JP2010179496A

JP2010179496A - 光造形装置及び造形ベース

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Publication number: JP2010179496A
Application number: JP2009023104A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yasukochi; 裕之安河内; Nobuhiro Kihara; 信宏木原; Junichi Kuzusako; 淳一葛迫; Masahito Nakakura; 雅人中倉
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: EP2213443B1; JP5267174B2; CN101791858A; EP2213443A3; US8113813B2; CN101791858B; EP2213443A2; US20100196526A1

Abstract

【課題】高精度な立体造形物を形成可能な光造形装置及び造形ベースを提供すること。
【解決手段】光製造装置１００は、容器１０、造形ベース２０、移動機構３０及び光学系４０を備えている。造形ベース２０は、基準プレート２１と、基準プレート２１にヒンジ部材２３を介して支持される造形プレート２２と、基準プレート２１及び造形プレート２２を引き付けるバネ部材２４とを有する。移動機構３０により造形ベース２０が上昇されると、造形プレート２２が、基準プレート２１に対してヒンジ部材２３を介して回動する。このとき、硬化層（立体造形物２）と規制面１１ａとの境界面において、硬化層には、規制面に対して斜め方向に力が加わることになる。これにより、規制面に粘着した硬化層を規制面からスムーズに剥離することができる。その結果、硬化層の破損を防止することができ、高精度な立体造形物２を形成することができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、光硬化性樹脂に光を照射することで硬化層を形成し、この硬化層を積層して所望の形状の立体造形物を形成する光造形装置、及びこの光造形装置に用いられる、立体造形物を支持する造形ベースに関する。

従来から３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）データを用いて、所望の形状の造形物を形成する光造形装置が広く知られている。

光造形装置に用いられる光造形法として、一般的に、自由液面法と、規制液面法とが知られている。

下記特許文献１には、自由液面法を用いた光造形装置が開示されている。この光造形装置では、樹脂容器内に光硬化性樹脂が注入され、光硬化性樹脂の液面下近傍にテーブル（造形ベース）が配置される。このテーブル上の、未硬化樹脂の液面（自由液面）の上方から光が照射され、テーブル上に１層目の硬化層が形成される。次に、テーブルが下降され、再び未硬化樹脂の液面の上方から光が照射されて、１層目の硬化層上に、２層目の硬化層が形成される。この動作を繰り返すことで、立体モデル（立体造形物）がテーブル上に形成される。

自由液面法が用いられる場合、光硬化性樹脂の液面が開放されているので、例えば、テーブルが下降されたときに、液面が乱れてしまう。これにより、高精度の立体造形物を形成することが困難であるという問題がある。このため、特許文献１に記載の光造形装置では、スキージが液面上で移動され、光硬化性樹脂の液面が均一化される。

上記のように、自由液面法では、液面の乱れが問題となる。そこで、光硬化性樹脂の液面を規制する、規制液面法が用いられる場合がある。

下記特許文献２には、規制液面法を用いた光造形装置が開示されている。この光造形装置では、底面にガラス板などの透過部材を有する樹脂容器に光硬化性樹脂が注入され、光透過部材の近傍にステージ（造形ベース）が配置される。光硬化性樹脂を硬化させるための光は、透過部材の下方から照射される。この光により、透過部材と、ステージとの間の未硬化樹脂が硬化され１層目の硬化層が形成される。１層目の硬化層が形成されると、ステージが上昇され、２層目の硬化層が形成される。この動作を繰り返すことで、３次元立体物（立体造形物）が形成される。

特開２００７−９０６１９号公報（段落[０００４]〜［０００６］、図４、図５）特開２０００−０４３１５０号公報（段落[０００７]、図１２）

しかしながら、規制液面法が用いられる場合、光により光硬化性樹脂が硬化されて形成された硬化層が、ガラス板などの透過部材に粘着しまうといった問題がある。これにより、造形ベースが上昇されるときに、透過部材と、硬化層との境界面において、硬化層（立体造形物）に破損が生じてしまい、高精度な立体造形物を形成することができない、といった問題が生じる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高精度な立体造形物を形成可能な光造形装置及びこの光造形装置に用いられる造形ベースを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る光造形装置は、光透過部材と、造形ベースと、移動機構とを具備する。
前記光透過部材は、規制面を有し、前記光硬化性樹脂を硬化させるための光を透過させる。
前記規制面は、光硬化性樹脂の液面を規制する。
前記造形ベースは、支持面と、第１の端部と、第２の端部とを有する。
前記支持面は、前記規制面に対向し、前記光により硬化された前記光硬化性樹脂が段階的に積層されて形成される立体造形物を支持する。
前記第２の端部は、前記第１の端部とは反対側の端部である。
前記移動機構は、前記第１の端部側から前記第２の端部側にかけて、徐々に前記支持面が前記規制面から離れるように、前記造形ベースを前記光透過部材から離れる方向に移動させる。
本発明では、造形ベースが光透過部材から離れる方向に移動される際に、支持面が第１の端部側から第２の端部側にかけて、徐々に前記規制面から離れる。この場合、規制面及び硬化層（立体造形物）の境界面において、硬化層には、規制面に対して斜め方向に力が加わることになる。これにより、規制面に粘着した硬化層を規制面からスムーズに剥離することができる。その結果、硬化層の破損を防止することができ、高精度な立体造形物を形成することができる。

