JP6744694B1 - Surface modifying device and surface modifying method - Google Patents
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Abstract
【課題】 シンプルな構造で製造費、維持管理費などの費用を大幅に低減可能であり、かつ被照射体の照射孔の内側面を容易に改質可能な表面改質装置および表面改質方法を提供すること。【解決手段】 本発明は、被照射体(7)の照射孔(7A)の内側面(7B)に向けて電子を放出する円柱状のカソード電極(5A)と、前記カソード電極(5A)から放出された電子を回収するコレクタ(5C)を備えた表面改質装置(100)であって、前記コレクタ(5C)と前記被照射体(7)との間に絶縁部材(8)が設けられていることを特徴とする。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface reforming device and a surface reforming method capable of significantly reducing costs such as manufacturing cost and maintenance cost with a simple structure and easily modifying an inner surface of an irradiation hole of an irradiation target. To provide. According to the present invention, a cylindrical cathode electrode (5A) that emits electrons toward an inner surface (7B) of an irradiation hole (7A) of an irradiation target (7) and the cathode electrode (5A). A surface reforming apparatus (100) having a collector (5C) for collecting emitted electrons, wherein an insulating member (8) is provided between the collector (5C) and the irradiated body (7). It is characterized by [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、被照射体の表面を改質する表面改質装置および表面改質方法であり、特に、被照射体に形成されている照射孔の側面を改質することができる表面改質装置および表面改質方法に関する。 The present invention relates to a surface reforming apparatus and a surface reforming method for reforming the surface of an irradiation target, and in particular, a surface reforming apparatus capable of modifying the side surface of an irradiation hole formed in the irradiation target. And a surface modification method.
一般的に直径数十mmφ以上の電子柱を形成し、低エネルギ密度の大面積の電子ビームを被照射体の表面に照射する表面改質装置が知られている。直径数mmφ未満の電子柱の電子ビームを走査する、いわゆるスポット照射に比べて大面積の電子柱を得ることができる表面改質装置は、特許文献1に代表的に開示されているように、カソード電極とコレクタ電極とを鉛直線上に配置し、カソード電極とコレクタ電極との間に円環形状のアノード電極とソレノイドを設けている。 In general, there is known a surface reforming device that forms an electron column having a diameter of several tens of mmφ or more and irradiates a surface of an irradiation target with an electron beam having a low energy density and a large area. A surface reforming device that scans an electron beam of an electron column having a diameter of less than several mmφ, that is, a surface reforming device that can obtain an electron column having a large area as compared with so-called spot irradiation is typically disclosed in Patent Document 1, A cathode electrode and a collector electrode are arranged on a vertical line, and a ring-shaped anode electrode and a solenoid are provided between the cathode electrode and the collector electrode.
このような表面改質装置においては、アノードで生成されるプラズマによって電子が励起され、ソレノイドで形成される磁場によって電子が集束し加速して、大量の電子が照射エネルギを保持した状態でカソードから遠く離れたコレクタまで到達する。このとき、電子は、カソードとコレクタとの間において、直線距離で最短の経路を移動しようとする。そのため、被照射体の被照射面に穴が形成されている場合は、多くの電子が穴の入口の周囲、とりわけエッジに集中し、残りの殆どの電子が穴の底面に衝突して、電子が衝突した部位が改質される。
このようなことから、表面改質装置においては、被照射体の被照射面に形成されている穴の底面と側面を含めた全面にわたって均一に電子ビームを照射することが困難である。
In such a surface reforming apparatus, electrons are excited by plasma generated at the anode, and are focused and accelerated by a magnetic field formed by a solenoid, and a large amount of electrons are emitted from the cathode while holding irradiation energy. Reach faraway collectors. At this time, the electrons try to move on the shortest path with a linear distance between the cathode and the collector. Therefore, when holes are formed on the irradiated surface of the irradiated object, many electrons are concentrated around the entrance of the hole, especially on the edge, and most of the remaining electrons collide with the bottom surface of the hole, and The part that collides with is reformed.
For this reason, in the surface modification device, it is difficult to uniformly irradiate the electron beam over the entire surface including the bottom surface and the side surface of the hole formed in the irradiation surface of the irradiation object.
