表面処理装置
【課題】被処理物を均一にプラズマ処理することのできる表面処理装置を提供する。
【解決手段】表面処理装置１００は、内筒１０、外筒２０、電極３０、被処理物供給部４０、ガス導入部５０および回転駆動機構６０を有している。外筒２０は内筒１０に対して軸回転可能に設けられ内筒１０を収容する。被処理物供給部４０は外筒２０と内筒１０との間の反応空間Ｖに被処理物を供給する。ガス導入部５０は、反応空間Ｖにガスを供給する。電極３０は内筒１０および外筒２０の周面に互いに対向してそれぞれ設けられたプラズマ発生用の電極であり印加電極３２および接地電極３４を含む。そして、回転駆動機構６０は内筒１０と外筒２０とを相対的に軸回転させる。
【解決手段】表面処理装置１００は、内筒１０、外筒２０、電極３０、被処理物供給部４０、ガス導入部５０および回転駆動機構６０を有している。外筒２０は内筒１０に対して軸回転可能に設けられ内筒１０を収容する。被処理物供給部４０は外筒２０と内筒１０との間の反応空間Ｖに被処理物を供給する。ガス導入部５０は、反応空間Ｖにガスを供給する。電極３０は内筒１０および外筒２０の周面に互いに対向してそれぞれ設けられたプラズマ発生用の電極であり印加電極３２および接地電極３４を含む。そして、回転駆動機構６０は内筒１０と外筒２０とを相対的に軸回転させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉体などの多数の被処理物をプラズマ処理によって表面改質する各種の表面処理装置が提案されている。この種の装置に関し、特許文献１には、回動軸に軸支された円筒型容器を真空層の内部に設置し、この容器の軸方向の両端面をプラズマ発生用の電極とする装置が記載されている。円筒型容器の周面には攪拌部材が突出して設けられており、この装置では、被処理物にあたる粒子を周方向に掻き上げながら真空プラズマ処理を行う。
【０００３】
特許文献２には、プラズマ発生用の複数の電極を外周面に装着した筒状の絶縁体容器を横倒しにして被処理物を収容し、この被処理物を転動または浮動させながら大気圧プラズマ処理する装置が記載されている。被処理物を転動させる方法としては絶縁体容器を傾斜または揺動させる方法が提案され、被処理物を浮動させる方法としては処理ガスを噴射する方法が提案されている。
【０００４】
また、特許文献３、４には、被処理物が充填された内外二重の筒状体からなる放電容器を全体に軸回転させるプラズマ処理装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−１３６７０１号公報
【特許文献２】特開平６−６５７３９号公報
【特許文献３】特開２０１０−２９８３０号公報
【特許文献４】特開２０１０−２９８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
多数の被処理物を均一にプラズマ処理するにあたっては、プラズマ発生用の電極（印加電極および接地電極）と被処理物との位置関係を均一化することが望まれる。具体的には、被処理物と電極との相対位置を固定せず被処理物をバランスよく動かしつづけることで、プラズマとの接触の程度が被処理物ごとに均一化される。
【０００７】
しかしながら、特許文献１の装置の場合、円筒型容器の両端面を電極とし、被処理物は周方向に掻き上げられながらプラズマ処理が行われる。このため、円筒型容器の軸方向の両端近傍に収容された被処理物と、中間部に収容された被処理物とでは、電極からの距離が相違した状態のままでプラズマ処理が行われる。このため、プラズマとの接触効率が被処理物ごとに大きく異なり、均一な表面処理をおこなうことが困難である。
【０００８】
特許文献２の装置の場合、被処理物を転動または浮動させることで、被処理物と電極との位置関係が完全に固定されることは避けられるものの、絶縁体容器の周面を底として被処理物が堆積するため、やはり均一なプラズマ処理をおこなうことは困難である。下方に堆積した被処理物は上方の被処理物に比べて移動しにくいため、被処理物の全体に亘ってプラズマとの接触効率を均一化することが困難なためである。
【０００９】
また、特許文献３、４の装置の場合、シリコンゴムからなる密閉膜部によって互いに連結された内側の筒状体（中心電極）と外側の筒状体（周辺電極）とが一体に軸回転する。このため、周辺電極によって揚送される被処理物と中心電極との相対位置は固定されており、被処理物を均一にプラズマ処理することはやはり困難である。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、被処理物を均一にプラズマ処理することのできる表面処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の表面処理装置は、内筒と、前記内筒に対して軸回転可能に設けられ、前記内筒を収容する外筒と、前記外筒と前記内筒との間の反応空間に被処理物を供給する供給部と、前記反応空間にガスを供給するガス導入部と、前記内筒および前記外筒の周面に互いに対向してそれぞれ設けられたプラズマ発生用の電極と、前記内筒と前記外筒とを相対的に軸回転させる回転駆動機構と、を有する。
【００１２】
上記発明によれば、プラズマ発生用の電極が内筒および外筒の周面に互いに対向してそれぞれ設けられていることにより、軸方向に亘って電極同士の対向間隔が均一化されている。この状態で、回転駆動機構が内筒と外筒とを相対的に軸回転させるため、回転する内筒または外筒に接した被処理物が周方向に移動して揚送と落下とを繰り返しながらプラズマ処理される。
【００１３】
なお、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の表面処理装置によれば、反応空間に供給された被処理物を均一にプラズマ処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は第一実施形態にかかる表面処理装置を示す正面図であり、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】内筒および外筒の縦断面模式図である。
【図３】（ａ）から（ｄ）は、攪拌翼の正面図である。
【図４】（ａ）は第二実施形態にかかる表面処理装置の部分横断面図であり、（ｂ）はその動作説明図である。
【図５】第二実施形態の変形例にかかる表面処理装置の部分横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１７】
＜第一実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の第一実施形態にかかる表面処理装置１００を示す正面図であり、同図（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。本実施形態においては、内筒１０および外筒２０の回転軸に対して直交する水平方向を表面処理装置１００の正面視方向とする。
【００１８】
本実施形態の表面処理装置１００は、内筒１０、外筒２０、電極３０、被処理物供給部４０、ガス導入部５０および回転駆動機構６０を有している。
外筒２０は、内筒１０に対して軸回転可能に設けられ、内筒１０を収容する。
被処理物供給部４０は、外筒２０と内筒１０との間の反応空間Ｖに被処理物Ｗを供給する。
ガス導入部５０は、反応空間ＶにガスＧを供給する。
電極３０は、内筒１０および外筒２０の周面１２、２２に互いに対向してそれぞれ設けられたプラズマ発生用の電極であり、印加電極３２および接地電極３４を含む。
そして、回転駆動機構６０は内筒１０と外筒２０とを相対的に軸回転させる。
【００１９】
次に、本実施形態の表面処理装置１００について詳細に説明する。
【００２０】
本実施形態に用いる被処理物Ｗの形状は、粉体などの粒子状、球状または塊状である。粒子状の場合、長径方向と短径方向との比率は特に限定されず、略球形であってもよく、棒状または針状であってもよい。また、被処理物Ｗの材質は、表面がプラズマ修飾可能であるかぎり、特に限定されない。
【００２１】
より具体的には、本実施形態の被処理物Ｗとしては有機粒子を用いる。たとえば、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂である。また、被処理物Ｗの平均粒径は１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは３μｍ以上７５μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以上５０μｍ以下である。なお、平均粒径（ｄ５０）は、レーザー回折散乱法により測定されたものである。具体的には、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて、メタノール中で粉体を５分間超音波処理することにより分散させ、粒子径の測定を行う。なお、ｄ５０値を粒子径平均値とする。
【００２２】
