(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と陽極との間にアーク放電によりプラズマを発生させ、該プラズマにより、前記陰極である炭素電極の炭素を被処理物の表面に被覆するプラズマ加工法に用いられる、前記炭素電極を保持した炭素電極保持構造体であって、
該炭素電極保持構造体は、
一方の端面においてアーク放電する柱状の第１の炭素電極と、
該第１の炭素電極の側面を囲うように配置されたリング状の第２の炭素電極と、
前記第１の炭素電極の他方の端面側から第１の炭素電極を保持する銅製の電極ホルダと、
該電極ホルダを介して前記第１の炭素電極を冷却する冷却部と、を少なくとも備え、
前記第２の炭素電極は、前記第１の炭素電極の側面から、前記電極ホルダの側面に沿って、該電極ホルダの側面に接触しながら延在しており、
前記第２の炭素電極は、固定部材を介して前記電極ホルダに固定されていることを特徴とする電極保持構造体。
【請求項２】
前記固定部材は、頭部と、該頭部から延在し、先端側にネジ部が形成された軸部とからなり、
前記固定部材の軸部は、前記第２の炭素電極と非締結状態にあり、かつ、前記固定部材の頭部と前記電極ホルダの間に前記第２の炭素電極を挟み込むように、前記電極ホルダに締結されていることを特徴とする請求項１に記載の電極保持構造体。
【請求項３】
前記固定部材は、ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項２に記載の電極保持構造体。
【請求項４】
前記固定部材は、セラミックスからなることを特徴とする請求項２に記載の電極保持構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ加工法に用いられる陰極となる炭素電極を好適に保持する炭素電極保持構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プラズマ中で被処理物の表面に薄膜を形成したり、イオンを注入したり、エッチングしたりすることで、被処理物の表面特性が改善されたり、その表面へ新たな機能を付与したりすることができることが知られている。
【０００３】
金属イオンを含むプラズマを発生する手法として、真空アークプラズマによるプラズマ加工法がある。真空アークプラズマは、陰極と陽極との間のアーク放電であり、陰極表面に形成される陰極点から陰極材料が蒸発し、陰極蒸発物質によるプラズマを形成するものである（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、例えば、非晶質炭素皮膜などを陰極に炭素電極を用いた場合、例えば、図４に示すような炭素電極を保持した炭素電極保持構造体９が提案されている。炭素電極保持構造体９は、一方側の端面９１ａにおいてアーク放電する柱状の第１の炭素電極９１と、第１の炭素電極９１の側面を囲うように配置されたリング状の第２の炭素電極９２とを備えている。第１の炭素電極９１と、第２の炭素電極９２とは、第２の炭素電極９２の外周からステンレス製のボルト９７等により固定されている。
【０００５】
このようにして、第２の炭素電極９２が固定された第１の炭素電極９は、他方側の端面９１ｂ側からネジ部を介して銅製の電極ホルダ９３に保持されるとともに、電極ホルダ９３を介して冷却通路９５ａが形成された冷却部９５により冷却される。
【０００６】
また、炭素電極保持構造体９を用いてプラズマ加工を行うことにより、第１の炭素電極９１を冷却部９５で冷却しつつ、第１の炭素電極９１の一方側の端面９１ａから、アーク放電により蒸気化した炭素を被処理物の表面に被覆することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−００８８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図４に示す炭素電極保持構造体９を用いて、プラズマ加工により炭素皮膜を被覆する際に、アーク放電が途切れる自己消弧と呼ばれる現象が生じることがある。これは、冷却部９５からの冷却作用が、電極ホルダ９３を介して直接的にリング状の第２の炭素電極９２に伝わらないため、アーク放電の発熱により第１の炭素電極９１と第２の炭素電極９２との間に隙間ができてしまうからである。
【０００９】
さらに、炭素電極保持構造体９を繰り返し使用すると、リング状の第２の炭素電極９２に割れが生じることがある。これは、上述した冷却部９５による第１および第２の炭素電極の温度差を前提として、ボルト９７を構成するステンレス鋼の熱膨張係数は、第２の炭素電極を構成する炭素の熱膨張係数に対して４倍程度あるため、ボルト９７の軸方向に繰り返し応力が作用する。そして、ボルト９７に締結される炭素電極９２のネジ部等から疲労破壊するからである。