上述の課題を解決すべく、カソード電極と磁石を筒形状の被照射体の中空空間に配置して電子を励起することによって筒形状の被照射体の内面に電子ビームを照射することができる装置(特許文献2)や、多数の金属突起を有するカソード電極を使用することで一度の照射で照射穴の側面の広範囲に電子ビームを衝突させることができる装置(特許文献3)が開発されている。
In order to solve the above-mentioned problems, an apparatus capable of irradiating an electron beam on the inner surface of a tubular object to be irradiated by arranging a cathode electrode and a magnet in a hollow space of the tubular object to excite electrons. (Patent Document 2) and a device (Patent Document 3) capable of colliding an electron beam with a wide area on the side surface of an irradiation hole by one irradiation by using a cathode electrode having a large number of metal protrusions have been developed. ..
しかしながら、特許文献2の電子ビーム照射表面改質装置においては、カソード電極に磁石を設ける必要があるため部品点数が多くなって製造コストが増大し、さらにカソード電極を製造する際の組立作業が煩雑となってしまう。
また特許文献3の表面改質装置においてもカソード電極に多数の金属突起を設ける必要があるため、カソード電極の構造が複雑化して加工および生産が難しく、カソード電極のメンテナンス費用が増大してしまう。
However, in the electron beam irradiation surface reforming apparatus of
Also in the surface reforming apparatus of Patent Document 3, since it is necessary to provide a large number of metal protrusions on the cathode electrode, the structure of the cathode electrode becomes complicated, processing and production are difficult, and the maintenance cost of the cathode electrode increases.
よって本発明は上記課題に鑑みて、シンプルな構造で製造費、維持管理費などの費用を大幅に低減可能であり、かつ被照射体の照射孔の内側面を容易に改質可能な表面改質装置および表面改質方法を提供することを主たる目的とする。本発明の表面改質装置および表面改質方法が有するいくつかの有利な点は、発明の実施の形態の説明において、その都度、詳しく説明される。 Therefore, in view of the above problems, the present invention has a simple structure capable of significantly reducing costs such as manufacturing cost and maintenance cost, and capable of easily modifying the inner surface of the irradiation hole of the irradiation target. The main object is to provide a quality device and a surface modification method. Some advantages of the surface modification apparatus and the surface modification method of the present invention will be described in detail in the description of the embodiments of the invention.
本願発明者らは上記課題について鋭意検討を行った結果、表面改質装置において(1)円柱状のカソード電極を使用すること、(2)被照射体とコレクタの間に絶縁体を設けること、この(1)、(2)を行うことにより、カソード電極と被照射体の照射孔の内側面の間でスパークを伴った放電が発生し、このエネルギにより穴の内側面が適切に改質されることを見出した。
ここでスパークとは、放電によってカソード電極の先端部と被照射体の内側面との間に起こる火花現象である。
The inventors of the present application have conducted intensive studies on the above problems, and as a result, (1) use a cylindrical cathode electrode in the surface reforming device, (2) provide an insulator between the irradiated body and the collector, By performing these (1) and (2), a discharge accompanied by a spark is generated between the cathode electrode and the inner surface of the irradiation hole of the irradiation target, and the inner surface of the hole is appropriately modified by this energy. I found that.
Here, the spark is a spark phenomenon that occurs between the tip of the cathode electrode and the inner surface of the irradiated body due to discharge.
本発明は、被照射体の照射孔の内側面に向けて電子を放出する円柱状のカソード電極と、前記カソード電極から放出された電子を回収するコレクタを備えた表面改質装置であって、前記コレクタと前記被照射体の間に絶縁部材が設けられていることを特徴とする。
一般的には、カソード電極から放出された電子はカソード電極とコレクタとの間において直線距離で最短の経路を移動しようとする。しかしながら本発明においては、コレクタと被照射体の間に絶縁部材が設けられているため電子が直線距離でコレクタに移動することができず、カソード電極から放出された電子は最も近接した被照射体の内側面に飛び、スパークを伴った放電が発生する。このスパークによる熱エネルギおよびその後の被照射体の内側面に流れる電流の熱エネルギにより内側面が平滑化されて照射孔の内部を改質することができる。
The present invention is a surface reforming apparatus comprising a cylindrical cathode electrode that emits electrons toward an inner surface of an irradiation hole of an irradiation target, and a collector that collects electrons emitted from the cathode electrode, An insulating member is provided between the collector and the irradiated body.
Generally, the electrons emitted from the cathode electrode try to move along the shortest path with a linear distance between the cathode electrode and the collector. However, in the present invention, since the insulating member is provided between the collector and the object to be irradiated, the electrons cannot move to the collector in a linear distance, and the electrons emitted from the cathode electrode are the object to be irradiated closest to the object. It flies to the inner surface of the, and a discharge accompanied by a spark is generated. The inner surface of the irradiation hole can be smoothed by the heat energy of the spark and the heat energy of the electric current flowing through the inner surface of the irradiation target thereafter, so that the inside of the irradiation hole can be modified.
