JPH10125495A - 壁密着型電極を使用した位相制御多電極型交流放電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】放電電極を複数の電極片に分割して位相制御多
出力交流電圧を印加する位相制御多電極型交流放電電極
の形状と配置を工夫することにより、電極の冷却効率を
高め、放電面積を大きくし、磁石の利用を容易にする。 【解決手段】６片の断面円弧形分割電極２を縦方向に僅
かな間隙２ａを空けて円周状に配列し、絶縁シート３を
介して円筒状の真空容器４の内壁に密着して固定する。
真空容器４は水冷式二重管を形成し、冷却水５を流して
真空容器４の内壁に密着する６片の分割電極２を冷却す
る。真空容器４の外壁には、隣り合う極性を逆にして配
列した６本の棒状磁石６を、間隙２ａに沿って密着して
固定し、さらにその外周を円筒状の磁気シールド管７で
覆う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高密度で大容量の
弱電離低温プラズマを効率的に安定して発生する新しい
放電装置に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】低ガス圧力下の弱電離
低温プラズマにおいて、中性ガス温度が室温程度である
ことが、種々の材料に熱的な変形、変質を伴わせずにプ
ラズマによる処理を可能ならしめている。この特徴は、
繊維やプラスチックなどの特に熱に弱い材料の処理や表
面への被膜形成において、大変有用である。

【０００３】低温プラズマを利用するこれら被膜形成技
術において、低温プラズマの高密度化は重要な位置を占
める。高密度プラズマが得られれば、より低い圧力下で
の放電維持が可能となり、各種被膜の膜質改善や堆積速
度の向上などを図ることができるからである。

【０００４】そこで従来では、マグネトロン放電装置に
見られるように、低温プラズマを高密度化するため、別
途に磁界を加えることが行われていた。マグネトロン放
電装置は、電界と直交する磁界を加えることで電子にド
リフト運動を起こさせ、ガス原子との衝突確率を上げて
イオン化効率の向上を意図するものであり、これによっ
て低圧力下でも安定して放電を維持することが可能とな
り、被膜形成の高速化と低温化を実現する。

【０００５】このマグネトロン放電装置を含め、従来の
放電装置における低温プラズマを発生させるための電極
の形状や配置は、応用対象の要求によって異なるが、形
状が平板あるいは円柱状の電極群を円周あるいは直線状
に配置するのが一般的であった。

【０００６】これらの電極は、その形状や配置のために
冷却効率が低く、あまり冷却されないので大きなパワー
を投入することができず、放電面積も小さいので電極間
に高密度なプラズマを広範囲にわたって均一に発生させ
ることが困難であった。

【０００７】マグネトロン放電装置の場合は、電極に装
着した磁石が放電によって電極が加熱されても、磁石の
温度をキュリー温度以下に保つように冷却する必要があ
る。また、磁石を移動させて円周状に配置した電極の外
周を回転させたり、直線状に配置した電極の背後を摺動
させるとプラズマを均一化する効果があるが、従来の電
極に磁石を装着する方法では磁石を移動させることが困
難であった。

【０００８】そこで本発明は、放電電極を複数の電極片
に分割して位相制御多出力交流電圧を印加する位相制御
多電極型交流放電電極の形状と配置を工夫することによ
り、電極の冷却効率を高めること、放電面積を大きくす
ること、磁石の利用を容易にすることなどを目的になさ
れたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は以下のように構成した。

【００１０】すなわち、放電室の内壁に複数の電極片を
薄膜状の絶縁体を介して密着して固定し、前記電極片を
冷却する冷却手段と、前記電極片表面に多極磁場を形成
して放電を閉じ込める多極磁場形成手段と、を前記放電
室の外周に設け、しかして各々の前記電極片に位相制御
多出力交流電源を供給してなる位相制御多電極型交流放
電装置である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
実施の形態について説明する。

【００１２】図１と図２に、本発明を実施した円筒形放
電装置の部分横断面図（図２のＡ−Ａ´面）と部分縦断
面図（図１のＢ−Ｂ´面）を示す。放電装置１は、６片
の断面円弧形分割電極２を縦方向に僅かな間隙２ａを空
けて円周状に配列し、絶縁シート３を介して円筒状の真
空容器４の内壁に後述する方法で密着して固定する。

【００１３】真空容器４は水冷式二重管を形成し、冷却
水５を流して真空容器４の内壁に密着する６片の分割電
極２を冷却する。真空容器４の外壁には、隣り合う極性
を逆にして配列した６本の棒状磁石６を、間隙２ａに沿
って密着して固定し、さらにその外周を円筒状の磁気シ
ールド管７で覆う。

【００１４】６片の分割電極２には、位相が１／６周期
ずつずれていて振幅が同じ大きさの６個の交流電源（図
示しない）を給電線（図示しない）を介して後述する方
法で接続する。

【００１５】本発明の放電装置は以上のような構成で、
真空容器４内を排気装置（図示しない）によって真空排
気し、６片の分割電極２に１ｋｗ以下の多相交流を給電
して放電電気エネルギーを供給する。これにより、図３
に示すように、真空容器４の内壁に沿って安定な交流グ
ロー放電が生じる。

