JP2595958B2 - 電子収集アッセンブリ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は荷電粒子を収集する方法及び装置に装置に
関する。これらの方法及び装置はイメージの生成、処理
の監視及びビームの集束を目的とするとき、及び荷電粒
子ビームを利用する金属工作片の処理及び検査において
後方散乱する荷電粒子の検出、信号処理及び応用に利用
される。

（従来の技術及びこの発明により解決すべき問題点） 荷電粒子ビームが物質の表面に電子を衝突させるよう
な粒子からなるときは、粒子の一部が後方に散乱する。
この部分の数値は工作片に対するビームの入射角度、工
作片を構成する要素の原子番号、及び入射する粒子ビー
ムのエネルギに依存している。

衝突する電子ビームの場合は、後方散乱電子のエネル
ギを電子ボルトの一部から一次ビーム電子の全入射エネ
ルギまで変化する連続的なスペクトルとして説明するこ
とができる。更に、工作片の材質が入射ビームにより十
分に励起されたときは、後方散乱電子とほぼ同一方向に
後方散乱する正イオンを発生することがある。これは、
工作片が入射ビームにより温度上昇したときに、特に金
属処理方法、例えば電子ビーム溶接の場合のような溶融
し、蒸発が発生するときに顕著である。

後方散乱電子の比率は工作片の形状にも依存してい
る。入射ビームに対してほぼ法線にない工作片部分に電
子が衝突したときは、通常、後方散乱電子は入射ビーム
源から方向がずれる。この現象は、非常に高いコントラ
ストの電子イメージを発生することができる走査電子顕
微鏡のような装置が利用している。このような装置で
は、一次電子ビームが工作片面上をラスタ形式により走
査し、後方散乱素子の電流が工作片表面上に配置された
簡単な検出器により収集され、テレビジョン・モニタ上
で同期したラスタの輝度を変調するのに用いられる。同
様の方法は電子ビーム溶接装置において後方散乱の電子
を収集することも試みられている。

後方に流れる正負の粒子のいくつかをコレクタ・プレ
ートにより収集して加算し、映像輝度変調信号を形成す
る簡単なコレクタ・プレートを採用することにより、こ
のような粒子形式とエネルギの混合からエネルギから電
子イメージを発生する試みがなされた。コレクタ・プレ
ートでは、残念ながら、（加熱、溶融、及び蒸発が発生
する場合は）電子の比率、その総数、及び正イオンが一
次ビーム電流、工作片温度と共に連続的に変動するの
で、広範囲で振幅及び周波数と共に、信号が漂動し、複
雑に変動する。更に、多量に正イオンが発生する場合、
例えば4kW以上の高いビーム・パワーで溶接する場合、
特に強力にイオン化された金属蒸気が発生する場合に
は、イオンの形式でコレクタに到達する正電荷の量が非
常に減少することがり、ある場合には後方散乱電子に起
因する負の荷電を打消したり、過剰にさえもなることが
解った。これらの場合において、総和されたコレクタ粒
子の電流は非常に漂動性があり、簡単にはイメージ形
成、シーム・トラッキング、ビーム焦点合せ、又は処理
の監視に利用することができない。コレクタ・プレート
を囲む負に荷電されたグリッドを用いることにより、検
出した後方に流れる粒子ビームから正及び低電圧の電子
を除去するいくつかの試みがなされたが、この方法は高
いビーム・パワー、例えば4kW以上では満足なものがな
いことが明らかとなった。特に、メッシュの粗さ及び必
要とするバイアス電圧が動作環境と常に両立するもので
ないことが明らかとなった。

例えば、電子ビーム溶接の場合、溶融点した金属のス
パッタ及び放出された蒸気の量により細いワイヤのグリ
ッドを急速に詰まらせる。これに対して、正イオンを除
去するために200Vのような高いバイアス電圧に関連して
粗いグリッドを用いたときは、イオン化されたガス及び
金属蒸気によりしばしばグリッド電位を短絡させること
になる。

（問題点を解決する手段及び動作態様） この発明の第１の特徴によれば、荷電された粒子コレ
クタ・アッセンブリは使用中に荷電粒子が衝突すると共
に、一方の極性の粒子をほぼ吸収し、かつ他方の極性の
粒子を反射するようにした反射部材と、前記反射部材か
ら反射された後の粒子のみを受け取り、対応する出力信
号を発生するように配置したセンサとを備えたものであ
る。

この発明は、前記荷電粒子が反射部材に先ず衝突し、
その後に荷電粒子が従来のコレクタのようなセンサに到
達するように前記センサを配置することにより、前述の
問題を解決している。

