大気圧プラズマ処理装置
【課題】有毒な薬品を用いることなく簡易な構成でプラズマによる表面処理を安定かつ連続して行うことができ、また環境への悪影響を防止できるとともに、さらには製造コスト及びランニングコストを低減することができる大気圧プラズマ処理装置を得る。
【解決手段】センサ５２からの出力信号に基づいて流路４０Ｂのエタノールの水面位置が任意の位置よりも低いと判断された場合には、電磁バルブ４８を開放する制御信号を電磁バルブ４８に出力する。これにより、電磁バルブ４８が開放し、流路４０Ｂにエタノールが供給される。流路４０Ｂに供給されたエタノールは、気化器本体部４０Ａの内部に浸入する。一方、流路４０Ｂ内部のエタノールの水面位置が任意の位置よりも高いと判断された場合には、電磁バルブ４８を閉塞する制御信号を電磁バルブ４８に出力する。これにより、電磁バルブ４８が閉塞し、流路４０Ｂへのエタノールの供給が停止される。
【解決手段】センサ５２からの出力信号に基づいて流路４０Ｂのエタノールの水面位置が任意の位置よりも低いと判断された場合には、電磁バルブ４８を開放する制御信号を電磁バルブ４８に出力する。これにより、電磁バルブ４８が開放し、流路４０Ｂにエタノールが供給される。流路４０Ｂに供給されたエタノールは、気化器本体部４０Ａの内部に浸入する。一方、流路４０Ｂ内部のエタノールの水面位置が任意の位置よりも高いと判断された場合には、電磁バルブ４８を閉塞する制御信号を電磁バルブ４８に出力する。これにより、電磁バルブ４８が閉塞し、流路４０Ｂへのエタノールの供給が停止される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フッ素樹脂成形物などの被処理物の表面を改質（処理）させるための表面処理装置及び表面処理方法に係り、特に被処理物を大気圧又はその近傍の圧力下においてプラズマ（グロー放電）による表面処理を行うための大気圧プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、フッ素樹脂は、耐薬品性、耐熱性、電気絶縁性、防汚性、耐候性、耐紫外線劣化性、撥水撥油性、低摩擦係数など、他の樹脂に見られない優れた性質を備えている。一方、その反面、フッ素樹脂の特性である難接着性のため、他の材料との複合化が困難である。フッ素樹脂が他の材料と複合化するときには、接着剤を用いる方法もあるが、フッ素樹脂と接着剤との密着性も悪く、接着も困難である。そのため、フッ素樹脂の表面を改質し、接着性を高める表面改質方法が従来から試みられている。
【０００３】
ここで、フッ素樹脂の表面改質方法として、火炎処理、金属ナトリウム処理に代表される化学処理、エキシマレーザ（下記特許文献１及び特許文献２を参照）や、プラズマによる放電処理（下記特許文献３及び特許文献４を参照）、スパッタエッチング（下記特許文献５を参照）が知られている。
【０００４】
ところが、金属ナトリウム処理では、引火の危険性や溶剤の大量使用による環境への悪影響の問題があり、また、改質された部分が紫外線、熱に弱い等の特性上の問題がある。また、プラズマによる放電処理では、液体を用いる方法や混合ガスを用いる方法などが提案されているが、処理面積が小さくなり、またランニングコストが大きくなり、さらに処理面の安定性の低下などの様々な問題がある。さらに、スパッタエッチングにおいても、表面処理装置自体が複雑かつ大きくなり、また、処理面の安定性が低下するなどの様々な問題がある。
【特許文献１】特開平６−２２８３４３号公報
【特許文献２】特開平６−２４００２６号公報
【特許文献３】特開平５−９２５３０号公報
【特許文献４】特開平６−１０７８１８号公報
【特許文献５】特開昭５１−１２５４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、上記各問題を解決するため、いわゆる薬液処理（ウエット処理）という方法が知られているが、この方法では、アンモニア等の有毒の薬液を多量に使用しなければならず、また表面処理方法も大変煩雑になる。この結果、環境への悪影響が懸念されるとともに、廃液の処理についての設備やノウハウが必要となり設備の製造コスト及びランニングコストが増大するという別の問題が生じている。
【０００６】
また、低圧プラズマ処理という方法も知られているが、低圧にするために真空排気システムが別途必要となり、また装置自体も真空に耐え得る構造にする必要があることから、装置が複雑化して設備の製造コスト及びランニングコストが増大するという問題がある。さらに、この方法では、反応性ガスを用いるため、取り扱いが困難であるとともに、排気系に反応ガスによる害を取り除く設備が必要となり、設備の製造コスト及びランニングコストが増大するという問題がある。
【０００７】
さらに、低級アルコールを気化させて不活性ガスと混合し、処理ガスを生成させるとともに、この処理ガスを印加電極と接地電極との間に供給してプラズマを発生させ、このプラズマを被処理物の表面に照射することにより、被処理物の表面処理（表面改質）を行うプラズマ処理方法についても、従来から知られている。しかしながら、この方法では、気化させる低級アルコールあるいは気化させた低級アルコールの供給量を一定にすることができないため、プラズマを安定に励起させることができず、プラズマ処理効果にバラツキが生じる結果になっていた。
【０００８】
そこで、本発明は、上記事情を考慮し、有毒な薬品を用いることなく簡易な構成でプラズマによる表面処理を安定かつ連続して行うことができ、また環境への悪影響を防止できるとともに、さらには製造コスト及びランニングコストを低減することができる大気圧プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、表面がフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン（ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成された被処理物の表面を大気圧又はその近傍の圧力下でプラズマにより処理する大気圧プラズマ処理装置であって、炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールを気化するアルコール気化手段と、前記アルコール気化手段における前記低級アルコールの液量を一定にする液量調整手段と、前記アルコール気化手段により気化された前記低級アルコールと不活性ガスとを混合して処理ガスを生成する処理ガス生成手段と、接地された接地電極と、前記接地電極に対向して配置された印加電極と、前記印加電極と前記接地電極との間に高周波電圧を印加させる高周波電圧印加手段と、前記処理ガスを前記印加電極と前記接地電極との間に供給する処理ガス供給手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置において、前記アルコール気化手段に、前記低級アルコールが溶け込み前記低級アルコールとともに前記処理ガス生成手段に供給される不活性ガスを、供給する不活性ガス供給手段を設け、前記アルコール気化手段に供給される前記不活性ガスの温度を一定にする不活性ガス温度調整手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の大気圧プラズマ処理装置において、前記アルコール気化手段に供給される前記低級アルコールの温度を一定にするアルコール温度調整手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、アルコール気化手段により炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールが気化され、その気化された低級アルコールと不活性ガスとが処理ガス生成手段により混合されて処理ガスが生成される。生成された処理ガスは、処理ガス供給手段により、印加電極と接地電極との間に供給される。また、高周波電圧印加手段により、印加電極と接地電極との間に高周波電圧が印加される。これにより、印加電極と接地電極との間の処理ガスが電離してプラズマが発生し、処理ガスが電離した励起状態となって活性化される。そして、印加電極と接地電極との間に発生したプラズマを被処理物の表面に照射することにより、被処理物の表面処理（表面改質）が行われる。
【００１３】
より具体的には、炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールがプラズマ中で励起されると、−Ｈ、−ＯＨ、または−Ｏ−等が解離される。表面がフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン（ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成された被処理物の表面のＣ−Ｆ結合またはＣ−Ｈ結合は、その結合エネルギの関係から、アルコールから解離した−Ｈあるいは−Ｏによって切断される。ＦまたはＨが切断されたＣの未結合手（ダングリングボンド）に、−ＯＨまたは−Ｏ−が付き、表面のフッ素樹脂などに親水性を与えることになる。これにより、被処理物の表面を改質させることができる。
