(57)【要約】      （修正有）【課題】照射条件指令として表面から吸収される熱量値を指定し、熱量を測定するための手段を付加し、測定された熱量値と指令された熱量値を比較して、熱量誤差をフィードバックして、他の照射条件を修正し目的の照射効果を得られるようにする。【解決手段】表面改質対象物１２とは別に測定体２１をテーブル１４に設置し、測定体２１が対象物１２と同じ電子ビーム照射をうけるようにして測定体２１に設けたセンサで温度上昇を指令制御装置２２に伝え、測定熱量値と指令熱量値との差異をフィードバックして他の照射条件を修正する。測定体２１の材質は対象物１２と同質のものを用いる。他の照射条件とは、カソード電圧、カソードとターゲットの距離、プラズマ化する電離ガスの圧力などである。【選択図】図１
2006315024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード８と、プラズマ生成電極６と、電離気体を充填するハウジング１と、前記カソードからの電子ビームを受ける被照射体１２を設置するテーブル１４とを備え、前記ハウジング内に磁場を形成するソレノイド５よりなる電子銃装置であり、前記ソレノイドが磁場を形成してからプラズマを生成させ、更に、カソードと被照射体の間にパルス電圧を印加してプラズマを通路とする電子ビームパルスを放射して前記被照射体の表面処理行う装置において、カソードパルス電圧、カソードと被照射体間の距離、電離気体濃度を照射条件として調整可能にする手段を備え、前記電子ビームパルスの照射条件を入力し、照射の条件指令、実行、制御、を進行させるプログラム制御装置と、前記被照射体と同じ姿勢でテーブルに設置される熱量測定体と、該測定体の温度上昇を測定するセンサと、前記プログラム制御装置に入力された指令熱量値に応ずる照射条件によって、被照射体への照射と同時に、または、別工程で測定体に照射された結果である温度上昇を前記センサで読み取り、熱量を計算し、指令熱量値と比較して誤差を前記プログラム制御装置に伝達する熱量測定装置が設けられて、前記プログラム制御装置が前記条件調整手段を通じ前記誤差をフィードバックして許容値内に納るよう調整することを特徴とする表面改質装置。
【請求項２】
前記熱量測定体が被照射体と同材質であることを特徴とする請求項１に記載の表面改質装置。
【請求項３】
前記測定熱量が指令熱量と一致するように照射条件を調整する手段が、
前記カソードと被照射体間の距離の増減変更手段、
前記電子銃内に充填される電離気体の濃度の変更手段、
又は、前記カソードに印加されるパルス電圧変更手段、
の内の何れか一つであることを特徴とする請求項１、または２に記載の表面改質装置。
【請求項４】
前記カソードとテーブル間の電子ビーム照射距離の増減変更手段として、ハウジングに固定されるカソードに対してテーブルが電子ビーム軸線にそって移動する進退機構、およびテーブルは前記軸線に沿った移動をせず前記軸線に沿ってカソードが移動する進退機構、の何れか一方または両方が設けられている請求項１または３に記載の表面改質装置。
【請求項５】
電子ビーム軸と直交するテーブル上に被照射体と熱量測定体を分離して設置し、先に熱量測定体に対して前記電子ビームパルスの照射、熱量測定、比較、調整のサイクルを行ない、測定熱量が許容値範囲内となる照射条件を決定したのち、熱量測定体と被照射体の位置を交換して前記照射条件によって改質加工処理を開始させることを特徴とする前記請求項１に記載の装置を用いる表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種金属部品、金型、工具、電気接続部品、金属医療機器、金属装飾品などの表面を鏡面化、清浄化、アモルファス化、耐食化するために電子ビームを表面に照射して表面改質を行なう装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この技術は断面積１０ｃｍ２以上、低エネルギ１０〜５０ＫＶ、高電流１０〜３０ＫＡの電子ビームを用いて表面の改質をおこなうもので、従来の真空電子銃による高密度の電子ビームではなく、電離ガスプラズマ中を通過する低いエネルギの電子ビームを用いるので物質に照射されたとき深く加工作用することがなく、広い面積に一様な作用をあたえるので表面の改質に利用される。ここでいう改質とは、物質表面に付着する異物の除去、浄化、表面あらさの改善、微視的凹凸を平坦化して鏡面となすこと、急激な加熱と冷却による金属のアモルファス化、耐食化などである。
【０００３】
この技術は一種の電子銃であるが真空室ではなく低圧の電離ガスが充填されプラズマ化されているのでプラズマ電子銃ともよばれている。このプラズマを安定に保つために反射放電（Reflected Discharge）方式という円環状のプラズマ陽極が設けられ、電子銃の外部にソレノイドが設けられて銃内空間に磁場を作る。
