JP2003001713A - 光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照射位置の位置ずれを的確に補正してモデル
精度を保つ。 【解決手段】 予め所定の方法にて加工面でのレーザビ
ーム照射位置の較正作業を行い、その状態で三次元モデ
ル形成スタート直前に照射ターゲット上にレーザビーム
を照射し、照射ターゲット上の照射位置を複数箇所で測
定してスタート時照射位置情報を取得する。三次元モデ
ルの形成動作中においてレーザビーム照射位置を複数箇
所で測定し、スタート時照射位置情報と比較してその差
分データを得るとともに測定点以外の点での差分データ
を推定し、差分データからレーザビーム照射位置とレー
ザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づいて
ミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいてレーザ
ビームの偏向制御の補正を行う途中補正動作を、レーザ
ビームの偏向手段の温度情報に基づいて行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光造形システムにお
けるレーザビームの偏向制御方法及びその装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】光造形システムは、被固化剤に偏向手段
を介してレーザビームを照射して被固化剤の特定の部分
を固化させて固化層を形成し、この固化層の上に新たな
被固化剤を導入してレーザビームの照射で特定の部分を
固化させて固化層を形成するということを繰り返すこと
で、固化層が複数層積み重なったものとして所望の三次
元モデルを形成するもので、作成する三次元モデルの形
状精度はＣＡＤデータに基づいたレーザビームの走査の
精度に大きく影響される。

【０００３】特にレーザビームの照射位置はモデル形成
作業の開始直前に較正を行ったとしても、レーザビーム
の光源の発振点のずれ、環境温度の変化によるレーザ光
源やレーザビームの走査のための偏向手段を支持する支
持部材のたわみ、偏向手段そのものの温度ドリフト等に
よって照射位置がずれてくることから、モデル形成作業
の途中で位置ずれの補正を行わなくては精度の高い三次
元モデルを得ることはできない。

【０００４】このために特開平８−３１８５７４号公報
においては、各固化層を形成するたびにレーザビームの
照射位置の検出動作を行ってずれが生じていれば、この
ずれに基づいて次の照射位置の補正を行うことがなされ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、各層毎にレー
ザビームの照射位置の検出動作及び位置ずれ補正を行う
ことは、三次元モデルの形成にかかる時間を不必要に長
くしてしまうことになる。また、複数層毎に、あるいは
所定時間毎にレーザビームの照射位置の検出動作及び位
置ずれ補正を行うならば、三次元モデルの形成にかかる
時間を上記従来例より短くすることができるものの、そ
の間にレーザビームの照射位置の位置ずれが生じた場
合、次のレーザビームの照射位置の検出動作及び位置ず
れ補正がなされるまで、位置ずれが生じたまま三次元モ
デルの形成がなされてしまうことになり、それまで積み
上げてきたモデル精度が台無しになってしまう。

【０００６】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であって、その目的とするところはレーザビームの照射
位置の位置ずれを的確に補正してモデル精度を保つこと
ができる光造形システムにおけるレーザビームの偏向制
御方法及びその装置を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】しかして本発明に係る光
造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方法は、
被固化剤に偏向手段を介してレーザビームを照射して固
化させた固化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状モ
デルを形成する光造形システム用のレーザビームの偏向
制御方法であって、予め所定の方法にて加工面でのレー
ザビーム照射位置の較正作業を行って、その状態で三次
元モデル形成スタート直前に照射ターゲット上にレーザ
ビームを照射し、照射ターゲット上の照射位置を複数箇
所で測定してスタート時照射位置情報を取得する段階
と、三次元モデルの形成動作中において、照射ターゲッ
ト上にレーザビームを照射してその照射位置を複数箇所
で測定してモデル形成時照射位置情報を取得する段階
と、スタート時照射位置情報とモデル形成時照射位置情
報とを比較して、その差分データを得るとともに測定点
以外の点での差分データを推定する差分データ取得段階
と、差分データからレーザビーム照射位置とレーザビー
ムの偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラー
の補正角を決定してこの補正角に基づいてレーザビーム
の偏向制御の補正を行う偏向制御段階とを有して、モデ
ル形成時照射位置情報の取得段階と、差分データ取得段
階と、偏向制御段階とからなる途中補正動作を、レーザ
ビームの偏向手段の温度情報に基づいて行うことに特徴
を有している。

