JPS63157874A - 直管型管材の内面に薄膜をコ−トする方法とその装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は直管型管材の内面に薄膜をコートする方法とそ
の装置に関し、より詳細には、直管型素材ガラス管の内
面にレーザ・ビームを用いて、たとえば蛍光灯瞬間点灯
膜をコートする方法とその装置に関する。

〔従来技術〕

瞬間点灯を目的として、蛍光灯内面にコートされる導電
膜としては、 １）耐熱・耐プラズマ性が高いこと、 ２）低抵抗膜であること、（数にΩ／ｓｑ以下）３）均
一性が良好であること、 ４）灯管の両端部に着膜しないこと が望まれる。

現在、１）、２）については、ＳｎＯ□膜を使用し、実
用上の要求は満されている。しかし、蛍光灯にとって、
一層重要なのは、３）、４）である。

すなわち、蛍光灯の管軸方向の膜抵抗分布が不均一であ
ると、照明ムラや点灯が不安定になる。また、素材ガラ
ス管の両端まで、ＳｎＯ□膜を着膜すると、正常に起動
電圧がかかりにくくなり、点灯が遅跣する。その上、Ｓ
ｎＯ□膜で覆われた管端への電極ソケットの溶着が困難
となる。

従って、理想的な管内点灯膜コーティングは、管の両端
から、故国は入った所までに留めたものとなる。そこで
、管端部に着膜することなく、発光郡全体に亘って均一
な導電膜をコーティングすることが、生産上是非共必要
となる。

ところで、現在の生産工程の主流は、スプレー法による
連続方式である。すなわち、素材ガラス管は、コンベヤ
ーで運ばれ、トンネル炉で数百度に加熱され、速やかに
コーティング位置に達する。ここには、原料ガス噴射レ
ズルと排気用吸引管から成る一組のスプレー装置が備え
である。従って、順次原料ガスを、この高温のガラス管
内に、０．５秒程度噴射して、量産効果をあげている。

しかしながら、この形式の連続生産工程による限り、内
面コーテイング膜の膜厚・組成・抵抗値の不均一分布は
必ず発生する。それは、吹き込まれた原料ガスは、進行
するに従って、濃度が下り、反応生成粒子や廃ガスが増
加して行くためである。また、原料ガスは、必ず管端を
通過しなければならないので、管端着膜は避けられない
。

また、素材ガラス管の連続加熱のため、大きな床面積と
、長い加熱時間と数十ＫＷを超える大電力を要する。ま
た、原料ガスは腐蝕・有害性が強く、装置・施設の蝕損
や、人体障害を起す怖れがある。

そこで、化学的に除去するエツチング法、コーティング
に先立って、ＴｉＯ□粉末を管端に塗布・剥離するマス
キング法、原料薬液を入れた長いボートを、毎回挿入し
、必要区間に気化・蒸着するボート法、或いは、ノズル
と排気管を管の両端から、所要長さ差し込む挿入法等、
相継いで考案されたが、生産速度が伴わないため実用さ
れない。

〔発明の目的〕

本発明は蛍光灯内面に導電膜をコートする方法の主流と
なっている上記従来の連続スプレーｌ法の欠点を抜本的
に改善することを目的とし、レーザ光を用いることによ
りコーテイング膜の均一化、管端着膜の防止と併せて、
工程の小規模化、高速化、省エネルギー化、無公害化を
達成せんとするものである。

〔発明の構成〕

上記目的を達成する本発明の直管型管材の内面に薄膜を
コートする方法は、レーザ・ビームと薄膜形成用原料ガ
スを直管型管材内の近接した位置から同一方向の該管材
管壁に向けて噴射させながら該管材を往復移動させるこ
とを特徴とするものである。

また本発明の直管型管材の内面に薄膜をコートする装置
は、直管型管材と該管材内に挿入可能なレーザ・コーテ
ィング・アームとから成り、該管材を該レーザ・コーテ
ィング・アームに対して往復運動可能にすると共に、該
レーザ・コーティング・アームをレーザ・ビームを伝送
する中空管と、これに沿って取付けた薄膜形成用原料ガ
スを輸送する細管とから構成し、該中空管および細管の
先端部側壁にレーザ・ビーム照射孔および原料ガス噴射
孔を夫々設けたことを特徴とするものである。

