(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ切断装置に用いられる電極であって、
先端に形成された放出面と、前記放出面の外周側に形成されたテーパ面と、前記放出面の外周縁から中央部に向かって形成された複数の溝と、を有し、前記複数の溝のそれぞれは前記放出面に対して傾斜する第１側面及び第２側面を有する、電極基体と、
前記電極基体の放出面の中央部に配置された電極材と、
を備え、
前記第１側面及び第２側面は前記放出面を前記溝部に延長して得られる仮想面に対して第１傾斜角度及び第２傾斜角度を有し、前記第１傾斜角度は前記第２傾斜角度よりも大きく、前記テーパ面と前記放出面との境界である稜線と前記第１側面との交点となるエッジを有することを特徴とする
プラズマ切断装置用電極。
【請求項２】
前記電極基体の周囲には、外周から前記放出面の中央部に向かって旋回するようにプラズマガスが供給されるものであり、
前記第１側面は、前記放出面との境界部分に絶縁破壊の起点となるエッジを有し、
前記第２側面は、旋回するプラズマガスに対向するように配置されている、
請求項１に記載のプラズマ切断装置用電極。
【請求項３】
前記テーパ面は、前記放出面から離れるほど径が大きくなるように形成されており、
前記複数の溝のそれぞれは、前記放出面と直交する方向視で、２つの三角形状の面で形成されている、請求項１又は２に記載のプラズマ切断装置用電極。
【請求項４】
前記テーパ面は、前記放出面から離れるほど径が大きくなるように形成されており、
前記第１側面の第１傾斜角度は９０°であり、前記複数の溝のそれぞれは、前記放射面と直交する方向視で、１つの三角形状の面で形成されている、請求項１又は２に記載のプラズマ切断装置用電極。
【請求項５】
前記電極材の先端放出面には内部に凹む凹部が形成されている、請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ切断装置用電極。
【請求項６】
前記電極材はハフニウムである、請求項１から５のいずれかに記載のプラズマ切断装置用電極。
【請求項７】
プラズマ切断装置に設けられるプラズマトーチであって、
請求項１から６のいずれかに記載の電極と、
内部に前記電極の先端部と対向する電極対向部を有し、かつ先端にオリフィスが形成された筒状のノズルと、
を備えたプラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ切断に用いられるプラズマ切断装置用の電極及びそれを含むプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ切断装置は、プラズマアークを噴射して金属板等のワークを熱切断する装置である。プラズマ切断装置にはプラズマトーチが設けられており、プラズマトーチは消耗部品としての電極及びノズルを有している。
【０００３】
このようなプラズマ切断装置では、プラズマトーチの電極とワークとの間にプラズマアークが発生する。プラズマアークはノズルで細く絞り込まれ、これにより高温かつ高圧のプラズマジェットが生成される。そして、プラズマジェットがワークに噴射されることにより、ワークが切断される。ここで、プラズマアークは以下のような過程により生成されることが知られている。
【０００４】
まず、電極とノズルとの間に、小流量のプラズマガスが供給され、プラズマガスの流れが生成される。この状態で、電極に高電圧が印加されると、電極とノズルの内面との間に絶縁破壊が発生する。そして、この絶縁破壊をトリガーにして電極とノズルとの間にパイロットアークが発生する。パイロットアークは、プラズマガスの流れに乗ってワークまで延びる。そして、プラズマガスの流量及び電流を増大させることにより、電極とワークとの間にプラズマアークが生成される。
【０００５】
以上のようなプラズマ切断装置において、特許文献１には、電極とノズルとの間で絶縁破壊が生じやすいように、電極の外周面にエッジ状の突出部を設けることが記載されている。
【０００６】
また、特許文献２の図６及び特許文献３には、ワークに向かうプラズマガスの流れをスムーズにするために、溝が形成された電極が示されている。すなわち、特許文献２の電極では、電極の外周面に周方向に延びる凹み部が形成され、また下端部に溝が形成されている。また、特許文献３の電極では、電極外周部のテーパ部に、中央に向かう放射状の溝が形成されている。この放射状の溝によって、プラズマガスが電極の下端中央部に導かれる。
【０００７】
さらに、特許文献４には、電極本体及び挿入体の先端の少なくとも一方に放射状の溝を形成したプラズマトーチ用電極が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平５−５０２１８９号公報
【特許文献２】特開平１１−３１４１６２号公報
【特許文献３】米国特許５４５１７３９号公報
【特許文献４】実公平３−４７７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
消耗部品としての電極及びノズルについては、コスト削減のために長寿命化が要望されている。しかし、電極及びノズルを長時間使用し続けると、ノズル内面が酸化等で絶縁体化し、絶縁破壊が起こりにくくなる。すると、プラズマアークの再着火処理が繰り返し実行されて生産性が低下し、最終的には着火不能となってしまう。また、着火不良に関しては、以下のような別の問題も存在する。
【００１０】
プラズマ切断処理の初期においては、電極基体のプラズマアーク放出面に設けられるハフニウム等の電極材の一部が飛散してノズル内面に付着する。このノズル内面に付着した電極材は、絶縁破壊の起点になり得るが、異常放電や切断品質の低下の原因にもなる。
【００１１】
そこで、本件発明者らは、先端に凹部を設けた電極材を用いてプラズマ切断を行うことを試みた。これは、電極材の先端に凹部を設けることによって、初期段階で飛散する電極材を少なくし、ノズル内面に電極材が付着するのを抑制するためである。ただし、この場合は、絶縁破壊が生じにくくなる場合がある。これを解消するために、特許文献１に示されるように、電極基体の外周面にエッジ部を形成し、このエッジ部とノズル内面との間で絶縁破壊が生じやすいようにすることが考えられる。