【００１０】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とすることころは、プラズマ加工の際に、アーク放電を安定して発生させるとともに、炭素電極の割れを抑えることができる炭素電極保持構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を鑑みて、本発明に係る炭素電極保持構造体は、陰極と陽極との間にアーク放電によりプラズマを発生させ、該プラズマにより、前記陰極である炭素電極の炭素を被処理物の表面に被覆するプラズマ加工法に用いられる、前記炭素電極を保持した炭素電極保持構造体であって、該炭素電極保持構造体は、一方の端面においてアーク放電する柱状の第１の炭素電極と、該第１の炭素電極の側面を囲うように配置されたリング状の第２の炭素電極と、前記第１の炭素電極の他方の端面側から第１の炭素電極を保持する銅製の電極ホルダと、該電極ホルダを介して前記第１の炭素電極を冷却する冷却部と、を少なくとも備え、前記第２の炭素電極は、前記第１の炭素電極の側面から、前記電極ホルダの側面に沿って、該電極ホルダの側面に接触しながら延在しており、前記第２の炭素電極は、固定部材を介して前記電極ホルダに固定されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、第２の炭素電極を、第１の炭素電極の側面から、電極ホルダの側面に沿って、電極ホルダの側面に接触させながら延在させ、かつ、固定部材を介して電極ホルダで固定している。これにより、冷却部より、電極ホルダを介して直接的に第１の炭素電極および第２の炭素電極の双方を冷却することができるので、アーク放電により第１および第２の炭素電極が発熱したとしても、第１の炭素電極と第２の炭素電極との間に隙間が形成され難い。このような結果、アーク放電が途切れる（失火する）ことを抑えることができる。
【００１３】
さらに、第２の炭素電極は固定部材を介して冷却される構造を採用したので、固定部材と第２の炭素電極との熱膨張差を軽減することができるで、これまでの構造に比べて第２の炭素電極の割れを抑えることができ、アーク放電の異常を抑制することができる。
【００１４】
ところで、上述した固定部材は、第２の炭素電極を電極ホルダに固定することができるのであれば、例えば、ネジ、ボルト、ピン、または接着材など特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記固定部材は、頭部と、該頭部から延在し、先端側にネジ部が形成された軸部とからなり、前記固定部材の軸部は、前記第２の炭素電極と非締結状態にあり、かつ、前記固定部材の頭部と前記電極ホルダの間に前記第２の炭素電極を挟み込むように、前記電極ホルダに締結されている。
【００１５】
このような態様によれば、固定部材の軸部を、第２の炭素電極と非締結状態とし、かつ、固定部材の頭部と電極ホルダの間に前記第２の炭素電極を挟み込むように、電極ホルダに締結したので、軸部の軸心方向に沿った力が、第２の炭素電極に作用しない。これにより、第２の炭素電極と固定部材との間に熱膨張差が生じたとしても、第２の炭素電極の割れを回避することができる。
【００１６】
また、さらに好ましい態様としては、前記固定部材は、ステンレス鋼からなる。固定部材にステンレス鋼を用いることにより、固定部材を介して第２の炭素電極をより効率的に冷却することができる。また、別の態様としては、前記固定部材は、セラミックスからなる。固定部材にセラミックスを用いることにより、固定部材の耐熱性を高めるとともに、第２の炭素電極との熱膨張差を低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、プラズマ加工の際に、アーク放電を安定して発生させるとともに、炭素電極の割れを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る炭素電極保持構造体を備えたプラズマ加工装置の模式的概念図。
【図２】（ａ）は、本実施形態に係る炭素電極保持構造体の模式的断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ部近傍の拡大図。
【図３】本実施形態に係る炭素電極保持構造体の要部分解斜視図。
【図４】従来の炭素電極保持構造体の模式的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る炭素電極保持構造体を備えたプラズマ加工装置の模式的概念図である。