上記光造形装置において、前記造形ベースは、第１の部材と、第２の部材と、弾性体とを有していてもよい。
前記第１の部材は、前記移動機構に連結される。
前記第２の部材は、前記支持面を有し、前記第１の端部側で、前記第１の部材に回動可能に連結される。
前記弾性体は、前記第２の端部側で、前記第１の部材及び前記第２の部材を連結する。
本発明では、支持面を有する第２の部材が、移動機構に連結された第１の部材に対して、第１の端部側で回動可能に連結され、第２の端部側で弾性体を介して連結される。これにより、造形ベースが光透過部材から離れる方向に移動される際に、支持面が第１の端部側から第２の端部側にかけて、徐々に前記規制面から離れる。これにより、規制面に粘着した硬化層を規制面からスムーズに剥離することができる。
また、規制面から硬化層が剥離された場合には、弾性体の収縮により第１の部材と第２の部材とを引き付けることができる。これにより、光硬化性樹脂が硬化される際には、規制面に対して、支持面を例えば平行な状態に保つことができる。

上記光造形装置において、前記弾性体は、前記光硬化性樹脂が硬化するときの収縮により、前記支持面が前記規制面側に引き付けられる力よりも強い力で、前記第１の部材及び前記２の部材を引き付けてもよい。
本発明では、光硬化性樹脂が硬化するときの収縮により、支持面が規制面側に引き付けられてしまうことを防止することができる。これにより、さらに高精度な立体造形物を形成することができる。

上記光造形装置は、前記第１の部材及び前記第２の部材とが引き付けられた状態で、前記第１の部材及び第２の部材を固定するロック機構をさらに具備していてもよい。
本発明では、光硬化性樹脂が硬化するときの収縮により、支持面が規制面側に引き付けられてしまうことを防止することができる。これにより、さらに高精度な立体造形物を形成することができる。

上記光造形装置において、前記造形ベースは、支持面上に薄膜状に形成された樹脂層をさらに有していてもよい。
これにより、硬化層（立体造形物）が支持面側から剥離してしまうことを防止することができる。

本発明の一形態に係る造形ベースは、第１の部材と、第２の部材と、弾性体とを具備する。
前記第１の部材は、第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有する。
第２の部材は、支持面を有し、前記第１の端部側で、前記第１の部材に回動可能に連結される。
前記支持面は、光により硬化された光硬化性樹脂が段階的に積層されて形成される立体造形物を支持する。
前記弾性体は、前記第２の端部側で、前記第１の部材及び前記第２の部材を連結する。

以上のように、本発明によれば、高精度な立体造形物を形成可能な光造形装置及びこの光造形装置に用いられる造形ベースを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光造形装置の全体構成を示す模式図である。光造形装置が備える造形ベースを示す拡大図である。光学系の構成を示す図である。対物レンズの機能を説明するための模式図である。両側テレセントリック結像光学系を説明するための模式図である。光学系によりｎ層目の硬化層が形成される場合の動作について説明するための図であり、ワーク全体領域Ｗ_ａｌｌ及び目標全体領域ｆ_ａｌｌ（ｎ層目の硬化層）を示す平面図である。ワーク小領域Ｗ_３２及び目標小領域ｆ_３２を示す拡大図である。造形ベースが上方に移動されるときの動作を説明するための図である。他の実施の形態に係る光造形装置が有する造形ベースを示す拡大図である。造形ベースが上方に移動されるときの動作について説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

＜第１実施形態＞
［光造形装置の全体構成、及び造形ベースの構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る光造形装置の全体構成を示す模式図である。図２は、光造形装置が備える造形ベースを示す拡大図である。なお、本明細書中で説明する、各図では、図面を分かりやすく表示するため、光造形装置や、光造形装置が有する各部材等の大きさを実際の寸法とは異なって表示する場合がある。

これらの図に示すように、光造形装置１００は、液状の光硬化性樹脂１を収容する容器１０と、容器１０内の液状の光硬化性樹脂１に浸漬され、立体造形物２を支持する造形ベース２０とを備えている。また、光造形装置１００は、造形ベース２０を容器１０内で移動させる移動機構３０と、光硬化性樹脂１を硬化させるための光を光硬化性樹脂１に照射する光学系４０とを備えている。

容器１０は、底面部に、光学系４０から照射される光を透過させる光透過板１１を有している。光透過板１１は、光透過板１１の上面１１ａにおいて、光硬化性樹脂１の液面（光学系４０からの光が照射される液面）を規制している。本明細書中では、光透過板１１の上面１１ａを規制面１１ａと呼ぶ。

光透過板１１は、例えば、ガラスや光透過性樹脂などにより構成されるが、光学系４０からの光を透過することができる材料であれば、何が用いられても構わない。

容器１０内に収容される光硬化性樹脂１としては、例えば、エポキシ系、ウレタン系などの紫外線硬化性樹脂が用いられる。しかし、光硬化性樹脂１は、可視光硬化性樹脂であってもよく、光硬化性樹脂１の材料は、特に限定されない。

造形ベース２０は、基準プレート２１（第１の部材）と、基準プレート２１の下方に配置され、基準プレート２１に支持される造形プレート２２（第２の部材）とを備えている。また、造形ベース２０は、造形ベース２０の第１の端部２０Ａ側（図１、２中、右側）で、基準プレート２１及び造形プレート２２を回動可能に支持するヒンジ部材２３を備えている。さらに、造形ベース２０は、造形ベース２０の第２の端部２０Ｂ側（図１、２中、左側）で、基準プレート２１及び造形プレート２２を連結するバネ部材２４を備えている。