【００１６】図３は、本発明の円筒形放電装置の部分横
断面（図２のＡ−Ａ´面）における磁力線と放電（プラ
ズマ）の閉じ込めの様子を示す。図中の矢印付き直線お
よび上下方向を示す記号は、分割電極２中央部の近傍に
おける円周方向の磁場と径方向の電場の向きを表し、ａ
は放電（プラズマ）領域を表す。隣り合う磁石６の極性
が反対なので、磁力線が分割電極２を覆うようにでき
る。従って、放電は各々の分割電極２表面近傍の中央部
に閉じ込められる。分割電極２近傍における交流電界の
向きは、対辺の位置にある分割電極２との電位差が最も
大きいので、分割電極２表面に略垂直な正あるいは負の
方向（径方向）になる。

【００１７】図４と図５に、本発明を実施した他の例と
して、角筒形放電装置の部分横断面図（図５のＡ−Ａ´
面）と部分縦断面図（図４のＢ−Ｂ´面）を示す。放電
装置１は、角筒状の真空容器４の内壁の対向する二面
（電極面）に、それぞれ４片の平板状分割電極２を僅か
な間隙２ａを空けて、縦方向に直線状に配列し、絶縁シ
ート（層）３を介して真空容器４の内壁に後述する方法
で密着して固定する。

【００１８】真空容器４の電極面は水冷式二重壁を形成
し、冷却水５を流して真空容器４の内壁に密着するそれ
ぞれ４片の分割電極２を冷却する。真空容器４の電極面
外壁には、隣り合う極性を逆にして配列したそれぞれ５
本の棒状磁石６を、電極面両端と間隙２ａに沿って密着
して固定し、さらにその外側を磁気シールド板７で覆
う。

【００１９】８片の分割電極２には、位相が１／８周期
ずつずれていて振幅が同じ大きさの８個の交流電源（図
示しない）を給電線（図示しない）を介して後述する方
法で接続する。

【００２０】本発明の角筒形放電装置は以上のような構
成で、真空容器４内を排気装置（図示しない）によって
真空排気し、８片の分割電極２に１ｋｗ以下の多相交流
を給電して放電電気エネルギーを供給する。これによ
り、図６に示すように、真空容器４の内壁に沿って安定
な交流グロー放電が生じる。

【００２１】図６は、本発明の角筒状放電装置の部分横
断面（図５のＡ−Ａ´面）における磁力線と放電（プラ
ズマ）の閉じ込めの様子を示す。図中の矢印付き直線お
よび上下方向を示す記号は、分割電極２中央部の近傍に
おける磁場と電場の向きを表し、ａは放電（プラズマ）
領域を表す。隣り合う磁石６の極性が反対なので、磁力
線が分割電極２を覆うようにできる。従って、放電は各
々の分割電極２表面近傍の中央部に閉じ込められる。分
割電極２近傍における交流電界の向きは、対辺の位置に
ある分割電極２との電位差が最も大きいので、分割電極
２表面に略垂直な正あるいは負の方向（Ｘ方向）にな
る。

【００２２】以下に、放電装置の適用対象に合わせた分
割電極２の形状と配置について説明する。図７に、分割
電極２のいろいろな形状例を示す。図（ａ）は、薄い板
状の分割電極２で、放熱効率が良いので、放電による電
極の加熱を極力抑えるときに有効である。図（ｂ）は、
一側を軸線に平行な平面で切除した円柱の分割電極２
で、電極の放電面積を大きくしたり、隣接する電極間の
放電を積極的に利用するときに有効である。図（ｃ）
は、表面に多数の小突起を形成した分割電極２で、小突
起の先端に電界が集中するので、例えば雰囲気ガス圧力
がかなり低いか高いときなど、放電が発生しにくい条件
のときに有効である。

【００２３】図８に、分割電極２のいろいろな配置例を
示す。図（ａ）は、同形の薄い板状の分割電極２を等間
隔に配置する例で、放電およびプラズマ生成が各電極で
同じように行われるので、電極を円周状に配置するとき
に有効である。この場合、円周方向から中心に向けて一
様な放電が発生する。図（ｂ）は、同形の薄い板状の分
割電極２を不等間隔に配置する例で、両端部が密で、中
央部を疎に配置する。電極を密に配置した部分でプラズ
マ生成が盛んになるので、電極を平面状に配置するとき
に有効である。この場合、等間隔に配置するときに比
べ、両端部におけるプラズマ密度が高くなるので、プラ
ズマが平面上に一様に分布するからである。

【００２４】以下に、分割電極２を真空容器４の内壁に
密着して固定する方法について説明する。密着方法の第
一は、接着剤による方法である。この方法は、接着剤を
使って絶縁シート３を真空容器４の内壁に貼付し、次に
また、接着剤を使って分割電極２を絶縁シート３の上に
貼付する方法である。この方法は、制作が簡単なことが
利点であるが、接着剤の耐熱温度が高くない、減圧下や
高温下でガスを放出する、剥すのが難しいので分割電極
２や絶縁シート３の一部に不具合が生じても全部を交換
することになる、などの欠点がある。

