JPS6388783A - 導電性プラズマチャンネルでア−ク点火を行なう装置 - 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】 旦生公互 本発明は、高電圧を使用して減圧された環境の中でアー
ク点火を行なうための導電性プラズマチャンネルを作り
出すための装置に関する。

尖来援帆 上述のごときアーク点火を行なうプロセスは。

ＷＯ（国際公開特許）−８５０３９５４から知られてい
る。この国際公開特許は、ＵＳ−Ａ−３７８３２３１お
よびＵＳ−Ａ−３８３６４５１から知られたプロセスと
は対照的に、アークを点火するための非機械的な手段を
使用したアーク点火を行なう新しいプロセスを開示して
いる。このことは、装置をより小形化することができ、
さらに可動部分がないので装置の信頼性をより向上させ
るという利点を有している。前記ＷＯ−８５０３９５４
に述べられているこの点火は、アークのプラズマ電子点
火と呼ばれている。この点火を可能にするためには、ア
ノードとカソードとを共に近接して設けなければならな
いし、一方、最適圧力は真空中で金属付着させるための
通常の圧力よりも高くなければならない、然しながら、
このプロセスは数多くの欠点を有している。すなわち、
カソードとアノードとが相互に近接しているので、金属
が付着するとカソードとアノードが短絡してしまうとい
う危険を伴なう、それに加えて、基板と共にカソードと
アノードを収容したチェンバー（室）は、アークの点火
期間中は高圧状態下に置がれなければならず、その後、
基板上に真空付着を最適状態で進行させるために、再び
圧力を減少させなければならない。

豆−一煎 本発明は、上述のごとき不都合を回避することを目的と
してなされたもので、上記のプロセスにおいては、アー
クの点火を行なうための状態は、アークが点火されなけ
ればならない部分の間の所定数の点のみにおいて最適化
されるが、これは、もし、関係している状態が圧力であ
るならば、圧力が局部的に増加させられ、および／また
は点火を促進するガスが供給されることを意味している
。

本発明は、上述のプロセスを達成するための装置を提供
することを目的としてなされたもので、この装置は点火
が開始しなければならない点にガスを供給するた”めの
パイプを具備している。

もし、このパイプが補助アノードとして接続されるか、
または、別の補助７ノードがこのパイプの近くに備え付
けられるならば、アノードとカソードの間の間隙を増加
さるることか出来、その結果、短絡の危険性に関係する
上述の問題を解消することができる。

短絡の危険性は、例えば、窒化ホウ素のようなセラミッ
ク材料から作られた絶縁リングをカソードとアノードの
間にはめ込むことによって、さらに軽減させることがで
きる。

また、例えば、電流または電圧の検出を行なう手段を用
いてアーク電流の遮断を検出することによって自動的に
再点火を行わせるようにすることも可能であり、これに
よって、もし、アークが失敗した時に、点火回路を経て
点火パルスを発生させる。

構　　　成 本発明は、以下１図面に示された実施例を参照してより
詳細に説明されるであろう。

第１図は１本発明の一実施例を説明するための構成図で
、補助電極として接続されたパイプと、アークの点火を
行ない、該アークを持続させ且つ安定化させ１点火が失
敗した時にアークを自動点火する電気回路と、アークの
ダイナミックな安定化に影響を及ぼすことなく過度の過
電圧に対して前記電気回路を保護する装置とを有する。

