JP3618129B2

JP3618129B2 - 放電処理用電極及び放電処理装置

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Publication number: JP3618129B2
Application number: JP29871694A
Authority: JP
Inventors: 和人西崎; 史生須藤
Original assignee: SPC Electronics Corp
Current assignee: SPC Electronics Corp
Priority date: 1994-12-01
Filing date: 1994-12-01
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: JPH08155292A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば放電処理により表面改質（濡れ性向上）を行うための放電処理用電極及びこの放電処理用電極を用いた放電処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
常圧放電を利用して医療用品や電気製品、ケーブル類その他の素材（以下、試料と称する）の表面処理、例えば、樹脂材、ゴム材、金属材、ガラス材等の表面改質を行う放電処理装置が知られている。表面改質は、例えばフレキシブルディスクのシャッタの印刷前処理やガラス材の接着前処理として、これら素材に放電処理を施して、その表面の分子の鎖の切開又は表面漸崩、交差結合、酸化、水素結合などを促進させることで濡れ性の向上、接着力の強化などを図るものである。ここに、「濡れ性」とは、試料の表面が水滴を弾く度合いを示す指標をいい、例えば接触角法では、試料表面を水平にして水滴を垂らしたときの、その水滴の表面と試料表面との角度で表される。この測定手法では、水滴が丸みを持つほど上記角度が大きくなり、濡れ性が悪いことを意味する。逆に、水滴が偏平になるほど濡れ性がよくなり、試料表面への種々の加工が容易になる。
【０００３】
このような表面改質を行うための従来の放電処理装置は、例えば図１０（ａ）（ｂ）に示すように、電力が印加されるパワー電極６１の中心軸と接地線に導通接続されたアース電極６２の中心軸とを同一平面内で平行に８ｍｍ以下の間隔で近接させた放電処理用電極６と、電極間に高圧電力を印加する電源７とを有し、処理対象部材である試料８の処理対象面（以下、改質表面）８ａが各電極６１，６２から３ｍｍ以下の距離になったときに、図１０（ｃ）のように当該試料８との間で放電を起こすように構成されている。なお、パワー電極６１とアース電極６２は、例えばステンレス棒６１ａ，６２ａを石英パイプ６１ｂ，６２ｂで覆って構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の放電処理装置は、各電極６１，６２の距離が近いため、図１０（ｃ）から明らかなように電極間空間において広範囲に放電が生じ、投入される電力値（パワー）も大きい。しかし、試料８の表面改質をするのに作用する放電はそのごく一部であり、他の部分は表面改質に殆ど寄与しない。従って、放電に投入されるパワーの大部分は無駄となり、処理効率が著しく悪いという問題があった。しかも放電は電極側部表面間のほぼ全域にわたって生じるので、放電処理用電極６の劣化も早まるという問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、かかる問題点を解消し、無駄なパワー消費を抑えて表面改質の処理効率を高め、且つその寿命時間を長くする構成の放電処理用電極及びこの放電処理用電極を使用した放電処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供する第１構成の放電処理用電極は、電力が印加されるパワー電極の中心軸と接地線につながるアース電極の中心軸とを同一平面内に配し、前記パワー電極の先端部と前記アース電極の側表面とを所定角度で対向させて成り、少なくともパワー電極の放電発生部位を誘電体で覆い、且つパワー電極とアース電極との間の最小距離を、各電極と放電処理対象部材との間で放電が生じる際に電極間放電が生じない距離としたことを特徴とする。
