知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】2024-11-18
(45)【発行日】2024-11-26
(54)【発明の名称】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置
(51)【国際特許分類】
H05H 1/24 20060101AFI20241119BHJP
【ＦＩ】
H05H1/24
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021147564
(22)【出願日】2021-09-10
(65)【公開番号】P2023040527
(43)【公開日】2023-03-23
【審査請求日】2024-03-19
(73)【特許権者】
【識別番号】000102212
【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000729
【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】中村 謙介
(72)【発明者】
【氏名】平岡 尊宏
【審査官】大門 清
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１７４１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－３０３８１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００９／０６９２０４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１６／１３６６６９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／０３０１９１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２２５５０２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｈ １／２４
Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５
Ｈ０１Ｌ ２１／３１
Ｃ２３Ｃ １６／５１３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一方向に延在する板形状を呈し、第一面と、前記第一方向に直交する第二方向に関して前記第一面とは反対側に位置する第二面とを有する誘電体基板と、前記誘電体基板の前記第一面側に配置された第一電極と、
前記誘電体基板の前記第二面から前記第二方向に離間した位置に配置された第二電極と、
前記誘電体基板と前記第二電極との間の空隙によって形成され、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向にガスが通流するガス流路と、
前記ガス流路の前記第三方向に係る一方の端部である第一端に設けられ、前記第一方向に延在する吹出口とを備え、
前記誘電体基板の前記第一面は、少なくとも前記第三方向に関して前記吹出口とは反対側の端部である第二端から第一基準箇所までの間が前記第三方向に平行な平坦面であり、
前記誘電体基板の前記第二面は、少なくとも前記第三方向に関して前記第二端から第二基準箇所までの間が前記第三方向に平行な平坦面であり、
前記誘電体基板の前記第二面に前記ガス流路を介して対向する前記第二電極の主面である第三面は、少なくとも前記第三方向に関して前記第二端から第三基準箇所までの間が前記第三方向に平行な平坦面であり、
前記第一基準箇所から前記第一端までの第一特定領域内の前記第一面、前記第二基準箇所から前記第一端までの第二特定領域内の前記第二面、及び前記第三基準箇所から前記第一端までの第三特定領域内の前記第三面のうち、少なくともいずれか１つの面は、前記第三方向に対する傾斜面であり、
前記第一電極は、少なくとも前記第一基準箇所と前記第一端との間に配置されており、
前記第一方向に見たときに、前記第一特定領域内の前記第一面と前記第三方向とのなす角度をα、前記第二特定領域内の前記第二面と前記第三方向とのなす角度をβ、及び前記第三特定領域内の前記第三面と前記第三方向とのなす角度γが、下記（１）式及び（２）式の両者を満たすことを特徴とする、誘電体バリア放電式プラズマ発生装置。
【数1】
【請求項2】
前記誘電体基板は、前記第二方向に係る厚みが前記第三方向の位置によらず一定であるか、又は前記第一基準箇所から前記第一端に向かって前記第二方向に係る厚みが逓増する形状を呈することを特徴とする、請求項１に記載の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置。
【請求項3】
前記第一電極が高電圧側電極であり、前記第二電極が低電圧側電極であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置。
【請求項4】
前記第二電極に対して、前記誘電体基板とは反対側の位置から周縁部において当接されたガスバッファ基板と、前記ガスバッファ基板と前記第二電極とで挟まれた空隙に対して前記ガスを導入するガス送出装置と、
前記第一方向の異なる複数の箇所において、前記第二方向に関して前記第二電極を貫通する連絡孔とを備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置。
【請求項5】
前記連絡孔は、前記第三方向に関して、前記第一電極よりも前記第二端側に位置していることを特徴とする、請求項４に記載の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置。
【請求項6】
前記誘電体基板は、主たる材料が酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置。
【請求項7】
前記第一電極は、前記第三方向に関して前記第一端から前記第二端側に、１０ｍｍ未満の距離だけ後退した位置に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、誘電体バリア放電式プラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
プラズマ発生装置は、プラスチック、紙、繊維、半導体、液晶、又はフィルム等の製造工程で用いられている。例えば、プラズマ発生装置からのプラズマを被処理物に照射することにより、被処理物の表面に対する親水性、接着性、若しくは印刷密着性等を向上させるための表面処理、被処理物の表面に存在する有機物の除去及び洗浄、又は被処理物の表面に対する酸化膜の形成が行われる。
【0003】
図１８は、従来のプラズマ発生装置を模式的に示す断面図である。特許文献１には、図１８に示すように、対向する一対の電極（２０１，２０１）を備え、それぞれの電極の対向面（２０２，２０２）を逆向きに傾斜させたプラズマ発生装置２００が開示されている。すなわち、下面開口２２６に近づくに連れて、一対の対向面（２０２，２０２）の間隔が狭まるように配置されている。
【0004】
プラズマ発生装置２００は、上面開口２２３からプラズマ源ガスＧｃを導入しながら一対の電極（２０１、２０１）間に電圧を印加することで、一対の対向面（２０２，２０２）に挟まれる領域（放電領域２０７）に多数本のストリーマ放電Ｓｄを発生させる。プラズマ源ガスＧｃは上面開口２２３から噴射板２２４のオリフィス２２５を通じて、放電領域２０７に導入される。このため、プラズマ源ガスＧｃは、オリフィス２２５により加速されることで高速で放電領域２０７に噴射される。この噴射によりプラズマ源ガスＧｃの乱流が生じ、ストリーマ放電Ｓｄが放電領域２０７内で分散する。
【0005】
この後、分散したストリーマ放電Ｓｄにより、放電領域２０７の全体にわたってほぼ均一にプラズマＰｃが生成される。生成されたプラズマＰｃは、放電領域２０７の下面開口２２６を通じて処理空間２０５にプラズマジェットとして噴射し、被処理物２４０に吹き付けられる。特許文献１には、上記構成を採用することにより、均一なプラズマを生成することができると記載されている。
【0006】
電極（２０１，２０１）の上面と対向面（２０２，２０２）は、誘電体２０３により被覆されている。誘電体２０３の被膜の厚みは全体にわたって一定であり、例えば、０．５ｍｍ～５ｍｍである。
