(57)【要約】【課題】アライメントの精度や信頼性などを向上させることができ、また、製造原価のコストダウンを図ることができる電子ビーム加工装置及び電子ビーム加工方法、並びに、電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法の提供を目的とする。【解決手段】電子ビーム溶接装置１は、電子銃２と、集束コイル４と、アライメントコイル３１、デジタル観測光学系３２、デジタル画像処理コントローラ３３及び情報処理装置３４を有するアライメント制御手段３とを備え、情報処理装置３４が、アッパーフォーカス状態とロアーフォーカス状態で電子ビームをターゲット１０に照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、アライメントコイル３１に、アライメント制御信号を出力する。【選択図】  図１
2010125467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを放出する電子銃と、
前記電子ビームを集束する集束コイルと、
前記集束コイルの中心に前記電子ビームを入射させるためのアライメント手段、前記電子ビームの照射画像を観測するデジタル観測光学系、前記デジタル観測光学系からの画像データを処理する画像処理部、並びに、前記画像処理部からの処理データにもとづいて、前記電子銃、前記集束コイル及び前記アライメント手段を制御する制御部を有するアライメント制御手段と
を備え、
前記アライメント制御手段の前記制御部が、前記電子銃及び前記集束コイルを制御し、所定のフォーカスの異なる状態で前記電子ビームをターゲットに照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、前記アライメント手段に、アライメント制御信号を出力することを特徴とする電子ビーム加工装置。
【請求項２】
前記所定のフォーカスの異なる状態が、アッパーフォーカス状態とロアーフォーカス状態であることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム加工装置。
【請求項３】
前記アライメント手段が、アライメントコイルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子ビーム加工装置。
【請求項４】
前記デジタル観測光学系が、ＣＣＤカメラと一つ以上の反射鏡を有し、前記反射鏡が、前記電子銃と前記集束コイルとの間に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子ビーム加工装置。
【請求項５】
電子銃が電子ビームを放出し、
集束コイルの中心に前記電子ビームを入射させるためのアライメント手段と、前記電子ビームの照射画像を観測するデジタル観測光学系と、前記デジタル観測光学系からの画像データを処理する画像処理部と、前記画像処理部からの処理データにもとづいて、前記電子銃、前記集束コイル及び前記アライメント手段を制御する制御部とを有するアライメント制御手段が、前記集束コイルの中心に前記電子ビームを入射させ、
前記集束コイルが前記電子ビームを集束することにより、加工を行う電子ビーム加工方法において、
前記アライメント制御手段の前記制御部が、前記電子銃及び前記集束コイルを制御し、所定のフォーカスの異なる状態で前記電子ビームをターゲットに照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、前記アライメント手段に、アライメント制御信号を出力することを特徴とする電子ビーム加工方法。
【請求項６】
前記所定のフォーカスの異なる状態が、アッパーフォーカス状態とロアーフォーカス状態であることを特徴とする請求項５に記載の電子ビーム加工方法。
【請求項７】
電子ビームを放出する電子銃と、
前記電子ビームを集束する集束コイルと、
前記集束コイルの中心に前記電子ビームを入射させるためのアライメント手段、前記電子ビームの照射画像を観測するデジタル観測光学系、前記デジタル観測光学系からの画像データを処理する画像処理部、並びに、前記画像処理部からの処理データにもとづいて、前記電子銃、前記集束コイル及び前記アライメント手段を制御する制御部を有するアライメント制御手段と
を備え、
前記アライメント制御手段の前記制御部が、前記電子銃及び前記集束コイルを制御し、所定のフォーカスの異なる状態で前記電子ビームをターゲットに照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、前記アライメント手段に、アライメント制御信号を出力することを特徴とする電子ビーム照射装置。
【請求項８】
前記所定のフォーカスの異なる状態が、アッパーフォーカス状態とロアーフォーカス状態であることを特徴とする請求項７に記載の電子ビーム照射装置。
【請求項９】
電子銃が電子ビームを放出し、
集束コイルの中心に前記電子ビームを入射させるためのアライメント手段と、前記電子ビームの照射画像を観測するデジタル観測光学系と、前記デジタル観測光学系からの画像データを処理する画像処理部と、前記画像処理部からの処理データにもとづいて、前記電子銃、前記集束コイル及び前記アライメント手段を制御する制御部とを有するアライメント制御手段が、前記集束コイルの中心に前記電子ビームを入射させ、
前記集束コイルが前記電子ビームを集束することにより、前記電子ビームを照射する電子ビーム照射方法において、
前記アライメント制御手段の前記制御部が、前記電子銃及び前記集束コイルを制御し、所定のフォーカスの異なる状態で前記電子ビームをターゲットに照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、前記アライメント手段に、アライメント制御信号を出力することを特徴とする電子ビーム照射方法。
【請求項１０】
前記所定のフォーカスの異なる状態が、アッパーフォーカス状態とロアーフォーカス状態であることを特徴とする請求項９に記載の電子ビーム照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビーム加工装置及び電子ビーム加工方法、並びに、電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム加工は、電子銃から放出された電子ビームを集束コイルで集束し、母材に衝突させることにより、電子の衝突エネルギーを利用して、溶接、局所焼入れ、表面改質、又は、溶断等の加工を行う方法である。
