JP5853660B2 - 電子ビームの照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属ストリップに対し電子ビームを照射する方法において、電子ビームの出力が安定するまでの間等に、銅などの熱伝導性の良い材料からなる電子ビームの被照射体（以下、アイドルターゲットという）に電子ビームを照射する電子ビームの照射方法に関し、特にアイドルターゲットの局所的な高温化を回避しようとするものである。

金属の微細加工に電子ビーム照射が用いられており、ビーム出力を変えることにより、大小さまざまな加工が可能になっている。
電子ビームはビーム出力が安定するまで、数10〜数100msほどの時間がかかる。高出力で被照射体を溶融・変形させる溶接などの用途では、ビーム出力が安定するまで、被照射体上にビームを照射している。一方で、表面改質などの用途においては、被照射体に照射される微妙な熱が、表面性状などに影響してくるため、加工する材料の近傍に設置したアイドルターゲットに電子ビームを照射して、出力を安定化させた後に、加工を開始している（例えば、特許文献１）。

また、電子ビームは金属ストリップの幅方向全幅に照射することが多いが、幅方向端部付近に電子ビームを照射しようとする場合、金属ストリップの外側にも電子ビームが照射されることになる。この場合、電子ビームの熱を外部に散乱させない手段として、アイドルターゲットを用いる。

近年、表面改質などでも、より大きな出力でビーム照射するケースが増えてきた。例えば、高出力による照射は、照射を高速化できる利点がある。ビームの走査速度をｖ(m/s)とした場合、単位長さ当たりに照射されるエネルギＥ(J/m)は、加速電圧Ｖ(V)×ビーム電流(A)÷ｖで表されるため、ビーム電流が高いほど、より速い走査で同一のエネルギを照射することが可能である。

ビームが高出力化するに従って、電子ビームの出力が安定するまでの間に、または電子ビームが金属ストリップの外側に照射される間に、アイドルターゲットが電子ビームから受ける熱量が増え、その結果、アイドルターゲットの局所的な高温化、溶解または気化等が生じ、以下のような問題が顕在化してきた。
（１）アイドルターゲットの変形・磨耗
（２）金属蒸気の発生による電子銃加工室の真空度低下
（３）金属ストリップへの金属蒸気の付着
（４）アイドルターゲットからの熱伝導による金属ストリップの高温化と変形

上記（１）により、アイドルターゲットの交換頻度が増して、生産性が低下する。
上記（２）により、電子ビームの金属ストリップへの照射エネルギが低下し、加工精度の低下を招く。
上記（３）により、金属ストリップの外観等が劣化する。
上記（４）により、電子ビーム源と金属ストリップの間の距離が変化し、加工精度が低下する。

このような問題の解決策として、特許文献２に、アイドルターゲット上の電子ビームの照射位置を常時変化させることでアイドルターゲットの高温化を防ぐ技術が開示されている。
また、特許文献３に、ビーム待機位置で収束電流を変化させることにより、ターゲットの蒸発を抑えることで、基板への不要な蒸着粒子の付着を防止する技術が開示されている。
一方、一般的な解決方法として、アイドルターゲットを大型化したり、アイドルターゲットの素材を変更することが考えられる。

特開平2-228427号公報 特許第3160315号公報 特開2010-280961号公報

しかしながら、特許文献２に開示されている方法を用いる場合、アイドルターゲット上の電子ビームの照射位置を常時変化させるという、煩雑なビーム制御が必要となる。また、この方法を用いる場合、電子ビームが安定化するまで、または金属ストリップ外に待機する間、揺動させているために、待機位置から「ストリップ照射開始点へのビーム移動時間が一定とならないため、ストリップ照射開始点が不安定になる」おそれがある。また、同文献には、待機位置からストリップ照射開始点の距離が常に一定となるように、揺動させる電子ビームの形状を円状にさせることによって、上記問題を解消する技術も示されているが、この場合には、待機位置からストリップ照射開始点まで電子ビームを移動させる間に、金属ストリップに電子ビームが照射されてしまうおそれがあった。

