JP2600040B2 - ワークロールの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子ビームを用いて動作時間インターバル
中にワークロールの表面に凹欠を形成する、凹欠状に表
面模様構造が付けられたワークロールの製造方法、およ
び、この方法を実施するための装置に関する。

たとえば薄鋼板の領域に表面模様構造を生じさせるた
めに用いられる、上記の形式のワークロールまたはドレ
ッシングローラを製造する目的で、従来は種々異なる方
法が用いられていた。一方では、ショット・ピーニング
に相応する鋼礫による粒子照射が行なわれ、他方では電
気腐食またはレーザにより、ワークロールの表面領域に
凹欠が形成される。しかし電気腐食や鋼礫による粒子照
射により、縁が鋭く区切られた凹欠が生じる。このよう
な凹欠の周縁領域は折れやすく、しかもほこりがたまり
やすい。さらに電気腐食やレーザ照射の場合には、ロー
ラ材料の酸化が生じ、したがって灰が形成される。ロー
ラ表面上に形成されるべき凹欠の個数は、レーザによる
加工処理の場合には使用されるミラーの慣性によって制
限される。

ドイツ連邦共和国特許第2840702号公報により、薄鋼
板の品質を改善する方法および装置が公知である。この
刊行物には、スパイラル状の進路に沿った断続的なエネ
ルギー照射によりローラ表面上に表面模様構造を形成す
ることが記載されている。たとえばエネルギー照射とし
てレーザビームを使用できることが記載されている。さ
らに、基本的に電子ビームを使用できることも既に記載
されている。しかし電子ビームを使用した場合の方法の
過程、あるいはこの方法を適用する装置の構成に関する
記載は示されていない。

ヨーロッパ特許第119182号公開公報により、レーザビ
ームまたは電子ビームによりローラ表面を照射すること
が公知である。このビームを用いることにより、スパイ
ラル状の軌道がローラの領域に形成される。たとえばこ
の場合、ビーム照射領域にガスたとえば酸素を吹き込む
ことが考えられる。酸素が入ることにより、ビーム照射
領域においてローラ材料の酸化が生じる。このことによ
ってビームにより形成される凹欠を取り囲むクレータ状
壁の形成が十分に回避される。なぜならば、蒸発してあ
るいは液状で凹欠から噴出する物質が著しく迅速に酸素
と反応するからである。

フランス国特許第902850号公報により、レーザビーム
を用いてワークロールの領域に表面模様構造を形成し、
さらにミラーを使用することによって、照射されるべき
ワークロールが回転および移動して位置固定されたレー
ザの前を動くことを回避することが公知である。

公知の方法により形成されるワークロールでは、満足
できる耐用期間が得られない。なぜならばローラ表面の
凹凸がきわめて短期間のうちに減ってしまうために、作
動中の押圧力の増強が必要となるからである。しかしこ
のように押圧力を強めることにより、金属板の特性が変
化してしまう。たとえば硬度や撓み特性が変化してしま
う。このような変動は製造中に生じるので、一定の製造
物（製品）特性を保証することはできない。

したがって本発明の課題は、高い負荷に耐え得る表面
模様構造が形成されるように、冒頭で述べた形式の方法
および装置を改善することにある。

本発明によればこの課題は、それぞれ動作時間インタ
ーバルの直前に位置する前処理時間インターバル中に、
前記動作時間インターバルにおける凹欠の形成に必要な
エネルギー密度よりも低いエネルギー密度で前記表面に
電子ビームを照射して、そのつど凹欠を形成すべき領域
において表面の温度上昇およびクリーニングを行うこと
により解決される。

