(57)【要約】【課題】意図しない大電流の電子ビームの発生を防止する。【解決手段】電子銃１０は、カソード１１、ウェネルト電極１２、制御電極１３、アノード１４及び制御部２５を備える。制御部２５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が設定された電流値となるように、バイアス電源２２が変更するバイアス電圧の出力値及び出力タイミング、並びに制御電極電源２３が変更する制御電圧の出力値及び出力タイミングを制御する。【選択図】図１
2015195083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード加熱電源が出力する加熱電圧により、熱電子を放出するカソードと、
バイアス電源が出力する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、
制御電極電源が出力する制御電圧により、前記カソードの先端から前記熱電子を引き出す制御電極と、
加速電源が出力する加速電圧により、前記カソードが放出した前記熱電子を加速し、粉末試料に電子ビームを照射するアノードと、を備え、
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が設定された電流値となるように、前記バイアス電源が変更する前記バイアス電圧の出力値及び出力タイミング、並びに前記制御電極電源が変更する前記制御電圧の出力値及び出力タイミングが、制御部によって制御される
電子銃。
【請求項２】
前記制御部は、前記バイアス電源が出力する前記バイアス電圧の出力値、及び前記制御電極電源が出力する前記制御電圧の出力値を制御する出力値制御部と、
前記バイアス電源及び前記制御電極電源の応答速度の応答時間差に基づいて、前記バイアス電源又は前記制御電極電源が出力変更するタイミングを制御する出力タイミング制御部と、を備える
請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
前記出力タイミング制御部は、前記バイアス電源の応答速度が前記制御電極電源の応答速度以上であれば、前記ビーム電流を下げる場合に、前記制御電極電源に対して前記制御電圧の出力変更を行わせた後、前記応答速度の応答時間差だけ遅らせて前記バイアス電源に対して前記バイアス電圧の出力変更を行わせ、前記ビーム電流を上げる場合に、前記制御電極電源及び前記バイアス電圧の出力変更を同じタイミングで行わせる
請求項２に記載の電子銃。
【請求項４】
前記出力タイミング制御部は、前記バイアス電源の応答速度が前記制御電極電源の応答速度未満であれば、前記ビーム電流を下げる場合に、前記制御電極電源及び前記バイアス電圧の出力変更を同じタイミングで行わせ、前記ビーム電流を上げる場合に、前記バイアス電源に対して前記バイアス電圧の出力変更を行わせた後、前記応答時間差だけ遅らせて前記制御電極電源に対して前記制御電圧の出力変更を行わせる
請求項２に記載の電子銃。
【請求項５】
さらに、前記カソード加熱電源及び前記カソードの間に流れる負荷電流を計測する負荷電流計測部を備え、
前記出力値制御部は、前記負荷電流から前記ビーム電流を求めて、設定された電流値における前記ビーム電流の安定度が一定の範囲を越えた場合に、前記バイアス電源及び前記制御電極電源のフィードバック制御を行って、前記ビーム電流を前記一定の範囲内に戻す
請求項３又は４に記載の電子銃。
【請求項６】
前記出力値制御部は、前記ビーム電流を変更する場合に、前記バイアス電圧又は前記制御電圧の変化に伴う前記ビーム電流の変動を一定の範囲内に収まるように前記バイアス電源及び前記制御電極電源に対するフィードバック制御を行う
請求項５に記載の電子銃。
【請求項７】
前記出力値制御部は、前記バイアス電圧又は前記制御電圧のいずれか一方を、前記ビーム電流が設定される電流値に応じた固定値とし、他方を、前記ビーム電流を一定の値で維持するようにフィードバック制御を行う
請求項６に記載の電子銃。
【請求項８】
電子ビームを発生する電子銃と、電子銃を制御する制御部と、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、を備え、
前記電子銃は、
カソード加熱電源が出力する加熱電圧により、熱電子を放出するカソードと、
バイアス電源が出力する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、
