JPH0479754B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は電子ビームエネルギを使用して穿孔す
る方法及び装置に係る。

従来の技術 過去20年間に於て金属加工に際し電子ビームエ
ネルギを利用した機械を商業的に使用することが
広く普及した。高電圧により電子が高エネルギの
状態にて真空室内に配置された加工片へ向けて飛
ばされ、これにより加工片が溶融される。電子ビ
ームエネルギの最も有用な用途の一つは加工片に
孔を形成することである。磁場により正確に焦点
調整される電子の流れは、溶融及び蒸発によつて
比較的小さい孔を迅速に形成することができる。

72×10⁶watt／cm²の如くエネルギ密度が高いの
で、加工片に数秒間以内に孔が形成される限り、
加工片はほとんど加熱されることはない。

工業的用途に適合するよう、電子ビーム装置の
製造業者等は電子ビーム装置の耐久性を向上させ
なければならなかつた。耐久性を向上させるため
には、電子ビーム装置の電子発生フイラメントは
長寿命のものでなければならず、電子ビームのエ
ネルギ量及び密度は一定でなければならない。か
かる目標を達成することは容易ではない。穿孔が
行われる室内の環境は溶融金属の液滴が飛交い、
金属蒸気が濃縮化される状態にある。加工片より
吹飛ばされる金属は、電子の流れを形成しそれを
加工片へ向けて案内する電子銃の構成要素へ向け
て飛翔する。従つて電子銃の構成要素を保護する
種々の保護装置が従来より開発されている。

一般に、これらの保護装置は典型的には回転デ
イスクの形態をなす複数個の金属シールドを含ん
でおり、該シールドはそれに付着した金属粒子を
除去するスクレーパ（擦り要素）を有している。
シールドは互に隔置されて、電子銃より発射され
た電磁ビームが加工片上に衝突し得るようにする
空間を与えている。この空間は小さく維持される
が、単純な機械的理由から、また電子ビームを故
意に偏向させ得るよう、電子ビームの直径よりも
大きくされなければならない。従つて或る限られ
た量の金属粒子が実質的に電子ビームの移動経路
に沿つて電子銃内へ移動する傾向がある。

そのため電子銃の内部にはかかる少量の金属粒
子を捕捉するための他のシールドが設けられてい
る。

これらのシールドは主シールドと同様の機能を
果す。

上述の如きシステムは一般的な用途に於ては良
好に機能する。大抵の穿孔に於ては加工片材料か
らなる飛散粒子（電子ビームが金属製の加工片に
衝突することにより該加工片より吹飛ばされる多
数の微小金属片）は円錘状に放出され、その大半
が主シールドに衝突する。

しかし非常に直径が小さく比較的深さが大きい
孔を形成する場合には、非常に多量の飛散粒子が
加工片より放出されこれが主シールドにより郭定
された孔を経て電子銃の内部へ侵入する。電子銃
の内部に付着する多量の金属は当技術分野に於て
従来より知られている内側のシールドによつては
除去されないことが解つている。従つてかかる点
に関し電子ビーム穿孔装置の設計を改善すること
が必要とされていた。

発明の開示 本発明の目的は、吹飛ばされた比較的多量の加
工片材料が電子ビーム経路に沿つて逆方向に移動
せんとする場合にも非常に多数の孔を連続的に形
成することを可能にする電子ビーム穿孔装置のた
めのシールドを提供することである。

本発明によれば、回転デイスク形のシールドは
その下面縁部に凹部を郭定すべく段部を備えた周
縁部を有している。シールドは電子ビーム経路に
近接して電磁偏向コイルのすぐ上方に配置され
る。

吹飛ばされた加工片金属がシールドの周縁部に
設けられた階段状の凹部内に付着するよう、電子
ビーム偏向角度を正確に調節することによつて吹
飛ばされた金属の飛跡が注意深く制御される。本
発明の好ましい実施例に於ては、シールドは凹部
内に固定された突起を有しており、該タブは凹部
内に付着せず隣接する電磁偏向コイル上に付着し
た少量の加工片材料を連続的に除去することを補
助する。かかる実施例に於ては、回転デイスク形
のシールド上に付着した飛散粒子を除去すべくシ
ールドに連接的に接触する剛固なスクレーパを使
用する従来の方法を使用することはできない。

