(57)【要約】【課題】清掃対象物の損傷を抑えつつ、その清掃対象物を確実に清掃することができるプラズマ発生装置、プラズマ発生体及びプラズマ発生方法を提供する。【解決手段】プラズマ発生装置１は、絶縁性を有し、気体が流れる管２ａと、その管２ａ内でプラズマを発生させるための第１の電極２ｃ及び第２の電極２ｄと、それらの第１の電極２ｃ及び第２の電極２ｄに対し、絶縁破壊を生じさせてプラズマを発生させる第１のパルス及び発生したプラズマを維持する第２のパルスを組み合わせて印加する電圧印加部３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有し、気体が流れる管と、
前記管内に電界を生じさせるための第１の電極及び第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極に対し、絶縁破壊を生じさせてプラズマを発生させる第１のパルス及び発生した前記プラズマを維持する第２のパルスを組み合わせて印加する電圧印加部と、
を備えることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記管に挿入されて設けられた金属管をさらに備え、
前記第１の電極は、前記金属管から前記気体の流れ方向の上流側に離されて前記管の外周面に設けられており、
前記第２の電極は、前記金属管に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記管に挿入されて設けられた金属管をさらに備え、
前記第１の電極は、前記金属管から前記気体の流れ方向の上流側に離されて前記管の外周面に設けられており、
前記第２の電極は、前記金属管に前記管を介して対向するように位置付けられて前記管の外周面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
絶縁性を有し、気体が流れる管と、
前記管に挿入されて設けられた金属管と、
前記金属管から前記気体の流れ方向の上流側に離間され、前記管の外周面に設けられた第１の電極と、
前記金属管に接続された第２の電極と、
を備えることを特徴とするプラズマ発生体。
【請求項５】
絶縁性を有し、気体が流れる管と、
前記管に挿入されて設けられた金属管と、
前記金属管から前記気体の流れ方向の上流側に離間され、前記管の外周面に設けられた第１の電極と、
前記金属管に前記管を介して対向するように位置付けられ、前記管の外周面に設けられた第２の電極と、
を備えることを特徴とするプラズマ発生体。
【請求項６】
絶縁性を有して気体が流れる管内に電界を生じさせるための第１の電極及び第２の電極に対し、絶縁破壊を生じさせてプラズマを発生させる第１のパルス及び発生した前記プラズマを維持する第２のパルスを組み合わせて印加することを特徴とするプラズマ発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生装置、プラズマ発生体及びプラズマ発生方法に関し、特に、大気圧下でプラズマを発生させるプラズマ発生装置、プラズマ発生体及びプラズマ発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバの端面の清掃には、有機溶剤などを用いた清掃方法が採用されている。この清掃方法では、作業者は、アルコールを含ませた布や専用クリーナなどにより光ファイバの端面を拭いて清掃する。この拭き取り清掃の作業は、光ファイバの端面が数ｍｍ（例えば、２．５ｍｍ）程度と小さいため、作業者にとって気を遣う作業になっている。
【０００３】
一方、ガラス基板などの清掃には、プラズマを用いた清掃装置が採用されている。この清掃装置としては、大気圧下でプラズマ（大気圧プラズマ）を発生させ、そのプラズマによってガラス基板の表面に付着した汚染物（有機物）を除去する清掃装置が開発されている。この清掃装置は、所定空間に窒素などの気体を流しながら高電圧により電界を生じさせ、大気圧プラズマを発生させる装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８７８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述の作業者による拭き取り清掃では、作業者によって技量が異なるため、作業者毎に清掃効果が変わったり、また、布やクリーナなどが光ファイバの端面に直接触れるため、光ファイバの端面に傷がついたりする。一方、前述のプラズマを用いて清掃を行う場合には、出力３００Ｗのような大型電源（インバータ電源）を用いて大気圧下でプラズマを発生させるため、その容量が大きく、プラズマの熱によって光ファイバの端面がダメージ（例えば、熱劣化）を受けることがある。このようなことから、光ファイバなどの清掃対象物の損傷を抑えつつ、その清掃対象物を確実に清掃することが求められている。
