(57)【要約】【課題】金属部材の表面改質加工を均一に万遍なく仕上げる表面改質電子ビーム加工装置及びこの装置を使用する表面改質加工方法を提供する。【解決手段】低圧ガス中の環状アノードと大面積カソード間で、アノードプラズマとカソードプラズマを有して発生するグロー放電を閉じ込め磁場中で発生させ、さらにカソードに高い、負の電圧パルスを印加することにより、プラズマを通路とする絞られない大面積の電子ビームパルスを発生させてワークに照射加工するもので、電子ビームの所定エネルギ密度以上の部分のみを照射させる形状、寸法の開口を有するマスクをワーク前面に設ける。【選択図】図１
2005076061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム発生部を収納する筒状のビームハウジング部と、電子ビームの照射を受けるワークを設置したコレクタを収納する加工処理ハウジング部とを気密に結合した真空ハウジングであって、所望の稀ガスが所定の低圧状態に制御保持され、
前記ビームハウジング部の加工処理ハウジング側に設けられる環状乃至は筒状アノードと、該アノードの軸線上のアノードの他側に設けられ電子を放出する大面積のカソードと、前記カソードとアノード間に形成される電子加速空間に前記アノードの軸線の周りを該軸線方向の磁力線で取り囲む磁場を形成するようにビームハウジング部外周に設けたソレノイドと、
前記電子加速空間に前記磁場を所定時間形成するように前記ソレノイドを所望の電流値で励磁する第１のパルス電源と、
前記低圧稀ガス空間中に設けられた前記カソードとアノード間に、前記第１のパルス電源によるソレノイドの励磁が所定の励磁状態になるのを待つか検出して印加され、電離によりアノードプラズマ及びカソードプラズマを形成させる第２のパルス電源と、
前記第２のパルス電源による電圧印加開始後の所望微小遅延時間後に、前記カソードに立ち上がり時間が短い負の高電圧を、電子ビーム照射時間となる所望の微小時間幅の間印加する第３のパルス電源と、
前記カソードプラズマ及びアノードプラズマを通してカソード側から供給される断面積の大きい電子ビームの、所定のエネルギ密度以上の領域部分のみを通過させる前記環状アノードの開口形状、寸法よりも小寸法のビーム通過開口を有するマスクがコレクタに設置したワークの前面に設けられることを特徴とする表面改質加工装置。
【請求項２】
前記カソードのカソードプラズマ対向面の外形寸法が、前記環状アノードの内径寸法よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の表面改質加工装置。
【請求項３】
前記マスクは、前記開口の形状、寸法の異なる複数のマスクが電子ビーム生成又は加工処理ハウジング内に予め収設されていて、所望に応じ前記収設部とワーク前面部との間でマスクが自動交換されることを特徴とする請求項１、又は２に記載の表面改質加工装置。
【請求項４】
前記マスクは、前記開口の形状、寸法を変更切換可能に構成されていて、外部の制御装置からの指令により変更切換駆動装置を操作して開口の形状、寸法を変更する機構を有することを特徴とする請求項１、２、又は３に記載の表面改質加工装置。
【請求項５】
前記加工処理ハウジング内に設けたワーク設置コレクタを有するステージ装置は、電子ビームと直交する２軸の軸移動駆動制御装置を有し、外部制御装置からの指令により軸移動の位置決め、及び目的とする加工処理領域の輪郭形状をプログラムによる走査移動が行なえるものであることを特徴とする請求項１、２、３、又は４に記載の表面改質加工装置。
【請求項６】
前記マスクによって選定された形状、寸法の大面積電子ビームのパルスが、ワークの所定個所に所定回数、かつ所定の領域を順次に走査しながら照射されることを特徴とする請求項１、２、３、４、又は５に記載の表面改質加工装置。
【請求項７】
前記第３の電源によるカソードへの負の高電圧の印加期間の終了後、前記第１、第２及び第３の各パルス電源の組み合わせ印加を所定設定回数繰り返して、大面積電子ビームパルスのワークへの照射を繰り返すことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、又は６に記載の表面改質加工装置。
【請求項８】
前記第１、第２、及び第３の各パルス電源が、コンデンサを充電電源によって充電したコンデンサ充放電型の電源であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、又は７に記載の表面改質加工装置。
【請求項９】
前記大面積の電子ビームパルスのエネルギ密度が、ソレノイドに励磁電流を供給する第１のパルス電源、電子ビーム発生部のアノードとカソード間にグロー放電のアノード電圧を印加工する第２のパルス電源、又は、真空ハウジング内のアノードとカソード間のグロー放電用低圧ガスの保持制御手段の内の１つ又は２つ以上の組み合わせの変更制御により変更されるものであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、又は８に記載の表面改質加工装置。
【請求項１０】
前記請求項９に記載の加工装置を使用して金属部材の表面を改質加工するための方法であって、エネルギ密度が大きい大電子ビームパルスの１以上のパルスの照射による荒加工の後、前記大電子ビームパルスよりもエネルギ密度の小さい電子ビームパルスの１以上のパルスの前記荒加工部位に対する照射により仕上げ加工することを特徴とする表面改質加工方法。
【請求項１１】
