JPWO2020026399A1 - 油除去方法、接着方法、組立装置、および大気圧プラズマ装置 - Google Patents

油除去方法、接着方法、組立装置、および大気圧プラズマ装置 Download PDF

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Abstract

油が付着した対象物の形状にかかわらず、油を除去できる技術を提供することを目的とする。酸素プラズマを含むプラズマガスを照射することにより、切削油を分解する。酸素ラジカルは、油を構成する炭素元素および水素元素をそれぞれ二酸化炭素および水に分解して除去する。したがって、酸素プラズマを含むプラズマガスを照射することにより、切削油に含まれるパラフィンおよびエステルを分解することができる。プラズマガスは対象物の形状に沿って流動することができるため、対象物の油の付着部分の形状にかかわらず、油を除去することができる。

Description

本発明は、油除去方法、接着方法、組立装置、および大気圧プラズマ装置に関するものである。
近年、プラズマの利用について種々の検討がされており、例えば特許文献１には、水蒸気プラズマを用いた油性成分含有物質に対する抗酸化処理方法について開示されている。
特開２０１０−２４６５０９号公報
ところで、工業製品の製造工程あるいは使用過程において、油が使用される機会は多い。また、これに付随して、油の除去が必要とされる機会も多い。
例えば、自動車製造工程においては、部品となる金属の切削が行われる場合に、切削油が使用される。切削油は一般に接着剤を用いた接着の接着性を低下させるため、成形された部品の接着に先行して除去の必要がある。しかしながら、金属の切削面は凹凸が生じている場合が多く、ふき取るなどしても除去しきれない場合があった。
本願は、上記の課題に鑑み提案されたものであって、油が付着した対象物の形状にかかわらず、油を除去できる技術を提供することを目的とする。
本明細書は、対象物に付着した油に大気圧プラズマによりプラズマ化されたプラズマガスを照射するステップを含む油除去方法を開示する。
また、本明細書は、前記油除去方法により対象物に付着した油を除去する油除去ステップと、対象物の油が除去された部分と被接着物との間に接着剤を介在させて対象物と被接着物とを接着させる接着ステップと含む接着方法を開示する。
また、本明細書は、樹脂製の対象物に付着した油に大気圧プラズマによりプラズマ化された酸素プラズマを含むプラズマガスを照射する照射部と、プラズマガスの温度を対象物の融点より低い温度に制御する制御部と、対象物の油が除去された部分と被接着物との間に接着剤を介在させて対象物と被接着物とを接着させる接着部と、を備える組立装置を開示する。
また、本明細書は、樹脂製の対象物に付着した油に大気圧プラズマによりプラズマ化された酸素プラズマを含むプラズマガスを照射する照射部と、プラズマガスの温度を対象物の融点より低い温度に制御する制御部と、を備え、照射部は、放電によりプラズマを発生させる１対の電極と、１対の電極を内蔵し、１対の電極によりプラズマ化されたプラズマガスが流出する流出口を有する反応室と、反応室と連通し、プラズマガスが噴出するノズルブロックと、冷却加熱ガスが流れるガス流路を有し、反応室を冷却する冷却器と、ガス流路と連結され、冷却加熱ガスが流れるガス管と、ガス管に配設される加熱器と、ガス管と連結され、流出口の近傍に噴出口を有する連結部と、を有し、加熱器により加熱された冷却加熱ガスが噴出口からプラズマガスに対して噴出されることにより、プラズマガスは加熱され、制御部は、加熱器を制御することにより、プラズマガスの温度を制御する大気圧プラズマ装置を開示する。
本開示によれば、油が付着した対象物の形状にかかわらず、油を除去できる技術を提供することができる。
大気圧プラズマ装置を示す斜視図である。 プラズマガス噴出装置および加熱ガス供給装置を示す断面図である。 大気圧プラズマ装置の制御系統を示すブロック図である。 プラズマガス照射前および照射後のＦＴＩＲスペクトルであり、図４（ａ）は油面濃度１５％、図４（ｂ）は油面濃度１０％、図４（ｃ）は油面濃度５％、図４（ｄ）は油面濃度０％の結果である。 プラズマガス照射による切削油の分解を説明する模式図である。 各油面濃度におけるプラズマ処理前後の引張りせん断応力の結果である。 組立装置を示す図である。
第１実施形態
（大気圧プラズマ装置）