前記粒子コレクタ・アッセンブリは、溶接、走査、又
は他の応用に設計された電子ビーム発生器のような荷電
粒子発生器に都合良く関連される。一方の極性の粒子及
び他方の極性の低エネルギ粒子を切離す粒子コレクタ・
アッセンブリの機能により、抽出される信号の信頼性を
かなり増加させることができる。

この発明においては、本質的に異なる解決方法を採用
している。後方散乱の粒子は反射面に衝突するようにさ
れる。これにより、「隠されている」センサに高いエネ
ルギの電子を反射させ、しかもある比率で、例えば正イ
オン及び低電圧の電子を吸収する効果がある。高エネル
ギの電子は収集され、以下で説明するように新しい処理
回路に導かれる。

この発明は、荷電粒子ビームが十分なパワー密度及び
パワー・レベルのものであり、例えば電子ビーム溶接の
場合のように、工作片（基板）の表面が溶融及び／又は
気化する場合にも物体の監視を拡張させることができ
る。この場合に、溶接から発生する粒子の流れは、変動
する多量の正イオンのエネルギと共に、非常に広い範囲
のエネルギを含むエネルギの複合混合からなる。

典型的なものとして、粒子源とセンサの大部分の表面
との間の直線的な見通しが実質的に存在しないように、
１以上のプレートを有するセンサを「一端」に配置して
もよい。しかし、好ましいものとして、前記荷電粒子収
集アッセンブリは、更に前記センサに直接衝突する荷電
粒子を防止するように配列されたシールドを備えてい
る。

好ましいものとして、前記粒子コレクタ・アッセンブ
リは、反射されるべき粒子と同一極性の反射部材に電圧
を印加する手段を備える。これは一方の極性の粒子の吸
収度を増加させる効果、及び他方の極性の粒子の反射度
を増加させる効果からなる二重の効果がある。

前記反射部材を比較的に大きい、例えば50以上の原子
番号を有する材質から作成したときは、前記反射部材の
電子反射率を増加することができる。前記センサを比較
的小さい原子番号の材質により作成したときは、前記セ
ンサの電子収集能力を増加させることができる。

好ましいものとして、前記センサの大きさを最小化す
るように前記反射部材に曲面をもたせている。

しかし、センサが一個の部材、典型的なものとして前
記センサが複数の独立した部材を備えることができるこ
とを理解すべきである。これらの部材を環状に配列及び
／又は軸方向配列させても良い。

この発明の第２の特徴によれば、細長い工作片に荷電
粒子のビームを衝突させる制御方法は、長手方向に沿う
連続的な一次位置に前記ビームを衝突させるように前記
ビームと工作片との間を相対的に移動させる処理と、対
応する一次位置に相対させて進めた位置で細長い物体を
横切るように前記ビームを周期的に走査させる処理と、
この発明の第１の特徴によるアッセンブリにおける走査
スッテプ中に前記工作片により散乱された荷電粒子を収
集する処理と、前記アッセンブリのセンサが発生する前
記信号を監視する処理とを有する。

この発明のこのような特徴は、リアル・タイム・シー
ム・トラッキングを達成することができるので、荷電粒
子ビーム溶接、及び既存の溶接の変形を含む関連の技術
の場合に特に有用である。必要ならば、例えば、オペレ
ータがビームと溶接との間の相対的な移動をどのように
制御すべきかを判断することにより、ビームの一次位置
がシーム即ち継目線のような長い特徴上に留まることが
可能なビデオ表示を制御する変更後に、監視信号を用い
ることができる。これに代って、又は更に、前記監視し
た信号を前記ビームと溶接との間の相対的な移動を直接
制御するフィードバック回路に適用することができる。

好ましいものとして、荷電粒子ビーム溶接、例えば電
子ビーム溶接の場合に、ビームのパワーを走査ステップ
中に減少させることができる。

更に、この発明の制御方法は、ビームが一次位置に衝
突するときに、工作片により散乱された荷電粒子を収集
する処理を備えている。溶接の場合には、これによって
溶接プールのイメージそのものを得るができる。

この発明は、以上で説明したシーム・トラッキングの
みではなく、更に一般的には電子イメージ技術、処理監
視及びビーム焦点整合にも多くの応用がある。

（実施例） さて、この発明による方法及び装置のいくつかの例を
付図を参照して既知の装置と対比して説明しよう。

第１図に示す電子ビーム溶接装置は、高電圧ケーブル
４を介して供給される高電圧の端子３に接続されたコロ
ナ・リング２上に取付けられた電子ビーム・ガン１を備
えている。真空室５はこれらの要素を封入している。

