(57)【要約】【課題】  電流制限絞りが使用できなくとも、輝度を低下させずに電子銃を制御する。【解決手段】  ウェネルト電極１２は、カソードの先端が挿入される第１開口１２ｃを有し、カソード１１の先端から放出された熱電子を集束する。制御電極１３は、カソード１１の先端から放出された熱電子を、第２開口１３ｃに通過させる。アノード１４は、カソード１１が放出した熱電子を加速し、第２開口１３ｃを通過した熱電子を、第３開口１４ｂに通過させて粉末試料８に電子ビームＢ１を照射する。制御部２２は、電子ビームの輝度を一定に保つため、バイアス電圧及び制御電圧の組み合わせ条件に基づいてバイアス電圧及び制御電圧を設定する制御を行う。【選択図】  図１
2015167125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱電源により加熱されて、先端から熱電子を放出するカソードと、
前記カソードの先端が挿入され、中心軸に沿って設けられた第１開口を有し、印加されたバイアス電圧により前記カソードの熱電子放出領域を制御して、前記熱電子を集束するウェネルト電極と、
中心軸に沿って設けられた第２開口を有し、印加された制御電圧により、前記カソードの先端から放出された前記熱電子を、前記第２開口に通過させる制御電極と、
中心軸に沿って設けられた第３開口を有し、印加された加速電圧により、前記カソードが放出した前記熱電子を加速し、前記第２開口を通過した前記熱電子を、前記第３開口に通過させて、粉末試料に電子ビームを照射するアノードと、
前記粉末試料に照射される前記電子ビームによって発生するビーム電流を変えた際に前記電子ビームの輝度を一定に保つため、前記バイアス電圧及び前記制御電圧の組み合わせ条件に基づいて前記バイアス電圧及び前記制御電圧を設定する制御を行う制御部と、を備える
電子銃。
【請求項２】
前記カソードに形成されるテーパ部は、先端に平面部を有する円錐台状、角錐台状又は円柱状のいずれかに形成され、前記平面部が前記第１開口に挿入され、前記制御電極側に位置する
請求項１記載の電子銃。
【請求項３】
前記ウェネルト電極は、前記カソードに向けて形成されるテーパ部を有し、
前記制御電極は、前記ウェネルト電極に向けて形成されるテーパ部を有し、
前記制御電極に形成される前記テーパ部の傾斜角は、前記ウェネルト電極に形成される前記テーパ部の傾斜角よりも大きい
請求項２記載の電子銃。
【請求項４】
電子ビームを発生する電子銃と、粉末試料が敷き詰められるステージと、前記ステージに対して前記電子ビームを走査する電子光学系と、前記粉末試料を前記ステージに敷き詰める試料供給系と、前記電子銃の制御を行う制御系と、を備え、
前記電子銃は、
加熱電源により加熱されて、先端から熱電子を放出するカソードと、
前記カソードの先端が挿入され、中心軸に沿って設けられた第１開口を有し、印加されたバイアス電圧により前記カソードの熱電子放出領域を制御して、前記熱電子を集束するウェネルト電極と、
中心軸に沿って設けられた第２開口を有し、印加された制御電圧により、前記カソードの先端から放出された前記熱電子を、前記第２開口に通過させる制御電極と、
中心軸に沿って設けられた第３開口を有し、印加された加速電圧により、前記カソードが放出した前記熱電子を加速し、前記第２開口を通過した前記熱電子を、前記第３開口に通過させて、粉末試料に電子ビームを照射するアノードと、を有し、
前記制御系は、前記粉末試料に照射される前記電子ビームによって発生するビーム電流を変えた際に前記電子ビームの輝度を一定に保つため、前記バイアス電圧及び前記制御電圧の組み合わせ条件に基づいて前記バイアス電圧及び前記制御電圧を設定する制御を行う
三次元積層造形装置。
【請求項５】
加熱電源により加熱されたカソードの先端から熱電子を放出するステップと、
前記カソードの先端が挿入され、中心軸に沿って設けられた第１開口を有するウェネルト電極が、印加されたバイアス電圧により前記カソードの熱電子放出領域を制御して、前記熱電子を集束するステップと、
中心軸に沿って設けられた第２開口を有する制御電極が、印加された制御電圧により、前記カソードの先端から引き出した前記熱電子を、前記第２開口に通過させるステップと、