第１図に示した装置は、カソード１と７ノード２を具備
しており、これらの間にアークが発生され、これによっ
て、物質がカソード１からコーティングされるべき基板
３へと移動する。この基板がどの、ように配列されるか
ということは示されていないが、これは当技術分野で知
られた全ての方法で行い得るものである。上述のカソー
ド１．アノード２及び基板３の組み合わせはチェンバー
（図示せず）の中に配置されており、このチェンバー内
で圧力を減少させることができ、その結果、基板３上へ
の材料の付着を最適にすることができる。アークを点火
するために補助電極として作用するパイプ４が設けられ
ている。このパイプを使用して、ガス源７からバルブ５
を経て、カソード１と補助電極４の間の補助点火がアー
クを作り出す点へ、ガスが供給される。カソード１の所
に位置しているパイプ４の端部またはパイプ全体がモリ
ブデンまたはタングステンのような耐熱性材料で作られ
ている。カソード１とパイプ４の間に電圧パルスを印加
すると同時にアルゴンのようなガスを供給して圧力を局
部的に増加させることにより、アークを作り出すための
最適状態を提供することができる。換言すれば、カソー
ド１と補助電極４の間の特別な間隔において、最小限の
電圧パルスが必要とされる１点火電圧に関するパッシェ
ン・バック（Ｐａｓｃｈｅｎ−Ｂａｃｋ）の法則によれ
ば、各ガスに対して、ガス圧力と電極間隔との積の関数
として、最小点火電圧が存在する。この積は、各々のガ
スに対して、関連したパッシェン（Ｐａｓｃｈｅｎ）曲
線から見い出される。この積に対する特別の値において
、最小点火電圧に対する圧力または圧力インパルスは、
その圧力がコーティング・プロセスの圧力に等しいか、
もしくは、コーティングプロセスの圧が悪影響されない
ような方法で１選定されなければならない、それ故に電
極の間隔は。

特定の点火電圧における点火の再現可能性のために必要
とされる安全マージンをもって設定される。

パイプ４の内側は、該パイプからのガスの流れを点火の
ための所望の点に加えることができるように形成されて
いる。そのために、パイプ４の内側は１図示されている
ように１円筒形とすることができまた。ヴエンチュリ・
ノズルとして設計することもできる。

また、この装置は、アークの点火を行なうための電源６
およびカソード１とアノード２の間のアークを持続する
ための電源１９を有している。また５通常の電源９とス
イッチ８が設けられており。

これらはバルブ５を開放し、パイプ４に電圧を印加する
。これは、パイプ４の流出端においてガスをイオン化し
、アノード２とカソード１の間の導電チャンネルを作り
出す、この導電チャンネルが存在している期間中に、電
流は、アーク放電をカソード１とアノード２の間に形成
することができ、かつ、アーク放電を低い電圧で安全に
維持することができるような値にまで、増加させること
ができなければならない、プロセス（短期間の圧力増加
、少量のガス）を最適化するために、導電チャンネルが
存在する時間の継続期間を短くしている。

使用される電気回路の特性は、導電チャンネルの電流を
非常に速く増加させることができるものであり、アーク
を維持するために自己誘導係数の大きいチョークコイル
１３が存在しているにも拘らず、カソード１とアノード
２の間に低電圧で安定なアーク放電を起こすことができ
るものである。

このような方法での動作は、アーク点火の際に、チェン
バー全体がより高い圧力の状態下に置かれたり、特別の
ガスが供給される必要はないが、局部的な圧力増加は十
分なものであり、そのため、アークを作り出したすぐ後
に２基板３上にコーティングを付着するための最適状態
が達成されることを意味している。従って、大きい真空
ポンプは不必要であり、同時に、ガスの量を節約するこ
とにもなる。アノード２上の蒸着材料の好ましくない付
着によるカソード１とアノード２との間の短絡を回避す
るために、カソード１とアノード２の間のギャップは、
この技術（従来技術）の状態による装置におけるギャッ
プよりもかなり大きくなければならない、これは、また
、絶縁リング１０をカソード１とアノード２の間に備え
付けることによって達成することができ、この絶縁リン
グ１０は、窒化ホウ素のようなセラミック材料で作るこ
とができる。少なくとも、タングステンまたはモリブデ
ンでパイプ４の端部を作ることは、パイプの溶解によっ
て該パイプがブロッキング（閉塞）されるので回避でき
ることを意味する。

