JP6221211B2 - 誘電体バリア放電発生装置とシート材改質装置、画像形成装置及び印刷物の生産方法 - Google Patents

Description

この発明は、放電電極と誘電体を挟んで対向するカウンタ電極との間に高電圧インバータの出力高電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させる誘電体バリア放電発生装置、その誘電体バリア放電によってシート材を改質するシート材改質装置、そのシート材改質装置を備えた画像形成装置、及び印刷物の生産方法に関する。

従来から、樹脂フィルム等のシート材の表面をプラズマに接触させて改質を行う技術がある。このようなプラズマを用いてシート材の表面改質を行う技術において、シート材を移動させながらプラズマを接触させることにより、接触の均一性を向上させることが可能である。均一性をさらに向上させるためには、プラズマを発生させる電極をシート材の移動方向に複数配置すると共に、電極をローラ状にしてシート材の移動方向に沿って回転するように構成するのが望ましい。

特許文献１にはこのような改質装置が提案されている。その改質装置では、放電電極ローラとカウンタ電極とを、絶縁体（誘電体）の搬送ベルトを挟んで対向させ、その間に高電圧を印加して大気圧プラズマ放電（沿面放電による誘電体バリア放電）を発生させて、プラズマを形成している。この沿面放電によるプラズマは、シート材の被加工面に対する接触面積が大きいため、改質時におけるムラの発生が抑制され、改質の均一性が高い精度で確保される。

このようなシート材の表面改質処理等のために、大気圧プラズマ放電による誘電体バリア放電を安定して発生させるには、高電圧インバータによって数ＫＶから数十ＫＶの高電圧による高電力を、負荷である誘電体を介して対向する放電電極とカウンタ電極間に安定的に供給する必要がある。

このような高電圧インバータによって、金属電極と誘電体電極からなる電極を有するオゾン発生器に高電圧を印加して、沿面放電もしくは無声放電、またはそれらの複合放電により、オゾンを発生させるオゾン発生器用電源装置が、特許文献２に開示されている。
この電源装置によれば、放電特性を制御することによってオゾン発生器のオゾン発生効率を向上させることができるとのことである。

しかしながら、このような大気圧プラズマ放電の一種である誘電体バリア放電を発生させるための従来の装置では、高電圧インバータの負荷である放電電極とカウンタ電極との間に介在する誘電体の特性について充分な検討がされていなかったため、誘電体バリア放電を効率的に発生させることができなかった。

この発明は上記のような背景に鑑みてなされたものであり、放電電極と誘電体を挟んで対向するカウンタ電極との間に高電圧インバータの出力高電圧を印加して、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電による誘電体バリア放電を発生させる誘電体バリア放電発生装置において、高電圧インバータの負荷となる上記放電電極とカウンタ電極との間に介在する誘電体を最適なものにして、誘電体バリア放電を効率的に発生させることを目的とする。

この発明は上記の目的を達成するため、放電電極と、該放電電極との対向面に誘電体を被着したカウンタ電極との間に高電圧インバータの出力高電圧を印加して、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電による誘電体バリア放電を発生させる誘電体バリア放電発生装置であって、上記高電圧インバータは、入力電圧をスイッチングしてトランスの励磁巻線に流す励磁電流をオン・オフし、オンのときにその励磁巻線に励磁エネルギーをため、オフのときに該トランスの出力巻線のインダクタンスと、その出力巻線の分布容量及び上記放電電極とカウンタ電極間の負荷容量との合成容量とによる並列共振回路によって、上記励磁巻線と上記出力巻線の巻数比に応じた高電圧を出力するフライバック型電圧共振インバータであり、上記励磁電流をオン・オフするスイッチング周波数が１０ＫＨｚから６０ＫＨｚであり、上記誘電体の誘電正接が０．００９から０．０２の範囲にあることを特徴とする。

この発明による誘電体バリア放電発生装置は、フライバック型電圧共振インバータの励磁電流をオン・オフするスイッチング周波数が１０ＫＨｚから６０ＫＨｚであり、そのインバータの出力高電圧が印加される負荷である、放電電極とカウンタ電極との間に介在する誘電体の誘電正接が０．００９から０．０２の範囲にある。
したがって、誘電体の誘電損失を示す誘電正接（tanδ）の範囲が、誘電体バリア放電の発生に最適な高電力が得られる範囲となり、誘電体バリア放電を効率的に発生させることができる。

この発明による誘電体バリア放電発生装置の一実施形態を簡略化して示す回路図である。 図１におけるスイッチング信号Ｓｐと出力電圧Ｖｏｕｔの一例を示す波形図である。 図１における高電圧インバータ１０の負荷である放電部２０の構成例を模式的に示す側面図である。 誘電体バリア放電について説明するための放電部の一例を示す図である。 誘電正接が異なる誘電体シートを使用した場合の電極間容量と出力電力及び出力電圧の関係を示す線図である。 この発明によるシート材改質装置の一実施形態を示す概略構成図である。 この発明による画像形成装置の一実施形態の要部のみを示す概略構成図である。

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
〔誘電体バリア放電発生装置の実施形態〕
図１は、この発明による誘電体バリア放電発生装置の一実施形態を簡略化して示す回路図である。
この誘電体バリア放電発生装置１は、高電圧インバータ１０とその負荷である放電部２０とによって構成されている。

