JP5916568B2 - 電子ビーム加工機及びその電子ビーム加工機の調整方法 - Google Patents
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Description
上記第一偏向器の偏向コイルの内径に対して上記第二偏向器の偏向コイルの内径が大きく、かつ、上記第二偏向器の偏向コイルの巻き数を上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数より少なくし、
上記第一偏向器及び第二偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧を同じとし、
上記第一偏向器の偏向コイルの内径をd1、巻き数をn1とし、上記第二偏向器の偏向コイルの内径をd2、巻き数をn2としたときに、
下記式(1)の関係を満たすようにしたことを特徴とする電子ビーム加工機。
0.8≦(n1・d1)/(n2・d2)≦1.2・・・式(1)
上記第一偏向器の偏向コイルの内径d1に対して上記第二偏向器の偏向コイルの内径d2が大きく、
上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数と上記第二偏向器のコイルの巻き数とを同じにし、
上記第一偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧をVom1、上記第二偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧をVom2とし、上記Vom1及びVom2が下記式(2)の関係を満たすようにしたものである。
Vom2/Vom1=d2/d1・・・式(2)
上記偏向電源の同じ出力電圧を与えた時の上記第一偏向器の偏向コイルのインダクタンスL1、上記第二偏向器の偏向コイルのインダクタンスL2と、同じ偏向角を偏向するのに必要な、上記第一偏向器の電流I1及び上記第二偏向器の電流I2と、上記第一偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧Vom1及び第二偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧Vom2とに、
下記式(3)の関係を有するものである。
Vom2/Vom1=(I2・L2)/(I1・L1)・・・式(3)
上記第一偏向器の目標偏向角θへの到達時間t1及び上記第二偏向器の上記目標偏向角θへの到達時間t2を計測し、
上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数をn1からn1・(t2/t1)または上記第二偏向器の偏向コイルの巻き数をn2からn2・(t1/t2)に調整するものである。
上記第一偏向器の偏向コイルのインダクタンスL1、上記第二偏向器の偏向コイルのインダクタンスL2、同じ偏向角を偏向するのに必要な、上記第一偏向器の電流I1及び上記第二偏向器の電流I2を測定し、
上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数をn1からn1・(I2・L2)/(I1・L1)または上記第二偏向器の偏向コイルの巻き数をn2からn2・(I1・L1)/(I2・L2)に調整するものである。
図1は、本発明に係る電子ビーム加工機の実施の形態1を示す構成図である。図1に示したように、本実施の形態1の電子ビーム加工機は、真空容器9内の被加工物であるワーク8上に照射する電子ビーム2を発生する電子銃1、電子ビーム2を集束させる集束レンズ3、集束レンズ3で集束された電子ビーム2を偏向するための偏向コイルを卷回してなる第一偏向器4及び第一偏向器4で偏向した電子ビームを偏向するための偏向コイルを卷回してなる第二偏向器5を備えている。また、偏向信号を発生する信号発生器7、偏向信号をもとに偏向電流を発生し偏向電流を第一偏向器4及び第二偏向器5の偏向コイルに供給する偏向電源6を備えている。
1段目の第一偏向器4と2段目の第二偏向器5の内径が異なる場合、コイル巻数が同じであれば、内径の大きな第二偏向器5のインダクタンスが大きくなる。偏向電源6の共通化のために、第一偏向器4と第二偏向器5の電源電圧は通常同一であり、インダクタンスの大きな第二偏向器5の偏向速度が遅くなるという問題がある。
図4は、偏向電源と偏向器の電気回路構成の例を示す図である。偏向電源は、定電流制御したOPアンプ回路で構成している。図4に示したように、OPアンプ11、入力抵抗12、フィードバック抵抗13、電流検出抵抗14を備え、偏向コイル15に出力電流Iを供給する。偏向コイル15のインダクタンスはLである。
Vom=L(dI/dt)+R・I
(Vom:出力電圧の最大値
R:電流検出抵抗14と偏向コイル15の合計の抵抗値)
dI/dt=Vom/L・・・式(4)
となる。
上記式(4)のように、電流立上り速度dI/dtは、出力電圧Voutの最大値Vomと偏向器のインダクタンスLで決まる。
