電子ビーム加工方法
【課題】電子ビームの照射によって被加工物の表面を加工するに際して、加工ムラを出さずに加工時間を低減する電子ビーム加工方法を得る。
【解決手段】被加工物の形状データに基づいて被加工物の表面に所定の間隔を有する電子ビームの照射点を決定し、照射点に電子ビームを照射するとともに、予め設定した周期で照射点ごとに順次、照射点を中心にした領域で電子ビームを偏向させる。
【解決手段】被加工物の形状データに基づいて被加工物の表面に所定の間隔を有する電子ビームの照射点を決定し、照射点に電子ビームを照射するとともに、予め設定した周期で照射点ごとに順次、照射点を中心にした領域で電子ビームを偏向させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子ビームの照射によって被加工物の表面を加工する加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子ビーム加工方法においては、予め設定された被加工物の表面形状の情報に基づき、電子ビームの照射位置を１回ごとに微少距離だけ動かして、被加工物の表面に電子ビームを照射し表面を加工する。（例えば特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３５２６３号公報（第７頁）
【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方法においては、被加工物の加工ムラを出さないためには、電子ビームの照射点の間隔を狭くする必要があり、電子ビームの照射点の数が多くなるので、被加工物の加工時間が長くなるという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、電子ビームの照射によって被加工物の表面を加工するに際して、加工ムラを出さずに加工時間を低減する電子ビーム加工方法を得るものである。
【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方法においては、被加工物の形状データに基づいて上記被加工物の表面に所定の間隔を有する電子ビームの照射点を決定し、照射点に電子ビームを照射するとともに、予め設定した周期で照射点ごとに順次、照射点を中心にした領域で上記電子ビームを偏向させる。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、電子ビームの照射点を中心にした領域内で電子ビームを偏向させるので、照射点の間を確実に加工できる。従って、照射点の間隔を大きくして被加工物の照射点の数を少なくすることができ、加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１から３を示す電子ビーム加工方法による電子ビーム加工装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１から３における被加工物の形状と形状データの一例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１から３における電子ビームの照射経路と加工パラメータの設定例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１から３における電子ビームの偏向の経路を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の原理を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の範囲を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図８】従来技術とこの発明の実施の形態１における照射点を中心とした加工範囲を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態２における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の範囲を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態２における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態３における照射点を中心とした領域の電子ビームの照射点と偏向の範囲を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態３における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態３における照射点を中心とした領域の電子ビームの照射点と偏向の範囲を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態３における照射点を中心とした領域の電子ビームの照射点と偏向の範囲を示す図である。
【図１７】この発明の実施の形態１から３における加工パラメータを設定するための動作手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における電子ビーム加工方法に使用する電子ビーム加工装置の構成を示す図である。図１において、被加工物１２は図示しない搬送テーブルによって供給されて加工室１１に置かれ、電子ビームが被加工物１２の表面に照射されることによって、照射エネルギーで表面が溶融して加工される。電子ビームが通過する経路は真空にする必要があるため、電子ビームが発生する電子銃室１と、被加工物１２が置かれる加工室１１は、電子ビーム加工装置が起動する前にそれぞれ電子銃室排気装置１５と加工室排気装置１６によって排気されて真空状態にされる。電子ビームは、直流の高電圧電源が陰極３と陽極４の間に印加されることによって陰極３から放出される。放出された電子ビームは陽極４とオリフィス５を通過して、収束レンズ７と偏向コイル８によって被加工物１２の所定の位置に照射されるように調整される。
【００１０】