かくして突起に接触すると弾性的に変形するワ
イヤブラシなどの手段が電子ビームより離れた位
置にてシールドの凹部と接触した状態に配置され
る。ワイヤブラシはシールドと連続的に接触し、
従つてシールドに付着した加工片材料を連続的に
除去する。

電子銃の内部に金属が付着すると電子ビームの
強度が低下し、その結果穿孔が不十分なものにな
る。穿孔が適正に行われなかつたことは加工片が
電子ビーム穿孔装置より取り外されるまで検知さ
れず、従つて完全且均一な孔を有する加工片を形
成することができない。かくして本発明は互に間
近に近接して隔置された非常に微小な直径の多数
の孔を有するパネルの製造を容易にするものであ
る。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 第１図はドイツ連邦共和国、プハハイム所在の
Steigerwald Strahltechnik，Messer Griesheim
GmbHより販売されているSteigerwald
Strahltechnik Model K6−G10P−CNC電子ビ
ーム穿孔装置の如き本発明が採用される電子ビー
ム穿孔装置の必須の構成要素の幾つかを示す側面
図である。電子ビーム２０が電子銃２２内に於て
発生され、ドラム形の回転可能な加工片支持手段
２６上に装着されたシート状の加工片２４へ向け
て導かれる。加工片支持手段２６は真空室２３内
に収容されており、真空室２３に電子銃２２が取
付けられている。電子ビームを発生する電子銃２
２の必須の部材の多くは、それらが本発明の理解
に必要ではないので図に於ては省略されている
（本願の目的で電子銃２２はシールド３８の平面
の上方に配置された全ての装置を含むものと看做
される）。

電子ビーム２０はフイラメント３０より発射さ
れ印加された電圧により加工片へ向けて加速され
る電子の流れである。電子ビームは電磁石装置の
システムにより成形され案内される。電子銃内に
於ける主経路の端部近傍に於ては、電子の流れは
電磁レンズ３２を透過し、電子の流れが加工片に
衝突する際に良好な密度及び均一な分散状態にな
るように、電子の流れは電磁レンズ３２により集
中される。電子ビームは次いで偏向コイル３４を
通過する。偏向コイルの機能は、電子ビームが第
一の経路の軸線（電子銃内に於て発生された電子
ビームは先ずこれに沿つて移動する）に対し角度
αにて傾斜した第二の経路Ｂに沿つて移動するよ
うに、電子ビームの軸線方向を変化させることで
ある。電子ビームは偏向コイルより複数個の保護
主シールド３８の間の小さい孔３６を通過し、し
かる後加工片２４上に衝突する。電子ビームのエ
ネルギはそれが加工片に衝突すると熱に変換さ
れ、これにより加工片が溶融され蒸発されて孔が
形成される。図に於て、加工片支持手段２６は軸
線２７の周りに回転し且軸線に沿つて（図面の紙
面に垂直な方向へ）運動し得るよう構成された円
筒体である。一般に加工片支持手段は穿孔中には
連続的に運動し続ける。加工片の運動と同期して
電子ビームはパルス状をなし、これにより或る所
定のパターンにて多数の孔を形成する。

上述の各構成要素を当技術分野に於て従来より
知られている。第１図は既に知られている種々の
構成要素と共働する後に説明する本発明の構成要
素をも示すしている。

本発明をより良く理解し得るように、第２図及
び第３図に示された従来の装置について更に説明
する。第２図には三つしか示されていないが、加
工片に最も近接した位置には四つのデイスク３８
が設けられている。これらのデイスクは電子ビー
ムの経路に沿つてその移動方向とは逆方向に見た
場合、電子ビームが通過する小さい孔３６を与え
るよう、第３図に示されている如く互いに重なり
合つて配置されている。本明細書に於て問題とし
ている孔より大きく、縦横比（穿孔の直径に対す
る深さの比）が小さい典型的な加工片孔が形成さ
れる場合には、加工片より飛散粒子が比較的に頂
角の大きい円錐型のスプレー４０として放出され
る。