中心軸に沿って設けられた第３開口を有するアノードが、印加された加速電圧により、前記カソードが放出した前記熱電子を加速し、前記第２開口を通過した前記熱電子を、前記第３開口に通過させて、粉末試料に電子ビームを照射するステップと、
制御部が、前記粉末試料に照射される前記電子ビームによって発生するビーム電流を変えた際に前記電子ビームの輝度を一定に保つため、前記バイアス電圧及び前記制御電圧の組み合わせ条件に基づいて前記バイアス電圧及び前記制御電圧を設定する制御を行うステップと、を含む
電子銃制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ上に粉末試料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する際に用いられる、電子銃、三次元積層造形装置及び電子銃制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステージ上に敷き詰めた樹脂粉末からなる粉末層にレーザー光を照射して樹脂粉末を溶融させ、この樹脂粉末が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する光造形装置が広く知られている。近年は、電子顕微鏡等に用いられていた電子銃を用いて、ステージ上に敷き詰めた粉末試料からなる粉末層に電子ビームを照射し、この粉末試料が溶融、凝固した層を積み重ねて立体物を造形する三次元積層造形装置が用いられつつある。このように電子ビームを粉末試料に照射すると、この電子ビーム内を電流が流れる。以下の説明では、この電流を「ビーム電流」と呼ぶ。
【０００３】
電子ビームを用いる装置の一例である電子顕微鏡では微小な試料を観察するために、数ｐＡ〜数μＡのビーム電流が用いられる。電子顕微鏡で使用される電子銃の加速電圧は数１０ｋＶ以上、大きいもので数１００ｋＶにもなるが、電流量はせいぜい数１０μＡ程度と小さく電子ビームの出力はそれほど大きくならない。そのため、光学系内部にビームを遮るものを配置することが可能である。電子顕微鏡では光学系内部に電流制限絞りを配置し、それを通過する電子ビームの量を電磁レンズでコントロールすることで所望するビーム電流を得ている。このビーム電流制御法の利点は、電子銃設定を一定に保ったままビーム電流を変更できることにある。すなわち、どのようなビーム電流条件であっても電子銃を常に最適な条件で使用し続けることが可能である。
【０００４】
一方、三次元積層造形装置では粉末試料を溶融させるために、一般的に数１０ｍＡの大電流を有し、１０ｋＶ以上で加速された出力の大きい電子ビームを扱う。このような大きな出力の電子ビームが電流制限絞りに照射されると、電流制限絞りが損傷してしまう場合があるため、電流制限絞りを用いてビーム電流を制御することはできない。また、電流制限絞りを用いなければ、カソードから放出された全ての電子ビームが粉末試料に到達してしまい、ビームが絞れず微細な造形を行うことが困難となる。このため、三次元積層造形装置では、バイアス電圧を用いて電子銃から放出される電子ビームを制御して、ビーム電流を変化させている。なお、電子銃のバイアス電圧を変化させた場合、それに伴い変化するのはビーム電流だけではない。輝度や光源径等、あらゆる電子銃特性が変化する。
【０００５】
ここで、特許文献１には、熱電子を放出するフィラメントと、フィラメントから熱電子を引き出す引き出し電極と、フィラメントから引き出された熱電子を集束するウェネルトと、集束された熱電子を加速するアノードと、を備えた電子銃について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２７４３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、一般的に三次元積層造形に際して用いられる粉末試料の溶融プロセスは、まず粉末試料の予備加熱から始まり、次に造形物の周端を形成する溶融、そして造形物内部の溶融という順で進められる。そして、電子銃から粉末試料に照射される電子ビームのビーム電流と、この電子ビームがＺ軸ステージ上に焦点を結んだときのビーム径は、溶融プロセス毎に必要とされる値が異なる。このため、電子銃や、ビーム径を可変するレンズの動作条件を変更してこれらを制御する必要がある。例えば、一つの粉末層を溶融する間に数ｍＡ〜数十ｍＡの間でビーム電流を変化させなければならないが、ビーム電流を変化させると、電子ビームの輝度も変化してしまい、溶融ムラが生じることがあった。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、電流制限絞りを使用しない電子銃であっても、電子ビームの輝度を低下させないことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、加熱電源により加熱されたカソードの先端から熱電子を放出する。
