(57)【要約】【課題】テーリングパルスの考え方を発展させて、出力効率の向上を図ることができ、しかも、スイッチング損失の低減を図ることができ、コスト的にも有利な放電装置を提供する。【解決手段】一対の電極（１４ａ、１４ｂ）と、一対の電極にパルスを印加するパルス生成部１６と、一対の電極に放電を発生させるようにパルス生成部１６を制御するパルス制御部１８とを有し、パルス制御部１８は、一対の電極に１以上の第１パルスを印加して、一対の電極において第１放電から第２放電に遷移させる第１制御部５２と、第１放電から第２放電に遷移した後に、一対の電極に２以上の第２パルスを印加する第２制御部５４とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、前記一対の電極間にパルスを印加するパルス生成部と、前記一対の電極に放電を発生させるように前記パルス生成部を制御するパルス制御部とを有し、
前記パルス制御部は、
前記一対の電極に１以上の第１パルスを印加して、前記一対の電極において第１放電から第２放電に遷移させる第１制御部と、
前記第１放電から前記第２放電に遷移した後に、前記一対の電極に２以上の第２パルスを印加する第２制御部とを有し、
前記第１パルスのピーク電圧値及びピーク電流値をＶａ及びＩａ、前記第２パルスのピーク電圧値及びピーク電流値をＶｂ及びＩｂとし、前記第１パルスの電流の導通時間をＴｉ１、前記第２パルスの電流の導通時間をＴｉ２としたとき、
Ｖａ＞Ｖｂ
Ｉａ＜Ｉｂ
Ｔｉ１＜Ｔｉ２
であることを特徴とする放電装置。
【請求項２】
請求項１記載の放電装置において、
前記第１パルスのパルス幅をＴｐ１、前記第２パルスのパルス幅をＴｐ２としたとき、
Ｔｐ１＜Ｔｐ２
であることを特徴とする放電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の放電装置において、
前記第１放電が一次ストリーマ放電であり、
前記第２放電が二次ストリーマ放電であることを特徴とする放電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の放電装置において、
前記一対の電極間に生成されたラジカルの反応時間をＴｒとしたとき、前記第２パルスの電流の導通時間Ｔｉ２は、
０．７５Ｔｒ≦Ｔｉ２≦２．００Ｔｒ
であることを特徴とする放電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の放電装置において、
前記第１制御部は、２以上の前記第１パルスを印加し、
前記第１パルスのパルス周期をＴａ、前記第２パルスのパルス周期をＴｂとしたとき、
Ｔａ＜Ｔｂ
であることを特徴とする放電装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の放電装置において、
前記第１パルスのパルス数は１〜１０であることを特徴とする放電装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の放電装置において、
前記パルス生成部は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオン制御によって前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積を行い、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオフ制御によって前記トランスの二次側での前記パルスの発生を行うパルス発生回路を有することを特徴とする放電装置。
【請求項８】
請求項７記載の放電装置において、
前記第２制御部は、該第２制御部による制御の開始時点で、前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積時間を変更することを特徴とする放電装置。
【請求項９】
請求項８記載の放電装置において、
前記第２制御部による制御の開始時点は、前記第１制御部による制御の開始時点から予め設定された時間が経過した時点であることを特徴とする放電装置。
【請求項１０】
請求項８記載の放電装置において、
前記パルス制御部は、
前記一対の電極で前記第２放電に遷移したことを検出する放電検出部を有し、
前記第２制御部による制御の開始時点は、前記放電検出部が前記一対の電極間で前記第２放電に遷移したことを検出してから予め設定した時間が経過した時点であることを特徴とする放電装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の放電装置において、
前記放電検出部は、
前記一対の電極間に発生する前記放電の動画像を取得するカメラと、
前記カメラにて取得された前記放電の動画像に基づいて、前記第１放電から前記第２放電に遷移したタイミングを検知する画像処理部と、を有することを特徴とする放電装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の放電装置において、
前記放電検出部は、
前記一対の電極間の電圧が低下して、予め設定されたしきい値電圧以下になった段階で、前記第２放電に遷移したとして判別する電圧判別部を有することを特徴とする放電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧パルスの放電によるプラズマを利用して様々な処理（内燃機関の点火処理、ガス分解処理、脱臭処理、プラズマ成膜処理、プラズマエッチング処理、レーザ発振処理、ガス発生処理等）を行うことができる放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、パルス放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、成膜、有害ガスの分解等を行う技術が適応されるようになってきたが（例えば特許文献１及び非特許文献１参照）、プラズマによる処理を効率よく行うためには、高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給することが必要である（例えば非特許文献２参照）。