電子ビームを所定の位置に照射させる条件、すなわち加工パラメータは収束レンズ７の電流、偏向コイル８の電流および電子ビーム電流である。収束レンズ７は、周回状のコイルの内部に発生する磁界により電子ビームを収束させるもので、供給される収束レンズ電流の大きさによって電子ビームが収束する距離が変わる。偏向コイル８は、コイルから発生した磁界によって電子ビームの向きを変えるもので、供給される偏向コイル電流の大きさによって偏向角度が変わる。偏向コイル電流がゼロで偏向角度はゼロになり、電流の正負によって偏向の向きは逆になる。また、偏向コイル８は二次元方向すなわちＸ軸とＹ軸の両方の偏向角度が調整できるように、Ｘ軸偏向コイル電流とＹ軸偏向コイル電流が個別に供給され、任意の照射点に偏向角度を合わせることができる。電子ビーム電流は陰極３より放出される電子ビームの量に相当し、被加工物１２に照射される電子ビームの照射エネルギーを決めている。この電子ビーム電流の大きさは、高電圧電源装置１３を通して陰極３に供給されるバイアス電源によって決まる。
【００１１】
次に、本実施の形態における電子ビーム加工方法の動作を図１と図１７を用いて説明する。図１７には以下に示す動作のステップ１から４の範囲が示されている。最初にステップ１を説明する。図１に示す電子ビーム加工装置に起動指令が出される前に、加工される被加工物１２の表面の形状データをＣＡＤデータとして電子ビーム加工データ作成装置１７に入力する。被加工物１２の表面は例えば図２に示すような形状で、その形状データは細分化されたドットのＸＹ座標として入力されている。この形状データのドット座標に基づいて電子ビーム加工データ作成装置１７は、形状データのドット座標の範囲内で照射点の所定の間隔を決定する。この照射点の所定の間隔は、照射点を中心にして電子ビームを偏向させて加工できる範囲に近い値とする。この照射点の所定の間隔に基づき、電子ビームの全照射点のＸＹ座標データが決定される。なお、図２に示すような被加工物１２の加工面の基準位置（Ｘ＝０、Ｙ＝０）を基準点にして、ある照射点の座標を（Ｘ１、Ｙ１）とする。
【００１２】
次に図１７におけるステップ２では、座標（Ｘ１、Ｙ１）を持つ照射点に電子ビームを照射するための加工パラメータを収束電流Ｉｃ１、Ｘ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｘ、Ｙ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｙ、および電子ビーム電流Ｉｅ１として、これらの加工パラメータは電子ビーム加工データ作成装置１７によって以下の手順で決定される。
【００１３】
収束レンズ７から加工面の基準位置までの収束中心距離Ｌｃの値は予め入力されており、図４に示すように収束レンズ７から照射点までの収束距離Ｌｃ１は加工面の基準位置から照射点までの距離Ｌ１で決まる。この距離Ｌ１は照射点の座標（Ｘ１、Ｙ１）から演算され、予め設定されたデータにより上記の距離Ｌ１から必要な照射点の収束電流Ｉｃ１の値が決定される。
【００１４】
電子ビームの偏向コイル８の中心位置から加工面の基準位置までの距離Ｌｄの値は予め入力されており、図４に示すように照射点の座標（Ｘ１、Ｙ１）より偏向角度θ１と、この偏向角度θ１をＸ軸とＹ軸の成分に分割したＸ軸偏向角度θ１ｘとＹ軸偏向角度θ１ｙが演算される。これらのＸ軸偏向角度θ１ｘとＹ軸偏向角度θ１ｙから、予め設定されたデータにより必要なＸ軸偏向電流Ｉｄ１ｘとＹ軸偏向電流Ｉｄ１ｙの値が決定される。
【００１５】
加工面の基準位置以外の照射点位置においては加工面の基準位置に比べて、電子ビームが照射される角度すなわち偏向角度が大きくなるので、電子ビームの照射エネルギーを均一化するために、偏向角度に応じて電子ビーム電流が変更される必要がある。照射点の偏向角度θ１は加工面の基準位置からの距離Ｌ１に依存するので、照射点座標（Ｘ１、Ｙ１）から演算された距離Ｌ１の値に基づいて、予め設定されたデータにより必要な電子ビーム電流Ｉｅ１が決定される。
【００１６】
これらの加工パラメータの全照射点における値は、電子ビーム加工データ出力制御装置１８内の収束レンズ電流データ格納エリア２２、Ｘ軸偏向電流データ格納エリア２３、Ｙ軸偏向電流データ格納エリア２４および電子ビーム電流データ格納エリア２１に格納される。電子ビーム加工装置の起動後に、収束レンズ電流Ｉｃ１は収束レンズ電流制御回路２９により実電流の収束レンズ電流Ｉｃに変換されて収束レンズ７に供給され、電子ビーム電流Ｉｅ１は電子ビーム電流制御回路２８により電子ビーム電流設定データＩｅに変換されて高電圧電源装置１３に指令されて、設定された電子ビーム電流Ｉｅに対応した陰極３のバイアス電源が陰極３に供給される。
【００１７】
被加工物１２が加工室１１に供給されて所定の位置に置かれると、電子銃室１と加工室１１の内部が排気されて真空状態にされる。電子ビーム加工装置を起動するための電子ビーム発生信号がシーケンス制御回路２７から出力されると、高電圧電源１３から高電圧ケーブル１４を通して高電圧電源が印加された陰極３から電子ビームが放出される。ここで、起動の開始時点においては、電子ビーム待機ブロック２０に電子ビームが照射されるように、待機用の電子ビーム電流と収束レンズ電流とＸ軸偏向コイル電流およびＹ軸偏向コイル電流が電子ビーム加工データ作成装置１７から指令される。
【００１８】
電子ビーム待機ブロック２０は、電子ビーム加工装置を起動した時点で電子ビームの照射エネルギーが所定の値に立ち上がるまでの期間、一時的に電子ビームを照射して待機しておくものである。次に、シーケンス制御回路２７から加工開始信号が出されると、上記の格納された照射点の加工パラメータと、以下に説明するような照射点を中心にした領域で電子ビームが偏向する動作と合わせて、電子ビームは被加工物１２の照射点に順番に照射される。
【００１９】
次に、照射点を中心にして予め設定された領域で予め設定された周期で電子ビームが偏向する動作（以下、小振幅偏向と言う）を説明する。これは、図１７におけるステップ３である。本実施の形態では小振幅偏向を図６に示すような直線上の領域として、電子ビームは各照射点を中心にしてＸ軸方向に直線上を振幅Ｌｏｘで往復する。小振幅偏向の振幅Ｌｏｘは、電子ビーム加工データ作成装置１７にて決定されたＸ軸方向の所定の照射点間隔Ｌｘに基づいて決定され、図５に示すように小振幅偏向の振幅Ｌｏｘと偏向距離Ｌｄの関係によって小振幅偏向の角度範囲θｏｘが決定される。小振幅偏向電流データ発生回路２５は、シーケンス制御回路２７からの指令により、格納している電流波形データを選択しその周期ｔｏを設定するとともに、上記の小振幅偏向の角度範囲θｏｘに応じた電流波形の振幅を設定し、Ｘ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘの波形を出力する。
