WO2018131109A1

WO2018131109A1 - 三次元積層造形装置の電子ビームカラム、三次元積層造形装置、および三次元積層造形方法

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Publication number: WO2018131109A1
Application number: PCT/JP2017/000770
Authority: WO
Inventors: 新一濱口; 慎二菅谷; 高橋　正幸; 昌弘瀧澤
Original assignee: 株式会社アドバンテスト
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-07-19
Also published as: CN109716480A; CN109716480B; US11458561B2; US20190337085A1

Abstract

【課題】ビーム形状が異なる複数の電子ビームで、粉末層の表面の略同じ範囲を同時に照射する三次元積層造形装置を提供する。【解決手段】三次元積層造形装置（１００）の電子ビームカラム（２００）は、異方的なビーム発生部を有する電子源を含む複数の電子源（２０）と、電子源（２０）から出力された電子ビームの粉末層（６２）の表面（６３）におけるビーム形状を変形させるビーム形状変形素子（３０）とを備える。電子ビームカラム（２００）が備える偏向器（５０）は、複数の電子源（２０）のそれぞれから出力された電子ビームを、偏向器（５０）を通過する前の電子ビームのビーム間隔より大きい距離で偏向する。これらにより、当該電子ビームカラム（２００）を備える三次元積層造形装置（１００）は、粉末層（６２）の表面（６３）の略同一の範囲をビーム形状が異なる複数の電子ビームで同時に照射しながら、粉末層（６２）を溶融凝固させて三次元構造物（６６）を形成する。

Description

三次元積層造形装置の電子ビームカラム、三次元積層造形装置、および三次元積層造形方法

本発明は、三次元積層造形装置の電子ビームカラム、三次元積層造形装置、および三次元積層造形方法に関する。

金属材料などからなる粉末層の表面の所定範囲に電子ビームを照射して、粉末層の一部を溶融凝固させた断面層を形成し、その断面層を積み重ねることで三次元構造物を造形する三次元積層造形装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、三次元積層造形装置が備える電子ビームカラムの構成例が知られている（例えば、特許文献３、４参照）。

米国特許第７，４５４，２６２号米国特許第８，１８７，５２１号特開２０１５－１６７１２５号公報特開２０１５－１９３８８３号公報米国特許第９，４１５，４４３号

従来の三次元積層造形装置では、粉末層の表面を溶融しない程度の強度の電子ビームで照射して予熱を行う予備照射を行なった後、粉末層を溶融させる強度の電子ビームを照射（溶融照射）させて断面層を形成している。
電子ビームによる予備照射及び溶融照射を行う場合には、照射条件が大きく異なるため、例えば電子銃の制御電極の電圧を制御することによりビーム電流値を変えて対応するなどの手段がとられている（例えば、特許文献３参照）。
しかし、電子源のビーム電流値を変えると電子ビームの発生に係る電子源の特性が複雑に変化し電子ビームの再現性が低下してしまうこと、及び電子ビームが安定化するまでに待ち時間が必要となり処理速度が低下するといった課題があった。

本発明の第１の様態においては、所定の加速電圧に加速された第１の電子ビームを出力する第１の電子源と、所定の加速電圧に加速された第２の電子ビームを出力する第２の電子源と、前記第１の電子ビームの断面形状を変形させる第１のビーム形状変形素子と、前記第２の電子ビームの断面形状を変形させる第２のビーム形状変形素子と、前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームを収束させる電磁レンズと、前記第１の電子ビームと第２の電子ビームの間隔よりも広い偏向可能範囲の中で前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームの照射位置を調整する偏向器と、を有する三次元積層装置用の電子ビームカラムが提供される。
また、本発明の第２の様態においては、上記の電子ビームカラムと、粉末層を保持する造形容器と、前記造形容器の表面に新たな粉末層を供給する粉末供給装置と、三次元構造物の造形データをもとに前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームを同時に照射して前記粉末層の所定範囲を溶融凝固させる制御部と、を備える三次元積層造形装置が提供される。
本発明の第３の様態においては、粉末層を供給する工程と、前記粉末層を溶融可能な電子ビーム密度の第１の電子ビームで造形領域を走査させて溶融照射させつつ、前記第１の電子ビームよりも広い断面に整形した第２の電子ビームで前記造形領域よりも広い領域を予備照射する第１の照射工程と、前記第２の電子ビームを絞り込んで前記粉末層を溶融可能な電子ビーム密度として前記造形領域の縁に沿って走査させることで前記造形領域の縁取り照射する第２の照射工程と、を行う三次元積層造形方法が提供される。
尚、上記の発明の概要は、本発明に必要な特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

