電子ビーム表面処理方法、および電子ビーム表面処理装置
【課題】 被処理物の表面を比較的短時間の内に１μｍ程度の微細な表面粗さに仕上げることが可能であり、しかも、表面処理が必要な処理対象領域の全域にわたって均一に仕上げることができる電子ビーム表面処理方法、およびその装置を提供する。
【解決手段】 電子ビームを被処理物Ｗの表面に照射してその表層を溶融凝固させて表面処理を行う場合に、被処理物Ｗの表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報を予めメモリ１９に登録しておき、この領域情報に基づいて電子ビームを被処理物Ｗの処理対象領域内を屈曲線状の軌跡を描くように二次元走査する。
【解決手段】 電子ビームを被処理物Ｗの表面に照射してその表層を溶融凝固させて表面処理を行う場合に、被処理物Ｗの表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報を予めメモリ１９に登録しておき、この領域情報に基づいて電子ビームを被処理物Ｗの処理対象領域内を屈曲線状の軌跡を描くように二次元走査する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物に電子ビームを照射して表面処理を行う電子ビーム表面処理方法、およびその方法に使用する電子ビーム表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プラスチック射出成型用や半導体部品製造用などの各種の金型は、切削加工機械で予め粗加工した後、放電加工や化学エッチング法等により微細な表面粗さとなるように表面処理を行っている。
【０００３】
ところが、放電加工を行った後の表面粗さは数μｍ〜〜数１０μｍ程度で、通常、金型において必要とされる数μｍ以下の表面粗さを達成することは難しい。これに対して、化学エッチング法を用いると、表面粗さを１μｍ程度の表面に仕上げることも可能であるが、加工条件の制御が極めて難しい。そのため、従来、例えば放電加工を行った後、研磨紙や磨き粉等によって表面研磨を行って表面粗さが０．１μｍ〜１μｍ程度になるような表面処理を行っている。
【０００４】
しかし、この平滑化のための研磨作業は全て手作業で行われているため、熟練者の技能に頼るところが多いばかりか、表面仕上げを完了するまでに多大な作業時間を要する。特に、被処理物の形状が複雑な場合には表面を均一に研磨仕上げすることが難しく、しかも、研磨作業に長時間を要することになり、表面処理の効率化を十分に図ることができない。
【０００５】
そのため、従来は、手作業によらずに被処理物の表面を平滑化するために、被処理物に対してイオンビームを照射して表面処理を行うようした技術や、被処理物の表面の広い範囲にわたって電子ビームをパルス照射して表面処理を行うようにした技術、さらには、被処理物の表面に電子ビームが円形の軌跡を描くように走査して表面処理するようにした技術がそれぞれ提案されている（例えば、特許文献１〜３等参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５５−１６５２８８号公報
【特許文献２】特開２００４−１０８６号公報
【特許文献３】特開平９−２１６０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されている技術は、被処理物に対してイオンビームを照射して表面の凸部をスパッタリングすることで平滑化を行うので、被処理物の形状が複雑なものでも対応可能であるものの、加工速度が遅くて手作業で表面研磨を行う場合と大差なく、表面処理の効率化を図ることが難しい。
【０００８】
また、特許文献２に記載されている技術では、比較的短時間で微細な表面粗さに仕上げることが可能であるが、被処理物の広い面積にわたって電子ビームをパルス照射する関係上、被処理物の形状が複雑なものではその表面に均一に電子ビームを照射することができない。このため、表面粗さに局所的なむらを生じ易い。また、表面が平坦な場合でも、被処理物の広い面積にわたって電子ビームが同時に照射されるため、表面層が溶融凝固する熱量が照射された場合に引っ張り残留応力が生じ易く、被処理物の表面に微細なクラックを生じる。
【０００９】
さらに、特許文献３に記載されている技術では、比較的短時間で微細な表面粗さに仕上げることが可能であるが、被処理物の表面に電子ビームを照射する際に電子ビームが円形の軌跡となるように走査しているので、円形の軌跡が重なる接線部分に熱が集中して溶融むらを生じ易く、均一な表面仕上げを行うことが難しい。
【００１０】
しかも、この特許文献３に記載されている技術では、電子ビームが収束される焦点は常に一定に設定されるため、被処理物に凹凸部がある場合には電子ビームの照射エネルギに差が生じ、その結果、均一な表面粗さに仕上げることができない。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、被処理物の表面を比較的短時間の内に１μｍ程度の微細な表面粗さに仕上げることが可能であり、しかも、その際に表面処理が必要な処理対象領域の全域にわたって均一に仕上げることができる電子ビーム表面処理方法、およびこの方法に用いる電子ビーム表面処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の電子ビーム表面処理方法は、電子ビームを被処理物の表面に照射してその表層を溶融凝固させて表面処理を行う方法であって、上記被処理物の表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報を予め登録しておき、この領域情報に基づいて電子ビームを上記被処理物の処理対象領域内で屈曲線状の軌跡を描くように二次元走査することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の電子ビーム表面処理装置は、被処理物の表面に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段を有し、この電子ビーム照射手段は、電子ビームを発生する電子銃と、この電子銃からの電子ビームを収束するビーム収束手段と、電子ビームを偏向するビーム偏向手段とを備えるとともに、上記被処理物の表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報が予め登録された記憶手段と、この記憶手段に記憶されている上記領域情報に基づいて電子ビームが上記被処理物の処理対象領域内で屈曲線状の軌跡を描いて二次元走査されるように上記ビーム偏向手段を制御するビーム走査制御手段と、を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電子ビームを上記被処理物の処理対象領域内で二次元走査することで、その表層が溶融した場合、その表面張力により被処理物の元の形状から表面エネルギの少ない平坦な表面形状に変形した後に自己放冷されて凝固されるので、被処理物の表面を比較的短時間の内に１μｍ程度の微細な表面粗さに仕上げることができる。しかも、その際、電子ビームが屈曲線状の軌跡を描くように二次元走査されるので、熱が局部的に集中して溶融むらを生じることはなく、表面処理対象領域の全域にわたって均一な表面粗さに仕上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における電子ビーム表面処理装置の構成図である。
【００１６】
この実施の形態１の電子ビーム表面処理装置１は、鋼等の鉄系金属、あるいはアルミニュウム合金等の非鉄金属からなる被処理物Ｗの表面処理を行うものであって、真空チャンバ２内に電子ビーム照射手段３とＸＹテーブル４とが配置されている。また、真空チャンバ２の外部には、真空排気装置５、ビーム収束装置６、ビーム偏向装置７、電源装置８、および制御装置９が設けられている。
【００１７】
