JP4711394B2 - 電子ビーム照射表面改質加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、各種の金属、合金部品、或いは合金工具や各種の金型などの金属部材の表面に電子ビームを照射してその表面改質加工を行う加工装置の改良に関する。

鋼等の鉄系金属あるいはアルミニウム合金等の非鉄金属で構成された部材の表面に、極めて短時間の高密度エネルギビームの照射（電子ビーム照射、レーザビーム照射等）を行なって該エネルギビーム照射を停止すると、照射部位の表層部のみが一部に気化を伴ないながら局部的に溶融状態となった後、直ちに自己放冷によって再凝固するが、この溶融時に重力や表面張力の作用等によって凹凸が平滑化して表面粗さが改善され、次いでその状態のままで再凝固が為されるので、放電加工面や機械研削面を、格別な工具や砥粒等を要することなく短時間で表面の平滑化やアモルフアス化等の耐摩耗面化の表面改質加工が為されることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、筒状アノードと、その軸線上の一方に配置され電子を放出するカソード（平面冷陰極）と、両者間に形成される低圧電離気体を充填された電子加速空間と、カソード及びアノード並びに加速空間のうちの少なくとも１つに軸方向の磁場を与える磁場付与手段と、被照射体を保持してアノードの軸線上の他方に配置されてカソードからの電子ビームが照射される被照射体設置テーブルを兼用するターゲットと、前記カソード及びターゲット間にパルス幅が０．５μｓ以上１０μｓ以下の短いパルス状の加速電圧を与えてカソードの近傍にカソードプラズマ柱を発生させる第１電源手段と、アノードの内側にアノードプラズマ柱を発生させるための第２の電源手段とを有し、カソードプラズマ柱およびアノードプラズマ柱の間でつくられる電気二重層の高い電位傾度により、エネルギ密度が０．１Ｊ／ｃｍ^２以上１０Ｊ／ｃｍ^２程度以下の比較的低エネルギ密度ながら高電流の電子ビーム流を発生させる電子ビーム装置を用いて、例えば、合金鋼、チタン系合金、コバルト系合金又は貴金属系合金の表面に電子ビーム流を繰り返し照射し、表面の平滑化仕上げと耐蝕性向上面とが手間と時間を掛けることなく得られることも知られている（例えば、特許文献２参照。）。

そして、上述の金属、合金等の表面改質加工用の電子ビーム加工装置は、前述のように工夫された構成及び制御操作によって最大でビーム直径が６０ｍｍ程度の比較的均一なエネルギ密度の電子ビームを発生させることができるものであり、各種鋼製の金型の機械切削、研削加工後や放電加工後の表面仕上げ及び表面改質加工に有用に適用し得るものであることも知られている（例えば、特許文献３、及び非特許文献１及び２参照。）。

以下この表面改質加工方法及び装置の一例を説明するに、図７は、全体構成の概略を示す装置側断面図で、１は真空ハウジング、６は環状アノード、８は大面積の冷陰極カソード、Ｓは電子加速空間、５は上下ソレノイドコイルから成る磁場付与手段、１４はビームターゲットとしてのテーブルを示している。前記真空ハウジング１は、一点破線部１−１より上方の電子ビーム発生部を収納する筒状の電子銃部１Ａと、前記破線部１−１より下方の電子ビームの照射を受ける被照射体１２を設置するテーブル１４等を収納する図示では省略された前記電子銃部１Ａより断面積が十分大径の加工処理函体部１Ｂとから成る。

前記真空ハウジング１には、スクロールポンプ２とターボ分子ポンプ３とが夫々流量調節弁２Ａ、３Ａを介して連結され、さらに、アルゴン（Ａ_ｒ）等のガスボンベ１５が圧力調整弁４を介して連結される。図示しない真空ハウジング部１に設置の真空センサが、設定ガス圧となるようにポンプ３が作動する。真空ハウジング部１内は、一旦１×１０^−２Ｐａ以下の真空状態とした後、例えば、３〜９×１０^−２Ｐａ程度の所定の低ガス圧状態に保たれる。

この図７の加工処理装置には、図７〜９で図示説明するように電子銃部１Ａに３つの、パルス電源が設けられる。先ず第１のパルス電源１６は、アノード６とコレクタとしてのテーブル１４間の陽極プラズマ７が、カソード８とアノード６が対向する電子加速空間Ｓ内に安定的に閉じ込めた状態で行われるように、図９に示す磁場空間を前記電子加速空間Ｓを取り囲んだ状態に形成する電子ビーム照射軸方向に通常一対設けられるソレノイド５、５励磁用コンデンサ充放電パルス電源で、具体的には、例えば、約１０００μＦのコンデンサを約１〜２ＫＶに充電し、約１００〜２００Ａの放電ピーク電流で、約１０〜２０ｍｓのパルス幅で放電させて前記閉じ込め磁場を発生形成させるように構成する。

