JP6890680B2

JP6890680B2 - プラズマ照射装置

Info

Publication number: JP6890680B2
Application number: JP2019559944A
Authority: JP
Inventors: 神藤　高広; 高広神藤; 俊之池戸; 慎二瀧川; 陽大丹羽
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: EP3731603A4; JPWO2019123584A1; EP3731603A1; EP3731603B1; US11632851B2; US20200396821A1; WO2019123584A1; CN111466156A

Description

本発明は、プラズマ化されたガスを照射するプラズマ照射装置に関する。

プラズマ照射装置は、例えば、下記特許文献記載されているように、プラズマ化されたガスであるプラズマ化ガスを噴出させるプラズマヘッドを備え、そのプラズマ化ガスをワークの表面に照射するように構成されている。プラズマヘッドには、ガス供給装置から、ガスチューブを介して、プラズマ化ガスの元となる反応ガスやその反応ガスを運ぶためのキャリアガスが供給される。プラズマヘッドは、１対の電極を備え、それら電極間に電圧を印加し、それら電極間を通過する反応ガスをプラズマ化させる。そのプラズマ化させたガスおよびキャリアガスは、プラズマヘッドのノズルから噴出させられる。

特開２０１２−１２９３５６号公報

発明の解決しようとする課題

上記のようなプラズマ照射装置は、開発途上であり、何らかの改良を施すことで、実用性を向上させることが可能である。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、実用性の高いプラズマ照射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のプラズマ照射装置は、
プラズマ化ガスを発生させてノズルからそのプラズマ化ガスを噴出させるプラズマヘッドと、
そのプラズマヘッドにガスを流量調節しつつ供給するためのガス供給装置と、
そのガス供給装置と前記プラズマヘッドとの間を繋いでガスの流路となるガスチューブと、
前記ガス供給装置から供給されるガスの圧力を検出する圧力検出器と、
前記ガスチューブの長さとそのガスチューブを通過するガスの流量とに基づいて設定されている基準チューブ圧力損失と、前記プラズマヘッドの型式とそのプラズマヘッドを通過するガスの流量とに基づいて設定されている基準ヘッド圧力損失とに基づいて、前記圧力検出器によって検出されるべきガスの圧力である基準圧力を設定し、前記圧力検出器によって実際に検出されたガスの圧力である実圧力と基準圧力との差に基づいて、ガスの流れについての前記プラズマヘッドにおける詰りであるヘッド詰りを判定する詰り判定器と
を備えたプラズマ照射装置であって、
当該プラズマ照射装置が、
それぞれが前記ガス供給装置として機能する複数のガス供給装置と、
それぞれが前記ガスチューブとして機能し、それら複数のガス供給装置と前記プラズマヘッドとをそれぞれ繋ぐ複数のガスチューブと、
それぞれが前記圧力検出器として機能し、前記複数のガス供給装置のそれぞれから供給されるガスの圧力を検出する複数の圧力検出器と
を備え、
前記プラズマヘッドが、前記複数のガス供給装置から前記複数のガスチューブを通過したガスが内部において混合されるように構成され、
前記基準チューブ圧力損失が、前記複数のガスチューブごとに複数設定されており、
前記詰り判定器が、
複数設定された前記基準チューブ圧力損失と、前記基準ヘッド圧力損失とに基づいて、前記複数の圧力検出器ごとの前記基準圧力を設定し、前記複数の圧力検出器のそれぞれによって検出された実圧力と前記複数の圧力検出器ごとの前記基準圧力との差のいずれもが設定差を超える場合に、ヘッド詰りが生じていると判定するように構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、プラズマヘッドに供給されるガスの圧力を検出でき、その圧力を種々のことに利用することが可能である。したがって、本発明によれば、実用的なプラズマ照射装置を構築することができる。具体的には、例えば、検出された圧力に基づいて、ガスの流れについてのプラズマヘッドにおける詰りであるヘッド詰りを、簡便に判定することができる。

実施例のプラズマ照射装置であるプラズマ処理機の全体構成を示す斜視図である。図１のプラズマ処理機が有するプラズマヘッドとしての照射ヘッドを、カバーを外した状態で示す斜視図である。図２の照射ヘッドの断面図である。図１のプラズマ処理機に装着可能な別のプラズマヘッドを示す断面図である。図１のプラズマ処理機におけるプラズマヘッドへのガスの供給に関する構成を説明するための模式図である。

以下、本発明のプラズマ照射装置の代表的な実施形態を、実施例として、図を参照しつつ詳しく説明する。なお、本発明は、下記実施例の他、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することができる。

