(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室内に設けられたカソードの少なくとも一部の表面形状を薄い自動車用プラスチック部品の表面形状と一致した形状としたプラズマ化学蒸着装置を用い、前記カソードに前記プラスチック部品を両者の形状の一致する表面が接する状態で取り付け、前記反応室内に水素ガスとモノシランガスとヘキサメチルジシランガスを導入するとともに、反応室とカソード間に高周波電力を供給してプラズマ化学蒸着を行うことを特徴とする自動車用プラスチック部品の保護膜形成方法。
【請求項２】
前記ヘキサメチルジシランは、ヘリウムキャリアガスとともに前記反応室内に導入されることを特徴とする請求項１に記載の自動車用プラスチック部品の保護膜形成方法。
【請求項３】
プラスチック製の自動車用ヘッドランプレンズにおいて、前記請求項１又は２に記載の方法によって、前記ヘッドランプレンズ表面に保護膜が形成されたことを特徴とする自動車用ヘッドランプレンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック製の自動車部品の表面に、耐擦傷性と紫外線カット特性を有する保護膜を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車部品等には、軽量化及び地球環境保護の観点から、リサイクルしやすい熱可塑性プラスチック材料が現在広く採用されている。たとえば、自動車用ヘッドランプのレンズ材料には、軽量化のため及び衝撃強度が高いことから、ポリカーボネート樹脂が主に使用されている。ところで、この様なプラスチック材料をそのまま自動車の外装用部品に使用する場合、材料自身の表面硬度が低くて傷が付き易く、また太陽から発せられる紫外線と熱により劣化し、変色、変形、強度低下を起こすといった弱点がある。
【０００３】
この弱点を補うため、従来は、主としてプラスチック表面に例えばアクリル系塗料をスプレーして、耐擦傷性と紫外線カット特性を有する保護膜を形成していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自動車に使用されているプラスチック部品の形状は、多種多様で複雑な三次元形状になっており、このような部品に対して塗料をスプレーする表面被覆処理では、均一な厚さの保護膜を形成するのが困難であるばかりでなく、プラスチック表面への塗着効率が低く、有機溶剤の多くを大気中に無駄に放出したり、望まない面に塗料を付着させることもあった。
【０００５】
このため、多種多様で複雑な三次元形状のプラスチック部品に対して、有機溶剤等を無駄に大気中に放出せず、地球環境保護に貢献できるようにしながら、耐擦傷性、紫外線カット特性等を有する均一な膜厚で良質な保護膜を形成することが求められている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を達成するために、請求項１に係る発明の自動車用プラスチック部品の保護膜形成方法では、反応室内に設けられたカソードの少なくとも一部の表面形状を薄い自動車用プラスチック部品の表面形状と一致した形状としたプラズマ化学蒸着装置を用い、前記カソードに前記プラスチック部品を両者の形状の一致する表面が接する状態で取り付け、前記反応室内に水素ガスとモノシランガスとヘキサメチルジシランガスを導入するとともに、反応室とカソード間に高周波電力を供給してプラズマ化学蒸着を行う。
この方法によれば、反応室内でプラズマ化学蒸着により保護膜を形成しているから、有機溶剤等を大気中に無駄に放出することもない。また、水素ガス中の水素ラジカルの働きによりモノシランガスとヘキサメチルジシランガスが効率的に解離してイオン化されることと、カソードが負バイアス電位となるとともにカソード周辺にイオンが集中したイオンシースができることと、プラスチック部品をイオンシース内に置くことができることにより、イオンシース内のイオンが、カソ−ドに向かって均一にゆっくりと吸引されていき、プラスチック部品表面にほぼ均一な厚さに堆積されていくので、複雑な三次元形状のプラスチック部品表面にほぼ均一な膜厚の良質な保護膜を形成することができる。そして、保護膜の原料のヘキサメチルジシランは、安全性の高い原料であり、硬さを与えるとともに紫外線を吸収するＳｉ−Ｃ結合をもつ分子であるから、耐擦傷性と紫外線カット特性を有する保護膜を安全で容易に得ることができる。さらに、保護膜の原料にモノシランを加えることにより、紫外線吸収をよくするＳｉが多く含まれることとなり、紫外線カット特性が格別良くなる。