【0007】
また、別の方法として、マイクロストリップ線路とアース導体の間にマイクロ波を入力することでプラズマを発生させる装置が知られている（特許文献２参照）。この装置によれば、誘電体層に傾斜を持たせて厚みを調整することで、インピーダンスマッチングが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開２０１０－００９８９０号公報
【文献】特開２００８－２８２７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献１に開示されているプラズマ発生装置２００は、乱流を発生させることにより放電領域２０７の全体にわたってほぼ均一にプラズマＰｃを生成することを目指している。しかしながら、例えば、放電領域２０７内のうち、下面開口２２６から遠い位置で生成したプラズマＰｃは、下面開口２２６に向かって移動する間に消失してしまう。このため、図１８に示すような態様で電極（２０１，２０１）を配置した場合、下面開口２２６から吹き出されるプラズマＰｃは、下面開口２２６の全領域からプラズマＰｃが均一に照射されているとはいえない。このことは、被処理物２４０の表面における処理の程度にムラを生じさせる原因となる。
【0010】
特許文献２に開示されているプラズマ発生装置は、マイクロ波を利用する技術である。マイクロ波によるプラズマは、電界強度が強い定在波の腹の部分において高い密度で発生する。定在波は、マイクロ波の入力方向だけではなく、入力方向と直交する方向にも発生するため、吹出口を正面から見たときに、プラズマの密度の高い箇所と低い箇所とが交互に発生することになる。そのため、マイクロ波によるプラズマでは、吹出口の全領域から、プラズマを均一に噴射させることは容易ではない。
【0011】
更に、定在波を発生させる観点から、そもそも装置自体を長尺化することができない。このため、例えば、被処理物の表面処理の用途で用いようとしても、極めて処理能力が低く、適用が事実上困難である。
【0012】
本発明は、上記の課題に鑑み、効率的に吹出口の全領域からプラズマを均質に噴射することのできる、誘電体バリア放電式プラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明に係る誘電体バリア放電式プラズマ発生装置は、
第一方向に延在する板形状を呈し、第一面と、前記第一方向に直交する第二方向に関して前記第一面とは反対側に位置する第二面とを有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第一面側に配置された第一電極と、
前記誘電体基板の前記第二面から前記第二方向に離間した位置に配置された第二電極と、
前記誘電体基板と前記第二電極との間の空隙によって形成され、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向にガスが通流するガス流路と、
前記ガス流路の前記第三方向に係る一方の端部である第一端に設けられ、前記第一方向に延在する吹出口とを備え、更に以下の特徴を示す。
第一方向に延在する板形状を呈し、第一面と、前記第一方向に直交する第二方向に関して前記第一面とは反対側に位置する第二面とを有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第一面側に配置された第一電極と、
前記誘電体基板の前記第二面から前記第二方向に離間した位置に配置された第二電極と、
前記誘電体基板と前記第二電極との間の空隙によって形成され、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向にガスが通流するガス流路と、
前記ガス流路の前記第三方向に係る一方の端部である第一端に設けられ、前記第一方向に延在する吹出口とを備え、更に以下の特徴を示す。
【0014】
前記誘電体基板の前記第一面は、少なくとも前記第三方向に関して前記吹出口とは反対側の端部である第二端から第一基準箇所までの間が前記第三方向に平行な平坦面であり、
前記誘電体基板の前記第二面は、少なくとも前記第三方向に関して前記第二端から第二基準箇所までの間が前記第三方向に平行な平坦面であり、
前記誘電体基板の前記第二面に前記ガス流路を介して対向する前記第二電極の主面である第三面は、少なくとも前記第三方向に関して前記第二端から第三基準箇所までの間が前記第三方向に平行な平坦面である。
前記誘電体基板の前記第二面は、少なくとも前記第三方向に関して前記第二端から第二基準箇所までの間が前記第三方向に平行な平坦面であり、
前記誘電体基板の前記第二面に前記ガス流路を介して対向する前記第二電極の主面である第三面は、少なくとも前記第三方向に関して前記第二端から第三基準箇所までの間が前記第三方向に平行な平坦面である。
【0015】
前記第一基準箇所から前記第一端までの第一特定領域内の前記第一面、前記第二基準箇所から前記第一端までの第二特定領域内の前記第二面、及び前記第三基準箇所から前記第一端までの第三特定領域内の前記第三面のうち、少なくともいずれか１つの面は、前記第三方向に対する傾斜面である。
【0016】
前記第一電極は、少なくとも前記第一基準箇所と前記第一端との間に配置されている。
【0017】
前記第一方向に見たときに、前記第一特定領域内の前記第一面と前記第三方向とのなす角度をα、前記第二特定領域内の前記第二面と前記第三方向とのなす角度をβ、及び前記第三特定領域内の前記第三面と前記第三方向とのなす角度γが、下記（１）式及び（２）式の両者を満たす。
【数1】
【0018】
ただし、（１）式におけるεrは前記誘電体基板の比誘電率である。
また、（２）式において、Ａα、Ａβ及びＡγは、それぞれ前記第一特定領域、前記第二特定領域、及び前記第三特定領域の前記第三方向に係る長さに対応し、 d1(0) は前記第一基準箇所と前記第二基準箇所のうち前記第三方向に関して前記第二端に近い側の基準箇所における前記誘電体基板の前記第二方向に係る厚みであり、 d2(0) は前記第二基準箇所と前記第三基準箇所のうち前記第三方向に関して前記第二端に近い側の基準箇所における前記ガス流路の前記第二方向に係る高さである。
また、（２）式において、Ａα、Ａβ及びＡγは、それぞれ前記第一特定領域、前記第二特定領域、及び前記第三特定領域の前記第三方向に係る長さに対応し、 d1(0) は前記第一基準箇所と前記第二基準箇所のうち前記第三方向に関して前記第二端に近い側の基準箇所における前記誘電体基板の前記第二方向に係る厚みであり、 d2(0) は前記第二基準箇所と前記第三基準箇所のうち前記第三方向に関して前記第二端に近い側の基準箇所における前記ガス流路の前記第二方向に係る高さである。
【0019】
上記構造の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置によれば、上記（１）式及び（２）式を満たすように誘電体基板及び電極の形状が設定されているため、ガスがガス流路内を第三方向に通流すると、吹出口に近づくに連れて電界強度が高められる。このため、吹出口に極めて近い箇所においては、極めて高い強度の電界が形成され、この領域で集中的にプラズマが発生する。これにより、吹出口から被処理物に対して、効率的にプラズマを含むガスを吹き付けることができ、被処理物を効率的に処理することが可能となる。
【0020】
なお、上記（１）式及び（２）式を満たすことで、ガス流路内において吹出口に近づくに連れて電界強度が高められる理由の詳細については、「発明を実施するための形態」の項で後述される。
【0021】
前記誘電体基板は、主たる材料が酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であるものとしても構わない。
【0022】
ここで「主たる材料」とは、構成材料を成分分析した場合に、８０％以上を占める成分を指す。
【0023】
酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムは、比誘電率が比較的低く、且つ、物理的な強度や硬度が比較的高い。従って、前記誘電体基板の主たる材料を酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムとすることで、単位電力当たりのプラズマの生成量をより多くできると共に、誘電体基板をより薄くしても破損のおそれを低減できる。
【0024】
