JP4664972B2 - 点火ユニットのための固定装置 - Google Patents

Description

本発明は、点火ユニットのための固定装置及び炭素析出装置に関する。

工作物、特に摩擦学的に強く負荷されると同時に、付加的に多重負荷例えば温度又はキャビテーションにさらされる構成部材をコーティングするために、多くの物理的な析出法が公知である。プラズマコーティング技術の分野から、金属及び水素を含有しない炭素層（いわゆる四面体構造で並列配置されたアモルファス炭素、ｔａ−ｃ）が挙げられる。スパッター又はアーク蒸着によってグラファイトターゲットを析出する。

しかしながらスパッター法は、低い析出率を特徴としているので、この方法は、経済的な利用には適していない。

アーク蒸着法においては、典型的な形式で、蒸着しようとする材料がカソード（陰極）電位にさらされ、これに対してアノード（陽極）として特別な電極が設けられているか、又はコーティング室の壁部も陽極として用いられる。ターゲット材料を蒸着するために、アノードとカソードとの間にアーク放電が点火され、このアーク放電は、ターゲット材料が気相に移行し、工作物上に析出する程度に強く、カソードを局所的に焦点上で（カソード上の焦点で分かる）加熱する。アノードとカソードとの間のアーク放電を生ぜしめるために点火装置が必要となる。

可動な点火装置以外に、ターゲットカソードの近くに不動に配置された複数の点火電極も公知である。これらの点火電極間でアーク放電が点火され、次いでこのアーク放電は点火電極からアノードに移行する。

コントロールされた炭素のｄｃアーク蒸着は困難であると分かった。何故ならばアーク放電の焦点は、ターゲットの箇所で焼き付き、焼き切れる可能性があるからである。蒸着時にいわゆる液滴（マクロ粒子）が、工作物上に視覚的な粗さを生ぜしめる。従って、このような方法も限定的にしか用いることができない。

これに対して、パルス化されたアーク放電においては、アノードとカソードとの間の電圧はパルス状に印加され、これによって、ターゲット上の焦点は、ｄｃアーク蒸着に対して約１００倍の速度に加速され、それによって焼き付きが避けられる。パルス化されたアーク放電は、一般的に、ミリ秒（msec）の範囲のパルス長さを有しており、それによって放電は、点火箇所の空間的な近傍に限定される。

従って、パルス化されたアーク放電の技術を大面積のターゲットに適用する場合、多数の個別の点火源を有する構成が好都合となる。

ＲＵ２１５３７８２Ｃ１によれば、工作物に炭素層を形成するための炭素プラズマパルス源が公知である。この炭素プラズマパルス源は、特にグラファイトカソード、アノード、容量性のメモリー回路、及びグラファイトカソードの外周面に配置された少なくとも２つの点火ユニットとを有している。このような配置によって、１つだけの点火ユニットを備えた装置と比較して、炭素層をコーティングした領域を拡大することができ、それと同時に工作物に形成した層の厚さをより均一にすることができる。点火ユニットは、それぞれロッド状の金属電極と、リング状のグラファイト電極とから成っている。これらの電極は、それぞれ点火カソード若しくは点火アノードとして用いられる。点火カソードと点火アノードとの間に、誘電材料より成るリングが配置されており、この場合、誘電材料は、ターゲットカソードに向いた側が導電性の材料によってコーティングされている。この場合、各点火ユニットの長手方向軸線は、ターゲットカソードの作業面の、アーク放電の開始時に設けられた相応の領域に向けられている。このような配置によって、点火が行われる端面側を備えた点火ユニットは、ターゲットカソードに対して所定の角度を成して傾斜される。

例えば機能しなくなった点火ユニットを新しい点火ユニットと交換することが必要になった場合、新しい点火ユニットを組み付ける際に、初期の配置が再び得られるように注意する必要がある。このために特に、点火ユニットをターゲットカソードに対して所定の角度で正しく傾ける必要がある。

しかしながら、上記従来技術からは、点火ユニットの所望の傾斜をどのようにして得るかについては記載されていない。実際には、点火ユニットの所望の傾斜が簡単かつ迅速に得られ、特に点火ユニットの交換後に傾斜を新たに調整する必要がないようにすることが望まれている。交換された点火ユニットを後から調整するためには、コーティング装置の運転中における多大な時間的コスト及び保守整備コストがかかる。

