JP3727705B2

JP3727705B2 - マイクロ波プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP3727705B2
Application number: JP02776896A
Authority: JP
Inventors: 伸二斉藤; 信吾大野; 信子加藤; 壽夫内藤; ▲靖▼浩堀池
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: JPH09223596A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、内側表面に被処理面を有する環状の被処理体を収容する真空処理槽と、該処理槽内に収容した被処理体の被処理面に対しマイクロ波プラズマ領域を形成させるためのプラズマ生成手段とを備えるマイクロ波プラズマ発生装置に関し、特に被処理体が、ゴムタイヤ、防振ゴムなどのゴム製品及びその他のエラストマとしてのプラスチック製品の加硫成形に際し、繰返し用いる金型内側の成形表面、分割金型の場合は合せ面も含めた表面及び凹部や穴に不可避的に形成されるエラストマ残滓を有する加硫金型の場合に適合し、この加硫残滓を有利に除去するためのマイクロ波プラズマ発生装置につき、加硫金型に対する不利な劣化、損傷を伴うことなく、またプラズマ分布の不均一領域形成にわずらわされることなく、高能率で安定した均一な残滓処理が可能な上記装置を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被処理体が加硫金型の場合を例として、既に本出願人は特開平６−２８５８６８号公報にて詳述したように、エラストマ製品、とりわけゴムタイヤ製品（以降単にタイヤと記す）や防振ゴム製品などは要求性能を満たすため、天然ゴム、合成ゴム又はこれらのブレンドゴムに架橋剤としての硫黄と補強材としてのカーボンブラックとを配合するほか、加硫促進剤や各種耐久性保持のための各種薬品を配合する必要がある。
【０００３】
このようにして調合した未加硫ゴム組成物を加硫成形する際、一般的に２００℃に近い高温度で架橋反応などの化学反応を生じさせるので、ゴム組成物は流動性を増すばかりでなく一部はガス化し、その結果加硫金型の成形表面はもとより、金型の合せ面の極く狭い隙間や空気抜きのいわゆるベントホールなどの穴などにもゴム組成物及びその化学反応生成物が加硫成形の都度、微量ながら残滓物として強固に付着するのは不可避である。この加硫成形を多数回にわたり繰返すことにより残滓物は看過し得ないほどの厚さで堆積する。このことはゴム組成物に限らず他のエラストマについても大同小異で同様に生じる。
【０００４】
加硫金型に強固に付着堆積した厚い加硫残滓はタイヤの外観を損ねるのみに止まらず、タイヤ全体の優れた品質保持に対し悪影響を及ぼす。よって加硫成形を所定回数だけ実施した加硫金型を新品同様に清浄する作業が必要であり、この作業法としてプラスチックビーズやグラスビーズなどの粒体を高圧ガスにより吹き当てるショットブラスト清浄法、又は酸、アルカリ、アミン系などの溶液中に浸す液体清浄法が主流を占めていたところ、これらの清浄法による各種の不利な点を大幅に改善するため、本出願人は上記特開平６−２８５８６８号公報に記載したプラズマによる加硫金型清浄方法を提案し、顕著に優れた成果を得ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこの成果を突き詰めてみると、下記する諸点につきさらに改善を施す余地があることを見出した。
