JP2013245387A - 樹脂容器用コーティング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の樹脂容器に対して同等の品質を有する膜を一括形成することが可能な樹脂容器用コーティング装置を提供する。
【解決手段】樹脂容器用コーティング装置１０は、複数の樹脂容器が格納され、外部電極であるチャンバ４０と、原料ガスが導かれるガス導通部５１が形成され、チャンバ４０に格納された複数の樹脂容器Ｂの内部にそれぞれ挿入される複数の内部電極５０と、チャンバ４０に原料ガスを供給するガス供給部７０と、を備え、ガス供給部７０は、原料ガス供給路Ｐ１と、原料ガス供給路Ｐ１から分岐して複数の内部電極５０のガス導通部５１にそれぞれ連通する複数のガス分岐路Ｐ２とを有し、原料ガス供給路Ｐ１には原料ガスの流量を調整するマスフローコントローラ７４が設置され、複数のガス分岐路Ｐ２には原料ガスの流量を調整する流量調整弁７８がそれぞれ設置されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、チャンバ内に複数の樹脂容器を配置して一括成膜が可能な樹脂容器用コーティング装置に関する。
家庭用品などに幅広く使用されるポリエチレンなどの樹脂は、一般的に酸素や二酸化炭素のような低分子ガスを透過する性質を有し、更に低分子有機化合物がその内部に収着してしまう性質も有している。このため、樹脂を容器として使用する際、ガラスなどの他の容器と比べ、その使用対象や使用形態などで種々の制約を受けることが知られている。例えば、樹脂容器に炭酸飲料水を充填して使用する場合には、その炭酸が容器を通じて外部に透過してしまい、炭酸飲料水としての品質を長期間維持するのが難しい場合がある。
そこで、樹脂容器を製造する際、樹脂容器における低分子ガスの透過、及び低分子有機化合物の収着による不都合を解消するため、その樹脂容器の内部表面などに対し、プラズマＣＶＤ成膜技術を用いてＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）コーティングなどの成膜を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、近年の生産効率化の要求から、複数の樹脂容器に対してこの種のコーティングを一括成膜する装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許第２７８８４１２号 特許第４５６７４４２号
しかしながら、本発明者が、上記特許文献１、２のような従来のプラズマＣＶＤ成膜技術を用いて、複数の樹脂容器に対して一括成膜したところ、樹脂容器の内側の形成される膜の品質にバラツキがあることが判明した。このバラツキは、チャンバの内部空間における高周波電力の不均一な分配が主な原因であると考えられる。しかし、高周波電力の分配を均一に調整するには、チャンバの形状、電極の先端形状及び配置などの変更を行う必要があり、構造が複雑になって製造コストの上昇に繋がる可能性がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の樹脂容器に対して同等の品質を有する膜を一括形成することが可能な樹脂容器用コーティング装置を提供することにある。
本発明の樹脂容器用コーティング装置は、
複数の樹脂容器が格納され、外部電極であるチャンバと、
電気的に接地されると共に筒状に形成され、内周部に原料ガスが導かれるガス導通部が形成され、前記チャンバに格納された複数の前記樹脂容器の内部にそれぞれ挿入される複数の内部電極と、
前記チャンバに原料ガスを供給するガス供給部と、を備え、
