(57)【要約】【課題】  電子線発生部へのガス流入を防止しつつ差動排気用ポンプにおける容量低減を図るとともに電子線の散乱を防止し、被照射体における照射領域の脱酸素化を図ることができるエネルギ線照射装置を提供する。【解決手段】  エネルギ線を発生させる発生部１１と、発生部１１から被照射体に向かって延び、エネルギ線が被照射体に向けて通過する貫通孔２１と、貫通孔２１内において、被照射体側から発生部１１に向けて圧力が低くなる圧力勾配を形成する差動排気部と、貫通孔２１における被照射体側の端部近傍から、エネルギ線の周囲を覆い、被照射体に向けて噴出する円筒状の不活性ガス噴流を形成する噴出部２４と、が設けられていることを特徴とする。【選択図】  図２
2009058284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギ線を発生させる発生部と、
該発生部から被照射体に向かって延び、前記エネルギ線が被照射体に向けて通過する貫通孔と、
該貫通孔内において、前記被照射体側から前記発生部に向けて圧力が低くなる圧力勾配を形成する差動排気部と、
前記貫通孔における前記被照射体側の端部近傍から、前記エネルギ線の周囲を覆い、前記被照射体に向けて噴出する円筒状の不活性ガス噴流を形成する噴出部と、
が設けられていることを特徴とするエネルギ線照射装置。
【請求項２】
前記噴出部から不活性ガスは軽元素からなるガスであることを特徴とする請求項１記載のエネルギ線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギ線照射装置に関し、特に、金属製の大型構造物にエネルギ線を照射して構造物表面に焼入れ等の処理を施すエネルギ線照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子線などのエネルギ線を照射する装置では、高真空に保たれた電子線の発生部から外部まで通じる貫通孔を設けて、当該貫通孔を通して電子線を被照射体に照射する構成が知られている。このような構成では、貫通孔に差動排気ポンプを設けて電子線の発生部を高真空に保っている。
【０００３】
上述の装置では、差動排気用ポンプ容量を低減することにより、装置コスト低減や、ランニングコスト低減を図る方法が知られている。例えば、電子線の出射方向に対して略垂直な方向にガス流れを形成し、ガス流れにより発生した差圧により、外部から電子線発生部へのガス流れを阻害する技術が知られている。
【０００４】
一方で、電子線発生部と被照射体との間を照射窓で仕切り、電子線発生部を高真空に保ち、被照射体における電子線が照射される照射領域に不活性ガスを噴き付け、照射領域を脱酸素環境下におき、照射領域の酸化防止を図る技術も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−３４１０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のように、電子線の出射方向に対して略垂直な方向にガス流れを形成する方法では、外部から電子線発生部へ流入するガス流れを十分に阻害できないため、差動排気用ポンプの容量の低減が十分に図れないという問題があった。
【０００６】
さらに、特許文献１に記載された被照射体の照射領域に不活性ガスを噴き付ける方法では、電子線発生部へのガスの流入を防止できても、照射窓において電子線が散乱されるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、電子線発生部へのガス流入を防止しつつ差動排気用ポンプにおける容量低減を図るとともに電子線の散乱を防止し、被照射体における照射領域の脱酸素化を図ることができるエネルギ線照射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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のエネルギ線照射装置は、エネルギ線を発生させる発生部と、該発生部から被照射体に向かって延び、前記エネルギ線が被照射体に向けて通過する貫通孔と、該貫通孔内において、前記被照射体側から前記発生部に向けて圧力が低くなる圧力勾配を形成する差動排気部と、前記貫通孔における前記被照射体側の端部近傍から、前記エネルギ線の周囲を覆い、前記被照射体に向けて噴出する円筒状の不活性ガス噴流を形成する噴出部と、が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、貫通孔における被照射体側の端部近傍に、被照射体に向けて円筒状に不活性ガス噴流を形成することで、貫通孔における被照射体側の開口部近傍の圧力は低下し、差動排気部にかかる負荷が低減される。つまり、円筒状の不活性ガス噴流を形成することにより、当該噴流の内部つまり貫通孔の開口部に繋がる領域の静圧は、噴流の動圧の分だけ低下する。その結果、貫通孔における発生部側の端部と、被照射体側の端部との間の差圧が小さくなり、差動排気部にかかる負荷が低減される。
