JP6341494B2 - イオン生成装置 - Google Patents

Description

この発明は、処理対象表面のプラズマ処理などに用いるイオン生成装置に関する。

従来から、高圧を印加した放電電極と、アース電極との間の放電によってケーシング内で生成したイオンを、圧縮流体によってイオン流として放出するイオン生成装置が知られている。
このような装置では、放電電極を囲むアース電極だけでなく、ケーシングの先端にイオン噴出口となる流通孔を形成した金属製の導電板を設けて、この導電板をアース電極とするものがある。

特許第４０８２９０５号公報

上記のように、イオン噴出口となる流通孔を形成した導電板でアース電極を構成した場合には、上記導電板と放電電極との間にも放電が発生するが、この放電によって生成されるイオンがイオン流として流通孔を通過すると、上記導電板がダメージを受けてしまう。
このようなイオンダメージで導電板に形成された流通孔が消耗し、その開口径が大きくなったり、流通孔の方向が曲がってしまったりすることがある。このように、流通孔が変形すると、その流通孔を通過して噴出する圧力流体の方向や速度が変化してしまう。実際には、圧力流体の流速が落ちてしまうため、目的のイオン流が噴出されないことも起こる。
そこで、流通孔が形成された導電板を頻繁に交換して、上記イオン流を安定化しなければならないという問題があった。

一方、ダメージを受けた導電板を交換しなければ、噴出口から離れた位置にはイオン流が到達しなくなるという問題もあった。
この発明の目的は、イオン噴出口を構成する部品の交換頻度を高くしなくても、イオン噴出口から放射されるイオン流を長期にわたって安定化することができるイオン生成装置を提供することである。

この発明は、圧力流体源に接続し、イオン噴出口を備えたケーシングと、このケーシング内に設け、高電圧を印加する放電電極と、この放電電極との間で放電させるためのアース電極と、を備え、上記放電電極に高電圧を印加して上記アース電極との間の放電によってイオンを生成し、このイオンを上記イオン噴出口から噴出させるイオン生成装置を前提とする。

そして、上記イオン噴出口は、複数の流通孔が形成され、上記アース電極を構成する導電板と、複数の流通孔が形成され、上記圧力流体源から供給された圧力流体の流出方向に対して上記導電板の下流側に設けられた無機材料からなる絶縁板とからなり、上記導電板と上記放電電極の先端面とを対向させるとともに、上記導電板の流通孔及び絶縁板の流通孔を経由する上記圧力流体によって上記イオンを噴出させる構成にしたことを特徴とする。

この発明によれば、イオン噴出口を構成するとともに、アース電極を構成する導電板の下流側に絶縁板を設けたので、流通孔を通過するイオンによって上記導電板の流通孔がダメージを受けてその開口が変形したり、大きくなったりしたとしても、イオンによるダメージをほとんど受けない絶縁板の流通孔によってイオン流の方向や流速を保つことができる。
イオン噴出口を構成する部材を導電材料のみで形成した場合には、短期間で流通孔が変形し、目的のイオン流が放出されなくなってしまうため、頻繁に部品の交換が必要であった。この発明によれば、導電板の流通孔が変化しても、下流側の絶縁板の流通孔が変化しなければ、所期のイオン流の方向や勢いを保つことができるため、部品の交換サイクルを飛躍的に伸ばしながら、長期にわたってイオン流を安定化することができる。
特に、比較的イオンダメージの少ないタングステンやモリブデンなどの高価な金属板の交換サイクルを伸ばせるメリットは大きい。

第２の発明では、絶縁板の流通孔において導電板と密着する側、すなわち上流側開口径が、導電板の流通孔の開口径よりも大きくなっているので、導電板の流通孔から噴出するイオン流を、絶縁板の流通孔に確実に導くことができる。

図１は実施形態の断面図である。 図２は、実施形態におけるイオン噴出口付近の軸方向断面図である。 図３は、実施形態におけるイオン噴出口の正面図である。 図４は、実施形態における第１の導電パイプと第２の導電パイプとの接続部付近の拡大断面図である。 図５は、実施形態における第２の導電パイプの後端付近の拡大断面図である。 図６は、実施形態のイオン生成装置の効果を確認する試験の結果を示した図で、（ａ）が実施形態の装置、（ｂ），（ｃ）は比較例による試験結果である。 図７は実施形態のイオン噴出口の説明図である。