請求項２に係る発明では、請求項１係る発明において、前記ヘキサメチルジシランは、ヘリウムキャリアガスとともに前記反応室内に導入されるようにした。このため、常温で蒸気圧の低いヘキサメチルジシランでも、ヘリウムキャリアガスを混合することにより、充分に反応室内に導入することができる。
請求項３に係る発明では、プラスチック製の自動車用ヘッドランプレンズにおいて、前記請求項１又は２に記載の方法によって、前記ヘッドランプレンズ表面に保護膜を形成した。この自動車用ヘッドランプレンズは、表面に耐擦傷性と紫外線カット特性を有するほぼ均一な膜厚で良質な保護膜が形成されるので、良好な耐擦傷性と耐紫外線特性を有する。そして、この保護膜形成時に有機溶剤等を大気中に無駄に放出することもないので、地球環境保護に貢献でき、さらに、この保護膜形成時の熱による変形や劣化を受けることもない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、ポリカ−ボネ−ト樹脂のようなプラスチック材料へ耐擦傷性、耐紫外線特性等を付与するために、プラズマ化学蒸着（プラズマＣＶＤ、以下プラズマＣＶＤという。）によるカソード堆積法を用いて、ＳｉＣ（炭化珪素）重合体を含む保護膜を自動車用プラスチック部品の表面へ形成するものである。
【０００８】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
本発明に用いるプラズマ化学蒸着装置を図１に示す。このプラズマ化学蒸着装置は、真空ポンプに接続された真空排気管５に接続されていて高真空にされる反応室１を備えている。反応室１は、上部にカソード２を配置している。このカソード２は、少なくとも一部の表面形状に薄いプラスチック部品の表面形状と一致した形状の表面形状を有し、このカソードにプラスチック部品を両者の形状の一致する表面が接する状態に取り付けることができるようになっている。たとえば、図２に断面図を示したように、プラスチック部品が自動車用ヘッドランプのレンズ１０である場合には、カソード２の表面の一部にもレンズ１０表面に沿った形状を形成し、両者の形状の一致する表面が互いに接する状態で両者を結合できるようになっている。カソード２においてプラスチック部品が取り付けられていない部分は、保護膜成分の堆積を防ぐため、反応室１にアースされたシールド部材８で覆われ、かつ、シールド部材８とカソード２間には絶縁フィルム９が挟まれている。
【００１０】
カソード２と反応室１の間には高周波電源装置６から高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）を供給するようになっている。ここで、カソード２と高周波電源装置６の間にはバイアスコンデンサ７が配置されている。また、反応室１内には、反応室１内の温度を調整するためのヒータ２２を備えている。
【００１１】
反応室１内には、高純度の水素（Ｈ2）ガスと保護膜の原料ガスである有機シリコンガスを導入できるようになっている。水素ガスは、流量制御器１２を通した後に、水素導入管３により反応室１内へ導入される。この水素ガスは、水素ラジカルの働きにより、原料のガス分子を解離しやすくするために使用する。
【００１２】