また、特許文献３に開示されている方法は、基板への薄膜の形成を回避すべき待機時に、ビーム待機位置での収束電流をターゲット照射時における収束電流から大きく異なる値に制御するものであり、この方法を用いる場合、アイドルターゲット照射時の収束電流を金属ストリップ照射時における収束電流から大きく異なる値に制御することとなる。しかしながら、本発明で意図している金属ストリップの連続通板における通板速度の高速化や金属ストリップに照射していないアイドル時間の短縮化が求められる状況においては、特許文献３のような急激な変化を伴う収束電流の制御は困難である。

また、アイドルターゲットを大型化させる場合は、アイドルターゲットの熱容量が増加するため、アイドルターゲット全体としての温度上昇は抑制できる。しかしながら、アイドルターゲットのビーム照射面におけるビーム照射時の局所的な高温化を防止することはできないため、少なくとも上記（２），（３）の問題を解決することができない。
また、アイドルターゲットの素材を変更する場合は、例えば、熱伝導度がより高い銀、またはより融点の高いタングステンもしくはモリブデンに変えることによって、上記の問題を軽減または解決することができる。しかしながら、これらの素材はいずれも入手が難しく、またタングステンやモリブデンの場合には加工性に問題がある。

この発明は、上記の問題を解決するもので、アイドルターゲットの局所的な高温化を有利に防止することができ、ひいてはアイドルターゲットの変形や、金属蒸気の発生を回避することができる電子ビームの照射方法を提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を重ねた末に、以下に述べる知見を得た。
１）アイドルターゲットに電子ビームを照射する際のアイドルターゲット表面におけるビーム照射径を、金属ストリップに電子ビームを照射する際の金属ストリップ表面におけるビーム照射径よりも大きくしてやれば、アイドルターゲットのビーム照射面における熱密度を低下させて、アイドルターゲットの局所的な高温化を防止することができる。

２）アイドルターゲット表面におけるビーム照射径を大きくする手段としては、アイドルターゲットと金属ストリップの距離を離すことが考えられる。通常、電子ビームは、その焦点が金属ストリップ表面に合わせられるため、アイドルターゲットと金属ストリップの距離を離せば離すほど、アイドルターゲット表面におけるビーム照射径を大きくすることができる。

３）また、上記以外の手段としては、アイドルターゲット上で収束電流値を変更して、アイドルターゲット表面におけるビーム照射径を大きくすることが考えられる。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．金属ストリップに対し電子ビームを照射する方法において、電子ビームの出力が安定するまでの間、または電子ビームが金属ストリップの外側に照射される間に、別途用意したアイドルターゲットに電子ビームを照射するに際し、
上記アイドルターゲットと上記金属ストリップの距離を上記金属ストリップ表面に対する法線方向に離すことにより、上記アイドルターゲットに電子ビームを照射する際の該アイドルターゲット表面におけるビーム照射径を、上記金属ストリップに電子ビームを照射する際の該金属ストリップ表面におけるビーム照射径の1.2倍以上とすることを特徴とする電子ビームの照射方法。

２．前記アイドルターゲットを昇降移動させることによって、該アイドルターゲット表面におけるビーム照射径を調整することを特徴とする上記１に記載の電子ビームの照射方法。

本発明に従い、アイドルターゲットに電子ビームを照射する際のアイドルターゲット表面におけるビーム照射径を、金属ストリップに電子ビームを照射する際の金属ストリップ表面におけるビーム照射径の1.2倍以上とすることにより、アイドルターゲットの局所的な高温化を有利に防止することができ、ひいてはアイドルターゲットの変形や、金属蒸気の発生を回避することができる。従って、高出力での電子ビーム加工、さらにそれによる、ビーム加工の高速化が可能になる。また、アイドルターゲットの消耗量および交換頻度を抑制することができ、さらに、加工真空度の安定化や、アイドルターゲット上での電子ビームの揺動不要化などにより、加工精度を向上させることができる。

本発明に従う電子ビームの照射要領を示す図である。 本発明に従う電子ビームの他の照射要領を示す図である。 本発明に従う電子ビームのさらなる他の照射要領を示す図である。 本発明に従うビーム照射径比と、アイドルターゲットが溶融しない最大の照射エネルギとの関係を示す図である。 本発明に従うΔＷＤと、アイドルターゲットが溶融しない最大の照射エネルギとの関係を示す図である。 本発明に従う電子ビームのさらなる他の照射要領を示す図である。

