(57)【要約】【課題】  本発明は表面処理方法および装置に関し、より詳細には、導電性対象物の表面をプラズマイオンを用いて処理する方法および装置に関する。【解決手段】  本発明は、プラズマイオンを用いて金属板材または線材のように連続して供給される対象物の表面を処理することができる処理装置および方法を提供する。本発明によれば、電気伝導性対象物の被処理部の表面をプラズマを用いて処理するプラズマ表面処理装置において、前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部に電気的に接続された接続装置と、前記接続装置に電気的に接続されたパルス電圧発生装置と、前記対象物の被処理部に印加された負のパルス電圧によって前記対象物の被処理部に流れる電流が前記対象物の被処理部の境界を逸脱して流れるのを遮断するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に配置された磁性コアとを備えるプラズマ表面処理装置が提供される。【選択図】図１
2012523675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気伝導性対象物の被処理部の表面をプラズマを用いて処理するプラズマ表面処理装置において、
前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部に電気的に接続された接続装置と、
前記接続装置に電気的に接続されたパルス電圧発生装置と、
前記対象物の被処理部に印加された負のパルス電圧によって前記対象物の被処理部に流れる電流が前記対象物の被処理部の境界を逸脱して流れるのを遮断するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に配置された磁性コア（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｒｅ）とを備えることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項２】
前記対象物を収容するための真空チャンバをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項３】
前記対象物は、連続して供給され、
前記接続装置は、
連続して供給される前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部に電気的に接続された集電装置であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項４】
前記集電装置は、
外周面に対象物が接触して回転可能に設けられた集電用ローラであることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項５】
前記真空チャンバは、
前記対象物が供給される入口と、
プラズマ表面処理された前記対象物が排出される出口と、
前記真空チャンバの真空を維持しつつ、前記対象物を前記真空チャンバ内に供給し真空チャンバから排出するように、前記入口および出口にそれぞれ設けられた一対の真空維持手段とをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項６】
前記磁性コアは、
連続して供給される前記対象物が通過して進行できるように、その対象物の表面から一定の間隔で離隔して取り囲んだ閉ループの形態であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項７】
前記対象物を連続して供給するように、前記真空チャンバの入口の上流側に設けられる巻出機と、
連続して表面処理された前記対象物を連続して回収するように、前記真空チャンバの出口の下流側に設けられる巻取機とをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項８】
プロセスガスを供給するステップと、電気伝導性対象物の周囲にプラズマイオンを形成するステップと、前記プラズマイオンを加速して前記電気伝導性対象物の被処理部に衝突させるステップとを含む電気伝導性対象物の表面処理方法において、
前記対象物の被処理部に流れる電流が対象物の被処理部の境界を逸脱して流れるのを遮断するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に磁性コアを配置するステップと、
前記プラズマイオンを加速するために、前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を印加するステップとを含むことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項９】
前記対象物の被処理部周囲の圧力を大気圧以下に維持するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のプラズマ表面処理方法。
【請求項１０】
前記対象物を連続して供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のプラズマ表面処理方法。
【請求項１１】
電気伝導性対象物の被処理部の表面をプラズマを用いて処理するプラズマ表面処理装置において、
