特許 6092465 ３次元造形装置、３次元造形装置の制御方法および３次元造形装置の制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6092465

(24)【登録日】2017年2月17日

(45)【発行日】2017年3月8日

(54)【発明の名称】３次元造形装置、３次元造形装置の制御方法および３次元造形装置の制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/105 20060101AFI20170227BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20170227BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20170227BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20170227BHJP

   H01J 37/147 20060101ALI20170227BHJP

   H01J 37/30 20060101ALI20170227BHJP

   H01J 37/305 20060101ALI20170227BHJP

【ＦＩ】

   B22F3/105

   B22F3/16

   B33Y30/00

   B33Y10/00

   H01J37/147 E

   H01J37/30 A

   H01J37/305 Z

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-510844(P2016-510844)

(86)(22)【出願日】2015年12月7日

(86)【国際出願番号】JP2015084249

【審査請求日】2016年2月29日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度 経済産業省「産業技術開発（次世代産業用三次元造形システム技術開発）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】514227988

【氏名又は名称】技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100134430

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 卓士

(74)【代理人】

【識別番号】100198960

【弁理士】

【氏名又は名称】奥住 忍

(72)【発明者】

【氏名】後藤 和也

【審査官】 米田 健志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１７０５７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、
前記電子ビームにより粉体が走査されるように前記第１偏向器および前記第２偏向器を制御する制御手段であって、前記第１偏向器および前記第２偏向器による走査の速度ベクトルを個別に制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第１偏向器による走査の速度ベクトルが変わるように前記第１偏向器を制御した後、一時的に前記第１偏向器による走査速度が所定速度未満となっている期間に、前記第２偏向器を作動させ、前記期間に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、前記粉体の過熱を抑制する３次元造形装置。

【請求項2】

前記制御手段は、前記期間に、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偏向器を制御する請求項１に記載の３次元造形装置。

【請求項3】

前記制御手段は、前記期間に、前記第２偏向器による走査により前記熱が分散される範囲が前記第１偏向器による走査により前記粉体を溶融させる領域の外部となるように前記第２偏向器を制御する請求項１または２に記載の３次元造形装置。

【請求項4】

前記制御手段は、前記期間に、前記第２偏向器による走査により前記熱が分散される範囲が前記第１偏向器による走査により前記粉体を溶融させる領域の内部となるように前記第２偏向器を制御する請求項１または２に記載の３次元造形装置。

【請求項5】

前記制御手段は、前記第１偏向器による走査の速度ベクトルを変える前に、前記第１偏向器による前記電子ビームの偏向位置を目標位置に収束させるべく、一時的に前記第１偏向器への信号入力変化を停止する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３次元造形装置。

【請求項6】

前記制御手段は、前記期間に、前記第２偏向器による走査により前記熱が分散される範囲が１次元または２次元となり、かつ該範囲が所定の方向に、所定の幅を持つように前記第２偏向器を制御する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の３次元造形装置。

【請求項7】

前記所定の方向は、前記第１偏向器による走査の速度ベクトルが変わる点が配列する方向に垂直な方向である請求項６に記載の３次元造形装置。

【請求項8】

電子ビームを発生させるステップと、
粉体の走査のため前記電子ビームを第１偏向器により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、
前記第１偏向器による走査の速度ベクトルを変える際に、前記電子ビームが前記粉体に与える熱が造形面上で分散されるように前記電子ビームを第２偏向器により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３次元造形装置の制御方法。

【請求項9】

電子ビームを発生させるステップと、
粉体の走査のため前記電子ビームを第１偏向器により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、
前記第１偏向器による走査の速度ベクトルを変える際に、前記電子ビームが前記粉体に与える熱が造形面上で分散されるように前記電子ビームを第２偏向器により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３次元造形装置の制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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３次元造形装置の制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

上記技術分野において、特許文献１には、粉体を電子ビームで走査する三次元製品製造装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２００３−５３１０３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記文献に記載の技術では、偏向器による走査速度が所定の走査速度に達するまでに時間を要するので、粉体が過熱され、意図しない溶融が生じ、造形精度を向上させることができなかった。

