WO2005029926A1 - プラズマ処理方法及びその装置 - Google Patents

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plasma processing
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Noboru Saeki
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Pearl Kogyo Co., Ltd.
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    • H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
    • H01J2237/335—Cleaning

Definitions

  • the present invention mainly relates to hydrophilicity of water repellency on the surface of a resin such as polyethylene, polypropylene, polyester (PET), and PTFE (polytetrafluoroethylene) when a paint is applied or printed. It is applied to various surface treatments such as cleaning, sterilization, sterilization and etching of organic substances attached to the surface of glass, ceramics, metals, semiconductors, etc., or gas decomposition processes. Specifically, the surface of the object to be treated is irradiated with excited species such as excited molecules, radicals, and ions generated as a result of molecular dissociation by plasma generated by corona discharge to perform surface treatment such as reforming.
  • the present invention relates to a corona discharge type plasma processing method and apparatus for performing the same.
  • the corona discharge type plasma surface treatment method eliminates the use of an ignition gas such as helium, argon, or hydrogen, which is required for the glow discharge type plasma surface treatment method, and improves safety during use. It is widely used for surface treatments such as surface modification because it has the advantages of reducing processing costs by reducing gas consumption.
  • an ignition gas such as helium, argon, or hydrogen
  • An important factor in determining the processing performance and processing efficiency of this type of corona discharge type plasma surface treatment method is irradiation of the surface of the workpiece with excited species including plasma generated by corona discharge.
  • a pair of discharge electrodes are arranged facing each other, and a sinusoidal AC voltage is applied between these two electrodes as means to achieve these important factors, that is, volume, irradiation area and irradiation uniformity.
  • a corona discharge is generated between the two electrodes, and a gas is caused to flow in the discharge region (for example, see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-293363
  • the irradiation amount and irradiation area of the excited species can be adjusted by adjusting the gas injection pressure and the injection angle.
  • the adjustment range is naturally limited, and in particular, the entire surface of the workpiece is evenly and uniformly irradiated with excited species. There was a problem that it was difficult to make it structurally and technically difficult.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and can increase the irradiation amount and irradiation area of the excited species on the surface of the object to be processed, and can uniformly irradiate the entire surface. It is an object of the present invention to provide a plasma processing method and a plasma processing method capable of suppressing the loss of the effective excitation species and achieving remarkable improvement in processing performance and processing efficiency.
  • a plasma processing method applies a pulse voltage to opposing discharge electrodes to generate corona discharge between the tips of the discharge electrodes, A plasma processing method for performing a surface treatment by irradiating a surface of an object to be treated with excited species including plasma generated by the corona discharge,
  • a pulse is applied from a pulse voltage applying means configured by applying an even-numbered voltage rectifier circuit to the central electrode and both peripheral electrodes of the discharge electrode composed of a central electrode and two peripheral electrodes arranged opposite to each other with the central electrode interposed therebetween. It is characterized in that a voltage is alternately applied to generate corona discharge alternately between one of the two peripheral electrodes and the central electrode.
  • a pulse voltage is applied to opposing discharge electrodes to generate corona discharge between the tips of the discharge electrodes, and the corona discharge is generated by the corona discharge.
  • a plasma surface treatment apparatus configured to perform surface treatment by irradiating the surface of the object with excited species including plasma to be processed,
  • the discharge electrode is composed of a central electrode and two peripheral electrodes arranged opposite to the central electrode, and the central terminal of the pulse voltage applying means configured by applying an even-numbered voltage rectifier circuit is connected to the central electrode.
  • each side terminal of the pulse voltage applying means is connected to each of the peripheral electrodes, and a corona discharge is caused between the central electrode and the peripheral electrodes based on the alternating voltage applied to the center electrode and each of the peripheral electrodes. Are generated alternately.
  • the discharge electrode is formed so that the center electrode and the center electrode are opposed to each other. It consists of two peripheral electrodes arranged in a state, and alternately applies a pulse voltage between the center electrode and each peripheral electrode to discharge alternately.Therefore, two discharge intervals are connected in series. As a result, the irradiation amount and the irradiation area of the excited species on the surface of the processing object can be increased, and the entire surface can be uniformly irradiated.
  • the pulse voltage applied to the discharge electrode may be a rectangular wave pulse voltage or a square wave pulse voltage as described in claims 2 and 8.
  • any of pulse voltages composed of a plurality of pulsating waves obtained by full-wave rectification of an AC voltage may be used.
