JP5886550B2 - 電子線照射装置及び電子線透過ユニット - Google Patents

Description

本発明は、電子線照射装置、及びそれに用いられる電子線透過ユニットに関する。

従来の電子線照射装置として、真空引きされるチャンバと、チャンバ内に配置された電子銃と、チャンバに取り付けられた電子線透過ユニットと、を備えるものが知られている。このような電子線照射装置では、電子銃が発生した電子線がチャンバ内から電子線透過ユニットの窓部材を透過して外部に出射する。

ところで、電子線の透過効率を高める観点からは、窓部材を薄膜化することが望ましいが、窓部材を薄膜化すると、窓部材の強度が低下してしまう。そこで、窓部材を窓枠体の内側において支持するための支持構造が種々提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。

特開２００８−７９８９１号公報 特開２００５−２４１５８８号公報 特表平８−５０１６５１号公報

上述したような電子線照射装置においては、連続動作時の窓部材及び支持構造の高温化等によって、窓部材が劣化するおそれがある。

本発明は、窓部材が劣化するのを抑制することができる電子線照射装置及び電子線透過ユニットを提供することを目的とする。

本発明の電子線照射装置は、電子線を発生する電子銃と、電子銃が発生した電子線を通過させる電子線通過孔が設けられた筐体と、電子線通過孔の出射側開口部に配置された電子線透過ユニットと、を備え、電子線透過ユニットは、出射側開口部に取り付けられた窓枠体と、窓枠体の内側に配置されたメッシュ部を有する支持部材と、メッシュ部上に支持され、電子線通過孔を通過した電子線を透過させる窓部材と、メッシュ部と窓部材との間に配置された介在層と、を有し、窓部材は、炭素を含む材料からなり、メッシュ部は、鉄を含む材料からなり、介在層は、鉄を含まない金属材料からなる。

本発明の電子線透過ユニットは、電子線を発生する電子銃と、電子銃が発生した電子線を通過させる電子線通過孔が設けられた筐体と、を具備する電子線照射装置において、電子線通過孔の出射側開口部に配置されて、電子線通過孔を通過した電子線を透過させるための電子線透過ユニットであって、出射側開口部に取り付けられるための窓枠体と、窓枠体の内側に配置されたメッシュ部を有する支持部材と、メッシュ部上に支持された窓部材と、メッシュ部と窓部材との間に配置された介在層と、を備え、窓部材は、炭素を含む材料からなり、メッシュ部は、鉄を含む材料からなり、介在層は、鉄を含まない金属材料からなる。

本発明者らは、炭素を含む窓部材と鉄を含むメッシュ部との接触が窓部材の劣化の原因の一つとなっていることを突き止めた。つまり、電子線照射装置の連続動作等によって生じた窓部材の破損状況の分析の結果、炭素を含む窓部材と鉄を含むメッシュ部との接触部にピンホール等の損傷が生じていることが分かった。対して、これらの電子線照射装置及び電子線透過ユニットでは、メッシュ部と窓部材との間に介在層が配置されているため、窓部材が炭素を含む材料からなり、メッシュ部が鉄を含む材料からなっても、窓部材にピンホール等の損傷が生じるのを防止することができる。そして、窓部材が炭素を含む材料からなるため、窓部材の熱伝導率を高め、窓部材が高温になるのを抑制することができる。更に、メッシュ部が鉄を含む材料からなるため、メッシュ部の強度や加工性、耐熱性を向上させることができ、その結果、メッシュ部を構成する線材の小径化を図り、電子線を通過させ易くすることができる。また、介在層が金属材料からなっていることから、介在層が高温になっても、介在層が安定に維持されるため、電子線照射特性の安定化を図ることができる。以上のように、これらの電子線照射装置及び電子線透過ユニットによれば、窓部材が劣化するのを抑制することができる。

また、介在層の熱伝導率は、メッシュ部の熱伝導率よりも高くなっていてもよい。この構成によれば、メッシュ部から介在層を介して窓部材に効率良く熱が伝播することになるため、メッシュ部が高温になるのをより一層抑制することができる。