【０００８】レーザビームの走査のためのミラーを備え
た偏向手段が温度による影響を受けやすく、レーザビー
ムの照射位置の位置ずれが偏向手段の温度の影響に起因
していることに着目し、ミラーの温度情報に応じて位置
ずれの補正動作を行うことで、位置ずれ補正の回数を最
小限に保ちつつ、モデル精度を保つことができなくなる
ような位置ずれが生じるまでに補正を行うことができる
ようにしたものである。

【０００９】この時、偏向手段の偏向用のミラーの温度
情報は温度センサによって得ることができ、この場合、
偏向手段における２つのミラーの各温度情報を各ミラー
に設けた温度センサによって得ることが好ましい。

【００１０】偏向手段の温度情報はレーザビームの照射
熱量の計測値を基に得るようにしてもよい。

【００１１】さらに、温度情報に加えて湿度センサによ
る湿度情報にも基づいて途中補正動作を行うようにして
もよい。

【００１２】そして本発明に係る光造形システム用のレ
ーザビームの偏向制御装置は、被固化剤に偏向手段を介
してレーザビームを照射して固化させた固化層を複数層
積み重ねて所望の三次元形状モデルを形成するものにお
いて、加工面での照射位置の較正作業がなされたレーザ
ビームを、三次元モデル形成スタート直前に加工面上に
用意した照射ターゲット上に照射して、照射ターゲット
上の照射位置を複数箇所で測定することでスタート時照
射位置情報を取得するスタート時照射位置測定手段と、
三次元モデルの形成動作中において、加工面上に用意し
た照射ターゲット上にレーザビームを照射してその照射
位置を複数箇所で箇所で測定してモデル形成時照射位置
情報を取得するモデル形成時照射位置測定手段と、スタ
ート時照射位置測定手段で得たスタート時照射位置情報
とモデル形成時照射位置測定手段で得たモデル形成時照
射位置情報とを比較して、その差分データを得るととも
に測定点以外の点での差分データを推定する差分データ
取得手段と、差分データからレーザビーム照射位置とレ
ーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づい
てミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいてレー
ザビームの偏向制御の補正を行う偏向制御手段と、偏向
手段の温度変化を計測するとともにその出力値に応じて
モデル形成照射位置測定手段と差分データ取得手段と偏
向制御手段を動作させる温度計測手段とを備えているこ
とに特徴を有している。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明を実施の形態の一例に
基づいて詳述すると、図２は本発明に係るレーザビーム
の偏向制御装置を備えた光造形システムの一例を示して
おり、被固化剤の層が上面に形成されるとともに造形に
従って昇降を行う造形ステージ１の周辺には、造形ステ
ージ１上の被固化剤の掻き取り用のスキージング４０を
備えた可動テーブル４を移動させるための駆動機構４１
と、撮像用のカメラ５０を備えた可動テーブル５を移動
させるための駆動機構５１とが設置されている。また、
造形ステージ１の上方には、レーザ光源２０から出力さ
れたレーザビームを造形ステージ１上に走査するための
偏向手段２が配されている。この偏向手段２は直交する
２軸の回りを夫々回転駆動される２つのミラー２１，２
２を備えたガルバノスキャナで構成されている。また、
偏向手段２とレーザ光源２０との間には焦点調整及び集
光径の変更用のレンズを備えた調整部２３が設けられて
いる。

【００１４】そして、上記偏向手段２と調整部２３及び
レーザ光源２０は偏向制御や焦点制御並びに発振制御の
ための偏向制御装置２４を介して制御コンピュータ９に
接続されており、また上記可動テーブル４，５も制御コ
ンピュータ９に接続されてスキージング動作及びカメラ
５０による撮像エリアのコントロールが制御コンピュー
タ９によってなされるようになっており、さらにカメラ
５０は画像処理装置５５を介して制御コンピュータ９に
接続されている。

【００１５】本発明においては、上記カメラ５０を用い
てレーザビームの照射位置の測定を行うのであるが、こ
の時、上記可動テーブル４上に設けた照射ターゲット３
を用いて測定を行う。ここでは照射ターゲット３とし
て、ロール供給方式の感熱紙を用いている。

【００１６】この照射ターゲット３とカメラ５０とによ
るレーザビームの照射位置測定は、次のようにして行
う。すなわち、可動テーブル４を駆動することで照射タ
ーゲット３を加工面である造形ステージ１上に移動さ
せ、この状態で所定の複数点の位置の確認ができるマー
キング模様（たとえば図８に示すような格子模様）をレ
ーザビームによって照射ターゲット３上に描く。この時
の所定の複数点は、レーザビーム走査領域内で格子状間
隔で存在し且つ必要な走査領域と走査精度で決まる間隔
（この間隔は実験等で求めてもよい）を持つものという
条件を満たすものとする。そして、マーキング模様を照
射ターゲット３上に描いたならば、可動テーブル５を照
射ターゲット３上に移動させて、カメラ５０で格子点付
近を撮像し、画像処理と撮影時のカメラ５０の位置とか
ら格子点中心ｃｃの位置を求める。

