JPH04124276A - 熱プラズマ発生方法および製膜装置 - 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（Ｌ　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等で大
面積に製膜する場合の熱プラズマの発生方法および製膜
装置に関すａ 従来の技術 従来　溶射技術は例えば耐摩耗　耐絶縁膜等の製膜手法
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射等に大きく分類されも　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
が注目されていも 第５図はプラズマ溶射装置の従来例を示したものであａ
　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４によって熱し　高温プラズマ
６として噴出ロアから噴出させム　溶射材料は粉末℃　
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ａ　この時作動ガス５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入　
水素を加えている場合が多（℃従来このようなプラズマ
溶射トーチにおいて番数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２〜３Ｉ１１程度であり、特に電子デイスプレィ
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力＼　第６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
から製膜領域１２を形成してゆく必要がある矢印１３は
基板１０の移動方向であ本発明が解決しようとする課題 このような従来の熱プラズマ発生方法および製膜装置で
は　大面積の基板に皮膜を形成するために基板とトーチ
間の距離を大きくすると基板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ム　また第６図のように基板１０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
する服特に図のＹ軸方向１３への移動方向に膜厚むらが
生じると力＼　トラバースするための装置が高価になる
などの欠点を有しているし　また製膜に要する時間が長
くなり量産性に優れない等の欠点を有していも 本発明は上記課題を解決するものて　プラズマ溶射皮膜
や熱プラズマＣＶＤ皮膜を一括大面積に製膜出来る熱プ
ラズマ発生方法および製膜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 本発明は上記目的を達成するためへ　対向する端面を有
する一対の電極間でアークを発生させ、さらに対向する
端面でそれぞれ同極となる磁界を一対の電極に発生させ
て上記アークを一対の電極の端面上で移動させ、アーク
発生領域にプラズマ作動ガスを供給するとともへ　アー
クが所定位置に移動した時、電極の陰極と陽極とを反転
させ、アークに作用する駆動力の方向を変えてアークを
電極面上で往復移動させるものであ４ 作用 本発明は上記した構成により、対向した一対の電極端面
の所定領域内でアークが往復移動するので、プラズマ作
動ガスを供給するとシート状のプラズマが発生し　その
高温熱プラズマに粉末またはガスを供給すると、シート
状の溶射あるいはＣＶＤによる製膜カミ　基板上に大面
積にわたってなされる。

実施例 第１図は本発明の第１の実施例における熱プラズマ発生
装置の構成図を示すものであも　図において、　１４は
プラズマ作動ガス　１５はこのガスの導入経路であり、
その下部には一対の電極１６および電極１７がある所定
間隙ｇを挟んで対向していも　電極１６と電極１７は図
示はしていないが奥行き方向に偏平なエンドレス構造で
あ４　また画電極の周囲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　それぞれ
電源２０．２１に接続されていも　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２２が設け
られており、その側面には溶射材料としての粉末あるい
はＣＶＤ原料としてのガスのキャリアガス２３にのせて
プラズマ中に供給する供給ボート２４が設けられていも
　さらに第１図のＥ−Ｅ−断面図を示す第２図に示すよ
うに画電極１６、１７の両端部にはアーク検出手段２５
、２６が設けられていも　この検出手段としてはアーク
がその場所を通過したときに発生する電位を検出するも
の東　アークの光強度を検出するものなどでよ（−この
検出手段からの信号は第１図の一点鎖線で示す信号ケー
ブル２７を用いて直流電源回路２８に伝送されム　電極
１６および電極１７には直流電源回路２８によって直流
が印加されていも　またこの時、対向する電極１６、１
７間で形成される領域２９はスリットに近い形状をして
いも 以上のように構成されたこの実施例の熱プラズマ発生法
および製膜装置において、以乍その動作を説明すも まず電極１６および電極１７のどちらか一方を陰極　他
方を陽極とし　別設のパルス電流発生機等によって電極
間の空隙ｇにアークを発生させ、その後電源２８によっ
て低電圧で高電流を印加しアーク３０を安定に維持す４
　その後電極１６および電極１７のそれぞれに設けた励
磁コイル１８．１９に通電し　各々の電極に磁界を発生
させもこのとき磁界は電極端面でそれぞれ同極となるよ
うに励磁すると、第１図の破線３１で示すように端面で
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Ｌ　いわゆるフレミングの左手法則によって
アークに駆動力が掛かり、アークはエンドレスな画電極
１６、１７端面を高速で移動するアーク３０となも　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、アーク電九　アーク長の積に比例する。