制御電極電源が出力する制御電圧により、前記カソードの先端から前記熱電子を引き出す制御電極と、
加速電源が出力する加速電圧により、前記カソードが放出した前記熱電子を加速し、粉末試料に電子ビームを照射するアノードと、を備え、
前記制御部が、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が設定された電流値となるように、前記バイアス電源が変更する前記バイアス電圧の出力値及び出力タイミング、並びに前記制御電極電源が変更する前記制御電圧の出力値及び出力タイミングを制御する
三次元積層造形装置。
【請求項９】
カソード加熱電源が出力する加熱電圧により、熱電子を放出するカソードと、
バイアス電源が出力する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、
制御電極電源が出力する制御電圧により、前記カソードの先端から前記熱電子を引き出す制御電極と、
加速電源が出力する加速電圧により、前記カソードが放出した前記熱電子を加速し、粉末試料に電子ビームを照射するアノードと、を備える電子銃の電子銃制御方法であって、
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が設定された電流値となるように、前記バイアス電源が変更する前記バイアス電圧の出力値及び出力タイミング、並びに前記制御電極電源が変更する前記制御電圧の出力値及び出力タイミングを制御するステップを含む
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。また、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、電流制限絞りを用いて電子ビームを絞って、数μＡ以下となるようにビーム電流を制御していた。しかし、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電子ビームが拡散して粉末試料に到達してしまい、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、ビーム電流の電流値を変更していた。以下、このような動作を、「ビーム電流を変更する」と呼ぶ場合がある。
【０００４】
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】
【０００５】
【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】
【０００６】
近年では、高輝度の電子ビームを得るために、カソード、ウェネルト電極、アノードに加えて、制御電極を備える４極構成とした電子銃が用いられるようになってきた。この制御電極は、制御電源が出力する制御電圧により、カソードから大量の熱電子を引き出すものである。
【０００７】
このような４極構成とした電子銃を備える三次元電子ビーム積層造形装置では、異なる溶融プロセスに移行する際にビーム電流を変更している。ビーム電流を変更する際は、非溶融部が溶融されないよう高速にビームスキャンがされているが、この時、一時的とはいえ、意図しない大電流の電子ビームが放出されることがある。この場合、溶融すべきでない非溶融部を溶融してしまい、造形精度を低めることがあった。
【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、意図しない大電流の電子ビームの発生を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、カソードが、カソード加熱電源が出力する加熱電圧により、熱電子を放出する。
ウェネルト電極が、バイアス電源が出力する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。
制御電極が、制御電極電源が出力する制御電圧により、カソードの先端から熱電子を引き出す。
アノードが、加速電源が出力する加速電圧により、カソードが放出した熱電子を加速し、粉末試料に電子ビームを照射する。