【０００４】
この装置の電子ビーム発射機構は電界放射カソードとして円板状の金属または黒鉛が用いられ、被照射体がターゲット陽極になる。両極間に１０〜４０ＫＶの高圧コンデンサ放電を発生させてμｓ程度の電子ビームパルスを放射させる。プラズマ発生回路は前記の環状陽極と電子銃筐体との間にコンデンサ充放電によるグロー放電を作り電離ガスをプラズマ化する。プラズマ保持時間は数１００μｓでその時間内に前記の電子ビーム放射が行なわれる。プラズマ保持時間の前後を通じ電子銃内に磁場をつくるための前記ソレノイドに励磁する電源としてまた別のコンデンサ充放電回路が備えられている。
【０００５】
表面改質をなさんとする被照射体をターゲットとしてテーブルに設置し電子銃内を一旦真空にしてから電離ガス、たとえばＡｒガスを低圧に充填し磁場形成、プラズマ形成、電子ビーム発射の順序で作動させると被照射体の表面が改質される。通常は一回の照射では不充分なので数回から数１０回の照射を行なってから電子銃を開放して被照射体を取り出す。
【０００６】
被照射体の材質、成分組成、表面積、改質前の状態などによって照射条件を選ぶ必要があるが、条件の選定の数式がある訳ではないので実験の結果とか経験に依存されている。常識的な判断として溶解温度の高い材質には大きいエネルギで、低い材質には小さいエネルギで照射することになる。ここに言うエネルギとは放射されるエネルギで被照射体が受けて熱量となるものではないことに注意が必要で本明細書では放射エネルギと受領熱量を区別して記述している。放射エネルギが変わる条件とは、１）カソード電圧  ２）カソードとターゲットの距離  ３）電離ガス圧力の３条件が通常に用いられる。これらの条件は全体装置を制御運用するシステムの指令手段で調整できるように構成されている。
【０００７】
図９は全体構成図で、１はハウジング、６は環状電極、８はカソード、Ｓは電子銃空間、５は励磁ソレノイド、１４はターゲットとしてのテーブルである。一点破線部１−１以下の部分には図示しないテーブル移動機構などが設けられる。電子銃内の電離ガスの調整システムとしてスクロールポンプ２、ターボ分子ポンプ３が、流量調整弁２Ａ、３Ａを介して連結され、さらに図示しない圧力センサとともに作動する。室内は一旦真空状態とした後ボンベ１５から希ガスたとえばＡｒを充填し所定圧力に保たれる。
【０００８】
改質装置には最初に作動して電子銃室内にソレノイド５により磁場を作る励磁電源１６、次に作動して環状陽極付近にプラズマを生成するコンデンサ充放電回路を含むパルス電源１７、そしてプラズマを通過する電子ビームを放射して改質を実行する電源であってコンデンサ充放電回路で構成されるパルス電源１８が備えられている。それぞれの電源は独立しており、絶縁物６Ａ、８Ａによりハウジング１から絶縁されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平０９−２１６０７５号公報
【特許文献２】特開２００３−１１１７７８号公報
【特許文献３】特開２００４−１０８６号公報
【非特許文献１】宇野義幸、外４名「大面積パルス電子ビームによる金型の仕上げと表面改質」電気加工技術、社団法人電気加工学会、平成１５年６月、第２７卷、第８６号、ｐ．１２−１７、
【非特許文献２】藪下法康、外４名「大面積電子ビームによる金型加工面仕上げに関する研究（第２報）」一傾斜面平滑化特性と表面改質効果―電気加工学会全国大会（２００３）講演論文集  社団法人電気加工学会、平成１５年１ｄ２月、ｐ．４７−５０、
【非特許文献３】G.E.OZUR外３、Production and application of low-energy,high-current electron beams, Laser and Particle Beams (2003), 21,157-174, Printed in the USA.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
表面改質の目的は表面の粗さの改善、鏡面化、清浄化、アモルファス化、耐食化など多様であるし、また材質も多様である。従がって前述の三つの条件を適正に選択することが困難である。放射された電子ビームの相当部分が散逸し被照射体に吸収される割合は一定ではないから結果としての効果も変わる欠点があった。被照射体と同じ照射結果となる条件のデータを持つことができなかったからである。
【００１１】
従来技術で述べたように、この装置は多様な目的に対して優れた結果をもたらす能力を有するが、使いこなすためには多様な材質や処理前の状態に応じて照射条件を適切に選ぶ必要がある。被照射体が受けた熱量値は改質結果と密接に関係し、その過不足が照射効果を左右するから熱量値を介して照射条件を調整することが出来れば目的達成が容易になる。
【００１２】