図１〜図７にこの発明の一実施形態を示す。
固定手段ａには電動モーターｍを固定しているが、この電動モーターｍの出力軸１に駆動ギア２を固定している。さらに上記固定手段ａには、中央に孔を形成したステンレスなどの導電材料からなるリング状の取り付け板３をねじ部材ｎ１で固定するとともに、この取り付け板３には導電材料からなる筒状のベアリングホルダー４をねじ部材ｎ２で固定している。
上記筒状のベアリングホルダー４には、導電材料からなる円柱状のロータリー本体５を挿入するとともに、このロータリー本体５とベアリングホルダー４との間に、一対のボールベアリング６，７及びベアリングカラー８を介在させて、上記ベアリングホルダー４に対してロータリー本体５を回転自在に支持している。

上記ボールベアリング６，７はベアリングホルダー４で囲まれた空間を気密に保持するシール機能を備えている。このようにしたボールベアリング６，７は、ベアリングホルダー４との間で固定されているが、その固定構造は次の通りである。
上記ロータリー本体５であってベアリングホルダー４の先端に対応する位置に、止め用段部５ａを形成するとともに、この止め用段部５ａに一方のボールベアリング６をとめている。また、他方のボールベアリング７は、ロータリー本体５であって取り付け板３との対向面に固定したベアリング押さえ板９によって固定されている。このベアリング押さえ板９は、その円周方向に複数固定したねじ部材ｎ３で上記ロータリー本体５に固定されている。

上記のことから明らかなように、一対のボールベアリング６，７は、ベアリングカラー８で一定の間隔を保ちながら、上記止め用段部５ａとベアリング押さえ板９との間でしっかり保持され、ベアリングホルダー４内に形成される空間における圧力流体が、外に漏れないようにしている。

さらに、上記ロータリー本体５であって、上記一方のボールベアリング６に隣接する外周に、回転ギア１０を固定するとともに、この回転ギア１０を上記電動モーターｍに固定した駆動ギア２にかみ合わせている。
なお、図中符号ｎ４は、ロータリー本体５に形成したフランジ部５ｂを貫通して回転ギア１０に挿入したねじ部材である。
上記のように構成したので、電動モーターｍを駆動して駆動ギア２を回転させれば、この駆動ギア２の回転力が回転ギア１０を介してロータリー本体５に伝達され、ロータリー本体５は、ベアリングホルダー４と相対回転することになる。

上記ロータリー本体５には流体通路５ｃを貫通させているが、その一方の開口５ｄの中心を、ロータリー本体５の回転中心軸と一致させ、他方の開口５ｅの中心を、ロータリー本体５の回転中心軸に対して偏心させている。したがって、ロータリー本体５が回転すれば、他方の開口５ｅが、上記回転中心軸を中心にして円運動することになる。

また、上記取り付け板３における中央の孔の部分を上記一方の開口５ｄに連通させるとともに、この取り付け板３の中央の孔には、導電材料からなる第１中空体１１の先端部分を挿入している。そして、この第１中空体１１の外周にはフランジ部１１ａ形成し、このフランジ部１１ａを上記取り付け板３に密着させてねじ部材ｎ５で固定している。このようにして取り付け板３に固定された第１中空体１１の軸中心線を、ロータリー本体５の回転中心軸と一致させている。
なお、図中符号１２は第１中空体１１に接続したアース線である。

さらに、上記取り付け板３であって、上記第１中空体１１の挿入方向とは反対側となる側面に押さえ部材１３をねじ部材ｎ６によって固定している。この押さえ部材１３は、取り付け板３に挿入された第１中空体１１の先端部分との間で、セラミック製の支持板１４を保持している。この支持板１４は後で説明する第２の導電パイプ１５を第１及び第２中空体１１，１７の中心に支持するための部材である。
上記のようにした第１中空体１１は、上記取り付け板３とは反対端にねじ結合させた連結部材１６を介して第２中空体１７をねじ結合させ、これら第１，２中空体１１，１７及び連結部材１６でこの発明の中空体を構成する。なお、これら連結部材１６及び第２中空体１７は絶縁材料である樹脂で構成され、上記第１中空体１１とは電気的に絶縁されている。

また、上記ロータリー本体５であって他方の開口５ｅ側に、導電材料からなるケーシング１８を構成する円筒部材１９を固定する。すなわち、この円筒部材１９の開口の周囲にはフランジ部１９ａを形成し、このフランジ部１９ａに貫通させたねじ部材ｎ７によって、上記円筒部材１９をロータリー本体５に固定している。円筒部材１９を上記のようにロータリー本体５に固定したとき、円筒部材１９の開口が上記他方の開口５ｅと一致する構成にしている。
なお、上記円筒部材１９とロータリー本体５との間には、セラミック製の支持板２０を挟持させている。この支持板２０は、その中心にパイプ支持孔を形成するとともに、このパイプ支持孔の周囲には圧力流体が流通する流通孔を形成している。