図１は、第１実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を示す。図２は、第１実施形態に係る電子源２０および電子源制御ユニット１２０の構成例を示す。図３（ａ）～（ｃ）は、第１実施形態に係る電子源２０のカソード部２２、電子放出面２３、および加熱部２６の構成例を示す図である。図４は、本実施形態に係る電子源２０のカソード部２２、電子放出面２３および制御電極２４の構成例を示す底面図である。図５は、電子源２０から出力された電子ビームの幾何光学図である。図６は、粉末層の表面を照射する電子ビームの断面形状を示す図である。図７は、ビーム形状変形素子を制御する変形素子制御ユニット１３０の構成を示す図である。図８は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームが、共通な偏向器５０によって粉末層の表面内方向に偏向される範囲を示す図である。図９（ａ）、（ｂ）は第１の電子ビーム及び第２の電子ビームの断面形状を示す図である。図１０は、電子ビームによって照射される粉末層の表面の範囲、及びその範囲を照射する電子ビームを示す図である。図１１は、三次元積層造形装置１００の積層造形動作を示すフローチャートである。図１２は、三次元積層造形装置１００の第１の照射工程のフローチャートである。図１３は、三次元積層造形装置１００の第２の照射工程のフローチャートである。図１４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第１の電子ビームおよび第２の電子ビームの断面形状を示す図である。図１５は、第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００において、電子ビームによって照射される粉末層の表面の範囲、及びその範囲を照射する電子ビームを示す図である。図１６は、第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第１の照射工程のフローチャートである。図１７は、第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第２の照射工程のフローチャートである。図１８（ａ）、（ｂ）は、第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第１の電子ビームおよび第２の電子ビームの断面形状を示す図である。図１９は、第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００において、電子ビームによって照射される粉末層の表面の範囲、及びその範囲を照射する電子ビームを示す図である。図２０は、第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第１の照射工程のフローチャートである。図２１は、第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第２の照射工程のフローチャートである。図２２は、第４の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の電子ビームカラム２１０の構成例を示す図である。図２３は、第５の実施形態に係る三次元積層造形装置５００の電子ビームカラム２２０の構成例を示す図である。図２４は、図２３の電子ビームカラム２２０の照射範囲を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を示す。三次元積層造形装置１００は、電子ビームカラム２００、造形部３００、および制御部４００を備える。
制御部４００は、制御信号を出力して、電子ビームカラム２００が出力する電子ビームを制御し、造形部３００に設置された例えば金属材料の粉末からなる粉末層６２の表面６３の所定範囲を電子ビームで照射する。
このようにして照射された電子ビームで粉末層６２の一部を溶融凝固させて断面層６５を形成し、断面層６５を積層してゆくことによって三次元構造物６６を造形する。
電子ビームカラム２００は、電子ビームを出力する複数の電子源２０を備える。電子源２０は、熱または電界の作用によって電子を発生する。電子源２０は、発生された電子を予め定められた加速電圧（一例として、６０ＫＶ）で－Ｚ方向に加速し、電子ビームとして出力する。図１に示す電子ビームカラム２００では、２個の電子源２０がそれぞれ第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを出力する例を示す。
なお、本実施形態において電子源２０の数は２個に限定されるものではなく、３個以上であってもよい。この場合には、第１の電子ビームとは、主に粉末層６２の断面層を溶融凝固させるために用いられる電子ビームをいうものとし、第２の電子ビームは縁取り照射又は予備照射を行うために用いられる電子ビームをいうものとする。
以下、説明の簡単のために、電子源２０及び電子ビームの数が２である場合を例に説明する。
第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのＸＹ面内方向の間隔は例えば６０ｍｍ以下であり、一例として略３０ｍｍである。２個の電子源２０に印加される高電圧はともに６０ＫＶであり、等しい加速電圧であるため、電子源２０を略３０ｍｍの間隔に近接させて配置することが可能である。
後述するように、電子源２０は、高温に加熱された電極の先端から電子を放出する熱電子放出型の電子銃を備え、その電子銃の電極の先端部は、長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる異方的な電子放出面を有する。このような電子銃から放出される電子ビームは異方的な断面形状を有している。
図１に示す例では、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを出力する電子源２０はともに、異方的な電子放出面を有する電子源２０である。
なお、電子源２０の何れか一方は、例えば円形や正方形などの等方的な形状の電子放出面を有する電極としてもよい。等方的な形状の電子放出面を有する電極を備えた電子源２０から放出される電子ビームは、等方的な断面形状となる。
本実施形態では、２つの電子源２０が共に異方的な電子放出面から電子を放出する電子源２０である例で説明する。
ビーム形状変形素子３０は、電子源２０から出力された電子ビームの断面形状を変形させる。図１に示す例では、異方的な電子源２０から出力された電子ビームは、ビーム形状変形素子３０によって、その断面形状が変形される。
このビーム形状変形素子３０は、Ｚ軸方向に通過する電子ビームの進行方向に沿って、多重極子を複数段配置した素子であってよい。多重極子が形成する電場（または磁場）のＸＹ面内における対称の中心は、電子ビームの通過経路と一致する。
多重極子としては、例えば、静電四重極を用いることができる。静電四重極子は、Ｘ軸方向に対向する電場を発生する２つの電極とＹ軸方向に対向する電場を発生する２つの電極とを備える。
なお、多重極子は静電四重極子に代えて電磁四重極子であってもよい。その電磁四重極子は、電子ビームが通過するＺ軸を挟んで、（Ｘ＋Ｙ）方向に対向する磁場を発生する２つの電磁コイル、および（Ｘ－Ｙ）方向に対向する磁場を発生する２つの電磁コイルを備えるものであればよい。
電子レンズ４０は、レンズ軸の回りに巻いたコイルと、コイルを取り囲みレンズ軸に関して軸対称な間隙を有する磁性体部（ヨーク）とから構成される。この電磁レンズ４０は、レンズ軸上にレンズ軸方向を向いた局所的な磁場を発生する。図１に示す第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのそれぞれは、電磁レンズ４０のレンズ軸に沿って電子ビームカラム２００を通過する。電磁レンズ４０が励磁するレンズ磁場は、レンズ軸に略一致する経路に沿って通過する電子ビームを収束させるレンズ作用を及ぼす。
偏向器５０は、電子ビームを偏向することにより造形部３００に設置された粉末層６２の表面６３内方向の電子ビームの照射位置を調整する。偏向器５０は、複数の電子ビームを同時に偏向する共通の偏向器であってよい。これに代えて、偏向器５０は、複数の電子ビームを個別に偏向する、電子ビーム毎に別々の偏向器であってもよい（図２２参照）。
複数の電子ビームを同時に偏向する共通の偏向器５０は、電磁偏向器５０であることが望ましい。複数の電子ビームを同時に偏向するためには、それぞれの電子ビームの通過経路であるＺ軸方向に沿って、略同じ強度で略同じ向きのＸＹ面内方向の偏向場を発生する必要がある。電磁偏向器５０の場合、このような偏向場を発生するには、複数の電子ビームの通過経路の回りにそれら全体を取り囲むように偏向コイルを配置すればよいからである。
電磁偏向器５０の偏向コイルは、Ｘ方向およびＹ方向に独立な偏向磁場を発生する２組の偏向コイルを備える。それぞれの偏向コイルは、ＸＹ面内で、直径略１００ｍｍの円周上に配置された円弧状の巻線を有するサドル型の偏向コイルであってよい。第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのそれぞれは、偏向コイルが作る磁場により、粉末層６２の表面６３内で数μｍ程度の誤差で略同じ方向および略同じ距離に偏向されるからである。
また、電磁偏向器５０は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのそれぞれを粉末層６２の表面６３内で１５０ｍｍ以上偏向するように、偏向コイルの巻線数および偏向コイルに流す電流値を設定してよい。即ち、偏向距離の上限が１５０ｍｍ以上であってよい。偏向距離の上限とは、電子ビームが偏向されていないとき、および最も大きく偏向されたとき、のそれぞれにおける粉末層６２の表面６３のビーム照射位置間の距離である。
複数の電子源２０のそれぞれから出力された電子ビームが粉末層６２の表面６３内方向に偏向される距離の上限（この場合１５０ｍｍ）を、偏向器５０を通過する前の複数の電子源２０から出力された電子ビームどうしのビーム間隔（この場合３０ｍｍ）より大きくする。
これにより、当該複数の電子ビームの偏向範囲のうち共通する部分（重なり部分）は、複数の電子ビームのそれぞれによって照射可能となる。このように、共通する偏向範囲を有する複数の電子ビームを予備照射と溶融照射とに使い分けることで、頻繁に電子ビームの形状を変形する必要がなくなり、ビームの安定性及び再現性を高めることができる。
図１に断面の構成例を示す造形部３００は、粉末供給部６４から供給される粉末試料６８は造形容器に保持される。造形容器は、底面部７２および側壁部７４を備える。粉末供給部６４から供給される粉末試料６８は、粉末供給部６４の摺り切り動作により側壁部７４の内側で平坦化されて、底面部７２の上面と略平行な粉末層６２を形成する。粉末層６２の上面であって電子ビームで照射される面を表面６３と呼ぶ。
底面部７２の高さは、駆動部８２と駆動棒８４とによってＺ軸方向に可動となっている。底面部７２のＺ軸方向の高さは、三次元構造物６６を覆う粉末層６２の表面６３が電子ビームで照射される時には略同じ高さになるように設定される。電子ビームの照射によって溶融凝固された粉末層６２の一部は断面層６５を形成し、三次元構造物６６に積層される。積層される断面層６５以外の粉末層６２は、三次元構造物６６の回りに粉末試料６８のまま蓄積される。
電子ビームが通過する電子ビームカラム２００の内部空間、および電子ビームによって照射される粉末層６２の表面６３付近の空間は、所定の真空度に排気される。電子ビームは、大気中では気体分子と衝突してエネルギーを失ってしまうからである。
三次元積層造形装置１００は、電子ビームの通過経路を排気するために排気ユニット（図示せず）を備える。
三次元積層造形装置１００の制御部４００に含まれるＣＰＵ１１０は、三次元積層造形装置１００の全体の動作を制御する。ＣＰＵ１１０は、ユーザからの操作指示を入力する入力端末の機能を有するコンピュータまたはワークステーション等であってよい。ＣＰＵ１１０は、バス１１２を介して、制御部４００に含まれる電子源制御ユニット１２０、変形素子制御ユニット１３０、レンズ制御ユニット１４０、偏向制御ユニット１５０、および高さ制御ユニット１６０と接続される。