本発明の表面改質装置は、前記コレクタが平板状のテーブルであって、前記コレクタの上に前記絶縁部材が配置され、前記絶縁部材の上に前記被照射体が配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、コレクタが被照射体を載置するテーブルを兼ねており、テーブルの上に絶縁部材を載置し絶縁部材の上に被照射体を載置するだけで被照射体の内側面を平滑化することが可能となるため、部品点数が最小限かつ簡単な構造で被照射体の照射孔の内側面を改質することが可能となる。
In the surface reforming apparatus of the present invention, the collector is a flat table, the insulating member is arranged on the collector, and the irradiated body is arranged on the insulating member. And
According to the present invention, the collector also serves as a table on which the object to be irradiated is placed, and the insulating member is placed on the table and the object to be irradiated is simply placed on the insulating member. Since the side surface can be smoothed, the inner side surface of the irradiation hole of the irradiation target can be modified with a simple structure having a minimum number of parts.
本発明の表面改質装置は、前記絶縁部材が一対の平板状の部材であって、前記コレクタの上に前記絶縁部材が隙間を空けて配置され、前記絶縁部材の上に前記隙間と前記被照射体の照射孔が連通するように前記被照射体が配置されていることを特徴とする。
本発明においてはカソード電極から被照射体の内側面に向けて電子を照射すると内側面が溶融され、被照射体の照射孔内に溶融ガスが発生し滞留する。この溶融ガスを照射孔から排出するためには、被照射体の下方に外部と連通する隙間を設ける必要がある。
本発明によれば、一対の平板状の部材である絶縁部材が隙間を開けて配置されており、さらに絶縁部材の上に隙間と被照射体の照射孔が連通するように被照射体が配置されているため、照射孔から外部へ溶融ガスを排出することが可能となり、照射孔内に溶融ガスが滞留することを防ぐことが可能となる。
In the surface reforming apparatus of the present invention, the insulating member is a pair of flat plate-shaped members, the insulating member is arranged on the collector with a gap, and the gap and the cover are placed on the insulating member. The irradiation target is arranged so that the irradiation holes of the irradiation target communicate with each other.
In the present invention, when electrons are irradiated from the cathode electrode toward the inner side surface of the irradiated body, the inner side surface is melted and molten gas is generated and stays in the irradiation hole of the irradiated body. In order to discharge this molten gas from the irradiation hole, it is necessary to provide a space below the irradiation target object so as to communicate with the outside.
According to the present invention, the pair of flat plate-shaped insulating members are arranged with a gap therebetween, and the irradiated body is arranged on the insulating member so that the gap and the irradiation hole of the irradiated body communicate with each other. Therefore, the molten gas can be discharged from the irradiation hole to the outside, and the molten gas can be prevented from staying in the irradiation hole.
本発明の表面改質装置は、前記コレクタを移動させる移動機構と、前記カソード電極に電圧パルスを印加するための電子発生用電源と、前記移動機構の駆動および前記電圧パルスの印加タイミングを制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記移動機構を駆動して前記カソード電極の先端部を前記照射孔に挿入し、前記電圧パルスを印加して前記カソード電極から電子の照射を行うことを特徴とする。
本発明によれば、円柱状のカソード電極の先端部を被照射体の照射孔に挿入するだけで被照射体の内側面を平滑化することが可能であるため、カソード電極に多数の金属突起を設けることやカソード電極の近傍に磁石を設ける等の追加の構造変更を行う必要がなく、簡単な構成で被照射体の照射孔の内側面を改質することが可能となる。
The surface reforming apparatus of the present invention controls a moving mechanism for moving the collector, an electron generating power supply for applying a voltage pulse to the cathode electrode, a drive of the moving mechanism, and an application timing of the voltage pulse. A control device is provided, wherein the control device drives the moving mechanism to insert the tip end portion of the cathode electrode into the irradiation hole, applies the voltage pulse, and radiates electrons from the cathode electrode. And
According to the present invention, since it is possible to smooth the inner surface of the irradiated body only by inserting the tip of the cylindrical cathode electrode into the irradiation hole of the irradiated body, a large number of metal protrusions are formed on the cathode electrode. It is possible to modify the inner side surface of the irradiation hole of the irradiation target with a simple configuration without the need to provide a magnet or to provide a magnet in the vicinity of the cathode electrode for additional structural changes.