高電圧インバータ１０は、商用電源１１からの交流電圧を整流及び平滑する整流・平滑回路１２と、その整流・平滑回路１２が出力する直流電圧（脈流成分を含んでもよい）を入力電圧Ｖinとするトランス１３と、ＦＥＴ等によるスイッチング素子１４および制御回路１５を備えている。

トランス１３は励磁巻線Ｎｐと出力巻線Ｎｓを有し、その励磁巻線Ｎｐをスイッチング素子１４と直列に、整流・平滑回路１２からの給電回路に接続している。そのスイッチング素子１４は、制御回路１５がゲート端子に出力するスイッチング信号Ｓｐによって、オン（ＯＮ）・オフ（ＯＦＦ）制御される。
なお、実際の回路では、励磁巻線Ｎｐと並列にスナバ回路を構成するコンデンサとダイオード等が接続され、制御回路１５からスイッチング素子１４のゲートへの信号線に直列に保護抵抗が接続されているが、この発明には直接関係しないので、図１では図示を省略している。

制御回路１５からスイッチング素子１４のゲートに印加されるスイッチング信号Ｓｐは、図２の（ａ）に示すような矩形波であり、このスイッチング信号Ｓｐがローレベルの期間がＯＦＦ期間であり、ハイレベルの期間がＯＮ期間である。Ｔは１周期である。
図１に示した高電圧インバータ１０は、フライバック型電圧共振インバータである。したがって、入力電圧Ｖinをスイッチング素子１４によってスイッチングして、トランス１３の励磁巻線Ｎｐに流す励磁電流をオン・オフする。そして、オン（ＯＮ）のときに励磁巻線Ｎｐに励磁エネルギーをためる。オフ（ＯＦＦ）のときに、トランス１３の出力巻線Ｎｓから図２の（ｂ）に示すような出力電圧Ｖoutを出力して、負荷である放電部２０の電極間に印加する。

その出力電圧Ｖoutは、出力巻線ＮｓのインダクタンスＬと、その出力巻線Ｎｓの分布容量Ｃ１及び負荷である放電部２０の等価容量（「負荷容量」という）Ｃｏとの合成容量とによる並列共振回路によって発生し、励磁巻線Ｎｐと出力巻線Ｎｓの巻数比に応じた高電圧である。そのため、出力電圧Ｖoutの波形は、図２の（ｂ）に示すように略正弦波形の半波状であり、この例では正の半波に相当する正（＋）電圧であるが、負の半波に相当する負（−）電圧にすることもできる。

この高電圧インバータ１０におけるトランス１３を、同一の特性を持つ個別の（磁気分離された）複数のトランスによって構成してもよい。その各トランスの励磁巻線を並列に接続して同時に励磁させるようにし、各出力巻線を互いに並列又は直列に接続するようにすれば、一層大電力又は高電圧の出力を得ることができる。その場合、各出力巻線の出力電圧波形の時間軸が同期するようにするとよい。
また、いずれの場合も、共振の鋭さを示すＱ値が大きい程出力電圧を高めることができる。

制御回路１５がスイッチング信号Ｓｐをパルス幅変調（ＰＷＭ）制御して、１周期におけるＯＮ期間とＯＦＦ期間の比率（デューティ）を変えることにより、出力電圧Ｖoutを制御することが可能である。そのスイッチング信号Ｓｐの周波数及び周期を変更することもできる。

放電部２０は図３に示すように、放電電極２１と、それに対向するカウンタ電極２２と、その放電電極２１とカウンタ電極２２との間に介在する誘電体２３とによって構成されている。
放電電極２１は、この実施形態では銅やアルミニウム等の導電性のよい金属線２１aの周囲に、絶縁体（誘電体）２１ｂを被覆した丸棒状の複数（図示の例では１５本）の放電電極２１によって放電電極列を構成している。すなわち、複数の放電電極２１が、平板状のカウンタ電極２２の対向面２２ａに平行な面内で、図３で左右方向に互いに隣接する電極同士の外周が接するように並んで、紙面に垂直な方向に延びて配列されている。各放電電極の直径（φ）は、例えば８ｍｍ程度である。

カウンタ電極２２は、銅やアルミニウム等の導電性のよい金属による平板状の電極であり、放熱板も兼ねている。そのカウンタ電極２２の放電電極２１との対向面２２ａに、シリコン系シート等の誘電体２３を被着している。図３においては、分り易くするためにカウンタ電極２２と誘電体２３との間に隙間を設けているが、実際には接着等によって密着している。
放電電極２１と誘電体２３との間も、間隔を拡げて示しているが、実際には、表面改質を施すシート材が一点鎖線の矢印Ｆで示すように通過できる程度の隙間があればよい。

このように構成した放電部２０の各放電電極２１とカウンタ電極２２との間に、前述した高電圧インバータ１０の高電圧の出力電圧Ｖoutを印加することによって、大気圧中で、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電による誘電体バリア放電を発生させることができる。
カウンタ電極２２は接地する。放電電極２１に印加する電圧は正負逆転しても、作用効果に差異はない。

