(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単分極処理した強誘電体（２）およびその強誘電体（２）の表面（５，６）に相対向するように密着させた一対の電極（３，４）を有し，且つ前記強誘電体（２）は通電方向（ｂ）と交差する分極軸（ａ）を持つプラズマ発生素子（１）を用い，前記両電極（３，４）間に交流電圧を印加して前記強誘電体（２）に，通電方向（ｂ）と交差する方向（ｃ，ｄ）の共振波を生起させることにより，前記両電極（３，４）の前記強誘電体（２）との境界にプラズマ（ｐ）を発生させることを特徴とするプラズマ発生方法。
【請求項２】
単分極処理した強誘電体（２）およびその強誘電体（２）の表面（５，６）に相対向するように密着させた一対の電極（３，４）を有し，且つ前記強誘電体（２）は通電方向（ｂ）と交差する分極軸（ａ）を持つプラズマ発生素子（１）と，前記強誘電体（２）に，通電方向（ｂ）と交差する方向（ｃ，ｄ）の共振波を生起させるべく，前記両電極（３，４）間に交流電圧を印加する電源（１２）とより構成されることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項３】
単分極処理した強誘電体（２）と，その強誘電体（２）の表面（５，６）に相対向するように密着させた一対の電極（３，４）とを有し，前記強誘電体（２）は通電方向（ｂ）と交差する分極軸（ａ）を持つことを特徴とするプラズマ発生素子。
【請求項４】
前記強誘電体（２）は板状をなし，前記両電極（３，４）は前記板状強誘電体（２）の両平面（５，６）に，それら平面（５，６）の一部を露出させてそれぞれ密着している，請求項３記載のプラズマ発生素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ発生方法，プラズマ発生装置およびプラズマ発生素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，排気ガス処理において，プラズマを利用することが知られている（例えば，特開平５−２３７３３７号公報，同６−１７８９１４号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来法によると比較的煩雑なプラズマ発生装置を必要とし，この点改良が望まれていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は簡単な手段により容易にプラズマを発生させることが可能な前記プラズマ発生方法を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば，単分極処理した強誘電体およびその強誘電体の表面に相対向するように密着させた一対の電極を有し，且つ前記強誘電体は通電方向と交差する分極軸を持つプラズマ発生素子を用い，前記両電極間に交流電圧を印加して前記強誘電体に，通電方向と交差する方向の共振波を生起させることにより，前記両電極の前記強誘電体との境界にプラズマを発生させるプラズマ発生方法が提供される。
【０００６】
前記方法によれば，簡単な構造を有するプラズマ発生素子を用いて，簡単な操作を行うことにより容易にプラズマを発生させることができる。このようにして得られるプラズマは，排気ガスの処理，殺菌や消毒に用いられるオゾンの合成，各種有機および無機化合物の合成，発光体等に利用される。
【０００７】
また本発明は簡単な構造を備えた前記プラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【０００８】
前記目的を達成するため本発明によれば，単分極処理した強誘電体およびその強誘電体の表面に相対向するように密着させた一対の電極を有し，且つ前記強誘電体は通電方向と交差する分極軸を持つプラズマ発生素子と，前記強誘電体に，通電方向と交差する方向の共振波を生起させるべく，前記両電極間に交流電圧を印加する電源とより構成されるプラズマ発生装置が提供される。
【０００９】
この装置を用いることによって前記プラズマ発生方法を容易に実施することが可能である。またプラズマ発生素子を小型で，且つハンディなプラズマトーチ型に構成することが可能であるから，例えば任意の場所に在る任意の箇所をエッチングしたり，排気ガスの処理やオゾン合成による消毒を行う場合等に便利である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１，２において，プラズマ発生素子１は，単分極処理（ポーリング）した強誘電体２と，その強誘電体２の表面に相対向するように密着させた一対の電極３，４とを有する。図示例では，強誘電体２は長方形の板状をなし，両電極３，４は板状強誘電体２の両平面（表面）５，６に，それら平面５，６の一部を露出させてそれぞれ密着している。この場合，両平面５，６の全周縁に亘るように枠状露出面７，８が形成されている。この枠状露出面７，８はプラズマ発生のために必要であり，また両電極３，４間の短絡を回避する作用もなす。