本発明の表面改質装置は、前記制御装置が前記移動機構を駆動して前記カソード電極の先端部と前記被照射体の相対位置を変更し、前記電圧パルスを印加して前記カソード電極から電子の照射を行うことを複数回繰り返すことを特徴とする。
また本発明は、円柱状のカソード電極と、前記カソード電極から放出された電子を回収するコレクタと、前記コレクタと前記被照射体との間に設けられた絶縁部材を有し、被照射体の照射孔の内側面に向けて電子を放出する表面改質方法であって、前記カソード電極の先端部と前記被照射体の相対位置を変更する移動工程と、電圧パルスを印加して前記カソード電極から電子の照射を行う照射工程とを複数回繰り返して前記内側面全体を改質することを特徴とする。
本発明によれば、カソード電極の先端部と被照射体の相対位置を変更しながら複数回電子の照射を行うことが可能であるため、被照射体の照射孔が深い場合であっても内側面全体を溶融して平滑化することが可能となる。
In the surface modification device of the present invention, the control device drives the moving mechanism to change a relative position between the tip end portion of the cathode electrode and the irradiation target, and applies the voltage pulse to generate an electron from the cathode electrode. It is characterized in that the irradiation of is repeated a plurality of times.
Further, the present invention has a cylindrical cathode electrode, a collector for collecting electrons emitted from the cathode electrode, and an insulating member provided between the collector and the irradiation target, A surface modification method of emitting electrons toward an inner surface of an irradiation hole, comprising a moving step of changing a relative position between the tip end portion of the cathode electrode and the irradiation target, and applying the voltage pulse to the cathode electrode. And the irradiation step of irradiating electrons is repeated a plurality of times to modify the entire inner surface.
According to the present invention, it is possible to perform electron irradiation a plurality of times while changing the relative position of the tip end portion of the cathode electrode and the irradiation target, so that even if the irradiation hole of the irradiation target is deep, It becomes possible to melt and smooth the entire side surface.
本発明の表面改質装置は、前記カソード電極の断面の直径が1mmオーダーであることを特徴とする。
従来、表面改質装置で使用していたカソード電極の断面の直径が数十mmであるのに対して、本発明においてはカソード電極の断面の直径は従来よりも小さい1mmオーダーのものが使用されている。カソード電極の断面の直径を小さいものに変更することで、カソード電極と被照射体の照射孔の内側面の間でスパークを伴った放電が発生しやすくなり、被照射体の内側面を簡単な構造で平滑化することが可能となる。
The surface modification device of the present invention is characterized in that the cathode electrode has a cross-sectional diameter on the order of 1 mm.
Conventionally, the diameter of the cross section of the cathode electrode used in the surface reforming apparatus is several tens of millimeters, whereas in the present invention, the diameter of the cross section of the cathode electrode is 1 mm order which is smaller than the conventional one. ing. By changing the diameter of the cross section of the cathode electrode to a smaller one, it is easy to generate a discharge with sparks between the cathode electrode and the inner surface of the irradiation hole of the irradiation target, and the inner surface of the irradiation target can be easily It becomes possible to smooth by the structure.
本発明の表面改質装置は、前記カソード電極がタングステン、チタン、銅または真鍮を材質として機械加工されて形成されていることを特徴とする。
本発明のカソード電極は、銅、銅タングステン、チタン、ステンレス鋼、スチール、アルミ等の金属が機械加工されて用いられる。好ましくはタングステン、チタン、銅または真鍮を材質として機械加工されて形成されていることが望ましい。このような材質で形成されたカソード電極は、電子を放出しやすくなるとともに放電を起こしやすくするからである。
The surface reforming apparatus of the present invention is characterized in that the cathode electrode is formed by machining tungsten, titanium, copper or brass as a material.
For the cathode electrode of the present invention, a metal such as copper, copper tungsten, titanium, stainless steel, steel or aluminum is machined and used. It is preferable that the material is made of tungsten, titanium, copper or brass and is machined. This is because the cathode electrode formed of such a material easily emits electrons and easily discharges.
本発明の表面改質装置は、円柱状で断面の直径が1mmオーダーのカソード電極およびコレクタと被照射体の間に配置された絶縁部材を使用するといったシンプルな構造で被照射体の照射孔の内側面を改質することが可能であるため、製造費、維持管理費などの費用を大幅に低減することができる。
また本発明によれば、カソード電極の先端部と被照射体の相対位置を変更しながら複数回電子の照射を行うことが可能であるため、被照射体の照射孔が深い場合であっても内側面全体を溶融して平滑化することが可能となる。
The surface reforming apparatus of the present invention has a simple structure such that a cathode electrode having a columnar cross-section with a diameter of the order of 1 mm and an insulating member arranged between the collector and the object to be irradiated are used to form the irradiation hole of the object to be irradiated. Since the inner surface can be modified, costs such as manufacturing costs and maintenance costs can be significantly reduced.
