JP2021188091A - 粉体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粉体製造装置において、金属棒の高速回転化を可能にする。【解決手段】金属棒２の溶解処理が行われるチャンバー１０と、軸方向Ａの端部に金属棒２が取り付けられる回転体２０と、金属棒２の先端面２ａにアークを照射する溶解用トーチ３０と、通電時に溶解用トーチ３０と異なる極性となる給電用電極の一例である給電用トーチ４０と、を備え、給電用トーチ４０が、金属棒２の近傍において、金属棒２に接触せず、かつ金属棒２とアークを通じて通電可能な位置に配置されるように粉体製造装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ回転電極法を用いた粉体の製造装置に関する。

特殊合金の溶射、コーティング、人工関節および３Ｄプリンタの製造等においては金属粉体が用いられる。このような粉体の製造装置として、特許文献１にはプラズマ回転電極法を用いた粉体製造装置が開示されている。プラズマ回転電極法とは、高速回転させた金属棒をプラズマアークにより溶解させ、溶解した金属を回転運動による遠心力で金属棒の外周面から飛散させ、飛散した微細な液状体が表面張力で球状に固まることで真球状の粉体を製造する方法である。特許文献２には、粉体製造装置に用いられる金属棒の回転駆動装置が開示されている。

実開平４−０９７８１４号公報 特開２００１−２４０９０３号公報

従来の粉体の用途では粉体の粒径が１５０μｍ程度であれば十分であったが、近年の３Ｄプリンタの技術発展に伴い粉体のさらなる小径化が求められている。例えばパウダーヘッド方式の３Ｄプリンタに使用される粉体は５０μｍ程度の粒径であることが求められる。プラズマ回転電極法で製造される粉体の粒径サイズは金属棒に作用する遠心力の大きさによって変化し、遠心力の大きさは金属棒の直径と回転速度を変えることで調節することが可能である。粒径が１５０μｍの粉体を製造する場合、例えば直径５０ｍｍの金属棒を２００００ｒｐｍで回転させることで所望の粒径が得られるが、粒径が５０μｍの粉体を製造する場合には例えば直径８０ｍｍの金属棒を４００００ｒｐｍで回転させる必要がある。

以上のように粉体の小径化に対応するためには金属棒の太径化と回転速度のさらなる高速化が必要となるが、従来の粉体製造装置では４００００ｒｐｍ以上といった回転速度が想定されておらず、このような回転速度で金属棒を回転させることができなかった。例えば特許文献１や特許文献２の装置では、給電ブラシをスピンドルに当てることで金属棒への給電が行われている。しかしながら、給電ブラシを用いると、金属棒の回転時にスピンドルと給電ブラシとの間に摩擦力が生じ、回転を阻害する力が作用することになる。このことは金属棒のさらなる高速回転化を妨げる要因となる。

また、従来の給電ブラシを用いた構造のように給電部とスピンドルとが接触する給電構造においては、回転速度が上昇すればするほど給電部とスピンドルの摩擦熱も増大するため、発熱箇所の冷却を行う冷却装置の能力を高める必要があった。しかしながら、冷却能力確保のための装置大型化やコスト増大の観点から冷却能力の向上には制約があり、回転速度の最大速度は制限されていた。また、給電ブラシは複数個のスプリングでスピンドルに押し付けられているが、回転速度の高速化にともないスピンドルの振動（共振）発生源となり、これも高速化の阻害要因の１つであった。更に、金属棒の太径化に伴い溶融面を均一に溶かす熱源も求められる。このように、従来の粉体製造装置では金属棒のさらなる高速回転化と均一な溶解熱源に対応できなかったことから、金属棒の太径・高速回転化に対応することできる新たな構造の粉体製造装置が求められる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、粉体製造装置において、金属棒の高速回転化を可能にすることを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、粉体製造装置であって、金属棒の溶解処理が行われるチャンバーと、軸方向の端部に前記金属棒が取り付けられる回転体と、前記金属棒の先端面にアークを照射する溶解用トーチと、通電時に前記溶解用トーチと異なる極性となる給電用電極と、を備え、前記給電用電極は、前記金属棒の近傍において、前記金属棒に接触せず、かつ前記金属棒とアークを通じて通電可能な位置に配置されていることを特徴としている。

粉体製造装置において、金属棒の高速回転化が可能となる。

本発明の実施形態に係る粉体製造装置の概略構成を示す図である。 図１の粉体製造装置のスピンドル周辺の概略構成を示す図である。 給電構造の例を示す図である。本図では金属棒が二点鎖線で示されている。 給電構造の例を示す図である。 図４の溶解用トーチの配置を説明するための図であり、溶解用トーチを先端部側から見た図である。 磁力発生機がない場合のプラズマアークに作用する力を説明するための図である。 磁力発生機がある場合のプラズマアークに作用する力を説明するための図である。 溶解用アークの照射位置の例を示す図である。本図では、各例における金属棒の溶融面の状態および凹み形状について示している。 給電構造の例を示す図である。 給電構造の例を示す図である。 給電構造の例を示す図である。 図１１の溶解用トーチと給電用トーチの配置を説明するための図であり、各トーチを先端部側から見た図である。 図１１の溶解用トーチの先端部を拡大した図である。 給電構造の例を示す図である。 図１４の溶解用トーチと給電用トーチの配置を説明するための図であり、各トーチを先端部側から見た図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１〜図３に示すように本実施形態の粉体製造装置１は、金属棒２の溶解処理が行われるチャンバー１０と、金属棒２を支持する回転体２０と、金属棒２の先端面２ａにアークを照射する溶解用トーチ３０と、金属棒２の近傍に配置された給電用電極の一例である給電用トーチ４０を備えている。溶解用トーチ３０の種類は特に限定されず、例えばプラズマトーチまたはＴＩＧトーチであってもよい。また、給電用電極の種類も特に限定されず、例えばプラズマトーチまたは、水冷電極であってもよい。