【００２５】真空容器４の内壁に絶縁シート３や分割電
極２を直接貼らずに、ベースとなる薄い金属板などに一
旦貼付したものを、圧接リングなどを使って真空容器４
の内壁に密着して固定してもよい。この場合は、電極部
の着脱が可能なので、電極の数、形状、配置などが異な
るいくつかのセットを用意しておけば、用途に応じて電
極部を交換できる。

【００２６】接着剤による方法の工作上の難点は、接着
剤が固まるまで所要の圧力をかけて形を保持する機械的
工夫と、これらの機械装置を含めた電極部全体を恒温槽
などに入れて接着剤の固化温度まで昇温しなければなら
ないことである。

【００２７】接着剤による具体例として、厚さ０．３ｍ
ｍのＳＵＳ３０４磨きステンレスのベース薄板の上に、
熱伝導性と電気絶縁性が共に良い厚さ０．８ｍｍの窒化
ボロン絶縁シートを耐熱温度が３５０°Ｃの高温硬化タ
イプ（１５０°Ｃ、１分）エポキシ系接着剤を用いて貼
り付け、さらに、その上に厚さ０．３ｍｍの６分割チタ
ン電極を同じ接着剤により貼り付けて、内径１００ｍ
ｍ、長さ５００ｍｍの円筒形放電装置を構成する。

【００２８】密着方法の第二は、ねじ止めによる方法で
ある。この方法は、ねじ穴あるいは取り付けフランジな
どを真空容器４の内壁にあらかじめ用意し、絶縁シート
（層）３を介して分割電極２をねじ止めして機械的に密
着して固定する。この方法の利点は、耐熱温度の高い絶
縁シートを用いれば接着剤による方法より高温で利用可
能なこと、絶縁シートと電極を一体化してパーツ化すれ
ば、一部の絶縁シートや電極の特性が劣化しても、ねじ
止めを外して一部を交換できること、などである。この
方法の欠点は、ねじ止め箇所が少ないと壁への密着が十
分でないこと、あらかじめ用意したねじ穴によって、装
着できる電極の数、形状、配置が限定されること、など
である。

【００２９】密着が十分でないと、電極から絶縁シート
を介して壁への熱伝導が低下して冷却効率が落ちる。ま
た、壁、絶縁シート、電極との間にガスが入り込み、減
圧下で放電するとき排気に時間が掛かるようになる。

【００３０】ねじ止めねじについて工夫する点は、ねじ
をねじ穴に挿入するときに閉じ込められるガスを抜くた
めに、ねじの軸線に沿って通孔を穿つことである。

【００３１】ねじ止めによる具体例として、厚さ０．８
ｍｍの６分割した窒化ボロン絶縁シートと、厚さ５ｍｍ
の６分割したグラファイト電極を、それぞれ重ねて一組
の電極を構成し、装置内壁と同じ内径の２本のテフロン
リングを装置内壁の上端部と下端部に挿嵌し、このテフ
ロンリングの内側にねじ穴を明けてねじ止めして、内径
１００ｍｍ、長さ５００ｍｍの円筒形放電装置を構成す
る。

【００３２】密着方法の第三は、溶射による方法であ
る。この方法は、装置内壁にアルミナ・セラミックなど
を溶射して必要な電気絶縁特性を持つ層厚を形成し、さ
らに、その上にチタンなどの導電性物質を溶射して適当
な厚さの電極を形成する。あるいは、装置内壁に粘土状
の未燒結のアルミナ・セラミックなどを吹き付けて電気
絶縁層を形成し、さらに、その上に粘土状のチタンなど
の導電性物質を吹き付けて電極を形成し、装置全体を加
熱炉に入れて熱溶融処理（ホーロー引き）する。

【００３３】溶射による方法の利点は、絶縁層の耐熱温
度が高いこと、各層間の密着度が高いので壁への熱伝導
が大きく冷却効率が良いこと、また、各層間にガスがほ
とんど残留しないこと、などである。溶射による方法の
欠点は、装置内壁や絶縁層へ溶射するときや、ホーロー
引きするときに、相当な熱負荷が装置全体に掛かるこ
と、一部の絶縁層や電極の特性が劣化しても装置全体を
交換しなければならないこと、などである。

【００３４】以下に、分割電極２へ多相交流を給電する
方法について説明する。通常の放電は、２つの電極間で
発生させるので、２本の給電線（１つの電極をアース電
位とする場合は、１本の給電線）を装置内部に導入して
電極に接続すればよい。本発明の放電装置の分割電極２
は、多電極間で放電を発生させるので、多数の給電線を
装置内に導入し、それぞれの分割電極２に位相制御（調
整）された多出力の交流電源を接続しなければならな
い。給電線の本数が多くなるほど、電気絶縁性と減圧下
では真空気密性を保ちながら、装置内部に給電線を導入
し（ブッシング）、それらをそれぞれの電極に接続する
のが難しくなる。従って、分割電極２へ簡単に給電する
ための適当な工夫が必要になる。