このスプレーはデイスク３８の下面上に衝突
し、堆積物としてデイスクにしばしば付着する。
デイスクは電子ビーム穿孔装置の作動中にはモー
タにより駆動されるシヤフト３９上にて連続的に
回転される。各デイスクは孔３６より離れた位置
にて下面に接触するスクレーパ４２を有してお
り、スクレーパはデイスクに付着した堆積物を連
続的に拭い取る。電子ビームの移動経路に沿つて
逆方向に飛翔しフイラメントが電子ビームを発生
することを妨害する加工片材料の量を低減すべ
く、電子ビームは故意に偏向される。しかしそれ
にも拘らず、飛散粒子の一部は孔３６を経て電子
ビーム経路に沿つて電子銃２２の内部へ上方へ移
動する。従つて第１図及び第２図に示されている
如く、飛散粒子を遮断すべく、フイラメントの近
傍には電子ビーム経路に沿つて追加のデイスクが
配置されている。これらのデイスクも回転し、そ
の一つにはスクレーパが設けられている。第２図
より、偏向コイル３４のすぐ上方にはデイスク４
５が設けられており、電磁レンズ３２のすぐ上方
には一つのデイスク４６が設けられていることが
解る。これらのデイスクは電子ビーム経路の加工
片とは反対の側に配置されており、傾斜した周縁
を備えた平坦な両側面を有している。電子ビーム
経路に沿つて逆方向に移動する飛散粒子は、電子
ビーム穿孔装置のデイスク４５及び４６が設けら
れた側に於て衝突せんとする。

以上の構成は電子ビーム穿孔装置の範囲内に属
すると従来より考えられている孔を形成する場合
に良好に機能する。しかし直径が0.1mm程度であ
り縦横比（穿孔の直径に対する深さの比）が大き
い孔が形成される場合には、放出される飛散粒子
の散乱を示す円錐の頂角は第４図に示されている
如く遥かに小さくなることが解つている。かかる
状況に於ては下側のシールド３８は放出される飛
散粒子が電子銃内へ進入することを阻止すること
に関しその有効性が小さい。電子ビームが加工片
への移動の際に通過する孔３６が十分には小さく
され得ないので、実質的な量の加工片材料が電子
銃内へ逆方向に駆動される。かかる加工片材料の
一部は内側のシールド４５上に付着し、しかる後
それはスクレーパにより持ち去られ除去される。
しかし上述の加工片材料の一部は偏向コイル３４
上に付着物５０として付着する。

従つて、10⁵個の孔が形成された後の如き場合
には、飛散粒子による堆積物は電子ビーム２０に
干渉し始め孔の均一な穿孔を阻害する程度にまで
半径方向内方へ蓄積する。また飛散粒子による堆
積物が偏向コイル３４に付着した状態が緩くなる
と、該飛散粒子により堆積物は孔３６内へ落下す
ることがある。飛散粒子による堆積物が孔３６を
通過しない場合には、そのことによつて問題が惹
起される。またたとえ飛散粒子による堆積物が孔
３６を通過したとしても、そのことにより電子ビ
ームの経路が一時的に遮断される。典型的には孔
は１秒当り多数個の速度にて穿孔されるので、電
子ビーム経路に障害物が一時的に通過した場合で
あつても、電子ビーム穿孔装置が形成するようプ
ログラムされた多数の孔を穿孔し得なくなる。

第４図より、偏向角度が大きくされても上述の
如き状態を解消することができないことは明らか
である。同様に偏向角度が小さいことも有効でな
い。何故ならば、偏向角度が小さい場合には放出
される飛散粒子が電子銃の内部へ一層入り易くな
り、同様の問題が発生されるからである。

本発明は、全て実質的に一様な寸法及び間隔で
なければならない非常に多数の（10⁶個又はそれ
以上）の微小孔を有する加工片を形成するために
必要とされる。このことを経済的に達成するため
には、孔は連続的に高速度にて形成される必要が
ある。各孔を形成することには比較的少量の加工
片材料を除去することが含まれているが、多数の
孔の集合効果により実質的な量の加工片材料が駆
逐され電子銃内へ逆方向に移動せしめられる。

