JP2009132124A

JP2009132124A - 光造形装置および光造形方法

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Publication number: JP2009132124A
Application number: JP2007312025A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kuzusako; 淳一葛迫; Nobuhiro Kihara; 信宏木原; Katsuhisa Honda; 勝久本田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-12-03
Also published as: EP2067607A8; ATE547234T1; US8454879B2; EP2067607A1; US20090142436A1; JP5024001B2; EP2067607B1

Abstract

【課題】高精度な光造形を行う。
【解決手段】光造形装置１１は、紫外線硬化樹脂５１の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、光の照射がオンとされる複数の単位領域に一括して光を照射する一括露光光学系１２と、所定の直径の光ビームを放射し、紫外線硬化樹脂５１の表面で光ビームを走査させるビームスキャン光学系１３とを備える。一括露光光学系１２は、紫外線硬化樹脂５１の表面における断面形状データの輪郭線に重なる単位領域よりも内側に向かって所定の数の単位領域だけオフセットした領域内に光を照射する。ビームスキャン光学系１３は、第１の直径の光ビームを、断面形状データの輪郭線から所定の距離だけ内側にオフセットした中心線を中心として走査させ、第１の直径よりも短い第２の直径の光ビームを、断面形状データの輪郭線の内側に沿って走査させる。本発明は、例えば、光造形装置に適用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光造形装置および光造形方法に関し、特に、高精度な光造形を行うことできるようにした光造形装置および光造形方法に関する。

従来、ＣＡＤ（Computer Aided Design）で作成された３次元形状データを用いて、立体モデルを作成するときには、例えば、数値制御される機械加工機などが用いられ、機械加工により立体モデルが作成される。

また、近年、機械加工をすることなく立体モデルを作成するラピッドプロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）と呼ばれる手法が、多くの製造現場で注目を集めている。ラピッドプロトタイピングでは、立体モデルの３次元形状データに基づいて、立体モデルをスライスした断面形状の薄板を作成し、その断面形状の薄板を積層することで立体モデルが作成される積層造形法と呼ばれる製造手法が用いられる。

また、ラピッドプロトタイピングは、この断面形状の薄板を作成する方法によって、紫外線硬化樹脂を用いた光造形、熱可塑性樹脂を押し出し積層する方法（ＦＤＭ）、粉末の溶融接着積層方式（ＳＬＳ）、紙を薄膜積層する方式（ＬＯＭ）、粉末や硬化触媒を吐出させ積層する方式（Ｉｎｋ−Ｊｅｔ方式）などに分類される。

例えば、光造形においては、ＣＡＤで作成された立体モデルの３次元形状データが、立体モデルの表面が小さな三角形の面で表現されるフォーマットであるＳＴＬ（Stereo Lithography）に変換されて、光造形装置に入力される。

光造形装置は、３次元形状データから、例えば、0.1〜0.2mm程度の一定間隔で、立体モデルをスライスした断面形状データを作成し、断面形状データに応じて、液状の光硬化樹脂の表面に照射する光の露光領域を決定する。光造形装置は、断面形状データの１層ごとに、液状の光硬化樹脂の表面に、その断面形状データに応じた露光領域の光を照射するとともに、液状の光硬化樹脂中の移動架台を、立体モデルをスライスした厚みに応じて垂直方向下方に移動させる。そして、光造形装置は、断面形状データの最下層から最上層まで、光の照射と移動架台の移動とを繰り返すことにより、立体モデルを生成する。

光造形装置において、光硬化樹脂の表面に光を照射する方式としては、光ビームを走査させるビームスキャン方式、液晶パネルなどの空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いて一括して光を照射するＳＬＭ投影方式、および、ビームスキャン方式とＳＬＭ投影方式とを組み合わせた方式がある。

ビームスキャン方式とＳＬＭ投影方式とを組み合わせた方式では、空間光変調器を用いて、光硬化樹脂の表面の露光領域に光を一括して照射した後に、光ビームを断面形状データの輪郭線に沿って走査させることにより、短時間で、輪郭がきれいに形成される立体モデルを造形することができる。

ここで、特許文献１には、立体モデルの大きさに合わせて、光ビームをスキャンするためのミラーと光硬化樹脂の表面との間隔を調整することができる光造形装置が開示されている。

特開平５−７７３２３号公報

ところで、上述したようなビームスキャン方式とＳＬＭ投影方式とを組み合わせた方式では、一括露光により硬化した光硬化樹脂と、ビームスキャンにより硬化した光硬化樹脂との隙間に、液状の光硬化樹脂が残留することがあり、その光硬化樹脂が後硬化することによって寸法精度が低下することがあった。これにより、高精度な光造形を行うことが困難であった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高精度な光造形を行うことできるようにするものである。