保護膜の原料としては、所定の硬さと紫外線カット特性を付与できる成分を含めば、どのようなものでもよいが、まずは有機シリコンが考えられる。有機シリコンは、安全性の高い原料であり、所定の硬さと紫外線カット特性を付与できるＳｉＣをもつ分子であるから、これを利用すると、安全で容易に良質な保護膜を得ることができるからである。有機シリコンのうちでは、特にヘキサメチルジシラン（Ｓｉ2（ＣＨ3）6、以下、ＨＭＤＳという。）が、安全性と保護膜形成の容易さの点で適している。ＨＭＤＳは、図１１に示すようにＳｉ−Ｓｉ結合とＳｉ−Ｃ結合とを有しているから、まず水素ラジカルにより、ＨＭＤＳのＳｉ−Ｓｉ結合が切断され前駆体が生じる。この前駆体がプラスチック部品の表面に付着することにより、保護膜が効率的に形成されていくと考えられる。そして、ＨＭＤＳには、約４．５ｅＶ〜５ｅＶのバンドギャップを有するＳｉ−Ｃ結合が含まれるので、よく紫外線をカットする。このため、本実施例では、保護膜の原料として、ＨＭＤＳを用いた。
【００１３】
ＨＭＤＳは、常温では液体であり蒸気圧が低いため、ＨＭＤＳ容器１５を水槽１６内で水浴させ、温度制御装置２０で水槽１６内の水温を調節して、ＨＭＤＳを約３０℃に暖めて蒸気圧を高めている。ＨＭＤＳ液中には、ヘリウム（Ｈｅ）キャリアガスを流量制御器１２を通した後にヘリウム導入管１８によって吹き込む。ヘリウムガスによりＨＭＤＳを泡立てることにより、ＨＭＤＳとＨｅの混合ガスを得る。この混合ガスは、圧力制御弁１３と圧力制御器１４を通した後に、原料導入管４により反応室１内に導入されるようになっている。こうすることにより、常温で蒸気圧の低いＨＭＤＳでも、ヘリウムキャリアガスと混合することにより、充分に反応室内に導入できる。
【００１４】
このプラズマ化学蒸着装置を用いて、プラスチック部品の表面にＳｉＣ重合体を含む保護膜を形成には、まず、カソード２にレンズ１０等のプラスチック部品を取り付け、次に、反応室内１の空気を真空ポンプで排気して反応室１を高真空とした後に、反応室１内に水素ガスと、ＨｅキャリアガスとＨＭＤＳの混合ガスからなる原料ガスとを導入するとともに、高周波電力をカソード２と反応室１間に供給する。すると、カソード２と反応室１間にグロー放電が生じ、反応室１内のガスがプラズマ化される。このさい、まず水素ラジカルによりＨＭＤＳのＳｉ−Ｓｉ結合が切断されて前駆体が生じ、この前駆体がプラスチック部品の表面に付着し、さらに、この前駆体が切断されたものも次々と付着していくことにより、保護膜が効率的に形成されていくもの考えられる。
【００１５】
このように、反応室１内でプラズマＣＶＤにより保護膜を形成しているから、有機溶剤等を大気中に無駄に放出することもなく、この保護膜形成は低温で行えるので、プラスチック部品は、保護膜形成時に熱による変形や劣化を受けることもない。
【００１６】
ところで、カソード２周囲においては、電子の速度はイオンの速度に比較して非常に早いために、電子のみがカソードに速やかに流入して、カソードが負に帯電して負のセルフバイアス電位となる一方、カソード２周囲にはカソードに到達できないイオンが集中したイオンシース（イオンさや）が形成される。カソード２が負バイアス電位になると、カソード２と高周波電源装置６の間に配置されたバイアスコンデンサ７が、カソード２の負バイアス電位を保持する。また、カソードの少なくとも一部の表面形状はプラスチック部品に沿った形状をしているので、自動車用ヘッドランプのレンズ１０のように薄いプラスチック部品では、イオンシース内にプラスチック部品を置くことができる。すると、イオンシース内では、ＨＭＤＳが解離しさらに電離したイオンが高密度に存在し、これらのイオンが、カソード２のバイアス電位によってカソ−ド２に向かって均一に吸引され、プラスチック部品表面にほぼ均一な厚さに堆積することにより、保護膜が形成されると考えられる。イオンシースの厚さは、電極全体に均一に形成されていると考えられる。
【００１７】
このプラズマ化学蒸着装置を用い、面積１２２５ｃｍ2のカソードを使用して、室温で保護膜形成の実験をしてみた。
【００１８】
まず、本装置のカソードに発生するセルフバイアス電位について測定を行った。図３に高周波出力とカソードに発生するセルフバイアス電位の関係を示す。高周波出力が２００Ｗで発生するセルフバイアス電位は約−５Ｖであり、３００Ｗの高周波出力の場合は約−１２Ｖ程度の負電位である。この負バイアス電位が発生すると、カソード周辺に発生したイオンシース中では、イオンがカソ−ドに向かってゆっくりと均一に吸引されていくことにより、保護膜の形成が良好に進んでいくと考えられる。
【００１９】
