JPS647360B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は荷電粒子ビームを照射して行う加工装
置において荷電粒子ビーム発生器内において異常
放電が発生したときにこれを検出して放電を強制
的に停止せしめるとともに放電停止後は可及的速
かに荷電粒子ビームの加速電圧を回復させること
により被加工物の欠陥発生をなくした装置に関す
るものである。

電子ビーム、イオンビームなどを高電圧にて加
速し、被加工物に照射して行う荷電粒子ビーム加
工装置においては被加工物の蒸気や吸蔵ガス分子
が荷電粒子ビーム発生器内に進入したり、また極
部的に電荷が蓄積されて電界強度が高くなつたり
して荷電粒子ビーム発生器内で放電を起すことが
あり、しかもこれらの放電はその発生原因からし
て突発的であり予測不可能である。

このような放電が発生した場合はこれを短時間
に遮断しないと放電は大きく成長し荷電粒子ビー
ム発生器および高圧電源を破壊する大事故にまで
発展する危険性がある。そこで放電を起した場合
は給電回路を遮断することが必要となるが通常は
操作の容易な高圧電源の一次側即ち入力側を遮断
することが行なわれている。しかるに高圧電源は
通常その内部に昇圧用変圧器、整流回路および平
滑回路を含むため全体として相当大なる時定数を
有するので、その遮断および復帰には相当長時間
を要し、このため放電発生時の十分な保護および
放電停止時の急速な回復が望めず、またこれらの
間は加工のための荷電粒子ビームが停止されるた
めに被加工物に加工欠陥を発生させることにな
る。また高圧電源の出力側に直列に真空管のよう
なスイツチング素子を挿入し、放電発生時にこれ
をカツトオフ状態として加速電圧を遮断する方法
も提案されている。第１図はこのように考慮され
た装置の構成図を示すものであり、高電圧電源１
は交流電源２から電力を供給され出力を直列接続
されたスイツチング素子３を経て荷電粒子ビーム
発生器４に供給する。荷電粒子ビーム発生器４を
流れるビーム電流は電流検出器５を経て接地され
高電圧電源１に帰還する。電流検出器５の出力e_b
は比較器６にて基準信号e_rと比較される。ここで
基準信号e_rは通常加工時に電流検出器５に流れる
ビーム電流によつて発生する信号の最大値よりも
いく分大きな値に設定される。比較器６の出力は
電流検出器５の出力e_bが基準信号e_rよりも小さい
ときには例えば正の一定電圧信号をスイツチング
素子３に供給してこれを導通させ、逆に荷電粒子
ビーム発生器４内にて放電が発生して電流が増加
しe_b＞e_rとなつたときには負の一定電圧信号を出
力してスイツチング素子をカツトオフ状態とす
る。

ここで電流検出器５比較器６および基準信号e_r
は異常放電検出器を構成している。

なお７はビーム制御装置であり、加速電圧値お
よびビーム電流値、ビーム電流の照射、停止をそ
れぞれ高電圧電源１および荷電粒子ビーム発生器
４に指令するものである。

上記従来装置においては加速電圧をその出力側
で直列スイツチング素子により遮断するため、一
次側で開閉する場合と異なり高速遮断および高速
復帰が可能となるが、直列に挿入するスイツチン
グ素子の電力損失が無視できない値となるのみで
なく耐圧も十分な余裕を取る必要がある。

例えば直列スイツチング素子に真空管を用いる
場合、その内部電圧降下は百ボルトないし数百ボ
ルトにもなり、このため正常溶接時においても電
力損失が数百ワツトにも達し、スイツチング素子
としてきわめて大型の真空管を用いることが必要
となる。これらは内部電圧降下の少ないトランジ
スタなどの半導体スイツチング素子を採用すれば
解決できるかに見受けられるが、これら半導体素
子はその本質上過負荷耐量が極端に少なくわずか
の過電流又は過電圧で永久破壊されることは周知
の通りである。

