(57)【要約】      （修正有）【課題】材料加工用の電子ビームシステム、誘導素子を高速駆動する増幅器、材料を加工する電子ビームシステム用の画像生成装置を提供する。【解決手段】誘導素子、特に、電子ビーム銃の偏向コイルを高速駆動する、電流印加アレイを有する増幅器で、増幅器は、電圧安定化電源に接続されるように適合された第１の電圧ノード（Ｕ１）と、電力を誘導素子（Ｌ）に供給するために第１の出力（ＡＬ）に接続されるように適合された第２の電圧ノード（Ｕｖ）と、第１の電圧ノード（Ｕ１）と第２の電圧ノード（Ｕｖ）との間で連続的に切り換え可能な抵抗値を有する抵抗器（Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、．．．、Ｒ１ｋ）を各々が有する複数の第１の切り換え可能なブリッジ（Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３、．．．、Ｂ１ｋ）とを含む。【選択図】図１
2008117751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流印加アレイを含む誘導素子、特に、電子ビーム銃の偏向コイルを高速駆動するための増幅器であって、前記電流印加アレイが、
電圧安定化電源に接続されるように適合された第１の電圧ノード（Ｕ１）と、
前記誘導素子（Ｌ）に電力を供給するために第１の出力（ＡＬ）に接続されるように適合される第２の電圧ノード（Ｕｖ）と、
前記第１の電圧ノード（Ｕ１）と前記第２の電圧ノード（Ｕｖ）との間で連続的に切り換え可能な抵抗値を有する抵抗器（Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、．．．Ｒ１ｋ）を各々が有する複数の第１の切り換え可能なブリッジ（Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３、．．．、Ｂ１ｋ）と、
を有する増幅器において、
第１の抵抗器（Ｒ１１）が第１の抵抗値ＷＲ１１＝Ｒｍｉｎを有し、第２の抵抗器（Ｒ１２）が第２の抵抗値ＷＲ１２≧ＷＲ１１を有するとともにｎ番目の抵抗器がｎ番目の抵抗値ＷＲ１ｎ≧ＷＲ１ｎ−１を有するように、前記抵抗値が選択される増幅器。
【請求項２】
電圧安定化電源に接続されるように適合された第３の電圧ノード（Ｕ２）と、
前記第３の電圧ノード（Ｕ２）と前記第２の電圧ノード（Ｕｖ）との間で連続的に切り換え可能な抵抗値を有する抵抗器（Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、．．．、Ｒ２ｋ）を各々が有する複数の第２の切り換え可能なブリッジ（Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、．．．、Ｂ２ｋ）と、
を含み、
第１の抵抗器（Ｒ２１）が第１の抵抗値ＷＲ２１＝Ｒｍｉｎを有し、第２の抵抗器（Ｒ２２）が第２の抵抗値ＷＲ２２≧ＷＲ２１を有するとともにｎ番目の抵抗器がｎ番目の抵抗値ＷＲ２ｎ≧ＷＲ２ｎ−１を有するように、前記抵抗値が選択される請求項１に記載の増幅器。
【請求項３】
前記第２の抵抗器（Ｒｉ２）が第２の抵抗値ＷＲｉ２＝ｍ２Ｒｍｉｎを有し、２≧ｍ２≧１であり、ｉ＝１、２であり、かつ前記ｎ番目の抵抗器（Ｒｉｎ）がｎ番目の抵抗値ＷＲ１ｎ＝ｍｎｎ−１Ｒｍｉｎを有し、２≧ｍｎ≧１であるように、前記抵抗値が選択される請求項１または２に記載の増幅器。
【請求項４】
ｍｎ≧ｍｎ−１の式とｎ≧３、４、５、６、．．．でｍｎ＝ｍｎ＋１の式のうち少なくとも一方の式が成り立つ請求項３に記載の増幅器。
【請求項５】
前記第１の電圧ノード（Ｕ１）が、前記電圧安定化電源の第１の極性（＋）の出力に接続されるように適合され、
前記第３の電圧ノード（Ｕ２）が、前記電圧安定化電源の第２の極性（−）の出力に接続されるように適合される、請求項２〜４のいずれか１項に記載の増幅器。
【請求項６】
前記切り換え可能なブリッジ（Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３、．．．、Ｂ１ｋ、Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、．．．、Ｂ２ｋ）の各々が、前記抵抗器（Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、．．．、Ｒ１ｋ、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、．．．、Ｒ２ｋ）と高速スイッチ（Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、．．．、Ｔ１ｋ、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、．．．、Ｔ２ｋ）との直列接続からなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の増幅器。
【請求項７】