さらに、上記円筒部材１９の先端は、上記ケーシング１８を構成する絞り筒部材２１をねじ部２１ａを介してねじ結合している。そして、絞り筒部材２１の先端には筒状のキャップ部材２２を、ねじ部２２ａを介してねじ結合している（図２参照）。
上記円筒部材１９、絞り筒部材２１及びキャップ部材２２で構成されるケーシング１８には、第１の導電パイプ２３を導いているが、この第１の導電パイプ２３は、上記支持板２０のパイプ支持孔で支持されるとともに、基端側が、流体通路５ｃの一方の開口５ｄにはめ込んで固定されたセラミック製の支持板２４の支持孔２４ａに支持されている（図４参照）。また、この支持板２４には、図４に示すように、圧力流体を流通させる複数の流通孔２４ｂを形成している。

さらに、図２に示すように、上記円筒部材１９には絶縁材料からなる旋回流生成手段２５をはめ込み、その外周を、上記円筒部材１９を貫通するセットビスｂ１で固定している。そして、この旋回流生成手段２５に形成したパイプ支持孔２５ａで上記第１の導電パイプ２３の先端部分が支持されるとともに、第１の導電パイプ２３の先端が上記旋回流生成手段２５から突出している。
また、上記第１の導電パイプ２３と流体通路５ｃとの間、及び第１の導電パイプ２３とケーシング１８との間に、圧力流体が流通する空間が形成されるようにしている。ただし、上記旋回流生成手段２５には、それを貫通する螺旋孔２５ｂを形成し、上記圧力流体がこの螺旋孔２５ｂを通過したとき、旋回流生成手段２５を通過した流体が旋回流になるようにしている。

なお、図２中、符号２６は、第１の導電パイプ２３の外周に形成した環状凹部２３ａにはめたＯリングで、上記旋回流生成手段２５に接触して設けられ、第１の導電パイプ２３の外周と旋回流生成手段２５のパイプ支持孔２５ａとの隙間をシールしている。この隙間をシールすることにより、ケーシングに供給された圧力流体が、上記螺旋孔２５ｂを確実に通過するようにしている。
上記のように旋回流生成手段２５から突出した第１の導電パイプ２３の先端には、タングステンからなる筒状の放電電極２７を、ねじ部２７ａを介してねじ結合している。そして、第１の導電パイプ２３と放電電極２７とは、ねじを緩めて必要に応じて切り離し可能にしている。そのため、上記放電電極２７が放電によって消耗した場合には、新たな放電電極との交換も簡単にできる。

さらに、上記絞り筒部材２１の先端の内周に形成したねじ部２１ｂには、アース電極を構成するタングステン製のアースリング２８をねじによってはめ合わせ、治具用凹部２８ａに治具を挿入してねじを締めたり、緩めたりして、アースリング２８を絞り筒部材２１に対して着脱できるようにしている。
上記のようにしたアースリング２８は、ケーシング１８、ロータリー本体５、ボールベアリング７、ベアリングホルダー４、取り付け板３及び第１中空体１１を介して、上記アース線１２と電気的に導通している。

上記アースリング２８にはその中央に、上記放電電極２７の外径よりも大きな内径を有する貫通孔２８ｂを形成し、上記放電電極２７の先端をこの貫通孔２８ｂに挿入して、放電電極２７の先端面２７ｂと、貫通孔２８ｂの開口面２８ｃとを面一にしている。
なお、上記第１の導電パイプ２３が上記支持板２０及び旋回流生成手段２５によってケーシング１８の中心位置に保持されているため、これに接続した上記放電電極２７もケーシング１８の中心に位置し、上記貫通孔２８ｂと放電電極２７との間に一定の隙間が保たれるようにしている。
したがって、放電電極２７に高電圧が印加されれば、この放電電極２７とアースリング２８との間で放電が起こる。

また、ケーシング１８を構成する上記キャップ部材２２内には環状凸部２２ｂを形成しているが、この環状凸部２２ｂとキャップ部材２２の先端開口との間には、図２に示すように、先端開口から内側に向かって、この発明の噴出口構成部材である、絶縁板２９、導電板３０及びウェブワッシャ３１が順番に設けられている。
そして、上記導電板３０と上記放電電極２７の先端面２７ｂとの間に所定の間隔を保ち、放電電極２７から流出する直進流と上記旋回流生成手段２５によって形成される旋回流とを合流させる合流室２２ｃが形成される。

