JP2001130194A - 発泡造形装置および発泡造形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複写対象となる立体物の凹凸形状を正確に再
現した半立体画像を得ることができる発泡造形装置およ
び発泡造形方法を提供する。 【解決手段】 発泡造形装置１００（２００，３００）
は、立体物の形状データに基づいて、シート状の発泡性
素材ＦＢを発泡させて立体物の半立体画像を形成する発
泡造形装置であって、発泡性素材ＦＢを発泡させる発泡
ユニットＦＭと、立体物の形状データに基づいて発泡ユ
ニットＦＭの発泡動作を制御する制御部とを備える。発
泡ユニットＦＭは、発泡性素材ＦＢの内部において赤外
レーザー光の焦点Ｆを合わせて内部を直接加熱すること
により発泡性素材を発泡させる。これにより、十分な発
泡量を確保することができる。また、好ましくは、発泡
ユニットＦＭの光学系ＯＰの対物レンズＯＬを移動させ
ることにより赤外レーザー光の焦点Ｆを発泡性素材ＦＢ
の厚み方向において移動させながら赤外レーザー光を照
射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発泡性の素材を発泡
させてレリーフ画などの立体的な造形物を製造する発泡
造形装置および発泡造形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発泡性の素材上に光吸収性の高い材料で
濃淡を付けて所望の画像を形成し、全面的に光照射を行
って光吸収の差により画像を選択的に加熱発泡させて、
画像の濃淡により高さの異なる隆起画像（半立体画像）
を得る方法が米沢義道（特公昭５９−３５３５９号公
報）によって提唱されている。

【０００３】また、発泡性の素材にトナーを転写して、
加熱することで立体的な文字や点字を得る立体コピー装
置（ミノルタ株式会社）や、発泡性の熱転写シートを選
択的に熱膨張させ、膨張層を被転写シート上に転写した
後、膨張層をさらに加熱して発泡させることで半立体画
像を得る装置（特開平１０−１３８６３９号公報）が知
られている。

【０００４】なお、半立体画像とは立体物を一方向から
見た場合の凹凸を再現した画像であり、立体物の全体を
再現したものではないので半立体と呼称される。なお、
２．５次元の画像と呼称される場合もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらの技術は、文字
や線画のような２次元画像を、半立体画像として複写す
るには適しているが、複写対象が立体物であり当該立体
物の凹凸を反映した半立体画像、例えば人の顔の正面立
体像等の作成を行うことは困難である。これは、これら
の技術においては、発泡性のシート（または素材）の厚
みが十分でなく、十分な発泡量を確保することが難しい
ということに起因する。また、十分な厚みを有するシー
トに対して、これらの技術をそのまま用いたとしても立
体物の複雑な凹凸を正確に再現することは困難である。
たとえば、米沢の方法では、画像の濃淡により高さの異
なる半立体画像を得ることができるが、光吸収材の濃淡
だけで立体物の複雑な凹凸を正確に再現することは困難
である。

【０００６】そこで、本発明は前記問題点に鑑み、複写
対象となる立体物の凹凸形状を正確に再現した半立体画
像を得ることができる発泡造形装置および発泡造形方法
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発泡造形装置は、立体物の形状デ
ータに基づいて、シート状の発泡性素材を発泡させて前
記立体物の半立体画像を形成する発泡造形装置であっ
て、前記発泡性素材を発泡させる発泡手段と、前記立体
物の形状データに基づいて前記発泡手段の発泡動作を制
御する制御手段と、を備え、前記発泡手段は、前記発泡
性素材の内部において赤外レーザー光の焦点を合わせて
加熱することにより前記発泡性素材を発泡させる赤外レ
ーザー供給手段を有することを特徴とする。

【０００８】請求項２に記載の発泡造形装置は、請求項
１に記載の発泡造形装置において、前記制御手段は、前
記立体物の形状データに基づいて前記発泡手段から前記
発泡性素材内部の所定の位置に与える熱量を制御するこ
とにより、前記発泡性素材の発泡高さを制御することを
特徴とする。

【０００９】請求項３に記載の発泡造形装置は、請求項
１または請求項２に記載の発泡造形装置において、前記
制御手段は、前記赤外レーザー光の焦点位置を前記発泡
性素材の厚み方向において前記発泡性素材に対して相対
的に移動させることにより前記発泡性素材の発泡高さを
制御することを特徴とする。

【００１０】請求項４に記載の発泡造形装置は、請求項
３に記載の発泡造形装置において、前記制御手段は、前
記赤外レーザー光の焦点位置を前記赤外レーザー光の光
軸方向において前記発泡性素材に対して相対的に移動さ
せることにより前記発泡性素材の発泡高さを制御するこ
とを特徴とする。

【００１１】請求項５に記載の発泡造形装置は、請求項
３または請求項４に記載の発泡造形装置において、前記
制御手段は、前記赤外レーザー光を収束させる対物レン
ズを移動させることにより、前記焦点位置を移動させる
ことを特徴とする。

【００１２】請求項６に記載の発泡造形方法は、立体物
の形状データに基づいて、シート状の発泡性素材を発泡
させて前記立体物の半立体画像を形成する発泡造形方法
であって、前記発泡性素材の内部において赤外レーザー
光の焦点を合わせて加熱することにより前記発泡性素材
を発泡させる工程と、前記立体物の形状データに基づい
て前記発泡性素材の発泡高さを制御する工程と、を含む
ことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】＜Ａ．第１実施形態＞ ＜Ａ−１．装置構成＞図１は、本発明の第１実施形態に
係る発泡造形装置１００の構成を示す図である。図１に
おいて発泡造形装置１００は、発泡ユニットＦＭと、コ
ンピュータ支援設計（ＣＡＤ）、コンピュータグラフィ
ックス（ＣＧ）などを実現するコンピュータ、あるいは
３次元測定器などで構成される形状情報作成部２０と、
形状情報作成部２０で作成された形状情報を発泡制御デ
ータ等の制御データに変換するデータ処理部３０と、デ
ータ処理部３０で作成された発泡制御データに基づいて
発泡ユニットＦＭを制御し発泡ユニットＦＭから発泡性
素材ＦＢに与える発泡のためのエネルギーを制御して発
泡性素材ＦＢの発泡量をコントロールする制御部４０と
備えている。

