(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃と、上記電子銃から発射された電子ビームをワーク上に収束させる収束レンズと、上記電子銃と上記収束レンズとを収納した筐体とで形成されたビーム発生部と、上記ビーム発生部に電気を供給する電源部とを備えており、
上記ビーム発生部の電子銃が、熱電子を放出する陰極と、上記陰極を加熱するヒータと、上記陰極と対向して設けられ、且つ上記筐体と接合した陽極と、上記陰極と上記陽極との間に配設されたバイアス電極とで形成されており、
上記電源部が、上記ヒータを発熱させる電流を供給するヒータ電源と、上記陰極と上記陽極間に電圧を印加し、上記陰極から上記陽極方向に電子ビームを発生させる加速電源と、上記陰極と上記バイアス電極間に電圧を印加して、上記電子ビームを制御するバイアス電源とで形成された電子ビーム加工機であって、
上記バイアス電源が、直列に接続された、一定の電圧を安定に発生できる高安定電源と出力電圧を経時変化させる高応答電源とで形成されており、
上記高応答電源が、パルス信号発生器で発生したパルス基準信号により制御されたパルス電圧を出力する電子ビーム加工機。
【請求項２】
上記高安定電源が、加速電源に設けられたビーム電流を計測する電流検出回路から出力されたビーム電流信号に基づき、上記ビーム電流をフィートバック制御する電圧を出力する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】
上記加速電源に設けられた電流検出回路から出力されたビーム電流信号に基づき、外部制御回路で生成された高安定電源電圧制御信号が、直列に接続された、ＡＤ変換器と光信号変換器と光ファイバケーブルと光信号復号器とＤＡ変換機とを、この順に伝送されて、高安定電源に入力され、
上記パルス信号発生器で発生したパルス基準信号における、パルス波形最大値Ｐmaxを規定する信号およびパルス波形最小値Ｐminを規定する信号の各々が、直列に接続された、ＡＤ変換器と光変換器と光ファイバケーブルと光復号器とＤＡ変換器とを、この順に伝送されて、スイッチ回路に入力され、
上記パルス信号発生器で発生したパルス基準信号におけるパルスクロック信号が、直列に接続された、光信号変換器と光ファイバケーブルと光信号復号器との順に伝送されて、上記スイッチ回路に入力され、
上記パルスクロック信号に基づき上記スイッチ回路を動作させ、上記パルス波形の最大値Ｐmaxと上記パルス波形の最小値Ｐminとを規定する信号を、上記パルスクロック信号に同期して切り替えて、高応答電源に入力することを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム加工機。
【請求項４】
上記加速電源に設けられた電流検出回路から出力されたビーム電流信号により、高安定電源電圧制御信号を発生する外部制御回路が、上記電流検出回路に接続された第１のローパスフィルタと、パルス信号発生器に接続された第２のローパスフィルタと、上記第１のローパスフィルタと上記第２のローパスフィルタとに接続された引算器を備え、
上記第１のローパスフィルタで、上記ビーム電流信号の直流成分を取り出し、上記第２のローパスフィルタで、上記パルス基準信号の直流成分を取り出し、上記引算器で、上記ビーム電流信号の直流成分と上記パルス基準信号の直流成分との差信号を算出し、上記差信号で、高安定電源が制御されることを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム加工機。
【請求項５】
上記高応答電源が、ＮチャンネルＦＥＴとＰチャンネルＦＥＴとを直列接続した出力素子部と、上記出力素子部に接続され、且つパルス信号発生器から入力された信号により上記出力素子部を制御する高応答電源内制御回路と、直列に接続された２個の電源でなり、且つ上記出力素子部に電力を供給する電源本体とを、備えており、
上記高安定電源が、電力を供給する絶縁トランスと、上記絶縁トランスの出力を整流する整流回路と、上記整流回路の出力側に並列に設置され、上記整流回路からの出力電流を平滑化する平滑用コンデンサと、上記整流回路の正極側の伝送路に設けられたスイッチング素子と、上記スイッチング素子の出力側に直列に設置されたインダクタンスと、上記インダクタンスの出力側と上記整流回路の負極側の伝送路との間に設けられたコンデンサと、外部制御回路に基づく信号により上記スイッチング素子を制御する高安定電源内制御回路とを、備えており、
上記高安定電源の出力の負極側が、上記高応答電源における電源本体を形成する直列接続された２個の電源同士の接続部に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機。
【請求項６】
上記高応答電源が、２個のＮチャンネルＦＥＴを直列接続した出力素子部と、上記出力素子部に接続され、且つパルス信号発生器から入力された信号により上記出力素子部を制御する高応答電源内制御回路と、１個の電源でなり、且つ上記出力素子部に電力を供給する電源本体とを、備えており、
上記高安定電源が、電力を供給する絶縁トランスと、上記絶縁トランスの出力を整流する整流回路と、上記整流回路の出力側に並列に設置され、上記整流回路からの出力電流を平滑化する平滑用コンデンサと、上記整流回路の正極側の伝送路に設けられたスイッチング素子と、上記スイッチング素子の出力側に直列に設置されたインダクタンスと、上記インダクタンスの出力側と上記整流回路の負極側の伝送路との間に設けられたコンデンサと、外部制御回路に基づく信号により上記スイッチング素子を制御する高安定電源内制御回路とを、備えており、