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が設定された電流値となるように、バイアス電源が変更するバイアス電圧の出力値及び出力タイミング、並びに制御電極電源が変更する制御電圧の出力値及び出力タイミングを制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、制御部が、バイアス電源及び制御電極電源の応答速度の差を考慮してバイアス電圧及び制御電圧の出力値及び出力タイミングを制御するため、意図しない大電流のビーム電流の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態例に係る三次元積層造形装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】従来の三次元積層造形装置の構成の一部を拡大視して示すブロック図である。
【図３】従来の三次元積層造形装置を用いた場合における、ビーム電流−制御電圧曲線の例を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態例に係る三次元積層造形装置がＡ点からＢ点にビーム電流を下げる場合の動作例を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態例に係る三次元積層造形装置がＡ点からＥ点にビーム電流を上げる場合の動作例を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態例に係る三次元積層造形装置が一定の範囲内で変動させながらビーム電流を下げる場合の動作例を示す説明図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態例に係る三次元積層造形装置がバイアス電圧を固定したまま、制御電圧を変更して、ビーム電流を変更する例を示す説明図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態例に係る三次元積層造形装置が制御電圧を固定したまま、バイアス電圧を変更して、ビーム電流を変更する例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施の形態例］
以下、本発明の第１の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。
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意図しない大きさのビーム電流が発生することを防ぐ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。
【００１３】
＜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の構成例を示す。
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。
【００１４】
三次元積層造形装置１は、電子銃１０、所定のビーム径に集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１５、Ｚ方向（鉛直方向）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１６を備える。電子銃１０、電子光学系１５、試料供給系１６は、内部を真空とした造形チャンバー７内に設置される。
【００１５】
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。
【００１６】
電子光学系１５は、レンズ２、偏向器３を備える。
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。
【００１７】
試料供給系１６は、粉末試料格納庫５、粉末積層アーム６を備える。
造形チャンバー７の内部は、不図示の真空ポンプ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。
【００１８】
また、三次元積層造形装置１は、電子ビームＢ１を発生させるために、２つの抵抗２０、カソード加熱電源２１、バイアス電源２２、制御電極電源２３、加速電源２４、制御部２５、記録部２８、電流計２９を備える。
【００１９】
カソード１１には、カソード１１に印加されるカソード加熱電圧を可変するカソード加熱電源２１が接続されている。また、カソード加熱電源２１に対して、カソード１１と並列に、２つの抵抗２０が接続される。２つの抵抗２０の接続点には、ビーム電流と同値であって、カソード加熱電源２１及びカソード１１の間に流れる負荷電流を取り出す導線の一端が接続されている。この導線の他端には、負荷電流を計測する負荷電流計測部の一例として電流計２９が接続されている。
