特許 7558086 電子ビーム加工機、および電子ビーム加工機の調整方法

(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】

(24)【登録日】2024-09-19

(45)【発行日】2024-09-30

(54)【発明の名称】電子ビーム加工機、および電子ビーム加工機の調整方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/305 20060101AFI20240920BHJP

   H01L 21/027 20060101ALI20240920BHJP

   G03F 7/20 20060101ALI20240920BHJP

   H01J 37/30 20060101ALI20240920BHJP

   H01J 37/147 20060101ALI20240920BHJP

   H01J 37/244 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

H01J37/305 A

H01L21/30 541B

H01L21/30 541D

G03F7/20 504

H01J37/30 A

H01J37/147 E

H01J37/244

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2021034240

(22)【出願日】2021-03-04

(65)【公開番号】P2022134820

(43)【公開日】2022-09-15

【審査請求日】2023-12-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】李 旭涛

(72)【発明者】

【氏名】石見 泰造

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特公昭４０－０２２５１９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開平０８－０８３７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１３３０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－１１３５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－０２４５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－３３５１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０２５３１３０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６

Ｈ０１Ｌ ２１／０２７

Ｇ０３Ｆ ７／２０

Ｂ２３Ｋ １５／００－１５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子ビームを発生するための三極部と、発生した前記電子ビームを偏向させる偏向手段と、電子ビームを照射対象物に対して集束させる集束手段とを備えた電子銃と、
前記照射対象物と前記電子銃との間に設置され、前記電子ビームが当たることにより検出信号を出力する２個の検出センサが前記電子ビームの中心軸に垂直な面内において離隔して配置された検出部と、
前記検出部の出力を解析して、前記偏向手段により偏向されないときの電子ビームの軸である電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通るように前記電子銃と前記検出部の相対位置を調整する位置調整機構とを備え、
前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通っていると判断したときの、前記偏向手段への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータに基づいて、前記偏向手段への指令値を決定する電子ビーム加工機。

【請求項2】

前記電子ビームは、離隔して配置された前記２個の検出センサの間を通過して前記照射対象物に照射されるよう構成された請求項１に記載の電子ビーム加工機。

【請求項3】

前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通っていると判断したときの、前記偏向手段への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータは、前記検出部の中心と一方の前記検出センサとの距離に応じた時間であって、前記偏向手段によって前記電子ビームが偏向を開始してから前記検出センサに当たり始めるまでの時間に基づいて求められたものである請求項１または２に記載の電子ビーム加工機。

【請求項4】

前記電子ビームの偏向の遅れのデータは、前記検出部の中心と一方の前記検出センサとの距離が異なる距離において取得された複数のデータである請求項３に記載の電子ビーム加工機。

【請求項5】

前記検出部は、前記２個の検出センサが離隔したときの中央位置を前記検出部の中心として設定する請求項１から４のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機。

【請求項6】

前記偏向手段は、主偏向器と副偏向器とを有し、前記主偏向器への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータに基づいて、前記副偏向器への指令値を決定する請求項１から５のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機。

【請求項7】

前記偏向手段は、少なくとも主偏向器を有し、前記主偏向器への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータに基づいて、前記主偏向器への指令値を決定する請求項１から５のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機。

【請求項8】

前記位置調整機構は、前記検出部に備えられた前記検出センサを移動させることにより、前記検出部の中心の位置を調整するよう構成されている請求項１から７のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機。

【請求項9】

前記位置調整機構は、前記電子銃を移動させることにより前記電子ビームの中心軸の位置を調整するよう構成されている請求項１から７のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機。

【請求項10】

電子ビームを発生するための三極部と、発生した前記電子ビームを偏向させる偏向手段と、電子ビームを照射対象物に対して集束させる集束手段とを備えた電子銃と、
前記照射対象物と前記電子銃との間に設置され、前記電子ビームが当たることにより検出信号を出力する２個の検出センサが前記電子ビームの中心軸に垂直な面内において離隔して配置された検出部と、
前記電子銃と前記検出部の相対位置を調整する位置調整機構とを備えた電子ビーム加工機の調整方法であって、
前記検出部の出力を解析して、前記偏向手段により偏向されないときの電子ビームの軸である前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通るように前記位置調整機構により前記電子銃と前記検出部の相対位置を調整する位置調整プロセスと、
前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通るようになった後の前記偏向手段への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータに基づいて、前記偏向手段への指令値を決定する偏向遅れ補正プロセスと、
を備えた電子ビーム加工機の調整方法。

【請求項11】

前記電子ビーム加工機が、前記電子ビームが、離隔して配置された前記２個の検出センサの間を通過して前記照射対象物に照射されるよう構成されている請求項１０に記載の電子ビーム加工機の調整方法。

【請求項12】

前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通っていると判断したときの、前記偏向手段への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータを、前記検出部の中心と一方の前記検出センサとの距離に応じた時間であって、前記偏向手段によって前記電子ビームが偏向を開始してから前記検出センサに当たり始めるまでの時間に基づいて求める請求項１０または１１に記載の電子ビーム加工機の調整方法。

【請求項13】

前記電子ビームの偏向の遅れのデータを、前記検出部の中心と一方の前記検出センサとの距離を変更して複数取得する請求項１２に記載の電子ビーム加工機の調整方法。

【請求項14】

前記位置調整プロセスにおいて、前記検出部に備えられた前記検出センサを移動させることにより、前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通るように調整する請求項１０または１１に記載の電子ビーム加工機の調整方法。

【請求項15】

前記位置調整プロセスにおいて、前記電子銃を移動させることにより、前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通るように調整する請求項１０または１１に記載の電子ビーム加工機の調整方法。