制御部４００に含まれるそれぞれの制御ユニットは、ＣＰＵ１１０から受けとる制御信号等に応じて、電子ビームカラム２００および造形部３００の各部分を個別に制御する。また、制御部４００に含まれるそれぞれの制御ユニットは、バス１１２を介して外部記憶部１１４と接続されており、外部記憶部１１４に記憶された造形データを授受する。造形データは、装置１００が造形すべき三次元構造物６６の高さ方向と直交する平面で構造物６６を切断したときに得られる断面の形状と対応しており、三次元構造物６６の断面ごとに電子ビームによって粉末層６２の表面６３を照射して溶融凝固させる範囲を規定するデータである。ここで、三次元構造物６６の高さ方向は、図１のＺ軸方向と対応する。また、高さ方向と直交する平面は、図１のＸＹ平面に平行な平面と対応する。
電子源制御ユニット１２０は、電子源２０に電子ビームの加速電圧を印加する。電子源制御ユニット１２０は、電子源２０に例えば熱電子を発生させるためのヒータの加熱電流を出力する。電子源制御ユニット１２０は、電子源２０に電子ビームの制御電圧を出力する。電子源制御ユニット１２０および電子源２０の構成は、後程詳しく説明する。
変形素子制御ユニット１３０は、ビーム形状変形素子３０の多重極子に電圧または電流を出力する。ビーム形状変形素子が静電四重極子の場合、変形素子制御ユニット１３０は、例えば、Ｘ軸方向に対向する２つの電極およびＹ軸方向に対向する２つの電極に電圧を出力する。また、ビーム形状変形素子が電磁四重極子の場合、変形素子制御ユニット１３０は、（Ｘ＋Ｙ）方向に対向する２つの電磁コイル、および（Ｘ－Ｙ）方向に対向する２つの電磁コイルに流す電流を出力する。変形素子制御ユニット１３０は、出力電圧または出力電流の大きさを設定することによって、造形部３００の粉末層６２の表面６３を照射する電子ビームの断面形状を設定する。
レンズ制御ユニット１４０は、電磁レンズ４０のコイル部に流す電流を出力する。レンズ制御ユニット１４０は、コイル部に流す出力電流の大きさを設定することによって、電磁レンズのレンズ強度を設定する。
偏向制御ユニット１５０は、外部記憶部１１４に記憶された造形データをもとに、粉末層６２ごとの電子ビームの偏向データを生成する。偏向制御ユニット１５０は、例えば、図１に示す電磁偏向器５０のＸ軸方向およびＹ軸方向への偏向に係る２組の偏向コイルを駆動し、粉末層６２の表面６３内の偏向データで決まる位置に電子ビームを照射するための偏向磁場を発生させる。
高さ制御ユニット１６０は駆動部８２を制御し、駆動棒８４のＺ軸方向の長さと底面部７２の高さとを設定する。高さ制御ユニット１６０は、粉末層６２の溶融凝固による断面層６５の形成が終わったあと、新たな粉末層６２を供給するたびに、その新たな層の厚さ分だけ底面部７２を下げて、三次元構造物６６を覆う新たな粉末層６２の表面６３であるビーム照射面の高さを略一定の高さに維持する。三次元構造物６６のＺ軸方向の高さは、断面層６５が積層されるごとに増加するためである。
複数の電子源２０を有する電子ビームカラム２００を備える三次元積層造形装置１００の実施形態を説明する前に、長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる異方的な電子放出面を有する一つの電子源２０と、それに付随するカラム構成および電子ビームの特性とについて説明する。
以降の説明では、ビーム形状変形素子３０は、Ｘ軸方向に対向する電場を発生する２つの電極とＹ軸方向に対向する電場を発生する２つの電極とを備える静電四重極子から構成される場合について説明する。ビーム形状変形素子３０を構成する多重極子が（Ｘ＋Ｙ）方向に対向する磁場を発生する２つの電磁コイルと（Ｘ－Ｙ）方向に対向する磁場を発生する２つの電磁コイルとを備える場合も、電極を電磁コイル、および電圧を電流などと読み替えることによって、以降の説明が略そのまま適用される。
図２は、電子源２０の構成例、および電子源２０を制御する電子源制御ユニット１２０を示す。電子源２０は、カソード部２２と、カソード部２２の先端に電子を発生する電子放出面２３と、電子放出面２３から電子を放出させるための加熱部２６と、を有する。加熱部２６は、例えばグラファイトからなるヒータであり、カソード部２２全体を加熱し熱電子を発生させる。電子源２０は、電子放出面２３に近接して、電子を通過させるための開口２５を備えた制御電極２４を有する。制御電極２４は、開口２５を通過する電子ビーム量を制御する。
電子源２０のこれらの構成要素は、接地部２７から、絶縁部２９によって絶縁されている。カソード部２２と接地部２７との間には、電子ビームを加速するための加速電圧が印加される。接地部２７は、電子ビームを通過させるための開口２８を有する。開口２８は、制御電極２４の開口２５を通過後、接地部２７に向けて加速された電子ビームのうち、放射角度が所定の範囲内にある電子ビームを通過させる。電子源２０は、接地部２７の開口２８を通過した電子ビームを、電子源２０以降の電子ビームカラム２００に出力する。
電子源制御ユニット１２０は加速電圧電源を備える。加速電圧電源は、絶縁部２９で絶縁されたカソード部２２、加熱部２６および制御電極２４の全体に加速電圧を印加する。本実施形態における加速電圧は、例えば６０ＫＶである。電子源２０から出力される電子ビームは、６０ＫＶに加速される。
電子源制御ユニット１２０は加熱電流電源を備える。加熱電流電源は、電子源２０のカソード部２２を加熱するため、カソード部２２を両側から挟んでいる加熱部２６を含む回路に電流を出力する。電子源制御ユニット１２０は、加熱部２６に出力される電流および加熱部２６の両端に発生する電圧を検出し、加熱電流電源を制御してよい。
電子源制御ユニット１２０は制御電極電源を備える。制御電極電源は、加速電圧が印加された電位上で、例えば電子ビーム量を制御するための電圧を制御電極２４に出力する。制御電極電源は、電子源２０が出力する電子ビーム電流値を検出し、ビーム電流値を一定にするように制御電極２４を制御してよい。
図３は、電子源２０のカソード部２２、電子放出面２３、および加熱部２６の構成例を示す。図３（ａ）は、カソード部２２、電子放出面２３、および加熱部２６の一部を示すＸＺ面内の正面図である。図３（ｂ）は、カソード部２２、電子放出面２３、および加熱部２６の一部を示す斜視図である。さらに、図３（ｃ）は、電子ビームが進行する方向から見た、カソード部２２、電子放出面２３、および加熱部２６の一部を示す底面図である。図３は、電子放出面２３の短手方向をＸ軸方向に、電子放出面２３の長手方向をＹ軸方向に、および電子ビームの出射方向をＺ軸方向に示した。
カソード部２２は、例えば、六ほう化ランタン（ＬａＢ６）の結晶を円柱形に成形したものを材料とする。カソード部２２は、円柱の端部が楔状に加工された形状を有する。楔の先端は、長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる、異方的な電子放出面２３を有する。
このような形状を有するカソード部２２を、加熱部２６を通して加熱したとき、長手方向とそれに直交する短手方向とで異なる幅を有する電子放出面２３は、例えば熱電子を発生する。発生された電子は、制御電極２４で制御され、接地部２７との間に印加された加速電圧によって加速され、接地部２７の開口２８を通過して、電子源２０から出力される。
電子源２０は、長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる異方的な電子放出面２３を有することによって、当該短手方向と略等しい幅の等方的な発生部を有する電子源に比べて、より大きな電子ビーム電流値を出力できる。異方的な電子放出面２３を有する電子源２０は、短手方向と略等しい幅の等方的な電子放出面を有する電子源よりも、電子ビームを発生する部分の面積が大きく、発生される電子ビームの電流値も大きくなるからである。
カソード部２２の円柱の直径は、５００μｍ以上であることが望ましい。加熱部２６を通して加熱したとき、カソード部２２の先端の電子放出面２３の温度を略一様に上昇させ、電子放出面２３から略均一に電子を発生させるためである。これにより、電子放出面２３の長辺幅は、例えば５００μｍ以上である。
電子放出面２３の短辺幅は、欠けや剥がれなく楔状にカソード部２２の先端を加工する条件によって規定される。また、電子放出面２３の短辺幅は、電子を出力することによりカソード部２２の先端が消耗しても、所定の期間電子放出面２３の形状を維持できる幅を持つことが望ましい。電子放出面２３の短辺幅は、例えば３００μｍ以下である。電子源２０は、例えば５０ｍＡの電子ビーム電流値を出力する。
加熱部２６は、円柱の側面を両側からはさんで、カソード部２２を力学的に支持する。このため、円柱形状を有するカソード部２２は、側面の２カ所が切り欠かれていてよい。加熱部２６は、電子放出面２３の短辺方向からカソード部２２をはさんでいてよい。これに代えて、加熱部２６は、電子放出面２３の長辺方向からカソード部２２をはさんでいてよい。図３は、加熱部２６が、電子放出面２３の短辺方向からカソード部２２をはさんで、カソード部２２を力学的に支持している例を示す。カソード部２２はさむ左右の加熱部２６を通して電流を流し、加熱部２６を発熱させ、カソード部２２を加熱する。
図４は、本実施形態に係るカソード部２２および制御電極２４の構成例を、電子ビームが出力される方向から見た底面図を示す。図３と同様に、電子放出面２３の短手方向はＸ軸方向、電子放出面２３の長手方向はＹ軸方向、および電子ビームの出力方向はＺ軸方向で示した。
電子放出面２３から発生された電子は、紙面の手前方向に向かって加速されながら、制御電極２４の開口２５を通過する。開口２５を通過する電子ビームは、開口２５の短手方向端を形成する制御電極２４の静電界の影響を強く受ける。
一方、開口２５を通過する電子ビームは、開口２５の長手方向端を形成する制御電極２４からの影響はほとんど受けない。開口２５の短手方向の幅は長手方向の幅より狭く設定され、開口２５の短手方向端と開口２５を通過する電子ビームとの間の距離は、開口２５の長手方向端と開口２５を通過する電子ビームとの間の距離に比べて小さいからである。
電子源２０は、長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる異方的な電子放出面２３から発生された電子を、異方的な開口２５を有する制御電極２４で制御する。長手方向の幅と略等しい等方的な開口を有する制御電極で制御する場合に比べて、電子源２０は、電子放出面２３の全面から発生される電子ビームを有効に制御することが可能である。これにより、発生した電子を効率よく電子ビームに利用することが可能となる。
図５は、電子源２０から出力された電子ビームの幾何光学図である。図の略中央に記載した上下方向のＺ軸より右側に示す図は、電子ビームの進行方向であるＺ軸方向と、電子放出面２３の短手方向であるＸ軸とが作る平面（ＸＺ面）内における電子ビームの幾何光学図を示す。Ｚ軸より左側に示す図は、電子ビームの進行方向であるＺ軸方向と、電子放出面２３の長手方向であるＹ軸とが作る平面（ＹＺ面）内における電子ビームの幾何光学図を示す。
Ｚ軸対称な電磁レンズ４０は、Ｚ軸に略一致する経路に沿って通過する電子ビームを収束させる。図５の破線は、ビーム形状変形素子３０を駆動させていないときに電磁レンズ４０による電子ビームの結像関係を示す。電磁レンズ４０は、電子放出面２３の短手方向を含むＸＺ面内に点Ｏから出射された電子ビームを、粉末層６２の表面６３の点Ｐに結像させる。電磁レンズ４０は、電子放出面２３の長手方向を含むＹＺ面内に点Ｏから出射された電子ビームを、粉末層６２の表面６３の点Ｐに結像させる。
電磁レンズ４０は、電子放出面２３の像を、ＸＺ面内およびＹＺ面内ともに等しい倍率で粉末層６２の表面６３に結像する。図５の破線において、点ＯをＸＺ面内およびＹＺ面内に出射する電子ビームの出射角度θ１が等しい時、点Ｐにおける当該電子ビームの収束角度θ２は、ＸＺ面内およびＹＺ面内ともに等しくなる。
次に、ビーム形状変形素子３０を駆動する場合を説明する。ビーム形状変形素子３０は、Ｚ軸方向に沿って静電四重極子３１および３２を２段配置した例を示す。静電四重極子３１および３２のそれぞれは、Ｘ軸方向に対向する電場を発生する２つの電極とＹ軸方向に対向する電場を発生する２つの電極とを備える。
すなわち、静電四重極子３１、３２は、その２組の極子は電子源２０の電子放出面２３の長手方向及び短手方向と同じ方向に揃うように配置されている。