【００１７】上記の照射位置測定と補正とについて三次
元モデルの造形手順に従って説明すると、まず所定の方
法にて造形ステージ１上でのレーザビーム照射位置の較
正作業を行っておく。そして、三次元モデル形成のスタ
ート直前に、上記測定動作を行って、予め定めた複数の
測定点についてのレーザビーム照射位置情報をスタート
時照射位置情報として記憶しておく。この時、格子状の
各測定点とその中心位置とを測定点（１，１），格子点
中心位置（Ｘ，Ｙ）＝（ＸＸＸ，ＹＹＹ）といったデー
タ形式で記憶する。

【００１８】このように初期状態での予め定めた測定点
に対するレーザビームの照射位置の測定が完了すれば、
造形ステージ１上に被固化剤の層を形成し、被固化剤の
所定エリアをレーザビームの照射により固化させて固化
層とし、造形ステージ１を一段降下させた後、上記固化
層の上に被固化剤の新たな層を形成し、被固化剤の所定
エリアをレーザビームの照射により固化させて下層の固
化層と結合された固化層を設けるということを繰り返し
て、固化層を積み重ねていくことで所望の三次元形状モ
デルの造形を行う。

【００１９】この間、適宜のタイミングで造形ステージ
１上に照射ターゲット３を移動させて測定点に対する前
述のようなレーザビーム照射位置測定動作をおこない、
その測定結果を上記スタート時照射位置情報と比較し
て、その差分データ、つまりはずれ量とずれの方向とに
関するデータを得る。また、各測定点についての上記差
分データから、測定点以外の点でのずれ量及びずれ方向
を推定する。

【００２０】そして差分データからレーザビーム照射位
置とレーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に
基づいてミラーの補正角を決定してこの補正角に基づい
て次の被固化剤に対するレーザビーム照射に際しレーザ
ビームの偏向制御の補正を行う。この補正角は、次のレ
ーザビーム照射位置測定動作を行うまで維持する。

【００２１】ここにおいて、レーザビーム照射位置測定
動作をモデル作成中に行うタイミングは、上記偏向手段
２の各ミラー２１，２２に付設した熱電対のような温度
センサ２５，２５の出力に基づいて決定している。

【００２２】すなわち、温度センサ２５，２５でミラー
２１，２２の温度を常時監視し、所定時間内の温度の変
化が所定値ΔＴを越える時、補正必要有りと判断して、
レーザビーム照射位置測定動作とこれに続く照射位置補
正動作とを行うのである。モデル精度に影響を及ぼすよ
うな位置ずれが生じる前に、補正を行うことができる。
しかも、モデル作成開始直後の温度変化が大きい時点で
は、レーザビーム照射位置測定及び補正動作は頻繁に行
われるが、温度が安定したきたならば、レーザビーム照
射位置測定及び補正動作の間隔は長くなるために、モデ
ル作成中の補正動作の回数は少なくてすむ。図３に温度
変化と補正動作との関係の一例を示す。

【００２３】なお、偏向手段２の温度の影響以外が原因
でレーザビームの照射位置の位置ずれが生じる虞もある
ことから、偏向手段２の温度が安定している状態におい
ても、図４に示すようにレーザビームの照射位置測定及
び補正動作がなされてから所定時間ｔ１が経過すれば、
もしくは所定数の層の固化処理を行ったならば、レーザ
ビームの照射位置測定及び補正動作を行うようにしてお
いてもよい。また、図５に示すように、予め定めた所定
時間毎、あるいは所定数の層の固化処理の完了毎に計画
的な照射位置測定及び補正動作を行うようにしておき、
この測定及び補正動作に加えて、上記偏向手段２の温度
変化に基づいた臨時測定及び補正動作を行うようにして
おいてもよい。

【００２４】偏向手段２のミラー２１，２２の温度情報
は、レーザビームの照射熱量の計測値を基に得ようにし
てもよい。たとえば、図６に示すように、レーザ光源２
０からのレーザビームの一部（たとえば５％ほど）をハ
ーフミラー２８によってパワーメータ２９に導いて、単
位時間当たりのレーザビームの照射熱量を測定し、この
照射熱量を基に偏向手段２のミラー２１，２２の温度を
推測して、温度変化が大きい時にはレーザビームの照射
位置の測定動作及び補正動作を行うのである。

