特許 6283539 ３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6283539

(24)【登録日】2018年2月2日

(45)【発行日】2018年2月21日

(54)【発明の名称】３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/305 20060101AFI20180208BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20180208BHJP

   B29C 67/00 20170101ALI20180208BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20180208BHJP

   B22F 3/02 20060101ALI20180208BHJP

   H01J 37/147 20060101ALI20180208BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/305 Z

   B22F3/16

   B29C67/00

   B22F3/105

   B22F3/02 R

   H01J37/147 E

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-46685(P2014-46685)

(22)【出願日】2014年3月10日

(65)【公開番号】特開2015-170571(P2015-170571A)

(43)【公開日】2015年9月28日

【審査請求日】2016年11月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004271

【氏名又は名称】日本電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000925

【氏名又は名称】特許業務法人信友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】本田 和広

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１１４９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１８７６０６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ １／００− ８／００

Ｂ２９Ｃ ６７／００−６７／０８

Ｂ２９Ｃ ６９／００−６９／０２

Ｂ２９Ｃ ７３／００−７３／３４

Ｂ２９Ｄ １／００−２９／１０

Ｂ２９Ｄ ３３／００

Ｂ２９Ｄ ９９／００

Ｂ３３Ｙ １０／００−９９／００

Ｃ２２Ｃ １／０４− １／０５

Ｃ２２Ｃ ３３／０２

Ｈ０１Ｊ ３７／３０−３７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉛直方向に移動可能であって、粉末試料からなる粉末層が敷き詰められるステージと、
前記ステージを収容し、内部に前記ステージの上面に水平な一定の方向に磁界がかけられる試料室と、
前記試料室の側面に配置され、前記試料室へ向けて前記磁界の磁力線に垂直な荷電粒子ビームを発生する荷電粒子源と、
前記荷電粒子源で発生した前記荷電粒子ビームを、前記磁力線の向きと垂直な方向に偏向して第１の方向を走査する第１の走査部と、
前記荷電粒子ビームの荷電粒子に、前記磁界の磁束密度と前記荷電粒子源の加速電圧に応じた半径の向心力が発生している状態において、前記試料室の側面への入射位置及び入射角が、前記向心力による前記荷電粒子の円軌道の前記入射位置での接線と一致するように、前記第１の走査部の駆動を制御する制御部と、を備え、
前記試料室内での前記荷電粒子の前記円軌道の中心は、前記粉末層と同じ面上にある
３次元積層造形装置。

【請求項2】

前記第１の走査部は、第１の偏向部と第２の偏向部を備え、
前記第１の走査部は、前記第１の偏向部及び前記第２の偏向部により、前記荷電粒子ビームを前記磁力線と垂直な方向に２段階で偏向し、前記粉末層の前記荷電粒子ビームに平行な方向を走査する
請求項１に記載の３次元積層造形装置。

【請求項3】

前記荷電粒子ビームを前記磁力線と平行な方向に偏向し、前記粉末層の前記荷電粒子ビームと垂直な方向を走査する第２の走査部を、さらに備える
請求項２に記載の３次元積層造形装置。

【請求項4】

前記荷電粒子源と前記第１の走査部及び前記第２の走査部との間に、前記偏向によって生じる前記荷電粒子ビームのビーム形状の歪みを補正する非点補正器を、さらに備える
請求項３に記載の３次元積層造形装置。

【請求項5】

前記荷電粒子源と、前記第１の走査部と、前記第２の走査部とを含む複数の荷電粒子鏡筒を、前記試料室の側面に前記磁力線の向きと平行に配置した
請求項３又は４に記載の３次元積層造形装置。

【請求項6】

各々の前記荷電粒子鏡筒による走査範囲を重複させる
請求項５に記載の３次元積層造形装置。

【請求項7】

鉛直方向に移動可能なステージに粉末試料からなる粉末層を敷き詰める処理と、
前記ステージを収容する試料室の内部に、前記ステージの上面に水平な一定の方向に磁界を発生させる処理と、
前記試料室の側面に配置された荷電粒子源から前記試料室へ向けて前記磁界の磁力線に垂直な荷電粒子ビームを発生する処理と、
第１の走査部により、前記荷電粒子源で発生した前記荷電粒子ビームを、前記磁力線の向きと垂直な方向に偏向して第１の方向を走査する処理と、
制御部により、前記荷電粒子ビームの荷電粒子に、前記磁界の磁束密度と前記荷電粒子源の加速電圧に応じた半径の向心力が発生している状態において、前記試料室の側面への入射位置及び入射角が、前記向心力による前記荷電粒子の円軌道の前記入射位置での接線と一致するように、前記第１の走査部の駆動を制御する処理と、を備え、
前記試料室内での前記荷電粒子の前記円軌道の中心は、前記粉末層と同じ面上にある
３次元積層造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粉末試料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、粉末試料を薄く敷いた層（以下「粉末層」と表記する）を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形技術が脚光を浴びており、粉末試料の材料や造形手法の違いにより多くの種類の３次元積層造形技術が開発されている（例えば特許文献１を参照）。

