JPH11217667A

JPH11217667A - 高出力電子ビームの操作方法

Info

Publication number: JPH11217667A
Application number: JP10295694A
Authority: JP
Inventors: Martin Baehr; マーチンベール; Erik Laux; エリックリュックス
Original assignee: Leybold AG; Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 1999-08-10
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: US6214408B1; KR100551606B1; EP0910110A2; DE59812827D1; US6436466B2; EP0910110B1; TW423016B; EP0910110A3; KR19990037157A; DE19745771B4; DE19745771A1; JP4410325B2; CN1241800A; CN1165951C; US20010016237A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】目標中の物質の気化のための高出力電子ビー
ムの操作方法に関し、走査、出力パターンの誤差を補償
し電子ビームを自動的に偏向させる。【解決手段】実際の空間座標についてのティーチイン
プロセスにより動的及び静的偏向誤差を確定し、偏向電
流の実際の周波数をメモリに記憶し、電子ビームの入射
点についての入力幾何学的データを、入力点上への正確
な入射を生じさせるような補正後の電流値に自動的に再
計算する。周波数依存性の減衰効果を排除するために、
周波数及び振幅の観点から入力周波数を自動的に補正す
る。静的及び動的偏向誤差の補正において、適当な補間
方法により、ティーチインプロセスにおいて考慮されな
かった空間座標及び周波数を保証し、単にるつぼの表面
上のパワー分布の指定により、指定されたデータを満足
するように電子ビームを制御することが可能となる方法
を指定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、るつぼなどの内部
の物質の気化のために使用する高出力電子ビームの操作
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高品質の金属および金属合金は電子ビー
ム溶融プロセスにより製造することができる。金属およ
び合金を溶融させるための熱源として電子ビームを使用
することは、非常に複雑な溶融プロセスを実行できる点
で有利である。これは、電子ビームが偏向可能であり、
よって金属ブロックまたは金属溶融物の表面上の異なる
位置に到達することができるからである。電子ビーム技
術により、ほぼあらゆる物質を効率的に気化させること
ができる。その気化率はスパッタリングプロセスのおよ
そ１００倍である。アルミニウムを使用する標準的プロ
セスとは別に、高い融点および高い気化温度を有する物
質は電子ビーム気化技術と特に関係を有する。これらの
物質は、例えば、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、合金、
またはＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＭｇＯなどの酸化
物である。また、電子ビーム技術は、例えば、Ａｌ＋Ｏ
₂→Ａｌ₂Ｏ₃のように、反応性気化に関して必要な安定
的かつ均一な気化率を提供する。

【０００３】電子ビーム気化の特に重要な応用分野は、
例えば磁気テープをＣｏＮｉ合金でコートすること、ま
たは食料品のパッケージのためのフィルムをコートする
ことなど、種々の物質で広い表面をコートすることに代
表される（これについては、DE−OS4203632、US−PS530
2208を参照）。

【０００４】別の分野での応用は、タービンのブレード
の腐食防止コーティングであり、それにおいては例えば
１００から２００μｍの厚さのＭＣｒＡｌＹ層を適用
し、１００から２００μｍの厚さのイットリウムまたは
安定化ＺｒＯ₂の付加的な熱減衰層を付加し、それによ
りタービンの羽根の貢献度を増加させる。

【０００５】電子ビームコーティングの主要な有益性
は、電子ビームの焦点における高出力密度にあり、それ
は１ＭＷ／ｃｍ²程度の量に及ぶ。この高出力密度によ
り、高い表面温度が生じ、それにより高い融点を有する
物質さえも気化させることができる。典型的には、焦点
の表面積は１ｃｍ²未満であり、それにより小さな気化
領域のみが作られる。よって、電子ビームが静的してい
るか、または気化されるべき表面を電子ビームが走査す
る速度が低すぎる場合、電子ビームエネルギーの多くの
部分が物質の奥行き方向に入り込み、そのエネルギーは
良好な気化に貢献することはない。

【０００６】気化されるべき表面上のパワー分布は最新
の補助機器により調節することができ、それにより、例
えば蒸気溶着された物質はビームの走査パターンを変化
させることにより単純な方法で最適化することができ
る。

【０００７】電子ビーム気化により適用される層は、し
ばしば同等のスパッタ層ほど密ではなく、その層の性質
も異なる。電子ビーム気化により適用される層の性質を
改善するために、蒸気溶着プロセス中に付加的なプラズ
マの支援を与えることができる。

【０００８】電子ビームの残留ガス粒子との相互作用に
より、コーティングチャンバ内の圧力、および電子ビー
ム銃と気化されるべき物質との間の間隔、すなわちビー
ム長は規定の値を超えてはならない。例えば、２０〜５
０ｋＶの加速度ポテンシャルについては、圧力は１０^-2
ミリバール（mbar）を超えてはならない。電子ビーム長
は１ｍを超えてはならない。さらに高い圧力または長い
電子ビーム長が必要であるならば、加速度ポテンシャル
を増加させるべきである。

【０００９】また、高出力レベルでの圧力の増加は、物
質の不純物のシールド効果、例えばＨ₂Ｏまたは水の結
晶化により生じ得る。さらに、いくつかの酸化物は部分
的に金属または酸素に分解する。圧力の増加は層の性質
を変化させ、または電子ビームの集束を外れさせ得る。
従って、気化物質は不純物および水のシールド効果の観
点から最適化されるべきである。

【００１０】１０００ｋＷに至るパワーと１６０ｋＶに
至る加速度ポテンシャルを有する電子ビーム銃が入手可
能である。コーティングの目的では、一般的に１５０〜
３００ｋＷのパワーと３５ｋＶの加速度ポテンシャルを
有する電子ビーム銃が使用される。電子ビームの偏向お
よび集束は一般的に磁気コイルにより行われる。磁気コ
イル中を流れる電流を変化させることにより、ビームの
集束およびビームの偏向を容易に制御することができ
る。

