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明細書 :プラズマ蒸着装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4774510号 (P4774510)
公開番号 特開2006-328490 (P2006-328490A)
登録日 平成23年7月8日(2011.7.8)
発行日 平成23年9月14日(2011.9.14)
公開日 平成18年12月7日(2006.12.7)
発明の名称または考案の名称 プラズマ蒸着装置
国際特許分類 C23C  14/24        (2006.01)
H05H   1/32        (2006.01)
FI C23C 14/24 F
H05H 1/32
請求項の数または発明の数 5
全頁数 10
出願番号 特願2005-154901 (P2005-154901)
出願日 平成17年5月27日(2005.5.27)
審査請求日 平成20年5月16日(2008.5.16)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】304036743
【氏名又は名称】国立大学法人宇都宮大学
発明者または考案者 【氏名】長澤 武
個別代理人の代理人 【識別番号】100077827、【弁理士】、【氏名又は名称】鈴木 弘男
審査官 【審査官】村上 騎見高
参考文献・文献 特開平11-061383(JP,A)
特開平11-172419(JP,A)
特開2004-292830(JP,A)
調査した分野 C23C 14/00~14/58
H05H 1/32~1/44
特許請求の範囲 【請求項1】
リング状または円筒状電極と、棒状電極と、高圧電源とを有し、前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に前記高圧電源による所定の電圧を印加することによって、前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に放電を発生させ、該放電の熱によって前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に配置した蒸着原料を蒸発させてプラズマ化し、該プラズマをエアポンプによるガスの注入によって、そのガスとともに対象物に向けて大気中で噴出することによって該対象物に対する前記蒸着原料の蒸着を行うことを特徴とするプラズマ蒸着装置。
【請求項2】
前記棒状電極が、前記リング状または円筒状電極の中心軸上の位置に設けられたことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ蒸着装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載のプラズマ蒸着装置を複数備えてなることを特徴とするマルチ型のプラズマ蒸着装置。
【請求項4】
前記リング状または円筒状電極と該棒状電極との間に放電を発生させたときに該棒状電極の先端を冷却する手段を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマ蒸着装置。
【請求項5】
前記棒状電極が中空の円筒状であり、前記リング状または円筒状電極と該棒状電極との間に放電を発生させたとき、該棒状電極の中空内部にガスを通過させることによって、該棒状電極の先端を冷却することを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマ蒸着装置。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、密閉された真空環境などではなく、大気中でプラズマを生成し、そのプラズマによる蒸着を行うプラズマ蒸着装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、たとえば対象物の表面に膜を形成して、その対象物の保護等を行なう表面処理や、また、対象物の上にその対象物と同一種類の原料または異なる種類の原料を積層して所望の構造のものを得る技術がよく知られている。
【0003】
この実現手段の例としては、対象物にメッキを施したり、ペンキを用いて吹き付け塗装を行ったりすること、また対象物上に所望の原料の蒸着を行うことなどが挙げられる。
【0004】
特許文献1では、真空中にて、蒸着原料をアーク放電によって蒸発させ、プラズマ化し、たとえば磁場によってこれを基板上に誘導し、基板上に蒸着原料の膜を形成する真空アーク蒸着装置について開示している。
【0005】

【特許文献1】特開2002-266066号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところが、特許文献1に記載の発明では真空中で蒸着を行う構成であり、たとえば真空領域に収めるのが困難な大きさの対象物に蒸着を行うことは不可能であり、汎用性に欠けるという問題があった。また、メッキを行うにしても対象物をメッキ溶液に浸ける必要があることから対象物の大きさの制限等があり、やはり汎用性に欠けるという問題があった。
【0007】