上記の電子ビーム照射手段３は、被処理物Ｗの表面に電子ビームを照射するもので、電子ビームを発生する電子銃１２、この電子銃１２からの電子ビームを収束する収束レンズ１３、および電子ビームを偏向する偏向レンズ１４を備えている。そして、電子銃１２は、カソード１２ａ、アノード１２ｂおよびバイアス電極１２ｃから構成されており、電源装置８によりカソード１２ａとバイアス電極１２ｃには負電圧が、アノード１２ｂには正電圧が印加されることにより電子ビームが発生し、この電子ビームが収束レンズ１３で収束された後、偏向レンズ１４で偏向されて被処理物Ｗの表面に照射される。
【００１８】
ＸＹテーブル４は、図２に示すように、被処理物Ｗを互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ個別に移動できるようになっている。また、真空排気装置５は、真空チャンバ２内を所定の真空度になるように真空引きを行うものである。
【００１９】
ビーム収束装置６は、制御装置９からの指令に基づいて収束レンズ１３による電子ビームの収束度合いを調整するものであり、また、ビーム偏向装置７は、制御装置９からの指令に基づいて偏向レンズ１４による電子ビームの偏向度合いを調整するものである。そして、収束レンズ１３とビーム収束装置６とによってビーム収束手段１５が構成され、また、偏向レンズ１４とビーム偏向装置７とによってビーム偏向手段１６が構成されている。
【００２０】
また、上記の制御装置９は、マイクロコンピュータ等から構成されるもので、予め設定された制御プログラムに基づいて電子ビーム照射手段３、ＸＹテーブル４、真空排気装置５、および電源装置８の各動作を制御する。さらに、この制御装置９には、被処理物情報メモリ１９が設けられている。
【００２１】
この被処理物情報メモリ１９は、特許請求の範囲における記憶手段に対応するもので、被処理物Ｗの表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報、ならびに被処理物Ｗの表面形状に関する形状情報が予め登録されている。
【００２２】
そして、制御装置９は、この被処理物情報メモリ１９に記憶されている領域情報、ならびに形状情報に基づいて、電子ビームが被処理物Ｗの処理対象領域内で後述のごとく屈曲線状の軌跡を描いて二次元走査されるようにビーム偏向手段１６を制御し、また、電子ビームが被処理物Ｗの表面の照射位置に常に焦点を結ぶようにビーム収束手段１５を制御する。したがって、この制御装置９が特許請求の範囲におけるビーム走査制御手段およびフォーカス制御手段としての役目を果たしている。
【００２３】
上記構成の電子ビーム表面処理装置１を用いた被処理物Ｗの表面処理方法について、次に説明する。
【００２４】
被処理物Ｗの表面処理を行う際、被処理物情報メモリ１９に被処理物Ｗの処理対象領域を規定する領域情報、ならびに、被処理物Ｗの表面形状に関する形状情報を予め登録しておく。そして、被処理物ＷをＸＹテーブル４上に載置した後、真空排気装置５により真空チャンバ２内が所定の真空度に達するまで真空引きを行う。
【００２５】
真空チャンバ２内が所定の真空度に達すると、制御装置９は、ＸＹテーブル４を駆動して表面処理が必要とされる処理対象領域に電子ビームが照射可能な位置まで被処理物Ｗを移動させた後、電源装置８を起動して電子銃１２から電子ビームを発生させる。
【００２６】
そして、制御装置９は、被処理物情報メモリ１９に記憶されている領域情報に基づいて、電子ビームが被処理物Ｗの処理対象領域内で屈曲線状の軌跡を描いて二次元走査されるようにビーム偏向手段１６を制御する。
【００２７】
例えば図３（ａ）に示すように、被処理物Ｗの表面処理が必要な処理対象領域を符号Ｒａで示す範囲とした場合、電子ビームは、この処理対象領域Ｒａ内において鋸歯波状の軌跡を描くように二次元走査される。あるいは、例えば図３（ｂ）に示すように、被処理物Ｗの表面処理が必要な処理対象領域を符号Ｒｂで示す範囲とした場合、電子ビームは、この処理対象領域Ｒｂ内において多重反射状の軌跡を描くように二次元走査される。
【００２８】
ここで、図３（ａ）に示すような鋸歯波状の軌跡を描くようにするには、Ｘ軸方向の走査速度成分をＶｘ、Ｙ軸方向の走査速度成分をＶｙとしたとき、Ｖｙ＞＞Ｖｘに設定することにより実施することができる。
【００２９】
また、図３（ｂ）に示すような多重反射状の軌跡を描くようにするには、Ｘ軸方向の走査速度成分Ｖｘ、Ｙ軸方向の走査速度成分Ｖｙとしたとき、両速度成分の差Δ（＝Ｖｘ−Ｖｙ）が僅差となるように設定することにより実施することができる。なお、Ｖｘ＝Ｖｙのときには、図３（ｂ）の破線で示す線上（４５°の角度をもつ線上）を電子ビームが往復走査されるため、多重反射状の軌跡を描くようにはならない。
【００３０】
このように、図３（ａ）に示すような鋸歯波状の軌跡、あるいは図３（ｂ）に示すような多重反射状の軌跡を描くように電子ビームを二次元走査すると、電子ビーム照射で生じる熱が局部的に集中することがないので都合がよい。
【００３１】
すなわち、図４（ａ）に示すように、電子ビームが円形の軌跡を描くように二次元走査する場合には、ある一定幅Ｍをもつ領域（斜線部）内では長さＬａにわたって電子ビームが走査されるために、電子ビームの照射時間も長くなって円軌跡の重なる接線部分に熱が集中してその他の部分との間で溶融むらを生じ易い。
【００３２】
これに対して、図４（ｂ）に示すように、電子ビームが屈曲線状に二次元走査される場合には、同じ一定幅Ｍをもつ領域（斜線部）内では僅かな長さＬｂ（＜Ｌａ）だけ電子ビームが走査されるために、電子ビームの照射時間が図４（ａ）の場合よりも短くなって軌跡の重なる接線部分での熱の集中が緩和される。このため、他の部分との間で溶融むらを生じることがなく、処理対象領域の全域にわたって均一な表面粗さに仕上げることができる。特に、図３（ｂ）に示したように多重反射状の軌跡を描くように電子ビームが二次元走査される場合は、電子ビーム照射による発熱が特定箇所に集中するのを確実に避けることができる。
【００３３】
さらに、この実施の形態１では、上記のようにして電子ビームを屈曲線状に二次元走査する際、制御装置９は、被処理物情報メモリ１９に記憶されている被処理物Ｗの表面形状に関する形状情報に基づいて電子ビームが被処理物Ｗの表面の照射位置に常に焦点を結ぶようにビーム収束手段１５を制御する。
【００３４】
このため、例えば図５（ａ）に示すように、被処理物Ｗの表面に凹部Ｗ１が存在する場合でも、電子ビームは凹部Ｗ１内の表面、凹部Ｗ１外の表面のいずれの照射位置でも常に焦点を結ぶようになる。また、例えば図５（ｂ）に示すように、被処理物Ｗの表面に円弧状の段差Ｗ２が存在する場合でも、電子ビームは段差Ｗ２の途中、段差Ｗ２の前後の表面のいずれの照射位置でも常に焦点を結ぶようになる。したがって、被処理物Ｗの形状が種々異なる場合でもその表面に対して常に同じエネルギ密度で電子ビームが照射される。
【００３５】
このように、この実施の形態１では、電子ビームを被処理物Ｗの処理対象領域内で走査することで、その表層が溶融した後に直ちに自己放冷されて凝固されるので、被処理物Ｗの表面を比較的短時間の内に１μｍ程度の微細な表面粗さに仕上げることができる。しかも、その際、電子ビームが図３に示したように屈曲線状になるように走査されるので、熱が局部的に集中して溶融むらを生じることはなく、処理対象領域の全域にわたって均一な表面粗さに仕上げることができる。さらに、電子ビームは、図５に示したように被処理物Ｗ表面の照射位置に常に収束するようにフォーカス制御されるので、被処理物Ｗの処理表面に対して照射される電子ビームのエネルギ密度が常に一定になる。したがって、電子ビームを表面に照射してその表層を均一に溶融凝固させることができる。このため、一層均一な表面処理をすることができる。
【００３６】
このようにして、電子ビームの二次元走査により被処理物Ｗの一定範囲の表面処理が終われば、次に、制御装置９はＸＹテーブル４を移動して被処理物Ｗの他の範囲について上記と同様に電子ビーム照射により表面処理が行われる。そして、最終的には被処理物Ｗの所定の処理対象領域の全域にわたって表面処理が行われる。なお、電子ビームの二次元走査とＸＹテーブル４の移動とを同期制御するようにしてもよい。