【００１４】図１に示す発泡性素材（発泡層）ＦＢとし
ては、熱により発泡する熱発泡性素材が使用される。熱
発泡性素材は熱可塑性樹脂で構成される微小球殻の内部
に、低沸点炭化水素を封入したマイクロカプセルとバイ
ンダーとで構成される。

【００１５】上記微小球殻の粒径は１０〜３０μｍであ
り、殻壁材としては、例えば塩化ビニリデン、アクリロ
ニトリル等が使用され、低沸点炭化水素としては、プロ
パン、ブタン、ペンタンなどが使用される。また、バイ
ンダーとしては熱可塑性の酢酸ビニル系ポリマー、アク
リル系ポリマー等が使用される。

【００１６】図１に示す発泡ユニットＦＭは、発泡性素
材ＦＢを加熱する加熱手段であり、制御部４０からのコ
ントロールにより、発泡性素材ＦＢに適宜熱量を与え
る。ここでは、レーザー光を用いた発泡ユニットＦＭに
ついて説明する。レーザー光を用いた加熱を行うことに
より、与える熱量、発泡ポイントの大きさを制御して半
立体画像の適切な解像度を得ることが可能である。

【００１７】図２は、レーザー光Ｌを用いた発泡ユニッ
トＦＭ１の構成を示す図である。図２に示すように、発
泡ユニットＦＭ１は、レーザー光源ＬＤと、レーザー光
源ＬＤから放射されたレーザー光を収束させ、かつ所定
位置に導く光学系ＯＰとを有している。また、この光学
系ＯＰは、レーザー光源ＬＤから出射されたレーザー光
をコリメートするコリメートレンズＣＬと、コリメート
レンズＣＬによりコリメートされた光を収束させて発泡
性素材ＦＢの内部において合焦させる対物レンズＯＬと
を有している。ここにおいて、レーザー光Ｌとしては赤
外領域の波長を有する赤外レーザー光を用いており、発
泡性素材ＦＢに照射された場合に効率良く熱を発生させ
ることが可能である。また、レーザー光源ＬＤとして
は、半導体レーザーを使用しており、装置を小型化する
ことが可能である。

【００１８】上記の発泡ユニットＦＭ１は、移動装置６
０（図１）に取り付けられており、発泡制御データに基
づいてシート状の発泡性素材ＦＢ上を２次元的に移動す
ることが可能な構成を有する。移動装置６０は、Ｘ方向
およびＹ方向の各方向に移動可能な可動部をモータなど
の駆動装置により駆動される可動機構として設けられ
る。これにより、シート状の発泡性素材ＦＢの２次元平
面内の任意の位置において加熱発泡を行うことが可能で
ある。

【００１９】また、上記の発泡性素材ＦＢとしてはシー
ト状の発泡性素材ＦＢを用いるが、十分な発泡量を確保
するため、このシート状の発泡性素材ＦＢは大きな厚み
を有することが望まれる。また、この大きな厚みを有す
るシート状の発泡性素材ＦＢを大きく発泡させるため、
発泡ユニットＦＭは発泡性素材ＦＢの内部を直接的に加
熱する。

【００２０】具体的には、図３（ａ）の拡大図に示すよ
うに、対物レンズＯＬによって赤外レーザー光Ｌを収束
させてシート状の発泡性素材ＦＢの「内部」の所定の位
置（たとえば、発泡性素材ＦＢの厚み方向における中央
位置、あるいは当該中央位置よりも表面側の位置など）
において赤外レーザー光Ｌの焦点Ｆを合わせることによ
り、発泡性素材ＦＢの内部を加熱して発泡させる。この
場合、赤外レーザー光Ｌの焦点Ｆをシート状の発泡性素
材ＦＢの「表面」に合わせ当該表面からの伝導熱によっ
て加熱する場合に比べて、シート状の発泡性素材ＦＢの
「内部」を直接的に加熱することが可能になるので、十
分な発泡量を確保することが可能になる。すなわち、図
３（ｂ）に示すように、発泡性素材ＦＢにおいて、大き
な発泡高さＨを有する凸部を正確に形成することができ
る。

【００２１】これは、発泡性素材ＦＢの「表面」を加熱
して伝導熱によって発泡性素材ＦＢ内部の加熱を行う場
合には、熱の伝導、拡散により発泡部が（シート状の発
泡性素材の）平面方向に広がるため正確な形状を作成す
ることが困難であるが、この実施形態に示すように、発
泡性素材ＦＢの内部において赤外レーザー光の焦点Ｆを
合わせることによって発泡性素材ＦＢの内部を直接的に
加熱することによれば、平面的な広がりを抑制しつつ当
該任意の位置の発泡を選択的に行うことが可能になるも
のと考えられる。

【００２２】また、より詳細には次のようにして赤外レ
ーザー光Ｌを収束させることにより上記の動作が可能に
なる。図４は、焦点Ｆ付近における発泡性素材ＦＢの拡
大断面図であり、赤外レーザー光Ｌの収束の様子を示す
概念図である。図４に示すように、集光角（２×φ）が
比較的小さな角度となるように赤外レーザー光を収束さ
せ、発泡性素材ＦＢ中における赤外線レーザー光Ｌの立
体的な合焦範囲ＦＣが、発泡性素材ＦＢの深さ方向（Ｚ
方向）には比較的広がっており、かつ発泡性素材ＦＤの
面内ＸＹについては比較的小さくなるように光学系を調
整しておく。たとえば、合焦範囲ＦＣとして、発泡性素
材ＦＢの厚み方向Ｚについてはその発泡性素材ＦＢの厚
みの１／２〜１／１程度となり、発泡性素材ＦＢの面内
ＸＹについてはそれよりも小さくなるように光学系を設
定することが好ましい。このようにすると、合焦範囲Ｆ
ＣのＺ方向の大きさＦＺがＸＹ方向に対して比較的大き
な値となる、すなわち、立体的な合焦範囲がＺ方向に長
い柱状になるため、ＸＹ面内方向での分解能は高くしつ
つ、Ｚ方向については、赤外線レーザーの照射量によっ
て発泡量を広いレンジで制御できる。

