JP2016076428A - 放電処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放電ギャップを正確に判定でき、安定した放電処理を可能にする放電処理装置を提供することである。
【解決手段】 放電電極３と処理対象Ｆとの間で放電させ、処理対象Ｆの表面を処理する放電処理装置を前提とする。上記放電電極３に印加する高周波高電圧を出力する電源部６と、上記電源部６の出力電圧の周波数を検出し、その検出信号を出力する周波数検出手段７とを備え、上記周波数の検出値に基づいて、放電ギャップの変化を判定する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えばプラスチックフィルムなどの表面を、放電によって処理するための放電処理装置に関する。

この種の放電処理装置として、図６に示したものが従来から知られている。
図６に示した従来の装置は、金属製の導電体からなるローラー芯１に誘電体からなる外層部材２を設けた搬送ローラーＲの周囲に複数の放電電極３を設けるとともに、この放電電極３には、高電圧発生回路４から高周波の高電圧を印加する。

そして、上記搬送ローラーＲにプラスチックフィルムＦを巻き掛け、このプラスチックフィルムＦを矢印方向に送りながら、上記のように放電電極３に高電圧を印加すると、これら放電電極３とプラスチックフィルムＦとの間でコロナ放電が発生する。
このコロナ放電によって、上記プラスチックフィルムＦに高エネルギーの電子やイオンが衝突し、上記プラスチックフィルムＦの表面が改質されて濡れ性や接着性などが向上することになる。

上記のような表面改質のプロセスで、何らかの原因でコロナ放電のエネルギーが低下してしまうと、目的の表面改質ができなくなる。
上記コロナ放電のエネルギーは、放電電極３とフィルムＦとの間の放電空間の静電容量Ｃによって変化するが、静電容量Ｃは、Ｃ＝ε・Ａ／ｄである。なお、上記εは誘電率、Ａは放電エリアの断面積、ｄは放電電極３と処理対象であるフィルムＦとの間隔である放電ギャップである。
上記計算式からも明らかなように、放電のエネルギーが変化する主な原因として放電ギャップｄが変化してしまうことが挙げられる。

また、上記上放電ギャップｄが変化してしまう原因としては、例えば、処理対象であるフィルムＦが搬送中にバタついて放電電極３やその支持部に衝突してしまったり、使用中の振動などで装置のガタに起因する位置ずれが発生してしまったりすることがある。
このように、放電ギャップｄの変化によって放電状態が変化すると安定した表面処理ができなくなってしまうため、従来は、図６に示すように高電圧発生回路４に電流計５を接続し、この電流計５による計測値によってコロナ放電のエネルギーを監視するようにしていた。

特開２００６−３３１８０２号公報

しかし、上記従来の電流値を計測する方法では、放電ギャップｄのわずかな変化を検出することができなかった。
複数の放電電極３のうち、いずれかの放電電極３の放電ギャップｄがわずかに変化しただけでは電流値の変化が小さいうえ、現状の装置では、放電電極３の電圧が低下した場合、トータルの放電エネルギーを保つようにトランス等が作用して、電圧を自動的に上げるシステムが採用されていることが、電流値の変化を読みにくくしていると考えられる。

ところが、実際には、いずれかの放電電極３の放電ギャップｄがわずかに変化しただけでも、表面処理状態に影響を及ぼすことがあった。特に、上記放電ギャップｄが変化してコロナ放電のエネルギーが弱くなった場合には表面改質が不完全になり、そのことが最終製品の欠陥につながることもあった。
そこで、所期の放電ギャップが維持されているか否か、適正な放電状態になっているか否を把握できる装置が望まれていた。
この発明の目的は、放電ギャップを正確に判定でき、安定した放電処理が可能になる放電処理装置を提供することである。

この発明は、放電電極と処理対象との間で放電させ、処理対象の表面を処理する放電処理装置を前提とする。
そして、第１の発明は、上記放電電極に印加する高周波高電圧を出力する電源部と、上記放電電極に対する印加電圧の周波数を検出し、その検出信号を出力する周波数検出手段とを備えている。