前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を誘起するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に配置された少なくとも一対の変圧器コアと、
前記変圧器コアの各々に巻回されている１次巻線と、
前記１次巻線の各々に電気的に接続されたパルス電圧発生装置とを備えることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１２】
電気伝導性対象物の被処理部の表面をプラズマを用いて処理するプラズマ表面処理装置において、
前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に配置された変圧器コアと、
前記変圧器コアに巻回されている１次巻線と、
前記１次巻線に電気的に接続されたパルス電圧発生装置と、
前記対象物の被処理部に誘起された負のパルス電圧によって前記対象物の被処理部に流れる電流が前記対象物の被処理部の境界を逸脱して流れるのを遮断するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に配置された磁性コア（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｒｅ）とを備えることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１３】
前記対象物を収容するための真空チャンバをさらに備えることを特徴とする請求項１１または１２に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項１４】
前記真空チャンバは、
前記対象物が供給される入口と、
プラズマ表面処理された前記対象物が排出される出口と、
前記真空チャンバの真空を維持しつつ、前記対象物を前記真空チャンバ内に供給し真空チャンバから排出するように、前記入口および出口にそれぞれ設けられた一対の真空維持手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項１５】
前記変圧器コアは、
連続して供給される前記対象物が通過して進行できるように、その対象物の表面から一定の間隔で離隔して取り囲んだ閉ループの形態であることを特徴とする請求項１１または１２に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項１６】
前記対象物を連続して供給するように、前記真空チャンバの入口の上流側に設けられる巻出機と、
連続して表面処理された前記対象物を連続して回収するように、前記真空チャンバの出口の下流側に設けられる巻取機とをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項１７】
プロセスガスを供給するステップと、電気伝導性対象物の周囲にプラズマイオンを形成するステップと、前記プラズマイオンを加速して前記電気伝導性対象物の被処理部に衝突させるステップとを含む電気伝導性対象物の表面処理方法において、
前記対象物の被処理部に前記プラズマイオンを加速するための負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に少なくとも一対の変圧器コアを配置するステップを含むことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項１８】
プロセスガスを供給するステップと、電気伝導性対象物の周囲にプラズマイオンを形成するステップと、前記プラズマイオンを加速して前記電気伝導性対象物の被処理部に衝突させるステップとを含む電気伝導性対象物の表面処理方法において、      
前記対象物の被処理部に前記プラズマイオンを加速するための負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に変圧器コアを配置するステップと、
前記対象物の被処理部に流れる電流が対象物の被処理部の境界を逸脱して流れるのを遮断するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に磁性コアを配置するステップとを含むことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項１９】
前記対象物の被処理部周囲の圧力を大気圧以下に維持するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７または１８に記載のプラズマ表面処理方法。
【請求項２０】
前記対象物を連続して供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載のプラズマ表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理方法および装置に関し、より詳細には、導電性対象物の表面をプラズマイオンを用いて処理する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属板材または線材を熱処理しなければならない場合、冷間圧延工程のような前の工程で使用された圧延油、工程上の粉塵などの異物を除去しなければ、圧延油、粉塵などの異物が約１０５０〜１１００℃の熱処理温度で炭化して金属板材表面の汚染を誘発し、表面欠陥をもたらしてしまう。また、金属板材または線材のような導電性対象物の表面に他の素材を蒸着、塗布または接合する場合、金属板材の表面を洗浄したり、改質する表面処理を行うことにより、接着力および密着力を向上させることができる。
