JP4774510B2

JP4774510B2 - プラズマ蒸着装置

Info

Publication number: JP4774510B2
Application number: JP2005154901A
Authority: JP
Inventors: 武長澤
Original assignee: Utsunomiya University
Current assignee: Utsunomiya University
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: JP2006328490A

Description

本発明は、密閉された真空環境などではなく、大気中でプラズマを生成し、そのプラズマによる蒸着を行うプラズマ蒸着装置に関する。

従来から、たとえば対象物の表面に膜を形成して、その対象物の保護等を行なう表面処理や、また、対象物の上にその対象物と同一種類の原料または異なる種類の原料を積層して所望の構造のものを得る技術がよく知られている。

この実現手段の例としては、対象物にメッキを施したり、ペンキを用いて吹き付け塗装を行ったりすること、また対象物上に所望の原料の蒸着を行うことなどが挙げられる。

特許文献１では、真空中にて、蒸着原料をアーク放電によって蒸発させ、プラズマ化し、たとえば磁場によってこれを基板上に誘導し、基板上に蒸着原料の膜を形成する真空アーク蒸着装置について開示している。

特開２００２−２６６０６６号公報

ところが、特許文献１に記載の発明では真空中で蒸着を行う構成であり、たとえば真空領域に収めるのが困難な大きさの対象物に蒸着を行うことは不可能であり、汎用性に欠けるという問題があった。また、メッキを行うにしても対象物をメッキ溶液に浸ける必要があることから対象物の大きさの制限等があり、やはり汎用性に欠けるという問題があった。

ペンキを用いて吹き付け塗装を行う方法は、大気中で対象物の塗装を行うことができ、対象物の大きさの制限はないが、対象物に塗布するペンキの原料は限られており、たとえば金属といった原料を対象物上に積層するようなことは、金属を粉末状にして塗料に混ぜたりする必要があり、金属そのものを積層するようなことは困難であった。

また、大気中でペンキを用いて塗装作業をする場合、塗装面の汚れやペンキの粒子の粗さなどの影響で、塗装面に対するペンキの接着力が弱く、比較的容易に剥がれてしまうという問題があった。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、大気中で、所望の蒸着原料を用いた蒸着を行うことができるプラズマ蒸着装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、リング状または円筒状電極と、棒状電極と、高圧電源とを有し、前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に前記高圧電源による所定の電圧を印加することによって、前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に放電を発生させ、該放電の熱によって蒸着原料を蒸発させてプラズマ化し、該プラズマを対象物に向けて噴出することによって該対象物に対する前記蒸着原料の蒸着を行うことを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記棒状電極が、前記リング状または円筒状電極の中心軸上の位置に設けられたことを特徴とする。

また本発明は請求項１または２に記載のプラズマ蒸着装置を複数備えてなることを特徴とする。

また本発明は請求項１または２に記載の発明において、前記リング状または円筒状電極と該棒状電極との間に放電を発生させたときに該棒状電極の先端を冷却する手段を設けたことを特徴とする。

また本発明は請求項１または２に記載の発明において、前記棒状電極が中空の円筒状であり、前記リング状または円筒状電極と該棒状電極との間に放電を発生させたとき、該棒状電極の中空内部にガスを通過させることによって、該棒状電極の先端を冷却することを特徴とする。

本発明によれば、大気中で、所望の蒸着原料を用いた蒸着を行うことができるプラズマ蒸着装置を提供することができる。

すなわち本発明によれば、円筒電極と棒電極とを用いることによって、大気中でも、円筒電極の円周方向に広がったアーク放電を発生させることができ、これによって効率よくプラズマを生成することができるので、大気中における蒸着が可能となる。

また本発明によれば、アーク放電による熱を用いることによって、蒸着原料として金属、非金属を問わずに用いることができ、対象物に様々な原料を積層する蒸着塗装を行うことができる。

また本発明によれば、蒸着原料をプラズマ化して対象物に蒸着させるプラズマ蒸着を行うので、きめ細かい蒸着塗装を行うことができる。

また本発明によれば、プラズマ蒸着によるきめ細かい蒸着塗装を行うことができるので、対象物の表面にてきめ細かく蒸着可能で対象物に対する接着力が強く、塗装面から剥がれにくくなる。