【0003】

図８は、従来技術に係る荷電粒子を用いた３次元積層造形装置の概略断面図である。
図８において、３次元積層造形装置のステージ３の移動方向（鉛直方向）をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な第１の方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な第２の方向をＹ方向とする。

【0004】

従来の３次元積層造形装置は、図８に示すように、粉末試料が置かれる試料室２と、光源から放出された荷電粒子を収束させる荷電粒子鏡筒１と、を備える。荷電粒子鏡筒１は、試料室２の上部に設けられる。また、この３次元積層造形装置は、造形枠台６の中央部に形成された竪穴のピット４と、ピット４の内壁に摺接しＺ方向（鉛直方向）に駆動するステージ３と、ステージ３の下面に接続されたＺ駆動レール７と、Ｚ駆動レール７をＺ方向に駆動させるＺ駆動機構８とからなる。

【0005】

このような３次元積層造形装置では、まず、ステージ３に一層分の粉末試料を供給し、３次元構造物のデータに基づいて、その粉末試料の層に対して荷電粒子ビームを２次元面内で走査することで所定の位置にある粉末試料を溶融させる。このとき、溶融した粉末試料同士が接合し、その後凝固することで一層分の硬化層（２次元構造物）が形成される。次に、ステージ３をＺ方向に一層分の距離だけ下げて更に粉末試料を供給し、前工程と同様にして粉末試料を溶融及び凝固させることで、先に作成された下層の硬化層と一体となった２層分の硬化層が形成される。このように、ステージ３を下げ、ステージ３上に粉末試料を供給し、その粉末試料を溶融及び凝固させる工程を繰り返すことで、ステージ３の上に３次元の造形物が形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００１−１５２２０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、ステージ３上に敷き詰められた一層分の粉末試料は、荷電粒子ビーム５をＸ方向及びＹ方向に走査することで溶融される。その走査の幅が３次元積層造形物の大きさを規定することになる。走査は荷電粒子鏡筒１のＸＹ走査機能によって荷電粒子ビーム５の光軸１０をＸ方向及びＹ方向に偏向することによって行われるために、光軸１０がステージ３に対してθの角度を持つことになる。

【0008】

図９は、荷電粒子ビーム５がステージ３に照射及び走査される様子を示す。
荷電粒子ビーム５の光軸１０がステージ３に垂直である場合には、ステージ３に照射される荷電粒子ビーム５のビーム形状Ｓｃは円形であるが、ステージ３に対してθの角度で照射されると、荷電粒子ビーム５のビーム形状Ｓｅはθの大きさに応じた楕円形となる。

【0009】

荷電粒子ビーム５がステージ３に垂直に照射された場合のビーム径をｒとすると、θの角度で照射された場合、楕円形の長軸の長さはｒ／ｓｉｎθとなり、θが小さくなるに従いビーム径が大きく、かつ、より楕円形になってしまう。つまり、荷電粒子ビーム５を走査すると走査領域の端では、荷電粒子ビーム５の形が歪んでしまい、造形の精度が悪くなってしまうという問題点があった。

【0010】

また、一般的に、荷電粒子ビーム５の偏向は光軸１０に対して１０度位（ステージ３に対して８０度）までと言われている。したがって、走査幅をＬとした場合、荷電粒子ビーム５をステージ３に対して８０度傾けて照射した場合、ステージ３から荷電粒子鏡筒１までの距離をＬｖとすると、
Ｌｖ＝０．５Ｌ＊ｔａｎ（８０°）≒２．８４Ｌ
となり、試料室２の高さが走査領域に対して約３倍の長さを必要とすることになる。したがって、特に大きな３次元積層造形物を積層造形する場合には、巨大な３次元積層造形装置が必要になるという問題点があった。荷電粒子ビームが電子ビームである場合には、試料室２の高さが走査領域に対して約５倍と言われている。

