JP2001239591A

JP2001239591A - 光造形装置および光造形方法

Info

Publication number: JP2001239591A
Application number: JP2000173965A
Authority: JP
Inventors: Takakuni Ueno; 高邦上野
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2001-09-04
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: JP4519275B2

Abstract

(57)【要約】【課題】グリッド等を使用することなく、簡単な構成
で面露光を行うことができる光造形装置および光造形方
法を提供する。【解決課題】光造形に関する１層分のデータに従って
光透過性部材３１にマスクを作成し、このマスク越しに
光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露光し、この露光操作を
繰り返して光造形する光造形装置において、光透過性部
材３１と未硬化樹脂層９６とを所定距離離間配置し、マ
スク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層９６を投影露光
させる光学系９０を備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マスクを作成し、
マスクパターンに従って光硬化性樹脂を面露光して、光
造形を行う光造形装置および光造形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光造形に関するデータを出力す
る三次元ＣＡＤ等の制御手段を備え、この制御手段から
のデータに従って、光硬化性樹脂を半導体レーザ等のレ
ーザ光で露光して、光造形を行う光造形装置が知られて
いる。

【０００３】この種のものは、一層分の樹脂の露光及び
硬化に要する時間が長くなるため、近年、高速造形を目
的としてマスクを作成し、このマスクパターンに従って
ＵＶランプにより光硬化性樹脂を面露光するものが提案
されている。

【０００４】この面露光装置は、光透過性部材に静電ト
ナーを用いてマスクを形成し、これを未硬化樹脂層の上
に重ねて、マスク越しに紫外光を照射して光硬化性樹脂
を一度に面露光するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
構成では、マスクを未硬化樹脂層の上に重ねて、マスク
越しに紫外光を照射するので、その光は平行光としなけ
ればならない。

【０００６】この平行光をつくりだすため、従来、グリ
ッドの使用が提案されているが、このグリッドを使用し
た場合、光量が１０％程度ダウンするため、硬化時間が
１０倍程度に長くなるという問題がある。

【０００７】また、光源の出力を大きくすれば、硬化時
間を短くできるが、この場合、使用電力が増し、ランニ
ングコストが増すという問題がある。

【０００８】この光源には、水銀ランプ、メタルハライ
ドランプ、或いは紫外線蛍光灯等が一般的に使用される
が、この光源を用いた場合、光源は常時点灯し、シャッ
ターを用いて露光、遮光制御することが行われる。

【０００９】しかしながら、上記光源の発熱量は大き
く、本装置の周囲温度を著しく上昇させるため、冷却装
置が必要になると共に、特にこの熱により上記シャッタ
ーが変形して、その動作不良が発生する等の問題があ
る。

【００１０】さらに、従来の構成では、光硬化性樹脂を
一括面露光する場合、この光硬化性樹脂の硬化収縮によ
る歪みが発生し、レーザ光でいわば線状露光するものに
比べて、造形精度が低下するという問題がある。

【００１１】そこで、本発明の目的は、従来技術が有す
る課題を解消し、グリッド等を使用することなく、簡単
な構成で面露光を行うことができ、光源の発熱量を抑制
することができ、しかも造形精度が低下することのない
光造形装置および光造形方法を提供することにある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】請求項１記載の発明
は、光造形に関する１層分のデータに従って光透過性部
材にマスクを作成し、このマスク越しに光硬化性樹脂の
未硬化樹脂層を露光し、この露光操作を繰り返して光造
形する光造形装置において、光透過性部材と未硬化樹脂
層とを所定距離離間配置し、マスク越しに光硬化性樹脂
の未硬化樹脂層を投影露光させる光学系を備えたことを
特徴とするものである。

【００１３】請求項２記載の発明は、光造形に関する１
層分のデータに従って光透過性部材にマスクを作成し、
このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露光
し、この露光操作を繰り返して光造形する光造形装置に
おいて、照明器具、フレネルレンズ、上記光透過性部
材、プロジェクションレンズおよび上記未硬化樹脂層の
順に配置して光学系を形成し、この光学系を用いてマス
ク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露光することを
特徴とするものである。

【００１４】請求項３記載の発明は、光造形に関する１
層分のデータに従って光透過性部材にマスクを作成し、
このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露光
し、この露光操作を繰り返して光造形する光造形装置に
おいて、照明器具、平行光形成用レンズ、上記光透過性
部材、および上記未硬化樹脂層の順に配置して光学系を
形成し、この光学系を用いてマスク越しに光硬化性樹脂
の未硬化樹脂層を露光することを特徴とするものであ
る。

【００１５】請求項４記載の発明は、光造形に関するデ
ータを出力する制御手段と、１層分のデータに従って光
透過性部材にマスクを作成するマスク作成手段と、この
マスク作成手段から所定距離離して配置され、１層分の
光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を形成する樹脂層形成手段
と、上記マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露
光する照明器具と、樹脂層形成手段とマスク作成手段と
の間に配置され、露光時にマスク越しの光の焦点を合わ
せる焦点合わせ手段とを備え、上記露光操作を繰り返し
て光造形することを特徴とするものである。

【００１６】請求項５記載の発明は、請求項１ないし４
のいずれか１記載のものにおいて、マスクが静電トナー
マスクであることを特徴とするものである。

【００１７】請求項６記載の発明は、光造形に関する１
層分のデータに従って面露光に供されるマスクを作成
し、このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面
露光し、この面露光操作を繰り返すことにより光造形す
る光造形装置において、上記マスクと未硬化樹脂層とを
所定距離離間配置し、マスク越しに光硬化性樹脂の未硬
化樹脂層を投影露光させる光学系を備え、上記マスクが
複数のマスクパターンを含み、複数のマスクパターンを
用いて複数回に分けて上記１層分のデータに従う面露光
を実行することを特徴とするものである。