【００２３】そして、赤外線レーザー光の照射パワーを
変更できるように構成した場合は、発泡性素材ＦＢの表
面に沿ってほぼ等しい速度で走査しつつ、赤外レーザー
光のパワーを、造形すべき立体形状の局所的高さに応じ
て変化させる。これにより、発泡性素材ＦＢにおいて、
大きな発泡高さＨを有する凸部を正確に形成することが
できる。

【００２４】また、赤外線レーザー光を一定パワーでの
照射する場合は、ひとつの場所での照射量はその場所で
の照射時間にほぼ比例するため、赤外レーザー光で走査
する際の走査速度を、造形すべき立体形状の局所的高さ
に応じて変化させればよい。より具体的には、局所的高
さが高い場所ほど走査速度を低下させることによって所
望の立体形状を造形できる。

【００２５】＜Ａ−２．動作＞次に、図５に示すフロー
チャートを用いて発泡造形装置１００の動作について説
明する。

【００２６】まず、形状情報作成部２０において複写対
象となる立体物の形状情報（形状データ）を作成する
（ステップＳ１）。これは、コンピュータを用いて作成
された、またはコンピュータに与える立体物の形状デー
タや、３次元測定器などで測定した立体物の形状データ
に基づいて作成される。

【００２７】形状情報作成部２０で作成した形状情報を
データ処理部３０に入力し（ステップＳ２）、形状情報
を発泡制御データに変換する（ステップＳ３）。発泡制
御データは、発泡性素材ＦＢ上において発泡ユニットＦ
Ｍを走査させる走査経路（走査パス）、走査速度、各発
泡部の発泡高さに応じて各発泡部に投入する熱量、加熱
温度に関するデータを含んでいる。

【００２８】次に、制御部４０において発泡制御データ
に基づいて設定された発泡性素材ＦＢの所定位置を発泡
ユニットＦＭにより加熱して発泡させる（ステップＳ
４）。この加熱は発泡部の高さと投入熱量に関するデー
タに基づいて行われるので、発泡高さが異なれば投入熱
量が異なる。

【００２９】そして、制御部４０において所定位置の発
泡部に対して設定された熱量を与えたか否かを確認し
（ステップＳ５）、設定された熱量を与えていない場合
にはステップＳ４の動作を繰り返し、設定された熱量を
与えた場合には、全ての発泡部の発泡が完了したか否か
を確認し（ステップＳ６）、発泡が完了した場合には加
熱動作を終了し、発泡が完了していない場合には、次の
所定位置へ移動させて、ステップＳ４以降の動作を繰り
返すことになる。

【００３０】なお、ステップＳ４の動作は、１つの発泡
部に対して設定熱量に達するまで連続して加熱を行うよ
うにしてもよいが、１つの発泡部に対する加熱をある程
度の熱量に達するまで行った後、他の発泡部上に発泡ユ
ニットＦＭを移動させて加熱するという動作を繰り返
し、全ての発泡部上を複数回走査しながら最終的に各発
泡部にそれぞれ設定された熱量を投入するというよう
に、積算的に各発泡部を加熱するようにしてもよい。

【００３１】図６に発泡性素材上に半立体画像を形成し
た場合の概念図を示す。図６においては、発泡性素材Ｆ
Ｂ上に四角錐状の発泡部ＦＰが形成されている。このよ
うに、発泡量を制御することで任意の形状の発泡部ＦＰ
を形成することができる。

【００３２】なお、図１に示した発泡造形装置１００に
おいては、発泡ユニットＦＭを１つ有する構成であった
が、発泡ユニットＦＭを複数有する構成であってもよ
い。発泡性素材ＦＢ上に複数の発泡ユニットＦＭを配置
し、同時に加熱動作を行えば、半立体画像の形成時間を
短縮することができる。

【００３３】以上説明したように、本発明の第１実施形
態に係る発泡造形装置１００においては、発泡ユニット
ＦＭは、発泡性素材ＦＢの内部において赤外レーザー光
Ｌの焦点Ｆを合わせて加熱することにより発泡性素材Ｆ
Ｂを効率よく発泡させ、複写対象となる立体物の形状情
報に基づいて作成された発泡制御データにより、発泡性
素材への投入熱量を制御することで発泡量、すなわち発
泡高さを制御するので、立体物の形状を半立体画像とし
て正確に再現すること、言い換えれば、複写対象となる
立体物の凹凸形状を正確に再現した半立体画像を得るこ
とができる。

【００３４】また、制御部４０は、立体物の形状データ
に基づいて発泡手段から発泡性素材内部の所定の位置に
与える熱量を制御することにより、発泡性素材の発泡高
さを制御するので、複写対象となる立体物の凹凸形状を
正確に再現した半立体画像を簡易に得ることができる。

【００３５】＜Ｂ．第２実施形態＞ ＜Ｂ−１．装置構成＞上記第１実施形態においては、発
泡性素材ＦＢの内部の所定の位置において、赤外レーザ
ー光Ｌの焦点Ｆを合わせる場合を示したが、この第２実
施形態においては、この焦点Ｆの位置を加熱発泡の進行
に応じて発泡性素材ＦＢの厚み方向に移動させる場合に
ついて説明する。

【００３６】この第２実施形態に係る発泡造形装置２０
０は、第１実施形態に係る発泡造形装置１００とほぼ同
様の構成を有している。以下では、相違点を中心に説明
する。

【００３７】図７は、レーザー光を用いた発泡ユニット
ＦＭ２の構成を示す図である。図７に示すように発泡ユ
ニットＦＭ２は、図２の発泡ユニットＦＭ１と同様、レ
ーザー光源ＬＤと、コリメートレンズＣＬおよび対物レ
ンズＯＬを含む光学系ＯＰとを有している。そして、発
泡ユニットＦＭ２は、これらの構成に加えてさらに駆動
部５０を有している。駆動部５０は、対物レンズＯＬに
接続されており、対物レンズＯＬを赤外レーザー光Ｌの
光軸方向（図７の白矢印方向）において発泡性素材ＦＢ
に対して移動することが可能である。具体的には、対物
レンズＯＬのホルダー部などの筐体をギア、モータなど
を用いて駆動するように構成される。

