(57)【要約】【課題】平面ビーム状で安定かつ制御容易な電子ビーム電流値で、放射線硬化型樹脂の硬化が行なえるようにすること。【解決手段】平面陰極４の表面から放出される電子をスリット２付きの金属遮蔽箱１より平面状の電子ビームとして発生する電子銃に、該平面陰極１と電子ビームの照射面７との間に電界を発生する網電極３を少なくとも一つ設け、放射線硬化型樹脂を該照射面７に固定して硬化させることを特徴とする樹脂の硬化方法によって、上記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面陰極の表面から放出される電子をスリット付きの金属遮蔽箱より平面状の電子ビームとして発生する電子銃に、該平面陰極と電子ビームの照射面との間に電界を発生する網電極を少なくとも１つは備えたことを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項２】
放射線硬化型樹脂を該照射面に固定して硬化させることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム装置。
【請求項３】
前記放射線硬化型樹脂がモノマーまたはオリゴマーであることを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム装置。
【請求項４】
平面陰極の表面から放出される電子をスリット付きの金属遮蔽箱より平面状の電子ビームとして発生する電子銃に、該平面陰極と電子ビームの照射面との間に電界を発生する網電極を少なくとも一つ設け、放射線硬化型樹脂を該照射面に固定して硬化させることを特徴とする樹脂の硬化方法。
【請求項５】
前記放射線硬化型樹脂がモノマーまたはオリゴマーであることを特徴とする請求項４に記載の樹脂の硬化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビーム装置に関し、特に平面ビーム状で安定かつ制御容易な電子ビーム電流値を得ることに好適に利用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電子を集群させて電子ビームを形成することで、容易に電子エネルギーを利用した工程を行うことができる。代表的な電子ビームは熱電子として放出された電子を偏向磁場や集束磁場で集群して電子ビームの形成を行っている。熱電子はフィラメントに電流を流すだけで放出することができる。この方式はフィラメントからの電子を利用するため電子発生源が局所的であるので電子ビーム自体も小面積である。そのほかに、金属面を加熱し熱電子を放出させる方式もあるが、いずれの方式も電子ビームが小面積である場合が多い。
【０００３】
電子ビーム発生装置は、電子発生部とビーム形成部に大きく二つに分けられる。電子は全ての元素の構成素粒子であるので、電子を発生する供給源としてあらゆる元素を利用できる可能性がある。電子の発生は主に金属表面からであることが多いので、固定面からの荷電粒子の発生となり電子軌道の出発点に変動がない。真空中の自由空間にある原子を考えると単独に存在する原子の最外殻の電子は電離電圧だけ束縛された状態のエネルギーにあるといえる。それに対して、金属内の電子は近くに数多く存在する原子のポテンシャルエネルギーの影響を受けるため、仕事関数と呼ばれるポテンシャルエネルギー分だけ低い状態にある。この仕事関数は電離電圧よりも低い値である。
【０００４】
電子の発生法としては、単独に存在する原子から電子を切り離してプラズマを作りそこから電子放出を行う方法と、金属のような固体表面からの電子の発生法がある。前者の方法はプラズマ空間から電子を引き出すため、その空間の引き出す範囲でビームが形成できる利点があるので、比較的大面積に向けての電子ビームを使用するときは有用な方法である。後者は、主として金属表面からの電子の発生機構となり、どのような方法で金属の仕事関数以上のエネルギーを与えるかによって、その発生法が異なる。代表的な例は、熱電子放出、二次電子放出、光電子放出、電界放出、イオン衝撃がある。
【０００５】
プラズマは、正イオンと電子との密度が等しく、正と負の空間電荷量が釣り合った電位的に安定な状態にある。プラズマの電圧に対して正の電圧を持つ電極があればこのバランスが崩れ、イオンは反発されて電子だけが存在するシースができ、電子が電極に向かって加速される。このとき、プラズマからどれだけの電子電流が取り出せるかはプラズマの条件によって変わるが、この電流量のことを電子飽和電流という。理論上、この電子飽和電流以上の電流値をもつ電子ビームをプラズマ法によって生成することは不可能である。比較的幅広い電子ビームは電子発生面が空間的に広がっていれば容易に得られる。代表的なものは、金属箱の中で放電させたプラズマからの電子をスリットによって引き出すことで幅広い電子ビームを実現している。ただし、放電条件によってはプラズマが安定しないため、電子ビームが安定しない欠点がある。
【０００６】