【0011】

また、巨大な試料室２の上に荷電粒子鏡筒１が設置されるため、該荷電粒子鏡筒１のメンテナンス性が極めて悪くなるという問題点があった。

【0012】

上記の状況から、大きな３次元積層造形物を積層造形する場合にも、ビーム形状の走査歪をなくして、積層造形物の造形精度を向上させることが望まれていた。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の一態様では、粉末試料からなる粉末層が敷き詰められるステージを収容する試料室の内部に、ステージの上面に水平な一定の方向に磁界を発生させる。また、試料室の側面に配置された荷電粒子源から試料室へ向けて上記磁界の磁力線に垂直な荷電粒子ビームを発生する。
そして、試料室内に入射した荷電粒子ビームの荷電粒子に、試料室内の磁界の磁束密度と荷電粒子源の加速電圧に応じた半径の向心力が発生している状態において、試料室の側面への入射位置及び入射角が、向心力による荷電粒子の円軌道の入射位置での接線と一致するようにする。

【0014】

上記構成によれば、試料室に側面から入射した荷電粒子が、試料室内の磁束密度と荷電粒子の加速電圧に応じて円運動する。このとき、向心力による荷電粒子の円軌道の入射位置での接線と一致するよう、試料室の側面への入射位置及び入射角が調整される。その円軌道の中心が試料面と同じ面上にあるため、荷電粒子は、試料面に対して垂直に照射される。

【発明の効果】

【0015】

本発明の少なくとも一つの実施の形態によれば、大きな３次元積層造形物を積層造形する場合にも、荷電粒子は、試料面に対して垂直に照射されるため、ビーム形状の走査歪をなくして、積層造形物の造形精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の構成例を示す概略斜視図である。

【図2】図１の３次元積層造形装置に搭載された荷電粒子鏡筒の構成例を示す概略図である。

【図3】図１の３次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。

【図4】図２の荷電粒子鏡筒から出射される電子の軌道線を示した模式図である。

【図5】余弦波の波形図である。

【図6】本発明の第２の実施の形態に係る電子の軌道線を表した模式図である。

【図7】本発明の第３の実施の形態に係る、２つの荷電粒子鏡筒が磁力線の方向に並べて配置された３次元積層造形装置を示す概略断面図である。

【図8】従来技術に係る３次元積層造形装置を示す概略断面図である。

【図9】荷電粒子ビームがステージに照射及び走査される様子を示した説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

【0018】

＜１．第１の実施の形態＞
［３次元積層造形装置の構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の構成例を示す概略斜視図である。
図１において、３次元積層造形装置５０のステージ３の移動方向（鉛直方向）をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な第１の方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な第２の方向をＹ方向とする。

【0019】

３次元積層造形装置５０は、図１に示すように、粉末試料が供給されて造形物が形成される試料室１２と、荷電粒子源から放出された荷電粒子を収束させる荷電粒子鏡筒１１と、荷電粒子鏡筒１１等と接続された造形制御装置３０（図３参照）を有する。荷電粒子鏡筒１１は、試料室１２の側面１３に設けられる。この試料室１２の側面１３には、荷電粒子鏡筒１１が放出する荷電粒子が通過するよう開口が設けられている。荷電粒子鏡筒１１は、荷電粒子を放出するものであればよい。荷電粒子としては、例えば電子又はイオン等が適用される。以下では、荷電粒子が電子である場合を例として説明する。

【0020】

また、３次元積層造形装置５０は、磁力線１４（磁界）がある一定の方向に一様に存在するような不図示の磁場発生機を備える。試料室１２の側面１３に配置された荷電粒子鏡筒１１は、磁力線１４の方向に対して垂直かつＸ方向（図１の右から左）に放出する電子ビーム１５の光軸を持つ。

【0021】

また、３次元積層造形装置５０は、図１には記載していないが図８と同じように造形枠台６と、造形枠台６のほぼ中央部の下方に形成された竪穴のピット４と、ピット４の内壁に摺接しＺ方向（鉛直方向）に駆動するステージ３を備える。ステージ３は、試料室１２の側面１３に入射する電子ビーム１５の光軸よりも下側に配置される。造形枠台６は、円筒形状又は角筒形状である。また、図示を省略しているが図８と同じようにステージ３の下面に接続されたＺ駆動レール７と、Ｚ駆動レール７をＺ方向に駆動させるＺ駆動機構８を備える。Ｚ駆動機構８には、例えばラック＆ピニオンやボールねじ等が用いられる。

【0022】

試料室１２の内部には、粉末供給部として、粉末試料が充填される不図示の漏斗が設けられている。漏斗は、ステージ３の上方でステージ３の上面と平行な方向に移動可能に構成されている。３次元積層造形装置５０は、漏斗を移動させて、ステージ３の上面に粉末試料を一層ずつ敷き詰める。なお、粉末供給部として漏斗を用いるが、ステージ３に粉末試料を敷き詰められるものであればこの例に限られない。

