CN1857040A - 等离子体处理方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的等离子体处理方法及其装置，能扩大激发核对于被处理物表面的照射量以及照射面积，能在表面的整个区域均匀照射，显著提高处理性能和处理效率。在位于相对峙的位置的放电电极(4)之间施加脉冲电压，使得在这些放电电极的尖端部分之间发生电晕放电，把包含通过该电晕放电生成的等离子体的激发核照射被处理物的表面，用中心电极(11)、在把该中心电极(11)夹在中间的状态下相对峙地配置的两个周边电极(12、13)构成放电电极(4)，从应用偶倍压整流电路而构成的脉冲电压施加单元(16)在放电电极(4)的中心电极(11)和两个周边电极(12、13)上交变施加脉冲电压，使得在两个周边电极(12、13)内的一个与中心电极(11)之间交替发生电晕放电。
Description
技术领域
本发明涉及当主要对于聚乙烯或者聚丙烯、聚脂(PET)、PTFE(聚四氟乙烯)等树脂涂敷了涂料时或者实施了印刷时，把其表面的拒水性改质为亲水性，或者洗净附着在玻璃、陶瓷、金属、半导体等表面上的有机物，或者杀菌·灭菌，或者进行腐蚀等各种表面处理或者气体分解工艺中适用的处理方法及其装置，更详细地讲，涉及在被处理物的表面上照射通过电晕放电生成的等离子体的分子离解的结果发生的激发分子、基、离子等激发核(excited species)，从而进行改质等表面处理等的电晕放电式的等离子体处理方法及其装置。
背景技术
电晕放电方式的等离子体表面处理方法省去了在辉光放电方式的等离子体表面处理方法时所需要的氦或者氩或者氢等点火用气体的使用，由于具有提高使用时的安全性以及通过节减气体消耗量而降低处理成本的优点，因此大量利用在表面改质等的表面处理中。
在决定这种电晕放电方式的等离子体表面处理方法的处理性能和处理效率的方面重要的因素是包含通过电晕放电生成的等离子体的激发核向被处理物表面的照射量、照射面积以及照射的均匀性，以往，作为实现这些重要因素的方法，相对峙地配置一对放电电极，在这两个电极之间施加正弦交流电压，使得在两个电极之间发生电晕放电的同时，在其放电区域中流过气体(例如参照专利文献1)。
专利文献1：特开平2001-293363号公报。
然而，在上述现有的电晕放电方式的等离子体表面处理方法中，虽然通过调整气体的喷射压力或者喷射角度等能够调整激发核的照射量或者照射面积，但是由于以一定间隔形成的放电区域仅处在一个位置，因此具有其调整范围本身存在界限，特别是，无论在构造上还是在技术上都存在难以实现使激发核平均地均等地照射被处理物表面的整个区域的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述的实际情况而完成的，目的在于提供能够扩大激发核对于被处理物表面的照射量以及照射面积，同时，能够在表面的整个区域均匀照射，而且，抑制有效激发核的损失，能够显著提高处理性能和处理效率的等离子体处理方法及其装置。
为了达到上述目的，本发明方案1的等离子体处理方法在相对峙的放电电极上施加脉冲电压，使得在这些放电电极的尖端部分之间产生电晕放电，把包含通过该电晕放电生成的等离子体的激发核照射在被处理物的表面上进行表面处理，其特征是，在由中心电极和把该中心电极夹在中间的状态下相对峙地配置的两个周边电极构成的放电电极的中心电极和两个周边电极上，从应用偶倍压整流电路而构成的脉冲电压施加单元交变施加脉冲电压，使得在两个周边电极内的一个与中心电极之间交替发生电晕放电。
另外，本发明方案6的等离子体处理装置构成为在相对峙的放电电极上施加脉冲电压，使得在这些放电电极的尖端部分之间产生电晕放电，把包含通过该电晕放电生成的等离子体的激发核照射在被处理物的表面上进行表面处理，其特征是，用中心电极和与该中间电极相对峙地配置的两个周边电极构成放电电极，把应用偶倍压整流电路而构成的脉冲电压施加单元的中央端子连接到中心电极上的同时，脉冲电压施加单元的各侧端部分的端子分别连接到周边电极上，根据施加到中心电极和各周边电极上的交流电压，在中间电极与周边电极之间交替产生电晕放电。
依据上述结构的本发明，由于用中心电极和与该中心电极相对峙的状态下配置的两个周边电极构成放电电极，在中心电极与各周边电极之间交变施加脉冲电压，使得交替放电，因此，成为在两个位置串联形成放电间隔的状态，能够扩大激发核对于被处理物表面的照射量以及照射面积，同时能够在表面的整个区域上均匀地照射。
