JP6274307B2 - 表面処理装置及び表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの表面に紫外線を照射して表面処理を行う装置に関し、より具体的には、ワークの接着箇所に対し、前処理として紫外線により改質を行うのに用いられる表面処理装置及び表面処理方法に関するものである。

この種の表面処理装置としては、表面改質方法及び表面改質装置の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の表面改質装置は、基盤である被加工物の表面に紫外線を照射して表面改質を行う際に、被加工物に酸素を含有する気体を吹き付ける構成である。これにより、上記の表面改質装置は、紫外線照射により生じたオゾンガスを気体によって排出し、そのオゾンガスに代わって酸素を含有する気体を存在させることで、被加工物の酸化の進行を制御するようにしている。

日本国特開２００８−６９３９０号公報

ところで、上記したような表面処理装置（表面改質装置）は、ワーク（被加工物）の変形に対する対策が何らとられていないため、ワークが基盤のような硬質の部材ではなく、比較的薄いシート状の部材である場合、そのワークの変形によって紫外線による表面処理が不均一になるおそれがあるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、ワークが撓みやすいシート状の部材である場合でも、そのワークに対して均一な表面処理を行うことができる表面処理装置及び表面処理方法を提供することを目的としている。

本発明に係わる表面処理装置は、シート状のワークに紫外線を照射して表面処理を行う装置であって、複数のワークを移動させるコンベアと、コンベアに処理前のワークを供給する搬入側ロボットと、コンベアから処理後のワークを取り出す搬出用ロボットと、コンベアの中間に配置され且つ紫外線を照射する紫外線照射手段と、紫外線の透過性を有し且つワーク上に載置してワークの被処理面を押圧するためのワーク押圧部材と、紫外線照射手段を通過するワークに対してワーク押圧部材を着脱させる着脱装置と、コンベアに取り付けられ且つワーク押圧部材とともにワークを挟持するワーク基盤とを備えている。そして、表面処理装置は、紫外線照射手段からの紫外線を、ワーク押圧部材を通してワークの被処理面に照射することを特徴としている。

本発明に係わる表面処理方法は、上記の表面処理装置を用いてワークの被処理面に紫外線を照射するに方法であって、ワークの被処理面に、紫外線の透過性を有し且つワーク上に載置して前記被処理面を押圧するためのワーク押圧部材を配置し、ワーク押圧部材とワーク基盤とでワークを挟持して、紫外線をワーク押圧部材を通してワークの被処理面に照射することを特徴としている。

本発明に係わる表面処理装置及び表面処理方法は、紫外線の透過性を有し且つワークの被処理面を押圧するためのワーク押圧部材を採用したことにより、ワークが撓みやすいシート状の部材である場合でも、ワーク押圧部材によりワークの撓み等の変形が矯正されるので、ワークに対して均一な表面処理を行うことができる。しかも、コンベア、搬入用及び搬出用のロボット、並びに着脱装置を採用したので、多数のワークを順次搬送する間において、それらの変形を矯正しつつ紫外線の照射を連続的に行うことができる。

また、表面処理装置及び表面処理方法では、ワーク押圧部材が熱を吸収するので、表面処理性能がより高められると共に、ワーク押圧部材によりワーク表面でのオゾンガスの発生を抑制するので、ワークに対するオゾンガスの影響を低減することができる。
さらに、ワークがシート状であり、ワーク押圧部材をワークに載置するようにしたため、ワーク押圧部材をワークに押し付けるような手段を用いなくても、ワーク押圧部材の自重だけでワークの変形を矯正し得るものとなり、装置構造の簡略化などを実現し得るものとなる。
さらに、ワーク押圧部材とともにワークを挟持するワーク基盤を備えたものとしたので、ワークの変形を矯正する機能がより向上し、紫外線による均一な表面処理性能をより一層高めることができる。

