JP2015174423A - 三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビームで粉末材料を溶解させて造形する三次元積層造形装置において、電子ビームの電流を正確に制御できるようにする。
【解決手段】電子銃１０から発せられた電子ビームＢの通過箇所の周囲に配置された電流検出センサ２１，２５，２６が、電子ビームが通過することで発生する磁界の変化から電子ビームの電流量を検出する。電源制御部３３は、電流検出センサ２１，２５，２６が検出した電子ビームの電流により、電子銃１０の駆動電源を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉末材料の層に電子ビームを照射して固化層を形成することを繰り返すことにより、三次元構造の造形物を形成する三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法に関する。

近年、三次元構造物のデータから、三次元構造物を一定の厚みにスライスした状態の二次元データを作成し、その二次元データに基づいて固化層の形成を繰り返すことにより三次元の造形物を形成する技術が開発されている（特許文献１参照）。

このような三次元の造形物を形成する三次元積層造形装置では、まず、上下動可能なステージに一層分の粉末材料を供給し、その粉末材料の層に対して電子ビームを二次元面内で走査することで所定の位置にある粉末材料を溶融させる。このとき、溶融した粉末材料同士が接合し、その後固化することで一層分の固化層が形成される。次に、ステージを下げて更に粉末材料を供給し、前工程と同様にして粉末材料を溶融させ、固化させることで、先に作成された下層の固化層と一体となった二層分の固化層が形成される。このように、ステージを下げ、ステージ上に粉末材料を供給し、その粉末材料を溶融及び固化させる工程を繰り返すことで、三次元の造形物が形成される。

特開２００１−１５２２０４号公報

ところで、電子ビームを照射して三次元の造形物を形成する三次元積層造形装置は、粉末材料を適切に溶融させるために、粉末材料に照射される電子ビームの電流を適切にコントロールする必要がある。すなわち、粉末材料に照射する電子ビームの電流が不足すると、粉末材料が溶融温度まで加熱されない。このような状態が発生すると、形成された造形物には、粉末材料が固化しない不良箇所が発生する。逆に、粉末材料に照射する電子ビームの電流が強すぎると、電子ビームの照射箇所の周囲まで粉末材料を溶融させてしまう。このため、形成された造形物は、表面に余計な粉末材料が付着した状態になる。したがって、三次元積層造形装置は、造形物の造形精度を向上させる上で、電子ビームの電流の適切なコントロールが重要である。

従来の電子ビームを使用した三次元積層造形装置は、電子ビームを生成させる電子銃の電源回路に電流計を接続して、電子銃の駆動電流を検出し、その駆動電流が適切となるようにコントロールしていた。
しかしながら、電子銃を駆動する電源の電流検出は、電子ビームの電流を間接的に測定して行うものであるため、電子ビームの電流量を制御できる精度に限りがあり、三次元造形物の造形精度をより向上させることができる電子ビームの電流制御が望まれていた。

なお、電子銃から出力される電子ビームの電流量を直接計測する手段としては、例えばファラデーカップ方式のものが従来から知られている。しかしながら、ファラデーカップ方式の電流計は、比較的低い電流値しか測定できない問題があり、粉末材料を溶融させる強い電流の電子ビームを使用する三次元積層造形装置には適用できない。

本発明は、粉末材料に照射する電子ビームの電流のコントロールを精度良く行うことができ、精度の高い造形物を形成することのできる三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法を提供することを目的とする。

本発明の三次元積層造形装置は、粉末材料が敷き詰められるステージと、電子ビームを発生する電子銃と、電子銃が発生した電子ビームをステージ上の粉末材料に収束させる電子レンズとを備える。そして、偏向部が電子ビームを偏向させて、ステージ上の粉末材料への電子ビームの照射位置を設定する。
ここで、電子銃から発した電子ビームの通過箇所の周囲には、電流検出センサを配置する。この電流検出センサは、電子ビームが通過することで発生する磁界の変化から、電子ビームの電流を検出する。この電流検出センサが検出した電子ビームの電流により、電子銃の駆動電源を制御するようにした。

