JP2006026660A

JP2006026660A - 電子ビーム表面平滑化装置および金型表面の処理方法

Info

Publication number: JP2006026660A
Application number: JP2004205970A
Authority: JP
Inventors: Seigo Motome; 精吾本目; Masanao Hotta; 昌直堀田
Original assignee: Elionix Kk
Current assignee: Elionix Kk
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】金型表面の機械加工面の微細部分に高密度電子ビームで表面処理することで、精度及び効率良く金型表面の面粗度を改善することができる電子ビーム表面平滑化装置を提供する。
【解決手段】ＣＡＤデータ１６を基に、高密度微細電子ビーム２の焦点を金型６の表面に結ばせるようにコンピュータ１５で電子ビーム照射系、およびステージを制御し、金型表面の微細部分を順次、溶融固化させることで、前記金型の所望する領域の、機械加工あるいは放電加工を行っただけの面粗度の大きい表面を光沢表面に改良することを可能とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子ビーム表面平滑化装置および金型表面の処理方法に係り、特に、高密度微細電子ビームを照射して、金型表面の面粗度を改良する装置および方法に関するものである。

近年、金型はその微細さ、仕上がりの精密さに対する要求が厳しくなり、それに応えるためには、高度な技能で長時間の仕上げ時間を要する。特に、例えば図４に示すような金型凹部の表面磨きは、金型６の凹部６１内部の表面仕上げを行うに際して、軸１００に研磨布１０１を固定した冶工具を用い、手作業で表面磨きすることで、荒れた機械加工面６０１から面粗度が改良された処理済面６０２を得ている。このように、特別製の冶工具を使った手作業でのみ表面磨きが可能であり、金型を製作するうえで、自動化が要求されている。

さらに、将来的には金型の製作における微細さの要求は、冶工具や技能だけでは処理しきれない数μｍの精度の領域になることが予測され、新しい処理方法でないと対応できなくなりつつある。このため、電子ビームを照射して金型の表面処理を行うことが提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、上記提案においても、例えば、三次元構造を有する金型の凹部内部の加工を良好に行えるものではないという課題があった。
特開２００４−１０８６号公報

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、金型の機械加工面の微細部分を高密度電子ビームで表面処理することで、精度及び効率良く金型表面の面粗度を改善することができる電子ビーム表面平滑化装置および金型表面の処理方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の電子ビーム表面平滑化装置は、高密度微細電子ビームの形成手段と、被加工物としての金型を保持して複数自由度で動くステージと、前記金型の表面に前記電子ビームの焦点を形成する手段とを備え、ＣＡＤデータで規定された前記金型表面の所望の位置に前記高密度微細電子ビームを照射して微細領域を短時間で溶融固化することにより、機械加工では得られなかった光沢面を得ることを特徴とするものである。

すなわち、ＣＡＤデータを基に、高密度微細電子ビームの焦点を金型表面に結ばせるようにコンピュータで電子ビーム照射系、およびステージを制御し、金型表面の微細部分を順次、溶融固化させることで、前記金型の所望する領域の、機械加工あるいは放電加工を行っただけの面粗度の大きい表面を光沢表面に改良することを特徴とするものである。

上記本発明によれば、金型表面の微細部分に高エネルギー密度の電子ビームを照射して表面を溶融し、固化する際にその表面張力で表面が平滑になる現象を利用することで、短時間に機械加工では得られなかった光沢面を得ることができる。そして、ステージに被加工物として金型を保持し、ＣＡＤデータで規定された金型表面の所望の位置に高密度微細電子ビームを照射することで、三次元構造物の金型表面の広範囲にわたって、上記光沢面を隙間なく効率的に形成できる。

そして、高密度微細電子ビームを制御する対物レンズおよび偏向器と、被加工物を保持するステージを、ＣＡＤデータからの信号で制御し電子ビームの焦点位置及び照射位置を常に金型の表面になるように制御することで、所望の部分の表面のみを平坦化して、上記光沢面を形成できる。

照射位置の制御は、三次元ＣＡＤデータ情報に基づき、電子ビームの焦点を変更するかまたは、ステージの三次元位置を変更して相対位置を一致させることで、電子ビームを常に金型の三次元的な表面に焦点を結ばせる。これにより、三次元構造物の金型凹部内部の表面においても、良好な光沢面を広範囲にわたって隙間なく形成できる。

また、表面形状や表面の材質に応じて電子ビームの偏向スピードを調整して面積あたりの投入エネルギーを調整することで、全体の仕上がりの不均一さをなくすことができる。

本発明によれば、従来は人手により長時間かけて表面の光沢化を行ってきた金型の狭い凹部（溝）の底面などの部分を、自動的に三次元ＣＡＤデータ情報に基づき電子ビームを照射することで、効率的に光沢化処理を行うことができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態の電子ビーム表面平滑化装置の構成例を示すブロック図である。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

