(57)【要約】【課題】この発明は、ビーム照射位置の指令値に従い動作する偏向電源や偏向器などで構成された偏向系の応答性がよい電子ビーム加工機を提供することである。【解決手段】電子銃１から発生し集束レンズ３で集束された電子ビーム２を電磁偏向する偏向器４と、電子ビーム２の偏向量を指令する信号発生器５からの信号を受けて偏向器４を駆動する偏向電源７とを有し、電子ビーム２の被加工物９への照射位置を偏向器４による電磁偏向で走査する電子ビーム加工機であって、偏向電源７と偏向器４とで構成された偏向系には主偏向系と副偏向系の２つの偏向系を有し、上記主偏向系は走査の偏向量を指令するステップ送り信号で駆動されているとともに、上記主偏向系の遮断周波数に対して上記副偏向系の遮断周波数が高いものである。【選択図】図２５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃から発生し集束レンズで集束された電子ビームを電磁偏向する偏向器と、上記電子ビームの偏向量を指令する信号源からの信号を受けて上記偏向器を駆動する偏向電源とを有し、上記電子ビームの被加工物への照射位置を上記偏向器による電磁偏向で走査する電子ビーム加工機であって、上記偏向電源と上記偏向器とで構成された偏向系には主偏向系と副偏向系の２つの偏向系を有し、上記主偏向系は走査の偏向量を指令するステップ送り信号で駆動されているとともに、上記主偏向系の遮断周波数に対して上記副偏向系の遮断周波数が高いことを特徴とする電子ビーム加工機。
【請求項２】
上記主偏向系の主偏向器の巻数よりも上記副偏向系の副偏向器の巻数が少ないことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム加工機。
【請求項３】
上記副偏向系の副偏向器は上記主偏向系の主偏向器よりも上記電子銃に近い側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子ビーム加工機。
【請求項４】
上記副偏向系の副偏向電源は上記主偏向系の応答性誤差信号で駆動されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機。
【請求項５】
上記主偏向系の応答性誤差信号は主偏向系の模擬回路に矩形信号を与えて、その出力を上記矩形信号から減算した信号であることを特徴とする請求項４に記載の電子ビーム加工機。
【請求項６】
上記主偏向系の応答性誤差信号は主偏向器に偏向信号を与えたときに流れる偏向電流と上記偏向信号の差で求められていることを特徴とする請求項４に記載の電子ビーム加工機。
【請求項７】
上記副偏向系の副偏向電源を電圧制御方式としたことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子ビームによって例えば金属材料や磁性材料の熱処理または非金属材料のビーム露光などに適用される電子ビーム加工機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子ビーム加工機の一例である荷電粒子ビーム露光方法及び装置は電磁型主偏向器を鋸波に基づいて駆動して電子ビームを走査するものであり、主偏向器の走査位置誤差を副偏向器を設けて予め格納しておいた値で補正している。（例えば特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１０７０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電子ビーム加工機においては、電子ビーム（荷電粒子ビームを含む）を偏向により位置決めする場合、ビーム照射位置の指令値に従い動作する偏向電源や偏向器などの偏向系の応答性（偏向磁場の応答）により、ビーム照射の指令位置に対して実際に電子ビームが照射される位置との間に誤差が生じ、電子ビームを所定速度で走査する場合は位置の遅れ量となる。この関係を周波数応答で示した場合には、偏向系の周波数帯域を例えばＤＣから遮断周波数ｆｃで表すと、遮断周波数ｆｃが低くなるに従い遅れ誤差量は大きくなる。特に電子ビームを熱処理や露光といった用途に適用する場合は、電子ビームを指令位置に位置決めを繰返しながら走査するステップ送り制御が使用される。この場合には、偏向系の遮断周波数ｆｃがステップ送りの繰り返しで走査する指令信号の走査周波数ｆｓよりも低い場合は、目標の指令位置へ位置決めできないか、あるいは位置決めできたとしても時間が短いという課題があった。
【０００５】
この発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、ビーム照射位置の指令値に従い動作する偏向電源や偏向器などで構成された偏向系の応答性がよい電子ビーム加工機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る電子ビーム加工機は、電子銃から発生し集束レンズで集束された電子ビームを電磁偏向する偏向器と、上記電子ビームの偏向量を指令する信号源からの信号を受けて上記偏向器を駆動する偏向電源とを有し、上記電子ビームの被加工物への照射位置を上記偏向器による電磁偏向で走査する電子ビーム加工機であって、上記偏向電源と上記偏向器とで構成された偏向系には主偏向系と副偏向系の２つの偏向系を有し、上記主偏向系は走査の偏向量を指令するステップ送り信号で駆動されているとともに、上記主偏向系の遮断周波数に対して上記副偏向系の遮断周波数が高いことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の電子ビーム加工機によれば、偏向電源と偏向器とで構成された偏向系には主偏向系と副偏向系の２つの偏向系を有し、上記主偏向系は走査の偏向量を指令するステップ送り信号で駆動されているとともに、上記主偏向系の遮断周波数に対して上記副偏向系の遮断周波数が高いため、主偏向系でビーム偏向した際に生じた過渡的な位置誤差量（応答の遅れ量）を副偏向系で補正してビーム照射位置の指令値に近づけることが可能であり、ビームの偏向位置をステップ状に変化させたときの目標位置での整定時間（整定している時間）をより長くすることも可能であり、偏向系の応答性がよい電子ビーム加工機を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の電子ビームの動作を説明する説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向電源と偏向器とで構成された偏向系の電気回路構成を示す回路図である。
【図４】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の電気回路における電圧と電流を説明する説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の電気回路構成に浮遊容量のあることを説明する説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の周波数に対する電気特性を説明する説明図である。
【図７ａ】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向器を示す平面方向から見た説明図である。
【図７ｂ】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向器を示す偏向器の中心方向から見た説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の静的緒データを従来のものと比較して説明する説明図である。
【図９】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の動的緒データを従来のものと比較して説明する説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の信号発生器から偏向器までの電気回路構成を説明する説明図である。
【図１１】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態２における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図である。
【図１５】この発明の実施の形態２における電子ビーム加工機の偏向系の静的緒データを説明する説明図である。
【図１６】この発明の実施の形態２における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図１７】この発明の実施の形態２における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図１８ａ】この発明の実施の形態４における電子ビーム加工機の偏向器を示す平面方向から見た説明図である。
【図１８ｂ】この発明の実施の形態４における電子ビーム加工機の偏向器を示す偏向器の中心方向から見た説明図である。
【図１９】この発明の実施の形態４における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図２０】この発明の実施の形態５における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図である。
【図２１】この発明の実施の形態５における電子ビーム加工機の電子ビームの動作を説明する説明図である。
【図２２】この発明の実施の形態５における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図２３】この発明の実施の形態５における電子ビーム加工機の電子ビームの照射位置誤差を説明する説明図である。