基準プレート２１は、第１の端部２０Ａ側にヒンジ部材２３が設けられ、第２の端部２０Ｂ側にバネ部材２４を支持するバネ支持部２５を有している。基準プレート２１は、基準プレート２１の上部において、移動機構３０のアーム部３２と連結されている。これにより、造形ベース２０は、移動機構３０により容器１０内を移動可能とされる。

造形プレート２２は、第１の端部２０Ａ側の一部が略直角に折れ曲がった形状とされており、この折れ曲がった部分にヒンジ部材２３が設けられる。また、造形プレート２２は、第２の端部２０Ｂ側にバネ部材２４の支持するバネ支持部２６を有している。

造形プレート２２の底面２２ａは、光学系４０から照射される光により硬化された光硬化性樹脂（硬化層）が段階的に積層されて形成される立体造形物２を支持する支持面２２ａとして機能する。

基準プレート２１及び造形プレート２２は、例えば、金属や樹脂などにより構成されが、材料は特に限定されない。

バネ部材２４は、一端部が基準プレート２１のバネ支持部２５に連結され、他端部が造形プレート２２のバネ支持部２６に連結される。バネ部材２４は、基準プレート２１及び造形プレート２２を所定の力で引き付けている。バネ部材２４が基準プレート２１及び造形プレート２２を引き付ける力は、規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１が硬化されるときに光硬化性樹脂１が収縮する力よりも強く設定されている。

光硬化性樹脂１に光学径４０からの光が照射されて硬化層が形成されるとき、光硬化性樹脂１が収縮し、造形プレート２２が下方（規制面１１ａ側）に引き付けられてしまう。そこで、バネ部材２４が基準プレート及び造形プレート２２を引き付ける力は、光硬化性樹脂１が収縮するときの力よりも大きく設定される。これにより、光硬化性樹脂１が収縮し、造形プレート２２が下方へ移動してしまうことを防止することができるので、高精度な立体造形物２の形成が実現される。

なお、バネ部材２４の代わりにゴムなどの他の弾性体が用いられても構わない。

移動機構３０は、移動機構本体３１と、移動機構本体３１に設けられ、基準プレート２１の上部と連結されるアーム部３２とを有する。移動機構本体３１は、アーム部３２を介して、造形ベース２０を容器１０内で、垂直方向（ｚ軸方向）、及び水平方向（ｘ軸方向及びｙ軸方向）に移動させる。なお、移動機構３０による造形ベース２０の移動は、例えば図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）などの制御部により制御される。

光学系４０は、光透過板１１を介して、規制面１１ａ上の液状の光硬化性樹脂１に光を下方から照射し、光硬化性樹脂１を硬化させる。

［光学系の構成］
図３は、光学系４０の構成を示す図である。

図３に示すように、光学系４０は、規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１に光を走査するビームスキャン光学系５０と、光硬化性樹脂１の一定領域毎に一括して光を照射する一括露光光学系７０とを備えている。また、光学系４０は、ビームスキャン光学系５０の光路と、一括露光光学系７０の光路とを合成するためのビームスプリッタ８１とを備えている。

まず、ビームスキャン光学系５０について説明する。

ビームスキャン光学系５０は、第１の光源５１と、走査部５２と、コリメータレンズ５３と、アナモルフィックレンズ５４と、ビームエキスパンダ５５と、ビームスプリッタ５６と、反射光検出部５７と、シャッタ５８とを含む。

第１の光源５１は、例えば、青〜紫外域程度の比較的波長の短いレーザ光を放射する半導体レーザが用いられる。第１の光源５１は、半導体レーザに限られず、ガスレーザが用いられてもよい。

コリメータレンズ５３は、第１の光源５１から放射された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５４は、コリメータレンズ５３から出射された略楕円形状の光ビームを整形して略円形状とする。ビームエキスパンダ５５は、アナモルフィックレンズ５４から出射された光ビームのビーム径を後述する対物レンズ８２の開口、ＮＡ（開口数）等に適した所望のビーム径に変換する。

シャッタ５８は、光硬化性樹脂１に照射される光ビームの通過、遮蔽を制御する。すなわち、シャッタ５８は、ビームスキャン光学系５０による描画の、オン、オフを制御する。

ビームスプリッタ５６は、第１の光源５１から放射された光ビームを透過させるとともに、光硬化性樹脂１で反射された反射光を反射光検出部５７へと導く。

反射光検出部５７は、光硬化性樹脂１に反射され、各光学部品を経由してビームスプリッタ５６で反射された反射光を検出する。光造形装置１００は、反射光を反射光検出部５７で検出することによりフォーカス補正を実行することが可能とされている。反射光検出部５７によりフォーカス補正用の信号を検出する方法として、例えば、非点収差法、三角測量法などを用いた方法が挙げられる。

また、光造形装置１００は、上述の反射光検出部５７により、光ビームが走査されている位置の光硬化性樹脂１が未硬化部、又は硬化部のいずれかであるかを検出することが可能とされている。光硬化性樹脂１は、硬化すると反射率が変化する性質があるので、この関係が利用される。