【請求項16】

前記偏向手段が主偏向器と副偏向器とを有しており、
前記偏向遅れ補正プロセスにおいて、前記主偏向器への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータに基づいて、前記副偏向器への指令値を決定する請求項１０から１５のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機の調整方法。

【請求項17】

前記偏向手段が少なくとも主偏向器を有しており、
前記偏向遅れ補正プロセスにおいて、前記主偏向器への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータに基づいて、前記主偏向器への指令値を決定する請求項１０から１５のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機の調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、電子ビーム加工機、およびその調整方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電子ビームを用いた加工機においては、電子ビームを偏向させることにより対象物に対して電子ビームを移動させながら照射して溶接あるいは加熱といった処理を行う。電子ビームを金属多点スポット溶接あるいは加熱等の用途に適用する場合、電子ビームを偏向して位置決めしながら走査することにより対象物に照射する。電子ビームを偏向させる偏向器の駆動部の応答遅れ、あるいは偏向器自身及び周囲金属部品の渦電流の影響、偏向器の鉄心の磁気余効などにより、電子ビームを所定速度で目標の指令位置に位置決めできない、あるいは位置決めできたとしても実際の偏向位置が指令位置より遅れる偏向遅れが発生することがあった。高速かつ高精度の偏向を実現するため、このような電子ビームの偏向遅れを補正することが要求されている。

【0003】

電子ビームの偏向遅れを補正する技術として、例えば、電子ビームを十字の金ワイヤーに当てて実際の偏向位置を測定し、測定位置と偏向指令の差分を求め、その差分を補正値として副偏向器の入力に加算し、主偏向器の応答遅れ、あるいは渦電流による偏向遅れを補正する技術があった（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平８－８３７４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示されている技術によれば、電子線描画装置として、三極部から放出される電子ビームが主偏向器により偏向されて試料の主フィールドに位置決めされ、主偏向器よりも高速偏向が可能な副偏向器により細分フィールド内で走査されて試料の描画を行う。電子ビームの偏向遅れを補正するため、電子ビームを十字の金ワイヤー検出器に当てて電子ビームの偏向位置を検出する。検出した偏向位置と主偏向器に加えた位置指令の差分を求め、この差分を補正値として副偏向器の駆動部の入力に加算することで電子ビームの偏向遅れを補正する。

【0006】

特許文献１に開示されている技術によれば、電子ビームの偏向位置の遅れを補正することができるが、三極部内部の陰極の据付誤差または検出器自身の配置誤差等の発生は避けることができない。このため、検出器により検出された信号に誤差が含まれ、電子ビームの偏向位置の遅れの補正精度を低下させる問題があった。特に、電子ビームを主偏向器により中心軸の左右または前後に偏向する場合、電子ビームを左右または前後に偏向して検出した信号が非対称となり、電子ビームの偏向遅れの補正精度を低下させる問題があった。更に、上記に述べた補正方法では、検出器を電子ビームの下に移動して電子ビームの偏向遅れを検出してから検出器を再び移出する作業が必要となり、装置の使用が煩雑になるだけでなく、対象物への描画中に偏向遅れを検出し補正することができない問題があった。

【0007】

本願は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、作業が簡単で、高速かつ高精度の偏向による位置決めができる電子ビーム加工機を得ることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本願に開示される電子ビーム加工機は、電子ビームを発生するための三極部と、発生した前記電子ビームを偏向させる偏向手段と、電子ビームを照射対象物に対して集束させる集束手段とを備えた電子銃と、前記照射対象物と前記電子銃との間に設置され、前記電子ビームが当たることにより検出信号を出力する２個の検出センサが前記電子ビームの中心軸に垂直な面内において離隔して配置された検出部と、前記検出部の出力を解析して、前記偏向手段により偏向されないときの電子ビームの軸である電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通るように前記電子銃と前記検出部の相対位置を調整する位置調整機構とを備え、前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通っていると判断したときの、前記偏向手段への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータに基づいて、前記偏向手段への指令値を決定するものである。

【0009】

また、本願に開示される電子ビーム加工機の調整方法は、電子ビームを発生するための三極部と、発生した前記電子ビームを偏向させる偏向手段と、電子ビームを照射対象物に対して集束させる集束手段とを備えた電子銃と、前記照射対象物と前記電子銃との間に設置され、前記電子ビームが当たることにより検出信号を出力する２個の検出センサが前記電子ビームの中心軸に垂直な面内において離隔して配置された検出部と、前記電子銃と前記検出部の相対位置を調整する位置調整機構とを備えた電子ビーム加工機の調整方法であって、前記検出部の出力を解析して、前記偏向手段により偏向されないときの電子ビームの軸である前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通るように前記位置調整機構により前記電子銃と前記検出部の相対位置を調整する位置調整プロセスと、前記電子ビームの中心軸が前記検出部の中心を通るようになった後の前記偏向手段への目標偏向位置指令からの前記電子ビームの偏向の遅れのデータに基づいて、前記偏向手段への指令値を決定する偏向遅れ補正プロセスと、を備えたものである。

【発明の効果】

【0010】

本願に開示される電子ビーム加工機によれば、上記のように構成されているため、偏向遅れを精度よく補正することができ、作業が簡単で、高速且つ高精度の偏向による位置決めができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１による電子ビーム加工機の構成を示すブロック図である。