【００２０】
ここではＸ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘの波形を図７（ａ）に示すような三角波とし、照射点ごとに電子ビームは直線上を1回往復する。このＸ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘの波形がＸ軸偏向コイル電流制御回路３０に出力されて、照射点ごとにＸ軸偏向電流データ格納エリア２３から出力されるＸ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｘの値（図７（ｂ））と加算されて実電流の偏向コイル電流Ｉｄｘとなり（図７（ｃ））、偏向コイル８に供給される。ここで、照射点の加工パラメータの決定手順で説明したようにＸ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｘは照射点ごとに設定される値であり、一方、Ｘ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘは上記のように一定の波形と周期および振幅を持つ。
【００２１】
上記のように電子ビームが照射点を中心にして所定の直線上の領域で往復して偏向するので、電子ビームの照射範囲が大きくなる。さらに、電子ビームが照射された箇所においては熱伝導により照射エネルギーが周囲に広がるので、被加工物１２が加工される範囲は、電子ビームが照射される範囲と上記の照射エネルギーがその周囲に広がった範囲の両方である。ここで、本発明の小振幅偏向動作を行わない従来技術においては図８（ａ）に一例を示すように加工範囲は照射点中心の円形内に限られるが、本発明においては照射点中心の加工範囲は図８（ｂ）に示すようなより広い範囲となる。従来技術での加工範囲を照射点を中心として半径ｒとすると、加工面の全範囲を加工するためには隣り合う照射点の加工範囲の重複を要するので照射点間隔のＸ軸方向ＬｘおよびＹ軸方向Ｌｙは１．５ｒ程度にする必要がある。一方、小振幅偏向を採用した本発明においては小振幅偏向の振幅Ｌｏｘを例えば５ｒに設定すると、図８の例では照射点間隔Ｌｘは６ｒ程度、Ｌｙは２ｒ程度でよく、この場合は照射点の数は従来技術に比べて約１／５〜１／６に低減できる。小振幅偏向の振幅Ｌｏｘを上記より大きくすれば照射点間隔も大きくできるので、照射点の数もさらに低減できる。
【００２２】
上記で説明したように、照射された箇所から広がる照射エネルギーの範囲で加工範囲も決まるので、小振幅偏向の振幅Ｌｏｘは照射点の所定の間隔Ｌｘに近い値で設定すればよい。なお、電子ビームは連続して照射されているため、ある照射点から次の照射点への移動にあたっては小振幅偏向の振幅Ｌｏｘ以外の箇所に電子ビームが一時的に照射されることになるが、上記の移動時間は照射点の移動の周期に比べて短いため、照射されるエネルギーの分布にはほとんど影響を与えない。また、本実施の形態では、小振幅偏向はＸ軸方向のみについて動作するためＹ軸方向の偏向はなくＹ軸方向の振幅Ｌｏｙおよび角度範囲θoyはゼロであるため、小振幅偏向電流データ発生回路２５が出力するＹ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｙはゼロの値である。
【００２３】
ある照射点から次の照射点への移動は照射点の座標（Ｘ１、Ｙ１）に応じた加工パラメータの設定によって行われ、この加工パラメータの変更はクロック周波数発生回路２６が発生するクロック周波数信号に同期する。すなわち、クロック周波数信号に同期して照射点が移動する。また、上記に説明したステップ３の動作が照射点ごとに繰り返される。これらの動作は図１７におけるステップ４に示す範囲である。
【００２４】
図３に、加工面のＸ軸方向の照射点についての収束レンズ電流、偏向コイル電流および電子ビーム電流の設定の一例を示す。ここでは、偏向コイル８から加工面の基準位置までの距離、すなわち偏向距離を４００ｍｍとしている。収束レンズ電流は加工面の基準位置から遠くなると小さく設定され、電子ビーム電流は加工面の基準位置から遠くなると大きく設定される。収束電流および電子ビーム電流とも加工面の基準位置に近い範囲（図３では＋５０ｍｍから−５０ｍｍ）では一定の値としているが、この範囲での収束距離と電子ビームの照射エネルギーの変化量は微小なためである。
【００２５】
全照射点への電子ビームの照射が完了すると加工は終了となって電子ビーム加工装置に停止が指令され、被加工物１２は加工室１１より取り出される。
【００２６】
このように構成された電子ビーム加工方法においては、電子ビームの照射点を中心にした領域内で電子ビームを偏向させるので、照射点の間を確実に加工できる。従って、照射点の間隔を大きくして被加工物の照射点の数を少なくすることができるため、加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。また、加工時間の低減により、時間の経過とともに拡大する被加工物の加工熱の分布差を低減することができ、被加工物の熱歪みを低減することができるので高い加工品質を得ることができる。また、電子ビームの偏向角度にかかわらず照射点ごとに被加工物の表面の広い範囲にわたって均一に電子ビームの照射エネルギーを与えることができるので、大きな形状の被加工物であっても加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。
【００２７】
上記の実施の形態では、小振幅偏向の周期は電子ビームの照射点を順番に移動する周期と一致させているが、クロック周波数の設定できる範囲で小振幅偏向の周期を設定することができる。例えば図９に示すように小振幅偏向の周期を短くして、照射点の移動周期の１／２とすれば、電子ビームは1個の照射点で直線上を２回往復することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