【００１０】
カソードの先端が挿入され、中心軸に沿って設けられた第１開口を有するウェネルト電極が、印加されたバイアス電圧によりカソードの熱電子放出領域を制御して、熱電子を集束する。
【００１１】
中心軸に沿って設けられた第２開口を有する制御電極が、印加された制御電圧により、カソードの先端から引き出した熱電子を、第２開口に通過させる。
【００１２】
中心軸に沿って設けられた第３開口を有するアノードが、印加された加速電圧により、カソードが放出した熱電子を加速し、第２開口を通過した熱電子を、第３開口に通過させて、粉末試料に電子ビームを照射する。
【００１３】
制御部が、粉末試料に照射される電子ビームによって発生するビーム電流を変えた際に電子ビームの輝度を一定に保つため、バイアス電圧及び制御電圧の組み合わせ条件に基づいてバイアス電圧及び制御電圧を設定する制御を行う。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、制御電極がカソードの先端の電界強度を制御して、電子ビームの輝度を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態例に係る三次元積層造形装置の構成図である。
【図２】従来の電子銃の構成図である。
【図３】従来の電子銃の周辺の等電位線を表した説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態例に係る電子銃の拡大斜視図である。
【図５】図１に示したカソードの近傍を拡大視した部分断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態例に係る電子銃の周辺の等電位線を表した説明図である。
【図７】従来の電子銃のバイアス電圧を変化させた場合における、仮想光源径と放出半角の変化例を示す説明図である。
【図８】従来の電子銃のバイアス電圧を変化させた場合における、輝度とビーム電流の変化例を示す説明図である。
【図９】本発明の一実施の形態例に係るバイアス電圧と制御電圧を変化させた場合における、ビーム電流と輝度の変化例を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施の形態例に係るバイアス電圧と制御電圧を変化させた場合における、仮想光源径と放出半角の変化例を示す説明図である。
【図１１】本発明の一実施の形態例に係る輝度が極大となる制御電圧とバイアス電圧の組み合わせを抽出した結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態例に係る電子銃及び三次元積層造形装置について、添付図面を参照して説明する。
【００１７】
この三次元積層造形装置では、電子銃を制御することにより電子ビームの輝度を一定に保つための電子銃制御方法が実現される。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
＜三次元積層造形装置の構成＞
図１は、三次元積層造形装置１の構成図である。
【００１８】
三次元積層造形装置１は、従来の三次元光造形装置と同様に、三次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）にて作成されたデータから複雑な部品を直接造形することが可能である。ただし、三次元積層造形装置１は、電子ビームＢ１を利用することにより高速かつ高精度に立体物を造形することが可能であり、しかも従来の方法では難しかった高強度な金属部品を作成することができる。
【００１９】