【００３５】図９に、分割電極２へ多相交流を給電する
装置の断面図を示す。給電装置は、位相制御電源の出力
数と同数か、あるいはその倍数の電気絶縁性と真空気密
性を兼ね備えたブッシング８を真空容器４に取り付け、
そこからそれぞれの分割電極２へ給電線９を接続する。
従来の放電装置の電極は、装置内壁から離れて設置され
るので、装置の適当な箇所にブッシングを取り付け、そ
こから電極へ接続する給電線を導入していた。本発明の
放電装置１の分割電極２は、薄い絶縁シート３を介して
真空容器４の内壁に密着しているので、それぞれの分割
電極２の裏面からブッシング８を通して給電線９の接続
が可能である。

【００３６】すなわち、セラミックなどで形成する絶縁
性外管８ａと、銅などで形成する導電性内管８ｂを持つ
ブッシング８を、磁気シールド外套７、真空容器４外
壁、冷却水５、真空容器４内壁、および絶縁シート３で
構成する放電装置１の壁面に貫通する。そして、導電性
内管８ｂの一端に給電線９を接続し、導電性内管８ｂの
他端を分割電極２の裏面に当接して給電線９と分割電極
２を電気的に接続する。このとき、真空容器４の外壁や
内壁における防水性や気密性を保持する。また、絶縁シ
ート３を貫通するときの、導電性内管８ｂの電気絶縁性
を保持する。

【００３７】分割電極２に導電性内管８ｂを接続する方
法は、分割電極２を真空容器４の内壁に密着して固定す
る方法によって異なる。接着剤による方法では、導電性
内管８ｂの先端に雄ねじ加工を施し、分割電極２の裏面
にねじ穴を明け、これに導電性内管８ｂの先端をねじ込
んで接続する。このとき、接着剤でねじとねじ穴の間隙
を封じるようにする。

【００３８】ねじ止めによる方法では、後述するよう
に、給電線９を接続した導電性内管８ｂの先端に雌ねじ
加工を施し、このねじでおもて面からねじ止めして分割
電極２を真空容器４内壁に密着して固定する。これによ
り、１本のねじで分割電極２への給電と分割電極２の真
空容器４内壁への固定を行う。

【００３９】溶射による方法では、溶射の前にあらかじ
めブッシング８を真空容器４に取り付けておく。そし
て、真空容器４の内壁に絶縁層を吹き付け、その後で、
真空容器４の内壁に突出するブッシング８の絶縁性外管
８ａを取り除いて導電性内管８ｂを露出し、これに導電
性の分割電極２を吹き付ける。これにより、分割電極２
と導電性内管８ｂを電気的に接続する。

【００４０】以上の方法は、多芯ブッシングなどを用い
て給電線９を真空容器４内部に一旦導入して各分割電極
２に接続する場合に比べ、内部配線を省略できる実用上
の利点がある。電極の数が多く、配線数が多いほど、こ
の効果は大きい。

【００４１】図１０、図１１および図１２に、ねじ止め
により分割電極２の給電とその上端部の固定を行う円筒
形放電装置１を示す。図１０は、装置の上側フランジ１
ａの横断面図（図１１のＡ−Ａ´面）であり、図１１
は、真空容器４の縦断面図である。図１２は、ねじ止め
により分割電極２の下端部の固定を行う下側フランジ１
ｂの横断面図（図１１のＢ−Ｂ´面）である。上側フラ
ンジ１ａは、耐熱性の絶縁物（テフロン、セラミックな
ど）で形成し、真空容器４の内壁に密着する各分割電極
２に向けて放射状のブッシング８が真空気密性を保ちな
がら貫通する。

【００４２】上側フランジ１ａと下側フランジ１ｂは、
Ｏリング（図示しない）により真空気密性を保ちながら
真空容器４の上端部と下端部に取り付ける。このとき、
上側フランジ１ａと真空容器４および下側フランジ１ｂ
の内径を厳密に同じにすると共に、ブッシング８の内壁
側先端部が内側に突出しないようにする。

【００４３】ブッシング８の内壁側先端部には雌ねじ８
ｃを形成し、雌ねじ８ｃにねじ１０を螺合して分割電極
２の上端部を絶縁シート３を挟んで上側フランジ１ａの
内壁に固定する。ここで、ブッシング８の外壁側先端部
は上側フランジ１ａの外周まで伸びているので、ブッシ
ング８の外壁側先端に露出する導電性内管８ｂに給電線
９を接続すれば、分割電極２と給電線９は電気的に接続
されることになる。

【００４４】分割電極２は、真空容器４の内壁に直接ね
じで固定しないで、上端部と下端部をそれぞれ上側フラ
ンジ１ａと下側フランジ１ｂの内壁にねじ１０で固定す
る。このとき、上側フランジ１ａと下側フランジ１ｂお
よび真空容器４の内径が同じなので、分割電極２は絶縁
シート３を介して真空容器４の内壁に密着する。

【００４５】下側フランジ１ｂは、耐熱性の絶縁物で形
成し、真空容器４と同じ内径を持ち、真空容器４の下端
部をシールすると共に、中心に可動リング１１を内接
し、この可動リング１１の内壁に各分割電極２を取り付
けるねじ１０のねじ穴を放射状に配置する。この可動リ
ング１１は、放電による発熱で分割電極２が膨脹し、長
さ方向に伸びたとき、可動リング１１が下降して、この
伸びを吸収することができる。