前記請求項１０に記載の荒加工から仕上げ加工迄の表面の改質加工が、荒加工後に、仲仕上加工して、最終段の仕上げ加工する３段階の加工、又は３段階以上の多段階の改質加工処理であることを特徴とする表面改質加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属義歯や各種の金属、合金部品、或いは合金工具や各種の金型などの金属部材の表面改質加工方法及びその表面改質加工を行う加工装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼等の鉄系金属あるいはアルミニウム合金等の非鉄金属で構成され部材の表面に、極めて短時間の高密度エネルギビームの照射（電子ビーム照射、レーザビーム照射等）を行なって該エネルギビーム照射を停止すると、照射部位の表層部のみが局部的に溶融状態となった後、直ちに自己放冷によって再凝固するが、この溶融時に重力や表面張力の作用等によって凹凸が平滑化して表面粗さが改善され、次いでその状態のままで再凝固が為されるので、格別な工具や砥粒等を要することなく短時間で表面の平滑化やアモルフアス化等の耐摩耗面化の表面改質加工が為されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、筒状アノードと、その軸線上の一方に配置され電子を放出するカソードと、両者間に形成される電子加速空間と、カソード及びアノード並びに加速空間のうちの少なくとも１つに軸方向の磁場を与える磁場付与手段と、金属義歯を保持してアノードの軸線上の他方に配置されてカソードからの電子ビームが照射されるコレクタと、カソード及びアノード間にパルス幅が０．５μｓ以上１０μｓ以下のパルス状の加速電圧を与えてカソードの近傍にカソードプラズマ柱を発生させる第１電源手段と、アノードの内側にアノードプラズマ柱を発生させるための第２の電源手段とを有し、カソードプラズマ柱およびアノードプラズマ柱の間でつくられる電位二重層中にエネルギ密度が０．１Ｊ／ｃｍ２以上の高エネルギの電子ビーム流を形成させる電子ビーム装置を用いて、金属義歯としてのチタン系合金製、コバルト系合金製又は貴金属系合金製の鋳物表面に電子ビーム流を繰り返し照射し、表面の平滑化仕上げと耐蝕性向上面とが手間と時間を掛けることなく得られることも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
そして、上述の金属義歯の表面改質加工用の電子ビーム加工装置は、前述のように工夫された構成及び制御操作によって最大でビーム直径が６０ｍｍの大面積の比較的均一な高エネルギ密度電子ビームを発生させることができるものであり、各種鋼製の金型の機械切削加工後や放電加工後の表面仕上げ及び表面改質加工に有用に適用し得るものであることも知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
以下この改質加工方法及び装置の一例を説明するに、図８は、全体構成の概略を示す装置断面図で、１は真空ハウジング、６は環状アノード、８は大面積カソード、Ｓは電子加速空間、５は上下ソレノイドコイルから成る磁場付与手段、１４はビームコレクタを示している。前記真空ハウジング１は、電子ビーム発生部を収納する筒状のビームハウジング部１Ａと、電子ビームの照射を受けるコレクタ１４等を収納する加工処理ハウジング部１Ｂとから成り、前記ビームハウジング部１Ａは電子ビームを上下鉛直方向に照射するように設置されるのに対し、加工処理ハウジング部１Ｂは、コレクタ１４上のワーク１２を、鉛直照射電子ビーム１１に対して直交する水平方向に移動又は送り位置決めし得るように回転台１３に取り付け収設している。
【０００６】
前記回転台１３は廻りにコレクタ１４を取り付けた円形板１３Ａと、該円形板１３Ａを加工処理ハウジング部１Ｂに取り付け支持する回転支柱１３Ｂと、加工処理ハウジング部１Ｂ壁に気密に取り付けられた回転支柱１３Ｂを外部で回転駆動するように設けた回転モータ１３Ｃを有し、所要のコレクタ１４の載置ワーク１２を電子ビーム１１の照射を受ける加工処理ポジションＰＡに位置させることが出来るように構成されている。
【０００７】
前記真空ハウジング１には、スクロールポンプ２とターボ分子ポンプ３とが夫々流量調節弁２Ａ、３Ａを介して連結され、さらに、アルゴン（Ａｒ）等のガスボンベ１５を、図示しない真空ハウジング部１に設置の真空センサによる検出ガス圧が、設定ガス圧となるよう制御される圧力調整弁４を介して連結することにより、真空ハウジング部１内は、例えば、０．３〜０．５×１０−１Ｐａ程度の所定の低ガス圧状態に保たれる。一旦１×１０−２Ｐａ以下の真空状態とした後、この図８の加工処理装置には、図８〜９で図示説明するように３つの、通常コンデンサ使用のパルス電源が設けられる。
先ず第１のパルス電源１６は、カソード８とアノード６及びコレクタ１４間の陽極プラズマ７形成を伴う低圧ガス中放電を、カソード８とアノード６が対向する電子加速空間Ｓ内に安定的に閉じ込めた状態で行われるように、図１０に示す磁場空間を前記電子加速空間Ｓを取り囲んだ状態に形成する電子ビーム照射軸方向に複数個設けられるソレノイド５、５の励磁用コンデンサ充放電パルス電源で、具体的には、例えば、約１０００μＦのコンデンサを約１〜２ｋＶに充電し、約１００〜２００Ａの放電ピーク電流で、約１０〜２０ｍｓのパルス幅で放電させて前記閉じ込め磁場、例えば、４．４ｋＯｅを発生形成させるよう、環状アノード６は、上下のソレノイド５、５の間に位置する。
【０００８】
次に第２のパルス電源１７は、カソード８とアノード６及びコレクタ１４に印加されて前記閉じ込め磁場が形成されている電子加速空間Ｓの領域に低圧ガス電離の陽極プラズマ形成を伴う低圧ガス放電、グロー放電を生成させるコンデンサ充放電パルスで、具体的には、例えば、約５μＦのコンデンサを約４〜５ｋＶに充電し、約５０〜１５０Ａの放電ピーク電流で、約１０〜１００μｓのパルス幅で、前記第１のパルス電源のスイッチ・オンによる放電開始後約２０μｓ〜５ｍｓ遅延させて、充分な磁場形成を待って放電のスイッチ・オンにして、前記陽極プラズマ７形成を伴う低圧ガスグロー放電を生じさせるパルス電源である。
【０００９】