【００１１】一般的に、電子ビーム溶接においては１０
ｋＨｚ以上の走査周波数が使用される。一方、コーティ
ングの応用においては、慣用的な周波数は１００〜１０
００Ｈｚであり、この周波数は基本振動数に関係する。
高調波が存在すれば、例えば１０ｋＨｚの周波数が含ま
れる。走査周波数は、電子ビームが例えばるつぼの面上
の２点を往復する周波数を示すと理解される。

【００１２】高出力電子ビームの制御では、特に以下の
点に注意しなければならない。それは、電子ビーム銃へ
の電源供給、電子ビーム銃内での電子ビームの案内、お
よび処理面上における電子ビームの案内である。

【００１３】高出力電子ビームを制御するいくつかの方
法が既知であり、それらは溶融物（EP0184680、DE39022
74C2、EP0368037、DE3538857A1）に対する電子ビームの
入射点を検出するセンサを設けた特殊偏向システム（DE
4208484A1）を含む。また、１以上の電子ビームを有す
る偏向システム（US-A4988844）、または磁界センサを
有する電子ビーム位置制御器（DE3532888C2）が既に提
案されている。

【００１４】また、マイクロプロセッサにより実行され
る高出力電子ビームの制御が知られており、そこでは従
来型のハードウェアをソフトウェアで動作させている。
そのソフトウェアは、電子ビームの均一な分散と、溶融
の指示または式の実行における大きな柔軟性のために設
計されている（M.Blum, A.Choudhury, F.Hugo, F.Knel
l, H.Scholz, M.Bahr等による、複合溶融プロセスのた
めの新しい高速電子ビーム銃制御システムの応用、EB C
onference, Reno/USA, October 11-13, 1995）。高周波
制御電子ビームシステムの本質的特性は、カメラおよび
気相における要素の濃度の検出ユニットである。この制
御システムは、様々の方法、例えばチタンの炉床溶融ま
たはインドロップ（in-drop）溶融などに適用可能であ
る。また、それは５個までの電子ビーム銃を設けること
ができるいくつかの溶融炉の同時制御に適している。ま
た、それにより非対称な溶融構成、例えば溶融されるべ
き物質が水冷銅製トラフを通じて片側に供給される水平
ドロップ溶融、もしくは溶融物質のオーバーフローによ
り片側で高入力エネルギーが生じる他の電子ビーム構成
などにおいてさえ、正確に規定された表面温度分布を有
する電子ビームプロセスを実行することが可能である。
また、その制御は、ウィンドウズによるソフトウェアに
よって動作する、従来のＰＣによる既知の構成で達成す
ることができる。

【００１５】高出力電子銃の上述の制御の改良において
は、電子ビーム走査・制御システムが使用され、それに
より電子ビーム走査速度が直接的に制御される（M.Bah
r, G.Hoffmann, R.Ludwig, G.Steiniger等の高出力電子
ビーム技術の新規な走査・制御システム（ESCOSY
S^TM）、Fifth International Conference on Plasma, S
urface Engineering, Garmisch-Partenkirchen, Septem
ber 1996を参照）。いわゆる“内部インテリジェンス”
に依存するこの制御システムは２つの本質的特性を有す
る。一つの特性は誤差補償に関する。ここでは、電子ビ
ームの動作がまず“トレーニング”され、そこでは低出
力でスクリーン上で開始する。この“トレーニング・プ
ロセス”の後、電子ビーム銃の周波数減衰および偏向誤
差を自動的に補償する。ビームの円形パターンが円形の
まま残り、異なる入射角においてさえ楕円形などとはな
らない。この円の大きさは走査周波数が変化した場合で
さえ一定に保たれる。偏向誤差補償は、２×ｎ次元の多
項式関数を適用することにより実行される。周波数減衰
は、高速フーリエ変換アルゴリズムの適用により振幅と
位相角の観点から補償される。こうして、幾何学的パタ
ーンのみならず、非常に緻密なパターンでさえも補償さ
れる。それでも、システムは１０ｋＨｚの周波数制限で
動作し、それは１ｋＨｚまでの繰り返し周波数を許容す
る。これは、周波数減衰補償の必要性を最小化する。上
述の誤差補償と共に、所定表面に対するパワー補償の直
接入力が不可欠である。既知のシステムでは、良好な均
一性を有する蒸気溶着相を高速で実現することができ
る。例えば反応性Ａｌ₂Ｏ₃プロセスでは、１０m/secの
コーティング速度が実現可能である。上述の偏向誤差補
償および周波数減衰補償を達成するためのそれ以上の詳
細については、上記文献には記載されていない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術に基づ
いて、本発明の課題は、事前に設定された走査および出
力パターンについての誤差補償を伴いつつ電子ビームを
自動的に偏向させることを可能とする方法を提供するこ
とにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の課題は、請求項
に記載された特徴的な方法により解決することができ
る。

【００１８】本発明により達成される有益性は、特に、
所定の溶融物表面上の電子ビームの幾何学的経路または
それにより作られるパワー密度が自由に選択可能であ
り、かつ誤差が補正されることにある。ユーザは、発生
しうる誤差を考慮する必要はなくなり、空間座標により
直接入力を行うことができる。加えて、ユーザはパワー
分布を直接的に規定することができ、以前のように幾何
学的偏向パターンの適当な組み合わせにより実験的にの
みパワー分布を確定する必要が無くなる。さらに、本発
明によれば閉制御ループを使用することができる。例え
ば気化プロセスにおいて気化速度をその場で測定し、そ
れから制御アルゴリズムにより新規なパワー分布を生成
して、例えばより均一なコーティングを達成する場合、
それ以前に誤差補正が実行されていれば、そのような制
御ループを非常に精密に再度調整することができる。こ
れらの誤差が補正されなければ、閉制御ループについて
さえ残留誤差が残る。

【００１９】溶融については、本発明により、適当な測
定システムが利用可能であれば、例えばるつぼまたはイ
ンゴット上の温度分布を制御または調整することができ
る。こうして、物質の構造ならびに合金成分の望ましく
ない気化損失をさらに最適化することができる。

