(57)【要約】【課題】被処理物の量等が変動するバッチ間でも常に所定の放電電圧によるプラズマ窒化を自動運転で行うことができて、特性のばらつきが少ない窒化膜を高いスループットで形成することができる外熱式プラズマ窒化炉を提供する。【解決手段】温度調節器２３が、被処理物の温度に基づいて、被処理物の温度を目標温度に制御するためのプラズマ電源２４用の制御信号を出力する。また、温度調節器３２ａ〜３２ｃが、炉体１２の内部における雰囲気の測定温度のみならず、被処理物の温度を目標温度に制御するためのプラズマ電源２４用の制御信号にも基づいて、雰囲気の温度についての目標温度を修正し、この修正された目標温度に雰囲気の温度を制御するための加熱器２５ａ〜２５ｃ用の制御信号を出力する。【選択図】  図１
2004238705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉の内部を加熱する加熱器と、
前記内部に放電電圧を印加する放電電源と、
前記内部に配置される被処理物の温度を測定する第一の温度計と、
前記内部における雰囲気の温度を測定する第二の温度計と、
前記第一の温度計による第一の測定温度に基づいて、この第一の測定温度を第一の目標温度に制御するための前記放電電源用の第一の制御信号を出力する第一の温度調節器と、
前記第一の制御信号に基づいて、前記第二の温度計による第二の測定温度についての第二の目標温度を新たな第二の目標温度に修正し、前記第二の測定温度に基づいて、この第二の測定温度を前記新たな第二の目標温度に制御するための前記加熱器用の第二の制御信号を出力する第二の温度調節器と
を具備する外熱式プラズマ窒化炉。
【請求項２】
前記第二の温度調節器が第一段の制御部及び第二段の制御部を有する二段のカスケード制御装置であり、
前記第一段の制御部が前記第一の制御信号に基づく前記修正を行い、
前記第二段の制御部が前記第二の測定温度に基づく前記出力を行う請求項１に記載の外熱式プラズマ窒化炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、炉の内部を加熱する加熱器を有するプラズマ窒化炉である外熱式プラズマ窒化炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用のピストンリング等である金属部材や摺動部材等の耐磨耗性や耐食性等を高めるために、これらの部材の表面に窒化膜が形成されており、窒化膜を形成するための一つの方法としてプラズマ窒化（イオン窒化）がある。そして、プラズマ窒化に際して、窒化物・炭化物・炭窒化物等を主体とする化合物層である白層が被処理物の表面に形成されて膜質の低い窒化膜が形成されることを防止するために、炉の内部を加熱する加熱器を有する外熱式プラズマ窒化炉が用いられている。
【０００３】
図５が、外熱式プラズマ窒化炉の一従来形態を示している。この従来形態の外熱式プラズマ窒化炉１１では、炉体１２内に密閉室１３が設けられており、真空装置１４及びガス導入装置１５が密閉室１３に接続されている。ガス導入装置１５は、例えば、ＮＨ３、Ｈ２及びＮ２の三種類の処理ガスを導入するための三つの系統を有している。密閉室１３内には被処理物の収容器１６を支持してこの収容器１６内の被処理物と導通する電極１７が設けられており、収容器１６の測温部（図示せず）を外部から見ることのできる透光窓１８が密閉室１３に設けられている。透光窓１８には放射温度計２１が対向している。
【０００４】
放射温度計２１は変換器２２を介して温度調節器２３に接続されており、温度調節器２３はプラズマ電源２４に接続されている。プラズマ電源２４は密閉室１３の壁面と電極１７とに接続されており、これらの間に放電電圧を印加する。炉体１２の内壁面の三つの領域に夫々加熱器２５ａ〜２５ｃが設けられており、炉体１２の内部における雰囲気の温度を測定する熱電対２６ａ〜２６ｃが夫々の加熱器２５ａ〜２５ｃに対応して設けられている。熱電対２６ａ〜２６ｃは温度調節器２７ａ〜２７ｃを介してサイリスタ等である電力制御器２８ａ〜２８ｃに接続されており、電力制御器２８ａ〜２８ｃは加熱器２５ａ〜２５ｃに接続されている。
【０００５】