この装置は、電子ビーム照射装置３０の電子線鏡筒１０内に、電子ビーム２を発生する電子銃１と、電子ビームを微細径に絞るコンデンサレンズ３および対物レンズ４等からなるレンズ系を備えている。電子ビーム２は、電子銃１から発射され、コンデンサレンズ３及び対物レンズ４で細く絞られ、被加工物である金型６の表面（被照射部位）で焦点を結ぶように制御される。また、偏向器５により電子ビーム２の照射位置が偏向制御されるようになっている。

そして、電子ビーム２の焦点位置に、被加工物である金型６の被照射部位が位置するように、金型６を保持するステージ７が配置されている。ステージ７は、ワークチャンバ２０内に配置され、モータ８により三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）に移動可能となっていて、これにより、金型６の被照射部位を電子ビームの焦点位置に精密に位置合わせが可能となっている。

なお、ワークチャンバ２０は真空排気系１９に接続され、電子線鏡筒１０の内部及びワークチャンバ２０の内部が真空排気されるようになっている。また、コンピュータ（ＣＰＵ）１５および表示器１４が備えられ、ＣＡＤデータ１６等の情報に基づいて、電子銃制御ユニット１１、レンズ制御部１２、偏向器制御部１３、モータドライバ１８等の制御が可能となっている。

すなわち、金型６を保持したステージ７は、モータ８により２次元平面内でＸＹ方向に位置制御され、さらに高さ方向（Ｚ方向）に位置制御される。モータ８は、モータドライバ１８により駆動され、ステージ７の位置は金型６の製作時のＣＡＤデータ１６に基づいて、ＣＰＵ１５の指令により三次元方向に精密位置制御される。

また、ＣＡＤデータ１６はＣＰＵ１５に送られ、ＣＰＵ１５では、このＣＡＤデータ１６に基づいて、電子銃制御ユニット１１、レンズ制御部１２、偏向器制御部１３を制御することで、電子ビームの焦点位置及び照射位置を制御することができる。また、モータドライバ１８を介して、ステージ７を制御することで、電子ビームの焦点位置に合わせて被加工物である金型表面の高さ方向（Ｚ方向）の位置合わせが可能となっている。

これにより、高密度微細電子ビーム２を制御する対物レンズ４および偏向器５と、被加工物を保持するステージ７を、ＣＡＤデータ１６からの信号で制御し、電子ビームの焦点位置及び照射位置を常に金型６の表面になるように制御することで、所望の表面部分のみに溶融領域を形成して、光沢面を形成できる。

また、照射位置の制御は、三次元ＣＡＤデータ１６の情報に基づき、電子ビーム２の焦点位置を変更するか、または、ステージ７の三次元位置を変更して相対位置を一致させることで、電子ビーム２を常に金型６の三次元的な表面に焦点を結ばせることができる。これにより、三次元構造物の金型６の凹部内部の表面においても、良好な光沢面を広範囲にわたって隙間なく形成できる。

また、金型の表面形状や表面の材質に応じて、電子ビームの偏向スピードを調整して面積あたりの投入エネルギーを調整することで、全体の仕上がりの不均一さをなくすことができる。例えば表面形状が傾斜面である場合は、照射される電子ビームのエネルギー量を加減して、常に一定の表面仕上がりになるように制御する。これらの表面形状の特定は、三次元ＣＡＤデータ１６に基づいて行うことができる。

すなわち、この装置においては、金型の表面形状や傾斜角度に対応して電子ビームの照射量を変化させることができる手段を備えている。金型の表面が傾斜している場合には、金型表面の単位面積当たりのビーム照射量が垂直照射時に比較して減少することになる。このため、電子銃制御ユニット１１により電子銃１１を制御するか、偏向器制御部で、電子ビームの偏向速度や偏向範囲を変えることで、電子ビームの照射量を加減して常に一定の表面処理が行える。

また、ワークチャンバ２０内には、電子ビーム照射によって発生する各種信号を検出する信号検出器９を備え、検出データが信号増幅器１７を介してＣＰＵ１５に送られる。従って、電子ビームの照射位置における焦点の結ばれ方などの情報を検出することができ、この情報をＣＰＵ１５にフィードバックすることで、上述したレンズ制御部１２やモータ制御部１８の制御により焦点位置を金型表面に位置するように調整することができる。

すなわち、電子ビーム２の焦点位置と金型表面の三次元的位置合わせを、レンズ制御部１２によりコンデンサレンズ３及び対物レンズ４の電磁界を調整することにより行うことができる。また、電子ビーム２の焦点位置と金型表面の三次元的位置合わせを、ステージ７の高さ（Ｚ方向位置）を調整することによりモータドライバ１８でモータ８を駆動することにより制御することができる。