この中でも、窒化アルミニウムは熱伝導性がよく、誘電体基板の熱を効率よく放熱することができる。これにより、第一電極及び第二電極のうち、高電圧が印加される側の電極（高電圧側電極）の温度上昇を抑制できるため、窒化アルミニウムと高電圧側電極の熱膨張による界面のストレスを低減できる。この結果、誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の長寿命化が図られる。
【0025】
前記第一電極は、箔状の金属であっても構わない。金属材料は限定されないが、導電性が高い材料が好ましく、典型的な例としては、銅、銀、アルミニウム、及び金からなる群に属する一種以上の材料又は前記材料の化合物である。
【0026】
前記第一電極は、金属を含有した焼結体であっても構わない。金属を含有した焼結体は、金属ペーストを印刷して電極を形成できるため、第一電極を誘電体基板上に形成する際に接着剤を用いる必要がない。
【0027】
前記第一電極は、メッキ、蒸着、又は、スパッタリング、溶射により形成されていても構わない。この構成の場合も同様に、前記第一電極を誘電体基板上に形成する際に接着剤を用いる必要がない。
【0028】
前記誘電体基板は、前記第二方向に係る厚みが前記第三方向の位置によらず一定であるか、又は前記第一基準箇所から前記第一端に向かって前記第二方向に係る厚みが逓増する形状を呈するものとしても構わない。
【0029】
前記第一電極が高電圧側電極であり、前記第二電極が低電圧側電極であるものとしても構わない。
【0030】
この場合において、前記誘電体バリア放電式プラズマ発生装置は、前記第一電極に接続された電源装置を備えるものとしても構わない。電源装置は、好適には、電圧が３ｋＶ～２０ｋＶ、周波数が２０ｋＨｚ～１５０ｋＨｚの電圧信号を第一電極に供給可能な構成である。
【0031】
上記のような電源装置を備えると、誘電体バリア放電方式にてプラズマを好適に発生させることができる。上限を１５０ｋＨｚとした理由は、その波長はプラズマ照射長を考慮したこと、また、ＥＭＣ規格での雑音端子電圧で検出される周波数が１５０ｋＨｚより高周波であることによる。
【0032】
前記誘電体バリア放電式プラズマ発生装置は、更に、
前記第二電極に対して、前記誘電体基板とは反対側の位置から周縁部において当接されたガスバッファ基板と、
前記ガスバッファ基板と前記第二電極とで挟まれた空隙に対して前記ガスを導入するガス送出装置と、
前記第一方向の異なる複数の箇所において、前記第二方向に関して前記第二電極を貫通する連絡孔とを備えるものとしても構わない。
前記第二電極に対して、前記誘電体基板とは反対側の位置から周縁部において当接されたガスバッファ基板と、
前記ガスバッファ基板と前記第二電極とで挟まれた空隙に対して前記ガスを導入するガス送出装置と、
前記第一方向の異なる複数の箇所において、前記第二方向に関して前記第二電極を貫通する連絡孔とを備えるものとしても構わない。
【0033】
上記構成によれば、ガス送出装置から導入されたガスは、ガスバッファ基板と第二電極とで挟まれた空隙内に貯留された後、複数の連絡孔を通じてガス流路に流入する。これにより、ガス流路に流入したガスを、その流れを乱すことなく吹出口から均質に流出させることができる。
【0034】
特に、連絡孔が第一方向の複数の箇所に設けられることで、第一方向の異なる複数の位置からガス流路に対してガスが導入される。これにより、ガス流路を流れるガスを層流化しやすい。
【0035】
上記において、前記連絡孔は、前記第三方向に関して、前記第一電極よりも前記第二端側に位置しているものとしても構わない。
【0036】
前記第一電極は、前記第三方向に関して前記第一端から前記第二端側に、前記 d1(0) 未満の距離だけ後退した位置に配置されているものとしても構わない。
【0037】
吹出口近辺では、誘電体基板を介さずに、第一電極と第二電極との間で直接放電が生じるおそれがある。このような放電が生じると、第一電極、第二電極、又は誘電体基板を損傷させる場合があり、このとき、これらの構成材料が不純物としてプラズマに混入して、被処理物の表面に付着するおそれがある。
【0038】
放電効率の観点に立てば、第三方向に関して、第一電極の端部が吹出口の最先端（第一端）に一致するように配置した方が有利である。しかしながら、このような配置態様の場合、上記の事情により、誘電体基板上で沿面放電を引き起こすおそれがある。この沿面放電がひとたび発生すると、誘電体バリア放電ではなく直接放電が支配的となり、過剰な放電電流が流れ、電極の破損ひいては電源装置への破損に至る。
【0039】
これに対し、上記のような構成を採用することで、第一電極と第二電極との間での直接放電が抑制されるため、電極や誘電体基板の損傷が抑制され、プラズマガスへの不純物の混入を防止できる。
【0040】
前記誘電体バリア放電式プラズマ発生装置は、更に、前記第二特定領域内の前記第二面上に配置された始動補助部材を備えても構わない。この始動補助部材は、好適には、前記吹出口の極めて近傍、すなわち前記第一端の近傍に配置されるのが好ましい。ただし、第一方向に見たときに始動補助部材の位置と吹出口の位置が揃うように配置されると、始動補助部材と吹出口からのプラズマガスの一部が始動補助部材に衝突することで、始動補助部材が損耗・除去されるおそれがある。一方で、第三方向に関して、始動補助部材が吹出口から離れすぎていると、そもそも始動補助としての機能を実現しない。この観点から、始動補助部材は、吹出口の近傍であって、且つ第三方向に関して第二端側に少しだけ後退した位置に配置されるのが好ましい。この後退距離は１０ｍｍ未満とするのが好ましく、第一端側における誘電体基板の厚み（後述する図８内の距離ｄ１ａに相当）を１０ｍｍから差し引いた距離（すなわち１０－ｄ１ａ）未満とするのがより好ましい。
【0041】
誘電体バリア放電は、始動時（放電開始時）には高い電力が必要である一方、ひとたび放電が生じると、その後は入力電力を低下させても放電を維持することができる。かかる事情により、好適には始動時に高い電力が投入される。しかしながら、このような方法では、高電力に対応した大型の電源装置や、放電空間の近傍に配置されたトリガ電極が必要となり、装置全体の規模の拡大を招く懸念がある。
【0042】
プラズマ放電の開始時には、プラズマを発生させる箇所に初期電子の存在が必要である。そこで、上記構成のように始動補助部材を配置すれば、始動初期に初期電子が吹出口近傍のガス流路内に供給される。これにより、大型の電源装置やトリガ電極等が不要となり、小型で安価なプラズマ発生装置を提供できる。
【発明の効果】
【0043】
本発明の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置によれば、効率的に吹出口の全領域からプラズマを均質に噴射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。
【図4】第二電極２０を＋Ｚ側から見たときの模式的な平面図である。
【図8】第一面３１、第二面３２、及び第三面２３の形状を説明するための模式的な図面である。
【図9A】比較例１のプラズマ発生装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図10】実施例１のプラズマ発生装置１を連続運転させたときの、親水化能率の変化を示すグラフである。
【図11】ステージ上に所定の間隔で被照射物としてのポリプロピレン（ＰＰ）フィルムを配置した様子を示す平面図である。
【図12】水接触角の測定結果を示すグラフである。
【図13】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図14】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図15】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図16】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図17A】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図17B】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図17C】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図17D】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図17E】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図17F】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図17G】誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の一実施形態の別構成を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図18】従来の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0045】