この誘電体バリア放電について、図４によって分かり易く説明する。
図４は、誘電体バリア放電について説明するための放電部の一例を示す図であり、放電電極２１を１個の金属ローラによる電極として示している。しかし、図３に示した例と同様に金属部分を細くして、その外周部を誘電体あるいは絶縁体で被覆するようにしてもよい。

また、この例では、カウンタ電極２２上の誘電体２３の表面に沿って、表面改質を施すシート材Ｓを矢示Ｆ方向へ搬送するために、絶縁体からなる搬送ベルト２４を、矢示Ｆ方向へ移動するように設けている。また、放電電極２１の回転軸２１ｃと装置上方の固定部との間にスプリング２５を装着して、放電電極２１を誘電体２３に押し付ける力を付与している。それによって、誘電体２３上にシート材Ｓが搬入されたときに、放電電極２１がそのシート材Ｓを誘電体２３に押し付けながら、搬送ベルト２４の矢示Ｆ方向への移動によって、矢示Ａ方向に連れ回りする。

そして、この放電電極２１とカウンタ電極２２との間に、大気圧中で十数ＫＶ（キロボルト）の交流高電圧を印加すると、放電電極２１からカウンタ電極２２に向けて、図４に細い多数の曲線で示すように、沿面放電によるプラズマが、誘電体２３の表面に沿うように（この例ではその表面に搬送ベルト２４とシート材Ｓが存在するため、そのシート材Ｓの表面に沿うように）形成される。この放電が大気圧プラズマ放電であり、誘電体バリア放電と称される。この場合、放電電極２１とカウンタ電極２２の少なくとも一方が誘電体で覆われているため、電流が電極に直接流れ込めず、大きな電流は流れない。そのため、火花放電やコロナ放電のような大きな放電音がしないので、無声放電とも称される。

この誘電体バリア放電は、誘電体２３の表面に沿って、その上にシート材Ｓが存在する場合はその表面に沿ってプラズマが発生するので、表面改質の均質性がよい。さらに、放電電極２１を搬送ベルト２４の移動方向に沿って複数本配置すれば、広範囲に亘って均質な改質を施すことができる。また、放電電極２１が、搬送されるシート材Ｓに連れ回りすることによっても、放電電極２１のプラズマを形成する部位が変化するので、放電の均質性向上に寄与する。
放電電極２１がスプリング２５によって押し付けられて上下動できるようにすれば、シート材Ｓの厚さが変わっても、常に最適な改質を確実に施すことができる。

図３に示した放電部２０においても、各放電電極２１とカウンタ電極２２との間に大気圧中で十数ＫＶの交流高電圧を印加すると、各放電電極２１から誘電体２３の表面に沿って、沿面放電による誘電体バリア放電が発生する。したがって、放電電極２１の列と誘電体２３との間を通過するシート材Ｓに対して均質性よく改質を施すことができる。
各放電電極２１の径や金属線２１ａの太さ、絶縁体（誘電体）２１ｂの外周形状、配列間隔や数などは、用途に応じて適宜変更できる。また、各放電電極２１を図４に示した例のように、連れ回り可能に、また上下動可能に支持するようにしてもよい。

図１において述べた放電部２０の等価容量である負荷容量Ｃｏは、図３に示した放電電極２１の列とカウンタ電極２２との間の静電容量である。これは、放電電極とカウンタ電極を平行平板電極と仮定すれば平行電界が発生するため、その対向する面積をＳ、電極間隔をｄとすると、
Ｃｏ＝ε_０・εｓ（Ｓ／ｄ）
で求められる静電容量である。ε_０は真空中の比誘電率、εｓは電極間の実際の比誘電率であり、図１に示した例の場合は、その殆どが誘電体２３と放電電極２１の絶縁体（誘電体）２１ｂの比誘電率で決まる。

但し、図３に示した例では金属線２１ａの周囲を絶縁体２１ｂで被覆したロッド状の放電電極２１が多数配列されており、平行電界は形成されない。そのため、負荷容量Ｃｏは、全面積における微小部分ごとの積分容量になる。この場合の面積Ｓは、カウンタ電極２２の対向面２２ａの面積（誘電体２３の面積も略同じ）に相当する。

ところで、一般的にはこの放電部２０における負荷誘電体（図３の例では誘電体２３及び放電電極２１の絶縁体２１ｂを含むが、以下単に「誘電体」という）による誘電損失を大きくすることにより、高電圧インバータ１０の高電圧化及び高電力化を図れる。
そのため、数十Ｗから数ＫＷまで、具体的には１０Ｗから３ＫＷくらいまで出力可能な誘電体であることが望ましく、この誘電体の比誘電率及び後述する誘電正接（tanδ）の範囲を最適にすることによって、十分な高電圧及び高出力が得られるメリットがある。

この放電電極２１とカウンタ電極２２との間の誘電体２３は、出力電圧に耐え得る絶縁物としても機能を果たす必要がある。さらに、交番される出力電圧をＬＣ共振状態（Ｃ＝Ｃ１＋Ｃｏ）で発生させる機能も持つ必要がある。絶縁体としての誘電体は、誘電率も誘電正接も小さな方が良いことが一般的に知られている。それは、ひとえに電流が流れにくく、発熱による絶縁劣化を防止するためである。

