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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-10
(45)【発行日】2024-05-20
(54)【発明の名称】プラズマ発生装置、プラズマ発生方法、および制御装置
(51)【国際特許分類】
H05H 1/34 20060101AFI20240513BHJP
【ＦＩ】
H05H1/34
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022522094
(86)(22)【出願日】2020-05-11
(86)【国際出願番号】 JP2020018789
(87)【国際公開番号】W WO2021229633
(87)【国際公開日】2021-11-18
【審査請求日】2023-03-23
(73)【特許権者】
【識別番号】000237271
【氏名又は名称】株式会社ＦＵＪＩ
(74)【代理人】
【識別番号】110000992
【氏名又は名称】弁理士法人ネクスト
(74)【代理人】
【識別番号】100162237
【弁理士】
【氏名又は名称】深津 泰隆
(74)【代理人】
【識別番号】100191433
【弁理士】
【氏名又は名称】片岡 友希
(72)【発明者】
【氏名】白木 聡一
(72)【発明者】
【氏名】岩田 卓也
(72)【発明者】
【氏名】瀧川 慎二
【審査官】大門 清
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１９／１２３５８４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００３／０７１８３９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／０７７３９１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｈ １／２４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
プラズマを発生させる電極を有するプラズマヘッドと、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有し、当該窒素ガスを前記電極に供給する窒素供給装置と、
前記窒素供給装置に接続され前記窒素ガスと空気との混合ガスを前記プラズマヘッドに供給する混合ガスチューブと、
前記窒素供給装置に接続され前記所定の濃度以上の窒素ガスを前記プラズマヘッドに供給する窒素ガスチューブと、
を備えるプラズマ発生装置であって、
前記窒素供給装置と第１窒素ガス供給路の間に第２窒素ガス供給路と、
前記窒素ガスチューブと第２窒素ガス供給路の間に第３窒素ガス供給路と、を備え、
前記第２窒素ガス供給路は前記第１窒素ガス供給路と前記第３窒素ガス供給路に枝分かれするものであり、
第２窒素ガス供給路上に前記膜により分離された前記窒素ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出器を備え、
前記酸素濃度検出器を利用して検出される窒素濃度が所定濃度に達した場合に、前記電極に電圧を印加するプラズマ発生装置。
【請求項2】
前記窒素供給装置と前記混合ガスチューブの間に前記空気と前記窒素ガスを混合する混合器を備える請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項3】
前記窒素供給装置と前記混合ガスチューブの間に第１窒素ガス供給路と前記混合ガスを混合する混合器を備える請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項4】
前記膜により分離された前記窒素ガスは、４０Ｌ／ｍｉｎ～８０Ｌ／ｍｉｎの流量で前記窒素供給装置から前記電極へ供給される請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
【請求項5】
前記窒素供給装置は、前記膜を内蔵する筒状の部材を有し、前記筒状の部材は、上下方向に延びる姿勢で配設されており、
前記筒状の部材の上部からエアが供給されることで、前記筒状の部材の下部から前記窒素ガスが排出される請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
【請求項6】
前記窒素供給装置は、工場で用いられる工場エアから前記窒素ガスを分離し、当該窒素ガスを供給する請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
【請求項7】
窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜によって当該窒素ガスを供給する窒素供給装置を用いて窒素ガスと空気との混合ガスを混合ガスチューブによってプラズマヘッドの電極に供給するとともに、前記窒素供給装置を用いて前記所定の濃度以上の窒素ガスを窒素ガスチューブによって前記プラズマヘッドの電極に供給することでプラズマを発生させるプラズマ発生方法であって、
