(57)【要約】【課題】ワークの処理範囲全体に均一なプラズマ処理ができる大気圧プラズマ装置を提供する。【解決手段】大気圧プラズマ装置１は、ワークＷの上方に配置される第１の電極２と、第１の電極２と離間して設けられた第２の電極６との間に電圧を印加してプラズマを発生させて、ワークＷにプラズマ処理を行うための大気圧プラズマ装置１であって、第１の電極２と第２の電極６の間に側方から流れるように反応性ガス流を発生させるガス流発生装置８を備え、第２の電極６は第１の電極２に向かって突出する凸状部を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの上方に配置される第１の電極と、前記第１の電極と離間して設けられた第２の電極との間に電圧を印加してプラズマを発生させて、前記ワークにプラズマ処理を行うための大気圧プラズマ装置であって、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に側方から流れるように反応性ガス流を発生させるガス流発生装置を備え、
前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は、前記第１の電極及び第２の電極の他方に向かって突出する凸状部、又は、前記他方に対して凹む凹状部を有する、
ことを特徴とする、大気圧プラズマ装置。
【請求項２】
前記第２の電極は前記第１の電極に向かって突出する凸状部を有し、
前記ガス流発生装置は前記凸状部に向かうような前記反応性ガス流を発生させる、
請求項１に記載の大気圧プラズマ装置。
【請求項３】
第１の電極と、前記第１の電極と離間して設けられた第２の電極との間に電圧を印加してプラズマを発生させて、ワークにプラズマ処理を行うための大気圧プラズマ装置であって、
反応性ガス流を発生させる第１のガス流発生装置及び第２のガス流発生装置を備え、
前記第１のガス流発生装置は、前記第１の電極と前記第２の電極の間に側方から流れるように反応性ガス流を発生させ、
前記第１の電極と前記第２の電極との間には、前記ガス流発生装置が発生させた前記反応性ガス流が流れる環状断面のガス流路が形成され、
前記第１の電極は前記ガス流路の内方に設けられ、
前記第２の電極は前記ガス流路の外方に設けられ、
前記第１の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との距離が広がるように先端に向かって先細り形状に形成され、
前記第２のガス流発生装置が前記ワークの側方に向かうような前記反応性ガス流を発生させる、
ことを特徴とする、大気圧プラズマ装置。
【請求項４】
前記ワークは、接地極上に配置されており、
前記大気圧プラズマ装置は、前記第１の電極の軸線が前記接地極に向くように配置され、
前記接地極の少なくとも一部は前記ワーク側に突出している、
請求項３に記載の大気圧プラズマ装置。
【請求項５】
さらに、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方を包囲する誘電体を備ええ、前記誘電体の比誘電率は２．０〜１０．０である
請求項１〜４の何れか１項に記載の大気圧プラズマ装置。
【請求項６】
前記誘電体は、シリコーン樹脂からなる、
請求項５に記載の大気圧プラズマ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークに処理を行うための大気圧プラズマ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電極間に電位差を印加し、電極間に反応性ガスを導入することにより、反応性ガスをプラズマ化させるプラズマ処理装置が知られている。プラズマは反応性が高く、プラズマをワークに接触させることにより、ワークの表面に対して洗浄、改質などの表面処理などを行うことができる。
【０００３】
このようなプラズマ処理装置として、近年、大気圧プラズマ装置が広く用いられている。大気圧プラズマ装置は、ワーク周辺を減圧するための減圧装置が不要となるため、汎用性が高い。このような大気圧プラズマ装置としては、例えば、特許文献１に記載されているように、平行に配置された一対の平坦な電極を用いるプラズマ処理装置や、特許文献２に記載されているように、筒体の内面に一方の面電極を設けるとともに筒体の内側に金属電極を設けたトーチ型プラズマ装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７２３１８号公報
【特許文献２】特開２０１５−８４２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで大気圧プラズマ装置では、ワークに対する処理を行う場合には、部位によってプラズマ処理が不均一になってしまうという問題がある。
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、ワークの処理範囲全体に均一なプラズマ処理ができる大気圧プラズマ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の大気圧プラズマ装置は、ワークの上方に配置される第１の電極と、第１の電極と離間して設けられた第２の電極との間に電圧を印加してプラズマを発生させて、ワークにプラズマ処理を行うための大気圧プラズマ装置であって、第１の電極と第２の電極の間に側方から流れるように反応性ガス流を発生させるガス流発生装置を備え、第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方は、第１の電極及び第２の電極の他方に向かって突出する凸状部、又は、他方に対して凹む凹状部を有する、ことを特徴とする。
