(57)【要約】【課題】マイクロ波放電装置において、プラズマの自発放電が可能であり、安定持続放電ための放電空間をより自由に設計可能とする。【解決手段】マイクロストリップ線路の１つの終端にはプラズマを励起する励起用電極３ａを備え、他の終端にはプラズマを安定して生成する放電用電極４ａを備え、放電空間３ｂ，４ｂが形成される。放電空間３ｂは大気圧下でプラズマの自発放電が容易となるように電極３ａ，２ａ間距離が短い。放電空間３ｂ，４ｂは励起用電極３ａに励起された励起用プラズマによって安定放電プラズマが誘発されるように互いに近接配置されている。放電素子２の回路インピーダンスは、プラズマ励起前は励起用電極３ａに電力が流入し、放電用電極４ａにプラズマが誘発されたときは放電用電極４ａに電力が流入するように設定されている。電極の役割分担により、プラズマの自発放電が容易となると共に、安定持続放電ための放電空間をより広くできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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大気圧プラズマを生成するマイクロ波放電装置において、
前記マイクロストリップ線路を分岐し、その分岐した線路の１つの終端にはプラズマを励起するための励起用電極を備え、他の終端にはプラズマを安定して生成するための放電用電極を備え、
前記励起用電極と放電用電極とは、前記励起用電極に励起されたプラズマによって前記放電用電極にプラズマが誘発されるように互いに近接して配置されており、
前記マイクロストリップ線路の入力端にマイクロ波の電力が供給されたときに、プラズマ励起前は前記励起用電極に電力が流入し、前記放電用電極にプラズマが誘発されたときは当該放電用電極に電力が流入するように、前記入力端から見たマイクロストリップ線路全体の回路インピーダンスが設定されていることを特徴とするマイクロ波放電装置。
【請求項２】
前記マイクロストリップ線路の分岐点から前記励起用電極に至るまでのインピーダンスが前記分岐点より前のマイクロストリップ線路のインピーダンスと同等であり、
前記分岐点から前記放電用電極に至るまでのマイクロストリップ線路のインピーダンスが前記分岐点より前のマイクロストリップ線路のインピーダンスよりも大きいか、または小さく、
前記励起用電極にプラズマが励起されることにより、そのプラズマが励起される前の前記分岐点より後のマイクロストリップ線路のインピーダンスが前記分岐点より前のマイクロストリップ線路のインピーダンスよりも大きいか、または小さくなり、
前記放電用電極にプラズマが誘発されることにより、そのプラズマが誘発される前の前記分岐点より後のマイクロストリップ線路のインピーダンスが前記分岐点より前のマイクロストリップ線路のインピーダンスと同等となるように、
前記分岐点より後の各マイクロストリップ線路のインピーダンスが設定されてい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】
前記分岐点より後の一方のマイクロストリップ線路の終端部での導体間の距離は、他方のマイクロストリップ線路の終端部のそれに比べて短く形成されていることを特徴とする請求項１または請求項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の入力端に供給されるマイクロ波の周波数を、前記励起用電極によるプラズマ励起時と前記放電用電極によるプラズマ生成時とで切り替えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイクロ波放電装置。
【請求項５】
前記マイクロストリップ線路からの反射電力を計測する電力計測部と、
前記電力計測部による計測結果に基づいてマイクロ波の入力電力を制御する電力制御部と、を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項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】
前記マイクロストリップ線路からの反射電力を迂回させるサーキュレータと、前記サーキュレータによって迂回された反射電力を前記マイクロストリップ線路に供給する方向性結合器と、を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項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】