【００２０】
ウェネルト電極１２には、バイアス電源２２の一端が接続され、制御電極１３には、制御電極電源２３の一端が接続されている。そして、バイアス電源２２及び制御電極電源２３の他端が加速電源２４の負端子側に接続されている。なお、加速電源２４の正端子側は接地されている。同様にアノード１４も接地されている。このため、アノード１４には、間接的に加速電源２４の正端子側からの加速電圧が印加されていると考えられる。
【００２１】
制御部２５は、電子ビームＢ１によって発生するビーム電流が設定された値以下となるように、バイアス電源２２及び制御電極電源２３を制御する。この制御に際して、バイアス電源２２及び制御電極電源２３の応答速度の差に応じて、バイアス電源２２が変更するバイアス電圧の出力値及び出力タイミング、並びに制御電極電源２３が変更する制御電圧の出力値及び出力タイミングを制御している。この制御は、出力値制御部２６と出力タイミング制御部２７により行われる。さらに制御部２５は、三次元積層造形装置１の各系をも制御する。
【００２２】
出力値制御部２６は、バイアス電源２２にバイアス電圧の設定を行い、制御電極電源２３に制御電圧の設定を行うことで、バイアス電源２２が出力するバイアス電圧の出力値、及び制御電極電源２３が出力する制御電圧の出力値を制御する。この出力値制御部２６には、記録部２８と電流計２９が接続されている。このため、出力値制御部２６は、電流計２９が計測した負荷電流の電流値に基づいてビーム電流を求める。そして、出力値制御部２６は、ビーム電流の変更を行う際に、記録部２８に格納された所望のビーム電流を得るためのバイアス電圧と制御電圧の組合せデータを、バイアス電源２２及び制御電極電源２３に送り、バイアス電源２２及び制御電極電源２３を制御する。
【００２３】
また、出力値制御部２６は、電流計２９が計測した負荷電流に基づいてビーム電流の安定度を監視すると共に、ビーム電流の変更が正しく行われたかどうかについても監視する。そして、出力値制御部２６は、ビーム電流が設定された電流値を越えた場合、又はビーム電流が設定された電流値まで至らなかった場合であっても、設定された電流値のビーム電流を得られるようバイアス電源２２及び制御電極電源２３の出力値を変更する。加えて、出力値制御部２６は、電子ビームＢ１の変更時に限らず、常に負荷電流の監視を行う。そして、負荷電流から求めたビーム電流が安定する範囲を越えた場合には、バイアス電源２２及び制御電極電源２３の出力値を変更して、ビーム電流を安定する範囲に戻す。
【００２４】
出力タイミング制御部２７は、予め実験を行って求めたバイアス電源２２及び制御電極電源２３の応答速度の応答時間差Ｔｇに基づいて、バイアス電源２２及び制御電極電源２３が出力変更するタイミングを制御する。
【００２５】
記録部２８は、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録する。この記録部２８は、例えば、大容量のＨＤＤ（Hard Disk Drive）、半導体メモリ等によって構成されている。
【００２６】
＜三次元積層造形装置の動作＞
ここで、三次元積層造形装置１の動作について説明する。
まず、不図示の真空ポンプが造形チャンバー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、カソード加熱電源２１が出力する加熱電圧により加熱されて熱電子を放出する。ウェネルト電極１２は、バイアス電源２２が出力する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、制御電極電源２３が出力する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。
【００２８】
アノード１４は、加速電源２４が出力する加速電圧により、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２５は、記録部２８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源２２及び制御電極電源２３にそれぞれバイアス電圧及び制御電圧を設定し、粉末試料８に照射される電子ビームＢ１のビーム電流を適切な値とする。
【００２９】