上記高安定電源の出力の負極側が、上記高応答電源における電源本体の正極側に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電子ビーム加工機。
【請求項７】
上記筐体の上部側に連続して設けられた絶縁性筐体部内に高応答電源を設置し、上記高応答電源を電子銃のバイアス電極に直結するとともに、上記高応答電源と上記絶縁性筐体部の外部に設置された高安定電圧源とを、高電圧ケーブルで接続したことを特徴とする請求項１ないし請求項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】
本発明は、溶接などに用いる電子ビーム加工機に関するものであり、特に、パルスビームを用いた電子ビーム加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流の電子ビームを用いた電子ビーム加工機の溶接において、溶接のビードを溶接断面で観察すると、ワーク表面でビードが極端に太くなっていることが認められる。すなわち、直流の電子ビームを用いた電子ビーム加工機による溶接では、ワインカップ状の熱影響部が発生する。
これに対して、電子ビームのＯＮ−ＯＦＦを繰り返して得られるパルスビームを用いた電子ビーム加工機は、ワーク表面のビードの太りが解消された、くさび状の熱影響部が少ないビードを得ることができる。
【０００３】
従来の電子ビームをパルス化する機構としては、電子銃から発生した電子ビームの軌道に平行に１対の電極板を配置し、それぞれの電極に正パルス電圧と負パルス電圧を加えることで、電子ビームをパルス状に偏向させ、軌道上に設けたスリットの通過を制御して、電子ビームをパルス化するものがある（例えば、特許文献１参照）。
しかし、この電子ビームのパルス化機構を、大電力のパルスビームが必要な電子ビーム加工機に用いると、スリットが熱で破壊されてしまうとの問題があった。
【０００４】
ビームのスリット通過を制御することなしに、電子ビームをパルス化する機構として、陰極と陽極との間にパルス電圧を印加するもの、および、陰極と制御電極との間にパルス電圧を印加するものがある（例えば、特許文献２参照）。
また、陰極を加熱し熱電子を発生させる補助電源ユニットにおける補助電源用整流器の出力側に、スイッチング素子で構成されるパルス発生回路を接続したものがある。これは、パルス発生回路のＯＮ／ＯＦＦ動作により補助電源用整流器の出力、すなわちバイアス電圧が短絡／開放され、電子装置の熱陰極から発生する電子量をパルス状に変化させるものである（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１７８０７６号公報（第６頁、第２図）
【特許文献２】特開平１０−２８４５５２号公報（第８頁、第７図）
【特許文献３】特開平０１−３０２６４６号公報（第３頁、第５図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、パルスビームを用いた電子ビーム加工機での溶接では、電子ビームのパルス化にともない、ビードの乱れやワークへの熱のこもりによる溶け込み深さの変動等が生じるので、溶接品質の向上のため、溶接部の熱影響部を任意に制御するとともに溶融金属の振動を抑制し、ビード形状の乱れをさらに低減することが要求されている。
そのため、パルスビームを用いた電子ビーム加工機では、パルスビームを高周波化すること、加工物の熱容量や溶接形状に応じた、パルスビームの最大値や最小値の値を任意にコントロールすることが必要である。
【０００７】
しかし、引用文献２に記載の電子ビームをパルス化する機構は、電子ビームテスターに用いられるものであり、パルスビームを高周波化すること、および、加工物の熱容量や溶接形状に応じてパルスビームの最大値や最小値の値を任意にコントロールすることはできないとの問題があった。
【０００８】
また、引用文献３に記載の電子ビームをパルス化する機構では、パルスビームの最大値や最小値の値を任意にコントロールする、すなわち波高値の異なるパルスを連続して発生するには、異なる波高値のパルスに対応した電圧をそれぞれ発生させる直流電圧発生回路を用意するか、直流電圧発生回路がパルス周波数に匹敵する速度で応答することが必要となり、電源構成が複雑になるという問題があった。
また、スイッチング素子の応答性や制御方式が複雑であるので、パルスビームの高周波化、例えば１ＭＨｚ相当のパルスビームを出すにはスイッチング素子の応答性を向上させる必要があるとともに、電源構成が複雑になるとの問題があった。
【０００９】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、パルスビームを高周波化できるとともに、加工物の熱容量や溶接形状に応じて、パルスビームの最大値や最小値の値を任意にコントロールでき、品質の高い溶接を可能にする電子ビーム加工機を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係わる電子ビーム加工機は、電子銃と、電子銃から発射された電子ビームをワーク上に収束させる収束レンズと、電子銃と収束レンズとを収納した筐体とで形成されたビーム発生部と、ビーム発生部に電気を供給する電源部とを備えており、ビーム発生部の電子銃が、熱電子を放出する陰極と、陰極を加熱するヒータと、陰極と対向して設けられ、且つ筐体と接合した陽極と、陰極と陽極との間に配設されたバイアス電極とで形成されており、電源部が、ヒータを発熱させる電流を供