  • a special pulse voltage generation power supply is not required, and it is a combined power of a commercial or ultrasonic AC power supply and a rectifier such as a diode.
  • a pulse voltage is applied to the discharge electrode to generate a corona discharge between the two electrodes.
  • the excited species including the plasma generated by the corona discharge are present in the magnetic field, and the force pushing out the charged particles of the plasma moving in the magnetic field from the magnetic field, that is, Lorentz
  • Lorentz The force acts to urge the excited species toward the surface of the object to be processed and to irradiate the surface uniformly over a wide area.
  • the magnetic field forming means in the corona discharge type plasma processing apparatus includes a permanent magnet, a pair of magnetic bodies, and a pair of pole pieces forming a gap between end faces.
  • an electromagnet connected to a DC power supply, a pair of magnetic bodies, and a pair of pole pieces and a force forming a gap between end faces, It can be either.
  • permanent magnets When permanent magnets are used, the production cost and power consumption can be reduced.
  • an electromagnet when an electromagnet is used, the production cost and power consumption are increased as compared with the case where a permanent magnet is used, but the low sinker and the low sinker are adjusted by adjusting the magnetic flux density of the gap between the pole piece end faces.
  • the irradiation power and irradiation diffusion range of the excited species including plasma can be easily and arbitrarily controlled according to the surface morphology of the workpiece, and the shape of the workpiece can be adjusted immediately. Usability can be expanded, and processing performance and processing efficiency can be further improved.
  • FIG. 1 is a partially omitted vertical sectional front view showing one embodiment of a plasma processing apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of the apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a waveform diagram of a pulsating voltage output by a pulse voltage applying means
  • FIG. 3 a is an output waveform diagram from a booster
  • FIG. 3 b is a rectified pulsating voltage taken out by a center electrode and a positive electrode
  • FIG. 3c is a waveform diagram of the rectified pulsating voltage extracted at the center electrode and the negative electrode.
  • FIG. 4 is a waveform diagram of a rectangular wave voltage output by the pulse voltage applying means
  • FIG. 4 a is an output waveform diagram from the booster
  • FIG. 4 b is a rectified rectangular wave voltage taken out by the center electrode and the positive electrode
  • FIG. 4c is a waveform diagram of a rectified rectangular wave voltage extracted from the center electrode and the negative electrode.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal front view showing an embodiment of a plasma surface treatment apparatus to which the method of the present invention is applied
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view.
  • This plasma surface treatment apparatus has a plate-shaped insulating member (3) in which a number of gas ejection holes (1) are arranged in a row and a gas reservoir (2) communicating with the upper end of each gas ejection hole is formed.
  • Plate A discharge electrode (4) supported by an insulating member (3), a pair of ceramic insulating spacers (5) formed so as to sandwich the discharge electrode (4) from front and rear, and a ceramic insulating spacer.
  • the pole pieces (6) and (7) arranged on the outer side of the spacer (5), and the magnets (8) magnetically connected to and connected to the pole pieces (6) and (7), respectively. It comprises a connecting rod (9) made of a magnetic material for connecting the upper ends of the magnets (8), and a power supply (10) for applying a discharge voltage to the discharge electrode (4).
  • the discharge electrode (4) is a state in which the center electrode (11) formed in a substantially T-shape (consistent shape) and the end face (point) of the T-shaped head of the center electrode (11) are respectively opposed to each other. And a substantially L-shaped peripheral electrode (12, 13).
  • the center electrode (11) and the peripheral electrodes (12) and (13) are made of a heat-resistant metal such as tungsten or molybdenum.
  • the power supply device (10) includes an AC power supply (14), a transformer (15) for boosting AC, and a capacitor of a voltage doubler rectifier circuit arranged on a secondary side of the transformer (15). And a pulse voltage applying means (16) comprising a full-wave rectifier circuit formed by removing the transformer. (15) One of the secondary terminals of the transformer (15) has the center electrode (T-shaped). 11), and the other of the secondary terminals of the transformer (15) is connected to the L-shaped peripheral electrode (12X13) via a high-voltage rectifier diode (17X18). It is electrically connected.
  • the high-voltage rectifier diode (17) and the high-voltage rectifier diode (18) are arranged with their flow directions reversed, and the positive electrode (12) outputs a high voltage to the center electrode (11), The negative electrode (13) outputs a low voltage to the center electrode (11).
  • the pulse voltage applying means (16) alternately applies half-wave rectified pulsating waves on the positive voltage side and the negative voltage side as pulse voltages, respectively, and the tip of the center electrode (11) and the positive electrode (12).
