(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品からガスまたは蒸気化学種を取り除くために、２００ｋＨｚ或いはそれ以下の周波数を有する低周波電力を消毒システムの真空室の内部のプラズマに与える消毒システムであって、
前記プラズマに与えられる低周波電力をパルス化するように構成されたスイッチングモジュールと、
前記プラズマに与えられる低周波電力を制御可能に調整するための低周波電力フィードバック制御システムと、を含み、該低周波電力フィードバック制御システムが、
前記真空室の内部の前記プラズマに与えられる低周波電力を示す第１の信号を生成するように構成された電力モニタと、
前記電力モニタからの前記第１の信号に応答して、前記プラズマに与えられる電流を示す第２の信号を生成するように構成された電力制御モジュールと、
前記第２の信号に応答して、前記プラズマに与えられる前記低周波電力のデューティ比または振幅を調整することにより、前記物品が処理されている間、前記プラズマに与えられる平均周波数電力をほぼ一定に持続するように構成された電力制御器と、を備えることを特徴とする消毒システム。
【請求項２】
物品からガスまたは蒸気化学種を取り除くために、消毒システムの真空室の内部のプラズマに与えられる２００ｋＨｚ或いはそれ以下の周波数を有する低周波電力を制御可能に調整する方法であって、
前記プラズマに与えられる前記低周波電力をパルス化するステップと、
前記真空室の内部の前記プラズマに与えられる低周波電力をモニタリングするステップと、
前記プラズマに与えられる前記低周波電力を示す第１の信号を生成するステップと、
前記第１の信号に応答して、前記プラズマに与えられる電流を示す第２の信号を生成するステップと、
前記第２の信号に応答して、前記プラズマに与えられる前記低周波電力のデューティ比または振幅を調整することにより、前記物品が処理されている間、前記プラズマに与えられる平均周波数電力をほぼ一定に持続するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス放電プラズマを用いた消毒システムでガス放電プラズマを制御するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ、特に高周波（ＲＦ）発生器を用いて生成されたプラズマは、医療器具を消毒するための工程で役立つ装置として知られている。例えば、Jacobsらの米国特許第４，６４３，８７６号および同第４，７５６，８８２号は、ＲＦプラズマを用いる低温消毒システムで過酸化水素を前駆体として使用することを開示する。これらの公報は、参照されることにより、この出願の一部をなす。過酸化水素の蒸気とＲＦプラズマを組み合わせることにより、極めて有害な物質を使用したり残留させたりすることなく、有害な副産物を生成することもない、医療器具の効率的な消毒方法を実現できる。同様に、Jacobsの米国特許第５，３０２，３４３号およびGriffithsらの同第５，５１２，２４４号は、消毒方法でのＲＦプラズマの使用を開示する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、消毒方法でのＲＦプラズマの使用には以下のような問題がある。すなわち、ＲＦプラズマでは、消毒される物品に過酸化水素が残留してしまうことがある。消毒される物品に残される過酸化水素の残留量は、物品に与えられるＲＦ電力およびＲＦプラズマにさらされる時間および物品の材料によって異なる。例えば、ある種のプラスチック（例えばポリウレタン）は過酸化水素を吸収するが、他の材料（例えばテフロン（ポリテトラフルオロエチレンを表す登録商標））は比較的少ない過酸化水素しか吸収しないので、消毒後に過酸化水素をあまり残さない。
【０００４】
また、ＲＦプラズマを発生させるために、例えば６０Ｈｚといった低周波のライン電圧から、例えばおよそ１ＭＨｚ乃至１ＧＨｚにわたる高周波電圧にエネルギ変換する場合における固有の問題として、システムの電力効率が通常５０％未満にまで制限されてしまうという非効率さがある。さらに、ＲＦ発生器とそこから給電される装置の間に必要とされるインピーダンス整合回路網の損失によって、エネルギ効率は通常５％乃至２０％低下してしまう。このような低いエネルギ効率によって、消毒される物品に与えられる電力あたりのコストが非常に上昇してしまう。さらに、ＲＦ電気エネルギを使用するのに必要な装置類（例えばＲＦ発生器、インピーダンス整合回路網、監視回路）は高価であり、消毒される物品に与えられる電力あたりのコストがさらにこのために上昇する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴の一つは消毒システムであり、この消毒システムは、物品からガスまたは蒸気化学種を取り除くために消毒システムの真空室の内部のプラズマに低周波電力を与える。この低周波電力は、約２００ｋＨｚ或いはそれ以下の周波数を有する。この消毒システムは、プラズマに与えられる低周波電力をパルス化するように構成されたスイッチングモジュールを備える。この消毒システムはさらに、プラズマに与えられる低周波電力を制御可能に調整する低周波電力フィードバック制御システムを備える。この低周波電力フィードバック制御システムは、真空室の内部のプラズマに与えられる低周波電力を示す第１の信号を生成するように構成された電力モニタを備える。この低周波電力フィードバック制御システムはさらに、電力モニタからの第１の信号に応答して第２の信号を生成するように構成された電力制御モジュールと、物品が処理されている間、プラズマに与えられる平均低周波電力をほぼ一定に維持するべく、第２の信号に応答してこのプラズマに与えられる低周波電力を調整するように構成された電力制御器とを備える。
【０００６】
本発明のもう一つの特徴は、物品からガスまたは蒸気化学種を取り除くために消毒システムの真空室の内部のプラズマに与えられる電力を制御可能に調節する方法である。この低周波電力は、約２００ｋＨｚ或いはそれ以下の周波数を有する。この方法は、プラズマに与えられる低周波電力をパルス化することと、真空室の内部のプラズマに与えられる低周波電力を監視することを含む。この方法はさらに、プラズマに与えられる低周波電力を示す第１の信号を生成することを含む。さらにこの方法は、物品が処理されている間、プラズマに与えられる平均低周波電力をほぼ一定に持続するべく、第１の信号に応答して、このプラズマに与えられる低周波電力を調整することを含む。
【０００７】
【発明の実施の形態】
低周波（ＬＦ）電圧を用いたガス放電プラズマの生成は、高周波（ＲＦ）電圧によってプラズマを生成して使用する消毒装置および方法の技術の現況に固有の様々な問題を解決する。まず、ＬＦプラズマの方法では、ＲＦプラズマの方法に比べて消毒される物品に残留する反応性のある化学種の量が少ない。第二に、ＬＦプラズマの生成は、ライン電圧からの周波数変換が少なくて済むか不要であるために、高エネルギ効率である。例えば、６０Ｈｚのライン電圧の周波数を周波数変換しないのであれば、消毒システムのエネルギ効率は約８５％乃至約９９％にまで達する。また、ＬＦ電圧を使用すると、インピーダンス整合回路網が不要となり、これに伴うエネルギ損失も回避される。第三に、ＬＦ生成の簡単な装置類と高エネルギ効率のために、ＬＦプラズマを用いて消毒する物品に与えられる電力あたりのコストは、ＲＦプラズマを用いた場合の電力あたりのコストの１０分の１にまで低くすることができる。第四に、ＬＦプラズマを生成するために用いられる簡単な装置は、より信頼性が高く頑丈であって、故障診断装置類の構造の複雑化をさほどもたらさないことが分かっている。
【０００８】
図１は、消毒システム１０を備える本発明の好適な実施の形態を示す図である。消毒システム１０は、真空室１２と、真空ポンプ１４と、真空ポンプライン１５と、真空ポンプ弁１６と、反応性薬品源１８と、反応性薬品ライン１９と、反応性薬品弁２０と、低周波（ＬＦ）電力モジュール２２と、ＬＦ電圧信号線２４と、通気ベント（vent）２６と、通気ベントライン２７と、通気ベント弁２８と、処理制御モジュール３０と、電極３２と、反応性薬品モニタ３４を備える。当業者であれば、図１に示されたものと異なる構成を有する消毒システムを備える他の実施の形態も本発明に適合すると理解する。
【０００９】
本発明の好適な実施の形態では、消毒されるべき物品（図１には示さない）は、消毒される製品を包装するのに普通に利用されている様々な包装材で包装されている。好ましい包装材は、「ＴＹＶＥＫ」という商標で普通に入手可能なスパンボンド法によって製造されたポリエチレン包装材、あるいは「ＴＹＶＥＫ」と「ＭＹＬＡＲ」という商標で普通に入手可能なポリエチレンテレフタレートの包装材材料との組成物である。ポリプロピレンのような他の類似の包装材も利用可能である。紙の包装材も使用可能である。紙の包装では、反応性薬品と紙との起こりうる相互反応のために、消毒を実行するにはより長い処理時間が必要となるかもしれない。
