(57)【要約】【課題】平行な２本の給電棒に多数の板バネを垂下して、板バネに多数の平行フィラメントを並列に接続するようにした非走査型の電子線照射装置において、フィラメント交換後、板バネと馴染むまでの間の接触抵抗の変化や、フィラメント断線に対応し常にフィラメントに最適の電流を流し続けることのできる制御方式を提供すること。【解決手段】フィラメントの電流目標値を決め、フィラメント電圧が一定であるか下降する場合は電流値を一定に保持するようにし、電流値が下がった場合は電圧を一定値に保持する電流値を目標電流値とするようにして電流値を制御する。【選択図】　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の給電棒に板バネを介して並列に接続されてなる複数のフィラメントを有し、真空中で加熱し熱電子を発生させ負の高電圧によって加速し電子線とし、電子線を照射窓から大気中へ取り出して被処理物に照射するようにした電子線照射装置において、フィラメント電圧は下がる方向だけに修正するものとし、フィラメント電圧が下降あるいは一定であるときはフィラメント電流がある目標値を保持するように定電流制御し、急激な電流減少によってフィラメントの切断を検出したときはその直前の電圧を維持するように電流の目標値を下方へ変更し、以後変更された目標電流値になるように電流制御するようにしたことを特徴とする電子線照射装置のフィラメント電力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電子線照射装置においてフィラメント電力調整方法に関する。電子線照射装置というのは真空中でフィラメントを加熱して熱電子を発生させ加速管で電子を加速して高速の電子線ビームとしてから照射窓の窓箔を通して大気中に取り出して被処理物に電子線を当てて高分子架橋、塗膜硬化、殺菌などの処理を行う装置である。高圧電源、加速管、フィラメント、照射窓、搬送機構、金属筐体、冷却機構などを含む。加速エネルギーが５ＭｅＶ〜５００ｋｅＶというように高い場合は背の高い大型の走査型のものを用いる。加速エネルギーが数十ｋｅＶ〜５００ｋｅＶというように低い場合は非走査型のものを用いる。
【０００２】
走査型の場合は加速管の終わりに走査コイルを備え、それに続いて三角形状に広がった走査管を設ける。高いエネルギーに加速した細い電子線ビームを縦横に走査して被処理物に照射する。非走査型の場合は多数の平行フィラメントを利用し電子が出るフィラメント領域の面積を広くしておき、それをそのまま照射窓の方向へ加速する。大面積の電子流が発生するから走査しなくても被処理物の広い面積に一挙に電子線が照射される。
【０００３】
照射窓というのはフィラメントのある真空領域と、被処理物の存する大気圧領域を仕切るための窓でありＴｉ、Ａｌの窓箔が張られている。照射窓は金属製の大きい筐体に取り付けられる。電子線が被処理物に当たるとＸ線が出る。Ｘ線を遮蔽するため厚い金属筐体で搬送機構や被処理物、照射窓を覆うようになっている。金属筐体の中を無端周回コンベヤなどの搬送機構が走行し、被処理物を入口−照射窓直下（処理位置）−出口へと運んで行くようになっている。それもＸ線が漏洩しないように上下に強く蛇行するような工夫がなされている。
【０００４】
加速電源は、商用電源をトランスによって適当な電圧に変換し、それを多数のコンデンサと整流器を組み合わせた電圧逓倍回路によって所望の高電圧にしている。それらの高電圧を扱うコンデンサ、整流器は高電圧架台の上に搭載され、大地側とは絶縁されている。電圧が高い走査型の場合は電源回路は複雑で容積も大きい。電圧が低い非走査型の場合、電源回路はより簡単化されている。
【０００５】
【従来の技術】
本発明で問題にするのはフィラメントの電力供給系である。フィラメントは先述の高電圧回路の出力に接続され負の高電圧にバイアスされる。フィラメントは抵抗値の低い導体だから、それにかかる電圧は低く電流は大きい。フィラメント電流自体は高電圧回路とは無関係に大地側から別異の系統によって供給される。
【０００６】