すなわちその第一点は、清浄を必要とする加硫金型の型形成面に、特殊なタイヤ種は別としても一般にはタイヤに対する要求特性の十分な発揮に必要不可欠な太溝、細溝、スリットなどをトレッド部に形成するための多数個のリブやサイプ（細条片）などの突起物を設けていて、プラズマがこれらの突起物に遮られて清浄面対象全領域にわたる加硫残滓の均一なアッシング（灰化）が損なわれ勝ちであることである。
【０００６】
また本出願人は、特願平７−１９０７２号に係わる明細書、特願平７−２９１５８号に係わる明細書及び特願平７−５２４８０号に係わる明細書にて、高周波電力を印加する一方の電極を円筒状に構成し、又はその外周面に多数個のフィンを備える構成として、他方の電極としての加硫金型の内側表面との間で放電によるプラズマを生起させて残滓部を均一に灰化する装置及び方法を提案した。
【０００７】
しかし、以下に述べる諸点は放電領域内に加硫金型を位置させるために生じる不利な点であり、すなわちその第二点は、しばしば不均一放電領域が形成されて、均一なアッシング処理が阻害され勝ちであること、
第三点は、時に上記不均一放電に基づき加硫金型の温度が、例えば２００℃以上になる現象が生じ、これが金型の精度を損ねる他、金型の劣化、損傷をもたらすこと、
第四点は、第三点との関連もあり、加硫金型の温度制御が困難であること、
そして第五点は、清浄対象外の表面まで放電領域にさらす結果となるため、この表面部分に劣化を生じさせ、また損傷を与えるうれいがあることである。
【０００８】
そこで上述した不利な第一点〜第五点を改善するため、本出願人はさらに特願平７−１０７５１７号に係わる明細書にて、真空処理槽に中性活性種（ラジカル）を供給するプラズマ発生炉と、該炉に流入する反応ガスをマイクロ波放電プラズマにより中性活性種を含むガスとするマイクロ波発生装置とをそれぞれ設け、プラズマ発生炉にて発生した中性活性種を導管にて処理槽内に導入し、導入した中性活性種を加硫金型の残滓面全面に向け一様に噴出させ、噴出した中性活性種ガスによりエラストマ残滓をアッシングする方法を提案した。
【０００９】
上記の新しい清浄方法による加硫金型の清浄は上記の不利な諸点の改善に関し著しい効果を発揮しているが、この清浄作業を通じてさらに改善を要する点が明らかになった。すなわち上記方法では、プラズマ発生炉にて発生した中性活性種を多く含むガスを導管を介して処理槽内に供給する間に、中性活性種の一部分が失活するため、アッシング効率が低下するという不利な点である。
【００１０】
従ってこの発明の目的は、上述した不利な諸点全ての改善を目指し、加硫金型の型形成面の形状や大きさに制約を加えることなく、また加硫金型に不利な影響を及ぼすことなく、顕著に高い効率の下で均一な残滓アッシングを実現することが可能なマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明によるマイクロ波プラズマ発生装置は、冒頭に記載した装置において、
プラズマ生成手段は、上記プラズマ領域に反応ガスを供給するガス供給部と、マイクロ波放射装置とを有し、
マイクロ波放射装置は、マイクロ波発生源と、
プラズマ領域の内側にて被処理体の被処理面と対向して位置し、外側に複数個のカップリングスロットを形成した、マイクロ波発生源からのマイクロ波が内部に伝送される環状キャビティとを備え、
前記真空処理槽は、被処理体の被処理面に対向する円柱状凹部を有し、前記環状キャビティを、この凹部の中に凹部と同心状に配置し、環状キャビティの外周面に対向する凹部周面部分を非導電材よりなる窓部分で構成してなることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明によるマイクロ波プラズマ発生装置の一実施例を図１〜図３に基づき詳細に説明する。
図１は、真空処理槽及びプラズマ生成手段を有するマイクロ波プラズマ発生装置の前者の要部縦断面を図解して示すと共に後者を簡略図解して示し、合せて処理槽内に収容した環状の被処理体、この例では加硫金型の断面を示す説明図であり、図２は図１に示す、カップリングスロットを有する環状キャビティの斜視図であり、そして図３は線図的要部平面図である。