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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、
前記電子ビームにより粉体が走査されるように前記第１偏向器および前記第２偏向器を制御する制御手段であって、前記第１偏向器および前記第２偏向器による走査の速度ベクトルを個別に制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第１偏向器による走査の速度ベクトルが変わるように前記第１偏向器を制御した後、一時的に前記第１偏向器による走査速度が所定速度未満となっている期間に、前記第２偏向器を作動させ、前記期間に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、前記粉体の過熱を抑制する。

【0007】

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ステップと、
粉体の走査のため前記電子ビームを第１偏向器により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、
前記第１偏向器による走査の速度ベクトルを変える際に、前記電子ビームが前記粉体に与える熱が造形面上で分散されるように前記電子ビームを第２偏向器により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。

【0008】

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ステップと、
粉体の走査のため前記電子ビームを第１偏向器により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、
前記第１偏向器による走査の速度ベクトルを変える際に、前記電子ビームが前記粉体に与える熱が造形面上で分散されるように前記電子ビームを第２偏向器により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。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、粉体が過熱されることが抑制され、粉体の意図しない溶融も抑制されるので、造形精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】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。

【図2】本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置の動作を説明する図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置の副偏向器による偏向範囲の一例を示す図である。

【図4】本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置の副偏向器による偏向範囲の他の例を示す図である。

【図5】本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置の主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変化する点を示す図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る３次元造形装置の副偏向器による偏向範囲の例を説明する図である。

【図7】本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置の副偏向器による偏向範囲の例を説明する図である。

【図8】本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置により走査される領域を説明する図である。

【図9】本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置の動作を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

［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乃至図５を用いて説明する。３次元造形装置１００は、金属粉体などの材料を電子ビームで照射して、材料を溶融および凝固させることにより、材料を積層して３次元造形物を造形する装置である。

【0013】

図１は、本実施形態に係る３次元造形装置１００の構成を示す図である。３次元造形装置１００は、電子銃１０１と、主偏向器１０２と、副偏向器１０３と、レンズ１０４と、中央制御部１０５と、記憶部１０６と、Ｚ軸ステージ１０７とを備える。３次元造形装置１００は、主偏向制御部１５１と、副偏向制御部１５２と、バイアス電圧制御部１５３と、Ｚ軸ステージ制御部１５４とをさらに備える。

【0014】

３次元造形装置１００は、偏向器として、主偏向器１０２および副偏向器１０３を備えている。主偏向器１０２および副偏向器１０３は、ともに電磁型の多極子偏向器であり、ともにＸ方向偏向用コイルとＹ方向偏向用コイルとを備える。

【0015】

主偏向器１０２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１０７の送りの範囲、すなわち、最大造形深さは、２００ｍｍである。副偏向器１０３の偏向範囲の形状は、正方形であり、その偏向範囲の大きさは２ｍｍ四方であり、主偏向器１０２の偏向範囲の大きさに比べて格段に小さい。説明の便宜上、主偏向器１０２の偏向範囲は同偏向器により偏向・走査可能な最大範囲とするが、副偏向器１０３の偏向範囲は必ずしも同偏向器により偏向・走査可能な最大範囲とは限らず、その形状・寸法は適宜変更できるものとする。

【0016】

主偏向制御部１５１は、主偏向器１０２に接続され、副偏向制御部１５２は、副偏向器１０３に接続され、バイアス電圧制御部１５３は、グリッド１０１ｃに接続され、Ｚ軸ステージ制御部１５４は、Ｚ軸ステージ１０７に接続されている。主偏向制御部１５１、副偏向制御部１５２、バイアス電圧制御部１５３、およびＺ軸ステージ制御部１５４は、さらに、それぞれ中央制御部１０５に接続されている。そして、記憶部１０６は、中央制御部１０５に接続されている。記憶部１０６は、３次元構造物の形状を表すデータおよびその造形のための条件を表すデータを格納する。