図１に示す様に、大気圧プラズマ装置１０は、不図示の保護カバーに覆われたプラズマヘッド１１と、制御装置１６（図３）とを備えている。プラズマヘッド１１は、プラズマガス噴出装置１２および加熱ガス供給装置１４を有する。以下の説明において、プラズマヘッド１１の幅方向をＸ方向と、プラズマヘッド１１の奥行方向をＹ方向と、Ｘ方向とＹ方向とに直行する方向、つまり、上下方向をＺ方向と称する。
プラズマガス噴出装置１２は、上部ハウジング１９、下部ハウジング２０、下部カバー２２、１対の電極２４，２６（図２）、１対のヒートシンク２７，２８によって構成されている。上部ハウジング１９と下部ハウジング２０とは、上部ハウジング１９を下部ハウジング２０の上に配設させた状態で、ゴム製のシール部材２９を介して連結されている。そして、連結された状態の上部ハウジング１９と下部ハウジング２０とが、Ｘ方向における両側面において、１対のヒートシンク２７，２８によって挟まれている。
後述するように、下部ハウジング２０内部に形成された反応室３８によりプラズマガスが生成され、生成されたプラズマガスは下部カバー２２の下面から下方に噴射される。ヒートシンク２７，２８は、上部ハウジング１９および下部ハウジング２０などを冷却する機能を有する。ヒートシンク２７，２８の内部には、供給口９６から排気口９８へ至る流路が形成されている。供給口９６には、供給パイプ１００を介して、冷却ガス供給装置１０２（図３）から、室温程度の空気である冷却ガスが供給される。冷却ガスは、熱交換により暖められ、排気口９８から排気される。
加熱ガス供給装置１４は、ガス管１１０と、ヒータ１１２と、連結ブロック１１４とを有している。ガス管１１０は、ヒートシンク２７，２８の内部に形成された冷却ガスが流れる流路と連結されている。詳しくは、ガス管１１０は、上端部において、排出パイプ１１６を介して、１対のヒートシンク２７，２８の排気口９８に接続されている。排出パイプ１１６は、一端部において二股に分岐しており、それら二股に分岐した端部が１対のヒートシンク２７，２８の排気口９８に連結されている。一方、排出パイプ１１６の他端部は分岐しておらず、ガス管１１０の上端に接続されている。これにより、１対のヒートシンク２７，２８から排出されたガスが、ガス管１１０に供給される。なお、ガス管１１０の外周面には、概して円筒状のヒータ１１２が配設されており、ガス管１１０がヒータ１１２によって加熱される。これにより、ヒートシンク２７，２８からガス管１１０に供給されたガスが加熱される。
次に、図２を用いて、プラズマガス噴出装置１２の内部構造について説明する。下部ハウジング２０は、メインハウジング３０、放熱板３１、アース板３２、連結ブロック３４、ノズルブロック３６を含む。メインハウジング３０は、概してブロック状をなし、メインハウジング３０の内部には、反応室３８が形成されている。反応室３８は、処理ガスが流入する流入口（不図示）およびプラズマガスが流出する流出口３９を有する。
アース板３２は、避雷針として機能するものであり、メインハウジング３０の下面に固定されている。アース板３２の下面に連結ブロック３４が固定されており、連結ブロック３４の下面にノズルブロック３６が固定されている。放熱板３１は、メインハウジング３０の側面に配設されている。放熱板３１は、複数のフィン（不図示）を有しており、メインハウジング３０の熱を放熱する。
メインハウジング３０、アース板３２、連結ブロック３４、およびノズルブロック３６において、ガス流路５０が形成されている。つまり、ノズルブロック３６は反応室３８と連通している。
連結ブロック１１４は、ガス管１１０の下端に連結されるとともに、下部カバー２２のＹ方向での加熱ガス供給装置１４側の側面に固定されている。連結ブロック１１４には、連通路１２０が形成されており、連通路１２０の一端部は、連結ブロック１１４の上面に開口するとともに、連通路１２０の他端部は、Ｙ方向でのプラズマガス噴出装置１２側の側面に開口している。そして、連通路１２０の一端部がガス管１１０の下端に連通し、連通路１２０の他端部が、下部カバー２２の貫通穴７２に連通している。これにより、ガス管１１０において加熱されたガスが、下部カバー２２に供給される。
１対の電極２４，２６は、メインハウジング３０の反応室３８の内部において、対向するように配設されている。その反応室３８には、ガス供給路（不図示）を介して、処理ガス供給装置７７（図３）から、酸素等の活性ガスと窒素等の不活性ガスとを任意の割合で混合させた処理ガスが供給される。