三次元積層造形装置１は、電子銃１０と、所定のビーム径に収束された電子ビームＢ１を粉末試料８上で走査する電子光学系２０、Ｚ方向に移動可能なＺ軸ステージ４上に供給した粉末試料８を敷き詰める試料供給系２１を備える。また、三次元積層造形装置１は、各系を制御する制御系としての制御部２２と、制御プログラムや後述するバイアス電圧と制御電圧の組み合わせ条件等を記憶する記憶部２３と、造形チャンバー７内を真空引きする真空ポンプ２４とを備える。電子銃１０、電子光学系２０、試料供給径２１、Ｚ軸ステージ４は、内部を真空とした チャンバー内に設置される。
【００２０】
熱電子放出型の電子銃１０は、カソード１１、ウェネルト電極１２、制御電極１３及びアノード１４を備えた４極構成としてあり、Ｚ軸ステージ４に向けて電子ビームＢ１を放出し、造形物９を積層造形する。この電子銃１０の一部領域１５を含む電子銃１０の詳細な構成例は後述する。
【００２１】
電子光学系２０には、レンズ２、偏向器３が含まれる。
【００２２】
レンズ２は、電磁的な作用により電子銃１０から放出された電子ビームＢ１をさらに集束し、電子ビームＢ１の焦点をＺ軸ステージ４上に結ばせる。偏向器３は、レンズ２を通過した電子ビームＢ１をＺ軸ステージ４の所定位置に移動させる。
【００２３】
試料供給系２１には、粉末試料格納庫５、粉末積層アーム６が含まれる。
【００２４】
造形チャンバー７の内部は、粉末試料８の劣化を防止するために、真空ポンプ２４により真空引きしてある。そして、Ｚ軸ステージ４は、粉末試料８の一層単位で鉛直方向に移動可能である。Ｚ軸ステージ４上には、水平方向に移動可能な粉末積層アーム６によって粉末試料８が所定の高さで敷き詰められる。
【００２５】
ここで、三次元積層造形装置１の動作について説明する。
【００２６】
まず、真空ポンプ２４が造形チャンバー７の内部を真空引きした後、粉末試料格納庫５よりＺ軸ステージ４に粉末試料８を供給する。そして、水平方向に移動する粉末積層アーム６が、所望の高さ（例えば、粉末試料８の粒径）となるように粉末試料８をＺ軸ステージ４上に均一に敷きつめる。その後、電子銃１０から電子ビームＢ１がＺ軸ステージ４上の粉末試料８に向けて照射される。
【００２７】
このとき、カソード１１は、不図示の加熱電源によって加熱されて熱電子を放出する。ウェネルト電極１２は、不図示のバイアス電源によって印加された負の電位であるバイアス電圧により、カソード１１の熱電子放出領域を制御して、熱電子を集束する。制御電極１３は、印加された正の電位である制御電圧により、カソード１１の先端から鉛直方向に熱電子を引き出す。アノード１４は、不図示の加速電源によって印加された加速電圧により、カソード１１が放出した熱電子を加速し、電子ビームＢ１として粉末試料８に照射する。制御部２２は、粉末試料８に照射される電子ビームＢ１によって発生するビーム電流を変えた際に電子ビームＢ１の輝度を一定に保つため、記憶部２３から読み出したバイアス電圧及び制御電圧の組み合わせ条件に基づいてバイアス電圧及び制御電圧を設定する制御を行う。
【００２８】
この電子ビームＢ１は、電子光学系２０によって所定の位置に制御され、Ｚ軸ステージ４上の粉末試料８を高温で溶融する。溶融された粉末試料８は、電子ビームＢ１が通過した後、凝固し始める。電子ビームＢ１によってＺ軸ステージ４上に所定の形状が造形されると、Ｚ軸ステージ４は、粉末試料８の一層分だけ降下し、上述した試料供給系２１による粉末試料８の供給と、電子銃１０、電子光学系２０による造形が繰り返される。
【００２９】
このように電子ビームＢ１により一層毎に溶融された後、凝固した粉末試料８により造形される二次元構造体は、造形物９である三次元構造体から一つの粉末層と同じ高さ毎に平面で切り出したものである。そして、三次元積層造形装置１は、粉末試料８の一層毎に電子ビームＢ１を照射して、粉末試料８の溶融及び凝固を繰り返した後、最終的に所望の造形物９を造形する。
【００３０】
＜従来の電子銃の構成＞
ここで、従来の三次元積層造形装置で用いられる熱電子放出型の電子銃１００の構成について、図２と図３を参照して説明する。
【００３１】
図２は、従来の電子銃１００の構成例を示す。
【００３２】
この電子銃１００は、カソード１０１、ウェネルト電極１０２及びアノード１０３の３つの電極を備える三極構成としてある。
【００３３】