給するヒータ電源と、陰極と陽極間に電圧を印加し、陰極から陽極方向に電子ビームを発生させる加速電源と、陰極とバイアス電極間に電圧を印加して、電子ビームを制御するバイアス電源とで形成された電子ビーム加工機であって、バイアス電源が、直列に接続された、一定の電圧を安定に発生できる高安定電源と出力電圧を経時変化させる高応答電源とで形成されており、高安定電源が、加速電源に設けられたビーム電流を計測する電流検出回路から出力されたビーム電流信号に基づき、ビーム電流をフィートバック制御する電圧を出力し、高応答電源が、パルス信号発生器で発生したパルス基準信号により制御されたパルス電圧を出力するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係わる電子ビーム加工機は、電子銃と、電子銃から発射された電子ビームをワーク上に収束させる収束レンズと、電子銃と収束レンズとを収納した筐体とで形成されたビーム発生部と、ビーム発生部に電気を供給する電源部とを備えており、ビーム発生部の電子銃が、熱電子を放出する陰極と、陰極を加熱するヒータと、陰極と対向して設けられ、且つ筐体と接合した陽極と、陰極と陽極との間に配設されたバイアス電極とで形成されており、電源部が、ヒータを発熱させる電流を供給するヒータ電源と、陰極と陽極間に電圧を印加し、陰極から陽極方向に電子ビームを発生させる加速電源と、陰極とバイアス電極間に電圧を印加して、電子ビームを制御するバイアス電源とで形成された電子ビーム加工機であって、バイアス電源が、直列に接続された、一定の電圧を安定に発生できる高安定電源と出力電圧を経時変化させる高応答電源とで形成されており、高安定電源が、加速電源に設けられたビーム電流を計測する電流検出回路から出力されたビーム電流信号に基づき、ビーム電流をフィートバック制御する電圧を出力し、高応答電源が、パルス信号発生器で発生したパルス基準信号により制御されたパルス電圧を出力するものであり、パルスビームを高周波化できるとともに、加工物の熱容量や溶接形状に応じて、パルスビームの最大値や最小値の値を任意にコントロールでき、品質の高い溶接を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機におけるバイアス電極に印加されるバイアス電圧Ｖｂｉとビーム電流Ｉｃとの関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機の電源部における制御信号の伝送機構の詳細を示す図である。
【図４】パルス信号発生器が発生するパルス信号波形を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機における、パルスビーム波形の第１例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機における、パルスビーム波形の第２例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係わる電子ビーム加工機において、ビームＯＮの指令とともにバイアス電圧がカットオフ電圧まで低下し、カットオフ電圧に達した時からパルス発生を開始する状態におけるパルスビーム波形を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係わる電子ビーム加工機において、起動直後のビーム電流が徐々に出やすくなってくる状態におけるパルスビーム波形を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係わる電子ビーム加工機におけるパルスビーム波形を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明による電子ビーム加工機の好適な形態を、図面を用いて説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
図１に示すように、本実施の形態の電子ビーム加工機１００は、ビーム発生部とビーム発生部に電気を供給する電源部とを備えている。
図１では、本実施の形態の電子ビーム加工機１００を説明するため、電子ビーム７および電子ビーム７が照射されるワーク１１も示している。
ビーム発生部は、ビームを発射する電子銃１と、電子銃１から発射された電子ビーム７をワーク１１上に収束させる収束レンズ１０と、電子銃１と収束レンズ１０とを収納し、且つ接地された筐体１２とで形成されている。
【００１５】
そして、電子銃１は、電子を放出する陰極２と、陰極２を加熱し陰極から熱電子を発生させるヒータ３と、電子ビーム７が通過する孔が設けられているとともに、筐体１２に接合され、且つ陰極で発生した熱電子を加速して電子ビーム化する陽極４と、陰極２と陽極４との間に配設されたバイアス電極５とで形成されている。
例えば、陰極２の材質はランタンヘキサボライト（ＬａＢ６）であり、ビーム放出面である先端径はφ１ｍｍである。
ヒータ３の材質はカーボンであり、陰極２を挟み込むように設置され、例えば、陰極を１５５０℃に加熱できる。
【００１６】
また、収束レンズ１０とワーク１１との間に偏向器（図示せず）が設けられており、この偏向器で、ワーク１０上に電子ビーム７を照射する位置を制御する。
また、筐体１２は、真空ポンプ（図示せず）に接続されており、その内部が真空に保持されている。
【００１７】
電源部は、熱電子を陽極４方向に加速する電圧を、陰極２と陽極４との間に印加する加速電源６と、ヒータ３を発熱させる電流を供給するヒータ電源８と、電子ビーム７の電流量を制御する電圧を、陰極２とバイアス電極５との間に印加するバイアス電源９とを備えている。
