(57)【要約】      （修正有）【課題】低温プラズマで生成するプラズマジェットを、簡易な構成により、効率良く発生させる沿面放電型プラズマジェット生成装置の提供。【解決手段】円筒状アルミナセラミック４の内表面に線状の放電電極３を設け、かつ、その内部または外表面に面状の誘導電極５を設けた円筒型沿面放電素子２において、一方の端面（ガス流入口１）からガスを供給し他方の端面（噴出口６）から噴出させ、放電電極３と誘導電極５の間に高周波高電圧を印加して沿面放電を発生させプラズマ（沿面放電励起プラズマ）を生成することで噴出口６からプラズマジェットを噴出させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状に形成されたアルミナセラミックの内表面に線状の放電電極を設け、かつ、その内部または外表面に面状の誘導電極を設けた円筒型沿面放電素子において、一方の端面（ガス流入口）からガスを供給し他方の端面（噴出口）から噴出させ、放電電極と誘導電極の間に高周波高電圧を印加して沿面放電を発生させプラズマ（沿面放電励起プラズマ）を生成することで噴出口からプラズマジェットを噴出することを特徴とする沿面放電型プラズマジェット生成装置。
【請求項２】
処理対象物の処理表面にプラズマジェットを直接照射することを特徴とする請求項１に記載の沿面放電型プラズマジェット生成装置。
【請求項３】
供給するガスがヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスまたは窒素、若しくはそれらを主成分とするガスであることを特徴とする請求項１から２に記載の沿面放電型プラズマジェット生成装置。
【請求項４】
円筒型沿面放電素子の内表面に形成された放電電極全体を覆うように、アルミナセラミックまたはガラスの薄膜保護層を形成することを特徴とする請求項１から３に記載の沿面放電型プラズマジェット生成装置。
【請求項５】
円筒型沿面放電素子の周りに空冷フィンを取り付けたことを特徴とする請求項１から４に記載の沿面放電型プラズマジェット生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、濡れ性を向上させる表面処理、殺菌、酸化膜やダイヤモンド薄膜、有機膜の生成などの材料プロセスなど多くの分野に適用可能なプラズマジェットの生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマジェットは放電空間で生成されたプラズマがガス流とともに放電空間から外部に放出されることでイオン、電子、励起種などのプラズマ由来の粒子を多く含むガス噴流である。
【０００３】
その生成方法は、ガラス菅の内部で発生させた高温プラズマをガラス管からガス流とともに噴出させる熱プラズマ方式とガラス管の内部に低温プラズマを発生させてガス流とともに噴出させる低温プラズマ方式がある。
【０００４】
例えば、大気圧中でプラズマジェットを生成する低温プラズマ方式として特許文献１に示すようにガラス管の外部に同軸状の電極を２つ離して設置し、両電極間に交流高電圧を印加するとともに、ヘリウムガスをガラス管から噴出させることでプラズマジェットを生成している。
【０００５】
または、特許文献２に示すようにガラス管の外部に同軸状の電極を１つだけ設置し、その電極に交流高電圧を印加するとともに、ヘリウムガスをガラス管から噴出させることでプラズマジェットを生成することも可能となっている。
【０００６】
特許文献１ではヘリウムでプラズマを点火後アルゴンガスに切り替えることで、アルゴンでも継続してプラズマジェットが生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２３２１０９号公報
【０００８】
【特許文献２】ＷＯ２００８／０７２３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
低温プラズマで生成するプラズマジェットを、簡易な構成により、効率良く発生させることを目的としている。
【００１０】
特に大気圧下で用いる低温プラズマで生成するプラズマジェットでは電離電圧の低いヘリウムでは容易にプラズマジェットを生成できるが、電離電圧の高いアルゴンあるいは希ガスではない窒素などのプラズマジェットは生成が難しかった。