前記窒素供給装置と第１窒素ガス供給路の間に第２窒素ガス供給路と、
前記窒素ガスチューブと第２窒素ガス供給路の間に第３窒素ガス供給路と、が配設され、
前記第２窒素ガス供給路は前記第１窒素ガス供給路と前記第３窒素ガス供給路に枝分かれするものであり、
第２窒素ガス供給路上に前記膜により分離された前記窒素ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出器が配設されており、
前記酸素濃度検出器を利用して検出される窒素濃度が所定濃度に達した場合に、前記電極に電圧を印加することで、プラズマを発生させるプラズマ発生方法。
【請求項8】
プラズマを発生させる電極が配設されるプラズマヘッドを備えるプラズマ発生装置の制御装置であって、前記プラズマ発生装置は、
窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有し、当該窒素ガスを前記電極に供給する窒素供給装置と、
前記窒素供給装置に接続され前記窒素ガスと空気との混合ガスを前記プラズマヘッドに供給する混合ガスチューブと、
前記窒素供給装置に接続され前記所定の濃度以上の窒素ガスを前記プラズマヘッドに供給する窒素ガスチューブと、
前記窒素供給装置と第１窒素ガス供給路の間に第２窒素ガス供給路と、
前記窒素ガスチューブと第２窒素ガス供給路の間に第３窒素ガス供給路と、
を備え、
前記第２窒素ガス供給路は前記第１窒素ガス供給路と前記第３窒素ガス供給路に枝分かれするものであり、
前記プラズマ発生装置は、
第２窒素ガス供給路上に前記膜により分離された前記窒素ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出器を備え、
前記窒素供給装置は、前記制御装置に配設されており、
前記制御装置は、
前記プラズマヘッドと別体であり、前記窒素供給装置から前記プラズマヘッドに窒素ガスを供給し、前記酸素濃度検出器を利用して検出される窒素濃度が所定濃度に達した場合に、前記電極に電圧を印加する制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、窒素を用いてプラズマ処理を行うプラズマ発生装置等に関するものである。
【背景技術】
【0002】
プラズマ発生装置では、下記特許文献に記載されているように、不活性ガスとして窒素を用いてプラズマ処理が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平１０－０３４３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本明細書は、窒素を適切に供給可能なプラズマ発生装置などの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するために、本明細書は、プラズマを発生させる電極を有するプラズマヘッドと、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有し、当該窒素ガスを前記電極に供給する窒素供給装置と、前記窒素供給装置に接続され前記窒素ガスと空気との混合ガスを前記プラズマヘッドに供給する混合ガスチューブと、前記窒素供給装置に接続され前記所定の濃度以上の窒素ガスを前記プラズマヘッドに供給する窒素ガスチューブと、を備えるプラズマ発生装置であって、前記窒素供給装置と第１窒素ガス供給路の間に第２窒素ガス供給路と、前記窒素ガスチューブと第２窒素ガス供給路の間に第３窒素ガス供給路と、を備え、前記第２窒素ガス供給路は前記第１窒素ガス供給路と前記第３窒素ガス供給路に枝分かれするものであり、第２窒素ガス供給路上に前記膜により分離された前記窒素ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出器を備え、前記酸素濃度検出器を利用して検出される窒素濃度が所定濃度に達した場合に、前記電極に電圧を印加するプラズマ発生装置を開示する。
【0006】
また、本明細書は、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜によって当該窒素ガスを供給する窒素供給装置を用いて窒素ガスと空気との混合ガスを混合ガスチューブによってプラズマヘッドの電極に供給するとともに、前記窒素供給装置を用いて前記所定の濃度以上の窒素ガスを窒素ガスチューブによって前記プラズマヘッドの電極に供給することでプラズマを発生させるプラズマ発生方法であって、前記窒素供給装置と第１窒素ガス供給路の間に第２窒素ガス供給路と、前記窒素ガスチューブと第２窒素ガス供給路の間に第３窒素ガス供給路と、が配設され、前記第２窒素ガス供給路は前記第１窒素ガス供給路と前記第３窒素ガス供給路に枝分かれするものであり、第２窒素ガス供給路上に前記膜により分離された前記窒素ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出器が配設されており、前記酸素濃度検出器を利用して検出される窒素濃度が所定濃度に達した場合に、前記電極に電圧を印加することで、プラズマを発生させるプラズマ発生方法を開示する。
【0007】