【００１２】
しかし、電極基体にエッジ部を形成すると、このエッジ部とノズル内面との間で発生したプラズマアーク（パイロットアーク）が、エッジ部で形成された領域に拘束されるという問題がある。すなわち、パイロットアークが、エッジ部で形成された領域に留まってしまい、メインアークに移行しない（いわゆる「トラップ」）という問題が発生する。ノズル内面に発生したアークの跡は、アーク移行の軌跡であるので、このような現象が生じたか否かは、アーク跡を観察することによって判断することができる。従来技術では、ノズル内面に多量のアークの跡が発生している場合は、電極のエッジ部でプラズマアークが拘束されていることを示している。そして、このようなプラズマアークの拘束は、トーチ起動エラーや、不要な投入電力の増大を招く。また、プラズマアークの拘束が発生し、ノズルがダメージを受け続けると、ノズルを頻繁に交換する必要があり、ノズルの長寿命化を図ることができない。
【００１３】
本発明の課題は、電極とノズルとの間に発生したパイロットアークがスムーズにメインアークに移行できるようにして切断品質の低下を抑え、消耗品となる電極やノズルの長寿命化と生産性向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１発明に係るプラズマ切断装置用電極は、プラズマ切断装置に用いられる電極であって、電極基体と、電極材と、を備えている。電極基体は、先端に形成された放出面と、放出面の外周側に形成されたテーパ面と、放出面の外周縁から中央部に向かって形成された複数の溝と、を有している。複数の溝のそれぞれは放出面に対して傾斜する第１側面及び第２側面を有する。電極材は電極基体の放出面の中央部に配置されている。
【００１５】
このプラズマトーチ用電極は、先端部がノズル内部に位置するように配置される。このため、放出面の外周縁が最もノズル内面に接近することになる。そして、放出面の外周縁から中央部に向かって複数の溝が形成されており、各溝は第１側面及び第２側面を有している。このため、各側面には、放出面及びテーパ面との境界部に稜線が形成される。そして、各側面と放出面の境界部の稜線と、各側面とテーパ面の境界部の稜線と、の交点にはエッジが形成されることになる。このため、このエッジが起点となって、放出面の外周縁とノズル内面との間に絶縁破壊が生じやすくなる。また、溝は、放出面の外周縁から中央部に向かって形成されているので、絶縁破壊によって発生したプラズマアークは、溝の縁であるエッジに沿って中央部に向かって移行しやすくなる。さらに、電極基体の外周から中央部に向かってプラズマガスが供給されており、このプラズマガスは溝の側面に沿って放出面の中央部に導かれる。
【００１６】
以上のようにして、放出面の外周縁の溝によって形成されたエッジで発生したプラズマアーク（パイロットアーク）は、溝の縁であるエッジに沿って、あるいは溝に沿って流れるプラズマガスの流れとともに、中央部に向かい、スムーズにメインアークに移行する。したがって、ノズル内面にアークの跡が付きにくく、切断品質の低下を抑えることができ、このためノズルの長寿命化を図ることができる。
【００１７】
第２発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第１発明の電極において、第１側面及び第２側面は、放出面を溝部に延長して得られる仮想面に対して第１傾斜角度及び第２傾斜角度を有し、第１傾斜角度は第２傾斜角度よりも大きい。
【００１８】
ここでは、第１側面は放出面を溝部に延長して得られる仮想面に対して大きい第１傾斜角度を有している。このため、第１側面と放出面の境界部は、第２側面と放出面の境界部に比較して、より急峻なエッジとなっている。このため、第１側面と放出面及びテーパ面の境界によって形成されるエッジは、絶縁破壊の起点になりやすく、より容易に絶縁破壊を起こしやすくなる。
【００１９】
第３発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第２発明の電極において、電極基体の周囲には、外周から放出面の中央部に向かって旋回するようにプラズマガスが供給されるものである。そして、第１側面は、放出面との境界部分に絶縁破壊の起点となるエッジを有し、第２側面は、旋回するプラズマガスに対向するように配置されている。
【００２０】
前述のように、第１側面の放出面及びテーパ面との境界部（稜線の交点）に形成されたエッジは絶縁破壊の起点となる。一方で、第２側面は旋回するプラズマガスに対向するように配置されている。このため、プラズマガスは、第２側面に衝突した後、第２側面に沿って放出面の中央部に導かれることになる。このため、第１側面のエッジで発生したプラズマアークは、第２側面に沿って流れるプラズマガスに沿ってスムーズに放出面の中央部に向かうことになる。
【００２１】
第４発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第１から第３発明のいずれかの電極において、テーパ面は、放出面から離れるほど径が大きくなるように形成されており、複数の溝のそれぞれは、放出面と直交する方向視で、２つの三角形状の面で形成されている。
【００２２】
先端が断面Ｖ字形状の切削工具で各溝を形成した場合、前述のように、各溝は２つの側面を有することになる。この場合、２つの側面の１辺（底辺）は共通の辺である。そして、各側面と放出面との境界には稜線（別の１辺）が形成され、また、同様に、各側面とテーパ面との境界にも稜線（さらに別の１辺）が形成される。したがって、各溝を放出面と直交する方向から見ると、すなわち底面視では、２つの側面の放出面に対する傾斜角度が９０°でない場合は、各溝は、底辺を共通の辺とする２つの三角形状の面で形成されていることになる。
【００２３】
そして、三角形の頂点、すなわち、各側面と放出面の境界に形成される稜線と、各側面とテーパ面の境界に形成される稜線との交点には、するどいエッジが形成されることになる。このため、２つの側面のうちの、放出面に対してより急な傾斜角度を有する側面によって形成される三角形の頂点が、絶縁破壊の起点となる。
