(57)【要約】【課題】溶射の指向性を制御することを目的とする。【解決手段】供給部にて溶射材料の粉末をプラズマ生成ガスにより運び、前記供給部の先端部の開口から噴射する供給部と、噴射された前記プラズマ生成ガスを用いて前記供給部と軸芯が共通するプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記プラズマの生成空間に磁場を発生する磁場発生部と、前記磁場発生部を制御し、前記生成するプラズマの偏向を制御する制御部と、を有するプラズマ溶射装置が提供される。【選択図】図１
2018078054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給部にて溶射材料の粉末をプラズマ生成ガスにより運び、前記供給部の先端部の開口から噴射する供給部と、
噴射された前記プラズマ生成ガスを用いて前記供給部と軸芯が共通するプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記プラズマの生成空間に磁場を発生する磁場発生部と、
前記磁場発生部を制御し、前記生成するプラズマの偏向を制御する制御部と、
を有するプラズマ溶射装置。
【請求項２】
前記磁場発生部は、複数の電磁石を有する、
請求項１に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記複数の電磁石の磁極の配置情報とプラズマの偏向情報とを対応付けたプロファイルを記憶した記憶部から、第１の膜の特性に応じた第１のプロファイルを参照して前記複数の電磁石に流す電流を制御し、前記第１の膜の形成を制御する、
請求項２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記記憶部に記憶したプロファイルのうち、第２の膜の特性に応じた第２のプロファイルを参照して前記複数の電磁石に流す電流を制御し、前記第１の膜と前記第２の膜との連続的な膜の形成を制御する、
請求項３に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記記憶部に記憶したプロファイルのうち、前記プラズマ溶射装置内のクリーニングを行うための第３のプロファイルを参照して前記複数の電磁石に流す電流を制御し、前記供給部から溶射材料の粉末を出さずに前記プラズマ溶射装置内の所定のパーツを洗浄する、
請求項３又は４に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項６】
前記供給部は、粒径が１〜１０μｍの溶射用粉末を噴射する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項７】
供給部にて溶射材料の粉末をプラズマ生成ガスにより運び、前記供給部の先端部の開口から噴射し、
噴射された前記プラズマ生成ガスを用いて前記供給部と軸芯が共通するプラズマを生成し、
前記プラズマの生成空間に磁場を発生させ、
前記発生させる磁場を制御し、前記生成するプラズマの偏向を制御する、
溶射制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ溶射装置及び溶射制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶射に使用される粒子の粉末を高速のガスから形成されたプラズマジェットの熱により溶融しながら基材の表面に向かって噴き出し、基材の表面に被膜を形成するプラズマ溶射が知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３２５８９５号公報
【特許文献２】特開平８−２２５９１６号公報
【特許文献３】特許第５７９９１５３号明細書
【特許文献４】特開２０１４−１７２６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のプラズマ溶射技術では、溶射に使用される粒子の粉末が、プラズマジェットの進行方向に対して垂直な方向から供給されていた。このため、粒子の粒径が小さいと、粒子がプラズマジェットの境界にてはじかれ、プラズマジェットの内部に入り込むことができないため、粒径が５０μｍ程度の粉末を使用していた。他方、粒径が５０μｍ程度の粉末をプラズマにより溶融するためには、最大電力量が大きな熱源が必要であった。
【０００５】