【００１４】
なお、炭素数が比較的多い高級アルコールを用いると、アルコールがプラズマ中で励起させる際、粘性が高くなり過ぎて気化させることができないか、あるいはクラスター状になるため、励起が極めて困難になる。また、多価アルコールを用いた場合も、粘性が高くなるため、励起が困難になる。さらに、第３級アルコールを用いると、第３級アルコールが酸化されないため、親水性の官能基を解離させることはできない。これらのように、炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールを用いることにより、被処理物の表面を都合良く改質させることができる。
【００１５】
特に、アルコール気化手段における低級アルコールの液量が液量調整手段により一定量に制御される。これにより、気化される低級アルコールの量が常に一定になり、処理ガス生成手段に供給される低級アルコールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極と接地電極との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００１６】
以上のように、処理ガスの生成には上記低級アルコールを用いることにより、ほとんど有害性がないため、環境に悪影響を及ぼすことを防止できる。また、低級アルコールにはほとんど有害性がないため、低級アルコールを取り扱うために、有害性を考慮した特別な設備が不要となる。また、低級アルコールにはほとんど有害性がないため、低級アルコールを廃液処理するための特別な設備が不要となる。このように、本発明では、環境に悪影響を及ぼすことを防止できるとともに、設備を製造するための製造コストや設備を作動させるためのランニングコストを大幅に低減させることができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、アルコール気化手段には、不活性ガス供給手段から不活性ガスが供給される。アルコール気化手段に供給された不活性ガスは、溶け込んだ低級アルコールとともに処理ガス生成手段に供給される。
【００１８】
ここで、アルコール気化手段に供給される不活性ガスの温度が不活性ガス温度調整手段により一定となるように制御されるため、不活性ガスに溶け込む低級アルコールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極と接地電極との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００１９】
逆に、アルコール気化手段に供給される不活性ガスの温度が変化すると、不活性ガスの温度が高い場合には、溶け込む低級アルコールの量が多くなり、処理ガスの励起状態が不安定になって、プラズマ処理の精度が安定しない不具合がある。また、不活性ガスの温度が低い場合にも、溶け込む低級アルコールの量が少なくなり、処理ガスの励起状態が不安定になって、プラズマ処理の精度が安定しない不具合がある。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、アルコール気化手段に供給される低級アルコールの温度は、アルコール温度調整手段により一定となるように制御される。これにより、アルコール気化手段において、不活性ガスに溶け込む低級アルコールの量や処理ガス生成手段に供給される低級アルコールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極と接地電極との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００２１】
逆に、アルコール気化手段に供給される低級アルコールの温度が変化すると、アルコール気化手段における蒸気圧が変化するため、不活性ガスに溶け込む低級アルコールの量や処理ガス生成手段に供給される低級アルコールの量を一定にすることができなくなり、処理ガスの励起状態が不安定になって、プラズマ処理の精度が安定しない不具合がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置及び大気圧プラズマ処理方法について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１に示すように、大気圧プラズマ処理装置１０は、印加電極１２を備えている。この印加電極１２と対向する位置には接地電極１４が配置されている。なお、印加電極１２と接地電極１４の一方または両方の電極は、誘電体で覆われている。接地電極１４は地面にアース接続されている。また、接地電極１４の一方の端部側には、フッ素樹脂シート（被処理物）Ｓを印加電極１２と接地電極１４との間に送り出すロール状の送出装置１６が配置されている。また、接地電極１４の他方の端部側には、表面処理されたフッ素樹脂シートＳを巻き取るロール状の巻取装置１８が配置されている。また、接地電極１４の両端部近傍には、フッ素樹脂シートＳに皺が発生しないように下方からフッ素樹脂シートＳを支持する支持ロール２０、２２がそれぞれ配置されている。これにより、フッ素樹脂シートＳの表面処理部は平面状になる。なお、送出装置１６は、図示しないモータなどの駆動源に接続されている。これにより、送出装置１６は、駆動源からの駆動力により回転駆動できるようになっている。
【００２４】
ここで、フッ素樹脂シートＳは、フィルム状又はシート状に形成されていることが好ましいが、これに限られるものではなく、例えば、板状、チューブ状、バルク状など、処理表面が平面となるものであれば、種々の形状のものを用いることができる。また、フッ素樹脂シートＳは、分子内にフッ素原子を含むものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などが挙げられる。
【００２５】
なお、被処理体は、フッ素樹脂シートＳに限定されるものではなく、表面がフッ素樹脂以外のもの、例えば、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン（ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成されているものでもよい。
【００２６】
また、印加電極１２には、マッチング回路２４を介して高周波電源２６が電気的に接続されている。この高周波電源２６により印加電極１２と接地電極１４との間に高周波電圧が印加される。また、印加電極１２には、導管２８により混合器３０が接続されている。
【００２７】
混合器３０には、導管３２によりガス流量計測装置３４を介して第１の処理ガス源３６が接続されている。また、混合器３０には、導管３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃによって気化器４０及びガス流量計測装置４２を介した状態で第２の処理ガス源４４が接続されている。この気化器４０には、導管４６によって電磁バルブ４８を介した状態でエタノール供給源５０が接続されている。
【００２８】
ここで、気化器４０について詳細に説明する。
図２に示すように、気化器４０は、タンク状の気化器本体部４０Ａを備えている。この気化器本体部４０Ａの内部には、エタノール供給源５０に充填されたエタノールや、第２の処理ガス源４４に充填された不活性ガスが供給される。そして、この気化器本体部４０Ａの内部で、エタノールが不活性ガスによりバブリングされて気化し、気体となったエタノールが不活性ガスに溶け込み、気化器本体部４０Ａの内部の蒸気圧により、混合器３０に供給されるようになっている。また、気化器本体部４０Ａの側壁には、流路４０Ｂが形成されている。この流路４０Ｂの一方の端部と気化器本体部４０Ａは連通している。このため、流路４０Ｂには気化器本体部４０Ａに貯溜されたエタノールの一部が浸入した状態になっており、かつ両方の水面には大気圧が作用しているため、両方の水面の高さは略同じになっている。
【００２９】
また、流路４０Ｂの他方の端部には、上述の導管４６が接続されている。この導管４６には、上述した電磁バルブ４８が取り付けられている。この電磁バルブ４８は、ガス流量計測装置４２又は後述の制御部５４からの制御信号に基づいて開閉動作が実行され、流路４０Ｂ（導管４６）を開放又は閉塞することができるようになっている。流路４０Ｂ（導管４６）が開放されると、エタノール供給源５０から流路４０Ｂにエタノールが供給され、流路４０Ｂ（導管４６）が閉塞されると、エタノール供給源５０のエタノールが流路４０Ｂ、ひいては気化器４０に供給されることがない。
【００３０】
また、流路４０Ｂの近傍には、光学式のセンサ５２が配置されている。このセンサ５２は、流路４０Ｂ内部のエタノールの水面の位置を特定するものである。具体的には、センサ５２の発光部から光が出射され、流路４０Ｂ内部のエタノールで反射した光を受光部で受光するか否かで、水面の位置を特定する。また、光学式のセンサ５２の替りに、ＣＣＤカメラなどを使用して水面の位置を画像データとして後述の制御部５４に出力するようにしてもよい。