【００１８】
そして、加速電源６は、負極が陰極２に接続され、正極が接地され、筐体１２を介して陽極４と導通している。
また、ヒータ電源８は、正極と負極とがヒータ３の各端子に接続されるとともに、正極と負極との間に、２個の抵抗１３の直列体が接続されており、抵抗１３同士の接続部が加速電源６の負極、つまり、電子銃１の陰極２と接続されている。すなわち、ヒータ電源８は、その中間電位が陰極電位となるようになっている。
また、バイアス電源９は、負極がバイアス電極５に接続され、正極が加速電源６の負極、すなわち陰極２と接続されており、バイアス電極５は、陰極２に対して負電位となっている。そして、バイアス電源９は、その出力電圧が可変であり、電子ビームを制御する。
【００１９】
また、バイアス電源９は、高安定電圧を発生する手段である高安定電源２２と出力電圧値を応答性よく変化させることができる高応答電源２１とが、直列に接続されて形成されている。
すなわち、高安定電源２２は一定の電圧を安定に発生できる電源であり、高応答電源２１は基準信号に応じて出力電圧値を、高い電圧スルーレートで変化させることができる電源である。そして、バイアス電極５へは、高安定電源２２からの電圧と高応答電源２１からの電圧とが加算された電圧が印加される。
【００２０】
また、加速電源６には、正極側に電流検出回路２４が設けられており、この電流検出回路２４は、加速電源６の電流値、すなわち電子ビーム電流（ビーム電流と記す）を計測するとともに、計測されたビーム電流に基づく信号（ビーム電流信号と記す）を出力する。
また、高安定電源２２には、その電圧値を制御する外部制御回路２３が接続されており、外部制御回路２３には、電流検出回路２４から出力されたビーム電流信号が入力される。
また、高応答電源２１には、パルス信号発生器２５が接続されており、パルス基準信号が入力される。
【００２１】
図１に示す各電源の結線から明らかなように、バイアス電源９とヒータ電源８とは、高い加速電圧（例えば、−６０ｋＶ）を陰極２と陽極４との間に印加する加速電源６により高電圧にフローティングされている。
しかし、電子ビーム加工機を操作する外部制御回路２３は低圧側にあるので、低圧側にある外部制御回路２３と高圧側にある高安定電源２２との接続は、絶縁性を有する光ファイバケーブルを介して行われている。同様に、低圧側にあるパルス信号発生器２５と高圧側にある高応答電源２１との接続も、絶縁性を有する光ファイバケーブルを介して行われている。
【００２２】
本実施の形態の電子ビーム加工機１００は、バイアス電源９における高安定電源２２の電圧値を制御することで、ビーム電流をフィードバック制御する。
図２は、本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機におけるバイアス電極に印加されるバイアス電圧Ｖｂｉとビーム電流Ｉｃとの関係を示す図である。
図２では簡単のためにバイアス電圧Ｖｂｉの極性は示していないが、バイアス電圧Ｖｂｉを、カットオフ電圧から、正側に変化させていくと、ビーム電流Ｉｃが増加しており、図２から明らかなように、ＩｃはＶｂｉの２．５乗に比例する。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機のパルスビームを制御する機構を説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機の電源部における制御信号の伝送機構の詳細を示す図である。
図３に示すように、加速電源６の電流検出回路２４から出力されビーム電流信号が、外部制御回路２３に入力され、この入力された信号に基づき外部制御回路２３で、高安定電源２２の出力電圧を制御する信号（高安定電源電圧制御信号と記す）が生成される。
【００２４】
また、図３に示すように、高安定電源電圧制御信号は、ＡＤ変換器３０→光信号変換器３１→光ファイバケーブル３２→光信号復号器３３→ＤＡ変換機３４の順に伝送され、高安定電源２２に入力される。そして、この入力された高安定電源電圧制御信号により高安定電源２２が制御される。
【００２５】
外部制御回路２３は、ＰＩＤ制御を行っており、図２に示したバイアス電圧Ｖｂｉ−ビーム電流Ｉｃの関係、高安定電源２２の入出力ゲイン、ビーム系や加速電源６、バイアス電源９の応答性等の系のループ特性に応じて調整されている。
【００２６】
図４は、パルス信号発生器が発生するパルス信号波形を示す図である。
図４では、横軸は時間ｔで、縦軸は電圧Ｖである。
図４に示すように、パルス信号発生器２５は、パルス波形最大値Ｐmax とパルス波形最小値Ｐmin とパルスの立上りＰｕとパルスの立下りＰｄとを規定する信号、および、パルスクロック信号を発生する。
【００２７】
本実施の形態では、パルス信号発生器２５は、予め与えられたパルスビームの周波数や電流値に応じて、バイアス電極５に与えるパルス基準信号を発生する。
図３に示すように、パルス信号発生器２５が発生した、パルス波形の最大値Ｐmax とパルス波形の最小値Ｐmin とのそれぞれを規定する信号は、ＡＤ変換器３０→光変換器３１→光ファイバケーブル３２→光復号器３３→ＤＡ変換器３４の順に伝送され、スイッチ回路３５に入力される。
【００２８】
また、図３に示すように、パルス周波数に応じてパルス信号発生器２５で発生したパルスクロック信号は、光信号変換器３１→光ファイバケーブル３２→光信号復号器３３の順に伝送され、スイッチ回路３５に入力される。