【０００７】
また、第２構成の放電処理用電極は、電力が印加されるパワー電極の中心軸と接地線につながるアース電極の中心軸とを同一平面内で平行に並べて成り、少なくともパワー電極の放電発生部位を誘電体で覆い、パワー電極とアース電極の先端部位置を反転させるとともに、電極間距離を、各電極と放電処理対象部材との間で放電が生じる際に電極間放電が生じない距離としたことを特徴とする。
【０００８】
更に、第３構成の放電処理用電極は、第２構成のパワー電極とアース電極の少なくとも一方を誘電体で分離絶縁された平行棒状導体で構成したものであり、第４構成の放電処理用電極は、第３構成のパワー電極とアース電極の組を同一平面内に所定間隔で複数組並設したものである。
【０００９】
また、本発明が提供する放電処理装置は、放電処理対象部材を載置する加工台と、少なくともその放電発生部位が前記加工台に載置された放電処理対象部材を指向し且つ該放電処理対象部材との間で一定間隔で配された放電処理用電極と、を有する放電処理装置において、放電処理用電極を上記第１又は第２構成の放電処理用電極で構成したことを特徴とする。
この構成において、放電処理の効率化を図るために、前記加工台の少なくとも前記放電処理対象部材の載置部位を、前記放電処理用電極を含む平面と平行方向に移動させる搬送機構を設けても良い。
【００１０】
【作用】
図１及び図２は本発明の原理説明図であり、図１（ａ）は電源７が接続されたパワー電極Ｐ１に誘電率ε_１の誘電体Ｌを配し、更にこの誘電体Ｌとアース電極Ｐ２との間に誘電率ε_０の空気層Ｇを設けた場合の例を示すものである。Ａは誘電体Ｌと空気層Ｇとの隣接部位の偏平円柱閉曲面であり、その拡大図を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）において、Ａ１は誘電体層、Ａ２は空気層を表す。
ここで誘電体層Ａ１内の電束密度をＤ_１、電界をＥ_１、空気層Ａ２内の電束密度をＤ_２、電界をＥ_２とすると、各層Ａ１，Ａ２における電束密度と電界との関係は、Ｄ_１＝ε_１Ｅ_１、Ｄ_２＝ε_０Ｅ_２となるが、偏平閉曲面Ａにおける各電束密度はＤ_１＝Ｄ_２でなければならないので、ε_１Ｅ_１＝ε_０Ｅ_２の関係式が成立する。この場合、誘電率はε_１＞ε_０なので、電界の強さはＥ_１＜Ｅ_２となる。従って、電極を誘電体を覆った場合には、電極間の空気層における電界が強くなる。つまり、導体に関して誘電体で覆うことに制約がない。
【００１１】
ところで、放電は高電界によって分子や原子が電離する現象であり、例えば電極間あるいは電極と誘電体との間の距離が電離現象が生じる程に近くなった場合に起こる。従って、電極間に高圧電力を印加したときに、放電処理対象試料と各電極との間で放電が生じても、より長い距離で配された電極間の電界の強さが電離現象を引き起こすのに足りなければ電極間放電は起きない。
例えば図３に示すように、パワー電極Ｐ１とアース電極Ｐ２の近傍に試料８をおき、電界の強さを、各電極Ｐ１，Ｐ２と改質表面８ａとの距離Ｇ２では放電が生じるが、より長い距離Ｇ１で配されたパワー電極Ｐ１とアース電極Ｐ２との間では放電が生じない値にすれば、各電極Ｐ１，Ｐ２の近傍に試料８がないときは放電が起きず、あるときのみ放電を起こすことができ、電極間の常時放電が避けられてパワーの無駄を軽減することができる。この場合、パワー電極Ｐ１とアース電極Ｐ２の相対的位置関係は、それぞれ同一平面内で所定角度をもっても良く、また両者を平行に配しても良い。前者の場合が本発明の第１構成の放電処理用電極、後者の場合が本発明の第２構成の放電処理用電極である。更にパワー電極と前記アース電極の少なくとも一方を誘電体で分離絶縁された平行棒状導体で構成した場合、あるいはこれらの組を複数並べた構成では、試料との間の対向面積が拡がるので、放電処理の効率が高まる。