本発明に係る誘電体バリア放電式プラズマ発生装置の実施形態につき、適宜図面を参照して説明する。なお、以下の図面は模式的に示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しない。また、図面間においても寸法比が一致していない場合がある。
【0046】
［構造］
図１は、本実施形態の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置を模式的に示す斜視図である。誘電体バリア放電式プラズマ発生装置１（以下、「プラズマ発生装置１」と略記する。）は、第一電極１０と、第二電極２０と、誘電体基板３０とを備える。なお、図１に示すプラズマ発生装置１においては、更にガスバッファ基板４０を備えている。ただし、プラズマ発生装置１がガスバッファ基板４０を備えるか否かは任意である。
図１は、本実施形態の誘電体バリア放電式プラズマ発生装置を模式的に示す斜視図である。誘電体バリア放電式プラズマ発生装置１（以下、「プラズマ発生装置１」と略記する。）は、第一電極１０と、第二電極２０と、誘電体基板３０とを備える。なお、図１に示すプラズマ発生装置１においては、更にガスバッファ基板４０を備えている。ただし、プラズマ発生装置１がガスバッファ基板４０を備えるか否かは任意である。
【0047】
プラズマ発生装置１は、内部においてプラズマガスＧ１を発生する装置であり、このプラズマガスＧ１を吹き出す吹出口５を備える。吹出口５は、図１に示すように、Ｙ方向に延在しており、Ｘ方向に見てほぼ矩形状を呈している。なお、Ｘ方向とＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。以下の説明では、適宜、図１に付されたＸ-Ｙ-Ｚ座標系が参照される。
【0048】
なお、以下の説明では、方向を表現する際に正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。
【0049】
本明細書では、Ｙ方向が「第一方向」に対応し、Ｚ方向が「第二方向」に対応し、Ｘ方向が「第三方向」に対応する。
【0050】
【0051】
（誘電体基板３０）
図１～図３に示すように、誘電体基板３０はＹ方向に延在する板状部材である。誘電体基板３０は、第一面３１と第二面３２とを有する（図２参照）。なお、後述するように、誘電体基板３０の第一面３１側に第一電極１０が配置されており、第二面３２側に、第二電極２０が誘電体基板３０から離間して配置されている。
図１～図３に示すように、誘電体基板３０はＹ方向に延在する板状部材である。誘電体基板３０は、第一面３１と第二面３２とを有する（図２参照）。なお、後述するように、誘電体基板３０の第一面３１側に第一電極１０が配置されており、第二面３２側に、第二電極２０が誘電体基板３０から離間して配置されている。
【0052】
なお、図１～図２に示す例では、誘電体基板３０のＺ方向に係る長さ（以下、「厚み」という。）が、Ｘ方向に関して吹出口５に近づくに連れて薄くなる構造が採用されているが、この構造はあくまで一例である。誘電体基板３０の厚みについての詳細な説明は、図８を参照して後述される。
【0053】
誘電体基板３０は、単位電力当たりのプラズマの生成量をより多くする観点から、比誘電率の低い材料で構成されていることが好ましい。前記材料の比誘電率の値は、１０以下であるのが好ましい。なお、前記材料の比誘電率は低いほど好ましいが、典型的には、４～１０とすることができる。
【0054】
誘電体基板３０の材料は、特に限定されないが、上述したように可能な限り比誘電率の低い材料であるのが好適である。更に、耐久性の観点から、前記材料は、セラミックスが好ましい。セラミックスとしては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ステアタイト等が挙げられる。これらの材料は、比誘電率が比較的低く、且つ比較的高い強度を有して耐久性に優れる。従って、誘電体基板３０を酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、又はステアタイトで構成すれば、単位電力当たりのプラズマの生成量をより多くできる。また、耐久性に優れるため、誘電体基板３０の厚みを薄くしても破損のおそれが少ない。
【0055】
誘電体基板３０は、前述した材料を母材として、電子生成を補助する物質を含有したものであってもよい。前記電子生成を補助する物質としては、銀、白金、銅、炭素（カーボン）、又は遷移金属化合物等が挙げられる。前記電子生成を補助する物質に電界が印加されることにより初期電子が生成され、放電空間（後述するガス流路３）に放出される。このため、誘電体基板３０を上記の構成とすることで、始動性を有利に働かせることができる。
【0056】
前記電子生成を補助する物質の含有量は、誘電体基板３０全体に対して（誘電体基板３０を１００質量％としたときに）、好適には１質量％以下である。この物質の含有量があまりに多いと、放電に伴って当該物質が蒸発・飛散してプラズマガスＧ１に混入し、プラズマガスＧ１を照射する対象である被処理物に吹き付けられる懸念がある。なお、始動性を向上させる効果を充分に発現させる観点からは、前記物質の含有量は実験的に０．０５質量％以上とすることが好ましい。
【0057】
（第一電極１０）
図２に示すように、第一電極１０は誘電体基板３０の第一面３１上に配置されている。
図２に示すように、第一電極１０は誘電体基板３０の第一面３１上に配置されている。
【0058】
プラズマ発生装置１は、第一電極１０と後述する第二電極２０との間で、誘電体基板３０及びガス流路３を介して電圧が印加されることで、ガス流路３内を通流するガスをプラズマ化して、プラズマガスＧ１を生成する。このため、第一電極１０と第二電極２０のうち、いずれか一方が高電圧側の電極であり、他方が低電圧側の電極を構成する。以下の実施形態では、第一電極１０が高電圧側の電極であり、第二電極２０が低電圧側の電極であるものとして説明するが、両者が逆転しても構わない。
【0059】
図１及び図３に示すように、本実施形態において、第一電極１０は、Ｙ方向に係る長さ（以下、「幅」という。）が誘電体基板３０の幅とほぼ同等である。プラズマ発生装置１は、第一電極１０が設けられている領域の－Ｚ側においてプラズマを発生させる。このため、吹出口５から幅広に（Ｙ方向に関して長い領域に）プラズマガスＧ１を噴射させる観点からは、第一電極１０をなるべく幅広に形成することが好ましい。ただし、本発明は、第一電極１０の幅には限定されない。
【0060】
本実施形態において、第一電極１０は、Ｘ方向に関して吹出口５よりも－Ｘ側に少し後退している。すなわち、図２を参照すると、第一電極１０の＋Ｘ側の端部１０ａは、プラズマ発生装置１の吹出口５側（＋Ｘ側）に係る端部から、－Ｘ側に少し後退している。なお、便宜上、プラズマ発生装置１の吹出口５側（＋Ｘ側）に係る端部を「第一端７１」と称し、吹出口５とは反対側（－Ｘ側）に係る端部を「第二端７２」と称することがある。
【0061】
吹出口５の近傍では、誘電体基板３０を介さずに、第一電極１０と第二電極２０との間で直接放電するおそれがある。このような放電が生じると、電極（１０，２０）又は誘電体基板３０を損傷し、これらの構成材料が不純物としてプラズマガスＧ１に混入する。
【0062】
放電効率の観点では、第一電極１０の＋Ｘ側の端部１０ａを可能な限り吹出口５に接近する、すなわち第一端７１とほぼ一致させるのが好ましい。しかし、そのような構成を採用すると、第一電極１０と第二電極２０との間で沿面放電が生じるリスクが高まり、誘電体バリア放電ではなく直接放電が支配的になってしまう。そこで、上記のように、第一電極１０の＋Ｘ側の端部１０ａを第一端７１から－Ｘ側（第二端７２側）に少し後退させた構成を採用している。この後退距離、すなわち、第一電極１０の＋Ｘ側の端部１０ａと第一端７１との間の距離は、典型的な一例として１ｍｍ～５ｍｍである。
