JPS6321734A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電子ビーム加工装置、特に陰極加熱特性の
バラツキおよび経時変化によるビーム集束位置の変動を
補正する側脚装置を備えたものに関するものである。

〔従来の技術〕

第５図には、例えば実開昭６０−／Ａコ３ｂｏ号公報等
に開示されているような従来の電子ビーム加工装置の構
成図を示す。図において、（／１は熱陰極、（２）は陽
極、（３１はビーム電流値を制御するウェネルト電極、
（り）は熱陰極Ｃハから放射された電子ビーム、（Ｓ）
は電子ビーム（ｑｌの集束レンズ、（６）は被加工物、
（２１は熱陰極（ハの加熱電源、（ｔ）はウニネル電極
（３１と熱陰極（ハとの間に電圧を印加するバイアス電
源、（９）は電子ビームＩｔＩＩの加速１！源、（／θ
）は電子ビーム（り）のビーム電流検出抵抗、（／／）
は電子ビーム（グ）のビーム電流設定器、（／２）は電
子ビーム（≠）の電流値を安定化するビーム電流制御回
路、（／３）はビーム電流制御回路（／コ）の出力てよ
り高電位部のバイアス電源（ＩＩを絶縁して制御する第
７の光ファイバーである。

次に動作について説明する。加熱電源（７）により熱陰
極（ハを加熱し、加速電源（９）により熱陰極（ハと陽
極（，２）の間に高電圧を印加すると、陽極（２）の穴
を通して電子ビームτｌ）が引き出される。電子ビーム
（ｕｌは集束レンズ（ｓ）により被加工物（６）上に集
束されて、溶接等の電子ビーム加工が施工される。この
場合、電子ビーム（Ｆｌの電流値は、バイアス電源（す
）により熱陰極（ハとウェネルト電極（３）との間に印
加されるバイアス電圧により制御される。バイアス電源
［ｇｌは、ビーム電流設定器（ｌ／）からの基準信号と
、ビーム電流検出抵抗（／θ）で検出された電子ビーム
電流値とを比較して、ビーム電流値を安定化するビーム
電流制御回路（／；）の出力信号により、第１の光ファ
イバー（／３）を介して制御される。電子ビーム（＜ｚ
ｌを発生する熱陰極（ハ、陽極（２１付近の詳細を第６
図（支）およびｆＢｌに示す。図において、（２６）は
熱陰極（バー陽極（２１間の電子ビーム（≠）の加速空
間の等電位線、（ニア）は等電位線（２６）の分布によ
り定まる電子ビーム（り）の物点である。

電子ビーム電流の制御は、熱陰極（バーウェネルト電極
（３）間に印加されるバイアス電圧ＶＣにより行なわれ
る。つまり、第６図ＣＡＩＫ示すようにウェネルト電極
（ｊｌに大きい負の電圧−ＶＣ／が印加されると、熱陰
極（１）前ｉの電界強度が弱くなって電子ビーム（ダ１
を発生する熱帳他（ハの有効面積が小さくなり、ビーム
電流値が減少する。また、第６図ｆＢｌに示すように、
ＶＣ／よりも小さいバイアス電圧ＶＣＪが印加されると
、熱陰極（ハ前面の電界強度が強くなって電子ビーム（
す）を発生する熱陰極（ハの有効面積が大きくなり、ビ
ーム電流値が増大する。これらの動作により、電子ビー
ム電流値は所定の値に保たれる。これらのバイアス電圧
Ｖｃ　Ｋよるビーム電流の制御は、空間電荷制限領域に
おける制御と呼ばれており、熱陰極（ハの温度によりそ
の特性が左右されないよう、陰極温度は十分高く設定す
る必要がある。つまり、熱陰極（ハの熱電子放出能力を
十分高くする必要がある。なお、陰極温度によるビーム
電流の制御は、温度割型領域における制御と呼ばれてい
る。