【０００６】
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、その目的は、清掃対象物の損傷を抑えつつ、その清掃対象物を確実に清掃することができるプラズマ発生装置、プラズマ発生体及びプラズマ発生方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るプラズマ発生装置は、絶縁性を有し、気体が流れる管と、管内に電界を生じさせるための第１の電極及び第２の電極と、第１の電極及び第２の電極に対し、絶縁破壊を生じさせてプラズマを発生させる第１のパルス及び発生したプラズマを維持する第２のパルスを組み合わせて印加する電圧印加部とを備える。
【０００８】
また、前述の本発明に係るプラズマ発生装置において、管に挿入されて設けられた金属管をさらに備え、第１の電極は、金属管から気体の流れ方向の上流側に離されて管の外周面に設けられており、第２の電極は、金属管に接続されていることが望ましい。
【０００９】
また、前述の本発明に係るプラズマ発生装置において、管に挿入されて設けられた金属管をさらに備え、第１の電極は、金属管から気体の流れ方向の上流側に離されて管の外周面に設けられており、第２の電極は、金属管に管を介して対向するように位置付けられて管の外周面に設けられていることが望ましい。
【００１０】
本発明に係るプラズマ発生体は、絶縁性を有し、気体が流れる管と、管に挿入されて設けられた金属管と、金属管から気体の流れ方向の上流側に離間され、管の外周面に設けられた第１の電極と、金属管に接続された第２の電極とを備える。
【００１１】
本発明に係るプラズマ発生体は、絶縁性を有し、気体が流れる管と、管に挿入されて設けられた金属管と、金属管から気体の流れ方向の上流側に離間され、管の外周面に設けられた第１の電極と、金属管に管を介して対向するように位置付けられ、管の外周面に設けられた第２の電極とを備える。
【００１２】
本発明に係るプラズマ発生方法は、絶縁性を有して気体が流れる管内に電界を生じさせるための第１の電極及び第２の電極に対し、絶縁破壊を生じさせてプラズマを発生させる第１のパルス及び発生したプラズマを維持する第２のパルスを組み合わせて印加する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るプラズマ発生装置、プラズマ発生体又はプラズマ発生方法によれば、清掃対象物の損傷を抑えつつ、その清掃対象物を確実に清掃することができる。詳しくは、第１のパルス及び第２のパルスが組み合わされて第１の電極及び第２の電極に印加され、第１のパルスによりプラズマが発生し、その発生したプラズマが第２のパルスにより維持される。これにより、従来に比べて小型の電源（パルス電源）を用いてプラズマを安定して発生させることが可能となる。さらに、このプラズマによって清掃対象物（例えば、光ファイバなど）に付着した汚染物を除去する際、作業者は清掃対象物にプラズマを当てれば良く、拭き取り清掃を行う必要が無くなる。このため、作業者毎の技量に依らず、清掃対象物を確実に清掃することができ、加えて、拭き取り清掃による清掃対象物の損傷を防止することができる。また、小型の電源を用いており、その容量は小さいため、プラズマの熱による清掃対象物の損傷を抑止することが可能である。このようにして、清掃対象物の損傷を抑えつつ、その清掃対象物を確実に清掃することができる。
【００１４】
また、管に挿入されて設けられた金属管をさらに備え、第１の電極が、金属管から気体の流れ方向の上流側に離されて管の外周面に設けられており、第２の電極が、金属管に接続されている場合には、電圧が適切に印加され、管内で電流が適切に流れる。このため、プラズマの形成が促され、プラズマの発光強度が強まる。すなわち、プラズマの密度が高くなるため、所望の高密度プラズマを得ることが可能となり、清掃対象物をより確実に清掃することができる。
【００１５】
また、管に挿入されて設けられた金属管をさらに備え、第１の電極が、金属管から気体の流れ方向の上流側に離されて管の外周面に設けられており、第２の電極が、金属管に管を介して対向するように位置付けられて管の外周面に設けられている場合には、管内部の金属管と管外部の第２の電極とによりキャパシタンスが形成されるため、印加パルスが短パルスである場合には、電流パスが形成されやすくなり、管内で電流が適切に流れる。これにより、プラズマの形成が促され、プラズマの発光強度が強まる。