図6は、第一偏向器4の断面の模式図である。図6に示したように、第一偏向器4は、偏向コイル15、偏向器コア22を備え、偏向磁場23を形成する。図中の矢印方向の電流Iにより、紙面に垂直な上向き方向に磁束が発生し電子ビーム2が偏向される。θは偏向角である。
図7は、第二偏向器5の断面の模式図であり、断面積が異なる以外は第一偏向器4の構成と同様であり、紙面に垂直な下向き方向に磁束が発生し電子ビーム2が偏向される。
偏向コイル15が発生する磁束密度Bは、下記式(5)〜式(8)より下記式(9)となる。
Vm=n・I・・・式(5)
Rm=(μ0・l)/S・・・式(6)
Φ=Vm/Rm・・・式(7)
B=Φ/S・・・式(8)
(Vm:偏向コイル起磁力
Rm:偏向器磁気回路の磁路抵抗(コア内の比透磁率が十分大きいため、空隙分 のみを考慮すればよい)
S:偏向器の空隙ギャップの磁路断面積
l:偏向器の空隙ギャップの磁路長
n:偏向コイルの巻数
I:偏向電流
μ0:空気の透磁率
Φ:磁束)
B=(n・I)/(μ0・l)・・・式(9)
θ∝(e・v・B・l)/v
=(e・n・I)/μ0・・・式(10)
(v:電子の速度(加速電圧で決まる)
e:電子の荷電価)
また、電気回路上で計算される偏向コイル15にたまるエネルギー(左辺)と磁場のエネルギー(右辺)とは等しいので、下記式(11)となる。
(1/2)・L・I2=(1/(2μ0))・B2・Vol・・・式(11)
(Vol:偏向器の空隙の磁束が通過する領域の体積)
また、Vol≒S・l・・・式(12)
と近似できる。
図8に示したように、偏向コイル15の内径φをdとすると、
S≒d2・・・式(13)
l≒d・・・式(14)
と近似できる。
また、偏向器の磁路抵抗である空隙の断面積Sは、幅は偏向器内径dと等しく、高さも磁束の広がりが偏向器内径d程度となるため、断面積=幅×高さとなり、S≒d2と近似できる。
L=(d・n2)/μ0 3・・・式(15)
θ=kθ・n・I・・・式(16)
L=kL・d・n2・・・式(17)
kθ:偏向器コア形状で決まるアンペアターンと偏向角の定数
kL:偏向器コア形状で決まるターン数とインダクタンスの定数
偏向角の目標値をθoとする。この偏向角に必要な偏向電流Ioは、下記式(18)で表される。
Io=θo/(kθ・n)・・・式(18)
dI/dt=Vom/L
=Vom/(kL・n2・d)・・・式(19)
to=θo/(dθ/dt)
=θo/(n・(dI/dt))
=(kL・θo・n・d)/(kθ・Vom)・・・式(20)
n1・d1=n2・d2・・・式(21)
0.8≦(n1・d1)/(n2・d2)≦1.2・・・式(22)
上述したように、第一偏向器4の偏向コイルの内径が第二偏向器5の偏向コイルの内径より小さい場合、コイルの巻数を同じにすると、第二偏向器5のインダクタンスが、第一偏向器4のインダクタンスより大きくなり、インダクタンスLが大きい第二偏向器5は偏向電流Iの応答が遅くなる。図9は、コイルの巻数を同じにした場合の第一偏向器4、第二偏向器5の偏向信号X1,X2、偏向電源6の出力電圧Vx1,Vx2、偏向電流Ix1,Ix2を示す図である。図10は、この時の電子ビーム偏向の過渡的変化を示す図であり、図11は、この時のワーク8上の電子ビーム軌跡25を示す図である。電子ビーム軌跡25は、始点26から目標点27を一度行き過ぎてから目標点27に戻るというオーバーシュートのある軌跡を描く。2段偏向の場合、深い溶け込みを狙い、大電力のビームを使用しているとオーバーシュートの電子ビーム軌跡25がワーク8上に残る、あるいは、熱容量の小さい部分があった場合には損傷を与えてしまうことがある。
第一偏向器4の偏向コイルの内径φが60mm、偏向コイル15の巻数が400T、インダクタンスLが5.2mHであり、第二偏向器5の偏向コイルの内径φが200mm、偏向コイル15の巻数が120T、インダクタンスLが1.48mHである。偏向器の詳細な構成は、後述する。
図15及び図16に示したように、偏向器コア22に8個の極P1〜極P8を有する。図中の巻線は偏向器コア22上部の渡り線のみを示している。
また、図15及び図16では、X軸偏向用巻線21XとY軸偏向用巻線21Yを分けて示したが、X軸偏向用巻線21XとY軸偏向用巻線21Yとが1つの偏向器コア22に重ねて巻線されている。
また、図9に示したように、偏向信号X1,X2は所定の偏向位置、偏向角度になるように予め計算されており、信号発生器7から発生される。
上記実施の形態1において示した偏向位置への到達時間toの式(20)を再録すると、その式(20)において、
to=(kL・θo・n・d)/(kθ・Vom)・・・式(20)
第二偏向器5の偏向コイルの内径dの大きさに比例して、偏向電源の最大出力電圧Vomを大きくすると、第二偏向器5の偏向コイルの巻き数が第一偏向器4の偏向コイルの巻き数と同じでも第二偏向器5による偏向位置への到達時間を第一偏向器4による偏向位置への到達時間と同じにすることができる。
