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プラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ生成方法 新技術説明会 外国出願あり

国内特許コード P110001828
掲載日 2011年3月17日
出願番号 特願2008-505011
登録番号 特許第5239021号
出願日 平成19年2月17日(2007.2.17)
登録日 平成25年4月12日(2013.4.12)
国際出願番号 JP2007052893
国際公開番号 WO2007105411
国際出願日 平成19年2月17日(2007.2.17)
国際公開日 平成19年9月20日(2007.9.20)
優先権データ
  • 特願2006-061673 (2006.3.7) JP
発明者
  • 米須 章
出願人
  • 国立大学法人 琉球大学
発明の名称 プラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ生成方法 新技術説明会 外国出願あり
発明の概要 プラズマ点火前後のキャビティ内のインピーダンス変化が少ない上、キャビティの形状に影響され難く、プラズマの着火性を改善したプラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ生成方法を提供することを目的とする。
プラズマ生成用のガス9を導入し、大気中に排出する非導電性のガス流路管1と、該ガス流路管を取り巻く導電性アンテナ管2とを有し、該アンテナ管にマイクロ波7を照射し、該ガス流動管中のガスをプラズマ化するプラズマ発生装置において、
該アンテナ管2には、ガス流動管の管軸方向に沿って所定の長さのスリット3が形成されていることを特徴とする。
好ましくは、該スリットの長さは、照射するマイクロ波の半波長の整数倍に設定されていることを特徴とする。
従来技術、競合技術の概要


従来、大気圧中で発生させたプラズマを、高融点材料の溶接、半導体製造プロセスにおける表面洗浄、金属材料等の表面の改質、微粒子の生成など、各種の工業分野で利用することが行われている。また最近では、医療用器具の滅菌処理にもプラズマが利用されるなど、大気圧プラズマの用途が急速に拡大している。



大気圧中でのプラズマの生成方法としては、アーク放電によるプラズマの生成やマイクロ波によるガスの加熱方法などがある。
特許文献1では、電極間に高周波電圧を印加し、アーク放電によりプラズマを発生させることが開示されており、特に、該プラズマにより、注射針先端を加熱成形すると共に殺菌処理を行うことが開示されている。
【特許文献1】
特開平6-197930号公報



アーク放電による問題は、電極間に発生した電子やイオンが電極に衝突し、電極自体が高温となり、電極が損耗することであり、また、電極を構成する金属材料の一部がプラズマ中に放出され、プラズマに不純物が混入する可能性があることが挙げられる。
これに対し、特許文献2に示すように、石英パイプなどの非金属パイプにプラズマ用のガスを供給し、該金属パイプの周囲に配置した導体により、パイプ中のガスをマイクロ波加熱する方法では、導体に印加されたマイクロ波がパイプ中に侵入する励起電界を形成し、該励起電界によりガスが加熱され電離状態となる、所謂、無電極放電が可能であり、電極の損耗が無く不純物の混入も生じない。
【特許文献2】
特開2004-172044号公報



図1に特許文献2のプラズマ発生装置100の概略を示す。石英パイプ101を包囲する同軸形キャビティ102には、キャビティ励振用アンテナ105と内部電磁界検出用ループアンテナ106が接続されている。同軸形キャビティ102内において、石英パイプ101の上部側には石英パイプ101を取り囲む上部中心導体103と、下部側には同様に石英パイプ101を取り囲む下部中心導体104が配置されている。



図1(b)及び(c)は、図1(a)の同軸形キャビティ102内の断面図を示すものであり、上部中心導体103は、上端において同軸形キャビティ102の内面と導通している。また、下部中心導体104は、図1(b)に示すように、内側導体121と外側導体122とが空隙を設けて嵌合されるため、下部中心導体104の内部にチョーク構造が形成され、外部にマイクロ波が放出されるのを抑制している。さらに、下部中心導体104の下端は同軸形キャビティ102の内面と導通している。



次に、プラズマ発生装置100の動作について説明する。同軸形キャビティ102内は、高さがマイクロ波の半波長の整数倍に設定されているため、キャビティ励振用アンテナ105から入射力されたマイクロ波は、同軸形キャビティ102内で共振し、上部中心導体103と下部中心導体104との間に、図1(b)に示すような励起電界112を形成する。この励起電界112の影響により、石英パイプ101内を通過するガス110はプラズマ化されることとなる。この電界分布はTMモードの振動となっている。



石英パイプ101内のガスがプラズマ化されると、プラズマは導体と同様な働きを持つため、励起電界の分布は図1(c)の113に示すように、同軸形キャビティ102の内壁から石英パイプ101内のプラズマ方向に変化し、同軸モード(TEMモード)の電界となり、引き続き励起電界113により、石英パイプ101内のガスはプラズマ化されることとなる。