  • a corona discharge is generated between the sections or between the center electrode (11) and the tip of the negative electrode (13), and the corona discharge is configured to generate excited species including plasma.
  • a 50 Hz AC power supply is boosted by a transformer (15) into a sine wave having a peak value Vp of 5 to 15 KV as shown in FIG.
  • the sine wave is converted into a pulsating pulsating wave having a peak value Vp of 515 KV, and the positive voltage part (DC) shown in FIG. 3b is applied between the center electrode (11) and the positive electrode (12).
  • the negative voltage shown in Fig. 3c is applied between the center electrode (11) and the negative electrode (13) to turn on
  • the pulse voltage (1 / T) is 10 to 200Hz and the pulse duty is 10 to 100% alternately, and the pulse voltage (1 / T) is generated alternately assuming that the sum between them is one cycle T.
  • a magnetic field forming means for forming a magnetic field along a horizontal plane in which charged particles in plasma generated by corona discharge are present is provided at a position immediately adjacent to the tip of the discharge electrode (4).
  • This magnetic field forming means is connected to the permanent magnet (8) disposed above the base end of the discharge electrode (4) and the N and S poles of the permanent magnet (8) to form a pair of discharge electrodes (4).
  • a pair of pole pieces (6, 7) made of pure iron or the like forming a gap for forming a magnetic field.
  • the gap is formed in the gap between the end faces of the pole pieces (6, 7) in the magnetic field forming means.
  • an extruding force that is, a Lorentz force acts on the charged particles, and the excited species including the plasma are indicated by arrows X in FIGS. 1 and 2. In this way, the irradiation is performed toward the surface of the object to be processed.
  • the Lorentz force F is as follows, where Q is the particle charge, v is the velocity, and B is the magnetic flux density of the gap between the end faces of the pole pieces.
  • a reactive gas such as argon, nitrogen, or a carbon dioxide gas or high-speed air is supplied from the gas ejection holes (1) formed on the plate-shaped insulating member (3) at or near atmospheric pressure. Then, the gas is introduced between a pair of discharge electrodes to irradiate a flow of an exciting gas including plasma toward the surface of the workpiece by Lorentz force received from a magnetic field. Therefore, the applicability of the surface treatment can be expanded.
  • the pole pieces (6) (7) connected to the N and S poles of the permanent magnet (8) via a soft magnetic material are connected.
  • a magnetic field (magnetic field) composed of an effective magnetic flux and a leakage magnetic flux is formed in the gap between the electrodes, and in this state, the output rectified by the power supply (10) described above is applied to the center electrode (10) and the positive electrode (11).
  • Positive or negative pulse with a pulse frequency of 10-200Hz between and between the center electrode (11) and the negative electrode (12)
  • a voltage is applied to generate corona discharge alternately between the tips of both electrodes (10X11) or (10X12)
  • excited species including plasma generated by this corona discharge are present in the magnetic field.
  • the excited species including the plasma are given a force in the direction of the arrow X perpendicular to the magnetic field by the aforementioned Lorentz force F, which is applied to the charged particles in the plasma moving in the magnetic field from the magnetic field.
  • the center electrode (11) constituting the pair of discharge electrodes (4) and the positive and negative electrodes
  • a permanent magnet (8) is used as the magnetic field forming means (M).
  • the magnetic field forming means may be an electromagnet.
  • an electromagnet is used as the magnetic field forming means (M)
  • the Lorentz force F can be controlled, and the force perpendicular to the magnetic field applied to the excited species including plasma can be adjusted.
  • a magnetic field is formed between the end faces opposing each other with the pointed end of the discharge electrode (4) therebetween, and a reactive gas or high-speed air is ejected between the end faces.
  • a reactive gas or high-speed air is ejected between the end faces.
  • only one of the formation of the magnetic field and the introduction of the gas may be used.
  • the pulse voltage applying means is configured by the AC power supply and the rectifier circuit that generates a pulse voltage composed of a plurality of pulsating waves obtained by full-wave rectifying the AC voltage.
  • the pulse voltage applying means may be a pulse wave generating power supply for generating a rectangular pulse voltage as shown in FIG.
  • the present invention is mainly applied to a case where a paint is applied to a resin such as polyethylene, polypropylene, polyester (PET), PTFE (polytetrafluoroethylene), or a case where printing is performed.
  • a resin such as polyethylene, polypropylene, polyester (PET), PTFE (polytetrafluoroethylene), or a case where printing is performed.
