14の材質としては、特に限定されないが、導電性の高いものが好ましく、例えば、銅、銀、アルミニウム、金を用いた化合物等が挙げられる。線状導体14の一例として、例えば、片面に粘着加工が施されている銅箔、アルミニウム箔などの金属箔が挙げられる。
また、線状導体14は、誘電体基板12の表面に、銅等をメタライズしたもので構わない。なお、誘電体と銅等の接合においては、凸凹なく密着して接合されていることが好ましい。導体に高周波伝送を行う場合、表皮効果により導体表面に電流が流れ、伝送の経路が長くなるため、結果として損失が増加してしまうからである。
また、線状導体14は、誘電体基板12の表面に、銅等をメタライズしたもので構わない。なお、誘電体と銅等の接合においては、凸凹なく密着して接合されていることが好ましい。導体に高周波伝送を行う場合、表皮効果により導体表面に電流が流れ、伝送の経路が長くなるため、結果として損失が増加してしまうからである。
線状導体14は、一端側においてマイクロ波発振装置42に接続される。第1実施形態では、線状導体14の一端側がマイクロ波発振装置42に接続するための接続部34となっている。接続部34におけるマイクロ波発振装置42と線状導体14との接続方法については、電気的に接続されるのであれば特に制限されないが、例えば、半田による接続や、各種のコネクタ(例えば、同軸コネクタ等)を用いた接続が挙げられる。
図4(b)は、同軸コネクタ44を用いた接続例を示す図である。図4(b)に示すように、本実施形態では、マイクロ波発振装置42に接続された同軸コネクタ44の内部導体44aが接続部34で半田34aによりプラズマ発生装置10の線状導体14に接続されている。また、誘電体44bを介して外側に位置する外部導体44cがグランド導体20と接触している。
図4(b)は、同軸コネクタ44を用いた接続例を示す図である。図4(b)に示すように、本実施形態では、マイクロ波発振装置42に接続された同軸コネクタ44の内部導体44aが接続部34で半田34aによりプラズマ発生装置10の線状導体14に接続されている。また、誘電体44bを介して外側に位置する外部導体44cがグランド導体20と接触している。
マイクロ波発振装置42から供給されるマイクロ波の周波数としては、特に制限されないが、2.45GHzが好ましい。2.45GHz以外にも、300MHz〜300GHzのマイクロ波、ISMバンド(Industry Science Medical Band)から選択して使用することができる。マイクロ波発振装置42としては、従来公知のものを採用することができる。例えば、市販品を使用することができる。
グランド導体20は、板状であり、誘電体基板12の第2面12b(図2では、下側の面)側に設けられている。
図2に示すように、グランド導体20の誘電体基板12側の面には、第1方向(図2における左右方向)の一端側(図2では、左端側)から他端側(図2では、右端側)までにわたって溝部22が形成されている。具体的に溝部22は、図3に示すように、グランド導体20の長さ方向の外周部23a、23b以外の箇所を溝部としている。
誘電体基板12とグランド導体20とは、外周部23a、23bで接するように積層されている。溝部22が形成されている部分、すなわち、溝部22と誘電体基板12の第2面12bとの間には空間が形成されている。この空間により、一端側から他端側にガスを流すためのガス流路25が形成されている。
図3に示すように、溝部22の一端側には、幅方向の両端2カ所にガス流入口24(24a、24b)が設けられている。グランド導体20の一端側外側面26には、幅方向の両端2カ所に外側ガス流入口28(28a、28b)が設けられている。ガス流入口24aと外側ガス流入口28aとはL字状に連通しており、ガス流入口24bと外側ガス流入口28bとはL字状に連通している。
外側ガス流入口28(28a、28b)は、ガス送出装置40(図4参照)に接続される。ガス送出装置40からガスが送出されると、外側ガス流入口28(28a、28b)からガス流入口24(24a、24b)を介してガス流路25に流入することとなる。
ガス流路25の他端側には、ガス流路25を流れてきたガス、及び、ガス流路25にて発生したプラズマを吹き出すための吹出口30が形成されている。第1実施形態では、溝部22(ガス流路25)の幅が、一端側から他端側まで均一とし、さらに、吹出口30の幅も、溝部22(ガス流路25)の幅と同じとしている。これにより、ガス流路25に流入したガスの流れが乱れることなく、吹出口30から均等に流れ出ることとなる。なお、このことは本発明者らによるシミュレーションにより確認されている。
ただし、本発明においてはこの例に限定されず、吹出口30の幅は、必要に応じて調整してもよい。例えば、ガス流路25の他端側の幅と比較して吹出口30の幅を狭くすれば、高圧力でプラズマを噴射することが可能となる。放電部分に合わせて吹出口30の幅を狭くすることにより、高密度で均一なプラズマを生成することができる。また、ガス流路25の他端側の幅と比較して吹出口30の幅を広くすれば、噴射幅の広いプラズマを噴射することが可能となる。
ただし、本発明においてはこの例に限定されず、吹出口30の幅は、必要に応じて調整してもよい。例えば、ガス流路25の他端側の幅と比較して吹出口30の幅を狭くすれば、高圧力でプラズマを噴射することが可能となる。放電部分に合わせて吹出口30の幅を狭くすることにより、高密度で均一なプラズマを生成することができる。また、ガス流路25の他端側の幅と比較して吹出口30の幅を広くすれば、噴射幅の広いプラズマを噴射することが可能となる。
ガス流路25に供給するガス(ガス送出装置40から送出されるガス)としては、プラズマ発生に好適である観点から、ヘリウム、アルゴン、ネオン等の希ガスが挙げられる。
溝部22には、吹出口30に近づくにつれて溝部22の底面が誘電体基板12に近づくように、傾斜部32が形成されている。