フィラメント電力供給系にも幾つかの種類がある。最も簡単なものは大地側の商用電源の電力を絶縁トランスを介して高電圧側のフィラメントトランスに流し、それからさらにフィラメントに電流を流すようにしている。絶縁トランスは一次側が大地電圧であり、二次側が高電圧にある。それは単に一つの絶縁トランスによって高電圧側と大地側を絶縁するもので機構は単純である。加速電圧の低い非走査型の場合にはそのような簡単なフィラメント電源回路が利用される。
【０００７】
走査型の場合は高圧架台の電圧が高いので絶縁トランスだけでは絶縁が不十分である。それで大地側でモータを廻し、絶縁軸でその回転を高電圧側の発電機に与え高電圧側で発電し、それをフィラメント電力として利用する。それは電気・機械・電気エネルギーというようにエネルギー変換を２回行うから損失が大きいが絶縁性には優れる。
【０００８】
本発明は非走査型の電子線照射装置のフィラメント電力系を問題にする。非走査型の場合は多数のフィラメントを平行並列にして同時に通電し広い範囲で同時に熱電子を発生させる。１９９５年より以前はフィラメントが全て直列に接続されていた。その場合は２本の平行な給電棒というものではなくてフィラメントと共同して蛇行する電流路を形成するように離隔した多数の電極が点在するような構造になっていた。その場合は板バネを使わないので問題はない。フィラメントを直列に接続したものは電流が一定になるが全体の電圧が高くなり（ＭＶ）、交流であるからフィラメントの前部、後部で、被処理物との間の電圧が交互に変わる。そのために電子線ビームがフィラメントの位置によって変わり全体で一様な電子線ビームが実現しない。被処理物が広いほどビーム電流不均一の影響が著しくなる。
【０００９】
だから１９９５年以後から現在にいたるまで並列接続の方が有力である。並列だと電圧は小さくてフィラメント列の前後方向での電圧の差異は無くなるから一様な電子線電流密度を実現できる。そうなると孤立した多数の金属電極というのではなくて２本の導体の給電棒が共通に用いられることになる。２本の平行な給電棒があり、それから下向きに板バネが垂下され、板バネに両端をカギ型に折り曲げた細いフィラメントが係留される。
【００１０】
図１にフィラメントの接続を示す。一対の給電棒２０、２２が平行にあり、それの下面には多数の対になった板バネ２３、２４が平行に設けられる。ここでは４対の板バネだけを示すが実際には２０対とか４０対とかフィラメントの数に等しい対の板バネがある。板バネの上端は給電棒２０、２２に固着される。下半部には、線状切欠き２５、２６があり、その上に通し穴２７、２８が形成される。板バネ２３、２４を少し中心の方向へ曲げておき、両端をコの字型に折り曲げたフィラメント（Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ）２９の両端部を線状切欠き２５、２６に通し、折り曲げた端部を通し穴２７、２８に通す。板バネの復原力によってフィラメントの折り曲げ部３０が強く板バネの側面を抑える。つまり板バネの弾性によってフィラメントと板バネが強く接触している。フィラメントと板バネはそれだけの構造で固定される。ネジ止めや半田付けなどはしない。フィラメントは強く発熱するのでネジ、螺穴が劣化してしまう。半田は溶けてしまって役に立たない。だから、フィラメントと板バネの接触はバネ弾性だけに依存している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
フィラメント電力制御の手法に二つのものがある。一つは定電流制御（Ａ）である。それはフィラメント電流の全体Ｉを監視して電流Ｉが一定になるように制御するものである。もう一つは定電圧制御（Ｂ）である。それはフィラメントに印加される電圧を監視し、それを一定値にするように制御する方式である。
【００１２】