【００２０】
図１に示すプラズマ加工装置は、プラズマ加工法（真空アーク蒸着法）を行うための装置であり、基本的には、必要により反応性ガスを導入した真空雰囲気下で真空アーク放電を行なってプラズマを発生させて、該プラズマをプラズマ加工部に移動させ、該プラズマ加工部に配置された被処理物をプラズマにより表面処理加工を行なう装置である。
【００２１】
該プラズマの構成粒子は、陰極（後述する第１の炭素電極）３１からの蒸発物質、若しくは該蒸発物質と導入ガスを起源（ソース）とするプラズマ化した荷電粒子（イオン、電子）ばかりでなく、プラズマ前状態の分子、原子の中性粒子をも含む。
【００２２】
プラズマ加工装置は、基本的に、真空チャンバー１０内に形成されるプラズマ発生部Ｅ、ドロップレット捕集部Ｄ及びプラズマ加工部（プロセス部）Ｔを備えた構成である。
【００２３】
真空アーク発生部Ｅは、陰極（カソード）３１、陰極プロテクタ１３、陽極（アノード）１４、トリガ電極１６、アーク安定化磁界発生器（磁石）１８を備えている。陰極（炭素電極）３１は、プラズマの主構成物質を供給するソースであり、本実施形態では、炭素である。
【００２４】
陰極プロテクタ１３は、蒸発させようとする陰極表面以外の部分を電気絶縁して覆い、かつ、陰極３１と陽極１４との間に発生する真空アークプラズマが後方に拡散するのを防ぐものである。汎用の耐熱セラミックス等を使用できる。また、陰極３１との間に電気絶縁層（単に空隙、あるいはセラミックスやふっ素樹脂をはさむ）を形成する場合、汎用のステンレス鋼、アルミニウム合金等を使用できる。
【００２５】
陰極プロテクタ１３をステンレス鋼の代わりに鉄やフェライト等の耐熱性の強磁性材料で形成すれば、真空チャンバー１０の外側に配されたプラズマ安定化磁界発生器１８から印加される磁界により陰極プロテクタ１３自体も磁化されてプラズマに直接的に作用して発生プラズマ分布の調整が容易となる。
【００２６】
陽極１４の形成材料は、プラズマの温度でも蒸発せず、非磁性の材料で導電性を有する固体なら特に限定されない。金属単体、合金、無機単体、無機化合物（金属酸化物・窒化物）等、特に問わず、それらは単独又は２種以上混合して使用することができる。前述の陰極に使用した材料を適宜選択して使用することができる。本実施形態の装置では、ステンレス鋼もしくは銅を使用し、水冷構造とすることが望ましい。
【００２７】
また陽極１４の形状はアークプラズマの進行をさえぎるものでなければ、特に限定されない。図例では、筒状体（円筒、角筒を問わない）であるが、コイル状、Ｕ字形、さらには、上下・左右に一対平行に配して形成してもよい。
【００２８】
トリガ電極１６は、陰極３１と陽極１４との間に真空アークを誘起するための電極である。すなわち、トリガ電極１６を一時的に陰極３１の表面に接触させ、その後引き離すことで、陰極３１とトリガ電極１６との間で、電気スパークを発生させる。電気スパークが発生すると、陰極３１と陽極１４との間の電気抵抗が減少し、陰極−陽極間に真空アークが発生する。
【００２９】
アーク安定化磁界発生器１８は、プラズマ発生部Ｅにおける真空チャンバー１０の外周に配され、真空アークの陰極点、及び、アーク放電により発生したプラズマを安定化させる。すなわち、磁界発生器１８は、プラズマに対する印加磁界がカスプ形（互いに逆方向）となる一対のリング状に配された磁石１８ａ、１８ｂで構成されている。このカスプ形の印加磁界により、アーク陰極点の運動を制御するとともに、プラズマを放射方向に拡散（すなわち扁平円柱状）させることで陰極と陽極間の電流路を確保し、アーク放電を安定化させる。なお、この磁界発生器１８としては、通常、電磁石（電磁コイル）又は永久磁石を使用する。
【００３０】
陰極３１、陽極１４及びトリガ電極１６は、それぞれ、絶縁導入端子２０を介して外部のアーク電源２２と接続されている。アーク電源２２には、汎用の直流、パルス若しくは直流重畳パルス電源を使用する。なお、トリガ電極１６とアーク電源２２との間には、通常、トリガ電極１６に流れる電流を制限（調整）するための制限用抵抗２３が挿入されている。
【００３１】
プラズマ加工部（処理部）Ｔには、ガス導入を行なわない場合もあるが、ガス導入システム２４及びガス排出システム２６が接続されている。これらのシステムとしては汎用のものを使用できる。ガス導入流量が一定に制御され、かつ排気流量を制御することにより容器全体の真空度（圧力）が一定に制御されるものとする。
【００３２】
