特許 7475084 同軸型マイクロ波プラズマトーチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-18

(45)【発行日】2024-04-26

(54)【発明の名称】同軸型マイクロ波プラズマトーチ

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/30 20060101AFI20240419BHJP

【ＦＩ】

H05H1/30

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023002373

(22)【出願日】2023-01-11

【審査請求日】2023-05-17

(73)【特許権者】

【識別番号】392036326

【氏名又は名称】株式会社アドテックプラズマテクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高原 敏浩

(72)【発明者】

【氏名】浦山 卓也

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 嘉信

(72)【発明者】

【氏名】小川 誠

【審査官】小林 幹

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２５９８０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０１３６５１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－２９３９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１１２７８２０６（ＣＮ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２２／０６０６２４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ １／００－１／５４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内側の放電アンテナおよび外側の対向電極からなる同軸構造を有する本体と、前記本体における前記放電アンテナの基端側に設けられたマイクロ波入力部と、前記本体における前記放電アンテナの先端側に設けられ、プラズマ出口に連通したプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部にガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成部においてプラズマを点火させるイグニッション機構と、を備えた同軸型マイクロ波プラズマトーチにおいて、
前記イグニッション機構が、前記プラズマ生成部に対して前記ガスの流れの上流側に設けられ、前記プラズマ生成部に点火用プラズマを供給する、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置からなっていることを特徴とする同軸型マイクロ波プラズマトーチ。

【請求項2】

前記プラズマ発生装置が、
筒状の誘電体からなり、一端が前記本体に接続されて前記同軸構造の内部空間に開口するとともに、前記一端の開口が前記放電アンテナの先端に向けられたイグニッションガス管と、
前記イグニッションガス管の他端に接続されたイグニッションガス供給部と、
前記イグニッションガス管の外側に設けられた一対の電極と、
前記一対の電極に交流の高電圧を印加する電源部と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の同軸型マイクロ波プラズマトーチ。

【請求項3】

前記プラズマ発生装置の前記一対の電極が、それぞれ絶縁体で被覆された平行な２本の導線を前記イグニッションガス管の外側に巻き付けたものからなり、
前記２本の導線のうちの一方の導線の一端と、前記２本の導線のうちの他方の導線の、前記一方の導線の前記一端から遠い方の端との間に前記電源部が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の同軸型マイクロ波プラズマトーチ。

【請求項4】

前記プラズマ発生装置の前記一対の電極が、前記イグニッションガス管を間に挟んで対向配置された一対の半円筒状電極からなり、前記一対の半円筒状電極の互いに対向する側縁間にはギャップが形成され、前記一対の半円筒状電極間に前記電源部が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の同軸型マイクロ波プラズマトーチ。

【請求項5】

前記プラズマ発生装置の前記一対の電極が、前記イグニッションガス管の外側に嵌め込まれ、前記イグニッションガス管の軸方向において対向配置された一対の円筒状電極からなり、前記一対の円筒状電極の互いに対向する端縁間には絶縁体が配置され、前記一対の円筒状電極間に前記電源部が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の同軸型マイクロ波プラズマトーチ。

【請求項6】

前記プラズマ発生装置が、
前記ガス供給部に含まれ、一端が前記本体に接続されて前記同軸構造の内部空間に開口し、他端において前記ガスの供給を受ける誘電体製のガス管路と、
前記ガス管路の外側に設けられた一対の電極と
前記一対の電極に交流の高電圧を印加する電源部と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の同軸型マイクロ波プラズマトーチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、大気圧中においてプラズマを発生し得るマイクロ波プラズマトーチ、とりわけ、同軸型マイクロ波プラズマトーチに関するものである。

【背景技術】

【0002】

大気圧中でマイクロ波によってプラズマを発生させることは、プラズマ生成ガスとして特定のガス（アルゴンやヘリウム等）を使用する場合を除いて一般的に容易ではない。
そのため、マイクロ波を用いた大気圧プラズマの生成には、プラズマを点火させるイグニッション機構が必要になる。

【0003】

従来のイグニッション機構は、アーク放電を利用した機械式のものであり、例えば、アーク放電電極と、アーク放電電極をマイクロ波プラズマトーチのプラズマ点火位置（マイクロ波電界強度が高い位置）と、プラズマ点火位置から退避した退避位置との間で運動させる機構と、アーク放電電極に電圧を印加する電源とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

そして、このイグニッション機構を備えたマイクロ波プラズマトーチにおいては、マイクロ波プラズマトーチにプラズマ生成ガスおよびマイクロ波が供給された状態で、イグニッション機構のアーク放電電極が退避位置からプラズマ点火位置まで移動し、アーク放電が行われて、マイクロ波プラズマトーチのプラズマ生成領域（放電アンテナの先端）においてプラズマが点火される。
プラズマ点火後は、アーク放電電極は瞬時に点火位置から退避位置へ移動する。