【００２４】
第５発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第１から第３の発明のいずれかの電極において、テーパ面は、放出面から離れるほど径が大きくなるように形成されており、第１側面の第１傾斜角度は９０°であり、複数の溝のそれぞれは、放射面と直交する方向視で、１つの三角形状の面で形成されている。
【００２５】
前記同様に、各側面と放出面及びテーパ面との境界の稜線によって２つの三角形が形成されることになる。しかし、側面の放出面に対する傾斜角度が９０°の場合は、底面視では１つの直線になり、各溝は底面視で１つの三角形状の面で形成されることになる。なお、各溝は２つの側面によって形成されるので、２つの側面の放出面に対する傾斜角度がともに９０°になることはない。
【００２６】
第６発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第１から第５発明のいずれかの電極において、電極材の先端放出面には内部に凹む凹部が形成されている。
【００２７】
前述のように、プラズマ切断処理の初期においては、ハフニウム等の電極材の一部が飛散してノズル内面に付着し、異常放電や切断品質の低下に原因にもなる。そこで、ここでは、先端放出面に凹部を有する電極材を用いている。このため、初期段階で飛散する電極材が少なくなり、ノズル内面に電極材が付着するのを抑えることができる。
【００２８】
第７発明に係るプラズマ切断装置用電極は電極基体と電極材とを備えている。電極基体は、先端に形成された放出面と複数の溝とを有している。放出面は外周縁が曲面である。複数の溝は放出面の曲面から中央部に向かって形成されている。電極材は電極基体の放出面の中央部に配置されている。
【００２９】
このプラズマ切断装置用電極は、先端部がノズル内部に位置するように配置される。このため、放出面の外周縁が最もノズル内面に接近することになり、放出面の外周縁とノズル内面との間に絶縁破壊が生じ、プラズマアークが発生する。
【００３０】
ここで、本発明の電極では、放出面の外周縁はエッジではなく曲面であるので、エッジの場合に比較して絶縁破壊が生じにくい。一方で、外周縁には複数の溝が形成されているので、この溝の縁にはエッジが形成される。このため、溝の縁に形成されたエッジとノズル内面との間で絶縁破壊が生じやすくなる。そして、溝は、放出面の外周縁から中央部に向かって形成されているので、絶縁破壊によって放出面の外周縁に発生したプラズマアークは、溝の縁に沿って中央部に向かって移行しやすくなる。このため、プラズマアークが放出面の外周縁でトラップされにくくなる。
【００３１】
以上のようにして、放出面の外周縁で発生したパイロットアークはスムーズにメインアークに移行する。したがって、ノズル内面にアークの跡が付きにくく、切断品質の低下を抑えることができ、このためノズルの長寿命化を図ることができる。
【００３２】
第８発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第７発明の電極において、放出面の外周縁の曲面は、半径が0.05mm以上で電極基体の直径の50%以下である。
【００３３】
放出面の外周縁が半径0.05mm以上の曲面であるので、この外周縁において絶縁破壊は生じにくくなるが、アークがトラップされにくくなる。また、曲面の半径が大きすぎると、放出面の外周縁とノズル内面との間の最短ギャップの部分が一点に定まりにくい。このため、絶縁破壊する位置が特定されず、絶縁破壊が生じにくくなる。そこで、この第８発明では、曲面の半径を電極基体の直径の50%以下にしている。
【００３４】
第９発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第８発明の電極において、複数の溝の長手方向は、放出面の中心から放射状に延びる直線に対して同じ方向に傾斜している。
【００３５】
電極とノズルとの間にはプラズマガスが流されるが、一般的に、プラズマガスは電極の周囲を旋回するように流される。このため、旋回するプラズマガスの流れる方向に沿って傾斜する溝を形成することによって、プラズマアークは電極中央部に向かうとともにスムーズにワーク側に移行する。
【００３６】
第１０発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第９発明の電極において、電極基体の周囲には、外周から放出面の中央部に向かって旋回するようにプラズマガスが供給されるものである。そして、複数の溝はプラズマガスの旋回方向に沿って傾斜している。
【００３７】
ここでは、第９発明と同様に、プラズマアークをスムーズにワーク側に移行させることができる。
【００３８】
第１１発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第７発明の電極において、電極材の先端放出面には内部に凹む凹部が形成されている。
【００３９】
前述と同様に、先端放出面に凹部を有する電極材を用いているため、初期段階で飛散する電極材が少なくなり、ノズル内面に電極材が付着するのを抑えることができる。
【００４０】
第１２発明に係るプラズマ切断装置用電極は、第１から第１１発明のいずれかの電極において、電極材はハフニウムである。
【００４１】
第１３発明に係るプラズマトーチは、第１から第１２発明のいずれかの電極と、筒状のノズルと、を備えている。ノズルは、内部に電極の先端部と対向する電極対向部を有し、かつ先端にオリフィスが形成されている。
【発明の効果】
【００４２】
以上のような本発明では、電極とノズルとの間にパイロットアークを安定して発生させることができる。そして、発生したパイロットアークをスムーズにメインアークに移行させることができる。このため、ノズル内面の損傷を抑えて、切断品質の低下を抑えることができ、ノズルの長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】プラズマトーチの断面図。
【図２】プラズマトーチ先端部の拡大断面図。
