JPH03501827A - プラズマ発生器の電極の有用性を検査する方法およびその装置 - 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】 プラズマ発生器の電極の有用性を検査 する方法およびその装置 〔発明の分野〕 本発明はプラズマアークによる金属加工、特１こプラズマ発生器の電極の有用性 を検査する方法およびそのための装置（こ関する。

〔背景技術〕

一般的に、プラズマアーク金属加工用の量産施設で（ま、プラズマ発生器の電極 の有用性を検査する装置を含んでＧ）なし１゜このような電極は一般に消耗し切 るまで使用される。通常、その電極は焼き尽くされてその寿命を終える。このと きその冷却系統は漏れを生じ、液体の冷却剤が用いられる場合龜こ（ま、プラズ マ発生器からその冷却液が漏れ出し、ここで該電極力く交換されなければならな いことを知る。

電極が焼き尽くされると、アークのカソード点はプラズマ発生器の近傍の部品に 転移して行くことがしＬｆしζｆある。このようなアークが自然に消えるかある いは消失するまでｌこ、該アークはそのような部品に損傷を与え、これらの部品 の交換や修理が必要になることがある。プラズマ発生器の構造（こよっては、離 れた構成部材やあるいは完全な組立体（カソードあるいはノズル）に損傷を与え ることもある。

大抵はプラズマ発生器のノズルが使用に適さなくなり、通常はこれを交換しなけ ればならない。

しかし、タイムリーに電極の交換を行えばプラズマ発生器の構成要素を安全に保 護できるし、その利用効率も高められ、また各電極の寿命を最大限まで延ばすこ とができる。

プラズマ発生器の電極の有用性を検査する方法として公知のものく参照ＳＵ、　 Ａ、　８１８７９３）があり、アークが引き出されているときの電極表面の外観 によって電極の状態が決定され、もし、ガス混合物中でアークが生じているとき にカーボン含有化合物の解離があって該電極の作動表面がカーボン層で覆われて いるならば、該電極は良好であるとみなされる。

上記の方法は、プラズマアーク金属加工のために想定される処理の特性条件下に おける各電極に対する“ホット”試験を含む。

このような方法は、電極の熱負荷や冷却条件を考慮した、電極の適合性を決定す る場合にのみ妥当な方法である。つまり、そのような方法は、電極の運用期間や 電極が使用に適さなくなる時点を決定するためには採用できない。

かくして、上記の開示された方法はある種の金属加工、もう少し具体的に言えば 適当なガス（カーボン含有）媒体が用いられる場合にのみ適した方法である。

さらに、電極の作動表面上にカーボンが連続的に析出するには、電極上の熱負荷 と電極の冷却条件との間で平衡が保たれていることが必要である。しかし作動パ ラメータが変動する中でこのような平衡を保つことは困難である。電極の消耗の 量を知り、該電極がいつ交換されるべきかを知るためには、金属加工処理を停止 し、プラズマ発生器を分解し、その作動表面を目視観察することが要求され、必 要であればそれを交換する。このような手順は煩雑で且つ時間がかかり、また丁 度良い時点で交換するために電極が完全に消耗し切った時点を正確に決定するこ とができない。かくして、電極が焼き尽くされるのを避けることはできない。

プラズマ発生器の電極の有用性を検査する方法として他の公知のもの（参照Ｔｅ ｋｈｎｉｃｈｅｓｋｏｅ　ｏｐｉｓａｎｉｅ　ｉ　１ｎｓｔｒｕｋｔｓｉａｐｏ 　ｅｘｐｌｕａｔａｔｓｉｉ　ｋ　ａｐｐａｒａｔｕ″Ｋｉｅｖ−２”、　１９ ７５．　Ｋｉｅｖ）があり、電極の消耗をプラズマアーク金属加工パラメータの 中の１つの値によって決定し、該電極の寿命をアークストライクの許容回数の平 均値によって見つけ出す。アークストライクの平均許容回数は、同一製法で作ら れた一群の電極毎に実験的にめる。

