JP6871814B2 - 三次元積層造形装置及びその照射位置ずれ検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末材料に電子ビームを照射して造形を行う三次元積層造形装置及びその照射位置ずれ検出方法に関する。

三次元積層造形装置は、粉末材料の表面に電子ビーム等のエネルギービームを照射して、所定形状の領域を溶融凝固させて断面層を形成しつつ、その断面層を積み重ねることで三次元的な構造物を造形する。

造形物は粉末材料と共に造形容器に収められ、その造形容器の底部に設けられたステージによって支持される。ステージは鉛直方向（Ｚ方向）に移動可能となっている。そして、造形物の断面層を積層させる際には、堆積させる粉末材料の厚みの高さだけステージをＺ方向に繰り下げることで粉末材料の表面の高さを一定に保ちながら造形を行う。

特開２０１５−１５１５６６号公報 特開２０１５−１５７４２０号公報

従来の三次元積層造形装置では、ステージの送り機構の機械的な精度の制約や、ステージの送り機構の移動軸の傾きによって、ステージの水平方向の位置に意図せぬ変位が生じ、照射位置にずれが生じるおそれがあった。

そのため、三次元構造物の精度は、ステージの機械的な精度によって制約されてしまうという問題がある。

下記の開示の一観点によれば、造形容器に収容された粉末材料を支持するとともに前記粉末材料の積層と共に高さを変化させることで粉末材料の表面位置を一定の高さに保つステージと、前記ステージ上に設置され前記粉末材料の表面に焦点合わせて走査された電子ビームに対して所定の反射電子信号を発生させることで前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を示す基準部材と、前記基準部材から反射される反射電子信号を検出する電子検出器と、を備えた三次元積層造形装置が提供される。

また、上記観点に三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法であって、前記電子ビームの焦点を前記粉末材料の表面に合わせるステップと、前記粉末材料の表面に合わせた電子ビームで前記基準部材を走査しつつ反射電子を検出するステップと、前記反射電子の検出量の変化から前記粉末材料の表面の位置における前記基準部材の位置を検出するステップと、前記基準部材の初期位置と前記基準部材の位置の検出値と差から前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を検出するステップと、を有する照射位置ずれ検出方法が提供される。

上記観点の三次元積層造形装置によれば、基準部材を用いることにより、ステージの位置ずれや傾きによって生じる粉末材料の表面の高さにおける照射位置のずれ量を検出できる。

この照射位置ずれの値が得られれば電子ビームの照射位置の補正が可能となり、ステージの機械的な精度に制約されることなく、高い精度で三次元構造物を造形できる。

なお、上記の発明の概要は、本発明に必須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、発明となり得る。

図１は、第１実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を示す図である。 図２は、造形容器７３、基準部材９０及び校正マーク６７、ならびに粉末供給部６４の配置位置の例を示す平面図である。 図３は、図２の造形容器７３、基準部材９０、及び校正マーク６７をＡ-Ａ線に沿って示す断面図である。 図４は、基準部材９０と電子検出器１５の配置関係を示す斜視図である。 図５は、図３の基準部材９０のナイフエッジ付近を拡大して示す断面図である。 図６は、図３の基準部材９０のナイフエッジ９１に対して、電子ビームをＹ軸方向と略平行に走査する走査方法の例を示す斜視図である。 図７は、図６のＹ方向に走査する電子ビームの照射位置と反射電子信号の関係を示す図である。 図８は、反射電子信号の変化率の最大値とそれに基づく基準部材９０の基準位置（ナイフエッジ位置）の検出方法の例を示す図である。 図９は、図１の三次元積層造形装置１００の動作を示すフローチャートである。 図１０は、図９のステージ移動に起因する照射位置ずれ量の測定及び電子ビームの照射位置の補正の方法を示すフローチャートである。 図１１は、第２実施形態に係る基準部材１９０の斜視図である。

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係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。

（第１実施形態）
図１は、実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を示す図であり、図２は三次元積層造形装置１００の構成部材である、造形容器７３、基準部材９０および校正マーク６７、ならびに粉末供給部６４の配置位置の例を示す平面図である。

三次元積層造形装置１００は、電子ビームカラム２００、造形部３００、及び制御部４００を備える。

三次元積層造形装置１００の電子ビームカラム２００からは、電子ビームＥＢが出力される。その電子ビームＥＢは制御部４００が出力する制御信号によって制御され、造形部３００に設置された粉末層６２の表面６３の所定範囲に照射される。