図１に示した高電圧インバータ１０の負荷回路の共振エネルギーは、負荷容量Ｃｏと電力変換する回路におけるトランス１３の出力巻線ＮｓのインダクタンスＬと分布容量Ｃ１とによるものである。
したがって、負荷容量Ｃｏの特性が、出力電圧及び出力電力に大きく関与している。そのため、負荷容量Ｃｏの特性に起因する比誘電率及び誘電正接を明確にすれば、最も効果的に出力電圧及び出力電力を引き出せることになる。

いま、出力の負荷のみで考えると、誘電体の誘電正接（tanδ）は次式で表わされる。
tanδ＝１／（ωＣｏＲ）
ωは角周波数、Ｃｏは負荷容量、Ｒは誘電体の寄生抵抗である。
したがって、誘電体の寄生抵抗Ｒが大きいほど誘電正接が小さくなり、負荷容量Ｃｏによる損失は小さくなることになる。
ところが、負荷容量Ｃｏに多くの電流を流せないと、そこに静電分極もおきず、電圧も上がらないことになる。逆に多くの電流を流せることになれば、負荷容量Ｃｏに電荷量として蓄電されたエネルギーを、負荷の電力量としても取り出せることになる。当然のことながら、負荷容量Ｃｏを大きくすれば、交番される電流も多く流せることになる。

この負荷容量Ｃｏには上述のように寄生抵抗Ｒの成分が、ある範囲の電流が流せる程度の抵抗値が必要であり（Ｒ＝０は現実環境状態ではありえない）、それによって、負荷容量Ｃｏに充放電電流を流せることになる。同時に、寄生抵抗Ｒの成分により発熱が発生するが、熱平衡状態まで使用できることになる。より現実的には、損失に応じた負荷容量の表面積が必然的に必要になってくる。寄生抵抗Ｒは、誘電体分子振動や電極接点などにより発生するといわれている。
したがって、誘電正接として、絶縁破壊を引き起こさない温度範囲での最適値を求めることが必要になる。

この発明は、この点に着目してなされたものである。すなわち、図１に示した実施形態において、フライバック型電圧共振インバータである高電圧インバータ１０によって、その負荷である放電部２０に、誘電体バリア放電を効率的に発生させる。
そのため、高電圧インバータ１０におけるトランス１３の励磁電流をオン・オフするスイッチング周波数を１０ＫＨｚ（キロヘルツ）から６０ＫＨｚにする。そして、負荷である放電部２０に使われる誘電体の誘電正接（tanδ）の範囲を、０．００９から０．０２の範囲に設定することによって、誘電体バリア放電を効率的に発生させることができ、高電圧及び高電力の出力を得ることができる。

誘電体の誘電正接（tanδ）の範囲を上記のように規定した理由を、図５によって説明する。図５は、誘電正接が異なる２種類の誘電体試料を図３に示したカウンタ電極２２上に配置して、図１に示した高電圧インバータ１０によって誘電体バリア放電を発生させた場合の実験結果を示す。すなわち、電極間容量と出力電力又は出力電圧との関係（、及び絶縁破壊する出力電力の値）を示している。いずれも、高電圧インバータ１０のスイッチング周波数ｆ＝２０ＫＨｚの場合である。電極間容量は前述した負荷容量Ｃｏに相当する。

誘電体試料１（シリコン系シート）
比誘電率εｓ＝３．５、tanδ＝０．００９８ のシリコン系シート（厚みｄ＝０．３〜３ｍｍ 面積３３０ｍｍ×１５ｍｍ）
誘電体試料２（フッ素系シート）
比誘電率εｓ＝２．３、tanδ＝０．００１２ のフッ素系シート（厚みｄ＝０．３〜３ｍｍ 面積３３０ｍｍ×１５ｍｍ）
なお、上記「面積３３０ｍｍ×１５ｍｍ」における「３３０ｍｍ」は図３でシート材の搬送方向Ｆと紙面とに直交するシート材の幅方向の寸法例で、「１５ｍｍ」はシート材の搬送方向Ｆに沿う方向の寸法で、放電電極1本分の幅に対応する寸法例である。

図５において、△点でプロットした点線の直線ａは、誘電体試料１及び２をそれぞれ
使用した場合の電極間容量と出力電圧との関係を示しており、出力電圧１１ＫＶ、１３ＫＶ、１５ＫＶを得るようにしている。電極間容量はシートの厚みｄによって変わる。
このときの各試料による電極間容量と出力電力との関係を黒丸点でプロットした実線の曲線で示し、曲線ｂは誘電体試料１を使用した場合、曲線ｃは誘電体試料２を使用した場合である。

電極間容量が同じ（例えば１００ＰＦ（ピコファラッド））ときの出力電力を比較すると、誘電体試料１のシリコン系シートの場合は約１００Ｗであるが、誘電体試料２のフッ素系シートの場合は約１３Ｗであり、大きな差が生じている。
それは、各誘電体の誘電正接であるtanδの比が、シリコン系シートの方が約８倍大きくなっており、電力比が約７．７倍であるから、ほぼtanδの比と同じになっていることが分かった。