電子銃１０が放出する電子ビームＢ１は、電子光学系１５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１６による粉末試料８の供給と、電子銃１０、電子光学系１５による造形が繰り返される。
【００３０】
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。
【００３１】
＜従来の電子銃の構成及び動作＞
ここで、従来の電子銃の構成及び動作について、図２と図３を参照して説明する。
【００３２】
図２は、従来の三次元積層造形装置１００の一部を拡大視して示す。
三次元積層造形装置１００は、上述した電子銃１０、２つの抵抗２０、カソード加熱電源２１、バイアス電源２２、制御電極電源２３、加速電源２４の他に、制御部１０１と記録部１０２を備える。
【００３３】
制御部１０１は、記録部１０２に記録されているバイアス電圧と制御電圧の組合せデータをバイアス電源２２及び制御電極電源２３に送って、バイアス電源２２及び制御電極電源２３の動作を制御し、電子銃１０から電子ビームＢ２を発生させている。なお、制御部１０１は、上述したようにカソード加熱電源２１に並列接続された抵抗２０から負荷電流値を得られないため、フィードバック制御を行っていない。
【００３４】
図３は、従来の三次元積層造形装置１００を用いた場合における、ビーム電流−制御電圧曲線の例を示す。
【００３５】
図３では、縦軸に電子ビームＢ２のビーム電流をとり、横軸に制御電圧をとっている。以下の各図に示すバイアス電圧毎のビーム電流−制御電圧曲線において、制御電圧に対するビーム電流は、制御電圧に対して正の傾きを持った増加関数として、ほぼＳ字カーブを描く変化を示す。また、図中に示す５種類の曲線は、バイアス電圧を様々な値に固定した状態で制御電圧を変更した場合におけるビーム電流の変化を示しており、左の曲線から右の曲線の順にバイアス電圧が大きいことを示す。
【００３６】
また、図３に示す白抜きした５箇所の菱形の点は、それぞれのバイアス電圧をウェネルト電極１２に印加した場合に最適な電子銃特性（従来の三次元積層造形装置１００では、例えば、電子ビームＢ２の輝度）を得られる制御電圧とビーム電流の対応を示している。従来の三次元積層造形装置１００が備える制御部１０１は、白抜きした菱形の点を結んだ直線１１０で示されるバイアス電圧と制御電圧の組合せデータをバイアス電源２２及び制御電極電源２３に出力していた。これにより、制御部１０１は、所望のビーム電流値としたビーム電流を得ていた。
【００３７】
ビーム電流は、常に直線１１０を辿って変化することが理想であるが、実際はビーム電流がこの直線１１０を辿って変化することはない。この原因として、バイアス電源２２が設定されたバイアス電圧を出力するまでに要する応答速度と、制御電極電源２３が設定された制御電圧を出力するまでに要する応答速度は、それぞれ異なることが挙げられる。この応答速度の差は、例えば、バイアス電源２２及び制御電極電源２３が、それぞれ異なるインダクタンスと静電容量を有することに起因する。
【００３８】
そのため、変更されたビーム電流は、直線１１０を辿らず、意図しない経路を辿る。ここで、バイアス電源２２の応答速度が制御電極電源２３の応答速度以上であると仮定し、ビーム電流を図３中のＡ点のＩａからＢ点のＩｂへ変更する場合を考える。この場合、バイアス電源２２の出力変更が、制御電極電源２３の出力変更よりも早く完了するので、ビーム電流は矢印１１１が示すように変更前のＩａより遥かに大きいＩｃに変化する。この矢印１１１の向かう先は、Ａ点が有る曲線で示されるバイアス電圧よりも小さいバイアス電圧で示される曲線上のＣ点である。その後、バイアス電源２２の出力変更に遅れて制御電極電源２３の出力変更が完了すると、ビーム電流はＣ点のＩｃから矢印１１２が示すＢ点のＩｂに変化する。
【００３９】
このように従来の三次元積層造形装置１００では、ビーム電流を小さくするためにバイアス電圧を小さくすると、意図しない大きなビーム電流に変化した電子ビームＢ２が粉末試料に照射される。このような電子ビームＢ２が非溶融部分に照射されると、非溶融部分を溶融してしまい、造形物の造形精度が低くなってしまう。
【００４０】
＜本実施の形態例に係るビーム電流の制御方法＞
次に、本実施の形態例に係る三次元積層造形装置１が行うビーム電流の制御方法について、図４と図５を参照して説明する。以下の説明においても、バイアス電源２２の応答速度が制御電極電源２３の応答速度以上であるとする。
【００４１】
図４は、三次元積層造形装置１がＡ点からＢ点にビーム電流を下げる場合の動作例を示す。