この装置の電子ビームがターゲットの表面に当たるとその相当量が発光、二次電子、電磁放射、Ｘ線および金属蒸気となって飛散し、残部が被照射体に吸収され熱量となる吸収過程で溶解が生じて蒸発と併せて表面改質がおこなわれる。電子ビームは結晶格子の網目を通って進入し自由電子あるいは粒界移動として動くから材質、組成により吸収率が異なる。
【００１３】
被照射体の熱量増加は改質メカニズムに関与したビームエネルギなのであるが、蒸発モードと溶解モードがあり前者は熱量増加には含まらない。しかも両モードの熱量比率は照射条件で異なるという複雑さがある。
【００１４】
発射された電子ビームのエネルギの計算値よりも、被照射体に残された熱量値の方が事実に近く、照射効果たとえば面粗さ、溶融深さなどとの相関に信頼性がある。また、前述の段落番号［０００６］の照射条件で述べたように電子ビームエネルギは３種の照射条件を選べるから、たとえばカソード電圧をＡからＢに変更したとき同じエネルギ条件とするためには、カソードとターゲット間の距離をいかほどにすべきかは熱量のデータを媒介すればただちに知り得る。この明細書では被照射体が受領する熱量（Ｊ／ｃｍ２）を照射エネルギと呼ぶことにする。
【００１５】
被照射体金属の種類、組成、結晶状態による熱量吸収の差異は発光、反射による散逸だけではなく表面からの金属蒸発や金属内部での電子ビーム移動の差異にもよるもので実験の結果を図１３に表記した。これが熱量測定体の材質は被照射体と同質であることが必要な理由である。
【００１６】
この明細書に例示する装置の電子ビームの発射エネルギは前記パルス電源１８のカソード電圧と電離気体の濃度によって変更設定できるように構成されている。飛行中の電子ビーム１１がプラズマの影響をうけることにより電離気体の濃度、すなわち圧力を変更すると同じカソード電圧を用いたときでも被照射体に入射する電子ビームの強度が変化する。
【００１７】
この実験結果の例が図１０である。電離ガス圧力（横軸）と表面積当たりの受領熱量（縦軸）を３種類のカソード電圧について実験したものである。これにより被照射体が受ける熱量値が電離ガス濃度に影響されていることがわかる。ただしこの相関関係は特定の範囲に限られていて、電離ガス濃度の最適値の選択が必要である。なおこの実験と以降に説明する実験は、銅製の被照射体に温度センサを取り付けて一回の照射ごとに温度上昇を測定して増加熱量値を計算し、表面積で除した値である。本明細書では以降この表面積当たりの受領熱量値を照射熱量（Ｊ／ｃｍ２）と呼ぶ。
【００１８】
別の実験は図１１であって、カソード電圧（ＫＶ）と照射熱量（Ｊ／ｃｍ２）の関係を２種類のカソードとターゲットの距離について実験したものである。この関係は実験範囲内で連続性があり実用性が高いが、高い電圧を扱うことで連続微調整は困難が伴なう。
【００１９】
さらに別の実験は図１２であって、カソードから被照射体までの距離と照射熱量の関係を２種類のカソード電圧について調べた結果である。この関係も実験範囲内で連続性があり、しかも距離の変更は実施が容易であるから改質条件を変更するのに最適である。
【００２０】
以上に従来技術の状況と種々の実験結果を述べ、また電子ビーム表面改質のメカニズムを考察したのでこれに基づき改良をなさんとする点を次のように要約し本発明の目的とする。
電子ビーム照射表面改質装置に熱量測定体を含む熱量測定システムを付加し、前記測定体が被照射体と同じ条件で電子ビーム照射をうけるようにテーブルに設置し、熱量測定を行なう。照射条件としてカソード電圧、カソードと被照射体との距離、電離ガス圧力を設定するとともに指令とする熱量増加値と許容範囲を制御装置に入力記憶せしめ、前記測定結果の熱量と指令熱量とを比較し、その誤差を条件調整手段にフィードバックして、許容範囲になるように前記照射条件を調整するようにする。測定体の材質は被照射体と同質または近似した材質とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前述の本発明の目的は、（１）カソード８と、プラズマ生成電極６と、電離気体を充填するハウジング１と、前記カソードからの電子ビームを受ける被照射体１２を設置するテーブル１４とを備え、前記ハウジング内に磁場を形成するソレノイド５よりなる電子銃装置であり、前記ソレノイドが磁場を形成してからプラズマを生成させ、更に、カソードと被照射体の間にパルス電圧を印加してプラズマを通路とする電子ビームパルスを放射して前記被照射体の表面処理行う装置において、カソードパルス電圧、カソードと被照射体間の距離、電離気体濃度を照射条件として調整可能にする手段を備え、前記電子ビームパルスの照射条件を入力し、照射の条件指令、実行、制御、を進行させるプログラム制御装置と、前記被照射体と同じ姿勢でテーブルに設置される熱量測定体と、該測定体の温度上昇を測定するセンサと、前記プログラム制御装置に入力された指令熱量値に応ずる照射条件によって、被照射体への照射と同時に、または、別工程で測定体に照射された結果である温度上昇を前記センサで読み取り、熱量を計算し、指令熱量値と比較して誤差を前記プログラム制御装置に伝達する熱量測定装置が設けられて、前記プログラム制御装置が前記条件調整手段を通じ前記誤差をフィードバックして許容値内に納るよう調整することを特徴とする表面改質装置とすることにより達成される。