【０００７】
第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方に凸状部又は凹状部が形成されている場合には、第１の電極と第２の電極との間の距離が大きい部分と、この距離が小さい部分とが生じる。そして、第１の電極と第２の電極の間の距離が大きい部分では、ワークのプラズマ処理に有効なラジカル種がワークに到達するまで持続しにくい。これに対して、上記構成の本発明によれば、ガス流発生装置は第１の電極と第２の電極の間に側方から反応性ガスを噴射している。第１の電極と第２の電極が平行に近い領域では、第１の電極から第２の電極まで直線的な電界が発生しやすいが、第１の電極と第２の電極が平行でない領域では、湾曲した形状の電界が発生しやすい。このため、第１の電極と第２の電極が平行でない領域では、反応性ガス流の方向に対して電界の方向が垂直ではなくなり（平行に近づき）、この領域でプラズマが強化される。これにより、第１の電極と第２の電極との間の距離が大きい領域でもワークの表面処理に有効なラジカル種がワークに到達する。その結果、第１の電極と第２の電極との間の距離が大きい領域におけるプラズマ処理が強化され、結果としてワークの処理範囲の全体に均一なプラズマ処理が実現できる。なお、本発明でいう、電極が凸状部又は凹状部を有するとは、電極の一部に凸状部又は凹状部が形成された場合のみならず、電極全体が凸状又は凹状に形成された場合（すなわち、電極全体が凸状部又は凹状部として形成された場合）を含む。
【０００８】
本発明において、好ましくは、第２の電極は第１の電極に向かって突出する凸状部を有し、ガス流発生装置は凸状部に向けて反応性ガスを供給する。
上記構成の本発明によれば、凸状部の中心領域では第１の電極から第２の電極に向かって直線状の電界が生じるが、凸状部の側部領域では、湾曲した形状の電界が発生する。このため、反応性ガスを凸状部に向けて供給すると、側部領域においてもワークの表面処理に有効なラジカル種がワークに到達する。これにより、側部領域におけるプラズマ処理が強化され、結果としてワークの処理範囲全体に均一なプラズマ処理が実現できる。
【０００９】
本発明において、好ましくは、第１の電極と、第１の電極と離間して設けられた第２の電極との間に電圧を印加してプラズマを発生させて、ワークにプラズマ処理を行うための大気圧プラズマ装置であって、反応性ガス流を発生させる第１のガス流発生装置及び第２のガス流発生装置を備え、第１のガス流発生装置は第１の電極と第２の電極の間に側方から流れるように反応性ガス流を発生させ、第１の電極と第２の電極との間には、ガス流発生装置が発生させた反応性ガス流が流れる環状断面のガス流路が形成され、第１の電極はガス流路の内方に設けられ、第２の電極はガス流路の外方に設けられ、第１の電極は、第１の電極と第２の電極との距離が広がるように先端に向かって先細り形状に形成され、前記第２のガス流発生装置がワークの側方に向かうように反応性ガス流を発生させる、ことを特徴とする。
【００１０】
本発明のようなトーチ型の大気圧プラズマ装置では、ガス流路から噴射された反応性ガスは広がって流れるため、大気圧プラズマ装置の中心軸から離れるほど、プラズマが弱くなる。このため、ワークの側部領域では、表面処理が弱くなってしまう。これに対して、本発明によれば、先端部では第１の電極と第２の電極との間の電界が湾曲し、反応性ガスの流れる方向に対して平行に近づく。このため、先端部においてプラズマが強化されるため、ワークの側部領域においても表面処理を行うことができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、ワークは、接地極上に配置されており、大気圧プラズマ装置は、第１の電極の軸線が接地極に向くように配置され、接地極の少なくとも一部はワーク側に突出している。
このような構成の本発明によれば、第１の電極及び第２の電極の何れかと接地極との間に電界が生じ、プラズマがワークに接触する。この際、接地極が突出しているため、接地極の側部において電界が湾曲し、この部分で反応性ガスの流れる方向と電界との角度が平行に近づく。さらに、第１の電極が先細りであるため、接地極の側部においてより電界が湾曲する。これにより、ワークの処理範囲の側部におけるプラズマ処理が強化される。
【００１２】
本発明において、好ましくは、さらに、第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方を包囲する誘電体を備え、誘電体の比誘電率は２．０〜１０．０である。
本発明において、好ましくは、誘電体は、シリコーン樹脂からなる。
【００１３】