接続部34から誘電体基板12に入力されたマイクロ波は、線状導体14とグランド導体20との間を伝搬する。プラズマ発生装置10では、溝部22に傾斜部32が形成されているため、吹出口30に近づくにつれて線状導体14とグランド導体20との距離が近くなる。
ここで、電界Eは、以下のように定義される。
E=V/d (V:印加電圧、d:電極間の距離)
そのため、入力されたマイクロ波の電界は、吹出口30に近づくにつれて強くなり、吹出口30付近でプラズマを発生させる。そして、そのプラズマはガスの流れと共に吹出口30から吹き出ることとなる。以上により、プラズマ発生装置10は、プラズマを発生させることができる。
なお、この電界強度を一定にするためには、線状導体14とグランド導体20はもとより加工が困難である誘電体基板12に対しても極めて高い製作寸法精度で製作することが要求される。本実施形態では、誘電体基板12は、平板状であり、特段の加工を必要とせず自ずと高い精度を実現できる。
ここで、電界Eは、以下のように定義される。
E=V/d (V:印加電圧、d:電極間の距離)
そのため、入力されたマイクロ波の電界は、吹出口30に近づくにつれて強くなり、吹出口30付近でプラズマを発生させる。そして、そのプラズマはガスの流れと共に吹出口30から吹き出ることとなる。以上により、プラズマ発生装置10は、プラズマを発生させることができる。
なお、この電界強度を一定にするためには、線状導体14とグランド導体20はもとより加工が困難である誘電体基板12に対しても極めて高い製作寸法精度で製作することが要求される。本実施形態では、誘電体基板12は、平板状であり、特段の加工を必要とせず自ずと高い精度を実現できる。
図5、図6に示すように、誘電体基板12の第2面12b上には、LED52が設けられている。LED52は、本発明の紫外線光源に相当する。LED52は、紫外線を出射可能であり、設計に応じて360nm〜405nmの範囲内の少なくとも一部の波長の紫外線を出射できるものであればよい。LED52としては、従来公知のLED(LED素子)を採用することができる。
LED52は、誘電体基板12の第2面12b上に設けられているため、紫外線はガス流路25内方向に出射される。特に、LED52は、紫外線が少なくとも吹出口30の一部を含む領域に照射されるように配置されていることが好ましい。例えば、LED52として配光角度の広いLEDを採用すれば、紫外線を、吹出口30の一部を含む領域に照射することができる。また、例えば、LED52の出射面の方向(出射面に対して垂直方向)が吹出口30の方向となるようにLED52を配置すれば、紫外線を、吹出口30の一部を含む領域に照射することができる。
LED52は、マイクロ波の影響を受けないようにする観点からは、なるべく、線状導体14から離れた位置に配置することが好ましい。
LED52は、マイクロ波の影響を受けないようにする観点からは、なるべく、線状導体14から離れた位置に配置することが好ましい。
誘電体基板12の第2面12b上には、配線パターン54が設けられている。配線パターン54は、第1方向の一端から他端方向に延設された2つの直線状のパターンであり、一端54aは、図示しない電源(LED用電源)に接続され、他端54bは、LED52と電気的に接続されている。
LED52への電力の供給は、プラズマ放電を開始させる際(プラズマ放電を開始させる直前)に開始し、プラズマ放電が開始された後に停止する構成としてもよい。
LED52への電力の供給は、プラズマ放電を開始させる際(プラズマ放電を開始させる直前)に開始し、プラズマ放電が開始された後に停止する構成としてもよい。
プラズマ発生装置10では、LED52が、誘電体基板12の第2面12b上に配置されているため、誘電体基板12として紫外線を透過しない材質を用いたとしても、紫外線をガス流路25内方向に出射させることが可能となる。
配線パターン54の材質としては、特に限定されないが、線状導体14と同様のものを用いることができる。誘電体基板12は、絶縁性である。そこで、本実施形態では、誘電体基板12に、配線パターン54を設け、LED52が、配線パターン54に電気的に接続されている構成とした。これにより、紫外線を出射させるための電力を配線パターン54を介して得ることが可能である。また、誘電体基板12に配線パターン54を設ければよいので、LED52に電力を供するための配線の引き回しが容易となる。
プラズマ発生装置10においては、接続部34から誘電体基板12に入力されたマイクロ波は、線状導体14とグランド導体20との間を伝搬する。一方、LED52は、紫外線がガス流路25内方向に出射されるように配置されており、ガス流路25内に初期電子が供給される。その結果、入力されたマイクロ波の電界が強くなくても、供給された初期電子によりガス流路内において放電が開始される。
なお、仮に、ガス流路25内の初期電子の量が少なくても紫外線によりガス流路25内に初期電子が供給されるため、供給された初期電子によりガス流路25内において放電が開始される。そのため、プラズマ発生装置10を消灯し、数時間程度経過した後、再度点灯を試みた場合であっても、比較的短時間で放電が開始される。
このように、プラズマ発生装置10によれば、放電の開始を容易とするために紫外線を用いているため、発生させるプラズマの汚染は極めて低減されている。また、紫外線の照射により放電の開始を容易としているため、放電の開始のためだけに必要な高電力を投入可能な装置(例えば、電源容量の大きいマイクロ波発振装置やスタータ回路装置)を追加することなく、始動性を改善することができる。
特に、プラズマ発生装置10においては、マイクロ波の電界が強くなる箇所、すなわち、吹出口30の一部を含む領域に紫外線が照射されるようにLED52を配置している。これにより始動性を改善することができる。