［Ａ］プラズマ照射装置の全体構成
本発明のプラズマ照射装置の実施例としてのプラズマ処理機は、図１に示すように、ワークＷが載置されるテーブル１０と、テーブル１０の傍らに配置されたシリアルリンク型ロボット（「多間接型ロボット」と呼ぶこともでき、以下、単に「ロボット」と略す）１２と、ロボット１２に保持されてプラズマ化ガスを照射するためのプラズマヘッドである照射ヘッド１４と、照射ヘッド１４への電源であり照射ヘッド１４へのガスの供給を担う電源・ガス供給ユニット１６と、当該プラズマ処理機の制御を司る制御装置としてのコントローラ１８とを含んで構成されている。ちなみに、ロボット１２は、ワークにプラズマ化ガスを照射するために照射ヘッド１４を移動させるヘッド移動装置として機能する。

照射ヘッド１４は、カバーを外した状態を示す図２、および、断面図である図３を参照しつつ説明すれば、概してセラミック製のハウジング２０を有しており、そのハウジング２０の内部に、プラズマ化ガスを発生させるための反応室２２が形成されている。そして、反応室２２に臨み出るようにして、１対の電極２４が保持されている。また、ハウジング２０内には、上方から反応室２２に反応ガスを流入させるための反応ガス流路２６と、キャリアガスを流入させるための１対のキャリアガス流路２８とが形成されている。反応ガス（種ガス）は、酸素（Ｏ₂）であるが、反応ガス流路２６からは、酸素と窒素（Ｎ₂）との混合気体（例えば、乾燥空気（Air））が、電極２４の間に流入させられる（以下、この混合気体をも、便宜的に「反応ガス」と呼び、酸素を「種ガス」と呼ぶ場合があることとする）。キャリアガスは、窒素であり、それぞれのキャリアガス流路２８から、それぞれの電極２４を取り巻くようにして流入させられる。照射ヘッド１４の下部は、ノズル３０とされており、ノズル３０には、複数の放出口３２が一列に並ぶようにして形成されている。そして、反応室２２から下方に向かって各放出口３２に繋がるように複数の放出路３４が形成されている。

１対の電極２４の間には、電源・ガス供給ユニット１６の電源部によって、交流の電圧が印加される。この印加によって、例えば、図３に示すように、反応室２２内において、１対の電極２４の各々の下端の間に、擬似アークＡが発生させられる。この擬似アークＡを反応ガスが通過する際に、その反応ガスがプラズマ化され、プラズマ化されたガスであるプラズマ化ガスが、キャリアガスとともに、ノズル３０から放出（噴出）される。

なお、ノズル３０の周囲には、ノズル３０を囲うようにしてスリーブ３６が設けられている。スリーブ３６とノズル３０との間の環状空間３８には、供給管４０を介して、シールドガスとしてのヒートガス（本プラズマ処理機では、空気が採用されている）が供給され、そのヒートガスは、ノズル３０から射出されるプラズマ化ガスの周囲を取り巻くようにして、プラズマ化ガスの流れに沿って放出される。ヒートガスは、名前のとおり、プラズマ化ガスの効能を担保するために加熱されたものが放出される。そのため、供給管４０の途中には、加熱のためのヒータ４２が設けられている。

プラズマ処理機は、上述の照射ヘッド１４に代えて、別のプラズマヘッドをロボットに取り付け可能とされている。図４は、別のプラズマヘッドの一例である、照射ヘッド１４’を示す。図に示す照射ヘッド１４’は、ノズル３０’において、比較的径の大きい１つの放出口３２’が設けられており、反応室２２から下方に向かって放出口３２’に繋がるように１つの放出路３４’が形成されている。スリーブ３６’，環状空間３８’は、ノズル３０’に合致するように変更されている。他の構成は、照射ヘッド１４と同様であるため、説明を省略する。このように、プラズマ処理機は、型式の異なるプラズマヘッドを装着可能とされているのである。

電源・ガス供給ユニット１６は、電源部とガス供給部とを含んで構成されている。電源部は、照射ヘッド１４の１対の電極２４間に電圧を印加するための電源を有しており、ガス供給装置として機能するガス供給部は、上述の反応ガス，キャリアガス，シールドガスの供給を行う。ガス供給部によるガスの供給については、以下に詳しく説明する。

［Ｂ］ガスの供給
図５に示すように、電源・ガス供給ユニット１６には、詳しく言えば、電源・ガス供給ユニット１６のガス供給部５０には、窒素ガス（Ｎ₂）の供給源となる窒素ガス発生装置５２と、空気（Air）（例えば、乾燥空気である）の供給源となるコンプレッサ５４とから、それぞれ、窒素ガス，空気が供給される。ちなみに、窒素ガス発生装置５２は、コンプレッサ５４から供給される空気から、窒素ガスを分離するように構成されている。