【００１１】
これらのガス種に対しても投入電力（放電電力）を調整するだけで簡単にプラズマジェット生成できるプラズマジェット生成装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、円筒状に形成されたアルミナセラミックの内表面に線状の放電電極を設け、かつ、その内部または外表面に面状の誘導電極を設けた円筒型沿面放電素子において、一方の端面（ガス流入口）からガスを供給し他方の端面（噴出口）から噴出させ、放電電極と誘導電極の間に高周波高電圧を印加して沿面放電を発生させプラズマ（沿面放電励起プラズマ）を生成することで噴出口からプラズマジェットを噴出することを特徴としている。この沿面放電励起プラズマは低温プラズマであり、電子温度は高いがイオンや分子温度の低いことが特徴である。
【００１３】
この円筒型沿面放電素子のガス流入口からヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスや窒素若しくはそれらを主成分とするガスを供給し、沿面放電励起プラズマを生成の上、噴出口をプラズマ処理対象物質に向けてプラズマジェットを生成のうえ直接処理表面に照射することが可能である。
【００１４】
なお、円筒状に形成されたアルミナセラミックの内表面に形成された線状の放電電極をアルミナセラミックまたはガラスの薄膜で覆うことで放電電極が放電に直接曝されることがなく、放電電極がスパッタリングで消耗することもない。また、ガス中に放電電極由来の金属微粒子によるコンタミネーションも生じる恐れがない。
【００１５】
また、円筒型沿面放電素子の周りに空冷フィンを取り付けたことを特徴としている。通常は沿面放電で発生する熱は供給されたガス流自体で除去され、冷却構造は不要であるが、放電注入電力を大きくしないとプラズマジェットが生じないようなガスを使用する場合、ガス流自体の冷却では円筒型沿面放電素子が過熱する恐れがある。その場合には、円筒型沿面放電素子の周りに空冷フィンを設け、自然冷却ないしファンで冷却フィンを風冷することで過熱を防止することも可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による沿面放電型プラズマジェット生成装置では大気圧中の低温プラズマによるプラズマジェットが非常に簡便にかつ効率よく生成することが可能となった。
【００１７】
さらにヘリウムのみならず、電離電圧の高いアルゴンや窒素などのガス種でもプラズマジェットを生成することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明による沿面放電型プラズマジェット生成装置の円筒型沿面放電素子の構造の例を示すものである。
【図２】図２は本発明による沿面放電型プラズマジェット生成装置の円筒型沿面放電素子の断面図（図１に示したＡ−Ｂ間；フィンは省いている）である。
【図３】図３は本発明による沿面放電型プラズマジェット生成装置の構成例である。
【図４】図４は本発明による沿面放電型プラズマジェット生成装置にガスとしてアルゴンを用いてプラズマジェットを生成した場合のプラズマジェットの発光スペクトルである。
【図５】図５は本発明による沿面放電型プラズマジェット生成装置にガスとして窒素を用いてプラズマジェットを生成した場合のプラズマジェットの発光スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、円筒状に形成された円筒状アルミナセラミック４の内表面１３に線状の放電電極３を設け、かつ、その内部または外表面１４に面状の誘導電極５を設けた円筒型沿面放電素子２に希ガス、酸素、窒素、水素、若しくはそれらを主成分とするガスを一方の端面（ガス流入口１）からガスを供給し他方の端面（噴出口６）から供給するとともに、両電極間に高周波高電圧（２〜２０ｋＶｐｐ、１〜１００ｋＨｚ程度）を印加すると円筒型沿面放電素子２の放電電極３から壁面に沿って沿面放電が発生する。この沿面放電で生成されるプラズマ（沿面放電励起プラズマ）をガスと共に噴出口６から噴出させることでプラズマジェット３１を生成することができる。
【００２０】
このプラズマジェット３１は、イオン、電子、励起種などのプラズマ由来の粒子を多く含み、プラスチック材料、シリコン、ガラスなどの濡れ性を向上させるたり、処理対象物の殺菌を行ったり、酸化膜やダイヤモンド薄膜、有機膜を成膜する処理対象物３２の処理表面３３に照射する。
