特許 6386881 焦点位置計測装置、電子ビーム照射装置及び焦点位置計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6386881

(24)【登録日】2018年8月17日

(45)【発行日】2018年9月5日

(54)【発明の名称】焦点位置計測装置、電子ビーム照射装置及び焦点位置計測方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/315 20060101AFI20180827BHJP

   B23K 15/02 20060101ALI20180827BHJP

   H01J 37/04 20060101ALI20180827BHJP

   H01J 37/21 20060101ALI20180827BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/315

   B23K15/02 B

   H01J37/04 A

   H01J37/21 Z

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-225510(P2014-225510)

(22)【出願日】2014年11月5日

(65)【公開番号】特開2016-91828(P2016-91828A)

(43)【公開日】2016年5月23日

【審査請求日】2017年11月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】西山 智之

(72)【発明者】

【氏名】坪田 秀峰

(72)【発明者】

【氏名】木村 正宏

【審査官】 右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開2011-14299（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2003-173581（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平4-339577（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2006-236601（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／３１５

Ｂ２３Ｋ １５／０２

Ｂ２３Ｋ ２６／０２

Ｈ０１Ｊ ３７／０４

Ｈ０１Ｊ ３７／２１

Ｇ２１Ｋ ５／００

Ｇ２１Ｋ ５／０８

Ｇ０１Ｔ １／２９

Ｈ０５Ｈ ９／００

Ｈ０５Ｈ １１／００

Ｈ０５Ｈ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

陰極から発生した電子を集束して照射面から照射される電子ビームの焦点位置を計測する電子ビームの焦点位置計測装置であって、
前記照射面から照射された前記電子ビームが通過するビーム通過孔が形成され、前記ビーム通過孔を通過する前記電子ビームから得られる漏れ電子量を計測する計測部と、
前記電子ビームの照射方向において、前記照射面と前記計測部との間の相対距離を変化させる距離調整部と、を備えることを特徴とする電子ビームの焦点位置計測装置。

【請求項2】

前記計測部は、
前記ビーム通過孔が形成され、前記ビーム通過孔を通過する前記電子ビームから得られる漏れ電子が流れる導電部と、
前記導電部を冷却する冷却部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電子ビームの焦点位置計測装置。

【請求項3】

前記照射面と前記計測部との間の所定の相対距離を初期位置とすると、
前記距離調整部は、前記初期位置から前記相対距離が長くなる方向または短くなる方向のいずれか一方の方向に変化させたときに、前記漏れ電子量が大きくなる場合、前記初期位置から前記相対距離が長くなる方向または短くなる方向のいずれか他方の方向に変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の電子ビームの焦点位置計測装置。

【請求項4】

陰極から発生した電子を集束して、照射面から電子ビームとして照射する電子ビーム照射部と、
前記電子ビーム照射部を制御して、前記電子ビームの焦点位置を調整する制御部と、を備え、
前記制御部は、請求項１から３のいずれか１項に記載された焦点位置計測装置によって計測された計測結果に基づいて、前記電子ビーム照射部を制御して、前記電子ビームの焦点位置を調整することを特徴とする電子ビーム照射装置。

【請求項5】

請求項１から３のいずれか１項に記載された電子ビームの焦点位置計測装置を用いた電子ビームの焦点位置計測方法であって、
前記照射面と前記計測部との間の前記相対距離が所定の前記相対距離となる初期位置に、前記照射面に前記計測部を対向させて設置する計測部設置工程と、
前記初期位置から前記相対距離を変化させながら、前記計測部により、前記ビーム通過孔を通過する前記電子ビームから得られる前記漏れ電子量を計測する計測工程と、
前記計測工程で計測した前記漏れ電子量に基づいて、前記電子ビームの前記焦点位置を導出する焦点位置導出工程と、を備えることを特徴とする電子ビームの焦点位置計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子ビームの焦点位置を計測する電子ビームの焦点位置計測装置、電子ビーム照射装置及び電子ビームの焦点位置計測方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電子ビームを照射する電子銃等の電子ビーム照射装置は、電子を発生させる陰極を備えている。この陰極は、例えば、経時的な消耗によって、または、交換前後の個体差によって、その性能が変化する。このため、電子ビーム照射装置から照射される電子ビームの焦点位置が変化してしまう。