上記の実施の形態では、小振幅偏向の電流波形は三角波としているが、これは小振幅偏向電流データ発生回路２５の電流波形の選択により三角波以外の他の波形とすることもできる。例えば図１０に示すように正弦波とすることでも、三角波の場合と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
実施の形態２．
実施の形態１では小振幅偏向の波形を電子ビームの照射が移動する方向、すなわちＸ軸方向に合わせた直線上の往復としているが、照射点を中心とした交差する複数の直線、すなわちＸ軸方向とＹ軸方向の両方の往復としてもよい。図１１は、この発明を実施するための電子ビーム加工方法における小振幅偏向の照射点を中心とした領域を示す図である。電子ビーム加工装置の構成は実施の形態１と同一である。この実施の形態においては、電子ビームが照射点ごとに照射点を中心にしてＸ軸方向とＹ軸方向の両方に交互に１回ずつ往復して偏向する。
【００３０】
次に、本実施の形態の動作を小振幅偏向について説明する。電子ビーム加工データ作成装置１７にて決定されたＸ軸方向の所定の照射点間隔ＬｘとＹ軸方向の所定の照射点間隔Ｌｙに基づいて、電子ビーム加工データ作成装置１７によって小振幅偏向の振幅ＬｏｘとＬｏｙが決定され、小振幅偏向の角度範囲θｏｘとθｏｙが決定される。小振幅偏向電流データ発生回路２５は格納している電流波形と周期ｔｏを設定するとともに、これらの角度範囲θｏｘとθｏｙに応じた振幅を設定し、図１２に示すようなＸ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘの波形とＹ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｙの波形を出力する。実施の形態１と同様に、照射点ごとにＸ軸偏向電流データ格納エリア２３とＹ軸偏向電流データ格納エリア２４からそれぞれ出力されるＸ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｘとＹ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｙと加算されてそれぞれＸ軸偏向コイル電流ＩｄｘおよびＹ軸偏向コイル電流Ｉｄｙとなり、偏向コイル８に供給される。
【００３１】
ここで、被加工物１２のできるかぎり広い範囲にわたって加工されるように、Ｘ軸の小偏向の振幅Ｌｏｘは照射点のＸ軸の間隔Ｌｘに近い値で、Ｙ軸の小偏向の振幅Ｌｏｙは照射点の間隔Ｌｙに近い値でそれぞれ設定される。また、小振幅偏向の周期ｔｏはクロック周波数の範囲内で任意に設定することができる。
【００３２】
実施の形態２では、小振幅偏向がＸ軸とＹ軸の両方向にて行われるため、照射点のＸ方向とＹ方向の両方の間隔に合わせて電子ビームを照射する領域を設定することができるので、電子ビームを照射する範囲を大きくすることができ、実施の形態１と同様に被加工物の加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。
【００３３】
実施の形態３．
実施の形態１または２では小振幅偏向の照射点を中心とした領域を直線としているが、円形とすることもできる。図１３に示すような円を描くように、Ｘ軸方向の偏向角度θｏｘとＹ軸方向の偏向角度θｏｙに応じて、小振幅偏向電流データ発生回路２５よりＸ軸小振幅偏向電流ＩｄｏｘとＹ軸小振幅偏向電流Ｉｄｏｙが図１４に示すような波形として出力される。ここで、小振幅偏向の振幅Ｌｏｘすなわち円の直径は照射点の間隔より小さい値で設定される。なお、電子ビームが照射点から円周上に移動するときに、照射点と円周上以外の箇所に一時的に電子ビーム照射されることになるが、上記の移動の時間は円周上の移動時間に比べて短いため、照射されるエネルギーの分布に影響は与えない。
【００３４】
実施の形態３では、小振幅偏向が照射点を中心にした円形状に行われるため、照射点の中間の領域に電子ビームを照射することができるので、電子ビームを照射する範囲を大きくすることができ、実施の形態１および２と同様に被加工物の加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。
【００３５】
上記の実施の形態では、小振幅偏向の照射点を中心とした領域を円形としているが、これを図１５に示すような楕円形とすることもできる。領域を楕円形とすることにより、照射点の間隔がＸ軸方向とＹ軸方向で異なる場合にも、照射点の間隔に合わせて加工ムラを出さない形状を設定することができることができる。
【００３６】
また、上記の実施の形態では、小振幅偏向の照射点を中心とした領域を円形または楕円形としているが、これを図１６に示すような四角形状とすることもできる。小振幅偏向の領域を楕円形とする場合と同様に、照射点の間隔がＸ軸方向とＹ軸方向で異なる場合にも、照射点の間隔に合わせて加工ムラを出さない形状を設定することができることができる。
【符号の説明】
【００３７】
２ 陰極
７ 収束レンズ
８ 偏向コイル
１２ 被加工物
１７ 電子ビーム加工データ作成装置
１８ 電子ビーム加工データ出力制御装置
２１ 電子ビーム電流データ格納エリア
２２ 収束レンズ電流データ格納エリア
２３ Ｘ軸偏向電流データ格納エリア
２４ Ｙ軸偏向電流データ格納エリア
２５ 小振幅偏向電流データ発生回路
２８ 電子ビーム電流制御回路
２９ 収束レンズ電流制御回路
３０ Ｘ軸偏向コイル電流制御回路
３１ Ｙ軸偏向コイル電流制御回路
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子ビームの照射によって被加工物の表面を加工する加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子ビーム加工方法においては、予め設定された被加工物の表面形状の情報に基づき、電子ビームの照射位置を１回ごとに微少距離だけ動かして、被加工物の表面に電子ビームを照射し表面を加工する。（例えば特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３５２６３号公報（第７頁）
【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方法においては、被加工物の加工ムラを出さないためには、電子ビームの照射点の間隔を狭くする必要があり、電子ビームの照射点の数が多くなるので、被加工物の加工時間が長くなるという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、電子ビームの照射によって被加工物の表面を加工するに際して、加工ムラを出さずに加工時間を低減する電子ビーム加工方法を得るものである。