ＦＯＣＢＸＩＸＬ Ｆ：駆動力　Ｂ：　磁束密度　■：　アーク電ぬ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力　ア
ーク長を大きくすることもできる力（本発明ではできる
だけ低電流でかつアーク発生空間をスリット状にするた
めへ　磁束密度を高める方がよしも このようにして発生した対向する電極１６、１７間で形
成される領域２９のアーク領域に上部のプラズマ作動ガ
ス１４を導入経路１５より供給すム　この時プラズマ作
動ガスとしてはアルゴン、窒秦　水魚　ヘリウム等が考
えられも　アーク３０中に供給されたプラズマ作動ガス
１４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塞　エネルギー密度が上昇し
超高温の熱プラズマ３２となり高速度で噴出すもこの時
下部に設けた粉末あるいはガス供給ポート２４より、溶
射の場合には金入　セラミック等の溶射材料を熱プラズ
マ３２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３３に衝突し偏平化され
所望の皮膜３４を形成するものであム　さらに熱プラズ
マＣｖＤの場合にはこの供給ボート２４より原料ガスを
熱プラズマ３２内に供給することにより、熱プラズマ３
２の高温状態での非平衡過程を利用したＣＶＤが可能と
なム　この時本発明では電極１６．１７としてエンドレ
スな電極を用いているた取このままの状態ではアーク３
０はエンドレス端面上を周回する力（第２図に示すよう
に両端部にアーク検出手段２５、２６を設けており、移
動したアーク３０がこの位置に来た時にその信号を直流
電源回路２８に送り、直流電源回路内で電極への陰極と
陽極を反転させ、アーク３０を逆方向に移動させ、第２
図の矢印のようにアーク３０を両端面間で往復移動させ
るものであも 以上のように本発明による熱プラズマ発生方法および製
膜装置によれば　熱プラズマとして第２図に示すように
所定幅Ｗを有した形状のいわゆるシート状Ｑ　あるいは
線条に近い形状とすることが出来　基板３３の幅に対応
した広さでの製膜が可能となるものであム　またこの時
本発明ではエンドレス端面をアーク３０が周回するので
はなく、幅方向の両端部にアーク３０が移動したときに
それを検出し　アーク３０を電極１６、１７の同一線上
で移動させることにより、プラズマ状態を常に同一な安
定状態に保つことが出来　製膜装置として安定製膜が可
能となるものである。

また従来　基板９あるいはトーチ１１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、さら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も 第３図は本発明の第２の実施例を示した熱プラズマ発生
方法および製膜装置の構成図であも３５はプラズマ作動
ガス３６の導入経路であり、その下部には内部に冷却水
経路を設ｊす、奥行き方向に所定長さを有した一対の平
板電極３７と３８が間隙ｇ′を有して対向していも　こ
の時電極３７、３８は非磁性材料で耐熱性に優れた材料
や冷却効果が大きい熱伝導性のよい材料等であム　また
それぞれの平板電極３７、３８の下部には非磁性材料の
絶縁体３９．４０が設けられていも　またその下部には
強磁性体４１、４２を設置す、これら電極３７．３８、
絶縁体３９．４０、強磁性体４１．４２、さらにその下
部の治具４３、４４によって第３図のＦ−Ｆ　”断面を
示した第４図のスリット状のアーク発生領域４５が形成
されていもまたプラズマ作動ガス導入経路３５内部へ　
間隙ｇ−の中心上部には磁性体４６とその周囲に励磁コ
イルからなる電磁石４７が配置されており、励磁コイル
用電源４８に接続されていも　この時本発明では磁石と
してこのような励磁コイルを用いている力（励磁コイル
の代わりに永久磁石を用いてもよＩ、〜　またこの電磁
石４７は電極３７、３８等と同様に奥行き方向に所定長
さを有しているものである。

