(57)【要約】 【課題】  加速電圧が高い電子線照射装置の場合、絶縁性が強く要求されるから、大地側にモータ、高圧側に発電機を設け、それらの間を絶縁棒によって直結しモータによって発電機を廻して発電し交流電力を得てそれをトランスに通して適当な電流、電圧にしてフィラメントに与えてフィラメントを加熱し熱電子が出るようにしている。モータ、発電機のように回転するものがあると振動、騒音の原因になり高圧架台の装置や部品を劣化させることもある。絶縁棒は長く細い絶縁体の棒であるが、６０Ｈｚ〜５０Ｈｚ程度の低い回転数で回転させるので偏心したりすると破損する。絶縁棒の加工は難しいし取り付けも時間がかかる作業となる。【解決手段】大地側に光源、高圧電位側に光発電パネルを設ける事により光伝送によって電子源フィラメント加熱用の電力を供給し、フィラメント加熱を行うようにする。【選択図】図１ 
2006030097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中において熱電子を発生するフィラメントと、フィラメントを加熱するフィラメント加熱用電源と、熱電子を加速する加速管と、電子線を加速するための電圧を与える高圧電源と、大気と真空を遮断する照射窓とを有し真空中で電子を発生し加速して、照射窓の窓箔を通過させて大気中に取り出し搬送装置で運ばれてきた被処理物に電子線を照射し処理するための電子線照射装置であって、大地側に光源、高圧電位側に光発電パネルを設け、光を光源から光発電パネルに伝送することによって電子源フィラメント加熱用の電力を供給し、フィラメント加熱を行うようにした事を特徴とする電子線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、真空中で電子を発生し加速して、照射窓の窓箔を通過させて大気中に取り出し搬送装置で運ばれてきた被処理物に電子線を照射し処理するための電子線照射装置に関する。特にフィラメント加熱のための電力の新規な供給装置に関する。
【０００２】
電子線照射装置は、真空チャンバ、真空チャンバ内で電子線を発生するためのフィラメント、加速のための高圧電源、フィラメントを加熱するための電源、加速管、照射窓、搬送装置、筐体などを含む。加速電源は複数の整流器とコンデンサを交差接続し、倍電圧整流を重ねることによって昇圧するような電源となっている。
【０００３】
電子線の加速エネルギーによって２種類に大別されている。３ＭｅＶ〜５００ｋｅＶの高電圧で加速するものは、高圧電源も高圧架台も大がかりであって大気側との絶縁は特に重要である。電子の静止エネルギーが約５００ｋｅＶであるからこの装置では電子運動は相対論によって論じなければならない。そのようにエネルギーが高いとビームが細くなりビームを縦横に走査して対象物の表面の広い面積に電子線を当てるようにする。
【０００４】
そのように高電圧によって加速したビームを走査するタイプのものを走査型と呼ぶ。これは加速管に続いて底広の三角形に広がった形状の走査管が設けられる。走査管の下に照射窓があり、それにＴｉ、Ａｌなどの窓箔が設けられる。照射窓の直下を被処理物が通過するのであるが、そのために無端周回コンベヤなどの搬送機構が設置される。搬送機構を取り囲むように金属製の筐体が設けられる。
【０００５】
電子線が被処理物やコンベヤに当たるとＸ線が出て危険であるし、Ｘ線が酸素を酸化してオゾンを生成しそれも危険であるから重厚な筐体で搬送機構や被処理物など照射空間を覆う必要がある。窓箔は電子線が通過することにより加熱されるから冷却風や桟を通る冷却水によって冷却されるようになっている。
【０００６】
エネルギーが５００ｋｅＶより低いものは蛇行状あるいは多数平行のフィラメントを用いて断面積の広い電子線を発生させて走査することなく照射窓を通過させ被処理物に当てるようになっている。だからそれは非走査型とかエリア型と呼ぶ。
【背景技術】
【０００７】
本発明は、フィラメント電力をどうして供給するのかという点での新規な機構を提案するものである。加速電源の電圧（負の高電圧）が高いので、フィラメントも負の高電圧の部位にある。フィラメントを発熱させるだけだから、数十ボルト、数十アンペアもあればよいのであるが負の高電圧のバイアスが掛かっている。大地側からフィラメント電力を供給するには工夫がいる。非走査型の装置の場合は加速電圧が低いから、一次側が大地側商用電源に接続された絶縁トランスの二次側からフィラメント電力を取るというようなことも可能である。