【００３７】
上記の実施の形態１では、被処理物Ｗの表面処理が必要な矩形の処理対象領域Ｒａ，Ｒｂ内を鋸歯波状の軌跡（図３（ａ））、あるいは多重反射状の軌跡（図３（ｂ））を描くように電子ビームを二次元走査しているが、電子ビームをデジタル的に微少量（例えばビーム径がφ０．３ｍｍの１／１０くらいで、０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ）ずつ予め設定された位置をデータ通りに動かすようにすれば、矩形状の領域Ｒａ，Ｒｂだけでなく任意の複雑な領域に電子ビームを照射することができる。
【００３８】
また、実施の形態１において、メモリ１９の形状情報に基づいて電子ビームが被処理物Ｗの表面の照射位置に常に焦点を結ぶようにフォーカス制御を行っているが、電子ビームの焦点位置は被処理物Ｗの表面から常に所定距離だけ離れた箇所に設定されるようにフォーカス制御を行うようにすることも可能である。
【００３９】
さらに、電子ビームが被処理物Ｗの表面に常に焦点を結ぶようにフォーカス制御を行っても、被処理物Ｗの表面が全般に傾斜しているような場合には、被処理物Ｗの表面が水平面の場合と比べて電子ビームの入熱密度（電子ビームのエネルギ密度）が異なってくるので、被処理物情報メモリ１９に記憶されている被処理物Ｗの表面形状に関する形状情報に基づいて、被処理物に対する電子ビームの入熱密度（電子ビームのエネルギ密度）を変化させるようにしてもよい。この場合の入熱密度を変化させる方法としては、ビーム電流を変えたり、走査回数を変えたり、走査速度を変えたりすることで対処することが可能である。
【００４０】
さらにまた、上記の実施の形態１では、被処理物可動機構としてＸＹテーブル４を設けているが、これに限らず、他の構成の被処理物可動機構を設けることもできる。例えば、図６（ａ）に示すような被処理物Ｗを傾動保持する機構２１や、図６（ｂ）に示すような回転保持機構２２をＸＹテーブル４上に配設することができる。
【００４１】
そして、例えば図６（ａ）に示すように、被処理物Ｗに溝Ｗ３がある場合、電子ビームを偏向するだけでは溝Ｗ３内の垂直壁を十分に照射できないことがあるが、傾動保持機構２１を設けた場合には、この傾動保持機構２１で被処理物Ｗを傾斜させることで溝Ｗ３の垂直壁に電子ビームを確実に照射して表面処理を行うことができる。
【００４２】
また、図６（ｂ）に示すように、被処理物Ｗが円柱状をしている場合、回転保持機構２２により被処理物Ｗを回転させることでその処理表面に対して電子ビームを垂直に照射することができるので、均一な表面処理をすることが可能になる。
【００４３】
実施の形態２．
図７はこの実施の形態２における電子ビーム表面処理装置の要部を示す構成図である。
【００４４】
この実施の形態２の特徴は、電子ビームの放射方向に沿って複数段（この例では２段）にわたって偏向レンズ１４ａ，１４ｂが設けられている。このため、第１段目の偏向レンズ１４ａで偏向された電子ビームは、引き続いて第２段目の偏向レンズ１４ｂでさらに偏向される。
【００４５】
これにより、被処理物Ｗの表面に照射される電子ビームの入射角を小さくすることができる。つまり、被処理物Ｗの表面に対して電子ビームをできるだけ垂直に照射できるようになる。このため、電子ビームを二次元走査する場合、被処理物Ｗの表面に対して照射される電子ビームのエネルギ密度が常に一定になるので、被処理物Ｗの表層を均一に溶融凝固させることができ、均一な表面処理をすることができる。
【００４６】
しかも、例えば図８に示すように、被処理物Ｗに凹部Ｗ４がある場合、単一の偏向レンズでは電子ビームを十分に偏向できないために凹部Ｗ４内に陰ができて電子ビームを十分に照射できないことがある。これに対して、この実施の形態２のように、複数段の偏向レンズ１４ａ，１４ｂによって電子ビームを複数回偏向させるようにすれば、凹部Ｗ４内に電子ビームを確実に照射して表面処理を行うことができる。
【００４７】
なお、この実施の形態２では、電子ビームの放射方向に沿って２段の偏向レンズ１４ａ，１４ｂを設けているが、３段以上設けることも可能である。その他の構成、ならびに作用効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００４８】
実施の形態３．
図９はこの実施の形態３における電子ビーム表面処理装置の構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。
【００４９】
この実施の形態３の特徴は、電子ビーム照射手段３が配置された真空チャンバ２ａと、ＸＹテーブル４が配置された真空チャンバ２ｂとが互いに独立して設けられている。そして、両真空チャンバ２ａ，２ｂ間は、例えば蛇腹状の真空シール２３が施されて互いに連通されるとともに、電子ビーム照射手段３が配置された真空チャンバ２ａには、他方の真空チャンバ２ｂに対して変位させるスライド手段２４が設けられている。この場合のスライド手段２４は、例えば、真空チャンバ２ａの底部に設けたローラ２５と、このローラ２５を駆動するモータやギヤを備えた駆動部２６とで構成される。
【００５０】
この構成によれば、ＸＹテーブル４を移動するだけでは被処理物Ｗに対する電子ビームの照射範囲に限界がある場合でも、電子ビーム照射手段３が配置された真空チャンバ２ａ全体を移動させれば被処理物Ｗの広い範囲にわたって電子ビームを照射することが可能になる。
【００５１】
なお、この実施の形態３では、電子ビーム照射手段３が配置された真空チャンバ２ａを移動させるようにしているが、逆にＸＹテーブル４が収納された真空チャンバ２ｂを移動する構成とすることも可能である。その他の構成、ならびに作用効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００５２】
なお、図６（ａ）では被処理物Ｗを傾動保持する機構２１をＸＹテーブル４上に配置した構成を示したが、電子ビーム照射手段３を真空チャンバ２ａ内のＸＹテーブル４に対して傾動保持する傾動保持機構（図示せず）を設けた構成とすることもできる。このような構成にすれば、被処理物Ｗの形状が大きい場合でも、電子ビーム照射手段３を傾斜させることで被処理物Ｗの広い表面にわたって適切に電子ビームを照射することができる。
【００５３】
実施の形態４．
図１０はこの実施の形態４における電子ビーム表面処理装置の要部を示す構成図である。
【００５４】
この実施の形態４の特徴は、ＸＹテーブル４の上に載置される被処理物Ｗを所要温度になるように温度調節する温度調節手段２９を備えていることである。この場合の温度調節手段２９は、例えば、ＸＹテーブル４と被処理物Ｗとの間に介在される加熱冷却器３０と、この加熱冷却器３０の温度制御を行う温度制御装置３１とから構成されている。この場合の加熱冷却器３０は、例えばペルチェ素子を用いたものや、ヒータ単体あるいはクーラ単体、または両者を組み合わせたものを適用することができる。
【００５５】
この構成によれば、例えば図１１に示すように、電子ビーム照射による被処理物Ｗの溶融温度をＴｑとしたとき、被処理物Ｗの処理前の母材温度をＴ１，Ｔ２と変えると、電子ビーム照射時の被処理物Ｗの温度分布曲線が実線および破線で示すように異なってきて表面からの溶融深さもＤ１，Ｄ２変化する。したがって、被処理物Ｗの材料に応じて適切な溶融深さＤ１，Ｄ２等を設定することができる。
【００５６】
その他の構成、ならびに作用効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【実施例】
【００５７】