【図2】実施の形態１による電子ビーム加工機の動作を説明するための、主偏向指令と電子ビームの実際の偏向位置の関係の一例を示す線図である。

【図3】実施の形態１による電子ビーム加工機の動作を説明するための、主偏向指令と電子ビームの実際の偏向位置の関係の一例を拡大して示す線図である。

【図4】実施の形態１による電子ビーム加工機の電子ビームの中心軸と検出センサの位置関係を説明する図である。

【図5】実施の形態１による電子ビーム加工機の電子ビームの偏向応答特性の例を示す線図である。

【図6】実施の形態１による電子ビーム加工機の陰極が位置ずれして配置されたときの電子ビームの中心軸と検出センサの位置関係を示す図である。

【図7】図６の場合の電子ビームの偏向応答特性の例を示す線図である。

【図8】実施の形態１による電子ビーム加工機の陰極が斜めに据え付けられたときの電子ビームの中心軸と検出センサの位置関係を示す図である。

【図9】実施の形態１による電子ビーム加工機の検出センサが位置ずれして配置されたときの電子ビームの中心軸と検出センサの位置関係を示す図である。

【図10】実施の形態１による電子ビーム加工機の動作を説明するフローチャートである。

【図11】実施の形態１による電子ビーム加工機の、電子ビームの中心軸と検出センサの中心がずれているときの動作を説明するための第１の図である。

【図12】実施の形態１による電子ビーム加工機の、電子ビームの中心軸と検出センサの中心がずれているときの動作を説明するための第２の図である。

【図13】実施の形態１による電子ビーム加工機の、電子ビームの中心軸と検出センサの中心がずれているときの動作を説明するための第３の図である。

【図14】実施の形態１による電子ビーム加工機の、電子ビームの中心軸と検出センサの中心が一致しているときの動作を説明するための第１の図である。

【図15】実施の形態１による電子ビーム加工機の、電子ビームの中心軸と検出センサの中心が一致しているときの動作を説明するための第２の図である。

【図16】実施の形態１による電子ビーム加工機の、電子ビームの中心軸と検出センサの中心が一致しているときの動作を説明するための第３の図である。

【図17】実施の形態１による電子ビーム加工機の偏向遅れ補正の算出の動作の一例を示す線図である。

【図18】実施の形態１による電子ビーム加工機の偏向遅れ補正の実施の動作の一例を説明する線図である。

【図19】実施の形態１による電子ビーム加工機の偏向遅れ補正の実施による主偏向器および副偏向器の偏向特性の一例を示す線図である。

【図20】実施の形態１による電子ビーム加工機の検出センサの構成例を示す図である。

【図21】実施の形態１による電子ビーム加工機の検出センサの配置の一例を示す図である。

【図22】実施の形態２による電子ビーム加工機の構成を示すブロック図である。

【図23】実施の形態２による電子ビーム加工機の動作を説明するフローチャートである。

【図24】実施の形態３による電子ビーム加工機の電子銃の構成を示す概略構成図である。

【図25】実施の形態３による電子ビーム加工機の別の電子銃の構成を示す概略構成図である。

【図26】実施の形態４による電子ビーム加工機の電子銃の構成を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

実施の形態１．
図１は実施の形態１による電子ビーム加工機の構成を示すブロック図である。実施の形態１による電子ビーム加工機は、主な構成要素として、陰極３を備え電子ビーム２を放出する三極部１と、三極部１と照射対象物８との間に照射対象物８上に焦点７を結ぶように電子ビーム２を集束させるために設けた第１集束手段４と、第１集束手段４と照射対象物８との間に設けた電子ビーム２を偏向する主偏向器５と、第１集束手段４と主偏向器５の間に設け主偏向器５の偏向を補助する副偏向器６を備えている。ここでは、偏向する機器である主偏向器５と副偏向器６をまとめて偏向手段と称することもある。さらに、電子ビーム２の偏向を制御するために、電子ビーム２の位置を検出する検出部１０と、検出部１０の動作を制御する制御器１１とを備えている。制御器１１は、主偏向器５の駆動部２４と副偏向器６の駆動部２３に、それぞれ主偏向器への指令値である主偏向指令２７と副偏向指令２８を出力する。制御器１１は、検出部１０の検出信号１５と検出信号１６を読込み、電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２に通るように検出センサ１４ａと１４ｂの位置を調整する機能、及び検出部１０の検出信号１５と検出信号１６を用いて電子ビーム２の偏向遅れを補正する機能を有する演算装置２９を備えている。ここで、偏向手段により偏向されないときの電子ビームの軸を電子ビームの中心軸９と称している。また、電子ビーム２を発生して偏向、集束させる機能を有する部分、すなわち三極部１、第１集束手段４、主偏向器５、副偏向器６で構成される部分を電子銃３１と称することにする。

【0013】

電子ビーム２の高速偏向時の偏向遅れを説明する。電子ビーム加工機は、照射対象物８に対するマルチスポット溶接あるいは加熱等の応用の場合、電子ビーム２を高速偏向して照射対象物８のある範囲内で走査する。例えば、照射対象物８に照射する電子ビーム２を１００ｍ/ｓの偏向速度で中心軸９の左右に偏向する。図２に、電子ビーム２の高速偏向の応答特性例を示す。例えば、時間０～１０μｓの偏向では、目標偏向位置指令である主偏向指令２７による照射対象物８上での目標偏向位置は１．０ｍｍであるが、実際の電子ビーム２の偏向位置は実際偏向位置３３に示す位置となり、５μｓ程かかって目標偏向位置１．０ｍｍに到達する。すなわち、５μｓ程の偏向遅れが発生する。電子ビーム２の偏向速度を更に上げようとすると、溶接あるいは加熱を行えなくなる可能性が出てくる。あるいは、電子ビーム２の偏向遅れが、溶接あるいは加熱の品質に悪影響を与えることがある。高速かつ高精度の偏向を実現するため、上記のような電子ビーム２の偏向遅れを補正することが要求されている。