電子ビームは、４個の電極の中心をＺ軸方向に通過する。電極上に記載したプラス（＋）およびマイナス（－）の符号は、それぞれの電極に印加する電圧の極性を示す。静電四重極子３１および３２は、Ｘ軸方向電極とＹ軸方向電極とに互いに異なる極性の電圧を与えることによって、電子ビームの開き角を、Ｘ軸方向に発散させてＹ軸方向に収束させたり、Ｘ軸方向に収束させてＹ軸方向に発散させたりする。図５は、静電四重極子による電子ビームの発散方向および収束方向を、電子ビームの電子放出面２３の短手方向であるＸ軸方向、または長手方向であるＹ軸方向と略一致するように配置した例を示す。
図５に示す極性で静電四重極子に電圧を印加する場合を説明する。電子放出面２３の短手方向を含むＸＺ面内に点Ｏから出射された電子ビームは、静電四重極子３１を通過するときには、Ｘ軸方向の２つの－極性電極から斥力を受けて、開き角が収束する方向に変化し、四重極子３２を通過するときには、Ｘ軸方向の２つの＋極性電極から引力を受けて、開き角が発散する方向に変化する。
一方、電子放出面２３の長手方向を含むＹＺ面内に点Ｏから出射された電子ビームは、静電四重極子３１を通過するときには、Ｙ軸方向の２つの＋極性電極から引力を受けて、開き角が発散する方向に変化し、四重極子３２を通過するときには、Ｙ軸方向の２つの－極性電極から斥力を受けて、開き角が収束する方向に変化する。
同じ出射角度θ１で電子放出面２３から出射された電子ビームは、静電四重極子に電圧を印加することによって、ＸＺ面内およびＹＺ面内において、それぞれ異なる収束角度θ３およびθ４で粉末層６２の表面６３の点Ｐに収束できる。即ち、電子放出面２３の像は、ＸＺ面内およびＹＺ面内において、異なる倍率で粉末層６２の表面６３に結像可能である。
収束角度の関係がθ４＞θ２＞θ３の場合、ＸＺ面内の結像倍率は拡大し、ＹＺ面内の結像倍率は縮小する。収束角度の関係がθ３＞θ２＞θ４の場合、ＸＺ面内の結像倍率は縮小し、ＹＺ面内の結像倍率は拡大する。即ち、静電四重極子３１および３２は、電極に印加する電圧の極性および大きさを変えることにより、電子放出面２３の短手方向と電子放出面２３の長手方向とで、粉末層６２の表面６３に結像される電子ビームの長手方向幅と短手方向幅との比を変えることができる。この機能を利用すれば、電子ビームの電流値を変更することなく、電子ビームの断面形状及びサイズを変えることができる。後に説明するように、これにより溶融照射、縁取り照射及び予備照射に好適なビームサイズの切り替えが容易になる。また、溶融照射を行う際にビーム幅を変えながら照射することも可能となる。
このような電子ビームの断面形状の変形動作は、本実施形態の静電四重極子３１、３２によれば、数μ秒～数十μ秒程度で完了するため、電子ビームの照射条件を頻繁に行ないながら照射を行うことができる。
そのため、例えば粉末層を溶融しない程度の密度に拡散した電子ビームを照射（予備照射）して予熱を行ないつつ、所定の断面層を形成するための溶融照射を行うことも可能である。
尚、ビーム形状変形素子３０は、Ｚ軸方向に沿って静電四重極子を３段以上配置してもよい。複数段の静電四重極子は、ＸＺ面内およびＹＺ面内に出射された電子ビームについて、Ｚ軸からの離軸量、およびＺ軸とビーム進行方向との間の角度を個別に制御する。複数段の静電四重極子は、ＸＺ面内およびＹＺ面内に同じ出射角度で出射された電子ビームがＰ点で収束する収束角度を個別に設定する。複数段の静電四重極子を配置したビーム形状変形素子３０は、電子放出面２３の像を、ＸＺ面内およびＹＺ面内で異なる倍率で粉末層６２の表面６３に結像する。複数段の静電四重極子を配置したビーム形状変形素子３０は、電子放出面２３の短手方向と電子放出面２３の長手方向とで、粉末層６２の表面６３に結像される電子ビームの長手方向幅と短手方向幅との比（即ち、長手方向幅／短手方向幅）を変える。
図６は、粉末層６２の表面６３に照射される電子ビームの断面形状の例を示す。図６の左端に示す電子ビームＢは、静電四重極子３１および３２の電極に所定の電圧を印加して、電子ビームの長手方向幅と短手方向幅との比を、電子放出面２３の長手方向幅と短手方向幅との比に近い所定の大きさに設定する例を示す。電子ビームＢの長手方向のビーム幅Ｓは、静電四重極子３１および３２の電極に印加する電圧の極性および大きさと対応づけることができる。
図６の中央および右端に示す電子ビームＢｓおよびＢｔは、静電四重極子３１および３２の電極に印加する電圧を、電子ビームの長手方向幅と短手方向幅との比が、電子放出面２３の長手方向幅と短手方向幅との比から大きく異なる値になるような極性および大きさに設定する例を示す。電子ビームＢｓは、長手方向のビーム幅を縮小して縦横方向に略同じ幅を有する、絞り込まれた断面形状の電子ビームを形成した例である。電子ビームＢｔは、長手方向のビーム幅を拡大して引き伸ばされた断面形状の細長い形のビームを形成した例である。
図７は、ビーム形状変形素子３０を制御する変形素子制御ユニット１３０の構成例を示す。
変形素子制御ユニット１３０に含まれる演算回路１３１は、長手方向のビーム幅の入力データＳをもとに、粉末層６２の表面６３で長辺方向のビーム幅が入力データＳと略等しい電子ビームＢを形成するために、ビーム形状変形素子３０の静電四重極子３１および３２のそれぞれに出力する電圧データＤ１およびＤ２を演算する回路である。
変形素子制御ユニット１３０は、粉末層６２の表面６３で電子ビームＢｓおよびＢｔを形成するために、電子ビームＢｓおよびＢｔに対応するビーム幅の入力データから、ビーム形状変形素子３０の静電四重極子３１および３２のそれぞれに出力する電圧データを演算する演算回路を備えてよい。これに代えて、変形素子制御ユニット１３０は、電子ビームＢｓを形成するための静電四重極子３１および３２の電圧データＤ１ｓおよびＤ２ｓ、ならび電子ビームＢｔを形成するための静電四重極子３１および３２の電圧データＤ１ｔおよびＤ２ｔをあらかじめ測定し記憶しておいてもよい。
変形素子制御ユニット１３０に含まれる記憶回路１３２は、粉末層６２の表面６３で電子ビームＢｓを形成するために、ビーム形状変形素子３０の静電四重極子３１および３２のそれぞれに出力する電圧データＤ１ｓおよびＤ２ｓをあらかじめ測定して記憶する回路である。
また、変形素子制御ユニット１３０に含まれる記憶回路１３３は、粉末層６２の表面６３で電子ビームＢｔを形成するために、ビーム形状変形素子３０の静電四重極子３１および３２のそれぞれに出力する電圧データＤ１ｔおよびＤ２ｔをあらかじめ測定して記憶する回路である。
変形素子制御ユニット１３０に含まれる切替部１３４は、ビーム形状変形素子３０の静電四重極子３１および３２に出力する電圧データを、演算回路１３１の演算値とするか、記憶回路１３２の記憶値とするか、または記憶回路１３３の記憶値とするかを切替える回路である。
切替部１３４は、回路１３１、１３２、または１３３の出力を切り替えることによって、粉末層６２の表面６３に結像される電子ビームの形状を、図６に示す形状のそれぞれに切替える。切替部１３４は、粉末層６２の表面６３に対する照射条件に応じて、粉末層６２の表面６３に結像される電子ビームの形状を切替えてよい。
変形素子制御ユニット１３０に含まれるデジタルアナログ（ＤＡ）変換部１３５は、切替部１３４が切り替えた回路１３１、１３２、または１３３の出力データを電圧値に変換し、ビーム形状変形素子３０の静電四重極子３１および３２の電極に出力する。
以上の長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる異方的な電子放出面２３を有する一つの電子源２０と、それに付随するカラム構成および電子ビーム特性についての説明とを前提に、複数の電子源２０を有する電子ビームカラム２００を備える三次元積層造形装置１００の実施形態について説明する。
図８に示す２つの円は、２個の電子源２０を有する電子ビームカラム２００（図１参照）が出力する第１の電子ビームおよび第２の電子ビームが、共通な偏向器５０により粉末層６２の表面６３内方向に偏向される範囲を示す。偏向器５０が第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを偏向する距離の上限は略１５０ｍｍである。第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのＸＹ面内方向の間隔は略３０ｍｍである。第１の電子ビームおよび第２の電子ビームは、粉末層６２の表面６３で、中心が略３０ｍｍ離れた直径略３００ｍｍの２つの円の重なり部分を共通して照射する。
図９（ａ）は、粉末層６２の表面６３を照射する第１の電子ビームの断面形状の例を示し、図９（ｂ）は第２の電子ビームの断面形状を示す図である。
第１の電子ビームおよび第２の電子ビームは両方とも、細長い異方的な電子放出面２３を有する２つの電子源２０から出力されている。２つの電子源２０の電子放出面２３の長手方向はともにＹ軸方向を向いており、２つの電子源２０の電子放出面２３の長手方向は、互いに略平行となっている。
第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのビーム形状を変形させるビーム形状変形素子３０は、変形素子制御ユニット１３０によってそれぞれ独立に制御される。このため図１に示す変形素子制御ユニット１３０は、ビーム形状変形素子３０への制御出力を、異方的な電子放出面２３を有する電子源２０の数に応じて出力する。
したがって、第１の電子ビームは粉末層６２の表面６３で、長手方向のビーム幅が入力データＳｖと略等しい電子ビームＢｖ、縦横方向ともに略同じ幅を有する絞り込まれた断面形状の電子ビームＢｖｓ、および長手方向に引き伸ばされた断面形状の細長ビームＢｖｔに変形される。第２の電子ビームは粉末層６２の表面６３で、第１ビームとは独立に、ビーム幅が入力データＳｖと略等しい電子ビームＢｖ、縦横方向ともに略同じ幅を有する絞り込まれた断面形状の電子ビームＢｖｓ、および長手方向に引き伸ばされた断面形状の細長ビームＢｖｔに変形される。
これらの第１の電子ビームおよび第２の電子ビームは、粉末層６２の表面６３において、図８に示す２つの円の重なり部分を照射する。
図１０は、粉末層６２の表面６３の電子ビームによって照射される範囲、およびその範囲を照射する電子ビームの例を示す。電子ビームによって溶融凝固される粉末層６２の範囲は、三次元構造物６６の高さ方向と直交する平面で三次元構造物６６を切断した場合の断面形状の造形領域で指定される。図１０の例ではＺ字形の範囲が、溶融凝固される範囲に相当する造形領域である。この造形領域は、粉末層６２の表面６３における直径３００ｍｍの第１のビーム及び第２のビームとの共通な偏向範囲内に含まれる。
図示の例で三次元積層造形装置１００は、電子ビームを適切なビーム幅Ｓｖを有するビームＢｖに設定して、粉末層６２の表面６３のＺ字形の範囲内を、所定のビーム移動の速度で隙間なく走査することにより、当該範囲内の粉末層６２を溶融させる。また、三次元積層造形装置１００は、電子ビームを略等しい縦横幅を有する絞り込まれた断面形状のビームＢｖｓに設定して、Ｚ字形の範囲の周囲を別の所定のビーム移動の速度で縁取り走査することにより、粉末層６２のＺ字形の範囲の周囲を溶融させる。
三次元積層造形装置１００は、上記の粉末層６２を溶融凝固させるためのビーム照射、および縁取りするためのビーム照射の他に、粉末層６２の表面６３の溶融範囲を含むより広い範囲に電子ビームを低い照射量密度で照射する予備照射を行う。ここで、照射量密度とは、粉末層６２の表面６３の単位面積当たりに電子ビームを照射する量を表す。
図１０の例で、破線で示す範囲が予備照射する予備照射領域６３ａである。三次元積層造形装置１００は、長手方向に引き伸ばされた細長ビームＢｖｔを予備照射に用いる。図１０の例に示すＺ字形の造形領域をビームＢｖまたはビームＢｖｓが溶融照射するのと同じ条件でビームを走査しても、ビームＢｖｔの場合は、ビームの断面が引き伸ばされているため、造形領域より広い範囲にビームを低い照射量密度で照射することになる。ビームＢｖｔは、ビームＢｖまたはビームＢｖｓと略同じ総ビーム電流値を有しているが、同じ走査条件で照射する範囲が広いため、粉末層６２の温度上昇を抑えることができる。これにより、ビームＢｖｔは、粉末層６２を融点以下の温度に予熱することができる。
三次元積層造形装置１００は、細長ビームＢｖｔの長手方向の長さを適切に設定することによって、粉末層６２の表面６３の一部である造形領域をビームＢｖまたはビームＢｖｓが溶融照射するのと同じ走査条件で、造形領域を含むより広い範囲に予備照射のための照射量を設定できる。
予備照射は、溶融のためのビーム照射と同時に、または溶融のためのビーム照射に先立って行われてよい。予備照射は、造形領域を含む粉末層６２を粉末の融点よりわずかに低い温度まで加熱（予熱）し、溶融照射による溶融を容易にするとともに、温度勾配よって発生する造形物の歪を緩和するために行う。