本発明の三次元積層造形方法は、ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対して電子ビームを照射し、粉末材料を溶融し固化させて、三次元造形物を得る三次元積層造形方法に適用される。
また、本発明の三次元積層造形方法は、電子銃から発せられた電子ビームの通過箇所の周囲に配置された電流検出センサで、電子ビームが通過することで発生する磁界の変化から電子ビームの電流量を検出する。そして、電流検出センサが検出した電子ビームの電流により、電子銃の駆動電源が制御されるようにした。

本発明によると、電子銃から発せられた電子ビームの電流を、非接触で精度良く検出することができる。したがって、本発明によると、三次元造形物を得るための電子ビームを正確に制御できるようになり、精度の高い三次元造形物を得ることができる。

本発明の第１の実施形態例の三次元積層造形装置の全体構成の概略を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態例の三次元積層造形装置の電流検出構成を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態例の三次元積層造形装置の電流検出時の制御を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態例の三次元積層造形装置の全体構成の概略を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態例の三次元積層造形装置の電流検出構成を示す構成図である。 本発明の第３の実施形態例の三次元積層造形装置の全体構成の概略を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態例の三次元積層造形装置の電流検出構成を示す構成図である。

＜１．第１の実施の形態例＞
以下、本発明の第１の実施形態例の三次元積層造形装置を、図１〜図３を参照して説明する。

［１−１．三次元積層造形装置の構成］
図１は、本発明の第１の実施形態例の三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。
三次元積層造形装置１００は、電子ビームＢを出力する電子銃１０を備える。電子銃１０から出力された電子ビームＢは、ステージ５１の上に敷き詰められた金属粉末６１に照射され、金属粉末６１を溶融させ、溶融後の固化で造形物６２を形成させる。電子ビームＢにより造形物６２を形成させる際には、三次元積層造形装置１００の内部は真空に保たれる。金属粉末６１としては、例えばチタンやチタン合金が使用される。

電子銃１０は、カソード１１とグリッド１２とアノード１３とを備える。カソード１１とグリッド１２との間には第１電源３１が接続され、カソード１１とアノード１３との間には第２電源３２が接続されている。これら第１電源３１及び第２電源３２により供給される電源の電圧及び電流は、電源制御部３３により制御される。

カソード１１は、不図示の加熱部により例えば１５００℃程度に加熱されることで、熱電子が発生する環境になる。カソード１１には、接地電位であるアノード１３に対して、数１０ｋＶのマイナス電圧が印加される。カソード１１の近傍に配置されたグリッド１２には、カソード１１よりもさらに低い電位が印加される。
そして、カソード１１よりも高い電位であるアノード１３が配置されることで、カソード１１からの熱電子が、アノード１３の電位によってアノード側（図１での下側）に引き出される。その際、グリッド１２の電位により、熱電子の放出領域が抑制され、見かけ上の電子発生領域が小さくなる。通常、アノード１３の電位は接地電位である。

ここで、グリッド１２の電圧がカソード１１よりも低い電圧になると、カソード１１からアノード１３へ向けて加速される熱電子をほぼゼロにでき、グリッド１２の電圧をカソード電圧に近づけると加速される熱電子が増大する。したがって、第１電源３１によりグリッド１２の電圧を制御することで、電子銃１０が出力する電子ビームＢのビーム電流を変動させることができる。
なお、第１電源３１や第２電源３２が発生させる電源は、金属粉末６１を溶融させる造形時には電圧が一定の直流電源であるが、後述する電子ビームＢのビーム電流の測定時には、第１電源３１が電位を周期的に変動させる交流的な特性を持つ電源となる。

電子銃１０から出力された電子ビームＢは、ガンアライメント２１と集束レンズ４１と対物レンズ４２と偏向部４３を通過して、ステージ５１の上に敷き詰められた金属粉末６１に到達する。
ガンアライメント２１は、電子ビームＢの光軸を集束レンズ４１の光軸と一致させる処理を行う。
集束レンズ４１と対物レンズ４２は、電場又は磁場を用いて電子ビームに作用させる電子レンズである。電子ビームＢは、集束レンズ４１と対物レンズ４２を通過することで絞られ、ステージ５１の上に敷き詰められた金属粉末６１の狭い範囲に照射される。電子ビームＢが照射される位置は、偏向部４３による偏向で設定される。