このような電子ビーム発生装置を使って、有機樹脂を硬化することができる。有機樹脂の硬化方法としては、硬化速度が速く生産性に優れた放射線硬化がよく使用される。使用される樹脂は放射線硬化型のアクリレートやメタクリレートのモノマーやオリゴマーが用いられる。電子線を照射することで、このようなモノマーやオリゴマーを硬化させ、様々な工業分野で利用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この電子ビームはプラズマからの電子であるが、その電子を加速電圧によって加速しスリットから放出したものを利用しているのでプラズマが不安定だと電子ビームも不安定になってしまう。プラズマの安定性に左右されずに制御性の良い電子ビームを得ようとされている。
【０００８】
さらに、電子量の多い電子ビームを発生させても発散し広がってしまうと電子エネルギーを有効に利用できない。また、電子ビームの電流値を制御しようにもプラズマ内部のエネルギーを変えなければいけないため、プラズマ雰囲気の圧力や電極に供給する電源の電圧・電流などの多くのパラメータが相互に作用するため今までビーム電流値制御に難しい面があった。特に、電子ビームの電流値が低い部分ではプラズマ維持電流が不足しがちなのでプラズマ安定性の影響を受けやすく、希望通りの電流値が得られないという問題点があった。
【０００９】
この結果、電子ビームを照射して放射線硬化型樹脂を硬化する場合、プロセスが不安定となるだけでなく、不要な過剰電子が多くなり、硬化により得られる有機膜や基材への帯電が起こるという問題があった。
【００１０】
本発明は係る従来技術の欠点に鑑みなされたもので、平面ビーム状で安定かつ制御容易な電子ビーム電流値で、放射線硬化型樹脂の硬化が行なえるようにすることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明において上記の課題を達成するために、まず請求項１の発明では、平面陰極の表面から放出される電子をスリット付きの金属遮蔽箱より平面状の電子ビームとして発生する電子銃に、該平面陰極と電子ビームの照射面との間に電界を発生する網電極を少なくとも１つは備えたことを特徴とする電子ビーム装置としたものである。
【００１２】
また請求項２の発明では、放射線硬化型樹脂を該照射面に固定して硬化させることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム装置としたものである。
【００１３】
また請求項３の発明では、前記放射線硬化型樹脂がモノマーまたはオリゴマーであることを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム装置としたものである。
【００１４】
また請求項４の発明では、平面陰極の表面から放出される電子をスリット付きの金属遮蔽箱より平面状の電子ビームとして発生する電子銃に、該平面陰極と電子ビームの照射面との間に電界を発生する網電極を少なくとも一つ設け、放射線硬化型樹脂を該照射面に固定して硬化させることを特徴とする樹脂の硬化方法としたものである。
【００１５】
請求項５の発明では、前記放射線硬化型樹脂がモノマーまたはオリゴマーであることを特徴とする請求項４に記載の樹脂の硬化方法としたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
本発明の電子ビーム装置では、電子を生成するプラズマ源から照射面への間に網電極を挿入し、網電極には陰極と同じ極性の電圧を加えるようにした。そうすることで、プラズマ源である陰極と網電極の間で空間電荷制限に支配される状態にすることで制御が容易で安定した電子ビーム電流値を取り出せるように工夫を施した。すなわち、制御格子は負の電圧を印加しているため陰極からの電子が流入しにくくなり、網電極を制御格子と考え陰極−制御格子間で空間電荷制限状態を作り出す。
【００１８】
電子ビームは、中性粒子から電離した電子・イオンが存在するプラズマ状態から陰極側にかかる高電圧によって高速電子となって放出させる。その電子ビームは陰極にかかる電圧・電流およびプラズマとなる気体の雰囲気圧力によって大体の電流値が決まるが、電子ビームの軌道上に網電極を配置し、そこに電子と同じ負の電圧を加えることで陰極から放出される電子が空間電荷制限状態となり、電極間の電圧の３／２乗に比例する電流値となる。この空間電荷制限状態は、同極性の荷電粒子が群をなすときに起こる現象である。
【００１９】
網電極を用いることで空間電荷制限電流を取り出し、網電極にかける電圧を調整することで安定で制御容易なビーム電流値を得ることが可能となった。
【００２０】
本発明の電子ビーム装置は電子ビームを生成する装置に幅広く適用できるが、とくに真空中で使用する電子ビーム装置で、プラズマを生成しやすい減圧下に置かれている場合が有用である。
【００２１】
プラズマは陰極と陽極との間で発生する。陰極は負電圧がかかる。ここで負電圧というのは、接地電位に対してマイナスであることを言う。陽極は、接地電位にすることが多いので金属製装置であれば金属外壁が陽極となる。電子ビームを作るためには、スリットから放出させるのが容易であるため、スリットが付いた金属製の箱に陰極を内蔵させプラズマを発生させる。１０００Ｖ以上の高電圧が陰極に加わっているなら、そのエネルギーを持った電子がスリットより放出される。スリットを出た電子は自らのクーロン力で斥力がかかり広がりを持つが平面上に電子ビームを得ることができる。
【００２２】