また、従来のプラズマ溶射技術では、溶融した粉末が横に広がった状態で基板に向かって噴き出されるため、膜のアスペクト比は１又はそれ以下となり、溶射の指向性を制御することが難しく、高アスペクト比の溶射は困難であった。その結果、溶射された膜は、膜質や成膜レートにおいて十分な効果を得られない場合があった。従来のプラズマ溶射装置を用いて磁場により溶射の指向性を制御する方法も考えられるが、生成された膜に一定の外乱が入り、指向性のある溶射の形状や膜質の制御は難しい。
【０００６】
上記課題に対して、一側面では、本発明は、溶射の指向性を制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、一の態様によれば、供給部にて溶射材料の粉末をプラズマ生成ガスにより運び、前記供給部の先端部の開口から噴射する供給部と、噴射された前記プラズマ生成ガスを用いて前記供給部と軸芯が共通するプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記プラズマの生成空間に磁場を発生する磁場発生部と、前記磁場発生部を制御し、前記生成するプラズマの偏向を制御する制御部と、を有するプラズマ溶射装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
一の側面によれば、溶射の指向性を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係るプラズマ溶射装置の全体構成の一例を示す図。
【図２】一実施形態に係る磁場発生部の一例を示す図。
【図３】一実施形態に係るプラズマジェットを比較例と比較した図。
【図４】一実施形態に係るプラズマジェットによる溶射結果を比較例と比較した図。
【図５】一実施形態に係るプラズマジェットによる溶射結果を比較例と比較した図。
【図６】一実施形態に係る磁場の制御とプラズマの偏向の一例を示す図。
【図７】一実施形態に係るプラズマ溶射のプロファイルの一例を示す図。
【図８】一実施形態に係るプラズマ溶射方法の一例を示すフローチャート。
【図９】一実施形態に係るプラズマ溶射方法の実行結果の一例を示す図。
【図１０】一実施形態に係るプラズマ溶射方法の実行結果の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
【００１１】
［プラズマ溶射装置］
まず、本発明の一実施形態に係るプラズマ溶射装置１の全体構成について、図１を参照しながら説明する。プラズマ溶射装置１は、溶射材料の粉末(パウダー)（以下、「溶射用粉末Ｒ１」という。）をノズル１１の先端部の開口１１ｂから噴射して、高速のガスにより形成されたプラズマジェットＰの熱により溶融しながら基材Ｗの表面に向かって噴き出し、基材Ｗの表面に被膜Ｆ１を形成する装置である。
【００１２】
プラズマ溶射装置１は、供給部１０と制御部３０とガス供給部４０とプラズマ生成部６０と磁場発生部８０とを含む。供給部１０は、ノズル１１及びフィーダー２０を有し、溶射用粉末Ｒ１をプラズマ生成ガスにより運び、先端部の開口から噴射する。
【００１３】
フィーダー２０は、溶射用粉末Ｒ１をノズル１１に供給する。溶射用粉末Ｒ１は、フィーダー２０内の容器２１に収納されている。溶射用粉末は、銅（Ｃｕ）、リチウム（Ｌｉ）、鉄、アルミニウム、ニッケル、モリブデン等の金属の微粉末、ポリエステル等の樹脂の微粉末、アルミナ、ジルコニア、ムライト、スピネル等のセラミックス若しくはこれらのセラミックスの複合材料の微粉末であってもよい。
【００１４】
フィーダー２０には、アクチュエータ２２が設けられている。ノズル１１は棒状の環状部材であり、その内部に溶射用粉末Ｒ１が運ばれる流路１１ａが形成されている。ノズル１１の流路１１ａと容器２１内とは連通し、溶射用粉末Ｒ１は、アクチュエータ２２の動力により容器２１から流路１１ａ内に投入される。
【００１５】
ノズル１１には、溶射用粉末Ｒ１とともにプラズマ生成ガスが供給される。プラズマ生成ガスは、プラズマを生成するためのガスであり、また、流路１１ａにて溶射用粉末Ｒ１を運ぶキャリアガスとしても機能する。ガス供給部４０は、ガス供給源４１からプラズマ生成ガスを供給する。プラズマ生成ガスは、バルブ４６及びマスフローコントローラ（ＭＦＣ：mass flow controller）４４を通って流量制御され、パイプ４２を通って流路１１ａに供給される。プラズマ生成ガスとしては、アルゴンガス、窒素ガス（Ｎ２）、水素ガス（Ｈ２）等のガスが利用できる。本実施形態では、プラズマ生成ガスとしてアルゴンガス（Ａｒ）を供給する場合を例に挙げて説明する。
【００１６】
ノズル１１は、プラズマ生成部６０の本体部１２を貫通し、その先端部がプラズマ生成空間Ｕに突出した構造を有する。溶射用粉末Ｒ１は、プラズマ生成ガスによりノズル１１の先端部まで運搬され、プラズマ生成ガスとともに先端部の開口１１ｂからプラズマ生成空間Ｕに噴射される。