この様な外熱式プラズマ窒化炉１１でプラズマ窒化を行うためには、まず、収容器１６内に被処理物を配置し、真空装置１４で密閉室１３内を真空にする。そして、ガス導入装置１５で、処理ガスを密閉室１３内に導入しながら、密閉室１３内の圧力を所定値に制御する。その後、電力制御器２８ａ〜２８ｃから加熱器２５ａ〜２５ｃに電力を供給すると共にプラズマ電源２４から密閉室１３の壁面と電極１７との間に放電電圧を印加する。
【０００６】
上述の様に収容器１６内の被処理物と電極１７とが導通するので、密閉室１３の壁面と電極１７との間に印加された放電電圧は密閉室１３の壁面と収容器１６内の被処理物との間にも印加される。この結果、加熱器２５ａ〜２５ｃからの放熱とプラズマ電源２４からの放電エネルギーとで炉体１２の内部における雰囲気の温度と被処理物の温度とが上昇する。被処理物の温度がプラズマ窒化開始温度（５３０℃）まで上昇すると、被処理物の表面におけるプラズマ窒化が始まる。
【０００７】
プラズマ窒化中は、放射温度計２１で被処理物の温度が測定され、この測定温度を予め設定されている目標温度に制御するために温度調節器２３がプラズマ電源２４に制御信号を供給し、プラズマ電源２４がその放電電圧を調節する。また、炉体１２の内部の三つの領域における雰囲気の温度が熱電対２６ａ〜２６ｃで測定され、これらの測定温度を予め設定されている目標温度に制御するために温度調節器２７ａ〜２７ｃが電力制御器２８ａ〜２８ｃに制御信号を供給し、電力制御器２８ａ〜２８ｃが加熱器２５ａ〜２５ｃに供給する電力を調節する。プラズマ窒化中は、炉体１２の内部の三つの領域における雰囲気の目標温度は夫々一定である。
【０００８】
ところで、この外熱式プラズマ窒化炉１１の様に、プラズマ窒化中は炉体１２の内部における雰囲気の目標温度が一定である条件で、放射温度計２１による測定温度に基づいて被処理物の温度を制御すると、被処理物の量、寸法、形状、材質等によって被処理物の温度が上昇しにくい場合は、被処理物の温度を目標温度に維持するためにより多くの放電エネルギーが必要であるので、放電電圧が目標電圧よりも高めに自動調節される。逆に、被処理物の量、寸法、形状、材質等によって被処理物の温度が上昇し易い場合は、被処理物の温度を目標温度に維持するためにより少ない放電エネルギーしか必要でないので、放電電圧が目標電圧よりも低めに自動調節される。
【０００９】
しかし、放電電圧が高いと被処理物の表面に白層が形成されるので、被処理物の量、寸法、形状、材質等が変動するバッチ間でも常に所定の放電電圧でプラズマ窒化を行うことが望ましい。放電電圧が常に所定値であっても、温度が上昇しにくい被処理物の温度を目標温度に維持するためには炉体１２の内部における雰囲気の目標温度を高くする必要があり、温度が上昇し易い被処理物の温度を目標温度に維持するためには炉体１２の内部における雰囲気の目標温度を低くする必要がある。このため、外熱式プラズマ窒化炉１１を用いるプラズマ窒化では、炉体１２の内部における雰囲気の目標温度をバッチ毎に人手で修正していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この様な人手による修正が必要なためにプラズマ窒化を自動運転で行うことができなければ、特性のばらつきが少ない窒化膜を高いスループットでは形成することができない。この課題は、種々の寸法や形状を有する内燃機関用ピストンリングの表面に窒化膜を形成する場合等に生じており、この場合に、従来は最高でも１日に２バッチのプラズマ窒化しか行うことができなかった。従って、本願の発明は、被処理物の量、寸法、形状、材質等が変動するバッチ間でも常に所定の放電電圧によるプラズマ窒化を自動運転で行うことができて、特性のばらつきが少ない窒化膜を高いスループットで形成することができる外熱式プラズマ窒化炉を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願の発明による外熱式プラズマ窒化炉では、第一の温度調節器が、被処理物の温度に基づいて、被処理物の温度を目標温度に制御するための放電電源用の制御信号を出力する。また、第二の温度調節器が、被処理物の温度を目標温度に制御するための放電電源用の制御信号に基づいて、炉の内部における雰囲気の温度についての目標温度を新たな目標温度に修正し、炉の内部における雰囲気の測定温度に基づいて、雰囲気の温度を新たな目標温度に制御するための加熱器用の制御信号を出力する。