そして第１図のような装置においては、直列ス
イツチング素子３には正常な加工電流が流れてい
る上に突発事故として発生する異常放電時の大電
流をも素子が破壊されることなく安全に流通させ
ることが絶対必要条件となる。さらに放電発生時
において放電による大きな電流を急速に遮断する
ため回路のインダクタンスに原因する大きな誘起
電圧が素子の両端に発生する。この誘起電圧は電
流の遮断速度が速いほど大なる値となり、結局電
流容量および耐圧ともに大巾な余裕をもつた素子
を使用することが必要となる。さらにこの装置の
最大の欠点は、一般に半導体素子は過負荷により
破壊されると完全導通となつてしまい保護装置と
しての役割を全く果さなくなることにある。

本発明は高圧加速電源が通常相当な内部インピ
ーダンスを有し、短時間であれば出力側が略短絡
に近い状態となつても十分に耐えられるものであ
り、また、荷電粒子ビーム発生器内で生じた放電
は、通常数msないし数十msの間、高圧電源を遮
断することによりそのほとんどが停止するもので
あることに着目し、スイツチング素子ないしはア
ナログ制御素子を高圧電源の出力側に荷電粒子ビ
ーム発生器と並列に接続し、これら並列素子を荷
電粒子ビーム発生器内で異常放電が発生したとき
のみこれを導通させて荷電粒子ビーム発生器への
高圧加速電圧の供給を制限し、これによつて放電
を急速に停止させるとともに放電が停止した後は
速かに加速電圧を回復させることができる装置を
提供したものである。

第２図は本発明の実施例を示す構成図であり第
１図と同様の機能を有するものには同一の符号を
付してある。また８は高圧電源７の出力側に荷電
粒子ビーム発生器４と並列に接続された電圧制限
器であり、高圧電源１の短絡電流を極く短時間導
通させる能力を有するスイツチング素子またはア
ナログ制御素子が使用される。ここで電流検出器
５、比較器６および基準信号e_rが異常放電検出器
を構成するのは第１図と同様である。第２図の装
置において正常時はビーム電流検出器５の出力e_b
は基準信号e_rよりも少さくこのとき比較器６は第
１図の場合と逆に例えば負電圧信号を出力し電圧
制限器８を遮断状態に保つ。荷電粒子ビーム発生
器４内において異常放電が発生するとその放電電
流は電流検出器５を経て高圧電源１に帰るため
に、電流検出器５の出力e_bは急激に増加しe_rより
大となり比較器６の出力は反転して正電圧信号と
なり電圧制限器８を導通させ高圧電源１の出力を
接地する。この結果、荷電粒子ビーム発生器４の
加速電圧は瞬時に低下し、内部で発生していた放
電は維持できなくなり消滅する。放電が停止する
と電流検出器５の出力e_bは低下し比較器６の出力
は再び反転して電圧制限器８の導通を停止する。
この結果荷電粒子ビーム発生器４には再び加速電
圧が印加されて元通りビームが発生し加工が再開
される。放電発生から加速電圧が回復して加工を
再開するまでの時間は、電圧制限器８の応答速度
によつてのみ定まり高電圧電源の内部時定数には
全く無関係であるので数十ms以内の短時間とな
る。この場合、電圧制限器８の導通量を完全導通
ではなく異常放電を停止するのに必要な最低の導
通量とすればさらに加速電圧の回復時間を短かく
することができる。

第２図の装置においては異常放電の検出を電流
値が基準値よりも増大したことを検知することに
より行つたが、異常放電発生時は電流の増加以外
に荷電粒子ビーム発生器４の端子電圧の低下をも
誘起するから、異常放電検出器はこの端子電圧が
基準値よりも低下したことを検出する回路として
もよく、あるいは高圧電源１から荷電粒子ビーム
発生器４への供給電流を微分する微分回路により
放電による電流の急激な増加を検出する回路でも
よく、また荷電粒子ビーム発生器４の端子電圧を
微分する回路により放電による端子電圧の急減を
検出する回路でも同様の効果が得られる。

