JP2005288398A

JP2005288398A - 表面処理方法

Info

Publication number: JP2005288398A
Application number: JP2004110679A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nagasawa; 武長澤
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-04-05
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】プラズマを用いて被処理物の洗浄処理や殺菌処理を行う表面処理方法を提供する。
【解決手段】表面処理方法は、大気中にプラズマ生成装置１０を置き、プラズマ生成装置１０の円筒電極１２内に空気や酸素等の気体を導入し、前記円筒電極１２の中心部に配置した中心電極２０と円筒電極１２に電力を供給して、中心電極２０の周囲に局所的アークにより生成したプラズマが前記円筒電極１２に達しないプラズマ流を生成し、このプラズマ流に被処理物を曝して表面の洗浄処理や殺菌処理を行う構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は表面処理方法に係り、特にプラズマを用いて被処理物表面の洗浄や殺菌を行う表面処理方法に関する。

プラズマは、食品が包装される容器等の被処理物の洗浄や殺菌等に利用されている。そして、このような技術を開示したものとして特許文献１が挙げられる。特許文献１に開示された装置は、大気圧中において低温プラズマを生成する大気圧低温プラズマ発生手段を有し、当該発生手段の放電電極に高周波電力を供給して殺菌性物質を含む混合ガスからプラズマ活性種を生成し、このプラズマ活性種が容器内面に吹き付けられて、容器が殺菌されるものである。
特開２００１−５４５５６号公報

ところで、高電圧放電を利用してプラズマを生成する場合、大気中で放電させると、人体に悪影響を及ぼすオゾンを発生する問題点がある。また大気中でアーク放電させるためには電極間に大電流を印加しなければならず、極めて多くの電力消費と大型の設備が必要となり、装置を維持管理するコストが高くなる問題点がある。さらに電極間に大電流を印加してプラズマを生成すると熱が発生するので、プラズマのエネルギーが損失する問題点がある。

また特許文献１に開示された大気圧低温プラズマ発生手段では、アーク放電への移行を防ぐために外側電極の放電領域側に誘電体を有するものがより好ましいとされているので、アーク放電を利用してプラズマを生成することを前提とした装置ではない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、プラズマを用いて被処理物の洗浄処理や殺菌処理を行う表面処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る表面処理方法は、円筒電極内に気体を導入し、前記円筒電極の中心部に配置した中心電極の周囲に、局所的アークにより生成したプラズマが前記円筒電極に達しないプラズマ流を生成して、被処理物に照射することを特徴としている。

プラズマ生成装置に円筒電極と中心電極とを設け、これらの電極に供給される電力（電流）を調整すると、中心電極に電界を集中させることができる。これにより装置が大気中に置かれたとしても、中心電極の近傍において局所的にアーク放電させることができる。そして装置に供給されたガス流によって、生成されたプラズマを装置から噴出させることができる。
したがって食品容器等の被処理物が、プラズマ生成装置から噴出されるプラズマに曝されることによって、被処理物の表面に付いた汚染物の洗浄や除菌を行うことができる。

以下に、本発明に係る表面処理方法の好ましい実施の形態について説明する。まず表面処理に用いられるプラズマ生成装置の好ましい実施の形態について説明する。図１にプラズマ生成装置の概略断面図を示す。プラズマ生成装置１０は円筒電極１２を有し、この円筒電極１２の一方の開口１２ａ側に絶縁されたケーシング１４が設けられている。このケーシング１４は絶縁パイプ等を用いればよく、この絶縁パイプの円筒電極１２と反対側の端部を絶縁パイプと同一材料で封止すればよい。この絶縁パイプには、例えば石英等のガラスやアクリル材等を用いればよい。

またケーシング１４にはガス供給部１６が設けられ、このガス供給部１６からプラズマを生成するためのガス、例えば空気や酸素等が円筒電極１２の内部に供給される。そして空気が供給される場合、ガス供給部１６は流量調整手段（不図示）を備えたポンプ１８を有し、このポンプ１８により円筒電極１２の内部に空気が供給される。また酸素が供給される場合、ガス供給部１６は酸素を封入した高圧ボンベと、この高圧ボンベとケーシング１４とを接続する供給管と、この供給管に設けられた酸素の流量調整手段とを有し、この流量調整手段により所定の流量に調整された酸素が円筒電極１２の内部に供給される。なお図１に示したガス供給部１６は、空気が供給される場合の形態を示している。

前記円筒電極１２の内部、例えば円筒電極１２の中心軸付近に中心電極２０が設けられている。この中心電極２０は円筒電極１２に比べて略点状となればよい。すなわち中心電極２０は円筒電極１２の長さに比べて短く、また円筒電極１２の内径に比べて小さいものであり、形状は円板、球形、立方体、直方体、円筒（円柱）形等であればよい。このような中心電極２０は金属棒２２の一端と接続され、この金属棒２２の他端側はケーシング１４の側面を貫通して設けられている。すなわち金属棒２２はケーシング１４の側面で支持され、前記一端に設けられた中心電極２０が円筒電極１２の略中心軸上に保持されている。そして金属棒２２の側面には、金属棒２２の他端側を除いて絶縁管２４が設けられ、円筒電極１２とケーシング１４との内部において金属棒２２は絶縁されている。また電力を供給するための電源２６が円筒電極１２と金属棒２２とに接続され、中心電極２０は金属棒２２を介して電源２６に接続されている。この電源２６には、例えば定電流電源や高周波電源を用いればよく、高周波電源の場合はマッチングボックスが電源２６と電極との間に接続される。