従来、大気圧中において、マイクロ波が伝搬する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大気圧プラズマを生成するようにしたマイクロ波放電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、マイクロストリップ線路の横断面において、マイクロストリップ線路を構成する２つの導体を近接させた隙間を形成し、その近接した導体間に電界を集中させることにより自発放電と自発放電後の安定持続放電とを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
しかしながら、上述したマイクロ波放電装置においては、放電空間が、自発放電を可能とするために近接させた導体間の隙間に限定されるので、生成されるプラズマの容積を増やしたり、形状を変えたりする設計の自由度が殆どないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、プラズマの自発放電が可能であり、安定持続放電ための放電空間の設計自由度が増したマイクロ波放電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】
上記課題を達成するために、本発明のマイクロ波放電装置は、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大気圧プラズマを生成するマイクロ波放電装置において、マイクロストリップ線路を分岐し、その分岐した線路の１つの終端にはプラズマを励起するための励起用電極を備え、他の終端にはプラズマを安定して生成するための放電用電極を備え、励起用電極と放電用電極とは、励起用電極に励起されたプラズマによって放電用電極にプラズマが誘発されるように互いに近接して配置されており、マイクロストリップ線路の入力端にマイクロ波の電力が供給されたときに、プラズマ励起前は励起用電極に電力が流入し、放電用電極にプラズマが誘発されたときは当該放電用電極に電力が流入するように、入力端から見たマイクロストリップ線路全体の回路インピーダンスが設定されていることを特徴とする。
【０００７】
こ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の分岐点から励起用電極に至るまでのインピーダンスが分岐点より前のマイクロストリップ線路のインピーダンスと同等であり、分岐点から放電用電極に至るまでのマイクロストリップ線路のインピーダンスが分岐点より前のマイクロストリップ線路のインピーダンスよりも大きいか、または小さく、励起用電極にプラズマが励起されることにより、そのプラズマが励起される前の分岐点より後のマイクロストリップ線路のインピーダンスが分岐点より前のマイクロストリップ線路のインピーダンスよりも大きいか、または小さくなり、放電用電極にプラズマが誘発されることにより、そのプラズマが誘発される前の分岐点より後のマイクロストリップ線路のインピーダンスが分岐点より前のマイクロストリップ線路のインピーダンスと同等となるように、分岐点より後の各マイクロストリップ線路のインピーダンスが設定されていることが好ましい。
【０００８】
このマイクロ波放電装置において、分岐点より後の一方のマイクロストリップ線路の終端部での導体間の距離は、他方のマイクロストリップ線路の終端部のそれに比べて短く形成されていてもよい。
【０００９】
こ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の入力端に供給されるマイクロ波の周波数を、励起用電極によるプラズマ励起時と放電用電極によるプラズマ生成時とで切り替えるようにしてもよい。
【００１０】
こ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からの反射電力を計測する電力計測部と、電力計測部による計測結果に基づいてマイクロ波の入力電力を制御する電力制御部と、を備えてもよい。
【００１１】
こ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からの反射電力を迂回させるサーキュレータと、サーキュレータによって迂回された反射電力をマイクロストリップ線路に供給する方向性結合器と、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のマイクロ波放電装置によれば、励起用電極にプラズマを励起して放電用電極にプラズマを誘発するように電極の役割を分担したので、プラズマの自発放電が容易となると共に、安定持続放電ための放電空間をより広くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係るマイクロ波放電装置についての平面図、（ｂ）は同装置の断面図、（ｃ）は同装置の正面図。
【図２】（ａ）は同装置のマイクロ波伝送回路のインピーダンスの説明図、（ｂ）はプラズマ生成後の同インピーダンスの説明図。