この方法を実施するための装置は請求項６に記載されて
いる。

上記の方法を用いることにより、凹欠を取り囲むクレ
ータ状壁の領域において著しく均等な形状の表面模様構
造を、空洞を回避しながら形成することができる。この
ような空洞を回避することは次のような利点を有する。
すなわち、金属板のビーム照射中、表面模様構造は僅か
な変形しか受けず、したがって長期間持続する均一なビ
ーム照射が保証される。さらに上記の空洞の回避によ
り、材料の一部分の折損を避けられるという利点が生じ
る。このような折損により、表面模様構造の変形のほか
にたとえば塵埃の発生が生じてしまう。この方法に応じ
て形成されたワークロールを用いることにより、薄鋼板
だけでなく他の任意の成形可能な材料も、たとえばアル
ミニウム板もビーム照射することができる。この方法を
用いることによりきわめて均一な表面模様構造が形成で
きるので、ビーム照射される金属板の表面領域に、たと
えば深絞り成形時に有利である均質な油膜を形成でき
る。さらにこの表面模様構造により、金属板のコーティ
ングに対して、たとえばラッカー塗布に対して、良好な
付着性が提供される。

本発明の有利な実施形態によれば、前処理中に表面の
汚れのクリーニングが行なわれる。このクリーニングに
より、凹欠形成中に生じるクレータ状壁と表面との持続
的な接合が汚れの存在によって妨害されない、という利
点が得られる。適切にフォーカシングされた電子ビーム
を用いて凹欠形成の直前にこのようなクリーニングを実
施することにより、クリーニングと凹欠形成との間にお
いて場合によっては考えられ得る新たな汚れの形成を高
い確実性で除外することができる。さらに電子ビームの
エネルギー密度に応じて、質的に高いクリーニングを実
施することができる。さらに前処理の実行中、ワークロ
ール表面の温度の上昇が行なわれる。このような温度の
上昇によって個々の表面が溶融することにより、あるい
は少なくとも極めて密に密着することにより、クレータ
状壁と表面との接合が簡単化される。

本発明の有利な実施形態によれば、後処理中に少なく
ともクレータ状壁の溶融が行なわれる。この溶融によっ
ても、表面模様構造は実質的にその形状に関して変化さ
れないが、金属溶融中の補償力に基づき実質的に表面模
様構造特性が上昇する。このことにより凹化およびクレ
ータ状壁の平坦な形状が得られ、したがって負荷に強い
表面模様構造が得られる。

さらに本発明の別の有利な実施例によれば、電子ビー
ムは動作時間インターバル中はフォーカシングされ、前
処理時間インターバル中はデフォーカシングされる。フ
ォーカシングにより電子ビームのエネルギー密度を変化
させることにより、次のような利点が得られる。すなわ
ち、エネルギー密度の変化を著しく短い時間遅延で行な
うことができ、さらにビーム放射経路に沿ったイオン化
作用は、僅かな変化しか受けない。このことにより良好
な再現性が得られ、さらに電子放射にはっきりと影響を
及ぼす過渡現象が回避される。

さらに本発明の別の実施形態によれば、動作時間イン
ターバル中も前処理時間インターバル中も実質的に一定
な電子ビームの焦点調節が行なわれる。このような一定
の焦点調節により、正確に再現可能な表面模様構造を形
成するのに必要なイオンの平衡が処理過程全体に亘って
生じるようになる。イオンの平衡が妨げられるとした
ら、補償過程のその都度の発生によりこの方法により作
動する装置の動作周波数が下げられてしまうという欠点
が生じてしまう。

さらに別の有利な実施形態によれば、少なくともワー
クロールの表面領域における凹欠の形成中は、ワークロ
ールと電子ビームを発生させる記録機構との間の相対運
動に適合調整された電子ビームの追従が行なわれる。こ
れにより、凹欠とクレータ状壁のきわめて対称な形状を
形成することができる。このことによって、ワークロー
ルにより処理される金属板の領域において、金属板を処
理する際の移動の自由を損なう優先方向が生じてしまう
ことが回避される。