【００１８】請求項７記載の発明は、光造形に関する１
層分のデータに従って面露光に供されるマスクを作成
し、このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面
露光し、この面露光操作を繰り返すことにより光造形す
る光造形装置において、照明器具、フレネルレンズ、上
記マスク、プロジェクションレンズおよび上記未硬化樹
脂層の順に配置して光学系を形成し、この光学系を用い
てマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露光し、
上記マスクが複数のマスクパターンを含み、複数のマス
クパターンを用いて複数回に分けて上記１層分のデータ
に従う面露光を実行することを特徴とするものである。

【００１９】請求項８記載の発明は、光造形に関する１
層分のデータに従って面露光に供されるマスクを作成
し、このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面
露光し、この面露光操作を繰り返すことにより光造形す
る光造形装置において、照明器具、平行光形成用部材、
上記マスク、および上記未硬化樹脂層の順に配置して光
学系を形成し、この光学系を用いてマスク越しに光硬化
性樹脂の未硬化樹脂層を露光し、上記マスクが複数のマ
スクパターンを含み、複数のマスクパターンを用いて複
数回に分けて上記１層分のデータに従う面露光を実行す
ることを特徴とする。

【００２０】請求項９記載の発明は、請求項６ないし８
のいずれか１項記載のものにおいて、上記マスクが液晶
素子で構成され、この液晶素子を制御することによっ
て、上記複数のマスクパターンを順次作成することを特
徴とする。

【００２１】請求項１０記載の発明は、請求項１ないし
９のいずれか１項記載のものにおいて、上記露光用光源
がストロボであることを特徴とする。

【００２２】請求項１１記載の発明は、光造形に関する
１層分のデータに従って光透過性部材にマスクを作成
し、このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露
光し、この露光操作を繰り返して光造形する方法におい
て、光透過性部材と未硬化樹脂層とを所定距離離間配置
し、マスク越しに投影露光させる光学系を用いて当該マ
スク越しに未硬化樹脂層を露光することを特徴とする。

【００２３】請求項１２記載の発明は、光造形に関する
１層分のデータに従って面露光に供されるマスクを作成
し、このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面
露光し、この面露光操作を繰り返すことにより光造形す
る光造形方法であって、上記マスクと未硬化樹脂層とを
所定距離離間配置し、マスク越しに光硬化性樹脂の未硬
化樹脂層を投影露光させる光学系を備え、上記マスクが
複数のマスクパターンを含み、複数のマスクパターンを
用いて複数回に分けて上記１層分のデータに従う面露光
を実行することを特徴とする。

【００２４】請求項１３記載の発明は、請求項１２記載
のものにおいて、上記マスクが液晶素子で構成され、こ
の液晶素子を制御することによって、上記複数のマスク
パターンを順次作成することを特徴とする。

【００２５】請求項１４記載の発明は、請求項１１ない
し１３のいずれか１項記載のものにおいて、上記露光用
光源がストロボであることを特徴とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。

【００２７】図１において、１は光造形装置を示してい
る。この光造形装置１は装置の下段に配置された造形ス
テージＡと、装置の上段に配置されたマスク作成ステー
ジＢと、造形ステージＡの図中左方に配置された光硬化
性樹脂の供給ステージＣとを備えて構成されている。

【００２８】この光造形装置１は、三次元ＣＡＤ等から
なる制御手段（図示せず）を備えている。装置上段のマ
スク作成ステージＢでは、この制御手段からの光造形に
関する１層分のデータに従って、光透過性部材（ガラ
ス）にマスクを作成する。また、供給ステージＣでは、
樹脂供給用のユニットＤを備え、このユニットＤは造形
ステージＡに移動して、そこに位置する造形物上に１層
分の光硬化性樹脂を塗布し、そこに未硬化樹脂層を形成
する。

【００２９】この造形ステージＡとマスク作成ステージ
Ｂ（後述する露光ステージＦ）との間は所定距離離れて
おり、後述するプロジェクタの光学系を用いてマスク越
しに装置下段の未硬化樹脂層を面露光して、光造形が行
われる。

【００３０】上記の造形ステージＡは、図２に示すよう
に、造形テーブル３を備えている。この造形テーブル３
は、略Ｘ字状の２つの伸縮リンク４を重ねて基礎５上に
連結され、この伸縮リンク４にはサーボモータ６の出力
軸が連結されている。そして、サーボモータ６の駆動に
よって伸縮リンク４を収縮させて、造形テーブル３を一
層分毎に降下・制御自在に構成されている。

【００３１】上記の造形テーブル３の上面には、ステン
レス板が貼られ、後述する一層目の未硬化樹脂層はこの
上面に直接塗布される。

【００３２】この造形テーブル３上には造形物が光造形
される。この光造形の手順として、まず、供給ステージ
Ｃに位置するユニットＤを駆動して、造形テーブル３
（或いは造形物）の上に一層分の未硬化樹脂層が形成さ
れる。

【００３３】このユニットＤは、タイミングベルト７に
連結されている。このタイミングベルト７は一対のスプ
ロケット８，９間に掛け渡されており、一方のスプロケ
ット９には、ほかのタイミングベルト１０が掛けられ、
このタイミングベルト１０は駆動モータ１１のスプロケ
ット１２に掛け渡されている。

【００３４】従って、駆動モータ１１を正逆回転させる
ことにより、ユニットＤが、タイミングベルト７に沿っ
て図中を左右に移送される。

【００３５】ユニットＤには、光硬化性樹脂を貯留し
て、層形成時に樹脂を供給するための樹脂供給ディッパ
１４、塗布した樹脂の液面を平坦にならすためのコーテ
ィングブレード１５、及び光透過性を有するポリエステ
ル・フィルム１７を樹脂層から剥がしたり、樹脂層に張
り付けたりするための剥がし・張付ローラ１６が設けら
れている。上記のポリエステル・フィルム１７は、造形
テーブル３を挟んでその一端３ａから他端３ｂに向けて
張設されている。造形テーブル３の一端３ａの外側には
トルクリミッタ付きのローラ１９が設置され、フィルム
１７の一端１７ａは、このローラ１９に巻回されてい
る。このフィルム１７の他端１７ｂは、ローラ２１、剥
がし張付ローラ１６、さらにローラ２２を経た後、フィ
ルム張替モータ２３のローラ２３ａに巻回されている。
２４はテンションローラであり、このテンションローラ
２４は、エアーシリンダ２５のロッドに連結され、フィ
ルム１７にテンションを掛ける方向に付勢されている。