次に第２のパルス電源１７は、アノード６とコレクタとしてのテーブル１４間に印加されて前記閉じ込め磁場が形成されている電子加速空間Ｓの領域に低圧ガス電離の陽極プラズマ形成を伴う低圧ガス中のグロー放電を生成させるコンデンサ充放電パルス発生装置で、具体的には、例えば、約５μＦのコンデンサを約４〜５ＫＶに充電し、約５０〜１５０Ａの放電ピーク電流で、約１０〜１００μｓのパルス幅で、前記第１のパルス電源１６のスイッチ・オンによる磁場形成開始後、充分な磁場形成を待って放電のスイッチ・オンにして、前記陽極プラズマ７形成を伴う低圧ガスグロー放電を生じさせるパルス電源である。

そして、第３のパルス電源１８は、前述第１のパルス電源１６及び第２のパルス電源１７により、閉じ込め磁場中での陽極プラズマ７の形成を伴う低圧ガス放電領域から、電子ビーム１１の短いパルスを発生照射させるために、具体的には、例えば、約０．５〜５μＦのコンデンサを約１０〜７０ＫＶに充電し、極めて短いパルス幅で、前記第２のパルス電源のスイッチ・オンによりプラズマが発生したのを待ってスイッチ・オンすることにより、ターゲット１４に対しカソード８に負の高電圧パルスを印加し、前記アノードプラズマ７とカソード８表面の高密度のカソードプラズマ９による電気二重層を形成させ、電子ビーム１１をテーブルターゲット１４上の被照射体１２に照射する。

なお、上述の場合、発生電子ビーム１１の照射ターゲットとなるテーブル１４は、接地される真空ハウジング１に接続して同電位とされるのに対し、前記アノード６及びカソード８は図示するように夫々絶縁物６Ａ、８Ａにより、前記ターゲットと同電位の真空ハウジング１に対して絶縁して保持されているものである。

このような、パルス電子ビーム１１の、照射による金属材の表面仕上げ、及び／または表面の改質加工には、前記電子ビーム１１のエネルギ密度が約０．１〜１０Ｊ／ｃｍ^２程度で、継続照射時間が数μｓ以内の短いものであるから、被照射体ワーク１２の表面の電子ビーム照射領域に対して、所定複数回繰り返し照射する場合や、ワーク１２表面の電子ビーム１１の径よりも大きい領域を順次移動して加工をする場合には、前記第１乃至第３の各パルス電源１６〜１８は約５〜１０ｓ毎又はそれより短い時間間隔で繰り返し照射し得る仕様とすることが望ましい。

このような断面積が１０ｃｍ^２程度の電子ビームのエネルギの分布密度を均一にするには、カソード８近辺に高い電位傾度の電気二重層を形成させることが重要で、安定したアノードプラズマがカソード近辺に達していることが望ましい。
プラズマを均一に閉じ込める磁場の方式、電離気体圧力、平面冷陰極の構造に加えてダイレクトディスチャージ（Direct Discharge）方式から、環状アノード６を用いるリフレクテッドディスチャージ（Reflected Discharge）方式への転換が安定した電子ビームの発生を実現した（例えば、非特許文献３参照。）。

この電子ビームの照射エネルギは前記パルス電源１８の加速電圧によって大凡０．１Ｊ／ｃｍ^２乃至２０Ｊ／ｃｍ^２の範囲で変更設定できるように構成されるが、飛行中の電子ビームは前記アノードプラズマの密度により影響を受けるから電離気体の圧力を変更すると照射エネルギも変化する。

即ち、実験結果の例を図１０に示すように、照射電子ビームの照射熱量密度（Ｊ／ｃｍ^２）と真空ハウジング１内稀ガス（Ａｒ）のガス圧（Ｐａ）との関係を第３のパルス電源１８による３つの異なる加速電圧の場合について示したように、ガス圧の変更によるエネルギ密度の変更設定が、比較的小さいガス圧変更で可能なことが判る。そして、このことから、逆に真空ハウジング１内のガス圧安定制御（＜±１％）が重要なことが判る。

なお、前述照射電子ビームのエネルギ密度（照射熱量密度）の変更は、前述図１０、及び加速電圧Ｋｖ（横軸）と照射熱量密度Ｊ／ｃｍ^２（縦軸）との関係に係る図１１に示すように第３のパルス電源１８による加速電圧の変更によって可能である。