【００１０】
貫通孔における被照射体側の開口部は円筒状の不活性ガス噴流に覆われ、不活性ガス噴流により内側と外側に仕切られるため、発生部へのガスの侵入が防止される。例えば、貫通孔の端部に、発生部へのガスの侵入を防止する照射窓などを設けた場合と比較して、エネルギ線を遮るものがないため、エネルギ線の散乱が防止される。
【００１１】
さらに、円筒状の不活性ガス噴流はガスカーテンとなって、エネルギ線の周囲を覆いつつ被照射体に向かって流れる。そのため、不活性ガス噴流の内側、つまりエネルギ線の周囲を不活性ガス環境とすることができる。
このとき、円筒状の不活性ガス噴流が拡散しない程度に被照射体と噴出部との距離が近い場合には、被照射体におけるエネルギ線が照射される照射領域の周囲に不活性ガス環境が作り出される。そのため、被照射体における照射領域の脱酸素化を図ることができる。
【００１２】
上記発明においては、前記噴出部から不活性ガスは軽元素からなるガスであることが望ましい。
【００１３】
本発明によれば、不活性ガスを軽元素からなるガスとすることで、エネルギ線と不活性ガスとの衝突散乱を抑制することができる。
ここでいう軽元素としては、ヘリウム（Ｈｅ）などを例示することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のエネルギ線照射装置によれば、貫通孔における被照射体側の端部近傍に、被照射体に向けて円筒状に不活性ガス噴流を形成することにより、電子線発生部へのガス流入を防止しつつ差動排気用の真空ポンプにおける容量低減を図るとともに電子線の散乱を防止し、被照射体における照射領域の脱酸素化を図ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の一実施形態に係る電子線照射装置について、図１から図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る電子線照射装置の概略構成を説明する模式図である。
本実施形態では、本発明をエネルギ線に含まれる粒子線のうちの電子線を出射する装置であって、金型（被照射体）Ｍの表面に電子線を照射して焼き入れなどの表面処理を施す電子線照射装置（エネルギ線照射装置）１に適用して説明する。
【００１６】
電子線照射装置１には、図１に示すように、金型Ｍに電子線を照射する照射部２と、照射部２を移動可能に支持する支持部３と、差動排気部４と、照射部２および支持部３を制御する制御部５と、金型Ｍ、照射部２および支持部３を内部に収納する遮蔽体６と、が設けられている。
【００１７】
図２は、図１の照射部の構成を説明する概略図である。
照射部２は、照射ステージ７の上に配置された金型Ｍに対して電子線を照射し、金型Ｍに対して焼き入れなどの表面処理を施すものである。照射部２は、図１に示すように、支持部３の門型駆動部４１に、左右方向であるＸ方向（図１の左右方向）および上下方向であるＺ方向（図１の上下方向）に移動可能に支持されている。
【００１８】
照射部２には、図２に示すように、電子線を発生させる電子線発生部（発生部）１１と、発生された電子線を金型に向けて導いて照射する出射部１２と、が設けられている。
電子線発生部１１は真空ポンプなどにより内部が真空状態、例えば、１０−３Ｐａに保たれた容器であって、図示しないフィラメント（熱陰極）が内部に配置されている。フィラメントには電子線生成のための加速電圧等が供給されている。さらに、電子線発生部１１には、出射される電子線ＥＢのビーム径を絞る電子レンズ１３が設けられている。
電子レンズ１３は、電子線が内部を通過する円環状に形成されたコイルであって、コイル内の電場または磁場を制御することにより、ビーム径などを制御するものである。電子レンズ１３により電子線の制御方法は、公知の制御方法を用いることができ、特に限定するものではない。
【００１９】
出射部１２には、電子線発生部１１と連通するとともに金型Ｍに向かって開口するピンホール（貫通孔）２１と、差動排気部４を構成する中真空室２２および低真空室２３と、不活性ガス噴流を形成する噴出部２４と、が設けられている。
【００２０】