【０００３】
そこで、従来では、高圧、大気圧、低圧中における高速プラズマ処理に、高電圧の極めて幅の狭いパルスを連続して供給する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
また、従来では、電極構造や電極材料を改良することで、ストリーマ放電を維持させる方法が提案されている（例えば特許文献３〜５参照）。
【０００５】
さらに、従来では、電解液の電気分解により水素を発生する水素発生方法において、電解液に浸漬された電極対に短パルスを印加し、続いて、電圧が漸次低下するテーリングパルスを短パルスの印加時間よりも長時間にわたって電極対に印加することで、水素の発生効率の向上を図るようにした水素発生方法も提案されている（例えば特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２６４９３４０号公報
【特許文献２】特開２００４−２２０９８５号公報
【特許文献３】特開２０１０−２４７１３９号公報
【特許文献４】特開２００５−２６７８７４号公報
【特許文献５】特開２００５−２６２００２号公報
【特許文献６】特開２００６−２５７４８０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】応用物理，第６１巻，第１０号，１９９２，ｐ．１０３９〜１０４３，「高電圧パルス放電化学気相成長法によるアモルファスシリコン系薄膜の作製」
【非特許文献２】ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ ＯＮ ＰＬＡＳＭＩＣ ＳＣＩＥＮＣＥ，ＶＯＬ．２８，ＮＯ．２，ＡＰＲＩＬ ２０００，ｐ．４３４〜４４２，「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ＮＯｘ Ｒｅｍｏｖａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｕｓｉｎｇ Ｓｈｏｒｔ−Ｗｉｄｔｈ Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｏｗｅｒ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２等の従来の方法で高速プラズマ処理を行う場合、高電圧のパルスを短い周期で連続的に供給する必要があり、出力効率が悪く、コスト的にも不利であり、スイッチング損失も増大するという問題がある。これは、ストリーマ放電を維持する方法を提案した特許文献３〜５においても同様である。
【０００９】
また、特許文献６等の従来の方法は、電極間に短パルスを印加した後、長い時間にわたってテーリングパルスを印加するが、これは、電解液中の主に水素イオンを効率よく陰極に移動させて水素の発生効率を向上させるものであって、例えば大気圧付近の放電を利用した高速プラズマ処理への応用については記載がない。
【００１０】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、特許文献６に記載されたテーリングパルスの考え方を発展させて、出力効率の向上を図ることができ、しかも、スイッチング損失の低減を図ることができ、コスト的にも有利な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】
【００１１】
［１］  本発明に係る放電装置は、一対の電極と、前記一対の電極間にパルスを印加するパルス生成部と、前記一対の電極間に放電を発生させるように前記パルス生成部を制御するパルス制御部とを有し、前記パルス制御部は、前記一対の電極間に１以上の第１パルスを印加して、前記一対の電極間において第１放電から第２放電に遷移させる第１制御部と、前記第１放電から前記第２放電に遷移した後に、前記一対の電極間に２以上の第２パルスを印加する第２制御部とを有し、前記第１パルスのピーク電圧値及びピーク電流値をＶａ及びＩａ、前記第２パルスのピーク電圧値及びピーク電流値をＶｂ及びＩｂとし、前記第１パルスの電流の導通時間をＴｉ１、前記第２パルスの電流の導通時間をＴｉ２としたとき、
Ｖａ＞Ｖｂ
Ｉａ＜Ｉｂ
Ｔｉ１＜Ｔｉ２
であることを特徴とする。
【００１２】
［２］  本発明において、前記第１パルスのパルス幅をＴｐ１、前記第２パルスのパルス幅をＴｐ２としたとき、
Ｔｐ１＜Ｔｐ２
であることが好ましい。
【００１３】
［３］  本発明において、前記第１放電が一次ストリーマ放電であり、前記第２放電が二次ストリーマ放電であってもよい。
【００１４】
［４］  本発明において、前記一対の電極間に生成されたラジカルの反応時間をＴｒとしたとき、前記第２パルスの電流の導通時間Ｔｉ２は、
０．７５Ｔｒ≦Ｔｉ２≦２．００Ｔｒ
であることが好ましい。
【００１５】
［５］  本発明において、前記第１制御部は、２以上の前記第１パルスを印加し、前記第１パルスのパルス周期をＴａ、前記第２パルスのパルス周期をＴｂとしたとき、
Ｔａ＜Ｔｂ
であってもよい。
【００１６】
［６］  本発明において、前記第１パルスのパルス数は１〜１０であることが好ましい。
【００１７】
［７］  本発明において、前記パルス生成部は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオン制御によって前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積を行い、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオフ制御によって前記トランスの二次側での前記パルスの発生を行うパルス発生回路を有するようにしてもよい。
【００１８】
