JPS6180743A - 電子ビ−ム加工方法および装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、真空雰囲気（１０’　ｘＨ，９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１〜１０μｓ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
ビーム加工装置に関するもので、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
工装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この秤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
成されたビードの断面を観察する方法がある。＃、９図
（Ａ）　、　（Ｂ）および第１０図（Ａ）　、　（Ｅ）
は被加工物（１）に照射される電子ビーム（２ａ）。

（２ｂ）の形状と、被加工物（１）内に生成されるビー
）’（３ａ）、（３ｂ）の溶は込み形状を示す断面図で
、第９図（Ａ）は電子銃内の良好な状態の陰極（図示せ
ず）から発生した正常面子ビーム（２ａ）を被加工物（
１）に照射している状態を示し、この場合、被加工物（
１）内に生成されるビード（３ａ）は、第９図（Ｅ）に
示すように好ましい溶は込み形状となる。また、第１０
図（Ａ）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（２ｂ）を被加工物（１）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（２ｂ）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（
１）内に生成されるビード（３ｂ）は、第１０図（Ｂ）
に示すように深さが浅く、好ましい溶は込み形状となら
ない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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（１）のビード（３ａ）、
（３ｂ）の断面形状を観察するためには、この被加工物
（１）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
めて悪いばかりでなく、被加工物（１）に照射する電子
ビーム（２ａ）の声点調整時には、電子ビーム照射によ
って生じた被加工物の溶融池、または直接電子ビームを
目視しながら集束レンズを手動で操作しなげればならず
、その作業に熟練を要するばかりでなく、電子ビームの
焦点調整に正確を欠く欠点がある。

この発明は、かかろ点忙着目してなされたもので、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
子ビーム加工装置を提供しようとするものである。

〔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、電子ビームを
被加工物に照射しながらこの電子ビームの焦点調整をす
るために、集束リングの電流を変化させたときに発生す
る放射線、または電子線の何れかを検出して電子銃内の
陰極の状態を自動的にモニタリングするようにしたもの
である。

〔作用〕

この発明においては、電子ビームの焦点調整をするため
に集束リングの電流を変化させたときに発生する放射線
、または電子線の何れかを検知し、この検知信号の変化
量をあらかじめ設定した値と比較することによって電子
銃内の陰極状態をモニタリングするものである。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図で、正常
亀子ビーム（２ａ）は電子銃（３）内の陰翫（図示せず
）からたとえば試験用の被加工物り１）に照射される。

そして、この正常電子ビーム（２ａ）の光路中の所定位
置には集束レンズ（４）と、電子コレクタ（５）とが配
置されており、上記集束レンズ（４）は、上記正常電子
ビーム（２ａ）を集束させるためのもので、この集束レ
ンズ（４）に流れる電流を制御装置０１によって変化さ
せることにより、正常電子ビーム（２ａ）の集束稈度を
調整し得るようになされているうまた、上記電子コレク
タ（５）は、被加工物（１）Ｋ対する正常電子ビーム（
２ａ）の照射位置において発生する電子線（２Ｅ）を検
出するために設けられたものである。（６）は被加工物
（１）に対する電子ビーム（２ａ）の照射位置の近傍に
配設され、正常電子ビーム（２ａ）の照射位置において
発生する放射線（２Ｘ）を検出するための放射線上ンサ
であなお、上記電子コレクタ（５）および放射線センサ
（６）は、必要に応じ、何れか一方を配設するだけでも
よいっまた、上記電子コレクタ（５）と、被加工物（１
）との間に接続されているコレクタ電源（７）は、電子
コレクタ（５）または被加工物（１）に対１−て「正」
または「負」の電位を与えるために設けられたものであ
る。（８）は切換スイッチＣＩ４を介して上記電子コレ
クタ（５）または放射線センサ（６）に接続されるアン
プ、００はこのアンプ（８）に入力される各信号の変化
量を検出するために、直流成分しゃ断回路（９）を介し
て、変化信号の極大値または極小値を保持するホールド
回路、Ｑ９はこのホールド回路Ｑ１の値を計算処理装置
αａに入力するためのＡ／Ｄ変換器で、上記計算処理装
置０■は、得られた信号変化量と、あらかじめ設定した
基準値との比較により電子銃（３）内の陰極状態の異常
を判定するよう罠なされているっ この発明の１子ビーム加工装置は上記のように構成され
ており、まず、放射線（２Ｘ）によって陰極状態のモニ
タリングを行なう場合について説明する。