【００１０】
好適な実施の形態の真空室１２は、約４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）未満の真空にも耐えられるように十分に気密である。真空室１２には圧力モニタ（図示せず）が接続されており、この圧力モニタは処理制御モジュール３０にも接続されており、真空室１２内の全体の圧力の計測結果を通知する。また、真空室１２には、反応性薬品モニタ３４が接続されており、この反応性薬品モニタ３４は真空室１２の内部の反応性薬品の量を検出することが可能である。典型的な本発明の実施の形態においては、反応性薬品は過酸化水素であって、反応性薬品モニタ３４は、ある波長特性の紫外線の過酸化水素による吸収を計測する。本発明に適合する反応性薬品の他の検出方法には、圧力計測、近赤外線吸収、および露点計測があるが、これらには限られない。反応性薬品モニタ３４は、処理制御モジュール３０にも接続されており、処理制御モジュール３０に検出された反応性薬品の量を通知する。
【００１１】
本発明の好適な実施の形態では、真空室１２の内部には電極３２が配置されており、電極３２は真空室１２から電気的に絶縁されている。電極３２は、導電性があり、電極３２の各側部におけるガスとプラズマ化学種の間の流動を高めるために穿孔されている。好適な実施の形態の電極３２は、真空室１２の内面形状にほぼ合致した形状をしており、真空室１２の壁から約１．５インチ乃至２インチ離れていて、真空室１２と電極３２との間のギャップ領域を画定する。電極３２はＬＦ電圧信号線２４を介してＬＦ電力モジュール２２に接続されている。好適な実施の形態では、電気的に接地された真空室１２によって、真空室１２と電極３２の間のＬＦ電圧を与えると、ＬＦ電界が形成される。ＬＦ電界は、前記のギャップ領域と電極３２の端縁の近傍を含む第１の領域３１で強いが、消毒される物品が配置される第２の領域３３では弱い。
より一般的に、他の実施の形態では、真空室１２の内部の第２の電極と電極３２との間にＬＦ電圧を与えることによって、ＬＦ電界を発生させることも可能である。このような実施の形態では、第１の領域３１は二つの電極の間のギャップ領域と、一つまたは両方の電極の端縁の近傍を含む。真空室１２が第２の電極として作用する前記の好適な実施の形態は、ガスプラズマを生成する多くの様々な方法のうちの一例である。
【００１２】
図２に示された好ましい実施の形態では、円筒形の電極３２は、その開放された両端部と側部の孔によって、電極３２の各側部におけるガスとプラズマの間の流体的な伝達をもたらす。これらの開放された両端部と孔によって、ガス化学種とプラズマ化学種は、電極３２と真空室１２の壁の間の第１の領域３１と、消毒される物品が配置される第２の領域３３の間を自由に移動することができる。同様に、図３乃至図１０に示された電極３２の他の形態も、第１の領域３１と第２の領域３３との間の流動の移動をもたらす。図３は、開放された両端部と、側部に沿って鎧戸状に形成された開口部を有する円筒形の電極３２を概略的に示す図である。図４は、開放された両端部と孔のない側部を有する円筒形の電極３２を概略的に示す図である。図５は、開放された端部と孔のない側部を有する一連の同軸上の円筒形セグメントを有する電極３２を概略的に示す図である。図６は、開放された端部と孔のない側部を有する円筒の部分の形状を有する電極３２を概略的に示す図である。図７は、開放された端部と孔のない側部を有する、円柱的に均整で長手方向に不均整な電極３２を示す概略図である。
図８は、開放された端部と孔のない側部を有する、非対称な電極３２を示す概略図である。プラズマを発生させるために一つより多い電極を使用することも可能である。
図９は、開放された端部と孔のない側部を有する円筒形の第１の電極３２と、第１の電極３２とほぼ同軸のワイヤを有する第２の電極３２’とを有する電極装置を示す概略図である。ＬＦ電圧は、第１の電極３２と第２の電極３２’の間に印加される。この実施の形態では、第１の領域３１は第１の電極３２と第２の電極３２’の間の領域であり、第２の領域３３は電極３２と真空室１２の間である。
図１０は、ほぼ正方形または長方形の真空室１２の内部のほぼ正方形または長方形の電極３２を示す概略図である。図２乃至図９に概略的に示されたほぼ円筒形の電極の様々な構成は、図１０に示されたほぼ正方形または長方形の電極にも応用することができる。これらの電極３２の実施の形態は、それぞれ第１の領域３１と第２の領域３３との間の流体の移動をもたらすようになっている。
【００１３】
好適な実施の形態の真空ポンプ１４は、真空ポンプライン１５と真空ポンプ弁１６を介して真空室１２に接続されている。真空ポンプ１４および真空ポンプ弁１６はともに、処理制御モジュール３０に接続されており、処理制御モジュール３０により制御される。真空ポンプ弁１６を開放することにより、真空室１２の内部のガスは真空室１２から真空ポンプ１４によって真空ポンプライン１５を通って排出される。ある実施の形態では、真空ポンプ弁１６は真空室１２の内部の圧力を調整および制御するために様々な段階で開放されることが可能になっている。
【００１４】
好適な実施の形態の反応性薬品源１８は、真空室１２に反応性薬品ライン１９および反応性薬品弁２０を介して接続された流体源である。反応性薬品弁２０は処理制御モジュール３０に接続されており、処理制御モジュール３０により制御される。好適な実施の形態の反応性薬品源１８は、反応性薬品の化学種を収容する。好適な実施の形態では、反応性薬品の化学種は、過酸化水素のような滅菌剤または消毒剤である殺菌剤を含有する。また、反応性薬品源１８から供給される殺菌剤は、気体または蒸気の形態をとっていてもよい。反応性薬品弁２０を開放することによって、反応性薬品源１８からの反応性薬品の原子および分子は、反応性薬品ライン１９を経て真空室１２の内部に送り届けられる。ある実施の形態では、反応性薬品弁２０は、真空室１２の内部の反応性薬品の圧力を調整するために様々な段階で開放されることが可能になっている。典型的な本発明の実施の形態では、反応性薬品源１８の反応性薬品の化学種は、過酸化水素分子を含有する。
【００１５】
好適な実施の形態の通気ベント２６は、通気ベントライン２７および通気ベント弁２８を介して真空室１２に接続されている。通気ベント弁２８は、処理制御モジュール３０に接続されており、処理制御モジュール３０により制御される。通気ベント弁２８を開放することにより、通気ガスが通気ベントライン２７を経て真空室１２に漏らされる。ある実施の形態では、通気ベント弁２８は、真空室１２の内部の空気の圧力を調整するために様々な段階で開放されることが可能になっている。典型的な本発明の実施の形態では、通気ベント２６は、濾過された空気を通気ガスとして供給する高効率粒子濾過空気（ＨＥＰＡ）ベントである。本発明に適合する他の通気ガスには、乾燥窒素またはアルゴンが含まれるが、これらには限られない。
【００１６】
処理制御モジュール３０は、消毒システム１０の様々な構成要素に接続されて、消毒システム１０を制御する。本発明の代表的な実施の形態では、処理制御モジュール３０は、他の構成要素から受信した様々な信号に応答して、制御信号を様々な他の構成要素に供給するように構成されたマイクロプロセッサである。
【００１７】
好適な実施の形態のＬＦ電力モジュール２２は、ＬＦ電圧信号線２４を介して電極３２に接続されているとともに、処理制御モジュール３０に接続されており、処理制御モジュール３０により制御される。ＬＦ電力モジュール２２は、真空室１２内に低周波プラズマを発生させるために、電極３２と真空室１２との間に低周波電圧を印加するようになされている。図１１および図１２は、プラズマに与えられる低周波電力を制御する位相角制御法に適したＬＦ電力モジュール２２の実施の形態を概略的に示す図である。図１１および図１２に示されるように、ＬＦ電力モジュール２２は、過電力リレー４０と、一対の金属酸化物バリスタ４２と、昇圧用の変圧器５０と、フライバック分流素子６２と、インダクタ６４と、キャパシタ６６と、ＬＦ電力フィードバック制御システム７０とを備える。図１１および図１２に示されたＬＦ電力フィードバック制御システム７０は、電力制御器６０と、電流モニタ８０と、電圧モニタ９０と、電流モニタ８０および電圧モニタ９０に接続された電力モニタ（乗算器）１００を備える。ライン電圧（通常は、交流の２００Ｖ乃至２４０Ｖで５０／６０Ｈｚ）は、ＬＦ電力フィードバック制御システム７０に接続された過電力リレー４０が閉じているときに、過電力リレー４０を介して昇圧用の変圧器５０に供給される。
【００１８】