上記構成の本発明によれば、第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方が誘電率の高くない誘電体により包囲されているため、電荷のため込みが抑制され、グロー放電を維持することができるため、ワークの処理範囲全体に均一な表面処理を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ワークの処理範囲全体に均一なプラズマ処理ができる大気圧プラズマ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態の大気圧プラズマ装置を示す概略図である。
【図２】第１実施形態の大気圧プラズマ装置を作動した状態における、電界及び反応性ガスの流れを説明するための図である。
【図３】本発明の第２実施形態の大気圧プラズマ装置を示す概略図である。
【図４】第２実施形態のプラズマ装置を作動した状態における、電界及び反応性ガスの流れを説明するための図である。
【図５】本発明の第３実施形態の大気圧プラズマ装置を示す概略図である。
【図６】第３実施形態のプラズマ処理装置を作動した状態における、電界及び反応性ガスの流れを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態の大気圧プラズマ装置について図面を参照しながら、詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の大気圧プラズマ装置を示す概略図である。図１に示すように、大気圧プラズマ装置１は、第１の電極２と、第２の電極（アース極）６と、反応性ガス流発生装置８と、を備える。大気圧プラズマ装置１は、大気圧又は略大気圧と等しい圧力でワークＷに対してプラズマを放射して表面処理を行う装置である。
【００１７】
第１の電極２は、導電性材料材が円柱状に形成されており、下端が平坦面に形成されている。第１の電極２は、第２の電極６の水平方向の中心の直上に上下方向に延びるように配置されている。第１の電極２を構成する導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデン、アルミニウム、銅、炭素、ステンレス等を用いることができる。第１の電極２には、電源装置（図示せず）が電気的に接続されている。
【００１８】
また、大気圧プラズマ装置１は、第１の電極２の外周面及び下端面を包囲するように設けられた誘電体１０を備える。誘電体１０を構成する材料は、耐プラズマ性を有する比誘電率が２．０〜１０．０程度である、誘電率が高くない材料が適している。具体的には、誘電体１０を構成する材料としては、シリコーン樹脂（シリコーンゴム）、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ナイロン樹脂、天然ゴム、ネオプレン、ガラス、又はセラミックスを用いることができる。特に、誘電体１０を構成する材料としては、シリコーン樹脂が適している。
【００１９】
第２の電極６は、上面が水平かつ平坦な基台４上に配置されている。第２の電極６は、第１の電極２に向かって突出するような略半球状（凸形状）に形成されており、電源装置（図示せず）が電気的に接続されている。第２の電極６を構成する材料として、第１の電極２と同様に、例えば、タングステン、モリブデン、アルミニウム、銅、炭素、ステンレス等を用いることができる。なお、本実施形態では、第２の電極６全体が第１の電極２に向かって突出するような略半球状（凸形状）となっているが、一部に、このような凸状部が形成されていてもよい。また、第２の電極６には、必ずしも、電源装置が電気的に接続されていなくてもよいし、アース極でなくてもよい。
【００２０】
ワークＷは中空の半球状であり、プラズマ処理の対象となる面が上方に向くように、第２の電極６上に配置されている。なお、本実施形態では、ワークＷ全体が凸形状である半球状となっているが、ワークＷの一部に、第１の電極２に対して凸状部又は、第１の電極２に対して凹状部を有してもよい。
【００２１】
このように、第２の電極６が半球状に形成されているため、第１の電極２の下端面と第２の電極６の上面との間の距離は、平面視における第２の電極６の中心の領域（以下、中心領域という）において短く、側方の領域（以下、側部領域という）では長くなっている。
【００２２】
反応性ガス流発生装置８は、アルゴン、ヘリウムなどの反応性ガスを噴射する装置である。反応性ガス流発生装置８は、基台４上の第２の電極６の周囲に設けられており、第１の電極２と第２の電極６との間の空間に、第２の電極６に向かって側方から水平に反応性ガスを噴出する。反応性ガス流発生装置８は、例えば、水平面内で第２の電極６を中心に等角度間隔で設けられるのが好ましい。なお、本実施形態では反応性ガス流発生装置８として、反応性ガスを噴出する装置を用いているが、これに限らず、反応性ガス雰囲気において反応性ガスを吸引することにより反応性ガス流を供給する構成としてもよい。
【００２３】
以下、第１実施形態の大気圧プラズマ装置１の作動について説明する。図２は、第１実施形態の大気圧プラズマ装置を作動した状態における、電界及び反応性ガスの流れを説明するための図である。なお、図２では電界については左半分のみ示しているが、電界は左右対称に発生している。図２に示すように、大気圧プラズマ装置１を駆動するためには、電源装置により第１の電極２及び第２の電極６の間に電圧を印加する。また、これと同時に反応性ガス流発生装置８により、第２の電極６に向かって反応性ガスを噴出する。なお、本実施形態では、電源装置として交流電源を用いているが、直流電源を用いてもよい。
