(57)【要約】【課題】電子ビーム装置のフィラメントに到達するイオン数を軽減して、フィラメントの長寿命化を実現すること。【解決手段】電子ビームを生成する電子銃部１１０は、電子ビーム１４０を生成する。試料室１２０は、電子ビーム１４０が照射される対象物が配置される。ＴＭＰ１６２及びＴＭＰ１６４は、電子銃部１１０を排気する。真空チャンバＶＣ１は、ＴＭＰ１６２によって排気される。真空チャンバＶＣ２は、開口部１５１を介して真空チャンバＶＣ１と連結され、かつ、試料室１２０と連結され、ＴＭＰ１６４によって排気される。フィラメント１１１は、真空チャンバＶＣ１内に配置され、熱電子を放出する。アノード１１３は、真空チャンバＶＣ２内に配置され、開口部１５１を介して熱電子を導いて電子ビーム１４０を生成する。【選択図】図３
2018085351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを生成する電子銃部と、
前記電子ビームが照射される対象物が配置される試料室と、
電子銃部を排気する第１の真空ポンプ及び第２の真空ポンプと、を備え、
前記電子銃部は、
前記第１の真空ポンプによって排気される第１の真空チャンバと、
前記第１の真空チャンバと第１の開口を介して連結され、かつ、前記試料室と連結され、前記第２の真空ポンプによって排気される第２の真空チャンバと、
前記第１の真空チャンバ内に配置され、熱電子を放出するフィラメントと、
前記第２の真空チャンバ内に配置され、前記第１の開口を介して熱電子を導いて電子ビームを生成するアノードと、を備える、
電子ビーム装置。
【請求項２】
前記第２の真空チャンバは、少なくとも前記電子ビームが前記対象物に照射されているときに、前記第２の真空ポンプにより排気される、
請求項１に記載の電子ビーム装置。
【請求項３】
前記アノードの前記対象物側に、前記電子ビームが通過可能に配置されたオリフィスを更に備える、
請求項１又は２に記載の電子ビーム装置。
【請求項４】
前記対象物は、前記電子ビームが照射されることで、前記対象物を構成する原子に由来する陽イオンを放出する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子ビーム装置。
【請求項５】
前記対象物は複数の部材からなり、前記電子ビームが照射されることで前記複数の部材が溶接される、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子ビーム装置。
【請求項６】
前記フィラメントは、
矩形断面を有する金属部材からなり、第１の方向に垂直な正方形の面を有する平坦部と、
前記平坦部と連続した金属部材からなり、前記平坦部の前記第１の方向に直交する第２の方向の一端で前記金属部材が前記第１の方向の側に折り曲げられて形成された第１のアームと、
前記平坦部と連続した金属部材からなり、前記平坦部の前記第２の方向の他端で前記金属部材が前記第１のアームと同じ方向に折り曲げられて形成された第２のアームと、を備え、
前記第１のアームと前記第２のアームとの間に電圧が印加されることで、前記平坦部の前記正方形の面から熱電子を放出する、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電子ビーム装置。
【請求項７】
矩形断面を有する１本のリボン状の金属部材を折り曲げることにより、前記平坦部、前記第１のアーム及び前記第２のアームを形成する、
請求項６に記載の電子ビーム装置。
【請求項８】
前記平坦部の前記第１の方向の厚みは、０．２５ｍｍ以上である、
請求項７に記載の電子ビーム装置。
【請求項９】
前記平坦部と前記第１のアームとの間の折り曲げ部及び前記平坦部と前記第２のアームとの間の折り曲げ部の角の曲率半径は、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、
請求項７に記載の電子ビーム装置。
【請求項１０】
前記金属部材は、タングステン、レニウム−タングステン合金、又は、カリウムが添加されたタングステンからなる、
請求項６乃至９のいずれか一項に記載の電子ビーム装置。
【請求項１１】
第１の方向に垂直な底面と、前記底面から前記第１の方向に遠ざかるにつれて前記底面と平行な第２の方向の幅が広くなる形状と、を有し、前記第１の方向に垂直な主面を有するリボン状の金属部材を前記第１の方向に沿って押し付けるポンチと、
前記第１の方向に沿って穿たれた開口と、前記開口の底部の前記第２の方向の両端部に設けられ、前記底部から遠ざかる方向に窪んだ凹部と、前記凹部の前記底部とは反対側の端部から、前記底部から前記第１の方向に遠ざかるように立ち上がるとともに前記底部から前記第２の方向に遠ざかるにつれて勾配が緩やかになる形状と、を有する治具と、を備え、
前記治具の前記底部と前記ポンチの前記底面との間に前記金属部材を挟み込んで前記金属部材を折り曲げることで、前記治具の底部と前記ポンチの底面とに挟まれた前記金属部材に平坦部が形成し、前記平坦部の前記治具の前記底部側に正方形の面が形成して、