【０００８】
しかし加速電圧が高い走査型の電子線照射装置の場合は、絶縁トランスぐらいでは、高圧架台と大地の間を絶縁することが難しい。
【０００９】
そこで走査型の電子線照射装置のフィラメント電力は、特別の工夫がなされる。大地側にモータを設置し、モータ軸と発電機の軸が一直線上に並ぶように高圧架台側には発電機を設置する。発電機軸とモータ軸を細長い絶縁軸によってつなぐ。軸はセラミックやプラスチックなどの絶縁体でできているから電流を遮断できる。大地側では商用電源によってモータを回転する。モータの回転力は絶縁軸によって高圧架台の上の発電機に伝わる。発電機が廻って交流電力が発生する。
【００１０】
それをフィラメントに通電させることによってフィラメントを加熱する。真空中であるし負の高圧だから熱せられたフィラメントから電子が発生する。フィラメントは負の高電圧にバイアスされており加速管の複数段の電極には高電圧を分圧した電圧が掛かっている。フィラメントから加速管に入った電子は加速電極によって加速される。そして照射窓を通り抜けて、無端周回コンベヤの上の対象物に照射される。そのようにフィラメント電力は、電気エネルギー→機械エネルギー→電気エネルギーというような２段階の変換を経て大地側から高圧架台側へ与えられた。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−５０２９９「多ヘッド電子線照射装置の光テレメータ電源回路」
【００１２】
走査型電子線照射装置のフィラメント電源をモータ・絶縁棒・発電機によって構成するのはすでに古くから実績があるが、ぴったりした特許文献はみつけられなかった。特許文献１は走査型電子線照射装置二つを統合したものであるが図面の一部にモータ・絶縁棒・発電機よりなるフィラメント電源が図示してある。
【００１３】
そこで図２に従来例のモータ・絶縁棒・発電機よりなるフィラメント電源をもつ走査型電子線照射装置の一例を示す。
【００１４】
大地側に設けたモータ２は商用電源２２、インバータ２３から電力を供給されることによって回転する交流モータである。モータ２の回転力は絶縁棒３を伝わって、高圧架台側の発電機４に与えられる。発電機４は交流電力を発生する。例えば１００Ｖの交流を発生する。それがフィラメントトランス５によって適当な電圧、電流に変換される。例えば５Ｖの交流に落とされる。低電圧になった電力が高圧架台上で真空に保持されたフィラメント７に与えられる。
【００１５】
フィラメント７は抵抗が小さい負荷なので電流が大きく電圧はあまり大きくない。フィラメント７は加熱されて熱電子が発生する。高圧架台の負高電圧を発生しているのは直流高圧電源４０である。高圧電源４０は商用電源３２、インバータ３３、トランス３４と、襷がけに交互接続された整流器４２〜４９、コンデンサ５２〜５９などを組み合わせたものである。整流器、コンデンサを幾つも襷がけに組み合わせ倍電圧整流して昇圧してゆく。これはコッククロフト型の電源を図示しているが、その他にも様々の昇圧のための接続様式が知られており、いずれを用いてもよい。
【００１６】
加速電源４０の負電極側５９が、フィラメントトランス二次側の中間端子７２に接続され、かつ加速電極の第１番目の電極６９に接続される。電子電流が循環するループを作ることによって初めて電子が加速管を通り抜け大地へと飛翔することができる。縦長の加速管８は真空に引かれており、その壁面には等間隔にリング状の加速電極６が設けられる。加速電極６は、上から第１電極６９、第２電極６８、…というように大地側電極６０まで等分に配置される。加速電極６９、６８…、６０の間には分圧抵抗９が接続される。分圧抵抗９によって加速電極には等差数列的に配分された電圧が印加されている。
【００１７】
