JP2009058283A - エネルギ線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギ線が照射される被照射体が大型構造物であっても、遮蔽体の大型化の防止や、装置コストの低減や、設置スペースの削減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】 固定配置された被照射体Ｍに向けてエネルギ線を照射する照射部２と、被照射体Ｍに対して照射部２を移動可能に支持する支持部３と、被照射体Ｍ、照射部２および３支持部を内部に納める遮蔽体６と、が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

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。

エネルギ線、例えば電子線を照射する装置では、電子線が照射される被照射体を移動させる構成が一般的であり（例えば、特許文献１参照。）、電子線の照射部は固定されていた。
電子線の照射部が動く場合であっても、必要に応じて電子線の照射角度を振る程度とされていた。
特公昭５８−５７２７４号公報

しかしながら、被照射体が電子線照射装置と比較して、十分大型であり、かつ、重量が重い物、例えば金型のような大型構造物の場合には、被照射体である大型構造物を移動させる移動機構に要求されるパワーが大きくなるという問題があった。例えば、被照射体が金型の場合には、重量が重く移動機構に要求されるパワーが大きくなるという問題があった。

一方、被照射体の周囲には、電子線の照射により発生するＸ線などの電磁波を遮蔽する遮蔽体が配置されている。上述のように、被照射体が大型化すると、被照射体の移動ストロークも長くなる。すると、遮蔽体は被照射体の全体を覆う必要があるため、被照射体の移動範囲全体を覆う大きさに構成しなければならないという問題があった。

例えば、被照射体が金型の場合には、焼入れなどの表面処理を施す必要がある部分が面状に広がり、金型を二次元方向に移動させる必要がある。すると、二次元方向に移動する金型の全体を覆う遮蔽体が必要になり、大きな遮蔽体が必要になるという問題があった。

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、エネルギ線が照射される被照射体が大型構造物であっても、遮蔽体の大型化の防止や、装置コストの低減や、設置スペースの削減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。

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、固定配置された被照射体に向けてエネルギ線を照射する照射部と、前記被照射体に対して前記照射部を移動可能に支持する支持部と、前記被照射体、前記照射部および前記支持部を内部に納める遮蔽体と、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、被照射体が固定配置されているため、被照射体を移動させる方法と比較して、被照射体を内部に納める遮蔽体の大型化を防止することができる。さらに、本発明のエネルギ線照射装置の設置スペースの削減を図ることができる。遮蔽体は、エネルギ線の照射により被照射体から発生するＸ線などの電磁波を遮る重金属などの材料から形成されているため、遮蔽体の大型化を防止することにより、必要となる重金属などの材料量の増加を防止でき、本発明のエネルギ線照射装置のコスト低減を図ることができる。

一方、照射部は、支持部により被照射体に対して移動可能に支持されているため、本発明のエネルギ線照射装置は、被照射体の所定の場所にエネルギ線を照射し、焼入れなどの表面処理を施すことができる。

上記発明においては、前記被照射体における前記エネルギ線が照射されている領域を観察可能とする観察部が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、観察部により、被照射体のエネルギ線が照射されている領域を観察できるため、被照射体に対する焼入れなどの表面処理を確実に行うことができる。
観察部としては、遮蔽体の内部に配置されたカメラや、遮蔽体に設けられた電磁波を遮蔽する透明部材などを例示することができる。

上記発明においては、少なくとも前記照射部における前記エネルギ線が出射される出射部が、前記被照射体に沿って移動することが望ましい。

本発明によれば、出射部が被照射体に沿って移動するため、被照射体における所定の場所の表面処理、例えば焼き入れを行うことができる。例えば、被照射体が金型の場合には、金型の凹凸に沿って出射部が移動するため、凸部の側面や、凹部の底面などのエネルギ線が照射されにくい場所であっても、本発明のエネルギ線照射装置は、表面処理を行うことができる。
なお、被照射体に沿って移動するのは出射部のみであっても良いし、照射部全体が被照射体に沿って移動してもよく、特に限定するものではない。

上記発明においては、前記照射部の移動を制御する制御部は、前記遮蔽体の外側に配置されていることが望ましい。

本発明によれば、制御部を遮蔽体の外側に配置することで、制御部がエネルギ線の照射により被照射体から発生する電磁波等に曝露されることを防止できる。そのため、電磁波等により制御部に不具合が発生することを防止できる。例えば、電磁波による制御部の誤作動を防止でき、電磁波による制御部の寿命の短縮を防止できる。