【０００３】
このため、金属板材または線材のような導電性対象物の表面を処理する方法が必要である。このような方法としては、様々な化学薬品を使用する方法、プラズマを用いる方法などが利用されてきた。
【０００４】
化学薬品を使用する方法は、アルカリやＴＣＥなどの有機溶剤に対象物を浸漬して有機物を除去する方法である。しかし、この方法は、アルカリタンク、電解洗浄タンク、温水洗浄タンク、乾燥工程などを経ることになり、その工程が複雑であるという問題があった。また、反応性を維持するための適切な濃度および温度が必要であるため、相当量のエネルギーが消費されるという問題があった。さらに、化学薬品を長期間使用することによって表面に油層が生成されるため、洗浄状態が良好でなく、洗浄品質が低下し、微細な隙間の洗浄が不可能になるという問題があった。なお、環境にも悪い影響を及ぼすという問題があった。
【０００５】
プラズマを用いる方法は、プラズマを発生させて作られたイオンやラジカル（ｒａｄｉｃａｌ）などを材料の表面と接触させることにより、材料表面の不純物や汚染物質を除去するものである。このうち、主にイオンを用いる方法は、プラズマで満たされたチャンバ内に表面処理を行おうとする対象物を載置させ、対象物に負の高電圧を印加して、対象物の表面周囲に生成される遷移性プラズマシース（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｐｌａｓｍａ  ｓｈｅａｔｈ）でイオンを加速すると、加速されたイオンが自発的に負の高電圧が印加された対象物の表面と衝突する原理を利用したものである。この方法は、負の高電圧によって加速されたイオンを用いて表面を処理するため、洗浄および表面改質効果に優れており、表面処理速度が非常に速いという利点がある。また、金属酸化物のような無機物も除去することができるという利点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、プラズマイオンを用いた表面処理方法は多くの利点があるが、次のような問題があった。表面処理対象物が電気伝導性物質であり、対象物の一部のみを表面処理する必要がある場合に、対象物に印加される負の高電圧が処理しようとする領域を逸脱して対象物全体に印加されるため、プラズマ表面処理を希望する部分以外の部分まで表面処理されていた。
【０００７】
また、金属板材または線材のように連続した対象物を表面処理する場合には、対象物が接地されていて、対象物に負の高電圧を印加することができず、その結果、イオンが加速されず、プラズマイオンを用いた表面処理ができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述したような従来技術の問題を改善するためのものであって、本発明の目的は、プラズマイオンを用いて電気伝導性対象物の表面の一部のみを処理することができる処理装置および方法を提供することである。他の目的は、プラズマイオンを用いて金属板材または線材のように連続して供給される対象物の表面を処理することができる処理装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、電気伝導性対象物の被処理部の表面をプラズマ(プラズマイオン)を用いて処理するプラズマ表面処理装置において、前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部に電気的に接続された接続装置(接続手段) と、前記接続装置に電気的に接続されたパルス電圧発生装置（電圧発生手段） と、前記対象物の被処理部に印加された負のパルス電圧によって前記対象物の被処理部に流れる電流が前記対象物の被処理部の境界を逸脱して流れるのを遮断するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に配置された磁性コア（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｒｅ）とを備えることを特徴とするプラズマ表面処理装置が提供される。
【００１０】
また、プロセスガスを供給するステップと、電気伝導性対象物の周囲にプラズマイオンを形成するステップと、前記プラズマイオンを加速して前記電気伝導性対象物の被処理部に衝突させるステップとを含む電気伝導性対象物の表面処理方法において、前記対象物の被処理部に流れる電流が対象物の被処理部の境界を逸脱して流れるのを遮断するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に磁性コアを配置するステップと、前記プラズマイオンを加速するために、前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を印加するステップとを含むことを特徴とするプラズマ表面処理方法が提供される。
【００１１】
さらに、電気伝導性対象物の被処理部の表面をプラズマ(プラズマイオン)を用いて処理するプラズマ表面処理装置において、前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を誘起するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に配置された少なくとも一対の変圧器コアと、前記変圧器コアの各々に巻回されている１次巻線と、前記１次巻線の各々に電気的に接続されたパルス電圧発生装置（電圧発生手段）とを備えることを特徴とするプラズマ表面処理装置が提供される。
