JP6807154B2 - プラズマ発生装置を作動させる方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法、および請求項１５の前文に記載されたプラズマ発生装置を作動させるための制御装置に関するものである。

本出願人が提供する、基板にプラズマ溶射を行う装置は、アノードとカソードとの間のいわゆるプラズマ・トーチで発生したプラズマに、粉末形態の噴霧材料を噴射する。アノードとカソードとの間を通って流れるガスをイオン化させることによって生じたプラズマにより、噴射された粉末を基板表面に吹き付ける。このプラズマ・トーチは、プラズマ発生装置と見なすことができる。

プラズマを点火するために、ミリ秒範囲の持続時間および数千ボルトの大きさの予め設定可能な回数のインパルス電圧が、点火電圧としてアノードとカソードとの間に印加される。点火できない場合には、次に、さらなる試みが行われる。

プラズマを維持するために、点火電圧に対してかなり小さい、たとえば約５５〜３００Ｖの一定の維持電圧が、プラズマ点火の開始に先行して、アノードとカソードとの間にすでに印加されている。

これに対して、本発明は、プラズマ発生装置の緩やかな動作を可能にする、プラズマ発生装置を作動させる方法及び制御装置を提供することを目的とするものである。本発明によれば、この目的は、請求項１に記載された構成を有する方法により、また、請求項１５に記載された構成を有する制御装置によって達せられる。

本発明によれば、プラズマの点火プロセス中に、点火されたかどうか連続的に検査される。さらに、点火電圧は、初期点火電圧から始まって増加され、プラズマの点火を認識した後に、アノードとカソードの間の電圧が維持電圧まで低減される。

点火電圧は、直流電圧、任意の周波数の交流電圧、又は任意のパルス休止比及び任意のパルス形状を有するパルス状の直流電圧として構成することができる。

上記の目的は、プラズマ発生装置を作動させるための制御装置によっても達成される。この制御装置は、プラズマを形成すべきアノードとカソードとの間に維持電圧を印加し、また、アノードとカソードの間に、プラズマを点火する点火電圧を印加するために設けられたものである。本発明によれば、制御装置は、プラズマの点火プロセスの間、点火されたかどうか連続的に検査し、点火電圧を初期点火電圧から増加させ、プラズマが点火したことを認識した後に、アノードとカソードとの間の電圧を維持電圧まで低下させるために設けられる。

本発明による方法及び本発明による制御装置を使用することにより点火電圧が印加されるのは、点火プロセスに必要な期間のみであり、そのうえ、不必要に大きい点火電圧が印加されることもなく、むしろ、プラズマを点火するために印加されるのは、実際に必要な点火電圧のみである。高電圧のインパルスを印加すると、たとえばプラズマ・トーチといったプラズマ発生装置が損傷する可能性がある。このようなインパルス電圧は、本発明による方法又は本発明による制御装置を用いることでそれぞれ防止され、その結果、電圧インパルスによる損傷が防止でき、プラズマ発生装置の緩やかな動作が可能になる。そのうえ、インパルス電圧の繰返しによって電磁波が発生され、プラズマ発生装置の周囲の電子デバイス装置の動作をかなり妨害する可能性がある。本発明による方法及び／又は制御装置を用いることによりインパルス電圧の繰返しが防止され、その結果、妨害電磁波が発生しなくなる。

このプラズマ発生装置は、特に、基板のプラズマ溶射装置のプラズマ・トーチとして構成される。しかしながら、このプラズマ発生装置は、光アーク溶接、プラズマ切断、高速火炎溶射、火炎ワイヤ溶射又は火炎粉末溶射の装置の一部分でもよい。このプラズマ発生装置は、燃焼プロセスの点火に使用することも可能である。

維持電圧は特に維持電圧源によって発生され、点火電圧は別個の点火電圧源によって発生され、どちらもプラズマ発生装置の制御装置によって制御される。しかしながら、維持電圧および点火電圧の両方を発生する１つの電圧源だけを設けることも可能である。

維持電圧は、とりわけ、点火プロセスに先立ってすでに印加されるか、又は点火プロセスと同時に印加される。

すでにプラズマが点火されたかどうか検査するために、特にアノードとカソードとの間の電流が測定される。これに関連して、特に、点火電圧による電流である、いわゆる点火電流を測定することができる。アノードとカソードとの間にプラズマが形成されていない限り、アノードとカソードとは電気的に絶縁されている。アノードとカソードとの間のガスのイオン化によって、電荷担体がフリーになり、アノードとカソードとの間に電流が流れる。次に、測定された電流が所定の電流閾値を上回ると、プラズマが点火されたことが具体的に認識される。さらに、この認識は、所定の期間にわたって中断することなく上記の電流閾値を超過しなければならないという条件を加えることもできる。

