JPS61240544A - 電子ビ−ム加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分骨］ この発明は、真空雰囲気（１０３ｍ＋ｎ　Ｈｙ程度）中
に被加工物を置き、これに高電圧で加速された電子ビー
ムを集束レンズ（電子レンズともいう）で集束させて被
加工物に照射すると、その運動エネルギの大部分は熱エ
ネルギに変わるため、この電子ビームが照射された部分
は加熱され、たとえば１〜１０μｓｅｃでその材料の融
点に達し、材料が蒸発し、その蒸発圧力によって所定の
加工（穴あけ、切断、溶接、溶解および蒸着等）を行な
う電子ビーム加工機に閃するもので、特にこの発明は、
電子ビームを発生させる電子銃内の陰極の状態を自動的
に、かつ正確にモニタリングすることができる電子ビー
ム加工装置のための標準試験片に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種電子ビーム加工装置における電子銃の陰極
状態のモニタリング手段としては、たとえば加工前に、
試験用被加工物に電子ビームを照射することによって生
成されたビームの断面を観察する方法がある。第４図（
４）、（Ｂ）および第５図（Ａ）。

０３）は被加工物（４）に照射される電子ビーム（３ａ
）。

（６ｂ）の形状と、被加工物（４）内に生成されるビー
ド（３０ａ）、　（３０ｂ）の溶は込み形状を示す断面
図で、第４図（４）は電子銃内の良好な状態の陰極（図
示せず）から発生した正常電子ビーム（６ａ）を被加工
物（４）に照射している状態を示し、この場合、被加工
物（４）内に生成されるビード（３０８）は、第５図（
Ｂ）に示すように好ましい溶は込み形状となる。また、
第５図（４）は電子銃内の劣化している陰極から発生し
た異常電子ビーム（６ｂ）を被加工物（４）に照射して
いる状態、すなわち、陰極の劣化によって集束レンズ（
図示せず）をどのように調整しても電子ビーム（３ｂ）
を細く絞ることができない状態を示し、この場合、被加
工物（４）内に生成されるビード（ろＯｂ）は、第５図
（Ｂ）に示すように深さが浅く１好ましい溶は込み形状
とならない。

これは、陰極の劣化によって電子ビームの集束性能が悪
くなるためであり、この集束状態を検出できれば陰極の
劣化のモニタリングが可能となる〇一方、電子ビームの
集束状態を支配するパラメータの一つである蕉点位詩の
検出装置としては以下に示すようなものがあった。第６
図は従来の、１℃電子ビーム加工装置一例を示すブロッ
ク図である。

同図において、（Ｉ）は高電圧電源、１２）は電子銃、
（３）は電子ビーム、（４）は被加工物、（５）は電子
銃（２）より発生した電子ビーム（３）を被加工物（４
）表面に集束させるための集束レンズ、（６）は被加工
物（４）の継目を横切るように電子ビーム（３）を走査
させるための晦向レンズである。

（８）は反射電子および二次＋Ｍｔ子（９）を補足する
コレクタ、（ハ）はシステム全体を制御するシステム制
？ａ１１装置である。（１１）はシステム制御装置（２
→の指令にしたかって偏向レンズ（６）の制御信号を発
生する信号発生器、（１０）は信号発生器０１）からの
信号を偏向レンズ（６）に印加するための電流増幅器、
Ｒ１およびＲ２は抵抗器である。賄）はコレクタ（８）
で補足した反射電子および二次電子などの二次エネルギ
検出信号のノイズ分を除去するためのフィルタ、０３）
は入力信号の最小値を検出し、これを記憶保持する最小
値検出保持部、０４）はこの最小値をＡ／Ｄ変換するた
めのＡ／Ｄ変換器である。（１句は偏向レンズ（６）を
流れる偏向レンズ電流は正および負のピークを検出して
、正゛ビークから負ピークまたは負′ピークから正ピー
クまでの間、最小値検出保持部ｔ３３）を動作させる制
御信号を出力するピーク検出制御部である。

（ハ）はシステム制御装置（ハ）からの指令にしたがっ
て集束レンズ（５）を制御する集束レンズ制御装置であ
る。

第７図は被加工物（４）の継目（７）を横切るように電
子ビーム（３）を走査させた時、コレクタ（８）によっ
て検出される反射電子および二次電子（９）などの二次
エネルギの変化を示したものである。従来の電子ビーム
加工装置は上記のように構成され、たとえば電子ビーム
（３）を被加工物（４）の継目（７）を横切るように走
査させた時、継目（力のところでは二次エネルギ量が減
少し、この減少量はａｂ値すなわちビームのスポット径
によって変化し、ａｂ−１すなわち最小スポットに集束
されたときに、Ａは最大、Ｂ及びＣは最小になることを
用いて、ａｂ＝１の点を検出するものである。なおＮ　
ａｂ値は次の通りである。