また、本明細書は、プラズマを発生させる電極が配設されるプラズマヘッドを備えるプラズマ発生装置の制御装置であって、前記プラズマ発生装置は、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有し、当該窒素ガスを前記電極に供給する窒素供給装置と、前記窒素供給装置に接続され前記窒素ガスと空気との混合ガスを前記プラズマヘッドに供給する混合ガスチューブと、前記窒素供給装置に接続され前記所定の濃度以上の窒素ガスを前記プラズマヘッドに供給する窒素ガスチューブと、前記窒素供給装置と第１窒素ガス供給路の間に第２窒素ガス供給路と、前記窒素ガスチューブと第２窒素ガス供給路の間に第３窒素ガス供給路と、を備え、前記第２窒素ガス供給路は前記第１窒素ガス供給路と前記第３窒素ガス供給路に枝分かれするものであり、前記プラズマ発生装置は、第２窒素ガス供給路上に前記膜により分離された前記窒素ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出器を備え、前記窒素供給装置は、前記制御装置に配設されており、前記制御装置は、前記プラズマヘッドと別体であり、前記窒素供給装置から前記プラズマヘッドに窒素ガスを供給し、前記酸素濃度検出器を利用して検出される窒素濃度が所定濃度に達した場合に、前記電極に電圧を印加する制御装置を開示する。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素ガスを分離する膜を有する窒素供給装置から、電極に窒素ガスが供給される。これにより、電極に窒素を適切に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】プラズマ装置を示す図である。
【図2】ガス供給部を示す概略図である。
【図3】窒素分離装置を示す断面図である。
【図4】プラズマヘッドを示す斜視図である。
【図5】電極及び本体側プラズマ通路の位置においてＸ方向及びＺ方向にプラズマヘッドを切断した断面図である。
【図7】従来のプラズマ発生装置を示す図である。
【図8】変形例のプラズマ発生装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例を、図を参照しつつ詳しく説明する。
【0011】
図１に示すように、プラズマ装置１０は、プラズマヘッド１１、ロボット１３、制御ボックス１５を備えている。プラズマヘッド１１は、ロボット１３に取り付けられている。ロボット１３は、例えば、シリアルリンク型ロボット（多関節型ロボットと呼ぶこともできる）である。プラズマヘッド１１は、ロボット１３の先端に保持された状態でプラズマガスを照射可能となっている。プラズマヘッド１１は、ロボット１３の駆動に応じて３次元的に移動可能となっている。
【0012】
制御ボックス１５は、コンピュータを主体として構成され、プラズマ装置１０を統括的に制御する。制御ボックス１５は、プラズマヘッド１１に電力を供給する電源部１５Ａ及びプラズマヘッド１１へガスを供給するガス供給部１５Ｂを有している。電源部１５Ａは、電源ケーブル１７を介してプラズマヘッド１１と接続されている。電源部１５Ａは、制御ボックス１５の制御に基づいて、プラズマヘッド１１の電極７３（図３及び図４参照）に印加する電圧を変更する。
【0013】
また、ガス供給部１５Ｂは、複数（本実施形態では４本）のガスチューブ１９を介してプラズマヘッド１１と接続されており、制御ボックス１５の制御に基づいて、後述する反応ガス、キャリアガス、ヒートガスをプラズマヘッド１１へ供給する。詳しくは、ガス供給部１５Ｂは、図２に示すように、ポンプ２０と、窒素分離装置２２と、エア供給路２４と、窒素供給路２６と、混合ガス供給路２８と、複数の流量調整器３０と、混合器３２と、酸素濃度検出器３４とを有している。ポンプ２０は、圧縮空気を送り出すものであり、エア供給路２４の一端部に接続されている。なお、圧縮空気は、工場で用いられる工場エアが用いられている。つまり、ポンプ２０は、工場エアを発生させるためのものであり、エア供給路２４に供給される圧縮空気として、工場エアが利用されている。また、エア供給路２４の他端部は、３本に枝分かれしている。そして、枝分かれした３本のエア供給路２４のうちの１本目のエア供給路２４ａが混合器３２に接続され、２本目のエア供給路２４ｂが窒素分離装置２２に接続され、３本目のエア供給路２４ｃがガスチューブ１９ｄに接続されている。
【0014】
また、窒素分離装置２２は、空気、つまり、窒素を含む気体から所定の濃度以上の窒素（以下、「窒素リッチガス」と記載する）を分離する装置であり、図３に示すように、ハウジング５０と分離膜５２とにより構成されている。ハウジング５０は、概して円筒形状をなし、ハウジング５０には、内周面から外周面に貫通する貫通穴５４が形成されている。そして、ハウジング５０の内部に分離膜５２が充填されており、その分離膜５２は、中空糸形状の高分子膜とされている。そして、ハウジング５０の一端部に、エア供給路２４ｂが接続され、ハウジング５０の他端部に、窒素供給路２６が接続されている。
【0015】