［８］  この場合、前記第２制御部は、該第２制御部による制御の開始時点で、前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積時間を変更するようにしてもよい。
【００１９】
［９］  また、前記第２制御部による制御の開始時点は、前記第１制御部による制御の開始時点から予め設定された時間が経過した時点であってもよい。
【００２０】
［１０］  さらに、前記パルス制御部は、前記一対の電極間で前記第２放電に遷移したことを検出する放電検出部を有し、前記第２制御部による制御の開始時点は、前記放電検出部が前記一対の電極間で前記第２放電に遷移したことを検出してから予め設定した時間が経過した時点であってもよい。
【００２１】
［１１］  この場合、前記放電検出部は、前記一対の電極間に発生する前記放電の動画像を取得するカメラと、前記カメラにて取得された前記放電の動画像に基づいて、前記第１放電から前記第２放電に遷移したタイミングを検知する画像処理部と、を有するようにしてもよい。
【００２２】
［１２］  あるいは、前記放電検出部は、前記一対の電極間の電圧が低下して予め設定されたしきい値電圧以下になった段階で、前記第２放電に遷移したとして判別する電圧判別部を有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る放電装置によれば、供給電力を低減することができると共に、ランニングコスト等のコストの低廉化を図ることができ、しかも、出力効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施の形態に係る放電装置を示す構成図である。
【図２】本実施の形態に係る放電装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図３】パルス発生回路の動作を示すタイムチャートである。
【図４】本実施の形態に係る放電装置（実施例）の処理動作を示すタイムチャートである。
【図５】第１パルスの電圧波形と電流波形を示すタイムチャートである。
【図６】第２パルスの電圧波形と電流波形を示すタイムチャートである。
【図７】参考例に係る放電装置の処理動作を示すタイムチャートである。
【図８】実施例と参考例の出力効率の違いを示す特性図である。
【図９】第１変形例に係る放電装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図１０】第２変形例に係る放電装置の構成を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る放電装置の実施の形態例を図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００２６】
本実施の形態に係る放電装置１０は、図１に示すように、例えばプラズマ処理室１２内等に設置される一対の電極１４ａ及び１４ｂと、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間にパルスを印加するパルス生成部１６と、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に放電を発生させるようにパルス生成部１６を制御するパルス制御部１８とを有する。
【００２７】
パルス生成部１６は、例えば図２に示すようなパルス発生回路２０を有する。このパルス発生回路２０は、直流電源部２２の両端に直列接続されたトランス２４、ＳＩサイリスタ２６及びスイッチング素子２８を有する。トランス２４の一次巻線３０における一方の第１端子３２ａに直流電源部２２の正極が接続され、トランス２４の一次巻線３０における他方の第１端子３２ｂにＳＩサイリスタ２６のアノードが接続されている。また、ＳＩサイリスタ２６のゲートと一次巻線３０の一方の第１端子３２ａ間には、ダイオード３４と抵抗３６が並列に接続されている。なお、ダイオード３４は、カソードが一次巻線３０の一方の第１端子３２ａに接続され、アノードがＳＩサイリスタ２６のゲートに接続されている。
【００２８】
スイッチング素子２８は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等によって構成され、そのゲート電極に入力端子３８が接続され、この入力端子３８にパルス制御部１８からの制御信号（オン信号Ｓｏｎ／オフ信号Ｓｏｆｆ）が供給されるようになっている。
【００２９】
また、トランス２４の二次巻線４０の一方の第２端子４２ａに一方の電極１４ａ（陰極）が接続され、二次巻線４０の他方の第２端子４２ｂに他方の電極１４ｂ（陽極）接続されている。
【００３０】
さらに、例えば二次巻線４０の他方の第２端子４２ｂと他方の電極１４ｂとの間にダイオード４４が接続されている。ダイオード４４の接続方向は、高電圧パルスの発生に伴って、電流が二次巻線４０→他方の第２端子４２ｂ→他方の電極１４ｂ（陽極）と流れる場合に、その順方向にダイオード４４が接続されている。すなわち、ダイオード４４は、アノードが他方の第２端子４２ｂに接続され、カソードが他方の電極１４ｂに接続されている。
【００３１】
ここで、パルス発生回路２０での回路動作を図３を参照しながら説明する。
【００３２】
先ず、図３のサイクル１の開始時点ｔａにおいて、パルス制御部１８からパルス発生回路２０の入力端子３８に対してオンを示す制御信号（オン信号Ｓｏｎ：例えば高レベル信号）が供給されると、スイッチング素子２８がオンとなり、これにより、ＳＩサイリスタ２６はターンオンを経てオンとなる。ＳＩサイリスタ２６がオンとなることによって、トランス２４に直流電源部２２の電圧Ｅとほぼ同じ電圧が印加され、トランス２４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス２４の一次巻線３０に流れる電流Ｉ１は勾配（Ｅ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加し、トランス２４への誘導エネルギーの蓄積が行われる。
