JP6246647B2 - Electron gun, three-dimensional additive manufacturing apparatus, and electron gun control method - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to an electron gun, a three-dimensional additive manufacturing apparatus, and an electron gun control method that are used when a thin layer of powder samples placed on a stage is layered one by one.
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。 2. Description of the Related Art An optical modeling apparatus that forms a three-dimensional object by irradiating a laser beam onto a powder layer made of a resin powder spread on a stage to melt the resin powder and stacking layers obtained by solidifying the resin powder is widely known. In recent years, an electron gun used in an electron microscope or the like is used to irradiate a powder layer made of a powder sample spread on a stage with an electron beam, and the layers obtained by melting and solidifying the powder sample are stacked. Three-dimensional additive manufacturing apparatuses that form objects are being used. When the powder sample is irradiated with the electron beam in this way, a current flows in the electron beam. In the following description, this current is referred to as “beam current”.
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。 In an electron microscope, which is an example of an apparatus using an electron beam, in order to observe a minute sample, the electron beam is focused using a current limiting diaphragm, and the beam current is controlled to be several μA or less. However, in order to melt a powder sample, a three-dimensional additive manufacturing apparatus generally handles an electron beam having a large current of several tens of mA and accelerated at 10 kV or more. When such a high-power electron beam is irradiated onto the current limiting diaphragm, the current limiting diaphragm may be damaged. Therefore, the beam current cannot be controlled using the current limiting diaphragm. If the current limiting diaphragm is not used, the electron beam emitted from the cathode diffuses and reaches the powder sample, making it difficult to perform fine modeling. For this reason, in the three-dimensional additive manufacturing apparatus, the electron beam emitted from the electron gun is controlled using a bias voltage to change the current value of the beam current. Hereinafter, such an operation may be referred to as “changing the beam current”.
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。
Here,
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。 In recent years, in order to obtain a high-intensity electron beam, an electron gun having a four-pole configuration including a control electrode in addition to a cathode, a Wehnelt electrode, and an anode has been used. The control electrode draws a large amount of thermoelectrons from the cathode by a control voltage output from the control power supply.
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。 In a three-dimensional electron beam additive manufacturing apparatus including an electron gun having such a four-pole configuration, the beam current is changed when moving to a different melting process. When changing the beam current, the beam scan is performed at a high speed so as not to melt the non-melted portion. At this time, an electron beam with an unintended large current may be emitted although it is temporary. In this case, the non-melting part which should not be melted is melted, and the modeling accuracy may be lowered.
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。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to prevent the generation of an unintended large-current electron beam.
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。
そして、バイアス電源が出力するバイアス電圧の出力値、及び制御電極電源が出力する制御電圧の出力値を制御する出力値制御部と、バイアス電源及び制御電極電源の応答速度の応答時間差に基づいて、バイアス電源又は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、を有する制御部が、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。
In the present invention, the cathode emits thermoelectrons by the heating voltage output from the cathode heating power source.
The Wehnelt electrode controls the thermoelectron emission region of the cathode by the bias voltage output from the bias power source, and focuses the thermoelectrons.
The control electrode extracts thermoelectrons from the tip of the cathode by the control voltage output from the control electrode power source.
The anode accelerates the thermal electrons emitted from the cathode by the acceleration voltage output from the acceleration power source, and irradiates the powder sample with an electron beam.
Then, based on the output value of the bias voltage output from the bias power source and the output value control unit for controlling the output value of the control voltage output from the control electrode power source, and the response time difference between the response speeds of the bias power source and the control electrode power source, The control unit having an output timing control unit that controls the timing of changing the output of the bias power source or the control electrode power source, so that the beam current generated by the electron beam irradiated to the powder sample has a set current value. The output value and output timing of the bias voltage changed by the bias power supply and the output value and output timing of the control voltage changed by the control electrode power supply are controlled.
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。 According to the present invention, since the control unit controls the output value and output timing of the bias voltage and the control voltage in consideration of the difference in response speed between the bias power source and the control electrode power source, an unintentionally generated large current beam current is generated. Can be prevented.
[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。
[First Embodiment]
Hereinafter, an electron gun and a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
In this three-dimensional additive manufacturing apparatus, an electron gun control method for preventing an unintended beam current from being generated by controlling the electron gun is realized. In the present specification and drawings, components having substantially the same function or configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
<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。
<Configuration of 3D additive manufacturing equipment>
FIG. 1 shows a configuration example of a three-dimensional
The three-dimensional
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。
The three-dimensional
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。
The thermionic emission
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。
The electron
The lens 2 further focuses the electron beam B1 emitted from the
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。
The
The interior of the
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。
Further, the three-dimensional
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。
The
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。
One end of a
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。
The
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。
The output
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。
Further, the output
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。
The output
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。
The
<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。
<Operation of 3D additive manufacturing equipment>
Here, the operation of the three-dimensional
First, after a vacuum pump (not shown) evacuates the inside of the
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。
At this time, the
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。
The
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。
The electron beam B1 emitted from the
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。
The two-dimensional structure formed by the solidified
<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。
<Configuration and operation of conventional electron gun>
Here, the configuration and operation of a conventional electron gun will be described with reference to FIGS.