これらの加工うちの一つである電子ビーム溶接は、ビードが細く、入熱、歪みが少ないので、精密加工に適しており、また、ビーム出力範囲が広く、微細溶接から厚板貫通溶接まで幅広く対応することができる。さらに、非鉄金属(銅、アルミニウム等)の溶接、高融点の金属(タングステン、ニオブ、タンタル等)の溶接、異種金属材料どうし（銅とステンレス等）の溶接なども可能である。
【０００３】
ところで、電子ビーム溶接においては、たとえば、電子銃のフィラメントを交換した際や定期点検などの際に、アライメント（ビームアライメントや軸合わせとも呼称される。）を行う必要がある。ここで、アライメントとは、電子ビームを電子銃とターゲットとの間に設けられた一又は二以上のレンズコイルの中心を通過させるための補正をいう。
このアライメントを行わないで電子ビーム溶接を行うと、レンズコイルのフォーカスによって電子ビームの照射位置が変化するとともに、ビームプロファイルが不均一となるので、溶接品質の低下を招くこととなる。
【０００４】
（従来の技術）
従来、上記のアライメントは、作業者が集束コイルの電流を変化させ、電子ビームのずれを観測光学系によって目視により確認し、手動でアライメントコイルの電圧を調節するといった、一サイクルの作業を繰り返すことによって行われてきた。すなわち、作業者は、ジャストフォーカス状態（電子ビームの焦点をターゲットの表面に合わせた状態）のビーム照射位置とロアーフォーカス状態（ジャストフォーカスよりも焦点が下にある状態）のビーム照射位置とが一致するように、調整作業を繰り返し、これらのビーム照射位置をほぼ一致させることが、主な基準（調整合格の基準）となっていた。
【０００５】
ただし、上述した作業者によるアライメントは、作業者の経験や感覚に大きく左右される場合があった。すなわち、電子ビームのずれによる微細な変化を肉眼でとらえ、正確な調整を行うには、作業者の経験が必要であった。そして、作業者ごとに調整合格の基準が異なるために、アライメントを行った作業者によって、溶接品質が異なる場合があった。
このため、作業者による溶接品質の差をなくし、安定した溶接品質を提供するという観点から、自動化することが要望されており、この要望に応えるための技術や本発明に関連する技術が、様々開発されてきた。
【０００６】
たとえば、特許文献１には、電子ビーム溶接機のビームアライメントを自動的に調整する方法の技術が開示されている。
この技術では、電子ビーム照射位置と試験片継目位置との位置ずれを、収束コイルに流す直流電流の極性が正であるときと負であるときについて、かつ、試験片継目の方向がＸ軸方向と一致する場合とＹ軸方向と一致する場合との両方について、計測する。そして、計測した位置ずれを零にする電流値を計算し、この電流値をアライメントコイルに流し、ビームアライメントを調整する。また、電子ビーム溶接機は、反射電子、二次電子又はＸ線などの二次エネルギーを検出するコレクタを有する位置ずれ検出装置を備えている。
この電子ビーム溶接機は、幾何光学的中心と実際の電子ビームの照射位置とを簡単かつ高精度に合わせることができる。
【０００７】
また、特許文献２には、電子ビーム溶接機の自動設定機構の技術が開示されている。
この電子ビーム溶接機は、電子ビームガンを挟んで設けられた２台のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）カメラと、画像処理部、演算装置、変換器及びＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔｏｒｏｌ）制御装置を備えている。また、２台のＣＣＤカメラにより得られた平面的な情報を、２点視差法により立体的な情報に変換し、この情報にもとづいて自動的にワークディスタンスを設定し、ビーム角度を調整することができる。
【０００８】
また、電子ビームの照射に関しても、様々な技術が開発されてきた。
たとえば、特許文献３には、電子銃より出射した電子ビームにより被加工物を加工する加工装置における加工用電子銃の昇圧方法の技術が開示されている。
この技術は、被加工物の電子ビーム照射面に蛍光膜を塗布し、電子ビーム照射中の蛍光膜の状態を観察し、発生した蛍光パターンに応じて電子銃の昇圧パターンを切り替ることを特徴とし、発生したマイクロアーキングに応じた適切な制御を行うことにより、被加工物に不要な欠陥が生じることを防止することができる。
【０００９】
また、特許文献４には、電子ビームの軸調整（アライメント）を容易に行うことができる走査電子顕微鏡及び走査電子顕微鏡の制御方法並びに電子ビームの軸調整方法の技術が開示されている。
この技術は、電子ビーム源と、電子ビーム源から放出された電子ビームが通過する開口部を有し、該開口部の後方に配置された試料上に電子ビームを集束させる対物レンズと、電子ビームの軸を調整する軸調整手段と、電子ビームを走査する走査コイルと、対物レンズの該開口部より前方に位置する検出器と、対物レンズの開口部を電子ビームにより走査し、これにより検出される像にもとづいて軸調整手段を制御するための制御手段とが備えられている。また、上記の検出器は、２次電子等の被検出電子を検出する。
【００１０】
【特許文献１】特開昭６０−０９２０８９号公報
【特許文献２】特開平０３−１６１１７９号公報
【特許文献３】特開平０８−２９４７８２号公報
【特許文献４】特開２００５−１７４８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載された電子ビーム溶接機のビームアライメントを自動的に調整する方法の技術は、コレクタや位置ずれ検出装置などを設ける必要があり、製造原価のコストダウンを図ることができないといった問題があった。
さらに、継目を有する試験片を移動させて、位置ずれを計測する必要があり、計測の手順や動作などが複雑であった。一般的に、信頼性の要求されるアライメントの手順や動作などは、単純であるほうが好ましい傾向にあり、これらが複雑であることは、アライメントの精度や信頼性を低下させる可能性が高くなるといった問題があった。
【００１２】
また、特許文献２に記載された電子ビーム溶接機の自動設定機構の技術は、２台のＣＣＤカメラを必要とし、また、各ＣＣＤカメラの中心線が電子ビームガンの中心軸に対して任意の角度だけずれる線上の任意の位置に、各カメラを設ける必要があり、製造原価のコストダウンを図ることができないといった問題があった。
さらに、ビーム点から各ＣＣＤカメラの中心線までの距離を計算し、２点視差法により演算する必要があり、計測の手順や動作などが複雑であった。したがって、上述したように、アライメントの精度や信頼性を低下させる可能性が高くなるといった問題があった。
【００１３】