それには長所もあるが短所もある。図２にフィラメント電力系の概略を示す。大地側では、２００Ｖの商用電源２の電力をフィラメント電力調整器３によって調整し、それを絶縁トランス６の一次側端子イロに接続している。商用電源２とトランス端子イの間に設けられた電流計５は一次側に流れる電流ｉを測定する。端子イ、ロ間に設けられた電圧計４は一次側電圧ｖを測定する。それらの積ｐ＝ｖｉが電力である。電力調整器３はサイリスタを両方向に組み合わせたものであり点弧角制御によって電力を増減している。そして絶縁トランス６によって電力調整された電力を高電圧側へ供給するようになっている。絶縁トランスの二次側（高電圧側）ハ、ニはやはり２００Ｖの電圧が発生する。
【００１３】
これから以後の回路は高電圧架台の上に設けられる。絶縁トランスの二次側はさらにフィラメントトランス７の一次側トヘに接続される。フィラメントトランスによって２００Ｖの電圧は、フィラメント通電にふさわしい適当な電圧に変換される。二次側電圧（リ、ル）はフィラメントの抵抗値Ｒによるが、例えば１５Ｖ〜２２Ｖの程度である。二次側端子リ、ルは給電棒２０、２２に接続される。給電棒２０、２２は図１に示したものと同じものである。給電棒２０、２２には多数の板バネ対が付いており、その先に同数のフィラメント２９が設けられる。
【００１４】
フィラメントの数Ｍは照射窓の広さによる。被処理物が横方向に幅のあるものであれば照射窓もそれに応じて広い。その場合はフィラメントの数も多くなる。照射窓の幅によるがフィラメントの数Ｍは１０本〜３５本程度のものが多い。５０本程度のものもある。フィラメント抵抗Ｒは例えば２Ωである。フィラメントトランス７の二次側リ−ル間電圧をＶとすると、１本のフィラメントに流れる電流はＶ／Ｒである。フィラメント数がＭだとすると全電流はＩ＝ＭＶ／Ｒである。全電力はＰ＝ＭＶ２／Ｒである。フィラメントトランス７の二次側コイルの中点端子ヌはフィラメント電圧の時間平均電圧を与えるが、それは背後のミラー電極９にバイアスを与えている。それはフィラメントから出た熱電子を前方へ跳ね返す作用がある。フィラメント列の前方には多孔金属板である引出電極８が設けられる。引出電極８の穴から電子線ビームが引き出される。
【００１５】
加速電圧の電源回路は図示を省略するが、商用電源２００Ｖをトランスで昇圧し、それをコンデンサと整流器の多段組み合わせによって負の高電圧を得るようにしたものである。その負の高電圧がホ点に与えられる。−数百ｋｅＶ程度の加速電圧−Ｖａｃｃがホ点にかかる。負高電圧はチ点からカソードチャンバ１０、引出電極８、フィラメント２９へのバイアスとして与えられる。電子線ビーム電流は、負の高圧電源のホ、チ点から、タ、レ、ヌ、ル、リからフィラメント２９を通り電子線となって被処理物に当たり、大地側へ行き、それが負の高圧電源の回路を流れて再びホ点に到る。そのような閉回路を流れてイオンビーム電流は還流する。
【００１６】
定電流制御というのは、そのイオンビーム電流を一定に保つような制御の方式である。そのような還流する電流は別の電流計で測定することができる。それを見て電流を増減するようにしてもよい。それはもちろんであるが、ここでは一次側の電流ｉを電流計５によって計測し、それが電流の指令値に等しくなるようにフィラメント電力調整器３を調整する。大地側の電流計５の値を見て電流を増減するのだから間接的である。しかし二次側のフィラメント電流Ｉは一次側の電流ｉに比例するのだから、それでも電流制御することができる。
【００１７】
定電圧制御というのは一次側イロ間に接続した電圧計４の電圧ｖを見て、それを一定値になるように制御するというものである。
【００１８】
［Ａ．定電圧制御の問題］
定電圧制御というのはフィラメントにかかる電圧を一定に保持するというものである。具体的には、図２の電圧計４の電圧ｖを見て、それを一定（ｖ＝ｖｃ）にする。それはフィラメントを交換した時に問題を生ずる。フィラメントは定期的にあるいは随時交換する。フィラメントは全部を一挙に交換する。図１のように、板バネを狭めておきフィラメント２９の折り曲げた先端部を板バネの切り溝２５、２６と通し穴２７、２８に止めて板バネを離すと板バネの広がろうとする弾性によってバネ側面にフィラメントが強く当たる。その接触によって電流が流れるようになる。しかし交換したばかりでは接触が不完全で接触抵抗が大きく電流が流れにくい。電流を流し始めてから大体２３時間たつと板バネとフィラメントの接触がなじんできて接触抵抗が一気に低下しフィラメント電流が増加する。