在上述的电晕放电式的等离子体处理方法及其装置中，作为施加到放电电极上的脉冲电压，能够使用在方案2以及方案8中记载的矩形波脉冲电压，或者在方案3以及方案9中记载的由把交流电压全波整流后的多个脉动波构成的脉冲电压中的任一种。其中，特别是在使用由脉动波构成的脉冲电压的情况下，由于不需要特别的脉冲电压发生源，通过使用商用或者超声波领域的交流电源与二极管等整流元件的组合构成的简单的电源装置，就能够施加所希望的周期以及占空比的脉冲电压，因此能够实现装置的低成本。
进而，如在方案4以及方案10中记载的那样，在放电电极的尖端部分附近形成了磁场的状态下，在放电电极上施加脉冲电压，使得在两个电极之间产生电晕放电时，包含通过电晕放电生成的等离子体的激发核存在于磁场之中，从磁场对于在磁场中运动的等离子体的带电粒子作用推压力，即洛伦兹力，因此能够使激发核趋势良好地朝向被处理物的表面或者能够遍及很大的面积几乎均匀地照射。
而且，作为上述电晕放电式的等离子体处理装置中的磁场形成单元，可以是如在方案11中记载的那样，由永久磁铁、一对磁性体和在端面之间形成缝隙的一对极靴构成的结构，或者如在方案12中记载的那样，由与直流电源连接的电磁铁、一对磁性体和在端面之间形成缝隙的一对极靴构成的结构中的任一种。其中，在使用永久磁铁的情况下，能够谋求降低制造成本以及节省功耗。另一方面，在使用电磁铁的情况下，与使用永久磁铁的情况相比较，虽然增大制作成本以及功耗，但是通过调整极靴端面之间的缝隙的磁通密度，能够与被处理物的表面的形态等相对应，容易而且任意地控制洛伦兹力以及包含等离子体的激发核的照射力和照射扩散范围，在谋求扩大对于被处理物的形状适应性的基础上，能够进一步提高处理性能和处理效率。
进而，在本发明中，如在方案5以及13中记载的那样，如果在大气压或者大气压附近的压力下把氩、氮、碳酸气等反应气体导入到放电电极之间，则在气体的流动下，把包含等离子体的激发核朝向被处理物表面照射，在能够得到对于被处理物表面的照射量、照射面积以及照射的均匀性的基础上，通过使包含等离子体的激发气体流在从磁场受到的推压作用力(洛伦兹力)下照射，能够在各种表面处理中利用。
附图说明
图1是表示本发明的等离子体处理装置的一个实施例的部分省略纵剖正面图。
图2是图1的装置的部分切除斜视图。
图3是由脉冲电压施加单元输出的脉动电压的波形图，图3a是来自升压器的输出波形图，图3b是在中心电极和正电极取出的被整流了的脉动电压的波形图，图3c是在中心电极和负电极取出的被整流了的脉动电压的波形图。
图4是由脉冲电压施加单元输出的矩形波电压的波形图，图4a是来自升压器的输出波形图，图4b是在中心电极和正电极取出的被整流了的矩形波电压的波形图，图4c是在中心电极和负电极取出的被整流了的矩形波电压的波形图。
具体实施方式
下面，根据附图说明本发明的实施形态。
图1是表示适用了本发明方法的等离子体表面处理装置的一个实施例的概略纵剖面图，图2是部分切除斜视图。
该等离子体表面处理装置由在内部排列多个气体喷射孔1的同时形成了连通各气体喷射孔的上端部分的气体溜(ガス溜)2的板形绝缘构件3、由板形绝缘构件3支撑的放电电极4、在从前后把放电电极4夹在中间的形态下形成的一对陶瓷制绝缘隔片5、分别配置在陶瓷制绝缘隔片5的外侧的极靴6、7、分别与各极靴6、7磁连接的磁铁8、把该磁铁8的上端部分之间连接的磁性材料制的连接杆9以及在放电电极4上施加放电用电压的电源装置10构成。
放电电极4由形成为大致T字形(撞钟槌形)的中心电极11、配置成分别与该中心电极11的T字形头部的端面(尖端)相对峙的形态的大致L字形的周边电极12、13构成。而且，这些中心电极11以及两个周边电极12、13分别用钨或者钼等具有耐热性的金属形成。
电源装置10由交流电源14、把交流升压的变压器15、配置在该变压器15的次级侧的由除去倍压整流电路的电容器后形成的全波整流电路构成的脉冲电压施加单元16构成，把变压器15的次级侧端子的一方电连接到上述形成为T字形的中心电极11上的同时，把变压器15的次级侧端子的另一方分别经过高压整流二极管17、18，电连接到上述形成为L字形的周边电极12、13上。这种情况下，高压整流二极管17和高压整流二极管18相反配置其流向，在正电极12中对于中心电极11输出高电压，在负电极13中对于中心电极11输出低电压。即，从该脉冲电压施加单元16作为脉冲电压分别交替施加半波整流了的正电压一侧和负电压一侧的脉动波，使在中心电极11与正电极12的尖端之间，或者中心电极11与负电极13的尖端之间产生电晕放电，通过该电晕放电生成包含等离子体的激发核。
