JPS637680B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマ技術に係り、特に、アークプ
ラズマ発生器、及びこれを備えた被加工片の表面
処理用のプラズマアーク装置に関する。

本発明は真空中での金属表面の表面加工、清掃
及びエツチングに最も役立つと分つている。特
に、金属プラズマの真空凝縮を用いて、耐摩耗
性、耐腐食性、耐摩滅性、耐熱性、超伝導性、光
学性及びその他の被膜を作ることができる。

これまで、アークプラズマ発生器により発生さ
れたプラズマ流によつて、高さが0.025ないし
0.5μｍのあらさを有する金属表面を処理するよう
に試みられているが、このような表面あらさ値を
保持することはできない。これはカソードスポツ
トにより発生されたプラズマ流に、カソード材料
の小滴や固体断片のような巨大粒子が非常に多く
存在するためである。これらの巨大粒子は、プラ
ズマ技術によつて付着される被膜の表面仕上げ状
態を悪くすることはさておき、凝縮体に穴や盛り
上がり部を形成して、被膜の機械的、電気的、光
学的及びその他の特性を悪くし、従つて種々の被
膜を付着することによる効果（耐摩耗性、優れた
耐摩滅性、及び耐腐食性、等々）が実際上完全に
得られないことになる。

或る公知のアークプラズマ発生器が米国特許第
3625848号に開示されている。このアークプラズ
マ発生器はアノードの内部にこれと軸方向に整列
して配置された消耗性カソードと、このカソード
とアノードとの間にアークを作る手段（点弧手
段）と、アノード及びカソードに電気的接続され
たアーク維持用の電源装置とを具備している。点
弧手段はカソードとアノードとの間にアーク放電
を開始させる。カソードは、カソード材料の原子
及びイオンより成るプラズマを発生する。上記し
たように、プラズマ流はカソード材料の小滴及び
固体断片のような巨大粒子を相当数含んでおり、
これらは被膜の質をそこなうので望ましいもので
はない。

プラズマ流の巨大粒子は、カソードスポツトの
ような強力で集中的な熱源によつてカソードの活
性面が局部的及び一般的に過熱されることにより
生じる（スポツトの温度は数千度であり、電流密
度は約10⁶ないし約10⁷A／cm²程の大きさである）。

又、円筒状アノードと同軸的に配置された消耗
性カソードと、点弧パルス発生器に接続されカソ
ードとアノードとの間にアークを開始させる点弧
電極と、アークを維持する電源装置とを具備した
アークプラズマ発生器も知られている（1972年、
Proc.IEEE、第60巻、第８号、第977頁に掲載さ
れたA.S.Gilmour，D.L.Lochuood氏の“パルス
式金属―プラズマ発生器”）。このアークプラズマ
発生器はアノード上に配置された集束ソレノイド
も具備している。

このアークプラズマ発生器は、数十ヘルツ程度
の周波数の点弧パルスを点弧電極に与えることに
よつて作動される。アノードとカソードとの間に
パルス状のアーク放電が生じると、上記の周波数
でプラズマ流が発生される。このアークプラズマ
発生器でも金属プラズマ中の巨大粒子によつて問
題が生じる。この装置の軸に対して或る角度に集
束ソレノイドの軸を回転することにより、プラズ
マ流の荷電成分の速度ベクトルの方向を変えるこ
とができる。この場合には、巨大粒子及び荷電成
分（イオン及び電子）がプラズマ流から空間に或
る程度分離されることによりプラズマ流から多数
の巨大粒子が除去される。然し乍ら、この公知の
アークプラズマ発生器では、その出口に到達して
被加工片に当たる全ての巨大粒子を取り除くこと
はできない。というのは、集束ソレノイドを回転
する範囲（15゜及びこれ以上）ではカソードから
プラズマ発生器の出口までみわたせる状態となつ
てこの方向に巨大粒子が突進するからである。

本発明は、磁界中でプラズマ流の成分を空間的
に分離することによりプラズマ流から巨大粒子を
効果的に除去するように電磁系統が構成されたア
ークプラズマ発生器及びこれを備えた被加工片の
表面処理用のプラズマアーク装置を提供するもの
である。