上記絶縁板２９は、キャップ部材２２の先端開口の内側に形成したねじ部とねじ結合して取り付けられ、セラミックなどの絶縁材料からなる。
この絶縁板２９には、３個の流通孔２９ａを貫通させているが、これら流通孔２９ａは、図３に示すように、正三角形の頂点位置に配置している。そして、この正三角形の中心は、上記絶縁板２９の中心に一致させている。
また、上記各流通孔２９ａは、図２及び図７の模式図に示すように、上記導電板３０に密着する側の開口径ｄ２を、上記導電板３０とは反対側における開口径ｄ１よりも大きくしている。

一方、上記導電板３０はタングステン製の円板であり、上記絶縁板２９の各流通孔２９ａに対向する位置に、それぞれ流通孔３０ａを貫通させている。この導電板３０の各流通孔３０ａの開口径ｄ３は上記開口径ｄ１とほぼ等しく形成され、上記絶縁板２９の流通孔２９ａの開口径ｄ２よりも小さくしている。
上記絶縁板２９をキャップ部材２２にねじ結合することによって、絶縁板２９と上記環状凸部２２ｂとの間に導電板３０を固定するとともに、絶縁板２９の各流通孔２９ａと導電板３０の各流通孔３０ａとを連続させている。
なお、この実施形態では、上記導電板３０及び絶縁板２９の中心に流通孔２９ａ及び３０ａを形成していない。それは、後で説明するように放電電極２７から圧力流体を噴出させたとき、噴出した圧力流体からなる直線流が中央に形成された流通孔２９ａから優先的に噴出し、他の流通孔２９ａとの間で差が出ることがないようにするためである。

また、上記導電板３０と上記環状凸部２２ｂとの間にはウェブワッシャ３１を挟み込んで、そのばね力によって絶縁板２９と導電板３０との間のガタツキを防止するとともに、導電板３０とキャップ部材２２との電気的導通も確実にしている。
そして、キャップ部材２２は、上記したように第１中空体１１に接続した上記アース線１２によってアースされた絞り筒部材２１に接続しているので、導電板３０もアースされ、この導電板３０は上記アースリング２８とともに、この発明のアース電極を構成する。したがって、上記放電電極２７に高電圧が印加されると、上記放電電極２７と導電板３０との間にも放電が発生する。
なお、図１，２中の符号３２は上記キャップ部材２２の位置を調整するためのナットである。

また、上記放電電極２７にねじ結合した上記第１の導電パイプ２３は、図１に示すようにケーシング１８の中心から、流体通路５ｃの中心を通るように屈曲したパイプである。この第１の導電パイプ２３における基端は、後で詳しく説明するように相対回転可能に第２の導電パイプ１５と接続している（図１、４参照）。

そして、相対回転可能に連結される第１、第２の導電パイプ２３，１５の連結構造を拡大して示したのが図４である。
図４に示すように、上記第２の導電パイプ１５の先端に大径部１５ａを形成するとともに、この大径部１５ａの外周を、導電材料からなる連結ナット３３とねじ結合している。
さらに、上記連結ナット３３には第１の導電パイプ２３を挿入するとともに、これら第１の導電パイプ２３と上記連結ナット３３との間に、シール機能を備えたボールベアリング３４を介在させている。

なお、図中符号３５は、第１の導電パイプ２３の後端に形成した環状凹部２３ｂにはめたＣリングで、このＣリング３５は、第１の導電パイプ２３に形成した止め用段部２３ｃとの間で上記ボールベアリング３４を保持するとともに、第１の導電パイプ２３がボールベアリング３４から抜けるのを防止している。
そして、第１の導電パイプ２３と第２の導電パイプ１５とは、その回転中心を一致させた状態で相対回転することになる。このとき、第１，２の導電パイプ２３，１５の開口中心とロータリー本体５の回転中心軸とが一致するようにしている。
上記の構造のもとでは、第１，２導電パイプ２３，１５は、連結ナット３３及びボールベアリング３４を介して電気的に導通している。

また、上記連結ナット３３の外周にはボールベアリング３６を設け、このボールベアリング３６の外周に絶縁材料からなるベアリングホルダー３７をセットビスｂ２によって固定し、さらにこのベアリングホルダー３７を上記支持板２４にねじ部材ｎ８で固定している。
上記のように構成することによって、上記連結ナット３３が実質的に支持板２４に相対回転自在に支持されることになる。このように連結ナット３３が支持板２４に支持されることによって、連結ナット３３部分の中心が揺れ動いたりしなくなる。