前記切り換え可能なブリッジ（Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３、．．．、Ｂ１ｋ、Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、．．．、Ｂ２ｋ）を駆動するための制御回路（１）であって、前記切り換え可能なブリッジの各々を別々にかつ独立して駆動するように設計される制御回路（１）を含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の増幅器。
【請求項８】
前記制御回路（１）が、
第１のビット数を有する第１のデータワードを受信するためのデータ入力（３）と、
前記データ入力に接続可能であり、かつ前記切り換え可能なブリッジ（Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３、．．．、Ｂ１ｋ、Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、．．．、Ｂ２ｋ）を駆動するために、所定の変換規則に従って、前記第１のビット数を有する入力データワードを、第２のビット数を有する出力データワードに変換するように適合されたコード変換器（６）と、
前記第１の出力（ＡＬ）に接続され、かつ前記第１のビット数を有する第２のデータワードを出力するアナログ−デジタル変換器（７）と、
前記第１および第２のデータワードを比較して、比較の結果を出力する比較回路（８）と、
補助増幅器（９）であって、該補助増幅器の出力が前記第１の出力（ＡＬ）に接続され、かつ前記補助増幅器が、前記補助増幅器の入力において、前記比較の結果に対応する入力信号を受信する補助増幅器（９）と、
を含む請求項７に記載の増幅器。
【請求項９】
前記比較回路（８）から前記比較の結果を受信し、かつ前記第１のデータワードと前記第２のデータワードとが調和されるように前記コード変換器（６）の前記出力に影響を与えるべく適合される調整制御回路（５）を含む請求項７に記載の増幅器。
【請求項１０】
前記制御回路（１）が、ある期間およびある振幅において、前記第１の出力（ＡＬ）で出力すべき電流の変化量に適合される前記電流印加アレイのオーバードライブを行うように適合される請求項７〜９のいずれか１項に記載の増幅器。
【請求項１１】
前記切り換え可能なブリッジ（Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３、．．．、Ｂ１ｋ、Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、．．．、Ｂ２ｋ）の切り換え動作中に、前記第１の出力（ＡＬ）に対抗するインダクタンス（Ｌ）を低レベルに近づけて短絡させるための回路を含む請求項１〜１０のいずれか１項に記載の増幅器。
【請求項１２】
第１の出力（ＡＬ）が第１のコイル端子である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の第１の電流印加アレイと、
第１の出力（ＡＬ）が第２のコイル端子である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の第２の電流印加アレイと、
を含み、
請求項７〜１１のいずれか１項に記載の前記制御回路（１）が、前記第１の電流印加アレイと前記第２の電流印加アレイとを駆動するように設計される請求項１〜１２のいずれか１項に記載の増幅器。
【請求項１３】
材料を加工するための電子ビームシステム用の画像生成装置であって、加工物を加工する間に、電子ビーム銃で加工される前記加工物の画像を生成するように適合され、前記電子ビーム銃が、電子ビームを偏向制御するための偏向装置を含む画像生成装置において、前記電子ビームシステムが、
前記加工物の加工および走査領域で電子ビーム（ｅ）の経路を規定するデジタル処理および走査パターンを記憶するためのメモリと、
前記デジタル処理および走査パターンに従って前記電子ビーム（ｅ）を偏向するための前記偏向装置を駆動するように適合される制御回路（１、２）と、
加工中に前記加工物から後方散乱される電子を独立して検出するように、かつ該検出された後方散乱電子の強度を表す出力信号を出力するように設計される２つのセンサ（Ｓ１、Ｓ２）を有するセンサシステムと、
前記２つのセンサ（Ｓ１、Ｓ２）の前記出力信号から差分信号を発生させて、前記差分信号を第１のカラーで表示できそれと同時に逆差分信号を第２のカラーで表示できるように前記加工および走査領域を示している画像を前記差分信号から生成する判定回路（１７〜２０）と、
を含む、画像生成装置。
【請求項１４】
前記判定回路が、
前記２つのセンサのうち一方のセンサ（Ｓ１）に接続される入力を有する第１の前置増幅器（１７）と、
前記２つのセンサのうち他方のセンサ（Ｓ２）に接続される入力を有する第２の前置増幅器（１７）と、
差動増幅器（１８）であって、該差動増幅器の入力が前記２つの前置増幅器（１７、１７）の出力に接続される差動増幅器（１８）と、
前記差動増幅器（１８）の前記出力に接続される入力と、２つのプッシュプル出力（１９ａ、１９ｂ）とを有する出力増幅器（１９）と、
を含む請求項１３に記載の画像生成装置。
【請求項１５】
前記判定回路が、前記差分信号と前記逆差分信号とを同時に表示する色を変更するように適合される請求項１３または１４に記載の画像生成装置。
【請求項１６】
電子ビームシステムであって、
