JPH06203777A - 電子ビーム光軸調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 電子ビーム照射装置の被照射面における電子
ビームの光軸ないしは焦点を調整する装置であって、上
記照射面のビームスポットを撮像するテレビジョンカメ
ラ８と、このテレビジョンカメラ８で撮像された画像を
評価する画像処理装置９と、この画像処理装置９からの
データに応じて、電子ビームの初期偏向量及び焦点距離
をそれぞれ制御する制御装置10とからなる。 【効果】 従来手動で行われていた電子ビームの光軸調
整を自動化でき、ひいては安定した電子ビーム照射操業
を、精度よく行うことができるようになった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電子ビーム照射装置
に付随して配置しようとする電子ビーム光軸調整装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、高密度のエネルギー源として電子
ビームの応用分野が拡大している。すなわち微細な切
断、溶接などの工作、加熱による表面改質等で新しい試
みが行われている。高密度エネルギー源としては、他
に、レーザー照射、プラズマ照射又はメカニカルな手法
があるが、これらの手法に比して電子ビーム照射は、高
真空を利用しなればならないハンディーはあるものの、
照射面積が小さく、しかも照射対象物の厚み方向へ深く
ビームを進入させることができること、また電子ビーム
の走査、揺動が容易で照射作業の高速化が可能であり大
型の工業材料に適用できること、さらに熱効率が良い
等、多数の利点がある。

【０００３】電子ビーム照射を行うための電子ビーム照
射装置の一例は、図２に示すように、電子を放出するフ
ィラメント１ａ、放出された熱電子をコントロールする
グリッド１ｂ、放出された電子を加速するための陽極１
ｃからなる電子銃１と、電磁レンズ２と、偏向コイル３
とをそなえ、電子銃１より射出された電子ビームは、電
磁レンズ２により被照射材４上に集束されるとともに、
偏向コイル３により集束された電子ビームの進行方向を
変化させ所定領域への走査を行う。

【０００４】このような電子ビーム照射法において、電
磁レンズ（集束コイル）に印加する電流が一定の場合に
は、被処理材表面でのビーム強度は、走査方向の中央部
で強く、両端部で弱くなってしまう。この問題を解消す
るものとして特開平２-118022 号公報に、電子ビームの
照射領域が変わっても常に同等のビーム強度となるうよ
うにビームの焦点距離を適宜補正しながら鋼板の板幅方
向にわたる照射を行う方法が提案されている。またこの
技術の改良として特開平４-39852号公報では、電子銃の
直下における基板のビーム照射域を起点にしてその両側
域へそれぞれ個別制御によってビームの焦点距離を修正
しつつ電子ビームを走査することが提案されている。

【０００５】このように電子ビームの照射方法に関して
改良が進められ、効果的な電子ビーム照射が達成されつ
つあるが、電子ビームを被照射材の所定領域にわたって
走査させる以前の初期状態において、電子ビームの焦点
距離とアライメント（光軸）とが正常であることが、そ
の前提条件として必須である。電子ビーム照射の良、不
良は、ビームの形状とエネルギー密度に多くを依存して
いるから、かかる電子ビームの光学系が正常でない場合
には、満足できる製品が得られない。

【０００６】ここに、電子ビーム照射装置におけるフィ
ラメントは消耗品であり、安定した操業のためには150
時間程度の周期で定期的に交換する必要があるわけであ
るが、そのたびに電子ビームの焦点距離及びアライメン
トの調整を行うことが必要である。

【０００７】従来、電子ビームの焦点距離及びアライメ
ントの調整は、作業員により被処理材に照射された電子
ビームをモニタしつつ、偏向コイルのアライメント電流
及び電磁レンズのフォーカス電流を試行錯誤的に変更し
て行うものであった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来行われていた作業
員による手動調整では、操作が全て試行錯誤的なマニュ
アル操作であるため、調整に時間を要する。具体的には
１回あたり５分程度がかかる。しかも１回の調整のたび
に精度が異なる可能性があり、被照射材の品質にばらつ
きを生じていた。また、電子ビーム照射処理の作業能率
を向上させるために１つの被処理材に対して複数台の電
子ビームを設置した設備においては、この設置した電子
ビームの台数に比例して、調整時間が倍加し、処理設備
の稼働時間を阻害してしまう。したがって、従来の方法
では、被照射材の品質のみならず、生産効率の面からも
問題を残していた。