なお、一般的なポリエチレンやポリエステルなど他の誘電体では、シート厚範囲（０．３ｍｍ以下）で使用電圧１５ＫＶに耐える絶縁耐圧がないため、図５には示していない。
さらに、シリコン系シートでもtanδを０．０２４まで大きくする（厚みを薄くして確認）と発熱が大きく、絶縁破壊が生じた。そのため、必要な絶縁耐圧を確保するためには、tanδを０．０２以下にする必要がある。

また、シリコン系シートでもtanδを０．００９にすると、出力電力がtanδ=０．００９８の場合の約１００Ｗと比べて約１０％降下した。tanδを０．００９未満にすると出力電圧の降下が１０％を超えてしまい、シート材の表面改質を行う場合に十分な改質が行われなくなる。そうすると、例えば、その改質後のシート材にインクジェット方式で画像形成した場合に、画質が劣化することになる。したがって、tanδを０．００９以上にする必要がある。
また、測定周波数が１ＫＨｚから８０ＫＨｚにおいて、ほぼ同じ値であった。

この結果から、スイッチング周波数が２０ＫＨｚで交番され、出力電圧が１５ＫＶ以下である場合は、誘電正接tanδの範囲が０．００９から０．０２が適値であり、その値に面積／電力あたりに調整（必要な出力電力が得られるシート面積に調整する）することにより、誘電体により多くの電流を流すことができ、結果的にその幾分かのエネルギーで誘電体バリア放電を効率よく発生させることが出来る。

より具体的には、
・面積３３０ｍｍ×１５ｍｍ＝４９．５ｃｍ^２では、Ｃｏ＝１００ＰＦ
出力電力は約１００Ｗ
・面積３３０ｍｍ×１５ｍｍ×２＝４９．５ｃｍ^２×２では、Ｃｏ＝２００ＰＦ
出力電力は約２００Ｗ
・・・
・・・
となる。なお、使用環境によって、−５℃〜４０℃程度の温度差があるが、放電開始後１０分もすると、放電によって発生する熱によって１００℃以上になるため、同じような状態になる。

スイッチング周波数は、高電圧の高出力の場合は、共振完了（図２）の関係があることが必要であり、トランス１３に励磁中に蓄えたエネルギーをＯＦＦの間にすべて放出することができないと、共振がずれてしまい制御ができなくなる。スイッチング周波数が１０ＫＨｚ未満になるとこの問題が顕著になる。また、スイッチング周波数が１０ＫＨｚ未満になると放電音が耳障りになるという問題もある。そのため、スイッチング周波数を１０ＫＨｚ以上にする必要がある。

スイッチング周波数の上限に関しては、負荷の電極間の誘電正接からいえば、先に述べたように８０ＫＨｚまでは安定しており、誘電正接の効果は十分にあると見込める。しかし、高周波になると、１周期で励磁エネルギーを蓄えられる時間が短くなるので、出力電圧値が降下する。そのため、スイッチング周波数が６０ＫＨｚを超えると必要な出力電圧が得られなくなるので、６０ＫＨｚ以下にする必要がある。

上述した実施例では誘電体としてシリコン系材料を使用した場合について主に説明したが、他の誘電材料に若干の炭素を混合させたものを誘電体として使用しても、略同等な作用・効果が得られることが分かった。他の誘電材料としてはフッ素系材料も使用できる。

〔シート材改質装置の実施形態〕
次に、この発明によるシート材改質装置の一実施形態を図６によって説明する。図６は、この発明の一実施形態であるスタンドアロン型のシート材改質装置の概略構成図である。
このシート材改質装置３は、一般にコピーや印刷等に用いられる普通紙やコート紙の他、ＯＨＰシートを含む樹脂フィルム、カード、ハガキ等の厚紙や封筒等のシート材の表面を改質処理するための装置である。その改質処理としては、シート材の表面の撥水性を親水化する処理を行うことが可能である。

図６に示すシート材改質装置３は、その本体３０内に上述した改質を行うシート材改質部３０Ａとして、前述した誘電体バリア放電発生装置１と、シート材搬送装置３１とを備えている。
誘電体バリア放電発生装置１は図１及び図３によって説明したように、高電圧インバータ１０と放電部２０からなり、放電部２０は、複数本の放電電極２１とカウンタ電極２２及び誘電体２３とを有している。その誘電体２３は、カウンタ電極２２の放電電極２１と対向する表面に被着されている。

そして、高電圧インバータ１０のアース側の出力線１６が、接地されたカウンタ電極２２に接続され、高圧側の出力線１７が各放電電極２１の金属線２１ａに接続されている。それによって、高電圧インバータ１０による図２の（ｂ）に示したような波形の十数ＫＶの出力電圧が、各放電電極２１とカウンタ電極２２との間に印加され、誘電体バリア放電が発生する。
この誘電体バリア放電発生装置１を構成する高電圧インバータ１０と放電部２０は、図１〜図５によって説明したものと同様であるから、それらの詳細な説明は省略する。

シート材搬送装置３１は、ポリイミド等の絶縁材からなる搬送ベルト３２と、その搬送ベルト３２を誘電体２３の略水平な表面に沿って移動するように張り渡す駆動ローラ３３、従動ローラ３４及びテンションローラ３５と、従動ローラ３４と対向するピンチローラ３６とを有している。
駆動ローラ３３は、図示していないモータによって回転駆動され、搬送ベルト３２を矢示Ｂ方向へ周回移動（回動）させる。搬送ベルト３２は、改質処理を予定するシート材の最大幅よりも大きな幅（図６の紙面に垂直な方向の寸法）を有している。