図１に説明する電子ビーム照射表面改質加工装置の構成とすると、被照射体１２を設置するテーブル１４表面の電子ビーム１１軸方向のカソード８に対する位置の変更が可能で、被照射体１２の電子ビーム照射距離（ｈ）、即ち、カソード８の前面からテーブル１４上に設置された被照射体１２の電子ビーム照射表面間の距離（ｈ）を変更すると、例えば、図１２に示すように、前記照射距離により前記照射エネルギ（照射熱量）密度（Ｊ／ｃｍ^２）が変化し、照射エネルギ密度（縦軸）を変更設定したり、制御をし得るものであることが判る。

なお、上述の図１０乃至図１２の数値データは、電子銃部１Ａの内径φ１９０ｍｍ、カソード８がφ０．１５金属針金φ６０ｍｍの束、環状アノード６の内径φ９０ｍｍの装置稼動のものである。

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巻、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）」―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.

以上のように図示説明した断面大面積の電子ビームパルス照射装置によれば、照射電子ビームの被照射体に対する照射エネルギ密度（Ｊ／ｃｍ^２）が、（１）カソードに対する加速印加電圧（ＫＶ）、（２）カソード８と被照射体の被照射表面間の距離（ｃｍ）、及び（３）真空（電子銃）ハウジング内の希ガスのガス圧（Ｐａ）等により変更が可能である。

上記の場合の照射ビーム断面各部のエネルギ密度の不揃いは、斯種断面大面積の電子ビームパルスの照射による被照射体の表面改質等の処理が、前記電子ビームのパルスを通常数回前後と言う複数回照射により行なわれるものであるため、その複数回照射する内に自ずと補正されるものの、前記各照射電子ビームパルス毎の照射領域の平均的なエネルギ密度の値の予定した値からの大又は小の違いに通ずる照射電子ビームパルス毎の照射エネルギの各予定した値からの違いは、実際に発生した照射ビームのエネルギが直接測定又は検知されていないために補正することが出来ず照射処理の過不足が多く生じていた。即ち、上記照射処理の過不足は、作業者の経験や勘、及び目視検知等により、電子ビームパルスの照射回数を増減させたり、前述照射エネルギ、即ち、照射領域の平均的なエネルギ密度が設定変更により変化する前述（１）カソード加速印加電圧、（２）カソード８からの照射距離、及び（３）希ガスのガス圧の内の１つ以上の設定を変更することにより補正が試みられていたが、定量的な指標は充分に与えられていなかった。

即ち、斯種装置による電子ビームの照射による処理は、或るエネルギ密度を持った電子ビームを約１〜５μｓ程度の短時間照射により、被照射体表面の微小突起部を含む数μｍ厚の表層部のみが、前記短い時間の間に溶解した後再凝固する状態を生ぜしめようとするものであるから、設定により予定した照射エネルギの発生照射に過不足が有っては、前記目的とする照射加工処理の効果を数値的に解析する根拠に欠けるものであった。

そこで本発明は、斯種電子ビームのパルスを繰り返し照射して被照射体の表面を改質加工処理する装置に於いて、照射毎の照射熱量を測定して被照射熱量を計算して表示することにより、照射効果と比較参照し照射条件を変更し、電子ビーム照射の補正を可能とし、目的通りの正確な改質加工処理が行なえるようにするものである。

即ち、従来斯種の装置に於ける設定条件毎の電子ビームの照射エネルギ又は、有効照射領域とする部分の平均的な照射エネルギ密度（Ｊ／ｃｍ^２）は、装置製作過程では、測定され、調整設定等されるものの、該装置を金属部材等の表面改質加工処理に使用する電子ビーム照射時には、チェック的には測定乃至は検知されることは有っても、前記金属部材等の電子ビーム照射処理全般にわたって測定、検知されることはなかった。

従来斯種の装置による金属部材等の表面改質加工処理の原理等は必ずしも明解ではないが、電子ビームの照射が０．５〜５μｓ程度と言う短時間の内に表層の数μｍ以内の溶解層を生じさせて進行する現象が主であると思惟されるところから、照射ビームによる熱的作用が支配的なものと考えられる。
ところで電子ビーム照射を受けた物体は、被照射表面からの熱伝導により温度が上昇して熱平衡に達する。しかし、この物体の熱量増加を照射された全エネルギと看なすことは正しくない。なぜなら、電子ビームは被照射体に照射されて熱エネルギに変換されるだけでなく、高光度の発光、電磁放射等にも変換され、他方この熱的作用は被照射体の物性により著しく変わるもので、被照射体の熱量増加は、電子ビームエネルギーの全てではない。被照射対象物毎に測定体物質を変更することが本発明の重要な点である。