【０００９】上述の問題を有利に解決すべく、従来知ら
れていなかった電子ビームの光軸および焦点を調整する
装置を新たに提案することが、この発明の目的である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、電子ビーム
照射装置の被照射面における電子ビームの光軸および焦
点を調整する装置であって、上記照射面のビームスポッ
トを撮像するテレビジョンカメラと、このテレビジョン
カメラで撮像された画像を評価する画像処理装置と、こ
の画像処理装置からのデータに応じて、電子ビームの初
期偏向量及び焦点距離をそれぞれ制御する制御装置とか
らなる電子ビーム光軸調整装置である。

【００１１】

【作用】図３に示す模式図を用いて、電子ビームのアラ
イメントが正常である状態と、異常である状態とを説明
する。まず図３(a) に示すように、ビーム光軸が電磁レ
ンズの主軸と一致している、ビームアライメントが正常
な場合は、フォーカス電流を変化させて電磁レンズの焦
点を前後に変化させた場合、ビームスポットは同心円状
に変化する。

【００１２】これに対して、図３(b) に示すように、フ
ィラメント１ａの取り付けずれによってビームアライメ
ントが正常ではない場合には、フォーカス電流の変化に
よる電子ビームの焦点変化に応じてビームスポットは斜
めに変化する。このような状態で電子ビームの照射を施
すと、被照射材上でのビームのエネルギー密度が低くな
る。しかも走査させる範囲の両端域ではエネルギー密度
が異なるから、結局のところ製品の品質低下が免れな
い。

【００１３】正常でないビームアライメントの調整は、
図２に示したような偏向コイル３に対するアライメント
電流５を変更し、ビーム光軸を電磁レンズ２の主軸と一
致させるような調整を行うものである。かかる調整を従
来、電子ビームを被照射材４に照射している状態で、観
察顕微鏡を用いて、この被照射材４上のビームのモニタ
像６を作業員が目視で確認しながらフォーカス電流７を
変化させて、ビームスポットの変動状態が同心円状にな
るまで、アライメント電流を試行錯誤的に少しずつ変更
することにより行われていた。かかる調整法を図４にフ
ローチャートで示す。このような従来の方法では、被照
射材の品質のみならず、生産効率の面からも問題があっ
たのは先に述べたとおりである。

【００１４】そこでこの発明の、照射面のビームスポッ
トを撮像するテレビジョンカメラと、このテレビジョン
カメラで撮像された画像を評価する画像処理装置と、こ
の画像処理装置からのデータに応じて、電子ビームの初
期偏向量及び焦点距離をそれぞれ制御する制御装置とか
らなる電子ビーム光軸調整装置を用いれば、電子ビーム
の焦点と光軸とを自動調整できるようになるため、調整
時間が短縮でき、また調整精度を高めることができ、か
つ作業員の熟練度に依存せず、安定した精度が得られ
る。さらに、電子ビーム照射装置を複数台配置した設備
においても、各照射装置の調整時間の短縮に伴い、生産
効率が向上するのである。

【００１５】

【実施例】図１に、この発明の電子ビーム光軸調整装置
をそなえる電子ビーム照射装置を模式的に示す。電子ビ
ーム光軸調整装置は、テレビジョンカメラ８と、画像処
理装置９と、ビーム制御装置10からなる。なお、図中番
号11は、かかる調整作業を監視するためのモニタであ
る。