ピンホール２１は、中真空室２２と貫通孔２５Ａを介して連通されているとともに、低真空室２３と貫通孔２５Ｂを介して連通されている。貫通孔２５Ａは、貫通孔２５Ｂよりも電子線発生部１１側に形成されている。そのため、ピンホール２１内には、金型Ｍ側から電子線発生部１１側に向けて真空度が高くなる圧力勾配が形成される。
【００２１】
中真空室２２は、ピンホール２１が形成された部材の側面に形成された空間であって、貫通孔２５Ａを介してピンホール２１と連通された空間である。さらに、中真空室２２は、排気流路２６Ａを介して遮蔽体６の外側に配置された差動排気部４の本体と接続されている。
【００２２】
低真空室２３は、ピンホール２１が形成された部材の側面であって、中真空室２２が設けられた側面とは反対側の側面に形成された空間である。低真空室２３は、貫通孔２５Ｂを介してピンホール２１と連通されるとともに、排気流路２６Ｂを介して差動排気部４の本体と接続されている。
【００２３】
差動排気部４の本体は遮蔽体６の外側に配置され、排気流路２６Ａおよび排気流路２６Ｂを介して中真空室２２および低真空室２３をそれぞれ中真空状態（例えば１０Ｐａ）および低真空状態（例えば１０００Ｐａ）にするものである。
なお、差動排気部４の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
【００２４】
図３は、図２の噴出部の構成を説明する部分拡大図である。
噴出部２４には、図２および図３に示すように、凹部が形成された外周部３１と、外周部３１の凹部内に配置される調節部３２と、不活性ガスを供給する供給部３３と、が設けられている。
供給部３３から供給される不活性ガスとしては、電子線発生部１１により発生される電子線に対する散乱係数が低いガス、例えばヘリウムのような軽元素からなるガスであることが好ましい。
【００２５】
外周部３１における凹部の内周面には、金型Ｍ側（図３の下側）に調節部３２に形成された雄ネジと噛み合わされる雌ネジが形成され、電子線発生部１１側（図３の上側）に調節部３２とともにガス室３４を形成する壁面が形成されている。供給部３３から不活性ガスを供給する供給流路３５は、外周部３１におけるガス室３４と連通する位置に接続されている。
さらに、外周部３１における凹部の電子線発生部１１側の端面には、不活性ガスが噴出するスリット状のノズル３６を形成する凸部３７が形成されている。凸部３７の外周面は、金型Ｍ側に向かって径方向内側に傾斜する傾斜面とされている。
【００２６】
調節部３２は略円筒状に形成された部材であって、調節部３２の外周面には、金型Ｍ側に外周部３１の雌ネジと噛み合わされる雄ネジが形成され、電子線発生部１１側にガス室３４を形成する凹部が形成されている。
さらに、調節部３２における内周面の金型Ｍ側には、外周部３１に調節部３２をねじ込む際、あるいは、外周部３１と調節部３２との相対位置を調節する際に用いられる六角形状部３８が形成されている。一方、調節部３２における内周面の電子線発生部１１側には、外周部３１の凸部３７とともにノズル３６を形成する傾斜面が形成されている。この傾斜面は、金型Ｍ側に向かって径方向内側に傾斜する面である。
【００２７】
外周部３１および調節部３２により形成されるノズル３６の内周径は、ピンホール２１の内周径よりも大きく、半径が約３０ｍｍより小さく形成されている。さらに、半径が約２ｍｍより大きく、約１０ｍｍより小さく形成されることがより望ましい。
【００２８】
一方、ノズル３６における不活性ガスの噴出角度、つまりノズル３６の傾斜角度は、電子線ＥＢの出射方向に対して約１０°から約４５°の範囲内の角度であることが望ましく、より好適には、約１５°から約３０°の範囲内に形成されることが望ましい。
【００２９】
さらに、ノズル３６から噴出される不活性ガスの噴出速度は、少なくとも約５０ｍ／ｓ以上、音速（約３３０ｍ／ｓ）以下であることが望ましく、より好適には、１００ｍ／ｓ以上、３００ｍ／ｓ以下であることが望ましい。
【００３０】
支持部３は、図１に示すように、金型Ｍに対して照射部２を３次元方向に移動可能に支持するものである。
支持部３には、照射部２を支持する門型駆動部４１と、門型駆動部４１がその上を移動する走行部４２と、が設けられている。
【００３１】
門型駆動部４１には、間に照射ステージ７および金型Ｍを挟んで配置されたＺ方向に沿って延びる柱部４３と、柱部４３の上端を繋ぐＸ方向に沿って延びる梁部４４とが設けられている。梁部４４における金型Ｍと対向する面である下面には、照射部２が梁部４４に沿う方向、つまりＸ方向およびＺ方向へ移動可能に取り付けられている。
