JP4255518B2 - プラズマ表面処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ表面処理装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、粘着剤、印刷用インキおよびこれに類するもので、合成樹脂材料の表面をコーティングすることを可能とするための前処理に関する。
このような前処理は、合成樹脂の表面が通常では液体で湿らすことができず、それ故に、印刷用インキまたは粘着剤を受け付けないことから、必要である。この前処理により、合成樹脂の表面構造を変化させ、その結果として、比較的大きな表面張力を持つ液体に対する濡れ性が良くなる。その表面を濡らし続けることができる液体の表面張力は、前処理の品質を示す指標となる。
合成樹脂表面の前処理のための十分に確立された方法としては、コロナ放電に基づくものがある。この方法では、処理すべき樹脂は、典型的には、セラミック材料が被覆された二つの電極間を通され、これら電極に高周波の高電圧が供給され、その結果、合成樹脂材料を通してコロナ放電が生じることになる。しかしながら、この方法は、たとえばプラスチック薄片などの平坦な表面を持つ薄いワークピースのみに対して有益である。
ドイツ国特許出願公開公報ＤＥ１９５３２１１２Ａ号公報には、プラズマジェットを用いた表面前処理装置が開示してある。そのプラズマノズルの特殊な構造により、比較的冷たく、それにも拘わらず比較的高反応性のプラズマジェットが得られ、そのジェットは、ロウソクの炎のような形と寸法を持ち、その結果、比較的深い複数の凹部を持つプロファイル形状を持つ前処理を可能としている。高反応性のプラズマジェットにより、短い前処理時間で十分であり、そのため、ワークピースは、比較的高速度でプラズマジェットに沿って通させればよい。このように比較的低温度のプラズマジェットの結果、熱感応性プラスチック材料の前処理も可能である。ワークピースの背面に対向電極を必要としないので、任意の厚いブロック状のワークピース、中空体およびこれに類するものの表面を処理することができる。大面積の表面を均一に前処理するために、前記の公報では、互い違いに配置された複数のプラズマノズルの配列を開示している。しかしながら、この場合には、この装置備品のために比較的に高い費用が必要となる。
本発明の目的は、比較的大面積を、素早く且つ効率的に前処理することができ、装置備品が低コストであるプラズマ表面処理装置を提供することである。
この目的は、請求項１に示す特徴によって達成される。
本発明の装置は、回転軸に対し少なくとも一つの偏心して配置されたプラズマノズルを持つ回転ヘッドを有し、前記プラズマノズルが、プラズマジェットを、回転軸に対して平行な向きに生成するようになっていることを特徴とする。
高速回転数で回転する回転ヘッドに対してワークピースを相対移動させることで、プラズマジェットは、ワークピースのストライプ状の表面ゾーンを掃射し、そのゾーンの幅は、回転するプラズマノズルにより規定された円の直径に対応する。このようにして比較的大面積の表面が合理的な方法で前処理される。
この発明では、掃射されるべきストライプ上の前処理の強度は、必ずしも完全に均一ではないことも許容される。前処理されたストライプ内のどの箇所においてもワークピースにおける十分な濡れ性が達成でき、しかも最も強く前処理されたゾーンにおいて熱的損傷が材料に生じない限りにおいて、前処理におけるパラメータ、特に回転ヘッドの回転速度、および回転ヘッドに対するワークピースの相対移動速度は、常に広い範囲で選択することができる。プラズマジェットの範囲が長いために、ワークピースの前処理表面は、曲線にすることも、あるいは輪郭形状にすることも可能である。このように、本発明の装置は、プラスチック製の窓やドア、プラスチック瓶またはバケツ、およびこれに類するもののための枠輪郭形状の前処理などに適切に用いられる。
本発明に係る装置にとって、ヘッドの回転、およびプラズマジェットの対応する回転が、結果として、渦の中心内に低圧力域が形成されると言うことが、特に有益であることが分かった。この低圧力域は、プラズマジェットの半径方向の逃げ場として反作用し、プラズマジェットをワークピースの表面に対して引き込む作用を有し、その結果、ワークピースの表面に対して親密な接触を引き起こすことになる。
本発明の好適な実施形態は、従属する請求項２〜８に示されている。
好ましくは、二つまたはそれ以上のプラズマノズルが、回転軸回りに略同一半径に略均等角度間隔で配置してあり、そのために、少なくとも二つのプラズマジェットが動作し、それに対応して、処理時間の短縮が図られている。このような配置により、プラズマノズルが対称に配置され、そのために回転ヘッドが実質的にバランスされるという利点が生じる。
たとえば１０００回転／分またはそれ以上での回転ヘッドの高速度回転のために、コリオリ力およびこれに類するものの作用により、別々のプラズマノズルから吐出される複数のプラズマジェットによる渦巻きを導くことになる。さらに、各プラズマノズルは、プラズマジェットの安定化と集束とを確保するために、独自の渦巻き機構を持っている。回転ヘッドの回転の向きは、この場合には、個別のプラズマノズル内での渦巻き動作の向きに適合させるべきである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。ここにおいて、