【0003】

電子ビームの焦点位置を計測するものとして、ビーム収束位置計測装置が知られている（例えば、特許文献１）。このビーム収束位置計測装置は、計測装置と、移動装置とを備える。計測装置は、電子ビームに交差するように配置されたスリットに電子を透過させ、この電子量を電流値あるいは電圧値に変換して計測する。移動装置は、計測装置を電子ビームの照射方向に移動させる。そして、ビーム収束位置計測装置は、移動装置により計測装置を移動させ、計測装置の計測結果に基づいて、電子ビームの収束位置を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平４−３３９５７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載のビーム収束位置計測装置では、計測装置に電子ビームを照射することから、電子ビームが高出力のビームである場合、計測装置に大きな熱負荷を与えてしまう可能性がある。

【0006】

そこで、本発明は、高出力の電子ビームであっても、電子ビームの焦点位置を精度良く計測することができる電子ビームの焦点位置計測装置、電子ビーム照射装置及び電子ビームの焦点位置計測方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の電子ビームの焦点位置計測装置は、陰極から発生した電子を集束して照射面から照射される電子ビームの焦点位置を計測する電子ビームの焦点位置計測装置であって、前記照射面から照射された前記電子ビームが通過するビーム通過孔が形成され、前記ビーム通過孔を通過する前記電子ビームから得られる漏れ電子量を計測する計測部と、前記電子ビームの照射方向において、前記照射面と前記計測部との間の相対距離を変化させる距離調整部と、を備えることを特徴とする。

【0008】

また、本発明の電子ビームの焦点位置計測方法は、上記の焦点位置計測装置を用いた電子ビームの焦点位置計測方法であって、前記照射面と前記計測部との間の前記相対距離が所定の前記相対距離となる初期位置に、前記照射面に前記計測部を対向させて設置する計測部設置工程と、前記初期位置から前記相対距離を変化させながら、前記計測部により、前記ビーム通過孔を通過する前記電子ビームから得られる前記漏れ電子量を計測する計測工程と、前記計測工程で計測した前記漏れ電子量に基づいて、前記電子ビームの前記焦点位置を導出する焦点位置導出工程と、を備えることを特徴とする。

【0009】

この構成によれば、距離調整部により相対距離を変化させながら、計測部により漏れ電子量を計測することで、電子ビームの焦点位置を導出することができる。このとき、計測部は、ビーム通過孔を通過した電子ビームの漏れ電子量を計測することから、電子ビームが計測部に直接照射されることを抑制することができる。このため、電子ビームが高出力のビームであっても、計測部に与えられる熱負荷を軽減することができ、電子ビームの焦点位置を精度良く計測することができる。なお、計測部は、漏れ電子量として、電流値を計測してもよいし、電圧値を計測してもよい。

【0010】

また、前記計測部は、前記ビーム通過孔が形成され、前記ビーム通過孔を通過する前記電子ビームから得られる漏れ電子が流れる導電部と、前記導電部を冷却する冷却部と、を有することが好ましい。

【0011】

この構成によれば、導電部が電子ビームの漏れ電子を受ける場合であっても、冷却部により導電部を冷却することができる。このため、導電部に与えられる熱を除熱できる分、ビーム通過孔を小さくすることができ、計測部による漏れ電子量をより精度良く計測することが可能となる。

【0012】

また、前記照射面と前記計測部との間の所定の相対距離を初期位置とすると、前記距離調整部は、前記初期位置から前記相対距離が長くなる方向または短くなる方向のいずれか一方の方向に変化させたときに、前記漏れ電子量が大きくなる場合、前記初期位置から前記相対距離が長くなる方向または短くなる方向のいずれか他方の方向に変化させることが好ましい。