また本発明によれば、異なる原料の複数の蒸着原料を同時に用いてその混合物を対象物に蒸着させることができ、従来は不可能であった新材料の蒸着塗装を行うことができる。

また本発明によれば、プラズマ蒸着によるきめ細かい蒸着塗装を行うことができるので、蒸着対象の対象物の塗装面の材質や凹凸具合などを問わず、自在に蒸着塗装を行うことができる。

また本発明によれば、蒸着塗装を行う前に、蒸着原料を装着しない状態でプラズマによる塗装面の清掃を行うことができ、より接着力が強い蒸着塗装を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態によるプラズマ蒸着装置の構成を示す斜視図である。

また、図２は、図１に示したプラズマ蒸着装置１を、ケーシング６の円筒の軸線上の面であって、絶縁管１４、１６に挿入した蒸着原料１５、１７の位置で切断して示す断面図である。

さらに、図３は、図１に示したプラズマ蒸着装置１を、ケーシング６の円筒の軸と垂直な面であって、絶縁管１４、１６に挿入した蒸着原料１５、１７の位置で切断して示す断面図、すなわち図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

本実施の形態のプラズマ蒸着装置１は、円筒形状のケーシング６内に円筒電極３や棒電極２等を収容して構成される。ケーシング６の外径はたとえば２０ｍｍ程度であり、外部との電気的絶縁を確保するため、ケーシング６は絶縁部材で構成されるのが望ましい。

ケーシング６の先端には先端部蓋７が設けられ、この先端部蓋７には、ケーシング６の外部にプラズマを噴出するための噴出口１３が複数（本実施の形態では９個）設けられている。先端部蓋７は絶縁体でも導体でもよいし、電気的に浮遊していても接地されていてもよい。

ケーシング６の後端には後端部蓋８が設けられており、この後端部蓋８には、ケーシング６内にガス（たとえば空気）を注入するためのガス注入管９が設けられている。後端部蓋８は、さらに円筒電極３と棒電極２との間に電圧印加するための配線が貫通可能なように構成されている。後端部蓋８としては絶縁体が用いられる。

また、ケーシング６の側面には、図２にも示すようにケーシング６等を貫通する、円筒形状の絶縁物で形成された絶縁管１４、１６が設けられており、この絶縁管１４、１６に蒸着原料１５、１７が挿入され、円筒電極３内の空間で蒸着原料１５、１７を絶縁管１４、１６よりも突出させることによって、ケーシング６内にて蒸着原料１５、１７のプラズマ化が行われる。なお、本実施の形態では、図１〜図３に示すように絶縁管１４、１６というように蒸着原料の挿入口を２つ設けているが、状況に応じて、１つでもよいし、３つ以上であってもよい。

蒸着原料１５、１７としては、同じ原料のものを用いてもよいし、異なる原料を用いてもよい。原料の種類としては、銅、アルミニウム、金、銀そのほかの金属でもよいし、カーボンそのほかの非金属であってもよい。

エアポンプ１８は、ガス注入管９を介してケーシング６内にガスを注入するポンプである。このエアポンプ１８によるガスの供給量は、たとえば３０［リットル／分］程度で用いられる。

高圧電源１９は、円筒電極３と棒電極２との間に印加する高電圧を供給する回路であり、この高電圧は、パルス電圧でもよいし、直流電圧でもよいし、交流電圧でもよい。この高圧電源１９による電圧は、たとえば６［ｋＶ］程度で用いられる。高圧電源１９からの電圧供給のための２本の配線のうちの一方は、図１、図２に示すように電気的に接地されている。

ところで、ケーシング６の内面には、たとえば銅製、ステンレス製である円筒管５が設けられており、この円筒管５は電気的に接地されている。円筒管５の内側の先端部蓋７寄りの位置には円筒状の円筒電極３が設けられている。円筒電極３はたとえばステンレス製であり、第１の支持部材１０が嵌る切り欠きが設けられており、円筒電極３と棒電極２との位置決めがされるようになっている。円筒管５と円筒電極３とは通電しており、円筒電極３は電気的に接地されることになる。円筒電極３の内径はたとえば１０ｍｍ程度である。円筒電極３の形状は、円筒状でもリング状でもよい。

円筒管５の内側の、円筒電極３よりも後端部蓋８寄りの位置には、円筒電極３の切り欠きに嵌るように、棒電極２を支持する第１の支持部材１０が設けられ、第１の支持部材１０の中心軸の貫通孔には、棒電極２を支持する第２の支持部材４が嵌め込まれ、第２の支持部材４の中心軸の貫通孔には、棒電極２が嵌め込まれる。第１の支持部材１０や第２の支持部材４の材質は絶縁物が用いられる。第１の支持部材１０には、ガス注入管９を介してケーシング６内に注入されたガスの通路となる貫通孔１１および１２が設けられている。