ガンアライメント２１には、電子ビームＢの光軸をガンアライメント制御部２２から出力されたガンアライメント駆動信号がアンプ２３及び切替スイッチ２４を介して供給される。このガンアライメント駆動信号が、ガンアライメント２１に配置されたコイル（後述する図２のコイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）に供給され、電子ビームＢの光軸調整が行われる。
また、電子ビームＢの電流測定時には、切替スイッチ２４が、ガンアライメント制御部２２から電圧計２６側に切り替わる。すなわち、電子ビームＢの電流測定時には、ガンアライメント２１に配置されたコイルが、切替スイッチ２４及びアンプ２５を介して電圧計２６に接続され、電圧計２６が電子ビームＢの電流に比例した電圧を検出する。電圧計２６は、電子ビームＢの電流に比例した電圧を検出するため、電流検出部として機能する。この電圧計２６が検出した電圧値は、電源制御部３３に供給される。

そして、集束レンズ４１と対物レンズ４２を通過して、偏向部４３で照射位置が設定された電子ビームＢが、ステージ５１の上に敷き詰められた金属粉末６１に照射される。集束レンズ４１と対物レンズ４２との間には、電子ビームＢが集束する箇所がある。ステージ５１の上に敷き詰められた金属粉末６１への電子ビームＢの照射位置は、偏向部４３が備える偏向コイルによる偏向で、造形物の形状に対応して設定される。図１では、集束レンズ４１と対物レンズ４２と偏向部４３を駆動する構成は省略する。

ステージ５１は、造形枠台５３のほぼ中央に配置され、駆動機構部５２により上下に昇降することができる。また、金属粉末６１が充填された線状漏斗５４が、ステージ５１の上をステージ上面と平行に移動することで、ステージ５１上に所定厚さで１層ずつ金属粉末６１が敷き詰められる。ステージ５１上に金属粉末６１が１層敷き詰められた後、電子銃１０から出力された電子ビームＢが、この金属粉末６１に対して照射され、照射位置の金属粉末６１が溶融する。偏向部４３による電子ビームＢの偏向で、この金属粉末６１が溶融する位置が設定され、所定の形状の造形物６２が形成される。三次元積層造形装置は、この１層ごとの金属粉末６１の敷き詰め作業と、１層ごとの金属粉末６１の溶融作業を繰り返し行い、立体形状の造形物６２を作成する。

［１−２．電流検出構成］
次に、ガンアライメント２１に接続された電圧計２６が、電子ビームＢの電流に比例した電圧を検出する構成について説明する。
ガンアライメント２１には、図１に示すように、ガンアライメント制御部２２から出力されたガンアライメント駆動信号がアンプ２３を介して供給される。このガンアライメント駆動信号が、図２に示すように、ガンアライメント２１に配置された４つのコイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに供給され、電子ビームＢの光軸調整が行われる。
すなわち、ガンアライメント２１は、Ｘ方向の調整を行うコイル２１ａ，２１ｂと、Ｙ方向の調整を行うコイル２１ｃ，２１ｄとを備える。各コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが同じ巻き方向の場合は、Ｘ方向，Ｙ方向共に対向するコイルには逆向きの電流を流す。そして、ガンアライメント制御部２２から各コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに印加するガンアライメント駆動信号により、電子ビームＢの光軸が調整される。

ここで、４つのコイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの内の１つのコイル２１ａについては、アンプ２３が出力するガンアライメント駆動信号が、切替スイッチ２４を介して供給される。この切替スイッチ２４は、電子ビームＢの電流を検出する際に、電源制御部３３の制御により切り替わるスイッチである。すなわち、通常の造形時には、ガンアライメント制御部２２から出力されたガンアライメント駆動信号が、アンプ２３及び切替スイッチ２４をコイル２１ａに供給される。そして、電子ビームＢの電流を検出する際には、コイル２１ａの出力が、切替スイッチ２４及びアンプ２５を介して電圧計２６に供給される。このように切替スイッチ２４が電圧計２６側に切り替わった状態では、ガンアライメント２１が電流検出センサとして機能する。ここで、ガンアライメント２１を電流検出センサとして使用する際には、第１電源３１による電源電圧を交流とし、グリッド１２に印加する電圧（グリッド電圧）を交流的に変化させるようにする。
このようにして、交流的に変化する電源で得られたビーム電流を検出した値が、電圧計２６で得られる。そして、この電圧計２６で検出した電圧値が、電源制御部３３に供給される。