【図２４】この発明の実施の形態５における従来の電子ビーム加工機の電子ビームの照射位置誤差を説明する説明図である。
【図２５】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図である。
【図２６】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の電子ビームの動作を説明する説明図である。
【図２７ａ】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の偏向器にＸ軸偏向巻線を施した場合を示す平面方向から見た説明図である。
【図２７ｂ】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の偏向器にＹ軸偏向巻線を施した場合を示す平面方向から見た説明図である。
【図２８】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の主偏向電源から主偏向器までの電気回路構成を説明する説明図である。
【図２９】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の副偏向系の電気回路構成を説明する説明図である。
【図３０】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の副偏向系の補正信号発生器を説明する説明図である。
【図３１】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の走査指令に対する主偏向系による電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図３２】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図３３】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の副偏向系による補正信号に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図３４】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の副偏向系による補正信号に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図３５】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【図３６】この発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の主偏向系と副偏向系の諸特性を従来のものと比較して説明する説明図である。
【図３７】この発明の実施の形態８における電子ビーム加工機の主偏向系と副偏向系の概略構成を示す構成図である。
【図３８】この発明の実施の形態８における電子ビーム加工機の主偏向系と副偏向系の電気回路構成を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図、図２はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の電子ビームの動作を説明する説明図、図３はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向電源と偏向器とで構成された偏向系の電気回路構成を示す回路図、図４はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の電気回路における電圧と電流を説明する説明図、図５はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の電気回路構成に浮遊容量のあることを説明する説明図、図６はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の周波数に対する電気特性を説明する説明図、図７ａはこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向器を示す平面方向から見た説明図、図７ｂはこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向器を示す偏向器の中心方向から見た説明図、図８はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の静的緒データを従来のものと比較して説明する説明図、図９はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の偏向系の動的緒データを従来のものと比較して説明する説明図、図１０はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の信号発生器から偏向器までの電気回路構成を説明する説明図、図１１はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図１２はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図１３はこの発明の実施の形態１における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
【００１０】
図１において、電子ビームを発生する電子銃１は、熱電子を発生するためのフィラメント（図示せず）と、フィラメントから発生した熱電子によって電子ビームを成形しビーム電流を制御するための電極（図示せず）と、電子ビームを加速するための電極（図示せず）等で構成されている。電子銃１が発生した電子ビーム２は集束レンズ３によって集束されるとともに、偏向器４によって電磁偏向される。偏向器４における電子ビーム２の偏向量を指令する偏向信号を発生する信号発生器５からの偏向信号は配線６を介して偏向電源７に入力される。偏向電源７は偏向信号をもとに偏向電流に変換するアンプ機能を有している。偏向電源７からの偏向電流は配線８を介して偏向器４の後述する巻線に与えられる。信号発生器５と偏向電源７および偏向器４はＸ軸用とＹ軸用との２軸用で構成されている。偏向器４により偏向された電子ビーム２は被加工物であるワーク９に照射される。なお、図１においては、電子銃１や集束レンズ３および偏向器４が入れられている真空容器内を真空に排気する真空排気装置、および電子ビーム２を発生加速するための電子銃１用のフィラメント加熱電源、電子ビーム加速電源、電子ビームの電流を制御する電源、ならびに集束レンズ３の電源は省略している。本実施の形態の電子ビーム加工機はビーム加速電圧６０ｋＶ，最大ビーム電流１００ｍＡ，出力６ｋＷであり、電子ビーム径は半値全幅で０．３ｍｍ以下に集束できる。電子ビーム径は集束レンズ３の電源の設定電流値等により必要なサイズに調整することができる。
【００１１】
また、本実施の形態の電子ビーム２を金属材料や磁性材料の熱処理および非金属材料の露光などに適用する場合、ワーク９への投入熱量や露光量の制御方法として、ビーム照射位置をステップ送りで走査し移動させる位置決めを行う。図２にワーク９へのビーム照射位置の移動の様子を模式的に示している。信号発生器５がステップ状の偏向信号を発生し、偏向電源７は偏向信号に応じた偏向電流を偏向器４に流し、ステップ状に変化する偏向磁場によりビーム照射位置がステップ送りで走査され移動する。このように電子ビームをステップ送りで走査することにより、ビーム径ごとに電子ビームの位置決めと移動を繰返すことになり、ビーム位置決め位置での停留時間を制御することで位置毎のワーク９への入熱量を管理できる。一般にステップ送りで走査されるビーム照射位置の平均的なビーム移動速度（以下、走査速度）をｖとしビーム径をｄとした場合、電子ビームをステップ送りで走査する走査指令信号のクロック周波数（以下、走査周波数）ｆｓはｆｓ＝ｖ／ｄである。
【００１２】
ここで、平均的な入熱量から走査速度ｖについて考える。走査速度１００ｍ／ｓでワーク９である鉄材に電子ビームを照射した場合のビーム照射位置部分の温度上昇は５００℃程度となり、これは熱処理の場合に相当する熱量である。走査速度１００ｍ／ｓはビーム出力６ｋｗでは熱処理等に適した熱量を投入できる一般的に使用される移動速度である。ビーム径である０．３ｍｍをステップ送りの単位長さ（ピッチ）として走査速度１００ｍ／ｓを得るためには、走査周波数ｆｓは３３０ｋＨｚとなる。一般にビーム出力が低い場合、ワーク９の比熱が大きい場合、ビーム径が大きい場合等は同じ温度条件であればより遅い走査速度で同じ温度上昇になる。本発明の用途である熱処理を効率的に行うには、ビーム出力は少なくとも１ｋｗ以上が必要であり、このパワーで熱処理を施すための走査速度ｖは１７ｍ／ｓになる。ビーム径ｄは意図的にフォーカスをぼかしたとしても０．６ｍｍを超えると分布が不均一となって均一な熱処理ができなくなる。この場合の走査周波数ｆｓは２８ｋＨｚであり、電子ビーム加工機における下限となる。このようなステップ送りは従来考慮されておらず、電子ビーム２はワーク９上で停止せずに連続的に移動（走査）するものであった。
【００１３】