導入ガスは、プラズマ発生部Ｅから導入してもよく、プラズマ加工部（処理部）Ｔとプラズマ発生部Ｅの両方から導入してもよい。プロセス部とプラズマ発生部の両方から導入する場合、ガスの種類が異なってもよい。
【００３３】
そして、導入ガスとしては、反応性ガスを使用しない場合に、圧力を一定に保持するための希ガス（通常、Ａｒ、Ｈｅ）のほかに、反応性ガスを適宜使用する。該反応性ガスが、陰極材料等をソースとする蒸発粒子（プラズマ粒子）と反応して、複化合物膜を容易に形成できる。上記反応性ガスとしては、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、炭化水素ガス（Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６等）、酸化炭素ガス（ＣＯ、ＣＯ２）の群から適宜、１種又は複数種を選択して使用できる。ここで、反応性を制御するために前記希ガスを混合して反応性ガスの濃度を調整してもよい。
【００３４】
このような装置を用いて、放出直後のプラズマＰをプラズマ加工部Ｔへ磁界誘導により屈曲させて移動させるとともに、プラズマの発生時に陰極３１から副生する炭素微粒子（ドロップレット）ｄを、プラズマ加工部Ｔと干渉しないドロップレット捕集部Ｄに移動させて捕集堆積させることができる。
【００３５】
また、プラズマ加工装置は、プラズマをプラズマ加工部Ｔへ屈曲移動させる誘導磁界を発生させるためのプラズマ誘導磁界発生器（プラズマ屈曲磁界発生器）２８を備えたプラズマガイド部Ｇが設けられている。
【００３６】
プラズマガイド部Ｇは、プラズマ発生部Ｅ及びドロップレット捕集部Ｄとプラズマ加工部Ｔを接続する部分であり、外部から誘導磁界を印加することにより、プラズマ発生部Ｅからのプラズマ流れＰを略直角に屈曲移動させてプラズマ加工部Ｔに誘導（ガイド）するものである。ドロップレットの流れはこの磁界による影響（作用）を受けず直進流れとなる。プラズマガイド部Ｇを通過してプラズマ加工部Ｔに導かれたプラズマには、該ドロップレットが含まれない。
【００３７】
上記プラズマ屈曲磁界発生器２８は、通常、前記アーク安定化磁界発生器１８におけるプラズマ進行側（前方側）の磁石１８ｂの磁界（磁場）に対して直角方向で且つ順方向（同方向）のミラー形の印加磁界対を発生させるものとする。ミラー形の印加磁界は、プラズマをビーム状に絞り込み、且つ、順方向側へプラズマを誘導する作用を有する。この作用により、プラズマＰはプラズマガイド部Ｇさらにはプラズマ加工部Ｔへ磁界誘導される。このようにして、陰極３１と陽極１４との間にアーク放電によりプラズマを発生させ、プラズマにより、プラズマ加工部Ｔに配置された被処理物４０の表面に、陰極３１の炭素に由来した炭素皮膜（ＤＬＣ）を被覆することができる。
【００３８】
以下の本実施形態の特徴部分である、陰極（陰極電極）３１を保持する構造を詳述する。図２（ａ）は、本実施形態に係る炭素電極保持構造体の模式的断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＡ部近傍の拡大図である。図３は、本実施形態に係る炭素電極保持構造体の要部分解斜視図である。
【００３９】
炭素電極保持構造体３は、上述した陰極である炭素電極を、第１の炭素電極３１として保持するものである。ここで、炭素電極保持構造体３は、その保持する電極として一方の端面３１ａにおいてアーク放電する柱状（円柱状）の第１の炭素電極３１と、第１の炭素電極３１の側面３１ｃを囲うように配置されたリング状の第２の炭素電極３２とを備えている。第１の炭素電極３１と第２の炭素電極３２とは嵌合している。
【００４０】
ここで、第２の炭素電極３２は、第１の炭素電極３１の側面のアーク放電を防止するための部材であり、例えば第１の炭素電極３１と第２の炭素電極３２との炭素の構造、または密度、必要に応じて添加する元素などをそれぞれ異なるように設定することにより、アーク放電の防止を達成することができる。
【００４１】
さらに、炭素電極保持構造体３は、第１の炭素電極３１の他方の端面３１ｂ側から第１の炭素電極３１を保持する銅製の電極ホルダ３３と、電極ホルダ３３を介して第１の炭素電極３１を冷却する冷却通路３５ａが形成された冷却部３５と、を少なくとも備えている。
【００４２】
より具体的には、図３に示すように、電極ホルダ３３は、円筒状の部材であり、第１の炭素電極３１に面する他方の端面３１ｂには、雄ネジ部３３ｂが形成さている。この雄ネジ部３３ｂを、第１の炭素電極３１の他方の端面３１ｂに形成された雌ネジ部３１ｄに螺着させることにより、第１の炭素電極３１の端面３１ｂに電極ホルダ３３を当接させ、第１の炭素電極３１を電極ホルダ３３に当接させることができる。