網電極には、直流の負電位の任意電圧が加えられる。この電圧を加減することによって空間電荷制限電流により決まるビーム電流値を自在に可変出来るが、理論上プラズマの放電電流よりも大きなビーム電流値を得ることは出来ない。この網電極により制御性の良いビームを得られることができて、さらに安定性を向上させることもできる。網電極はステンレス鋼線でもビーム電流値が数ｍＡ〜数十ｍＡオーダーであるなら使用に耐えられる。網電極の編み目寸法は特に限定しないが、線径０．０５０ｍｍ〜０．０３０ｍｍで１５０〜３００メッシュのものが電界の効果が大きく現れるので好ましい。ステンレス鋼線はＪＩＳ　Ｇ　４３０９に規定されているものを用いている。
【００２３】
プラズマから電子を引き出すことから空間が電子源となる。よってプラズマ発生用の電極と金属箱を大きくすればプラズマの体積も広がるので、スリットの幅方向に広い電子ビームを得ようとしたいときに簡単に実現できる。このときも、網電極の面積を容易に大きくできるので、幅広い形の電子ビームを使うときでも簡単に電流制御を行える。
【００２４】
このような電子ビーム発生装置を用い、放射線硬化型樹脂として硬化できるアクリレートモノマーおよびオリゴマーの例には、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、１−６−ヘキサジオールジアクリレート、１−９−ノナンジオールジアクリレート、ジメチロール−トリシクロデカンジアクリレート、ＥＯ（エチレンオキサイド）変性トリメチロールプロパントリアクリレート、ＰＯ（プロピレンオキサイド）変性トリメチロールプロパントリアクリレートなどが挙げられるが、アクリル基を含有するモノマーやオリゴマーであるならこれらに限らない。
【００２５】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を具体的に説明する。
【００２６】
＜実施例１＞
本発明の実施例１の電子ビーム装置を、図１に示す。この装置を真空装置に入れ、１．０×１０−１Ｐａまで減圧した。プラズマを発生させるためのＡｒガスを導入し内部圧力を適正化した長方形のＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ　Ｕｓｅ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）製ケース１（縦７５ｍｍ、横２００ｍｍ、奥行き４５０ｍｍ、肉厚１５ｍｍ）を設け、スリット２（隙間幅１．５ｍｍ、奥行き４００ｍｍ）を付けた。網電極３には負電圧が加わるように直流可変電源６を接続し、放電電極４（ＳＵＳ製　縦６０ｍｍ、横４００ｍｍ、厚さ３６ｍｍ）には直流電源５を接続して、プラズマを発生させる。放電電極電圧は１０ｋＶとして、放電電流８０ｍＡでプラズマを生成し電子ビームを発生させた。網電極３には−２００〜−５００Ｖの電圧をかけられるようにし、電子ビーム照射面７に到達する電流密度を測定した。
【００２７】
＜比較例１＞
実施例１の電子ビーム装置で網電極３を取り除き、スリット２と電子ビーム照射面７の間には何も無い構成で、放電電極電圧は１０ｋＶとして、放電電流を８０ｍＡでプラズマを生成し電子ビームを発生させた。電子ビーム照射面７に到達する電流密度を測定した。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
この表１で実施例１では電流密度は低くなるが、１時間以上運転しての電流変動率をみたところ安定性は上がった。網電極電圧を変えることで低電流の電子ビームも得ることができ、プラズマの圧力や放電電流を変えずに電子ビーム電流を変えることができた。
【００３０】
＜実施例２＞
２５μｍ厚のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを真空装置の中にいれ、実施例１の電子ビーム装置の電子ビーム照射面に固定した。このフィルムの上にアクリレート（共栄社化学株式会社製３ＥＧ−Ａ）の樹脂モノマーを付着させ、電子ビームを照射させた。放電電圧１０ｋＶ、放電電流８０ｍＡ、網電極電圧−２００Ｖで硬化させた。硬化により得られた有機膜層の厚さが０．５μｍとなり充分な樹脂の硬化が行えた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の電子ビーム装置は、平面陰極と電子ビームの照射面との間に、もう一つの電極を挿入し電圧を変化させることで、プラズマの圧力や放電電圧・電流によって変わる電子ビーム電流値を容易に制御することができる。また本発明の電子ビーム装置は、プラズマが不安定になりがちな低電流電子ビームを電圧制御することができるので、プロセスの安定化を大きく向上することができる。さらに本発明の電子ビーム装置は、電圧制御された低電流電子ビームでモノマーやオリゴマーを硬化することができるので、硬化に不要な過剰電子を少なくすることで、有機膜や基材へ帯電を少なくすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子ビーム装置の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…ＳＵＳ製ケース
２…スリット
３…網電極
４…放電電極
５…直流電源
６…直流可変電源
７…電子ビーム照射面
【図１】
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