チャンバー１０は、鉛直方向に延びる円筒状の容器である。チャンバー１０には、ガス供給管１１と、ガス排気管１２が接続されている。ガス供給管１１は、ガス供給源（図示せず）に接続されており、チャンバー１０の内部に雰囲気ガスを供給する。雰囲気ガスは、例えばアルゴン、ヘリウム、窒素等のガスである。ガス排気管１２は、真空ポンプ１３に接続されており、金属棒２の溶解処理は真空ポンプ１３によりチャンバー内は排気、真空にされ、次いで雰囲気ガスで充満した状態で行われる。チャンバー１０の下端部は漏斗状に形成されており、製造された粉体はチャンバー１０の下端部から回収される。なお、チャンバー１０の形状や各配管の接続位置等は、本実施形態で説明した構成に限定されず、プラズマ回転電極法による粉体の製造が可能な構成であればよい。

回転体２０は、駆動源１４（例えばモータ）の回転力を金属棒２に伝達する構造物であり、回転体２０の軸方向Ａの端部に金属棒２が取り付けられる。本実施形態の粉体製造装置１は、回転体２０を収容する回転体収容室５０を備えており、回転体２０はその回転体収容室５０の内部に配置されている。回転体収容室５０は、チャンバー１０内の空間と連通しており、回転体収容室５０内はチャンバー１０内の雰囲気と同一の雰囲気となっている。チャンバー１０と回転体収容室５０は、外部からの雰囲気流入または外部への雰囲気流出が起こらないよう密閉構造となっており、各種部品同士の接続箇所の隙間にはシール材（図示せず）が設けられている。

回転体２０は、スピンドル２１と、金属棒保持具２２を備えている。金属棒保持具２２は、スピンドル２１の金属棒取付側の端部に設けられている。金属棒保持具２２は、金属棒２の固定が可能であって、かつ、金属棒２を着脱自在に取り付け可能な構造となっている。なお、回転体２０は、本実施形態で説明した構造に限定されず、例えば駆動源１４に接続された駆動軸１５と金属棒２までの間に他の部品が設けられていてもよい。

スピンドル２１の駆動源側の端部にはマグネットカップリング６０が設けられている。マグネットカップリング６０は、駆動源１４に接続された駆動軸１５とスピンドル２１を連結している。マグネットカップリング６０は、スピンドル側部品６１と駆動軸側部品６２を有しており、両部品は、回転体収容室５０の駆動源１４側の壁部５１を間に挟んで配置されている。すなわち、スピンドル側部品６１は回転体収容室５０の内部に配置され、駆動軸側部品６２は回転体収容室５０の外部に配置されている。このように配置されたスピンドル側部品６１と駆動軸側部品６２の間においては磁気により回転動力が伝達される。

回転体収容室５０の内部には、スピンドル２１を支持するベアリングとして静圧気体軸受け（ガスベアリング）７０が設けられている。静圧気体軸受け７０は、作動流体として気体を用いるベアリングであり、静圧気体軸受け７０には作動流体を供給するための供給口（図示せず）が設けられている。供給される気体は、チャンバー１０内の雰囲気ガスと同じ気体であることが好ましく、図２の例ではアルゴンガスが供給されている。本実施形態の静圧気体軸受け７０は、回転体収容室５０の内部に配置されている。静圧気体軸受け７０の数は特に限定されず、スピンドル２１の長さに応じて適宜変更される。スピンドル２１を支持するベアリングとして静圧気体軸受け７０を用いることで、ボールベアリングを用いる場合に比べ、回転体２０回転時の接触抵抗を小さくすることができる。したがって、金属のさらなる高速回転化を図る観点からは、スピンドル２１を支持するベアリングとして静圧気体軸受け７０を用いることが好ましい。

なお、回転体収容室５０はチャンバー１０内の雰囲気と連通しない構造であってもよい。また、カップリングは、駆動軸１５とスピンドル２１とが機械的に締結される構造であってもよい。このような構造であっても、後述の金属棒２に対する非接触給電を行うことが可能な粉体製造装置１によれば、金属棒２の高速回転化が可能である。本装置の主な目的は、例えば３Ｄプリンタ用の５０μｍの微粉の製造であり、その金属棒２の直径はφ８０と太く、回転数も40000ｒｐｍと高速であることにより、伝達トルク及び遠心力が増加する。金属棒２の回転速度を上げるためにはスピンドル２１の径を太くする必要があるが、スピンドル２１の径が太くなると、所望の仕様（周速や荷重）を満たすボールベアリングの製造可能な許容値を超えてしまい、部品調達の面での懸念が生じ得る。これに対して、本実施形態のような回転体収容室５０と静圧気体軸受け７０が設けられた構造によれば、スピンドル２１が気体で浮いていることから回転摩擦抵抗を極めて小さくすることができるため、上記の懸念は生じない。加えて、本実施形態のような回転体収容室５０とマグネットカップリング６０が設けられる構造によれば、マグネットカップリング６０を介して回転体２０に回転動力が伝達されるため、回転体２０が回転体収容室５０（チャンバー１０）を貫通しないため、外部雰囲気の流入を防ぐシール材を用いる必要がない。このため、回転体２０が回転する際のシール抵抗がなくなるため、回転体２０の回転速度を上げやすくなる。すなわち、金属棒２のさらなる高速回転化の観点からは、回転体収容室５０とマグネットカップリング６０を設けることが好ましい。