【0017】

３次元造形装置１００は、金属粉体１３０を造形面１４０上に敷き詰めた後、電子銃１０１により電子ビーム１２０を生成する。３次元造形装置１００は、生成した電子ビーム１２０をレンズ１０４により集束して、主偏向器１０２を用いて偏向することより、造形面１４０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１２０により、この所望の位置に存在する金属粉体１３０を溶融および凝固させる。次に、３次元造形装置１００は、金属粉体１３０の溶融および凝固による３次元造形物の高さの上昇分をＺ軸ステージ１０７を下降させることにより補償する。

【0018】

次に、上記動作中における各制御部の動作を説明する。まず、中央制御部１０５が、記憶部１０６に格納されたデータを取得する。中央制御部１０５は、取得したデータに基づいて、主偏向制御部１５１、副偏向制御部１５２、バイアス電圧制御部１５３およびＺ軸ステージ制御部１５４を制御する。より具体的には、中央制御部１０５は、主偏向制御部１５１を介して主偏向器１０２を動作させ、副偏向制御部１５２を介して副偏向器１０３を動作させる。また、中央制御部１０５は、バイアス電圧制御部１５３を介してバイアス電圧を変化させることで電子ビーム１２０の電流を増減する。さらに、中央制御部１０５は、Ｚ軸ステージ制御部１５４を介してＺ軸ステージ１０７を必要な送り量だけ動かす。

【0019】

図２は、３次元造形装置１００の動作を説明する図である。図２（ａ）は、主偏向器１０２および副偏向器１０３への走査信号入力および溶融のタイミングを表す図である。図２（ｂ）は、主偏向器１０２による偏向位置（造形面１４０上の電子ビーム１２０の入射位置）と時間との関係を表す図である。図２（ｃ）は、主偏向器１０２により走査される領域を表す図である。より詳細には、その領域は、金属粉体１３０を溶融させる領域であり、その走査は、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である。

【0020】

ただし、図２（ａ）および図２（ｂ）は、便宜上、図２（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している。

【0021】

３次元造形装置１００の動作は、主偏向器を用いて電子ビームで材料を走査する従来の３次元造形装置の動作と基本的に同じであるが、副偏向器１０３を動作させる点で異なる。本実施形態では、主偏向器１０２への走査信号入力を開始または再開した後、主偏向器１０２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１０３を動作させる。そうすることで、電子ビーム１２０を受ける金属粉体１３０に与えられる熱を分散し、金属粉体１３０の温度上昇を抑える。

【0022】

以下、本実施形態における主偏向器１０２および副偏向器１０３の動作を、図２（ｂ）に付した時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４を用いて詳細に説明する。ただし、以下の説明において、走査信号とは、主偏向器１０２および副偏向器１０３に入力される偏向信号のうち、偏向信号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、偏向信号の変化速度が零であれば、走査信号の強度は零であり、走査信号の入力は停止している。また、走査信号の入力が停止されてから次の走査信号の入力が開始されるまで、主偏向器１０２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１０３には、強度を零とした偏向信号が入力される。

【0023】

図２（ａ）および図２（ｂ）に示したように、時刻ｔ０以前においては、主偏向器１０２への走査信号入力はＯＦＦになっているが、副偏向器１０３への走査信号入力はＯＮになっている。そして、時刻ｔ０で主偏向器１０２へのＸ方向の走査信号入力がＯＮになり、それとともに主偏向器１０２によるＸ方向の走査が始まる。その後、時刻ｔ１で副偏向器１０３への走査信号入力がＯＦＦになり、金属粉体１３０の溶融が始まる。そして、時刻ｔ２で主偏向器１０２への走査信号入力がＯＦＦになり、次に、時刻ｔ３で副偏向器１０３への走査信号入力がＯＮになり、溶融が終わる。時刻ｔ３ではさらに、主偏向器１０２への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１０２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。次に、時刻ｔ４で、副偏向器１０３への走査信号入力がＯＦＦになる。