Further, according to the present invention, since it is possible to perform electron irradiation a plurality of times while changing the relative position between the tip of the cathode electrode and the irradiation target, even when the irradiation hole of the irradiation target is deep. It becomes possible to melt and smooth the entire inner surface.
図1は、本発明の表面改質装置100の望ましい実施の形態を模式的に示す。図1における付属装置の位置は、実際の表面改質装置の配置と異なる。図1は、真空チャンバ1における被照射体7を出し入れするための開口を閉鎖する密閉扉1Aが設けられている面を正面として、表面改質装置を右側面の方向から見たときの断面図である。
FIG. 1 schematically shows a preferred embodiment of the
表面改質装置100は、真空チャンバ1と、テーブル移動機構2と、真空装置3と、稀ガス供給装置4と、電子発生装置5と、浄化装置6と、絶縁部材8と、制御装置9とを含んでなる。被照射体7は、テーブル移動機構2の上に絶縁部材8を介して載置されている。図1に示される表面改質装置においては、被照射体7は円筒状に形成されており、中央部に円形の照射孔7Aが形成されている。
The
真空チャンバ1は、被照射体7を収容し気密性を保つハウジングであり、基台の上に設置されている。
また真空チャンバ1は、表面改質装置の前面で被照射体7を出し入れするための開口を有し、開口を閉鎖する密閉扉1Aが設けられている。密閉扉1Aを閉鎖することによって、真空チャンバ1を密閉することができる。
The vacuum chamber 1 is a housing that houses the
Further, the vacuum chamber 1 has an opening for taking in and out the
テーブル移動機構2は、水平1軸方向と、その水平1軸方向に直交する他の水平1軸方向と、鉛直方向とにテーブル5Cを移動させる装置である。テーブル移動機構2は、水平1軸方向に往復移動できる移動体2Aと、その水平1軸方向に直交する他の水平1軸方向に往復移動できるとともに上下方向に往復移動できる移動体2Bとを備える。また、絶縁部材8を介して被照射体7を載置するテーブル5Cが載置されている。
The
真空装置3は、密閉された真空チャンバ1の中を減圧して気圧0.1Pa以下の実質真空にする装置である。真空装置3は、真空ポンプによって真空チャンバ1の中の空気を抜く、いわゆる真空引きをして、真空チャンバ1の中を減圧する。真空ポンプは、第1のポンプ3Aと第2のポンプ3Bとでなる。具体的に、第1のポンプ3Aは、スクロールポンプまたはロータリポンプ、第2のポンプ3Bは、ターボ分子ポンプまたは油拡散ポンプが適する。
The vacuum device 3 is a device that decompresses the inside of the closed vacuum chamber 1 to a substantial vacuum with an atmospheric pressure of 0.1 Pa or less. The vacuum device 3 depressurizes the inside of the vacuum chamber 1 by evacuating the air in the vacuum chamber 1 by a vacuum pump, so-called vacuuming. The vacuum pump includes a
真空チャンバ1の中の空気を抜いた後は、流量調整弁3C,3Dを閉じて真空チャンバ1の中を真空に近い状態に保持する。真空ポンプは、電子を照射している間稼働しており、真空チャンバ1の排気をして真空チャンバ1の中の減圧状態を維持している。
After the air inside the vacuum chamber 1 is evacuated, the flow
稀ガス供給装置4は、真空チャンバ1の中に稀ガスを供給する装置である。稀ガスは、プラズマの発生を促す。稀ガスは、長周期表第18族元素であるヘリウム,ネオン,アルゴン,クリプトン,キセノン,ラドンを示す。本発明では、稀ガスと窒素ガスのような化学反応性の低い気体とを含めて不活性ガスという。 The rare gas supply device 4 is a device that supplies a rare gas into the vacuum chamber 1. The rare gas promotes the generation of plasma. The rare gas includes helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon, which are elements of Group 18 of the long periodic table. In the present invention, a rare gas and a gas having low chemical reactivity such as nitrogen gas are collectively referred to as an inert gas.