【００４６】可動リング１１の外周に位置する下側フラ
ンジ１ｂは、可動リング１１の移動空間を確保するの
と、可動リング１１外周の真空気密性と電気絶縁性を保
つために設けられたもので、可動リング１１より内側を
少し大きくしている。

【００４７】図１３に、分割電極２を取り付けるねじ１
０の縦断面図を示す。ねじ１０は、雌ねじ穴に挿入した
とき、ねじ穴の底に取り残されるガスを抜くために、ね
じ１０の軸線に沿って通孔を穿つ。あるいは、ねじ１０
の一側を軸線に平行な平面で切除してもよい。

【００４８】実際の装置においては、図１１の上側フラ
ンジ１ａと下側フランジ１ｂの上および下に放電予備室
や真空排気部分を取り付ける。また、複数の真空容器４
の上側フランジ１ａと下側フランジ１ｂを連結して、適
用対象を長くすることができる。

【００４９】図１４、図１５およに図１６に、ねじ止め
により分割電極２の給電と上端部の固定を行う角筒形放
電装置１を示す。図１４は、上蓋部１ａの横断面図（図
１５のＡ−Ａ´面）であり、図１５は、真空容器４の縦
断面図である。図１６は、ねじ止めにより分割電極２の
下端部の固定を行う下蓋部１ｂの横断面図（図１５のＢ
−Ｂ´面）である。上蓋部１ａは、耐熱性の厚板の絶縁
物で形成し、真空容器４の内壁に密着する各分割電極２
に向けてブッシング８が真空気密性を保ちながら貫通す
る。

【００５０】上蓋部１ａと下蓋部１ｂは、真空気密性を
保ちながら真空容器４の上端部と下端部に取り付ける。
このとき、上蓋部１ａと真空容器４および下蓋部１ｂの
内壁面を厳密に同一平面上に位置させると共に、ブッシ
ング８の内壁側先端部が内側に突出しないようにする。

【００５１】ブッシング８の内壁側先端部には雌ねじ８
ｃを形成し、雌ねじ８ｃにねじ１０を螺合して分割電極
２の上端部を絶縁シート３を挟んで上蓋部１ａの内壁に
固定する。ここで、ブッシング８の外壁側先端部は上蓋
部１ａの外側まで伸びているので、ブッシング８の外壁
側先端に露出する導電性内管８ｂに給電線９を接続すれ
ば、分割電極２と給電線９は電気的に接続されることに
なる。

【００５２】分割電極２は、真空容器４の内壁に直接ね
じで固定しないで、上端部と下端部をそれぞれ上蓋部１
ａと下蓋部１ｂの内壁にねじ１０で固定する。このと
き、上蓋部１ａと下蓋部１ｂおよび真空容器４の内壁面
が同一平面上にあるので、分割電極２は絶縁シート３を
介して真空容器４の内壁に密着する。

【００５３】下蓋部１ｂは、耐熱性の絶縁物で形成し、
真空容器４と同一平面上に内壁を持ち、真空容器４の下
端部をシールすると共に、中心に可動フレーム１２を内
接し、この可動フレーム１２の内壁に各分割電極２を取
り付けるねじ１０のねじ穴を配置する。この可動フレー
ム１２は、放電による発熱で分割電極２が膨脹し、長さ
方向に伸びたとき、可動フレーム１２が下降して、この
伸びを吸収することができる。

【００５４】可動フレーム１２の外側に位置する下蓋部
１ｂは、可動フレーム１２の移動空間を確保するのと、
可動フレーム１２外周の真空機密性と電気絶縁性を保つ
ために設けられたもので、可動フレーム１２より内側を
少し大きくしている。

【００５５】以下に、分割電極２に位相制御多出力交流
電源を接続して、放電による電極自身をターゲットとす
るスパッタ・コーティングを行う場合、各電極の損耗を
空間的にできるだけ均一化する方法について説明する。
図３あるいは図６に示すように、放電（プラズマ）領域
は多極磁場により、各電極の一部の狭い領域に閉じ込め
られるので、スパッタによる電極の損耗はこの領域での
み大きくなる。この領域の損耗が電極の下地まで達した
とき、電極を交換しなければならないので、電極のター
ゲットとしての利用率を上げるためには、電極の損耗箇
所を移動させ、電極全体をできるだけ均一に損耗させる
工夫が必要である。

【００５６】損耗箇所、すなわち、放電領域を移動させ
るには、従来のマグネトロン・スパッタ装置でもよく行
われるように、多極磁場の分布を移動させればよい。す
なわち、多極磁場を発生させる永久磁石あるいは磁場発
生コイルを空間的に動かし、電極表面における放電箇所
を移動して電極表面の損耗を均一化する。図１７、図１
８および図１９に、本発明の放電装置１の分割電極２の
場合の多極磁場の動かし方をモデル的に示す。ここでの
磁場は永久磁石６で発生させる。図１７は、分割電極２
の表面中央に、図１８と図１９は、それぞれ分割電極２
の左端と右端に放電（プラズマ）領域がある場合の多極
磁場（磁力線）の配位である。真空容器４の外側に設け
た永久磁石６の位置を左右に移動させることにより、多
極磁場配位がシフトして、分割電極２の表面における放
電（プラズマ）の発生領域が移動する。この移動を適当
に調整することにより、分割電極２の表面の損耗を均一
化することができる。

