JP2017107641A - 大気圧プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ照射領域の変更可能な汎用性に優れた大気圧プラズマ装置を提供する。
【解決手段】大気圧プラズマ装置Ｐは、被照射対象物Ｃに大気圧プラズマを照射する複数のプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ５と、プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ５の外周に形成されて、照射後の大気圧プラズマを排気する第一の排気路６ａと、プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ５へのガス供給を選択的に行う第一の弁体２と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被照射対象物の特定部位に大気圧プラズマを照射する装置に関する。

生物細胞および外皮系の特定部位にケアを目的として大気圧プラズマを照射する装置が知られている。具体例を挙げると、特許文献１に記載の装置がある。この大気圧プラズマ装置の装置構成を概略すると、次のようなものである。

筒状の囲環部の内側に絶縁部材で構成された別の筒体が設けられている。この筒体内にプラズマの元となるガスが供給される。筒体内側に棒状の内側電極を配置し、筒体外側に筒体外周を覆い電気的に接地された外側電極を配置する。内側電極に所定電圧を印加して、筒体内に供給されたガスのプラズマ化が行われる。

プラズマ化されたガスは、筒体内を流れるガスによって生物細胞側に移動し、生物細胞の患部表面に照射される。生物細胞に照射された大気圧プラズマは、筒状の囲環部とその内側に配置される筒体との間に形成される間隙を通して、生物細胞と反対側に排気される。

特開２０１４−２１２８３９

特許文献１の大気圧プラズマ装置では、生物細胞に照射されるプラズマの照射領域が一定であることから汎用性に欠ける。医療、美容分野への適用を考慮すると、照射対象となる部位の形状、大きさが個体ごとに異なることからプラズマ照射領域は一定ではなく、プラズマ照射領域の大きさが変更できることが望まれる。また、他の分野でも被照射対象物の大きさは常に一定という訳ではなく、被照射対象物の種類によって様々に変化することが考えられる。

例えば、特許文献１では装置を生物細胞から離間させることで、プラズマ照射領域を広げることが可能となる。ただし、大気圧プラズマ内のラジカルは寿命が短いので、生物細胞から装置を離間させることで生物細胞に対して大気圧プラズマ中のラジカルが効果的に作用しなくなる。また、プラズマ生成に用いるガスが生物にとって異臭、刺激等の害を成すガスである場合、プラズマ照射領域を広げるために装置を生物細胞から離間させることで装置外部にガスが漏れ出して生物に悪影響を与えてしまうことが懸念される。

また、装置のプラズマ照射領域が必要以上に大きい場合、生物細胞の不要な部位にプラズマが照射されるので、プラズマ化されるガスの種類によっては被照射対象ではない部位が異常を来してしまうことが懸念される。さらに、プラズマ照射領域が必要以上に大きいと、不要なプラズマの生成に余分なガスが必要となるので、装置の稼働、維持に係る費用が高くなることが懸念される。

上記事項を鑑み、本発明ではプラズマ照射領域の変更可能な汎用性に優れた大気圧プラズマ装置を提供することを主たる目的とする。

本発明に係る大気圧プラズマ装置は、被照射対象物に大気圧プラズマを照射する複数のプラズマ照射路と、前記プラズマ照射路の外周に形成されて、照射後の大気圧プラズマを排気する第一の排気路と、前記プラズマ照射路へのガス供給を選択的に行う第一の弁体と、を備えている。

このような大気圧プラズマ装置であれば、プラズマ照射路の選択に応じて、被照射対象物上のプラズマ照射領域の変更を適宜行うことが可能となる。また、不要なガスの使用が控えられることから、装置の稼働、維持に係る費用を低減することが可能となる。

より具体的な大気圧プラズマ装置の構成としては、前記プラズマ照射路の外周に巻回されたコイルと、前記コイルに接続された高周波電源と、を備えている。

誘導結合プラズマ方式を用いることで、プラズマ照射路内にプラズマ生成用の電極を配置する必要がない。これにより、プラズマ照射路内の電極がプラズマによってスパッタされることや電極から生じるスパッタ粒子が被照射対象物に飛散することを防止することが可能となる。

さらに、プラズマ照射領域の大きさをより正確に制御したい場合には、大気圧プラズマ装置は、前記プラズマ照射路に個別に接続された第二の排気路と、前記第二の排気路を選択的に開閉する第二の弁体と、を備えていることが望ましい。

上記構成であれば、未使用のプラズマ照射路で発生しうる濃度の薄いプラズマが被照射対象物に照射されることを確実に防止することが可能となる。これにより、プラズマ照射領域の大きさをより正確に制御することが可能となる。