【００１９】
そのようなフィラメントの抵抗変化があるので定電圧制御すると、フィラメントを交換した直後は電流が小さすぎ、２３時間後に電流が増えるということになる。その後はフィラメント・板バネの接触抵抗がほぼ不変なので問題はない。しかし上述のようにフィラメント交換直後が、定電圧制御ではうまく行かない。
【００２０】
［Ｂ．定電流制御の問題］
これはフィラメントに流れる全電流Ｉを一定値に保つというような制御方式である。全電流を直接に測定しないで図２の一次側コイルに流れる一次側の電流を電流計５によって計り、それを一定値に保つものである。フィラメントに流れる電流が一定に保たれるから、その方式の方が簡単である。その方式の欠点は、フィラメント１本あるいは数本が断線した場合に現れる。ｎ本のフィラメントが断線すると全電流がＩだから一本当たりの電流はＩ／（Ｍ−ｎ）となる。フィラメントＩ本当たりの適正な電流をｊとすると、全電流はＩ＝Ｍｊによって与えられる。全電流を一定に保持すると、フィラメントがｎ本断線したとき、残りのフィラメント１本当たりの電流はＭｊ／（Ｍ−ｎ）となり電流が過大になる。するとそのフィラメントの直下にある被処理物面への電子線照射密度が過大になるという欠点がある。
【００２１】
そのようなわけで、フィラメントを交換した直後の２３時間以内での接触抵抗の変化にも、フィラメントの断線にも対応できるようなフィラメントの電力制御方式が望まれる。本発明の目的は、定電流制御、定電圧制御に代わり前記の目的に適合するフィラメント電力制御方式を与えることである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フィラメント電圧が下降する、あるいは一定であるときは、フィラメントの電流が一定電流となるように制御するが、電圧は下がる方向だけに修正し、フィラメントの切断を検出したときはその直前の電圧を維持するように電流の目標値を下方へ変更する。以後はその目標電流値になるように電流制御する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
フィラメントを定電圧制御するとフィラメント交換後、フィラメントと板バネが馴染むまでの２３時間の間の抵抗変化（抵抗が下がる）にうまく対応できない。定電流制御するとフィラメント断線時の抵抗変化（抵抗が上がる）に対応できない。ところが本発明は電圧が下降するだけというような定電流制御をする。フィラメント交換後２３時間は、定電流制御であり全電流は一定Ｉ＝Ｉ０である。フィラメントと板バネの接触抵抗の低下に比例して電圧は段々に下がる。そこまでは定電流制御と同じような動作を行う。
【００２４】
交換してから２３時間を過ぎると全抵抗が安定し電圧も一定値Ｖ＝Ｖ０を保つようになる。そのときにＭ本のフィラメントの内ｎ本が断線したとする。すると瞬時に電流がＩ０（Ｍ−ｎ）／Ｍに低下する。定電流回路であれば直ちに電圧を上げて電流を戻すのであるが、本発明の場合はそれをしない。電流がＩ０（Ｍ−ｎ）／Ｍに低下したことによってフィラメントの断線が検出される。そこで以後目標となる定電流の値をＩ１＝Ｉ０（Ｍ−ｎ）／Ｍとするのである。電圧は先ほどと同じようにＶ＝Ｖ０である。
【００２５】
【実施例】
図２のフィラメント用電力調整器を、電圧が一定・下降時は、電流を一定値Ｉ０に保つ。電圧Ｖが上がろうとしたときはフィラメントが断線したということだから電圧はそのまま維持し（Ｖ＝Ｖ０）て、電流が低下するので低下した電流値を新たな目標の電流値とする。
【００２６】
図３は、フィラメント電圧計からのフィードバック４２（ｖ）と、フィラメント電流計からのフィードバック４３（ｉ）とから、演算器４０がフィラメント電力調整器３を制御するということを示している。先述のように、大地側の電流計５で測定した電流はフィラメント電流Ｉそのものではない。また大地側の電圧計４で測定した電圧はフィラメント電圧Ｖそのものではない。しかし大地側の回路は、絶縁トランス６とフィラメントトランス７を介してフィラメント群につながっているのだから、正比例関係にある。だからフィラメント電圧、電流の制御のために、大地側の電圧ｖ、電流ｉを代わりに使っても良いのである。