【００１２】
また、このような放電処理用電極を備えた放電処理装置では、加工台の載置面に試料が置かれたときのみ放電処理が行われ、更に、加工台に搬送機構が設けられている場合には連続して搬送される試料が各放電処理用電極に近づいたときのみ放電処理が行われる。
【００１３】
【実施例】
次に本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、従来例を示した図１０の構成要素と対応する部分には同一符号を付している。
【００１４】
（第１実施例）
図３（ａ）は、本発明の第１実施例の放電処理装置の要部外観斜視図、（ｂ）はその側部断面図である。この実施例は、請求項１と対応するものである。
本実施例において、符号１は放電処理用電極であり、パワー電極１１の中心軸とアース電極１２の中心軸とを同一平面内に配するとともに、これら電極１１，１２との側部同士に所定角度をもたせたものである。この角度は任意であって良い。試料８は円筒状ガラスであり、改質表面８ａである上底面が放電処理用電極１と平行になるように配置される。
【００１５】
パワー電極１１は、２ｍｍ径のステンレス棒１１ａを外径４ｍｍの石英パイプ１１ｂで覆ったものであり、アース電極１２は、同径のステンレス棒をそのまま電極として使用したものである。前述のように導体を誘電体で覆うのに制約はないので、アース電極１２を石英パイプで覆っても良い。ここで注意すべきは、ステンレス棒１１ａ（１２）の結線されない先端部は、石英パイプで完全に塞がなくてはならない点である。そうしなければそこから放電が必ず起こる。これは、先端部のような場所は電界がかなり強くなるためである。
電源７は、出力最大３５０Ｗ（可変）、最大電圧２０ｋｖ（可変）、周波数２０ｋＨｚ（固定）の交流電源であり、パワー電極１１には１６ｋＶの高圧電力を印加する。雰囲気ガスは大気を用い、圧力は大気圧である。
【００１６】
この条件におけるパワー電極１１、アース電極１２から試料８の改質表面８ａまでの距離Ｇ１２は２ｍｍとする。この距離Ｇ１２は、前述のようにあまり長いと電界が強くなる効果がなくなってしまうため、３ｍｍが限界である。
試料８を表面改質８ａもパワー電極１１、アース電極１２に平行で距離を同じに設置してある。パワー電極１１とアース電極１２の距離Ｇ１１は、５０ｍｍに設定した。この距離Ｇ１１は、上記条件では５０ｍｍより短いと電極１１，１２間で常時放電が起こり、長いと各電極１１，１２と改質表面８ａとの間でも放電が起きなくなる。従って、長過ぎても短か過ぎても本発明の目的であるパワーの無駄の軽減、電極劣化の抑制が果たせなくなる。
よって、電極間距離Ｇ１１が５０ｍｍ、電極と改質表面との距離Ｇ１２が２ｍｍが本実施例では最適な値となる。
【００１７】
上記構成の放電処理装置では、改質表面８ａが放電処理用電極１の近傍にないときに電源７から１６ｋＶの高圧電力を電極間に印加しても放電は起きない。これは電界の強さが電極間で電離現象を引き起こす強度に達していないためである。放電が起きないので、パワーはパワー電極１１とアース電極１２から構成されるコンデンサの分しか投入されない。これに対し、図示のように放電処理用電極１の近傍に試料８の改質表面８ａがあるときは、電極間放電は起きないが、改質表面８ａと各電極１１，１２との間では放電が起こる。パワーも放電が発生した分増える。このように、試料８が放電処理用電極１に近づいたときだけ放電が起こるので、従来技術でのパワーの無駄が軽減される。また、放電が常時発生しないので、放電処理用電極１の劣化を従来よりも遅らせることができる。
【００１８】
（第２実施例）
本発明の第２実施例に係る放電処理装置を図４に基づいて説明する。図４（ａ）は本実施例の要部正面図、（ｂ）はその側面図であり、請求項２に対応する。
本実施例の放電処理装置は、パワー電極２１とアース電極２２の中心軸を同一平面内で互いに平行且つその先端部を反転させて放電処理用電極２を構成するとともに、この放電処理用電極２と平行且つ所定距離をおいて試料８を配置したものである。