このような方法を実施するための装置はプラズマアーク金属加工パラメータの中 の１つの値を測定するユニットからなり、このユニットは基本的には電気機械的 なカウンタであって各アークの点火を記録しそしてそれをディジタル表示器に表 示する。このアークカウンタは信号ユニットおよびプラズマ発生器用電源の切換 えユニットに接続される。

しかしアークストライクの平均許容回数によって電極の有用性を検査することは 、製造パラメータには常に広がりがあることから、平均値以下の寿命しかないよ うな電極の焼失を防止することはできない。他方、アークストライクの潜在的な 数が平均値以上であるような電極については、電極の交換を早期に行ってしまう ことになりその寿命分だけ十分電極を利用したことにならない。

プラズマ発生器の電極の有用性を検査する公知の装置においては、各アークの起 動を記録し、アークストライクの平均（予め決定された）数に至った後にプラズ マ発生器の電源を断とし、当該電極の寿命まで十分に使い切ることなく一１新し い電極と交換する必要がある旨の信号を出す。一方において電極の焼失が避けら れず、他方においては潜在寿命まで使い切らない、というのが上記公知の装置が 有する主な不利点である。

〔発明の開示〕

本発明は、検査のために選択されたプラズマアーク作動パラメータによって、電 極個々の特性をも考慮しつつ電極の状態をより客観的に評価することを可能にす る、プラズマ発生器の電極の有用性を検査する方法を提供することを目的とする ものであり、これにより、一方においてはプラズマ発生器に生じ得る損傷を排除 し、他方においては各電極をその寿命の最大限まで使用するようにする。

本発明はまたそのような方法を実現する装置を提供することを目的とし、この装 置は複雑な構造を必要とせず、また操作が簡単であり、動作中の電極についての 状態を高信頼性をもって決定できるようにするものである。

本発明に基づくプラズマ発生器の電極の有用性を検査する方法によれば、プラズ マアーク作動パラメータの１つの値によって電極の消耗を評価し、ここに、試験 結果パラメータとしてプラズマアーク音響放射周波数を選定し、使用に供し得る 電極から引き出されるアークが有する放射周波数に対して少なくとも１．５倍に 該放射周波数が増大したとき、その試験されている電極は、最適加工パラメータ に相当する公称作動。

電流のもとでは使用不適当とみなす。

電極の寿命まで十分使い切るには次のようにするのが得策である。すなわち、プ ラズマアーク音響放射周波数が急激に増大した後において、作動電流を、与えら れた金属加工条件下で許容し得る最小の値まで低減せしめ、次のステップでまた プラズマアーク音響放射周波数を測定し、使用に供し得る電極から引き出される アークが有する音響放射周波数に対して少なくとも１．５倍に達するような別の 急激な周波数の増大が生じた場合には、その試験されている電極は使用に不適当 であるとみなす。

また本発明によるプラズマ発生器の電極の有用性を検査する装置によれば、プラ ズマアーク作動パラメータの１つの値を測定するように設計されると共に信号ユ ニットおよびプラズマ発生器用電源の切換ユニットに接続されるユニットを有し 、ここに、前記プラズマアーク作動パラメータの１つの値を測定するように設計 された該ユニットは、アーク帯に非常に近接して設けられたマイクロホンと増幅 器とバンドパスフィルタとしきい値素子よりなる一連の構成要素からなる。

上記のように、与えられた金属加工処理に対して許容できる値まで低減された作 動電流のもとで当該電極の寿命まで十分使用するためには次のようにするのが好 ましい。すなわち作動電流調整器を含む電源を備え、さらにしきい値素子の出力 と切換ユニットの入力との間に挿入される遅延素子と、しきい値素子の出力に接 続される入力および作動電流調整器の入力に接続される出力を備える試験結果信 号レベル制限器とを設ける。

本発明で提案するプラズマ発生器の電極の有用性を検査する方法によると、電極 の状態を、動作中においてモニタすることを可能にし、公称電流のもとでも、ま た与えられた加工処理において許容されるレベルまで低減された動作電流のもと でも、当該電極の寿命まで十分に使い切った時点でタイムリーにこれを交換する ことを可能にする。