【００２５】このほか、温度変化計測に加えて、湿度セ
ンサ（図示せず）を用いて、湿度が図７に示す定常時に
許容範囲Ｄを外れたならば、レーザビームの照射位置の
測定及び補正動作を行うようにしておいてもよい。温度
ドリフトに加えて湿度ドリフトの影響による照射位置ず
れを未然に防ぐことができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明に係る光造形システ
ムにおけるレーザビームの偏向制御方法は、予め所定の
方法にて加工面でのレーザビーム照射位置の較正作業を
行って、その状態で三次元モデル形成スタート直前に照
射ターゲット上にレーザビームを照射し、照射ターゲッ
ト上の照射位置を複数箇所で測定してスタート時照射位
置情報を取得する段階と、三次元モデルの形成動作中に
おいて、照射ターゲット上にレーザビームを照射してそ
の照射位置を複数箇所で測定してモデル形成時照射位置
情報を取得する段階と、スタート時照射位置情報とモデ
ル形成時照射位置情報とを比較して、その差分データを
得るとともに測定点以外の点での差分データを推定する
差分データ取得段階と、差分データからレーザビーム照
射位置とレーザビームの偏向用のミラーの回転角との関
係に基づいてミラーの補正角を決定してこの補正角に基
づいてレーザビームの偏向制御の補正を行う偏向制御段
階とを有して、モデル形成時照射位置情報の取得段階
と、差分データ取得段階と、偏向制御段階とからなる途
中補正動作を、レーザビームの偏向用のミラーの温度情
報に基づいて行うものであり、レーザビームの照射位置
に位置ずれが生じる大きな原因である偏向手段の温度に
よる影響を考慮して補正動作を行うことから、位置ずれ
補正の回数を最小限に保ちつつ、モデル精度を保つこと
ができなくなるような位置ずれが生じるまでに補正を行
うことができものであり、モデル精度の確保と補正動作
によるところの時間的ロスの削減とを両立させることが
できる。

【００２７】この時、ミラーの温度情報を温度センサに
よって得ることで、信頼性を確保することができる上
に、熱電対のような温度センサを用いることで安価に実
現することができる。

【００２８】しかも、偏向手段における２つのミラーの
各温度情報を各ミラーに設けた温度センサによって得る
ことで、個別に回転するとともにその回転量も異なる２
つのミラーの各回転時の摩擦による自己発熱による個別
変動にも対応させることができる。

【００２９】ミラーの温度情報はレーザビームの照射熱
量の計測値を基に得るようにしてもよい。この場合、ミ
ラーだけでなく、光学系全体の温度ドリフトも考慮した
ものとすることができるほか、偏向手段のミラーの自己
発熱と分離して考えることが可能となる。

【００３０】さらに、温度情報に加えて湿度センサによ
る湿度情報にも基づいて途中補正動作を行うならば、温
度ドリフトに加えて湿度ドリフトの影響も避けることが
できる。

【００３１】そして本発明に係る光造形システム用のレ
ーザビームの偏向制御装置は、被固化剤に偏向手段を介
してレーザビームを照射して固化させた固化層を複数層
積み重ねて所望の三次元形状モデルを形成するものにお
いて、加工面での照射位置の較正作業がなされたレーザ
ビームを、三次元モデル形成スタート直前に加工面上に
用意した照射ターゲット上に照射して、照射ターゲット
上の照射位置を複数箇所で測定することでスタート時照
射位置情報を取得するスタート時照射位置測定手段と、
三次元モデルの形成動作中において、加工面上に用意し
た照射ターゲット上にレーザビームを照射してその照射
位置を複数箇所で箇所で測定してモデル形成時照射位置
情報を取得するモデル形成時照射位置測定手段と、スタ
ート時照射位置測定手段で得たスタート時照射位置情報
とモデル形成時照射位置測定手段で得たモデル形成時照
射位置情報とを比較して、その差分データを得るととも
に測定点以外の点での差分データを推定する差分データ
取得手段と、差分データからレーザビーム照射位置とレ
ーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づい
てミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいてレー
ザビームの偏向制御の補正を行う偏向制御手段と、偏向
手段の温度変化を計測するとともにその出力値に応じて
モデル形成照射位置測定手段と差分データ取得手段と偏
向制御手段を動作させる温度計測手段とを備えているた
めに、上記方法による補正動作を簡便に実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る方法の説明図である。