電子ビーム（ｅ）を第１の方向（１４）に偏向するための第１の偏向コイルと、電子ビーム（ｅ）を第２の方向（１５）に偏向するための第２の偏向コイルとを有する電子ビーム銃（１１、１２、１３）と、
第１のコイル端子が前記第１の偏向コイルに接続され、第２のコイル端子が前記第２の偏向コイルに接続される、請求項１２に記載の増幅器と、
前記電子ビーム銃を使用して加工すべき加工物の加工および走査領域における前記電子ビーム（ｅ）の経路を規定するデジタル処理および走査パターンを記憶するためのメモリと、
を含む電子ビームシステムにおいて、
請求項１２に記載の前記制御回路（１、２）が、前記デジタル処理および走査パターンに従って前記電子ビームを偏向するために、前記偏向コイルを駆動するように適合される電子ビームシステム。
【請求項１７】
前記電子ビーム（ｅ）で加工中に前記加工物から後方散乱される電子を独立して検出するように、かつ該検出された後方散乱電子の強度を表す出力信号を出力するように設計される２つのセンサ（Ｓ１、Ｓ２）を有するセンサシステムと、
前記２つのセンサの前記出力信号から差分信号を発生させて、前記差分信号を第１のカラーで表示できそれと同時に逆差分信号を第２のカラーで表示できるように前記加工および走査領域を示している画像を前記差分信号から生成する判定回路（１７〜２０）と、
を備える請求項１６に記載の電子ビームシステム。
【請求項１８】
前記判定回路が、
前記２つのセンサのうち一方のセンサ（Ｓ１）に接続される入力を有する第１の前置増幅器（１７）と、
前記２つのセンサのうち他方のセンサ（Ｓ２）に接続される入力を有する第２の前置増幅器（１７）と、
差動増幅器（１８）であって、該差動増幅器の入力が前記２つの前置増幅器（１７、１７）の出力に接続される差動増幅器（１８）と、
前記差動増幅器（１８）の出力に接続される入力と、２つのプッシュプル出力（１９ａ、１９ｂ）とを有する出力増幅器（１９）と、
を含む請求項１７に記載の電子ビームシステム。
【請求項１９】
前記判定回路が、前記差分信号と前記逆差分信号とを同時に表示する色を変更するように適合される請求項１７または１８に記載の電子ビームシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接、切断、硬化等のような材料加工用の電子ビームシステムと、インダクタンス、特に、電子ビーム銃の偏向コイルを高速駆動するための電流印加アレイを有する増幅器と、材料加工前と材料加工中の少なくとも一方で、電子ビームシステムによって加工される加工物の画像を生成するための画像生成装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームを使用した最新技術の材料加工では、最高１００ｋＨｚの高レベル信号の制御周波数を有するアナログ増幅器を使用して、電子ビーム銃の偏向コイルを駆動することが知られている。この技術を用いて、１‰（すなわち１０分の１％または０．１％）の電子ビームの精度を実現できる。しかしながら、アナログ増幅器は、信号レベル変更／変換中に振動したり、オーバーシュートしたり、一様になる傾向がある。
【０００３】
デジタル信号をアナログ信号に変換するために電流印加アレイを利用する電子ビームシステムが、特許文献１に開示されている。このアナログ信号は、増幅値が偏向コイルに供給される前に、アナログ電力増幅器を使用して増幅されなければならない。したがって、この公知の電子ビームシステムでは、上記問題が生じる。
【０００４】
さらに、最新技術において、電子ビームによって加工された加工物により後方散乱された後方散乱電子を表示装置のようなインジケータに表示すること、適切な記録装置を使用して時間的に同期するように後方散乱電子をプロットすることが知られている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２９８９６１４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、電子ビーム銃の偏向コイルを駆動するための改良技術を提供することと、偏向コイルを高速で正確に駆動することによって可能となる後方散乱電子から生成される画像に関する改良技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、請求項１に記載の電流印加アレイを有する増幅器と、請求項１３に記載の画像生成装置と、請求項１６に記載の電子ビームシステムとによって達成される。
【０００８】
本発明の別の発展形態は従属請求項に示されている。
【０００９】
データ処理技術を開発した結果として今日利用可能であるメモリを使用すれば、最高３０Ｍｂｉｔ／ｓで、メモリからデータを費用効果的に読み出すことが可能である。したがって、１Ｍｂｉｔ／ｓのデータ速度は、データ処理に関する技術的問題とはならない。
【００１０】
しかし、偏向コイルに関する制御周波数として既に実現可能になっている１００ｋＨｚでは、このような高いデータ速度は、以前は、電子ビーム銃の電子ビームを偏向するために対応する高い偏向速度で実現することができなかった。
【００１１】
より高い駆動周波数を可能にする従来のアナログ増幅器は、費用がかかり過ぎる。
【００１２】