さらに、本発明の主題をなす方法によれば、電極の寿命が尽きた後の電極の消失 を防ぐことによりプラズマ発生器への損傷を阻止できる。

本発明に基づくプラズマ発生器の電極の有用性を検査する装置によれば、複雑な 回路を必要とせず、また動作信頼性も高い。

図面の簡単な説明 本発明を、添付図面を参照しながら実施例に即して以下に説明する。

第１図は動作前におけるプラズマ発生器の電極の断面図、第２図は寿命が尽きた 後における同電極の断面図、第３図は本発明に基づくプラズマ発生器の電極の有 用性を検査する方法を実施するための装置を示すブロック図である。

〔発明を実現する最良の形式〕

第１図および第２図に表されたプラズマ発生器の電極は、適当な熱伝導物質、例 えば銅からなる冷却容器１と、活性物質、例えばジルコニウムあるいはハフニウ ムからなる挿入体２とから構成される。電極の容器１は冷却穴３を有しており、 この中には、電極が作動している間、冷却剤が供給される。

作動中、電極（第２図）は熱せられ、このために容器１の内部には線５に沿って クレータ４が形成される。その寿命が尽きたとき、容器１の壁６の厚さが最小に なる点を通して電極は焼失してしまう。

プラズマ発生器の電極の有用性を検査する装置のブロック図は第３図に示されて おり、プラズマアーク作動パラメータ（プラズマアーク音響放射周波数）の中の １つの値を測定するように設計されたユニット７を備えている。このユニット７ は信号ユニット８および電源１０の切換ユニット９に接続される。プラズマアー ク音響放射周波数を測定するように設計されたそのユニット７は、一連の構成要 素、すなわち被加工物１３上に当てられるアーク帯１２に非常に近接して設けら れたマイクロホン１１と、増幅器１４と、バンドパスフィルタ１５と、しきい値 素子１６とから構成される。電源１０は、作動電流調整器１７も含んでいる。

本発明に基づく装置はさらに、しきい値素子１６の出力と切換器９の入力との間 に挿入される遅延素子８と、しきい値素子１６の出力に接続される入力および作 動電流調整器１７の入力に接続される出力を有する試験結果信号レベル制限器１ ９とを有している。

増幅器１４は、線形出力特性を備えた交流増幅器である。

フィルタ１５は、一般的なＬＣフィルタであってその通過帯域はプラズマアーク 音響放射周波数帯域に相当する。

しきい値素子１６は始動継電器特性を有するもので構成することができ、予め定 めた振幅を有する入力信号によってオンとなる。

遅延素子１８は、検査中の出力信号を、電源制御回路の直接成分に等しい時間だ け遅延させるような回路素子である。

１７は移相器をなす。

信号ユニット８は、照明形の呼出しであって、“電極を交換せよ”と表示する。

本発明によるプラズマ発生器の電極の有用性を検査するための方法は以下のよう に実施される。

プラズマアーク音響放射周波数は試験結果パラメータとして使用され、その放射 周波数が、まだ使用に供し得る電極から引き出されるアークが有する放射周波数 に対して少なくとも１．５倍に急激に増大したときは、その試験されている電極 は、最適金属加工バラメータに相当する公称作動電流で動作するには不適当であ ると考えられる。

試験されている電極をその寿命まで十分使い切るために、アークの放射周波数が 急激に増大した後、作動電流は、与えられた金属加工条件のもとて最小の許容値 まで低下せしめられ、さらに繰り返しプラズマアーク音響放射周波数が測定され る。ここでもし、まだ使用に供し得る電極がら引き出されるアークが有する放射 周波数に対して少なくとも１．５倍に達するようなまた別の急激な周波数の増大 が生じたときは、そ゛の試験されている電極は不適当であるとみなされる。

本発明の方法は、第３図に示された装置の説明によって一層明確に理解される。

電極の挿入体２と被加工物１３との間にアーク１２が発生すると、挿入体２は徐 々に消耗して行く。そしてクレータ４が電極の容器１内に、線５に沿って形成さ れる。この容器１の壁６は、そのクレータ４が大きくなるのにつれて徐々に薄く なって行く。