金属部材等の表面改質加工処理等を目的とする対象物質毎には、前記熱量の増加を、工業的な目安となし得るものである。そこで、表面改質加工処理効果の尺度として熱量の増加を採り、他の因子、特に前述した（１）カソードに対する加速印加電圧（ＫＶ）、（２）電子銃カソードの前面と被照射体照射表面間の距離（ｃｍ）、及び（３）函体部内希ガスのガス圧（Ｐａ）との関係を知ることは、この技術の利用及び進歩に重要である。

そこで本発明は、表面改質加工処理の対象被照射体物質が変更されるのに応じてそれぞれの物質を対象として熱量を測定して対応することの出来る新規な照射ビームの熱量測定装置を提供し、さらに該熱量測定装置の測定体を被照射体の近傍に照射面高さを同一にして並設し、電子ビームの照射毎に熱量の増加を測定し、計算して当該照射ビームの照射熱量及び／又は所要複数回照射の総積算照射熱量等を計算し、表示し、そして更には記録する。

斯種の表面改質加工装置は、真空ハウジング内希ガスのガス圧を目的とする選定値に正しく設定、維持させなければならないと言う問題と、前述３つのパルス電源１６、１７、１８に於ける充電電圧及び電圧印加放電のタイミングと放電電流等放電の状態、並びにパルスとしての電子ビーム照射時間等の正確な設定、制御管理をしなければならないと言う高度に技術的に困難な問題を有しているものである。また、斯種の装置は、長時間又は長期間繰り返し使用すると機器の特性が変化することも当然起こり得るので、かかる問題点に基づく電子ビーム照射エネルギの変動、変化への対応が求められていたのである。
従って、本発明は、既に前述したところから明らかなように、装置使用中の電子ビームのパルス毎の照射エネルギの関数であるところの照射熱量を常時測定して表面改質加工処理の状態を管理し、またそれによって装置の状態、保全を図ることを目的とする。

前述の本発明の目的は、（１）電子銃内に平面冷陰極（カソード）と環状アノードを順次に配置し、電子ビームの被照射体を設置するテーブルをターゲットとして前記電子銃につながる低気圧電離気体を充填するハウジング中に位置せしめ、所定の低ガス圧状態におかれた電子銃内をソレイドの励磁により閉じ込め磁場中に置き、前記アノードとターゲット間に電圧を印加することにより前記電子銃内にアノードプラズマを生成させた状態とし、前記カソードに前記ターゲットに対し高い負の電圧パルスを加速電圧として印加することにより前記アノードプラズマを通路とする絞られない電子ビームのパルスを前記被照射体に照射し、照射を繰り返すことにより表面を改質処理する装置に於いて、前記テーブル面上に設置可能な熱量測定セットであって、前記テーブルに導線を介して接続される以外には熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下の熱絶縁状に保持して設置可能な電子ビームの被照射面を有する熱量測定体と、該測定体の温度を測定する温度センサと、前記測定体の電子ビーム照射前の平衡温度又は前回の電子ビーム照射後の平衡温度と次回の電子ビーム照射後の平衡温度との差を読み取る測定手段と、前記測定した温度差と、測定体の電子ビーム照射面積、比熱、及び質量とから被照射熱量を計算して表示する装置とを有する電子ビーム照射表面改質加工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、（２）前記測定体が、前記被照射体と同一材質のものから製作されている前記（１）に記載の電子ビーム照射表面改質加工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、（３）前記測定体が、前記テーブル上に設置される導電材ベースに、熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下である非金属の支柱により熱絶縁して保持され、導線により電気的に前記テーブルに接続されている前記（１）に記載の電子ビーム照射表面改質加工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、（４）前記測定体が、電子ビーム被照射面を上面とする上下逆の錐台に構成されている前記（１）に記載の電子ビーム照射表面改質加工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）前記測定体は、前記上方の電子ビーム被照射面を除く外周側面が、セラミックコーティング付絶縁テープで包皮されて成る前記（１）に記載の電子ビーム照射表面改質加工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）前記測定体に電子冷凍装置を設けてなる前記（１）に記載の表面改質加工装置とすることにより達成される。

また、好ましくは、前記テーブル上に前記被照射体に近接して該被照射体の電子ビーム照射面と同一の高さの被照射面を有する測定体を並設し、被照射処理工程時に、同時に前記測定体への照射熱量の測定を行なうようにする。