請求項１乃至１０いずれか一項に記載の前記電子ビーム装置の前記フィラメントを形成する、
電子ビーム用フィラメントの製造装置。
【請求項１２】
前記ポンチの前記底面の前記第２の方向の両端には、前記第２の方向に張り出した張り出し部を有する、
請求項１１に記載の電子ビーム用フィラメントの製造装置。
【請求項１３】
第１の方向に垂直な底面を有し、前記底面から前記第１の方向に遠ざかるにつれて前記底面と平行な第２の方向の幅が広くなる形状を有するポンチの前記底面と、
前記第１の方向に沿って穿たれた開口を有し、前記開口の底部の前記第２の方向の両端部に、前記底部から前記第１の方向へ遠ざかる方向に窪んだ凹部を有し、前記凹部の前記底部とは反対側の端部から、前記底部から遠ざかるように前記第１の方向へ立ち上がるとともに前記底部から前記第２の方向に遠ざかるにつれて勾配が緩やかになる形状を有する治具の前記底部と、の間に、
長手方向が前記第２の方向に沿うように、かつ、主面が前記第１の方向に垂直になるように、リボン状の金属部材を配置し、
前記ポンチを前記治具の前記開口に押し込んで前記金属部材を折り曲げることにより、前記治具の底部と前記ポンチの底面とに挟まれた前記金属部材に平坦部を形成し、前記平坦部の前記治具の底部側に正方形の面を形成して、
請求項１乃至１０いずれか一項に記載の前記電子ビーム装置の前記フィラメントを形成する、
電子ビーム用フィラメントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子ビーム装置、電子ビーム用フィラメントの製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料などを溶接する手法として、電子ビーム溶接が知られている。電子ビーム溶接は、真球中に保持した２つの金属部材の接合部に電子ビームを照射することで、接合部を高温にして溶接を行う。一般には、電子ビーム溶接では、電流を流して加熱したフィラメント（カソード）から熱電子を放出し、グリッド（引き出し電極）により放出された熱電子に電位勾配を与えて、一定方向に進行する電子ビームとして取り出す。そして、アノードが取り出した電子ビームに加速電圧を与え、溶接対象物に電子ビームを照射する。溶接対象物に照射された電子ビームの運動エネルギーは溶接対象物で熱エネルギーに変換され、この熱エネルギーにより溶接対象物を溶融させて溶接を行う。
【０００３】
電子ビーム溶接は、他の溶接方法と比べて、深い溶け込みが得られ、高精度な溶接が可能である。また、電子ビーム溶接は真空中で溶接を行うので、溶接部の酸化を防止できる。更に、溶接部への入熱量が他の溶接方法に比べて少ないので、溶接後の歪みを抑制できるなど、様々な利点を有する。
【０００４】
電子ビーム溶接をはじめとする電子ビームを用いる装置においては、上述のように、熱電子を放出するため、フィラメントを加熱する必要が有る。そのため、フィラメントの加熱によりフィラメント表面の原子が昇華し、フィラメントは経時的に減肉する。その結果、フィラメントを長時間使用するとフィラメントの破断や抵抗値の上昇が発生し、フィラメントは寿命を迎え、交換が必要となる。これは、フィラメントの交換コストのみならず、フィラメント交換に伴う真空チャンバの開放など、交換作業による装置のダウンタイムが発生し、大きなスループット制約要因ともなる。
【０００５】
そのため、電子ビーム装置においては、フィラメントの長寿命化を実現するための様々な試みが行われている。例えば、電子ビーム装置において、リング形状の部材にフィラメントをコイル状に巻き付け、電子ビーム溶接による反射イオンの影響を回避する手法が提案されている（特許文献１）。また、電子ビーム溶接装置において、電子銃の中に、反射イオンを受けとめて、反射イオンがフィラメントに到達するのを妨害する部材を設ける手法が提案されている（特許文献２）。
【０００６】
また、フィラメントの熱電子を放出する部分にコーティングを施すことでフィラメントの寿命を延伸させる手法も提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３２４５０９号公報
【特許文献２】特開２００７−１６５１６０号公報