  • Various surface treatments such as modifying the water repellency of the surface to hydrophilic, washing organic substances attached to the surface of glass, ceramics, metals, semiconductors, etc., sterilizing and sterilizing, and etching. It can be applied to a gas decomposition process using molecular dissociation by plasma generated by corona discharge.

Abstract

　被処理物表面に対する励起種の照射量及び照射面積を拡大できるとともに、表面全域に均一に照射することができ、しかも、有効励起種のロスを抑制して処理性能、処理効率の著しい向上を図ることができるようにする。 　相対向して位置する放電電極(４)間にパルス電圧を印加してそれら放電電極の尖端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種を被処理物の表面に照射して処理を行なう。中心電極(11)とこの中心電極(11)を挟む状態で対向配置した２つの周縁電極(12)(13)とで放電電極(４)を構成する。放電電極(４)の中心電極(11)と両周縁電極(12)(13)とに、偶数倍電圧整流回路を応用して構成したパルス電圧印加手段(16)からパルス電圧を交番印加する。両周縁電極(12)(13)の内の一方と中心電極(11)との間にコロナ放電を交互に発生させるように構成する。

Description

明 細 書
プラズマ処理方法及びその装置
技術分野
[0001] 本発明は、主としてポリエチレンやポリプロピレン、ポリエステル (PET)、 PTFE (ポリ 四フッ化工チレン)などの樹脂に対して塗料を塗布する場合や印刷を施す場合にそ の表面の撥水性を親水性に改質したり、ガラス、セラミックス、金属、半導体等の表面 に付着した有機物を洗浄したり、殺菌'滅菌したり、エッチングしたりするなどの各種 の表面処理あるいはガス分解プロセスに適用されるもので、詳しくは、コロナ放電によ り生成されるプラズマによる分子解離の結果発生する励起分子、ラジカル、イオンな どの励起種を被処理物の表面に照射して改質等の表面処理等を行なうコロナ放電 式のプラズマ処理方法およびその装置に関するものである。
背景技術
[0002] コロナ放電方式のプラズマ表面処理方法は、グロ一放電方式のプラズマ表面処理 方法の場合に必要であるヘリウムまたはアルゴンや水素など点火用ガスの使用が省 け、使用時の安全性の向上及びガス消費量の節減による処理コストの低減を図れる という利点を有することから、表面改質等の表面処理に多く利用されている。
[0003] この種のコロナ放電方式のプラズマ表面処理方法による処理性能、処理効率を決 定する上で重要な要素は、コロナ放電により生成されたプラズマを含む励起種の被 処理物表面への照射量、照射面積及び照射の均一性であり、これら重要な要素を達 成する手段として、従来では、一対の放電電極を対向する状態に配置し、この両電 極間に正弦交流電圧を印加して両電極間でコロナ放電を発生させると共に、その放 電領域にガスを流すようにようにしている（例えば特許文献 1参照）。
特許文献 1：特開平 2001 - 293363号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力、しながら、前記した従来のコロナ放電方式のプラズマ表面処理方法では、ガス の噴射圧力や噴射角度等の調整により励起種の照射量や照射面積を調整できるも のの、一定の間隔に形成されている放電領域が 1箇所しかないことから、その調整範 囲には自ずと限界があり、特に、被処理物表面の全域に励起種を平均的に均等に 照射させることは構造的にも技術的にも難しいという問題があった。
[0005] 本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、被処理物表面に対する励起 種の照射量及び照射面積を拡大できるとともに、表面全域に均一に照射することが でき、しかも、有効励起種のロスを抑制して処理性能、処理効率の著しい向上を図る ことができるプラズマ処理方法及びその装置を提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