アノード６は使用状態で電子ビーム７が通過する電子
ビーム・ガン１に合わせて配置させている。電子ビーム
７は電磁レンズ系８と電磁偏向コイル９との間を通過す
る。電磁偏向コイル９は偏向関数発生器10に接続されて
おり、偏向関数発生器10は陰極線管（CRT）（12）の偏
向コイル11にも接続されている。偏向関数発生器10は電
磁偏向コイル９及び偏向コイル11を制御することによ
り、電子ビーム７が２つの端部位置13、14間をラスタ形
式で陰極線管12のスポットの走査と同期して走査をす
る。

電子ビーム７は横行機構16上に支持され、継目（第１
図には図示していない）のある工作片15に衝突する。工
作片15及び横行機構16は真空室５に密閉されている真空
室17内に配置されている。

環状コレクタ18は電磁偏向コイル９に隣接して取付け
られ、抵抗20及び増幅器21を介してCRT12の電子ソース1
9に電気的に接続されている。

動作において、工作片15に電子ビーム７が衝突する
と、正粒子及び負粒子が環状コレクタ18に向って後方散
乱される。環状コレクタ18にこれらの粒子即ちイオンが
衝突すると、電流が発生し、これを適当な電位に変換し
た後、CRT12の電子ソース19に印加する。残念ながら、
先に述べたように、電子及び正イオンの総数の相対的な
部分が連続的に変動するので、この制御信号はバラツキ
がある。

この状況を改善する試みを第２図に示す。第２図は環
状コレクタ18周りの金属グリッド22を備えていることを
除き、第１図と同様である。金属グリッド22に負のバイ
アス電圧を印加することにより、正イオン及び低エネル
ギの電子が環状コレクタ18に衝突するのを防止する寄与
している。しかし、実際には比較的に高いバイアス電圧
を必要とし、又は比較的に精密なグリッドを用いる必要
があることが解った。その第１を選択すると、金属グリ
ッド22と環状コレクタ18との間を短絡させることにな
り、第２を選択すると、グリッド上での散乱を増加させ
ることになる。

第３図はこの発明の第１の実施例を示す。この実施例
では、高いエネルギの電子が反射器24のくぼみ形空胴の
内面により反射され、戦略的に配置した環状コレクタ・
リング23により収集される。工作片15と環状コレクタ・
リング23との間の見通し線は円盤状の保護部材25により
ブロックされる。反射器24の表面を適当に曲げることに
より、最大数の電子が収集されて環状コレクタ・リング
23に導びかれる。更に、反射器24の表面は、当該装置が
電磁偏向コイル９と工作片15との間の主ビームについて
広範な作動距離、例えば100mm〜1000mmの距離で動作で
きるように配置されている。

環状コレクタ・リング23（又は複数のコレクタ）（第
３図）リング23は金属シールド即ち保護部材25の背後に
配置されている。

この保護部材25は工作片15上の放射点から環状コレク
タ・リング23への直線的な見通しを妨げている。この解
決方法はコレクタ信号の品質を非常に改善することが解
った。更に、表面をバイアス電源80に接続して、アース
電位にある工作片15に対して反射面を負にバイアスする
ことにより、分離効果を非常に強化することができる。
この場合は、負電位がコレクタウ（複数）に到達する正
イオン数を非常に減少させ、またコレクタ（複数）から
比較的緩慢に移動する電子を偏向させるのに役立ってい
る。

この発明による他の（入れ子にした）形式（第４図
（ａ）及び第４図（ｂ））では、２つの環状リフレクタ
26、27及び協同するコレクタ・プレート28、29により、
差動信号条件を用いて大きなコントラスト、信号レベル
をシフトさせてしまうことに対するある種の免疫性、及
び雑音低減を達成している。第４図（ａ）は概要的な構
造を示し、第４図（ｂ）はブラケット81、82による構造
の残りにコレクタ・プレートを取付けた大形高出力の電
子ビーム溶接ガン・カラム用に構築した典型的なコレク
タの例を示す。

この発明による他の形式においては、環状のコレクタ
・プレート28、29を円形、かつ放射状に配列された多数
の部分（例えば第５図（ａ）のA₁、A₂、B₁、B₂、C₁、
C₂、D₁、D₂）に分割してイメージ・コントラストを改善
し、更に良好な形状のイメージ・レリーフを得るように
加算又は引算される。例として次の実施例を説明しよ
う。第５図（ｂ）に示すように、見るべき工作片の特徴
が矢印Ｙにより示すガン・カラム検出器方向に並列に配
置されているときは、信号は加算され、差が取られる。