本発明に係わる表面処理装置の第１実施形態を説明する斜視図である。 ワークを説明するための単セルの分解斜視図である。 図１に示す紫外線照射手段を説明する側面図である。 コンベア及び着脱装置を説明する側面図である。 表面処理工程を順次説明する各々斜視図（Ａ）〜（Ｅ）である。 表面処理方法を説明するフローチャートである。 本発明に係わる表面処理装置の第２実施形態を説明する側面図である。

〈第１実施形態〉
図１に示す表面処理装置は、ワークＷに紫外線を照射して表面処理を行う装置であって、紫外線を照射する紫外線照射手段１と、紫外線の透過性を有し且つワークＷの被処理面を押圧するためのワーク押圧部材２とを備えている。そして、表面処理装置は、紫外線照射手段１からの紫外線を、ワーク押圧部材２を通してワークＷの被処理面に照射するものとなっている。

より具体的には、表面処理装置は、複数のワークＷを順に一方向に移動させるコンベア３と、コンベア３に処理前のワークＷを供給する搬入用ロボットＲ１と、コンベア３から処理後のワークＷを取り出す搬出用ロボットＲ２を備えている。また、表面処理装置は、コンベア３の中間に前記紫外線照射手段１が配置してあると共に、紫外線照射手段１を通過するワークＷに対してワーク押圧部材２を着脱させるために、後述する着脱装置（４）を備えている。

この実施形態のワークＷは、図２に示すように、膜電極接合体Ｍの周囲に矩形状のフレームＦを一体化したものである。膜電極接合体Ｍは、いわゆるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれるもので、アノード及びカソードの電極層で電解質層を挟んだ構造を有しており、アノード側及びカソード側のセパレータＳ，Ｓとともに燃料電池の単セルＣを構成する。フレームＦは、薄い樹脂製フィルムから成るものである。フレームＦ及び各セパレータＳの両側には、個々の層間にアノードガス、カソードガス及び冷却液を流通させるために、各々３個のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６が形成されている。

膜電極接合体Ｍは、図２中に波線で示すように、フレームＦの周縁部に、硬化後にシール材となる接着剤を塗布し、これにセパレータＳを貼り合わせることで双方の間を気密的に密封する。なお、層間に該当するガスの流路を確保しつつ、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲にも接着剤が設けられる。

上記の膜電極接合体Ｍ及びフレームＦから成るワークＷは、後の接着工程の前処理として、少なくとも接着箇所に紫外線を照射して表面処理（表面改質）が施される。また、ワークＷは、シート状の部材であり、その両面側が紫外線の被処理面である。このようなワークＷは、単セルＣの薄型化などを実現するために、薄い樹脂製フィルムから成るフレームＦを採用しているので、そのフレームＦが変形し易く、とくに、接着箇所となるフレームＦの周縁部の変形が大きくなり易い。

上記のワークＷに対する表面処理装置は、紫外線照射手段１が、少なくとも下向きに紫外線を照射する手段であり、ワーク押圧部材２が、ワークＷ上に載置される部材である。さらに、表面処理装置は、上側のワーク押圧部材２とともにワークを挟持する下側のワーク基盤５と、ワーク押圧部材２とワーク基盤５との間に介装されるスペーサ６とを備えており、ワーク押圧部材２及びワーク基盤５の少なくとも一方が、ワークＷの一部に対する紫外線の透過を抑制する遮光部７を備えている。

紫外線照射手段１は、この実施形態ではワークＷの両面が紫外線の被処理面であることから、図３に示すように、ワークＷの一方の被処理面（上面）に紫外線を照射する第１照射部１Ａと、他方の被処理面（下面）に紫外線を照射する第２の照射部１Ｂを備えている。両照射部１Ａ，１Ｂは、コンベア３によるワークＷの搬送面を間にして、上下に相対向して配置してある。

両照射部１Ａ，１Ｂは、複数の紫外線ランプ８を水平に配列させた構造であって、好ましくは、波長が２４０ｎｍ以上の紫外線を照射し、より好ましくは、波長が２５４ｎｍ以上の紫外線を照射するものである。なお、上下の照射部１Ａ，１Ｂは、必ずしも相対向する配置でなくても良い。