次に、カソード上に、単結晶シリコン基板、石英ガラス基板のような試験片を取り付けて保護膜形成の実験を行った。単結晶シリコンと石英ガラスで保護膜形成の実験を行ったのは、保護膜特性を詳しく調べるためである。
【００２０】
常温にて単結晶シリコン基板上に形成された保護膜は、膜厚が０．２〜０．３ミクロンであり、この保護膜の赤外線吸収スペクトル特性を図４に示す。図４に示すように保護膜の中には、波数８００ｃｍ-1にＳｉＣによるの吸収ピーク、波数１２６０ｃｍ-1にＳｉＣＨ3による吸収、波数２８６０〜３０００ｃｍ-1にＣＨｎによる吸収、波数２１０５ｃｍ-1に ＳｉＨｎによる吸収が確認された。また１０５０ｃｍ-1の強い吸収はＳｉＯの吸収であり、これは試験片に吸着した酸素分子が試験片から脱離せずに保護膜中に取り込まれたからと考えられる。
【００２１】
常温にて透明の石英ガラス上に形成された保護膜の紫外線分光透過率曲線を図５に示す。本測定には、石英ガラスに厚さ３μｍの保護膜を形成させた試験片を用いた。尚、この保護膜の透過率曲線は、石英ガラスの吸収曲線を差し引いたものである。この保護膜は、可視光をほとんど透過させ、波長４００ｎｍから紫外線のカットを始め、短波長ほどよく紫外線をカットし、波長３３０ｎｍで５０％の紫外線をカットし、波長３００ｎｍ以下の紫外線をほとんどカットするという性能が認められる。図４から分かるように、保護膜中にはバンドギャップの大きいＳｉＯの吸収が確認されているため、保護膜に含まれる酸素或いは保護膜中のシリコン含有量を調整することにより、保護膜の紫外線カット性能を調節することも期待できる。
【００２２】
そして、自動車部品に最も多用されている無色透明なポリカーボネートにも保護膜を堆積させる実験をおこなった。
【００２３】
ところで、プラスチック製自動車部品等では、平面的なものは少なく、むしろ凹凸面などを有する複雑な三次元的形状のものが多い。そこで、図６に示したようにカソードの表面形状を複雑な三次元形状にし、それぞれの形状部分にポリカーボネートの小片を接着し、保護膜形成実験を行った。図７に各測定部分の膜厚結果を示す。高低差１０ｍｍの凹凸部分を有する各位置において、（２），（５），（８）は平面であり、（３），（４），（６）は垂直面であるが、膜厚の差はほとんど見られない。位置（２）から（８）までの保護膜は、膜厚の差が約１０％以内であり、ほぼ均一な膜厚に形成されている。位置（１）と（９）に関してのみ、若干膜厚が大きく得られたが、これは気化したＨＭＤＳモノマーの反応室中での不均一分布に由来していると考えられる。
【００２４】
さらに、曲面を有するカソードを用いても、保護膜形成実験を行った。図８に実験用のカソードを示す。凹凸のある曲面（半径３０ｍｍ）のカソードとし、この曲面部に厚さ０．５ｍｍのポリカーボネートのシートを接着して保護膜形成実験を行った。図９に凸面の各位置での保護膜の膜厚測定結果を示す。図１０に凹面の各位置での保護膜の膜厚測定結果を示す。位置（１）〜（５）と（６）〜（９）までは凸面ににあり、位置（１１）〜（１５），（１６）〜（１９）は凹面にあり、これらの各位置での保護膜は、膜厚の差が１０％以内であり、ともにほぼ均一な膜厚の保護膜が形成されていることがわかった。
【００２５】
それから、高周波出力とイオン強度の影響も保護膜の形成に強く関与していることも分かった。試験片に保護膜を形成させる実験において、高周波出力が３００Ｗ以上の場合には、形成された保護膜にクラックが生じた。これは、保護膜が高周波出力によって発生する高エネルギーのイオン等の衝突によって表面にダメージを受けたためと考えられ、良好な保護膜形成においては、適度なイオン強度と高周波出力の調整が必要であることを示している。
【００２６】
以上の実験結果から、本実施例により、プラズマＣＶＤによるカソード堆積法により得られた保護膜は、耐擦傷性と紫外線カット特性を有することが分かる。また、複雑な三次元形状を持つプラスチック部品に対しても、均一な膜厚で良質な保護膜を形成することができ、このさい、保護膜にクラックが入ることもないことも分かる。
【００２７】