粉末層６２は、例えば金属材料の粉末からなり、電子ビームＥＢで照射することによって溶融凝固して断面層６５が形成される。その断面層６５を積層してゆくことによって三次元構造物６６の造形を行う。

電子ビームカラム２００には、電子ビームＥＢを出力する電子源１２が設けられている。電子源１２は、熱又は電界の作用によって電子を発生させる。電子源１２から発生した電子は、予め定められた加速電圧（一例として、６０ＫＶ）で、−Ｚ方向に加速され、光軸Ｃに沿って電子ビームＥＢとして出力される。なお、電子源１２は、複数あってもよい。

このようにして電子源１２から出力された電子ビームＥＢは、電磁レンズ１３によって収束される。電磁レンズ１３は、例えば電子ビームカラム２００内に巻き回された複数段の電磁コイルよりなり、制御部４００によって制御された電流を流すことによって、電磁レンズ１３のレンズ強度を設定する。造形を行う際には、照射位置に応じてあらかじめ設定されたレンズ強度に基づいて、電子ビームＥＢは、常に粉末層６２の表面６３の高さで収束するように制御される。

電磁レンズ１３によって収束される電子ビームＥＢは、電磁偏向器１４によって偏向されて所定の照射位置に照射される。電磁偏向器１４はＸ方向及びＹ方向の偏向に係る２組の偏向コイルを備えている。制御部４００は、これらの偏向コイルに流す電流の大きさを設定することによって、電子ビームＥＢの照射位置を設定する。

制御部４００は、造形データをもとに、粉末層６２の表面６３における電子ビームの照射位置を設定する。そして、電磁偏向器１４のＸ方向及びＹ方向の偏向に係る２組の偏向コイルに電流を出力し、断面層６５の部分を電子ビームＥＢで照射しつつ走査させる。

造形部３００には、粉末材料を収容する造形容器７３を備えている。この造形容器７３は、ステージ７２と側壁７３ａとを有しており、その側壁７３ａに囲まれた部分に粉末供給部６４から粉末材料が供給される。粉末供給部６４は、図２に示すように例えばＸ方向に駆動する駆動部６４ａによって所定の可動範囲を往復移動する。粉末材料は粉末供給部６４の摺り切り動作によって平坦化されて、ステージ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。

ステージ７２の高さは、駆動部７７と駆動棒７６とによってＺ軸方向に可動となっている。ステージ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ＥＢで照射されるときに一定の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の周りに粉末材料のまま蓄積される。

造形容器７３の周囲にはヒーター７８が設けられており、粉末材料及び三次元構造物６６を粉末材料の融点以下の所定の温度に加熱することで、三次元構造物６６の熱歪による変形や精度の低下を防ぐ。

造形容器７３の上端部の周辺には、校正マーク６７が設けられている。この校正マーク６７は、造形容器７３の縁の位置を示すとともに、電磁偏向器１４の偏向範囲を設定し、照射位置を校正するために用いられる。

電子ビームカラム２００の底部には、複数の電子検出器１５が設けられている。電子検出器１５は、偏向範囲決定用の校正マーク６７から反射された反射電子を検出する。また、電子検出器１５は、後に説明する基準部材９０によるステージ７２の位置の検出にも利用される。

電子ビームＥＢ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ＥＢによって照射される粉末層６２の表面付近の空間は所定の真空度に排気される。電子ビームＥＢ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ＥＢの通過経路を排気するために排気ユニット８０を備える。

図３は、造形容器７３、基準部材９０、及び校正マーク６７を図２のＡＡ線に沿って切断して示す断面図である。

基準部材９０は、側部を電子ビームＥＢで走査することにより所定の反射信号を出力して、粉末材料の表面の高さにおける基準位置を示す。粉末材料の表面の高さにおける基準位置は、ステージ７２の位置ずれや傾きを反映したものであり、照射位置のずれ量の検出に利用できる。

以下、本実施形態の基準部材９０とその設置部分の構造について説明する。

図２に示すように、粉末供給部６４と干渉しない部分のステージ７２には、基準部材９０が設置されている。特に限定されるものではないが、本実施形態において基準部材９０は、造形容器７３の側壁７３ａの外側に設置されている。