本発明の詳細は以下の実施例、ならびに本発明の有利
な実施形態が実例として示されている図面により明らか
にされる。

第１図は、表面模様構造を形成する装置の基本構成
図、第２図はビーム発生器の基本構成図、第３図は前記
装置の制御部のブロック図、第４図はレンズ制御部のブ
ロック図、第５図はフォーカシングされた電子ビームの
基本図、第６図はデフォーカシングされた電子ビームの
基本図であり、さらに第７図は照射される面に対する前
処理時間インターバル中の電子ビームの強度の分布を示
す図、第８図は照射される面に対する凹欠形成中の電子
ビームの強度の分布を示す図、第９図は照射される面に
対する後処理時間インターバル中の電子ビームの強度の
分布を示す図、第10図は前処理時間インターバル、動作
時間インターバルならびに後処理時間インターバルの配
分を示すダイアグラム、さらに第11図は多重パルス制御
のダイアグラムであって、相続く２つの動作時間インタ
ーバルにそれぞれ１つの前処理時間インターバルと後処
理時間インターバルとが配置されている。

第１図には、ワークロール２の表面１の領域における
表面模様構造を形成するための装置の基本構成が示され
ている。この装置は実質的に、電子ビーム３を発生する
ビーム発生器４、レンズシステム５、ならびにワークロ
ール２を収容する真空室６により構成されている。ビー
ム発生器４とレンズシステム５は、主室８と中間室９と
に分割されている放射装置７の領域内に配置されてい
る。主室８内にはビーム発生器４とズームレンズ装置10
とが配置されており、これらはレンズシステム５の一部
として構成されている。中間室９の領域内には、実質的
に可変絞り11とフォーカシング部12とが配置されてお
り、これらはズームレンズ装置10とともにレンズシステ
ム５の主要部を構成している。主室８は、真空スロット
ル13により中間室９と分離されている。真空スロットル
13は、実質的に中央に配置され電子ビーム３を通過させ
る開口部14を有している。この真空スロットル13によ
り、主室８の領域内と中間室９の領域内とを異なる圧力
状態におくことができる。したがってたとえば、主室８
の領域を約８×0,00001barの圧力にし、中間室９の領域
内を約８×0,001barの圧力にすることができる。

ビーム発生器４は実質的に、カソード15、ウェーネル
トシリンダ16、ならびにアノード17により構成されてい
る。アノード17の領域には、電子ビーム３を集束するア
ノード集束装置18が配置されている。電子ビーム３の放
射方向においてアノード17の後方に、後置集束装置20が
配置されており、この装置も同様に電子ビーム３の集束
を行ない、散乱による損失を回避する。カソード15は線
路15′を介して、約50KVまでの電圧を発生する高電圧ユ
ニット21と接続されている（第２図）。典型的な値は約
35KVである。このような電圧の場合、表面１の領域にお
いて代表的には１μｓごとに約７μｍの深さで凹欠22を
形成することができる。高電圧を約25KVに低減すると、
凹欠22（第４図）の典型的な深さは１μｓごとに約３〜
４μｍになる。さらにカソード15は加熱電流供給部23と
接続されている（第２図）。ウェーネルトシリンダ16
は、線路16′を介して電圧発生器24により給電される。
この電圧発生器により、カソード15に照射される電圧に
対して約1000Vの電位が形成される。アノード17の領域
には、アノード集束装置18を構成する集束コイルのほか
に、イオントラップ25が設けられている。このイオント
ラップは、アノード17の領域中で発生するイオンを電子
ビーム３の領域からそらす。アノード17は抵抗26を介し
てアース端子27と接続されている。さらに高電圧ユニッ
ト21も、基準端子の領域において抵抗28を介してアース
に対して接続されている。カソード15に対する材料とし
てたとえばタングステンワイヤが適している。なお、こ
れらの高電圧ユニット21、加熱電流供給部23ならびに電
圧発生器24により、第１の制御装置と称する構成要素が
形成される。