【００３１】
また、電磁バルブ４８及びセンサ５２は、制御部５４とそれぞれ電気的に接続されている。制御部５４は、センサ５２からの出力信号を受信して、電磁バルブ４８の開閉動作を制御するものである。例えば、制御部５４には、センサ５２からの出力信号と電磁バルブ４８の開閉動作との対応関係を示したテーブルが格納されているＲＡＭ（図示省略）を内蔵しており、このＲＡＭに格納されたテーブルに基づいて電磁バルブ４８に対して制御信号を出力する。具体的には、センサ５２からの出力信号に基づいて流路４０Ｂ内部のエタノールの水面の位置が任意の位置よりも低いと制御部５４により判断された場合には、電磁バルブ４８を開放する制御信号を電磁バルブ４８に出力する。これにより、電磁バルブ４８が開放し、流路４０Ｂにエタノールが供給される。流路４０Ｂに供給されたエタノールは、気化器本体部４０Ａの内部に浸入する。この結果、気化器本体部４０Ａの内部に貯溜されるエタノールの液量を増加させることができる。一方、センサ５２からの出力信号に基づいて流路４０Ｂ内部のエタノールの水面の位置が任意の位置よりも高いと制御部５４により判断された場合には、電磁バルブ４８を閉塞する制御信号を電磁バルブ４８に出力する。これにより、電磁バルブ４８が閉塞し、流路４０Ｂへのエタノールの供給が停止される。このように、気化器本体部４０Ａの内部に貯溜されるエタノールの液量を常に一定にすることができ、エタノールの液面管理を徹底させることができる。
【００３２】
また、図１及び図３に示すように、導管３８Ｂ、３８Ｃの少なくとも一方には、第１温度センサ５６（図１では図示省略）が内蔵されている。この第１温度センサ５６により、導管３８Ｂ、３８Ｃの内部を流動する第２の処理ガス源４４からの不活性ガスの温度が計測される。導管３８Ｂ、３８Ｃの少なくとも一方の外周面には、第１冷却機構５８としての管が巻き付けられている。この管の内部には、水（冷水）が流動するように構成されている。また、管の内部に水（冷水）を流すための第１冷却機構５８としての圧力源が接続されており、圧力源が駆動することにより、管の内部に水（冷水）が流動するようになっている。管の内部に水（冷水）が流動すると、導管３８Ｂ、３８Ｃ内部を流動する不活性ガスの温度が低下する。また、導管３８Ｂ、３８Ｃの少なくとも一方の外周面には、第１ヒータ６０が取り付けられている。第１ヒータ６０が駆動することにより、導管３８Ｂ、３８Ｃ内部を流動する不活性ガスの温度が上昇する。
【００３３】
第１温度センサ５６、第１冷却機構５８及び第１ヒータ６０は、制御部５４と電気的に接続されている。この制御部５４は、電磁バルブ４８を駆動制御する制御部と同一のものである。この制御部５４のＲＡＭには、第１温度センサ５６の測定結果に基づいて第１冷却機構５８及び第１ヒータ６０を駆動させるプログラムが内蔵されている。このため、第１温度センサ５６による温度の測定結果が制御部５４に出力され、制御部５４が不活性ガスの温度が低いと判断した場合には、第１ヒータ６０に制御信号を出力して第１ヒータ６０を駆動させて導管３８Ｂ、３８Ｃ内部を流動する不活性ガスの温度を上昇させる。一方、制御部５４が不活性ガスの温度が高いと判断した場合には、第１冷却機構５８を構成する圧力源に制御信号を出力して管の内部に水（冷水）を流動させる。これにより、導管３８Ｂ、３８Ｃ内部を流動する不活性ガスの温度が低下する。
【００３４】
また、図１及び図４に示すように、導管４６には、第２温度センサ６２（図１では図示省略）が内蔵されている。この第２温度センサ６２により、導管４６の内部を流動するエタノールの温度が計測される。導管４６の外周面には、第２冷却機構６４としての管が巻き付けられている。この管の内部には、水（冷水）が流動するように構成されている。また、管の内部に水（冷水）を流すための第２冷却機構６４としての圧力源が接続されており、圧力源が駆動することにより、管の内部に水（冷水）が流動するようになっている。管の内部に水（冷水）が流動すると、導管４６内部を流動するエタノールの温度が低下する。また、導管４６の外周面には、第２ヒータ６６が取り付けられている。第２ヒータ６６が駆動することにより、導管４６内部を流動するエタノールの温度が上昇する。
【００３５】
第２温度センサ６２、第２冷却機構６４及び第２ヒータ６６は、制御部５４と電気的に接続されている。この制御部５４は、電磁バルブ４８を駆動制御する制御部と同一のものである。この制御部５４のＲＡＭには、第２温度センサ６２の測定結果に基づいて第２冷却機構６４及び第２ヒータ６６を駆動させるプログラムが内蔵されている。このため、第２温度センサ６２による温度の測定結果が制御部５４に出力され、制御部５４がエタノールの温度が低いと判断した場合には、第２ヒータ６６に制御信号を出力して第２ヒータ６６を駆動させて導管４６内部を流動するエタノールの温度を上昇させる。一方、制御部５４がエタノールの温度が高いと判断した場合には、第２冷却機構６４を構成する圧力源に制御信号を出力して管の内部に水（冷水）あるいはエチレングリコールやフロン等の冷媒を流動させる。これにより、導管４６内部を流動するエタノールの温度が低下する。
【００３６】
なお、上記各温度センサ、各ヒータ及び各冷却機構を気化器４０やエタノール供給源５０に設けることにより、気化器４０内部のエタノールや不活性ガス、エタノール供給源５０内部のエタノールの温度を一定に制御することもできる。
【００３７】
また、上記各温度センサ、各ヒータ及び各冷却機構を混合器３０、導管２８、３２に設け、各部内部を流動する流体の温度を一定に制御することもできる。このように、エタノールや不活性ガスの温度を一定に制御することにより、プラズマ処理の効果及び精度を高めることができる。
【００３８】
ここで、第１の処理ガス源３６及び第２の処理ガス源４４の内部には、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）などの希ガスや、窒素（Ｎ２）などの不活性ガスが充填されている。第１の処理ガス源３６及び第２の処理ガス源４４の内部には、これら単体の不活性ガスが充填されていてもよく、また数種類の不活性ガスが混合したガスが充填されていてもよいが、プラズマ励起効果が高いヘリウム（Ｈｅ）ガスが充填されていることが特に好ましい。
【００３９】
また、エタノール供給源５０にはエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）が充填されているが、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）に限られるものではなく、例えば、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）やイソプロピルアルコール（(ＣＨ２)２ＣＨ３ＯＨ）など、炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールであればよい。
【００４０】
次に、本実施形態の大気圧プラズマ処理装置１０を用いた大気圧プラズマ処理方法について説明する。
【００４１】
図１に示すように、駆動源からの駆動により送出装置１６及び巻取装置１８が回転駆動されて、フッ素樹脂シートＳが印加電極１２と接地電極１４との間に送り出される。このとき、印加電極１２と接地電極１４との間に位置するフッ素樹脂シートＳの表面処理部は、フッ素樹脂シートＳの表面処理部の近傍が各支持ロール２０、２２により下方から支持されているので、平面状となり、かつ皺がない状態となっている。
【００４２】
また、エタノール供給源５０から液体のエタノールが導管４６を通って気化器４０に供給される。この気化器４０によりエタノールが気化される。また、第２の処理ガス供給源４４から不活性ガスが所定の流量だけ導管３８Ｃ、３８Ｂを通って気化器４０に供給される。気化器４０で気体にされたエタノールは、第２の処理ガス供給源４４から供給された不活性ガスによりバブリングされ、このバブリングされたガスが混合器３０に供給される。このとき、第２の処理ガス供給源４４から気化器４０に供給される不活性ガスの流量がガス流量計測装置４２により計測され、その計測値に基づいて電磁バルブ４８が制御されることにより、エタノール供給源５０から気化器４０に供給されるエタノールの流量が制御される。このように、気化器４０では、エタノールが気化されるとともに、第２の処理ガス源４４から供給された不活性ガスと気化されたエタノールとが混合されて混合ガスとなる。
【００４３】
ここで、図２に示すように、気化器本体部４０Ａの内部に貯溜されるエタノールの液量は、光学式のセンサ５２などで管理されており、上述した方法で電磁バルブ４８及び制御部５４により常に一定量となるように制御されている。これにより、気化されるエタノールの量が常に一定になり、混合器３０に供給されるエタノールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極１２と接地電極１４との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００４４】
