(57)【要約】【課題】同軸導波管の同軸性の向上をすることができ、また、位置制御動作の改善がされたマイクロ波プラズマトーチ装置を得る。【解決手段】内導体２の先端部と外導体３を共に絞り、外導体３はその直径が狭められて外導体制限部８を有する同軸導波管３１と、マイクロ波１を供給するマイクロ波発振器と、内導体２に接続され、外導体３に対して同軸方向に移動させるアクチュエータ１５と、マイクロ波１の反射電力を計測する方向性結合器３３と、反射電力の最小を制御目標として、アクチュエータ１５に動作指令を出力し、内導体２と外導体３の相互位置を最適位置に調整する制御器１９とを備え、供給されたプラズマ波電力によってガスを電離してプラズマトーチを生成する装置であって、外導体３と、アクチュエータ１５と、外導体制限部８が、それぞれ位置あおり調整機構１２，１４，１８によって支持されている。【選択図】        図１
2004303439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸状に配置された内導体及び外導体からなり、該内導体は先端部を尖らせて内導体電極部を形成し、該外導体は先端部において直径が狭められて外導体制限部を形成する同軸導波管と、
前記同軸導波管にマイクロ波を供給するマイクロ波発振器と、
前記内導体及び前記外導体のいずれか一方に接続され、他方に対して軸方向に移動させるアクチュエータと、
マイクロ波の反射電力を計測する方向性結合器と、
前記方向性結合器から得られる前記反射電力の最小を制御目標として、前記アクチュエータに動作指令を出力し、前記内導体電極部と前記外導体制限部の相互位置が最適位置となるよう位置制御する制御手段とを備え、
前記内導体電極部と前記外導体制限部との間で、供給されたマイクロ波電力によってガスを電離してプラズマトーチを生成するマイクロ波プラズマトーチ装置において、
前記内導体及び前記外導体のうち前記アクチュエータと接続されないものと、前記アクチュエータと、前記外導体制限部とが、それぞれ位置あおり調整機構によって支持されている
ことを特徴とするマイクロ波プラズマトーチ装置。
【請求項２】
前記外導体と前記外導体制限部とが同軸接合手段によって接合されており、
誘電体材料で作成され前記外導体内に軸心を一致させて配置された筒状の誘電体スリーブをさらに備え、
前記内導体は、前記誘電体スリーブ内に気密性を保ちながら且つ軸方向に摺動可能に支持されている
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマトーチ装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記内導体電極部と前記外導体制限部との間の距離の最大値と最小値を記憶し、この範囲内で、前記外導体制限部に対する前記内導体電極部の位置制御をする
ことを特徴とする請求項１または２記載のマイクロ波プラズマトーチ装置。
【請求項４】
前記最大値は、前記外導体の内周半径と前記内導体の外周半径の差である
ことを特徴とする請求項３記載のマイクロ波プラズマトーチ装置。
【請求項５】
前記最小値は、１ｍｍである
ことを特徴とする請求項３記載のマイクロ波プラズマトーチ装置。
【請求項６】
前記制御手段は、プラズマトーチ点火時に前記内導体電極部と前記外導体制限部とが接触しない場合、さらに両者を近づけるように位置制御をする
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか記載のマイクロ波プラズマトーチ装置。
【請求項７】
前記外導体制限部と、該外導体制限部を支持する反応容器との間に圧電センサを設け、前記制御手段は、該圧電センサの出力に基づいて、前記外導体制限部に対する前記内導体電極部の位置制御をする
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか記載のマイクロ波プラズマトーチ装置。
【請求項８】
流入するガスの流量及び濃度を計測し、結果を前記制御手段に出力する流量・濃度検出手段をさらに有し、前記制御手段は、該流量・濃度検出手段の出力に対応する位置情報を記憶し、該位置情報に基づいて、前記導体制限部に対する前記内導体電極部の位置制御をする
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか記載のマイクロ波プラズマトーチ装置。
【請求項９】
流入するガスの情報を外部から入力し、これを前記制御手段に出力する流入ガス情報入力手段を有し、前記制御手段は、該流入ガス情報入力手段の入力した情報に対応する位置情報を記憶し、該位置情報に基づいて、前記導体制限部に対する前記内導体電極部の位置制御をする。