[0006] 上記目的を達成するために、本発明の請求項 1に係るプラズマ処理方法は、相対 向する放電電極にパルス電圧を印加してそれら放電電極の尖端部間にコロナ放電 を生起させ、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種を被処理物の表 面に照射して表面処理を行なうプラズマ処理方法であって、
中心電極とこの中心電極を挟む状態で対向配置した 2つの周縁電極とで構成した 放電電極の中心電極と両周縁電極とに、偶数倍電圧整流回路を応用して構成した パルス電圧印加手段からパルス電圧を交番印加して、両周縁電極の内の一方と中 心電極との間にコロナ放電を交互に発生させるように構成したことを特徴とする。
[0007] また、本発明の請求項 6に係るプラズマ処理装置は、相対向する放電電極にパル ス電圧を印加してそれら放電電極の尖端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ 放電により生成されるプラズマを含む励起種を被処理物の表面に照射して表面処理 を行なうように構成されたプラズマ表面処理装置であって、
放電電極を中心電極と、該中心電極に対向して配置された 2つの周縁電極とで構 成し、偶数倍電圧整流回路を応用して構成したパルス電圧印加手段の中央端子を 中心電極に接続するとともに、パルス電圧印加手段の各側部端子をそれぞれ周縁電 極にそれぞれ接続し、中心電極と各周縁電極とに印加される交番電圧に基づいて中 心電極と周縁電極との間にコロナ放電を交互に生起させるように構成したことを特徴 とする。
発明の効果
[0008] 上記構成の本発明によれば、放電電極を中心電極とその中心電極に対向する状 態で配置した 2つの周縁電極とで構成し、中心電極と各周縁電極との間にパルス電 圧を交番印加して、交互に放電させるようにしていることから、放電間隔を直列に 2箇 所形成している状態となり、被処理物表面に対する励起種の照射量及び照射面積を 拡大できるとともに、表面全域に均一に照射することができることになる。
[0009] 上記のようなコロナ放電式のプラズマ処理方法及び装置において、放電電極に印 加するパルス電圧としては、請求項 2及び請求項 8に記載のように、矩形波パルス電 圧、あるいは、請求項 3及び請求項 9に記載のように、交流電圧を全波整流した複数 の脈流波から構成されるパルス電圧のいずれを使用してもよい。このうち、特に、脈 流波から構成されるパルス電圧を使用する場合は、特別なパルス電圧発生電源が不 要で、商用または超音波領域の交流電源とダイオード等の整流素子との組み合わせ 力 なる簡単な電源装置を用いることで、所望周期及びデューティのパルス電圧を印 加することが可能で、装置の低コストィ匕を実現することができる。
[0010] さらに、請求項 4及び請求項 10に記載のように、放電電極の尖端部近くに磁場を 形成した状態で、放電電極にパルス電圧を印加して両電極間にコロナ放電を生起さ せる場合には、コロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種が磁場の中に存 在することになつて、磁場の中を運動するプラズマの荷電粒子に対して磁場から押し 出し力、即ちローレンツ力が作用して、励起種を被処理物の表面に向って勢いよぐ また広い面積に亘つてほぼ均一に照射させることができる。
[0011] そして、上記コロナ放電式のプラズマ処理装置における磁場形成手段としては、請 求項 11に記載したように、永久磁石と一対の磁性体と端面間にギャップを形成する 一対のポールピースとから構成されたもの、あるいは、請求項 12に記載したように、 直流電源に接続された電磁石と一対の磁性体と端面間にギャップを形成する一対の ポールピースと力、ら構成されたもの、のいずれであってもよレ、。このうち、永久磁石を 用いる場合は、製作コストの低減及び電力消費の節減が図れる。一方、電磁石を用 レ、る場合は、永久磁石を用レ、る場合に比して製作コスト及び電力消費が増大する反 面、ポールピース端面間のギャップの磁束密度を調整することによってローシンッカ 、ひいては、プラズマを含む励起種の照射力及び照射拡散範囲を被処理物の表面 形態等に対応して容易かつ任意にコントロールしやすぐ被処理物に対する形状適 用性の拡大が図れる上に、処理性能、処理効率をより一層向上することができる。
[0012] さらに、本発明では、請求項 5及び 13に記載のように、アルゴン、窒素、炭酸ガス等 の反応性ガスを大気圧または大気圧近傍下で放電電極間に導入するようにすると、 ガスの流れでプラズマを含む励起種を被処理物表面に向けて照射して被処理物表 面への照射量、照射面積及び照射の均一性を得ることができる上、プラズマを含む 励起ガス流を磁場から受ける押出し作用力 (ローレンツ力)で照射させることにより、種 々の表面処理に利用することが可能となる。
図面の簡単な説明
