JP2007125574A - 電子ビーム表面改質方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断面積が大きくてエネルギ密度の大きい電子ビームパルスを照射する表面改質は、柱状乃至は台状体の頂部表面に対する照射改質をすると頂部近くの外周側面も改質されるが、断面に角部がある柱状体では側面改質領域が長さ方向に均一に行なわれないと言う問題が有った。
【解決手段】電離性の希ガスが低気圧状態で充填してある電子銃部内で自然電子を拘束する磁場をソレノイドに電流を流して形成させ、該形成が所定状態になったところで環状アノードによりアノードプラズマを生成させ、磁場形成中に於けるアノードプラズマが所定の生成状態になった所でカソードに高く短い負の電圧パルスを印加して電子ビームを生成させアノードプラズマを通路として照射していたのを、繰り返す電子ビームの生成、照射毎に磁場形成用のソレノイド電流を反転させることにより側面改質領域を均一化する。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、各種金属部品、金型、工具、電気接続部品、金属医療機器、金属装飾品などの表面を鏡面化、清浄化、アモルファス化、及び／または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おこなう方法及び該方法を好適に行なう装置に関する。

この技術は断面積１０ｃｍ^２以上、低エネルギ１０〜５０ｋＶ、高電流１０〜３０ｋＡの電子ビームを用いて金属部材表面の改質を行なうもので、従来の真空電子銃による高密度の細く、時間的に連続な電子ビームではなく、電離ガスのプラズマ中を通過する大きいエネルギの電子ビームをパルス状に短時間照射するので、物質に照射されたとき深溶け込みなどの深く加工作用することがなく、広い面積に一様な作用をあた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、及び／または耐食化などである。

この技術は一種の電子銃であるが真空室ではなく低圧の電離用の希ガスが充填されプラズマ化され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アノードプラズマ生成用のアノードが設けられ、電子銃の外部にソレノイドが設けられて銃内空間に磁場を作る。

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チタン等の針金を束ねて円板状の広い面積に形成した金属または黒鉛が用いられ、被照射体がターゲット陽極になる。カソードとターゲットとの両極間に１０〜４０ｋＶの高圧コンデンサにより加速用の高電圧印加と放電を発生させて数μｓ程度の短い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アノードと電子銃筐体との間にコンデンサ充放電によるグロー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数１００μｓでその時間内に前記高電圧の印加による電子ビームパルスの放射が行なわれる。プラズマ保持時間の前後を通じ電子銃内の電子加速空間内に自然電子を回転等させて逃げ出さないように作用する磁場をつくるための前記ソレノイドを励磁する電源としてまた別のコンデンサ充放電回路が備えられている。

表面改質をする被照射体をターゲットとしての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。通常は１回の照射のように出来るだけ少ない照射回数で処理するが、１回の照射では不充分な場合には、数回から数１０回の照射を約１０ｓ程度以内の時間間隔で繰り返し行なってから真空ハウジングを開放して被照射体を取り出す。

被照射体の材質、成分組成、表面積、改質前の状態などによって照射条件を選ぶ必要があるが、条件の選定の数式がある訳ではないので実験の結果とか経験に依存されている。常識的な判断として溶解温度の高い材質には大きいエネルギで、低い材質には小さいエネルギで照射することになる。放射エネルギが変わる条件とは、１）前記加速用高電圧印加のカソード電圧 ２）カソードとターゲット（設置被照射体表面）間の距離 ３）電離ガス圧力の３条件が通常用いられる。これらの条件は全体装置を制御運用するシステムの指令手段で調整できるように構成されている。

図６は従来例の一例の電子ビーム表面改質装置の概略全体構成説明図で、１はハウジング、６は環状アノード電極、８は前述カソード、Ｓは電子銃内加速空間、５は励磁ソレノイド、１４はターゲットとして被照射体１２を設置するテーブルである。一点破線部１−１以下の函体部分１Ｂには図示しないテーブル移動機構などが設けられる大きな広がりを持つ空間部であるのに対し、上部は筒状の電子銃部１Ａである。電子銃１Ａを含むハウジング１内の電離ガスの調整システムとしてスクロールポンプ２、ターボ分子ポンプ３が、流量調整弁２Ａ、３Ａを介して連結され、さらに図示しない圧力センサとともに作動する。室内は一旦真空状態とした後ボンベ１５からバルブ４を介して希ガス、例えばＡｒを充填し所定低気体圧状態（０．０２〜０．１Ｐａ）に保たれる。