【0063】
第一電極１０の材料としては、特に限定されないが、導電性の高いものが好ましく、典型的な例としては、銅、銀、アルミニウム、及び金からなる群に属する一種以上の材料又は前記材料の化合物である。また、第一電極１０は、箔状の金属とすることができる。一例として、片面に粘着加工が施されている銅箔、アルミニウム箔などの金属箔が挙げられる。
【0064】
第一電極１０は、導電性の金属を含有した焼結体であっても構わない。前記金属を含有した焼結体は、誘電体基板３０の第一面３１に、金属ペーストを印刷して形成できるため、製造時に接着剤を用いる必要がない。なお、接着剤を用いない観点からは、第一電極１０は、メッキ、蒸着、又は、スパッタリング、又は溶射により形成することも可能である。
【0065】
第一電極１０と誘電体基板３０（第一面３１）とは、極力密着されており、両者の界面には空気の層がないことが好ましい。空気の層があると、その空間の内部で放電が生じ、発生したラジカルによって第一電極１０が劣化する可能性があるためである。かかる理由により、第一電極１０と誘電体基板３０とは両者の離間距離がμｍオーダーの範囲内で密着しているのが好ましい。図１６を参照して後述するように、両者の密着性を高める観点から、アンカー効果を狙って誘電体基板３０の第一面３１の表面を荒らして微小な凹凸を形成しても構わない。
【0066】
典型的には、第一電極１０は、Ｚ方向に係る長さ（以下、「厚み」という。）が、誘電体基板３０の厚みと比べて薄い。特に、第一電極１０を高電圧側の電極とすることで、高電圧の印加に伴って第一電極１０の材料が膨張しても、第一電極１０の厚みが薄いことから、膨張の影響が誘電体基板３０にとって軽微なものとなる。
【0067】
第一電極１０が高電圧側の電極である場合、第一電極１０の一部箇所において電源装置６３に接続される。電源装置６３と第一電極１０との接続方法は、電気的に接続され、印加される電圧に耐え得る方法であれば特に制限されない。例えば、半田による接続や、各種のコネクタ（例えば、同軸コネクタ等）を用いた接続が挙げられる。なお、本実施形態のプラズマ発生装置１では、プラズマ発生に際してマイクロ波を用いないため、所定の特性インピーダンスを有する同軸コネクタ又は同軸ケーブルを用いる必要はない。
【0068】
電源装置６３から第一電極１０に印加される電圧及び周波数は、プラズマ発生装置１において誘電体バリア放電の発生が可能な範囲であればよい。典型的には、印加電圧は３ｋＶ～２０ｋＶであり、３ｋＶ～１０ｋＶであるのが好ましい。また、電圧信号の周波数は、典型的には２０ｋＨｚ～１０００ｋＨｚであり、５０ｋＨｚ～１５０ｋＨｚであるのがより好ましい。上限が１５０ｋＨｚであることが好ましいとした理由は、その波長はプラズマ照射長を考慮したこと、また、ＥＭＣ規格での雑音端子電圧で検出される周波数が１５０ｋＨｚよりも高周波であることによる。
【0069】
（第二電極２０）
第二電極２０は、Ｙ方向に延在する板形状を呈し、誘電体基板３０の第二面３２からＺ方向に離間した位置に配置される。第二電極２０を低電圧側の電極とする場合、直接、又は抵抗を介して接地電位に接続されていてもよく、電源装置６３の低電圧側の出力に接続されていてもよい。
第二電極２０は、Ｙ方向に延在する板形状を呈し、誘電体基板３０の第二面３２からＺ方向に離間した位置に配置される。第二電極２０を低電圧側の電極とする場合、直接、又は抵抗を介して接地電位に接続されていてもよく、電源装置６３の低電圧側の出力に接続されていてもよい。
【0070】
【0071】
図４は、第二電極２０を＋Ｚ側から見たときの模式的な平面図である。図２～図４によれば、第二電極２０は＋Ｙ側、－Ｙ側及び－Ｘ側の外縁部２６において高さが高く、外縁部２６よりも内側において、前述した凹部２７が形成されていることが分かる。図２～図３に示すように、第二電極２０の外縁部２６は誘電体基板３０の第二面３２と当接される。つまり、第二電極２０の外縁部２６と誘電体基板３０とが当接されると、第二電極２０の＋Ｚ側において形成された凹部２７は空隙を構成する。この空隙が「ガス流路３」を構成する。
【0072】
図４に示す例では、凹部２７の底面において、Ｙ方向に離間した複数の位置に連絡孔５３が形成されている。連絡孔５３の数は特に制限されないが、本実施形態のように２以上であることが好ましい。連絡孔５３は、後述するようにガス送出装置６１からのガスＧ０を、ガス流路３に導くために設けられている。連絡孔５３をＹ方向の異なる位置に複数設けることで、ガス流路３内を流れるガス流を層流としやすくなる。また、ガス流路３に導入される時点で、Ｙ方向の広い範囲にガスを行き渡らせる観点から、Ｙ方向の広い範囲に連絡孔５３が形成されているのが好ましい。
【0073】
なお、図４では、独立した複数の連絡孔５３が形成されている例が示されているが、Ｙ方向に長い、例えば矩形筒状の連絡孔５３が単一で形成されていても構わない。
【0074】
（ガスバッファ基板４０）
図１～図３に示すように、プラズマ発生装置１は、第二電極２０に対して、誘電体基板３０とは反対側の位置から、すなわち－Ｚ側から当接されたガスバッファ基板４０を備える。本実施形態では、ガスバッファ基板４０は周縁部において第二電極２０と当接されている。このため、当該周縁部の内側において、第二電極２０とガスバッファ基板４０との間には空隙５１が形成される。
図１～図３に示すように、プラズマ発生装置１は、第二電極２０に対して、誘電体基板３０とは反対側の位置から、すなわち－Ｚ側から当接されたガスバッファ基板４０を備える。本実施形態では、ガスバッファ基板４０は周縁部において第二電極２０と当接されている。このため、当該周縁部の内側において、第二電極２０とガスバッファ基板４０との間には空隙５１が形成される。
【0075】
前記空隙５１には、ガス送出装置６１（図２参照）が接続される。ガス送出装置６１から処理用ガスＧ０が送出されると、空隙５１内にバッファされた後、連絡孔５３を通じてガス流路３に導かれる。
【0076】
（吹出口５）
プラズマ発生装置１は、ガス流路３の＋Ｘ側の端部、すなわち第一端７１に吹出口５を備える。この吹出口５は、ガス流路３内を＋Ｘ方向に沿って通流中に生成されたプラズマを、ガス流と共に外部に噴射する（プラズマガスＧ１）。プラズマ発生装置１は、一例として、ガス流路３及び吹出口５の幅（Ｙ方向に係る長さ）が、Ｘ座標によらず均一である。これにより、ガス流路３に流入した処理用ガスＧ０の流れが乱れることなく、吹出口５から均質にプラズマガスＧ１を噴射できる。なお、このことは本発明者らによるシミュレーションによっても確認されている。
プラズマ発生装置１は、ガス流路３の＋Ｘ側の端部、すなわち第一端７１に吹出口５を備える。この吹出口５は、ガス流路３内を＋Ｘ方向に沿って通流中に生成されたプラズマを、ガス流と共に外部に噴射する（プラズマガスＧ１）。プラズマ発生装置１は、一例として、ガス流路３及び吹出口５の幅（Ｙ方向に係る長さ）が、Ｘ座標によらず均一である。これにより、ガス流路３に流入した処理用ガスＧ０の流れが乱れることなく、吹出口５から均質にプラズマガスＧ１を噴射できる。なお、このことは本発明者らによるシミュレーションによっても確認されている。
【0077】
ただし、本発明においてはこの例に限定されず、吹出口５の幅は、必要に応じて調整してもよい。例えば、ガス流路３の－Ｘ側（第二端７２側）の幅と比較して吹出口５の幅を狭くすることで、プラズマガスＧ１の強度が高められる。逆に、ガス流路３の－Ｘ側（第二端７２側）の幅と比較して吹出口５の幅を広くすることで、プラズマガスＧ１の噴射幅を広げられ、処理物に対して同時に吹き付けることのできる範囲が広げられる。
【0078】
ガス送出装置６１から送出されるガスは、プラズマ発生装置１の始動時のガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、及びＡｒからなる群から選ばれる１種以上が挙げられる。また、プラズマが発生した後のガスとしては、所望の活性種を生成できるガス、具体的には、水素、酸素、水、窒素などからなる群から選ばれる１種以上が挙げられる。
【0079】
本実施形態では、ガス流路３を流れるガス流が層流であることが好ましい。ガス流が層流であると、プラズマをより均一に噴射させることができる。ここで、層流と乱流とを区別するパラメータとして、レイノルズ数がある。