また、介在層の電気伝導率は、メッシュ部の電気伝導率よりも高くなっていてもよい。この構成によれば、窓部材とメッシュ部とを同電位にしやすいため、電子線照射特性の不安定化を抑制することができる。

また、介在層は、メッシュ部に形成されていてもよい。この構成によれば、介在層とメッシュ部との間において熱及び電荷をより確実に伝播させることができる。また、介在層は、窓部材に形成されていてもよい。或いは、介在層は、メッシュ部及び窓部材と別体の膜であってもよい。これらの構成によれば、窓部材とメッシュ部との接触をより確実に防止することができる。

また、窓枠体は、電子線通過孔の出射側開口部に固定された枠状の固定部材と、固定部材に対して少なくとも窓部材を押圧した状態で固定部材に固定された枠状の押圧部材と、を有し、支持部材は、内側にメッシュ部が張られた平板状の枠部を更に有し、固定部材及び押圧部材は、枠部において少なくとも窓部材を挟持していてもよい。この構成によれば、メッシュ部において窓部材が挟持される場合に比べ、固定部材及び押圧部材による挟持部分の封止を確実化することができる。

本発明によれば、窓部材が劣化するのを抑制することができる。

本発明の一実施形態の電子線照射装置の縦断面図である。 図１の電子線照射装置の電子線透過ユニットの分解断面図である。 図１の電子線照射装置の電子線透過ユニットの分解斜視図である。 本発明の他の実施形態の電子線透過ユニットの分解断面図である。 本発明の他の実施形態の電子線透過ユニットの分解断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、電子線照射装置１は、電子線通過孔２０を形成するチャンバ（筐体）３０と、電子線通過孔２０の後端２０ａを塞ぐようにチャンバ３０に気密に取り付けられた電子銃４０と、電子線通過孔２０の前端２０ｂを塞ぐようにチャンバ３０に気密に取り付けられた電子線透過ユニット５０と、を備えている。電子銃４０が発生した電子線ＥＢは、電子線通過孔２０をＺ軸方向前側に進行し、電子線透過ユニット５０を透過して外部に出射する。このような電子線照射装置１は、ライン上を搬送される照射対象物への電子線ＥＢの照射によって、当該照射対象物の乾燥、殺菌、表面改質等を行うために使用される。なお、電子線照射装置１によって電子線ＥＢが照射される側を前側、その反対側を後側とする。

チャンバ３０は、電子線を発生する電子銃４０が取り付けられた筐体３１を有している。筐体３１は、金属により円柱状に形成されている。電子線通過孔２０のうち筐体３１によって形成される部分である電子線通過孔２１の断面は、円形状となっており、電子線通過孔２１は、前側の小径部と後側の大径部とが接続された形状となっている。

電子銃４０は、金属により直方体状に形成されたケース４１を有している。ケース４１は、筐体３１の後端部に気密に固定されている。ケース４１の前壁には、ケース４１内と筐体３１内とを連通させる開口４１ａが設けられている。ケース４１の側壁には、コネクタ４３を取り付けるための開口４１ｂが設けられている。

ケース４１内には、絶縁性材料（例えば、エポキシ樹脂等）からなる絶縁ブロック４２が配置されている。絶縁ブロック４２は、ケース４１内に収容された基部４２ａと、基部４２ａからＺ軸方向前側に突出する突出部４２ｂと、を有している。突出部４２ｂは、基部４２ａから開口４１ａを介して電子線通過孔２１の大径部内に突出しており、突出部４２ｂの前端部は、Ｚ軸方向において電子線通過孔２１の小径部の後端に対向している。基部４２ａは、ケース４１の開口４１ａ側及び開口４１ｂ側の内面と接触している。基部４２ａにおいてケース４１の内面と接触しない部分には、導電性材料からなるフィルム４５が貼り付けられており、フィルム４５は、ケース４１と電気的に接続されている。これにより、絶縁ブロック４２の表面電位を接地電位として、電子銃４０の動作の安定性を向上させることができる。

