(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状物に放電処理を施すロール状電極であって、ロール状金属電極の円筒面上にセラミックス誘電体の溶射コーティング層を有し、さらに、該コーティング層の上に樹脂被覆層を有することを特徴とする電極構造。
【請求項２】
樹脂被覆層が、フッ素系樹脂層であることを特徴とする請求項１に記載の電極構造。
【請求項３】
樹脂被覆層が、熱収縮性チューブを加熱収縮することによるシームレス被覆により形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電極構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極構造を用いることを特徴とする放電プラズマ処理装置。
【請求項５】
対向するロール状電極に、パルス立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が１０μｓ以下、電界強度が１０〜１０００ｋＶ／ｃｍのパルス電界を印加してグロー放電プラズマを発生させてシート状物を処理することを特徴とする請求項４に記載の放電プラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極構造に関し、特に、湿潤雰囲気下においても耐久性に優れ、かつ、メンテナンスの容易なシート状物の放電処理を行うロール状電極構造及びそれを用いた放電プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、コロナ放電、プラズマ放電を用いたシート状物の表面処理においては、一定の放電空間を隔てて１対の軸平行なロール状電極を配置したロール対向型電極を用いた放電処理装置や、平板型電極と平行にロール軸を配置した平板−ロール対向型電極を用いた放電処理装置が使用されている。
このような放電処理装置では、ロール状対向電極としては、均一かつ効率的な処理を行うために金属製の電極芯材をセラミックス系誘電体で被覆した構造が一般的である。金属製の電極芯材の表面をセラミックス系誘電体で被覆することにより、絶縁耐圧を向上させてアーク放電を抑制し、大きな処理電力を投入することが可能となる。
【０００３】
金属製芯材電極へのセラミックス系誘電体の被覆方法としては、プラズマ溶射が一般的である。ロール状金属製電極への溶射コーティングは、金属芯材を回転させながら、プラズマトーチで高温融解したセラミックス微粒子を吹き付け、トーチ自体もロール軸と並行して移動させることにより、ロールの円筒面上に均一な厚みの誘電体層を形成することにより行われる。
【０００４】
しかしながら、プラズマ溶射により形成したセラミックス膜は、粒子状物の堆積により成長するため、微視的には膜内に細かな気泡を内包する構造を有する。このような構造はセラミックス誘電体膜の絶縁耐圧を低下させ、放電による膜の損傷の原因となる。誘電体層に損傷が発生した場合、たとえごく小さな損傷であっても、電界の集中によるアーク放電の原因となり、被処理物に穿孔等のダメージを生じやすくなる。また、一旦誘電体層に損傷が生じてアーク放電が起こりやすくなると、アーク放電がさらに損傷を拡大させ、被処理物へのダメージが拡大するとともに、短絡による電流が電源の過負荷を生じ、処理運転が困難となる。
【０００５】
セラミックス系誘電体膜は一ヶ所の損傷を部分的に補修することが困難であり、電極を再生するためにはセラミックス系誘電体被覆を完全に削り取った後、金属芯材の表面を再研磨し、しかる後に再度溶射コーティングを行う必要がある。このため電極の再生には多大のコストと時間を要するという問題がある。
【０００６】
また、もう一つの大きな問題として、溶射コーティングによるセラミックス誘電体層が微小な気泡を内包することにより、吸湿性が大きいことが挙げられる。セラミックス自体が親水性であることが多いことに加え、溶射コーティング皮膜では、微小気泡が存在することが吸湿性をさらに増大させる要因となっている。水分の存在は、絶縁破壊による誘電体の損傷を著しく助長する。これにより、湿潤雰囲気での放電、あるいは高湿時の放電では電極の寿命が極端に短くなり、工業的に湿潤性雰囲気下での放電処理を行うことは困難である。また、放電処理工程では、厳しい湿度管理が要求され、処理運転が制約される問題点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、湿潤雰囲気下においても安定に放電処理を行うことのできる、セラミックス誘電体をコーティングしたロール状電極構造及びそれを用いた放電プラズマ処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決しようとする手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、湿潤雰囲気下での放電処理により被処理物に特定の官能基を導入する検討を行う中で、セラミックス誘電体被覆を施したロール電極の寿命向上について検討した結果、セラミックス誘電体被覆を施したロール電極の外層を、さらに樹脂被覆することにより、放電処理の均一性や処理効果を損なうことなく湿潤雰囲気下での放電による電極の寿命を飛躍的に向上させることを見出し、本発明に至った。