レイノルズ数Ｒｅは、流体の密度をρ（ｋｇ／ｍ3）、流速をＵ（ｍ／ｓ）、特性長さをＬ（ｍ）、流体の粘性係数をμ（Ｐａ・ｓ）として、
Ｒｅ＝ρ・Ｕ・Ｌ／μ
であらわされる無次元量である。
レイノルズ数Ｒｅは、流体の密度をρ（ｋｇ／ｍ3）、流速をＵ（ｍ／ｓ）、特性長さをＬ（ｍ）、流体の粘性係数をμ（Ｐａ・ｓ）として、
Ｒｅ＝ρ・Ｕ・Ｌ／μ
であらわされる無次元量である。
【0080】
層流と乱流との境目となるレイノルズ数は、限界レイノルズ数と呼ばれ、その値は、２０００～４０００と言われている。
【0081】
後述される実施例１で用いたプラズマ発生装置１において、処理用ガスＧ０の流量：０．００５ｍ3／秒（３００Ｌ／分）、ガス流路３のＺ方向の高さ（短辺）：０．５ｍｍ、ガス流路３のＹ方向の幅（長辺）：７００ｍｍとすると、Ｕ＝１４．３（ｍ／秒）、Ｌ＝９．９９×１０-4（ｍ）、流体を標準大気圧における乾燥空気として、ρ＝１．２０５（ｋｇ／ｍ3）、μ＝１．８２２×１０-5（Ｐａ・ｓ）とすればレイノルズ数は９４５程度となり、限界レイノルズ数以下の値であり、層流と判断できる。
【0082】
［誘電体基板３０と第二電極２０の形状の関係性］
次に、誘電体基板３０と第二電極２０の形状について説明する。
次に、誘電体基板３０と第二電極２０の形状について説明する。
【0083】
【0084】
上述したように、誘電体基板３０は、＋Ｚ側の第一面３１と、－Ｚ側の第二面３２とを有する。図５Ａに示す例では、第一面３１は、Ｘ方向に関して第二端７２から所定の箇所（「第一基準箇所８１」と称する。）までの領域はＸ方向に平行な平坦面であり、第一基準箇所８１から第一端７１までの領域（「第一特定領域９１」と称する。）は、Ｘ方向に対して傾斜した面である。これに対し、図５Ａに示す誘電体基板３０の第二面３２は、Ｘ座標の位置によらず、Ｘ方向に関して平行な平坦面である。
【0085】
ただし、本実施形態において、誘電体基板３０の第二面３２が、傾斜面を有することは排除されない。例えば、図５Ｂに示す例では、誘電体基板３０の第二面３２は、Ｘ方向に関して第二端７２から所定の箇所（「第二基準箇所８２」と称する。）までの領域はＸ方向に平行な平坦面であり、第二基準箇所８２から第一端７１までの領域（「第二特定領域９２」と称する。）は、Ｘ方向に対して傾斜した面である。なお、図５Ｂに示す誘電体基板３０の第一面３１は、図５Ａと同様に、第二端７２から第一基準箇所８１までの領域はＸ方向に平行な平坦面であり、第一基準箇所８１から第一端７１までの領域（第一特定領域９１）はＸ方向に対して傾斜した面である。
【0086】
つまり、本実施形態のプラズマ発生装置１において、誘電体基板３０の第一面３１は、基準となる第一基準箇所８１よりも第二端７２側の領域はＸ方向に平行な平坦面である。一方、誘電体基板３０の第一面３１は、この第一基準箇所８１よりも第一端７１側の領域（第一特定領域９１）は、Ｘ方向に対して傾斜した面である。ただし、第一端７１側に向けて電界強度を高められれば、第一特定領域９１はＸ方向に平行な平坦面であっても構わない。
【0087】
同様に、本実施形態のプラズマ発生装置１において、誘電体基板３０の第二面３２は、基準となる第二基準箇所８２よりも第二端７２側の領域はＸ方向に平行な平坦面である一方、この第二基準箇所８２よりも第一端７１側の領域（第二特定領域９２）は、Ｘ方向に平行な平坦面であるか、Ｘ方向に対して傾斜した面である。
【0088】
【0089】
図６Ａに示す例では、第三面２３は、Ｘ座標の位置によらずＸ方向に関して平行な平坦面である。しかし、本実施形態において、第三面２３がＸ方向に対して傾斜した面（傾斜面）を有することは排除されない。例えば、図６Ｂに示す例では、第三面２３は、Ｘ方向に関して第二端７２から所定の箇所（「第三基準箇所８３」と称する。）までの領域はＸ方向に平行な平坦面であり、第三基準箇所８３から第一端７１までの領域（「第三特定領域９３」と称する。）は、Ｘ方向に対して傾斜した面である。
【0090】
つまり、本実施形態のプラズマ発生装置１において、第三面２３は、基準となる第三基準箇所８３よりも第二端７２側の領域はＸ方向に平行な平坦面である一方、この第三基準箇所８３よりも第一端７１側の領域（第三特定領域９３）は、Ｘ方向に平行な平坦面であるか、Ｘ方向に対して傾斜した面である。
【0091】
そして、第一面３１、第二面３２、及び第三面２３は、吹出口５の近傍において、ガス流路３内を＋Ｘ側に進むに連れて電界強度が高まるような関係となるよう、傾斜度合いが設定されている。この関係については、図８を参照して後述される。
【0092】
ところで、第一電極１０は、Ｘ方向に関して第一端７１の近傍にのみ配置されていても構わない（図７参照）。吹出口５の近傍の箇所において高電圧が印加されることで、当該箇所のガス流路３内を通流するガスに対して高い電界が印加され、プラズマ化される。
【0093】
図８は、第一面３１、第二面３２、及び第三面２３の形状を説明するための模式的な図面である。なお、理解の容易化のため、一部の構造を誇張して表示している。
【0094】
ここでは、第一面３１は、第一基準箇所８１より＋Ｘ側（第一端７１側）が傾斜面であるとし、傾斜角度をαとする。なお、本明細書において、「傾斜角度」とは、対象面をＹ方向に見た時のＸ方向に平行な線に対する角度で規定され、反時計回りを正の角度として定義する。傾斜角度は、ＸＹ平面に対する対象面の角度として規定しても同義である。以下の、第二面３２及び第三面２３についても同様である。
【0095】
図８では、第一基準箇所８１におけるＸ座標を、ｘαとしている。なお、α＝０°であることもあり得る。この場合、第一面３１はＸ座標によらず平坦面である。
【0096】
第二面３２は、第二基準箇所８２より＋Ｘ側（第一端７１側）が傾斜面であるとし、傾斜角度をβとする。図８では、第二基準箇所８２におけるＸ座標を、ｘβとしている。なお、β＝０°であることもあり得る。この場合、第二面３２はＸ座標によらず平坦面である。
【0097】
第三面２３は、第三基準箇所８３より＋Ｘ側（第一端７１側）が傾斜面であるとし、傾斜角度をγとする。図８では、第三基準箇所８３におけるＸ座標を、ｘγとしている。なお、γ＝０°であることもあり得る。この場合、第三面２３はＸ座標によらず平坦面である。
【0098】
あるＸ座標の値ｘにおける電界を E(x)、誘電体基板３０の厚みを d1(x)、ガス流路３の高さを d2(x) とする。誘電体基板３０の比誘電率をεr、ガス流路３内を通流するガスの比誘電率をε0とすると、電界 E(x) は、下記（３）式で規定される。
【0099】
【数2】
【0100】
ここで、＋Ｘ方向に進むに伴って誘電体基板３０の厚みが変化し始める箇所は、第一基準箇所８１と第二基準箇所８２のうち、－Ｘ側（第二端７２に近い側）の箇所である。図８の例では、第一基準箇所８１に対応する。誘電体基板３０の厚みが変化し始める箇所における誘電体基板３０の厚みを d1 (0) と規定する。
【0101】
同様に、＋Ｘ方向に進むに伴ってガス流路３の高さが変化し始める箇所は、第二基準箇所８２と第三基準箇所８３のうち、－Ｘ側（第二端７２に近い側）の箇所である。図８の例では、第三基準箇所８３に対応する。ガス流路３の高さが変化し始める箇所におけるガス流路３の高さを d2 (0) と規定する。
【0102】
上記の規定及び図８によれば、平面幾何学によって、Ｘ座標がｘの位置における、誘電体基板３０の厚み d1(x)、及びガス流路３の高さ d2(x) は、それぞれ下記（４）式及び（５）式によって表される。
【0103】
【数3】
【0104】
（４）式及び（５）式を上記（３）式に代入すると、下記（６）式が得られる。
【0105】
【数4】
【0106】
ここで、（６）式において分子は定数である。このため、（６）式において、Ｘ座標がｘの位置における電界 E(x) が、単調的に増加するためには、上式の分母が単調減少すればよく、言い換えれば、[分母の微分値]＜０が成立すればよい。これにより、上述した（１）式が導かれる。以下に、（１）式を再掲する。
【0107】
【数5】
【0108】