走査部５２は、第１のガルバノミラー６１と、第２のガルバノミラー６２とを含む。また、走査部５２は、第１及び第２のガルバノミラー６１、６２の間に配置された第１のリレーレンズ６３と、第２のガルバノミラー６２及びビームスプリッタ８１との間に配置された第２のリレーレンズ６４とを含む。さらに、走査部５２は、ビームスプリッタ８１及び光透過板１１との間に配置された対物レンズ８２を含む。

第１及び第２のガルバノミラー６１、６２は、それぞれ、所定の方向に回転可能とされたミラー等の反射部と、電気信号に応じて反射部の回転方向の角度を調整するモータ等の調整部とを有する。

第１のガルバノミラー６１は、反射部及び調整部により、ビームエキスパンダ５５から入射された光ビームを偏向し、光ビームを規制面１１ａに平行な面内でｘ軸方向に走査させる。第２のガルバノミラー６２は、反射部及び調整部により光ビームを偏向し、光ビームを規制面１１ａに平行な面内でｙ軸方向に走査させる。なお、第１及び第２のガルバノミラー６１、６２の代わりに、ポリゴンミラー等を用いても構わない。

対物レンズ８２は、一又は複数のレンズにより構成される。対物レンズ８２は、前側焦点位置である物側焦点位置がビームスプリッタ８１の反射透過面８１ａに一致するように、かつ、後側焦点位置である像側焦点位置が規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１に一致するように配置される。対物レンズ８２は、第１及び第２のガルバノミラー６１，６２によりｘ軸方向及びｙ軸方向に走査され、ビームスプリッタ８１で反射されて入射された光ビームを、規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１に結像させる。

図４は、対物レンズ８２の機能を説明するための図である。

図４に示すように、対物レンズ８２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ｆθレンズが用いられる。対物レンズ８２としてｆθレンズが用いられることで、第１のガルバノミラー６１及び第２のガルバノミラー６２によりｘ軸方向及びｙ軸方向に走査された光ビームを、規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１に平行な面内において等速度で走査させることができる。これにより、走査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の違いが発生することを防止することができる。

第１のリレーレンズ６３は、一又は複数のレンズにより構成され、第１のガルバノミラー６１で反射された光ビームを第２のガルバノミラー６２上の反射面に結像させる。第１のリレーレンズ６３は、第１のガルバノミラー６１で偏向され、第２のガルバノミラー６２及び第２のリレーレンズ６４を経由した後の光ビームが、対物レンズ８２の物側焦点位置（反射透過面８１ａの中心）を通過するように光ビームを導く。

第２のリレーレンズ６４は、一又は複数のレンズにより構成され、第２のガルバノミラー６２で反射された光ビームをビームスプリッタ８１の反射透過面８１ａ上に結像させる。第２のリレーレンズ６４は、第２のガルバノミラー６２で偏向された光ビームが、対物レンズ８２の物側焦点位置（反射透過面８１ａの中心）を通過するように光ビームを導く。

このような機能を有する第１及び第２のリレーレンズ６３，６４は、両側テレセントリック結像光学系となるように構成されている。

図５は、両側テレセントリック結像光学系を説明するための模式図である。

図５に示された光学系は、両側テレセントリック結像光学系の代表例であって「４ｆ光学系」と呼ばれる光学系である。

例えば、最も前方側の位置に配置されたレンズの前焦点位置に第１のガルバノミラー６１または第２のガルバノミラー６２に相当する物体面Ｐｏが配置される。また、最も後方側の位置に配置されたレンズの後焦点位置に第２のガルバノミラー６２またはビームスプリッタ８１に相当する像面Ｐｉが配置される。この場合、物体面Ｐｏ上の任意の位置で集光された光ビームが発散して入射されたとき、像面Ｐｉ側の対応する位置に収束されることとなる。そして、物体面Ｐｏ上の任意の位置から平行光として入射した光ビームは、像面Ｐｉ側の対応する位置に平行光として入射することとなる。このように、両側テレセントリック結像光学系は、像面側から所定の位置、所定の方向で入射した平行光を、像面側の対応する位置に、対応する方向で平行光を出射させることとなる。

次に、一括露光光学系７０について説明する。

一括露光光学系７０は、第２の光源７１と、反射型の空間光変調部７２と、第１の集光レンズ７３と、ビームインテグレータ７４と、反射部７５と、第２の集光レンズ７６と、シャッタ７７とを含む。

第２の光源７１には、例えば、高出力な青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられる。

ビームインテグレータ７４は、第２の光源から放射さらた光を均一化する。ビームインテグレータ７４としては、フライアイタイプや、ライトロッドタイプ等を用いることができる。

シャッタ７７は、第２の光源７１と、ビームインテグレータ７４との間に設けられる。シャッタ７７は、光硬化性樹脂１に照射される光の通過・遮蔽を制御する。すなわち、シャッタ７７は、一括露光光学系７０による露光のオン・オフ制御をする。

反射部７５は、例えばミラー等により構成され、ビームインテグレータ７４からの光を反射してビームスプリッタ８１側に導く。

第１の集光レンズ７３は、反射部７５とビームスプリッタ８１との間に設けられ、入射した光をビームスプリッタ８１の反射透過面８１ａに集光させる。

ビームスプリッタ８１は、第２の光源７１から放射されビームインテグレータ７４、反射部７５及び第１の集光レンズ７３を介して入射した光を第２の集光レンズ７６及び空間光変調部７２側に導く。また、ビームスプリッタ８１は、空間光変調部７２により空間変調された光と、上述の走査部５２により走査された光ビームとを合成して、規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１へと導く。