表面処理装置１００は、印加電極３２および接地電極３４からなる電極３０によって被処理物Ｗをプラズマ処理して、その表面を修飾する装置である。
表面処理装置１００は、互いに異なる角速度で回転する同軸二重管式の内筒１０および外筒２０から構成される管状構造を有している。内筒１０と外筒２０の回転速度および回転方向は独立しており、異なる速度および異なる方向に回転させることができる。
【００２３】
回転駆動機構６０は、外筒２０を軸回転させる第一回転機構６２と、内筒１０を外筒２０と逆向きに軸回転可能な第二回転機構６４と、を含んでいる。
【００２４】
本実施形態の第一回転機構６２は、軸方向に沿って外筒２０の下方両側に平行配置された一対のボールミルローラである。第一回転機構６２は、外筒２０を支持するとともに外筒２０を軸回転させる。ボールミルローラの回転方向を切り替えることで、外筒２０の回転方向を反転させることができる。
【００２５】
また、本実施形態の第二回転機構６４は、反応空間Ｖの外部で内筒１０の周囲に装着された駆動ベルト６５と、駆動ベルト６５を走行させるモータ６６とで構成されている。モータ６６による駆動ベルト６５の走行方向を切り替えることで、内筒１０の回転方向を反転させることができる。そして、本実施形態のように内筒１０を回転可能とすることで、内筒１０の上に一時的に堆積した被処理物Ｗが払い落とされる。これにより、被処理物Ｗの表面処理が均一化される。
【００２６】
内筒１０と外筒２０とは相対的に軸回転する。具体的には、内筒１０と外筒２０の一方が表面処理装置１００に固定されて、他方が回転してもよい。または、内筒１０と外筒２０とが互いに逆方向に回転してもよい。または、内筒１０と外筒２０とは同方向に、異なる角速度で回転してもよい。内筒１０と外筒２０との相対的な角速度を大きくするためには、内筒１０と外筒２０とが逆方向に回転するとよい。
【００２７】
外筒２０は、絶縁体容器２４からなる反応炉である。
絶縁体容器２４の筒状の周面２２には、プラズマ発生用の電極３０（接地電極３４）が設けられている。また、絶縁体容器２４は、ガラスなどの誘電体からなる筒状体である。絶縁体容器２４の形状は特に限定されず、円筒状でも角筒状でもよい。筒状体の径（角筒状の場合は対角寸法）は軸方向に沿って均一でもよく、または相違してもよい。言い換えると、外筒２０の絶縁体容器２４は、直筒状でもよく、またはテーパー筒でもよい。テーパー筒の場合、軸方向の中央が太径に形成された略球体状でもよい。このうち、図１（ｂ）に示す本実施形態の絶縁体容器２４（外筒２０）は、直筒状の円筒状である。
【００２８】
接地電極３４は、絶縁体容器２４の周面２２の一部または全部に設けられている。接地電極３４の配置位置は、絶縁体容器２４の内表面または外表面に露出して設けられてもよく、または周面２２の内部に設けられてもよい。また、接地電極３４の形状は特に限定されない。
本実施形態の接地電極３４は、絶縁体容器２４の外表面を覆う網状導体である。このほか、接地電極３４としては、絶縁体容器２４の外表面に螺旋状に巻回した帯状電極でもよく、絶縁体容器２４の外表面の全面に被着した面状電極でもよい。
【００２９】
内筒１０は、外筒２０の内側に同軸で設置された、プラズマ発生用の円筒形の電極３０（印加電極３２）である。すなわち、本実施形態では、内筒１０の筒状の周面１２に印加電極３２を設け、外筒２０に接地電極３４を設けている。ただし、本発明はこれに限られず、接地電極と印加電極とを入れ替えてもよい。すなわち、内筒１０に接地電極を設け、外筒２０に印加電極を設けてもよい。
【００３０】
本実施形態の表面処理装置１００は、内筒１０または外筒２０の少なくとも一方に、電極３０を冷却する冷媒Ｌ（図２を参照）を流通させる冷却機構１４が設けられている。冷却機構１４によって電極３０を冷却することで、粉体状の被処理物Ｗが内筒１０または外筒２０に凝集することを防止する。
【００３１】
より具体的には、内筒１０は、導電性の筒状体として構成された印加電極３２と、その内部に設けられた冷却機構１４とを備えている。印加電極３２には、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属材料、または黒鉛などの炭素材料を用いることができる。内筒１０の表面にはガラス等の誘電体を被覆しても良い。
【００３２】
内筒１０の形状は特に限定されず、円筒状でも角筒状でもよく、また直筒状でもテーパー筒でもよい。このうち、本実施形態の内筒１０は、外筒２０と同様に円筒状である。すなわち、本実施形態の表面処理装置１００は、同軸かつ異径に構成された内筒１０と外筒２０との間隔が反応空間Ｖの全域に亘って略等しい。本実施形態では、内筒１０の外筒２０との間隔にあたる反応空間Ｖの厚みは、１ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。
【００３３】
冷却機構１４は、水などの冷媒Ｌを連続的に供給する貯液槽（図示せず）と、内筒１０の内部の表層近傍に形成された管路である冷媒導入管１５と、その内側に設けられて印加電極３２を冷却した冷媒Ｌを貯液槽に還流する冷媒排出管１６と、還流された冷媒Ｌを冷却する冷却器（図示せず）とを含む。冷媒導入管１５と冷媒排出管１６は、内筒１０の軸方向に沿って設けられている。本実施形態では、内筒１０の表層に近接する冷媒導入管１５の内部に、ガス導入部５０の反対側（図１の左方）から冷媒Ｌが供給される。冷媒導入管１５の中を流動した冷媒Ｌは、内筒１０の内部で折り返され、冷媒排出管１６を通じて排出される。なお、本実施形態に代えて、冷媒導入管１５に対する冷媒Ｌの供給側を、ガス導入部５０と同一側としてもよい。
【００３４】
印加電極３２には、高周波電源３６が接続されている。本実施形態の高周波電源３６は、所定の周波数の交流電圧を発生するパルス高周波電源３７と、パルス高周波電源３７で生成した交流電圧を昇圧および周波数調整して印加電極３２に印加する高周波電源トランス３８とを含む。印加電極３２に印加する電圧の周波数は、１ｋＨｚ以上１０ＧＨｚ以下が望ましい。
【００３５】
本実施形態の表面処理装置１００は、内筒１０の周面の全体を印加電極３２とし、網状の接地電極３４をアース側としている。そして、接地電極３４と印加電極３２との間に誘電体（絶縁体容器２４）を配置することにより、印加電極３２から放出された高周波電流が誘電体の表面で蓄積される。さらに、多量の電流が接地電極３４に流れることにより、誘電体の表面に適度な電荷蓄積状態が形成される。
【００３６】
図２は、内筒１０および外筒２０の縦断面模式図である。同図は、内筒１０および外筒２０を回転軸に沿って切った断面模式図である。
【００３７】
図２に示すように、外筒２０は内筒１０を包み込むように配置されており、内筒１０の外径よりも外筒２０の内径の方が大きい。内筒１０と外筒２０の間に反応空間Ｖが存在する。内筒１０は、先端側（図中、右方）の太径部１０ａと、基端側（図中、左方）の細径部１０ｂとを含み、反応空間Ｖの内部に太径部１０ａが配置されている。太径部１０ａが印加電極３２にあたり、細径部１０ｂは回転駆動機構６０（図１を参照）により回転駆動される部位である。
【００３８】
また、内筒１０は外筒２０よりも長く、かつ外筒２０の両端には、内筒１０の外径と一致するように両端に向けて径が小さくなる半球状の蓋体１８が設けられている。内筒１０と外筒２０とが接する部分には、回転シール２６が備えられている。回転シール２６は、内筒１０および外筒２０の少なくとも一方に対して軸回転可能であり、内筒１０と外筒２０とは独立に軸回転することができる。また、回転シール２６は反応空間Ｖの両端を気密に封止している。
【００３９】
蓋体１８は、止め具１９によって絶縁体容器２４に固定されている。止め具１９はクランプであり、蓋体１８と絶縁体容器２４とを開閉可能に閉止する。蓋体１８および止め具１９は、絶縁体容器２４の軸方向の両側に設けられており、蓋体１８の一方または両方を絶縁体容器２４から開放することで、反応空間Ｖに対して被処理物Ｗを出し入れ可能である。すなわち、本実施形態の蓋体１８は被処理物供給部４０として機能する。
【００４０】
反応空間Ｖには、プラズマを発生させるためのガスＧがガス導入部５０により供給される。ガス導入部５０は、ガスＧを連続的に供給する貯気槽（図示せず）と、貯気槽および反応空間Ｖを連通する流路を構成しているガス導入管５１およびガス排出管５２と、を含む。本実施形態のガス導入管５１とガス排出管５２は、ロータリジョイントを介して外筒２０に連結されている。これにより、ガス導入管５１とガス排出管５２を表面処理装置１００に固定した状態において、軸回転する外筒２０の内部にガスＧを供給することができる。なお、本実施形態では、二重管構造のガス導入部５０における内側の管をガス導入管５１としているが、本発明はこれに限られない。ガス導入部５０における外側の管をガス導入管５１としてもよい。また、本実施形態では外筒２０の一端側（図２の右方）に設けたガス導入部５０を通じてのみガスＧの供給および排出をおこなっているが、本発明はこれに限られない。複数箇所よりガスＧを反応空間Ｖに供給または排出してもよく、またガスＧの供給側と排出側とを外筒２０の軸方向の反対側に個別に設けてもよい。