なお第２図の装置において高圧電源１の出力電
圧はビーム制御装置７により設定されるものとし
たが、電圧制限器をアナログ素子とし、第２図中
に破線で示すようにビーム制御装置７からの信号
により電圧制限器の導通量を制御するようにして
もよく、この場合、高圧電源１は当然一定電圧を
出力し適当な内部インピーダンスを有するものを
用いる。

第３図は本発明の装置のうち電圧制限器の具体
的実施例を示す接続図である。同図において線路
ａの一方は高圧電源の負電位出力端子に接続さ
れ、他方は荷電粒子ビーム発生器に接続される。
線路ｂは高圧電源の正電位出力端子および荷電粒
子ビーム発生器に接続される接地電位の線路であ
る。電圧制限器は線路ａおよびｂの間に荷電粒子
ビーム発生器と並列に接続された複数のトランジ
スタQ₁₁ないしQ₁nおよびその駆動回路とから構
成されている。駆動回路は抵抗器R₁₁ないしR₁n、
抵抗器R₂₁ないしR₂n、抵抗器R₁₁ないしR₁nにそ
れぞれ並列接続されたフオトトランジスタQ₂₁な
いしQ₂n、発光ダイオードD₁ないしDnおよび電
流制限抵抗ｒとから構成されている。またフオト
トランジスタQ₂₁ないしQ₂nと発光ダイオードD₁
ないしDnとは直接あるいはオプテイカルフアイ
バーなどにより光電的にカツプリングされており
各トランジスタの駆動回路を相互に絶縁してい
る。なお同図においてB₁ないしBnは直列トラン
ジスタQ₁₁ないしQ₁nの負担電圧を均等化させる
ためのバランス回路であり一般には抵抗器あるい
は抵抗器とコンデンサなどが用いられる。

第３図の回路によるときは正常加工時において
は、Ａで示した異常放電検出器は出力を発生して
おらず、このときには発光ダイオードD₁ないし
Dnが正常に発光しているものとすると、フオト
トランジスタQ₂₁ないしQ₂nは導通しトランジス
タQ₁₁ないしQ₁nはそのエミツターベース間が短
絡されて遮断状態にある。異常放電が発生すると
異常放電検出器Ａがこれを検出し発光ダイオード
D₁ないしDnの発光を停止させ、フオトトランジ
スタQ₂₁ないしQ₂nは遮断され、トランジスタQ₁₁
ないしQ₁nは導通し、線路ａ，ｂ間を短絡する。
この結果、第２図にて説明したように荷電粒子ビ
ーム発生器への高圧電源はトランジスタQ₁₁ない
しQ₁nの電圧降下の合計値に制限され内部で発生
していた異常放電は停止することになる。異常放
電が停止すると発光ダイオードD₁ないしDnは再
び発光しトランジスタQ₁₁ないしQ₁nを遮断する。

第４図は電圧制限器の別の実施例を示す接続図
である。同図においてトランジスタQ₁ないし
Q_o-1は相互に相隣接するトランジスタのベース
間が抵抗器R₃₁ないしR₃nで接続され第ｎ番目の
トランジスタQnのみに異常放電検出器Ａの出力
が抵抗器R₃nを経て供給されている。異常放電検
出器は荷電粒子ビーム発生器内で異常放電が発生
したときにこれを検出し線路ｂとトランジスタ
Qnのベース間に正電圧信号を発生しトランジス
タQnを導通させる。トランジスタQnの導通によ
りトランジスタQ_o-1ないしQ₁は順次導通し、結
局線路ａ，ｂ間を短絡することになる。異常放電
が停止するとトランジスタQnは直ちに遮断され、
これによつて他の全トランジスタQ₁ないしQ_o-1
も遮断状態となりもとの状態に復帰する。第４図
のようにすればトランジスタはその駆動回路が１
個でよく、かつそれを接地電位に最も近いトラン
ジスタを駆動することにより行えば、第３図の場
合と異なり駆動回路を絶縁する必要がなくなる。