信号出力Ｓ＝A₁＋A₂＋D₁＋D₂−B₁−C₁−C₂ これによってＹ方向に並列に向けられている溝、線形
の刻み目、又は線形の丸溝のような継目の詳細について
最大差動コントラストが得られる。

一方、第５図（ｃ）に示すように、特徴方向が矢印Ｘ
により示されるときは、セグメント信号は加算されて差
が取られる。

信号出力Ｓ＝A₁＋A₂＋B₁＋B₂−C₁−C₂−D₂ 第５図（ｄ）に矢印ｚで示すように、溝、線形の刻み
目、又は線形の丸溝がセグメント端に対して約45゜の角
度で傾いているときは、信号は加算されて差が取られ
る。

信号出力Ｓ＝A₁＋A₂−C₁−C₂ 及びセグメントD₁、D₁、B₁、B₂を接地する。

以上の３つの例において、高いコントラストを必要と
する場合に、例えば線形の継ぎ目線特徴のシーム・トラ
ッキングにこの解決方法が最適である。電子（グレー・
スケール）イメージを発生して、見ている特徴が特定の
傾きのない良好な形状のレリーフを発生する場合に、次
式の例では信号を加算して差を取る。

信号出力Ｓ＝A₁＋B₁−C₁−D₁−A₂＋B₂＋C₂−D₂ 第５図（ｅ）を参照すること。

勿論、検出器を広く種々の応用に適用するときは、必
要に応じて変更可能なように、真空系の外で環状セグメ
ントを接続させるのが最も都合が良い。

更に、この発明の他の形式では、反射面30は（環状で
もよく、又は対立する対として設けたものでもよい）は
電子カラムの下側の電子光素子（例えば電磁レンズ・コ
イル８及び電磁偏向コイル９）を囲むシリンダ部材とし
て現われる（第６図）。これは、ガン・カラムの直径が
比較的小さく、ガン・カラムの長さを最短にすることが
重要な場合に特に有用である。各反射面30はプレート32
により方向見通し線から遮蔽された各コレクタ31に高エ
ネルギの電子を反射する。

この例では、磁気シールド70は電磁レンズ・コイル
８、９内から工作片15に隣接する位置へ延伸している。
これは、当該装置をシーム・トラッキング（第10図）用
い、電子ビーム上のストレイ磁界の影響を減少させる場
合に特に重要である。

第７図に示すように、スペースが許容される他の構造
では、検出器系を電子カラム内に構築することができ
る。この検出器系を電磁レンズ・コイル８（図示なし）
の半径方向かつ内方向に、又は電磁レンズ・コイル８と
アノード６との間に配置することができる。しかし、こ
の場合に、電磁レンズ及び偏向コイル系からいくらかの
干渉及び粒子偏向が予測される。

更に第８図に示すように、この発明の他の変形では、
反射面及びコレクタが対立する簡単な対33、34:35、36
として設けてもよい。反射面33、35は各コレクタ34、36
をほぼ囲み、それぞれ対立するケーシング37、38の部分
を形成する。従って、全ての後方散乱電子40のうちから
39により示す部分のみがコレクタ34、36に反射されるこ
とは明らかである。しかし、鋭いパルスを発生するよう
に同一面にある特徴を強調するので、この構造が効果的
であることが解った。

勿論、以上で説明したコレクタ装置及びそれらの変形
を、電子ビーム発生器及びカラムに必ずしも関連させる
必要はなく、これらを例えば真空室の壁即ち工作片支持
装置に取付けてもよい。

典型的なものとして、全ての例の反射面はガン・カラ
ム及び工作片の接地部品に対して−50Vの電位にバイア
スされる。この電圧は、150kvに達する加速電圧及び数
百ミリアンペアのビーム電流（即ち、30kW以上）で電子
ビーム発生器と関連して動作するのに都合が良いことが
解った。理想的には、反射材質は原子番号の大きな素
子、例えば銅又はモリブデン又はこのような材質により
メッキされたものにより作成して、コレクタへの高エネ
ルギの後方散乱電子を増加させるべきである。他方、コ
レクタの材質はそれ自身による後方散乱を最小化するた
めに、原子番号の小さな材質（例えば、炭素又はアルミ
ニウム）から作成すべきである。コレクタ部品も粗く、
又は電子捕捉を最大化させるような形状にすることがで
きる。これらの装置は電子イメージの発生、ビームの集
束、イン・ラインのプロセス監視及びリアル・タイム・
シーム・トラッキングに用いることができる。