本発明の一側面の光造形装置は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置であって、前記光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、前記光の照射がオンとされる複数の前記単位領域に一括して光を照射する一括露光手段と、所定の直径の光ビームを放射し、前記光硬化性樹脂の表面で前記光ビームを走査させる走査露光手段とを備え、前記一括露光手段は、前記光硬化性樹脂の表面における前記断面形状データの輪郭線に重なる前記単位領域よりも内側に向かって所定の数の単位領域だけオフセットした領域内に前記光を照射し、前記走査露光手段は、第１の直径の前記光ビームを、前記断面形状データの輪郭線から所定の距離だけ内側にオフセットした中心線を中心として走査させ、前記第１の直径よりも短い第２の直径の光ビームを、前記断面形状データの輪郭線の内側に沿って走査させる。

本発明の一側面の光造形方法は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置の光造形方法であって、前記光造形装置は、前記光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、前記光の照射がオンとされる複数の前記単位領域に一括して光を照射する一括露光手段と、所定の直径の光ビームを放射し、前記光硬化性樹脂の表面で前記光ビームを走査させる走査露光手段とを備え、前記一括露光手段により、前記光硬化性樹脂の表面における前記断面形状データの輪郭線に重なる前記単位領域よりも内側に向かって所定の数の単位領域だけオフセットした領域内に前記光を照射し、前記走査露光手段により、第１の直径の前記光ビームを、前記断面形状データの輪郭線から所定の距離だけ内側にオフセットした中心線を中心として走査させ、前記走査露光手段により、前記第１の直径よりも短い第２の直径の光ビームを、前記断面形状データの輪郭線の内側に沿って走査させるステップを含む。

本発明の一側面においては、光造形装置は、光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、光の照射がオンとされる複数の単位領域に一括して光を照射する一括露光手段と、所定の直径の光ビームを放射し、光硬化性樹脂の表面で光ビームを走査させる走査露光手段とを備える。そして、一括露光手段により、光硬化性樹脂の表面における断面形状データの輪郭線に重なる単位領域よりも内側に向かって所定の数の単位領域だけオフセットした領域内に光が照射される。また、走査露光手段により、第１の直径の光ビームが、断面形状データの輪郭線から所定の距離だけ内側にオフセットした中心線を中心として走査され、第１の直径よりも短い第２の直径の光ビームが、断面形状データの輪郭線の内側に沿って走査される。

本発明の一側面によれば、高精度な光造形を行うことできる。

以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、明細書又は図面に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、明細書又は図面に記載されていることを確認するためのものである。従って、明細書又は図面中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。

本発明の一側面の光造形装置は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置であって、
前記光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、前記光の照射がオンとされる複数の前記単位領域に一括して光を照射する一括露光手段（例えば、図２の一括露光光学系１２）と、
所定の直径の光ビームを放射し、前記光硬化性樹脂の表面で前記光ビームを走査させる走査露光手段（例えば、図２のビームスキャン光学系１３）と
を備え、
前記一括露光手段は、
前記光硬化性樹脂の表面における前記断面形状データの輪郭線に重なる前記単位領域よりも内側に向かって所定の数の単位領域だけオフセットした領域内に前記光を照射し、
前記走査露光手段は、
第１の直径の前記光ビームを、前記断面形状データの輪郭線から所定の距離だけ内側にオフセットした中心線を中心として走査させ、
前記第１の直径よりも短い第２の直径の光ビームを、前記断面形状データの輪郭線の内側に沿って走査させる。

本発明の一側面の光造形方法は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置の光造形方法であって、
前記光造形装置は、
前記光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、前記光の照射がオンとされる複数の前記単位領域に一括して光を照射する一括露光手段と、
所定の直径の光ビームを放射し、前記光硬化性樹脂の表面で前記光ビームを走査させる走査露光手段と
を備え、
前記一括露光手段により、前記光硬化性樹脂の表面における前記断面形状データの輪郭線に重なる前記単位領域よりも内側に向かって所定の数の単位領域だけオフセットした領域内に前記光を照射し（例えば、図５のステップＳ１３）、
前記走査露光手段により、第１の直径の前記光ビームを、前記断面形状データの輪郭線から所定の距離だけ内側にオフセットした中心線を中心として走査させ（例えば、図５のステップＳ１４）、
前記走査露光手段により、前記第１の直径よりも短い第２の直径の光ビームを、前記断面形状データの輪郭線の内側に沿って走査させる（例えば、図５のステップＳ１５）
ステップを含む。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本発明を適用した光造形装置における光造形の方式であるタイリング方式について説明する。