第２の発明は、上記周波数検出手段から出力される検出信号値に基づいて放電電極と処理対象との距離である放電ギャップを判定する判定手段を備え、上記判定手段は、上記検出信号値を予め設定された設定範囲と対比し、上記検出信号値が上記設定範囲内にあるとき、放電ギャップが正常であると判定する機能を備えている。

第３の発明は、上記判定手段が、放電ギャップの異常を判定したとき、警告信号を出力する。

第１の発明は、放電ギャップの変化に基づく放電状態の変化が、放電電極に印加する高電圧の周波数変化に現れることに着目した発明である。そして、この第１の発明では、周波数検出手段を備えることによって、放電ギャップの変化を放電電極への印加電圧の周波数の変化として検出でき、結果として、わずかな放電状態の変化も正確に検出することが可能になった。
そのため、処理対象に対し目的の処理が実行されているか否かを確認することもできる。
さらに、上記周波数検出手段からの検出信号値を記録しておけば、事後的に放電処理状態を確認することができ、製品の品質管理にも利用できる。

第２の発明によれば、判定手段が周波数検出手段からの検出信号値と設定された正常範囲とを対比して放電ギャップが正常か否かを判定できる。したがって、放電処理の現場では、上記判定手段からの出力によって放電ギャップを判定し、放電状態を容易に知ることができる。

第３の発明によれば、放電ギャップが変化して異常と判定されたとき、警告信号の出力によって、異常を外部に知らせることができる。したがって、異常発生時には速やかに処理を中止することもでき、欠陥製品の発生を防止することができる。
また、上記警告信号を、制御系にフィードバックすることで自動的に放電処理を中断することもできる。

この発明の実施形態を示す模式図である。 放電ギャップと高電圧の周波数との関係を確認する実験１の結果を示す表である。 実験１の結果を示すグラフである。 実験２の結果を示す表である。 実験２の結果を示すグラフである。 従来の放電処理装置を示す模式図である。

図１に示した実施形態は、プラスチックフィルムＦを処理対象とした放電処理装置である。
そして、プラスチックフィルムＦを搬送するための搬送ローラーＲの周囲に複数の放電電極３を設けている。上記搬送ローラーＲは、金属製の導電体からなるローラー芯１にセラミックなどの誘電体からなる外層部材２を設けたものである。
なお、上記複数の放電電極３のそれぞれは、セラミック製の棒状電極で、全て同じ構成をしたものであり、各放電電極３と上記プラスチックフィルムＦとの間隔である放電ギャップｄも全て等しく調整しておく。この放電ギャップｄは放電電極３と上記搬送ローラーＲの表面との間隔として調整する。

さらに、上記放電電極３には電源装置６を共通に接続し、この電源装置６から高周波の高電圧が印加されるようにしている。
上記電源装置６は、従来と同様に、必要な電圧を出力するこの発明の電源部である高電圧発生回路４を備えるとともに、この回路から出力され、上記放電電極３へ印加される印加電圧の周波数を検出する周波数検出回路７を備えている。この周波数検出回路７は、上記電圧の周波数に対応した電圧値の検出信号を出力する回路である。
また、上記周波数検出回路７の信号出力端子には、演算処理部８を接続し、この演算処理部８には出力部９を接続している。
上記処理部８は、上記周波数検出回路７から入力された周波数の検出信号値に基づいて周波数の値を算出したり、後で詳しく説明するように放電ギャップｄを判定したりして、その演算結果を出力部９に出力する機能を備えている。

このようにした装置において、上記搬送ローラーＲにプラスチックフィルムＦを巻き掛け、このプラスチックフィルムＦを矢印方向に送りながら、電源装置６から各放電電極３に高電圧を印加すると、これら放電電極３とプラスチックフィルムＦとの間でコロナ放電が発生する。
このコロナ放電によって、上記プラスチックフィルムＦに高エネルギーの電子やイオンが衝突し、上記フィルムＦの表面が改質されて濡れ性や接着性などが改善されることになる。