電子イメージを発生する場合に、コレクタ及び検出器
系を用いて一次ビーム・ヌル偏向位置を囲む工作片の全
領域について安定した鮮明なイメージを得ることができ
る。信号の収集を一次ビーム軸周りの工作片の形状の傾
きから独立させているので、当該装置の環状形は特に有
用である。正イオンは容易に除去できるので、熱い溶融
点金属の安定かつ鮮明なイメージさえも形成することが
できる。これは、従来の光学系の場合にあるような結像
コレクタを劣化させることなく、溶融プールを連続的に
見ることができるようにするので、特に電子ビーム溶接
に有用である。レンズ、プリズム、及びミラーのような
光学素子の表面に工作片からの金属蒸気が蒸着するの
で、従来の前記光学系は劣化し易い。このようにして光
学素子の被膜は、一次ビームの強度即ちパワー・レベル
が高く、発生する金属蒸気の量が多い場合に特に問題と
なる。光学素子の被膜は、パワー密度が高い（例えば、
10⁵W/mm²）が、低いレベル（例えば、750W以下）でさえ
も発生することがある。これに代って、比較的に高いパ
ワー・レベル（例えば、45kW）では、パワー密度が低く
（例えば、1.5x10²W/mm）ても多量の蒸気が発生するの
で、視覚光学系の急速な被覆が発生する。

これに対して、電子検出器系の反射器及びコレクタ部
品は容易にこのような劣化を発生することはない。しか
し、反射要素の効率は蒸発する金属の原子数及びの基本
的な材質に従って漸次変化し得る。他方、コレクタ（複
数の）は溶接プールの直線的な見通しから完全に遮断さ
れているので、検出器の総合的な高いパフォーマンスは
長い動作期間に亙り保持される。更に、反射器の曲線に
極端な厳密性を要しないので、金属蒸気によるかなりの
堆積が反射面上に堆積してもその反射器の効率が極端に
減少することはない。更に、電子イメージ方法及びここ
で説明した検出器を用いることにより、冷い工作片及び
熱い溶接プールを同時に見ることができる。これに対し
て、光学系の場合の輝度範囲は一般に視覚や、ビデオ試
験にとり大き過ぎる。

電子イメージが単純な反射器及びコレクタ対により生
成されるときは、反射器及びコレクタ電極に印加された
電圧の変動により収集される電子のエネルギ範囲をある
範囲に制御することができるが、識別の程度は制限され
る。イオン化されたガス及び金属蒸気により短絡して接
地される可能性があるので、作業片の電位に対して高い
電圧も反射器の電極に印加することができない。

後方に流れる電子、特に電子ビーム溶接の場合に溶接
プールからの電子は、その発生源に従ってエネルギが変
化する。実際のエネルギ・スペクトルは溶接プールの温
度及び作動に関係している。この情報は、ケーシング42
に取付けられた多数の補助構造の反射器／コレクタ41か
らなる検出器系により、解析するために用いることがで
きる。各コレクタは、この検出器系の次のコレクタに対
するピック・アップ電極及び反射器として機能する。

コレクタ電極をカスケード接続して収集された電子の
量の信号を適当に信号解析することにより、この信号
を、グレー・レベル（白黒表示の場合）による溶接プー
ルの温度及び働きを表わすイメージの構築に用いること
ができる。個々のコレクタにより収集された電流を適当
なカラーに変換して溶接プールの合成カラー・ピクチャ
ーを発生するために、同一の情報を用いることができ
る。モノクロの電子イメージでは通常喪失してしまう人
為的なカラー情報を再構築するために、この技術を用い
ることができる。獲得したデータにより、プロセス解
析、溶接処理の展開、及び品質補償と共に、リアル・タ
イムの可視表示を得るようにしてもよい。

可視表示及び記録が目的のときは、多重コレクタ装置
は、溶接プールの特定の特徴を強調するためにイメージ
輝度を処理して制御することができるので、特に有用で
ある。

第９図（ａ）は、第１形式の多重コレクタ装置を示
す。反射器／コレクタ41を囲むグリッド43を用いること
により、エネルギ弁別も達成することができる。またグ
リッド及びコレクタを溶接プールから隠し、引き離すの
で、（第２図のものに比較して）かなり高いバイアセ電
圧を印加することができる（第９図（ｂ））。この構造
では、グリッド電圧VG1,VG2,VG3,VG4がこれを囲むコレ
クタより負にほぼ保持される。グリッドも前述の例のコ
レクタと共に用いることができる。