金属棒２にプラズマアークを照射する溶解用トーチ３０は、先端部が金属棒２の先端面２ａに向くようにして金属棒２の先端面２ａに対向する位置に配置されている。図３の例では、溶解用トーチ３０の中心（プラズマガス吹出口の穴中心）と金属棒２の回転中心Ｃとは一致していない。このように金属棒２の回転中心Ｃに対して溶解用トーチ３０を半径方向に適正量ずらして配置すれば、金属棒２の先端面２ａを理想的なすり鉢状の凹み形状とすることができる。なお、金属棒２と回転体２０は同軸上で回転するため、“金属棒２の先端面２ａに対向する位置”は“回転体２０の金属棒取付側の端面２０ａに対向する位置”と言い換えることができる。また、以降の説明では“回転体２０の回転方向Ｒ”や“回転体２０の回転中心Ｃ”と記載することがあるが、これらの記載は“金属棒２の回転方向”や“金属棒２の回転中心”と同義である。

溶解用トーチ３０は、チャンバー１０の側面を貫通しており、チャンバー１０と溶解用トーチ３０の間にはシール材（図示せず）が設けられている。溶解用トーチ３０は、水平方向に移動可能な状態で設置されており、金属棒２の溶解量に応じて溶解用トーチ３０を水平移動させることができる。本実施形態の溶解用トーチ３０は、プラズマトーチである。プラズマトーチは従前より知られているものであるため、プラズマトーチの詳細な構造については説明を省略する。給電用トーチ４０は、金属棒２の近傍において、金属棒２に接触せず、かつ、金属棒２とアークを通じて通電可能な位置に配置されている。

（給電構造例１）
図３に示す給電構造では給電用トーチ４０が金属棒２の外周面２ｂに対向する位置に配置されている。図３の例では、給電用トーチ４０の先端部４０ａが回転体２０に取り付けられた金属棒２の外周面２ｂに向いている。本実施形態の給電用トーチ４０は、金属材料（例えば銅）からなる電極棒である。給電用トーチ４０は、内部に冷却水が循環する構造を有している。図示はしていないが、給電用トーチ４０は、回転体２０の回転方向Ｒに沿って等間隔で６つ設けられている。このため、６つの給電用トーチ４０を回転体２０の軸方向Ａ（すなわち、金属棒２の軸方向）から見た場合、各々の給電用トーチ４０の先端部４０ａは回転体２０の回転中心Ｃに向いた状態となっている。

本実施形態では、以上のように配置された溶解用トーチ３０がプラズマ電源１６の陰極側に接続され、給電用トーチ４０がプラズマ電源１６の陽極側に接続されている。すなわち、通電時には溶解用トーチ３０と給電用トーチ４０は互いに異なる極性となる。なお、本明細書ではプラズマ電源１６の陽極側に接続されたトーチを“アノードトーチ”と称し、プラズマ電源１６の陰極側に接続されたトーチを“カソードトーチ”と称す。また、アノードトーチがプラズマトーチである場合には“アノードプラズマトーチ”と称し、カソードトーチがプラズマトーチである場合には“カソードプラズマトーチ”と称し、アノードが水冷銅電極の場合には“アノードトーチ”と称す。図３の給電構造の場合、溶解用トーチ３０がカソードプラズマトーチであり、給電用トーチ４０がアノードトーチである。

図３で例示する給電構造で通電を行う場合、先ず溶解用トーチ３０は図示しないパイロットアーク（タングステン棒とチップ間のアーク）を着火させチップの吹出口から高温（プラズマ状）のアルゴンガスを噴出させる。この状態で図示しない着火用の高圧高周波を溶解用トーチ３０のタングステン棒と給電用トーチ４０間にかけると、溶解用トーチ３０と金属棒２間ではプラズマアークが発生し、給電用トーチ４０と金属棒２間ではアークが発生する。すなわち、給電用トーチ４０〜金属棒２〜溶解用トーチ３０間で電流が流れる。これにより、溶解用トーチ３０から金属棒２の先端面２ａに向けてプラズマアークが照射され、金属棒２の先端面２ａの溶解が開始される。そして、溶解した液状金属は金属棒２の回転による遠心力で先端面２ａの外周端へ移動し溶滴となって飛散し、粉体が製造される。本実施形態のような給電構造を有する粉体製造装置１では、給電用トーチ４０が金属棒２に非接触の状態で粉体の製造が可能となる。すなわち、金属棒２を回転させる際には金属棒２と給電用トーチ４０の接触抵抗がなくなるため、金属棒２の回転を阻害する力が生じず、回転速度の向上を図ることができる。さらに、給電部と金属棒２との間に摩擦が生じないため、摩擦による発熱箇所の冷却を行う冷却機構が不要となり、粉体製造装置１の構造を簡素化することができる。

なお、駆動軸１５と回転体２０の連結にマグネットカップリング６０を用いる場合、給電部とマグネットカップリング６０が近い位置にあると、給電部で生じる磁界がマグネットカップリング６０の動作に悪影響を与えることが起こり得る。一方で、本実施形態のような粉体製造装置１によれば、給電部とマグネットカップリング６０が離れた位置に配置されるため、マグネットカップリング６０の性能を最大限発揮させることができる。また、マグネットカップリング６０を用いる場合、例えば従来のボールベアリングを使用した場合、スピンドル２１とボールベアリングとの間にある程度大きな接触抵抗が存在すると、回転体２０の回転速度を上げようと駆動源１４の出力を大きくした際に、マグネットカップリング６０のスピンドル側部品６１が上記の接触抵抗の影響を受けてマグネットカップリング６０の駆動軸側部品６２とスピンドル側部品６１で回転速度ずれが発生する。一方、本実施形態の粉体製造装置１では、スピンドル２１の支持に静圧気体軸受け７０を採用しているため、スピンドル２１の接触抵抗を抑えることができる。これにより、マグネットカップリング６０のスピンドル側部品６１と駆動軸側部品６２の回転のずれを抑えることができる。すなわち、マグネットカップリング６０は、本実施形態のような金属棒２に対する非接触給電構造と、静圧気体軸受け７０とが組み合わされることによって最大限の性能を発揮することができる。したがって、本実施形態のような金属棒２への非接触給電構造、マグネットカップリング６０および静圧気体軸受け７０が組み合わされた粉体製造装置１によれば、金属棒２のさらなる高速回転化が可能となる。