上記放電処理中には、上記周波数検出回路７から上記印加電圧の周波数に応じた検出信号が演算処理部８へ入力される。
一方、演算処理部８には、上記周波数の検出信号値の適正範囲を予め設定しておき、演算処理部８は、上記周波数検出回路７から入力された検出信号値がこの適正範囲内にあるか否かを判定する。具体的には、上記検出信号値が上記適正範囲内にあるときには、放電ギャップｄが正常、上記範囲外のときには放電ギャップｄが異常と判定する。

そして、演算処理部８は、判定結果を出力部９へ出力する。出力部９は、ディスプレイ、表示ランプなどからなり、放電ギャップｄの正・異常を表示する。上記演算処理部８がこの発明の判定手段であり、具体的には、パソコンなどで実現できる。
なお、上記適性範囲がこの発明の設定範囲であり、この範囲は目的の放電処理のために設定された放電ギャップｄに対応した上記周波数に許容範囲を含んだ範囲である。

このように上記演算処理部８が周波数の検出信号値によって、放電ギャップｄを判定するようにしているのは、上記放電ギャップｄが変化すると、印加電圧の周波数が変化することを発見し、その点に着目したからである。
そのため、正規に調整した放電ギャップｄが何らかの原因によって変化した場合には、上記周波数の変化によって検知するようにしている。
なお、この実施形態において演算処理部８は、入力された周波数検出信号の値と周波数に対応した電圧値の適正範囲とを対比するようにしているが、入力された電圧値を周波数の値に変換してから、周波数の適正範囲と対比するようにしてもよい。

次に、上記放電ギャップｄと印加電圧の周波数との関係を確認した確認実験について説明する。
〔実験１〕
実験１は、図１に示すこの実施形態の放電処理装置において、２本の放電電極３に同時に高電圧を印加して放電を発生させ、そのときの印加電圧の周波数を、上記周波数検出回路７で検出するものである。
なお、この実験１では、演算処理部８が、周波数検出回路７から入力された検出信号を周波数の値に変換したものを出力している。

実験条件は、次のとおりである。
２本の放電電極３は、それぞれ、直径２０［ｍｍ］のセラミック製の棒状電極であり、有効電極長Ｌは１６５０［ｍｍ］である。
そして、一方の放電電極３の放電ギャップｄを２[ｍｍ]に固定し、他方の放電電極３の放電ギャップｄを２[ｍｍ]、３[ｍｍ]、４[ｍｍ]、７[ｍｍ]に変更し、それぞれの放電ギャップｄにおいて電圧周波数を測定する。
なお、いずれの放電ギャップｄのときも、電源装置６の出力電力を０．２５[ｋＷ]〜２．２５[ｋＷ]まで、０．２５[ｋＷ]間隔で変化させている。
この出力電力は、電源装置６の操作部を操作することによって調整することができる。

〔実験１の実験結果〕
実験１の結果は図２，３に示すとおりである。
図２は、電源装置６の出力電力と、放電ギャップｄとをパラメータとしたときの上記演算処理部８から出力された周波数の測定結果を示した表である。なお、図２の表において放電ギャップｄの欄には２本の放電電極３，３のそれぞれの値を記載している。
また、図３は横軸を電源装置６の出力電力、縦軸を印加電圧の周波数としたグラフである。なお、凡例には２本の放電電極３の放電ギャップｄをそれぞれ記載し、それに対応する線種を表示している。例えば、「２ｍｍ−２ｍｍ」は両方の放電ギャップｄが２[ｍｍ]の場合、「２ｍｍ−３ｍｍ」は一方の放電ギャップｄが２[ｍｍ]で他方の放電ギャップｄが３[ｍｍ]の場合を示している。