対照的に、請求項１に記載の電流印加アレイは、調整されない一定の電流を印加することによって非常に高速の増幅器を可能にするタイプのデジタル増幅器を設ける。増幅器は、ＭＨｚ範囲における関連する周波数範囲で振動する傾向がない。
【００１３】
このような電流印加アレイでは、増幅器、すなわち電流印加アレイを駆動するために、デジタル記憶された処理および走査パターンを用いることが可能である。
【００１４】
印加すべき個々の電流の量（抵抗値）が徐々に大きくなり（連続的に増加し）、かつ増加量に連続して隣接する印加すべき電流の任意の２つの比率が≦２（バイナリコード）であり、好ましくは２未満であるように、抵抗値の選択が行われることが好ましい。その結果、全ての出力電流は、少なくとも１つの、時には、２つ以上の可能な合計値として、調整されない電流によって実現されうる。したがって、実現可能な電流の分解能は、最大抵抗値によって決定された電流に対応する。
【００１５】
例えば、線形転送機能を保証するコード変換器と記憶されたマップまたはルックアップテーブル（ＬＵＴ）のどちらか一方によって、存在するならば先在する抵抗値の公差の補償と温度に依存する抵抗値変動の補償の少なくとも一方を実現できる。
【００１６】
高いデータ速度で読み出される記憶された処理および走査パターンにより、加工すべき加工物の画像の生成が可能になる。例えば、電子源は、「準」同時に加工物を加工でき、かつある間隔で、溶接による１つまたは複数の毛細管現象をそれぞれ維持しつつ、目下処理中の加工物の走査すべき表面領域にわたって前記間隔で案内されることができる。残った後方散乱電子から、カラー画像を生成できる。
【００１７】
一方では、本明細書で提供されているタイプの電流印加アレイを使用する高速増幅器が備えられている電子ビームシステムは、今日のデータ処理技術によって利用可能になったデータ速度を用いて、非常に迅速かつ効果的に制御することができる。他方では、上記電子ビームシステムは、加工物を加工するために同時に用いられる電子ビームを用いたこの高速制御を利用することによって、目下加工中の加工物の表面画像を生成することもできる。
【００１８】
別の特徴および形態は、図面に基づく模範的な実施形態の詳細な説明から容易に明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
誘導素子、例えば、電子ビーム銃の偏向コイルを高速駆動するための電流印加アレイの実施形態が図１に示されている。以下の説明において、Ｚビット（Ｚ＝正の整数）からなるデータ要素（バイト）は「データワード」と称される。
【００２０】
電流印加アレイは、電圧安定化電源（図示せず）の出力、例えば、正（＋）の出力に接続可能な第１の電圧ノードＵ１を含む。電流印加アレイは、誘導素子Ｌの端子に接続される出力ＡＬに接続可能な第２の電圧ノードＵｖを含む。切り換え可能なブリッジＢ１１、Ｂ１２、．．．、Ｂ１ｋのそれぞれは、第１の電圧ノードＵ１と第２の電圧ノードＵｖとの間に設けられ、この場合、ｋは正の整数、例えば７や８である。本実施形態において、ブリッジの各々は、２つの電圧ノードの間で直列に接続されるトランジスタＴ１１、Ｔ１２、．．．、Ｔ１ｋおよび抵抗器Ｒ１１、Ｒ１２、．．．、Ｒ１ｋからなる。
【００２１】
オン状態のトランジスタは、それに利用される電流制限抵抗器と比較して非常に低いオーム値を有するので、以下にさらに説明するように、オン状態のトランジスタの影響は抵抗値の公差の補償範囲内で補償される。
【００２２】
第１の抵抗器Ｒ１１の抵抗値は、抵抗器Ｒ１１、Ｒ１２、．．．の最小抵抗値Ｒｍｉｎを有する。第２の抵抗器Ｒ１２は抵抗値ＷＲ１２＝ｍＲｍｉｎを有し、この場合、２≧ｍ≧１である。最後の抵抗器Ｒ１ｎは、ｎ番目の抵抗値ＷＲ１ｎ＝ｍｎ−１Ｒｍｉｎを有する。本実施形態では、ｍ＝１．９であることを前提としている。原則として、印加すべき個々の電流量（抵抗値）が連続的に（徐々に）増加し、かつ増加量に連続して隣接する印加すべき電流の各２つの比率が≦２（バイナリコード）であり、好ましくは２未満であるように、抵抗値の選択が行われれば十分である。これによって、全ての出力電流は、それ自体調整されない電流の少なくとも１つの、時には、２つ以上の可能な加算による値として実現可能である。したがって、実現可能な電流の分解能は、最大抵抗値によって決定された電流に対応する。
【００２３】
抵抗値はＷＲ１ｊ＝ｍｊｊ−１Ｒｍｉｎ（より正確には、ＷＲ１ｊ＝ｍｊ×ｍｊ−１×．．．×ｍ２×ｍ１×Ｒｍｉｎ）であることが好ましい。ここで、ｊ＝１、２、．．．、ｋであり、かつ２≧ｍｊ≧１であるように、抵抗値が選択される。必ずではないが、例えば、上記実施例では、全てのｊについてｍｊ＝１．９であるような全てのｍｊについて同一の値を選択することが可能である。
【００２４】
第１の電圧ノードＵ１が電圧安定化電源（図示せず）の正（＋）の端子に接続される図１に示されている実施形態では、スイッチＴ１１、Ｔ１２、．．．はｐチャネルＦＥＴであることが好ましい。その代わりに、例えば、低いオン抵抗値を有するＩＧＢＴや他の高速スイッチを使用してもよい。
【００２５】