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。
FIG. 2 shows an enlarged view of a part of the conventional three-dimensional
The three-dimensional
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。
The
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。
FIG. 3 shows an example of a beam current-control voltage curve when the conventional three-dimensional
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。 In FIG. 3, the vertical axis represents the beam current of the electron beam B2, and the horizontal axis represents the control voltage. In the beam current-control voltage curve for each bias voltage shown in the following figures, the beam current with respect to the control voltage shows a change that substantially draws an S-curve as an increasing function having a positive slope with respect to the control voltage. In addition, the five types of curves shown in the figure show changes in the beam current when the control voltage is changed while the bias voltage is fixed at various values. The bias voltage is changed in order from the left curve to the right curve. Is large.
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。
In addition, the five diamond-shaped dots shown in FIG. 3 indicate the optimum electron gun characteristics when each bias voltage is applied to the Wehnelt electrode 12 (in the conventional three-dimensional
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。
Although it is ideal that the beam current always changes along the
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。
Therefore, the changed beam current does not follow the
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。
As described above, in the conventional three-dimensional
<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。
<Beam current control method according to this embodiment>
Next, a beam current control method performed by the three-dimensional
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。
FIG. 4 shows an operation example when the three-dimensional
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。 In FIG. 4, as in FIG. 3, the vertical axis represents the beam current of the electron beam B1, and the horizontal axis represents the control voltage. Five types of substantially S-shaped curves indicate changes in the beam current when the control voltage is changed when the bias voltage is changed to various values.
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。
Here, it is assumed that the
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。
FIG. 5 shows an operation example when the three-dimensional
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。
In FIG. 5, it is assumed that the
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。
In this case, since the bias voltage is largely changed first, the beam current changes along the path indicated by the
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。
Here, when the beam current is increased from Ia at the point A to Ie at the point E, there is a possibility that an overshoot in which the beam current becomes larger than Ie may occur. For this reason, the output
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。
4 and 5, when the response speed of the
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。
According to the three-dimensional
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。
The output
[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。
[Second Embodiment]
Next, a three-dimensional
When the beam current is changed, the output
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。
FIG. 6 shows an operation example when the beam current is lowered while the 3D
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。
First, consider the case where the beam current is maintained at point A at point Aa.
At this time, the output
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。
Next, consider a case where the beam current is changed from Ia at point A to Ib at point B.
At this time, the output
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。
The
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。
By such control of the output
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。
In the actual control of the output
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。
Conversely, the same applies when the output
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。
According to the three-dimensional
[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。
[Third embodiment]
Next, a three-dimensional
FIG. 7 shows an example in which the beam current is changed by changing the control voltage while the bias voltage is fixed by the three-dimensional
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。
The output
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。
Here, the output
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。
Note that the curve of the bias voltage VBa and the curve of VBa 'are located in the vicinity, and the dependence of the beam current on the control voltage in both curves is almost the same value. For this reason, when the output
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。
The three-dimensional
[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。
[Fourth Embodiment]
Next, a three-dimensional
FIG. 8 shows an example in which the beam current is changed by changing the bias voltage while the control voltage is fixed by the three-dimensional
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。
In order to maintain the beam current at the point Ja, the output
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。
Here, the output
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。
It should be noted that the curve of the control voltage VCa and the curve of VCa 'are located in the vicinity, and the bias current dependence of the beam current in both curves is almost the same value. For this reason, when the output
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。
The three-dimensional
[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。
[Modification]
Note that the output
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。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other application examples and modifications can of course be taken without departing from the gist of the present invention described in the claims.
For example, the above-described embodiments are detailed and specific descriptions of the configuration of the apparatus and the system in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Absent. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Moreover, it is also possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
Further, the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
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
DESCRIPTION OF
Claims (8)
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、を有する制御部が、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
電子銃。 A cathode that emits thermoelectrons by a heating voltage output from the cathode heating power source;
A Wehnelt electrode that focuses the thermoelectrons by controlling a thermoelectron emission region of the cathode by a bias voltage output from a bias power source;
A control electrode for extracting the thermoelectrons from the tip of the cathode by a control voltage output from the control electrode power source;
An anode for accelerating the thermoelectrons emitted from the cathode by an acceleration voltage output from an acceleration power source and irradiating the powder sample with an electron beam;
Response time difference between response values of the bias power supply and the control electrode power supply, and an output value control unit for controlling the output value of the bias voltage output from the bias power supply and the output value of the control voltage output from the control electrode power supply. And a control unit having an output timing control unit that controls the timing of changing the output of the bias power source or the control electrode power source, the beam current generated by the electron beam applied to the powder sample is set. so that the current value, the output value and the output timing of the bias voltage, and the output value and the electron gun that controls the output timing of the control voltage and the control electrode power supply changes to the bias power source changes.