図３に示すように、ステージ７２は、造形容器７３の側壁７３ａに囲まれた部分の底部を構成する造形物支持部７２ａと、造形容器７３の側壁７３ａの外側に位置する基準部材設置部７２ｂとを有しており、造形物支持部７２ａと基準部材設置部７２ｂとはステージ７２の下方で分岐した支柱７６を介して一体的に繋がっている。なお、造形物支持部７２ａと基準部材設置部７２ｂとを区別しないときには、両方合わせてステージ７２と呼ぶことにする。造形物支持部７２ａと基準部材設置部７２ｂとは、平行であって同じ高さに形成されている。

造形物支持部７２ａはシール部材７４ａを介して造形容器７３の側壁７３ａと接する。また、基準部材設置部７２ｂはシール部材７４ｂを介して造形容器７３の側壁７３ａ及び造形部の側壁７３ｂと接する。シール部材７４ａ及びシール部材７４ｂは、ステージ７２と側壁７３ａ、７３ｂとの間で金属粉末や空気が漏れることを防止するシール部材である。また、ステージ７２は、シール部材７４ａ、７４ｂを介して側壁７３ａ、７３ｂと接することにより、ステージ７２の側方（Ｘ方向及びＹ方向）への移動が規制されている。
このようにして、ステージ７２はシール部材７４ａ、７４ｂを介して側壁７３ａ、７３ｂによって支持されつつ上下方向（Ｚ方向）に移動する。

しかしながら、ステージ７２と側壁７３ａ、７３ｂとの機械的な精度によるガタツキや熱膨張による精度低下が生じることがあり、造形している間にステージ７２に位置ずれや傾きが生じるおそれもある。

このようなステージ７２の位置ずれや傾きが生じると、粉末層６２の高さで形成され、三次元構造物６６の一部となる断面層６５に、ＸＹ面内方向の位置ずれが生じて、三次元構造物６６の表面に段差が現れたり、造形物６６がステージ７２の傾斜に合わせて傾斜したりしてしまうことがある。このように、従来の三次元積層造形装置では、三次元構造物の精度は、ステージ７２の機械的な精度によって制約されてしまうという問題があった。

そこで本実施形態では、ステージ７２の位置ずれや傾きによる造形物６６の精度低下を防ぐために、ステージ７２の上面に固定された基準部材９０を用いて粉末層６２の表面位置６３における照射位置のずれ量を検出する。

予め決まった形状を有する基準部材９０は、ステージ７２の一部である基準部材設置部７２ｂの上面に固定され、ステージ７２と一体的にＺ軸方向に移動する。ステージ７２の位置ずれ及び傾きが発生している場合、その影響を受けて基準部材９０は、粉末層６２の表面６３の高さでＸＹ面内方向に位置ずれする。三次元積層造形装置１００は、粉末層６２の表面６３と同じＺ軸方向の高さで、基準部材９０の所定の構造のＸＹ方向位置（基準位置と呼ぶ）を電子ビームＥＢを用いて測定する。そして、ステージ７２の位置ずれ及び傾きに起因する上記の位置ずれ量を、電子ビームの照射位置のずれ量として検出する。

基準部材９０の長さは、ステージ７２を最も下げた場合であっても、その上端部が粉末層６２の表面よりも高い位置するべく、ステージ７２の可動範囲よりも長く形成されている。そして、基準部材９０の側部には、粉末層６２の表面に焦点合わせした電子ビームＥＢで走査したときに特徴的な反射電子信号を出力する基準部材９０の構造の一例としてナイフエッジ９１（図４参照）が形成されている。

したがって、粉末層６２の高さよりも上に伸び出た基準部材９０の側部を電子ビームＥＢで走査することで、ステージ７２の上面をＺ軸方向に移動させた場合に対応する基準位置を検出できる。

このように、基準部材９０の上端が粉末層６２よりも高い位置にあるため、ステージ７２の繰り下げ量にかかわらず、常に基準部材９０の側部が表れ、ステージ７２の高さの変化にかかわらずにステージ７２の位置ずれ及び傾きに起因する電子ビームの照射位置のずれを検出できる。