改質装置には最初に作動して電子銃部１Ａ内にソレノイド５により磁場を作る励磁電源１６、次に作動して環状陽極６付近にアノードプラズマ７を生成するコンデンサ充放電回路を含むパルス電源１７、そしてアノードプラズマ７を通過する電子ビーム１１を放射して改質作用を実行するビーム加速電源であってコンデンサ充放電回路で構成されるパルス電源１８が備えられている。それぞれの電源は独立しており、絶縁物６Ａ、８Ａによりハウジング１から絶縁されており、各パルス電源１６、１７、１８からの電圧印加タイミングチャートが、図７として示してある。

表面改質の目的は表面の粗さの改善、鏡面化、清浄化、アモルファス化、耐食化など多様であるし、また材質も多様である。従がって前述の三つの条件を適正に選択することが困難である。放射された電子ビームの相当部分が散逸し被照射体１２に吸収される割合は一定ではないから結果としての効果も変わってしまうという欠点があった。被照射体１２と同じ条件で照射された結果のデータを持つことができなかったからである。

しかしながら、何れにしても斯種の電子ビームパルスの発生装置を使用して被照射体１２の表面改質を行なう手法としては、被照射体に、しかも通常被照射体の被照射表面領域に、前記電子ビームのパルスを１パルスではなく、２〜４パルスとか、１０パルスとか、或いは３０パルス前後とか複数パルスを繰り返し照射する表面改質の手法が常態であり、さらにその複数回繰り返される電子ビームパルスの照射は、作業効率等の都合上、例えば、約１０ｓ前後の如く数１０ｓ以内の時間間隔で繰り返し行なわれるものであった（特許文献２−３、及び非特許文献１−２参照。）。

特開平０９−２１６０７５号公報 特開２００３−１１１７７８号公報 特開２００４−１０８６号公報 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卷、第８６号、ｐ．１２−１７、 藪下法康、外４名「大面積電子ビームによる金型加工面仕上げに関する研究（第２報）」一傾斜面平滑化特性と表面改質効果―電気加工学会全国大会（２００３）講演論文集 社団法人電気加工学会、平成１５年１２月、ｐ．４７−５０、 Ｇ．Ｅ．ＯＺＵＲ外３、Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｗ ?ｅｎｅｒｇｙ，ｈｉｇｈ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍｓ， Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ （２００３）， ２１，１５７−１７４， Ｐｒｉｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＵＳＡ．

そして、従来は、上述のような表面改質の処理操作に依って得られた被処理済み被照射体を、表面改質が短時間で効率良く為されたものとして満足していたのであるが、かかる使用の用に供されている内に、表面改質の面質等に対する要求に止まらず、被照射体の表面改質を行う部分とか領域、及びその部分や領域の凹凸等の形状部分に対する万辺ない改質処理の要請が為されるようになって来ているのが実情である。

図８の（Ａ）および（Ｂ）は、前述大面積の電子ビームのパルス１１の有効径が約φ６０ｍｍの時の照射円１１と径φ３０ｍｍの円柱台の被照射体１２とが同軸状にテーブル１４上に在るように示した平面図と正面図で、図示のように円柱台１２の外周まわりに充分な幅の電子ビームパルス１１の照射領域が存在する場合には被照射体１２は、照射電子ビームのパルス１１と相対向する上部φ３０ｍｍ頂面１２Ａだけでなく、外周側面１２Ｂも、前記照射領域外照射の電子ビーム１１が回り込んで照射されて、深さ方向に約１０〜１５ｍｍ迄の外周側面が表面改質される。しかし、円柱台が符号１２１を付して示すように円柱台１２１の高さが高くなると、側面１２１Ｂの面積が大きくなり、またカソード８前面と被照射体表面迄の距離は、円柱台１２１の上表面１２１Ａ間の距離によって調整設定されるので、円柱台１２、１２１の側面は頂面から途中迄しか表面改質されないこと当然である。