このような構造により、窒素分離装置２２は、ポンプ２０から送り出された圧縮空気から窒素リッチガスを分離し、窒素リッチガスを窒素供給路２６に供給する。具体的には、ハウジング５０の一端部から圧縮空気が送り込まれると、窒素と酸素との分子の大きさの相違に起因して、窒素はハウジング５０の内部の分離膜５２を軸方向に通過する。一方、酸素はハウジング５０の内部の分離膜５２を軸方向に通過することができず、径方向に排出される。このため、ハウジング５０の一端部から送り込まれた圧縮空気から窒素が分離されて、ハウジング５０の他端部から送り出される。なお、ハウジング５０に送り込まれる圧縮空気の圧力は、０．５ＭＰａである。また、圧縮空気から窒素が分離された気体、つまり、酸素がハウジング５０の貫通穴５４から排出される。これにより、所定の濃度以上、例えば、９９．９％の濃度の窒素リッチガスが、窒素供給路２６に供給される。
【0016】
なお、窒素分離装置２２では、ハウジング５０の長さ、つまり、ハウジング５０に充填される分離膜５２の容量などに応じて、分離される窒素リッチガスの濃度が定まる。このため、例えば、９９．９％の濃度の窒素リッチガスを分離するためには、１ｍ以上の長さのハウジング５０を有する窒素分離装置２２が必要となり、窒素分離装置２２は、図１に示すように、制御ボックス１５の内部において上下方向に延びる姿勢で配設されている。なお、窒素分離装置２２は、ハウジング５０の圧縮空気が送り込まれる端部が上方に位置し、ハウジング５０のリッチガスが排出される端部が下方に位置するように、配設される。つまり、窒素分離装置２２のハウジング５０の上部から圧縮空気が供給され、ハウジング５０の下部からリッチガスが排出されるように、窒素分離装置２２が制御ボックス１５の内部に配設されている。
【0017】
また、ハウジング５０の外径は２４４ｍｍであり、長さが１０８０ｍｍであるため、窒素分離装置２２は、制御ボックス１５の内部において、上下方向でのスペースをある程度、占有するが、左右方向でのスペースは然程、占有しない。なお、窒素分離装置２２では、上述したように、圧縮空気から窒素が分離された気体、つまり、酸素がハウジング５０の貫通穴５４から排出される。一方で、制御ボックス１５からプラズマヘッド１１の電極７３に電流を供給する電源ケーブル１７には、高電圧の電流が流される。このため、支燃性の高い酸素を、高電圧の電流が流される電源ケーブル１７から離れた位置に排出するべく、窒素分離装置２２は、制御ボックス１５の内部において背面側に配設されており、貫通穴５４は制御ボックス１５の背面に開口している。
【0018】
また、図２に示すように、窒素分離装置２２に接続されている窒素供給路２６の端部と反対側の端部は、３本に枝分かれしている。そして、枝分かれした３本の窒素供給路２６のうちの１本目の窒素供給路２６ａが混合器３２に接続され、２本目の窒素供給路２６がガスチューブ１９ｂに接続され、３本目の窒素供給路２６ｃがガスチューブ１９ｃに接続されている。また、混合器３２には、混合ガス供給路２８も接続されており、混合器３２において、エア供給路２４ａから供給された圧縮空気と、窒素供給路２６ａから供給された窒素リッチガスとが混合され、その混合されたガスが混合ガス供給路２８に供給される。そして、混合ガス供給路２８は、ガスチューブ１９ａに接続されている。
【0019】
このような構造により、ガス供給部１５Ｂからガスチューブ１９ａに、圧縮空気と窒素リッチガスとの混合ガスが供給され、ガスチューブ１９ｂ，１９ｃに窒素リッチガスが供給され、ガスチューブ１９ｃに圧縮空気が供給される。また、エア供給路２４ａに流量調整器３０ａが配置され、窒素供給路２６ａに流量調整器３０ｂが配置され、窒素供給路２６ｂに流量調整器３０ｃが配置され、窒素供給路２６ｃに流量調整器３０ｄが配置され、エア供給路２４ｃに流量調整器３０ｅが配置されている。これにより、各ガスチューブ１９に供給されるガスの流量が調整される。つまり、ガス供給部１５Ｂは、圧縮空気と窒素リッチガスとの混合ガス，窒素リッチガス，圧縮空気等のガスを、流量を調整した状態でプラズマヘッド１１に供給する。
【0020】
また、窒素分離装置２２に接続されている窒素供給路２６の枝分かれしていない箇所に、酸素濃度検出器３４が配設されている。これにより、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度を検出することができる。つまり、空気は、窒素，酸素，アルゴン，二酸化炭素を主成分として含んでおり、空気中の窒素は約７８％、空気中の酸素は約２１％、空気中のアルゴンは約０．９％、空気中の二酸化炭素は約０．０３％とされている。このため、空気から分離された窒素リッチガスでは、酸素を除けば殆ど窒素である。そこで、酸素濃度検出器３４により検出された酸素濃度を１００％から減じた数値が、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度となる。つまり、例えば、酸素濃度検出器３４により０．１％の酸素濃度が検出された場合には、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度は、９９．９（＝１００－０．１）％となる。このように、ガス供給部１５Ｂでは、圧縮空気から窒素リッチガスが分離され、その分離された窒素リッチガスの窒素濃度が酸素濃度検出器３４により管理されている。
【0021】