また、上述した手動によるアライメント作業を自動化しようとしても、様々な不具合や問題などがあった。
すなわち、フォーカスによるビーム焦点位置の変更によってエネルギーの密度と発光の輝度が変化する。たとえば、ジャストフォーカスでは高密度かつ高輝度となり、ロアーフォーカスでは低密度かつ低輝度となる。したがって、自動化するためには、カメラを用いてそれぞれ相反する状態のビーム照射位置を正確に検出する必要があった。このためには、カメラの感度又はレンズの絞りを変化させる必要があり、特に、ジャストフォーカスの場合は、ハレーションを起こしやすくビーム照射位置が正確に測りづらくなるため、カメラの感度等の調整を厳密にしなければならないといった不具合があった。
【００１４】
また、ジャストフォーカスの状態は、溶接に用いるような高密度の状態であるため、アライメント用のターゲットを融解させたり、変形させたりして、電子ビームによる発光が歪んでしまい、正確なビーム照射位置の測定ができなくなってしまうといった問題があった。
さらに、必然的に、複数回、ジャストフォーカスの状態で電子ビームが、ターゲットに照射される。このジャストフォーカスの状態は一点に電子ビームが集束するためターゲットを損傷しやすく、高価な金属（たとえば、タングステン）からなるビームアライメント用のターゲットの寿命を早めてしまうといった問題もあった。
【００１５】
また、特許文献３に記載された加工用電子銃の昇圧方法の技術は、被加工物に蛍光膜を塗布し、一台のＣＣＤカメラを用いて電子ビーム照射中の蛍光膜の状態を観察し、発生した蛍光パターンに応じて電子銃の昇圧パターンを切り替ることを特徴としているものの、本発明の課題を解決することはできない。
【００１６】
また、特許文献４に記載された電子ビームの軸調整（アライメント）を容易に行うことができる走査電子顕微鏡の技術は、二次電子線を検出する検出器などを設ける必要があり、製造原価のコストダウンを図ることができないといった問題があった。
さらに、走査電子顕微鏡は、電子ビーム電流出力がμＡレベルであるのに対し、電子ビーム溶接機における電子ビーム電流出力がｍＡレベルであり、また、構成などが異なっており、本発明の課題を解決することはできない。
【００１７】
本発明は、以上のような問題を解決するために提案されたものであり、アライメントの精度や信頼性などを向上させることができ、また、製造原価のコストダウンを図ることができる電子ビーム加工装置及び電子ビーム加工方法、並びに、電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明の電子ビーム加工装置は、電子ビームを放出する電子銃と、電子ビームを集束する集束コイルと、集束コイルの中心に電子ビームを入射させるためのアライメント手段、電子ビームの照射画像を観測するデジタル観測光学系、デジタル観測光学系からの画像データを処理する画像処理部、並びに、画像処理部からの処理データにもとづいて、電子銃、集束コイル及びアライメント手段を制御する制御部を有するアライメント制御手段とを備え、アライメント制御手段の制御部が、電子銃及び集束コイルを制御し、所定のフォーカスの異なる状態で電子ビームをターゲットに照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、アライメント手段に、アライメント制御信号を出力する構成としてある。
【００１９】
また、本発明の電子ビーム加工方法は、電子銃が電子ビームを放出し、集束コイルの中心に電子ビームを入射させるためのアライメント手段、電子ビームの照射画像を観測するデジタル観測光学系、デジタル観測光学系からの画像データを処理する画像処理部、並びに、画像処理部からの処理データにもとづいて、電子銃、集束コイル及びアライメント手段を制御する制御部を有するアライメント制御手段が、集束コイルの中心に電子ビームを入射させ、集束コイルが電子ビームを集束することにより、加工を行う電子ビーム加工方法において、アライメント制御手段の制御部が、電子銃及び集束コイルを制御し、所定のフォーカスの異なる状態で電子ビームをターゲットに照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、アライメント手段に、アライメント制御信号を出力する方法としてある。
【００２０】
また、本発明の電子ビーム照射装置は、電子ビームを放出する電子銃と、電子ビームを集束する集束コイルと、集束コイルの中心に電子ビームを入射させるためのアライメント手段、電子ビームの照射画像を観測するデジタル観測光学系、デジタル観測光学系からの画像データを処理する画像処理部、並びに、画像処理部からの処理データにもとづいて、電子銃、集束コイル及びアライメント手段を制御する制御部を有するアライメント制御手段とを備え、アライメント制御手段の制御部が、電子銃及び集束コイルを制御し、所定のフォーカスの異なる状態で電子ビームをターゲットに照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、アライメント手段に、アライメント制御信号を出力する構成としてある。
【００２１】
また、本発明の電子ビーム照射方法は、電子銃が電子ビームを放出し、集束コイルの中心に電子ビームを入射させるためのアライメント手段、電子ビームの照射画像を観測するデジタル観測光学系、デジタル観測光学系からの画像データを処理する画像処理部、並びに、画像処理部からの処理データにもとづいて、電子銃、集束コイル及びアライメント手段を制御する制御部を有するアライメント制御手段が、集束コイルの中心に電子ビームを入射させ、集束コイルが電子ビームを集束することにより、電子ビームを照射する電子ビーム照射方法において、アライメント制御手段の制御部が、電子銃及び集束コイルを制御し、所定のフォーカスの異なる状態で電子ビームをターゲットに照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、アライメント手段に、アライメント制御信号を出力する方法としてある。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電子ビーム加工装置及び電子ビーム加工方法、並びに、電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法によれば、アライメントの精度や信頼性などを向上させることができ、また、電子ビーム加工装置や電子ビーム照射装置の製造原価のコストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［電子ビーム加工装置及び電子ビーム加工方法の一実施形態］