【００２２】
また、前述の本発明の目的は、（２）前記熱量測定体が被照射体と同材質であることを特徴とする前記（１）に記載の表面改質装置とすることにより達成される。
【００２３】
また、前述の本発明の目的は、（３）前記測定熱量が指令熱量と一致するように照射条件を調整する手段が、
前記カソードと被照射体間の距離の増減変更手段、
前記電子銃内に充填される電離気体の濃度の変更手段、
又は、前記カソードに印加されるパルス電圧変更手段、
の内の何れか一つであることを特徴とする前記（１）、または（２）に記載の表面改質装置とすることにより達成される。
【００２４】
また、前述の本発明の目的は、（４）前記カソードとテーブル間の電子ビーム照射距離の増減変更手段として、ハウジングに固定されるカソードに対してテーブルが電子ビーム軸線にそって移動する進退機構、およびテーブルは前記軸線に沿った移動をせず前記軸線に沿ってカソードが移動する進退機構、の何れか一方または両方が設けられている前記（１）または（３）に記載の表面改質装置とすることにより達成される。
【００２５】
また、前述の本発明の目的は、（５）電子ビーム軸と直交するテーブル上に被照射体と熱量測定体を分離して設置し、先に熱量測定体に対して前記電子ビームパルスの照射、熱量測定、比較、調整のサイクルを行ない、測定熱量が許容値範囲内となる照射条件を決定したのち、熱量測定体と被照射体の位置を交換して前記照射条件によって改質加工処理を開始させることを特徴とする前記（１）に記載の装置を用いる表面改質方法とすることにより達成される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の前述発明（１）によれば、表面改質の結果目標として照射熱量（Ｊ／ｃｍ２）を指令値として与え、照射熱量を熱量測定セットで測定し、熱量増加値と指令照射熱量値との差異を照射条件調整手段にフィードバックして、照射条件を調整し、所望の照射熱量（Ｊ／ｃｍ２）に到達させることができる。
【００２７】
また、本発明（２）によれば、被照射体で照射熱量を測定したことになるので、測定は全く正確なものであり表面改質加工の処理効果が測定体と被照射体との材質差による喰い違いを回避することができ、照射条件の調整により被照射体が得る熱量は指令熱量と一致したものとなるから改質作業の品質が保証される。
【００２８】
この発明は被照射体の受領熱量（Ｊ／ｃｍ２）を目標値としカソードと被照射体間の距離（ｃｍ）、電離気体濃度（Ｐａ）及びカソードに印加する電圧（ＫＶ）を操作量とするフィードバック制御であるが、上記三つの操作感度と制御可能範囲（Ｊ／ｃｍ２）は異なっている。装置設計上の理由、電子ビーム発射機構自体の特性、利用上の制限などから操作不能の領域があることが図１０、図１１、図１２から読み取れる。本発明（３）によれば前記フィードバック制御の操作手段を前記三種類から選択し、また時系列に選択、組合せ、接続して目的を達することができる。
【００２９】
また、本発明（４）によれば、カソードと被照射体の距離を可変とする手段として３種類の設計形式を選ぶことが出来る。第１種はハウジングに固定されるカソードに対してテーブルが電子ビーム軸線に沿って進退移動する形式で、装置を電子銃として看做せば銃口からターゲットまでの距離が可変となるものであり、第２種はハウジングに対して前記軸線に沿った移動がないテーブルに向かってカソードが進退移動する形式で、電子銃の銃身の長さが可変となり、銃口とターゲットの距離は変わらない。上記いずれの形式もカソードとターゲットの距離を変えることであるが、距離と改質効果の関係は等しくない。そして第３種の設計形式は第１種と第２種を併せ持つ形式であり、どちらかを選択利用しうる設計とするものである。いずれの形式を選択するかは、設計製造上の得失、利用上の利便と得失によって決定される。
【００３０】
また、本発明（５）によれば、テーブル上に被照射体と熱量測定体を分離して設置し、先に熱量測定体について照射と測定を行い、指令熱量値が得られる照射条件が決定してから、被照射体の照射を開始する方法をとり、改質作業の効率を高め得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、本発明の一実施例装置の正断面説明図で、前述従来例の図１１の装置に符合するものであり、同一物または同等物には同一の符号を付して示してある。