図１に示されている実施形態では、電圧安定化電源の負（−）の端子に接続するための第３の電圧ノードＵ２が設けられる。切り換え可能なブリッジＢ２１、Ｂ２２、．．．、Ｂ２ｋは、第１および第２の電圧ノードの間に設けられたブリッジＢ１１、Ｂ１２、．．．、Ｂ１ｋと同様に、第２の電圧ノードＵｖと第３の電圧ノードＵ２との間に設けられる。また、模範的な本実施形態では、切り換え可能なブリッジは、トランジスタと抵抗器とによって形成されたスイッチからなり、ブリッジは２つの電圧ノードＵｖ、Ｕ２の間に直列に接続される。第２および第３の電圧ノードＵｖ、Ｕ２の間の各切り換え可能なブリッジのトランジスタは、ｎチャネルＦＥＴとして形成されることが好ましい。第１および第２の電圧ノードＵ１、Ｕｖの間のブリッジと同様に、これらの抵抗器の抵抗値は、ＷＲ２１＝Ｒｍｉｎであり、ＷＲ２２＝ｍＲｍｉｎであり、かつＷＲ２ｎ＝ｍｎ−１Ｒｍｉｎであるように選択される。勿論、上記の代替形態および変形形態もこれらのブリッジに適用できる。
【００２６】
図１に示されているスイッチ、すなわちトランジスタＴ１１、．．．、Ｔ２１、．．．は、図２に示されている制御回路１によって制御される。制御回路１の出力信号（データワード）の各ビットは、図１に三角形で表されている駆動スイッチＴＳの対応する１つに印加される。駆動スイッチＴＳはＦＥＴのゲートにそれぞれ接続される。短い切り換え時間（例えば、＜１μｓ、好ましくは＜５０ｎｓ、さらにより好ましくは≦３０ｎｓ）および低いオン抵抗値が保証されている限り、他の方法で、スイッチを実現することもできる。
【００２７】
このようにして、この制御回路１は、図１の電流印加アレイを制御するために、２ｋビットを有するデータワードを用いることができる。この場合、データワードの個々の各バイナリビットは、１つのトランジスタのオン状態（例えば１）およびオフ状態（例えば０）を表している。図１の電流印加アレイが、電圧ノードを２つのみ含み（例えば、Ｕ１およびＵｖのみ）、そのために第ｋの切り換え可能なブリッジを含んでいる場合、ｋビットを有する１つのデータワードは、第ｋのスイッチを駆動するのに十分である。ここで、ｋは、２〜２０の範囲内の正の整数であり、好ましくは４〜１２である。
【００２８】
電流制限抵抗器Ｒ１１、．．．の抵抗値の選択は比較的簡単である。しかし、電流制限抵抗器は、比較的低いインダクタンスを有するべきである。勿論、非常に小さな公差を有する抵抗器を選択することが可能である。しかし、このことは、以下に説明する制御回路によって、公差を容易に補償できるので不要である。
【００２９】
以下に説明する電流印加アレイでは、一方の極性の全てのブリッジをスイッチオンすることによって得られる合計電流までの任意の電流を実現できる。増分電流の分解能は、Ｒｍｉｎによって決定される。
【００３０】
低い電流、例えば、最小の３ビットや４ビットの範囲では、印加すべき電流を１：２：４の比率（すなわちｍ＝２）で正確に選択することも可能である。この範囲において、製造公差および温度ドリフトは、結果的に、大きな影響を受けない。しかし、より高い電流、すなわち、目標電流値を符号化するデータワードのより高い重要なビットの範囲において、印加すべき電流の比率は、１：２未満であるべきである。このことは、値ｍ＝１．９が模範的な実施形態で選択されたことを理由としている。
【００３１】
例えば、１２ビットの調整可能な電流値の分解能（＝２１２＝４０９６＝６４×６４＝２６×２６）を得る必要がある場合、６４よりも大きく、（１．９）７＝８９であるので、１．９の比率を選択することにより符号化するために、１以上のビットの電流方向（＝７ビット）を使用しなければならない。この理由は、６ビット毎の電流方向では、６４よりも小さく、（１．９）６＝４７であるに過ぎず、１２ビットの分解能を得るには不十分であるからである。すなわち、ｍ＝１．９では、ｋ＝６ではなく、ｋ＝７が、１２ビットの分解能のために必要であろう。６ビットが、バイナリで、すなわちｍ＝２で正確にマッピングされ、また別の６ビットが、ｍ＝１．８でマッピングされた場合、増幅器は、データワードのビット数が分解能の測定であると考慮されているならば、１２ビットの分解能を有する。しかし、増幅器は、調整可能な電流値の範囲（２６×（１．８）６＝２１７６＞２０４８＝２１１）が分解能の測定であると考慮されているならば、１１ビット（幾分多い）の分解能を有する。
【００３２】
増加する電流の方向において小さくなる可変比（すなわち、小さなｊについてｍｊ＜ｍｊ＋１）は実際に有利である。この理由は、オンされたトランジスタ、偏向コイルおよび接続ワイヤの抵抗値が、より高い電流の範囲において、より重要になるからである。
【００３３】
誘導素子Ｌおよび切り換え可能なブリッジＢ１１、．．．からなるシステムの時定数は、τ＝Ｌ／Ｒによって算出される。結果として、電流は、次式に従って電流の最終値に漸近的に近づく。
Ｉ＝Ｉ０（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））
【００３４】
６個の時定数を算出した後に、５０ｍｍの距離から供給された電子ビーム位置は、１２５μｍだけ所望の目標に達しない。しかし、１個の時定数τの時間中に比例係数を用いて、増幅器（電流印加アレイ）が最初にオーバードライブされた場合、１個の時定数の後に、最終値が既に得られている。
【００３５】
誘導素子がＬ＝５μＨであり、電圧安定化電源の電圧がＵ＝４０Ｖであり、かつ最大電流が、ブリッジ毎にＩ＝８Ａであった場合、最小抵抗値Ｒｍｉｎは５Ωとなり、１個の時定数τ＝１μｓとなる。