【0005】

しかしながら、この従来のイグニッション機構によれば、アーク放電電極をプラズマの点火位置と退避位置との間で運動させる必要があり、そのため、イグニッション機構を小型化することが難しいという問題があり、また、アーク放電によってアーク放電電極から飛散する金属片がプラズマの被処理物のコンタミの原因になるという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００４－２２１０１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

したがって、本発明の課題は、コンパクトで、コンタミを発生させないイグニッション機構を備えた同軸型マイクロ波プラズマトーチを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、本発明によれば、内側の放電アンテナおよび外側の対向電極からなる同軸構造を有する本体と、前記本体における前記放電アンテナの基端側に設けられたマイクロ波入力部と、前記本体における前記放電アンテナの先端側に設けられ、プラズマ出口に連通したプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部にガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成部においてプラズマを点火させるイグニッション機構と、を備えた同軸型マイクロ波プラズマトーチにおいて、前記イグニッション機構が、前記プラズマ生成部に対して前記ガスの流れの上流側に設けられ、前記プラズマ生成部に点火用プラズマを供給する、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置からなっていることを特徴とする同軸型マイクロ波プラズマトーチが提供される。

【0009】

本発明の好ましい実施例によれば、前記プラズマ発生装置が、筒状の誘電体からなり、一端が前記本体に接続されて前記同軸構造の内部空間に開口するとともに、前記一端の開口が前記放電アンテナの先端に向けられたイグニッションガス管と、前記イグニッションガス管の他端に接続されたイグニッションガス供給部と、前記イグニッションガス管の外側に設けられた一対の電極と、前記一対の電極に交流の高電圧を印加する電源部と、を備えている。

【0010】

本発明の別の好ましい実施例によれば、前記プラズマ発生装置の前記一対の電極が、それぞれ絶縁体で被覆された平行な２本の導線を前記イグニッションガス管の外側に巻き付けたものからなり、前記２本の導線のうちの一方の導線の一端と、前記２本の導線のうちの他方の導線の、前記一方の導線の前記一端から遠い方の端との間に前記電源部が接続されている。

【0011】

本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記プラズマ発生装置の前記一対の電極が、前記イグニッションガス管を間に挟んで対向配置された一対の半円筒状電極からなり、前記一対の半円筒状電極の互いに対向する側縁間にはギャップが形成され、前記一対の半円筒状電極間に前記電源部が接続されている。

【0012】

本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記プラズマ発生装置の前記一対の電極が、前記イグニッションガス管の外側に嵌め込まれ、前記イグニッションガス管の軸方向において対向配置された一対の円筒状電極からなり、前記一対の円筒状電極の互いに対向する端縁間には絶縁体が配置され、前記一対の円筒状電極間に前記電源部が接続されている。

【0013】

本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記プラズマ発生装置が、前記ガス供給部に含まれ、一端が前記本体に接続されて前記同軸構造の内部空間に開口し、他端において前記ガスの供給を受ける誘電体製のガス管路と、前記ガス管路の外側に設けられた一対の電極と前記一対の電極に交流の高電圧を印加する電源部と、を備えている。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、同軸型マイクロ波プラズマトーチのイグニッション機構を、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置から構成し、このプラズマ発生装置から点火用プラズマを、同軸型マイクロ波プラズマトーチのプラズマ生成部に供給してプラズマ点火を行うようにしたので、イグニッション機構のコンパクト化が実現できるとともに、コンタミの発生も防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の１実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの軸方向に沿った断面図である。

【図2】本発明の別の実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの図１に類似の図である。

【図3】本発明のさらに別の実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの図１に類似の図である。

【図4】本発明のさらに別の実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの図１に類似の図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の１実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの軸方向に沿った断面図である。

【0017】

図１を参照して、本発明の同軸型マイクロ波プラズマトーチは、内側の放電アンテナ２および外側の対向電極３からなる同軸構造を有する本体１と、本体１における放電アンテナ２の基端側に設けられたマイクロ波入力部４と、本体１における放電アンテナ２の先端側に設けられ、プラズマ出口５に連通したプラズマ生成部６と、プラズマ生成部６に（プラズマ生成）ガスを供給するガス供給部７とを備えている。

【0018】

なお、図１中、マイクロ波入力部４として、マイクロ波伝送用同軸ケーブルを、放電アンテナ２および対向電極３のそれぞれと接続するための接続部８のみが代表的に描かれ、ガス供給部７として、一端１０ａが本体１に接続されて同軸構造の内部空間９に開口し、他端１０ｂにおいてガス供給源（図示されない）に接続されたガス管路１０のみが代表的に描かれている点に留意されたい。
また、図１中、１８は、放電アンテナ２を対向電極３の内側空間内において、対向電極３と同軸に保持する誘電体製の保持部材である。