テーブル１４は、水平２軸移動装置１９の上に設置され指令値に位置決めされる。後述する熱量測定セット２１と、前記被照射体１２が前記２軸移動や相互の設置間隔等により、必要に応じ、実質上同一の条件及び姿勢で、同時にまたは別工程で、電子銃部１Ａからの電子ビームパルス１１の照射が受けられるようにテーブル１４上にセットされる。
【００３２】
前記水平２軸移動装置１９は固定ベース１９ＡとＸＹガイドセット１９Ｂにより構成され、上下進退機構２０Ａ、２０Ｂにより上下に指令移動、位置決めされる。固定ベース１９に備えられるＸＹガイドセット１９Ｂは指令装置２２ＥからのＸＹ軸移動位置決め指令によりＸＹ方向の２軸に水平移動してテーブル１４の位置決めを行うもので、直線ガイド、ボールねじ、サーボモータ、リニアモータなどの要素を用いる公知、多様な構成が可能である。
【００３３】
前記上下進退機構はＺ軸ラック支柱２０Ａとピニオン機構２０Ｂにより構成されている。Ｚ軸ラック支柱２０Ａの頭部には前記の水平２軸移動装置１９が固定され、下部にはラックが刻まれていてピニオン機構２０Ｂと咬合する。図示しないピニオン機構２０Ｂの駆動装置がありピニオンは指令装置２２ＥのＺ軸移動位置決め指令により回転し、Ｚ軸ラック支柱２０ＡをＺ軸方向に上下移動させて被照射体１２の表面を照射距離ｈに位置決めする。この実施例では上下進退機構が外部にあるから、運動部は気密構造となっており、テーブル１４は接地線２６により加工函体１Ｂに接続されている。
なお、上下進退機構の構成はこの実施例に囚われることなく例えばラック、ピニオンに替えてボールねじとするなど他にも自由に公知機構を選択可能である。
【００３４】
図２は、前記熱量測定セット２１をテーブル１４に設置した状態として示す斜視図で、熱量測定セット２１は測定体２１Ａと熱電対等の接触式の温度センサ２１Ｂと、該測定体２１Ａと、設置ベース２１Ｃと、前記測定体２１Ａをテーブル１４から離隔し、熱絶縁して電子ビーム照射位置に設置する熱伝導度が小さい支柱２１Ｄとから成る。なお前記温度センサ２１Ｂは放射温度計に変えて同様目的に構成することができる。
【００３５】
図３は、前記一支柱２１Ｄ部分の実施例断面図で、前記支柱２１Ｄは熱伝導度が小さい非金属、通常Ａｌ２Ｏ３系やＺｒＯ２系等の酸化物系セラミックス、又はＳｉＣ系やＳｉ３Ｎ４系等の非酸化物系セラミックスを用いることが好ましく、中空柱状体として測定体２１Ａをベース２１Ｃを介してテーブル１４に接地する導線２１Ｅを中空部に挿入し、その上下端を測定体２１Ａとベース２１Ｃに接するようにした金属片２１Ｆに接続する。
【００３６】
前記熱量測定セット２１の測定体２１Ａの材料としては、表面改質加工処理が為される例えば、金型等の被照射体１２と同じ材料の素材が選定セットされるべきである。何故ならば、このプロセスによる表面改質加工の効果（吸収熱量）が、前述図１３の表に示して説明したように被照射体の材料成分によって顕著な差異があるからである。さらに言えば、前述の図１０、図１１、図１２の各特性関係も測定体の材料、材質により変化することに留意すべきである。
【００３７】
測定体２１Ａの上面２１Ｇの全面は電子ビーム１１の照射を受ける面で所定面積（Ａ）を有し、照射面積を正確に限定するために図示実施例では錐台を上下逆にした形状に形成される。
【００３８】
被照射体２１Ａは後述するように照射熱量の計算に必要な規定値として質量（Ｍ）、比重（ρ）、体積（Ｑ）、比熱（Ｃｐ）及び表面積（ｃｍ２）などが既知である。また測定体２１Ａの照射面２１Ｇとカソード８の下面との距離は、被照射体１２とカソード８との距離（ｈ）と等しいことが必要であるから、支持脚２１Ｄを交換自由とされる。
【００３９】
図１に於ける２２はＣＮＣ制御装置で、入力装置２２Ａ、プログラム制御装置２２Ｂ、計算装置２２Ｃ、表示装置２２Ｄ、及び外ＸＹＺ等の軸移動装置２３や各種機能装置２４への制御指令出力装置２２Ｅ等を有し、装置のプロセスを全体制御するとともに、前記測定体２１Ａに対する照射前の温度と照射後の平衡温度との差を読み取るようプログラム制御装置２２Ｂから熱量測定手段２５に指令して測定取り込み、該温度差と測定体２１Ａの照射面積（Ａ）、比熱（Ｃｐ）、及び質量（Ｍ）とから、計算装置２２Ｃに設定してある被照射熱量計算プログラムによって計算した結果を判別処理して熱量フィードバック制御を行なう。
【００４０】
前記制御指令出力装置２２Ｅから、機能駆動装置２４へ指令信号が出力すると機能駆動装置２４はその指令内容に応じ、ピニオンギア２０Ｂを駆動して照射距離（ｈ）を、又は第３のパルス電源１８の電圧調整器１８Ａを操作してカソード電圧（ＫＶ）を、又は調整弁４や切換弁３Ａを操作して稀ガスの流入、排出を調整することによりハウジング１内の稀ガスのガス圧（Ｐａ）を、各単独に、又は適宜に組み合わせて調整する。
【００４１】
この装置では被照射体が受ける熱量を計測するために前記の熱量測定セットを設けている。