リアル・タイム・シーム・トラッキングの場合は、溶
接プール44及び溶接ビード46の前で電子ビームを周期的
に走査させ、継目45（管状磁界71も示す第10図）と交差
する。後方散乱した電子は47より概要的に示すこの発明
の装置により検出される。電子ビームが継目キャップ
（それ自身に溝（第10図）を付けることにより強調する
ことができる。）を介して急速に走査するに従い、後方
散乱の電子分布が変化して継目の相対的な位置に対応し
たレベルのコレクタ信号のパルスを発生する。次に、こ
のパルスにより、電子回路を動作させ、この電子回路が
電磁偏向コイル９、即ちモータ駆動装置（図示なし）に
補正信号を印加し、又はモータ駆動装置（図示なし）を
介して継目と一次ビームの整合を保持させることができ
る。

典型的なものとして、第11図に示すように、検出装置
47により収集された信号が現われる。信号レベルは溶接
期間に比較し、走査期間で後方散乱電子の電流レベル差
により、非常に広範な振幅範囲で変化することができ
る。この溶接期間では、溶接毛管（keyhole）が良く粒
子トラップとして作用するので、工作片により吸収され
た電子の数は走査線期間のものより大きくなる傾向があ
る。他方、走査線期間では、ひどく溶解するのを防止す
るために走査速度を意図的に非常に高くしているので、
電子が固体金属表面から強力に反射される。従って、い
くつかの走査において後方散乱の電子信号は大振幅（Δ
Ｖ）で変動する。更に、以下のものが１以上変化したと
きは、平均直流レベルが変動する。

a.ビーム電流、 b.工作片の距離、 c.加速電圧、 d.部品の形状及び表面仕上げ、 e.工作編組成の原子数、 f.溶接条件，例えばビームの焦点及び印加されてプロセ
ス制御ビームの発振。

一般に、コレクタ信号成分を搬送する情報の周波数
は、ランダムな背景雑音信号の変動のものよりも高いレ
ベルにある（第11図）。

平均直流レベルにおけるこれらの変動は、前述の応用
の全ての信号処理を困難にする原因となる。このような
問題を克服するために、対をなす一連の素子Zc及びＺか
らなる特殊なラダー回路が考案されている（第12図）。
ただし、Zc素子は容量性、Ｚ素子は抵抗性又は誘導性で
ある。コレクタ・プレートの信号は点Ａ及びＢに導か
れ、点Ｃ及びＤから送出される。Zc素子は、表面の詳細
から発生する細かな高い周波数情報に対して低インピー
ダンス回路となり、一方低周波数の周囲信号の変動に対
して高い抵抗を示すように配置されている。抵抗コンデ
ンサ回路網の場合では、容量性素子は多重デカップリン
グ段として機能し、一方Ｚ素子は残りの低周波部品に対
して低インピーダンス回路を形成する。これに代って、
Ｚ素子は信号の低周波部品に対して一本の低インピーダ
ンス・シャント回路を形成するインダクタンスでもよ
い。しかし、この場合は、容量・インダクタンス素子の
同調はスプリアスの同調問題をなくすために微妙なもの
となる。更に、適当な帯域幅を得ることによって走査周
波数、振幅及び継目の形状特徴における変更に起因する
パルス幅及び形状変化に適応することができない。

以上で説明した回線網により信号をろ波した後、第13
図及び第14図に示す一連の電子的な処理要素に送出され
る。これらは以下の主要段からなる。

a.ライン又はラスタ走査の角度に亙る制御入力を含む変
更装置、 b.アナログ処理及び増幅、 c.ディジタル処理、 e.検出器からの情報の計算、即ち統計的なソート及び評
価、 f.ビーム／継目の不一致を補正するモータ駆動回路。

偏向装置は溶接の前に金属の表面にビームを周期的に
移動させてから、継目を走査する（第10図）。コンピュ
ータは掃引が継目に対して直角になるように溶接と関連
させて走査の角度方向を制御する（第10図）。第15図
（ｂ）は第15図（ａ）の非垂直走査に対比して参照すべ
きである。補正駆動は走査線方向に対して並列に印加さ
れる。

コレクタの信号は、以上で説明したように、コンデン
サ・抵抗（又はインダクタンス）ラダー回線網48を用い
てデカップリングされ、VHF雑音（約1MHz以上）を除去
する。次に、信号を電子ゲート50に供給する。電子ゲー
ト50のゲート信号は偏向装置51から供給されるので、継
目検出掃引期間で検出された信号のみが電子ゲート50を
通過することができる。