本発明の目的は前記の欠点を解消することであ
る。

本発明のこの目的は、消耗性カソードと、円筒
状アノードと、集束ソレノイドとを具備し、アノ
ード及びソレノイドは上記消耗性カソードと同軸
的に配置され、そして更に、上記消耗性カソード
及びアノードに電気的に接続されたアーク維持用
の電源装置も具備したアークプラズマ発生器であ
つて、上記アノードの端面には管状のプラズマガ
イドが連結され、この管状プラズマガイド内には
その軸線上に電磁石が配置され、この電磁石は非
磁性材で作られたハウジングに収容されそして上
記プラズマガイドを通して上記カソードの方向に
見た時に上記カソードが見えないようにするに充
分な断面積を有しており、上記集束ソレノイドは
上記管状プラズマガイド上に配置されそして上記
電磁石のコイルとは逆向きに接続されることを特
徴とするアークプラズマ発生器を提供することに
よつて達成される。

このような構成では、巨大粒子はカソードの端
面から飛び出して、電磁石のハウジングの壁又は
プラズマガイドの壁に当たり、プラズマ発生器の
出口に到達することはない。一方、プラズマ流の
荷電成分（イオン及び電子）は、互いに逆向きに
接続された集束ソレノイド及び電磁石によつて誘
起される磁界の磁力線に沿う経路をたどり、電磁
石の周りを飛び、容易にプラズマ発生器の出口に
達する。それ故、出力されるプラズマは巨大粒子
が全くなく、従つてざらざらの高さが0.025ない
し0.05μｍ以下である表面仕上げ状態を悪化する
ことなく、被加工片の表面を処理する（被膜を作
つたり、プラズマによる清掃を行なつたりイオン
によるエツチングを行なつたりする）ようにこの
アークプラズマ発生器を用いることができる。

絶縁ライナによつてアノードからプラズマガイ
ドを絶縁することが好ましく、これによりプラズ
マガイドを通るプラズマ流の効率が高められる。

荷電粒子は、そのラーモア半径が装置の大きさ
に比して小さい時だけ磁力線をたどることが知ら
れている。真空中のカソードスポツトから放射さ
れる大部分の金属のイオンは数十電子ボルトのエ
ネルギを有している。従つて、プラズマガイドと
電磁石ハウジングとの間のギヤツプが10cmである
本発明のプラズマ発生器をこれらのイオンが通過
できるのは、磁界強度が数キロエルステツドの時
だけである。通常はこのような磁界を誘起するこ
とは困難である。然し乍ら、磁気系統に真空プラ
ズマが満たされている時にはこの問題が解消され
る。というのは、この場合にはプラズマのイオン
を磁化するのに充分であるだけの実質的に小さい
磁化力があれば本発明のプラズマ発生器にイオン
成分を通過させることができるからである。この
場合は、プラズマの電子導通性は、磁力線に沿つ
て保持されるが、横方向には急激に低下する。電
界はプラズマを貫通する。この装置の電界は電子
が磁力線と交差した時の電位によつて誘起され
る。これが生じると、磁力線は、電極又はこれが
交差する装置壁の電位を得る。従つてプラズマガ
イドがカソードに対して正の電位にある時には、
その軸の方向にプラズマ流に電界が誘起される。
この電界はプラズマ流を縮径（集束）し、プラズ
マガイドの壁における正イオンの損失を減らすと
共に、出口に達するイオン、即ちプラズマガイド
と電磁石との環状ギヤツプを通過するイオンの数
を増大する。プラズマガイドとアノードとの間に
絶縁ライナがあると、高速度のイオン衝撃により
プラズマガイドはアノードよりも高い電位を得
る。プラズマガイドの壁付近の電界は強力なもの
となり、プラズマガイドに沿つたプラズマ流は更
に効果的なものとなる。

プラズマガイドの壁ではね返つた巨大粒子が出
口へ達するのを防ぐため、管状プラズマガイドの
内面には、予想されるプラズマ流に対して或る角
度で延びるリブが設けられるのが好ましい。

プラズマガイド内に配置される電磁石は軸方向
に流線型の形状を有しそしてそのハウジングも同
様の形状を有するように構成するのが好ましい。
これはプラズマ流がプラズマガイドと電磁石との
間の環状のギヤツプに入り易くなるようにし、ひ
いてはプラズマ発生器の出口に達するプラズマ流
を増大させる。

ハウジング及びその中のソレノイドの好ましい
形状は、円錐形、又は２つの円錐をそれらの底で
互いに当接した形状である。

又、予想されるプラズマ流の方向にみて電磁石
の後方の管状プラズマガイド上にある集束ソレノ
イドの単位長さ当たりの巻回数はプラズマガイド
の他部分上にある集束ソレノイドの単位長さ当た
りの巻回数より多いのが望ましい。これにより、
到来するプラズマ流を集束し、その密度を高く
し、ひいては被膜形成速度を速くすることができ
る。