【0014】

電子ビーム２の偏向遅れの発生原因を説明する。アンプとデジタル－アナログ変換器等により構成されている、電子ビーム２を偏向する主偏向器５の駆動部２４に主偏向指令２７が入力され、駆動部２４から主偏向器５に電流が流れ込み、主偏向器５が磁場を発生する。この磁場により電子ビーム２が所定方向に偏向される。上記の駆動部２４のアンプの出力は主偏向指令２７より応答が遅く、更に駆動部２４の負荷である主偏向器５のインダクタンスにより主偏向器５に流れる電流が所定値に立ち上がるまで時間がかかるため、目標偏向位置指令である主偏向指令２７よりも電子ビーム２の実際の偏向位置が遅れる。図３に上記の電子ビーム２の偏向遅れの模様を拡大して示す。主偏向指令２７に対し、電子ビーム２の実際偏向位置３３が遅れ、時刻ｔ１に主偏向指令２７すなわち目標偏向位置指令に対応した偏向位置に到達する。すなわち電子ビーム２の偏向に時間長さｔ１の遅れが発生する。上記に述べた電子ビーム２の偏向遅れは、主偏向器５の駆動部２４の電流遅れに起因するものである。実際には、主偏向器５の磁場により周囲金属部品に発生する渦電流、あるいは主偏向器５の鉄心の磁気余効が電子ビーム２の偏向に影響を与えることがあり、電子ビーム２の実際偏向位置３３は更に複雑な挙動を示す。

【0015】

図４は陰極３が所定位置に誤差なく据え付けられ、且つ検出センサ３５をも所定位置に誤差なく配置されたとする理想状態を示しており、電子ビーム２の中心軸９が検出部の中心１２を通る。この場合、電子ビーム２を偏向しようとする偏向位置ｄ０、例えばｄ０＝０．１ｍｍを主偏向器５の主偏向指令２７に換算して電子ビーム２を偏向すると、電子ビーム２が偏向位置ｄ０で検出センサ３５に当たり、検出された偏向位置がｄ０となる。偏向位置ｄ０を繰り返して変えて、例えばｄ０の変化刻みを０．１ｍｍにして１０回繰り返し、各ｄ０位置での電子ビーム２の偏向位置－時間の関係を記録すると、図５に示すような電子ビーム２の偏向応答特性３７を取得することができる。偏向応答特性３７と主偏向指令２７による目標偏向位置との差分３８を求め、この差分３８を主偏向器５による偏向の遅れの補正量にし、電子ビーム２の偏向を誤差なく補正することができる。

【0016】

しかし、陰極３の据付に位置誤差の発生が避けられず、例えば図６に示すように陰極３が所定位置（点線）からずれ、電子ビーム２の中心軸９が検出部の元々の中心１２を通らず、点１２ｂを通ることがあり得る。この場合、電子ビーム２をｄ０（＝１．０ｍｍ）だけ偏向する主偏向指令２７により電子ビーム２を偏向すると、電子ビーム２がｄ０よりも小さいｄ１だけ偏向された時点で検出センサ３５に当たり、検出信号が出力されてしまうため、電子ビーム２の実際の偏向位置－時間の関係を記録すると、図７に示す電子ビーム２の偏向応答特性３９を取得してしまう。偏向応答特性３９と目標偏向位置２７との差分４０を求め、この差分４０を主偏向器５による偏向の遅れの補正量にし、電子ビーム２の偏向を補正すると補正誤差が生じてしまう。同様に、図８に示すように陰極が斜めに据付けられ、電子ビーム２の中心軸９が検出部の中心ではない点１２ｃを通り、ｄ０とは異なるｄ２だけ偏向したときに検出信号が検出される場合もある。また、図９に示すように検出センサ３５自身がある誤差で配置され、電子ビーム２の中心軸９が検出部の中心ではない点１２ｄを通り、ｄ０とは異なるｄ３だけ偏向したときに検出信号が検出される場合もある。これらの場合にも、電子ビーム２の偏向位置－時間の関係を誤差なく取得できず、電子ビーム２の偏向遅れの補正に誤差を生じてしまう。

【0017】

次に、本実施の形態の電子ビーム２の偏向遅れの補正の詳細を説明する。本実施の形態の電子ビーム２の偏向遅れの補正プロセスは、図１０に示すように位置調整プロセス４１と偏向遅れ補正プロセス４２からなる。図１０の補正プロセスに係る演算は演算装置２９で行う。位置調整プロセス４１は検出部配置ステップＳＴ４３から始まる。このステップでは、最初に検出センサ１４ａと１４ｂとの距離が０ｍｍであるとして、電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２を通ることを狙って検出部１０を配置する。その後、電子ビーム２を偏向しようとする偏向位置ｄ０、例えばｄ０＝０．１ｍｍとして、図１の演算装置２９から制御部２０に移動指令１９を出力し、検出センサ１４ａと１４ｂとの距離が０．２ｍｍになるように、制御部２０から可動アーム１７に移動指令２１と２２を送り出し、検出センサ１４ａと１４ｂとの距離を変える。次に、主偏向器による偏向ステップＳＴ４４と検出信号の取得ステップＳＴ４５のステップでは、電子ビーム２の三極部１から電子ビームの放出を開始させ、電子ビーム２を偏向しようとする上記の偏向位置ｄ０を主偏向器５の主偏向指令２７に換算して、電子ビーム２を偏向させる。偏向した電子ビーム２を検出センサ１４ａと１４ｂに当て、検出信号１５と１６を取得する。検出信号１５と１６をアナログ－デジタル変換器であるＡＤＣ２５とＡＤＣ２６を通して演算装置２９に取り込み、検出センサ１４ａと１４ｂの位置調整の判断を行う（ステップＳＴ４６）。