そして、第３のパルス電源１８は、前述第１のパルス電源１６及び第２のパルス電源１７により、閉じ込め磁場中での陽極プラズマ７の形成を伴う低圧ガス放電領域から、大面積のエネルギ密度が適度に高い電子ビーム１１の短いパルスを発生照射させるために、立ち上がりが、例えば、約５〜１０ｎｓの立ち上がり時間の短いパルス、具体的には、例えば、約３μＦのコンデンサを約２０〜６０ｋＶに充電し、約５〜２５ＫＡの放電ピーク電流で、約１〜５μｓの極めて短いパルス幅で、前記第２のパルス電源のスイッチ・オンによる放電開始後約１０〜１００μｓ遅延っせて低圧ガス放電が発生したのを待ってスイッチ・オンすることにより、カソード８に高い立ち上がりの負の高電圧パルスを印加し、アノード６からのイオンビームによってカソード８表面に高密度のカソードプラズマを形成させ、該高密度のカソードプラズマとカソード８からの電子とにより生成する高密度の電子ビーム１１を陽極プラズマ７を通じて、アノード６の環内を通り、コレクタ１４に照射されることになるのである。
【００１０】
このような、大面積のパルス電子ビーム１１の、照射による金属材の表面仕上げ、及び／または表面の改質加工には、前記電子ビーム１１のエネルギ密度が約０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２程度で、継続照射時間が数μｓ以内の短いものであるから、ワーク１２の表面の電子ビーム照射領域に対して、所定複数回繰り返し照射する場合や、ワーク１２表面の電子ビーム１１の径よりも大きい領域を順次にスキャンニングして加工等をする場合には、前記第１乃至第３の各パルス電源１６〜１８を再充電してパルス電子ビームの発生、照射を繰り返えさせる必要があるもので、上述のような電源構成の場合、加工処理の目的、効果から約５〜１０ｓ毎又はそれより短い時間間隔で繰り返し得る仕様とすることが望ましいものである。
【００１１】
以上の構成によれば、前述第２の電源１７はパルス電源で、アノード６及びカソード８間に対する電圧印加による電界は常時ではなく、また熱電子などの積極的な供給はないので、電圧印加に時の上述プラズマ形成は容易でないが、このため第２の電源１７によるアノード６及びカソード８間電圧印加に先だって、第１のパルス電源１６によるソレノイド５、５の励磁による磁場を生成作用させ、低圧ガス中に存在する自然電子を回転させて電子加速空間Ｓ内から逃げ出さないようにするのである。なお、第２のパルス電源１７によるパルス電圧印加時に、電離を起動させるための所期荷電粒子の発生には、（１）カソード８の微小な突起物の電界集中を利用する、（２）カソード８を加熱して熱電子を放出させる、（３）紫外線など光を照射して光電子を作る、（４）別の粒子源で荷電粒子を発生させておいて注入するなどの補助的手段を付設作動させるようにしてもよい。
【００１２】
ここで、前記作用磁場が、コンデンサの放電が進んでほぼ最大となったところで、アノード６及びカソード８間に第２のパルス電源１７からアノード電圧を印加すると、電子は螺旋を描くことによりガス分子との衝突の頻度が大きくなって進行し、ガス分子と衝突して電離し、発生した電子と正イオンとは、夫々反対方向に移動して電離を繰り返す。このとき電子は速やかにアノード６及びカソード８間を通過するのに対し、正イオンは移動度が小さいので短い時間の間には一部以上が残留し、電界の歪みが生じる。即ち、カソード８の周辺に正イオンが多くなり、それがカソード８側の電界を強め放電を進展させる傾向をもつ。正イオンが電子に対し過剰に多くなれば、アノード６及びカソード８間に電位差が生じ、アノード６に向かう電子はそこでトラップ（捕捉）されるようになる。その結果アノード６の近くにアノードプラズマ７が生成し、電子トラップを解消しながらカソード８側へ成長する。
【００１３】
アノードプラズマ７部分では、正イオンと電子の密度がほぼ同じであるから、空間電荷電界は殆どなく極めて低い一様な電界で電子流をアノード６に運ぶ状態にある。之に対し、カソード８周辺では、電離によって必要な電子流を作ると同時に急峻な電界を作るのに必要な正イオンの蓄積が起こる。それらの正イオンは電離によって生じた正イオンとアノード６側から流れ込む正イオンとからなり、正イオンはカソード電極８に衝突し、電極から電子を叩き出す。それらの電子はガス分子と衝突して電離させ、之が次々と繰り返されることにより、一次電子、二次電子、三次・・・、の電子が生じる。
【００１４】
このようにして、十分電子が増殖されて正イオンとほぼ同量となる部分にカソードプラズマ９が形成され、急峻な電界を維持するためのバッファ作用の効果をもち、アノードプラズマ７とカソードプラズマ９との中間では僅かに電界は上昇し、再結合を防ぐ役割と消散する荷電粒子を補うために僅かに電離を起こす役割をする。即ち、カソード８周辺の強い電界の部分で、電子が発生・増殖され、カソードプラズマ９とアノードプラズマ７は導電性の良い電子の通路を形成しているものと考えられる。
【００１５】
この状態になったとき、前述した５〜１０ｎｓと言う短い立ち上がり時間で高い負の電圧（５０〜６０ｋＶ）の短い持続時間（１〜５μｓ）のパルス電圧を印加してカソード電位を深い負電位に下げると、カソード８の周辺電界はより急峻となり、電離による電子・イオンは爆発的に増殖し、カソードプラズマ９及びアノードプラズマ７を通る大きいエネルギ密度（０．１〜１．０Ｊ／ｃｍ２以上）の面積広がりを持った電子流が、環状アノード６を通りコレクタ１４上のワーク１２に照射されることになる。
【００１６】
この電子ビームの照射時間は、加工処理ワーク１２の表面改質の物理的（物性的）条件から決まって来る因子で、これはワーク１２材料の硬さと電子のエネルギ（ｋＶ）によって決まる電子が材料の内部へ侵入する深さと材料の熱伝導度とによる。なお、以上は、材料の表面を急速加熱した後急速冷却する手法で表面をアモルファス化して加工改質処理する場合を想定した場合であって、一般に軽い金属や熱伝導の良い金属は、電子ビーム照射時間を短くするものである。