また、予備照射は、粉末層６２を構成する原料粉末がビーム照射によって飛散することを抑制するとともに、予備的な電荷を付与（電荷付与）してチャージアップを抑制できる。
図１１は、三次元積層造形装置１００の積層造形動作を示す動作フローの例を示す。積層造形動作が開始されると、三次元積層造形装置１００は、造形部３００の試料供給部６４から粉末試料６８を供給し、側壁部７４で囲まれた底面部７２と略平行に平坦化された粉末層６２を供給する（Ｓ１１１０）。
三次元積層造形装置１００は、電子ビームカラム２００から出力された電子ビームにより粉末層６２の表面６３を照射する。電子ビームにより粉末層６２の表面６３を照射する工程は、第１の照射工程（Ｓ１１２０）および第２の照射工程（Ｓ１１３０）の２工程に分けて実施される。三次元積層造形装置１００が、第１の照射工程（Ｓ１１２０）および第２の照射工程（Ｓ１１３０）で実施する動作フローの例を後程説明する。三次元積層造形装置１００は、これらの照射工程によって、粉末層６２の所定範囲を溶融凝固させて、三次元構造物６６の一部となる断面層６５を形成する。
次に、三次元積層造形装置１００は、三次元構造物６６を構成する断面層６５の積層が全層完了したかを判断する（Ｓ１１４０）。全層の積層が完了していなければ（Ｓ１１４０；Ｎｏ）、三次元積層造形装置１００は、駆動部８２と駆動棒８４とを操作して底面部７２をＺ軸方向に駆動し、溶融凝固された粉末層６２の表面６３の高さを下げる（Ｓ１１５０）。三次元積層造形装置１００は、粉末層６２の表面６３の高さを下げた分に相当する粉末層６２を供給する工程（Ｓ１１１０）に戻る。全層の積層が完了していれば（Ｓ１１４０；Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は積層造形動作を終了する。
図１２及び図１３は、三次元積層造形装置１００が、電子ビームカラム２００から出力された電子ビームにより粉末層６２の表面６３を照射する第１の照射工程（Ｓ１１２０）および第２の照射工程（Ｓ１１３０）の動作フローの例を示す。図１２及び図１３は、それぞれ第１の照射工程（Ｓ１１２０）および第２の照射工程（Ｓ１１３０）と対応する。
図１２に示す第１の照射工程（Ｓ１２２２～１２２８）が開始されると、三次元積層造形装置１００は、２本の電子ビームのうち一方のビーム、例えば第２の電子ビームの形状変形素子３０を、予備照射のためのビームＢｖｔとなるように設定する。第２の電子ビームは、第１の照射工程が終了するまでビームＢｖｔを出力するように設定される（Ｓ１２２２）。
三次元積層造形装置１００は、２本の電子ビームのうち他方のビーム、例えば第１の電子ビームの形状変形素子３０を、長手方向のビーム幅が所定のビーム幅Ｓｖを有するビームＢｖとなるように図７に示す演算回路１３１の出力を設定する（Ｓ１２２４）。
また、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームと第２の電子ビームとに共通な偏向器５０を、第１の電子ビームが溶融照射のための偏向位置（ｘ，ｙ）に偏向されるように設定する（Ｓ１２２４）。第１の電子ビームのビーム幅Ｓｖ、および溶融照射のための偏向位置（ｘ，ｙ）は、粉末層６２の表面６３の溶融部分（造形領域）の形状を表す造形データをもとに決定される。
三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームによって溶融照射を行う（Ｓ１２２６）。この時、第２の電子ビームは、共通な偏向器５０によって第２ビームにとっての偏向位置（ｘ、ｙ）に偏向されており、第１の電子ビームによる溶融照射と同時に、第２の電子ビームによる予備照射が行われる。第２の電子ビームは、第１の電子ビームとは電子ビーム間の間隔（例えば、３０ｍｍ）だけ離れた位置を照射する。溶融照射する第１の電子ビームの偏向位置（ｘ、ｙ）に伴って第２の電子ビームの偏向位置も設定されるため、第２の電子ビームは、第１の電子ビームによって照射される粉末層６２の範囲に略重なった領域を予備照射することになる。
三次元積層造形装置１００は、粉末層６２の表面６３に対する溶融照射が完了したかを判断する（Ｓ１２２８）。溶融照射が完了していなければ（Ｓ１２２８；Ｎｏ）、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームの形状変形素子３０および偏向器５０を、次の溶融照射に対するビーム幅Ｓｖおよび変更位置（ｘ，ｙ）の値に設定して（Ｓ１２２４）、第１の電子ビームによる溶融照射を行う（Ｓ１２２６）。第１の電子ビームによる溶融照射と第２の電子ビームによる予備照射とは同時に進行する。粉末層６２の表面６３の溶融部分に対する溶融照射が完了していれば（Ｓ１２２８；Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は、第１の照射工程（Ｓ１２２２～１２２８）を終了する。
上記のステップＳ１２２４～Ｓ１２２８の照射動作によって、第１の電子ビームは、設定された偏向位置（ｘ，ｙ）に一定時間滞在した後、次の変更位置に移動するといった動作を繰り返えす。その間、例えば図示のＺ型のパターンの斜めの部分のように、パターンの形状に応じて第１の電子ビームの長手方向のビーム幅が適宜変更される。
本実施形態においては、ビーム形状変形素子３０に静電四重極子を用いることにより、ビーム幅の変更に要する時間が数μ秒～数十μ秒と短いため、ステップＳ１２２４によるビーム幅の変更が頻繁に生じても処理速度が低下しにくい。
第１の照射工程に続いて、図１３に示す第２の照射工程（Ｓ１２３２～１２３８）が開始されると、三次元積層造形装置１００は、２本の電子ビームのうち一方のビーム、第１の電子ビームの形状変形素子３０を、予備照射のためのビームＢｖｔとなるように設定する。
また、三次元積層造形装置１００は、２本の電子ビームのうち他方のビーム、第２の電子ビームの形状変形素子３０を、縁取り照射のためのビームＢｖｓとなるように設定する。第１の電子ビームおよび第２の電子ビームは、第２の照射工程が終了するまで、それぞれのビームＢｖｔおよびビームＢｖｓを出力するように設定される（Ｓ１２３２）。
三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームと第２の電子ビームとに共通な偏向器５０を、第２の電子ビームが縁取りのための偏向位置（ｘ、ｙ）に偏向されるように設定する（Ｓ１２３４）。
三次元積層造形装置１００は、第２の電子ビームによって縁取り照射を行う（Ｓ１２３６）。この時、第１の電子ビームは、共通な偏向器５０によって第１ビームにとっての偏向位置（ｘ、ｙ）に偏向されており、第２の電子ビームによる縁取り照射と同時に、第１の電子ビームによる予備照射が行われる。
第１の電子ビームは、第２の電子ビームとは電子ビームの間隔（例えば、３０ｍｍ）だけ離れた位置を照射する。縁取り照射する第２の電子ビームの偏向位置（ｘ、ｙ）に伴って第１の電子ビームの偏向位置も設定されるため、第１の電子ビームは、第２ビームによって縁取り照射される粉末層６２の範囲に略重なった領域を予備照射することになる。
三次元積層造形装置１００は、粉末層６２の表面６３の溶融部分に対する縁取りが完了したかを判断する（Ｓ１２３８）。縁取りが完了していなければ（Ｓ１２３８；Ｎｏ）、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームと第２の電子ビームとに共通な偏向器５０を、第２の電子ビームによる次の縁取り部の値に設定して（Ｓ１２３４）、第２の電子ビームによる縁取り照射を行う（Ｓ１２３６）。第１の電子ビームによる予備照射と第２の電子ビームによる縁取り照射とは、共通な偏向器５０によって同時に進行する。粉末層６２の表面６３の溶融部分に対する縁取りが完了していれば（Ｓ１２３８；Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は、第２の照射工程（Ｓ１１３２～１１３８）を終了する。
上記のステップＳ１２３２～Ｓ１２３８の縁取り照射では、造形領域の縁にそって絞り込まれた断面形状の第２の電子ビームが照射される。このように絞り込まれた電子ビームの照射をおこなうと溶融照射のときよりも急峻な温度勾配が生じることで、シャープな輪郭の溶融層を形成することができ、仕上がる造形物の表面の粗さを減少させて精度が向上する。
実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、図１２、図１３に示す工程において、ビーム形状変形素子３０を構成する静電四重極子電極に印加する電圧を変えることによって、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームの形状を、溶融照射、縁取り照射、および予備照射のそれぞれに適した電子ビームＢｖ，Ｂｖｓ，およびＢｖｔに設定する。三次元積層造形装置１００は、静電四重極子の電極に電圧を設定することによってビーム形状を変形するだけであるから、例えば電子源２０の動作条件を変更して照射条件を設定する場合よりも、それぞれの照射における電子ビームの状態を安定かつ再現性良く設定することができる。
実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームが、粉末層６２の表面６３の略同一の範囲を、溶融照射および予備照射、または縁取り照射および予備照射といった異なる照射条件で同時に照射する。これにより三次元積層造形装置１００は、溶融照射、縁取り照射、および予備照射を個別に実施する場合より、照射工程全体の時間を短縮することができる。
また、実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを溶融照射、縁取り照射または予備照射に適した電子ビームＢｖ，Ｂｖｓ，またはＢｖｔに設定したら、図１２又は図１３のループで示された溶融照射および縁取り照射を行う工程の間はそれらを変えないで出力する。これにより三次元積層造形装置１００は、照射工程の途中で電子ビームの電流値を切り替えや、大幅なサイズ変更を行うことによるビーム状態が安定化するまでの待ち時間を省くことができる。
尚、図１２、図１３に示す例では、第１の照射工程は、第１の電子ビームが溶融照射および第２の電子ビームが予備照射を実施し、第２の照射工程は、第１の電子ビームが予備照射および第２の電子ビームが縁取り照射を実施するものとした。これに代えて、第１の照射工程は、第１の電子ビームが予備照射および第２の電子ビームが溶融照射を実施して、第２の照射工程は、第１の電子ビームが縁取り照射および第２の電子ビームが予備照射を実施してよい。
また、図１２、図１３に示す例では、第１の照射工程は、溶融照射と予備照射とを実施し、その後に第２の照射工程は、縁取り照射と予備照射とを実施するものとした。これに代えて、第１の照射工程は、縁取り照射と予備照射とを実施し、その後に第２の照射工程は、溶融照射と予備照射とを実施してもよい。
更に、図１２、図１３に示す例では、第１の照射工程および第２の照射工程の両方で予備照射を実施するものとした。三次元積層造形装置１００は、第１の照射工程または第２の照射工程のどちらかで予備照射に必要な照射量を与えるようにビームＢｖｔを設定することによって、第１の照射工程または第２の照射工程のどちらか片方で予備照射を実施してもよい。
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を説明する。第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる異方的な電子放出面２３を有する少なくとも２つの電子源２０を備える。２つの電子源２０のうち、一方の電子源２０の電子放出面２３の長手方向はＹ軸方向を向き、他方の電子源２０の電子放出面２３の長手方向はＸ軸方向を向いている。即ち、２つの電子源の電子放出面の長手方向は、互いに略直交する。また、ビーム形状変形素子３０は、それぞれの電子ビームを出力する電子源２０の異方的な電子放出面２３の長手方向または短手方向と略一致する発散方向および収束方向を有する静電四重極子から構成される。
第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、上記以外の部分は図１と同等な構成を有する。既に説明した装置構成や装置動作と略同じ機能を有する箇所は、同じ符号を使って説明する。