カソード１０１は、不図示の加熱電源によって通電加熱されることで先端より熱電子を放出する。カソード１０１に近接するウェネルト電極１０２は、平板部を有する皿状に形成されており、平板部の中心には熱電子が通過するための第１開口１０２ａが形成されている。このウェネルト電極１０２は、カソード１０１に対して印加された負の電位（バイアス電圧）により、カソード１０１の先端に局在する熱電子放出領域を制御したり、電子ビームＢ２を集束したりする役割を果たす。ウェネルト電極１０２の下方に設けられるアノード１０３についても、平板部を有して形成されており、平板部の中心には熱電子が通過するための第２開口１０３ａが形成されている。このアノード１０３は、不図示の加速電源によって印加された加速電圧でカソード１０１から熱電子を一方向（鉛直下向き）に引き出す。アノード１０３の第２開口１０３ａを通過した熱電子は電子ビームＢ２として不図示のＺ軸ステージ上に敷き詰められた不図示の粉末試料に達し、この粉末試料を溶融する。
【００３４】
この電子銃１００は、１０−４Ｐａ以下の真空度の下で放出した熱電子を電子ビームＢ２として用いており、数１０ｍＡ以上の大電流とした電子ビームにより粉末試料を溶融することが可能となる。
【００３５】
ここで、電子ビームＢ２について、図３を参照して説明する。
【００３６】
図３は、カソード１０１の周囲の等電位線を表した従来の電子銃１００の拡大図である。
【００３７】
図３には、カソード１０１の周囲の等電位線を１ｋＶずつ示してある。これにより、カソード１０１には負の電位（例えば、−６０ｋＶ）が印加されていることが示される。そして、カソード１０１の平面部１０１ａから熱電子が放出されるが、平面部１０１ａに連続するテーパ部１０１ｂの一部からも熱電子が放出される。以下の説明では、電子銃１００から放出された電子ビームＢ２の各軌道をその進行方向とは逆の電子銃側に引き戻し（図３中の点線）、そこから発しているように見える虚のクロスオーバーを「仮想光源Ｓ２」と呼び、仮想光源Ｓ２の直径を「仮想光源径Ｄ２」と呼ぶ。図３に示すように、仮想光源Ｓ２はカソード１０１の内部に形成される場合もある。
【００３８】
＜本実施の形態例に係る電子銃の構成＞
次に、本実施の形態例に係る三次元積層造形装置１で用いられる、熱電子放出型の電子銃１０の構成及び動作について、図４〜図６を参照して説明する。
【００３９】
図４は、電子銃１０の拡大斜視図である。
【００４０】
図５は、図１に示したカソード１１の近傍を拡大視した部分断面図である。
【００４１】
上述したように電子銃１０は、カソード１１、ウェネルト電極１２、制御電極１３及びアノード１４の４つの電極を備える４極構成としてある。ウェネルト電極１２、制御電極１３及びアノード１４は、いずれも熱電子の放出方向に対して垂直な位置であって、互いに接触しない位置で固定されている。
【００４２】
カソード１１は、鉛直下向きとした先端に平面部１１ａ、テーパ部１１ｂ及び底面部１１ｃを有する円錐台状に形成されている。このカソード１１は、不図示の加熱電源によって通電加熱されることで平面部１１ａより熱電子を放出する。
【００４３】
ウェネルト電極１２は、平面部１２ａ、テーパ部１２ｂ及び第１開口１２ｃを備える。平面部１２ａは、水平方向に略平行に配置されており、テーパ部１２ｂは、平面部１２ａの水平面に対してカソード１１に向けて傾斜角α（＝２０〜５０°）を有するように傾斜して形成される。テーパ部１２ｂには、テーパ部１２ｂの中心軸Ｃ１に沿って第１開口１２ｃが形成される。この第１開口１２ｃには、カソード１１の先端である、平面部１１ａの全体と、テーパ部１１ｂの一部とが挿入される。カソード１１のテーパ部１１ｂからの熱電子の放出は、ウェネルト電極１２に印加されるバイアス電圧によって制限される。
【００４４】
制御電極１３は、平面部１３ａ、テーパ部１３ｂ及び第２開口１３ｃを備える。平面部１３ａは、水平方向に略平行に配置されており、テーパ部１３ｂは、平面部１３ａの水平面に対して、ウェネルト電極１２に向けて傾斜角β（＝３０〜６０°）を有するように傾斜して形成される。このテーパ部１３ｂの傾斜角βは、ウェネルト電極１２のテーパ部１２ｂの傾斜角αよりも大きい。そして、テーパ部１３ｂには、テーパ部１３ｂの中心軸Ｃ１に沿って第２開口１３ｃが形成される。カソード１１が放出し、ウェネルト電極１２が集束した熱電子は、この第２開口１３ｃを通過する。制御電極１３は、制御部２２によって印加された制御電圧によって、空間電荷効果によってカソード１１の先端付近に溜まった熱電子を引き出すことができる。