図４は熱量測定体２１Ａの表面が照射を受けてから平衡に達するまでの温度経過を示す。
既知の表面積（Ａｃｍ２）で受領したエネルギは、時刻（ｔｏ）に照射を受けて瞬間的に表面温度を高熱にするが、熱は急速に拡散し表面温度を低下させ、他方、底面温度と中間点温度を上昇させる。時刻（ｔｘ）に平衡し全体の温度が均一化する。したがって時刻（ｔｏ）での温度と時刻（ｔｘ）での温度の差（ΔＴ）から面積当たりの受領熱量（Ｊ／ｃｍ２）が算出される。
【００４２】
またこの装置では、後述図６のフローチャートに従がって数回の照射がなされる。図５はそのプロセスの過程における測定体２１Ａの表面温度の遷移を示し、［００４１］の図４を継続した図となり、図４の時間（ｔｘ−ｔｏ）が図５の測定時間（ｔｍ）に相当している。この図５で得られた温度差（ΔＴ）はプログラム装置に送られ、予め入力された測定体２１Ａの表面積（Ａ）、比熱（Ｃｐ）、質量（Ｍ）と併せて面積あたりの受領熱量（Ｊ／ｃｍ２）が算出され、表示装置２２Ｄに表示され、判別処理されてプロセスが進行する。
【００４３】
図５において、正確には（ｔｍ）は温度差（ΔＴ）に応じて変わるはずであるが、実用的には無視し得るものであり、また、測定体１２Ａが平衡温度に達してからの自然放熱による温度低下も実用的には無視される程度である。
【００４４】
図５において第一回照射から第４回照射まで各回の照射条件が、後述フローチャートのように測定された熱量値（Ｊ／ｃｍ２）が指令値と比較判別され、プログラム装置はアルゴリズムに従がって差分を各照射条件調整機構にフィードバックし指令熱量値に近づけ、あるいは所定誤差範囲の条件で照射の実行をはじめる。
【００４５】
本発明は被照射体の面積当たりの受領熱量（Ｊ／ｃｍ２）を照射エネルギと看做して、表面の改質効果にもっとも密接な関係にある熱量を指標とすることで、装置の信頼性と安定性を確保している。具体的な例をあげれば、カソード電圧の不安定があった場合にその程度を事後に知ることは困難であり、また、プラズマの不安定にしても同様である。この様な場合でも熱量測定の結果は直ちにその不安定さを数値で示す。そしてまた、装置が不安定なままでも指令熱量にまで条件を修正して目的を達成することが可能である。
【００４６】
前述熱量の測定により、該測定熱量が、設定された指令照射熱量となるように電子ビームの照射条件を調整する手法の第１の一実施例は前述図１２に照射距離と熱量との関係特性図として示したカソード８の端面と、被照射体１２の表面間の距離（ｈ）の変更であって、照射熱量と照射距離とがほぼ反比例の関係にあることから、図６に示す実施例のフローチャートの手法により照射条件の調整が行なわれる場合について説明する。
【００４７】
この発明は改質条件を被照射体の受領する熱量値で指令するという手法を提案している。その効果として改質条件の決定が人為的ではなく、熱量の測定結果として実験的に行なわれるという特徴を有する。前記のように改質結果を支配する条件は三種であるから３種類の手法があるが図６はそのうちの１つである照射距離を可変数値とした手法についてのプロセスをフローチャートで示すものである。約束に従がってこれを説明すると（１）は装置駆動に必要な固定的指令をメモリー２に与えるフローラインであり、指令熱量Ｃおよび判別に必要な諸定数、可変でない他の条件（この場合はカソード電圧、低圧ガスの濃度）が固定して記録され書き換えられない。（２）のラインは測定された熱量を一時記録メモリー１に置き比較演算部に渡すものである。比較演算部の結果は図示のように三分され条件を逸脱していれば再試行を繰り返し、条件内に到達すると正規の改質作業にはいる。云うまでも無くこのフローチャートの記憶、演算、判別は制御装置２２の内部で行われる。
図６は前記３種類の手法について記述されているが、熱量測定に関する部分と判別の論理は同一であり、支配する条件の変更手段は既に述べられているので図６を他の２種類の手法についての説明にも採用する。
【００４８】
この照射熱量の測定は、既に述べたように、測定体の電子ビームパルスの照射前と後の平衡温度の温度差を測定し、この温度差と測定体につき予め測定等して入力してある電子ビームの照射面積、比熱、質量及び計算式等を用いて照射熱量Ｗの測定値を求め、メモリィ１に記憶される。照射熱量Ｗが測定されると指令熱量Ｃとの比較演算（｜Ｗ−Ｃ｜−Ｅ）＝Δが行なわれ、指令熱量Ｃに対する測定熱量Ｗの偏差が設定した許容誤差Ｅ以内であるか否か判別される。前記の判別において、許容誤差Ｅが、前記の入力設定値以内である場合には、表面改質加工工程の電子ビームパルスの照射工程（４）に移行し、前述入力設定してある表面改質回数の照射を行い、照射回数が所定の設定回数に達すると、当該被照射体に対する表面改質加工を終了する。
【００４９】