本発明のエネルギ線照射装置によれば、被照射体が固定配置されているため、エネルギ線が照射される被照射体が大型構造物であっても、遮蔽体の大型化の防止や、設置スペースの削減を図ることができるという効果を奏する。
さらに、遮蔽体は、エネルギ線の照射により被照射体から発生するＸ線などの電磁波を遮る重金属などの材料から形成されているため、遮蔽体の大型化を防止することにより、装置コストの低減を図ることができるという効果を奏する。

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７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。

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。

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２１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とともに、傾斜可能に支持されている。傾斜可能に支持されることにより、金型Ｍにおける傾斜した面に電子線ＥＢを略垂直に照射することができる。

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。

出射部１２には、出射される電子線ＥＢのビーム径を絞る集光レンズ１３と、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１４、とが設けられている。
出射部１２には、後述する差動排気部４が接続され、ピンホール１４を介して外部と連通された電子線発生部１１の内部が真空状態に保たれている。言い換えると、出射部１２の内部には、電子線発生部１１の内部における真空状態から、ピンホール１４の金型Ｍ側の開口における大気圧状態までの圧力勾配が、差動排気部４により形成されている。

図３は、図２の出射部の他の実施形態を説明する模式図である。図４は、図３の出射部における下部出射部の向きが変更された状態を説明する模式図である。
なお、出射部１２は、図２に示すような構成であってもよいし、図３および図４に示すように上部出射部１５と下部出射部１６とに分けて構成されていてもよく、特に限定するものではない。

出射部１２Ａの上部出射部１５には電子線ＥＢの出射方向を制御する偏向レンズ１７が設けられ、下部出射部１６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１４、および出射される電子線ＥＢのビーム径を絞る集光レンズ１３と、が設けられている。
上部出射部１５と下部出射部１６との間には、上部出射部１５に対して下部出射部１６の向きを変更可能に繋ぐ角度調節管１８が設けられている。

上部出射部１５は略円筒状の部材であって、周囲に偏向レンズ１７が配置されたものである。上部出射部１５の内部は電子線発生部１１と連通され、発生された電子線ＥＢが通過するように構成されている。

下部出射部１６は略円筒状の部材であって、周囲に集光レンズ１３が配置されたものである。下部出射部１６の金型Ｍ側の端部には、上部出射部１５および下部出射部１６の内径よりも径の小さなピンホール１４が設けられている。つまり、下部出射部１６の内部は、角度調節管１８および上部出射部１５を介して電子線発生部１１と連通されるとともに、ピンホール１４を介して外部と連通されている。

角度調節管１８は、上部出射部１５に対して下部出射部１６を首振り可能に繋ぎ、下部出射部１６から出射される電子線の向きを変更可能にするとともに、内部を電子線ＥＢが通過するものである。下部出射部１６は、Ｘ方向およびＹ方向のいずれにも首振り可能とされることが望ましいが、Ｘ方向およびＹ方向のいずれか一方にのみ首振り可能とされていてもよい。

偏向レンズ１７および集光レンズ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、電子線の出射方向や、ビーム径を制御するものである。偏向レンズ１７および集光レンズ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。

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２１と、門型駆動部２１がその上を移動する走行部２２と、が設けられている。

門型駆動部２１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２３と、柱部２３の上端を繋ぐＸ方向に沿って延びる梁部２４とが設けられている。梁部２４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２４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２４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。

走行部２２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２１が走行するものである。例えば、走行部２２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。

なお、門型駆動部２１は、上述のように走行部２２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。

差動排気部４は、上述の出射部１２の内部に圧力勾配を形成し、外部と連通された電子線発生部１１の内部を真空状態に保つものである。差動排気部４の本体２５は遮蔽体６の外側に配置され、本体２５から延びる排気管２６が遮蔽体６の内部に配置された出射部１２に接続されている。
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。

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２７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。

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。

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３１が形成され、開口部３１を塞ぐ蓋体３２が開口部３１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（観察部）３３が配置されている。観察用カメラ３３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。

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３２を取り外し、門型駆動部２１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３１から金型Ｍを遮蔽体６の内部に搬入した後、蓋体３２により開口部３１を閉じる。

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、出射部１２のピンホール１４から金型Ｍに向けて出射される。