【００１７】
このような断面が大面積の電子ビームのエネルギの分布密度を一様にするには、カソード８周辺の電界が一様であることが重要で、そのためにはカソードプラズマ９及びアノードプラズマ７を一様に形成しなければならず、そのためには、プラズマを均一に閉じ込める磁場の方式、形成が重要になる。放電空間が低ガス圧力（約１Ｐａ以下）では、電子の平均自由行程が長くなり、電離のための衝突の機会が減少するので、プラズマの生成、維持は困難になる。これを可能にする方法として前述磁場を用いる方法がプラズマの閉じ込めに有効である所から、プラズマの生成、維持には有用であるが、プラズマの均一化には必ずしも有効でない。即ち、例えば、磁場強度を強くすると、電子は中心部に集中することになり、断面が大面積のプラズマを均一化することは難しい。
【００１８】
前記大面積の電子ビームのパルスは、電子ビームの照射領域の各所に於けるエネルギ密度が、ソレノイド５の励磁電流を決定する第１のパルス電源のコンデンサ充電電源電圧はコンデンサの静電容量、又は電子ビーム発生部のグロー放電発生電源である第２のパルス電源の主としてコンデンサ充電電源の電圧でアノード電圧の設定切換えによって大凡０．１Ｊ／ｃｍ２乃至１０Ｊ／ｃｍ２の範囲で変更設定するように構成するのが手っ取り早く簡単であるが、この図示説明の大面積の大エネルギ電子ビームパルス発生装置は低圧ガス中の電極プラズマを用いた電子ビーム発生装置であるから、前述電子ビームのエネルギ密度を変更するのに真空ハウジング１内の低圧ガスのガス圧を変更するようにしても良い。
【００１９】
即ち、図１１に照射電子ビームのエネルギ密度（Ｊ／ｃｍ２）と真空ハウジング１内稀ガス（Ａｒ）のガス圧（Ｔｏｒｒ）との関係を第３のパルス電源１８による３つの異なる加速電圧の場合について示したように、ガス圧の変更によるエネルギ密度の変更設定が、比較的エネルギ密度の大きい領域で、加速電圧が高い場合ほど変更可能な幅が大きいことが判る。そして、このことから、逆に真空ハウジング１内のガス圧安定制御（＜±１％）が重要なことが判る。
【００２０】
なお、前述照射電子ビームのエネルギ密度の変更は、第３のパルス電源１８による加速電圧の変更によっても可能であるが、この加速電圧はパルス幅が約１〜５μｓと短くて変更等の自由度が小さく、かつ加速電圧の変更は、照射電子ビームのワーク材料内部へ侵入する深さを変化させて、ビームのエネルギを材料の表面層のみに与えて改質処理等をすると言う処理の目的を損なう可能性があるので、この第３のパルス電源１８は、調整設定され一定条件で、繰り返し使用することが望ましい。
【００２１】
【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
【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巻、第８６号、ｐ．１２−１７、
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
以上のようにして、照射方向と直角方向の断面積が大きく、かつほぼ所定のエネルギ密度のパルス幅が所定に小さい電子ビームのパルスが得られるようになったが、ビーム中のエネルギ密度が大略、中心程エネルギ密度が大きく、外側になるほど密度が小さくなって行くガウス分布状となっている丈でなく、部分的にエネルギ密度に強弱などばらつきがあり、金型のワーク表面のパルス電子ビームの照射を受けた広面積部分が、全体的に均一に仕上がらず、表層改質状態が部分的にまだらになる等の問題があった。
【００２３】
即ち、これは、上述の低圧ガス中の電極プラズマを用いた電子ビーム発生方式の場合、大面積電子ビームの断面の各局部に於ける電子ビームのエネルギ密度Ｊｅは、イオン電流密度をＪｉ，イオン質量をＭ、及び電子質量をｍとすると、次式、Ｊｅ＝Ｊｉ（Ｍ／ｍ）１／２、の通りアノードプラズマの部分的密度に依存するからであり、そして前述したようにアノードプラズマの密度を安定した状態で全体的に均一化するには、なお、種々の問題があるものである。
【００２４】
このため従来においては、大面積電子ビームパルスの断面各部におけるエネルギ密度の不均一を補うため、前記電子ビームのパルスを繰り返し発生させて、ほぼ同一の領域に所定複数回繰り返し、照射することが試みられているが、充分な成果を挙げて居らず、実用化にはなお問題があった。
【００２５】
また、斯種の加工方法による表面改質加工は、金型等に対する表面平滑化による仕上げと、急熱・急冷によるアモルファス化等の耐摩化などの加工処理に留まっていて、さらに何等かの新しい種類の表面改質加工及びそのような新しい表面改質加工が可能な表面改質加工方法及び装置は提案されていないのである。
【００２６】
そこで、本発明は、前述のような低圧ガス中の電極プラズマを用いた大断面積の電子ビームパルス発生方式を用いた表面改質加工に於いて、金属部材の表面の所定の領域を所望に全体均一に改質加工処理する加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。
又、本発明は、斯種の表面改質加工方法及び装置として、新しい種類又は態様の表面改質加工方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
前述の本発明の目的は、（１）電子ビーム発生部を収納する筒状のビームハウジング部と、電子ビームの照射を受けるワークを設置したコレクタを収納する加工処理ハウジング部とを密に結合した真空ハウジングであって、所望の稀ガスが所定の低圧状態に制御保持され、
前記ビームハウジング部の加工処理ハウジング側に設けられる環状乃至は筒状アノードと、該アノードの軸線上のアノードの他側に設けられ電子を放出する大面積のカソードと、前記カソードとアノード間に形成される電子加速空間に前記アノードの軸線の周りを該軸線方向の磁力線で取り囲む磁場を形成するようにビームハウジング部外周に設けたソレノイドと、
