JPH03272600A - 熱プラズマジェット発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電気的絶縁、熱的絶縁、耐摩耗、耐蝕等や機
能膜をプラズマ溶射あるいは熱プラズマＣＶＤ等で製膜
する場合の熱プラズマジェット発生法及び装置に関する
ものである。

従来の技術 従来、溶射技術は例えば飼摩耗、１１ｉｌ絶縁膜などと
して古くから利用され、燃焼ガスをその溶融手段として
使うガス溶射や電気エネルギーをその溶融エネルギーと
して使う電気式溶剤等に大きく分類され、さらに電気式
溶射ではアーク溶射やプラズマ溶射等が一般的であり、
特に最近では溶射皮膜の膜質等からプラズマ溶射法が注
目されている。

第７図はプラズマ溶剤装置の従来例を示したものである
。水冷された陰極ｌと水冷された陽極２の間に電源３に
よって直流アーク４を発生させ、後方から送給するプラ
ズマ作動ガス５をアーク４Ｌ４よって熱し、超高温プラ
ズマ６としてノズル７から噴出させる。溶射材料は粉末
で、キャリアガス８にのせてプラズマジェットの中に吹
き込み加熱溶融し、かつ加速して基板９表面に高速で衝
突させて皮膜を形成するものである。この時作動ガスと
してはアルゴンや窒素あるいはこれらのガスにヘリウム
、水素を加えている場合が多い。

発明が解決しようとする課題 従来このようなプラズマ溶射トーチに於いては図に示す
ように陰極１と陽極２は同軸上にあり、また噴出ロアの
面積は出力にもよるが最大で２〜３ｃｍ程度であり、特
に電子デスプレイ等の大型大面積基板を用いて、溶射あ
るいは熱プラズマＣｖＤによって皮膜を形成しようとす
ると、トーチと基板９の距離を大きくして面積を稼ぐか
、第８図に示すように基板１０あるいはトーチ１１をト
ラバースしながら製膜領域１２を形成してゆく必要があ
る。基板９とトーチ間の距離を大きくすると基板９に到
達する溶融粒子の衝突速度が遅くなり、それ故溶射皮膜
としては気孔が多く凹凸の激しい皮膜となるものである
。また第８図の様に基板ｌＯあるいはトーチ１１をトラ
バースする方法ではトラバースする際特に図のＹ軸方向
１３への移動方向に膜厚むらが生じるとか、トラバース
装置が高価になるなどの欠点を有しているし、また製膜
に掛かる時間が長くなり量産性に優れない等の欠点を有
している。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、プラズマ溶射皮
膜や熱プラズマＣＶ　１）皮膜を一括大面積に製膜出来
る熱プラズマジェット発生法及び装置を提供することを
目的とするものである。

課題を解決するための手段 請求項１の本発明は、対向するエンドレス端面を有する
陰極と陽極間でアークを発生させ、陰極と陽極に対向す
る電極面で同極となる磁界を発生せしめて前記アークを
エンドレス端面上で周回させ、アーク発生領域にプラズ
マ作動ガスを供給する熱プラズマジェット発生法である
。

請求項２の本発明は、対向した奥行き方向に偏平な形状
のエンドレスな端面を有し、アークを発生するための陰
極及び陽極と、前記陰極と前記陽極とに、対向する電極
面で同極となる磁界を発生せしめて前記アークをエンド
レス端面上で周回させる励磁コイルと、前記陰極と陽極
端面間にプラズマ作動ガスを供給する供給経路と、プラ
ズマ中に粉末あるいはガスを供給する供給口と、前記陰
極及び陽極に直流を印加する直流電源とを具備したこと
を特徴とする熱プラズマジェット発生装置である。

請求項３の本発明は、径の小さな先端で端面な有する陰
極と、その周囲に径の大きな先端で端面を有する陽極と
を備え、前記陰極と陽極とは同軸上に配置され、前記陰
極周囲と前記陽極周囲には磁界発生用の励磁コイルを備
え、前記陰極と陽極の対向する空間にプラズマ作動ガス
を供給する供給経路を備え、前記陰極及び陽極に直流を
印加する直流電源とを具備したことを特徴とする熱プラ
ズマジェット発生装置である。