いま、焦点のずれた異常電子ビーム〔第１０図（Ａ）に
おける異常電子ビーム（２ｂ））が被加工物（１）に照
射されると、集束レンズ（４）の電流は、第２図に示す
ように変化する。そしてこの場合、第３図に示すように
、被加工物（１）から放出される放射線（２Ｘ）の強さ
、すなわち放射線センナ（６）の出力が変化（ｒｘｐ）
する。そして上述したように集束レンズ（４）の電流を
上記第２図に示すように変化させた場合には、被加工物
（１）の表面における異常電子ビーム（２ｂ）のスポッ
ト径は、焦点のずれた拡大した状態から時間の経過とと
もに次第に絞られ、焦点の合ったとき〔第９図（Ａ）　
Ｋおゆる正常電子ビーム（２ａ））にスポット径は最小
となるが、更に時間が経過すると、再び焦点がずれ、ス
ポット径は拡大する。　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　１なお、上述したよ５に被加工物（１）に対し
て照射された声点のずれた異常電子ビーム（２ｂ）が焦
点調整によって正常電子ビーム（２ａ）に変化したとき
には、電子ビーム密度が増加して被加工物（１）には微
少な溶融および蒸発現象が発生するために、正常電子ビ
ーム（２ａ）は被加工物（１）の表面からこれの内部に
侵入する。

次に、上記第６図に示す放射線センナ（６）の出力信号
は、第１図に示すようにアンプ（８）によって増幅され
、さらに直流成分１−や断回路（９）によって信号の変
化量のみＱＣり出し、更にピークホールド回路００によ
って、第５図に示す放射線信号変化量（ＩＸＰ）の値が
保持されろ。なお、この放射線信号変化１（ＩＸＩ））
の値は、陰極状態が不良で異常電子ビーム（２ｂ）を細
く絞ることができない場合には、被加工物（１）の溶融
および蒸発現象が発生しに（くなり小さくなることはい
うまでもない。

次に、放射線信号変化量（ＩＸＰ）の値は、Ａ／Ｄ変換
器（１１）を介して計算処理装置θａに入力されるが、
この引算処理装置（２）には種々の条件に対応し得る多
数の基準値データ（ＩＸＰＳＴＤ）を電子ビームを照射
して焦点え■整を行なう前にメモリしておき、放射線信
号変化１（ＩＸＰ）と比較算出するようになされている
。なお、第４図は被加工物ディスタンスに対する信号の
変化量を示し、第５図は電子ビーム電流に対する信号の
変化量のデータの一例を示している。

次に、被加工物（１）Ｋ対する正常電子ビーム（２ａ）
の照射位置において発生する電子線（２Ｅ）によって陰
極状態のモニタリングを行なう場合について説明する。

この場合は電子コレクタ（５）が検知のために用いられ
、上述した放射線（２Ｘ）を使用する場合と同様に、ま
ず焦点のずれた異常電子ビーム（２ｂ）が被加工物（１
）に照射されると、集束レンズ（４）に流れる電流が第
２図に示すよ５に変化するっ第６図はこの第２図に示す
ように集束レンズ（４）の電流を変化させた場合の電子
線（２Ｅ）の強度、すなわち電子コレクタ（５）の出力
の変化状態を示すもので、この第６図中、（Ａ）は電子
コレクタ（５）に被加工物（１）Ｋ対して「正」の電位
を与えた場合の電子線の強度（−１−ＩＣＰ）を示し、
また、（Ｂ）は電子コレクタ（５）に被加工物（１）に
対して「負」の電位を与えた場合の電子線の強度（＝ｒ
ｃｐ）を示している。そして、電子コレクタ（５）に「
正」の電位を与えた場合には「反射電子−１、「二次電
子」および「熱電子」が電子線（２Ｅ）として電子コレ
クタ（５）に到達するとともに、正常電子ビーム（２ａ
）が被加工物（１）の表面において集束されると、この
被加工物（１）が溶融し、「熱電子」が増加し、第６図
（Ａ）に示すように電子線の強度（−［ＣＰ）は極太値
となる。

次に、電子コレクタ（５）に「負」の電位を与えた場合
には、上記「反射電子」が電子線（２Ｅ）として電子コ
レクタ（５）に到達するが、この場合の！子線（２Ｅ）
の強度の変化は、放射線（２Ｘ）の強度、すなわち放射
線センサ（６）の出力の変化と対応し、被加工物（１）
の表面において電子ビームのμ点が合ったときに、この
電子ビームの密度が増すして微少な溶融、および蒸発現
象が発生し、正常電子ビーム（２ａ）は被加工物（１）
の表面からこれの内部に侵入し、電子ビームの焦点が合
うときに極小値となる。

そして、陰極の状態が不良で、異常電子ビーム（２ｂ）
を細く絞ることができない場合には、被加工物（１）の
表面圧溶融が発生しにくくなり、第６図（Ｅ）に示すよ
うに電子線の強度（−ＩＣＰ）＋１極小値となる。そし
て、この電子線の強度（−ＩＣＰ）の値と、あらかじめ
設定した標準陰極の基準値（ＩＣＰＳＴＤ）と比較して
所定限度以下である場合には陰極状態が「異常」と判断
する。

