(57)【要約】  【課題】  被処理物表面に対する励起種の照射量及び照射面積を拡大できるとともに、表面全域に均一に照射することができ、しかも、有効励起種のロスを抑制して処理性能、処理効率の著しい向上を図ることができるようにする。  【解決手段】  相対向して位置する放電電極(４)間にパルス電圧を印加してそれら放電電極の尖端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種を被処理物の表面に照射して処理を行なう。第１電極(11)と第２電極(12)とを対向配置した放電ユニット(13)を複数用意し、変圧器(15)の二次側端子の一方を複数の放電ユニット(13)での第１電極(11)にそれぞれ接続するともに、変圧器(15)の二次側端子の他方を複数の放電ユニット(13)での第２電極(12)に整流器を介し接続することにより、複数の放電ユニット(13)でコロナ放電を交互に発生させるように構成する。【選択図】    図１
2005235448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向して位置する放電電極(４)間にパルス電圧を印加してそれら放電電極(４)の尖端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種を被処理物の表面に照射して処理を行なうプラズマ処理方法であって、
変圧器(15)の二次側出力の一方を分岐して異なる放電ユニット(13)での一方の放電電極(４)に給電するとともに、変圧器(15)の二次側出力の他方を整流器(19)(20)を介して異なる放電ユニット(13)の他方の放電電極(４)にそれぞれ給電するすることにより、各放電ユニット(13)で放電電極(４)間にコロナ放電を交互に発生させるように構成したことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
上記パルス電圧として、矩形波パルス電圧を使用する請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
上記パルス電圧として、交流電圧を両波整流した複数の脈流波で構成されるパルス電圧を使用する請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
放電電極(４)の尖端部近くで上記プラズマ中の荷電粒子が存在しているところに磁場が形成されており、この磁場中を運動する荷電粒子に対して押出し作用する力によりプラズマを含む励起種を被処理物の表面に向けて照射させるようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
放電電極(４)間に空気または反応性ガスを大気圧または大気圧近傍圧力下で導入することによりプラズマを含む励起ガス流で被処理物の表面に向けて照射させる請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
相対向して位置する放電電極(４)間にパルス電圧を印加してそれら放電電極(４)の尖端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種を被処理物の表面に照射して処理を行なうように構成されたプラズマ処理装置であって、
変圧器(15)の二次側端子の一方を分岐し、各分岐回路(18)にそれぞれ整流器(19)(20)を配置し、この分岐回路(18)を異なる放電ユニット(13)の一方の放電電極(４)に接続するとともに、変圧器(15)の二次側端子の他方を分岐して異なる放電ユニット(13)の他方の放電電極(４)に接続し、各放電ユニット(13)で放電電極(４)間に印加されるパルス電圧に基づいて放電電極(４)間にコロナ放電を交互に生起させるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
対向して配置されている放電電極(４)の尖端部近くで上記プラズマ中の荷電粒子が存在しているところに磁場を形成して該磁場中を運動する荷電粒子に対してプラズマを含む励起種を被処理物の表面に向けて照射させる押出し力を作用させることが可能な磁場形成手段(Ｍ)が設けられている請求項６に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記磁場形成手段(Ｍ)が、永久磁石(８)とこの永久磁石(８)のＮ，Ｓ両極に接続されて一対の放電電極(４)の尖端部近くにまで延設された一対の磁性体とこれら磁性体の先端に連なり端面間にギャップを形成する一対のポールピース(６)(７)とから構成されている請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
上記磁場形成手段(Ｍ)が、直流電源に接続された電磁石とこの電磁石のＮ，Ｓ両極に接続されて一対の放電電極(４)の尖端部近くにまで延設された一対の磁性体とこれら磁性体の先端に連なり端面間にギャップを形成する一対のポールピース(６)(７)とから構成されている請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