【００３６】つぎに、ユニットＤの動作を説明する。

【００３７】図２中で右上の駆動モータ１１が正回転駆
動されると、タイミングベルト７に沿って、ユニットＤ
が、図２から図３の位置に向けて移送される。

【００３８】この移送の過程では、まず、剥がし・張付
ローラ１６でフィルム１７を押さえながら、当該フィル
ム１７が樹脂層から剥がされる。このようにフィルム１
７を剥がし・張付ローラ１６で抑えながら剥がすので、
フィルム１７に張り付いた樹脂層が造形テーブル３から
一緒に剥がされることがない。このフィルム１７が剥が
された場合、このフィルム１７の下面に若干の樹脂が張
り付くことがある。この樹脂はユニットＤに設けられた
ブレード２０によって除去される。

【００３９】フィルム１７が剥がされると同時に、造形
物の上に、樹脂供給ディッパ１４から新しい樹脂が供給
され、新しい未硬化樹脂層が形成される。

【００４０】ユニットＤが、タイミングベルト７で移送
されて、図中で右端に達すると、造形テーブル３が樹脂
一層の厚さ分だけ下げられる。

【００４１】ついで、駆動モータ１１が逆回転駆動さ
れ、ユニットＤが、タイミングベルト７に沿って、図３
から図２の位置に向けて戻される。この逆移送の過程で
は、まず、コーティングブレード１５が余分な樹脂を取
り除いて、樹脂液面の高さを均一に平坦化して、その上
に、剥がし・張付ローラ１６で押さえながら、フィルム
１７が張り付けられる。これによれば、樹脂液面は所定
高さに保持され、フィルム１７が張り付けられた後、樹
脂は、その位置に保持される。

【００４２】要するに、このフィルム１７は、樹脂を保
持するために張られる。従って、その機能を維持するも
のであれば、フィルム１７に限定されるものではなく、
例えば、光透過性を有するシート状のものであってもよ
い。

【００４３】上記の過程で、フィルム１７は損傷する。
例えば、造形テーブル３上における樹脂形成層の厚さが
薄いときに、フィルム１７が造形テーブル３の隅部に接
触して、それによって損傷する。そこで、フィルム１７
が損傷した場合、図２の左端に位置する張り替えモータ
２３が駆動されて、トルクリミッタ付きのローラ１９に
巻かれているフィルム１７が繰り出され、これによって
当該フィルム１７の使用領域が変更される。

【００４４】ユニットＤの移動範囲においては、樹脂供
給ディッパ１４から供給される樹脂が垂れる可能性があ
る。

【００４５】この樹脂を回収するため、ユニットＤの移
動範囲の下方略全域をカバーするように、タンク２７，
２８，２９が設置され、これらタンク２７，２８，２９
で回収された樹脂はリターンタンク３０に回収される。
このリターンタンク３０には樹脂が貯留され、この樹脂
は、必要に応じて、図示を省略した供給系を通じて、樹
脂供給ディッパ１４に供給される。

【００４６】この造形ステージＡでは、未硬化樹脂層の
上にフィルム１７が張られると、その上に、押し付けガ
ラス１０８（図１）が密着・配置される。

【００４７】上記のマスク作成ステージＢでは、図１に
示すように、マスク作成手段４１を備え、このマスク作
成手段４１を用いて、光透過性部材（ガラス）３１にト
ナーを用いたマスクが作成される。

【００４８】このマスク作成手段４１は、消磁ヘッド４
２、トナースクレーパ４３、帯電ヘッド４４及び現像器
４５を備え、この帯電ヘッド４４は、図示を省略した制
御手段から出力される１層分のデータに従って制御され
る。このマスク作成手段４１は架台４６に載置され、こ
の架台４６はピン４６ａで装置の固定部にヒンジ結合さ
れ、このマスク作成手段４１は、ピン４６ａを支点にし
て、架台４６毎昇降自在である。トナースクレーパ４３
はカバー４７で覆われ、このカバー４７にはトナー吸引
ホース４８が接続されている。

【００４９】ここでのトナーにはＵＶ吸収材料として、
酸化珪素、酸化アルミ、酸化チタン等を混入することが
望ましい。ＵＶ吸収率は、１０％以上、好ましくは３０
％以上、さらに好ましくは５０％以上である。

【００５０】マスク作成ステージＢの測方には、光透過
性部材待機ステージＥが設けられ、上記のガラス３１
は、光透過性部材待機ステージＥ、マスク作成ステージ
Ｂ及び露光テーブルＦ間をその順に往復動する。

【００５１】すなわち、光透過性部材待機ステージＥ、
マスク作成ステージＢ及び露光テーブルＦ間には、回転
駆動される一対のベルト３３が２列に亘って延在する。
このベルト３３はプーリ３４，３５間に掛け渡され、一
方のプーリ３５にはベルト３６を介して駆動モータ３７
のプーリ３７ａが連結されている。

【００５２】上記のベルト３３には、ガラス３１の下面
の突起（図示せず）が引っ掛けられ、従って、駆動モー
タ３７を正逆回転させると、ベルト３３が正逆方向に移
動し、これによってガラス３１が各ステージ間を往復動
する。

【００５３】上記の各ステージＥ、Ｂ、Ｆ間に跨って、
一本の作動バー３８が設置されている。この作動バー３
８の両端部には、ストッパ３９，４０が固定されてい
る。上記のガラス３１が、光透過性部材待機ステージＥ
に入って、ストッパ４０に当接した時（図１における図
示の状態）、ガラス３１に押されて作動バー３８が図中
右方に移動する。そうすると、この作動バー３８の途中
に固定されたカム部材５１が、作動バー３８と一体に図
中右方に移動し、このカム部材５１の傾斜したカム面５
１ａによって、上記のマスク作成手段４１が、ピン４６
ａを支点にして、矢印Ｘの方向に架台４６毎跳ね上げら
れる。

