PL 215139 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 215139 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 383703 (22) Data zgłoszenia: 06.11.2007 (51) Int.Cl. H01L 21/3065 (2006.01) C23C 16/513 (2006.01) H05H 1/00 (2006.01) (54) Urządzenie plazmowe do obróbki powierzchni elementów (43) Zgłoszenie ogłoszono: 11.05.2009 BUP 10/09 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT MASZYN PRZEPŁYWOWYCH PAN, Gdańsk, PL JASIŃSKI MARIUSZ, Wągrowiec, PL GOCH MARCIN, Braniewo, PL MIZERACZYK JERZY, Rotmanka, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.10.2013 WUP 10/13 (72) Twórca(y) wynalazku: MARIUSZ JASIŃSKI, Wągrowiec, PL MARCIN GOCH, Braniewo, PL JERZY MIZERACZYK, Rotmanka, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Anna Kwapich
2 PL 215 139 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest urządzenie plazmowe do obróbki elementów. Znajduje ono zastosowanie do obróbki, zmiany właściwości fizycznych powierzchni plastikowych i metalowych, zwłaszcza przy produkcji przemysłowej, przy taśmowej obróbce na linii produkcyjnej. Znane jest z japońskiego opisu patentowego JP 2000294539 urządzenie do plazmowej obróbki powierzchni, w którym generator mikrofalowy połączony jest za pośrednictwem mikrofalowej linii przesyłowej w postaci falowodu z próżniowym pojemnikiem. Pomiędzy falowodem i próżniowym pojemnikiem znajduje się pokrywa z materiału przepuszczającego fale elektromagnetyczne, która stanowi okno wprowadzające. Do pojemnika próżniowego doprowadzony jest gaz będący źródłem plazmy oddziałującej na powierzchnię próbki umieszczonej w tym pojemniku. Znane jest także z japońskiego opisu nr JP 2000073175 urządzenie zawierające generator mikrofalowy dołączony do rezonatora wnękowego oraz zbiornik obróbki połączony z systemem dostarczającym gaz oraz z systemem wypompowywania. W zbiorniku obróbki znajduje się stanowisko do umieszczenia obrabianej powierzchni usytuowane pod przegrodą oddzielającą rezonator wnękowy od zbiornika obróbki. Przegroda zaopatrzona jest w podłużne otwory, przez które mikrofale są wypromieniowywane do postaci plazmy w komorze wyładowania utworzonej pomiędzy przegrodą i obrabianą powierzchnią. Jednolitość i odpowiednie warunki do generacji plazmy zapewnia dobór właściwej geometrii komór, otworów i odległości między obrabianą powierzchnią a przegrodą, ciśnienia wewnątrz komory, a także szereg dodatkowych elementów urządzenia. W znanych plazmowych urządzeniach do obróbki powierzchni plazma jest wytwarzana wewnątrz zamkniętej komory, w której umieszcza się przedmiot podlegający obróbce. Zwykle plazma jest wytwarzana pod obniżonym ciśnieniem, w postaci płomienia lub wąskiej cylindrycznej kolumny plazmowej. Urządzenia te mają różne kształty i konstrukcje dostosowane do kształtu obrabianych elementów, wymagają wyposażenia w złożone systemy dostarczania gazu i zapewnienia obniżonego ciśnienia i nie nadają się do obróbki dużych płaszczyzn. Urządzenie plazmowe do obróbki powierzchni elementów zawierające generator mikrofalowy dołączony do mikrofalowej linii przesyłowej oraz źródło gazu według wynalazku charakteryzuje się tym, że przez mikrofalową linię przesyłową przechodzi co najmniej jedno pudełko plazmowe z dielektrycznymi ściankami, które z jednej strony jest otwarte, a z drugiej strony połączone jest ze źródłem gazu. Pudełko plazmowe ma kształt płaskiego prostopadłościanu. Korzystnie jest, gdy mikrofalową linię przesyłową stanowi falowód w kształcie klina zamkniętego na końcu. W innym wariancie mikrofalową linię przesyłową stanowi falowód prostokątny zamknięty na końcu. Urządzenie ma pojedyncze pudełko plazmowe zamontowane wzdłuż krótszego lub dłuższego boku falowodu prostopadle do niego. W szczególnym wariancie urządzenie ma dwa lub więcej pudełek plazmowych zamontowanych równolegle do siebie wzdłuż krótszego lub dłuższego boku falowodu prostopadle do niego. Mikrofalową linię przesyłową może stanowić linia paskowa. W urządzeniu z linią paskową pojedyncze pudełko plazmowe usytuowane jest prostopadle do linii paskowej i równolegle do jej płytek masy. Urządzenie z linią paskową może mieć dwa pudełka plazmowe usytuowane po obu stronach przewodnika linii paskowej prostopadle do niej i równolegle do jej płytek masy. Korzystnie jest, gdy pudełko plazmowe wykonane jest ze szkła kwarcowego. Przykładowa realizacja wynalazku pokazana jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie oparte na falowodzie prostokątnym, fig. 2 przedstawia urządzenie oparte na falowodzie w kształcie klina, fig. 3 przedstawia schematycznie realizację w oparciu o linię paskową, a fig. 4 przedstawia schematycznie przemysłowe zastosowanie rozwiązania. Urządzenie plazmowe do obróbki powierzchni elementów składa się z mik rofalowej linii przesyłowej 1 z jednej strony połączonej z generatorem mikrofalowym 2, a z drugiej strony zamkniętej, przez którą przechodzi pudełko plazmowe 3 połączone ze źródłem gazu 4. W pierwszym przykładzie realizacji mikrofalowa linia przesyłowa 1 ma postać standardowego falowodu prostokątnego zwartego na końcu i wykonanego z mosiądzu. W falowodzie tym, prostopadle do niego i wzdłuż jego krótszego boku zamontowane jest szerokie i o małej wysokości prostopadłościenne pudełko plazmowe 3, do którego z jednej strony doprowadzany jest z źródła gazu 4 argon pod ciśnieniem