【図３】第１実施形態の電極の拡大断面図。
【図４】第１実施形態の電極の底面図。
【図５】第１実施形態の電極の底面外観図。
【図６】第１実施形態の電極に形成された溝の拡大図。
【図７】第１実施形態の溝の側面図。
【図８】第２実施形態の図３に相当する図。
【図９】第２実施形態の電極の溝の底面部分図。
【図１０】第２実施形態の電極の溝の拡大図。
【図１１】電極形状の違いによるアーク跡の写真を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
―第１実施形態―
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るプラズマトーチ１の中心軸線（以下、単に「軸線」と呼ぶ）を含む平面での断面図である。
【００４５】
［全体構成］
プラズマトーチ１は、鋼板などの金属材料を切断するためのプラズマ切断装置に備えられるものである。図示されていないが、プラズマ切断装置は、プラズマトーチ１にパイロットアークやプラズマアークを発生させ、且つ、プラズマアークを制御するためのアーク電源回路及び制御装置を備えている。また、プラズマ切断装置は、プラズマトーチ１へプラズマガス及びアシストガスを供給するガス供給システム、及び、プラズマトーチ１へ冷却液を供給する冷却システムなどの装置を備えている。
【００４６】
プラズマトーチ１は、トーチ本体２、電極３、第１案内部材４、第２案内部材５、ノズル６、キャップ部７などを有する。トーチ本体２、電極３、第１案内部材４、第２案内部材５、ノズル６、及びキャップ部７は、同軸に配置されている。
【００４７】
［トーチ本体］
トーチ本体２は、ベース部１１、電極支持部１２、ノズル支持部１３、冷却パイプ１４、ホルダ１５、冷却液供給パイプ１６、冷却液排出パイプ１７などを有する。ベース部１１、電極支持部１２、ノズル支持部１３、冷却パイプ１４は同軸に配置されている。
【００４８】
ベース部１１は概ね円筒状に形成されている。ベース部１１の内部には空間が形成されており、この内部空間に、電極支持部１２、冷却液供給パイプ１６及び冷却液排出パイプ１７が挿入されている。ベース部１１の先端部には、ベース部１１の内部空間に連通する孔１１ａが形成されている。
【００４９】
電極支持部１２は、概ね円筒状に形成されてベース部１１の孔１１ａに挿入されており、先端部（図１の下方端部）に電極３を支持している。電極支持部１２の外面とベース部１１の内面との間には、例えばＯリングなどのシール部材Ｓ１が設けられている。電極支持部１２は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。電極支持部１２は、図示しない電気配線を介してアーク電源回路へ接続される。電極支持部１２は軸線方向に貫通する孔１２ａを有している。
【００５０】
ノズル支持部１３は、概ね円錐状に形成されて軸線方向に貫通する孔１３ａを有しており、先端部にノズル６を支持している。ノズル支持部１３は、ベース部１１の先端部に取り付けられ、電極支持部１２の先端部外周を覆っている。ノズル支持部１３の内面は、電極支持部１２の外面に対して間隔を空けて配置される。これにより、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間には、プラズマガスが通るプラズマガス通路Ｐ１が形成されている。プラズマガス通路Ｐ１は、図示しないガス供給パイプを介してガス供給システムに接続されている。ノズル支持部１３は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。また、ノズル支持部１３は、図示しない電気配線を介してアーク電源回路に接続される。
【００５１】
冷却パイプ１４は、冷却液供給パイプ１６からの冷却液を電極３に導いて電極３を冷却するものであり、電極支持部１２の孔１２ａ内に配置されている。冷却パイプ１４の基端部（図１において上方端部）はベース部１１の内部空間内に配置され、先端部は電極支持部１２の先端部から突出している。冷却パイプ１４の外面と電極支持部１２の内面との間には空間が形成されており、この空間はベース部１１の内部空間と連通している。また、冷却パイプ１４の外面は、電極３の内面に対して間隔を空けて配置されている。
【００５２】
ホルダ１５は、概ね円筒状に形成されてベース部１１の外周に嵌合されており、キャップ部７を支持している。ホルダ１５の外周面には、後述するナット１８の雌ネジ部と螺合する雄ネジ部が形成されている。
【００５３】
冷却液供給パイプ１６は、冷却システムからの冷却液を冷却パイプ１４へ送るためのパイプであり、ベース部１１の内部空間に挿入されている。この冷却液供給パイプ１６の基端部は冷却システムに接続され、先端部はベース部１１の内部空間内において冷却パイプ１４の基端部に接続されている。
【００５４】
冷却液排出パイプ１７は、冷却液をベース部１１の内部空間から冷却システムへ送るためのパイプであり、ベース部１１の内部空間に挿入されている。この冷却液排出パイプ１７の基端部は冷却システムに接続され、先端部はベース部１１の内部空間内に配置されている。
【００５５】
以上のような構成により、冷却液供給パイプ１６から冷却パイプ１４を介して供給された冷却液は、電極３に導かれ、その後、冷却パイプ１４の外面と電極３の内面との間の空間を通過し、さらに冷却パイプ１４の外面と電極支持部１２の内面との間の空間を通過して、ベース部１１の内部空間に送られる。
【００５６】
［電極］
電極３は、図２に拡大して示すように、概ね円筒状に形成されるとともに、外周面に径方向外方に突出するフランジ１９を有し、さらに内部には空間が形成されている。内部空間は、基端側は開放され、先端側は閉塞されている。この電極３は、図１に示すように、基端部が電極支持部１２の孔１２ａに挿入され、電極支持部１２に着脱可能に取り付けられている。電極３の基端部が電極支持部１２の孔１２ａに挿入された状態では、冷却パイプ１４の先端部が電極３の内部空間内に配置されている。また、電極３と電極支持部１２との間の隙間は、図示しないシール部材によって封止されている。これにより、電極支持部１２の孔１２ａの先端側が閉塞される。さらに、電極３は、電極支持部１２と接触することによって電極支持部１２と電気的に接続されている。電極３の構造については、後に詳細に説明する。
