(57)【要約】【課題】ハウジング内の低圧電離ガスをプラズマ化して、カソード電極から電子ビームを照射する表面改質方法及び装置として、被照射体のキャビティまたは孔の内側面に対して照射改質ができる方法及び装置を提供する。【解決手段】被照射体のキャビティまたは孔の内側面が、電子ビーム照射軸と平行または僅かな傾斜角であるときに、永久磁石または電磁石を磁力線が被照射面に沿うようにキャビティ内に配置して電子ビーム軸を偏向させ、前記内側面への照射を可能として内側面の改質を実現させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードから発射される電子ビームを、プラズマ化した低圧気体を通過させて被照射体のキャビティまたは孔の中に照射して内側面を改質する電子ビーム照射表面改質方法において、
前記キャビティまたは孔の中において照射電子ビームの照射軸と交叉する磁力線を形成するように永久磁石または電磁石を挿設して前記電子ビームのパルスを発射させるようにしたことを特徴とする表面改質方法。
【請求項２】
前記電子ビームの照射軸と磁力線の交叉角度がほぼ直角であって、前記磁力線が照射内側面に対し、水平旋回方向に沿うように形成されることを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
【請求項３】
前記磁力線を出力する永久磁石または電磁石を電子ビーム照射中心軸の廻りに旋回させながら照射を繰り返すことを特徴とする請求項１、または２に記載の表面改質方法。
【請求項４】
前記磁力線を出力する永久磁石または電磁石を、電子ビームの照射軸と平行な軸に沿って昇降させて照射を繰り返すことを特徴とする請求項１、２、または３に記載の表面改質方法。
【請求項５】
低圧気体をプラズマ化する環状アノード電極使用の電圧印加手段と、プラズマ化低圧気体の膨張拡散を抑える磁場形成用励磁手段と、カソード電極と被照射体との間に高圧の直流電圧を印加する手段とを有する電子ビーム照射表面改質装置において、
磁石から出力する磁力線が、前記被照射体のキャビティまたは孔内の改質側面に沿うとともに、電子ビームの照射軸と交叉するように永久磁石または電磁石を取り付ける磁石ベースを設けたことを特徴とする電子ビーム照射表面改質装置。
【請求項６】
前記電子ビームの照射軸と磁力線との交叉角度が直角で、前記磁石ベースが照射軸と平行な軸に沿って昇降及び旋回可能に構成保持されていることを特徴とする請求項５記載の電子ビーム照射表面改質装置。
【請求項７】
前記永久磁石または電磁石の表面が電子ビーム照射改質に耐性のあるセラミックスで被覆されているものであることを特徴とする請求項５、または６に記載の電子ビーム照射表面改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種金属部品、金型、工具、電気接続部品、医療用金属部品、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う技術に属する。
【背景技術】
【０００２】
この発明技術は、電子ビームによる物質表面の改質装置、詳しくはLEHCEB(  Low Energy High  Current Electron  Beam  [非特許文献１] )  の電子銃 を用いる表面改質装置を改良し、応用範囲を拡張するものである。  従来の事例としては高電圧電極の表面平滑化のために開発されたもので、断面積１０ｃｍ２以上、低エネルギ１０〜５０ｋＶ、高電流１０〜３０ｋＡ、パルス巾数マイクロ秒の電子ビームパルスを、金属表面に照射して表面改質を施すもので、装置は電離気体plasmaが封入されて電子ビームの断面内密度を均一に保っているので、PFD（Plasma  Filled  Diode）電子銃と呼び特徴づけることもある。  また、plasma生成のグロー放電を安定にするため環状の放電電極が用いられ、電子銃の外周部には銃内に磁場を形成するソレノイドが設けられる。
【０００３】
この装置の作用は従来の真空電子銃による高密度の電子ビームではなく、プラズマ化した電離ガスの中を通過する低いエネルギで広い面積に分散する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与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。
【０００４】
上述のように、この装置は一種の電子銃であるが真空室ではなく、０．１Pa以下の低圧電離ガスを充填しプラズマ化しているので、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、外部にソレノイドが設けられて電子銃内空間に磁場を作り電子ビームの収縮（pinch）を防いでいる。