前記ガス供給部は、原料ガスの原料が貯留される原料貯留部と連通する原料ガス供給路と、該原料ガス供給路から分岐して複数の前記内部電極のガス導通部にそれぞれ連通する複数のガス分岐路とを有し、前記原料ガス供給路と複数の前記ガス分岐路と複数の前記内部電極のガス導通部とを介して前記チャンバに格納された複数の前記樹脂容器の内部に原料ガスをそれぞれ供給し、
前記原料ガス供給路には原料ガスの流量を調整する第１の流量調整部が設置され、複数の前記ガス分岐路には原料ガスの流量を調整する第２の流量調整部がそれぞれ設置されていることを特徴とするものである。
また、前記チャンバは、複数の前記樹脂容器を直線上にそれぞれ個別に格納する複数の格納室を有することが好ましい。
また、前記第２の流量調整部は、流量調整弁で構成されることが好ましい。
本発明の樹脂容器用コーティング装置によれば、前記原料ガス供給路には原料ガスの流量を調整する第１の流量調整部が設置され、更に、複数の前記ガス分岐部には原料ガスの流量を調整する第２の流量調整部がそれぞれ設置されている。このため、各々の樹脂容器の内部に供給される原料ガスの流量を第２の流量調整部によって調整することにより、チャンバの形状、電極の先端形状及び配置などの変更を行わなくても、複数の樹脂容器に対して同等な品質を有する膜を一括形成することができる。
本発明に係る樹脂容器用コーティング装置の実施形態を説明する正面断面図である。 図１に示す樹脂容器用コーティング装置の側断面図である。 図１に示すチャンバの要部拡大断面図である。 図１に示すガス供給部の分流部の上視図である。 図１に示すコーティング装置の配管構造を説明する模式図である。 チャンバの格納室ごとの成膜評価試験結果を示すグラフである。
以下、本発明に係る樹脂容器用コーティング装置の一の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の樹脂容器用コーティング装置（以下、単に「コーティング装置」とも称する。）は、チャンバ内に複数の樹脂容器を格納し、プラズマＣＶＤ技術を用いてその内部表面などにケイ素化合物のガス等から構成される膜を一括成形する装置である。樹脂容器としては、例えば、炭酸飲料や果物ジュースなどの飲料水用のボトルや、化粧水や薬品用の容器が挙げられるが、これに限らず他の用途に用いる樹脂容器であっても良い。
本実施形態のコーティング装置１０は、図１〜３に示すように、基台となるベース部２０と、このベース部２０上に配置される平板状の絶縁板３０と、この絶縁板３０上に設けられ、複数の略円筒状の樹脂容器Ｂをそれぞれ個別に格納する格納室Ｓ１を複数有するチャンバ４０と、このチャンバ４０の格納室Ｓ１に設置された樹脂容器Ｂの内部にそれぞれ挿入配置されるパイプ状の内部電極５０と、チャンバ４０の格納室Ｓ１にそれぞれ連通して排気を行う排気部６０と、チャンバ４０の格納室Ｓ１に設置された樹脂容器Ｂの内部に原料ガスを供給するガス供給部７０（図５参照）と、を備えている。
ベース部２０は、図１及び図２に示すように、ステンレスなどの金属ブロックにより形成され、矩形状の底板部２１と、この底板部２１の周縁から上方に延出する周壁部２５と、を有する。底板部２１、周壁部２５、及び絶縁板３０により内部空間Ｓ２が画成される。また、このベース部２０の底板部２１の上面部には、４つのねじ穴２２が略等間隔に並列した状態で設けられる。更に、ベース部２０の底板部２１内部には、４本のガス通路２３が設けられ、このガス通路２３は、上流端でガス供給部７０に接続され、下流端でねじ穴２２にそれぞれ接続されている（図４参照）。また、ベース部２０は、電気的に接地されている。