【００５４】一方、上記のガラス３１が、露光ステージ
Ｆに入って、ストッパ３９に当接した時、ガラス３１に
押されて作動バー３８が図中左方（矢印Ｚ方向）に移動
する。そうすると、この作動バー３８の途中に固定され
たカム部材５１が、作動バー３８と一体に図中左方に移
動し、このカム部材５１の傾斜したカム面５１ａに沿っ
て、上記のマスク作成手段４１が、ピン４６ａを支点に
して矢印Ｙの方向にマスク作成位置まで架台４６毎降下
する。

【００５５】つぎに、ガラス３１へのマスク作成の動作
を説明する。

【００５６】このマスクは、ガラス３１が、露光ステー
ジＦから光透過性部材待機ステージＥ側に送られる過程
で作成される。この場合、上述したように、マスク作成
手段４１はマスク作成位置に降下している。

【００５７】このガラス３１が、マスク作成ステージＢ
に入ると、まず、ガラス３１の表面が消磁ヘッド４２で
消磁され、トナースクレーパ４３で前回分のトナーが除
去される。ついで、帯電ヘッド４４が、図示を省略した
制御手段から出力される１層分のデータに従って制御さ
れ、ガラス３１の表面が、その１層分のデータに従って
帯電される。そして、現像器４５でトナーがのせられ、
ガラス表面にマスクが作成された後、光透過性部材待機
ステージＥに送られる。

【００５８】ガラス３１が、光透過性部材待機ステージ
Ｅに送られると、上述のようにマスク作成手段４１が跳
ね上げられてその下に隙間ができる。このマスクの作成
されたガラス３１が、透過性部材待機ステージＥから露
光ステージＦに送られる場合、上記の隙間を通って送ら
れる。そして、ガラス３１が、露光ステージＦに送られ
て、ストッパ３９に当接すると、上述のように、マスク
作成手段４１がマスク作成位置に降下し、そこに待機す
る。

【００５９】この露光ステージＦの上方には、図１に示
すように、ガラス３１のマスク越しに光硬化性樹脂を面
露光する露光装置（照明器具）５３が設けられている。
この露光装置５３は、例えば、水銀ランプ、メタルハラ
イドランプ、或いは紫外線蛍光灯等からなる光源を収容
している。

【００６０】この露光装置５３からの光は、ガラス３１
を透過し、露光ステージＦの下方に延びる固定の覆い部
材５４の内部を進行し、シャッター９９および後述する
プロジェクトレンズ１０１、および固定フード伸縮自在
なフード５５の内部を経て、押し付けガラス１０８を透
過して光硬化性樹脂を面露光する。

【００６１】このフード５５は、図４に示すように、ワ
イヤ５６で吊り下げられ、このワイヤ５６は固定の滑車
５７を経て、巻き上げプーリ５８に連結されている。こ
の巻き上げプーリ５８には、ベルト５９が掛けられ、こ
のベルト５９はモータ６０の出力軸に固定されたプーリ
６１に掛けられている。

【００６２】この実施形態では、上記モータ６０を正逆
回転させることによって、図４および図５に示すよう
に、フード５５を昇降させることができる。

【００６３】このフード５５が降下して、図５に示すよ
うに、フード５５が押し付けガラス１０８および樹脂を
覆った時、造形ステージＡでは、後述するように、フー
ド５５と押し付けガラス１０８とが位置決めされる。な
お、図４〜図５において、符号６３はガイドポストであ
る。

【００６４】図４を参照して、造形テーブル３の下には
一対のシリンダ７１，７２が配置されている。各シリン
ダ７１，７２のロッドには水平バー７３が連結され、こ
の水平バー７３の両端には、鉛直上方に延びる一対の操
作ロッド７４，７５が軸線廻りを回転自在に連結されて
いる。各操作ロッド７４，７５の外周にはスリーブ７６
が固定され、このスリーブ７６の外周にはリード溝７６
ａが形成されている。このリード溝７６ａは螺旋状に延
び、このリード溝７６ａには、固定部材７８に固定され
たピン７７が嵌合されている。

【００６５】押し付けガラス１０８は、案内レール６７
に保持されて、図４に示す矢印Ｘの方向から造形テーブ
ル３上に搬入される。この押し付けガラス１０８がフィ
ルム１７の上に重ねられると、造形テーブル３が一層分
だけ下降制御され、ついで図５に示すように、フード５
５が降下される。

【００６６】このフード５５の下端５５ａが押し付けガ
ラス１０８に当接すると、図５に示すように、シリンダ
７１，７２のロッドが伸張し、水平バー７３が押し下げ
られ、一対の操作ロッド７４，７５が一体的に降下す
る。

【００６７】この降下の過程では、リード溝７６ａの形
状に沿って、操作ロッド７４，７５が軸廻りに回転し、
操作ロッド７４，７５の上端の固定子７４ａ，７５ａ
が、図４から図５に示す位置に向きを変え、固定子７４
ａ，７５ａの突起１０３が、フード５５の下端５５ｂを
押し下げて固定する。

【００６８】造形ステージＡでの一層分の光造形が終了
すると、ガラス３１は、上述したように、マスク作成ス
テージＢに送られる。

【００６９】この実施形態では、図６に示すように、光
透過性部材３１と未硬化樹脂層９６とが所定距離Ｌ１離
間して配置され、マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹
脂層９６を投影露光させる光学系９０が設けられる。こ
の光学系９０が、反射鏡９１と、メタルハライドランプ
（照明器具）９２と、このメタルハライドランプ９２か
らの光をガラス３１の全域に広げるためのレンズ９３
と、フレネルレンズ９４と、ガラス３１と、シャッター
９９と、プロジェクションレンズ１０１と、未硬化樹脂
層９６の順に配置して構成される。この未硬化樹脂層９
６は、上述したように、造形テーブル３の上に順次形成
される光硬化性樹脂からなる樹脂層である。なお、フレ
ネルレンズ９４は省略が可能である。