【００１９】
放電処理用電極２は、２ｍｍ径のステンレス棒２１ａ，２２ａを外径４ｍｍの石英パイプで覆ってパワー電極２１，アース電極２２を構成している。各ステンレス棒２１ａ，２２ａの先端部を石英パイプ２２ａ，２２ｂで完全に塞ぐ点は第１実施例の場合と同様である。なお、アース電極２２については、石英パイプ２２ｂで覆わない構成であっても良い。
電源７は、出力最大３５０Ｗ、最大電圧２０ｋＶ、周波数２０ｋＨｚの交流電源である。本実施例では、電極間に最大の２０ｋＶの電圧を印加した。雰囲気ガスは大気を用い、圧力は大気圧である。
【００２０】
このような条件では、図４（ｂ）に示すように放電処理用電極２から試料８の改質表面８ａまでの距離Ｇ２２は２ｍｍである。この距離Ｇ２２も第１実施例の場合と同様、３ｍｍが限界である。また電極間距離Ｇ２１は２２ｍｍと設定した。この距離Ｇ２１は２２ｍｍより短いと電極間で常時放電が起こり、２２ｍｍより長いと各電極２１，２２と改質表面８ａとの間でも放電が起きなくなる。よって、電極間距離Ｇ２１は２２ｍｍ、電極と改質表面との距離Ｇ２２は２ｍｍとするのが本実施例では最適な値となる。
【００２１】
上記構成の放電処理装置では、改質表面８ａが放電処理用電極２の近傍にないときに電源７から２０ｋＶの高圧電力を電極間に印加しても放電は起きず、パワーは、パワー電極２１とアース電極２２から構成されるコンデンサの分しか投入されない。これに対し、図示のように放電処理用電極２の近傍に試料８の改質表面８ａがあるときは、電極間放電は起きないが、改質表面８ａと各電極２１，２２との間では放電が起こる。このように、試料８が放電処理用電極２に近づいたときだけ改質表面８ａとの間で放電が起こるので、従来技術でのパワーの無駄が軽減され、また、電極劣化を従来よりも遅らせることもできる。
【００２２】
（第３実施例）
本発明の第３実施例を図５に基づいて説明する。
この実施例は、第２実施例で説明した放電処理用電極２の構成を一部変更したものであり、請求項３に対応する。
図５（ａ）に示す放電処理用電極３は、石英パイプでステンレス棒を覆った２個のパワー電極３１１，３１２を同一方向に平行且つ電気的に並列に配して１つのパワー電極３１を構成した例であり、図５（ｂ）に示す放電処理用電極４は、更にアース電極４２をも同一の２個のアース電極３２１，３２２を同一方向に平行且つ電気的に並列に配した例である。
このとき注意すべきは、隣り合う電極数はあまり多くてもいけない点である。第２実施例と同様の条件であれば各々３個が限界である。しかし例えば高圧電力値を上げるなど条件を変更すれば、３個より増やすことができる。要は、各放電処理用電極３，４における電極間放電を抑えつつ試料８の改質表面８ａとの間の電界をなるべく強くするように条件を決めれば良い。
【００２３】
このような放電処理用電極３，４を用いた放電処理装置では、試料８が放電処理用電極３，４の近傍にないときは放電は起きず、パワーはパワー電極１１とアース電極１２から構成されるコンデンサの分しか投入されない。これに対し、放電処理用電極３，４の近傍に試料８があるときは、電極間放電は起きないが、試料８の改質表面８ａとの間では放電が起こる。パワーも放電が発生した分増える。このように、試料８が放電処理用電極３，４に近づいたときだけ放電が起こるので、従来技術のようなパワーの無駄が軽減される。また、放電が常時発生しているわけではないので、放電処理用電極３，４の劣化を従来よりも遅らせることができる。しかも、改質表面８ａを指向する面積が第１及び第２実施例の放電処理電極１，２よりも大きいので、その分処理面積が増加し、それによって表面改質効率が高まる。
【００２４】
（第４実施例）
本発明の第４実施例を図６に基づいて説明する。
この実施例は、第３実施例で説明した放電処理用電極３（又は４）を同一平面内に所定間隔で複数組並設して放電処理用電極５を構成したものであり、請求項４に対応する。