【００３６】
フィードバックなしのこのフォワード制御により、全ての振動傾向が回避される。
【００３７】
所望の精度、すなわち、加算によって得られた電流と曲線の直線性との間の増分を得るために、図２に示されているように、制御回路を有する電流印加アレイを使用できる。
【００３８】
図１に示されているタイプの電流印加アレイは、増幅器２として図２に示されている。制御回路１は図２の破線で囲まれたものである。
【００３９】
制御回路１は、第１のビット数ｋ＋１（＝ｋ＋符号）を有する第１のデータワードを受信するためのデータ入力３を有する。データ入力３はスイッチ４と比較回路８とに接続される。スイッチ４は、第１のデータワードをＥＥＰＲＯＭ６に接続するように設計される。コード変換器とマップまたはルックアップテーブル（ＬＵＴ）を表すＥＥＰＲＯＭ６のどちらか一方の出力は、増幅器２の入力に接続される。増幅器２の出力ＡＬは誘導素子Ｌに接続される。さらに、アナログ−デジタル変換器７は出力ＡＬに接続され、このアナログ−デジタル変換器７は、第１のビット数を有する第２のデータワードを出力する。比較回路８は、データ入力３から第１のデータワードを受信し、かつアナログ−デジタル変換器７から第２のデータワードを受信する。比較回路８は、これらの２つのデータワードを比較するように、また比較の結果、すなわち、これら２つのデータワードの差（差が０であること（＝同一であること）も含む）を出力するように設計される。
【００４０】
通常動作において、一方では、比較の結果が、ＥＥＰＲＯＭ６を調整またはプログラムするための第１のデータワード（ｋ＋１）と同一のビット数を有するデータワードとして、調整制御回路５に出力される。他方では、比較の結果が、より小さなビット数ｋ−ｘ、例えば、３ビットや４ビットの数を有するデータワードとして、ローパスフィルタ１０を介して補助増幅器９に出力されるように、比較回路８が構成される。補助増幅器９は、ブリッジが少ない（例えば、電流方向毎に（ｋ−ｘ−１））ことを除いて、増幅器２と同様に設計されることが好ましい。すなわち、補助増幅器９は増幅器２の小型タイプであってもよい。
【００４１】
増幅器の構成１、２の初期設定時に、もしくは例えば、電子ビーム銃のコイルシステム、あるいは接続ワイヤまたは増幅器の構成のような、制御される誘導素子に影響を与え得るある回路構成要素が変更、交換または修理される時に常に、第１の増幅器の調整が行われる。スイッチ４は、この調整目的のために開かれる。例えば、１０個の時定数について、各入力値に対応する出力電流が一定になるまで、調整制御回路５は、可能な全てのビットの組み合わせ（例えば、ｋ＝１２では２１２＝４０９６）を入力値として増幅器２に連続して入力する。増幅器２の実際に流れる出力電流は、可能な全てのビットの組み合わせのために測定され、その測定された値は、アナログ−デジタル変換器７によって変換される。値０は第１のデータワードとして比較回路８に供給されることが好ましい。この結果、第２のデータワードは差として比較回路８から調整制御回路５に出力される。次に、調整制御回路５は、ビットの組み合わせに従って、今供給された１２ビットのデータワード（すなわち、一方の極性の１２個のトランジスタ入力）の近傍を検索し、前記１２ビットのデータワードにより、全ての増幅器の誤差が補償されて、目標電流が供給される。このようにして、ＥＥＰＲＯＭ６の入力における、電流方向毎の可能な各々の１２ビットの組み合わせ（すなわち、極性の符号を有する１３ビット）では、適切な結果を供給するために電流印加アレイ２によって受信しなければならない１２ビットの組み合わせが検索される。このことは、電流方向毎に個別に行われる。
【００４２】
その結果はＥＥＰＲＯＭ６に記憶される。その後の動作では、４０９６の１２ビットのアドレスの各々のために、電流方向に対応する１２ビットのデータワードが出力される。他のそれぞれの１２ビットは、未使用の増幅器の他方の半分を残す論理Ｌ（ロー）レベルを有する。
【００４３】
このようにして、第１のデータワードによって符号化される、目標電流出力値に対応するビット数２ｋを有するデータワードを、切り換え可能なブリッジを駆動するための出力データワードとして記憶するテーブルがＥＥＰＲＯＭ６に記憶される。
【００４４】
しかし、同一のデータワードが入力された場合でも、増幅器２によって出力された電流値は、抵抗値の公差と温度ドリフトとによって目標電流値とは異なる場合がある。このような差を補正するために、制御回路１の第２の機能が設けられる。通常動作において、スイッチ４は閉じられ、かつＥＥＰＲＯＭ６は、データ入力３によって駆動される。第２の機能は調整制御回路５を利用しない。第２の機能は、通常動作中に出力電流値の（比較的小さな）補正（例えば、温度に依存する抵抗値の変化の補償）を実施する。この補償は、イネーブル後に、例えば３（または４または５）ビットのデータワードでローパスフィルタ１０によって駆動される補助増幅器９により行うことができる。このより小さなビット数データワードは、比較回路８によって第１および第２のデータワードの差から導出される。
【００４５】
増幅器２の高速駆動が可能であることによって、これらの偏差を補正するための調整は、温度に依存する抵抗値の変化を補償するために、加工物の加工中に生じる非常に短時間の動作休止の間に行うこともできる。このために、上記のように、第１のデータワードが第２のデータワードと比較され、それに応じて、コード変換器６の出力が調整される。