一般に、光造形において、光ビームを走査する範囲、または、空間光変調器を用いて光を照射する範囲を小さくすることで、立体モデルの輪郭を高精度に形成することができ、これにより、立体モデルの寸法精度を向上させることができる。そこで、例えば、光造形の作業が行われる全領域であるワーク全体領域を、複数のワーク小領域に分割し、ワーク小領域ごとに一括露光とビームスキャンを行うタイリング方式が提案されている。

図１Ａには、ワーク全体領域が示されており、図１Ｂおよび図１Ｃには、ワーク全体領域の一部であるワーク小領域が示されている。

図１において、ワーク全体領域の縦×横は10cm×10cmであり、ワーク小領域の縦×横は1cm×1cmである。即ち、ワーク全体領域は、縦×横が10個×10個のワーク小領域により分割されている。

図１Ａに示すように、ワーク全体領域の中央付近のハッチングが施されている領域が、立体モデルの断面形状データに応じた露光領域であり、このワーク全体領域の下から２行目であって、左から３列目にあるワーク小領域が拡大されて、図１Ｂおよび図１Ｃに示されている。

ここで、一括露光においては、縦×横が1000画素×1000画素である空間光変調器が用いられているとすると、図１Ｂに示すように、ワーク小領域は、空間光変調器の画素に応じて、縦×横が1000個×1000個の単位領域（即ち、空間光変調器の１画素に対応する領域）に分割される。ワーク小領域の縦×横が1cm×1cmであるので、単位領域の縦×横は10μm×10μmとなる。

また、図１Ｂでは、断面形状データの輪郭線が、２点鎖線で表されており、一括露光により露光される単位領域に、ハッチングが施されている。即ち、一括露光では、輪郭線より内側にある単位領域が露光されており、断面形状データの輪郭線が重なっている単位領域、および断面形状データの輪郭線より外側にある単位領域は、露光されない。

そして、一括露光が行われた後、図１Ｃに示すように、断面形状データの輪郭線の内側に沿ってビームスキャンが行われる。

ところで、このようなタイリング方式による光造形では、図１Ｃにおいて、白抜き矢印が指す領域には光が照射されないので、一括露光により硬化する光硬化樹脂と、ビームスキャンにより硬化する光硬化樹脂との隙間に、液状の光硬化樹脂が残留する。その後、この隙間にある液状の光硬化樹脂が光を浴びて後硬化すると、光硬化樹脂が硬化することにより生じる収縮により、立体モデルにソリや変形が生じ、立体モデルの寸法精度が低下することがある。

そこで、本発明を適用した光造形装置では、このような光硬化樹脂が残留することを回避することで、立体モデルの寸法精度を向上させる。

図２は、本発明を適用した光造形装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。

図２において、光造形装置１１は、一括露光光学系１２、ビームスキャン光学系１３、偏光ビームスプリッタ１４、対物レンズ１５、およびワーク部１６から構成され、光硬化性樹脂である紫外線硬化樹脂５１に光（紫外線）を照射して光造形を行う。

一括露光光学系１２は、ワーク部１６にある紫外線硬化樹脂５１の表面を一括して露光する一括露光を行うための光学系であり、光源２１、シャッタ２２、偏光板２３、ビームインテグレータ２４、ミラー２５、空間光変調器２６、および集光レンズ２７から構成される。

光源２１としては、例えば、高出力な青色ＬＥＤをアレイ状に配置したものを用いることができ、光源２１は、一括露光を行うための光を放射する。なお、光源２１としては、コヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。

シャッタ２２は、光源２１から放射される光の通過または遮蔽を制御し、一括露光光学系１２による露光のオン／オフを制御する。

偏光板２３は、シャッタ２２を通過した光を所定の偏光光とする。即ち、偏光板２３は、透過型の液晶パネルからなる空間光変調器２６が、光源２１からの光を空間変調することができるように、その光を偏光する。

ビームインテグレータ２４は、偏光板２３により偏光された光を均一化する。ビームインテグレータ２４としては、複数のレンズエレメントを配列してなるフライアイタイプや、四角柱等の柱状のロッドレンズの内部を全反射させる構成としてなるライトロッドタイプ等の一般的なものが用いられる。

ミラー２５は、ビームインテグレータ２４により均一化された光を空間光変調器２６に向かって反射する。

空間光変調器２６は、例えば、透過型の液晶パネルからなり、ミラー２５により反射された光が、断面形状データに応じた形状で、紫外線硬化樹脂５１に投影されるように、その光の一部を空間変調する。即ち、空間光変調器２６は、液晶パネルの各画素に駆動信号に基づいて投影しようとする画像に対応して液晶の分子の配列を変えて透過する偏光方向を変化させることで通過する光を空間変調し、断面形状データに応じた形状の光を紫外線硬化樹脂５１に投影する。