また第４図に示すようへ　アーク発生領域４５の両端部
にはアーク検出手段４９．５０が設けられており、その
信号が第３図の実線５１で示すようへ　直流電源回路５
２に接続されていモ５３は発生したアークジェットに粉
末やガスを導入するポートであム　さらに第３図の破線
５４で示すようく　電極３７．３８内を冷却するために
冷却装置５５が接続されていも 以上のように構成されたこの実施例の熱プラズマ発生方
法と製膜装置において、以下その動作を説明すも 基本的には第１の実施例と同様であり、電極３７、３８
のどちらか一方を陰極　他方を陽極として別設のパルス
電流発生機等によって電極間の空隙ｇ′にアーク５６を
発生させ、その後低電圧で高電流を流し　アーク５６を
安定に維持する。その後間隙上部に設けた電磁石４７に
通電して絶縁体３９．４０の下部に位置する強磁性体４
１、４２と、磁性体４６との間に第３図の間隙部に破線
で示すような同極反発磁界５７を生じさせる。この磁界
作用と電流により第１の発明で説明したような駆動力が
掛かり、アーク５６が奥行き方向に移動すム　またこの
時移動したアーク５６を両端部に設けたアーク検出手段
４９、５０により検出し　その信号を直流電源回路５２
に送り、その回路内で電極３７、３８に印加する陰極と
陽極を反転させて、逆方向にアーク５６を移動させも　
このようにしてアーク５６を電極３７．３８端面上で往
復動させるものである。このように電極端面上を往復動
しているアーク５６にプラズマガス導入経路３５より、
プラズマ作動ガス３６を供給すると熱プラズマとなり、
ジェットとして噴出されも　この時粉末あるいはガスを
その供給ポート５３より供給すると、第１の実施例上同
様に溶射あるいはＣＶＤの製膜ができるものであムこの
時第２の実施例では第１の実施例と同様間発生する熱プ
ラズマがシート状になり、大面積に一括して製膜できる
とともに　さらに次のような効果をも有するものである
。すなわち第２の実施例ではアーク発生用の電極と磁界
発生用部材とを基本的に別とし　かつ電気的に絶縁して
いる点にあも　この時アーク発生用の電極３７、３８（
よ非磁性材料でかつ耐熱性あるいは熱伝導性のよい材料
など自由に選択でき、その電極３７．３８内部に冷却経
路を設けて電極を冷却し　陰極　陽極に生じる熱損傷を
抑えることができる。またこの時磁界発生手段としては
電極３７、３８下部に設けた磁性体４１、４２と間隙上
部に設けた電磁石４７とによって発生でき、電極３７、
３８構成が簡単になるととも（ミ　プラズマガス流路内
に設けた励磁コイルからなる電磁石４７をプラズマガス
で冷却できるという効果も有している。

発明の効果 以上の実施例から明らかなように本発明によれ（ム　ア
ークを往復移動させ、シート状のプラズマを発生させる
構成によるので、加熱溶融あるいは反応が極めて均一な
プラズマ溶射製膜あるいは熱プラズマＣＶＤ１ｉ！膜が
大面積で行え　極めて生産性ににすぐれた熱プラズマ発
生方法および製膜装置を提供することができも

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における熱プラズマ発生
方法を実施する製膜装置の要部断面医第２図は第１図の
Ｅ−Ｅ”線による断面弧　第３図は本発明の第２の実施
例における熱プラズマ発生方法を実施する製膜装置の要
部断面弧　第４図は第３図のＦ−Ｆ−線による断面弧　
第５図は従来の熱プラズマ発生方法を実施した製膜装置
の要部断面弧　第６図は第５図の従来の熱プラズマ発生
方法および製膜装置を用いて大面積基板に皮膜を形成し
ているところの斜視図であ４ １４・・・プラズマ作動°ガ入 １６・・・電極 ）一対の電極 １７・・・電極 １８・・・励磁コイル ）磁見 １９・・・励磁コイノに ３０・・・アー久 ３２・・・熱プラズマ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向する端面を有する一対の電極間でアークを発
   生させ、さらに前記対向する端面でそれぞれ同極となる
   磁界を前記一対の電極に発生させて前記アークを前記一
   対の電極の端面上で移動させ、そのアーク発生領域にプ
   ラズマ作動ガスを供給するとともに、前記アークが所定
   位置に移動した時、前記電極の陰極と陽極とを反転させ
   、アークに作用する駆動力の方向を変えてアークを往復
   移動させる熱プラズマ発生方法。
2. （２）対向する端面を有する、陰極および陽極よりなる
   一対の電極と、その一対の電極の対向する端面に同極と
   なる磁界を発生させる前記一対の電極周囲に設けた励磁
   コイルと、前記一対の電極間の間隙の奥行き方向両端部
   に設けたアーク検出手段と、そのアーク検出手段の信号
   により前記一対の電極の陰極と陽極とを反転させて直流
   を印加する直流電源と、前記一対の電極間の間隙にプラ
   ズマ作動ガスを供給する供給経路と、発生したプラズマ
   中に粉末またはガスを供給する供給口とを具備したこと
   を特徴とする製膜装置。
3. （３）内部に冷却水経路を設け、奥行き方向に所定長さ
   を有し、間隙を有して対向した一対の平板電極と、平板
   電極の下部に設けた非磁性材料の絶縁体と、その絶縁体
   の下部に設けた強磁性体と、前記一対の平板電極間の間
   隙中心上部に設けた奥行き方向に所定長さを有した電磁
   石または永久磁石と、前記一対の平板電極間の間隙の奥
   行き方向両端部に設けたアーク検出手段と、この検出手
   段の信号により前記一対の平板電極の陰極と陽極とを反
   転させて直流を印加する直流電源と、前記一対の平板電
   極間の間隙にプラズマ作動ガスを供給する供給経路と、
   発生したプラズマ中に粉末またはガスを供給する供給口
   とを具備したことを特徴とする製膜装置。