JPWO2016103493A1 - ３次元造形装置、３次元造形装置の制御方法および制御プログラム - Google Patents

Abstract

粉体を溶融させる領域でも最高速度で電子ビームを走査させる。３次元造形装置であって、電子ビームを発生させる電子銃と、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる少なくとも１つの第１偏向器と、前記電子銃と前記第１偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、前記電子銃と前記第１偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第２偏向器と、を備えた。

Description

本発明は、３次元造形装置、３次元造形装置の制御方法および制御プログラムに関する。

上記技術分野において、特許文献１には、粉体上に電子ビームを走査させる三次元製品製造装置が開示されている。

特表２００３−５３１０３４号公報 特開２００７−６７１９２号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、粉体を溶融させる領域では最高速度で電子ビームを走査させることができなかった。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置は、
電子ビームを発生させる電子銃と、
前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる少なくとも１つの第１偏向器と、
前記電子銃と前記第１偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
前記電子銃と前記第１偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第２偏向器と、
を備えた。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置の制御方法は、
電子ビームを発生させる発生ステップと、
前記電子ビームが、前記粉体を溶融させる領域を走査する場合に、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第１偏向ステップと、
前記電子ビームが、前記粉体を溶融させない領域を走査する場合に、前記電子ビームを前記第１偏向ステップで偏向させた偏向方向とは異なる方向に、さらに１次元偏向または２次元偏向させる第２偏向ステップと、
を含む。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置の制御プログラムは、
電子ビームを発生させる発生ステップと、
前記電子ビームが、前記粉体を溶融させる領域を走査する場合に、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第１偏向ステップと、
前記電子ビームが、前記粉体を溶融させない領域を走査する場合に、前記電子ビームを前記第１偏向ステップで偏向させた偏向方向とは異なる方向に、さらに１次元偏向または２次元偏向させる第２偏向ステップと、
をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、粉体を溶融させる領域でも最高速度で電子ビームを走査させることができる。

本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態の前提技術に係る３次元造形装置の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元造形装置の主偏向器および副偏向器の動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元造形装置の主偏向器および副偏向器による走査の様子を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元造形装置の主偏向器および副偏向器による走査の様子を説明する図である。 本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置の動作の概要を説明する図である。 本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る３次元造形装置の主偏向器および副偏向器による走査の様子を説明する図である。 本発明の第６実施形態に係る３次元造形装置の動作の概要を説明する図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての３次元造形装置１００について、図１を用いて説明する。３次元造形装置１００は、電子ビームにより溶融および凝固させた金属粉体を積層して３次元構造物を造形する装置である。

図１に示すように、３次元造形装置１００は、電子銃１０１と第１偏向器１０３とレンズ１０２と第２偏向器１０４とを含む。電子銃１０１は、電子ビーム１０５を発生させる。第１偏向器１０３は、電子ビーム１０５を２次元偏向させる。レンズ１０２は、電子銃１０１と第１偏向器１０３との間に設けられ、電子ビーム１０５を集束させる。第２偏向器１０４は、電子銃１０１と第１偏向器１０３との間に設けられ、電子ビーム１０５を２次元偏向させる。

本実施形態によれば、粉体を溶融させる領域でも最高速度で電子ビームを走査させることができる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元造形装置について、図２〜図７を用いて説明する。

（前提技術について）
図２は、本実施形態の前提技術に係る３次元造形装置２００の構成を説明するための図である。３次元造形装置２００は、電子銃２０１とレンズ２０２と偏向器２０３とＺ軸ステージ２０６とを備える。電子銃２０１は、カソード２０１ａとアノード２０１ｂとグリッド２０１ｃとを備える。

電子銃２０１は、熱電子放出型の電子銃であり、レンズ２０２は、電磁型レンズであり、偏向器２０３は、電磁型偏向器である。偏向器２０３は、Ｘ方向偏向用コイルとＹ方向偏向用コイルとを有する。３次元造形装置２００は、金属粉体２０４を造形面２０５上に敷き詰める機構（図示せず）をさらに備える。Ｚ軸ステージ２０６は、金属粉体２０４の位置を造形面２０５の高さに合わせる。

３次元造形装置２００は、次の手順により３次元構造物を造形する。３次元造形装置２００は、金属粉体２０４を造形面２０５上に敷き詰める。３次元造形装置２００は、電子銃２０１から放射された電子ビーム２０７が、電子ビーム２０７の径が造形面２０５上で最小となるように、レンズ２０２により電子ビーム２０７を集束する。３次元造形装置２００は、レンズ２０２により集束された電子ビーム２０７を、さらに偏向器２０３により２次元（ＸＹ）方向に偏向することにより、電子ビーム２０７を造形面２０５内の所定の領域に入射させる。

そして、３次元造形装置２００は、入射させた電子ビーム２０７により、金属粉体２０４を加熱する。より具体的には、３次元造形装置２００は、金属粉体２０４を予熱（仮焼結）し、その後溶融する。この場合、偏向器２０３は、所望の３次元構造物の形状を表わすデータに基づいて電子ビーム２０７の偏向方向を制御する。すなわち、３次元造形装置２００は、このデータに基づいて、造形面２０５内の所定の領域を電子ビーム２０７で走査する。

上述の工程において、溶融された金属粉体２０４は、その後冷却されて凝固し、所望の３次元構造物の一部をなす薄い金属層となる。この金属層は、もはや粉体ではなく、連続した構造体となっている。したがって、以上の工程を繰り返すことにより、金属層を積層すれば、所望の３次元構造物を造形することができる。

ただし、以上の工程を繰り返す場合には、金属層の上に新たに金属粉体２０４を敷き詰める前に、金属層の厚さの分、すなわち、３次元構造物の高さが増加した分だけ、３次元構造物の高さを補償する必要がある。そのため、３次元造形装置２００は、金属層の厚さの分だけ、Ｚ軸ステージ２０６を矢印の方向へ移動させて、下降させる。Ｚ軸ステージ２０６の１回当たりの移動量（送り量）は、一般の３次元造形装置において、１００μｍ前後である。したがって、敷き詰められた金属粉体２０４の層厚も同じく、１００μｍ前後である。また、Ｚ軸ステージ２０６の可動範囲、すなわち、最大造形深さは、数１００μｍである。

上述した予熱工程または溶融工程において、金属粉体２０４の予熱または溶融に要する時間は、単位面積に与えられる電子ビーム２０７の電力に反比例する。電子ビーム２０７の電力は、電子ビーム２０７の加速電圧と電流の積であり、電子ビーム２０７の加速電圧は、カソード２０１ａとアノード２０１ｂとの間の電圧である。電子ビーム２０７の加速電圧は、一般の３次元造形装置において、数十ｋＶである。