【0023】

図２は、３次元積層造形装置５０に搭載された荷電粒子鏡筒１１の構成例を示す概略図である。
荷電粒子鏡筒１１は、電子を放出する荷電粒子源２１と、中間レンズ２２と、対物レンズ２４とを備える。中間レンズ２２は、例えば４極レンズから構成され、電場又は磁場を用いて電子ビームにレンズ作用させる。対物レンズ２４は、電場又は磁場を用いて、中間レンズ２２からレンズ作用を受けた電子ビームをステージ３上の粉末試料（試料面）に収束させる。また、中間レンズ２２と対物レンズ２４の間に配置され、試料面上で歪のあるビーム形状を円形に補正する非点補正器２３とを備える。さらに、電子ビームを磁力線１４と平行な方向に偏向しＹ方向を走査するＹ偏向部であるＹ走査部２５（第２の走査部の一例）を備える。また、第１のＸ偏向部２６（第１の偏向部の一例）と第２のＸ偏向部２７（第２の偏向部の一例）を有し、電子ビームを磁力線１４と垂直な方向に２段階で偏向し、Ｘ方向を走査するＸ走査部２８（第１の走査部の一例）とを備える。

【0024】

［３次元積層造形装置の制御系］
図３は、３次元積層造形装置５０の制御系（造形制御装置３０）を示すブロック図である。
造形制御装置３０は、荷電粒子鏡筒１１等と電気的に接続されている（図１参照）。造形制御装置３０は、通信インターフェース（図３では「通信Ｉ／Ｆ」と表記している）３１、ＲＯＭ（Read Only Memory）３２、ＲＡＭ（Random Access Memory）３３、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３４、Ｚ駆動制御部３５、磁場制御部３６、荷電粒子源制御部３７、Ｙ走査制御部３８、Ｘ走査制御部３９を備える。

【0025】

通信インターフェース３１は、図示しない通信ネットワークを介して、所定の形式に従った情報の送受信を行なうインターフェースである。例えば、通信インターフェース３１としてシリアルインターフェースが適用される。

【0026】

ＲＯＭ３２は、ＣＰＵ３４が実行する造形プログラムや造形物のパラメータ等を記憶する不揮発性の記憶部である。ＲＡＭ３３は、データを一時的に記憶する揮発性の記憶部であり、作業領域として使用される。なお、ＲＯＭ３２に記憶される造形プログラムや造形物のパラメータ等のデータを、不揮発性の大容量記憶装置に記憶するようにしてもよい。

【0027】

ＣＰＵ３４は、ＲＯＭ３２に記憶された造形プログラムをＲＡＭ３３に読み出し、この造形プログラムに従い、各部の処理及び動作を制御する。ＣＰＵ３４は、システムバスを介して、各部と相互にデータを送信及び／又は受信可能に接続されている。ＣＰＵ３４、ＲＯＭ３２及びＲＡＭ３３は、制御部の一例である。

【0028】

Ｚ駆動制御部３５は、ＣＰＵ３４の制御の下、Ｚ駆動機構８の動作を制御する。

【0029】

磁場制御部３６は、ＣＰＵ３４の制御の下、不図示の磁場発生器を駆動して試料室１２の内部に発生させる磁力線１４の方向と強さを調整する。

【0030】

荷電粒子源制御部３７は、ＣＰＵ３４の制御の下、荷電粒子源２１から出射する荷電粒子（例えば電子）の量と速度を制御する。

【0031】

Ｙ走査制御部３８は、ＣＰＵ３４の制御の下、Ｙ走査部２５を駆動して電子ビームをＹ方向に偏向して走査する。また、Ｘ走査制御部３９は、第１のＸ偏向部２６と第２のＸ偏向部２７から構成されるＸ走査部２８を駆動して、電子ビームをＸ方向に２段階で偏向して走査する。

【0032】

上記構成の３次元積層造形装置５０において、粉末試料が充填された漏斗が、ステージ３の上をステージ３上面と平行に移動することで、ステージ３上に所定厚さで１層ずつ粉末試料が敷き詰められる。ステージ３上に粉末試料が１層敷き詰められた後、荷電粒子鏡筒１１の荷電粒子源２１から出力された電子ビーム１５が、この粉末試料に対して照射され、照射位置の粉末試料が溶融及び凝固する。荷電粒子鏡筒１１内のＹ走査部２５及びＸ走査部２８により電子ビーム１５を偏向することで、この粉末層の粉末試料が溶融する位置が設定され、所定の２次元形状の造形物が形成される。３次元積層造形装置５０は、この１層ごとの粉末試料の敷き詰め工程と、１層ごとの粉末試料の溶融及び凝固工程を繰り返し行い、立体形状の造形物を作成する。