なお、仮に、ガス流路25内の初期電子の量が少なくても紫外線によりガス流路25内に初期電子が供給されるため、供給された初期電子によりガス流路25内において放電が開始される。そのため、プラズマ発生装置10を消灯し、数時間程度経過した後、再度点灯を試みた場合であっても、比較的短時間で放電が開始される。
このように、プラズマ発生装置10によれば、放電の開始を容易とするために紫外線を用いているため、発生させるプラズマの汚染は極めて低減されている。また、紫外線の照射により放電の開始を容易としているため、放電の開始のためだけに必要な高電力を投入可能な装置(例えば、電源容量の大きいマイクロ波発振装置やスタータ回路装置)を追加することなく、始動性を改善することができる。
特に、プラズマ発生装置10においては、マイクロ波の電界が強くなる箇所、すなわち、吹出口30の一部を含む領域に紫外線が照射されるようにLED52を配置している。これにより始動性を改善することができる。
プラズマ発生装置10においては、グランド導体20に溝部22を形成し、溝部22と誘電体基板12の第2面12bとにより取り囲まれた部分をガス流路25としており、誘電体基板12自体に溝や穴は形成されておらず、平板状である。一般的に金属で形成されるグランド導体20に加工(第1実施形態では溝部22の形成)を施す方が、セラミック等で形成される誘電体基板12に加工を施すよりも容易である。従って、プラズマ発生装置10は、容易に製造することができる。
またプラズマ発生装置10においては、誘電体基板12が平板状であるため、薄型とすることができる。その結果、誘電体損失を極力低減することができ、単位電力当たりのプラズマの生成量を多くすることができ、効率よくプラズマを発生させることが可能となる。
さらに、プラズマ発生装置10においては、誘電体基板12が平板状であるため、寸法精度が良好な誘電体基板を製造することができる。誘電体基板の厚みに誤差がある場合、マイクロ波の伝送インピーダンスの不整合による転送の反射が生じるとともに、電磁波として空間に放射され、人体への安全性等に問題が生じるおそれがある。しかしながら、プラズマ発生装置10においては、誘電体基板12が平板状であり、寸法精度が良好であるため、マイクロ波の伝送インピーダンスの不整合を極力低減することができる。
またプラズマ発生装置10においては、誘電体基板12が平板状であるため、薄型とすることができる。その結果、誘電体損失を極力低減することができ、単位電力当たりのプラズマの生成量を多くすることができ、効率よくプラズマを発生させることが可能となる。
さらに、プラズマ発生装置10においては、誘電体基板12が平板状であるため、寸法精度が良好な誘電体基板を製造することができる。誘電体基板の厚みに誤差がある場合、マイクロ波の伝送インピーダンスの不整合による転送の反射が生じるとともに、電磁波として空間に放射され、人体への安全性等に問題が生じるおそれがある。しかしながら、プラズマ発生装置10においては、誘電体基板12が平板状であり、寸法精度が良好であるため、マイクロ波の伝送インピーダンスの不整合を極力低減することができる。
第1実施形態では、誘電体基板12の第2面12b上にLED52を配置する場合について説明した。しかしながら、本発明において紫外線光源の位置は、この例に限定されず、グランド導体の誘電体基板側の面上に配置されていてもよい。この場合、グランド導体は、電気を通す材質であるため、グランド導体とLEDのカソード側とを接続し、アノード側のみ別途の配線を設けて、LEDに電力を供給する構成とすればよい。
第1実施形態では、溝部22(ガス流路25)の幅が、一端側から他端側まで均一としたが、本発明はこの例に限定されない。溝部(ガス流路)の幅は、一端側から他端側まで均一でなくてもよい。例えば、溝部(ガス流路)の幅は、一端側から他端側向かうにつれて狭くなる構成であってもよい。また、溝部(ガス流路)の幅は、一端側から他端側向かうにつれて広くなる構成であってもよい。この場合、ガス流入口は、例えば、幅方向の中心に配置させればよい。
第1実施形態では、外側ガス流入口28が一端側外側面26に設けられている場合について説明したが、本発明において外側ガス流入口28の位置は、この例に限定されない。本発明において、外側ガス流入口は、例えば、グランド導体の裏面に設けられていてもよい。
第1実施形態では、ガス流入口24を溝部22に設ける場合について説明したが、本発明においてガス流入口の位置は、この例に限定されない。本発明において、ガス流入口は、ガス流路の一端側に外部からガスを流入させることができる位置に配置されていればよく、例えば、グランド導体の一端側側面に設けられていてもよい。
プラズマ発生装置10の大きさは、特に制限されないが、一例として下記のようにすることができる。
誘電体基板12の外形寸法:幅40mm、長さ50mm、厚さ0.2mm
線状導体14の外形寸法:一端側の幅5.3mm、他端側の幅1.9mm、長さ50mm、厚さ35μm
グランド導体20の外形寸法:幅40mm、長さ50mm、厚さ12mm
ガス流路25の概略寸法:幅30mm、長さ45mm、厚さ(傾斜部32以外)1mm
傾斜部32の幅30mm、長さ10mm
吹出口30の寸法:開口幅30mm、開口高さ0.3mm
誘電体基板12の外形寸法:幅40mm、長さ50mm、厚さ0.2mm
線状導体14の外形寸法:一端側の幅5.3mm、他端側の幅1.9mm、長さ50mm、厚さ35μm
グランド導体20の外形寸法:幅40mm、長さ50mm、厚さ12mm
ガス流路25の概略寸法:幅30mm、長さ45mm、厚さ(傾斜部32以外)1mm
傾斜部32の幅30mm、長さ10mm
吹出口30の寸法:開口幅30mm、開口高さ0.3mm
以上、第1実施形態に係るプラズマ発生装置10について説明した。
[第2実施形態]