さらに、図３の給電構造においては、給電用トーチ４０と金属棒２の間にもアークが生じ、ここで生じる熱を金属棒２の溶解エネルギーとして利用することができる。このため、単位時間あたりの金属棒２の溶解量を増やすことができ、粉体の製造効率を高めることが可能となる。なお、図３の給電構造においては、給電用トーチ４０が金属棒２の回転方向Ｒに沿って６本設けられているが、給電用トーチ４０の数は特に限定されず、単位時間あたりの所望の粉体製造量に応じて適宜変更される。また、給電用トーチ４０は１本当たりのアーク電流を減らした方が給電用トーチ４０の電極先端の熱負荷が減り、給電用トーチ４０の長寿命化を図ることができる。金属棒２の軸方向Ａにおける給電用トーチ４０の設置位置についても特に限定されないが、複数の給電用トーチ４０が設けられている場合、各々の給電用トーチ４０は、金属棒２の軸方向Ａにおいて互いにある程度距離を離して配置されても良い。更に、給電用トーチ４０は、金属棒２の軸方向Ａに沿って溶解用トーチ３０が移動する際に溶解用トーチ３０と同期して移動しても良い。

以上の説明では給電構造として図３の構造（給電構造例１）について説明したが、給電構造は図３に示す構造に限定されない。以下、給電構造の他の例として給電構造例２〜６について説明する。なお、以降の説明で参照する図面中の破線の矢印は電流の向きを示し、曲線状の実線矢印は電流が流れることによって生じる磁界の向きを示している。

（給電構造例２）
図４および図５に示す給電構造は、溶解用トーチ３０がカソードプラズマトーチであり、給電用トーチ４０がアノードトーチである。本給電構造の溶解用トーチ３０は、複数設けられており、各々の溶解用トーチ３０は互いに平行となるように配置されている。また、図５に示すように溶解用トーチ３０は、回転体２０の軸方向Ａから見て回転体２０の回転方向Ｒに沿って並んで配置されている。給電用トーチ４０は、図３の給電構造と同様の配置である。

本給電構造においては、溶解用トーチ３０の外方に磁力発生機８０が設けられている。換言すると、溶解用トーチ３０は、回転体２０の回転中心Ｃと磁力発生機８０の間に配置されている。金属棒２の溶解処理時には溶解用トーチ３０と金属棒２の間にアーク電流が流れることになるが、磁力発生機８０は、そのアーク電流によって生じるローレンツ力Ｆを相殺するための磁力を発生させるものである。

図４の例では、磁力発生機８０は金属材料（例えば銅）からなるＬ字状の導体８１を備えており、導体８１は、内部に冷却水が循環する構造となっている。導体８１は、溶解用トーチ３０と平行に延びる平行部８２と、平行部８２の回転体側の端部８２ａから溶解用トーチ３０の外方に向かって延びる傾斜部８３とを有している。平行部８２の回転体側の端部８２ａは、溶解用トーチ３０の先端部３０ａよりも回転体２０側に位置している。導体８１の平行部８２は、プラズマ電源１６の陰極側に接続され、導体８１の傾斜部８３は溶解用トーチ３０と電気的に接続されている。このような給電構造の場合、溶解用トーチ３０と金属棒２の間を流れるアーク電流と、導体８１の平行部８２を流れる電流とが同一の向きとなり、溶解用トーチ３０と導体８１の平行部８２では平行電流が流れた状態となる。

複数の溶解用トーチ３０が互いに平行となるように配置された場合、溶解用アーク３１の電流が平行電流となり、各々の溶解用トーチ３０から照射される溶解用アーク３１には、その電流によって生じる磁界の影響を受けて互いに引き合うローレンツ力Ｆが作用する。図６の例では２本の平行溶解用アーク３１間では、図６の様に磁界が発生するが、それぞれのアーク間では磁束の向きが互いに異なることによって相殺される一方、溶解用アーク３１の外側の磁束は強い状態となり、この外側の向きの磁束と溶解用アーク３１の電流方向でローレンツ力Ｆが働き、それぞれの溶解用アーク３１は図６の様に引き合う結果となる。したがって、磁力発生機８０がない給電構造では、各々の溶解用トーチ３０から照射される溶解用アーク３１が図６のように金属棒２の先端面２ａの中心部側に寄ってしまう。このような溶解用トーチ３０と金属棒２の間を流れるアーク電流に起因したプラズマアークの照射位置が変化する現象を“磁気吹き”という。磁気吹きが生じた状態であっても前述の金属棒２の高速回転化は可能であるが、金属棒２の先端面２ａを均一に溶解させる観点からは、磁気吹きを抑えることが好ましい。

図７に示すように磁力発生機８０が設けられていれば、溶解用トーチ３０から照射される溶解用アーク３１には、導体８１の平行部８２を流れる電流によって生じる磁界の影響を受けて導体８１側に引き付けられるローレンツ力Ｆ_Jが生じる。ここで生じるローレンツ力Ｆ_Jは、溶解用アーク３１間で生じるローレンツ力Ｆとは逆向きの力となるため、これらのローレンツ力Ｆ、Ｆ_Jは互いに相殺されることになる。その結果、溶解用アーク３１の円周方向周囲の磁束バランスは平衡し、磁気吹きを抑えることができ、金属棒２の所望の位置にプラズマアークを照射することができる。導体８１の平行部８２と溶解用アーク３１の距離は、好ましくは溶解用アーク３１間の距離と同じが良いが、金属棒２への溶解用アーク３１の照射位置に応じて最良位置になる様変えても良い。