まず本発明の薄膜コート装置を図面に示した実施例によ
り説明する。第１図Ａはこの装置におけるレーザ・コー
ティング・アームの構造概要図である。

このコーティング・アーム２は、１本の中空管、たとえ
ば金属製の中空ビーム管４とその両側に２本の細い原料
ガス噴射管１０を第１図Ｂ、第１図Ｃの如く密着して取
付け、管材、たとえば蛍光灯ガラス管１２への出入を容
易にしたものである。

先ず、ＣＯＷレーザ発振装置１の光ビーム射出部に、こ
のビーム管４を取付ける。ビーム管４の全長は、コーテ
ィングを施す蛍光灯ガラス管１２より、常に長くなけれ
ばならない。また、ビーム管２は強度の許す限り、出来
るだけ細くする必要がある。しかし、使用するビーム光
の太さを下延ることは好ましくなく、従って、少なくと
も直径１０鶴以上であることが好ましい。更に、ビーム
管の内面は、直進ビームの消失を防止するため、鏡面に
仕上げ、金膜コーティングを施こすことが好ましい。

また、このビーム管の先端部側壁には、照射孔９が開け
られており、中には、４５°の傾斜姿勢で照射ミラー８
、好ましくは金メッキをした照射ミラーが取付けられて
いる。従って、ビーム管４の中を直進して来たレーザ光
は、直角又はそれに近い角度で反射され、矢印りの方向
に照射孔９から飛び出し、ガラス管１２の内面を直射・
加熱する。なお、ＣＯ□レーザ発振装置１との接続部に
はシャッター室３を設け、ビームシャッター５、ビーム
・レンズ６、パージ・ガス端子７が取付けられている。

このパージ・ガスは、Ａｒ、　ＮＺ或いはＨｅ等で、ビ
ーム管内の汚染を防止し、照射ミラー８を冷却するため
、常時先端へ向けて適量流すのが好ましい。

一方、ビーム管２の両側に取りつけた２本の原料ガス噴
射管１０．１０の先端部側壁には原料ガス噴射孔Ｐ、Ｑ
が設けられ、この噴射孔Ｐ、　　Ｑは、一方のＰは照射
孔９の位置より、僅かに長く、他方のＱは逆かに短かく
する。これはレーザ照射とガラス面の温度上昇との間に
若干（０，５秒以下）の時間遅れがあるためである。ま
た、どちらの噴射孔Ｐ、Ｑも、レーザ・ビームが描く加
熱線上にガスを送るべく、第１図Ｂ、第１図Ｃの如く、
内方へ傾けられている。

この２本の原料ガス噴射管１０．１０は、シャッター室
３の近くで、単管に繋がり、原料ガス源に至る。原料ガ
ス源としては、原料蒸気発生器、反応ガス及びキャリア
・ガス・ボンベからなる通常のＣＶＤガス系を用いる。

次に上記した薄膜コート装置を用いての薄膜コート方法
について説明する。このコート方法は水平型コート方法
ａと垂直型コート方法すと二分される。

ａ）水平型コート方法 第２図に管材としてガラス管を用いる場合の水平型コー
ティング工程の全体を示す。レーザ・ビーム・コーティ
ング・アーム２と素材ガラス管走行系１５．１６を、コ
ンベヤー１８を挟んで、相対して、水平に設置し、その
周辺及び空間に、素材ガラス管ストッカー１７、ドラフ
ト・ユニット１９、原料ガス系１３．１４を配置する。