【００４５】
アノード１４は、平面部１４ａ及び第３開口１４ｂを備える。平面部１４ａは、水平方向に略平行に配置されている。平面部１４ａには、平面部１４ａの中心軸Ｃ１に沿って第３開口１４ｂが形成される。アノード１４は、制御電極１３の第２開口１３ｃを通過した熱電子を第３開口１４ｂに通過させる。
【００４６】
ここで、図５の一部領域１５に示したように、カソード１１の平面部１１ａの直径を１００〜１５００μｍの範囲内に形成してあるため、電子銃１０から大きなビーム電流を得ることができる。また、カソード１１をウエネルト電極１２の第１開口１２ｃに挿入し、平面部１１ａを第１開口１２ｃの下端より下方向に１００〜５００μｍ程度突出させる。また、平面部１１ａをウエネルト電極１２に設けたテーパ部１２ｂの内部に収まるように配置する。これにより、ウエネルト電極１２は、カソード１１の先端における熱電子放出領域を低いバイアス電圧で制御することが可能となる。
【００４７】
図６は、等電位線を表した電子銃１０の拡大図である。
【００４８】
図６には、等電位線を１ｋＶずつ示してある。これにより、電子銃１０のカソード１１には負の電位（例えば、−６０ｋＶ）が印加されていることが示される。以下の説明では、電子銃１０から放出された電子ビームＢ１の各軌道をその進行方向とは逆の電子銃側に引き戻し（図６中の点線）、そこから発しているように見える虚のクロスオーバーを「仮想光源Ｓ１」と呼び、仮想光源Ｓ１の直径を「仮想光源径Ｄ１」と呼ぶ。
【００４９】
このようにカソード１１のテーパ部１１ｂは、先端に平面部１１ａを有する円錐台状に形成され、平面部１１ａが第１開口１２ｃに挿入され、制御電極１３側に位置する。そして、底面部１１ｃがウェネルト電極１２の第１開口１２ｃよりも上の位置に固定される。これにより、カソード１１のテーパ部１１ｂに生じる熱電子の放出をバイアス電圧によって抑制することができる。また、制御電極１３は、ウェネルト電極１２に形成されたテーパ部１２ｂを利用して可能な限り、第２開口１３ｃをカソード１１の先端に近づけて配置されている。上述したように制御電極１３には、正の電位とした制御電圧が印加されており、この電圧値を変えることで、制御電極１３の第２開口１３ｃとカソード１１の先端との間における電界の強さを任意に変えることができる。このため、制御部２２は、ウェネルト電極１２によるバイアス電圧と、制御電極１３による制御電圧を用いて、ビーム電流を制御することが可能となる。
【００５０】
この場合、所望の大きさとしたビーム電流を得るための制御電圧とバイアス電圧の組み合わせが複数存在するはずである。そして、複数の組み合わせの中で最も高い輝度が得られる組み合わせを選択することで、ビーム電流の変化時における輝度の低下を抑制することができると考えられる。以下に、制御電圧とバイアス電圧の組み合わせ条件について検討する。
＜従来の電子銃制御方法＞
ここで、従来の電子銃１００に関し、バイアス電圧と電子銃特性との関係をシミュレーションした結果について、図７と図８を参照して説明する。以下に説明する電子銃特性としては、仮想光源径Ｄ２、電子ビームＢ２の放出半角、ビーム電流と、電子ビームＢ２の輝度がある。なお、以下のグラフ中で符号の記載は省略する。
【００５１】
図７は、バイアス電圧を変化させた場合における、仮想光源径Ｄ２と放射半角の変化例を示す。
【００５２】
図７では、仮想光源径Ｄ２は、バイアス電圧を６５０Ｖから９３０Ｖまで大きくしても４００〜５００μｍの間であまり変化しないが、バイアス電圧を１０００Ｖ付近まで大きくすると急激に大きくなる（１０００μｍ）ことが示されている。また、同図によれば、バイアス電圧が大きくなるに伴い放射半角は小さくなる。ここで、放射半角とは、電子銃１００から放出される電子ビームＢ２の水平方向の広がりを示す。放出半角が小さいほどレンズを通した際に発生する電子ビームの収差が小さくなる。
【００５３】
図８は、バイアス電圧を変化させた場合における、輝度とビーム電流の変化例を示す。
【００５４】