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか記載のマイクロ波プラズマトーチ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、供給されたマイクロ波電力によって反応ガスを電離してプラズマトーチを生成するマイクロ波プラズマトーチ装置に関し、特に主要構成部材を、それぞれ位置あおり調整機構で支持し、また外導体と外導体制限部とを同軸接合手段によって接合することにより、内導体及び外導体の同軸度を向上させたマイクロ波プラズマトーチ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波プラズマトーチ装置が発生する熱プラズマを、廃棄物処理や成膜等のプロセスに適用する場合、熱プラズマ中の反応が装置の性能を決定づける。反応を支配する主因は熱プラズマの温度であり、温度はプラズマへ投入されるマイクロ波電力と処理対象の反応ガスの熱容量により支配される。このため、反応対象（負荷）が決まれば、それに必要なプラズマ温度から、プラズマで消費されるマイクロ波のエネルギーを規定することができる。
【０００３】
プラズマトーチ内で高効率に反応を行うためには、マイクロ波入力が反射されることなく、できるだけプラズマトーチへ投入されることが必要である。これに対しては、プラズマトーチを負荷としてインピーダンス整合を行う従来のマイクロ波プラズマトーチ装置では、例えば、同軸導波管の内導体、外導体の最狭部の電界集中によりプラズマ点火を行っている。そして、特に積極的にインピーダンス整合は行われていない。
【０００４】
そして、反応ガスの流量、投入するマイクロ波エネルギーが変動すれば、プラズマトーチは一定負荷とみなすことができず、一体に固定された構造では、変動負荷に対するインピーダンス整合を行うことは不可能である。また、単一のプラズマトーチ生成条件であっても、熱またはプラズマ構成粒子のスパッタリングにより、電極（内外導体）は、経時的に磨耗して行くため、電極部形状は少しずつ変化していく。そのために、電界集中位置が変化し点火が良好に行われなかったり、プラズマのインピーダンスが電極形状の変化に伴い変化したりするため、インピーダンス整合が良好に行われないという問題が生じる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２５２７１５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そして、従来のマイクロ波プラズマトーチ装置は以下の課題を有している。
１．内導体を移動させる際に、内導体と外導体の同軸度が極めて高く保たれていないと、同軸導波管の特性インピーダンスが内導体の移動により変化し、マイクロ波のプラズマトーチへの伝播が妨げられる。また、プラズマトーチ部においては、同軸性の精度の悪さが、プラズマトーチへのエネルギー投入の不均一をもたらすことがあった。プラズマの不均一は通常、正帰還され、局所的にプラズマ密度の高い部分（アーク転移）が生じ、マイクロ波がカットオフされる。マイクロ波がカットオフされるとプラズマは減衰し、マイクロ波入力を受け付けるが、再びアーク転移をし、カットオフを繰り返し、反射電力は大きく振動するため、インピーダンス整合を行うことが困難であった。
【０００７】
２．トーチ部以外での放電により、マイクロ波の消費が起こると、モニタしている反射電力はプラズマトーチ部の状態を表さないこととなり、内導体位置制御が良好に働かない。トーチ部以外の放電は、内導体電極部と外導体制限部の距離が離れすぎた場合に発生する。異常放電はその発生を抑えなければ、内導体位置制御が良好に働かないだけでなく装置破壊をもたらす恐れがあった。
【０００８】
３．上述の反射電力値がプラズマトーチ状態を表さず、内導体位置制御が良好に働かない場合には、内導体の位置はプラズマ状態と関係なく設定され、内導体電極部と外導体制限部が長時間接触したままになる不具合も生じていた。内外導体が接触したままだと、プラズマが消弧し、マイクロ波エネルギーが接触部で消費され電極部の異常損耗を引き起こし、装置を短寿命化するという問題があった。また、連続した反応ガスを処理する場合には、反応ガス流路を閉塞してしまうという問題もあった。
【０００９】
４．プラズマ化する反応ガスの条件が大きく変わった場合、装置性能を維持するためにマイクロ波入射電力が調整され、さらに反射電力の増大に応じてインピーダンス整合のとれる新たな位置関係への移動が行われる。しかし、この過程で生じる内導体の移動方向の検知、移動量の推定は内導体の移動を繰り返すことにより収束されていくため、この動作には所定の時間を必要とする。そしてこの調整期間においては、マイクロ波の入力が不十分となり、装置が充分に性能を発揮できないという問題があった。