【００１７】
本体部１２は、樹脂材料により形成されている。本体部１２は、中央部に貫通口１２ａを有している。ノズル１１の前方部分１１ｃは、本体部１２の貫通口１２ａに挿入されている。ノズル１１の前方部分１１ｃは、直流電源５０に接続され、直流電源５０から電流が印加される電極（カソード）としても機能する。ノズル１１は、金属により形成されている。
【００１８】
プラズマ生成空間Ｕは、本体部１２の凹み部１２ｂと張出部１２ｄとにより形成された空間であり、プラズマ生成空間Ｕにはノズル１１の先端部が突出している。張出部１２ｄは、本体部１２の外壁に設けられた金属板１２ｃと一端部で連結している。金属板１２ｃは、直流電源５０に接続されている。これにより、金属板１２ｃ及び張出部１２ｄは電極（アノード）として機能する。
【００１９】
これにより、ノズル１１の先端部と張出部１２ｄの他端部とがカソード及びアノードの電極として機能し、放電が生じる。これにより、ノズル１１から噴射したアルゴンガスが電離し、プラズマ生成空間Ｕにてプラズマが生成される。
【００２０】
また、プラズマ生成空間Ｕには、アルゴンガスが旋回流となって供給される。アルゴンガスは、ガス供給源４１から供給され、バルブ４６及びマスフローコントローラ（ＭＦＣ）４５を通って流量制御され、パイプ４３を通って本体部１２内を流れ、横方向からプラズマ生成空間Ｕに供給される。
【００２１】
図１では、プラズマ生成空間Ｕに導入されるアルゴンガスの供給流路が１つだけ図示されているが、本体部１２には複数の供給流路が設けられている。これにより、アルゴンガスは、複数の供給流路から横方向に旋回流となってプラズマ生成空間Ｕに供給される。これにより、生成されるプラズマの拡散を防ぎ、プラズマジェットＰが直線偏向となる。これにより、プラズマ生成部６０は、ノズル１１の先端部から噴射したプラズマ生成ガスを用いて、ノズル１１と軸芯Ｏが共通するプラズマジェットＰを生成する。なお、本実施形態にて「軸芯が共通する」とは、供給部１０（ノズル１１）の中心軸とプラズマジェットの吹き付け方向の中心軸とが一致する又はほぼ同一方向に一致することをいう。
【００２２】
かかる構成により、供給部１０は、ノズル１１の内部に形成された流路１１ａに溶射用粉末Ｒ１とアルゴンガスとを直進させ、先端部の開口１１ｂからプラズマ生成空間Ｕに噴射する。噴射した溶射用粉末Ｒ１は、高速のアルゴンガスにより形成されたプラズマジェットＰの熱により溶融しながら基材Ｗの表面に向かって噴き出され、基材Ｗの表面に溶射による被膜Ｆ１を形成する。
【００２３】
本体部１２のプラズマ生成側の外周部には、プラズマ生成空間Ｕに磁場を発生させる磁場発生部８０が設けられている。磁場発生部８０は、コイル１３と鉄芯１４とヨーク１５とを有する。
【００２４】
鉄芯１４は強磁性体であり、例えば鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム等から形成される。鉄芯１４はコイル１３を貫通し、本体部１２の張出部１２ｄの内部に挿入され、本体部１２に固定されている。コイル１３に電流を流すと、鉄芯１４が磁化される。これにより、プラズマ生成空間Ｕに所定の磁場を発生させることができる。
【００２５】
図２に磁場発生部８０の斜視図の一例を示すように、本実施形態では、８つのコイル１３が張出部１２ｄの外周部にて放射状に設けられている。ヨーク１５は、８つのコイル１３の外周にて環状に形成され、発生した磁力線を外部に漏らさないように機能する。なお、本実施形態では、磁場発生部８０は回転しないが、回転機構を設けることでコイル１３を回転させ、これにより発生する磁場を変化させることも可能である。本実施形態では、磁場発生部８０は８つの電磁石を有するが、電磁石は、１つでも２つ以上でもよい。また、磁場発生部８０は永久磁石でもよい。
【００２６】
図１に戻り、電磁石コントローラ８１は、磁場発生部８０に接続され、各コイル１３に流す電流を制御する。電磁石コントローラ８１は、各コイル１３に流す電流の位相を制御することで、各コイル１３の磁極を制御し、これにより生成される磁場を変化させる。
【００２７】
プラズマ溶射装置１は、制御部３０を有する。制御部３０は、プラズマ溶射装置１を制御する。具体的には、制御部３０は、ガス供給源４１、フィーダー２０（アクチュエータ２２）、直流電源５０、電磁石コントローラ８１及びチラーユニット７０を制御する。
【００２８】