稀ガス供給装置4は、具体的に、液化アルゴンを封入したボンベ4Aと、真空チャンバ1に接続する配管4Bと、ボンベ4Aを開放するバルブ4Cと、を含んでなる。実施の形態の表面改質装置は、チャンバ1の中の気圧を0.03Pa以上0.1Pa以下の範囲で減圧状態を維持することができるように設計されている。
The rare gas supply device 4 specifically includes a
電子発生装置5は、真空チャンバ1内に電子を発生させて被照射体7の内側面7Bを溶融させるための装置である。電子発生装置5は、電子銃である細幅かつ長尺状のカソード電極5Aと、プラズマを生成する円環形状のアノード電極5Bと、電子を収集するテーブル5Cと、磁場を形成するソレノイド5Dと、カソード電極5Aを保持するカソード保持体5Eと、テーブル5Cを接地するグランドライン5Fと、電子発生用電源装置5Hと、プラズマ発生用電源装置5Jとを備える。
The
カソード電極5Aは先端部51Aからスパークを発生させながら電子を放出する電極であり、上端部がカソード保持体5Eに固定されている。
カソード電極5Aを被照射体7の照射孔7Aに挿入し、カソード電極5Aとテーブル5Cとの間に直流高電圧パルス(数kV〜数10kV)が印加されることにより、気体プラズマを介して電子がスパークを伴って先端部51Aから放出される。
カソード電極5Aは細幅かつ長尺で断面円形の円柱状をしている。カソード電極5Aの断面の直径Φの最適なサイズは被照射体7の照射孔7Aの直径によって変わるものであり、カソード電極5Aの断面の直径Φが大きすぎると照射のバランスが崩れて被照射体7の内側面7Bを溶融することができない。よって直径Φは1.0mm以上10.0mm以下が好ましく、より好ましくは照射孔7Aの直径の大きさが10.0mmの場合は直径Φを1.5mmとするのがよく、照射孔7Aの直径の大きさが20.0mmの場合、直径Φを5.0mmとするのがよい。
またカソード電極5Aは使用していくうちに先端部51Aが摩耗し形状が丸く変化してしまうため、カソード電極5Aの長さは100.0mm以上のものを使用することが好ましく、より好ましくは長さ200.0mmである。カソード電極5Aが短すぎるとカソード電極5Aの交換回数が増えメンテナンスの手間が増大するからである。
またカソード電極5Aは、銅、銅タングステン、チタン、ステンレス鋼、スチール、アルミ等の金属が機械加工されて用いられる。好ましくはタングステン、チタン、銅または真鍮を材質として機械加工されて形成されていることが望ましい。
The
By inserting the
The
In addition, since the
For the
アノード電極5Bは、カソード電極5Aの断面積よりも大きい内径を有するリング形状のプラズマ生成電極で、真空チャンバ1内空間の低圧の電離気体をプラズマ化するためのグロー放電電極(アノード)である。本実施例の場合はコンデンサ充放電回路が用いられるが、高周波電源による無極方式に代えることも出来る。
The
テーブル5Cは、カソード電極5Aから放出された電子を収集するコレクタの役割を担う平板状の部材であり、グランドライン5Fによって真空チャンバ1にアースされている。またテーブル5Cはテーブル移動機構2によって水平2軸方向に往復移動および上下方向に往復移動する。よってテーブル5Cの上に絶縁部材8を介して載置されている被照射体7もテーブル5Cとともに水平2軸方向および上下方向に往復移動する。
The table 5C is a plate-shaped member that plays a role of a collector that collects electrons emitted from the
ソレノイド5Dは、真空チャンバ1内に磁場を形成する部材である。ソレノイド5Dで形成される磁場によってカソード電極5Aから放出された電子が集束し加速する。本実施形態においてソレノイド5Dは必須の構成部材ではなく、省略してもよい。
The
カソード保持体5Eはカソード電極5Aを保持する部材である。カソード保持体5Eの電極取付部位にソケット端子が設けられており、電極取付部位に取り付けるだけで、カソード電極5Aは、配線作業なしに通電する。
The
電子発生用電源装置5Hは、カソード電極5Aとテーブル5Cに通電する高圧電源であり、制御装置9からの指示によりカソード電極5Aと被照射体7との間に電子を発生させるために電圧パルスを印加する。
The electron-generating
プラズマ発生用電源装置5Jは、カソード電極5Aとアノード電極5Bとの間に設けられ、円環形状のアノード電極5Bの円環内にプラズマを発生させる電圧を供給する。プラズマ発生用電源装置5Jは、アノードスイッチを含んでいる。
The plasma generating
浄化装置6は、被照射体7の被照射面から生じた滓を含む真空チャンバ1の中の汚れたガスを強制的に排出する。浄化装置6は、液化窒素ガスを封入したボンベ6Aと、真空チャンバ1に接続する配管6Bと、ボンベ6Aを開放するバルブ6Cと、を含んでなる。窒素ガスは、真空チャンバ1の中から汚れたアルゴンガスを追い出して真空チャンバ1の中を清浄にする。
The
図6は、本発明の被照射体7、絶縁部材8およびテーブル5Cの配置関係を示す模式図である。
絶縁部材8は、テーブル5Cと被照射体7間を絶縁するための一対の平板状の部材であり、タイル等のセラミックス系材料で形成されている。特にエネルギ効率の観点からアルミナセラミックスで形成されていることが好ましい。
絶縁部材8はテーブル5Cの上に隙間82を空けて載置され、そして絶縁部材8の上に隙間82と被照射体7の照射孔7Aが連通するように被照射体7が配置されている。具体的には絶縁部材8で形成される隙間82の中心が照射孔7Aの中心に一致するように被照射体7が載置されており、照射孔7A内に滞留した溶融ガスを照射孔7Aから隙間82を通って外部に排出することが可能となっている。さらに被照射体7の外側面の一部が絶縁部材8の上に載置されることで、絶縁部材8の上に被照射体7を安定して固定するとともにテーブル5Cと被照射体7間を絶縁している。