なお、図５の例では、１つの溶解用トーチ３０に対して１つの磁力発生機８０が設けられているが、磁力発生機８０の数や配置は溶解用トーチ３０の数や配置等に応じて適宜変更される。また、本給電構造における磁力発生機８０の導体８１はＬ字状であったが、導体８１の形状は平行部８２を有していれば特に限定されない。また、磁力発生機８０の構造は、図５の例で説明した構造に限定されず、溶解用トーチ３０のアーク電流に起因するローレンツ力Ｆを相殺可能な磁力を発生できる構造であればよい。

更に、図４〜図７の例で重要な効果としては“複数の溶解用トーチ３０で金属棒２の先端面２ａを溶解することで、太径の金属棒２の場合でも先端面２ａの表面をより均一な溶融面とすることができる”といった効果がある。これにより、金属棒２の溶融面を理想的なすり鉢状の凹み形状とすることができ、より微細で均一な粒度の紛体を製造することが可能となる。

上記のような均一な溶融面を得るための好ましい溶解用アーク３１の照射位置について図８を参照しながら説明する。図８は、溶解用トーチ３０の本数と配置が異なる場合における溶融面９０の状態と凹み形状９１の違いを示す図である。なお、図８（ｂ）〜図８（ｄ）では溶解用トーチ３０の図示を省略している。

図８（ａ）は、溶解用トーチ３０が１本で金属棒２の回転中心Ｃの位置に溶解用アーク３１を当てた場合の図である。この場合、金属棒２の中心部近傍のみが溶かされることになり、凹み形状９１は中心部が深く溶け込んだ形状となり、溶融金属９０ａは遠心力で外周部に運ばれるが、溶融金属９０ａが先端面２ａの外周面に近づく程、遠心力は弱まるために金属棒２の先端面外周部２ｃに溜まる。この溶融金属９０ａは、ある大きさになってから金属棒２の先端面外周部２ｃより放出粉９３として飛散する。この為、粒径が大きく不揃い粒径の紛体になりやすい。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の場合と同様に溶解用トーチ３０が１本であるが、図３の様に金属棒２の回転中心Ｃから半径方向にずれた位置に溶解用アーク３１を当てた場合の図である。この場合、金属棒２の中心と金属棒２の先端面外周部２ｃとの中間の位置に溶解用アーク３１が照射され、先端面２ａの凹み形状９１は割合浅い凹み形状となり、溶融金属９０ａは端面でも十分な遠心力が働き、金属棒２の先端面外周部２ｃよりスムーズに離脱し小粒径の放出粉９３が得られる。溶融面９０は回転が進むにつれ溶融面９０の面積は徐々に小さくなり溶融面はなくなる。この回転により連続的に溶融・凝固を繰り返す。従来φ５０以下の金属棒２であれば図８（ｂ）の様な金属棒２と溶解用トーチ３０の位置関係でも問題ないが、５０μｍの微紛体を得るために金属棒２を太径のφ８０程度にすると図８（ｃ）の様に先端面２ａの半径分を均一に溶解することができず、中心部分が凸状に残ることになる。この場合、金属棒２の溶解処理が進むにつれて中心部の凸部がますます高くなり、結果として金属棒２の先端面外周部２ｃの形状が崩れ、放出粉９３の飛散は不揃いとなってしまう。また、溶解用アーク３１の照射位置を先端面２ａの中心部に近づけると、凹み形状９１は図８（ａ）の様な形状になってしまう。

図８（ｄ）は、溶解用トーチ３０を２本として、２つの溶解用アーク３１の間に金属棒２の中心がある場合の図である。この場合、溶融面９０は図８（ｄ）の様になり、熱量が増すことにより金属棒２の中心部の温度が上がり、図８（ｃ）の様な凸部の溶け残しが無くなり、理想的なすり鉢状の凹み形状となる。この為、均一で微細粒径の放出粉９３が得られる。更に、溶解用トーチ３０を複数トーチとすることで凝固面９２の面積は減り、結果生産性はアップする。この様に、金属棒２の先端面２ａを複数の溶解用トーチ３０によって溶解用アーク３１を照射することで、金属棒２が太径であっても均一な溶解が可能であり、溶解能率もアップする。尚、２本の溶解用トーチ３０の位置は金属棒２の回転中心Ｃを対称点とした回転対称の位置でなくとも良い。更に、複数のトーチを用いる場合は、後記する図９、図１０、図１１、図１４の給電構造例の様な溶解用トーチ３０と給電用トーチ４０の組み合わせでも図８（ｄ）の様に均一な溶融面とする効果が得られる。なぜなら、給電用トーチ４０もアーク熱源であり、溶解用トーチ３０の溶解熱量に比べると熱量は多少劣り、効率は僅かに減少するが金属棒２の溶解が可能であるためである。

（給電構造例３）
図９に示す給電構造は、給電用トーチ４０が溶解用トーチ３０の周囲に配置されている。本給電構造の溶解用トーチ３０はカソードプラズマトーチであり、給電用トーチ４０はアノードトーチである。給電用トーチ４０は、先端部が金属棒２の先端面２ａ、すなわち回転体２０の金属棒取付側の端面２０ａに向いた状態で固定されている。また、給電用トーチ４０は、溶解用トーチ３０に対して傾斜して配置されている。本給電構造においても、給電用トーチ４０が金属棒２に非接触の状態で粉体の製造を行うことができる。