【0024】

上述のように、主偏向器１０２によるＸ方向の走査を開始した後、すなわち、主偏向器１０２へのＸ方向の走査信号入力を開始した後（ｔ０からｔ１の間）、図２（ｂ）に示したように、主偏向器１０２による偏向位置（実線２０１）は、理想的な偏向位置（破線２０２）に対して遅れる。そして、その遅れの分だけ、主偏向器１０２による偏向は、主偏向器１０２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。

【0025】

主偏向器１０２による偏向位置がこのように遅れるのは、主偏向器１０２およびその駆動回路（アンプ）の応答性によるものである。すなわち、上記説明において、主偏向器１０２への走査信号入力とは、より直接的には、主偏向器１０２の駆動回路への走査信号入力であり、その入力に対し、主偏向器１０２を構成するコイルに流れる電流が遅れる。上述の動作における主偏向器１０２による走査速度に着目すると、主偏向器１０２への走査信号入力が開始された後（ｔ０からｔ１の間）、図２（ｂ）に示したように、主偏向器１０２の走査速度（実線２０１の勾配）は、理想的な走査速度（破線２０２の勾配）に対し遅くなっている。また、主偏向器１０２による走査速度は、主偏向器１０２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。

【0026】

主偏向器１０２による走査速度が上記のように遅くなっている間、すなわち、主偏向器１０２への走査信号入力を開始または再開してからしばらくの間、副偏向器１０３を動作させなければ、電子ビーム１２０を受ける金属粉体１３０は、より多くの、単位面積当たりの熱を与えられる。すなわち、金属粉体１３０は、過熱されることになる。

【0027】

この原理によれば、金属粉体１３０が過熱される領域は、主偏向器１０２による走査の向きが反転する地点およびその近傍である。図２（ｃ）を参照して説明すれば、金属粉体１３０が過熱される領域は、金属粉体１３０を溶融させる長方形領域の縁のうち、Ｙ方向の縁に沿って存在している。すなわち、金属粉体１３０を溶融させる領域と溶融させない領域の境界（Ｘ方向およびＹ方向）のうち、そのＹ方向の境界に沿って存在している。

【0028】

上記の過熱により、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１３０の蒸発量が過剰となり、金属粉体１３０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１３０を敷き詰める工程において補償できるが、金属粉体１３０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１４０上に落ちれば、そこに位置する金属粉体１３０の溶融が妨げられる。

【0029】

これに対し、上述のように、主偏向器１０２への走査信号入力を開始または再開した後、主偏向器１０２による走査速度が上記のように遅くなっている間に、副偏向器１０３を動作させれば、その間電子ビーム１２０を受ける金属粉体１３０に与えられる熱が分散される。これにより、金属粉体１３０の過熱が抑えられ、上述のような問題の発生が防止される。なお、副偏向器１０３による走査速度は、主偏向器１０２による走査速度よりも速くしてもよく、また、これとは反対に、副偏向器１０３による走査速度を主偏向器１０２による走査速度よりも遅くしてもよく、適宜変更することができる。

【0030】

さらには、同じく上述のように、主偏向器１０２への走査信号入力を開始または再開する前に、主偏向器１０２による偏向を、主偏向器１０２への走査信号入力を停止してからもしばらくの間（ｔ２からｔ３の間）継続させて、その位置を目標位置に収束させれば、金属粉体１３０を溶融させる領域と溶融させない領域との境界の位置精度が向上し、造形精度が向上する。

【0031】

上記動作において、主偏向器１０２への走査信号入力を開始または再開するタイミングは、走査の向きを反転させるタイミングである。すなわち、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルを変えるタイミングである。したがって、本実施形態において副偏向器１０３を動作させるのは、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルを変えた後においてである。