【００４６】
この手順の利点は、増幅器２の必要とされる非常に高速の動作の、入力値毎の正確な出力値を生成する調整が一時的に分離されることである。このような構造では調整振動を発生させることがない。増幅器２の増幅器側毎に１２ビットの入力データワードを用いた場合、増幅器２は、全ての静的誤差を補正するために利用可能な４０９６値の増分を実質的に有する。システムの動的特性は、（非常に小さな）時定数τによって実質的に示されている。
【００４７】
アナログ−デジタル変換器７を介して供給されるフィードバックを用いる代わりに、例えば、互いに絶縁されたワイヤを有するワイヤメッシュ（またはワイヤグリッド）を使用して、ワーキングチャンバの電子の衝突位置を測定することによって、フィードバックを得ることも可能である。このようなフィードバック構成では、温度に依存し、かつ制限されるコイル断面によって物理的に不可避であるピロー緩衝材の歪みのような誤差が補償可能である。この場合、１６Ｍ×３ビットを有するメモリをアドレス指定するために、Ｘ方向およびＹ方向の全ての２４ビットを共に用いることができ、かつ増幅器２の２つのノードを駆動するために、２４ビットのデータが再び用いられる。
【００４８】
要約すれば、インダクタンス、特に、電子ビーム銃の偏向コイルを高速駆動するための高速増幅器として使用可能な電流印加アレイにより、確認された量のそれぞれ調整されない個々の電流を全体の電流に印加することが可能になる。このようにして、システムのための非常に小さな実現可能な時定数により、高速かつ確実な「増幅」、より正確には、一定の電圧を有する制御可能な電流の出力が可能になる。
【００４９】
印加すべき電流の各２つの比率は２以下であることが好ましい。これにより、印加すべき電流のある種のバイナリコードが形成される。この比率は、切り換えるべき電流の値が小さくなる方向において大きくなることが好ましい。
【００５０】
増幅器と電流印加回路の少なくとも一方の線形転送機能は、例えば、製造に依存する抵抗値の公差を補償し、かつ増幅器の作動後に、熱平衡で実現すべきさらに後の電流を用いて、温度に依存する抵抗値の変化を補償するコード変換器によって実現される。
【００５１】
温度に依存する抵抗値の変化に関する比較的長い時定数の範囲における高電流抵抗器の動的負荷変化は、比較的低速の制御回路によって調整することができる。この結果、この制御回路のフィードバックによって生じる振動傾向が排除される。
【００５２】
直流変化では、コイルに流れる電流が、長い時定数で維持され、一方、切り換え処理が増幅器で行われるように、コイルを低レベルに近づけて短絡させることができる。
【００５３】
このような高速増幅器では、材料加工用の電子ビームシステムを使用して、加工物を加工するために同時に用いられる同一の電子ビームによる加工時に配置された加工物の表面を走査することによって、後方散乱電子の画像の生成および判定も可能である。
【００５４】
図３は、このような電子ビームシステムを概略的に示している。電子ビームｅは、陰極１１と、いわゆる「ウェーネルト電極」（例えば変調電極）１２と、陽極１３とによって発生され、電子ビームの方向は、電子ビーム銃の偏向コイルによって発生される垂直磁界１４、１５によって制御される。
【００５５】
加工物の溶接加工中に、溶接による毛細管現象ＳＫが発生される。
【００５６】
溶接による毛細管現象ＳＫを維持しつつ、走査パターン１６を用いて、加工物の走査すべき表面領域にビームを短い時間間隔で走査することができる。この結果、後方散乱電子を検出することによって、走査された表面領域の画像を生成できる。
【００５７】
このように画像を生成するために、電子ビームシステムは、互いに独立して後方散乱電子を検出できる２つのセンサＳ１、Ｓ２を含む。センサＳ１、Ｓ２の各々は、それぞれのセンサによって検出される後方散乱電子の強度に対応する出力信号を発生させる。センサＳ１、Ｓ２の出力信号は各前置増幅器１７の入力にそれぞれ供給される。２つの前置増幅器１７の出力信号は差動増幅器１８の２つの入力にそれぞれ供給される。差動増幅器１８の出力信号は、２つのいわゆるプッシュプル出力を有する電力増幅器１９の入力に供給される。電力増幅器１９の増幅された入力信号はプッシュプル出力の一方に出力される。反対の符号を有する電力増幅器１９の増幅された入力信号は他方のプッシュプル出力に出力される。言い換えれば、電力増幅器１９は、増幅された差分信号と、負に増幅された差分信号とを出力する。
【００５８】
これらの２つの信号では、例えば、一方の信号が赤色で表示されるとともに他方の信号が緑色で表示されるＲＧＢ入力を有する表示装置によって、カラー画像を生成できる。カラー表示により、強調された山谷形状を有するカラー化されたランドマップと同様に、斜めに照明されたシーンの視覚的印象がもたらされる。このようにして、グレー値表示において、パンチの衝撃によって形成された孔と円錐状隆起部との区別ができなくなるような錯覚が回避される。したがって、動作エラーを回避できる。
【００５９】