【0018】

主偏向器による偏向ステップＳＴ４４と検出信号の取得ステップＳＴ４５と検出センサの位置調整の判断ステップＳＴ４６の動作を、図１１から図１３を用いて説明する。前述したように、電子ビーム２の中心軸９と検出部の中心すなわち検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２（検出センサ１４ａと１４ｂが離隔したときの中央位置）がずれる場合がある。図１１は、検出センサ１４ａと１４ｂの配置に位置誤差があった場合、または検出センサ１４ａと１４ｂの配置に位置誤差がなく、陰極３の据付に位置誤差があった場合のように、電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２を通らず、中心ではない点１２ａを通ってしまう例を示している。図１３に主偏向器５に印可する偏向指令５１と、それに対する検出信号１５と１６の例である検出信号５２と検出信号５３を示し、上記偏向指令５１による電子ビーム２の偏向イメージを図１２に示す。

【0019】

以下に、図１３の偏向指令５１による電子ビーム２の偏向を説明する。偏向指令５１の振幅が０Ｖから負方向に電圧が増大すると、電子ビーム２が検出センサ１４ａに向けて偏向されるとする。逆に、偏向指令５１の振幅が０Ｖから正方向に電圧が増大すると、電子ビーム２が検出センサ１４ｂに向けて偏向されるとする。電子ビーム２の偏向位置ｄと偏向指令５１の振幅のＶａは以下の線形関係を持つとする。
ｄ＝ｋ１×Ｖａ （１）
ここで、ｋ１は常数（例えば、ｋ１＝１．５ｍｍ/Ｖ）である。

【0020】

図１３の偏向指令５１の振幅が-Ｏで示す０ＶからＡに増えた時、電子ビーム２が図１２のｏからａまで偏向されて検出センサ１４ａに当たり始め、図１３に示すように検出信号５２が出始める。偏向指令５１の振幅がＢにまで増えた時、電子ビーム２が図１２のｂまで偏向されて検出センサ１４ａに完全に当たる。同様に、偏向指令５１が+Ｏで示す０ＶからＣに増えた時、電子ビーム２が図１２のｏからｃまで偏向されて検出センサ１４ｂに当たり始め、検出信号５３が出始める。偏向指令５１の振幅がＤにまで増えた時、電子ビーム２が図１２のｄまで偏向されて検出センサ１４ｂに完全に当たる。図１３の-ＯからＡまでの時間をΔｔ１、図１３の+ＯからＣまでの時間をΔｔ２とする。図１１に示すように電子ビーム２の中心軸９が、検出センサ１４ｂよりも検出センサ１４ａに近い場合、Δｔ１＜Δｔ２となり、電子ビームの中心軸９と検出部の中心、すなわち検出センサ１４ａと検出センサ１４ｂの中心が一致していないと判断し、ステップＳＴ４６でＹｅｓを出力する。出力がＹｅｓの場合、検出センサの位置調整ステップＳＴ４７に移る。検出センサの位置調整ステップＳＴ４７では以下のようにして検出センサ１４ａおよび１４ｂの位置調整を行う。

【0021】

上記の式（１）を用い、検出センサ１４ａと電子ビーム２の中心軸９との距離ｄ１を式（２）で算出する。
ｄ１＝２ｄ０・Δｔ１／（Δｔ１＋Δｔ２） （２）

【0022】

電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２に通るように調整するため、検出センサ１４ａをΔｄ＝ｄ０－ｄ１で紙面上の左方向に、検出センサ１４ｂをΔｄ＝ｄ０―ｄ１で、検出センサ１４ａと同様、紙面上の左方向に移動させる。Δｄは下記の式（３）で表される。
Δｄ＝ｄ０・（Δｔ２－Δｔ１）／（Δｔ２＋Δｔ１） （３）

【0023】

このΔｄを移動指令１９に変換して制御部２０に出力し、制御部２０から位置調整機構である可動アーム１７ａおよび可動アーム１７ｂに移動指令２１および移動指令２２とを送り出し、可動アーム１７ａおよび可動アーム１７ｂを移動することで検出センサ１４ａおよび検出センサ１４ｂの位置を調整する。

【0024】

検出センサ１４ａと１４ｂの位置を調整した後、再び主偏向器による偏向ステップＳＴ４４から始まり、上述と同様の操作で、ステップＳＴ４６まで実施する。電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２を通るようになっていない場合、または電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２とのズレがある閾値を超えている場合、すなわち電子ビームの中心軸９と検出部の中心とが一致していないと判断した場合、ステップＳＴ４６においてＹｅｓを出力し、再び検出センサの位置調整ステップＳＴ４７において検出センサ１４ａおよび検出センサ１４ｂの位置を調整する。

【0025】

位置調整後、図１４に示すように、電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２を通るようになった場合を説明する。図１６に主偏向器５に印可する偏向指令５１とそれに対する検出信号５４、５５、図１５に上記の偏向指令５１による電子ビーム２の偏向イメージを示す。図１６の偏向指令５１の振幅が-Ｏで示す０ＶからＡに増えた時、電子ビーム２が図１５のｏからａまで偏向されて検出センサ１４ａに当たり始め、図１６に示すように検出信号５４が出始める。偏向指令５１の振幅がＢにまで増えた時、電子ビーム２が図１５のｂまで偏向されて検出センサ１４ａに完全に当たる。同様に、偏向指令５１が+Ｏで示す０ＶからＣに増えた時、電子ビーム２が図１５のｏからｃまで偏向されて検出センサ１４ｂに当たり始め、検出信号５５が出始める。偏向指令５１の振幅がＤにまで増えた時、電子ビーム２が図１５のｄまで偏向されて検出センサ１４ｂに完全に当たる。図１４に示すように検出センサ１４ａと１４ｂとから主偏向器５および副偏向器６により偏向されないときの電子ビーム２の中心軸９までの距離が同一のｄ０となり、電子ビームの中心軸９が検出センサ１４ａと検出センサ１４ｂが離隔した時の中心を通るように位置調整されている。このため、電子ビーム２が偏向開始から検出センサ１４ａと１４ｂとに当たり始める時間が同じ、図１６に示す時間間隔Δｔ１とΔｔ２がΔｔ１＝Δｔ２となる。そこで、ステップＳＴ４６において電子ビームの中心軸と検出部の中心とが一致していると判断し、出力がＮｏとなり、偏向遅れ補正プロセス４２に移る。