【００２０】本発明は受動的なシステム、すなわち溶融
すべき物質上で電子ビームの入射点の測定を行わないシ
ステムを含む。むしろ、システムは、溶融プロセスの開
始時のある時刻において実行される認識（“ティーチイ
ン”）を通じて入射点を知る。しかし、本発明は、電子
ビームの入射点を直接的に測定する自動測定システムと
結合することができる。受動的システムの実行では、ま
ず空間座標で偏向パターンを規定し、一時的にメモリへ
記憶する。電子ビームの指定された偏向周波数、ならび
に溶融すべき物質の表面上の規定された点間の距離か
ら、電子ビームの偏向速度を計算する。次に、特に誤差
補正アルゴリズムを含む特殊なアルゴリズムにより、空
間座標内で規定された偏向パターンを、偏向コイルにつ
いて電流値中に規定されたそのような偏向パターンに変
換する。ここでも、追加的に指定された偏向周波数から
偏向速度が生じる。こうして得られた電流パターンを次
に電流増幅器に直接供給し、その電流増幅器は磁気偏向
コイルを駆動して磁気的に電子ビームを偏向する。この
点から、渦電流により発生する周波数依存性の減衰およ
び電流増幅器内の周波数依存性の非線形ひずみ、ならび
にパルス出力と電子ビームとの間の周波数応答における
あらゆる他の非線形性を考慮する必要がない。

【００２１】

【発明の実施の形態】高出力電子ビーム銃１の原理を図
１に示す。符号２は、電源Ｕ_fに接続され、電子３を放
出する加熱フィラメントを示す。フィラメント２の下方
には、通常はブロック形状の静止したカソード４が配置
される。カソード４は、そのブロック４自身が電子６を
放出する点まで電子流により加熱される。電子６を加速
する高電圧Ｕ_bは、ブロック４とアノード８との間に存
在する。ベーネルトシリンダ５は静電界に影響し、電子
をアノード８の穴へ集束させ、それにより集中電子ビー
ムを発生する。電子ビームは磁気レンズ９、１０により
さらに集中される。符号２１は磁気偏向ユニットを示
し、それは電源１２から電流Ｉ_dを供給される。電源１
２は直流または交流を供給することができ、その電流の
振幅および／または周波数は可変である。

【００２２】電子ビーム銃１の下には、るつぼ１３が断
面で示され、そのるつぼ１３内には金属または金属合金
１４が入れられる。偏向された電子ビーム７’は図１の
軸１６に対してαの偏向角を有し、金属１４の表面１５
に当たる。

【００２３】符号２０はサーマルカメラを示し、それに
より金属１４の表面１５上の温度分布を検出することが
できる。

【００２４】図２は電子ビーム銃１の下部２２のみを示
し、偏向ユニット１１は別個に図示されておらず、下部
２２の内部に配置されている。るつぼ１３および金属表
面１５は斜視的に示されている。

【００２５】ここでは線のみで示す電子ビーム７’は、
金属表面１５全体に渡って通過することができるように
偏向され得ることが分かるであろう。金属表面１５への
電子ビーム７’の個々の入射点は符号Ｐ₁−Ｐ₈で示され
る。

【００２６】入射点Ｐ₁−Ｐ₈は、金属表面１５上でｘ、
ｙ座標または極座標により規定することができる。入射
点の座標の確立に電子ビーム７’の長さを含めるなら
ば、球座標を使用することが論理的な選択である。ここ
で、２３からＰ₁までの距離は、電子ビームの電子ビー
ム銃の出口から入射点Ｐ₁までの距離を示し、図示しな
い第１の角αは電子ビームの中心軸からのずれを示し、
同様に図示しない第２の角βは例えば時計周りの回転角
を示す。テレビ管の技術において知られるように、ある
電流がｘ、ｙ偏向コイルに流れると、電子ビームはある
点まで偏向する。このように、ｘ、ｙ偏向コイルを流れ
る電流と電子ビーム７’の入射点との間には明確な関連
が存在する。

【００２７】しかし、空間座標と理想的電流座標のこの
確立された関連は静的偏向電子ビーム７’にのみ、すな
わち電子ビーム７’が移動せず、かつ外乱が存在しない
場合にのみ当てはまる。例えば電子ビーム銃がるつぼ１
３に対して傾斜して配置され、またはるつぼ１３の位置
に付加的な外乱電界または外乱磁界が現れるならば、偏
向ユニットが理想的条件下で規定の入射点Ｐ₁−Ｐ₈に関
連する電流を供給された場合でさえ、電子ビーム７’は
規定の入射点Ｐ₁−Ｐ₈に到達することはできない。しか
し、気化プロセスでは、電子銃管への内部損傷を最小と
するため、一般的に電子ビーム銃はるつぼに対して直角
に配置されることはなく、るつぼに対して中央に配置さ
れる。これにより、例えば金属表面１５上の四角形偏向
パターンは湾曲台形偏向パターンに歪み、もしくは円形
の偏向パターン入力が楕円形となる。これにかかわら
ず、気化すべき物質上に四角形または円形を生じさせる
ためには、結果的に理想的電流パラメータの補正を行わ
なければならない。すなわち、偏向ユニットは、電子ビ
ームの厳密に対称的な方向付けおよび純粋に誘導性の偏
向ユニットの場合と同様の電流を供給されてはならな
い。

【００２８】ここで述べる気化プロセスでは、電子ビー
ム７’の強度は常に一定、またはゆっくりとのみ変化す
る。電子ビーム７’による金属表面１５へのパワー入力
は、電子ビーム７’が一点から他の点へ移動する速度に
より決定される。電子ビームは厳密には１つの点ではな
く、それゆえその直径分だけある時間に渡って点上に残
留するため、金属表面上の点上の電子ビームの滞留時間
と呼ぶこともある。