電源６は、低電力でかつ高い電圧（数百ボルトないし数
キロボルトの電圧）を作り出すことができるように設計
されなければならない、更に、回路の中にはチョークコ
イル１３が設けられており、このチョークコイルによっ
てアークが持続する平均電流を減らしてギャップの限界
をシフトさせるための電流を平滑化するばかりではなく
、アークが失敗（消滅）する傾向を有する場合のアーク
の維持（アークのダイナミックな安定化）をも提供する
。アーク電流が迅速に減少するや否や、アークを安定化
する高い誘起電圧が作り出される。

導電チャンネルが作り出された後で、電流整流器（電源
）１９から供給される電流は迅速に増加しなければなら
ない、コスト的な理由のために、この整流器１９は比較
的低い電圧しか放出することができないので、チョーク
コイル１３の中を流れる電流が、アークが低電圧におい
て安定状態を保つような値に達する前に、長い時間を費
やすことになる。これが、この問題を解決するために多
数の手段が備え付けられる理由である。可能な解決法は
、図示されていない別のｉｔｇによって充電されるコン
デンサーを具備した補助電圧源１７を応用することであ
る。ひとたび導電チャンネルが作り出されると、予め充
電されたコンデンサはチョークコイル１３を経て導電チ
ャンネル上へと放電される。電流の増加は、コンデンサ
ー電圧、チョークコイルの寸法、およびコンデンサーの
容量によって決定される。これは、電流の増加が電源整
流器１９のみによって行われる場合よりも、もっとずっ
と早く電流を増加させる。この補助電圧は低電力で達成
することができる。これは、電源整流器１９が大きな容
量を有する必要がないことを意味し、上述のコスト節約
につながる。補助電圧源を備えることは、また、出力に
直列接続された電流制限抵抗（例えば、完全に制御され
た整流器）をもった電圧源である補助電源回路１８によ
って達成することができる。原則として、８作は時定数
Ｌ／Ｈの減少に基づいている（ただし、Ｌはチョークコ
イル１３の自己インダクタンスの係数で、Ｒは電流制限
抵抗の抵抗値である）、主電源整流器が電流を供給した
すぐ後に、補助整流器がスイッチ・オフされる。この補
助整流器は低い連続したパワーのみを有しているが、そ
れは、非常に短かい時間の間だけ電流を供給するからで
ある。もし必要であるならば、補助電圧源１８は主電源
整流器１９と同じ電圧値を有することができる。この特
別な場合においては、上述したごとく、電流制限抵抗Ｒ
を主電流回路の中に備え付けることができ、補助電源回
路８は不必要となる。これは図の中では抵抗２２として
示されている。ひとたびアークが点火されると、抵抗２
２はスイッチ２３によって短絡される。補助電源回路１
８が使用される場合には、抵抗は零に等しくなりスイッ
チ２３は不必要なものとなる。補助電源回路１７と１８
は別々にまたは結合されて使用されうろことは言うまで
もない。

回路中で発生する過電圧は、過電圧に対する保護装置を
使用することが必要であることを意味する。このため１
例えば、バリスター１４が使用される。アークが中断さ
れた時に、大きな誘導電圧がチョークコイル１３に発生
し、その結果、装置を損傷することもありうるが、この
バリスター１４を使用することによって、これらの過電
圧が制限され、バリスターの応答値より小さい電圧はア
ークの安定化（ダイナミックな安定）のために使用され
る。この保護装置は、また、予め充電されたコンデンサ
ー１５を用いることによって提供されうるものである。

ここで、コンデンサー１５は、大きい磁気エネルギーに
対して普通のエネルギーがチョークコイル１３の中に蓄
積される時に使用される。一方、バリスター１４は磁気
エネルギーのかなり低い蓄積のために使用される。コン
デンサーを使用することによって、コンデンサーのバイ
アス電圧より低いチョークコイル１３の過電圧がアーク
の安定化（ダイナミックな安定）のために使用される。