【0033】

［３次元積層造形装置の走査の概要］
次に、図２を参照して、３次元積層造形装置５０の動作を説明する。
図２は、３次元積層造形装置５０を磁力線１４がＹ方向の、試料室１２の手前側から奥側に向かう方向から見た状態を示している。一般に、磁束密度Ｂが一様に存在する空間内で、電荷ｅを持ち速度ｖで運動する電子は、式（１）に従い円運動する。Ｆは向心力である。

【0034】

【数1】

【0035】

電子の速度ｖは荷電粒子鏡筒１１で加速される電圧Ｖで決まり、電子の質量をｍとして相対論効果を無視した場合、式（２）が成り立つ。

【0036】

【数2】

【0037】

一方、半径Ｒかつ速度ｖで円運動している時の電子の向心力Ｆは式（３）で表される。また、式（１）と式（３）から、式（４）が得られる。

【0038】

【数3】

【数4】

【0039】

よって、式（４）と式（２）から、半径Ｒについての式（５）が得られる。式（５）より、加速電圧Ｖ及び磁束密度Ｂが決まれば、電荷ｅの電子が受ける向心力Ｆは一定となり、電子の円運動の半径Ｒは一定となる。したがって、半径Ｒが試料室１２の内部空間の高さより低くなるように、加速電圧Ｖ及び磁束密度Ｂを決定する。

【0040】

【数5】

【0041】

ここで、ステージ３の上面の高さを試料室１２の下面に合わせ、試料室１２内は一様に試料室１２の手前側から奥側に向かって磁束密度Ｂの磁界がかかっているものとする。荷電粒子鏡筒１１からレンズ作用を受けた電子は、試料室１２の側面１３から（図２の右側から左側へ向かって）入射する。該電子は試料室１２内に入射後、円運動をする。一例としてこの円運動の中心をＯａとする。仮に、円運動の中心Ｏａがステージ３の上面と同じ面上にあれば、Ｏａを中心に円運動した電子ビーム１５ａはステージ３の上面に垂直に入射することになる（荷電粒子鏡筒１１から遠い着地点１６Ａ）。

【0042】

このような円軌道Ｒａをとるためには、電子の試料室１２への入射角（荷電粒子鏡筒側の側面１３における入射点ａでの）が円軌道Ｒａの接線の方向となるように、荷電粒子鏡筒１１内のＸ走査部２８によって、電子をＸ方向に２段階で偏向することによって実現できる。なお、上記説明では、円運動の中心Ｏａがステージ３の上面と同じ面上にある場合を想定したが、より正確には、円運動の中心Ｏａがステージ３の上面に敷き詰められた所定厚さの粉末試料（造形面）と同じ面上にあることとする。それにより、Ｏａを中心に円運動した電子ビーム１５ａは、ステージ３の上面の粉末試料（造形面）に垂直に入射する。

【0043】

さらに、磁束密度Ｂ及び加速電圧Ｖが同じで、電子をステージ３の上面に垂直に入射するためには、円軌道の中心がステージ３の上面にあればよい。荷電粒子鏡筒１１に近い着地点１６Ｂに電子が垂直に照射される円軌道は円軌道Ｒｂであり、その時の中心はＯｂとなる。また、その時の試料室１２の側面１３への入射点はｂである。入射点ｂでの入射角が円軌道Ｒｂの入射点ｂでの接線方向になるように、円軌道Ｒａの場合と同様にして、Ｘ走査部２８によって、電子をＸ方向に２段階で偏向すればよい。それにより、Ｏｂを中心に円運動した電子ビーム１５ｂは、ステージ３の上面の粉末試料（造形面）に垂直に入射する。

【0044】

例えば、図２の着地点１６Ａ及び１６ＢがそれぞれＸ方向の走査領域の端である場合には、着地点１６Ａ及び１６Ｂの間がＸ方向の走査領域となる。このとき、加速電圧Ｖ及び磁束密度Ｂは一定のままでＸ走査部２８によって試料室１２への入射条件（入射角と入射位置）を整えるだけで、電子ビーム１５をステージ３の上面に垂直に照射した状態でＸ方向に走査できる。

【0045】

すなわち、ＣＰＵ３４は、試料室１２内に入射した電子ビーム１５の電子に、試料室１２内の磁界の磁束密度と荷電粒子源２１の加速電圧に応じた半径の向心力が発生している状態において、試料室１２の側面１３への入射位置及び入射角が、向心力による電子の円軌道Ｒａ、Ｒｂの入射位置での接線と一致するように、Ｘ走査部２８（第１のＸ偏向部２６と第２のＸ偏向部２７）の駆動を制御する。

