(57)【要約】【課題】大気圧プラズマの容積や形状を高い自由度で得ることのできるマイクロ波放電装置を提案する。【解決手段】本発明のマイクロ波放電装置は、誘電体基板２と、誘電体基板２の一面４側に形成されるマイクロストリップ線路６と、誘電体基板２の他面８側に形成される導体１０とを備える。マイクロストリップ線路６の終端部に、マイクロ波によって導体１０との間で大気圧プラズマを生成する安定放電電極２８を設け、安定放電電極２８と導体１０に挟まれる箇所に、着火用電極３０を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一面側に形成されるマイクロストリップ線路と、
前記誘電体基板の他面側に形成される導体とを備え、
前記マイクロストリップ線路の終端部に、マイクロ波によって前記導体との間で大気圧プラズマを生成する安定放電電極を設け、
前記安定放電電極と前記導体に挟まれる箇所に、着火用電極を配置したことを特徴とするマイクロ波放電装置。
【請求項２】
前記着火用電極は、
前記導体にむけて尖った先端形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波放電装置。
【請求項３】
前記マイクロストリップ線路を分岐させ、その分岐した一方の線路の終端部に前記安定放電電極を設け、他方の線路の終端部に前記着火用電極を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波放電装置。
【請求項４】
前記マイクロストリップ線路を、
着火前は、前記分岐点から前記着火用電極に至るまでの線路と、前記分岐点より前の線路とが、インピーダンスマッチングのとれた状態であり、且つ、前記分岐点から前記安定放電電極に至るまでの線路と、前記分岐点より前の線路とが、インピーダンスマッチングの外れた状態であり、
着火後は、前記分岐点から前記着火用電極に至るまでの線路と、前記分岐点より前の線路とが、インピーダンスマッチングの外れた状態となり、且つ、前記分岐点から前記安定放電電極に至るまでの線路と、前記分岐点より前の線路とが、インピーダンスマッチングのとれた状態となるように設けたことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波放電装置。
【請求項５】
前記安定放電電極と前記着火用電極との間に、前記大気圧プラズマから前記着火用電極を保護する保護膜を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ波放電装置。
【請求項６】
前記着火用電極は、
前記マイクロストリップ線路の終端部から一体に延出させたもの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放電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧プラズマを生成するマイクロ波放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、マイクロストリップ線路とアース電極との間でマイクロ波を伝播させ、このマイクロストリップ線路の終端部とアース電極との間において、大気圧プラズマを生成させるマイクロ波放電装置が記載されている。
【０００３】
前記マイクロ波放電装置では、マイクロストリップ線路の終端部に電極部を形成し、この電極部とアース電極との間の放電空間において、自発放電による着火と、この着火後の安定持続放電とを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０７８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のマイクロ波放電装置は、上述したように、単一の電極部とアース電極との間の放電空間において、自発放電と安定持続放電とを行う構造である。この放電空間は、自発放電による着火を低電力で行うためには、近接された導体間の隙間であることが要求される。
【０００６】
そのため、従来のマイクロ波放電装置においては、着火のための電力を抑えようとすると、放電空間の設計の自由度が非常に低くなり、つまりは、着火後の放電空間で生成される大気圧プラズマの容積や形状の自由度が非常に低くなるという問題がある。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑みて発明したものであって、着火のための電力を抑えることができ、且つ、着火後に生成される大気圧プラズマの容積や形状を高い自由度で得ることのできるマイクロ波放電装置を提案することを、課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明のマイクロ波放電装置を、下記構成を具備したものとする。