コネクタ４３は、外部の電源装置から、カソードであるフィラメント４４に高電圧を供給するためのものである。コネクタ４３の基端部は、ケース４１の側壁の開口４１ｂを介して外部に突出しており、コネクタ４３の先端部は、絶縁ブロック４２に埋設されている。コネクタ４３の先端部には、一対の内部配線４６，４６が接続されている。一対の内部配線４６，４６は、突出部４２ｂの前端部まで延在しており、一対の給電用ピン４７，４７にそれぞれ接続されている。一対の給電用ピン４７，４７の先端部には、フィラメント４４が掛け渡されている。突出部４２ｂには、給電用ピン４７及びフィラメント４４を包囲するように、グリッド電極４８が固定されている。

筐体３１には、電子線通過孔２１の小径部を挟んで対になるようにアライメントコイル２及び集束コイル３が設けられている。電子銃４０から出射して電子線通過孔２１を通過する電子線ＥＢは、アライメントコイル２によって、電子線ＥＢの中心線が電子線通過孔２０の中心線ＣＬに一致するように調整された後、集束コイル３によって、電子線透過ユニット５０に集束される。なお、筐体３１には、電子線通過孔２１と真空ポンプとを接続する排気管４が設けられており、これにより、チャンバ３０内（すなわち、電子線通過孔２０）が真空引きされる。

また、チャンバ３０は、筐体３１の前端面に固定された偏向管（筐体）３２を有している。偏向管３２は、オーステナイト系ステンレス（Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｒを含む合金）からなり、四角柱状の外形を有している。偏向管３２には、電子銃４０が発生した電子線ＥＢを入射させる入射側開口部３２ａ、及び電子線ＥＢを出射させる出射側開口部３２ｂが設けられている。電子線通過孔２０のうち偏向管３２によって形成される部分である電子線通過孔２２の断面は、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形状となっている。偏向管３２の外側には、偏向管３２の内側を通過する電子線ＥＢを偏向する偏向コイル５が取り付けられている。集束コイル３によって集束されて電子線通過孔２２を通過する電子線ＥＢは、偏向コイル５によってＹ軸方向に偏向される。

更に、チャンバ３０は、偏向管３２の前端面に固定された走査管（筐体）３３を有している。走査管３３は、アルミニウム合金（アルミニウムを含む材料）、例えばＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金からなり、前側に向かって末広がりの四角柱状の外形を有している。走査管３３には、電子銃４０が発生した電子線ＥＢを入射させる入射側開口部３３ａ、及び電子線ＥＢを出射させる出射側開口部３３ｂ（電子線通過孔２０の出射側開口部）が設けられている。電子線通過孔２０のうち走査管３３によって形成される部分である電子線通過孔２３の断面は、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形状となっている。走査管３３の外表面（外部に露出する表面）には、外部への放熱性を高める観点から、走査管３３の内部よりも熱放射率の高い放熱膜３４が設けられている。放熱膜３４は、走査管３３の外表面にアルマイト処理を施すことにより形成されたアルマイト層である。

なお、偏向管３２の後端部には、フランジ３５が設けられており、偏向管３２の前端部には、フランジ３６が設けられている。また、走査管３３の後端部には、フランジ３７が設けられており、走査管３３の前端部には、フランジ３８が設けられている。偏向管３２と走査管３３とは、フランジ３６とフランジ３７とがＯリング６を介して接触した状態で、複数のボルト７により気密に固定されている。これにより、偏向管３２は、電子銃４０が発生した電子線ＥＢが内側を通過するように、走査管３３の入射側開口部３３ａに接続されることになる。電子線照射装置１は、偏向管３２の後端部に設けられたフランジ３５を介して、適用先の設備の所定箇所に取り付けられる。

電子線透過ユニット５０は、走査管３３の出射側開口部３３ｂに配置されている。走査管３３と電子線透過ユニット５０とは、フランジ３８と窓枠体５０ＡとがＯリング６を介して接触した状態で、複数のボルト７により気密に固定されている。図２及び図３に示されるように、電子線透過ユニット５０は、走査管３３の出射側開口部３３ｂに取り付けられた窓枠体５０Ａを有している。窓枠体５０Ａの内側には（つまり、窓枠体５０Ａを前側から見た場合に窓枠体５０Ａ内に収まるように）、支持部材５２及び窓部材５５が配置されている。