基準部材９０のナイフエッジ９１は、ステージ７２の表面に対して所定角度で上方に伸びていればよい。あらかじめ決まった形状を有する基準部材９０は、ステージ７２の表面からの高さに依存して、決まったエッジ位置を有することになるからである。以降の明細書では、基準部材９０は、ステージ７２の表面に対して垂直に延びるナイフエッジ９１を有する場合について説明する。

図４は、基準部材９０と電子検出器１５を示す斜視図である。

図４に示す基準部材９０は、三角柱として形成されており、ステージ７２の上面に垂直な向きに固定されている。基準部材９０の側部にはＺ方向に平行な３つの平面があり、それらの平面同士は鋭角又は直角を為して接している。本実施形態では、これらの平面の接する辺の何れか一つをナイフエッジ９１として基準位置を指示する標識として用いる。

基準部材９０のナイフエッジ９１は、側面９１ａ及び側面９１ｂに挟まれた辺として形成されている。基準部材９０はステージ７２上に設定された水平方向（ＸＹ方向）の位置の基準として設定された基準座標（Ｘ０，Ｙ０）にナイフエッジ９１が一致するように位置決めされて固定されている。

図示のように、基準部材９０のナイフエッジ９１は電子ビームＥＢで走査させたときに特徴的な反射電子信号を出力させるべく、電子ビームＥＢの光軸Ｃを向くように配置されている。なお、ナイフエッジ９１を為す角の中心は、必ずしも電子ビームＥＢの光軸Ｃを向いている必要はない。

また、基準部材９０の向きは、ナイフエッジ９１付近を電子ビームＥＢで照射した際に、ナイフエッジ９１に隣接する２つの側面９１ａ、９１ｂが電子ビームＥＢで照射することができ、且つ電子検出器１５から見て側面９１ａ、９１ｂがナイフエッジ９１の陰に隠れない向きに配置すると好適である。

反射電子は電子ビームＥＢの入射方向と逆向きに放出されるものが多いため、電子検出器１５は、図示のように基準部材９０のナイフエッジ９１と対向する向きに配置することが好ましい。これにより、電子ビームＥＢがナイフエッジ９１を横切る際に反射電信号に生じる特徴的な強度変化を電子検出器１５で検出することができ、ナイフエッジ９１の位置の検出に好適である。

図５は、図４の基準部材９０をＸＹ平面に沿って切断し、ナイフエッジ９１の先端付近を拡大して示す断面図である。

ナイフエッジ９１の先端は必ずしも鋭利な刃先のように形成する必要はなく、図５に示すように、電子ビームＥＢの焦点位置でのビーム径よりも狭い幅の平坦な先端部９１ｄとして形成してもよい。このような形状とした場合であっても、反射電子信号への影響はわずかである一方でナイフエッジ９１が破損しにくくなり好適である。

特に限定されるものではないが、平坦部９１ｄの幅は、例えば幅５０μｍ程度又はそれ以下とすることができる。また、ナイフエッジ９１に隣接する２つの側面９１ａ、９１ｂの開き角は、９０度以下とすると好適である。このような角度条件に設定することで、ナイフエッジ９１を横切るように電子ビームＥＢを照射した際の強度変化が明確に表れて基準位置の検出精度を高めることができる。

基準部材９０は、ステージ７２上に距離を開けて複数本設けてもよい。複数本の基準部材９０を設けることにより、局所的な歪や収縮膨張を含めたより複雑な照射位置のずれの検出も可能となる。

なお、基準部材９０は図４に示すような三角柱に限定されるものではなく、ナイフエッジが表れているのであれば、断面が四角形や多角形の角柱状であってもよい。

以下、粉末層６２の表面におけるナイフエッジ９１の位置の検出方法について説明する。

図６は、図４の基準部材９０のナイフエッジ９１による基準位置の検出方法を示す斜視図であり、図７は電子ビームＥＢの走査に伴う基準部材９０の反射電子信号の強度の変化を示す図である。

ナイフエッジ９１による基準位置の検出は、粉末層６２に対する電子ビームＥＢを照射して断面層６５を形成する前に行うことで、ステージ７２の平面方向の位置ずれや、傾きを検出する。

そのためには、基準部材９０のナイフエッジ９１の中でも、高さ方向（Ｚ方向）の位置が粉末層６２の表面６３の高さと一致する部分のナイフエッジ９１のＸ方向及びＹ方向の位置座標を検出することが求められる。