【０００９】
つまり、本発明のマイクロ波放電装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一面側に形成されるマイクロストリップ線路と、前記誘電体基板の他面側に形成される導体とを備え、前記マイクロストリップ線路の終端部に、マイクロ波によって前記導体との間で大気圧プラズマを生成する安定放電電極を設け、前記安定放電電極と前記導体に挟まれる箇所に、着火用電極を配置したことを特徴とする。
【００１０】
前記着火用電極は、前記導体にむけて尖った先端形状を有することが好ましい。
【００１１】
前記マイクロストリップ線路を分岐させ、その分岐した一方の線路の終端部に前記安定放電電極を設け、他方の線路の終端部に前記着火用電極を設けることも好ましい。
【００１２】
このとき、前記マイクロストリップ線路を、着火前は、前記分岐点から前記着火用電極に至るまでの線路と、前記分岐点より前の線路とが、インピーダンスマッチングのとれた状態であり、且つ、前記分岐点から前記安定放電電極に至るまでの線路と、前記分岐点より前の線路とが、インピーダンスマッチングの外れた状態であり、着火後は、前記分岐点から前記着火用電極に至るまでの線路と、前記分岐点より前の線路とが、インピーダンスマッチングの外れた状態となり、且つ、前記分岐点から前記安定放電電極に至るまでの線路と、前記分岐点より前の線路とが、インピーダンスマッチングのとれた状態となるように設けることが好ましい。
【００１３】
また、前記安定放電電極と前記着火用電極との間に、前記大気圧プラズマから前記着火用電極を保護する保護膜を配置することも好ましい。
【００１４】
前記着火用電極は、前記マイクロストリップ線路の終端部から一体に延出させたものであることも好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、着火のための電力を抑えることができ、且つ、着火後に生成される大気圧プラズマの容積や形状を高い自由度で得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態のマイクロ波放電装置の正面図である。
【図２】同上のマイクロ波放電装置の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】着火用電極の変形例を示す斜視図である。
【図５】着火用電極の他の変形例を示す斜視図である。
【図６】着火用電極のさらに他の変形例を示す斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態のマイクロ波放電装置の要部を示す斜視図である。
【図８】本発明の第３実施形態のマイクロ波放電装置の要部を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を、添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１８】
図１−図３には、本発明の第１実施形態のマイクロ波放電装置を示している。図１は本実施形態のマイクロ波放電装置の正面図、図２は平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００１９】
本実施形態のマイクロ波放電装置では、平面視矩形状をなす誘電体基板２の一面４に、導体からなるマイクロストリップ線路６を形成している。この誘電体基板２の一面４とは反対側をむく他面８には、マイクロストリップ線路６と対をなす導体１０を形成している。マイクロストリップ線路６は、マイクロ波の入力端子１２に接続される始端部を有し、この始端部から一直線状に伸びるとともに、その途中の分岐点Ｐから二手に分岐している。マイクロストリップ線路６の分岐点Ｐより後の二手の線路のうち一方が、安定放電用の線路１４であり、他方が着火用の線路１６である。分岐後の両線路１４，１６は、誘電体基板２の一面４の端縁部１８に至るまで、互いに平行となるように一直線状に伸びる。
【００２０】
導体１０は、誘電体基板２の他面８の全体を覆うように、幅広に形成している。導体１０は、通常接地電位とされるものであり、以下においてはこれを「グラウンド電極１０」と称する。
【００２１】
誘電体基板２の端縁部１８は、誘電体基板２をその厚み方向に切り落としたように形成される端面２０と、一面４の端部に形成される第１テーパ面２２と、他面８の端部に形成される第２テーパ面２４とを有する。第１及び第２テーパ面２２，２４は、端面２０に近づくほど互いの距離が接近するように傾斜されている。そのため、誘電体基板２の端縁部１８は、端面２０に近づくほどに厚みが小さくなっている。