【特許文献３】特開平２−１２１２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、発明者らは、上述の手法には以下に示す問題点を見出した。上述のフィラメントは、螺旋形状（特許文献１）やリング形状（特許文献２）などの複雑な形状を有している。一般に、フィラメントはタングステンなどの高硬度の金属を用いる。そのため、複雑な形状のフィラメントを製造しようとすると、曲げ方向の厚みが薄い材料を用いなければならない。曲げ方向の厚みが厚すぎると、曲げ加工時にクラックや破断が生じ、フィラメント製造が困難となる。また、フィラメントにコーティングを施しても（特許文献３）、フィラメントへのイオン照射を軽減することはできない。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、電子ビーム装置のフィラメントに到達するイオン数を軽減して、フィラメントの長寿命化を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様である電子ビーム装置は、電子ビームを生成する電子銃部と、前記電子ビームが照射される対象物が配置される試料室と、電子銃部を排気する第１の真空ポンプ及び第２の真空ポンプと、を備え、前記電子銃部は、前記第１の真空ポンプによって排気される第１の真空チャンバと、前記第１の真空チャンバと第１の開口を介して連結され、かつ、前記試料室と連結され、前記第２の真空ポンプによって排気される第２の真空チャンバと、前記第１の真空チャンバ内に配置され、熱電子を放出するフィラメントと、前記第２の真空チャンバ内に配置され、前記第１の開口を介して熱電子を導いて電子ビームを生成するアノードと、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電子ビーム装置のフィラメントに到達するイオン数を軽減して、フィラメントの長寿命化を実現することである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１にかかる電子ビーム溶接装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる電子ビーム溶接装置での陽イオンの移動を示す図である。
【図３】実施の形態１にかかる電子ビーム溶接装置の真空チャンバにおける陽イオンの阻止を示す図である。
【図４】実施の形態１にかかる電子ビーム溶接装置のオリフィスに衝突する陽イオンを示す図である。
【図５】実施の形態２にかかる電子ビーム装置のフィラメントを斜め上方より俯瞰した斜視図である。
【図６】実施の形態２にかかる電子ビーム装置のフィラメントを斜め下方より見上げた斜視図である。
【図７】下方（Ｚ（−）側）から見た平坦面を示す下面図である。
【図８】平坦部をＹ方向から見た場合の拡大図である。
【図９】電子ビーム装置の一例である電子ビーム溶接装置の構成を模式的に示す図である。
【図１０】実施の形態２にかかるフィラメントの作製に用いるフィラメントの製造装置を示す図である。
【図１１】ポンチの底面近傍の拡大図である。
【図１２】実施の形態２にかかる治具とポンチとを用いてフィラメントを製造する様子を示す横面図である。
【図１３】比較例にかかる治具とポンチとを用いて比較例にかかるフィラメントを製造する様子を示す横面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１４】
実施の形態１
実施の形態１にかかる電子ビーム装置について説明する。ここでは、電子ビーム装置の一例である電子ビーム溶接装置１００について説明する。電子ビーム溶接装置１００は、所定の位置で真空ポンプによる排気を行うことで、フィラメントの寿命を延伸させることができる電子ビーム装置として構成される。図１は、実施の形態１にかかる電子ビーム溶接装置１００の構成を模式的に示す断面図である。図１では、紙面水平方向をＸ方向、紙面鉛直方向をＺ方向としている。
【００１５】
電子ビーム溶接装置１００は、電子銃部１１０、試料室１２０、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１６２、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１６４、メカニカルブースターポンプ（ＭＰ）１６５及びロータリーポンプ（ＲＰ）１６６を有する。
【００１６】
ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１６２は、第１の真空ポンプとも称する。ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１６４は、第２の真空ポンプとも称する。なお、本実施の形態では、第１及び第２の真空ポンプとしてターボ分子ポンプを用いているが、例えばディフュージョンポンプ（拡散ポンプ）などの他のタイプの真空ポンプを用いてもよい。同様に、メカニカルブースターポンプ（ＭＰ）１６５及びロータリーポンプ（ＲＰ）１６６も他のタイプの真空ポンプに置き換えてもよい。
【００１７】
電子銃部１１０と試料室１２０とは、開口部１５３を介して連結され、一体の真空装置（真空チャンバ）を構成する。電子銃部１１０は、試料室１２０へ向けて、電子ビーム１４０を出射する。電子銃部１１０は、２つのターボ分子ポンプ１６２及び真空ポンプ１６４によって排気される。試料室１２０は、縦続接続されたメカニカルブースターポンプ（ＭＰ）１６５及びロータリーポンプ（ＲＰ）１６６によって排気される。
