(57)【要約】      （修正有）【課題】高密度なプラズマを、均一に照射できるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法の提供。【解決手段】プラズマ発生装置３および処理対象物１の少なくともどちらか一方を固定せず、プラズマ発生装置３および処理対象物１を、直接的、もしくは間接的に接触させ、この接触により間隙を一定に保つ機構である高さ調整機構４と自在継手５を備え、処理対象物１がベルトコンベア２により動揺している場合でも、プラズマ発生装置３および処理対象物１の間隙を保つできる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生装置と処理対象物の間隙距離を保つ機構を備えたプラズマ照射装置およびプラズマ処理方法。
【請求項２】
プラズマ発生装置および処理対象物の少なくともどちらか一方が動揺した場合でも、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙距離を保つ機構を備えたプラズマ照射装置およびプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項２において、間隙を保つ機構として、プラズマ発生装置および処理対象物の少なくともどちらか一方を固定せず、プラズマ発生装置および処理対象物を、直接的、もしくは間接的に接触させ、この接触により間隙を保つ機構を備えたプラズマ照射装置およびプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項２の構造を持つプラズマ処理装置において、プラズマ発生機構としてバリヤ放電方式を備え、処理対象物とバリヤ放電電極がある角度を持って対向し、これにより形成される楔形もしくは台形柱の空間にプラズマが発生することを特徴とするプラズマ照射装置およびプラズマ処理法。
【請求項５】
請求項２から４の構造を持つプラズマ処理装置を複数設けることで、大面積の処理対象物を処理することができるプラズマ照射装置およびプラズマ処理法。
【請求項６】
請求項２から５の構造を持つプラズマ処理装置において、プラズマを発生させる空間に任意のガスおよび任意のガスの混合物、あるいはミストを導入し、これをプラズマ化、もしくはプラズマで活性化することで処理を行うプラズマ処理装置および処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理などを目的として、被処理物にプラズマを照射する際、安定してプラズマを生成し、処理対象物に均一に処理効果が発現するようにし、かつ、高密度なプラズマ照射を可能にするプラズマ照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
塗装性、接着性の向上などを目的として、物体表面にプラズマを照射し、その表面を改質する加工法は、印刷や加工をはじめ、あらゆる産業で広く一般的に使用されている。
【０００３】
こうした目的のために供されるプラズマには、古くは真空あるいは減圧かで生成するプラズマが主であったが、近年では大気圧下で生成できる大気圧プラズマを使用したものも広く散見されるようになってきた。
【０００４】
いずれのプラズマ発生装置も、その原理はほぼ同じであり、一対の電極の間に処理対象物を挟み、この電極間に高電圧を印加し放電を起すことで処理対象物近傍にプラズマを発生させ、これを照射するダイレクト型と、一対の電極の間に高電圧を印加し放電を起こし、ここで発生するプラズマをガス気流で押し出して処理対象物に照射させるリモート型とに大別できる。
【０００５】
特にダイレクト型のプラズマ発生装置では、処理対象物が電気伝導体としての性質を持つ場合、処理対象物を電極として用いることで、新たな電極を設置する必要がなく、また電極近傍には高密度なプラズマが発生することから、より効果の高いプラズマ照射が行える利点がある。
【０００６】
一方のリモート型のプラズマ発生装置では、処理対象物にまったく電流が流れないため、電気の影響を受ける半導体材料や、人体・生体へのプラズマ照射が可能である。
【０００７】
最近では、ダイレクト型とリモート型のプラズマ発生装置を組み合わせ、リモート型のプラズマ源と対向電極の間に被処理物を設置し、リモート型プラズマ源と対向電極の間に高電圧を印加して、リモート型プラズマ源から発生したプラズマにさらに電力を印加することで、得られるプラズマの密度を増大させる工夫もされている。
【０００８】
こうした工夫は、すべからく、高密度なプラズマを処理対象物に照射させ、短時間で目的の処理を達成しようとするものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
大気圧プラズマの技術とプロセス開発（沖野晃俊監修、シーエムシー出版、２０１１年８月発行）
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、表面処理などを目的として物体表面にプラズマを照射する際、高密度なプラズマを効率よく被処理物に照射するために、複雑な機械機構などを用いず、プラズマ発生装置および処理対象物との間隙を一定に保つことを目的とする。