【００１０】
５．電極の経時的な損耗により内外導体接触位置が変化した場合には、内導体移動用のアクチュエータに接触検知機構が付加されており、これにより、接触・点火を補償する構造となっている。反応ガスが有毒物質であった場合、内導体摺動部は、オーリングやベローズにより気密されている必要がある。このため、内導体の移動には、摺動部の摩擦に起因する軸力が必要となり、内外導体の接触により発生する弾性力と移動の軸力が同じ程度の力となった場合には、軸力の変化による接触検知が不可能となり、電極損耗の補償ができないという問題があった。
【００１１】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内導体と外導体の同軸精度を高く保つことができ、これにより、トーチプラズマ分布を均一にでき、電極投入が均一に行われ、高入力密度のプラズマトーチとすることができる、すなわち、同軸導波管の同軸性の向上をすることができるマイクロ波プラズマトーチ装置を得ることを目的とする。
【００１２】
また、トーチ部以外での放電を抑制することにより、トーチ部以外でのマイクロ波の吸収を防ぎ、反射電力によるインピーダンス整合制御を良好に行うことができ、さらには、異常放電による装置破壊を回避することができる、すなわち、位置制御動作の改善をすることができるマイクロ波プラズマトーチ装置を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るマイクロ波プラズマトーチ装置は、同軸状に配置された内導体及び外導体からなり、内導体は先端部を尖らせて内導体電極部を形成し、外導体は先端部において直径が狭められて外導体制限部を形成する同軸導波管と、同軸導波管にマイクロ波を供給するマイクロ波発振器と、内導体及び外導体のいずれか一方に接続され、他方に対して軸方向に移動させるアクチュエータと、マイクロ波の反射電力を計測する方向性結合器と、方向性結合器から得られる反射電力の最小を制御目標として、アクチュエータに信号を与え、内導体電極部と外導体制限部の相互位置が最適位置となるように位置制御する制御手段とを備え、内導体電極部と外導体制限部との間で、供給されたマイクロ波電力によってガスを電離してプラズマトーチを生成するマイクロ波プラズマトーチ装置において、内導体及び外導体のうちアクチュエータと接続されないものと、アクチュエータと、外導体制限部とが、それぞれ位置あおり調整機構によって支持されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１のマイクロ波プラズマトーチ装置を示す概略の構成図である。図１に沿って、本実施の形態のマイクロ波プラズマトーチ装置１０１の構造を説明する。マイクロ波プラズマトーチ装置１０１は、まず、内導体２と外導体３からなる同軸導波管３１を有している。内導体２は、概略棒状をなし先端部に内導体電極部７が形成されている。一方、外導体３は、円筒状をなし、内導体２に対して同軸状に配置されている。内導体２の先端部と外導体３の先端部は、共に絞られており、特に外導体３はその先端部において、直径が狭められて外導体制限部８が形成されている。
【００１５】
また、マイクロ波プラズマトーチ装置１０１は、図示しないマイクロ波発振器が発生したマイクロ波１を同軸導波管３１に伝播する矩形導波管４を有している。さらには、内導体２に連結され、外導体３に対して、内導体２を同軸軸線上で進退動させるアクチュエータ１５を有している。アクチュエータ１５と内導体２の後端とがアクチュエータ連結部１６によって連結されている。
【００１６】
同軸導波管３１の先端に設けられた外導体制限部８は、反応容器１０に固定されており、反応容器１０の下部に設けられた反応容器あおり調整機構１２（位置あおり調整機構）により、水準器等を用いて水平に設置されている。
【００１７】
ここで、本実施の形態のマイクロ波プラズマトーチ装置１０１の特徴である位置あおり調整機構の構造を説明する。図２は位置あおり調整機構の１つである反応容器あおり調整機構１２の斜視図である。また、図３は反応容器あおり調整機構１２の分解構成図である。反応容器あおり調整機構１２は、重なって基台４０を構成する第１のベース平板４１と第２のベース平板４２とを有している。第１のベース平板４１には、Ｘ軸方向に延びる４個の長穴４１ａが穿孔されており、また、第２のベース平板４２には、Ｙ軸方向に延びる４個の長穴４２ａが穿孔されている。さらに、第２のベース平板４２の中央には、中央凸部４２ｂが突設されている。２枚のベース平板４１，４２は、それぞれの長穴４１ａ，４２ａを貫通する４本のボルト４３にて締着されている。
【００１８】