【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方法においては、被加工物の形状データに基づいて上記被加工物の表面に所定の間隔を有する電子ビームの照射点を決定し、照射点に電子ビームを照射するとともに、予め設定した周期で照射点ごとに順次、照射点を中心にした領域で上記電子ビームを偏向させる。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、電子ビームの照射点を中心にした領域内で電子ビームを偏向させるので、照射点の間を確実に加工できる。従って、照射点の間隔を大きくして被加工物の照射点の数を少なくすることができ、加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１から３を示す電子ビーム加工方法による電子ビーム加工装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１から３における被加工物の形状と形状データの一例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１から３における電子ビームの照射経路と加工パラメータの設定例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１から３における電子ビームの偏向の経路を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の原理を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の範囲を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図８】従来技術とこの発明の実施の形態１における照射点を中心とした加工範囲を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態１における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態２における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の範囲を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態２における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態３における照射点を中心とした領域の電子ビームの照射点と偏向の範囲を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態３における照射点を中心とした領域の電子ビームの偏向の電流波形を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態３における照射点を中心とした領域の電子ビームの照射点と偏向の範囲を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態３における照射点を中心とした領域の電子ビームの照射点と偏向の範囲を示す図である。
【図１７】この発明の実施の形態１から３における加工パラメータを設定するための動作手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における電子ビーム加工方法に使用する電子ビーム加工装置の構成を示す図である。図１において、被加工物１２は図示しない搬送テーブルによって供給されて加工室１１に置かれ、電子ビームが被加工物１２の表面に照射されることによって、照射エネルギーで表面が溶融して加工される。電子ビームが通過する経路は真空にする必要があるため、電子ビームが発生する電子銃室１と、被加工物１２が置かれる加工室１１は、電子ビーム加工装置が起動する前にそれぞれ電子銃室排気装置１５と加工室排気装置１６によって排気されて真空状態にされる。電子ビームは、直流の高電圧電源が陰極３と陽極４の間に印加されることによって陰極３から放出される。放出された電子ビームは陽極４とオリフィス５を通過して、収束レンズ７と偏向コイル８によって被加工物１２の所定の位置に照射されるように調整される。
【００１０】
電子ビームを所定の位置に照射させる条件、すなわち加工パラメータは収束レンズ７の電流、偏向コイル８の電流および電子ビーム電流である。収束レンズ７は、周回状のコイルの内部に発生する磁界により電子ビームを収束させるもので、供給される収束レンズ電流の大きさによって電子ビームが収束する距離が変わる。偏向コイル８は、コイルから発生した磁界によって電子ビームの向きを変えるもので、供給される偏向コイル電流の大きさによって偏向角度が変わる。偏向コイル電流がゼロで偏向角度はゼロになり、電流の正負によって偏向の向きは逆になる。また、偏向コイル８は二次元方向すなわちＸ軸とＹ軸の両方の偏向角度が調整できるように、Ｘ軸偏向コイル電流とＹ軸偏向コイル電流が個別に供給され、任意の照射点に偏向角度を合わせることができる。電子ビーム電流は陰極３より放出される電子ビームの量に相当し、被加工物１２に照射される電子ビームの照射エネルギーを決めている。この電子ビーム電流の大きさは、高電圧電源装置１３を通して陰極３に供給されるバイアス電源によって決まる。
【００１１】
次に、本実施の形態における電子ビーム加工方法の動作を図１と図１７を用いて説明する。図１７には以下に示す動作のステップ１から４の範囲が示されている。最初にステップ１を説明する。図１に示す電子ビーム加工装置に起動指令が出される前に、加工される被加工物１２の表面の形状データをＣＡＤデータとして電子ビーム加工データ作成装置１７に入力する。被加工物１２の表面は例えば図２に示すような形状で、その形状データは細分化されたドットのＸＹ座標として入力されている。この形状データのドット座標に基づいて電子ビーム加工データ作成装置１７は、形状データのドット座標の範囲内で照射点の所定の間隔を決定する。この照射点の所定の間隔は、照射点を中心にして電子ビームを偏向させて加工できる範囲に近い値とする。この照射点の所定の間隔に基づき、電子ビームの全照射点のＸＹ座標データが決定される。なお、図２に示すような被加工物１２の加工面の基準位置（Ｘ＝０、Ｙ＝０）を基準点にして、ある照射点の座標を（Ｘ１、Ｙ１）とする。