[0013] [図 1]本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を示す一部省略縦断正面図である [図 2]図 1の装置の一部切除斜視図である。
[図 3]パルス電圧印加手段で出力される脈流電圧の波形図で、図 3aは昇圧器からの 出力波形図、図 3bは中心電極と正電極とで取り出される整流された脈流電圧の波形 図、図 3cは中心電極と負電極とで取り出される整流された脈流電圧の波形図である
[図 4]パルス電圧印加手段で出力される矩形波電圧の波形図で、図 4aは昇圧器から の出力波形図、図 4bは中心電極と正電極とで取り出される整流された矩形波電圧の 波形図、図 4cは中心電極と負電極とで取り出される整流された矩形波電圧の波形図 である。
符号の説明
[0014] 4…放電電極、 6 · 7…ポールピース、 8…永久磁石、 11…中心電極、 12 · 13…周縁 電極 (12…正電極、 13…負電極)、 16…パルス電圧印加手段、 M…磁場形成手段。 発明を実施するための最良の形態
[0015] 以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図 1は本発明方法を適用したプラズマ表面処理装置の一実施例を示す概略縦断 正面図、図 2は一部切除斜視図である。
このプラズマ表面処理装置は、多数のガス噴出孔 (1)を列設するとともに各ガス噴 出孔の上端部分が連通するガス溜 (2)とを内部に形成した板状絶縁部材 (3)と、板状 絶縁部材 (3)に支持されてレ、る放電電極 (4)と、放電電極 (4)を前後から挟む状態に形 成した一対のセラミックス製絶縁スぺーサ (5)と、セラミックス製絶縁スぺーサ (5)の外 側にそれぞれ配置したポールピース (6)(7)と、各ポールピース (6)(7)にそれぞれ磁気 的に連結接続されてレ、る磁石 (8)と、この磁石 (8)の上端部同士を接続する磁性材製 連結扞 (9)、及び、放電電極 (4)に放電用電圧を印加する電源装置 (10)とで構成して ある。
[0016] 放電電極 (4)は、略 T字状 (撞木状)に形成した中心電極 (11)と、この中心電極 (11)の T字型頭部の端面 (尖端)にそれぞれ対向する状態に配置された略 L字型の周縁電 極 (12)(13)とで構成してある。そしてこれら、中心電極 (11)及び両周縁電極 (12)(13)は それぞれタングステンやモリブデン等の耐熱性のある金属で形成してある。
[0017] 電源装置 (10)は、交流電源 (14)と、交流を昇圧する変圧器 (15)と、この変圧器 (15)の 2次側に配置されている倍電圧整流回路のコンデンサを外して形成した全波型整流 回路からなるパルス電圧印加手段 (16)とで構成してあり、変圧器 (15)の 2次側端子の 一方を前記 T字状に形成されている中心電極 (11)に電気的に接続すると共に、変圧 器 (15)の 2次側端子の他方を前記 L字状に形成されている周縁電極 (12X13)にそれ ぞれ高圧整流ダイオード (17X18)を介して電気的に接続されている。この場合、高圧 整流ダイオード (17)と高圧整流ダイオード (18)とは、その流れ方向を逆に配置してあり 、正電極 (12)では中心電極 (11)に対して高電圧を出力し、負電極 (13)では中心電極 (11)に対して低電圧を出力するようになっている。つまり、このパルス電圧印加手段 (16)からはそれぞれ半波整流した正電圧側と負電圧側の脈流波がパルス電圧として 交互に印加され、中心電極 (11)と正電極 (12)の尖端部間、または中心電極 (11)と負電 極 (13)の尖端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電によりプラズマを含む励 起種を生成させるように構成されてレヽる。
[0018] なお、この電源装置 (10)としては、 50Hz ΙΟΟΚΗζの交流電源を変圧器 (15)で図 3aに示すような 5— 15KVの波高値 Vpをもつ正弦波に昇圧し、この昇圧された正弦 波を 5 15KVの波高値 Vpを持つ直流の脈流波に変換し、図 3bに示す正電圧部分 (直流)を中心電極 (11)と正電極 (12)との間に印加させ、また、図 3cに示す負電圧部分 を中心電極 (11)と負電極 (13)との間に印加させて、それぞれ ON時間および OFF時 間の和を一周期 Tとしてパルス周波数（ 1 /T)が 10— 200Hz、パルスデューティが 1 0— 100%のパルス電圧を交互に発生させることになる。