【0013】

この構成によれば、相対距離を所定の方向に変化させて、漏れ電子量が大きくなる場合、焦点位置は、計測部から遠ざかることとなる。このため、漏れ電子量が小さくなるように、相対距離を逆方向に変化させることで、計測部を焦点位置へ近づけることができるため、焦点位置を迅速に計測することが可能となる。よって、計測部へ電子ビームが照射されることを抑制できるため、計測部への熱負荷を低減することができる。

【0014】

本発明の電子ビーム照射装置は、陰極から発生した電子を集束して、照射面から電子ビームとして照射する電子ビーム照射部と、前記電子ビーム照射部を制御して、前記電子ビームの焦点位置を調整する制御部と、を備え、前記制御部は、上記の焦点位置計測装置によって計測された計測結果に基づいて、前記電子ビーム照射部を制御して、前記電子ビームの焦点位置を調整することを特徴とする。

【0015】

この構成によれば、制御部は、焦点位置計測装置により計測した電子ビームの焦点位置に基づいて、焦点位置を所定の位置に調整することができる。このため、電子ビームの照射対象となるワークに対して、電子ビームの焦点位置を最適な位置とすることができ、電子ビームによるワークへの加工品質を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本実施例に係る電子ビーム照射装置及び焦点位置計測装置の模式図である。

【図2】図２は、焦点位置計測装置の計測部を平面視したときの模式図である。

【図3】図３は、焦点位置計測装置の計測部により計測される漏れ電流値の説明図である。

【図4】図４は、電子ビームの焦点位置計測方法に関するフローチャートである。

【図5】図５は、陰極の交換前後における溶接ビードの形状を比較したグラフである。

【図6】図６は、陰極の交換前後における溶接ビードの形状を示す図である。

【図7】図７は、交換前の陰極に関し、相対距離によって変化する漏れ電流値を示すグラフである。

【図8】図８は、交換後の陰極に関し、相対距離によって変化する漏れ電流値を示すグラフである。

【図9】図９は、本実施例の焦点位置計測方法によって焦点位置を調整した、陰極の交換前後における溶接ビードの形状を比較したグラフである。

【図10】図１０は、本実施例の焦点位置計測方法によって焦点位置を調整した、陰極の交換前後における溶接ビードの形状を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせることも可能である。

【実施例】

【0018】

図１は、本実施例に係る電子ビーム照射装置及び焦点位置計測装置の模式図である。図２は、焦点位置計測装置の計測部を平面視したときの模式図である。図３は、焦点位置計測装置の計測部により計測される漏れ電流値の説明図である。図４は、電子ビームの焦点位置計測方法に関するフローチャートである。図５は、陰極の交換前後における溶接ビードの形状を比較したグラフである。図６は、陰極の交換前後における溶接ビードの形状を示す図である。図７は、交換前の陰極に関し、相対距離によって変化する漏れ電流値を示すグラフである。図８は、交換後の陰極に関し、相対距離によって変化する漏れ電流値を示すグラフである。図９は、本実施例の焦点位置計測方法によって焦点位置を調整した、陰極の交換前後における溶接ビードの形状を比較したグラフである。図１０は、本実施例の焦点位置計測方法によって焦点位置を調整した、陰極の交換前後における溶接ビードの形状を示す図である。

【0019】

本実施例の電子ビームの焦点位置計測装置３０は、電子銃等の電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームの焦点位置を計測するものである。先ず、焦点位置計測装置３０の説明に先立ち、電子ビーム照射装置１について説明する。

【0020】

図１に示すように、電子ビーム照射装置１は、ワークに電子ビームを照射するものであり、例えば、ワークに対して電子ビーム溶接を行う溶接装置である。電子ビーム照射装置１は、チャンバ１０と、電子ビーム照射部１１と、電子ビーム照射部１１を制御する制御部１２とを備えている。チャンバ１０は、その内部が真空状態となっており、その内部に電子ビーム照射部１１が収容されると共に、電子ビームの照射対象となるワークが収容される。