また、上記第２の導電パイプ１５は、その開口中心を上記ロータリー本体５の回転中心軸と一致させているので、上記ロータリー本体５が回転して第１の導電パイプ２３が回転しても、第２の導電パイプ１５は円運動したりしない。そのため、上記ロータリー本体５が回転したとき、第２の導電パイプ１５やこの第２の導電パイプ１５に接続した配管が捻じれたりしない。
しかも、上記第２の電動パイプ１５は、上記支持板１４にも支持されているので、たとえロータリー本体５が回転しても、常に安定した状態を保つことができる。
なお、上記支持板１４も、上記支持板２０，２４と同様にセラミックからなる板部材で、第２の導電パイプ１５を貫通して支持する支持孔と流体を流通させる流通孔とを備えている。

一方、上記第２中空体１７の底面１７ａには、図５に示すように、取付孔１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを形成するとともに、上記取付孔１７ｃには、図示していない圧力流体源に接続したホースニップル３８を取り付けている。そして、上記第２の導電パイプ１５の後端と、上記ホースニップル３８の先端とを、ガラスエポキシなどの絶縁材料で形成された高圧連結ソケット３９で連結している。この高圧連結ソケット３９は、内壁の筒全長にわたってねじ部３９ａを形成し、上記第２の導電パイプ１５の後端に形成した小径部１５ｂと、上記ホースニップル３８の先端とのそれぞれを、ねじ結合している。

なお、図５中、符号４０は、上記ホースニップル３８と継手４１とを接続するホースであり、この継手４１はホース４２を介して上記圧力流体源に接続している。
また、継手４１は、ホース４３を介して取付孔１７ｄに取り付けたホースニップル４４にも接続している。
このようにした継手４１は、上記圧力流体源から導かれた圧力流体を分岐させてホース４０に導いたり、ホース４３に導いたりできるようにしている。

上記ホース４０に導かれた圧力流体は、第２の導電パイプ１５から、第１の導電パイプ２３を介して上記放電電極２７に供給され、放電電極２７の先端開口から直進流として噴出する。
一方、上記ホース４３に導かれた圧力流体は、上記第２中空体１７内に供給される。このように、上記第２中空体１７内に供給された圧力流体は、上記連結部材１６、第１中空体１１、ロータリー本体５内の流体通路５ｃを通過してケーシング１８内に供給される。ケーシング１８内に供給された圧力流体は上記旋回流生成手段２５の螺旋孔２５ｂを通過し、その下流側、すなわち放電電極２７の外周で旋回流を形成する。

また、第２中空体１７内には金属製の高圧給電板４５を備え、その中央に中央孔４５ａを形成し、この中央孔４５ａに上記第２の導電パイプ１５の小径部１５ｂを貫通させている。そして、小径部１５ｂによって形成される段部に上記高圧給電板４５を接触させるとともに、上記段部と上記高圧連結ソケット３９との間に、上記高圧給電板４５を、スプリングワッシャ４６とともに挟み込んでいる。
なお、この高圧給電板４５は、外径を第２中空体１７の内径よりも小さくして、外周が第２中空体１７に接触しない大きさにしている。また、この高圧給電板４５には流体を通過させる複数の流通孔４５ｂを形成し、この流通孔４５ｂと上記高圧給電板４５の外側に形成される空間とが相まって上記第２中空体１７内に供給された圧力流体の流路が形成される。

さらに、上記取付孔１７ｂには、内周にねじを形成し、図示しない高電圧源と接続する高圧ケーブル４７を取り付けるための筒状のコネクタ４８をねじ結合している。このコネクタ４８は、上記高圧ケーブル４７を貫通させる貫通孔を形成した底面４８ａを備えている。
そして、上記コネクタ４８内には、上記高圧ケーブル４７の先端を挿入した絶縁材料からなるケーブルガイド４９とＯリング５０とを挿入している。

上記ケーブルガイド４９は、先端側に内径を大きくしたばね室４９ａを備え、この中に金属製の圧縮コイルばね５１を組み込んでいる。この圧縮コイルばね５１は、一方の端部に上記高圧ケーブル４７の先端が接続され、高圧ケーブル４７との間で電気的導通を維持したものである。
また、上記圧縮コイルばね５１の他方の端部を、上記高圧給電板４５であって流通孔４５ｂが形成されていない部分に対向させている。これにより、圧縮コイルばね５１の先端は、弾性力によって上記高圧給電板４５に押し付けられて接触し、上記高圧ケーブル４７と高圧給電板４５とは安定して電気的導通状態を保つことができる。