また、被照射対象物へのプラズマ照射領域を２次元的に変更したい場合には、前記プラズマ照射路が多重管で構成されていることが望ましい。

プラズマ照射路の選択に応じて、被照射対象物上のプラズマ照射領域の変更を適宜行うことが可能となる。また、不要なガスの使用が控えられることから、装置の稼働、維持に係る費用を低減することが可能となる。

本発明に係る大気圧プラズマ装置の模式的な断面図 図１記載の１−１線断面図 プラズマ温度調整機構を備えた大気圧プラズマ装置のブロック図 本発明に係る大気圧プラズマ装置の変形例を示す模式図 本発明に係る大気圧プラズマ装置の変形例を示す模式的な断面図 本発明に係る大気圧プラズマ装置の変形例を示す模式的な断面図 図６記載の１−１線断面図 本発明に係る大気圧プラズマ装置の変形例を示す模式的な断面図

以下、図１、図２を参照し、本発明の基本となる実施形態について説明する。

図１には本発明に係る大気圧プラズマ装置Ｐの模式的な断面図が描かれている。この大気圧プラズマ装置Ｐは被照射対象物Ｃ（例えば、生物細胞）に大気圧プラズマを照射する装置である。大気圧プラズマ装置Ｐはプラズマ化されるガスが導入されるプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３を複数備えている。ガス供給部１から各々のプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３へのガス供給が選択的になされるように、ガス供給部１とプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３との間には第一の弁体２が設けられている。図１の実施形態では、例えば、第一の弁体２として４方弁が使用されている。

図２には図１に記載の１−１線で、大気圧プラズマ装置Ｐを切断したときの断面図が描かれている。図２に描かれているように、図１の実施形態ではプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３は同心円状の多重管である。最も外側に設けられるプラズマ照射路Ｘ３の外周にはコイル３が巻回されている。プラズマ照射路Ｘ３の外周に巻回されたコイル３の両端には高周波電源４が接続されている。また、プラズマ照射路Ｘ３を囲むように囲環部７が設けられている。

プラズマ化されるガスによっては生物にとって異臭、刺激等の害となることが考えられる。囲環部７の先端には緩衝部材７ａが取付けられていて、緩衝部材７ａを被照射対象物Ｃの表面に密着させることで、生成されたプラズマが生物側に流出することが防止される。ただし、プラズマ化されるガスが生物にとって害の無いものであれば、緩衝部材７ａを設けずに囲環部７の先端を被照射対象物Ｃに近接配置するようにしてもよい。

緩衝部材７ａを被照射対象物Ｃに密着させた後、第一の弁体２でプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の選択が行われる。プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の選択については、被照射対象物の大きさに応じて種々の組み合わせが考えられる。具体例を挙げると、プラズマ照射路Ｘ１のみを選択する場合やプラズマ照射路Ｘ１とプラズマ照射路Ｘ２の２つの照射路を選択する場合、あるいは、プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の全てを選択する場合、といった種々の選択が行われる。プラズマ照射路の選択の後、ガス供給部１からガスの供給を行い、所定のプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３へのガスの供給が行われる。

プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３へのガスの供給にあわせて、コイル３には高周波電流が通電される。これにより、所定のプラズマ照射路内に流れるガスがプラズマ化される。プラズマ化されたガスは、照射路内を流れるガス流によってプラズマ照射路のプラズマ噴出部５側に押し出されて、被照射対象物Ｃに照射される。

被照射対象物Ｃに照射されたプラズマは、囲環部７とプラズマ照射路Ｘ３との間の第一の排気路６ａを通して、プラズマ排気部６（例えば、排気用のポンプ）で装置外部に排出される。なお、特許文献１と同様にここで排気されるガスの再利用を目的として、排気されるガスをガス供給部１に送り戻すようにしてもいい。

このような大気圧プラズマ装置であれば、プラズマ照射路の選択に応じて、被照射対象物上のプラズマ照射領域の変更を適宜行うことが可能となる。また、不要なガスの使用が控えられることから、装置の稼働、維持に係る費用を低減することが可能となる。

被照射対象物Ｃが生物細胞の場合、照射されるプラズマ温度は低温で制御可能であることが望まれる。この点を鑑み、従来技術として知られる特開２０１０‐６１９３８に開示のプラズマ温度制御機構を取り入れてもよい。図３のブロック図には、本発明の構成にプラズマ温度制御機構を取り入れた構成が描かれている。

図３の構成について簡単に説明する。図１で説明したガス供給部１と第一の弁体２の間に、冷却器Ｒ、加熱器Ｈを設ける。冷却器Ｒでは、例えば、液体窒素を使ってガス供給部１から供給されるガスの冷却が行われる。加熱器Ｈでは、冷却器Ｒで冷却されたガスの温度調整が行われる。図１で説明した大気圧プラズマ装置Ｐの第一の排気路６ａを通して排出されるガスの温度を計測するための温度計測器Ｔを設けておき、ここで計測された計測結果を加熱器Ｈにフィードバックする。この計測結果を用いて、加熱器Ｈでガスの温度調整を行う。