【0021】

電子ビーム照射部１１は、陰極２１と、第１集束レンズ２２と、絞り部２３と、第２集束レンズ２４とを有しており、これらは筐体２５の内部に格納されている。陰極２１は、電子を発生させており、陰極２１から発生した電子は、図示しない陽極により、第１集束レンズ２２側へ向かって放出される。第１集束レンズ２２は、電磁コイルを用いて構成され、第１集束レンズ２２に通電する電流値に応じて、陰極２１から放出された電子を集束させる。絞り部２３は、第１集束レンズ２２によって集束された電子が通過する。絞り部２３を通過した電子は、第２集束レンズ２４側へ向かって進む。第２集束レンズ２４は、電磁コイルを用いて構成され、第２集束レンズ２４に通電する電流値（いわゆる、フォーカス電流値）に応じて、絞り部２３からの電子を所定の焦点位置に集束させる。そして、第２集束レンズ２４により集束された電子は、筐体２５に開口された照射面２５ａから、電子ビームとして照射される。

【0022】

なお、本実施例では、電子ビーム照射部１１は、第１集束レンズ２２及び第２集束レンズ２４を用いた、２段集束タイプのものを適用したが、この構成に限定されず、例えば、１段集束タイプのものを適用してもよい。

【0023】

制御部１２は、電子ビーム照射部１１を制御することで、電子ビームの焦点位置を調整可能となっている。具体的に、制御部１２は、第１集束レンズ２２及び第２集束レンズ２４に接続され、第１集束レンズ２２に印加する電流を制御すると共に、第２集束レンズ２４に印加する電流を制御する。制御部１２は、電子ビームの焦点位置を制御する場合、第２集束レンズ２４に印加する電流を制御しており、焦点位置を照射面２５ａから遠ざける場合、印加する電流値を小さくし、一方で、焦点位置を照射面２５ａに近づける場合、印加する電流値を大きくする。なお、制御部１２は、第１集束レンズ２２に印加する電流を制御して、電子ビームの焦点位置を制御してもよく、特に限定されない。

【0024】

次に、焦点位置計測装置３０について説明する。図１に示すように、焦点位置計測装置３０は、電子ビーム照射装置１の照射面２５ａから照射された電子ビームの焦点位置を計測している。焦点位置計測装置３０は、照射面２５ａに対向して配置される計測部３１と、照射面２５ａと計測部３１との相対距離を調整する距離調整部３２と、計測部３１を挟んで照射面２５ａの反対側に設けられる受け部３３とを有している。

【0025】

図１に示すように、計測部３１は、照射面２５ａから照射された電子ビームが通過するビーム通過孔５１が形成され、ビーム通過孔５１を通過する電子ビームの漏れ電流（漏れ電子量）を計測する。ここで、図２を参照して、計測部３１について具体的に説明する。

【0026】

図２に示すように、計測部３１は、導電部４１と、絶縁部４２と、固定部４３と、冷却部４４と、回路部４５と、検出部４６とを有している。導電部４１は、導電性の高い銅等の材料が用いられ、長方体形状に形成されている。導電部４１には、電子ビームが通過するビーム通過孔５１が、電子ビームの照射方向に貫通形成されている。ビーム通過孔５１の径は、電子ビームのスポット径よりも大きく形成され、また、電子ビームの漏れ電流を計測可能な径となっている。

【0027】

固定部４３は、導電部４１の両側を挟持して導電部４１の位置を固定すると共に、導電部４１を支持している。絶縁部４２は、導電部４１と固定部４３との間に設けられ、導電部４１から固定部４３へ電流が流れることを抑制している。

【0028】

冷却部４４は、導電部４１の内部に設けられ、冷却水を用いて導電部４１を冷却する水冷機構となっている。具体的に、冷却部４４は、導電部４１の内部に形成され、ビーム通過孔５１の周囲に形成される冷却内部通路４４ａと、冷却内部通路４４ａの一端に接続される冷却水入口ポート４４ｂと、冷却内部通路４４ａの他端に接続される冷却水出口ポート４４ｃとを含んで構成されている。冷却水は、冷却水入口ポート４４ｂを介して冷却内部通路４４ａに流入し、冷却内部通路４４ａを流通することで、導電部４１と熱交換し、導電部４１を除熱する。そして、冷却水は、冷却水出口ポート４４ｃを介して冷却内部通路４４ａから流出する。