【0046】

なお、試料室１２内の磁力線１４による磁界によって電子ビーム１５はＸ方向に収束作用を受け、ビーム形状が少し歪むが、荷電粒子鏡筒１１内の対物レンズ２４と非点補正器２３のレンズ強度を調整することにより、ビーム形状を円形に補正することができる。

【0047】

Ｙ方向の走査については、ＣＰＵ３４がＹ走査制御部３８に指令を出し、荷電粒子鏡筒１１内のＹ走査部２５によって電子ビーム１５をＹ方向に偏向すればよい。その際に生じるビーム形状の歪は、Ｘ方向の場合と同様にして、対物レンズ２４と非点補正器２３のレンズ強度を調整することで円形に補正することができる。以下の説明では、電子ビーム１５ａ及び１５ｂなど、荷電粒子鏡筒１１が放出する電子ビームを特に区別しない場合には、電子ビーム１５と表記する。

【0048】

［荷電粒子の偏向］
図４は、３次元積層造形装置５０の荷電粒子鏡筒１１から出射される電子の軌道線を示した模式図である。
図４において、光軸Ｌ上を右から平行に出射された電子を第１のＸ偏向部２６及び第２のＸ偏向部２７で偏向し、電子の試料室１２の側面１３での入射点Ｚと入射角（π／２−θ_Ｏ）を制御する。図４の例では、電子は、第１のＸ偏向部２６により第１の偏向点４１において第１の偏向角θ_１で下方に偏向された後、第２のＸ偏向部２７により第２の偏向点４２において第２の偏向角θ_２で上方に偏向され、試料室１２の側面１３の入射点Ｚに入射角（π／２−θ_Ｏ）で入射する。角度θ_Ｏは、第２の偏向点４２と入射点Ｚを結ぶ線分と光軸Ｌに平行な線分とが成す角度である。角度θ_Ｏ、角度θ_１及び角度θ_２は、式（６）、式（７）の関係がある。

【0049】

【数6】

【数7】

【0050】

ここで、磁界中における試料面上の位置Ｏを中心とする円軌道４５の半径をＲ、入射点Ｚまでの回転角をθとする。また、試料室１２の側面１３から第１のＸ偏向部２６までの距離をｒ_１、第２のＸ偏向部２７までの距離をｒ_２とする。また、ステージ３上の試料面から光軸Ｌまでの距離をＡとする。第１の偏向角θ_１と第２の偏向角θ_２との関係は、式（８）、式（９）で表される。

【0051】

【数8】

【数9】

【0052】

試料室１２へ入射した電子のＸ方向への到達位置は、試料室１２の側面１３からＲ（１＋ｃｏｓθ）となり、最大で２Ｒ（＝Ｘｍａｘ）、最小で０となる。ただし、実際には、回転角θを０から２πまでとることは偏向角度の大きさから不可能である。入射点ＺのＺ方向における移動範囲Ｚｍは、Ｚｍ＝Ｒ−ｈ＝Ｒ（１−ｓｉｎθ）となる。ｈは、試料面から入射点Ｚまでの高さである。

【0053】

［３次元積層造形装置の動作］
次に、上述のように構成された３次元積層造形装置５０による造形物を造形する動作を説明する。
３次元積層造形装置５０のＣＰＵ３４が、ＲＯＭ３２から造形プログラムを読み出して実行し、造形制御装置３０内の各部を制御することにより造形物が形成される。

【0054】

３次元積層造形装置５０では、まず電子ビームの照射により、ステージ３及びその周囲の雰囲気を余熱する。次に、ＣＰＵ３４は、Ｚ駆動制御部３５に指令を出し、Ｚ駆動機構８により、ステージ３をピット４が形成された不図示の造形枠台の上面よりＺ方向に所定の距離ΔＺ分下がった位置に配置する。そして、ＣＰＵ３４は、不図示の漏斗により、厚さΔＺ分の粉末試料をステージ３に敷き詰める。

【0055】

次に、ＣＰＵ３４は、ＲＯＭ３２等に予め準備された３次元構造物のデータから、３次元構造物をΔＺ間隔でスライスした２次元形状のデータを取得する。そして、２次元形状のデータに基づいて、荷電粒子源制御部３７に指令を出し、粉末試料の粉末層に対し荷電粒子源２１から電子ビームを出射する。このとき、ＣＰＵ３４は、Ｙ走査制御部３８及びＸ走査制御部３９に指令を出し、Ｙ走査部２５及びＸ走査部２８を通過する電子ビームを偏向し、電子ビームを粉末試料の粉末層のＸ方向及びＹ方向に走査する。