図１は、本発明の一実施形態にかかる電子ビーム溶接装置の概略ブロック図を示している。
図１において、本実施形態の電子ビーム加工装置としての、電子ビーム溶接装置１は、電子銃２、アライメント制御手段３、集束コイル４及び偏向コイル５などを備えている。また、電子銃２、アライメント制御手段３のアライメントコイル３１、集束コイル４及び偏向コイル５は、この順番で、かつ、それぞれの中心軸が一致するように、配設されている。
また、図１においては、真空用の筐体やワーク用移動手段（通常、Ｘ−Ｙテーブル）などを省略してある。
【００２４】
（電子銃）
電子銃２は、フィラメントやアノードなどを備えており、高圧電源２１と接続されている。また、高圧電源２１は、情報処理装置３４と接続されている。この電子銃２は、情報処理装置３４によって制御され、所定の電流量の電子を、所定のエネルギーを有する電子ビームとして放出する。
ここで、電子銃２は、通常、フィラメントが交換されると、電子ビームの放出角度が変化する。したがって、フィラメントが交換されると、上述したように、アライメントを行う必要がある。
【００２５】
（アライメント制御手段）
アライメント制御手段３は、アライメントコイル３１、デジタル観測光学系３２、デジタル画像処理コントローラ３３及び情報処理装置３４などを有している。
アライメントコイル３１は、アライメントを行うための偏向コイルであり、通常、二組のコイルがセットになっており、二次元的な偏向によってアライメントを行うことができる。このアライメントコイル３１は、情報処理装置３４と接続されており、情報処理装置３４によって制御される。
なお、本実施形態では、集束コイル４の中心に電子ビームを入射させるためのアライメント手段として、アライメントコイル３１を用いている。ただし、これに限定されるものではなく、たとえば、電子銃２や集束コイル４の取付け位置を修正するための機器を用いることによっても、アライメントを行うことができる。
【００２６】
デジタル観測光学系３２は、反射鏡３２１、３２２及び一つのＣＣＤカメラ３２３を有しており、ターゲット１０の表面に照射された電子ビームの照射画像（可視光）を観測する。また、反射鏡３２１、３２２は、電子ビームが当たらない位置に設けられる。このように、一つのＣＣＤカメラ３２３（このＣＣＤカメラは、市販品であり廉価である。）を有する構成としてあるので、上述した特許文献１や特許文献２の技術と比べると、製造原価のコストダウンを図ることができる。また、デジタル観測光学系３２は、撮像可能に取り付けられていればよく、たとえば、特許文献２の技術と比べると、取付け精度などの影響を受けないので、アライメントの精度や信頼性などを向上させることができる。
【００２７】
また、本実施形態では、反射鏡３２１が、アライメントコイル３１と集束コイル４との間に取り付けられており、偏向コイル５及び集束コイル４を通過してきた可視光を反射する構成としてある。このようにすると、電子ビームの照射画像をほぼ真上（真正面）から観測することができるので、観測精度を向上させることができる。
なお、反射鏡３２１の取付け位置は、上記に限定されるものではなく、たとえば、偏向コイル５の下方でもよい。
また、本実施形態では、二枚の反射鏡３２１、３２２を用いているが、これに限定されるものではなく、たとえば、図示してないが、一枚の反射鏡３２１を用いる構成としてもよい。
【００２８】
デジタル画像処理コントローラ３３は、デジタル観測光学系３２のＣＣＤカメラ３２３からの画像データを処理する画像処理部であり、通常、濃淡画像を白黒２値にする２値化処理を行い、濃度変化から電子ビームの照射画像をデータ化する。このデジタル画像処理コントローラ３３は、ＣＣＤカメラ３２３及び情報処理装置３４と接続されており、処理データを情報処理装置３４に出力する。
【００２９】
情報処理装置３４は、通常、コンピュータやＰＬＣ（プログラマブル  ロジック  コントローラ）などであり、高圧電源２１、アライメントコイル３１、デジタル画像処理コントローラ３３及び集束コイル４などと接続されている。
この情報処理装置３４は、デジタル画像処理コントローラ３３からの処理データにもとづいて、電子銃２、集束コイル４及びアライメントコイル３１を制御する。すなわち、情報処理装置３４は、電子銃２及び集束コイル４を制御し、所定のフォーカスの異なる状態で電子ビームをターゲット１０に照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、アライメントコイル３１に、アライメント制御信号を出力する。
【００３０】
また、上述した所定のフォーカスの異なる状態とは、ジャストフォーカスではない状態であって、かつ、フォーカスの異なる状態をいう。すなわち、電子ビームの焦点からターゲット１０の表面までの距離が異なる二つのアッパーフォーカスの状態、電子ビームの焦点からターゲット１０の表面までの距離が異なる二つのロアーフォーカスの状態、又は、アッパーフォーカスの状態＋ロアーフォーカスの状態の三つのパターンがある。
【００３１】
このようにすると、ジャストフォーカスの状態を回避できるので、たとえば、ハレーションによってビーム照射位置が精度よく観測できなくなるといった不具合や、カメラの感度又はレンズの絞り等の調整を厳密にしなければならないといった不具合を回避することができる。したがって、アライメントの精度や信頼性などを向上させることができ、また、カメラの感度等の調整のための停滞ロスが発生しないので、生産性を向上させることができる。
【００３２】
また、ジャストフォーカスの状態は、溶接に用いるような高密度の状態であるため、アライメント用のターゲットを融解させたり、変形させたりして、電子ビームによる発光が歪んでしまい、ビーム照射位置の測定を精度よく行うことができなくなってしまうといった不具合を回避することができる。
さらに、本発明ではアッパーフォーカスとロアーフォーカスのときに限定して電子ビームを照射するため、ターゲット１０の損傷が殆どなく長期にわたって使用することができる。
【００３３】
ここで、好ましくは、所定のフォーカスの異なる状態を、アッパーフォーカス状態とロアーフォーカス状態とにするとよい。すなわち、上述した手動によるアライメント作業では、ジャストフォーカスとロアーフォーカスのビーム照射位置を確認し、これら二つのビーム照射位置を近づけるようにアライメントを行っていたが、本実施形態ではロアーフォーカスとアッパーフォーカスのビーム照射位置を認識し、これら二つを近づけるようにフィードバックを行うとよい。
【００３４】