すなわち、プラズマの密度が高くなるため、所望の高密度プラズマを得ることが可能となり、清掃対象物をより確実に清掃することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るプラズマ発生体の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る印加パルス電圧の波形を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係るプラズマ発生体の変形例の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の一形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係るプラズマ発生装置１は、清掃対象物（例えば、光ファイバなど）に照射するプラズマを発生させるプラズマ発生体２と、そのプラズマ発生体２に電圧を印加する電圧印加部３と、その電圧印加部３を制御する制御部４とを備えている。
【００１９】
プラズマ発生体２は、図２に示すように、清掃処理用の気体（ガス）が流れる管２ａと、その管２ａの先端に存在する金属管２ｂと、管２ａ内に電界を生じさせるための第１の電極２ｃ及び第２の電極２ｄと、それらの各部２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄを支持する支持板２ｅとを備えている。
【００２０】
管２ａは、支持板２ｅを二分する中央に位置付けられ、絶縁性を有する支持板２ｅ上に固定されて設けられている。この管２ａは絶縁性を有しており、ガスチューブ１１が挿入される第１の挿入口Ｈ１と、金属管２ｂが挿入される第２の挿入口Ｈ２とを具備している。気体はガスチューブ１１から管２ａ内に供給され、その管２ａ内を上から下（図２中）に流れる。管２ａとしては、例えばガラス管を用いることが可能である。また、供給ガスとしては、例えばヘリウムガスを用いることが可能であり、その供給時の流量は、例えば５ｌ／ｍｉｎで一定になっている。
【００２１】
金属管２ｂは、管２ａの第２の挿入口Ｈ２に挿入されて設けられ、その一部が管２ａから突出している。この金属管２ｂは、大気圧下で発生したプラズマ（大気圧プラズマ）を排出する排出口Ｈ３を有している。金属管２ｂの許容寸法は管２ａの内径と同等であり、金属管２ｂは管２ａの内壁に密着している。金属管２ｂとしては、例えば銅管を用いることが可能である。
【００２２】
第１の電極２ｃは、支持板２ｅ上の管２ａの右側（図２中）に位置付けられ、支持板２ｅ上に固定されて設けられている。この第１の電極２ｃの一部（アーム部）は、管２ａの先端から突出する金属管２ｂから気体の流れ方向の上流側に離間され、さらに、管２ａの外周面に密着するように巻かれている。第１の電極２ｃには、第１のケーブル１２の一端がネジなどの第１の固定部材１３により固定されて接続されている。第１のケーブル１２の他端はグランドに接続されており、第１の電極２ｃは電気的に接地されている。第１の電極２ｃとしては、例えば銅板電極を用いることが可能である。
【００２３】
第２の電極２ｄは、支持板２ｅ上の管２ａの左側（図２中）に位置付けられ、支持板２ｅ上に固定されて設けられている。この第２の電極２ｄの一部（アーム部）は、管２ａの先端から突出する金属管２ｂの外周面に密着するように巻かれ、その金属管２ｂに接続されている。第２の電極２ｄには、第２のケーブル１４の一端がネジなどの第２の固定部材１５により固定されて接続されている。第２のケーブル１４の他端は電圧印加部３に接続されており、第２の電極２ｄは電圧印加部３に電気的に接続されている。第２の電極２ｄとしては、例えば銅板電極を用いることが可能である。なお、この第２電極２ｄが負極とされている。
【００２４】
図１に戻り、電圧印加部３は、高圧パルス（高電圧パルス）を発生させる高圧パルス発生器３ａと、低圧パルス（低電圧パルス）を発生させる低圧パルス発生器３ｂとを具備しており、それらの高圧パルス及び低圧パルスを組み合わせてプラズマ発生体２の一対の電極２ｃ及び２ｄに印加する。
【００２５】
高圧パルス発生器３ａは、絶縁破壊を生じさせて管２ａ内にプラズマを発生させる高圧パルス（第１のパルス）を生成するパルス発生器であり、第１のパルス発生器として機能する。この高圧パルス発生器３ａは、低圧パルス発生器３ｂに同期信号を送信する。
【００２６】
低圧パルス発生器３ｂは、管２ａ内で発生したプラズマを維持する低圧パルス（第２のパルス）を生成するパルス発生器であり、第２のパルス発生器として機能する。この低圧パルス発生器３ｂは、高圧パルス発生器３ａから同期信号を受信し、その同期信号に基づいて高圧パルス発生器３ａとの同期を取ることが可能である。
【００２７】
制御部４は、高圧パルス発生器３ａ及び低圧パルス発生器３ｂの双方の周期（周波数）やパルス幅などの各種条件を設定し、高圧パルス発生器３ａ及び低圧パルス発生器３ｂを制御する。例えば、制御部４は、キーボードやスイッチなどの入力部（図示せず）に対する操作者の入力操作に応じて、高圧パルス発生器３ａにおける高圧パルスの周期やパルス幅などの各種条件を設定し、同様に、低圧パルス発生器３ｂにおける低圧パルスの周期やパルス幅などの各種条件を設定する。この制御部４としては、例えば、コンピュータやファンクションジェネレータなどを用いることが可能である。
