CN1311717C - 等离子体表面处理方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明不需要喷射空气等而能够增加激发态物质向工件表面辐射的数量和面积，能够均匀地辐射整个表面，并能够减少有效激发态物质的损失，借此能够显著改善处理性能和处理效率。在如下的方法中，其中向一对相对的放电电极1，1施加脉冲电压从而在尖端1a，1a之间产生电晕放电，并通过电晕放电产生含有等离子体的激发态物质，借此进行表面处理，通过由永磁体4、磁元件5和极件6构成的磁场形成装置在放电电极1，1的尖端1a，1a附近形成磁场，并通过洛仑兹力向工件W的表面Wf辐射激发态物质，其中洛仑兹力作为带电粒子在磁场中运动的推动力，借此进行表面处理。
Description
技术领域
本发明主要应用于各种表面处理，例如在树脂上，例如在聚乙烯、聚丙烯或者PTFE(聚四氟乙烯)上施加涂层成分或者进行印刷处理的实例中，将表面由疏水性修饰成亲水性，冲洗掉粘附在玻璃、陶瓷、金属或者半导体上的有机物，进行消毒或者灭菌，以及执行腐蚀处理。更特别地，本发明涉及电晕放电类型的等离子体表面处理方法，其中表面处理，例如修饰处理，通过用激发态物质(species)，例如激发态分子、基团或者离子，辐射工件表面而执行，其中激发态物质是由于电晕放电产生的等离子体导致分子离解而生成的，同时本发明还涉及用于该处理的装置。
背景技术
电晕放电类型等离子体表面处理方法具有如下优点：能够省去在辉光放电类型等离子体处理方法实例中需要的点火气体例如氦气、氩气或者氢气，由于减少了气体的消耗从而提高了使用的安全性并降低了处理的成本。因此，该方法经常用于表面处理，例如表面修饰。
在该电晕放电类型等离子体表面处理方法中，决定处理性能和处理效率的重要因素是由电晕放电产生的含有等离子体的激发态物质向工件表面辐射的数量、面积和均匀性。作为获得这些重要因素的方法，传统上采用如下的方法，其中，例如，放电电极的顶端部分形成中空的类针形状，在顶端内设置喷气嘴(air nozzle)，或者在放电电极的外周设置中空绝缘支架(holder)，并在绝缘支架顶端面内包围放电电极的多个位置处设置喷气孔(air ejection hole)，并通过从喷嘴或者喷气孔喷射高压高速空气向工件表面辐射含有等离子体的激发态物质(例如，见公开日本专利申请No.8-81573)。
在传统的电晕放电类型等离子体表面处理方法中，其中气体，例如高压高速空气，被喷出以便进行上述的激发态物质辐射，然而，放电电极或者绝缘支架必须被精细地加工以便进行气体例如空气喷射，而且需要空气或者其它气体的高压供应装置，例如压缩机或者鼓风机。因此，整个装置趋向于增大尺寸和成本。尽管激发态物质的辐射量和面积能够通过调节气体喷射的压力和角度加以控制，但是调节范围不可避免地受到限制。特别地，在技术和结构观点上，难以用激发态物质均匀地辐射整个工件表面。因为本身不参与表面处理的气体，例如空气，被与激发态物质一起喷射到工件表面，而且有效的激发态物质的数量相对于整体辐射量较小，且激发态物质由于气体例如空气的飞溅和外周逃逸(peripheral escape)而大量损失，因此导致预定的表面处理性能和处理效率的改善受到限制。
本发明是考虑到上述情况实施的。本发明的一个目标是提供一种等离子体表面处理方法以及用于该方法的装置，其中不需要喷射气体例如空气，能够增加激发态物质向工件表面的辐射量和面积，能够均匀地辐射整个表面，并能够减少有效激发态物质的损失，借此，能够显著地改善处理性能和处理效率。
发明内容