ズームレンズ装置10は、第１のズームレンズ29と第２
のズームレンズ30により構成されており、これらは放射
方向19において相前後して配置されている（第４図）。
第１のズームレンズ29は、ダイナミックレンズすなわち
電子ビームに作用する電磁界の強さを制御可能な電磁レ
ンズ31とスタティックレンズすなわち電子ビームに作用
する電磁界の強さが不変の電磁レンズ32により構成され
ている。第２のズームレンズ30は電子ビームに作用する
電磁界の強さを制御可能な電磁レンズ31なしで構成され
ている。主室８の領域における真空状態は真空ポンプ33
により保持され、中間室９の領域における真空状態は真
空ポンプ34により保持される（第１図）。たとえば、ポ
ンプ33、34をターボ分子ポンプとして構成することが考
えられる。中間室９の領域において、可変絞り11とフォ
ーカシング部12との間に集束装置35が設けられており、
この装置によって電子ビーム３の散乱による損失が回避
される。フォーカシング部12は実質的に、電子ビームに
作用する電磁界の強さが不変の電磁レンズ36と電子ビー
ムに作用する電磁界の強さを制御可能な電磁レンズ37と
により構成されている。電子ビームに作用する電磁界の
強さを制御可能な電磁レンズはそれぞれ、電子ビームに
作用する電磁界の強さが不変の電磁レンズ32、36の電子
ビーム３に面した側の内面の領域に配置されている。装
置７は真空室６に面した側に排出口38を有しており、こ
の排出口内にノズル39が配置されている。

ワークロール２の表面上の凹欠22の再現可能な位置決
め制御のために、ワークロール２の回転運動と同期化さ
れた網目ディスク40が設けられており、このディスクは
検出器41を介して評価部42と接続されている（第３
図）。評価部42は、後置接続された制御素子に対してク
ロックパルスを供給し、このクロックパルスによってワ
ークロール２の瞬時の方向を正確に検出することができ
る。ゼロ点検出部43を用いることにより、基準点の明確
な決定が行なわれる。評価部42は制御部44と接続されて
おり、この制御部をたとえばPLL回路として構成するこ
とができる。制御部44はのこぎり波発生器45と送りクロ
ックパルス発生部46へ給電する。のこぎり波発生器45
は、印刻用のこぎり波端子47と、送り用のこぎり波端子
48とを有している。送りタイミング発生部46には、送り
用ステッピングモータ端子49が設けられている。評価部
42はのこぎり波発生部45と接続されており、さらに制御
端子50′を介してレンズ制御部50と接続されている。レ
ンズ制御部50はズームレンズ端子51と、焦点調節レンズ
端子52と、さらに制御端子53とを有している。なお、こ
れらの評価部42、制御部44、のこぎり波発生器45、送り
クロックパルス発生部46ならびにレンズ制御部50によ
り、第２の制御装置と称する構成要素が形成される。

レンズシステム５を制御する目的で、レンズ制御部50
内には信号整形用の複数個の特性曲線部が設けられてい
る（第４図）。形成されるべき凹欠22の幾何学的形状を
決定する電子ビーム記録機構のための制御量は、制御端
子53、線形化部54を介して焦点調節部55と、時間発生器
段56a、56bおよび56c、ならびにズーミング部58へ送出
される。入力された制御量は、焦点調節部55において特
性曲線を用いることによりフォーカシング部12のための
設定値へ変換され、この設定値はフォーカシング部12の
電子ビームに作用する電磁界の強さを制御可能な電磁レ
ンズ37へ導かれる。ズーミング部58の特性曲線により、
制御量はズームレンズ装置10のための相応の設定値へ変
換され、さらにこの設定値は電子ビームに作用する電磁
界の強さを制御可能な31へ達する。

凹欠22を形成する際のプロセス経過の時間的な調整の
ために、評価部42で得られたクロックパルスとのこぎり
波発生器45で発生されたのこぎり波信号とが用いられる
（第４図）。

凹欠22を形成するために設定される時間インターバル
はのこぎり波信号59の１周期に相応し（第10図）、この
場合、時間インターバルの開始は、その都度クロックパ
ルスによりマーキングされる。

この時間インターバルは、少なくとも１つの動作時間
インターバル60と１つの中間インターバル61を含む。有
利には、動作時間インターバル60の前に位置する前処理
時間インターバル63、および／または動作時間インター
バル60の後に位置する後処理時間インターバル64が設け
られる（第10図）。動作時間インターバル60中、フォー
カシング部12は、凹欠22を形成するエネルギー密度ない
しこれを拡大するエネルギー密度を電子ビーム３が有す
るように制御される。少なくとも動作時間インターバル
60から中間インターバル61へ移行する間に、凹欠22を囲
撓するクレータ状壁62（第８図および第９図）が溶融
し、これにより場合によっては生じる凹凸が平らにされ
る。

