JP2595365B2 - 熱プラズマジェット発生装置 - Google Patents

熱プラズマジェット発生装置

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JP2595365B2 JP2075211A JP7521190A JP2595365B2 JP 2595365 B2 JP2595365 B2 JP 2595365B2 JP 2075211 A JP2075211 A JP 2075211A JP 7521190 A JP7521190 A JP 7521190A JP 2595365 B2 JP2595365 B2 JP 2595365B2
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【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、溶射技術は例えば耐摩耗、耐絶縁膜などとして
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
使う電気式溶射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図はプラズマ溶射装置の従来例を示した
ものである。水冷された陰極1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、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、また噴出口7
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CVD皮膜を一活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 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。
作用 本発明では、陰極と陽極のエンドレス端面間でアーク
を発生させると共に、そのアークを両電極に設けた励磁
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溶射あるいはCVDによる製
膜を大面積にわたって一活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1図奥行き方向に偏平なエンドレス構造
である。また両電極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。またこの偏平な両電極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中に供給する供給ポート23
が設けられている。両電極16、17には電源24によって直
流電流が印加されている。第2図のA−A断面図に示す
ように両電極16、17はその端面がエンドレスな構成をし
ている。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′はその長手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、以下にその動作を説明する。
まず陰極16と陽極17間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、いわゆるフレミングの左手法則に
よってアーク26に駆動力が掛かり、アーク26はエンドレ
スな両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。
F∝B×I×L 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。
この様にして発生した対向する電極で形成される領域
25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により供給する。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、エネルギ密度が上昇し超高温の熱プラズマ22とな
り噴出口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
ポート23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ポート23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。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
置によれば、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、一活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、製膜時には膜厚
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
間上部よりアーク26に噴出させる構成としてもよい。
第4図は関連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開口した陰極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。また陰極31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断面矢詞図である。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。
以上のように構成された関連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
32間に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、その時アーク電流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は両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、溶射の場倍には金属、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掛さ
れた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ガスが供給され、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。
発明の効果 以上説明したように、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射製膜あるいは熱
プラズマCVD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
が大なるものである。
【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図は関連にお
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……熱プラズマ
ジェット、27、38……アーク、23……粉末、ガス供給ポ
ート。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】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。
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