为了获得上述目标，根据本发明的等离子体表面处理方法是如下的等离子体表面处理方法，其中向一对相对的放电电极施加脉冲电压从而在放电电极的尖端之间产生电晕放电，并向工件表面辐射由电晕放电产生的含有等离子体的激发态物质，借此处理表面，其中
在大气压或大气压附近的压力下，产生所述一对放电电极的尖端部分之间的电晕放电，在带电粒子处于等离子体态的放电电极对的尖端附近形成磁场，而后通过一种力量向工件表面辐射含有等离子体的激发态物质，该力量作为带电粒子在磁场内运动的推动力，所述磁场在把带电粒子推向所述工件的所述表面一侧的方向上产生磁力。
根据本发明的等离子体表面处理装置是如下的等离子体表面处理装置，其中向一对相对的放电电极施加脉冲电压从而在放电电极的尖端之间产生电晕放电，并向工件表面辐射由电晕放电产生的含有等离子体的激发态物质，借此处理表面，其中
设置磁场形成装置，其在所述一对放电电极设置在处于大气压或者大气压附近压力下的状态中，带电粒子处于等离子体态的放电电极对的尖端附近形成磁场，并且它能够施加使带电粒子在磁场内运动的推动力，该推动力使得含有等离子体的激发态物质向工件表面辐射，对所述磁场中运动的带电粒子在把含有等离子体的激发态物质推向所述工件的所述表面一侧的方向上作用磁力。
根据如此配置的发明，当在放电电极对的尖端附近形成磁场时，向放电电极对施加脉冲电压从而在电极的尖端之间产生电晕放电，通过电晕放电产生含有等离子体的激发态物质存在于磁场之中，且磁场向处于等离子体态的带电粒子施加推动力，也就是洛伦兹力，使其在磁场内运动。由于洛伦兹力，与磁场垂直的力被施加到含有等离子体的激发态物质上。因此甚至在不喷射气体，例如高压高速空气时，激发态物质也能够以基本上均匀的方式在宽广的区域内向工件表面强烈地辐射。因为不使用自身不直接参与表面处理的气体，例如空气，只辐射作为表面处理有效成分的激发态物质，从而能够减少激发态物质由于气体飞溅等导致的损失。因此，能够显著地改善表面处理性能和处理效率。
在电晕放电类型的等离子体表面处理方法和装置中，作为施加到放电电极的脉冲电压，可以使用矩形脉冲电压，或者由通过半波整流或者全波整流交流电压获得的多个脉动波形成的脉冲电压。特别地，在使用由脉动波形成的脉冲电压的实例中，不需要特殊的脉冲电压发生电源，而是通过使用简单的电源设备就能够施加具有期望周期和占空的脉冲电压，该电源设备通过组合商业或者超声波领域内的AC电源和整流元件，例如二极管，而构成。因此，能够降低装置的成本。
电晕放电类型等离子体表面处理装置中的磁场形成装置可以是在由永磁体、磁元件对和在端面之间形成缝隙的极件(pole pieces)对构成的装置，或者是由连接DC电源的电磁体、磁元件对和在端面之间形成缝隙的极件对构成的装置。在使用永磁体的实例中，能够减少产品成本和功率消耗。对比地，在使用电磁体的实例中，产品成本和功率消耗比使用永磁体的情况高，但是洛伦兹力以及含有等离子体的激发态物质的辐射功率和辐射扩散范围能够通过调节极件端面之间缝隙内的磁通密度根据工件的表面形态等容易而任意地加以控制。因此，能够扩展对工件的形状适应性，从而能够进一步改善处理性能和处理效率。
在本发明中，不需要使用反应气体，例如氩气、氮气或者二氧化碳气体。选择地，在大气压或者大气压附近下的放电电极对之间可以引入该反应气体，借此通过从磁场获得的推动力(洛仑兹力)辐射含有等离子体的激发态气体流，借此实现用于各种表面处理的方法和装置。
附图说明
图1是显示本发明等离子体表面处理装置第一实施例的部分省略纵前向剖面图。
图2是沿图1的A-A线获得的纵向剖面图。
图3是半波整流电路的简图，其是处理装置中电源设备的一个实例。
图4是由半波整流电路整流的脉动电压的波形图。
图5是全波整流电路的简图，其是处理装置中电源设备的另一个实例。