上記放電電極間に空気または反応性ガスを大気圧または大気圧近傍圧力下で導入する手段が設けられており、この手段を介して空気または反応性ガスを導入することによりプラズマを含む励起ガス流を被処理物の表面に向けて照射させるように構成されている請求項６〜９のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてポリエチレンやポリプロピレン、ポリエステル(ＰＥＴ)、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）などの樹脂に対して塗料を塗布する場合や印刷を施す場合にその表面の撥水性を親水性に改質したり、ガラス、セラミックス、金属、半導体等の表面に付着した有機物を洗浄したり、殺菌・滅菌したり、エッチングしたりするなどの各種の表面処理あるいはガス分解プロセスに適用されるもので、詳しくは、コロナ放電により生成されるプラズマによる分子解離の結果発生する励起分子、ラジカル、イオンなどの励起種を被処理物の表面に照射して改質等の表面処理等を行なうコロナ放電式のプラズマ処理方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コロナ放電方式のプラズマ表面処理方法は、大気圧下のグロー放電方式のプラズマ表面処理方法の場合に必要であるヘリウムまたはアルゴンや水素など点火用ガスの使用が省け、使用時の安全性の向上及びガス消費量の節減による処理コストの低減を図れるという利点を有することから、表面改質等の表面処理に多く利用されている。
【０００３】
この種のコロナ放電方式のプラズマ表面処理方法による処理性能、処理効率を決定する上で重要な要素は、コロナ放電により生成されたプラズマを含む励起種の被処理物表面への照射量、照射面積及び照射の均一性であり、これら重要な要素を達成する手段として、従来では、一対の放電電極を対向する状態に配置し、この両電極間に正弦交流電圧を印加して両電極間でコロナ放電を発生させると共に、その放電領域に空気などのガスを流すようにようにしている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２９３３６３号公報（図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記した従来のコロナ放電方式のプラズマ表面処理方法では、一対の放電電極を有する１つの放電ユニットに対して、１基の変圧器を設置しており、広い範囲の表面処理を行う場合、配置した放電ユニットの台数と同数の変圧器を装備しなければならないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、一基の変圧器で複数の放電ユニットに供給する電力をまかなうことのできるプラズマ処理方法及びその装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るプラズマ処理方法は、相対向して位置する放電電極間にパルス電圧を印加してそれら放電電極の尖端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種を被処理物の表面に照射して処理を行なうプラズマ処理方法であって、変圧器の二次側出力を分岐して異なる放電ユニットの各放電電極に給電することにより、各放電ユニットで放電電極間にコロナ放電を発生させるように構成したことを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の請求項６に係るプラズマ処理装置は、相対向する放電電極にパルス電圧を印加してそれら放電電極の尖端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種を被処理物の表面に照射して表面処理を行なうように構成されたプラズマ表面処理装置であって、変圧器の二次側端子の一方から導出した出力回路を分岐し、各分岐回路にそれぞれ整流器を配置し、この分岐回路を異なる放電ユニットの一方の放電電極に接続するとともに、変圧器の二次側端子の他方を分岐して異なる放電ユニットの他方の放電電極に接続し、各放電ユニットで放電電極間に印加されるパルス電圧に基づいて放電電極間にコロナ放電を生起させるように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成の本発明によれば、複数の放電ユニットに１基の変圧器からパルス電圧を供給して放電させるようにしていることから、被処理物表面に対する励起種の照射量及び照射面積を拡大するべく複数の放電ユニットを配置した場合でも、変圧器が一つですむことから、装置を小型化することができるうえ、設備コストを安価に抑えることができることになる。しかも、一対の放電ユニットで交互にコロナ放電を生起させることができることから、処理対象物の表裏を同じ変圧器からの給電でそれぞれ処理することができる。  
【０００９】
上記のようなコロナ放電式のプラズマ処理方法及び装置において、放電電極に印加するパルス電圧としては、請求項２に記載のように、矩形波パルス電圧、あるいは、請求項３に記載のように、交流電圧を両波整流した複数の脈流波から構成されるパルス電圧のいずれを使用してもよい。このうち、特に、脈流波から構成されるパルス電圧を使用する場合は、特別なパルス電圧発生電源が不要で、商用または超音波領域の交流電源とダイオード等の整流素子との組み合わせからなる簡単な電源装置を用いることで、所望周期及びデューティのパルス電圧を印加することが可能で、装置の低コスト化を実現することができる。