【0019】

放電アンテナ２の先端２ａは半球状に形成され、誘電体によってコーティングされている。
また、対向電極３における放電アンテナ２の先端２ａに対向する部分は、プラズマ出口５に向けて先細り状に形成され、対向電極３における放電アンテナ２に対向する面が誘電体によってコーティングされている。

【0020】

本発明の同軸型マイクロ波プラズマトーチは、さらに、プラズマ生成部６においてプラズマを点火させるイグニッション機構１１を備えている。
イグニッション機構１１は、プラズマ生成部６に点火用プラズマを供給する、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置からなっている。

【0021】

このプラズマ発生装置は、筒状の誘電体からなり、一端１２ａが本体１に接続されて同軸構造の内部空間９に開口するとともに、当該一端１２ａの開口が放電アンテナ２の先端２ａに向けられたイグニッションガス管１２と、イグニッションガス管１２の他端１２ｂに接続されたイグニッションガス供給部１３と、イグニッションガス管１２の外側に設けられた一対の電極１４ａ、１４ｂと、一対の電極１４ａ、１４ｂに交流の高電圧を印加する電源部１５とを備えている。

【0022】

一対の電極１４ａ、１４ｂは、この実施例では、それぞれ絶縁体で被覆された平行な２本の導線１６、１７をイグニッションガス管１２の外側に巻き付けたものからなっている。
そして、２本の導線１６、１７のうちの一方の導線１６の一端１６ａと、２本の導線１６、１７のうちの他方の導線１７の、一方の導線１６の一端１６ａから遠い方の端１７ａとの間に電源部１５が接続されている。
なお、導線１６の他端１６ｂおよび導線１７の端１７ｂは開放端となっている。

【0023】

次に、この同軸型マイクロ波プラズマトーチの動作を説明する。
まず、ガス供給部７のガス管路１０を通じて、同軸構造の内部空間９に（プラズマ生成）ガスが供給されるとともに、マイクロ波入力部４から放電アンテナ２および対向電極３にマイクロ波が供給される。

【0024】

次いで、イグニッション機構１１のイグニッションガス供給部１３からイグニッションガス管１２にイグニッションガスが供給され、イグニッション機構１１の一対の電極１４ａ、１４ｂ（２本のコイル状の導線１６、１７）に交流の高電圧が印加される。

【0025】

こうして、２本のコイル状の導線１６、１７は陰極と陽極を構成し、イグニッションガス管１２の内部における隣り合う導線１６、１７間のギャップに対応する領域に点火用プラズマが生成される。

【0026】

生成された点火用プラズマは、イグニッションガス管１２の一端１２ａから本体１の内部空間９内に進入して放電アンテナ２の先端２ａに達し、プラズマ生成室６においてマイクロ波による大気圧プラズマを点火させる。

【0027】

プラズマ点火後、イグニッション機構の動作が停止せしめられ。生成された大気圧プラズマがプラズマ出口５から外部に照射される。

【0028】

本発明によれば、放電アンテナ２の先端２ａを半球状に形成したので、放電アンテナ２の先端２ａから均等な電界が放射され、生成されたプラズマの安定性が向上する。
さらに、対向電極３における放電アンテナ２の先端２ａに対向する部分をプラズマ出口５に向けて先細り状に形成したことで、放電アンテナ２の半球状の先端２ａからの均一な電界放射がより促進され、プラズマのより安定した生成が可能になる。

【0029】

さらには、放電アンテナ２の先端２ａと、対向電極３における放電アンテナ２に対向する面に誘電体のコーティングを施したことで、プラズマ化したガスによる放電アンテナ２および対向電極３のダメージ（酸化やエッチング）が低減し、それらの寿命が延びる。

【0030】

さらに、本発明によれば、イグニッション機構を、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置から構成し、このプラズマ発生装置で生成した点火用プラズマを、同軸型マイクロ波プラズマトーチの本体１のプラズマ生成部６に供給して、プラズマ点火を行うようにしたので、イグニッション機構１１のコンパクト化が実現できるとともに、コンタミの発生も防止することができる。

【0031】

図２は、本発明の別の実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの図１に類似の図である。
図２の実施例は、図１の実施例と、イグニッション機構の一対の電極の構成のみが異なる。よって、図２中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。

【0032】

この実施例では、一対の電極１４ａ、１４ｂが、イグニッションガス管１２を間に挟んで対向配置された一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂからなっている。
そして、一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂの互いに対向する側縁間にはギャップが形成され、一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂ間に電源部１５が接続されている。