【００１２】
また、前記対象物の被処理部に負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に配置された変圧器コアと、前記変圧器コアに巻回されている１次巻線と、前記１次巻線に電気的に接続されたパルス電圧発生装置（電圧発生手段）と、前記対象物の被処理部に誘起された負のパルス電圧によって前記対象物の被処理部に流れる電流が前記対象物の被処理部の境界を逸脱して流れるのを遮断するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に配置された磁性コア（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｒｅ）とを備えることを特徴とするプラズマ表面処理装置が提供される。
【００１３】
さらに、プロセスガスを供給するステップと、電気伝導性対象物の周囲にプラズマイオンを形成するステップと、前記プラズマイオンを加速して前記電気伝導性対象物の被処理部に衝突させるステップとを含む電気伝導性対象物の表面処理方法において、前記対象物の被処理部に前記プラズマイオンを加速するための負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に少なくとも一対の変圧器コアを配置するステップとを含むことを特徴とするプラズマ表面処理方法が提供される。
【００１４】
また、前記対象物の被処理部に前記プラズマイオンを加速するための負のパルス電圧を印加するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に変圧器コアを配置するステップと、前記対象物の被処理部に流れる電流が対象物の被処理部の境界を逸脱して流れるのを遮断するように、前記対象物の被処理部の境界周囲に磁性コアを配置するステップとを含むことを特徴とするプラズマ表面処理方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかるプラズマ表面処理装置および方法は、次のような効果がある。
【００１６】
第一、負の高電圧パルスおよび磁性コアを用いて電圧が印加される領域を限定することができる。したがって、プラズマ表面処理部位を限定することができる。また、金属板材または線材のように接地されている状態で供給される伝導性対象物の表面にも負の電圧を印加することができるため、このような対象物の表面を処理することができる。
【００１７】
第二、負の高電圧パルスによって加速されたイオンを用いて表面を処理するため、処理速度が速い。したがって、速い速度で連続して供給される対象物の表面処理に好適である。
【００１８】
第三、負の高電圧パルスによって加速されたイオンを用いて表面を処理するため、処理対象物の大きさや形状に制限なく、均一かつ安定的に表面を処理することができる。
【００１９】
第四、化学薬品を使用しない。したがって、化学薬品の処理費用問題、環境汚染問題などが発生しない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明にかかるプラズマ表面処理装置の第１実施形態の概略図である。
【図２】本発明において負の高電圧パルスの形態を示す説明図である。
【図３】図１に示したプラズマ表面処理装置に設けられた磁性コアの配置状態を示す斜視図である。
【図４】図３に示した部分の電気的等価回路である。
【図５】本発明にかかるプラズマ表面処理装置の第２実施形態の概略図である。
【図６】図５に示したプラズマ表面処理装置に設けられたパルス変圧器の配置状態を示す斜視図である。
【図７】図６に示したパルス変圧器によって金属板材に誘起される電位分布図である。
【図８】本発明にかかるプラズマ表面処理装置の第３実施形態において設けられたパルス変圧器の配置状態を示す斜視図である。
【図９】本発明にかかるプラズマ表面処理装置の第４実施形態の概略図である。
【図１０】図９に示したプラズマ表面処理装置に設けられたパルス変圧器および磁性コアの配置状態を示す斜視図である。
【図１１】図１０に示した部分の電気的等価回路である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施形態にかかるプラズマ表面処理装置について説明する。
［第１実施形態］
【００２２】
図１は、本発明にかかるプラズマ表面処理装置の第１実施形態の概略図である。本実施形態のプラズマ表面処理装置は、連続して供給される金属板材の表面を処理するための装置である。図１を参照すると、本実施形態のプラズマ表面処理装置は、真空チャンバ１１０と、真空ポンプ１２０と、ガス供給装置１３０と、プラズマ発生装置１４０と、パルス電圧発生装置１５０と、集電用ローラ１６０と、磁性コア１７０とを備える。
【００２３】
真空チャンバ１１０は、金属板材Ｗの被処理部Ａに真空環境を提供するためのものであって、真空チャンバ１１０の上流側に形成された入口１１２と、下流側に形成された出口１１４とを含む。金属板材Ｗは、チャンバの入口１１２を介して真空チャンバ１１０の内部に供給され、真空チャンバ１１０内でプラズマ表面処理が完了した後、真空チャンバ１１０の出口１１４を介して排出される。真空チャンバ１１０の入口１１２および出口１１４にはそれぞれ真空維持手段１１６が設けられている。真空維持手段１１６は、真空チャンバ１１０の真空を維持しつつ、金属板材Ｗを真空チャンバ１１０内に供給し真空チャンバ１１０から排出するために設けられる。本実施形態のプラズマ表面処理装置１００は、真空チャンバ１１０内にロール状に巻回されている金属板材Ｗを前記真空チャンバ１１０の内部に連続して供給するための巻出機１８０と、真空チャンバ１１０の内部で表面処理されて排出される金属板材Ｗを連続して回収するための巻取機１９０とをさらに備える。