ペンキを用いて吹き付け塗装を行う方法は、大気中で対象物の塗装を行うことができ、対象物の大きさの制限はないが、対象物に塗布するペンキの原料は限られており、たとえば金属といった原料を対象物上に積層するようなことは、金属を粉末状にして塗料に混ぜたりする必要があり、金属そのものを積層するようなことは困難であった。
【0008】
また、大気中でペンキを用いて塗装作業をする場合、塗装面の汚れやペンキの粒子の粗さなどの影響で、塗装面に対するペンキの接着力が弱く、比較的容易に剥がれてしまうという問題があった。
【0009】
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、大気中で、所望の蒸着原料を用いた蒸着を行うことができるプラズマ蒸着装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は上記課題を解決するため、リング状または円筒状電極と、棒状電極と、高圧電源とを有し、前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に前記高圧電源による所定の電圧を印加することによって、前記リング状または円筒状電極と前記棒状電極との間に放電を発生させ、該放電の熱によって蒸着原料を蒸発させてプラズマ化し、該プラズマを対象物に向けて噴出することによって該対象物に対する前記蒸着原料の蒸着を行うことを特徴とする。
【0011】
また本発明は請求項1に記載の発明において、前記棒状電極が、前記リング状または円筒状電極の中心軸上の位置に設けられたことを特徴とする。
【0012】
また本発明は請求項1または2に記載のプラズマ蒸着装置を複数備えてなることを特徴とする。
【0013】
また本発明は請求項1または2に記載の発明において、前記リング状または円筒状電極と該棒状電極との間に放電を発生させたときに該棒状電極の先端を冷却する手段を設けたことを特徴とする。
【0014】
また本発明は請求項1または2に記載の発明において、前記棒状電極が中空の円筒状であり、前記リング状または円筒状電極と該棒状電極との間に放電を発生させたとき、該棒状電極の中空内部にガスを通過させることによって、該棒状電極の先端を冷却することを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、大気中で、所望の蒸着原料を用いた蒸着を行うことができるプラズマ蒸着装置を提供することができる。
【0016】
すなわち本発明によれば、円筒電極と棒電極とを用いることによって、大気中でも、円筒電極の円周方向に広がったアーク放電を発生させることができ、これによって効率よくプラズマを生成することができるので、大気中における蒸着が可能となる。
【0017】
また本発明によれば、アーク放電による熱を用いることによって、蒸着原料として金属、非金属を問わずに用いることができ、対象物に様々な原料を積層する蒸着塗装を行うことができる。
【0018】
また本発明によれば、蒸着原料をプラズマ化して対象物に蒸着させるプラズマ蒸着を行うので、きめ細かい蒸着塗装を行うことができる。
【0019】
また本発明によれば、プラズマ蒸着によるきめ細かい蒸着塗装を行うことができるので、対象物の表面にてきめ細かく蒸着可能で対象物に対する接着力が強く、塗装面から剥がれにくくなる。
【0020】
また本発明によれば、異なる原料の複数の蒸着原料を同時に用いてその混合物を対象物に蒸着させることができ、従来は不可能であった新材料の蒸着塗装を行うことができる。
【0021】
また本発明によれば、プラズマ蒸着によるきめ細かい蒸着塗装を行うことができるので、蒸着対象の対象物の塗装面の材質や凹凸具合などを問わず、自在に蒸着塗装を行うことができる。
【0022】
また本発明によれば、蒸着塗装を行う前に、蒸着原料を装着しない状態でプラズマによる塗装面の清掃を行うことができ、より接着力が強い蒸着塗装を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0024】
図1は、本発明の一実施の形態によるプラズマ蒸着装置の構成を示す斜視図である。
【0025】
また、図2は、図1に示したプラズマ蒸着装置1を、ケーシング6の円筒の軸線上の面であって、絶縁管14、16に挿入した蒸着原料15、17の位置で切断して示す断面図である。
【0026】
さらに、図3は、図1に示したプラズマ蒸着装置1を、ケーシング6の円筒の軸と垂直な面であって、絶縁管14、16に挿入した蒸着原料15、17の位置で切断して示す断面図、すなわち図2に示すIII-III断面図である。
【0027】
本実施の形態のプラズマ蒸着装置1は、円筒形状のケーシング6内に円筒電極3や棒電極2等を収容して構成される。ケーシング6の外径はたとえば20mm程度であり、外部との電気的絶縁を確保するため、ケーシング6は絶縁部材で構成されるのが望ましい。
【0028】
ケーシング6の先端には先端部蓋7が設けられ、この先端部蓋7には、ケーシング6の外部にプラズマを噴出するための噴出口13が複数(本実施の形態では9個)設けられている。先端部蓋7は絶縁体でも導体でもよいし、電気的に浮遊していても接地されていてもよい。
【0029】