【０００９】
すなわち、本発明の第１の発明によれば、シート状物に放電処理を施すロール状電極であって、ロール状金属電極の円筒面上にセラミックス誘電体の溶射コーティング層を有し、さらに、該コーティング層の上に樹脂被覆層を有することを特徴とする電極構造が提供される。
【００１０】
また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明に記載の樹脂被覆層が、フッ素系樹脂層であることを特徴とする電極構造が提供される。
【００１１】
また、本発明の第３の発明によれば、第１又は２の発明に記載の樹脂被覆層が、熱収縮性チューブを加熱収縮することによるシームレス被覆により形成されることを特徴とする電極構造が提供される。
【００１２】
また、本発明の第４の発明によれば、第１〜３のいずれかの発明に記載の電極構造を用いることを特徴とする放電プラズマ処理装置が提供される。
【００１３】
また、本発明の第５の発明によれば、対向するロール状電極に、パルス立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が１０μｓ以下、電界強度が１０〜１０００ｋＶ／ｃｍのパルス電界を印加してグロー放電プラズマを発生させてシート状物を処理することを特徴とする第４の発明に記載の放電プラズマ処理装置が提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、ロール状金属製電極の上に溶射コーティングしたセラミックス誘電体の外表面を樹脂で被覆したロール状電極構造および該電極を用いる放電プラズマ処理装置である。以下に詳細に説明する。
【００１５】
上記セラミックス誘電体としては、比誘電率が１０以上（２５℃環境下、以下同）であることが好ましい。比誘電率の上限は特に限定されるものではない。具体的には、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウム、酸化チタニウム５〜５０重量％と酸化アルミニウム５０〜９５重量％の混合物等が挙げられる。
【００１６】
電極表面に溶射コーティングされるセラミックス誘電体被覆層の厚みは、５０〜２０００μｍが好ましく、より好ましくは２００〜１５００μｍである。セラミックス層の厚みが５０μｍ未満では、絶縁耐圧に乏しく、アーク放電を抑制する効果が不十分となり、放電の安定化効果が不十分である。一方、２０００μｍを超えると放電を行うための印加電圧が高くなるとともに、温度変化に対する耐久性が低下するといった問題を生ずる。
【００１７】
本発明の溶射コーティングされたセラミックス誘電体層を被覆する樹脂の材質としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、塩素系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエステル系樹脂等が挙げられるが、放電に対する耐久性と、耐湿性からフッ素系樹脂が好適である。
【００１８】
フッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリビニリデンフロライド、ポリビニルフロライド等が挙げられる。
【００１９】
樹脂被覆層の厚みは、５０〜１０００μｍが好ましく、より好ましくは１００〜７００μｍである。樹脂被覆層の厚みが５０μｍ未満では、放電による樹脂被覆の損傷が発生し易く、１０００μｍを超えると放電を行うための印加電圧が著しく高くなり、安定な放電を行いにくくなる。
【００２０】
樹脂被覆の方法としては、セラミックス層に上記の厚さに均一に被覆できる方法であれば特に制限はないが、溶融コーティングする方法、熱収縮チューブによる被覆方法等が挙げられる。これらの中でも、熱収縮チューブを用いてロール円筒面上に被覆層を形成する方法が初期コーティングおよびメンテナンス時の作業性において最も有利である。すなわち、あらかじめ所定の大きさ、厚さに形成された熱収縮性チューブにセラミックス溶射コーティングされたロール状電極を挿入し、全体を加熱することにより、チューブを熱収縮させ、セラミックス表面に密着被覆させる方法であり、円筒面上をシームレスで被覆できる。
【００２１】
このシームレス被覆に用いる樹脂の熱収縮チューブの製造方法としては、例えば、円形ダイより溶融押し出された樹脂をインフレーション成形することにより１軸あるいは２軸延伸する公知の方法が用いられる。
【００２２】
本発明による電極構造を用いることにより、放電処理の均一性や処理効果を損なうことなく、湿潤雰囲気下での放電時の電極の寿命を飛躍的に向上させることが可能となり、高価なセラミックス被覆電極のランニングコストを抑制するとともに、アーク放電による電極ダメージが生じた場合にも、初期の樹脂被覆層の損傷時点において、樹脂被覆層を交換するだけで容易に修復が可能となり、メンテナンス時間を大幅に短縮することで生産性を向上させることが可能となる。