【００５７】
［第１案内部材］
第１案内部材４は、図２に示すように、概ね円筒状に形成され、基端側に大径部２０を有し、先端側に小径部２１を有している。また、第１案内部材４は絶縁性を有する材料で形成されている。第１案内部材４は、ノズル６の内部において、基端側に配置されている。第１案内部材４は軸線方向に貫通する孔４ａを有し、この孔４ａ内に電極３が挿入されている。このように、第１案内部材４は、電極３とノズル６との間に配置されることにより、電極３とノズル６とを電気的に絶縁している。なお、第１案内部材４の内面と電極３の外面との間にはシール部材Ｓ２が設けられ、第１案内部材４の外面とノズル６の内面との間にはシール部材Ｓ３が設けられている。
【００５８】
また、第１案内部材４は、軸線方向において、電極３のフランジ部１９の先端側に配置されている。第１案内部材４の基端部はフランジ部１９に接触している。第１案内部材４の大径部２０の外周面には、軸線方向に延びる複数の溝４ｂが形成されている。この複数の溝４ｂの先端側は、第１案内部材４とノズル６の内面との間の空間に連通し、溝４ｂの基端側の側部は、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間のプラズマガス通路Ｐ１に連通している。
【００５９】
［第２案内部材］
第２案内部材５は、図２に示すように、軸線方向に貫通する孔５ａを有する概ね環状の部材である。第２案内部材５の孔５ａには、電極３及び第１案内部材４の小径部２１が挿入されている。従って、第２案内部材５は、径方向において、ノズル６の内面と第１案内部材４の小径部２１との間に配置されている。また、第２案内部材５は、軸線方向において、第１案内部材４の大径部２０とノズル６の内面との間に配置されている。この第２案内部材５の先端側端面には、内部と外部と連通する複数の溝５ｂが設けられている。各溝５ｂは、径方向及び周方向に対して斜めに延びている。この第２案内部材５の溝５ｂを通過したプラズマガスは、電極３の外周を旋回するように流れる。
【００６０】
［ノズル］
ノズル６は、銅製であり、図２に示すように、概ね円筒状に形成されている。このノズル６は、基端側から順に、内部に空間を有する筒状部６ａと、筒状部６ａの先端側に形成された先端部６ｂとを有している。
【００６１】
ノズル６の筒状部６ａの外周面には、軸線方向に沿って所定の領域に冷却用のフィン２２が設けられている。また、筒状部６ａの外周面において、冷却用フィン２２の基端側には、径方向に突出する突出部２３が形成されている。この突出部２３の上面２３ａとノズル支持部１３の先端部との間には、図示しない電気接触子が配置されている。この電気接触子を介して、ノズル６はノズル支持部１３と電気的に接続されている。
【００６２】
筒状部６ａの内部空間には、収納部２４及び電極対向部２５が形成されている。収納部２４には、電極３、第１案内部材４、及び第２案内部材５が収納されている。電極対向部２５は電極３の先端部と対向する部分であり、第１対向面２５ａ及び第２対向面２５ｂを有している。第１対向面２５ａは、電極対向部２５において基端側に形成され、軸線方向に平行な面である。また、第２対向面２５ｂは、第１対向面２５ａに連続して先端側に形成されており、先端側に向かって径が小さくなるテーパ面である。電極対向部２５の各対向面２５ａ，２５ｂと電極３の外周面との間には隙間が形成され、プラズマガスが流れる通路が形成されている。また、第２対向面２５ｂのさらに先端側には、曲面２５ｃが形成されている。
【００６３】
先端部６ｂは、ほぼ円錐状に形成されており、中心部には軸線方向に貫通するオリフィス２６が形成されている。このオリフィス２６は、曲面２５ｃを介して第２対向面２５ｂに連続している。また、先端部６ｂの下端には、軸線方向と直交する平坦な先端面２６ａが形成されている。オリフィス２６と先端面２６ａとの間（境界部）には面取り部２６ｂが形成されている。
【００６４】
［キャップ部］
キャップ部７は、図１に示すように、トーチ本体２の先端に取り付けられ、ノズル６を覆う部材である。キャップ部７は、アウターキャップ３１と、インナーキャップ３２と、シールドキャップ３３とを有する。各キャップ３１，３２，３３は、概ね円錐台状に形成され、電極３及びノズル６と同軸に配置されている。
【００６５】
アウターキャップ３１は、ナット１８によってホルダ１５に固定されており、トーチ本体２の先端部とノズル支持部１３の外側を覆っている。また、アウターキャップ３１の内面とホルダ１５の外面との間にはシール部材Ｓ４が設けられている。アウターキャップ３１の先端には、軸線方向に貫通する孔３１ａが形成されている。
【００６６】
インナーキャップ３２はアウターキャップ３１の孔３１ａに挿入されている。インナーキャップ３２の外面とアウターキャップ３１の内面との間にはシール部材Ｓ５が設けられている。インナーキャップ３２には軸線方向に貫通する孔３２ａが形成されており、この孔３２ａにはノズル６の先端部が挿入されている。そして、ノズル６の先端部がインナーキャップ３２の内面によって保持されている。ノズル６の先端部の外面とインナーキャップ３２の内面との間にはシール部材Ｓ６が設けられている。
【００６７】
アウターキャップ３１及びインナーキャップ３２の各内面は、ノズル支持部１３及びノズル６の外面に対して間隔を空けて配置されている。これにより、ノズル６を冷却するための冷却液が通過する冷却液通路Ｐ２が構成されている。冷却液通路Ｐ２は、図示しない冷却液供給パイプ及び冷却液排出パイプを介して冷却システムに接続されている。
【００６８】
シールドキャップ３３は、アウターキャップ３１の孔３１ａに挿入され、ノズル６の先端部を覆っている。シールドキャップ３３の外面とアウターキャップ３１の内面との間にはシール部材Ｓ７が設けられている。シールドキャップ３３は、軸線方向に貫通し、ノズル６の孔６ａと同軸に形成された孔３３ａを有している。また、シールドキャップ３３の内面とノズル６の外面との間にはアシストガス通路Ｐ３が形成されている。アシストガス通路Ｐ３は、冷却液通路Ｐ２に対してシール部材Ｓ４によって遮断されており、アウターキャップ３１の内部に形成されたアシストガス供給通路Ｐ４に連通している。アシストガス供給通路Ｐ４は、図示しないガス供給パイプを介してガス供給システムに接続されている。