図１１および図１２に示された実施の形態において、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）４２は、一時的な電圧のインパルスを抑制するために使われる。各金属酸化物バリスタ４２は、低いピーク通過電圧（let-through voltage）での大きなインパルスに耐えうる多接続固体素子（multiple-junction solid-state device）である。金属酸化物バリスタ４２は、通常より高い電圧で低いインピーダンスを持ち、通常の電圧で高いインピーダンスを持った高速で動作する可変抵抗器として動作する。金属酸化物バリスタ４２は、特定の電圧形態および様々なインパルスの程度の目的に合うように製造されている。当業者であれば、本発明に適する金属酸化物バリスタ４２を選択することが可能である。
【００１９】
昇圧用の変圧器５０の出力電圧は、好ましくは約１００Ｖrms 乃至１０００Ｖrms であり、さらに好ましくは約２００Ｖrms 乃至５００Ｖrms であり、最も好ましくは約２５０Ｖrms 乃至４５０Ｖrms である。昇圧用の変圧器５０の出力電圧は、電力制御器６０に伝達され、電力制御器６０はこのＬＦ電圧をフライバック分流素子６２、インダクタ６４、キャパシタ６６およびＬＦ電力フィードバック制御システム７０を介して電極３２および真空室１２に与える。フライバック分流素子６２は、フライバック電流のための、かつ回路を調整するための経路を提供する。好適な実施の形態では、フライバック分流素子６２は、約１５００オームの負荷抵抗器である。他の実施の形態では、フライバック分流素子６２は、電圧スパイク抑制装置（snubber）であってもよい。インダクタ６４のインダクタンスは、ＬＦ電流のノイズスパイクを制限するように選択され、通常は約５００ｍＨである。キャパシタ６６のキャパシタンスは、直列のＬＣ（インダクタンス・キャパシタンス）回路の共振周波数を印加されるＬＦ電圧の周波数に合致させることによって、ＬＦプラズマへの電力伝達の効率を最大にするように選択される。６０Ｈｚ電圧で５００ｍＨのインダクタンスでは、キャパシタンスを約１３．６μＦにすれば、直列のＬＣ回路のインピーダンスがほぼゼロとなる共振状態をもたらし、伝達されるＬＦ電力を最大にする。当業者であれば、本発明に適した方式で印加されるＬＦ電圧の周波数によって異なるこれらの構成要素のための適切な数値を選択することができる。
【００２０】
図１３および図１４は、プラズマに与えられる低周波電力を制御する振幅制御法に適したＬＦ電力モジュール２２の実施の形態を概略的に示す図である。図１３および図１４に示されるように、ＬＦ電力モジュール２２は、過電力リレー４０と、一対の金属酸化物バリスタ４２と、昇圧用の変圧器５５と、ＬＦ電力フィードバック制御システム７０を備える。図１３および図１４に示されるＬＦ電力フィードバック制御システム７０は、高電圧（ＨＶ）直流電源５１、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５２、電圧制御増幅器（ＶＣＡ）５３、ＨＶ演算増幅器５４、電流モニタ８０、電圧モニタ９０、および電流モニタ８０と電圧モニタ９０に接続された電力モニタ（乗算器）１００を備える。ライン電圧は、ＬＦ電力フィードバック制御システム７０に接続された過電力リレー４０が閉じているときに、過電力リレー４０を介してＨＶ直流電源５１に供給される。ＨＶ直流電源５１の出力は、好ましくは直流の約１００Ｖ乃至１０００Ｖであり、さらに好ましくは直流の約２００Ｖ乃至５００Ｖであり、最も好ましくは直流の約２５０Ｖ乃至４５０Ｖである。
【００２１】
図１３および図１４に示された実施の形態において、ＶＣＯ５２は、一定振幅で、一定の低い周波数（約２００ｋＨｚ以下）のサイン波状の出力を生成する。この低い周波数は、ＶＣＯ５２に適当なセットポイント電圧を供給するために選択される。これに代わる代替的な実施の形態では、例えば三角波または矩形波のような他の波形を利用してもよい。ＶＣＯ５２のＬＦ出力は、ＶＣＡ５３に供給され、ＶＣＡ５３は、低周波プラズマに与えられるほぼ安定した平均電力を持続するための電力制御器として機能する。電力制御モジュール１１０から与えられるフィードバック信号に応じて、ＶＣＡ５３はＶＣＯ５２のＬＦ出力を増幅して、振幅が交流の０ないし１２Ｖの間である増幅されたＬＦ電圧を生成する。増幅されたＬＦ電圧は、ＶＣＡ５３からＨＶ演算増幅器５４に供給され、これに応じてＨＶ演算増幅器５４は高電圧ＬＦ出力を生成する。この高電圧ＬＦ出力は、ＶＣＡ５３で増幅されたＬＦ電圧の振幅によって定められた振幅を有する。適切なＨＶ演算増幅器は、例えばアリゾナ州タスコン（Tuscon）のApex MicrotechnologyからＰＡ９３という部品番号で入手可能であり、当業者であれば、本発明に適するＨＶ演算増幅器５４を選択することが可能である。通常、ＨＶ演算増幅器５４からの高電圧ＬＦ出力は交流の約１００Ｖ乃至１５０Ｖである。プラズマへ与えられるＬＦ電圧の振幅を増大させるために、ＨＶ演算増幅器５４からの高電圧ＬＦ出力は図１３および図１４に示されるように、さらに昇圧用の変圧器５５で増幅される。ただし、ＨＶ演算増幅器５４が、プラズマへ与えられる所望の振幅を持った高電圧ＬＦ出力を発生させることができるのであれば、この昇圧用の変圧器５５は省略してもよい。
【００２２】
図１１および図１２に示された位相角制御の実施の形態と、図１３および図１４に示された振幅制御の実施の形態の両方において、ＬＦ電力モジュール２２のＬＦ電力フィードバック制御システム７０は、さらに電力制御モジュール１１０を備えており、電力制御モジュール１１０は電力モニタ１００に接続され、電力モニタ１００は電流モニタ８０および電圧モニタ９０に接続されている。電流モニタ８０は、電極３２と真空室１２を流れるＬＦ電流を計測する。本発明の好適な実施の形態では、電流モニタ８０は、計測されるリアルタイムの、サイクルにより異なるＬＦ電流を示す出力電圧を生成する電流センサ８２と、電流センサ８２の出力電圧のＲＭＳ（二乗平均）に応じて直流電圧を生成する第１のコンバータ８４と、第１のコンバータ８４からの直流電圧を増幅してリアルタイムの電流信号を生成する第１の電圧増幅器８６とを備える。さらに、電流モニタ８０は過電流検出器８８を備え、過電流検出器８８は第１のコンバータ８４からの直流電圧をリアルタイムで監視し、例えば電極３２と真空室１２との間の短絡などの理由で、ＬＦ電流があらかじめ設定された値を超えたならば、エラー信号を電力制御モジュール１１０に送信する。この場合には、ＬＦ電圧はただちに止められる。このことは、数サイクルを浪費することになるが、所定の許容誤差より大きくは平均電力が影響を受けないように電力は安定化される。
【００２３】
電圧モニタ９０は、電極３２と真空室１２との間のＬＦ電圧を計測する。本発明の好適な実施の形態では、電圧モニタ９０は、計測されるリアルタイムの、サイクルにより異なるＬＦ電圧を示す出力電圧を生成する降圧用の変圧器９２と、降圧用の変圧器９２の出力電圧のＲＭＳ（二乗平均）に応じて直流電圧を生成する第２のコンバータ９４と、第２のコンバータ９４からの直流電圧を増幅してリアルタイムの電圧信号を生成する第２の電圧増幅器９６とを備える。別の実施の形態では、高圧変圧器９２からの出力電圧と電流センサ８２の出力電圧とを乗算して単一コンバータに送り、そこでプラズマに与えられる電力に対応する電圧信号を生成される。
【００２４】
好適な実施の形態では、電力モニタ１００はさらに電流モニタ８０からの直流電圧と電圧モニタ９０からの直流電圧を受けて、これらの二つの電圧を乗算して、リアルタイムの電力信号を生成する乗算器を備える。リアルタイムの電力信号は、電極３２と真空室１２との間のプラズマに印加されるＬＦ電力に比例しており、リアルタイムの電流信号とリアルタイムの電圧信号に応じて生成され、電力制御モジュール１１０に送信される。他の実施の形態では、電力モニタ１００は、リアルタイムのプラズマのインピーダンスを示す信号、およびリアルタイムの電流信号とリアルタイムの電圧信号のいずれかを用いることによって、プラズマに印加される電力を監視する。さらに他の実施の形態では、例えばプラズマにより発生するグロー放電の明るさに比例するリアルタイムの信号のような、プラズマに印加されるＬＦ電力を間接的に示す他のリアルタイムの信号を用いることによって、プラズマに印加されるＬＦ電力を監視する。当業者であれば、本発明に適した適切な電力モニタ１００を選択することができる。
【００２５】
好適な実施の形態の電力制御モジュール１１０は、過電力検出器１１２のような誤り検出器を有しており、過電力検出器１１２は電力モニタ１００からのリアルタイムの電力信号を監視して、ＬＦ電力があらかじめ設定された値を越えたならば、過電力リレー４０を開放し、ＬＦプラズマを消滅させる。この後の再開の制御は、ユーザまたはソフトウエアによって行われる。好適な実施の形態の電力制御モジュール１１０は、過熱状態を検出する温度スイッチ１１４のようなさらに別の誤り検出器と、電力制御処理器１２０を備える。
【００２６】