【００７０】この装置による光造形の手順を説明する
と、まず、図１を参照して、３次元ＣＡＤによる制御手
段（図示せず）からのデータに従ってガラス３１にトナ
ーマスクが形成され、このガラス３１が露光ステージＦ
に搬入されると共に、造形テーブル３の上に未硬化樹脂
層９６が形成される。

【００７１】また、図６を参照して、メタルハライドラ
ンプ９２は常時点灯である。このメタルハライドランプ
９２からの光はレンズ９３に入り、このレンズ９３によ
ってフレネルレンズ９４及びガラス３１の全域に広げら
れる。このフレネルレンズ９４は集光効率を向上させて
いる。

【００７２】ついで、シャッター９９が開かれると、メ
タルハライドランプ９２からの光がプロジェクションレ
ンズ（焦点合わせ手段）１０１に入り、このプロジェク
ションレンズ１０１を介して焦点合わせが行われ、この
焦点が合った状態で、マスク以外の部分を透過した光に
よって未硬化樹脂層９６が露光される。上記露光操作が
繰り返されて光造形が実行される。

【００７３】この実施形態では、従来の構成と異なって
平行光をつくりだすためのグリッドが不要になるので、
未硬化樹脂層９６に到達する光量が減少することはな
く、硬化時間の短縮化が図られる。

【００７４】図７は、光学系の別の実施形態を示す。

【００７５】この実施形態では、光透過性部材３１と未
硬化樹脂層９６とが所定距離Ｌ２離間して配置され、マ
スク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層９６を投影露光
させる光学系８０が設けられる。この光学系８０が、反
射鏡８１と、メタルハライドランプ（照明器具）８２
と、このメタルハライドランプ８２からの光を広げるた
めのレンズ８３と、シャッター８９と、フレネルレンズ
８４と、ガラス３１と、未硬化樹脂層９６の順に配置し
て構成される。

【００７６】この未硬化樹脂層９６は、上述したよう
に、造形テーブル３の上に順次形成される光硬化性樹脂
からなる樹脂層である。

【００７７】メタルハライドランプ８２は常時点灯であ
る。このメタルハライドランプ８２からの光はシャッタ
ー８９が開かれるとレンズ８３に入り、このレンズ８３
によってフレネルレンズ８４の全域に広げられる。この
フレネルレンズ８４は平行光を形成し、このフレネルレ
ンズ８４を経た平行光は、ガラス３１のマスク越しに未
硬化樹脂層９６を面露光する。

【００７８】これらのレンズ８３、８４は平行光形成用
部材を構成するが、この構成に限定されるものではな
く、例えばミラー等の組み合わせによって、平行光を形
成してもよいことは明らかである。

【００７９】この実施形態では、従来の構成と異なって
平行光をつくりだすためのグリッドが不要になるので、
未硬化樹脂層９６に到達する光量が減少することはな
く、硬化時間の短縮化が図られる。

【００８０】つぎに、マスクの作成時に行われるデータ
補正について説明する。

【００８１】上記光学系を用いて投影露光する場合、図
８ａに示すように、例えば正規の四角形を得たいとし
て、そのデータのまま投影露光すると、図８ｂに示すよ
うに、歪曲収差が生じ、特に四辺部周辺形状に歪みがで
る。

【００８２】そこで、マスクの作成時に用いられるデー
タを、図８ｃに示すように、四辺部凸湾曲させてあらか
じめ補正しておけば、補正後のデータに基づいて投影露
光することにより、図８ｄに示すように、未硬化樹脂層
９６上に、本来の正規の四角形状が得られる。

【００８３】これを図９の処理フローに従い説明する
と、まず、図８ａに相当する輪郭形状データを求め（Ｓ
１）、このデータから座標（Ｘ１，Ｙ１）（Ｘ２，Ｙ
２）の割り出しを行う（Ｓ２）。この割り出した座標
に、あらかじめ補正位置データベースに記憶させておい
た、図８ｂに示す補正値（Ｘ１’，Ｙ１’）（Ｘ２’，
Ｙ２’）を割り付け（Ｓ３）、図８ｃに示す補正形状デ
ータ（Ｘ１”，Ｙ１”）（Ｘ２”，Ｙ２”）を求める
（Ｓ４）。

【００８４】ついで、別のデータがあるか否かを見て
（Ｓ５）、それがある限りＳ１〜Ｓ４を繰り返して行
い、別のデータがなくなったならば、この輪郭で囲まれ
た部分の塗りつぶしを行う（Ｓ６）。このようにして得
た補正後のデータに基づいて投影露光することにより、
図８ｄに示すように、未硬化樹脂層９６上に、本来の正
規の四角形状が得られる。

【００８５】図１０は別の実施形態による処理フローを
示す。図９に示す処理が、輪郭形状を求めて、これらで
囲まれた枠内を塗りつぶしてデータを得ていたのに対
し、本実施形態では、ビットマップで処理が行われる。
図８ａに相当する形状データを点群データで求め（Ｓ１
１）、このデータから座標（Ｘ１，Ｙ１）（Ｘ２，Ｙ
２）の割り出しを行う（Ｓ１２）。この割り出した座標
に、あらかじめ補正位置データベースに記憶させておい
た、図８ｂに示す補正値（Ｘ１’，Ｙ１’）（Ｘ２’，
Ｙ２’）を割り付け（Ｓ１３）、図８ｃに示す補正形状
データ（Ｘ１”，Ｙ１”）（Ｘ２”，Ｙ２”）を求める
（Ｓ１４）。