作用 請求項１の本発明では、陰極と陽極のエンドレス端面簡
でアークを発生させると共に、そのアークを画電極に設
けた励磁コイルにより発生させた端面で同極となる磁界
によってエンドレス両端面上を周回させ、アーク発生領
域を長い線条あるいはスリット形状とし、そのアーク発
生領域にプラズマ作動ガスを供給して高温熱プラズマを
得、その高温熱プラズマに粉末あるいはガスを供給し、
基板へのプラズマ流をシート状として一？ａ８４あるい
はＣＶＤによる製膜を大面積にわたって−・括に行える
ものである。

実施例 以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における熱プラズマジェ
ット発生装置の構成図を示すものである。

１４はプラズマ作動ガスであり、１５はこのガスの導入
経路であり、その下部には陰極１６と陽極１７がある所
定距離を挟んで対向している。陰極１６と陽極１７は、
第２図のＡ−Ａ断面図が示すように、第１０実行き方向
に偏平なエンドレス構造である。また画電極１６．１７
の端部には電極内に磁界を発生させる励磁コイル１８．
１９がその周囲に設けられている。またこの偏平な画電
極１６．１７の下部には熱プラズマの噴出口２０が設け
られており、その側面には溶射材料としての粉末をキャ
リアガス２１にのせて、あるいはＣＶＤ原料としてのガ
スをプラズマ２２中に供給する供給ボート２３が設けら
れている。画電極１６゜１７には電ｆｉ２４によって直
流が印加されている。

第２図のＡ−Ａ断面図に示すように画電極１６゜１７は
その端面がエンドレスな構成をし・でいる。

また第３図は第１図の装置の斜視図であり、偏平な電極
１６’　　１７’はその長平方向に伸長しており、その
長さは少なくとも現状のプラズマ溶射トーチの噴出口の
口径よりも長く、対向する電極１６’　　１７’間で形
成される領域２５はむしろスリットに近い形状をしてい
る。

以上のように構成されたこの実施例の熱プラズマジェッ
ト発生装置において、以下その動作を説明する。

まず陰極１６と陽極１７問に別設のパルス電流発生機等
によって電極間の空隙にアークを発生させ、その後電源
２４によって低電圧で高電流を印加しアーク２６を安定
に維持する。その後陰極１６及び陽極１７に設けた励磁
コイル１８．１９に通電し、各々の電極に磁界を発生さ
せる。このとき磁界は電極端面でそれぞれ同極となる様
に励磁すると、端面で磁束が電極外方に向き、その時ア
ーク電流の向きと磁界の向きによる、いわゆるフレミン
クの左手法則によってアーク２６に駆動力が掛かり、ア
ーク２６はエンドレスな画電極端面を高速で周回する移
動アーク２７となる。この時アークの周回移動速度は次
式によって表され、磁束密度、アーク電流、アーク長の
積に比例する。

ＦＣＣＢＸＩＸＬ Ｆ：駆動力　　　Ｂ：磁束密度 Ｉ：アーク電流　Ｌ：アーク長 上式よりアーク移動速度を高めるためにアーク電流、ア
ーク長を大きくすることもできるが本発明ではできるだ
け低電流で且つアーク発生空間をスリット状にするため
に、磁束密度を高める方がよい。

この様にしで発生した対向する電極で形成される領＠２
５のアーク領域に上部のプラズマ作動カス１４を導入経
路１５より供給する。この時プラズマ作動ガスとしては
アルゴン、窒素、水素、ヘリウム等が考えられる。アー
ク２６中に供給されたプラズマ作動ガスが高温に加熱さ
れてプラズマ状態になるとともに熱ピンチ効果によって
電流密度、エネルキ密度が上昇し超高温の熱ブラスマ２
２となり噴出１コ２０より高速度で噴出する。