図９の（Ａ）および（Ｂ）は、前述図８の電子ビームパルス１１の照射領域に前述凹凸等の複雑な３次元形状部分を有する被照射体１２２が配置された場合の１例を示す平面図と正面図で、円柱台１２が円板１２Ｃに同軸に固設され、さらに環状の電子ビーム１１照射領域を有する前記円板１２Ｃの前記環状表面部には、突条円１２Ｄが形成されているが、円柱台１２の頂部表面１２Ａおよび外周側面１２Ｂ，円板１２Ｃ上の内外環状表面と外周側面、突条円１２Ｄの表面、並びに円柱台１２部の基部外周と円板１２Ｃ表面とで形成される角円部等は、前記突条円１２Ｄの円板１２Ｃから立ち上がる内外の角円部をも含め、所望複数回の電子ビームの照射を繰り返すことにより、被照射体の例えば姿勢変更等を要することなくほぼ目的通りの表面改質が行なわれるものである。

これは、被照射体１２の照射領域の凹凸等の形状が中心に対して対称な円形状であり、かつ電子ビームパルス１１の照射断面に対して前記円形状の被照射体１２が、ほぼ同芯乃至は同軸の位置関係に配置して電子ビームのパルス１１の照射を行なっているからであると考えられる。
と言うのは、前述図８の（Ａ）および（Ｂ）の場合の被照射体１２を、図１０の（Ａ）および（Ｂ）の如く、電子ビームのパルス１１の断面照射位置に対して、中心不一致の偏倚した位置に配置し、之を動かすことなく電子ビームのパルス１１を照射すると、頂部表面１２Ａの場所による表面改質の強弱等の片寄りは少なかったが、外周側面１２Ｂに対する表面改質は、偏倚方向に対する直角方向の側面部位において偏りが大きく、改質の均一化には、被照射体１２の前述偏倚とは反対側への偏倚をさせての電子ビームパルス１１の照射が必要であったからである。

図１１の（Ａ）および（Ｂ）は、前記被照射体として、円柱台１２に代えて３０ｍｍ×３０ｍｍ角、高さ２０ｍｍの四角柱台１２３を設けた場合の表面改質状況を説明するための平面図と正面図で、頂部表面１２３Ａの改質状態は、図８〜１０の既説のものと変わらないが、側面１２３Ｂの改質状態が、周囲四面とも（Ｂ）に改質表面を符号１２３ｘとして示すように頂部表面１２３Ａから側面の途中迄しか改質されないのは、前述の側面改質が後述する条件の電子ビームパルス１１の照射の場合、頂部表面１２Ａ、１２１Ａから約１０ｍｍ以上、最大約１５ｍｍ程度以内である所から止もう得ないとしても、各側面１２３Ｂがその正面から見て、その左右において改質深さが可成り大きな割合で右に行くに従って減少しており、そしてこの状態は同じ条件の電子ビームのパルス１１を何発か照射しても、改質の進む領域は殆んど変わらなく、頂部表面１２３Ａから或る程度の深さ迄（例えば、１０ｍｍ以上）側面改質を必要とする金型等の表面改質には、被照射体の例えば姿勢を変える等の面倒な操作が必要になるなどの問題があった。

被照射体１２として、前述の図１１の縦横長比が、１：１のものに対し、それ以外のもの、断面三角形のもの、及び五角形、六角形、又はそれ以上の多角形体に対する表面改質の電子ビームパルス１１の照射においても頂部表面外周縁からの外周に対する側面廻り込み又は掛け下りの状況は、外側面の何れにおいても前述図１１（Ａ）、（Ｂ）に図示して説明したのと、同様な状況で、側面の頂部表面周縁から深さ方向１０〜１５ｍｍの深さにわたる側面改質は半端で不満なものであった。