【００６９】
［電極の詳細構造］
電極３の詳細構造を図３に示す。また、電極３を放出面と直交する方向となる底面から見た図を図４に、さらにその外観斜視を図５に示す。電極３は、電極基体３５と電極材３６とを有する。電極基体３５は、先端部が閉じられ基端部が開放された概ね円筒状の部材である。電極基体３５は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。電極基体３５のフランジ１９の一方の面は電極支持部１２の先端部と接触し、他方の面は第１案内部材４と接触している。
【００７０】
図３に示すように、電極基体３５の先端部には、テーパ面３８と放出面３９とが形成されている。テーパ面３８は、放出面３９の外周側に形成され、放出面３９から基端側の電極基体３５の外周面に行くにしたがって径が大きくなる形状である。そして、テーパ面３８と放出面３９との境界部、すなわち放出面３９の外周縁の稜線４０は、面取り加工等が施されておらず、したがって曲面ではなくエッジとなっている。放出面３９は、軸線に直交する平坦な面であり、中央部には内部に凹む凹部４１が形成されている。放出面３９の裏側には、基端部へ向けて突出する凸部４３が形成されている。図１に示すように、冷却パイプ１４の先端部は、この凸部４３の外側を覆うように配置されている。
【００７１】
図４及び図５に示すように、放出面３９の外周縁には、テーパ面３８から放出面３９の一部にかけて、所定の長さの複数の溝４６が形成されている。図６に、一部の溝４６の外観を拡大して示している。また、図７に、溝４６を稜線４０における側面から視た図を示している。
【００７２】
複数の溝４６は円周方向に等間隔で配置されている。各溝４６は、先端が断面Ｖ字形状の切削工具により形成されたものであり、放出面３９に対して傾斜する第１側面５１及び第２側面５２を有する。図７に示すように、第１側面５１は放出面３９を溝部に延長して得られる仮想面に対して第１傾斜角度（この例では９０°）を有し、第２側面５２は同様の仮想面に対して第１傾斜角度よりも小さい第２傾斜角度（この例では３０°）を有している。より詳細には、溝４６が形成された部分には放出面３９は存在しないが、放出面３９を溝部分にまで延長した仮想面を想定した場合、第１側面５１はこの仮想面との間に第１傾斜角度を有し、第２側面５２は同様の仮想面との間に第１傾斜角度よりも小さい第２傾斜角度を有している。
【００７３】
また、各側面５１，５２は三角形状である。より詳細には、図６に示すように、第１側面５１は第１辺（底辺）５１ａ、第２辺５１ｂ及び第３辺５１ｃを有している。また、第２側面５２は第１辺（底辺）５２ａ、第２辺５２ｂ及び第３辺５２ｃを有している。両側面５１，５２の第１辺５１ａ，５２ａは、工具先端によって形成されるものであり、共通である。両側面５１，５２の第２辺５１ｂ，５２ｂは、各側面５１，５２とテーパ面３８との境界（稜線）によって形成されるものである。また、両側面５１，５２の第３辺５１ｃ，５２ｃは、各側面５１，５２と放出面３９との境界（稜線）によって形成されるものである。
【００７４】
以上のような溝５１において、第１側面５１の頂点Ｔ、すなわち、テーパ面３８と放出面３９との境界（稜線）４０と、第１側面５１の第２辺５１ｂ及び第３辺５１ｃとの交点Ｔは、第２側面５２の第２辺５２ｂ、第３辺５２ｃ及び稜線４０の交点となる頂点に比較してより鋭いエッジとなっている。このエッジとなる交点Ｔが絶縁破壊の起点となる。また、第２側面５２は、図４から明らかなように、旋回するプラズマガスの流れに対向するように配置されている。なお、図４における矢印は、プラズマガスの流れる方向を示している。この第２側面５２によって、旋回するプラズマガスはスムーズに電極中心部に導かれることになる。
【００７５】
以上のような電極３の溝４６を放出面３９と直交する底面から視た場合、第２側面５２のみが観察できる。すなわち、各溝４６は、底面視で１つの三角形状の面から形成されている。なお、この実施形態では第１側面５１の傾斜角度は９０°であるが、傾斜角度を９０°より小さくした場合は、各溝４６を底面から視た場合、第１側面５１及び第２側面５２が観察できる。したがって、この場合は、各溝４６は、底面視で２つの三角形状の面から形成されていることになる。
【００７６】
電極材３６は、熱電子高放出性材料であるハフニウム（hafnium：Ｈｆ）で形成されている。電極材３６は、電極基体３５の凹部４１に挿入され、ろう付けで固定されている。電極材３６は、概ね円筒状に形成されており、先端部には、基端側へ向けて凹む凹部３６ａが形成されている。
【００７７】
［動作］
このプラズマトーチ１では、まず、電極３とノズル６との間に、小流量のプラズマガスが流され、プラズマガスの流れが生成される。すなわち、ガス供給システムから、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間のプラズマガス通路Ｐ１にプラズマガスが供給される。プラズマガスは、プラズマガス通路Ｐ１から、第１及び第２案内部材４，５に案内されて、旋回しながら電極３の外周を流れる。この状態で、電極３に高電圧が印加されると、電極基体３５の放出面３９の外周縁に形成された曲面４４とノズル６の内面との間に絶縁破壊が発生する。
【００７８】
より詳細には、放出面３９の外周縁に形成された複数の溝４６のうちの、第１側面５１の頂点Ｔとノズル６内面との間に絶縁破壊が生じる。そして、絶縁破壊をトリガーにして電極３とノズル６の内面との間にパイロットアークが発生する。パイロットアークは、第１側面５１の第３辺５１ｃの稜線に沿って、また溝４６に形成された第２側面５２によって導かれるプラズマガスの流れに沿って、電極中央部に移行し、さらにワークまで延びる。そして、プラズマガスの流量及び電流を増大させることにより、電極３とワークとの間にメインアークが生成される。
【００７９】