【００３３】
このとき、ＳＩサイリスタ２６がオンとなっている期間（オン期間Ｔｏｎ）においては、二次側にダイオード４４が接続されて電流の流れが遮断されていることから、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間の電圧Ｖ２は基準電圧Ｖｘとなっている。基準電圧Ｖｘは、一対の電極１４ａ及び１４ｂがキャパシタと等価になること等に起因して発生する電圧であり、プラズマ処理の種類によって異なる。
【００３４】
その後、一次側の電流Ｉ１の値が予め決められたピーク値（波高値）Ｉｐ１となった時点ｔｂにおいて、パルス制御部１８からパルス発生回路２０の入力端子３８に対してオフを示す制御信号（オフ信号Ｓｏｆｆ：例えば低レベル信号）が供給されると、スイッチング素子２８がオフとなり、これにより、ＳＩサイリスタ２６はターンオフを経てオフとなる。ＳＩサイリスタ２６がターンオフとなることによって、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間への高電圧パルスＰａの供給が開始される。ここで、直流電源部２２の電圧をＥ、スイッチング素子２８がオンとなっている期間（オン期間）をＴｏｎ、トランス２４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、ピーク値Ｉｐ１は、
Ｉｐ１＝Ｅ×Ｔｏｎ／Ｌ１
となる。
【００３５】
そして、ＳＩサイリスタ２６がオフになることによってトランス２４にパルス状の誘導起電力Ｖｐ１が発生し、これに伴って、二次側の電流Ｉ２がダイオード４４の順方向に急激に流れ、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間には誘導起電力Ｖｐ１に応じたパルス状の高電圧Ｖｐ２（高電圧パルスＰ）が印加されることになる。
【００３６】
その後、高電圧Ｖｐ２のピークの時点を過ぎると、プラズマ処理室１２においてエネルギーが消費されることから、二次側の電流Ｉ２は徐々に減衰し、予め決められたオフ期間Ｔｏｆｆ（スイッチング素子２８をオフにする期間）が経過する前の時点で基準レベル（０（Ａ））になる。従って、時点ｔｂから基準レベルに到達する時点までの時間が電流の導通時間Ｔｉとなる。
【００３７】
オフ期間Ｔｏｆｆが経過した時点でサイクル２が開始され、上述したサイクル１と同様の動作が繰り返される。
【００３８】
次に、パルス制御部１８について説明する。パルス制御部１８は、図２に示すように、パルス発生回路２０の上記スイッチング素子２８にオン信号Ｓｏｎ及びオフ信号Ｓｏｆｆを供給するスイッチング制御部５０と、第１制御部５２と、第２制御部５４と、第１時間計測部５６と、制御切替部５８とを有する。
【００３９】
第１制御部５２は、プラズマ処理の各サイクル（図３のサイクル１、サイクル２とは異なる）における第１区間Ｔ１（図４参照）において、高エネルギーの１以上の第１パルスＰ１を一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に印加して、該一対の電極１４ａ及び１４ｂ間において第１放電から第２放電に遷移させるように制御する。ここで、第１放電は例えば一次ストリーマ放電が挙げられ、第２放電は例えば二次ストリーマ放電が挙げられる。
【００４０】
この第１制御部５２は、第１区間Ｔ１において、スイッチング素子２８をオンさせるオンタイミング信号Ｓｏ１を生成する第１オンタイミング生成部６０と、第１区間Ｔ１において、スイッチング素子２８をオフさせるオフタイミング信号Ｓｆ１を生成する第１オフタイミング生成部６２とを有する。例えば第１オフタイミング生成部６２は、第１オンタイミング生成部６０からのオンタイミング信号Ｓｏ１を、予め設定された時間だけ遅延させてオフタイミング信号Ｓｆ１として出力する。スイッチング制御部５０は、第１オンタイミング生成部６０からのオンタイミング信号Ｓｏ１に基づいてスイッチング素子２８をオンにし、第１オフタイミング生成部６２からのオフタイミング信号Ｓｆ１に基づいてスイッチング素子２８をオフにする。従って、第１オフタイミング生成部６２からのオフタイミング信号Ｓｆ１の出力周期が、第１パルスＰ１のパルス周期Ｔａ（＝１／パルス周波数）となる。また、図示しないがオンタイミング信号Ｓｏ１の出力時点からオフタイミング信号Ｓｆ１の出力時点までの時間が、第１パルスＰ１のための誘導エネルギーの蓄積時間に相当することとなる。
【００４１】
第２制御部５４は、プラズマ処理の各サイクル中、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間で一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移した後の第２区間Ｔ２（図４照）において、第１パルスＰ１よりもピーク電流値が高く、パルス周期の長い２以上の第２パルスＰ２を印加する。
【００４２】
この第２制御部５４は、第２区間Ｔ２において、スイッチング素子２８をオンさせるオンタイミング信号Ｓｏ２を生成する第２オンタイミング生成部６４と、第２区間Ｔ２において、スイッチング素子２８をオフさせるオフタイミング信号Ｓｆ２を生成する第２オフタイミング生成部６６とを有する。この場合も、例えば第２オフタイミング生成部６６は、第２オンタイミング生成部６４からのオンタイミング信号Ｓｏ２を、予め設定された時間だけ遅延させてオフタイミング信号Ｓｆ２として出力する。スイッチング制御部５０は、第２オンタイミング生成部６４からのオンタイミング信号Ｓｏ２に基づいてスイッチング素子２８をオンにし、第２オフタイミング生成部６６からのオフタイミング信号Ｓｆ２に基づいてスイッチング素子２８をオフにする。従って、第２オフタイミング生成部６６からのオフタイミング信号Ｓｆ２の出力周期が、第２パルスＰ２のパルス周期Ｔｂ（＝１／パルス周波数）となる。また、図示しないが、オンタイミング信号Ｓｏ２の出力時点からオフタイミング信号Ｓｆ２の出力時点までの時間が、第２パルスＰ２のための誘導エネルギーの蓄積時間に相当することとなる。従って、第２オンタイミング生成部６４及び第２オフタイミング生成部６６は、誘導エネルギーの蓄積時間を変更する蓄積時間変更部６８を構成することになる。