ケーシング6の後端には後端部蓋8が設けられており、この後端部蓋8には、ケーシング6内にガス(たとえば空気)を注入するためのガス注入管9が設けられている。後端部蓋8は、さらに円筒電極3と棒電極2との間に電圧印加するための配線が貫通可能なように構成されている。後端部蓋8としては絶縁体が用いられる。
【0030】
また、ケーシング6の側面には、図2にも示すようにケーシング6等を貫通する、円筒形状の絶縁物で形成された絶縁管14、16が設けられており、この絶縁管14、16に蒸着原料15、17が挿入され、円筒電極3内の空間で蒸着原料15、17を絶縁管14、16よりも突出させることによって、ケーシング6内にて蒸着原料15、17のプラズマ化が行われる。なお、本実施の形態では、図1~図3に示すように絶縁管14、16というように蒸着原料の挿入口を2つ設けているが、状況に応じて、1つでもよいし、3つ以上であってもよい。
【0031】
蒸着原料15、17としては、同じ原料のものを用いてもよいし、異なる原料を用いてもよい。原料の種類としては、銅、アルミニウム、金、銀そのほかの金属でもよいし、カーボンそのほかの非金属であってもよい。
【0032】
エアポンプ18は、ガス注入管9を介してケーシング6内にガスを注入するポンプである。このエアポンプ18によるガスの供給量は、たとえば30[リットル/分]程度で用いられる。
【0033】
高圧電源19は、円筒電極3と棒電極2との間に印加する高電圧を供給する回路であり、この高電圧は、パルス電圧でもよいし、直流電圧でもよいし、交流電圧でもよい。この高圧電源19による電圧は、たとえば6[kV]程度で用いられる。高圧電源19からの電圧供給のための2本の配線のうちの一方は、図1、図2に示すように電気的に接地されている。
【0034】
ところで、ケーシング6の内面には、たとえば銅製、ステンレス製である円筒管5が設けられており、この円筒管5は電気的に接地されている。円筒管5の内側の先端部蓋7寄りの位置には円筒状の円筒電極3が設けられている。円筒電極3はたとえばステンレス製であり、第1の支持部材10が嵌る切り欠きが設けられており、円筒電極3と棒電極2との位置決めがされるようになっている。円筒管5と円筒電極3とは通電しており、円筒電極3は電気的に接地されることになる。円筒電極3の内径はたとえば10mm程度である。円筒電極3の形状は、円筒状でもリング状でもよい。
【0035】
円筒管5の内側の、円筒電極3よりも後端部蓋8寄りの位置には、円筒電極3の切り欠きに嵌るように、棒電極2を支持する第1の支持部材10が設けられ、第1の支持部材10の中心軸の貫通孔には、棒電極2を支持する第2の支持部材4が嵌め込まれ、第2の支持部材4の中心軸の貫通孔には、棒電極2が嵌め込まれる。第1の支持部材10や第2の支持部材4の材質は絶縁物が用いられる。第1の支持部材10には、ガス注入管9を介してケーシング6内に注入されたガスの通路となる貫通孔11および12が設けられている。
【0036】
棒電極2はたとえばタングステン製の棒や、ニクロム線等を用いることができる。棒電極2の直径はたとえば2mm程度である。この棒電極2は円筒電極3の中心軸上に位置するように設けられている。
【0037】
棒電極2には高圧電源19からの配線が接続されており、円筒電極3と棒電極2との間に高圧電源19による高電圧が印加される。このように高電圧が印加されると、円筒電極3の内周面と棒電極2の先端との間にアーク放電が発生し、図3に示すように絶縁管14、16に挿入された蒸着原料15、17はアーク放電の熱で蒸発し、プラズマ化される。またエアポンプ18によるガスの注入によって、そのガスとともに、プラズマ化された蒸着原料15、17がケーシング6の先端の噴出口13から噴出され、蒸着の対象物20に蒸着層21を形成し、蒸着塗装がされる。
【0038】
図4は、図1および図2に示した第1の支持部材10を示す図であり、(a)は第1の支持部材10の斜視図であり、(b)は図2に示したIVB-IVB断面図であり、(c)は図2に示したIVC-IVC断面図である。
【0039】
図2、図4(a)、図4(b)に示すように、第1の支持部材10は貫通孔11を有し、ガス注入管9を介して注入されたガスは、この貫通孔11を通過して先端方向へと進む。貫通孔11の孔径はたとえば2mm程度である。
【0040】
図2、図4(a)、図4(c)に示すように、第1の支持部材10は貫通孔12をさらに有する。貫通孔11を通過したガスはこの貫通孔12を通過してさらに先端へと進む。貫通孔12の孔径はたとえば3mm程度である。
【0041】
ところで、図面を参照して分かるように、本実施の形態においては、ガス流を所定方向に向かわせるよう、貫通孔12は所定方向に向けて形成されている。この実施の形態では、貫通孔12のガス出口をガス入口よりも先端方向にずらすことによって、ガス流がスムーズに先端方向に向かうようにし、また、貫通孔12のガス入口とガス出口とを周方向でずらすことによって、棒電極2を中心として回転するガス流が形成されるようにしている。
【0042】
このようなガス流によれば、円筒電極3の内側であって蒸着原料15、17の周辺の雰囲気を撹拌することができ、蒸着原料15、17が同種原料であるか異種原料であるかにかかわらず両者のプラズマを混ぜ合わせて効率よく混合プラズマを生成することができ、本実施の形態のプラズマ蒸着装置1によればこの混合プラズマによる蒸着塗装を行うことができる。