チャンバ４０は、図１〜図３に示すように、チャンバ本体４１と、このチャンバ本体４１の上部に着脱自在に取付けられチャンバ本体４１の内部を密封状態にするチャンバ蓋体４５と、を有する。このチャンバ４０はプラズマＣＶＤの外部電極としても機能し、電気的に外部の高周波電源（不図示）と接続される。チャンバ本体４１は、矩形状の金属ブロックにより形成され、樹脂容器Ｂの外形よりも若干大きい内径を有する円状の貫通穴４２が並列した状態で４つ直線上に沿って形成される。この貫通穴４２はベース部２０の内部空間Ｓ２に連通している。また、この貫通穴４２の下部には、容器保持板４３が設けられている。容器保持板４３には、各貫通穴４２に対応する位置に樹脂容器Ｂの口部よりもやや小さい径の開口部４３ａが形成されている。格納室Ｓ１に格納される樹脂容器Ｂは、容器保持板４３の開口部４３ａの周囲の部分にて保持されるため、樹脂容器Ｂが貫通穴４２から脱落することはない。また、容器保持板４３には排気口４４が設けられており、各格納室Ｓ１に格納された樹脂容器Ｂの内部および外部を同時に真空排気できる構成となっている。
チャンバ蓋体４５は、チャンバ本体４１と合わさった状態でチャンバ本体４１の貫通穴４２に対応する位置に、同径の有底穴４６が同様に４つ形成される。即ち、チャンバ本体４１とチャンバ蓋体４５とが合わさった状態においてチャンバ本体４１の貫通穴４２とチャンバ蓋体４５の有底穴４６とにより、樹脂容器Ｂを格納するための格納室Ｓ１が直線上に４つ配置された状態で形成される。
内部電極５０は金属の円筒や角筒などの中空筒状のパイプ部材であり、その内周部で原料ガスを導くガス導通部５１を有している。内部電極５０は、容器保持板４３の各開口部４３ａを経由して各格納室Ｓ１に導入されている。また、内部電極５０の下部は、金属製の配管部材５２を介してベース部２０のねじ穴２２に螺合接合されている。これにより、チャンバ４０の格納室Ｓ１それぞれに、内部電極５０が挿入され、チャンバ４０の格納室Ｓ１の中心部に位置するように配置される。また、このとき、ベース部２０は電気的に接地されているため、その螺合接合により内部電極５０は結果的に電気的に接地されることになる。また同時に、ベース部２０において、ねじ穴２２はガス通路２３に連通しているため、内部電極５０のガス導通部５１は、ベース部２０のガス通路２３、及びガス供給部に接続されることになる。
排気部６０は、図２に示すように、ベース部２０の内部空間Ｓ２と連通しているため、結果的にチャンバ４０の格納室Ｓ１にそれぞれ連通することになる。また、排気部６０は、下流側で真空ポンプ６１に接続されており、この真空ポンプ６１により、その内部空間Ｓ２を介してチャンバ４０の格納室Ｓ１の空気が排気されるように構成されている（図５参照）。なお、排気部６０は、チャンバ４０の格納室Ｓ１と真空ポンプ６１の間には、真空排気部６２、大気開放バルブ６３、及び真空計保護バルブ６４が配置されている（図５参照）。
本実施形態では、ガス供給部７０は、図５に示すように、下流端で内部電極５０のガス導通部５１に接続されており、上流側の源流部７１と、下流側に位置し、源流部７１からの原料ガスの流れを複数に分流する分流部７６と、を有して構成される。源流部７１においては、原料ガスの原料が貯留される原料タンク７２と、原料タンク７２（原料貯留部の一例）からの原料ガスの流出の有無を管理するタンクストップバルブ７３と、が原料タンク７２と連通する原料ガス供給路Ｐ１の上流側に配置される。また、その下流側には、原料ガスの流量を制御及び管理するマスフローコントローラ７４（第１の流量調整部の一例）とガス導入バルブ７５が配置される。なお、原料ガスとしては、常温で気体又は液体とされるケイ素化合物のガスなどが使用される。また、酸素等のガスと混合したガスを使用しても良い。