そして円筒電極１２には、装置１０内に供給されたガスを円筒電極１２内で螺旋状に回転させるツバ２８が設けられている。このツバ２８は、円筒電極１２の内側面において、中心電極２０よりもガス流の上流側に設けられている。このツバ２８によってガス自身が円筒電極１２内で螺旋状に回転する。またツバ２８を設けないで、ガス供給部１６からのガスをケーシング１４内に斜めに注入させることで、ガスをケーシング１４の壁に沿うように螺旋状に回転させることができる。これらの作用によって、噴出するプラズマを空間的に均一化できる。

次に、プラズマ生成装置１０の作用について説明する。なお、ここでは供給されるガスとして空気を用いた形態について説明するが、酸素を用いる場合も、以下に説明する作用と同様になる。まず所定流量の空気がガス供給部１６のポンプ１８を用いてケーシング１４の内部に供給され、供給された空気は円筒電極１２の他方の開口１２ｂ側に向かって流れる。空気は円筒電極１２内に入ると、螺旋状に回転しながら流れる。そして電力を円筒電極１２と中心電極２０とに電源２６から供給して、電界を円筒電極１２と中心電極２０との間に発生させる。この電界は中心電極２０の近傍において強く、円筒電極１２の近傍において弱くなるように、電気力線密度が調整される。すなわち円筒電極１２を用いるので円筒効果が生じるとともに、中心電極２０を用いるので針効果が生じて、強電界が中心電極２０の近傍に発生される。そして、この強電界によってアーク放電が円筒電極１２と中心電極２０との間、すなわち中心電極２０の近傍に、局所的に得られるようになる。なお局所的なアーク放電の容量は放電電流によって調整される。

この局所的に得られるアーク放電について、さらに詳しく説明すると次のようになる。なお、この説明では簡単化のために、同軸上に円筒電極と棒電極とを設けた形態で説明するが、この形態と同様に本実施の形態も説明できる。図２にアーク放電を説明するための図を示す。円筒電極３０の中心軸から棒電極３２の外周までの距離をａとし、前記軸から円筒電極３０の内周までの距離をｂとし、生成されたプラズマの前記軸から外周までの距離（アーク放電領域の半径）をｃとする。また前記軸から棒電極３２と円筒電極３０との間における任意の点Ｒまでの距離をｒとする。そして棒電極３２と円筒電極３０と間の電位差をＶとすると、点Ｒにおける電界Ｅは数式１により表される。

そして棒電極３２の近傍は円筒効果によって高電界となり、アーク放電状態となる。したがって見掛け上、棒電極３２の半径ａが増大したようになっている。また前記アーク放電領域の半径ｃは放電電圧と放電電流とによって決まるので、ｒ＝ｃ＝ｂとなると、棒電極３２と円筒電極３０とが短絡したアーク放電となり、電極３０，３２間に大電流が流れる。これに対し、高圧の定電圧を棒電極３２と円筒電極３０とに印加して、円筒効果により棒電極３２近傍を高電界にするとともに、放電電流を制御すると、棒電極３２近傍に制限的なアーク放電領域が形成される。すなわち棒電極３２と円筒電極３０とを短絡させないでアーク放電させている。したがって、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０は、円筒電極１２により円筒効果を生じるとともに、中心電極２０により針効果を生じるので、電界を中心電極２０に集中させることが可能となって、放電電流をより小電流にすることが可能となり、アーク放電プラズマをより小電力で生成可能となる。

そしてアーク放電領域のプラズマは、装置１０の内部に供給された空気の流れによって円筒電極１２の他方の開口１２ｂ側から噴出され、小電力の大容量プラズマトーチ（プラズマ流）が形成される。このプラズマトーチは、空気の流量によって、円筒電極１２の内側面に達することがない。プラズマの噴出される距離は、供給される空気の流量によって調整されるので、流量を小さくすると噴出距離は短くなり、流量を大きくすると噴出距離が長くなる。またプラズマの生成量は円筒電極１２と中心電極２０との間の放電電流によって制御されるので、放電電流を小さくすると生成量は少なくなり、放電電流を大きくすると生成量は多くなる。