なお、絶縁破壊の起点となるのは、複数の溝４６のうちの一部の溝４６に形成された頂点Ｔである。そして、絶縁破壊動作が繰り返して実施されると、起点となっていた頂点Ｔの摩耗が進行し、エッジが鋭角でなくなる。すると、複数の溝４６のうちの別の溝の頂点Ｔが新しく絶縁破壊の起点となる。このようにして、長期間にわたって安定した絶縁破壊を生じさせることができる。
【００８０】
この実施形態では、電極３の側面から流れ込む旋回するプラズマガスが稜線４０を通過するとき、第２側面５２の第２辺５２ｂ及び第３辺５２ｃを通過する。このとき、プラズマガスは第２側面５２に沿ってスムーズに流れ、その流れが妨げられることはない。したがってプラズマアークが乱されることもない。
【００８１】
また、絶縁破壊に寄与する第１側面５１とプラズマガスの流れの整流に寄与する第２側面５２により、安定した絶縁破壊と、乱れのないプラズマアークの移行が可能になる。
【００８２】
―第２実施形態―
本発明の第２実施形態を図８以降に示す。第２実施形態は、第１実施形態と電極のみが異なり、他の構成は第１実施形態の構成と同様である。したがって、以下では、電極のみについて説明する。
【００８３】
第２実施形態の電極１０３は、第１実施形態と同様に、電極基体１３５と電極材１３６とを有する。これらの基本的構成は、第１実施形態と同様である。すなわち、電極基体１３５の先端部には、テーパ面１３８と放出面１３９とが形成されている。また、放出面１３９の中央部には凹部１４１が形成され、凹部１４１を含む中央側の面は、軸線に直交する平坦面１４２となっている。平坦面１４２の裏側には、基端部へ向けて突出する凸部１４３が形成されている
第１実施形態とは異なり、放出面１３９の外周縁には曲面１４４が形成されており、放出面１３９の中央部の平坦面１４２は、この曲面１４４を介してテーパ面１３８に連続してつながっている。曲面１４４は、半径（曲率半径）が0.05mm以上で、かつ電極１０３の直径の50％以下が好ましい。曲面１４４の半径が0.05mmより小さい場合は、放出面１３９の外周縁がエッジ状になる。そして、このエッジ部分に絶縁破壊によってプラズマアークが発生した際に、プラズマアークがエッジ部分に拘束されて放出面中央の電極材１３６に移行しない現象（トラップ）が生じる。逆に、曲面１４４の半径が大きすぎて電極１０３の直径の50％を越えるような場合は、ノズル６の内面との間の最短ギャップ部分が一点に定まらない。このため、絶縁破壊が生じるポイントが一定しなくなって、プラズマアークの発生が不安定になる。
【００８４】
また、放出面１３９の外周縁には、テーパ面１３８から曲面１４４及び平坦面１４２にかけて、所定の長さの複数の溝１４６が形成されている。図９（ａ）（ｂ）に、電極１０３を放出面１３９と直交する方向の底面から見た一部を示している。また、図１０（ａ）（ｂ）に、一部の溝１４６の外観を拡大して示している。
【００８５】
複数の溝１４６は円周方向に等間隔で配置されている。各溝は、図９（ａ）に示すように、軸線を中心として放射状に延びる直線Ｎに対して角度αだけ傾斜して形成されている。角度αは、0°以上60°以下が好ましく、特に旋回するプラズマガスの流れに沿った角度であることが好ましい。なお、図９（ｂ）は傾斜角が0°である溝１４６’を示している。
【００８６】
ここで、傾斜角（α）が60°を越えると、溝１４６で発生したプラズマアークが移行する際に、隣の溝に再度トラップされ易い。結果として放出面の外周縁をエッジにした従来の電極と同様に、プラズマアークが拘束され続ける。
【００８７】
前述のように、第２案内部材５によって案内されたプラズマガスは、電極１０３の周囲を旋回しながらノズル６のオリフィス２６から噴出されるので、溝１４６の傾斜は、プラズマガスの旋回する方向に沿った角度であることが最も好ましい。また、溝１４６の断面は、Ｖ形状、Ｕ形状、あるいは矩形のいずれでもよいが、曲面１４４及び平坦面１４２の溝の縁１４６ａ（図１０参照）には、エッジが形成されているのが好ましい。すなわち、溝の縁１４６ａは、切削工具で溝１４６を形成した後は、面取り加工等が施されていないのが好ましい。
【００８８】
また、溝１４６は曲面１４４から平坦面１４２にかけて形成されているが、図１０（ｂ）に示す曲面１４４における溝１４６の側面方向からの断面視において、溝１４６の左側（平坦面１４２側）の壁部が曲面１４４となす角度が鈍角になり、右側（曲面１４４及びテーパ面１３８側）の壁部が曲面１４４となす角度が鋭角になっている。このような溝形状では、右側のエッジ部でプラズマアークの発生を容易にし、また左側壁面はプラズマガスの流れを阻害せずより円滑にする。
【００８９】
電極基体１３５において、ノズル６の内面と最も近接する放出面１３９の外周縁（曲面１４４）に以上のような溝１４６を形成することにより、各溝１４６の縁１４６ａであるエッジ部分とノズル６内面との間で絶縁破壊が生じやすくなる。そして、絶縁破壊によって生じたプラズマアークは、この溝１４６の縁１４６ａ及びプラズマガスの流れに沿って、電極１０３の中央部に向かい、その時発生したプラズマはノズル内壁を伝ってワーク側に移行する。
【００９０】
溝１４６の具体的な形状として、長期間にわたって確実にプラズマアークを発生させるためには、溝幅は0．05mm以上が好ましい。また同様に、長期間にわたって確実にプラズマアークを発生させるためには、溝深さは0．05mm以上が好ましい。
【００９１】
本件発明者らの実験結果によれば、溝幅や溝深さが0.05mm以上の場合1000回以上スムーズにアークが起動した。溝幅や溝深さが0.05mmに満たない溝では数100回でアーク着火不良となった。一方で、溝深さが大きすぎるとプラズマガスの流れを乱し切断品質の悪化を招く。溝深さを電極−ノズル間最短距離よりも小さくすることで流れへの影響は充分小さくなる。具体的には溝深さを0.5mm以下とすることでプラズマガスの流れは安定する。溝幅についてもガス流れへの影響は同様である。またＶ形状溝の場合、エッジによる電界集中を充分に発揮するためには、溝幅は溝深さに比べて小さくなければならない。つまり溝幅を0.5mm以下にすることでガス流れは安定化し絶縁破壊もスムーズになる。