以下、第2実施形態に係るプラズマ発生装置60について説明する。第2実施形態に係るプラズマ発生装置60は、配線パターンの形状や配線パターンに接続されている電気部材が一部異なる点で、プラズマ発生装置10と異なり、その他の点で共通する。そこで、以下では、異なる点について主に説明し、共通する点については、説明を省略又は簡単にすることとする。また、第1実施形態に係るプラズマ発生装置10と共通する構成については、同一の符号を付することとする。
以下、第2実施形態に係るプラズマ発生装置60について説明する。第2実施形態に係るプラズマ発生装置60は、配線パターンの形状や配線パターンに接続されている電気部材が一部異なる点で、プラズマ発生装置10と異なり、その他の点で共通する。そこで、以下では、異なる点について主に説明し、共通する点については、説明を省略又は簡単にすることとする。また、第1実施形態に係るプラズマ発生装置10と共通する構成については、同一の符号を付することとする。
図7は、第2実施形態に係るマイクロ波プラズマ発生装置を模式的に示す斜視図である。電気部材等の位置の理解を容易とするために、図7中、電気部材(LED、ダイオード、抵抗等)及び配線パターンについては隠れ線で示している。図8は、図7に示した誘電体基板の底面図である。
図7、図8に示すように、プラズマ発生装置60は、誘電体基板12と、線状導体14と、グランド導体20とを備える。
図7、図8に示すように、プラズマ発生装置60は、誘電体基板12と、線状導体14と、グランド導体20とを備える。
図7、図8に示すように、誘電体基板12の第2面12b上には、LED52が設けられている。
誘電体基板12の第2面12b上には、配線パターン64が設けられている。配線パターン64は、LED52と抵抗66とが直列に接続された配線パターンである。配線パターン64のうちの一部は、線状導体14に近接している。配線パターン64のうちの一部が線状導体14に近接しているため、マイクロ波による電磁誘導により配線パターン64に電流を流すことができる。これにより、LED52に電力を供給するための電源を接続しなくても、LED52に電力を供給することができ、紫外線を出射させることが可能となる。
なお、LEDの配線パターンを適切に配置すれば、プラズマ放電の開始前にはLEDを点灯させ、プラズマ放電の開始後はLEDを自動的に消灯させる、または、プラズマ放電の開始後はLEDの消費電力を抑制することができる。プラズマ放電の開始前は高い電力が投入されており、この出力により電磁誘導が働くが、プラズマ放電開始後は電力を下げることで、LED側への電磁誘導力が低下し、LEDは自動的に消灯、あるいはLEDの消費電力が低減される。
なお、LEDの配線パターンを適切に配置すれば、プラズマ放電の開始前にはLEDを点灯させ、プラズマ放電の開始後はLEDを自動的に消灯させる、または、プラズマ放電の開始後はLEDの消費電力を抑制することができる。プラズマ放電の開始前は高い電力が投入されており、この出力により電磁誘導が働くが、プラズマ放電開始後は電力を下げることで、LED側への電磁誘導力が低下し、LEDは自動的に消灯、あるいはLEDの消費電力が低減される。
配線パターン64には、LED52に対して並列に保護ダイオード68が接続されている。具体的に、LED52のカソード側に保護ダイオード68のアノード、LED52のアノード側に保護ダイオード68のカソードが接続されている。LED52に対して並列に保護ダイオード68が接続されているため、逆電圧を印加することになるようなマイクロ波がLED52の回路に混入した場合に、LED52に逆電圧が印加されて破損することを防止することができる。
以上、第2実施形態に係るプラズマ発生装置60について説明した。
[第3実施形態]
以下、第3実施形態に係るプラズマ発生装置70について説明する。第3実施形態に係るプラズマ発生装置70は、LEDの配置位置が異なる点、及び、誘電体基板に配線パターンが形成されていない点で、プラズマ発生装置10と異なり、その他の点で共通する。そこで、以下では、異なる点について主に説明し、共通する点については、説明を省略又は簡単にすることとする。また、第1実施形態に係るプラズマ発生装置10と共通する構成については、同一の符号を付することとする。
以下、第3実施形態に係るプラズマ発生装置70について説明する。第3実施形態に係るプラズマ発生装置70は、LEDの配置位置が異なる点、及び、誘電体基板に配線パターンが形成されていない点で、プラズマ発生装置10と異なり、その他の点で共通する。そこで、以下では、異なる点について主に説明し、共通する点については、説明を省略又は簡単にすることとする。また、第1実施形態に係るプラズマ発生装置10と共通する構成については、同一の符号を付することとする。
図9は、第3実施形態に係るマイクロ波プラズマ発生装置を模式的に示す断面図である。
図9に示すように、プラズマ発生装置70は、誘電体基板12と、線状導体14と、グランド導体20とを備える。
図9に示すように、プラズマ発生装置70は、誘電体基板12と、線状導体14と、グランド導体20とを備える。
グランド導体20には貫通孔21が設けられており、貫通孔21には発光面がガス流路25方向となるようにLED72がはめ込まれている。LED72の上面(発光面)は、グランド導体20の誘電体基板12側の面(溝部22の上面)と面一であるか、又は、グランド導体20の誘電体基板12側の面(溝部22の上面)よりも下側であることが好ましい。このような構成であると、ガス流路25を流れるガスやガス流路25にて発生したプラズマの流れが遮られることを防止できる。また、グランド導体20は、一般的に金属で形成されるため、グランド導体20に貫通孔21を形成する加工を施す方が、セラミック等で形成される誘電体基板12に加工を施すよりも容易である。