【００２８】
所定の高圧パルスは、設定済の各種条件に基づいて高圧パルス発生器３ａにより生成され、さらに、所定の低圧パルスも、設定済の各種条件に基づいて低圧パルス発生器３ｂにより生成される。これらの高圧パルス及び低圧パルスが組み合わされ、プラズマ発生体２の一対の電極２ｃ及び２ｄに印加されることになる。
【００２９】
例えば、図３に示すように、所定の高圧パルスＡ１及び所定の低圧パルスＡ２が組み合わされた合成パルス（パルス電圧）が、プラズマ発生体２の一対の電極２ｃ及び２ｄに印加される。これにより、高圧（高電圧）及び低圧（低電圧）がそれぞれの所定時間毎に交互に一対の電極２ｃ及び２ｄに与えられることになる。
【００３０】
ここで、図３では、一例として、高圧パルスＡ１の高圧を１５ｋＶとし、高圧パルス幅を２００ｎｓとし、高圧パルス周波数を約１ｋＨｚとしており、また、低圧パルスＡ２の低圧を０．８ｋＶとし、低圧パルス幅（矩形部分全体のパルス幅）を０．５ｍｓとし、低圧パルスＡ２の周期（矩形部分全体の周期）を高圧パルスの周期と同じにしている。この低圧パルスＡ２の印加では、チョッパ制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）が行われる。チョッパ制御による矩形波の幅は０．０５ｍｓであり、矩形波の周波数（低圧パルス周波数）は１０ｋＨｚであり、矩形波の最大値は０．８ｋＶであり、最小値は０．６ｋＶである。このチョッパ制御（チョッピング）によれば、印加電圧が一定である場合（一定の電界）に比べ、変動する電界を管２ａ内に生成することが可能であるため、プラズマの生成及び維持能力を向上させることができる。
【００３１】
なお、所望の発光強度（所望密度）のプラズマを得るための各種条件を決定するためには、例えば、前述のように高圧パルスの高圧を１５ｋＶとし、高圧パルス幅を２００ｎｓとし、高圧パルス周波数を約１ｋＨｚとし、さらに、低圧パルスの低圧を０．８ｋＶとして固定した状態で、制御部４により低圧パルス幅や低圧パルス周波数などを調整し、所望の発光強度のプラズマを得たときの各種条件を求める。この各種条件が、入力部に対する操作者の入力操作に応じ、制御部４によって高圧パルス発生器３ａ及び低圧パルス発生器３ｂに設定される。
【００３２】
ここで、高圧パルス及び低圧パルスに関して、例えば、高圧は１０から２０ｋＶの範囲以内であり、低圧は５ｋＶ以下である。また、一例として、高圧パルス周波数は１ｋＨｚ以下であり、高圧パルス幅は高圧パルス周期の１／１００以下である。低圧パルス周波数及び低圧パルス幅は、高圧パルス周波数及び高圧パルス幅に応じて決定される。
【００３３】
次に、前述のプラズマ発生装置１のプラズマ発生動作について説明する。
【００３４】
まず、気体がプラズマ発生体２の管２ａ内にガスチューブ１１から供給され、その管２ａ内を流れる。この気体供給状態で、電圧印加部３は、高圧パルス発生器３ａにより所定の高圧パルスを発生させ、その高圧パルスに同期させて低圧パルス発生器３ｂにより所定の低圧パルスを発生させ、さらに、それらの高圧パルス及び低圧パルスを組み合わせてプラズマ発生体２の一対の電極２ｃ及び２ｄに印加する。所定の高圧パルス及び所定の低圧パルスの各種条件は前述のように予め制御部４により設定されている。
【００３５】
高圧パルスの高電圧が一対の電極２ｃ及び２ｄに与えられると、それらの電極２ｃ及び２ｄ間に電界が生じ、絶縁破壊により放電が開始してプラズマが発生する。このプラズマは管２ａの先端から突出する金属管２ｂの排出口Ｈ３から放出され、大気中の他分子と衝突し、励起、解離及び電離を行う。次に、高圧パルスの高電圧に続いて低圧パルスの低電圧が一対の電極２ｃ及び２ｄに与えられ、前述で発生したプラズマ（管２ａ内のプラズマ状態）が維持される。その後、再び、高圧パルスの高電圧が一対の電極２ｃ及び２ｄに与えられてプラズマが発生し、次に、低圧パルスの低電圧が一対の電極２ｃ及び２ｄに与えられてプラズマが維持される。この高電圧及び低電圧の印加が順次行われ、プラズマの発生及び維持が繰り返される。
【００３６】
前述の排出口Ｈ３から放出されたプラズマが清掃対象物、例えば、光ファイバの端面に照射されると、その光ファイバの端面に対して洗浄に必要な活性種が効率的に供給され、光ファイバの端面に付着した汚染物（有機物）が分解されて光ファイバの端面から完全に除去される。このとき、作業者は、プラズマ発生体２を持って光ファイバの端面にプラズマを当てれば良く、拭き取り清掃を行う必要が無くなる。このため、作業者毎の技量に依らず、光ファイバの端面を確実に清掃することができ、さらに、拭き取り清掃による清掃対象物の損傷を防止することができる。また、プラズマ発生体２は数ｃｍ〜十数ｃｍと小型であり、作業者はプラズマ発生体２を持って清掃作業を容易に行うことができる。