図１で説明した第一の弁体２によるプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の選択については、装置のオペレーターが手動で行ってもいいし、制御装置を用いて自動で行うようにしてもよい。

プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の選択を手動で行う場合には、次の構成を用いることが考えられる。

図４には大気圧プラズマ装置Ｐの外観が描かれている。例えば、この図４に描かれているように囲環部７の外周面に目印Ｍを設けておく。この目印Ｍは、プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３に対応している。プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の各々の領域を示す目印Ｍは、被照射対象物上のプラズマ照射領域に対応している。装置のオペレーターが、被照射部の大きさと目印Ｍとを比較して、プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３のうち、所望のプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の組み合わせを選択する。

図４の構成では、被照射対象物Ｃと目印Ｍとが離間しているため、プラズマ照射路が誤って選択されてしまう恐れがある。この点を考慮し、図５に示すように プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３のプラズマ噴出部５側の端部にＬＥＤを設けておき、被照射対象物Ｃの表面にプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の領域が直接映し出されるように構成しておいてもよい。図示されるＬ１、Ｌ２、Ｌ３は各々のプラズマ照射路Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３に対応している。
また、被照射対象物Ｃの表面に各ＬＥＤの光を一挙に照射すると視認し難い為、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の各々のＬＥＤをプラズマ照射路ごとに点灯できるように構成しておく。なお、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のＬＥＤは、各々のプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の領域が認識できる程度の個数が設けられている。

一方、プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の選択を自動で行う場合には、次の構成を用いることが考えられる。

被照射対象物Ｃへのプラズマ照射に先立って、カメラを用いて被照射部位を撮像しておく。この撮像データを制御装置に送信し、制御装置が送信されたデータを画像処理して被照射部位の大きさを特定する。制御装置にはプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の種々の組み合わせに対応したプラズマ照射領域の大きさに関するデータが記憶されている。制御装置は、このデータと特定された被照射部位の大きさとを比較して、プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の適切な組み合わせを選択し、所定のプラズマ照射路にガスの供給がなされるよう、第一の弁体２の開閉を行う。

図１に示す実施形態では円環状のプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３を多重に配置する構成であったが、個々のプラズマ照射路の配置、形状、大きさはこのような構成に限られない。

例えば、図５および図６に描かれているように、一方向に沿って複数のプラズマ照射路を並べるようにしてもよい。図６は図５に記載の１−１線で、大気圧プラズマ装置Ｐを切断したときの断面図である。図中で使用されている符号で、図１と共通しているものは図１で説明した部位と同様の機能を有しているため、説明を省略する。
図５、図６の実施形態では、５つのプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ５が設けられている。各々のプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ５は、図６に図示されているように一方向に沿って並べて配置されている。この実施形態では、図５に記載の第一の弁体２として６方弁が使用されている。

この実施形態のように、プラズマ照射路の配置、形状、大きさは図１、図２の実施形態のものから変更してもこれまでの実施形態と同等の効果を奏することができる。ただし、生物細胞へのプラズマ照射を考慮した場合、照射対象部位は個体差に応じて生物細胞表面で２次元的に変化することが考えられるので、図１、図２の実施形態で述べたプラズマ照射領域を２次元的に変更することが可能な多重管構造を用いることが望まれる。なお、複数のプラズマ照射路を多重管構造とする場合、必ずしも同心円状に構成する必用はない。例えば、プラズマ照射路の断面を矩形状にすることや楕円形状にすることも考えられる。

また、装置の使用環境によっては、周囲の機器への影響を考慮して大気圧プラズマ装置Ｐの周囲を電磁シールドで囲っておくようにしてもよい。

これまでに述べた実施形態では、誘導結合型のプラズマ生成方法が使用されていたが、特許文献１と同様の構成を用いて各々のプラズマ照射路内でプラズマの生成を行うようにしてもよい。この場合、例えば、各々のプラズマ照射路の内部に棒状の内側電極を配置し、各々のプラズマ照射路の外周に外側電極を配置する。その上で、ガスが導入されるプラズマ照射路の内側電極に電圧を印加して、特定照射路内でのプラズマの生成を行う。

しかしながら、このような構成を用いた場合、プラズマ照射路内の内側電極がプラズマに曝されるので、電極がプラズマによりスパッタされて浸食されてしまうことが懸念される。また、電極からのスパッタ粒子が被照射対象物側へ飛散することから、被照射対象物に悪影響を及ぼすことも考えられる。これらの点を鑑み、これまでの実施形態で説明した誘導結合型のプラズマ生成方法を用いることが望ましい。