【００１８】
電子銃部１１０は、真空チャンバＶＣ１〜ＶＣ３、フィラメント１１１、グリッド１１２、アノード１１３、アライメントコイル１１４、レンズコイル１１５、偏向コイル１１６及びオリフィス１１７、真空バルブ１１８を有する。
【００１９】
真空チャンバＶＣ１〜ＶＣ３及び試料室１２０は、Ｚ方向に縦続して連結されている。
【００２０】
真空チャンバＶＣ１内には、フィラメント１１１及びグリッド１１２が配置される。フィラメント１１１の一端はＤＣ電源１３０の正極と接続され、他端はＤＣ電源１３０の負極と接続される。これにより、フィラメント１１１にＤＣ電圧が印加され、電流が流れる。フィラメント１１１は、電流が流れることによるジュール熱で加熱され、熱電子を放出する。真空チャンバＶＣ１は、開口１６１を介して接続されるターボ分子ポンプ１６２により排気される。
【００２１】
フィラメント１１１から放出された熱電子は、グリッド１１２を通過した後、後述するアノード１１３により加速電圧を与えられ、電子ビーム１４０となる。グリッド１１２は、フィラメント１１１に対して高電位となるように構成されている。グリッド１１２とフィラメント１１１との間の電圧を高くすることで、電子ビーム１４０のビーム電流を制御することができる。電子ビーム１４０は、真空チャンバＶＣ１から真空チャンバＶＣ２及びＶＣ３を経て、試料室１２０に導かれる。
【００２２】
真空チャンバＶＣ１と真空チャンバＶＣ２とは連結され、開口部１５１を介して真空チャンバＶＣ１から真空チャンバＶＣ２へ電子ビーム１４０が導かれる。真空チャンバＶＣ２と真空チャンバＶＣ３とは連結され、開口部１５２を介して真空チャンバＶＣ２から真空チャンバＶＣ３へ電子ビーム１４０が導かれる。真空チャンバＶＣ３と試料室１２０とは連結され、開口部１５３を介して真空チャンバＶＣ３から試料室１２０へ電子ビーム１４０が導かれる。
【００２３】
なお、ここでは、真空チャンバＶＣ１を第１の真空チャンバとも称する。真空チャンバＶＣ２を第２の真空チャンバとも称する。また、真空チャンバＶＣ２と試料室１２０とは、真空チャンバＶＣ３を介して連結されているが、この連結状態を、単に真空チャンバＶＣ２と試料室１２０とが連結されているとも表記する。
【００２４】
真空チャンバＶＣ２の内部には、アノード１１３、オリフィス１１７が配置される。真空チャンバＶＣ２内の開口部１５１には、アノード１１３が配置される。アノード１１３の電子ビーム１４０の出射側（Ｚ（−）側）には、電子ビーム１４０が通過できるようにオリフィス１１７が配置される。真空チャンバＶＣ２と真空チャンバＶＣ３との間の開口部１５２には、真空バルブ１１８が設けられる。真空バルブ１１８により、真空チャンバＶＣ２と真空チャンバＶＣ３との間が開放され、又は遮断される。真空チャンバＶＣ２は、開口１６３を介して接続されるターボ分子ポンプ１６４により排気される。
【００２５】
真空チャンバＶＣ３内には、アライメントコイル１１４、レンズコイル１１５及び偏向コイル１１６が配置される。アライメントコイル１１４は、電子ビーム１４０のビームスポットの原点位置を決定する。レンズコイル１１５は、電子ビーム１４０のビームスポットの大きさを決定する。偏向コイル１１６は、溶接対象物に対する電子ビーム１４０の照射位置を制御する。
【００２６】
試料室１２０には、溶接対象物（この例では、部材Ｗ１及びＷ２）が配置される。試料室１２０は、真空ポンプ（メカニカルブースターポンプ（ＭＰ）１６５、ロータリーポンプ（ＲＰ）１６６）により、溶接作業中は常時排気されている。この例では、電子ビーム１４０が部材Ｗ１と部材Ｗ２との接合部に照射され、部材Ｗ１と部材Ｗ２とが溶け合った溶融金属部１４１を形成する。この溶融金属部１４１が冷えて固化することで、部材Ｗ１と部材Ｗ２とが溶接される。
【００２７】
以下、本実施の形態にかかる電子ビーム溶接装置１００におけるフィラメント１１１の寿命延伸の原理について説明する。
【００２８】
電子ビーム１４０が部材Ｗ１及びＷ２に照射されると、電子ビーム１４０のエネルギーにより、部材Ｗ１及びＷ２を構成する金属原子が陽イオンとなって試料室１２０内に放出される。図２は、実施の形態１にかかる電子ビーム溶接装置１００での陽イオンの移動を示す図である。図２に示すように、部材Ｗ１及びＷ２から放出された陽イオン１７０は、電位が低いフィラメント１１１の側に引かれて、電子ビーム１４０とは逆の経路を辿ってフィラメント１１１へ向かう。陽イオン１７０が、経路の途中で妨害されることなくフィラメント１１１に到達すると、陽イオン１７０がそのままフィラメント１１１に衝突する。その結果、フィラメント１１１は陽イオン照射により、すり鉢型の穿孔が生じるなどの物理的ダメージを受ける。その結果、フィラメント１１１の抵抗値上昇や断裂などが発生し、フィラメント１１１の寿命が縮まる。
【００２９】