【００１１】
強誘電体２の分極軸ａは通電方向，図示例では強誘電体２の厚さ方向ｂと交差している。この場合，図３に示すように分極軸ａと厚さ方向ｂとの交角θはθ＜９０°，またはθ＝９０°である。
【００１２】
強誘電体２の構成材料としては，自発分極が大きく，またキュリー温度が高く，さらに電気機械結合定数の大きい結晶が望ましい。この種の構成材料には，（ａ）ニオブ酸リチウム型化合物，例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３  ），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３  ）等；（ｂ）ペロブスカイト型化合物，例えばチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３  ），チタンジルコン酸鉛〔Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３  〕およびその鉛とアルカリ土類金属の置換体，亜鉛ニオブ酸鉛〔Ｐｂ（Ｚｎ，Ｎｂ）Ｏ３  〕等；（ｃ）タングステン・ブロンズ型化合物（例えばバリウムニオブ酸ナトリウム（ＮａＢａ２  Ｎｂ５  Ｏ１５），リチウムニオブ酸カリウム（Ｋ３  Ｌｉ２  Ｎｂ５  Ｏ１５）等が該当する。これらは単結晶体，焼結体等として用いられる。
【００１３】
単結晶体の場合，強誘電体２の切出し方によって，その分極軸ａの方向を交角θがθ＜９０°，またはθ＝９０°となるように設定することができるが，焼結体の場合は焼結後の単分極処理により分極軸ａの方向を定めるので，その方向は交角θ＝９０°となる方向に限定される。
【００１４】
各電極３，４の構成材料としては電気伝導度の高い金属，例えばＡｌ，Ｃｕ等が用いられる。またプラズマ発生素子を有機化合物等の合成に利用する場合には両電極３，４の少なくとも一方は触媒作用を有する金属，例えば，Ｐｔ，Ｐｄ等より構成される。排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の処理において，その窒素酸化物分解用触媒であるＰｄを電極用構成材料として用いると好結果が得られる。各電極３，４の厚さは５０〜１０００ｎｍが適当である。強誘電体２に対する電極３，４の密着手段としては真空蒸着法，スパッタリング等の気相メッキ法，スクリーン印刷等が適用される。
【００１５】
図４にも示すように両電極３，４にはリード線９，１０が銀ペースト等の導電性接着剤１１を介して取付けられる。一方のリード線９は電源１２に，他方のリード線１０は接地１３される。電源１２は，低周波数の交流電圧（サイン波）を発生し得る信号発生器（ファンクションジェネレータ）１４と，その低周波数の交流電圧を増幅する増幅器１５とよりなる。これらプラズマ発生素子１および電源１２はプラズマ発生装置１６を構成する。
【００１６】
プラズマを発生させるためには，例えば大気圧下において，信号発生器１４より低周波数の交流電圧を発生させ，それを増幅器１５により増幅して，室温下のプラズマ発生素子１の両電極３，４間に印加する。そして図５に示すように，強誘電体２における長さ方向ｃの共振周波数の印加交流電圧において，その印加交流電圧を徐々に上昇させると，強誘電体２に，その長さ方向ｃにおいて，厚さ方向ｂ（図１，２も参照）と交差する方向の共振波が生起され，これにより両電極３，４の長さ方向ｃ（便宜上，強誘電体２の長さ方向と同一符号を用いる。）において，強誘電体２との境界にプラズマｐが相対向するように発生する。
【００１７】
一方，図６に示すように，強誘電体２における幅方向ｄの共振周波数の印加電圧において，その印加電圧を徐々に上昇させると，今度は強誘電体２に，その幅方向ｄにおいて，厚さ方向ｂと交差する方向の共振波が生起され，これにより両電極３，４の幅方向ｄ（便宜上，強誘電体２の幅方向と同一符号を用いる。）において，強誘電体２との境界にプラズマｐが相対向するように発生する。
【００１８】
このように，前記プラズマ発生装置１６によれば，大気圧下にてプラズマを発生させることができる。ただし，プラズマの発生効率を高めるためには減圧下の方が良い。
〔実施例〕
次のようなプラズマ発生素子１の例１を製作し，これをプラズマ発生装置１６に組込んだ。
【００１９】