ところで、指令熱量Ｃに対する測定熱量Ｗの偏差が、入力設定してある許容誤差Ｅを上回って大きい場合と逆に許容誤差Ｅ以上小さい場合があるが、先ず前者の場合偏差（Ｃ−Ｗ）に定数αを掛けた値をデータとしてプログラム制御装置２２Ｂに取り込み、指令出力装置２２Ｅを介して軸移動駆動装置２３のＺ軸にピニオンギア２０Ｂを、Ｚ軸ラック支柱２０Ａが、Ｚ軸方向に所定距離降下して、照射距離ｈが増大するように回転位置決めし、機能駆動装置２４を介して位置決め完了信号をプログラム制御装置２２Ｂに伝え、前記熱量測定工程（３）に戻って調整設定された新しい照射距離での照射熱量の測定を行なう。
【００５０】
そして、前記後者の前記偏差が許容誤差以上に大幅に大きくて、照射熱量が大幅に小さい場合には、偏差（Ｗ−Ｃ）に定数βを掛けた値としてプログラム制御装置２２Ｂが取り込み、前述の場合とは逆にＺ軸方向に所定の距離上昇して、照射距離ｈが減少するようにピニオンギアが回転位置決めして、新しい照射距離を調整設定するように作動する。
【００５１】
そして、この新しい照射距離での測定熱量が指令熱量に対し許容誤差Ｅ以下の偏差以内に修正調整されていれば、前述した表面改質加工工程の電子ビームのパルスの照射工程に移行するが、然らざる場合には、前記偏差が許容誤差Ｅ以内となる迄、照射熱量の測定による照射距離の変更調整を繰り返す。
【００５２】
次の本発明第２の手法は、前述図１１にカソード電圧と熱量との関係特性図として示した前記カソード８と被照射体１２間に第３のパルス電源１８からコンデンサを充電して印加されるカソード電圧の高低切換えの変更であって、前述第１の手法の場合と同様に、指令照射熱量に応じて設定された照射条件による照射から、測定された受領熱量が、目的とする指令熱量と一致するまで、前記フローチャートのアルゴリズムによりプログラム制御装置２２Ｂから指令出力装置２２を介して機能駆動装置２４にコンデンサ充放電回路を含むパルス電源１８の電圧調整器１８Ａを切換調整して、カソード電圧（ＫＶ）の電気諸元の変更調整をするものである。
【００５３】
図８は、カソード８と被照射体１２間に、電子ビーム１１の生成加速用に負の高電圧のパルスを印加するパルス電源１８とその電圧調整器１８Ａの原理的回路構成を示すもので、コンデンサ１８Ｃの充電電圧は、交流電源ＡＣから電圧調整器１８Ａを有する高電圧変換トランス１８Ｂを介し、ダイオード１８Ｄ１、１８Ｄ２を介し、整流されて所定電圧に充電する。そして、このコンデンサ１８Ｃの充電電圧が所定値に達した信号１８Ｓと、ガス圧センサ２９によりハウジング内のガス圧が、所定の設定圧力に達したのを検知したガス濃度信号２９ａと、パルス電源１７がプラズマ生成電極６とターゲット１４間にパルス電圧を印加してプラズマが生成されたことを伝える信号１８Ｆの三条件が一致したとき、信号発生器１８ＥからサイリスタＳＣＲのゲートがトリガーされ、コンデンサ１８Ｃの充電電荷をカソード８と被照射体１２間に放電して電子ビームのパルス１１を生成させる。前記のサイリスタＳＣＲは他のトリガースイッチ素子例えばガス封入のトリガー放電スイッチに代替され得る。
【００５４】
そして、本発明の第３の手法は、発生電子ビーム照射による照射熱量とその電子ビーム発生領域を形成する真空ハウジング１内のＡｒガス圧（Ｐａ）との関係を利用しようとするものであるが、前述図１０に一実施例の熱量（Ｊ／ｃｍ２）とガス圧（Ｐａ）との関係の特性図として示したように、両者の相関関係は、前述の手法１の照射距離（ｈ）や手法２の加速電圧（ＫＶ）等程には判然としていないが、使用するガス圧（大凡０．０５〜０．０９Ｐａ）領域の一部において、ガス圧変更を照射熱量の変更手段として使用できる可能性の有ることが判る。
【００５５】
その具体的方法としてはプラズマを作る電離気体としてＡｒガスを用いる装置（図１）にて、ＣＮＣ制御装置２２の入力装置２２Ａからカソード電圧、プラズマ条件、照射距離を一定な固定条件として入力する。同時に表面改質に最適と思われる受領熱量を想定しその目標値を照射熱量値（Ｃ）として入力する。また同時に目標値に対する許容範囲の値（Ｅ）も定数として与える。測定シーケンスの図６における上昇指令を圧力降下指令に、加工指令を圧力上昇指令と読み替えると、更にα、βの値も相応に定まるからその数値を（Ｅ）の値とともに入力する。
この場合は目標の熱量はガス圧を可変条件とするから、前記の圧力領域の適当な価を初期指令値として入力し測定サイクルをスタートする。上述の各指令値は制御装置２２Ｂ、指令出力装置２２Ｅを介して各機能機器に送られて測定照射サイクルを開始する。Ａｒガスの濃度の決定はまずハウジング１内をスクロールポンプ２とターボポンプ３によって高真空にしながら、Ａｒボンベ１５の流量調整弁４をわずかに開くとハウジング内に徐々にＡｒが流入し濃度が高まる。この間ガス圧センサ２９は濃度信号２９ａを機能駆動装置２４に送り続けており、該信号２９ａが数秒続いて前記初期指令値を示すと安定状態と判断してカソード電圧を印加する回路を作動する。