そして、パルスクロック信号に基づきスイッチ回路３５が動作し、スイッチ回路３５に入力された、パルス波形の最大値Ｐmaxとパルス波形の最小値Ｐminとを規定する信号が、パルスクロック信号に同期して切り替えられて、高応答電源２１に入力される。
このような、パルス基準信号伝送部の動作により、高応答電源２２の駆動信号となるパルス基準信号が高応答電源２２に入力され、このパルス基準信号に基づきパルス電圧を出力する。
【００２９】
図５は、本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機における、パルスビーム波形の第１例を示す図である。
図５において、（ａ）は高安定電源２２の出力であるオフセット電圧Ｖofの時間変化を、（ｂ）は高応答電源２１の出力であるパルス電圧Ｖpls の時間変化を、（ｃ）はバイアス電源９の出力である、オフセット電圧Ｖofとパルス電圧Ｖpls とを加算したバイアス電圧Ｖbiの時間変化を、（ｄ）はビーム電流Ｉｃの時間変化を、各々示している。
【００３０】
従来の電子ビームをパルス化する機構では、０値と予め定めた電流値とのＯＮ−ＯＦＦ制御しかできなかったが、本実施の形態では、図５（ｂ）に示すように、パルス基準信号に応じで高応答電源２２から任意の電圧を発生できるので、図５（ｄ）に示すようにビーム電流Ｉｃを任意のレベルに設定できる。
図５は、バイアス電圧におけるパルス波形の最大値Ｐmax を４波目のパルス以降に低下した場合であり、このバイアス電圧波形では、ビーム電流Ｉｃは４波目のパルス以降のピーク電流値を低く制御できる。
このようなビーム電流Ｉｃの制御では、ワークの熱容量が小さく、ワークの温度が上昇した場合に、投入熱量を低下させて熱加工条件を均一にできる。
【００３１】
図６は、本発明の実施の形態１に係わる電子ビーム加工機における、パルスビーム波形の第２例を示す図である。
図６において、（ａ）は高安定電源２２の出力であるオフセット電圧Ｖofの時間変化を、（ｂ）は高応答電源２１の出力であるパルス電圧Ｖpls の時間変化を、（ｃ）はバイアス電源９の出力である、オフセット電圧Ｖofとパルス電圧Ｖpls とを加算したバイアス電圧Ｖbiの時間変化を、（ｄ）はビーム電流Ｉｃの時間変化を、各々示している。
【００３２】
図６は、バイアス電圧における、パルス波形の最小値Ｐmin を２波目のパルス以降に上昇させ、パルス波形の最大値Ｐmax を４波目のパルス以降に低下させた場合であり、このようなバイアス電圧波形により、ビーム電流Ｉｃにおける、２波目のパルス以降の平均電流を上昇させるとともに、パルスの振幅を小さくするように制御している。
【００３３】
このような、ビーム電流Ｉｃの制御では、ビーム照射開始直後はピーク熱影響が少ない溶け込みビードを得ることができるとともに、投入熱量が大きくなった時にパルスの振幅を小さくするので、溶融金属の振動を抑制し、滑らかな表面ビードを実現できる。
それと、溶融金属の振動が抑制されるので、気泡の巻き込みが防止され、ボイドを除去できる。また、溶融金属の振動抑制は、スパッタの飛散も抑制できる。
すなわち、本実施の形態の電子ビーム加工機１００は、上記のようなバイアス電源９を備えているので、加工物の熱容量や溶接形状に応じて、パルスビームの最大値や最小値の値を任意にコントロールできる、品質の高い溶接を可能にする。
【００３４】
次に、本実施の形態の電子ビーム加工機１００の運転条件を例示する。
本実施の形態の電子ビーム加工機１００では、例えば、陽極４に対する陰極２の電圧は−６０ｋＶであり、バイアス電極５は陰極に対して０〜−８００Ｖの範囲で可変である。ビームがＯＦＦとなるバイアス電圧をカットオフ電圧と呼び、本実施の形態の電子銃１の場合は、−７００Ｖ程度である。このカットオフ電圧は電極の組立状況、温度等で若干変動する。
【００３５】
また、本実施の形態の電子ビーム加工機１００における電子銃１は、バイアス電圧が０Ｖに達する前の−２００Ｖ付近で陰極２の電流供給能力を超えて、陰極ビーム放出面以外からもビームが出始め、ビーム収束性が悪化するので、バイアス電圧を−３００〜−７００Ｖの範囲に設定し、収束性のよいビームを得ている。このバイアス電圧範囲におけるビーム電流値は０〜１６ｍＡである。
【００３６】
本実施の形態では、電子銃１に、ヒータで加熱されるＬａＢ６陰極の例を示したが、タングステン製の陰極や、フィラメントタイプの陰極、傍熱タイプの陰極でも同様の効果が得られる。
陰極、陽極、バイアス電極の構成によっては、陰極に対して正電位のバイアス電極の電位でビーム電流を制御することも可能である。その場合も、高安定電源の出力電圧を正とすることで、同様の効果が得られる。
本実施の形態では、パルス信号発生器２５で発生させた、パルス波形の最大値Ｐmaxとパルス波形の最小値Ｐminのそれぞれを規定する信号、および、パルスクロック信号は、光ファイバケーブル３２を介して高応答電源２１に伝送されているが、低圧側でパルス波形を発生し、光絶縁でアナログ信号を伝送しても同様の効果を得ることができる。また、絶縁方法として光ファイバケーブルを用いたが、絶縁トランス等の他の方法を用いても同様の効果を得ることができる。
本実施の形態では、加速電源内にビーム電流を計測する電流検出回路を設けた例を示したが、ヒータ電源内に電流検出回路を設けて、この電流検出回路からの信号を外部制御回路に入力しても、同様の効果が得られる。
【００３７】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