【００２７】
図４は本発明の制御方式のフローを示す。それは自動的定期的に行う手順である。まずフィラメント電流が設定値通りかどうかを調べる（４４）。もしも設定値通りなら、そのままの状態を保持する。だから電力調整器３の設定を変更しない。定期的に繰り返しフィラメント電流が設定値からずれていないかどうかを確かめる。
【００２８】
もしも設定値からずれているとする。その場合は設定値と現在の値とを比較して（４５）、設定値より大きい場合は、電力調整器３の電圧を下げる。そのために電力調整器制御信号（下げ指令）４６を発生する。それによって電力調整器３によってフィラメント電圧を下げるようにする。それは新しいフィラメントを取り付けたときの２３時間以内の接触抵抗変化の場合に対応する。そのような支持によって電流は一定値を保ちながら電圧を下降させる。やがて２３時間を経て電圧降下がやむ。以後は電圧、電流ともに一定値を保持する。その間は定電流制御となる（４４の制御）。
【００２９】
フィラメント断線の場合には、フィラメント電流値が設定値から外れる。設定値より小さくなる。それはＭ本あった並列接続フィラメントのうちｎ本が断線したのだから当然である。その変化が瞬間的であるからフィラメント断線だということが直ちに分かる。その場合、単純な電流制御方式ならフィラメント電圧を上げて電流値を復元するようになるのだけれども、本発明では電圧を上げない。電圧は元のままの値を保持し、その電圧で流れるような電流を次回の電流目標値Ｉ１とするのである。つまり定電流制御ではなくて、電圧が上がりそうになると電圧をそのままに維持して電流を下げて、その電流を目標値とする。以後はその値を電流目標値として同様の制御を行うようにする。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、電圧が降下する、或いは一定である間は、フィラメント電流が定電流に、電圧が上がろうとするときは、電圧を上げないような電流値に目標電流値を変更するようにフィラメントの供給電力を制御する。そのため、フィラメント交換後２３時間のフィラメント・板バネの接触抵抗の下降時にもフィラメントに流れる電流を所望の一定値に保つことができる。
【００３１】
フィラメントが断線したときは電圧が上がらないような電流値を求めて、それを新たな定電流目標値とするので、フィラメントの電流が過大にならない。そのようにして常に全てのフィラメントに一定の最適電流を流し続けるようにできる。多数のフィラメントを板バネによって給電棒に並列接続するような非走査型の電子線照射装置において、その効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】平行な給電棒に、複数のフィラメントを板バネを使って並列に接続する構造を示す斜視図。
【図２】非走査型電子線照射装置における、フィラメント電力供給系の回路図。
【図３】フィラメント電圧計の電圧データと、電流計の電流データを得て演算器によってフィラメント電力調整器を制御する有り様を示す図。
【図４】電圧が一定・下降のときは電流値を一定値に保持し、急激に電流が下がったときは電圧を一定に保つように目標電流値を更新して、その目標値によって電流制御するようにした本発明の操作を示すフローチャート。
【符号の説明】
２　商用電源
３　フィラメント電力調整器
４　フィラメント電圧計
５　フィラメント電流計
６　絶縁トランス
７　フィラメントトランス
８　引出電極
９　ミラー電極
１０　カソードチャンバ
２０、２２　給電棒
２３、２４　板バネ
２５、２６　切欠き
２７、２８　通し穴
２９　フィラメント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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