【００２４】
真空ポンプ１２０は、真空チャンバ１１０内の気体を排気させて真空を形成させるためのものである。真空ポンプ１２０は、真空バルブ１２２を介して真空チャンバ１１０内の気体を排気させる。
【００２５】
ガス供給装置１３０は、プラズマ生成のためのガスを真空チャンバ１１０の内部に供給するための装置である。ガス供給装置１３０は、ガス注入バルブ１３２を備えており、ガス注入バルブ１３２を介して真空チャンバ１１０の内部にガスを供給する。ガス供給装置１３０を介して供給されるガスは、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）など、多様なガスであればよく、前記ガスのうちのいずれか１つを選択的に使用してもよく、それらを組み合わせて使用してもよい。
【００２６】
プラズマ発生装置１４０は、チャンバの内部にプラズマ雰囲気を形成する。プラズマ発生装置１４０は、プラズマを形成するためのプラズマ電極１４２と、プラズマ電極に電源を供給するためのプラズマ電源１４４とから構成される。プラズマ電源１４４は、フィードスルー（ｆｅｅｄ  ｔｈｒｏｕｇｈ）を介して真空チャンバ１１０内のプラズマ電極１４２に電源を供給する。プラズマ電極１４２に電源が印加されると、プラズマ電極１４２周囲のガス分子がイオン化され、陽イオンと電子が電離して混在しているプラズマ状態が真空チャンバ１１０の内部に形成される。
【００２７】
パルス電圧発生装置１５０は、金属板材Ｗに印加するための負のパルス電圧を発生させる。金属板材Ｗに負のパルス電圧が印加されると、金属板材Ｗの表面周囲に遷移性プラズマシース（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｐｌａｓｍａ  ｓｈｅａｔｈ）が生成され、プラズマシース内のイオンが加速されて負の高電圧が印加された金属板材Ｗの表面と衝突して表面処理が行われる。図２を参照すると、パルス電圧発生装置１５０で発生する高電圧パルスは、パルス幅（ｐｕｌｓｅ  ｄｕｒａｔｉｏｎ）Ｔｐが５０ｎＳ〜５００ｍＳで、パルスの大きさ（ｐｕｌｓｅ  ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）Ｖｐが−１０Ｖ〜−１００ｋＶで、パルス幅対パルス終了時間（ｐｕｌｓｅｓ  ｔｏｐ  ｔｉｍｅ）ｔ１とパルス開始時間（ｐｕｌｓｅ  ｓｔａｒｔ  ｔｉｍｅ）ｔ２との間の間隔Ｔｍの比が１：５〜１：５０，０００である負のパルス電圧であることが好ましい。
【００２８】
集電用ローラ１６０は、真空チャンバ１１０の内部に回転可能に設けられる。集電用ローラ１６０は、供給される金属板材Ｗの被処理部Ａの下面に密着して回転しながら、金属板材Ｗの移動を案内し支持する。また、パルス電圧発生装置１５０で発生した負の高電圧パルスを金属板材Ｗの被処理部Ａに印加する。パルス電圧発生装置１５０は、フィードスルー１５２を介して真空チャンバ１１０内の集電用ローラ１６０に電源を供給する。集電用ローラ１６０が回転可能に設けられているため、集電用ローラ１６０の外周面に接触する金属板材Ｗとの摩擦が低減される一方、金属板材Ｗと集電用ローラ１６０との間の密着性が改善され、電気的な接続も円滑になる。
【００２９】
磁性コア１７０は、金属板材Ｗの被処理部Ａの上流側および下流側にそれぞれ設けられ、金属板材Ｗの被処理部Ａに印加された負のパルス電圧によって金属板材Ｗの被処理部Ａに流れる電流が金属板材Ｗの被処理部Ａの境界を逸脱して流れるのを遮断する。図３は、図１に示したプラズマ表面処理装置１００に設けられた磁性コア１７０の配置状態を示す斜視図であり、図４は、図３に示した部分の電気的等価回路である。図３を参照すると、磁性コア１７０は、連続して供給される金属板材Ｗが通過して進行できるように、金属板材Ｗの表面から一定の間隔で離隔して取り囲んだ閉ループの形態である。
【００３０】
以下、図３および図４を参照して、磁性コア１７０の、電流が被処理部Ａの境界を逸脱して流れるのを遮断する原理を説明する。磁性コア１７０は、比透磁率が高い物質からなり、大きいインダクタンスＬ１値を有する。磁性コア１７０を逸脱した箇所から接地された部分まで延びている金属板材Ｗの部分（Ｂ部分）もインダクタンスＬｑ値を有する。金属板材Ｗは、巻出機１８０および巻取機１９０に巻回されているため、巻出機１８０および巻取機１９０と物理的・電気的に接続される。巻出機１８０と巻取機１９０は接地されているため、金属板材Ｗも接地されている。
【００３１】
被処理部Ａに印加された負の高電圧パルスは、磁性コア１７０での電圧降下とＢ部分での電圧降下との合計と等しい。金属板材Ｗの抵抗値による電圧の降下もあるが、周波数の高い負の高電圧パルスが印加されるため、磁性コア１７０とＢ部分のインダクタンス値によるリアクタンス値がはるかに大きい。したがって、抵抗による電圧降下は無視することができ、インダクタンスのみからなる等価回路を構成することができる。磁性コア１７０での電圧降下はＬ１に比例し、Ａ部分での電圧降下はＬｑに比例する。したがって、Ｌ１がＬｑに比べて非常に大きい値であれば、ほとんどの電圧降下は磁性コア１７０で行われる。すなわち、被処理部Ａは、印加された負の高電圧パルスが損失なく被処理部Ａにすべて印加されるようにするためには、磁性コア１７０のインダクタンスＬ１がＢ部分のインダクタンスＬｑに比べて十分に大きいことが要求される。磁性コア１７０のインダクタンスを向上させるための方法としては、ターン数を増やす方法と比透磁率を高める方法がある。