ところで、Ｘ座標がｘの位置における、誘電体基板３０の厚み d1(x)、及びガス流路３の高さ d2(x) は、第一端７１の位置においても、正の値である必要がある。そこで、第一基準箇所８１から第一端７１までの領域（第一特定領域９１）のＸ方向に係る長さをＡα、第二基準箇所８２から第一端７１までの領域（第二特定領域９２）のＸ方向に係る長さをＡβ、第三基準箇所８３から第一端７１までの領域（第三特定領域９３）のＸ方向に係る長さをＡγとすると、第一端７１の位置における誘電体基板３０の厚み d1(x)、及びガス流路３の高さ d2(x) が正であるためには、平面幾何学の関係から上述した（２）式が導かれる。以下に、（２）式を再掲する。
【0109】
【数6】
【0110】
つまり、上述した（１）式及び（２）式を満たすように、誘電体基板３０の面（第一面３１、第二面３２）、及び第二電極２０の面（第三面２３）の形状とすることで、ガス流路３内を吹出口５に向かって通流するガスの電界強度が単調的に増加する。これにより、吹出口５の近傍では極めて高い電界強度が実現されるため、高効率でプラズマを発生することができる。
【0111】
プラズマ発生装置１の大きさは特に制限されない。また、誘電体基板３０及び第二電極２０は、上記（１）式及び（２）式を満たすように構成される。
一例として、外観の寸法は、幅（Ｙ方向の長さ）が７５０ｍｍであり、長さ（Ｘ方向の長さ）が４０ｍｍであり、厚み（Ｚ方向の長さ、最も厚い箇所）が２０ｍｍである。
誘電体基板３０の外形寸法は、幅が７５０ｍｍ、長さが４０ｍｍ、第一端７１における厚み（ｄ１ａ）：０．１ｍｍである。
第二電極２０の外形寸法は、幅が７５０ｍｍ、長さが２０ｍｍ、第一端７１における厚みが０．１ｍｍである。
ガス流路３の外形寸法は、幅が７００ｍｍ、長さが３５ｍｍである。
吹出口５の寸法は、開口幅が７００ｍｍ、開口高さが０．２ｍｍである。
一例として、外観の寸法は、幅（Ｙ方向の長さ）が７５０ｍｍであり、長さ（Ｘ方向の長さ）が４０ｍｍであり、厚み（Ｚ方向の長さ、最も厚い箇所）が２０ｍｍである。
誘電体基板３０の外形寸法は、幅が７５０ｍｍ、長さが４０ｍｍ、第一端７１における厚み（ｄ１ａ）：０．１ｍｍである。
第二電極２０の外形寸法は、幅が７５０ｍｍ、長さが２０ｍｍ、第一端７１における厚みが０．１ｍｍである。
ガス流路３の外形寸法は、幅が７００ｍｍ、長さが３５ｍｍである。
吹出口５の寸法は、開口幅が７００ｍｍ、開口高さが０．２ｍｍである。
【0112】
［実施例］
図１～図３に示す構造を有し、誘電体基板３０の面（第一面３１、第二面３２）、及び第二電極２０の面（第三面２３）が（１）式及び（２）式を満たすような形状を示し、上記寸法が採用されたプラズマ発生装置１を実施例１とした。なお、誘電体基板３０の材質は酸化アルミニウム、第一電極１０及び第二電極２０はいずれも銅を主材料とした。
図１～図３に示す構造を有し、誘電体基板３０の面（第一面３１、第二面３２）、及び第二電極２０の面（第三面２３）が（１）式及び（２）式を満たすような形状を示し、上記寸法が採用されたプラズマ発生装置１を実施例１とした。なお、誘電体基板３０の材質は酸化アルミニウム、第一電極１０及び第二電極２０はいずれも銅を主材料とした。
【0113】
【0114】
すなわち、比較例１のプラズマ発生装置１００は、第一電極１１０と第二電極１２０と誘電体基板１３０とを備えるが、誘電体基板１３０の一対の主面及び第二電極１２０の誘電体基板１３０側の面は、全て平坦面である。このため、上記（２）式は満たすものの、（１）式を満たさない。
【0115】
比較例１のプラズマ発生装置１００においても、第二電極１２０と誘電体基板１３０との間で形成されるガス流路１０３内を通流するガスは、高電界領域１０８を通過する際にプラズマ化され、吹出口１０５より、プラズマガスＧ１として噴出される。
【0116】
実施例１のプラズマ発生装置１、及び比較例１のプラズマ発生装置１００の双方を以下の条件下で運転させ、吹出口（５，１０５）から２ｍｍ離間した位置に、被処理物としてのポリプロピレン製の基材を１０ｍｍ／秒で通過させた後、基材表面の水接触角を接触角計（協和界面化学株式会社製のＤＭｓ－４０１）を用いて測定した。
【0117】
（運転条件）
印加電圧：７．６ｋＶｐｐ、周波数３８ｋＨｚ
ガス種：窒素
ガス流量：３００Ｌ／ｍｉｎ
印加電圧：７．６ｋＶｐｐ、周波数３８ｋＨｚ
ガス種：窒素
ガス流量：３００Ｌ／ｍｉｎ
【0118】
結果を表１に示す。
【0119】
【表1】
【0120】
表１によれば、実施例１の方が比較例１よりも水接触角が小さく、より親水化できていることが分かる。更には、実施例１の方が比較例１よりも水接触角のバラツキが抑制されており、基材に対して均質な処理が行えていることが分かる。
【0121】
次に、実施例１のプラズマ発生装置１を連続運転させたときの、親水化能率の変化を図１０に示す。親水化能率は、処理前の水接触角と処理後の水接触角の差分値（Δθ(t)）の時間変化割合を示す指標である。より詳細には、運転開始直後（便宜上ｔ＝０とする）における前記差分値Δθ(0)を基準としたときの、運転時間ｔにおける前記差分値Δθ(t)の比率によって示された指標である。つまり、この比率が１００％に近いということは、運転開始時と同等の処理能力が実現できているということを表している。
【0122】
図１０によれば、実施例１のプラズマ発生装置１の場合、６０００時間以上の連続動作をさせても、誘電体基板３０や電極（１０，２０）に対する損傷が認められず、初期性能が維持されていることが分かる。
【0123】
これに対し、比較例１のプラズマ発生装置１００を連続運転させると、１時間を超えたところで、損傷が発生し始めた。このため、比較例１のプラズマ発生装置１００は、１時間を超える連続運転には不向きである。
【0124】
図１１は、ステージ上に所定の間隔で、被処理物としてのポリプロピレン（ＰＰ）フィルムを配置した様子を示す平面図である。図１１に示すように、ステージ上に所定の間隔で被照射物としてポリプロピレン（ＰＰ）フィルムを配置し、実施例１に係るプラズマ発生装置１を用いて上方からプラズマガスＧ１を照射した。より詳細には、吹出口５から２ｍｍ（照射距離）の位置に、ＰＰフィルムを１軸ステージ上に固定し、１００ｍｍ／秒として吹出口５を往復運動させ、プラズマガスＧ１の照射を行った。プラズマガスＧ１の照射回数が２回（２回往復運動した後）、１０回（１０回往復運動した後）、２００回（２００回往復運動した後）を計測したタイミングで、各ＰＰフィルム表面の水接触角が測定された。
【0125】
水接触角の測定は下記の条件とした。
接触角計：ＤＭｓ－４０１（協和界面科学社製）
液量：２μＬ
楕円フィッティングで近似。
接触角計：ＤＭｓ－４０１（協和界面科学社製）
液量：２μＬ
楕円フィッティングで近似。
【0126】
図１２は、水接触角の測定結果を示すグラフである。図１２から分かるように、水接触角は、いずれの照射条件においても、幅方向（Ｙ方向）において平均値から±１０％以内となった。なお、Ｙ座標が１０ｍｍ、３０ｍｍ、５０ｍｍの箇所にもポリプロピレン（ＰＰ）フィルムを配置して同様の試験を行ったところ、図１２に示す平均値の±１０％以内となった。以上の結果から、実施例１のプラズマ発生装置１によれば、吹出口５のＹ方向に係る全領域からプラズマガスＧ１が均一に噴射されていることがわかる。
【0127】
プラズマ発生装置１は、誘電体基板３０の面（第一面３１、第二面３２）、及び第二電極２０の面（第三面２３）が（１）式及び（２）式を満たすような形状を示す限り、これらの面の傾斜の向きは問わない。例えば、図１３に示すように、第一面３１がＸ方向に対して－Ｚ側に傾き、第二面３２がＸ方向に対して＋Ｚ側に傾き、第三面２３がＸ方向に対して－Ｚ側に傾く構成でも構わない。この場合、ガス流路３は、第一端７１（吹出口５）に近づくに連れて高さ d2(x) が増加している。
【0128】
また、図１４に示すように、第一面３１がＸ方向に対して＋Ｚ側に傾き、第二面３２がＸ方向に対して－Ｚ側に傾き、第三面２３がＸ方向に対して＋Ｚ側に傾く構成でも構わない。この場合、ガス流路３は、第一端７１（吹出口５）に近づくに連れて高さ d2(x) が減少している。
【0129】
図１５に示すように、第一面３１が曲面であっても構わない。この場合であって、微小な領域では平面とみなすことができるため、第一面３１を近似した平面３１ａを用いて、（１）式及び（２）式を満たすようにすればよい。第二面３２、第三面２３においても同様である。
【0130】
図１６に示すように、第一面３１の一部に凹凸が形成されていても構わない。上述したように、第一電極１０との密着性を向上させる観点で、第一面３１に凹凸を設ける方法を採用することができる。この場合は、第一電極１０のＸ方向に係る端部（１０ａ，１０ｂ）と誘電体基板３０との接触箇所同士を結ぶ平面３１ａを用いて、（１）式及び（２）式を満たすようにすればよい。