基台４０に重ねられて、角度変化板４４が配置されている。角度変化板４４は、裏面中央部を中央凸部４２ｂによって支持され、さらに４角に螺刻された雌ねじ４４ａを貫通する角度固定用ボルト４５にて所定の角度に固定されている。
【００１９】
そして、反応容器あおり調整機構１２は、長穴４１ａ，４２ａを用いて、Ｘ及びＹ軸方向に位置決めをし、さらに角度固定用ボルト４５を出し入れすることにより、任意の方向に傾かせることが可能な構造とされている。反応容器１０は、この反応容器あおり調整機構１２の角度変化板４４上に固定されており、Ｘ及びＹ軸方向に位置調整可能で且つ任意の方向に傾くことが可能とされている。
【００２０】
そして、矩形導波管４と矩形導波管支持部１３との間には、矩形導波管位置あおり調整機構１４（位置あおり調整機構）が設けられている。この矩形導波管位置あおり調整機構１４も、反応容器あおり調整機構１２と概略同様な構造をなしている。矩形導波管４は、同軸導波管３１の外導体３と連結されており、矩形導波管支持部１３に支持されて装置１０１内に設置されているが、矩形導波管４と矩形導波管支持部１３との間に設けられた矩形導波管位置あおり調整機構１４により、位置及びあおり（傾斜）が調整されている。そして、外導体３の軸ならびにリッジ導波管５にあけられた内導体を挿入する孔の軸が、外導体制限部８の基準中央断面つまり水平面と、垂直の関係つまり鉛直方向に設置され、上記共通の軸心は、外導体制限部８の中心に位置あわせされている。
【００２１】
そしてさらに、アクチュエータ１５は、装置固定部からアクチュエータ位置あおり調整機構１８（位置あおり調整機構）により支持されている。このアクチュエータ位置あおり調整機構１８も、反応容器あおり調整機構１２や矩形導波管位置あおり調整機構１４と概略同様な構造をなしている。同軸導波管３１の内導体２は、アクチュエータ連結部１６によって一軸のアクチュエータ１５の可動軸と内導体長軸が平行に連結されている。アクチュエータ１５は、アクチュエータ支持部１７により支持され、反応容器１０に対して、アクチュエータ位置あおり調整機構１８により、内導体２の中心軸（アクチュエータ可動軸）が外導体制限部８基準中央断面つまり水平面と、垂直の関係つまり鉛直方向に設置され、内導体２の中心軸は、外導体制限部８の中心軸と一致するように位置あわせされている。
【００２２】
内導体２は、リッジ導波管５と気密な摺動部にて接続されている。そして、内導体２は制御器１９の制御指令によるアクチュエータ１５の動作で、外導体制限部８及び外導体３と同軸性を極めて高く保って軸方向の移動が可能となっている。上述した、各位置あおり調整機構１２，１４，１８は、内導体２の直径の１％の位置精度・１パーミルのあおり精度で調整されていることが望ましい。
【００２３】
矩形導波管４内には図示しないマイクロ波発振器からマイクロ波１が入射されている。そして、マイクロ波１は、特性インピーダンスを調整するリッジ導波管５を経て、外導体３と内導体２で構成される同軸導波管３１へと伝播される。
【００２４】
一方、処理される反応ガスは、ガス導入口３２より導入され、先の同軸導波管３１へと流れる。矩形導波管４の上流へはマイクロ波１のみを透過する気密誘電体窓６があるため、反応ガスの上流への流入は防がれる。
【００２５】
次に、本実施の形態のマイクロ波プラズマトーチ装置のプラズマ点火について説明する。図示しないマイクロ波発振器から入射マイクロ波１が供給されている状態で、プラズマトーチが生成されない状態では、反射マイクロ波３４は、入射マイクロ波１と同程度の電力として方向性結合器３３に検知される。
【００２６】
アクチュエータ１５を動作させることにより、内導体２を反応容器１０方向に移動させ、外導体制限部８との間隔を小さくすると、内導体２の先端部の内導体電極部７と外導体制限部８間の電界が大きくなり、両者の接触により絶縁破壊が起こって放電が生じプラズマトーチ９が生成される。制御器１９はアクチュエータ１５を動作させ、内導体２を引き上げて初期の位置に戻す。
【００２７】
一旦プラズマトーチ９が生成されると、プラズマトーチ９はマイクロ波の電力をよく吸収するため、入射マイクロ波１の電力は、プラズマトーチ９を維持するために消費される。プラズマトーチ９が点火したことは、反射マイクロ波３４の電力が急激に減少することから検知することができる。不点火の場合は複数回の点火動作を行い点火させる。
【００２８】
内導体２の点火時接触位置を制御器１９に設定する際には、外導体制限部８への内導体電極部７の押し込みによる、電極の損耗の加速や装置の機械的破壊を防ぐために、プラズマトーチ９の内外導体接触による点火が可能な最も上方の位置（最遠点）に設定する。プラズマトーチ生成時のマイクロ波の反射電力は、プラズマ密度や外導体制限部８に対する内導体電極部７の位置で決定される。小さな反射電力は、効率良くプラズマトーチを生成していることを意味し、さらには所望の反応を高効率で実現していることを表す。そのために、方向性結合器３３から得られる反射電力の最小を制御目標として、制御器１９はアクチュエータ１５に信号を与え、内導体電極部７の位置を移動させ最適な位置に保持する。