その代わりに、信号判定をデジタル方式で行ってもよい。すなわち、デジタル方式で記憶されてもよいし、デジタル画像表示装置で表示されるセンサ信号のデジタル表示を選択してもよい。
【００６０】
アナログからデジタルへの変換方法は、原則として、センサＳ１、Ｓ２と電力増幅器１９の出力との間の各位置で可能である。
【００６１】
一方では、偏向コイルを有する電子ビーム銃と、偏向コイルを駆動するための上記タイプの電流印加アレイと、上記タイプの画像生成装置とを有する電子ビームシステムにより、アナログ増幅器を使用してのみ辛うじて実現可能であると共に公知の技術では不可能であった再現可能な精度でビームの方向の非常に高速で正確な制御が可能になる。他方では、前記電子ビームシステムにより、関連した表面領域のデジタル画像の生成が可能になる。これらの２つの利点は、互いに独立して実現することができる。
【００６２】
最終的に、電流印加アレイを駆動するために用いられるデータワードは、ある種類のビットマップ、したがって、走査すべき加工物のマップを表す。検出された後方散乱電子と電流印加アレイの駆動とに相関関係が生じた場合、データワードとセンサ値とからなる対応する各データ対は、後方散乱電子強度マップのそれぞれの各点を規定する。
【００６３】
このマップは、制御回路１に入力される第１のデータワードの代わりに、増幅器２によって実際に出力されたコイル電流から得られる第２のデータワードが、マップの作成や生成のために利用されるという点において、より一層正確に構成することができる。画素毎に、得られたセンサ値で画像メモリを満たすこともできる。
【００６４】
走査された表面領域のこのような画像表示は、さらなる分析のために、一方では、外観検査のために、他方では、品質管理のためにおよびビーム補正のために、重要な領域を提供する。
【００６５】
このようにして、画像生成装置と組み合わせて、偏向コイルを駆動するための電流印加アレイを使用することにより、画像生成装置の特に好ましい実施形態が提供される。この理由は、上記のような画像生成のために、電流印加アレイを駆動するビットマップを使用することもできるからである。
【００６６】
発明の詳細な説明と特許請求の範囲の少なくとも一方に開示されている全ての特徴が、元の発明の詳細な説明のために、別個のものであるとともに互いに独立したものである。また請求された発明を限定するために、典型的な実施形態と特許請求の範囲の少なくとも一方の特徴の組み合わせから独立したものであると理解すべきであることが明確に強調される。元の発明の詳細な説明のために、また請求された発明を限定するために、特に、群も限定するものとして、全ての一般的な１つまたは複数の仕様群が、全ての個々の可能な各中間価値またはサブ群のエンティティを開示していることが明確に示される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態による電流印加アレイの図面である。
【図２】制御回路を有する電流印加アレイのブロック図である。
【図３】本発明の実施形態による画像生成装置を有する電子ビームシステムの概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  制御回路
２  増幅器
３  データ入力
４  ゲート
５  調整制御回路
６  ＥＥＰＲＯＭ（コード変換器）
７  アナログ−デジタル変換器
８  比較回路
９  補助増幅器
１０  ローパスフィルタ
１１  陰極（電子ビーム銃）
１２  ウェーネルト電極（変調電極）（電子ビーム銃）
１３  陽極、電子ビーム銃
１４  垂直磁界（第１の方向）
１５  垂直磁界（第２の方向）
１７  前置増幅器（判定回路）
１８  差動増幅器（判定回路）
１９  電力増幅器（判定回路）
２０  判定回路
ＡＬ  第１の出力
Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３、Ｂ１ｋ  第１の切り換え可能なブリッジ
Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、Ｂ２ｋ  第２の切り換え可能なブリッジ
ｅ  電子ビーム
Ｌ  誘導素子（インダクタンス）
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１ｋ  抵抗器
Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２ｋ  抵抗器
Ｒ１１、Ｒ２１  第１の抵抗器
Ｒｉ２  第２の抵抗器
Ｒｉｎ  ｎ番目の抵抗器
Ｓ１、Ｓ２  センサ
Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、．．．、Ｔ１ｋ、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２ｋ  高速スイッチ
Ｕ１  第１の電圧ノード
Ｕｖ  第２の電圧ノード
Ｕ２  第３の電圧ノード
【図１】
2008117751.tif 000003
【図２】
2008117751.tif 000004
【図３】
2008117751.tif 000005
【外国語明細書】
2008117751000001.pdf
2008117751000002.pdf
2008117751000003.pdf
2008117751000004.pdf