プラズマの点火が認識されると直ちに、点火電圧はもはや増加されず、維持電圧まで低減される。点火を認識した後に、電圧は、特に急激に低下させられる。しかし、点火電圧を、事前決定可能な過程に沿って低下させることも可能である。

初期点火電圧は、具体的には０Ｖであるが、別の値にすることも可能である。

点火電圧は、プラズマを点火するために、特に堅調で単調に増大される。点火電圧は、具体的には、たとえば１００Ｖ／ｍｓ〜１００００Ｖ／ｍｓといった一定の傾きで増大される。しかしながら、点火電圧を、たとえば階段状といった別の増大のさせ方も可能である。

本発明の一具体例によれば、点火電圧を印加する点火装置は、アノード及び／又はカソードの点火後に分離される。具体的には、点火装置とアノード及び／又はカソードとの間に配置された１つ又は２つのスイッチを開くことによって分離される。このスイッチは、特に、プラズマ発生装置の制御装置によっても制御される。点火装置をアノード及び／又はカソードから分離することにより、点火装置とプラズマ発生装置の他の構成要素との間の干渉が起こり得なくなる。

本発明の一具体例によれば、使用するアノード・カソード対に識別パラメータが関連付けられ、識別パラメータに基づいてプラズマが点火される。このようにして、現在のアノード・カソード対に対して点火を調整することができる。これは、たとえば現在のプラズマ・トーチに対して調整することを意味する。たとえば調整された初期点火電圧と、維持電圧の増減に対する点火電圧の調整された過程とを用いることができる。識別パラメータは、具体的にはプラズマ・トーチを特徴付け、たとえばプラズマ・トーチの連続番号又は製造番号として実行できる。識別パラメータは、特に自動的に決定することができる。たとえば、プラズマ・トーチが有することのできる独自のトーチ制御装置に識別パラメータが記憶されていて、プラズマ発生装置の制御装置により読み取ることができる。しかしながら、プラズマ発生装置の制御装置に識別パラメータを手動で入力することも可能である。

本発明の一具体例によれば、点火電圧の過程の少なくとも１つのパラメータが、プラズマが点火されるまで記憶され且つ評価される。具体的には、点火が認識された時点における点火電圧を意味する、いわゆる最終点火電圧が記憶される。しかし、その代わりに又はそれに加えて、たとえば点火電圧の傾きなどの他のパラメータも記憶することができる。プラズマ発生装置の状態に関する結論が、記憶されたサイズの数から取り出すことができる。パラメータは、具体的には、記憶した後にさらに処理することもできる。たとえば、平均値を計算すること又はフィルタリングを実行することができる。

具体的には、上記の記識別パラメータが、上記のパラメータと一緒に記憶される。このようにして、記憶されたパラメータは、たとえば、説明されている実在するアノード・カソード対を使用して、調整された点火を実行するのに用いることができる。このために、具体的には、用いられるアノード・カソード対の識別パラメータはプラズマを点火する以前に求められ、次に、このアノード・カソード対の記憶されたパラメータに基づいて点火が行われる。

本発明の一具体例によれば、記憶されたパラメータの時間履歴が評価される。これは、具体的には、異なる点火プロセスに関して決定して記憶されたパラメータが、相互に比較されるものと理解されたい。パラメータの変化から、プラズマ発生装置の特性の変化に関する結論を引き出すことができる。

パラメータの変化は、特に、関連する比較値を参照して決定される。このために、現在求められたパラメータが関連する比較値から事前決定可能な度合いだけ逸脱しているかどうかが監視される。逸脱している場合には、たとえばプラズマ発生装置を点検する必要があり、部品の修理又は交換が必要になる可能性があると結論を下すことができる。このために、プラズマ発生装置の制御装置によって、注意を表示するか、又は警報を発することができる。この度合いは、たとえば点火電圧の変化に対する電圧境界といった、事前決定可能な絶対的境界として構成でき、又は、たとえば関連する比較値からの事前決定可能な百分率の偏差として構成できる。

この比較値は、たとえば特定のタイプのプラズマ発生装置に関して決定して記憶することができる。

比較値は、具体的には、記憶されたパラメータから決定して記憶することもできる。この比較値は、たとえば第１の決定パラメータとして構成することができる。これは、たとえばプラズマを点火するのに必要な第１の点火電圧を意味する。しかしな、たとえばプラズマ発生装置の使用を開始した後の事前決定可能なパラメータの数の平均値を比較値として用いることも可能である。