上記の実施の形態１の構成を備えた電子ビーム表面処理装置を用いて、被処理物に表面処理をして評価実験を行った。この場合、被処理物の材料としては、ＳＴＡＶＡＸ鋼（ＪＩＳ Ｇ ４３０３〜４３０９：マルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２相当）を使用した。この表面処理前の素地の表面粗さは６μｍである。また、処理条件として、真空度が６．７Ｐａ以下、加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流が１１０ｍＡの下で、処理対象領域を３０ｍｍ×３０ｍｍの範囲とし、その範囲内で図３（ａ）に示すように鋸歯波状の軌跡を描くように電子ビームを二次元走査した。そして、被処理物の電子ビーム走査後の表面粗さを測定した。
【００５８】
その結果、３０ｍｍ×３０ｍｍの処理対象領域の全域を電子ビームを一度だけ二次元走査するのに要する時間は約１．６秒で、このときの被処理物の表面粗さは０．９６μｍ（６回測定の平均値）であった。したがって、表面処理後の表面粗さは要求特性を十分に満たしていることが確認された。また、被処理物の処理後の表面状態を走査電子顕微鏡等で観察したところ、処理対象領域内において均一な表面処理が行われていることが確認された。
【００５９】
また、処理条件の内、ビーム電流のみを９０ｍＡに変更し、上記と同じ面積をもつ処理対象領域を５回繰り返して二次元走査した場合、処理に要する総時間は約７．４秒で、このときの被処理物の表面粗さは１．１３μｍ（６回測定の平均値）であった。この場合も所要の表面粗さを得ることが確認できた。
【００６０】
なお、特許文献２に記載されているように、被処理物の広い面積にわたって電子ビームをパルス照射して上記と同様な３０ｍｍ×３０ｍｍの面積内を１μｍ程度の表面粗さに仕上げるのに要する時間は約３８０秒程である。したがって、従来と比べると本発明は同じ程度の表面粗さに仕上げるのに要する時間が極めて短時間で済むことが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、表面処理を行う被処理物Ｗが金型の場合に限定されるものではなく、微細な表面処理が要求される被処理物に対して本発明を広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態１における電子ビーム表面処理装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、ＸＹテーブル上に被処理物を載置した状態の概略を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１において、被処理物に対して電子ビームを二次元走査する場合の説明図である。
【図４】被処理物に対して電子ビームを二次元走査する場合の走査方法の違いに伴って生じる熱集中度合いを説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１において、電子ビームが被処理物表面の照射位置に常に収束するようにフォーカス制御する場合の説明図である。
【図６】被処理物可動機構の変形例を示す斜視図である。
【図７】実施の形態２における電子ビーム表面処理装置の要部を示す構成図である。
【図８】実施の形態２において、電子ビームを偏向して被処理物表面に照射する場合の説明図である。
【図９】実施の形態３における電子ビーム表面処理装置の構成図である。
【図１０】実施の形態４における電子ビーム表面処理装置の要部を示す構成図である。
【図１１】実施の形態４において、温度調節手段で被処理物の温度を調節した場合の電子ビーム照射による温度分布の違いを示す特性図である。
【符号の説明】
【００６３】
Ｗ 被処理物、１ 電子ビーム表面処理装置、２ 真空チャンバ、
３ 電子ビーム照射手段、４ ＸＹテーブル（被処理物可動機構）、
９ 制御装置（ビーム走査制御手段、フォーカス制御手段）、１２ 電子銃、
１３ 収束レンズ、１４，１４ａ，１４ｂ 偏向レンズ、１５ ビーム収束手段、
１６ ビーム偏向手段、１９ 被処理物情報メモリ（記憶手段）、２１ 傾動保持機構、２２ 回転保持機構、２４ スライド手段、２９ 温度調節手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物に電子ビームを照射して表面処理を行う電子ビーム表面処理方法、およびその方法に使用する電子ビーム表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プラスチック射出成型用や半導体部品製造用などの各種の金型は、切削加工機械で予め粗加工した後、放電加工や化学エッチング法等により微細な表面粗さとなるように表面処理を行っている。
【０００３】
ところが、放電加工を行った後の表面粗さは数μｍ〜〜数１０μｍ程度で、通常、金型において必要とされる数μｍ以下の表面粗さを達成することは難しい。これに対して、化学エッチング法を用いると、表面粗さを１μｍ程度の表面に仕上げることも可能であるが、加工条件の制御が極めて難しい。そのため、従来、例えば放電加工を行った後、研磨紙や磨き粉等によって表面研磨を行って表面粗さが０．１μｍ〜１μｍ程度になるような表面処理を行っている。
【０００４】
しかし、この平滑化のための研磨作業は全て手作業で行われているため、熟練者の技能に頼るところが多いばかりか、表面仕上げを完了するまでに多大な作業時間を要する。特に、被処理物の形状が複雑な場合には表面を均一に研磨仕上げすることが難しく、しかも、研磨作業に長時間を要することになり、表面処理の効率化を十分に図ることができない。
【０００５】
そのため、従来は、手作業によらずに被処理物の表面を平滑化するために、被処理物に対してイオンビームを照射して表面処理を行うようした技術や、被処理物の表面の広い範囲にわたって電子ビームをパルス照射して表面処理を行うようにした技術、さらには、被処理物の表面に電子ビームが円形の軌跡を描くように走査して表面処理するようにした技術がそれぞれ提案されている（例えば、特許文献１〜３等参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５５−１６５２８８号公報
【特許文献２】特開２００４−１０８６号公報
【特許文献３】特開平９−２１６０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されている技術は、被処理物に対してイオンビームを照射して表面の凸部をスパッタリングすることで平滑化を行うので、被処理物の形状が複雑なものでも対応可能であるものの、加工速度が遅くて手作業で表面研磨を行う場合と大差なく、表面処理の効率化を図ることが難しい。
【０００８】
また、特許文献２に記載されている技術では、比較的短時間で微細な表面粗さに仕上げることが可能であるが、被処理物の広い面積にわたって電子ビームをパルス照射する関係上、被処理物の形状が複雑なものではその表面に均一に電子ビームを照射することができない。このため、表面粗さに局所的なむらを生じ易い。また、表面が平坦な場合でも、被処理物の広い面積にわたって電子ビームが同時に照射されるため、表面層が溶融凝固する熱量が照射された場合に引っ張り残留応力が生じ易く、被処理物の表面に微細なクラックを生じる。
【０００９】
さらに、特許文献３に記載されている技術では、比較的短時間で微細な表面粗さに仕上げることが可能であるが、被処理物の表面に電子ビームを照射する際に電子ビームが円形の軌跡となるように走査しているので、円形の軌跡が重なる接線部分に熱が集中して溶融むらを生じ易く、均一な表面仕上げを行うことが難しい。
【００１０】