発明の利点
本発明による、点火ユニットのための固定装置及び炭素析出装置は、点火ユニットの簡単な交換が可能であって、しかもこの際に、新たに組み込まれた点火ユニットの、組み込み時に得られた傾斜を調整する必要がない、という利点を有している。本発明による固定装置によって点火ユニットを組み込むことによって、コーティング装置のターゲットカソードに対する点火ユニットの傾斜が自動的に得られる。しかも、固定装置を簡単に操作することによって、複数の点火ユニットをより迅速に交換することができる。さらにまた、例えば固定装置の整備又はコントロールのための付加的な費用は事実上必要ない。

本発明による固定装置及び炭素析出装置の有利な実施態様は、従属請求項に記載されており、また以下に詳しく説明されている。

図面
本発明の実施例を図面及び以下の説明を用いて詳しく説明する。

図１は、固定装置の横断面図、
図２は、組み込まれた点火ユニット及びターゲットカソードを備えた固定装置の横断面図、
図３は、第１の点火ユニットの斜視図、
図４は、第２の点火ユニットの斜視図、
図５は、炭素析出装置の主要な構成部分を示す図、
図６は、冷却水循環路、ベース電極及び複数の点火ユニットを備えたターゲットカソードの平面図である。

実施例の説明
図１に横断面で示された、特に炭素析出装置の点火ユニットのための固定装置８２は、第１及び第２のホルダ８５，９０を有している。２つのホルダ８５，９０は、図２に示されているように、固定手段９５によって保持されている。２つのホルダ８５，９０の長さ寸法はそれぞれ、その厚さ寸法よりも大きい。図１に示されているように、２つのホルダ８５，９０の長手方向に沿ってそれぞれ長手方向軸線１０５，１０７が延びている。標準的な実施例では、第１のホルダ８５の全長は、第２のホルダ９０の全長よりも大きい。

第１のホルダ８５は第１の孔１０４を有しており、この第１の孔１０４は、ホルダ８５の厚さを貫通して延びている。この孔１０４は、段付けされていて、小さい直径を有する平均的な区分を有している。孔１０４は、ホルダ８５の表面若しくは長手方向軸線１０５に対して傾斜して延在している。さらに、ホルダ８５の長手方向に切欠１０２が形成されていて、この切欠１０２は、第２のホルダ９０に向かって開放している。この場合、切欠１０２は、この切欠１０２によってホルダ８５の下側に、第１のホルダ８５の長手方向軸線１０５に対して０°〜４５°の第１の角度１１０を形成する壁部（以下では平面１００と称呼される）が形成されるような形状を有している。この切欠１０２内に、点火ユニットが少なくとも部分的に挿入されていてよい。

第２のホルダ９０は、同様に第２の孔１０６及び第２の切欠９２を有している。第２の孔１０６は一定の直径を有していて、第２のホルダ９０の表面若しくはその長手方向軸線１０７に対して垂直に延びている。第２の孔１０６は、ホルダ９０の厚さを貫通して延びている。切欠９２は、ホルダ９０の長手方向の端部領域に形成されていて、第１のホルダ８５の切欠１０２に向かって開放している。切欠９２は、第２のホルダ９０の長手方向軸線１０７に対して平行に延びる壁部を有している。この切欠９２内に、点火ユニットが少なくとも部分的に挿入されていてよい。

図２に示されているように、２つのホルダ８５，９０は固定手段９５によって保持される。固定手段９５は有利にはねじ１１５である。固定手段９５を取り付けるために２つの孔１０４，１０６が設けられている。標準的な実施例では、孔１０４，１０６は互いに同軸に整列している。これは例えば、第１のホルダ８５の孔１０４が、平面１００に対して垂直に延びていて、第２のホルダ９０の孔１０６が第２のホルダ９０の長手方向軸線１０７に対して垂直に延びていることによって得られる。この場合、孔１０４，１０６と、点火が行われる点火ユニット２０の端面側とは、互いに平行に延びている。固定装置８２のために複数特に２つの固定手段９５が可能である。この場合、相応に孔１０４，１０６の数も増やされる。