また、制御ボックス１５は、図１に示すように、タッチパネルや各種スイッチを有する操作部１５Ｃを備えている。制御ボックス１５は、各種の設定画面や動作状態（例えば、ガス供給状態など）等を操作部１５Ｃのタッチパネルに表示する。また、制御ボックス１５は、操作部１５Ｃに対する操作入力により各種の情報を受け付ける。
【0022】
また、プラズマヘッド１１は、図４に示すように、プラズマ生成部６０、ヒートガス供給部６２等を備えている。プラズマ生成部６０は、制御ボックス１５のガス供給部１５Ｂから供給された処理ガスをプラズマ化して、プラズマガスを生成する。ヒートガス供給部６２は、ガス供給部１５Ｂから供給されたガスを加熱してヒートガスを生成する。本実施形態のプラズマヘッド１１は、プラズマ生成部６０において生成したプラズマガスを、ヒートガス供給部６２によって生成したヒートガスとともに、図１に示す被処理物Ｗへ噴出する。プラズマヘッド１１には、図４に示す矢印の方向に上流側から下流側へと処理ガスが供給される。なお、プラズマヘッド１１は、ヒートガス供給部６２を備えない構成でも良い。即ち、本開示のプラズマ装置は、ヒートガスを用いない構成でも良い。
【0023】
図５及び図６に示すように、プラズマ生成部６０は、ヘッド本体部７１、一対の電極７３、プラズマ照射部７５等を含む。なお、図５は、一対の電極７３及び後述する複数の本体側プラズマ通路１１１の位置に合わせて切断した断面図であり、図６は、図５のＡＡ線における断面図である。ヘッド本体部７１は、耐熱性の高いセラミックにより成形されており、そのヘッド本体部７１の内部には、プラズマガスを発生させる反応室７７が形成されている。一対の電極７３の各々は、例えば、円柱形状をなしており、その先端部を反応室７７に突出させた状態で固定されている。以下の説明では、一対の電極７３を、単に電極７３と称する場合がある。また、一対の電極７３が並ぶ方向をＸ方向、プラズマ生成部６０とヒートガス供給部６２とが並ぶ方向をＹ方向、円柱形状の電極７３の軸方向をＺ方向と称して説明する。また、本実施形態では、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに直交する方向である。
【0024】
ヒートガス供給部６２は、ガス管８１、ヒータ８３、連結部８５等を備えている。ガス管８１及びヒータ８３は、ヘッド本体部７１の外周面に取り付けられ、図６に示すカバー８７によって覆われている。ガス管８１は、ガスチューブ１９ｄ（図２参照）を介して、制御ボックス１５のガス供給部１５Ｂに接続されている。これにより、ガス管８１には、ガス供給部１５Ｂから空気が供給される。ヒータ８３は、ガス管８１の途中に取り付けられている。ヒータ８３は、ガス管８１を流れる空気を温めてヒートガスを生成する。
【0025】
図６に示すように、連結部８５は、ガス管８１をプラズマ照射部７５に連結するものである。プラズマ照射部７５がヘッド本体部７１に取り付けられた状態では、連結部８５は、一端部をガス管８１に接続され、他端部をプラズマ照射部７５に形成されたヒートガス通路９１に接続される。ヒートガス通路９１には、ガス管８１を介してヒートガスが供給される。
【0026】
図６に示すように電極７３の一部の外周部は、セラミックス等の絶縁体で製造された電極カバー９３によって覆われている。電極カバー９３は、略中空筒状をなし、長手方向の両端部に開口が形成されている。電極カバー９３の内周面と電極７３の外周面との間の隙間は、ガス通路９５として機能する。電極カバー９３の下流側の開口は、反応室７７に接続されている。電極７３の下端は、電極カバー９３の下流側の開口から突出している。
【0027】
また、ヘッド本体部７１の内部には、反応ガス流路１０１と、一対のキャリアガス流路１０３とが形成されている。反応ガス流路１０１は、ヘッド本体部７１の略中央部に設けられ、ガスチューブ１９ａ（図２参照）を介してガス供給部１５Ｂと接続されている。これにより、反応ガス流路１０１は、ガスチューブ１９ａから供給されるガス、つまり、空気と窒素リッチガスとの混合ガスを反応室７７へ流入させる。また、一対のキャリアガス流路１０３は、Ｘ方向において反応ガス流路１０１を間に挟んだ位置に配置されている。一対のキャリアガス流路１０３は、ガスチューブ１９ｂ，１９ｃ（図２参照）を介してガス供給部１５Ｂと接続されている。これにより、ガスチューブ１９ｂ，１９ｃから供給される窒素リッチガスが、キャリアガス流路１０３に供給される。そして、キャリアガス流路１０３は、ガス通路９５を介して窒素リッチガスを反応室７７へ流入させる。
【0028】
反応ガス（種ガス）としては、酸素（Ｏ２）を採用できるため、ガス供給部１５Ｂは、ガスチューブ１９ａを介して、反応ガス流路１０１に、空気と窒素リッチガスとの混合ガスを供給し、反応室７７の電極７３の間に流入させる。以下、この混合ガスを、便宜的に反応ガスと呼び、酸素を種ガスと呼ぶ場合がある。また、キャリアガスとしては、窒素を採用できるが、所定の濃度以上の窒素が必要である。このため、ガス供給部１５Ｂは、ガスチューブ１９ｂ，１９ｃを介して、キャリアガス流路１０３に、窒素リッチガスを供給し、ガス通路９５の各々から、１対の電極７３の各々を取り巻くように窒素リッチガスを流入させる。以下、この窒素リッチガスを、便宜的にキャリアガスと呼ぶ場合がある。
【0029】