図１は回転ヘッドの軸方向断面図、
図２は回転ヘッドの正面図、
図３は図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う装置全体の軸方向断面図である。
図１に示すように、回転ヘッド１０は、図１において垂直軸である中心軸回りに回転するようになっており、しかも、保護シールドとして機能する静止シリンダ１２により囲まれている。その回転ヘッド１０は、直径方向に向き合う二つのプラズマノズル１４を持ち、それらノズルは、環状分配ブロック１６に対して装着してあり、回転軸に対して略平行な方向にプラズマジェット１８を出射するように配置してある。図１に示す図の平面に対して垂直な方向に、ヘッド１０がワークピース２０の表面に対して相対的に移動し、高速で回転する際に、プラズマジェット１８は、ワークピースの表面上で、たとえば８ｃｍ程度の幅Ｗを持つストライプ上を比較的均一に掃射する。
プラズマノズルの口２２は、フェース板２４内の共通平面上に配置され、そのフェース板は、二つの棒２６により分配ブロック１６で共回転するように保持してある。それらの棒２６は、これらプラズマノズル１４の平面に対して垂直な平面内に配置してあり、フェース板２４にて交差部材２８により相互に連結してある。
各プラズマノズル１４は、実質的に筒状の金属ケーシング３０を持ち、そのケーシングは、口２２に向けてテーパ状となっており、しかも口２２に向けて円錐状にテーパ状となっている渦チャネル３２を形成している。プラズマノズルの口２２は、渦チャネル３２の内部横断面に比較して、かなり制限されている。ケーシング３０の上流側端は、分配ブロック１６内に埋め込んである金属製アダプタ３４に対して剛的に連結してある。セラミックチューブ３６が、アダプタ３４およびそれに近接するケーシング端の内部に同芯状に配置してあり、アダプタ３４およびケーシング３０に対して電気的に絶縁してある渦巻きリング３８を収容している。その渦巻きリング３８は、渦チャネル３２の内部に突出して渦巻きオリフィス４２の頂部により囲まれた電極ピン４０を形成している。アダプタ３４および分配ブロック１６には、プラズマノズルに対して作動ガスを供給するためガス通路４４が形成してある。アダプタ３４および分配ブロック１６は、さらに、図示しない高電圧ケーブルのためのケーブル通路４６を有し、それらのケーブルによりそれぞれ接続された渦巻きリング３８および電極ピン４０に対して電圧を供給するようになっている。
装置の動作状態では、ガス通路４４を介して作動ガスとして圧力空気が供給される。その圧力空気は、渦巻きリング３８の渦巻きオリフィス４２を通過することにより渦巻き、そのために、その圧力空気は、電圧チャネル３２を通してプラズマノズルの口２２へと渦を巻いた状態で流れ込む。たとえば２０ｋＨｚの周波数を持つ数ｋＶの交流（ＡＣ）電圧が電極ピン４０に対して供給され、一方、プラズマノズルのケーシング３０は分配リング１６を介して接地される。電源がスイッチ・オンされると、最初に、渦巻きリング３８と、誘電体として機能するセラミックチューブ３６との間に、高周波によりコロナ放電が生成される。このコロナ放電は、次に、電極ピン４０とケーシング３０との間のアーク放電を誘発する。その電気アークは、電極ピン４０からケーシング３０の周囲壁へと半径方向には通らず、その代わりに、渦巻きガスの流れに乗せられ、ガス渦の芯内を通り、電極ピン４０から渦チャネル３２の中心軸に沿って直線状に口２２へと至り、その時に初めて、口２２の縁へ向けて半径方向に枝分かれする。そのことは、高反応性で十分に集束されたプラズマジェットが形成されるという好結果をもたらし、それにも拘わらず、そのプラズマジェットは、比較的に冷たく、加えて、その渦巻き動作により、ワークピース２０の表面に都合良くマッチする。
図２は分配ブロック１６の内部でのガス通路４４の配置を示す。ガス通路は、相互に交差する孔の集まりで形成され、それらの外側端部がプラグ４８によりそれぞれ閉塞され、それぞれが、各軸方向入り口通路５０を、プラズマノズル１４の関連する一つに接続してある。
図３に示すように、分配ブロック１６は、軸受ハウジング５４の内部に回転自在に支持してあるシャフト５２の大径側端部に対して装着してある。軸受ハウジング５４は、入り口ポート５６を持ち、その入り口ポート５６は、圧力空気を、シャフト５２が通過するところの圧力チャンバ５８へと導くようになっている。圧力チャンバ５８は、シャフト５２のための軸受の圧力密封構造により気密にシールされる。シャフト５２は、回転軸に対し二つの偏心した軸方向ガス通路６０を持ち、それら通路の一端が圧力チャンバ５８に対して連絡してあり、他端が、分配ブロック６０の上述した軸方向通路５０へと連絡してある。このようにして圧力空気は、入り口ポート５６を介して回転ヘッド１０のプラズマノズル１４へと供給される。
圧力チャンバ５８の内部では、シャフト５２が集電極リング６２を保持し、集電極リングがワイパー接触部材６４に対して滑動可能に係合している。このワイパー接触部材は、シャフト５２および分配ブロック１６の接地、さらに、それに接続してあるプラズマノズル１４のケーシングをも接地することを確保している。