図示の例は、図５（ａ）で説明した放電処理用電極３を６個等間隔で並べた様子を示すものであるが、注意すべきは、各放電処理用電極３を並べるときに、それぞれの電極３を構成する個々のパワー電極３１とアース電極３２の間隔を近づけ過ぎないようにする点である。一方の放電処理用電極３のパワー電極３１と他方のアース電極３２の間で常時放電が起きてしまうからである。
【００２５】
このような構成の放電処理用電極５を用いた放電処理装置では、図示のように試料８を複数同時に並べ、それぞれの改質表面８ａを同時に処理することが可能となるので、第２実施例や第３実施例の場合よりも処理効率が格段に高まる。また、個別的に放電処理用電極を形成する場合に比べて装置構成がコンパクトになる効果もある。
更に、上述の各実施例同様、各試料８が個々の放電処理用電極３に近づいたときのみ試料８の改質表面８ａとの間で放電が起こるので、パワーの無駄が軽減され、電極劣化を遅らせることもできる。
【００２６】
（第５実施例）
本発明の第５実施例を図７〜図９に基づいて説明する。
この実施例は、上述の各実施例で説明した放電処理用電極１〜５と、試料８を載置する加工台と加工台の搬送機構とを組み合わて成る放電処理装置の例を示すものであり、請求項５及び請求項６に対応する。
【００２７】
図７は第１実施例で説明した放電処理用電極１を用いた構成例、図８は第３実施例で説明した放電処理用電極３を用いた場合の構成例、図９は第４実施例で説明した場合の放電処理用電極５を用いた場合の構成例である。
これらの図において、各放電処理装置１，３，５は、その中心部又は側部表面（放電発生部位）が試料８を載置するための加工台９を指向し、且つ試料８が加工台９に載置されたときに改質表面８ａに対して平行且つ所定距離になる位置に固定的に配置される。加工台９には搬送機構が設けられ、試料８を各放電処理用電極１，３，５を含む平面と平行方向に一定速度で移動させる。
【００２８】
このような構成の放電処理装置では、加工台９に試料８を載置して自動搬送させれば、改質表面８ａを自動的に効率良く放電処理することが可能となる。また、図７に示す構成のものを試料８の特定部位の表面改質、図８に示す構成のものを大面積の試料８の表面改質、図９に示す構成のものを複数回の処理を要する試料８の表面改質にそれぞれ使い分けることもできる。
いずれの場合も放電処理用電極の直下を改質表面８ａが通過するときのみ放電が起こり、通過しないときは放電が起きないので、従来の放電処理装置に比べて処理効率が良く、しかも電極劣化も格段に抑制される。
【００２９】
このように、本発明を複数の実施例を示して説明したが、本発明は必ずしも上記実施例の構成に限定されるものではなく、電極数やその配置は試料８の形状、改質表面８ａの面積に応じて種々変更することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の放電処理用電極によれば、試料がその近傍にきたときのみ当該試料の改質表面との間で放電が起きるので、電源からの無駄な電力供給、電力消費が抑えられ、表面改質の処理効率が従来の電極に比べて格段に高まる効果がある。また、表面改質時にのみ放電が起きるので常時放電していた従来のものに比べてその寿命が長くなる効果もある。
【００３１】
また、パワー電極とアース電極の少なくとも一方を誘電体で分離絶縁された平行棒状導体で構成し、更に、これらパワー電極とアース電極との組を同一平面内に所定間隔で複数組並設したので、コンパクトでありながら表面改質の処理面積が従来のものよりも格段に拡がる効果がある。
【００３２】
更に、本発明の放電処理装置によれば、上記放電処理用電極によって試料の形状、構造、に応じた表面改質が可能になるので、コストの低減化、全体的な処理効率の向上が図れる効果があり、更に、加工台に搬送機構を設けて自動的に試料の表面改質が可能になるので、生産性の向上が図れる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る放電処理用電極の原理を説明するための電極構成図、（ｂ）はその部分拡大図である。