【００４１】
反応空間Ｖにおけるガス導入管５１の開口である導入口５３と、ガス排出管５２の開口である排出口５４とは、フランジ部５５を挟んで反対側に設けられている。導入口５３、排出口５４は複数あってもよい。より具体的には、フランジ部５５は内筒１０と同軸の円板状をなし、フランジ部５５の周囲と絶縁体容器２４との間隙は、ガス導入管５１の導入口５３と絶縁体容器２４との間隙よりも十分に小さい。ただし、フランジ部５５と絶縁体容器２４とは非接触であり、フランジ部５５の周囲をガスＧが流動可能である。フランジ部５５は、導入口５３から反応空間Ｖに供給されたガスＧが排出口５４に至ることを阻害する邪魔板である。
【００４２】
そして、ガス導入管５１の導入口５３は、フランジ部５５よりも反応空間Ｖの内部に配置されている。このため、フランジ部５５を境界として、反応空間Ｖが存在する空間と、排出口５４が存在する空間とを分離することができる。内筒１０および外筒２０の相対回転と、後述する攪拌翼４４ａ〜４４ｄの存在によって、反応空間Ｖ中に存在するガスは、導入されたガスＧと十分に攪拌・混合される。さらに、被処理物Ｗの存在により、反応空間Ｖ中のガスの攪拌がさらに促進されて、反応空間Ｖは完全混合槽に近似された状態になっている。このため、ガスＧの導入口５３から供給されたガスＧは、反応空間Ｖに入ることにより、反応空間Ｖに存在するガスと十分に攪拌・混合された後に、フランジ部５５と外筒２０の内壁との隙間から、排出口５４が存在する空間に排気される。なお、排出口５４には、被処理物Ｗの排出を防止するためのフィルタ（図示せず）が設けられている。
【００４３】
なお、内筒１０の太径部１０ａ（印加電極３２）の基端側には、被処理物Ｗが細径部１０ｂに向かって移動することを規制する規制板５６が設けられている。規制板５６はフランジ部５５と同様に円板状をなし、規制板５６の周囲と絶縁体容器２４とは、僅かな間隙をもって非接触である。
【００４４】
本実施形態の電極３０（印加電極３２および接地電極３４）は大気圧プラズマを発生させる。大気圧プラズマは、コロナ放電、誘電体バリア放電、ＲＦ放電、マイクロ波放電またはアーク放電などの方法で発生させることができる。なお、ここでいう大気圧は１気圧に限定されるものではない。本実施形態では、０．０２ＭＰａ以上０．１０２ＭＰａ以下とする。
【００４５】
本実施形態のように大気圧プラズマを用いることで、反応空間Ｖを真空引きする真空装置が不要である。また、内筒１０と外筒２０とが相対的に軸回転して反応空間Ｖの内部に気流が生じるため、内筒１０の上に一時的に堆積した被処理物Ｗが払い落とされる。
【００４６】
ガスＧは、プラズマを発生させるためのガスであり、反応性ガスを含んでもよい。
プラズマ発生用のガスとしては、ヘリウム、アルゴン等の希ガス、または窒素等の不活性ガスを用いることができる。また、反応性ガスとしては、窒素、酸素、アンモニア、一酸化二窒素もしくは二酸化炭素などの無機系ガス、または、ハロゲン原子もしくはハロゲンを含む原子団を有するハロゲン系ガスを用いることができる。
ハロゲン原子としては、フッ素原子、臭素原子、塩素原子、ヨウ素原子が挙げられるが、被処理物Ｗに対して難燃性を付与する場合には臭素原子が好ましい。ハロゲン原子を含むガスとしては、たとえば、テトラフロロ炭素、ジクロロメタン、四塩化炭素、ジブロモメタンまたはブロモホルムを含むガスが挙げられる。なかでも、ハロゲン化の効率を考慮すると、臭素ガス等のハロゲン系ガスを使用することが好ましい。
このほか、反応性ガスとしては、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）もしくはヘキサメチルジシロキサン等のケイ素を含む有機モノマーガスや、ケトン、アルコール、エーテル、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、アルデヒド、アミン類もしくはカルボン酸等の有機モノマーの蒸気を使用することができる。
このような反応性ガスを使用することで、被処理物Ｗの表面の未結合手に反応性ガスを構成する原子または原子団を結合させることができる。
【００４７】
本実施形態の表面処理装置１００の運転開始時においては、反応空間Ｖに残存する酸素ガスの濃度が十分に低くなるよう、希ガスなどのプラズマ発生用のガスＧをガス導入管５１より反応空間Ｖに供給する。供給するガスＧの１分当たりの体積をΔＶとすると、理論上、ｎ分経過後の酸素濃度Ｃｎは、初期の酸素濃度Ｃ０を用いて、下式（１）で求めることができる。
Ｃｎ ＝ Ｃ０×｛Ｖ／（Ｖ＋ΔＶ）｝ｎ （１）
【００４８】
図１に戻り、表面処理装置１００は、内筒１０および外筒２０を水平支持する支持構造７０をさらに備えている。
本実施形態の支持構造７０は、内筒１０の両端を回転可能に保持する支持材７２と、外筒２０の両端を保持して蓋体１８を絶縁体容器２４に固定する上記の止め具１９と、筐体７４とで構成されている。
なお、ここでいう水平支持とは、厳密な水平度を要するものではなく、被処理物Ｗが自重によって反応空間Ｖの片側に移動して溜まることがない程度の僅かな傾斜角度を許容するものである。
【００４９】
図１各図に示すように、表面処理装置１００は、外筒２０を冷却するとともに接地電極３４を接地するための放熱構造８０を備えている。
本実施形態の放熱構造８０は、金属板８２、放熱フィン８４、接地用ケーブル８６および支持台８８で構成されている。
金属板８２は、接地電極３４の表面に接触して、接地電極３４とアース部７６とを電気的に接続する導電性の部材である。接地用ケーブル８６は、筐体７４のアース部７６と金属板８２とを接続している。
【００５０】
第一回転機構６２によって軸回転する外筒２０と金属板８２との導通を維持するよう、金属板８２は外筒２０の上部に設けられ、自重によって僅かに接地電極３４に押し付けられている。かかる押し付け力が過大とならないよう、金属板８２は支持台８８によって略水平に支持されている。支持台８８は筐体７４に設置されている。
【００５１】
放熱フィン８４は、金属板８２の上面に設けられており、空冷ファン（図示せず）によって冷却される。すなわち、放熱構造８０は、接地電極３４を接地するとともに、絶縁体容器２４および接地電極３４の熱を放熱フィン８４で除熱する。
【００５２】
図１（ｂ）に示すように、反応空間Ｖには、被処理物Ｗを攪拌する突起部４２が径方向に突出して設けられている。
突起部４２は、反応空間Ｖに供給された被処理物Ｗを電極３０に対して周方向に移動させるための手段であり、具体的には被処理物Ｗをすくい上げて揚送する手段である。ここで、被処理物Ｗの位置に偏りがあると、均一なプラズマが得られず、また被処理物Ｗの表面が均一にプラズマ処理されにくい。これに対し、突起部４２によって反応空間Ｖの内部で被処理物Ｗを攪拌することで、被処理物Ｗが分散するため、安定したプラズマが形成されるとともに被処理物Ｗを均一にプラズマ処理することができる。
【００５３】
図３（ａ）から（ｄ）は、攪拌翼４４ａ〜４４ｄの正面図である。
【００５４】
本実施形態の突起部４２は、外筒２０の軸方向に沿って複数が離散的に配置されて櫛歯状の攪拌翼４４ａ〜４４ｄを構成している。４枚の攪拌翼４４ａ〜４４ｄは、９０度間隔で外筒２０の周面２２に、反応空間Ｖに向かって立設されている。そして、回転駆動機構６０（第一回転機構６２）が外筒２０を軸回転させることにより、被処理物Ｗは攪拌翼４４ａ〜４４ｄにすくい上げられて揚送され、さらに落下運動によって被処理物Ｗの上下運動が働き、混合が進む。このため個々の被処理物Ｗがプラズマに照射される機会が増加し、かつ均等にプラズマ処理が行われる。
【００５５】
本実施形態の表面処理装置１００は、複数の突起部４２が回転軸方向に間欠的に形成された攪拌翼４４ａ〜４４ｄが、反応空間Ｖの周方向の複数箇所に設けられている。
そして、周方向に隣接する攪拌翼４４ａ〜４４ｄにおける突起部４２は、回転軸方向に互いに異なる位置に設けられている。
【００５６】
すなわち、本実施形態の攪拌翼４４ａ〜４４ｄは、突起部４２同士の間のスリット部４３の位置が、隣り合う他の攪拌翼４４ａ〜４４ｄと互いにずれあっている。これにより、揚送されて落下する被処理物Ｗが、隣接する攪拌翼４４ａ〜４４ｄによってすぐに止められることがなく、軸方向に亘ってより均一に分散する。
【００５７】
なお、攪拌翼４４ａ〜４４ｄの正面視形状は、左右対称でも左右非対称でもよい。また、本実施形態のようにスリット部４３を設けることは任意であり、軸方向に延在する一つの帯状の突起部４２によって攪拌翼４４ａ〜４４ｄを構成してもよい。
【００５８】
なお、本実施形態については種々の変形を許容する。