図７に示すように、本実施の形態の電子ビーム加工機２００は、高安定電源２２の電圧値を制御する外部制御回路２３ｂが、第１のローパスフィルタ３６ａと、第２のローパスフィルタ３６ｂと、第１のローパスフィルタ３６ａと第２のローパスフィルタ３６ｂとに接続された引算器３７を備えている以外、実施の形態１の電子ビーム加工機１００と同様である。
【００３８】
第１のローパスフィルタ３６ａは、加速電源６の電流検出回路２４と接続されており、電流検出回路２４から出力されたビーム電流信号の直流成分を取り出す。
第２のローパスフィルタ３６ｂは、パルス信号発生器２５と接続され、そのパルス基準信号の直流成分を取り出す。
ちなみに、第１，第２のローパスフィルタ３６ａ,３６ｂには、１００Ｈｚ以下の信号を通す低域通過特性を有するものが用いられる。
【００３９】
第１のローパスフィルタ３６ａを通過して取り出されたビーム電流信号の直流成分と、第２のローパスフィルタ３６ｂを通過して取り出されたパルス基準信号の直流成分とは、各々引算器３７に入力され、ビーム電流信号の直流成分とパルス基準信号の直流成分の差信号が算出される。
そして、本実施の形態の電子ビーム加工機２００は、引算器３７で算出されたビーム電流信号の直流成分とパルス基準信号の直流成分の差信号が、高安定電源２２に入力され、この差信号により、高安定電源２２が制御される。
【００４０】
ビーム電流が加速電源６内に設置された電流検出回路２４で計測され、この計測に基づき生成されたビーム電流信号が外部制御回路２３ｂに入力され、外部制御回路２３ｂからの高安定電源電圧制御信号により、バイアス電源９の高安定電源２２が制御される。
外部制御回路２３ｂから高安定電源２２への信号の伝送は、バイアス電源９が加速電圧でフローティングされているので、絶縁性の光ファイバケーブルや絶縁トランス等を介して行われる。
【００４１】
このような絶縁を介した信号伝送では、伝送される信号の周波数帯域が制限されるので、パルスビーム発生時に電流検出回路２４で測定したパルス状の電流波形の信号により、パルス状のバイアス電圧をフィードバック制御することは困難である。
しかし、本実施の形態の電子ビーム加工機２００は、引算器３７で算出されたビーム電流信号の直流成分とパルス基準信号の直流成分の差信号で、高安定電源２２がフィードバック制御されるので、パルスビーム発生時においてもビーム電流のフィードバック制御が可能になる。
【００４２】
ビーム電流は電子銃１の状態、陰極２の温度や形状、陽極４とバイアス電極５と陰極２の各電極の位置等により変動する。例えば、電子ビーム加工機を起動すると、ヒータ３での加熱により電子銃１および筐体１２は徐々に温度が上昇するが、ヒータ３との位置関係により温度の上昇には時間差があるので、各電極間の距離等が変動する。
そのため、起動直後にバイアス電圧を一定電圧にしておくと、ビーム電流の比較的大きな変動を生じることがある。
しかし、本実施の形態の電子ビーム加工機２００は、パルスビーム発生時においてもビーム電流のフィードバック制御が可能であるので、起動直後の比較的大きなビーム電流の変動を抑制でき、安定なパルスビームを得ることができる。
【００４３】
通常、電子ビーム加工機において、ビームＯＦＦ時には、微小な漏れ電流を無くすため、バイアス電圧は、ビーム電流を０にする最小電圧であるカットオフ電圧より高めの電圧（例えば、数１０Ｖ）が設定されている。
そして、ビームＯＮの指令とともに、バイアス電圧をカットオフ電圧まで低下させ、カットオフ電圧に達した時からパルス発生を開始する。
すなわち、高安定電源２２の発生するオフセット電圧が制御する必要がある。
【００４４】
図８は、本発明の実施の形態２に係わる電子ビーム加工機において、ビームＯＮの指令とともにバイアス電圧がカットオフ電圧まで低下し、カットオフ電圧に達した時からパルス発生を開始する状態におけるパルスビーム波形を示す図である。
図８において、（ａ）は高安定電源２２の出力であるオフセット電圧Ｖofの時間変化を、（ｂ）は高応答電源２１の出力であるパルス電圧Ｖpls の時間変化を、（ｃ）はバイアス電源９の出力である、オフセット電圧Ｖofとパルス電圧Ｖpls とを加算したバイアス電圧Ｖbiの時間変化を、（ｄ）はビーム電流Ｉｃの時間変化を、各々示している。
図８に示すように、高安定電源２２の発生するオフセット電圧が制御された後にパルス電流が発生している。
【００４５】
図９は、本発明の実施の形態２に係わる電子ビーム加工機において、起動直後のビーム電流が徐々に出やすくなってくる状態におけるパルスビーム波形を示す図である。
図９において、（ａ）は高安定電源２２の出力であるオフセット電圧Ｖofの時間変化を、（ｂ）は高応答電源２１の出力であるパルス電圧Ｖpls の時間変化を、（ｃ）はバイアス電源９の出力である、オフセット電圧Ｖofとパルス電圧Ｖpls とを加算したバイアス電圧Ｖbiの時間変化を、（ｄ）はビーム電流Ｉｃの時間変化を、各々示している。
【００４６】
本実施の形態の電子ビーム加工機２００は、パルスビーム発生時においてもビーム電流のフィードバック制御が可能であるので、出やすくなるビーム電流を抑制するため、オフセット電圧を徐々に上昇するように制御回路を動作させることができ、安定なパルスビーム電流を得ることができる。
すなわち、本実施の形態の電子ビーム加工機２００は、パルス電流を、安定にできるため、ワークへの投入熱量の変動を抑制でき、溶接における溶け込み深さやビード幅が安定する。
【００４７】
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
本実施の形態の電子ビーム加工機３００は、実施の形態１の電子ビーム加工機１００において、バイアス電源９を形成する、高応答電源２１と高安定電源２２とが、図１０に示す回路構成のものである。