すなわち、第一偏向器4及び第二偏向器5の偏向コイルの巻き数が同じで、第一偏向器4の偏向コイルの内径がd1、偏向電源の最大出力電圧Vom1で、第二偏向器5の偏向コイルの内径がd2、偏向電源6の最大出力電圧Vom2として、下記式(23)の関係を満たすように偏向電源6の最大出力電圧Vom1,Vom2を決めればよい。
Vom2/Vom1=d2/d1・・・式(23)
図17は、その時の第一偏向器4及び第二偏向器5の入力信号X1,X2、出力電圧Vx1,Vx2、偏向電流Ix1,Ix2の応答を示す図である。
図18は、本発明に係る電子ビーム加工機の実施の形態3を示す構成図である。図18に示したように、電子ビーム加工機の真空容器9内に組み込んだ第二偏向器5はこれらの偏向器周辺にある筐体や偏向器の固定具31等が鉄等の磁性体の場合、偏向器が発生した磁束32がそれらの磁性体へ流れ込んでしまう場合がある。
θ=kθ・n・I・・・式(16)
L=kL・n2・d・・・式(17)
において、kθ、kLの値が第一偏向器4と第二偏向器5で同じ値になる場合、nとdの関係を決めることができた。ここでは、第二偏向器5内の磁場分布が偏向器近傍の磁性材の影響を受け、kθ、kLが変わる場合について示す。
to=I・L/Vom・・・式(24)
t1=(I1・L1)/Vom・・・式(25)
t2=(I2・L2)/Vom・・・式(26)
巻き数n2及びコイル電流I2と巻き数n2x及びコイル電流I2xとでは同じ偏向角であるため、下記式(27)となる。
I2・n2=I2x・n2x・・・式(27)
したがって、I2xは下記式(28)となる。
I2x=(n2/n2x)・I2・・・式(28)
また、偏向器のインダクタンスは、巻き数の2乗に比例することから下記式(29)となる。
L2x=(n2x/n2)2・L2・・・式(29)
上記式(28)及び式(29)より、t2xは下記式(30)となる。
t2x=I2x・L2x/Vom
=(n2x/n2)・I2・L2/Vom
=(n2x/n2)・t2=t1・・・式(30)
したがって、n2xを下記式(31)または下記式(32)に調整すればよい。
n2x=n2・(t1/t2)・・・式(31)
n2x=n2・(I1・L1)/(I2・L2)・・・式(32)
第一偏向器4の偏向コイルの巻き数を400T、インダクタンス5mHとし、第二偏向器5の偏向コイルの巻き数を400T、インダクタンス20mH、第一偏向器4の偏向感度(偏向角/偏向電流)は15°/2Aであり、第二偏向器5の偏向感度は15°/2.1Aであった。偏向電源6の最大出力電圧はともに24Vである。
この場合の計測結果は、第一偏向器4の偏向角15°への到達時間が0.42ms、第二偏向器5の偏向角15°への到達時間が1.75msであった。
t1=(I1・L1)/Vom1・・・式(33)
t2=(I2・L2)/Vom2・・・式(34)
t1=t2より
Vom2/Vom1=(I2・L2)/(I1・L1)・・・式(35)
6 偏向電源、7 信号発生器、8 ワーク、9 真空容器、15 偏向コイル、
22 偏向器コア、23 偏向磁場、25 電子ビーム軌跡、31 固定具、
32 磁束。
Claims (5)
- 被加工物であるワーク上に照射する電子ビームを発生する電子銃、上記電子ビームを集束させる集束レンズ、上記集束レンズで集束された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第一偏向器及び上記第一偏向器で偏向された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第二偏向器、偏向信号を発生する信号発生器、上記偏向信号をもとに偏向電流を発生し、該偏向電流を上記第一偏向器及び第二偏向器の偏向コイルに流す偏向電源を備えた電子ビーム加工機において、
上記第一偏向器の偏向コイルの内径に対して上記第二偏向器の偏向コイルの内径が大きく、かつ、上記第二偏向器の偏向コイルの巻き数を上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数より少なくし、
上記第一偏向器及び第二偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧を同じとし、
上記第一偏向器の偏向コイルの内径をd1、巻き数をn1とし、上記第二偏向器の偏向コイルの内径をd2、巻き数をn2としたときに、
下記式(1)の関係を満たすようにしたことを特徴とする電子ビーム加工機。
0.8≦(n1・d1)/(n2・d2)≦1.2・・・式(1) - 被加工物であるワーク上に照射する電子ビームを発生する電子銃、上記電子ビームを集束させる集束レンズ、上記集束レンズで集束された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第一偏向器及び上記第一偏向器で偏向された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第二偏向器、偏向信号を発生する信号発生器、上記偏向信号をもとに偏向電流を発生し、該偏向電流を上記第一偏向器及び第二偏向器の偏向コイルに流す偏向電源を備えた電子ビーム加工機において、