一回目の照射が終わると熱量測定がなされ計算装置２２Ｃで結果の判別により、許容範囲から逸脱していると初期値を修正して次の測定サイクルに移る。一回のサイクルには１０〜２０秒の時間を要する。かくして許容範囲の照射熱量が得られると該ガス圧力を指令値として改質工程を指令回数だけ繰り返す。
【００５６】
前述第１、第２及び第３の手法の内から、好ましい手法を選んで、または指令熱量値の大きさに応じて、さらには被照射体の性質によって調整の対象が決定される。調整の対象が同時に複数であってもよいし、時系列に複数であってもよい。
【００５７】
図７は、前述第１の手法に係る他の具体的な実施例装置の正断面図で、前述図１の実施例に於ける前記照射軸方向のＺ軸に移動位置決めが可能なテーブルを兼ねるターゲット１４に替え電界放射カソード８を、そのホルダ３０ごと、照射軸のＺ軸に移動位置決め可能に構成して電子銃部１Ａに取り付けられ、前述照射距離（ｈ）が長短に変更できるようにしたものである。
【００５８】
即ち、図に於いて、カソード８は、電子銃部１Ａに照射軸のＺ軸に平行に移動可能に、プラスチックやセラミックス製の絶縁性のブッシュ３１を介して摺動するように嵌挿された筒状ホルダ３０に同軸に保持具８Ｃにより固定され、前記嵌挿摺動部は真空シールされている。固定側の電子銃部１Ａに設けたブラケット４０には送り用ねじ３３を連結し制御装置２２からの指令で駆動される送り用モータ３２が取り付けられ、これに対し移動側のホルダ３０の上部外周部に設けられたブラケット３５に取り付けられたナット３４にねじ３３を螺合させることにより、ホルダ３０を移動させる。
【００５９】
この図７の実施例は、電界放射カソード８とターゲット１４間の電子ビーム１１の照射距離（ｈ）を変更する点においては、前述図１に示した実施例のものと同じだが、照射熱量を変化させる作用、効果は相違している。その理由は、［００２９］で述べたように電子銃内のビーム発射機構を変化させた場合と、銃口からターゲットまでの距離を変えた場合の違いである。前者は関係する因子が多く利用上で複雑となるが、テーブル昇降機構が不要になる利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、電子ビームパルスの照射改質加工装置に於ける表面改質加工の作業を、照射熱量を選択、設定した照射条件通りに正確に調整設定して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施例装置の正断面説明図。
【図２】実施例装置の部分の斜視図。
【図３】図２の部分の断面図。
【図４】本発明を説明するための熱伝導の特性図。
【図５】本発明装置の稼動時の温度変化の特性図。
【図６】本発明の第１の手法の実施例を説明するフローチャート図。
【図７】本発明の第１の手法に係る具体的な他の実施例装置の正断面図。
【図８】本発明の第２の手法に係る実施例の原理的回路構成図。
【図９】従来装置の全体構成を示す装置断面図。
【図１０】放電ガス圧と電子ビームのエネルギ密度及び加速電圧との特性図。
【図１１】加速電圧とエネルギ密度との特性図。
【図１２】電子ビームの照射距離とエネルギ密度及び加速電圧との特性図。
【図１３】測定体の材質により照射電子ビームの吸収熱量に差異があることを示す表。
【符号の説明】
【００６２】
1  ハウジング
１Ａ  電子銃部
１Ｂ  函体部
２  スクロールポンプ
３  ターボ分子ポンプ
４  流量調整弁
５  ソレノイド
６  アノードプラズマ生成電極
７  陽極プラズマ
８  電界放射カソード
９  カソードプラズマ
１１  電子ビームパルス
１２  被照射体（ワーク）
１４  テーブル
１５  電離性気体
１６  ソレノイド励磁パルス電源
１７  アノードプラズマ用パルス電源
１８  加速電圧用カソードパルス電源
１９  水平２軸移動装置
２０Ａ  Ｚ軸ラック支柱
２０Ｂ  ピニオンギア
２１  熱量測定セット
２１Ａ  測定体
２１Ｂ  温度センサ
２１Ｃ  設置ベース
２１Ｄ  非金属支柱
２１Ｅ  導線
２１Ｆ  金属片
２１Ｇ  被照射面
２２  ＣＮＣ制御装置
２２Ａ  入力装置
２２Ｂ  プログラム制御装置
２２Ｃ  計算装置
２２Ｄ  表示装置
２２Ｅ  指令出力装置
２３  軸移動駆動装置
２４  機能駆動装置
２５  熱量測定器
２６  接地導線
２９  ガス圧センサ
２９ａ  ガス濃度信号
【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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【図１２】
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【図１３】
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