【００２２】
マイクロストリップ線路６の安定放電用の線路１４は、第１テーパ面２２と端面２０との境界線２６に至るまで、誘電体基板２の一面４上において一直線状に伸びる。この線路１４の境界線２６上に位置する終端部が、安定放電電極２８となる。
【００２３】
マイクロストリップ線路６の着火用の線路１６は、誘電体基板２の一面４側の第１テーパ面２２を通過し、境界線２６を越えて端面２０に至るまで伸びる。この線路１６の端面２０上に位置する終端部が、着火用電極３０となる。
【００２４】
グラウンド電極１０は、第２テーパ面２４と端面２０との境界線３２に至るまで、誘電体基板２の他面８全体を覆うように形成されている。グラウンド電極１０の境界線３２上に位置する端縁部が、対向電極３４となる。
【００２５】
上述した本実施形態のマイクロ波放電装置では、誘電体基板２の端縁部１８にて、端面２０を介して安定放電電極２８と対向電極３４とが対向し、両電極２８，３４間の空間が放電空間となる。そして、安定放電電極２８とは別の電極である着火用電極３０は、安定放電電極２８と対向電極３４とで挟まれる箇所に配置されている。
【００２６】
より詳細に述べると、マイクロストリップ線路６の分岐した線路１６の終端部である着火用電極３０は、誘電体基板２の端面２０上にてＬ字状に形成されており（図１参照）、着火用電極３０の先端が、安定放電電極２８と対向電極３４との間の放電空間内に側方から挿し入れられている。この着火用電極３０と対向電極３４との距離は、安定放電電極２８と対向電極３４との距離よりも十分に小さく設定され、また、着火用電極３０は安定放電電極２８よりも十分に幅狭に形成されている。
【００２７】
これにより、着火用電極３０は、近接する対向電極３４との間で分子や電子を励起させてプラズマ状態とし、自発放電による着火を生じさせやすい構造となっている。一方、安定放電電極２８は、自発放電による着火後において、対向電極３４との間の広い放電空間内で大気圧プラズマを安定的に生じやすい構造となっている。
【００２８】
ここで、入力端からみた線路全体の回路インピーダンスは、入力端子１２にマイクロ波が供給されたとき、自発放電による着火前は着火用電極３０側に電力が流入し、着火後に安定放電電極２８にプラズマが誘発されたときはこの安定放電電極２８側に電力が流入するように設定する。プラズマ生成前後のインピーダンスの設定は、以下のように行う。
【００２９】
つまり、放電前においては、マイクロストリップ線路６の分岐点Ｐより前の線路のインピーダンスが、分岐点Ｐより後の着火用の線路１６のインピーダンスと同等（即ち、着火用の線路１６との間でインピーダンスマッチングのとれた状態）であり、且つ、分岐点Ｐより後の安定放電用の線路１４のインピーダンスよりも大きいか又は小さく（即ち、安定放電用の線路１４との間でインピーダンスマッチングの外れた状態と）なるように、各線路のインピーダンスを設定する。
【００３０】
そして、放電後においては、マイクロストリップ線路６の分岐点Ｐより前の線路のインピーダンスが、分岐点Ｐより後の着火用の線路１６のインピーダンスよりも大きいか又は小さくなり（即ち、着火用の線路１６との間でインピーダンスマッチングの外れた状態に遷移し）、且つ、分岐点Ｐより後の安定放電用の線路１４のインピーダンスと同等となる（即ち、安定放電用の線路１４との間でインピーダンスマッチングのとれた状態に遷移する）ように、各線路のインピーダンスを設定する。
【００３１】
具体的には、例えば、放電前においては、マイクロストリップ線路６の分岐点Ｐより前の線路のインピーダンスが５０［Ω］、分岐点Ｐより後の着火用の線路１６のインピーダンスが５０［Ω］、分岐点Ｐより後の安定放電用の線路１４のインピーダンスが１［ｋΩ］となるように設定する。そして、放電後においては、マイクロストリップ線路６の分岐点Ｐより前の線路のインピーダンスが５０［Ω］、分岐点Ｐより後の着火用の線路１６のインピーダンスが（１０＋ｊβ）［Ω］に従って小さくなり、分岐点Ｐより後の安定放電用の線路１４のインピーダンスが５０［Ω］となるように設定すればよい。これら放電前後のマイクロストリップ線路６の各インピーダンスは、高周波回路シュミレーションやプラズマの測定に基づいて設計することができる。
【００３２】
本実施形態のマイクロ波放電装置によれば、安定放電電極２８と着火用電極３０とを別々に設け、まずは対向電極３４と近接した着火用電極３０において自発放電による着火を低電力で生じさせ、安定放電電極２８において着火後の大気圧プラズマの生成を安定的に行わせるように電極の役割を分担しているので、着火に要する電力を抑えつつ、大気圧プラズマ生成用の放電空間を広く設けることができ、容積のより大きなプラズマが得られるものとなっている。