この時噴出口２０の下部に設けた粉末あるいはガス供給
ボート２３より、溶射の場合には金属、セラミック等の
溶剤材料を熱プラズマ内に供給すると、それらが加熱溶
融し、プラズマジェットの高速度に乗って基板に衝突し
偏平化され所望の皮膜を形成するものである。さらに熱
プラズマＣ■Ｄの場合にはこの供給ボート２；３より原
料カスを熱プラズマ内に供給することにより、熱プラズ
マの高温状態での非平衡過程を利用したＣ　Ｖ　Ｉ）が
可能となる。溶射、ＣＶＤに関わらず本発明によればア
ーク２６が偏平なエンドレスな電極端面上を周回移動し
ているために、電極１６．１７の長手方向には若干の時
間的な温度分布が存在するが、アーク周回速度が高速で
あるためにプラズマ発生等には殆ど影響がないと考えら
れるし、アーク発生領域２５をスリット状としているた
めにその領域でのプラズマ密度を高めることができる。

以上のように本発明による熱プラズマジェット発生装置
によれは、熱プラズマジェット２２は第３図に示すよう
にいわゆるシート状、あるいは線条に近い形状となり、
基板幅に対応した広さでの製膜が可能となり、従来基板
あるいはトーチをトラバースしながら製膜していたもの
を、−括で基板幅方向全体にわたって製膜できるもので
あり、更には従来のトーチ半径方向での粒子の速度分布
、温度分布を小さくすることができ、製膜時に膜厚むら
が発生しにくいという特徴を有した製膜が可能となるも
のである。なお本実施例では粉末あるいはガスの供給を
電極下部より行っているが、アーク発生領域２５の空間
上部より７−リ２６に噴出させる構成としてもよい。

第４図は本発明の第２の実施例を示した熱プラズマジェ
ット発生装置の構成図である。

同図において、２８はプラズマ作動ガス２９の導入経路
であり、その内部には端面が間口した陰極３０があり陰
極３０周囲には磁界発生用の励磁コイル３１が設けられ
ている。また端面が陰極３０の外周に位置する陽極３２
が設けられており、その陽極３２周囲には磁界発生用の
励磁コイル３３が設けられている。更に陽極３２の下部
には熱プラズマジェットの噴出口３４が設けられている
。

また陰Ｆｉｉ３１の中心には粉末あるいはガスの供給口
３５が設けられており、この供給口３５は外周方向に噴
出する様に噴出穴３６が構成されている。

また第５図は第４図のＢ−Ｂ断面矢視図である。

第５図の場合は陰極３０’と陽極３２′は円環状をなし
ている。なお、電極３０．３２は、第６図（第４図のＢ
−Ｂ断面矢視図）に示すように、陰極３０″と陽極３２
″は楕円形状あるいは偏平形状であってもよい。第５図
、第６図とも陰極３１と陽極３２は同軸状に配置されて
いる。

以、Ｌのように構成されたこの実施例の熱プラズマジェ
ット発生装置において、次にその動作を説明する。

基本的には第１の実施例と同様であり、陰極３０と陽極
３２ＦｆＨこ別設のパルス電流発生機等によって電極間
の空隙３７にアーク３８を発生させ、その後低電圧で高
電流を流し、アーク３８を安定に維持する。その後陰極
３０及び陽極３２に設けた励磁コイル３１，３３に通電
し、各々の電極に磁界を発生させる。このとき磁界は電
極端面でそれぞれ同極となる様に励磁すると、端面で磁
束が電極外方に向き、その時アークｉｓの向きと磁界の
向きによる、いわゆるフレミングの左手法則によってア
ーク３８に駆動力が掛かり、アーク３８は画電極端面を
高速で周回する。