【００２４】
第１の電極２と、第２の電極６との間に電圧を印加すると、第１の電極２と第２の電極６の間に放電がおこり、プラズマが発生する。そして、発生したプラズマが、第１の電極２と第２の電極６との間の電界により加速されてワークＷの表面に接触し、ワークＷの表面処理を行うことができる。
【００２５】
ここで、本実施形態では、第２の電極６が半球状であるため、中心領域では電極間の距離が短く、側部領域では電極間の距離が長い。このため、第１の電極２と第２の電極６との間で生じる放電は、電極間の距離が短い中心の領域にストリーマ放電が発生しやすい。また、グロー放電が発生したとしても、第１の電極２と第２の電極６との間の距離が大きな側部領域では、ワークＷの表面処理に有効なラジカル種がワークＷに到達するまで持続しにくい。
【００２６】
これに対して、本実施形態では、反応性ガス流発生装置８により第１の電極２と第２の電極６との間に側方からワークＷに向かって反応性ガスを噴射している。ここで、例えば、J. L. Walsh、外１名、″APPLIED PHYSICS LETTERS 93 (11) article 111501, pp. 1-3、 「Contrasting characteristics of linear-field and cross-field atmospheric plasma jets」″、［online］、2008年、American Institute of Physics、［平成31年2月1日検索］、インターネット〈URL https://dspace.lboro.ac.uk/dspace.../Walsh_Kong_APL_2008.pdf〉等に記載されているように、電界に対して垂直方向に反応性ガスを噴射する場合に比べて、電界に対して平行に反応性ガスを噴射することにより、電子が反応性ガスの流れ方向に向けて加速され、プラズマが強化される。
【００２７】
図２に示すように、第１の電極２と第２の電極６との間には、中心領域では上下方向に近い方向の電界が発生する。このため、中心領域では、反応性ガス流発生装置８から供給される反応性ガスの流れは、電界に対して垂直方向となる。これに対して、側部領域では高さ方向中央で側方に突出するような湾曲した形状の電界が発生している。このため、側部領域では反応性ガスの流れは電界の方向に近づくことになる。このように、側部領域では反応性ガスの流れの方向が電界の方向に近づく、すなわち、平行状態に近づくため、側部領域を流れるプラズマは強化される。
【００２８】
さらに、本実施形態では、第１の電極２が、シリコーンなどの誘電率の高くない誘電体１０により包囲されている。従来は、大気圧状態で誘電体を用いるバリア放電を行う場合には、誘電体１０として誘電率の高い材料を用いていた。しかしながら、このようなバリア放電では、誘電体が電荷をため込むため、電位差が大きくなり、高電圧のストリーマ放電が発生することがあった。このような高電圧のストリーマ放電が発生してしまうと、局所的に焦げなどが生じてしまうことがある。これに対して、本実施形態では、第１の電極２が誘電率の高くない誘電体１０により包囲されているため、電荷のため込みが抑制され、グロー放電を維持することができるため、ワークＷの処理範囲全体に均一な表面処理を行うことができる。
【００２９】
本実施形態によれば以下の効果が奏される。
本実施形態のように、第２の電極６が上方に向かって突出する半球状である場合には、中心領域に比べて側部領域でプラズマ処理が弱くなる傾向がある。これに対して、上記実施形態によれば、反応性ガス流発生装置８により側方から反応性ガスを噴出するため、側部領域においてもラジカル種がワークＷまで到達する。これにより、ワークＷの処理範囲全体に均一なプラズマ処理が実現できる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、第１の電極２をシリコーン樹脂からなる誘電体１０で包囲している。このように、本実施形態では、第１の電極２が誘電率の高くない誘電体１０により包囲されているため、電荷のため込みが抑制され、グロー放電を維持することができるため、ワークＷの処理範囲全体に均一な表面処理を行うことができる。
【００３１】
なお、上記実施形態では、第１の電極２のみを誘電体１０により包囲したが、これに限らず、第１の電極２及び第２の電極６の両方を誘電体により包囲してもよいし、第２の電極６のみを誘電体により包囲してもよい。
また、上記実施形態では、第２の電極６を第１の電極２に向って突出する凸状に形成した場合について説明したが、本発明は、これに限られず、第２の電極を第１の電極に対して凹む凹状に構成してもよい。
また、上記実施形態では、第２の電極６全体が第１の電極２に向かって突出する凸状に形成したが、第２の電極の一部に第１の電極に向かって突出する凸状部又は第１の電極に対して凹む凹状部を形成してもよい。
【００３２】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態の大気圧プラズマ装置について図面を参照しながら、詳細に説明する。