又、本発明は、アークプラズマ発生器と、処理
さるべき被加工片を保持する組立体とを備えた、
被加工片の表面を処理するプラズマアーク装置で
あつて、上記アークプラズマ発生器は前記で述べ
たように構成されたものであり、被加工片を保持
する上記組立体はプラズマガイドの非支持端面に
固定された蓋であり、この蓋は非磁性材で作られ
そして処理さるべき被加工片を保持する開口を有
し、上記蓋にはデイスクコイルが取り付けられて
集束ソレノイドと助勢式に接続されることを特徴
とするプラズマアーク装置にも関する。

ここで用いられる“デイスクコイル”という語
は、半径方向寸法が長手方向（軸方向）寸法より
大きいコイルを意味する。被加工片は上記蓋と電
磁石のハウジングとの間でプラズマ発生器の軸線
上に保持されねばならない。この場合、磁力線は
プラズマ発生器の軸線に近ずくように蓋の手前で
鋭く曲げられる。このため、プラズマ流もプラズ
マ発生器の軸線に向けられて、プラズマガイドと
電磁石のハウジングとの間の環状ギヤツプを通る
経路をたどり、被加工片の側面に当たる。これに
より被加工片を軸方向に回転する必要性がなくな
り、従つて被加工片を強制冷却したり、被加工片
がイオン清掃及び表面加工を受ける時に被加工片
に大電流を流したりすることを考えれば、上記の
技術によつてプラズマ発生器の構造が相当に簡単
化される。被加工片が固定されているので、被加
工片が表面加工を受ける時の温度の取り出しも簡
単化される。

以下、添付図面を参照し、本発明を一例として
説明する。

第１図を参照すれば、アークプラズマ発生器は
消耗性カソード１と、円筒状アノード２とを備
え、カソード１は直径60mmの円柱形であり（この
大きさは説明上のものに過ぎない）、そして例え
ばグレードBT―１のチタンようなプラズマ形成
物質で作られ、一方アノード２はカツプ状であ
り、その底の中央部にはアノード２内にカソード
１を軸方向に取り付けるための開口が配置されて
いる（アノードの長さは200mmであり、直径は260
mmである）。

アノード２の非支持端面には管状のプラズマガ
イド３が取り付けられ、このガイドは長さが360
mmであり直径が260mmであり、非磁性鋼で作られ
る。

プラズマガイド３を通してプラズマを効率よく
流せるようにするため、プラズマガイド３とアノ
ード２との間には絶縁ライナ４が配置されている
（このライナは例えばアクリルプラスチツクで作
られる）。この場合は、プラズマガイドに最高の
速度のイオンが当たるので、プラズマガイドはア
ノードよりも高い電位を得る。プラズマガイドの
壁付近の電界は強いものとなり、プラズマガイド
に沿つたプラズマ流は効率的なものとなる。

プラズマガイド３の内面には、予想されるプラ
ズマ流に対して或る角度に延びるリブ５が設けら
れるのが好ましい。これにより、プラズマガイド
３の壁ではね返つた巨大粒子が出口へ通過するの
を防止できる。プラズマガイド３の軸線に垂直の
平行な平面内で一方が他方の後になるように配置
されたリングの形態でリブを形成するのが最も好
ましい。

プラズマガイド３内でこれと軸方向に配置され
ているのは電磁石６であり、この電磁石は非磁性
の鋼で作られたハウジング７内に収容される。

電磁石６及びそのハウジング７は第２図に示す
ように円筒形であつてもよいが、流線型、例えば
円錐形であるのが好ましく（図示せず）、或いは
又、第１図に示すように２つの円錐を互いにそれ
らの底において当接したもので構成されてもよい
（各円錐の底の直径は100mmであり高さは180mmで
ある）。このような形状の電磁石では、プラズマ
ガイド３と電磁石６との間の環状ギヤツプへプラ
ズマ流が入り易くなり、ひいてはプラズマ発生器
の出口に達するプラズマ流が増大することが実験
で分つた。

プラズマガイド３の出口の端面からハウジング
７の中心までの距離は175mmである。この特定の
構造、並びにプラズマガイド３、ハウジング７、
カソード１の特定の寸法及びそれらの相対的な位
置では、ハウジング７は、プラズマガイド３を通
じてカソード１の方向に見た時にカソードが見え
ないようにするに充分な断面積をもつ。