このようにすると、ともに低密度かつ低輝度のフォーカス状態を使用することによって、発光状態をほぼ同じレベルにすることができるので、フォーカスが変わるごとにカメラやレンズの設定を変更しなければならないという不具合を回避することができる。
さらに、ロアーフォーカスとジャストフォーカスとの間で、アライメントを行うよりも、ロアーフォーカスとアッパーフォーカスとの間で、アライメントを行う方が、フォーカスレンジがおよそ二倍になるので、ビーム照射位置の集束精度を向上させることができる。
【００３５】
（集束コイル）
集束コイル４は、電子銃２から放射された電子ビームを集束するコイルである。この集束コイル４は、情報処理装置３４と接続され、情報処理装置３４によって制御される。
【００３６】
（偏向コイル）
偏向コイル５は、同一方向に磁界を発生させる一対のコイルを一組にして、中心軸に対して対称に配置してあり、さらに、直交する方向にほぼ同様なもう一組のコイルを配置してある。また、偏向コイル５は、図示してないが、電子ビーム溶接装置１を全体的に制御する情報処理装置と接続されており、この情報処理装置の制御によって、集束コイル４によって集束される電子ビームを偏向する。
【００３７】
次に、上記構成の電子ビーム溶接装置１の動作（溶接方法）などについて説明する。
本実施形態の電子ビーム加工方法としての、電子ビーム溶接方法は、上述した電子ビーム溶接装置１を用いて溶接を行う方法としてある。すなわち、電子ビーム溶接装置１は、電子銃２が電子ビームを放出し、アライメント制御手段３が集束コイル４の中心に電子ビームを入射させ、集束コイル４が電子ビームを集束することにより、溶接を行う方法としてある。
また、本実施形態の電子ビーム溶接方法は、アライメント制御手段３の情報処理装置３４が、電子銃２及び集束コイル４を制御し、所定のフォーカスの異なる状態で電子ビームをターゲット１０に照射し、これらの照射画像の位置座標の差分から算出した補正値にもとづいて、アライメントコイル３１に、アライメント制御信号を出力する。これにより、アライメントを行うことができる。
【００３８】
次に、上記のアライメントについて、図面を参照して説明する。
図２は、本発明の一実施形態にかかる電子ビーム溶接方法を説明するための概略フローチャート図を示している。
図２において、アライメントが開始されると、まず、情報処理装置３４が集束コイル４に制御信号を出力することにより、集束コイル４に、アッパーフォーカスの状態となる電流を出力する（ステップＳ１）。この電流値は、あらかじめ設定されている。
【００３９】
次に、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流を出力する。これにより、電子銃２は、フィラメントから電子ビームを照射する（ステップＳ２）。
この電子ビームは、図３に示すように、電子銃２、アライメントコイル３１及び集束コイル４の中心軸から斜めに（たとえば、ほぼ６°の傾斜角度で）、断面がほぼ円形となる放射状に、集束コイル４に向かって照射される。なお、ここでは、アライメントコイル３１は作動していないので、電子ビームはアライメントコイル３１によって偏向されない。
【００４０】
集束コイル４に到達した電子ビームは、アッパーフォーカスの状態となるように集束され、ターゲット１０の表面に到達し、オレンジ色に発光する。これにより、ターゲット１０の表面に、アッパーフォーカスの照射画像１１が現れる。
なお、アッパーフォーカスの焦点は、中心軸に沿って、ターゲット１０から上方に距離Ｈ１だけ離れた位置にある。また、距離Ｈ１や後述する距離Ｈ２は、通常、あらかじめ設定されている。
【００４１】
次に、可視光であるアッパーフォーカスの照射画像１１は、図１に示すように、反射鏡３２１、３２２を経由して、ＣＣＤカメラ３２３によって撮像される。デジタル画像処理コントローラ３３は、ＣＣＤカメラ３２３からの画像データを処理し、この処理データを情報処理装置３４に出力し、情報処理装置３４は、図４（ａ）に示すアッパーフォーカスの照射画像１１の処理データを取得する（ステップＳ３）。
【００４２】
次に、情報処理装置３４は、アッパーフォーカスの照射画像１１の処理データからビーム位置（たとえば、図４（ａ）におけるアッパーフォーカスの照射画像１１の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（Ｘ１、０）））を算出する（ステップＳ４）。
【００４３】
続いて、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流の出力を停止する。これにより、電子銃２は、電子ビームの照射を停止する（ステップＳ５）。
【００４４】
次に、情報処理装置３４が集束コイル４に制御信号を出力することにより、集束コイル４に、ロアーフォーカスの状態となる電流を出力する（ステップＳ６）。この電流値は、あらかじめ設定されている。
【００４５】
次に、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流を出力する。これにより、電子銃２は、フィラメントから電子ビームを照射する（ステップＳ７）。
この電子ビームは、図３に示すように、電子銃２、アライメントコイル３１及び集束コイル４の中心軸から斜めに（たとえば、ほぼ６°の傾斜角度で）、断面がほぼ円形となる放射状に、集束コイル４に向かって照射される。なお、ここでは、アライメントコイル３１は作動していないので、電子ビームはアライメントコイル３１によって偏向されない。
【００４６】
集束コイル４に到達した電子ビームは、ロアーフォーカスの状態となるように集束され、ターゲット１０の表面に到達し、オレンジ色に発光する。これにより、ターゲット１０の表面に、ロアーフォーカスの照射画像１２が現れる。なお、ロアーフォーカスの焦点は、中心軸に沿って、ターゲット１０から下方に距離Ｈ２だけ離れた位置にある。
【００４７】
次に、可視光であるロアーフォーカスの照射画像１２は、図１に示すように、反射鏡３２１、３２２を経由して、ＣＣＤカメラ３２３によって撮像される。デジタル画像処理コントローラ３３は、ＣＣＤカメラ３２３からの画像データを処理し、この処理データを情報処理装置３４に出力し、情報処理装置３４は、図４（ａ）に示すロアーフォーカスの照射画像１２の処理データを取得する（ステップＳ８）。
【００４８】
次に、情報処理装置３４は、ロアーフォーカスの照射画像１２の処理データからビーム位置（たとえば、図４（ａ）におけるロアーフォーカスの照射画像１２の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（−Ｘ２、０）））を算出する（ステップＳ９）。