熱処理や溶接等の加工では、１０ｍｍ以上の比較的大きなワーク９に電子ビーム２を照射するため、大きな偏向量を得やすい電磁巻線を用いた磁場偏向を適用する。例えば静電偏向でこのような大きな偏向領域を実現するためには、電子ビームの加速電圧に相当する１０ｋｖ程度の電圧が偏向にも必要になり、偏向電源７や偏向器４の巻線および配線８の絶縁等が複雑になる。電磁巻線による電子ビームの偏向角度は電磁巻線に流れる偏向電流に比例する。また、ワーク９と偏向器４との間の偏向距離が長いほど大きな偏向量を得ることができる。具体的には、偏向角度が±１５度で偏向距離が２００ｍｍであれば偏向量は１００ｍｍ程度、偏向距離を６００ｍｍに設定すると３００ｍｍ以上の偏向量を得ることができる。電子ビーム２の高速移動の特性は、ビーム移動の最高速度とステップ状の送りの位置決めに対応する周波数特性で表される。走査速度に関して説明すると、ビーム偏向では、ステージ移動に比べてビームの照射位置を高速に移動させることができる高速走査が可能である。通常の溶接での走査速度は０．０１〜０．０５ｍ／ｓでありステージ移動でよいが、熱処理やビーム露光の場合には１０〜５００ｍ／ｓの走査速度であり、ビーム偏向による高速走査が有効である。
【００１４】
次に、ビーム偏向によるビーム照射位置の高速移動について詳細に説明する。信号発生器５が発生する偏向量の指令値が高速で移動する指令を与えた場合、偏向電源７は最大電圧を出力する。このとき偏向電流の立ち上がり速度は電圧と偏向器４のインダクタンスで決まる。この偏向電流立ち上がり速度が最大偏向速度に相当する。偏向器４のインダクタンスと電流スルーレートの関係について詳細に説明する。図３に偏向電源７と偏向器４の電気回路構成の一例を示す。偏向電源７は定電流制御したＯＰアンプ回路で構成されており、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および偏向器４のインダクタンス１５である。偏向器４の電気抵抗は無視している。偏向器４に流れる偏向電流を電流検出抵抗１４で検出し、偏向電流が指令値である入力電圧に相当する電流値となるようにフィードバック制御されている。
【００１５】
図４に偏向電源７の入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔ、出力電流Ｉの時間変化を示す。出力電圧が偏向器４に加えられる電圧で、出力電流が偏向電流である。ＯＰアンプ１１の定電流回路が反転増幅の場合、入力電圧と出力電圧の極性が反転するが、図４では説明の簡略化のため同極性で示している。図４に示すようにステップ電圧が入力された場合、出力電流を立ち上げようとして出力電圧はステップ状に応答する。このときの出力電流と出力電圧の関係はＶｏｍ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔ＋Ｒ・ｉとなり、Ｖｏｍは出力電圧の最大値である。ここで、電流検出抵抗１４は電力ロスを少なくするため数Ω以下に選ばれるため、Ｒ・ｉを無視すると電流立ち上がり速度ｄｉ／ｄｔはｄｉ／ｄｔ＝Ｖｏｍ／Ｌとなり、出力電圧Ｖｏｕｔの最大値Ｖｏｍと偏向器４のインダクタンスＬで決まる。偏向器４の形状や巻線の巻数が同じ場合には、電流立ち上がり速度はビーム照射位置の走査速度に比例する。
【００１６】
次にビーム偏向の周波数特性について説明する。偏向系の周波数応答は偏向電源７の周波数特性、偏向器４の負荷や偏向磁場の応答（渦電流ロス等）で決まるものであり、特に電子ビーム２のワーク９への照射位置をステップ状に移動させる場合に関係する特性である。従来の電子ビーム加工機はステップ移動を実施しておらず、偏向系の特性については考慮されていなかったが、ここで従来の場合の偏向系の特性を説明する。従来の電子ビーム加工機の偏向系の偏向器４では、巻線径０．４ｍｍのマグネットワイヤーが合計の巻数２４０Ｔ（ターン）で施されており、偏向器４のインダクタンスは５ｍＨで偏向器４の浮遊容量が１００ｐＦである。さらに偏向電源７と偏向器４とを接続している配線８の浮遊容量が２００ｐＦ程度ある。従って、偏向系の周波数特性はＤＣ〜６０ｋＨｚの帯域である。このとき偏向電源７から見た負荷の共振周波数は１３０ｋＨｚであった。偏向器４のコアは筒状の内部に８極の磁極が設けられており、コアの内径は６０ｍｍで外径は１００ｍｍ高さ３０ｍｍである。コアには積層鉄心あるいはフェライトが用いられている。
【００１７】
図１４にもとづき従来の電子ビーム加工機の概略構成を説明する。電子銃１や集束レンズ３および偏向器４が収納された真空容器の周囲には図示していない真空ポンプ等の真空関連部品や望遠鏡などが配置されており、信号発生器５や偏向電源７は真空容器から比較的離れた位置に設けられたラック（図示せず）の内部に配置されている。このため偏向器４と偏向電源７との間は長さが３ｍ程度の配線８で接続されている。偏向器４からワーク９までの距離が６００ｍｍの場合、偏向電流２Ａで電子ビーム２の偏向量は１５０ｍｍになる。偏向電流２Ａは比較的簡単な電気回路構成で実現できる。例えば偏向電源７としてパワーＯＰアンプを用いた定電流フィードバック回路で実現可能である。この構成において、ビーム照射位置を連続的に移動させる場合には、走査速度１００ｍ／ｓが実現できる。一般的にはこのような連続的なビーム移動方法が適用されるため、偏向器４の巻数を２００Ｔ程度より多くして、偏向電源７の構成をより簡素化している。
【００１８】
図７ａおよび図７ｂにもとづいて本発明で用いた偏向器４について説明する。筒状のコア２２の内側にはＰ１からＰ８の８極の磁極が設けられている。コアサイズはコア内径が６０ｍｍでコア外径が１００ｍｍ、高さ３０ｍｍである。コア２２の材質はフェライトを使用している。８極の磁極にはマグネットワイヤーによる巻線が施されている。マグネットワイヤーの線径は０．５７ｍｍのものを使用しており、合計の巻数は１４０Ｔである。コア２２には直交するＸ軸とＹ軸の２軸の偏向を行う磁場を発生するＸ軸偏向用の巻線２１ＸとＹ軸偏向用の巻線（図示せず）が設けられる。具体的には、偏向器４のＸ軸偏向用巻線２１Ｘは磁極Ｐ３に対して巻線Ｎ３、磁極Ｐ２−Ｐ３−Ｐ４に対して巻線Ｎ２３４、磁極Ｐ７に対して巻線Ｎ７、磁極Ｐ６−Ｐ７−Ｐ８に対して巻線Ｎ６７８が巻かれる。巻数は均一磁場を発生させるためにコサイン巻となっており、巻線Ｎ３と巻線Ｎ７の巻数は４１Ｔ（ターン）、巻線Ｎ２３４と巻線Ｎ６７８の巻数は９９Ｔ（ターン）で、合計の巻数は１４０Ｔである。この結果、磁極Ｐ２とＰ４および磁極Ｐ６とＰ８には巻数９９Ｔ、磁極Ｐ３とＰ７には巻数１４０Ｔの巻線が巻かれていることになり、巻数が角度に対してコサイン分布になっている。このように巻かれた巻線２１Ｘは、磁極Ｐ２から磁極Ｐ８、磁極Ｐ３から磁極Ｐ７、磁極Ｐ４から磁極Ｐ６に向けて磁束２３が発生する方向に偏向電流が流れるように直列接続されている。同様に、図７ａで角度９０度振られた位置にＹ軸偏向巻線も巻かれるが、基本的にＸ軸偏向巻線と同様であり、図示を省略しており説明も省略する。
【００１９】
偏向器４のインダクタンスは１．８ｍＨで浮遊容量は６０ｐＦであった。この偏向器４に偏向電流３．３Ａを流した場合に、偏向器４とワーク９との間の距離６００ｍｍにおいて１５０ｍｍのビーム偏向量を得ることができる。なお、偏向器４の巻数を小さくした方がインダクタンスや浮遊容量が小さくなって遮断周波数ｆｃが高くなるため、走査周波数ｆｓを高くできるが、巻数Ｎを小さくしていくと以下に説明する現象が発生するため、巻数Ｎの下限は以下説明するとおり４０Ｔとなる。偏向器４の磁極毎の巻数は、磁場分布を均一にするため図７ａに示すように偏向方向の軸と磁極との角度θに応じてＣＯＳθに比例した巻数を施すコサイン巻を実施している。この関係で巻数Ｎが小さくなると、コサイン分布を整数にまるめて巻数とするため、コサイン分布からの誤差が大きくなる。巻数Ｎが４０Ｔ以上あると巻数誤差を３％以下にすることができ、磁場分布の均一性が得られる。
【００２０】
図１０にもとづき信号発生器５から偏向器４までの電気的特性について説明する。信号発生器５と偏向電源７との間の配線６および偏向電源７と偏向器４との間の配線８には、図１０に示すように配線の長さに比例したインダクタンスと浮遊容量が存在する。偏向電源７を偏向器４の近くに配置して偏向電源７の出力端に偏向器４の電磁巻線を直結させることで、配線８の長さを０．１ｍにした。このため配線８の浮遊容量を１０ｐＦ以下に低減できた。一方、この関係で信号発生器５から偏向電源７への配線６が長くなるが、偏向電源７の入力インピーダンスを数ｋΩに大きく設定するか、あるいは５０Ωの終端抵抗で入力信号を受ける等により、配線６のインダクタンスや浮遊容量の影響を無視できるため、配線６は数ｍ程度に長くしても問題ない。この結果、偏向電源７の負荷側の共振周波数は４５０ｋＨｚであり、大きな出力電流が得られる定電流フィードバックを施した偏向電源７で偏向器４を駆動する。偏向電源７と配線８および偏向器４で構成された偏向系の周波数帯域はＤＣから３５０ｋＨｚが得られたため、この場合の遮断周波数ｆｃは３５０ｋＨｚである。
【００２１】
図１１に平均的な走査速度１００ｍ／ｓ場合の電子ビームの応答状況を本発明の偏向系と従来の偏向系で比較したものを示す。ステップ送りピッチ０．２５ｍｍで走査周波数４００ｋＨｚであり、平均的な走査速度はステップ送りピッチ×走査周波数である。図１１中の点線が本発明の偏向系のもので遮断周波数ｆｃが３５０ｋＨｚの場合であり、破線が従来の偏向系のもので遮断周波数ｆｃが６０ｋＨｚの場合である。本発明の偏向系では偏向電源７の減衰を上記のように調整したため、ビーム応答波形は指数関数状にステップ送り指令値に漸近しており、オーバーシュート等は発生していない。一方従来の偏向系の場合は、制定時間として６μｓ必要であるためステップ送り指令値に追従できない。
【００２２】