【００１２】
次に図１７におけるステップ２では、座標（Ｘ１、Ｙ１）を持つ照射点に電子ビームを照射するための加工パラメータを収束電流Ｉｃ１、Ｘ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｘ、Ｙ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｙ、および電子ビーム電流Ｉｅ１として、これらの加工パラメータは電子ビーム加工データ作成装置１７によって以下の手順で決定される。
【００１３】
収束レンズ７から加工面の基準位置までの収束中心距離Ｌｃの値は予め入力されており、図４に示すように収束レンズ７から照射点までの収束距離Ｌｃ１は加工面の基準位置から照射点までの距離Ｌ１で決まる。この距離Ｌ１は照射点の座標（Ｘ１、Ｙ１）から演算され、予め設定されたデータにより上記の距離Ｌ１から必要な照射点の収束電流Ｉｃ１の値が決定される。
【００１４】
電子ビームの偏向コイル８の中心位置から加工面の基準位置までの距離Ｌｄの値は予め入力されており、図４に示すように照射点の座標（Ｘ１、Ｙ１）より偏向角度θ１と、この偏向角度θ１をＸ軸とＹ軸の成分に分割したＸ軸偏向角度θ１ｘとＹ軸偏向角度θ１ｙが演算される。これらのＸ軸偏向角度θ１ｘとＹ軸偏向角度θ１ｙから、予め設定されたデータにより必要なＸ軸偏向電流Ｉｄ１ｘとＹ軸偏向電流Ｉｄ１ｙの値が決定される。
【００１５】
加工面の基準位置以外の照射点位置においては加工面の基準位置に比べて、電子ビームが照射される角度すなわち偏向角度が大きくなるので、電子ビームの照射エネルギーを均一化するために、偏向角度に応じて電子ビーム電流が変更される必要がある。照射点の偏向角度θ１は加工面の基準位置からの距離Ｌ１に依存するので、照射点座標（Ｘ１、Ｙ１）から演算された距離Ｌ１の値に基づいて、予め設定されたデータにより必要な電子ビーム電流Ｉｅ１が決定される。
【００１６】
これらの加工パラメータの全照射点における値は、電子ビーム加工データ出力制御装置１８内の収束レンズ電流データ格納エリア２２、Ｘ軸偏向電流データ格納エリア２３、Ｙ軸偏向電流データ格納エリア２４および電子ビーム電流データ格納エリア２１に格納される。電子ビーム加工装置の起動後に、収束レンズ電流Ｉｃ１は収束レンズ電流制御回路２９により実電流の収束レンズ電流Ｉｃに変換されて収束レンズ７に供給され、電子ビーム電流Ｉｅ１は電子ビーム電流制御回路２８により電子ビーム電流設定データＩｅに変換されて高電圧電源装置１３に指令されて、設定された電子ビーム電流Ｉｅに対応した陰極３のバイアス電源が陰極３に供給される。
【００１７】
被加工物１２が加工室１１に供給されて所定の位置に置かれると、電子銃室１と加工室１１の内部が排気されて真空状態にされる。電子ビーム加工装置を起動するための電子ビーム発生信号がシーケンス制御回路２７から出力されると、高電圧電源１３から高電圧ケーブル１４を通して高電圧電源が印加された陰極３から電子ビームが放出される。ここで、起動の開始時点においては、電子ビーム待機ブロック２０に電子ビームが照射されるように、待機用の電子ビーム電流と収束レンズ電流とＸ軸偏向コイル電流およびＹ軸偏向コイル電流が電子ビーム加工データ作成装置１７から指令される。
【００１８】
電子ビーム待機ブロック２０は、電子ビーム加工装置を起動した時点で電子ビームの照射エネルギーが所定の値に立ち上がるまでの期間、一時的に電子ビームを照射して待機しておくものである。次に、シーケンス制御回路２７から加工開始信号が出されると、上記の格納された照射点の加工パラメータと、以下に説明するような照射点を中心にした領域で電子ビームが偏向する動作と合わせて、電子ビームは被加工物１２の照射点に順番に照射される。
【００１９】
次に、照射点を中心にして予め設定された領域で予め設定された周期で電子ビームが偏向する動作（以下、小振幅偏向と言う）を説明する。これは、図１７におけるステップ３である。本実施の形態では小振幅偏向を図６に示すような直線上の領域として、電子ビームは各照射点を中心にしてＸ軸方向に直線上を振幅Ｌｏｘで往復する。小振幅偏向の振幅Ｌｏｘは、電子ビーム加工データ作成装置１７にて決定されたＸ軸方向の所定の照射点間隔Ｌｘに基づいて決定され、図５に示すように小振幅偏向の振幅Ｌｏｘと偏向距離Ｌｄの関係によって小振幅偏向の角度範囲θｏｘが決定される。小振幅偏向電流データ発生回路２５は、シーケンス制御回路２７からの指令により、格納している電流波形データを選択しその周期ｔｏを設定するとともに、上記の小振幅偏向の角度範囲θｏｘに応じた電流波形の振幅を設定し、Ｘ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘの波形を出力する。
【００２０】
ここではＸ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘの波形を図７（ａ）に示すような三角波とし、照射点ごとに電子ビームは直線上を1回往復する。このＸ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘの波形がＸ軸偏向コイル電流制御回路３０に出力されて、照射点ごとにＸ軸偏向電流データ格納エリア２３から出力されるＸ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｘの値（図７（ｂ））と加算されて実電流の偏向コイル電流Ｉｄｘとなり（図７（ｃ））、偏向コイル８に供給される。ここで、照射点の加工パラメータの決定手順で説明したようにＸ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｘは照射点ごとに設定される値であり、一方、Ｘ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘは上記のように一定の波形と周期および振幅を持つ。
【００２１】