【００４３】
第１時間計測部５６は、プラズマ処理の各サイクルの開始時点（第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１）で第１切替信号Ｓｃ１を出力し、第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１から基準クロックｃｌｋを計数して、第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１から予め設定された時間が経過した時点（第２区間Ｔ２の開始時点ｔ２）で第２切替信号Ｓｃ２を出力する。
【００４４】
制御切替部５８は、第１時間計測部５６からの第１切替信号Ｓｃ１の入力に基づいて、第２制御部５４による制御を停止し、第１制御部５２による制御を開始するように指示信号を出力する。また、第１時間計測部５６からの第２切替信号Ｓｃ２の入力に基づいて、第１制御部５２による制御を停止し、第２制御部５４による制御を開始するように指示信号を出力する。
【００４５】
次に、本実施の形態に係る放電装置１０の処理動作について図４のタイムチャートも参照しながら説明する。なお、図４においては、説明を簡潔にするために、トランス２４の一次側での信号波形を省略し、トランス２４の二次側に発生する電圧波形（図４の上段参照）と電流波形（図４の下段参照）を模式的に示す。
【００４６】
先ず、図４に示すように、プラズマ処理の各サイクルの開始時点（第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１）において、第１制御部５２による制御が開始され、パルス生成部１６から高エネルギーの第１パルスＰ１が生成されて、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に印加される。第１パルスＰ１は、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間で、電圧Ｖ２が急峻に立ち上がり、且つ、急峻に立ち下がる電圧波形となり、電流Ｉ２も急峻に立ち上がり、電圧波形ほどではないが、やや急峻に立ち下がる電流波形となる。第１パルスＰ１の生成は少なくとも１回行われる。
【００４７】
一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に高エネルギーの第１パルスＰ１が印加されると、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に放電が引き起こされる。放電では、１〜１０ｅＶ程度の電子が発生し、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に存在する中性粒子（Ｎ2、Ｏ2、Ｈ2Ｏ等）と衝突する。その結果、衝突解離反応や付着解離反応が行われてＮ、Ｏ、ＯＨ、Ｈ等の一次ラジカルが生成される。その他、Ｏ-やＨ-等のイオンや、励起種も生成される。一次ラジカルが生成された後、該一次ラジカルの反応によってＯ3、ＨＯ2等の二次ラジカルが生成される。
【００４８】
すなわち、第１パルスＰ１の印加時間が所定時間に達すると、正イオンが陰極１４ａに衝突する際に放出された２次電子によって新たな正イオンを発生させるグロー放電が引き起こされる。このとき、図５に示すように、第１パルスＰ１の立ち上がり時の電圧Ｖ２の上昇率（電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ））が概ね３０〜５００ｋＶ／μｓであって、立ち上がりが急峻な場合、この急峻な立ち上がり時間Ｔｘ１において、グロー放電から一次ストリーマ放電に移行する。具体的には、上述の時間Ｔｘ１において、陰極１４ａから陽極１４ｂへ向かう一次ストリーマの成長が始まり（一次ストリーマ放電の発生）、第１パルスＰ１の印加時間がさらに長くなると、一次ストリーマが一対の電極１４ａ及び１４ｂ間のガスを電離しながら進展する。一次ストリーマが通過した領域には、導電性領域が形成される。
【００４９】
上述した時間Ｔｘ１を経過した時点ｔｘ１から第１パルスＰ１の印加終了時点ｔｙ１までの時間Ｔｙ１において、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移する。具体的には、上述の時間Ｔｙ１において、一次ストリーマが対向電極（陽極１４ｂ）に向かって進展して、一次ストリーマの先端が対向電極（陽極１４ｂ）に到達すると、導電性領域に沿って再びストリーマ（二次ストリーマ）が進展することとなる。つまり、二次ストリーマ放電が開始される。二次ストリーマは一対の電極１４ａ及び１４ｂ間の途中までしか進展せず、対向電極（陽極１４ｂ）には到達しない。そして、主に二次ストリーマにおいて、Ｎ、Ｏ、ＯＨ、Ｈ等の一次ラジカルが生成される。生成された一次ラジカルはその後の再結合反応等によって減少し、その代わりに二次ラジカルが生成されることとなる。
【００５０】
そして、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間において二次ストリーマ放電に遷移した後、第２区間Ｔ２の開始時点ｔ２から、今度は第２制御部５４による制御が開始される。
【００５１】
第２制御部５４での制御が開始されると、第１パルスＰ１とは異なった波形であって、裾引き状の波形Ｐｔを有する第２パルスＰ２が生成されて、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に印加される。第２パルスＰ２は、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間において、少なくとも対象とするラジカル（以下、対象ラジカルと記す）の反応時間にかけて二次ストリーマ放電を維持させるために印加される。具体的には、第２パルスＰ２は、電流の導通時間Ｔｉ２が長く、それに合わせて、ピーク電流値Ｉｂも高くなっている。