３次元造形装置２００の造形速度を向上させるには、電子ビーム２０７の電力を大きくすればよい。一般の３次元造形装置においては、造形速度を向上させるために、電子ビーム２０７の電流を大きくしている。電子ビーム２０７の電流の制御は、電子銃２０１のバイアス電圧を調節することにより実現している。また、バイアス電圧は、カソード２０１ａとグリッド２０１ｃとの間の電圧である。この電子ビーム２０７の電流の制御は、電子ビーム２０７を完全に遮断し、電流を零にする場合にも実行される。このように、電子ビーム２０７の電流を零とする制御は、金属粉体２０４を造形面２０５上に敷き詰める工程およびＺ軸ステージ２０６を送る工程など、電子ビーム２０７が不要となる工程において実行される。

３次元造形装置２００の造形速度を向上させるために、電子ビーム２０７の電流ではなく、電子ビーム２０７の加速電圧を変化させることも可能であるが、この場合、加速電圧変化に応じて偏向器２０３の偏向感度が変化してしまう。この偏向感度の変化により、電子ビーム２０７の最大偏向範囲が変化してしまい、装置の運用上不都合が生じる。ここで、偏向感度は、単位強度の偏向信号に対する偏向の大きさを意味する。

電子ビーム２０７の加速電圧が変化すると、金属粉体２０４の加熱領域の厚さ（電子が表面から侵入する深さ）も変化する。加速電圧が数十ｋＶの場合、金属粉体２０４の加熱領域の厚さは、数μｍから数十μｍである。

ただし、上述のように電子ビーム２０７の電流を大きくすることは、造形精度の観点からは好ましくない。なぜならば、３次元造形装置２００の最小造形寸法は、電子ビーム２０７の径で決まり、この径は電子ビーム２０７の電流を大きくすると大きくなるからである。

そこで、最小造形寸法を小さくすることが優先される場合は、造形速度を犠牲にして、電子ビーム２０７の電流を抑制する。予熱工程および溶融工程のうち、造形寸法を小さくするような場合に合致するのは、溶融工程である。ここで、電子ビーム２０７の電流とともに電子ビーム２０７の径が小さくなるのは、電子ビーム２０７の電流の減少とともに、造形面２０５における電子ビーム２０７の開き角が小さくなり、その結果、レンズ２０２に由来する収差が小さくなるからである。

電子ビーム２０７の径が目的に合致しているという前提のもと、３次元造形装置２００の造形速度を速くするには、溶融工程において、電子ビーム２０７の電流を大きくするとともに、金属粉体２０４の走査速度をそれに応じて速くする必要がある。

溶融工程において、金属粉体２０４を溶融させる領域を電子ビーム２０７で走査する場合、同領域の過熱を防止するため、同領域の走査速度を電子ビーム２０７の電流に比例させて速くする必要がある。仮に、同領域が過熱されると、溶融した金属粉体２０４の蒸発量が過剰となり、その凝固後に形成される金属層の層厚が減少する。この減少は、その金属層の上に新たに金属粉体２０４を敷き詰める工程の際に補償することが可能であるが、上述した蒸発の結果、装置内壁に金属蒸着膜が形成され、装置内部が汚れてしまう。さらに、この金属蒸着膜が剥がれて、造形面２０５に落ちれば、そこに位置する金属粉体２０４の溶融が妨げられる。また、金属粉体２０４を溶融させる領域に隣接する、金属粉体２０４を溶融させない領域にも過剰な熱が伝わり、意図しない溶融が生じ、その結果、造形精度が損なわれる。

同様に、溶融工程において、金属粉体２０４を溶融させない領域を電子ビーム２０７で走査する場合、同領域において意図しない溶融が生じることを防止するために、同領域の走査速度を一時的に、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度よりも速くする必要がある。すなわち、電子ビーム２０７による金属粉体２０４の加熱時間を、その溶融に要する時間より短くする必要がある。ここで、金属粉体２０４を溶融させない領域の走査とは、偏向器２０３の偏向範囲内に、金属粉体２０４を溶融させる、互いに連続しない領域が複数ある場合、すなわちこれらの領域が一筆書きで走査できない場合に、これらの領域の１つから別の１つの領域に電子ビーム２０７を高速に移動させるための走査である。

この場合、電子ビーム２０７の電流は減少しない（遮断もされない）。したがって、電子ビーム２０７は、造形面２０５内のいずれかの位置に必ず入射する。これは、電子銃２０１を制御する電圧、すなわち加速電圧およびバイアス電圧は、一般に数ｋＶから数十ｋＶと高いため、電子ビーム２０７の電流を通常値から急速に下げる制御、または電子ビーム２０７の電流を元に戻す制御が困難なことによる。すなわち、電子ビーム２０７の電流の高速変化よりも、電子ビーム２０７の高速偏向の方が容易である。また、電子ビーム２０７の電流は金属を溶融する程度に大きいため、装置にダメージを与えずに、電子ビーム２０７を装置内のいずれかの場所に向けて偏向させ、電子ビーム２０７をその場所に一時的に照射することで電子ビーム２０７を遮断する制御（例えば、特許文献２参照）が困難なことによる。

この場合の走査速度は、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度の２倍程度以上に速くする必要がある。すなわち、金属粉体２０４を溶融させない領域を走査する場合に、金属粉体２０４に与える熱は、金属粉体２０４を溶融させる領域の金属粉体２０４に与える熱の半分程度以下に小さくする必要がある。これは、金属粉体２０４を溶融させるためには、金属粉体２０４の温度をその融点以上に上昇させる熱に加えて、融点において金属粉体２０４を溶融させる熱、すなわち融解熱を与える必要があるためである。次に、これらの熱の大きさを比較すれば、溶融熱の大きさは上昇熱の大きさと同程度となり、金属粉体２０４を溶融させないためには溶融温度を金属粉体２０４の融点未満に抑制する必要があるためである。

金属粉体２０４を溶融させる領域および溶融させない領域の走査速度の大小関係から、両走査速度のうち、３次元造形装置２００の造形速度を速くするために電子ビーム２０７の電流を大きくした際に、偏向器２０３による最高走査速度に一致するのは、金属粉体２０４を溶融させない領域の走査速度となる。そのため、３次元造形装置２００の造形速度を速くするために、電子ビーム２０７の電流を大きくするとともに、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度を速くしようとしても、その領域の走査速度は、偏向器２０３による最高走査速度よりも遅くせざるを得なくなる。そして、電子ビーム２０７の電流は、それに合わせて小さくする必要がある。

つまり、３次元造形装置２００による造形は、金属粉体２０４を溶融させない領域において、意図しない溶融を防止するのに必要な走査速度により律速される。ここで偏向器２０３による最高走査速度は、電気回路的に制限される。その詳細は後述する。

上述のように、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度を遅くすると（電子ビーム２０７の電流を小さくすると）、その分造形に要する時間が長くなる。すなわち、３次元造形装置２００の実質的な造形速度は遅くなる。このことは、金属粉体２０４を溶融させない領域が、金属粉体２０４を溶融させる領域に比べて格段に小さく、従って、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度が３次元造形装置２００の実質的造形速度を大きく左右する場合に、顕著になる。