第１図、第５図、第６図は偏向コイルの上方に
配置されるシールドが本発明に従つて如何に修正
されるかを示している。内側のシールド４４は段
部を備えた周縁部を有し、これによりその縁部の
周りに凹部５４を郭定するデイスクである。凹部
５４の外周面５６の一部は実質的に偏向コイル３
４の内周面５８の一部に整合している。シールド
４４の外周縁６０はできるだけ電子ビームに近接
した位置に配置されている。外周縁６０は従来の
シールドの外周縁と実質的に同一の位置に位置し
ている。本願発明者等は、外径が27.6cmであり、
段部の直径が25.8mmである厚さ7.6mmの黄銅製の
デイスクが有効であることを見出した。凹部の半
径方向の幅は約９mmであり、軸線方向の軸は約
3.8mmである。使用に際しては、放出された飛散
粒子が凹部５４内に衝突するよう偏向角度が注意
深く変化される。図示の電子ビーム穿孔装置に於
ける標準的な偏向角度αは10°±30′である。しか
し偏向角度が臨界的に設定された場合にのみ、例
えば前述のModel K6−G10P−CNC電子ビーム
穿孔装置の場合に於て穿孔装置の基準距離Ｄ（第
４図参照）が20mmである場合には9.75°に設定さ
れた場合にのみ良好な結果が得られる。勿論偏向
角度に或る程度の許容範囲が存在するが、偏向角
度は付着物をリセス内に集中させるためには±
0.25°以下の範囲内に維持されなけばならない。
他のパラメータや他の電子ビーム穿孔装置にて他
の材料を穿孔する場合には上述の値とは幾分異な
つた偏向角度が採用されてよいが、本発明を実施
するためには飛散粒子を内側にシールド４４の凹
部内に集中させるに必要な偏向角度が実験的に求
められる。一旦偏向角度が設定されると、加工片
の基準距離Ｄが電子銃の基準平面に対し正確に維
持されることが重要である。本発明の実施に際し
ては、本願発明者等は上述の基準距離を±0.2mm、
即ち約0.5％の範囲内に維持した。

内側のシールド４４は図にて左端の主シールド
３８と同一のシヤフト３９上に適宜に配置されて
おり、約4rpmの速度にて連続的に回転される。

堆積物を除去するスクレーパ６６が電子ビーム
より離れたデイスクの側にて凹部５４に係合して
いる。上述の改良に拘らず、少量の加工片材料が
シールドに近接して電子ビームの偏向方向に対向
する点６２に於て偏向コイル３４上に付着する。
かかる堆積物は凹部を有するシールドが設けられ
ない場合に比して堆積に長時間を要し電子ビーム
に与える問題は少ないが、それでもかかる堆積物
は穿孔工程を維持するためには除去されなければ
ならない。かくして本発明に於ては、外周縁の或
る一点にて凹部内に少なくとも一つの突起６４が
設けられている。突起６４は第６図により詳細に
示されている。突起６４は偏向コイル上の飛散粒
子よりなる小さい蓄積物を連続的に物理的に除去
する。点６２に於て偏向コイルに付着した堆積物
に周期的に接触し得るものである限り、突起６４
と同様の他の突起が使用されてもよい。勿論一つ
以上の突起が使用されてもよいが、このことは必
ずしも必要ではない。

シールドに突起を設けることが堆積物を連続的
に除去する最も単純な方法であるが、シールド近
傍の偏向コイルの内周面より加工片材料を掻き取
りそれが蓄積することを阻止する他の有効な機械
的手段もシールドと共働するように設けられるこ
とが有用である。

偏向コイルの内周面より掻き取られた堆積物は
電子ビーム経路に沿つて下側のシールド上へ恐ら
くは孔３６を経て下方へ落下するが、実際にはこ
のことによつて問題が惹起されることはない。

突起が設けられる場合には、デイスク３８，４
５，４６に使用されている剛固なナイフ形の板片
の如き従来のスクレーパ４２を使用することがで
きない。かくして第１図及び第６図に示されてい
る如く、本発明に於ては支持体６８より支持され
たワイヤブラシ６６が使用されている。ワイヤブ
ラシの剛毛は突起がそれらに係合した場合にそれ
が脇へ湾曲し、突起が通過した後には元の位置に
ばね作用によつて戻るよう十分な可撓性を有して
いる。デイスクの周縁に設けられた凹部より付着
物を除去すべくワイヤブラシ以外の他の手段が採
用されてもよい。かかる他の手段には、突起の作
用のもとに於て撓み得るよう構成されているがデ
イスクに接触して金属付着物を除去する十分強度
及び力を有する任意の部材が含まれる。

本発明の他の実施例も実施されてよい。本発明
が準拠する一般的な方法及び原理は運動可能な内
側のシールドの凹部内にしかしながら、衝突する
ことである。このことを達成するためには、凹部
を有するシールドは偏向コイル情報に設けられな
ければならず、偏向角度は吹飛ばされた加工片材
料を所定の方向へ導くよう調節されなけばならな
い。本発明の目的を達成するために他の構成が採
用されてもよい。例えば第７図は二つのプーリー
７２及び７４の間に巻き掛けられた断面Ｌ字形の
ベルト部材７０を示している。プーリー７４は第
１図及び第５図に於けるデイスク４４と同一の位
置にて電子銃内に配置される。