【0032】

図３は、本実施形態に係る３次元造形装置１００の副偏向器１０３による偏向範囲の一例（１次元）を示す図である。副偏向器１０３の偏向範囲は本来、先述のように正方形（２次元）であるが、上記動作における副偏向器１０３の偏向範囲は、同図に示すように１次元であってもよい。つまり、副偏向器１０３による走査の方向は、図３（ａ）に示したようにＸ方向としてもよい。しかし、もし、図３（ｂ）に示したように、副偏向器１０３による走査の方向がＹ方向であれば、主偏向器１０２によるＸ方向の走査の向きが反転するＸ座標（金属粉体１３０を溶融させる領域と溶融させない領域との境界）において、走査の反転および熱の分散の回数が重ねられるごとに、副偏向器１０３の偏向範囲、すなわち、熱の分散範囲が、上述のＹ方向の縁において重なる。そのため、副偏向器１０３により分散されるべき熱が、上述のＹ方向の縁において積算され、結果的に分散されない。したがって、副偏向器１０３の偏向範囲内の金属粉体１３０の過熱が防止できない。

【0033】

図４は、本実施形態に係る３次元造形装置１００の副偏向器１０３による偏向範囲の他の例（２次元）を示す図である。上記動作における副偏向器１０３の偏向範囲は、同図に示すように、２次元としてもよい。また、副偏向器１０３による走査速度は、図４（ａ）に示すようにＸ方向に速く、Ｙ方向に遅くしても、図４（ｂ）に示すようにＸ方向に遅く、Ｙ方向に速くしてもよい。ここで、副偏向器１０３は、その偏向範囲内の金属粉体１３０の温度分布が不均一になることを防ぐために、その偏向範囲内を隈なく走査する。

【0034】

これに留意して、図３（ａ）および（ｂ）と、図４（ａ）および（ｂ）とを比較すれば、金属粉体１３０の過熱防止のために副偏向器１０３の偏向範囲に課せられる要件が見出せる。この要件は、副偏向器１０３の偏向範囲が、Ｘ方向に零でない幅（電子ビーム１２０の径は除く）を持つことである。この要件が満たされるとき、電子ビーム１２０が金属粉体１３０に与える余計な熱が、副偏向器１０３により分散される。この場合の熱の分散範囲の広さは、副偏向器１０３の偏向範囲の幅により決定され、その分散範囲が広くなれば、金属粉体１３０の温度上昇幅が小さくなる。

【0035】

図５は、３次元造形装置１００の主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変化する点を示す図である。上記要件において、Ｘ方向は、言い換えれば、金属粉体１３０を溶融させる領域内で主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変わる点、すなわち、副偏向器１０３が動作しなければ金属粉体１３０が過熱されうる点が配列する方向（Ｙ方向）に垂直な方向である。ここで、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変わる点が配列する方向（Ｙ方向）は、点線５０１で表した線分の方向である。すなわち、上記要件は、副偏向器１０３の偏向範囲が、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変わる点の配列方向に垂直な方向に零でない幅を持つことと表現できる。

【0036】

以上説明したように、本実施形態によれば、主偏向器１０２への走査信号入力を開始および再開した後、電子ビーム１２０を受ける金属粉体１３０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。

【0037】

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元造形装置の動作について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る３次元造形装置の副偏向器による偏向範囲の例を説明するための図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第１実施形態と比べると、副偏向器による走査範囲が、金属粉体を溶融させる領域の外側にある点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、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。

【0038】

上記第１実施形態では、図３および図４から分かるように、副偏向器１０３の偏向範囲が金属粉体１３０を溶融させる領域に重なっている。これは、第１実施形態では、金属粉体１３０に与えられる熱を分散すべく副偏向器１０３を動作させる前、電子ビーム１２０の入射位置が、副偏向器１０３の偏向範囲の中心に一致していることによる。ここで、副偏向器１０３を動作させる前は、先述のように、副偏向器１０３への走査信号は零である。

【0039】

上記状態のもとで副偏向器１０３を動作させると、金属粉体１３０に与えられる余計な熱は分散されるものの、その熱が、上記重なりの分だけ金属粉体１３０を溶融させる領域内に与えられる。そのため、金属粉体１３０を溶融させる領域は依然として、部分的かつ穏やかながら過熱される。