【００９２】
以上より、具体的には、溝幅及び溝深さは、プラズマアークの発生を確実にするためには0.05mm以上が好ましく、またプラズマガスの流れの安定化のためには0.5mm以下が好ましい。各溝１４６は、放出面１３９の外周縁の曲面１４４から中央側に向かって形成されている必要があり、溝長さは、プラズマアークを確実に発生させるためには0．1mm以上が好ましい。また、溝１４６は電極材３６に到達しない長さに抑えるのが好ましい。具体的には、電極１０３（電極基体１３５）の直径の50％以下が好ましい。この理由は、プラズマアークが電極材３６に向かって移動するきっかけだけを溝１４６によって作り、その後はプラズマアークが溝１４６に拘束されずに放出面１３９を自由に移動できるようにした方が、プラズマアークはスムーズに移行するからである。また、溝１４６は、放出面１３９に必ず必要であるが、プラズマガスの流れが阻害されるのを抑えるために、テーパ面１３８には形成されない方がより好ましい。さらに、溝本数は少なくとも８本が必要である。
【００９３】
［動作］
基本的な動作は、第１実施形態と同様である。この第２実施形態では、曲面１４４に形成された複数の溝１４６の縁（エッジ部分）１４６ａとノズル６内面との間に絶縁破壊が生じる。そして、絶縁破壊をトリガーにして電極１０３とノズル６の内面との間にパイロットアークが発生する。パイロットアークは、溝１４６の縁１４６ａ及び旋回するプラズマガスの流れに沿って、中央部に移行し、さらにワークまで延びる。そして、プラズマガスの流量及び電流を増大させることにより、電極１０３とワークとの間にメインアークが生成される。
【００９４】
［実験例」
図１１に、従来の電極によりプラズマアークを発生した場合と、本発明の第２実施形態によってプラズマアークを発生した場合のノズル内面の様子を示している。
【００９５】
図１１において、上段の写真は電極を先端側（図１において下方側）から観察したもの、下段はノズル内面を基端側（図１において上方側）から観察したものである。また、図１１（ａ）は、放出面の外周縁にエッジが形成された従来の電極である。なお、ここでは溝は形成されていない。同図（ｂ）は、放出面の外周縁に曲面を形成し、さらにこの曲面を含んでテーパ面と放出面の平坦面に放射状の溝を形成した電極である。同図（ｃ）は、放出面の外周縁に曲面を形成し、この曲面を含んでテーパ面と放出面の平坦面に、旋回ガスの流れる方向に沿って傾斜する溝を形成した電極である。
【００９６】
また、アークスタート条件は、以下の通りである。
【００９７】
ノズルのオリフィス径：1.35ｍｍ
スタート電流：25A
絶縁破壊電圧：20kVp-p,  1.5MHz
スタートガス：種類＝N2(100%)、圧力＝0.1Mpa、流量＝15LPM
図１１の実験結果から、従来の電極を用いた場合（同図（ａ））、放出面の外周縁であるエッジ部分に拘束されたアークの跡が見られる。一方、放出面の外周縁を曲面にし、かつ放射状の溝を形成した場合（同図（ｂ））、アークの跡が見られるが、従来電極に比較して著しく少ない。また、放出面の外周縁を曲面にし、かつ傾斜した溝を形成した場合（同図（ｃ））、アークの跡はほとんど見られない。
【００９８】
以上から、従来の電極において形成されていた放出面外周のエッジを曲面にするとともに、この曲面から中央部にかけて溝を形成することによって、ノズル内面に形成されるアークの跡を著しく少なく、あるいはほぼ無くすことができることがわかる。ノズル内面に発生したアークの跡はアーク移行の軌跡であるので、アーク跡を観察することによってアーク移行の状況を判断することができる。ノズル内面に多量のアークの跡が発生している場合は、電極のエッジ部でプラズマアークが拘束されていることを示している。そして、このようなプラズマアークの拘束は、トーチ起動エラーや、不要な投入電力の増大を招く。また逆に、アークの跡が小さい場合は、スムーズなプラズマアークの発生と、ノズルへの入熱量が小さいことを示している。本発明の実施形態により前述のようなプラズマアークの拘束をなくし、ノズルダメージを減らして、ノズルの長寿命化を図ることができる。
【００９９】
［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【０１００】
(a)前記第２実施形態では、複数の溝のすべてを中心より放射状にでる軸線に対して同じ角度だけ傾斜させたが、溝の傾斜については前記実施形態に限定されない。例えば、傾斜角度の異なる２種類以上の溝を形成するようにしてもよい。
【０１０１】
(b)放出面の外周縁に形成される溝の形状、寸法、個数等は、前記実施形態に限定されない。
【０１０２】
(c)電極材は、ハフニウムに限らず、パイロットアーク及びプラズマアークの高熱に耐え得る材料であればよい。ただし、酸素を含有したプラズマガスが用いられる場合には、特にハフニウム製の電極材が用いられることが好ましい。ハフニウムは、酸化物になると融点が上昇して優れた耐熱性を発揮するからである。また、ジルコニウムもハフニウムとほぼ同等な性質を有するので、ジルコニウム製の電極材が用いられてもよい。
【０１０３】
また、被切断材（ワーク）の種類によっては、Ｎ２（非酸素）ガスをプラズマガスに使用する場合があるが、この場合は、電極材としてタングステンを使用してもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１  プラズマトーチ
３，１０３  電極
６  ノズル
３５，１３５  電極基体
３６  電極材
３６ａ  電極材凹部
３８，１３８  テーパ面
３９，１３９  放出面
４１，１４１  電極基体凹部
４２，１４２  平坦面
５１，５２  溝の側面
１４４  曲面（放出面の外周縁）
４６，１４６，１４６’  溝
１４６ａ  溝の縁
【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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【図１１】
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