【0056】

１層分の粉末層が溶融及び凝固した後、ＣＰＵ３４は、Ｚ駆動制御部３５に指令を出し、Ｚ駆動機構８によりステージ３をΔＺ分下げる。次に、ＣＰＵ３４は、不図示の漏斗により、厚さΔＺ分の粉末試料を直前に敷き詰められた粉末層（下層）の上に敷き詰める。そして、ＣＰＵ３４は、荷電粒子源制御部３７に指令を出し、新たに敷き詰められた粉末層に相当する２次元形状に対応する領域の粉末試料に電子ビーム１５を照射し、粉末試料を溶融及び凝固させる。このように、１層ごとの粉末試料の敷き詰め工程と、１層ごとの粉末試料の溶融及び凝固工程を繰り返し行い、立体形状の造形物を作成することができる。

【0057】

上述した第１の実施の形態によれば、荷電粒子鏡筒１１が試料室１２の側面に横置きに取り付けられるため、限られた空間で粉末層の走査領域のＹ方向（ステージ３及び電子ビームの光軸と垂直な方向）の幅を大きく取れる。それゆえ、大きな３次元積層造形物を造形することが可能である。
また、荷電粒子ビームが試料面に対して垂直に照射されるため、走査領域内の各照射位置で照射条件が一定である。
また、走査領域の端であっても荷電粒子ビームが垂直に照射されるので、溶融解深さ方向（Ｚ方向）の精度は一定に保たれる。
また、荷電粒子鏡筒が試料室の側面に横置きに取り付けられるため、試料室が大きくなっても荷電粒子鏡筒のメンテナンス性がよい。
また、試料室の高さに、従来のような走査領域の数倍の高さを要求されないため、３次元積層造形装置全体を小型化することができる。

【0058】

＜２．第２の実施の形態＞
以下、図５及び図６を参照して、本発明の第２の実施の形態を説明する。
上述した第１の実施の形態において、荷電粒子ビームを精度よく走査するためには、偏向角に対する偏向量の線形性も重要である。本実施の形態は、この線形性を考慮した構成である。

【0059】

図５は、余弦波（ｃｏｓθ）の波形図を示す。
仮に、θをπ／３から２π／３で採ると、余弦波からほぼ直線の領域を採れることがわかる。図４において、回転角θが６０°＜θ＜１２０°のとき、Ｘ方向の走査領域は、０．５Ｒ＜Ｒ（１＋ｃｏｓθ）＜１．５Ｒ（Ｘｍａｘ）となる。全幅でいうとＲとなる。

【0060】

図６は、本発明の第２の実施の形態に係る電子ビームの軌道線を表した模式図であり、回転角θが６０°＜θ＜１２０°の範囲における電子ビームの軌道を示している。ただし、図６では、式（１０）に示すように、θ＝６０°における試料面から光軸Ｌまでの距離Ａを√３Ｒ／２としている。このときθ_Ｏ＝３０°である。

【0061】

【数10】

【0062】

図６の例では、回転角θが１２０°のとき、Ｘ走査部２８に入射した電子は、第１のＸ偏向部２６により第１の偏向点５１において第１の偏向角で上方に偏向された後、第２のＸ偏向部２７により第２の偏向点５２において第２の偏向角で下方に偏向され、試料室１２の側面１３の入射点Ｚ（試料面からの距離Ａ）に入射角３０°で斜め上方に入射する。そして、入射点Ｚに入射した電子は、円軌道５７に沿って円運動し、試料面の着地点５６に垂直に入射する。
回転角θが９０°のとき、同様にして、電子は、第１の偏向点５１から第２の偏向点５３を経て、試料室１２の側面１３の入射点Ｚ（試料面からの距離Ｒ）に入射角９０°で入射する。そして、入射点Ｚに入射した電子は、円軌道５９に沿って円運動し、試料面の着地点５８に垂直に入射する。
回転角θが６０°のとき、同様にして、電子は、第１の偏向点５１から第２の偏向点５４を経て、試料室１２の側面１３の入射点Ｚ（試料面からの距離Ａ）に入射角３０°で斜め下方に入射する。そして、入射点Ｚに入射した電子は、円軌道６１に沿って円運動し、試料面の着地点６０（Ｘｍａｘ）に垂直に入射する。