一方、実用上は、陰啄温度が高過ぎる場合は陰極材料の
蒸発消耗により陰極寿命が短かくなるので、必要十分な
陰極温度に限定されるが、この場合、熱陰極（ハの加熱
特性のバラツキや長時間使用による熱電子放出能力の低
下により、熱陰極（ハ前面の単位面積当りの面子ビーム
放出能力が変化する。この場合もバイアス１．圧Ｖｃを
変化させて、電子ビーム電流を一定に保つように、制御
が行なわれる。しかし、同じビーム電流値に対してバイ
アス電圧値が変化すると、熱陰極（バー陽陰翫（＝）間
の等電位線（Ｂ）の分布が異なるため、電子ビーム（り
）の物点（２７）の位置が変化する。電子ビーム（ｔＩ
ｌの集束位置は、レンズの公式 −＋−＝−（記号は第５図参照）・・・・・・（ハｂｆ に従うため、物点（２り）の位置が変化するとａが変化
し、被加工物（６）上に電子ビーム（り）を集束させる
ためには、集束レンズ（ｙｌの電流値を変化はせて、焦
点距離ｆを調整する必要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の電子ビーム加工装置におけるビーム電流の制御装
置は以上のように構成されていたので、電子ビームの集
束位置に対する再現性がなくなり、頻繁に集束位置を確
認する必要があった。特に、大型構造物の電子ビーム溶
接では、施工時間が連続／時間以上になるため、溶接開
始後と溶接終了前とで集束位置が異なり、溶接性能°が
異なる等の問題点があった。

この発明は上記のよう々問題点を解消するためになされ
たもので、陰極加熱特性のバラツキや経時変化により陰
極の熱電子放出能力が変化しても、ビーム集束位置が変
化しないように陰極加熱電源の制御を行う電子ビーム加
工装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明による電子ビーム加工装置においては、陰極加
熱電源の制御のために加速電圧、ビーム電流およびバイ
アス電圧を測定し、所定の加速電圧、ビームχ流九対す
るバイアス電圧を一定に保つように、陰極温度を変化さ
せる手段を備えた。

〔作　用〕

この発明においては、陰極加熱温度を変化させることに
より所定の加速電圧、ビーム電流に対するバイアス電圧
を一定に保って、熱陰極−陽極間の電位分布を一定に保
ち、物点位置の変化を小さくしてビーム集束位置の変動
を抑制する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に示し、これについ
て説明する。第１図において、（ハ〜（／Ｊ）は第５図
の従来のものに相当する。（／ｕ）は加速電源（ｑｌか
ら熱陰極（バー陽極（コ）間に供給される加速電圧の検
出抵抗、（／ｓ）はバイアス電源１ｇｌからウェネルト
電極（３）−熱陰極（ハ間に供給されるバイアス電圧を
測定して、低電圧側にその値を知らせるバイアス電圧送
信回路、（／６）は高電位部のバイアス電圧送信回路（
１５）から絶縁してバイアス電圧の信号を伝送する第二
の光ファイバー、（／り）は第二の光ファイバー（／６
）により送信されてきたバイアス電圧受信回路、（７ｇ
）はビーム電流検出抵抗（１０）からのビーム電流信号
Ｉｋ　、加速電圧検出抵抗（／≠〕からの加速電圧信号
“ＩＡ、バイアス電圧受信回路（／り）からのバイアス
電圧信号ＶＣを入力し、所定の関係式より陰極温度の必
要十分条件を判断して陰極温度の増減指令を出す陰極温
度制御回路、（／９’）は熱陰極温度制御回路（７ｇ）
の出力信号を高電位部の加熱電源（７１て絶縁して伝送
する第３の元ファイバーである。また、第一図は熱陰極
温度制御回路（７ｇ）の詳細な構成を示すブロック図で
あり、（２０）は加速電圧信号ＭＡの減衰器（減衰率／
／μ）、（：ｌ／）は減衰器（２０）の出力信号にバイ
アス電圧信号Ｖｃを加算する加算器、（２２）は加算器
（ユ／）の出力信号Ｘを入力してｘりの信号を出力する
関数演算器、（２，ｙ）は関数演算器（ココ）の出力信
号の増幅器（増幅率Ｃ）、（コダ）は増幅器（コ３）の
出力信号とビーム匡流信号工にとを比較し、その誤差を
検出するＰＩＤ回路、（ｓｒ”）ＩｒｉＰより回路（２
ｑ）の出力信号に対し、上下限値を設定するリミッタ回
路である。