大気圧プラズマ装置１０の制御系統は、図３に示すように、制御装置１６と、処理ガス供給装置７７、および冷却ガス供給装置１０２が通信可能に接続されており、制御装置１６により、各部が制御されている。制御装置１６は、コンピュータを主体とするコントローラ１３０、駆動回路１３２〜１３４を有する。尚、駆動回路１３２は、電極２４，２６へ供給する電力を制御する回路である。駆動回路１３３は、処理ガス供給装置７７および冷却ガス供給装置１０２が供給する各ガスの流量を制御する回路である。駆動回路１３４は、ヒータ１１２へ供給する電力を制御する回路である。
大気圧プラズマ装置１０において、プラズマガス噴出装置１２では、上述した構成により、反応室３８の内部で処理ガスがプラズマ化され、ノズルブロック３６の下端からプラズマガスが噴出される。詳しくは、反応室３８の内部に、処理ガス供給装置７７によって処理ガスが供給される。この際、反応室３８では、反応室３８に内蔵される１対の電極２４，２６に電圧が印加されており、１対の電極２４，２６間に電流が流れる。これにより、１対の電極２４，２６間に放電が生じ、その放電により、処理ガスがプラズマ化され、発生されたプラズマガスが噴出される。尚、処理ガスには、活性ガスとして酸素が含まれるため、プラズマガスには酸素ラジカルが含まれる。ヒートシンク２７，２８を備えない場合には、プラズマ化の際、電極２４，２６への電圧の印加により反応室３８の温度は上昇する。しかし、大気圧プラズマ装置１０においては、冷却ガス供給装置１０２により冷却ガスがヒートシンク２７，２８の流路に供給され、熱交換により反応室３８が冷却される。尚、ヒートシンク２７，２８の流路を流れ、熱交換により暖められた冷却ガスは、ガス管１１０に供給され、ヒータ１１２により加熱される。加熱された冷却ガスは、下部カバー２２の内部に供給され下部カバー２２の貫通穴７０から、プラズマガスに対して噴出される。尚、貫通穴７０はノズルブロック３６の近傍にあり、ノズルブロック３６の下端から噴出されるプラズマガスの流路に配設されている。そして、下部カバー２２の貫通穴７０から、プラズマガスが、加熱された冷却ガスとともに噴出される。プラズマガスは、噴射される加熱された冷却ガスにより加熱される。ヒータ１１２は制御装置１６により制御されているため、プラズマガスの温度も制御されている。
（実施例）
大気圧プラズマ装置１０による大気圧プラズマガス照射による油除去の効果を検証するために、次に説明する実験を行った。まず、アルミダイカストである４つの平板状のテストピースを用意した。４つのテストピースのそれぞれに、工作機械用の切削油を０％、５％、１０％、１５％の油面濃度で塗布した。尚、工作機械で使用される際には、油面濃度は５〜１０％とされる。
ここで、テストピースをアルミダイカストとし、除去の対象とされる油を切削油としたのは、自動車の製造工程における利用を想定しているためである。例えば、自動車のＥＣＵ（engine control unit）の筐体は、アルミダイカストの複数部品からなり、切削油を用いた切削が行われる。また、切削後切削油の除去が行われ、その後接着剤により部品が互いに接着される。尚、ここでの接着剤とは、接着性を有するものであり、併せて密閉性を有する例えばＦＩＰＧ(Formed IN Place Gaskets)、シール剤などを含む概念である。
尚、切削油の成分は製造元により異なるが、主にパラフィン系鉱物油およびエステルを含む。
次に、プラズマガス照射前のテストピースを、フーリエ変換赤外線分光光度計（以下、ＦＴＩＲと記載する）を用いて分析した。次に、大気圧プラズマ装置１０を用いてテストピースに所定温度のプラズマガスを照射した。次に、プラズマガス照射後のテストピースを、ＦＴＩＲを用いて分析した。
図４（ａ）〜（ｄ）は、プラズマガス照射前および照射後のテストピースを、ＦＴＩＲを用いて分析した結果である。図４（ａ）〜（ｄ）の各図の実線がプラズマガス照射前のスペクトルであり、破線がプラズマガス照射後のスペクトルである。図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、油面像度が１５％、１０％、５％、０％に対応する。
３０００〜２８４０ｃｍ−１のピークはアルカンのＣ−Ｈ伸縮に由来するものである。１７５０〜１７３５ｃｍ−１のピークはエステルのＣ=Ｏ伸縮に由来するものである。１６００〜１４００ｃｍ−１のピークはアルカンのＣ−Ｈ変角に由来するものである。また、各ピークの強度は油面濃度が大きい程、高くなっている。図４（ａ）〜（ｄ）の各図において、プラズマガス照射後のスペクトルの各ピークは小さくなっている。これは、切削油がプラズマガスの照射により分解されたことを示すものである。
図５は、プラズマガス照射による切削油の分解の様子を模式的に描いた図である。切削油に含まれるパラフィン系鉱物油およびエステルは、プラズマガスに含まれる酸素ラジカルにより分解される。詳しくは、酸素ラジカルとの反応により、切削油に含まれる炭素元素は二酸化炭素に、切削油に含まれる酸素元素は水になったと考えられる。