また、図４に示すように、気化器４０に供給されるエタノールの温度は、上述した方法で第２温度センサ６２、第２冷却機構６４及び第２ヒータ６６により一定となるように制御されるため、気化器４０において不活性ガスに溶け込むエタノールの量や、気化器４０から混合器３０に供給されるエタノールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極１２と接地電極１４との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００４５】
また、図３に示すように、第２の処理ガス供給源４４から気化器４０に供給される不活性ガスの温度は、上述した方法で第１温度センサ５６、第１冷却機構５８及び第１ヒータ６０により一定となるように制御されるため、不活性ガスに溶け込むエタノールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極１２と接地電極１４との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００４６】
また、第１の処理ガス源３６からは所定の流量の不活性ガスが導管３２を通って混合器３０に供給される。この第１の処理ガス源３６から供給される不活性ガスは、キャリアガスとして作用する。混合器３０では、第２の処理ガス源４４から供給された不活性ガスと気化されたエタノールとが混合された混合ガスと、第１の処理ガス源３６から供給された不活性ガスとが混合される。これにより、混合器３０では、希釈ガス（処理ガス）が生成される。混合器３０で生成された希釈ガス（処理ガス）が導管２８を通って印加電極１２と接地電極１４との間に供給される。
【００４７】
一方、印加電極１２と接地電極１４との間には、高周波電源２６から高周波電圧が印加される。このときの周波数は、高周波（数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ）が用いられるが、特に、工業用周波数である１３．５６ＭＨｚとすることが好ましい。また、印加電極１２と接地電極１４との間は、大気圧（１０１３ｈＰａ）の近傍の圧力（９００ｈＰａ以上１０１３ｈＰａ以下）となっている。
【００４８】
なお、印加電極１２と接地電極１４との間に作用する圧力を９００ｈＰａよりも小さくすると、真空ポンプや真空容器が必要となり、設備の製造コスト及び設備のランニングコストが増大するため、不具合となる。また、印加電極１２と接地電極１４との間に作用する圧力を１０１３ｈＰａよりも大きくすると、処理ガスが外部に漏れてしまうことを防止するために耐圧容器あるいはより高い気密性が必要となり好ましくない。
【００４９】
印加電極１２と接地電極１４との間に希釈ガス（処理ガス）が供給されるとともに高周波電圧が印加されると、印加電極１２と接地電極１４との間の放電空間内の希釈ガス（処理ガス）が電離してプラズマが発生し、希釈ガス（処理ガス）が電離した励起状態となって活性化される。そして、放電空間内に発生したプラズマがフッ素樹脂シートＳの表面に接することにより、フッ素樹脂シートＳの表面処理（表面改質）が行われる。
【００５０】
より具体的には、エタノールがプラズマ中で励起されると、−Ｈ、−ＯＨ、または−Ｏ−等が解離される。フッ素樹脂シートＳのフッ素樹脂表面のＣ−Ｆ結合は、その結合エネルギの関係から、アルコールから解離した−Ｈによって切断される。Ｆが切断されたＣの未結合手（ダングリングボンド）に、−ＯＨまたは−Ｏ−が付き、表面のフッ素樹脂に親水性を与えることになる。これにより、フッ素樹脂シートＳのフッ素樹脂表面を改質させることができる。
【００５１】
また、被処理体は、フッ素樹脂シートＳ以外として、表面がポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン（ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成されているものについても、フッ素樹脂シートＳを用いた場合と同様の表面改質を行うことができる。
【００５２】
なお、炭素数が比較的多い高級アルコールを用いると、アルコールがプラズマ中で励起させる際、粘性が高くなり過ぎて気化させることができないか、あるいはクラスター状になるため、励起が極めて困難になる。また、多価アルコールを用いた場合も、粘性が高くなるため、励起が困難になる。さらに、第３級アルコールを用いると、第３級アルコールが酸化されないため、親水性の官能基を解離させることはできない。これらのように、エタノールを用いることにより、フッ素樹脂シートＳのフッ素樹脂表面を都合良く改質させることができる。
【００５３】
以上のように、処理ガスの生成にはエタノールを用いることにより、有害性がないため、環境に悪影響を及ぼすことを防止できる。また、エタノールには有害性がないため、エタノールを取り扱うために、有害性を考慮した特別な設備が不要となる。また、エタノールには有害性がないため、エタノールを廃液処理するための特別な設備が不要となる。このように、本発明では、環境に悪影響を及ぼすことを防止できるとともに、設備を製造するための製造コストや設備を作動させるためのランニングコストを大幅に低減させることができる。特に、アルコールとしてエタノールを用いることにより、最も安全性を向上させることができる。
【００５４】
さらに、各支持ロール２０、２２によりフッ素樹脂シートＳが支持されるため、フッ素樹脂シートＳの表面処理部が平面状になる。フッ素樹脂シートＳの表面処理部を平面状とすることにより、プラズマを斑なくフッ素樹脂シートＳの表面処理部に照射させることができ、表面処理の品質を大幅に向上させることができる。
【００５５】
特に、気化器４０内部のエタノールの液面管理や、エタノール及び不活性ガスの温度管理を徹底することで、上述した通り、印加電極１２と接地電極１４との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置のアルコール気化手段及び液量調整手段の構成を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の不活性ガス温度調整手段の構成を示したブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置のアルコール温度調整手段の構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 大気圧プラズマ処理装置
１２ 印加電極
１４ 接地電極
２０ 支持ロール（被処理物支持手段）
２２ 支持ロール（被処理物支持手段）
２６ 高周波電源（高周波電圧印加手段）
２８ 導管（処理ガス供給手段）
３０ 混合器（処理ガス生成手段）
４０ 気化器（アルコール気化手段）
４４ 第２の処理ガス源（不活性ガス供給手段）
４８ 電磁バルブ（液量調整手段）
５２ センサ（液量調整手段）
５４ 制御部（液量調整手段、不活性ガス温度調整手段、アルコール温度調整手段）
５６ 第１温度センサ（不活性ガス温度調整手段）
５８ 第１冷却機構（不活性ガス温度調整手段）
６０ 第１ヒータ（不活性ガス温度調整手段）
６２ 第２温度センサ（アルコール温度調整手段）
６４ 第２冷却機構（アルコール温度調整手段）
６６ 第２ヒータ（アルコール温度調整手段）
Ｓ フッ素樹脂シート（被処理物）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フッ素樹脂成形物などの被処理物の表面を改質（処理）させるための表面処理装置及び表面処理方法に係り、特に被処理物を大気圧又はその近傍の圧力下においてプラズマ（グロー放電）による表面処理を行うための大気圧プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、フッ素樹脂は、耐薬品性、耐熱性、電気絶縁性、防汚性、耐候性、耐紫外線劣化性、撥水撥油性、低摩擦係数など、他の樹脂に見られない優れた性質を備えている。一方、その反面、フッ素樹脂の特性である難接着性のため、他の材料との複合化が困難である。フッ素樹脂が他の材料と複合化するときには、接着剤を用いる方法もあるが、フッ素樹脂と接着剤との密着性も悪く、接着も困難である。そのため、フッ素樹脂の表面を改質し、接着性を高める表面改質方法が従来から試みられている。
【０００３】
ここで、フッ素樹脂の表面改質方法として、火炎処理、金属ナトリウム処理に代表される化学処理、エキシマレーザ（下記特許文献１及び特許文献２を参照）や、プラズマによる放電処理（下記特許文献３及び特許文献４を参照）、スパッタエッチング（下記特許文献５を参照）が知られている。
【０００４】