【００３２】
以下では、添付した図面を参照して、プラズマ表面処理装置１００の作動について説明する。
【００３３】
まず、真空ポンプ１２０を動作させて真空チャンバ１１０の内部に真空を形成し、プラズマを形成するためのガスをガス供給装置１３０に供給する。供給されるガスは、表面処理目的によって、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）などのほか、多様なガスであればよく、前記ガスのうちのいずれか１つを選択的に使用してもよく、それらを組み合わせて使用してもよい。真空チャンバ１１０の内部がプラズマを発生させるのに適当な条件になると、プラズマ発生装置１４０を動作させて真空チャンバ１１０の内部にプラズマを生成する。プラズマを生成する方法については、当該技術分野における通常の知識を有する者にとっては自明な事項であるので説明を省略する。
【００３４】
次に、ロール状に巻出機１８０に巻回されている金属板材Ｗを真空チャンバ１１０の入口１１２を介して供給する。真空チャンバ１１０の入口１１２には真空用リップシール１１６が設けられているため、真空が維持された状態で金属板材Ｗを供給することができる。供給された金属板材Ｗは、真空チャンバ１１０の入口１１２と集電用ローラ１６０との間に設けられている上流側の磁性コア１７０を通過し、集電用ローラ１６０と真空チャンバ１１０の出口１１４との間に設けられている下流側の磁性コア１７０を通過した後、真空チャンバ１１０の出口１１４を介して排出される。真空チャンバ１１０の出口１１４にも真空用リップシール１１６が設けられているため、真空が維持された状態で金属板材Ｗを排出することができる。この過程で、集電用ローラ１６０は、回転しながら金属板材Ｗの下面に密着した状態を維持する。
【００３５】
金属板材Ｗが下流側の磁性コア１７０を通過すると、パルス電圧発生装置１５０で負の高電圧パルスを発生させ、発生した負の高電圧パルスは、パルス電圧発生装置１５０と電気的に接続されている集電用ローラ１６０を介して金属板材Ｗの被処理部Ａに印加される。印加された負の高電圧パルスで金属板材Ｗを流れる電流は、被処理部Ａの境界の上流側および下流側にそれぞれ設けられた磁性コア１７０によって流れが遮断される。これにより、表面処理部位が被処理部Ａに制限されるようになる。磁性コア１７０を介して処理部位を制限しなければ、負の高電圧パルスによる電流が金属板材Ｗに沿って接地にすべて流れるため、金属板材Ｗに負の電圧がかからない。
【００３６】
次に、被処理部Ａに印加された負の高電圧パルスによって金属板材Ｗの被処理部Ａの周囲にプラズマシースが形成され、プラズマシース内の陽イオンが加速されて金属板材Ｗの被処理部Ａに衝突する。衝突したイオンは、金属板材Ｗの表面の異物を除去する。表面処理された金属板材Ｗは、上述したように、真空チャンバ１１０の出口１１４を介して排出され、巻取機１９０に巻回される。この過程を経ると、ロール状の金属板材Ｗを連続して表面処理することができる。
［第２実施形態］
【００３７】
図５は、本発明にかかるプラズマ表面処理装置の第２実施形態の概略図である。本実施形態のプラズマ表面処理装置は、連続して供給される金属板材の表面を処理するための装置である。図５を参照すると、本実施形態のプラズマ表面処理装置は、真空チャンバ２１０と、真空ポンプ２２０と、ガス供給装置２３０と、プラズマ発生装置２４０と、パルス電圧発生装置２５０と、パルス変圧器２６０、２７０とを備える。集電用ローラ１６０および磁性コア１７０の代わりに、パルス変圧器２６０、２７０を用いて負のパルス電圧を印加し、金属板材Ｗの被処理部Ａに流れる電流が金属板材Ｗの被処理部Ａの境界を逸脱して流れるのを遮断する点以外には、第１実施形態と同一であるので、同一の部分については説明を省略する。
【００３８】
パルス変圧器２６０、２７０は、金属板材Ｗの被処理部Ａの上流側および下流側にそれぞれ設けられる。パルス変圧器２６０、２７０は、変圧器コア２６２、２７２と、１次巻線２６４、２７４と、２次巻線とを備え、金属板材が２次巻線の役割を果たすようになる。変圧器コア２６２、２７２は、１次巻線２６４、２７４が巻回されていて、金属板材Ｗに負のパルス電圧を印加することができる点で、第１実施形態の磁性コア１７０とは相違する。
【００３９】
図６は、図５に示したプラズマ表面処理装置に設けられたパルス変圧器の配置状態を示す斜視図である。図６を参照すると、変圧器コア２６２、２７２は、連続して供給される金属板材Ｗが通過して進行できるように、金属板材Ｗの表面から一定の間隔で離隔して取り囲んだ閉ループの形態である。変圧器コア２６２、２７２に用いられる材質、設計磁束密度、コアの形状パラメータなどは、１次巻線２６４、２７４に印加されるパルス電圧の大きさ、２次巻線Ａに誘起されるパルス電圧の大きさ、周波数などを考慮して決定される。
【００４０】