前述の問題点の原因を探るべく、上述図８乃至図１１の表面改質の実施実験条件の検証を行なった。
電子銃部１Ａの内径：φ１９０ｍｍ、内部軸方向長さ：３５０ｍｍ、カソード８電極前面縁から電子銃部１Ａ開口前面縁迄の長さ：１５１ｍｍ、アノード６前面縁から電子銃部１Ａ開口前縁迄の長さ：９０ｍｍ、カソード８：φ０．１５ｍｍチタン（Ｔｉ）針金のφ６０ｍｍの束、アノード６：断面２ｍｍ×２０ｍｍで、内径：φ１２０ｍｍの環、カソード８電極前面縁から、ターゲットテーブル１４に設置した被照射体１２の頂部表面１２Ａ、１２１Ａ、１２３Ａ迄の距離：１８１ｍｍ（電子銃部１Ａ開口前縁からの距離：３０ｍｍ）、ソレノイドコイル５：設置位置は後述する電子銃部１Ａの開口前縁廻り、被照射体：ＳＫＤ１１、電離ガス：Ａｒ０．０５Ｐａ。
なお、コイル５、アノード６、及びカソード８に対する第１、第２、及び第３パルス電源による励磁電圧、電流（ｐｅａｋ）条件（励磁タイミングチャートを含む）は図７に示した通りであり、使用カロリメータによれば、照射電子ビーム１１のエネルギ密度は、約６〜７Ｊ／ｃｍ^２と推定された。

なお、前記ソレノイドコイル５は、従来例に於いては、アノード６を軸方向に挟んで一対設けられているケースを多く見掛けるが、吾人のテスト及び上述の実験をした限りに於いては、上述の１個のコイル５を図示、説明の位置に設けて使用すれば、充分目的の用を果たしているものと確信している。
また、前記ソレノイドコイル５の励磁による電子銃部１Ａ内の磁場の形成状態は、図１２に示すように、コイル５が電子銃部１Ａに設置された状態でカソード８からターゲット１４を見る位置関係で右巻きであり、電子銃部１Ａ（アノード６）内の磁場（磁力線）の方向は、前記カソード８からターゲット１４を見る向きに形成されているものである。なお、ハウジングを含み電子銃部１Ａ及びターゲット１４廻りの部品は、その大部分が非磁性のステンレス材から構成されているものである。

以上のことから、そして前述図８乃至図１１に於ける照射電子ビームのパルス１１による被照射体１２側面に対する特に図１１の偏倚した表面改質状態、電子ビームの被照射体側面に対する廻り込み状況から見ると、ソレノイドコイル５によって形成される磁場と、第３のパルス電源１８によってカソード８とターゲット１４間に印加されて、カソード８表面から叩き、及び／又は引き出された電子を引張り加速し、アノードプラズマを導体通路として通過して形成される電子ビーム（電流）との間の何等かの電磁作用に起因して生じている現象ではないかと思い、アノード６と、コイル５、及びカソード８間の相対位置変更から、各パルス電源１６、１７、１８による印加電圧及び放電電流の値の変更とか、印加放電のタイミング変更等等の実験を繰り返している内の、前記コイル５による電子銃部１Ａ内磁場（磁力線）の方向を反転させた所、前記図１１の（Ｂ）の被照射体１２３の側面１２３Ｂに於ける改質表面１２３ｘのパターンが左右反転することを発見したものである。

そこで本発明は、電界放射カソードと、アノードプラズマ生成環状アノード電極と、前記電界放射カソードからの電子ビームを受ける被照射体を設置するテーブルターゲットとを一軸上に備えると共に被電離低圧希ガスを収納するハウジング内に設けられ、該ハウジング内に磁場を形成するソレノイドが設けられる電子銃であって、前記ソレノイドが磁場を形成してからアノードプラズマを生成させ、更に電界放射カソードとターゲットとの間に高い負の電圧パルスを加速電圧として印加してアノードプラズマを通路とする電子ビームのパルスを生成、放射して前記被照射体の表面を処理する表面改質方法において、被照射体の頂部表面外周縁から外周側面に廻り込む、及び／又は側面を掛け下りる表面改質が、外周全体に於いて、深さ方向にほぼ等しい距離行なわれるようにする方法及び装置を提供することを目的とする。