しかも、この特許文献３に記載されている技術では、電子ビームが収束される焦点は常に一定に設定されるため、被処理物に凹凸部がある場合には電子ビームの照射エネルギに差が生じ、その結果、均一な表面粗さに仕上げることができない。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、被処理物の表面を比較的短時間の内に１μｍ程度の微細な表面粗さに仕上げることが可能であり、しかも、その際に表面処理が必要な処理対象領域の全域にわたって均一に仕上げることができる電子ビーム表面処理方法、およびこの方法に用いる電子ビーム表面処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の電子ビーム表面処理方法は、電子ビームを被処理物の表面に照射してその表層を溶融凝固させて表面処理を行う方法であって、上記被処理物の表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報を予め登録しておき、この領域情報に基づいて電子ビームを上記被処理物の処理対象領域内で屈曲線状の軌跡を描くように二次元走査することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の電子ビーム表面処理装置は、被処理物の表面に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段を有し、この電子ビーム照射手段は、電子ビームを発生する電子銃と、この電子銃からの電子ビームを収束するビーム収束手段と、電子ビームを偏向するビーム偏向手段とを備えるとともに、上記被処理物の表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報が予め登録された記憶手段と、この記憶手段に記憶されている上記領域情報に基づいて電子ビームが上記被処理物の処理対象領域内で屈曲線状の軌跡を描いて二次元走査されるように上記ビーム偏向手段を制御するビーム走査制御手段と、を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電子ビームを上記被処理物の処理対象領域内で二次元走査することで、その表層が溶融した場合、その表面張力により被処理物の元の形状から表面エネルギの少ない平坦な表面形状に変形した後に自己放冷されて凝固されるので、被処理物の表面を比較的短時間の内に１μｍ程度の微細な表面粗さに仕上げることができる。しかも、その際、電子ビームが屈曲線状の軌跡を描くように二次元走査されるので、熱が局部的に集中して溶融むらを生じることはなく、表面処理対象領域の全域にわたって均一な表面粗さに仕上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における電子ビーム表面処理装置の構成図である。
【００１６】
この実施の形態１の電子ビーム表面処理装置１は、鋼等の鉄系金属、あるいはアルミニュウム合金等の非鉄金属からなる被処理物Ｗの表面処理を行うものであって、真空チャンバ２内に電子ビーム照射手段３とＸＹテーブル４とが配置されている。また、真空チャンバ２の外部には、真空排気装置５、ビーム収束装置６、ビーム偏向装置７、電源装置８、および制御装置９が設けられている。
【００１７】
上記の電子ビーム照射手段３は、被処理物Ｗの表面に電子ビームを照射するもので、電子ビームを発生する電子銃１２、この電子銃１２からの電子ビームを収束する収束レンズ１３、および電子ビームを偏向する偏向レンズ１４を備えている。そして、電子銃１２は、カソード１２ａ、アノード１２ｂおよびバイアス電極１２ｃから構成されており、電源装置８によりカソード１２ａとバイアス電極１２ｃには負電圧が、アノード１２ｂには正電圧が印加されることにより電子ビームが発生し、この電子ビームが収束レンズ１３で収束された後、偏向レンズ１４で偏向されて被処理物Ｗの表面に照射される。
【００１８】
ＸＹテーブル４は、図２に示すように、被処理物Ｗを互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ個別に移動できるようになっている。また、真空排気装置５は、真空チャンバ２内を所定の真空度になるように真空引きを行うものである。
【００１９】
ビーム収束装置６は、制御装置９からの指令に基づいて収束レンズ１３による電子ビームの収束度合いを調整するものであり、また、ビーム偏向装置７は、制御装置９からの指令に基づいて偏向レンズ１４による電子ビームの偏向度合いを調整するものである。そして、収束レンズ１３とビーム収束装置６とによってビーム収束手段１５が構成され、また、偏向レンズ１４とビーム偏向装置７とによってビーム偏向手段１６が構成されている。
【００２０】
また、上記の制御装置９は、マイクロコンピュータ等から構成されるもので、予め設定された制御プログラムに基づいて電子ビーム照射手段３、ＸＹテーブル４、真空排気装置５、および電源装置８の各動作を制御する。さらに、この制御装置９には、被処理物情報メモリ１９が設けられている。
【００２１】
この被処理物情報メモリ１９は、特許請求の範囲における記憶手段に対応するもので、被処理物Ｗの表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報、ならびに被処理物Ｗの表面形状に関する形状情報が予め登録されている。
【００２２】
そして、制御装置９は、この被処理物情報メモリ１９に記憶されている領域情報、ならびに形状情報に基づいて、電子ビームが被処理物Ｗの処理対象領域内で後述のごとく屈曲線状の軌跡を描いて二次元走査されるようにビーム偏向手段１６を制御し、また、電子ビームが被処理物Ｗの表面の照射位置に常に焦点を結ぶようにビーム収束手段１５を制御する。したがって、この制御装置９が特許請求の範囲におけるビーム走査制御手段およびフォーカス制御手段としての役目を果たしている。
【００２３】
上記構成の電子ビーム表面処理装置１を用いた被処理物Ｗの表面処理方法について、次に説明する。
【００２４】
被処理物Ｗの表面処理を行う際、被処理物情報メモリ１９に被処理物Ｗの処理対象領域を規定する領域情報、ならびに、被処理物Ｗの表面形状に関する形状情報を予め登録しておく。そして、被処理物ＷをＸＹテーブル４上に載置した後、真空排気装置５により真空チャンバ２内が所定の真空度に達するまで真空引きを行う。
【００２５】
真空チャンバ２内が所定の真空度に達すると、制御装置９は、ＸＹテーブル４を駆動して表面処理が必要とされる処理対象領域に電子ビームが照射可能な位置まで被処理物Ｗを移動させた後、電源装置８を起動して電子銃１２から電子ビームを発生させる。
【００２６】
そして、制御装置９は、被処理物情報メモリ１９に記憶されている領域情報に基づいて、電子ビームが被処理物Ｗの処理対象領域内で屈曲線状の軌跡を描いて二次元走査されるようにビーム偏向手段１６を制御する。
【００２７】
例えば図３（ａ）に示すように、被処理物Ｗの表面処理が必要な処理対象領域を符号Ｒａで示す範囲とした場合、電子ビームは、この処理対象領域Ｒａ内において鋸歯波状の軌跡を描くように二次元走査される。あるいは、例えば図３（ｂ）に示すように、被処理物Ｗの表面処理が必要な処理対象領域を符号Ｒｂで示す範囲とした場合、電子ビームは、この処理対象領域Ｒｂ内において多重反射状の軌跡を描くように二次元走査される。
【００２８】
ここで、図３（ａ）に示すような鋸歯波状の軌跡を描くようにするには、Ｘ軸方向の走査速度成分をＶｘ、Ｙ軸方向の走査速度成分をＶｙとしたとき、Ｖｙ＞＞Ｖｘに設定することにより実施することができる。
【００２９】
また、図３（ｂ）に示すような多重反射状の軌跡を描くようにするには、Ｘ軸方向の走査速度成分Ｖｘ、Ｙ軸方向の走査速度成分Ｖｙとしたとき、両速度成分の差Δ（＝Ｖｘ−Ｖｙ）が僅差となるように設定することにより実施することができる。なお、Ｖｘ＝Ｖｙのときには、図３（ｂ）の破線で示す線上（４５°の角度をもつ線上）を電子ビームが往復走査されるため、多重反射状の軌跡を描くようにはならない。
【００３０】
このように、図３（ａ）に示すような鋸歯波状の軌跡、あるいは図３（ｂ）に示すような多重反射状の軌跡を描くように電子ビームを二次元走査すると、電子ビーム照射で生じる熱が局部的に集中することがないので都合がよい。
【００３１】