集束レンズと焦点位ｉ音との距離 ａｂ−１の点を検出するために、システム制御装置（ハ
）により電子銃（２）を制御して、ビーム電流を設定す
る。システム制御装置（ハ）からの指令にしたがって集
束レンズ制御装置！（イ）より集束レンズ（５）に集束
レンズ電流Ｊｃ＝Ｉｓ　　を供給する。この間に、信号
発生装置（１１）は第８図（４）に示すような正弦波ま
たは三角波を発生して、電流増幅器（１０）を介して偏
向レンズ（６）に偏向レンズ電流を供給する。この電流
を抵抗Ｒ５の両端の電圧としと検出し、ピーク検出制御
部０■で正・負それぞれのピークを検出し、最小値検出
保持部Ｃ’１３）で第８図（ｂ）に示すような制御信号
を発生する。最小値検出保持部（３■ではｔｌからｔ２
までの間の二次エネルギを検出する。したがって、ｔ、
で保持部をリセットし、二次エネルギの最小値を検出し
て、これを保持する。そして、二次エネルギの最小値を
Ａ／Ｄ変換器ｔ３４）でＡ／Ｄ変換して、システム制御
装置（ハ）に取り込む。次にシステム制御装置（ハ）よ
り集束レンズ制御装置！（ハ）に集束レンズ電流の増加
指令をだし、集束レンズ電流を一定量増加させて、再び
、電子ビーム（３）の二次エネルギの最小値検出の動作
を、集束レンズ電流ＩＣ＝ｉｅとなるまで反復する。

このような動作によって、第９図に示すように集束レン
ズ電流値にそれぞれ対応した二次エネルギの最小値がシ
ステム制御装置（ハ）に蓄積され、その中で二次エネル
ギが最小になるところに対応した集束レンズ電流を求め
、この値に集束レンズ電流を制御してａｂ＝１の点、す
なわち、電子ビームのスポット径が最小となる点が求め
られるというものであった。

〔発明が解決しようとする問題点３ 以上述べた従来の電子銃の陰極状態のモニタリング手段
によれば、上述した被加工物（４）のビード（３０ａＬ
　（３０ｂ）の断面形状を観察するためには、この被加
工物（４）を切断するかあるいは研磨しなければならな
いので、モニタリン・グ作業がきわめて面倒で作業能率
がきわめて悪く、作業に熟練を必要とするばかりでなく
、正確を欠くという欠点があった。

この発明は、かかる６点に着目してなされたもので、電
子ビームを発生させる電子銃内の陰砲の状態を自動的に
、かつ正確にモニタリングすることができる電子ビーム
加工装置をすることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかる電子ビーム加工装置は゛電子ビームが
走査される位置に標準試験片が設けられ、その標準試験
片は、一定幅で一定深さ以上のスリット状の溝加工が施
されており、この溝を横切るように電子ビームを走査し
た時の放射線の変化量を標準陰極の場合の値と比較して
、電子銃内の陰極状態のモニタリングをするものである
。

〔作用〕

この発明においては、集束レンズ電流を順次変化させ、
変化させるたびに、電子ビームを一定幅で一定深さ以上
のスリット状の溝を有する標準試験片の溝を横切るよう
に走査し、走査中に発生する放射線の極小値を検出し、
集束レンズ電流を変化させるたびに検出した極小値の最
小値とあらかじめ設定した標準陰極の場合の標準値と比
較することによって、電子銃内の陰極状態を自動でモニ
タリングする。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例を図に基づいて説明する。第１
図は、この発明の電子ビーム加工棲傘倦−゛　装置の一
実施例を示すブロック図である。第２図は標準試験片を
示す斜視図である。

第６図は標準陰極や正常な陰極の場合と劣化した陰極の
場合の集束コイル電流変化に対応した放射線信号の極小
値変化を示す模式図である。なお第６図と同じ機能を示
す部分は同じ記号を付して説明を省略する。図において
、（１０４１は電子ビームが走査される位置に設けられ
た標準試験片、（１０７）は標準試験片（１０４）に設
けられた一定幅で一定深さ以上のスリット状の溝である
。