前述の本発明の目的は、（１）電子ビーム発生部を収納する円筒状の電子銃部と、電子ビームの被照射体を設置するターゲットテーブルを収納する照射処理部とを気密に結合させた真空ハウジングであって、所望の希ガスが所定の低気圧状態に充填保持され、前記電子銃部の一方の照射処理部側に設けられる環状アノードと、該環状アノードの軸線上の電子銃部の他側端部に設けられる大面積の電界放射カソードと、該カソードと前記アノード設置領域を含む電子銃部内に、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し得るように電子銃の外周に同軸状に巻回して設けたソレノイドと、前記電子銃部内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定の電流値で励磁する第１のパルス電源と、前記低気圧ガス空間中に設けられた前記ターゲットテーブルと環状アノードとの間に、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磁場形成状態になるのを待つか検出して印加され、前記低圧充填希ガスの電離によりアノードプラズマを生成させるために接続される第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前記アノードプラズマが生成した微小遅延時間後に前記ターゲットに対して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パルスの照射時間となる所定の時間幅の間印加する第３のパルス電源とを設け、前記テーブルに設置した被照射体に所要複数回前記電子ビームのパルスを照射して被照射体の表面改質する方法に於いて、繰り返される電子ビームパルスの生成を前記磁場の磁力線の方向を適宜に反転させて行なう表面改質方法とすることにより達成される。

また、前述の本発明の目的は、（２）前記磁場の磁力線の反転は、電子ビームパルスの生成が、一回または複数回ずつ交互に行なわれる前記（１）に記載の表面改質方法とすることにより達成される。

また、前述の本発明の目的は、（３）前記磁場の磁力線の反転による生成電子ビームのパルスの照射を互いに同数とする前記（２）に記載の表面改質方法とすることにより達成される。

また、前述の本発明の目的は、（４）電子ビーム発生部を収納する円筒状の電子銃部と、電子ビームの被照射体を設置するターゲットテーブルを収納する照射処理部とを気密に結合させた真空ハウジングであって、所望の希ガスが所定の低気圧状態に充填保持され、前記電子銃部の一方の照射処理部側に設けられる環状アノードと、該環状アノードの軸線上の電子銃部の他側端部に設けられる大面積の電界放射カソードと、該カソードと前記アノード設置領域を含む電子銃部内に、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し得るように電子銃の外周に同軸状に巻回して設けたソレノイドと、
前記電子銃部内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定の電流値で励磁する第１のパルス電源と、前記低気圧ガス空間中に設けられた前記ターゲットテーブルと環状アノードとの間に、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磁場形成状態になるのを待つか検出して印加され、前記低圧充填希ガスの電離によりアノードプラズマを生成させるために接続される第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前記アノードプラズマが生成した微小遅延時間後に前記ターゲットに対して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パルスの照射時間となる所定の時間幅の間印加する第３のパルス電源とを設け、さらに、前記磁場の磁力線の方向を反転させる手段が設けられている表面改質装置とすることにより達成される。

また、前述の本発明の目的は、（５）前記磁場の磁力線の方向を反転させる手段が、前記第１のパルス電源の出力端子とソレノイドコイルの入力端子との間に、コイルの励磁電流の方向を切換えるために設けられた極性切換手段から成る前記（４）に記載の表面改質装置とすることにより達成される。

また、前述の本発明の目的は、（６）前記磁場の磁力線の方向を反転させる手段が、互いに逆向きに巻回されたソレノイドが一対設けられ、前記第１のパルス電源が両ソレノイドを切換え励磁し得るように設けられるか、または前記両ソレノイドに別個に第１のパルス電源が設けられ、両電源に対する選択作動手段が設けられて成る前記（４）に記載の表面改質装置とすることにより達成される。

前述の本発明（１）乃至（３）によれば、ターゲットのテーブル上に設置する表面改質用の被照射体として、電子ビームの照射方向に厚さ、深さ、又は高さ等を有する３次元形状体で、要改質表面外周縁より前記高さ等の方向に要改質外側面を有する被照射体の表面改質を、電子ビームパルスの生成、照射の際に、その領域に発生、作用させられる磁場（磁力線）の方向を適宜に反転させながら行なうようにすることにより、所望複数回の電子ビームのパルスを繰り返し照射するうちに、確実に目的通り、所望の領域に渡る改質を行なうことができるようになる。

また、前述本発明（４）―（５）によれば、被照射体の上部表面と共にこの上部表面の外周縁より外周側面を所望の深さ方向の側面領域に渡って改質する方法を簡単確実に行なうことができる効果を奏するものである。

さらに、前述の本発明（６）によれば、前記発明（５）の、コイル５に対する極性切換装置を介してのカソード励磁直流パルス電源１８の接続と言う構成に対し、ときに装置構成や制御の自由度を増し得る利点を有するものである。

