JP2006154126A - 光ビーム制御装置及び光造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置構成が簡単で、レーザビームのビーム径及び焦点位置を高速で変更する。
【解決するための手段】 外部より入射されたレーザビームの焦点位置及びビーム径を変更するための光ビーム制御装置１２は、レーザビームのビーム径及び焦点位置を変更するためのレンズと、レンズを直接的あるいは間接的に担持し、外部からの駆動制御信号に基づいてレーザビームＬの光軸方向に直動するボイスコイル部を有するボイスコイルモータ２１と、ボイスコイル部を支持するとともに、当該ボイスコイル部の直動をガイドする案内部２３と、レンズ位置を検出し、位置検出信号を出力するエンコーダ２４と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ビーム制御装置及び光造形装置に係り、特に、光ビームとしてレーザビームを用いる光ビーム制御装置及び光造形装置において、ビーム径および焦点位置を高速で制御する技術に関する。

従来より、三次元形状の物体を造形する手法として、光硬化樹脂を用いた光硬化造形法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
光硬化造形法では、例えば、造形対象形状の等高断面に対応させて光硬化性樹脂の液面にレーザビームを走査させつつ照射する。するとレーザビームが照射された光硬化成樹脂の液面が光硬化され、断面硬化層が形成される。光硬化造形法ではこのようにして断面硬化層を形成すると同時に、新たに形成される断面硬化層が先に形成されている断面硬化層に積層一体化されるように三次元的に連続的に造形を行う。このようにすることにより、断面硬化層が積層一体化されて全体として造形対象の形状を有する三次元物体が造形されることとなっていた。
特開昭５６−１４４４７８号公報

ところで、光硬化樹脂にレーザビームを照射するに際しては、ビーム径と焦点位置を同時に制御する必要があるが、従来の光硬化造形装置においては、焦点位置を制御する焦点位置制御装置を構成し、この焦点位置制御装置全体をレーザビームの光軸方向に駆動する構成を採っていたため、高速でビーム径を変更することはできないという問題点があった。
そこで、本発明の目的は、装置構成が簡単で、レーザビームのビーム径及び焦点位置を高速で変更することが可能な光ビーム制御装置およびこの光ビーム制御装置を用いた光造形装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、外部より入射されたレーザビームの焦点位置及びビーム径を変更するための光ビーム制御装置は、レンズと、前記レンズを直接的あるいは間接的に担持し、外部からの駆動制御信号に基づいて前記光ビームの光軸方向に直動するボイスコイル部を有するボイスコイルモータと、前記ボイスコイル部を支持するとともに、当該ボイスコイル部の直動をガイドするガイド部材と、前記レンズ位置を検出し、位置検出信号を出力するエンコーダと、を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、ボイスコイルモータのボイスコイル部は、レンズを直接的あるいは間接的に担持し、外部からの駆動制御信号に基づいて光ビームの光軸方向に直動する。
このとき、ガイド部材は、ボイスコイル部を支持するとともに、当該ボイスコイル部の直動をガイドする。
さらにこれと並行して、エンコーダは、レンズ位置を検出し、位置検出信号を出力する。

この場合において、前記ボイスコイル部は、前記ガイド部材に支持されるとともに、コイルが巻回された円筒形状のボビンを有し、前記レンズは、前記ボビン内に担持されているようにしてもよい。

また、前記エンコーダは、前記ボイスコイル部の直動に連動して直動するスケールと、前記スケールを読み取って前記位置検出信号を出力するエンコーダヘッドと、を備えるようにしてもよい。

さらに、前記ビーム径に対応する前記レンズの位置を基準位置とし、前記焦点位置に応じて前記レンズの位置を前記基準位置から所定距離移動させるようにしてもよい。

また、光造形装置は、レーザビームを出射するレーザビーム出射装置と、上記光ビーム制御装置と、前記光ビーム制御装置を通過したレーザビームを集光する対物レンズと、レーザビームを走査するためのスキャナ部と、造形対象の三次元形状に対応する造形データおよび前記位置検出信号に基づいて、前記駆動制御信号を出力する造形コントローラと、を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、レーザビーム出射装置は、レーザビームを光ビーム制御装置に出射する。
これにより、造形コントローラは、造形対象の三次元形状に対応する造形データに基づいて、駆動制御信号を光ビーム制御装置に出力する。
一方、光ビーム制御装置を構成するボイスコイル部は、レンズを直接的あるいは間接的に担持し、造形コントローラからの駆動制御信号に基づいて光ビームの光軸方向に直動し、ガイド部材は、ボイスコイル部を支持するとともに、当該ボイスコイル部の直動をガイドする。