【００２１】
または、プラズマジェット自体またはプラズマジェットが噴出した空間に存在もしくは供給した別のガスがプラズマジェットのペニング効果などで活性種に変換され、その活性種を用いることで、表面処理に用いることができる。
【００２２】
プラズマジェット自体を必ずしも対象表面３３に直接照射する必要はなく、処理対象物３２が存在する容器にプラズマジェットを噴出させて、プラズマジェット自体の活性種、または、前記のように変換された活性種が処理対象物に拡散して処理することも可能である。
【実施例１】
【００２３】
図１ならびに図２に示すものは円筒状アルミナセラミック４の内表面１３に線状の放電電極３を設け、その外表面１４に面状の誘導電極５を設け、さらに、内表面１３に５〜５０μｍの薄膜保護層（アルミナ又はガラス）１２を形成した円筒型沿面放電素子２である。また、放電電極にセラミックを貫通して導通させた放電電極ターミナル８と誘導電極ターミナル１１が設けられている。
【００２４】
この素子の製造は、例えば、ドクターブレード法やロールコンパクション法で形成した厚さ０．２ｍｍ〜１ｍｍセラミックシートの表面に放電電極３をタングステンインクで印刷し、背面に面状の誘導電極５をやはりタングステンインクで印刷する。また、放電電極ターミナル８を設けるため、誘導電極５を形成しない一方の端面側に沿面絶縁距離を隔ててスルーホール７を設け、そのスルーホール７にタングステンインクを注入するとともに放電電極３とやはりタングステンインクで接続線９で接続しておく。
【００２５】
放電電極３やスルーホール７、接続線９などタングステンインクで印刷した部分を覆うように５〜５０ミクロンのアルミナセラミックをセラミックシートを重ねたり、スプレーすることで薄膜保護層１２を形成する。
【００２６】
このように形成した電極が印刷されたセラミックシートを円筒状に丸め、接合面をプレス接着させて内径Dの円筒状のセラミックとタングステンインクからなるアルミナセラミック円筒を成形したのち、還元炉で焼結すると、セラミックとタングステン電極（誘導電極、放電電極ならびに接続線）からなる円筒型沿面放電素子２が得られる。内径Dは１０ｍｍを超えると、プラズマジェットの生成が困難となるため、Ｄは１０ｍｍ以下としておく。
【００２７】
放電電極３の先端から吐出口６までの距離Ｃは短い方が壁面ロスによるプラズマの減衰が小さいため良いが、放電電極３と誘導電極４との沿面距離が短いと短絡現象が発生するために、Ｃは５〜２０ｍｍになるように設定すると良い。
【００２８】
この時、アルミナセラミックとタングステン電極（誘導電極、放電電極ならびに接続線）の境界にはメタライズ層１７が形成され、タングステン電極（誘導電極、放電電極ならびに接続線）はアルミナセラミックに強固に接着することになる。焼結後のタングステン電極（誘導電極、放電電極ならびに接続線）の厚さは５μｍ以上とすること電流が流れてもこれら電極の抵抗損失が大きくなることがない。
【００２９】
なお、薄膜保護層はアルミナセラミックの代わりに、沿面放電素子を焼結作製の後、ガラス釉薬を流して５〜５０μｍのガラス層を形成してもよい。
【００３０】
円筒型沿面放電素子２の外周面に空冷を効率良く行うためにフィン１０を取り付けることもできる。円筒型円面放電素子２の内側を流れるガスだけで沿面放電で発生する熱が十分除去できない場合はこのフィンで放熱することができる。特に、ファン（図示はしていない）で空気流をフィンに当てることで効率的な放熱が可能となる。特に、放電電力を大きくとしないとプラズマジェットが得られない窒素などのガスを用いる場合には、円筒型沿面放電素子２の過熱防止に有効である。
【００３１】
図３は、図1および図２に示した構造の円筒型沿面放電素子２を大気圧雰囲気中に置いた処理対象物３２の処理表面３１に直接プラズマジェットを照射する構成を示したものである。
【００３２】
沿面放電素子２の放電電極ターミナル８と誘導電極ターミナル１１の間に高周波高電圧電源２９を接続し、２〜２０ｋＶｐｐ、１〜１００ｋＨｚ程度の電圧を印加するとともに、円筒型沿面放電素子２の一方の端面をガス流入口１としてガス配管２６を継ぎ手２７を介して接続する。ガス配管２６を継ぎ手２７はＰＴＦＥなどの絶縁物を使用すると導電性の沿面放電プラズマを絶縁することができる。このガス配管２６に主成分ガス源２１をマスフローコントローラなどの流量制御器２２を接続することで円筒型沿面放電素子２にガスを供給する。