【００８６】ついで、別のデータがあるか否かを見て
（Ｓ１５）、それがなくなるまで、Ｓ１１〜Ｓ１４が繰
り返して行われる。

【００８７】これによれば、Ｓ１１〜Ｓ１４のステップ
を、点群で行う分だけ処理時間がかかるものの、上記実
施形態と同様に、このようにして得た補正後のデータに
基づいて投影露光することにより、図８ｄに示すよう
に、未硬化樹脂層９６上に、正規の四角形状を得ること
ができる。

【００８８】図１１は、別の実施形態を示す。

【００８９】この実施形態では、図６に示した装置と比
較した場合、まず第一に、光源１９２がストロボで構成
される点で相違する。第二に、光透過性部材からなるマ
スクが液晶マスク１３１で構成される点で相違する。た
だし、この液晶マスク１３１を使用した場合、図１に示
したものとは異なり、このマスク１３１が上記露光テー
ブルＦ上に固定されることになる。

【００９０】図１１では、マスク１３１と未硬化樹脂層
９６とが所定距離Ｌ１離間して配置され、マスク越しに
光硬化性樹脂の未硬化樹脂層９６を投影露光させる光学
系９０を備える。この光学系９０が、反射鏡９１と、ス
トロボ光源（照明器具）９２と、このストロボ光源９２
からの光をガラス３１の全域に広げるためのレンズ９３
と、フレネルレンズ９４と、マスク１３１と、プロジェ
クションレンズ１０１と、未硬化樹脂層９６の順に配置
して構成される。

【００９１】この場合、図６で使用したシャッターが不
要になる。１９２Ａは充放電装置、１２３は液晶マスク
を制御する制御装置である。上記未硬化樹脂層９６は、
造形テーブル３の上に順次形成される光硬化性樹脂から
なる樹脂層である。なお、フレネルレンズ９４は省略が
可能である。

【００９２】本実施形態では、ストロボ光源１９２が使
用されるため、シャッターが不要になると共に、この光
源１９２の発熱量が抑制される。従って、それほど大き
な冷却装置が必要なくなると共に、当然に、シャッター
が変形してその動作不良が発生する等の問題が解消され
る。また、光源１９２の発熱量が小さくなるため、未硬
化樹脂層９６に与える熱影響が解消される。

【００９３】なお、図示は省略したが、図７に相当する
装置に対しても、上記ストロボ光源及び液晶マスクを採
用可能なことはいうまでもない。

【００９４】本実施形態では、図１１に示すように、液
晶マスク１３１に接続された制御装置１２３を有する。
この制御装置１２３は三次元ＣＡＤ等を含み、造形すべ
き立体モデルを例えば水平方向に薄くスライスした１層
分の断面データを出力すると共に、この出力データに基
づいてマスクを作成する。

【００９５】この制御装置１２３が動作すると、マスク
１３１を構成する液晶素子に対し１層分のデータに従う
所定の電圧が印加される。

【００９６】このマスク１３１を構成する液晶素子は、
図１２において、例えば、Ｘ方向およびＹ方向に延びる
図示を省略した複数の電極を有し、光を透過遮断制御す
る画素部が、このＸ、Ｙ電極の交点で形成される。

【００９７】本実施形態では、上記１層分のデータが、
図１２において、縦Ｌ１、横Ｌ２の矩形を表す断面デー
タである場合、図１２ａ、図１２ｂに示す２種類のマス
クパターンに従って、２回に分けて面露光することによ
り、当該矩形を表す断面データに従う樹脂の硬化が実行
される。図１２では、斜線が、光を遮蔽する部分１００
を示し、白抜きが、光を透過する部分２００を示す。

【００９８】すなわち、制御装置１２３が動作し、複数
の電極へ印加される電圧が制御されて、まず、図１２ａ
に示すように、中央部分に光を透過する部分２００が形
成され、その周囲に光を遮蔽する部分１００が形成され
る。

【００９９】この状態で、ストロボ光源１９２が点灯さ
れる。すると、光を透過する部分２００を通じて、中央
部分の未硬化樹脂層９６に光が到達して、この部分２０
０に相当する未硬化樹脂層９６が硬化する。

【０１００】ついで、制御装置１２３が動作し、図１２
ｂに示すように、中央部分に光を遮蔽する部分１００が
形成され、その周囲に光を透過する部分２００が形成さ
れる。この状態で、ストロボ光源１９２が点灯される。
すると、光を透過する部分２００を通じて、周辺部分の
未硬化樹脂層９６に光が到達して、この部分２００に相
当する未硬化樹脂層９６が硬化する。

【０１０１】図１２ａ、図１２ｂに示す光透過部分２０
０を重ね合わせると、縦Ｌ１、横Ｌ２の矩形を表す断面
データに従う露光範囲と一致する。

【０１０２】上記構成では、縦Ｌ１、横Ｌ２の矩形を表
す断面データに従って、未硬化樹脂層９６を硬化する場
合、図１２ａ、図１２ｂに示す２種類のマスクパターン
に従って、２回に分けて面露光するため、縦Ｌ１、横Ｌ
２の矩形を表す断面データに従う未硬化樹脂層９６を一
度に面露光する場合に比べて、光硬化性樹脂の硬化収縮
による歪みの発生が抑制される。

【０１０３】従って、例えば、レーザ光で露光する従来
のものとほぼ同程度に、造形精度を維持することができ
る。

【０１０４】上記マスクパターンには種々のものが提案
される。例えば、図１３ａ、図１３ｂに示すように、縦
Ｌ１、横Ｌ２の矩形を表す断面データに従う露光範囲が
設定される場合、上記マスクパターンは、光を遮蔽する
部分１００と、光を透過する部分２００とが市松模様状
に形成される。図１４ａ、図１４ｂに示すマスクパター
ンは、光を遮蔽する部分１００と、光を透過する部分２
００とが短冊模様状に形成される。これらの場合も、各
図に示す光透過部分２００を重ね合わせると、当該矩形
を表す断面データに従う露光範囲と一致する。