[0019] 上記放電電極 (4)の尖端部直近位置には、コロナ放電により生成されるプラズマ中 の荷電粒子が存在する水平面に沿った磁場を形成する磁場形成手段が設けられて いる。この磁場形成手段は、上記放電電極 (4)の基端部上方に配置された永久磁石 ( 8)とこの永久磁石 (8)の N, S両極に接続されて一対の放電電極 (4)の尖端部近くにま で延設された純鉄製等の一対の軟磁性体とこれら軟磁性体の先端に一体に連設さ れて放電電極 (4)の尖端部を挟んで相対向する端面間に磁場形成用ギャップを形成 する純鉄製等の一対のポールピース (6)(7)とから構成されており、この磁場形成手段 におけるポールピース (6)(7)の端面間のギャップに形成される磁場の中をプラズマ中 の荷電粒子が運動することに伴い、この荷電粒子には押出し力、すなわち、ローレン ッ力が作用してプラズマを含む励起種が図 1、 2中の矢印 Xに示すように、被処理物 の表面に向けて照射されるように構成されてレ、る。
[0020] ここで、上記のローレンツ力 Fは、粒子の電荷を Q、速度を v、ポールピース端面間 のギャップの磁束密度を Bとすると、
F=Qv X B
であり、荷電粒子の速度ベクトルに垂直に作用し、これによつて、プラズマを含む励 起種が矢印 X方向に押出し照射される。
[0021] また、板状絶縁部材 (3)に形成されてレ、る各ガス噴出孔 (1)からアルゴン、窒素、炭 酸ガス等の反応性ガスや高速エアーを大気圧または大気圧近傍下で一対の放電電 極間に導入して、プラズマを含む励起ガス流を磁場から受けるローレンツ力で被処 理物の表面に向けて照射させるように構成してある。したがって、表面処理の適用性 を拡大することが可能となる。
[0022] このように構成されたコロナ放電式プラズマ表面処理装置においては、永久磁石 (8 )の N， S両極に軟磁性体を介して接続されたポールピース (6)(7)の端面間のギャップ に有効磁束及び漏れ磁束からなる磁場 (磁界）が形成されており、この状態で、上記 した電源装置 (10)により整流された出力が中心電極 (10)と正電極 (11)との間及び中心 電極 (11)と負電極 (12)との間にパルス周波数が 10— 200Hzの正または負のパルス 電圧を印加して両電極 (10X11)、あるいは (10X12)の尖端部間にコロナ放電を交互に 生起させると、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励起種が磁場の中に 存在することになり、この磁場の中を運動するプラズマ中の荷電粒子が磁場から受け る既述のローレンツ力 Fによってプラズマを含む励起種には磁場に垂直な矢印 X方 向の力が与えられることになる。
[0023] また、本発明では、一対の放電電極 (4)を構成する中心電極 (11)と正負各電極
(12X13)に対して、交流電圧を整流してえられた複数の脈流波から構成される正また は負のパルス電圧をそれぞれ使用しているので、たとえばマルチバイブレータゃシュ ミット'トリガ回路、ブロッキング発振器などの特別なノ^レス電圧発生電源が不要で、 商用交流電源あるいは超音波電源とダイオード等の整流素子との組み合わせからな る簡単な電源装置を用いながら、所望周期及びデューティのノ^レス電圧を印加する ことが可能であり、さらに、磁場形成手段として、製作コストが低くかつ電力消費のな い永久磁石 (8)を利用することによって装置全体の導入コスト及びランニングコストの 低減が図れる。
[0024] なお、上記実施態様においては、磁場形成手段 (M)として永久磁石 (8)を使用した 力 磁場形成手段としては、電磁石であっても良い。このように磁場形成手段 (M)とし て電磁石を使用すると、ローレンツ力 Fを制御することができ、プラズマを含む励起種 に負荷される磁場に垂直な力を調整することができる。
[0025] さらに、上記の実施態様では、放電電極 (4)の尖端部を挟んで相対向する端面間 に磁場を形成すると共に、該端面間に反応性ガスや高速エアーを噴出するようにし ているが、磁場形成とガス導入とはいずれか一方だけであっても良い。
[0026] さらにまた、上記の実施態様では、交流電源と、その交流電圧を全波整流した複数 の脈流波で構成されるパルス電圧を発生する整流回路とでパルス電圧印加手段を 構成したものについて説明したが、パルス電圧印加手段は図 4に示すような矩形波 のパルス電圧を発生させるパルス波発生電源であっても良い。
産業上の利用可能性