一対の電極７３には、制御ボックス１５の電源部１５Ａから交流の電圧が印加される。電圧を印加することによって、例えば、図５に示すように、反応室７７内において、一対の電極７３の下端の間に、擬似アークＡが発生する。この擬似アークＡを反応ガスが通過する際に、反応ガスは、プラズマ化される。従って、一対の電極７３は、擬似アークＡの放電を発生させ、反応ガスをプラズマ化し、プラズマガスを発生させる。
【0030】
また、ヘッド本体部７１における反応室７７の下流側の部分には、Ｘ方向に間隔を隔てて並び、Ｚ方向に伸びて形成された複数（本実施例においては、６本）の本体側プラズマ通路１１１が形成されている。複数の本体側プラズマ通路１１１の上流側の端部は、反応室７７に開口しており、複数の本体側プラズマ通路１１１の下流側の端部は、ヘッド本体部７１の下端面に開口している。
【0031】
プラズマ照射部７５は、ノズル１１３、ノズルカバー１１５等を備えている。ノズルカバー１１５は、Ｘ方向からの側面視において概してＴ字形をなし、ノズル本体１１７とノズル先端１１９とにより構成されている。なお、ノズル１１３は、ノズル本体１１７とノズル先端１１９とによる一体物であり、耐熱性の高いセラミックにより成形されている。ノズル本体１１７は、概してフランジ形状をなし、ボルト１２０により、ヘッド本体部７１の下面に固定されている。また、ノズル先端１１９は、ノズル本体１１７の下面から下方に向って延び出す形状とされている。そして、ノズル１１３には、ノズル本体１１７とノズル先端１１９とを上下方向、つまり、Ｚ方向に貫通する複数（本実施例においては、６本）のノズル側プラズマ通路１２１が形成されており、それら複数のノズル側プラズマ通路１２１は、Ｘ方向に間隔を隔てて並んでいる。なお、複数のノズル側プラズマ通路１２１は、Ｚ方向において複数の本体側プラズマ通路１１１と同じ位置に形成されている。このため、本体側プラズマ通路１１１とノズル側プラズマ通路１２１とは連通している。
【0032】
また、ノズルカバー１１５は、Ｘ方向からの側面視において概してＴ字形をなし、カバー本体１２５とカバー先端１２７とにより構成されている。なお、ノズルカバー１１５は、カバー本体１２５とカバー先端１２７とによる一体物であり、耐熱性の高いセラミックにより成形されている。カバー本体１２５は、板厚の概して板形状とされており、カバー本体１２５には、上面に開口するとともに、Ｚ方向に凹んだ形状の凹部１２９が形成されている。そして、その凹部１２９にノズル１１３のノズル本体１１７が収納されるように、カバー本体１２５が、ボルト１３０によりヘッド本体部７１の下面に固定されている。このため、ノズルカバー１１５は、ヘッド本体部７１に着脱可能とされており、ノズル１１３の交換時などに、ヘッド本体部７１から取り外される。さらに、カバー本体１２５には、Ｙ方向に延びるように、ヒートガス通路９１が形成されており、そのヒートガス通路９１の一端部が、凹部１２９に開口し、ヒートガス通路９１の他端部が、カバー本体１２５の側面に開口している。そして、カバー本体１２５の側面に開口するヒートガス通路９１の端部が、上記したヒートガス供給部６２の連結部８５に連結されている。
【0033】
カバー先端１２７は、カバー本体１２５の下面から下方に向って延び出している。カバー先端１２７には、Ｚ方向に貫通する１つの貫通孔１３３が形成されており、その貫通孔１３３の上端部は、カバー本体１２５の凹部１２９に連通している。そして、その貫通孔１３３に、ノズル１１３のノズル先端１１９が挿入されている。これにより、ノズル１１３は、ノズルカバー１１５により全体的に覆われている。なお、ノズル１１３のノズル先端１１９の下端と、ノズルカバー１１５のカバー先端１２７の下端とは、同じ高さに位置している。
【0034】
また、ノズル１１３がノズルカバー１１５により覆われた状態において、ノズルカバー１１５の凹部１２９の内部にノズル１１３のノズル本体１１７が位置し、ノズルカバー１１５の貫通孔１３３の内部にノズル１１３のノズル先端１１９が位置する。このような状態において、凹部１２９とノズル本体１１７との間及び、貫通孔１３３とノズル先端１１９との間に隙間が存在し、その隙間がヒートガス出力通路１３５として機能する。ヒートガス出力通路１３５には、ヒートガス通路９１を経てヒートガスが供給される。
【0035】
このような構造により、プラズマヘッド１１では、反応室７７で発生したプラズマガスは、キャリアガスとともに、本体側プラズマ通路１１１及びノズル側プラズマ通路１２１を流れ、ノズル側プラズマ通路１２１の下端の開口１２１Ａから噴出される。なお、プラズマガス噴出時におけるキャリアガスおよび、反応ガスに含まれる窒素リッチガスの流量は、流量調整器３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの作動により、４０Ｌ／ｍｉｎ～８０Ｌ／ｍｉｎの範囲内に制御されることで、充分なプラズマガスの噴出が担保される。また、ガス管８１からヒートガス通路９１へ供給されたヒートガスは、ヒートガス出力通路１３５を流れる。このヒートガスは、プラズマガスを保護するシールドガスとして機能するものである。ヒートガスは、ヒートガス出力通路１３５を流れ、ヒートガス出力通路１３５の下端の開口１３５Ａからプラズマガスの噴出方向に沿って噴出される。この際、ヒートガスは、ノズル側プラズマ通路１２１の開口１２１Ａから噴出されるプラズマガスの周囲を取り巻くように噴出される。このように、加熱したヒートガスをプラズマガスの周囲に噴出することで、プラズマガスの効能（濡れ性など）を高めること可能となり、プラズマガスの噴出によるプラズマ処理の効果が高められている。