すなわち、図４（ａ）に示すように、電子ビームが円形の軌跡を描くように二次元走査する場合には、ある一定幅Ｍをもつ領域（斜線部）内では長さＬａにわたって電子ビームが走査されるために、電子ビームの照射時間も長くなって円軌跡の重なる接線部分に熱が集中してその他の部分との間で溶融むらを生じ易い。
【００３２】
これに対して、図４（ｂ）に示すように、電子ビームが屈曲線状に二次元走査される場合には、同じ一定幅Ｍをもつ領域（斜線部）内では僅かな長さＬｂ（＜Ｌａ）だけ電子ビームが走査されるために、電子ビームの照射時間が図４（ａ）の場合よりも短くなって軌跡の重なる接線部分での熱の集中が緩和される。このため、他の部分との間で溶融むらを生じることがなく、処理対象領域の全域にわたって均一な表面粗さに仕上げることができる。特に、図３（ｂ）に示したように多重反射状の軌跡を描くように電子ビームが二次元走査される場合は、電子ビーム照射による発熱が特定箇所に集中するのを確実に避けることができる。
【００３３】
さらに、この実施の形態１では、上記のようにして電子ビームを屈曲線状に二次元走査する際、制御装置９は、被処理物情報メモリ１９に記憶されている被処理物Ｗの表面形状に関する形状情報に基づいて電子ビームが被処理物Ｗの表面の照射位置に常に焦点を結ぶようにビーム収束手段１５を制御する。
【００３４】
このため、例えば図５（ａ）に示すように、被処理物Ｗの表面に凹部Ｗ１が存在する場合でも、電子ビームは凹部Ｗ１内の表面、凹部Ｗ１外の表面のいずれの照射位置でも常に焦点を結ぶようになる。また、例えば図５（ｂ）に示すように、被処理物Ｗの表面に円弧状の段差Ｗ２が存在する場合でも、電子ビームは段差Ｗ２の途中、段差Ｗ２の前後の表面のいずれの照射位置でも常に焦点を結ぶようになる。したがって、被処理物Ｗの形状が種々異なる場合でもその表面に対して常に同じエネルギ密度で電子ビームが照射される。
【００３５】
このように、この実施の形態１では、電子ビームを被処理物Ｗの処理対象領域内で走査することで、その表層が溶融した後に直ちに自己放冷されて凝固されるので、被処理物Ｗの表面を比較的短時間の内に１μｍ程度の微細な表面粗さに仕上げることができる。しかも、その際、電子ビームが図３に示したように屈曲線状になるように走査されるので、熱が局部的に集中して溶融むらを生じることはなく、処理対象領域の全域にわたって均一な表面粗さに仕上げることができる。さらに、電子ビームは、図５に示したように被処理物Ｗ表面の照射位置に常に収束するようにフォーカス制御されるので、被処理物Ｗの処理表面に対して照射される電子ビームのエネルギ密度が常に一定になる。したがって、電子ビームを表面に照射してその表層を均一に溶融凝固させることができる。このため、一層均一な表面処理をすることができる。
【００３６】
このようにして、電子ビームの二次元走査により被処理物Ｗの一定範囲の表面処理が終われば、次に、制御装置９はＸＹテーブル４を移動して被処理物Ｗの他の範囲について上記と同様に電子ビーム照射により表面処理が行われる。そして、最終的には被処理物Ｗの所定の処理対象領域の全域にわたって表面処理が行われる。なお、電子ビームの二次元走査とＸＹテーブル４の移動とを同期制御するようにしてもよい。
【００３７】
上記の実施の形態１では、被処理物Ｗの表面処理が必要な矩形の処理対象領域Ｒａ，Ｒｂ内を鋸歯波状の軌跡（図３（ａ））、あるいは多重反射状の軌跡（図３（ｂ））を描くように電子ビームを二次元走査しているが、電子ビームをデジタル的に微少量（例えばビーム径がφ０．３ｍｍの１／１０くらいで、０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ）ずつ予め設定された位置をデータ通りに動かすようにすれば、矩形状の領域Ｒａ，Ｒｂだけでなく任意の複雑な領域に電子ビームを照射することができる。
【００３８】
また、実施の形態１において、メモリ１９の形状情報に基づいて電子ビームが被処理物Ｗの表面の照射位置に常に焦点を結ぶようにフォーカス制御を行っているが、電子ビームの焦点位置は被処理物Ｗの表面から常に所定距離だけ離れた箇所に設定されるようにフォーカス制御を行うようにすることも可能である。
【００３９】
さらに、電子ビームが被処理物Ｗの表面に常に焦点を結ぶようにフォーカス制御を行っても、被処理物Ｗの表面が全般に傾斜しているような場合には、被処理物Ｗの表面が水平面の場合と比べて電子ビームの入熱密度（電子ビームのエネルギ密度）が異なってくるので、被処理物情報メモリ１９に記憶されている被処理物Ｗの表面形状に関する形状情報に基づいて、被処理物に対する電子ビームの入熱密度（電子ビームのエネルギ密度）を変化させるようにしてもよい。この場合の入熱密度を変化させる方法としては、ビーム電流を変えたり、走査回数を変えたり、走査速度を変えたりすることで対処することが可能である。
【００４０】
さらにまた、上記の実施の形態１では、被処理物可動機構としてＸＹテーブル４を設けているが、これに限らず、他の構成の被処理物可動機構を設けることもできる。例えば、図６（ａ）に示すような被処理物Ｗを傾動保持する機構２１や、図６（ｂ）に示すような回転保持機構２２をＸＹテーブル４上に配設することができる。
【００４１】
そして、例えば図６（ａ）に示すように、被処理物Ｗに溝Ｗ３がある場合、電子ビームを偏向するだけでは溝Ｗ３内の垂直壁を十分に照射できないことがあるが、傾動保持機構２１を設けた場合には、この傾動保持機構２１で被処理物Ｗを傾斜させることで溝Ｗ３の垂直壁に電子ビームを確実に照射して表面処理を行うことができる。
【００４２】
また、図６（ｂ）に示すように、被処理物Ｗが円柱状をしている場合、回転保持機構２２により被処理物Ｗを回転させることでその処理表面に対して電子ビームを垂直に照射することができるので、均一な表面処理をすることが可能になる。
【００４３】
実施の形態２．
図７はこの実施の形態２における電子ビーム表面処理装置の要部を示す構成図である。
【００４４】
この実施の形態２の特徴は、電子ビームの放射方向に沿って複数段（この例では２段）にわたって偏向レンズ１４ａ，１４ｂが設けられている。このため、第１段目の偏向レンズ１４ａで偏向された電子ビームは、引き続いて第２段目の偏向レンズ１４ｂでさらに偏向される。
【００４５】
これにより、被処理物Ｗの表面に照射される電子ビームの入射角を小さくすることができる。つまり、被処理物Ｗの表面に対して電子ビームをできるだけ垂直に照射できるようになる。このため、電子ビームを二次元走査する場合、被処理物Ｗの表面に対して照射される電子ビームのエネルギ密度が常に一定になるので、被処理物Ｗの表層を均一に溶融凝固させることができ、均一な表面処理をすることができる。
【００４６】
しかも、例えば図８に示すように、被処理物Ｗに凹部Ｗ４がある場合、単一の偏向レンズでは電子ビームを十分に偏向できないために凹部Ｗ４内に陰ができて電子ビームを十分に照射できないことがある。これに対して、この実施の形態２のように、複数段の偏向レンズ１４ａ，１４ｂによって電子ビームを複数回偏向させるようにすれば、凹部Ｗ４内に電子ビームを確実に照射して表面処理を行うことができる。
【００４７】
なお、この実施の形態２では、電子ビームの放射方向に沿って２段の偏向レンズ１４ａ，１４ｂを設けているが、３段以上設けることも可能である。その他の構成、ならびに作用効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００４８】
実施の形態３．
図９はこの実施の形態３における電子ビーム表面処理装置の構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。
【００４９】
この実施の形態３の特徴は、電子ビーム照射手段３が配置された真空チャンバ２ａと、ＸＹテーブル４が配置された真空チャンバ２ｂとが互いに独立して設けられている。そして、両真空チャンバ２ａ，２ｂ間は、例えば蛇腹状の真空シール２３が施されて互いに連通されるとともに、電子ビーム照射手段３が配置された真空チャンバ２ａには、他方の真空チャンバ２ｂに対して変位させるスライド手段２４が設けられている。この場合のスライド手段２４は、例えば、真空チャンバ２ａの底部に設けたローラ２５と、このローラ２５を駆動するモータやギヤを備えた駆動部２６とで構成される。