本発明の前述発明（１）によれば、照射電子ビームパルス毎の照射エネルギを、照射熱量を特定の熱量測定セットで測定することにより正確に知ることが出来るので、表面改質加工処理の状態を正確に検知して管理することが出来、さらに装置の状態、保全にも資することができる。

また、本発明（２）によれば、被照射体で照射熱量を測定したことになるので、表面改質加工の処理効果が測定体の被照射体との材料相違によって違って来ることの問題を回避することができる。

また、本発明（３）によれば、測定体からテーブル等への熱伝導を最小に保って照射熱量の測定が行なわれるので測定の正確度が向上して管理も正確になる。

また、本発明（４）によれば、電子ビームの照射面が、効果的に電子ビームに対向する上面部に限られるので、簡単に測定精度を向上させることが出来る。

また、本発明（５）によれば、照射電子ビームが測定体の照射面の外周近傍から下側面に廻り込んで照射と計数されるのが防止されるので、さらに測定精度を増すことができる。

また、本発明（６）によれば、測定体の過度の温度上昇を防止できるだけでなく、目的とする熱量測定を厳密にするために、測定体の温度を常に所定の一定値にしてから、又は所要の温度に設定してビーム照射による熱量測定を行なうようにすることが出来、熱量測定の幅を拡大することができる。

なお、熱量測定体を現に表面改質加工処理すべき被照射体と同一条件で、同一の電子ビームのパルスでの照射の熱量測定を同時に行なうようにすると、異常発生等に対する監視効果が即応的に可能となり、設定やプログラムの修正が可能になる。

図１は、本発明の一実施例装置の正断面説明図で、前述従来例の図７の装置に符合するものであり、同一物または同等物には同一の符号を付して示してある。
図に於いて、被照射体１２を設置するテーブル１４は、電子ビーム１１のターゲットであって、２軸テーブル１９と共にリニアモータ等を有する水平２軸移動体に構成され、前記テーブル１４上には、後述する熱量測定セット２１が、前記ワークとしての被照射体１２と実質上同一の条件で、電子銃部１Ａからの電子ビームのパルス１１の照射が受けられる位置にセットするものである。

前記２軸移動体１９としては、前述の如く、例えば非磁性ステンレスによる密閉乃至シール可能なハウジングによりキャンドモータ化して構成された励磁コイルを有する１次側部材と、磁石片列を設けたヨーク材を有する２次側部材とを有する直流又は交流コアレスリニアモータを用い、ラック支柱２０Ａに固定して設けたテーブルベース１９Ａと該テーブルベース１９Ａの上面に対し水平左右方向に直線に移動するように軸支してラム１９Ｂを設け、該ラム１９Ｂの下面に前記リニアモータの1次側部材と2次側部材の一方を可動子として取り付けるのに対し、前記テーブルベース１９Ａの上面に他方を固定子として取り付け、さらに前記ラム１９Ｂの上面に水平前後方向に直線に移動するように軸支してテーブル１４を設け、該テーブル１４の下面に前記リニアモータの1次側部材と2次側部材の一方を可動子として取り付けるのに対し、前記ラム１９Ｂの上面に他方を固定子として取り付ける構成とするとよい。

そして、前記２軸テーブル１９は、該テーブル１９を加工処理函体部１Ｂに取り付け支持するラック支柱２０Ａと、加工処理部１Ｂ壁に気密に取り付けられたラック支柱２０Ａを外部でＺ軸移動するように設けたモータ等の駆動源連結されるピニオンギア２０Ｂとを有し、所要の被照射体１２の改質加工処理をする電子ビーム１１の被照射面が、カソード８前面から所要の照射距離ｈの位置にあるように昇降移動して位置決めされる。なお、電子ビームのパルス照射は、前記テーブル１４が兼用するターゲット１４とカソード８との間に、負の高い加速電圧を印加することにより照射が行なわれることになるが、電子銃部１Ａを含む真空ハウジング１の全体が、前記ターゲット１４と同電位にあるよう接地線２６により、加工処理函体１Ｂは接続されている。

図２は、前記熱量測定セット２１をテーブル１４の角部に設置した状態として示す斜視図で、熱量測定体２１Ａと、該測定体２１Ａの所定の位置の温度を測定するように取り付けられた、この場合熱電対等の接触式の温度センサ２１Ｂと、該測定体２１Ａを熱量測定セット２１としてテーブル１４上に設置するステンレススチール等の導電性のセット設置ベース２１Ｃと、前記測定体２１Ａをテーブル１４から離隔し、熱絶縁状態として電子ビーム照射位置に設置するように前記測定体２１Ａをベース２１Ｃに取り付け保持させる熱伝導度が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下と小さい値の非金属の支柱２１Ｄとから成る。なお前記温度センサー２１Ｂは放射温度計に変えて同様目的に構成することができる。