図１，５において，強誘電体２：幅ｄ１  が１４ｍｍ，長さｃ１  が４４ｍｍ，厚さｂ１  が０．５ｍｍで，且つ分極軸ａが厚さ方向ｂと交差した１２８°回転ＹカットＬｉＮｂＯ３  単結晶板（交角θ＜９０°）；両電極３，４：幅ｄ２  が１０ｍｍ，長さｃ２  が４０ｍｍのＰｄよりなる真空蒸着膜で，厚さは１００ｎｍ；枠状露出面７，８：強誘電体２の長さ方向ｃにおける幅ｄ３  が２ｍｍ，その幅方向ｄにおける幅ｄ４  が２ｍｍ．
大気圧下において，両電極３，４間に周波数６６ｋＨｚの交流電圧を印加したところ，室温下の強誘電体２に，その長さ方向ｃにおいて，厚さ方向ｂと交差する方向の共振波が生起され，これにより図５に示すようなプラズマｐが発生した。また大気圧下において，両電極３，４間に周波数１８０ｋＨｚの交流電圧を印加したところ，室温下の強誘電体２に，その幅方向ｄにおいて，厚さ方向ｂと交差する方向の共振波が生起され，これにより図６に示すようなプラズマｐが発生した。これら周波数６６ｋＨｚおよび１８０ｋＨｚの場合における交流電圧は６０〜８０Ｖ，また交流電流は１５０〜２５０ｍＡである。
【００２０】
プラズマ発生素子１の例１をチャンバ内に設置し，ガスとしてのＨｅ，ＣＯ，Ｏ２  ，Ｈ２  ，ＮＯ，Ｃ２  Ｈ５  ＯＨ等をチャンバ内に導入して前記同様の操作を行ったところ，各ガスについて前記同様にプラズマｐの発生が認められた。これは，前記ガスの２以上の混合ガスについても同様であった。
【００２１】
また各ガス（大気を含む）の圧力を減圧状態に設定して前記同様のプラズマｐを発生させたところ，ガス圧１Ｔｏｒｒ以上においてプラズマｐの発生が認められた。これにより，ガス圧１〜７６０（１気圧）Ｔｏｒｒにおいてプラズマｐが発生し，また大気圧下よりも減圧状態の方がプラズマｐの発生効率が高いことが確認された。
【００２２】
図１，５において，強誘電体２の幅ｄ１  が５ｍｍであり，また両電極３，４の幅ｄ２  が３ｍｍである，ということ以外は前記例１と同一であるプラズマ発生素子１を用いる場合，大気圧下において図５のように長さ方向ｃのプラズマｐを発生させるためには両電極３，４への印加電圧の周波数は６６ｋＨｚに設定される。一方，大気圧下において図６のように幅方向ｄのプラズマｐを発生させるためには，前記周波数は５３７ｋＨｚに設定される。これら周波数６６ｋＨｚおよび５３７ｋＨｚの場合における交流電圧は６０〜８０Ｖ，また交流電流は１００〜１６０ｍＡである。
【００２３】
前記強誘電体２において，その縦，横の長さが１４ｍｍ（つまり正方形）であり，また枠状露出面７，８の幅ｄ３  ，ｄ４  がその全周に亘ってｄ３  ，ｄ４  ≒２ｍｍである，ということ以外は前記例１と同一であるプラズマ発生素子１の例２を用い，大気圧下にて前記同様のプラズマ発生操作を行ったところ，両電極３，４間の印加電圧の周波数が１８６ｋＨｚのとき両電極３，４の縦および横方向における強誘電体２との境界，つまり両電極３，４の四辺にプラズマｐの発生が認められた。この場合，交流電圧は６０〜８０Ｖ，また交流電流は１００〜１６０ｍＡである。
【００２４】
前記のように，共振周波数は，強誘電体２の寸法に大きく依存するので，プラズマｐを発生させるためには，その強誘電体２の寸法に見合った共振周波数が選定される。
【００２５】
以下，プラズマ発生装置１６を窒素酸化物であるＮＯガスの分解に用いた応用例について説明する。このＮＯガスは，例えば自動車の排気ガス中に含まれる。〔応用例１〕
図７に示すように，前記プラズマ発生素子１の例１を，閉鎖循環反応装置１７のチャンバ１８内に収容して，その例１を図示しない支持部材により支持し，またＮＯガスを入口１９からチャンバ１８内を経て出口２０に至るように循環させた。そして，ＮＯガス循環開始から１時間経過後（この条件は後述する他の応用例において同じである）において，プラズマ発生素子１の例１およびＮＯガスの温度：１００℃；ＮＯガス圧（チャンバ１８内圧力）：５Ｔｏｒｒ；交流電圧の周波数：６６ｋＨｚ；交流電流：８１ｍＡ；交流電圧：６０Ｖの条件で，プラズマｐを発生させると共に両電極３，４，つまりＰｄを触媒として使用し，これによりＮＯの分解状況を調べた。このテスト中において，強誘電体２の温度は１３２℃に上昇し，その温度で一定となった。
【００２６】
表１および図８は前記テスト結果を示す。なお，ＮＯガス量，Ｎ２  ガス量およびＯ２  ガス量の測定はそれぞれガスクロマトグラフィにより行われた。これは後述する他の応用例において同じである。
【００２７】
【表１】
0003599148.tif 000002
【００２８】
表１，図８から明らかなように，生成ガスにおけるＮ２  ガスとＯ２  ガスの化学量論比は１対１であり，これにより供給ＮＯガスの略全体が分解されていることが判明した。これは，強誘電体２における共振波の発生によりＰｄが活性化され，また発生プラズマｐがＮＯガス分解作用を発揮したことに起因する。