棒電極２はたとえばタングステン製の棒や、ニクロム線等を用いることができる。棒電極２の直径はたとえば２ｍｍ程度である。この棒電極２は円筒電極３の中心軸上に位置するように設けられている。

棒電極２には高圧電源１９からの配線が接続されており、円筒電極３と棒電極２との間に高圧電源１９による高電圧が印加される。このように高電圧が印加されると、円筒電極３の内周面と棒電極２の先端との間にアーク放電が発生し、図３に示すように絶縁管１４、１６に挿入された蒸着原料１５、１７はアーク放電の熱で蒸発し、プラズマ化される。またエアポンプ１８によるガスの注入によって、そのガスとともに、プラズマ化された蒸着原料１５、１７がケーシング６の先端の噴出口１３から噴出され、蒸着の対象物２０に蒸着層２１を形成し、蒸着塗装がされる。

図４は、図１および図２に示した第１の支持部材１０を示す図であり、（ａ）は第１の支持部材１０の斜視図であり、（ｂ）は図２に示したＩＶＢ−ＩＶＢ断面図であり、（ｃ）は図２に示したＩＶＣ−ＩＶＣ断面図である。

図２、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、第１の支持部材１０は貫通孔１１を有し、ガス注入管９を介して注入されたガスは、この貫通孔１１を通過して先端方向へと進む。貫通孔１１の孔径はたとえば２ｍｍ程度である。

図２、図４（ａ）、図４（ｃ）に示すように、第１の支持部材１０は貫通孔１２をさらに有する。貫通孔１１を通過したガスはこの貫通孔１２を通過してさらに先端へと進む。貫通孔１２の孔径はたとえば３ｍｍ程度である。

ところで、図面を参照して分かるように、本実施の形態においては、ガス流を所定方向に向かわせるよう、貫通孔１２は所定方向に向けて形成されている。この実施の形態では、貫通孔１２のガス出口をガス入口よりも先端方向にずらすことによって、ガス流がスムーズに先端方向に向かうようにし、また、貫通孔１２のガス入口とガス出口とを周方向でずらすことによって、棒電極２を中心として回転するガス流が形成されるようにしている。

このようなガス流によれば、円筒電極３の内側であって蒸着原料１５、１７の周辺の雰囲気を撹拌することができ、蒸着原料１５、１７が同種原料であるか異種原料であるかにかかわらず両者のプラズマを混ぜ合わせて効率よく混合プラズマを生成することができ、本実施の形態のプラズマ蒸着装置１によればこの混合プラズマによる蒸着塗装を行うことができる。

本実施の形態のプラズマ蒸着装置１によって対象物２０に蒸着塗装を行う場合は、先に対象物２０の蒸着面を清掃しておくことが望ましい。そうすれば、蒸着層２１の対象物２０に対する接着力がより高まるからである。この清掃の方法としては、本実施の形態のプラズマ蒸着装置１を利用することができる。

すなわち、蒸着原料１５、１７を絶縁管１４、１６に沿って引っ込め、円筒電極３内の空間で蒸着原料１５、１７が絶縁管１４、１６よりも突出しないようにした状態で、プラズマ蒸着装置１を作動させ、噴出口１３を対象物２０の蒸着面に向けると、対象物２０の蒸着面に向けてプラズマが噴出され、このプラズマによって対象物２０の蒸着面を清掃することができる。蒸着塗装を行う場合には、その後に、蒸着原料１５、１７を絶縁管１４、１６よりも突出させるように押し込んだ状態でプラズマ蒸着装置１を作動させればよい。

次に本発明の別の実施の形態について説明する。

図５は、本発明の、図１とは別の実施の形態によるプラズマ蒸着装置の、図２に相当する断面図である。

プラズマ蒸着装置１では、円筒電極３の内周面と棒電極２の先端との間にアーク放電を発生させ、その熱で蒸着原料１５、１７を蒸発させるようにしている。このため、蒸着原料１５、１７の周辺とともに棒電極２の先端も高温状態にさらされることになり、その温度によっては棒電極２の先端も蒸発してプラズマ化する可能性がある。