アーク１２は音信号を放射し、その周波数スペクトラムはアーク１２の条件とプ ラズマ発生器に固有の特徴とに依存して決まる。

アーク１２から放射された音信号はマイクロホン１１に伝搬し、増幅器１４によ って増幅され、周波数フィルタ１５に印加され、そしてしきい鎖素子１６によっ て遅延される。

アーク１２が生じ、電極の容器１の壁６の厚みが臨界に達すると、初期値に比し て少なくとも１．５倍に増大した周波数を有する信号が、アーク１２の音響放射 スペクトラム内に出現する。これはある幾何学的形状を有するに至ったクレータ ４における共鳴に起因するものであり、また、一方の側は冷却剤（冷却穴３）に さらされ他方の側はアーク１２の高温カソード点となる薄い壁６に生ずる振動性 の動きにも起因するものである。増大した周波数を有する信号が現れたというこ とは、試験されている電極が消耗したので交換されなければならない、というこ とを示している。増大Ｉ−だ周波数を有する音信号は、マイクロホン１１と増幅 器１４と周波数フィルタ１５を含む経路を通過する。ここでそのフィルタにより 分離され所定のレベルに達した該信号は、しきい鎖素子１６を通過する。このし きい鎖素子の出力は信号ユニット８および電源１０の切換ユニット９にそれぞれ 接続されている。電源］０は断となり、“電極を交換せよ”を表示する信号ユニ ット８がオンとなる。

公称電流下での使用は不適当となった電極は、与えられた金属加工処理のもとで 許容される最小電流値で依然使用される。

これは、プラズマ発生器の電極の有用性を検査する装置内に、遅延素子１８およ び試験結果信号制限器１９を含むことにより達成される。

しきい鎖素子１６の出力から試験結果信号が送出されまた同時に制限器１９およ び遅延素子１８の入力に至る。該信号は制限器１９を介し電源１０の電流調整器 １７に作用する。

この電流調整器は、アークの作動電流を、制限器１９によって設定される許容最 小値まで低減する。増大した周波数を有する既述の音信号は消える。これは、電 極が全変更された条件下での使用に適当であることを示している。

増大した周波数を有する音信号が再び現れたとき、該信号は作動電流調整器１７ に何の作用も及ぼすことなしに既述した経路を通過する。これは該調整器が制限 器１９によって制限を受けているからである。遅延素子１８のパラメータによっ て決定されるある時間が経過した後、該信号は電源１０の切換器９に至り、該電 源を断とすると共に信号システムをオンする。

この信号システムは当該電極が、低減された作動電流のもとでも最早使用に不適 当であることを表示する。

ここに提案した方法は実験室にて試験されており、良好な結果が得られている。

試験は、ジルコニウムおよびハフニウムの挿入体を有する電極を使用し、アーク 電流２００Ａおよび３００Ａのもとで行われた。

圧搾空気媒体の中でプラズマアークを点火したとき、アーク１２の音響スペクト ラムは４　ｋＨ，から６　ｋＨ２０間にあった。

試験される電極を臨界状態にしたときに９　ｋＨ２から１２ｋＨ２の周波数を有 する信号が、アーク１２の放射スペクトラム内に出現した。

増大した周波数を有する音信号を生成せしめるようなアークストライクの数は電 極毎に異なっており、試験によれば、ジルコニウム製挿入体を用いた電極の場合 は１３０から１６０、ハフニウム製挿入体を用いた電極の場合は２００から２９ ０であった。

ここに提案した方法の従来技術に対する明らかな利点は、電極はまだ焼は切って いないという事実に基づいて、プラズマ発生器の構成要素を安全に保ちつつその 電極を寿命の最大値まで使用できることである。