〔応用例２〕
両電極３，４の材質および交流電流値を変えた，ということ以外は応用例１と同一条件にてＮＯガスの分解を行ったところ，表２の結果を得た。
【００２９】
【表２】
0003599148.tif 000003
【００３０】
表２より，両電極３，４をＣｕ，Ａｌより構成すると，比較的良好な結果が得られることが判る。Ａｇの場合は活性が低い。
〔応用例３〕
前記プラズマ発生素子１の例２を用い，また交流電圧の周波数を１８６ｋＨｚに，また交流電流を１１３ｍＡに，ＮＯガスの供給量を３０５μｍｏｌにそれぞれ設定した，ということ以外は応用例１と同一条件にてＮＯガスの分解を行ったところ，図９の結果を得た。このテスト中において，強誘電体２の温度は最初１７６℃に上昇したが，次いで１４６℃に下降し，その後１３６℃まで下降してその温度で一定となった。
【００３１】
図９から明らかなように，この例においても応用例１と同様の結果が得られることが判る。
〔応用例４〕
触媒を用いる窒素酸化物（ＮＯｘ，主としてＮＯガス）の分解においては，Ｏ２  ガスが存在すると触媒の活性が消失することが知られている。そこで，Ｏ２  ガスによるＮＯガス分解に対する阻害効果を調べるため，ＮＯガスにＯ２  ガスを予め混在させた状態でＮＯガスの分解を行った。
【００３２】
テスト条件は，プラズマ発生素子１の例２の温度：１００℃；ＮＯガス圧：５Ｔｏｒｒ；Ｏ２  ガス圧：１０Ｔｏｒｒ；交流電圧の周波数：１８６ｋＨｚ；交流電流：１９７ｍＡ；交流電圧：６０Ｖに設定された。このテスト中において，強誘電体２の温度は最初１９１℃に上昇したが，次いで１６５℃に下降してその温度で一定となった。
【００３３】
図１０はテスト結果を示す。図１０においてＮＯガス量が現出しないのは，ＮＯガスはＯ２  ガスの存在下で容易にＮＯ２  ガスに酸化され，そのＮＯ２  ガスの検出はガスクロマトグラフィでは困難であるからである。
【００３４】
図１０において，プラズマｐ発生後Ｎ２  ガス量およびＯ２  ガス量が急激に上昇することから，ＮＯ２  ガスの分解が略完全に行われていることが明らかである。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば，簡単な手段により容易にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生方法を提供することができる。
【００３６】
また請求項２記載の発明によれば，簡単な構造を備えたプラズマ発生装置を提供することができる。
【００３７】
さらに請求項３，４記載の発明によれば，プラズマ発生方法の実施に用いられ，またプラズマ発生装置の構成部品である構造簡単なプラズマ発生素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ発生素子の斜視図である。
【図２】プラズマ発生素子の側面図である。
【図３】厚さ方向と分極軸との関係を示す説明図である。
【図４】プラズマ発生装置の概略図である。
【図５】プラズマ発生状態の一例を示す説明図である。
【図６】プラズマ発生状態の他例を示す説明図である。
【図７】閉鎖循環反応装置とプラズマ発生装置を組合わせた場合の概略図である。
【図８】経過時間とＮＯガス量，Ｎ２  ガス量およびＯ２  ガス量との関係の一例を示すグラフである。
【図９】経過時間とＮＯガス量，Ｎ２  ガス量およびＯ２  ガス量との関係の他例を示すグラフである。
【図１０】経過時間とＮＯガス量，Ｎ２  ガス量およびＯ２  ガス量との関係のさらに他例を示すグラフである。
【符号の説明】
１        プラズマ発生素子
２        強誘電体
３，４    電極
５，６    平面（表面）
１２      電源
ａ        分極軸
ｂ        厚さ方向（通電方向）
ｃ        長さ方向
ｄ        幅方向
ｐ        プラズマ
【図１】
0003599148.tif 000004
【図２】
0003599148.tif 000005
【図３】
0003599148.tif 000006
【図４】
0003599148.tif 000007
【図５】
0003599148.tif 000008
【図６】
0003599148.tif 000009
【図７】
0003599148.tif 000010
【図８】
0003599148.tif 000011
【図９】
0003599148.tif 000012
【図１０】
0003599148.tif 000013