なお、上述した第６図に示す電子コレクタ（５ンの出力
信号の波形は、放射線センサ（６）からの出力信号の波
形と同様に処理される。また、上述したように計算処理
装置（６）には種々の条件に対応し得る多数の基準値デ
ータ（ＩＣＰＳＴＤ）がメモリされているばかりでな（
、上記第４図に示す被加工物ディスタンスに対する信号
の変化量のデータと、第５図に示すビーム電流（対する
信号の変化量のデータ以外に、第７図に示す電子コレク
タ（５）に与えた電位の絶対値に対する信号のデータも
メモリされており、電子ビームを照射して無声調整を行
なう前圧各条件を入力して、電子線の強度（ＩＣＰ）と
比較する基準値（ＩＣＰＳＴＤ）を算出するようになさ
れている。

なお、上述した一実施例においては、陰極状のモニタリ
ングのために試験用の被加工物（１）を使用した場合に
ついて説明したが、この試験用の被加工物と同じ材質の
ものでもよく、また信号変化量に関するデータが周知の
ものである場合には直接、加工用被加工物を使用して陰
極状態をモニタリングするようにしてもよい。また、集
束レンズ（４）の電流変化は、上述した第２図に示すよ
うな場合だけでなく、第８図に示すように逆に変化させ
るようにしてもよい。さらに、この発明は、放射線、ま
たは電子線の変化と、集束レンズ（４）の１！！流変化
を同時にモニタリングすることができるので、電子ビー
ムの焦点を被加工物（１）の表面に合わせるための集束
レンズ（４）の電流値を求めることもできる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、この発明によれば、電子ビームを被
加工物に照射しながら電子ビームの焦点調整をするため
九、集束リングの電流を変化させたときに発生する放射
線または電子線の何れかを検出し、この検出値と、あら
かじめ設定した標憔陰極の基準値と比較して陰極状態を
自動的にモニタリングするようにしたので、常に正確な
電子ビーム加工を行なうことができる優れた効果を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
および第８図は集束レンズ（４）の電流変化を示す波形
図、第３図は放射線強度（放射線センサの出力）を示す
波形図、第４図および第５図ならびに第７図は計算処理
装置（６）に入力された被加工物ティスタンス、ビーム
電流、および電子コレクタ（５）り電位に対する信号変
化量を示す波形図、第６図は電子線強度の変化を示す波
形図、第９図（Ａ）（Ｂ）および第１０図（Ａ）漁）は
被加工物に照射される電子ビーム形状と、被加工物内圧
生成されるビードの溶は込み形状を示す断面図である。 図面中、（１）は被加工物、（２Ｅ）は電子線、（２Ｘ
）は放射線、（３）は電子銃、（４）は集束レンズ、（
５）は電子コレクタ、（６）は放射線センナ、（８）は
アンプ、（９）は直流成分しゃ断回路、α０はピークホ
ールド回路、αυはＡ／Ｄ変換器、（２）は計算処理装
置、α３は制御装置である。なお、図中同一符号は同一
または相当部分を示す。 代理人　弁理士　木　村　三　朗 第７図 Ｊｌ）コレク７　（５）／）１乙Ａ立 第８図 第９図　第１０図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）被加工物に照射された電子ビームの焦点を調整し
   ながら集束リングの電流を変化させたときに発生する放
   射線または電子線の何れかの信号変化量を検出し、この
   検出値とあらかじめ設定した標準陰極の基準値とを比較
   して陰極状態を自動的にモニタリングするようにしたこ
   とを特徴とする電子ビーム加工方法、
2. （２）被加工物に電子ビームを照射する陰極を内蔵した
   電子銃と、電子ビームを集束する集束レンズと、被加工
   物の照射位置に発生する電子線を検出する電子コレクタ
   と、被加工物の照射位置に発生する放射線を検出する放
   射線センサと、上記電子コレクタまたは放射線センサに
   よつて得られた信号変化量とあらかじめ設定した基準値
   とを比較して陰極状態を判定する計算処理装置とによっ
   て構成されていることを特徴とする電子ビーム加工装置
   。
3. （３）電子コレクタおよび放射線センサと計算処理装置
   との間に切換スイッチを挿入したことを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の電子ビーム加工装置。
4. （４）集束リングの電流を制御装置によって制御するよ
   うにしたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   電子ビーム加工装置。
5. （５）電子コレクタおよび放射線センサとの間にアンプ
   、直流成分しゃ断回路、ピークホールド回路およびＡ／
   Ｄ変換器を直列接続したことを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の電子ビーム加工装置。