好適な実施の形態では、電力制御処理器１２０はＬＦ電力フィードバック制御システム７０の状態を監視して制御する。電力制御処理器１２０は、ユーザインタフェイス１２２に接続されており、ユーザインタフェイス１２２は選択された電力量設定および選択された電力オン／オフ設定に関するユーザの入力を供給する。電力制御処理器１２０はさらに電力モニタ１００、温度スイッチ１１４および過電流検出器８８に接続されている。好適な実施の形態では、電力量設定は、二つの電力レベルから選択可能にされている。電力が供給され始めると、電力制御処理器１２０の好適な実施の形態は、急激な電流増加を最小限にするソフトスタート状態を確実に持続する。さらに、ユーザインタフェイス１２２は、ユーザに通知される、消毒システム１０の状態を示す信号を電力制御処理器１２０から受信する。
【００２７】
図１１および図１２に示される位相角制御の実施の形態では、電力制御処理器１２０は、電力制御器６０にも接続されている。この実施の形態では、エラー状態を回避しながら、ＬＦプラズマに与えられるほぼ安定したＬＦ電力を持続させるために、電力制御処理器１２０は、ユーザインタフェイス１２２、電力モニタ１００、過電流検出器８８および温度スイッチ１１４からの信号に応じて電力制御器６０に信号を送信する。
図１３および図１４に示される振幅制御の実施の形態では、電力制御処理器１２０はＶＣＡ５３に接続されている。この実施の形態では、エラー状態を回避しながら、ＬＦプラズマに与えられるほぼ安定したＬＦ電力を持続させるために、電力制御処理器１２０はユーザインタフェイス１２２、電力モニタ１００、過電流検出器８８および温度スイッチ１１４からの信号に応じてＶＣＡ５３に信号を送信する。図１１および図１２ならびに図１３および図１４に示される両方の実施の形態では、電力制御処理器１２０は通常は、指定された電力レベルの約０％乃至約５％の許容差の範囲内でＬＦプラズマに与えられるＬＦ電力を持続させる。
【００２８】
図１１および図１２ならびに図１３および図１４は、ＬＦ電力モジュール２２の単に特定の実施の形態を示す図であるから、図１１および図１２ならびに図１３および図１４に示される全ての構成要素が本発明を実現するのに必要というわけではないことに留意すべきである。これらの構成要素は、自動化、安全性、調整、効率および便宜的な目的で設けられた構成要素も含んでいる。本発明に適する他の実施の形態は、これらの構成要素のいくつかまたは全てを有していなくてもよく、あるいは他の構成要素を有していてもよい。
【００２９】
電力制御処理器１２０からの信号に応じて、図１１および図１２に示された実施の形態の電力制御器６０は、位相角制御を用いて、電極３２と真空室１２との間に与えられるＬＦ電力を制御する。位相角制御では、ＬＦ電力のデューティ比はサイクル期間の部分Δにおける電極３２と真空室１２に与えられる電圧と電流をゼロにすることにより修正される。このような位相角制御は、電気加熱器または電気炉からの電力を一定に持続させるのに多用されている。図１５は、１００％のデューティ比（Δ＝０）およびより少ないデューティ比（Δ≠０）での電圧および電流を概略的に示す図である。通常の動作の間、計測されたＬＦ電力に応じた電力制御モジュール１１０に受信されるフィードバックされたリアルタイムの信号に応じてＬＦ電力のデューティ比を動作中に調整することにより、電力制御器６０はプラズマに与えられるＬＦ電力を一定に持続する。過電流検出器８８または温度スイッチ１１４により誤り状態が検出されると、電力制御処理器１２０はＬＦ電力のデューティ比を減少させることによりＬＦ電力を減少させ、ユーザインタフェイス１２２に信号を送って誤り状態を通知させる。当業者であれば、本発明に適したＬＦ電力のデューティ比を修正する適切な回路を選択することができる。
【００３０】
あるいは、図１３および図１４に示された実施の形態のように、振幅制御を用いることによりＬＦ電力は制御されうる。振幅制御では、電極３２と真空室１２との間に与えられる電圧と電流の振幅を調整することにより、ＬＦ電力を修正する。図１６は、第１のＬＦ電力設定と、第１のＬＦ電力設定より小さい第２のＬＦ電力設定に対応した電圧と電流を概略的に示す図である。通常の動作の間、計測されたＬＦ電力に応じた電力制御モジュール１１０に受信されるフィードバックされたリアルタイムの信号に応じてＬＦ電力の振幅を動作中に調整することにより、ＶＣＡ５３はプラズマに与えられるＬＦ電力を一定に持続する。当業者であれば、本発明に適したＬＦ電力の振幅を修正する適切な回路を選択することができる。
【００３１】
ＲＦシステムにおいては、電力効率を最大化するとともにＲＦ発生器の損傷を回避するために、ＲＦ発生器の出力インピーダンスを常にプラズマインピーダンスに極めて近く整合させようとする要求のために、ＲＦ消毒器の電子機器は複雑である。プラズマの生成の間、プラズマのインピーダンスは、プラズマが完全に生成されるまでは高く、その後は非常に低くなるというように、大きく変動する。最初のプラズマの点火の際には、ＲＦ発生器はプラズマの完全な生成に先だって存在する高いプラズマインピーダンスに整合することはできず、出力電力の大部分はＲＦ発生器に跳ね返ってくる。損傷を回避するために、高い反射電力の期間の間、通常ＲＦ発生器の出力を制限する保護システムをＲＦ発生器は有する。しかし、プラズマを点火するためには、ＲＦ発生器の出力電力は、プラズマ点火に必要とされる閾値の電圧を越えなければならない。好適な実施の形態では、閾値の電圧は、室内の圧力、反応性薬品、および構造やその他の要因によって異なるが、３００Ｖrms である。あるＲＦシステムでは、点火が行われてプラズマインピーダンスが低減したなら、印加されるＲＦ電圧の大きさは、余計な電力供給を避けるために約１４０Ｖrms の持続電圧に減少させられる。プラズマ点火に必要とされる高いＲＦ電圧が、プラズマの完成の前に余計な高い反射電力を生成してしまうので、プラズマ点火段階の間に損傷を防止するための複雑な安全装置をＲＦ発生器は要する。
【００３２】
これに対して、ＬＦ消毒器は、ある閾値の電圧より上の印加電圧で稼働することができ、出力インピーダンスの整合に関する要求の拘束も少ないので、ＬＦ消毒器では電力システムの複雑さや点火の失敗率を大幅に減少させることができる。周波数が約１ｋＨｚ未満の場合は、図１５に示すように、印加されたＬＦ電圧がゼロである時間の間、ＬＦプラズマは消滅し、真空室にはＬＦプラズマが存在しない。そこで、ＬＦプラズマは、各サイクルにつき二回、点火されなければならない。一つの電圧状態だけで稼働することにより、ＬＦ消毒器はＲＦ消毒器に比べて、より簡単でより信頼性の高い電気システムを有する。このような電気システムは、動作および故障診断がより容易であり、修理に伴うコストを低減することができる。さらに、ＬＦ消毒器によって発生する、より高いピークのプラズマ密度のために、物品上の再結合の解離を多くすることができ、消毒処理の後に物品に反応性化学種が残留する量を低減することができる。
【００３３】
ある実施の形態では、局在化したガスが加熱されることによってプラズマのインピーダンスが低下し、それによってアークが生成されたり、その他のプラズマの不安定化が起こる。このような状態は、電流密度がより高い場合に生じ易い。しかしながら、周波数が入力ライン電圧（５０／６０Ｈｚ）より高い場合には、この影響が小さくなりプラズマの安定性が増す。図１７および図１８に概略図の例が示されているように、ＬＦ電力モジュール２２のある実施の形態では、プラズマに与えられるＬＦ電力をパルス化してより高い周波数を供給するスイッチングモジュール２２を備えるようにしてもよい。図１７および図１８は、図１１および図１２に例が示されている実施の形態に基づいているが、図１３及び図１４に類似の変更をしてスイッチングモジュール１３０を用いるようにすることもできる。図１７および図１８では、スイッチングモジュール１３０が第一のＭＯＶ４２と昇圧変圧器５０との間に配置されているが、当業者であれば、スイッチングモジュール１３０をＬＦ電力モジュール２２内の別の位置に配置された別の実施の形態にしてもよいことを理解できるであろう。
【００３４】
図１９には、本発明に適合したスイッチングモジュール１３０からの出力の概略図の例が示されている。図１９に示されているように、６０Ｈｚの周波数の入力サイン波電圧が、スイッチングモジュール１３０によってパルス化され、連続する幅Ｗの電圧パルスと時間Ｔによる空白部分とが生成される。当業者であれば、別の波形をスイッチングモジュール１３０に入力してもよいことを理解できるであろう。例えば、印加電圧がプラズマの点火に必要な閾値電圧ＶT より低くなる期間を最小化或いはなくすために、図２０に例が示されているように、スイッチングモジュール１３０によって電圧をパルス化する前に、ライン電圧を全波整流し、フィルタリングすることによってリプルＤＣ電圧を生成することができる。一実施の形態では、このようなリプルＤＣ電圧は、図１７および図１８に示されている概略図の例のように、過電力リレー４０とＭＯＶ４２との間にＡＣ／ＤＣコンバータを配置して生成することもできる。当業者であれば、このようなリプルＤＣ電圧を生成する別の実施の形態も思いつくであろう。