他の実施例としては、保護膜の原料として、ＨＭＤＳとモノシラン（ＳｉＨ4）を用い、このモノシランガスをＨＭＤＳとは別の流量制御器と原料導入管を通して、反応室１内導入できるようにしてしてもよい。このようにＳｉ成分の多いモノシランを原料に加えると、バンドギャップが小さく紫外線吸収の多いＳｉ成分が保護膜中に増えるので、保護膜の紫外線カット特性をさらによくできる。
【００２８】
この実施例の効果を調べるために、反応室内１に供給するモノシランとＨＭＤＳとのモル比を変えて、同様な保護膜を形成させ、この保護膜の紫外線分光透過率曲線を求めた。この結果を図１２に示す。これから、原料中にモノシランの含有率が多いほど、紫外線カット性はよくなることがわかった。ただし、モノシランとＨＭＤＳのモル比が５：１より大きくなると、短波長の可視光も相当カットしてしまい、着色してしまうことも分かる。このため、自動車用灯具のレンズ１０に保護膜を形成する場合には、紫外線カット特性や可視光透過率や着色具合等を考慮して、モノシランとＨＭＤＳのモル比が０：１から５：１の間の範囲内の適切な値を選択するようにすべきである。
【００２９】
なお、紫外線カット特性をよくするためにＳｉ成分を増すには、プラスチック部品の表面温度を上げることでも可能であるが、この方法では、プラスチック部品は１００℃くらいまでしか耐えられないため、充分な紫外線カット特性を得ることはできない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明では、複雑な三次元形状のプラスチック部品の表面にほぼ均一な膜厚で良質な保護膜を安全で容易に形成できて、プラスチック部品に耐擦傷性と紫外線カット特性を付与できる。このさい、有機溶剤等を大気中に無駄に放出することもないので、地球環境保護に貢献でき、しかも、プラスチック部品が保護膜形成時に熱による変形や劣化を受けることもない。特に、保護膜の原料ガスにモノシランを加えたから、紫外線吸収をよくするＳｉが多く含まれることとなり、紫外線カット特性が格別良くなる。
請求項２に係る発明では、常温で蒸気圧の低いＨＭＤＳでも、ヘリウムキャリアガスと混合することにより、充分に反応室内に導入できるので、いっそう効率的に保護膜を形成できる。
請求項３に係る発明の自動車用ヘッドランプレンズは、表面に耐擦傷性と紫外線カット特性を有するほぼ均一な膜厚で良質な保護膜が形成されるので、良好な耐擦傷性と耐紫外線特性を有する。そして、この保護膜形成時に有機溶剤等を大気中に無駄に放出することもないので、地球環境保護に貢献でき、さらに、この保護膜形成時の熱による変形や劣化を受けることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動車用プラズマ化学蒸着装置を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】高周波出力とカソードのセルフバイアス電位の関係を示す図である。
【図４】保護膜の赤外線吸収スペクトルを示す図である。
【図５】保護膜の紫外線分光透過率曲線を示す図である。
【図６】保護膜形成の実験に用いたカソードの形状を示す図である。
【図７】図６に示した形状のカソードを用いて保護膜を形成させたとき、保護膜の各部の膜厚を示す図である。
【図８】保護膜形成の実験に用いた別カソードの形状を示す図である。
【図９】図８に示した形状のカソードを用いて保護膜を形成させたとき、凸面上の保護膜も各位置における膜厚を示す図である。
【図１０】図８に示した形状のカソードを用いて保護膜を形成させたとき、凹面上の保護膜の各位置における膜厚を示す図である。
【図１１】ＨＭＤＳの構造式である。
【図１２】ＨＭＤＳとモノシランのモル比と、保護膜の紫外線透過率曲線との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  反応室
２  カソード
３  水素導入管
４  原料導入管
５  真空排気管
６  高周波電源装置
１０  ヘッドランプレンズ（プラスチック部品）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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