つまり、何らかの手法により、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度を速くすれば（電子ビーム２０７の電流を大きくすれば）、３次元造形装置２００の実質的造形速度は速くなる。このようにするには、例えば、技術的に可能な限り、偏向器２０３の応答速くすればよい。こうすれば、金属粉体２０４を溶融させない領域の走査速度も速くなる。

ただし、このようにすることの代償として、造形範囲、すなわち偏向器２０３の偏向範囲が小さくなってはならない。具体的には、偏向器２０３の偏向範囲としては、少なくとも上述のように数百ｍ四方以上を確保することが望まれる。このことは、造形可能な構造物の寸法を限定しないために重要である。さらに、一つ一つの構造物の寸法は小さくても、複数個の構造物を偏向器２０３の偏向範囲の中に造形する場合において、実質的造形速度を低下させないために重要である。

この場合に、偏向器２０３の偏向範囲を小さくすると実質的造形速度が低下するのは、３次元造形装置２００においては、溶融工程以外の工程、特に金属粉体２０４を造形面２０５上に敷き詰める工程に要する時間が無視できないことによる。具体的には、金属粉体２０４を造形面２０５上に敷き詰める工程に要する時間（金属層１層当たり数ｓ）は、金属粉体２０４の溶融および凝固の工程に要する時間（金属層１層当たり数百ｍｓから数ｓ）と同程度に、またはそれ以上に長くなり得る。したがって、造形体積一定のもとでは、偏向器２０３の偏向範囲を小さくすると、金属粉体２０４を造形面２０５上に敷き詰める工程の実行回数が増え、その結果、造形時間が増大する。

しかしながら、偏向器２０３の偏向範囲を大きくすることと、その応答を速くすることとの両立は容易ではない。これは偏向器２０３の偏向範囲および応答速度は電気回路的な制約を受けることによる。

より詳細には、偏向器２０３の偏向可能範囲を大きくするには、偏向器２０３を構成するコイルの巻数を多くすること、同コイルに流す電流を大きくすること、またはこれらの両方の方策が必要となる。しかし、コイルの巻数を大きくするとコイルの応答が遅れる。さらには、アンプの定格電圧を大きくする必要があり、したがって、定格電圧と動作速度の両立が困難となる。また、コイルに流す電流を大きくすると、アンプの発熱が大きくなり、回路の温度依存性のため、定格電流と電流精度の両立が困難となる。

コイルの巻数を多くするとその応答が遅れる理由は、巻数とともにコイルのインダクタンスが増大し、インダクタンスとコイルの寄生容量（浮遊容量）および配線の容量とで決まる共振周波数が下がるからである。また、コイルの巻数を多くするとアンプの定格電圧を大きくする必要がある理由は、インダクタンスの増大とともに、コイルの両端電圧が高くなるからである。

本実施形態では、造形速度を速くするために、電子ビーム２０７の電力を大きくするとともに、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度を、偏向器２０３の最高走査速度に近づけたうえで、金属粉体２０４を溶融させない領域における意図しない金属粉体２０４の溶融を防止可能な３次元造形装置を提供することを目的とする。すなわち、本実施形態により、金属粉体２０４を溶融させない領域における意図しない溶融を防止しつつ、３次元造形装置の造形速度を従来のそれより速くすることを目的とする。

（本実施形態の３次元造形装置について）
図３は、本実施形態に係る３次元造形装置３００の構成を示す図である。３次元造形装置３００は、電子銃２０１と、レンズ２０２と、主偏向器３０１と、副偏向器３０２と、Ｚ軸ステージ２０６と、バイアス電圧制御部３０３と、副偏向制御部３０４と、主偏向制御部３０５を備える。３次元造形装置３００は、さらに、Ｚ軸ステージ制御部３０６と、中央制御部３０７と、記憶部３０８とを備える。主偏向器３０１の偏向範囲、すなわち、造形範囲の形状は正方形であり、その大きさは２００ｍｍ四方である。また、Ｚ軸ステージ２０６の送りの範囲、すなわち最大造形深さは、２００ｍｍである。

３次元造形装置３００は、偏向器として、主偏向器３０１および副偏向器３０２を備えている。主偏向器３０１および副偏向器３０２は、ともに電磁型の多極子偏向器である。副偏向器３０２の偏向範囲の形状は、正方形であり、偏向範囲の大きさは２ｍｍ四方であり、主偏向器３０１の偏向範囲の大きさに比べて格段に小さい。

図３に示すように、バイアス電圧制御部３０３はグリッド２０１ｃに、副偏向制御部３０４は副偏向器３０２に、主偏向制御部３０５は主偏向器３０１に、Ｚ軸ステージ制御部３０６はＺ軸ステージ２０６に、それぞれ接続されている。また、バイアス電圧制御部３０３、副偏向制御部３０４、主偏向制御部３０５およびＺ軸ステージ制御部３０６は、それぞれ中央制御部３０７に接続されている。そして、中央制御部３０７には、記憶部３０８が接続されている。記憶部３０８には、３次元構造物の形状を表わすデータおよびその造形のための条件を表わすデータ納められている。

３次元造形装置３００は、金属粉体２０４を造形面２０５上に敷き詰めた後、電子銃２０１により電子ビーム２０７を生成する。３次元造形装置３００は、生成した電子ビーム２０７をレンズ２０２により集束して、主偏向器３０１により偏向することにより、造形面２０５上の所望の位置に入射させる。そして、入射させた電子ビーム２０７により、この所望の位置に存在する金属粉体２０４を溶融および凝固させる。次に、３次元造形装置３００は、金属粉体２０４の溶融および凝固による３次元構造物の高さの上昇分をＺ軸ステージ２０６を下降させることにより補償する。

この動作中における制御部３０３〜３０７の動作については、記憶部３０８に格納されたデータが中央制御部３０７に入力される。中央制御部３０７は、入力されたデータに基づいて、バイアス電圧制御部３０３、主偏向制御部３０５、副偏向制御部３０４およびＺ軸ステージ制御部３０６を制御する。より具体的には、中央制御部３０７は、バイアス電圧制御部３０３を介してバイアス電圧を変化させることで電子ビーム２０７の電流を増減する。また、中央制御部３０７は、主偏向制御部３０５を介して主偏向器３０１を動作させ、副偏向制御部３０４を介して副偏向器３０２を動作させ、Ｚ軸ステージ制御部３０６を介してＺ軸ステージ２０６を必要な送り量だけ動かす。３次元造形装置３００のこれらの動作は、上記前提技術で説明した３次元造形装置２００の基本動作に、副偏向器３０２の動作を加えたものである。