【0026】

図１７に偏向遅れ補正の算出４９に用いる信号の例を示す。演算装置２９から位置指令５６を出力して検出センサ１４ａと１４ｂの位置を変えると伴に、主偏向器５に主偏向指令５７を加え、検出センサ１４ａまたは１４ｂで検出した検出信号５８を用いて、電子ビーム２の各偏向位置への到達時間間隔Δｔ１、Δｔ２、・・・、Δｔｎを記録することで、主偏向器５の主偏向特性を取得する。以下に、上記の詳細を説明する。

【0027】

・時刻０～ｔ１：上述の検出センサの位置調整プロセスで、検出センサ１４ａと１４ｂが既に所定位置、例えばｄ＝０．１ｍｍに移動されたとする。主偏向指令５７を時刻０の０Ｖから１Ｖまで増加させる。前述のように、０～ｔ１の間のある時刻から電子ビーム２が検出センサ１４ｂに当たり、検出信号５８が出始める。その出始めた時間までの０からの時間間隔をΔｔ１と記録する。

【0028】

・時刻ｔ１～ｔ２：時刻ｔ１からｔ２の間に、位置指令５６により可動アーム１７を移動することで、検出センサ１４ｂをｄ＝０．２ｍｍに移動させる。必要に応じて、主偏向指令５７の振幅を負にして、検出センサ１４ａを移動して電子ビーム２を検出センサ１４ａに当てても良い。

【0029】

・時刻ｔ２～ｔ３：時刻ｔ２から主偏向指令５７を１Ｖから２Ｖまで増やすと、ｔ２～ｔ３の間のある時刻から電子ビーム２が再び検出センサ１４ｂに当たり、検出信号５８が再び出始める。時刻ｔ２からの時間間隔をΔｔ２と記録する。

【0030】

・ｔ３～ｔｎ 上記の操作を繰り返し、各時間間隔Δｔ３、Δｔ４、・・・、Δｔｎを記録する。

【0031】

上記の時間間隔Δｔ１、Δｔ２、・・・、Δｔｎを測定してから、ｔ１＝Δｔ１、ｔ２＝ｔ１＋Δｔ２、・・・、ｔｎ＝ｔｎ－１＋Δｔｎのように書き直すことで、各偏向位置ｄ＝０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、・・・、１．０ｍｍ等の偏向位置に対する偏向時間を求め、図１８に示すような電子ビーム２の主偏向器５による主偏向特性５９、すなわち目標偏向位置指令からの電子ビームの偏向の遅れのデータを取得する。

【0032】

次に、図１８に示すように目標偏向位置と主偏向特性５９との差を偏向差分６０として求め、この偏向差分６０を副偏向器６への指令値である副偏向指令２８に換算する。換算後の副偏向指令２８を副偏向器６に加えると、主偏向器５と副偏向器６とによる偏向を足し合わせることができ、電子ビーム２の偏向遅れを補正することができる。但し、副偏向器６の自身の周波数特性により、偏向差分６０から換算された副偏向指令２８を副偏向器６に印可した時の副偏向特性は、図１９に示す副偏向特性６１になることがあり得る。この場合、主偏向特性３７と副偏向特性６１とを足し合わせると、実際の電子ビーム２の偏向特性が総偏向特性６２のようになる。主偏向器５と副偏向器６の自身の周波数特性を調整し、最適な主偏向特性３７と副偏向特性６１を取得し、総偏向特性６２を最適化することができる。

【0033】

次に、図１０に示した偏向遅れ補正の実施ステップＳＴ５０では、実際に照射対象物８に電子ビーム２を照射するとき、例えば図２に示すような偏向作業時に、各時間間隔０～１０μｓ、１０～２０μｓ、・・・、４０～５０μｓ、・・・毎に、上述した偏向差分６０から換算された副偏向指令２８を副偏向器６に繰り返して加えることで、電子ビーム２の偏向遅れを高速且つ高精度で補正して電子ビームを照射対象物に照射することができる。なお、偏向する電子ビーム位置が異なれば、同じ１ｍｍ偏向する場合の偏向遅れの特性、すなわち主偏向特性が異なる場合がある。この場合は、例えば図２に示す各時間間隔０～１０μｓ、１０～２０μｓ、・・・、４０～５０μｓ、・・・毎に、電子ビーム２の主偏向器５による偏向の遅れを計測し、各時間間隔に、すなわち電子ビーム位置毎に偏向遅れを補正する副偏向器６の副偏向指令２８を求め、各時間間隔に副偏向器６に加えても良い。

【0034】

図１３と図１６に示す三角波の偏向指令５１はその一例に過ぎなく、矩形波等の偏向指令を用いることもできる。図１７に示す主偏向指令５７はその一例に過ぎなく、三角波等の偏向指令を用いることもできる。上述の副偏向指令２８をテーブル化して演算装置２９のメモリに保存し、電子ビーム２の偏向遅れの補正時に読み出すこともできる。上記の電子ビーム２の偏向遅れの補正は偏向方向によらず、任意の偏向方向にも適用できる。更に、副偏向器６を配置せず、図９の偏向差分６０を主偏向器５の偏向指令に換算し、主偏向指令２７に加算して主偏向器５への指令値としてもよい。図１に示した主偏向器５と副偏向器６との上下位置を逆に、または主偏向器５を第１集束手段４の内側に配置することもできる。