【００３３】
なお、着火用電極３０は、マイクロストリップ線路６から分岐させて設けない構造であってもよい。つまり、安定放電用の線路１４とは独立した線路として誘電体基板２上に着火用電極３０を形成し、この着火用電極３０の始端部に直流電源からの高圧電力を印加するか、あるいはマイクロ波電源からのマイクロ波を印加することで着火を生じさせてもよい。高圧の直流電力を印加する場合、コンデンサにエネルギを溜める等の手段で瞬間的に高圧の電力を印加する点火装置を用いることができる。いずれの場合においても、着火用電極３０と対向電極３４との距離は小さく設定可能であり、着火に要する電力を抑制することができる。
【００３４】
また、本実施形態では着火用電極３０を、誘電体基板２の一面４を通じて端面２０上にまで伸ばしているが、誘電体基板２の側面を通じて端面２０にまで伸ばしても構わない。
【００３５】
また、着火用電極３０の形状は、図１に示すものに限定されず、例えば図４−図６に示すような形状であってもよい。
【００３６】
図４の例では、グラウンド電極１０を下に位置させ、マイクロストリップ線路６を上に位置させたとき、安定放電電極２８の側端の真下の箇所に着火用電極３０の先端が位置するように、着火用電極３０を形成している。この例の場合であっても、安定放電電極２８と対向電極３４とで挟まれる箇所にある着火用電極３０によって、着火が低電力で確実に行われる。
【００３７】
図５の例では、着火用電極３０の先端を、鋭角に尖った先鋭形状に設けている。この例の場合には、着火用電極３０の先端に電気力線がより集中しやすく、即ち、着火用電極３０と対向電極３４との間での着火がより低電力で確実に行われるものとなる。
【００３８】
図６の例では、図５の例の着火用電極３０の先端を、更に対向電極３４側にむけて傾けた形状となっている。つまり、この例の着火用電極３０は、対向電極３４側に向けて尖った先端形状を有する。そのため、着火用電極３０の先端に電気力線がより一層集中しやすく、即ち、着火用電極３０と対向電極３４との間での着火が、より一層の低電圧で確実に行われるものとなる。
【００３９】
次に、本発明の第２実施形態のマイクロ波放電装置について、図７に基づいて述べる。但し、既述した第１実施形態のマイクロ波放電装置と同様の構成については詳しい説明を省略し、本実施形態の特有の構成についてのみ以下に詳述する。
【００４０】
本実施形態のマイクロ波放電装置では、誘電体基板２の端面２０に配置される着火用電極３０上に、この着火用電極３０の先端部分を覆うように保護膜４０を形成している。保護膜４０は、安定放電時の大気圧プラズマに着火用電極３０が晒されることを抑えるものであり、保護膜４０が介在することで、着火用電極３０の放電による劣化が抑制される。この保護膜４０は、耐プラズマ性を有する誘電体薄膜から成り、例えばガラス、アルミナ、サファイア等を用いて端面２０上に成膜される。
【００４１】
次に、本発明の第３実施形態のマイクロ波放電装置について、図８に基づいて述べる。但し、既述した第１実施形態のマイクロ波放電装置と同様の構成については詳しい説明を省略し、本実施形態の特有の構成についてのみ以下に詳述する。
【００４２】
本実施形態のマイクロ波放電装置では、第１実施形態のようにマイクロストリップ線路６をＹ字に分岐させてその一方の線路１６の終端部に着火用電極３０を形成するのではなく、マイクロストリップ線路６の終端部である安定放電電極２８の一部から、対向電極３４側にむけて着火用電極３０を一体に延出させている。
【００４３】
つまり、本実施形態では、誘電体基板２の端面２０を挟んでグラウンド電極１０（つまり、このグラウンド電極１０の端縁部からなる対向電極３４）と対向する位置に、マイクロストリップ線路６の終端部からなる安定放電電極２８を配し、安定放電電極２８の端縁の一部を、端面２０上にて対向電極３４側にむけて先鋭状に延出させることで、この延出部分を安定放電電極２８とは別の着火用電極３０としている。着火用電極３０は、安定放電電極２８と対向電極３４との間の放電空間に位置し、着火用電極３０と対向電極３４との距離は、安定放電電極２８と対向電極３４との距離よりも十分に小さく設定される。また、着火用電極３０は、安定放電電極２８よりも十分に幅狭に形成される。
【００４４】
そのため、本実施形態においても着火用電極３０は、対向電極３４との間にて低電圧で自発放電を生じることのできる構造となっている。一方、安定放電電極２８では、自発放電による着火後において、対向電極３４との間の広い放電空間内で大気圧プラズマを生成することができる。
【００４５】