図１は、電子銃部１Ａと前述第１、第２、及び第３のパルス電源１６、１７、及び１８とにより本発明表面改質方法を実施する一実施例電源回路の説明図で、前述従来例の図６に於いて図示説明したものと同一物又は同等物には同一符号が付せられていて、一部説明が省略してある。

第１、第２、及び第３のパルス電源１６、１７、１８は図示のように夫々コンデンサ１６Ｃ，１７Ｃ、及び１８Ｃと、該各コンデンサを充電する直流電源１６Ａ、１７Ａ，１８Ａ、及び各コンデンサの電圧を印加して放電させるスイッチ１６Ｂ、１７Ｂ，１８Ｂとそのトリガ駆動回路１６Ｄ，１７Ｄ，１８Ｄを有し、カソード８とターゲット１４間に高圧コンデンサ１８Ｃを接続印加して放電させることにより大電流の電子ビームを生成加速するスイッチ１８Ｂは、他のスイッチ１６Ｂ、１７Ｂのようなサイリスタ等では、容量が不足するところから、例えば、冷却能の高い水素ガス等を封入したギャップスイッチ１８Ｂを使用するのが望ましいものである。

１０は、前述電子銃部１Ａ内に磁場を形成させるためのソレノイドコイル５の励磁入力端子と、その励磁電源１６の出力端子との間に挿設されて極性切換装置で、カソード８からターゲット１４を見て右巻き又は左巻きのソレノイド５に、電源１６からのコンデンサ１６Ｃ放電電圧・電流の向きを反転変更することにより電子銃部１Ａのアノード６、環状電極の内外に形成される磁場の磁力線の向きを反転させることができる。

図示例の極性切換装置１０は、ダブル・ブレイク及びダブル・メイク接点の組み合わせから成り、図示しないスプリング等により常時はオンの図示するＢ接点作動時に、前記右巻きソレノイド５に放電した励磁電流によって形成される磁場の磁力線の向きはカソード８からターゲット１４に向う向きであり、図示しない制御装置からの指令によってリレーコイルが励磁されてＡ接点オンに切換えられている状態においてソレノイド５に放電した励磁電流によって形成される磁場の磁力線の向きは、前記ターゲット１４からカソード８に向う向きであって、前述の場合に対し磁場の磁力線の向きは反転しているものである。

この図１の表面改質装置を用いて前述図１１と同じ正方四角柱台１２３の表面改質を本発明方法により行なった。なお、表面改質は、前述図１１の実験を行なった検証実験の条件と実質同一に設定されているものとする。

図２に於いて、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図で、（Ｃ）は、図８の（Ｂ）と同じく、即ち、前記極性切換装置１０のＢ接点オンの状態でソレノイド５を例示して磁場形成を行なってアノード６励起によるアノードプラズマ７の生成、次いでカソード８を励起して改質電子ビーム１１を生成させて四角柱台１２３上部表面１２３Ａを照射改質したときの、各四方側面１２３Ｂの改質状態を示すもので、符号１２３ｘを付したクロス斜線を施した部分が、電子ビーム照射改質領域であって、頂部表面１２３Ａの外周縁外を降下照射される電子ビーム１１の一部以上が外周側面に沿って掛け下り又は外周側面に廻り込んで改質されたものである。各側面の改質領域、又はそのパターンは、四角柱台１２３が電子ビーム１１の断面に中心を一致させてあるのでほぼ同一であり、各側面の改質領域は右肩下がりに狭くなっている。

図２（Ｃ）の右側に（Ｄ）として示したものは、前述（Ａ），（Ｂ）のように設置した四角柱台１２３に対し、図１の極性切換装置１０を指令又は設定によりＡ接点をオンに切換えた状態として電子ビームのパルス１１を生成、照射した際の各四方側面の改質状態をパターン化して示したもので、前述（Ｃ）に対し左右を反転させたものとなっているが、この（Ｃ）と（Ｄ）の違いは唯一のものであって、その違いは、電子ビームパルス１１の照射、加速領域に付与される磁場の磁力線の方向が前述反転していることだけなのである。