梁部４４と照射部２との接続部の構成は、照射部２がＸ方向およびＺ方向に移動可能な構成であれば、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
【００３２】
走行部４２は、照射ステージ７と隣接した領域に、前後方向であるＹ方向に沿って延びる部材であって、その上を門型駆動部４１が走行するものである。例えば、走行部４２としてはレールなどの公知の部材を用いることができる。
【００３３】
なお、門型駆動部４１は、上述のように走行部４２に沿って走行してＹ方向に移動しても良いし、Ｙ方向に移動するその他の公知の機構を備えていればよく、特に限定するものではない。
【００３４】
制御部５は、照射部２および支持部３の移動および電子線の照射を制御することにより、金型Ｍの所定領域に電子線を照射するものである。
制御部５は遮蔽体６の外側に配置され、制御部５から延びる信号線４５が遮蔽体６の内部に配置された支持部３および照射部２に接続されている。
なお、制御部５による照射部２等の移動制御方法などについては、本実施形態の電子線照射装置１における金型Ｍの焼入れ方法の説明において併せて説明する。
【００３５】
遮蔽体６は、図１に示すように、内部に照射ステージ７、金型Ｍ、支持部３および照射部２を収納し、電子線ＥＢが照射された金型Ｍから発生するＸ線などの電磁波を遮蔽するものである。遮蔽体６を構成する材料としては鉛などを例示することができる。
遮蔽体６の大きさは、内部に照射ステージ７およい金型Ｍを配置した上で、支持部３が移動可能な空間を確保できる大きさであればよく、金型ＭをＸ方向およびＹ方向に移動させる空間を確保する必要はない。
【００３６】
遮蔽体６の上面には、金型Ｍを搬入および搬出する開口部４６が形成され、開口部４６を塞ぐ蓋体４７が開口部４６に配置されている。さらに、遮蔽体６の内部には、支持部３および照射部２の動作状況や、金型Ｍの焼入れ状況を確認する観察用カメラ４８が配置されている。観察用カメラ４８により撮影された画像は、遮蔽体６の外側に配置されたモニタ（図示せず）に映し出される。
【００３７】
次に、上記の構成からなる電子線照射装置１における作用について説明する。
最初に、図１に示すように、遮蔽体６の内部に焼き入れなどの表面処理を施す金型Ｍを搬入する。具体的には、遮蔽体６の上面に配置された蓋体４７を取り外し、門型駆動部４１をＹ方向に移動させ、照射ステージ７の上方に金型Ｍを搬入する空間を形成する。開口部４６から金型Ｍを遮蔽体６の内部に搬入した後、蓋体４７により開口部４６を閉じる。
【００３８】
その後、照射部２における電子線発生部１１に設けられたフィラメントに加速電圧等が供給され、電子線が生成される。
生成された電子線ＥＢは、図２に示すように、電子レンズ１３によりビーム径が絞られ、出射部１２を介してピンホール２１から金型Ｍに向けて出射される。
金型Ｍにおける電子線ＥＢが照射された領域では、電子線ＥＢの有するエネルギが熱に変換されるため、焼き入れ処理が施される。
【００３９】
ここで、差動排気部４および噴出部２４における作用について説明する。
図４は、図３の噴出部における不活性ガスの噴出状態を説明する模式図である。
電子線照射装置１により電子線ＥＢが照射される際には、差動排気部４によりピンホール２１内に圧力勾配が形成され、電子線発生部１１内は高真空状態に保たれる。同時に、図４に示すように、噴出部２４から不活性ガスが円筒状に噴出され、出射された電子線ＥＢの周囲に不活性ガスによるガスカーテンが形成される。
【００４０】
具体的には、図１および図２に示すように、差動排気部４は、排気流路２６Ｂ、低真空室２３および貫通孔２５Ｂを介して排気を行い、ピンホール２１における噴出部２４側を低真空状態とする。一方、差動排気部４は、排気流路２６Ａ、中真空室２２および貫通孔２５Ａを介して排気を行い、ピンホール２１における電子線発生部１１側を中真空状態とする。
【００４１】
噴出部２４の供給部３３は、図２から図４に示すように、供給流路３５を介して不活性ガスをガス室３４に供給する。ガス室３４に流入した不活性ガスは、ノズル３６を通過して金型Ｍ側に向かって、円筒状に噴出する。
例えば、不活性ガスの噴出速度が約２００ｍ／ｓの場合には、動圧は約２４０００Ｐａとなり、動圧が発生した分だけ静圧が低下する。つまり、ピンホール２１における噴出部２４の近傍領域の静圧が低下する。
【００４２】
さらに、不活性ガスの噴出速度が約２００ｍ／ｓの場合には約数十ｍｍ先まで不活性ガスのガスカーテンが形成される。
円筒状のガスカーテンの内側は不活性ガス雰囲気になっていて、不活性ガスとしてヘリウムガスなどを用いている場合には、ガスカーテンの内側を通る電子線ＥＢの拡散が抑制される。