【００３５】
図１９に例が示されているスイッチングモジュール１３０の出力周波数は約１０００Ｈｚであるが、これは例示目的である。当業者であれば、他の周波数も本発明に適合することを理解できるであろう。スイッチングモジュールの出力周波数は、好ましくは約２００ｋＨｚ以下、より好ましくは約１ｋＨｚ乃至約１００ｋＨｚの間、最も好ましくは約２０ｋＨｚ乃至約５０ｋＨｚの間である（ＤＣ電圧および電流を含む）。さらに、スイッチングモジュール１３０は、図２１に例が示されているように単極のパルス出力を生成するように、或いは図２２に示されているように両極のパルス出力を生成するように構成することができる。両極のパルスにすることによって、プラズマによる電極のスパッターが生じにくくなり、より安定したプラズマを生成することができる。図２３に模式的に例が示されているスイッチングモジュール１３０の一実施の形態では、ブリッジ整流器１３１、パワーＭＯＳＦＥＴ１３２、パワーＭＯＳＦＥＴドライバ１３３、スナバ（snubber）１３４、オプトアイソレータ１３５、および関数発生器１３６を用いて単極のパルスが生成される。スナバ１３４は、昇圧変圧器５０の漏れインダクタンスにおける蓄積されたエネルギを分路してパワーＭＯＳＦＥＴ１３２に損傷を与えないようにするために用いられる。本発明に適合したオプトアイソレータ１３５の一例としては、テキサス州ダラスに所在のTexas Instruments社が販売する４Ｎ２６フォトトランジスタオプトアイソレータがある。本発明に適合したパワーＭＯＳＦＥＴ１３２の一例としては、カリフォルニア州El Segundoに所在のInternational Rectifier社が販売するシリアルナンバーがＩＲＦＰＳ３７Ｎ５０Ａの「Ｓｕｐｅｒ−２４７」がある。本発明に適合したＭＯＳＦＥＴドライバ１３３の一例としては、テキサス州ダラスに所在のTexas Instruments社が販売するＳＮ７５３７２デュアルＭＯＳＦＥＴドライバがある。
【００３６】
図２３に例が示されているように、ある実施の形態では、スイッチングモジュール１３０によってパルス幅Ｗまたはパルス間の時間Ｔを調節して、プラズマに与えられるＬＦ電力を調節することができる。ある実施の形態では、関数発生器１３６の代わりに与えられるＬＦ電力を自動的に制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御器を用いてもよい。周期（Ｗ＋Ｔ）は選択したパルス周波数の逆数であり、比率Ｗ／Ｔを変えてプラズマに与えられる平均ＬＦ電力を制御することができる。このような実施の形態では、スイッチングモジュール１３０が電力制御プロセッサ１２０から適正な信号を受け取り、パルス幅Ｗおよび／または時間Ｔを適正に選択するようにもできる。
【００３７】
図２４は、図１に模式的に例示した装置を用いる好適な消毒方法の概略図の例である。図２４に示されている消毒プロセスは具体例であり、当業者であればその他のプロセスも本発明に適合することを理解できるであろう。好適なプロセスではまず、消毒するために真空室１２の内部に物品を密閉する（ステップ２００）。次に、プロセス制御モジュール３０の制御下で真空ポンプ１４および真空ポンプ弁１６を連結して真空室を減圧する（ステップ２１０）。真空室１２は、好ましくは約１３２０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）未満、さらに好ましくは２５Ｐａ乃至２７０Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ乃至２Ｔｏｒｒ）、最も好ましくは４０Ｐａ乃至２００Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ乃至１．５Ｔｏｒｒ）の圧力となるように減圧する。
【００３８】
典型的なプロセスでは、真空室１２が目的の圧力に達すると、プロセス制御モジュール３０がＬＦ電力モジュール２２に信号を送って、真空室１２の電極３２にエネルギを与えるようにする。ＬＦ電圧を電極３２に加えることによって、ＬＦ電力モジュール２２が真空室１２の残留ガスをイオン化し、それによって真空室１２の内部にガス放電ＬＦプラズマを生成する（ステップ２２０）。このガス放電ＬＦプラズマは、主に空気と水蒸気である真空室１２内の残留ガスから生成される。このガス放電ＬＦプラズマは、反応性薬品が真空室１２内に注入される前に生成される（ステップ２２０）ため、このガス放電ＬＦプラズマは一般に「注入前プラズマ」と呼ばれる。真空ポンプ弁１６は、この注入前プラズマステップ２２０の間、所定の真空圧力を維持するべく開閉が制御制御可能に開閉される。この注入前プラズマによって物品を含む真空室１２の内部の表面が加熱され、それによって凝縮した水やその他の吸収されたガスが蒸発して真空室１２および物品から除去されるのが助けられる。これに類似の注入前プラズマが、Spencerらによる米国特許第５，６５６，２３８号および同第６，０６０，０１９号に開示されており、参照されることによりこの出願の一部をなす。典型的なプロセスでは、約０分後乃至６０分後に注入前プラズマを終了する。本発明に適合した別の実施の形態では、注入前プラズマの生成を行わなくてもよいし、または注入前プラズマを複数回使用してもよい。さらに別の実施の形態では、物品が注入前プラズマにさらされた後に、真空室１２を排気してもよい。
【００３９】
好適なプロセスでは、真空室が所定の圧力に到達すると、プロセス制御モジュール３０の制御下で真空弁１６が閉じ反応性薬品弁２０が開き、反応性薬品が反応性薬品源１８から反応性薬品供給ライン１９を介して真空室１２内に注入される（ステップ２３０）。好適な実施の形態では、反応性薬品は過酸化水素を含む。この過酸化水素は液体で注入され、その後に気化される。この注入される液体には、好ましくは約３重量％乃至６０重量％、より好ましくは約２０重量％乃至６０重量％、最も好ましくは約３０重量％乃至６０重量％の過酸化水素を含有する。真空室１２内における過酸化水素の蒸気の濃度は、好ましくは真空室１２の容積１リットル当たり０．１２５ｍｇ乃至２０ｍｇである。過酸化水素の濃度が高くなればなるほど、消毒時間が短くて済む。空気、またはアルゴン、ヘリウム、窒素、ネオン、キセノンなどの不活性ガスを過酸化水素と共に真空室１２に加えて、真空室１２を所定の圧力に維持することができる。反応性薬品の注入ステップ２３０は、１回または複数回に分けて行ってもよい。
【００４０】
反応性薬品の注入ステップ２３０によって、好適なプロセスにおける真空室１２の圧力が約２０００Ｐａ（１５Ｔｏｒｒ）以上に上昇する。注入ステップ２３０の開始から約６分が経過すると、反応性薬品が完全に拡散し（ステップ２４０）、真空室１２全体が均一となる。拡散ステップ２４０から約１分乃至約４５分経過すると、反応性薬品が真空室１２内で実質的に平衡状態となる。この拡散ステップ２４０によって、反応性化学種が物品の包装材を通過して拡散し、物品の表面に接触しないとしてもかなり近接するため、物品が消毒される。別の実施の形態では、反応性薬品の拡散の直後に真空室１２が排気されてもよい。
【００４１】
次に、プロセス制御モジュール３０の制御下で真空ポンプ弁１６が制御可能に開かれ、真空室１２から反応性薬品の一部がポンピングによって排出され、真空室１２が真空に近づけられる（ステップ２５０）。真空室１２の内部圧力が所定の真空圧力に達したら、所定の圧力を維持するように真空弁１６が制御可能に調整され、プロセス制御モジュール３０がＬＦ電力にモジュール２２に信号を送って、真空室１２内の電極３２にエネルギが与えられる。反応性薬品が過酸化水素を含む好適な実施の形態では、真空室１２内の過酸化水素の圧力は、好ましくは約１３２０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）、より好ましくは約２５Ｐａ乃至約２７０Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ乃至２Ｔｏｒｒ）、最も好ましくは約４０Ｐａ乃至２００Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ乃至１．５Ｔｏｒｒ）である。ＬＦ電圧を電極３２に印加することによって、ＬＦ電力モジュール２２が反応性薬品をイオン化し、真空室１２内に反応性薬品ＬＦプラズマが生成される（ステップ２６０）。物品は所定時間、反応性薬品ＬＦプラズマにさらされる。好適な実施の形態では、追加のサイクル２７５が実行される。別の実施の形態では、この追加のサイクル２７５を省略してもよいし、さらにサイクルを追加してもよい。