【００１２】
このため、炉の内部に配置される被処理物の量、寸法、形状、材質等が変動して被処理物の温度が上昇しにくかったり上昇し易かったりして、そのために放電電源用の制御信号が変動して放電電圧が高くなったり低くなったりしても、その変動した放電電源用の制御信号に基づいて第二の温度調節器が炉の内部における雰囲気の目標温度を自動的に修正して高くしたり低くしたりすることができる。その結果、被処理物の温度が上昇しにくくても温度を高くしたり、被処理物の温度が上昇し易くても温度を低くしたりして、放電電圧を目標電圧に自動的に収束させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本願の発明の一実施形態を、図１〜４を参照しながら説明する。図１が、本実施形態の外熱式プラズマ窒化炉を示している。この外熱式プラズマ窒化炉３１では、図５に示されている従来形態の外熱式プラズマ窒化炉１１における温度調節器２７ａ〜２７ｃの代わりに温度調節器３２ａ〜３２ｃが用いられている。図２が温度調節器３２ｂを示しており、温度調節器３２ｂは制御部３３、３４を有している。制御部３３は変換器３５を介して温度調節器２３に接続されており、制御部３４は制御部３３及び熱電対２６ｂに接続されている。電力制御器２８ｂは制御部３４に接続されている。
【００１４】
温度調節器３２ａ、３２ｃも温度調節器３２ｂと同様な制御部３３、３４を有しているが、温度調節器３２ａ、３２ｃの制御部３３は温度調節器３２ｂの制御部３３が変換器３５から供給される信号をこの温度調節器３２ｂの制御部３３から供給される。従って、温度調節器３２ａ〜３２ｃは二入力のカスケード制御装置である。以上の点を除いて、本実施形態の外熱式プラズマ窒化炉３１も、図５に示されている従来形態の外熱式プラズマ窒化炉１１と実質的に同様の構成を有している。
【００１５】
この様な外熱式プラズマ窒化炉３１によるプラズマ窒化中は、放射温度計２１による被処理物の測定温度を予め設定されている目標温度に制御するために温度調節器２３からプラズマ電源２４に供給される振幅４〜２０ｍＡの制御信号が、変換器３５によって電圧値の制御信号に変換された後に温度調節器３２ｂの制御部３３にも供給される。温度調節器２３からプラズマ電源２４に供給される制御信号と、プラズマ電源２４が密閉室１３の壁面と電極１７との間に印加する放電電圧とは、線型関係にある。
【００１６】
このため、温度調節器３２ｂの制御部３３は、変換器３５を介して温度調節器２３から入力した制御信号から、プラズマ電源２４が印加しようとしている放電電圧の値を知ることができる。そして、制御部３３は、プラズマ電源２４が印加しようとしている放電電圧と予め設定されている目標電圧とに基づいて、熱電対２６ｂによる測定温度として予め設定されている目標温度を修正し、この修正された新たな目標温度を制御部３４に供給する。
【００１７】
具体的には、プラズマ電源２４によって印加されようとしている放電電圧が予め設定されている目標電圧よりも高ければ、制御部３３は、熱電対２６ｂによる測定温度として予め設定されている目標温度を高めに修正し、この高めに修正された新たな目標温度を制御部３４に供給する。逆に、プラズマ電源２４によって印加されようとしている放電電圧が予め設定されている目標電圧よりも低ければ、制御部３３は、熱電対２６ｂによる測定温度として予め設定されている目標温度を低めに修正し、この低めに修正された新たな目標温度を制御部３４に供給する。
【００１８】
制御部３４は、熱電対２６ｂによる測定温度を、制御部３３から供給される新たな目標温度に制御するために、電力制御器２８ｂに制御信号を供給する。温度調節器３２ａ、３２ｃも、プラズマ電源２４が印加しようとしている放電電圧と熱電対２６ａ、２６ｃから供給される炉体１２の内部における雰囲気の温度とに基づいて、温度調節器３２ｂと同様な処理を行う。
【００１９】