【0029】

回路部４５は、導電部４１と検出部４６とを接続する電圧測定回路４５ａと、導電部４１を接地させるアース回路４５ｂとを有している。電圧測定回路４５ａは、導電部４１を流れる漏れ電流を計測するために、検出部４６によって電圧を検出する測定回路となっている。アース回路４５ｂは、第１の抵抗５２が設けられている。また、電圧測定回路４５ａとアース回路４５ｂとは、それぞれ第２の抵抗５３及びコンデンサ５４に接続されている。また、この回路部４５において、電圧測定回路４５ａの一部と、アース回路４５ｂの一部とは、同軸ケーブル５５によって構成されている。

【0030】

検出部４６は、例えば、オシロスコープを用いて構成され、回路部４５の電圧を計測している。そして、検出部４６は、回路部４５の第１の抵抗５２と、計測した電圧との関係から、導電部４１における漏れ電流の電流値を検出している。

【0031】

距離調整部３２は、図示は省略するが、電子ビーム照射装置１及び計測部３１の少なくとも一方を、電子ビームの照射方向に沿って移動させることで、照射面２５ａと計測部３１との間の相対距離（いわゆる、ワークディスタンス）ＷＤを調整している。ここで、相対距離ＷＤは、照射面２５ａと、照射面２５ａと対向する計測部３１の表面との間の距離である。受け部３３は、導電部４１のビーム通過孔５１を通過した電子ビームを受けており、チャンバ１０へ電子ビームが照射されることを抑制する。

【0032】

ここで、図３を参照し、相対距離ＷＤに応じて変化する漏れ電流について説明する。電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームの出力分布は、電子ビームのビームスポットの中心において最も高く、ビームスポットの中心から離れるにつれて低くなる。ここで、計測部３１が電子ビームの焦点位置にある場合（Ｓ１００）、電子ビームは、最も集束している。このため、電子ビームのビームスポットが最も小さくなっていることから、電子ビームの出力分布の変化量は大きくなる。このため、ビーム通過孔５１を通過する電子ビームは、その一部の電子が計測部３１の導電部４１を流れるものの、電子ビームのビームスポットが最も小さいことから、導電部４１への照射面積が小さくなり、漏れ電流の電流値は、最も小さくなる。

【0033】

これに対し、計測部３１が、電子ビームの焦点位置から相対距離ＷＤが長くなる側にある場合（Ｓ１０１）、電子ビームは、焦点位置から離れるにつれてビームスポットは大きくなる。このため、電子ビームのビームスポットが焦点位置に比して大きくなることから、電子ビームの出力分布の変化量は小さくなる。このため、ビーム通過孔５１を通過する電子ビームは、その一部の電子が計測部３１の導電部４１を流れ、電子ビームのビームスポットが大きいことから、導電部４１への照射面積が大きくなり、漏れ電流の電流値は、大きくなる。

【0034】

同様に、計測部３１が、電子ビームの焦点位置から相対距離ＷＤが短くなる側にある場合（Ｓ１０２）、電子ビームは、焦点位置から離れるにつれてビームスポットは大きくなる。このため、電子ビームのビームスポットが焦点位置に比して大きくなることから、電子ビームの出力分布の変化量は小さくなる。このため、ビーム通過孔５１を通過する電子ビームは、その一部の電子が計測部３１の導電部４１を流れ、電子ビームのビームスポットが大きいことから、導電部４１への照射面積が大きくなり、漏れ電流の電流値は、大きくなる。

【0035】

次に、図４を参照して、上記の焦点位置計測装置３０を用いて、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームの焦点位置を計測する焦点位置計測方法の一連の動作について説明する。