【００５７】図２０と図２１に、円筒形放電装置１にお
いて多極磁場を形成する永久磁石６を真空容器４外壁に
取り付け、真空容器４の外周に沿って往復摺動させる機
械的機構の横断面図と縦断面図を示す。永久磁石６の摺
動を容易にするため、薄いテフロンシートを真空容器４
外壁に被せ、真空容器４の外周を取り囲む磁気シールド
管７に一体に取り付けた６本の棒状永久磁石６を当接す
る。磁気シールド管７には、ラック形歯車１３を取り付
け、歯合する円形歯車１４を正逆方向に回転させること
により、永久磁石６を真空容器４の外周に沿って往復摺
動させる。

【００５８】以下に、コイルに電流を流して永久磁石と
同じ磁場を発生させる方法と、複数のコイルに流す電流
を切り換えて磁場を移動させる方法、および円筒形放電
装置において磁場を移動させる具体的な方法について説
明する。図２２に示すような、磁化の強さがＭで、磁化
方向の厚さがｄｈ、面積ベクトルがｄＳの円柱状の微小
永久磁石を考える。これと等価な磁場を発生する電流ｄ
ｉ（方向およびその大きさ）は、２つの場合において磁
気モーメントが等しいので、数式１より求められる。

【数１】 ここで、左辺の・はベクトルの内積を表す。数式１よ
り、等価電流は数式２となり、永久磁石の磁化の強さ、
方向および磁化方向の磁石の長さから求められることが
分かる。

【数２】 ここで、等価電流の流れる方向は、等価（環路）電流が
流れに沿って囲んで作る面の面積ベクトルｄＳの向きと
磁化ベクトルＭの向きとが同じになる方向である。面積
ベクトルの向きの定義は、電流の流れる向きに沿って右
ねじを回したとき、右ねじの進む方向である。図２２の
場合、等価電流は円柱状永久磁石の厚さｄｈの縁に沿っ
て、左回りに流れる環路電流となる。

【００５９】図２３に、磁化の強さがＭ、磁化の方向の
厚さがｈ、磁化されている面の面積の大きさがＳ（＝幅
ｗ×長さｇ）である棒状永久磁石に対する、磁化の等価
電流ｉを示す。数式２より、等価電流の大きさは、数式
３となり、その向きは等価電流が流れに沿って作る面積
ベクトルと磁化の方向が同じになる方向である。

【数３】 すなわち、磁化の等価電流は、磁化の方向と平行な厚さ
ｈ面に沿って左回りに流れ、大きさが数式４の環路電流
となる。

【数４】

【００６０】図２４と図２５に、棒状永久磁石の磁化の
等価電流を流すための、等価電流コイルの実際の巻き方
を示す斜視図と横断面図を示す。等価電流コイルは、等
価電流の流れる面に沿ってコイルを巻き、等価電流の流
れる向きと同じ向きに電流Ｉを流す。このとき、Ｉの値
はコイルの巻き数をＮとすると、数式５となる。

【数５】

【００６１】図２６と図２７に、内径がｄ1 、外径がｄ
2 、厚さがｗ、磁化の方向が径方向、磁化の強さがＭで
ある円筒形永久磁石の場合における、表側表面を左回り
に流れる磁化の等価電流ｉおよび裏側表面を右回りに流
れる同じ大きさの磁化の等価電流ｉをそれぞれ示す。こ
こで、磁化の強さは中心からの距離、すなわち、半径に
依存せず一様であると仮定する（実際は、このように磁
化することは難しい）。磁化の等価電流は、見かけ上、
表裏２面に分離してしまうが、これは、図２８に示すよ
うに、円筒磁石の微小部分に対する磁化の等価電流を合
成してゆく過程で、表裏２面を繋ぐ電流成分が相殺され
るからである。

【００６２】図２６と図２７における磁化の等価電流ｉ
を、図２８における微小部分に対する等価電流ｄｉから
求める。図２８に、円筒磁石の下側表面の中心を原点と
する円筒座標において、円筒磁石の微小構成部分を示
す。半径方向および方位角方向に積分してゆくと、全体
の磁化の等価電流が求められる。図２８より、この微小
部分における等価電流は、裏面から厚さ方向の側面を通
り表の面に達し、反対側の側面を通り、再び裏面に戻る
環路電流となる。ここで、方位角方向に積分してゆく
と、厚さ方向の側面を上下に流れる電流成分は打ち消し
合うことが分かる。従って、結果的に、表裏２面にのみ
大きさが同じで向きが反対の方位角方向に流れる環路電
流だけが残る。