ビームスプリッタ８１として、例えば、Ｐ偏光成分を略透過し、Ｓ偏光成分を略反射する反射透過面８１ａを有するような偏光ビームスプリッタが用いられる。

第２の光源７１から放射され、ビームインテグレータ７４、反射部７５及び第１の集光レンズ７３を介してビームスプリッタ８１に入射される光は、Ｓ偏光成分とされる。このＳ偏光成分の光は、ビームスプリッタ８１に反射されて空間光変調部７２に入射することとなる。

ビームスプリッタ８１及び空間光変調部７２に所定の偏光光で光を入射するために第２の光源７１と第１の集光レンズ７３との間の光路中に所定の偏光板を設けるように構成してもよい。

空間光変調部７２として、例えば、互いに対向配置された透明基板及び駆動回路基板と、この透明基板及び駆動回路基板の間に封入された液晶からなる液晶層とを有する反射型液晶素子７８が用いられる。反射型液晶素子７８は、駆動回路基板の主面に設けられた反射画素電極の各画素毎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、反射する光の偏光状態を変化させる。

反射型液晶素子７８に入射する光は、透明基板に略直交する方向から入射することとなる。反射型液晶素子７８に入射された光は、駆動信号に基づいて偏光面が変調され、第２の集光レンズ７６を通過した後にビームスプリッタ８１でＰ偏光成分が透過することで強度変調が行われ、対物レンズ８２を介して規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１に照射される。

反射型液晶素子７８の画素数は、例えば、縦横１０００×１０００からなる１００万画素とされる。

空間光変調部７２として、反射型液晶素子７８が用いられるとして説明したが、これに限られない。例えば、空間光変調部７２として、傾き角度が変化する微小な反射ミラーを複数配列して構成されるデジタルミラーマイクロデバイスが用いられてもよい。

第２の集光レンズ７６は、空間光変調部７２と、ビームスプリッタ８１との間に設けられ、空間光変調部７２により空間光変調された光を対物レンズ８２の前焦点に集光させる。第２の集光レンズ７６は、対物レンズ８２とともに、空間光変調部７２で変調された光を規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１に結像するための投影光学系として機能する。また、第２の集光レンズ７６は、空間光変調部７２により空間変調された光が対物レンズ８２を通過する際のディストーションを補正するレンズ群により構成され、ディスクトーションを最大限低減させることができる。

［動作説明］
次に、光造形装置１００の動作について説明する。

（ｎ層目の硬化層が形成される場合の動作）
まず、ビームスキャン光学系５０及び一括露光光学系７０を有する光学系４０によりｎ層目の硬化層が形成される場合の動作について説明する。

図６は、この動作を説明するための図であり、ワーク全体領域Ｗ_ａｌｌ及び目標全体領域ｆ_ａｌｌ（ｎ層目の硬化層）を示す平面図である。

図６に示すように、ワーク全体領域Ｗ_ａｌｌは、例えば、１０ｃｍ×１０ｃｍとされる。ワーク全体領域Ｗ_ａｌｌの大きさ（１０ｃｍ×１０ｃｍ）は、移動機構３０による造形ベース２０の水平方向（ｘ軸方向及びｙ軸方向）への移動範囲を変更することで適宜変更することができる。

目標全体領域ｆ_ａｌｌは、ワーク全体領域Ｗ_ａｌｌ内における所定領域であって、ｎ層目の硬化層に相当する領域である。図６では、一例として、目標全体領域ｆ_ａｌｌがワーク全体領域Ｗ_ａｌｌの中央に位置する場合を挙げたが、目標全体領域ｆ_ａｌｌは、硬化層毎、あるいは立体造形物２の形状毎に異なる。

ワーク全体領域Ｗ_ａｌｌは、例えば、１ｃｍ×１ｃｍの小領域（以下、ワーク小領域Ｗ_ｘｙ）に区分されている。ワーク小領域Ｗ_ｘｙの大きさ（１ｃｍ×１ｃｍ）は、第２の集光レンズ７６及び対物レンズ８２の構成を変えることで適宜変更することができる。なお、以降では、ワーク小領域Ｗ_ｘｙ内の目標領域を目標小領域ｆ_ｘｙと呼ぶ。

図７は、ワーク小領域Ｗ_３２及び目標小領域ｆ_３２を示す拡大図である。

図７に示すように、ワーク小領域Ｗ_ｘｙは、１０μｍ×１０μｍ程度の大きさの微小領域ａ_ｘｙに区分されている。この微小領域ａ_ｘｙは、１００万画素（１０００×１０００）により構成された反射型液晶素子７８の１画素に対応する領域である。微小領域ａ_ｘｙの大きさ（１０μｍ×１０μｍ）は、反射型液晶素子７８の画素数を変更することで適宜変更することができる。

図７に示すように、ワーク小領域Ｗ_３２内に目標小領域ｆ_３２がある場合、光造形装置１００は、一括露光光学系７０により目標小領域ｆ_３２の大部分を占める領域ｆ_３２’（以下、一括描画領域ｆ_３２’）を一括描画（一括露光）する。すなわち、光造形装置１００は、一括露光光学系７０の空間光変調部７２により空間変調された光により一括描画領域ｆ_３２’の粗描画を行う。この場合、一括露光光学系７０により１０μｍ程度のオーダで粗描画が行われる。