图6是由全波整流电路整流的脉动电压的波形图。
图7是显示本发明等离子体表面处理装置第二实施例的部分省略纵前向剖面图。
图8是沿图7的B-B线获得的纵向剖面图。
具体实施方式
下文将参考附图说明本发明的各个实施例。
图1是显示本发明等离子体表面处理装置第一实施例的部分省略纵前向剖面图，而图2是沿图1的A-A线获得的纵向剖面图。第一实施例的等离子体表面处理装置以如下的方式配置。用金属材料，例如不锈钢制成的近似L形的(+)和(-)放电电极对1，1卡装固定在由绝缘体制成的电极支架2，2之间，其尖端部分或者尖末端1a，1a彼此相对。作为脉冲电源的电源设备3(后面说明)施加脉冲电压，该脉冲电压由通过半波整流或者全波整流交流电压获得的多个脉动波形成，该电源设备3与放电电极1，1相连。当脉冲电压从电源设备3施加到放电电极对1，1时，在电极1，1的尖端1a，1a之间产生电晕放电。通过电晕放电产生含有等离子体的激发态物质。
作为电源设备3，可以使用任何以如下方式配置的设备。例如图3所清晰显示的，只有交流电流的正电压通过半波整流电路提取出来，该电路使用：50Hz-100KHz的AC电源10；增压变压器11；和一个整流二极管D1，从而如图4所示，交流电流被转变成峰值Vp为5-15KV的DC脉动波，并产生了正脉冲电压，其中当多个经转变脉冲波的ON次数和OFF次数的总数设定为一个周期T时，脉冲频率(1/T)为10-200Hz，脉冲占空为10-100％。选择地，如图5所示，桥全波整流电路不仅提取交流电流的正电压，还提取被转变成与正电压方向相反、然后被加和的负电压，其使用如图5所示：50Hz-100KHz的AC电源10；增压变压器11；和四个整流二极管D1-D4，从而如图6所示，交流电流被转变成峰值为5-15KV的DC脉动波，并产生了正脉冲电压，其中当多个经转变脉冲波的ON次数和OFF次数的总数设定为一个周期T时，脉冲频率(1/T)为10-200Hz，脉冲占空为10-100％。尽管在上面使用了正脉冲电压，但是理所当然地，也能够使用负脉冲电压。
磁场形成装置被设置在离放电电极对1，1的尖端1a，1a最近的位置，其用于形成沿着水平面的磁场，在该处存在由电晕放电产生处于等离子体态的带电粒子。磁场形成装置如下配置：永磁体4，其位于放电电极1，1基端部分(basal end portion)的上方；软磁元件对5，5，其用纯铁等制成，与永磁体4的N和S极相连，并延长到放电电极对1，1的尖端1a，1a附近；和极件对6，6，其用纯铁等制成，与软磁元件5，5的顶端连续地结合，并在放电电极对1，1尖端1a，1a上的彼此相对的端面6a，6a之间形成磁场形成缝隙(magnetic field forming gap)7。根据等离子体态带电粒子在磁场中的运动，其中磁场形成于磁场形成装置中极件6，6的端面6a，6a之间的缝隙7内，推动力，也就是洛仑兹力，施加在带电粒子上，并且含有等离子体的激发态物质沿着图1和2中箭头X所示的方向向工件W的表面Wf辐射。
当粒子的电荷为Q，速度为v，极件端面之前的缝隙内的磁通密度为B时，洛仑兹力F表示为：
F＝Qv×B
洛仑兹力垂直于带电粒子的速度矢量，从而含有等离子体的激发态物质被沿着箭头X的方向推动和辐射。
软磁元件对5，5和电极支架2，2通过绝缘隔离物8，8固定并彼此耦合，借此磁场形成装置与放电电极对1，1彼此结合。绝缘保护罩9，9，例如陶瓷，配合在极件6，6上。