【００３８】また、光学系ＯＰは、赤外レーザー光Ｌの
光軸ＬＡがシート状の発泡性素材ＦＢの表面に対して垂
直となるように配置されている。したがって、対物レン
ズＯＬを赤外レーザー光Ｌの光軸ＬＡ方向に移動するこ
とによって、焦点Ｆを光軸ＬＡ方向ひいてはシート状の
発泡性素材ＦＢの厚み方向に移動させて、厚み方向に走
査することができる。

【００３９】さらに、データ処理部３０で生成された発
泡制御データは、各発泡部に投入する熱量、加熱温度に
加えて、対物レンズＯＬのレンズ駆動に関するデータ
（たとえば、駆動速度、駆動高さ（位置）などのデー
タ）をさらに含んでいる。これらのデータは、発泡性素
材ＦＢ上において発泡ユニットＦＭを走査させる走査経
路（走査パス）、走査速度、各発泡部の発泡高さに応じ
て定められる。このような発泡制御データに基づいて、
制御部４０は、駆動部５０を介して対物レンズＯＬの駆
動制御を行う。

【００４０】なお、この実施形態においては、発泡の方
向を規制するようにシート状の基材（基材層）ＢＰの一
方面上に発泡性素材（発泡層）ＦＢがコーティングされ
た発泡シートＳＨ（図７，図８参照）を使用する場合を
示しているが、図１に示すようなシート状の発泡性素材
ＦＢを用いた場合も同様である。基材層ＢＰとしては、
例えば紙、あるいはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレー
ト）などの樹脂シートが使用できる。

【００４１】＜Ｂ−２．装置動作＞この第２実施形態で
は、このような駆動制御に基づいて対物レンズＯＬを移
動させることにより、赤外レーザー光Ｌの焦点Ｆの位置
を発泡性素材ＦＢの厚み方向（ここでは赤外レーザー光
Ｌの光軸方向）において発泡性素材ＦＢに対して相対的
に移動させることにより発泡性素材ＦＢの発泡高さを制
御する。そして、加熱発泡動作の詳細を示す概念図であ
る図８に示すような加熱発泡動作を行うことにより、第
１実施形態に比べて、発泡性素材ＦＢをさらに大きく
（高く）発泡させることができる。

【００４２】そのため、まず、図８（ａ）に示すよう
に、赤外レーザー光Ｌの焦点Ｆを発泡性素材ＦＢの表面
近傍位置に合わせることにより、表面近傍の発泡性素材
ＦＢを加熱発泡させる。つぎに、図８（ｂ）に示すよう
に、赤外レーザー光Ｌの焦点Ｆを発泡性素材ＦＢの表面
近傍から内部側（下側）の位置へと移動させることによ
り、その焦点位置近傍の発泡性素材ＦＢを加熱発泡させ
る。さらに、図８（ｃ），（ｄ）に示すように、加熱発
泡の進行に応じて、焦点Ｆの位置を徐々にさらに下側に
移動させていく。

【００４３】ここにおいて、焦点Ｆは赤外レーザー光Ｌ
の結像点であることから、赤外レーザー光Ｌにより与え
られるエネルギーについて、その他の位置に比べて高い
エネルギー密度（熱密度）を有している。また、発泡性
素材ＦＢは、所定の閾値以上の熱が与えられないと実質
的に発泡し始めず、その閾値以上の熱に対してはその熱
量に応じた発泡を行うという性質がある。このため、立
体的な合焦範囲の内部ではほぼ発泡閾値以上の熱量とな
り、立体的な合焦範囲の外部ではほぼ発泡閾値以下の熱
量となるように赤外線レーザー光Ｌのエネルギー（照射
パワー）を調整しておく。これにより、焦点Ｆの近傍位
置を選択的に加熱発泡させることが可能になる。逆に言
えば、発泡性素材ＦＢの発泡閾値以上の熱が生じるよう
な空間的範囲が、このような赤外線レーザー加熱におけ
る立体的な合焦範囲ＦＣ（図９など参照）ということに
なる。

【００４４】また、ここでは図９に示すように、集光角
（２×φ）が比較的大きな角度となるように赤外レーザ
ー光を収束させ、立体的な合焦範囲ＦＣのＺ方向の大き
さＦＺについても小さな値となるように光学系を調整し
ておく。言い換えれば、発泡性素材ＦＢ中における赤外
線レーザー光の立体的な合焦範囲ＦＣが、ＸＹＺのいず
れの方向についても比較的小さくなるように光学系を調
整しておく。これによって立体的な合焦範囲が各方向に
小さくなるため、ＸＹ面内での分解能と、Ｚ方向の発泡
分解能との双方を高くすることができる。

【００４５】つぎに、具体的な発泡造形装置２００の動
作について、第１実施形態の発泡造形装置１００に関す
る図５のフローチャートを参照しながら、両者の相違点
を中心に説明する。

【００４６】発泡造形装置２００においては、図５のフ
ローチャートのステップＳ３において、レンズ駆動に関
するデータ（たとえば、駆動速度、駆動高さ（位置）な
どのデータ）を含む発泡制御データを作成し、ステップ
Ｓ４において、これらの発泡制御データに基づいて、発
泡性素材ＦＢの所定位置（設定位置）を発泡ユニットＦ
Ｍにより加熱して発泡させる。この発泡動作は、焦点Ｆ
の位置に関して、シート状の発泡性素材ＦＢの平面位置
（Ｘ，Ｙ）に加えて、さらにシート状の発泡性素材ＦＢ
の厚み方向の位置Ｚをも制御しながら、設定された所定
量の熱量を与えることにより行われる。

【００４７】たとえば、発泡性素材ＦＢの上面からＺ方
向（図示例では下向き）に走査を始め、焦点Ｆを所定の
移動速度（レンズの駆動速度）で連続的に移動させつ
つ、目標とする発泡高さに相当する深さ（Ｚ方向位置）
に到達するまで、そのＸＹ位置での赤外線レーザー光の
照射を行うことができる。あるいは、図８（ａ）〜
（ｄ）のそれぞれに対応する焦点Ｆの位置Ｚ１〜Ｚ４の
それぞれに応じた赤外レーザー光の照射時間をそれぞれ
設定しておき、焦点Ｆの各位置Ｚ１〜Ｚ４において各設
定照射時間だけ赤外レーザー光を照射してもよい。この
ようにして、所定の発泡高さとなるようにエネルギーを
与えることができる。この場合、発泡性素材ＦＢに対し
て与えられるべき所定量の熱量は、各位置における照射
時間や移動速度などを考慮した上で、Ｚ方向の各位置に
応じた所定の位置に与える熱量として設定されることに
なる。