【0033】

この実施例によれば、イグニッション機構１１のイグニッションガス供給部１３からイグニッションガス管１２にイグニッションガスが供給され、イグニッション機構１１の一対の電極１４ａ、１４ｂ（一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂ）に交流の高電圧が印加されると、イグニッションガス管１２の内部における一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂの互いに対向する側縁間のギャップに対応する領域に点火用プラズマが生成される。

【0034】

図３は、本発明のさらに別の実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの図１に類似の図である。
図３の実施例は、図１の実施例と、イグニッション機構の一対の電極の構成のみが異なる。よって、図３中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。

【0035】

この実施例では、一対の電極１４ａ、１４ｂが、イグニッションガス管１２の外側に嵌め込まれ、イグニッションガス管１２の軸方向において対向配置された一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂからなり、一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂの互いに対向する端縁間には絶縁体２１が配置され、一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂ間に電源部１５が接続されている

【0036】

この実施例によれば、イグニッション機構１１のイグニッションガス供給部１３からイグニッションガス管１２にイグニッションガスが供給され、イグニッション機構１１の一対の電極１４ａ、１４ｂ（一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂ）に交流の高電圧が印加されると、イグニッションガス管１２の内部における一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂの互いに対向する端縁間のギャップに対応する領域に点火用プラズマが生成される。

【0037】

図４は、本発明のさらに別の実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの図１に類似の図である。
図４に示すように、この実施例では、イグニッション機構１がガス供給部７のガス管路１０に備えられ、ガス管路１０がイグニッション機構１１の一部（イグニッションガス管）を構成する。

【0038】

この場合、ガス管路１０の少なくともイグニッション機構１を構成する部分は誘電体から形成され、誘電体製のガス管路１０の外側に一対の電極１４ａ、１４ｂが設けられ、一対の電極１４ａ、１４ｂ間に交流の高電圧を印加する電源部１５が接続されている。
この実施例では、一対の電極１４ａ、１４ｂおよび電源部１５の構成は、図１の実施例と同じである

【0039】

この実施例は（プラズマ生成）ガスとイグニッションガスが同一種類の場合に有効であり、この実施例によれば、本体２に別途イグニッションガス管を接続する必要がなく、同軸型マイクロ波プラズマトーチの全体をよりコンパクト化することができる。

【0040】

以上、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明したが、本発明の構成は上記実施例に限定されず、当業者が添付の特許請求の範囲に記載した構成の範囲内で種々の変形例を案出し得ることは言うまでもない。

【0041】

例えば、点火用プラズマを生成するイグニッション機構の構成は、上記実施例に限定されず、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置からなっておればどのような構成であってもよく、より好ましくは、筒状の誘電体からなり、一端が本体に接続されて同軸構造の内部空間に開口するとともに、一端の開口が放電アンテナの先端に向けられたイグニッションガス管と、イグニッションガス管の他端に接続されたイグニッションガス供給部と、イグニッションガス管の外側に設けられた一対の電極と、一対の電極に交流の高電圧を印加する電源部とを備えておればよい。

【符号の説明】

【0042】

１ 本体
２ 放電アンテナ
２ａ 先端
３ 対向電極
４ マイクロ波入力部
５ プラズマ出口
６ プラズマ生成部
７ ガス供給部
８ 同軸ケーブル接続部
９ 内部空間
１０ ガス管路
１０ａ 一端
１０ｂ 他端
１１ イグニッション機構
１２ イグニッションガス管
１２ａ 一端
１２ｂ 他端
１３ イグニッションガス供給部
１４ａ、１４ｂ 一対の電極
１５ 電源部
１６ 導線
１６ａ 一端
１６ｂ 他端
１７ 導線
１７ａ、１７ｂ 端
１８ 保持部材
１９ａ、１９ｂ 半円筒状電極
２０ａ、２０ｂ 円筒状電極
２１ 絶縁体

【要約】

【課題】コンパクトで、コンタミを発生させないイグニッション機構を備えた同軸型マイクロ波プラズマトーチを提供する。
【解決手段】放電アンテナ２及び対向電極３からなる同軸構造を有する本体１と、本体の放電アンテナ基端側に設けられたマイクロ波入力部４と、本体の放電アンテナ先端２ａ側に設けられ、プラズマ出口５に連通したプラズマ生成部６と、プラズマ生成部にガスを供給するガス供給部７と、プラズマ点火用のイグニッション機構１１を備える。イグニッション機構は、一端１２ａが本体に接続されて同軸構造の内部空間に開口し、一端開口が放電アンテナの先端に向けられた誘電体製のイグニッションガス管１２と、イグニッションガス管の他端１２ｂに接続されたイグニッションガス供給部１３と、イグニッションガス管の外側に設けられた一対の電極１４ａ、１４ｂと、一対の電極に接続された電源部１５を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】