例えば、図１（ｂ）では外筒２０にのみ攪拌翼４４ａ〜４４ｄを設けた場合を例示的に示したが、これに限られない。外筒２０の内周面と、内筒１０の外周面の双方に攪拌翼を設けてもよい。この場合、外筒２０の攪拌翼と内筒１０の攪拌翼とが干渉しないよう、攪拌翼を櫛歯状にするとともに、互いの突起部４２の位置を軸方向にずらすとよい。すなわち、たとえば図３に示した攪拌翼４４ａと攪拌翼４４ｃを外筒２０の内周面に設け、攪拌翼４４ｂと攪拌翼４４ｄを内筒１０の外周面に設けるとよい。これにより、回転駆動機構６０によって相対的に軸回転する内筒１０と外筒２０の攪拌翼同士が干渉することがない。
【００５９】
＜第二実施形態＞
図４（ａ）は、本実施形態にかかる表面処理装置１００の部分横断面図であり、内筒１０および外筒２０を軸方向に見た断面図である。同図（ｂ）は、その動作説明図である。
【００６０】
本実施形態の表面処理装置１００は、内筒１０または外筒２０の少なくとも一方が、軸直交方向の断面に角部１１を有することを特徴とする。
【００６１】
角部１１は、滑らかな円筒の一部を突出させて形成してもよく、または本実施形態のように内筒１０自体を角筒状としてそのコーナーに形成してよい。
【００６２】
より具体的には、内筒１０または外筒２０の少なくとも一方（本実施形態では内筒１０）が角筒状である。具体的には、内筒１０は三角筒状であり、３枚の平坦な周面１２の稜線が角部１１にあたる。
【００６３】
そして、内筒１０の３枚の平坦な周面１２は、印加電極３２として機能する。したがって、本実施形態の印加電極３２は、軸方向に伸びる先鋭な角部１１を有している。ここで、印加電極３２に角部１１が存在することで、プラズマＰはもっぱら角部１１から発生する。ここで、印加電極３２を軸回転させることで、プラズマＰが発生する角部１１が外筒２０に対して回転するため、プラズマＰの発生位置は反応空間Ｖの内部で分散する。言い換えると、本実施形態の表面処理装置１００は、プラズマＰが集中的に発生する角部１１を設けつつ、この角部１１を被処理物Ｗに対して回転移動させることで、個々の被処理物Ｗに対するプラズマ接触効率を平均化させるものである。
【００６４】
このように、プラズマＰの発生箇所を軸方向に延在する角部１１に集中させることで、印加電極３２への印加電圧を低減することが可能である。また、内筒１０および印加電極３２の製造時に、その表面に微細な凹凸が生じたとしても、プラズマＰの発生密度が不測に偏在することがない。これにより、表面処理装置１００の省電力と被処理物Ｗの均一な表面処理とが実現する。
【００６５】
本実施形態のガス導入部５０は、内筒１０または外筒２０から反応空間Ｖに向けてガスＧを吐出するノズル５７を含む。
ノズル５７は、径方向かつ内筒１０または外筒２０の相対回転方向の後方に向けてガスＧを吐出する。
【００６６】
本実施形態のガス導入管５１は、冷媒導入管１５および冷媒排出管１６とともに内筒１０の内部に収容され、軸方向に関して反応空間Ｖのほぼ全体に亘る長さで設けられている。より具体的には、本実施形態のガス導入管５１は、冷媒排出管１６のさらに内側に収容されている。
ノズル５７は、ガス導入管５１から径方向の外側に突出して設けられ、その先端の導入口５３は、内筒１０の３枚の平坦な周面１２の略中央にそれぞれ開口している。これにより、印加電極３２の角部１１よりもっぱら生じるプラズマＰが、ノズル５７および導入口５３と干渉することがない。ノズル５７は、ガス導入管５１に沿って軸方向の複数箇所に所定の間隔で設けられている。
【００６７】
図４（ａ）に示すように、本実施形態の外筒２０は時計回りに回転し、内筒１０は反時計回りに回転する。したがって、ノズル５７が設けられた内筒１０は、外筒２０に対して反時計回りに回転する。外筒２０には攪拌翼４４ａ〜４４ｄが設けられており、被処理物Ｗを周方向に揚送および落下させる。
【００６８】
ガスＧは、図４（ｂ）に破線矢印で示すように、平坦な印加電極３２の面直方向に吐出される。一方、内筒１０（印加電極３２）は、同図に実線細矢印で示すように反時計回りに回転する。このため、実線太矢印で示すように、回転する内筒１０から見てガスＧは回転方向の後方に吐出される。ノズル５７は、径方向かつ内筒１０に対して相対的に、回転方向（本実施形態の場合、反時計回り）の後方に向けてガスＧを吐出する。すなわち、ノズル５７は、内筒１０から回転方向の後方に、かつ径方向の外側に向かって、ガスＧを吐出する。これにより、ノズル５７から反応空間Ｖに吐出されたガスＧは周面１２に沿って印加電極３２の周囲に層流を形成し、かつ径方向の外側に向かって反応空間Ｖの全体に拡散していく。このため、本実施形態の表面処理装置１００によれば、反応空間Ｖの内部の気流を乱すことなく大気圧プラズマを発生することができる。
【００６９】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
【００７０】
図５は、第二実施形態の変形例にかかる表面処理装置１００の部分横断面図である。
本変形例の表面処理装置１００は、内筒１０が筐体７４（図１を参照）に固定され、外筒２０のみが軸回転する点で第二実施形態と相違する。
【００７１】
本変形例の内筒１０は角筒状（矩形筒状）であり、角部１１の一つを上方に向けて固定されている。このため、被処理物Ｗが内筒１０の上に溜まることがない。
【００７２】
本変形例のノズル５７もまた、平坦な印加電極３２の面央に設けられている。そして、ガスＧがノズル５７から径方向に真っ直ぐに吐出される。
一方、外筒２０は同図の時計回りに回転する。これにより、反応空間Ｖの内部には、時計回りの気流が生じるため、吐出されたガスＧは時計回りの層流を形成し、反応空間Ｖの全体に均一に拡散する。
そして本変形例の場合も、外筒２０に対して相対的に反時計回りに回転する内筒１０に対して、この相対回転方向の後方かつ径方向に向かってガスＧが吐出される。本変形例のようにノズル５７が表面処理装置１００に固定されていても、大気圧プラズマを用いる場合には、反応空間Ｖ内に生じる気流によってガスＧが拡散される。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 内筒
１０ａ 太径部
１０ｂ 細径部
１１ 角部
１２、２２ 周面
１４ 冷却機構
１５ 冷媒導入管
１６ 冷媒排出管
１８ 蓋体
１９ 止め具
２０ 外筒
２４ 絶縁体容器
２６ 回転シール
３０ 電極
３２ 印加電極
３４ 接地電極
３６ 高周波電源
３７ パルス高周波電源
３８ 高周波電源トランス
４０ 被処理物供給部
４２ 突起部
４３ スリット部
４４ａ〜４４ｄ 攪拌翼
５０ ガス導入部
５１ ガス導入管
５２ ガス排出管
５３ 導入口
５４ 排出口
５５ フランジ部
５６ 規制板
５７ ノズル
６０ 回転駆動機構
６２ 第一回転機構
６４ 第二回転機構
６５ 駆動ベルト
６６ モータ
７０ 支持構造
７２ 支持材
７４ 筐体
７６ アース部
８０ 放熱構造
８２ 金属板
８４ 放熱フィン
８６ 接地用ケーブル
８８ 支持台
１００ 表面処理装置
Ｇ ガス
Ｌ 冷媒
Ｐ プラズマ
Ｖ 反応空間
Ｗ 被処理物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉体などの多数の被処理物をプラズマ処理によって表面改質する各種の表面処理装置が提案されている。この種の装置に関し、特許文献１には、回動軸に軸支された円筒型容器を真空層の内部に設置し、この容器の軸方向の両端面をプラズマ発生用の電極とする装置が記載されている。円筒型容器の周面には攪拌部材が突出して設けられており、この装置では、被処理物にあたる粒子を周方向に掻き上げながら真空プラズマ処理を行う。
【０００３】
特許文献２には、プラズマ発生用の複数の電極を外周面に装着した筒状の絶縁体容器を横倒しにして被処理物を収容し、この被処理物を転動または浮動させながら大気圧プラズマ処理する装置が記載されている。被処理物を転動させる方法としては絶縁体容器を傾斜または揺動させる方法が提案され、被処理物を浮動させる方法としては処理ガスを噴射する方法が提案されている。
【０００４】
また、特許文献３、４には、被処理物が充填された内外二重の筒状体からなる放電容器を全体に軸回転させるプラズマ処理装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−１３６７０１号公報
【特許文献２】特開平６−６５７３９号公報
【特許文献３】特開２０１０−２９８３０号公報
【特許文献４】特開２０１０−２９８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
多数の被処理物を均一にプラズマ処理するにあたっては、プラズマ発生用の電極（印加電極および接地電極）と被処理物との位置関係を均一化することが望まれる。具体的には、被処理物と電極との相対位置を固定せず被処理物をバランスよく動かしつづけることで、プラズマとの接触の程度が被処理物ごとに均一化される。
【０００７】