ところが、本実施の形態にかかる電子ビーム溶接装置１００では、真空チャンバＶＣ２にターボ分子ポンプ１６４を接続し、排気を行っている。これにより、フィラメントに衝突する陽イオン数を抑制し、フィラメント寿命を延伸させることができる。特に、陽イオンは溶接作業中に多く生じるので、ターボ分子ポンプ１６４による真空チャンバＶＣ２の排気は、少なくとも溶接作業中には行われることが前提である。
【００３０】
以下、図を参照して具体的に説明する。図３は、実施の形態１にかかる電子ビーム溶接装置１００の真空チャンバＶＣ２における陽イオンの阻止を示す図である。図３に示すように、部材Ｗ１及びＷ２から放出される陽イオンには、まっすぐ（正確にＺ軸に沿って）フィラメント１１１へ向かわずに、Ｚ軸に対してある程度の角度をもってフィラメント１１１に向かうものがある。
【００３１】
Ｚ軸に対してある程度の角度をもってフィラメント１１１に向かう陽イオンが、真空チャンバＶＣ２に進入すると、ターボ分子ポンプ１６４により排気されるものが存在する（図３の陽イオン１７２）。こうした陽イオン１７２がターボ分子ポンプ１６４で排気されることで、フィラメント１１１に到達する陽イオンの数を低減することができる。その結果、フィラメント１１１に衝突する陽イオン数を低減し、フィラメント１１１の寿命を延伸することが可能となる。
【００３２】
また、図１に示すように、電子ビーム溶接装置１００には、オリフィス１１７を設けることができる。図４に、実施の形態１にかかる電子ビーム溶接装置１００のオリフィス１１７に衝突する陽イオン１７１を示す。この場合、アノードに向かう陽イオンのうちで、オリフィス１１７の中央の開口を通過できない程度の角度をもってオリフィス１１７に到達した陽イオン１７１は、オリフィス１１７に衝突する。オリフィス１１７に衝突した陽イオン１７１は速度が低下し、ターボ分子ポンプ１６４により排気される。つまり、オリフィス１１７を設けることで、電子ビーム１４０を導く経路を確保しつつ、フィラメント１１１に到達する陽イオン数をより低減することが可能である。以上より、オリフィス１１７を設けることで、フィラメント１１１の寿命を更に延伸することが可能となる。
【００３３】
実施の形態２
実施の形態２にかかる電子ビーム装置のフィラメント２００について説明する。フィラメント２００は、実施の形態にかかるフィラメント１１１の具体例である。図５は、実施の形態２にかかる電子ビーム装置のフィラメント２００を斜め上方より俯瞰した斜視図である。図６は、実施の形態２にかかる電子ビーム装置のフィラメント２００を斜め下方より見上げた斜視図である。フィラメント２００は、リボン状の金属部材１を折り曲げて形成されている。フィラメント２００は、Ｙ軸に沿った方向（Ｙ方向）から見た場合、Ｚ軸を中心として線対称の構成を有する。なお、以下では、Ｚ軸に沿った方向（Ｚ方向）を第１の方向とも称し、Ｘ軸に沿った方向（Ｘ方向）を第２の方向とも称する。
【００３４】
本実施の形態においては、リボン状の金属部材１の材質として、タングステン、レニウム−タングステン合金、カリウム添加タングステンのいずれかを用いることができる。
【００３５】
フィラメント２００は、中央部下方（Ｚ（−）側）に平坦部２を有する。図５では、平坦部２は、Ｘ−Ｙ平面を主面とする部分である。平坦部２のＺ（−）側、すなわち金属部材１の折り曲げ方向に対して反対側に、正方形の平坦面２Ａが設けられる。図７は、下方（Ｚ（−）側）から見た平坦面２Ａを示す下面図である。平坦面２ＡのＸ方向の辺ＬｘとＹ方向の辺Ｌｙとは、同じ長さとなる。但し、金属部材１の製造交差及び金属部材１の曲げ加工の交差を考慮すると、Ｌｘ及びＬｙについては、それぞれ±０．１ｍｍの交差が生じうる。したがって、Ｌｘ＝Ｌｙ＝Ｌとおくと、平坦面２Ａが正方形であるということは、平坦面２ＡがＬ±０．１ｍｍの対向する二辺と、Ｌ±０．１ｍｍの対向する他の二辺とに囲まれることと同義である。
【００３６】
平坦部２のＸ方向の両端で、金属部材１は折り曲げられている。平坦部２の一端と折り曲げ部１０を介して連結している部分を、アーム部１１と称する。平坦部２の他端と折り曲げ部２０を介して連結している部分を、アーム部２１と称する。なお、図５では、アーム部１１及びアーム部２１は、途中で折り曲げられているが、これは例示に過ぎず、折り曲げは必須ではない。
【００３７】
図８は、平坦部２をＹ方向から見た場合の拡大図である。平坦面２Ａの一端の折り曲げ部１０には、曲げ加工により丸みを帯びた角部１３が存在する。平坦面２Ａの他端の折り曲げ部２０には、曲げ加工により丸みを帯びた角部２３が存在する。フィラメント２００では、丸みの曲率半径が０．３〜０．５ｍｍとなるように、角部１３及び角部２３が設けられる。この曲率半径の範囲を設ける理由については、後述する。
【００３８】