制御部３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ（Read Only Memory）３２、ＲＡＭ（Random Access Memory）３３及びＨＤＤ（Hard Disk Drive）３４を有する。ＨＤＤ３４には、磁極の配置情報とプラズマジェットＰの偏向情報とを対応付けた複数のプロファイルが予め保存されている。
【００２９】
ＣＰＵ３１は、複数のプロファイルから所望の特性の膜を成膜するためのプロファイルを選択し、ＲＡＭ３３に設定する。ＣＰＵ３１は、ＲＡＭ３３に記憶したプロファイルに基づき、電磁石コントローラ８１に８つのコイル１３に流す電流を制御するように制御信号を送る。これにより、磁場発生部８０の各コイル１３を所望の磁極に変化させることができる。この結果、プラズマジェットＰの偏向を制御することができ、所望の偏向に制御されたプラズマジェットＰにより基板Ｗに所望の特性の被膜Ｆ１を溶射することができる。
【００３０】
なお、制御部３０の機能は、ソフトウエアを用いて実現されてもよく、ハードウエアを用いて実現されてもよい。ＲＡＭ３３及びＨＤＤ３４は、複数の電磁石の磁極の配置情報とプラズマの偏向情報とを対応付けたプロファイルを記憶する記憶部の一例である。
【００３１】
本体部１２の内部には冷媒流路７２が形成されている。チラーユニット７０から供給された冷媒は、バルブ７４→冷媒管７１→冷媒流路７２→冷媒管７３→バルブ７５を通って循環し、チラーユニット７０に戻る。これにより、本体部１２は冷却され、本体部１２がプラズマの熱により高温になることを防ぐことができる。また、バルブ７４と冷媒管７１との間に設けられたフローメータ（ＦＭ）７６により、本体部１２の温度が一定に制御される。
【００３２】
［軸芯構造］
かかる構成の本実施形態に係るプラズマ溶射装置１では、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、供給部１０のノズル１１とプラズマジェットＰとの軸芯を共通にする構造とすることができる。これにより、溶射用粉末Ｒ１の噴出方向をプラズマジェットＰの進行方向とを同一にすることができる。つまり、プラズマジェットＰと同一軸で溶射用粉末Ｒ１が供給される。これにより、溶射の指向性を高め、図４（ｂ）の下段に示すように、高アスペクト比の膜Ｆ１を溶射により形成することができる。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す矢印Ｇは、旋回流のアルゴンガスの流れを示す。
【００３３】
なお、図４（ｂ）の下段には、４ｋＷの電力量を供給し、プラズマ生成ガスとしてアルゴンガスを供給し、粒径が５μｍの銅の微粒子を用いて３０秒溶射したとき及び１分溶射したときの膜Ｆ１を示す。
【００３４】
これに対して、比較例のプラズマ溶射装置９では、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、溶射粒子の粉末は、プラズマジェットＰに対して垂直方向に設けられた供給管９１から、プラズマジェットＰに対して垂直に供給される。このため、溶射用粉末Ｒ２の粒径が小さいと、その粉末Ｒ２がプラズマジェットＰの境界にてはじかれ、プラズマ内に入り込むことができない。そこで、比較例のプラズマ溶射装置９の場合、図３の左下の表に示すように、溶射用粉末Ｒ２の粒径は、３０μｍ〜１００μｍとなる。粉末Ｒ２の大きさは、図３の右下の表に示す本実施形態に係るプラズマ溶射装置１の場合の溶射用粉末Ｒ１の粒径１μｍ〜１０μｍと比較して、粒径が１０倍、体積が１０００倍程度大きくなる。よって、比較例のプラズマ溶射装置９の場合、溶射材料の粉末Ｒ２をプラズマにより溶融するためには、直流電源から供給する電力量を、本実施形態のプラズマ溶射装置１の場合と比べて２倍以上にしなければならない。この結果、最大電力量が大きく、より高価な直流電源が必要となる。図４（ａ）の下段には、３３ｋＷの電力量を供給し、プラズマ生成ガスとしてアルゴンガス及び水素ガスを供給し、粒径が４５−９０μｍの銅の粒子を用いて溶射したときの膜Ｆ２を示す。
【００３５】
これに対して、本実施形態のプラズマ溶射装置１の場合、溶射用粉末Ｒ１は、粒径が数μｍ程度の微粒子の粉末Ｒ１を比較例と比べて１／１０程度のフィード量で少しずつ供給する。これにより、高価な熱源を不要とし、最大電力量の小さな直流電源を使ってプラズマ溶射を行うことができる。これにより、プラズマ溶射時の電力消費を小さくし、コストを低下させることができる。また、これにより、本実施形態のプラズマ溶射装置１は１２０ｋｇであり、比較例のプラズマ溶射装置９の１０００ｋｇ以上と比較して、装置の総重量を約１／１０にすることができる。