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
プラズマ処理は、照射されるプラズマの密度が高いほど処理効果が高く、処理速度も速く、また一般的に処理後の処理効果持続時間も長い。
【００１２】
照射するプラズマの密度を増大させるには、プラズマを発生させるために印加する電力を増大させることで実現可能だが、この方法を用いるとプラズマの温度が極端に上昇するため、処理対象物に熱ダメージを与える可能性が高くなり、また、消費電力が増大するため環境コストが上がることから、好ましい解決法とは言いがたい。
【００１３】
このため、プラズマ発生装置から得られたプラズマの、もっとも高密度な部位でプラズマ照射を行うのが望ましい。
【００１４】
一般にプラズマの密度は、プラズマが発生している電極から離れると、指数関数的に低下する。
【００１５】
このため、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙は、可能な限り狭く保つことが、処理効果、処理速度、処理効果持続時間の観点から望ましい。
【００１６】
しかしながら、プラズマ発生装置が一時にプラズマ照射できる面積は限られているため、ある面積を持つ処理対象物にプラズマ処理を施す場合、プラズマ発生装置、もしくは処理対象物を何らかの搬送手段で移動し、処理目標面積を掃引する必要がある。
【００１７】
このとき、この搬送速度が高くなるにつれて、搬送されるプラズマ発生装置や処理対象物が機械的に動揺し、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙を狭く保ち、また、一定に保つことが難しくなってくる。
【００１８】
こうした機械的動揺により、搬送されるプラズマ発生装置もしくは処理対象物が衝突することを避けるため、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙をあらかじめ広めに保持する設計を余儀なくされる。
【００１９】
これは、結果として高密度なプラズマを照射できず、処理効果、処理速度、処理効果持続時間を犠牲にすることとなる。
【００２０】
さらに、特にダイレクト型プラズマ発生法の場合、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙が広くなると、より高い放電電圧が必要となり、高密度のプラズマを得るのが難しくなり、また、プラズマ密度の均一性が損なわれ、さらには、装置の電気的安全性が失われる。
【００２１】
また、ダイレクト型、リモート型を問わず、搬送に伴う機械的動揺によりプラズマ発生装置と処理対象物の間隙が変化することは、すなわち照射されるプラズマの密度が常に変化することを意味しており、大面積の部位をプラズマ照射した際に処理効果に場所依存性、すなわち処理ムラが発生する。
【００２２】
こうした問題を解決する一つ目の手段として、処理対象物をローラーのようなものの上に強く密着させて、ローラーとプラズマ発生装置との間隙を正確に保持する手法があるが、この場合、処理対象物がローラーに変形し密着するような、柔軟性に富んだ素材以外は適応できない。
【００２３】
こうした問題を解決する二つ目の手段として、搬送される処理対象物もしくはプラズマ発生装置の動揺に合わせて、間隙を常に一定に保つよう機械的機構を用いて調整する手法がある。具体的には超高速計測と超高速アクチュエータを用いることで、リアルタイムで放電間隔を調整制御できるが、コストや信頼性などの観点から現実的ではない。また、さらに搬送速度が増加すると、機械的動揺の速度も上がるため、これに間隙調整の応答速度が追従できなくなる。
【００２４】
さらに、プラズマ発生装置の有効処理部分が、搬送方向に対しても存在する場合、間隙調整は２軸以上の調整機構を要すため、現実的には不可能である。
【００２５】
さらに、機械的機構のため、故障の発生確率が増え、装置コストも上昇する。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明者らは、鋭意検討の結果、プラズマ発生装置および処理対象物をあえて固定、固縛しないことで、動揺を防ぐために処理対象物をローラーに固定したり、複雑な機械的機構を使用せずとも、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙を保つことができ、高密度のプラズマを照射でき、安定したプラズマを生成でき、かつ、均一なプラズマ照射を可能にする環境を提供できることを見出し、本発明を完成させるに至った。すなわち、プラズマ発生装置および処理対象物を、直接的、もしくは間接的に接触させ、この接触により間隙を保つことを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、プラズマ発生装置および処理対象物を、直接的、もしくは間接的に接触させ、この接触により間隙を保つことを特徴とする。