そこで、本実施形態ではナイフエッジ９１の走査に先立って、電子ビームＥＢの焦点位置を粉末層６２の表面６３の高さに合わせておく。

つぎに、図６に示すように電子ビームＥＢをナイフエッジ９１の周辺で走査させる。なお、図示の例では、基準部材９０のＸ方向を向いたナイフエッジ９１を利用して基準位置を検出する例で説明するが、これに限られるものではない。

破線で示す面は、電子ビームＥＢの焦点位置である粉末層６２の表面６３と同じ高さの面を示している。電子ビームＥＢは、常に表面６３の位置に焦点が合わされた状態で走査を行う。

図示の例の場合では、電子ビームＥＢを＋Ｙ方向に連続的に移動させてナイフエッジ９１を横切るように走査させた後、−Ｘ方向又は＋Ｘ方向に所定の送り距離ΔＸだけ移動させる。その後、電子ビームＥＢを−Ｙ方向に連続的に走査させてナイフエッジ９１を横切るように移動させる。

以上のような走査を、Ｘ方向に複数回移動させながら繰り返す。

１回の走査において、基準部材９０から放出される反射電子の強度は、電子検出器１５と基準部材９０の側面９１ａ、９１ｂとのなす角度に応じて変化する。その走査において、電子ビームＥＢがナイフエッジ９１を通過するときに反射電子の強度が大きく変化する。

図中のＰ１に示す位置で走査した場合には、電子ビームＥＢの照射位置の移動に伴って、最初に図中の手前の側面９１ａから放出された反射電子が電子検出器１５によって検出される。その後、ナイフエッジ９１を経て図中の奥側の面９１ｂから放出された反射電子が電子検出器１５（図４参照）によって検出される。ナイフエッジ９１では、電子ビームＥＢが通過する際に反射電子に大きな強度変化が生じる。

その結果、図７の符号Ｐ１のような反射電信号が得られる。

図７において、符号Ｐ１におけるＸ方向の走査位置では、反射電子信号の強度変化も緩やかなものとなる。これは、図６に示すように符号Ｐ１に沿って走査される電子ビームＥＢは、ナイフエッジ９１を横切る位置では焦点位置から外れており、ナイフエッジ９１の周辺が比較的広い電子ビームＥＢによって照射されるためである。すなわち、ナイフエッジ９１の位置において図６の手前側の面９１ａからの反射電子と奥側の面９１ｂからの反射電子とが電子検出器１５によって検出される。その結果、図７の符号Ｐ１の曲線に示すように、ナイフエッジ９１を通過する際の反射電子信号の強度変化が電子ビームＥＢの照射スポットの直径に相当する範囲で緩やかに変化する。この走査位置Ｐ１のようにナイフエッジ９１を通過する位置において、電子ビームＥＢの焦点が表面位置６３からずれている場合には、照射スポットの直径が相対的に大きくなり、反射電子信号の強度変化が緩やかになる。

図６において、焦点位置が外れている符号Ｐ２の位置での電子ビームＥＢの走査でも同様であり、図７の符号Ｐ２の反射電子信号の強度変化も緩やかとなる。

一方、図６において符号Ｐ０の走査位置では、ナイフエッジ９１の位置と電子ビームＥＢの焦点位置である表面６３の位置とが一致している。このとき、ナイフエッジ９１を通過する際の電子ビームＥＢの照射スポットの直径は非常に小さなものとなる。ナイフエッジ９１を通過する際の反射電子信号の強度変化が非常に狭い範囲で発生する。したがって、図７の符号Ｐ０を付した反射電子信号に示すように、急峻な強度変化を示す。

反射電子信号の強度変化が最も急峻な反射電子信号が得られるＸ方向の走査位置を検出することにより、粉末層６２の高さにおける基準部材９０のナイフエッジ９１のＸ方向の基準位置座標Ｘ０を検出できる。また、図７の符号Ｐ０の反射電子信号の変化率が最大値を示すＹ方向の照射位置からＹ方向の基準位置座標Ｙ０を検出できる。

図８は、反射電子信号の変化率の最大値とそれに基づく基準部材９０のナイフエッジ９１の位置の検出方法を示す図である。

本実施形態では、Ｘ方向の走査位置ごとの反射電子信号の変化率の絶対値を求める。そして、図８に示すように、反射電子信号の変化率の絶対値の最大値と電子ビームＥＢのＸ方向の走査位置との関係を表す近似曲線を求める。その近似曲線の最大値を示す位置から粉末層６２の表面６３の位置におけるナイフエッジ９１のＸ座標である基準位置の座標Ｘ０を正確に求めることができる。