分流部７６は、図４及び図５に示すように、原料ガス供給路Ｐ１からの原料ガスを複数（本実施形態では、４つ）のガス分岐路Ｐ２に分岐するガス分岐部７７が配置される。また、ガス分岐部７７と内部電極５０のガス導通部５１との間、すなわち、ガス分岐路Ｐ２上に、ガス流量を調整する４つの流量調整弁７８（第２の流量調整部、流量調整弁の一例）がそれぞれ個別に配置される。また、流量調整弁７８の各々の閉度は、過去の実験結果に基づいて事前に個別に調整される。これにより、原料ガスは、最終的に流量調整弁７８、及び内部電極５０のガス導通部５１を介してチャンバ４０の格納室Ｓ１に設置された樹脂容器Ｂの内部に供給される。
樹脂容器Ｂの内部に形成される膜の品質は、外部の高周波電源の高周波の出力、樹脂容器Ｂ内の原料ガスの圧力、原料ガスの流量、プラズマ発生時間などに依存するが、本実施形態では、格納室Ｓ１間の樹脂容器Ｂの膜の品質のばらつきを抑える調整は主に流量調整弁７８により行われる。この調整は実験的に行われるが、ある程度の絞込みは過去の実験結果に基づいて行われる。ここで、膜の品質とは、一例としては水分透過率や炭酸ガス透過率などのことを意味するがこれに限らず、要求される膜の機能の質のことを意味する。
次に、このように構成されるコーティング装置１０を用いた成膜方法について説明する。
まず、チャンバ４０のチャンバ蓋体４５が外された状態で、樹脂容器Ｂがチャンバ本体４１の貫通穴４２に上部から挿入されて格納される。このとき、貫通穴４２は樹脂容器Ｂの最大胴径よりわずかに大きい内径になっているため、樹脂容器Ｂは、貫通穴４２内の所定の位置に保持される。また、内部電極５０は、樹脂容器Ｂの口部から樹脂容器Ｂの内部にそれぞれ挿入配置される。その後、チャンバ４０のチャンバ蓋体４５が閉められ、チャンバ４０の格納室Ｓ１が密封状態で形成される。
そして、チャンバ４０内の空気が排気部６０の真空ポンプ６１により排気され、チャンバ４０の格納室Ｓ１内が真空に近い状態（以下、真空状態とも称する）にされる。この真空状態が確認された後に、タンクストップバルブ７３、マスフローコントローラ７４、ガス導入バルブ７５が動作して原料タンク７２により原料ガスが供給される。このとき、ガス供給部７０の分流部７６において、原料ガスはガス分岐部７７により４つのガス分岐路Ｐ２に分岐し、それぞれ流量調整弁７８、及び内部電極５０のガス導通部５１を通過して、内部電極５０の先端から原料ガスが放出される。これにより、樹脂容器の内部に原料ガスが供給される。
原料ガスの供給後、チャンバ４０に外部の高周波電源から電力が投入される。この電力の投入により、外部電極とされるチャンバ４０と内部電極５０との間にプラズマが発生する。このとき、内部電極５０は電気的に接地されているが、チャンバ４０は絶縁板３０により電気的に絶縁状態とされるため、チャンバ４０と内部電極５０との間に電位差が生じる。これにより、複数（本実施形態では、４つ）の樹脂容器Ｂの内部表面に膜が一括形成される。
以上説明したように、本実施形態の樹脂容器用コーティング装置１０によれば、ガス供給部７０は、ガス分岐部７７と４つのガス分岐路Ｐ２を有し、内部電極５０のガス導通部５１にそれぞれ連通して内部電極５０のガス導通部５１を樹脂容器の内部に原料ガスをそれぞれ供給する。ガス供給部７０の原料ガス供給路Ｐ１上には、マスフローコントローラ７４（第１の流量調整部の一例）が設置され、チャンバ４０に供給される原料ガスの全体量が調整される。そして、４つのガス分岐路Ｐ２上には、それぞれ流量調整弁７８が設置されている。この４つの流量調整弁の閉度をそれぞれ調整することで、４つのガス分岐路Ｐ２の内部を流れる原料ガスの流量のバランスを調整することができる。すなわち、４つの流量調整弁の閉度を調整することで、４つの樹脂容器の内部に流入する原料ガスの流量のバランスを調整することができる。この結果、チャンバ４０の形状、内部電極５０の形状及びそれらの配置などの設計上の変更、加えて、原料ガスの密度及び圧力、又は電極４０，５０の高周波電力の調整などを各格納室に対して個別に行わなくても、各ガス分岐路Ｐ２上設けられる流量調整弁７８で原料ガスの流量を調整することにより、複数の樹脂容器Ｂの内部に形成される膜の品質を均等な状態で一括形成することができる。これは、チャンバ４０の内部における高周波電力の分布のバラツキなどで代表される膜の品質が一定にならない要因の影響を、流量調整弁７８の閉度を調整すること、すなわち、各樹脂容器の内部に流入する原料ガスの流量を調整することでキャンセルする（排除する）とも捉えられる。この構成は、ガス分岐路Ｐ２と流量調整弁７８を設けるだけで済むので、構造が簡素で且つ低コストで実現することができる。