【0131】
［変形例］
プラズマ発生装置１は、誘電体基板３０の面（第一面３１、第二面３２）、及び第二電極２０の面（第三面２３）が（１）式及び（２）式を満たすような形状を示す限り、図１７Ａ～図１７Ｇに示すような種々のバリエーションを採用することができる。図１７Ａ～図１７Ｇは、プラズマ発生装置１の変形例であって、一部要素のみを抜粋して図示した模式的な断面図である。なお、以下の図１７Ａ～図１７Ｇにおいても、説明の都合上、一部が誇張して図示されている場合がある。
プラズマ発生装置１は、誘電体基板３０の面（第一面３１、第二面３２）、及び第二電極２０の面（第三面２３）が（１）式及び（２）式を満たすような形状を示す限り、図１７Ａ～図１７Ｇに示すような種々のバリエーションを採用することができる。図１７Ａ～図１７Ｇは、プラズマ発生装置１の変形例であって、一部要素のみを抜粋して図示した模式的な断面図である。なお、以下の図１７Ａ～図１７Ｇにおいても、説明の都合上、一部が誇張して図示されている場合がある。
【0132】
なお、以下の変形例の説明においては、上述した実施形態とは異なる箇所のみが説明される。
【0133】
〈１〉図１７Ａに示す変形例のプラズマ発生装置１は、誘電体基板３０の第一面３１において、Ｘ方向に関して第一電極１０と第一端７１との間、すなわち第一電極１０と吹出口５との間に突起４３を備える。この突起４３は、誘電体基板３０の材質として例示したものが挙げられる。突起４３は、誘電体基板３０に一体的に形成されていてもよく、別部材として取り付けられていてもよい。
【0134】
Ｘ方向に関して第一電極１０と吹出口５との間に突起４３を備えることで、吹出口５側における第一電極１０と第二電極２０との沿面距離が確保される。これにより、第一電極１０と第二電極２０との間の短絡や沿面放電の発生などの、不要な放電が抑制される。
【0135】
同様の観点から、図１７Ｂに示すように、第一電極１０の＋Ｘ側端部１０ａに当接するように突起４３を形成しても構わない。
【0136】
〈２〉図１７Ｃに示す変形例のプラズマ発生装置１は、誘電体基板３０の第一面３１において、Ｘ方向に関して第一電極１０と第一端７１との間、すなわち第一電極１０と吹出口５との間に凹凸部３１ｃを備えている。このような構成によっても、吹出口５側における第一電極１０と第二電極２０との沿面距離が確保される。
【0137】
〈３〉図１７Ｄに示す変形例のプラズマ発生装置１は、第一電極１０の＋Ｘ側端部１０ａに、第一電極１０を覆う絶縁膜４５を備える。この構成により、コロナ放電の発生などの不要な放電を抑止することができる。絶縁膜４５としては、ガラス、ガラスを含む焼結体、又はシリコーン、エポキシ等の樹脂素材が挙げられる。
【0138】
〈４〉図１７Ｅに示す変形例のプラズマ発生装置１は、第一端７１の近傍、すなわち吹出口５の近傍において、第二電極２０の第三面２３上に配置された保護層４６を備える。保護層４６は、誘電体であることが好ましく、誘電体基板３０の材質と同一の物質であるのがより好ましい。保護層４６の材質の具体例としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ステアタイト等が挙げられる。
【0139】
第二電極２０の第三面２３に保護層４６を形成する方法は、特に制限されないが、保護層４６の構成材料を溶射して塗布する方法が一例として採用できる。保護層４６の厚さとしては、汚染防止の観点から適宜設定できるが、例えば１００μｍ以下である。
【0140】
図１７Ｅに示す変形例のプラズマ発生装置１によれば、吹出口５近傍、言い換えればプラズマが発生する箇所の近傍に保護層４６を備えるため、第二電極２０の構成材料が蒸発、拡散することを抑制できる。これにより、プラズマガスＧ１が吹き付けられる被処理物への汚染が防止できる。
【0141】
〈５〉図１７Ｆに示す変形例のプラズマ発生装置１は、第一端７１の近傍、すなわち吹出口５の近傍において、誘電体基板３０の第二面３２上に配置された、始動補助部材４７を備える。
【0142】
始動補助部材４７の材料としては、炭素（カーボン）、又は遷移金属化合物等が挙げられる。また、始動補助部材４７の材料として誘電体基板３０よりも比誘電率の高い物質が挙げられる。このとき、誘電損失により、始動補助部材４７の構成物質が加熱されて初期電子がガス流路３内に供給される。始動補助部材４７の材料としては、カーボンが特に好ましい。カーボンは熱安定性が高いため、温度が上昇しても始動補助部材４７の蒸発が生じにくく、プラズマ発生装置１としての信頼性が高められる。
【0143】
なお、始動補助部材４７の材料として、より少ない印加電圧で電子放出作用が認められるよう、仕事関数の低い材料でもよい。
【0144】
図１７Ｆに示す変形例のプラズマ発生装置１によれば、吹出口５の近傍に始動補助部材４７を備えるため、初期電子をガス流路３内に供給することができ、始動性が向上する。これにより、電源容量の大きいマイクロ波発振装置やスタータ回路装置が不要となり、プラズマ発生装置１を小型且つ安価で製造することができる。
【0145】
〈６〉図１７Ｇに示す変形例のプラズマ発生装置１は、吹出口５に対して＋Ｘ側に隣接して遮光部材４８を備える。遮光部材４８は、内部にガスの通流が可能な管体４９を有しており、この管体４９はガス流路３に連絡されている。図１７Ｇに示す例では、管体４９により、プラズマガスＧ１の吹出方向が－Ｚ方向に変更されている。かかる構成により、ガス流路３内の放電由来の光が、被処理物に照射されることが防止される。
【0146】
〈７〉なお、上述した各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
【0147】
［動作方法］
上述したプラズマ発生装置１を動作させるに際しては、まず始動時に、Ｈｅ、Ｎｅ、及びＡｒからなる群から選ばれる１種以上の始動用ガスをガス流路３に導入してガス流路３内でプラズマを発生させる。その後、ガス流路３内に処理用ガスＧ０を導入する。処理用ガスＧ０としては、被処理物に対して行う処理内容に応じて適宜選択され、例えば、水素、酸素、水、窒素など、所望の活性種を生成できるガスが利用される。かかる方法によれば、処理用ガスＧ０が比較的プラズマ放電しにくいガスであっても、当該処理用ガスＧ０の物質を含むプラズマガスＧ１を被処理物に吹き付けることが可能となる。
上述したプラズマ発生装置１を動作させるに際しては、まず始動時に、Ｈｅ、Ｎｅ、及びＡｒからなる群から選ばれる１種以上の始動用ガスをガス流路３に導入してガス流路３内でプラズマを発生させる。その後、ガス流路３内に処理用ガスＧ０を導入する。処理用ガスＧ０としては、被処理物に対して行う処理内容に応じて適宜選択され、例えば、水素、酸素、水、窒素など、所望の活性種を生成できるガスが利用される。かかる方法によれば、処理用ガスＧ０が比較的プラズマ放電しにくいガスであっても、当該処理用ガスＧ０の物質を含むプラズマガスＧ１を被処理物に吹き付けることが可能となる。
【符号の説明】
【0148】
１ ：誘電体バリア放電式プラズマ発生装置
３ ：ガス流路
５ ：吹出口
１０ ：第一電極
１０ａ，１０ｂ ：第一電極の端部
２０ ：第二電極
２３ ：第二電極の面（第三面）
２６ ：外縁部
２７ ：凹部
３０ ：誘電体基板
３１ ：誘電体基板の面（第一面）
３２ ：誘電体基板の面（第二面）
４０ ：ガスバッファ基板
５１ ：空隙
５３ ：連絡孔
６１ ：ガス送出装置
６３ ：電源装置
７１ ：第一端
７２ ：第二端
８１ ：第一基準箇所
８２ ：第二基準箇所
８３ ：第三基準箇所
９１ ：第一特定領域
９２ ：第二特定領域
９３ ：第三特定領域
３ ：ガス流路
５ ：吹出口
１０ ：第一電極
１０ａ，１０ｂ ：第一電極の端部
２０ ：第二電極
２３ ：第二電極の面（第三面）
２６ ：外縁部
２７ ：凹部
３０ ：誘電体基板
３１ ：誘電体基板の面（第一面）
３２ ：誘電体基板の面（第二面）
４０ ：ガスバッファ基板
５１ ：空隙
５３ ：連絡孔
６１ ：ガス送出装置
６３ ：電源装置
７１ ：第一端
７２ ：第二端
８１ ：第一基準箇所
８２ ：第二基準箇所
８３ ：第三基準箇所
９１ ：第一特定領域
９２ ：第二特定領域
９３ ：第三特定領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
【図17E】
【図17F】
【図17G】
【図18】