このプラズマ点火の前後における励起電界の分布変化は、同軸キャビティ102内のインピーダンス変化をもたらし、共振周波数を変化させることとなる。この周波数変化に対応するため、特許文献2では、内部電磁界検出用ループアンテナ106からの検出信号に基づきマイクロ波周波数の可変調整を行っている。また、インピーダンス変化が最小となるようキャビティの形状を選定することが示唆されている。



しかしながら、特許文献2のように、石英パイプの周囲に離間した2つの導体を配置し、
導体間にギャップGを形成する方法では、プラズマ点火前後でインピーダンスの変化が必然的に生じ、上述したような印加するマイクロ波周波数の調整が不可欠となる。このため、周波数調整のための機構が必要となり、装置全体が複雑化し、高コストなものとなる。また、キャビティ102の形状でインピーダンスの変化を最小とする方法を採用する場合には(なお、特許文献2には具体的な構成は開示されていない。)、キャビティ102の形状が限定される上、例えば、石英パイプを複数本配置するなど多様な変化に柔軟に対応することが困難なものとなる。

産業上の利用分野


この発明は、プラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ生成方法に関し、特に、大気中においてマイクロ波によるプラズマを生成することを可能とするプラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ生成方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
プラズマ生成用のガスを導入し、大気中に排出する非導電性のガス流路管と、該ガス流路管を取り巻く導電性のアンテナ管とを有し、該アンテナ管にマイクロ波を照射し、該ガス流動管中のガスをプラズマ化するプラズマ発生装置において、
マイクロ波発生器から発生したマイクロ波を伝播させると共に、断面形状が長方形の空間を有する導波管と、
該導波管の一部で、該導波管を形成する対向面を貫通するように、該アンテナ管を配置し、
該導波管内に位置する該アンテナ管には、該ガス流管の管軸方向に沿ってスリットが形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置。

【請求項2】
請求項1に記載のプラズマ発生装置において、該スリットは、スリットの一部がスリットの内側に突出した部分を有することを特徴とするプラズマ発生装置。

【請求項3】
請求項1又は2に記載のプラズマ発生装置において、該アンテナ管は、該ガス流路管のガスを排出する側の端部が、該ガス流路管に向かって折れ曲がっていることを特徴とするプラズマ発生装置。

【請求項4】
請求項1乃至のいずれかに記載のプラズマ発生装置において、該スリットの長さは、50mmより長く、60mmより短いことを特徴とするプラズマ発生装置。

【請求項5】
請求項1乃至のいずれかに記載のプラズマ発生装置において、該スリットは該ガス流路管の周囲に沿って少なくとも2つ以上配置されていることを特徴とするプラズマ発生装置。

【請求項6】
請求項1乃至のいずれかに記載のプラズマ発生装置において、該ガス流路管は複数本配置され、各ガス流路管毎に該アンテナ管を備えることを特徴とするプラズマ発生装置。

【請求項7】
請求項1乃至のいずれかに記載のプラズマ発生装置を用いたプラズマ生成方法において、
該ガス流路管内の気圧を大気圧より低い気圧に保持し、マイクロ波を照射してプラズマを点火するプラズマ点火工程と、
該プラズマ点火工程の後に、該ガス流路管内の気圧を大気圧状態とする大気圧工程とを有することを特徴とするプラズマ生成方法。

【請求項8】
請求項1乃至のいずれかに記載のプラズマ発生装置を用いたプラズマ生成方法において、
第1のガスを該ガス流路管内に供給し、マイクロ波を照射してプラズマを点火するプラズマ点火工程と、
該プラズマ点火工程後に、該第1のガスよりプラズマ化し難い第2のガスを、第1のガスと共に供給し、第2のガスをプラズマ化することを特徴とするプラズマ生成方法。

【請求項9】
請求項又はに記載のプラズマ生成方法において、大気圧状態でプラズマを点火した後に、該ガス流路管と該アンテナ管とを相対的に移動し、該ガス流路管のガス排出側の端部を該アンテナ管のスリット側の端部に近接させる移動工程を有することを特徴とするプラズマ生成方法。

【請求項10】
請求項乃至のいずれかに記載のプラズマ生成方法において、該アンテナ管に照射されるマイクロ波はパルス駆動され、該パルス駆動の休止期間が、プラズマ平均残存期間以内であることを特徴とするプラズマ生成方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
  • 2G084BB06
  • 2G084BB21
  • 2G084BB35
  • 2G084BB37
  • 2G084CC08
  • 2G084CC14
  • 2G084CC25
  • 2G084CC34
  • 2G084DD04
  • 2G084DD19
  • 2G084DD32
  • 2G084DD34
  • 2G084DD45
  • 2G084DD48
  • 2G084DD51
  • 2G084DD56
  • 2G084DD67
  • 2G084FF02
  • 2G084FF21
  • 2G084GG02
  • 2G084GG08
  • 2G084GG30
  • 2G084HH02
  • 2G084HH05
  • 2G084HH09
  • 2G084HH26
  • 2G084HH32
  • 2G084HH35
  • 2G084HH36
画像

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