集光レンズ２７は、空間光変調器２６により空間変調された光が対物レンズ１５を通過する際のディストーションを補正するためのレンズ群により構成され、空間光変調器２６により空間光変調された光を、偏光ビームスプリッタ１４の反射透過面上の対物レンズ１５の前焦点に集光する。例えば、集光レンズ２７と対物レンズ１５とが対称光学系となるように、それぞれのレンズ群を構成することで、ディストーションを少なくすることができる。

ビームスキャン光学系１３は、ワーク部１６の紫外線硬化樹脂５１の表面にレーザ光を走査させてビームスキャン露光を行うための光学系であり、光源３１、コリメータレンズ３２、アナモルフィックレンズ３３、ビームエキスパンダ３４、ビームスプリッタ３５、シャッタ３６、ガルバノミラー３７および３８、リレーレンズ３９および４０、並びに、反射光モニタ部４１から構成される。

光源３１は、例えば、青から紫外域程度の比較的に波長の短いレーザ光を放射する半導体レーザであり、ビームスキャン光学系１３によりビームスキャンを行うための光ビームを放射する。なお、光源３１としては、半導体レーザ以外に、ガスレーザなどを用いてもよい。

コリメータレンズ３２は、光源３１から放射される光ビームの発散角を変換して略平行光とする。アナモルフィックレンズ３３は、コリメータレンズ３２により略平行光とされた楕円形状の光ビームを整形して略円形状にする。

ビームエキスパンダ３４は、アナモルフィックレンズ３３により略円形状にされた光ビームのビーム径（ビームの直径）を、対物レンズ１５の開口、ＮＡ（開口数）等に適した所望のビーム径に変換してビーム径のサイズ調整を行う。

ビームスプリッタ３５は、光源３１から照射される光ビームを透過させて、ワーク部１６にある紫外線硬化樹脂５１に向かわせるとともに、紫外線硬化樹脂５１で反射され、各光学系を通過してくる戻り光を、反射光モニタ部４１に向かって反射する。

シャッタ３６は、ビームスプリッタ３５を透過した光ビームの通過または遮蔽を制御し、ビームスキャン光学系１３によるビームスキャン露光のオン／オフを制御する。なお、光源３１が半導体レーザであるときには、半導体レーザにおいて光ビームの放射を直接変調することにより、ビームスキャン露光のオン／オフを制御することができるので、シャッタ３６を設けずにビームスキャン光学系１３を構成するようにしてもよい。

ガルバノミラー３７および３８は、所定の方向に回転可能とされた反射手段と、電気信号に応じて反射手段の回転方向の角度を調整する調整手段とを有し、調整手段が反射手段の角度を調整することで、反射手段により反射される光ビームを、所定の方向に走査させる。

即ち、ガルバノミラー３７は、シャッタ３６を透過した光ビームを、ガルバノミラー３８に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に平行な面内の所定の一方向であるＸ方向に走査させる。ガルバノミラー３８は、ガルバノミラー３７により反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ１４に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に平行な面内の、Ｘ方向に直交する方向であるＹ方向に走査させる。

リレーレンズ３９および４０は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、ガルバノミラー３７および３８により光ビームがスキャンされるスキャン角度にわたり、平行入射光ビームを平行に出射する。即ち、リレーレンズ３９は、ガルバノミラー３７で反射された光ビームを、ガルバノミラー３８上に結像し、リレーレンズ４０は、ガルバノミラー３８で反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ１４の反射透過面上に結像する。

このように、ガルバノミラー３７とガルバノミラー３８との間にリレーレンズ３９を設け、ガルバノミラー３８と偏光ビームスプリッタ１４との間にリレーレンズ４０を設けることで、近接する位置に配置されていないガルバノミラー３７とガルバノミラー３８とにより光ビームをスキャンさせても、偏光ビームスプリッタ１４の反射透過面上に光ビームを結像させ、一括露光光学系１２からの光と合成させることができる。

反射光モニタ部４１は、紫外線硬化樹脂５１の表面で反射された戻り光を、例えば、非点収差法や三角測量法を用いて検出する。反射光モニタ部４１により検出される戻り光は、ビームスキャン光学系１３から紫外線硬化樹脂５１に照射される光ビームのフォーカス調整などに利用される。

偏光ビームスプリッタ１４は、一括露光光学系１２からの光と、ビームスキャン光学系１３からの光ビームとを合成し、それらの光を紫外線硬化樹脂５１に導く。なお、偏光ビームスプリッタ１４は、その反射透過面が、対物レンズ１５の前側焦点位置に一致するように配置されている。