【００５２】
反対に、ピーク電圧値Ｖｂは、第１パルスＰ１のピーク電圧値Ｖａよりも低くなっている。これは、以下のことが原因と考えられる。すなわち、一対の電極１４ａ及び１４ｂが例えば共に平板電極である場合を想定したとき、陰極１４ａのうち、例えば１つの部分（局部的な部分）にて発生した一次ストリーマが対向電極（陽極１４ｂ）まで進展した段階で、二次ストリーマが発生することになるが、次の第２パルスＰ２では、急峻な立ち上がり時間Ｔｘ２において別の部分から一次ストリーマが発生する。この場合、第１パルスＰ１の印加によって発生した二次ストリーマによる放電（二次ストリーマ放電）によって一対の電極１４ａ及び１４ｂ間のインピーダンスが低下していることと、熱の発生のため、第１パルスＰ１のときよりも短い時間で上述した別の部分から一次ストリーマが発生、すなわち、第１パルスＰ１のピーク電圧値Ｖａよりも低いピーク電圧値Ｖｂで一次ストリーマが発生することとなる、と考えられる。
【００５３】
そして、上述した時間Ｔｘ２を経過した時点ｔｘ２から裾引き状の波形Ｐｔが開始される時点ｔｙ２までの時間Ｔｙ２において、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移し、対象ラジカルを含む一次ラジカルが発生する。その後、裾引き状の波形Ｐｔの開始時点ｔｙ２から該裾引き状の波形Ｐｔの終了時点ｔｚにかけて、二次ストリーマ放電が維持されて、一次ラジカルが反応して二次ラジカルが生成されることになる。
【００５４】
第２パルスＰ２の電流の長い導通時間Ｔｉ２及び高いピーク電流値Ｉｂは、第２制御部５４における第２オンタイミング生成部６４からのオンタイミング信号Ｓｏ２の出力時点から第２オフタイミング生成部６６からのオフタイミング信号Ｓｆ２の出力時点までの時間、すなわち、第２パルスＰ２のための誘導エネルギーの蓄積時間を長く設定することにより実現される。また、第２パルスＰ２のパルス周期Ｔｂは、電流の導通時間Ｔｉ２が設定された後のオンタイミング信号Ｓｏ２の出力周期を設定することにより実現される。
【００５５】
第２制御部５４によって設定される電流の導通時間Ｔｉ２並びに第２パルスＰ２のパルス周期Ｔｂは、事前に、プラズマ処理の種類、対象ラジカルの反応時間等に基づいて実験、シミュレーション等を行って、それぞれ最適な範囲を求めておき、実施されるプラズマ処理の種類、対象ラジカルの反応時間等に基づいて、予め求めておいた最適な範囲から適宜選択して設定することが好ましい。
【００５６】
具体的には、先ず、第１パルスＰ１のピーク電圧値をＶａ、第２パルスＰ２のピーク電圧値をＶｂとしたとき、
Ｖａ＞Ｖｂ
である。
【００５７】
第１パルスＰ１の電流の導通時間をＴｉ１、第２パルスＰ２の電流の導通時間をＴｉ２としたとき、
Ｔｉ１＜Ｔｉ２
の関係を有することが好ましい。この場合、対象ラジカルの反応時間をＴｒとしたとき、第２パルスＰ２の電流の導通時間Ｔｉ２は、０．７５Ｔｒ≦Ｔｉ２≦２．００Ｔｒであることが好ましく、さらに好ましくは０．８５Ｔｒ≦Ｔｉ２≦１．５０Ｔｒであり、特に好ましくは０．９０Ｔｒ≦Ｔｉ２≦１．２０Ｔｒである。例えば第２パルスＰ２の電流の導通時間Ｔｉ２は、対象ラジカルが振動励起ＯＨラジカル（ｖ＝４）のとき、Ｔｉ２＝２０〜３０μｓｅｃ、振動励起ＯＨラジカル（ｖ＝３）のとき、Ｔｉ２＝５０〜１００μｓｅｃ、振動励起ＯＨラジカル（ｖ＝２）のとき、Ｔｉ２＝１００〜２００μｓｅｃ、振動励起ＯＨラジカル（ｖ＝１）のとき、Ｔｉ２＝３００〜４００μｓｅｃを好ましく採用することができる。なお、第２パルスＰ２の電流の導通時間Ｔｉ２が短すぎると、出力効率（投入電力に対する二次ラジカルの量の比率）の低下につながる。導通時間Ｔｉ２が長すぎると、生成した二次ストリーマ放電を維持できなくなるおそれがある。
【００５８】
第１パルスＰ１のパルス周期Ｔａと、第２パルスＰ２のパルス周期Ｔｂは、
Ｔａ＜Ｔｂ
であることが好ましい。この場合、Ｔａ＜Ｔｂ＜１００Ｔａが好ましく、さらに好ましくはＴａ＜Ｔｂ＜５０Ｔａであり、特に好ましくはＴａ＜Ｔｂ＜１０Ｔａである。パルス周期Ｔｂが短すぎると、出力効率の低下につながる。パルス周期Ｔｂが長すぎると、生成した二次ストリーマ放電を維持できなくなるおそれがある。
【００５９】
第１パルスＰ１のピーク電流値Ｉａと、第２パルスＰ２のピーク電流値Ｉｂは、
Ｉａ＜Ｉｂ
であることが好ましい。この場合、Ｉａ＜Ｉｂ＜１００Ｉａが好ましく、さらに好ましくはＩａ＜Ｉｂ＜５０Ｉａであり、特に好ましくはＩａ＜Ｉｂ＜１０Ｉａである。
【００６０】
また、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に１つの第１パルスＰ１を印加するだけで、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移させることができる場合もあるし、２以上の第１パルスＰ１を順番に印加することで二次ストリーマ放電に遷移させることができる場合もあるが、第１パルスＰ１の数は１〜１０であることが好ましい。第１パルスＰ１の数が多すぎると、二次ストリーマ放電が発生した後も第１パルスＰ１を無駄に印加することになり、出力効率の向上が不十分になるおそれがあるからである。
【００６１】
上述の第１パルスＰ１の数は、第１パルスＰ１のパルス周期Ｔａと、第１時間計測部５６に設定される時間（第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１から第２区間Ｔ２の開始時点ｔ２までの時間）とによって決定される。従って、第１パルスＰ１の周期と第１時間計測部５６に設定される時間を適宜選定して、第１パルスＰ１の数が１〜１０になるように調整することが好ましい。