電子線ＥＢは出射部１２を通過する際に集光レンズ１３によりビーム径が絞られる。
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ことになる。

ここで、照射部２の移動制御および電子線ＥＢの照射制御について説明する。
照射部２の移動制御および電子線ＥＢの照射制御としては、逐次計測制御、ティーチング制御、ＮＣティーチング制御、および、ＮＣ制御が挙げられ、そのいずれを用いることもできる。以下に各制御に関する説明を記載する。

逐次計測制御は、照射部２にレーザ測長部（図示せず）を設けて、金型Ｍと照射部２との間隔や相対位置、例えば照射部２の出射部１２の先端との間隔や相対位置などを測定し、測定結果に基づいて照射部２の移動制御などを行うものである。
レーザ測長部による測定は電子線ＥＢの照射中にも行われ、測定結果に基づいた逐次制御が行われる。
このような制御を行うことで、後述するティーチング制御などと比較して、模擬走行や座標データの入力を行う必要がないため、取り扱い性が高い。

ティーチング制御では、予め照射部２を金型Ｍに対して模擬走行、つまり電子線ＥＢを照射することなく、金型Ｍに沿って移動させさせるとともに、照射部２に取り付けたレーザ測長部により座標データの取得を行う。当該座標データの取得後は、照射部２からレーザ測長部が取り外され、制御部５は当該座標データに基づいて照射部２の移動制御を行う。
このような制御では、レーザ測長部による座標データ取得時に電子線ＥＢの照射が行われていないため、電子線ＥＢの照射によるノイズが座標データに含まれることがなく、正確な座標データを取得することができる。

ＮＣティーチング制御では、金型Ｍを加工する際に用いられた加工用ＮＣデータ（座標データ）を元にして、予め照射部２を金型Ｍに対して模擬走行させるとともに、このときの座標データを取得する。当該座標データを取得した後に、制御部５は、当該座標データに基づいて照射部２の移動制御を行う。
このような制御では、レーザ測長部を用いないため、金型Ｍの表面処理に要するコストの上昇を抑制することができる。

ＮＣ制御では、制御部５は、金型Ｍを加工する際に用いられた加工用ＮＣデータに基づいて照射部２の移動制御を行う。なお、金型Ｍの加工時と比較して、表面処理時では座標が異なるため、加工用ＮＣデータをデータ変換した座標データを用いて照射部２の移動制御が行われる。
このような制御では、予め模擬走行を行わないため、金型Ｍの表面処理の作業性が向上する。

次に、照射部２から照射される電子線ＥＢの照射方向の制御について説明する。
本実施形態の電子線照射装置１では、図２に示すように、照射部２の全体を首振りし、傾斜させることにより電子線ＥＢの照射方向を制御している。

なお、電子線ＥＢの照射方向の制御は、上述のように、照射部２の全体を傾斜させて制御してもよいし、図３および図４に示すように、下部出射部１６のみを傾斜して制御してもよく、特に限定するものではない。

さらに、電子線ＥＢの照射方向を制御する代わりに、金型Ｍの照射領域面の傾斜角度に基づいて、出射される電子線ＥＢの密度を増減してもよく特に限定するものではない。
このようにすることで、電子線ＥＢの照射密度が低くなる金型Ｍの傾斜面であっても、略一定の電子線ＥＢの照射密度を確保できる。

図５は、図１の金型に対する照射部の移動制御を説明する模式図である。
照射部２の下部出射部１６は、図５に示すように、金型Ｍの形状に合わせてその傾斜が変えられ、かつ、金型Ｍとの間隔が略一定になるように移動制御される。
例えば、図５の左側から順に、金型Ｍに深さが例えば約２０ｍｍより浅い小型の凹部Ｍ１が形成されている場合には、下部出射部１６の先端を金型Ｍに接近させ、この状態で電子線ＥＢが小型の凹部Ｍ１に照射される。

次に、金型Ｍに小型の凸部Ｍ２が形成されている場合には、下部出射部１６は、小型の凸部Ｍ２に合わせて傾斜され、その状態で電子線ＥＢが小型の凸部Ｍ２に照射される。
金型Ｍに幅が、例えば約１００ｍｍより大きな凹部が形成され、その底面Ｍ３に電子線ＥＢを照射する場合には、凹部の内部に下部出射部１６が挿入され、底面Ｍ３に下部出射部１６を接近させた状態で電子線ＥＢが照射される。