バイアス電圧を６５０Ｖから１０００Ｖまで大きくすると、ビーム電流は線形的に減少する。一方、電子ビームＢ２の輝度は、バイアス電圧が６５０Ｖから９３０Ｖまでは上昇傾向を示すが、９３０Ｖ付近を超えると一転して減少傾向に転じる。この結果は、ある特定のバイアス電圧条件で輝度が最大となることを示している。なお、輝度が高いとは、電子ビーム単位面積当たり、及び単位立体角当たりのビーム電流量が多いこと意味し、輝度が高ければ試料粉末を溶融しやすくなる。また、輝度が高い方が電子ビームＢ２のビーム径を小さく絞ることができるので、高精度に造形することが可能となる。
【００５５】
以上の結果から、一般的な熱電子放出型の電子銃を用いても所望のビーム電流を得ること自体は可能であるものの、ビーム電流を大きくしたり小さくしたりすると輝度が低下することが示された。このため、従来の三次元積層造形装置のように、ウエネルト電極を用いてビーム電流の制御を行おうとしても、高い輝度を得られるビーム電流を利用できる場合と、利用できない場合とが発生し、粉末試料に溶融ムラが生じやすくなってしまう。
＜本実施の形態例に係る電子銃制御方法＞
次に、ビーム電流が変化した場合であっても電子ビームＢ１の輝度を保つための本実施の形態例に係る電子銃制御方法について、図９〜図１１を参照して説明する。
【００５６】
図９は、バイアス電圧と制御電圧を変化させた場合における、ビーム電流と輝度の変化例を示す。
【００５７】
図９では、制御部２２が制御電圧を、２．０ｋＶ、２．５ｋＶ、３．０ｋＶ、３．５ｋＶのように変化させ、バイアス電圧を６００Ｖ、８５０Ｖ、１０００Ｖ、１２００Ｖの付近で増減させた場合における電子銃特性をシミュレーションした例を示している。
【００５８】
図９より、制御電圧を大きくするほどビーム電流が増大することが示されている。また、同図によれば、電子銃１０によって生じた電子ビームＢ１の輝度は、従来の電子銃１００によって生じた電子ビームＢ２の輝度（図８）と比較して数倍も大きくなることが示されている。この理由として、制御電圧によってカソード１１の先端の単位面積当たりから放出される熱電子が増大したことと、ウエネルト電極１２と制御電極１３の間に発生した静電界のレンズ作用によって、仮想光源径Ｄ１が小さく抑えられたことが想定される。
【００５９】
図１０は、バイアス電圧と制御電圧を変化させた場合における、仮想光源径と放出半角の変化例を示す。
【００６０】
図１０でも、制御部２２が制御電圧を、２．０ｋＶ、２．５ｋＶ、３．０ｋＶ、３．５ｋＶのように変化させ、バイアス電圧を６００Ｖ、８５０Ｖ、１０００Ｖ、１２００Ｖの付近で増減させた場合における電子銃特性をシミュレーションした例を示している。
【００６１】
図１０より、制御電圧を２．０ｋＶから３．５ｋＶまで大きくすると、仮想光源径Ｄ１が小さくなり、放射半角が大きくなることが示される。更に、図９からは、各々の制御電圧において、バイアス電圧を増減させると、特定のバイアス電圧で輝度が極大をとることが示されている。
【００６２】
図１１は、輝度が極大となる制御電圧とバイアス電圧の組み合わせを抽出した結果を示す。
【００６３】
図１１によれば、制御電圧とバイアス電圧の両方を変えることによって、輝度が保たれることが示される。また、ビーム電流を６０ｍＡから１２０ｍＡの範囲で変えても、輝度が保たれることが示される。
【００６４】
ここで、電子ビームＢ１の輝度Ｂは、以下の式（１）により表される。
【００６５】
【数１】
2015167125.tif 000003
式（１）において、Ｉはビーム電流の大きさであり、ｒは仮想光源Ｓ１の半径であり、αは放射半角である。
【００６６】
式（１）より、ビーム電流を大きくすると共に、仮想光源Ｓ１の半径を小さくし、放射半角を小さくすれば、電子ビームＢ１の輝度を高くすることができると分かる。従来は、図７に示したように、放射半角を小さくするためには高いバイアス電圧が必要となる。一方、仮想光源Ｓ２の半径はバイアス電圧を大きくしていくと、あるバイアス電圧を境に急激に大きくなる。そのため、図８に示したように、電子ビームＢ２の輝度はある特定のバイアス電圧で最大値をとる。このバイアス電圧で得られるビーム電流は１条件のみであり、そこからビーム電流を変化させるほど輝度は大きく低下する。よって、従来は、ある特定条件のビーム電流でしか高い輝度の電子ビームＢ２を利用できなかった。
【００６７】