次に、プラズマガス照射後のテストピースに接着剤を塗布し、被接着物となる平板状のアルミダイカストを接着した。詳しくは、テストピースのプラズマガスが照射された面と、被接着物との間に接着剤を介在させて、テストピースと被接着物とを接着した。また、比較例として、アルミダイカストである４つのテストピースの各々に切削油を０％、５％、１０％、１５％の油面濃度で塗布し、プラズマガスを照射せずに、塗布面と被接着物との間に接着剤を介在させて、テストピースと被接着物とを接着した。接着剤は、ThreeeBond社製の1217Mであり、これは油面接着性を付与した脱オキシムタイプのＦＩＰＧ用一液常温硬化型シリコーン系シール剤である。次に、接着されたテストピースおよび被接着物の各々を接着面に平行であって相反する方向に引っ張り、接着面が破壊する最大荷重を測定した。図６は、最大荷重を接着面の面積で除した引っ張りせん断応力の測定結果（ｎ＝３）である。油面濃度１０％、１５％において、プラズマガスが照射されたテストピース（図６における「プラズマ処理あり」）の引っ張りせん断応力の方が、プラズマガスが照射されていないテストピース（図６における「プラズマ処理なし」）の引っ張りせん断応力よりも大きいことがわかる。これは、プラズマガス照射により接着強度の低下の要因となる切削油が分解されたためであると考えられる。ただし、使用した接着剤は、油面接着性を付与した、つまり、接着面に一般には接着強度を低下させる油が存在しても接着強度の低下を低減する効果が得られる接着剤である。油面濃度５％の実験結果はこの接着剤の特性が反映されたものであると考えられる。また、油面濃度０％においても、プラズマガスが照射されたテストピースの引っ張りせん断応力の方が、プラズマガスが照射されていないテストピースの引っ張りせん断応力よりも大きい結果となった。これは、プラズマガスが照射されることにより、テストピースに付着していた汚れがクリーニングされたためであると考えられる。
以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
プラズマガスは対象物の形状に沿って流動することができるため、プラズマガスにより対象物の油の付着部分の形状にかかわらず、油を除去することができる。また、酸素ラジカルを用いることにより、油を構成する炭素元素および水素元素をそれぞれ二酸化炭素および水に分解して除去することができる。従って、切削油に含まれるパラフィンおよびエステルを分解することができる。また、接着に先立って、接着面にプラズマガスを照射することにより、接着面に付着する油を分解し、接着強度を向上させることができる。
第２実施形態
（組立装置）
次に、プラズマガス照射、接着剤塗布、被接着物の装着を一連に行う組立装置２００について、図７を用いて説明する。組立装置２００は、大気圧プラズマ装置１０、塗布装置２１０、装着装置２２０、および移動装置２３０を備える。尚、大気圧プラズマ装置１０は、プラズマヘッド１１と、制御装置１６、処理ガス供給装置７７、および冷却ガス供給装置１０２を収納する本体部１７を有する。移動装置２３０は、例えばベルトコンベアであり、上面に載置されたワークＷ１を大気圧プラズマ装置１０、塗布装置２１０、装着装置２２０の各作業位置へ、この順に移動させる。尚、ワークＷ１は樹脂製であり、表面に油が付着している。塗布装置２１０は、ワークＷ１の接着面に接着剤Ａを吐出ノズル２１１から吐出させて塗布する。装着装置２２０は、吸着ヘッド２２１で吸着した被接着物Ｗ２を、接着剤Ａが塗布された接着面に装着する。つまり、装着装置２２０は、ワークＷ１の大気圧プラズマ装置１０によるプラズマ照射により油が除去された部分と被接着物Ｗ２との間に接着剤を介在させてワークＷ１と被接着物Ｗ２とを接着させる。尚、大気圧プラズマ装置１０から照射されるプラズマガスの温度は、制御装置１６により、樹脂製であるワークＷ１の融点より低い温度に制御されている。
上記実施形態にて、プラズマヘッド１１は照射部の一例であり、制御装置１６は制御部の一例であり、塗布装置２１０および装着装置２２０は接着部の一例である。電極２４，２６は１対の電極の一例である。ヒートシンク２７，２８は冷却器の一例であり、ヒータ１１２は加熱器の一例である。冷却ガスは冷却加熱ガスの一例であり、連結ブロック１１４および下部カバー２２は連結部の一例であり、貫通穴７０は噴出口の一例である。
以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