【0035】

図２０に検出センサ１４ａと１４ｂの詳細構成例を示す。大パワーの電子ビームの場合、例えば１５０ｋVの加速電圧により加速された２００ｍAの電子ビーム２は、検出センサ１４ａと１４ｂに当たる時に大量の熱量が発生する。その熱量を装置の外に排出するのが好ましい。このため、図２０に示すように、検出センサ１４ａと１４ｂを導電層６３と絶縁層６４と排熱層６５とから構成する。絶縁層６４は、導電層６３を絶縁して電子ビーム２の電子が排熱層６５に流れ込むことを阻止する。排熱層６５は、電子ビーム２が導電層６３に当たり生じる熱量を絶縁層６４経由して装置の外に排出する。排熱層６５の底面を水流パイプと接触する形で熱を装置の外に排出しても良い。導電層６３と絶縁層６４と排熱層６５との各接触面の接触熱抵抗を低減するため、各接触面にグリス等を塗布しても良い。導電層６３には導電性が良く融点が高い材料が適し、具体的には銅Ｃｕ、タングステンＷ、あるいはカーボンＣなどを用いることができる。絶縁層６４はセラミック、排熱層６５は鉄鋼が使用できる。低パワーの電子ビーム、例えば１２０ｋVの加速電圧により加速された５０ｍAの電子ビームの場合には、電子ビーム２が検出センサに当たり生じる熱量が少ないため、図２０の検出センサの絶縁層６４と排熱層６５をなくし、導電層６３のみで構成される検出センサでも良い。

【0036】

上述した検出センサ１４ａと１４ｂの配置は一例である。例えば、図２１に示すように、２個の検出センサを一組とする複数組の検出センサ１４１ａと１４１ｂ、１４２ａと１４２ｂ、１４３ａと１４３ｂ、１４４ａと１４４ｂを電子ビームの中心軸９の周囲に多方向に配置する構成であっても良い。検出部１０に配置される検出センサは、電子ビームが偏向されないときの電子ビームの中心軸に垂直な面内において離隔するよう移動する２個の検出センサを一組とする検出センサであればよい。

【0037】

このように、電子ビームの中心軸が検出部の中心を通るように位置調整した後、主偏向器５による電子ビーム２の主偏向特性を取得して、主偏向器５の偏向遅れを副偏向器６により補正することで、電子ビーム２の偏向遅れを高精度で補正することができ、高速かつ高精度な溶接あるいは加熱加工を実現できる。

【0038】

実施の形態２．
図２２は実施の形態２による電子ビーム加工機を示す構成図である。この図において、図１と同一の符号は同一または相当部分を示している。実施の形態２による電子ビーム加工機の動作のうち、電子ビーム２の発生及び電子ビーム２の偏向は実施の形態１で説明したのと同一である。

【0039】

この実施の形態２においては、電子ビーム２の中心軸９を検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２に通らせるため、検出センサ１４ａと１４ｂとを移動させて位置調整する代わりに、電子銃３１を移動させることにより位置調整する。このため、演算装置２９から制御部７０に移動指令７１を出力し、制御部７０から電子銃３１を移動させる位置調整機構７２に移動指令７３を送り出し、位置調整機構７２により電子銃３１を移動させる。

【0040】

この実施の形態２による電子ビーム加工機の動作について説明する。本実施の形態の電子ビーム２の偏向遅れの補正は、図２３に示すように位置調整プロセス７４と偏向遅れ補正プロセス７５からなる。位置調整プロセス７４のステップＳＴ４３からＳＴ４６の動作は実施の形態１で説明した動作と同一である。

【0041】

本実施の形態２では、ステップＳＴ４６における判断でＹｅｓと判断した場合、電子銃の位置調整ステップＳＴ７６に移る。電子銃の位置調整ステップＳＴ７６では、式（３）で算出した移動距離Δｄを演算装置２９から制御部７０に出力し、制御部７０により位置調整機構７２に移動指令７３を送り出し、電子銃３１の位置を調整する。

【0042】

上記の位置調整プロセス７４における電子銃３１の位置調整により、電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２を通るようになった後、偏向遅れ補正プロセス７５に移る。本実施の形態２の偏向遅れ補正の算出ステップＳＴ４９の動作は、実施の形態１における偏向遅れ補正の算出ステップＳＴ４９の動作と同じである。ただし、以下のように実施しても良い。

【0043】

図１７の検出センサの位置指令５６の代わりに、手動で検出センサ１４ａと１４ｂの位置を変える。この場合の、偏向遅れ補正の算出ステップＳＴ４９における動作を説明する。手動で検出センサ１４ａと１４ｂの位置を変えて、図１７の主偏向指令５７を主偏向器５に加え、検出センサ１４ａまたは１４ｂで検出した検出信号５８を用いて、電子ビーム２の各偏向位置への到達時間間隔Δｔ１、Δｔ２、・・・、Δｔｎを記録し、主偏向器５の主偏向特性を取得する。以下にその詳細を説明する。

【0044】

・時刻０～ｔ１ 上記の位置調整プロセス７４により、検出センサ１４ａと１４ｂが既に所定位置、例えばｄ＝０．１ｍｍに移動されたとする。時刻０から、主偏向指令５７を０Ｖから、１Ｖまで増加させる。０～ｔ１の間のある時刻から電子ビーム２が検出センサ１４ｂに当たり、検出信号５８が出始める。その出始めた時間間隔をΔｔ１と記録する。

【0045】

・時刻ｔ１～ｔ２ 手動で検出センサ１４ｂをｄ＝０．２ｍｍに移動させる。必要に応じて、検出センサ１４ａを移動して電子ビーム２を検出センサ１４ａに当てても良い。

【0046】

手動による検出センサ１４ａまたは１４ｂの移動に誤差が小さく、電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２を通っているかを確認する必要がない場合、ｔ２～ｔ３の操作に移る。電子ビーム２の中心軸９が検出センサ１４ａと１４ｂとの中心１２を通っているかを確認する必要がある場合、位置調整プロセス７４に戻し、電子銃３１の位置を再び調整してから次のｔ２～ｔ３の操作に移っても良い。