上記のように、図示しない高電圧源に接続した高電圧ケーブル４７は、高圧給電板４５を介して第２の導電パイプ１５と導通し、第２の導電パイプ１５は図４に示すように上記連結ソケット３３及びボールベアリング３４を介して第１の導電パイプ２３と導通し、さらに第１の導電パイプ２３は図２に示すようにねじ結合によって放電電極２７と電気的に導通する。
したがって、高電圧ケーブル４７に接続した高電圧源によって、放電電極２７に高電圧が印加されることになる。

なお、図５に示すように、上記高圧ケーブル４７はその先端を、圧縮コイルばね５１を介して上記高圧給電板４５に接触するようにしているため、上記コネクタ４８を外すだけで上記第２中空体１７から高圧ケーブル４７を簡単に取り外すことができる。例えば、高圧ケーブル４７の先端を、高圧給電板４５や第２の導電パイプ１５にハンダ付けしたり、ビス止めしたりしていた場合には、それを取り外したり、取り付けたりする手間がかかるが、この実施形態では高圧ケーブル４７の着脱が簡単である。
また、圧力流体供給用のホース４０，４３も上記ホースニップル３８，４４の部分で簡単に取り外すことができる。

このように、上記高圧ケーブル４７やホース４０，４３の着脱が簡単にできるように構成しているので、高電圧源や圧力流体源から装置本体を簡単に分離できる。特に、この実施形態のイオン生成装置は、ケーシング１８を回転させる回転駆動機構を備えているので、回転駆動機構に関連した箇所のメンテナンスが必要になることが考えられるが、そのようなメンテナンスの作業性もよくなる。

この実施形態のイオン生成装置は、放電電極２７に高電圧が印加されると、放電電極２７と上記アースリング２８及び導電板３０との間で放電が起こり、ケーシング１８内でイオンが生成される（図７参照）。
また、圧力流体源から供給された圧力流体は、放電電極２７の先端から噴出する直進流とともに、放電電極２７の周囲の旋回流となり、これらが上記合流室２２ｃ内で合流して上記キャップ部材２２内で生成されたイオンをイオン流として噴出させる。

そして、上記圧力流体のうち、上記放電電極２７の周囲に形成された旋回流は、放電電極２７の先端近傍に生成されたイオンを撹拌して、上記キャップ部材２２内で均一なイオン空間を生成する機能を発揮する。
このような旋回流だけでは、従来の装置のように、軸線に沿った直進方向の移送力が小さくなってしまうため、ケーシング１８の外部へ十分な量のイオンを放出できないが、この実施形態のイオン生成装置では、上記放電電極２７がパイプ状であり、流体通路となっているため、放電電極２７の先端から噴出する圧力流体による直進流が、旋回しているイオンを引き込み、軸方向の推進力を付加すると考えられる。

その結果、放電電極２７の近傍で生成されたイオンをイオン流としてケーシング１８から外部へ確実に送り出すことができる。
このイオン生成装置から噴出するイオン流は、上記旋回流と直進流との合流によって、イオン濃度を保ってより遠くまで噴出させることができる。

この実施形態のイオン生成装置の性能を確認する実験について、図６を用いて説明する。
図６（ａ）は、上記実施形態のイオン生成装置を用い、高電圧源の出力を５００Ｗとするとともに、圧力流体源からは流量１５０〔Ｌ/ｍｉｎ〕、圧力０．５〔ＭＰａ〕のエアを、ホース４２を介して２本のホース４０，４３（図５参照）に供給したときの実験結果を示している。つまり、この実験ではキャップ部材２２内には、放電電極２７から噴出する、矢印αで示す直進方向のエア流と、上記旋回流生成手段２５によって形成された矢印βで示した旋回流が発生し、これらが合流している。

その結果、図６（ａ）のように、３個の流通孔２９ａ全てから同様にイオン流が噴出していることが目視で確認できた。
このイオン生成装置では、上記放電電極の近傍で生成されたイオン空間を旋回流（矢印β）が撹拌することによって、キャップ部材２２の合流室２２ｃ内にイオンが均一に広がり、放電電極２７から噴出する直進流（矢印α）がそれを引き込んで前方へ移送することによって、全ての流通孔２９ａからイオン流が噴出したものと考えられる。
なお、この実施形態では、上記導電板３０及び絶縁板２９の中心に流通孔２９ａ及び３０ａを形成していないため、放電電極２７からの直進流が、そのまま流通孔３０ａ及び２９ａから外部へ放出されることがなく、放電電極２７の先端近傍で生成されたイオンを効率的に引き込んで、全ての流通孔２９ａから均等にイオン流を噴出できたと考えられる。