【００５０】
この構成によれば、ＸＹテーブル４を移動するだけでは被処理物Ｗに対する電子ビームの照射範囲に限界がある場合でも、電子ビーム照射手段３が配置された真空チャンバ２ａ全体を移動させれば被処理物Ｗの広い範囲にわたって電子ビームを照射することが可能になる。
【００５１】
なお、この実施の形態３では、電子ビーム照射手段３が配置された真空チャンバ２ａを移動させるようにしているが、逆にＸＹテーブル４が収納された真空チャンバ２ｂを移動する構成とすることも可能である。その他の構成、ならびに作用効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００５２】
なお、図６（ａ）では被処理物Ｗを傾動保持する機構２１をＸＹテーブル４上に配置した構成を示したが、電子ビーム照射手段３を真空チャンバ２ａ内のＸＹテーブル４に対して傾動保持する傾動保持機構（図示せず）を設けた構成とすることもできる。このような構成にすれば、被処理物Ｗの形状が大きい場合でも、電子ビーム照射手段３を傾斜させることで被処理物Ｗの広い表面にわたって適切に電子ビームを照射することができる。
【００５３】
実施の形態４．
図１０はこの実施の形態４における電子ビーム表面処理装置の要部を示す構成図である。
【００５４】
この実施の形態４の特徴は、ＸＹテーブル４の上に載置される被処理物Ｗを所要温度になるように温度調節する温度調節手段２９を備えていることである。この場合の温度調節手段２９は、例えば、ＸＹテーブル４と被処理物Ｗとの間に介在される加熱冷却器３０と、この加熱冷却器３０の温度制御を行う温度制御装置３１とから構成されている。この場合の加熱冷却器３０は、例えばペルチェ素子を用いたものや、ヒータ単体あるいはクーラ単体、または両者を組み合わせたものを適用することができる。
【００５５】
この構成によれば、例えば図１１に示すように、電子ビーム照射による被処理物Ｗの溶融温度をＴｑとしたとき、被処理物Ｗの処理前の母材温度をＴ１，Ｔ２と変えると、電子ビーム照射時の被処理物Ｗの温度分布曲線が実線および破線で示すように異なってきて表面からの溶融深さもＤ１，Ｄ２変化する。したがって、被処理物Ｗの材料に応じて適切な溶融深さＤ１，Ｄ２等を設定することができる。
【００５６】
その他の構成、ならびに作用効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【実施例】
【００５７】
上記の実施の形態１の構成を備えた電子ビーム表面処理装置を用いて、被処理物に表面処理をして評価実験を行った。この場合、被処理物の材料としては、ＳＴＡＶＡＸ鋼（ＪＩＳ Ｇ ４３０３〜４３０９：マルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２相当）を使用した。この表面処理前の素地の表面粗さは６μｍである。また、処理条件として、真空度が６．７Ｐａ以下、加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流が１１０ｍＡの下で、処理対象領域を３０ｍｍ×３０ｍｍの範囲とし、その範囲内で図３（ａ）に示すように鋸歯波状の軌跡を描くように電子ビームを二次元走査した。そして、被処理物の電子ビーム走査後の表面粗さを測定した。
【００５８】
その結果、３０ｍｍ×３０ｍｍの処理対象領域の全域を電子ビームを一度だけ二次元走査するのに要する時間は約１．６秒で、このときの被処理物の表面粗さは０．９６μｍ（６回測定の平均値）であった。したがって、表面処理後の表面粗さは要求特性を十分に満たしていることが確認された。また、被処理物の処理後の表面状態を走査電子顕微鏡等で観察したところ、処理対象領域内において均一な表面処理が行われていることが確認された。
【００５９】
また、処理条件の内、ビーム電流のみを９０ｍＡに変更し、上記と同じ面積をもつ処理対象領域を５回繰り返して二次元走査した場合、処理に要する総時間は約７．４秒で、このときの被処理物の表面粗さは１．１３μｍ（６回測定の平均値）であった。この場合も所要の表面粗さを得ることが確認できた。
【００６０】
なお、特許文献２に記載されているように、被処理物の広い面積にわたって電子ビームをパルス照射して上記と同様な３０ｍｍ×３０ｍｍの面積内を１μｍ程度の表面粗さに仕上げるのに要する時間は約３８０秒程である。したがって、従来と比べると本発明は同じ程度の表面粗さに仕上げるのに要する時間が極めて短時間で済むことが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、表面処理を行う被処理物Ｗが金型の場合に限定されるものではなく、微細な表面処理が要求される被処理物に対して本発明を広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態１における電子ビーム表面処理装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、ＸＹテーブル上に被処理物を載置した状態の概略を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１において、被処理物に対して電子ビームを二次元走査する場合の説明図である。
【図４】被処理物に対して電子ビームを二次元走査する場合の走査方法の違いに伴って生じる熱集中度合いを説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１において、電子ビームが被処理物表面の照射位置に常に収束するようにフォーカス制御する場合の説明図である。
【図６】被処理物可動機構の変形例を示す斜視図である。
【図７】実施の形態２における電子ビーム表面処理装置の要部を示す構成図である。
【図８】実施の形態２において、電子ビームを偏向して被処理物表面に照射する場合の説明図である。
【図９】実施の形態３における電子ビーム表面処理装置の構成図である。
【図１０】実施の形態４における電子ビーム表面処理装置の要部を示す構成図である。
【図１１】実施の形態４において、温度調節手段で被処理物の温度を調節した場合の電子ビーム照射による温度分布の違いを示す特性図である。
【符号の説明】
【００６３】
Ｗ 被処理物、１ 電子ビーム表面処理装置、２ 真空チャンバ、
３ 電子ビーム照射手段、４ ＸＹテーブル（被処理物可動機構）、
９ 制御装置（ビーム走査制御手段、フォーカス制御手段）、１２ 電子銃、
１３ 収束レンズ、１４，１４ａ，１４ｂ 偏向レンズ、１５ ビーム収束手段、
１６ ビーム偏向手段、１９ 被処理物情報メモリ（記憶手段）、２１ 傾動保持機構、２２ 回転保持機構、２４ スライド手段、２９ 温度調節手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを被処理物の表面に照射してその表層を溶融凝固させて表面処理を行う電子ビーム表面処理方法において、
上記被処理物の表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報を予め登録しておき、この領域情報に基づいて電子ビームを上記被処理物の処理対象領域内を屈曲線状の軌跡を描くように二次元走査することを特徴とする電子ビーム表面処理方法。
【請求項２】
上記の屈曲線状の軌跡を描く二次元走査とは、鋸歯波状の軌跡を描く二次元走査であることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム表面処理方法。
【請求項３】
上記の屈曲線状の軌跡を描く二次元走査とは、多重反射状の軌跡を描く二次元走査であることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム表面処理方法。
【請求項４】