【００１３】
図１において、真空処理槽１は下方位置にて相互に上下に分離自在で、かつシール結合自在な上部容器２−１と下部容器２−２とを有する容器２を備え、上部容器２−１は、中央部で処理（以下清浄という）位置にある加硫金型（以下金型という）１５の内側に突出して金型１５の内周表面と対向する円柱状凹部２ｃを有し、かつ下部容器２−２に対し上方に向け昇降自在である。凹部２ｃはその底部が処清浄位置にある金型１５の下側面レベル近傍に位置する深さを有する。
【００１４】
下部容器２−２は図示を省略した真空ポンプに接続する吸引部３を具備する。加硫金型１５の清浄作業を開始するに先立ちこの真空ポンプを稼働させ、容器２内部の空気を吸引部３を介し図の矢印Ａの向きに排気して、容器２内部の空気圧を例えば１０^-1〜１０^-5Ｔｏｒｒのいわゆる中真空〜高真空とする。なお図示例の真空処理槽１は下部容器２−２を、ホイールコンベヤ５と共に、例えば複数本の支柱４（図では２本のみを示す）により床面Ｆｓなどに固定支持する。ホイールコンベヤ５が定盤１６上に据えた清浄対象の金型１５を保持する。
【００１５】
マイクロ波プラズマ発生装置はプラズマ生成手段としてマイクロ波放射装置６を有し、該装置６は、上部容器２−１の凹部２ｃの底部近傍で金型１５の内側表面１５ｓに対向する位置に配置した環状キャビティ７と、マイクロ波発生源８と、マイクロ波発生源８が起動して発生させたマイクロ波をキャビティ７内部に電磁結合させる中空の矩形導波管９とを有する。キャビティ７は金属製で空洞共振器を形成し、形状は中空円柱状又は中空多角柱状をなす。
【００１６】
マイクロ波発生源８は周波数３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲内、望ましくは１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲内のマイクロ波を発生して出力し、このマイクロ波出力は矩形導波管９内部を通ってキャビティ７内部に伝送される。矩形導波管９から環状キャビティ７にマイクロ波を伝達するには、例えば導電性カプラーロッドを介する方法などが有効である。キャビティ７の内部空洞高さは、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波の場合、６．１２ｃｍ以上の高さが好ましい。
【００１７】
図１及び図２を合せ参照して、この例では中空円柱状キャビティ７は外周部７ｕ側に多数本の縦配列カップリングスロット１２を有し、該スロット１２は空洞部に連通する。またキャビティ７を形成する金属の厚さを特定する必要はない反面、内周部７ｉの内面における円周長さは、マイクロ波周波数とキャビティ７の空洞部の高さとにより定まる空洞内波長の１／２の整数倍の値であるのが好ましく、そのときキャビティ７の空洞内にマイクロ波の定常波が発生する。この定常波の節に相当する位置にカップリングスロット１２を設けるのが効果的である。例えば空洞内波長の１／４波長をカプラーロッドなどのマイクロ波導入口から隔てる位置と、この位置を基準として空洞内波長の１／２波長宛隔てた位置とにカップリングスロット１２を設ける。
【００１８】
さらにプラズマ生成手段は金型１５の被処理面に対するマイクロ波プラズマ領域に反応ガスを供給するガス供給部を有し、この供給部は図１及び図３を合せ参照して、符号１０にて示す多数個の反応ガス噴出容器、この例では多数の対をなす反応ガス噴出パイプ１０である。符号１１は非導電材、例えばアルミナ又は石英からなり、容器２の凹部２ｃの側面の少なくとも一部を構成する窓部分であり、プラズマ発生に寄与する。この窓部分１１は凹部２ｃの底部から金型１５の内側表面高さ近傍、すなわち清浄対象領域高さ近傍に至る間に配置する。