また、光造形装置１００は、ビームスキャン光学系５０の走査部５２により走査された光ビームにより、目標小領域ｆ_３２の境界部分近傍の領域ｆ_３２’’（以下、微細描画領域ｆ_３２’’）の微細描画を行う。この場合、ビームスキャン光学系５０により１μｍ程度のオーダで微細描画が行われる。

ビームスキャン光学系５０による微細描画は、微細描画領域ｆ_３２’’をベクタースキャンすることにより実行されてもよいし、微細描画領域ｆ_３２’’をラスタースキャンすることにより実行されてもよい。あるいは、ベクタースキャンとラスタースキャンの組み合わせにより微細描画が実行されてもよい。

ワーク小領域Ｗ_３２において目標小領域ｆ_３２の光硬化性樹脂１が硬化されると、光造形装置１００は、移動機構３０により造形ベース２０をｘ軸方向、あるいはｙ軸方向に移動させる。そして、光造形装置１００は、次のワーク小領域Ｗ_ｘｙの目標小領域ｆ_ｘｙの光硬化性樹脂を硬化させる。この動作が繰り返されることにより、ｎ層目の硬化層が形成される。

なお、光造形装置１００は、移動機構３０により、造形ベース２０を水平方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向）に移動させる代わりに、光学系４０を水平方向に移動させてもよい。

本実施形態に係る光造形装置１００の光学系４０は、ビームスキャン光学系５０と、一括露光光学系７０とにより構成されているので、硬化層を高精度かつ高速に形成することができる。さらに、光造形装置１００は、移動機構３０により造形ベース２０を水平方向に移動させ、ワーク小領域Ｗ_ｘｙ毎に硬化層を形成して１層の硬化層を形成しているので、断面積の大きな硬化層を高精度かつ高速に形成することもできる。

（造形ベースが上方に移動される場合の動作）
次に、光学系４０によりｎ層目の硬化層が形成され、次のｎ＋１層目の硬化層を形成するために、移動機構３０により造形ベース２０が上方（ｚ軸方向）に移動される場合の動作について説明する。

図８は、造形ベース２０が上方に移動されるときの動作を説明するための図である。

図８（Ａ）に示すように、光学系４０により、規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１に光が照射され、ｎ層目の硬化層が形成される。これにより、造形プレート２２の支持面２２ａには、１〜ｎ層目までの立体造形物２が形成される。

ｎ層目の硬化層が形成されると、図８（Ｂ）に示すように、移動機構３０により造形ベース２０が上方へ移動される。造形ベース２０が上方に移動されると、第２の端部２０Ｂ側でバネ部材２４が伸び、造形プレート２２が、基準プレート２１に対して第１の端部２０Ａ側でヒンジ部材２３を介して回動する。

このとき、支持面２２ａが第１の端部２０Ａ側から第２の端部２０Ｂ側にかけて徐々に規制面１１ａから離れ、ｎ層目の硬化層と、規制面１１ａの境界面において、硬化層には、規制面１１ａに対して斜め方向に力が加わることになる。これにより、規制面１１ａに粘着したｎ層目の硬化層を規制面１１ａからスムーズに剥離することができる。その結果、硬化層の破損を防止することができ、高精度な立体造形物２を形成することができる。さらに、立体造形物２が支持面２２ａから剥がれてしまうことを防止することもできる。

ｎ層目の硬化層（立体造形物２）が規制面１１ａから剥離されると、図８（Ｃ）に示すように、バネ部材２４により造形プレート２２が基準プレート２１側に引き付けられ、支持面２２ａが規制面１１ａに対して平行な状態となる。

造形プレート２２の支持面２２ａが規制面１１ａに平衡となった状態における、立体造形物２の下面と、規制面１１ａとの距離ｄ、つまり、移動機構３０により造形ベース２０が上方に移動される距離ｄは、例えば、１０μｍ〜１００μｍとされる。立体造形物２の下面と、規制面との距離ｄ（１０μｍ〜１００μｍ）は、硬化層一層当たりの厚みに相当する。

光造形装置１００は、移動機構３０により造形ベース２０を上方に移動させると、再び、光学系４０により規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１に光を照射し、ｎ＋１層目の硬化層を形成する。この動作が繰り返され、所望の形状の立体造形物２が形成される。

上記したように、本実施形態に係る光造形装置１００の造形ベース２０によれば、硬化層の破損などを防止することができるので、高精度な立体造形物２の形成が実現される。さらに、本実施形態に係る光造形装置１００の造形ベース２０は、極めて単純な構造であるため、コスト的にも有利である。

さらに、バネ部材２４は、上述のように、硬化層が形成される際の樹脂収縮よりも強い力で基準プレート２１及び造形プレート２２を引き付けている。従って、硬化層が形成されるときの樹脂収縮により、造形プレート２２が下方（規制面１１ａ側）に移動してしまうことを防止することができる。

ところで、本実施形態に係る光造形装置１００の光学系４０は、上述のように、ビームスキャン光学系５０と、一括露光光学系７０とにより構成されているので、硬化層を高精度に形成することができる。従って、本実施形態に係る光造形装置１００は、光学系４０により高精度に形成された硬化層を、造形ベース２０により破損することなく上方に移動させることができるので、極めて高精度な立体造形物２の形成が可能となる。