【００４２】
図４においても図３と同様に、縦軸に電子ビームＢ１のビーム電流をとり、横軸に制御電圧をとっている。そして、５種類の略Ｓ字カーブ状の曲線は、バイアス電圧を様々な値に変更した時に制御電圧を変更した場合におけるビーム電流の変化を示している。
【００４３】
ここで、制御部２５がビーム電流をＡ点のＩａからＢ点のＩｂへ下げる場合を想定する。出力タイミング制御部２７は、始めに制御電極電源２３に対して制御電圧の出力変更を行わせた後、応答時間差Ｔｇだけ遅らせてバイアス電源２２に対してバイアス電圧の出力変更を行わせる。この場合、先に制御電圧が小さく変更されるため、ビーム電流は、図４の矢印３１に示す経路を辿ってＡ点のＩａ、Ｂ点のＩｂよりも小さいＤ点のＩｄに変化する。そして、制御電圧の変更が完了した後、バイアス電圧が小さく変更される。このとき、Ｄ点にあったビーム電流は、矢印３２に示す経路を辿って、小さくなったバイアス電圧に対応する曲線上にあるＢ点のＩｂに変化する。このようにビーム電流は、矢印３１，３２に示す経路（Ａ点→Ｄ点→Ｂ点）を辿って変化する。
【００４４】
図５は、三次元積層造形装置１がＡ点からＥ点にビーム電流を上げる場合の動作例を示す。
【００４５】
図５では、制御部２５がビーム電流をＡ点のＩａからＥ点のＩｅへ上げる場合を想定する。上述したようにバイアス電源２２の応答速度は、制御電極電源２３の応答速度も早いことから、出力タイミング制御部２７は、バイアス電源２２及び制御電極電源２３の出力変更を同じタイミングで行わせる。
【００４６】
この場合、先にバイアス電圧が大きく変更されるため、ビーム電流は、図５の矢印３３に示す経路を辿って、Ａ点のＩａよりも小さいＦ点のＩｆに変化する。その後、制御電圧が大きく変更されるため、Ｆ点にあったビーム電流は、矢印３４に示す経路を辿って、大きくなったバイアス電圧に対応する曲線上にあるＥ点のＩｅに変化する。このようにビーム電流は、矢印３３，３４に示す経路（Ａ点→Ｆ点→Ｅ点）を辿って変化する。このため、ビーム電流は変更後の値であるＥ点のＩｅより大きくなることはない。
【００４７】
ここで、ビーム電流をＡ点のＩａからＥ点のＩｅへ上げる際に、ビーム電流がＩｅよりも大きくなるオーバーシュートが発生する可能性がある。このため、ビーム電流にオーバーシュートが発生しないように、出力値制御部２６は、常に負荷電流から求めたビーム電流の安定度を監視している。例えば、変更後のビーム電流が図５に示す変動幅Ｃ１の範囲内にあれば安定度が高く、変動幅Ｃ１の範囲を越えれば安定度が低いと言える。ビーム電流が変動幅Ｃ１の範囲を越えた場合に、出力値制御部２６は、直ちにバイアス電源２２及び制御電極電源２３のフィードバック制御を行って、ビーム電流を変動幅Ｃ１の範囲内に戻す。これにより、ビーム電流の安定度を高めることができる。
【００４８】
なお、図４と図５で説明したのとは逆に、バイアス電源２２の応答速度が制御電極電源２３の応答速度未満である場合に、出力タイミング制御部２７は、各電源の出力タイミングの変更を図４と図５で示した順とは逆に行う。例えば、図４のＡ点からＢ点へ下げる場合、出力タイミング制御部２７は、制御電極電源２３及びバイアス電圧の出力変更を同じタイミングで行わせる。また、ビーム電流を図５のＡ点からＥ点へ上げる場合、出力タイミング制御部２７は、バイアス電源２２に対してバイアス電圧の出力変更を行わせた後、応答時間差Ｔｇだけ遅らせた後に、制御電極電源２３に対して制御電圧の出力変更を行わせる。
【００４９】
以上説明した第１の実施の形態例に係る三次元積層造形装置１によれば、出力タイミング制御部２７は、バイアス電源２２及び制御電極電源２３の応答速度の差を考慮し、バイアス電源２２及び制御電極電源２３の出力変更の順番とタイミングを制御する。これにより、制御部２５が行うビーム電流の変更時に意図しない大電流の電子ビームＢ１を粉末試料８に照射することを防止できる。
【００５０】
また、出力値制御部２６は、常に負荷電流の電流値を用いてビーム電流を求めている。このため、ビーム電流を変更した際には、変更したビーム電流が設定された電流値よりも大きくなるオーバーシュートの発生を直ちに検出できる。オーバーシュートを検出すると、出力値制御部２６は、ビーム電流を設定された電流値よりも小さくするようにバイアス電源２２及び制御電極電源２３のフィードバック制御を行う。このため、大きなビーム電流とした電子ビームＢ１が粉末試料８に照射されることを防止できる。
【００５１】