次に動作てつｂて説明する。まず、熱陰極（ハの熱電子
放出能力Ｊ　ｓ　（Ａ／ｉ　’）は、次式で表わされる
。

ｅφ ＪＳ＝ＡＴコｅｘｐ　（−−）　　　　　・・・・・・
（コ）Ｔ ここで、Ａ　＋　ｅＩ　ｋは定数、Ｔ　（ｋ）は陰極温
度、φ（ｅＶ）は陰極表面の仕事関数である。次に、バ
イアス電圧、従って陰極表面の電界強度で定まる陰極の
有効電子放出面積をＳとすると、所望のビーム電流１ｋ
に対し Ｉｋ　＜　ＳＪｓ　　　　　　　　・・・・・・ｆ、７
１の関係が成立すれば、次式に従ってビーム電流値が定
まる。

ＶＡ Ｉｋ　＝　Ｃ（Ｖｃ　＋　−Ｅ、’　　　　　・・・−
（％１μ ここで、Ｃ９μは電極形状により定まる定数である。つ
まり、ＶｃとＩｋの関係は一定となり、熱陰極（バー陽
極（２）間の電位分布も工ｌ（が決まれば一定となるの
で、工ｋに対する物点の位置が定まり、集束特性の再現
性も得られる。

ところが、実用上、陰極構造のバラツキにより陰極温度
Ｔが低下したり、長期間の経時変化により陰極表面の仕
事関数φが増大したりすると、（ニ）式に従って陰極の
熱電子放出能力Ｔｓが低下するため、（Ｊ）式が満たさ
れなくなって、同じバイアス電圧値に対するビーム電流
値が減少する。この場合、第１図のビーム電流制御回路
（／コ）はバイアス電圧を下げてビーム電流を一定に保
つよって動作するため、同一ビーム電流値に対しても熱
陰極（／ｌ−陽極（コ）間の電位分布が変化し、ビーム
集束特性が変化する。熱電子放出能力の低下は、加速電
圧、ビーム電流、バイアス電圧を測定し、（ｔＩ１式を
満たすかどうかを計算すればよい。つまり、まず、加速
電圧検出抵抗（／ｑ）により加速電圧ｖＡを検出し、ま
たビーム電流検出抵抗Ｃｌ０）によりビーム電流Ｉｋを
検出し、さらて、バイアス電圧送信回路Ｃ／ｊ’１％第
二の光ファイバー（／６）、バイアス電圧受信回路（／
７）によりバイアス電圧Ｖｃを検出して、陰極温度制御
回路（７ｇ）Ｖｃ入カする。

陰極温度制御回路（７ｇ）に入力したＶＡ、　Ｖｃは、
減衰器（２０）、加算演算器（コ／）、関数演算器（ユ
２）、増幅器（コＪ）を介して、（り）式に従って演算
が行なわれる。この演算結果は、ビーム電流工にの測定
結果とＰより回路（二ｌ）で比較される。もし、熱電子
放出能力が低下した場合は、工にの演算結果が測定結果
より大きくなるため、ＰＩＤ回路（２ｑ）は陰極温度を
上昇させるように熱陰極（１）の加熱電源（ｆｌの出力
を第３の光ファイバー（／９）を介して増大ぢせる。ま
た、熱電子放出能力が必要十分の値を越えると、工にの
演算結果が測定結果よりわずかに小さくなるので、ＰＩ
Ｄ回路（ユダ）は陰極温度を下降させるように熱陰極（
／１の加熱電源（７）の出力を第３の光ファイバー（／
９）を介して減少させる。

ＰＩＤｒ比例、積分、微分）回路（２ｕ）は上記の動作
を時間的に速やかに行なうものであり、帰還制御系で通
常用いられる手段である。つまり、Ｖ　Ａ　ＩＩｋが定
まれば、ＶＣが変化しないように陰極温度を変化させる
ものである。なお、上記の動作では、ビーム電流ＯＦＦ
時は陰極温度が零となるようにＰＩＤ回路（２グ）が動
作するが、この場合、ビームＯＮ直後は陰極温度が低過
ぎるため、陰極温度の制御に下限設ける必要がある。ま
た、陰極温度は寿命で定まる最大値に制限する必要もあ
る。これらの動作は、Ｐより回路（コｌ）の直後の’Ｊ
　ミッタ回路（二５）が行なう。