しかしながら、特許文献１の装置の場合、円筒型容器の両端面を電極とし、被処理物は周方向に掻き上げられながらプラズマ処理が行われる。このため、円筒型容器の軸方向の両端近傍に収容された被処理物と、中間部に収容された被処理物とでは、電極からの距離が相違した状態のままでプラズマ処理が行われる。このため、プラズマとの接触効率が被処理物ごとに大きく異なり、均一な表面処理をおこなうことが困難である。
【０００８】
特許文献２の装置の場合、被処理物を転動または浮動させることで、被処理物と電極との位置関係が完全に固定されることは避けられるものの、絶縁体容器の周面を底として被処理物が堆積するため、やはり均一なプラズマ処理をおこなうことは困難である。下方に堆積した被処理物は上方の被処理物に比べて移動しにくいため、被処理物の全体に亘ってプラズマとの接触効率を均一化することが困難なためである。
【０００９】
また、特許文献３、４の装置の場合、シリコンゴムからなる密閉膜部によって互いに連結された内側の筒状体（中心電極）と外側の筒状体（周辺電極）とが一体に軸回転する。このため、周辺電極によって揚送される被処理物と中心電極との相対位置は固定されており、被処理物を均一にプラズマ処理することはやはり困難である。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、被処理物を均一にプラズマ処理することのできる表面処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の表面処理装置は、内筒と、前記内筒に対して軸回転可能に設けられ、前記内筒を収容する外筒と、前記外筒と前記内筒との間の反応空間に被処理物を供給する供給部と、前記反応空間にガスを供給するガス導入部と、前記内筒および前記外筒の周面に互いに対向してそれぞれ設けられたプラズマ発生用の電極と、前記内筒と前記外筒とを相対的に軸回転させる回転駆動機構と、を有する。
【００１２】
上記発明によれば、プラズマ発生用の電極が内筒および外筒の周面に互いに対向してそれぞれ設けられていることにより、軸方向に亘って電極同士の対向間隔が均一化されている。この状態で、回転駆動機構が内筒と外筒とを相対的に軸回転させるため、回転する内筒または外筒に接した被処理物が周方向に移動して揚送と落下とを繰り返しながらプラズマ処理される。
【００１３】
なお、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の表面処理装置によれば、反応空間に供給された被処理物を均一にプラズマ処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は第一実施形態にかかる表面処理装置を示す正面図であり、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】内筒および外筒の縦断面模式図である。
【図３】（ａ）から（ｄ）は、攪拌翼の正面図である。
【図４】（ａ）は第二実施形態にかかる表面処理装置の部分横断面図であり、（ｂ）はその動作説明図である。
【図５】第二実施形態の変形例にかかる表面処理装置の部分横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１７】
＜第一実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の第一実施形態にかかる表面処理装置１００を示す正面図であり、同図（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。本実施形態においては、内筒１０および外筒２０の回転軸に対して直交する水平方向を表面処理装置１００の正面視方向とする。
【００１８】
本実施形態の表面処理装置１００は、内筒１０、外筒２０、電極３０、被処理物供給部４０、ガス導入部５０および回転駆動機構６０を有している。
外筒２０は、内筒１０に対して軸回転可能に設けられ、内筒１０を収容する。
被処理物供給部４０は、外筒２０と内筒１０との間の反応空間Ｖに被処理物Ｗを供給する。
ガス導入部５０は、反応空間ＶにガスＧを供給する。
電極３０は、内筒１０および外筒２０の周面１２、２２に互いに対向してそれぞれ設けられたプラズマ発生用の電極であり、印加電極３２および接地電極３４を含む。
そして、回転駆動機構６０は内筒１０と外筒２０とを相対的に軸回転させる。
【００１９】
次に、本実施形態の表面処理装置１００について詳細に説明する。
【００２０】
本実施形態に用いる被処理物Ｗの形状は、粉体などの粒子状、球状または塊状である。粒子状の場合、長径方向と短径方向との比率は特に限定されず、略球形であってもよく、棒状または針状であってもよい。また、被処理物Ｗの材質は、表面がプラズマ修飾可能であるかぎり、特に限定されない。
【００２１】
より具体的には、本実施形態の被処理物Ｗとしては有機粒子を用いる。たとえば、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂である。また、被処理物Ｗの平均粒径は１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは３μｍ以上７５μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以上５０μｍ以下である。なお、平均粒径（ｄ５０）は、レーザー回折散乱法により測定されたものである。具体的には、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて、メタノール中で粉体を５分間超音波処理することにより分散させ、粒子径の測定を行う。なお、ｄ５０値を粒子径平均値とする。
【００２２】
表面処理装置１００は、印加電極３２および接地電極３４からなる電極３０によって被処理物Ｗをプラズマ処理して、その表面を修飾する装置である。
表面処理装置１００は、互いに異なる角速度で回転する同軸二重管式の内筒１０および外筒２０から構成される管状構造を有している。内筒１０と外筒２０の回転速度および回転方向は独立しており、異なる速度および異なる方向に回転させることができる。
【００２３】
回転駆動機構６０は、外筒２０を軸回転させる第一回転機構６２と、内筒１０を外筒２０と逆向きに軸回転可能な第二回転機構６４と、を含んでいる。
【００２４】
本実施形態の第一回転機構６２は、軸方向に沿って外筒２０の下方両側に平行配置された一対のボールミルローラである。第一回転機構６２は、外筒２０を支持するとともに外筒２０を軸回転させる。ボールミルローラの回転方向を切り替えることで、外筒２０の回転方向を反転させることができる。
【００２５】
また、本実施形態の第二回転機構６４は、反応空間Ｖの外部で内筒１０の周囲に装着された駆動ベルト６５と、駆動ベルト６５を走行させるモータ６６とで構成されている。モータ６６による駆動ベルト６５の走行方向を切り替えることで、内筒１０の回転方向を反転させることができる。そして、本実施形態のように内筒１０を回転可能とすることで、内筒１０の上に一時的に堆積した被処理物Ｗが払い落とされる。これにより、被処理物Ｗの表面処理が均一化される。
【００２６】
内筒１０と外筒２０とは相対的に軸回転する。具体的には、内筒１０と外筒２０の一方が表面処理装置１００に固定されて、他方が回転してもよい。または、内筒１０と外筒２０とが互いに逆方向に回転してもよい。または、内筒１０と外筒２０とは同方向に、異なる角速度で回転してもよい。内筒１０と外筒２０との相対的な角速度を大きくするためには、内筒１０と外筒２０とが逆方向に回転するとよい。
【００２７】
外筒２０は、絶縁体容器２４からなる反応炉である。
絶縁体容器２４の筒状の周面２２には、プラズマ発生用の電極３０（接地電極３４）が設けられている。また、絶縁体容器２４は、ガラスなどの誘電体からなる筒状体である。絶縁体容器２４の形状は特に限定されず、円筒状でも角筒状でもよい。筒状体の径（角筒状の場合は対角寸法）は軸方向に沿って均一でもよく、または相違してもよい。言い換えると、外筒２０の絶縁体容器２４は、直筒状でもよく、またはテーパー筒でもよい。テーパー筒の場合、軸方向の中央が太径に形成された略球体状でもよい。このうち、図１（ｂ）に示す本実施形態の絶縁体容器２４（外筒２０）は、直筒状の円筒状である。
【００２８】
接地電極３４は、絶縁体容器２４の周面２２の一部または全部に設けられている。接地電極３４の配置位置は、絶縁体容器２４の内表面または外表面に露出して設けられてもよく、または周面２２の内部に設けられてもよい。また、接地電極３４の形状は特に限定されない。
本実施形態の接地電極３４は、絶縁体容器２４の外表面を覆う網状導体である。このほか、接地電極３４としては、絶縁体容器２４の外表面に螺旋状に巻回した帯状電極でもよく、絶縁体容器２４の外表面の全面に被着した面状電極でもよい。
【００２９】