【００１６】さて、かかる光軸調整装置を用いた電子ビ
ームの光軸調整要領は、次のとおりである。 まず、電子ビームを被照射材４上に照射する。 次いで、ビーム制御装置10により、フォーカス電流７
を増減させ、上記被照射材４上で電子ビームの焦点が合
った状態と合わない状態とを繰り返すようにする。 被照射材４上での電子ビームのビームスポットを、テ
レビジョンカメラ８により逐次撮像し、この画像信号を
画像処理装置９に導いて、上記焦点の変動によるビーム
スポットの変化を判断する。すなわち、フォーカス電流
７増減時のビームスポット変化を画像処理装置９で判定
して、同心円状の変化でない場合には、アライメント電
流５を微小変化させる指令をビーム制御装置10に出力す
る。このビーム制御装置10は、上記指令に従って、アラ
イメント電流５を変更することで偏向レンズ３を用いた
電子ビーム光軸の修正を行う。

【００１７】電子ビームを修正後の光軸が正常かどう
かを調べるために、再度，の手順を行う。 このようにして、上記，の手順を、フォーカス電
流７の変化によるビームスポットの変化が同心円状にな
ったと画像処理装置９が判断するまで繰り返し行う。ビ
ームスポットの変化が同心円状になった場合が、ビーム
光軸が電磁レンズ２の主軸と一致するようになった場合
であるから、アライメント電流の修正を終えて、アライ
メント調整完了とする。

【００１８】アライメント調整完了後、再度ビーム調
整装置10により、フォーカス電流７を増減させ、被照射
材４上のビームスポットをテレビジョンカメラ８により
逐次撮像し、この画像信号を画像処理装置９に導いて、
ビームスポットの輝度が最大になったと画像処理装置９
が判断した時のフォーカス電流値に、ビーム調整装置10
によりフォーカス電流７を固定する。ビームスポットの
輝度が最大になった場合にビームの焦点が被照射材４上
にあるから、これで焦点調整完了とする。

【００１９】以上の操作により定められたアライメント
電流値、フォーカス電流値が以降の照射操業における基
準値となる。なおアライメント調整が不要で、単に焦点
調整のみを行う場合には、上記の手順を行えばよい。

【００２０】このように、この発明に従う光軸調整装置
によって、電子ビームの焦点及びアライメントを全自動
で行うことができる。従来、作業員により５分程度を要
していた電子ビームの調整を、10秒程度と格段に短時間
で行うことができた。

【００２１】なお、実施例においては、偏向コイルの制
御電流で光軸を調整する例を説明したが、この発明で
は、この例に限定されず、例えば、偏向用コイルとは別
の光軸移動手段を設けた場合には、かかる光軸移動手段
の操作により調整してもよい。また光軸と焦点を同時に
調整する例について説明したが、電子ビーム照射装置の
構成や使用状態によってはいずれか一方のみの調整にお
いても有効に機能することはもちろんである。

【００２２】

【発明の効果】この発明によれば、従来手動で行われて
いた電子ビームの光軸調整を自動化でき、ひいては安定
した電子ビーム照射操業を、精度よく行うことができる
ようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の電子ビーム光軸調整装置をそなえる
電子ビーム照射装置の模式図である。

【図２】電子ビーム照射を行うための電子ビーム照射装
置の一例を示す模式図である。

【図３】電子ビームのアライメントが正常である状態
と、異常である状態とを説明するための模式図である。

【図４】従来の電子ビーム調整法をしめすフローチャー
トである。

【符号の説明】

１ 電子銃 １ａ フィラメント １ｂ グリッド １ｃ 陽極 ２ 電磁レンズ ３ 偏向コイル ４ 被照射材 ５ アライメント電流 ６ モニタ像 ７ フォーカス電流 ８ テレビジョンカメラ ９ 画像処理装置 10 ビーム制御装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビーム照射装置の被照射面における
   電子ビームの光軸および焦点を調整する装置であって、
   上記照射面のビームスポットを撮像するテレビジョンカ
   メラと、このテレビジョンカメラで撮像された画像を評
   価する画像処理装置と、この画像処理装置からのデータ
   に応じて、電子ビームの初期偏向量及び焦点距離をそれ
   ぞれ制御する制御装置とからなる電子ビーム光軸調整装
   置。