コネクタハウジング６６が、軸受ハウジング５４における回転ヘッド１０の反対側に結合してあり、プラズマノズル１４への高電圧供給のための二つの絶縁されたワイパー接触部材６８を収容している。コネクタハウジング６６へと突出しているシャフト５２の延長部は、二つの集電極リング７２が配置されている絶縁部材７０を保持し、それらリングは、それぞれ、ワイパー接触部材６８の一つに摺接してある。それらの集電極リング７２は、相互に電気的に絶縁してあり、しかも、シャフト５２およびコネクタハウジング６６からも絶縁部材７０により絶縁してあり、その絶縁部材には、半径方向に突出するディスク７４が形成してある。さらに、絶縁部材７０は、二つの軸方向ケーブル通路７６を持ち、それら通路が、それぞれ、集電極リング７２のうちの一つからシャフト５２の肩部に係合する絶縁部材７０の端面まで延びている。この肩部内に形成してある凹部７８は、ケーブル通路７６をシャフト５２の中央孔８０にまで連絡する。この中央孔８０の反対側端部は、半径方向凹部８２により、図１に示す分配ブロック１６のケーブル通路４６にまで連絡される。このようにして、上述した高電圧ケーブルを用いて、集電極リング７２を渦巻きリング３８およびプラズマノズル１４の電極ピン４０に対して電気的に接続することができる。二つのプラズマノズルのための分離された電気供給ラインは、分離された高電圧源から、それぞれのプラズマノズルへの高電圧の供給を可能とする。このことは、一方のプラズマノズルにおいて既にアーク放電が生成されている時でさえも、他のプラズマノズルを起動させるために必要な起動電圧を供給することができるためには本質的に重要なことである。

Claims (8)

1. 回転軸に対し少なくとも一つの偏心して配置されたプラズマノズル（１４）を持つ回転ヘッド（１０）を有し、前記プラズマノズルが、プラズマジェット（１８）を、回転軸に対して平行な向きに生成するようになっていることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
2. 複数の前記プラズマノズル（１４）が、前記回転軸回りに略同一半径に略均等角度間隔で配置してあることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ表面処理装置。
3. 前記各プラズマノズル（１４）が、渦巻きプラズマジェットを生成するための渦巻きシステム（３８）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ表面処理装置。
4. 前記各プラズマノズル（１４）が、接地電極として機能する拡張されたケーシング（３０）を有し、前記ケーシングには、前記渦巻きシステム（３８）を収容する拡張された渦チャネル（３２）が形成してあり、前記ケーシングの一端には高電圧電極（４０）が形成してあり、前記ケーシングの他端にある口（２２）に向けてテーパ状に細くなっており、前記高電圧電極（４０）からの電気アーク放電が、前記渦チャネル（３２）の中心軸に沿って延びる渦心内を通り、口（２２）へと到達して初めて半径方向へと枝分かれするように、前記渦巻きシステム（３８）および渦チャネル（３２）が配置してあることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ表面処理装置。
5. 前記プラズマノズル（１４）には高周波電圧が供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。
6. 前記プラズマノズル（１４）が、当該プラズマノズルの電極（３０，４０）から相互に分離された誘電体部材（３６）を持ち、アーク放電を誘発するコロナ放電の生成を許容するようになっていることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ表面処理装置。
7. 前記プラズマノズル（１４）が分配ブロック（１６）に設置してあり、前記分配ブロックが、作動ガスを供給するためのガス通路（４４）と、前記プラズマノズルへ作動電圧を供給するためのケーブル通路（４６）とを持ち、前記分配ブロック（１６）が、前記作動ガスが供給される圧力チャンバ（５８）を通して延びるシャフト（５２）の一端に対して装着してあり、前記シャフトが、コネクタハウジング（６６）の内部を通して延び、前記コネクタハウジング（６６）の内部では集電極リング（７２）が前記シャフトの延長部が保持する絶縁部材（７０）に具備してあり、前記シャフトは、前記分配ブロック（１６）内の対応する通路に対して連絡するための軸方向のガス通路（６０）およびケーブル通路（８０）を持ち、前記絶縁部材（７０）は、ケーブル通路（７６）を持つことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。
8. 前記シャフト（５２）が、前記圧力チャンバ（５８）を形成する軸受ハウジング（５４）内に軸受支持され、しかも、前記シャフト（５２）の延長部が前記軸受ハウジング（５４）における前記回転ヘッド（１０）の反対側に配置される前記コネクタハウジング（６６）内部に突出していることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ表面処理装置。

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