【００６３】図２８において、半径位置ｒにおける磁化
の等価電流の値は、磁化の強さがＭであるので、数式６
より、数式７となる。両辺をｒで積分すると、数式８と
なり、図２６と図２７における磁化の等価電流が求ま
る。

【数６】

【数７】

【数８】

【００６４】図２９と図３０に、円筒形永久磁石の磁化
の等価電流を流すための、等価電流コイルの実際の巻き
方を示す斜視図と横断面図を示す。ここで、円筒状磁場
コイルを２つ割りにして、円筒形放電装置に取り付ける
ことを念頭においたので、片側半分のコイルのみを示
す。コイルの巻き方は、図２８に示す微小部分の等価電
流の流れ方と同じように、裏面を内側から円周に沿って
巻き、端に達したら右断面を通り、表の面を円周に沿っ
て巻き、端に達したら左断面を通り、再び裏面に戻る。
この巻き方を内側から外側に向かって繰り返し、表裏２
面一杯にコイルを巻いてゆく。半割コイルが２つ出来上
がったら、２つを合わせて円筒コイルにする。このと
き、断面の部分の電流は、２つのコイルのこの部分の電
流の向きが反対なので相殺される。コイルに流す電流Ｉ
は、コイルの巻き数をＮとすると、数式９となる。

【数９】

【００６５】図３１に、同規格の４個の電流コイルを１
組とし、隣り合う組同士の電流の向きを反転しながら幾
組かを並べて構成した多極磁場を示す。ここで、実線の
磁力線は、各組の１および２番コイルにのみ電流が流れ
た場合の磁力線を示す。一方、破線の磁力線は、各組の
３および４番コイルにのみ電流が流れた場合の磁力線を
示す。

【００６６】図３２は、永久磁石を用いて、図３１と等
価な多極磁場を構成した場合の磁石の配置を示す。ここ
で、実線および破線で示す磁力線および配置図は、それ
ぞれ図３１の実線および破線で示す磁力線の場合に対応
する。

【００６７】図３１より、１組のコイルにおいて、コイ
ルに流す電流を１および２番から３および４番へと切り
換えることにより、図３２に示すように、機械的に永久
磁石を移動させなくても、磁場を移動させることができ
ることが分かる。

【００６８】図３１において、コイル幅がこれと等価な
永久磁石の幅ｗの半分になっているが、これは、コイル
に流す電流を順番に切り換えたとき、発生する磁場をで
きるだけ滑らかに移動させるためである。コイルの分割
数を多くすればするほど移動は滑らかになるが、構成は
複雑になり、また、分割数分だけのコイル励磁用電源が
必要になる。

【００６９】図３３に、図３１に示すように磁場を移動
する場合の、１組の中の４個のコイルに流す電流の時間
調整の例を示す。但し、コイルの巻き芯（コア）は空芯
あるいは非磁性体であるとする。コアが磁性体の場合
は、電流値の変化に対し発生する磁場（磁束密度）にヒ
ステリシスが生じるので、それを補正するような電流調
整をする必要がある。

【００７０】図３３の電流遷移図において、同時に給電
するコイルの全体の幅が、図３２の永久磁石の幅ｗとで
きるだけ同じになるように、さらに、コイル電流により
発生する磁場が左から右、そして再び、右から左へと空
間的にできるだけ一様に移動するように、それぞれのコ
イルへの放電時間を調整する。

【００７１】図３３の時刻ｔ＝ｔ1 およびｔ＝ｔ2 にお
けるコイル電流状態において、図３１の実線および破線
の磁力線で示す磁場が、それぞれ構成される。

【００７２】図３４に、６分割した壁密着型電極２を持
つ円筒形放電装置において、１組のコイル群が６個のコ
イルよりなる６組のコイル群を装置外周に取り付け、コ
イルに流す電流を順番に切り換えることにより、多極磁
場を円周方向に移動する装置の構成例を示す。永久磁石
と等価な磁場を幅がその半分ｗ／２である２つのコイル
で発生するようにし、且つ、多極磁場分布と等価な磁場
を発生できるように６個のコイル群を円周方向に配置
し、それらへの給電を調整する。コイル幅を半分にした
のは、磁場が円周方向にできるだけ滑らかに移動できる
ようにするためである。

【００７３】図３４における磁力線は、６組のコイル群
の中の３および４番のコイルにのみ、それぞれ電流を流
す場合において発生する多極磁場の磁力線を示す。

【００７４】図３５に、装置を円周方向に展開したとき
の、全てのコイルの配置を示す。ここで、矢印はコイル
に流れる電流の向きを表す。上下のコイルは、装置上下
端における放電（プラズマ）の閉じ込めを改善するため
のものである。このコイルは、発生する磁場を移動させ
る必要がないので、コイル幅を永久磁石の幅と同じにし
て、コイルに永久磁石に対応する磁化の等価電流を流
す。

【００７５】側壁に取り付ける６個のコイル群は円周方
向へ等間隔に配置し、隣り合う組に互いに逆向きの電流
を流す。それぞれの１組のコイル群において、端から順
番に２つのコイルにのみ同時に電流が流れるように調整
する。