また、本実施形態の樹脂容器用コーティング装置１０によれば、流量調整弁７８の閉度を調整することで高周波電力の分布のバラツキの影響をキャンセルできるため、高周波電力をチャンバ４０に供給する供給口の設計自由度が向上する。換言すると、通常の設計では、チャンバ４０の内部における高周波電力の分布のバラツキをなるべく抑えるべく、チャンバ４０の中心付近に高周波電力の供給口を配置したりするが、本実施形態では、高周波電力の分布のバラツキの影響を流量調整弁７８によってキャンセルすることができるため、高周波電力の供給口は、チャンバ４０のどこに設けても良く、設計の自由度が向上する。
また、本実施形態の樹脂容器用コーティング装置１０によれば、各格納室Ｓ１の配置に関する設計自由度が確保されるため、チャンバ４０の４つの格納室Ｓ１を直線上に配置することができる。このように複数の格納室Ｓ１を直線上に一列に配置する構成であれば、複数の樹脂容器Ｂを一列に整列させながら供給するベルトコンベアなどの搬送装置と動作を連動させ易い。すなわち、生産ラインにおいてベルトコンベアなどの搬送装置と樹脂容器用コーティング装置とを連動させて、作業効率の向上を図ることができる。
本発明の効果を確認するために流量調整弁７８の調整が有る場合と無い場合とでの比較試験を行った。本実施例で用いた樹脂容器Ｂは、材料がポリエチレンテレフタレートであり、質量１２ｇ、容量８０ｍｌのペットボトルである。また、評価指標として水分透過率を用いた。
なお、水分透過率とは、樹脂容器Ｂを水で充填し、プラスチックキャップで樹脂容器Ｂを密閉状態にし、この状態の樹脂容器Ｂを３８度の温度で一日間保管し、保管前後の質量変化の割合を算出したものである。表２の「流量調整無し」は、４つのガス分岐路Ｐ２上に流量調整弁を設けない状態で実験を行った場合の実験結果を示しており、「流量調整有り」は、４つのガス分岐路Ｐ２上に設けられた４つの流量調整弁の閉度を表１に示された閉度で個別に調整した場合の実験結果を示している。
流量調整弁７８を調整した場合のそれぞれ閉度を表１に示す。表１中に示すチャンバ４０の格納室Ｓ１の番号は図１において左から「１」、「２」、「３」、「４」と番号付けを行なっている。また、本実施例では、閉度とは全開から閉方向への回転数と定義し、例えば、格納室２における５／８は、全開状態から１回転内の８分の５回転分だけ閉じた状態を意味し、格納室３の「１」は、１回転だけ弁を回転させたことを意味する。なお、流量調整弁は５〜６回転ほど回転させることで全開状態から完全に閉じた状態まで遷移させることができるものである。
Figure 2013245387
表２及び図６に試験結果を示す。流量調整弁７８による流量調整が有る場合には、それぞれ成膜された４つの樹脂容器Ｂ間で水分透過率のばらつきは略無い。一方、流量調整が無い場合には、格納室Ｓ１のうち番号「２」の樹脂容器Ｂの水分透過率が０．０２６ｇ／ｄａｙ／ｐａｃｋａｇｅとなり、他よりも大きい値を示している。即ち、番号「２」の樹脂容器Ｂにおいては、その内部に形成された膜の品質が低い（多くの水分を通過させてしまう）ことを意味している。なお、樹脂容器の内側に何も膜を形成しなかった場合の水分透過率も、０．０２６ｇ／ｄａｙ／ｐａｃｋａｇｅであったため、流量調整が無かった場合の格納室「２」においてペットボトルの内部に形成された膜は、水分透過率を下げるという点においてほとんど機能していないことが分かる。