【0036】

まず、電子ビーム照射装置１の照射面２５ａと、焦点位置計測装置３０の計測部３１とが所定の相対距離ＷＤとなるように、照射面２５ａと計測部３１とを対向させて設置する（計測部設置工程：ステップＳ１）。このとき、ステップＳ１における所定の相対距離ＷＤを、電子ビーム照射装置１と計測部３１との初期位置とする。

【0037】

続いて、ステップＳ１の初期位置から、距離調整部３２によって相対距離ＷＤを変化させながら、計測部３１によって電子ビームの漏れ電流の電流値を計測する（計測工程：ステップＳ２）。このとき、計測工程Ｓ２では、距離調整部３２により相対距離ＷＤが長くなる方向または短くなる方向のいずれか一方の方向に変化させたときに、漏れ電流の電流値が大きくなる場合、相対距離ＷＤが長くなる方向または短くなる方向のいずれか他方の方向に変化させる。

【0038】

この後、焦点位置計測装置３０の検出部４６は、計測工程Ｓ２で計測した漏れ電流の電流値に基づいて、電子ビームの焦点位置における相対距離ＷＤを導出する（焦点位置導出工程：ステップＳ３）。つまり、検出部４６は、計測工程Ｓ２で計測した漏れ電流の電流値が最も小さいときの相対距離ＷＤを、電子ビームの焦点位置における相対距離ＷＤとして導出する。

【0039】

焦点位置導出工程Ｓ３において電子ビームの焦点位置を特定すると、電子ビーム照射装置１の制御部１２は、焦点位置に係る相対距離ＷＤが、所定の相対距離ＷＤとなるように、第２集束レンズ２４に印加するフォーカス電流を制御して、電子ビームの焦点位置を調整する（焦点位置調整工程：ステップＳ４）。

【0040】

このように、焦点位置計測方法では、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームの焦点位置を計測し、また、計測した焦点位置に基づいて、電子ビーム照射装置１の焦点位置を調整することができる。

【0041】

次に、図５及び図６を参照して、陰極２１の交換前後における溶接ビードの形状について説明する。図５のグラフは、その横軸が、ワークＷの表面からの距離であり、その縦軸がビード幅となっている。なお、ビード幅は、電子ビームの照射方向に対して直交する方向における幅であり、電子ビームによって形成される熱影響部よりも内側の幅となっている。また、交換前の陰極２１は、図５及び図６において陰極Ａとし、交換後の陰極２１は、図５及び図６において陰極Ｂとする。交換前の陰極２１において、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームの焦点位置は、所定の相対距離ＷＤとなっている。一方で、交換後の陰極２１において、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームの焦点位置は、調整されておらず、第２集束レンズ２４のフォーカス電流値を、交換前と同じ値としている。

【0042】

図５に示すように、交換前の陰極２１（陰極Ａ）に関し、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームによって、ワークＷに形成される溶接ビードの形状は、電子ビームが照射される表面側のビード幅が広くなっている。また、溶接ビードの形状は、表面側と裏面側との間のビード幅が、表面側のビード幅に比して狭いビード幅となり、裏面側のビード幅が、表面側と裏面側との間のビード幅に比して広くなっている。また、溶接ビードの表面側は、ワークＷの表面から膨らんで形成される。ここで、図６に示すように、交換前の陰極２１（陰極Ａ）を用いてワークＷに照射される電子ビームの焦点位置は、ワークＷの表面と裏面とを結ぶ厚み方向の中央部よりもわずかに裏面側に位置している。

【0043】

一方で、図５に示すように、交換後の陰極２１（陰極Ｂ）に関し、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームによって、ワークＷに形成される溶接ビードの形状は、点線で囲んだ表面からの距離において、ビード幅が異なっている。また、溶接ビードの表面側は、ワークＷの表面から窪んで形成される。これは、図６に示すように、交換後の陰極２１を用いてワークＷに照射される電子ビームの焦点位置は、交換前の陰極２１よりも裏面側に位置するからである。