【０００５】
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、面積数１０ｃｍ２の円板状の金属または黒鉛陰極が用いられ、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数μｓ〜０．１μｓ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ハウジングとの間にコンデンサ充放電による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１００〜数１００μｓで、その時間内に前記の電子ビーム放射が行われる。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、別のコンデンサ充放電回路が備えられている。
【０００６】
表面改質を施す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。照射の回数は被照射体の条件によって変る。
【０００７】
図７は、前述の従来公知のLEHCEB表面改質装置の全体構成図で、ハウジング４Ａ、環状電極２Ａ、カソード１Ａ、励磁ソレノイド５Ａ、テーブル６Ａ、及び電子ビームのターゲット被照射体３Ａを備えた電子ビーム照射表面改質装置である。被照射体３Ａ、テーブル６Ａ、及びハウジング４Ａは同電位であり、カソード１Ａ、環状電極２Ａはそれぞれ絶縁されて独立している。また図示していないが、テーブル６Ａは前後左右、上下の運動機構が適宜備えられている。
電子ビームはカソード端面から発してターゲット３Ａに直進して達し、電子ビーム断面積はカソード端面積とほぼ等しくなっている。
【０００８】
【非特許文献１】PROSKUROVSKY、D.I.外３、Use of Low-energy， High-current electron beam of surface treatment of metals、；surface and Coatings Technology  ９６（１９９７）、１１７−１２２
【非特許文献２】G.E.OZUR 外３、Production and application of low-energy、high-current electron beams ；Laser and Paricle Beams（２００３）、２１、１５７−１７４ Cambridge University Press
【特許文献３】特開２００６−１８７７９９号公報
【特許文献４】特願２００６−２９０９７０号特許出願
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の従来技術及び装置では、電子ビームはターゲットに直進して衝突するので、被照射面が電子ビームに直進軸に平行であるような場合には表面改質が行われないことになる。
【００１０】
既に前述したように、この装置において改質処理するための電子ビームは、予め電子銃内の低圧電離気体をプラズマ化し外部ソレノイドにより銃中心に集めた上でカソードに高電圧のパルスを印加して発生させる。カソードから電子ビームパルスが被照射体に向けて直進して射突し、表面が熱作用で表面改質が行われるのであるが、電子ビームの飛行方向に平行な面の改質は不可能であり、またわずかの傾斜角を持つ傾斜面には改質効率が低い。
【００１１】
そこでこの発明は、被照射体のキャビティまたは孔の内面が電子ビームの照射飛行軸と平行またはわずかな傾斜角であるときに、磁石をキャビティ内に配置して電子ビーム軸を偏向させ、前記内面の改質を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、直進する電子ビームを被照射体のキャビティ、または孔に進入させた後に、該キャビティ内側面に沿って配置した磁石の磁力線の作用により、電子ビームの飛行方向を偏向させてキャビティ内側面への照射を可能にするものである。前記磁石とは、電子ビームパルスの飛行軸に対して直交する磁力線を発するように着磁された永久磁石もしくは電磁石をいう。
【００１３】
この発明は、カソードから発射された電子ビームの飛行軸に対して直交する磁力線を作用させると、飛行軸がローレンツの力の作用に従がって偏向する原理を利用するものである。  カソードからプラズマ空間に発射される電子ビームは、電子銃外部に設けられたプラズマ保持のためのソレノイドによる磁力線により膨張拡散が抑えられ、筒状になって被照射体の内部にほぼ直進する。  
【００１４】