ワーク押圧部材２は、先述したように紫外線の透過性を有するものであって、ワークＷよりも若干大きい縦横寸法を有する矩形の板状部材である。このワーク押圧部材２は、材料がとくに限定されるものではないが、好ましくはアクリル樹脂製であるものを用いることができる。

ワーク基盤５は、ワークＷよりも若干大きい縦横寸法を有する矩形の板状部材であり、ワークＷの両面が紫外線の被処理面であるから、紫外線の透過性を有するものが用いられる。このワーク基盤５は、実質的にはワーク押圧部材２と同等のものを使用することができる。

スペーサ６は、ワークＷとほぼ同じ厚さを有する帯状の部材であって、ワーク押圧部材２及びワーク基盤５の両側の長辺部分に介装される。図示のスペーサ６は、ワーク基盤５に取り付けてあり、ワークＷの厚さに応じたものを複数種用意して、必要に応じて交換することができる。このスペーサ６は、ワーク押圧部材２側に取り付けても構わないし、別部品として単独で取り扱うことも可能である。

紫外線の遮光部７は、シート状を成しており、ワークＷの両面が紫外線の被処理面であるから、ワーク押圧部材２及びワーク基盤５の両方に設けてある。この実施形態の遮光部７は、ワーク押圧部材２及びワーク基盤５の夫々の中央に配置して、膜電極接合体Ｍの部分に紫外線が当たるのを阻止する。この遮光部７は、紫外線の透過を大幅に抑制又は阻止する機能さえあれば、とくに材料が限定されるものではなく、ワーク押圧部材２やワーク基盤５に一体成形してあっても良い。

搬入用及び搬出用の各ロボットＲ１，Ｒ２は、とくに限定されるものではないが、例えば、多軸制御式のハンドリングロボットである。

図４に示すコンベア３は、細部を省略したが、下側の第２照射部１ＢからワークＷに照射する紫外線を遮らない構造である。すなわち、コンベア３は、例えば、一対の無端状のチェーン、チェーンを水平に保持するフレーム及び回転駆動機構などを含み、一対のチェーンでワーク基盤５の両端部を保持する。図示のコンベア３は、その回転方向において、複数のワーク基盤５が所定間隔で取り付けてある。

図４に示す着脱装置４は、コンベア３と同様に、上側の第１照射部１ＡからワークＷに照射する紫外線を遮らない構造である。着脱装置４は、例えば、一対の無端状のチェーン、チェーンを水平に保持するフレーム及び回転駆外線を照射する。ステップＳ３の工程は、図１に示す表面処理装置において、紫外線照射手段１内にワークＷを定速で通過させて、その両面に紫外線を照射する。これにより、ワークＷには、表面処理（表面改質）が施される。この際、ワークＷは、ワーク押圧部材２及びワーク基盤５に設けた遮光部７により、膜電極接合体Ｍが紫外線から保護される。

ここで、上記のコンベア３及び着脱装置４は、上側のワーク押圧部材２と下側のワーク基盤５とが順次対応するように、夫々の数及び間隔を設定して互いに同期回転する。これにより、図４中で左側である紫外線照射手段１の入口側においては、ワーク基盤５上にワーク押圧部材２が下降しつつ載置され、図４中で右側である紫外線照射手段１の出口側において、ワーク基盤５上からワーク押圧部材２が上昇しつつ離脱する。なお、着脱装置４におけるワーク押圧部材２は、ワーク基盤５上のワークＷに充分な自重を付与して、ワークＷを押圧し得るように、適当な余裕（遊び）を設けて保持されている。

次に、上記の表面処理装置の動作と共に、本発明の表面処理方法を説明する。
まず、図５（Ａ），（Ｂ）及び図６のステップＳ１に示すように、ワーク基盤５にワークＷをセットする。ワーク基盤５には、予めスペーサ６，６が配置されている。ステップＳ１の工程は、図１に示す表面処理装置において、コンベア３上のワーク基盤５に対し、搬入用ロボットＲ１がワークＷを載置する。このとき、ワークＷは、紫外線による表面処理部分すなわちフレームＦが薄い樹脂製フィルムから成るものであるため、図中に誇張して示すように、フレームＦの周囲などに撓み等の変形が生じている。