これと並行して、エンコーダは、レンズ位置を検出し、位置検出信号を造形コントローラに出力する。
これらの結果、造形コントローラは、造形対象の三次元形状に対応する造形データおよび位置検出信号に基づいて、新たな駆動制御信号を出力する。
さらに対物レンズは、光ビーム制御装置を通過したレーザビームを集光し、スキャナ部はレーザビームを走査して光硬化造形を行う。

本発明によれば、簡単な装置構成で、レーザビームのビーム径及び焦点位置を高速で変更することが可能となる。

次に本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の光造形装置の概要構成図である。
光硬化造形装置１０は、レーザビームＬを出射するレーザビーム出射装置１１と、出射されたレーザビームＬの焦点位置及びビーム径を制御する光ビーム制御装置１２と、光ビーム制御装置１２を通過したレーザビームＬを集光する対物レンズ１３と、レーザビームＬを走査するためのスキャナ部１４と、図示しないエレベータ装置を有し光硬化樹脂を貯留する樹脂貯留槽１５と、光硬化造形装置１０全体を制御するための造形コントローラ１６と、造形コントローラ１６の制御下でレーザビーム出射装置１１、光ビーム制御装置１２スキャナ部１４等における光学系の制御を行う光学系コントローラ１７と、樹脂貯留槽１５を図示しないテーブルにより昇降させるための制御を行うテーブル昇降制御部１８と、樹脂貯留槽１５内の光硬化樹脂の表面を均すための図示しないナイフを制御するためのナイフ制御部と、樹脂貯留槽１５内の光硬化樹脂の液面制御を行う液面制御部２０と、を備えている。

スキャナ部１４は、２個のガルバノ式スキャナ１４Ａ、１４Ｂと、各ガルバノ式スキャナ１４Ａ、１４Ｂに取り付けられた２枚のミラー１４Ｃ、１４Ｄと、を備えている。

図２は、ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の平面図である。図３は、ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の正面図である。図４は、ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の背面図である。図５は、ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の側面図である。図６は、光ビーム制御装置のボイスコイルモータ部の断面図である。図７は、光ビーム制御装置の分解斜視図である。図８は、図２のＡ−Ａ断面矢視図である。

光ビーム制御装置１２は、大別すると、ボイスコイルモータ部２１と、ボイスコイルモータ部２１を構成する円筒状のボビン２２をレーザビームＬの光軸方向に沿って案内するための案内部２３と、ボビン２２の位置を検出するためのエンコーダ部２４と、ボイスコイルモータ部２１、案内部２３及びエンコーダ部２４を支持するベース部２５と、外部から駆動制御信号を入力するとともに、外部にエンコーダ部２４の検出信号を出力するリード線部２６と、ボビン２２の温度を計測するための温度センサ２７と、を備えている。

ボイスコイルモータ部２１は、ボビン２２と、このボビン２２の両端側にそれぞれ巻回されたコイル３１Ａ、３１Ｂ（図６及び図７参照）と、ボビン２２内に収納された焦点位置及びビーム径調整用のレンズ３２（図６参照）と、各コイル３１Ａ、３１Ｂの少なくとも一部がそれぞれ収納される略二重管形状のマグネットヨーク部３３Ａ、３３Ｂと、を備えている。

マグネットヨーク部３３Ａは、図６に示すように、円筒形状の永久磁石３３Ａ１と、円筒形状のヨーク部３３Ａ２と、ボビン２２内に挿入され、ボビン２２を案内する案内筒３４Ａを備えている。同様に、マグネットヨーク部３３Ｂは、円筒形状の永久磁石３３Ｂ１と、円筒形状のヨーク部３３Ｂ２と、ボビン２２内に挿入され、ボビン２２を案内する案内筒３４Ｂを備えている。

