JP2019042668A - 放電加工装置及び表面処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなプラズマ技術は特に各種物体の表面処理にも活用されており、例えば特許文献1等においてコロナ放電処理により表面加工を行うことが開示されている。
しかしながら、直径0.1mm以下の微小領域への局所的なプラズマの照射や反応は技術的に難しく微小領域の表面処理を行うことは困難であった。
発明者らは、過去にグローコロナに関する研究を行っており、既往のプラズマジェットよりも小さく且つ安定なにコロナ放電を行うことが可能である。
したがって、本発明の目的は、各種資料の表面を微小に加工するに際してグローコロナを安定的に発生させて、加工対象試料と相互作用をさせてもコロナ放電を安定的に行うことができ、各種資料の表面を微小に加工することが可能な放電加工装置及び表面処理方法を提供することにある。
電源に連結され、先端から放電可能に形成され且つ上記円形電極における上記開口部の中心に先端が位置する棒状電極と、
上記棒状電極の上記先端の近傍に位置し、加工対象試料を微細に位置決め可能に保持する試料保持部とを具備することを特徴とする放電加工装置。
2.上記棒状電極が、先端が尖った針状の電極である1記載の放電加工装置。
3.上記棒状電極に対向する位置で且つ上記試料保持部の上記棒状電極の先端側の位置に、金属電極が配置されており、該金属電極は、その上記棒状電極側の表面に誘電体層が設けられている、1記載の放電加工装置。
4. 3記載の放電加工装置を用いた上記加工対象試料の表面処理方法であって、
上記棒状電極に交流電圧を印加し、上記棒状電極の先端にグローコロナを形成するコロナ放電工程と、
上記金属電極と上記棒状電極との間にバリア放電を生ぜしめるバリア放電工程とを行うことを特徴とする表面処理方法。
また、本発明の表面処理方法によれば、各種加工対象試料の表面を微小に且つ安定的に処理することができるものである。
まず、本発明の放電加工装置について説明する。
<全体構成>
本発明の放電加工装置1は、図1に示すように、
中央に開口部12を有する板状電極としての円盤状のホロー電極10と、
電源に連結され、先端22から放電可能に形成され且つホロー電極10における開口部12の中心に先端22が位置する棒状電極としての先端が尖った針状電極20と、
加工対象試料Aを針状電極20の先端22の近傍で細に位置決め可能に保持する試料保持部30とを具備する。
また、針状電極20は交流電源50に連結されており、ホロー電極10は電流計60を介してアースされている。
本発明の放電加工装置において加工可能な上記加工対象試料としては、ポリマーフィルム、バイオフィルム、ゲル材料等を挙げることができる。具体的には、上記ポリマーフィルムとしては、シリコーンフィルム、ポリエチレンフィルム等を挙げることができる。これらの加工対象試料の形状や厚さは特に制限されず、上述のようなフィルム状、膜状の他種々形状に成形された成形体を用いてもよく、厚さも放電に影響のない厚さであればよい。なお本実施形態においては薄膜状のポリイミドフィルムを用いている。
また、上記近傍とは針状電極の先端から好ましくは50mm以内の距離を意味する。
以下詳細に説明する。
本実施形態において、板状電極は円盤状のホロー電極10であり、開口部12も円形である。このため全体としてドーナツ状の形状となっている。ホロー電極はステンレス等の通常電極の形成材料として用いられる電極材料を特に制限なく用いて形成することができる。このホロー電極の厚みは0.1〜10mm、更には1〜3mmとするのが棒状電極からのコロナ放電を安定的に発生させる点で好ましい。また、開口部12の大きさは、棒状電極の太さにかかわらず、1〜10mm、更には4〜6mmであるのが棒状電極からのコロナ放電を安定的に発生させる点で好ましい。
針状電極20は、先端が尖った、テーパー状の先端部が形成された電極である。交流電源50に配線を介して連結されており、特に図示しない針状電極20をぶれることなく保持するための治具により固定されている。
針状電極の本体部分(先端以外の部分)の太さは特に制限されないが、0.1〜10mm、更には0.5〜2mmとするのが好ましい。先端の長さは任意であり、特に制限されない。また、先端の端部にはその曲率半径が小さい方が好ましく、曲率半径が好ましく2は0.5〜10μm、更に好ましくは0.5〜2μm程度であるのが好ましい。特に図示しないが先端部の端部にフラットな部分がある場合でも、そのエッジ周辺で電界が強くなりコロナ放電が生じるので、用いることができる。