本実施形態において絶縁部材8は一対の平板状の部材としたが、外部に照射孔7A内の溶融ガスを排出可能である形状であればよい。例えば外部と連通した通孔を有する絶縁部材8をテーブル5Cの上に載置し、この通孔と照射孔7Aが連通するように被照射体7を載置してもよい。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a positional relationship among the
The insulating
The insulating
In the present embodiment, the insulating
制御装置9は、表面改質装置100の全体の制御を行う装置であり、CPU(Central Processing Unit)、ROM(ReadOnly Memory)、RAM(Random Access Memory)等で構成されている。
制御装置9は、テーブル移動機構2を駆動制御してテーブル5Cを移動する。また、真空装置3、稀ガス供給装置4、浄化装置6の駆動制御や電子発生装置5の電圧パルスの印加タイミングの制御を行う。
The control device 9 is a device that controls the entire
The control device 9 drives and controls the
(表面改質装置100の表面改質処理の流れ)
図2は、本発明の表面改質装置100による表面改質処理の流れを示すフロー図であり、図3は、本発明の表面改質処理におけるカソード電極5Aと被照射体7との配置関係を示す模式図である。また図4は、本発明の表面改質処理におけるカソード電極5Aと被照射体7との配置関係を示すその他の模式図である。
(Flow of Surface Modification Treatment of Surface Modification Device 100)
FIG. 2 is a flow chart showing the flow of the surface modification treatment by the
本発明の表面改質装置100の表面改質処理の流れを以下記載する。
最初に被照射体7をテーブル5Cに載置されている絶縁部材8の上に固定する(S1)。
次に制御装置9はプラズマ発生用電源装置5Jを立ち上げてアノード電極5Bにより真空チャンバ1内にプラズマを発生させ、稀ガス供給装置4を制御して真空チャンバ1の中の気圧を減圧状態とする。また電子発生用電源装置5Hを立ち上げて、スタンバイ状態とする(S2)。
さらに制御装置9はテーブル移動機構2の移動体2A,2Bを駆動してテーブル5Cを水平方向に移動し、被照射体7の照射孔7Aの中心とカソード電極5Aの中心軸が合うように調整する(S3)。
そして制御装置9は、テーブル移動機構2の移動体2Bを駆動してテーブル5Cを上方に移動させることで被照射体7を上方へ移動させ、カソード電極5Aの先端部51Aを被照射体7の照射孔7Aに挿入し、カソード電極5Aの先端部51AがL1の高さになるまで被照射体7を移動させた後に停止する(S4:移動工程)。ここでLn(n=1,2,・・・,N)は、被照射体7の底面を基準として高さ0とした場合のカソード電極5Aの先端部51Aの高さである。
次に制御装置9は、電圧パルスを印加してカソード電極5Aから複数回電子の照射を行う(S5:照射工程)。この時、カソード電極5Aから放出された電子は、一番距離の近い被照射体7の内側面7Bにスパークを伴って空間移動し、その後電子は内側面7Bを下方に移動する。このスパークの熱エネルギおよび内側面7Bを電子が流れることによる熱エネルギにより、カソード電極5Aの先端部51Aの近傍で内側面7Bの表面部分の一定の範囲R1が溶融され(図3の斜線部分)、溶融により発生した溶融ガスが絶縁部材8で形成された隙間82から外部へ排出される。
照射孔7Aの深さが深い場合(S6)は、再び移動体2Bを駆動することで被照射体7をさらに上方へ移動させ、カソード電極5Aの先端部51AがL2の高さになった場合に停止して電子を照射する。上述と同様の原理によりカソード電極5Aの先端部51Aの近傍で内側面7Bの表面部分の一定の範囲R2が溶融され(図4の斜線部分)、溶融ガスが外部に排出される。
被照射体7の内側面7Bの表面全体が溶融して改質されるまで制御装置9は被照射体7を上方へ移動させ、カソード電極5AをLn(n=1,2,・・・,N)の高さにした後に電子を照射することを繰り返し、内側面7B全体が改質されたら処理を終了する。
The flow of the surface modification treatment of the
First, the
Next, the control device 9 starts up the plasma generating
Further, the control device 9 drives the moving
Then, the control device 9 drives the moving
Next, the control device 9 applies a voltage pulse to irradiate electrons from the
When the depth of the
The control device 9 moves the
(表面改質装置100の表面改質処理の原理)
図5は、本発明の表面改質処理における電子の流れを示す模式図である。
カソード電極5Aから電子を放出するために所定以上の高電圧を印加すると、カソード電極5Aと被照射体7の内側面7Bの間で絶縁崩壊が生じて火花放電が発生する。この現象により電子がカソード電極5Aの先端部51Aから先端部51Aに最も近い内側面7Bへ移動するとともにスパークを発生させる。