従って、三つの温度調節器３２ａ〜３２ｃによって、熱電対２６ａ〜２６ｃによる測定温度として予め設定されている目標温度が同時に修正される。この結果、被処理物の量、寸法、形状、材質等に影響されることなく、放射温度計２１による測定温度が常に所定値に自動制御され、温度調節器２３から出力される制御信号も常に所定値に自動制御され、放電電圧も常に目標電圧に自動制御される。
【００２０】
図３は外熱式プラズマ窒化炉３１によってプラズマ窒化を行った場合の放電電圧、熱電対２６ｂによって測定された雰囲気の温度及び放電電流を示しており、図４はその場合に放射温度計２１によって測定された被処理物の温度を示している。このプラズマ窒化の開始当初は上述の自動制御が行われておらず、図３中のＳ点が上述の自動制御が開始された時点である。
【００２１】
自動制御が開始されると、炉体１２の内部における雰囲気の温度が細かく変化しながら５１５℃に収束し、雰囲気の温度の収束に伴って放電電圧も−５００Ｖに収束することが、示されている。従って、被処理物の量、寸法、形状、材質等が変動するバッチ間でも、特性のばらつきが少ない窒化膜を高いスループットで形成することができる。この効果は、ＮＨ３とＨ２との特定範囲の比率で操業されるプラズマ窒化で特に顕著であった。しかも、炉体１２の内部における雰囲気の目標温度が自動的に修正されて、バッチ毎の人手による修正が不要であるので、１日に２．５バッチのプラズマ窒化を行うことが可能になった。
【００２２】
なお、以上の実施形態の外熱式プラズマ窒化炉３１では、温度調節器３２ａ、３２ｃの制御部３３は温度調節器３２ｂの制御部３３が変換器３５から供給される信号をこの温度調節器３２ｂの制御部３３から供給されているが、この信号を温度調節器３２ａ、３２ｃの制御部３３が変換器３５から直接に供給されてもよい。
【００２３】
また、例えば温度調節器３２ｂのみがカスケード制御装置であって温度調節器３２ａ、３２ｃはカスケード制御装置ではなく、これらの温度調節器３２ａ、３２ｃは、温度調節器３２ｂの制御部３３が修正した新たな目標温度をこの温度調節器３２ｂの制御部３３から供給され、この供給された目標温度に熱電対２６ａ、２６ｃの測定温度を制御するために電力制御器２８ａ、２８ｃに制御信号を供給してもよい。
【００２４】
更に、以上の実施形態の外熱式プラズマ窒化炉３１では、炉体１２の内壁面の三つの領域に夫々加熱器２５ａ〜２５ｃが設けられており、これらの加熱器２５ａ〜２５ｃに対応して夫々熱電対２６ａ〜２６ｃ、温度調節器３２ａ〜３２ｃ及び電力制御器２８ａ〜２８ｃが設けられているが、これらの個数は三つ以外の個数であってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本願の発明による外熱式プラズマ窒化炉では、炉の内部に配置される被処理物の量、寸法、形状、材質等が変動しても、放電電圧を目標電圧に自動的に収束させることができる。このため、被処理物の量、寸法、形状、材質等が変動するバッチ間でも常に所定の放電電圧によるプラズマ窒化を自動運転で行うことができて、特性のばらつきが少ない窒化膜を高いスループットで形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の発明の一実施形態の模式図である。
【図２】本願の発明の一実施形態における要部のブロック図である。
【図３】本願の発明の一実施形態によってプラズマ窒化を行った場合の放電電圧、雰囲気の温度及び放電電流を示すグラフである。
【図４】本願の発明の一実施形態によってプラズマ窒化を行った場合の被処理物の温度を示すグラフである。
【図５】本願の発明の一従来形態の模式図である。
【符号の説明】
２１…放射温度計（第一の温度計）、２３…温度調節器（第一の温度調節器）、２４…プラズマ電源（放電電源）、２５ａ〜２５ｃ…加熱器、２６ａ〜２６ｃ…熱電対（第二の温度計）、３２ａ〜３２ｃ…温度調節器（第二の温度調節器）、３３…制御部（第一段の制御部）、３４…制御部（第二段の制御部）
【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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