【0063】

距離Ａを、式（８）のＡに代入すると、式（１１）に示すｔａｎθ_１が導出される。これは、第１の偏向角θ_１が、試料室１２の側面１３から第１のＸ偏向部２６及び第２のＸ偏向部２７までの距離ｒ１とｒ２との差分と、側面１３から第２のＸ偏向部２７までの距離ｒ２との比で決まることを示している。そして、式（９）のθに６０°を挿入し、ｔａｎθ_１に式（１１）の右辺を代入することにより、第２の偏向角θ_２に対するｔａｎθ_２の式を得ることができる。このｔａｎθ_２も、距離ｒ_１とｒ_２で表される。

【0064】

【数11】

【0065】

図６の場合には、入射点Ｚの移動範囲Ｚｍも、Ｚｍ＝Ｒ−Ａ＝Ｒ（１−ｓｉｎθ）＝（２−√３）Ｒ／２となり、小さい移動量とすることができる。またθ＝６０°の時、θｏ＝３０°となり、偏向角も小さくできる。したがって、回転角θが、π／３＜θ＜２π／３の範囲にあることが望ましい。

【0066】

上述した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態による作用、効果に加えて、回転角θの範囲をπ／３＜θ＜２π／３とした場合には、電子ビーム１５の試料室１２の側面１３への入射点Ｚの移動範囲が小さく、安定した偏向を実現できる。

【0067】

＜３．第３の実施の形態＞
第１及び第２の実施の形態に係る荷電粒子鏡筒１１は１つである必要はなく、同時に複数個を配置及び使用しても差し支えない。

【0068】

図７は、第３の実施の形態に係る２つの荷電粒子鏡筒が磁力線の方向に並べて配置された３次元積層造形装置の概略断面図を示す。

【0069】

３次元積層造形装置７０は、不図示の造形枠台と、造形枠台の中央部に形成された竪穴のピット４ｗと、ピット４ｗの内壁に摺接しＺ方向（鉛直方向）に駆動するステージ３ｗを備える。このピット４ｗとステージ３ｗは、第１及び第２の実施の形態に係るピット４ｗ及びステージ３ｗよりも、Ｙ方向の幅が長い。３次元積層造形装置７０は、２つの荷電粒子鏡筒１１ａ及び１１ｂを、試料室１２ｗの側面１３ｗに、磁力線１４の方向（Ｙ方向）に並べて配置することによって、より大きな３次元積層造形物を積層造形することができる。なお、図７の例では、荷電粒子鏡筒の数を２つとしたが、３以上であってもよい。

【0070】

上述した第３の実施の形態によれば、複数の荷電粒子鏡筒によって、各荷電粒子鏡筒で走査できる範囲を積層造形することで、より大きな積層造形物を可能とする。その際、隣り合う各々の荷電粒子鏡筒による走査範囲の端を重複し、走査範囲の一部を相互に共有する。それにより、各々の荷電粒子鏡筒により造形された造形物の一部が重なり合い、各々の造形物が接続して大きな造形物が造形される。

【0071】

上述した第３の実施の形態によれば、第１及び第２の実施の形態による作用、効果に加えて、次のような作用、効果が得られる。大きな積層造形物に対しては、荷電粒子鏡筒を複数個、試料室の側面に水平方向に配置すればいいので、高さ方向に大きくならず、小型化及びメンテナンス性の向上を実現できる。

【0072】

＜４．変形例＞
なお、上述した第１及び第２の実施の形態において、粉末試料として金属粉末を用いたが、樹脂やその他の材料からなる粉末でもよい。望ましくは高融点の粉末試料であるとよい。

【0073】

以上、本発明は上述した各実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。
例えば、上記した実施の形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細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、ある実施の形態例の構成の一部を他の実施の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態例の構成に他の実施の形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態例の構成の一部について、他の構成の追加、置換、削除をすることが可能である。

【符号の説明】

【0074】

３，３ｗ…ステージ、 ４、４ｗ…ピット、 ５，５ａ，５ｂ…電子ビーム、 ８…Ｚ駆動機構、 １１、１１ａ，１１ｂ…荷電粒子鏡筒、 １２，１２ｗ…試料室、 １３，１３ｗ…側面、 １４…磁力線、 ２１…荷電粒子源、 ２５…Ｙ走査部、 ２６…第１のＸ偏向部、 ２７…第２のＸ偏向部、 ２８…Ｘ走査部、 ３０…造形制御装置、 ３４…ＣＰＵ、 ３５…Ｚ駆動制御部、 ３６…磁場制御部、 ３７…荷電粒子源制御部、 ３８…Ｙ走査制御部、 ３９…Ｘ走査制御部、 ５０，７０…３次元積層造形装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】