前記電子加速空間に前記磁場を所定時間形成するように前記ソレノイドを所望の電流値で励磁する第１のパルス電源と、
前記低圧稀ガス空間中に設けられた前記カソードとアノード間に、前記第１のパルス電源によるソレノイドの励磁が所定の励磁状態になるのを待つか検出して印加され、電離によりアノードプラズマ及びカソードプラズマを形成させる第２のパルス電源と、
前記第２のパルス電源による電圧印加開始後の所望微小遅延時間後に、前記カソードに立ち上がり時間が短い負の高電圧を、電子ビーム照射時間となる所望の微小時間幅の間印加する第３のパルス電源と、
前記カソードプラズマ及びアノードプラズマを通してカソード側から供給される断面積の大きい電子ビームの、所定のエネルギ密度以上の領域部分のみを通過させる前記環状アノードの開口形状、寸法よりも小寸法のビーム通過開口を有するマスクがコレクタに設置したワークの前面に設けられる表面改質加工装置とすることにより達成される。
【００２８】
また、前述の本発明の目的は、（２）前記カソードのカソードプラズマ対向面の外形寸法が、前記環状アノードの内径寸法よりも大きく設定されている構成の前記（１）に記載の表面改質加工装置とすることにより達成される。
【００２９】
また、前述の本発明の目的は、（３）前記マスクは、前記開口の形状、寸法の異なる複数のマスクが電子ビーム生成又は加工処理ハウジング内に予め収設されていて、所望に応じ前記収設部とワーク前面部との間でマスクが自動交換される前記（１）、又は（２）に記載の表面改質加工装置とすることにより達成される。
【００３０】
また、前述の本発明の目的は、（４）前記マスクは、前記開口の形状、寸法を変更切換可能に構成されていて、外部の制御装置からの指令により変更切換駆動装置を操作して開口の形状、寸法を変更する機構を有する前記（１）、（２）、又は（３）に記載の表面改質加工装置とすることにより達成される。
【００３１】
また、前述の本発明の目的は、（５）前記加工処理ハウジング内に設けたワーク設置コレクタを有するステージ装置は、電子ビームと直交する２軸の軸移動駆動制御装置を有し、外部制御装置からの指令により軸移動の位置決め、及び目的とする加工処理領域の輪郭形状をプログラムによる走査移動が行なえるものである前記（１）、（２）、（３）、又は（４）に記載の表面改質加工装置とすることにより達成される。
【００３２】
また、前述の本発明の目的は、（６）前記マスクによって選定された形状、寸法の大面積電子ビームのパルスが、ワークの所定個所に所定回数、かつ所定の領域を順次に走査しながら照射される前記（１）、（２）、（３）、（４）、又は（５）に記載の表面改質加工装置とすることにより達成される。
【００３３】
また、前述の本発明の目的は、（７）前記第３の電源によるカソードへの負の高電圧の印加期間の終了後、前記第１、第２及び第３の各パルス電源の組み合わせ印加を所定設定回数繰り返して、大面積電子ビームパルスのワークへの照射を繰り返す前記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）又は（６）に記載の表面改質加工装置とすることにより達成される。
【００３４】
また、前述の本発明の目的は、（８）前記第１、第２、及び第３の各パルス電源が、コンデンサを充電電源によって充電したコンデンサ充放電型の電源である前記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）又は（７）に記載の表面改質加工装置とすることにより達成される。
【００３５】
また、前述の本発明の目的は、（９）前記大面積の電子ビームパルスのエネルギ密度が、ソレノイドに励磁電流を供給する第１のパルス電源、電子ビーム発生部のアノードとカソード間にグロー放電のアノード電圧を印加工する第２のパルス電源、又は、真空ハウジング内のアノードとカソード間のグロー放電用低圧ガスの保持制御手段の内の１つ又は２つ以上の組み合わせの変更制御により変更されるものである前記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、又は（８）に記載の表面改質加工装置とすることにより達成される。
【００３６】
また、前述の本発明の目的は、（１０）前記（９）に記載の加工装置を使用して金属部材の表面を改質加工するための方法であって、エネルギ密度が大きい大電子ビームパルスの１以上のパルスの照射による荒加工の後、前記大電子ビームパルスよりもエネルギ密度の小電子ビームパルスの１以上のパルスの前記荒加工部位に対する照射により仕上げ加工する表面改質加工方法とすることにより達成される。
【００３７】
また、前述の本発明の目的は、（１１）前記（１０）に記載の荒加工から仕上げ加工迄の表面の改質加工が、荒加工後に、仲仕上加工して、最終段の仕上げ加工する３段階の加工、又は３段階以上の多段階の改質加工処理である表面改質加工方法とすることにより達成される。
【発明の効果】
【００３８】
本発明（１）によれば、低圧ガス中の電極プラズマを用いた大面積の電子ビームパルス発生装置に於いて、環状アノードの開口形状よりも小寸法のビーム通過開口を有するマスク１９をコレクタに設置したワークの前面に設けたので、ビーム外周のエネルギ密度の小さい部分のビームをカットと、エネルギ密度が大きくて比較的エネルギ密度の揃ったビーム中心に近い部分のビームのみがワークに照射されるので、ビーム照射領域の表面改質加工処理が所定の状態により均一に行なわれるようになる。
【００３９】
また、本発明（２）によれば、カソードのカソードプラズマ対向面側から見たカソードの外径寸法を、環状アノードの内径寸法よりも大きい設定としたので、大きい径で、エネルギ密度が全体的より揃った電子ビームパルスが得易くなった。