上記のように電子ビームが照射点を中心にして所定の直線上の領域で往復して偏向するので、電子ビームの照射範囲が大きくなる。さらに、電子ビームが照射された箇所においては熱伝導により照射エネルギーが周囲に広がるので、被加工物１２が加工される範囲は、電子ビームが照射される範囲と上記の照射エネルギーがその周囲に広がった範囲の両方である。ここで、本発明の小振幅偏向動作を行わない従来技術においては図８（ａ）に一例を示すように加工範囲は照射点中心の円形内に限られるが、本発明においては照射点中心の加工範囲は図８（ｂ）に示すようなより広い範囲となる。従来技術での加工範囲を照射点を中心として半径ｒとすると、加工面の全範囲を加工するためには隣り合う照射点の加工範囲の重複を要するので照射点間隔のＸ軸方向ＬｘおよびＹ軸方向Ｌｙは１．５ｒ程度にする必要がある。一方、小振幅偏向を採用した本発明においては小振幅偏向の振幅Ｌｏｘを例えば５ｒに設定すると、図８の例では照射点間隔Ｌｘは６ｒ程度、Ｌｙは２ｒ程度でよく、この場合は照射点の数は従来技術に比べて約１／５〜１／６に低減できる。小振幅偏向の振幅Ｌｏｘを上記より大きくすれば照射点間隔も大きくできるので、照射点の数もさらに低減できる。
【００２２】
上記で説明したように、照射された箇所から広がる照射エネルギーの範囲で加工範囲も決まるので、小振幅偏向の振幅Ｌｏｘは照射点の所定の間隔Ｌｘに近い値で設定すればよい。なお、電子ビームは連続して照射されているため、ある照射点から次の照射点への移動にあたっては小振幅偏向の振幅Ｌｏｘ以外の箇所に電子ビームが一時的に照射されることになるが、上記の移動時間は照射点の移動の周期に比べて短いため、照射されるエネルギーの分布にはほとんど影響を与えない。また、本実施の形態では、小振幅偏向はＸ軸方向のみについて動作するためＹ軸方向の偏向はなくＹ軸方向の振幅Ｌｏｙおよび角度範囲θoyはゼロであるため、小振幅偏向電流データ発生回路２５が出力するＹ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｙはゼロの値である。
【００２３】
ある照射点から次の照射点への移動は照射点の座標（Ｘ１、Ｙ１）に応じた加工パラメータの設定によって行われ、この加工パラメータの変更はクロック周波数発生回路２６が発生するクロック周波数信号に同期する。すなわち、クロック周波数信号に同期して照射点が移動する。また、上記に説明したステップ３の動作が照射点ごとに繰り返される。これらの動作は図１７におけるステップ４に示す範囲である。
【００２４】
図３に、加工面のＸ軸方向の照射点についての収束レンズ電流、偏向コイル電流および電子ビーム電流の設定の一例を示す。ここでは、偏向コイル８から加工面の基準位置までの距離、すなわち偏向距離を４００ｍｍとしている。収束レンズ電流は加工面の基準位置から遠くなると小さく設定され、電子ビーム電流は加工面の基準位置から遠くなると大きく設定される。収束電流および電子ビーム電流とも加工面の基準位置に近い範囲（図３では＋５０ｍｍから−５０ｍｍ）では一定の値としているが、この範囲での収束距離と電子ビームの照射エネルギーの変化量は微小なためである。
【００２５】
全照射点への電子ビームの照射が完了すると加工は終了となって電子ビーム加工装置に停止が指令され、被加工物１２は加工室１１より取り出される。
【００２６】
このように構成された電子ビーム加工方法においては、電子ビームの照射点を中心にした領域内で電子ビームを偏向させるので、照射点の間を確実に加工できる。従って、照射点の間隔を大きくして被加工物の照射点の数を少なくすることができるため、加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。また、加工時間の低減により、時間の経過とともに拡大する被加工物の加工熱の分布差を低減することができ、被加工物の熱歪みを低減することができるので高い加工品質を得ることができる。また、電子ビームの偏向角度にかかわらず照射点ごとに被加工物の表面の広い範囲にわたって均一に電子ビームの照射エネルギーを与えることができるので、大きな形状の被加工物であっても加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。
【００２７】
上記の実施の形態では、小振幅偏向の周期は電子ビームの照射点を順番に移動する周期と一致させているが、クロック周波数の設定できる範囲で小振幅偏向の周期を設定することができる。例えば図９に示すように小振幅偏向の周期を短くして、照射点の移動周期の１／２とすれば、電子ビームは1個の照射点で直線上を２回往復することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
上記の実施の形態では、小振幅偏向の電流波形は三角波としているが、これは小振幅偏向電流データ発生回路２５の電流波形の選択により三角波以外の他の波形とすることもできる。例えば図１０に示すように正弦波とすることでも、三角波の場合と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
実施の形態２．
実施の形態１では小振幅偏向の波形を電子ビームの照射が移動する方向、すなわちＸ軸方向に合わせた直線上の往復としているが、照射点を中心とした交差する複数の直線、すなわちＸ軸方向とＹ軸方向の両方の往復としてもよい。図１１は、この発明を実施するための電子ビーム加工方法における小振幅偏向の照射点を中心とした領域を示す図である。電子ビーム加工装置の構成は実施の形態１と同一である。この実施の形態においては、電子ビームが照射点ごとに照射点を中心にしてＸ軸方向とＹ軸方向の両方に交互に１回ずつ往復して偏向する。
【００３０】
次に、本実施の形態の動作を小振幅偏向について説明する。電子ビーム加工データ作成装置１７にて決定されたＸ軸方向の所定の照射点間隔ＬｘとＹ軸方向の所定の照射点間隔Ｌｙに基づいて、電子ビーム加工データ作成装置１７によって小振幅偏向の振幅ＬｏｘとＬｏｙが決定され、小振幅偏向の角度範囲θｏｘとθｏｙが決定される。小振幅偏向電流データ発生回路２５は格納している電流波形と周期ｔｏを設定するとともに、これらの角度範囲θｏｘとθｏｙに応じた振幅を設定し、図１２に示すようなＸ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｘの波形とＹ軸小振幅偏向コイル電流Ｉｄｏｙの波形を出力する。実施の形態１と同様に、照射点ごとにＸ軸偏向電流データ格納エリア２３とＹ軸偏向電流データ格納エリア２４からそれぞれ出力されるＸ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｘとＹ軸偏向コイル電流Ｉｄ１ｙと加算されてそれぞれＸ軸偏向コイル電流ＩｄｘおよびＹ軸偏向コイル電流Ｉｄｙとなり、偏向コイル８に供給される。