在这样配置的第一实施例电晕放电类型等离子体表面处理装置中，在极件6，6的端面6a，6a之间的缝隙7内形成了由有效磁通和漏磁通构成的磁场，极件6，6通过软磁元件5，5与永磁体4的N和S极相连。在该状态下，使用上述半波整流电路或者全波整流电路的电源设备3向放电电极对1，1施加频率为10-200Hz的正或负脉冲电压，从而在电极1，1的尖端1a，1a之间产生电晕放电。结果，在磁场中存在由电晕放电产生的含有等离子体的激发态物质。通过上述的洛仑兹力F向含有等离子体的激发态物质施加沿着垂直于磁场的箭头X方向的力，洛仑兹力F通过处于等离子体态的带电粒子在磁场中运动从磁场获得。结果，甚至在不喷射气体，例如高压高速空气时，含有等离子体的激发态物质也能够以基本上均匀的方式在宽广的区域上向工件W的表面Wf强烈地辐射。
而且，不使用自身不直接参与表面处理的气体，例如空气，且只有作为表面处理有效成分的激发态物质辐射到工件W的表面Wf上。因此，能够减少例如由于喷射气体，如高压高速空气，的飞溅导致的激发态物质外周逃逸等损失，从而能够显著改善预定的表面处理性能和处理效率。当极件6，6被替换成各种不同形状时，激发态物质的喷射模式能够自由地改变，本实施例也能够有效地用于二维或者三维表面处理。
在第一实施例中，在放电电极对1，1中使用的正或负脉冲电压是由多个通过半波整流或全波整流交流电压获得的脉冲波形成的。因此，不需要特殊的脉冲电压发生电源，例如多频振荡器、施密特触发回路或者间歇振荡器，且能够用简单的电源设备施加具有期望周期和占空的脉冲电压，该简单电源设备通过组合商业AC电源或者超声波电源与整流元件，例如二极管，而构成。而且，使用永磁体4作为磁场形成装置，永磁体能够低成本地制造且不消耗电能。结果，能够减少整个装置的制造成本和运行成本。
图7是显示本发明等离子体表面处理装置第二实施例的部分省略纵前向剖面图，而图8是沿图7的B-B线获得的纵向剖面图。在第二实施例的等离子态表面处理装置中，使用电磁体15代替第一实施例中构成磁场形成装置的永磁体4，其中例如，线圈13线绕用纯铁等制成的磁心12，且线圈13与DC电源14相连。其它的构型与第一实施例中的相似。因此，相应的元件和部分用相同的指代数字表示，并省略其详细说明。
同样在第二实施例的等离子态表面处理装置中，按照和第一实施例相同的方式，磁场中存在由于电晕放电产生的等离子体态带电粒子，并通过从磁场中获得的洛仑兹力F向含有等离子体的激发态物质施加沿着垂直于磁场的箭头X方向的力。结果，甚至在不喷射气体，例如高压高速空气时，含有等离子体的激发态物质也能够以基本上均匀的方式在宽广的区域上向工件W的表面Wf强烈地辐射。而且，只有作为表面处理有效成分的激发态物质辐射到工件W的表面Wf上，并能够减少例如由于喷射气体，如高压高速空气，的飞溅导致的激发态物质外周逃逸等损失，从而能够显著改善预定的表面处理性能和处理效率。而且，能够通过调节施加到线圈13的激励电流(energizationcurrent)在宽广的范围内控制极件6，6端面之间缝隙7内的磁通密度。根据该构型，洛仑兹力F，以及含有等离子体的激发态物质的辐射功率和辐射扩散范围能够根据工件W的表面形态等容易而任意地加以控制，从而能够扩展对工件W的形状适应性，并能够进一步改善处理性能和处理效率。
在上文中，说明了不使用反应气体，例如氩气、氮气或者二氧化碳气体的第一和第二实施例。选择地，在大气压或者大气压附近下的放电电极对之间可以引入该反应气体，并通过从磁场获得的洛仑兹力使含有等离子体的激发态气体流向工件表面辐射。在该选择中，能够扩展表面处理的适应性。
如上所述，根据本发明，由电晕放电产生的含等离子体的激发态物质能够通过作用于等离子体态带电粒子的洛仑兹力向工件表面辐射。因此，能够省略传统上用于辐射激发态物质的气体例如高压高速空气的使用，且不需要精细地加工放电电极和绝缘支架，也不需要安装气体的高压供应设备，例如压缩机或鼓风机，从而使整个装置最小化并降低了成本。而且，能够容易地增加激发态物质向工件表面的辐射量和面积，激发态物质能够均匀地辐射到整个工件表面，并能够减少由于外周飞溅等导致的有效激发态物质的损失。因此，本发明获得了显著改善表面处理性能和处理效率的效果。