【００４２】
ＲＦプラズマおよびＬＦプラズマの双方には、反応性薬品プラズマの成分には、反応性薬品の電離した化学種と電子的または振動的に励起された状態の反応性薬品の分子とが含まれる。例えば、反応性薬品が好適な実施の形態のように過酸化水素を含む場合、反応性薬品プラズマは、電子、イオン、様々なフリーラジカル（例えば、ＯＨ、Ｏ２Ｈ）などの帯電粒子、および基底状態のＨ２Ｏ２分子や励起状態のＨ２Ｏ２分子などの中性粒子を含む。反応性薬品プラズマにおいて生成される紫外線と共にこれらの反応性薬品化学種は、胞子やその他の微生物を殺す能力を有する。
【００４３】
反応性薬品プラズマの帯電粒子は、一旦生成されたら、真空室１２の内部で生成された電界によって加速される。第１の領域３１と第２の領域３３の間が流体的に連通しているので、第１の領域３１で生成された帯電粒子の一部は加速されて、物品が配置された第２の領域３３に進む。
【００４４】
第１の領域３１から第２の領域３３に進む帯電粒子は、プラズマと真空室１２および電極３２の壁との間の各空間電荷層領域の電位差によって影響されたそれぞれの経路とエネルギを有する。これらの空間電荷層領域は、プラズマから壁に衝突する帯電粒子があるために、素材壁に接触した全ての電子イオンプラズマによって形成される。質量が小さいため大きな移動性を有する電子は、他のもっと重くて移動性の小さいイオンよりも先に、プラズマから壁に衝突して消失し、壁の周囲には負の電荷の密度が過度になった部分が形成され、これに対応して電子とイオンの損失率を均等化する電圧差が形成される。この電圧差、すなわちシース電圧は、壁の表面から電子を取り去るように電子を加速し、壁の表面に向けて正のイオンを加速する。
【００４５】
シース電圧は、プラズマの種類、組成および生成方法によって異なる。ＲＦプラズマの場合、シース電圧は、通常は電極３２に加えられるＲＦ電圧の４０％乃至８０％である。例えば、二乗平均されたＲＦ電圧、１４０Ｖrms が電極３２に与えられて、ＲＦプラズマが定常的に設けられると、対応するシース電圧は約５５Ｖ乃至１１０Ｖである。このため、電極３２の周囲の空間電荷層領域に進入するイオンは、５５ｅＶ乃至１１０ｅＶのエネルギに加速される。シース電圧によるこの正イオンの加速は、ＲＦプラズマによる半導体プロセスを支える基本原理である。
【００４６】
上述のように、本発明の好適な実施の形態のＬＦプラズマのためには、電極３２に与えられる電圧は、点火のための閾値の電圧、通常３００Ｖ以上であるとよい。さらに、ＬＦプラズマでは、シース電圧は通常は、ＲＦプラズマの場合よりも、与えられる電圧に対してより高い比率を持つ。このため、本発明の好適な実施の形態のシース電圧は、ＲＦプラズマシステムの場合のシース電圧よりもさらに高い。この高いシース電圧は、ＬＦプラズマの帯電した粒子をさらに高いエネルギに加速する。従って、ＬＦプラズマの帯電した粒子がさらに高いエネルギに加速されるので、好適な実施の形態のＬＦプラズマの帯電した粒子は、より遠くに移動し、ＲＦプラズマ消毒器による帯電粒子よりも物品に大きく作用することができる。
【００４７】
ＬＦ電界は各サイクルで極性を２回変更するので、帯電粒子に対する電界の加速の方向は各サイクルで２回反転する。第１の領域３１における帯電粒子については、この加速の方向の切替は、帯電粒子の位置の振動という結果をもたらす。しかし、第１の領域３１と第２の領域３３の間で流体的に連通しているために、帯電粒子の一部は、電界の加速方向が反転する前に、第１の領域３１から物品が収容された第２の領域３３に移動することができる。
【００４８】
反応性薬品ＬＦプラズマで生成された帯電粒子のうちの第２の領域３３に進入する量は、印加された電界の振動数の関数として求められる。これらの帯電された粒子は、運動に関する二つの成分を有する。一つはランダムな熱速度（thermal speed）であり、他の一つは与えられた電界の影響による帯電粒子の運動（ドリフト運動）である。熱速度は、温度によって判定され、これらの二つの運動成分のうち大きい方である（通常、電子では約１０7 ｃｍ／ｓｅｃ乃至１０8 ｃｍ／ｓｅｃである）が、帯電粒子をある特定の方向に流れるようにすることはない。これに対して、ドリフトの速度は、与えられた電界の方向に沿って向いており、与えられた電界の方向、或いはその逆方向に帯電粒子の本流を引き起こす。ドリフトの速度の大きさは、与えられた電界の大きさにほぼ比例しており、帯電された粒子の質量に反比例する。さらに、ドリフトの速度の大きさは、ガスの化学種と真空室の圧力にも依存する。例えば、約１Ｖ／ｃｍの平均電界強度を持つガス放電プラズマ消毒器の通常の動作パラメータでは、ガス放電プラズマで形成される電子のドリフトの速度は、通常約１０6 ｃｍ／ｓｅｃである。
【００４９】
帯電された一つの粒子は、印加される電界の極性が変化して電極３２から帯電粒子が離れるように加速の向きを逆転する前に第２の領域３３に達したときに限って、物品を収容した第２の領域３３に進入する。例えば、印加されるＲＦ電界の周波数が１３．５６ＭＨｚの場合には、電界の変更周期は約７．４×１０-8秒であり、電界の向きが変わって電子が電極３２から離れるように加速される前の半サイクル（半周期）では、電子は約３．７×１０-3ｃｍのわずかな距離しか動かない。イオンの場合には、そのもっと大きな質量のために、電子が移動する距離よりもさらにわずかな距離しか動かない。好適な実施の形態のように、真空室１２と電極３２の間の第１の領域３１が約２．５４ｃｍの幅である場合には、ＲＦプラズマによって生成されたうちのごくわずかな帯電粒子だけが、物品を収容した第２の領域３３に実際に到達するであろう。
【００５０】
他方、６０Ｈｚの周波数でＬＦ電界を印加した場合には、電界の変更周期は約１６．７×１０-3秒であり、電子が電極３２から離れるように加速される前には、電子は約８．３５×１０3 ｃｍを動くことができる。従って、好適な実施の形態の消毒システム１０でプラズマを生成するのにＬＦ電圧を用いることによって、ＲＦ電圧を用いて生成したプラズマに比べて、第２の領域３３の内部をより活性化することができる。ＬＦ消毒器のこの高い活動度は、ＲＦ消毒器に比べて、残留する反応性化学種を消毒される物品から除去する効率を高めるのに貢献しうる。
【００５１】
電力が与えられなくなってからプラズマが中性化するまでの特性時間として定義されるプラズマ崩壊時間（plasma decay time）は、ＬＦ制御方式とＲＦ制御方式の間に、おおよその境界を画定する。プラズマ崩壊時間は正確には知ることができないが、本発明の好適な実施の形態のような消毒システムで用いられるプラズマ密度では、約１０-4秒乃至１０-3秒であると見積もられる。このプラズマ崩壊時間は、帯電粒子が表面または他のプラズマ成分に衝突して中性化されるまでの帯電粒子の存在時間に対応し、生成されるプラズマの化学種および消毒システム１０の様々な構成要素の構造によって異なる。上述のように、ＬＦ制御方式は、各サイクルでプラズマが二回消滅させられて再点火されることを特徴とし、印加されるＬＦ電圧の半周期がプラズマ崩壊時間よりも長くなる。従って、プラズマを再点火するために、プラズマを点火する閾値の電圧を越える電圧で消毒システム１０が頻繁に駆動される。本発明によれば、多くのプラズマについて見積もられる約１０-4秒乃至１０-3秒の範囲のプラズマ崩壊時間は、約１ｋＨｚ乃至約１０ｋＨｚの低周波制御方式の上限周波数に換算される。しかし、ある状況の下では、より高い周波数も許容されうる。
【００５２】
あるいは、低周波数方式の上限は、与えられたＬＦ電圧の半周期の間に２．５４ｃｍの幅の第１の領域３１を電子が横切るには、電子のドリフトの速度が遅すぎることになる周波数に決定してもよい。通常の動作構造の下では、低周波数方式の上限は、約２００ｋＨｚである。他の構造では、低周波数方式の上限はこれに応じて異なりうる。
【００５３】
この好適な方法では、ＬＦ電力モジュール２２は約２分間乃至約１５分間励起され、この間、プラズマは真空室１２の内部の物品を含む表面に存在する余分な残留反応性化学種を除去する。ステップ２６０でプラズマを生成すると、一時的に真空圧が上昇するが、ステップ２７０では、５０Ｐａ乃至７０Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ乃至０．５Ｔｏｒｒ）のほぼ一定の真空圧で残留物の大部分が除去される。この残留物除去ステップ２７０は、処理制御モジュール３０がＬＦ電力モジュール２２を停止させてプラズマを消すことによって終了する。
【００５４】