【００１９】
反応ガス噴出パイプ１０は、図示するように処理槽１内部で窓部分１１と金型１５の内側表面１５ｓとの間、すなわち環状キャビティ７と金型１５の内側表面１５ｓとの間に位置し、かつ図示例ではカップリングスロット１２の両側に対として配置する。これらパイプ１０の対を図示を省略した１本の環状パイプに連通させて固着し、この環状パイプを反応ガス導入パイプ１０ａに連結し、供給された反応ガスをパイプ１０が受容する。各対のパイプ１０は互いに対向する位置に小穴を有し、上記環状パイプを経てパイプ１０に供給された反応ガスは小穴を介して矢印Ｂ（図３参照）にて示す向き、すなわち金型１５の内側表面１５ｓに向け噴出する。
【００２０】
以上述べたマイクロ波プラズマ発生装置を作動させると、矩形導波管９を経てマイクロ波発生源８から伝送されたマイクロ波はカップリングスロット１２を介して金型１５の内側表面１５ｓに向け十分な電磁波エネルギを半径方向に放射し、併せてパイプ１０から反応ガスを噴出させると、電磁波エネルギにより反応ガスはプラズマ化されて、高密度なプラズマガスと十分な濃度をもつ中性活性種ガスを生成する。
【００２１】
この中性活性種ガスは余分な経路を経ることなく清浄対象の金型の残滓内側表面に到達するため、途中での失活は極めて少なく、さらに中性活性種ガスのみならずプラズマ発生部と被処理部である金型内側表面とが接近しているためにプラズマガス自体も被処理面に到達し、アッシング作用に寄与することができる。その上電磁波を放射するのみであるから勿論異常放電は生じず、異常放電に伴う不利の一切を排除することができ、余分な電力を消費せず均一なプラズマガスを中性活性種ガスと共に高密度で発生させることが可能であり、その結果、高度に高い効率の下で加硫残滓に対するアッシング作用を実現することができる。
【００２２】
反応ガスが、酸素ガス単体又は酸素ガスを主成分とするハロゲン化物ガスとの混合ガスのいずれか一方のガスからなれば、アッシング処理効率の一層の向上に寄与する。ここに反応ガスの酸素ガスはＯ₂、Ｏ₃の何れもが適合し、またハロゲン化物ガスとしてはＦ（フッ素）、Ｃｌ（塩素）、Ｂｒ（臭素）、Ｉ（ヨウ素）などを含有するあらゆるガスを使用することができる。また真空処理槽１にガスとして供給できればよいため標準状態（２５℃、１ａｔｍ）で必ずしもガスである必要ななく、例えば液体状態であってもよい。特にフロンやＮＦ₃、ＳＦ₆が好適に用いられ、とりわけＣＦ₄（四フッ化炭素）が効果的である。
【００２３】
プラズマガス及び／又は中性活性種ガスの密度が所望の値となるように、マイクロ波電源８におけるマイクロ波周波数及び供給電力量と反応ガスの流入量（ＳＣＣＭ）とを選定する。酸素ガスのみ、又は主成分の酸素ガスと従成分のハロゲン化物ガス、好適にはＣＦ₄ガスとの混合ガスのいずれかを反応ガスとして、酸素（Ｏ、Ｏ₂、Ｏ₃）ラジカル、ＣＦ₄ラジカルを得る。アッシング処理中は真空ポンプを動作させて常時吸引部３から矢印Ａの向きに真空処理槽１内のガス排気を継続させ、常に処理槽１内部の圧力を０．０１〜１０Ｔｏｒｒの範囲内で一定圧力に保持する。
【００２４】
図１において、符号１７は金型１５を加熱する加熱源としての温度制御用ジャッケトであり、このジャッケト１７の内部空間１７ｊに高温ガス又はスチームなどの加熱媒体を供給し、好適には金型１５を１００〜１８０℃の範囲内で所望の温度に加温し保持する。金型１５をこの高温度で保持すればアッシング反応速度がより一層早まるため、プラズマアッシング処理時間を大幅に短縮することに寄与する。なお図示は省略したが金型１５は温度測定用センサを備え、処理槽１の外部でジャッケト１７の加熱媒体の温度及び／又は流量制御及び金型１５の温度制御をそれぞれ実施し、これらとジャッケト１７とを合せて金型１５の温度制御系を構成する。