【００４９】
続いて、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流の出力を停止する。これにより、電子銃２は、電子ビームの照射を停止する（ステップＳ１０）。
【００５０】
次に、情報処理装置３４は、アッパーフォーカスの照射画像１１のビーム位置（たとえば、図４（ａ）におけるアッパーフォーカスの照射画像１１の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（Ｘ１、０）））とロアーフォーカスの照射画像１２のビーム位置（たとえば、図４（ａ）におけるロアーフォーカスの照射画像１２の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（−Ｘ２、０）））との差分（（Ｘ１、０）−（−Ｘ２、０）＝（Ｘ１＋Ｘ２、０））を算出する（ステップＳ１１）。
【００５１】
次に、情報処理装置３４は、算出したビーム位置の差分（たとえば、（Ｘ１＋Ｘ２、０））が所定の許容範囲内であるか、否かを判断し、Ｎｏの場合、ビーム位置の差分に対してあらかじめ設定された電圧を、アライメントコイル３１へフィードバックする（ステップＳ１３）。これにより、アライメントコイル３１は、電子銃２から照射された電子ビームを、集束コイル４の中心に照射するように（フィードバックされた電圧に応じて）、偏向することができる。
【００５２】
ここで、電子銃２から照射された電子ビームは、ターゲット１０に回転しながら到達するため、アライメントコイル３１のＸ−Ｙ座標軸とＣＣＤカメラ３２３Ｘ−Ｙ座標とは、異なっている。このため、ビーム位置の差分をアライメントコイル３１の電圧にフィードバックする際には、電子ビームの回転を考慮した角度補正を行う必要がある。
したがって、情報処理装置３４は、算出したビーム位置の差分にもとづく電圧（加速電圧）、ターゲット１０までの距離、及び、照射画像の回転角度をパラメータとし、軌道補正量（フィードバック情報）として演算し、これにもとづいて、アライメントコイル３１に、アライメント制御信号を出力し、アライメントコイル３１へのフィードバックを行う。
【００５３】
また、Ｙｅｓの場合、アライメントが終了される。なお、Ｙｅｓの場合、情報処理装置３４は、アライメントコイル３１へフィードバックした電圧値を記憶するとともに、電子ビームを照射するときは、記憶した電圧をアライメントコイル３１に印加する。これにより、電子銃２のフィラメントに対応したアライメントが行われる。
【００５４】
上記判断がＮｏであった場合、上述したステップＳ１に戻り、情報処理装置３４が集束コイル４に制御信号を出力することにより、集束コイル４に、アッパーフォーカスの状態となる電流を出力する（ステップＳ１）。この電流値は、あらかじめ設定されている。
【００５５】
次に、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流を出力する。これにより、電子銃２は、フィラメントから電子ビームを照射する（ステップＳ２）。ここで、アライメントコイル３１は、電子銃２から照射された電子ビームを、集束コイル４の中心に照射するように（フィードバックされた電圧に応じて）、偏向する。
すなわち、フィラメントから照射された電子ビームは、図５に示すように、アライメントコイル３１によって偏向され、集束コイル４に向かって照射される。集束コイル４に到達した電子ビームは、アッパーフォーカスの状態となるように集束され、ターゲット１０の表面に到達し、オレンジ色に発光する。これにより、ターゲット１０の表面に、アッパーフォーカスの照射画像１１が現れる。
【００５６】
次に、可視光であるアッパーフォーカスの照射画像１１は、図１に示すように、反射鏡３２１、３２２を経由して、ＣＣＤカメラ３２３によって撮像される。デジタル画像処理コントローラ３３は、ＣＣＤカメラ３２３からの画像データを処理し、この処理データを情報処理装置３４に出力し、情報処理装置３４は、図４（ｂ）に示すアッパーフォーカスの照射画像１１の処理データを取得する（ステップＳ３）。
【００５７】
次に、情報処理装置３４は、アッパーフォーカスの照射画像１１の処理データからビーム位置（たとえば、図４（ｂ）におけるアッパーフォーカスの照射画像１１の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（Ｘ１´、０）））を算出する（ステップＳ４）。
【００５８】
続いて、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流の出力を停止する。これにより、電子銃２は、電子ビームの照射を停止する（ステップＳ５）。
【００５９】
次に、情報処理装置３４が集束コイル４に制御信号を出力することにより、集束コイル４に、ロアーフォーカスの状態となる電流を出力する（ステップＳ６）。この電流値は、あらかじめ設定されている。
【００６０】
次に、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流を出力する。これにより、電子銃２は、フィラメントから電子ビームを照射する（ステップＳ７）。ここで、アライメントコイル３１は、電子銃２から照射された電子ビームを、集束コイル４の中心に照射するように（フィードバックされた電圧に応じて）、偏向する。
すなわち、フィラメントから照射された電子ビームは、図５に示すように、アライメントコイル３１によって偏向され、集束コイル４に向かって照射される。集束コイル４に到達した電子ビームは、アッパーフォーカスの状態となるように集束され、ターゲット１０の表面に到達し、オレンジ色に発光する。これにより、ターゲット１０の表面に、ロアーフォーカスの照射画像１２が現れる。
【００６１】
次に、可視光であるロアーフォーカスの照射画像１２は、図１に示すように、反射鏡３２１、３２２を経由して、ＣＣＤカメラ３２３によって撮像される。デジタル画像処理コントローラ３３は、ＣＣＤカメラ３２３からの画像データを処理し、この処理データを情報処理装置３４に出力し、情報処理装置３４は、図４（ｂ）に示すロアーフォーカスの照射画像１２の処理データを取得する（ステップＳ８）。
【００６２】
次に、情報処理装置３４は、ロアーフォーカスの照射画像１２の処理データからビーム位置（たとえば、図４（ｂ）におけるロアーフォーカスの照射画像１２の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（−Ｘ２´、０）））を算出する（ステップＳ９）。
【００６３】