従って、工程全体が極めて、小規模化、簡易化される。

コーティングを行なうには、レーザ・ビームと原料ガス
を発生し、ストッカー１７の素材ガラス管を走行台１５
に乗せ、これを駆動装置１６により、矢印Ｍで示すよう
にコーティング・アーム２を呑込み、吐出す如く、水平
に往復運動をさせる。この際、コーティング・アーム２
からの原料ガスの噴射は、原則として、レーザ・ビーム
が先行するが如く行なう。すなわち、コーティング・ア
ーム２が、ガラス管１２内に侵入する時は、第１図Ｂの
噴射孔Ｂから、また、脱出に際しては噴射孔Ａから噴射
する。すると、ガラス管１２の内面では、レーザ・ビー
ムによる表面加熱と膜蒸着とが同時に起り、コーティン
グが遂行される。走行台１５の水平駆動には、空気圧或
いは電動等の方式による。若し、素材ガラス管に回転成
いは定振幅振動等を与えれば、一様な連続膜や螺線・波
形膜をコートすることが出来る。

走行台１５の速度、すなわち、コーティング速度は、コ
ーティングしようとする膜厚、レーザ・ビームの強度、
原料ガスの濃度と深い関係がある。発明者等の実験によ
ると、一定原料ガス濃度の下で、一定厚さの膜をコーテ
ィングする場合、走行速度はレーザ・ビーム出力に比例
した。例えば、後述の実施例と類似の原料ガス濃度で、
厚さ１５００人のＳｎＯ□導電膜をコートしたが、レー
ザ出力を１００．２００．５００．　　ＩＫＷと増加す
ることにより、走行台速度を２４ｃｍ／秒から７３．１
６０゜２９０ｃｍ／秒と増加することが出来た。

従って高出力のレーザを使用すれば、１ｍを超える長尺
の蛍光灯管を、秒単位、或いはそれ以下の速さでコーテ
ィングすることが可能である。しかも、何等の補助加熱
をも必要としない。

すなわち、最小限の熱エネルギーで、高速度のコーティ
ングを実施することが出来るのである。

この時、レーザ・ビーム強度を電気的に、微細に制御・
変調すれば、管内部の任意の区間に、所望の厚さに変調
コーティングすることも可能である。また、走行台上の
素材ガラス管に、適宜回転成いは一定周期の振動を与え
れば、螺締とかジクザグ膜をコートすることも可能であ
る。

すなわち、自動化による高機能性を発揮させることが出
来るのである。

因に、走行台１５が疾走中、鋭いレーザ・ビーム照射に
よる高温スポット　（推定１０００℃以上）が、素材ガ
ラス管の内面を切り裂くように走る。

この為、ガラス管の破裂が懸念される。しかし、この熱
破壊力は、瞬時に、ガラス管の周囲を廻って、相殺応力
となり、破壊を阻止する。すななわ、ガラス管の、かか
る好都合な力学条件が、１ル レーザ光による点灯膜の高速度コーティングを可能なら
しめるのである。

ｂ）垂直型コート法 上記、水平走行型法で、長尺ガラス管（１ｍ以上とする
）をコートするには、コーティング・アームに附属する
ビーム管もガラス管に対応して、長尺になり、撓みを生
じやすい。その結果、稀に、往復運動中に、素材ガラス
管と衝突したり、差し違えたりすることが起る。

かかる事態を完全に解消するには、第３図の垂直走行方
式が有効である。すなわち、レーザ発振装置１からのレ
ーザ・ビームを反射ミラー５で、垂直に、下向きに転向
し、同じく垂直に保持したレーザ・ビーム・コーティン
グ・アーム２に対し、走行台１５を垂直に上下駆動する
。

かくして、長尺管の内面コーティングに対して万全を期
することが出来る。

本発明での使用レーザは、原料ガスに対して、光分解及
び熱分解を誘発するものであれば、自由に利用出来る。

それ等の代表的なものとして、各種エキシマ・レーザ（
波長１９ｌ９３−３００ｎ、　Ｎｚ（３３７ｎｍ）、　
Ｈｅ−Ｃｄ（４４１，３２５ｎｍ）、　Ａｒ（５１４−
３６８ｎｍ）。