【図２】同上の装置の一例の斜視図である。

【図３】同上の動作説明図である。

【図４】他例の動作説明図である。

【図５】さらに他例の動作説明図である。

【図６】他の例の概略図である。

【図７】別の例の動作説明図である。

【図８】測定点の説明図である。

【符号の説明】

１ 造形ステージ ２ 偏向手段 ３ 照射ターゲット ２５ 熱伝対

フロントページの続き (72)発明者 阿部 諭 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 吉田 徳雄 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 Ｆターム(参考） 4F213 AA44 AP05 AP06 AR06 AR07 WA25 WL03 WL12 WL35 WL67 WL75 WL76 WL80 WL85 WL87 WL92

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被固化剤に偏向手段を介してレーザビー
   ムを照射して固化させた固化層を複数層積み重ねて所望
   の三次元形状モデルを形成する光造形システム用のレー
   ザビームの偏向制御方法であって、 予め所定の方法にて加工面でのレーザビーム照射位置の
   較正作業を行って、その状態で三次元モデル形成スター
   ト直前に照射ターゲット上にレーザビームを照射し、照
   射ターゲット上の照射位置を複数箇所で測定してスター
   ト時照射位置情報を取得する段階と、 三次元モデルの形成動作中において、照射ターゲット上
   にレーザビームを照射してその照射位置を複数箇所で測
   定してモデル形成時照射位置情報を取得する段階と、 スタート時照射位置情報とモデル形成時照射位置情報と
   を比較して、その差分データを得るとともに測定点以外
   の点での差分データを推定する差分データ取得段階と、 差分データからレーザビーム照射位置とレーザビームの
   偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラーの補
   正角を決定してこの補正角に基づいてレーザビームの偏
   向制御の補正を行う偏向制御段階とを有して、モデル形
   成時照射位置情報の取得段階と、差分データ取得段階
   と、偏向制御段階とからなる途中補正動作を、レーザビ
   ームの偏向手段の温度情報に基づいて行うことを特徴と
   する光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方
   法。
2. 【請求項２】 偏向手段における偏向用ミラーの温度情
   報を温度センサによって得ることを特徴とする請求項１
   記載の光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御
   方法。
3. 【請求項３】 偏向手段における偏向用の２つのミラー
   の各温度情報を各ミラーに設けた温度センサによって得
   ることを特徴とする請求項２記載の光造形システムにお
   けるレーザビームの偏向制御方法。
4. 【請求項４】 偏向手段の温度情報をレーザビームの照
   射熱量の計測値を基に得ることを特徴とする請求項１記
   載の光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方
   法。
5. 【請求項５】 温度情報と湿度センサによる湿度情報と
   に基づいて途中補正動作を行うことを特徴とする請求項
   １〜４のいずれかの項に記載の光造形システムにおける
   レーザビームの偏向制御方法。
6. 【請求項６】 被固化剤に偏向手段を介してレーザビー
   ムを照射して固化させた固化層を複数層積み重ねて所望
   の三次元形状モデルを形成する光造形システム用のレー
   ザビームの偏向制御装置であって、 加工面での照射位置の較正作業がなされたレーザビーム
   を、三次元モデル形成スタート直前に加工面上に用意し
   た照射ターゲット上に照射して、照射ターゲット上の照
   射位置を複数箇所で測定することでスタート時照射位置
   情報を取得するスタート時照射位置測定手段と、 三次元モデルの形成動作中において、加工面上に用意し
   た照射ターゲット上にレーザビームを照射してその照射
   位置を複数箇所で箇所で測定してモデル形成時照射位置
   情報を取得するモデル形成時照射位置測定手段と、 スタート時照射位置測定手段で得たスタート時照射位置
   情報とモデル形成時照射位置測定手段で得たモデル形成
   時照射位置情報とを比較して、その差分データを得ると
   ともに測定点以外の点での差分データを推定する差分デ
   ータ取得手段と、 差分データからレーザビーム照射位置とレーザビームの
   偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラーの補
   正角を決定してこの補正角に基づいてレーザビームの偏
   向制御の補正を行う偏向制御手段と、 偏向手段の温度変化を計測するとともにその出力値に応
   じてモデル形成照射位置測定手段と差分データ取得手段
   と偏向制御手段を動作させる温度計測手段とを備えてい
   ることを特徴とする光造形システムにおけるレーザビー
   ムの偏向制御装置。