【０１０５】図１５ａ〜図１５ｃに示すマスクパターン
を用いた場合には、３回に分けて面露光する。図１５ａ
では、まず、十文字状の光透過部分２００を用いて露光
し、図１５ｂでは、残りの部分の内、４隅を除いた形状
の光透過部分２００を用いて露光し、図１５ｃでは、上
記４隅の光透過部分２００を用いて露光する。

【０１０６】図１６ａ〜図１６ｄに示すマスクパターン
を用いた場合には、４回に分けて面露光する。この場
合、図１６ａでは、まず、中央の四角形状の光透過部分
２００を用いて露光し、図１６ｂ以降では、既に露光し
た部分を除いて、四角形状を徐々に広げた光透過部分２
００を用いて露光する。また、図１７ａ〜図１７ｄに示
すマスクパターンを用いた場合、４回に分けて面露光
し、図１８ａ〜図１８ｈに示すパターンを用いた場合、
８回に分けて面露光し、図１９ａ〜図１９ｃに示すパタ
ーンを用いた場合、３回に分けて面露光する。

【０１０７】いずれの場合も、各図に示す光透過部分２
００を重ね合わせると、当該矩形を表す断面データに従
う露光範囲と一致する。

【０１０８】図２０ａ〜図２０ｄに示すマスクパターン
を用いた場合、４回に分けて面露光する。この場合、図
２０ａ、図２０ｂに示す光透過部分２００を重ね合わせ
ると、当該矩形を表す断面データに従う露光範囲と一致
し、図２０ｃ、図２０ｄに示す光透過部分２００を重ね
合わせると、当該矩形を表す断面データに従う露光範囲
と一致する。これによれば、本来の露光範囲を２回に亘
って露光することになるため、１回の露光時間が半分の
露光時間とされる。

【０１０９】図１２〜図１９において、例えば、各マス
クパターンを用いた露光時間が３〜５秒に設定されれ
ば、図２０においては、各マスクパターンを用いた露光
時間が１．５〜２．５秒に設定される。

【０１１０】いずれの実施形態においても、縦Ｌ１、横
Ｌ２の矩形を表す断面データに従って、未硬化樹脂層９
６を硬化する場合、複数種類のマスクパターンに従っ
て、複数回に分けて、部分的或いは段階的に面露光する
ため、縦Ｌ１、横Ｌ２の矩形を表す断面データに従う未
硬化樹脂層９６を一度に面露光する場合に比べ、光硬化
性樹脂の硬化収縮による歪みの発生が抑制される。

【０１１１】従って、上述したように、レーザ光で露光
する従来のものとほぼ同程度に、造形精度を維持するこ
とができる。

【０１１２】図２１は、上記マスクパターンの作成フロ
ーを示す。

【０１１３】Ｓ１〜Ｓ３は、上記１層分の断面データの
作成手順である。三次元ＣＡＤ等からのデータを読み込
み（Ｓ１）、このデータをスライスして上記断面データ
を作成する（Ｓ２）。そして、この断面データにサポー
ト（造形中に造形物を支持する部材）に関するデータを
付与する（Ｓ３）。

【０１１４】ついで、造形物（モデル）の積層数が終了
したか否かを判断し（Ｓ４）、終了していない場合、モ
デル及びサポートの塗りつぶしデータ（上記１層分の断
面データ）を計算し、記憶する（Ｓ５）。つぎに、一つ
目の上記マスクパターン（例えば、図１２ａ）を用いた
場合の、塗りつぶしパターンを計算し、記憶し（Ｓ
６）、モデル及びサポートとマスクパターンの論理積を
算出し、マスク作成をおこない（Ｓ７）、そして、露光
する（Ｓ８）。

【０１１５】さらに、マスクパターンが終了したか否か
を判断し（Ｓ９）、終了していない場合、Ｓ６に移行
し、二つ目の上記マスクパターン（例えば、図１２ｂ）
を用いた場合の、塗りつぶしパターンを計算し、これに
基づいてマスク作成をおこない、そして、露光する（Ｓ
８）。

【０１１６】上記Ｓ９で、マスクパターンが終了した場
合、Ｓ４に移行して、次の層のマスクを作成し、露光を
実行する。

【０１１７】これらの処理が進み、上記Ｓ４で、モデル
の積層数が終了した場合、Ｓ１０に移行して、光造形を
終了する。

【０１１８】本実施形態によれば、複数回に分けて、部
分的或いは段階的に面露光するため、従来のように、一
度に面露光する場合に比べて、光硬化性樹脂の硬化収縮
による歪みの発生を抑制することができる。

【０１１９】以上、一実施形態に基づいて本発明を説明
したが、本発明は、これに限定されるものでないことは
明らかである。

【０１２０】例えば、上記実施形態では、造形物を上下
に積層・造形する光造形について説明したが、造形物が
大型化した場合には、上下に積層せずに、横方向に積層
して光造形することが可能である。この場合、光学系も
同様に横向きに配置されることはいうまでもない。

【０１２１】

【発明の効果】本発明によれば、樹脂露光面に対して効
率よく、精度よく、しかも安価に光エネルギを到達させ
ることができる。また、光源の発熱量を抑制でき、且つ
造形精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光造形装置の一実施形態を示す正
面図である。