しかし、本実施の形態例に係る電子銃１０では、制御電極１３がカソード１１の先端における電界強度を高めてカソード１１から熱電子を引き出すようにしている。このとき、図１０に示したように、制御電圧をかけながらバイアス電圧を上げると、仮想光源径は小さくなるが、放射半角は大きくなるという互いの変化を相殺する関係が見られる。ここで、式（１）に示したように、仮想光源径と放射半角は、輝度の大きさに寄与するパラメータである。このため、バイアス電圧と制御電圧を上げながらビーム電流を上げたとしても、電子ビームＢ１の輝度の極大値はあまり変わらない。このため、ビーム電流を変化させても高い輝度を維持したまま電子ビームＢ１を粉末試料８に照射することができる。
【００６８】
また、電子銃１０に所望の電子ビームＢ１を放出させるために、図１１に示したようなバイアス電圧と制御電圧の組み合わせ条件を、ビーム電流に対応させて記憶部２３に記憶しておく。そして、制御部２２は、使用する電子ビームＢ１のビーム電流に応じて記憶部２３から組み合わせ条件を読み出して、各電極に所定の印加電圧を設定する。これにより、電子銃１０は、高い輝度を維持したまま溶融プロセス毎にビーム電流を変化させることが可能となる。
【００６９】
以上説明した一実施の形態例に係る４極構成とした熱電子放出型の電子銃１０では、従来行っていたバイアス電圧によるビーム電流の制御に加えて、さらに制御電圧でビーム電流を制御するようにしている。このため、電流制限絞りが使えない三次元積層造形装置１において、電子ビームＢ１の輝度を低下させずにビーム電流を制御することが可能になる。しかも、制御電極１３を追加したことにより得られる電子ビームＢ１の輝度は、従来の電子銃１００が照射していた電子ビームＢ２の輝度よりも数倍高くなる。
【００７０】
また、ウエネルト電極１２の形状を、熱電子の放出方向とは逆方向に窪ませた形状にしたことにより、熱電子を集束しやすくなる。また、カソード１１の熱電子放出領域の制御も容易になり、カソード１１のテーパ部１１ｂからの熱電子の放出が抑制される。
【００７１】
また、制御電極１３に形成されるテーパ部１３ｂの傾斜角βは、ウェネルト電極１２に形成されるテーパ部１２ｂの傾斜角αよりも大きくしたことにより、制御電極１３の第２開口１３ｃを、第１開口１２ｃに挿入されたカソード１１の先端に近づけることができる。このため、制御電極１３は、カソード１１の先端から熱電子を引き出してビーム電流を増大することができる。さらにウェネルト電極１２と制御電極１３との間に発生した電界はレンズとして作用する。これにより、仮想光源径Ｄ１を従来の仮想光源径Ｄ２よりも小さくすることができる。
【００７２】
なお、本発明は上述した実施の形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
【００７３】
例えば、ウェネルト電極１２にテーパ部１１ｂを形成せず、制御電極１３にテーパ部１３ｂを形成しない構成としてもよい。
【００７４】
また、カソード１１、ウェネルト電極１２及び制御電極１３の各テーパ部は、各中心軸に沿って角錐台状又は円柱状に形成されていてもよい。
【００７５】
また、上記した実施の形態例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
【００７６】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１…電子銃、２…レンズ、３…偏向器、４…Ｚ軸ステージ、５…粉末試料格納庫、６…粉末積層アーム、７…造形チャンバー、８…粉末試料、１０…三次元積層造形装置、１１…カソード、１１ａ…平面部、１２…ウェネルト電極、１３…制御電極、１４…アノード
【図１】
2015167125.tif 000004
【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】
2015167125.tif 000009
【図７】
2015167125.tif 000010
【図８】
2015167125.tif 000011
【図９】
2015167125.tif 000012
【図１０】
2015167125.tif 000013
【図１１】
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