放電部２０の放電電極２１は、同一形状のローラ状の放電電極２１が、搬送ベルト３２の駆動ローラ３３と従動ローラ３４との間に略水平に張り渡された部分の移動方向に沿って、複数本（図示の例では１２本）並んで設けられている。各放電電極２１は搬送ベルト３２の幅方向に延びている。

本体３０の一方の側面には、本体３０内のシート材改質部３０Ａに向けてシート材Ｓを供給するシート材給送部４０が設けられ、他方の側面には、改質されたシート材Ｓを輩出して積載するシート材積載部５０が設けられている。また、本体３０の上部には、各種操作スイッチや表示器などを有する操作パネルが設けられているが、図示を省略している。
本体３０の下部にはキャスタ３７を備えており、このシート材改質装置３を容易に移動させて、画像形成装置などと共に使用できるようにしている。

このように構成したシート材改質装置３によれば、本体３０内のシート材改質部３０Ａにおいて、誘電体バリア放電発生装置１が起動すると、高電圧インバータ１０によって、放電部２０の各放電電極２１とカウンタ電極２２との間に高電圧が印加される。それによって、各放電電極２１とカウンタ電極２２との間で誘電体バリア放電が発生し、カウンタ電極２２に向けてプラズマが形成される。この場合、誘電体２３の他に、各放電電極２１の絶縁体２１ｂと搬送ベルト３２も、各放電電極２１の金属線２１ａとカウンタ電極２２との間の誘電体を構成している。そのため、場合によっては、カウンタ電極２２の表面に被着した誘電体２３を省略することもできる。

そして、シート材給送部４０によって、トレイ４１上に積載されたシート材Ｓを一枚ずつ順次本体３０内のシート材改質部３０Ａへ送り込む。その送り込まれたシート材Ｓは、従動ローラ３４とピンチローラ３６に挟まれて搬送ベルト３２上へ搬入され、各放電電極２１と誘電体２３との間を搬送ベルト３２に載って図６で左方へ搬送される。

その搬送中に、シート材の表面が上述した誘電体バリア放電によるプラズマに触れて改質が進行する。それは、プラズマにより、空気中の成分やシート材自体に含まれている成分によって形成される種々の親水性官能基等の基が、シート材の表面に形成されて表面エネルギーが高くなり、例えばシート材の表面に撥水性を有する部分を含んでいる場合に、その部分が親水化されることによって改質が行われる。

放電部２０内にシート材Ｓが存在する領域では、沿面放電によるプラズマが、シート材Ｓの表面に沿うように発生するので、効果的に改質がなされる。
シート材改質部３０Ａによる表面改質処理が完了したシート材は、本体３０から送出されてシート材積載部５０に積載される。

放電電極２１が搬送ベルト３２の移動方向に沿って多数本配置されており、各放電電極２１は金属線２１ａの周囲に絶縁体２１ｂを設けた丸棒状に形成されているので、放電の集中が避けられ、全体に均一性のある改質がなされる。
各放電電極２１をシート材の移動によって連れ回り可能に支持したり、上下動可能に支持して下方への押圧力を付与し、各放電電極２１が常時シート材の表面に接触するようにすれば、なお均一性を向上させ、エネルギーの損失も抑制することができる。

このように改質処理によって親水性を高めたシート材を、例えばインクジェット方式の画像形成装置の印刷シートに使用すれば、インク滴の付着性がよいので画像品質が向上し、インクの乾燥時間も短くなるので、加熱乾燥を行う必要がなくなる。また、自動両面印刷も迅速に行うことが可能になる。
あるいは、電子写真方式の画像形成装置によって画像を形成したシート材を、この改質処理によって親水性を高めてから、ニス等のコート剤を塗布する後処理を行えば、全面に均一にコート剤を塗布することができる。それによって、画像を形成したシート材の表面を保護したり、艶出しして付加価値を高めたりすることが容易になる。

〔画像形成装置及び印刷物の生産方法の実施形態〕
次に、この発明による画像形成装置の一実施形態を図７によって説明する。図７はこの発明の一実施形態であるインクジェット方式の画像形成装置の要部のみを示す概略構成図である。
この画像形成装置６は、機内のシート材の略水平な搬送経路中に画像形成部６０を備えており、その搬送方向上流側に、図６によって説明したシート材改質装置３内に設けたものと同じシート材改質部３０Ａを設けている。そのシート材改質部３０Ａは、高電圧インバータ１０と放電部２０からなる誘電体バリア放電発生装置１と、シート材搬送装置３１とによって構成されているが、図６によって説明したものと同じであるから、その説明は省略する。

画像形成部６０には、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、及びブラック（Ｋ）の４色のライン型インクジェットヘッド６１ｙ，６１ｃ，６１ｍ，６１ｋを有するヘッドユニット６１が設けられている。
したがって、この画像形成部６０はインクジェット方式の画像形成部であり、さらには、フルカラーのライン型インクジェットヘッドを用いた画像形成部である。
なお、図７では、各インクジェットヘッドにおけるインクの乾燥を防止するための部材等は図示を省略している。