通過したこの信号は自動的ゲイン増幅器52に供給さ
れ、ゲートされたパルス信号の大きさによりそのゲイン
が制御される。自動的ゲイン増幅器52は微分器及びモノ
ステーブル55A、55Bから掃引の終了を示す偏向装置51の
パルスを受け取る。自動的ゲイン増幅器52は入力信号の
増幅が独立した一定のレベルで保持されるように、出力
信号の増幅を制御する。入力信号は積分器52Aにより走
査期間に亙って積分され、信号の大きさに比例した直流
レベルを発生する。この直流レベルの値はサンプル・ホ
ールド回路52Bにより保持される。サンプル・ホールド
回路52Bから出力される直流レベルは増幅器52Cにより増
幅され、入力信号を増幅する回路素子52Dのゲインを制
御するのに用いられる。

増幅器52Cのゲインは広範囲の入力信号に亙りその出
力信号を一定に保持するように、調整されている。この
装置の出力はパルス分析回路に通常供給されるが、オシ
ロスコープ又はメータ53上で監視され、ビームの焦点又
は見ている工作片の電子イメージの生成を調べてもよ
い。

比較器54は、固定した電圧基準を有し、アナログ信号
からディジタル・パルスを発生する。掃引の開始からデ
ィジタル・パルスの発生までの遅延により、走査した継
目位置を識別する。パルスの長さは、継目又はその他の
特徴、例えば溶接又は溶接スパッタ間を識別をするのに
用いられる。掃引開始信号は偏向装置51の掃引パルスの
前縁によりトリガされる微分器55C及びモノステーブル5
5DA、55Bから出力される。マイクロコンピュータ58がパ
ルスの遅延及び幅を監視できるようにするために、２つ
のタイマ56、57を用いている。第１のタイマ56は掃引開
始から比較器54の出力により定められるパルスの前縁ま
でを測定する。第２のタイマ57は掃引開始からの比較器
54の反転出力（インバータ54′を介する）により定めら
れるパルスの終端までを測定する。これらの信号間で引
算することにより、信号の正しさを解析するデータとな
るパルス幅を得ることができる。タイマ56、57とディジ
タル信号との間を光アイソレータにより絶縁することに
より、ハードウエア損傷又はソフトウェア誤りの原因と
なる電子ビーム環境で通常的な電圧トランジェントを除
去する。

タイマ56、57の出力は８進のデータ・バスによりマイ
クロコンピュータ58に供給されている。一対のラッチ・
バッファ59、60をマイクロコンピュータ58の制御信号に
より交互にエネーブルさせることにより、一方のバッフ
ァから他方のバッファに切換えて読出すことを可能にし
ている。

溶接中は、スパッタ、機械加工マーク、溶接タック、
及び他の表面特徴のために、溶接の継目位置についてい
くかの誤った判断をするのを避けることができない。コ
ンピュータ・ソフトウエアは、パルスの幅を測定し、パ
ルスが現われる時間を前回の読込みと比較することによ
り、パルスが継目のものであることを判断する。前回の
ライン走査の読込みデータ、即ち最後の10により、正当
な変動と誤りのある読込みとの間を識別する根拠が得ら
れる。実際の溶接の継目位置に関して不明確さが発生
し、多数の誤りのある読込みをしたときは、モータ（又
は複数の偏向装置、又は複数のモータ）は駆動されな
い。十分に一貫性のある合理的なデータが得られたとき
は、トラッキングを継続する。リアル・タイム・シーム
・トラッキング中に、出力駆動が調整される。その大き
さは誤ったアライメントの範囲及び走査時間に比例して
いる。マイクロコンピュータ58のディジタル出力は光ア
イソレータ61を介してディジタル・アナログ変換器62に
転送される。この出力は溶接の継目を正しい位置、即ち
駆動制御63の走査線（複数）の中心に向って溶接の継目
を駆動する。次の走査を開始する時点までにずれが除去
されるように十分な補正駆動を行なう。これによって、
走査を安定化して継目の線に対する「ハンチング」を防
止する。

駆動方向はマイクロコンピュータ58から駆動装置に入
力され、掃引／駆動角度は偏向装置51に入力される。偏
向装置51は走査角度について制御する。溶接では、継目
に対して垂直な走査線を維持することが必要である（第
15図を参照）。継目の角度に対する走査線の変化が増加
すると、トラッキング誤り（δ_１、δ_２）が次第に増加
する。

この発明の一実施例では、マイクロコンピュータ58が
駆動装置に対する最近出力駆動値を記録し続けており、
プログラムはこれらと溶接速度から走査線と継目との間
の角度を計算する。これに代って、第16図に示すよう
に、信号の連続性を調べることにより、継目周りの角度
及び位置情報を得ることができる多数の走査をすること
ができる。この波形図は走査の開始から時間に対し、検
出した信号の大きさを示している。掃引の開始からパル
スまでの時間変化は、継目（θ_１、θ_２）の角度を表わ
している。ラスタ・ラインが継目（θ_１＝90゜）に垂直
な場合は、掃引開始からパルスまでの時間が全ての走査
線について同一となる。このシーム・トラッキング装置
は、線形な補正駆動による自己安定の負帰還ループが得
られる。