【００２８】
本発明によれば、プラズマ発生装置および処理対象物の間隙が、機械的な調整機構に頼らず自動的に調整されるため、故障の発生確率が増えないことから信頼性が高く、装置コストを低減できることを特徴とする。
【００２９】
本発明によれば、プラズマ発生装置および処理対象物の間隙が、機械的な調整機構に頼らず自動的に調整されるため、プラズマ発生装置と処理対象物との衝突を回避するための安全マージンを確保する必要がなくなる。
【００３０】
本発明によれば、プラズマ発生装置および処理対象物の間隙が、機械的な調整機構に頼らず自動的に調整されるため、プラズマ発生装置と処理対象物との衝突を回避するための安全マージンを確保する必要がなくなることから、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙を著しく狭くすることができる。
【００３１】
本発明によれば、プラズマ発生装置と処理対象物との衝突を回避するための安全マージンを確保する必要がなくなるため、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙を著しく狭くすることができることから、高密度なプラズマの照射が可能となり、より高い処理効果、より早い処理速度、より長い処理効果持続時間が実現する。
【００３２】
本発明によれば、プラズマ発生装置および処理対象物の間隙を常に一定に保持できるため、プラズマの安定性性が可能であることを特徴とする。
【００３３】
本発明によれば、プラズマ発生装置および処理対象物の間隙を常に一定に保持できるため、被処理物に照射されるプラズマ密度の変動が極めて少なく、プラズマ処理ムラが発生しにくいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
（１）本発明は、プラズマ発生装置および処理対象物との間隙を一定に保つことができる。
（２）また、本発明はプラズマ発生装置および処理対象物との間隙を、他の手法に比べて信頼性が高く、かつ低コストで一定に保つことができる。
（３）また、本発明はプラズマ発生装置および処理対象物との間隙を、他の手法に比べて狭く保つことができる。
（４）このため、本発明は印加する電力が少なくとも、安定したプラズマ生成が可能になる。
（５）このため、被処理物に照射されるプラズマ密度の変動が極めて少なく、プラズマ処理ムラが発生しにくい。
（６）このため、高い処理効果、高い処理速度、長い処理効果持続時間を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係るプラズマ照射方法の概念図（プラズマ処理前）
【図２】本発明に係るプラズマ照射方法の概念図（プラズマ処理中）
【図３】本発明により得られた、ブリキ板の表面処理効果を示すグラフ
【図４】本発明に係る、コロをつけたプラズマ照射装置の概念図
【図５】本発明に係る、バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置と処理対象物との断面とプラズマ密度の位置依存性を示すグラフ
【図６】本発明に係る、ベルトコンベア側に突起物を設けたプラズマ照射装置の概念図（上）と断面図（下）
【図７】本発明に係る、プラズマ発生装置と処理対象物を平行に対向することができるプラズマ処理法の概念図
【図８】本発明に係る、複数個のプラズマ発生装置を備えたプラズマ処理法の図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明のプラズマ照射装置およびプラズマ処理方法の原理を説明する。
【００３７】
本発明の実施の形態においては、プラズマ発生装置もしくは処理対象物の少なくともどちらか一方が、機械的に完全に固定されておらず、プラズマ発生装置もしくは処理対象物の位置的動揺に合わせて、他の機械的機構に頼ることなくプラズマ発生装置と処理対象物の間隙を保つ機構を備えていれば特に限定されない。
【００３８】
まず、本実施形態における原理を図１を用いて説明する。本実施形態で用いるプラズマ処理装置および処理方法では、プラズマ発生装置もしくは処理対象物の少なくともどちらか一方が、機械的に完全に固定されていないことを特徴とする。
【００３９】
図１では、処理対象物１がベルトコンベア２により搬送されているが、このときベルトコンベア２の性能の限界により、処理対象物１は上下方向に動揺している。
【００４０】
仮に、従来のプラズマ処理システムを用いた場合、この処理対象物の上下方向の動揺に対応すべく、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙は、あるマージンを保って決定する必要があり、極端に間隙を狭めることは不可能である。
【００４１】
本発明では、図１に示すように、プラズマ発生装置３は搬送方向の上流部のみ高さ調整機構４と自在継手５を介して緩やかに固定されており、振動などに柔軟に応答できるようになっている。一方、搬送方向の下流は全く固定されておらず、ベルトコンベアのベルトに常に接触している。