PL 215 139 B1 3 atmosferycznym, a którego drugi koniec jest otwarty i wystaje nieco poza falowód. Pudełko plazm o- we 3 ma ścianki ze szkła kwarcowego o grubości 3 mm i ma w przykładowej realizacji 153 mm długości, 45 mm szerokości i 1 mm wewnętrznej wysokości. Generator mikrofalowy 2 stanowi magnetron generujący fale o częstotliwości 2,45 GHz. W drugim przykładzie realizacji mikrofalową linię przesyłową 1 stanowi mosiężny falowód w kształcie klina zamkniętego na końcu, zasilany także z magnetronu falami o częstotliwości 2,45 GHz. W tym przypadku podobne kwarcowe pudełko plazmowe 3 przechodzi także przez falowód równolegle do jego krótszego boku i połączone jest z jednej strony ze źródłem gazu 4, którym jest argon pod ciśnieniem atmosferycznym, a z drugiej strony wystaje nieco poza falowód. Obie powyższe konstrukcje stosuje się w przypadku, gdy ze względów technologicznych wymagana jest moc mikrofal większa niż 500 W. Dla mocy mikrofal mniejszej niż 500 W, dielektryczne pudełko plazmowe 3 może być zasilane za pomocą struktury bazującej na mikrofalowych liniach przesyłowych 1 w postaci linii paskowych typu stripline. Jak pokazano na fig. 3, w takiej przykładowej realizacji pudełko plazmowe 3 wprowadzone jest pomiędzy przewodnik 5 i jedną z płytek masy 6 równolegle do niej i tak, że kierunek przepływu gazu jest prostopadły do osi linii paskowej. W urządzeniu według wynalazku mikrofale o częstotliwości 2,45 GHz generowane przez magnetron i transmitowane linią przesyłową w postaci falowodu lub linii paskowej wzbudzają i jonizują gaz przepływający przez płaski, wąski kanał z dielektrycznymi ściankami, jakim jest pudełko plazmowe 3, tworząc w nim plazmę, która częściowo wychodzi na zewnątrz tego pudełka, w formie płaszczyzny plazmowej PP, na jego otwartym końcu. Unikalny kształt generowanej w ten sposób na zewnątrz urządzenia plazmy w postaci płaszczyzny plazmowej PP jest szczególnie dogodny do obróbki powierzchni elementów w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ umożliwia obróbkę np. bezpośrednio na taśmie linii produkcyjnej, co ilustruje schematycznie fig. 4. Urządzenie umieszczone jest nad taśmą linii produkcyjnej 7 w taki sposób, że przesuwające się wraz z taśmą obrabiane powierzchnie 8 znajdują się w obszarze płaszczyzny plazmowej PP wychodzącej z pudełka plazmowego 3. W zależności od potrzeb, mogą być w urządzeniach takich wytwarzane płaszczyzny plazmowe o różnych rozmiarach poprzez kształtowanie wymiarów pudełka plazmowego. W celu zwiększenia powierzchni obrabianego plazmowo materiału, w urządzeniu można także montować więcej niż jedno pudełko plazmowe, zarówno w poprzek, jak i wzdłuż falowodu prostokątnego, jak też po obu stronach przewodnika w linii paskowej. Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie plazmowe do obróbki powierzchni elementów zawierające generator mikrofalowy dołączony do mikrofalowej linii przesyłowej oraz źródło gazu, znamienne tym, że przez mikrofalową linię przesyłową (1) przechodzi co najmniej jedno pudełko plazmowe (3) z dielektrycznymi ściankami, które z jednej strony jest otwarte, a z drugiej strony połączone jest ze źródłem gazu. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pudełko plazmowe (3) ma kształt płaskiego prostopadłościanu. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że mikrofalową linię przesyłową (1) stanowi falowód w kształcie klina zamkniętego na końcu. 4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że mikrofalową linię przesyłową (1) stanowi falowód prostokątny zamknięty na końcu. 5. Urządzenie według zastrz. 3 lub 4, znamienne tym, że ma pojedyncze pudełko plazmowe (3) zamontowane wzdłuż krótszego lub dłuższego boku falowodu (1) prostopadle do niego. 6. Urządzenie według zastrz. 3 lub 4, znamienne tym, że ma dwa lub więcej pudełek plazmowych (3) zamontowanych równolegle do siebie wzdłuż krótszego lub dłuższego boku falowodu prostopadle do niego. 7. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że mikrofalową linię przesyłową stanowi linia paskowa. 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że ma pojedyncze pudełko plazmowe (3) usytuowane prostopadle do linii paskowej i równolegle do jej płytek masy (6).
4 PL 215 139 B1 9. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że ma dwa pudełka plazmowe (3) usytuowane po obu stronach przewodnika (5) linii paskowej prostopadle do niej i równolegle do jej płytek masy (6). 10. Urządzenie według zastrz. 1-9, znamienne tym, że pudełko plazmowe (3) wykonane jest ze szkła kwarcowego. Rysunki
PL 215 139 B1 5
6 PL 215 139 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)