【００２９】上述の静的偏向誤差およびその影響を決定
するため、実際の偏向の理想的な偏向からの偏差を確立
しなければならない。理想的な偏向は計算により容易に
決定できるが、実際の偏向はそうはいかない。よって、
実際の偏向はトレーニングプロセスにより決定される。

【００３０】図３は偏向誤差の補正のためのトレーニン
グ（ティーチイン）プロセスを説明するための図であ
る。既に述べたように、そのような偏向誤差は、るつぼ
の中心軸に対する電子ビーム銃の位置の傾斜、またはる
つぼに対する付加的な磁界により引き起こされる。その
ような偏向誤差の補正は、移動しない電子ビームに対し
て行わなければならないので、静的補正とも呼ばれる。
図３では電子ビーム銃２２および電子ビーム７’のみが
示される。ティーチインプロセスのトレーニングに不可
欠なのは、マーカーシート５０であり、それはるつぼ上
に配置され、図示されず、マーカー点Ｐ₉−Ｐ₁₉を有す
る。電子ビーム７’の偏向電流を変化させることによ
り、電子ビームをこれらのマーカー点に手動または個別
に向ける。電子ビーム７’が図３に示す位置にあるとす
ると、Ｐ₁₀についての既知の空間座標ｘ₁₀、ｙ₁₀がメモ
リ５１に記憶される。これら空間座標に関連付けられる
のは電流座標Ｉ_x10、Ｉ_y10、すなわち電子ビーム７’を
図３の位置に入射させるｘおよびｙ偏向のための電流で
ある。これらは実際に流れる電流であり、ｘ、ｙ座標と
関連付けされると共に既に誤差補正を含む理想電流とは
異なる。実際に流れる電流Ｉ_x10、Ｉ_y10は規定の点に達
するために必要であり、同様にメモり５１に記憶され、
Ｐ₁₀の空間座標と関連付けされる。次に同様の処理を空
間座標Ｐ₉およびＰ₁₁−Ｐ₁₉について行い、最終的には
メモリ内の全ての点Ｐ₉−Ｐ₁₉を特定の偏向電流Ｉ_x9、
Ｉ_y9．．．Ｉ_x19、Ｉ_y19と関連付ける。既存の破壊要因
に拘わらず電子ビームが正確に点Ｐ₉−Ｐ₁₉に当たるこ
とを確実にするには、これらの点に関連付けされると共
にトレーニング処理により確定された電流振幅を対応す
るｘ、ｙ偏向ユニットへ供給することのみが必要であ
る。トレーニングプロセスでは偏向電流として直流電流
を使用することが好ましいが、取得した補正因子を交流
電流の振幅に適用することもできる。

【００３１】空間ｘ、ｙ座標の個々の電流座標への関連
付けにより、金属表面の空間領域から偏向コイルの電流
領域へのある意味における変換が行われる。先に述べた
ように、これら電流座標は電子ビームを規定のｘ、ｙ点
に近づけるために流さなければならない実際の電流振幅
を示す。しかし、各ｘ、ｙ点に理想的電流座標を割り当
て、次に理想的電流座標にＩ_ideal／Ｉ_actualにより示
される補正因子を割り当てることもできる。

【００３２】矩形のるつぼ６０に対するトレーニングプ
ロセスの結果を図４に示す。るつぼ６０は、正確に接近
されるべき点Ｐ₁−Ｐ₂₂を有することが理解される。前
述の静的偏向誤差の対象となる電子ビームによってこの
正確な接近を達成するために、ｘおよびｙ座標の電流は
６１に示す値を有しなければならない。点Ｐ₁’−
Ｐ₂ ₂’が示すこれらの電流は補正され、矩形上には位置
せず、歪んだ台形上に位置する。

【００３３】６１により示すように、電子ビームが最終
的にるつぼの点Ｐ₁、．．．Ｐ₂₂に当たるために、偏向
コイルは補正後の電流振幅を与えられなければならな
い。それにも拘わらず、ティーチインプロセスのために
十分なるつぼ６０について示される点グリッドは動作の
ためには比較的粗い。中間領域においても偏向コイルに
正確な電流を与えることを可能とするために、補間手法
を利用することができる。図４の６０に示すより大きな
点密度を得るため特に適当な方法は最小自乗法にある。
この方法において、補償多項式（１）がｎ個の測定値の組ｘ_i、ｙ_iについて決定される。補償
基準となるのは補償多項式からの個々の測定点の自乗偏
差であり、それは最小とされるべきである（H.Frohner,
E.Ueckertの電気的測定学の基礎、1984、pp.208,20
9）。この補償プロセスにおいて、個々の電流、すなわ
ち点Ｐ₁、．．．Ｐ₂₂の中間位置の電流も以下の式によ
り確定される。（２）ここで、ｋ＝ｘ’、ｙ’、かつ、ａ_i,j,k＝点Ｐ₁、．．．Ｐ₂₂におけるトレーニングプロ
セスの過程で決定される定数、である。

【００３４】全ての座標に対して上記誤差を補正するた
めに、こうして２次元ｎ次多項式により偏向誤差を計算
する。すなわち、この多項式により平面上のあらゆる任
意の点（ｘ、ｙ）について電流振幅（Ｉ_x、Ｉ_ｙ）を計
算することができる。

【００３５】このプロセスにより、ティーチインプロセ
ス中に測定されない位置さえも空間領域から電流領域へ
変換することができる。

【００３６】静的偏向補正が実行された後、動的周波数
補正が行われる。すなわち、偏向コイルに適用された純
粋に正弦波状の交流から、補正された交流が決定され
る。周波数誤差が実際の動作において生じるため、この
交流補正は必要である。周波数誤差が伴うものは、図５
を参照して以下に説明される。