［第２の実施の形態例］
次に、本発明の第２の実施の形態例に係る三次元積層造形装置１について、図６を参照して説明する。
この三次元積層造形装置１が備える出力値制御部２６は、ビーム電流を変更する場合に、バイアス電圧又は制御電圧の変化に伴うビーム電流の変動を一定の範囲内に収まるようにバイアス電源２２及び制御電極電源２３に対するフィードバック制御を行う。
【００５２】
図６は、三次元積層造形装置１が一定の範囲内で変動させながらビーム電流を下げる場合の動作例を示す。
【００５３】
始めに、ビーム電流をＡ点のＩａに維持する場合を考える。
このとき、出力値制御部２６は、バイアス電圧をＶＢａとする。そして、出力値制御部２６は、制御電圧だけにＰＩ（比例積分）制御等を行い、フィードバックによる定電流制御を行う。このような定電流制御を行うための機構が設けられる出力値制御部２６は、ビーム電流をＡ点のＩａに維持することが可能である。
【００５４】
次に、ビーム電流を、Ａ点のＩａからＢ点のＩｂに変更する場合を考える。
このとき、出力値制御部２６は、制御電圧のフィードバック制御を行って、最終的にバイアス電圧をＢ点のＩｂが乗る、バイアス電圧がＶＢｂであるビーム電流−制御電圧曲線電圧に設定する。この際、出力値制御部２６は、バイアス電圧の応答速度を、制御電圧をフィードバック制御するための速度より遅くする。このようにバイアス電圧の応答速度を遅くする制御は、バイアス電圧を設定する時定数を大きくすることで行われる。
【００５５】
そして、出力値制御部２６は、まず制御電圧をＶａからＶｂ１に変更した後、ビーム電流をＩａからＩｂに変更する。この後、出力値制御部２６は、バイアス電源２２が出力するバイアス電圧を小さくする。このため、バイアス電圧に固有の曲線が徐々に左側に移動する。そして、出力値制御部２６は、バイアス電圧の曲線の移動に伴い、制御電圧がＶｂ１であるときのビーム電流を、Ａ点のＩａ付近に変更する。このとき、出力値制御部２６は、バイアス電圧ＶＢｂ１としたまま、制御電圧を小さくする。
【００５６】
このような出力値制御部２６の制御により、ビーム電流は、バイアス電圧毎のビーム電流−制御電圧曲線に沿ってＡ点のＩａからＢ点のＩｂに変化する。そして、出力値制御部２６がバイアス電圧をＶＢａ→ＶＢｂ１→ＶＢｂ２→ＶＢｂと変更するのに合わせて、制御電圧をＶｂ１→Ｖｂ２→Ｖｂ３と変更することにより、最終的に制御電圧がＶｂとなる。このとき、出力値制御部２６は、ビーム電流をＩｂに変更することができる。
【００５７】
実際に行われる出力値制御部２６の制御では、図６に示したよりも細かくバイアス電圧を変更する。このため、出力値制御部２６は、ビーム電流をＩａからＩｂまで変更するときに、ビーム電流をＩｂの付近で変動させながら、制御電圧をＶｂ、バイアス電圧をＶＢｂとして、ビーム電流を目的とするＩｂとすることができる。
【００５８】
逆に、出力値制御部２６がビーム電流をＢ点のＩｂからＡ点のＩａに変更する場合も同様であり、ビーム電流がＩａからＩｂの範囲内に収まるようにバイアス電圧及び制御電圧を変更し、ビーム電流を制御することができる。
【００５９】
以上説明した第２の実施の形態例に係る三次元積層造形装置１によれば、バイアス電圧を細かく変更しながら、制御電圧を変更することでビーム電流が変化する範囲を、ビーム電流値をＩｂからＩａの一定の範囲内に収まるように制御する。このとき、ビーム電流がＩｂ付近まで下がった後に、バイアス電圧をＶＢａからＶＢｂ１に下げる。これにより、ビーム電流は上限値Ｉａの付近まで上がるがＩａを越えない。このような制御を繰り返して、バイアス電圧及び制御電圧を下げて、ビーム電流をＩａからＩｂに変更することができる。
【００６０】
［第３の実施の形態例］
次に、本発明の第３の実施の形態例に係る三次元積層造形装置１について、図７を参照して説明する。
図７は、三次元積層造形装置１がバイアス電圧を固定したまま、制御電圧を変更して、ビーム電流を変更する例を示す。
【００６１】
出力値制御部２６は、ビーム電流をＧ点のＩａに維持するために、バイアス電源２２にバイアス電圧ＶＢａを出力させ、制御電極電源２３に制御電圧ＶＣを出力させる。しかし、何らかの理由でビーム電流が矢印４１の経路を辿ってＨ点のＩａ’に変化したとする。
【００６２】