このとき図３及び図４に示すように、被照射体の中に永久磁石を配置して図３を上から見た図４のように前記ソレノイドの磁力線とは別の、電子ビームの照射飛行軸と交叉、好ましくは直交する偏向磁力線４を存在させれば、電子ビームの飛行方向を被照射体の内側面に向けることが可能になる。図３及び図４は永久磁石を用いた場合であり、特に、詳しくは図示しないが、電磁石２’に置換えることもできる。
【００１５】
図３及び図４において１は被照射体、２は永久磁石、３は電子ビーム、３‘は黒丸で電子を示し紙面の方向に飛行しているものとし、磁力線４の作用の結果  →印の方向にローレンツの力を受けて偏向する。  
【００１６】
また、図４のように一つの永久磁石２の場合には被照射体１の片側約半分１０１が照射を受け反対側の面１０２には照射が行われない。
【００１７】
このとき、前記永久磁石２の磁力線４は、元の電子ビーム軸３と直交する面内で被改質面に沿った方向にとるべきであるから、筒状の内壁を全周にわたって表面改質せんとするときは、図５のように複数の永久磁石２０１、２０２を組み合わせることによって、被照射体１の内面の両側を照射することが可能になる。
【００１８】
また、被照射体１の形状大きさによっては、内側面のすべてを表面改質するために、永久磁石２を軸方向と旋回方向に移動させる手段を設ける。
さらに、電子ビーム３に曝される永久磁石２自体が、改質エネルギを吸収してしまうことを防止するために、永久磁石２は硝子あるいはセラミックスのような絶縁物１６による被覆を施せば、更に、効率的な表面改質が可能になる。
【００１９】
図１は、この発明の基本的な構成の装置の実施例の主軸中心断面図であり、また図２は図１のＡ−Ａ’視断面である。装置は電子銃部２０と架台部２１とで構成される。      
【００２０】
電子銃２０は  被照射体1を収容し低気圧の電離気体（Ar）を気密に保つハウジング５と、カソード６とプラズマ生成陽極(アノードと称す)９よりなる。ハウジング５と被照射体１は電気的に接地され、カソード６及びアノード９に対しては耐高電圧絶縁体７及び１０により絶縁されている。  接続子８と１１は外部電気回路に接続する導線である。カソード６の電子ビーム発射面は、数１０ｃｍ２の面積の束状の金属線（Ti）、または黒鉛が用いられ、ターゲットとなる被照射体１に対向させる。アノード９は環状の電極であり、ハウジング５との間にグロー放電を起こさせて電離気体をプラズマ化する。
また、電子銃２０には外部にソレノイド１２が設けられ、ハウジング５の内部に磁界をつくり、プラズマの膨張拡散を抑えて電子ビームの照射を可能にする。
【００２１】
被照射体１は、取付け台１３上に取付け具１４により固定され、更に上端部をセラミックス製の絶縁性マスク１５により被覆され、電子ビームが効率良くキャビテイに進入するようにする。
【００２２】
磁石２は、セラミックス製の箱状をなしたセラミックスマスク１６により被覆され、セラミックス板製の磁石ベース１７に取り付けられてキャビテイ内において上下旋回移動自由に配置される。  磁石ベース１７は移動桿１８に固定されている。磁石２の作用については、前述の段落［００１３］〜［００１８］の項において、図３及び図４により説明した通りである。開閉扉１９はハウジング５に設けられた、開口１９a  を密閉する扉であり、被照射体１の着脱、点検の際に開閉される。磁石２は永久磁石を用いた場合を図示しているが、右サイドに記載の電磁石２’に置換することもできる。その場合の励磁方法と被覆の方法は永久磁石を用いた場合と同様である。
【００２３】
架台部２１は、上面に基台２３を備え上面に電子銃２０を固定させ、また下部の脚部２２が形成する空間に、図示しない給排気装置、電源装置、その他装置類を収容している。図１に図示されている上下旋回移動装置２４は、磁石２を被照射体１の内部で上下旋回移動させるもので、移動桿１８が気密摺動軸受け２５を介して電子銃２０内部に入り、上下旋回運動を磁石２に伝達する。
【００２４】
上下旋回移動装置２４は、移動桿１８を駆動する装置で、円盤ｍ８と歯車ｍ９が一体となったシフタｍ１０を操作桿１８に取り付け、ブラッケットｍ３のシフタヨークｍ４が、円盤ｍ８の両端面を挟む。ブラケットｍ３がコラムｍ１のガイドｍ２に案内され、モータｍ７、ねじｍ５、ナットｍ６により、上下移動すると、シフタヨークｍ４が、円盤ｍ８の両端面を挟んで連結しているから、移動桿１８が上下に移動する。また、ブラケットｍ３に取り付けられたモータｍ１１、軸ｍ１２により、割り出し旋回する歯車ｍ１３は歯車ｍ９と噛合って、永久磁石２を上下位置に関係なく所要の角度に旋回させる。コラムｍ１は基台２３の下面に固定されている。
【００２５】