窓枠体５０Ａは、走査管３３の出射側開口部３３ｂに固定された固定部材５１と、固定部材５１に対して窓部材５５を押圧した状態で、複数のボルトにより固定部材５１に固定された押圧部材５７と、を有している。固定部材５１及び押圧部材５７は、無酸素銅（銅を含む材料）からなり、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形枠状の外形を有している。固定部材５１は、入射側開口５１ａを有しており、押圧部材５７は、Ｚ軸方向において入射側開口５１ａと対向する出射側開口５７ａを有している。固定部材５１及び押圧部材５７の外表面（外側に露出する表面）には、外部への放熱性を高める観点から、固定部材５１及び押圧部材５７の内部よりも熱放射率の高い放熱膜５８が設けられている。放熱膜５８は、固定部材５１及び押圧部材５７にニッケルめっきを施すことにより形成されたニッケル層である。

支持部材５２は、平板状の枠部５２ａと、枠部５２ａの内側に張られたメッシュ部５２ｂと、を有している。なお、メッシュ部５２ｂは、網状に限らず、桟状にしてもよい。支持部材５２は、オーステナイト系ステンレス（鉄を含む材料）からなり、その表面には、介在層５９が設けられている。介在層５９は、支持部材５２にニッケルめっきを施すことにより形成された厚さ数μｍ程度のニッケル膜である。これにより、介在層５９は、メッシュ部５２ｂに形成されて、メッシュ部５２ｂと窓部材５５との間に、窓部材５５と接触した状態で配置されることになる。枠部５２ａは、メッシュ部５２ｂが固定部材５１の入射側開口５１ａに臨んだ状態で、ロウ付け等により固定部材５１の前面に固定されている。なお、固定部材５１の前面において枠部５２ａが固定される領域の外側には、入射側開口５１ａを包囲するように延在する溝５１ｂが設けられており、溝５１ｂ内には、Ｏリング５３が配置されている。

窓部材５５は、グラファイト（炭素を含む材料）からなる薄膜状の部材である。窓部材５５は、支持部材５２及びＯリング５３を覆うように、固定部材５１の前面に配置されている。これにより、窓部材５５は、メッシュ部５２ｂ上に支持され、走査管３３の内側を通過した電子線ＥＢを透過させることになる。なお、窓部材５５と支持部材５２の枠部５２ａとの間には、Ｚ軸方向から見て入射側開口５１ａを包囲するように枠状に形成された保護シート５４が配置されおり、窓部材５５と押圧部材５７との間には、保護シート５４と略同等の形状に形成された保護シート５６が配置されている。保護シート５４，５６は、窓部材５５と同一の材料からなる薄膜状の部材であり、枠部５２ａや押圧部材５７が窓部材５５に直接接触して窓部材５５が損傷するのを防止するものである。

電子線透過ユニット５０においては、押圧部材５７が、支持部材５２の枠部５２ａ及びＯリング５３を介して、固定部材５１に窓部材５５を押圧している。そして、この状態で、固定部材５１と押圧部材５７とが、複数のボルト（押圧部材５７に設けられた複数の貫通孔５７ｂに挿通されて、固定部材５１に設けられた複数のねじ孔５１ｄに螺合されるボルト）により気密に固定されている。これにより、固定部材５１及び押圧部材５７は、支持部材５２の枠部５２ａにおいて窓部材５５を挟持することになる。なお、固定部材５１には、電子線透過ユニット５０を走査管３３のフランジ３８に固定するためのボルト７が挿通される複数の貫通孔５１ｃが設けられている。

以上のように構成された電子線照射装置１の動作について説明する。排気管４を介して真空ポンプによってチャンバ３０内（すなわち、電子線通過孔２０）が真空引きされ、フィラメント４４に高電圧が印加されると、フィラメント４４から電子が放出される。フィラメント４４から放出された電子は、グリッド電極４８によって形成された電界により加速及び集束され、これにより、電子線ＥＢがＺ軸方向前側に出射する。