[0027] 本発明は、主としてポリエチレンやポリプロピレン、ポリエステル (PET)、 PTFE (ポリ 四フッ化工チレン)などの樹脂に対して塗料を塗布する場合や印刷を施す場合にそ の表面の撥水性を親水性に改質したり、ガラス、セラミックス、金属、半導体等の表面 に付着した有機物を洗浄したり、殺菌'滅菌したり、エッチングしたりするなどの各種 の表面処理やコロナ放電により生成されるプラズマによる分子解離を利用したガス分 解プロセスに適用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 相対向して位置する放電電極 (4)間にパルス電圧を印加してそれら放電電極 (4)の尖 端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励 起種を被処理物の表面に照射して処理を行なうプラズマ処理方法であって、 中心電極 (11)とこの中心電極 (11)を挟む状態で対向配置した 2つの周縁電極 (12)(13)とで構成した放電電極 (4)の中心電極 (11)と両周縁電極 (12)(13)とに、偶数倍 電圧整流回路を応用して構成したパルス電圧印加手段 (16)からパルス電圧を交番印 加して、両周縁電極 (12X13)の内の一方と中心電極 (11)との間にコロナ放電を交互に 発生させるように構成したことを特徴とするプラズマ処理方法。
[2] 上記パルス電圧として、矩形波パルス電圧を使用する請求項 1に記載のプラズマ処 理方法。
[3] 上記パルス電圧として、交流電圧を両波整流した複数の脈流波で構成されるパルス 電圧を使用する請求項 1に記載のプラズマ処理方法。
[4] 放電電極 (4)の尖端部近くで上記プラズマ中の荷電粒子が存在しているところに磁場 が形成されており、この磁場中を運動する荷電粒子に対して押出し作用する力により プラズマを含む励起種を被処理物の表面に向けて照射させるようにした請求項 1一 3 のレ、ずれか 1項に記載のプラズマ処理方法。
[5] 中心電極 (11)とこの中心電極 (11)に対向している周縁電極 (12X13)間に反応性ガスを 大気圧または大気圧近傍圧力下で導入することによりプラズマを含む励起ガス流で 被処理物の表面に向けて照射させる請求項 1一 4のいずれ力、 1項に記載のプラズマ 処理方法。
[6] 相対向して位置する放電電極 (4)間にパルス電圧を印加してそれら放電電極 (4)の尖 端部間にコロナ放電を生起させ、このコロナ放電により生成されるプラズマを含む励 起種を被処理物の表面に照射して処理を行なうように構成されたプラズマ処理装置 であって、
放電電極 (4)を中心電極 (11)と、該中心電極 (11)に対向して配置された 2つの周縁 電極 (12X13)とで構成し、偶数倍電圧整流回路を応用して構成したパルス電圧印加 手段 (16)の中央端子を中心電極 (11)に接続するとともに、パルス電圧印加手段 (16)の 各側部端子をそれぞれ周縁電極 (12X13)にそれぞれ接続し、中心電極 (11)と各周縁 電極 (12X13)とに印加される交番電圧に基づいて中心電極 (11)と周縁電極 (12X13)と の間にコロナ放電を交互に生起させるように構成したことを特徴とするプラズマ処理 装置。
[7] 中央電極 (11)を撞木状に形成し、対向方向に延出された腕の先端部に対向する状 態に周縁電極 (12X13)が配置してある請求項 6に記載のプラズマ表面処理装置。
[8] 上記パルス電圧印加手段 (16)が、矩形波パルス電圧発生電源である請求項 6又は 7 に記載のプラズマ処理装置。
[9] 上記パルス電圧印加手段 (16)が、交流電源と、その交流電圧を全波整流した複数の 脈流波で構成されるパルス電圧を発生する整流回路とから構成されている請求項 6 又は 7に記載のプラズマ処理装置。
[10] 対向して配置されている放電電極 (4)の尖端部近くで上記プラズマ中の荷電粒子が 存在してレ、るところに磁場を形成して該磁場中を運動する荷電粒子に対してプラズ マを含む励起種を被処理物の表面に向けて照射させる押出し力を作用させることが 可能な磁場形成手段 (M)が設けられている請求項 6— 9のいずれ力 1項に記載のプ ラズマ処理装置。
[11] 前記磁場形成手段 (M)が、永久磁石 (8)とこの永久磁石 (8)の N, S両極に接続されて 一対の放電電極 (4)の尖端部近くにまで延設された一対の磁性体とこれら磁性体の 先端に連なり端面間にギャップを形成する一対のポールピース (6)(7)とから構成され ている請求項 10に記載のプラズマ処理装置。
[12] 上記磁場形成手段 (M)が、直流電源に接続された電磁石とこの電磁石の N, S両極 に接続されて一対の放電電極 (4)の尖端部近くにまで延設された一対の磁性体とこ れら磁性体の先端に連なり端面間にギャップを形成する一対のポールピース (6)(7)と 力 構成されている請求項 10に記載のプラズマ処理装置。
[13] 上記放電電極間に反応性ガスを大気圧または大気圧近傍圧力下で導入する手段が 設けられており、この手段を介して反応性ガスを導入することによりプラズマを含む励 起ガス流を被処理物の表面に向けて照射させるように構成されている請求項 6 12 のレ、ずれか 1項に記載のプラズマ処理装置。
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