上記被処理物の表面形状に関する形状情報を予め登録しておき、この形状情報に基づいて電子ビームが上記被処理物の表面または表面から一定距離だけ離れた箇所に常に焦点を結ぶようにフォーカス制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理方法。
【請求項５】
上記被処理物の表面形状に関する形状情報を予め登録しておき、この形状情報に基づいて電子ビームの上記被処理物の照射位置に対するエネルギ密度が変化する制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理方法。
【請求項６】
被処理物の表面に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段を有し、この電子ビーム照射手段は、電子ビームを発生する電子銃と、この電子銃からの電子ビームを収束するビーム収束手段と、電子ビームを偏向するビーム偏向手段とを備えている電子ビーム表面処理装置において、
上記被処理物の表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報が予め登録された記憶手段と、この記憶手段に記憶されている上記領域情報に基づいて電子ビームが上記被処理物の処理対象領域内で屈曲線状の軌跡を描いて二次元走査されるように上記ビーム偏向手段を制御するビーム走査制御手段と、を備えることを特徴とする電子ビーム表面処理装置。
【請求項７】
上記記憶手段には、上記領域情報に加えて被処理物の表面形状に関する形状情報が予め登録される一方、この形状情報に基づいて電子ビームが上記被処理物の表面または表面から所定距離だけ離れた箇所に常に常に焦点を結ぶように上記ビーム収束手段を制御するフォーカス制御手段を備えることを特徴とする請求項６記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項８】
上記被処理物を電子ビームの照射方向に対して水平移動、回転、傾動の内の少なくとも一つを行う被処理物可動機構を備えることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項９】
上記ビーム偏向手段が電子ビームの放射方向に沿って複数段にわたって設けられていることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項１０】
上記電子ビーム照射手段の位置を上記被処理物可動機構に対して変位させるスライド手段を備えることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項１１】
上記電子ビーム照射手段の位置を上記被処理物可動機構に対して傾動させる傾動手段を備えることを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項１２】
上記被処理物を所定温度になるように温度調節する温度調節手段を備えることを特徴とする請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項１】
電子ビームを被処理物の表面に照射してその表層を溶融凝固させて表面処理を行う電子ビーム表面処理方法において、
上記被処理物の表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報を予め登録しておき、この領域情報に基づいて電子ビームを上記被処理物の処理対象領域内を屈曲線状の軌跡を描くように二次元走査することを特徴とする電子ビーム表面処理方法。
【請求項２】
上記の屈曲線状の軌跡を描く二次元走査とは、鋸歯波状の軌跡を描く二次元走査であることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム表面処理方法。
【請求項３】
上記の屈曲線状の軌跡を描く二次元走査とは、多重反射状の軌跡を描く二次元走査であることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム表面処理方法。
【請求項４】
上記被処理物の表面形状に関する形状情報を予め登録しておき、この形状情報に基づいて電子ビームが上記被処理物の表面または表面から一定距離だけ離れた箇所に常に焦点を結ぶようにフォーカス制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理方法。
【請求項５】
上記被処理物の表面形状に関する形状情報を予め登録しておき、この形状情報に基づいて電子ビームの上記被処理物の照射位置に対するエネルギ密度が変化する制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理方法。
【請求項６】
被処理物の表面に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段を有し、この電子ビーム照射手段は、電子ビームを発生する電子銃と、この電子銃からの電子ビームを収束するビーム収束手段と、電子ビームを偏向するビーム偏向手段とを備えている電子ビーム表面処理装置において、
上記被処理物の表面処理を行う処理対象領域を規定する領域情報が予め登録された記憶手段と、この記憶手段に記憶されている上記領域情報に基づいて電子ビームが上記被処理物の処理対象領域内で屈曲線状の軌跡を描いて二次元走査されるように上記ビーム偏向手段を制御するビーム走査制御手段と、を備えることを特徴とする電子ビーム表面処理装置。
【請求項７】
上記記憶手段には、上記領域情報に加えて被処理物の表面形状に関する形状情報が予め登録される一方、この形状情報に基づいて電子ビームが上記被処理物の表面または表面から所定距離だけ離れた箇所に常に常に焦点を結ぶように上記ビーム収束手段を制御するフォーカス制御手段を備えることを特徴とする請求項６記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項８】
上記被処理物を電子ビームの照射方向に対して水平移動、回転、傾動の内の少なくとも一つを行う被処理物可動機構を備えることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項９】
上記ビーム偏向手段が電子ビームの放射方向に沿って複数段にわたって設けられていることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項１０】
上記電子ビーム照射手段の位置を上記被処理物可動機構に対して変位させるスライド手段を備えることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項１１】
上記電子ビーム照射手段の位置を上記被処理物可動機構に対して傾動させる傾動手段を備えることを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理装置。
【請求項１２】
上記被処理物を所定温度になるように温度調節する温度調節手段を備えることを特徴とする請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の電子ビーム表面処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−３５２６３（Ｐ２００６−３５２６３Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１８４０１（Ｐ２００４−２１８４０１）
【出願日】平成１６年７月２７日（２００４．７．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２７日（２００４．７．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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