【図２】図１の構成の放電処理用電極の使用状態を示す側面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第１実施例の放電処理装置の要部外観斜視図、（ｂ）はその側部断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第２実施例の要部正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図５】本発明の第３実施例の要部正面図であり、（ａ）２個のパワー電極を同一方向に平行且つ電気的に並列に配して１つのパワー電極を構成した放電処理用電極、（ｂ）は更にアース電極をも同一の２個のアース電極を同一方向に平行且つ電気的に並列に配した放電処理用電極の例である。
【図６】本発明の第４実施例の要部外観斜視図であり、図５の構成の放電処理用電極を同一平面内に所定間隔で複数組並設した放電処理用電極の例である。
【図７】本発明の第５実施例の要部外観斜視図であり、図１の放電処理要電極と搬送機構付き加工台とを組み合わせた放電処理装置の例を示すものである。
【図８】本発明の第５実施例の要部外観斜視図であり、図３の放電処理要電極と搬送機構付き加工台とを組み合わせた放電処理装置の例を示すものである。
【図９】本発明の第５実施例の要部外観斜視図であり、図６の放電処理要電極と搬送機構付き加工台とを組み合わせた放電処理装置の例を示すものである。
【図１０】（ａ）は従来の放電処理装置の要部外観斜視図、（ｂ）はその側部断面図、（ｃ）はその動作状態説明図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５，６放電処理用電極
Ｐ１，２１，３１，３１１，３１２パワー電極
Ｐ２，２２，３２，４２，３２１，３２２アース電極
２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａ，６１ａ，６２ａステンレス棒
２ａｂ，２２ｂ，３１ｂ，３２ｂ，６１ｂ，６２ｂ石英パイプ
７電源
８試料（表面処理対象試料）
８ａ改質表面
９搬送機構付き加工台

Claims

電力が印加されるパワー電極の中心軸と接地線につながるアース電極の中心軸とを同一平面内に配し、前記パワー電極と前記アース電極とを各中心軸の成す角度が所定角度になるように対向させて成る放電処理用電極であって、
少なくともパワー電極の放電発生部位を誘電体で覆い、且つパワー電極とアース電極との間の最小距離を、パワー電極と放電処理対象部材との間で放電が生じる際に電極間放電が生じない距離としたことを特徴とする放電処理用電極。
電力が印加されるパワー電極の中心軸と接地線につながるアース電極の軸線とを同一平面内で平行に並べて成る放電処理用電極であって、
少なくともパワー電極の放電発生部位を誘電体で覆い、パワー電極の先端部をアース電極の後端側に、アース電極の先端部をパワー電極の後端側に配置するとともに、電極間距離を、パワー電極と放電処理対象部材との間で放電が生じる際に電極間放電が生じない距離としたことを特徴とする放電処理用電極。
請求項１又は２記載の放電処理用電極において、
前記パワー電極と前記アース電極の少なくとも一方を互いに平行な複数の棒状導体で構成したことを特徴とする放電処理用電極。
請求項３記載の放電処理用電極において、
前記パワー電極と前記アース電極との組を同一平面内に所定間隔で複数組並設したことを特徴とする放電処理用電極。
放電処理対象部材を載置する加工台と、少なくともその放電発生部位が前記加工台に載置された放電処理対象部材を指向し且つ該放電処理対象部材との間で一定間隔で配された放電処理用電極と、を有する放電処理装置において、
前記放電処理用電極を請求項１乃至４のいずれかの項記載の放電処理用電極で構成したことを特徴とする放電処理装置。
請求項５記載の放電処理装置において、
前記加工台の少なくとも前記放電処理対象部材の載置部位を、前記放電処理用電極を含む平面と平行方向に移動させる搬送機構を設けたことを特徴とする放電処理装置。