主偏向器３０１を構成するコイルの極数（個数）は、８極または１２極であることが好ましく、副偏向器３０２を構成するコイルの極数（個数）は、４極であることが好ましい。これは、第一に、主偏向器３０１および副偏向器３０２の極数を８極以上とすれば、それによる電子ビーム２０７の偏向に起因する収差は十分小さくなるが、４極とすれば、同収差が大きくなること、第二に、主偏向器３０１の偏向範囲は大きく、従って主偏向器３０１は大きな収差を生みやすいが、副偏向器３０２の偏向範囲は小さく、従って副偏向器３０２は大きな収差を生みにくいこと、第三に、主偏向器３０１の役割は、電子ビーム２０７の造形面２０５への入射位置を決めことであるから、主偏向器３０１は収差の低減を求められるが、副偏向器３０２の役割は、後述するように電子ビーム２０７を分散させることであるから、副偏向器３０２は収差の低減を求められないことによる。理論上は、副偏向器３０２の極数を４極ではなく、８極以上としてもよいが、その場合、コイルを駆動するアンプの台数を増やす必要が生じる。

また、主偏向器３０１の配置位置は、電子銃２０１の位置から見て、副偏向器３０２の下側とすることが好ましい。なぜならば、副偏向器３０２が主偏向器３０１の下側に配置されると、主偏向器３０１による電子ビーム２０７の偏向とともに、電子ビーム２０７の軌道が副偏向器３０２の中心軸からずれてしまい、そのずれに起因する新たな収差が生じるからである。

以下、３次元造形装置３００における、主偏向器３０１および副偏向器３０２の動作を詳細に説明する。図４は、主偏向器３０１および副偏向器３０２の動作を説明するための図である。図４（ａ）は、金属粉体２０４が主偏向器３０１により１次元方向に走査される際に、主偏向器３０１および副偏向器３０２に走査信号が入力されるタイミング、および金属粉体２０４が溶融するタイミングを示す図である。図４（ｂ）は、主偏向器３０１による偏向位置と時間との関係を示す図である。図４（ｃ）は、主偏向器３０１により走査される領域を示す図である。ここで、走査信号とは、主偏向器３０１および副偏向器３０２に入力される偏向信号のうち、その強度変化速度が零でないものを指す。すなわち、偏向信号の強度が零ではなくても、その変化速度が零であれば、走査信号の強度は零であり、走査信号入力は停止している。また、走査信号入力が停止されてから次の走査信号入力が開始されるまで、主偏向器３０１には、強度を走査信号入力停止時のそれとした偏向信号が入力されるが、副偏向器３０２には、強度を零とした偏向信号が入力される。

また、図５は、主偏向器３０１および副偏向器３０２による走査の様子を説明する図である。図５（ａ）は、主偏向器３０１による走査方向がＸ方向であり、副偏向器３０２による走査の速度がＹ方向に速い場合の走査の様子を説明する図である。図５（ｂ）は、主偏向器３０１による走査方向がＹ方向であり、副偏向器３０２による走査の速度がＸ方向に速い場合の走査の様子を説明するである。図５（ｃ）は、主偏向器３０１による走査方向がＹ方向であり、副偏向器３０２による走査速度がＹ方向に速い場合の走査の様子を説明する図である。

さらに、図６は、主偏向器３０１および副偏向器３０２による走査の様子を説明する図である。図６（ａ）は、主偏向器３０１による走査方向がＸ方向であり、副偏向器３０２による走査方向がＹ方向である場合の走査の様子を説明する図である。図６（ｂ）は、主偏向器３０１による走査方向がＹ方向であり、副偏向器３０２による走査方向がＸ方向である場合の走査の様子を説明する図である。

主偏向器３０１による走査は、図４（ｃ）に示したように、金属粉体２０４を溶融させる領域から、金属粉体２０４を溶融させない領域を経由して、新たに金属粉体２０４を溶融させる別の領域へ、電子ビーム２０７を移動させて実行される。より詳細には、電子ビーム２０７の移動の時点は、金属粉体２０４を溶融させる最初の領域内を隈なく走査した後であり、その移動方向は、Ｘ方向とする。

図４（ａ）に示したように、主偏向器３０１が動作しているとき、電子ビーム２０７を受けた金属粉体２０４は加熱され、その結果、金属粉体２０４は溶融するが、主偏向器３０１とともに副偏向器３０２を動作させると、その熱が分散される。これにより、金属粉体２０４の温度が金属粉体２０４の融点未満に抑制され、その結果、金属粉体２０４は溶融しない。つまり、３次元造形装置３００は、図４（ｃ）に示したように、金属粉体２０４を溶融させた領域から、金属粉体２０４を溶融させない領域を経由し、新たに金属粉体２０４を溶融させる別の領域へ電子ビーム２０７を移動させる場合に副偏向器３０２を動作させる。すなわち、複数の連続しない領域にある金属粉体２０４を溶融させる際に、副偏向器３０２を動作させる。ここで、副偏向器３０２による金属粉体２０４の走査速度は、主偏向器３０１による走査速度よりも速い。

図４（ｂ）に示したように、主偏向器３０１による金属粉体２０４の走査速度（偏向位置の勾配）は、副偏向器３０２の動作または停止に関わらず、一定である。副偏向器３０２が動作している間は、副偏向器３０２による電子ビーム２０７の偏向が継続され、主偏向器３０１による走査速度より速い走査速度で副偏向器３０２の偏向範囲内が隈なく走査される。しかし、副偏向器３０２が動作を停止すると、副偏向器３０２による走査速度とともに、それによる電子ビーム２０７の偏向自体も零になる。ここで、副偏向器３０２によりその偏向範囲内が隈なく走査されるのは、電子ビーム２０７による加熱による金属粉体２０４の温度上昇の分布が偏らないようにする目的からである。

ただし、上記動作は、副偏向器３０２の偏向範囲が、図５に示すように、主偏向器３０１による走査の方向に対し垂直な方向に、零でない幅を持つことを前提とする。つまり、副偏向器３０２による偏向の幅が、金属粉体２０４に与えられる熱の分散の広さを決定することになる。この前提が満たされる場合、上記動作を巨視的に見ると、走査速度は変わらずに、電子ビーム２０７の径が大きくなったように見える。本実施形態では、副偏向器３０２の偏向範囲の大きさは２ｍｍ四方であるから、この前提は満たされている。

より詳細には、本実施形態においては、上記幅の分だけ広がった金属粉体２０４の照射領域の、電子ビーム２０７の径に対する比が、金属粉体２０４の温度上昇幅を決定する。これを具体的数値で説明すると、電子ビーム２０７の径が例えば、０．４ｍｍであり、上記幅の分だけ広がった金属粉体２０４の照射領域の幅が２．４（＝０．４＋２．０）であれば、副偏向器３０２の偏向により、同領域の温度上昇幅は、単純計算で１／６（＝０．４／２．４）倍に小さくなる。