図３は、本発明の第２実施形態の大気圧プラズマ装置を示す概略図である。図３に示すように、大気圧プラズマ装置２１は、第１の電極２２と、第２の電極（アース極）２６と、反応性ガス流発生装置２８と、を備える。大気圧プラズマ装置２１は、大気圧又は略大気圧と等しい圧力でワークＷに対してプラズマを放射して表面処理を行う装置である。
【００３３】
第１の電極２２は、導電性材料材が板状に形成されてなる。第１の電極２２は、第２の電極２６の直上に水平に配置されている。第１の電極２２を構成する導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデン、アルミニウム、銅、炭素、ステンレス等を用いることができる。第１の電極２２には、電源装置（図示せず）が電気的に接続されている。
【００３４】
また、大気圧プラズマ装置２１は、第１の電極２２の下面を包囲するように設けられた誘電体３０を備える。誘電体３０を構成する材料は、耐プラズマ性を有する比誘電率が２．０〜１０．０程度である、誘電率が高くない材料が適している。具体的には、誘電体３０を構成する材料としては、シリコーン樹脂（シリコーンゴム）、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ナイロン樹脂、天然ゴム、ネオプレン、ガラス、又はセラミックスを用いることができる。特に、誘電体３０を構成する材料としては、シリコーン樹脂が適している。
【００３５】
第２の電極２６は、上面が水平かつ平坦な基台２４上に配置されている。第２の電極２６は、第１の電極２２に向かって突出するような略半楕円体状に形成されており、電源装置（図示せず）が電気的に接続されている。第２の電極２６を構成する材料として、第１の電極２２と同様に、例えば、タングステン、モリブデン、アルミニウム、銅、炭素、ステンレス等を用いることができる。なお、本実施形態では、第２の電極２６全体が第１の電極２２に向かって突出するような略半楕円体状（凸形状）となっているが、一部に、このような凸状部が形成されていてもよい。また、本実施形態では、第２の電極２６には、必ずしも、電源装置が電気的に接続されていなくてもよし、アース極でなくてもよい。
【００３６】
ワークＷは中空の半楕円体状であり、プラズマ処理の対象となる面が上方に向くように、第２の電極２６上に配置されている。なお、本実施形態では、ワークＷ全体が凸形状である半楕円体状となっているが、ワークＷの一部に、第１の電極２２に対して凸状部又は、第１の電極２２に対して凹状部を有してもよい。
【００３７】
このように、第２の電極２６が半楕円体状に形成されているため、第１の電極２２の下面と第２の電極２６の上面との間の距離は、平面視における第２の電極２６の中心の領域（以下、中心領域という）において短く、側方の領域（以下、側部領域という）では長くなっている。
【００３８】
反応性ガス流発生装置２８は、アルゴン、ヘリウムなどの反応性ガスを噴射する装置である。反応性ガス流発生装置２８は、基台２４上の第２の電極２６の周囲に設けられており、第１の電極２２と第２の電極２６との間の空間に、第２の電極２６に向かって側方から水平に反応性ガスを噴出する。反応性ガス流発生装置２８は、例えば、水平面内で第２の電極２６を中心に等角度間隔で設けられるのが好ましい。なお、本実施形態では反応性ガス流発生装置２８として、反応性ガスを噴出する装置を用いているが、これに限らず、反応性ガス雰囲気において反応性ガスを吸引することにより反応性ガス流を供給する構成としてもよい。
【００３９】
以下、第２実施形態の大気圧プラズマ装置２１の作動について説明する。図４は、第２実施形態のプラズマ装置を作動した状態における、電界及び反応性ガスの流れを説明するための図である。図４に示すように、大気圧プラズマ装置２１を駆動するためには、電源装置により第１の電極２２及び第２の電極２６の間に電圧を印加する。また、これと同時に反応性ガス流発生装置２８により、第２の電極２６に向かって反応性ガスを噴出する。なお、本実施形態では、電源装置として交流電源を用いているが、直流電源を用いてもよい。
【００４０】
第１の電極２２と、第２の電極２６との間に電圧を印加すると、第１の電極２２と第２の電極２６の間に放電がおこり、プラズマが発生する。そして、発生したプラズマが、第１の電極２２と第２の電極２６との間の電界により加速されてワークＷの表面に接触し、ワークＷの表面処理を行うことができる。
【００４１】
ここで、本実施形態では、第２の電極２６が半楕円体状であるため、中心領域では電極間の距離が短く、側部領域では電極間の距離が長い。このため、第１の電極２２と第２の電極２６との間で生じる放電は、電極間の距離が短い中心の領域にストリーマ放電が発生しやすい。また、グロー放電が発生したとしても、第１の電極２２と第２の電極２６との間の距離が大きな側部領域では、ワークＷの表面処理に有効なラジカル種がワークＷに到達するまで持続しにくい。
【００４２】