ガス供給部５０は、上述した反応ガスを構成する種ガスとしての酸素を含む空気（Air），反応ガスを構成する窒素ガス（Ｎ₂），照射ヘッド１４の１対のキャリアガス流路２８に対応した２系統のキャリアガスとしての窒素ガス（Ｎ₂），ヒートガスとなる空気（Air）に対応して、それぞれが流量調節器となるマスフローコントローラ５６を有している。便宜的に、マスフローコントローラ５６については、５つの各々を区別する必要がある場合には、マスフローコントローラ５６ａ１，５６ａ２，５６ｂ〜５６ｄということがあることとする。マスフローコントローラ５６ａ１によって流量調整された空気と、マスフローコントローラ５６ａ２によって流量調整された窒素ガスは、混合器５８によって混合され、反応ガス（Ｎ₂＋Ｏ₂）が生成される。

反応ガス，２系統のキャリアガス，ヒートガスは、４本のガスチューブ６０を介して、それぞれ照射ヘッド１４に供給される（図１をも参照）。ちなみに、ガスチューブ６０を、以下、単に「チューブ６０」と略し、４本の各々を区別する必要がある場合には、ガスチューブ６０ａ〜６０ｄということがあることとする。チューブ６０ａ〜６０ｃを介して供給された反応ガス，２系統のキャリアガスは、照射ヘッド１４内の反応室２２において混合され、プラズマ化された酸素を含む混合ガスが、ノズル３０，３０’から放出される。なお、電源・ガス供給ユニット１６内には、４本のチューブ６０のマスフローコントローラ５６側において、４本のチューブ６０を通過するガスの圧力を検出するために、それぞれが圧力検出器である圧力センサ６２が設けられている。言い換えれば、圧力センサ６２は、各チューブ６０とガス供給部５０との間に設けられている。ちなみに、圧力センサ６２については、４つの各々を区別する必要がある場合には、圧力センサ６２ａ〜６２ｄということとする。なお、各チューブ６０に対応して、マスフローコントローラ５６ａ１，５６ａ２および混合器５８を、１つのガス供給装置と、マスフローコントローラ５６ｂ〜５６ｄを、それぞれ、別のガス供給装置と考えることもできる。

［Ｃ］照射ヘッド，ガスチューブの詰りのそれらの判定
ガスの流れに対する詰りは、プラズマ化ガスを照射して行うプラズマ処理を良好に行うことを阻害する要因となる。詰りは、具体的には、例えば、照射ヘッド１４，１４’のノズル３０，３０’、ヒートガスに関する環状空間３８，３８’、潰れ等に起因して各チューブ６０において生じ得る。本プラズマ処理機では、コントローラ１８において、それらの詰りを、判定するようにされている。

図５は、照射ヘッド１４を取り付けた場合を模式的に示しているが、その図から解るように、各チューブ６０の各々において圧力損失が発生し、照射ヘッド１４においても、キャリアガスおよび反応ガスの系統（以下、「主ガス系統」という場合がある）、ヒートガスの系統（以下、「ヒートガス系統」という場合がある）のそれぞれに圧力損失が発生する。各チューブ６０ａ〜６０ｄにおける圧力損失を、チューブ圧力損失ΔＰ_TA〜ΔＰ_TDとし、それぞれ、主ガス系統の照射ヘッド１４における圧力損失を主ガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HMと、ヒートガス系統の照射ヘッド１４における圧力損失をヒートガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HHとすれば、上記圧力センサ６２ａ〜６２ｄによって検出されるガスの圧力である実圧力Ｐ_A〜Ｐ_Dは、それぞれ、
Ｐ_A＝ΔＰ_TA＋ΔＰ_HM
Ｐ_B＝ΔＰ_TB＋ΔＰ_HM
Ｐ_C＝ΔＰ_TC＋ΔＰ_HM
Ｐ_D＝ΔＰ_TD＋ΔＰ_HH
となる。