【００４０】
また、本発明（３）によれば、前記のタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の重金属製のマスク１９として、前記開口の形状、寸法の異なるマスク１９−１、１９−２・・・１９−ｉ・・・１９−Ｎが複数個真空ハウジング１内のマスクマガジン２２内に予め収設されていて、所望に応じ又はプログラム等に従い、前記マガジン２１部とワーク前面設置部２０との間で自動交換手段２３により自動交換されるので、改質処理すべき局部の形状、寸法に応じた電子ビームパルス１１を照射することができ、目的の個所を目的通りに改質処理加工できるようになる。
【００４１】
また、本発明（４）によれば、前記のマスク１９として、前記開口が同一形状のまま、または異形を含む状態で、形状、寸法を変更切換可能に構成して置いて、外部の制御装置２５からの指令により変更切換駆動装置を操作して開口の形状、寸法を変更するようにしたので、前述発明（３）の作用効果を、より簡単な機構で得ることができる。
【００４２】
また、本発明（５）によれば、加工処理ハウジング１Ｂ内に設けたワーク１２設置コレクタを有するステージ装置１０は、照射電子ビーム１１と直交する２軸の軸移動駆動制御装置を有し、外部の制御装置２５からの指令により、軸移動の位置決め、及び目的とする加工処理領域の輪郭及び形状を、ＭＤＩやプログラム等による走査移動が行なえるように構成されているので、照射電子ビームの断面積よりはるかに大きいワーク１２表面の処理改質領域に対し、局部毎の均一な改質処理の集合として、全体均一に、又は局部的に所望に処理状態を変えて自動で処理できる。
【００４３】
また、本発明（６）〜（７）によれば、前記第３のパルス電源によるカソードへの負の高電圧の印加期間の終了後、前記第１、第２、及び第３の各パルス電源の組み合わせ印加を所定設定回数繰り返して、大面積の電子ビームのパルスとし、前記マスク１９によって選定、設定した形状、寸法の大面積電子ビームのパルスが、ワーク１２の所定個所に所定回数、かつ所定の領域を順次に走査しながら照射しながら改質加工処理するようにしたので、ソレノイド５を励磁する第１のパルス電源１６、或いはさらにアノード及びカソード間にアノード電圧を印加してグロー放電を発生させ、アノードプラズマ等のイオンを多量に発生供給する第２のパルス電源等を直流化した場合に比較して著しく電力効率が高く、さらに、大面積で、大エネルギ密度の電子ビームによる改質加工処理の場合の問題点を回避して、加工処理の自動化も計ることができる。
【００４４】
また、本発明（８）によれば、前記第１、第２、及び第３の各パルス電源が、コンデンサを充電電源によって充電されるコンデンサ充放電型の電源としたので、簡単な構成で、目的とする性能を効率良く達成し得る電源を得ることができた。
【００４５】
また、本発明（９）〜（１１）によれば、前記大面積の電子ビームパルスのエネルギ密度を、ソレノイドに励磁電流を供給する第１のパルス電源、電子ビーム発生部のアノードとカソード間のグロー放電のアノード電圧を印加する第２のパルス電源、または真空ハウジング内のグロー放電用低圧ガス圧の保持制御手段の内の１つまたは２つ以上の組み合わせの変更制御により、所望に変更設定して表面改質加工に使用できるようにしたので、例えば、最初にエネルギ密度を大きく設定した１以上複数個の大面積の電子ビームパルスにより、無理をしない程度の荒取りの表面改質加工した後に、エネルギ密度を荒取り時よりも小さく切換え設定した１以上複数個の電子ビームパルスの照射により微細な仕上げの表面改質加工をする等の、表面改質加工の処理工程を各段階及び多工程に分けて、順次に微細、かつ精細に仕上げて行くと言う、表面改質加工の処理工程を、より合理的な手法の処理工程とする事が出来るので、より安全、確実に目的とする表面改質加工を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
図１は、本発明の表面改質加工装置の１実施例を説明する前述従来例の図８と同様な全体構成の装置断面図で、同一物または同等機能物には同一の符号が付されていて、一部以上説明が省略されている。
【００４７】
図に於いて、カソード８は、断面が円筒状アノード６と同一形状の円形で、前記円筒状アノード６内のアノードプラズマ７を介して照射される電子ビームパルス１１が、大面積で、径外周のエネルギ密度が、できるだけ減じたものとならないように、カソード８のカソードプラズマ９対向面側から見たカソードの外径寸法を、筒状アノード６の内径寸法よりも１５％程度以上大径に設定構成してあり、また、該カソード８は、初期荷電粒子の易発生に寄与する（微小突起物の電界集中）ように、例えば、チタン（Ｔｉ）針金の結束体が用いられる。
【００４８】
真空ハウジング１内のアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスのガス圧の保持制御は重要で図１１を参照し前述したように、ガス圧によりビームのエネルギ密度が条件によっては相当に大幅に変化するからである。このため、真空ハウジング１内はターボ分子ポンプ３とスクロールポンプ２との縦続接続体により、低圧ガス導入前一旦１０−２Ｐａ以下の真空に引き、ピラニイゲイジとイオンゲイジ又は後者のみを使用する真空ゲイジ２１によりガス圧を測定しつつ、ガスボンベ１５から開閉バルブと必要に応じピラニイゲイジをピエゾバルブに継続連結したバルブを圧力調整器４Ａを作動させて、精密に制御する。即ち、アルゴンガス（Ａｒ）の所謂低圧導入時には、例えば、３〜６×１０−２Ｐａ程度の設定した所定値に保持制御するものである。
【００４９】