〔産業上の応用〕

ここに提案したプラズマ発生器の電極の有用性を検査する方法およびそのための 装置は、あらゆる機械製造分野、主として、圧搾空気プラズマアークによる金属 切断の分野にその応用を見出すことができる。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の７第１項） 平成２年６月２５日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １　国際出願番号 ＰＣＴ／ＳＵ８　Ｂ１０　Ｏ２１３ ２発明の名称 プラズマ発生器のｔ極の有用性を検査する方法およびその装置 ３　特許出願人 ５　補正書の提出年月日 ／ｑりρ年　７月　デ日（受理臼） Ｋ；へ ６　添付書類の目録 補正された請求の範囲 （受理口１９９０年１月９日） １、　プラズマアーク作動パラメータの１つの値によって電極の消耗を評価して プラズマ発生器の電極の有用性を検査する方法において、試験結果パラメータと してプラズマアーク音響放射周波数を選定し、使用に供し得る電極から引き出さ れるアークが有する放射周波数に対して少なくとも１゜５倍に該放射周波数が増 大したとき、その試験されている電極は、最適加工パラメータに相当する公称作 動電流のもとでは使用不適当とみなすことを特徴とするプラズマ発生器の電極の 有用性を検査する方法。

２、　プラズマアーク音響放射周波数が急激に増大した後において、作動電流を 、与えられた金属加工条件下で許容し得る最小の値まで低減せしめ、次のステッ プでまたプラズマアーク音響放射周波数を測定し、使用に供し得る電極から引き 出されるアークが有する音響放射周波数に対して少なくとも１．５倍に達するよ うな別の急激な周波数の増大が生じた場合には、その試験されている電極は使用 に不適当であるとみなすことを特徴とする請求項１に記載の方法。

３、　プラズマアーク作動パラメータの１つの値を測定するように設計されると 共に信号ユニット（８）およびプラズマ発生器用電源の切換ユニット（９）に接 続されるユニット（・７）を有してなるプラズマ発生器の電極の有用性を検査す る装置において、前記プラズマアーク作動パラメータの１つの値を測定するよう に設計された該ユニット（７）は、アーク帯（１２）に非常に近接して設けられ たマイクロホン（１１）と増幅器（１４）とバンドパスフィルタ（１５）としき い値素子（１６）よりなる一連の構成要素からなることを特徴とするプラズマ発 生器の電極の有用性を検査する装置。

４、（補正後）作動電流調整器（１７）を有する電源（１０）を備え、さらにし きい値素子（１６）の出力と切換ユニット（９）の入力との間に挿入される遅延 素子（１８）と、しきい値素子（１６）の出力に接続される入力および作動電流 調整器（１７）の入力に接続される出力を備える試験結果信号レベル制限器（１ ９）とを設けることを特徴とする請求項３に記載の装置。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プラズマアーク作動パラメータの１つの値によって電極の消耗を評価し、こ こに、試験結果パラメータとしてプラズマアーク音響放射周波数を選定し、使用 に供し得る電極から引き出されるアークが有する放射周波数に対して少なくとも １．５倍に該放射周波数が増大したとき、その試験されている電極は、最適加工 パラメータに相当する公称作動電流のもとでは使用不適当とみなす、プラズマ発 生器の電極の有用性を検査する方法。 ２．プラズマアーク音響放射周波数が急激に増大した後において、作動電流を、 与えられた金属加工条件下で許容し得る最小の値まで低減せしめ、次のステップ でまたプラズマアーク音響放射周波数を測定し、使用に供し得る電極から引き出 されるアークが有する音響放射周波数に対して少なくとも１．５倍に達するよう な別の急激な周波数の増大が生じた場合には、その試験されている電極は使用に 不適当であるとみなす請求項１に記載の方法。 ３．プラズマアーク作動パラメータの１つの値を測定するように設計されると共 に信号ユニット（８）およびプラズマ発生器用電源の切換ユニット（９）に接続 されるユニット（７）を有し、ここに、前記プラズマアーク作動パラメータの１ つの値を測定するように設計された該ユニット（７）は、アーク帯（１２）に非 常に近接して設けられたマイクロホン（１１）と増幅器（１４）とバンドパスフ ィルタ（１５）としきい値素子（１６）よりなる一連の構成要素からなる、プラ ズマ発生器の電極の有用性を検査する装置。 ４．作動電流調整器（１７）を有する電源（１０）を備え、さらにしきい値素子 （１６）の出力と切換ユニット（９）の入力との間に挿入される遅延素子（１８ ）と、しきい値素子（１６）の出力に接続される入力および作動電流調整器（１ ７）の入力に接続される出力を備える試験結果信号レベル制限器（１９）とを設 ける請求項１に記載の装置。