なお直列トランジスタを駆動する回路は第４図
の例の他に複数のトランジスタのうちの特定の１
個を異常放電の発生により導通させ他のトランジ
スタはこの特定のトランジスタの導通状態に倣つ
て導通、遮断するものであればいかなる回路でも
よい。さらにこれらのトランジスタに代つて導通
遮断の可能なサイリスタ（一般にGTOとよばれ
るサイリスタ）や、トランジスタとサイリスタの
組合せでもよい。

ところで第２図の装置において高圧電源１が出
力電圧をフイードバツクしそれを基準信号と比較
して差信号により出力電圧を一定に保つように制
御されるフイードバツク制御式の電源である場合
には、異常放電の発生によりこれを検出して電圧
制限器８が導通し荷電粒子ビーム発生器の端子間
を短絡すると出力電圧が低下した信号がフイード
バツクされて高圧電源はもとの出力電圧を保つべ
く大出力を得るように動作する。この結果、短絡
電流は増大し電圧制限器８に多大の負荷をかける
だけでなく高圧電源も過負荷となり全体的に悪影
響を及ぼす。

第５図はこのような欠点をなくした本発明の実
施例を示す構成図であり、第２図の装置に出力電
圧検出器９、比較器１０、切替回路１１を追加し
たものである。第５図の回路において高圧電源１
は正常時においてはビーム制御装置７からの信号
と電圧検出器９の出力信号とを比較器１０にて比
較し差信号により出力電圧を制御するフイードバ
ツク式制御を行う電源である。切替回路１１は図
中に模式的に示したように正常時においてはＮ側
に接続しており出力電圧検出器９の出力信号を比
較器１０に供給する。荷電粒子ビーム発生器４内
で異常放電が発生すると電流検出器５の出力が増
加し基準信号e_r1より大となつて比較器６は異常
放電発生信号を出力する。この出力信号は電圧制
限器８に供給されてこれを導通する一方、切替回
路１１にも供給されてこれをＮからＥに切替え、
比較器１０のフイードバツク信号を出力電圧信号
からあらかじめ出力電圧に対応して定められた基
準信号e_r2に切替える。第５図の装置によるとき
は異常放電が発生して電圧制限器が作動して出力
電圧が強制的に低下せしめられたときも疑似フイ
ードバツク信号である基準信号e_r2に相応した出
力状態を保つことになり単純なフイードバツク制
御を行うときのように不要な大出力を得る方向に
高圧電源が作動することがなくなるので、放電停
止後に電圧制限器が再び遮断したときに過渡的な
高電圧が発生する危険性がなく、よりすぐれた応
答性が得られる。

以上のように本発明の装置によるときは荷電粒
子ビーム発生器内にて異常放電が発生したときに
速やかに高圧電源の供給を制限するので極めて短
時間で放電を停止せしめることができ、さらに放
電が停止すれば直ちに加速用高圧電源の供給が回
復されるので、異常放電が発生した場合に荷電粒
子ビームが停止される時間が短くなり、加工途中
で放電が発生しても被加工物に欠陥が発生するこ
とがなく安定に加工を続行することができる。