Ｋｒ（６４７−３５６ｎｍ）、　Ｃｕ”″（５７８ｎｍ
）　、　　ルビ（６９４，３４７ｒ＋ｍ）、　ＹＡＧ（
１，０６μｍ）、　Ｃｏｔ（１０，６Ｉｎ）レーザ等が
挙げられる。

また、光・熱分解の対称とされる原料物質は、金属のハ
ロゲン化物（ＭＣ１ｎ、但しＨは金属原子）。

水素化物（ＨＭｎ）　、アルキル化合物（（ＣｎＨｚｎ
　−＋）Ｍ）＋カルボニル化合物（（Ｃｏ）　ｎＭ）　
、カルボン酸塩（（Ｃ００）　ｎＭ）　、アミン化合物
（（ＨＮ）ｎＭ）、　イソニトリル化合物（（Ｎ＝Ｏ）
Ｍ）、及び０□、　１１１２０．　Ｇｏ□、Ｈ２０□、
　ＮＨｆｆ。

ＨＩ　Ｆ等の軽原素ガス等、通常的に、豊富に存在する
。

更に、コーティングされる直管型管材としては、一般金
属材料、半導体、セラミックス、ガラス、等特別に制限
を受けるものはない。

〔発明の効果〕

本発明によれば下記の効果を奏することができる。

（イ）本発明は加熱源として、レーザ・ビームを使用す
る。これによって、素材加熱と膜薄着を同時化し、コー
ティング自体を最小限の熱エネルギーで遂行する低温型
に転換する。従って、多量の電力や、冗長な加熱時間や
大きな床面積を必要とする連続加熱装置は不用となる。

例えば、数十ＫＨの連続加熱炉は、出力ＩＫＷのＣＯ□
レーザ発振装置で置換することが可能であり、電力消費
は、発振装置の効率を勘案しても、数分の−に節減され
る。すなわち、製造工程は、省エネルギー型になると同
時に小規模化される。

（ロ）コーティングの高速化と機能化が可能である。本
発明では、原料ガスを高温度のレーザ・ビームの照射点
へ集中噴射するので、異常に速い膜成長を起すことが出
来る。屡々、数千人／秒を超える。また、レーザ光は電
気的・光学的に敏捷な制御性を有するので、管内導電膜
のパターニング、膜厚・抵抗値の変調等コーティングの
機能化が達成される。

（ハ）均一な成膜能力を有すること。すなわち、レーザ
・ビームと原料ガス・ジェットは−緒に行動するので、
長尺管内でも、常に膜厚、電気抵抗値の均一なコーティ
ングが可能である。

（ニ）際立った原料節減効果である。すなわち、必要限
度の原料ガスをレーザ照射点へ集中して供給する。従っ
て、消費絶対量は激減し、消費効率は向上する。

（ホ）無公害性の高い製造環境の確保があげられる。瞬
間点灯膜用の原料は、一般に、腐食性と毒性が強い。本
発明では、レーザ加熱系の清浄性と原料消費絶対量の小
さいことから、装置の耐久性と生体の安全性は高い。

（へ）本発明は、破壊性の大きい管材（例えば、ガラス
、セラミックス）の自己熱破壊力吸収作用を巧みに利用
したものである。従って、蛍光灯に限らず、太陽熱吸収
管、熱交換パイプ、流体輸送管等、各種パイプ部品の内
壁及び底付き容器の内面に対する耐熱・耐摩耗・耐食膜
コーティング技法として、広く活用し得るものである。