【００３６】
また、図４（ａ）の下段に示すように、比較例のプラズマ溶射装置９の場合、粉末Ｒ２の噴出方向がプラズマジェットＰの方向と同一方向でないため、溶射による被膜Ｆ２のアスペクト比が１又はそれ以下である。
【００３７】
本実施形態のプラズマ溶射装置１の場合、供給部１０のノズル１１とプラズマジェットＰとの軸芯を共通にする構造を有し、溶射用粉末Ｒ１の噴出方向がプラズマジェットＰの進行方向と同一方向である。このため、膜Ｆ１のアスペクト比を１よりも大きくすることができる。また、本実施形態のプラズマ溶射装置１によれば、磁場発生部８０を制御することで、プラズマ生成空間Ｕに発生する磁場を変化させ、プラズマの偏向を制御することができる。これにより、溶射の指向性を制御することができる。
【００３８】
［膜質］
図５は、比較例のプラズマ溶射装置９と本実施形態のプラズマ溶射装置１とを用いて溶射された膜の膜質の一例を示す。図５（ａ）は比較例に係るプラズマ溶射装置９により溶射された膜Ｆ２の断面を示し、図５（ｂ）は本実施形態に係るプラズマ溶射装置１により溶射された膜Ｆ１の断面を示す。
【００３９】
比較例では、溶射用粉末Ｒ２は４５〜９０μｍの銅であり、本実施形態では、溶射用粉末Ｒ１は５μｍの銅である。また、比較例では、使用する電力量は３３ｋＷであり、本実施形態では、電力量は４ｋＷである。また、比較例では、プラズマ生成ガスはアルゴンガス及び水素ガスであり、本実施形態では、プラズマ生成ガスはアルゴンガスである。
【００４０】
図５（ｂ）の右側の電子顕微鏡によるＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像（２０μｍ）は、左側のＳＥＭ画像（５０μｍ）を２．５倍に拡大した図である。また、図５（ａ）の右側の電子顕微鏡によるＳＥＭ画像（２０μｍ）は、左側のＳＥＭ画像（５０μｍ）を２．５倍に拡大した図である。
【００４１】
本実施形態の場合、図５（ｂ）の下段に示すように、基板Ｗ上に溶射された膜Ｆ１は緻密であり、基板Ｗと膜Ｆ１との境界に隙間やホールは生じていない。これに対して、比較例の場合、図５（ａ）の下段に示すように、基板Ｗ上に溶射された膜Ｆ２は緻密でなく、基板Ｗと膜Ｆ２との境界にホールＨが生じていることがわかる。
【００４２】
また、本実施形態の場合、図５（ｂ）の下段に示す膜Ｆ１の表面は概ね平らである。このため、成膜後に膜Ｆ１の表面を削り取る工程において、削る量が少なくて済むため、スループットを向上させ、生産性を高めることができる。これに対して、比較例の場合、図５（ａ）の下段に示す膜Ｆ２の表面は平らではない。このため、成膜後に膜Ｆ２の表面を削り取る工程では削り量が多くなるため、本実施形態の場合よりもスループットが低くなり、生産性が低下する。
【００４３】
［溶射の指向性］
本実施形態に係るプラズマ溶射装置１では、プラズマ生成空間Ｕにおける磁場を変化させることによりプラズマの偏向を変更させることができ、これにより、溶射の指向性の制御性を高めることができる。図６は、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１による磁場の制御とプラズマの偏向の一例を示す。
【００４４】
電磁石コントローラ８１は、制御部３０からの制御信号に応じて、磁場発生部８０の各コイル１３に流す電流を制御する。その結果、磁場発生部８０における各コイル１３の磁極の配置（ａ）〜（ｈ）に応じてプラズマジェットＰの偏向を制御できていることがわかる。例えば、磁極の配置（ａ）では、紙面の左右方向の磁場が最も強く、紙面の右側がＳ極、左側がＮ極となっている。この場合のプラズマの偏向により、プラズマジェットＰは長く細い形状となる。この磁極の配置とプラズマジェットＰの形状とを予め測定し、磁極の配置情報とプラズマの偏向情報として一のプロファイルにしてＨＤＤ３４に記憶する。
【００４５】
また、例えば、磁極の配置（ｂ）は、磁極の配置（ａ）を４５度時計回りに回転させた配置となっている。この場合、プラズマの偏向が変化し、プラズマジェットＰは短く細い形状となる。また、例えば、磁極の配置（ｃ）は、磁極の配置（ｂ）を４５度時計回りに回転させた配置となっている。この場合、更にプラズマの偏向が変化し、プラズマジェットＰは短く広がった形状となる。
【００４６】