ハウジング７は中空の支柱８によつて位置保持
され、リード９及びこの支柱を経て電磁石６のコ
イルに電流が供給される。

カソード１、アノード２、プラズマガイド３及
び電磁石６は水で冷却される（冷却系統は図示せ
ず）。

モリブデンで作られたロツド形状の点弧電極１
１はセラミツクの接続部片１０を介してカソード
１の側面に当接する。

第１図の参照番号１２及び１３は、カソード１
と点弧電極１１との間のスパークギヤツプへ点弧
パルス発生器１４から点弧パルスを供給するリー
ドである。

ここに示すもの以外の一般の手段によつてもア
ノードとカソードとの間にアークを点弧できるこ
とを理解されたい。アークを維持する電源装置１
５の一方の端子は消耗性カソード１に接続され、
そして他方の端子はアノード２に接続される。リ
ード１２，１３はアノード２の底の開口及び真空
密絶縁シール１６を通つてアノード２内へ入る。

プラズマガイド３は集束ソレノイド１７によつ
て包囲される。この点については、電磁石６の後
方の管状プラズマガイド３上にある集束ソレノイ
ド１７の単位長さ当たりの巻回数が、プラズマガ
イドの他部分上にある集束ソレノイドの単位長さ
当たりの巻回数より多いのが好ましい。これによ
り、到来するプラズマ流を最も効果的に集束で
き、その密度を高くでき、従つて、このプラズマ
発生器を被加工片の表面加工に用いた場合には被
膜形成速度を高めることができる。

参照番号１８は処理さるべき被加工片を示して
いる（第２図及び第３図）。第３図には被加工片
の表面を処理するプラズマアーク装置が示されて
おり、この装置は前記のアークプラズマ発生器
と、処理さるべき被加工片を保持する組立体とを
具備しており、この組立体は非磁性の鋼で作られ
た蓋１９の形態であり、これはプラズマガイド３
の端に取り付けられる。この蓋の外面には直径
260mm厚み60mmのデイスクコイル２０があり、こ
れは集束ソレノイドと助勢式に接続される。この
場合は、被加工片キヤリヤ２２が中央開口１９及
び絶縁材２１を経てプラズマガイド３に受け入れ
られる。

作動に際し、集束ソレノイド１７及び電磁石６
に給電する電源（図示せず）がオンにされ、第２
図に点線で示されたような磁力線パターンを有す
る電磁界が誘起される。

電源装置１５及びパルス発生器１４もオンにさ
れる。高圧点弧パルスが点弧電極１１に送られる
と、電極１１とカソード１との間のギヤツプにセ
ラミツクの接続部片１０を介してスパーク放電が
生じる。このスパーク放電によりカソード１とア
ノード２との間にアーク放電が開始され、カソー
ド１の活性面にカソードスポツトが現われ、この
カソードスポツトによりカソード１の材料のプラ
ズマ流が作り出される。このプラズマ流に含まれ
たイオン及び電子は磁力線をたどつて電磁石６の
ハウジング７を越えそしてプラズマガイド３の出
口部を通つて被加工片１８の表面に到達する。第
２図の矢印はプラズマ流の荷電成分（イオン及び
電子）の方向を示している。

中性の蒸気及び巨大粒子は直線経路（第２図の
１点鎖線）をたどり、プラズマガイド３及びハウ
ジング７の面に付着する。それ故、プラズマ発生
器の出口、ひいては被加工片１８の面の付近で
は、プラズマ流に巨大粒子がない。

回転体の外面を処理する場合には、デイスクコ
イル２０により磁力線が被加工片の面に向けて偏
向される（第３図の点線）。このため、プラズマ
流のイオン化成分も装置の軸線に向つて偏向され
て被加工片の面に到達する。巨大粒子はハウジン
グ７により被加工片の面への経路から遮蔽され
る。