次に、図５（Ｃ）及び図６のステップＳ２に示すように、ワークＷにワーク押圧部材２をセットする。ステップＳ２の工程は、図１に示す表面処理装置において、着脱装置４により自動的に行われる。これにより、ワークＷは、図５（Ｄ）に示すように、ワーク押圧部材２により押圧され、さらには、ワーク押圧部材２及びワーク基盤５によって上下から挟持されて変形が矯正されることとなる。

その後、図５（Ｅ）及び図６のステップＳ３に示すように、ワークＷに紫外線を照射する。ステップＳ３の工程は、図１に示す表面処理装置において、紫外線照射手段１内にワークＷを定速で通過させて、その両面に紫外線を照射する。これにより、ワークＷには、表面処理（表面改質）が施される。この際、ワークＷは、ワーク押圧部材２及びワーク基盤５に設けた遮光部７により、膜電極接合体Ｍが紫外線から保護される。

上記の紫外線照射が終了した後には、図６のステップＳ４に示すように、ワークＷからワーク押圧部材２を外し、次いで、図６のステップＳ５に示すように、ワークＷを取り出す。ステップＳ４の工程は、図１に示す表面処理装置において、着脱装置４により自動的に行われる。また、ステップＳ５の工程は、図１に示す表面処理装置において、搬出用ロボットＲ２により、コンベア３上のワーク基盤５からワークＷを取り出す。このようにして、表面処理装置は、多数のワークＷを順次搬送する間において、それらの変形を矯正しつつ紫外線の照射を連続的に行うこととなる。

上記実施形態で説明した表面処理装置及び表面処理方法は、紫外線の透過性を有し且つワークＷの被処理面を押圧するためのワーク押圧部材２を採用したことから、ワークＷが薄くて撓みやすいシート状の部材である場合でも、ワーク押圧部材２によりワークＷの撓み等の変形が矯正されるので、ワークＷに対して紫外線照射による均一な表面処理を行うことができる。

また、表面処理装置では、ワーク押圧部材２が熱を吸収することから、表面処理性能がより高められ、しかも、ワーク押圧部材２によってワークＷの表面でのオゾンガスの発生を抑制するので、ワークＷに対するオゾンガスの影響（酸化等）を大幅に低減することができる。

さらに、表面処理装置は、ワークＷがシート状の部材であり、紫外線照射手段１が下向きに紫外線を照射する手段であると共に、ワーク押圧部材２をワークＷ上に載置するようにしたため、ワーク押圧部材２をワークＷに押し付けるような手段を用いなくても、ワーク押圧部材２の自重だけでワークＷの変形を矯正し得るものとなり、装置構造の簡略化などを実現し得るものとなる。

さらに、表面処理装置は、ワーク押圧部材２とともにワークＷを挟持するワーク基盤５を備えたものとしたので、ワークＷの変形を矯正する機能がより向上し、紫外線による均一な表面処理性能をより一層高めることができる。

さらに、表面処理装置は、紫外線照射手段１から照射する紫外線の波長を、好ましくは２４０ｎｍ以上としたので、紫外線照射によるオゾンガスの発生を大幅に低減することができる。また、紫外線照射手段１から照射する紫外線の波長を２５４ｎｍ以上とすることで、オゾンガス自体が発生しなくなり、ワークＷのみならず、周辺設備や作業者に対するオゾンガスの影響を解消することができる。

さらに、表面処理装置は、ワーク押圧部材２をアクリル樹脂製とすることで、同ワーク押圧部材を安価に得ることができ、しかも、波長が２５４ｎｍ以上の紫外線の透過率が高くなるので、表面処理性能のさらなる向上を図ることができる。なお、ワーク押圧部材２は、アクリル樹脂以外の材料から成るものを使用することも可能であり、例えば、透過率の高いものとしては石英ガラスが周知であるが、それが高価であることも周知である。