図１２に平均的な走査速度５０ｍ／ｓ場合の電子ビームの応答状況を本発明の偏向系と従来の偏向系で比較したものを示す。ステップ送りピッチ０．２５ｍｍで走査周波数２００ｋＨｚであり、平均的な走査速度はステップ送りピッチ×走査周波数である。図１２中の点線が本発明の偏向系のもので遮断周波数ｆｃが３５０ｋＨｚの場合であり、破線が従来の偏向系のもので遮断周波数ｆｃが６０ｋＨｚの場合である。本発明の偏向系では偏向電源７の減衰を上記のように調整したため、ビーム応答波形は指数関数状にステップ送り指令値に漸近しており、電子ビームの停止時間が延びてオーバーシュート等は発生していない。一方従来の偏向系の場合は、制定時間として６μｓ必要であるためステップ送り指令値に追従できない。
【００２３】
なお、本発明の電子ビーム加工機の付随する特徴として、偏向磁場が貫通する筐体はビームに面する側に薄膜導体を形成した絶縁体、あるいは高抵抗体を使用しており、渦電流の抑制とビーム通路のチャージアップを防止している。
図８および図９に本発明の偏向系と従来の偏向系との違いをまとめて示す。本発明では偏向器４の巻線の巻数を減らすとともに偏向器４に偏向電源７を直結させる構成とすることで偏向系の周波数応答を高めた。偏向系の偏向電源７の最大出力電圧は２４Ｖであり、インダクタンスの小さい本発明の偏向器４はより早い走査速度を得ることができる。ただし、従来の偏向系と同じ偏向量を得るためには大きな偏向電流が必要であり、偏向電源７の電源容量が大きくなるとともに発熱量も大きくなる。出力電流の増加は偏向電源７の出力部に使用されているパワー素子の大容量化や並列化で容易に偏向電流を増加させて対応できる。
【００２４】
図５に示す偏向電源７と偏向器４との電気回路構成にもとづき偏向系の応答性について説明する。偏向器４には磁場を発生させるためのインダクタンスとともに浮遊容量が存在し、等価回路として図５に示すインダクタンス１５と並列の浮遊容量１６で表される。周波数に対する偏向系の電気特性を図６に示す。周波数ｆが高くなるに従い容量のインピーダンスである１／ωＣが小さくなり、共振周波数ｆｒを超えるとインダクタンス成分のインピーダンスであるωＬより小さくなる。この共振周波数ｆｒを超えた領域では偏向電流は浮遊容量１６を流れるため偏向器４は偏向磁場を発生することはできない。また、定電流帰還（フィードバック）制御動作する偏向電源７は安定動作させるために応答周波数を共振周波数ｆｒよりも低く抑えておく必要があるため、共振周波数ｆｒで偏向系の応答性が決まる。
【００２５】
偏向電源７の安定性を優先し定電圧制御を適用した場合、共振周波数以上でも偏向電源７は偏向電流を供給することが可能になるが、共振周波数以上の偏向電流は浮遊容量１６を通して流れるため偏向器４はビーム偏向に寄与する磁場を発生することができない。共振周波数ｆｒは偏向器４のインダクタンスＬＤＥＦと偏向器４の浮遊容量ＣＤＥＦおよび偏向器４と偏向電源７との間の配線８の浮遊容量Ｃｗで決まり、ｆｒ＝１／（２π（ＬＤＥＦ・（ＣＤＥＦ＋Ｃｗ））１／２）で決まる。なお、配線８のインダクタンスは小さいため無視している。ここで、偏向器４のインダクタンスＬＤＥＦは、偏向器４の形状やコアの透磁率で決まる定数をｋＬとすると偏向器４の巻線の巻数Ｎの２乗に比例し、ＬＤＥＦ＝ｋＬＮ２となる。一方、偏向器４の浮遊容量ＣＤＥＦは巻線の巻数Ｎへの依存性は顕著ではなく、６０から１００ｐＦ程度である。これは巻線の配線８との近接したところで最大の浮遊容量が決まるためと考えられる。
【００２６】
共振周波数ｆｒを高くするためには、偏向器４の巻数Ｎを小さくすること、および偏向電源７と偏向器４との間の浮遊容量を小さくするため配線８を短くすることが有効である。ただし、巻数Ｎを少なくすると、偏向器４の起磁力が小さくなるため、同じ偏向角を得るためには偏向電流が大きくなる。本発明の偏向器４の巻線の巻数Ｎと共振周波数ｆｒとの関係は、近似的にｆｒ≒７×１０７／Ｎの関係が見いだされた。巻数Ｎを少なくすることで共振周波数ｆｒを高くすることができる。この式は偏向器４のコア２２の内径および高さで決まるため、上記説明の偏向器４の形状の場合に有効である。共振周波数ｆｒに対して偏向電源７の周波数帯域の上限となる遮断周波数ｆｃは、ｆｃ＝０．８ｆｒ程度まで高くすることが可能である。
【００２７】
ステップ送りピッチ０．２５ｍｍに対して位置誤差が１０％以下に制定される時間は、ビーム位置の過渡応答特性により偏向系の遮断周波数ｆｃが３５０ｋＨｚでは１．０μｓとなる。従って走査周波数ｆｓが５００ｋＨｚの場合の停留時間２．０μｓにおいて、最初の１．０μｓ以降の１．０μｓの期間はビームが制定された時間になる。このことにより、ステップ移動の繰り返し周期を２．０μｓ以上、つまり走査周波数ｆｓを５００ｋＨｚ以下にすると電子ビームの指令値への制定時間が５０％以上になる。偏向系の応答性を示す遮断周波数ｆｃと走査周波数ｆｓとの関係を１．４ｆｃ＞ｆｓとなるように、偏向器４の巻線の巻数Ｎを７．８×１０７／Ｎ＞ｆｓに選べばよい。さらに、走査周波数ｆｓを０．５７ｆｃ＞ｆｓと選ぶとビーム照射位置での目標位置への制定時間が８０％以上になる。この場合の巻数Ｎは３．２×１０７／Ｎ＞ｆｓであればよい。
【００２８】
以上説明したように、偏向器４の巻線の巻数を１４０Ｔに減らすとともに、偏向電源７と偏向器４との間の配線８の長さを０．１ｍに短くしたため、偏向電源７と偏向器４および配線８で構成された偏向系の遮断周波数ｆｃを、従来６０ｋＨｚ程度であったものを３５０ｋＨｚまで高くすることができ、遮断周波数ｆｃと電子ビーム走査の偏向量を指令する信号の走査周波数ｆｓとに１．４ｆｃ＞ｆｓの関係を持たせたため、ビーム照射位置をステップ送りする走査指令に対応可能な応答性のよい偏向系を有する電子ビーム加工機が得られる効果がある。
【００２９】
なお、上記説明では偏向器４に線径０．５７ｍｍのマグネットワイヤーを巻数１４０Ｔ巻いた場合について説明したが、例えば線径０．５７ｍｍのマグネットワイヤーを２並列にして巻数１４０Ｔ巻くか、あるいは線径０．２９ｍｍのマグネットワイヤーを４並列にして巻数１４０Ｔ巻くなどしてもよく、線径に関しても、使用状況や冷却状況に応じて発熱量の許す範囲で適宜選定すればよい。
また、上記説明では偏向器４のコアに８極の磁極が有る場合について説明したが、磁極数は４極や１６極または２４極など他の極数であってもよく、同様の効果を得ることができる。
さらに、上記説明ではＸ軸用とＹ軸用の２軸構成の偏向系を示したが、ワーク９の加工に必要な電子ビームの照射パターンや、電子ビーム加工機の構成によっては１軸構成の偏向系であってもよく、例えばワーク９を搭載したステージの移動でＹ軸を制御し、直交するＸ軸を偏向器４による偏向で走査するようにしてもよい。
また、上記説明では特に説明していないが、偏向収差を補正するためのスティグメータやダイナミックフォーカス等のレンズ、およびこれらの信号発生器や電源を設けてもよい。さらに、上記説明では電子ビーム加工機がワーク９の熱処理に使用されるものについて説明したが、電磁偏向を用いてビーム照射位置をステップ移動で走査する荷電粒子ビーム装置や電子ビーム露光装置等の電子ビーム加工機であっても同等の効果を得ることができる。
【００３０】
実施の形態２．
図１４はこの発明の実施の形態２における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図、図１５はこの発明の実施の形態２における電子ビーム加工機の偏向系の静的緒データを説明する説明図、図１６はこの発明の実施の形態２における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図１７はこの発明の実施の形態２における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。上記実施の形態１では偏向電源７と偏向器４との間の配線８の長さを０．１ｍにした場合について説明したが、実施の形態２では配線８の長さを１ｍにした場合について説明する。電子銃１や集束レンズ３および偏向器４が収納された真空容器の周囲には図示していない真空ポンプ等の真空関連部品や望遠鏡などが配置されており、従来配線８の長さは３ｍ程度であったが、真空ポンプ等の真空関連部品や望遠鏡などの配置を工夫して、偏向電源７を偏向器４に近づけて配置することにより、配線８の長さを１ｍ以下にすることができる。図１５にこの場合の諸データを纏めて記入しているが、偏向器４については上記実施の形態１と同じものであり、実施の形態２では配線８の容量が１００ｐＦで共振周波数ｆｒが３００ｋＨｚであり、偏向系の遮断周波数ｆｃは２５０ｋＨｚに調整した。
【００３１】
図１６に走査速度７５ｍ／ｓの場合、図１７に走査速度５０ｍ／ｓの場合の電子ビームの応答状況を本発明の偏向系と従来の偏向系で比較したものを示す。図１６および図１７中の点線が本発明の偏向系のもので遮断周波数ｆｃが２５０ｋＨｚの場合であり、図１６の場合のステップ送りピッチは０．２５ｍｍで走査周波数は３００ｋＨｚであり、図１７の場合のステップ送りピッチは０．２５ｍｍで走査周波数は２００ｋＨｚである。破線が従来の偏向系のもので遮断周波数ｆｃが６０ｋＨｚの場合である。実施の形態２の偏向系では偏向電源７の減衰を上記のように調整したため、ビーム応答波形は指数関数状にステップ送り指令値に漸近しており、オーバーシュート等は発生していない。一方従来の偏向系の場合は、制定時間として６μｓ必要であるためステップ送り指令値に追従できない。図１６および図１７のどちらの場合も１．４ｆｃ＞ｆｓの関係を持たせており、電子ビームのステップ送り指令値への制定時間が５０％以上になる。
【００３２】
実施の形態３．