図３は、前記一支柱２１Ｄ部分の実施例断面図で、前記支柱２１Ｄの構成材としては測定体２１Ａに対する電子ビーム１１による照射熱量が、それが測定のためテーブル１４へと容易に逃げないように、熱伝導度が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）より小さい非金属、通常Ａｌ_２Ｏ_３系やＺ_ｒＯ_２系等の酸化物系セラミックス、又はＳｉＣ系やＳｉ_３Ｎ_４系等の非酸化物系セラミックスを用いるものであり、さらに好ましくは、前記支柱２１Ｄを中空柱状体とするものであり、また、測定体２１Ａをベース２１Ｃを介してテーブル１４に接地する導線２１Ｅを、一本以上が中空柱状体に構成された支柱の中空部に挿入し、その上下端を測定体２１Ａとベース２１Ｃに接するように挿設した金属片２１Ｆに接続するものである。

前記熱量測定セット２１の測定体２１Ａの材料としては、表面改質加工処理が為される例えば、金型等の被照射体１２と同じ材料の素材が選定セットされるべきである。何故ならば、このプロセスによる表面改質加工の効果（ビーム照射表面の特に鏡面の品質）が、被照射体の材料成分によって顕著な差異があるからである。さらに言えば、前述図１２等により説明した電子ビーム照射距離ｈ（ｃｍ）と照射による熱量の特性関係が材料によって異なるからである。照射熱量と照射効果を正して参照するためには、測定体２１Ａの材料を適宜に選定して使用しなければならない。そして測定のやり易さからすれば、前記測定体２１Ａは測定感度を高めるために、比熱が小さく、熱伝導度の大きい物質が望ましく、また、損傷を避けるためには、溶融点が高く比重の大きいものが良い。

測定体２１Ａの上面２１Ｇの全面は電子ビーム１１の照射を受ける面で所定面積（Ａ）を有し、照射面積を正確に限定するために図示実施例では錐台を上下逆にした形状に形成され、上面の被照射面２１Ｇが面積が大で、下方に行くに従って断面積が小さくなる傾斜の形状となっている。図示例では角錐台を使用しているが勿論円錐台であっても良い。また、図６の側面図として示すように、測定体２１Ａの外周側面へのビーム照射を回避するように、表面に耐熱性付与のセラミックスコーティングをした絶縁性テープ２１Ｈを外周側面の少なくとも上方部分を包皮するように巻き付けるようにすると良い。

前記ビーム照射面積（Ａ）を有する被測定体２１Ａは、後述するように照射熱量の計算に使用される測定体の質量（Ｍ）と比熱（Ｃｐ）が既定値として予め測定されている。そして、前記熱量測定セット２１の前記測定体２１Ａの被照射面２１Ｇの照射距離、即ち、電子銃部１Ａのカソード８の前面の位置と、テーブル１４上に設置された被照射体１２の電子ビーム照射表面間の距離ｈと実質上等しいことが望ましく、従って必要ならば、必要に応じて測定体２１Ａを被照射体１２に合わせて交換自在とした熱量測定セットを前記照射距離に応じて複数用意して置くか、前記熱量測定セット２１の一部以上の構成部品として長短、又は大小等異寸法の物を交換可能に用意して置くとか、例えば、前記支柱２１Ｄを同軸伸縮設定可能な構造体に構成したものを使用するようにしても良い。

また、前記図６において、測定体２１Ａの下面に接して取り付けられているのは、前記測定体２１Ａの過度の温度上昇を防止するために設けられる冷却手段、例えば、電子冷凍装置２１Ｊであって、かかる冷却手段を設けることにより、目的とする熱量測定を厳密にするために、測定体２１Ａの温度を一旦常に一定値に冷却してから、又は所要の温度に設定してビーム照射による熱量測定を行なうようにすることができ、熱量測定の幅を拡大することが出来るようにしたものである。