２つのホルダ８５，９０は、切欠１０２，９２が互いに向き合うように配置されている。点火ユニット２０は、２つのホルダ８５，９０間に配置されていて、この場合、点火ユニット２０は、２つの切欠１０２，９２内に同時に少なくとも部分的に挿入されている。

さらにまた、点火ユニット２０は、点火が行われる点火ユニット２０の端面側が平面１００に対する垂線を形成するように、２つのホルダ８５，９０間に配置されている。平面１００は、前述のように、第１のホルダ８５の長手方向軸線１０５に対して、０°〜４５°の間の固定角度１１０を有しているので、この組み合わせによって常に、点火ユニット２０の端面側と第１のホルダ８５の長手方向軸線１０５との間の４５°〜９０°の固定角度が形成される。

図５に示されているように、有利な形式で、固定装置８２と炭素析出装置のターゲットカソード１０とは、第１のホルダ８５の長手方向軸線１０５とターゲットカソード１０の表面とが互いに平行に延びるように配置されている。それによって得られる、点火ユニット２０の端面側とターゲットカソード１０の表面との間の第２の角度１３５は、９０°から正確に第１の角度１１０の値だけ差し引いた角度である。第２の角度１３５の適当な値は、特に４５°〜９０°である。

固定手段９５の解除後に、点火ユニット２０が交換される。第１のホルダ８５は、炭素析出装置の支持体１３０に堅固に結合されている。従って、ターゲットカソード１０に対する第１のホルダ８５の相対的な位置を変える必要はない。新しい点火ユニット２０を簡単に交換してから、それに続いて２つのホルダ８５，９０が再び固定手段９５によって保持され、この際に、固定装置８２の前記特徴によって、なんらかの調整なしに、点火ユニット２０を所望に傾斜させることができる。

炭素析出装置の支持体１３０は、真空室内の枠組みによって形成されるか、又は室壁の一部であってよい。

有利な形式で平面状（フラット）に構成された点火ユニット２０が挿入される。何故ならばそれによって本発明の別の利点が得られるからである。図３に示されているように、点火ユニット２０は、互いに平行に配置された金属製の平面状の電極２５，３０を有しており、この場合、電極２５と３０との間の中間室内に平面状の絶縁セラミック３５が配置されている。金属製の電極２５，３０は、例えばタングステン、タングステン／ランタン又はグラファイト等の耐火性の材料より成っていてよい。

点火ユニット２０の第２実施例は図４に示されており、この場合、絶縁セラミックは有利な形式で２分割されている。前述のように第１の部分は、平面状の絶縁セラミック３５によって形成されている。絶縁セラミックの第２の部分はセラミック周壁３７であって、このセラミック周壁３７は、点火ユニット２０の側面４５、５０も裏面４０も覆っている。これによって、セラミック周壁３７によって覆われていない端面５５においてのみ、２つの平面状の電極２５，３０間で電気火花が発生する。絶縁セラミックの第１及び第２の部分は、関連し合う個別部分として構成されていてもよい。

点火ユニット２０の平面状の構成によって、点火ユニット２０の表面上の絶縁セラミック３５のためのリニア（線）状に延びた構造が得られる。実際には、絶縁セラミック３５の長さは約１０ｃｍである。点火ユニット２０が相次いで何回も点火されると、電気火花は、新たな点火時に、リニア状に延びた構造部に沿って種々異なる箇所で静力学的に分配されて発生する。それによってターゲットカソード１０上の焦点も、各点火時にややずらされる。簡単な形式で、ターゲットカソード１は全面に亘って均一に利用され、次いで工作物の均一なコーティングが実施される。

その他の利点は、非平面状の例えば円形の若しくは丸い点火ユニットの数に対して平面状の点火ユニット２０の必要な数を比較した場合に得られる。平面状の点火ユニット及び非平面状の点火ユニットにおいて、いずれもターゲットカソード１０が同じ長さ３８（図６参照）を有していれば、平面状の点火ユニット２０の数は少なくて済む。何故ならば、それぞれの平面状の点火ユニット２０が、ターゲットカソード１０上の大きい面を均一に除去するからである。点火ユニット１０の数が少ないことによって、保守整備作業が減少され、より長い耐用年数が得られる。