上記実施の形態１では偏向器４の巻線の巻数が１４０Ｔの場合について説明したが、実施の形態３では巻数を２００Ｔにした場合について説明する。巻数が２００Ｔではインダクタンスが３．５ｍＨ、浮遊容量が８０ｐＦ、共振周波数は３００ｋＨｚであった。実施の形態１と同様に偏向電源７を偏向器４に直結することで配線８の影響を軽減すれば、偏向電源７の調整により偏向系の遮断周波数ｆｃを２５０ｋＨｚにできる。従って、この場合にも実施の形態２での説明と同様に、電子ビームのステップ送り指令値への制定時間が５０％以上になり、熱処理等への適用が十分可能となる。このため、偏向器４の巻線の巻数は２００Ｔ以下が望ましい。
【００３３】
実施の形態４．
図１８ａはこの発明の実施の形態４における電子ビーム加工機の偏向器を示す平面方向から見た説明図、図１８ｂはこの発明の実施の形態４における電子ビーム加工機の偏向器を示す偏向器の中心方向から見た説明図、図１９はこの発明の実施の形態４における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。上記実施の形態１では偏向器４はＸ軸用とＹ軸用の２軸で磁極が８極の場合について説明したが、実施の形態４では偏向器４が１軸で２極の場合である。図１８ａおよび図１８ｂにおいて、磁極間のギャップを２０ｍｍ、磁極幅は４０ｍｍ、磁極の長さを４０ｍｍとし、磁極の巻線を巻く部分の幅は２０ｍｍ、高さ３０ｍｍである。このような磁極構成とすることで、偏向量を変えずに巻線の巻数を大幅に少なくできるため、より応答性のよい偏向系を得ることができる。具体的には、偏向器４の巻線の巻数を２０Ｔとして、実施の形態１と同じ偏向電流３．３Ａで同等の偏向量１５０ｍｍを得ることができた。この場合の偏向器４のインダクタンスは０．５ｍＨ、浮遊容量は３０ｐＦであり、偏向系の共振周波数ｆｒは１ＭＨｚ、遮断周波数ｆｃは６５０ｋＨｚであった。このときのステップ送り指令に対する電子ビームの応答を図１９に示す。偏向条件は走査速度１００ｍ／ｓでステップ送りピッチ０．２５ｍｍであり、走査周波数４００ｋＨｚである。図１９に示すようにステップ送り指令値に対してより早く追従している。
【００３４】
実施の形態５．
図２０はこの発明の実施の形態５における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図、図２１はこの発明の実施の形態５における電子ビーム加工機の電子ビームの動作を説明する説明図、図２２はこの発明の実施の形態５における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図２３はこの発明の実施の形態５における電子ビーム加工機の電子ビームの照射位置誤差を説明する説明図、図２４はこの発明の実施の形態５における従来の電子ビーム加工機の電子ビームの照射位置誤差を説明する説明図である。上記実施の形態１では電子ビームをステップ送りで走査する場合について説明したが、実施の形態５では電子ビームを連続で走査する場合について説明する。図２０において信号発生器５が連続の指令信号を出力する以外は、本発明の電子ビーム加工機および従来の電子ビーム加工機は実施の形態１で説明したものと同一である。信号発生器５からの連続の指令信号を受けて偏向電源７が連続の偏向電流を出力することにより、電子ビーム２は偏向器４によって偏向されて、図２１に示すようにワーク９上で連続的に走査される。一般に図２２に示すように、連続走査の場合は連続走査指令に対して電子ビーム２のワーク９への照射位置が偏向系の応答特性に応じて遅れるため、遅れ誤差量が発生する。
【００３５】
走査速度１００ｍ／ｓの場合の遅れ誤差量は、従来の電子ビーム加工機では０．３ｍｍであったが、本発明の電子ビーム加工機では０．０５ｍｍに低減できた。図２３に本発明の電子ビーム加工機を使用した場合の試験結果を示し、図２４に従来の電子ビーム加工機の場合を示す。図２３および図２４において、ワーク９をＹ軸方向にステージ移動させながら、Ｘ軸方向は信号発生器５に三角波を発生させて、偏向器４による偏向により往復走査を行うとともに、所定の指令位置で電子ビームをスポット照射した。この結果、図２３に示すように本発明の電子ビーム加工機の場合は、往復のスポット照射位置のばらつきは０．１ｍｍ以下に抑制できた。図２４に示す従来の電子ビーム加工機の場合は、ばらつきは０．６ｍｍ程度であった。以上説明したように、本発明の電子ビーム加工機を使用すれば連続的に走査する場合にも電子ビームの照射位置の精度向上が図れる。
【００３６】
実施の形態６．
図２５はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図、図２６はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の電子ビームの動作を説明する説明図、図２７ａはこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の偏向器にＸ軸偏向巻線を施した場合を示す平面方向から見た説明図、図２７ｂはこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の偏向器にＹ軸偏向巻線を施した場合を示す平面方向から見た説明図、図２８はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の主偏向電源から主偏向器までの電気回路構成を説明する説明図、図２９はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の副偏向系の電気回路構成を説明する説明図、図３０はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の副偏向系の補正信号発生器を説明する説明図、図３１はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の走査指令に対する主偏向系による電子ビームの応答を説明する説明図、図３２はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図３３はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の副偏向系による補正信号に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図３４はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の副偏向系による補正信号に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図３５はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図３６はこの発明の実施の形態６における電子ビーム加工機の主偏向系と副偏向系の諸特性を従来のものと比較して説明する説明図である。
【００３７】
図２５において、電子ビーム２を発生する電子銃１は、熱電子を発生するためのフィラメント（図示せず）と、フィラメントから発生した熱電子によって電子ビーム２を成形しビーム電流を制御するための電極（図示せず）と、電子ビーム２を加速するための電極（図示せず）等で構成されている。電子銃１が発生した電子ビーム２は集束レンズ３によって集束されるとともに、主偏向器４ａおよび副偏向器４ｂによって電磁偏向される。副偏向器４ｂは主偏向器４ａに対して電子銃１に近い側に配置されている。主偏向器４ａにおける電子ビーム２の偏向量を指令する偏向信号を発生する信号発生器５からの偏向信号は配線６を介して主偏向電源７ａに入力される。主偏向電源７ａは偏向信号をもとに偏向電流に変換するアンプ機能を有している。主偏向電源７ａからの偏向電流は配線８を介して主偏向器４ａの後述する巻線に与えられる。主偏向器４ａの応答性に起因する過渡的な誤差量を補正信号として発生する補正信号発生器１０からの補正信号は配線６を介して副偏向電源７ｂに入力される。副偏向電源７ｂからの偏向電流は配線８を介して副偏向器４ｂの後述する巻線に与えられる。
【００３８】
信号発生器５と主偏向電源７ａおよび主偏向器４ａはＸ軸用とＹ軸用との２軸用で構成されている。また、補正信号発生器１０と副偏向電源７ｂおよび副偏向器４ｂはＸ軸用とＹ軸用との２軸用で構成されている。主偏向器４ａおよび副偏向器４ｂにより偏向された電子ビーム２は被加工物であるワーク９に照射される。なお、図２５においては、電子銃１や集束レンズ３および主偏向器４ａならびに副偏向器４ｂが入れられている真空容器内を真空に排気する真空排気装置、および電子ビーム２を発生加速するための電子銃１用のフィラメント加熱電源、電子ビーム加速電源、電子ビーム２の電流を制御する電源、ならびに集束レンズ３の電源は省略している。本実施の形態の電子ビーム加工機はビーム加速電圧６０ｋＶ，最大ビーム電流１００ｍＡ，出力６ｋＷであり、電子ビーム径は半値全幅で０．３ｍｍ以下に集束できる。電子ビーム径は集束レンズ３の電源の設定電流値等により必要なサイズに調整することができる。
【００３９】
また、本実施の形態の電子ビーム２を金属材料や磁性材料の熱処理および非金属材料の露光などに適用する場合、ワーク９への投入熱量や露光量の制御方法として、ビーム照射位置をステップ送りで走査し移動させる位置決めを行う。図２６にワーク９へのビーム照射位置の移動の様子を模式的に示している。信号発生器５がステップ状の偏向信号を発生し、主偏向電源７ａは偏向信号に応じた主偏向電流を主偏向器４ａに流し、ステップ状に変化する偏向磁場によりビーム照射位置がステップ送りで走査され移動する。このように電子ビームをステップ送りで走査することにより、ビーム径ごとに電子ビームの位置決めと移動を繰返すことになり、ビーム位置決め位置での停留時間を制御することで位置毎のワーク９への入熱量を管理できる。一般にステップ送りで走査されるビーム照射位置の平均的なビーム移動速度（以下、走査速度）をｖとしビーム径をｄとした場合、電子ビームをステップ送りで走査する走査指令信号のクロック周波数（以下、走査周波数）ｆｓは、ｆｓ＝ｖ／ｄである。