対物レンズ１５は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、一括露光光学系１２からの光を紫外線硬化樹脂５１の表面に結像させるとともに、ビームスキャン光学系１３からの光ビームを集光する。

また、対物レンズ１５は、ビームスキャン光学系１３のガルバノミラー３７および３８により偏向された光ビームが、紫外線硬化樹脂５１の表面において等速度で走査されるように、即ち、紫外線硬化樹脂５１の表面において均一な走査線速度で走査されるように構成されている。

例えば、対物レンズ１５としては、入射角θに比例した像高Ｙをもち、焦点距離ｆと入射角θとの積が像高Ｙとなるような関係（Ｙ＝ｆ×θ）を有する所謂ｆθレンズが用いられる。換言すると、ｆθレンズは、走査される光ビームの走査速度が、レンズへの入射位置によらず、常に一定となるように設計されたレンズである。このような対物レンズ１５を用いることで、走査線速度がばらつくことによる設計形状と実際の硬化層の形状とに違いが発生することを防止することができ、高精細な造形が実現される。

ワーク部１６は、収容容器５２、ステージ５３、駆動部５４から構成される。

収容容器５２は、液状の紫外線硬化樹脂５１を収容する。

ステージ５３は、収容容器５２の紫外線硬化樹脂５１に浸漬され、少なくとも紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に対して直交する垂直方向（図２の矢印Ｚの方向）に移動可能とされる。また、ステージ５３は、紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に沿う方向（即ち、矢印Ｚの方向に対して垂直なＸ−Ｙ方向）に移動可能とされており、駆動部５４の制御に従い、図１のワーク小領域ごとに、紫外線硬化樹脂５１の表面に沿う方向（Ｘ−Ｙ方向）に移動する。

駆動部５４は、立体モデルの断面形状データに応じて紫外線硬化樹脂５１が露光され、立体モデルの硬化層が１層形成されるのに応じて、１ステップずつステージ５３を垂直方向下方に駆動する。また、駆動部５４は、紫外線硬化樹脂５１の表面が、対物レンズ１５の後側焦点位置に一致するように、収容容器５２を垂直方向に駆動する。

次に、図３を参照して、光造形装置１１による光造形について説明する。

なお、光造形装置１１は、図１を参照して説明したように、タイリング方式により光造形を行い、図３には、図１Ｂおよび図１Ｃと同様のワーク小領域が示されている。

光造形装置１１では、一括露光により、断面形状データの輪郭線が重なる単位領域よりも内側に向かって、１単位領域だけオフセットした領域内の単位領域に光が照射され、その後、第１のビームスキャンと第２のビームスキャンとにより光ビームが照射される。

即ち、図３Ａにおいて、斜線のハッチングが施されている単位領域に光が照射される。なお、点（ドット）のハッチングが施されている単位領域は、オフセットされた単位領域であり、図１で説明した光造形での一括露光では光が照射されるが、光造形装置１１における一括露光では光が照射されない。

一括露光が行われた後、図３Ｂに示すように、第１のビームスキャンにより光ビームが照射される。第１のビームスキャンは、そのビーム径が、一括露光による単位領域の一辺の長さと等しくなるように、ビームスキャン光学系１３のビームエキスパンダ３４により調整される。また、第１のビームスキャンによる光ビームは、その中心が、光ビームの半径（即ち、単位領域の一辺の半分の長さ）と、図３Ｃに示される第２のビームスキャンによる光ビームのビーム径とを加算した距離だけ、断面形状データの輪郭線よりも内側にオフセットした線（以下、適宜、中心線と称する）を通るように走査される。

即ち、一括露光による単位領域の一辺の長さは10μmであり、第２のビームスキャンによる光ビームのビーム径が1.0μmであるとすると、第１のビームスキャンによる光ビームは、そのビーム径が10μmとなり、断面形状データの輪郭線よりも内側に６μmだけオフセットした中心線を中心として走査される。従って、第１のビームスキャンにより露光される領域と断面形状データの輪郭線とは、1.0μmの間隔、即ち、第２のビームスキャンによる光ビームのビーム径と同一の間隔を有することになる。

第１のビームスキャンが行われた後、第２のビームスキャンにより光ビームが照射される。第２のビームスキャンによる光ビームは、断面形状データの輪郭線の内側を沿うように走査される。