【００３７】電子ビームの１次元運動を示す図５におい
て、電子ビーム７’の純粋に正弦波状の偏向が示され
る。この場合、偏向ユニットを通じて流れるＩ＝Ｉ₀・s
inωtの電流の振幅および周波数により電子ビーム７’
の偏向が決定され、その電流は電源１２により供給され
る電圧Ｕ＝Ｕ・Ｕ₀sinωtの電圧により生じる。所定の
電流強度Ｉ₀および所定の繰り返し交流周波数ω₁につい
て、電子ビーム７’は第１の位置Ｉから第２の位置ＩＩ
へ移動し、また再度戻り、詳細には個々の交流周波数の
繰り返し周波数で移動する。こうして電子ビーム７’は
金属表面上でＩとＩＩとの間に直線を描く。この場合、
中心軸１６の右への偏向角α₁は中心軸１６の左への偏
向角α₁’と一致する。角α₁、α₁’の両者は偏向ユニ
ット１１を通じて流れる個々の交流の電流強度により決
定される。交流電流周波数が一定の電流強度と共に増加
するならば、理論的に電子ビーム７’は位置ＩとＩＩの
間で、高周波で振動を繰り返す。

【００３８】しかし、実際には、いわゆる周波数減衰が
生じるので偏向角α₁およびα₁’の両者は周波数に依存
する。周波数に依存する減衰は、本質的には磁気偏向シ
ステム中の渦電流損失により生じる。偏向システムはコ
イルのみにより構成されるわけではなく、鉄も含むの
で、コイル電流への周波数依存性の反応は鉄内部を流れ
る渦電流により生まれる。

【００３９】加えて、コイルに通電するアンプの非線形
周波数特性は、特にコイル電流の周波数依存性につなが
る。最終的には、これは等しい電流強度であるが増加し
た周波数ω₂について、偏向角α₂およびα₂’がα₁およ
びα₁’より小さいことを意味する。これらの２つの角
度の差α₁−α₂は周波数減衰の位相シフトΘとも呼ばれ
る。この周波数減衰Θは交流電流周波数の関数であり、
すなわちΘ＝ｆ(ω)である。

【００４０】また、ｘおよびｙ方向についての偏向シス
テムが異なる時にも位相シフトΘが生じうる。この位相
シフトΘはｘおよびｙ偏向方向に責任を有する個々の偏
向コイル内の電流の時間領域オフセットを示す。

【００４１】図６の上側の３１は、電子ビームで所定の
点に正確に近づくように、偏向ユニットのｘ方向の電流
振幅が周波数の増加に伴って変化しなければならない様
子を示す。一方、図６の下側の３２は、電子ビームが所
定の点に正確に近づくように、ｙ方向の振幅が周波数の
増加と共に増加しなければならない様子を示す。各々の
場合、周波数の増加に伴って現れる減衰因子を補償する
ために振幅を増加させなければならない。上述の関数接
続振幅＝ｆ（ω）は、異なる周波数について実験的に決
定し、学習、すなわちメモリに記憶することができる。
例えばこれらの目的で、トレーニング中に検出されるべ
き６個の異なる周波数が十分である。静的偏向誤差のト
レーニングとは対照的に、電子ビームは異なる点
Ｐ₁．．．Ｐ₁₉に向けられる必要はない。むしろ、１座
標を考慮すると、２点間、例えばＰ₉とＰ₁₀の間で振動
すれば十分である。６個の各周波数について、次に電子
ビームがＰ₉とＰ₁₀に到達するように十分に振幅を変化
させる。

【００４２】実際には、このティーチインプロセスは２
つの座標について実行される。この点において、周波数
を変化しつつ２つの偏向ユニットについて正弦波状電流
プロファイルを指定する。周波数減衰が生じると、画像
化された楕円、または画像化された円、もしくは直線の
振幅が減少する。ｘおよびｙ方向の電流振幅を再調整
し、規定の偏向振幅を再度達成するようにする。しか
し、周波数減衰により、偏向ユニットに供給する電流の
振幅を変化させなければならないのみならず、湾曲形状
の補正もが生じる。純粋に正弦波状の電流が電源から偏
向ユニットに供給されるならば、動的誤差により正弦波
形状の歪みが生じる。すなわち、電子ビームを偏向する
電流は純粋な正弦波形状を有さず、むしろ高調波が重畳
された正弦波形状を有する。この歪んだ正弦波状湾曲の
再生を可能とするために、フーリエ変換を実行する。フ
ーリエ変換プロセスにより、時間依存性の関数を周波数
依存性のフーリエ変換に変換し、またはその逆を行うこ
とが可能である。こうして、フーリエ変換は時間領域の
関数から周波数領域の関数を生成する動作を提供し、時
間領域から周波数領域への推移、またはその逆を生じさ
せる。偏向ユニットを通じて送られる電流の超過時間を
フーリエ変換すると、異なる振幅のいくつかの周波数が
生じる。

【００４３】図７の上部の５７は電子ビームの偏向電流
のｙ成分についてのフーリエ定数の振幅を示し、下部の
５８は偏向電流のｘ成分についてのフーリエ定数を示
す。

【００４４】時間領域から周波数領域への変換におい
て、デジタルコンピュータを使用しているならば、高速
フーリエ変換（ＦＦＴ）の利用が常に勧められる。

【００４５】高速フーリエ変換（ＦＦＴ）はフーリエ定
数の計算のためのアルゴリズムであり、それは従来の計
算方法に比べて計算のための処理が非常に少ない（J.W.
CooleyとJ.W.Tukeyの“複雑なフーリエ系列の機械計算
アルゴリズム”、Math. Of Computers, Vol.19, pp.297
-301, April, 1965を参照）。

【００４６】ＦＦＴは、時系列の離散的フーリエ変換
（ＤＦＴ）、すなわち離散的データパターンの効率的な
計算のための方法に関連する。ＤＦＴは、フーリエ積分
変換またはフーリエ系列変換などと同様の独立変換であ
る。

【００４７】連続波に対してフーリエ変換が意味するこ
とは、ナイキストサンプルとして知られるサンプリング
定理に従ってパルスサンプルに対してＤＦＴが意味する
ことである。これにより、ＤＦＴはデジタルコンピュー
タによるパワースペクトル分析およびフィルタシミュレ
ーションにおいて特に有用である。