本給電構造は、１本の溶解用トーチ３０が２本の給電用トーチ４０の間に挟まれた構造となっている。給電用トーチ４０は、回転体２０の回転中心Ｃに対して線対称に配置されている。このような配置によれば、それぞれのアークから発生する磁束は図９の様になり、溶解用アーク３１は、両側の給電用アーク４１からの磁束の影響で溶解用トーチ３０の中心軸に向かう対称の力Ｆが働き、その力は釣り合っているため、溶解用アーク３１の磁気吹きを抑えることができる。また、各々の給電用トーチ４０の給電用アーク４１には、溶解用アーク３１のアーク電流（給電用アーク４１の電流の２倍の電流値）による、金属棒先端面２ａの中心部から離れる方向のローレンツ力Ｆ_Dが生じる。一方、本給電構造の給電用トーチ４０は、先端部４０ａが金属棒２の先端面２ａの中心部側に向かうようにして傾斜して配置されている。これにより、給電用トーチ４０の先端部４０ａ近傍では金属棒先端面２ａの中心部に向かうように給電用アーク４１が形成される一方、金属棒２の先端面２ａ近傍では給電用アーク４１がローレンツ力Ｆ_Dの影響を受けて溶解用アーク３１から離れる方向に曲がり、結果回転体２０の軸方向Ａと平行な向きに形成される。これにより、金属棒２の先端面２ａ全体に均一にプラズマアークが照射される。すなわち、給電用トーチ４０を溶解用トーチ３０に対して傾斜するように配置することで磁気吹きをある程度抑えることができ、狙いの位置にアークを照射することができる。溶解用トーチ３０に対する給電用トーチ４０の傾斜角度は供給電流の大きさ等に応じて適宜変更される。

図９の例では、給電用トーチ４０の数が２本であったが、３本以上配置されていてもよい。また、溶解用トーチ３０の磁気吹きを抑制する観点においては、給電用トーチ４０が複数設けられ、かつ、回転体２０の軸方向Ａから溶解用トーチ３０を見たときに回転体２０の回転中心Ｃを対称点として給電用トーチ４０が点対称に配置されていることが好ましい。そのように給電用トーチ４０が配置であれば、溶解用トーチ３０の磁気吹きを抑える効果が高まる。

（給電構造例４）
溶解用トーチ３０および給電用トーチ４０に供給する電流が高くなるほど、磁界の強さが大きくなり、磁気吹きが生じやすくなる。図１０に示す給電構造は、そのような高電流を流す場合に適した給電構造である。本給電構造においては、溶解用トーチ３０がプラズマカソードトーチであり、給電用トーチ４０がプラズマアノードトーチである。本給電構造は、給電用トーチ４０の先端部が金属棒２の溶解側の先端面２ａに対向するようにして給電用トーチ４０が配置され、溶解用トーチ３０は、給電用トーチ４０に対して傾斜するようにして給電用トーチ４０の周囲に配置されている。すなわち、本給電構造は、１本の給電用トーチ４０が２本の溶解用トーチ３０の間に挟まれた構造となっており、溶解用トーチ３０は、回転体２０の回転中心Ｃに対して線対称に配置されている。このため、一方の溶解用トーチ３０のアーク電流に起因するローレンツ力Ｆと、他方の溶解用トーチ３０のアーク電流に起因するローレンツ力Ｆとが相殺されるため、給電用トーチ４０から照射されるプラズマアークは回転体２０の軸方向Ａと平行な向きとなる。

溶解用トーチ３０と金属棒２の間のプラズマアークには、給電用トーチ４０のアーク電流（溶解用アーク３１の電流の２倍の電流値）に起因する金属棒先端面２ａの中心部から離れる方向のローレンツ力Ｆ_Dが作用する。供給電流が高電流の場合は、溶解用トーチ３０を給電用トーチ４０に対して傾斜させるだけでは対応できないため、本給電構造のように磁力発生機８５を設けることが好ましい。

本給電構造における磁力発生機８５は、溶解用トーチ３０の外方に設けられている。換言すると、溶解用トーチ３０は、給電用トーチ４０と磁力発生機８５の間に配置されている。磁力発生機８５は金属材料（例えば銅）からなるＬ字状の導体８６を備えており、導体８６は、溶解用トーチ３０と平行に延びる平行部８７と、平行部８７の回転体側の端部８７ａから溶解用トーチ３０の外方に向かって延びる傾斜部８８とを有している。導体８６はこのようなＬ字構造であることにより金属棒２の先端面２ａより放出される放出粉９３の飛散方向と交わらない。平行部８７の回転体側の端部８７ａは、溶解用トーチ３０の先端部３０ａよりも回転体２０側に位置している。導体８６の傾斜部８８は、プラズマ電源１６の陰極側に接続され、導体８６の平行部８７は溶解用トーチ３０と電気的に接続されている。このような給電構造の場合、溶解用トーチ３０の先端部３０ａ近傍では、溶解用トーチ３０と金属棒２の間を流れる電流と、導体８６の平行部８７を流れる電流とが反対の向きとなる。このため、溶解用トーチ３０と金属棒２の間の溶解用アーク３１には、金属棒先端面２ａの中心部側に向かうローレンツ力Ｆ_Jが作用する。給電用トーチ４０からのローレンツ力Ｆ_Dと導体８６からのローレンツ力Ｆ_Jが相殺されることになるが、給電用アーク４１の電流が溶解用アーク３１の電流の２倍の電流であるため、Ｆ_D＞Ｆ_Jとなり、金属棒２の先端面２ａ近傍では溶解用アーク３１が金属棒先端面２ａの中心部から離れる方向に振られることになる。すなわち、傾斜した溶解用トーチ３０から照射される溶解用アーク３１は、金属棒２の先端面２ａ近傍では、回転体２０の軸方向Ａに平行な向きとなる。これにより、金属棒２の先端面２ａ全体に均一にプラズマアークを照射することができる。