この場合において、レーザビームＬは、一方のマグネットヨーク部３３Ａの一端の開口から案内筒３４Ａを介してボビン２２内に入射し、レンズ３２を通って、他方のマグネットヨーク部３３Ｂの案内筒３４Ｂ及び開口から出射するようにされている。

案内部２３は、ボビン２２をマグネットヨーク部３３Ａ、３３Ｂに接触しないように支持するための略Ｕ字状の支持部を有する支持ブロック４１と、支持ブロック４１の一方の側部にねじにより固着されるベアリングガイドブロック４２と、支持ブロック４１の他方の側部の下方側から支持するとともに、ベアリングガイドブロック４２と協働して、支持ブロック４１をボビン２２と一体でレーザビームの光軸方向に直線的に摺動させるためリニアガイドブロック４３と、ベース部２５に設けられた位置決め用溝２５Ａ内に固定されているガイド軸４４と、を備えている。

ベアリングガイドブロック４２は、ガイド軸４４に対応する位置に一対のベアリング４５Ａ、４５Ｂを有し、ベアリング４５Ａ、４５Ｂがガイド軸４４上で転動することにより、ベアリングガイドブロック４３を滑らかにレーザビームＬの光軸方向に直線的に摺動させる。

エンコーダ部２４は、支持ブロック４１の他方の側部にねじにより固着されるエンコーダガイド５１を有し、このエンコーダガイド５１には、移動量を検出するための平板状のスケール（エンコーダテープ）５２が設けられている。このスケール５２の対向する位置には、スケール５２を読み取るためのエンコーダヘッド５３がベース部２５の所定位置に固定されている。ここで、エンコーダガイド５１は、第１端子板５４として機能し、エンコーダヘッド５３には、第２端子板５５が固定されている。

そして、第１端子板５４と第２端子板５５との間は、ボビン２２の滑らかな動きを阻害しないようにフレキシブルハーネス５６により電気的に接続され、さらに第２端子板５５からボビン２２に複数のリード線で構成されるリード線群５６が導かれている。このリード線群５６を介して駆動電流がコイル３１Ａ、３１Ｂに供給され、温度センサ２７の検出信号が外部に出力されるようになっている。

これらの場合において、ボビン２２は高速で移動するため、ボビン２２、支持ブロック４１、ベアリングガイドブロック４２及びエンコーダガイド５１が一体となって浮き上がる方向に力が働く可能性がある。これを防止するため、支持ブロック４１のボビン２２と反対側の面に吸引ヨーク６１が設けられ、ベース部２５の吸引ヨーク６１に対向する位置には、マグネット６２及び吸引ヨーク６３が埋設されている。これによりボビン２２、支持ブロック４１、ベアリングガイドブロック４２及びエンコーダガイド５１が一体となってベース部２５側に吸引され、安定してボビン２２の駆動が可能となっている。
また、造形コントローラ１６は、各種造形データの処理を行う造形データ処理部１６Ａと、造形データに基づいて光学系コントローラ１７、テーブル昇降制御部１８、ナイフ制御部１９および液面制御部２０を制御するための制御部１６Ｂと、を備えている。

次に実施形態の動作について説明する。
図９は実施形態の処理フローチャートである。
まず、光硬化造形装置１０の造形コントローラ１６は、造形対象物の一つの等高断面におけるＣＡＤデータ（造形データ）が入力されると（ステップＳ１）、レーザビームの走査手順（走査方向、走査形状、走査順番など）、各走査手順に応じたレーザビーム径設定、レーザビームの焦点位置設定を含む造形制御データを生成する（ステップＳ２）。