【００３３】
用いる高周波高電圧電源２９は放電電力を制御できる機能を有するものが望ましい。例えば、高周波高電圧を生成するインバータ一次側の直流電源をチョッパ制御することで放電エネルギーを制御すると良い。
【００３４】
この場合、主たる成分のガス（主成分ガス）に別のガス（添加ガス）を添加することでプラズマジェットの反応性を上げる場合があるが、この場合、添加ガス源２５とマスフローコントローラなどの添加ガス流量制御器２４を追加（添加ガスが複数在る場合はこれらを複数用意する）し、ガス混合器２３で混合した後、ガス配管２６、継ぎ手２７を介して円筒型沿面放電素子２に供給するとよい。
【００３５】
供給するガスはヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスまたは窒素、若しくはそれらを主成分とするガスを用いると、沿面放電励起プラズマによって生成されたプラズマジェット３１が円筒型沿面放電素子２の噴出口６からガスとともに噴出する。
【００３６】
このプラズマジェット３１をプラズマ処理を行う処理対象物３２の処理表面３３に照射する。処理対象物３２若しくは円筒型沿面放電型プラズマ生成器２を適宜移動させながらプラズマジェット３１を照射すると、処理対象物３２の処理表面３３全域に渡りをプラズマ処理することが可能である。
【００３７】
プラズマジェット自体を必ずしも対象表面３３に直接照射する必要はなく、処理対象物３２が存在する容器にプラズマジェットを噴出させて、プラズマジェット自体の活性種、または、プラズマジェットとの相互作用で容器中のガスから生成された活性種が処理対象物に拡散して処理することも可能である。
【００３８】
図４は内径Ｄ＝５ｍｍ、長さ１０８ｍｍ、有効放電電極長１４０ｍｍ、放電電極端から噴出口６までの距離Ｃ＝１１ｍｍに１０ｋＨｚ、１０ｋＶｐｐ程度の高周波高電圧を印加し、毎分７リットルのアルゴンを供給して、放電電力２８Ｗを投入したと場合に得られるプラズマジェットの発光スペクトルであり、アルゴンプラズマに特徴的な波長の発光が観測されている。
【００３９】
図５は同じく内径Ｄ＝５ｍｍ、長さ１０８ｍｍ、有効放電電極長１４０ｍｍ、放電電極端から噴出口６までの距離Ｃ＝１１ｍｍに１０ｋＨｚ、１０ｋＶｐｐ程度の高周波高電圧を印加し、毎分１４リットルの窒素を供給して、放電電力４０Ｗを投入したと場合に得られるプラズマジェットの発光スペクトルであり、窒素プラズマに特徴的な波長の発光が観測されている。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
プラスチック材料表面、ガラス表面、シリコン基板などの濡れ性を向上させる表面処理、殺菌、酸化膜やダイヤモンド薄膜、有機膜の生成などの材料プロセスなど多くの分野で本発明の沿面放電型プラズマジェット生成装置を用いることが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１    ガス流入口
２    円筒型沿面放電素子
３    放電電極
４    円筒状アルミナセラミック
５    誘導電極
６    噴出口
７    スルーホール
８    放電電極ターミナル
９    接続線
１０    フィン
１１    誘導電極ターミナル
１２    薄膜保護層
１３    内表面
１４    外表面
１５    接合面
１６    沿面放電領域
１７    メタライズ層
２１    主成分ガス源
２２    主成分ガス流量制御器
２３    ガス混合器
２４    添加ガス流量制御器
２５    添加ガス源
２６    ガス配管
２７    継ぎ手
２８    放電電極接続線
２９    高周波高電圧電源
３０    誘導電極配線
３１    プラズマジェット
３２    処理対象物
３３    処理表面
【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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