ここで、グリッド電圧が交流的に変化するとき、電圧計２６がビーム電流に対応した電圧を検出する点について説明する。
交流電源で電子ビームＢが発生したとき、ガンアライメント２１のコイル２１ａには、電磁誘導によって誘導電流が発生する。この誘導電流は、電子ビームＢのビーム電流の変動量に依存する。このため、電源制御部３３は、予め、一定のビーム電流が検出される際のグリッド電圧から、ビーム電流がほぼゼロになるグリッド電圧まで、グリッド電圧を変化させ、そのときに電圧計２６が検出した電圧値から、誘導電流の平均値や最大値を判断する。そして、電源制御部３３は、判断した誘導電流の平均値や最大値から、一定のビーム電流のグリッド電圧に依存した値を得る。
なお、この一定のビーム電流のグリッド電圧に依存した値を得る際には、例えばステージ５１上に金属粉末６１の代わりに、ビーム電流を測定する測定器（ファラデーカップなど）を配置して、その測定器で測定したビーム電流を使用してもよい。

電源制御部３３は、上述した一定のビーム電流を変化させて測定を行い、ビーム電流と電圧計２６の測定値との対応を示す検量線（標準曲線）を作成して記憶する。このような検量線が用意できることで、電源制御部３３は、電圧計２６が検出した電圧値から、検量線を参照して、ビーム電流の値を判断できるようになる。そして、電源制御部３３は、判断したビーム電流に基づいて、グリッド電圧などの駆動電源を補正することが可能になる。

なお、図２の構成では、ガンアライメント２１が備える４つのコイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの内の１個のコイル２１ａだけを電圧計２６に接続した。これに対して、電圧計２６に、複数のコイル（例えば４個のコイル２１ａ〜２１ｄ）を直列に接続して、その複数のコイルで得た信号から電流を検出するようにしてもよい。

［１−３．電流検出時の制御例］
次に、図３のフローチャートを参照して、電子ビームのビーム電流を検出する際の動作を説明する。
電子ビームのビーム電流の検出は、電源制御部３３の制御で実行される。まず、電源制御部３３は、ビーム電流量を検出するタイミングになったか否かを判断する（ステップＳ１１）。ここで、ビーム電流量を検出するタイミングでないと判断したときには、電源制御部３３は、ビーム電流量を検出するタイミングになるまで待機する。

そして、ステップＳ１１でビーム電流量を検出するタイミングになったと判断したとき、電源制御部３３は、切替スイッチ２４をガンアライメント制御部２２側から電圧計２６側に切り替える。この切替スイッチ２４の切り替えに連動して、電源制御部３３は、第１電源３１が発生させる電源の電位を周期的に変化させ、グリッド電圧を交流的に変化させる（ステップＳ１２）。そして、電圧計２６が電圧値を測定し、電圧計２６が測定した電圧値が、電源制御部３３に伝送される。この電圧値が伝送されることで、電源制御部３３は、予め記憶した検量線を参照して、ビーム電流の値を判断する（ステップＳ１３）。

電源制御部３３でのビーム電流の判断処理が終わると、電源制御部３３は、切替スイッチ２４を電圧計２６側からガンアライメント制御部２２側に切り替える。この切替スイッチ２４の切り替えに連動して、電源制御部３３は、第１電源３１が発生させる電源の電位を、造形物作成用の直流電位に切り替える（ステップＳ１４）。その後、電源制御部３３は、ステップＳ１１の判断に戻る。

そして、電源制御部３３は、ステップＳ１３で測定した電圧値から得たビーム電流が適正であるか否かを判断し、その判断に基づいて、造形物作成時に第１電源３１の電圧や電流を補正する（ステップＳ１５）。このようにして、電源制御部３３が造形時に出力するビーム電流が適正される。
なお、この図３のフローチャートに示すビーム電流の測定と補正は、例えば予め決めたタイミングで電源制御部３３が行う。例えば、ステージ５１の上に金属粉末６１を１層ずつ敷き詰める動作を行うごとに、ビーム電流の測定と補正を行う。あるいは、三次元積層造形装置を起動させた際に、一度だけ電源制御部３３が測定を行うようにしてもよい。あるいは、前回電流値を測定してから、一定の時間が経過するごとに、電源制御部３３が測定を行うようにしてもよい。
あるいは、層ごとの２次元溶融の素過程（ライン、面等）ごとに、電源制御部３３が測定を行うようにしてもよい。また、測定中はガンアライメントが正しく動作しないため、造形物に対しては、対物レンズ４２でビームを広げた状態にして走査させることで、局所的な温度上昇を抑えるようにしてもよい。