さらにまた、平面状の点火ユニット２０は、その形状に基づいてターゲットカソード１０の直ぐ近くに位置決めすることができる。ターゲットカソード１０に対する点火ユニット２０の間隔２２は、ターゲットカソード１０に対する非平面状の点火ユニットの間隔と比較して、より小さく選択することができる。それによって点火の確実性は著しく高められ、コーティングを全体的により確実に実施することができる。

またこの実施例では、点火ユニット２０の絶縁セラミック３５は、端面側５５において導電性の材料６０をコーティングすることができる。点火ユニット２０に電流パルスを印加すると、ターゲットカソード１０に向けられた電流路が得られる。何故ならば、部分的に絶縁セラミック３５の導電性の被膜は気化されて、高電離プラズマが発生するからである。このようなプラズマから形成された電流路は、やはり図５に示されているように、ターゲットカソード１０からアノード５への本来の主放電を可能にする。絶縁セラミック３５上の導電性材料６０の部分的な消費は、主放電中に新たなコーティングによって補償され、それによって導電性の被膜が再生される。この過程は、運転中においても長時間に亘って点火ユニット２０の持続的安定性を保証する。

確実な点火を得るためには、点火電極２５，３０の極性は、点火ユニット２０とカソード１０との間の最大電位差が生ぜしめられるように、設計されている。このために、ターゲットカソード１０の、より近くに配置された方の金属製の電極３０が陽極として用いられ、ターゲットカソード１０の、より遠くに配置された方の金属製の電極２５が陰極として用いられる。

平面状の点火ユニット２０をターゲットカソード１０に関連して良好に配置したことによって、ターゲット材料の均一な除去、若しくは工作物の均一なコーティングがさらに高められる。図６にはターゲットカソード１０の平面図が示されており、この場合、複数の点火ユニット２０がターゲットカソード１０の縁部に配置されている。

主放電をターゲット面の種々異なる箇所において均一に分配して局所的に点火させるために、各点火ユニット２０の全作用が、ターゲットカソード１０の全領域に亘って、最適なつまり均一な除去を生ぜしめるように、複数の点火ユニット２０はターゲット縁部領域に沿って配置されている。このようなやり方は、点火ユニット２０間の可変な間隔６５によっても、また可変な長さ７０を有する点火ユニット２０を使用する選択可能性によっても可能である。従来公知であった、不都合な縁効果（Randeffekt）、つまりターゲット面の上部領域及び下部領域におけるコーティングの層厚が減少するというような不都合な縁効果は、相応の領域における点火ユニット２０の狭い間隔６５によって補償することができる。

図５には、炭素析出のための装置およびその主要な構成部材が示されている。炭素析出装置は、主にアノード５と、平面状のターゲットカソード１０と、パルスエネルギー源１５と、固定装置８２のための支持体１３０と、少なくとも２つの点火ユニット２０及び固定装置８２とから成っている。点火ユニット２０は、ターゲットカソード１０の縁部領域に配置されている（図６参照）。点火ユニット２０は、図示していない点火ディストリビュータに電気的に接続されており、この点火ディストリビュータは各点火ユニット２０の点火を制御する。２つの電極２５，３０間に、十分に高圧の電圧を有する電流パルスを印加するとグロー放電が発生する。このグロー放電によって、ターゲットカソード１０からアノード５への本来のアーク放電が促進される。

炭素より成るターゲットカソード１０とアノード５との間にパルスエネルギー源１５が介在されており、このパルスエネルギー源１５は、一般的な形式でコンデンサ層によって実現される。コンデンサ層は、図示していない給電網によって給電され、まず充電状態に維持される。何故ならばアノード５とターゲットカソード１０との間に真空が形成されていて、それによって電流回路が閉じられていないからである。アノード５とターゲットカソード１０との間のアーク放電点火し、ひいてはターゲットカソード１０からアノード５に向かって炭素を除去するために、少なくとも２つの点火ユニット２０が設けられている。

本発明による固定装置との組み合わせにおける、平面状の点火ユニット２０のさらに別の利点は、簡単な形式で、真っ直ぐに延びる１つの共通のベース電極７５を挿入することができる可能性にある。