【００２９】
ところが、マイクロ波１の入力を上昇させていくと、トーチ部以外でも電界強度が高まり異常放電の危険性が増す。特に、内導体２の位置制御において、反射電力最小の安定点を捜索する際に、内導体電極部７と外導体制限部８との距離が離れ、トーチ部の電界強度が弱くなった場合がもっとも危険である。プラズマトーチ９上部の放電がさらに上流に転移した場合、比較的弱い電界であるため、プラズマトーチ９が消え、同軸導波管３１上流でのプラズマ生成が異常に起こり、マイクロ波１を消費するため、反射電力値では異常をモニタすることができない。そこで内導体２の位置に上限を設けることで、外導体制限部８−内導体電極部７の電界強度を必要以上に弱めずに、そこより上流でのプラズマ生成を抑制する。具体的には、内導体電極部７と外導体制限部８との距離の上限を同軸導波管３１の内外導体２，３の半径差未満の値を制御器１９に与え、制御器１９がこれを上限として記憶し、この上限を限度に内導体２を移動させることにより、これを実現する。
【００３０】
また、上記の場合だけでなくその他の場合においても、異常放電が発生した場合には、反射電力に基づいて制御をしているため、内導体２が外導体制限部８と接触することもある。これを防ぐため、内導体電極部７と外導体制限部８との距離の下限を制御器１９に与え、これに基づいて制御をする。この下限値として望ましくは、外導体制限部８−内導体電極部７の入力密度が当部の損耗を引き起こさない１ｍｍ以上の距離を制御器１９に与える。処理する反応ガスのガス組成、ガス流量範囲が決まっている場合には、（あらかじめ想定される負荷にて取得した安定時の内導体２の位置の最低値−アクチュエータの最小可動単位）を制御器１９に記憶させておくことがさらに望ましい。
【００３１】
また、ガス導入口３２の上流に存在する複数の図示しない装置から供給されるガスの組成やガスの流量が変化した場合、この上流装置から出力されるガス組成、ガス流量に関わる制御信号を、流入ガス情報入力手段である信号モニタ線２０を通じて本装置の制御器１９に入力する。制御器１９は入力された信号の組み合わせと処理すべきガス組成、ガス流量に関わる情報に対応したマイクロ波１の電力、内導体２の位置をあらかじめ記憶している。そして、制御器１９は図示しないマイクロ波発振器に入射マイクロ波値変更の指示を送り、内導体２の制御に関しては、反射電力の値とは関係なく迅速に、記憶情報に基づいた位置へ内導体２の移動を行い、所定の移動後、反射電力を制御目標とした位置制御に復帰し、内導体２の位置の微調整を行い最適な位置に保持する。
【００３２】
一方、プラズマトーチを生成している間、または、複数回連続して点火動作を行う間には、内導体電極部７はプラズマの高温とスパッタリングにさらされるため、僅かずつではあるが損耗する。そのため、プラズマ点火時に内導体電極部７と外導体制限部８の接触が、装置稼動初期に制御器１９により設定された内導体２の位置では取れなくなり、不点火となることがある。アクチュエータ１５の可動範囲は、装置稼動初期に設定された点火時の内導体２の位置から図１中下方へ内導体電極部７の有効長分だけとるように設定されている。不点火を検知した際には、内導体２の点火時の接触位置をアクチュエータ１５の最小移動単位分下げ、再点火を試みる。この再点火の動作により点火が確認された場合には、アクチュエータ１５の最小可動単位分下げた内導体２の位置を新しい点火時接触位置として制御器１９に記憶し、さらに、上記インピーダンス整合制御に用いる内導体２の位置上限、下限、想定負荷制御点の値も応分の値を引き、再設定する。
【００３３】
内導体２の点火時接触位置を、アクチュエータ１５の最小移動単位分下げることは、不点火の要因が外導体制限部８と内導体電極部７の非接触でない場合には、外導体制限部８への内導体電極部７の不要な押し込みが発生し、電極の損耗の加速、装置の機械的破壊をもたらす。そこで、点火接触位置を下げる再点火試行に対して、制御器１９のタイマ機能による制限を設ける。たとえば、電極損耗がアクチュエータ１５の最小移動単位相当となるプラズマトーチ９の生成時間またはプラズマ点火回数となるまでは、内導体２の点火時接触位置を下げる再点火試行を行わない。
【００３４】
なお、本実施の形態においては、内導体２にアクチュエータ１５をつないで内導体２を移動させ、インピーダンス整合及びプラズマトーチ９の点火を行ったが、外導体制限部８ならびに外導体３を反応容器１０及びリッジ導波管５とベローズ等により接続し、上下に可動な構造とし、外導体制限部８をアクチュエータ１５に連結し、外導体制限部８を軸方向に移動させても、インピーダンス整合及びプラズマトーチ９の点火は可能である。