【００４０】
ここで、平均的な入熱量から走査速度ｖについて考える。走査速度１００ｍ／ｓでワーク９である鉄材に電子ビーム２を照射した場合のビーム照射位置部分の温度上昇は５００℃程度となり、これは熱処理の場合に相当する熱量である。走査速度１００ｍ／ｓはビーム出力６ｋｗでは熱処理等に適した熱量を投入できる一般的に使用される移動速度である。ビーム径である０．２５ｍｍをステップ送りの単位長さ（ピッチ）として走査速度１００ｍ／ｓを得るためには、走査周波数ｆｓは４００ｋＨｚとなる。一般にビーム出力が低い場合、ワーク９の比熱が大きい場合、ビーム径が大きい場合等は同じ温度条件であれば、より遅い走査速度で同じ温度上昇になる。本発明の用途である熱処理を効率的に行うには、ビーム出力は少なくとも１ｋｗ以上が必要であり、このパワーで熱処理を施すための走査速度ｖは１７ｍ／ｓになる。ビーム径ｄは意図的にフォーカスをぼかしたとしても０．６ｍｍを超えると分布が不均一となって均一な熱処理ができなくなる。この場合の走査周波数ｆｓは２８ｋＨｚであり、電子ビーム加工機における下限となる。このようなビーム偏向によるステップ送り制御は従来考慮されておらず、電子ビーム２はワーク９上で停止せずに連続的に移動（走査）するものであった。
【００４１】
熱処理や溶接等の加工では、１０ｍｍ以上の比較的大きなワーク９に電子ビーム２を照射するため、大きな偏向量を得やすい電磁巻線を用いた磁場偏向を適用する。例えば静電偏向でこのような大きな偏向領域を実現するためには、電子ビーム２の加速電圧に相当する１０ｋｖ程度の電圧が偏向にも必要になり、主偏向電源７ａや主偏向器４ａの巻線および配線８の絶縁等が複雑になる。電磁巻線による電子ビーム２の偏向角度は電磁巻線に流れる偏向電流に比例する。また、ワーク９と主偏向器４ａとの間の偏向距離が長いほど大きな偏向量を得ることができる。具体的には、偏向角度が±１５度で偏向距離が２００ｍｍであれば偏向量は１００ｍｍ程度、偏向距離を６００ｍｍに設定すると３００ｍｍ以上の偏向量を得ることができる。電子ビーム２の高速移動の特性は、ビーム移動の最高速度とステップ状の送りの位置決めに対応する周波数特性で表される。走査速度に関して説明すると、ビーム偏向では、ステージ移動に比べてビームの照射位置を高速に移動させることができる高速走査が可能である。通常の溶接での走査速度は０．０１〜０．０５ｍ／ｓでありステージ移動でよいが、熱処理やビーム露光の場合には１０〜５００ｍ／ｓの走査速度であり、ビーム偏向による高速走査が有効である。
【００４２】
次に、ビーム偏向によるビーム照射位置の高速移動について詳細に説明する。信号発生器５が発生する偏向量の指令値が高速で移動する指令を与えた場合、主偏向電源７ａは最大電圧を出力する。このとき偏向電流の立ち上がり速度は電圧と主偏向器４ａのインダクタンスで決まる。この偏向電流立ち上がり速度が最大偏向速度に相当する。主偏向器４ａのインダクタンスと電流スルーレートの関係について詳細に説明する。図３に主偏向電源７ａと主偏向器４ａの電気回路構成の一例を示す。主偏向電源７ａは定電流制御したＯＰアンプ回路で構成されており、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および主偏向器４ａのインダクタンス１５である。主偏向器４ａの電気抵抗は無視している。主偏向器４ａに流れる偏向電流を電流検出抵抗１４で検出し、偏向電流が指令値である入力電圧に相当する電流値となるようにフィードバック制御されている。
【００４３】
図４に主偏向電源７ａの入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔ、出力電流Ｉの時間変化を示す。出力電圧が主偏向器４ａに加えられる電圧で、出力電流が偏向電流である。ＯＰアンプ１１の定電流回路が反転増幅の場合、入力電圧と出力電圧の極性が反転するが、図４では説明の簡略化のため同極性で示している。図４に示すようにステップ電圧が入力された場合、出力電流を立ち上げようとして出力電圧はステップ状に応答する。このときの出力電流と出力電圧の関係はＶｏｍ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔ＋Ｒ・ｉとなり、Ｖｏｍは出力電圧の最大値である。ここで、電流検出抵抗１４は電力ロスを少なくするため数Ω以下に選ばれるため、Ｒ・ｉを無視すると電流立ち上がり速度ｄｉ／ｄｔはｄｉ／ｄｔ＝Ｖｏｍ／Ｌとなり、出力電圧Ｖｏｕｔの最大値Ｖｏｍと主偏向器４ａのインダクタンスＬで決まる。主偏向器４ａの形状や巻線の巻数が同じ場合には、電流立ち上がり速度はビーム照射位置の走査速度に比例する。
【００４４】
次にビーム偏向の周波数特性について説明する。主偏向系の周波数応答は主偏向電源７ａの周波数特性、主偏向器４ａの負荷や偏向磁場の応答（渦電流ロス等）で決まるものであり、特に電子ビーム２のワーク９への照射位置をステップ状に移動させる場合の応答性に係わる特性である。従来の電子ビーム加工機はステップ移動を実施しておらず、偏向系の特性については考慮されていなかったが、ここで従来の場合の偏向系の特性を説明する。従来の電子ビーム加工機の偏向系の偏向器４では、巻線径０．４ｍｍのマグネットワイヤーが合計の巻数２４０Ｔ（ターン）で施されており、偏向器４のインダクタンスは５ｍＨで偏向器４の浮遊容量が１００ｐＦである。さらに偏向電源７と偏向器４とを接続している配線８の浮遊容量が２００ｐＦ程度ある。従って、偏向系の周波数特性はＤＣ〜６０ｋＨｚの帯域である。このとき偏向電源７から見た負荷の共振周波数は１３０ｋＨｚであった。偏向器４のコアは筒状の内部に２４極の磁極が設けられており、コアの内径は６０ｍｍで外径は１００ｍｍ高さ４０ｍｍである。コアには積層鉄心あるいはフェライトが用いられている。
【００４５】
図１４にもとづき従来の電子ビーム加工機の概略構成を説明する。電子銃１や集束レンズ３および偏向器４が収納された真空容器の周囲には図示していない真空ポンプ等の真空関連部品や望遠鏡などが配置されており、信号発生器５や偏向電源７は真空容器から比較的離れた位置に設けられたラック（図示せず）の内部に配置されている。このため偏向器４と偏向電源７との間は長さが３ｍ程度の配線８で接続されている。偏向器４からワーク９までの距離が６００ｍｍの場合、偏向電流２Ａで電子ビーム２の偏向量は１５０ｍｍになる。偏向電流２Ａは比較的簡単な電気回路構成で実現できる。例えば偏向電源７としてパワーＯＰアンプを用いた定電流フィードバック回路で実現可能である。この構成において、ビーム照射位置を連続的に移動させる場合には、走査速度１００ｍ／ｓが実現できる。一般的にはこのような連続的なビーム移動方法が適用されるため、偏向器４の巻数を２００Ｔ程度より多くして、偏向電源７の構成をより簡素化している。
【００４６】
主偏向系の主偏向電源７ａと主偏向器４ａとの間の配線８には浮遊容量が存在する。浮遊容量は図２８のような等価回路で示すことができる。従来の偏向系の場合、この配線８の浮遊容量が大きいことと偏向器４のインダクタンスが大きいことにより、共振周波数は１３０ｋＨｚであったため、偏向電源４の周波数帯域はＤＣ〜６０ｋＨｚと狭い。ここで前述したステップ送り制御を実現するためには、前述したビーム径である０．２５ｍｍをステップ送りの単位長さ（ピッチ）として走査速度１００ｍ／ｓを得るためには、走査周波数ｆｓは４００ｋＨｚとなり、従来の偏向系ではこの走査周波数に応答することはできない。偏向系の周波数応答を高くすることが高速化および高精度化を図る上では必要になるが、前述したように、電子ビーム２を熱処理や溶接に適用する場合、大きなビーム偏向幅が必要になり偏向器４も大きな磁束を発生する必要があるため、偏向器４には大きなアンペアターンが必要であり、巻数も多くなる。このことは、偏向広域化に必須である偏向器４の共振周波数を高くすることに対しての制約となっている。
【００４７】
本実施の形態６では、偏向系を大きな偏向量を得るための主偏向系と、偏向量は少なく主偏向系での誤差量の補正のみに相当する偏向を行うための副偏向系で構成する。主偏向器４ａと主偏向電源７ａからなる主偏向系では、有限の周波数帯域しかなく応答性の制約となりビーム照射位置の遅れである過渡的な位置誤差が発生する。この位置誤差量に相当する位置誤差信号で副偏向電源７ｂは副偏向電流を副偏向器４ｂに流し、位置誤差量に応じて変化する偏向磁場によりビーム照射位置を補正する。主偏向系によるビーム位置の応答性は数式１に示す偏向電流Ｉの応答性に比例し、その位置誤差量は数式２に示す偏向電流の誤差Ｉerror に比例する。
【００４８】
【数１】
2018160695.tif 000003
【数２】
2018160695.tif 000004
ただし、
Ｉstep：ステップ送りの単位長さに相当する偏向電流
ｆｃ：遮断周波数（応答性を表す）
ｔ：時間
ｅxp（−ｔ／（２πｆｃ））：ｅの（−ｔ／（２πｆｃ））乗を表す
【００４９】
次に、主偏向器４ａの構成について図２７ａおよび図２７ｂにもとづき説明する。筒状のコア３０の内側にはＰ１からＰ２４の２４極の磁極が設けられている。コアサイズはコア内径が６０ｍｍでコア外径が１００ｍｍ、コア高さ４０ｍｍである。コア３０の材質はフェライトを使用している。コア３０の磁極にはマグネットワイヤーによる巻線が施されている。マグネットワイヤーの線径は０．５７ｍｍのものを使用しており、合計の巻数は１４０Ｔである。コア３０には直交するＸ軸とＹ軸の偏向を行う磁場を発生する巻線が設けられており、図２７ａはＸ軸偏向用の巻線、図２７ｂはＹ軸偏向用の巻線が施された状態を示している。