また異常放電発生時に動作する電圧制限器は荷
電粒子ビーム発生器に並列に接続してあるのでこ
れが作動して高圧電源を遮断した場合も、直列に
接続した従来装置のように大きな過渡電圧が発生
することもなく、また正常時には電圧制限器には
何ら電流が流れないので電圧制限器の耐圧および
電流容量ともに小容量のものが使用でき経済的で
ある。さらに電圧制限器は高圧電源の出力側に荷
電粒子ビーム発生器と並列に接続されているの
で、もし電圧制限器が故障により常時導通状態と
なつたときも異常放電発生と同様の動作となり、
装置はより安全な方向に作動することになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の例を示す構成図、第２図は
本発明の装置の実施例を示す構成図、第３図およ
び第４図は第２図の実施例における電圧制限器の
具体的接続図、第５図は本発明の別の実施例を示
す構成図である。 １……高圧電源、４……荷電粒子ビーム、５…
…電流検出器、６，１０……比較器、７……ビー
ム制御装置、８……電圧制限器、９……電圧検出
器、１１……切替回路、Q₁₁ないしQn₁……トラ
ンジスタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高電圧電源から加速電力を得る荷電粒子ビー
   ム発生器と、前記高電圧電源の出力電流または出
   力電圧の急変を検知する異常放電検出器と、前記
   高電圧電源の出力回路に並列に接続され前記異常
   放電検出器の出力信号により前記高電圧電源の出
   力をバイパスする電圧制限器とを具備した荷電粒
   子ビーム加工装置。 ２ 前記異常放電検出器が高電圧電源の出力電流
   検出器と、基準電流設定器と、前記出力電流検出
   器の出力が前記基準電流設定器の出力より大とな
   つたときに異常放電発生信号を出力する比較器と
   からなる特許請求の範囲第１項に記載の荷電粒子
   ビーム加工装置。 ３ 前記異常放電検出器が高電圧電源の出力電流
   を微分する微分回路である特許請求の範囲第１項
   に記載の荷電粒子ビーム加工装置。 ４ 前記異常放電検出器が荷電粒子ビーム発生器
   の端子電圧を検出する電圧検出器と、基準電圧設
   定器と、前記電圧検出器の出力電圧が前記基準電
   圧設定器の出力電圧よりも低下したときに異常放
   電発生信号を出力する比較器とからなる特許請求
   の範囲第１項に記載の荷電粒子ビーム加工装置。 ５ 前記異常放電検出器が荷電粒子ビーム発生器
   の端子電圧を微分する微分回路である特許請求の
   範囲第１項に記載の荷電粒子ビーム加工装置。 ６ 前記電圧制限器が直列接続された複数の半導
   体スイツチング素子または半導体アナログ制御素
   子からなり、前記各半導体素子毎に設けられた駆
   動回路と、前記異常放電検出器の出力を前記駆動
   回路に導びくための絶縁カツプリング回路とから
   なる特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれ
   か一に記載の荷電粒子ビーム加工装置。 ７ 前記電圧制限器が直列接続された複数の半導
   体スイツチング素子または半導体アナログ制御素
   子からなり前記各半導体素子のうち特定の１個は
   前記異常放電検出器の出力信号により動作し、他
   の半導体素子は前記特定の半導体素子の導通状態
   に倣つて導通量が制御されるものである特許請求
   の範囲第１項ないし第５項のいずれか一に記載の
   荷電粒子ビーム加工装置。 ８ 前記電圧制限素子は加工時における荷電粒子
   ビーム量の制御器をも兼ねるものである特許請求
   の範囲第１項ないし第５項のいずれか一に記載の
   荷電粒子ビーム加工装置。 ９ 出力電圧を入力側にフイードバツクして定電
   圧出力を得るフイードバツク制御式高電圧電源
   と、前記高電圧電源から加速電力を得る荷電粒子
   ビーム発生器と、前記高電圧電源の出力電流また
   は出力電圧の急変を検知する異常放電検出器と、
   前記高電圧電源の出力回路に並列に接続され前記
   異常放電検出器の出力信号により前記高電圧電源
   の出力をバイパスする電圧制限器と、前記異常放
   電検出器の出力により前記高電圧電源のフイード
   バツク信号を前記高電圧電源の出力電圧信号から
   あらかじめ出力電圧に対応して定められた一定電
   圧に切替える切替回路とを具備した荷電粒子ビー
   ム加工装置。