【００４２】
ここに、ある厚みを持った処理対象物が通過すると、図２に示すように、プラズマ発生装置の下流部側はベルトコンベアから離れ、処理対象物の厚み分持ち上がり、処理対象物と接触する。ここで、プラズマ発生装置と処理対象物とは、常にある角度を持って間隙を保つことができる。
【００４３】
このとき、ベルトコンベアが上下方向に動揺しても、プラズマ発生装置と処理対象物は、搬送方向の下流部で常に接しているため、この間隙は変化することが無い。
【００４４】
図３は、プラズマ源として、搬送方向に３０ｃｍ、搬送方向に垂直に１０ｃｍの面状のプラズマを発生する装置を用い、処理対象物として、搬送方向に９０ｃｍ、搬送方向に垂直に６０ｃｍの長さを持つブリキ板を用い、このブリキ板を毎分３０ｍでベルトコンベアで搬送し、プラズマ照射を行った実験の結果である。なお、このときは、プラズマ発生装置が直接ブリキ板に接触することを避けるために、プラズマ発生装置の両脇に１０ｃｍの鍔状の構造物を設置した。これにより、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙は約１５度の角度を持って対向し、その時の最短の間隙距離が１ｍｍであった。
【００４５】
まず、プラズマ処理前のブリキ板の、純水の接触角を搬送方向に５ｃｍごとに測定したところ、その平均は８５．３度であった。
【００４６】
次に、比較対照のため、同一のプラズマ発生装置を、搬送装置の動揺が最も最高点に達したときに、プラズマ発生装置と処理対象物との距離が２ｍｍになるように固定し、同じくブリキ板を毎分３０ｍで搬送したときの処理結果である。これによると、平均の水接触角は４７．８度であったが、測定位置により接触角に大きな差異が認められ、均一なプラズマ処理が行われていないことが明らかとなった。
【００４７】
一方、本発明を用いて処理した場合、平均の水接触角は２１．４度と従来の方法に比べて良好な結果を得ることができた。
【００４８】
また、測定位置による接触角の差異も最大プラスマイナス５度以内に収まっており、均一なプラズマ処理ができることが証明された。
【００４９】
本発明の第二の実施形態としては、プラズマ発生装置、もしくはその周囲に鍔状の保護機構部位に、図４に示すようなコロ９を設けたものである。
【００５０】
これによると、プラズマ発生装置などと処理対象物および搬送装置との直接的な接触が避けられ、摩擦が軽減され、なおかつコロの直径を変更することで、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙が調節できる。
【００５１】
本発明の第一および第二の実施形態では、プラズマ発生装置と処理対象物が平行ではなく、ある角度を持って対向している。これは、処理対象物の移動方向に対しプラズマ発生装置と処理対象物の間隙が、位置に依存して変化することを意味している。すなわち、図２の条件では、処理対象物の右側はプラズマ発生装置との距離が近く、左側では遠い。
【００５２】
一般的に、プラズマ発生装置と処理対象物とは平行であることが望ましいとされるが、これはプラズマ発生装置と処理対象物との距離が場所によって異なると、プラズマの密度が変化してしまい、均一な処理が行えないためである。しかしながら本発明では、処理対象物が密度勾配を持つプラズマ中を通過するため、積分された正味のプラズマ照射量は一定となるため、プラズマ処理部分を通過し終えた処理対象物は均一な処理が施されている。
【００５３】
一方で、プラズマ発生装置と処理対象物とは平行ではないことが、特にバリヤ放電をプラズマ発生装置として用いた時に有利になることが、本発明を通して明らかとなった。
【００５４】
図５は、プラズマ発生装置としてバリヤ放電を用い本発明を実施したときの、プラズマ発生装置と処理対象物との断面の関係を示したものである。電極１０と誘電体１１からなるバリヤ電極は、ある角度を持って対向しているため、処理対象物との間で楔形もしくは台形柱のプラズマ発生部を形成する。
【００５５】
ここで、バリヤ電極に高電圧が印加されると、電極間距離が最も短い図５の右側の部分で放電が開始しプラズマが形成されるが、それが時間をかけて図５左側に進展し、放電面の大部分でプラズマ状態が得られる。このときのプラズマ密度は１２に示す位置依存性を持っているが、このとき処理対象物が右側に移動しているので、必ず最もプラズマ密度の高い領域を処理対象物が通過することとなり、高密度のプラズマを処理に供することが可能となる。
【００５６】
本発明の第三の実施形態を図６に示す。これによると、ベルトコンベア上に突起物１３が存在し、この突起物の上にプラズマ発生装置３が直接的、もしくは間接的に接触することで、突起物の高さだけ常にベルトコンベア２とプラズマ発生装置３の間隙を保つ機構を持っている。突起物１３はベルトコンベア２に固定されているため、ベルトコンベアが動揺しても、処理対象物と同一の動揺をするため、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙が常に保たれる。