内筒１０は、外筒２０の内側に同軸で設置された、プラズマ発生用の円筒形の電極３０（印加電極３２）である。すなわち、本実施形態では、内筒１０の筒状の周面１２に印加電極３２を設け、外筒２０に接地電極３４を設けている。ただし、本発明はこれに限られず、接地電極と印加電極とを入れ替えてもよい。すなわち、内筒１０に接地電極を設け、外筒２０に印加電極を設けてもよい。
【００３０】
本実施形態の表面処理装置１００は、内筒１０または外筒２０の少なくとも一方に、電極３０を冷却する冷媒Ｌ（図２を参照）を流通させる冷却機構１４が設けられている。冷却機構１４によって電極３０を冷却することで、粉体状の被処理物Ｗが内筒１０または外筒２０に凝集することを防止する。
【００３１】
より具体的には、内筒１０は、導電性の筒状体として構成された印加電極３２と、その内部に設けられた冷却機構１４とを備えている。印加電極３２には、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属材料、または黒鉛などの炭素材料を用いることができる。内筒１０の表面にはガラス等の誘電体を被覆しても良い。
【００３２】
内筒１０の形状は特に限定されず、円筒状でも角筒状でもよく、また直筒状でもテーパー筒でもよい。このうち、本実施形態の内筒１０は、外筒２０と同様に円筒状である。すなわち、本実施形態の表面処理装置１００は、同軸かつ異径に構成された内筒１０と外筒２０との間隔が反応空間Ｖの全域に亘って略等しい。本実施形態では、内筒１０の外筒２０との間隔にあたる反応空間Ｖの厚みは、１ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。
【００３３】
冷却機構１４は、水などの冷媒Ｌを連続的に供給する貯液槽（図示せず）と、内筒１０の内部の表層近傍に形成された管路である冷媒導入管１５と、その内側に設けられて印加電極３２を冷却した冷媒Ｌを貯液槽に還流する冷媒排出管１６と、還流された冷媒Ｌを冷却する冷却器（図示せず）とを含む。冷媒導入管１５と冷媒排出管１６は、内筒１０の軸方向に沿って設けられている。本実施形態では、内筒１０の表層に近接する冷媒導入管１５の内部に、ガス導入部５０の反対側（図１の左方）から冷媒Ｌが供給される。冷媒導入管１５の中を流動した冷媒Ｌは、内筒１０の内部で折り返され、冷媒排出管１６を通じて排出される。なお、本実施形態に代えて、冷媒導入管１５に対する冷媒Ｌの供給側を、ガス導入部５０と同一側としてもよい。
【００３４】
印加電極３２には、高周波電源３６が接続されている。本実施形態の高周波電源３６は、所定の周波数の交流電圧を発生するパルス高周波電源３７と、パルス高周波電源３７で生成した交流電圧を昇圧および周波数調整して印加電極３２に印加する高周波電源トランス３８とを含む。印加電極３２に印加する電圧の周波数は、１ｋＨｚ以上１０ＧＨｚ以下が望ましい。
【００３５】
本実施形態の表面処理装置１００は、内筒１０の周面の全体を印加電極３２とし、網状の接地電極３４をアース側としている。そして、接地電極３４と印加電極３２との間に誘電体（絶縁体容器２４）を配置することにより、印加電極３２から放出された高周波電流が誘電体の表面で蓄積される。さらに、多量の電流が接地電極３４に流れることにより、誘電体の表面に適度な電荷蓄積状態が形成される。
【００３６】
図２は、内筒１０および外筒２０の縦断面模式図である。同図は、内筒１０および外筒２０を回転軸に沿って切った断面模式図である。
【００３７】
図２に示すように、外筒２０は内筒１０を包み込むように配置されており、内筒１０の外径よりも外筒２０の内径の方が大きい。内筒１０と外筒２０の間に反応空間Ｖが存在する。内筒１０は、先端側（図中、右方）の太径部１０ａと、基端側（図中、左方）の細径部１０ｂとを含み、反応空間Ｖの内部に太径部１０ａが配置されている。太径部１０ａが印加電極３２にあたり、細径部１０ｂは回転駆動機構６０（図１を参照）により回転駆動される部位である。
【００３８】
また、内筒１０は外筒２０よりも長く、かつ外筒２０の両端には、内筒１０の外径と一致するように両端に向けて径が小さくなる半球状の蓋体１８が設けられている。内筒１０と外筒２０とが接する部分には、回転シール２６が備えられている。回転シール２６は、内筒１０および外筒２０の少なくとも一方に対して軸回転可能であり、内筒１０と外筒２０とは独立に軸回転することができる。また、回転シール２６は反応空間Ｖの両端を気密に封止している。
【００３９】
蓋体１８は、止め具１９によって絶縁体容器２４に固定されている。止め具１９はクランプであり、蓋体１８と絶縁体容器２４とを開閉可能に閉止する。蓋体１８および止め具１９は、絶縁体容器２４の軸方向の両側に設けられており、蓋体１８の一方または両方を絶縁体容器２４から開放することで、反応空間Ｖに対して被処理物Ｗを出し入れ可能である。すなわち、本実施形態の蓋体１８は被処理物供給部４０として機能する。
【００４０】
反応空間Ｖには、プラズマを発生させるためのガスＧがガス導入部５０により供給される。ガス導入部５０は、ガスＧを連続的に供給する貯気槽（図示せず）と、貯気槽および反応空間Ｖを連通する流路を構成しているガス導入管５１およびガス排出管５２と、を含む。本実施形態のガス導入管５１とガス排出管５２は、ロータリジョイントを介して外筒２０に連結されている。これにより、ガス導入管５１とガス排出管５２を表面処理装置１００に固定した状態において、軸回転する外筒２０の内部にガスＧを供給することができる。なお、本実施形態では、二重管構造のガス導入部５０における内側の管をガス導入管５１としているが、本発明はこれに限られない。ガス導入部５０における外側の管をガス導入管５１としてもよい。また、本実施形態では外筒２０の一端側（図２の右方）に設けたガス導入部５０を通じてのみガスＧの供給および排出をおこなっているが、本発明はこれに限られない。複数箇所よりガスＧを反応空間Ｖに供給または排出してもよく、またガスＧの供給側と排出側とを外筒２０の軸方向の反対側に個別に設けてもよい。
【００４１】
反応空間Ｖにおけるガス導入管５１の開口である導入口５３と、ガス排出管５２の開口である排出口５４とは、フランジ部５５を挟んで反対側に設けられている。導入口５３、排出口５４は複数あってもよい。より具体的には、フランジ部５５は内筒１０と同軸の円板状をなし、フランジ部５５の周囲と絶縁体容器２４との間隙は、ガス導入管５１の導入口５３と絶縁体容器２４との間隙よりも十分に小さい。ただし、フランジ部５５と絶縁体容器２４とは非接触であり、フランジ部５５の周囲をガスＧが流動可能である。フランジ部５５は、導入口５３から反応空間Ｖに供給されたガスＧが排出口５４に至ることを阻害する邪魔板である。
【００４２】
そして、ガス導入管５１の導入口５３は、フランジ部５５よりも反応空間Ｖの内部に配置されている。このため、フランジ部５５を境界として、反応空間Ｖが存在する空間と、排出口５４が存在する空間とを分離することができる。内筒１０および外筒２０の相対回転と、後述する攪拌翼４４ａ〜４４ｄの存在によって、反応空間Ｖ中に存在するガスは、導入されたガスＧと十分に攪拌・混合される。さらに、被処理物Ｗの存在により、反応空間Ｖ中のガスの攪拌がさらに促進されて、反応空間Ｖは完全混合槽に近似された状態になっている。このため、ガスＧの導入口５３から供給されたガスＧは、反応空間Ｖに入ることにより、反応空間Ｖに存在するガスと十分に攪拌・混合された後に、フランジ部５５と外筒２０の内壁との隙間から、排出口５４が存在する空間に排気される。なお、排出口５４には、被処理物Ｗの排出を防止するためのフィルタ（図示せず）が設けられている。
【００４３】
なお、内筒１０の太径部１０ａ（印加電極３２）の基端側には、被処理物Ｗが細径部１０ｂに向かって移動することを規制する規制板５６が設けられている。規制板５６はフランジ部５５と同様に円板状をなし、規制板５６の周囲と絶縁体容器２４とは、僅かな間隙をもって非接触である。
【００４４】
本実施形態の電極３０（印加電極３２および接地電極３４）は大気圧プラズマを発生させる。大気圧プラズマは、コロナ放電、誘電体バリア放電、ＲＦ放電、マイクロ波放電またはアーク放電などの方法で発生させることができる。なお、ここでいう大気圧は１気圧に限定されるものではない。本実施形態では、０．０２ＭＰａ以上０．１０２ＭＰａ以下とする。
【００４５】
本実施形態のように大気圧プラズマを用いることで、反応空間Ｖを真空引きする真空装置が不要である。また、内筒１０と外筒２０とが相対的に軸回転して反応空間Ｖの内部に気流が生じるため、内筒１０の上に一時的に堆積した被処理物Ｗが払い落とされる。
【００４６】
ガスＧは、プラズマを発生させるためのガスであり、反応性ガスを含んでもよい。
プラズマ発生用のガスとしては、ヘリウム、アルゴン等の希ガス、または窒素等の不活性ガスを用いることができる。また、反応性ガスとしては、窒素、酸素、アンモニア、一酸化二窒素もしくは二酸化炭素などの無機系ガス、または、ハロゲン原子もしくはハロゲンを含む原子団を有するハロゲン系ガスを用いることができる。