【００４８】
図１０に示すように、高応答電源２１は、高耐圧のＮチャンネルＦＥＴ４０ａと高耐圧のＰチャンネルＦＥＴ４０ｂとを直列接続した出力素子部４０と、出力素子部４０に接続され、且つパルス信号発生器２５から入力された信号により出力素子部４０を制御する高応答電源内制御回路４１と、直列に接続された２個の電源４２でなり、且つ出力素子部４０に電力を供給する電源本体とを、備えたアンプ回路である。
【００４９】
そして、高耐圧のＮチャンネルＦＥＴ４０ａは、電源本体の負極側に配置され、高耐圧のＰチャンネルＦＥＴ４０ｂは、電源本体の正極側に配置されている。
また、電源４２は絶縁トランスと整流回路と平滑回路とで構成され、電力供給は低圧側から行われる。
本実施の形態の高応答電源２１ではＦＥＴが用いられているが、トランジスタで構成しても良い。
【００５０】
高応答電源２１は、図１０に示すような回路構成であるので、パルス信号発生器２５から入力されたパルス信号を増幅して出力でき、特に、高い電圧スルーレートと高ゲインが得られるとともに、入力信号に応じた任意の出力電圧を出力することができる。
高応答電源２１の出力電圧を大きくするには、電源本体の電圧を高くする必要があるが、電源本体の電圧を高くすると出力素子４０の発熱が増大する。
しかし、本実施の形態の電子ビーム加工機３００では、高応答電圧源２１の振幅は必要なビーム電流に応じた最小限に設定でき、他のオフセット分の電圧は高安定電圧源２２が発生するので、高応答電圧源２１の発熱は必要最小限に抑制できる。
【００５１】
また、図１０に示すように、高安定電源２２は、電力を供給する絶縁トランス４３と、絶縁トランス４３の出力を整流する整流回路４４と、整流回路４４の出力側に並列に設置され、整流回路４４からの出力電流を平滑化する平滑用コンデンサ４５と、整流回路４４の正極側の伝送路に設けられたスイッチング素子４６と、スイッチング素子４６の出力側に直列に設置されたインダクタンス４８と、インダクタンス４８の出力側と整流回路４４の負極側の伝送路との間に設けられたコンデンサ４９と、外部制御回路２３に基づく信号によりスイッチング素子４６を制御する高安定電源内制御回路４７とを、備えている。
【００５２】
すなわち、高安定電源２２は、インバータ駆動の定電圧回路で構成されており、出力の正極側が加速電源６の負極に接続され、出力の負極側が、高応答電源２１における、電源本体を形成する直列接続された２個の電源４２同士の接続部に接続されている。
【００５３】
すなわち、高安定電源２２は、電流検出回路２４の検出信号に基づく外部制御回路２３の制御信号により高安定電源内制御回路４７から出力されるゲート信号で、スイッチング素子４６をＯＮ−ＯＦＦ制御することにより、出力電圧が制御される。
また、高安定電源２２の出力電圧は、インダクタンス４８とコンデンサ４９とで、リップルが低減される。しかし、出力電圧を低リップル化するため、インダクタンス４８とコンデンサ４９との時定数は大きく選定されており、高安定電源２２の応答性は低い。
また、高安定電源２２は、電力を供給するのに絶縁トランス４３が用いられているので、高安定電源２２を含むバイアス電源９を、加速電源６で高電圧（例えば、−６０ｋＶ）にフローティングした状態で動作することを可能にしている。
【００５４】
本実施の形態の電子ビーム加工機３００は、バイアス電源９を形成する、高応答電源２１と高安定電源２２とが、図１０に示す回路構成のものであり、高応答電圧源２１の振幅は必要なビーム電流に応じた最小限に設定し、バイアス電圧における他のオフセット分の電圧は高安定電圧源２２が分担するので、例えば、高応答電源２１の発熱量を１０Ｗ以下に抑えることができる。
また、高応答電源２１は、帯域１ＭＨｚの応答性と３００Ｖ／μｓの電圧スルーレートとを実現できる。
【００５５】
また、本実施の形態の電子ビーム加工機３００は、例えば、１００ｋＨｚで１６ｍＡのパルスビームを得ることができる。
すなわち、本実施の形態の電子ビーム加工機３００は、低発熱で高応答のバイアス電源９を備えたものであり、加工機を小型化できる等のメリットがある。
本実施の形態の高応答電源２１と高安定電源２２との回路構成は、実施の形態２の電子ビーム加工機にも適用でき、同様な効果が得られる。
【００５６】
実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
図１１に示すように、本実施の形態の電子ビーム加工機４００は、高応答電源２１において、出力素子部５０が高耐圧の２個のＮチャンネルＦＥＴ４０ａを直列接続したものであり、出力素子部５０に電力を供給する電源本体が１個の電源５２であるとともに、高安定電源２２の出力の負極側が、高応答電源２１における電源本体の正極側に接続されている以外、実施の形態３の電子ビーム加工機３００と同様である。
本実施の形態の電子ビーム加工機４００では、例えば、高応答電源２１の出力範囲は−６００〜０Ｖであり、高安定電源２２は−２００Ｖの電圧を出力するので、バイアス電極には−２００〜−８００Ｖの範囲のパルス電圧を印加することができる。
【００５７】
図１２は、本発明の実施の形態４に係わる電子ビーム加工機におけるパルスビーム波形を示す図である。
図１２において、（ａ）は高安定電源２２の出力であるオフセット電圧Ｖofの時間変化を、（ｂ）は高応答電源２１の出力であるパルス電圧Ｖpls の時間変化を、（ｃ）はバイアス電源９の出力である、オフセット電圧Ｖofとパルス電圧Ｖpls とを加算したバイアス電圧Ｖbiの時間変化を、（ｄ）はビーム電流Ｉｃの時間変化を、各々示している。