【0047】

・ｔ３～ｔｎ 上記の操作を繰り返し、各時間間隔Δｔ３、Δｔ４、・・・、Δｔｎを記録する。

【0048】

上記の時間間隔Δｔ１、Δｔ２、・・・、Δｔｎを取得してから、ｔ１＝Δｔ１、ｔ２＝ｔ１＋Δｔ２、・・・、ｔｎ＝ｔｎ－１＋Δｔｎのように書き直すことで、各偏向位置ｄ＝０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、・・・、１．０ｍｍ等の偏向位置に対する偏向時間を求め、図１８に示すような電子ビーム２の主偏向器５による主偏向特性５９を取得する。

【0049】

偏向遅れ補正の実施ステップＳＴ５０は実施の形態１のステップＳＴ５０と同一の動作である。副偏向器６を配置せず、図１８の偏向差分６０を主偏向器５の偏向指令に換算し、主偏向指令２７に加算することもできる。

【0050】

このように、電子ビームの中心軸が検出部の中心を通るように電子銃３１を位置調整した後、主偏向器５による電子ビーム２の主偏向特性を取得するようにしたので、主偏向特性が誤差なく取得できる。この主偏向特性に基づいて主偏向器５の偏向遅れを副偏向器６により補正することで、電子ビーム２の偏向遅れを高精度で補正することができるため、高速かつ高精度な溶接あるいは加熱加工を実現できる。

【0051】

電子ビーム２の中心軸が検出部の中心を通るようにするために、実施の形態１では検出部の位置を調整するようにし、実施の形態２では電子銃の位置を調整するようにした。さらに、検出部の位置および電子銃の位置、いずれも調整可能にしても良い。すなわち、電子銃と検出部の相対位置が調整できるようになっていればよい。

【0052】

実施の形態３．
図２４および図２５は、実施の形態３による電子ビーム加工機の主に電子銃３１の構成を示す概略構成図である。図２４の電子ビーム加工機の集束手段は第１集束手段４と第２集束手段７７とが設けられ、第１集束手段４と第２集束手段７７との間に、第１集束点７８が形成される。電子ビーム２の発生及び電子ビーム２の偏向は実施の形態１で説明した原理と同一である。図２５の電子ビーム加工機は、電子ビーム２が第１集束手段４と第２集束手段７７との間に第１集束点７８を形成せず平行に進む。

【0053】

図２４および図２５に示す構成の電子銃３１を備えた電子ビーム加工機の電子ビーム２の偏向遅れの補正の動作は、実施の形態１あるいは実施の形態２で述べた電子ビーム２の偏向遅れの補正と同一である。上記の主偏向器５と副偏向器６との上下位置を逆に、または主偏向器５を第２集束手段７７の内側に配置してもよい。

【0054】

図２４および図２５に示した構成の電子銃３１を備えた電子ビーム加工機においても、電子ビームの中心軸が検出部の中心を通るように位置調整した後、主偏向器５による電子ビーム２の主偏向特性を取得するようにしたので、主偏向特性が誤差なく取得できる。この主偏向特性に基づいて主偏向器５の偏向遅れを副偏向器６により補正することで、電子ビーム２の偏向遅れを高精度で補正することができるため、高速かつ高精度な溶接あるいは加熱加工を実現できる。

【0055】

実施の形態４．
図２６は実施の形態４による電子ビーム加工機の主に電子銃３１の構成を示す概略構成図である。図２６の電子ビーム加工機の集束手段は第１集束手段４と第２集束手段７７とが設けられ、第１集束手段４と第２集束手段７７との間に、第１集束点７８が形成される。電子ビーム２の発生及び電子ビーム２の偏向は実施の形態１で説明した原理と同一である。

【0056】

第１集束手段４と第２集束手段７７との間に、主偏向器５と副偏向器６とを配置し、主偏向器５による電子ビーム２の偏向遅れを副偏向器６により補正する。電子ビーム２の偏向遅れの検出補正の動作は、実施の形態１と実施の形態２で述べた電子ビーム２の検出補正と同一である。なお、図２５において、電子ビーム２は集束の様子を理解しやすいように、実際のビームよりも横方向に広く描いている。実際の電子ビームのビーム径は検出センサ１４ａ、１４ｂの位置においても十分小さい径となっており、実施の形態１あるいは実施の形態２で説明した方法で電子ビームの中心軸と検出部の位置の調整をすることができる。

【0057】

上記の主偏向器５と副偏向器６との上下位置を逆に、または主偏向器５を第２集束手段７７の内側に配置することができる。

【0058】

図２６に示した構成の電子銃３１を備えた電子ビーム加工機においても、電子ビームの中心軸が検出部の中心を通るように位置調整した後、主偏向器５による電子ビーム２の主偏向特性を取得するようにしたので、主偏向特性が誤差なく取得できる。この主偏向特性に基づいて主偏向器５の偏向遅れを副偏向器６により補正することで、電子ビーム２の偏向遅れを高精度で補正することできるため、高速かつ高精度な溶接あるいは加熱加工を実現できる。

【0059】

本願には、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【符号の説明】

【0060】

１ 三極部、２ 電子ビーム、３ 陰極、４ 第1集束手段、５ 主偏向器、６ 副偏向器、８ 照射対象物、９ 電子ビームの中心軸、１０ 検出部、１２ 検出部の中心、１４ａ、１４ｂ 検出センサ、３１ 電子銃、７２ 位置調整機構、７７ 第２集束手段、４１、７４ 位置調整プロセス、４２、７５ 偏向遅れ補正プロセス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】