貫通孔21の位置(LED72の配置位置)は、特に制限されないが、マイクロ波の影響を受けないようにする観点からは、なるべく、線状導体14から離れた位置に配置することが好ましい。LED72は、紫外線が少なくとも吹出口30の一部を含む領域に照射されるように配置されていることが好ましい。
グランド導体20は、電気を通す材質であるため、グランド導体20とLED72のカソード側とを接続し、アノード側のみ別途の配線を設けて、LED72に電力を供給する。このように、グランド導体20側にLEDを配置した場合、グランド導体20をLEDへの電力供給のための配線と共通にすることができる。
LED72としては、上述したLED52と同様のものを用いることができる。
上述の実施形態においては、貫通孔21に紫外線を透過可能な窓を設置してもよい。この場合、LED72から出射される紫外線は、LED72の上面に位置する前記窓を透過し、ガス流路25内に到達する。
上述した実施形態では、グランド導体20に貫通孔21を設け、貫通孔21にLED72を配置する場合について説明したが、グランド導体20ではなく、誘電体基板12に貫通孔を設け、前記貫通孔にLEDを設けることとしてもよい。
以上、第3実施形態に係るプラズマ発生装置70について説明した。
上述した実施形態では、本発明に係る紫外線光源がLEDである場合について説明した。しかしながら、上述した実施形態においては、LEDの代わりにLDを採用してもよい。LDとしては、紫外線を出射可能であり、設計に応じて360nm〜405nmの範囲内の少なくとも一部の波長の紫外線を出射できるものであればよい。前記LDとしては、従来公知のLD(LD素子)を採用することができる。紫外線光源としてLEDやLDを用いれば、小型で省電力な紫外線発生源として好適である。
[第4実施形態]
以下、第4実施形態に係るプラズマ発生装置80について説明する。
第4実施形態に係るプラズマ発生装置80は、LEDの代わりに発光ガスが封入された発光管を用いた点、及び、誘電体基板に配線パターンが形成されていない点で、プラズマ発生装置10と異なり、その他の点で共通する。そこで、以下では、異なる点について主に説明し、共通する点については、説明を省略又は簡単にすることとする。また、第1実施形態に係るプラズマ発生装置10と共通する構成については、同一の符号を付することとする。
以下、第4実施形態に係るプラズマ発生装置80について説明する。
第4実施形態に係るプラズマ発生装置80は、LEDの代わりに発光ガスが封入された発光管を用いた点、及び、誘電体基板に配線パターンが形成されていない点で、プラズマ発生装置10と異なり、その他の点で共通する。そこで、以下では、異なる点について主に説明し、共通する点については、説明を省略又は簡単にすることとする。また、第1実施形態に係るプラズマ発生装置10と共通する構成については、同一の符号を付することとする。
図10は、第4実施形態に係るマイクロ波プラズマ発生装置を模式的に示す斜視図である。図10では、発光管の位置の理解を容易とするために、発光管を隠れ線で示している。図11は、図10に示した誘電体基板の底面図である。図12は、図10に示したマイクロ波プラズマ発生装置のB−B断面図である。
図10〜図12に示すように、プラズマ発生装置80は、誘電体基板12と、線状導体14と、グランド導体20とを備える。
図10〜図12に示すように、プラズマ発生装置80は、誘電体基板12と、線状導体14と、グランド導体20とを備える。
図10、図11に示すように、誘電体基板12の第2面12b上には、紫外線光源としての発光管82が設けられている。発光管82にマイクロ波が投入されると、発光管82内に放電が誘起され、封入されている発光ガスに応じた波長の紫外線が放射される。
発光管82には、発光ガスが封入されている。前記発光ガスとしては、前記マイクロ波により放電が誘起され、紫外線を放射するものであれば特に限定されない。前記発光ガスとしては、例えば、アルゴン、キセノン、ネオンなどの希ガスが挙げられる。前記発光ガスとして、前記希ガスに加え、窒素、ヘリウム等が一種以上含まれていてもよい。
発光管82の内部には、ジルコニウム(Zr)やチタン(Ti)などの金属部材からなるゲッター材がさらに封入されていてもよい。前記ゲッター材としては、例えばSAES社の「STHGS/WIRE/NI/0.6−300(Code SE1014)(ゲッター「St101−505」)」を好適に用いることができる。
発光管82の内部には、ペニング効果を得る目的でさらに水銀が封入されていてもよい。係る水銀はごく微量で足り、例えば5×10−3mg/mm3程度である。
発光管82の内部には、ペニング効果を得る目的でさらに水銀が封入されていてもよい。係る水銀はごく微量で足り、例えば5×10−3mg/mm3程度である。
発光管82の形状としては、内部が密閉された管状であれば、その形状は限定されないが、本実施形態のように、両端が封止された円管状であることが好ましい。
発光管82の材質としては、紫外線を透過する材質であることが好ましく、例えば、石英ガラス等が挙げられる。
発光管82は、線状導体14の近傍に配置されている。本実施形態では、発光管82の長軸が線状導体14の延設方向と平行となるように、且つ、なるべく線状導体14に近い位置に配置されている。
なお、放電管を適切に配置すれば、プラズマ放電の開始前には放電管を点灯させ、プラズマ放電の開始後は放電管を自動的に消灯させることができる。プラズマ放電の開始前は高い電力が投入されており、この出力により電磁誘導が働くが、プラズマ放電開始後は電力を下げることで、放電管は自動的に消灯する。このため発光管の寿命維持の上でも有利である。
なお、放電管を適切に配置すれば、プラズマ放電の開始前には放電管を点灯させ、プラズマ放電の開始後は放電管を自動的に消灯させることができる。プラズマ放電の開始前は高い電力が投入されており、この出力により電磁誘導が働くが、プラズマ放電開始後は電力を下げることで、放電管は自動的に消灯する。このため発光管の寿命維持の上でも有利である。