【００２３】
上記ロール状電極の材質としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真鍮等の合金、金属間化合物等からなるものが挙げられる。上記ロール状対向電極は、電界集中によるアーク放電の発生を避けるために、対向電極間の距離が略一定となる構造であることが好ましい。
【００２４】
上記電極間の距離は、固体誘電体の厚さ、印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮して適宜決定されるが、０．１〜５０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．１〜５ｍｍである。０．１ｍｍ未満では、電極間の間隔を置いて設置するのに充分でないことがあり、一方、５０ｍｍを超えると、均一な放電プラズマを発生させにくい。
【００２５】
本発明では、上記電極間に、高周波、パルス波、マイクロ波等の電界が印加され、プラズマを発生させるが、パルス電界を印加することが好ましく、特に、電界の立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が、１０μｓ以下である電界が好ましい。１０μｓを超えると放電状態がアークに移行しやすく不安定なものとなり、パルス電界による高密度プラズマ状態を保持しにくくなる。また、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が短いほどプラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行われるが、４０ｎｓ未満の立ち上がり時間のパルス電界を実現することは、実際には困難である。より好ましくは５０ｎｓ〜５μｓである。なお、ここでいう立ち上がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して増加する時間、立ち下がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して減少する時間を指すものとする。
【００２６】
上記パルス電界の電界強度は、１０〜１０００ｋＶ／ｃｍとなるようにするのが好ましく、より好ましくは２０〜１０００ｋＶ／ｃｍである。電界強度が１０ｋＶ／ｃｍ未満であると処理に時間がかかりすぎ、１０００ｋＶ／ｃｍを超えるとアーク放電が発生しやすくなる。
【００２７】
上記パルス電界の周波数は、０．５ｋＨｚ以上であることが好ましい。０．５ｋＨｚ未満であるとプラズマ密度が低いため処理に時間がかかりすぎる。上限は特に限定されないが、常用されている１３．５６ＭＨｚ、試験的に使用されている５００ＭＨｚといった高周波帯でも構わない。負荷との整合のとり易さや取り扱い性を考慮すると、５００ｋＨｚ以下が好ましい。このようなパルス電界を印加することにより、処理速度を大きく向上させることができる。
【００２８】
また、上記パルス電界におけるひとつのパルス継続時間は、２００μｓ以下であることが好ましい。２００μｓを超えるとアーク放電に移行しやすくなる。ここで、ひとつのパルス継続時間とは、ＯＮ、ＯＦＦの繰り返しからなるパルス電界における、ひとつのパルスの連続するＯＮ時間を言う。
【００２９】
本発明の放電プラズマ処理装置は、どのような圧力下でも用いることができるが、常圧放電プラズマ処理に用いるとその効果を十分に発揮でき、特に、大気圧近傍下の圧力下で用いるとその効果が十分に発揮される。
【００３０】
上記大気圧近傍の圧力下とは、１．３３３×１０4〜１０．６６４×１０4Ｐａの圧力下を指す。中でも、圧力調整が容易で、装置が簡便になる９．３３１×１０4〜１０．３９７×１０4Ｐａの範囲が好ましい。
【００３１】
大気圧近傍の圧力下では、ヘリウム、ケトン等の特定のガス以外は安定してプラズマ放電状態が保持されずに瞬時にアーク放電状態に移行することが知られているが、パルス状の電界を印加することにより、アーク放電に移行する前に放電を止め、再び放電を開始するというサイクルが実現されると考えられる。
【００３２】
本発明で処理できる被処理基材としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等のプラスチック等が挙げられる。基材の形状としては、フィルム、シート状等のものが挙げられるが、特にこれらに限定されない。
【００３３】
本発明のプラズマ放電処理装置では、処理ガスの存在下に電界を印加し、被処理基材を処理するが、用いる処理ガスとしては、電界を印加することによってプラズマを発生するガスであれば、特に限定されず、処理目的により種々のガスを使用できるが、特に湿潤雰囲気においてもその効果を失わないものが好ましい。
【００３４】
上記処理用ガスとして、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、ＣＣｌＦ3、ＳＦ6等のフッ素含有化合物ガスを用いることによって、撥水性表面を得ることができる。