図６は、本発明装置のプラズマ発生回路３０、および、電子ビーム発生回路４０の説明図であり、図１と符号は共通である。
【００２６】
プラズマ発生回路３０のコンデンサ３１は、正極側を開閉制御素子（SCR）３２を介してアノード９に接続され、負極側をハウジング５に接続されてプラズマ発生回路となる。開閉制御素子（SCR）３２は、制御端子３２aへの図示しない制御装置からの信号により導通する。
コンデンサ３１を充電するために高圧直流電源３３と充電抵抗３４が、開閉器３５を介してコンデンサ３１に接続され充電回路を形成する。
【００２７】
電子ビーム発生回路４０のコンデンサ４１は、負極側をカソード６に接続し、正極側を開閉制御素子（ガススイッチ）４２を介してハウジング５（被照射体１と同電位）に接続されて、電子ビーム発生回路となる。  開閉制御素子（ガススイッチ）４２は制御端子４２aの、図示しない制御装置からの信号により導通する。コンデンサ４１を充電するために高圧直流電源４３と充電抵抗４４が、開閉器４５を介してコンデンサ４１に接続され充電回路を形成する。
【００２８】
上述した実施例装置の使用手順はつぎの通りである。被照射体１をハウジング５内の取り付け台１３に取り付けてから、上下旋回装置２４により磁石２を被照射体１のキャビテイの照射位置に配置し、図示しない気圧調整装置により電子銃内の電離気体を所定の低気圧に保つ。磁石２に電磁石を用いた場合には励磁手段が加わり、励磁のタイミングは、前記外部ソレノイド１２に同期させる。
【００２９】
次に、ソレノイド１２を作動させて電子銃２０内に磁界を作り、続いてプラズマ発生回路３０を作動させて、電子銃２０内の低圧気体をプラズマ化する。プラズマ化される部分は図６のアノード９の環内から下の部分Ｐであり、被照射体１のキャビテイ内部にまで達する。コンデンサ３１の放電電流がピークに達したときに電子ビーム発生回路４０を作動させ、コンデンサ４１を放電させると、カソード６から電子ビーム３が被処理体１に向けて発射され、キャビテイ１内部に飛行する。
【００３０】
電子ビームの飛行方向は、キャビテイ側面と並行しているが磁石２の磁力線４の影響を受けて偏向するので、結果としてキャビテイ内側面に照射され表面改質が実行される。以上の手順で一回のサイクルとなるが、表面改質される部分は帯状であり、限定されているから全体部分を改質処理する必要があるときには磁石２の配置を変えて次のサイクルを実施する。
【００３１】
以上の説明で、既に明らかであるが、前記被照射体１のキャビティまたは孔の中に挿入された磁石２によって形成される磁力線４が、照射電子ビーム３の飛行軸と交叉、多くの場合は、好ましくは水平方向に対して直交していて、そして、さらに前記磁力線４が照射内側面に対し旋回方向に沿うように形成されるよう配置、例えば、図５のような構成、配置とするのが目的達成に好ましいものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、被照射体がキャビティまたは孔を有しその内側面が電子ビーム飛行軸と並行またはわずかの傾斜角であるとき、キャビティ内部に配置された磁石がつくる磁力線が前記電子ビームに作用して飛行軸をキャビティ内面に向けて偏向させることにより、該内面の表面改質を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の装置全体の構成を説明する正面図を、カソード中心軸において横に切断した断面図である。ただし、架台部の上下旋回移動手段の一部は切断されていない。
【図２】装置の図１におけるＡ−Ａ’  視断面図。
【図３】電子ビームを偏向させるために、被照射体内部に磁石を配置した場合の一部切り欠き説明図。
【図４】磁石の磁力線が、電子ビームに作用して飛行方向が偏向することの説明図。
【図５】図４の改良として複数の磁石を用いた場合の実施例説明図。
【図６】本発明装置のプラズマ発生回路および電子ビーム発射回路の実施例説明図。
【図７】従来例技術を説明する装置の説明図。
【符号の説明】
【００３４】
１、被照射体
２、磁石
３、電子ビーム
４、磁力線
５、ハウジング
６、カソード電極
７、１０、絶縁体
８、１１、接続子
９、アノード環状電極
１２、ソレノイド
１３、取付け台
１４、取付け具
１５、１６、セラミック製マスク
１７、磁石ベース
１８、移動桿
１９、開閉扉
１９ａ、開口
２０、電子銃
２１、架台部
２２、脚部
２３、基台
２４、上下旋回移動装置
２５、気密摺動軸受
【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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