以下、動作について説明する。焦点検出の場合の継目（
力は被加工物（４）が変化すればそのギャップ幅も変化
し、また、同じ被加工物（４）の中でも場所によって変
化する。本発明における標準試験片（１０４）を用いれ
ば、これに設けた標準溝（１０７）の幅が一定であるの
で、第９図に示された集束レンズ電流と電子線極小値と
の関係は、電子ビームの照射条件を固定して考えれば電
子ビームの集束性能を一義的に示すことになる。すなわ
ち、正常でまだ劣化していない陰極をもった電子銃（２
）を使用した場合には、第３図（ａ）に示すような急し
ゅんな変化を示し、最小値も小さくなるのに対して、劣
化した陰極の電子銃（２）を使用した場合には第６図（
ｂ）に示すようにゆるやかな変化を示し、最小値も大き
な値を示すので、予め、実用に耐える限界の劣化状態の
陰極の場合のある電子ビーム照射条件での前記電子線信
号の極小値変化パターンまたはこの場合の最小値をシス
テム制御装置（ハ）に記憶しておき、予め記憶した場合
と同じ電子ビーム照射条件での検出信号と比較すること
により陰極状態のモニタリングを行うことができる。以
上のように、第２図に示すような高精度で一定幅で一定
深さ以上のスリット状の標準溝（１０７）を設けた標準
試験片（１０４）を用いることにより、陰極状態のモニ
タリングができる。

なお、標準溝（１０７）の幅は原理上０．０１ｍｍ以上
で、溝の深さが幅の３倍以上あればいくらでもよいが、
加工および検出時の走査幅の設定などを考えて標準溝（
１０７）の幅はＯ５１〜１．　Ｏ＋＋１ｍ程度が実用的
である。標準試験片（１０４）の材質は、検出時のビー
ム電流を極細小電流とすることができるので、鋼、アル
ミニウムやアルミニウム合金、銅および銅合金、モリブ
デン、タングステンなどほとんどの金属が適用できるが
、融点が比較的高く、熱伝導のよい銅が最適である。

そして、本実施例においては、標準試験片（１０４）は
被加工物（４）をのせて移動する被加工物移動台の一部
に埋め込んで、被加工物（４）をのせる妨げとならない
ようにしている。また、被加工物移動台番こその一部分
を加工して直接標準溝（１０７）を有する標準試験片（
１０４）を形成しても同様の効果を奏する。

また、上記実施例においては、標準試験片（１０４）の
標準溝（１０７）が直線の場合について示した力（直線
である必要はなく、角穴のようなものでもよし）。

さらに照射位置の位置決めが高精度で行なえるならば丸
穴のようなものでもまったく同様の効果を奏する。更に
、標準試験片（１０４）の標準溝（１０７）のエツジ部
を面とり加工又はＲ加工しても良シｓ。

面取り加工等することにより、標準溝（１０７）のエツ
ジ部が電子エネルギーによって溶損、劣化することが防
止される。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、一定溝幅で充分な深
さの標準溝を有する標準試験片を使用するようにしたの
で、従来の被加工片の継目に走査電子ビームを照射し、
この時の放射線を計測して焦点位置を検出する機能を有
する電子ビーム加工装置そのままで、陰極状態のモニタ
リングができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の電子ビーム加工装置の一実施例を
示すブロック図、第２図はこの発明の標準試験片の斜視
図、第３図は正常な陰極の場合と劣化した陰極の場合で
の集束コイル電流変化に伴う放射線信号の極小値変化を
示す模式図、第４図、第５図は電子ビームの陰極劣化状
態と溶は込み形状との関係の説明図、第６図は従来の電
子ビーム加工装置のブロック図、第７図は被加工物の継
目を横切るように電子ビームを走査させた時の二次エネ
ルギの変化を示した説明図、第８図は動作説明図、第９
図は集束レンズ電流値とそれに対応した二次エネルギの
最小値との関係を示す説明図である。 ３・・・電子ビーム、１０４・・・標準試験片、１０７
・・・標準溝。 なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　弁理士　　木　村　三　朗 第２図 第３図 Ｎ　　　　　　　　　　　　　　　響＋Ｉｅ’ｕ　　ｕ
脈 第８図 第９図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子ビームを溝を横切るように走査させた時に発
   生する放射線の変化を検出し、集束レンズ電流を変化さ
   せるたびに検出した検出値とあらかじめ設定した基準値
   とを比較して電子ビームを発生する電子銃に内蔵した陰
   極の焦点位置を検出するようにした電子ビーム加工装置
   において 電子ビームが走査される位置に一定幅で充分な深さのス
   リット状の標準溝を有する標準試験片を設けたことを特
   徴とする電子ビーム加工装置。
2. （２）標準試験片の標準溝の深さが標準溝の幅に比べて
   ３倍以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の電子ビーム加工装置。
3. （３）標準試験片が電子ビーム加工機の被加工物移動台
   に埋設されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の電子ビーム加工装置。
4. （４）標準試験片が電子ビーム加工機の被加工物移動台
   にその一部を加工して形成されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の電子ビーム加工装置。
5. （５）標準試験片の標準溝のエッジ部が面とり加工され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電
   子ビーム加工装置。