また、本実施形態に係る光造形装置１００では、上述のように、移動機構３０により造形ベース２０を水平方向に移動させ、ワーク小領域Ｗ_ｘｙ毎に硬化層を形成して１層の硬化層を形成しているので、断面積の大きな硬化層を高精度に形成することができる。このように、断面積の大きな硬化層が形成された場合に、仮に、造形ベース２０の支持面２２ａを規制面１１ａに平行な状態で上方に移動させてしまうと、硬化層が規制面１１ａに粘着して硬化層が破損してしまう可能性が高い。すなわち、断面積の大きな硬化層が形成された場合、比較的大きな力で硬化層を規制面１１ａから引き剥がさなければならないので、硬化層が破損してしまう可能性が高い。一方、本実施系形態に係る光造形装置１００の造形ベース２０は、硬化層に規制面１１ａに対して斜め方向に力を加えることができるため、断面積の大きな硬化層であっても、スムーズに硬化層を規制面１１ａから剥離することができる。従って、本実施形態に係る光造形装置１００は、断面積の大きな立体造形物２を高精度に形成することも可能である。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

第２実施形態では、造形ベースにロック機構が設けられている点が上述の第１実施形態と異なる。したがって、その点を中心に説明する。なお、第２実施形態以降の説明では、上述の第１実施形態に係る光造形装置と同様の構成、機能を有する部材等については同一符号を付し、説明を省略し、または簡略化する。

図９は、本実施形態に係る光造形装置１００が有する造形ベース９０を示す拡大図である。

本実施形態に係る造形ベース９０は、第２の端部９０Ｂ側にそれぞれバネ支持部２５、２６を有する基準プレート２１及び造形プレート２２と、第１の端部９０Ａ側で基準プレート２１及び造形プレート２２を回動可能に支持するヒンジ部材２３とを備えている。また、造形ベース９０は、バネ支持部２５、２６に連結され、第２の端部９０Ｂ側で基準プレート２１及び造形プレート２２を所定の力でひきつけるバネ部材２４を有している。

さらに、造形ベース９０は、基準プレート２１及び造形プレート２２がバネ部材２４に引き付けられた状態で、基準プレート２１及び造形プレート２２を固定するロック機構９４を備えている。

ロック機構９４は、例えば、造形ベース９０の第２の端部９０Ｂ側に配置される。ロック機構９４が設けられる位置は、造形ベース９０の中央であってもよく、造形ベース９０第１の端部９０Ａ側であってもよい。

ロック機構９４は、基準プレート２１及び造形プレート２２を固定するロック部材９１と、基準プレート２１の上部に設けられ、ロック部材９１を回動可能に支持する軸９２と、軸９２を回転駆動させるモータ９３とを有する。

ロック部材９１は、バネ支持部２５及びバネ支持部２６を挟み込んで固定することで、基準プレート２１及び造形プレート２２の位置関係を固定する。ロック部材９１は、金属や樹脂などにより形成されるが、材料は特に限定されない。

モータ９３は、光造形装置１００の制御部と電気的に接続される。モータ９３は、制御部の制御により軸９２を回転駆動させることでロック部材９１を回動させ、ロック部材９１による基準プレート２１及び造形プレート２２のロック状態と、非ロック状態とを切り替える。

次に、移動機構３０により造形ベース９０が上方に移動される場合の動作について説明する。

図１０は、その動作を説明するための図である。

図１０（Ａ）に示すように、光学系４０により規制面１１ａ状の光硬化性樹脂１に光が照射され、ｎ層目の硬化層が形成されると、モータ９３の駆動により軸９２が回転され、ロック部材９１が回動される。これにより、ロック部材９１による基準プレート２１及び造形プレートのロック状態が解除される。

ロック状態が解除されると、図１０（Ｂ）に示すように、移動機構３０により造形ベース９０が上方に移動される。造形ベース９０が上方に移動されると、造形プレート２２が、基準プレート２１に対して第１の端部２０Ａ側でヒンジ部材２３を介して回動する。

このとき、ｎ層目の硬化層と、規制面１１ａの境界面において、硬化層には、規制面１１ａに対して斜め方向に力が加わることになるので、規制面１１ａに粘着したｎ層目の硬化層を規制面１１ａからスムーズに剥離することができる。

ｎ層目の硬化層（立体造形物２）が規制面１１ａから剥離されると、図１０（Ｃ）に示すように、バネ部材２４により造形プレート２２が基準プレート２１側に引き付けられ、支持面２２ａが規制面１１ａに対して平行な状態となる。

造形プレート２２の支持面２２ａが規制面１１ａに平行な状態となると、モータ９３の駆動により軸９２が先ほどとは反対方向に回転され、ロック部材９１が先ほどとは反対方向に回動される。これにより、基準プレート２１及び造形プレート２２がロック部材９１によりロックされる。

基準プレート２１及び造形プレート２２がロック状態とされると、光学系４０により規制面１１ａ上の光硬化性樹脂１に光が照射されてｎ＋１層目の硬化層が形成される。このとき、造形プレート２２は、基準プレート２１に固定されているので、造形プレート２２が、光硬化性樹脂１の樹脂収縮により下方へ移動してしまうことを防止することができる。

ｎ＋１層目の硬化層が形成されると、ロック状態が解除され（図１０（Ａ）参照）、造形ベース２０が上方に移動される（図１０（Ｂ）参照）。上記各動作が繰り返されることで立体造形物２が形成される。