【００３５】
また、処理用ガスとして、Ｏ2、Ｏ3、水、空気等の酸素元素含有化合物、Ｎ2、ＮＨ3等の窒素元素含有化合物、ＳＯ2、ＳＯ3等の硫黄元素含有化合物を用いて、基材表面にカルボニル基、水酸基、アミノ基、スルホン酸基等の親水性官能基を形成させて表面エネルギーを高くし、親水性表面を得ることができる。また、アクリル酸、メタクリル酸等の親水基を有する重合性モノマーを用いて親水性重合膜を形成することもできる。
【００３６】
さらに、ハロゲン系ガスを用いてエッチング処理、ダイシング処理を行ったり、酸素系ガスを用いてレジスト処理や有機物汚染の除去を行ったり、アルゴン、窒素等の不活性ガスによるプラズマで表面クリーニングや表面改質を行うこともできる。
【００３７】
経済性及び安全性の観点から、上記処理用ガス単独雰囲気よりも、以下に挙げるような希釈ガスによって希釈された雰囲気中で処理を行うことが好ましい。希釈ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガス、窒素気体等が挙げられる。これらは単独でも２種以上を混合して用いてもよい。また、希釈ガスを用いる場合、処理用ガスの割合は０．０１〜１０体積％であることが好ましい。
【００３８】
なお、本発明の装置によれば、プラズマ発生空間中に存在する気体の種類を問わずグロー放電プラズマを発生させることが可能である。公知の低圧条件下におけるプラズマ処理はもちろん、特定のガス雰囲気下の大気圧プラズマ処理においても、外気から遮断された密閉容器内で処理を行うことが必須であったが、本発明のグロー放電プラズマ処理装置を用いた方法によれば、開放系、あるいは、気体の自由な流失を防ぐ程度の低気密系での処理が可能となる。
【００３９】
本発明のパルス電界を用いた大気圧放電処理装置によると、全くガス種に依存せず、電極間において直接大気圧下で放電を生じせしめることが可能であり、より単純化された電極構造、放電手順による大気圧プラズマ装置、及び処理手法でかつ高速処理を実現することができる。また、パルス周波数、電圧、電極間隔等のパラメータにより処理に関するパラメータも調整できる。
【００４０】
【実施例】
本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【００４１】
実施例１
図１に示す装置を用いて、常圧下で放電プラズマを発生させ、放電状況および電極の修復をおこなった。１００ｍｍφ×３００ｍｍ幅のステンレス（ＳＵＳ３１６）ロールにセラミックス誘電体（０．５ｍｍの厚さのアルミナ）を溶射コーティングし、その上からテトラフルオロエチレン樹脂を熱収縮チューブ（グンゼ産業製）を用いて０．５ｍｍ厚さに被覆した上部ロール電極２及び下部ロール電極３からなる一対の電極をステンレスチャンバー１内に、幅方向での距離が１ｍｍとなるように平行に設置した。ここでは、上部ロール電極２と下部ロール電極３は、同方向に回転駆動されるようにした。ステンレスチャンバー室１内には、被処理物シート８をロールから入り口シールロール６を通し、電極間を通し、出口シールロール７を通し巻き取れるようにし、ステンレスチャンバー室内１にガス導入管５より８０％ＲＨの高湿潤空気を導入した。上部回転ロール電極２に、電源９により、５μｓｅｃの立ち上がり速度、ＶP-P１０ｋＶ、出力電力０．５ｋＷ、繰り返し周波数１０ｋＨｚのパルス電圧を印加し、下部回転ロール電極３にアースを接続し、プラズマ放電を励起し、連続放電処理を行ったところ、２４時間経過後にも安定して放電可能であった。
約１００時間に渡って間欠的なプラズマ放電を行った後、樹脂被覆層のピンホールによる不均一放電が生じたため、樹脂被覆層をカッターにより切断除去し、再度テトラフルオロエチレン樹脂の熱収縮チューブを用いて電極ロールを被覆した。この修復した電極を使用してプラズマ放電処理を行ったが、初期状態と何ら変化なく使用可能であった。
【００４２】
比較例１
実施例１においてセラミックス誘電体上にテトラフルオロエチレン樹脂の被覆を施さなかったこと以外は、実施例１と同様にして連続プラズマ放電を行った。その結果、約３時間後より局所的なアーク放電が発生し始め、約４時間後には明らかにセラミックス誘電体の損傷に起因する放電短絡が生じ、放電の継続が不可能となった。
【００４３】
【発明の効果】
本発明による電極構造を用いることにより、放電処理の均一性や処理効果を損なうことなく、高湿下での電極の寿命を飛躍的に向上させ安定連続放電が可能となる。また、電極にダメージが生じた場合にも、樹脂被覆層を交換するだけで容易に修復が可能であり、短時間のメンテナンスにより設備が復旧可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いた本発明の放電プラズマ処理装置を説明する図である。
【符号の説明】
１  チャンバー
２  上部ロール電極
３  下部ロール電極
４  樹脂被覆層
５  ガス導入管
６  入口シールロール
７  出口シールロール
８  被処理物
９  パルス電源
【図１】
0003754643.tif 000002