加速管８の下にはロート型に広がった走査管２０が設けられる。走査管２０の拡開部の始端には走査コイル２６があって交番磁界を発生する。フィラメント７から出た電子線は交番磁界によって左右に走査される。走査管２０の下端の開口部が照射窓２７であり、そこにはＴｉの窓箔２８が張ってある。照射窓２７から出た電子線は被処理物２９の上に当たり所望の処理を行う。
【００１８】
被処理物２９は紙面と直交する方向に搬送される。搬送機構は例えば無端周回コンベヤである。電子線が被処理物やコンベヤに当たるとＸ線が出てそれが散乱されるしオゾンを発生することもある。そこで搬送機構の全体は重厚な金属、コンクリートの筐体で包囲される。オゾンが発生しては好ましくないという場合は窒素やＡｒなど不活性ガス雰囲気とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来技術にかかる電子線照射装置は、フィラメント電力を供給するため、大地側にモータ２を、高圧架台側に発電機４を設置し、大地側のモータ２と高圧架台側の発電機４を絶縁ロッド３で接続する必要があった。高圧架台の電圧が高ければ高いほど必要な絶縁棒３の長さが長くなる。高圧電位が数ＭＶの場合、数ｍもの長さの絶縁棒が必要であった。またモータと発電機を上下に対向させ、それを垂直に立てた絶縁棒３で繋ぐ。絶縁棒３が斜めに傾くと振動が激しくて絶縁棒３が折れる。絶縁棒３は、正しく垂直にしなければならないので設置される場所が強く限定される。また発電機４もモータ２も嵩高い装置であり、それを長い絶縁棒３で繋ぐので装置全体が大きくなるという難点があった。
【００２０】
加速電圧が高いと絶縁棒も長くなる。絶縁棒（絶縁ロッド）が長くなるとそれ自身にも問題が発生する。絶縁ロッドの沿面で高電圧を絶縁する必要がある。正常な電圧のときは充分な長さがあって絶縁が充分で放電もおこらないとしても、異常電圧発生時などには沿面放電することもある。それを避けるために十二分の長さを絶縁ロッドに与えなければならない。
【００２１】
また絶縁ロッドは６０Ｈｚ程度で回転させるため絶縁ロッドの製作精度、組立精度が必要である。芯が出ていない場合には偏心振動して機械的に破壊されることもある。たとえ精度良く製作されていても、交換の都度、偏心しないように入念な調整が必要である。
大地側と高圧側の絶縁を乱さず、絶縁棒を使わないでフィラメント電力を供給できる新規な機構が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、電光変換（発光）機構・光電変換（光発電）機構の組み合わせによって、光フィラメント加熱用電力を大地側から高圧電位側に伝送する。大地側には光源を設ける。高圧架台側には光発電パネルを設ける。大地側の光源はランプ、発光ダイオード、半導体レーザなど光を発生するものであればよい。電力を送るのだから直流（ＤＣ）であってもよいし、交流（ＡＣ）であってもよい。大地側の光源は電気エネルギーを光エネルギーに変換する。それは広がらず直進して高圧架台側の発電パネルに当たる。発電パネルには太陽電池が多数設けてあり光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００２３】
変換後の電気エネルギーは発光状態に依存した直流または交流であるがインバータによって適当な電圧、電流、周波数の交流電力に変換される。必要であればさらにトランスでフィラメント駆動に適当な電圧に変えられる。その電力がフィラメントの両端に与えられる。フィラメントが加熱されて熱電子を発生する。その熱電対は加速されて走査され、走査管から照射窓を経て被処理物に当たる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は大地側に発光機構、高圧架台側に光発電機構を設けた光送電機構を使用することによって、大地側から、高圧電位側を非接触にてフィラメント電力を供給できる。光でエネルギーを運ぶので高圧架台の電力機器に悪影響を及ぼすということはない。送電が非接触で行われるため、異常電圧発生時にも故障することがなくなる。発電器やモータのように嵩高く重い部品が不要である。何よりも絶縁棒が不要になる。絶縁棒はエボナイトなどの絶縁物を削り出して製造するが高精度の加工となる。一品生産になるし、芯出しを厳密に行わなければならず製造、組立のコストが嵩む。それが本発明の場合は全く必要ない。