プラズマ発生装置80によれば、マイクロ波が発光管82に投入されると、発光管82内に放電が誘起され、発光ガスに応じた波長の紫外線が放出されることになる。従って、発光管82から紫外線を出射させるための回路(例えば、上述した配線パターン54)や電源を別途設けなくてもよい。
上述した実施形態では、発光管82の長軸が線状導体14の延設方向と平行となるように配置した。しかしながら、本発明において発光管の配置はこの例に限定されず、発光管82の長軸がグランド導体20の面の法線方向と一致するように配置してもよい。この場合、グランド導体20又は誘電体基板12に、貫通孔又は凹部を設け、発光管82の一端、又は、両端を固定することとしてもよい。
以上、第4実施形態に係るプラズマ発生装置80について説明した。
上述した実施形態では、紫外線光源が誘電体基板の第2面上に配置されている場合、グランド導体の誘電体基板側の面上に配置されている場合、誘電体基板に設けられた貫通孔に配置されている場合、グランド導体に設けられた貫通孔に配置されている場合について説明した。しかしながら、本発明において紫外線光源の位置は、これらに限定されない。
例えば、誘電体基板を、紫外線を透過する材質で構成し、誘電体基板の第1面上に紫外線光源を配置してもよい。この場合、紫外線光源の発光面を前記第1面と対向させて配置する。これにより、紫外線光源からの紫外線は誘電体基板を透過してガス流路内方向に出射されることになる。紫外線を透過する材質としては、例えば、石英が挙げられる。なお、本明細書において、紫外線を透過する材質で誘電体基板を構成する場合における、「紫外線を透過する」とは、始動性が改善できる程度に、紫外線が透過することを意味する。具体的に、波長254nmの光の透過率が0.1%以上であることをいう。透過率を0.1%以上としたのは、この程度の透過率を有すれば、始動性の改善に寄与できるからである。
例えば、誘電体基板を、紫外線を透過する材質で構成し、誘電体基板の第1面上に紫外線光源を配置してもよい。この場合、紫外線光源の発光面を前記第1面と対向させて配置する。これにより、紫外線光源からの紫外線は誘電体基板を透過してガス流路内方向に出射されることになる。紫外線を透過する材質としては、例えば、石英が挙げられる。なお、本明細書において、紫外線を透過する材質で誘電体基板を構成する場合における、「紫外線を透過する」とは、始動性が改善できる程度に、紫外線が透過することを意味する。具体的に、波長254nmの光の透過率が0.1%以上であることをいう。透過率を0.1%以上としたのは、この程度の透過率を有すれば、始動性の改善に寄与できるからである。
本発明における線状導体の線幅は、マイクロ波が好適に伝送されるように適宜設計されるが、特に限定されない。上述した実施形態では、線状導体14の線幅が、下側に配置されているグランド導体20に傾斜部32が形成されていない箇所においては均一であり、傾斜部32が形成されている箇所においては傾斜部32の上面が線状導体14に近づくにつれて狭くなり、吹出口30の直上では、幅広となる場合について説明したが、例えば、線幅は一定であってもよい。
上述した実施形態では、グランド導体に傾斜部が形成されている場合について説明した。しかしながら、本発明においては、誘電体基板とグランド導体との間に、ガス流路が形成されていればよく、グランド導体に傾斜部が設けられていなくてもよい。
上述した実施形態では、グランド導体、及び、誘電体基板は、いずれも平板状である場合について説明した。しかしながら、本発明においては、誘電体基板とグランド導体との間に、ガス流路が形成されていればよく、グランド導体、及び、誘電体基板の形状は特に限定されない。
なお、第2実施形態〜第4実施形態に係るプラズマ発生装置60、70、80は、上記で説明した効果に加えて、第1実施形態に係るプラズマ発生装置10と同様の効果も奏する。
次に、本実施形態に係るプラズマ放電開始方法について、説明する。
図13は、本実施形態に係るプラズマ放電開始方法を説明するための図である。
本実施形態に係るプラズマ放電開始方法は、紫外線光源を備えていないプラズマ発生装置90と、紫外線照射装置100とを用いる。
本実施形態に係るプラズマ放電開始方法は、紫外線光源を備えていないプラズマ発生装置90と、紫外線照射装置100とを用いる。
プラズマ発生装置90は、紫外線光源としてのLEDを備えていない点、及び、配線パターンを備えていない点以外は、プラズマ発生装置10と同様の構成である。
本実施形態に係るプラズマ放電開始方法においては、プラズマ放電が開始されていないプラズマ発生装置90に対して、プラズマ発生装置90の外部から、吹出口30の少なくとも一部を含む領域に紫外線を照射する(工程A)。紫外線の照射は、プラズマ発生装置90の外部から、紫外線照射装置100を用いて行う。紫外線照射装置100としては、紫外線を出射可能であり、設計に応じて360nm〜405nmの範囲内の少なくとも一部の波長の紫外線を出射できるものであればよい。紫外線照射装置100としては、従来公知の紫外線照射装置を採用することができる。
本実施形態に係るプラズマ放電開始方法によれば、プラズマ発生装置90の吹出口30の一部を含む領域に紫外線を照射するため、少なくとも吹出口30の一部を含む領域に初期電子が供給される。その結果、プラズマ発生装置90に入力されたマイクロ波の電界が強くなくても、供給された初期電子により放電が開始される。
このように、本実施形態に係るプラズマ放電開始方法によれば、マイクロ波プラズマ発生装置での放電の開始を容易とするために紫外線を用いているため、発生させるプラズマの汚染は極めて低減されている。また、紫外線の照射により放電の開始を容易としているため、放電の開始のためだけに必要な高電力を投入可能な装置(例えば、電源容量の大きいマイクロ波発振装置やスタータ回路装置)を追加することなく、始動性を改善することができる。