本発明の他の効果、特徴及び詳細を、以下の実施形態の説明および図面を参照しながら説明する。図面では、同じ要素又は機能的に等しい要素には同じ符号が付されている。

プラズマ発生装置の概略図。 図１によるプラズマ発生装置に点火する際の電圧過程の図。

図１を参照すると、プラズマ発生装置１０は、たとえば基板をプラズマ溶射するための装置のプラズマ・トーチの一部分として構成でき、アノード・カソード対１１を含み、アノード１２とカソード１３の間でプラズマが形成される。プラズマ・トーチのプラズマ発生装置１０の使用に際しては、アノード１２とカソード１３との間に、たとえばアルゴン、ヘリウム、水素、窒素又はこれらの混合物といったガスを流し、プラズマの形成によってイオン化する。プラズマ形成のためには、アルゴン又は窒素のいずれかが用いられる。点火後にのみ、必要に応じて他のガスが混合される。

アノード１２およびカソード１３は、いずれも維持電圧源１４及び点火電圧源１５に電気的に接続される。維持電圧源１４及び点火電圧源１５は、プラズマ発生装置１０の制御装置１６によって制御される。アノード・カソード対１１はトーチ制御装置１７をさらに有する。トーチ制御装置１７には、とりわけアノード・カソード対１１の製造番号の形態の識別パラメータが記憶されている。トーチ制御装置１７は、制御装置１６と信号通信し、その結果、制御装置１６は、この製造番号を読み出すことができ、製造番号に基づいて維持電圧源１４及び／又は点火電圧源１５を制御することができる。

点火電圧源１５とアノード１２との間に第１のスイッチ１８が配置されており、また、点火電圧源１５とカソード１３との間に第２のスイッチ１９が配置されている。これらのスイッチによって、アノード１２及び／又はカソード１３と点火電圧源１５との接続を遮断することができる。スイッチ１８およびスイッチ１９は、制御装置１６によって同様に制御される。

図２は、点火電圧源１５によって発生される点火電圧Ｕ_Ｚの過程および維持電圧源１４によって発生される維持電圧Ｕ_Ａの過程を、プラズマ発生装置１０のプラズマの点火に関して時間に対して示している。これらの過程は定性的にのみ示されており、縮尺は実際のものではない。

点火プロセスの開始に先立って、制御装置１６は、トーチ制御装置１７から、アノード・カソード対１１の識別パラメータを意味するアノード・カソード対１１の製造番号を読み取る。この情報は、一方では、点火プロセスの過程を現在のアノード・カソード対１１に整合させるために必要とされ、他方では、点火電圧Ｕ_Ｚの過程のパラメータが、プラズマが点火されるまで検出されて、製造番号と関連して記憶される。

実際の点火プロセスの準備として、ｔ０の時点で、維持電圧源１４によって一定の維持電圧Ｕ_Ａが発生されてアノード・カソード対１１に印加され、このようにしてアノードとカソードとの間に印加される。維持電圧Ｕ_Ａは、たとえば約１００Ｖである。スイッチ１８及び１９が開状態である場合、それらはｔ０の時点で閉になってアノード・カソード対１１を点火電圧源１５に電気的に接続するように制御される。

点火電圧源１５は、ｔ１の時点で０Ｖの初期点火電圧Ｕ_ＺＡから始めて点火電圧Ｕ_Ｚの発生を開始し、維持電圧Ｕ_Ａに加えて、点火電圧Ｕ_Ｚがアノード・カソード対１１に印加され、このようにしてアノードとカソードとの間に印加される。点火電圧Ｕ_Ｚは、一定の傾きを有する直線に沿って非常に単調に増加される。用いられる傾きは、具体的にはアノード・カソード対１１の上記の製造番号に基づいて選択される。このために、点火電圧の傾きを製造番号に関連付ける表が、制御装置１６に記憶されている。

プラズマが点火されたかどうか、ｔ１の時点から始まって連続的にさらに検査される。このために、点火電圧源１５に組み込まれた（単独では示されていない）電流測定装置によって、点火電圧源１５を流れるいわゆる点火電流が測定される。点火電流が、アノード・カソード対１１の上記の製造番号に基づき得る予め決定可能な電流閾値を超えると直ちに、プラズマが点火されたと結論付けられる。これは、図２におけるｔ_Ｚの時点である。その結果、点火電圧Ｕ_Ｚが０Ｖまで急激に減少され、その結果、アノード１２とカソード１３との間には維持電圧Ｕ_Ａのみが存在する。そのうえ、スイッチ１８及び１９は、点火電圧源１５から電気的に分離されるように制御される。

ｔ_Ｚの時点で点火電圧源１５によって発生されアノード１２とカソード１３の間に印加された最終的な点火電圧Ｕ_ＺＥは、点火電圧源１５によって検出されて制御装置１６に供給される。最終的な点火電圧Ｕ_ＺＥは、たとえば６ｋＶ〜２１ｋＶである。これに関連して、最終的な点火電圧Ｕ_ＺＥは、プラズマが点火されるまでの点火電圧ＵＺの過程のパラメータと見ることができる。最終的な点火電圧ＵＺＥは、アノード・カソード対１１の上記の製造番号と一緒に制御装置１６に記憶される。