【００３５】
このような構成のマイクロ波プラズマトーチ装置１０１は、外導体３に対して可動する内導体２をもつ同軸導波管３１、内導体２に接続され、内導体２を同軸方向に移動するアクチュエータ１５、反射電力を計測する方向性結合器３３、アクチュエータ１５を制御する制御手段としての制御器１９を備え、アクチュエータ１５、外導体３、さらには放電電極となる外導体制限部８がそれぞれ、位置あおり調整機構１２，１４，１８に支持されることにより、各部位を同軸上に配置可能とする。
【００３６】
また、プラズマトーチ９発生時において、内導体電極部７と外導体制限部８の相対距離の最大値を制限し、内導体２と外導体３とのトーチ部以外での放電を抑制する。この最大値を、外導体３の内半径と内導体２の外半径の差未満に設定することにより、内外導体間の相対距離の最小値が常に内導体電極部７と外導体制限部８の距離により与えられる。すなわち、最大値を外導体３の内周半径と内導体２の外周半径の差とすることにより、最大（最遠点）でのトーチ部以外での放電を抑制し、トーチ部以外でのマイクロ波の吸収を防ぎ、反射電力によるインピーダンス整合制御を良好に行うことができる。さらには、異常放電による装置破壊を回避することができる。
【００３７】
さらには、プラズマトーチ９発生時において、内導体電極部７と外導体制限部８と間の相対距離の最小値を制限し、内導体電極部７と外導体３の接触を抑制する。最小値は、異常損耗が起こらない１ｍｍ以上、好ましくは装置に想定される反応ガスにて動作させた結果の最小値を反映したものとする。これにより、最小（最近点）での内導体電極部７及び外導体制限部８の接触による電極異常損耗を避けることができ、装置寿命を延長することができる。
【００３８】
また、装置の運転開始時には、内外導体２，３の接触点をプラズマトーチ９点火位置として制御器１９に与え、かつアクチュエータ１５の可動範囲は接触点より内外導体２，３を押さえつけられるように設定する。経時的な電極の磨耗により、接触が保たれなくなりプラズマトーチ９の不点火が生じた場合には、制御器１９に設定された接触点の位置を内外導体２，３の相対位置を近づける方向にして、再点火を試行する。さらに、再点火試行により点火が確認された後に、接触点の位置、ならびに、最近点、最遠点、想定負荷制御点の値も接触点の移動に応じて再設定する。このように、制御器１９は、プラズマトーチ９の点火時に内導体電極部７と外導体制限部８とが接触しない場合、さらに両者を近づけるように位置制御をする。そのため、装置使用初期に設定した接触点火が、寿命を経ることで電極損耗が進み接触しなくなることを補償することができる。
【００３９】
このような構成のマイクロ波プラズマトーチ装置１０１は、内導体２の先端部と外導体３を共に絞り、外導体３はその直径が狭められて外導体制限部８を有する同軸導波管３１と、同軸導波管３１にマイクロ波１を供給するマイクロ波発振器と、内導体２及び外導体３のいずれか一方に接続され、他方に対して同軸方向に移動させるアクチュエータ１５と、マイクロ波１の反射電力を計測する方向性結合器３３と、方向性結合器３３から得られる反射電力の最小を制御目標として、アクチュエータ１５に信号を与え、内導体２と外導体３の相互位置を最適位置に調整する制御器１９とを備え、供給されたプラズマ波電力によってガスを電離してプラズマトーチを生成するマイクロ波プラズマトーチ装置であって、内導体２及び外導体３のうちアクチュエータ１５と接続されないもの、アクチュエータ１５及び外導体制限部８が、それぞれ位置あおり調整機構１２，１４，１８によって支持されている。そのため、内導体２及び外導体３の同軸が保たれ、トーチプラズマ分布が均一になり、電力投入が均一に行われ、高入力密度のプラズマトーチを実現することができる。
【００４０】
また、制御器１９は、内導体電極部７と外導体制限部８との間の距離の最大値と最小値を記憶し、この範囲内で、外導体制限部８に対する内導体電極部７の位置制御をする。そのため、最大（最遠点）でのトーチ部以外での放電を抑制し、トーチ部以外でのマイクロ波の吸収を防ぎ、反射電力によるインピーダンス整合制御を良好に行うことができる。さらには、異常放電による装置破壊を回避することができる。
【００４１】
さらにまた、制御器１９は、プラズマトーチ９点火時に内導体電極部７と外導体制限部８とが接触しない場合、さらに両者を近づけるように位置制御をする。そのため、装置使用初期に設定した接触点火の位置設定に対して、寿命を経ることで電極損耗が進み接触しなくなることを補償することができる。
【００４２】