また、例えば、磁極の配置（ｄ）は、磁極の配置（ｃ）を４５度時計回りに回転させた配置となっている。この場合、更にプラズマの偏向が変化し、プラズマジェットＰはやや長く広がった形状となる。これらの磁極の配置（ａ）〜磁極の配置（ｄ）とプラズマジェットＰの形状を、磁極の配置情報とプラズマの偏向情報として予め測定し、それぞれのプロファイルにしてＨＤＤ３４に記憶する。同様にして、磁極の配置（ｅ）〜磁極の配置（ｈ）のそれぞれに対するプラズマジェットＰの形状を予め測定し、それぞれのプロファイルにしてＨＤＤ３４に記憶する。
【００４７】
これにより、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１では、プロファイルの選択によって、プラズマの指向性の制御を行うことができる。例えば、制御部３０が、図６（ｅ）の磁極の配置に対応したプラズマの偏向を示すプロファイルＡを選択したとする。この場合、電磁石コントローラ８１は、プロファイルＡに基づき各コイル１３に電流を供給する。この結果、図６（ｅ）に示す短く広がったプラズマジェットＰにより図７（ａ）に示すアスペクト比の低い膜ＤＲ１が溶射により成膜される。
【００４８】
また、例えば、図６（ａ）の磁極の配置に対応したプラズマの偏向を示すプロファイルＢを選択したとする。この場合、電磁石コントローラ８１は、プロファイルＢに基づき各コイル１３に電流を供給する。この結果、図６（ａ）に示す長く細いプラズマジェットＰにより図７（ｂ）に示すアスペクト比の高い膜ＤＲ２が溶射により成膜される。以上のようにして、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１では、磁場により、膜質、成膜形状及び成膜レートが制御可能な溶射を行うことができる。
【００４９】
膜質の制御では、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１は、緻密な膜を形成したい場合、プラズマジェットＰの長さが長くなるプロファイルを設定することが好ましい。プラズマジェットＰの長さが長いと、溶射用粉末Ｒ１がプラズマ中に滞在する時間が長くなる。この場合、溶射用粉末Ｒ１の一部は溶融して液体となるが、他の一部は気体となって蒸発する。これにより、緻密な膜を溶射により成膜できる。
【００５０】
逆に、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１は、緻密でない膜を形成したい場合、プラズマジェットＰの長さが短くなるプロファイルを設定することが好ましい。これにより、プラズマジェットＰの長さが短いために溶射用粉末Ｒ１がプラズマ中に滞在する時間が短くなる。これにより、溶射用粉末Ｒ１の一部が気体となって蒸発することを防ぎ、溶射用粉末Ｒ１の一部が気体となって蒸発した場合よりも緻密でない膜を溶射により成膜できる。
【００５１】
このようにして、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１は、所定の膜の性質が得られるための予め設定された基材ＷとプラズマジェットＰとの最適溶射距離が得られるプロファイルを選択することで、所定の膜質及び成膜レートの膜を成膜することができる。
【００５２】
［溶射制御方法］
最後に、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１により実行される溶射制御方法の一例について、図８〜図１０を参照しながら説明する。図８は、本実施形態に係るプラズマ溶射方法の一例を示すフローチャートである。図９は、本実施形態に係るプラズマ溶射方法の実行結果の一例を示す。図１０は、本実施形態に係るプラズマ溶射方法の実行結果の他の例を示す。図８の処理は、制御部３０のＣＰＵ３１により実行される。
【００５３】
図８のプラズマ溶射方法が開始されると、制御部３０は、ＨＤＤ３４に記憶されたプロファイルから所望の第１の特性を有する第１の膜を成膜するためのプロファイル（第１のプロファイル）を選択し、ＲＡＭ３３に設定する（ステップＳ１０）。制御部３０は、設定されたプロファイルに基づく磁極の配置になるように、電磁石コントローラ８１に磁場の制御を指示する（ステップＳ１０）。次に、制御部３０は、ガス供給源４１を制御して、アルゴンガスを供給部１０とプラズマ生成空間Ｕに供給する(ステップＳ１２)。
【００５４】
次に、制御部３０は、直流電源５０を制御して、直流電流をプラズマ生成部６０の電極に印加し、プラズマを生成する（ステップＳ１４）。これにより、プラズマ生成空間ＵにアルゴンガスのプラズマジェットＰが生成される。また、制御部３０は、フィーダー２０からノズル１１に溶射用粉末Ｒ１を供給し（ステップＳ１４）、溶射による成膜を実行する（ステップＳ１６）。溶射用粉末Ｒ１は、プラズマジェットＰの熱により溶融しながら基材Ｗの表面に向かって噴き出し、基材Ｗの表面に溶射による被膜が形成される。