これに対して、本実施形態では、反応性ガス流発生装置２８により第１の電極２２と第２の電極２６との間に側方からワークＷに向かって反応性ガスを噴射している。ここで、例えば、J. L. Walsh、外１名、″APPLIED PHYSICS LETTERS 93 (11) article 111501, pp. 1-3、 「Contrasting characteristics of linear-field and cross-field atmospheric plasma jets」″、［online］、2008年、American Institute of Physics、［平成31年2月1日検索］、インターネット〈URL https://dspace.lboro.ac.uk/dspace.../Walsh_Kong_APL_2008.pdf〉等に記載されているように、電界に対して垂直方向に反応性ガスを噴射する場合に比べて、電界に対して平行に反応性ガスを噴射することにより、電子が反応性ガスの流れ方向に向けて加速され、プラズマが強化される。
【００４３】
図４に示すように、第１の電極２２と第２の電極２６との間には、中心領域では上下方向に近い方向の電界が発生する。このため、中心領域では、反応性ガス流発生装置２８から供給される反応性ガスの流れ方向は、電界に対して垂直となる。これに対して、側部領域では高さ方向中央で側方に突出するような湾曲した形状の電界が発生している。このため、側部領域では反応性ガスの流れ方向は電界の方向に近づくことになる。このように、側部領域では反応性ガスの流れの方向が電界の方向に近づく、すなわち、平行状態に近づくため、側部領域を流れるプラズマは強化される。
【００４４】
さらに、本実施形態では、第１の電極２２が、シリコーンなどの誘電率の高くない誘電体３０により包囲されている。従来は、大気圧状態で誘電体を用いるバリア放電を行う場合には、誘電体３０として誘電率の高い材料を用いていた。しかしながら、このようなバリア放電では、誘電体が電荷をため込むため、電位差が大きくなり、高電圧のストリーマ放電が発生することがあった。このような高電圧のストリーマ放電が発生してしまうと、局所的に焦げなどが生じてしまうことがある。これに対して、本実施形態では、第１の電極２２が誘電率の高くない誘電体３０により包囲されているため、電荷のため込みが抑制され、グロー放電を維持することができるため、ワークＷの処理範囲全体に均一な表面処理を行うことができる。
【００４５】
本実施形態によれば以下の効果が奏される。
本実施形態のように、第２の電極２６が上方に向かって突出する半楕円体状である場合には、中心領域に比べて側方でプラズマ処理が弱くなる傾向がある。これに対して、上記実施形態によれば、反応性ガス流発生装置２８により側方から反応性ガスを噴出するため、側方領域においてもラジカル種がワークＷまで到達する。これにより、ワークＷの処理範囲全体に均一なプラズマ処理が実現できる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、第１の電極２２をシリコーン樹脂からなる誘電体３０で包囲している。このように、本実施形態では、第１の電極２２が誘電率の高くない誘電体３０により包囲されているため、電荷のため込みが抑制され、グロー放電を維持することができるため、ワークＷの処理範囲全体に均一な表面処理を行うことができる。
【００４７】
なお、上記実施形態では、第２の電極２６を第１の電極２２に向って突出する凸状に形成した場合について説明したが、本発明は、これに限られず、第１の電極を第２の電極に向かって突出させる構成としてもよい。
さらに、上記実施形態では、第２の電極２６を第１の電極２２に向って突出する凸状に形成した場合について説明したが、本発明は、これに限られず、第２の電極を第１の電極に対して凹む凹状に構成してもよいし、第１の電極を第２の電極に対して凹む凹状に構成してもよい。
また、上記実施形態では、第２の電極２６全体が第１の電極２２に向かって突出する凸状に形成したが、第２の電極の一部に第１の電極に向かって突出する凸状部、又は、第１の電極に対して凹む凹状部を形成してもよいし、第１の電極の一部に第２の電極に向かって突出する凸状部、又は、第２の電極に対して凹む凹状部を形成してもよい。
【００４８】
＜第３実施形態＞
以下、本発明の第３施形態の大気圧プラズマ装置について図面を参照しながら、詳細に説明する。
図５は、本発明の第３実施形態の大気圧プラズマ装置を示す概略図である。図５に示すように、大気圧プラズマ処理装置６１は、トーチ型の大気圧プラズマ装置６３と、基台６４と、基台６４上に配置された第３の電極７４と、第２の反応性ガス流発生装置６８と、を備える。大気圧プラズマ処理装置６１は、大気圧プラズマ装置６３により大気圧又は略大気圧と等しい圧力でワークＷに対してプラズマを放射して表面処理を行う装置である。
【００４９】
大気圧プラズマ装置６３は、筒状のケーシング７２と、ケーシング７２の内側に配置された第１の電極６２と、ケーシング７２の外面に取り付けられた複数の第２の電極（アース極）６６と、第１の反応性ガス流発生装置（図示せず）と、を備える。ケーシング７２と、第１の電極６２との間には、環状断面のガス流路７１が形成されている。
【００５０】
第１の電極６２は、導電性材料材が円柱状に形成されてなり、下端に向かって先細り形状に形成されている。第１の電極６２を構成する導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデン、アルミニウム、銅、炭素、ステンレス等を用いることができる。第１の電極６２には、電源装置（図示せず）が電気的に接続されている。