【0043】
本実施の形態のプラズマ蒸着装置1によって対象物20に蒸着塗装を行う場合は、先に対象物20の蒸着面を清掃しておくことが望ましい。そうすれば、蒸着層21の対象物20に対する接着力がより高まるからである。この清掃の方法としては、本実施の形態のプラズマ蒸着装置1を利用することができる。
【0044】
すなわち、蒸着原料15、17を絶縁管14、16に沿って引っ込め、円筒電極3内の空間で蒸着原料15、17が絶縁管14、16よりも突出しないようにした状態で、プラズマ蒸着装置1を作動させ、噴出口13を対象物20の蒸着面に向けると、対象物20の蒸着面に向けてプラズマが噴出され、このプラズマによって対象物20の蒸着面を清掃することができる。蒸着塗装を行う場合には、その後に、蒸着原料15、17を絶縁管14、16よりも突出させるように押し込んだ状態でプラズマ蒸着装置1を作動させればよい。
【0045】
次に本発明の別の実施の形態について説明する。
【0046】
図5は、本発明の、図1とは別の実施の形態によるプラズマ蒸着装置の、図2に相当する断面図である。
【0047】
プラズマ蒸着装置1では、円筒電極3の内周面と棒電極2の先端との間にアーク放電を発生させ、その熱で蒸着原料15、17を蒸発させるようにしている。このため、蒸着原料15、17の周辺とともに棒電極2の先端も高温状態にさらされることになり、その温度によっては棒電極2の先端も蒸発してプラズマ化する可能性がある。
【0048】
図5に示す実施の形態では、棒電極2の先端のプラズマ化を防ぐ構成として、図2の棒電極2の代わりに円筒電極102を用いることとした。その他の構成は図1に示した実施の形態と同様であるので、同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
【0049】
円筒電極102には高圧電源19からの配線が接続されており、円筒電極3と円筒電極102との間に高圧電源19による高電圧が印加される。
【0050】
また円筒電極102内には、エアポンプ18によってガス注入管109を介してガスの注入が行われ、このガスは円筒電極102の先端から放出される。このようにすることによって、円筒電極3と円筒電極102との間に高電圧が印加されて円筒電極3の内周面と円筒電極102の先端との間にアーク放電が発生したときであっても、円筒電極102内を通過してきたガスによって円筒電極102の先端が冷やされ、円筒電極102がアーク放電の熱で蒸発しプラズマ化するのを防ぐことができる。
【0051】
このほかいかなる手段によって棒電極2、円筒電極102の先端を冷やすようにしてもよい。
【0052】
次に、図1または図5に示したプラズマ蒸着装置1を複数備えてなるマルチ型プラズマ蒸着装置について説明する。
【0053】
図6は、図1または図5に示したプラズマ蒸着装置1を複数備えてなるマルチ型プラズマ蒸着装置の構成を示す斜視図である。
【0054】
図6に示すマルチ型プラズマ蒸着装置100では、図1または図5に示したプラズマ蒸着装置1を3つ並べて構成され、その先端には先端部蓋107を設けている。この先端部蓋107は噴出口108を複数有し、3つのプラズマ蒸着装置1のそれぞれで生成したプラズマを噴出口108から噴出する。
【0055】
このように複数のプラズマ蒸着装置1を備えることによって噴出口108の面積を大きくすることができ、自動車や電車等の車体の塗装などといった広範囲の蒸着塗装を行う場合に作業を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の一実施の形態によるプラズマ蒸着装置の構成を示す斜視図である。
【図2】図1に示したプラズマ蒸着装置1を、ケーシング6の円筒の軸線上の面であって、絶縁管14、16に挿入した蒸着原料15、17の位置で切断して示す断面図である。
【図3】図1に示したプラズマ蒸着装置1を、ケーシング6の円筒の軸と垂直な面であって、絶縁管14、16に挿入した蒸着原料15、17の位置で切断して示す断面図、すなわち図2に示すIII-III断面図である。
【図4】図1および図2に示した第1の支持部材10を示す図であり、(a)は第1の支持部材10の斜視図であり、(b)は図2に示したIVB-IVB断面図であり、(c)は図2に示したIVC-IVC断面図である。
【図5】本発明の、図1とは別の実施の形態によるプラズマ蒸着装置の、図2に相当する断面図である。
【図6】図1または図5に示したプラズマ蒸着装置1を複数備えてなるマルチ型プラズマ蒸着装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【0057】
1 プラズマ蒸着装置
2 棒電極
3 円筒電極
4 第2の支持部材
5 円筒管
6 ケーシング
7 先端部蓋
8 後端部蓋
10 第1の支持部材
11、12 貫通孔
13 噴出口
14、16 絶縁管
15、17 蒸着原料
18 エアポンプ
19 高圧電源
20 蒸着対象物
21 蒸着層
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5