そして、本発明の装置に於いては、加工処理ハウジング１Ｂ内に設けたワーク１２設置コレクタを有するステージ装置１０は、照射電子ビーム１１と直交する真空対応のキャンドリニアモータ等によって駆動装置が構成された２軸の軸移動駆動装置を有し、外部のパソコン等の制御装置２５からの指令をステージドライバ１０Ａを介して受け、位置決めための軸移動、及び目的とするワーク１２表面加工処理領域の輪郭及び形状を、ＭＤＩ入力やプログラム等による走査移動が行なえるようにすることにより、必要とする処理領域を隈無く、かつ所定の照射位置に電子ビームパルスを設定された所定パルス数照射して目的とする表面改質加工処理が行えるようにしてある。
【００５０】
なお、本発明装置に於ける照射断面積が大面積の電子ビームパルス発生方式は、前述従来例の図８〜９のものと実質同一であるので、その第１のパルス電源１６のソレノイド５に対する放電用高圧スイッチ：サイリスタ（ＧＴＯ）、第２のパルス電源１７のグロー放電用アノード電圧印加高圧スイッチ：サイリスタ、及び第３のパルス電源１８のカソード８に対すカソードマイナス高電圧印加用高圧スイッチ：外部トリガ式Ｈ２封入ギャップスイッチの、各スイッチによる各電圧印加のタイミングチャートと放電特性を図２に示しておくに留める。
【００５１】
本発明は、前述の如くして発生照射される電子ビーム１１のパルスが、照射方向と直角方向の断面積が大きく、かつ、ほぼ、所定のエネルギ密度を有する微小パルス幅のものとして得られるようになったが、ビーム中のエネルギ密度差が、部分的に有る上、全体としては、中心程エネルギ大きく、逆に外側になる程エネルギ密度が小さい状態にあるので、電子ビームパルスの照射を受けたワーク１２の表層全体が、中心から外周部分迄、ほぼ均一な状態の表面改質加工又は作用が及ぶように、ワーク１２表面の電子ビームパルス１１照射側の前面に、円筒アノード６の内径とほぼ同一の内径電子ビームパルス１１の通過円開口を有するマスク１９に設置されるものであるが、本発明は、前記マスク１９として、目的に応じた形状、寸法で、特に前記環状アノードの開口寸法よりも小寸法の電子ビーム通過開口１９Ａ、１９Ｂ、・・・１９Ｎを有するマスク１９を設けるようにしたものである。
【００５２】
前記マスク１９としては、例えば、図３のＡに示すように前記開口の形状として円形開口で、操作手段１９Ａ−Ｔにより寸法設定可変の円形開口を有する円形開口マスク１９Ａや、同様に操作手段１９Ｂ−Ｔにより長方形の開口の１又は２辺の寸法を所望に調整設定し得る長方形開口マスク１９Ｂ、その他所望の形状のもを製作使用することができ、各マスク１９Ａ、１９Ｂは、真空ハウジング１内の所定の位置に設定したままの状態で、操作手段１９Ａ−Ｔ、１９Ｂ−Ｔに取り付けた駆動手段を外部の制御装置２５からの指令により目的とする寸法の開口１９Ａ−Ｘ又は１９Ｂ−Ｘに設定して、所定の形状、寸法のより均一に近いエネルギ密度の電子ビームパルスをワーク１２表面の所定位置に１パルス以上所定パルス数繰り返し照射して目的とする表面改質加工をすることができる。
【００５３】
図１においては、前述のようなマスク１９、１９Ａ、１９Ｂがワーク前方のマスク設置ベース又は保持装置などの取付け手段２０に取り付け設置できるように構成されて居り、より具体的には、図示では電子ビームハウジング１Ａ側に設けられているが、通常は加工処理ハウジング１Ｂ側のステージ装置１０近傍に設けられるマスク１９収納マガジン２２と前記取付け手段２０との間で、マスクマガジン２２内の所定のマスクと取付け手段２０のマスク１９とを交換するマスク自動交換手段２３により自動交換され、改質加工処理すべき局部等の形状、寸法に応じた電子ビームパルス１１を照射することができ、目的の個所を目的通りに改質加工処理することができる。
【００５４】
図４は、前記マスク収納マガジン２２内に収納されているマスクの例を示すもので、マスク１９−１は開口形状が円形開口１９Ａ−１のもの、マスク１９−２は正方形開口１９Ｂ−１のもの、マスク１９ｉは正三角形又は二等辺三角形開口１９ｉ−１のもの、マスク１９−Ｎ−１は長方形の一辺が円弧開口１９−Ｎ−１のもの、及びマスク１９Ｎは長方形開口１９Ｎ−１のもので、夫々のマスク１９Ａ、１９Ｂ、１９ｉ、１９Ｎ−１、及び１９Ｎは夫々前記開口形状が同一の、例えば、大中及び小の３段階に寸法が所望の割合で異なる開口を備えていて、使用する照射電子ビーム１１の設定断面寸法やエネルギ密度の所望の部分を取り出し使用するようにすることができる。
【００５５】
前述のマスク１９の構成材としては、普通には、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の重金属材が使用されるが、純金属に限らず炭化物の焼結体中使用される。例えば、導電性のある炭化物系の焼結超硬合金の板等も使用することができる。また、高硬度のセラミックスも、チャージアップの防止に導電材等を付与した導電性セラミックスとして使用することができ、斯種マスクに衝突した電子は、アースへと導かれる。
【００５６】
図５のＡ及びＢは、金型等の金属部材の上面等の或る一面に対し、前述図３及び図４等の各種マスク１９を組み合わせ使用することにより、必要とする任意の領域に、任意の形状、寸法の表面改質加工処理を、必要に応じて表面改質加工処理の程度を、必要な部分とあまり必要でない部分で強度又は大小変化させて施すことができることを示している。
【００５７】
前述図５は、照射電子ビームに対向する前面部分に対する表面改質加工であるが、対象する金型部材によってはステージ装置１０のワーク１２取付け装置に取り付け固定した状態で、外周側面の一部に同様の表面改質加工処理をしたいと言う場合も少なくないのであるが、かかる場合の常套手段として偏向電極を１つまたは複数個、照射電子ビーム１１の照射経路に沿って設けるようにすることが考えられるが、かかる偏向電極等による照射電子ビームの入射角度変更程度では、ワーク１２の外周側面にある溝などの側面や底面等に均一に電子ビーム１１を照射して表面を改質加工処理することは難しい。
【００５８】