なお、本給電構造の場合、給電用トーチ４０に対する溶解用トーチ３０の傾斜角θは４５°以下であることが好ましい。また、図１０の例では、溶解用トーチ３０の数が２本であったが、３本以上配置されていてもよい。また、給電用トーチ４０の磁気吹きを抑制する観点においては、溶解用トーチ３０が複数設けられ、かつ、回転体２０の軸方向Ａから給電用トーチ４０を見たときに回転体２０の回転中心Ｃを対称点として溶解用トーチ３０が点対称に配置されていることが好ましい。そのようが溶解用トーチ３０の配置であれば、給電用トーチ４０の磁気吹きを抑える効果が高まる。磁力発生機８５の数や配置は溶解用トーチ３０の数や配置等に応じて適宜変更される。また、本給電構造における磁力発生機８５の導体８６はＬ字状であったが、導体８６の形状は溶解用アーク３１に対して平行部８７を有していれば特に限定されない。また、磁力発生機８５の構造は、図１０の例で説明した構造に限定されず、溶解用トーチ３０のアーク電流に起因するローレンツ力Ｆを相殺可能な磁力を発生できる構造であればよい。

（給電構造例５）
図１１に示す給電構造は、給電用トーチ４０と複数の溶解用トーチ３０が一体化した構造である。本給電構造における給電用トーチ４０はプラズマアノードトーチであり、溶解用トーチ３０はプラズマカソードトーチである。図１１および図１２に示すように本給電構造では給電用トーチ４０の先端部が金属棒２の溶解側の先端面２ａに対向するようにして給電用トーチ４０が配置され、溶解用トーチ３０は、給電用トーチ４０に平行であって、かつ、給電用トーチ４０の周囲を囲むように配置されている。給電用トーチ４０と溶解用トーチ３０がこのように配置されていると、前述の通り溶解用トーチ３０と金属棒２の間の溶解用アーク３１には、金属棒先端面２ａの中心部から離れる方向のローレンツ力Ｆが作用する。

本給電構造における溶解用トーチ３０は、プラズマトーチであるため、図１３に示すように溶解用トーチ３０の先端部３０ａにはプラズマガスを吹き出すための吹出口３２が設けられている。そして、吹出口３２の穴中心Ｃ_hは回転体２０の軸方向Ａに対して傾斜し、かつ、吹出口３２は金属棒先端面２ａの中心部側に向いている。このような傾斜した吹出口３２を有する溶解用トーチ３０によれば、溶解用トーチ３０から金属棒２の先端面２ａの中心部側に向けた溶解用アーク３１が形成される一方で、金属棒２の先端面２ａ近傍では給電用トーチ４０のアーク電流に起因するローレンツ力Ｆの影響を受けて、溶解用アーク３１が回転体２０の回転方向Ｒと平行な向きで照射される。これにより、金属棒２の先端面２ａに対しては給電用トーチ４０と溶解用トーチ３０から回転体２０の回転方向Ｒと平行にプラズマアークが照射され、金属棒２の先端面２ａの広い範囲が溶解処理される。以上のように、溶解用トーチ３０の吹出口３２を傾斜させることによって溶解用トーチ３０の磁気吹きを抑えることができる。

なお、給電用トーチ４０の磁気吹きを抑制する観点においては、溶解用トーチ３０が複数設けられ、かつ、回転体２０の軸方向Ａから溶解用トーチ３０を見たときに回転体２０の回転中心Ｃを対称点として溶解用トーチ３０が点対称に配置されていることが好ましい。また、給電用トーチ４０と溶解用トーチ３０は一体化していなくてもよい。例えば溶解用トーチ３０が給電用トーチ４０とやや離れた位置で給電用トーチ４０に平行に配置されていても、吹出口３２が傾斜していれば上記の磁気吹き抑制の効果を得ることができる。吹出口３２の傾斜角度は給電用トーチ４０と溶解用トーチ３０の位置関係や供給電流の大きさ等に応じて適宜変更される。

（給電構造例６）
図１４および図１５に示す給電構造は、溶解用トーチ３０と給電用トーチ４０が平行に配置された例である。本給電構造における溶解用トーチ３０はプラズマカソードトーチであり、給電用トーチ４０はプラズマアノードトーチである。図１５に示すように本給電構造では給電用トーチ４０の先端部が金属棒２の溶解側の先端面２ａに対向するようにして給電用トーチ４０が配置され、溶解用トーチ３０と給電用トーチ４０はそれぞれ複数設けられている。溶解用トーチ３０と給電用トーチ４０は、回転体２０の回転方向Ｒに沿って交互に配置され、回転体２０の回転中心Ｃを対称点として点対称に配置されている。図１５の例では、溶解用トーチ３０と給電用トーチ４０が２本ずつ設けられ、隣り合う溶解用トーチ３０と給電用トーチ４０の間隔が互いに等しく、また、対角線上に位置する溶解用トーチ３０の間隔と、対角線上に位置する給電用トーチ４０の間隔が互いに等しくなっている。

本給電構造によれば、同一の極性のトーチ同士には互いに引き合うローレンツ力が生じ、異なる極性のトーチ同士には、互いに反発するローレンツ力が生じる。これにより、各々のローレンツ力が互いに打ち消し合うことになるため、溶解用トーチ３０および給電用トーチ４０から照射されるプラズマは回転体２０の軸方向Ａと平行な向きで金属棒２の先端面２ａに到達する。これにより、金属棒２の先端面２ａに平行にプラズマアークを照射することができるため、金属棒２の先端面２ａの広い範囲を溶解することができる。このように溶解用トーチ３０と給電用トーチ４０が回転体２０の回転方向Ｒに沿って交互に配置され、かつ、回転体２０の回転中心Ｃを対称点として点対称に配置されることによって磁気吹きを抑えることができる。