ところが、金属ナトリウム処理では、引火の危険性や溶剤の大量使用による環境への悪影響の問題があり、また、改質された部分が紫外線、熱に弱い等の特性上の問題がある。また、プラズマによる放電処理では、液体を用いる方法や混合ガスを用いる方法などが提案されているが、処理面積が小さくなり、またランニングコストが大きくなり、さらに処理面の安定性の低下などの様々な問題がある。さらに、スパッタエッチングにおいても、表面処理装置自体が複雑かつ大きくなり、また、処理面の安定性が低下するなどの様々な問題がある。
【特許文献１】特開平６−２２８３４３号公報
【特許文献２】特開平６−２４００２６号公報
【特許文献３】特開平５−９２５３０号公報
【特許文献４】特開平６−１０７８１８号公報
【特許文献５】特開昭５１−１２５４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、上記各問題を解決するため、いわゆる薬液処理（ウエット処理）という方法が知られているが、この方法では、アンモニア等の有毒の薬液を多量に使用しなければならず、また表面処理方法も大変煩雑になる。この結果、環境への悪影響が懸念されるとともに、廃液の処理についての設備やノウハウが必要となり設備の製造コスト及びランニングコストが増大するという別の問題が生じている。
【０００６】
また、低圧プラズマ処理という方法も知られているが、低圧にするために真空排気システムが別途必要となり、また装置自体も真空に耐え得る構造にする必要があることから、装置が複雑化して設備の製造コスト及びランニングコストが増大するという問題がある。さらに、この方法では、反応性ガスを用いるため、取り扱いが困難であるとともに、排気系に反応ガスによる害を取り除く設備が必要となり、設備の製造コスト及びランニングコストが増大するという問題がある。
【０００７】
さらに、低級アルコールを気化させて不活性ガスと混合し、処理ガスを生成させるとともに、この処理ガスを印加電極と接地電極との間に供給してプラズマを発生させ、このプラズマを被処理物の表面に照射することにより、被処理物の表面処理（表面改質）を行うプラズマ処理方法についても、従来から知られている。しかしながら、この方法では、気化させる低級アルコールあるいは気化させた低級アルコールの供給量を一定にすることができないため、プラズマを安定に励起させることができず、プラズマ処理効果にバラツキが生じる結果になっていた。
【０００８】
そこで、本発明は、上記事情を考慮し、有毒な薬品を用いることなく簡易な構成でプラズマによる表面処理を安定かつ連続して行うことができ、また環境への悪影響を防止できるとともに、さらには製造コスト及びランニングコストを低減することができる大気圧プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、表面がフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン（ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成された被処理物の表面を大気圧又はその近傍の圧力下でプラズマにより処理する大気圧プラズマ処理装置であって、炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールを気化するアルコール気化手段と、前記アルコール気化手段における前記低級アルコールの液量を一定にする液量調整手段と、前記アルコール気化手段により気化された前記低級アルコールと不活性ガスとを混合して処理ガスを生成する処理ガス生成手段と、接地された接地電極と、前記接地電極に対向して配置された印加電極と、前記印加電極と前記接地電極との間に高周波電圧を印加させる高周波電圧印加手段と、前記処理ガスを前記印加電極と前記接地電極との間に供給する処理ガス供給手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置において、前記アルコール気化手段に、前記低級アルコールが溶け込み前記低級アルコールとともに前記処理ガス生成手段に供給される不活性ガスを、供給する不活性ガス供給手段を設け、前記アルコール気化手段に供給される前記不活性ガスの温度を一定にする不活性ガス温度調整手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の大気圧プラズマ処理装置において、前記アルコール気化手段に供給される前記低級アルコールの温度を一定にするアルコール温度調整手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、アルコール気化手段により炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールが気化され、その気化された低級アルコールと不活性ガスとが処理ガス生成手段により混合されて処理ガスが生成される。生成された処理ガスは、処理ガス供給手段により、印加電極と接地電極との間に供給される。また、高周波電圧印加手段により、印加電極と接地電極との間に高周波電圧が印加される。これにより、印加電極と接地電極との間の処理ガスが電離してプラズマが発生し、処理ガスが電離した励起状態となって活性化される。そして、印加電極と接地電極との間に発生したプラズマを被処理物の表面に照射することにより、被処理物の表面処理（表面改質）が行われる。
【００１３】
より具体的には、炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールがプラズマ中で励起されると、−Ｈ、−ＯＨ、または−Ｏ−等が解離される。表面がフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン（ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成された被処理物の表面のＣ−Ｆ結合またはＣ−Ｈ結合は、その結合エネルギの関係から、アルコールから解離した−Ｈあるいは−Ｏによって切断される。ＦまたはＨが切断されたＣの未結合手（ダングリングボンド）に、−ＯＨまたは−Ｏ−が付き、表面のフッ素樹脂などに親水性を与えることになる。これにより、被処理物の表面を改質させることができる。
【００１４】
なお、炭素数が比較的多い高級アルコールを用いると、アルコールがプラズマ中で励起させる際、粘性が高くなり過ぎて気化させることができないか、あるいはクラスター状になるため、励起が極めて困難になる。また、多価アルコールを用いた場合も、粘性が高くなるため、励起が困難になる。さらに、第３級アルコールを用いると、第３級アルコールが酸化されないため、親水性の官能基を解離させることはできない。これらのように、炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールを用いることにより、被処理物の表面を都合良く改質させることができる。
【００１５】
特に、アルコール気化手段における低級アルコールの液量が液量調整手段により一定量に制御される。これにより、気化される低級アルコールの量が常に一定になり、処理ガス生成手段に供給される低級アルコールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極と接地電極との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００１６】
以上のように、処理ガスの生成には上記低級アルコールを用いることにより、ほとんど有害性がないため、環境に悪影響を及ぼすことを防止できる。また、低級アルコールにはほとんど有害性がないため、低級アルコールを取り扱うために、有害性を考慮した特別な設備が不要となる。また、低級アルコールにはほとんど有害性がないため、低級アルコールを廃液処理するための特別な設備が不要となる。このように、本発明では、環境に悪影響を及ぼすことを防止できるとともに、設備を製造するための製造コストや設備を作動させるためのランニングコストを大幅に低減させることができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、アルコール気化手段には、不活性ガス供給手段から不活性ガスが供給される。アルコール気化手段に供給された不活性ガスは、溶け込んだ低級アルコールとともに処理ガス生成手段に供給される。
【００１８】
ここで、アルコール気化手段に供給される不活性ガスの温度が不活性ガス温度調整手段により一定となるように制御されるため、不活性ガスに溶け込む低級アルコールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極と接地電極との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００１９】