【0044】

このように、交換前後の陰極２１では、個体差が発生することから、陰極２１の交換前後において、電子ビームの焦点位置を調整しない場合、ワークＷに対する焦点位置がずれてしまい、溶接ビードの品質を維持することは困難となる。なお、上記では、交換前後の陰極２１について説明したが、陰極２１の消耗等による経時的な変化によっても、ワークＷに対する電子ビームの焦点位置がずれる。

【0045】

ここで、図７を参照し、本実施例の焦点位置計測方法によって計測した、交換前の陰極２１（陰極Ａ）を用いてワークＷに照射される電子ビームの焦点位置について説明する。また、図８を参照し、本実施例の焦点位置計測方法によって計測した、交換後の陰極２１（陰極Ｂ）を用いてワークＷに照射される電子ビームの焦点位置について説明する。図７及び図８のグラフは、その横軸が相対距離ＷＤとなっており、その縦軸が漏れ電流の電流値となっている。図７及び図８に示すように、交換前後の陰極２１において、第２集束レンズ２４に印加するフォーカス電流の電流値を小さい順から、電流値Ａ１、Ａ２・・・Ａ７とする。

【0046】

電流値Ａ１の場合、交換前の陰極２１（陰極Ａ）を用いたときの電子ビームの焦点位置における相対距離ＷＤは、相対距離ＷＤ１ａとなる。つまり、フォーカス電流の電流値Ａ１の場合、本実施例の焦点位置計測方法によって、漏れ電流の電流値が最も小さくなる相対距離ＷＤが、相対距離ＷＤ１ａとなる。同様に、電流値Ａ２〜Ａ７の場合、交換前の陰極２１（陰極Ａ）を用いたときの電子ビームの焦点位置における相対距離ＷＤは、相対距離ＷＤ２ａ〜ＷＤ７ａとなる。

【0047】

また、電流値Ａ１の場合、交換後の陰極２１（陰極Ｂ）を用いたときの電子ビームの焦点位置における相対距離ＷＤは、相対距離ＷＤ１ｂとなる。同様に、電流値Ａ２〜Ａ７の場合、交換後の陰極２１（陰極Ｂ）を用いたときの電子ビームの焦点位置における相対距離ＷＤは、相対距離ＷＤ２ｂ〜ＷＤ７ｂとなる。このように、フォーカス電流の電流値が大きくなるほど、焦点位置における相対距離ＷＤは短くなる。

【0048】

ここで、図７において計測した相対距離ＷＤ１ａと、図８において計測した相対距離ＷＤ１ｂとは異なる相対距離ＷＤとなる。このため、フォーカス電流の電流値が同じ値であっても、陰極２１の交換前後において、電子ビームの焦点位置が相違することが確認された。

【0049】

次に、図９及び図１０を参照して、本実施例の焦点位置計測方法を用いて焦点位置を調整した場合の、陰極２１の交換前後における溶接ビードの形状について説明する。図９のグラフは、図５と同様に、その横軸が、ワークＷの表面からの距離であり、その縦軸がビード幅となっている。交換前の陰極２１（陰極Ａ）において、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームの焦点位置は、本実施例の焦点位置計測方法によって、所定の相対距離ＷＤであることが特定されている。また、交換後の陰極２１（陰極Ｂ）において、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームの焦点位置は、本実施例の焦点位置計測方法によって、交換前の陰極２１（陰極Ａ）を用いたときの焦点位置と同じ位置となっている。

【0050】

なお、図９に示すように、交換前の陰極２１（陰極Ａ）に関し、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームによって、ワークＷに形成される溶接ビードの形状は、図５の交換前の陰極２１（陰極Ａ）と同様であるため、説明を省略する。また、図１０に示すように、交換前の陰極２１（陰極Ａ）を用いてワークＷに照射される電子ビームの焦点位置も、図６とほぼ同様であるため、説明を省略する。

【0051】

一方で、図９に示すように、交換後の陰極２１（陰極Ｂ）に関し、電子ビーム照射装置１から照射される電子ビームによって、ワークＷに形成される溶接ビードの形状は、交換前の陰極２１を用いて形成される溶接ビードの形状とほぼ同じ形状となっている。これは、図１０に示すように、交換後の陰極２１を用いてワークＷに照射される電子ビームの焦点位置は、交換前の陰極２１を用いてワークＷに照射される電子ビームの焦点位置と同じ位置となっているからである。