このように、本実施形態に係るプラズマ放電開始方法によれば、マイクロ波プラズマ発生装置での放電の開始を容易とするために紫外線を用いているため、発生させるプラズマの汚染は極めて低減されている。また、紫外線の照射により放電の開始を容易としているため、放電の開始のためだけに必要な高電力を投入可能な装置(例えば、電源容量の大きいマイクロ波発振装置やスタータ回路装置)を追加することなく、始動性を改善することができる。
本実施形態に係るプラズマ放電開始方法においては、紫外線の照射は、常時行われていることとしてもよく、所定の期間のみ行うこととしてもよい。
前記プラズマ放電開始方法において、紫外線の照射を所定の期間のみ行う構成とする場合、紫外線を照射する工程Aは、プラズマ放電を開始させる際に紫外線の照射を開始する工程A−1と、プラズマ放電が開始された後に紫外線の照射を停止する工程A−2とを含む構成とすることが好ましい。前記構成によれば、プラズマ放電が開始された後に紫外線の照射を停止するため、紫外線を照射するための電力消費を抑制することができる。
紫外線の照射の開始、及び、停止は、オペレーターにより行うこととすることができる。具体的には、プラズマ放電が開始されていないプラズマ発生装置90に対して、マイクロ波発振装置を操作してマイクロ波を投入するとともに、紫外線照射装置100を操作して紫外線を照射を開始する。目視、または、マイクロ波発振装置の消費電力等によりプラズマ放電が確認されれば、紫外線照射装置100を操作して紫外線を照射を停止する。また、予め紫外線照射時間を定めておき、プラズマ放電の開始時に照射時間の計測を開始するとともに、紫外線照射装置100による紫外線照射を開始し、所定の期間が経過すると、紫外線照射を停止することとしてもよい。
紫外線の照射の開始、及び、停止は、オペレーターにより行うこととすることができる。具体的には、プラズマ放電が開始されていないプラズマ発生装置90に対して、マイクロ波発振装置を操作してマイクロ波を投入するとともに、紫外線照射装置100を操作して紫外線を照射を開始する。目視、または、マイクロ波発振装置の消費電力等によりプラズマ放電が確認されれば、紫外線照射装置100を操作して紫外線を照射を停止する。また、予め紫外線照射時間を定めておき、プラズマ放電の開始時に照射時間の計測を開始するとともに、紫外線照射装置100による紫外線照射を開始し、所定の期間が経過すると、紫外線照射を停止することとしてもよい。
プラズマ発生装置90の大きさは、特に制限されないが、一例として下記のようにすることができる。
誘電体基板12の外形寸法:幅40mm、長さ50mm、厚さ0.2mm
線状導体14の外形寸法:一端側の幅5.3mm、他端側の幅1.9mm、長さ50mm、厚さ35μm
グランド導体20の外形寸法:幅40mm、長さ50mm、厚さ12mm
ガス流路25の概略寸法:幅30mm、長さ45mm、厚さ(傾斜部32以外)1mm
傾斜部32の幅30mm、長さ10mm
吹出口30の寸法:開口幅30mm、開口高さ0.3mm
誘電体基板12の外形寸法:幅40mm、長さ50mm、厚さ0.2mm
線状導体14の外形寸法:一端側の幅5.3mm、他端側の幅1.9mm、長さ50mm、厚さ35μm
グランド導体20の外形寸法:幅40mm、長さ50mm、厚さ12mm
ガス流路25の概略寸法:幅30mm、長さ45mm、厚さ(傾斜部32以外)1mm
傾斜部32の幅30mm、長さ10mm
吹出口30の寸法:開口幅30mm、開口高さ0.3mm
上記寸法サイズを採用し、誘電体基板12の材質としてアルミナ、線状導体14の材質として銅を主材料とした導電性材料、グランド導体20の材質として銅を採用したプラズマ発生装置(以下、「実施例1に係るプラズマ発生装置」ともいう)に、2.45GHzのマイクロ波を入力し、ヘリウムガスを流してプラズマを発生させる試験を行った。
紫外線光源として、375nmの紫外線を出射するLED(日亜化学製:NSHU591A)を使用し、吹出口30に紫外線を照射した。放電開始に必要な電力の比較を表1に示す。
表1より新品のプラズマ発生装置(一度もプラズマを発生させていないプラズマ発生装置:表1で初回点灯時と記載)を用いた場合、紫外線照射を行うと、放電開始の電力が1/2〜1/5になることがわかった。また、放電開始に必要な電力は初回点灯時に比べて、再点灯時の方が小さくなることが経験上、分かっている。再点灯時においても、紫外線照射を行った場合には、始動性改善の効果が認められることが分かった。なお、「再点灯時」とは、過去1回以上、プラズマを発生させたことのあるプラズマ発生装置を用いた点灯のことをいう。
紫外線光源として、375nmの紫外線を出射するLED(日亜化学製:NSHU591A)を使用し、吹出口30に紫外線を照射した。放電開始に必要な電力の比較を表1に示す。
表1より新品のプラズマ発生装置(一度もプラズマを発生させていないプラズマ発生装置:表1で初回点灯時と記載)を用いた場合、紫外線照射を行うと、放電開始の電力が1/2〜1/5になることがわかった。また、放電開始に必要な電力は初回点灯時に比べて、再点灯時の方が小さくなることが経験上、分かっている。再点灯時においても、紫外線照射を行った場合には、始動性改善の効果が認められることが分かった。なお、「再点灯時」とは、過去1回以上、プラズマを発生させたことのあるプラズマ発生装置を用いた点灯のことをいう。
以上、本実施形態に係るプラズマ放電開始方法について説明した。
上述した実施形態では、グランド導体に傾斜部が形成されているプラズマ発生装置90を用いる場合について説明したが、本発明に係るプラズマ放電開始方法に用いるプラズマ発生装置は、誘電体基板とグランド導体との間に、ガス流路が形成されていればよく、グランド導体に傾斜部が設けられていなくてもよい。