【００４８】その他の動作は、第１実施形態と同様であ
り、制御部４０において所定位置の発泡部に対して設定
された熱量を与えたか否かを確認し（ステップＳ５）、
設定された熱量を与えていない場合にはステップＳ４の
動作を繰り返し、設定された熱量を与えた場合には、全
ての発泡部の発泡が完了したか否かを確認し（ステップ
Ｓ６）、発泡が完了した場合には加熱動作を終了し、発
泡が完了していない場合には、次の所定位置へ移動させ
て、ステップＳ４以降の動作を繰り返すことになる。

【００４９】このように赤外レーザー光Ｌの焦点Ｆの位
置を発泡性素材ＦＢの厚み方向（ここでは赤外レーザー
光Ｌの光軸方向）において発泡性素材ＦＢに対して相対
的に移動させることにより発泡性素材ＦＢをさらに大き
く発泡させることができる。言い換えれば、さらに大き
な最大発泡量を確保することができることになる。

【００５０】しかも、その隆起方向に対して直交する平
面方向への膨張（いわゆる「広がり」）を抑制しつつ大
きな発泡量を確保することが可能であるので、シート状
の発泡性素材ＦＢにおける任意の２次元位置（Ｘ，Ｙ）
において、選択的に所望の高さＺ（Ｈ）を有するように
発泡させることができる。この発泡高さＨの制御は、発
泡制御データに基づいて、上記の制御部４０により行わ
れる。

【００５１】以上説明したように、第２実施形態に係る
発泡造形装置２００によれば、シート状の発泡性素材Ｆ
Ｂの任意の位置を選択的に十分に発泡させて大きな発泡
高さＨを有する凸部を形成することができるので、複写
対象となる立体物の凹凸形状を正確に再現した半立体画
像を得ることができる。

【００５２】なお、上記においては、対物レンズＯＬが
駆動部５０により発泡性素材ＦＢの厚み方向に移動され
る場合を示したが、焦点Ｆの位置が発泡性素材ＦＢの厚
み方向において発泡性素材ＦＢに対して相対的に移動す
ればよく、逆に、対物レンズＯＬを固定した状態で発泡
性素材ＦＢが移動することにより、上記の発泡性素材Ｆ
Ｂの厚み方向における焦点Ｆの相対的な移動を実現して
もよい。具体的には、発泡性素材ＦＢを載置する載置台
（図示せず）を移動させることによって実現可能であ
る。

【００５３】＜Ｃ．第３実施形態＞ ＜Ｃ−１．装置構成＞図１０は、本発明の第３実施形態
に係る発泡造形装置３００の構成を示す図である。図１
０において発泡造形装置３００は、図７と同様の発泡ユ
ニットＦＭ２、形状情報作成部２０、データ処理部３
０、制御部４０に加えて発泡ユニットＦＭ２により発泡
された発泡性素材ＦＢの発泡量（発泡高さ）を計測する
発泡量計測ユニットＦＤ（ＦＤ１）を備えている。

【００５４】第３実施形態においても、第２実施形態と
同様、発泡性素材ＦＢとして、発泡の方向を規制するよ
うにシート状の基材ＢＰの一方面上に発泡性素材ＦＢが
コーティングされた発泡シートＳＨを使用している。ま
た、発泡ユニットＦＭ２おいて、対物レンズＯＬが発泡
性素材ＦＢ（発泡シートＳＨ）の厚み方向（図中の白矢
印方向）に移動することにより、赤外レーザー光Ｌの焦
点Ｆを発泡性素材ＦＢ内において移動させながら発泡加
熱を行う点でも同様である。以下では、第２実施形態と
の相違点を中心に説明する。

【００５５】この実施形態では、基材ＢＰ側（図中下
側）に発泡ユニットＦＭ（ＦＭ２）を配置するととも
に、発泡性素材ＦＢ側（図中上側）に発泡量計測ユニッ
トＦＤをさらに配置している。このように、発泡ユニッ
トＦＭと発泡量計測ユニットＦＤとを発泡性素材ＦＢを
間に挟んで対向して配設する構成により、発泡量をリア
ルタイムで計測することができる。これにより、基材Ｂ
Ｐ側から発泡性素材ＦＢを加熱しながら発泡量をリアル
タイムで計測できる。

【００５６】このうち発泡量計測ユニットＦＤ（ＦＤ
１）は、発泡ユニットＦＭが形成した発泡部の発泡量
（発泡高さ）を計測し、その結果を制御部４０にフィー
ドバックする機能を有している。制御部４０では発泡量
の情報に基づいて発泡ユニットＦＭ（ＦＭ２）を制御
し、発泡部に与える熱量をコントロールする。

【００５７】図１０に示すように、発泡量計測ユニット
ＦＤ１は、レーザー光源ＬＤ１と、レーザー光源ＬＤ１
から放射されたレーザー光を収束させ、かつ所定位置に
導く光学系ＯＰ１と、レーザー光の光軸に対してその光
軸が所定角度をなすように配置された位置センサＰＳと
を有している。

【００５８】位置センサＰＳは光学系と、光学系の光軸
上に配置された半導体位置検出器（ＰＳＤ：Semiconduc
tor Position Sensitive Device）を有し、発泡性素材
ＦＢ上に照射されたレーザースポットの反射光が光学系
に結像される構成となっている。

【００５９】そして、発泡性素材ＦＢが発泡してレーザ
ー光源ＬＤ１からレーザースポットまでの距離が変化す
ると、その変化量はＰＳＤ上での変化量として検出さ
れ、ＰＳＤ上での変化量から発泡高さを知得することが
できる。この手法は光学的三角測量法と呼称される手法
である。