図１４（ａ）、（ｂ）は、既に説明した図９（ａ）、（ｂ）と対応し、第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのビーム形状の例を示す。第１の電子ビームは、ビーム形状変形素子３０によって、入力データＳｖと略等しいＹ軸方向のビーム幅を有する電子ビームＢｖ、縦横方向ともに略同じ幅を有する絞り込まれた断面形状の電子ビームＢｖｓ、およびＹ軸方向に引き伸ばされた細長ビームＢｖｔに変形される。
第２の電子ビームは、ビーム形状変形素子３０によって、第１ビームとは独立に、入力データＳｈと略等しいＸ軸方向のビーム幅を有する電子ビームＢｈ、縦横方向ともに略同じ幅を有する絞り込まれた断面形状の電子ビームＢｈｓ、およびＸ軸方向に引き伸ばされた断面形状の細長ビームＢｈｔに変形される。
図１５は、既に説明した図１０と対応し、第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００において、粉末層６２の表面６３の電子ビームによって照射される範囲、およびその範囲を照射する電子ビームの例を示す。図１５の例でも、Ｚ字形の範囲が溶融凝固される造形領域に相当する。
図１５の例で三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームをビームＢｖに設定し、第２の電子ビームをビームＢｈに設定して、粉末層６２の表面６３のＺ字形の範囲内を、所定のビーム移動の速度で隙間なく走査することにより、当該範囲内の粉末層６２を溶融させる。また、図１５の例で三次元積層造形装置１００は、電子ビームＢｈｓでＺ字形の範囲の周囲を別の所定のビーム移動の速度で縁取り走査することにより、粉末層６２のＺ字形の範囲の周囲を溶融させる。
三次元積層造形装置１００は、Ｙ軸方向に引き伸ばされた細長ビームＢｖｔを予備照射に用いる。予備照射される領域６３ａを破線で示す。破線で示す予備照射領域６３ａとＺ字形の溶融凝固範囲との位置関係が、図１５と図１０とで少し異なるように記載した。図１０に示す例では、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームの両方を予備照射に用いる場合を示すのに対して、図１５に示す例では、例えば第１の電子ビームのみを予備照射に用いる場合を示しているからである。
図１６、図１７は、既に説明した図１２、図１３と対応し、第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第１の照射工程および第２の照射工程の動作フローの例を示す。第１の照射工程（Ｓ１１２０）および第２の照射工程（Ｓ１１３０）が装置の動作フロー全体に占める工程については図１１のステップＳ１１２０、１１３０で示した。
図１６に示す第１の照射工程（Ｓ１５２２～Ｓ１５２８）が開始されると、三次元積層造形装置１００は、２本の電子ビームのうち一方のビーム例えば第１の電子ビームの形状変形素子３０を、予備照射のためのビームＢｖｔに設定し、他方のビーム例えば第２の電子ビームの形状変形素子３０を、縁取りのためのビームＢｈｓに設定する。第１の電子ビームおよび第２の電子ビームは、第１の照射工程が終了するまで、それぞれビームＢｖｔおよびＢｈｓを出力するように設定される（Ｓ１５２２）。
三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームと第２の電子ビームとに共通な偏向器５０を、第２の電子ビームが縁取りのための偏向位置（ｘ、ｙ）に偏向されるように設定する（Ｓ１５２４）。三次元積層造形装置１００は、第２の電子ビームによって縁取り照射を行う（Ｓ１５２６）。この時、第１の電子ビームによる予備照射と第２の電子ビームによる縁取り照射とは同時に進行する。三次元積層造形装置１００は、粉末層６２の表面６３の溶融部分に対する縁取りが完了したかを判断する（Ｓ１５２８）。
縁取りが完了していなければ（Ｓ１５２８；Ｎｏ）、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームと第２の電子ビームとに共通な偏向器５０を、第２の電子ビームによる次の縁取り部の値に設定して（Ｓ１５２４）、第２の電子ビームによる縁取り照射を行う（Ｓ１５２６）。粉末層６２の表面６３の溶融部分に対する縁取りが完了していれば（Ｓ１５２８；Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は、第１の照射工程（Ｓ１１２０）を終了する。
図１７に示す第２の照射工程（Ｓ１１２０）が開始されると、三次元積層造形装置１００は、２本の電子ビームのうち一方のビーム例えば第１の電子ビームのＹ軸方向のビーム幅が、所定のビーム幅Ｓｖを有するビームＢｖとなるように、図７に示す演算回路１３１の出力を設定する（Ｓ１５３２）。
また、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームと第２の電子ビームとに共通な偏向器５０を、第１の電子ビームが溶融照射のための偏向位置（ｘ、ｙ）に偏向されるように設定する（Ｓ１５３２）。三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームによって溶融照射を行う（Ｓ１５３３）。この時、第２の電子ビームのビーム形状変形素子３０には、第２の電子ビームを粉末層６２の表面６３に到達させないような値を設定する。
三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームによる溶融照射が完了したかを判断する（Ｓ１５３４）。溶融照射が完了していなければ（Ｓ１５３４；Ｎｏ）、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームの形状変形素子３０および共通な偏向器５０を、第１の電子ビームによる次の溶融照射に対する値に設定して（Ｓ１５３２）、第１の電子ビームによる溶融照射を行う（Ｓ１５３３）
第１の電子ビームによる溶融照射が完了していれば（Ｓ１５３４；Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は、２本の電子ビームのうち他方のビーム例えば第２の電子ビームの形状変形素子３０のＸ軸方向のビーム幅が、所定のビーム幅Ｓｈを有するビームＢｈとなるように図７に示す演算回路１３１の出力を設定する（Ｓ１５３６）。
また、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームと第２の電子ビームとに共通な偏向器５０を、第２の電子ビームが溶融照射のための偏向位置（ｘ、ｙ）に偏向されるように設定する（Ｓ１５３６）。三次元積層造形装置１００は、第２の電子ビームによって溶融照射を行う（Ｓ１５３７）。この時、第１の電子ビームのビーム形状変形素子３０には、第１の電子ビームを粉末層６２の表面６３に到達させないような値を設定する。
三次元積層造形装置１００は、第２の電子ビームによる溶融照射が完了したかを判断する（Ｓ１５３８）。溶融照射が完了していなければ（Ｓ１５３８；Ｎｏ）、三次元積層造形装置１００は、第２の電子ビームの形状変形素子３０および共通な偏向器５０を、第２の電子ビームによる次の溶融照射に対する値に設定して（Ｓ１５３６）、第２の電子ビームによる溶融照射を行う（Ｓ１５３７）。第２の電子ビームによる溶融照射が完了していれば（Ｓ１５３８；Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は、第２の照射工程（Ｓ１１３０）を終了する。
第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、ビーム形状変形素子３０を構成する静電四重極子電極に印加する電圧を変えることによって、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームの形状を、溶融照射、縁取り照射、および予備照射のそれぞれに適した電子ビームＢｖ，Ｂｖｓ，およびＢｖｔ、ならびにＢｈ，Ｂｈｓ，およびＢｈｔに設定する。三次元積層造形装置１００は、それぞれの照射条件に対する電子ビームの状態を安定かつ再現性良く設定することができる。
第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、Ｙ軸方向のビーム幅を有する第１の電子ビームおよびＸ軸方向のビーム幅を有する第２の電子ビームの両方を、粉末層６２の表面６３の略同一の範囲に対する照射に用いる。三次元積層造形装置１００は、粉末層６２の表面６３の溶融凝固される範囲の形状に合わせて、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを適切に選ぶことができ、溶融凝固して形成される断面層６５の形状精度が向上する。
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を説明する。第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、少なくとも２つの電子源を備える。２つの電子源のうち一方の電子源２０は、長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる異方的な電子放出面２３を備える。２つの電子源のうち他方の電子源２１は、電子放出面の幅が方向によらず略等しい等方的な電子放出面を備える。ビーム形状変形素子３０は、異方的な電子放出面２３の長手方向または短手方向と略一致する発散方向および収束方向を有する静電四重極子から構成される。
第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、上記以外の部分は図１と同等な構成を有する。既に説明した装置構成や装置動作と略同じ機能を有する箇所は、同じ符号を使って説明する。
図１８は、既に説明した図９と対応し、第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのビーム形状の例を示す。第１の電子ビームは、ビーム形状変形素子３０によって、入力データＳｖと略等しい長手方向のビーム幅を有する電子ビームＢｖ、縦横方向ともに略同じ幅を有する絞り込まれた断面形状の電子ビームＢｖｓ、およびＹ軸方向に引き伸ばされた細長ビームＢｖｔに変形される。第２の電子ビームは、等方的な電子放出面から出力された等方的な断面形状を有するビームＢｐを形成する。
図１９は、既に説明した図１０と対応し、第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００において、粉末層６２の表面６３の電子ビームによって照射される予備照射領域６３ａ、およびその範囲を照射する電子ビームの例を示す。図１７の例でも、Ｚ字形の範囲が溶融凝固される造形領域に相当する。
三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームを電子ビームＢｖに設定して、粉末層６２の表面６３のＺ字形の範囲内を、所定のビーム移動の速度で隙間なく走査することにより、当該範囲内の粉末層６２を溶融させる。三次元積層造形装置１００は、略同じ縦横幅を有する電子ビームＢｐによってＺ字形の範囲の周囲を別の所定のビーム移動の速度で縁取り走査することにより、粉末層６２のＺ字形の周囲を溶融させる。また、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームをＹ軸方向に引き伸ばした細長ビームＢｖｔで予備照射する。予備照射される領域６３ａを破線で示す。
図２０、図２１は、既に説明した図１２、図１３と対応し、第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の第１の照射工程および第２の照射工程の動作フローの例を示す。第１の照射工程および第２の照射工程が装置の動作フロー全体に占める工程については図１１のＳ１１２０、Ｓ１１３０で示した。
図２０に示す第１の照射工程（Ｓ１８２２～１８２８）が開始されると、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームの形状変形素子３０を、予備照射のためのビームＢｖｔに設定する。第２の電子ビームは、縁取りのためのビームＢｐを出力する。第１の電子ビームおよび第２の電子ビームは、第１の照射工程が終了するまで、それぞれビームＢｖｔおよびＢｐを出力するように設定される（Ｓ１８２２）。