【００３１】
ここで、被加工物１２のできるかぎり広い範囲にわたって加工されるように、Ｘ軸の小偏向の振幅Ｌｏｘは照射点のＸ軸の間隔Ｌｘに近い値で、Ｙ軸の小偏向の振幅Ｌｏｙは照射点の間隔Ｌｙに近い値でそれぞれ設定される。また、小振幅偏向の周期ｔｏはクロック周波数の範囲内で任意に設定することができる。
【００３２】
実施の形態２では、小振幅偏向がＸ軸とＹ軸の両方向にて行われるため、照射点のＸ方向とＹ方向の両方の間隔に合わせて電子ビームを照射する領域を設定することができるので、電子ビームを照射する範囲を大きくすることができ、実施の形態１と同様に被加工物の加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。
【００３３】
実施の形態３．
実施の形態１または２では小振幅偏向の照射点を中心とした領域を直線としているが、円形とすることもできる。図１３に示すような円を描くように、Ｘ軸方向の偏向角度θｏｘとＹ軸方向の偏向角度θｏｙに応じて、小振幅偏向電流データ発生回路２５よりＸ軸小振幅偏向電流ＩｄｏｘとＹ軸小振幅偏向電流Ｉｄｏｙが図１４に示すような波形として出力される。ここで、小振幅偏向の振幅Ｌｏｘすなわち円の直径は照射点の間隔より小さい値で設定される。なお、電子ビームが照射点から円周上に移動するときに、照射点と円周上以外の箇所に一時的に電子ビーム照射されることになるが、上記の移動の時間は円周上の移動時間に比べて短いため、照射されるエネルギーの分布に影響は与えない。
【００３４】
実施の形態３では、小振幅偏向が照射点を中心にした円形状に行われるため、照射点の中間の領域に電子ビームを照射することができるので、電子ビームを照射する範囲を大きくすることができ、実施の形態１および２と同様に被加工物の加工ムラを出さずに加工時間を低減することができる。
【００３５】
上記の実施の形態では、小振幅偏向の照射点を中心とした領域を円形としているが、これを図１５に示すような楕円形とすることもできる。領域を楕円形とすることにより、照射点の間隔がＸ軸方向とＹ軸方向で異なる場合にも、照射点の間隔に合わせて加工ムラを出さない形状を設定することができることができる。
【００３６】
また、上記の実施の形態では、小振幅偏向の照射点を中心とした領域を円形または楕円形としているが、これを図１６に示すような四角形状とすることもできる。小振幅偏向の領域を楕円形とする場合と同様に、照射点の間隔がＸ軸方向とＹ軸方向で異なる場合にも、照射点の間隔に合わせて加工ムラを出さない形状を設定することができることができる。
【符号の説明】
【００３７】
２ 陰極
７ 収束レンズ
８ 偏向コイル
１２ 被加工物
１７ 電子ビーム加工データ作成装置
１８ 電子ビーム加工データ出力制御装置
２１ 電子ビーム電流データ格納エリア
２２ 収束レンズ電流データ格納エリア
２３ Ｘ軸偏向電流データ格納エリア
２４ Ｙ軸偏向電流データ格納エリア
２５ 小振幅偏向電流データ発生回路
２８ 電子ビーム電流制御回路
２９ 収束レンズ電流制御回路
３０ Ｘ軸偏向コイル電流制御回路
３１ Ｙ軸偏向コイル電流制御回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極から連続して放出される電子ビームを収束レンズと偏向コイルによって被加工物の表面に照射し加工を行う電子ビーム加工方法において、上記被加工物の形状データに基づいて上記被加工物の表面に所定の間隔を有する上記電子ビームの照射点を決定する第１のステップと、この照射点の位置に対応して上記電子ビームの電流と上記収束レンズの電流および上記偏向コイルの電流を設定する第２のステップと、上記照射点に上記電子ビームを照射するとともに上記照射点を中心にした領域で上記電子ビームを偏向させる第３のステップと、この第３のステップを予め設定した周期で照射点ごとに順次行う第４のステップとを有する電子ビーム加工方法。
【請求項２】
照射点を中心にした領域は直線とする請求項１に記載の電子ビーム加工方法。
【請求項３】
照射点を中心にした領域は円形とする請求項１に記載の電子ビーム加工方法。
【請求項４】
照射点を中心にした領域は楕円形とする請求項１に記載の電子ビーム加工方法。
【請求項５】
照射点を中心にした領域は四角形とする請求項１に記載の電子ビーム加工方法。
【請求項１】
陰極から連続して放出される電子ビームを収束レンズと偏向コイルによって被加工物の表面に照射し加工を行う電子ビーム加工方法において、上記被加工物の形状データに基づいて上記被加工物の表面に所定の間隔を有する上記電子ビームの照射点を決定する第１のステップと、この照射点の位置に対応して上記電子ビームの電流と上記収束レンズの電流および上記偏向コイルの電流を設定する第２のステップと、上記照射点に上記電子ビームを照射するとともに上記照射点を中心にした領域で上記電子ビームを偏向させる第３のステップと、この第３のステップを予め設定した周期で照射点ごとに順次行う第４のステップとを有する電子ビーム加工方法。
【請求項２】
照射点を中心にした領域は直線とする請求項１に記載の電子ビーム加工方法。
【請求項３】
照射点を中心にした領域は円形とする請求項１に記載の電子ビーム加工方法。
【請求項４】
照射点を中心にした領域は楕円形とする請求項１に記載の電子ビーム加工方法。
【請求項５】
照射点を中心にした領域は四角形とする請求項１に記載の電子ビーム加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１８７６０８（Ｐ２０１２−１８７６０８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３２１２（Ｐ２０１１−５３２１２）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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