(57)【要約】      （修正有）【課題】低圧電離気体を収容する容器内で、カソード電極と被処理体との間に高圧の直流電圧パルスを印加し、電子ビームを照射して表面を改質する装置として、被処理体の貫通孔の軸直角内側面に対して照射改質ができる装置を提供する。【解決手段】被処理体１の貫通孔に挿入される主軸の先端に電極ホルダ５を取り付け、このホルダの内部に軸直角方向磁気装置を内蔵させると共に外周部にカソード電極２とグロー放電電極４とを設け、貫通孔内側面に向く磁力線とグロー放電により、貫通孔内側面とカソード電極との対向空間にプラズマを生成させた後に、高電圧パルスを印加して電子ビームのパルスを発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧電離気体を収容する容器内で、カソード電極と被処理体の間に高圧の直流電圧パルスを印加して、電子ビームを発射し、前記被処理体の貫通孔内表面を表面改質する装置において、
前記貫通孔に挿入される主軸先端に取り付けられた電極ホルダの内部に、軸直角方向磁気装置を内蔵し、外周部にカソードとグロー放電電極を備えて、前記カソードから貫通孔内面に向く、前記軸直角方向磁気装置の磁力線とグロー放電とにより貫通孔内面とカソードの対向空間にプラズマを生成した後に、高圧パルスを印加して電子ビームを発生させることを特徴とする電子ビーム表面改質装置。
【請求項２】
前記軸直角方向磁気装置は軸方向長さがカソードと同長な短冊状のコイルであり、充電されたコンデンサの放電により作動し、前記グロー放電の前に起動し、グロー放電後まで継続することを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム表面改質装置。
【請求項３】
前記カソードは、発射面が円弧で幅と長さが前記磁気装置の短冊状のコイルと相当であり、前記電極ホルダに取付け保持されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム表面改質装置。
【請求項４】
前記グロー放電電極は、被処理体との間にグロー放電を発生させるもので、前記軸直角方向磁気装置の磁束域内の位置において、前記電極ホルダに取付け保持されるものであることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム表面改質装置。
【請求項５】
前記被処理体を取り付けて前記主軸を軸として前記貫通孔を旋回させ、また被処理体を軸方向に移動させるターンテーブルを備えることを特徴とする請求項1に記載の電子ビーム表面改質装置。
【請求項６】
前記主軸が軸方向に移動可能にされたことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム表面改質装置。
【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、金属医療器具、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照射して表面改質を行なう技術に属する。
【背景技術】
【０００２】
この技術は、電子ビームによる物質表面の改質装置の改良に関するものである。従来一般の装置では、断面積２０ｃｍ２以上、低エネルギ１０〜５０ｋＶ、高電流１０〜３０ｋＡの電子ビームパルスを金属表面に照射する。この技術の装置は、電離気体プラズマが封入されて、電子ビームの断面内密度を均一に保っており、プラズマ生成のグロー放電を発生させる環状の電極を備え、電子銃外部に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の電子雪崩が、ターゲットに達する現象であり、低いエネルギ密度で広い面積に分散する電子ビームであるので、物質に照射されたとき深く作用することがなく、広い面積の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】
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が充填されている。通常は不活性なＡｒガスを用いて処理される金属やカソードに電離ガスの影響が及ばないようにしている。