プラズマ点火の後、制御装置１６は、最終的な点火電圧ＵＺＥの時間履歴を評価する。このために、現行の最終点火電圧ＵＺＥが比較値と比較される。現行の最終点火電圧ＵＺＥが、たとえば約５ｋＶ〜３０ｋＶの予め決定可能な差値だけ逸脱するとき、現行のアノード・カソード対１１に、たとえば過度の磨耗といった問題があるという結論が引き出され、対応する注意が、制御装置１６のスクリーン（分離して図示していない）に示される。

上記比較値は、たとえば特定のタイプのアノード・カソード対に対して、事前に決定できる。この比較値は、プラズマ発生装置の現行のアノード・カソード対を最初に作動させた際に求められた第１の最終的な点火電圧として構成することもできる。しかしながら、現行のアノード・カソード対又はプラズマ発生装置を作動させた際の事前決定可能な数の最終的な点火電圧の平均値を、比較値として用いることも可能である。

Claims (14)

1. プラズマ発生装置を作動させる方法であって、
   プラズマを形成すべきアノード（１２）とカソード（１３）との間に維持電圧（Ｕ_Ａ）を印加する、前記方法において、
   プラズマを点火するために、前記アノード（１２）と前記カソード（１３）との間に点火電圧（Ｕ_Ｚ）を印加し、
   前記プラズマが点火したかどうかを点火プロセスの間連続して検査を行い、
   前記点火電圧（Ｕ_Ｚ）を開始点火電圧（Ｕ_ＺＡ）から単調に増大させて、
   前記プラズマの点火を確認した後、前記アノード（１２）と前記カソード（１３）との間の電圧を前記維持電圧（Ｕ_Ａ）まで低下させることを特徴とする、プラズマ発生装置を作動させる方法。
2. 前記プラズマが点火されたかどうか検査するために、前記アノード（１２）と前記カソード（１３）との間に流れる電流を測定することを特徴とする請求項１に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
3. 前記開始点火電圧（Ｕ_ＺＡ）が０Ｖであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
4. 前記点火電圧（Ｕ_Ｚ）を一定の傾きで増加させることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
5. 前記点火電圧（Ｕ_Ｚ）を点火装置（１５）により印加し、該点火装置（１５）を、点火後に前記アノード（１２）及び／又は前記カソード（１３）から分離することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
6. 使用するアノード・カソード対（１１）に識別パラメータが関連付けられ、前記識別パラメータに基づいて前記プラズマの点火を行うことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
7. 前記点火電圧（Ｕ_Ｚ）の過程の少なくとも１つのパラメータを、前記プラズマの点火まで検出し記憶することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
8. 前記プラズマの点火を確認した最終点火電圧（Ｕ_ＺＥ）を検出して記憶し、且つ評価することを特徴とする請求項７に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
9. 使用するアノード・カソード対（１１）に識別パラメータが関連付けられ、前記識別パラメータに基づいて前記プラズマの点火を行い、
   前記識別パラメータを前記パラメータと一緒に記憶することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
10. 前記プラズマの点火に先立って、前記使用するアノード・カソード対（１１）の前記識別パラメータを決定し、前記アノード・カソード対に関連する前記記憶されたパラメータに基づいて点火を行うことを特徴とする請求項９に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
11. 前記記憶されたパラメータの時間履歴を評価することを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
12. 現在の決定されたパラメータが関連する比較値から所定の度合いだけ逸脱しているかどうかを監視することを特徴とする請求項１１に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
13. 前記比較値を、記憶されたパラメータから決定して記憶することを特徴とする請求項１２に記載されたプラズマ発生装置を作動させる方法。
14. プラズマ発生装置を作動させるための制御装置であって、
    プラズマを形成すべきアノード（１２）とカソード（１３）との間に維持電圧（Ｕ_Ａ）を印加するための制御装置において、
    プラズマを点火するために、前記アノード（１２）と前記カソード（１３）との間に点火電圧（Ｕ_Ｚ）を印加し、
    前記プラズマが点火されたかどうかを点火プロセスの間、連続的に検査を行い、
    前記点火電圧（Ｕ_Ｚ）を開始点火電圧（Ｕ_ＺＡ）から単調に増大させて、
    前記プラズマの点火を確認した後、前記アノード（１２）と前記カソード（１３）との間の電圧を前記維持電圧（Ｕ_Ａ）まで低下させることを特徴とする制御装置。

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