【００２５】
金型１５は一体として図示しているが、この例ではいわゆる割りモールドのうち外周側を分割形成する多数個、例えば３〜２０個のセグメントを、金属製、例えばスチール製の支持搬送用定盤１６上面に、実際の使用時と同じ状態に仮組みしたところを示している。
【００２６】
またタイヤのトレッド部に踏面及び各種溝やスリットを形成する部分には一般にアルミニューム合金を適用し、実際に使用する際はこの合金部分をスチール製保持部材に取付けて上述のセグメントとするものであり、この発明では上記合金部分のみの場合とセグメントの場合との両方を含めて金型１５と呼ぶ。
【００２７】
金型１５が割りモールドである場合は図示のセグメントモールドの上下に一対のサイドモールドを組み合わせてモールド本体とする。このモールド本体を加硫金型１５としてプラズマ清浄を施すこともでき、さらに円周上に分割面を有する、いわゆる上下２つ合せモールド及び多数個のセグメントモールドのうちの一個分何れにもこの発明を適用することができる。
【００２８】
図示を省略したが定盤１６は、多数個のセグメントを仮組みする際又は割りモールド本体や上下２つ合せモールドを据え置く際、セグメントの集合体又はこれらモールドを所定位置に据えるための機構を備え、さらに定盤１６は、集合体としての金型１５又はこれらモールドとしての金型１５を凹部２ｃの中心軸線に対し心出しをする機構を備える。後者の機構は金型１５及び定盤１６を支持するホイールコンベヤ５に設けた心出し装置と心出し係合する。
【００２９】
金型１５の処理槽１内への導入は、上部容器２−１を上昇移動させた状態で、予め処理槽１の外部で定盤１６上に仮組み乃至据え置いた金型１５を定盤１６と共に、図示を省略した別の同様ホイールコンベヤ上で図示位置まで搬送し、同時に心出しを実施する。
【００３０】
図４は、図１に示す装置の反応ガス噴出パイプ１０を縦長の容器１０−１に変え、この容器１０−１の内側を窓部分１１の一部とした変形例の図１同様な説明図である。この場合、容器１０−１内部でプラズマが発生し、発生したプラズマガス及び中性活性種ガスの少なくとも一方のガスが噴出口より金型１５の内側表面１５ｓに向け（図の矢印Ｂの向きに）噴き出される。図４に示す装置も先に述べた通りの動作と作用効果をもつ。なお図１、図４に示すキャビティ７と矩形導波管９とを処理槽１内部に収容する構成を有する装置とすることも可能である。
【００３１】
【実施例】
図１〜図３示す装置に従い、定盤１６上にて温度調節用ジャッケト１７に８個のセグメントよりなる最大内径が５５０ｍｍの金型１５を収容し、これらを真空処理槽１内に据え置いた後、容器２−１、２−２を相互に密封固着してから真空ポンプを動作させ、処理槽１内部の圧力を２×１０^-3Ｔｏｒｒまで減圧した。
【００３２】
反応ガスをＯ₂ガス及びＣＦ₄ガスの混合ガスとし、前者は１０００ＳＣＣＭ、後者は５００ＳＣＣＭの割合で流入させ、処理槽１内のプラズマガス圧力を１．０Ｔｏｒｒに保持した。マイクロ波発生源８から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力し、このマイクロ波を矩形導波管９を介しキャビティ７に伝送し、キャビティ７から放射する電磁波エネルギによりプラズマを生成し、酸素ラジカルを主体とするプラズマを金型１５の内側表面に作用させた。キャビティ７に設けたカップリングスロット１２の高さを６．１２ｃｍとし、マイクロ波の出力は６ｋＷである。
【００３３】