このために２つのホルダ８５，９０は導電性の材料より成っており、この場合、固定手段９５は、絶縁体１１２特にセラミック製の絶縁スリーブ１１４によって、電気的に分離されている。導電性のホルダ８５，９０は、点火ユニット２０の接触し合う平面状の電極２５，３０と協働して１つの共通の点火カソード１２０若しくは共通の点火アノード１２５を形成している。次いで少なくとも２つの点火ユニット２０が、真っ直ぐに延びる１つの共通のベース電極７５を有している。例えば、各点火ユニット２０のすべての陰極の電極２５は互いに接続されていて、それによって電気的に接触し合っている。

このような真っ直ぐに延びる１つの共通のベース電極７５によって、冷却水循環路８０をベース電極７５内に組み込むことができる。例えば図２及び図６に示されているように、ベース電極７５は、冷却水循環路８０として用いられる内側の管路を有している。これによって、すべての点火ユニット２０の冷却が簡単な形式で得られる。特に高い点火頻度において点火ユニット２０は高い熱負荷にさらされるので、安定した継続運転のために点火ユニット２０を冷却する必要がある。

固定装置の概略的な横断面図である。 組み込まれた点火ユニット及びターゲットカソードを備えた固定装置の概略的な横断面図である。 第１の点火ユニットの斜視図である。 第２の点火ユニットの斜視図である。 炭素析出装置の主要な構成部分を示す概略図である。 冷却水循環路、ベース電極及び複数の点火ユニットを備えたターゲットカソードの平面図である。

Claims (7)

1. 炭素析出装置の点火ユニット（２０）のための固定装置において、
   前記点火ユニット（２０）が２つの金属製の電極（２５，３０）を有しており、これら２つの電極（２５，３０）間の中間室内に絶縁セラミック（３５）が配置されており、
   前記点火ユニット（２０）が、第１のホルダ（８５）と第２のホルダ（９０）との間に配置されており、
   前記第１のホルダ（８５）が炭素析出装置の支持体（１３０）に堅固に結合されており、
   前記２つのホルダ（８５，９０）が少なくとも１つの固定手段（９５）によって結合されており、
   第１のホルダ（８５）は、この第１のホルダ（８５）の長手方向軸線（１０５）に対して０゜〜４５゜の間の第１の角度（１１０）で傾斜する平面（１００）を有しており、
   前記平面（１００）が、第１のホルダ（８５）の下側に形成された第１の切欠（１０２）の壁部の一部であって、前記切欠（１０２）内に点火ユニット（２０）が少なくとも部分的に挿入されており、
   第２のホルダ（９０）が第２の切欠（９２）を有していて、該第２の切欠（９２）内に点火ユニット（２０）が少なくとも部分的に挿入されており、
   前記第１及び第２のホルダ（８５，９０）は前記第１の切欠（１０２）と第２の切欠（９２）とが互いに向き合うように配置されており、
   前記第１の切欠（１０２）と前記第２の切欠（９２）と前記平面（１００）とによって、点火ユニット（２０）の、点火が行われる端面側（５５）が、前記平面（１００）に対して垂線を形成するように固定されていることを特徴とする、点火ユニットのための固定装置。
2. 第１のホルダ（８５）と第２のホルダ（９０）とが、前記固定手段（９５）を取り付けるための孔（１０４，１０６）をそれぞれ１つ有している、請求項１記載の固定装置。
3. 第１のホルダ（８５）の孔（１０４）と第２のホルダ（９０）の孔（１０６）とが互いに同軸的に整列している、請求項２記載の固定装置。
4. 前記固定手段（９５）がねじ（１１５）である、請求項１から３までのいずれか１項記載の固定装置。
5. ２つのホルダ（８５，９０）が導電性の材料より成っている、請求項１から４までのいずれか１項記載の固定装置。
6. 前記固定手段（９５）が絶縁体（１１２）によって少なくとも１つの前記ホルダ（８５，９０）に対して電気的に分離されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の固定装置。
7. 絶縁体（１１２）がセラミック製の絶縁スリーブ（１１４）である、請求項６記載の固定装置。

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