図２は、上記装置による表面処理の一例を示す。三次元構造の凹部６１を有する金型６がステージに保持され、図中の矢印方向に進行する。また、電子ビーム２は偏向器制御部１３の制御により紙面に垂直方向に偏向制御される。そして、金型６の製作時のＣＡＤデータ１６に基づいて、電子ビームの照射領域が制御される。また、電子ビーム２は凹部６１の底面に焦点を結ぶようにレンズ制御部１２による調整またはステージ７の高さ方向の調整により制御される。

従って、電子ビーム２の焦点を結ぶ位置において金型表面に溶融部６０３が形成され、荒れた機械加工面６０１が良好な光沢面である処理済面６０２となる。このようにして、微細高密度電子ビームを照射して機械加工では得られなかった光沢面を創生する領域を、三次元構造物の金型表面の広範囲に渡って隙間なく形成できる。

金型材料の表面処理をする場合、電子ビームが一定のエネルギー密度以上必要である。図５は金型材料の表面処理をした一例を示すが、図中、●印は表面が溶融固化して面粗度が改良されたことを示し、□印は溶融しなかったことを示す。ビーム径が直径５μｍでは１×１０^７Ｗ／ｃｍ^２、直径４０μｍでは７×１０^５Ｗ／ｃｍ^２あれば溶融固化することがわかる。電子ビーム表面平滑化装置用の電子線鏡筒は上記の値を基準にして設計される。

図３は、金型表面に設けられた微細な溝の表面処理を示す拡大図である。例えば、溝幅が２００μｍ以下の微細な凹部であっても、例えば直径が２０μｍ程度の微細高密度電子ビームを用いることで、その照射領域に溶融領域６０３が形成され、機械加工では得られなかった良好な光沢面を形成することができる。

なお、将来的には、微細高密度電子ビームを用いることで、人手では不可能な０．１ｍｍ以下の微細寸法の窪みの底面でも光沢化処理が可能となる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態の電子ビーム表面平滑化装置の全体構成を示す図である。上記微細高密度電子ビームを用いた金型表面の光沢化処理の模式図である。上記微細高密度電子ビームを用いた金型表面の微細凹部（溝）における光沢化処理の模式図である。従来技術による金型表面の凹部（溝）における光沢化処理の模式図である。金属表面平滑化条件を示すグラフである。

符号の説明

１電子銃
２電子ビーム
３コンデンサレンズ
４対物レンズ
５偏向器
６ワーク
７ステージ
８ステージ駆動モーター
９信号検出器
１０電子線鏡筒
１１電子銃制御ユニット
１２レンズ制御部
１３偏向器制御部
１４表示器
１５コンピュータ（ＣＰＵ）
１６ＣＡＤデータ
１７信号増幅器
１８モータドライバ
１９真空排気系
２０ワークチャンバ
３０電子ビーム照射装置
１００軸
１０１研磨布
６０１機械加工面
６０２処理済面
６０３溶融部

Claims

高密度微細電子ビームの形成手段と、被加工物としての金型を保持して複数自由度で動くステージと、前記金型の表面に前記電子ビームの焦点を形成する手段とを備え、ＣＡＤデータで規定された前記金型表面の所望の位置に前記高密度微細電子ビームを照射して微細領域を溶融することにより、機械加工では得られなかった光沢面を得ることを特徴とする電子ビーム表面平滑化装置。
前記金型を保持したステージを、前記ＣＡＤデータと連動して位置制御することで、前記微細高密度電子ビームを照射して機械加工では得られなかった光沢面を創生する領域を、三次元構造物の金型表面の広範囲にわたって隙間なく形成できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の電子ビーム表面平滑化装置。
前記電子ビームの焦点と金型表面の三次元的位置合わせを、前記電子ビームの焦点を調節することにより行うことを特徴とする請求項１記載の電子ビーム表面平滑化装置。
前記電子ビームの焦点と金型表面の三次元的位置合わせを、前記ステージの高さを調節することにより行うことを特徴とする請求項１記載の電子ビーム表面平滑化装置。
前記金型の表面形状あるいは傾斜角度に対応して前記電子ビームの照射量を変化させ、常に一定の表面処理が行えるように電子ビームの単位時間当たりの照射量を変化させることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム表面平滑化装置。
ＣＡＤデータを基に、高密度微細電子ビームの焦点を金型表面に結ばせるようにコンピュータで電子ビーム照射系、およびステージを制御し、金型表面の微細部分を順次、溶融固化させることで、前記金型の所望する領域の、機械加工あるいは放電加工を行っただけの面粗度の大きい表面を光沢表面に改良することを特徴とする金型表面の処理方法。