即ち、第２のビームスキャンによる光ビームのビーム径が1.0μmであるとすると、第２のビームスキャンによる光ビームは、その中心が、0.5μm（即ち、第２のビームスキャンによる光ビームの半径）だけ、断面形状データの輪郭線よりも内側にオフセットした線を通るように走査される。上述したように、第１のビームスキャンにより露光される領域と断面形状データの輪郭線とは、第２のビームスキャンによる光ビームのビーム径と同一の間隔を有しているので、第２のビームスキャンによりその間隔の領域が露光される。

このように第１のビームスキャンと第２のビームスキャンを行うことにより、図１を参照して説明したような、一括露光により硬化した光硬化樹脂と、ビームスキャンにより硬化した光硬化樹脂との間に、液状の光硬化樹脂が残留することを回避することができる。

即ち、第１のビームスキャンによる光ビームは、そのビーム径が、一括露光による単位領域の一辺の長さと等しく、上述したような中心線を通るように走査されるので、一括露光により露光される領域と、第１のビームスキャンにより露光される領域との間に隙間が生じないようにすること、または、生じる隙間を極力少なくすることができる。これにより、光が照射されない領域が生じることがなくなり、液状の光硬化樹脂が残留することが回避される。

また、第１のビームスキャンの光ビームと、断面形状データの輪郭線との間の間隔が、第２のビームスキャンの光ビームのビーム径となるように、第１のビームスキャンの光ビームの中心線が設定されているので、第１のビームスキャンにより露光される領域と、第２のビームスキャンにより露光される領域との間にも隙間は生じない。また、第２のビームスキャンにより露光される領域の外周は、断面形状データの輪郭線と重なるように形成される。

これにより、一括露光により硬化した光硬化樹脂と、第１のビームスキャンにより硬化した光硬化樹脂との間、および、第１のビームスキャンにより硬化した光硬化樹脂と、第２のビームスキャンにより硬化した光硬化樹脂との間に、液状の光硬化樹脂が残留することが回避される。

また、第２のビームスキャンを行うことにより、第１のビームスキャンだけが行われる場合よりも、高精細な立体モデルを造形することができる。即ち、第２のビームスキャンによる光ビームのビーム径は、第１のビームスキャンの光ビームのビーム径よりも微細であるので、例えば、図３に示すような突起形状は、第１のビームスキャンの光ビームだけでは、その先端を露光することができないが、第２のビームスキャンによる光ビームでは露光することができる。例えば、第２のビームスキャンによる光ビームを、1.0μmのビーム径とすることで、数十μm程度の立体モデルを高精度に造形することができる。

このような光造形を行う光造形装置１１の各部は、例えば、光造形装置１１に内蔵されるコンピュータにより制御される。

即ち、図４は、光造形装置１１の各部を制御するコンピュータの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。

図４のコンピュータにおいて、CPU（Central Processing Unit）１０１，ROM（Read Only Memory）１０２，RAM（Random Access Memory）１０３は、バス１０４により相互に接続されている。

バス１０４には、さらに、入出力インタフェース１０５が接続されている。入出力インタフェース１０５には、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部１０６、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部１０７、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる記憶部１０８、ネットワークインタフェースなどよりなる通信部１０９、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア１１１を駆動するドライブ１１０が接続されている。

記憶部１０８には、例えば、ＣＡＤで作成された立体モデルの３次元形状データをＳＴＬに変換するプログラムや、ＳＴＬに変換された３次元形状データから立体モデルの断面形状データを作成するプログラム、立体モデルの断面形状データに基づいて、一括露光光学系１２およびビームスキャン光学系１３を制御するプログラムが記憶されている。

このようなコンピュータは、CPU１０１が、例えば、記憶部１０８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース１０５及びバス１０４を介して、RAM１０３にロードして実行し、通信部１０９を介して、光造形装置１１の各部を制御することで、光造形装置１１に光造形を実行させる。

次に、図５は、光造形装置１１による光造形を行う処理を説明するフローチャートである。

例えば、光造形装置１１に、ＣＡＤで作成された立体モデルの３次元形状データが入力され、光造形を開始する操作が行われると、ステップＳ１１において、図４のCPU１０１は、記憶部１０８に記憶されているプログラムを読み出して実行し、立体モデルの３次元形状データをＳＴＬに変換する。

ステップＳ１１の処理後、処理はステップＳ１２に進み、CPU１０１は、ＳＴＬに変換された３次元形状データから立体モデルの断面形状データを作成し、処理はステップＳ１３に進む。また、立体モデルの断面形状データを作成する際に、例えば、立体モデルの姿勢および向きが決定され、造形中における立体モデルの転倒を防止するための部材を造形するためのデータなどが作成される。