コレクタ及びラダー回路網は、ゲート回路までを含
め、シーム・トラッキング装置の信号処理回路（第13
図）と共に、工作片上の一次ビームの直径を最小にする
ために必要な収束コイル電流を決定することができる。
この処理を手動的に実行しながら、その間にゲート回路
の後のパルス振幅を例えばオシロスコープ上でを監視す
ること、又は積分器52A及びサンプル・ホールド回路52B
（第14図）が発生した信号を監視することができる。最
高の（即ち最も狭い）パルスは最も絞り込まれた焦点を
示す。

パルス高のパラメータを、工作片面上に焦点を結ぶた
めに必要なビーム焦点と意図的に異なったビーム焦点を
セットする溶接処理の持続性及び再現性を得る手段とし
て用いることもできる。

典型的なものとして、工作片の損傷を最小限にするた
めに走査ステップ中はビーム電力を減少させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来の電子ビーム溶接装置の２つの
例を示す概要構成図、第３図は従来はこの発明による電
子ビーム溶接装置の第１の実施例を示す概要構成図、第
４図（ａ）及び第４図（ｂ）はこの発明による電子ビー
ム溶接装置の第２の実施例の一部を示す概要構成図、第
５図（ａ）はこの発明によるアッセンブリのコレクタ例
を示す概略構成図、第５図（ｂ）〜第５図（ｅ）は第５
図（ａ）に示すコレクタ・エレメントを電気的に接続し
た４つの他の構成を示す接続図、第６図〜第９図
（ａ），第９図（ｂ）はこの発明によるアッセンブリの
第３〜第７の例の部分を示す概要構成図、第10図は継目
線対溶接サイクルにおける電子ビームの動きを示す斜視
図、第11図はこの発明による荷電粒子収集アッセンブリ
のセンサからの出力信号の波形図、第12図はラダー回路
の回路図、第13図は処理回路のブロック図、第14図は第
13図に示す自動ゲイン増幅器のブロック図、第15図は曲
線の継目線と交差する電子ビーム走査の２例を示す線
図、第16図は第15図に示す走査に対応する出力信号を波
形図である。 23,26,27……環状コレクタ・リング、 24…反射器、25……保護部材、 26,27……環状リフレクタ、 28、29……コレクタ・プレート、 30……反射面、31,34,36,42……コレクタ、 32……プレート、41……反射器／コレクタ、 70……磁気シールド、80……バイアス電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭51−106183（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭51−96494（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−124852（ＪＰ，Ｕ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子を受け取り対応する出力信号を発生す
   るコレクタ（23）を有する電子収集アッセンブリにおい
   て、 使用中に電子が衝突する反射部材（24）がもうけられ、 該反射部材は正極性の粒子を吸収し電子を反射するよう
   に構成され、 前記コレクタ（23）は前記反射部材（24）で反射された
   後の電子のみを受け取る位置にもうけられることを特徴
   とする電子収集アッセンブリ。
2. 【請求項２】特許請求範囲第１項記載の電子収集アッセ
   ンブリにおいて、前記コレクタに直接衝突することによ
   る荷電粒子を防止するように配列されたシールドを備え
   たことを特徴とする電子収集アッセンブリ。
3. 【請求項３】特許請求範囲第１項又は第２項記載の電子
   収集アッセンブリにおいて、反射すべき粒子と同一極性
   の電位を反射部材に印加する手段を備えたことを特徴と
   する電子収集アッセンブリ。
4. 【請求項４】特許請求範囲前記いずれかの項記載の電子
   収集アッセンブリにおいて、前記反射部材は荷電粒子の
   ビームに対して凹状面をなすことを特徴とする電子収集
   アッセンブリ。
5. 【請求項５】特許請求範囲前記いずれかの項記載の電子
   収集アッセンブリにおいて、前記反射部材はほぼ環状で
   あり、多数の分割された部材から形成されていることを
   特徴とする電子収集アッセンブリ。
6. 【請求項６】反射部材とコレクタの組合せを少なくとも
   ２つ有し、前記反射部材が入れ子になっている、特許請
   求の範囲第１項記載の電子収集アッセンブリ。
7. 【請求項７】反射部材とコレクタの組合せを少なくとも
   ２つ有し、該組合せは軸方向に整合され、上流の組合せ
   のコレクタは隣接する下流の組合せの反射器を構成する
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の電子収
   集アッセンブリ。