続いて、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流の出力を停止する。これにより、電子銃２は、電子ビームの照射を停止する（ステップＳ１０）。
【００６４】
次に、情報処理装置３４は、アッパーフォーカスの照射画像１１のビーム位置（たとえば、図４（ｂ）におけるアッパーフォーカスの照射画像１１の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（Ｘ１´、０）））とロアーフォーカスの照射画像１２のビーム位置（たとえば、図４（ｂ）におけるロアーフォーカスの照射画像１２の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（−Ｘ２´、０）））との差分（（Ｘ１´、０）−（−Ｘ２´、０）＝（Ｘ１´＋Ｘ２´、０））を算出する（ステップＳ１１）。
【００６５】
次に、情報処理装置３４は、算出したビーム位置の差分（たとえば、（Ｘ１´＋Ｘ２´、０））が所定の許容範囲内であるか、否かを判断し、Ｎｏの場合、ビーム位置の差分に対してあらかじめ設定された電圧を、アライメントコイル３１へフィードバックする（ステップＳ１３）。これにより、アライメントコイル３１は、電子銃２から照射された電子ビームを、集束コイル４の中心に照射するように（フィードバックされた電圧に応じて）、偏向することができる。
【００６６】
上記判断がＮｏであった場合、再び、上述したステップＳ１に戻り、情報処理装置３４が集束コイル４に制御信号を出力することにより、集束コイル４に、アッパーフォーカスの状態となる電流を出力する（ステップＳ１）。この電流値は、あらかじめ設定されている。
【００６７】
次に、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流を出力する。これにより、電子銃２は、フィラメントから電子ビームを照射する（ステップＳ２）。ここで、アライメントコイル３１は、電子銃２から照射された電子ビームを、集束コイル４の中心に照射するように（フィードバックされた電圧に応じて）、偏向する。
すなわち、フィラメントから照射された電子ビームは、図６に示すように、アライメントコイル３１によって偏向され、集束コイル４の中心に向かって照射される。集束コイル４に到達した電子ビームは、アッパーフォーカスの状態となるように集束され、ターゲット１０の表面に到達し、オレンジ色に発光する。これにより、ターゲット１０の表面に、アッパーフォーカスの照射画像１１が現れる。
【００６８】
次に、可視光であるアッパーフォーカスの照射画像１１は、図１に示すように、反射鏡３２１、３２２を経由して、ＣＣＤカメラ３２３によって撮像される。デジタル画像処理コントローラ３３は、ＣＣＤカメラ３２３からの画像データを処理し、この処理データを情報処理装置３４に出力し、情報処理装置３４は、図４（ｃ）に示すアッパーフォーカスの照射画像１１の処理データを取得する（ステップＳ３）。
【００６９】
次に、情報処理装置３４は、アッパーフォーカスの照射画像１１の処理データからビーム位置（たとえば、図４（ｃ）におけるアッパーフォーカスの照射画像１１の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（０、０）））を算出する（ステップＳ４）。
【００７０】
続いて、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流の出力を停止する。これにより、電子銃２は、電子ビームの照射を停止する（ステップＳ５）。
【００７１】
次に、情報処理装置３４が集束コイル４に制御信号を出力することにより、集束コイル４に、ロアーフォーカスの状態となる電流を出力する（ステップＳ６）。この電流値は、あらかじめ設定されている。
【００７２】
次に、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流を出力する。これにより、電子銃２は、フィラメントから電子ビームを照射する（ステップＳ７）。ここで、アライメントコイル３１は、電子銃２から照射された電子ビームを、集束コイル４の中心に照射するように（フィードバックされた電圧に応じて）、偏向する。
すなわち、フィラメントから照射された電子ビームは、図６に示すように、アライメントコイル３１によって偏向され、集束コイル４の中心に向かって照射される。集束コイル４に到達した電子ビームは、アッパーフォーカスの状態となるように集束され、ターゲット１０の表面に到達し、オレンジ色に発光する。これにより、ターゲット１０の表面に、ロアーフォーカスの照射画像１２が現れる。
【００７３】
次に、可視光であるロアーフォーカスの照射画像１２は、図１に示すように、反射鏡３２１、３２２を経由して、ＣＣＤカメラ３２３によって撮像される。デジタル画像処理コントローラ３３は、ＣＣＤカメラ３２３からの画像データを処理し、この処理データを情報処理装置３４に出力し、情報処理装置３４は、図４（ｃ）に示すロアーフォーカスの照射画像１２の処理データを取得する（ステップＳ８）。
【００７４】
次に、情報処理装置３４は、ロアーフォーカスの照射画像１２の処理データからビーム位置（たとえば、図４（ｃ）におけるロアーフォーカスの照射画像１２の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（０、０）））を算出する（ステップＳ９）。
【００７５】
続いて、情報処理装置３４が高圧電源２１に制御信号を出力することにより、高圧電源２１が電子銃２に所定の高圧電流の出力を停止する。これにより、電子銃２は、電子ビームの照射を停止する（ステップＳ１０）。
【００７６】
次に、情報処理装置３４は、アッパーフォーカスの照射画像１１のビーム位置（たとえば、図４（ｂ）におけるアッパーフォーカスの照射画像１１の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（０、０）））とロアーフォーカスの照射画像１２のビーム位置（たとえば、図４（ｂ）におけるロアーフォーカスの照射画像１２の重心位置（Ｘ−Ｙ座標における（０、０）））との差分（０、０）を算出する（ステップＳ１１）。
なお、本実施形態では、上述したように、理想的に差分を（０、０）としてあるが、通常、差分は（Δ（微小距離）、０）である。
【００７７】
次に、情報処理装置３４は、算出したビーム位置の差分（たとえば、（Δ、０））が所定の許容範囲内であるか、否かを判断し、Ｙｅｓの場合、アライメントを終了する。また、Ｎｏの場合は、再びステップＳ１に戻る。