１次巻線２６４、２７４は、銅線などの金属線からなる。１次巻線２６４、２７４は、パルス電圧発生装置２５０と電気的に接続されているため、パルス電圧発生装置２５０で発生した電圧パルスは、パルス変圧器２６０、２７０の１次巻線２６４、２７４に印加される。パルス電圧発生装置２５０は、フィードスルー２５２を介して真空チャンバ２１０内のパルス変圧器２６０、２７０に電源を供給する。１次巻線２６４、２７４にパルス電圧が印加されると、１次巻線２６４、２７４の周囲に磁場が生じ、磁場の磁力線は、磁力線が通過しやすい変圧器コア２６２、２７２を通過するようになる。変圧器コア２６２、２７２を通過した磁力線は、ファラデーの法則によって２次巻線の役割を果たす金属板材Ａに２次電圧を誘起する。すなわち、パルス電圧発生装置２５０で発生した電圧パルスは、パルス変圧器２６０、２７０を介して金属板材Ｗの被処理部Ａに負のパルス電圧として誘起される。
【００４１】
２つの相対するパルス変圧器２６０、２７０は、金属板材Ｗの被処理部Ａの上流側および下流側にそれぞれ設けられ、上流側および下流側のパルス変圧器２６０、２７０の１次巻線２６４、２７４は、すべて金属板材Ｗの被処理部Ａ方向に負の電圧が誘起されるように、互いに異なる方向に巻線される。したがって、各々のパルス変圧器２６０、２７０によって誘起される電圧は、金属板材Ｗに同じ大きさの互いに反対方向のパルス電圧として誘起されるようにし、金属板材Ｗに誘起される電圧が金属板材Ｗの被処理部Ａの境界を逸脱しては互いに相殺されるようにして、金属板材Ｗの被処理部Ａにプラズマ処理部位を限定する役割を果たす。
【００４２】
図７は、図６に示したパルス変圧器によって金属板材に誘起される電位分布図である。図７を参照して、金属板材Ｗに誘起される電圧が金属板材Ｗの被処理部Ａの境界を逸脱しては互いに相殺される原理をより詳細に説明する。
【００４３】
金属板材Ｗの被処理部Ａの上流側に設けられたパルス変圧器２６０の１次巻線２６４に負のパルス電圧が印加されると、１次巻線２６４の周囲に磁場が生じ、これにより、２次巻線に該当する金属板材Ｗに負の２次電圧が誘起される。すなわち、上流側のパルス変圧器２６０が設けられた金属板材Ｗの部分Ｂで電圧降下が起きる。金属板材Ｗの被処理部Ａでも抵抗による電圧降下があり得るが、周波数の高い負のパルスが印加されるため無視することができる。次に、金属板材Ｗの被処理部Ａの下流側に設けられたパルス変圧器２７０の１次巻線２７４に負のパルス電圧が印加されると、上流側と同様に、金属板材Ｗに２次電圧が誘起される。上述したように、下流側の１次巻線２７４の方向は、上流側の１次巻線２６４の方向とは反対方向であるため、下流側のパルス変圧器２７０が設けられた金属板材Ｗの部分Ｃでは、上流側のパルス変圧器２６０が設けられた金属板材Ｗの部分Ｂで起きた電圧降下と同じ大きさの電圧上昇が生じる。結局、金属板材Ｗの被処理部Ａの境界を逸脱しては上流側および下流側のパルス変圧器２６０、２７０によって誘起された電圧が互いに相殺されて、電位が０になる。
【００４４】
以下では、添付した図面を参照して、プラズマ表面処理装置２００の作動について説明する。
【００４５】
まず、真空ポンプ２２０を動作させて真空チャンバ２１０の内部に真空を形成し、プラズマを形成するためのガスをガス供給装置２３０に供給する。供給されるガスは、表面処理目的によって、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）などのほか、多様なガスであればよく、前記ガスのうちのいずれか１つを選択的に使用してもよく、それらを組み合わせて使用してもよい。真空チャンバ２１０の内部がプラズマを発生させるのに適当な条件になると、プラズマ発生装置２４０を動作させて真空チャンバ２１０の内部にプラズマを生成する。プラズマを生成する方法については、当該技術分野における通常の知識を有する者にとっては自明な事項であるので説明を省略する。
【００４６】
次に、ロール状に巻出機２８０に巻回されている金属板材Ｗを真空チャンバ２１０の入口２１２を介して供給する。真空チャンバ２１０の入口２１２には真空用リップシール２１６が設けられているため、真空が維持された状態で金属板材Ｗを供給することができる。供給された金属板材Ｗは、真空チャンバ２１０の入口２１２側に設けられている上流側のパルス変圧器２６０を通過し、真空チャンバ２１０の出口２１４側に設けられている下流側のパルス変圧器２７０を通過した後、真空チャンバ２１０の出口２１４を介して排出される。真空チャンバ２１０の出口２１４にも真空用リップシール２１６が設けられているため、真空が維持された状態で金属板材Ｗを排出することができる。
【００４７】
金属板材Ｗが下流側のパルス変圧器２７０を通過すると、パルス電圧発生装置２５０で電圧パルスを発生させ、発生した電圧パルスは、パルス電圧発生装置２５０と電気的に接続されているパルス変圧器２６０、２７０を介して金属板材Ｗの被処理部Ａに負のパルス電圧として誘起される。上流側および下流側に設けられるパルス変圧器２６０、２７０は同じ特性があり、それぞれ被処理部Ａに同じ大きさを有する負のパルス電圧を誘起するため、被処理部Ａには負のパルス電圧が印加されるが、被処理部Ａを逸脱しては互いに誘起された電圧が互いに相殺されて、接地電圧を有する。したがって、表面処理部位が被処理部Ａに制限されるようになる。
【００４８】
次に、被処理部Ａに誘起された負の電圧パルスによって金属板材Ｗの被処理部Ａの周囲にプラズマシースが形成され、プラズマシース内の陽イオンが加速されて金属板材Ｗの被処理部Ａに衝突する。衝突したイオンは、金属板材Ｗの表面の異物を除去する。表面処理された金属板材Ｗは、上述したように、真空チャンバ２１０の出口２１４を介して排出され、巻取機２９０に巻回される。この過程を経ると、ロール状の金属板材Ｗを連続して表面処理することができる。