本実施形態のマイクロ波放電装置において、マイクロストリップ線路６にマイクロ波を供給すると、まず着火用電極３０の先端に電界が集中し、低電力で着火が行われる。着火後は、インピーダンス変化によって安定放電電極２８と対向電極３４との間で大気圧プラズマが安定的に生成される。この構造によれば、マイクロ波を供給するマイクロストリップ線路６を途中で分岐させて形成しなくともよい。そのため、線路全体が簡素化され、また、必要な電力が抑制される。
【００４６】
以上のように、本発明の各実施形態のマイクロ波放電装置は、誘電体基板２と、誘電体基板２の一面４側に形成されるマイクロストリップ線路６と、誘電体基板２の他面８側に形成される導体（グラウンド電極）１０とを備える。そして、マイクロストリップ線路６の終端部に、マイクロ波によって導体１０との間で大気圧プラズマを生成する安定放電電極２８を設け、安定放電電極２８と導体１０に挟まれる箇所に、着火用電極３０を配置している。
【００４７】
このように、安定放電電極２８と着火用電極３０とを別々に設け、導体１０に比較的近接した着火用電極３０でまず着火を生じさせ、その着火によって、導体１０から比較的離れた安定放電電極２８によって大気圧プラズマを安定的に生成するように設けることで、
着火のための電力を抑えつつ、大気圧プラズマ生成用の放電空間を広く設けることができる。この放電空間で、容積の大きなプラズマを生成することで、大気との反応が促進され、有効成分が大量に得られる。
【００４８】
着火用電極３０は、導体１０にむけて尖った先端形状を有することができる。これにより、着火用電極３０の先端に電界が一層集中しやすくなり、着火に要する電力が一層抑制される。
【００４９】
第１、第２実施形態のマイクロ波放電装置では、マイクロストリップ線路６を分岐させ、その分岐した一方の線路１４の終端部に安定放電電極２８を設け、他方の線路１６の終端部に着火用電極３０を設けている。これにより、マイクロストリップ線路６に入力したマイクロ波によって着火を行うことができ、イグナイタ等の点火装置を別途備える必要がないので構造が簡素化される。
【００５０】
加えて、マイクロストリップ線路６を、着火前は、分岐点Ｐから着火用電極３０に至るまでの線路１６と、分岐点Ｐより前の線路とが、インピーダンスマッチングのとれた状態であり、且つ、分岐点Ｐから安定放電電極２８に至るまでの線路１４と、分岐点Ｐより前の線路とが、インピーダンスマッチングの外れた状態であり、着火後は、分岐点Ｐから着火用電極３０に至るまでの線路１６と、分岐点Ｐより前の線路とが、インピーダンスマッチングの外れた状態となり、且つ、分岐点Ｐから安定放電電極２８に至るまでの線路１４と、分岐点Ｐより前の線路とが、インピーダンスマッチングのとれた状態となるように設けている。このようなインピーダンス設定により、マイクロストリップ線路６中で電力反射が発生することを、着火前後の両方において抑制することができる。
【００５１】
第２実施形態のマイクロ波放電装置では、安定放電電極２８と着火用電極３０との間に、大気圧プラズマから着火用電極３０を保護する保護膜４０を配置している。これにより、大気圧プラズマによって着火用電極３０が損傷する事態を抑制することができる。
【００５２】
第３実施形態のマイクロ波放電装置では、着火用電極３０は、マイクロストリップ線路６の終端部から一体に延出させたものである。これにより、マイクロストリップ線路６をその途中で分岐させなくてもよく、線路全体が簡素化され、また、必要な電力が抑制される。
【００５３】
以上、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記各例の実施形態に限定されるものではない。例えば、マイクロストリップ線路６の分岐は、第１実施形態のようなＹ字分岐だけでなく、三以上に分岐させてそのうち二つ以上の分岐の終端部を着火用電極３０として用いても構わない。この場合、二つ以上の着火用電極３０を、安定放電電極２８と対向電極３４との間の空間内にむけて、両側方から挿し入れればよい。その他の構成についても、本発明の意図する範囲内であれば、各例において適宜の設計変更を行うことや、各例の構成を適宜組み合わせて適用することが可能であることは、勿論である。
【符号の説明】
【００５４】
２  誘電体基板
４  一面
６  マイクロストリップ線路
８  他面
１０  導体
１４  線路
１６  線路
２８  安定放電電極
３０  着火用電極
４０  保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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