残留物除去ステップ２７０の後、処理制御モジュール３０が通気ベント弁２８を開放して、通気ベント２６から通気ベントライン２７および通気ベント弁２８を経て、ベントガスを流入させることによって、真空室１２はステップ２８０で通気される。好ましい方法では、真空室１２はこの後ステップ２９０で、約４０Ｐａ乃至１０５Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ乃至０．８Ｔｏｒｒ）まで減圧され、真空室１２内に残留するあらゆる反応性薬品が除去される。この後、真空室１２は再びステップ３００で大気圧になるように通気され、この後、消毒された物品はステップ３１０で真空室１２から取り出される。
【００５５】
ＬＦプラズマは、消毒処理が完了した後に物品に残留する反応性薬品分子の量を減少させる。反応性薬品が過酸化水素を含有する場合には、消毒された物品上の過酸化水素の残留量は好ましくは約８０００ｐｐｍ未満であり、さらに好ましくは約５０００ｐｐｍ未満であり、最も好ましくは約３０００ｐｐｍ未満である。ＬＦプラズマ消毒とＲＦプラズマ消毒の後に残留する過酸化水素の量を比較するために、ＬＦ消毒器とＲＦ消毒器の両方において、ある消毒試験期間の間、９つのポリウレタン試料を過酸化水素にさらした。各試料は、不純物の混入防止のために、Manuklenz（登録商標）で洗浄し、消毒の前に乾燥した。次に、これらの９つの試料を普通の工業用の棚の上段に均等間隔で並べた。
【００５６】
標準的なＲＦ消毒工程の条件とほぼちょうど同等である完全なＬＦ消毒工程がこの比較実験のために使われた。完全なＬＦ消毒工程は、注入前プラズマに２０分間さらすことと、６分間の第１回目の過酸化水素の注入と、大気の通気と、２分間の拡散と、２分間の第１回目の注入後プラズマにさらすことと、６分間の第２回目の過酸化水素の注入と、大気の通気と、２分間の拡散と、２分間の第２回目の注入後プラズマにさらすことと、大気の通気とを有する。完全なＬＦ消毒工程は二回行って、二回の完全なＲＦ消毒工程と比較した。表１に示されるように、注入後プラズマの電力を除く全ての条件は、全ての稼働についてできる限り一定に維持した。
【００５７】
【表１】
0004097964.tif 000002
【００５８】
注入前プラズマの電力の変動は±３．５％であり、全ての稼働について試料の温度がほぼ一定にされた。この後、試料を取り出して、残留量の分析を行った。
【００５９】
ＬＦプラズマを生成するＬＦ消毒器は、５００ｍＨのインダクタと、１３．６μＦのキャパシタを有しており、６０Ｈｚで稼働した。ＬＦプラズマの電力は、ＬＦプラズマにかかる電圧を電流で乗算して、オシロスコープで平均することにより求めた。ＬＦ電力の変動レベルは約１０％であった。表２は比較結果を示す。
【００６０】
【表２】
0004097964.tif 000003
【００６１】
ＬＦ注入後プラズマにさらすことによって、同等の電力のＲＦ注入後プラズマにさらす場合よりも、残留する反応性化学種をより効率的に減らすことができた。ＬＦ稼働１では、ＲＦ稼働１またはＲＦ稼働２に比べて、ほぼ同じ注入後プラズマの電力でありながら、残留する過酸化水素量を約２３％減らすことができた。従って、ＬＦ方法は、同等のＲＦ方法に比べて、残留する過酸化水素量を減らすことができた。
【００６２】
二つのＬＦ消毒工程を比較すると、プラズマ電力を上昇させると、過酸化水素の残留量の減少をもたらすことが分かる。また、ＬＦ方法では、残留量の計測の標準偏差で表される試料間の相違も非常に減少し、ＲＦ方法に比べて均一性が高まることが分かった。
【００６３】
本発明の特定の実施の形態に関して説明したが、実施の形態の説明は本発明を例証するものであり、限定することを意図したものではないことを理解すべきである。特許請求の範囲に記載された本発明の真の趣旨および区域から離れることなく、当業者は様々な修正または応用を考え出すことができる。
【００６４】
この発明の具体的な実施態様は次の通りである。
（Ａ）物品からガスまたは蒸気化学種を取り除くために、約２００ｋＨｚ或いはそれ以下の周波数を有する低周波電力を消毒システムの真空室の内部のプラズマに与える消毒システムであって、前記プラズマに与えられる低周波電力をパルス化するように構成されたスイッチングモジュールと、前記プラズマに与えられる低周波電力を制御可能に調整するための低周波電力フィードバック制御システムとを含み、該低周波電力フィードバック制御システムが、前記真空室の内部の前記プラズマに与えられる低周波電力を示す第１の信号を生成するように構成された電力モニタと、前記電力モニタからの前記第１の信号に応答して第２の信号を生成するように構成された電力制御モジュールと、前記物品が処理されている間、前記プラズマに与えられる平均周波数電力をほぼ一定に持続するべく、前記第２の信号に応答して、前記プラズマに与えられる前記低周波電力を調整するように構成された電力制御器と、を備えることを特徴とする消毒システム。
（Ｂ）物品からガスまたは蒸気化学種を取り除くために、消毒システムの真空室の内部のプラズマに与えられる約２００ｋＨｚ或いはそれ以下の周波数を有する低周波電力を制御可能に調整する方法であって、前記プラズマに与えられる前記低周波電力をパルス化するステップと、前記真空室の内部の前記プラズマに与えられる低周波電力をモニタリングするステップと、前記プラズマに与えられる前記低周波電力を示す第１の信号を生成するステップと、前記物品が処理されている間、前記プラズマに与えられる平均周波数電力をほぼ一定に持続するべく、前記第１の信号に応答して、前記プラズマに与えられる前記低周波電力を調整するステップと、を含むことを特徴とする方法。
（１）前記スイッチングモジュールが単極スイッチング（unipolar switching）を用いて、前記プラズマに与えられる前記低周波電力をパルス化することを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
（２）前記スイッチングモジュールが両極スイッチング（bipolar switching）を用いて、前記プラズマに与えられる前記低周波電力をパルス化することを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
（３）前記スイッチングモジュールが、前記電力制御モジュールからの信号に応答して前記プラズマに与えられる前記低周波電力のパルス幅を調節して、前記プラズマに与えられる前記平均低周波電力を制御するように構成されていることを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
（４）前記スイッチングモジュールが、前記電力制御モジュールからの信号に応答して前記プラズマに与えられる前記低周波電力のパルス間の時間を調節して、前記プラズマに与えられる前記平均低周波電力を制御するように構成されていることを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
（５）前記低周波電力フィードバック制御システムがさらに、前記プラズマに供給される電流を示す第３の信号を生成するように構成された電流モニタと、前記プラズマに印加される電圧を示す第４の信号を生成するように構成された電圧モニタとを含むことを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
【００６５】
（６）前記電力モニタが、前記第３の信号および前記第４の信号に応答して前記第１の信号を生成するように構成されていることを特徴とする実施態様（５）に記載の消毒システム。
（７）前記電流モニタが、電流センサと、第１のコンバータと、第１の電圧増幅器とを備えていることを特徴とする実施態様（５）に記載の消毒システム。
（８）前記電流モニタがさらに、前記電力制御モジュールに接続された過電流検出器を備えていることを特徴とする実施態様（７）に記載の消毒システム。
（９）前記電圧モニタが、降圧用の変圧器と、第２のコンバータと、第２の電圧増幅器とを備えていることを特徴とする実施態様（５）に記載の消毒システム。
（１０）前記電力制御モジュールが、電力制御プロセッサを含むことを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
【００６６】
（１１）前記電力制御モジュールがさらに、誤り検出器を含むことを特徴とする実施態様（１０）に記載の消毒システム。
（１２）前記誤り検出器が、過電力検出器および温度スイッチからなる群から選択されることを特徴とする実施態様（１１）に記載の消毒システム。
（１３）前記電力制御プロセッサが、前記電力制御器、前記電力モニタ、および前記電流モニタに接続されていることを特徴とする実施態様（１０）に記載の消毒システム。
（１４）前記電力制御モジュールが、ユーザの入力を受信してその入力を前記電力制御モジュールに送信するように構成されたユーザインタフェイスに接続されていることを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