このように本実施形態例の三次元積層造形装置によると、電子銃１０から発せられた電子ビームの電流を、ガンアライメント２１に配置されたコイルを利用して、非接触で精度良く検出することができる。このため、本実施の形態例の三次元積層造形装置は、三次元造形物を得るための電子ビームを正確に制御できるようになり、金属粉末６１を適正に溶融させるビーム電流の設定が可能になる。ビーム電流が適正でない場合、電子ビームを照射した箇所の周囲まで溶融させたり、あるいは逆に照射箇所の溶融が不十分になって、三次元造形物の形状不良が発生する可能性があるが、本実施形態例の三次元積層造形装置ではそのような形状不良を阻止することができる。したがって、本実施形態例の三次元積層造形装置は、精度の高い三次元造形物を得ることができる。

また、本実施形態例の三次元積層造形装置の場合には、ガンアライメント２１が備えるコイル２１ａを利用してビーム電流を測定するようにしたため、電子銃１０から出力された電子ビームの通過箇所に、新たな部品を配置する必要がない。したがって、従来の三次元積層造形装置に対して、わずかな改良を行うだけでビーム電流が検出できるようになる。

＜２．第２の実施の形態例＞
次に、本発明の第２の実施形態例の三次元積層造形装置を、図４〜図５を参照して説明する。図４において、第１の実施形態例で説明した図１と同一の箇所には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。

［２−１．三次元積層造形装置の構成］
図４は、第２の実施形態例の三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。
第２の実施形態例では、電子ビームの電流の検出を行う構成が、第１の実施形態例の三次元積層造形装置とは異なる例である。
図４に示す三次元積層造形装置１００は、電子銃１０から出力された電子ビームＢが、ステージ５１の上に敷き詰められた金属粉末６１に照射される構成は、図１と同じである。

そして、図４に示す三次元積層造形装置１００は、集束レンズ４１と対物レンズ４２の間で電子ビームが最も小さく絞られる箇所の周囲に、電流検出センサとしての切り欠き付きトロイダルコア７１を配置する。切り欠き付きトロイダルコア７１は、切り欠き部を有し、その切り欠き部にコイル７２が配置される。コイル７２は、振動素子７３により振動する。
コイル７２は、アンプ７４を介して電圧計７５に接続される。この電圧計７５で検出した電圧値が、電源制御部３３に供給される。
電源制御部３３は、供給される電圧値に基づいて、第１電源３１の電源電流を補正して、電子ビームの電流値を適正な値とする。
なお、図４の三次元積層造形装置１００のその他の箇所は、図１に示した三次元積層造形装置と同様に構成する。但し、図４の構成では、図１に示した切替スイッチ２４とアンプ２５と電圧計２６は備えない。

［２−２．電流検出構成］
次に、切り欠き付きトロイダルコア７１に配置されたコイル７２に接続された電圧計７５が、電子ビームＢの電流を検出する構成について説明する。
図５は、切り欠き付きトロイダルコア７１の概略構成を示す図である。
電子ビームＢが通過する箇所の周囲に配置された切り欠き付きトロイダルコア７１は、切り欠き部７１ａを有する。この切り欠き部７１ａには、振動素子７３が取り付けられたコイル７２が配置される。
なお、切り欠き付きトロイダルコア７１の切り欠き部７１ａは、断面積が小さい方が好ましい。また、コイル７２は、できるだけ巻数が大きい方が好ましい。

コイル７２には、上述したようにアンプ７４を介して電圧計７５が接続される。振動素子７３は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）と称される圧電性セラミックスなどの圧電素子が使用される。この振動素子７３は、電圧計７５で電圧を検出する間、一定周期で振動する。