また、コーテイング膜材料としては、各種の金属及び無
機・有機化合物を普遍的に利用し得るものである。

以下、本発明の実施例を述べる。

〔実施例〕

実施例１ 先ず、第１図Ａに示すレーザ・コーティング・アーム２
を作製し、出力５００４１のＣＯ２レーザ発振装置１の
レーザ・ビーム射出孔に取付けた。

取付部のシャッター室３には、電子式ビーム・シャッタ
ー５とビーム収束用のＺｎ５ｅレンズ６を収納した。ま
た、その室壁には、パージ・ガス導入ポート７を用意し
た。ビーム管４は、外径１４寵、内径１２ｎ１長さ９０
０　ｍｍのＳＵＳ管で、管軸に沿うで、２分轄可能であ
る。因みに、この分轄面を幅約６Ｈの鰭フランジ１１と
し、ビーム管４に片持ち保持力を持たせた。ビーム管４
の内面は、鏡面金メツキ仕上げである。また、先端から
３０ｍのところに、直径１１ｍの金メツキ照射ミラー８
を４５℃傾斜した上向き姿勢で固定し、その直上に、直
径８１のビーム照射孔９を介設置６ した。更に、ビーム管４の両側には直径４鶴の原料ガス
噴射管１０．１０を溶着し、第１図Ｂの如く、各々原料
ガスの噴射孔Ｐ、Ｑの位置を照射孔９の前後に約３０ｗ
ずらせた。噴射孔の孔径は１ｔ１である。この２本の原
料ガス噴射孔１０．１０は、シャッター室３の近くで、
１本の管にまとめて、第２図の如く、原料ガス源１３に
繋いだ。

原料ガス源１３は（ＣＨ３）　ｚｓｎｃ　４１　ｚ蒸気
発生器、ｏ２ガスボンベ及びそれ等を搬送するＡｒキャ
リヤ・ガスボンベで構成した。パージ・ガス導入ロアも
、同様に、Ｎ２ボンベ１４に接続した。

一方、エヤシリンダ装置１６をレーザ・コーティング・
アーム２と対向して、水平に設置し、そのシリンダ・シ
ャフトの先端部に、蛍光灯ガラス管（外径３２ｎ、長さ
６００　ｎ）を担走する走行台１５を取付けた。また、
走行台１５が往復駆走する距離を１ｍに設定した。

更に、走行台１５の上方には、素材ガラス管を収容する
ストッカー１７を設け、必要に応じて最高３００℃まで
予備加熱する機能を付与した。同しく、コーティング・
アーム２の上方には、ドラフト・ユニット１９を懸吊し
、発生する廃ガスを速やかに排除した。

かくして、レーザ発振装置１を始動し、シャッター室３
内のＺｎ５ｅレンズ６で、レーザ・ビームを直径４ｆｌ
に絞った。同時に、Ｎ２パージ・ガスと原料ガスを、そ
れぞれ２．５１ｔ　／ｍｉｎ　（３ｋｇ／ｄ）及び２．
０　（１／ｍｉｎ　（２ｋｇ／　ＣＩＡ）の割合で送っ
た。また、これに呼応して、素材ガラス管を５０本充填
したストッカー１７から、予熱することなく、１本づつ
走行台１５に送り、レーザ・コーティング・アーム２に
対して、順次往復運動を繰返えし、全数コートを終了し
た。所要時間は約２．５分間（約３．１秒／本）であっ
た。但し、レーザー照射と原料噴射は、自動装置により
、走行台１５の往路のみに行なった。尚、原料には、導
電性附与のため、２〜３％のＳｂＣｌ−３を添加した。

この結果、素材ガラス管の全長に亘って、色相黄色、線
幅５．０　±０．３　ｍ、厚さ２０００　＋　８０人、
全抵抗２２−２４　ＫΩの高精度なＳｎＯ□線状膜を、
極めて再現性よく被覆した。第４図に、この段階に於け
る膜厚Ｂ、線幅Ａ、電気抵抗率Ｃについての分布の一様
性を例示した。

更に、レーザ出力及び原料ガス流量を倍増することによ
り、膜厚は３８００人に増加すると共に、所要時間を２
分の１近くに短縮することが出来た。また、コーティン
グを往復して繰返したところ、膜厚導電率は回数に比例
して増加したが、線幅は次第に肥大し、輪郭は不鮮明に
なった。