そして、このようなプラズマ生成装置１０を大気中におき、電源２６に小電力のインバータネオトランス（９ｋＶＡ、２８ｍＡ）を用い、円筒電極１２を内径８ｍｍ、長さ２０ｍｍとし、中心電極２０を直径３ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板状とすると、放電の電圧−電流特性は図３に示すようになる。プラズマ生成装置１０は電流制限を行って、アーク放電へ移行する領域、すなわち放電電流が２８ｍＡにおいて局所的なアーク放電を得ている。局所的なアーク放電は、放電電圧が２．６〜３ｋＶでありアーク放電（数十Ｖ）に比べて高いが、放電電流が２８ｍＡでありアーク放電（１０Ａ以上）に比べて低いという特徴を有する。そして前述の条件のとき、プラズマ生成装置１０から噴出されたプラズマトーチは、直径１０ｍｍ、長さ約１０ｍｍであった。なおプラズマトーチの長さは、装置１０の内部に供給されるガス流量によって調整することができる。

次に、このようなプラズマ生成装置１０を用いた表面処理方法について説明する。プラズマ生成装置１０を用いて被処理物、例えば食品が包装される容器の洗浄や殺菌を行うには、プラズマ生成装置１０から噴出されるプラズマに前記容器が曝されるようにすればよい。すなわち、例えばプラズマ生成装置１０を下方に向けてプラズマを下方に噴出させるようにし、容器をプラズマ生成装置１０の下方においてプラズマに曝される距離を保って水平方向に移動させればよい。すると容器はプラズマ生成装置１０の下方を通過するときにプラズマに曝されて、プラズマにより容器表面を洗浄および除菌することができる。そして洗浄面積が広い場合は、プラズマ生成装置１０を複数並べて配設し、全体としてプラズマが噴出される面積を広くすればよい。図４にプラズマ生成装置１０を複数並べて配設したときの説明図を示す。図４は円筒電極１２の他方の開口側１２ｂ、すなわちプラズマが噴出される側から見たものである。そしてプラズマ生成装置１０はリング状に複数並べて配設されてもよく（図４（ａ）参照）、密接させて配設されてもよい（図４（ｂ）参照）。なお１つのプラズマ生成装置１０で使用される電力は極めて小さいので、プラズマ生成装置１０を複数設けたとしても、電力の消費量は小さくて済む。

このように表面処理方法は、プラズマ生成装置１０を用いて被処理物の洗浄や殺菌、例えば食品容器等の洗浄や殺菌を行うことができる。したがって被処理物の表面に印字やシールを貼付する前段階等において、被処理物の表面をプラズマに曝すと、被処理物に付いた汚染物を除去することができ、接着の効力を増加できる。同様に、食品容器をプラズマに曝すと、食品容器の表面に付いた雑菌等を殺菌することができる。そしてプラズマは低温なので、高温に弱い精密機器の洗浄にも用いることができる。さらにプラズマ生成装置１０は大気中でプラズマを生成できるので、大気中で被処理物の洗浄や殺菌を行うことができる。

また表面処理方法は、プラズマ生成装置１０を大気中で稼動できるので、容易に洗浄や殺菌を行うことができる。さらに表面処理方法は、真空装置等を必要としないので、真空中でプラズマを生成して洗浄や殺菌を行う場合に比べて低コストで洗浄や殺菌を行うことができる。なおアーク放電ではオゾンの発生は少ないので、オゾン除去を考慮する必要がなく、プラズマを生成するガスに空気等を用いることができる。

またプラズマ生成装置１０は円筒電極１２と中心電極２０とを用いるとともに、放電電流を制限したので、電極間全体でアーク放電せず、中心電極２０近傍において局所的にアーク放電させることができる。すなわちプラズマ生成装置１０は中心電極２０近傍に電界を集中することができるので、大気中（大気圧中）においても局所的にアーク放電させることができる。そして局所的にアーク放電させるので、放電を生じさせる電力は極めて小さくて済み、装置１０を低コストで稼動できる。また電極の破損を防ぐこともできる。なおプラズマ生成装置１０を真空中に入れれば、真空中においてもプラズマを生成できる。

また円筒電極１２内にツバ２８を設けることにより、円筒電極１２の径方向において均一なプラズマを生成できる。さらにプラズマ生成装置１０は、部品を複雑に組み合わせる必要が無く、簡単な構造のため軽量化でき、さらに低価格で作製できる。

なおプラズマ生成装置１０に水素、窒素、酸素、塩素またはアルゴン等のガスを供給すれば、これらのプラズマを生成することができる。そしてプラズマ生成装置１０は、これらのガスを用いて薄膜の成膜、スパッタリング、エッチング等に利用できる。

プラズマ生成装置の概略断面図である。アーク放電を説明するための図である。放電の電圧−電流特性である。プラズマ生成装置を複数並べて配設したときの説明図である。

符号の説明

１０………プラズマ生成装置、１２………円筒電極、１４………ケーシング、１６………ガス供給部、２０………中心電極、２６………電源、２８………ツバ。

Claims

円筒電極内に気体を導入し、前記円筒電極の中心部に配置した中心電極の周囲に、局所的アークにより生成したプラズマが前記円筒電極に達しないプラズマ流を生成して、被処理物に照射することを特徴とする表面処理方法。