【００６２】
ここで、以下に示す参考例と実施例の出力効率の違いについて説明する。
【００６３】
参考例は、図７に示すように、第１区間Ｔ１において１つの第１パルスＰ１を印加し、一次ストリーマ放電が二次ストリーマ放電に遷移した後の第２区間Ｔ２も、第１パルスＰ１を一対の電極１４ａ及び１４ｂに連続供給した。第２区間Ｔ２での第１パルスＰ１の１秒間のパルス数は１００×１０3パルスである。第１パルスＰ１による一対の電極１４ａ及び１４ｂ間のピーク電圧値Ｖａは、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間のインピーダンスが低下することによって、徐々に減っていくが、あるパルス数を超えた段階から一定レベルの電圧値となる。ピーク電圧値Ｖａの平均はほぼ４０ｋＶであった。また、第１パルスＰ１の立ち上がり時の電圧上昇率ｄＶ／ｄｔは約５０Ｖ／μｓｅｃである。第１パルスＰ１の電流の導通時間Ｔｉ１は約７μｓｅｃ、パルス周期Ｔａは１０μｓｅｃである。
【００６４】
実施例は、図４に示すように、第１区間Ｔ１において１つの第１パルスＰ１を印加し、一次ストリーマ放電が二次ストリーマ放電に遷移した後の第２区間Ｔ２に、第２パルスＰ２を一対の電極１４ａ及び１４ｂに連続供給した。第２区間Ｔ２での第２パルスＰ２の１秒間のパルス数は１０×１０3パルスである。第１パルスＰ１による一対の電極１４ａ及び１４ｂ間のピーク電圧値Ｖａは３０ｋＶであり、第２パルスＰ２による一対の電極１４ａ及び１４ｂ間のピーク電圧値Ｖｂの平均はほぼ８ｋＶであった。また、第１パルスＰ１の立ち上がり時の電圧上昇率ｄＶ／ｄｔは約５０Ｖ／μｓｅｃである。第２パルスＰ２の電流の導通時間Ｔｉ２は約７５μｓｅｃ（対象ラジカルとして、振動励起ＯＨラジカル（ｖ＝２）を想定）、パルス周期Ｔｂは１００μｓｅｃである。また、第２パルスＰ２のピーク電流値Ｉｂは第１パルスＰ１のピーク電流値Ｉａのほぼ１０倍である。
【００６５】
参考例では、１秒間に１００×１０3パルスもの第１パルスＰ１が一対の電極１４ａ及び１４ｂに印加されることとなる。そのため、前回の第１パルスＰ１による二次ストリーマにて生成した対象ラジカルが反応する前に次の第１パルスＰ１が印加されることから、対象ラジカルの量が増えるばかりで、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に存在する中性粒子の量やその他の一次ラジカルの量が減り、その結果、対象ラジカルの再結合反応がほとんど誘引されずに消滅したり、対象ラジカルの再結合反応が誘引されてもその反応量は少なく、二次ラジカルの量もそれほど増えない。
【００６６】
一方、実施例では、第２区間Ｔ２において、電流の導通時間Ｔｉ２が対象ラジカルの反応時間Ｔｒに対応した第２パルスＰ２を連続して印加することから、前回の第１パルスＰ１あるいは前回の第２パルスＰ２による二次ストリーマにて生成した対象ラジカルがほとんど再結合反応して二次ラジカルが生成された段階で、次の第２パルスＰ２が印加されることになるため、生成した対象ラジカルを効率よく二次ラジカルへの生成に寄与させることができる。また、１秒間に１０×１０3パルスで済み、しかも、一対の電極１４ａ及び１４ｂに印加されるピーク電圧値Ｖｂの平均も参考例（４０ｋＶ）と比して８ｋＶと低く、一対の電極１４ａ及び１４ｂに投入される電力が参考例よりも少ない。すなわち、投入電力に対する二次ラジカルの生成量は、図８に示すように、参考例よりも実施例の方が多く、実施例の出力効率が参考例よりも高いことがわかる。
【００６７】
さらに、実施例の第２区間Ｔ２での第２パルスＰ２のパルス数は、参考例の第２区間Ｔ２での第１パルスＰ１のパルス数の１／１０である。つまり、実施例のスイッチング回数を参考例よりも１／１０に低減することができ、スイッチング損失を大幅に低減することが可能となる。なお、実施例について、第２パルスＰ２のパルス周期Ｔｂ、電流の導通時間Ｔｉ２を、上述した好ましい範囲内で適宜選択することで、出力効率の向上の度合い、単位時間当たりの供給電力の低減の度合いを様々に変化させることができる。
【００６８】
上述のように、本実施の形態に係る放電装置１０は、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に１以上の第１パルスＰ１を印加して、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間において第１放電（この例では一次ストリーマ放電）から第２放電（二次ストリーマ放電）に遷移させる第１制御部５２と、第１放電から第２放電に遷移した後に、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に２以上の第２パルスＰ２を印加する第２制御部５４とを有するようにし、さらに、第１パルスＰ１のピーク電圧値及びピーク電流値をＶａ及びＩａ、第２パルスＰ２のピーク電圧値及びピーク電流値をＶｂ及びＩｂとし、第１パルスＰ１の電流の導通時間をＴｉ１、第２パルスＰ２の電流の導通時間をＴｉ２としたとき、
Ｖａ＞Ｖｂ
Ｉａ＜Ｉｂ
Ｔｉ１＜Ｔｉ２
としたので、出力効率の向上を図ることができ、しかも、スイッチング損失の低減を図ることができる。これは、コストを低廉化させる上でも有利になる。
【００６９】
次に、放電装置１０の２つの変形例について図９及び図１０を参照しながら説明する。
【００７０】
先ず、第１変形例に係る放電装置１０ａは、図９に示すように、上述した実施の形態に係る放電装置１０とほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。
【００７１】
すなわち、パルス制御部１８は、さらに、放電検出部７６を有し、上述した第１時間計測部５６に代えて第２時間計測部７８を有する。
【００７２】