前処理時間インターバル63中、凹欠22およびクレータ
状壁62により形成される面のクリーニングと温度の予備
調節が行われる。この前処理により、クレータ状壁62と
表面１との持続的な接合が保証される。後処理時間イン
ターバル64中、所定の期間にわたりクレータ状壁62の溶
融が行われる。たとえば、１つの時間インターバル中に
少なくとも２つの動作時間インターバル60を設け、その
時間インターバルにおいて凹欠22を形成し、それらの動
作時間インターバル60を別の中間インターバル61で分離
することが考えられる（第11図）。

基本的に、この時間インターバルにのこぎり波信号59
の複数の周期を割り当て、さらにたとえば各周期中に１
つの動作時間インターバルを設けることも考えられる。

動作時間インターバル60、前処理時間インターバル6
3、および／または後処理時間インターバル64の個々の
持続時間は、レンズ制御部50の時間発生器段56a、56b、
56c（第４図）において制御量に依存して算出される。
このことは特性曲線を用いて制御量を、時間インターバ
ルの個々の持続時間を決定するクロックパルス信号へ変
換することにより行われる。

前処理時間インターバル63の持続時間を決定する時間
発生器段56aは、制御端子50′におけるクロックパルス
によりトリガされる。前処理時間インターバル63の経過
終了後、動作時間インターバル60の持続時間を決定する
時間発生器段56bは、時間発生器段56aにより起動され
る。動作時間インターバル60の経過終了後、後処理時間
インターバル64の持続時間を決定する時間発生器段56c
は、時間発生器段56bにより始動される。

時間発生器段56a、56b、56cにおいて得られたクロッ
クパルス信号は焦点調節部55へ導かれ、前処理時間イン
ターバル63、動作時間インターバル60、および／または
後処理時間インターバル64においてフォーカシング部12
のための種々異なる設定値の送出を制御する。