【００４８】通常のフーリエ変換または高速フーリエ変
換のいずれが実行されるかに拘わらず、周波数領域で補
正が行われることは本発明において重要である。これ
は、ある指定周波数についてのティーチインプロセス中
に、気化させるべき物質の表面上に所望の走査パターン
を生成するそれら（歪んだ）電流がフーリエ変換の対象
となることを意味する。

【００４９】これが図７に周波数１．３６２ｋＨｚにつ
いて示され、詳細には電流のｘおよびｙ成分に分けられ
ている。ｘ成分は領域５７に示され、ｙ成分は領域５８
に示される。純粋に正弦波状の周波数が偏向ユニットに
供給されるならば、所望の偏向パターンを生成するため
にそれを電流の観点から補正しなければならない。補正
はここで行われ、周波数の正弦波状プロファイルはティ
ーチインプロセス中に決定された値に対応するＦＦＴに
より補正される。補正された電流プロファイルＩ’（ω
t）は逆変換により得られる。（３）ここで、Ｉ＝偏向ユニットの理想電流Ｆ＝フーリエ振幅ｌ＝整数Ｉ’＝補正された電流Ｆ’＝補正されたフーリエ振幅 α＝電子ビームの偏向。

【００５０】交流により電子ビームを故意に金属表面１
５上の点に方向付けたい場合、対応する直流の強度が所
望の偏向を達成するように電流強度を調整するのみでは
十分ではない。むしろ、位相または角度誤差を補償する
ように交流の電流強度を調整しなければならない。純粋
な交流に当てはまるこれらの考慮は、原理的にパルス直
流にも当てはまる。

【００５１】周波数減衰、すなわち電子ビームの偏向振
幅の減衰に加えて、既に述べたように位相角回転も生じ
る。例えば磁極の寸法の相違により偏向システムがｘお
よびｙ方向に対称的でないならば、これらの２つの方向
間の位相シフトが生じる。この位相シフトまたは位相誤
差も本発明によって、詳細には以下の方法で補正され
る。

【００５２】異なる周波数について、正弦波状電流プロ
ファイルは再度偏向に供給され、その結果、るつぼ上に
対角線に走る線が生じる。位相角の回転が生じると、こ
の線から楕円が生じる。次に異なる周波数において手動
で位相差が調整され、一つの線が再度見えるようにな
る。これを数個、例えば６個の測定点について行うと、
多項式近似によって各任意の周波数についての必要な位
相シフトを再度計算することができる。

【００５３】トレーニングまたはティーチイン中に、お
そらく６個の周波数のみがフーリエ変換される。他の周
波数について偏向コイルを通じて補正された電流プロフ
ァイルを決定したいと欲すれば、既に示したように近似
処理を使用しなければならない。これは、例えば以下の
式により任意の周波数ω_qについての補正因子の計算に
含まれる：（４）ここで、ｌ＝ｘまたはｙａ_i、ｌ＝ティーチイン処理において決定される係数。

【００５４】図８はｘ偏向についての本発明の実行を示
す。ここで電源１２により供給される電圧を符号Ｕ_d＝
ｆ（ｘ）で示し、それは電流が任意の形態を取りうる事
実、すなわちそれが直流でも交流でもよく、ｘ偏向コイ
ルの通電のために提供されることを示すことを意図して
いる。

【００５５】この電源１２からの電流Ｉ_d＝ｆ（ｔ）は
ブロック４０内の適当なユニットにより、上述の静的偏
向誤差補正に供される。この結果は上述のプロセスに従
って、ユニット４１内での動的周波数減衰補正に供され
る。こうして補正された電流は、電子ビームが当たると
想定される正確なｘ座標に電子ビームが当たるという効
果を有する。

【００５６】上記の結果、本発明について、まず電子ビ
ームによりカバーされるべき点を指定する幾何学的ｘ、
ｙデータを指定する。これは例えば円形または楕円形の
表面とすることができる。次にこれらの座標を、偏向誤
差を補正する補正後の電流値と関連付ける。空間座標を
コンピュータに入力する代わりに、電子ビームが表面上
に生成すべきパワー分布を直接的に入力することもでき
る。こうして取得された電流プロファイルを次に時間領
域から周波数領域に変換し、個々の高調波の振幅を補正
することにより、この周波数領域内で補正する。すなわ
ち、高周波成分の振幅を低周波成分の振幅に比べて相対
的により強く増加させる。そのうえ、補正された周波数
スペクトルを時間領域に再変換して戻し、補正されたプ
ロファイルを得る。

【００５７】静的および動的誤差補正は、このパワー分
布の直接入力についての前提条件を示す。誤差補正が行
われなければ、指定されたパワー分布も再生することが
できない。

【００５８】パワー分布の指定および動作を以下にさら
に示す。

【００５９】図９は矩形のるつぼ６０を示し、黒く示し
た領域６１、６２は大きな電子ビーム衝突パワーを示
し、それほど黒くない領域６３、６４、６５は小さな電
子ビーム衝突パワーを示す。

【００６０】るつぼ６０は例えば長さ１メートル、幅約
１０ｃｍである。るつぼ６０は、コンピュータモニタの
スクリーン６８上にグリッド領域６６、６７と共に示さ
れる。ｘ方向における希望パワー分布６８とｙ方向にお
ける希望パワー分布６９は、ライトペンなどにより入力
することができる。

【００６１】本発明によれば、このパワー分布を自動的
に作成する。これは、電子ビームの経路を自動的に計算
し、上述の誤差補正を考慮することで行われる。この計
算の結果を図１０に示し、そこでは電子ビームの経路７
０が認識される。こうして、矩形のるつぼ６０上のパワ
ー分布を長さ方向および横方向のプロファイルＰ
_x（ｘ）、Ｐ_y（ｙ）により指定する。この面上でのパワ
ー分布を以下の乗算から得る。（５）矩形のるつぼでなく円形のるつぼでも、指定は同様に行
われる。