線幅肥大率は凡そ０．７ｍｍ／回であった。

次に、原料ガス噴射量を、１．８１７ｍ１ｎに一定に保
ち、素材ガラス管の移動に対し、レーザ・ビームの強度
をプログラム制御することにより、第５図、曲線りの如
き、周期的抵抗分布を持つ線状膜を作製した。線幅は約
５鰭で、膜厚は凡そ７００〜３０００人の間で変化した
。そこで、膜厚を一定にし、膜抵抗率のみを変調するた
め、噴射原料ガスへ、５ｂｃｉ３蒸気を変調添加した。

この時は、素材ガラス管の走行速度を１７１０以下に減
じなければならなかった。曲線Ｅは瞬間点灯蛍光灯に要
求される最適抵抗分布を実現した例である。すなわち、
両管端部には、膜の付着がなく、生地が露出しており、
管内部へ向って、放電安定化の高抵抗勾配域Ｇが形成さ
れている。

この分布Ｇは、管端部がコーティング・アーム２の先端
を通過する際、レーザ・ビームの強度を迅速・精密に自
動制御することによって形成した。走行台１５の速度は
約１　ｍ／ｓｅｃ、ビーム強度は６０〜３６０Ｗの間で
自動的に変調した。

尚、本実施例から、以下の事が明らかとなった。レーザ
・ビーム・コーティングに必要な原料ガス流量は、数（
１／ｍｉｎ以下で、従来型スプレー法が、２０　７０　
Ｉｌ／ｍｉｎの流速で噴射されるのに較べ、原料消費は
、凡そ数分の１乃至１０の１に節減される。また、室温
の素材ガス管に対し、直接コーティングを行なったが、
約１０％の破損が生じた。しかし、ストッカー１７で２
００℃の予備加熱を行なったところ、２−３％に減少し
た。

実施例２ 第３図の如く、垂直走行型コーティング工程を構成した
。水平に伝送したＣＯ□レーザ・ビームを、反射ミラー
２１により垂直に転向した。該ミラーの寸法は、直径２
５鶴、厚さ１０ｍ、曲率半径１０ｍで、ＳＯ５研磨面に
金メッキを施し、４５゜下向きに取付けた。垂直コーテ
ィング・アーム２０の全長は１６００ｍｍで、その断面
構造は、実施例１同一とした。

かくして、長さ１２０Ｏｎ、直径３２ｍの４０ｗ型蛍光
灯ガラス管２６０本に対し、連続コーティングを行った
が、当該長尺ガラス管と長尺の垂直コーティング・アー
ム２０との相対運動は完全に円滑化され、１回の衝突・
差違えも生じなかった。

また、処理速度、膜性能等も、実施例１と同等の結果を
得た。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは、本発明におけるレーザ・コーティング・ア
ームの実施例を示す構造概要図、第１図Ｂおよび第１図
Ｃはその要部説明図、第２図は、水平走行型コーティン
グ方法の説明図、第３図は、垂直走行型コーティング方
法の説明図、第４図は、ガラス管内面コーテイング膜の
膜厚、線幅、膜抵抗値の均一性を示す図、第５図は、ガ
ラス管内面に変調して形成した抵抗値分布曲線を示す図
である。 １・・・レーザ・コーティング・アーム、４・・・中空
管、９・・・レーザ照射孔、１０・・・細管、１２・・
・直管型管材、Ｐ、Ｑ・・・原料ガス噴射孔。 工業技術院長の復代理人 信友株式会社の代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ・ビームと薄膜形成用原料ガスを直管型管材
   内の近接した位置から同一方向の該管材管壁に向けて噴
   射させながら該管材を往復移動させることを特徴とする
   直管型管材の内面に薄膜をコートする方法。 ２、直管型管材と該管材内に挿入可能なレーザ・コーテ
   ィング・アームとから成り、該管材を該レーザ・コーテ
   ィング・アームに対して往復運動可能にすると共に、該
   レーザ・コーティング・アームがレーザ・ビームを伝送
   する中空管と、これに沿って取付けた薄膜形成用原料ガ
   スを輸送する細管とから成り、該中空管および細管の先
   端部側壁にレーザ・ビーム照射孔および原料ガス噴射孔
   を夫々設けたことを特徴とする直管型管材の内面に薄膜
   をコートする装置。