【００５８】
図１２に示すように、パルスビーム波形は、実施の形態２における図８に示したパルスビーム波形と同様であり、高周波のパルスビームを高安定に発生させることができる。
また、本実施の形態では、高安定電源２２の出力が低い電圧で良く、バイアス電源の構成が簡単になる。
本実施の形態の高応答電源２１と高安定電源２２との回路構成は、実施の形態２の電子ビーム加工機にも適用でき、同様な効果が得られる。
【００５９】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５に係わる電子ビーム加工機の構成図である。
図１３に示すように、本実施の形態の電子ビーム加工機５００は、電子銃１が収納された筐体１２の上部側に連続して設けられた絶縁性筐体部６２内に高応答電源２１を設置し、高応答電源２１を電子銃１のバイアス電極５に直結するとともに、高応答電源２１と絶縁性筐体部６２の外部に設置された高安定電圧源２２とを、高電圧ケーブル６１で接続した以外、実施の形態１の電子ビーム加工機１００と同様である。
そして、本実施の形態では、高応答電源２１は、絶縁性筐体部６３内で、絶縁油中に保持され、絶縁が保持されている。
【００６０】
また、加速電源６と、ヒータ電源８および高安定電源２２との接続も、高電圧ケーブル６０で行われ、ヒータ電源８と高安定電源２２とは、加速電源６により、例えば、−６０ｋＶの高圧にフローティングされている。
また、ヒータ電源８とヒータ３との接続、および加速電源６と陰極２との接続も、高電圧ケーブル６１を介して行われる。
【００６１】
高応答電源２１を筐体１２の外部に設置して、高応答電源２１とバイアス電極５との接続を高電圧ケーブルで行うと、高電圧ケーブルが、３ｍのケーブル長で３００ｐＦ程度の浮遊容量を有するので、発熱量を抑制するため、電流供給能力を小さくした高応答電源２１からのパルス電圧では、応答性を向上させるのに限界がある。
しかし、本実施の形態の電子ビーム加工機５００では、高応答電源２１が、絶縁性筐体部６３に設置されており、高応答電源２１を電子銃１のバイアス電極５に直結しているので、高応答電源２１の容量性負荷を大幅に低減でき、高応答電源２１からのパルス電圧の応答性を、さらに向上できる。
【００６２】
すなわち、本実施の形態の電子ビーム加工機５００は、発熱量を抑制できるとともに、高い応答性を有する高応答電源２１を備えたものである。
例えば、３ｍの高電圧ケーブルを用いた場合、３００ｐＦの電源出力の容量性負荷であるのに対して、本実施の形態では、１０ｐＦ以下の電源出力の容量性負荷に低減でき、周波数帯域を５００ｋＨｚと、高い値にできる。
【００６３】
本実施の形態では、高応答電源２１は、絶縁性筐体部６３内で、絶縁のため絶縁油中に保持しているが、モールド絶縁やガス絶縁であっても良い。
また、本実施の形態の、高応答電源を絶縁性筐体部に設置して電子銃のバイアス電極に直結する構造は、実施の形態２〜実施の形態４の電子ビーム加工機にも適用でき、電子ビーム加工機におけるパルス電圧の応答性をさらに向上できる。
また、本実施の形態の、高応答電源を絶縁性筐体部に設置して電子銃のバイアス電極に直結する構造は、イオンビーム等の荷電ビーム装置においても適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係わる電子ビーム加工機は、直列に接続した高応答電源と高安定電源とでバイアス電源を形成しており、パルスビームを高周波化できるとともに、加工物の熱容量や溶接形状に応じて、パルスビームの最大値や最小値の値を任意にコントロールできるので、高品質の溶接が要求される電子ビーム加工機に用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１  電子銃、２  陰極、３  ヒータ、４  陽極、５  バイアス電極、６  加速電源、
７  電子ビーム、８  ヒータ電源、９  バイアス電源、１０  収束レンズ、
１１  ワーク、１２  筐体、１３  抵抗、２１  高応答電源、２２  高安定電源、
２３  外部制御回路、２３ｂ  外部制御回路、２４  電流検出回路、
２５  パルス信号発生器、３０  ＡＤ変換器、３１  光信号変換器、
３２  光ファイバケーブル、３３  光信号復号器、３４  ＤＡ変換機、
３５  スイッチ回路、３６ａ  第１のローパスフィルタ、
３６ｂ  第２のローパスフィルタ、３７  引算器、４０  出力素子部、
４０ａ  ＮチャンネルＦＥＴ、４０ｂ  ＰチャンネルＦＥＴ、
４１  高応答電源内制御回路、４２  電源、４３  絶縁トランス、４４  整流回路、
４５  平滑用コンデンサ、４６  スイッチング素子、４７  高安定電源内制御回路、
４８  インダクタンス、４９  コンデンサ、５０  出力素子部、５２  電源、
６０  高電圧ケーブル、６１  高電圧ケーブル、６２  絶縁性筐体部、
１００，２００，３００，４００，５００  電子ビーム加工機。
【図１】
0005314058.tif 000002
【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７】
0005314058.tif 000008
【図８】
0005314058.tif 000009
【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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