逆に、アルコール気化手段に供給される不活性ガスの温度が変化すると、不活性ガスの温度が高い場合には、溶け込む低級アルコールの量が多くなり、処理ガスの励起状態が不安定になって、プラズマ処理の精度が安定しない不具合がある。また、不活性ガスの温度が低い場合にも、溶け込む低級アルコールの量が少なくなり、処理ガスの励起状態が不安定になって、プラズマ処理の精度が安定しない不具合がある。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、アルコール気化手段に供給される低級アルコールの温度は、アルコール温度調整手段により一定となるように制御される。これにより、アルコール気化手段において、不活性ガスに溶け込む低級アルコールの量や処理ガス生成手段に供給される低級アルコールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極と接地電極との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００２１】
逆に、アルコール気化手段に供給される低級アルコールの温度が変化すると、アルコール気化手段における蒸気圧が変化するため、不活性ガスに溶け込む低級アルコールの量や処理ガス生成手段に供給される低級アルコールの量を一定にすることができなくなり、処理ガスの励起状態が不安定になって、プラズマ処理の精度が安定しない不具合がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置及び大気圧プラズマ処理方法について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１に示すように、大気圧プラズマ処理装置１０は、印加電極１２を備えている。この印加電極１２と対向する位置には接地電極１４が配置されている。なお、印加電極１２と接地電極１４の一方または両方の電極は、誘電体で覆われている。接地電極１４は地面にアース接続されている。また、接地電極１４の一方の端部側には、フッ素樹脂シート（被処理物）Ｓを印加電極１２と接地電極１４との間に送り出すロール状の送出装置１６が配置されている。また、接地電極１４の他方の端部側には、表面処理されたフッ素樹脂シートＳを巻き取るロール状の巻取装置１８が配置されている。また、接地電極１４の両端部近傍には、フッ素樹脂シートＳに皺が発生しないように下方からフッ素樹脂シートＳを支持する支持ロール２０、２２がそれぞれ配置されている。これにより、フッ素樹脂シートＳの表面処理部は平面状になる。なお、送出装置１６は、図示しないモータなどの駆動源に接続されている。これにより、送出装置１６は、駆動源からの駆動力により回転駆動できるようになっている。
【００２４】
ここで、フッ素樹脂シートＳは、フィルム状又はシート状に形成されていることが好ましいが、これに限られるものではなく、例えば、板状、チューブ状、バルク状など、処理表面が平面となるものであれば、種々の形状のものを用いることができる。また、フッ素樹脂シートＳは、分子内にフッ素原子を含むものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などが挙げられる。
【００２５】
なお、被処理体は、フッ素樹脂シートＳに限定されるものではなく、表面がフッ素樹脂以外のもの、例えば、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン（ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成されているものでもよい。
【００２６】
また、印加電極１２には、マッチング回路２４を介して高周波電源２６が電気的に接続されている。この高周波電源２６により印加電極１２と接地電極１４との間に高周波電圧が印加される。また、印加電極１２には、導管２８により混合器３０が接続されている。
【００２７】
混合器３０には、導管３２によりガス流量計測装置３４を介して第１の処理ガス源３６が接続されている。また、混合器３０には、導管３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃによって気化器４０及びガス流量計測装置４２を介した状態で第２の処理ガス源４４が接続されている。この気化器４０には、導管４６によって電磁バルブ４８を介した状態でエタノール供給源５０が接続されている。
【００２８】
ここで、気化器４０について詳細に説明する。
図２に示すように、気化器４０は、タンク状の気化器本体部４０Ａを備えている。この気化器本体部４０Ａの内部には、エタノール供給源５０に充填されたエタノールや、第２の処理ガス源４４に充填された不活性ガスが供給される。そして、この気化器本体部４０Ａの内部で、エタノールが不活性ガスによりバブリングされて気化し、気体となったエタノールが不活性ガスに溶け込み、気化器本体部４０Ａの内部の蒸気圧により、混合器３０に供給されるようになっている。また、気化器本体部４０Ａの側壁には、流路４０Ｂが形成されている。この流路４０Ｂの一方の端部と気化器本体部４０Ａは連通している。このため、流路４０Ｂには気化器本体部４０Ａに貯溜されたエタノールの一部が浸入した状態になっており、かつ両方の水面には大気圧が作用しているため、両方の水面の高さは略同じになっている。
【００２９】
また、流路４０Ｂの他方の端部には、上述の導管４６が接続されている。この導管４６には、上述した電磁バルブ４８が取り付けられている。この電磁バルブ４８は、ガス流量計測装置４２又は後述の制御部５４からの制御信号に基づいて開閉動作が実行され、流路４０Ｂ（導管４６）を開放又は閉塞することができるようになっている。流路４０Ｂ（導管４６）が開放されると、エタノール供給源５０から流路４０Ｂにエタノールが供給され、流路４０Ｂ（導管４６）が閉塞されると、エタノール供給源５０のエタノールが流路４０Ｂ、ひいては気化器４０に供給されることがない。
【００３０】
また、流路４０Ｂの近傍には、光学式のセンサ５２が配置されている。このセンサ５２は、流路４０Ｂ内部のエタノールの水面の位置を特定するものである。具体的には、センサ５２の発光部から光が出射され、流路４０Ｂ内部のエタノールで反射した光を受光部で受光するか否かで、水面の位置を特定する。また、光学式のセンサ５２の替りに、ＣＣＤカメラなどを使用して水面の位置を画像データとして後述の制御部５４に出力するようにしてもよい。
【００３１】
また、電磁バルブ４８及びセンサ５２は、制御部５４とそれぞれ電気的に接続されている。制御部５４は、センサ５２からの出力信号を受信して、電磁バルブ４８の開閉動作を制御するものである。例えば、制御部５４には、センサ５２からの出力信号と電磁バルブ４８の開閉動作との対応関係を示したテーブルが格納されているＲＡＭ（図示省略）を内蔵しており、このＲＡＭに格納されたテーブルに基づいて電磁バルブ４８に対して制御信号を出力する。具体的には、センサ５２からの出力信号に基づいて流路４０Ｂ内部のエタノールの水面の位置が任意の位置よりも低いと制御部５４により判断された場合には、電磁バルブ４８を開放する制御信号を電磁バルブ４８に出力する。これにより、電磁バルブ４８が開放し、流路４０Ｂにエタノールが供給される。流路４０Ｂに供給されたエタノールは、気化器本体部４０Ａの内部に浸入する。この結果、気化器本体部４０Ａの内部に貯溜されるエタノールの液量を増加させることができる。一方、センサ５２からの出力信号に基づいて流路４０Ｂ内部のエタノールの水面の位置が任意の位置よりも高いと制御部５４により判断された場合には、電磁バルブ４８を閉塞する制御信号を電磁バルブ４８に出力する。これにより、電磁バルブ４８が閉塞し、流路４０Ｂへのエタノールの供給が停止される。このように、気化器本体部４０Ａの内部に貯溜されるエタノールの液量を常に一定にすることができ、エタノールの液面管理を徹底させることができる。
【００３２】
また、図１及び図３に示すように、導管３８Ｂ、３８Ｃの少なくとも一方には、第１温度センサ５６（図１では図示省略）が内蔵されている。この第１温度センサ５６により、導管３８Ｂ、３８Ｃの内部を流動する第２の処理ガス源４４からの不活性ガスの温度が計測される。導管３８Ｂ、３８Ｃの少なくとも一方の外周面には、第１冷却機構５８としての管が巻き付けられている。この管の内部には、水（冷水）が流動するように構成されている。また、管の内部に水（冷水）を流すための第１冷却機構５８としての圧力源が接続されており、圧力源が駆動することにより、管の内部に水（冷水）が流動するようになっている。管の内部に水（冷水）が流動すると、導管３８Ｂ、３８Ｃ内部を流動する不活性ガスの温度が低下する。また、導管３８Ｂ、３８Ｃの少なくとも一方の外周面には、第１ヒータ６０が取り付けられている。第１ヒータ６０が駆動することにより、導管３８Ｂ、３８Ｃ内部を流動する不活性ガスの温度が上昇する。
【００３３】