另外，作为该电源装置10，用变压器15把50Hz～100KHz的交流电源升压到具有图3a所示那样的5～15kV波峰值Vp的正弦波，把该升压的正弦波变换为具有5～15kV波峰值Vp的直流的脉动波，把图3b所示的正电压部分(直流)施加到中心电极11与正电极12之间，另外，把图3c所示的负电压部分施加到中心电极11与负电极13之间，交替发生以各个ON时间以及OFF时间之和作为一个周期T、脉冲频率(1/T)为10～200Hz、脉冲占空比为10～100％的脉冲电压。
在靠近上述放电电极4的尖端部分位置，设置有形成沿着存在着通过电晕放电生成的等离子体中的带电粒子的水平面的磁场的磁场形成单元。该磁场形成单元由配置在上述放电电极4的基端部分上方的永久磁铁8、纯铁制等的一对软磁性体和纯铁制等的一对极靴6、7构成，该一对软磁性体连接到该永久磁铁8的N、S两极且延伸设置到一对放电电极4的尖端部分附近，该一对极靴6、7一体地延伸设置在这些软磁性体的顶端上，隔着放电电极4的顶端部分相对峙的端面之间形成磁场形成用缝隙。伴随着等离子体中的带电粒子在上述磁场形成单元中的极靴6、7的端面之间的缝隙形成的磁场中运动，在该带电粒子上作用推压力，即洛伦兹力，使得包含等离子体的激发核向图1、2中的箭头X所示那样，朝向被处理物的表面照射。
这里，如果把粒子的电荷记为Q，把速度记为v，把极靴端面之间的缝隙的磁通密度记为B，则上述的洛伦兹力F是
F＝Qv×B，
将垂直作用在带电粒子的速度矢量上，由此，向箭头X方向推压并照射包含等离子体的激发核。
另外，在大气压或者大气压附近的压力下从形成在板形绝缘构件3上的各气体喷射孔1把氩、氮、碳酸气等反应气体或者高速空气导入到一对放电电极之间，使得包含等离子体的激发气体流在从磁场受到的洛伦兹力下朝向被处理物的表面照射。从而，能够扩大表面处理的适用性。
在这样构成的电晕放电式等离子体表面处理装置中，在经过软磁性体连接到永久磁铁8的N、S两极上的极靴6、7的端面之间的缝隙中形成由有效磁通以及漏磁通构成的磁场，在该状态下，如果由上述电源装置10整流了的输出在中心电极10与正电极11之间以及中心电极10与负电极12之间施加脉冲频率为10～200Hz的正或者负的脉冲电压，在两个电极10、11或者10、12的尖端之间交替发生电晕放电，则包含通过该电晕放电生成的等离子体的激发核存在于磁场中，由于在该磁场中运动的等离子体中的带电粒子从磁场受到的已经叙述过的洛伦兹力，而包含等离子体的激发核被施加垂直于磁场的箭头X方向的力。
另外，在本发明中，对于构成一对放电电极4的中心电极11和正负各电极12、13，分别使用由把交流电压整流后得到的多个脉动波构成的正或者负的脉冲电压，因此例如不需要多谐振荡器或者施密特触发电路、间歇振荡器等特别的脉冲电压发生源，使用由商用交流电源或者超声波电源与二极管等整流元件的组合构成的简单的电源装置，能够施加所希望的周期以及占空比的脉冲电压，进而，作为磁场形成单元，利用制造成本低而且没有功耗的永久磁铁8，因此能够实现降低装置整体的导入成本以及运营成本。
另外，在上述实施形态中，作为磁场形成单元M使用了永久磁铁8，但作为磁场形成单元也可以是电磁铁。如果作为磁场形成单元M使用电磁铁，则能够控制洛伦兹力F，能够调整加载到包含等离子体的激发核上的垂直于磁场的力。
进而，在上述实施形态中，在隔着放电电极4的尖端部分相对峙的端面之间形成磁场的同时，在该端面之间喷射反应性气体或者高速空气，但也可以仅是进行磁场形成和气体导入中的任一种。
进而，在上述实施形态中，说明了用交流电源、发生由把该交流电压全波整流后的多个脉动波形成的脉冲电压的整流电路构成脉冲电压施加单元的结构，但脉冲电压施加单元也可以是发生图4所示那样矩形波的脉冲电压的脉冲波发生源。
本发明能够适用在当主要对于聚乙烯或者聚丙烯、聚脂(PET)、PTFE(聚四氟乙烯)等树脂涂敷了涂料时或者实施了印刷时，把其表面的拒水性改质为亲水性，或者洗净附着在玻璃、陶瓷、金属、半导体等表面上的有机物，或者杀菌·灭菌，或者进行腐蚀等各种表面处理，或者利用了通过电晕放电生成的等离子体的分子离解的气体分解工艺中。
Claims (13)
1.一种等离子体处理方法，该方法在位于相对峙的位置的放电电极(4)之间施加脉冲电压，使得在这些放电电极(4)的尖端部分之间发生电晕放电，把包含通过该电晕放电生成的等离子体的激发核照射在被处理物的表面上进行处理，其特征在于，