三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームと第２の電子ビームとに共通な偏向器５０を、第２の電子ビームＢｐが縁取りのための偏向位置（ｘ、ｙ）に偏向されるように設定する（Ｓ１８２４）。三次元積層造形装置１００は、第２の電子ビームＢｐによって縁取り照射を行う（Ｓ１８２６）。この時、第１の電子ビームによる予備照射と第２の電子ビームによる縁取り照射とは同時に進行する。三次元積層造形装置１００は、粉末層６２の表面６３の溶融部分に対する縁取りが完了したかを判断する（Ｓ１８２８）。
縁取りが完了していなければ（Ｓ１８２８；Ｎｏ）、三次元積層造形装置１００は、共通な偏向器５０を、第２の電子ビームＢｐによる次の縁取り部の値に設定して（Ｓ１８２４）、第２の電子ビームＢｐによる縁取り照射を行う（Ｓ１８２６）。粉末層６２の表面６３の溶融部分に対する縁取りが完了していれば（Ｓ１８２８；Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は、第１の照射工程（Ｓ１１２０）を終了する。
図２１に示す第２の照射工程（Ｓ１８３２～１８３８）が開始されると、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームの形状変形素子３０を、Ｙ軸方向のビーム幅が所定のビーム幅Ｓｖを有するビームＢｖとなるように図７に示す演算回路１３１の出力を設定する（Ｓ１８３２）。また、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームと第２の電子ビームとに共通な偏向器５０を、第１の電子ビームが溶融照射のための偏向位置（ｘ、ｙ）に偏向されるように設定する（Ｓ１８３２）。三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームによって溶融照射を行う（Ｓ１８３４）。この時、第２の電子ビームに対する、素子３０に相当する電極には、第２の電子ビームを粉末層６２の表面６３に到達させないような値を設定する。
三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームによる溶融照射が完了したかを判断する（Ｓ１８３６）。溶融照射が完了していなければ（Ｓ１８３６；Ｎｏ）、三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームの形状変形素子３０および共通な偏向器５０を、第１の電子ビームによる次の溶融照射に対する値に設定して（Ｓ１８３２）、第１の電子ビームによる溶融照射を行う（Ｓ１８３４）。第１の電子ビームによる溶融照射が完了していれば（Ｓ１８３６；Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は、第２の照射工程（Ｓ１１３０）を終了する。
第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、ビーム形状変形素子３０を構成する静電四重極子電極に印加する電圧を変えることによって、第１の電子ビームの形状を、溶融照射および予備照射のそれぞれに適した電子ビームＢｖおよびＢｖｔに設定する。三次元積層造形装置１００は、それぞれの照射条件に対する電子ビームの状態を安定かつ再現性良く保つことができる。
第３の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、第２の電子ビームによる縁取り照射を実施するのと同時に、第１の電子ビームによる予備照射を実施する。三次元積層造形装置１００は、単一のビームで溶融照射、縁取り照射および予備照射を個別に実施する場合より、照射工程全体の時間を短縮することができる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を説明する。
図２２は、第４の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の電子ビームカラム２１０の構成例を示す。
電子ビームカラム２１０は、少なくとも２つの電子源２０、２１を備える。２つの電子源２０、２１は両方とも、長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる異方的な電子放出面２３を備えてよい。これに代えて、２つの電子源２０、２１のうち一方の電子源２０は、長手方向とそれに直交する短手方向とで幅が異なる異方的な電子放出面２３を備え、他方の電子源２１は、電子放出面の幅が方向によらず略等しい等方的な電子放出面を備えてよい。電子源２０、２１は、それぞれ第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを発生する。
ビーム形状変形素子３０は、電子源２０の異方的な電子放出面２３の長手方向または短手方向と略一致する発散方向および収束方向を有する静電四重極子から構成される。電磁レンズ４０は、レンズ軸に略一致する経路に沿って通過する第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを収束させる。
図２２に示す電子ビームカラム２１０は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを個別に偏向させる複数の偏向器５５を備える。偏向器５５は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームの粉末層６２の表面６３の照射位置を個別に設定する。複数の電子ビームを個別に偏向させる偏向器５５は、静電偏向器であることが望ましい。偏向器を通過する前の第１の電子ビームおよび第２の電子ビーム間の間隔が略３０ｍｍであっても、それぞれのビームの通過経路を取り囲むように、静電偏向器の偏向電極を配置できるからである。
図２２に示す電子ビームカラム２１０を制御する制御部４００は、複数の偏向器５５のそれぞれに偏向データを出力する偏向制御ユニット１５０を備える。偏向制御ユニット１５０は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームが粉末層６２の表面６３を照射するための偏向データを偏向器５５に個別に出力する。
第４の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、上記以外の部分は図１と同等な構成および機能を有する。図１の電子ビームカラムと同等な構成および機能を有する部分は、同じ符号を付して説明を省略する。
三次元積層造形装置１００は、ビーム形状変形素子３０によって第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを例えばビームＢｖに設定し、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのそれぞれと対応するビーム偏向器５５で、粉末層６２の表面６３の溶融範囲に相当する造形領域を照射する。三次元積層造形装置１００は、ビーム形状変形素子３０によって第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを例えばビームＢｖｓに設定し、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのそれぞれと対応する偏向器５５で粉末層６２の表面６３の縁取り位置を照射する。三次元積層造形装置１００は、ビーム形状変形素子３０によって第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを例えばビームＢｖｔに設定し、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのそれぞれと対応する偏向器５５で粉末層６２の表面６３の予備照射領域を照射する。
偏向器５５が第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを偏向する距離の上限は、例えば略１５０ｍｍである。静電偏向器５５に適切な偏向電圧を与えることにより、偏向器５５は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームを略１５０ｍｍ偏向できる。第１の電子ビームおよび第２の電子ビームのＸＹ面内方向の間隔は例えば略３０ｍｍであるから、この場合も第１の電子ビームおよび第２の電子ビームは、粉末層６２の表面６３の中心が略３０ｍｍ離れた直径略３００ｍｍの２つの円の重なり部分を共通して照射する。
三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームの偏向器５５に独立な偏向出力を設定するため、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームは、粉末層６２の表面６３の略同一の範囲を、異なる電子ビームの条件で同時に照射する。第１の電子ビームが溶融照射をするのと同時に、第２ビームは、縁取り照射もしくは予備照射をしてよい。第１の電子ビームが縁取り照射をするのと同時に、第２ビームは、溶融照射もしくは予備照射をしてよい。または、第１の電子ビームが予備照射をするのと同時に、第２ビームは、溶融照射もしくは縁取り照射をしてよい。
第４の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、ビーム形状変形素子３０を構成する静電四重極子電極に印加する電圧を変えることによって、ビームの形状を、溶融照射、縁取り照射、および予備照射のそれぞれに適した電子ビームＢｖ、ＢｖｓおよびＢｖｔに設定する。
また、他の実施形態と同様に、第４の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビームおよび第２の電子ビームで、溶融照射、縁取り照射、および予備照射のうち２種類の照射を同時に実施することによって、照射工程の全体に要する時間を削減することが可能である。
なお、第４の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、第１の電子ビーム及び第２の電子ビームに加えて第３の電子ビームを加えてもよい。その場合は、それぞれの電子ビームを溶融照射、縁取り照射、および予備照射に割り当ててよい。３本の電子ビームが、溶融照射、縁取り照射、および予備照射の３通りの照射を同時に実施することによって、三次元積層造形装置１０は、照射工程の全体に要する時間を更に削減することができる。
（第５実施形態）
第５実施形態に係る三次元積層造形装置５００の構成例について説明する。
図２３は、第５実施形態に係る三次元積層造形装置５００の電子ビームカラム２２０の構成を示すブロック図である。
電子ビームカラム２２０は、少なくとも２つの電子源を備えたモジュール２２０ａを複数本備える。図示の例では、このようなモジュール２２０ａを４つ備えたものを示している。
各モジュール２２０ａの構成は図１の電子ビームカラム２００と同様であり、モジュール２２０ａは、例えば第１の電子ビーム及び第２の電子ビームを同時に照射する。各モジュール２２０ａは、例えば直径３００ｍｍ程度の略円形の領域を照射領域（偏向領域）とする。
本実施形態の電子ビームカラム２２０では、各モジュール２２０ａが各々のモジュール２２０ａの偏向範囲が隙間なくつながる程度の間隔をあけて配置されている。
図２４（ａ）は、電子ビームカラム２２０が照射を行う範囲を示す平面図であり、図２４（ｂ）は電子ビームカラム２００が照射を行う範囲を示す平面図である。
図２４（ａ）に示す例では、４つのモジュール２２０ａを配置した場合を示している。図示のように、電子ビームカラム２２０の各モジュール２２０ａは、その照射範囲５０１、５０２、５０３、５０４が隙間なくつながるように配置されており、破線で示す矩形状の領域５０５に対応する範囲に予備照射、溶融照射及び縁取り照射を行うことができる。
一方、図２４（ｂ）は、比較のため第１実施形態の電子ビームカラム２００の照射可能な領域５１０を示したものである。
図２４（ａ）、（ｂ）から明らかなように、本実施形態の電子ビームカラム２２０によれば、第１実施形態の電子ビームカラム２００よりも、照射可能な領域が広くなっており、より大きなサイズの造形物を積層造形することができる。
以上は、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現し得ることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