最終的には、手段１６および２１が過電圧に対する保護
用として使用される。

ここで、半導体系子が制御信号によって導通させられて
チョークコイル１３に並列になる。制御信号はあるレベ
ルより大きい誘起電圧がコイルに発生する瞬間に与えら
れる。これは、一方では、回路全体が過剰誘起電圧に対
して保護され、他方では、設定レベルより低い誘起電圧
をアークのダイナミックな安定化のために使用すること
ができることを意味している。前記半導体は、サイリス
ターまたはトランジスター回路、もしくは、十分に高い
電圧を順方向に遮断することができる当技術分野におい
て知られた他のどんなエレメントであってもよい、この
制御信号に対して、ブレークダウン制御されるブレーク
オーバー特性をもったエレメントを使用することができ
る。後述される手段は、特に、多量のエネルギーがチョ
ークコイル１３の中に蓄積される所で使用することがで
きる。

上述の回路１４，１５および１６は、最適の保護を達成
するために全ての考えられる組み合わせにおいて使用す
ることができる。　゛ また、図面は、アークの失敗を検出する検出回路２ｏが
示されている。これは電流または電圧の検出によって遂
行することができる。アークの失敗後に、点火パルスが
点火回路６によって自動的に与えられる。ここで、アー
クの点火時にチョークコイル１３を完全にもしくは部分
的に短絡するためにスイッチ２１を用いることができる
。これは、アークの点火期間中にチョークコイルの自己
誘導係数が減少させられて、アーク電流の増大を起こす
ことを意味する。ひとたびアークが点火されると、短絡
スイッチが開放され、その結果、チョークコイル１３は
より大きい自己誘導係数をもつようになり、電流のより
良好な平滑化と、アークのより大きいダイナミック安定
化を遂行することになる。

第２図は１本発明の他の実施例を示す図で、この実施例
は、パイプ４の近傍に別の補助電極を配設したものであ
る。この補助電極は、タングステン又はモリブデンで作
られている。而して、この実施例においては、補助電極
に沿って流れるガスが最適なものとされ、また、補助電
極１１の先端も最適な形状に形成されている。

第３図は、第２図のＡ部の詳細図で、該図は、パイプ４
の出口部の特殊の形状と、該パイプによって作られるガ
ス流１２と表わしている。

第２図には１つの補助電極のみが示されているけれども
、いくつかの補助電極をパイプのまわりに配置すること
もできる。更に、補助電極としてまたは他の目的で接続
されたいくつかのパイプ４を装置の中に設けることがで
きる。補助電極１１およびパイプ４は、アークの点火後
に無電圧状態になり、カソード、アノード、およびチェ
ンバーに関して電気的に浮いた状態になっている。

以上に述べた実施例は目下好ましいものであるけれども
、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形例が当
業者によって作り出されうるということは理解されなけ
ればならない。