ステップＳ１３において、CPU１０１は、ステップＳ１２で作成された断面形状データのうちの、第１層目のデータに基づいて、露光すべき単位領域（即ち、図３を参照して説明したように、立体モデルの断面形状データの輪郭線が重なる単位領域より内側にオフセットした領域にある単位領域）に応じて空間変調するように空間光変調器２６を制御し、所定の露光時間だけシャッタ２２を開放して、紫外線硬化樹脂５１を露光させる。ここで、光造形装置１１では、タイリング方式により光造形が行われるので、ステップＳ１３では、ワーク全体領域（図１Ａ参照）の全てのワーク小領域に対して、順次、一括露光が行われる。

ステップＳ１３の処理後、処理はステップＳ１４に進み、CPU１０１は、光源３１から放射される光ビームのビーム径が、第１のビーム径（例えば、10μm）となるように、ビームエキスパンダ３４を制御し、シャッタ３６を開放して、断面形状データの第１層目のデータに基づいた第１のビームスキャンが行われるように、ガルバノミラー３７および３８を制御する。ステップＳ１４の処理後、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、CPU１０１は、光源３１から放射される光ビームのビーム径が、第２のビーム径（例えば、1.0μm）となるように、ビームエキスパンダ３４を制御し、シャッタ３６を開放して、断面形状データの第１層目のデータに基づいた第２のビームスキャンが行われるように、ガルバノミラー３７および３８を制御する。

ステップＳ１５の処理後、処理はステップＳ１６に進み、CPU１０１は、ステップＳ１２で作成された全ての断面形状データに基づいた露光（一括露光、並びに、第１および第２のビームスキャン露光）が行われたか否かを判定する。

ステップＳ１６において、CPU１０１が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われていないと判定した場合、処理はステップＳ１３に戻り、直前のステップＳ１３乃至Ｓ１５で露光が行われた層の次の層の断面形状データを処理の対象として、以下、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ１６において、CPU１０１が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われたと判定した場合、立体モデルが完成しており、処理は終了する。

以上のように、光造形装置１１は、一括露光光学系１２による一括露光が行われた後に、ビームスキャン光学系１３により、第１および第２のビームスキャンによる露光が行われるので、図３を参照して説明したように、液状の光硬化樹脂が残留することを回避することができる。

従って、光造形装置１１により造形される立体モデルには、後硬化によるソリや変形が生じることがないので、光造形装置１１は、高精度な光造形を行うことができる。

また、光造形装置１１は、立体モデルの輪郭付近に、光ビームを２度照射するので、立体モデルの輪郭付近の強度を向上させることができ、例えば、立体モデルの表面が剥離することを防止することができる。

このような光造形装置１１を用いて、マイクロチップや、コネクタ、マイクロカプセルなど、または、各種の微細な部品の試作品を造形することができる。

なお、本実施の形態においては、対物レンズ１５としてｆθレンズが用いられているが、対物レンズ１５としては、通常の集光機能を有するレンズを用いることができる。この場合、ガルバノミラー３７および３８の回転速度を制御することにより、光ビームを均一な走査線速度で走査させるようにビームスキャン光学系１３が構成される。また、光ビームをスキャンさせる手段としては、ガルバノミラー３７および３８以外に、ポリゴンミラー等を用いてもよい。

さらに、空間光変調器２６としては、透過型の液晶パネルの他、入力信号に応じて傾き角度が変化する微小な反射ミラーを複数配列してなるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）や、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal On Silicon）等を用いてもよい。デジタルマイクロミラーデバイスを用いる場合、各マイクロミラーが１単位領域に対応し、偏光板２３を設けずに一括露光光学系１２を構成することができる。

なお、一括露光により、断面形状データの輪郭線が重なる単位領域よりも内側に向かってオフセットする単位領域は、１単位領域に限られるものではなく、２または３以上の単位領域をオフセットしてもよい。この場合、第１のビームスキャンのビーム径は、一括露光による単位領域の一辺の長さと、オフセットした単位領域の数とを掛け合わせた値となる。例えば、２単位領域をオフセットした場合、第１のビームスキャンのビーム径は、20μmとなり、その中心線は、断面形状データの輪郭線よりも内側に11μm（第１のビームスキャンのビーム径の半径と、第２のビームスキャンによる光ビームのビーム径とを加算した値）だけオフセットしたものとなる。

また、本発明は、一括露光光学系１２およびビームスキャン光学系１３からの光を、紫外線硬化樹脂５１の上方から照射する手法である自由液面法により光造形を行う光造形装置１１の他、例えば、一括露光光学系１２およびビームスキャン光学系１３からの光を、紫外線硬化樹脂５１と収容容器５２との界面に照射する手法である規制液面法により光造形を行う光造形装置に適用することができる。