【0040】

これを防ぐには、副偏向器１０３の偏向範囲が、金属粉体１３０を溶融させる領域と重ならない方が好ましい。図６に示したように、本実施形態では、副偏向器１０３により走査される範囲を、金属粉体１３０を溶融させる領域の外側とする。

【0041】

このような副偏向器１０３による走査を可能とするためには、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルを変える点における熱を分散させるために副偏向器１０３を動作させると同時またはその直前に、副偏向器１０３により電子ビーム１２０を偏向する。そして、これにより、副偏向器１０３の偏向範囲の中心を、金属粉体１３０を溶融させる領域の外側に移動させればよい。すなわち、副偏向器１０３による走査範囲の移動に相当する偏向信号を、副偏向器１０３に入力される走査信号に加算すればよい。

【0042】

ただし、その際、上記第１実施形態においてそうしたように、副偏向器１０３の偏向範囲は、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変わる点の配列方向に垂直な方向、すなわちＸ方向に、零でない幅（電子ビーム１２０の径は除く）を持つように定める。

【0043】

あるいは、その際、次のような工夫を施せば、副偏向器１０３の偏向範囲は、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変わる点の配列方向に垂直な方向、すなわちＸ方向に零でない幅を持たなくてもよい。その工夫とは、例えば、図６（ｃ）に示すように、偏向器１０３の偏向範囲が１次元であり、零でない幅をＹ方向には持っているがＸ方向には持っていない場合に、副偏向器１０３の偏向範囲の中心を、主偏向器１０２による走査の向きが反転するたびに異なるＸ座標に移動させるものである。こうすれば、金属粉体１３０に与えられる熱は、結果的に分散される。このとき、副偏向器１０３の偏向範囲は、等価的に、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変わる点の配列方向に垂直な方向（Ｘ方向）に零でない幅を持つと見なせる。

【0044】

以上説明したように、本実施形態では、副偏向器による走査範囲を金属粉体を溶融させる領域の外側とする。そのため、本実施形態によれば、同領域内の金属粉体の過熱が抑制され、意図しない溶融が生じることも抑制されるので、造形精度が向上する。

【0045】

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置の動作について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る３次元造形装置の副偏向器による偏向範囲の例を説明するための図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第１実施形態および第２実施形態と比べると、副偏向器による走査範囲が金属粉体を溶融させる領域内に収まっている点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態および第２実施形態と同様であるため、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。

【0046】

上記第１実施形態においては、副偏向器による走査範囲は、金属粉体を溶融させる領域と部分的に重なっており、また、上記第２実施形態においては、同走査範囲は金属粉体を溶融させる領域の外側となっていた。一方、本実施形態では、図７に示すように、副偏向器１０３より走査される範囲の全体を、金属粉体１３０を溶融させる領域内に収めるようにする。さらに好適には、その際、副偏向器１０３により走査される範囲の全体を、金属粉体１３０を溶融させる領域と溶融させない領域の境界から極力離す。

【0047】

このような副偏向器１０３による走査を可能とするためには、金属粉体１３０に与えられる熱を分散すべく副偏向器１０３を動作させると同時またはその直前に、副偏向器１０３により電子ビーム１２０を偏向し、副偏向器１０３の偏向範囲の中心を、金属粉体１３０を溶融させる領域内の、より内側に移動させればよい。すなわち、副偏向器１０３による走査範囲の移動に相当する偏向信号を、副偏向器１０３に入力される走査信号に加算すればよい。

【0048】

こうすることで、金属粉体１３０を溶融させる領域内の金属粉体１３０の過熱による金属粉体１３０の蒸発を抑える効果は幾分損なわれる。しかしながら、金属粉体１３０を溶融させる領域の外側、すなわち、金属粉体１３０を溶融させない領域への余計な熱の伝わりが抑制できる。その抑制により、金属粉体１３０を溶融させる領域と溶融させない領域の境界の位置精度が向上する。