さらに、表面処理装置は、両面が紫外線の被処理面であるワークＷに対して、紫外線の透過性を有するワーク基盤５を採用したうえで、ワークＷの一方の被処理面に紫外線を照射する第１照射部１Ａと、他方の被処理面に紫外線を照射する第２の照射部１Ｂとを備えた紫外線照射手段１を採用している。これにより、表面処理装置は、一カ所においてワークＷの表裏両面に同時に紫外線照射を行うことができるので、ワークＷの反転装置などが不要であり、処理ラインの短縮化、処理時間の短縮、設備費及び製造コストの低減などを実現することができる。

さらに、表面処理装置は、ワーク押圧部材２とワーク基盤５との間に介装されるスペーサ６を備えているので、双方の隙間を均一に保持することができると共に、ワークＷの破損を防止することができ、また、スペーサ６を着脱可能とすることで、厚さが異なる複数種のワークＷにも容易に対処することができる。

さらに、表面処理装置は、ワーク押圧部材２及びワーク基盤５の少なくとも一方が、ワークＷの一部に対する紫外線の透過を抑制する遮光部７を備えているので、ワークＷに対する部分的な紫外線照射を自由に設定することができ、組み立て後のワークＷへの応用も可能である。

さらに、表面処理装置は、上記実施形態のように、ワークＷが、アノード及びカソードの電極層で電解質層を挟んだ構造を有し且つ周囲にフレームＦを有する膜電極接合体Ｍである場合には、少なくとも周縁部が接着箇所となるフレームＦに対して紫外線照射による均一な表面処理が成される。これにより、膜電極接合体（ワークＷ）Ｍは、後工程でフレームＦとセパレータＳとを接着する際に、全体にわたって均一な接着状態を得ることができ、セパレータＳとの間の充分なシール性を確保することができ、ひいては単セルＣの高品質化に貢献することができる。

しかも、表面処理装置は、上記膜電極接合体ＭのフレームＦが薄い樹脂製フィルムから成るものである場合には、フレームＦの変形が生じやすいので、変形の矯正、紫外線照射による均一な表面処理、セパレータとの良好な接着性、及び充分なシール性などの効果がより顕著なものとなる。

さらに、表面処理装置は、ワークＷがフレームＦを有する膜電極接合体Ｍである場合には、スペーサ６及び遮光部７を用いることにより、ワーク押圧部材２による負荷や紫外線から膜電極接合体Ｍの領域を保護することができる。

〈第２実施形態〉
図７は、本発明の表面処理装置の第２実施形態を説明する図である。なお、第１実施形態と同じ構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の表面処理装置は、第１実施形態のものと同等の基本構成を備えており、紫外線照射手段１が、ワークＷの一方の被処理面（上面）に紫外線を照射する第１照射部１Ａと、他方の被処理面（下面）に紫外線を照射する第２の照射部１Ｃとを備えている。そして、紫外線照射手段１は、とくに第２照射部１Ｃが、第１照射部１Ａから照射した紫外線を反射させてワークＷに照射する反射体９を備えている。

この実施形態の第２照射部１Ｃにおける反射体９は、半円柱状の凸曲面を有する反射鏡９Ａを複数（図示では３つ）配列したもので、このような凸曲面の反射鏡９Ａを用いることで、第１照射部１Ａから下向きに照射された紫外線のうち、とくに、コンベア３により移動するワークＷ同士の間を通過した紫外線（図中に矢印で示す）を反射させて、その反射光をワークＷの下面に効率良く照射することができる。

上記構成を備えた表面処理装置にあっても、第１実施形態のものと同様に、ワークＷが撓みやすいシート状の部材である場合でも、ワーク押圧部材２によりワークＷの撓み等の変形を矯正して、ワークＷに対して紫外線照射による均一な表面処理を行うことができ、ワーク押圧部材２の熱吸収による表面処理性能の向上、オゾンガスの抑制などを実現することができる。