ハロゲン原子としては、フッ素原子、臭素原子、塩素原子、ヨウ素原子が挙げられるが、被処理物Ｗに対して難燃性を付与する場合には臭素原子が好ましい。ハロゲン原子を含むガスとしては、たとえば、テトラフロロ炭素、ジクロロメタン、四塩化炭素、ジブロモメタンまたはブロモホルムを含むガスが挙げられる。なかでも、ハロゲン化の効率を考慮すると、臭素ガス等のハロゲン系ガスを使用することが好ましい。
このほか、反応性ガスとしては、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）もしくはヘキサメチルジシロキサン等のケイ素を含む有機モノマーガスや、ケトン、アルコール、エーテル、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、アルデヒド、アミン類もしくはカルボン酸等の有機モノマーの蒸気を使用することができる。
このような反応性ガスを使用することで、被処理物Ｗの表面の未結合手に反応性ガスを構成する原子または原子団を結合させることができる。
【００４７】
本実施形態の表面処理装置１００の運転開始時においては、反応空間Ｖに残存する酸素ガスの濃度が十分に低くなるよう、希ガスなどのプラズマ発生用のガスＧをガス導入管５１より反応空間Ｖに供給する。供給するガスＧの１分当たりの体積をΔＶとすると、理論上、ｎ分経過後の酸素濃度Ｃｎは、初期の酸素濃度Ｃ０を用いて、下式（１）で求めることができる。
Ｃｎ ＝ Ｃ０×｛Ｖ／（Ｖ＋ΔＶ）｝ｎ （１）
【００４８】
図１に戻り、表面処理装置１００は、内筒１０および外筒２０を水平支持する支持構造７０をさらに備えている。
本実施形態の支持構造７０は、内筒１０の両端を回転可能に保持する支持材７２と、外筒２０の両端を保持して蓋体１８を絶縁体容器２４に固定する上記の止め具１９と、筐体７４とで構成されている。
なお、ここでいう水平支持とは、厳密な水平度を要するものではなく、被処理物Ｗが自重によって反応空間Ｖの片側に移動して溜まることがない程度の僅かな傾斜角度を許容するものである。
【００４９】
図１各図に示すように、表面処理装置１００は、外筒２０を冷却するとともに接地電極３４を接地するための放熱構造８０を備えている。
本実施形態の放熱構造８０は、金属板８２、放熱フィン８４、接地用ケーブル８６および支持台８８で構成されている。
金属板８２は、接地電極３４の表面に接触して、接地電極３４とアース部７６とを電気的に接続する導電性の部材である。接地用ケーブル８６は、筐体７４のアース部７６と金属板８２とを接続している。
【００５０】
第一回転機構６２によって軸回転する外筒２０と金属板８２との導通を維持するよう、金属板８２は外筒２０の上部に設けられ、自重によって僅かに接地電極３４に押し付けられている。かかる押し付け力が過大とならないよう、金属板８２は支持台８８によって略水平に支持されている。支持台８８は筐体７４に設置されている。
【００５１】
放熱フィン８４は、金属板８２の上面に設けられており、空冷ファン（図示せず）によって冷却される。すなわち、放熱構造８０は、接地電極３４を接地するとともに、絶縁体容器２４および接地電極３４の熱を放熱フィン８４で除熱する。
【００５２】
図１（ｂ）に示すように、反応空間Ｖには、被処理物Ｗを攪拌する突起部４２が径方向に突出して設けられている。
突起部４２は、反応空間Ｖに供給された被処理物Ｗを電極３０に対して周方向に移動させるための手段であり、具体的には被処理物Ｗをすくい上げて揚送する手段である。ここで、被処理物Ｗの位置に偏りがあると、均一なプラズマが得られず、また被処理物Ｗの表面が均一にプラズマ処理されにくい。これに対し、突起部４２によって反応空間Ｖの内部で被処理物Ｗを攪拌することで、被処理物Ｗが分散するため、安定したプラズマが形成されるとともに被処理物Ｗを均一にプラズマ処理することができる。
【００５３】
図３（ａ）から（ｄ）は、攪拌翼４４ａ〜４４ｄの正面図である。
【００５４】
本実施形態の突起部４２は、外筒２０の軸方向に沿って複数が離散的に配置されて櫛歯状の攪拌翼４４ａ〜４４ｄを構成している。４枚の攪拌翼４４ａ〜４４ｄは、９０度間隔で外筒２０の周面２２に、反応空間Ｖに向かって立設されている。そして、回転駆動機構６０（第一回転機構６２）が外筒２０を軸回転させることにより、被処理物Ｗは攪拌翼４４ａ〜４４ｄにすくい上げられて揚送され、さらに落下運動によって被処理物Ｗの上下運動が働き、混合が進む。このため個々の被処理物Ｗがプラズマに照射される機会が増加し、かつ均等にプラズマ処理が行われる。
【００５５】
本実施形態の表面処理装置１００は、複数の突起部４２が回転軸方向に間欠的に形成された攪拌翼４４ａ〜４４ｄが、反応空間Ｖの周方向の複数箇所に設けられている。
そして、周方向に隣接する攪拌翼４４ａ〜４４ｄにおける突起部４２は、回転軸方向に互いに異なる位置に設けられている。
【００５６】
すなわち、本実施形態の攪拌翼４４ａ〜４４ｄは、突起部４２同士の間のスリット部４３の位置が、隣り合う他の攪拌翼４４ａ〜４４ｄと互いにずれあっている。これにより、揚送されて落下する被処理物Ｗが、隣接する攪拌翼４４ａ〜４４ｄによってすぐに止められることがなく、軸方向に亘ってより均一に分散する。
【００５７】
なお、攪拌翼４４ａ〜４４ｄの正面視形状は、左右対称でも左右非対称でもよい。また、本実施形態のようにスリット部４３を設けることは任意であり、軸方向に延在する一つの帯状の突起部４２によって攪拌翼４４ａ〜４４ｄを構成してもよい。
【００５８】
なお、本実施形態については種々の変形を許容する。
例えば、図１（ｂ）では外筒２０にのみ攪拌翼４４ａ〜４４ｄを設けた場合を例示的に示したが、これに限られない。外筒２０の内周面と、内筒１０の外周面の双方に攪拌翼を設けてもよい。この場合、外筒２０の攪拌翼と内筒１０の攪拌翼とが干渉しないよう、攪拌翼を櫛歯状にするとともに、互いの突起部４２の位置を軸方向にずらすとよい。すなわち、たとえば図３に示した攪拌翼４４ａと攪拌翼４４ｃを外筒２０の内周面に設け、攪拌翼４４ｂと攪拌翼４４ｄを内筒１０の外周面に設けるとよい。これにより、回転駆動機構６０によって相対的に軸回転する内筒１０と外筒２０の攪拌翼同士が干渉することがない。
【００５９】
＜第二実施形態＞
図４（ａ）は、本実施形態にかかる表面処理装置１００の部分横断面図であり、内筒１０および外筒２０を軸方向に見た断面図である。同図（ｂ）は、その動作説明図である。
【００６０】
本実施形態の表面処理装置１００は、内筒１０または外筒２０の少なくとも一方が、軸直交方向の断面に角部１１を有することを特徴とする。
【００６１】
角部１１は、滑らかな円筒の一部を突出させて形成してもよく、または本実施形態のように内筒１０自体を角筒状としてそのコーナーに形成してよい。
【００６２】
より具体的には、内筒１０または外筒２０の少なくとも一方（本実施形態では内筒１０）が角筒状である。具体的には、内筒１０は三角筒状であり、３枚の平坦な周面１２の稜線が角部１１にあたる。
【００６３】
そして、内筒１０の３枚の平坦な周面１２は、印加電極３２として機能する。したがって、本実施形態の印加電極３２は、軸方向に伸びる先鋭な角部１１を有している。ここで、印加電極３２に角部１１が存在することで、プラズマＰはもっぱら角部１１から発生する。ここで、印加電極３２を軸回転させることで、プラズマＰが発生する角部１１が外筒２０に対して回転するため、プラズマＰの発生位置は反応空間Ｖの内部で分散する。言い換えると、本実施形態の表面処理装置１００は、プラズマＰが集中的に発生する角部１１を設けつつ、この角部１１を被処理物Ｗに対して回転移動させることで、個々の被処理物Ｗに対するプラズマ接触効率を平均化させるものである。
【００６４】
このように、プラズマＰの発生箇所を軸方向に延在する角部１１に集中させることで、印加電極３２への印加電圧を低減することが可能である。また、内筒１０および印加電極３２の製造時に、その表面に微細な凹凸が生じたとしても、プラズマＰの発生密度が不測に偏在することがない。これにより、表面処理装置１００の省電力と被処理物Ｗの均一な表面処理とが実現する。
【００６５】
本実施形態のガス導入部５０は、内筒１０または外筒２０から反応空間Ｖに向けてガスＧを吐出するノズル５７を含む。
ノズル５７は、径方向かつ内筒１０または外筒２０の相対回転方向の後方に向けてガスＧを吐出する。
【００６６】
本実施形態のガス導入管５１は、冷媒導入管１５および冷媒排出管１６とともに内筒１０の内部に収容され、軸方向に関して反応空間Ｖのほぼ全体に亘る長さで設けられている。より具体的には、本実施形態のガス導入管５１は、冷媒排出管１６のさらに内側に収容されている。
ノズル５７は、ガス導入管５１から径方向の外側に突出して設けられ、その先端の導入口５３は、内筒１０の３枚の平坦な周面１２の略中央にそれぞれ開口している。これにより、印加電極３２の角部１１よりもっぱら生じるプラズマＰが、ノズル５７および導入口５３と干渉することがない。ノズル５７は、ガス導入管５１に沿って軸方向の複数箇所に所定の間隔で設けられている。