吹飛ばされた加工片材料がシールドの縁部に設
けられた凹部内に衝突するように偏向角度を調節
することの重要性が説明された。このことは非常
に重要である。何故ならば、電子銃内へ逆方向に
吹き戻される加工片材料が非常に多量である場合
には、内側のシールドの縁部にて捕捉されない加
工片の材料がたとえ少量であつても種々の問題が
惹起こされるからである。しかしながら、本願発
明者等は段部、即ち凹部を備えた縁部を有する運
動可能なシールドのより一般的な有用性をも見出
した。本発明のシールドの構造はより一般的なサ
イズの孔が穿孔される場合にも有用であり、その
場合には偏向角度の制御はさ程重要ではない。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は加工片に対し穿孔が行われている状態
にて本発明が組込まれた電子ビーム穿孔装置の要
部を一部破断して示す立面図である。第２図は従
来の電子ビーム穿孔装置の要部を示す部分図であ
る。第３図は従来の電子ビーム穿孔装置の要部を
示す平面図である。第４図は従来の電子ビーム穿
孔装置に於て非常に直径の小さい孔が形成される
場合に生じる問題を示す解図である。第５図は縁
部に凹部を有するシールドが組込まれた本発明の
電子ビーム穿孔装置の要部を示す部分立面図であ
る。第６図は第５図に示されたシールドを示す斜
視である。 第７図は断面Ｌ字形のベルトが二つのプーリー
間に巻き掛けられた本発明の他の一つの実施例の
一部を示す斜視図である。 ２０……電子ビーム、２２……電子銃、２３…
…真空室、２４……加工片、２６……加工片支持
手段、３０……フイラメント、３２……電磁レン
ズ、３４……偏向コイル、３６……孔、３８……
シールド（デイスク）、３９……シヤフト、４０
……スプレー、４２……スクレーパ、４４，４
５，４６……デイスク（シールド）、５０……付
着物、５４……凹部、５６……外周面、５８……
内周面、６０……外周縁、６４……突起、６６…
…ワイヤブラシ、６８……支持体、７０……ベル
ト部材、７２，７４……プーリー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子ビームにより加工片に孔を形成する装置
   であつて、 加工片を受入れ保持するための室と、 電子を発生するフイラメントと、前記電子より
   電子ビームを生成する第一の電磁石手段と、前記
   電子ビームをビーム系路に沿つて前記室内に保持
   された前記加工片へ向けて案内する第二の電磁石
   手段と、を含み前記室に接続する電子銃と、 前記電子銃のビーム出口と前記室内に保持され
   た前記加工片との間に配置され前記加工片より放
   出される飛散材料を捕捉する主シールドと、 前記第一の電磁石手段と前記第二の電磁石手段
   との間に回動可能に配置され前記主シールドにて
   捕捉されなかつた前記飛散材料を捕捉する円板状
   の内部シールドとを含み、 前記内部シールドはその軸線方向下方部が縮径
   されこれにより周縁部下端に凹部が形成されてお
   り、前記凹部は前記ビーム経路より離れた位置に
   て前記凹部に付着した加工片材料を除去する除去
   手段に接触することを特徴とする電子ビーム穿孔
   装置。 ２ 電子を発生するフイラメントと、前記電子よ
   り電子ビームを生成する第一の電磁石手段と、前
   記電子ビームを加工片へ向けて案内する第二の電
   磁石手段と、前記第一の電磁石手段と前記第二の
   電磁石手段との間に於て外端にて前記電子ビーム
   に近接するように配置され下方周縁部に凹部を有
   する円板状の内部シールドと、を含む電子銃によ
   り加工片に多数の微小直径の孔を形成する方法で
   あつて、 第一の軸線に沿つて流れる電子ビームを発生す
   る過程と、前記電子ビームを前記第一の軸線に対
   し或る角度をなす第二の軸線に沿うよう偏向させ
   る過程と、前記第二の軸線上に前記加工片を配置
   する過程と、前記内部シールドの前記凹部に付着
   した加工片材料を前記電子ビームより離れた位置
   にて連続的に除去する過程とを含み、前記角度は
   前記加工片から飛散した材料が前記内部シールド
   の前記凹部に多く付着するような角度に制御され
   ることを特徴とする方法。