とくに、上記の表面処理装置は、紫外線照射手段１において、第１照射部１Ａから照射した紫外線を反射させてワークＷに照射する反射体９を備えた第２照射部１Ｃを採用したので、第１照射部１Ａのみに紫外線ランプを配置すれば良く、光源の削減に伴って設備の簡略化や設備費の低減などを実現することができる。

なお、本発明に係わる表面処理装置は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。表面処理装置は、ワークＷを水平以外の姿勢にして表面処理を行うことも可能であり、このほか、ワークＷに対してワーク押圧部材２をワークＷに圧接させるための手段を付加したり、ワーク押圧部材２とワーク基盤５とを互いに回動可能に連結したりすることも可能である。

また、表面処理装置及び表面処理方法は、膜電極接合体Ｍ及びフレームＦから成るワークＷに限らず、紫外線照射による表面処理が成される各種ワークに適用可能であり、とくに、変形し易い薄いシート状のワークに対して非常に有効である。

Ｗ ワーク
１ 紫外線照射手段
１Ａ 第１照射部
１Ｂ，１Ｃ 第２の照射部
２ ワーク押圧部材
３ コンベア
４ 着脱装置
５ ワーク基盤
６ スペーサ
７ 遮光部
８ 紫外線ランプ
９ 反射体
９Ａ 反射鏡（反射体）

Claims (10)

1. シート状のワークに紫外線を照射して表面処理を行う装置であって、
   複数のワークを移動させるコンベアと、
   コンベアに処理前のワークを供給する搬入側ロボットと、
   コンベアから処理後のワークを取り出す搬出用ロボットと、
   コンベアの中間に配置され且つ紫外線を照射する紫外線照射手段と、
   紫外線の透過性を有し且つワーク上に載置してワークの被処理面を押圧するためのワーク押圧部材と、
   紫外線照射手段を通過するワークに対してワーク押圧部材を着脱させる着脱装置と、
   コンベアに取り付けられ且つワーク押圧部材とともにワークを挟持するワーク基盤とを備え、
   紫外線照射手段からの紫外線を、ワーク押圧部材を通してワークの被処理面に照射することを特徴とする表面処理装置。
2. 紫外線照射手段から照射する紫外線の波長が、２５４ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
3. ワーク押圧部材が、アクリル樹脂製であることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面処理装置。
4. ワークの両面が、紫外線の被処理面であって、
   ワーク基盤が、紫外線の透過性を有しており、
   紫外線照射手段が、ワークの一方の被処理面に紫外線を照射する第１照射部と、他方の被処理面に紫外線を照射する第２の照射部とを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面処理装置。
5. 紫外線照射手段の第２照射部が、第１照射部から照射した紫外線を反射させてワークに照射する反射体を備えていることを特徴とする請求項４に記載の表面処理装置。
6. ワーク押圧部材とワーク基盤との間に介装されるスペーサを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面処理装置。
7. ワーク押圧部材及びワーク基盤の少なくとも一方が、ワークの一部に対する紫外線の透過を抑制する遮光部を備えていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の表面処理装置。
8. ワークが、アノード及びカソードの電極層で電解質層を挟んだ構造を有し且つ周囲にフレームを有する膜電極接合体であって、少なくともフレームの周縁部にワーク押圧部材を通して紫外線を照射することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面処理装置。
9. 前記フレームが、樹脂製フィルムから成るものであることを特徴とする請求項８に記載の表面処理装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の表面処理装置を用いてワークの被処理面に紫外線を照射するに際し、紫外線の透過性を有し且つワーク上に載置してワークの被処理面を押圧するためのワーク押圧部材と、ワーク押圧部材とともにワークを挟持するワーク基盤とを用い、
    紫外線をワーク押圧部材を通してワークの被処理面に照射することを特徴とする表面処理方法。

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