また、Ｙ方向の走査位置についても同様に、反射電子信号の変化率の絶対値の最大値と電子ビームＥＢのＹ方向の走査位置との関係を表す近似曲線を求める。その近似曲線の最大値を示す位置から粉末層６２の表面６３の位置におけるナイフエッジ９１のＹ座標である基準位置の座標Ｙ０を正確に求めることができる。

また、上記の方法で求めた基準位置の座標（Ｘ０，Ｙ０）と、ステージ７２上の基準位置の初期値との差を求めることで、粉末層６２の表面６３の位置における照射位置のずれ量が求まる。ここで、ステージ７２上の基準位置の初期値とは、ステージ７２がＸＹ方向の位置ずれ及び傾きを発生しないでＺ軸方向に平行に移動する場合に、粉末層６２の高さにおけるナイフエッジ９１の位置座標に相当する。基準位置の初期値は、基準部材９０の形状、及びステージ７２の上面に固定されるナイフエッジ９１の向きなどをもとに、予め求められて、制御部４００内に初期設定される。

以下、積層造形装置１００の動作について説明する。

図９は、積層造形装置１００の動作を示すフローチャートである。

積層造形装置１００は、三次元構造物６６の造形に先立って、電子ビームＥＢの校正を行う（ステップＳ５１０）。

電子ビームＥＢの校正は、電子ビームＥＢの電磁レンズ１３のレンズ強度を調整して焦点位置を合わせこむとともに、電子ビームＥＢの位置合わせを行う。その電子ビームＥＢの位置合わせは、偏向器１４への制御信号を入力して電子ビームＥＢを偏向させて校正マーク６７を検出して行う。その結果に基づき偏向器１４への入力値と電子ビームの照射位置との関係を校正することで電子ビームＥＢの位置合わせを行う。

つぎに、制御部４００の制御の下でステージ７２の高さを調整する（ステップＳ５２０）。ここでは、駆動部７７を駆動させてステージ７２を、１層の粉末層６２の高さの分だけ−Ｚ方向に移動させる動作を行う。

その後、造形容器７３に粉末層６２を供給する（ステップＳ５３０）。粉末材料が粉末供給部６４の摺り切り動作によって平坦化されつつステージ７２の上方に供給され、ステージ７２と略平行な粉末層６２を形成する。

つぎに、照射位置のずれを測定し、三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢの照射位置の補正を行う（ステップＳ５４０）。ステージ７２は、ステップＳ５２０の−Ｚ方向へ移動することにより、ＸＹ方向の位置ずれや傾きなどが発生し得る。

そこで、本実施形態では、図５〜図７を参照して説明した方法によりステージ７２の−Ｚ方向の移動による照射位置のずれを測定し、照射位置の補正を行う。

以下、具体的な照射位置のずれの測定及び照射位置の補正について説明する。

図１０は、三次元積層造形装置１００における照射位置のずれを測定及び照射位置の補正（図９のステップＳ５４０）の動作を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ５４１において、三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢで基準部材９０の走査を行う。すなわち、電子ビームＥＢの焦点位置を粉末層６２の表面に合わせた状態で電子ビームＥＢを偏向させて基準部材９０のターゲット部位であるナイフエッジ９１の走査を行う。ここでは、図６に示すように、検出対象とするナイフエッジ９１を横切る所定範囲を走査範囲に設定し、その範囲を電子ビームＥＢで走査する。

つぎに、ステップＳ５４２に移行し、電子ビームＥＢの走査によって発生する反射電子を電子検出器１５で検出する。電子検出器１５の検出結果である反射電子の強度は、電子ビームＥＢの照射位置と対応付けられて反射電子信号として制御部４００内の記憶部に格納する。

つぎに、ステップＳ５４３において、制御部４００が基準位置であるナイフエッジ９１の位置を検出する。ここでは、図７及び図８を参照しつつ説明した方法により、反射電子信号の検出電子強度の変化率を求め、その変化率が最大値を示す位置からナイフエッジ９１の位置を検出する。