（１５）前記電力制御器が、前記電力制御モジュールからの前記第２の信号に応答して前記プラズマに与えられる低周波電力のデューティ比を調整するように構成されていることを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
【００６７】
（１６）前記電力制御器が、前記電力制御モジュールからの前記第２の信号に応答して前記プラズマに与えられる低周波電力の振幅を調整するように構成されていることを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
（１７）前記低周波電力が、約２００ｋＨｚ或いはそれ以下の周波数を有することを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
（１８）前記低周波電力が、約１ｋＨｚ乃至約１００ｋＨｚの周波数を有することを特徴とする実施態様（Ａ）に記載の消毒システム。
（１９）前記プラズマに与えられる前記低周波電力をパルス化するステップが単極であることを特徴とする実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（２０）前記プラズマに与えられる前記低周波電力をパルス化するステップが両極であることを特徴とする実施態様（Ｂ）に記載の方法。
【００６８】
（２１）前記プラズマに与えられる低周波電力を調整するステップが、前記プラズマに与えられる低周波電力のパルス幅を調整するステップを含むことを特徴とする実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（２２）前記プラズマに与えられる低周波電力を調整するステップが、前記プラズマに与えられる低周波電力のパルス間の時間を調整するステップを含むことを特徴とする実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（２３）前記プラズマに与えられる低周波電力をモニタリングするステップが、前記プラズマに与えられる電流をモニタリングして前記電流を示す第２の信号を生成するステップと、プラズマに印加される電圧をモニタリングして前記電圧を示す第３の信号を生成するステップとを含むことを特徴とする実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（２４）前記第１の信号が、前記第２の信号および前記第３の信号に応答して生成されることを特徴とする実施態様（２３）に記載の方法。
（２５）前記プラズマに与えられる前記低周波電力を調整するステップが、前記プラズマに与えられる前記低周波電力のデューティ比を調整するステップを含むことを特徴とする実施態様（Ｂ）に記載の方法。
【００６９】
（２６）前記プラズマに与えられる前記低周波電力を調整するステップが、前記プラズマに与えられる前記低周波電力の振幅を調整するステップを含むことを特徴とする実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（２７）前記低周波電力が、約２００ｋＨｚ或いはそれ以下の周波数を有することを特徴とする実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（２８）前記低周波電力が、約１ｋＨｚ乃至約１００ｋＨｚの周波数を有することを特徴とする実施態様（Ｂ）に記載の方法。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、消毒される物品に残留する反応性薬品の量を低減することができ、装置の稼働のエネルギ効率を高め、稼働コストを低減し、さらに装置の構造を簡略化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る消毒システムの好適な実施の形態を示す概略図である。
【図２】開放された両端部と穿孔された側部を有する円筒形の電極の好適な実施の形態を示す概略図である。
【図３】開放された両端部と鎧戸状に開口部が形成された側部を有する円筒形の電極の代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図４】開放された両端部と孔のない側部を有する円筒形の電極の代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図５】開放された端部と孔のない側部を有する一つまたは複数の同軸上の円筒形セグメントを有する電極の代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図６】開放された端部と孔のない側部を有する円筒の部分の形状を有する電極の代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図７】開放された端部と孔のない側部を有する、円柱的に均整で長手方向に不均整な電極の代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図８】開放された端部と孔のない側部を有する、一つまたは複数の非対称な電極の代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図９】開放された端部と孔のない側部を有する円筒形の第１の電極と、第１の電極とほぼ同軸のワイヤを有する第２の電極とを有する電極装置の代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図１０】ほぼ正方形または長方形の真空室の内部のほぼ正方形または長方形の電極の代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図１１】本発明に係る位相角制御法に適合した低周波電力モジュールの実施の形態を示す概略図の左部分である。
【図１２】図１１を補完する前記の概略図の右部分である。
【図１３】本発明に係る振幅制御法に適合した低周波電力モジュールの実施の形態を示す概略図の左部分である。
【図１４】図１３を補完する前記の概略図の右部分である。
【図１５】プラズマに与えられる低周波電力を制御する位相角制御法を示す概略図である。
【図１６】プラズマに与えられる低周波電力を制御する振幅制御法を示す概略図である。
【図１７】本発明に適合したスイッチングモジュールを含む低周波電力モジュールの実施の形態を示す概略図の左部分である。
【図１８】図１７を補完する前記の概略図の右部分である。
【図１９】幅Ｗと時間Ｔによる空白部分とが連続する電圧パルスとなるように６０Ｈｚの周波数の入力サイン波電圧をパルス化する、本発明に適合したスイッチングモジュールからの出力を示す概略図である。
【図２０】スイッチングモジュールで電圧をパルス化する前に、ライン電圧を全波整流し、フィルタリングして得られるリプルＤＣ電圧を示す概略図である。
【図２１】単極スイッチングを用いるスイッチングモジュールでパルス化した後の図２０のリプルＤＣ電圧を示す概略図である。
【図２２】両極スイッチングを用いるスイッチングモジュールでパルス化した後の図２０のリプルＤＣ電圧を示す概略図である。
【図２３】単極パルスを生成するスイッチングモジュールの一実施の形態を示す概略図である。
【図２４】本発明に適合した消毒方法の好適な実施の形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１０  消毒システム
１２  真空室
１４  真空ポンプ
１５  真空ポンプライン
１６  真空ポンプ弁
１８  反応性薬品源
１９  反応性薬品ライン
２０  反応性薬品弁
２２  ＬＦ電力モジュール
２４  ＬＦ電圧信号線
２６  通気ベント
２７  通気ベントライン
２８  通気ベント弁
３０  処理制御モジュール
３１  第１の領域
３２  電極
３２’  第２の電極
３３  第２の領域
３４  反応性薬品モニタ
４０  過電力リレー
４２  金属酸化物バリスタ
５０  昇圧用の変圧器
５１  高電圧（ＨＶ）直流電源
５２  電圧制御発振器（ＶＣＯ）
５３  電圧制御増幅器（ＶＣＡ）
５４  ＨＶ演算増幅器
５５  昇圧用の変圧器
６０  電力制御器
６２  フライバック分流素子
６４  インダクタ
６６  キャパシタ
７０  ＬＦ電力フィードバック制御システム
８０  電流モニタ
８２  電流センサ
８４  第１のコンバータ
８６  第１の電圧増幅器
８８  過電流検出器
９０  電圧モニタ
９２  降圧用の変圧器
９４  第２のコンバータ
９６  第２の電圧増幅器
１００  電力モニタ（乗算器）
１１０  電力制御モジュール
１１２  過電力検出器
１１４  温度スイッチ
１２０  電力制御処理器
１２２  ユーザインタフェイス
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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