電子銃４０から出射して電子線通過孔２１を通過する電子線ＥＢは、アライメントコイル２によって、電子線ＥＢの中心線が電子線通過孔２０の中心線ＣＬに一致するように調整された後、集束コイル３によって、電子線透過ユニット５０に集束される。集束コイル３によって集束されて電子線通過孔２２を通過する電子線ＥＢは、偏向コイル５によってＹ軸方向に偏向される。つまり、電子線通過孔２３を通過する電子線ＥＢの中心線がＹ軸方向に沿って線状に繰り返し振られる。

偏向コイル５によってＹ軸方向に偏向された電子線ＥＢは、電子線透過ユニット５０の窓部材５５を透過して外部に出射する。外部に出射した電子線ＥＢは、照射対象物の乾燥、殺菌、表面改質等のために、ライン上を搬送される当該照射対象物に照射される。

以上説明したように、電子線照射装置１及び電子線透過ユニット５０では、窓部材５５がグラファイトからなっている。これにより、窓部材５５の熱伝導率を高め、窓部材５５が高温になるのを抑制することができる。更に、支持部材５２のメッシュ部５２ｂがオーステナイト系ステンレスからなっている。これにより、メッシュ部５２ｂの強度や加工性、耐熱性を向上させることができ、その結果、メッシュ部５２ｂを構成する線材の小径化を図り、電子線ＥＢを通過させ易くすることができる。そして、メッシュ部５２ｂと窓部材５５との間に介在層５９が配置されている。これにより、窓部材５５が炭素を含むグラファイトからなっており、メッシュ部が鉄を含むオーステナイト系ステンレスからなっていても、窓部材５５にピンホール等の損傷が生じるのを防止することができる。よって、電子線照射装置１及び電子線透過ユニット５０によれば、窓部材５５が劣化するのを抑制することができる。

また、介在層５９の熱伝導率は、メッシュ部５２ｂの熱伝導率よりも高くなっている（下記の表１参照）。これにより、メッシュ部５２ｂの熱が介在層５９から窓部材５５に効率良く熱が伝播することになる。つまり、窓部材５５を介して放熱しやすいため、メッシュ部５２ｂが高温になるのをより一層抑制することができる。

また、介在層５９の電気伝導率は、メッシュ部５２ｂの電気伝導率よりも高くなっている（下記の表１参照）。これにより、窓部材５５とメッシュ部５２ｂとを同電位にしやすいため、電子取り出し部近傍の電位がより安定化し、その結果、電子線照射特性の不安定化を抑制することができる。

また、介在層５９が金属材料（鉄を含まない金属材料）からなっているため、介在層５９が高温になっても、介在層５９を安定に維持して、電子線照射特性の安定化を図ることができる。また、介在層５９がメッシュ部５２ｂに形成されているため、介在層５９とメッシュ部５２ｂとの間において熱及び電荷をより確実に伝播させることができる。

また、窓枠体５０Ａでは、固定部材５１及び押圧部材５７が支持部材５２の枠部５２ａにおいて窓部材５５を挟持している。これにより、支持部材５２のメッシュ部５２ｂにおいて窓部材５５が挟持される場合に比べ、固定部材５１及び押圧部材５７による挟持部分の封止を確実化することができる。

表１に、各種材料の特性を示す。介在層５９の材料には、上述したように、その構成材料に鉄を含まないこと、メッシュ部５２ｂの熱伝導率よりも高いこと、メッシュ部５２ｂの電気伝導率よりも高いことが要求される。また、形成しやすさや環境性等を考慮すると、ニッケル、銅が特に好適である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、介在層が、支持部材にニッケルめっきを施すことにより形成されたニッケル膜であったが、介在層は、少なくとも、支持部材のメッシュ部における窓部材側の表面に形成されたものであればよい。また、介在層をメッシュ部に形成する方法としては、めっきの他、蒸着やスパッタ等がある。