【００１０】
さらに、請求項４及び請求項７に記載のように、放電電極の尖端部近くに磁場を形成した状態で、放電電極にパルス電圧を印加して両電極間にコロナ放電を生起させる場合には、コロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種が磁場の中に存在することになって、磁場の中を運動するプラズマの荷電粒子に対して磁場から押し出し力、即ちローレンツ力が作用して、励起種を被処理物の表面に向って勢いよく、また広い面積に亘ってほぼ均一に照射させることができる。
【００１１】
また、上記コロナ放電式のプラズマ処理装置における磁場形成手段としては、請求項８に記載したように、永久磁石と一対の磁性体と端面間にギャップを形成する一対のポールピースとから構成されたもの、あるいは、請求項９に記載したように、直流電源に接続された電磁石と一対の磁性体と端面間にギャップを形成する一対のポールピースとから構成されたもの、のいずれであってもよい。このうち、永久磁石を用いる場合は、製作コストの低減及び電力消費の節減が図れる。一方、電磁石を用いる場合は、永久磁石を用いる場合に比して製作コスト及び電力消費が増大する反面、ポールピース端面間のギャップの磁束密度を調整することによってローシンツ力、ひいては、プラズマを含む励起種の照射力及び照射拡散範囲を被処理物の表面形態等に対応して容易かつ任意にコントロールしやすく、被処理物に対する形状適用性の拡大が図れる上に、処理性能、処理効率をより一層向上することができる。
【００１２】
さらにまた、本発明では、請求項５及び１０に記載のように、アルゴン、窒素、炭酸ガス等の反応性ガスあるいは空気を大気圧または大気圧近傍下で放電電極間に導入するようにすると、ガスの流れでプラズマを含む励起種を被処理物表面に向けて照射して被処理物表面への照射量、照射面積及び照射の均一性を得ることができる上、プラズマを含む励起ガス流を磁場から受ける押出し作用力(ローレンツ力)で照射させることにより、種々の表面処理に利用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１は本発明方法を適用したプラズマ表面処理装置の一実施例を示す概略縦断正面図、図２は一部切除斜視図である。
このプラズマ表面処理装置は、多数のガス噴出孔(１)を列設するとともに各ガス噴出孔の上端部分が連通するガス溜(２)とを内部に形成した板状絶縁部材(３)と、板状絶縁部材(３)に支持されている放電電極(４)と、放電電極(４)を前後から挟む状態に形成した一対のセラミックス製絶縁スペーサ(５)と、セラミックス製絶縁スペーサ(５)の外側にそれぞれ配置したポールピース(６)(７)と、各ポールピース(６)(７)にそれぞれ磁気的に連結接続されている磁石(８)と、この磁石(８)の上端部同士を接続する磁性材製連結杆(９)、及び、放電電極(４)に放電用電圧を印加する電源装置(10)とで構成してある。
【００１４】
放電電極(４)は、略Ｌ字状に形成した第１電極(11)と、この第１電極(11)に対向する状態に配置された略Ｌ字型の第２電極(12)とで構成してある。そしてこれら、両電極(11)(12)はそれぞれタングステンやモリブデン等の耐熱性のある金属で形成してある。
【００１５】
電源装置(10)は、交流電源(14)と、交流を昇圧する変圧器(15)と、この変圧器(15)の２次側に配置されている倍電圧整流回路のコンデンサを外して形成した両波型整流回路からなるパルス電圧印加手段(16)とで構成してあり、変圧器(15)の２次側端子の一方と放電ユニット(13)の第１電極(11)とを電気的に接続する出力回路(17)は分岐して形成してあり、分岐出力回路(17)はそれぞれ異なる放電ユニットの第１電極(11)に接続されている。また、変圧器(15)の２次側端子の他方と第２電極(12)とを電気的に接続する第２の出力回路(18)にはそれぞれ高圧整流ダイオード(19)(20)が介装してある。この場合、高圧整流ダイオード(19)と高圧整流ダイオード(20)とは、その流れ方向を逆に配置してあり、一方の放電ユニットでは第２電極(12)が第１電極(11)に対して高電圧を出力した際に放電を開始し、他方の放電ユニットでは第２電極(12)が第１電極(11)に対して低電圧を出力した際に放電を開始するようになっている。つまり、このパルス電圧印加手段(16)からはそれぞれ半波整流した正電圧側と負電圧側の脈流波がパルス電圧として交互に印加され、第１電極(11)と第２電極(12)の尖端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電によりプラズマを含む励起種を生成させるように構成されている。
【００１６】
なお、この電源装置(10)としては、５０Ｈｚ〜１００ＫＨｚの交流電源を変圧器(15)で５〜１５ＫＶの波高値Ｖｐをもつ正弦波に昇圧し、この昇圧された正弦波を５〜１５ＫＶの波高値Ｖｐを持つ直流の脈流波に変換し、正電圧部分(直流)を一方の放電ユニットｋ第１電極(11)と第２電極(12)との間に印加させ、また、負電圧部分を他方の放電ユニットの第１電極(11)と第２電極(12)との間に印加させて、それぞれＯＮ時間およびＯＦＦ時間の和を一周期Ｔとしてパルス周波数（１／Ｔ）が１０〜２００Ｈｚ、パルスデューティが１０〜１００%のパルス電圧を交互に発生させることになる。