【図３】（ａ）は同装置の放電用電極についてのインピーダンスのプラズマ誘発前後のスミスチャート、（ｂ）は同装置の励起用電極についてのインピーダンスのプラズマ誘発前後のスミスチャート。
【図４】同装置の変形例の平面図。
【図５】同装置の他の変形例のブロック構成図。
【図６】同装置のさらに他の変形例のブロック構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係るマイクロ波放電装置について、図面を参照して説明する。図１乃至図３は、一実施形態に係るマイクロ波放電装置１を示す。マイクロ波放電装置１は、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、誘電体基板２０とその両面の導体２１，２２で構成されるＹ分岐したマイクロストリップ線路（以下、単に線路ともいう）を備えて成る放電素子２に、マイクロ波の入力端子１１を備えたものである。誘電体基板２０は、四角形状を有し、その下面には通常接地電位とされる幅広の導体２１が下面全面に形成され、上面には線路を形成する導体２２が形成され、導体２２は分岐点ＰにおいてＹ分岐してそれぞれ線路となる導体３，４が形成されている。導体２２の入力端２２ａ側には、導体２１，２２にマイクロ波電力を入力するための入力端子１１が設けられている。入力端子１１には、例えば、マイクロ波源１０からの電力を供給する同軸ケーブルが接続される。
【００１５】
Ｙ分岐した線路の１つの終端にはプラズマを励起するための励起用電極３ａを備え、他の終端にはプラズマを安定して生成するための放電用電極４ａを備えている。すなわち、Ｙ分岐した導体３，４は、それぞれ誘電体基板２０の端部で端面に沿って下面方向に延設され、励起用電極３ａ、および放電用電極４ａとなる。下面の導体２１は、励起用電極３ａと放電用電極４ａとが形成されている誘電体基板２０の端面に沿って上面方向に延設され、励起用電極３ａと放電用電極４ａのそれぞれの対向電極２１ａとなる。励起用電極３ａと対向電極２１ａの間の空間は放電空間３ｂとなり、放電用電極４ａと対向電極２１ａの間の空間は放電空間４ｂとなる。放電空間３ｂは、大気圧下でプラズマの自発放電が容易となるように電極３ａ，２ａ間距離が短くされており、この空間で生成されるプラズマを励起用プラズマと称する。放電空間４ｂは、大気圧プラズマの自発放電はできないが容積の大きなプラズマが生成されるように電極４ａ，２ａ間距離が長くされており、この空間で生成されるプラズマを安定放電プラズマと称する。
【００１６】
励起用プラズマは、安定放電プラズマを誘発するためのプラズマである。励起用電極３ａと放電用電極４ａとは、励起用電極３ａに励起された励起用プラズマによって放電用電極４ａに安定放電プラズマが誘発されるように、互いに近接して配置する。また、入力端から見た線路全体の回路インピーダンスは、入力端子１１にマイクロ波電力が供給されたとき、プラズマ励起前は励起用電極３ａに電力が流入し、放電用電極４ａにプラズマが誘発されたときは放電用電極４ａ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について、以下に述べる。
【００１７】
放電前においては、放電素子２における各線路のインピーダンスは、図２（ａ）に示すように、線路の分岐点Ｐから励起用電極３ａに至るまでのインピーダンスが分岐点Ｐより前の線路のインピーダンスと同等とされている。例えば、各線路のインピーダンスＺは、分岐前を５０Ωとし、分岐後も５０Ωとすればよい。また、分岐点Ｐから放電用電極４ａに至るまでの線路のインピーダンスが分岐点Ｐより前の線路のインピーダンスよりも大きいか、または小さくされている。例えば、分岐前が５０Ωであり、分岐後は大きく１ｋΩとすればよい。
【００１８】
放電後においては、図２（ｂ）に示すように、励起用電極３ａにプラズマ３１が励起されることにより、そのプラズマ３１が励起される前の分岐点Ｐより後の線路のインピーダンスが分岐点Ｐより前の線路のインピーダンスよりも大きいか、または小さく設定する。例えば、各線路のインピーダンスＺは、分岐前が５０Ωであり、分岐後は（１０＋ｊβ）Ωに従って小さくなるように設定すればよい。また、放電用電極４ａにプラズマ４１が誘発されることにより、そのプラズマ４１が誘発される前の分岐点Ｐより後の線路のインピーダンスが分岐点Ｐより前の線路のインピーダンスと同等となるように、分岐点Ｐより後の各線路のインピーダンスが設定されている。例えば、分岐前が５０Ωであり、分岐後も５０Ωとなるように設定すればよい。
【００１９】
上述の内容をスミス図表で見ると、放電用電極４ａにおいては、図３（ａ）に示すように、放電前から放電後の状態への変化は、矢印曲線ａ，ｂに従って、インピーダンスマッチングの外れた状態からマッチングのとれた状態へと遷移する変化となる。また、励起用電極３ａにおいては、図３（ｂ）に示すように、放電前から放電後の状態への変化は、矢印曲線ｃ，ｄに従って、インピーダンスマッチングのとれた状態からマッチングの外れた状態へと遷移する変化となる。