上記第一偏向器の偏向コイルの内径d1に対して上記第二偏向器の偏向コイルの内径d2が大きく、
上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数と上記第二偏向器の偏向コイルの巻き数とを同じにし、
上記第一偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧をVom1、上記第二偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧をVom2とし、上記Vom1及びVom2が下記式(2)の関係を満たすようにしたことを特徴とする電子ビーム加工機。
Vom2/Vom1=d2/d1・・・式(2) - 被加工物であるワーク上に照射する電子ビームを発生する電子銃、上記電子ビームを集束させる集束レンズ、上記集束レンズで集束された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第一偏向器及び上記第一偏向器で偏向された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第二偏向器、偏向信号を発生する信号発生器、上記偏向信号をもとに偏向電流を発生し、該偏向電流を上記第一偏向器及び第二偏向器の偏向コイルに流す偏向電源を備え、上記第一偏向器の偏向コイルの内径に対して上記第二偏向器の偏向コイルの内径が大きい電子ビーム加工機において、
上記偏向電源の同じ出力電圧を与えた時の上記第一偏向器の偏向コイルのインダクタンスL1、上記第二偏向器の偏向コイルのインダクタンスL2と、同じ偏向角を偏向するのに必要な、上記第一偏向器の電流I1及び上記第二偏向器の電流I2と、上記第一偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧Vom1及び第二偏向器に対する上記偏向電源の最大出力電圧Vom2とに、
下記式(3)の関係を有することを特徴とする電子ビーム加工機。
Vom2/Vom1=(I2・L2)/(I1・L1)・・・式(3) - 被加工物であるワーク上に照射する電子ビームを発生する電子銃、上記電子ビームを集束させる集束レンズ、上記集束レンズで集束された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第一偏向器及び上記第一偏向器で偏向された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第二偏向器、偏向信号を発生する信号発生器、上記偏向信号をもとに偏向電流を発生し、該偏向電流を上記第一偏向器及び第二偏向器の偏向コイルに流す偏向電源を備え、上記第一偏向器の偏向コルの内径に対して上記第二偏向器の偏向コイルの内径が大きく、上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数をn1とし、上記第二偏向器の偏向コイルの巻き数をn2とした電子ビーム加工機において、
上記第一偏向器の目標偏向角θへの到達時間t1及び上記第二偏向器の上記目標偏向角θへの到達時間t2を計測し、
上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数をn1からn1・(t2/t1)または上記第二偏向器の偏向コイルの巻き数をn2からn2・(t1/t2)に調整することを特徴とする電子ビーム加工機の調整方法。 - 被加工物であるワーク上に照射する電子ビームを発生する電子銃、上記電子ビームを集束させる集束レンズ、上記集束レンズで集束された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第一偏向器及び上記第一偏向器で偏向された電子ビームを少なくとも一軸方向に偏向するための偏向コイルを卷回してなる第二偏向器、偏向信号を発生する信号発生器、上記偏向信号をもとに偏向電流を発生し、該偏向電流を上記第一偏向器及び第二偏向器の偏向コイルに流す偏向電源を備え、上記第一偏向器の偏向コイルの内径に対して上記第二偏向器の偏向コイルの内径が大きく、上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数をn1とし、上記第二偏向器の偏向コイルの巻き数をn2とした電子ビーム加工機において、
上記第一偏向器の偏向コイルのインダクタンスL1、上記第二偏向器の偏向コイルのインダクタンスL2、同じ偏向角を偏向するのに必要な、上記第一偏向器の電流I1及び上記第二偏向器の電流I2を測定し、
上記第一偏向器の偏向コイルの巻き数をn1からn1・(I2・L2)/(I1・L1)または上記第二偏向器の偏向コイルの巻き数をn2からn2・(I1・L1)/(I2・L2)に調整することを特徴とする電子ビーム加工機の調整方法。
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