フィラメント２００の電子ビーム装置への実装について説明する。ここでは、電子ビーム装置の一例である電子ビーム溶接装置２１０について説明する。図９は、電子ビーム装置の一例である電子ビーム溶接装置２１０の構成を模式的に示す図である。電子ビーム溶接装置２１０は、真空チャンバ３１内に、フィラメント２００、グリッド３３、アノード３４、アライメントコイル３５、レンズコイル３６、偏向コイル３７が配置される。
【００３９】
フィラメント２００のアーム部１１の端部１２及びアーム部２１の端部２２の一方はＤＣ電源３２の正極と接続され、他方はＤＣ電源３２の負極と接続される。これにより、フィラメント２００にＤＣ電源が印加され、電流が流れる。フィラメント２００は、電流が流れることによるジュール熱で加熱され、平坦面２Ａから熱電子を放出する。
【００４０】
放出された熱電子は、グリッド３３に導かれ、その後、アノード３４により加速電圧を与えられ、電子ビーム３０となる。アライメントコイル３５は、電子ビーム３０のビームスポットの原点位置を決定する。レンズコイル３６は、電子ビーム３０のビームスポットの大きさを決定する。偏向コイル３７は、溶接対象物に対する電子ビーム３０の照射位置を制御する。
【００４１】
真空チャンバ３１は、真空ポンプ３８により溶接作業中は常時排気されている。この例では、部材Ｗ１と部材Ｗ２とを溶接する。電子ビーム３０は、部材Ｗ１と部材Ｗ２との接合部に照射され、部材Ｗ１と部材Ｗ２とが溶け合った溶融金属部３９を形成する。この溶融金属部３９が冷えて固化することで、部材Ｗ１と部材Ｗ２とが溶接される。
【００４２】
次いで、フィラメント２００について、更に詳細に説明する。上述の通り、フィラメント２００は、平坦面２Ａが電子ビームの出射方向に向いており、主として平坦面２Ａから熱電子を放出する。そのため、平坦部２で最も減肉が生じる。このため、フィラメント２００では、金属部材１に厚みを持たせ、減肉の影響を軽減する。本実施の形態では、平坦部２の厚み（Ｚ軸方向）を、０．２５ｍｍ、０．３３ｍｍ、０．３８ｍｍとして、フィラメント２００の寿命を測定した。以下に、フィラメント２００の平坦部２の厚みとフィラメント寿命の関係を、表１に示す。
【表１】
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【００４３】
表１の例では、平坦部のＹ−Ｚ平面での断面積が等しくなるように、厚みの変化ともなって、平坦面２Ａの面積を変化させている。また、ＷＤはワークディスタンスであり、電子ビームの照射対象物と平坦面２Ａとの間の距離である。突き出し量は、フィラメントを電子銃に組み込んだときの平坦面２Ａとカソードとの距離を示す。
【００４４】
表１に示す通り、厚みが０．２５ｍｍ以上であれば、３００時間以上のフィラメント寿命を確保することができる。
【００４５】
また、上述のとおり、フィラメント２００は、金属部材１を曲げて作製する。この際、折り曲げ部１０及び折り曲げ部２０の角の曲率半径を考慮する必要がある。曲率半径が０．３ｍｍよりも小さければ、曲げ加工時にクラックが発生する。また、曲率半径が０．５ｍｍよりも大きければ、電子ビーム生成時のサイドビームの発生が懸念される。したがって、本実施の形態では、折り曲げ部１０及び折り曲げ部２０の角の曲率半径は、０．３
ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とする必要がある。
【００４６】
電子ビーム装置のなかでも、電子ビーム溶接装置では、溶接対象物に電子ビームを照射すると、溶接対象物から金属イオンが叩き出される。発生したイオンは、電子ビームの照射経路をさかのぼり、フィラメント２００の平坦面２Ａに衝突する。よって、平坦部２にイオン照射によるすり鉢状の穴が生じ、フィラメント破断の原因になり得る。しかし、上述の通り、フィラメント２００では平坦部２のＺ方向に厚みを持たせているので、こうしたイオン衝突によるダメージが有る場合でも、フィラメントの破断を抑制し、フィラメントの長寿命化を実現できる。
【００４７】
次いで、フィラメント２００の製造方法について説明する。フィラメント２００は、金属部材１を治具とポンチとで挟んで圧迫することで、金属部材１を曲げて作製される。図１０は、実施の形態２にかかるフィラメント２００の作製に用いるフィラメント製造装置２５０の構成を示す図である。フィラメント製造装置２５０は、雌側の治具４と雄側のポンチ５とを有する。
【００４８】
治具４は、治具４には、例えば金属で形成されＺ軸（＋）側から穿たれた開口４０を有する。開口４０の底部４１は、平坦（Ｘ−Ｙ平面）となっている。
【００４９】
底部４１のＸ（＋）側の端部には、概ね半円形の曲面４２Ａを有する凹部４２が設けられている。そして、曲面４２Ａと連続する曲面４３Ａを有する支持部４３が設けられる。曲面４３Ａは、曲面４２ＡのＸ（＋）側の端部からＺ（＋）方向へ立ち上がり、Ｘ（＋）側へ向かうに従って徐々に勾配が小さくなるように設けられる。そして、曲面４３ＡのＸ（＋）側の端部からＺ（＋）方向に立ち上がる側面４４Ａを有する側面部４４が設けられている。
【００５０】