上記動作において、主偏向器３０１による金属粉体２０４の走査速度を１０ｍ／ｓとすると、副偏向器３０２による金属粉体２０４の走査速度は、その３６（＝（２．４／０．４）^２）倍、すなわち、３６０ｍ／ｓとすればよい。この走査速度は、金属粉体２０４の、電子ビーム２０７の断面積分の照射を完了させる時間内に、金属粉体２０４の、副偏向器３０２の偏向範囲分の照射を完了させる走査速度である。すなわち、この走査速度にて副偏向器３０２を動作させれば、主偏向器３０１による走査距離が０．４ｍｍ増加するごとに、副偏向器３０２は２．４ｍｍ四方内を照射し終える。その際、副偏向器３０２による走査は、主偏向器３０１による走査の方向がＸ方向であれば、図５（ａ）に示すように、走査速度がＹ方向に速く、Ｘ方向に遅くなるような走査とし、主偏向器３０１による走査方向がＹ方向であれば、図５（ｂ）に示すように、走査速度がＸ方向に速く、Ｙ方向に遅くなるような走査とすればよい。

上記動作における副偏向器３０２による走査は、また、図５（ｃ）に示すように、主偏向器３０１による走査方向がＹ方向であっても、Ｙ方向に走査速度が速く、Ｘ方向に遅くなるような走査としてもよい。これは、副偏向器３０２による上記走査速度、すなわち金属粉体２０４の、電子ビーム２０７の断面積分の照射を完了させる時間内に、同粉体の、副偏向器３０２の偏向範囲分の照射を完了させる走査速度は、主偏向器３０１による走査方向には依存しないことによる。図５（ａ）および図５（ｂ）に示した走査と、図５（ｃ）に示した走査とは、走査軌跡を互いに異にするが、いずれも、上記幅２．４ｍｍ内の金属粉体２０４を隈なく照射する。

また、主偏向器３０１は、金属粉体２０４を溶融させる領域の形状および位置精度に関係があるため、主偏向器３０１は、偏向範囲の形状、回転および大きさの較正、さらには偏向収差の補正を必要とする。しかしながら、副偏向器３０２は、金属粉体２０４の溶融を防止するために最低限必要な走査速度および偏向範囲の大きさを有してさえいればよく、偏向範囲の形状、回転および大きさの較正も、偏向収差の補正も特に必要としない。

さらにまた、本実施形態においては、副偏向器３０２の偏向範囲は、図５に示すように、２次元としたが、図６に示すように１次元としてもよい。この場合、同図に示すように、主偏向器３０１による偏向方向に対し副偏向器３０２のそれを垂直とするとよい。

その場合における副偏向器３０２による金属粉体２０４の走査速度は、上記値３６０ｍ／ｓとしてもよいが、それより遅くしてもよい。これは、１次元偏向時の副偏向器３０２の偏向範囲の面積は２次元偏向時のそれより小さくなり、従って副偏向器３０２の偏向範囲を隈なく走査するのに必要な総走査距離が短くなることによる。ここで、１次元偏向時の副偏向器３０２の偏向範囲の面積は、便宜上、副偏向器３０２による偏向幅と、造形面２０５における電子ビーム２０７の径との積と定義する。

ただし、その際、副偏向器３０２の走査速度をあまり遅くしすぎると、副偏向器３０２により走査される領域が偏り、金属粉体２０４に与えられる熱が効率よく分散されなくなる。その原理は、ある電気信号の波形をオシロスコープ上に表示する際、同信号の周波数（３次元造形装置では副偏向器３０２の走査速度）がそのオシロスコープの掃引周波数（３次元造形装置では主偏向器３０１の走査速度）に対し過度に高いと、同信号の波形は一本の太い線となって表れる（３次元造形装置では熱が高効率で分散する）が、同信号の周波数を低くするにつれ、同信号の波形は本来のその波形となって表れてくる（３次元造形装置では熱が低効率で分散する）原理に同じである。

なお、ここでは主偏向器３０１による走査方向と副偏向器３０２による走査方向とが垂直となる場合で説明したが、両者の角度関係は、これには限定されない。主偏向器３０１の走査方向と副偏向器３０２の走査方向とが任意の角度となってもよい。つまり、副偏向器３０２の偏向範囲が、主偏向器３０１による走査方向に対して垂直な方向に幅を持っていれば、副偏向器３０２による走査方向は斜め方向であってもよい。

本実施形態によれば、金属粉体２０４を溶融させた領域から、金属粉体２０４を溶融させない領域を経由し、新たに金属粉体２０４を溶融させる別の領域へ電子ビーム２０７を移動させる場合、すなわち、複数の連続しない領域の金属粉体２０４を溶融させる場合、副偏向器３０２を動作させることで、これらの領域間の金属粉体２０４の溶融、つまり、意図しない金属粉体２０４の溶融が防止される。

従って、その分だけ、電子ビーム２０７の電力を大きくし、主偏向器３０１による、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度を、主偏向器３０１の最高走査速度に近づけることができる。その際、主偏向器３０１による、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度を、主偏向器３０１による、金属粉体２０４を溶融させない領域の走査速度とともに、主偏向器３０１の最高走査速度に一致させれば、主偏向器３０１による金属粉体２０４の走査速度は、これらの領域の区別によらず、常に最高走査速度となる。

すなわち、副偏向器３０２の導入により、金属粉体２０４を溶融させない領域における、意図しない溶融を防止しつつ、３次元造形装置３００の造形速度を、副偏向器３０２がない場合の造形速度より速くすることができる。ここで、副偏向器３０２がない場合に、３次元造形装置３００の造形速度を制限するのは、金属粉体２０４を溶融させない領域の走査速度であるが、副偏向器３０２がある場合に、造形速度を制限するのは、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度となる。そのため、金属粉体２０４を溶融させない領域が、金属粉体２０４を溶融させる領域に比べて格段に小さく、従って金属粉体２０４を溶融させる領域の走査速度が３次元造形装置３００の実質的造形速度を大きく左右する場合に、造形速度が顕著に向上する。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る３次元造形装置の動作の概要を説明する図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態に係る３次元造形装置３００と比べると、主偏向器３０１への走査信号入力の開始または再開直後に副偏向器３０２を動作させる点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態におけるそれらと同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

図７（ａ）は、主偏向器３０１および副偏向器３０２への走査信号入力および溶融のタイミングを表わす図である。図７（ｂ）は、主偏向器３０１による偏向位置を表わす図である。図７（ｃ）は、主偏向器３０１により走査される領域を表わす図である。

本実施形態は、基本的な動作は第２実施形態と同じである。しかしながら、主偏向器３０１への走査信号入力を開始または再開した直後、主偏向器３０１による走査速度が所望の走査速度より一時的に遅くなっている間、副偏向器３０２を動作させ、電子ビーム２０７を受ける金属粉体２０４に与えられる熱を分散し、温度上昇を抑える点で異なる。