上述した実施形態では、グランド導体、及び、誘電体基板がいずれも平板状であるプラズマ発生装置90を用いる場合について説明したが、本発明に係るプラズマ放電開始方法に用いるプラズマ発生装置は、誘電体基板とグランド導体との間に、ガス流路が形成されていればよく、グランド導体、及び、誘電体基板の形状は特に限定されない。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した例に限定されるものではなく、本発明の構成を充足する範囲内で、適宜設計変更を行うことが可能である。
10、60、70、80、90 マイクロ波プラズマ発生装置(プラズマ発生装置)
12 誘電体基板
12a 第1面
12b 第2面
14、 線状導体
16 幅広部
20 グランド導体
22 溝部
23a、23b 外周部
24 ガス流入口
25 ガス流路
30 吹出口
32 傾斜部
34 接続部
40 ガス送出装置
42 マイクロ波発振装置
52、72 LED
54、64 配線パターン
66 抵抗
68 保護ダイオード
12 誘電体基板
12a 第1面
12b 第2面
14、 線状導体
16 幅広部
20 グランド導体
22 溝部
23a、23b 外周部
24 ガス流入口
25 ガス流路
30 吹出口
32 傾斜部
34 接続部
40 ガス送出装置
42 マイクロ波発振装置
52、72 LED
54、64 配線パターン
66 抵抗
68 保護ダイオード
Claims (10)
- 誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1面側に、第1方向に沿って設けられた線状導体と、
前記誘電体基板の第2面側に設けられたグランド導体と、
マイクロ波発振装置を接続するための接続部と、
紫外線を出射する紫外線光源と
を備え、
前記誘電体基板と前記グランド導体との間には、前記第1方向の一端側から他端側にガスを流すためのガス流路が形成されており、
前記ガス流路の前記他端側には、前記ガス流路を流れてきたガス、及び、前記ガス流路にて発生したプラズマを吹き出すための吹出口が形成されており、
前記紫外線光源は、紫外線が前記ガス流路内方向に出射されるように配置されていることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。 - 前記紫外線光源は、紫外線が少なくとも前記吹出口の一部を含む領域に照射されるように配置されていることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記紫外線光源は、前記誘電体基板の前記第2面上、又は、前記グランド導体の前記誘電体基板側の面上に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記紫外線光源は、LED、又は、LDであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記誘電体基板には、配線パターンが設けられており、
前記LED、又は、前記LDは、前記配線パターンに接続されていることを特徴とする請求項4に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。 - 前記LED、又は、前記LDに対して並列に保護ダイオードが接続されていることを特徴とする請求項4又は5に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記紫外線光源は、発光ガスが封入された発光管であることを特徴とする請求項1又は2に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記グランド導体は、板状であり、
前記グランド導体の前記誘電体基板側の面には、前記第1方向の一端側から他端側までにわたって溝部が形成されており、
前記ガス流路は、前記溝部と前記誘電体基板の前記第2面とにより形成されており、
前記溝部には、前記吹出口に近づくにつれて前記溝部の底面が前記誘電体基板に近づくように、傾斜部が形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。 - マイクロ波プラズマ発生装置のプラズマ放電開始方法であって、
前記マイクロ波プラズマ発生装置は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1面側に、第1方向に沿って設けられた線状導体と、
前記誘電体基板の第2面側に設けられたグランド導体と、
マイクロ波発振装置を接続するための接続部と
を備え、
前記誘電体基板と前記グランド導体との間には、前記第1方向の一端側から他端側にガスを流すためのガス流路が形成されており、
前記ガス流路の前記他端側には、前記ガス流路を流れてきたガス、及び、前記ガス流路にて発生したプラズマを吹き出すための吹出口が形成されており、
前記プラズマ放電開始方法は、前記吹出口の一部を含む領域に紫外線を照射する工程Aを含むことを特徴とするプラズマ放電開始方法。 - 前記工程Aは、プラズマ放電を開始させる際に紫外線の照射を開始する工程A−1と、プラズマ放電が開始された後に紫外線の照射を停止する工程A−2とを含むことを特徴とする請求項9に記載のプラズマ放電開始方法。
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---|---|---|---|---|
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-
2019
- 2019-09-13 JP JP2019166928A patent/JP2021044194A/ja active Pending
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