大気圧プラズマ装置１０により照射されるプラズマガスは、樹脂製であるワークＷ１の融点より低い温度に制御されているため、ワークＷ１の損傷を低減しつつ、油を除去することができる。また、組立装置２００は、大気圧プラズマ装置１０、塗布装置２１０、装着装置２２０を有するため、プラズマガス照射作業、接着剤塗布作業、被接着物Ｗ２の装着作業を流れ作業として実施することができる。
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記では、組立装置２００を平板状のワークＷ１に対して各作業が実施される構成を図示したが、これに限定されない。例えば、プラズマヘッド１１、吐出ノズル２１１、吸着ヘッド２２１の各々が多関節ロボットに備えられ、曲面を有するワークに対して、その曲面に適当な角度で、プラズマヘッド１１、吐出ノズル２１１、吸着ヘッド２２１の位置が調整される構成としても良い。ワークは、各作業位置にベルトコンベアなどで移動される構成としても良いし、位置が固定されたワークに対して、多関節ロボットが移動されて各作業が実施される構成としても良い。
上記技術の適用対象は、アルミダイカストのＥＣＵケースに限らない。例えば、アルミニウム製、樹脂製の例えば自動車のオイルバンの油除去などにも適用することができる。また、酸素プラズマは炭素元素と結合し、二酸化炭素を生成する原理によって、例えば自動車などの金属部品に付着した炭素元素を含む汚れの溶接前のクリーニングなどにも適用することができる。
また、上記では、下部ハウジング２０は、アース板３２を有すると説明したが、これに限定されず、アース板３２を有しない構成としても良い。
１０ 大気圧プラズマ装置
１１ プラズマヘッド
１６ 制御装置
２２ 下部カバー
２４，２６ 電極
２７，２８ ヒートシンク
３６ ノズルブロック
３８ 反応室
２００ 組立装置
２１０ 塗布装置
２２０ 装着装置
１１０ ガス管
１１２ ヒータ
１１４ 連結ブロック

Claims (8)

  1. 対象物に付着した油に大気圧プラズマによりプラズマ化されたプラズマガスを照射するステップを含む油除去方法。
  2. 前記プラズマガスは酸素プラズマを含む請求項１に記載の油除去方法。
  3. 前記プラズマガスの温度を制御するステップを含む請求項１または２に記載の油除去方法。
  4. 前記対象物は金属であり、前記油は切削油である請求項１から３の何れかに記載の油除去方法。
  5. 前記対象物は樹脂であり、前記プラズマガスの温度は前記樹脂の融点より低い温度に制御されている請求項３に記載の油除去方法。
  6. 請求項１から５の何れかに記載の油除去方法により前記対象物に付着した前記油を除去する油除去ステップと、
    前記対象物の前記油が除去された部分と被接着物との間に接着剤を介在させて前記対象物と前記被接着物とを接着させる接着ステップと含む接着方法。
  7. 樹脂製の対象物に付着した油に大気圧プラズマによりプラズマ化された酸素プラズマを含むプラズマガスを照射する照射部と、
    前記プラズマガスの温度を前記対象物の融点より低い温度に制御する制御部と、
    前記対象物の前記油が除去された部分と被接着物との間に接着剤を介在させて前記対象物と前記被接着物とを接着させる接着部と、を備える組立装置。
  8. 樹脂製の対象物に付着した油に大気圧プラズマによりプラズマ化された酸素プラズマを含むプラズマガスを照射する照射部と、
    前記プラズマガスの温度を前記対象物の融点より低い温度に制御する制御部と、を備え、
    前記照射部は、
    放電によりプラズマを発生させる１対の電極と、
    前記１対の電極を内蔵し、前記１対の電極によりプラズマ化された前記プラズマガスが流出する流出口を有する反応室と、
    前記反応室と連通し、前記プラズマガスが噴出するノズルブロックと、
    冷却加熱ガスが流れるガス流路を有し、前記反応室を冷却する冷却器と、
    前記ガス流路と連結され、前記冷却加熱ガスが流れるガス管と、
    前記ガス管に配設される加熱器と、
    前記ガス管と連結され、前記プラズマガスの流路に噴出口を有する連結部と、を有し、
    前記加熱器により加熱された前記冷却加熱ガスが前記噴出口から前記プラズマガスに対して噴出されることにより、前記プラズマガスは加熱され、
    前記制御部は、
    前記加熱器を制御することにより、前記プラズマガスの温度を制御する大気圧プラズマ装置。
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