以下、本実施形態における主偏向器３０１および副偏向器３０２の動作を詳細に説明する。金属粉体２０４が主偏向器３０１によりラスター走査される際に、主偏向器３０１および副偏向器３０２に走査信号が入力されるタイミング、および金属粉体２０４溶融するタイミングを図７（ａ）に示した。また、主偏向器３０１による偏向位置と時間との関係を図７（ｂ）に示し、主偏向器３０１により走査される領域を図７（ｃ）に示す。その走査は、図７（ｃ）に示したように、金属粉体２０４を溶融させる領域の走査であり、より詳細には、Ｘ方向の高速の往復走査をＹ方向に少しずつずらして繰り返すことによる走査とする。ただし、図７（ａ）および図７（ｂ）は、便宜上、図７（ｃ）の示す領域内の走査の全てではなく、その一部の様子、具体的には、ある時間帯において、同領域がＸ方向に左端から右端へ走査され、その後、走査の向きが反転するまでの様子を表わす。

図７（ｂ）において、実線７０１は、電子ビーム２０７の実際の偏向位置Ｘと時間との関係を示し、破線７０２は、電子ビーム２０７の理想的な偏向位置Ｘと時間との関係を示す。また、時刻ｔ０以前においては、主偏向器３０１への走査信号入力はＯＦＦになっているが、副偏向器３０２への走査信号入力はＯＮになっており、時刻ｔ０で主偏向器３０１への走査信号入力がＯＮになり、それとともに主偏向器３０１によるＸ方向の走査が始まる。その後、時刻ｔ１で副偏向器３０２への走査信号入力がＯＦＦになり、金属粉体２０４の溶融が始まる。そして、時刻ｔ２で主偏向器３０１への走査信号入力がＯＦＦになり、次に、時刻ｔ３で副偏向器３０２への走査信号入力がＯＮになり、溶融が終わる。さらに、時刻ｔ４でＸ方向の走査信号入力が再びＯＮになり、それとともに主偏向器３０１によるＸ方向の走査が再開する。ただし、このとき、走査の向きの反転のため、これまでとは逆向きの走査信号が入力される。

図７（ｂ）に示したように、主偏向器３０１によるＸ方向の走査を開始した後、すなわち主偏向器３０１へのＸ方向の走査信号入力を開始した後（ｔ０からｔ１の間）、主偏向器３０１による偏向位置（実線７０１）は、理想的な偏向位置（破線７０２）に対して遅れる。そして、その遅れの分だけ、主偏向器３０１による偏向は、主偏向器３０１への走査信号入力を停止した後（ｔ２からｔ３の間）もしばらく継続し、やがてその位置は目標位置に収束する。

上述の動作における主偏向器３０１による走査速度に着目すると、主偏向器３０１への走査信号入力が開始された後（ｔ０からｔ１の間）、図７（ｂ）に示したように、主偏向器３０１の走査速度（実線７０１の勾配）は、理想的な走査速度（破線７０２の勾配）に対し遅くなっている。また、主偏向器３０１の走査速度は、主偏向器３０１への走査信号入力が停止されてからしばらく偏向が継続し、そして走査信号入力が再開された後も（ｔ３からｔ４の間）、遅くなっている。

主偏向器３０１による走査速度がこのように遅くなっている間、電子ビーム２０７を受ける金属粉体２０４は過熱される。この過熱により、意図しない溶融が生じ、その結果、造形精度が損なわれる。また、金属粉体２０４の蒸発量が過剰となり、金属粉体２０４の凝固後に形成される金属層の層厚が減少する。この減少は、金属層の上に新たに金属粉体２０４を敷き詰める工程において補償することができるが、金属粉体２０４の蒸発量が多くなれば、装置内壁に形成される金属蒸着膜が厚くなるのが早くなる。したがって、装置内壁の汚れる速度が速くなるとともに、その金属蒸着膜が剥がれやすくなり、剥がれ落ちた金属蒸着膜が造形面２０５上に落ちれば、そこに位置する金属粉体２０４の溶融が妨げられる。

そこで、図７（ａ）に示すように、主偏向器３０１への走査信号入力を開始および再開した直後に、副偏向器３０２を動作させる。このようにすれば、副偏向器３０２を動作させた時点において電子ビーム２０７を受ける金属粉体２０４に与えられる熱が分散されるので、金属粉体２０４の過熱が抑えられ、上述のような問題の発生を防止できる。ただし、本実施形態においても、第２実施形態と同様に、副偏向器３０２により、その偏向範囲内が隈なく走査される。

本実施形態によれば、主偏向器３０１への走査信号入力を開始および再開した直後、電子ビーム２０７を受ける金属粉体２０４が過熱され、意図しない溶融が生じ、これにより造形精度が損なわれることが、抑制される。

以上に補足すれば、上述の動作においては、主偏向器３０１による走査の向きを反転させる際、その前に一旦走査信号入力を停止し、偏向位置を目標位置に収束させたが、この走査信号入力の停止すなわち偏向位置の収束は、走査の向きを反転させる際に限らず、主偏向器３０１による走査速度を変える際には、逐一実施するとよい。そうすることで、金属粉体２０４を溶融させる領域または溶融させない領域の境界の位置精度が向上し、従って造形精度が向上する。

なお、本実施形態の説明では、主偏向器３０１への走査信号入力の開始または再開した直後に、副偏向器３０２を作動させる例で説明をしたが、副偏向器３０２を作動させるタイミングはこれに限定されない。例えば、主偏向器３０１による走査速度が所定の走査速度に達した後に、所定の走査速度よりも遅くなった場合に、主偏向器３０１による走査速度が所定の走査速度に復帰するまでの間、副偏向器３０２を作動させてもよい。

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置８００は、上記第２実施形態に係る３次元造形装置３００と比べると、副偏向器３０２の配置位置を異にする。その他の構成および動作は、第２実施形態におけるそれらと同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置８００は、副偏向器３０２を、電子銃２０１とレンズ２０２との間に位置させている。すなわち、主偏向器３０１と副偏向器３０２との間にレンズ２０２が挟まっている構成となっている。ここで、主偏向器３０１は、レンズ２０２よりも造形面２０５に近い側に設ければよいが、副偏向器３０２は、主偏向器３０１よりも電子銃２０１に近い側に設ければよい。なぜならば、主偏向器３０１は、電子ビーム２０７の造形面２０５への入射位置を決めるため、収差を抑えることを求められるが、副偏向器３０２は、電子ビーム２０７を分散させることができればよく、収差の低減を求められないからである。レンズ２０２よりも電子銃２０１に近い側に主偏向器３０１または副偏向器３０２が設けられると、それによる電子ビーム２０７の偏向とともに、電子ビーム２０７の軌道がレンズ２０２の中心軸からずれ、そのずれに起因する新たな収差が生じる。

また、副偏向器３０２をレンズ２０２の上側に設ける場合には、レンズ２０２によって電子ビーム２０７の軌道が回転するので、その分だけ副偏向器３０２を回転させて配置するのが好ましい。本実施形態によれば、第２実施形態によったときと同様に、３次元構造物の造形速度を向上させることができる。