【００５０】
具体的には、図２７ａにおいて、磁極Ｐ２からＰ１２および磁極Ｐ１４からＰ２４に巻かれたコイル３１の巻数は１８Ｔ、磁極Ｐ３からＰ１１および磁極Ｐ１５からＰ２３に巻かれたコイル３２の巻数は１７Ｔ、磁極Ｐ４からＰ１０および磁極Ｐ１６からＰ２２に巻かれたコイル３３の巻数は１４Ｔ、磁極Ｐ５からＰ９および磁極Ｐ１７からＰ２１に巻かれたコイル３４の巻数は１２Ｔ、磁極Ｐ６からＰ８および磁極Ｐ１８からＰ２０に巻かれたコイル３５の巻数は７Ｔ、磁極Ｐ７および磁極Ｐ１９に巻かれたコイル３６の巻数は２Ｔであり、角度が０度の位置の磁極Ｐ７および磁極Ｐ１９には合計７０Ｔのコイルが巻線されており、対になる磁極Ｐ７と磁極Ｐ１９の合計の巻数は１４０Ｔである。また、巻数は各磁極の角度に応じてコサイン分布になっている。同様に、図２７ｂに示すように角度９０度振られた位置にＹ軸偏向用の巻線も巻かれるが、基本的にＸ軸偏向用の巻線と同様であり、説明は省略する。
【００５１】
主偏向器４ａのインダクタンスは２．１ｍＨで浮遊容量は８０ｐＦであった。主偏向電流３．３Ａを流した場合に、主偏向器４ａとワーク９との間の距離６００ｍｍにおいて２００ｍｍのビーム偏向量を得ることができる。主偏向電源７ａと主偏向器４ａとの間の配線８には、図２８に示すように配線８の長さに比例したインダクタンスと浮遊容量が存在する。主偏向電源７ａを主偏向器４ａの近くに配置して直結させることで、配線８の長さを０．１ｍにした。このため配線８の浮遊容量は１０ｐＦ以下である。主偏向電源７ａの負荷側の共振周波数は３７０ｋＨｚであり、定電流フィードバック制御により主偏向器４ａを駆動する。主偏向系の周波数帯域はＤＣ〜２５０ｋＨｚが得られた。遮断周波数ｆｃは２５０ｋＨｚである。
【００５２】
副偏向器４ｂについて説明する。一般に偏向器の巻数を小さくした方がインダクタンスや浮遊容量が小さくなって遮断周波数ｆｃが高くなるため、走査周波数ｆｓを高くすることができる。しかし、アンペアターンが小さくなるため大きな偏向量を得るためには大電流を流す必要があり不利であるが、前述した、主偏向系の過渡的に生じる位置誤差の補正に用いる場合は、実用上問題にならない電流で使える。副偏向器４ｂは図２７ａおよび図２７ｂで説明した主偏向器４ａと同様の構成であるため、図２７ａおよび図２７ｂにもとづき説明する。副偏向器４ｂのコア断面形状は主偏向器４ａと同じであり、厚さ１０ｍｍのコア３０に次の巻線を施した。
【００５３】
図２７ａにおいて、磁極Ｐ２からＰ１２および磁極Ｐ１４からＰ２４に巻かれたコイル３１の巻数は６Ｔ、磁極Ｐ３からＰ１１および磁極Ｐ１５からＰ２３に巻かれたコイル３２の巻数は５Ｔ、磁極Ｐ４からＰ１０および磁極Ｐ１６からＰ２２に巻かれたコイル３３の巻数は５Ｔ、磁極Ｐ５からＰ９および磁極Ｐ１７からＰ２１に巻かれたコイル３４の巻数は３Ｔ、磁極Ｐ６からＰ８および磁極Ｐ１８からＰ２０に巻かれたコイル３５の巻数は２Ｔ、磁極Ｐ７および磁極Ｐ１９に巻かれたコイル３６の巻数は１Ｔであり、角度が０度の位置の磁極Ｐ７および磁極Ｐ１９には合計２２Ｔのコイルが巻線されており、対になる磁極Ｐ７と磁極Ｐ１９の合計の巻数は４４Ｔである。また、巻数は各磁極の角度に応じてコサイン分布になっている。同様に、図２７ｂに示すように角度９０度振られた位置にＹ軸偏向用の巻線も巻かれるが、基本的にＸ軸偏向用の巻線と同様であり説明は省略する。
【００５４】
副偏向器４ｂのインダクタンスは０．２ｍＨで浮遊容量は６０ｐＦであった。副偏向電流０．１Ａを流した場合に、副偏向器４ｂとワーク９との間の距離６６０ｍｍにおいて、０．０６ｍｍのビーム偏向量を得ることができる。なお、副偏向器４ｂは主偏向器４ａより電子銃１側に配置されるためワーク９までの距離は主偏向器４ａの場合より長くなる。図２９に副偏向電源７ｂと副偏向器４ｂの回路構成を示す。副偏向電源７ｂは直列の副偏向器４ｂと抵抗１７とに接続され、副偏向器４ｂと抵抗１７にかかる電圧を入力へフィードバックする電圧フィードバック制御で構成されている。抵抗１７の抵抗値Ｒｓと副偏向器４ｂのインダクタンス値Ｌｓとすると、副偏向器４ｂと抵抗１７に加えられた電圧Ｖと副偏向器４ｂに流れる電流Ｉｓの関係は、Ｉｓ＝Ｖ／（Ｒｓ＋ｊωＬｓ）となる。なお、ｊは虚数単位を示し、電圧の周波数をｆとするとω＝２πｆである。従って、副偏向器４ｂに流れる電流Ｉｓは電圧の周波数ｆが副偏向系の遮断周波数ｆｃＲＬを超えると減衰するが、それ以下では減衰しない。ここで、ｆｃＲＬ＝Ｒｓ／（２πＬｓ）であり、Ｌｓ＝０．２ｍＨであることから、Ｒｓ＝９００ΩにするとｆｃＲＬは７２０ｋＨｚとなり、広帯域化に有利な電圧フィードバックの電源構成により周波数帯域はＤＣ〜７２０ｋＨｚを得ることができた。
【００５５】
副偏向電流Ｉｓは必要な偏向振幅を小さくしており、０．０５Ａであるため、副偏向電源の出力電圧は−４５〜＋４５Ｖで駆動する。また電流が少ないため抵抗１７での消費電力も少ない。インダクタンス負荷の電流フィードバックは系が不安定になりやすいが、電圧フィードバック制御することで周波数帯域が広く安定な動作が容易に得られる。また、副偏向器４ｂの浮遊容量や配線８の浮遊容量が大きい場合も、浮遊容量はインダクタンスに並列であるため、副偏向器４ｂに流れる電流への影響は少ない。なお、上記説明では抵抗１７を副偏向器４ｂとグランド間に配置した例を示したが、抵抗１７は副偏向器４ｂと副偏向電源７ｂの出力間に配置しても同等の効果を得ることができる。
【００５６】
次に主偏向系と副偏向系を用いた補正の具体的な方法について図３０にもとづき説明する。図３０は図２５に示した補正信号発生器１０の機能をブロック図で示した説明図である。偏向信号のステップ移動の基準となる基準クロックを元に、位置の移動信号を発生する矩形信号発生器４０で発生した矩形信号を主偏向系の応答を模擬する模擬回路４１に入力して主偏向系の応答を模擬した模擬信号を得て、矩形信号と模擬信号を減算器４２にて減算して誤差信号を算出する。このようにして求められたステップ移動の基準クロックに同期して発生するビーム位置誤差に相当した補正信号を使用して、副偏向電源７ｂおよび副偏向器４ｂを介して電子ビーム２を偏向し、過渡的に生じる位置誤差を補正する。主偏向器４ａのステップ送り量が０．２５ｍｍと小さい場合、主偏向器４ａのステップ送りに相当する電流は４ｍＡ程度と小さいため偏向電流量の精度よい測定が難しい、また、ノイズ等外乱の影響も受けやすい。本実施の形態６のように補正信号を作成することで外乱の影響なく精度のよい補正が可能になる。
【００５７】
なお、主偏向系の応答性は前述した周波数帯域ＤＣ〜２５０ｋＨｚの場合、遮断周波数ｆｃの値である２５０ｋＨｚ以上では周波数に反比例して振幅が減衰する１次遅れ系に調整している。そのため、模擬回路４１はＯＰアンプ等を用いて同様の周波数特性を模擬している。主偏向電源７ａでは、図２８に示すように制御アンプの出力電圧は主偏向器４ａのインダクタンスと電流検出抵抗で分圧された電圧値でフィードバック制御される。この電圧値にはインダクタンスによる遅れが生じるため、フィードバック系内で位相補償を行うことにより、前述のように１次遅れ系に調整することができる。仮に調整なしの場合には２次遅れ系となり誤差信号にオーバーシュートが発生する。模擬回路４１で補正する場合は、模擬回路４１を２次遅れ系に調整することで、補正効果を得ることができる。
【００５８】
また、図示していないが、補正信号発生器１０には主偏向系の実周波数特性に模擬回路４１の周波数特性を合わせるために時定数の調整機能と振幅の調整機能を有している。さらに、補正信号発生器１０は、ロジック素子とＯＰアンプ等のアナログ回路で構成してもよい。また、ＰＣ等のデジタル演算で補正量を算出しＤＡ変換器等を介して、副偏向電源７ｂを駆動してもよい。補正演算はリアルタイムでの演算でもよいし、予め演算した信号を記憶装置に記憶しておき、読み出すようにしてもよい。
また、実施の形態６では主偏向器４ａおよび副偏向器４ｂのコア３０にフェライトを使用した例を示したが、コア３０に０．１ｍｍ厚さの積層鉄心を使用した場合、コア内部に誘導される渦電流などによるロスのため１００ｋＨｚ程度があり、偏向電流に対して偏向磁場の減衰が発生することがある。
また、ビーム通路と偏向器の間に偏向器保護のため金属筒（ステンレス筒）を挿入することがある。この場合も筒に渦電流が誘導され偏向電流に対して偏向磁場が減衰する。このように偏向磁場の減衰は予め決まった周波数特性により減衰することが磁場計算や実測により把握できる。その周波数特性を模擬して模擬信号としてもよい。
【００５９】
図３１は平均的な走査速度１００ｍ／ｓの場合の主偏向器４ａによる電子ビームの応答状況を副偏向系による補正なしの場合で示している。ステップ送りピッチ０．２５ｍｍで走査周波数４００ｋＨｚであり、平均的な走査速度はステップ送りピッチ×走査周波数である。信号発生器５が発生した電子ビーム２の基準偏向量を指令する偏向信号５１に対して、主偏向器４ａのみの場合の応答信号波形５２は点線で示すように応答遅れによる誤差が生じている。主偏向系の遮断周波数ｆｃは２５０ｋＨｚである。
図３２および図３３はステップ送りの１ステップ分の信号波形のみを拡大して示したものであり、図３２では偏向信号５１と主偏向器によるビーム位置の応答信号波形５２および副偏向器４ｂで補正後のビーム位置の応答信号波形５５である。図３３に偏向信号５１と主偏向器４ａによるビーム位置の応答信号波形５２との差であるビーム位置の誤差波形５３と、その誤差波形５３をもとにした副偏向器４ｂによる応答波形であるビーム誤差補正量５４を示している。
【００６０】