効　　　果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、アー
クが点火されなければならない部分の間に、所定数の点
においてのみアークの点火が最適に行われる状態を形成
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例を説明するための構成図、
第２図は１本発明の他の実施例を説明するための構成図
、第３図は、第２図のＡ部の詳細図である。 １・・・カソード、２・・・アノード、３・・・基板、
４・・・パイプ、５・・・バルブ、６・・・点火回路、
７・・・ガス源。 ８・・・スイッチ、９・・・電源供給源、１０・・・絶
縁リング、１１・・・補助電極、１２・・・ガスの流れ
、１３・・・チョークコイル、１４・・・バリスター、
１５・・・コンデンサー、１６・・・保護手段、１７・
・・補助電源。 １８・・・補助電源、】−９・・・主電源供給源、２０
・・・検出回路、２１・・・保護手段（スイッチ）、２
２・・・抵抗。 ２３・・・スイッチ。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）、減圧された環境の中で高電圧を使用してアーク
   点火を行なうための導電チャンネルを作り出す装置にお
   いて、点火中に、アーク点火を行なうための状態が、ア
   ーク点火がされなければならない部分の間で所定数の点
   において最適化されることを特徴とする導電性プラズマ
   チャンネルでアーク点火を行なう装置。
2. （２）、圧力が増加されることを特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項に記載の導電性プラズマチャンネルでア
   ーク点火を行なう装置。
3. （３）、点火を促進するガスが供給されることを特徴と
   する特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項に記載の
   導電性プラズマチャンネルでアーク点火を行なう装置。
4. （４）、アーク点火を行なうカソード（１）およびアノ
   ード（２）を具備し、パイプ（４）が点火が引き起こさ
   れるべき点の近くに配置されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項乃至第（３）項のいずれか１項
   に記載の導電性プラズマチャンネルでアーク点火を行な
   う装置。
5. （５）、前記パイプ（４）が補助電極として接続されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第（４）項に記載
   の導電性プラズマチャンネルでアーク点火を行なう装置
   。
6. （６）、少なくとも１つの補助電極がパイプの近くに配
   置されていることを特徴とする特許請求の範囲第（４）
   項又は第（５）項に記載の導電性プラズマチャンネルで
   アーク点火を行なう装置。
7. （７）、絶縁材料のリングがカソードとアノードの間に
   配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第（４
   ）項乃至第（６）項のいずれか１項に記載の導電性プラ
   ズマチャンネルでアーク点火を行なう装置。
8. （８）、前記リングが窒化ホウ素を材料として作られて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第（７）項に記載
   の導電性プラズマチャンネルでアーク点火を行なう装置
   。
9. （９）、チョークコイルがアノード・カソード電源供給
   ラインに直列に接続されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第（４）項乃至第（８）項のいずれか１項に記
   載の導電性プラズマチャンネルでアーク点火を行なう装
   置。
10. （１０）、アークを維持させるために、電源（１９）に
    加えて補助電源（１７、１８）が設けられていることを
    特徴とする特許請求の範囲第（４）項乃至第（９）項の
    いずれか１項に記載の導電性プラズマチャンネルでアー
    ク点火を行なう装置。
11. （１１）、補助電圧源は予め充電されたコンデンサー（
    １５）を具備していることを特徴とする特許請求の範囲
    第（１０）項に記載の導電性プラズマチャンネルでアー
    ク点火を行なう装置。
12. （１２）、補助電圧源は直列に接続された抵抗をもった
    電圧源（１８）を具備していることを特徴とする特許請
    求の範囲第（１０）項または第（１１）項に記載の導電
    性プラズマチャンネルでアーク点火を行なう装置。
13. （１３）、過電圧保護装置が備え付けられていることを
    特徴とする特許請求の範囲第（４）項乃至第（１１）項
    のいずれか１項に記載の導電性プラズマチャンネルでア
    ーク点火を行なう装置。
14. （１４）、過電圧保護装置は、過電圧制御コンポーネン
    ト（１４）を有していることを特徴とする特許請求の範
    囲第（１３）項に記載の導電性プラズマチャンネルでア
    ーク点火を行なう装置。
15. （１５）、過電圧保護装置は予め充電されたコンデンサ
    ーを具備していることを特徴とする特許請求の範囲第（
    １３）項または第（１４）項に記載の導電性プラズマチ
    ャンネルでアーク点火を行なう装置。
16. （１６）、過電圧保護装置はチョークコイルと並列に接
    続しうる手段を具備していることを特徴とする特許請求
    の範囲第（１３）項乃至第（１５）項のいずれか１項に
    記載の導電性プラズマチャンネルでアーク点火を行なう
    装置。
17. （１７）、アークを遮断したり再スタートさせたりする
    ための検出手段（２０）が設けられていることを特徴と
    する特許請求の範囲第（４）項乃至第（１６）項のいず
    れか１項に記載の導電性プラズマチャンネルでアーク点
    火を行なう装置。