金型Ｍの平面部Ｍ４に電子線ＥＢを照射する場合には、下部出射部１６は平面部Ｍ４に対して略垂直に配置され、電子線ＥＢは平面部Ｍ４に照射される。
金型Ｍの曲率が大きな凸部Ｍ５に電子線ＥＢを照射する場合には、下部出射部１６は、凸部Ｍ５における電子線ＥＢが照射される領域に対して略垂直に傾けられ、この状態で電子線ＥＢは凸部Ｍ５に照射される。

上記の構成によれば、金型Ｍが照射ステージ７に固定配置されるため、金型Ｍを移動させる方法と比較して、金型Ｍを内部に納める遮蔽体６の大型化を防止することができる。さらに、本実施形態の電子線照射装置１の設置スペースの削減を図ることができる。遮蔽体６は、電子線ＥＢの照射により金型Ｍから発生するＸ線などの電磁波を遮る鉛などの重金属材料から形成されているため、遮蔽体６の大型化を防止することにより、必要となる重金属などの材料量の増加を防止でき、本実施形態の電子線照射装置１のコスト低減を図ることができる。

一方、照射部２は、支持部３により金型Ｍに対して移動可能に支持されているため、本実施形態の電子線照射装置１は、金型Ｍの所定の場所に電子線ＥＢを照射し、焼入れなどの表面処理を施すことができる。

観察用カメラ３３により、金型Ｍにおける電子線ＥＢが照射されている領域や、照射部２の移動を観察できるため、金型Ｍに対する焼入れなどの表面処理を確実に行うことができる。

照射部２の出射部１２が金型Ｍに沿って移動するため、金型Ｍにおける所定の場所の焼き入れ処理などを行うことができる。例えば、金型Ｍの凹凸に沿って出射部１２が移動するため、凸部の側面や、凹部の底面などのエネルギ線が照射されにくい場所であっても、本実施形態の電子線照射装置１であれば、焼き入れ処理などを行うことができる。

制御部５を遮蔽体６の外側に配置することで、制御部５が電子線ＥＢの照射により金型Ｍから発生する電磁波等に曝露されることを防止できる。そのため、電磁波等により制御部５に不具合が発生することを防止できる。例えば、電磁波による制御部５の誤作動を防止でき、電磁波による制御部５の寿命の短縮を防止できる。

図６は、図１の支持部の他の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述のように支持部３を門型駆動部２１から構成しても良いし、図６に示すように、アーム状の駆動部２１Ａから構成してもよく、特に限定するものではない。
支持部３をアーム状の駆動部２１Ａから構成することにより、照射部２から照射される電子線の向きを容易に制御することができる。

図７は、図１の観察用カメラの他の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述のように観察用カメラ３３を設けて、照射部２の移動等を監視してもよいし、図７に示すように、遮蔽体６に観察用窓（観察部）３３Ａを設け、観察用窓３３Ａを介して監視してもよく、特に限定するものではない。観察用窓３３Ａには、Ｘ線などの電磁波が透過しにくい鉛ガラスがはめ込まれている。

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。

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１の照射部の構成を説明する概略図である。 図２の出射部の他の実施形態を説明する模式図である。 図３の出射部における下部出射部の向きが変更された状態を説明する模式図である。 図１の金型に対する照射部の移動制御を説明する模式図である。 図１の支持部の他の実施形態を説明する模式図である。 図１の観察用カメラの他の実施形態を説明する模式図である。

符号の説明

１ 電子線照射装置（エネルギ線照射装置）
２ 照射部
３ 支持部
５ 制御部
６ 遮蔽体
１２ 出射部
３３ 観察用カメラ（観察部）
３３Ａ 観察用窓（観察部）
Ｍ 金型（被照射体）

Claims (4)

1. 固定配置された被照射体に向けてエネルギ線を照射する照射部と、
   前記被照射体に対して前記照射部を移動可能に支持する支持部と、
   前記被照射体、前記照射部および前記支持部を内部に納める遮蔽体と、
   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。
2. 前記被照射体における前記エネルギ線が照射されている領域を観察可能とする観察部が設けられてい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。
3. 少なくとも前記照射部における前記エネルギ線が出射される出射部が、前記被照射体に沿って移動することを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギ線照射装置。
4. 前記照射部の移動を制御する制御部は、前記遮蔽体の外側に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエネルギ線照射装置。

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