図１に於ける２２はＣＮＣ制御装置で、入力装置２２Ａ、プログラム制御装置２２Ｂ、計算装置２２Ｃ、表示装置２２Ｄ、及び外ＸＹＺ等の軸移動装置２３や各種機能装置２４への制御指令出力装置２２Ｅ等を有し、前記測定体２１Ａに対する電子ビーム照射前の平衡温度又は前回の電子ビーム１１照射後の平衡温度との差を読み取るようプログラム制御装置２２Ｂから熱量測定手段２５に指令して測定取り込み、該測定して取り込んだ測定体２１Ａの温度差と電子ビーム１１の測定体２１Ａにおける照射面積（Ａ）、比熱（Ｃｐ）、及び質量（Ｍ）とから、計算装置２２Ｃに設定してある被照射熱量計算プログラムによって計算して結果を表示装置２２Ｄに表示し、必要なデータは図示しない記憶装置に記憶したり集計演算を行なったりするものである。

そして、前記制御指令出力装置２２Ｅから、機能駆動装置２４へ指令信号が出力すると機能駆動装置２４はその指令内容に応じ、ピニオンギア２０Ｂを駆動して照射距離（ｈ）を、又は第３のパルス電源１８の電圧調整器１８Ａを駆動して電子ビーム加速電圧ＫＶを、又は圧力調整弁４や流量調整弁３Ａを操作して希ガスの流入、排出を調整することにより真空ハウジング１内の希ガスのガス圧Ｐａを、各単独に、又は適宜に組み合わせて調整する。

而して、被照射体１２及び測定体２１Ａの電子ビーム１１照射時ｔ０及びそれ以後の被照射体表面温度、被照射表面とは反対側の被照射体底面温度、及び前記被照射表面と底面間の被照射体中間部温度の各温度の経時的な夫々温度変化は大凡図４に示すような特性になっているものと考えられる。即ち、被照射表面の温度は、殆んどの金属合金の蒸発点を超える程度の高いものであるが、被照射体母材からの冷却作用又は熱移動により急冷される。従って、被照射体全体としては、図４に示すように、表面、中間部、及び底面で異なる経過を辿るが、或る時間ｔｘで各部の温度は平衡点に達し、その後は周りからの自然冷却になるものと思惟される。

図５は、被照射体１２に電子ビームのパルスを繰り返し照射して表面改質加工をしているときに同時に並行して、即ち、インプロセスでビーム照射毎に照射熱量を測定するときの温度（Ｔ）‐時間（ｔ）特性の状態を説明するための一特性図で、時間を（ｔ）、測定体２１Ａの温度を（Ｔ）、熱量を（Ｊ）、そして、被照射体１２及び測定体２１Ａの各ビーム照射面のカソード８からの照射距離を（ｈ）とすると、時間ｔ１で、被照射体１２と同一の温度Ｔ１及び同一の照射距離ｈ１の測定体２１Ａに、第１回目の電子ビームのパルスを設定又はプログラムされた条件で発生照射する。

前記図５の温度（Ｔ）は、被照射体１２又は測定体２１Ａの各ビーム被照射面の温度変化を示しているが、前記測定体２１Ａの中間部付近に埋め込まれた温度センサ２１Ｂが図４に説明した時間（ｔｘ）を過ぎた時間（ｔｍ）とし、これを測定時間と呼ぶ。第１回照射後ｔｍが過ぎた時点ｔ_２で、測定体２１Ａの前の平衡温度Ｔ１よりΔＴ１増大した平衡温度Ｔ２=Ｔ１+ΔＴ１を測定し、予め入力してプログラム等してある測定体２１Ａの電子ビーム照射面積（Ａ）、比熱（Ｃｐ）、質量（Ｍ）、及び計算式等により被照射熱量Ｊ１を計算すると共に表示装置２２Ｄに表示する。

図示の場合は、前記時点ｔ２で設定プログラム通り照射距離ｈ＝ｈ１のまま第２回目の電子ビームパルスの照射を行ない、測定体２１Ａがこの段階での平衡温度Ｔ３＝Ｔ２＋ΔＴ２（＝Ｔ１＋ΔＴ１＋ΔＴ２）になったのを検知し、前回の平衡温度Ｔ２との温度差Ｔ３−Ｔ２＝ΔＴ２を記録し、被照射熱量（Ｊ３）を計算し、表示、及び記憶する。以下同様にして次の電子ビームの照射及び測定の段階に移行する。図示の場合は、繰り返えされた電子ビーム照射の回数は４回であるが、例えば、カソード８の加速電圧ＫＶ等の電気的条件を一定とし、かつ真空ハウジング１内の希ガスのガス圧を一定とした状態でのビーム照射距離ｈ＝ｈ１における被照射熱量Ｊを、前記４回の測定照射熱量（Ｊ１＋Ｊ２＋Ｊ３＋Ｊ４）／４＝Ｊｍの平均の熱量として求めることが出来、装置を手動による設定、操作による稼動の場合のアウトプロセスのデータを採取することもできる。