【００５５】
例えば、電磁石コントローラ８１は、複数のコイル１３のそれぞれに対する磁極の配置情報とプラズマの偏向情報とを対応付けた第１のプロファイルを参照して、複数のコイル１３に流す電流を制御する。これにより、選択した第１のプロファイルに基づく、膜質及び成膜量の特性を有する第１の膜を溶射により被膜することができる。
【００５６】
次に、制御部３０は、プロファイルを変更するか否かを判定する（ステップＳ１８）。制御部３０は、磁場を変更しないと判定した場合、ステップＳ２２に進む。一方、制御部３０は、プロファイルを変更すると判定した場合、制御部３０は、ＨＤＤ３４に記憶されたプロファイルから所望の第２の特性を有する第２の膜を成膜するためのプロファイル（第２のプロファイル）を選択し、ＲＡＭ３３に再設定する（ステップＳ２０）。制御部３０は、再設定されたプロファイルに基づく磁極の配置になるように、電磁石コントローラ８１に磁場の制御を指示する（ステップＳ２０）。
【００５７】
次に、制御部３０は、溶射を終了するか否かを判定する（ステップＳ２２）。制御部３０は、溶射を終了すると判定した場合、本処理を終了する。一方、制御部３０は、溶射を終了しないと判定した場合、ステップＳ１６に戻り、成膜を続ける。
【００５８】
例えば、電磁石コントローラ８１は、再設定された第２のプロファイルを参照して、複数のコイル１３に流す電流を制御する。これにより、選択した第２のプロファイルに基づく、膜質及び成膜量の特性を有する第２の膜を溶射により被膜することができる。
【００５９】
ステップＳ２２において溶射が終了していないと判定されている間、ステップＳ１６〜Ｓ２２の処理が繰り返され、ステップＳ２２において溶射が終了したと判定した場合、本処理が終了する。
【００６０】
以上に説明した、本実施形態に係る溶射制御方法によれば、例えば、初めに図９（ａ）のプロファイルＢを参照して、複数のコイル１３に流す電流が制御されていたとする。この場合、プロファイルＢに示す磁極の配置になり（磁場がオン状態）、これに応じてプラズマジェットＰの偏向が制御され、溶射により第１の膜が生成される。生成された第１の膜の一例として、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図に基材Ｗ上の膜Ｆ１１を示す。
【００６１】
次に、再設定された図９（ｂ）のプロファイルＣを参照して、複数のコイル１３に流す電流が制御される。この場合、プロファイルＣでは磁場を発生させない。よって、すべてのコイル１３に電流は供給されず、磁場がオフ状態にされ、これに応じて磁場による偏向のないプラズマジェットＰにより溶射により第２の膜が生成される。生成された第２の膜の一例として、図９（ｂ）のＢ−Ｂ断面図に基材Ｗ上の膜Ｆ１２を示す。これによれば、磁場のオン及びオフにより成膜レートが変更できていることがわかる。同様にして、磁場がオンされている状態においても、プロファイルに基づき複数のコイル１３に流す電流を変化させることで、プラズマジェットＰの偏向が制御され、溶射により成膜される成膜レートや膜質を変更することができる。
【００６２】
これによれば、例えば、基材Ｗ上に膜質の異なる膜や成膜レートの異なる膜を連続的に成膜することができる。例えば、緻密でない膜は、膜強度が小さいため基材Ｗに曲げ応力をかけたくないときに好適である。緻密な膜は、膜強度が大きいため基材Ｗに曲げ応力をかけてもよい場合に溶射されることが好ましい。
【００６３】
本実施形態に係るプラズマ溶射装置１によれば、溶射による成膜中にプロファイルを変えることにより、溶射の指向性の制御を変更することで、一の特性を有する第１の膜から他の特性を有する第２の膜へ、膜質や成膜量等の特性が異なる膜を連続して成膜することができる。異なる性質の膜を成膜する際のスループットを向上させることができる。
【００６４】
以上、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１によれば、上記軸芯構造により溶射による被膜が広範囲に広がることを抑制し、指向性の高い溶射が可能となる。このため、溶射の指向性を制御しながら、プラズマジェットＰの偏向を変え、アスペクト比が１よりも大きい溶射による成膜を実現できる。
【００６５】
例えば、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１によれば、溶射の指向性及び高アスペクト比の溶射の制御を行うことで、図１０に示すように、ガスシャワーヘッド１００において、貫通するガス孔１０１の内壁に溶射による膜Ｆを成膜できる。