また、流入するガスの情報を外部から入力する流入ガス情報入力手段を有し、制御器１９は、この流入ガス情報入力手段の入力した情報に基づいて、外導体制限部８に対する内導体電極部７の位置制御をする。そのため、ガスの負荷変動に対して遅れることなく追従することができる。
【００４３】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２のマイクロ波プラズマトーチ装置を示す同軸導波管部近傍の拡大図である。本実施の形態のマイクロ波プラズマトーチ装置１０２においては、内導体２、外導体制限部８、外導体３の同軸性を保つために、図４に示すように、外導体制限部８は、反応容器１０と固定され、さらに矩形導波管４に付随する同軸導波管３１の外導体３とはめあいにより接合される。これにより、外導体制限部８と外導体３の同軸性が保たれている。
【００４４】
外導体３の内部には、マイクロ波１を透過する樹脂でできた誘電体スリーブ２１が固定してある。誘電体スリーブ２１の存在する周囲は水冷ジャケットにより冷却され、処理ガスは誘電体スリーブ２１より下流のガス導入口３２より流入する。誘電体スリーブ２１の外径は、外導体３の内径と同程度であり、やきバメ等の方法により誘電体スリーブ２１が外導体３により圧縮されて挿入されている。誘電体スリーブ２１の内側には、内径がわずかに内導体２の外径より大きな貫通孔とオーリング２２が配設されており、内導体２を摺動可能な状態で気密性を持たせる構造とされている。そこへ内導体２を挿入することにより、同軸導波管３１が形成されている。つまり、誘電体スリーブ２１と内導体２の隙間に、この隙間を摺動可能に且つ密閉する手段としてオーリング２２を設けている。
【００４５】
図示しないアクチュエータと内導体２の連結は、内導体２の軸方向に対しては拘束するが、軸と直角方向には拘束しない構成としてもよく、アクチュエータ１５と内導体２との厳密な軸あわせは必ずしも必要としない。例えば、内導体２に接合した板１６Ａを、連結部側には板１６Ａの厚さより大きな間隔の対向する断面コの字形の連結部１６Ｂで挟み込むようにしてもよい。この場合、内導体２の上下動の制御においては、上昇から下降、または下降から上昇に切り替わる際に、遊び（コの字形連結部１６Ｂの間隔−内導体２に接合した板厚１６Ａ）分は、アクチュエータ１５を移動させても内導体２の移動にはつながらない。そのため、制御器１９から上記遊び長さ分を補償した移動指令を移動方向切り替えの際にアクチュエータ１５へ行うことで内導体２の移動を実現できる。
【００４６】
このような構成のマイクロ波プラズマトーチ装置１０２は、外導体３と外導体制限部８とが、同軸接合手段としてのはめあいによって結合され、内導体２は、外導体３の内側に配置された円筒状の誘電体スリーブ２１内に軸方向に摺動可能に支持されている。内導体２及び外導体３の同軸が保たれ、トーチプラズマ分布が均一になり、電極投入が均一に行われ、高入力密度のプラズマトーチが実現できる。
【００４７】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３のマイクロ波プラズマトーチ装置を示す概略の構成図である。本実施の形態のマイクロ波プラズマトーチ装置１０３においては、上流装置からでるガス組成、ガス流量に関わる情報を、本装置１０３内の流量・濃度センサ２４により測定し、結果をモニタ線２５を通じて本装置１０３の制御器１９に入力する。制御器１９は、入力されたセンサ信号から決まる処理ガスに関わる情報に対応じた、あらかじめ記憶しているマイクロ波電力、内導体２の位置を、図示しないマイクロ波発振器とアクチュエータ１５に送り、一方、内導体２の制御に関しては、反射電力の値とは関係なく予め記憶した情報に基づいた位置へ内導体２を移動させ、所定の移動後、反射電力を制御目標とした位置制御に復帰し、内導体２の位置の微調整を行い最適な位置に保持する。
【００４８】
すなわち、本実施の形態においては、処理される反応ガスの濃度及び流量を検出する流量・濃度検出手段として流量・濃度センサ２４を備え、制御器１９は、この流量・濃度センサ２４の出力に基づいて、外導体制限部８に対する内導体電極部７の位置と、供給されるマイクロ波の大きさを制御する。
【００４９】
制御器１９は、反応ガスの状態を、流量・濃度センサ２４にて検出し、前記センサ２４の出力に基づいて予め記憶して内導体２の位置、入射マイクロ波電力を呼び出し、反射電力の値とは関係なく迅速に、内導体２の移動と入射マイクロ波電力の変更を行い、その後反射電力に応じた位置制御にもどり微調整を行う。
【００５０】
このような構成のマイクロ波プラズマトーチ装置１０３は、流入するガスの流量及び濃度を計測する流量・濃度センサ２４を有し、制御器１９は、この流量・濃度センサ２４の出力に基づいて、外導体制限部８に対する内導体電極部７の位置制御をする。そのため、ガスの負荷変動に対して遅れることなく位置制御を行うことができる。