この図５に示す構成としたことで、電圧計７５が電子ビームの電流値を正確に検出することができる。すなわち、電子ビームＢが切り欠き付きトロイダルコア７１を貫通することで、切り欠き付きトロイダルコア７１の周囲に磁界が発生する。ここで、切り欠き付きトロイダルコア７１の切り欠き部７１ａには、この磁界による磁束が集中する。
そして、振動素子７３によるコイル７２の振動方向を、この磁束が横切る方向に設定することで、コイル７２を貫く磁束密度が変化し、振動に同期した交流の誘導起電力が発生する。

振動素子７３による振動の振幅が一定であれば、交流電圧の振幅値は、切り欠き付きトロイダルコア７１を貫いている電子ビームＢの電流量に比例した値となる。したがって、電源制御部３３は、供給される電圧値に基づいて、第１電源３１の制御を行うことで、電子ビームの電流量の適正化ができる。

この第２の実施形態例の場合には、切り欠き付きトロイダルコア７１が電流検出センサとして機能し、しかも駆動電源を交流的に変化させる必要がなく、電子ビームによる造形中であっても電流を検出できる。したがって、常時ビーム電流の検出が可能になり、より高精度に電子ビームの電流を制御できるようになる。
なお、三次元積層造形装置１００が常時ビーム電流を検出するのは１つの例であり、この第２の実施形態例の場合にも、第１の実施形態例と同様に、起動時などの決められたタイミングに、電子ビームの電流を検出するようにしてもよい。

＜３．第３の実施の形態例＞
次に、本発明の第３の実施形態例の三次元積層造形装置を、図６〜図７を参照して説明する。図６において、第１の実施形態例で説明した図１と同一の箇所には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。

［３−１．三次元積層造形装置の構成］
図６は、第３の実施形態例の三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。
第３の実施形態例では、電子ビームの電流の検出を行う構成が、第１及び第２の実施形態例の三次元積層造形装置とは異なる例である。
図６に示す三次元積層造形装置は、電子銃１０から出力された電子ビームＢが、ステージ５１の上に敷き詰められた金属粉末６１に照射される構成は、図１と同じである。

そして、図６に示す三次元積層造形装置は、集束レンズ４１と対物レンズ４２の間で電子ビームが最も小さく絞られる箇所の周囲に、電流検出センサとしてのフラックスゲート式センサ８０を配置する。フラックスゲート式センサ８０は、電子ビームの電流に対応した信号を出力するセンサである。
フラックスゲート式センサ８０の出力信号が、アンプ８７を介して電圧計８８に供給される。この電圧計８８で検出した電圧値が、電源制御部３３に供給される。
電源制御部３３は、供給される電圧値に基づいて、第１電源３１の電源電流を補正して、電子ビームの電流値を適正な値とする。
なお、図６のその他の箇所は、図１に示した三次元積層造形装置と同様に構成する。但し、図６の構成では、図１に示した切替スイッチ２４とアンプ２５と電圧計２６は備えない。

［３−２．電流検出構成］
図７は、フラックスゲート式センサ８０の回路構成例を示す図である。
フラックスゲート式センサ８０は、環状のコア８１に２系統のコイル８２ａ，８２ｂが巻回される。電子ビームＢは、コア８１のほぼ中心を通過する。そして、励磁回路８３からの励磁電流をコイル８２ａに供給し、周波数ｆでコア８１を励磁させる。その励磁に基づきコイル８２ｂに発生する誘導起電力を起電力検出器８４で検出して同期検波回路８５に供給し、周波数ｆの２倍の周波数２ｆで検波する。この検波信号が出力回路８６に供給され、コア８１の内部を通過するビーム電流に比例した電圧信号が得られる。ここでの周波数２ｆでの同期検波回路８５と出力回路８６に相当する回路では、ロックインアンプにより、バンドパスフィルタ等のフィルタ機能を含め、周波数２ｆでの同期検波と信号増幅ができる。

そして、出力回路８６で取り出された電圧信号が、図６に示すアンプ８７を介して電圧計８８に供給され、ビーム電流に比例した電圧が検出される。電圧計８８で検出しビーム電流に比例した電圧値が、電源制御部３３に供給される。
このように構成したことで、第２の実施形態例の場合と同様に、フラックスゲート式センサ８０が電流検出センサとして機能し、電子ビームによる造形中であっても電流を検出できる。したがって、常時ビーム電流の検出が可能になり、高精度に電子ビームの電流を制御できるようになる。
なお、図７に示すフラックスゲート式センサ８０の回路構成は、フラックスゲート式センサの一例であり、直流電流を検出可能なフラックスゲート式センサであれば、その他の回路構成のものを使用してもよい。