【００５１】
また、大気圧プラズマ装置６３は、第１の電極６２の側面及び下面を覆うように設けられた誘電体７０を備える。誘電体７０を構成する材料は、耐プラズマ性を有する比誘電率が２．０〜１０．０程度である、誘電率が高くない材料が適している。具体的には、誘電体７０を構成する材料としては、シリコーン樹脂（シリコーンゴム）、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ナイロン樹脂、天然ゴム、ネオプレン、ガラス、又はセラミックスを用いることができる。特に、誘電体７０を構成する材料としては、シリコーン樹脂が適している。
【００５２】
ケーシング７２は、石英ガラスなどの誘電体からなり筒状に形成されてなる。ケーシング７２の内側には、第１の電極６２が、第１の電極６２とケーシング７２の中心軸が整列するように配置されている。
【００５３】
第２の電極６６は、それぞれ、円弧状の水平断面を有する板状に形成され、ケーシング７２の外周面に等角度間隔で取り付けられている。第２の電極６６は、電源装置（図示せず）が電気的に接続されている。第２の電極６６を構成する材料として、第１の電極６２と同様に、例えば、タングステン、モリブデン、アルミニウム、銅、炭素、ステンレス等を用いることができる。また、本実施形態において、第２の電極６６は、必ずしも、電源装置は電気的に接続されていなくてもよし、アース極でなくてもよい。
【００５４】
このように、第１の電極６２が下端に向かって先細り形状に形成されているため、第１の電極６２と第２の電極６６との間の距離は先端に向かって広がっており、鉛直断面視における上方の領域において短く、下方の領域では長くなっている。
【００５５】
大気圧プラズマ装置６３の第１の反応性ガス流発生装置は、アルゴン、ヘリウムなどの反応性ガスを噴射する装置である。第１の反応性ガス流発生装置により噴射された反応性ガスは、第１の電極６２とケーシング７２との間のガス流路７１を下方に向かって流れる。
【００５６】
基台６４は、上面が平坦面に形成されている。基台６４上には、第３の電極７４が設けられるとともに、第３の電極７４の周囲に第２の反応性ガス流発生装置６８が設けられている。第２の反応性ガス流発生装置６８は、例えば、水平面内で第３の電極７４を中心に等角度間隔で設けられるのが好ましい。
【００５７】
第３の電極７４は、ワークＷ側に突出するような半楕円球状に形成されており、接地されている。第３の電極７４を構成する材料として、第１の電極６２と同様に、例えば、タングステン、モリブデン、アルミニウム、銅、炭素、ステンレス等を用いることができる。なお、本実施形態では、第３の電極７４全体が第１の電極６２に向かって突出するような略半楕円球状（凸形状）となっているが、一部に、このような凸状部が形成されていてもよい。また、本実施形態において、第３の電極７４は、アース極でなくてもよいし、電源装置（図示せず）に電気的に接続されてもよいし、電源装置に電気的に接続されなくてもよい。
【００５８】
ワークＷは半楕円球状である。ワークＷは、プラズマ処理の対象となる面が上方に向き、ワークＷの中心軸と、第３の電極７４の中心軸とが整列するように、第３の電極７４上に配置されている。なお、本実施形態では、ワークＷ全体が凸形状である半楕円球状となっているが、ワークＷの一部に、第１の電極６２に対して凸状部又は、第１の電極６２に対して凹状部を有してもよい。
大気圧プラズマ装置６３は、第１の電極６２の中心軸線が第３の電極７４に向くように配置されるのが好ましく、特に、大気圧プラズマ装置６３は、第１の電極６２の中心軸が、第３の電極７４の中心軸と一致するように配置されるのが好ましい。大気圧プラズマ処理装置６１は、このような配置にてプラズマ処理を行う。
【００５９】
このように、大気圧プラズマ装置６３の第１の電極６２が下端に向かって先細りに形成されており、第３の電極７４が半楕円球状に形成されているため、第１の電極６２と第３の電極７４との間の距離は、平面視における第３の電極７４の中心の領域（以下、中心領域という）において距離が短く、側方の領域（以下、側部領域という）では距離が長くなっている。
【００６０】
第２の反応性ガス流発生装置６８は、アルゴン、ヘリウムなどの反応性ガスを噴射する装置である。第２の反応性ガス流発生装置６８は、第３の電極７４の周囲に設けられており、第１の電極６２と第３の電極７４との間の空間に、外方からワークＷに向かって、ワークの側方を通るように水平に反応性ガスを噴出する。第２の反応性ガス流発生装置６８は、例えば、水平面内で第３の電極７４を中心に等角度間隔で設けられるのが好ましい。なお、本実施形態では第２の反応性ガス流発生装置６８として、反応性ガスを噴出する装置を用いているが、これに限らず、反応性ガス雰囲気において反応性ガスを吸引することにより反応性ガス流を供給する構成としてもよい。
【００６１】