【００５１】
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４のマイクロ波プラズマトーチ装置を示す同軸導波管部近傍の拡大図である。本実施の形態のマイクロ波プラズマトーチ装置１０４においては、部材間の所謂あたりを検出する検知センサとして圧電センサ２７を有している。圧電センサ２７は、外導体制限部８を含む構成要素群と反応容器１０との間に設置されている。一方、反応容器１０と外導体制限部８の連結に関しては、両者間をベローズ２６を用いて連結することで伸縮性を持たせている。内導体２が外導体制限部８に接触すると外導体制限部８の位置が物理的に下がり、反応容器１０と外導体制限部８に挟まれた圧電センサ２７は、電気信号の変化を図示しない制御器１９へ出力し、内外導体２，３のあたりを制御器１９へ伝える。制御器１９は、検知された位置を記憶し、この値を基に、インピーダンス整合時の内導体２の位置上限、下限、想定負荷制御点等を補正する。
【００５２】
すなわち、このような構成のマイクロ波プラズマトーチ装置１０４は、外導体制限部８と、外導体制限部８を支持する反応容器１０との間に圧電センサ２７を設け、制御器１９は、この圧電センサ２７の出力に基づいて、外導体制限部８に対する内導体電極部７の位置制御をする。そのため、内導体軸力による検知が困難な場合でも、内導体２と外導体制限部８のあたり検知が可能になる。
【００５３】
【発明の効果】
この発明に係るマイクロ波プラズマトーチ装置は、同軸状に配置された内導体及び外導体からなり、内導体は先端部を尖らせて内導体電極部を形成し、外導体は先端部において直径が狭められて外導体制限部を形成する同軸導波管と、同軸導波管にマイクロ波を供給するマイクロ波発振器と、内導体及び外導体のいずれか一方に接続され、他方に対して軸方向に移動させるアクチュエータと、マイクロ波の反射電力を計測する方向性結合器と、方向性結合器から得られる反射電力の最小を制御目標として、アクチュエータに動作指令を出力し、内導体電極部と外導体制限部の相互位置が最適位置となるよう位置制御する制御手段とを備え、内導体電極部と外導体制限部との間で、供給されたマイクロ波電力によってガスを電離してプラズマトーチを生成するマイクロ波プラズマトーチ装置において、内導体及び外導体のうちアクチュエータと接続されないものと、アクチュエータと、外導体制限部とが、それぞれ位置あおり調整機構によって支持されているので、内導体及び外導体の同軸が保たれ、トーチプラズマ分布が均一になり、電極投入が均一に行われ、高入力密度のプラズマトーチを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１のマイクロ波プラズマトーチ装置を示す概略の構成図である。
【図２】図１のマイクロ波プラズマトーチ装置の反応容器あおり調整機構の斜視図である。
【図３】図１のマイクロ波プラズマトーチ装置の反応容器あおり調整機構の分解構成図である。
【図４】この発明の実施の形態２のマイクロ波プラズマトーチ装置を示す同軸導波管部近傍の拡大図である。
【図５】この発明の実施の形態３のマイクロ波プラズマトーチ装置を示す概略の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４のマイクロ波プラズマトーチ装置を示す同軸導波管部近傍の拡大図である。
【符号の説明】
１  マイクロ波、２  内導体、３  外導体、４  矩形導波管、５  リッジ導波管、６  気密誘電体窓、７  内導体電極部、８  外導体制限部、９  プラズマトーチ、１０  反応容器、１２  反応容器あおり調整機構（位置あおり調整機構）、１３  矩形導波管支持部、１４  矩形導波管位置あおり調整機構（位置あおり調整機構）、１５  アクチュエータ、１６  アクチュエータ連結部、１７  アクチュエータ支持部、１８  アクチュエータ位置あおり調整機構（位置あおり調整機構）、１９  制御器（制御手段）、２０  外部信号モニタ線（流入ガス情報入力手段）、２１  スリーブ、２１  誘電体スリーブ、２２  オーリング、２４  流量・濃度センサ（流量・濃度検出手段）、２５  モニタ線、２６  ベローズ、２７  圧電センサ、３１  同軸導波管、３２  ガス導入口、３３  方向性結合器、４０  基台、４１，４２  ベース平板、４１ａ，４２ａ  長穴、４２ｂ  中央凸部、４３  ボルト、４４  角度変化板、４５  角度固定用ボルト、１０１，１０２，１０３，１０４  マイクロ波プラズマトーチ装置。
【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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