なお、上述の場合、各電子ビームパルスの照射毎に測定体２１Ａがその段階における平衡温度Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、・・・に達したのを測定する時間ｔ２−ｔ１、ｔ４−ｔ３、ｔ６−ｔ５、・・・（＝ｔｍ）は、実験によれば、ほぼ一定の時間となり、また、照射間隔が数１０秒以下であれば自然冷却の誤差も殆んど無視でき得る状態で、各照射時毎の熱量ΔＴｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）を求めることができる。

本発明は、電子ビームパルスの照射改質加工装置に於ける表面改質加工の作業を管理し、また装置の状態保全を図る装置として使用することができる。

本発明の一実施例装置の正断面説明図。 実施例装置の部分の斜視図。 図２の部分の断面図。 本発明を説明するための熱伝導の特性図。 本発明装置の稼動時の温度変化の特性図。 本発明の他の実施例装置の部分側面。 従来装置の全体構成を示す装置断面図。 ３つのパルス電源の電圧印加及び放電の波形図。 ソレノイドによる電子銃内励磁場の説明図。 放電ガス圧と電子ビームのエネルギ密度及び加速電圧との特性図。 加速電圧とエネルギ密度との特性図。 電子ビームの照射距離とエネルギ密度及び加速電圧との特性図。

符号の説明

１ 真空ハウジング
１Ａ 電子銃部
１Ｂ 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
７ 陽極プラズマ
８ カソード（平面状冷陰極）
９ カソードプラズマ
１１ 電子ビーム
１２ 被照射体（ワーク）
１４ テーブル
１５ 希ガス
１６ ソレノイド励磁パルス電源
１７ アノードプラズマ用パルス電源
１８ 加速電圧用カソードパルス電源
１９ 水平２軸移動装置
２０Ａ Ｚ軸ラック支柱
２０Ｂ ピニオンギア
２１ 熱量測定セット
２１Ａ 測定体
２１Ｂ 温度センサ
２１Ｃ 設置ベース
２１Ｄ 非金属支柱
２１Ｅ 導線
２１Ｆ 金属片
２１Ｇ 被照射面
２１Ｈ 絶縁テープ
２１Ｊ 電子冷凍装置
２２ ＣＮＣ制御装置
２２Ａ 入力装置
２２Ｂ プログラム制御装置
２２Ｃ 計算装置
２２Ｄ 表示装置
２２Ｅ 指令出力装置
２３ 軸移動駆動装置
２４ 機能駆動装置
２５ 熱量測定器

Claims (6)

1. 電子銃内に平面冷陰極（カソード）と環状アノードを順次に配置し、電子ビームの被照射体を設置するテーブルをターゲットとして前記電子銃につながる低気圧電離気体を充填するハウジング中に位置せしめ、所定の低ガス圧状態におかれた電子銃内をソレイドの励磁により閉じ込め磁場中に置き、前記アノードとターゲット間に電圧を印加することにより電子銃内にアノードプラズマを生成させた状態とし、前記カソードに前記ターゲットに対し高い負の電圧パルスを加速電圧として印加することにより前記アノードプラズマを通路とする絞られない電子ビームのパルスを前記被照射体に照射し、照射を繰り返すことにより表面を改質処理する装置に於いて、前記テーブル面上に設置可能な熱量測定セットであって、前記テーブルに導線を介して接続される以外には熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下の熱絶縁状に保持して設置可能な電子ビームの被照射面を有する熱量測定体と、該測定体の温度を測定する温度センサと、前記測定体の電子ビーム照射前の平衡温度又は前回の電子ビーム照射後の平衡温度と次回の電子ビーム照射後の平衡温度との差を読み取る測定手段と、前記測定した温度差と、測定体の電子ビーム照射面積、比熱、及び質量とから被照射熱量を計算して表示する装置とを有することを特徴とする電子ビーム照射表面改質加工装置。
2. 前記測定体が、前記被照射体と同一材質のものから製作されてい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照射表面改質加工装置。
3. 前記測定体が、前記テーブル上に設置される導電材ベースに、熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下である非金属の支柱により熱絶縁して保持され、導線により電気的に前記テーブルに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射表面改質加工装置。
4. 前記測定体が、電子ビーム被照射面を上面とする上下逆の錐台に構成されて成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照射表面改質加工装置。
5. 前記測定体は、前記上方の電子ビーム被照射面を除く外周側面が、セラミックコーティング付絶縁テープで包皮されて成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照射表面改質加工装置。
6. 前記測定体に電子冷凍装置を設けてなることを特徴とする請求項１に記載の表面改質加工装置。

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