一方、圧力流体を上記ホース４０には供給せずに、上記ホース４３のみに供給した場合、すなわち旋回流（矢印β）のみ発生させた実験では、イオン流は図６（ｂ）に示すように、１個の流通孔２９ａからのみ、僅かに噴出していることを確認できた。なお、この実験においても、高電圧源の出力は５００〔Ｗ〕、ホース４３への供給流量は１５０〔Ｌ/ｍｉｎ〕である。
この実験から、上記旋回流（矢印β）のみでは、イオンを前方へ噴出させる直進方向の力が不足してしまうと予想される。

また、特定の流通孔２９ａのみから噴出するイオン流が確認できた理由は、次のように考えられる。
この実験で、旋回流（矢印β）によって旋回するイオンも、その一部は旋回流に乗って流通孔３０ａ及び２９ａへ向かうが、旋回流のみによって流通孔２９ａに到達するイオン量は直進流と合流した場合と比べて少ないと考えられる。そのため、上記旋回流において上流側になった流通孔２９ａから先にイオン流が噴出すると、他の流通孔２９ａからはイオンを含まない圧力流体のみが噴出しているものと予想できる。

さらに、圧力流体を上記ホース４３には供給せずに、上記ホース４０のみに供給した場合、すなわち直進流（矢印α）のみ発生させた実験では、図６（ｃ）に示すように、いずれの流通孔２９ａからもイオン流の噴出は目視で確認できなかった。なお、この実験においても、高電圧源の出力は５００〔Ｗ〕、ホース４０への供給流量は１５０〔Ｌ/ｍｉｎ〕である。

上記のように、パイプ状の放電電極２７からエア流を噴出させたとしても、放電電極２７の周囲の旋回流（矢印β）が無い場合には、イオン流が噴出しなかった理由を次のように考える。
イオンは、放電電極２７とアースリング２８との間に発生する放電によって生成されるため、放電電極２７の周囲にリング状に存在している。一方、放電電極２７から噴出するエア流は、上記リング状に分布しているイオン空間の中心を突き抜ける直進流となるため、この直進流だけでは、イオンを巻き込む機能が不十分であったためと推測できる。

以上のように、上記実施形態のイオン生成装置は、パイプ状の放電電極２７の中心から噴出する直進流と、放電電極２７の周囲に形成する旋回流とを合流させることによって、複数のイオン噴出口から安定的にイオン流を噴出させることができるものである。
また、この実施形態のイオン生成装置は、上記電動モーターｍによってロータリー本体５を回転させることができる。ロータリー本体５が回転すれば、このロータリー本体５の回転中心軸から偏心した位置に固定された上記ケーシング１８が、上記回転中心軸を中心とする円運動をすることになる。その結果、イオン噴出口が円運動し、実質的にイオン流の噴出範囲を広くすることもできる。

また、上記ロータリー本体５に対して、第１，第２中空体１１，１７を相対回転可能に取り付けているため、上記ロータリー本体５が回転しても、上記第１，第２中空体１１，１７を回転させず、固定することができる。そのため、上記第２中空体１７に取り付けた流体供給用のホース４０，４３や高圧ケーブル４７が捻じれるようなことがない。
しかも、上記第２の導電パイプ１５の開口中心を回転中心軸と一致させて、上記第１の導電パイプ２３と連結しているため、第１の導電パイプ２３が回転しても、第２の導電パイプ１５は円運動しない。このように、第２の導電パイプ１５が円運動しないので、この第２の導電パイプ１５を設けた第１，第２中空体１１，１７の内径を円運動の半径に対応させて大きくする必要がなく、装置をコンパクトにすることができる。

また、上記実施形態では、上記キャップ部材２２内に絶縁板２９と導電板３０とを積層して、絶縁板２９の流通孔２９ａと導電板３０の流通孔３０ａとでイオン噴出口を構成している。そして、上記圧力流体の流出方向に対して導電板３０の下流側に絶縁板２９を位置させている。
このように絶縁板２９と導電板３０とを配置したことによってイオン噴出口から噴出されるイオン流を長期にわたってより安定化することができる。

その理由を、図７を用いて説明する。
上記放電電極２７に高電圧を印加すると、主な放電は上記アースリング２８と放電電極２７の先端との間に発生するが、上記導電板３０もアースに接続しているので、放電電極２７から上記導電板３０に向かう放電も発生する。このような導電板３０を設けたことによってイオン空間が大きくなって、イオンを効率的に生成することができる。したがって、イオンを効率的に生成するためには、イオン噴出口を構成する導電板３０がアース電極を構成することが有効である。