また、ライン型インクジェットヘッドに代えて、ヘッドユニットをキャリッジに搭載して、シート材の搬送方向と直交する方向に走査しながら画像を形成する走査型のインクジェットヘッドを使用してもよい。
ヘッドユニット６１の下側には、無端広幅ベルト６２が、駆動ローラ６３と２本の従動ローラ６４、６５とテンションローラ６６に巻きつけられて所定の張力を与えられて、矢印Ｇ方向に周回移動（回動）されるように設けられている。

その無端広幅ベルト６２には多数の孔が形成されており、その内側にエアー吸引ダクト６７が設けられている。したがって、無端広幅ベルト６２はその孔を通してエアー吸引ダクト６７によって空気が吸引されることによって、シート材Ｓの裏面を吸着して搬送する。エアー吸引ダクト６７は、図示しない吸引用ブロア装置によってエアー吸引力を発生する。
駆動ローラ６３の上流側には搬送ローラ対６８が、従動ローラ６４の下流側には搬送ローラ対６９が、それぞれ搬送するシート材を挟む位置に設けられている。搬送ローラ対６８，６９は、いずれも一方のローラが駆動ローラで、他方のローラが従動ローラである。

この画像形成装置６によれば、図示していないシート材給送部から順次給送されるシート材Ｓが、図７の矢示Ｅ方向からシート材改質部３０Ａへ送り込まれ、搬送ベルト３２によって誘電体バリア放電発生装置１の放電部２０内を左方へ移動する。その際にシート材Ｓの表面が放電によるプラズマに接触して改質され、親水性が高められる。
その改質されたシート材Ｓが、放電部２０から出ると、搬送ベルト３２から画像形成部６０の搬送ローラ対６８に受け渡され、矢示F方向へ送られる。そのシート材Ｓが無端広幅ベルト６２上に吸着されて、ヘッドユニット６１と対向する画像形成位置を一定の速度で搬送される。

その間にヘッドユニット６１は、図示していない用紙先端検知センサによる用紙先端の検出時点からタイミングをとって、各色のインクジェットヘッド６１ｙ，６１ｃ，６１ｍ，６１ｋを駆動する。それによって、シート材Ｓの矢示Ｆ方向への搬送に伴って、インクジェットヘッド６１ｙ，６１ｃ，６１ｍ，６１ｋの各先端のノズルから、それぞれイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、及びブラック（Ｋ）の液状記録剤である水性インク滴をシート材Ｓの表面に順次吐出させて、フルカラーの画像を形成（印刷）する。

ヘッドユニット６１によって画像が形成された印刷済みシート材Ｓ′は、搬送ローラ対６９によって搬送され、機外へ排出される。しかし、その印刷済みシート材Ｓ′の裏面にも画像を形成する場合には、図示していない反転搬送機構によって表裏を反転して、再びシート材改質部３０Ａへ給送する。そして、シート材改質部３０Ａでシート材Ｓ′の裏面の改質処理を行ってから、画像形成部６０へ送り込み、その裏面にヘッドユニット６１によって画像を形成する。

画像形成部６０の下流側に、ニス等のコート剤を塗布する後処理部を設けて、印刷済みシート材Ｓ′の表面にコート剤を塗布するようにしてもよい。その場合、印刷済みシート材Ｓ′の表面は既に改質されて親水化されているので、全面に均一にコート剤を塗布することができる。それによって、画像を形成したシート材の表面を保護したり、艶出しして付加価値を高めたりすることができる。

また、画像形成部として電子写真方式の画像形成部を備えた画像形成装置の場合、画像形成部の下流側にシート材改質部３０Ａを配置し、そのさらに下流側にコート剤を塗布する後処理部を設けるとよい。それによって、電子写真方式でトナーによる画像を転写及び定着されたシート材の表面を改質処理して、その全面に均一にコート剤を塗布することができる。それは、トナー粒子に含有されるワックスや定着時に付着するシリコンオイル等の影響によって、シート材の表面に形成される撥水性を有する部分を、シート材改質部３０Ａで改質して親水化できるからである。上記画像形成部を、インクジェット方式を含む他の方式で、シート材の表面に画像を形成（印刷）するものにしてもよい。

この発明による印刷物の生産方法の実施形態は、前述したこの発明によるいずれかの誘電体バリア放電発生装置を使用して、その誘電体バリア放電によってシート材の表面を改質する工程と、その工程によって改質されたシート材の表面に、インクジェットヘッドが吐出するインク滴によって印刷する工程とを有する。
その各工程は、図７によって説明した画像形成装置によって実施できる。

この発明による印刷物の生産方法の他の実施形態は、シート材の表面にトナー又はインクによって印刷を行う工程と、前述したこの発明によるいずれかの誘電体バリア放電発生装置を使用して、上記工程によって印刷されたシート材の表面を誘電体バリア放電によって改質する工程と、その工程によって改質されたシート材の表面にコート剤を塗布する工程とを有する。これによっても上述した効果が得られる。