【００６２】図１１は、ある公称パワー分布を有する円
形のるつぼ７５を示す。このるつぼ７５は極座標７７お
よび半径パワー面７８と共にモニタスクリーン７９上に
示される。ライトペンまたは他の適当な手段により湾曲
８０、８１を指定することができ、それによりるつぼの
パワー分布を確立する。

【００６３】図１１に示すパワー分布と関連する電子ビ
ームの経路８２を図１２に示す。円形のるつぼ７５の場
合、半径および方位のパワー分布Ｐ_r（ｒ）、Ｐ
_ψ（ψ）を指定する。次に、結果として生じるパワーは
以下の式から得られ、（６）ここで、（７）である。偏向電流の周波数ω_x、ω_y、またはω_r、
ω_ψ、は原理的に自由に選択できる。偏向パターンの解
像度および形状は、周波数差の適当な選択により影響す
ることができる。このビーム経路の始点および終点は、
位相ρ_x、ρ_y、またはρ_r、ρ_Θにより規定される。時
間Ｔ＝１／ωに渡って平均化し、周波数および位相の選
択とは独立して上記の規定されたパワープロファイルを
得る。

【００６４】特に、周波数差は小さく選択することがで
き、同時に偏向パターンを高解像度を示すように生成す
ることができる。よって、偏向周波数は、水平および垂
直方向において類似したものとなる。これにより、高周
波の伝送特性に関する偏向システムの要求事項が減少す
る（テレビ技術における反対の例：ライン周波数（水平
偏向）は画像周波数（垂直偏向）より非常に大きい）。

【００６５】図１３は、コンピュータ９２による２つの
電子ビーム銃９０、９１の駆動システムの概略ブロック
図を示す。コンピュータ９２は制御ユニット９３と通信
可能である。電子ビーム銃９０、９１は各々電子ビーム
９４、９５を生成し、それらの位置および強度はコンピ
ュータ９２により指定される。信号はこのコンピュータ
９２から、Ｄ／Ａ変換器９６、９７を有するトランスピ
ュータへ発行され、それら各々がアンプ９８、９９を駆
動し、アンプ９８、９９の各々は２つの電子ビーム銃９
０、９１の一方に接続されている。トランスピュータは
３２ビットチップで英国の会社ＩＮＭＯＳにより開発さ
れたものを示し、とりわけ多量のデータを並列に、即ち
同時に処理するために役立つ。通常のマイクロプロセッ
サは４個の通信ユニットを使用し、その各通信ユニット
はプロセッサの計算処理中においてさえ１０ＭＢのデー
タを送信することができる。こうして計算集約タスクを
非常に短時間で処理することができる。

【００６６】図１４は本発明による装置の閉制御ループ
を示す。符号１０１はるつぼを示し、その気化結果物は
ロールフィルム１０２に至る。測定ユニット１０３、１
０４によりるつぼ１０１またはフィルム１０２から採取
された測定データ、例えば電気的抵抗または光学的透過
率はＰＩＤレギュレータ１０５へ供給され、その制御信
号は装置１０６内で再計算されて電子ビーム偏向パター
ンとなり、電子ビーム銃９０、９１を駆動するトランス
ピュータ９６、９７へ供給される。

【００６７】本発明の実行において不可欠なステップを
図１５に示す。パワー分布または幾何学的パターンのい
ずれかを指定することができる。ブロック１１２におい
て電子ビームについての幾何学的パターン、例えば円、
楕円などが指定されると、ブロック１１３で空間座標
を、静的補正を伴って偏向電流に変換する。これら静的
に補正された偏向電流はブロック１１４で動的周波数補
正に供される。逆変換の結果がブロック１１５でトラン
スピュータへ送られる。

【００６８】図１５の左側では、ブロック１１０におい
て幾何学的パターンの代わりにパワー分布が指定され
る。幾何学的形状がブロック１１１で計算される。その
後のシーケンスは幾何学的パターンが指定された場合と
同様である。

【００６９】

【発明の効果】本発明により、事前に設定された走査お
よび出力パターンについての誤差補償を伴いつつ電子ビ
ームを自動的に偏向させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】偏向可能な電子ビームを有する電子ビーム溶融
装置または電子ビーム気化装置の概略図である。

【図２】その表面に渡って偏向可能な電子ビームを案内
する溶融るつぼを示す図である。

【図３】調整目的でるつぼの上に配置されるスクリーン
プレートの図である。

【図４】指定されたパターンを達成するための実際の
ｘ、ｙ電流成分の図式状表示である。

【図５】偏向周波数の増加に伴う、電子ビームの増加す
る偏向誤差を説明する概略図である。

【図６】周波数減衰補償を示す図であり、周波数の増加
に伴って電流の振幅が半径方向および接線方向において
増加する。

【図７】補正された偏向電流プロファイルのｘおよびｙ
電流成分の周波数スペクトルである。

【図８】偏向誤差の静的および動的補正を実行する構成
の概略図である。

【図９】矩形のるつぼについて指定されたパワー分布を
示す図である。

【図１０】図９に示すパワー分布についての電子ビーム
経路を示す図である。

【図１１】円形のるつぼについての指定されたパワー分
布の図である。

【図１２】図１１によるパワー分布についての電子ビー
ム経路を示す図である。

【図１３】本発明による２つの電子ビーム銃の駆動の概
略図である。

【図１４】閉制御システムの概略図である。

【図１５】本発明による種々のプロセス経路の幾何学的
表示の図である。

【符号の説明】

１…電子ビーム銃２…フィラメント３…電子４…カソード５…ベーネルトシリンダ６…電子７’…電子ビーム８…アノード９、１０…磁気レンズ１１…磁気偏向ユニット１２…電源１３…るつぼ１４…金属合金１５…表面５０…マーカーシート