また、図４に示されるように、固定部材５１と押圧部材５７との間にシート状のシール材６１を配置し、固定部材５１及び押圧部材５７に窓部材５５を挟持させた状態で、シール材６１を溶融・再固化させることにより、固定部材５１と押圧部材５７とを気密に固定してもよい。この場合、上述したＯリング５３や、固定部材５１に押圧部材５７を固定するためのボルトが不要となる。更に、当該ボルトを挿通するための貫通孔５７ｂの加工や、当該ボルトを螺合するためのねじ孔５１ｄの加工も不要となる。

また、図５に示されるように、介在層５９は、支持部材５２のメッシュ部５２ｂ及び窓部材５５と別体の膜であってもよい。或いは、介在層５９は、窓部材５５に形成されていてもよい。これらによれば、窓部材５５とメッシュ部５２ｂとの接触をより確実に防止することができる。

また、電子線照射装置及び電子線透過ユニットの各構成部材の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を適用することができる。一例として、介在層は、炭素を含む窓部材と鉄を含むメッシュ部とを離間させることができれば、膜状に限定されないし、鉄を含まない金属材料に限定されない。

１…電子線照射装置、２０，２１，２２，２３…電子線通過孔、３０…チャンバ（筐体）、３１…筐体、３２…偏向管（筐体）、３３…走査管（筐体）、３３ｂ…出射側開口部、４０…電子銃、５０…電子線透過ユニット、５０Ａ…窓枠体、５１…固定部材、５２…支持部材、５２ａ…枠部、５２ｂ…メッシュ部、５５…窓部材、５７…押圧部材、５９…介在層、ＥＢ…電子線。

Claims (8)

1. 電子線を発生する電子銃と、
   前記電子銃が発生した前記電子線を通過させる電子線通過孔が設けられた筐体と、
   前記電子線通過孔の出射側開口部に配置された電子線透過ユニットと、を備え、
   前記電子線透過ユニットは、
   前記出射側開口部に取り付けられた窓枠体と、
   前記窓枠体の内側に配置されたメッシュ部を有する支持部材と、
   前記メッシュ部上に支持され、前記電子線通過孔を通過した前記電子線を透過させる窓部材と、
   前記メッシュ部と前記窓部材との間に配置された介在層と、を有し、
   前記窓部材は、炭素を含む材料からなり、前記メッシュ部は、鉄を含む材料からなり、
   前記介在層は、鉄を含まない金属材料からなる、電子線照射装置。
2. 前記介在層の熱伝導率は、前記メッシュ部の熱伝導率よりも高くなっている、請求項１記載の電子線照射装置。
3. 前記介在層の電気伝導率は、前記メッシュ部の電気伝導率よりも高くなっている、請求項１又は２記載の電子線照射装置。
4. 前記介在層は、前記メッシュ部に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の電子線照射装置。
5. 前記介在層は、前記窓部材に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の電子線照射装置。
6. 前記介在層は、前記メッシュ部及び前記窓部材と別体の膜である、請求項１〜３のいずれか一項記載の電子線照射装置。
7. 前記窓枠体は、前記電子線通過孔の前記出射側開口部に固定された枠状の固定部材と、前記固定部材に対して少なくとも前記窓部材を押圧した状態で前記固定部材に固定された枠状の押圧部材と、を有し、
   前記支持部材は、内側に前記メッシュ部が張られた平板状の枠部を更に有し、
   前記固定部材及び前記押圧部材は、前記枠部において少なくとも前記窓部材を挟持している、請求項１〜６のいずれか一項記載の電子線照射装置。
8. 電子線を発生する電子銃と、前記電子銃が発生した前記電子線を通過させる電子線通過孔が設けられた筐体と、を具備する電子線照射装置において、前記電子線通過孔の出射側開口部に配置されて、前記電子線通過孔を通過した前記電子線を透過させるための電子線透過ユニットであって、
   前記出射側開口部に取り付けられるための窓枠体と、
   前記窓枠体の内側に配置されたメッシュ部を有する支持部材と、
   前記メッシュ部上に支持された窓部材と、
   前記メッシュ部と前記窓部材との間に配置された介在層と、を備え、
   前記窓部材は、炭素を含む材料からなり、前記メッシュ部は、鉄を含む材料からなり、
   前記介在層は、鉄を含まない金属材料からなる、電子線透過ユニット。

Images