【0049】

ただし、その際、上記第１実施形態および第２実施形態においてそうしたように、副偏向器１０３の偏向範囲は、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変わる点の配列方向に垂直な方向、すなわちＸ方向に零でない幅を持つように定める。あるいは、上記第２実施形態においてそうであったように、副偏向器１０３の偏向範囲の中心を、図７（ｃ）に示すように、主偏向器１０２による走査の向きが反転するたびに異なるＸ座標に移動させるならば、副偏向器１０３の偏向範囲は、零でない幅をＹ方向に持っていれば、Ｘ方向には持たなくてもよい。

【0050】

以上説明したように、本実施形態では、副偏向器による走査範囲を、金属粉体を溶融させる領域内に収める。そのため、本実施形態によれば、金属粉体を溶融させる領域と溶融させない領域の境界の位置精度が向上する。

【0051】

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置の動作について、図８および図９を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る３次元造形装置により走査される領域を説明するための図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第１乃至第３実施形態と比べると、主偏向器による走査の向きを１８０度以外の角度に回転させる点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態乃至第３実施形態と同様であるため、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。

【0052】

上記第１乃至第３実施形態では、主偏向器１０２による走査の向きを反転、すなわち、１８０度回転させる際に、副偏向器１０３を動作させたが、本実施形態では、主偏向器１０２による走査の向きを１８０度以外の角度に回転させる際にも、副偏向器１０３を動作させる。本実施形態における主偏向器１０２および副偏向器１０３の動作について、図８および図９を用いて説明する。

【0053】

本実施形態において走査される領域は、金属粉体１３０を溶融させる領域であり、図８から分かるように、中心を同じくする大小２つの長方形の論理差である。同領域の走査は、これらの長方形の辺に挟まれた細長い経路を、各辺の方向に沿って、途中で金属粉体１３０を溶融させない領域、すなわち、同細長い経路以外の領域を経由することなく、連続的に巡回するようになされる。その途中、同領域の四隅にて、主偏向器１０２による走査の向きが９０度回転する。

【0054】

図９は、本実施形態に係る３次元造形装置の動作を説明するための図である。図９（ａ）は、主偏向器１０２および副偏向器１０３への走査信号入力および溶融のタイミングを表す図である。図９（ｂ）は、主偏向器１０２による偏向位置ＸおよびＹと時間との関係を表す図である。図９（ｂ）において、実線９０１は、電子ビーム１２０の実際の偏向位置Ｘと時間との関係を示し、破線９０２は、電子ビーム１２０の理想的な偏向位置Ｘと時間との関係を示す。また、図９（ｂ）において、実線９０３は、電子ビーム１２０の実際の偏向位置Ｙと時間との関係を示し、破線９０４は、電子ビーム１２０の理想的な偏向位置Ｙと時間との関係を示す。図９（ｃ）は、図８と同じく、主偏向器１０２により走査される領域を表す図である。

【0055】

上記走査においては、主偏向器１０２による走査の進行とともに上記長方形の辺の方向が９０度変わるたびに、走査の方向が９０度回転する。それとともに、副偏向器１０３の動作が開始される。その詳細は次の通りである。

【0056】

図９（ａ）および（ｂ）に示すように、時刻ｔ０以前においては、主偏向器１０２への走査信号入力はＯＦＦになっているが、副偏向器１０３への走査信号入力はＯＮになっている。そして、時刻ｔ０で主偏向器１０２へＸ方向の走査信号入力がＯＮになり、それとともに主偏向器１０２によるＸ方向の走査が始まる。その後、時刻ｔ１で副偏向器１０３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１０２への走査信号入力がＯＦＦになり、次に、時刻ｔ３で副偏向器１０３への走査信号入力がＯＮになり、溶融が終わる。時刻ｔ３ではさらに、主偏向器１０２へのＹ方向の走査信号入力がＯＮになり、それとともに主偏向器１０２によるＹ方向の走査が始まる。次に、時刻ｔ４で、副偏向器１０３への走査信号入力がＯＦＦになり、金属粉体１３０の溶融が再び始まる。そして、時刻ｔ５で主偏向器１０２へのＹ方向の走査信号入力がＯＦＦになり、次に、時刻ｔ６で副偏向器１０３への走査信号入力がＯＮになり、溶融が終わる。時刻ｔ６ではさらに、Ｘ方向の走査信号入力がＯＮになり、それとともに主偏向器１０２によるＸ方向の走査が再開する。ただし、時刻ｔ６に主偏向器１０２に入力されるＸ方向の走査信号は、時刻ｔ０に入力されるそれとは逆向きとなる。