次に造形コントローラ１６は、操作手順に従って、走査を開始し、走査速度、レーザビーム径に基づいてレーザビームの照射時の当該レーザビームのエネルギー密度が常に一定になるように、レーザビーム出射装置１１を制御して、出射されるレーザビームＬのエネルギー強度を調整するとともに、レーザビームの出射の可否を制御する（ステップＳ３）。
続いて造形コントローラ１６は、光ビーム制御装置１２を制御し、必要な光ビーム径に応じてボビン２２内に収納された焦点位置及びビーム径調整用のレンズ３２の位置を調整する（ステップＳ４）。

この結果、造形コントローラ１６は、駆動信号をリード線部２６を介して、第１端子板５４に供給する。第１端子板５４に供給された駆動信号は、フレキシブルハーネス５６を介して第２端子板５５に供給され、さらに第２端子板５５からボビン２２に複数のリード線で構成されるリード線群５６が導かれている。このリード線群５６を介して駆動電流がコイル３１Ａ、３１Ｂに供給されて、ボビン２２、ひいては、レンズ３２が駆動される。
これと並行して、実際のレンズ３２の位置は、エンコーダガイド５１に設けられたスケール（エンコーダテープ）５２をエンコーダヘッド５３により読み取り、リード線部２６を介して位置検出信号として造形コントローラ１６にフィードバックされ、レンズ３２の位置のフィードバック制御がなされ、レンズ３２は、所望の位置に移動されることとなる。

図１０は、焦点位置及びビーム径調整用のレンズの制御テーブルの一例の説明図である。
図１０に示すように、ビーム径を調整する場合には、レンズ３２を１０ｍｍ〜１５ｍｍの間で駆動することとなる。
すなわち、ビーム径が０．１ｍｍφである場合には、レンズ３２を１０．００ｍｍ駆動した位置を基準位置とし、ビーム径が０．２ｍｍφである場合には、レンズ３２を１０．２０ｍｍ駆動した位置を基準位置とし、ビーム径が０．３ｍｍφである場合には、レンズ３２を１０．４０ｍｍ駆動した位置を基準位置とし、ビーム径が０．４ｍｍφである場合には、レンズ３２を１０．６０ｍｍ駆動した位置を基準位置とする。

次に造形コントローラ１６は、光ビーム制御装置１２を制御し、照射位置に対応する焦点位置に応じてボビン２２内に収納された焦点位置及びビーム径調整用のレンズ３２の位置を調整する（ステップＳ５）。
図１１は、ミラーとレーザビーム照射位置の関係説明図である。図１１においては、説明の簡略化のため、ミラー１４Ｄのみを図示している。
図１０に示すように、照射位置に対応させて焦点位置を調整する場合には、レンズ３２を基準位置から０．００ｍｍ〜０．１５ｍｍの間で駆動することとなる。

具体的には、照射位置がミラー１４Ｄの真下にある照射位置Ｐ1と、最も遠い照射位置である照射位置Ｐ3 と、照射位置Ｐ1及び照射位置Ｐ3 の間に位置する照射位置Ｐ2 について説明する。
照射位置Ｐ1では、ミラー１４Ｄから最も近い位置であるので、レンズ３２を基準位置から０．００ｍｍ、すなわち、基準位置そのままとする。
照射位置Ｐ2 では、レンズ３２粗基準位置から０．０５ｍｍ駆動した位置とする。
さらに、照射位置Ｐ3 では、最も遠い照射位置であるので、レンズ３２を基準位置から０．１５ｍｍ駆動した位置とする。

より詳細には、ビーム径０．２ｍｍφで照射位置Ｐ1にレーザビームを照射する場合には、レンズ３２を、
１０．２０＋０．００＝１０．２０（ｍｍ）
の位置に駆動することとなる。同様にビーム径０．２ｍｍφで照射位置Ｐ2 にレーザビームを照射する場合には、レンズ３２を、
１０．２０＋０．０５＝１０．２５（ｍｍ）
の位置に駆動することとなる。ビーム径０．２ｍｍφで照射位置Ｐ3 にレーザビームを照射する場合には、レンズ３２を、
１０．２０＋０．１５＝１０．３５（ｍｍ）
の位置に駆動することとなる。すなわち、ビーム径０．２ｍｍφで照射位置Ｐ1〜Ｐ3 まで連続的に走査した場合には、レンズ３２を１０．２０〜１０．３５ｍｍの範囲で駆動することとなる。