【００４３】
さらに、電極ホルダ３３は、冷却部３５にネジ部により固定されており（詳細は図示せず）、電極ホルダ３３を介して第１の炭素電極３１が冷却可能なように、冷却部３５に当接している。なお、炭素電極保持構造体３は、電極ホルダ３３と共に第１の炭素電極３１および第２の炭素電極３２が回転するような構造となっている。
【００４４】
さらに、図２（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態では、第２の炭素電極３２は、第１の炭素電極３１の側面３１ｃから、電極ホルダ３３の側面３３ｃに沿って、電極ホルダ３３の側面３３ｃに接触しながら延在しており、第２の炭素電極３２は、固定部材３７を介して電極ホルダ３３に固定されている。
【００４５】
ここで、本実施形態では、３つの固定部材３７を用いており、各固定部材３７は、電極ホルダ３３の周方向に沿って、電極ホルダ３３の側面（周面）３３ｃに等間隔に形成された３つのネジ穴３３ａに締結される。より具体的には、固定部材３７は、皿ネジ、ボルトなどの締結部材であり、固定部材３７を電極ホルダ３３に対して締め込むための頭部３７ａと、頭部３７ａから延在し、先端側にネジ部が形成された軸部３７ｂとからなる。
【００４６】
第２の炭素電極３２には、各固定部材３７を貫通するための貫通孔３２ａが形成されており、貫通孔３２ａには、固定部材３７を受ける座面が形成されているが、固定部材３７の軸部３７ｂのネジ山とは締結しないように、雌ネジは形成されていない。これにより、固定部材３７の軸部３７ｂは、第２の炭素電極３２と非締結状態となり、かつ、固定部材３７の頭部３７ａと電極ホルダ３３の間に第２の炭素電極３２を挟み込むように、電極ホルダ３３に締結される。
【００４７】
ここで固定部材３７の材質は、第２の炭素電極を電極ホルダに固定することができ、使用環境下で、耐久性を有するものであれば、特に限定されるものではないが、より好ましい材質は、ステンレス鋼、または、セラミックスである。固定部材３７にステンレス鋼を用いた場合、固定部材３７を介して第２の炭素電極３２をより効率的に冷却することができる。また、固定部材３７にセラミックスを用いた場合、固定部材３７の耐熱性を高めるとともに第２の炭素電極３２との熱膨張差を低減することができる。
【００４８】
本実施形態によれば、第２の炭素電極３２を、第１の炭素電極３１の側面３１ｃから、電極ホルダ３３の側面３３ｃに沿って、電極ホルダ３３の側面３３ｃに接触させながら延在させ、かつ、固定部材３７を介して電極ホルダ３３で固定した。この結果、冷却部３５の冷却通路３５ａに冷却媒体を流すことにより、電極ホルダ３３を介して、直接的に、第１の炭素電極３１および第２の炭素電極３２の双方を冷却することができる。
【００４９】
このようにして、アーク放電により発熱したとしても、第１の炭素電極３１および第２の炭素電極３２の温度差を起因とした、第１の炭素電極３１と第２の炭素電極３２との間の隙間が形成され難い。このような結果、アーク放電が途切れる（失火する）ことを抑えることができる。
【００５０】
第２の炭素電極３２は固定部材３７を介して冷却される構造を採用したので、固定部材３７と第２の炭素電極３２との熱膨張差を軽減することができるで、これまでの構造に比べて第２の炭素電極３２の割れを抑えることができる。
【００５１】
本実施形態では、固定部材３７の軸部３７ｂを、第２の炭素電極３２と非締結状態とし、かつ、固定部材３７の頭部３７ａと電極ホルダ３３の間に第２の炭素電極３２を挟み込むように、電極ホルダ３３に締結した。これにより、軸部３７ｂの軸心方向に沿った力が、第２の炭素電極に作用しないので、第２の炭素電極３２と固定部材３７との間に熱膨張差が生じたとしても、第２の炭素電極３２の割れを回避することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００５３】
なお、本実施形態では、第２の炭素電極を電極ホルダに固定することができる固定部材として、ボルト、皿ネジなどの締結部材を例示したが、第２の炭素電極を電極ホルダに固定することができるのであれば、例えば、その他の形状の締結部材、ピン、または接着材などであってもよい。
【符号の説明】
【００５４】
３：炭素電極保持構造体、３１：第１の炭素電極（陰極）、３２：第２の炭素電極、３３：電極ホルダ、３５：冷却部、３７：固定部材
【図１】
0006054855.tif 000002
【図２】
0006054855.tif 000003
【図３】
0006054855.tif 000004
【図４】
0006054855.tif 000005