さらには機械的に摩耗する部品がなくなるのでメンテナンスも容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、フィラメント電力を伝送するために、大地側に光源を、高圧電位側に光発電パネルを設置する。光源は直流駆動（ＤＣ）しても交流駆動（ＡＣ）してもよい。光発電パネルからのＤＣ、ＡＣ電力をインバータにより適当な周波数の交流に変換し、フィラメントトランスを介してフィラメントに電力を供給させ点灯させている。また光発電パネルからのＤＣ電圧で直接フィラメントを点灯することも可能である。この場合、インバータ、フィラメントトランスは不要となる。
【００２６】
加速される電子線（＝電子流）電流は光源により調節することができる。光源の光強度を上げるとフィラメント電力が増え電子線強度が増える（電子線電流）。反対に光源の光強度を下げるとフィラメント電力が減り、電子線強度が下がる。そのように光源によって調整できる。
【００２７】
それ以外にも次のような制御方法も可能である。サイリスタなどの電力調整器を高圧部に追加し大地側からの光信号によって電力調整を制御できるようにしておく。大地側の光発電では必要な一定の電力を発電しておき、大地側から光信号によって電力制御器を自在に制御してフィラメント電力を調整する。
【実施例１】
【００２８】
図１によって本発明の実施例にかかる電子線照射装置を説明する。フィラメント電力を伝送する系に光送電を用いたという以外は図２の従来例と同様である。縦長の加速管８は真空に引く事のできるチャンバである。側壁には多数のリング状の加速電極６が設けられる。第１電極６９が最上段に、最終電極６０が最下段に設けられる。段数は加速電圧Ｖａｃｃの高さによって増減される。隣接する加速電極６の間には分圧抵抗９が接続される。加速管８の最上部にはフィラメント７が設けられる。加速管８の下端には底広がりの走査管２０が接続されている。走査管２０の上部には走査コイル２６があって電子ビームを左右に走査するようになっている。
【００２９】
走査管２０の下の開口部が照射窓２７であり照射窓２７には窓箔２８が張ってある。照射窓２７の直下を被処理物２９が送られてくる。搬送機構は無端周回コンベヤなどである。搬送機構や被処理物を厚い金属の筐体で囲んでいるが、ここでは図示を省略した。
【００３０】
加速電源４０は、商用電源器３２、インバータ回路３３、トランス３４と、コンデンサ、整流器を組み合わせた高圧電源とからなる。商用電源３２の２００Ｖ三相交流を適当な電圧、周波数の交流に変換してトランスを介して２次側に交流電圧を与える。それを整流器４２〜４９と、コンデンサ５２〜５９の組み合わせで倍電圧整流して高圧を得るようになっている。所望の加速電圧Ｖａｃｃによってコンデンサや整流器の数を増減する。加速電源４０の最終段は、第１段の加速電極６９と、フィラメントトランスの二次側中間端子に接続される。また最終段は抵抗３８を介して接地される。抵抗３８に流れる電流を電流計３５で監視し、それによって加速電圧Ｖａｃｃが分かる。そのような高圧電源の構造はありふれたものでありこれ以外にもいくつもの候補がある。
【００３１】
加速電極６の第１段６９は高圧負電源につながれ、加速電極の最終電極６０は電流計３０を介して接地される。電子線の内、ビーム軌跡からそれて電極に衝突するものがあれば電流計３０によってそれが測定できる。
【００３２】
加速電極に当たらなかった電子線は被処理物２９か搬送機構に当たり電流を生ずる。それは加速電源の初段コンデンサ５３と大地の間に接続された電流計３６で測定できる。それが実効電子線電流である。
【００３３】
さてフィラメント電源であるが、大地側には商用電源２２を適当な電圧、周波数の交流または直流に変換するインバータ２３が設けられる。発光素子を多数並べた光源パネル８０はインバータ２３からの電力によって強く発光する。その光は高圧架台の内部を通り、高圧側の光電パネル８２に当たる。高圧架台の内部はＳＦ６などの絶縁用ガスが満たされているが透明であるから光は損失なく光電パネル８２に到達する。光電変換素子が多数設けられているので光が電流に変換される。それが集められてインバータ８４によって適当な電圧の交流または直流となる。直流の場合はトランスが不要で、そのままフィラメント７に与えられる。交流の場合はそのままでもよいが、トランス５でフィラメントに合うような電圧に変換されてフィラメントに与えるようにもできる。