例えば、収容容器５２の底面をガラスなどの光を透過する材料で構成し、そのガラスと紫外線硬化樹脂５１と界面に、一括露光光学系１２およびビームスキャン光学系１３からの光が、紫外線硬化樹脂５１の下方から照射される。即ち、立体モデルの断面形状データに応じた光が照射される紫外線硬化樹脂５１の表面は、ガラスと紫外線硬化樹脂５１と界面を含むものである。

規制液面法では、収容容器５２とステージ５３との距離が１層分の硬化層の厚みとなるようにステージ５３を配置し、収容容器５２の底面のガラスを介して紫外線硬化樹脂５１に照射される光により、立体モデルの硬化層が１層形成されるのに応じて、１ステップずつ１層分の硬化層の厚みとなるように垂直方向上方にステージ５３を駆動させる処理を繰り返すことにより、立体モデルが形成される。

このように、光が照射される紫外線硬化樹脂５１の表面（界面）を、ガラスにより規制することにより、硬化層の１層分の厚みが正確に造形されるので、積層精度を向上させることができ、これにより、立体モデルを高精度に形成することができる。

また、図４のコンピュータ（CPU１０１）が実行するプログラムは、例えば、磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)等）、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどよりなるパッケージメディアであるリムーバブルメディア１１１に記録して、あるいは、ローカルエリアネットワーク、インタネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供される。

そして、プログラムは、リムーバブルメディア１１１をドライブ１１０に装着することにより、入出力インタフェース１０５を介して、記憶部１０８にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部１０９で受信し、記憶部１０８にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM１０２や記憶部１０８に、あらかじめインストールしておくことができる。

また、上述のフローチャートを参照して説明した各処理は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）も含むものである。また、プログラムは、１のCPUにより処理されるものであっても良いし、複数のCPUによって分散処理されるものであっても良い。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

タイリング方式を説明する図である。本発明を適用した光造形装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。光造形装置１１による光造形を説明する。光造形装置１１の各部を制御するコンピュータの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。造形装置１１による光造形を行う処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

１１光造形装置，１２一括露光光学系，１３ビームスキャン光学系，１４偏光ビームスプリッタ，１５対物レンズ，１６ワーク部，２１光源，２２シャッタ，２３偏光板，２４ビームインテグレータ，２５ミラー，２６空間光変調器，２７集光レンズ，３１光源，３２コリメータレンズ，３３アナモルフィックレンズ，３４ビームエキスパンダ，３５ビームスプリッタ，３６シャッタ，３７および３８ガルバノミラー，３９および４０リレーレンズ，４１反射光モニタ部，５１紫外線硬化樹脂，５２収容容器，５３駆動部

Claims

立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置において、
前記光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、前記光の照射がオンとされる複数の前記単位領域に一括して光を照射する一括露光手段と、
所定の直径の光ビームを放射し、前記光硬化性樹脂の表面で前記光ビームを走査させる走査露光手段と
を備え、
前記一括露光手段は、
前記光硬化性樹脂の表面における前記断面形状データの輪郭線に重なる前記単位領域よりも内側に向かって所定の数の単位領域だけオフセットした領域内に前記光を照射し、
前記走査露光手段は、
第１の直径の前記光ビームを、前記断面形状データの輪郭線から所定の距離だけ内側にオフセットした中心線を中心として走査させ、
前記第１の直径よりも短い第２の直径の光ビームを、前記断面形状データの輪郭線の内側に沿って走査させる
光造形装置。
前記単位領域の形状は正方形であり、
前記第１の直径は、前記単位領域の一辺の長さと前記単位領域をオフセットした数とを乗算した値である
請求項１に記載の光造形装置。
前記中心線を前記輪郭線からオフセットさせる前記所定の距離は、前記第１の直径の１／２の値と前記第２の直径とを加算した値である
請求項２に記載の光造形装置。
立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置の光造形方法において、
前記光造形装置は、
前記光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、前記光の照射がオンとされる複数の前記単位領域に一括して光を照射する一括露光手段と、
所定の直径の光ビームを放射し、前記光硬化性樹脂の表面で前記光ビームを走査させる走査露光手段と
を備え、
前記一括露光手段により、前記光硬化性樹脂の表面における前記断面形状データの輪郭線に重なる前記単位領域よりも内側に向かって所定の数の単位領域だけオフセットした領域内に前記光を照射し、
前記走査露光手段により、第１の直径の前記光ビームを、前記断面形状データの輪郭線から所定の距離だけ内側にオフセットした中心線を中心として走査させ、
前記走査露光手段により、前記第１の直径よりも短い第２の直径の光ビームを、前記断面形状データの輪郭線の内側に沿って走査させる
ステップを含む光造形方法。