これらの結果から、出力電圧を一定にしたとき、一方の放電電極３の放電ギャップｄが大きくなるにしたがって、上記周波数が大きくなる傾向が分かった。例えば、電力が０．２５[ｋＷ]のとき、放電ギャップｄ＝２［ｍｍ］で７．４［ｋＨｚ］の周波数が、ｄ＝３［ｍｍ］、４［ｍｍ］で７．９［ｋＨｚ］になる。また、電力が１．００［ｋＷ］のとき、放電ギャップｄ＝２［ｍｍ］で６．６［ｋＨｚ］の周波数が、ｄ＝３［ｍｍ］で６．８［ｋＨｚ］、ｄ＝４［ｍｍ］で６．９［ｋＨｚ］になっている。
さらに、電力の増加に伴って、全体的に上記周波数が小さくなることも分かった。

〔実験２〕
実験２は、２本の放電電極３の有効長さＬを８００［ｍｍ］にした以外は、上記実験１と同じ構成の装置を用いた確認実験である。
そして、実験1と同様に、一方の放電電極３の放電ギャップｄを２[ｍｍ]に固定し、他方の放電電極３の放電ギャップｄを２[ｍｍ]、３[ｍｍ]、４[ｍｍ]、７[ｍｍ]に変更するとともに、各放電ギャップｄにおいて、電源装置６の出力電力を０．２５[ｋＷ]〜１．００[ｋＷ]まで、０．２５[ｋＷ]間隔で変化させている。

〔実験２の実験結果〕
実験２の結果は図４，５に示すとおりである。
図４は、実験１の図２と同様の表であり、出力電力と、放電ギャップｄとをパラメータとしたときの周波数の測定結果を示している。
また、図５は横軸を電源装置６の出力電力、縦軸を電圧の周波数としたグラフである。そして、凡例には上記図３のグラフと同様に、放電ギャップｄごとに線種を表示している。
この実験２においても、出力電力を一定にしたとき、一方の放電電極３の放電ギャップｄが大きくなるにしたがって、上記周波数が大きくなる傾向が分かった。
また、電力の増加に伴って上記周波数が小さくなることも分かった。
さらに、放電電極の有効長さが短い方が、上記周波数が大きくなるとともに、放電ギャップｄの影響を受けやすいことも分かった。

上記実験１，２の結果から、放電ギャップｄが変化することで印加電圧の周波数が変化することが確認できた。しかも、２本のうち１本の放電電極３の放電ギャップｄが１[ｍｍ]変化すると上記周波数は、数百[ｋＨｚ]程度変化するので、放電ギャップｄの変化を上記周波数によって確実に検出できることが確認できた。
そこで、上記演算処理部８には、適正な放電ギャップｄに対応する上記周波数範囲を適正範囲として設定しておくようにする。実際には、演算処理部８に上記適正範囲の境界値を設定し、この設定値を超えたか否かで放電ギャップｄが正常か否かを判定することができる。

例えば、上記実験２に用いた装置で、電源装置６の出力を０．２５[ｋＷ]、初期の放電ギャップｄ＝２[ｍｍ]と設定し、放電ギャップｄ＝３[ｍｍ]までを許容するとした場合、周波数の適正範囲はｄ＝３[ｍｍ]に対応する９．２[ｋＨｚ]以下になる（図４参照）。そこで、演算処理部８は上記適正範囲の境界値９．２[ｋＨｚ]に対応する検出信号の電圧値を境界値として記憶し、この電圧の境界値と周波数検出回路７から入力された検出信号値とを対比して、検出信号値が上記境界値を超えた場合に放電ギャップｄが大きくなり過ぎた異常であると判定する。
また、放電ギャップｄが小さくなり過ぎた場合にも、異常と判定するように、適正範囲を設定することができる。放電ギャップｄが小さくなると、搬送中のプラスチックフィルムＦが振動によって放電電極３に衝突しやすくなるという問題も発生する。プラスチックフィルムＦの衝突は、プラスチックフィルムにダメージを与えるだけでなく、放電電極３の位置ずれの原因になることもある。