第１温度センサ５６、第１冷却機構５８及び第１ヒータ６０は、制御部５４と電気的に接続されている。この制御部５４は、電磁バルブ４８を駆動制御する制御部と同一のものである。この制御部５４のＲＡＭには、第１温度センサ５６の測定結果に基づいて第１冷却機構５８及び第１ヒータ６０を駆動させるプログラムが内蔵されている。このため、第１温度センサ５６による温度の測定結果が制御部５４に出力され、制御部５４が不活性ガスの温度が低いと判断した場合には、第１ヒータ６０に制御信号を出力して第１ヒータ６０を駆動させて導管３８Ｂ、３８Ｃ内部を流動する不活性ガスの温度を上昇させる。一方、制御部５４が不活性ガスの温度が高いと判断した場合には、第１冷却機構５８を構成する圧力源に制御信号を出力して管の内部に水（冷水）を流動させる。これにより、導管３８Ｂ、３８Ｃ内部を流動する不活性ガスの温度が低下する。
【００３４】
また、図１及び図４に示すように、導管４６には、第２温度センサ６２（図１では図示省略）が内蔵されている。この第２温度センサ６２により、導管４６の内部を流動するエタノールの温度が計測される。導管４６の外周面には、第２冷却機構６４としての管が巻き付けられている。この管の内部には、水（冷水）が流動するように構成されている。また、管の内部に水（冷水）を流すための第２冷却機構６４としての圧力源が接続されており、圧力源が駆動することにより、管の内部に水（冷水）が流動するようになっている。管の内部に水（冷水）が流動すると、導管４６内部を流動するエタノールの温度が低下する。また、導管４６の外周面には、第２ヒータ６６が取り付けられている。第２ヒータ６６が駆動することにより、導管４６内部を流動するエタノールの温度が上昇する。
【００３５】
第２温度センサ６２、第２冷却機構６４及び第２ヒータ６６は、制御部５４と電気的に接続されている。この制御部５４は、電磁バルブ４８を駆動制御する制御部と同一のものである。この制御部５４のＲＡＭには、第２温度センサ６２の測定結果に基づいて第２冷却機構６４及び第２ヒータ６６を駆動させるプログラムが内蔵されている。このため、第２温度センサ６２による温度の測定結果が制御部５４に出力され、制御部５４がエタノールの温度が低いと判断した場合には、第２ヒータ６６に制御信号を出力して第２ヒータ６６を駆動させて導管４６内部を流動するエタノールの温度を上昇させる。一方、制御部５４がエタノールの温度が高いと判断した場合には、第２冷却機構６４を構成する圧力源に制御信号を出力して管の内部に水（冷水）あるいはエチレングリコールやフロン等の冷媒を流動させる。これにより、導管４６内部を流動するエタノールの温度が低下する。
【００３６】
なお、上記各温度センサ、各ヒータ及び各冷却機構を気化器４０やエタノール供給源５０に設けることにより、気化器４０内部のエタノールや不活性ガス、エタノール供給源５０内部のエタノールの温度を一定に制御することもできる。
【００３７】
また、上記各温度センサ、各ヒータ及び各冷却機構を混合器３０、導管２８、３２に設け、各部内部を流動する流体の温度を一定に制御することもできる。このように、エタノールや不活性ガスの温度を一定に制御することにより、プラズマ処理の効果及び精度を高めることができる。
【００３８】
ここで、第１の処理ガス源３６及び第２の処理ガス源４４の内部には、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）などの希ガスや、窒素（Ｎ２）などの不活性ガスが充填されている。第１の処理ガス源３６及び第２の処理ガス源４４の内部には、これら単体の不活性ガスが充填されていてもよく、また数種類の不活性ガスが混合したガスが充填されていてもよいが、プラズマ励起効果が高いヘリウム（Ｈｅ）ガスが充填されていることが特に好ましい。
【００３９】
また、エタノール供給源５０にはエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）が充填されているが、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）に限られるものではなく、例えば、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）やイソプロピルアルコール（(ＣＨ２)２ＣＨ３ＯＨ）など、炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールであればよい。
【００４０】
次に、本実施形態の大気圧プラズマ処理装置１０を用いた大気圧プラズマ処理方法について説明する。
【００４１】
図１に示すように、駆動源からの駆動により送出装置１６及び巻取装置１８が回転駆動されて、フッ素樹脂シートＳが印加電極１２と接地電極１４との間に送り出される。このとき、印加電極１２と接地電極１４との間に位置するフッ素樹脂シートＳの表面処理部は、フッ素樹脂シートＳの表面処理部の近傍が各支持ロール２０、２２により下方から支持されているので、平面状となり、かつ皺がない状態となっている。
【００４２】
また、エタノール供給源５０から液体のエタノールが導管４６を通って気化器４０に供給される。この気化器４０によりエタノールが気化される。また、第２の処理ガス供給源４４から不活性ガスが所定の流量だけ導管３８Ｃ、３８Ｂを通って気化器４０に供給される。気化器４０で気体にされたエタノールは、第２の処理ガス供給源４４から供給された不活性ガスによりバブリングされ、このバブリングされたガスが混合器３０に供給される。このとき、第２の処理ガス供給源４４から気化器４０に供給される不活性ガスの流量がガス流量計測装置４２により計測され、その計測値に基づいて電磁バルブ４８が制御されることにより、エタノール供給源５０から気化器４０に供給されるエタノールの流量が制御される。このように、気化器４０では、エタノールが気化されるとともに、第２の処理ガス源４４から供給された不活性ガスと気化されたエタノールとが混合されて混合ガスとなる。
【００４３】
ここで、図２に示すように、気化器本体部４０Ａの内部に貯溜されるエタノールの液量は、光学式のセンサ５２などで管理されており、上述した方法で電磁バルブ４８及び制御部５４により常に一定量となるように制御されている。これにより、気化されるエタノールの量が常に一定になり、混合器３０に供給されるエタノールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極１２と接地電極１４との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００４４】
また、図４に示すように、気化器４０に供給されるエタノールの温度は、上述した方法で第２温度センサ６２、第２冷却機構６４及び第２ヒータ６６により一定となるように制御されるため、気化器４０において不活性ガスに溶け込むエタノールの量や、気化器４０から混合器３０に供給されるエタノールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極１２と接地電極１４との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００４５】
また、図３に示すように、第２の処理ガス供給源４４から気化器４０に供給される不活性ガスの温度は、上述した方法で第１温度センサ５６、第１冷却機構５８及び第１ヒータ６０により一定となるように制御されるため、不活性ガスに溶け込むエタノールの量を一定にすることができる。この結果、印加電極１２と接地電極１４との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【００４６】
また、第１の処理ガス源３６からは所定の流量の不活性ガスが導管３２を通って混合器３０に供給される。この第１の処理ガス源３６から供給される不活性ガスは、キャリアガスとして作用する。混合器３０では、第２の処理ガス源４４から供給された不活性ガスと気化されたエタノールとが混合された混合ガスと、第１の処理ガス源３６から供給された不活性ガスとが混合される。これにより、混合器３０では、希釈ガス（処理ガス）が生成される。混合器３０で生成された希釈ガス（処理ガス）が導管２８を通って印加電極１２と接地電極１４との間に供給される。
【００４７】
一方、印加電極１２と接地電極１４との間には、高周波電源２６から高周波電圧が印加される。このときの周波数は、高周波（数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ）が用いられるが、特に、工業用周波数である１３．５６ＭＨｚとすることが好ましい。また、印加電極１２と接地電極１４との間は、大気圧（１０１３ｈＰａ）の近傍の圧力（９００ｈＰａ以上１０１３ｈＰａ以下）となっている。
【００４８】
なお、印加電極１２と接地電極１４との間に作用する圧力を９００ｈＰａよりも小さくすると、真空ポンプや真空容器が必要となり、設備の製造コスト及び設備のランニングコストが増大するため、不具合となる。また、印加電極１２と接地電極１４との間に作用する圧力を１０１３ｈＰａよりも大きくすると、処理ガスが外部に漏れてしまうことを防止するために耐圧容器あるいはより高い気密性が必要となり好ましくない。
【００４９】