請求項1に記載の電子銃。 The output timing control unit causes the control electrode power supply to change the output of the control voltage when the beam current is decreased if the response speed of the bias power supply is equal to or higher than the response speed of the control electrode power supply. Thereafter, when the bias power supply is changed by delaying the response time difference of the response speed and the beam current is increased, the output change of the control electrode power supply and the bias voltage is the same timing. The electron gun according to claim 1 .
請求項1に記載の電子銃。 If the response speed of the bias power supply is less than the response speed of the control electrode power supply, the output timing control unit changes the output of the control electrode power supply and the bias voltage at the same timing when lowering the beam current. When the beam current is increased, the bias power supply is changed in output of the bias voltage, and then the control electrode power supply is changed in output by delaying the response time difference. The electron gun according to claim 1 .
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2又は3に記載の電子銃。 Furthermore, a load current measuring unit for measuring a load current flowing between the cathode heating power source and the cathode is provided,
The output value control unit obtains the beam current from the load current, and when the stability of the beam current at a set current value exceeds a certain range, feedback of the bias power source and the control electrode power source control performed, the electron gun according to claim 2 or 3 returning the beam current in the range of the constant.
請求項4に記載の電子銃。 When the beam current is changed, the output value controller controls the bias power source and the control electrode power source so that fluctuations in the beam current accompanying changes in the bias voltage or the control voltage are within a certain range. The electron gun according to claim 4 , wherein feedback control is performed.
請求項5に記載の電子銃。 The output value control unit sets either one of the bias voltage or the control voltage as a fixed value corresponding to a current value at which the beam current is set, and maintains the beam current at a constant value as the other. The electron gun according to claim 5 , wherein feedback control is performed on the electron gun.
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、を有する前記制御部が、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。 An electron gun for generating an electron beam, a control unit for controlling the electron gun, a stage on which the powder sample is spread, an electron optical system for scanning the electron beam onto the stage, the powder sample on the stage A sample supply system for spreading,
The electron gun is
A cathode that emits thermoelectrons by a heating voltage output from the cathode heating power source;
A Wehnelt electrode that focuses the thermoelectrons by controlling a thermoelectron emission region of the cathode by a bias voltage output from a bias power source;
A control electrode for extracting the thermoelectrons from the tip of the cathode by a control voltage output from the control electrode power source;
An anode for accelerating the thermoelectrons emitted from the cathode by an acceleration voltage output from an acceleration power source and irradiating the powder sample with an electron beam;
Response time difference between response values of the bias power supply and the control electrode power supply, and an output value control unit for controlling the output value of the bias voltage output from the bias power supply and the output value of the control voltage output from the control electrode power supply. An output timing control unit for controlling the timing of changing the output of the bias power source or the control electrode power source, the control unit having the beam current generated by the electron beam irradiated to the powder sample is set A three-dimensional additive manufacturing apparatus for controlling the output value and output timing of the bias voltage changed by the bias power supply and the output value and output timing of the control voltage changed by the control electrode power supply so that the current value is changed .
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、
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、を有する制御部が、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。 A cathode that emits thermoelectrons by a heating voltage output from the cathode heating power source;
A Wehnelt electrode that focuses the thermoelectrons by controlling a thermoelectron emission region of the cathode by a bias voltage output from a bias power source;
A control electrode for extracting the thermoelectrons from the tip of the cathode by a control voltage output from the control electrode power source;
An electron gun control method for an electron gun comprising: an anode that accelerates the thermoelectrons emitted from the cathode by an acceleration voltage output from an acceleration power source and irradiates an electron beam to a powder sample;
Response time difference between response values of the bias power supply and the control electrode power supply, and an output value control unit for controlling the output value of the bias voltage output from the bias power supply and the output value of the control voltage output from the control electrode power supply. And a control unit having an output timing control unit that controls the timing of changing the output of the bias power source or the control electrode power source, the beam current generated by the electron beam applied to the powder sample is set. Controlling the output value and output timing of the bias voltage changed by the bias power supply and the output value and output timing of the control voltage changed by the control electrode power supply so that the current value becomes Method.
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