本発明をその好ましい実施例について説明した
が、特許請求の範囲内でその他の態様も考えられ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアークプラズマ発生器を軸方
向断面で示した図、第２図はプラズマ流の成分を
本発明のアークプラズマ発生器において分離する
原理を示した図、そして第３図は本発明のアーク
プラズマ発生器を備えた被加工片の表面処理用の
プラズマアーク装置の長手方向部分断面図であ
る。 １……カソード、２……アノード、３……プラ
ズマガイド、４……絶縁ライナ、５……プラズマ
ガイドのリブ、６……電磁石、７……電磁石のハ
ウジング、１５……アークを維持する電源装置、
１７……集束ソレノイド、１８……被加工片、１
９……プラズマガイドの蓋、２０……デイスクコ
イル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 消耗性カソード１と、円筒状アノード２と、
   集束ソレノイド１７とを具備し、上記アノード及
   びソレノイドは上記消耗性カソード１と同軸的に
   配置され、更に、上記消耗性カソード１及びアノ
   ード２に電気的接続されたアーク維持用の電源装
   置１５を具備しているアークプラズマ発生器にお
   いて、上記アノード２の端面には管状のプラズマ
   ガイド３が連結されており、そしてこの管状プラ
   ズマガイド３内でその軸線上に電磁石６が配置さ
   れ、この電磁石は非磁性材で作られたハウジング
   ７内に収容され、そしてこの電磁石は上記プラズ
   マガイド３を通してカソード１の方向を見た時に
   カソード１が見えないようにするに充分な断面積
   を有し、上記集束ソレノイド１７は上記管状プラ
   ズマガイド３の外側に配置されそして上記電磁石
   ６のコイルとは逆向きに接続されて上記ソレノイ
   ド１７と電磁石６との間のギヤツプに電磁石６の
   発生する磁束と同じ向きの磁束を発生することを
   特徴とするアークプラズマ発生器。 ２ 上記管状プラズマガイド３と上記アノード２
   との間には絶縁ライナ４が配置される特許請求の
   範囲第１項に記載のアークプラズマ発生器。 ３ 上記管状プラズマガイド３の内面には、プラ
   ズマ流に対して或る角度に延びるリブ５が設けら
   れている特許請求の範囲第１項又は第２項に記載
   のアークプラズマ発生器。 ４ 上記電磁石６は軸方向に流線型の形状を有
   し、上記ハウジング７も同様の形状を有する特許
   請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載
   のアークプラズマ発生器。 ５ 上記電磁石６は、上記消耗性カソード１に頂
   点が向いた円錐の形状である特許請求の範囲第４
   項に記載のアークプラズマ発生器。 ６ 上記電磁石６は２つの円錐をそれらの底で互
   いに当接した形状である特許請求の範囲第４項に
   記載のアークプラズマ発生器。 ７ 予想されるプラズマ流の上流からみて電磁石
   ６の後方の管状プラズマガイド３上にある集束ソ
   レノイド１７の単位長さ当たりの巻回数は、管状
   プラズマガイドの他の部分上にある集束ソレノイ
   ドの単位長さ当たりの巻回数より多い特許請求の
   範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載のアー
   クプラズマ発生器。 ８ アークプラズマ発生器と、処理さるべき被加
   工片を保持する組立体とを備えた、被加工片の表
   面を処理するプラズマアーク装置において、上記
   アークプラズマ発生器は消耗性カソード１と、円
   筒状アノード２と、集束ソレノイド１７とを具備
   し、上記アノード及びソレノイドは上記消耗性カ
   ソード１と同軸的に配置され、更に、上記消耗性
   カソード１及びアノード２に電気的接続されたア
   ーク維持用の電源装置１５も具備しているアーク
   プラズマ発生器であつて、上記アノード２の端面
   には管状のプラズマガイド３が連結されており、
   そしてこの管状プラズマガイド３内でその軸線上
   に電磁石６が配置され、この電磁石は非磁性材で
   作られたハウジング７内に収容され、そしてこの
   電磁石は上記プラズマガイド３を通してカソード
   １の方向に見た時にカソード１が見えないように
   するに充分な断面積を有し、上記集束ソレノイド
   １７は上記管状プラズマガイド３上に配置されそ
   して上記電磁石６のコイルとは逆向きに接続され
   て上記ソレノイド１７と電磁石６との間のギヤツ
   プに電磁石６の発生する磁束と同じ向きの磁束を
   発生するものであり、処理さるべき被加工片１８
   を保持する上記組立体は非磁性材で作られた蓋１
   ９であり、この蓋は被加工片１８を保持する開口
   を有しそして上記管状プラズマガイド３の出口端
   面に固定され、上記蓋１９にはデイスクコイル２
   ０が取り付けられて上記集束ソレノイド１７と助
   勢式に接続されることを特徴とするプラズマアー
   ク装置。