以下、本発明について具体的に説明する。
本発明に係る電子ビームの代表的な照射要領を、図１を用いて説明する。図１において、１は電子ビーム発生装置（電子銃）、２は金属ストリップ、３は電子ビーム、４はアイドルターゲットである。さて金属ストリップ２は、真空室内を図中に示すＹ方向に走行しているものとする。電子銃１は、真空室の上方に設置されていて、ストリップ２の上面に向けて電子ビーム３を照射する。この時電子ビーム３は、電子銃１に取り付けられた収束コイルによりその径を絞られ、同じく電子銃１に取り付けられた偏向コイルによりその進行方向が偏向させられる。

アイドルターゲット４の素材は、局所的な熱集中およびそれに伴うアイドルターゲットの溶解を抑制するために、熱伝導性が高く、融点が高い材料が好ましい。例えば、Cuは、熱伝導率が極めて高く、融点が比較的高い上、加工性にも優れるため好ましい。この点、Alは、熱伝導性は高いが、融点が低いため好ましくない。

アイドルターゲット４は、電子ビーム３の出力が安定するまでの間、または電子ビーム３が金属ストリップ２の外側に照射される間に、電子ビーム３の照射を受けるよう配置する。従って、アイドルターゲット４は、電子ビーム３をアイドルターゲット４上から金属ストリップ２上へと連続して照射することができるように、金属ストリップ２と隣接して配置されている。

なお、図１に示した配置に代えて、図２に示すように、アイドルターゲット４を金属ストリップ２よりも上方に配置し、かつ、アイドルターゲット４の幅方向（図中Ｘ方向）端部が、電子銃の電子ビーム３の射出口と金属ストリップ２の幅方向（図中Ｘ方向）端部とをつなぐ直線上に位置するようにアイドルターゲット４を配置しても良い。

また、これら配置に代えて、図３に示すように、アイドルターゲット４を金属ストリップ２よりも下方に配置し、かつ、アイドルターゲット４の幅方向（図中Ｘ方向）端部が、電子銃の電子ビーム３の射出口と金属ストリップ２の幅方向（図中Ｘ方向）端部とを通過する直線上に位置するように、またはこの直線よりも金属ストリップ側に位置するようにアイドルターゲット４を配置しても良い。

アイドルターゲット４を長時間交換しない場合には、長時間の照射による熱の蓄積が問題となる。従って、冷却装置などを用いて、アイドルターゲット４を連続的に冷却することが好ましい。特に、アイドルターゲット４を図１に示したように金属ストリップ２と接触させて配置する場合には、熱が金属ストリップ２へ拡散し、金属ストリップ２を熱変形させるおそれがある。従って、この場合には、アイドルターゲット４の金属ストリップ２と接触している部分を、ステンレス鋼製や樹脂製などとすることで、アイドルターゲット４と金属ストリップ２とを熱的に遮断することが好ましい。

さて、発明者らは、寸法（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（20，100，Ｚ）になる平板状のアイドルターゲット４を図１のとおり配置し、Ｚの値を変えることによって、アイドルターゲット４に電子ビーム３を照射する際のアイドルターゲット表面におけるビーム照射径と、金属ストリップ２に電子ビーム３を照射する際の金属ストリップ表面におけるビーム照射径との比（「アイドルターゲット表面におけるビーム照射径」÷「金属ストリップ表面におけるビーム照射径」。以下、照射径比という）を調整した。そしてこの照射径比と、電子ビーム３の照射エネルギを４Ｊづつ増大させていったときにアイドルターゲット４がはじめて溶融したときの照射エネルギ（Ｊ）との関係を調べた。その結果を図４に示す。ここに、電子銃１の電子ビーム３の射出口と金属ストリップ２の中央部までの距離Ｗ０は450 mm、電子銃１の直下（ストリップの中央部）における電子ビームの照射径は0.25 mmとした。また、電子ビーム３のアイドルターゲットにおける照射時間は0.1 秒とした。
なお、照射径ｒは、金属ストリップまたはアイドルターゲット上に電子ビームを静止したときに照射される照射面積Ｓを求め、その円相当径（Ｓ＝πｒ^２、すなわち、ｒ＝（Ｓ／π）^１／２）として求められる。照射面積は、例えば、油性インクを塗布した鋼板にビームを照射すると照射部のインクがはがれるため、そのはがれた部分の面積を求めることで、事前に測定しておくことができる。