【００６６】
これによれば、例えば、制御部３０は、右に偏向するプラズマジェットＰを生成するプロファイルを選択及び設定し、溶射用粉末Ｒ１をガス孔１０１の右側面に溶射する。その後、プラズマジェットＰの偏向を変更させるようにプロファイルを再設定し、溶射用粉末Ｒ１をガス孔１０１の他の側面に溶射する。このとき、溶射に使われた溶射用粉末Ｒ１以外の溶射用粉末Ｒ１は、貫通したガス孔１０１を通過し、排気される。これにより、スリーブを使わずにガス孔１０１の保護膜を形成できる。
【００６７】
これにより、本実施形態では、１０μｍ〜１００μｍの溶射が可能になり、特に穴径が小さいガス孔や深さのあるホールを成膜する際に利用できる。なお、ガス孔１０１は、本実施形態に係る溶射制御方法を使用する部材の一例であり、本実施形態に係る溶射制御方法は、他のあらゆる部材の溶射に使用することができる。
【００６８】
さらに、制御部３０は、ＨＤＤ３４に記憶したプロファイルから、プラズマ溶射装置１のクリーニングに応じたプロファイル（第３のプロファイル）を選択及び設定し、設定したプロファイルに基づき複数のコイル１３に流す電流を制御する。これにより、プラズマ溶射装置１を偏向クリーニングすることが可能である。この場合、供給部１０から溶射材料の粉末を出さずにアルゴンガスのみを噴射する。
【００６９】
つまり、アルゴンガスのプラズマジェットＰが広がるプロファイルを設定することで、図１に示すノズル１１の先端部において、プラズマジェットＰの幅を広げることができる。これにより、ノズル１１の先端部付近のカソード電極及びアノード電極に付着した付着物に対するクリーニングを行うことができる。これにより、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１に設けられた電極を洗浄する等、プラズマ溶射装置１を溶射以外のクリーニングに用いることができる。
【００７０】
なお、磁極の配置は、図６の配置に限られない。最も強い磁場を発生するコイル１３は、１つであってもよいし、２以上であってもよい。Ｓ極及びＮ極の磁極の配置と強さとを変化させることで、プロファイルの数を増やすことができる。これにより、プラズマの指向性の制御を自在に操ることで、溶射による微細な箇所への成膜をより容易にし、プラズマ溶射の適用範囲を広げることができる。
【００７１】
以上に説明したように、本実施形態のプラズマ溶射装置１によれば、ノズル１１とプラズマジェットＰとの軸芯を共通にする構造としたことにより、プラズマジェットＰと同一軸で溶射用粉末Ｒ１がプラズマ生成空間Ｕに供給される。これにより、溶射の指向性を高めることができる。
【００７２】
また、本実施形態のプラズマ溶射装置１によれば、上記軸芯を共通にする構造としたことにより、溶射用粉末Ｒ１に粒径が１〜１０μｍの微粒子を用いることができる。これにより、電力量の小さな直流電源を使ってプラズマ溶射を行うことができる。これにより、プラズマ溶射時の電力消費を小さくすることができ、装置の総重量を下げることができる。
【００７３】
さらに、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１では、プラズマ生成空間Ｕにおける磁場を変化させることによりプラズマの偏向を変更させることができ、これにより、溶射の指向性をより的確に制御することができ、アスペクト比を高めることができる。これにより、穴径の小さいガス孔や深穴の側面等の箇所に、高アスペクト比の成膜が可能になる。
【００７４】
以上、プラズマ溶射装置及び溶射制御方法を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるプラズマ溶射装置及び溶射制御方法は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１  ：プラズマ溶射装置
１０：供給部
１１：ノズル
１１ａ：流路
１１ｂ：開口
１２：本体部
１２ｂ：凹み部
１２ｄ：張出部
１３：コイル
１４：鉄芯
１５：ヨーク
２０：フィーダー
２１：容器
２２：アクチュエータ
３０：制御部
４０：ガス供給部
４１：ガス供給源
５０：直流電源
６０：プラズマ生成部
７０：チラーユニット
８０：磁場発生部
８１：電磁石コントローラ
Ｕ  ：プラズマ生成空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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