底部４１のＸ（−）側の端部には、概ね半円形の曲面４５Ａを有する凹部４５が設けられている。そして、曲面４５Ａと連続する曲面４６Ａを有する支持部４６が設けられる。曲面４６Ａは、曲面４５ＡのＸ（−）側の端部からＺ（＋）方向へ立ち上がり、Ｘ（−）側へ向かうに従って徐々に勾配が小さくなるように設けられる。そして、曲面４６ＡのＸ（−）側の端部からＺ（＋）方向に立ち上がる側面４７Ａを有する側面部４７が設けられている。
【００５１】
ポンチ５は、軸部５１及び錐形部５２を有する。軸部５１は、Ｚ軸方向に延在する棒状の部材である。錐形部５２は、軸部５１のＺ（−）方向の先端に設けられ、Ｚ（−）方向に向かうに従ってＸ方向の幅が狭まる。ポンチ５は、錐形部５２のＺ（−）方向の底面５３（Ｘ−Ｙ平面）は、治具４の底部４１と対向するように配置される。底面５３のＸ（＋）の端部と軸部５１のＸ（＋）側の端部の間には、底面５３のＸ（＋）の端部からＺ（＋）側へ立ち上がり、Ｘ（＋）側へ向かうにしたがって勾配が大きくなる曲面５４が存在する。底面５３のＸ（−）の端部と軸部５１のＸ（−）側の端部の間には、底面５３のＸ（−）の端部からＺ（＋）側へ立ち上がり、Ｘ（−）側へ向かうにしたがって勾配が大きくなる曲面５５が存在する。
【００５２】
図１１は、実施の形態２にかかるポンチ５の底面５３近傍の拡大図である。図１１に示すように、ポンチ５の先端のＸ（＋）側の端部には、Ｘ（＋）方向に張り出すように、半円形の張り出し部５６が設けられる。ポンチ５の先端のＸ（−）側の端部には、Ｘ（−）方向に張り出すように、半円形の張り出し部５７が設けられる。
【００５３】
図１２は、実施の形態２にかかる治具４とポンチ５とを用いてフィラメント２００を製造する様子を示す横面図である。金属部材１の長手方向がＸ方向に沿うように、かつ、金属部材の主面がＺ方向に垂直になるように、金属部材を配置する。そして、治具４とポンチ５とで金属部材１を挟み込み、ポンチ５をＺ（−）方向の押し付けることで、金属部材１の曲げ加工を行う。この際、フィラメント２００の先端は、治具４の底部４１に支持され、かつ、ポンチ５の先端（底面５３、張り出し部５６及び５７）に押し付けられ、底部４１とポンチ５の先端に挟まれた金属部材１の両端は、凹部４２及び凹部４５の底部へむけて撓むことができる。これにより、治具４の底部４１に支持された部分の金属部材１に、確実に平坦部２を作製できる。また、金属部材１は、支持部４３及び支持部４６に支持されることで、折り曲げ部１０及び折り曲げ部２０を所望の位置及び所望の曲率半径で作製することができる。
【００５４】
以下、図１２に示すフィラメントの作製の利点を理解するため、通常の治具及びポンチを用いてフィラメントを作製する場合を比較例について説明する。図１３は、比較例にかかる治具６とポンチ７とを用いて比較例にかかるフィラメント３００を製造する様子を示す横面図である。
【００５５】
治具６は、治具４と比較して、凹部４２及び４５が存在せず、また曲面４３Ａ及び４６Ａが平面に置換されている。ポンチ７は、ポンチ５と比較して、曲面５４及び５５が平面に置換されており、また、底面の両端には張り出し部５６及び５７が存在しない。
【００５６】
この例では、治具６とポンチ７とで金属部材１を挟み込み、ポンチ７をＺ（−）方向に押し付けることで、金属部材１の曲げ加工を行う。この際、フィラメント３００の先端は、治具６の底部に支持され、かつ、ポンチ７の先端に押し付けられる。そして、治具６及びポンチ７の形状に沿って変形する。しかし、凹部４２及び凹部４５へ撓むことができず、かつ、曲面４３Ａ及び４６Ａとの接触による押圧を受けないので、金属部材１の変形が不十分となる。その結果、フィラメント３００の先端に平坦部を形成できず、丸みを帯びた形状となってしまう。つまり、本実施の形態にかかる治具４及びポンチ５を用いた曲げ加工によらなければ、本実施の形態にかかるフィラメント３００を作製することができないことが理解できる。
【００５７】
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、  上述では、金属部材１の材質として、タングステン、レニウム−タングステン合金、カリウム添加タングステンのいずれかを用いることができるものとして説明した。しかし、上述のように、金属部材１の曲げ加工を行うことを考慮すると、カリウム添加タングステンは、金属部材１の脆性を軽減し、曲げ加工によるクラックの発生を抑制することができる。よって、曲げ加工に対する親和性の観点からは、金属部材１にカリウム添加タングステンを用いることが有利である。また、カリウム添加タングステンは、純タングステンやレニウム−タングステン合金に比べた安価であり、コスト面からも有利である。
【符号の説明】
【００５８】
１  金属部材
２  平坦部
２Ａ  平坦面
４、６  治具
５、７  ポンチ
１０、２０  折り曲げ部
１１、２１  アーム部
１２、２２  端部
１３、２３  角部