【００６７】
図４（ａ）に示すように、本実施形態の外筒２０は時計回りに回転し、内筒１０は反時計回りに回転する。したがって、ノズル５７が設けられた内筒１０は、外筒２０に対して反時計回りに回転する。外筒２０には攪拌翼４４ａ〜４４ｄが設けられており、被処理物Ｗを周方向に揚送および落下させる。
【００６８】
ガスＧは、図４（ｂ）に破線矢印で示すように、平坦な印加電極３２の面直方向に吐出される。一方、内筒１０（印加電極３２）は、同図に実線細矢印で示すように反時計回りに回転する。このため、実線太矢印で示すように、回転する内筒１０から見てガスＧは回転方向の後方に吐出される。ノズル５７は、径方向かつ内筒１０に対して相対的に、回転方向（本実施形態の場合、反時計回り）の後方に向けてガスＧを吐出する。すなわち、ノズル５７は、内筒１０から回転方向の後方に、かつ径方向の外側に向かって、ガスＧを吐出する。これにより、ノズル５７から反応空間Ｖに吐出されたガスＧは周面１２に沿って印加電極３２の周囲に層流を形成し、かつ径方向の外側に向かって反応空間Ｖの全体に拡散していく。このため、本実施形態の表面処理装置１００によれば、反応空間Ｖの内部の気流を乱すことなく大気圧プラズマを発生することができる。
【００６９】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
【００７０】
図５は、第二実施形態の変形例にかかる表面処理装置１００の部分横断面図である。
本変形例の表面処理装置１００は、内筒１０が筐体７４（図１を参照）に固定され、外筒２０のみが軸回転する点で第二実施形態と相違する。
【００７１】
本変形例の内筒１０は角筒状（矩形筒状）であり、角部１１の一つを上方に向けて固定されている。このため、被処理物Ｗが内筒１０の上に溜まることがない。
【００７２】
本変形例のノズル５７もまた、平坦な印加電極３２の面央に設けられている。そして、ガスＧがノズル５７から径方向に真っ直ぐに吐出される。
一方、外筒２０は同図の時計回りに回転する。これにより、反応空間Ｖの内部には、時計回りの気流が生じるため、吐出されたガスＧは時計回りの層流を形成し、反応空間Ｖの全体に均一に拡散する。
そして本変形例の場合も、外筒２０に対して相対的に反時計回りに回転する内筒１０に対して、この相対回転方向の後方かつ径方向に向かってガスＧが吐出される。本変形例のようにノズル５７が表面処理装置１００に固定されていても、大気圧プラズマを用いる場合には、反応空間Ｖ内に生じる気流によってガスＧが拡散される。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 内筒
１０ａ 太径部
１０ｂ 細径部
１１ 角部
１２、２２ 周面
１４ 冷却機構
１５ 冷媒導入管
１６ 冷媒排出管
１８ 蓋体
１９ 止め具
２０ 外筒
２４ 絶縁体容器
２６ 回転シール
３０ 電極
３２ 印加電極
３４ 接地電極
３６ 高周波電源
３７ パルス高周波電源
３８ 高周波電源トランス
４０ 被処理物供給部
４２ 突起部
４３ スリット部
４４ａ〜４４ｄ 攪拌翼
５０ ガス導入部
５１ ガス導入管
５２ ガス排出管
５３ 導入口
５４ 排出口
５５ フランジ部
５６ 規制板
５７ ノズル
６０ 回転駆動機構
６２ 第一回転機構
６４ 第二回転機構
６５ 駆動ベルト
６６ モータ
７０ 支持構造
７２ 支持材
７４ 筐体
７６ アース部
８０ 放熱構造
８２ 金属板
８４ 放熱フィン
８６ 接地用ケーブル
８８ 支持台
１００ 表面処理装置
Ｇ ガス
Ｌ 冷媒
Ｐ プラズマ
Ｖ 反応空間
Ｗ 被処理物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内筒と、
前記内筒に対して軸回転可能に設けられ、前記内筒を収容する外筒と、
前記外筒と前記内筒との間の反応空間に被処理物を供給する供給部と、
前記反応空間にガスを供給するガス導入部と、
前記内筒および前記外筒の周面に互いに対向してそれぞれ設けられたプラズマ発生用の電極と、
前記内筒と前記外筒とを相対的に軸回転させる回転駆動機構と、
を有する表面処理装置。
【請求項２】
前記電極が大気圧プラズマを発生させる請求項１に記載の表面処理装置。
【請求項３】
前記反応空間に、前記被処理物を攪拌する突起部が径方向に突出して設けられている請求項１または２に記載の表面処理装置。
【請求項４】
複数の前記突起部が回転軸方向に間欠的に形成された攪拌翼が、前記反応空間の周方向の複数箇所に設けられているとともに、
周方向に隣接する前記攪拌翼における前記突起部が、前記回転軸方向に互いに異なる位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の表面処理装置。
【請求項５】
前記回転駆動機構が、前記外筒を軸回転させる第一回転機構と、前記内筒を前記外筒と逆向きに軸回転可能な第二回転機構と、を含む請求項１から４のいずれか一項に記載の表面処理装置。
【請求項６】
前記内筒および前記外筒を水平支持する支持構造をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載の表面処理装置。
【請求項７】
前記内筒または前記外筒の少なくとも一方が、軸直交方向の断面に角部を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の表面処理装置。
【請求項８】
前記内筒または前記外筒の少なくとも一方が角筒状である請求項７に記載の表面処理装置。
【請求項９】
前記ガス導入部が、前記内筒または前記外筒から前記反応空間に向けて前記ガスを吐出するノズルを含むとともに、
前記ノズルが、径方向かつ前記内筒または前記外筒の相対回転方向の後方に向けて前記ガスを吐出することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の表面処理装置。
【請求項１】
内筒と、
前記内筒に対して軸回転可能に設けられ、前記内筒を収容する外筒と、
前記外筒と前記内筒との間の反応空間に被処理物を供給する供給部と、
前記反応空間にガスを供給するガス導入部と、
前記内筒および前記外筒の周面に互いに対向してそれぞれ設けられたプラズマ発生用の電極と、
前記内筒と前記外筒とを相対的に軸回転させる回転駆動機構と、
を有する表面処理装置。
【請求項２】
前記電極が大気圧プラズマを発生させる請求項１に記載の表面処理装置。
【請求項３】
前記反応空間に、前記被処理物を攪拌する突起部が径方向に突出して設けられている請求項１または２に記載の表面処理装置。
【請求項４】
複数の前記突起部が回転軸方向に間欠的に形成された攪拌翼が、前記反応空間の周方向の複数箇所に設けられているとともに、
周方向に隣接する前記攪拌翼における前記突起部が、前記回転軸方向に互いに異なる位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の表面処理装置。
【請求項５】
前記回転駆動機構が、前記外筒を軸回転させる第一回転機構と、前記内筒を前記外筒と逆向きに軸回転可能な第二回転機構と、を含む請求項１から４のいずれか一項に記載の表面処理装置。
【請求項６】
前記内筒および前記外筒を水平支持する支持構造をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載の表面処理装置。
【請求項７】
前記内筒または前記外筒の少なくとも一方が、軸直交方向の断面に角部を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の表面処理装置。
【請求項８】
前記内筒または前記外筒の少なくとも一方が角筒状である請求項７に記載の表面処理装置。
【請求項９】
前記ガス導入部が、前記内筒または前記外筒から前記反応空間に向けて前記ガスを吐出するノズルを含むとともに、
前記ノズルが、径方向かつ前記内筒または前記外筒の相対回転方向の後方に向けて前記ガスを吐出することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の表面処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２４９０１４（Ｐ２０１１−２４９０１４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７５８３（Ｐ２０１０−１１７５８３）
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００５８８７）三井化学株式会社 (2,318)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００５８８７）三井化学株式会社 (2,318)
【Ｆターム（参考）】
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