続いて造形コントローラ１６は、造形対象物の全ての等高断面におけるＣＡＤデータ（造形データ）に対応する走査が完了したか否かを判別し（ステップＳ６）、造形対象物の全ての等高断面におけるＣＡＤデータ（造形データ）に対応する走査が完了するまでは、処理を再びステップＳ１に移行して同様の処理を行うこととなる。
以上の説明のように、本実施形態によれば、光ビーム制御装置１２は、焦点位置及びビーム径調整用のレンズ３２を軽量化が容易なボイスコイルモータ部２１で駆動する構成を採っているので、ビーム径と焦点位置を高速、かつ、高精度で変更し、制御することができる。

以上の説明においては、光ビーム制御装置１２を構成するレンズ３２をボビン３２内に配置する構成を採っていたが、例えば、ベアリングガイドブロック４２に設けたり、ボビン２２の外周上面に配置するなどボビン３２外に設けるように構成することも可能である。
以上の説明においては、スキャナ部１４をガルバノ式スキャナで構成していたが、ポリゴンミラーを用いたスキャナ、サーボモータを使用したスキャナなど他のスキャナを用いるように構成することも可能である。

実施形態の光造形装置の概要構成図である。 ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の平面図である。 ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の正面図である。 ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の背面図である。 ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の側面図である。 光ビーム制御装置のボイスコイルモータ部の断面図である。 光ビーム制御装置の分解斜視図である。 図２のＡ−Ａ断面矢視図である。 実施形態の処理フローチャートである。 焦点位置及びビーム径調整用のレンズの制御テーブルの一例の説明図である。 ミラーとレーザビーム照射位置の関係説明図である。

符号の説明

１０…光硬化造形装置、１１…レーザビーム出射装置、１２…光ビーム制御装置、１３…対物レンズ、１４…スキャナ部、１５…樹脂貯留槽、１６…造形コントローラ、１７…光学系コントローラ、１８…テーブル昇降制御部、１９…ナイフ制御部、２０…液面制御部、２１…ボイスコイルモータ部、２２…ボビン、２３…案内部（案内部材）、２４…エンコーダ部、２５…ベース部、Ｌ…レーザビーム。

Claims (5)

1. 外部より入射されたレーザビームの焦点位置及びビーム径を変更するための光ビーム制御装置において、
   レンズと、
   前記レンズを直接的あるいは間接的に担持し、外部からの駆動制御信号に基づいて前記光ビームの光軸方向に直動するボイスコイル部を有するボイスコイルモータと、
   前記ボイスコイル部を支持するとともに、当該ボイスコイル部の直動をガイドするガイド部材と、
   前記レンズ位置を検出し、位置検出信号を出力するエンコーダと、
   を備えたことを特徴とする光ビーム制御装置。
2. 請求項１記載の光ビーム制御装置において、
   前記ボイスコイル部は、前記ガイド部材に支持されるとともに、コイルが巻回された円筒形状のボビンを有し、
   前記レンズは、前記ボビン内に担持されていることを特徴とする光ビーム制御装置。
3. 請求項２記載の光ビーム制御装置において、
   前記エンコーダは、前記ボイスコイル部の直動に連動して直動するスケールと、
   前記スケールを読み取って前記位置検出信号を出力するエンコーダヘッドと、
   を備えたことを特徴とする光ビーム制御装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光ビーム制御装置において、
   前記ビーム径に対応する前記レンズの位置を基準位置とし、前記焦点位置に応じて前記レンズの位置を前記基準位置から所定距離移動させる事を特徴とする光ビーム制御装置。
5. レーザビームを出射するレーザビーム出射装置と、
   請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光ビーム制御装置と、
   前記光ビーム制御装置を通過したレーザビームを集光する対物レンズと、
   レーザビームを走査するためのスキャナ部と、
   造形対象の三次元形状に対応する造形データおよび前記位置検出信号に基づいて、前記駆動制御信号を出力する造形コントローラと、
   を備えたことを特徴とする光造形装置。
   
   

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