つぎに、ステップＳ５４４において、制御部４００がステージ７２の−Ｚ方向の移動に起因する照射位置のずれ量を決定する。すなわち、制御部４００は、初期設定された基準部材９０の基準位置の座標（基準部材の初期位置）と、ステップＳ５４３で検出したナイフエッジ９１の位置座標との差分をとることにより、ステージ７２の位置ずれ及び傾きに起因する照射位置のずれ量（ΔＸ，ΔＹ）を算出する。

その後、ステップＳ５４５において、制御部４００が電子ビームＥＢの照射位置の補正を行う。ここでは、制御部４００に格納された照射データの座標値にステップＳ５４４で算出した照射位置のずれ量（ΔＸ，ΔＹ）を加算処理することにより、電子ビームＥＢの照射位置の補正を行う。

以上により、図９のステップＳ５４０における電子ビームＥＢの照射位置の補正が完了する。

つぎに、図９のステップＳ５５０に移行し、三次元積層造形装置１００は補正された照射データに基づいて粉末層６２の表面６３に電子ビームＥＢを照射して粉末層６２を溶融凝固させる。これにより、断面層６５が形成され、三次元構造物の一層分の造形が完了する。

その後、ステップＳ５６０において、三次元積層造形装置１００は、全層の造形が完了したか判断する。ステップＳ５６０において、三次元積層造形装置１００が全層の造形が完了していないと判断した場合には、ステップＳ５２０に戻り、次の層の造形を行う。

一方ステップＳ５６０において、三次元積層造形装置１００が全層の造形が完了したと判断した場合には、造形動作を終了する。

以上のように、三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢの照射に先立って、ステージ７２の移動に伴う位置ずれ及び傾きによる照射位置のずれ量を検出し、照射位置の補正を行なう。

これにより、本実施形態の三次元積層造形装置１００によれば、ステージ７２の機械的精度の制約を超えて高精度な造形物を造形することができる。

（第２実施形態）
図１１は、第２実施形態に係る基準部材１９０の斜視図である。

図１１に示す基準部材１９０は、第１実施形態の基準部材９０（図３参照）と同様に、ステージ７２の上に設置されるものである。

本実施形態の基準部材１９０は、Ｚ方向の高さが異なる複数の平坦部を備えており、それらが階段状に配置されている。図示の例では、基準部材１９０は高さがＺ１の平坦部９２と、それよりも高い位置に設けられた高さがＺ２の平坦部９４と、さらに高い位置に設けられた高さＺ３の平坦部９６との３つの平坦部を備えている。

各々の平坦部９２、９４、９６の中心には、位置決め用のマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａがそれぞれ設けられている。

基準部材１９０は、金属などの導体で形成されてなり、マークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａは例えば幅及び深さが数十μｍ程度の溝を十字形に刻んだパターンとして形成されている。電子ビームＥＢでマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａを走査することで、各平坦部９２、９４、９６による基準位置がそれぞれ求まる。

Ｚ軸方向の高さＺ１、Ｚ２及びＺ３に対する電子ビームＥＢの照射位置のずれ量の検出は、粉末層６２を溶融凝固させて三次元構造物６６を積層造形する動作に入る前に、予めマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａの高さにステージ７２を移動し、それぞれの高さでマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａのＸＹ方向の位置を電子ビームによって検出することによって行う。すなわち、電子ビームＥＢの照射位置のずれ量の検出は、図９のフローチャートでは、電子ビームＥＢの校正（ステップＳ５１０）が終了した直後に行う。

本実施形態では、ステージ７２の高さに応じてマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａのマーク位置検出結果を使い分けることで、ステージ７２のＺ方向の移動が大きな場合であっても照射位置のずれ量を補正できる。

ステージ７２の上面のＺ方向の位置が、初期位置である高さ０から−Ｚ１までの移動範囲に含まれる場合には、予め登録されていたマークパターン９２ａの位置座標と実際に測定したマークパターン９２ａの測定値との差分から照射位置のずれ量を検出して照射位置の補正を行う。

なお、制御部４００には、初期値として、基準部材１９０の設置位置によって設定されたマークパターン９２ａの位置座標（Ｘ１、Ｙ１）が予め格納されていてよい。この位置座標（Ｘ１，Ｙ１）と、ステージ７２の繰り下げ動作を行った後のマークパターン９２ａの位置座標の測定値との差分から、補正すべき照射位置のずれ量が求まる。