この発明による画像形成装置及び印刷物の生産方法は、プリンタに限らず、複写機、ファクシミリ装置、それらの複数の機能を持つデジタル複合機、業務用大型プリンタなどでも実施できる。また、カラー画像を形成するものに限らず、モノクロ画像を形成するものでもよいし、使用するシート材はカットシートに限らず、ロール状に巻かれた長尺シートでもよい。

この発明による誘電体バリア放電発生装置、シート材改質装置、および画像形成装置および印刷物の生産方法は、それぞれ上述した各実施形態に限定されるものではなく、種々の変更、追加、あるいは省略が可能であることは言うまでもない。

１：誘電体バリア放電発生装置 ３：シート材改質装置 ６：画像形成装置
１０：高電圧インバータ １１：商用電源 １２：整流・平滑回路
１３：トランス １４：スイッチング素子 １５：制御回路
１６：アース側の出力線 １７：高圧側の出力線
２０：放電部 ２１：放電電極 ２１ａ：金属線 ２１ｂ：絶縁体
２２：カウンタ電極 ２２ａ：対向面 ２３：誘電体
２１ｃ：回転軸 ２４：搬送ベルト ２５：スプリング

３０：本体 ３０Ａ：シート材改質部 ３１：シート材搬送装置
３２：搬送ベルト ３３：駆動ローラ ３４：従動ローラ
３５：テンションローラ ３６：ピンチローラ ３７：キャスタ
４０：シート材給送部 ４１：トレイ ５０：シート材積載部
６０：画像形成部 ６１：ヘッドユニット
６１ｙ，６１ｃ，６１ｍ，６１ｋ：ライン型インクジェットヘッド
６２：無端広幅ベルト ６３：駆動ローラ ６４，６５：従動ローラ
６６：テンションローラ ６７：エアー吸引ダクト ６８，６９：搬送ローラ対

Ｎｐ：励磁巻線 Ｎｓ：出力巻線 Ｓｐ：スイッチング信号
Ｌ：出力巻線のインダクタンス Ｃ１：出力巻線の分布容量
Ｃｏ：放電部の等価容量（負荷容量） Ｓ：シート材
Ｖin：入力電圧 Ｖout：出力電圧

特開２０１１−５７４４２号公報 特開２００９−２１５０９５号公報

Claims (9)

1. 放電電極と、該放電電極との対向面に誘電体を被着したカウンタ電極との間に高電圧インバータの出力高電圧を印加して、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電による誘電体バリア放電を発生させる誘電体バリア放電発生装置であって、
   前記高電圧インバータは、入力電圧をスイッチングしてトランスの励磁巻線に流す励磁電流をオン・オフし、オンのときに該励磁巻線に励磁エネルギーをため、オフのときに該トランスの出力巻線のインダクタンスと、該出力巻線の分布容量及び前記放電電極と前記カウンタ電極間の負荷容量との合成容量とによる並列共振回路によって、前記励磁巻線と前記出力巻線の巻数比に応じた高電圧を出力するフライバック型電圧共振インバータであり、
   前記励磁電流をオン・オフするスイッチング周波数が１０ＫＨｚから６０ＫＨｚであり、前記誘電体の誘電正接が０．００９から０．０２の範囲にあることを特徴とする誘電体バリア放電発生装置。
2. 前記誘電体がシリコン系材料からなることを特徴とする請求項１に記載の誘電体バリア放電発生装置。
3. 前記誘電体が誘電材料に炭素を混合させたものであることを特徴とする請求項１に記載の誘電体バリア放電発生装置。
4. 前記誘電材料がフッ素系材料であることを特徴とする請求項３に記載の誘電体バリア放電発生装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の誘電体バリア放電発生装置を備え、該誘電体バリア放電発生装置の前記放電電極と誘電体との間を通してシート材を搬送し、前記誘電体バリア放電によって前記シート材を改質することを特徴とするシート材改質装置。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載の誘電体バリア放電発生装置を備え、該誘電体バリア放電発生装置の前記放電電極と誘電体との間を通してシート材を搬送し、前記誘電体バリア放電によって前記シート材を改質するシート材改質部と、
   シート材に画像を形成する画像形成部とを備え、
   該画像形成部で画像を形成する前のシート材又は画像を形成した後のシート材を、前記シート材改質部によって改質することを特徴とする画像形成装置。
7. 前記画像形成部がインクジェットヘッドを有し、該インクジェットヘッドが吐出するインク滴によってシート材に画像を形成するインクジェット方式の画像形成部であり、該画像形成部で画像を形成する前のシート材を、前記シート材改質部によって改質して親水化することを特徴とする請求項６に記載の画像形成装置。
8. 請求項１から４のいずれか一項に記載の誘電体バリア放電発生装置を使用して、誘電体バリア放電によってシート材の表面を改質する工程と、
   該工程によって改質されたシート材の表面に、インクジェットヘッドが吐出するインク滴によって印刷する工程と
   を有することを特徴とする印刷物の生産方法。
9. シート材の表面にトナー又はインクによって印刷を行う工程と、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の誘電体バリア放電発生装置を使用して、前記工程によって印刷されたシート材の表面を、誘電体バリア放電によって改質する工程と、
   該工程によって改質されたシート材の表面にコート剤を塗布する工程と
   を有することを特徴とする印刷物の生産方法。

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