図５に示す実施の形態では、棒電極２の先端のプラズマ化を防ぐ構成として、図２の棒電極２の代わりに円筒電極１０２を用いることとした。その他の構成は図１に示した実施の形態と同様であるので、同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。

円筒電極１０２には高圧電源１９からの配線が接続されており、円筒電極３と円筒電極１０２との間に高圧電源１９による高電圧が印加される。

また円筒電極１０２内には、エアポンプ１８によってガス注入管１０９を介してガスの注入が行われ、このガスは円筒電極１０２の先端から放出される。このようにすることによって、円筒電極３と円筒電極１０２との間に高電圧が印加されて円筒電極３の内周面と円筒電極１０２の先端との間にアーク放電が発生したときであっても、円筒電極１０２内を通過してきたガスによって円筒電極１０２の先端が冷やされ、円筒電極１０２がアーク放電の熱で蒸発しプラズマ化するのを防ぐことができる。

このほかいかなる手段によって棒電極２、円筒電極１０２の先端を冷やすようにしてもよい。

次に、図１または図５に示したプラズマ蒸着装置１を複数備えてなるマルチ型プラズマ蒸着装置について説明する。

図６は、図１または図５に示したプラズマ蒸着装置１を複数備えてなるマルチ型プラズマ蒸着装置の構成を示す斜視図である。

図６に示すマルチ型プラズマ蒸着装置１００では、図１または図５に示したプラズマ蒸着装置１を３つ並べて構成され、その先端には先端部蓋１０７を設けている。この先端部蓋１０７は噴出口１０８を複数有し、３つのプラズマ蒸着装置１のそれぞれで生成したプラズマを噴出口１０８から噴出する。

このように複数のプラズマ蒸着装置１を備えることによって噴出口１０８の面積を大きくすることができ、自動車や電車等の車体の塗装などといった広範囲の蒸着塗装を行う場合に作業を効率的に行うことができる。

本発明の一実施の形態によるプラズマ蒸着装置の構成を示す斜視図である。図１に示したプラズマ蒸着装置１を、ケーシング６の円筒の軸線上の面であって、絶縁管１４、１６に挿入した蒸着原料１５、１７の位置で切断して示す断面図である。図１に示したプラズマ蒸着装置１を、ケーシング６の円筒の軸と垂直な面であって、絶縁管１４、１６に挿入した蒸着原料１５、１７の位置で切断して示す断面図、すなわち図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図１および図２に示した第１の支持部材１０を示す図であり、（ａ）は第１の支持部材１０の斜視図であり、（ｂ）は図２に示したＩＶＢ−ＩＶＢ断面図であり、（ｃ）は図２に示したＩＶＣ−ＩＶＣ断面図である。本発明の、図１とは別の実施の形態によるプラズマ蒸着装置の、図２に相当する断面図である。図１または図５に示したプラズマ蒸着装置１を複数備えてなるマルチ型プラズマ蒸着装置の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１プラズマ蒸着装置
２棒電極
３円筒電極
４第２の支持部材
５円筒管
６ケーシング
７先端部蓋
８後端部蓋
１０第１の支持部材
１１、１２貫通孔
１３噴出口
１４、１６絶縁管
１５、１７蒸着原料
１８エアポンプ
１９高圧電源
２０蒸着対象物
２１蒸着層

Claims

リング状または円筒状電極と、棒状電極と、高圧電源とを有し、前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に前記高圧電源による所定の電圧を印加することによって、前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に放電を発生させ、該放電の熱によって前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に配置した蒸着原料を蒸発させてプラズマ化し、該プラズマをエアポンプによるガスの注入によって、そのガスとともに対象物に向けて大気中で噴出することによって該対象物に対する前記蒸着原料の蒸着を行うことを特徴とするプラズマ蒸着装置。
前記棒状電極が、前記リング状または円筒状電極の中心軸上の位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
請求項１または２に記載のプラズマ蒸着装置を複数備えてなることを特徴とするマルチ型のプラズマ蒸着装置。
前記リング状または円筒状電極と該棒状電極との間に放電を発生させたときに該棒状電極の先端を冷却する手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ蒸着装置。
前記棒状電極が中空の円筒状であり、前記リング状または円筒状電極と該棒状電極との間に放電を発生させたとき、該棒状電極の中空内部にガスを通過させることによって、該棒状電極の先端を冷却することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ蒸着装置。