在由中心电极(11)和把该中心电极(11)夹在中间的状态下相对峙地配置的两个周边电极(12、13)构成的放电电极(4)的中心电极(11)与两个周边电极(12、13)上，从应用偶倍压整流电路而构成的脉冲电压施加单元(16)交变地施加脉冲电压，使得在两个周边电极(12、13)内的一个与中心电极(11)之间交替发生电晕放电。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于，
作为上述脉冲电压，使用矩形波脉冲电压。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于，
作为上述脉冲电压，使用由对交流电压进行全波整流后的多个脉动波构成的脉冲电压。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的等离子体处理方法，其特征在于，
在放电电极(4)的尖端部分附近、在存在上述等离子体中的带电粒子的位置上形成有磁场，根据对于在该磁场中运动的带电粒子的推压作用力，把包含等离子体的激发核向被处理物的表面照射。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的等离子体处理方法，其特征在于，
通过在大气压或者大气压附近的压力下在中心电极(11)和与该中心电极(11)相对峙的周边电极(12、13)之间导入反应性气体，把包含等离子体的激发气体流向被处理物的表面照射。
6.一种等离子体处理装置，该装置在位于相对峙的位置的放电电极(4)之间施加脉冲电压，使得在这些放电电极(4)的尖端部分之间发生电晕放电，把包含通过该电晕放电生成的等离子体的激发核照射在被处理物的表面上进行处理，其特征在于，
用中心电极(11)和与该中心电极(11)相对峙地配置的两个周边电极(12、13)构成放电电极(4)，把应用偶倍压整流电路而构成的脉冲电压施加单元(16)的中央端子连接到中心电极(11)的同时，把脉冲电压施加单元(16)的各侧端部分的端子分别连接到各周边电极(12、13)，根据施加到中心电极(11)与各周边电极(12、13)上的交变电压，在中心电极(11)与周边电极(12、13)之间交替发生电晕放电。
7.根据权利要求6所述的等离子体表面处理装置，其特征在于，
把中央电极(11)形成为撞钟槌形，周边电极(12、13)配置成与沿着相对峙的方向延伸出的臂部的顶端部分相对峙的状态。
8.根据权利要求6或者7所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述脉冲电压施加单元(16)是矩形波脉冲电压发生源。
9.根据权利要求6或者7所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述脉冲电压施加单元(16)由交流电源、及发生对其交流电压进行全波整流后的多个脉动波构成的脉冲电压的整流电路构成。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，
设置有磁场形成单元(M)，该单元在相对峙地配置的放电电极(4)的尖端部分附近、在存在上述等离子体中的带电粒子的位置形成磁场，从而能够对于在该磁场中运动的带电粒子作用把包含等离子体的激发核向被处理物的表面照射的推压力。
11.根据权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述磁场形成单元(M)由永久磁铁(8)、与该永久磁铁(8)的N、S两极连接且延伸设置到一对放电电极(4)的尖端部分附近的一对磁性体和与这些磁性体的顶端连接且端面之间形成缝隙的一对极靴(6、7)构成。
12.根据权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述磁场形成单元(M)由与直流电源连接的电磁铁、与该电磁铁的N、S两极连接且延伸设置到一对放电电极(4)的尖端部分附近的一对磁性体和与这些磁性体的顶端连接且端面之间形成缝隙的一对极靴(6、7)构成。
13.根据权利要求6～12中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，
设置有在大气压或者大气压附近的压力下在上述放电电极之间导入反应性气体的单元，通过经由该单元导入反应性气体，把包含等离子体的激发气体流向被处理物的表面照射。
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