フロントページの続き (72)発明者リュックスエリックドイツ連邦共和国Ｄ−63526 エアレンゼーハッターガッセ 10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】るつぼなどの内部の物質の気化のために
使用する高出力電子ビームの操作方法において、電子ビームのための偏向ユニットを設ける工程と、前記電子ビームを本質的に一定強度で気化すべき物質に
向ける工程と、前記電子ビームを、気化すべき物質表面の種々の点に渡
って、指定可能な速度で案内する工程と、気化すべき物質表面上の点の幾何学的座標を選択する工
程と、前記選択された座標を、補正された偏向電流に変換し、
対応する偏向ユニットに供給する工程と、を備えること
を特徴とする方法。
【請求項２】るつぼなどの内部の物質の気化のために
使用する高出力電子ビームの操作方法において、電子ビームのための偏向ユニットを設ける工程と、前記電子ビームを本質的に一定強度で気化すべき物質に
向ける工程と、前記電子ビームを、気化すべき物質表面の種々の点に渡
って、指定可能な速度で案内する工程と、気化すべき物質の表面上における電子ビームの幾何学的
パワー分布を確立する工程と、前記パワー分布に対応する気化すべき物質の表面上の幾
何学的座標を確定する工程と、確定された幾何学的座標を、補正された偏向電流に変換
し、対応する偏向コイルに供給する工程と、を備えるこ
とを特徴とする方法。
【請求項３】前記補正された偏向電流は、静的に補正
されることを特徴とする請求項１または２に記載の方
法。
【請求項４】前記補正された偏向電流は、動的に補正
されることを特徴とする請求項１または２に記載の方
法。
【請求項５】前記偏向電流は、まず静的に補正され、
次に動的に補正されることを特徴とする請求項１または
２に記載の方法。
【請求項６】るつぼなどの内部の物質の気化のために
使用する高出力電子ビームの操作方法において、電子ビームを本質的に一定強度で気化すべき物質に向け
る工程と、気化すべき物質の表面の種々の点に渡って、指定可能な
強度で電子ビームを案内する工程と、電子ビームが順に接近すべき、気化すべき物質の表面上
の点の幾何学的座標を選択する工程と、電子ビームの静的動作中に、前記幾何学的座標と偏向電
流座標との実際の関連を確定する工程と、電子ビームの動的動作中に、前記幾何学的座標と偏向電
流座標との実際の関連を確定する工程と、幾何学的座標に関連付けられた理想電流座標と実際の電
流座標との間の偏差を決定するための補正パラメータを
確定する工程と、電子ビームを制御するために、確定された補正パラメー
タを使用して理想電流座標を補正する工程と、を備える
ことを特徴とする方法。
【請求項７】前記補正パラメータは、トレーニングプ
ロセスにより規定の幾何学的座標について確定されるこ
とを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】前記電流座標の補正は周波数領域で行わ
れることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】前記規定の幾何学的座標間の中間点につ
いての補正パラメータは、静的動作について確定された
補正パラメータから最小自乗法により確定されることを
特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】前記トレーニングプロセスにおいて考
慮されなかった気化すべき表面の点（x'、y'）について
の補正された電流は以下の式により決定される。ここで、ａ_i,_jは座標x、yおよびiに関連するトレーニン
グプロセスにより確定された補正因子であり、jは１よ
り大きい数であることを特徴とする請求項９に記載の方
法。
【請求項１１】前記規定の幾何学的座標間の中間点に
ついての補正パラメータは、動的動作について確定され
た補正パラメータから高速フーリエ変換により確定され
ることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１２】偏向コイルを流れる理想電流は以下の
式で規定され；ここで、Ｆ＝フーリエ振幅、ω_T＝繰り返し周波数、ｌ
＝１以上の数であり、動的誤差に関して補正された、偏
向コイルを流れる電流Ｉ’は以下の式で規定され：ここで、補正されたフーリエ振幅Ｆ₁’は以下の式で計
算され：ここで、α（Ｉ,ω＝０）は電子ビームの直流偏向につ
いての偏向角であり、α（Ｉ,ω＝ｌ・ω_T）は電子ビー
ムの交流偏向についての偏向角であることを特徴とする
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】静的動作についてのトレーニングプロ
セスは、規定のマーカー点を有するパターンをるつぼ上に配置す
る工程と、電子ビームを個々のマーカー点に近づける工程と、電子ビームがマーカー点に近づいたならば、個々のマー
カー点および偏向コイルを流れる電流を記憶する工程
と、を備えることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１４】動的動作についてのトレーニングプロ
セスは、規定のマーカー点を有するパターンをるつぼ上に配置す
る工程と、２つの規定のマーカー点間で電子ビームを前後運動させ
る工程と、前後運動の周波数を変化させる工程と、電子ビームが個々のマーカー点に到達するように交流電
流の振幅を変化させる工程と、を備えることを特徴とす
る請求項７に記載の方法。
【請求項１５】るつぼなどの内部の物質の気化のため
に使用する高出力電子ビームの操作方法において、電子ビームのための偏向ユニットを設ける工程と、前記電子ビームを本質的に一定強度で気化すべき物質に
向ける工程と、前記電子ビームを、気化すべき物質表面の種々の点に渡
って、指定可能な速度で案内する工程と、気化すべき物質の表面上の規定の幾何学的点を、それら
の点に当たる電子ビームの電気的パワーと関連付ける工
程であって、前記パワーは電子ビームの強度および速度
により決定される工程と、電子ビームの理想的幾何学的運動パターンについての座
標を確定する工程であって、前記幾何学的点に電子ビー
ムの規定のパワーが供給されることを保証する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１６】前記理想的運動パターンは理想的偏向
電流に再計算されることを特徴とする請求項１５に記載
の方法。
【請求項１７】前記理想的偏向電流は、静的および動
的偏向誤差に関して補正されることを特徴とする請求項
１６に記載の方法。
【請求項１８】前記電子ビームの強度がゆっくりと変
化する請求項１、２、６または１５のいずれかに記載の
方法。