印加電極１２と接地電極１４との間に希釈ガス（処理ガス）が供給されるとともに高周波電圧が印加されると、印加電極１２と接地電極１４との間の放電空間内の希釈ガス（処理ガス）が電離してプラズマが発生し、希釈ガス（処理ガス）が電離した励起状態となって活性化される。そして、放電空間内に発生したプラズマがフッ素樹脂シートＳの表面に接することにより、フッ素樹脂シートＳの表面処理（表面改質）が行われる。
【００５０】
より具体的には、エタノールがプラズマ中で励起されると、−Ｈ、−ＯＨ、または−Ｏ−等が解離される。フッ素樹脂シートＳのフッ素樹脂表面のＣ−Ｆ結合は、その結合エネルギの関係から、アルコールから解離した−Ｈによって切断される。Ｆが切断されたＣの未結合手（ダングリングボンド）に、−ＯＨまたは−Ｏ−が付き、表面のフッ素樹脂に親水性を与えることになる。これにより、フッ素樹脂シートＳのフッ素樹脂表面を改質させることができる。
【００５１】
また、被処理体は、フッ素樹脂シートＳ以外として、表面がポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン（ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成されているものについても、フッ素樹脂シートＳを用いた場合と同様の表面改質を行うことができる。
【００５２】
なお、炭素数が比較的多い高級アルコールを用いると、アルコールがプラズマ中で励起させる際、粘性が高くなり過ぎて気化させることができないか、あるいはクラスター状になるため、励起が極めて困難になる。また、多価アルコールを用いた場合も、粘性が高くなるため、励起が困難になる。さらに、第３級アルコールを用いると、第３級アルコールが酸化されないため、親水性の官能基を解離させることはできない。これらのように、エタノールを用いることにより、フッ素樹脂シートＳのフッ素樹脂表面を都合良く改質させることができる。
【００５３】
以上のように、処理ガスの生成にはエタノールを用いることにより、有害性がないため、環境に悪影響を及ぼすことを防止できる。また、エタノールには有害性がないため、エタノールを取り扱うために、有害性を考慮した特別な設備が不要となる。また、エタノールには有害性がないため、エタノールを廃液処理するための特別な設備が不要となる。このように、本発明では、環境に悪影響を及ぼすことを防止できるとともに、設備を製造するための製造コストや設備を作動させるためのランニングコストを大幅に低減させることができる。特に、アルコールとしてエタノールを用いることにより、最も安全性を向上させることができる。
【００５４】
さらに、各支持ロール２０、２２によりフッ素樹脂シートＳが支持されるため、フッ素樹脂シートＳの表面処理部が平面状になる。フッ素樹脂シートＳの表面処理部を平面状とすることにより、プラズマを斑なくフッ素樹脂シートＳの表面処理部に照射させることができ、表面処理の品質を大幅に向上させることができる。
【００５５】
特に、気化器４０内部のエタノールの液面管理や、エタノール及び不活性ガスの温度管理を徹底することで、上述した通り、印加電極１２と接地電極１４との間の処理ガスの励起状態が安定し、安定したプラズマで表面改質を実行することができるため、プラズマ処理の精度を高め、かつ安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置のアルコール気化手段及び液量調整手段の構成を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の不活性ガス温度調整手段の構成を示したブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置のアルコール温度調整手段の構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 大気圧プラズマ処理装置
１２ 印加電極
１４ 接地電極
２０ 支持ロール（被処理物支持手段）
２２ 支持ロール（被処理物支持手段）
２６ 高周波電源（高周波電圧印加手段）
２８ 導管（処理ガス供給手段）
３０ 混合器（処理ガス生成手段）
４０ 気化器（アルコール気化手段）
４４ 第２の処理ガス源（不活性ガス供給手段）
４８ 電磁バルブ（液量調整手段）
５２ センサ（液量調整手段）
５４ 制御部（液量調整手段、不活性ガス温度調整手段、アルコール温度調整手段）
５６ 第１温度センサ（不活性ガス温度調整手段）
５８ 第１冷却機構（不活性ガス温度調整手段）
６０ 第１ヒータ（不活性ガス温度調整手段）
６２ 第２温度センサ（アルコール温度調整手段）
６４ 第２冷却機構（アルコール温度調整手段）
６６ 第２ヒータ（アルコール温度調整手段）
Ｓ フッ素樹脂シート（被処理物）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面がフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成された被処理物の表面を大気圧又はその近傍の圧力下でプラズマにより処理する大気圧プラズマ処理装置であって、
炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールを気化するアルコール気化手段と、
前記アルコール気化手段における前記低級アルコールの液量を一定にする液量調整手段と、
前記アルコール気化手段により気化された前記低級アルコールと不活性ガスとを混合して処理ガスを生成する処理ガス生成手段と、
接地された接地電極と、
前記接地電極に対向して配置された印加電極と、
前記印加電極と前記接地電極との間に高周波電圧を印加させる高周波電圧印加手段と、
前記処理ガスを前記印加電極と前記接地電極との間に供給する処理ガス供給手段と、
を有することを特徴とする大気圧プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記アルコール気化手段に、前記低級アルコールが溶け込み前記低級アルコールとともに前記処理ガス生成手段に供給される不活性ガスを、供給する不活性ガス供給手段を設け、
前記アルコール気化手段に供給される前記不活性ガスの温度を一定にする不活性ガス温度調整手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記アルコール気化手段に供給される前記低級アルコールの温度を一定にするアルコール温度調整手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の大気圧プラズマ処理装置。
【請求項１】
表面がフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つで構成された被処理物の表面を大気圧又はその近傍の圧力下でプラズマにより処理する大気圧プラズマ処理装置であって、
炭素数４以下の第１級アルコール又は第２級アルコールである低級アルコールを気化するアルコール気化手段と、
前記アルコール気化手段における前記低級アルコールの液量を一定にする液量調整手段と、
前記アルコール気化手段により気化された前記低級アルコールと不活性ガスとを混合して処理ガスを生成する処理ガス生成手段と、
接地された接地電極と、
前記接地電極に対向して配置された印加電極と、
前記印加電極と前記接地電極との間に高周波電圧を印加させる高周波電圧印加手段と、
前記処理ガスを前記印加電極と前記接地電極との間に供給する処理ガス供給手段と、
を有することを特徴とする大気圧プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記アルコール気化手段に、前記低級アルコールが溶け込み前記低級アルコールとともに前記処理ガス生成手段に供給される不活性ガスを、供給する不活性ガス供給手段を設け、
前記アルコール気化手段に供給される前記不活性ガスの温度を一定にする不活性ガス温度調整手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記アルコール気化手段に供給される前記低級アルコールの温度を一定にするアルコール温度調整手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の大気圧プラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２９３６７９（Ｐ２００８−２９３６７９Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３５３０４（Ｐ２００７−１３５３０４）
【出願日】平成１９年５月２２日（２００７．５．２２）
【出願人】（５０１１１４６９３）株式会社ウインズ (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２２日（２００７．５．２２）
【出願人】（５０１１１４６９３）株式会社ウインズ (23)
【Ｆターム（参考）】
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