【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、前述の従来公知の表面改質装置の全体構成図で、ハウジング３、環状電極４、カソード２、励磁ソレノイド７、テーブル９、及び電子ビームのターゲット被照射体１を備えた電子ビーム照射表面改質装置である。被照射体１、テーブル９、及びハウジング３は同電位であり、カソード２、環状電極４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９は前後左右、上下の運動機構が適宜備えられる。電子ビームは、カソード表面から発してターゲット１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】
この装置の電子ビーム発射機構は、プラズマ内で電子雪崩が発生することであるから、磁界とカソード電界の関係がきわめて重要である。ターゲットが開放された平面の場合は従来公知の方式が用いられるが、金型のキャビテイ内部や筒型部品の内面の処理には適用できない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１８７７９９号公報
【特許文献２】特開２００７−１２５５７４号公報
【特許文献３】特願２００６−２９０９７０特許出願
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
斯種の従来装置は、ハウジング内の低圧電離ガスをプラズマ化して電子ビームを放射するプラズマ電子銃であって、電子ビームがカソード端面から被照射体に向かって直進するので、被照射体の外面を改質処理するには適しているが、孔や窪みを有する被照射体の場合には、その側面、特にその孔等の内側面の処理が困難である。
【００１１】
金型のキャビテイ、部品の横側面、筒型部品の内面、などの表面処理を行うときは、カソード、グロー放電電極、磁界の三者関係を考慮した配置設計を行う必要がある。カソード面を被処理面に対向させ、対向空間にプラズマを発生させるグロー放電電極を設け、対向空間を囲むように磁界を作ることである。
【００１２】
金型のキャビテイ、部品の横側面、筒型部品の内面などは、必ずしも平面や一様な曲面ではないから、対向したカソードから照射される電子ビームの作用は均等にならない。したがって、改質する部分を分割して順次に照射することが一般的な手法である。また装置の電力容量によって、カソードのビーム発射面積は制限されるから、所要の面積を改質するには矢張り面積を分割することになる。
【００１３】
この発明が目的とする照射面は、丸い貫通孔の内面であり、従来装置では不可能であった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前述のこの発明の目的は、（１）低圧電離気体を収容する容器内で、カソード電極と被処理体の間に高圧の直流電圧パルスを印加して、電子ビームを発射し、前記被処理体の貫通孔内表面を表面改質する装置において、
前記貫通孔に挿入される主軸先端に取り付けられた電極ホルダの内部に、軸直角方向磁気装置を内蔵し、外周部にカソードとグロー放電電極を備えて、前記カソードから貫通孔内面に向く、前記軸直角方向磁気装置の磁力線とグロー放電とにより貫通孔内面とカソードの対向空間にプラズマを生成した後に、高圧パルスを印加して電子ビームを発生させる電子ビーム表面改質装置とすることにより達成される。
【００１５】
また、前述のこの発明の目的は、（２）前記軸直角方向磁気装置は軸方向長さがカソードと同長な短冊状のコイルであり、充電されたコンデンサの放電により作動し、前記グロー放電の前に起動し、グロー放電後まで継続する前記（１）に記載の電子ビーム表面改質装置とすることにより達成される。
【００１６】
また、前述のこの発明の目的は、（３）前記カソードは、発射面が円弧で幅と長さが前記磁気装置の短冊状のコイルと相当であり、前記電極ホルダに取付け保持される前記（１）に記載の電子ビーム表面改質装置とすることにより達成される。
【００１７】
また、前述のこの発明の目的は、（４）前記グロー放電電極は、被処理体との間にグロー放電を発生させるもので、前記軸直角方向磁気装置の磁束域内の位置において、前記電極ホルダに取付け保持されるものである前記（１）に記載の電子ビーム表面改質装置とすることにより達成される。
【００１８】