放電検出部７６は、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に発生する放電の動画像を取得するカメラ８０と、該カメラ８０にて取得された放電の動画像に基づいて、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移したタイミングを検知する画像処理部８２とを有する。
【００７３】
カメラ８０は、一方の電極（陰極１４ａ）のある部分で発生した一次ストリーマによる発光の動画像をリアルタイムで画像処理部８２に送信する。画像処理部８２は、送信されてくる発光の動画像のフレーム間の動きベクトルを検出し、動きのあった発光画像の座標を取得する。そして、画像処理部８２は、取得した座標が対向電極（陽極１４ｂ）の座標とほぼ一致した時点で二次ストリーマが発生したとして、検出信号Ｓｄを第２時間計測部７８に出力する。
【００７４】
第２時間計測部７８は、プラズマ処理の各サイクルの開始時点（第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１）で第１切替信号Ｓｃ１を出力し、放電検出部７６の画像処理部８２からの検出信号Ｓｄの入力に基づいて、該検出信号Ｓｄの入力時点から予め設定された時間（第１時間計測部５６での予め設定された時間とは異なり、０時間を含む）が経過した時点で第２切替信号Ｓｃ２を出力する。
【００７５】
次に、第２変形例に係る放電装置１０ｂは、図１０に示すように、上述した第１変形例に係る放電装置１０ａとほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。
【００７６】
すなわち、放電検出部７６は、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間の電圧に基づいて、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間で一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移したことを検出する。具体的には、放電検出部７６は、電圧判別部８４を有する。この電圧判別部８４は、例えば一対の電極１４ａ及び１４ｂ間の電圧と予め設定されたしきい値電圧とを比較し、一対の電極１４ａ及び１４ｂ間の電圧がしきい値電圧以下になった段階で検出信号Ｓｄを出力する。しきい値電圧は、予め一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に高電圧パルスを印加して、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移した際の一対の電極１４ａ及び１４ｂ間の電圧を測定する作業を複数回行って、その平均値をとり、さらに、平均値に例えば平均値の１／１００〜１／１０の電圧を加算してしきい値電圧とする。１／１００〜１／１０のうち、いずれの割合を採用するかは、プラズマ処理の種類によって適宜選択することができる。
【００７７】
第２時間計測部７８は、プラズマ処理の各サイクルの開始時点（第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１）で第１切替信号Ｓｃ１を出力し、放電検出部７６からの検出信号Ｓｄの入力に基づいて、該検出信号Ｓｄの入力時点から予め設定された時間（第１時間計測部５６での予め設定された時間とは異なり、０時間を含む）が経過した時点で第２切替信号Ｓｃ２を出力する。
【００７８】
上述した第１変形例に係る放電装置１０ａ及び第２変形例に係る放電装置１０ｂは、上述した実施の形態に係る放電装置１０の効果を奏するほか、確実に二次ストリーマ放電に遷移してから第２制御部５４での制御へ移行させることができるため、信頼性の向上を図ることができる。
【００７９】
上述の例では、第１放電を一次ストリーマ放電、第２放電を二次ストリーマ放電としたが、その他、第１放電をグロー放電、第２放電をストリーマ放電としてもよいし、第１放電をストリーマ放電、第２放電をアーク放電としてもよい。
【００８０】
なお、本発明に係る放電装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００８１】
１０、１０ａ、１０ｂ…放電装置            １２…プラズマ処理室
１４ａ、１４ｂ…一対の電極                １４ａ…一方の電極（陰極）
１４ｂ…他方の電極（陽極）                １６…パルス生成部
１８…パルス制御部                        ２０…パルス発生回路
４４…ダイオード                          ５０…スイッチング制御部
５２…第１制御部                          ５４…第２制御部
５６…第１時間計測部                      ５８…制御切替部
６０…第１オンタイミング生成部            ６２…第１オフタイミング生成部
６４…第２オンタイミング生成部            ６６…第２オフタイミング生成部
６８…蓄積時間変更部                      ７６…放電検出部
７８…第２時間計測部                      ８０…カメラ
８２…画像処理部                          ８４…電圧判別部
【図１】
2013165062.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2013165062.tif 000006
【図５】
2013165062.tif 000007
【図６】
2013165062.tif 000008
【図７】
2013165062.tif 000009
【図８】
2013165062.tif 000010
【図９】
2013165062.tif 000011
【図１０】
2013165062.tif 000012