この様にして発生したアーク３８領域に上部のプラズマ
作動ガス２９を導入経路２８より供給する。この時プラ
ズマ作動ガスとしてはアルゴン、窒素、水素、ヘリウム
等が考えられる。アーク３８中に供給されたプラズマ作
動ガス２９が高温に加熱されてプラズマ状態になるとと
もに、熱ピンチ効果によって電流密度、エネルギ密度が
上昇し超高温の熱プラズマとなり噴出口３４より高速度
で噴出する。この時陰極３１中心に設けた粉末あるいは
ガス供給口３５より、溶射の場合には金属、セラミック
等の溶射材料を熱プラズマ内に供給すると、それらが加
熱溶融し、プラズマジェットの高速度に乗って基板に衝
突し偏平化され所望の皮膜を形成するものである。さら
に熱プラズマＣＶＤの場合にはこの供給口３５より原料
ガスを熱プラズマ内に供給することにより、熱プラズマ
の高温状態での非平衡過程を利用したＣＶＤが可能とな
る。更にこの時供給する粉末あるいはガスを中心より外
方に向けて噴出するよう噴出穴３６を設けているので、
アーク発生領域の超高温領域に均一に粉末あるいはカス
が供給され、加熱溶融あるいは反応が均一化される。ま
た本発明によればアーク発生点の基板からの距離が常に
一定となるといった特徴をも有している。更に基板に対
して大面積に溶射あるいはＣＶＤによって製膜するには
、円環３０’　　３２’の径を大きくしたり、第１の実
施例と同様に陰極３０″と陽極３２″の形状を偏平にす
ることによって可能であり同様の効果を有するものであ
る。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、加熱溶融、あるい
は反応が極めて均一なプラズマ溶創製膜あるいは熱プラ
ズマＣＶ　Ｄ製膜が大面積で行え、極めて生産性にすぐ
れた装置を提供することができるなど、その実用的効果
は大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における熱プラズマジェット
の発生装置を示す断面図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面
図、第３図は同実施例を示す斜視図、第４図は本発明の
他の実施例における熱プラズマジェット発生装置を示す
断面図、第５図は第４図のＢ−Ｂ断面の第１の形状を示
す断面図、第６図は第４図のＢ−Ｂ断面の第２の形状を
示す断面図、第７図は従来の熱プラズマジェット発生装
置を示す断面図、第８図は従来の熱プラズマジェット装
置での製膜法を示す斜視図である。 １４・・・プラズマ作動ガス、１６・・・陰極、１７・
・・陽極、１８・・・励磁コイル、１９・・・励磁コイ
ル、２２．２７．３８・・・熱プラズマジェット、２３
◆・・粉末、カス供給ボート。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向するエンドレス端面を有する陰極と陽極間で
   アークを発生させ、陰極と陽極に対向する電極面で同極
   となる磁界を発生せしめて前記アークをエンドレス端面
   上で周回させ、アーク発生領域にプラズマ作動ガスを供
   給する熱プラズマジェット発生法。
2. （２）対向した奥行き方向に偏平な形状のエンドレスな
   端面を有し、アークを発生するための陰極及び陽極と、
   前記陰極と前記陽極とに、対向する電極面で同極となる
   磁界を発生せしめて前記アークをエンドレス端面上で周
   回させる励磁コイルと、前記陰極と陽極端面間にプラズ
   マ作動ガスを供給する供給経路と、プラズマ中に粉末あ
   るいはガスを供給する供給口と、前記陰極及び陽極に直
   流を印加する直流電源とを具備したことを特徴とする熱
   プラズマジェット発生装置。
3. （３）径の小さな先端で端面を有する陰極と、その周囲
   に径の大きな先端で端面を有する陽極とを備え、前記陰
   極と陽極とは同軸上に配置され、前記陰極周囲と前記陽
   極周囲には磁界発生用の励磁コイルを備え、前記陰極と
   陽極の対向する空間にプラズマ作動ガスを供給する供給
   経路を備え、前記陰極及び陽極に直流を印加する直流電
   源とを具備したことを特徴とする熱プラズマジェット発
   生装置。
4. （４）陰極中心に粉末あるいはガスの供給口を設け、粉
   末あるいはガスを半径方向あるいは中心より外方に噴出
   することを特徴とする請求項３記載の熱プラズマジェッ
   ト発生装置。