Figure 2013245387
上述したように、流量調整弁を設けない場合、すなわち、４つのガス分岐路Ｐ２の内部を流れる原料ガスの流量のバランスを調整しない場合、４つの樹脂容器の内部に形成される膜の品質（この例では水分透過率）には表２の「流量調整無し」に示されるようにバラツキがあることが確認された。これは、チャンバ４０の内部における高周波電力の分布のバラツキなどが影響していると考えられる。しかしながら、流量調整弁７８の４つの閉度を表１のように調整した結果、表２の「流量調整有り」の欄に示すように、水分透過率のバラツキを抑えることができることが確認できた。換言すると、４つの流量調整弁７８の閉度を調整することにより、チャンバ４０の内部に格納された４つの樹脂容器の内部に同等の品質を有する膜を形成できることが確認できた。
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記実施例では、１つのチャンバに複数の格納室を設けたが、これに限らず複数のチャンバを用いて複数の格納室を設けるようにしても良い。格納室やガス分岐路の数（４つ）も一例に過ぎない。また、実施例１で示した流量調整弁７８の閉度は例示にすぎず、個別の装置毎に実験を行って得られる値である。
また、上述した原料ガスや膜の品質（要求される機能）も例示であり、樹脂容器の用途に応じて変更すれば良いものである。
１０：樹脂容器用コーティング装置、２０：ベース部、２１：底板部、２２：ねじ穴、２３：ガス通路、２５：周壁部、３０：絶縁板、４０：チャンバ、４１：チャンバ本体、４２：貫通穴、４３：容器保持部、４４：段部、４５：チャンバ蓋体、４６：有底穴、５０：内部電極、５１：ガス導通部、５２：配管部材、６０：排気部、６１：真空ポンプ、６２：真空排気部、６３：大気開放バルブ、６４：真空計保護バルブ、７０：ガス供給部、７１：源流部、７２：原料タンク、７３：タンクストップバルブ、７４：マスフローコントローラ、７５：ガス導入バルブ、７６：分流部、７７：ガス分岐部、７８：流量調整弁、Ｓ１：格納室、Ｓ２：内部空間、Ｐ１：原料ガス供給路、Ｐ２：ガス分岐路

Claims (3)

  1. 複数の樹脂容器が格納され、外部電極であるチャンバと、
    電気的に接地されるとともに筒状に形成され、内周部に原料ガスが導かれるガス導通部が形成され、前記チャンバに格納された複数の前記樹脂容器の内部にそれぞれ挿入される複数の内部電極と、
    前記チャンバに原料ガスを供給するガス供給部と、を備え、
    前記ガス供給部は、原料ガスの原料が貯留される原料貯留部と連通する原料ガス供給路と、該原料ガス供給路から分岐して複数の前記内部電極のガス導通部にそれぞれ連通する複数のガス分岐路とを有し、前記原料ガス供給路と複数の前記ガス分岐路と複数の前記内部電極のガス導通部とを介して前記チャンバに格納された複数の前記樹脂容器の内部に原料ガスをそれぞれ供給し、
    前記原料ガス供給路には原料ガスの流量を調整する第１の流量調整部が設置され、複数の前記ガス分岐路には原料ガスの流量を調整する第２の流量調整部がそれぞれ設置されていることを特徴とする樹脂容器用コーティング装置。
  2. 前記チャンバは、複数の前記樹脂容器を直線上にそれぞれ個別に格納する複数の格納室を有することを特徴とする請求項１に記載の樹脂容器用コーティング装置。
  3. 前記第２の流量調整部は、流量調整弁で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂容器用コーティング装置。
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