２０、２１…電子源、２２…カソード部、２３…電子放出面、２４…制御電極、２５…開口、２６…加熱部、２７…接地部、２８…開口、２９…絶縁部、３０…ビーム形状変形素子、３１、３２…静電四重極子、４０…電磁レンズ、５０、５５…偏向器、６２…粉末層、６３…表面、６３ａ…予備照射領域、６４…粉末供給部、６５…断面層、６６…三次元構造体、６８…粉末試料、７２…底面部、７４…側壁部、８２…駆動部、８４…駆動棒、１００、５００…三次元積層造形装置、１１０…ＣＰＵ、１１２…バス、１１４…外部記憶部、１２０…電子源制御ユニット、１３０…変形素子制御ユニット、１３１…演算回路、１３２、１３３…記憶回路、１３４…切替部、１３５…デジタルアナログ変換部、１４０…レンズ制御ユニット、１５０…偏向器制御ユニット、１６０…高さ制御ユニット、２００、２１０、２２０…電子ビームカラム、２２０ａ…モジュール、３００…造形部、４００…制御部、５０１、５０２、５０３、５０４…照射範囲、５０５、５１０…領域、５０９…照射範囲。

Claims

　所定の加速電圧に加速された第１の電子ビームを出力する第１の電子源と、
　所定の加速電圧に加速された第２の電子ビームを出力する第２の電子源と、
　前記第１の電子ビームの断面形状を変形させる第１のビーム形状変形素子と、
　前記第２の電子ビームの断面形状を変形させる第２のビーム形状変形素子と、
　前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームを収束させる電磁レンズと、
　前記第１の電子ビームと第２の電子ビームの間隔よりも広い偏向可能範囲の中で前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームの照射位置を調整する偏向器と、
　を有することを特徴とする三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　前記第１の電子源及び第２の電子源は、異方的な形状の電子放出面を有することを特徴とする請求項１に記載の三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　前記第１の電子源及び第２の電子源は、前記第１の電子源の電子放出面の長手方向と前記第２の電子源の電子放出面の長手方向とが略平行な向きに配置されていることを特徴とする請求項２に記載の三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　前記第１の電子源及び第２の電子源は、前記第１の電子源の電子放出面の長手方向と、前記第２の電子源の電子放出面の長手方向とが略直交する向きに配置されていることを特徴とする請求項２に記載の三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　前記第１の電子源が細長い異方的な形状の電子放出面を有し、前記第２の電子源が等方的な形状の電子放出面を有することを特徴とする請求項１に記載の三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　前記第１のビーム変形素子及び第２のビーム変形素子は、前記電子ビームの進行方向に沿って複数段配置された多重極子を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　前記多重極子は静電四重極子よりなり、該静電四重極子の一対の極子の向きは前記電子放出面の長手方向と一致し、もう一対の極子は前記電子放出面の短手方向と一致する向きに配置されていることを特徴とする請求項６に記載の三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームは共通の偏向器により偏向されることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームがそれぞれ別々の偏向器によって偏向されることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　前記偏向器の偏向可能範囲は、前記第１の電子ビームと第２の電子ビームとの間隔よりも広い範囲に設定されており、前記第１の電子ビームと第２の電子ビームとを同時に粉末層に照射することを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の三次元積層装置用の電子ビームカラム。
　所定の加速電圧に加速された第１の電子ビームを出力する第１の電子源と、所定の加速電圧に加速された第２の電子ビームを出力する第２の電子源と、前記第１の電子ビームの断面形状を変形させる第１のビーム形状変形素子と、前記第２の電子ビームの断面形状を変形させる第２のビーム形状変形素子と、前記第１の電子ビームと第２の電子ビームの間隔よりも広い偏向可能範囲の中で前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームの照射位置を調整する偏向器と、を有する電子ビームカラムと、
　粉末層を保持する造形容器と、
　前記造形容器の表面に新たな粉末層を供給する粉末供給装置と、
　三次元構造物の造形データをもとに前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームを同時に照射して前記粉末層の所定範囲を溶融凝固させる制御部と、
　を備えることを特徴とする三次元積層造形装置。
　更に前記第１のビーム形状変形素子と第２のビーム形状変形素子とに制御信号を出力する変形素子制御ユニットを備え、該変形素子制御ユニットは、
　予備照射用の引き伸ばされた断面形状の電子ビームを生じさせる制御出力を格納した予備照射用データ記憶回路と、
　縁取り照射用の絞り込まれた断面形状の電子ビームを生じさせる制御出力を格納した縁取り照射用データ記憶回路と、
　前記制御部から要求されたサイズのビームを生じさせるのに必要な制御出力を算出する溶融照射用データ演算回路と、
　制御部の制御信号に基づいて、予備照射用データ記憶回路の出力、縁取り照射用データ記憶回路の出力及び溶融照射用データ演算回路の出力の何れかを選択して出力する切替部と、
　を有することを特徴とする請求項１１に記載の三次元積層造形装置。
　粉末層を供給する工程と、
　第１の電子ビームで前記粉末層の表面の一部である造形領域を走査させて溶融照射させつつ、同時に引き伸ばされた断面形状の第２の電子ビームで前記造形領域よりも広い領域を予備照射する第１の照射工程と、
　前記第２の電子ビームの断面形状を絞り込んで前記造形領域の縁に沿って走査させることで前記造形領域の縁取り照射する第２の照射工程と、
　を行うことを特徴とする三次元積層造形方法。
　前記第２の照射工程において、引き伸ばされた断面形状の前記第１の電子ビームで前記第２の電子ビームが縁取り照射する領域よりも広い領域を予備照射することを特徴とする請求項１３に記載の三次元積層造形方法。
　所定の加速電圧に加速された第１の電子ビームを出力する第１の電子源と、所定の加速電圧に加速された第２の電子ビームを出力する第２の電子源と、前記第１の電子ビームの断面形状を変形させる第１のビーム形状変形素子と、前記第２の電子ビームの断面形状を変形させる第２のビーム形状変形素子と、前記第１の電子ビームと第２の電子ビームの間隔よりも広い偏向可能範囲の中で前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームの照射位置を調整する偏向器と、を有する電子ビームカラムと、
　粉末層を保持する造形容器と、
　前記造形容器の表面に新たな粉末層を供給する粉末供給装置と、
　三次元構造物の造形データをもとに前記第１の電子ビーム及び第２の電子ビームを同時に照射して前記粉末層の所定範囲を溶融凝固させる制御部と、
　を備える三次元積層造形装置を用いた三次元積層造形方法であって、
　前記造形容器の上面に粉末層を供給する工程と、
　前記第２のビーム形状変形素子により前記第２の電子ビームを所定の引き伸ばされた断面形状に設定するステップと、
　前記第１のビーム形状変形素子により前記第１の電子ビームのサイズを所定の範囲で変化させるステップと、
　前記第１の電子ビームを造形領域の照射対象位置に移動させるステップと、
　前記第１の電子ビームを一定時間時間照射対象位置に滞在させて前記粉末層を溶解させつつ、前記第２の電子ビームを予備照射するステップと、
　を有することを特徴とする三次元積層造形方法。