なお、上述したように、Ｙｅｓの場合、情報処理装置３４は、アライメントコイル３１へフィードバックした電圧値を記憶するとともに、電子ビームを照射するときは、記憶した電圧をアライメントコイル３１に印加する。これにより、電子銃２のフィラメントに対応したアライメントが行われる。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態の電子ビーム溶接装置１及び電子ビーム溶接方法によれば、アライメントの精度や信頼性などを向上させることができ、また、製造原価のコストダウンを図ることができる。
また、ビーム照射位置のずれをフィードバックし、アライメントコイル３１に電圧を印加するため、作業者が手動で行うよりも無駄がなく短時間で調整を完了できる。たとえば、熟練の作業者であっても１分以上かかっていたアライメント作業を、本実施形態によれば、平均３０秒程度で完了することができる。
さらに、作業者一人一人の感覚や経験が支配的な作業であったため、アライメントの補正結果には個人差があったが、本実施形態によれば、高精度かつ統一された補正結果を得ることができる。これにより、安定した溶接品質の提供が可能になる。
【００７９】
また、本実施形態の電子ビーム加工装置及び電子ビーム加工方法は、様々な応用例を有している。
たとえば、画像処理システムのアルゴリズム、入力画像の波長帯等の演算処理方法、入力条件の相違、フィードバック制御の方法などは、特に限定されるものではなく、様々な方法などを採用することができ、これらは、本実施形態の応用例の範囲に含まれる。
【００８０】
さらに、上述した実施形態では、アライメント制御手段３を用いて、アライメントを行っているが、これに限定されるものではなく、たとえば、アライメント制御手段３を用いて、フォーカスによるビーム焦点位置の変化を観測し、最適なフォーカスを算出することなどが可能となり、電子ビーム溶接装置及び電子ビーム溶接方法の付加価値を向上させることができる。
【００８１】
［電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法の一実施形態］
本発明は、電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法の発明としても有効である。すなわち、上述した電子ビーム加工装置及び電子ビーム加工方法の一実施形態は、電子ビームを用いて溶接を行う構成や方法としてあるが、たとえば、電子ビームを用いて局所的な加熱を行う装置や方法などとして、広く適用することができる。
【００８２】
本実施形態の電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法は、上述した電子ビーム溶接装置１及び電子ビーム溶接方法とほぼ同様としてある。
このようにすることによって、本実施形態の電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法は、アライメントの精度や信頼性などを向上させることができ、また、製造原価のコストダウンを図ることができる。
【００８３】
以上、本発明の電子ビーム加工装置及び電子ビーム加工方法、並びに、電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法について、好ましい実施形態や応用例を示して説明したが、本発明に係る電子ビーム加工装置及び電子ビーム加工方法、並びに、電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法は、上述した実施形態や応用例にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、電子ビーム溶接装置１は、一つのアライメントコイル３１を備えた構成としてあるが、この構成に限定されるものではなく、たとえば、二つのアライメントコイル３１を備える構成としてもよい。このように、二つのアライメントコイル３１を用いてアライメントを行うことにより、電子ビームの中心軸を、集束コイル４の中心軸と一致させることができ、より高精度のアライメントを行うことができる。
【００８４】
また、情報処理装置３４は、アライメント制御手段３としての制御を行う構成としてあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、電子ビーム溶接装置１の全体的な制御をも行う構成としてもよい。また、電子ビーム溶接装置１の全体的な制御を行う情報処理装置が、情報処理装置３４の制御をも行う構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかる電子ビーム溶接装置の概略ブロック図を示している。
【図２】図２は、本発明の一実施形態にかかる電子ビーム溶接方法を説明するための概略フローチャート図を示している。
【図３】図３は、本発明の一実施形態にかかる電子ビーム溶接装置の動作（第一ループ）を説明するための、要部の概略拡大図を示している。
【図４】図４は、本発明の一実施形態にかかる電子ビーム溶接装置における照射画像を説明するための概略拡大図であり、（ａ）は図３に対応する照射画像を示しており、（ｂ）は図５に対応する照射画像を示しており、（ｃ）は図６に対応する照射画像を示している。
【図５】図５は、本発明の一実施形態にかかる電子ビーム溶接装置の動作（第二ループ）を説明するための、要部の概略拡大図を示している。
【図６】図６は、本発明の一実施形態にかかる電子ビーム溶接装置の動作（第三ループ）を説明するための、要部の概略拡大図を示している。
【符号の説明】
【００８６】
１  電子ビーム溶接装置
２  電子銃
３  アライメント制御手段
４  集束コイル
５  偏向コイル
１０  ターゲット
１１  アッパーフォーカスの照射画像
１２  ロアーフォーカスの照射画像
２１  高圧電源
３１  アライメントコイル
３２  デジタル観測光学系
３３  デジタル画像処理コントローラ
３４  情報処理装置
３２１  反射鏡
３２２  反射鏡
３２３  ＣＣＤカメラ
【図１】
2010125467.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010125467.tif 000005
【図４】
2010125467.tif 000006
【図５】
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【図６】
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