マスフローコントローラ５６ａ１，５６ａ２，５６ｂ〜５６ｄによって調整されているそれぞれのガスの流速（単位時間あたりの質量流量）を、Ｆ_A1，Ｆ_A2，Ｆ_B〜Ｆ_Dとすれば、チューブ６０ａ〜６０ｄには、流速Ｆ_A（＝Ｆ_A1＋Ｆ_A2）〜Ｆ_Dのガスが流れる。各チューブ６０に適切にガスが流れている場合における各チューブ６０のチューブ圧力損失ΔＰ_TA〜ΔＰ_TDを、基準チューブ圧力損失ΔＰ_TA0〜ΔＰ_TD0とすれば、それら基準チューブ圧力損失ΔＰ_TA0〜ΔＰ_TD0は、それぞれ、各チューブ６０を通過するガスの流速Ｆ_A〜Ｆ_Dと、各チューブ６０の長さであるチューブ長Ｌ（本プラズマ処理機では、各チューブ６０の長さは互いに等しいと考えることができる）に基づいて、下記の式のように定まる。
ΔＰ_TA0＝ｆ_TA（Ｆ_A，Ｌ）＝ｆ_TA（Ｆ_A1＋Ｆ_A2，Ｌ）
ΔＰ_TB0＝ｆ_TB（Ｆ_B，Ｌ）
ΔＰ_TC0＝ｆ_TC（Ｆ_C，Ｌ）
ΔＰ_TD0＝ｆ_TD（Ｆ_D，Ｌ）
ここで、ｆ_TA（）〜ｆ_TD（）は、それぞれ、流速Ｆ_A〜Ｆ_D，チューブ長Ｌをパラメータとする関数である。

一方で、照射ヘッド１４内を適切にガスが流れている場合における主ガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HM，ヒートガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HHを、基準主ガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HM0，基準ヒートガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HH0とすれば、それら基準主ガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HM0，基準ヒートガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HH0は、それぞれ、主ガス系統，ヒートガス系統を流れるガスの流速、つまり、主ガス系統流速Ｆ_M（＝Ｆ_A＋Ｆ_B＋Ｆ_C），ヒートガス系統流速Ｆ_H（＝Ｆ_D）と、照射ヘッド１４の型式Ｔｙとに基づいて、下記の式のように定まる。
ΔＰ_HM0＝ｆ_HM（Ｆ_M，Ｔｙ）＝ｆ_HM（Ｆ_A＋Ｆ_B＋Ｆ_C，Ｔｙ）
＝ｆ_HM（Ｆ_A1＋Ｆ_A2＋Ｆ_B＋Ｆ_C，Ｔｙ）
ΔＰ_HH0＝ｆ_HH（Ｆ_HH，Ｔｙ）＝ｆ_HH（Ｆ_D，Ｔｙ）
ここで、ｆ_HM（），ｆ_HH（）は、流速Ｆ_M，Ｆ_HH，ヘッド型式Ｔｙをパラメータとする関数である。

コントローラ１８は、基準チューブ圧力損失ΔＰ_TA0〜ΔＰ_TD0，基準主ガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HM0，基準ヒートガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HH0を求めるためのデータを、上記関数ｆ_TA（）〜ｆ_TD（），ｆ_HM（），ｆ_HH（）の形式で、若しくは、値が離散的に設定された流速Ｆ_A〜Ｆ_D，チューブ長Ｌ、流速Ｆ_M，Ｆ_HH，ヘッド型式Ｔｙごとのマトリクスデータの形式で格納しており、それらのデータと、マスフローコントローラ５６ａ１，５６ａ２，５６ｂ〜５６ｄによって実際に調整されているそれぞれのガスの流速Ｆ_A1，Ｆ_A2，Ｆ_B〜Ｆ_D、取り付けられているチューブ６０のチューブ長Ｌ、取り付けられている照射ヘッド１４，１４’の型式Ｔｙとに基づいて、実際にプラズマ処理を行っている際の、若しくは、実際にプラズマ処理を行う前の基準チューブ圧力損失ΔＰ_TA0〜ΔＰ_TD0，基準主ガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HM0，基準ヒートガス系統ヘッド圧力損失ΔＰ_HH0を求め、その結果に基づいて、基準となるガス圧である基準圧力Ｐ_A0〜Ｐ_D0を、下記式に従って求めるようにされている。
Ｐ_A0＝ΔＰ_TA0＋ΔＰ_HM0
Ｐ_B0＝ΔＰ_TB0＋ΔＰ_HM0
Ｐ_C0＝ΔＰ_TC0＋ΔＰ_HM0
Ｐ_D0＝ΔＰ_TD0＋ΔＰ_HH0