そこで本発明は、正方四角柱台状の被照射体１２３に対する頂部表面１２３Ａとその外周縁から外周側面へと続く外周側面の表面改質に於いて、図１の表面改質装置により繰り返し照射される電子ビームのパルス１１の生成、照射の加速空間の照射軸方向に与えられる磁場の磁力線の方向を反転させながら行なうことにより、図２の（Ｅ）に示すように、前記外周廻り全体に於いて、深さ方向にほぼ等しい領域迄等しく表面改質を行なうことに成功したものである。前記磁場の磁力線の方向の反転は、電子ビームパルスの照射の毎に、即ち、交互に方向を変えながら必要な照射回数照射して改質処理を進めるのが改質のバランスを保って処理が進められて良いようであるが、特定の目的等ケースによっては、各任意回数の照射の毎に磁場の磁力線の方向を変更させるようにすることができる。

図３は、横４０ｍｍ、縦２０ｍｍ、厚さ（高さ）３０ｍｍのＳＫＤ１１材にワイヤ放電加工により、横方向に２条の溝列と縦方向に３条の溝列を約７ｍｍの深さに加工形成したものを表面改質（溝側面を含む主として面粗度改善）の被照射体として使用した例を示すもので、前述来の改質の電子ビームのパルス１１は、被照射体の頂部表面から最大で約１０〜１５ｍｍの深さの外周側面の改質能力（エネルギ密度Ｊ／ｃｍ^２）を有するものであるので、溝幅の狭い縦溝列部を除き、頂部表面は勿論各溝列の溝側面（立ち壁面）及び溝底面が、２回の磁場の磁力線の方向を反転させた電子ビームパルスの照射で、全体的にむらなく放電加工面３．４８μｍＲｙが２．０４μｍＲｙに仕上り、エッジのダレも金型としての使用の許容範囲に収まっていた。

前述図１に於ける極性切換装置１０は、ソレノイドコイル５が１個に対して、コンデンサ充電電源１個と言う構成によるもので、コンデンサ充電電源を２個用意すれば、２つのコンデンサ充電電源から一方を選んでコイル５に接続する構成としても良い。

また、本発明の実施に使用可能なソレノイド５と電源１６及びスイッチ１０による、装置の構成としては、１つのコンデンサ充電電源に対する２つのソレノイドコイルの組合わせる方式のものとして、例えば、図４（Ａ）は電子銃部に設置した状態で互いに逆巻のコイルの一方を選択して電源に接続使用する態様、同（Ｂ）は同じく２つの同一方向に巻いたコイルを極性切換的に切換えて電源に接続使用する態様のものなどがある。

そして、さらに、切換選択するコイルが同一方向巻きか２つが互に逆巻きのコイルを備えるのに対し、２つのコンデンサ充電電源を使用する場合で、本発明の目的を達するための接続、切換えには多様な接離構成とすることができるので、その１例を図５に示しておくものとする。

本発明は、断面積が大きくエネルギの大きい電子ビームのパルスを使用する表面改質の実用化と用途拡大の道を拓くものである。

本発明方法を実施する一実施例電源回路の説明図。 本発明方法の実施に於ける電子ビームの断面と被照射体の位置関係を示す平面図（Ａ）と正面図（Ｂ）、及び側面の表面改質状態の説明図 （Ｃ），（Ｂ）、（Ｅ）。 本発明方法が適用される一実施例被照射ワーク部材の斜視図。 ソレノイドと充電電源の切換接続回路の変更実施例（Ａ）、（Ｂ）。 その他の切換接続回路図。 従来例装置の概略構成を説明する装置の正断面図。 従来例装置の複数あるパルス電源の電圧印加タイミングチャート図。 従来例の電子ビーム断面と被照射体との位置関係を示す平面図（Ａ）と正面図（Ｂ）。 被照射体を変更した図８と同様な平面図（Ａ）と正面図（Ｂ）． 図８の被照射体の位置を変更した場合の平面図（Ａ）と正面図（Ｂ）。 被照射体を本発明の改質の対象となる物材に変更したものを図８と同様にして示した平面図（Ａ）と正面図（Ｂ）。 従来例の電子銃部に於ける磁場形成状態の説明図。