【0052】

このように、交換前後の陰極２１において個体差が生じる場合であっても、陰極２１の交換前後において、電子ビームの焦点位置を調整することで、溶接ビードの形状を同じ形状にできることが確認された。なお、電子ビームの焦点位置の調整は、陰極２１の交換毎、加工対象となるワークＷが異なる種類となったとき、あるいは、予め設定された所定期間毎に行ってもよく、特に限定されない。

【0053】

以上のように、本実施例によれば、距離調整部３２により相対距離を変化させながら、計測部３１により漏れ電流の電流値を計測することで、電子ビームの焦点位置を特定することができる。このため、陰極２１の性能が変化する場合であっても、溶接ビードの品質を維持することが可能となる。このとき、計測部３１は、ビーム通過孔５１を通過した電子ビームの漏れ電流を計測することから、電子ビームが計測部３１に直接照射されることを抑制することができる。このため、電子ビームが高出力のビームであっても、計測部３１に与えられる熱負荷を軽減することができ、電子ビームの焦点位置を精度良く計測することができる。

【0054】

また、本実施例によれば、導電部４１が電子ビームの漏れ電流を受ける場合であっても、冷却部４４により導電部４１を冷却することができる。このため、導電部４１に与えられる熱を除熱できる分、ビーム通過孔５１を小さくすることができる。よって、ビーム通過孔５１を小さくすることで、計測部３１による漏れ電流の計測感度を向上させることができるため、漏れ電流をより精度良く計測することが可能となる。

【0055】

また、本実施例によれば、照射面２５ａと計測部３１との間の相対距離ＷＤを、所定の方向に変化させることで、漏れ電流が大きくなる場合、漏れ電流が小さくなるように、相対距離ＷＤを逆方向に変化させることで、計測部３１を焦点位置へ近づけることができる。このため、焦点位置における相対距離ＷＤを迅速に計測することが可能となる。よって、計測部３１へ電子ビームが照射されることを抑制できるため、計測部３１への熱負荷を低減することができる。

【0056】

また、本実施例によれば、制御部１２は、焦点位置計測装置３０により計測した電子ビームの焦点位置に基づいて、焦点位置を所定の位置に調整することができる。このため、電子ビームの照射対象となるワークＷに対して、電子ビームの焦点位置を最適な位置とすることができ、電子ビームによるワークＷへの加工品質を維持することができる。

【0057】

なお、本実施例では、計測部３１は、漏れ電流の電流値を計測したが、電圧値を計測してもよい。

【0058】

また、本実施例では、制御部１２は、第２集束レンズ２４のフォーカス電流を調整して、相対距離ＷＤが所定の相対距離ＷＤとなるように、電子ビームの焦点位置を調整したが、この構成に限定されない。例えば、フォーカス電流の電流値を変更せずに、計測した焦点位置における相対距離ＷＤに基づいて、電子ビーム照射部１１の照射面２５ａとワークＷとの間の相対距離ＷＤを調整してもよい。

【符号の説明】

【0059】

１ 電子ビーム照射装置
１０ チャンバ
１１ 電子ビーム照射部
１２ 制御部
２１ 陰極
２２ 第１集束レンズ
２３ 絞り部
２４ 第２集束レンズ
２５ 筐体
２５ａ 照射面
３０ 焦点位置計測装置
３１ 計測部
３２ 距離調整部
３３ 受け部
４１ 導電部
４２ 絶縁部
４３ 固定部
４４ 冷却部
４４ａ 冷却内部通路
４４ｂ 冷却水入口ポート
４４ｃ 冷却水出口ポート
４５ 回路部
４５ａ 電圧測定回路
４５ｂ アース回路
４６ 検出部
５１ ビーム通過孔
５２ 第１の抵抗
５３ 第２の抵抗
５４ コンデンサ
５５ 同軸ケーブル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】