電子ビーム３の追従制御により、ノズル39に対するワ
ークロール２の相対運動の補償を行なうことができる。
このことにより電子ビーム３は、予め選ばれた領域上に
正確に合わせられたままになり、きわめて対称的な凹欠
22が形成されるようになる。レンズシステム５を制御す
る際の時間遅延が著しく僅かであるので、毎秒約150000
個の凹欠22を形成することができる。適度に高速な制御
装置を使用すれば、毎秒300000〜600000個までの凹欠の
得られるクロックパルス周波数を実現することもでき
る。このようなクロックパルス周波数を実現するため
に、ワークロールは毎秒約10回転の回転速度で回転しな
がら照射され、適切な伝達運動が行われる。凹欠22の形
成が約16μｓの期間である場合、約45分以内に完全なワ
ークロールが処理される。ワークロールによる所要エネ
ルギーは、この期間中、約500Wだけである。表面１の領
域における不所望な変動は、温度の印加または類似のプ
ロセスにより取り除かれ、しかもこれは高い確率で取り
除かれる。中間インターバル61のための期間として、約
１μｓの期間が有利であると判明した。凹欠22とクレー
タ状壁62により約30〜400μｍの直径を有する領域が占
有される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボッペル，ヴォルフガング ドイツ連邦共和国 Ｄ―2308 プレーツ オットー―ハーン―シュトラーセ 22 (56)参考文献 特表 平４−506033（ＪＰ，Ａ) 米国特許4393295（ＵＳ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビーム（３）を用いて動作時間インタ
   ーバル（60）中にワークロール（２）の表面（１）に凹
   欠（22）を形成する、凹欠（22）状に表面模様構造が付
   けられたワークロールの製造方法において、 それぞれ動作時間インターバル（60）の直前に位置する
   前処理時間インターバル（63）中、前記動作時間インタ
   ーバル（60）における凹欠（22）の形成に必要なエネル
   ギー密度よりも低いエネルギー密度で前記表面（１）に
   電子ビーム（３）を照射して、そのつど凹欠（22）を形
   成すべき領域において表面（１）の温度上昇およびクリ
   ーニングを行うことを特徴とする、 凹欠状に表面模様構造が付けられたワークロールの製造
   方法。
2. 【請求項２】前記前処理時間インターバル（63）中にそ
   のつど、形成すべき凹欠（22）と該凹欠（22）を取り囲
   むクレータ状壁（62）の大きさに相応する表面（１）の
   領域に電子ビーム（３）を照射する、請求項１記載の方
   法。
3. 【請求項３】前記ワークロール（２）と、電子ビーム
   （３）を発生するビーム発生器との間における相対運動
   により、前記ワークロール（２）の表面（１）上に表面
   模様構造を形成し、前記電子ビーム（３）は動作時間イ
   ンターバル（60）中、前記ワークロール（２）といっし
   ょに動かされる、請求項１または２記載の方法。
4. 【請求項４】フォーカシング装置（12）を用いて前記電
   子ビーム（３）のエネルギー密度を変化させ、前処理時
   間インターバル（63）中、動作時間インターバル（60）
   中のフォーカシング設定に対しデフォーカシングするこ
   とで前記エネルギー密度を低下させる、請求項１〜３の
   いずれか１項記載の方法。
5. 【請求項５】動作時間インターバル（60）中も前処理時
   間インターバル（63）中も前記電子ビーム（３）の焦点
   調節を行う、請求項１〜４のいずれか一項記載の方法。
6. 【請求項６】ワークロール（２）の表面（１）に凹欠
   （22）状に表面模様構造が付けられたワークロールの製
   造装置であって、 前記凹欠（22）は、動作時間インターバル（60）中に電
   子ビーム（３）により形成され、 ワークロール（２）を収容する真空室（６）と、該真空
   室（６）と結合されたビーム発生装置（７）とが設けら
   れており、 該ビーム発生装置（７）は、電子ビーム（３）を発生す
   るビーム発生器（４）と、電子ビーム（３）に作用する
   電磁界の強さが不変の電磁レンズ（32）および電子ビー
   ム（３）に作用する電磁界の強さを制御可能な電磁レン
   ズ（31）を有する焦点距離の長い第１の電磁レンズ系
   （29）と焦点距離の短い第２の電磁レンズ系（30）とを
   備えたズームレンズ装置（10）と、電子ビーム（３）に
   作用する電磁界の強さが不変の電磁レンズ（36）と電子
   ビーム（３）に作用する電磁界の強さを制御可能な電磁
   レンズ（37）を有する第３の電磁レンズ系を備えたフォ
   ーカシング装置（12）と、前記ビーム発生器（４）と接
   続された第１の制御装置（21;23;24）と、前記ズームレ
   ンズ装置（10）および前記フォーカシング装置（12）と
   接続された第２の制御装置（42,44,45,46,50）から成
   る、 ワークロール（２）の表面に凹欠（22）状に表面模様構
   造が付けられたワークロールの製造装置において、 前記第２の制御装置（42,44,45,46,50）は、前記ズーム
   レンズ装置（10）および前記フォーカシング装置（12）
   と接続された時間制御装置（55,56a,56b,56c）を有して
   おり、該時間制御装置により、前記の電子ビーム（３）
   に作用する電磁界の強さを制御可能な電磁レンズ（31,3
   7）の調整によって、前記動作時間インターバル（60）
   中は凹欠（22）が形成されるエネルギーレベルで電子ビ
   ーム（３）が制御され、該動作時間インターバル（60）
   の直前に位置する前処理時間インターバル（63）中は、
   前記動作時間インターバル（60）中よりも低いエネルギ
   ーレベルになるよう電子ビーム（３）がデフォーカシン
   グされることを特徴とする、 凹欠（22）状に表面模様構造が付けられたワークロール
   の製造装置。