特别地，由通过半波整流或全波整流交流电压获得的多个脉动波形成的脉冲电压用作施加到放电电极的脉冲电压。因此甚至在不使用特殊脉冲电压发生电源时，也能够通过使用简单的电源设备施加具有期望周期和占空的脉冲电压，该简单电源设备通过组合商业或超声波领域的AC电源与整流元件如二极管构成。结果，进一步降低了装置的成本。
当使用由连接DC电源的电磁体、磁元件对和极件对构成的装置作为磁场形成装置时，能够通过调节极件端面之间缝隙内的磁通密度控制洛仑兹力，并能够根据工件的表面形态等容易而任意地控制含有等离子体的激发态物质的辐射功率和辐射扩散范围。因此，能够扩展对工件的形状适应性，并能够进一步改善处理性能和处理效率。
Claims (9)
1.一种等离子体表面处理方法，其中向一对相对的放电电极施加脉冲电压从而在所述放电电极的尖端部分之间产生电晕放电，并用通过电晕放电产生的含有等离子体的激发态物质辐射工件表面，借此处理所述表面，其中
在大气压或大气压附近的压力下，产生所述一对放电电极的尖端部分之间的电晕放电，在所述放电电极对的所述尖端部分附近存在等离子体态的带电粒子的地方形成磁场，对磁场中运动的带电粒子上作用推动力而使含有等离子体的激发态物质向所述工件的所述表面辐射，所述磁场在把带电粒子推向所述工件的所述表面一侧的方向上产生磁力。
2.根据权利要求1的等离子体表面处理方法，其中使用矩形脉冲电压作为脉冲电压。
3.根据权利要求1的等离子体表面处理方法，其中使用由通过半波整流或全波整流一种交变电压而获得多个脉动电流波形成的脉冲电压作为脉冲电压。
4.根据权利要求1-3中任何一个的等离子体表面处理方法，其中在大气压或者大气压附近下所述放电电极对之间引入反应气体，借此通过从磁场获得的推动作用力使含有等离子体的激发气流向所述工件的所述表面辐射。
5.一种等离子体处理装置，其中向一对相对的放电电极施加脉冲电压从而在所述放电电极的尖端部分之间产生电晕放电，并用通过电晕放电产生的含有等离子体的激发态物质辐射工件表面，借此处理所述表面，其中
设置有磁场形成装置，其在所述一对放电电极设置在处于大气压或者大气压附近压力下的状态中，所述放电电极对的所述尖端部分附近存在等离子体态的带电粒子的地方形成磁场，对所述磁场中运动的带电粒子在把含有等离子体的激发态物质推向所述工件的所述表面一侧的方向上作用磁力。
6.根据权利要求5的等离子体表面处理装置，其中所述脉冲电压施加装置是矩形脉冲电压发生电源。
7.根据权利要求5的等离子体表面处理装置，其中所述脉冲电压施加装置由AC电源和整流回路构成，整流回路产生脉冲电压，该脉冲电压由通过半波整流或全波整流所述电源的交变电压获得的多个脉动电流波形成。
8.根据权利要求5-7中任何一个的等离子体表面处理装置，其中所述磁场形成装置由以下配置构成：永磁体；与所述永磁体的N和S极相连并延长到所述放电电极对的所述尖端部分附近的磁元件对；以及连接到所述磁元件的前端并在端面之间形成缝隙的极件对。
9.根据权利要求5-7中任何一个的等离子体表面处理装置，其中所述磁场形成装置由以下配置构成：和DC电源相连的电磁体；与所述电磁体的N和S极相连并延长到所述放电电极对的所述尖端部分附近的磁元件对；以及连接到所述磁元件的前端并在端面之间形成缝隙的极件对。
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