図３４は誤差波形５３と副偏向器４ｂによる応答波形であるビーム誤差補正量５４の連続した波形を示している。図３５は基準となる偏向信号５１と副偏向系による補正後のビーム位置の応答信号波形５５の連続した波形を示している。図３１から図３５の各信号は電圧信号等であるが、分かり易いように各信号をビーム位置相当で表している。図３１に示す補正なしの場合、誤差量が１０％以内になるまでに要する時間は１．６μｓであったが、図３５に示すように補正により０．６μｓに短縮できた。走査周波数４００ｋＨｚで１ステップ２．５μｓに対して、整定時間を３６％から７６％に向上できた。
【００６１】
主偏向器４ａと副偏向器４ｂについて従来の偏向器と比較して個々の特性を図３６に示す。図３６において、各偏向器の巻線の巻数Ｎ、インダクタンスＬ、浮遊容量Ｃ、共振周波数ｆｒおよび偏向電流に対する偏向量である偏向感度を示している。なお、浮遊容量Ｃには配線８の浮遊容量を含んでいる。主偏向系は主偏向器４ａと主偏向器４ａの偏向電流をフィードバック制御した主偏向電源７ａとで構成されており、周波数帯域はＤＣ〜２５０ｋＨｚが得られている。副偏向系は副偏向器４ｂと副偏向器４ｂに加える電圧をフィードバックする電圧フィードバック制御した副偏向電源７ｂとで構成されており、副偏向電源７ｂの最大電流は０．０５Ａ、周波数帯域はＤＣ〜６５０ｋＨｚである。副偏向系を設けたことで０．０５ｍｍの過渡的な応答誤差が補正できた。このように、副偏向系の偏向量を小さくし副偏向器４ｂの巻線の巻数を少なくすることで、共振周波数を高め広帯域化を図り主偏向系の過渡的な位置誤差を補正することができる。そのため偏向系全体では大振幅と高い応答性を実現できた。
【００６２】
主偏向器４ａと副偏向器４ｂの配置に関して説明する。一般に偏向器内の偏向磁場分布は均一ではなく中心軸から離れコアに近づくに従い磁場が強くなる。このため、電子ビーム２の偏向器内の通過位置が中心軸から離れるに従って偏向作用は強くなる。本実施の形態６では、前述したように、主偏向器４ａは副偏向器４ｂに比べ偏向量が大きくなるように構成するとともに、副偏向器４ｂの位置を電子銃１側に配置している。このことにより副偏向器４ｂによる偏向作用は小さいため、主偏向器４ａの偏向作用への影響は小さくできる。逆に主偏向器４ａを副偏向器４ｂに対して電子銃１側に配置した場合には、主偏向器４ａによる偏向作用により電子ビーム２は副偏向器４ｂの中心軸から離れた位置を通過することになり、副偏向器４ｂによる偏向作用が主偏向器４ａによる偏向量に依存して大きく変わることとなり、補正量の調整が難しくなる。
【００６３】
なお、本実施の形態６では上記のように主偏向器４ａと副偏向器４ｂを別々に設けた場合について説明したが、同一のコア３０に主偏向用の巻線（コイル）と副偏向用の巻線（コイル）を重ね巻きしても、同様の効果を得ることができる。また、主偏向器４ａおよび副偏向器４ｂとも２４極のコア３０を使用した場合を示したが、磁極数は４極、８極等の他の極数を選んでもよい。さらに、主偏向器４ａと副偏向器４ｂの磁極数は同じである必要はなく、別個の極数のコアを用いても、同様の効果を得ることができる。
【００６４】
主偏向系の応答性について、図５に示す主偏向電源７ａと主偏向器４ａとの電気回路構成にもとづき説明しておく。主偏向器４ａには磁場を発生させるためのインダクタンスＬとともに浮遊容量Ｃがある。図５の等価回路でインダクタンス１５と並列の浮遊容量１６で表される。周波数ｆが高くなるに従い容量のインピーダンスである１／ωＣが小さくなり、共振周波数ｆｒを超えるとインダクタンス成分のインピーダンスであるωＬより小さくなる。この共振周波数ｆｒを超えた領域では偏向電流は浮遊容量１６を流れる。また、定電流フィードバック制御動作する主偏向電源７ａは安定動作させるために応答周波数を共振周波数ｆｒよりも低く抑えておく必要がある。主偏向系を広帯域化するためには共振周波数ｆｒを高める必要がある。共振周波数ｆｒはｆｒ＝１／（２π（Ｌ・Ｃ）１／２）で決まる。主偏向器４ａのインダクタンスＬは、主偏向器４ａの形状やコアの透磁率で決まる定数をｋＬとすると、主偏向器４ａの巻線の巻数Ｎの２乗に比例し、Ｌ＝ｋＬＮ２となる。主偏向器４ａの浮遊容量は巻線の巻数Ｎへの依存性は顕著ではなく、６０から１００ｐＦ程度である。
【００６５】
なお、上記説明では主偏向器４ａに線径０．５７ｍｍのマグネットワイヤーを巻数１４０Ｔ巻いた場合について説明したが、例えば線径０．５７ｍｍのマグネットワイヤーを２並列にして巻数１４０Ｔ巻くか、あるいは線径０．２９ｍｍのマグネットワイヤーを４並列にして巻数１４０Ｔ巻くなどしてもよく、マグネットワイヤーの線径に関しても、使用状況や冷却状況に応じて発熱量の許す範囲で適宜選定すればよい。
また、上記説明ではＸ軸用とＹ軸用の２軸構成の偏向系を示したが、ワーク９の加工に必要な電子ビームの照射パターンや、電子ビーム加工機の構成によっては１軸構成の偏向系であってもよく、例えばワーク９を搭載したステージの移動でＹ軸を制御し、直交するＸ軸を主偏向器４ａおよび副偏向器４ｂによる偏向で走査するようにしてもよい。
【００６６】
また、上記説明では特に説明していないが、偏向収差を補正するためのスティグメータやダイナミックフォーカス等のレンズおよびこれらの信号発生器や電源を設けてもよい。さらに、上記説明では電子ビーム加工機がワーク９の熱処理に使用されるものについて説明したが、電磁偏向を用いてビーム照射位置をステップ移動で走査する、荷電粒子ビーム装置や電子ビーム露光装置等の電子ビーム加工機であっても同等の効果を得ることができる。
また、ステップ送り量０．２５ｍｍ、走査周波数４００ｋＨｚの例を示したが、この値に制約されるものではなく、他のステップ送り量や走査周波数でも同等の効果を得ることができる。
【００６７】
実施の形態７．
上記実施の形態６では副偏向電源７ｂを定電圧フィードバック制御した電圧制御方式の場合について説明したが、実施の形態７では定電流フィードバック制御する電流制御方式にした場合について説明する。副偏向電源７ｂの負荷側の共振周波数は１．３ＭＨｚであり、主偏向電源７ａと同様に定電流フィードバック制御を施した副偏向電源７ｂで副偏向器４ｂを駆動する。副偏向電源７ｂと配線８および副偏向器４ｂで構成された副偏向系の周波数帯域はＤＣ〜６００ｋＨｚが得られた。遮断周波数ｆｃは６００ｋＨｚである。副偏向器４ｂを流れた偏向電流を電流検出抵抗で検出し、入力信号に対してフィードバックをかける電流フィードバック制御であり、共振周波数が高いため、より広い周波数帯域を得ることができた。副偏向系を電流フィードバック制御方式としたため、主偏向器４ａや副偏向器４ｂに温度上昇等の外乱があっても、ビーム照射位置の安定した制御が可能である。なお、他の部分については上記実施の形態６と同様であるため説明を省略する。
【００６８】
実施の形態８．
図３７はこの発明の実施の形態８における電子ビーム加工機の主偏向系と副偏向系の概略構成を示す構成図、図３８はこの発明の実施の形態８における電子ビーム加工機の主偏向系と副偏向系の電気回路構成を説明する説明図である。上記実施の形態６では補正信号発生器１０からの補正信号を副偏向電源７ｂに入力する場合について説明したが、実施の形態８では偏向信号と主偏向器４ａに流れる電流の差を利用して補正信号とする場合について説明する。図３７において、信号発生器５から発生した偏向信号をもとに主偏向電源７ａは主偏向器４ａに偏向電流を流す。主偏向系は実施の形態６で説明したように、周波数帯域がＤＣ〜２５０ｋＨｚであるため、ビーム位置には過渡的な遅れ誤差が発生する。信号発生器５から発生した偏向信号と主偏向器４ａに流れる偏向電流のモニタ信号との差により、減算器６１でビーム位置誤差量を求める。なお、このとき偏向信号とモニタ信号とのゲインを合わせる必要がある。減算器６１で求められたビーム位置誤差量で副偏向電源７ｂを介して副偏向器４ｂを駆動する。電子ビーム２は主偏向器４ａと副偏向器４ｂの発生する偏向磁場で偏向される。
【００６９】
図３８にこの場合の電気回路構成を示す。減算器６１で求められたビーム位置誤差信号を副偏向電源７ｂの入力信号とし、副偏向電源７ｂは副偏向器４ｂによりビーム位置誤差量を補正するようにビームを偏向する。副偏向系の周波数帯域はＤＣ〜６５０ｋＨｚであるため、応答誤差に対して大幅な改善が可能であり、周波数帯域を主偏向系のみの場合の２５０ｋＨｚから副偏向系を使用したことにより６５０ｋＨｚに広げた効果が得られる。なお、波形の図等、他の部分は実施の形態６と同様であるため説明を省略する。
このような構成の場合、主偏向系の周波数特性が１次遅れ系または２次遅れ系であっても、ビーム誤差量を算出して補正することができため、主偏向系の調整等を厳密に行う必要がなくなる。特にステップ送り量が大きい場合に簡単な調整で高精度な位置決めが可能になる。
【００７０】
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１  電子銃、２  電子ビーム、３  集束レンズ、４  偏向器、４ａ  主偏向器、４ｂ  副偏向器、５  信号発生器、６  配線、７  偏向電源、７ａ  主偏向電源、７ｂ  副偏向電源、８  配線、９  ワーク、１０  補正信号発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７ａ】
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【図２７ｂ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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