【００６０】また、上記の発泡ユニットＦＭ２および発
泡量計測ユニットＦＤ１は、図１１のような２次元的な
可動機構に取り付けられており、発泡制御データに基づ
いて発泡性素材ＦＢ上を２次元的に移動することが可能
な構成を有する。これにより、シート状の発泡性素材Ｆ
Ｂの２次元平面内の任意の位置において加熱発泡を行う
ことが可能である。

【００６１】図１１は、発泡ユニットＦＭ（ＦＭ２）お
よび発泡量計測ユニットＦＤ１を、共通の駆動機構に取
り付けた例を示している。

【００６２】図１１において発泡ユニットＦＭおよび発
泡量計測ユニットＦＤは、基部ＢＳと、基部ＢＳから対
向して平行に延在するアームＡＭ１およびＡＭ２とで構
成されるヘッド部ＨＤの、アームＡＭ１およびＡＭ２の
先端部に取り付けられている。そしてヘッド部ＨＤは直
交する２方向に移動可能なように駆動装置ＤＸＹに取り
付けられている。

【００６３】駆動装置ＤＸＹは、ヘッド部ＨＤが取り付
けられ、平面上の第１の方向（Ｘ方向と呼称）にヘッド
部ＨＤを直線的に移動させるＸ方向移動軸ＭＬＸと、上
記第１の方向に直交する第２の方向（Ｙ方向と呼称）に
Ｘ方向移動軸ＭＬＸを直線的に移動させるＹ方向移動軸
ＭＬＹとで構成されている。なお、Ｘ方向移動軸ＭＬＸ
およびＹ方向移動軸ＭＬＹの動作制御は、制御部４０
（図１参照）によって行われる。

【００６４】また、Ｘ方向移動軸ＭＬＸおよびＹ方向移
動軸ＭＬＹは、それぞれアクチュエータＡＣＸおよびＡ
ＣＹを有し、その駆動力によってヘッド部ＨＤおよびＸ
方向移動軸ＭＬＸを移動させる。

【００６５】このような構成の駆動装置ＤＸＹを用い、
発泡シートＳＨを発泡性素材ＦＢが発泡量計測ユニット
ＦＤ側となるように、アームＡＭ１およびＡＭ２の間に
配設することで、発泡ユニットＦＭと発泡量計測ユニッ
トＦＤとが、発泡性素材ＦＢを間に挟んで互いの位置関
係を保って移動することになり、精度のよい発泡および
計測が可能となる。

【００６６】なお、以上においては、発泡ユニットＦＭ
および発泡量計測ユニットＦＤを互いの位置関係を保っ
てＸ方向およびＹ方向に移動させる構成について示した
が、発泡ユニットＦＭおよび発泡量計測ユニットＦＤは
固定し、発泡シートＳＨをＸ方向およびＹ方向に移動さ
せるようにしてもよい。すなわち図１２に示すように、
発泡ユニットＦＭおよび発泡量計測ユニットＦＤを、ヘ
ッド部ＨＤの、アームＡＭ１およびＡＭ２の先端部に取
り付け、ヘッド部ＨＤは固定し、発泡シートＳＨを２次
元的移動装置６０によってＸ方向およびＹ方向に移動さ
せる。発泡シートＳＨの移動装置は、図１１に示したＸ
方向移動軸ＭＬＸおよびＹ方向移動軸ＭＬＹ等を使用す
ることで実現できる。

【００６７】＜Ｃ−２．装置動作＞次に、図１３に示す
フローチャートを用いて発泡造形装置３００の動作につ
いて説明する。

【００６８】まず、形状情報作成部２０において作成し
た複写対象となる立体物の形状情報に基づいて設定され
た発泡性素材ＦＢの所定位置を、制御部４０から発泡ユ
ニットＦＭを制御して加熱し、発泡させる（ステップＳ
１０）。

【００６９】なお、形状情報作成部２０で作成した形状
情報は、データ処理部３０に入力され発泡ユニットＦＭ
の走査経路（走査パス）、走査速度、発泡高さを含む走
査制御データに変換され、制御部４０に与えられる。

【００７０】次に、発泡ユニットＦＭで加熱して発泡さ
せながら発泡量計測ユニットＦＤで発泡部の発泡量（発
泡高さ）を計測する（ステップＳ１１）。計測結果は制
御部４０に与えられ、各発泡部ごとに設定された設定高
さとの比較を行って、所定位置の発泡部の発泡高さが設
定高さに達したか否かを確認し（ステップＳ１２）、設
定高さに達していない場合には再度加熱を行って計測を
行い、設定高さに達した場合には当該発泡部への加熱動
作を終了する。なお、発泡ユニットＦＭから発泡性素材
ＦＢに与える熱量は、例えば単位時間に発泡性素材ＦＢ
を最小限発泡させる程度とし、単位時間での加熱と、高
さ計測を繰り返すような加熱動作を行う方法を採ること
ができる。

【００７１】続いて、走査制御データによって設定され
た全ての発泡部の発泡が完了したか否かを確認し（ステ
ップＳ１３）、発泡が完了した場合には加熱動作を終了
し、発泡が完了していない場合には、次の所定位置へ移
動させて、ステップＳ１０以降の動作を繰り返すことに
なる。

【００７２】上記のステップＳ１０の加熱発泡動作は、
第２実施形態と同様、対物レンズＯＬを赤外レーザー光
Ｌの光軸ＬＡ方向に移動することによって、焦点Ｆを光
軸ＬＡ方向ひいてはシート状の発泡性素材ＦＢの厚み方
向（Ｚ方向）に移動しつつ行う。したがって、各発泡部
ごとにこのＺ方向の移動動作を伴う加熱発泡動作を行っ
た上で、上記の計測動作（ステップＳ１１）を行って、
１つの発泡部に対して設定高さに達するまで加熱発泡を
行い、その動作を連続的に繰り返すことによって全ての
所定位置に対する発泡を完了させることができる。

【００７３】なお、ステップＳ１０の動作は、１つの発
泡部に対して設定高さに達するまで連続して加熱を繰り
返すようにしてもよいが、１つの発泡部がある程度の高
さに達するまで加熱を行った後、他の発泡部上に発泡ユ
ニットＦＭを移動させて加熱するという動作を繰り返
し、全ての発泡部上を複数回走査しながら、最終的に各
発泡部をそれぞれの設定高さにするというように、積算
的に各発泡部を加熱するようにしてもよい。この場合に
は、各走査時ごとに焦点ＦのＺ方向の位置を変更して、
徐々に発泡高さを大きくして積算的に各発泡部を加熱発
泡させることができる。