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施形態では様々な給電構造について説明したが、給電構造はそれらの構造例に限定されない。例えば上記実施形態で説明した各種給電構造は、粉体製造の実施を阻害しない範囲で互いに組み合わせてもよい。また、各トーチの極（アノードまたはカソード）は、粉体製造の実施を阻害しなければ、上記実施形態で説明したものと逆の極になっていてもよい。

本発明は、プラズマ回転電極法による粉体の製造装置に利用することができる。

１ 粉体製造装置
２ 金属棒
２ａ 金属棒の先端面
２ｂ 金属棒の外周面
２ｃ 金属棒の先端面外周部
１０ チャンバー
１１ ガス供給管
１２ ガス排気管
１３ 真空ポンプ
１４ 駆動源
１５ 駆動軸
１６ プラズマ電源
２０ 回転体
２０ａ 金属棒取付側の端面
２１ スピンドル
２２ 金属棒保持具
３０ 溶解用トーチ
３０ａ 溶解用トーチの先端部
３１ 溶解用アーク
３２ 吹出口
４０ 給電用トーチ
４０ａ 給電用トーチの先端部
４１ 給電用アーク
５０ 回転体収容室
５１ 壁部
６０ マグネットカップリング
６１ スピンドル側部品
６２ 駆動軸側部品
７０ 静圧気体軸受け
８０ 磁力発生機
８１ 導体
８２ 平行部
８２ａ 平行部の回転体側の端部
８３ 傾斜部
８５ 磁力発生機
８６ 導体
８７ 平行部
８７ａ 平行部の回転体側の端部
８８ 傾斜部
９０ 溶融面
９０ａ 溶融金属
９１ 凹み形状
９２ 凝固面
９３ 放出粉
Ａ 回転体の軸方向
Ｃ 回転体の回転中心
Ｃ_h 吹出口の穴中心
Ｆ アーク電流の磁界の影響によるローレンツ力
Ｆ_D アーク電流の磁界の影響によるローレンツ力
Ｆ_J 磁力発生機の磁界の影響によるローレンツ力
Ｒ 回転体の回転方向
θ 溶解用トーチと給電用トーチのなす角

Claims (13)

1. 金属棒の溶解処理が行われるチャンバーと、
   軸方向の端部に前記金属棒が取り付けられる回転体と、
   前記金属棒の先端面にアークを照射する溶解用トーチと、
   通電時に前記溶解用トーチと異なる極性となる給電用電極と、を備え、
   前記給電用電極は、前記金属棒の近傍において、前記金属棒に接触せず、かつ前記金属棒とアークを通じて通電可能な位置に配置されている、粉体製造装置。
2. 前記回転体は、スピンドルを備え、
   前記スピンドルを支持する静圧気体軸受けを備えた、請求項１に記載の粉体製造装置。
3. 前記回転体は、前記金属棒が取付くスピンドルと、マグネットカップリングと、を備え、
   前記スピンドルを回転させる駆動軸と前記スピンドルが前記マグネットカップリングで連結されている、請求項１または２に記載の粉体製造装置。
4. 前記給電用電極は、前記回転体に取り付けられる前記金属棒の外周面に対向する位置に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の粉体製造装置。
5. 複数の前記溶解用トーチと、
   磁力発生機と、を備え、
   前記溶解用トーチは、前記回転体の回転方向に沿って並んで配置され、
   前記磁力発生機は、前記溶解用トーチのアーク電流によって生じるローレンツ力を相殺するための磁力を発生させるように構成されている、請求項４に記載の粉体製造装置。
6. 前記磁力発生機は、導体を備え、
   前記溶解用トーチは、前記回転体の回転中心と前記導体の間に配置され、
   前記導体は、前記溶解用トーチに対して平行に延びる平行部を有している、請求項５に記載の粉体製造装置。
7. 前記給電用電極は、前記溶解用トーチの周囲に配置され、
   前記給電用電極の先端部は、前記金属棒の溶解側の先端面に向いている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の粉体製造装置。
8. 前記給電用電極は、前記溶解用トーチに対して傾斜して配置されている、請求項７に記載の粉体製造装置。
9. 前記給電用電極は、該給電用電極の先端部が前記金属棒の溶解側の先端面に対向するように配置され、
   前記溶解用トーチは、前記給電用電極に対して傾斜するようにして前記給電用電極の周囲に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の粉体製造装置。
10. 磁力発生機を備え、
    前記磁力発生機は、前記給電用電極と前記溶解用トーチのそれぞれのアーク電流によって生じるローレンツ力を相殺するための磁力を発生させるように構成されている、請求項９に記載の粉体製造装置。
11. 前記磁力発生機は、導体を備え、
    前記溶解用トーチは、前記給電用電極と前記導体の間に配置され、
    前記導体は、前記溶解用トーチに対して平行に延びる平行部を有している、請求項１０に記載の粉体製造装置。
12. 前記給電用電極は、該給電用電極の先端部が前記金属棒の溶解側の先端面に対向するように配置され、
    前記溶解用トーチは、前記給電用電極の周囲において該給電用電極と平行に配置され、
    前記溶解用トーチは、プラズマガスの吹出口を有し、
    前記吹出口の穴中心は、前記回転体の軸方向に対して傾斜している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の粉体製造装置。
13. 複数の前記溶解用トーチと、
    前記溶解用トーチと同数の前記給電用電極と、を備え、
    前記給電用電極は、該給電用電極の先端部が前記金属棒の溶解側の先端面に対向するように配置され、
    前記溶解用トーチと前記給電用電極は、前記回転体の回転方向に沿って交互に配置され、かつ、前記回転体の軸方向から前記溶解用トーチと前記給電用電極を見たときに前記回転体の回転中心を対称点として点対称に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の粉体製造装置。
    

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