図１の実施形態で、プラズマ照射路Ｘ１だけにガスが供給されている場合、プラズマ排気部６による排気作用を受けて、プラズマ照射路Ｘ１のプラズマ噴出部５から放出されたガスが未使用のプラズマ照射路Ｘ２、Ｘ３内に微量に流入して、プラズマ照射路Ｘ２、Ｘ３内でもプラズマが生成されることが考えられる。
未使用のプラズマ照射路Ｘ２、Ｘ３内で生成されるプラズマの濃度は非常に薄いものであり、被照射対象物Ｃに対する影響はほぼないものであると考えられるが、予期せぬ悪影響が懸念されるので、未使用のプラズマ照射路Ｘ２、Ｘ３で生成された薄いプラズマであっても被照射対象物Ｃに照射されないようにしておくことが望まれる。

これまでの実施形態では、プラズマ排気部６による排気は囲環部７とプラズマ照射路との間に形成された排気路６ａを通して行われるものであったが、この構成に加えて、ガスの供給が行われていないプラズマ照射路内も排気できるようにしておいてもよい。図８には同構成に係る実施形態が描かれている。

図８の構成は、ガスの供給が行われていないプラズマ照射路内を排気する構成を除くと図１の構成と同じ構成である。図８に示すプラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３には、照射路内の排気を行うための第二の排気路６ｂが接続されている。また、各排気路の開閉を選択できるように、各排気用には第二の弁体９が接続されている。この第二の弁体９を通して、プラズマ照射路Ｘ１〜Ｘ３の管内のガスがプラズマ排気部６により装置外部に排出される。

一連の排気動作について具体例を挙げて説明する。被照射対象物の大きさに応じて、プラズマ照射領域の選択が行われる。プラズマ照射領域の選択は、ガス供給用の第一の弁体２の開閉を選択することで行われる。このガス供給用の第一の弁体２の開閉に併せて排気用の第二の弁体９の開閉も行われる。

一例を挙げて説明すると、プラズマ照射路Ｘ１、Ｘ２にガス供給部１からのガス供給がなされるようにガス供給用の第一の弁体２の開閉操作が行われたとき、プラズマ照射路Ｘ１、Ｘ２へのガスの供給路が開けられて、プラズマ照射路Ｘ３へのガスの供給路が閉められる。第一の弁体２の開閉操作に併せて、排気用の第二の弁体９の開閉操作も行われる。第二の弁体９の開閉操作では、プラズマ照射路Ｘ１、Ｘ２の第二の排気路６ｂが閉じられ、プラズマ照射路Ｘ３の第二の排気路６ｂが開けられる。その結果、被照射対象物Ｃに対するプラズマ照射領域は、プラズマ照射路Ｘ１、Ｘ２に対応する領域のみとなり、プラズマの噴出が行われないプラズマ照射路で発生される濃度の薄いプラズマが被照射対象物Ｃに照射されることを防止できる。なお、第二の弁体９の開閉状態に関わらず、第一の弁体６による排気操作は常に行われている。

これまでの実施形態では、複数のプラズマ照射路に対して１つのガス供給部１を用いる構成であったが、本発明の構成はこれに限定されない。例えば、個々のプラズマ照射路に対して第一の弁体２、ガス供給部１を個別に設けておき、第一の弁体２の各々の開閉を操作することで所定のプラズマ照射路へのガス供給が行われるようにしてもよい。また、第二の弁体９についても、個々のプラズマ照射路に対して個別に設けるようにしてもよい。

また、特許文献１と同様に、囲環部７の内部に被照射対象部へミスト化された薬剤を投与する為の管を設けておいてもよい。

前述した以外に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

１ ガス供給部
２ 第一の弁体
３ コイル
４ 高周波電源
５ プラズマ噴出部
６ プラズマ排気部
６ａ 第一の排気路
６ｂ 第二の排気路
９ 第二の弁体
Ｘ１〜Ｘ５ プラズマ照射路
Ｐ 大気圧プラズマ装置

Claims (4)

1. 被照射対象物に大気圧プラズマを照射する複数のプラズマ照射路と、前記プラズマ照射路の外周に形成されて、照射後の大気圧プラズマを排気する第一の排気路と、前記プラズマ照射路へのガス供給を選択的に行う第一の弁体と、を備えた大気圧プラズマ装置。
2. 前記プラズマ照射路の外周に巻回されたコイルと、
   前記コイルに接続された高周波電源と、を備えた請求項１記載の大気圧プラズマ装置。
3. 前記プラズマ照射路の外周に巻回されたコイルと、
   前記コイルに接続された高周波電源と、を備えた請求項１または２記載の大気圧プラズマ装置。
4. 前記プラズマ照射路が多重管で構成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の大気圧プラズマ装置。