上記のように、演算処理部８は、予め設定された上記適正範囲と周波数検出回路７による検出値とを対比することで、放電ギャップｄが正常か否かを判定でき、ひいては放電状態が正常か否かを判定できることになる。
なお、放電状態は、出力電力、放電電極の寸法のほか、放電電極の材質によっても変化する。また、適正な出力電力や放電ギャップｄの大きさは、処理対象、処理目的、放電空間の状態によって異なる。
したがって、放電状態を反映する上記周波数の適正範囲は、処理対象や、処理目的、放電空間の状態、装置条件などによって設定する必要がある。

上記のように、この実施形態の放電装置においては、放電ギャップｄ内の放電状態が放電電極３に印加される電圧の周波数に影響する点に着目している。したがって、複数の放電電極３のうち、いずれかの放電電極３の電圧が下がったとき、それを補うためにトランス等の作用で電圧を自動的に上げるようなシステムを備え、放電状態の変化が電圧や電力などの値に現れにくい放電処理装置においても、放電状態を適切に判定することができる。

なお、上記実験１，２は、２本の放電電極３うちの一方のみの放電ギャップｄを変化させた確認実験であるが、放電ギャップｄが変化したとき、印加電圧の周波数が変化することは、放電電極３の数によらない。所期の処理目的を達成するための放電ギャップｄ及び出力電力に応じた周波数の適正範囲を演算処理部８に設定しておけば、放電電極３の数によらず、放電ギャップｄの変化による放電状態を判定できることに変わりはない。

また、複数の放電ギャップｄが変化した場合にも、その変化を上記周波数の変化として検出することができる。
さらに、この実施形態では、コロナ放電のエネルギーを利用した処理を行なっているが、この実施形態の放電処理装置は、コロナ放電以外のプラズマ処理においても、その放電状態を判定できるものである。

さらにまた、上記出力部９が、演算処理部８が異常を判定したとき出力される判定結果信号に基づいて警報を発するようにしたり、出力部９を処理現場とは別の、例えば処理装置の制御室などに設けたりすれば、放電ギャップｄの変化が許容範囲を超えそうなことを、装置から離れているオペレータなどに速やかに知らせることができる。
また、放電の異常を検出した判定結果信号を、図示しない制御手段に入力して、自動的にプラスチックフィルムＦの搬送を停止し、表面改質不良となる欠陥製品の発生を減らすこともできる。

さらに、演算処理部８に、上記周波数検出信号の値をバックデータとして蓄積する機能を備えることができる。このようなバックデータを蓄積しておけば、当該放電処理の処理対象すなわち、プラスチックフィルムＦの放電処理が間違いなく実行されたかどうかを、上記バックデータから検証することができる。したがって、処理対象であるプラスチックフィルムＦに、例えば印刷インクの乗りが悪いなどの問題が発生したとき、その原因が放電処理にあるかどうかを突き止めることもできる。
なお、上記印加電圧の周波数は、電源装置６から出力される電流の周波数と同じなので、上記周波数検出回路７が電流値から周波数を検出するようにしても、上記印加電圧の周波数を検出したことになる。

プラスチックフィルムなどの濡れ性や接着性向上などの表面改質をする放電処理装置として最適である。

３ 放電電極
４ 高電圧発生回路
６ 電圧装置
７ 周波数検出回路
８ （判定手段である）演算処理部
９ 出力部
Ｆ （処理対象である）プラスチックフィルム

Claims (3)

1. 放電電極と処理対象との間で放電させ、処理対象の表面を処理する放電処理装置において、
   上記放電電極に印加する高周波高電圧を出力する電源部と、
   上記放電電極に対する印加電圧の周波数を検出し、その検出信号を出力する周波数検出手段とを備えた放電処理装置。
2. 上記周波数検出手段から出力される検出信号値に基づいて放電電極と処理対象との距離である放電ギャップを判定する判定手段を備え、
   上記判定手段は、
   上記検出信号値を予め設定された設定範囲と対比し、上記検出信号値が上記設定範囲内にあるとき、放電ギャップが正常であると判定する機能を備えた請求項１に記載の放電処理装置。
3. 上記判定手段は、
   放電ギャップの異常を判定したとき、警告信号を出力する請求項２に記載の放電処理装置。
   
   

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