第２実施形態に係る造形ベース９０では、ロック機構９４により、樹脂収縮による造形ベース２０の下方への移動が防止されるので、高精度な立体造形物２の形成が実現される。

なお、第２実施形態に係る造形ベース９０のバネ部材２４は、樹脂収縮よりも強い力で基準プレート２１及び造形プレート２２を引き付けていなくてもよい。すなわち、本実施形態では、樹脂収縮による造形プレート２２の下方への移動は、ロック機構９４により防止されているため、バネ部材２４は、樹脂収縮よりも強い力で基準プレート２１及び造形プレート２２を引き付けていなくてもよい。

第２実施形態の説明では、ロック機構９４が、ロック部材９１、軸９２及びモータ９３により構成されるとして説明した。しかし、ロック機構９４の構成は、これに限られない。
ロック機構９４は、基準プレート２１及び造形プレート２２のロック状態と、非ロック状態とを切り替えることができる形態であれば、どのような構成であってもよい。

＜各種変形例＞
上述の各実施系形態では、光学系４０がビームスキャン光学系５０及び一括露光光学系７０により構成されるとして説明した。しかし、これに限られず、光学系４０として、一般的に用いられる光学系４０が用いられてもよい。例えば、光学系４０として、透過型のＳＬＭ（Spatial Light Modulator）投影方式の光学系４０が用いられてもよいし、ガルバノミラー等が用いられたビームスキャン方式の光学系４０が用いられてもよい。このように、一般的な光学系４０が用いられた場合にも、造形ベース２０により、硬化層（立体造形物）が破損してしまうことを防止することができるので、高精度な立体造形物２を形成することが可能である。

また、上述の各実施形態では、ワーク全体領域Ｗ_ａｌｌがワーク小領域Ｗ_ｘｙに区分され、光学系４０によりワーク小領域Ｗ_ｘｙ毎に硬化層が形成されて１層の硬化層が形成される、として説明した。しかし、これに限られず、光学系４０により一層の硬化層が一度に形成されてもよい。この場合、ワーク全体領域Ｗ_ａｌｌは、ワーク小領域Ｗ_ｘｙに区分されていなくてもよい。

造形プレート２２の支持面２２ａにあらかじめ、薄膜状に形成された樹脂層が形成されていてもよい。この樹脂層は、例えば、紫外線硬化性樹脂等の光硬化性樹脂により構成される。樹脂層は、液状の光硬化性樹脂が支持面２２ａにスピンコートされた後、光が照射されて硬化されることで形成される。この場合、立体造形物２を構成する一層目の硬化層は、支持面２２ａ上の樹脂層上に形成される。

樹脂層に用いられる光硬化性樹脂は、立体造形物２の形成に用いられる光硬化性樹脂１と同等の材料であってもよい。また、この場合、造形プレート２２は、アクリル樹脂などの樹脂により構成されてもよい。

これにより、造形プレート２２と、立体造形物２との密着性を向上させることができるので、造形ベース２０（あるいは、造形ベース９０）が上方に移動されるときに、立体造形物２が支持面２２ａから剥がれてしまうことを防止することができる。これにより、さらに、高精度の立体造形物２を形成することが可能となる。

１…光硬化性樹脂
２…立体造形物
１１…光透過板
１１ａ…規制面
２０、９０…造形ベース
２１…基準プレート
２２…造形プレート
２２ａ…支持面
２４…バネ部材
３０…移動機構
４０…光学系
９４…ロック機構

Claims

光硬化性樹脂の液面を規制する規制面を有し、前記光硬化性樹脂を硬化させるための光を透過させる光透過部材と、
前記規制面に対向し、前記光により硬化された前記光硬化性樹脂が段階的に積層されて形成される立体造形物を支持する支持面と、第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有する造形ベースと、
前記第１の端部側から前記第２の端部側にかけて、徐々に前記支持面が前記規制面から離れるように、前記造形ベースを前記光透過部材から離れる方向に移動させる移動機構と
を具備する光造形装置。
請求項１に記載の光造形装置であって、
前記造形ベースは、
前記移動機構に連結される第１の部材と、
前記支持面を有し、前記第１の端部側で、前記第１の支持部材に回動可能に連結された第２の部材と、
前記第２の端部側で、前記第１の部材及び前記第２の部材を連結する弾性体とを有する
光造形装置。
請求項２に記載の光造形装置であって、
前記弾性体は、前記光硬化性樹脂が硬化するときの収縮により、前記支持面が前記規制面側に引き付けられる力よりも強い力で、前記第１の部材及び前記２の部材を引き付ける
光造形装置。
請求項２に記載の光造形装置であって、
前記第１の部材及び前記第２の部材とが引き付けられた状態で、前記第１の部材及び第２の部材を固定するロック機構をさらに具備する光造形装置。
請求項１に記載の光造形装置であって、
前記造形ベースは、支持面上に薄膜状に形成された樹脂層をさらに有する
光造形装置。
第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有する第１の支持部材と、
光により硬化された光硬化性樹脂が段階的に積層されて形成される立体造形物を支持する支持面を有し、前記第１の端部側で、前記第１の支持部材に回動可能に連結された第２の支持部材と、
前記第２の端部側で、前記第１の支持部材及び前記第２の支持部材を連結する弾性体と
を具備する造形ベース。