【００１７】
上記放電電極(４)の尖端部直近位置には、コロナ放電により生成されるプラズマ中の荷電粒子が存在するガスの流れと直交する水平面に沿った磁場を形成する磁場形成手段が設けられている。この磁場形成手段は、上記放電電極(４)の基端部上方に配置された永久磁石(８)とこの永久磁石(８)のＮ，Ｓ両極に接続されて一対の放電電極(４)の尖端部近くにまで延設された純鉄製等の一対の軟磁性体とこれら軟磁性体の先端に一体に連設されて放電電極(４)の尖端部を挟んで相対向する端面間に磁場形成用ギャップを形成する純鉄製等の一対のポールピース(６)(７)とから構成されており、この磁場形成手段におけるポールピース(６)(７)の端面間のギャップに形成される磁場の中をプラズマ中の荷電粒子が運動することに伴い、この荷電粒子には押出し力、すなわち、ローレンツ力が作用してプラズマを含む励起種が図１、２中の矢印Ｘに示すように、被処理物の表面に向けて照射されるように構成されている。
【００１８】
ここで、上記のローレンツ力Ｆは、粒子の電荷をＱ、速度をｖ、ポールピース端面間のギャップの磁束密度をＢとすると、
Ｆ＝Ｑｖ×Ｂ
であり、荷電粒子の速度ベクトルに垂直に作用し、これによって、プラズマを含む励起種が矢印Ｘ方向に押出し照射される。
【００１９】
また、板状絶縁部材(３)に形成されている各ガス噴出孔(１)からアルゴン、窒素、酸素、炭酸ガス等の反応性ガスや空気を大気圧または大気圧近傍下で一対の放電電極間に導入して、プラズマを含む励起ガス流を磁場から受けるローレンツ力で被処理物の表面に向けて照射させるように構成してある。したがって、表面処理の適用性を拡大することが可能となる。
【００２０】
このように構成されたコロナ放電式プラズマ表面処理装置においては、永久磁石(８)のＮ，Ｓ両極に軟磁性体を介して接続されたポールピース(６)(７)の端面間のギャップに有効磁束及び漏れ磁束からなる磁場（磁界）が形成されており、この状態で、上記した電源装置(10)により整流された出力が第１電極(11)と第２電極(12)との間にパルス周波数が１０〜２００Ｈｚの正または負のパルス電圧を印加して両電極(11)(12)の尖端部間にコロナ放電を交互に生起させると、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種が磁場の中に存在することになり、この磁場の中を運動するプラズマ中の荷電粒子が磁場から受ける既述のローレンツ力Ｆによってプラズマを含む励起種には磁場に垂直な矢印Ｘ方向の力が与えられることになる。
【００２１】
また、本発明では、一対の放電電極(４)を構成する第１電極(11)と第２電極(12)に対して、交流電圧を整流してえられた複数の脈流波から構成される正または負のパルス電圧をそれぞれ使用しているので、たとえばマルチバイブレータやシュミット・トリガ回路、ブロッキング発振器などの特別なパルス電圧発生電源が不要で、商用交流電源あるいは超音波電源とダイオード等の整流素子との組み合わせからなる簡単な電源装置を用いながら、所望周期及びデューティのパルス電圧を印加することが可能であり、さらに、磁場形成手段として、製作コストが低くかつ電力消費のない永久磁石(８)を利用することによって装置全体の導入コスト及びランニングコストの低減が図れる。
【００２２】
なお、上記実施態様においては、磁場形成手段(Ｍ)として永久磁石(８)を使用したが、磁場形成手段としては、電磁石であっても良い。このように磁場形成手段(Ｍ)として電磁石を使用すると、ローレンツ力Ｆを制御することができ、プラズマを含む励起種に負荷される磁場に垂直な力を調整することができる。
【００２３】
さらに、上記の実施態様では、放電電極(４)の尖端部を挟んで相対向する端面間に磁場を形成すると共に、該端面間に反応性ガスや空気を噴出するようにしているが、磁場形成とガス導入とはいずれか一方だけであっても良い。
【００２４】
さらにまた、上記の実施態様では、交流電源と、その交流電圧を両波整流した複数の脈流波で構成されるパルス電圧を発生する整流回路とでパルス電圧印加手段を構成したものについて説明したが、パルス電圧印加手段は矩形波のパルス電圧を発生させるパルス波発生電源であつても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、主としてポリエチレンやポリプロピレン、ポリエステル(ＰＥＴ)、ＰＴＦＥ(ポリ四フッ化エチレン)などの樹脂に対して塗料を塗布する場合や印刷を施す場合にその表面の撥水性を親水性に改質したり、ガラス、セラミックス、金属、半導体等の表面に付着した有機物を洗浄したり、殺菌・滅菌したり、エッチングしたりするなどの各種の表面処理やコロナ放電により生成されるプラズマによる分子解離を利用したガス分解プロセスに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を示す一部省略縦断正面図である。
【図２】図１の装置の一部切除斜視図である。
【符号の説明】
【００２７】
４…放電電極、６・７…ポールピース、８…永久磁石、11…第１電極、12…第２電極、13…放電ユニット、15…変圧器、19・20…整流器、18…各分岐回路、Ｍ…磁場形成手段。
【図１】
2005235448.tif 000003
【図２】
2005235448.tif 000004