【００３４】
光源はランプでもよい。多数のランプを縦横に並べレンズも並べて光源とすることができる。現在でも小型軽量のランプを容易に入手することができる。
【００３５】
しかしランプは電力／光変換効率が低いので好ましくないという場合もある。またランプは発熱するので、高圧架台の機器に影響するということもある。それが好ましくない場合は、発光ダイオード、半導体レーザを多数並べたものを光源とすることができる。
【００３６】
ＡｌＧａＡｓ系の発光ダイオード、半導体レーザであると７００ｎｍ〜８００ｎｍの赤〜近赤外を出す。安価であるし、かなり効率も向上している。発熱もない。発光ダイオード、半導体レーザの光はビームが広がるからレンズアレイを使って集光することができる。Ｓｉの太陽電池のアレイを光電パネルに用いる。太陽電池は単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉのものがあるが、アモルファスＳｉのものは安価であり面積も広いものがある。Ｓｉ太陽電池アレイを用いる場合はレンズアレイをその直前において集光することができる。
【００３７】
ＧａＮ、ＩｎＧａＮ系の発光ダイオード、半導体レーザは４００ｎｍ〜５００ｎｍの青色、緑色を出すことができる。ＧａＮ系の発光ダイオードは長寿命であり信頼性もある。Ｓｉ太陽電池ではあまり受光効率が良くないが、ＺｎＳｅ系の太陽電池で受光すれば効率が高くなる可能性がある。ＺｎＳｅ系の太陽電池というものは今はないが近い将来できるかもしれない。
【００３８】
図１では光８３とコンデンサ４２〜４９が混在しているように描かれているが、それは図面の面積を狭くするためにそう表記されているだけで、実際には光８３の進行領域にはコンデンサ、整流器は存在せず光は直進して殆ど遮られずに高圧側の光電パネル８２に入るようになっている。
【００３９】
大地側光源は接地電位に、高圧電位側光発電パネルは高圧部に、相対するように設置している。もちろん、直流高圧電源の出力電圧に充分耐えられる絶縁距離をとっている。高圧電位側光発電パネルの出力（ＤＣ電圧）はインバータ８４により交流電圧に変換され、フィラメントトランスを介してフィラメントに供給され点灯している。発生した熱電子は、デバイダ抵抗で電圧分担された加速管内を加速される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】光源を大地側に、光電パネルを高圧架台側に設け光によってエネルギーを伝送しフィラメント電力を供給するようにした本発明の実施例にかかる電子線照射装置の概略構成図。
【００４１】
【図２】大地側にモータを、高圧架台側に発電機を設けモータと発電機を絶縁棒で連結し大地側のモータを廻して発電機に動力を伝え高圧側で発電し発電されたパワーによってフィラメントを加熱するようにした従来例にかかる電子線照射装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００４２】
２  モータ  
３  絶縁棒  
４  発電機  
５  フィラメントトランス  
６  加速電極  
７  フィラメント  
８  加速管  
９  分圧抵抗
２０  走査管  
２２  商用電源  
２３  インバータ  
２６  走査コイル  
２７  照射窓  
２８  窓箔  
２９  被処理物  
３０  電流計  
３２  商用電源  
３３  インバータ  
３４  トランス  
３５  電流計  
３６  電流計  
３８  抵抗  
４０  高圧電源  
４２〜４９  整流器  
５２〜５９  コンデンサ  
６０  最終の加速電極  
６９  第１加速電極  
７２  フィラメントトランス二次側の中間端子  
８０  光源パネル  
８２  光電パネル  
８３  光  
８４  インバータ     
【図１】
2006030097.tif 000003
【図２】
2006030097.tif 000004