よってかかる場合には、図６に示すように、ワーク１２の表面改質加工をすべき側方に小さい間隔を置いて、反射板２６を入射電子ビーム１８の反射角度を考慮し、水平面から所望角度（θ）傾斜させて設置し、照射電子ビーム１８を表面において反射変角させて表面改質加工に供するようにするものである。なお、この場合の反射板２６の材料としても、前述マスク材と実質同一のものが使用され、異常なチャージアップの防止のために高抵抗を介してアースすることが望ましい。
【００５９】
そして、本発明の装置及び該装置を使用して行なう表面改質加工は、前述の照射電子ビームパルスの断面の形状、寸法だけでなく、その照射電子ビームパルスの通常全体的にほぼ均一乃至同一とされているエネルギ密度を、荒、中仕上げ、仕上げ等の加工の各段階において、段階的に大、中、及び小の如く変化させ、さらに好ましくは、加工の各段階に於ける照射電子ビームパルスの照射回数を変更調整設定して過不足のない精細な仕上げの表面改質加工を行なうものである。図７は、前述荒、中仕上げ、及び仕上げの３段階加工に於ける各段階の加工の照射電子ビームのエネルギ密度と照射回数の設定状況を示す加工条件表で、照射電子ビームパルスの形状と寸法はほぼ同一に設定して実施されるものとする。
【００６０】
この照射電子ビームパルスのエネルギ密度の変更設定の仕方等については、例えば、段落［００４６］などで、詳しく述べたが、比較的容易な変更設定の仕方が、複数種あるから、２以上複数種の手法を組合せ使用するのが望ましい。具体的には、第１のパルス電源１６によるソレノイド５の励磁電流の変更制御手段、第２のパルス電源１７によりアノード６とカソード８を間にグロー放電を生じせしめるように印加されるアノード電圧の変更制御手段、及び真空ハウジング１内のグロー放電用低圧ガス圧の変更制御手段等である。
【００６１】
以上本発明の金属部材の表面改質加工装置及び表面改質加工方法につき詳細に延べてきたが、さらに変更または改良を加えて次のような発展形としての実施も可能である。断面が広がりを持った大面積の電子ビームパルスの所望複数発の繰り返し照射により、その照射領域の表面層部分を改質加工する金属部材の表面に、それ自体又は金属部材と混合又は合金化等して、加工後に必要とする硬度や導電性、又は耐熱性や耐蝕性を付与するような金属、合金、又は非金属の粉末又は片片状若しくは薄膜状の部材を予め散布して載置しておくか、又は真空ハウジング１内において設置されたワークの必要部分に散布又は取り付けて表面改質加工をすることができる。この粉末等の散布を確実とするように、ワーク表面か粉末の一部以上の表面に薄く接着材を塗着させておくことも有効である。また、粉末等の散布はほぼ電子ビームの単位照射領域毎に散布粉末の量を変更したり、又は粉末の種類や組成を変えて表面改質加工に供することも出来る。
【００６２】
さらに、本発明は、ワークとして大略導電性の金属、合金部材を思考しているが、高電気抵抗の部材、又は絶縁性のセラミックス部材に対しても適用が可能である。例えば、前述マスク１９をワーク１２表面と軽く接触させると共に、水平方向に相対移動可能に設け、間欠的に又は常時相対移動させながら電子ビームのパルスをマスクの開口が改質加工処理部分と一致した時に照射するように、常時は表面をアースしてチャージアップを防止する如くするものである。そしてこの場合前記マスクは開口を複数個分布させて有する薄い金網状物であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、金型等の金属部材の表層部をアモルファス化等の表層改質加工に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明装置の一実施例を説明する全体構成の断面図とブロックダイアグラム図。
【図２】複数のパルス電源の電圧印加のタイミングチャートと放電特性図。
【図３】ＡおよびＢは、共に実施例マスクの正面図。
【図４】１９Ａ、１９Ｂ、・・・１９ｉ、・・・１９Ｎは、開口の形状、及び開口寸法を異にするマスク列の正面図。
【図５】ＡおよびＢは、共に金属部材の表面に累積して施された表面改質加工の異なるパターン。
【図６】照射電子ビームパルスの好ましい偏向照射の実施例の部分図。
【図７】表面改質加工の加工条件表。
【図８】従来例の装置の一例を説明する概略の全体構成図。
【図９】同じく従来例の装置の３つのパルス電源の放電特性図。
【図１０】同じく従来例の装置の電子加速空間内の磁場形成状態の説明図。
【図１１】同じく従来例の装置の照射電子ビームのエネルギ密度とガス圧（Ｔｏｒｒ）との関係を異なる加速電圧の場合について示した特性図。
【符号の説明】
【００６５】
１    真空ハウジング
２    スクロールポンプ
３    ターボ分子ポンプ
４    圧力調整弁
５    励磁ソレノイド
６    アノード
７    アノードプラズマ
８    カソード
９    カソードプラズマ
１０  ステージ装置
１１  大面積の電子ビームパルス
１２  ワーク
１３  回転台
１４  コレクタ
１５  ガスボンベ
１６  第１のパルス電源
１７  第２のパルス電源
１８  第３のパルス電源
１９  マスク
２０  マスク取付け手段
２１  真空センサ
２２  マスク収納マガジン
２３  自動交換手段
【図１】
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【図２】
2005076061.tif 000004
【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】
2005076061.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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