そして、コントローラ１８は、圧力センサ６２ａ〜６２ｄによって検出された実圧力Ｐ_A〜Ｐ_Dと、基準圧力Ｐ_A0〜Ｐ_D0とを比較して、照射ヘッド１４，１４’のノズル３０，３０’の詰り，ヒートガスに関する環状空間３８，３８’の詰りを判定する。具体的には、実圧力Ｐ_A〜Ｐ_Cの各々が、各々に対して設定されたマージン圧ｄＰ_A〜ｄＰ_C（設定差）を超えて高くなっている場合には、ノズル３０，３０’の詰りが生じていると判定され、実圧力Ｐ_Dが、設定されたマージン圧ｄＰ_Dを超えて高くなっている場合には、環状空間３８，３８’における詰りが生じていると判定される。つまり、コントローラ１８は、ガスの流れについてのプラズマヘッドにおける詰りであるヘッド詰りを判定する詰り判定器として機能するのである。

一方で、コントローラ１８は、実圧力Ｐ_A〜Ｐ_Cのいずれかだけが、その各々に対して設定されたマージン圧ｄＰ_A〜ｄＰ_Cを超えて高くなっている場合には、その実圧力Ｐ_A〜Ｐ_Cが高くなっているガスが通過する１つのチューブ６０ａ〜６０ｃにおいて詰りが生じていると判定する。なお、上記実圧力Ｐ_Dに基づく判定では、つまり、実圧力Ｐ_Dが、設定されたマージン圧ｄＰ_Dを超えて高くなっている場合の判定では、チューブ６０ｄ，照射ヘッド１４，１４’のヒートガス系統のいずれかの箇所において詰りが生じていると判定してもよい。

１４，１４’：照射ヘッド〔プラズマヘッド〕１６：電源・ガス供給ユニット１８：コントローラ〔制御装置〕〔詰り判定器〕２２：反応室２４：電極３０，３０’：ノズル３８，３８’：環状空間５０：ガス供給部〔ガス供給装置〕５６，５６ａ〜５６ｄ：マスフローコントローラ〔流量調節器〕６０，６０ａ〜６０ｄ：ガスチューブ６２，６２ａ〜６２ｄ：圧力センサ〔圧力検出器〕

Claims

プラズマ化ガスを発生させてノズルからそのプラズマ化ガスを噴出させるプラズマヘッドと、
そのプラズマヘッドにガスを流量調節しつつ供給するためのガス供給装置と、
そのガス供給装置と前記プラズマヘッドとの間を繋いでガスの流路となるガスチューブと、
前記ガス供給装置から供給されるガスの圧力を検出する圧力検出器と、
前記ガスチューブの長さとそのガスチューブを通過するガスの流量とに基づいて設定されている基準チューブ圧力損失と、前記プラズマヘッドの型式とそのプラズマヘッドを通過するガスの流量とに基づいて設定されている基準ヘッド圧力損失とに基づいて、前記圧力検出器によって検出されるべきガスの圧力である基準圧力を設定し、前記圧力検出器によって実際に検出されたガスの圧力である実圧力と基準圧力との差に基づいて、ガスの流れについての前記プラズマヘッドにおける詰りであるヘッド詰りを判定する詰り判定器と
を備えたプラズマ照射装置であって、
当該プラズマ照射装置が、
それぞれが前記ガス供給装置として機能する複数のガス供給装置と、
それぞれが前記ガスチューブとして機能し、それら複数のガス供給装置と前記プラズマヘッドとをそれぞれ繋ぐ複数のガスチューブと、
それぞれが前記圧力検出器として機能し、前記複数のガス供給装置のそれぞれから供給されるガスの圧力を検出する複数の圧力検出器と
を備え、
前記プラズマヘッドが、前記複数のガス供給装置から前記複数のガスチューブを通過したガスが内部において混合されるように構成され、
前記基準チューブ圧力損失が、前記複数のガスチューブごとに複数設定されており、
前記詰り判定器が、
複数設定された前記基準チューブ圧力損失と、前記基準ヘッド圧力損失とに基づいて、前記複数の圧力検出器ごとの前記基準圧力を設定し、前記複数の圧力検出器のそれぞれによって検出された実圧力と前記複数の圧力検出器ごとの前記基準圧力との差のいずれもが設定差を超える場合に、ヘッド詰りが生じていると判定するように構成されたプラズマ照射装置。
前記詰り判定器が、
前記複数の圧力検出器の１つによって検出された実圧力とその１つについての前記基準圧力との差だけが設定差を超える場合に、その複数の圧力検出器の１つが前記複数のガス供給装置の１つとの間に設けられている前記複数のガスチューブの１つにおいて、ガスの流れにおけるガスチューブの詰りであるチューブ詰りが生じていると判定するように構成された請求項１に記載のプラズマ照射装置。
前記圧力検出器が、前記ガス供給装置と前記ガスチューブとの間に設けられた請求項１または請求項２に記載のプラズマ照射装置。