符号の説明

１ ハウジング
１Ａ 電子銃部
１Ｂ 加工処理函体部
２ スクロールポンプ
３ ターボ分子ポンプ
４ 流量調整弁
５ ソレノイド
６ アノードプラズマ生成環状電極
７ アノードプラズマ
８ カソード
９ カソードプラズマ
１０ 極性切換装置
１１ 電子ビームパルス
１２ 被照射体
１４ ターゲット
１５ 電離性希ガス
１６ ソレノイド励磁パルス電源
１７ アノードプラズマ生成パルス電源
１８ 電子ビーム生成加速用カソードパルス電源
１６Ａ，１７Ａ，１８Ａ コンデンサ充電直流電源
１６Ｂ，１７Ｂ，１８Ｂ 電圧印加、放電スイッチ
１６Ｃ，１７Ｃ，１８Ｃ コンデンサ
１６Ｄ，１７Ｄ，１８Ｄ トリガ駆動回路

Claims (6)

1. 電子ビーム発生部を収納する円筒状の電子銃部と、電子ビームの被照射体を設置するターゲットテーブルを収納する照射処理部とを気密に結合させた真空ハウジングであって、所望の希ガスが所定の低気圧状態に充填保持され、前記電子銃部の一方の照射処理部側に設けられる環状アノードと、該環状アノードの軸線上の電子銃部の他側端部に設けられる大面積の電界放射カソードと、該カソードと前記アノード設置領域を含む電子銃部内に、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し得るように電子銃の外周に同軸状に巻回して設けたソレノイドと、前記電子銃部内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定の電流値で励磁する第１のパルス電源と、前記低気圧ガス空間中に設けられた前記ターゲットテーブルと環状アノードとの間に、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磁場形成状態になるのを待つか検出して印加され、前記低圧充填希ガスの電離によりアノードプラズマを生成させるために接続される第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前記アノードプラズマが生成した微小遅延時間後に前記ターゲットに対して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パルスの照射時間となる所定の時間幅の間印加する第３のパルス電源とを設け、前記テーブルに設置した被照射体に所要複数回前記電子ビームのパルスを照射して被照射体の表面改質する方法に於いて、繰り返される電子ビームパルスの生成を前記磁場の磁力線の方向を適宜に反転させて行なうことを特徴とする表面改質方法。
2. 前記磁場の磁力線の反転は、電子ビームパルスの生成が、一回または複数回ずつ交互に行なわれることを特徴とする請求項１に記載の表面改質方法。
3. 前記磁場の磁力線の反転による生成電子ビームのパルスの照射を互いに同数とする請求項２に記載の表面改質方法。
4. 電子ビーム発生部を収納する円筒状の電子銃部と、電子ビームの被照射体を設置するターゲットテーブルを収納する照射処理部とを気密に結合させた真空ハウジングであって、所望の希ガスが所定の低気圧状態に充填保持され、前記電子銃部の一方の照射処理部側に設けられる環状アノードと、該環状アノードの軸線上の電子銃部の他側端部に設けられる大面積の電界放射カソードと、該カソードと前記アノード設置領域を含む電子銃部内に、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し得るように電子銃の外周に同軸状に巻回して設けたソレノイドと、前記電子銃部内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定の電流値で励磁する第１のパルス電源と、前記低気圧ガス空間中に設けられた前記ターゲットテーブルと環状アノードとの間に、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磁場形成状態になるのを待つか検出して印加され、前記低圧充填希ガスの電離によりアノードプラズマを生成させるために接続される第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前記アノードプラズマが生成した微小遅延時間後に前記ターゲットに対して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パルスの照射時間となる所定の時間幅の間印加する第３のパルス電源とを設け、さらに、前記磁場の磁力線の方向を反転させる手段が設けられていることを特徴とする表面改質装置。
5. 前記磁場の磁力線の方向を反転させる手段が、前記第１のパルス電源の出力端子とソレノイドコイルの入力端子との間に、コイルの励磁電流の方向を切換えるために設けられた極性切換手段から成ることを特徴とする請求項４に記載の表面改質装置。
6. 前記磁場の磁力線の方向を反転させる手段が、互いに逆向きに巻回されたソレノイドが一対設けられ、前記第１のパルス電源が両ソレノイドを切換え励磁し得るように設けられるか、または前記両ソレノイドに別個に第１のパルス電源が設けられ、両電源に対する選択作動手段が設けられて成ることを特徴とする請求項４に記載の表面改質装置。

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