【００７４】以上説明したように、本発明の第３実施形
態に係る発泡造形装置３００においては、発泡部の形成
過程で発泡量計測ユニットＦＤで発泡高さを計測し、各
発泡部が予め設定された設定高さになるように制御する
ので、立体物の形状を半立体画像として、さらに正確に
再現することができる。

【００７５】＜Ｄ．変形例＞第２実施形態および第３実
施形態においては、駆動部５０により対物レンズＯＬを
移動させることにより焦点Ｆの位置を厚み方向に移動さ
せていたが、これに限定されない。赤外レーザー光Ｌの
焦点Ｆの位置が発泡性素材ＦＢの厚み方向において発泡
性素材ＦＢに対して相対的に移動すればよく、たとえ
ば、逆に対物レンズＯＬを固定した状態で発泡性素材Ｆ
Ｂを移動させることにより、上記の発泡性素材ＦＢの厚
み方向における焦点Ｆの相対的な移動を実現してもよ
い。具体的には、発泡性素材ＦＢを載置する載置台（図
示せず）を移動させることによって実現可能である。あ
るいは、光学系ＯＰ全体を移動させることにより、上記
のような焦点Ｆの相対的移動を実現してもよい。

【００７６】また、第２実施形態および第３実施形態に
おいては、赤外レーザー光Ｌの光軸ＬＡがシート状の発
泡性素材ＦＢの表面に対して垂直となるように光学系Ｏ
Ｐを配置し、対物レンズＯＬを光軸ＬＡ方向（図７参
照）に移動させることにより焦点Ｆの位置を厚み方向に
移動させていたが、これに限定されない。たとえば、赤
外レーザー光Ｌの光軸ＬＡがシート状の発泡性素材ＦＢ
の表面に対して所定の角度だけ傾いた状態となるように
光学系ＯＰを配置してもよい。この場合には、光学系Ｏ
Ｐ全体をシート状の発泡性素材ＦＢの断面に平行な平面
内において移動させることによって、あるいは、発泡性
素材ＦＢを載置する載置台（図示せず）を同平面内にお
いて移動させることなどによって、焦点Ｆを発泡性素材
ＦＢの厚み方向に移動させることが可能である。

【００７７】さらに、上記の発泡ユニットＦＭ（図１な
ど）は、移動装置６０などの何らかの可動機構に取り付
けられ、発泡制御データに基づいてシート状の発泡性素
材ＦＢ上を２次元的に移動するという構成を有していた
が、これに限定されない。たとえば、赤外レーザー光の
光源ＬＤを２次元的に移動させることなく赤外レーザー
光の光路を変更させることで赤外レーザー光を発泡性素
材ＦＢ上において走査させてもよい。

【００７８】図１４は、赤外レーザー光の光路を変更す
ることにより、発泡性素材ＦＢ上を赤外レーザー光で走
査する発泡ユニットＦＭ３の構成を示す図である。図１
４において、発泡ユニットＦＭ３は、赤外レーザー光Ｌ
を出射するレーザー光源ＬＤと、レーザー光源ＬＤから
出射された赤外レーザー光Ｌをコリメートするコリメー
トレンズＣＬと、コリメートされた赤外レーザー光Ｌを
所望の方向に反射するポリゴンミラーＰＭと、反射され
た赤外レーザー光Ｌの焦点を所定平面上において合わせ
るｆθレンズＦＴとを有している。

【００７９】ポリゴンミラーＰＭは、反射ミラーを回転
方向に多数取り付けたものであり、その回転角度を変更
することにより赤外レーザー光Ｌの反射角度を精度良く
調整することができる。このポリゴンミラーＰＭの傾き
を刻々と変更することで、赤外レーザー光Ｌの照射位置
を変更でき、発泡性素材ＦＢ上を赤外レーザー光ＬでＸ
方向に走査することが可能となる。

【００８０】また、ｆθレンズＦＴは、たとえば複数の
レンズ群で構成されており、ポリゴンミラーＰＭの回転
に伴って様々な方向に反射される赤外レーザー光Ｌをシ
ート状の発泡性素材ＦＢの表面に平行な直線ＳＬ上の点
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３などにおいて結像させることが可能で
ある。すなわち、赤外レーザー光Ｌは、直線ＳＬ上に焦
点Ｆを合わせることができる。ここで、直線ＳＬが発泡
性素材ＦＢ内部に存在するように発泡ユニットＦＭ３と
発泡性素材ＦＢとの位置関係を調整すれば、発泡性素材
ＦＢの内部において赤外レーザー光Ｌの焦点Ｆを合わせ
て加熱発泡動作を行うことが可能である。さらに、シー
ト状の発泡性素材ＦＢをＺ方向（白矢印の方向）に移動
すれば、赤外レーザー光Ｌの焦点Ｆの位置を発泡性素材
ＦＢの厚み方向において発泡性素材ＦＢに対して相対的
に移動させることも可能である。なお、Ｘ方向のビーム
走査は主走査であり、副走査は光源を含む光学系と発泡
性素材ＦＢとをＹ方向に相対的に移動させることによっ
て達成される。

【００８１】このように赤外レーザー光Ｌの光路を変更
することにより、赤外レーザー光Ｌの光源ＬＤを２次元
的に移動させることなく任意の点において発泡性素材Ｆ
Ｂを加熱発泡させることもできる。

【００８２】なお、ここではポリゴンミラーを用いて赤
外レーザー光Ｌを反射させたが、これに限定されるもの
ではない。反射角度を精度良く調整できるものであれば
よく、たとえば、ガルバノミラーなどを用いてもよい。

【００８３】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発泡造
形装置によれば、発泡手段は、発泡性素材の内部におい
て赤外レーザー光の焦点を合わせて加熱することにより
発泡性素材を発泡させる赤外レーザー供給手段を有して
いるので、平面的な広がりを抑制しつつ当該任意の位置
の発泡を選択的に行うことが可能になり、複写対象とな
る立体物の凹凸形状を正確に再現した半立体画像を得る
ことができる。