【００２０】
上述の各マイクロストリップ線路の放電空間３ｂ，４ｂに至るまでのインピーダンスや、励起用プラズマ３１、安定放電プラズマ４１を含むインピーダンスは、高周波回路シミュ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。本実施形態によれば、励起用電極３ａにプラズマを励起して放電用電極４ａにプラズマを誘発するように電極の役割を分担したので、放電素子２におけるプラズマの自発放電が容易となる。また、電極の役割を分担したことにより、安定持続放電ための放電空間４ｂをより広くすることができ、容積のより大きなプラズマを生成することができる。
【００２１】
図４は、マイクロ波放電装置１の変形例を示す。この変形例は、線路の入力端に供給されるマイクロ波の周波数を、励起用電極３ａによるプラズマ励起時と放電用電極４ａによるプラズマ生成時とで切り替える入力切替回路１２を備えている。それぞれのプラズマに対して、どのような周波数とするかについては、各線路およびプラズマの各インピーダンスの周波数依存性を測定またはシミュレーション計算によって求めて、その結果に基づいて決定すればよい。この変形例によれば、各プラズマに適した電力供給ができるので、電力ロスを減らすことができ、より安定したプラズマを生成して維持することができる。
【００２２】
図５は、マイクロ波放電装置１の他の変形例を示す。この変形例は、放電素子２の線路からの反射電力Ｗ１を計測する電力計測部１３と、電力計測部１３による計測結果に基づいてマイクロ波の入力電力を制御する電力制御部１４と、を備えている。電力計測部１３は、サーキュレータ１３ａを備えており、マイクロ波源１０からの供給電力Ｗ０は、サーキュレータ１３ａを介して放電素子２に供給される。放電素子２からの反射電力Ｗ１は、サーキュレータ１３ａによって電力計測部１３に迂回されて電力測定がなされる。その測定結果は、マイクロ波源１０に内蔵した、またはマイクロ波源１０に外付けした電力制御部１４に送られる。電力制御部１４は、その計測結果に基づいて、反射電力Ｗ１が減少するように、マイクロ波の入力電力を制御する。この変形例によれば、外乱の影響を抑制してより安定したプラズマを生成することができる。
【００２３】
図６は、マイクロ波放電装置１のさらに他の変形例を示す。この変形例は、放電素子２の線路からの反射電力Ｗ３を迂回させるサーキュレータ１５と、サーキュレータ１５によって迂回された反射電力Ｗ３を線路に供給する方向性結合器１６と、を備えている。マイクロ波源１０からの供給電力Ｗ０は方向性結合器１６に入力される。方向性結合器１６は、供給電力Ｗ０と反射電力Ｗ３の合算された電力Ｗ２をサーキュレータ１５に入力する。サーキュレータ１５は電力Ｗ２を放電素子２に入力すると共に、放電素子２から反射電力Ｗ３を方向性結合器１６に入力する。方向性結合器１６のかわりに、第２のサーキュレータを用いてもよい。この変形例によれば、反射電力の悪影響や電力ロスを減らして効率的にプラズマを生成することができる。
【００２４】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態や変形例の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。マイクロストリップ線路は、Ｙ分岐だけでなく、多分岐、例えば、３分岐として、１つの励起用電極と、その両側の放電用電極を備えるようにしてもよい。また、順次、より容積の大きなプラズマをカスケード的に生成できるように、励起用電極や放電様電極を備えるようにしてもよい。また、励起用プラズマを生成する際にマイクロ波電力をパルス化するパルス化回路を備えるようにしてもよい。パルス化したマイクロ波により、時間平均の電力を抑えて、励起用プラズマをより容易に励起でき、安定放電プラズマが誘発された後は、パルスでないマイクロ波で放電すればよい。
【符号の説明】
【００２５】
１    マイクロ波放電装置
２    放電素子
２２    マイクロストリップ線路
２２ａ    入力端
３    励起用電極側のマイクロストリップ線路
３ａ    励起用電極
４    放電用電極側のマイクロストリップ線路
４ａ    放電用電極
１３    電力計測部
１４    電力制御部
１６    サーキュレータ
１５    方向性結合器
Ｐ    分岐点
Ｗ５，Ｗ６    反射電力
【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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