【００３７】
また、高圧パルス及び低圧パルスが組み合わされて用いられ、高電圧によるプラズマの発生及び低電圧によるプラズマの維持が繰り返される。これにより、印加電圧を抑えつつも安定してプラズマを発生させることができる。したがって、従来のように３００Ｗ程度の大型電源（インバータ電源）を用いず、１５Ｗ程度の小型電源（パルス電源）を用いてプラズマを安定して生成することが可能になるので、その容量は小さく、プラズマの熱による光ファイバの端面のダメージ（例えば、熱劣化）も抑止することができ、さらに、省エネルギー化を実現することができる。
【００３８】
また、管２ａの先端に挿入された金属管２ｂに第２の電極２ｄを接続することによって、電圧が適切に印加され、管２ａ内で電流が適切に流れる。このため、プラズマの形成が促され、プラズマの発光強度が強まる。すなわち、プラズマの密度が高くなるため、高密度プラズマを得ることが可能となり、光ファイバの端面をより確実に清掃することができる。
【００３９】
なお、電極の極性に関しては、第２の電極２ｄが負極にされている。気体としてヘリウムガスを用いた場合には、放電開始時に一部のヘリウム原子が電離されてイオン化し、電子が生成される。次いで、生成された電子はヘリウムガスの流れ方向とは逆向きに加速され、ヘリウムイオンは負極側に加速される。生成された電子はヘリウム原子に衝突し、ヘリウム原子が電離されてイオン化する。このとき、ヘリウム原子の電離が促進されることになる。その後、生成されたヘリウムイオンは大きな慣性を有するため、一部のヘリウムイオンが金属管２ｂの排出口Ｈ３から排出され、大気中の他分子と衝突し、励起、解離及び電離を行う。このような現象が繰り返されることから、第２の電極２ｄが正極である場合に比べ、プラズマの発光強度が強まり、所望の高密度プラズマを得ることが可能となるため、光ファイバの端面をより確実に清掃することができる。
【００４０】
次に、前述のプラズマ発生体２の変形例について図４を参照して説明する。
【００４１】
図４に示すように、変形例では、第２の電極２ｄの一部（アーム部）が、管２ａの先端に挿入された金属管２ｂに管２ａを介して対向するように位置付けられ、その管２ａの外周面に密着するように巻かれている。この場合には、管２ａ内の金属管２ｂとその管２ａ外の第２の電極２ｄとによりキャパシタンスが形成されるため、印加パルスが短パルスである場合には、電流パスが形成されやすくなり、管２ａ内で電流が適切に流れる。これにより、プラズマの形成が促され、発光強度が強まる。すなわち、プラズマの密度が高くなるため、所望の高密度プラズマを得ることが可能となり、光ファイバの端面をより確実に清掃することができる。
【００４２】
なお、前述の実施形態においては、管２ａの第２の挿入口Ｈ２に金属管２ｂを挿入して設けているが、これに限るものではなく、例えば、管２ａの第２の挿入口Ｈ２に金属管２ｂを設けなくても良い。この場合には、第２の挿入口Ｈ２がプラズマを排出する排出口として機能することになる。
【００４３】
また、前述の実施形態においては、第２の挿入口Ｈ２から突出するようにその第２の挿入口Ｈ２に金属管２ｂを挿入して設けているが、これに限るものではなく、例えば、第２の挿入口Ｈ２から突出しないようにその第２の挿入口Ｈ２に金属管２ｂを挿入して設けても良い。
【００４４】
最後に、前述の実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。前述の実施形態は種々変更可能であり、例えば、前述の実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても良く、さらに、異なる実施形態に係る構成要素が適宜組み合わされても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１    プラズマ発生装置
２    プラズマ発生体
２ａ  管
２ｂ  金属管
２ｃ  第１の電極
２ｄ  第２の電極
２ｅ  支持板
３    電圧印加部
３ａ  高圧パルス発生器
３ｂ  低圧パルス発生器
４    制御部
１１  ガスチューブ
１２  第１のケーブル
１３  第１の固定部材
１４  第２のケーブル
１５  第２の固定部材
Ａ１  高圧パルス
Ａ２  低圧パルス
Ｈ１  第１の挿入口
Ｈ２  第２の挿入口
Ｈ３  排出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
2016004728.tif 000005
【図４】
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