また、前述のこの発明の目的は、（５）前記被処理体を取り付けて前記主軸を軸として前記貫通孔を旋回させ、また被処理体を軸方向に移動させるターンテーブルを備える前記（１）に記載の電子ビーム表面改質装置とすることにより達成される。
【００１９】
また、前述のこの発明の目的は、（６）前記主軸が軸方向に移動可能にされた前記（１）に記載の電子ビーム表面改質装置とすることにより達成される。
【００２０】
前述のように、この発明によれば、貫通孔に挿入される主軸と、前記主軸先端に取り付けられて、内部に軸直角方向磁気装置を内蔵し、外周部にカソードとグロー放電電極を設けた電極ホルダーと、前記被処理体を取り付けて前記主軸を軸として前記貫通孔を旋回するターンテーブルとを備えることによって目的を達成することができる。
【００２１】
そして、貫通孔の空間に挿入する軸直角磁気装置は、短冊形のコイル状であり、磁束が直径方向に向くもので絶縁セラミック製の電極ホルダの体内に収容される。コイルは永久磁石に代用してもよい。軸直角の磁束は貫通孔の空間にプラズマを生成し電子ビームを対象面に照射することに不可欠である。
【００２２】
また、グロー放電電極は、電極ホルダの外周に設けられ被処理体との間に印加されるパルス電圧によりグロー放電を発生し、貫通孔内空間の電離気体をプラズマ化する。前記磁束は生成されたプラズマの拡散を抑制する作用を果たす。
【００２３】
さらに、カソードも、電極ホルダーの外周に設けられ、直流高電圧の負パルスが印加されると、貫通孔の対象面に電子ビームを発射する。カソードの発射面の形状は、軸直角磁気装置の磁束とほぼ同形で、総面積は装置電源の電力に従い、また、貫通孔の直径からも制限されるが、１０Ｊ／ｃｍ２程度の照射エネルギーを求めるのであれば、２０ｃｍ２程度とする。カソードの放射面は、短冊形の磁束に対応する部分が、プラズマの存在で有効な照射ができるが、他の部分は無効であるから切り取る必要がある。すなわち、カソードは二分割される。
【００２４】
そして、一回の照射により、貫通孔の一部分が短冊形に改質されるから、孔の全周を処理するために、被処理体を主軸を軸にして旋回する必要があり、被処理体を取り付けたテーブルは、割り出し角度の旋回をして、次の照射動作に移る。
【００２５】
このように、電極ホルダーにプラズマ発生手段と磁気装置とカソードを一体に備えて貫通孔に挿入するので、貫通孔の内部で電子ビームが有効に照射することができる。この方式は貫通しない孔や丸孔以外にも多少の変更で応用することができる。
【発明の効果】
【００２６】
金属部品の貫通孔内面を、電子ビーム表面改質することが可能になり、機械部品の品質が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、この発明装置の基本的な構成の実施例正面側の主軸中心断面図である。ハウジング３は全体装置を収容し、給排気装置ＶとボンベＡｒにより内部を０．１Ｐａ程度の低圧電離気体の環境に保つ。内筒部を表面改質されるべき被処理体金属部品１は、冶具８によりテーブル９に取り付けられ、ハウジング３の外部機械装置（ 図６）の旋回・軸動する操作桿１０により、矢印のように移動する。主軸６は操作桿１０と同軸にあり、電極ホルダ５を下部に取り付け、被処理体１の貫通孔のなかに挿入する。電極ホルダ５には、軸直角方向磁気装置７が内蔵され、外周にカソード２、グロー放電電極４が設けられる。
【００２８】
図４と図５は、本発明装置の主要電気回路と、作動タイミングの説明図である。装置の主要回路は、磁気装置７の駆動回路１０１とグロー放電回路１０２、およびカソードに高圧直流パルスを印加して電子ビームを発射する加速電圧回路１０４の三回路である。この装置の電気物理的な機構は、低圧電離気体プラズマ内の電子雪崩であるから、プラズマが不完全であると、加速電圧を印加しても電子ビームが発生せず、スポット放電になって放電痕を残して終わってしまう。充分なプラズマ状態を得るために、グロー放電電極の配置と磁束の存在が必要である。
ハウジング３、テーブル９、主軸６、被処理体１は同電位に接地され、カソード２は負の高電位になり、グロー放電電極は正電位になる。
【００２９】
図４の磁気回路電源１０１は、電極ホルダ５に内蔵される短冊型コイル７に、駆動電流を供給するもので、図５のタイミング図のように数ミリ秒の長時間巾のパルスで、グロー放電時間、および加速電圧印加の時期をカバーしている。
【００３０】