ここで、出力値制御部２６は、バイアス電圧を、ビーム電流が設定される電流値に応じた固定値ＶＢａとし、ビーム電流を一定の値で維持するように制御電圧をフィードバック制御する。そして、矢印４１に示す経路を辿るビーム電流のＩａからＩａ’への変化は、バイアス電圧がＶＢａのビーム電流−制御電圧曲線からＶＢａ’の曲線に変化したことに相当する。そこで、出力値制御部２６は、ビーム電流をＩａ’からＩａに戻すために、矢印４３に示すように制御電圧をＶＣからＶＣ’に下げるフィードバック制御を行う。この制御電圧のフィードバック制御により、ビーム電流は、Ｈ点のＩａ’から矢印４２に示す経路を辿ってＩ点のＩａに変化する。このとき、バイアス電圧は、ＶＢａで固定されている。
【００６３】
なお、バイアス電圧がＶＢａの曲線と、ＶＢａ’の曲線とは近傍に位置しており、両曲線におけるビーム電流の制御電圧依存性はほぼ同値となる。このため、出力値制御部２６が制御電圧をＶＣからＶＣ’に変更させると、ビーム電流はＩａの近くに変化することとなる。
【００６４】
以上説明した第３の実施の形態例に係る三次元積層造形装置１は、バイアス電圧を固定したまま、制御電圧を変更するフィードバック制御を行ってビーム電流の安定性を保証することができる。
【００６５】
［第４の実施の形態例］
次に、本発明の第４の実施の形態例に係る三次元積層造形装置１について、図８を参照して説明する。
図８は、三次元積層造形装置１が制御電圧を固定したまま、バイアス電圧を変更して、ビーム電流を変更する例を示す。
【００６６】
出力値制御部２６は、ビーム電流をＪ点のＩａに維持するために、バイアス電圧にＶＢを出力し、制御電圧にＶＣａを出力する制御を行って、ビーム電流をＩａとする。しかし、何らかの理由でビーム電流が矢印４４の経路を辿ってＫ点に対応するＩａ’に変化したとする。
【００６７】
ここで、出力値制御部２６は、制御電圧を、ビーム電流が設定される電流値に応じた固定値ＶＣａとし、ビーム電流を一定の値で維持するようにバイアス電圧をフィードバック制御する。そして、矢印４４に示す経路を辿るビーム電流のＩａからＩａ’への変化は、制御電圧がＶＣａのビーム電流−バイアス電圧曲線からＶＣａ’の曲線に変化したことに相当する。そこで、出力値制御部２６は、ビーム電流をＩａ’からＩａに戻すために、矢印４６に示すようにバイアス電圧をＶＢからＶＢ’に上げるフィードバック制御を行う。このバイアス電圧のフィードバック制御により、ビーム電流は、Ｋ点のＩａ’から矢印４５に示す経路を辿ってＬ点のＩａに変化する。このとき、制御電圧は、ＶＣａで固定されている。
【００６８】
なお、制御電圧がＶＣａの曲線と、ＶＣａ’の曲線とは近傍に位置しており、両曲線におけるビーム電流のバイアス電圧依存性はほぼ同値となる。このため、出力値制御部２６がバイアス電圧をＶＢからＶＢ’に変更させると、ビーム電流はＩａの近くに変化することとなる。
【００６９】
以上説明した第４の実施の形態例に係る三次元積層造形装置１は、制御電圧を固定したまま、バイアス電圧を変更するフィードバック制御を行ってビーム電流の安定性を保証することができる。
【００７０】
［変形例］
なお、出力値制御部２６は、ビーム電流を監視するために、カソード加熱電源２１に流れる負荷電流を使用している。しかし、レンズ２の光軸上に設けられた、ＤＣ電流を検出できる励磁式クランプセンサー等がビーム電流を計測することにより、出力値制御部２６がビーム電流の変化を把握できるようにしてもよい。
【００７１】
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。
例えば、上述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。
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】
【００７２】
１…三次元積層造形装置、１０…電子銃、１１…カソード、１２…ウェネルト電極、１３…制御電極、１４…アノード、１５…電子光学系、１６…試料供給系、２１…カソード加熱電源、２２…バイアス電源、２３…制御電極電源、２４…加速電源、２５…制御部、Ｂ１…電子ビーム
【図１】
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【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】
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【図８】
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