【図２】造形ステージを示す正面図である。

【図３】ユニットの移動を示す正面図である。

【図４】造形ステージでの位置決めを示す正面図であ
る。

【図５】照明装置のフードを降下させた正面図である。

【図６】光学系を示す斜視図である。

【図７】光学系の別の実施形態を示す斜視図である。

【図８】データ補正を説明する図である。

【図９】一実施形態のフローチャートである。

【図１０】別の実施形態のフローチャートである。

【図１１】別の実施形態を示す図６相当図である。

【図１２】ａ、ｂはそれぞれマスクパターンを示す図で
ある。

【図１３】ａ、ｂはそれぞれマスクパターンを示す図で
ある。

【図１４】ａ、ｂはそれぞれマスクパターンを示す図で
ある。

【図１５】ａ〜ｃはそれぞれマスクパターンを示す図で
ある。

【図１６】ａ〜ｄはそれぞれマスクパターンを示す図で
ある。

【図１７】ａ〜ｄはそれぞれマスクパターンを示す図で
ある。

【図１８】ａ〜ｈはそれぞれマスクパターンを示す図で
ある。

【図１９】ａ〜ｃはそれぞれマスクパターンを示す図で
ある。

【図２０】ａ〜ｄはそれぞれマスクパターンを示す図で
ある。

【図２１】マスク作成手順を示すフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１光造形装置３造形テーブル１４樹脂供給ディッパ３１ガラス４１マスク作成手段５３露光装置８０，９０光学系８１，９１反射鏡８２，９２メタルハライドランプ（照明器具）８４，９４フレネルレンズ９６未硬化樹脂層８９，９９シャッター１０１プロジェクションレンズ１３１液晶マスク１２３制御装置１９２ストロボ光源１９２Ａ充放電装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光造形に関する１層分のデータに従って
光透過性部材にマスクを作成し、このマスク越しに光硬
化性樹脂の未硬化樹脂層を露光し、この露光操作を繰り
返して光造形する光造形装置において、光透過性部材と未硬化樹脂層とを所定距離離間配置し、マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を投影露光さ
せる光学系を備えたことを特徴とする光造形装置。
【請求項２】光造形に関する１層分のデータに従って
光透過性部材にマスクを作成し、このマスク越しに光硬
化性樹脂の未硬化樹脂層を露光し、この露光操作を繰り
返して光造形する光造形装置において、照明器具、フレネルレンズ、上記光透過性部材、プロジ
ェクションレンズおよび上記未硬化樹脂層の順に配置し
て光学系を形成し、この光学系を用いてマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化
樹脂層を露光することを特徴とする光造形装置。
【請求項３】光造形に関する１層分のデータに従って
光透過性部材にマスクを作成し、このマスク越しに光硬
化性樹脂の未硬化樹脂層を露光し、この露光操作を繰り
返して光造形する光造形装置において、照明器具、平行光形成用部材、上記光透過性部材、およ
び上記未硬化樹脂層の順に配置して光学系を形成し、この光学系を用いてマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化
樹脂層を露光することを特徴とする光造形装置。
【請求項４】光造形に関するデータを出力する制御手
段と、１層分のデータに従って光透過性部材にマスクを
作成するマスク作成手段と、このマスク作成手段から所
定距離離して配置され、１層分の光硬化性樹脂の未硬化
樹脂層を形成する樹脂層形成手段と、上記マスク越しに
光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露光する照明器具と、樹
脂層形成手段とマスク作成手段との間に配置され、露光
時にマスク越しの光の焦点を合わせる焦点合わせ手段と
を備え、上記露光操作を繰り返して光造形することを特
徴とする光造形装置。
【請求項５】上記マスクが静電トナーマスクであるこ
とを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１記載の光
造形装置。
【請求項６】光造形に関する１層分のデータに従って
面露光に供されるマスクを作成し、このマスク越しに光
硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面露光し、この面露光操作
を繰り返すことにより光造形する光造形装置において、上記マスクと未硬化樹脂層とを所定距離離間配置し、マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を投影露光さ
せる光学系を備え、上記マスクが複数のマスクパターンを含み、複数のマス
クパターンを用いて複数回に分けて上記１層分のデータ
に従う面露光を実行することを特徴とする光造形装置。
【請求項７】光造形に関する１層分のデータに従って
面露光に供されるマスクを作成し、このマスク越しに光
硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面露光し、この面露光操作
を繰り返すことにより光造形する光造形装置において、照明器具、フレネルレンズ、上記マスク、プロジェクシ
ョンレンズおよび上記未硬化樹脂層の順に配置して光学
系を形成し、この光学系を用いてマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化
樹脂層を露光し、上記マスクが複数のマスクパターンを含み、複数のマス
クパターンを用いて複数回に分けて上記１層分のデータ
に従う面露光を実行することを特徴とする光造形装置。
【請求項８】光造形に関する１層分のデータに従って
面露光に供されるマスクを作成し、このマスク越しに光
硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面露光し、この面露光操作
を繰り返すことにより光造形する光造形装置において、照明器具、平行光形成用部材、上記マスク、および上記
未硬化樹脂層の順に配置して光学系を形成し、この光学系を用いてマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化
樹脂層を露光し、上記マスクが複数のマスクパターンを含み、複数のマス
クパターンを用いて複数回に分けて上記１層分のデータ
に従う面露光を実行することを特徴とする光造形装置。
【請求項９】上記マスクが液晶素子で構成され、この
液晶素子を制御することによって、上記複数のマスクパ
ターンを順次作成することを特徴とする請求項６ないし
８のいずれか１項記載の光造形装置。
【請求項１０】上記露光用光源がストロボであること
を特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項記載の光
造形装置。
【請求項１１】光造形に関する１層分のデータに従っ
て光透過性部材にマスクを作成し、このマスク越しに光
硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露光し、この露光操作を繰
り返して光造形する方法において、光透過性部材と未硬化樹脂層とを所定距離離間配置し、マスク越しに投影露光させる光学系を用いて当該マスク
越しに未硬化樹脂層を露光することを特徴とする光造形
方法。
【請求項１２】光造形に関する１層分のデータに従っ
て面露光に供されるマスクを作成し、このマスク越しに
光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面露光し、この面露光操
作を繰り返すことにより光造形する光造形方法であっ
て、上記マスクと未硬化樹脂層とを所定距離離間配置し、マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を投影露光さ
せる光学系を備え、上記マスクが複数のマスクパターンを含み、複数のマスクパターンを用いて複数回に分けて上記１層
分のデータに従う面露光を実行することを特徴とする光
造形方法。
【請求項１３】上記マスクが液晶素子で構成され、こ
の液晶素子を制御することによって、上記複数のマスク
パターンを順次作成することを特徴とする請求項１２記
載の光造形方法。
【請求項１４】上記露光用光源がストロボであること
を特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項記載
の光造形装置。