グロー放電電源１０２は、電極ホルダ５の外周に取付けられたグロー放電電極４と、被処理体１（接地電位）の間に、数１００μｓのグロー放電を発生させるもので、予め充電されたコンデンサをサイリスタスイッチにより放電させる。図５のタイミング線図のように磁気回路の作動と重複しているから、磁力線とグロー放電により、貫通孔内面とカソードの対向空間１０３に、プラズマが生成される。
【００３１】
この装置の加速電圧印加回路は、１０〜５０ｋＶで、パルス巾数μｓの高圧負パルスをカソード２に印加する。図４のコンデンサ１０４を、予め充電回路（図示しない）で充電しておき、ガススイッチ１０５を短絡すると、カソード２の表面からエネルギ密度が５〜１０Ｊ／ｃｍ２  程度の、電子ビームが被処理体１の貫通孔表面に向けて一挙に放出されて表面が改質される。
【００３２】
図２は、被処理体１と電極ホルダ５の断面図である。貫通孔に電極ホルダ５が挿入されると、残余は空間２２のみとなる。ハウジング３内の低電圧電離気体の環境と、空間２２の環境が同一になることは困難であり、従来装置のようにプラズマをハウジング３の内部で生成しても、空間２２にまで及ぶことは困難である。
【００３３】
そこで本発明では、貫通孔の内部で充分なプラズマを生成する方式を実現しようとした。電極ホルダ５は、耐熱・耐電圧絶縁性のセラミック製であり、体内に空洞が掘られて、磁気装置のコイル７が内蔵されている。コイル７は、軸方向に長い短冊状に巻回され、図３のＡ―Ａ’視断面を持ち、矢印２０の磁束方向を示す。カソード２は、放射面（外面）が円弧で貫通孔の内径表面に対向している。この対向空間を前記短冊形状の磁束２０が区切ることにより、残余空間２２の中で対向空間域１０３が区切られて準備され、グロー放電を加えればプラズマ化の条件が満たされる。
【００３４】
カソード２は、電極ホルダ５の外周に貼り付けられるが、軸方向の中間にグロー放電電極を配置するので、上下に分割されている。放射面は、貫通孔の内面に同心の円弧とし、幅と長さはコイル７に相当させる。図３のピン２ａは、縦割りされたカソードを一体に繋ぐものである。高電圧パルスの配線のため主軸６は、パイプであり、電極ホルダ５の内部を通して、カソードに通電させる。
【００３５】
グロー放電電極４は、電極ホルダー５の長手中間位置に、図２のように配置され、環状になっており、被処理体１の貫通孔内面とのあいだにグロー放電を起こし、前記対向空間域の低圧電離気体をプラズマ化する。
【００３６】
図６は、テーブル９を旋回・軸方向移動させる機械装置で、ハウジング３外部に置かれる。円盤ｍ８と歯車ｍ９が一体となったシフタｍ１０を操作桿に取り付け、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、主軸６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、前記歯車ｍ９と噛合っているから、主軸６の上下位置に関係なく、操作桿１０は  所要の角度に割り出される。コラムｍ１はハウジング３に固定されている。
【００３７】
電子ビーム放射は、同じ位置で一回または数回行われ、被処理体１の孔の軸に沿って、または、貫通孔を旋回して、カソード電極２と被処理体１が相対移動し、改質照射位置を変える。これを繰返して貫通孔全体を改質処理する。これを照射サイクルという。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施例装置の基本的な構成の主軸中心縦断面図。
【図２】被処理体１と電極ホルダ５の主軸中心縦断面図。
【図３】図２のＡ―Ａ’視断面図。
【図４】この発明装置の電気系統図。
【図５】図４の電気系統図のタイミング説明図。
【図６】テーブル９を旋回・軸移動させる機械装置の一例説明図。
【図７】公知の従来装置の縦断面図と機器の簡単な接続図。
【符号の説明】
【００３９】
１、被処理体
２、カソ−ド
３、ハウジング
４、グロー放電電極
５、電極ホルダ
６、主軸
７、コイル
８、冶具
９、テーブル
１０、操作桿
１０１、磁気装置電源
１０２、グロー放電電源
１０３、照射コンデンサ
１０５、ガススイッチ
【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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