以下、第３実施形態の大気圧プラズマ処理装置６１の作動について説明する。図６は、第３実施形態のプラズマ処理装置を作動した状態における、電界及び反応性ガスの流れを説明するための図である。図６に示すように、大気圧プラズマ処理装置６１を駆動するためには、電源装置により第１の電極６２及び第２の電極６６の間に電圧を印加する。また、これと同時に大気圧プラズマ装置６３の反応性ガス流発生装置により、第１の電極６２及び第２の電極６６の間のガス流路７１に、第１の電極６２及び第２の電極６６の側方から反応性ガスを噴出する。なお、本実施形態では、電源装置として交流電源を用いているが、直流電源を用いてもよい。
【００６２】
第１の電極６２と、第２の電極６６との間に電圧を印加すると、第１の電極６２と第２の電極６６の間に放電がおこり、プラズマが発生する。そして、発生したプラズマが、ガス流路７１を流れるガスにより加速されてワークＷの表面に接触し、ワークＷの表面処理を行うことができる。
【００６３】
ここで、本実施形態のようなトーチ型の大気圧プラズマ装置では、ガス流路から噴射された反応性ガスは広がって流れるため、大気圧プラズマ装置の中心軸から離れるほど、プラズマが弱くなる。このため、ワークＷの側部領域では、表面処理が弱くなってしまう。
【００６４】
これに対して、本実施形態では、第１の電極６２が先端に向かって先細りに形成されているため、先端部では第１の電極６２と第２の電極６６との間の電界が湾曲し、反応性ガスの流れる方向に対して平行に近づく。そして、上記の通り、電界に対して垂直方向に反応性ガスを噴射する場合に比べて、電界に対して平行に反応性ガスを噴射することにより、電子が反応性ガス流の方向に加速され、プラズマが強化される。このため、先端部においてプラズマが強化されるため、ワークＷの側部領域においても表面処理を行うことができる。
【００６５】
さらに、図６に示すように、第３の電極７４が接地されているため、第１の電極６２と第３の電極７４との間にも電界が生じる。そして、この電界は、第１の電極６２が先細り形状であり、第３の電極７４が半楕円球状であるため、第３の電極７４の側部において湾曲しているため、側部領域における電界は第２の反応性ガス流発生装置６８の反応性ガスの噴射方向に対して平行に近づく。これにより、第３の電極７４の側部領域ではプラズマは強化され、すなわち、ワークＷの側部領域においても表面処理を行うことができる。
【００６６】
さらに、本実施形態では、第１の電極６２が、シリコーンなどの誘電率の高くない誘電体７０により包囲されている。従来は、大気圧状態で誘電体を用いるバリア放電を行う場合には、誘電体として誘電率の高い材料を用いていた。しかしながら、このようなバリア放電では、誘電体が電荷をため込むため、電位差が大きくなり、高電圧のストリーマ放電が発生することがあった。このような高電圧のストリーマ放電が発生してしまうと、局所的に焦げなどが生じてしまうことがある。これに対して、本実施形態では、第１の電極６２が誘電率の高くない誘電体７０により覆われているため、電荷のため込みが抑制され、グロー放電を維持することができるため、ワークＷの処理範囲全体に均一な表面処理を行うことができる。
【００６７】
本実施形態によれば以下の効果が奏される。
本実施形態では、第１の電極６２が第１の電極６２と第２の電極６６との距離が広がるように先端に向かって先細りに形成されているため、先端部では第１の電極６２と第２の電極６６との間の電界が湾曲し、反応性ガスの流れる方向に対して平行に近づき、プラズマが強化される。これにより、ワークＷの処理範囲全体に均一なプラズマ処理が実現できる。
【００６８】
また、本実施形態では、第３の電極７４が半楕円球状であるため、第３の電極７４の側部において電界が湾曲し、第２の反応性ガス流発生装置６８の反応性ガスの噴射方向に対して平行に近づく。さらに、第１の電極６２が先細りであるため、第３の電極７４の側部においてより電界が湾曲する。これにより、第３の電極７４の側部領域ではプラズマは強化される。このため、側部領域においてプラズマが強化されるため、ワークＷの処理範囲全体に均一な表面処理を行うことができる。
【００６９】
また、本実施形態によれば、第１の電極６２の下面及び側面をシリコーン樹脂からなる誘電体７０で覆っている。このように、本実施形態では、第１の電極６２が誘電率の高くない誘電体７０により覆われているため、電荷のため込みが抑制され、グロー放電を維持することができるため、ワークＷの処理範囲全体に均一な表面処理を行うことができる。
【符号の説明】
【００７０】
１    大気圧プラズマ装置
２    第１の電極
４    基台
６    第２の電極
８    反応性ガス流発生装置
１０  誘電体
２１  大気圧プラズマ装置
２２  第１の電極
２４  基台
２６  第２の電極
２８  反応性ガス流発生装置
３０  誘電体
４１  大気圧プラズマ装置
４２  第１の電極
４６  第２の電極
４８  反応性ガス流発生装置
５０  誘電体
６１  大気圧プラズマ処理装置
６２  第１の電極
６３  大気圧プラズマ装置
６４  基台
６６  第２の電極
６８  第２の反応性ガス流発生装置
７０  誘電体
７１  ガス流路
７２  ケーシング
７４  第３の電極
Ｗ    ワーク
【図１】
2020140794.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020140794.tif 000007
【図６】
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