スパークの熱エネルギにより先端部51Aに最も近い内側面7Bは溶融するとともに、火花放電により被照射体7の内側面7Bには一気に電流が流れ、電流が流れることにより発生する熱エネルギにより先端部51Aに近接した内側面7Bが溶融する。その後、絶縁部材8の表面に沿って沿面放電が発生し、大量の電子がグランドライン5Fに流れ込む。
このように被照射体7の内側面7Bは溶融加工されることで平滑化され、照射孔7Aの中を表面改質することができる。
(Principle of Surface Modification Treatment of Surface Modification Device 100)
FIG. 5 is a schematic diagram showing the flow of electrons in the surface modification treatment of the present invention.
When a high voltage higher than a predetermined voltage is applied to emit electrons from the
The
In this way, the
以上に説明された実施の形態の表面改質装置は、すでにいくつかの例が示されているが、本発明の技術思想に反しない範囲で、変形が可能である。 Although several examples of the surface modification device of the embodiment described above have already been shown, the surface modification device can be modified within the range not departing from the technical idea of the present invention.
本発明の表面改質装置は、基本的には、導電性の材料の表面を改質することができ、金型、あるいは金属、セラミックス、プラスチックスの部品のような工業製品の表面改質に広範に有効である。特に、リブを含めて深い照射穴が形成されている被照射体の表面改質することが期待できる。本発明は、工業製品の品質の向上と発展に貢献する。 The surface reforming apparatus of the present invention is basically capable of reforming the surface of a conductive material, and is used for surface reforming of molds or industrial products such as metal, ceramics and plastics parts. Widely effective. In particular, it can be expected to modify the surface of the irradiated object having deep irradiation holes including the ribs. The present invention contributes to the improvement and development of the quality of industrial products.
1 真空チャンバ
2 テーブル移動機構
3 真空装置
4 稀ガス供給装置
5 電子発生装置
5A カソード電極
5B アノード電極
5C テーブル(コレクタ)
5D ソレノイド
5E カソード保持体
5F グランドライン
5H 電子発生用電源装置
5J プラズマ発生用電源装置
51A 先端部
6 浄化装置
7 被照射体
7A 照射孔
7B 内側面
8 絶縁部材
9 制御装置
100 表面改質装置
1
Claims (8)
前記カソード電極の先端部と前記被照射体の相対位置を変更する移動工程と、電圧パルスを印加して前記カソード電極から電子の照射を行う照射工程とを複数回繰り返して前記内側面全体を改質することを特徴とする表面改質方法。 An inner surface of an irradiation hole of the irradiation target, which has a cylindrical cathode electrode, a collector for collecting electrons emitted from the cathode electrode, and an insulating member provided between the collector and the irradiation target. A surface modification method for emitting electrons toward
The moving step of changing the relative position between the tip of the cathode electrode and the irradiation target and the irradiation step of applying a voltage pulse to irradiate electrons from the cathode electrode are repeated a plurality of times to modify the entire inner surface. A surface modification method characterized by qualifying.
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