【００４３】
金型Ｍと噴出部２４との間隔が、不活性ガスのガスカーテンが到達する距離に保たれている場合には、ガスカーテンは電子線ＥＢの照射領域の近傍に衝突する。すると、不活性ガスは照射領域の周りから酸素を含む空気を追い出し、照射領域を覆う不活性ガス雰囲気が形成される。
【００４４】
上記の構成によれば、ピンホール２１における金型Ｍ側の端部近傍に、金型Ｍに向けて円筒状に不活性ガスの噴流を形成することで、ピンホール２１における金型Ｍ側の開口部近傍の圧力は低下し、差動排気部４にかかる負荷が低減される。つまり、円筒状の不活性ガス噴流を形成することにより、当該噴流の内部つまりピンホール２１の開口部に繋がる領域の静圧は、噴流の動圧の分だけ低下する。その結果、ピンホール２１における発生部側の端部と、金型Ｍ側の端部との間の差圧が小さくなり、差動排気部４にかかる負荷が低減され、差動排気部４に用いられる真空ポンプの容量低減を図ることができる。
【００４５】
ピンホール２１における金型Ｍ側の開口部は円筒状の不活性ガス噴流に覆われ、不活性ガス噴流により内側と外側に仕切られるため、電子線発生部１１へのガスの侵入が防止される。例えば、ピンホール２１の端部に、電子線発生部１１へのガスの侵入を防止する照射窓などを設けた場合と比較して、電子線ＥＢを遮るものがないため、電子線ＥＢの散乱が防止される。つまり、電子線発生部１１へのガス流入を防止し、電子線ＥＢの散乱を防止することができる。
【００４６】
さらに、円筒状の不活性ガス噴流はガスカーテンとなって、電子線ＥＢの周囲を覆いつつ金型Ｍに向かって流れる。そのため、不活性ガス噴流の内側、つまり電子線ＥＢの周囲を不活性ガス環境とすることができる。
このとき、円筒状の不活性ガス噴流が拡散しない程度に金型Ｍと噴出部２４との距離が近い場合には、金型Ｍにおける電子線ＥＢが照射される照射領域の周囲に不活性ガス環境が作り出される。そのため、金型Ｍにおける照射領域の脱酸素化を図ることができる。
【００４７】
図５は、図２における出射部の別の構成を説明する概略図である。図６は、図２における出射部のさらに別の構成を説明する概略図である。
なお、出射部１２は、図２に示す構成であってもよいし、図５や図６に示す構成であってもよく、特に限定するものではない。図６に示す出射部１２では、出射部１２にピンホール２１が延びる方向と交差する方向、例えば略直交する方向に延びる排気流路２６Ａおよび排気流路２６Ｂが形成されている。図７に示す出射部１２では、ピンホール２１が形成された部材の周囲に、中真空室２２および低真空室２３が形成され、中真空室２２とピンホール２１とは、貫通孔２５Ａを介して連通されている。一方、低真空室２３とピンホール２１とは、貫通孔２５Ｂを介して連通されている。
【００４８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明を、電子線を照射する電子線照射装置に適用して説明したが、この電子線照射装置に限られることなく、レーザ等のエネルギ線を照射するその他各種の照射装置に適用することができるものである。
また、この発明を、金型に電子線を照射して焼き入れ処理を施す電子線照射装置に適用して説明したが、電子線を照射する対象は金型に限られるものではなく、特に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る電子線照射装置の概略構成を説明する模式図である。
【図２】図１の照射部の構成を説明する概略図である。
【図３】図２の噴出部の構成を説明する部分拡大図である。
【図４】図３の噴出部における不活性ガスの噴出状態を説明する模式図である。
【図５】図２における出射部の別の構成を説明する概略図である。
【図６】図２における出射部のさらに別の構成を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  電子線照射装置（エネルギ線照射装置）
４  差動排気部
１１  電子線発生部（発生部）
２１  ピンホール（貫通孔）
２４  噴出部
Ｍ  金型（被照射体）
【図１】
2009058284.tif 000003
【図２】
2009058284.tif 000004
【図３】
2009058284.tif 000005
【図４】
2009058284.tif 000006
【図５】
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【図６】
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