［第５実施形態］
次に本発明の第５実施形態に係る３次元造形装置について、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置９００は、上記第２実施形態に係る３次元造形装置３００と比べると、レンズを２つ備える点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態におけるそれらと同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。３次元造形装置９００は、電子銃２０１と副偏向器３０２との間に２つのレンズ２０２、９０１を備える。主偏向器３０１は、レンズが複数ある場合でも、レンズよりも造形面２０５に近い側に設ければよい。

本実施形態によれば、第２実施形態によったときと同様に、３次元構造物の造形速度を向上させることができ、さらに、造形面２０５における電子ビーム２０７の開き角を変え、それにより造形面２０５における電子ビーム２０７の径を調節することができる。なお、本実施形態では、レンズが２枚の例で説明をしたが、レンズの枚数はこれに限定されない。レイアウト上の制約が許す限り、３枚以上のレンズを設けることもできる。

［第６実施形態］
第６実施形態は基本的に、上記第２実施形態に係る３次元造形装置３００と構成を同じくするが、３次元造形装置３００では、主偏向器３０１の数は１つであったのに対し、本実施形態では、その数を２つとする。本実施形態で用いる３次元造形装置１０００の構成図を、図１０に示す。

図１０から分かるように、３次元造形装置１０００は、主偏向器として、主偏向器３０１に加えて主偏向器３０１’を備えている。主偏向器３０１’は、主偏向器３０１と同様に、電磁型の多極子偏向器である。主偏向器３０１’の偏向範囲の形状は、正方形である。

３次元造形装置１０００において、主偏向器３０１、主偏向器３０１’、および副偏向器３０２の偏向範囲の大きさは、それぞれ、２００ｍｍ、２０ｍｍ、２ｍｍ四方である。すなわち、主偏向器３０１の偏向範囲が最も大きく、次に主偏向器３０１’の偏向範囲が大きく、副偏向器３０２の偏向範囲が最も小さい。

３次元造形装置１０００は、さらに、主偏向制御部３０５’を備えている。主偏向制御部３０５’は、主偏向器３０１’および中央制御部３０７に接続されている。

本実施形態は基本的に第２実施形態と動作を同じくするが、本実施形態では、第２実施形態の動作に、主偏向器３０１’の動作が加わる。主偏向器３０１’は、主偏向制御部３０５’を介して、中央制御部３０７により制御される。

本実施形態における主偏向器３０１、主偏向器３０１’ 、および副偏向器３０２の役目を簡単に述べれば、主偏向器３０１は、自身の偏向範囲内にて主偏向器３０１’の偏向範囲を移動させ、主偏向器３０１’は、自身の偏向範囲内の、金属粉体２０４を溶融させる領域または溶融させない領域を走査し、副偏向器３０２は、金属粉体２０４を溶融させない領域にて、金属粉体２０４に与えられる熱を分散する。ただし、副偏向器３０２は、金属粉体２０４を溶融する領域であっても、主偏向器３０１または主偏向器３０１’への走査信号入力を開始または再開した後に走査速度が所望の走査速度より一時的に遅くなっている間、動作する。副偏向器３０２のこの動作は、先に第３実施形態に対して述べた副偏向器３０２のそれと同様である。

本実施形態における、主偏向器３０１による偏向、主偏向器３０１’による偏向範囲、主偏向器３０１’による走査、副偏向器３０２による走査の様子を図１１に示す。

上記動作において、主偏向器３０１、主偏向器３０１’、および副偏向器３０２による走査速度は、それぞれ、１０ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、３６０ｍ／ｓである。すなわち、副偏向器３０２による走査速度が主偏向器３０１、３０１’による走査速度に比べて速く、主偏向器３０１による走査速度と主偏向器３０１’による走査速度とが互いに等しい。

主偏向器３０１’の偏向範囲を先述のように主偏向器３０１のそれより小さくするならば、主偏向器３０１’を構成するコイルのインダクタンスを減らし、主偏向器３０１’の応答を速くすることができる。すなわち、主偏向器３０１’の走査速度が所望の走査速度より一時的に遅くなっている時間を、短くすることができる。主偏向器３０１’の走査速度が一時的に遅くなっている時間、すなわち副偏向器３０２を動作させている時間は、金属粉体２０４を溶融していない時間であるから、その時間が短くなれば、造形速度が向上する。

その向上の度合いは、主偏向器３０１’の応答が遅くなりすぎない限り、その偏向範囲が大きくなるとともに、顕著となる。これは、主偏向器３０１’の偏向範囲が大きくなれば、主偏向器３０１による走査速度が所望の走査速度より一時的に遅くなっている時間は毎回不変であるものの、同時間の出現回数が減ることによる。

上記理由より、本実施形態においては、第２実施形態によったときと同様、副偏向器３０２の導入により、金属粉体２０４を溶融させない領域における、意図しない溶融を防止しつつ、造形速度を速くすることができるのに加え、主偏向器３０１’の導入により、造形速度をさらに速くすることができる。

本実施形態における主偏向器３０１、主偏向器３０１’、および副偏向器３０２の動作を時間軸に沿って説明するため、主偏向器３０１により主偏向器３０１’の偏向範囲が移動され、次いで主偏向器３０１’により金属粉体２０４が１次元方向（Ｘ方向）に走査されるという一連の動作において、主偏向器３０１、主偏向器３０１’、および副偏向器３０２に走査信号が入力されるタイミング、および金属粉体２０４が溶融するタイミングを図１２（ａ）に、主偏向器３０１による偏向位置と時間との関係、および主偏向器３０１’による偏向位置と時間との関係を図１２（ｂ）に、主偏向器３０１’により走査される領域を図１２（ｃ）に示す。

その走査は、図１２（ｃ）から分かるように、金属粉体２０４を溶融させる領域から、金属粉体２０４を溶融させない領域を経由し、新たに金属粉体２０４を溶融させる別の領域へ、電子ビーム２０７を移動させる走査である。より詳細には、その移動の時点は、金属粉体２０４を溶融させる最初の領域内を隈なく走査した後とし、その移動の方向は、Ｘ方向とする。

ただし、説明の簡単のため、図１２には、走査信号入力が開始された後にそれらによる走査速度が所望の速度より一時的に遅くなることは、反映させていない。すなわち、便宜上、主偏向器３０１および主偏向器３０１’の応答は非常に速いものとする。

上記一連の動作において、主偏向器３０１’は、図１２（ａ）から分かるように、主偏向器３０１により主偏向器３０１’の偏向範囲が移動されている間は、動作しないが、同移動の完了後は、自身の偏向範囲内の、金属粉体２０４を溶融させる領域（一辺２４ｍｍ以下）および溶融させない領域を走査する。ここで、金属粉体２０４を溶融させない領域を走査するのは、先に第２実施形態に対して述べたように、金属粉体２０４を溶融させた領域から、金属粉体２０４を溶融させない領域を経由し、新たに金属粉体２０４を溶融させる別の領域へ電子ビーム２０７を移動させるためである。