３０  電子ビーム
３１  真空チャンバ
３２  電源
３３  グリッド
３４  アノード
３５  アライメントコイル
３６  レンズコイル
３７  偏向コイル
３８  真空ポンプ
３９  溶融金属部
４０  開口
４１  底部
４２、４５  凹部
４２Ａ、４５Ａ  曲面
４３、４６  支持部
４３Ａ、４６Ａ  曲面
４４、４７  側面部
４４Ａ、４７Ａ  側面
５１  軸部
５２  錐形部
５３  底面
５４、５５  曲面
５６、５７  張り出し部
１００  電子ビーム溶接装置
１１０  電子銃部
１１１  フィラメント
１１２  グリッド
１１３  アノード
１１４  アライメントコイル
１１５  レンズコイル
１１６  偏向コイル
１１７  オリフィス
１１８  真空バルブ
１２０  試料室
１３０  ＤＣ電源
１４０  電子ビーム
１４１  溶融金属部
１５１、１５２、１５３  開口部
１６１、１６３  開口
１６２、１６４  ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）
１６５  メカニカルブースターポンプ（ＭＰ）
１６６  ロータリーポンプ（ＲＰ）
１７０〜１７２  陽イオン
２００、３００  フィラメント
２１０  電子ビーム溶接装置
２５０  フィラメント製造装置
ＶＣ１〜ＶＣ３  真空チャンバ
Ｗ１、Ｗ２  部材
【図１】
2018085351.tif 000004
【図２】
2018085351.tif 000005
【図３】
2018085351.tif 000006
【図４】
2018085351.tif 000007
【図５】
2018085351.tif 000008
【図６】
2018085351.tif 000009
【図７】
2018085351.tif 000010
【図８】
2018085351.tif 000011
【図９】
2018085351.tif 000012
【図１０】
2018085351.tif 000013
【図１１】
2018085351.tif 000014
【図１２】
2018085351.tif 000015
【図１３】
2018085351.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月13日(2018.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを生成する電子銃部と、
前記電子ビームが照射される対象物が配置される試料室と、
電子銃部を排気する第１の真空ポンプ及び第２の真空ポンプと、を備え、
前記電子銃部は、
前記第１の真空ポンプによって排気される第１の真空チャンバと、
前記第１の真空チャンバと第１の開口を介して連結され、かつ、前記試料室と連結され、前記第２の真空ポンプによって排気される第２の真空チャンバと、
前記第１の真空チャンバ内に配置され、熱電子を放出するカソードと、
前記第２の真空チャンバ内に配置され、前記第１の開口を介して熱電子を導いて電子ビームを生成するアノードと、を備える、
電子ビーム装置。
【請求項２】
前記第２の真空チャンバは、少なくとも前記電子ビームが前記対象物に照射されているときに、前記第２の真空ポンプにより排気される、
請求項１に記載の電子ビーム装置。
【請求項３】
前記アノードの前記対象物側に、前記電子ビームが通過可能に配置されたオリフィスを更に備える、
請求項１又は２に記載の電子ビーム装置。
【請求項４】
前記対象物は、前記電子ビームが照射されることで、前記対象物を構成する原子に由来する陽イオンを放出する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子ビーム装置。
【請求項５】
前記対象物は複数の部材からなり、前記電子ビームが照射されることで前記複数の部材が溶接される、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子ビーム装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は電子ビーム装置に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の一態様である電子ビーム装置は、電子ビームを生成する電子銃部と、前記電子ビームが照射される対象物が配置される試料室と、電子銃部を排気する第１の真空ポンプ及び第２の真空ポンプと、を備え、前記電子銃部は、前記第１の真空ポンプによって排気される第１の真空チャンバと、前記第１の真空チャンバと第１の開口を介して連結され、かつ、前記試料室と連結され、前記第２の真空ポンプによって排気される第２の真空チャンバと、前記第１の真空チャンバ内に配置され、熱電子を放出するカソードと、前記第２の真空チャンバ内に配置され、前記第１の開口を介して熱電子を導いて電子ビームを生成するアノードと、を備えるものである。