【００８４】請求項２に記載の発泡造形装置によれば、
制御手段は、立体物の形状データに基づいて発泡手段か
ら発泡性素材内部の所定の位置に与える熱量を制御する
ことにより、発泡性素材の発泡高さを制御するので、複
写対象となる立体物の凹凸形状を正確に再現した半立体
画像を簡易に得ることができる。

【００８５】請求項３に記載の発泡造形装置によれば、
制御手段は、赤外レーザー光の焦点位置を発泡性素材の
厚み方向において発泡性素材に対して相対的に移動させ
ることにより発泡性素材の発泡高さを制御するので、さ
らに大きな最大発泡量を確保しつつ、複写対象となる立
体物の凹凸形状をさらに正確に再現した半立体画像を得
ることができる。

【００８６】請求項４に記載の発泡造形装置によれば、
制御手段は、赤外レーザー光の焦点位置を赤外レーザー
光の光軸方向において発泡性素材に対して相対的に移動
させることにより発泡性素材の発泡高さを制御するの
で、さらに大きな最大発泡量を確保しつつ、複写対象と
なる立体物の凹凸形状をさらに正確に再現した半立体画
像を得ることができる。

【００８７】請求項５に記載の発泡造形装置によれば、
制御手段は、赤外レーザー光を収束させる対物レンズを
移動させることにより焦点位置を移動させるので、簡易
かつ正確に、複写対象となる立体物の凹凸形状を正確に
再現した半立体画像を簡易に得ることができる。

【００８８】請求項６に記載の発泡造形方法によれば、
発泡性素材の内部において赤外レーザー光の焦点を合わ
せて加熱することにより発泡性素材を発泡させる工程
と、立体物の形状データに基づいて発泡性素材の発泡高
さを制御する工程と、を含むので、平面的な広がりを抑
制しつつ当該任意の位置の発泡を選択的に行うことが可
能になり、複写対象となる立体物の凹凸形状を正確に再
現した半立体画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る発泡造形装置１０
０の構成を示す図である。

【図２】レーザー光を用いた発泡ユニットＦＭ１の構成
を示す図である。

【図３】赤外レーザー光Ｌの焦点Ｆ付近の拡大図であ
る。

【図４】立体的な合焦範囲ＦＣを表す概念図である。

【図５】発泡造形装置１００の動作を示すフローチャー
トである。

【図６】発泡性素材上に半立体画像を形成した場合の概
念図である。

【図７】第２実施形態に係る発泡造形装置２００の発泡
ユニットＦＭ２の構成を示す図である。

【図８】加熱発泡動作の詳細を示す概念図である。

【図９】立体的な合焦範囲ＦＣを表す概念図である。

【図１０】第３実施形態に係る発泡造形装置３００の構
成を示す図である。

【図１１】発泡ユニットおよび発泡量計測ユニットを共
通の駆動機構に取り付けた構成を示す図である。

【図１２】発泡ユニットおよび発泡量計測ユニットを固
定した構成を示す図である。

【図１３】発泡造形装置３００の動作を示すフローチャ
ートである。

【図１４】変形例の発泡ユニットＦＭ３の構成を示す図
である。

【符号の説明】

１００，２００，３００ 発泡造形装置 ５０ 駆動部 ＢＰ 基材 ＣＬ コリメートレンズ Ｆ，Ｆ１〜Ｆ３ 焦点 ＦＢ 発泡性素材 ＦＤ，ＦＤ１ 発泡量計測ユニット ＦＭ，ＦＭ１〜ＦＭ３ 発泡ユニット ＦＰ 発泡部 Ｌ 赤外レーザー光 ＬＤ，ＬＤ１ レーザー光源 ＯＬ 対物レンズ ＯＰ，ＯＰ１ 光学系 ＰＭ ポリゴンミラー ＰＳ 位置センサ ＳＨ 発泡シート

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H111 HA09 HA14 HA23 HA24 HA35 2H113 AA04 AA05 BA27 BC03 CA11 DA22 DA47 DA50 DA53 FA29 4F212 AF01 AG05 AG20 AK04 AR06 AR12 UA09 UB01 UN08 UN27 UP02 UP08

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 立体物の形状データに基づいて、シート
   状の発泡性素材を発泡させて前記立体物の半立体画像を
   形成する発泡造形装置であって、 前記発泡性素材を発泡させる発泡手段と、 前記立体物の形状データに基づいて前記発泡手段の発泡
   動作を制御する制御手段と、を備え、 前記発泡手段は、前記発泡性素材の内部において赤外レ
   ーザー光の焦点を合わせて加熱することにより前記発泡
   性素材を発泡させる赤外レーザー供給手段を有すること
   を特徴とする発泡造形装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の発泡造形装置におい
   て、 前記制御手段は、前記立体物の形状データに基づいて前
   記発泡手段から前記発泡性素材内部の所定の位置に与え
   る熱量を制御することにより、前記発泡性素材の発泡高
   さを制御することを特徴とする発泡造形装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の発泡造
   形装置において、 前記制御手段は、前記赤外レーザー光の焦点位置を前記
   発泡性素材の厚み方向において前記発泡性素材に対して
   相対的に移動させることにより前記発泡性素材の発泡高
   さを制御することを特徴とする発泡造形装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の発泡造形装置におい
   て、 前記制御手段は、前記赤外レーザー光の焦点位置を前記
   赤外レーザー光の光軸方向において前記発泡性素材に対
   して相対的に移動させることにより前記発泡性素材の発
   泡高さを制御することを特徴とする発泡造形装置。
5. 【請求項５】 請求項３または請求項４に記載の発泡造
   形装置において、 前記制御手段は、前記赤外レーザー光を収束させる対物
   レンズを移動させることにより、前記焦点位置を移動さ
   せることを特徴とする発泡造形装置。
6. 【請求項６】 立体物の形状データに基づいて、シート
   状の発泡性素材を発泡させて前記立体物の半立体画像を
   形成する発泡造形方法であって、 前記発泡性素材の内部において赤外レーザー光の焦点を
   合わせて加熱することにより前記発泡性素材を発泡させ
   る工程と、 前記立体物の形状データに基づいて前記発泡性素材の発
   泡高さを制御する工程と、を含むことを特徴とする発泡
   造形方法。