［実施形態３］
【００４９】
図８は、本発明にかかるプラズマ表面処理装置の第３実施形態において設けられたパルス変圧器の配置状態を示す斜視図である。本実施形態は、複数の変圧器を直列接続して用いることにより、金属板材Ｗの被処理部Ａに誘起される電圧を上昇させることができる。
［実施形態４］
【００５０】
図９は、本発明にかかるプラズマ表面処理装置の第４実施形態の概略図である。本実施形態は、下流側のパルス変圧器２７０の代わりに、磁性コア３７０を設けている点以外には、第２実施形態とは差がないので、残りの部分の説明は省略する。磁性コア３７０は、１次巻線２６４、２７４が巻回されていない点で、変圧器コア２６２、２７２とは相違する。
【００５１】
磁性コア３７０は、金属板材Ｗの被処理部Ａの下流側に設けられ、金属板材Ｗの被処理部Ａに誘起されたパルス電圧によって金属板材Ｗの被処理部Ａに流れる電流が金属板材Ｗの被処理部Ａの境界を逸脱して流れるのを遮断する。図１０は、図９に示したプラズマ表面処理装置に設けられたパルス変圧器および磁性コアの配置状態を示す斜視図である。図１０を参照すると、磁性コア３７０は、連続して供給される金属板材Ｗが通過して進行できるように、金属板材Ｗの表面から一定の間隔で離隔して取り囲んだ閉ループの形態である。
【００５２】
以下、図１０および図１０の電気的等価回路である図１１を参照して、磁性コア３７０の、電流が被処理部Ａの境界を逸脱して流れるのを遮断する原理を説明する。磁性コア３７０は、比透磁率が高い物質からなり、大きいインダクタンスＬ１値を有する。磁性コア３７０を逸脱した箇所から接地された部分まで延びている金属板材Ｗの部分（Ｄ部分）もインダクタンスＬｑ値を有する。金属板材Ｗは、巻出機３８０および巻取機３９０に巻回されているため、巻出機３８０および巻取機３９０と物理的・電気的に接続される。巻出機３８０と巻取機３９０は接地されているため、金属板材Ｗも接地されている。
【００５３】
上流側に設けられたパルス変圧器３６０によって被処理部Ａに誘起された負の高電圧パルスは、磁性コア３７０での電圧降下とＤ部分での電圧降下との合計と等しい。金属板材Ｗの抵抗値による電圧の降下もあるが、周波数の高い負の高電圧パルスが印加されるため、磁性コア３７０とＤ部分のインダクタンスによるリアクタンス値がはるかに大きい。したがって、抵抗による電圧降下は無視することができ、インダクタンスのみからなる等価回路を構成することができる。磁性コア３７０での電圧降下は磁性コア３７０のインダクタンスＬ１に比例し、Ｄ部分での電圧降下はＤ部分のインダクタンスＬｑに比例する。したがって、Ｌ１がＬｑに比べて非常に大きい値であれば、ほとんどの電圧降下は磁性コア３７０で行われる。すなわち、被処理部Ａに誘起された負の高電圧パルスが損失なく被処理部Ａにすべて印加されるようにするためには、磁性コア３７０のインダクタンスＬ１がＤ部分のインダクタンスＬｑに比べて十分に大きいことが要求される。磁性コア３７０のインダクタンスを上昇させるための方法としては、ターン数を増やす方法と比透磁率を高める方法がある。
【００５４】
以上に説明され、図面に示された本発明の一実施形態は、本発明の技術的思想を限定するものとして解釈されてはならない。本発明の保護範囲は、請求の範囲に記載された事項によってのみ制限され、本発明の技術分野における通常の知識を有する者は本発明の技術的思想を多様な形態で改良変更することが可能である。したがって、このような改良および変更は、通常の知識を有する者にとって自明なことである限り、本発明の保護範囲に属するとみなすべきである。
【００５５】
例えば、真空チャンバ内で表面処理するとして説明したが、大気圧で表面処理することもできる。
【００５６】
また、第１実施形態において、連続して供給される金属板材Ｗに負の高電圧パルスを印加するための接続手段として集電用ローラ１６０を用いるとして説明したが、カーボンブラシ、カーボン集電棒などを用いることもできる。
【００５７】
さらに、金属板材Ｗを連続して供給する手段として巻出機と巻取機を用いるとして説明したが、幅が一定で長さが長い金属板材を積載し、これを連続して供給する方法を用いることもできる。
【００５８】
また、処理対象物が金属板材Ｗであるとして説明したが、負の高電圧パルスを印加するための接続手段を変更すると、金属線材の表面を処理できることは自明である。なお、処理対象物が金属であるとして説明したが、導電性がある他の対象物にも本発明にかかるプラズマ表面処理装置および方法を利用できることは自明である。
【００５９】
さらに、パルス変圧器は、チャンバの内部に設けるとして説明したが、必要な場合には、真空チャンバの外部に設けることができ、外部と内部に分けて設けることもできる。
【符号の説明】
【００６０】
１１０、２１０、３１０：真空チャンバ
１２０、２２０、３２０：真空ポンプ
１３０、２３０、３３０：ガス供給装置
１４０、２４０、３４０：プラズマ発生装置
１５０、２５０、３５０：パルス電圧発生装置
１６０：集電用ローラ
１７０、３７０：磁性コア
１８０、２８０、３８０：巻出機
１９０、２９０、３９０：巻取機
２６０、２７０：パルス変圧器
【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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【国際調査報告】
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