【0036】
また、プラズマ装置１０では、プラズマヘッド１１によるプラズマガスの噴出時において、キャリアガスのガス濃度、つまり、窒素リッチガスの窒素濃度に基づいて、プラズマガスの噴出が管理されている。詳しくは、上述したように、制御ボックス１５のガス供給部１５Ｂでは、窒素分離装置２２により空気から窒素リッチガスが分離されている。そして、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度が酸素濃度検出器３４を利用して検出されている。そこで、酸素濃度検出器３４を利用して検出される窒素濃度が設定濃度、具体的には、例えば、９９．９％に達した場合に、電極７３に電圧が印加される。つまり、窒素濃度が９９．９％に達するまでの間は、窒素濃度の上昇待ちの状態となり、電極７３に電圧が印加されない。この際、制御ボックス１５の操作部１５Ｃのタッチパネルに、窒素濃度の上昇待ちの状態であることが表示される。そして、窒素濃度が９９．９％に達すると、電極７３に電圧が印加されることで、プラズマヘッド１１からプラズマガスが噴出される。これにより、高濃度の窒素リッチガスをキャリアガスとして用いることが可能となり、適切なプラズマ処理を行うことができる。
【0037】
また、プラズマガスの噴出時において、酸素濃度検出器３４を利用して検出される窒素濃度が監視されており、窒素濃度が９９．９％未満となった場合に、制御ボックス１５の操作部１５Ｃのタッチパネルに警告画面が表示される。これにより、作業者がキャリアガスの窒素濃度の低下を認識することができ、ユーザビリティが向上する。また、キャリアガスの窒素濃度の低下時において、プラズマガスの噴出を停止させずに、警告画面を表示することで、プラズマ処理の継続の判断を作業者に委ねることができる。これにより、例えば、作業者が、窒素濃度の低下によるプラズマ処理への影響が軽微であると判断した場合には、プラズマ処理が継続されることで、プラズマ照射中の被処理物Ｗの廃棄を抑制することができる。なお、窒素濃度の低下により被処理物Ｗの品質を担保できない窒素濃度が最低濃度として設定されており、酸素濃度検出器３４を利用して検出される窒素濃度が、その最低濃度以下となった場合には、電極７３への電圧印加が停止する。これにより、プラズマ装置１０によるプラズマ処理の品質が担保される。
【0038】
因みに、プラズマ装置１０は、プラズマ発生装置の一例である。プラズマヘッド１１は、ヘッドの一例である。制御ボックス１５は、制御装置の一例である。窒素分離装置２２は、窒素供給装置の一例である。酸素濃度検出器３４は、酸素濃度検出器の一例である。ハウジング５０は、筒状の部材の一例である。分離膜５２は、膜の一例である。電極７３は、電極の一例である。
【0039】
以上、上記した本実施形態では、以下の効果を奏する。
【0040】
プラズマ装置１０では、分離膜５２を有する窒素分離装置２２、所謂、分離膜方式の窒素供給装置により圧縮空気から窒素リッチガスを分離し、分離した窒素リッチガスが電極７３に供給されている。窒素分離装置２２は、上述したように、円筒形状のハウジング５０により構成されており、上下方向に延びる姿勢で制御ボックス１５の内部に配設されている。このため、窒素分離装置２２は、制御ボックス１５の内部において、上下方向でのスペースをある程度、占有するが、左右方向でのスペースは然程、占有しない。これにより、制御ボックス１５の配設スペースの増大を抑制することができる。また、窒素分離装置２２、つまり、分離膜方式の窒素供給装置は、比較的安価であり、プラズマ装置１０のコスト上昇を抑制することもできる。
【0041】
一方で、従来のプラズマ装置では、図７に示すように、制御ボックス１５０の隣に窒素発生器１５２が配設されており、制御ボックス１５０は、窒素発生器１５２により発生させられた窒素リッチガスをプラズマヘッド１１に供給している。窒素発生器１５２には、一般的に、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式の窒素供給装置が内蔵されている。ＰＳＡ方式の窒素供給装置は、吸着剤に酸素を吸着させることで、空気から窒素を分離させるものであり、構造的に複雑かつ大型な装置である。このため、窒素発生器１５２を配設するべく、大きなスペースを確保する必要がある。また、ＰＳＡ方式の窒素供給装置は、構造的に複雑なため、比較的高価であることから、ユーザのコスト的な負担が大きくなる。このため、プラズマ装置１０では、ＰＳＡ方式の窒素供給装置でなく、分離膜方式の窒素供給装置を採用することで、配設スペースの抑制および、ユーザのコスト的な負担をも抑制することが可能とされている。
【0042】