【００５７】
本発明の第四の実施形態を図７に示す。これによると、プラズマ発生装置は上下方向に自由に移動することができ、さらにプラズマ発生装置には上流下流少なくとも２箇所以上にコロ９がついている。このコロがベルトコンベア、もしくは処理対象物に接触することで、プラズマ発生装置と処理対象物の間隙が常に保たれる。この実施例では、プラズマ発生装置と処理対象物を平行に対向することができる。
【００５８】
本発明を実施するにおいて、処理対象物にプラズマ発生装置３やその保護機構、あるいはコロ９などが接触するのを避けたい場合は、コロをベルトコンベアに接触させ、プラズマ発生装置とベルトコンベアとの間隙を処理対象物の厚みと処理に必要となる間隙の和になるように調節した直径を持つコロを用いればよい。このとき、ベルトコンベアの動揺に合わせて処理対象物およびプラズマ発生装置が同時に動揺するため、結果的にプラズマ発生装置と処理対象物の間隙は希望の値に保たれる。
【００５９】
本発明を実施するにおいて、プラズマ発生装置の有効処理幅が、処理対象物より狭い場合は、図８のように複数個のプラズマ発生装置を並べればよい。また、一回プラズマ発生装置を通過しただけでは目標の処理効果が得られない場合は、搬送方向に対し複数段プラズマ発生装置を並べてよい。
【００６０】
また、本発明を実施するにおいて、複数個のプラズマ発生装置を並べる時、プラズマ処理が行われない部分が発生しないように、処理される部分が重複するようにプラズマ発生装置を配置しても良い。
【００６１】
なお、上記のすべての本実施形態において、プラズマ発生装置の緩やかな固定方法として高さ調整機構と自在継手によるものを用いたが、簡易的には例えばばねなどでもよく、あるいは、自由度がプラズマ発生装置の動きに対して十分な量得られるのであれば、例えばプラズマ発生装置を固縛しているねじを緩めるだけでも良い。すなわち、プラズマ発生装置が柔軟に動く機構を備えていれば、実施の形態は問わない。
【００６２】
なお、本発明のプラズマ処理方法は、搬送装置に起因する動揺のみならず、表面形状に起伏を有する処理対象物にも対応ができる。なおこの際は、表面形状の起伏の方向に対して処理幅を持たないプラズマ発生装置を用いることが望ましい。
【００６３】
これまでの数々の研究により、プラズマにするガスの種類によって、異なる処理効果が発現したり、処理速度が著しく変化することが幅広く知られている。また、ガス以外にも液体の微細なミストをプラズマ部分に導入することで、製膜やエッチングなどの効果が発現されることが期待される。
【００６４】
本発明のプラズマ処理方法においても、使用するガスの種類を変化させたり、ミストを導入することで同様の効果が得られる。この場合、使用するプラズマ発生装置が、さまざまなガスを使用できたりあるいはミストを導入することができる装置であれば、プラズマ装置本体にこうしたガスやミストを導入すればよい。
【００６５】
しかし、使用するプラズマ発生装置がさまざまなガスを使用できたりあるいはミストを導入することができない装置であった場合は、例えばプラズマ発生装置と処理対象物の周囲を、処理に適しているガスやミストで満たした箱もしくは袋などで覆う、あるいはプラズマ発生装置と処理対象物の隙間からガスやミストを吹き込む、あるいはプラズマ発生装置もしくはその周囲に取り付ける鍔状の物体を通じてガスやミストを吹き込めばよい。
【００６６】
プラズマ発生装置と処理対象物の隙間からガスやミストを吹き込む、あるいはプラズマ発生装置もしくはその周囲に取り付ける鍔状の物体を通じてガスやミストを吹き込む場合、流体の移動の問題から、可能な限り処理対象物の動き方向の上流からこれらを吹き込むのが望ましく、さらには吹き込む部分以外でかつプラズマ処理に関係のない間隙は、ひだ状の妨害物を設けるなどしてガスなどが容易に外に出ないよう、また外部の空気などがプラズマ処理空間に入りこまないようにすることがさらに望ましい。
【００６７】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて変更することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１  搬送装置により移動している処理対象物。一般的に図の上下方向に動揺している。
２  ベルトコンベア（搬送装置の一例）
３  プラズマ発生装置
４  高さ調整機構
５  自在継手
６  プラズマ処理を施していないブリキ板の水接触角
７  従来のプラズマ処理方法によりプラズマ処理したブリキ板の水接触角
８  本発明によりプラズマ処理したブリキ板の水接触角
９  コロ
１０  電極
１１  誘電体
１２  プラズマ密度
１３  ベルトコンベア上に設けられた突起物
１４  一回だけプラズマ処理された処理対象物
１５  複数回プラズマ処理された処理対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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