針状電極20の先端22は、開口部12内に位置するように配置されているが、先端22は開口部12内に位置すればよく、先端22の端部がホロー電極10の加工対象試料側の端面と同一平面状の位置から突出しないように針状電極20の位置を設定するのが好ましい。
試料保持部30は、X軸及びY軸に微調整が可能である、通常のマイクロステージを用いており、試料を保持する試料保持面32に後述する金属電極が配置されている。資料保持部30における試料の移動方向は図中の矢印方向だけではなく、特に図示しないが図の矢印方向に対して垂直の方向に対しても移動可能である。本実施形態においては、図1の矢印方向に対しての移動が重要であり、位置決めをしてコロナ放電を行いつつ図1の矢印方向に移動させることで針状電極20と後述する金属電極40との作用によりバリア放電を生ぜしめることが可能となる。
また、移動方法は用いるマイクロステージにより任意であり、手動、電動等公知の手法を特に制限なく用いることができる。
本実施形態においては、針状電極20に対向する位置で且つ試料保持部30における試料設置面32の上(針状電極20の先端22の側の位置)に、金属電極が配置されている。本実施形態においては、試料設置面32の表面上に設けられており、更に金属電極40上には誘電体膜42が設けられている。金属電極40は電流計60を介してアースされている。
金属電極40は、通常プラズマ放電における電極に用いられる電極材料を特に制限なく用いて形成することができるが、本発明においてはタングステン等を用いることができる。また、誘電体膜42は、通常の誘電体膜として用いられる高誘電樹脂などからなる膜を用いて形成することができるが、本発明においてはポリイミド膜等を好ましく用いることができる。
金属電極の厚みなどは特に制限されないが、誘電体膜の厚さは50〜200μmとするのがバリア放電を良好に生ぜしめる点と耐久性の点で好ましい。
次に上述の本実施形態の放電加工装置を用いた加工対象試料Aの表面処理方法を説明する。
本発明の表面処理方法は、上記の放電加工装置1を用いて、
針状電極20に交流電圧を印加し、針状電極20の先端22にグローコロナを形成するコロナ放電工程と、
金属電極40と針状電極20との間にバリア放電を生ぜしめるバリア放電工程とを行うことにより実施できる。
以下、各工程について説明する。
<コロナ放電工程>
コロナ放電工程は、針状電極20の先端22をホロー電極10の開口部12内に位置させた状態で、電源より1.0〜10kVp―p、周波数好ましくは100 Hz又は200Hz(周波数は任意であるが、通常用いられる交流電流の周波数を好ましく用いることができる)の交流電流を印加することにより、行うことができる。この際、試料保持部30における試料設置面32の位置を針状電極20と金属電極40との間で放電が生じない距離(好ましくは10mm以上)離した状態で行い、コロナ放電が生じていることを電流計で確認し、コロナ放電が生じた状態で電圧の印加を継続する。なお、コロナ放電が生じていることは電流計における電流の波形が放電前の正弦波と異なる波形となり、グローコロナは負電圧の方が発生しやすいため、特に負側に電流が増加すること(図2(a)及び(b)に示す状態)で確認できる。
<バリア放電工程>
バリア放電工程は、上述のコロナ放電工程によりコロナ放電が生じた状態で直ちに試料保持部30における試料設置面32の位置を図1の矢印方向に移動させて、針状電極の先端22と試料設置面32に設置された試料との距離を縮める。そして、針状電極20と金属電極40との間にバリア放電が生じるまで徐々に距離を縮めていき、バリア放電が生じた状態における距離を保持する。
バリア放電の放電時間は、表面処理の所望の程度に応じて任意であり、1秒〜60分程度と幅広く設定できる。
本発明においては、上述のコロナ放電工程とバリア放電工程の他に、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の工程を各工程の前後に行うことができる。
<効果>
本実施形態の放電加工装置は、コロナ放電加工を行うに際してグローコロナを安定的に放電することが可能なものである。特に金属電極を具備する場合には、バリア放電の効果により、特に安定的にコロナ放電を制御することが可能なものである。