一方、生成されたイオンが、圧力流体によってイオン流として流通孔３０ａを通過すると、金属製の導電板３０はイオンによるダメージを受ける。このようなイオンダメージを受けると、流通孔３０ａがイオンによって消耗し、流通孔３０ａの開口径ｄ３が大きくなったり、流通孔３０ａの方向が曲がってしまったりする。このように流通孔３０ａが変形すると、そこを通過して噴出する圧力流体の方向や速度が変化する。実際には、流体の方向が変わり、流速が落ちてしまうため、目的のイオン流が噴出されないことになる。

しかし、上記実施形態では、図７に示すように上記流通孔３０ａの下流側にセラミックなどの絶縁板２９を配置し、その流通孔２９ａを上記流通孔３０ａに連続させているため、上記流通孔３０ａから噴出したイオン流は絶縁板２９の流通孔２９ａによって、その方向や流速が修正される。
セラミック製などの絶縁板２９は、導電板３０のようなイオンダメージを受けないので、流通孔２９ａはイオン流が通過しても変形することがない。そのため、導電板３０の流通孔３０ａがイオンダメージによって変形し、イオン流の方向などが多少変化したとしても、その流れを上記絶縁板２９の流通孔２９ａによって修正して噴出させることができる。
特に、上記流通孔２９ａの上流側開口径ｄ２を導電板３０の流通孔３０ａの開口径ｄ３よりも大きくしているので、導電板３０の流通孔３０ａから噴出するイオン流を、確実に絶縁板２９の流通孔２９ａに導くことができる。

また、上記導電板３０の流通孔３０ａがイオンダメージによってその変形量が大きくなったときには、導電板３０を交換しなければならない。上記導電板３０の下流側に上記絶縁板２９を設けていないときには、１〜２週間で上記導電板３０を交換しなければならなかったが、同様の使用状況においても、上記絶縁板２９を設けることによって１年以上の使用が可能になった。つまり、絶縁板２９を設けることによって、実質的に導電板３０の寿命を延ばすことができる。
なお、上記導電板３０を形成するタングステンやモリブデンなどは、ステンレスなどの他の金属と比べるとイオンダメージを受けにくい材料であるが、他の金属材料と比べて高価である。上記絶縁板２９を設けることによって、上記のような高価な部品の寿命を延ばせることは有意義である。

さらに、上記実施形態では、絶縁板２９をキャップ部材２２とねじ結合して、上記導電板３０を絶縁板２９によって環状凸部２２ｂに押し付けているだけなので、キャップ部材２２と上記導電板３０との間でねじ結合が必要ない。もし、タングステン製の導電板３０と、ステンレス製のキャップ部材２２とをねじ結合した場合には、導電板３０への放電を繰り返すうちに、異金属間である上記ねじ結合した部分が、放電の際の熱で溶着してしまう可能性がある。そうなれば、上記導電板３０とキャップ部材２２とが一体化して上記導電板３０をキャップ部材２２から取り外して交換することができなくなるので、キャップ部材２２ごと交換しなければならない。上記実施形態の構成では、導電板３０のみの交換が可能である。

この発明のイオン生成装置は、イオンを利用する様々な表面処理に利用できる。

１８ ケーシング
２７ 放電電極
２８ （アース電極を構成する）アースリング
２９ 絶縁板
２９ａ 流通孔
３０ （アース電極を構成する）導電板
３０ａ 流通孔

Claims (2)

1. 圧力流体源に接続し、イオン噴出口を備えたケーシングと、
   このケーシング内に設け、高電圧を印加する放電電極と、
   この放電電極との間で放電させるためのアース電極と、
   を備え、
   上記放電電極に高電圧を印加して上記アース電極との間の放電によってイオンを生成し、
   このイオンを上記イオン噴出口から噴出させるイオン生成装置であって、
   上記イオン噴出口は、
   複数の流通孔が形成され、上記アース電極を構成する導電板と、
   複数の流通孔が形成され、上記圧力流体源から供給された圧力流体の流出方向に対して上記導電板の下流側に設けられた無機材料からなる絶縁板とからなり、
   上記導電板と上記放電電極の先端面とを対向させるとともに、
   上記導電板の流通孔及び絶縁板の流通孔を経由する上記圧力流体によって上記イオンを噴出させる構成にしたイオン生成装置。
2. 上記絶縁板の流通孔において上記導電板に密着する側の開口径は、上記絶縁板の流通孔において上記導電板と反対側の開口径、及び上記導電板に形成された流通孔の開口径よりも大きくされた請求項１に記載のイオン生成装置。

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