なお、ＰＳＡ方式の窒素供給装置は、構造上、９９．９９％の窒素リッチガスを分離することが可能であるが、分離膜方式の窒素供給装置は、９９．９９％の窒素リッチガスを分離することはできず、９９．９％の窒素リッチガスしか分離できない。しかしながら、プラズマ装置１０では、９９．９９％もの高純度の窒素リッチガスは必要がなく、９９．９％の窒素リッチガスで充分に適切なプラズマ処理を担保することができる。このため、プラズマ装置１０では、配設スペース，コスト等を考慮して、ＰＳＡ方式の窒素供給装置でなく、分離膜方式の窒素供給装置が採用されている。
【0043】
また、電極７３はプラズマヘッド１１に配設されており、窒素分離装置２２は、プラズマヘッド１１と別体の制御ボックス１５に配設されている。そして、制御ボックス１５は、電力と、窒素分離装置２２により空気から分離された窒素リッチガスとをプラズマヘッド１１に供給する。このように、電極７３と窒素分離装置２２とを、それぞれ異なるデバイスに配設することで、それぞれのデバイスをコンパクトにすることができる。
【0044】
また、窒素分離装置２２は、酸素濃度検出器３４を備えており、窒素分離装置２２により空気から分離された窒素リッチガスの酸素濃度が、酸素濃度検出器３４により測定される。これにより、酸素濃度検出器３４により測定された酸素濃度に基づいて、窒素リッチガスの窒素濃度を管理することが可能となり、適切なプラズマ処理を担保することができる。
【0045】
また、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスは、４０Ｌ／ｍｉｎ～８０Ｌ／ｍｉｎの流量でガス供給部１５Ｂからプラズマヘッド１１の電極７３に供給される。これにより、充分な量の窒素リッチガスを用いてプラズマ処理を行うことができる。
【0046】
また、窒素分離装置２２は、円筒形状のハウジング５０を有しており、そのハウジング５０に分離膜５２が内蔵されている。そして、そのハウジング５０が上下方向に延びる姿勢で配設されており、ハウジング５０の上部から圧縮空気が供給されることで、ハウジング５０の下部から窒素リッチガスが排出される。これにより、窒素分離装置２２が配設される制御ボックス１５の大型化を抑制することができる。
【0047】
また、窒素分離装置２２に供給される圧縮空気として、工場で用いられる工場エアが使用されている。これにより、窒素分離装置専用の圧縮空気を発生させる装置の配設を抑制することができる。
【0048】
尚、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。具体的には、例えば、電極７３と窒素分離装置２２とが、それぞれ異なるデバイスに配設されているが、１つのデバイスに配設されてもよい。このような場合に、そのデバイスは大型化するが、ガスチューブ１９などをデバイス内に配設することができる。ただし、窒素分離装置２２では、上述したように、ハウジング５０の貫通穴５４から支燃性の高い酸素が排出されており、電極７３には、電圧が印加されることを考慮すると、電極７３と窒素分離装置２２とは、それぞれ異なるデバイスに配設されることが望ましい。
【0049】
また、上記実施例では、窒素分離装置２２において、圧縮空気から窒素が分離された気体、つまり、酸素がハウジング５０の貫通穴５４からそのまま排出されているが、酸素を一定の濃度に薄めて排出してもよい。
【0050】
また、上記実施例では、制御ボックス１５から電力及び窒素ガスリッチガスがプラズマヘッド１１に供給されているが、電力は制御ボックス１５と異なるデバイスからプラズマヘッド１１に供給されてもよい。つまり、電源部１５Ａを制御ボックス１５と異なるデバイスに配設し、その異なるデバイスから電力がプラズマヘッド１１に供給されてもよい。
【0051】
また、上記実施例では、酸素濃度検出器３４を用いて、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの酸素濃度が測定され、測定された酸素濃度に基づいて、窒素リッチガスの窒素濃度が演算されている。一方で、窒素濃度検出器を用いて、窒素分離装置２２により分離された窒素リッチガスの窒素濃度が直接的に測定されてもよい。
【0052】
また、上記実施例では、窒素分離装置２２が１本のハウジング５０により構成されているが、複数本のハウジングにより構成される窒素分離装置を採用してもよい。具体的には、例えば、図８に示すように、３本のハウジング１６０により構成される窒素分離装置１６２を採用してもよい。このように、窒素分離装置１６２が３本のハウジング１６０により構成される場合に、ハウジング１６０の外径は、ハウジング５０の外径の半分以下となり、ハウジング１６０の長さは、ハウジング５０の長さより僅かに長くなる。具体的には、ハウジング１６０外径は１０９ｍｍであり、ハウジング１６０の長さは１１１０ｍｍである。また、ハウジング１６０の内部に送り込まれる圧縮空気の圧力は、０．９～１．０ＭＰａである。
【符号の説明】
【0053】
１０：プラズマ装置（プラズマ発生装置） １１：プラズマヘッド（ヘッド） １５：制御ボックス（制御装置） ２２：窒素分離装置（窒素供給装置） ３４：酸素濃度検出器 ５０：ハウジング（筒状の部材） ５２：分離膜（膜） ７３：電極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】