この実施例では後述する比較例との対比のためジャケット１７による金型１５に対する温度制御を一切施さず、金型１５の温度はプラズマがもつエネルギによる自然昇温にまかせ、アッシング処理時間は６０分及び１２０分の２種類とした。処理終了時の灰化性を５点法により目視評価採点し（５点満点で値が大なるほど良い）、そして洗浄度は灰化後処理面を水洗して灰分（金属に対し殆ど粘着性をもたない無機金属塩、例えばＺ_nＳＯ₄など）を洗い流した後、やはり目視による上記５点法に従い採点した。
【００３４】
実施例の効果を検証するため、先に触れた本出願人による特願平７−１０７５１７号に係わる明細書に従う比較例によるアッシング処理を実施した。比較例の処理条件は全て実施例に合せ、評価項目及び判定方法も実施例に従った。実施例及び比較例の処理をそれぞれ１０回行い、各回毎に測定、評価を実施した。この結果を表１にまとめて示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１から、同じ処理時間で実施例の灰化性及び洗浄度は何れも比較例のそれらに比し格段に優れた値を示していることがわかる。このことはとりもなおさず、この発明による金型の加硫残滓の清浄方法は先の出願による方法に比し処理効率が格段に改善されることの証である。。
【００３７】
【発明の効果】
この発明によれば、エラストマの繰返し加硫成形により金型表面に形成されたエラストマ残滓面に対しキャビティから直接マイクロ波を放射すると共にエラストマ残滓面とキャビティとの間の真空処理槽空間に反応ガスを噴出させて反応ガスをプラズマ化し、プラズマガス及び中性活性種ガスの少なくとも一方のガスを残滓面に直接噴き当てるので、加硫金型の損傷やプラズマガスの密度低下、中性活性種の失活などの不利を排除して、高度な電力効率の下に短い処理時間で、均一かつ有効に残滓をアッシングすることが可能なマイクロ波プラズマ発生装置を提供することができる。またこの発明による装置は、金型の加硫残滓のアッシング処理に限定することなく、他の種の被処理体にプラズマ処理を施すにあたり上に述べた通りの優位な処理性能を発揮し、顕著な効率向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるマイクロ波プラズマ発生装置の要部断面及び概要を示す説明図である。
【図２】図１に示すキャビティ及び矩形導波管の斜視図である。
【図３】図１に示す装置要部の平面図である。
【図４】図１に示す装置の変形例を図１同様にあらわした説明図である。
【符号の説明】
１真空処理槽
２容器
２ｃ凹部
２−１上部容器
２−２下部容器
３吸引部
４支柱
５ホイールコンベヤ
６マイクロ波放射装置
７キャビティ
８マイクロ波発生源
９矩形導波管
１０反応ガス噴出パイプ
１０ａ反応ガス導入パイプ
１０−１中性活性種噴出用容器（プラズマ発生炉）
１１窓部分
１２カップリングスロット
１５加硫金型
１５ｓ内側表面
１６定盤
１７ジャケット
Ａ排気方向
Ｂ中性活性種噴出方向

Claims

内側表面に被処理面を有する環状の被処理体を収容する真空処理槽と、該処理槽内に収容した被処理体の被処理面に対しマイクロ波プラズマ領域を形成させるためのプラズマ生成手段とを備えるマイクロ波プラズマ発生装置において、
プラズマ生成手段は、上記プラズマ領域に反応ガスを供給するガス供給部と、マイクロ波放射装置とを有し、マイクロ波放射装置は、マイクロ波発生源と、プラズマ領域の内側にて被処理体の被処理面と対向して位置し、外側に複数個のカップリングスロットを形成した、マイクロ波発生源からのマイクロ波が内部に伝送される環状キャビティとを備え、
前記真空処理槽は、被処理体の被処理面に対向する円柱状凹部を有し、前記環状キャビティを、この凹部の中に凹部と同心状に配置し、環状キャビティの外周面に対向する凹部周面部分を非導電材よりなる窓部分で構成してなるマイクロ波プラズマ発生装置。
上記真空処理槽内における被処理体の温度を１００〜１８０℃の範囲内に加熱保持する温度制御手段を有する請求項１に記載した装置。