【0057】

上記のように主偏向器１０２によるＸ方向の走査を開始した後、すなわち主偏向器１０２へのＸ方向の走査信号入力を開始した後（ｔ０からｔ１の間）、および主偏向器１０２によるＹ方向の走査を開始した後、すなわち主偏向器１０２へのＹ方向の走査信号入力を開始した後（ｔ３からｔ４の間）、図９（ｂ）に示したように、主偏向器１０２による偏向位置Ｘ（実線９０１）および偏向位置Ｙ（実線９０３）は、理想的な偏向位置Ｘ（破線９０２）および偏向位置Ｙ（破線９０４）に対して遅れる。そして、その遅れの分だけ、主偏向器１０２による偏向は、主偏向器１０２への走査信号入力を停止した後（ｔ２からｔ３の間、およびｔ５からｔ６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。

【0058】

上記動作において主偏向器１０２へのＸ方向またはＹ方向の走査信号入力を開始または再開するタイミングは、走査の向きを変えるタイミングであり、すなわち、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルを変えるタイミングである。したがって、本実施形態において副偏向器１０３を動作させるのは、第１乃至第３実施形態と同様に、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルを変えた後においてである。

【0059】

上記タイミングで副偏向器１０３を動作させることにより、上記走査ベクトルの変更に原因し主偏向器１０２による走査の速度が一時的に遅くなることに伴う金属粉体１３０の過熱が、抑制される。さらには、主偏向器１０２による走査の向きを変える前、上記第１実施形態と同様に、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れば、金属粉体１３０を溶融させる領域と溶融させない領域の境界の位置精度が向上し、したがって造形精度が向上する。

【0060】

本実施形態においては、副偏向器１０３の偏向範囲は、上記第１実施形態と同様に、１次元としてもよいし、２次元としてもよい。ただし、その偏向範囲を１次元とするときは、上記第１実施形態においてそうしたように、副偏向器１０３の偏向範囲に、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変わる点の配列方向に垂直な方向に、零でない幅を持たせる。本実施形態における、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルが変わる点の配列方向は、図８にて点線で表した線分の方向である。また、必要に応じて、上記第２実施形態および第３実施形態においてそうしたように、副偏向器１０３に入力される走査信号に、副偏向器１０３の偏向範囲の中心をずらすための偏向信号を加算してもよい。

【0061】

以上の説明では、主偏向器１０２による走査の向きを９０度回転させたが、上述の主偏向器１０２および副偏向器１０３の動作は、主偏向器１０２による走査の向きを９０度以外、例えば４５度に回転させる場合にも、有効であり、さらには、主偏向器１０２による走査の向きは変えずとも、その速度を変える場合にも、有効である。すなわち、主偏向器１０２および副偏向器１０３の上記動作は、主偏向器１０２による走査の速度ベクトルを変える際に有効である。

【0062】

以上説明したように、本実施形態では、主偏向器による走査方向を１８０度以外の角度に回転させる際にも副偏向器を動作させる。そのため、本実施形態によれば、金属粉体を溶融させる領域の形状によらず、金属粉体を溶融させる領域と溶融させない領域の境界の位置精度が向上し、したがって造形精度が向上する。

【0063】

［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。

【0064】

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。

【要約】

粉体が過熱されることを抑制し、粉体の意図しない溶融も抑制して、造形精度を向上させる。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、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、前記第１偏向器による走査速度が所定速度以下の間、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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】