＜４．変形例＞
第１，第２，第３の実施形態例に示した三次元積層造形装置の各部の構成は、一例を示したものであり、本発明は、これらの実施形態に示した構成に限定されるものではない。例えば、第２の実施形態例で説明した切り欠き付きトロイダルコア７１やフラックスゲート式センサ８０は、集束レンズ４１と対物レンズ４２の間に配置した。これに対して、その他の電子ビームが通過する箇所に、切り欠き付きトロイダルコア７１やフラックスゲート式センサ８０を配置してもよい。

また、各実施形態例で説明した、ガンアライメントのコイル、切り欠き付きトロイダルコア、フラックスゲート式センサは、電流検出センサの例であり、本発明の三次元積層造形装置が備える電流検出センサは、これらの例に限定されるものではない。

１０…電子銃、１１…カソード、１２…グリッド、１３…アノード、２１…ガンアライメント、２２…ガンアライメント制御部、２３…アンプ、２４…切替スイッチ、２５…アンプ、２６…電圧計、３１…第１電源、３２…第２電源、３３…電源制御部、４１…集束レンズ、４２…対物レンズ、４３…偏向部、５１…ステージ、５２…駆動機構部、５３…造形枠台、５４…線状漏斗、６１…金属粉末、６２…造形物、７１…切り欠き付きトロイダルコア、７２…コイル、７３…振動素子、７４…アンプ、７５…電圧計、８０…フラックスゲート式センサ、８１…コア、８２…コイル、８３…励磁回路、８４…フィルタ、８５…同期検波回路、８６…出力回路、８７…アンプ、８８…電圧計１００、１００…三次元積層造形装置

Claims (6)

1. 粉末材料が敷き詰められるステージと、
   電子ビームを発生する電子銃と、
   前記電子銃が発生した電子ビームを前記ステージ上の粉末材料に収束させる電子レンズと、
   前記電子レンズにより収束された電子ビームを偏向させて、前記ステージ上の粉末材料の照射位置を設定する偏向部と、
   前記電子銃から発した電子ビームの通過箇所の周囲に配置され、電子ビームが通過することで発生する磁界の変化から、電子ビームの電流を検出する電流検出センサと、
   前記電流検出センサが検出した電子ビームの電流により、前記電子銃の駆動電源を制御する電源制御部とを備えた
   三次元積層造形装置。
2. 前記電流検出センサは、
   前記電子銃が発生した電子ビームの光軸調整を行うガンアライメント用コアに配置されたコイルに得られる電流を検出するセンサであり、
   前記電源制御部が前記電子銃に印加する電圧を交流的に変化させることで、前記電流検出センサが電子ビームの電流量を検出するようにした
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
3. 前記電流検出センサは、
   前記電子ビームがほぼ中心を通過するように配置された切り欠き付きトロイダルコアと、
   前記切り欠き付きトロイダルコアの切り欠き部に配置されたコイルと、
   前記コイルを振動させる振動素子と、
   前記コイルに得られる信号から電流を検出する電流検出部とを備えた
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
4. 前記電流検出センサは、
   前記電子ビームが通過する箇所に配置されたフラックスゲート式センサと、
   前記フラックスゲート式センサで得られた信号から電流を検出する電流検出部とを備えた
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
5. 前記電流検出センサを構成する前記切り欠き付きトロイダルコア又は前記フラックスゲート式センサは、前記電子レンズを構成する集束レンズと対物レンズとの間で、前記電子ビームが最も絞られる箇所の近傍に配置されている
   請求項３又は４に記載の三次元積層造形装置。
6. ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対して電子銃により電子ビームを照射して、前記粉末材料を溶融し固化させて、三次元造形物を得る三次元積層造形方法において、
   前記電子銃から発せられた電子ビームの通過箇所の周囲に配置された電流検出センサで、電子ビームが通過することで発生する磁界の変化から電子ビームの電流を検出し、
   前記電流検出センサが検出した電子ビームの電流により、前記電子銃の駆動電源を制御する
   三次元積層造形方法。

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