図４に示す結果から、照射径比が1.2倍以上（好ましくは1.4倍以上）であれば、アイドルターゲット４が溶融しない照射エネルギ値を高めることができる、換言すれば、アイドルターゲット４が溶融するようなアイドルターゲット４の局所的な高温化を効果的に抑制できることが判明した。

さらに、この時、電子銃１の電子ビーム３の射出口と金属ストリップの幅方向端部までの距離をＷ１（この例では453 mm ）、電子銃１の電子ビーム３の射出口とアイドルターゲット表面におけるビーム照射面までの距離をＷ２とし、｜Ｗ２−Ｗ１｜＝ΔＷＤ（ｍｍ）としたときのΔＷＤと、電子ビーム３の照射エネルギを４Ｊづつ増大させていったときにアイドルターゲット４がはじめて溶融したときの照射エネルギ（Ｊ）との関係についても調査した。その結果を図５に示す。
図５に示す結果から、この条件下ではΔＷＤが50 mm 以上であれば、アイドルターゲット４が溶融しない最大の照射エネルギを高めることができる、換言すれば、アイドルターゲット４が溶融するようなアイドルターゲット４の局所的な高温化を効果的に防止できることが分かる。

以上、アイドルターゲット４を予め所定位置に固定しておく配置パターンについて説明したが、図１に示した配置に代え、図６に示すように、アイドルターゲット４を上下方向に移動させて変位Ｈを変更できるような配置としても良い。

表１に示す条件で電子ビームの照射を行った。そのときの前述した各問題、すなわち、
（１）アイドルターゲットの変形
（２）電子銃加工室の真空度低下
（３）金属ストリップへの金属蒸気付着
（４）金属ストリップの変形
の有無について調べた結果を、表２に示す。なお、金属ストリップの中央部における電子ビームの照射径は0.25 mm の一定とした。また、表１における配置パターン１，２，３，４は、それぞれ図１，２，３，６に示した配置に対応するものである。

Ｎｏ．１の従来例は、とくに問題は生じなかったが、ビーム電流が３mA と極めて低く、また走査速度も10 m/s と遅いため、生産性は極めて低い。
次に、ビーム電流が7.5 mA と低く、また走査速度も25 m/s と遅い従来例のＮｏ．２では特に問題は生じなかったが、ビーム電流を15 mA 、走査速度を50 m/s に上げた比較例のＮｏ．３では上記（１）〜（３）の問題が発生した。さらに、ビーム電流を45 mA 、走査速度を150 m/s に上げた比較例のＮｏ．４では、上記（１）〜（３）の問題に加えて上記（４）の問題が発生した。

これに対し、本発明に従い、照射径比を1.2倍以上としたＮｏ．５〜９では、いずれも何の問題もなかった。特筆すべき点として、Ｎｏ．５〜８では、ビーム電流を45mA とし、走査速度を150 m/s まで高めたにもかかわらず、何の問題も発生しなかった。
以上の実施例により、本発明に従う電子ビームの照射方法によれば、アイドルターゲットの局所的な高温化を効果的に抑制できることが確認された。

１ 電子銃
２ 金属ストリップ
３ 電子ビーム
４ アイドルターゲット

Claims (2)

1. 金属ストリップに対し電子ビームを照射する方法において、電子ビームの出力が安定するまでの間、または電子ビームが金属ストリップの外側に照射される間に、別途用意したアイドルターゲットに電子ビームを照射するに際し、
   上記アイドルターゲットと上記金属ストリップの距離を上記金属ストリップ表面に対する法線方向に離すことにより、上記アイドルターゲットに電子ビームを照射する際の該アイドルターゲット表面におけるビーム照射径を、上記金属ストリップに電子ビームを照射する際の該金属ストリップ表面におけるビーム照射径の1.2倍以上とすることを特徴とする電子ビームの照射方法。
2. 前記アイドルターゲットを昇降移動させることによって、該アイドルターゲット表面におけるビーム照射径を調整することを特徴とする請求項１に記載の電子ビームの照射方法。

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