【００７６】図３６に、磁場を正および負の円周方向に
時間と共に移動させる場合の、１組の中の６個のコイル
に流す電流の時間調整の例を示す。但し、コイルの巻き
芯は空芯あるいは非磁性体であるとする。同時に動作す
るコイルの全体の幅が図３１の永久磁石の幅ｗとできる
だけ同じになるように、さらに、コイル電流により発生
する磁場が左から右、そして再び、右から左へと、空間
的にできるだけ一様に移動するように、それぞれのコイ
ルへの給電時間を調整する。図３４の磁力線が示す磁場
は、時刻ｔ＝ｔ1 およびｔ＝ｔ2 におけるコイル電流状
態において発生する。

【００７７】

【発明の効果】本発明の放電電極は以上のような構成
で、放電室の内壁に複数の電極片を薄膜状の絶縁体を介
して密着して固定する。従って、本発明によれば、電極
が放電室の内壁に密着するので、放電領域を放電室内容
量と略同じ大きさまで取ることができ、装置空間の利用
効率を最大にすることができる。また、大きな容量を持
つ壁面を外部から冷却することにより、電極で発生する
熱を効率的かつ容易に除去できる。このため、小さな電
極へ大きな電力を投入できるようになると共に、冷却装
置を装置内部に持ち込む必要がないので、装置全体の構
成を簡素でコンパクトにすることができる。さらに、電
極と装置外壁との距離が短いので、永久磁石や電磁コイ
ルを装置外壁に取り付け、容易に電極近傍に磁場を作用
させることができる。このため、冷却装置を備えた永久
磁石や電磁コイルを装置内部に持ち込む必要がないの
で、簡単な装置構成で磁場を発生させることができると
共に、機械的あるいは電気的手段により磁場の移動を容
易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の円筒形放電装置の横断面図である。

【図２】本発明の円筒形放電装置の縦断面図である。

【図３】円筒形放電装置の磁力線と放電の様子を示す図
である。

【図４】本発明の角筒形放電装置の横断面図である。

【図５】本発明の角筒形放電装置の縦断面図である。

【図６】角筒形放電装置の磁力線と放電の様子を示す図
である。

【図７】電極の形状例を示す図である。

【図８】電極の配置例を示す図である。

【図９】電極へ多相交流を給電する装置の断面図であ
る。

【図１０】円筒形放電装置の上側フランジの横断面図で
ある。

【図１１】円筒形放電装置の真空容器の縦断面図であ
る。

【図１２】円筒形放電装置の下側フランジの横断面図で
ある。

【図１３】電極を取り付けるねじの縦断面図である。

【図１４】角筒形放電装置の上蓋部の横断面図である。

【図１５】角筒形放電装置の真空容器の縦断面図であ
る。

【図１６】角筒形放電装置の下蓋部の横断面図である。

【図１７】放電領域が電極中央にある多極磁場配位を示
す図である。

【図１８】放電領域を電極左端に移動させた多極磁場配
位を示す図である。

【図１９】放電領域を電極右端に移動させた多極磁場配
位を示す図である。

【図２０】円筒形放電装置の永久磁石を移動する機械的
機構の横断面図である。

【図２１】円筒形放電装置の永久磁石を移動する機械的
機構の縦断面図である。

【図２２】円柱状永久磁石の等価電流を示す模式図であ
る。

【図２３】棒状永久磁石の等価電流を示す模式図であ
る。

【図２４】棒状等価電流コイルの実際の巻き方を示す斜
視図である。

【図２５】棒状等価電流コイルの実際の巻き方を示す横
断面図である。

【図２６】円筒形永久磁石の表面の等価電流を示す模式
図である。

【図２７】円筒形永久磁石の裏面の等価電流を示す模式
図である。

【図２８】微小円筒磁化部分の等価電流を示す模式図で
ある。

【図２９】円筒状等価電流コイルの実際の巻き方を示す
斜視図である。

【図３０】円筒状等価電流コイルの実際の巻き方を示す
横断面図である。

【図３１】コイルの配列と電流調整による磁場の移動を
示す模式図である。

【図３２】等価永久磁石と機械的移動による磁場の移動
を示す模式図である。

【図３３】磁場移動のためのコイル電流の時間調整（４
分割）を示す模式図である。

【図３４】円筒形放電装置における多極磁場構成コイル
の配置例を示す模式図である。

【図３５】円周方向に展開した多極磁場構成コイルの配
置例を示す模式図である。

【図３６】磁場移動のためのコイル電流の時間調整（６
分割）を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 放電装置 ２ 分割電極 ３ 絶縁シート ４ 真空容器 ５ 冷却水 ６ 磁石 ７ 磁気シールド ８ ブッシング ９ 給電線 １０ ねじ １１ 可動リング １２ 可動フレーム １３ ラック形歯車 １４ 円形歯車

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電室の内壁に複数の電極片を薄膜状の
   絶縁体を介して密着して固定し、 前記電極片を冷却する冷却手段と、 前記電極片表面に多極磁場を形成して放電を閉じ込める
   多極磁場形成手段と、を前記放電室の外周に設け、しか
   して各々の前記電極片に位相制御多出力交流電源を供給
   してなる位相制御多電極型交流放電装置。