また、本実施形態の表面処理方法は、コロナ放電を精密に制御可能であり、表面処理を行う試料を所望の状態に、微細に処理することができる。
たとえば、板状電極の形状は円盤状でなく、矩形状の板状としてもよい。
図1に示す装置を用いた。ホロー電極としてはSUS304製で開口部の孔径4mm、 厚さ 1 mmのものを用いた。針状電極は、開口部の中心に位置するようにセットした。また、針状電極は測定直径 0.5mmのタングステン線を電解エッチングして先端を尖った形状としたものを用い、先端径は約1 μmとした。
また、加工対象試料としては、シリコーンフィルム(厚さ200μm)を用い、試料保持部としてのマイクロメーター(商品名「手動X軸ステージTSD」、シグマ光機製)に設置した。その際、試料設置面に金属電極(ステンレス板、厚さ1 mm)を用いた。また、金属電極の表面には誘電体膜としてポリイミドフィルム、厚さ50μmが設けられている。この金属電極上に加工対象試料を配置した。これにより、針状電極の先端の端部と加工対象試料との間の距離(d)をd=0〜10mmの範囲で変えられるようにした。針状電極には交流電圧電源(商品名「HJOPS−4B10」、松定プレシジョン性)を接続した。ホロー電極には、発光を計測するための窓(小孔)を設け、そこから針電極先端に形成されたグローコロナの発光スペクトルを、集光レンズおよび光ファイバーを介して、分光器(商品名「SR―303i」、 Andor製)と EMCCD検出器(商品名「DU970P」、 Andor製)で測定した。露光時間は 0.5s、測定波長範囲は200〜1000nmとした。
また、別途ホロー電極の有無での針状電極と金属電極との間の電流についても測定した。その結果を図3に示す。図3に示す結果から明らかなように、ホロー電極がある場合は、ホロー電極へ放電する分があるため、金属電極への放電電流は相対的に小さくなることがわかる。
そして、バリア放電が開始されてから印加電圧条件は変更せずに30分間コロナ放電とバリア放電とを行い、シリコンフィルムの表面処理を終了した。
表面処理終了後のシリコンポリイミドフィルム表面をデジタル光学顕微鏡(商品名「VHX-500」キーエンス社製)により観察した。その結果を処理前の状態と共に図4(a)及び(b)に示す。図4に示す結果から表面処理が良好に行われていることがわかる。
また、本発明の放電加工装置は、単に加工に用いるのみではなく、放電により生じる発光を利用しての発光分光分析を行うこともできる。すなわち、上記の本発明の表面処理方法に変えて、本発明の放電加工装置を用いること(請求項1記載の放電加工装置、むろん請求項3記載の放電加工装置でもよい)で表面処理ではなく、発光分光分析方法を行うことも可能である。
Claims (4)
- 中央に開口部を有する板状電極と、
電源に連結され、先端から放電可能に形成され且つ上記円形電極における上記開口部の中心に先端が位置する棒状電極と、
上記棒状電極の上記先端の近傍に位置し、加工対象試料を微細に位置決め可能に保持する試料保持部とを具備することを特徴とする放電加工装置。
- 上記棒状電極が、先端が尖った針状の電極である請求項1記載の放電加工装置。
- 上記棒状電極に対向する位置で且つ上記試料保持部の上記棒状電極の先端側の位置に、金属電極が配置されており、該金属電極は、その上記棒状電極側の表面に誘電体層が設けられている、請求項1記載の放電加工装置。
- 請求項3記載の放電加工装置を用いた上記加工対象試料の表面処理方法であって、
上記棒状電極に交流電圧を印加し、上記棒状電極の先端にグローコロナを形成するコロナ放電工程と、
上記金属電極と上記棒状電極との間にバリア放電を生ぜしめるバリア放電工程とを行うことを特徴とする表面処理方法。
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Title |
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渡辺幹季也ほか: "グローコロナを利用した固体試料表面との相互作用に関する基礎研究", 日本機械学会関東支部総会・講演会講演論文集, vol. 23, JPN6021024670, 15 March 2017 (2017-03-15), pages 1001, ISSN: 0004538275 * |
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