なお、上記実施例ではビーム集束位置の再現性を得るた
めの陰極温度の制御回路について述べたが、陰極温度を
一定時間最大にしても（ｇ１式を満たすことができなく
なった場合は、陰極の寿命であると判定することが可能
であり、その場合の陰極温度制御回路（／ｌ）のブロッ
ク図の一例を第３図に示す。図において、（コＯ）〜（
２ｊ）は第一図に示したものに相当する部分であり、（
ｓｇ）は陰極温度の上限値発生器、（２ｑ）は陰極温度
の設定値と上限値を比較する第１の比較器であり、設定
値が所定の上限値を越えた場合に信号を出力する。また
、（ａｏ）は第１の比較器（コタ）の出力信号の時間積
分を行なう積分器、　　（３ｉ’）は陰極温度の設定値
が所定の上限値を時間発生器（３−）からの所定の時間
の開基上越えていたことを判定する第二の比較器であり
、その出力により、陰極寿命判定ランプ（３３）を点灯
するものである。

また、上記実施例では、第１図に示すようにバイアス電
圧の測定を高電位部のバイアス電源より第二の光ファイ
バー（／６）を介して行なったが、第９図に示すように
、ビーム電流制御回路（／２）の出力信号に所定の定数
を乗じて、これを直接陰極温度制御回路（／ｒ）に入力
するようにしてもよく、上記実施例と同様の効果を奏す
る。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、陰極の熱電子放出能
力が変化したことを、加速電圧、ビーム電流、バイアス
電圧を測定して所定の演算を行なうことにより判定し、
所定のビーム電流に対するバイアス電圧が一定になるよ
うに陰極温度を変化させる制御回路を構成したので、（
１）陰極−陽極間の電位分布が変化しないので、陰極加
熱特性のバラツキや陰極表面の仕事関数の経時変化が生
じても、ビーム電流と集束位置に対する再現性が極めて
高い、（コ）陰極温度を必要以上に高く設定する必要が
なく、陰極の長寿命化が実現できる、（３）制御装置が
比較的簡単な電子回路で構成できるため、装置が小型で
安価である等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による電子ビーム加工装置
の構成図、第２図は第１図中の陰極温度制御回路のブロ
ック図、第３図は陰極温度制御回路の他の実施例のブロ
ック図、第９図はこの発明の他の実施例による電子ビー
ム加工装置の構成図、第５図は従来の電子ビーム加工装
置の構成図、第６図（Ａ）および（Ｂｌはバイアス電圧
によるビーム電流制御の原理を説明するための図である
。 図において、（１）は熱陰極、（＝）は陽極、（３）は
ウェネルト電極、（ワ）は加熱電源、（ｇ）はバイアス
電源、（テ）は加速電源、（１０）はビーム電流検出抵
抗、（／／）はビーム電流設定器、（／コ）はビーム電
流制御回路、（／３）は第１の光ファイバー、（／り）
は加速電圧検出抵抗、（１５）はバイアス電圧送信回路
、（／６）は第二の光ファイバー、（／ｑ）’ｔｉバイ
アス電圧受信回路、（／ｌｒ’）は陰極温度制御回路、
（／９）は第３の光ファイバー、（−〇）は減衰器、（
ユ／）は加算器、（２２）は関数演算器、（２Ｊ）は増
福器、（コｑ）はＰより回路、（コ５）は’Ｊ　ミッタ
回路、（二ｔ）は上限値発生器、（ｘｑ）は第１の比較
器、（３０）は積分器、（Ｊ／）は第１の比較器、（３
２）は時間発生器、（３３）は陰極寿命判定ランプであ
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　　曾　我　道　照′寵三： 宅１図 １３°第１の光カイパー １４、旭速電圧種出に抗 １６・％２の光ファイ、八− １９第３のメ巳フ２イノで− 第２図 ％３図 第６図 手続補正書（自発） 昭隼１．イ緊。、当　日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子ビームの加速電圧を検出する手段と、電子ビ
   ームのビーム電流を検出する手段と、上記電子ビームの
   ビーム電流を制御するバイアス電圧を検出する手段と、
   検出された上記加速電圧およびバイアス電圧に基いて所
   定の理論式からビーム電流を演算し、検出された実際の
   上記ビーム電流と演算結果のビーム電流が一致するよう
   、電子ビームを発生する熱陰極の陰極温度を制御する手
   段とを備え、陰極温度を変化させることにより、所定の
   加速電圧およびビーム電流に対するバイアス電圧を一定
   に保つて、熱陰極と陽極との間の電位分布を一定に保ち
   、電子ビームの集束位置の変動を抑制することを特徴と
   する電子ビーム加工装置。
2. （２）陰極温度を制御する手段が、ビーム電流の検出結
   果と演算結果が陰極温度を変化させても一致しない場合
   を判定する手段を含む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。