これに補足すれば、上記一連の動作において、主偏向器３０１により主偏向器３０１’の偏向範囲が移動されている間、主偏向器３０１’は動作しないが、実際には、その間も主偏向器３０１’を動作させる必要が生じうる。これは、同偏向範囲の移動の開始直前における、主偏向器３０１’による走査の終了位置に相当する偏向座標（偏向範囲内にて定義される座標）は、同偏向範囲の移動の完了直後における、同偏向器による走査の開始位置に相当する偏向座標とは、通常は異なり、従って同偏向範囲の移動の間に、電子ビーム２０７を、同開始位置に相当する偏向座標に偏向しておく必要があることによる。

一方、副偏向器３０２は、上記一連の動作において、同じく図１２（ａ）から分かるように、主偏向器３０１および主偏向器３０１’の区別によらず、金属粉体２０４を溶融させない領域がこれらのいずれかにより走査されている間に、自身の偏向範囲内を隈なく走査する。ここで、副偏向器３０２の走査範囲は、先に第２実施形態に対して述べたように、２次元としてもよく、また１次元としてもよい。

以上で述べたように、本実施形態においては、第２実施形態によったときと同様、副偏向器３０２を用いることで、金属粉体２０４を溶融させない領域における、意図しない溶融を防止しつつ、造形速度を速くすることができるのに加え、主偏向器３０１’を用いることで、造形速度をさらに速くすることができる。

以上に補足すれば、本実施形態では主偏向器の数を２つとしたが、これを３つ以上とすることも考えられる。例えば３つの主偏向器を用い、これらを主偏向器３０１、主偏向器３０１’、および主偏向器３０１’’と称せば、主偏向器３０１により主偏向器３０１’の偏向範囲を移動させ、主偏向器３０１’により主偏向器３０１’’の偏向範囲を移動させ、主偏向器３０１’’により自身の偏向範囲内の、金属粉体２０４を溶融させる領域または溶融させない領域を走査すればよい。そのうえで、副偏向器３０２により、金属粉体２０４を溶融させない領域にて同粉体に与えられる熱を分散すればよい。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置は、
電子ビームを発生させる電子銃と、
前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる少なくとも１つの第１偏向器と、
前記電子銃と前記第１偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
前記電子銃と前記第１偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第２偏向器と、
前記第１偏向器および前記第２偏向器による偏向方向および走査速度を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記電子ビームが、粉体を溶融させない領域を走査する場合は、前記第１偏向器および前記第２偏向器を作動させ、前記電子ビームが、前記粉体を溶融させる領域を走査する場合は、前記第１偏向器を作動させ、
前記制御手段は、前記第２偏向器による走査速度が、前記第１偏向器による走査速度よりも速くなるように、前記第１偏向器および前記第２偏向器を制御し、
前記粉体を溶融させない領域にて、前記電子ビームが前記粉体に与える熱を前記第２偏向器による走査により造形面上で分散することで、前記粉体の意図されない溶融を防止することを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置の制御方法は、
電子ビームを発生させる発生ステップと、
前記電子ビームが、前記粉体を溶融させる領域および前記粉体を溶融させない領域を走査する場合に、第１偏向器により前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第１偏向ステップと、
前記電子ビームが、前記粉体を溶融させない領域を走査する場合に、前記電子ビームを前記第１偏向ステップで偏向させた偏向方向とは異なる方向に、さらに第２偏向器により１次元偏向または２次元偏向させ、前記電子ビームが前記粉体に与える熱を造形面上で分散する第２偏向ステップと、
を含むことを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置の制御プログラム
は、
電子ビームを発生させる発生ステップと、
前記電子ビームが、前記粉体を溶融させる領域および前記粉体を溶融させない領域を走査する場合に、第１偏向器により前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第１偏向ステップと、
前記電子ビームが、前記粉体を溶融させない領域を走査する場合に、前記電子ビームを前記第１偏向ステップで偏向させた偏向方向とは異なる方向に、さらに第２偏向器により１次元偏向または２次元偏向させ、前記電子ビームが前記粉体に与える熱を造形面上で分散する第２偏向ステップと、
をコンピュータに実行させることを特徴とする。

Claims (10)

1. 電子ビームを発生させる電子銃と、
   前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる少なくとも１つの第１偏向器と、
   前記電子銃と前記第１偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
   前記電子銃と前記第１偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第２偏向器と、
   を備えたことを特徴とする３次元造形装置。
2. 前記第１偏向器および前記第２偏向器による偏向方向および走査速度を制御する制御手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記第２偏向器による前記電子ビームの偏向方向が、前記第１偏向器による前記電子ビームの偏向方向とは異なる偏向方向となるように、前記第２偏向器による前記電子ビームの偏向方向を制御することを特徴とする請求項１に記載の３次元造形装置。
3. 前記第２偏向器は、前記電子銃と前記レンズとの間に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元造形装置。
4. 前記第２偏向器は、前記レンズと前記第１偏向器との間に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元造形装置。
5. 前記制御手段は、前記第１偏向器による前記電子ビームの偏向方向と、前記第２偏向器による前記電子ビームの偏向方向とが、垂直となるように前記第１偏向器および前記第２偏向器による偏向方向を制御することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の３次元造形装置。
6. 前記制御手段は、
   前記電子ビームが、粉体を溶融させない領域を走査する場合は、前記第１偏向器および前記第２偏向器を作動させ、
   前記電子ビームが、前記粉体を溶融させる領域を走査する場合は、前記第１偏向器を作動させることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の３次元造形装置。
7. 前記制御手段は、前記電子ビームが、前記粉体を溶融させる領域を走査する場合に、前記第１偏向器による走査速度が、所定の走査速度に達していない間は、前記第２偏向器を作動させることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の３次元造形装置。
8. 前記制御手段は、前記第２偏向器による走査速度が、前記第１偏向器による走査速度よりも速くなるように、前記第１偏向器および前記第２偏向器を制御することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の３次元造形装置。
9. 電子ビームを発生させる発生ステップと、
   前記電子ビームが、前記粉体を溶融させる領域を走査する場合に、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第１偏向ステップと、
   前記電子ビームが、前記粉体を溶融させない領域を走査する場合に、前記電子ビームを前記第１偏向ステップで偏向させた偏向方向とは異なる方向に、さらに１次元偏向または２次元偏向させる第２偏向ステップと、
   を含むことを特徴とする３次元造形装置の制御方法。
10. 電子ビームを発生させる発生ステップと、
    前記電子ビームが、前記粉体を溶融させる領域を走査する場合に、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる第１偏向ステップと、
    前記電子ビームが、前記粉体を溶融させない領域を走査する場合に、前記電子ビームを前記第１偏向ステップで偏向させた偏向方向とは異なる方向に、さらに１次元偏向または２次元偏向させる第２偏向ステップと、
    をコンピュータに実行させることを特徴とする３次元造形装置の制御プログラム。

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