また、ステージ７２の位置が−Ｚ１〜−Ｚ２の範囲については、基準部材１９０の平坦部９４のマークパターン９４ａを用いて照射位置のずれ量の測定を行う。

さらに、ステージ７２の位置が−Ｚ２〜−Ｚ３の範囲については、基準部材１９０の平坦部９６のマークパターン９６ａを用いて照射位置のずれ量の測定を行う。

このように、本実施形態の基準部材１９０では、高さの異なる複数の平坦部を用いて、ステージ７２の所定の高さ範囲毎にマークパターンを使い分けることで、Ｚ方向に大きく移動するステージ７２であっても、照射範囲のずれ量を検出し、照射範囲の補正を行うことができる。

１２…電子源、１３…電磁レンズ、１４…偏向器、１５…電子検出器、６２…粉末層、６３…表面位置（焦点位置）、６４…粉末供給部、６５…断面層、６６…三次元構造物、６７…校正マーク、７２…ステージ、７２ａ…造形物支持部、７２ｂ…基準部材設置部、７３…造形容器、７３ａ、７３ｂ…側壁、７４、７４ａ、７４ｂ…シール部材、７６…駆動棒、７７…駆動部、７８…ヒーター、９０、１９０…基準部材、９１…ナイフエッジ、９１ａ、９１ｂ…側面、９１ｄ…先端部、９２、９４、９６…平坦部、９２ａ、９４ａ、９６ａ…マークパターン。

Claims (10)

1. 造形容器に収容された粉末材料を支持するとともに前記粉末材料の積層と共に高さを変化させることで粉末材料の表面位置を一定の高さに保つステージと、
   前記ステージ上に設置され前記粉末材料の表面に焦点合わせて走査された電子ビームに対して所定の反射電子信号を発生させることで前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を示す基準部材と、
   前記基準部材から反射される反射電子信号を検出する電子検出器と、
   を備えたことを特徴とする三次元積層造形装置。
2. 前記基準部材は、前記ステージの表面に対して所定角度で上方に伸びるナイフエッジ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造形装置。
3. 前記基準部材は、前記粉末材料の表面よりも高い位置まで伸び出ていることを特徴とする請求項２に記載の三次元積層造形装置。
4. 前記基準部材は、前記ステージから上方に伸びる角柱状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の三次元積層造形装置。
5. 前記基準部材は、異なる高さの複数の平坦部を有し各々の平坦部には前記ステージの位置を示すマークパターンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の三次元積層造形装置。
6. 前記基準部材は、前記複数の平坦部が階段状に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の三次元積層造形装置。
7. 前記基準部材は、前記ステージの上に複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元積層造形装置。
8. 造形容器に収容された粉末材料を支持するとともに前記粉末材料の積層と共に高さを変化させることで粉末材料の表面位置を一定の高さに保つステージと、前記ステージ上に設置され前記粉末材料の表面に焦点合わせて走査された電子ビームに対して所定の反射電子信号を発生させることで前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を示す基準部材と、前記基準部材から反射される反射電子を検出する電子検出器と、を備えた三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法であって、
   前記電子ビームの焦点を前記粉末材料の表面に合わせるステップと、
   前記粉末材料の表面に合わせた電子ビームで前記基準部材を走査しつつ反射電子を検出するステップと、
   前記反射電子の検出量の変化から前記粉末材料の表面の位置における前記基準部材の位置を検出するステップと、
   前記基準部材の初期位置と前記基準部材の位置の検出値と差から前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を検出するステップと、
   を有することを特徴とする三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法。
9. 前記基準部材は、前記ステージから上方に伸びる角柱状に形成されており、
   前記電子ビームで前記角柱の辺であるナイフエッジ付近を走査させて反射電子の検出を行うことを特徴とする請求項８に記載の三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法。
10. 前記ステージの水平方向の位置の検出は、前記電子ビームの位置を変化させながら複数回走査させて前記基準部材のナイフエッジを横切る際の反射電子強度の変化を複数回取得するステップと、
    前記反射電子強度の変化率が最大となる前記電子ビームの照射位置を前記粉末材料の表面の高さにおける前記基準部材の位置として検出するステップと、
    により行うことを特徴とする請求項９に記載の三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法。

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