JP2011098484A - ３次元光造形装置、３次元光造形方法及び造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルムから光硬化性材料をきれいに引き剥がすことができ、各層の平面度を高め、または各層の厚さを高精度に制御することができる３次元光造形装置、その方法及びその方法により形成された造形物を提供すること。
【解決手段】３次元光造形装置１００は、フィルムＦにテンションを与える押圧機構３５としてロッドレンズ２５を備えている。ロッドレンズ２５は、造形ステージ１５に最も近い、Ｘ軸に沿った直線状の領域Ａ１をフィルムＦに形成するように、フィルムＦのその直線状の領域Ａ１を押圧する。その結果、造形ステージ１５側と、そのフィルムＦの直線状の領域Ａ１との間にスリット領域が形成される。少なくともこのスリット領域において樹脂液が露光される。
【選択図】図２

Description

本発明は、光硬化性の材料により３次元の物体を形成する３次元光造形装置、３次元光造形方法及びこの方法により形成された造形物に関する。

従来から、３次元の造形物を形成する造形装置は、ラピッドプロトタイピングと呼ばれる装置として知られており、業務用として広く使われている。一般的には、３次元造形装置は、造形される対象物の所定の厚さごとの形状データ、つまり各層ごとの形状データに基づき、１層ずつ造形物を形成していく。

３次元造形装置の主な方式の１つとして、光造形方式は、光硬化性樹脂にレーザ光を部分選択的に照射することにより、樹脂の所望の部分を硬化させて描画し、造形物を形成する方式である。

光造形方式の中には、例えば自由液面法及び規制液面法がある。自由液面法では、光硬化性樹脂の液面が空中に露出しており、レーザ光が空気と液面の界面にフォーカスされることで描画される。自由液面法では、樹脂の積層精度（１層ごとの厚さの精度や１層ごとの樹脂の表面状態の精度）が液面の表面精度によって変わるという問題がある。そこで、規制液面法では、光硬化性樹脂の液面が例えば平坦なガラス面により規制され、そのガラスを介して、レーザ光が液面とガラス面との界面にフォーカスされることで描画される（例えば、特許文献１の段落[００１８]参照）。特許文献１では、液面を規制する部材としてフィルムが用いられている。

特公平７−８４０３３号公報

ガラスまたはフィルムを用いた規制液面法では、各層の造形終了後に、硬化された樹脂をガラスから引き剥がす必要がある。しかし、各層の造形面積が大きくなるほど、引き剥がしに必要な力が大きくなり、場合によっては造形物が崩れたり、造形物が台座（造形物が積層されていくステージ）から剥がれたりすることがある。

また、上記のように各層の造形面積が大きくなると、樹脂の硬化時の収縮力によってガラスが歪んだり、樹脂がある側にガラスが引っ張られ撓んだりする。これにより、造形物の各層の平面度が悪化する。

さらに、光硬化性樹脂の粘性が高いほど、台座面やガラス面に樹脂が与える圧力が大きくなり、これによりガラス面が歪み、樹脂の各層の厚さを予め設定された厚さに制御できないという問題もある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、フィルムから光硬化性材料をきれいに引き剥がすことができ、各層の平面度を高め、または各層の厚さを高精度に制御することができる３次元光造形装置及びその方法を提供することにあり、また、その方法により形成された造形物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３次元光造形装置は、ステージと、支持機構と、押圧機構と、供給機構と、照射ユニットと、移動機構と、制御機構とを具備する。
前記支持機構は、前記ステージにフィルムを対面させるように前記フィルムを支持する。
前記押圧機構は、前記ステージに対面する前記ステージに最も近い、第１の方向に沿う直線状の領域を前記フィルムに形成するように、前記支持機構に支持された前記フィルムの少なくとも前記直線状の領域を押圧する。
前記供給機構は、前記ステージ側と、前記フィルムの前記直線状の領域との間の領域であるスリット領域に光硬化性材料を供給する。
前記照射ユニットは、前記供給機構により前記スリット領域に供給された前記光硬化性材料に、前記押圧機構及び前記フィルムを介してレーザ光を照射する。
前記移動機構は、１層分の前記光硬化性材料の硬化層を形成するために、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿う方向で、前記ステージ及び前記押圧機構を、前記フィルムに相対的に移動させる。
前記制御機構は、前記レーザ光により前記光硬化性材料の前記硬化層を積層するために、前記ステージと前記フィルムの前記直線状の領域との間の距離を制御する。

押圧機構により、ステージに最も近い直線状の領域がフィルムに形成され、この直線状の領域とステージ側との間のスリット領域またはその近傍の領域で光硬化性材料が露光され、硬化される。つまり実質的にステージ側と直線状の領域との間のスリット領域で光硬化性材料が硬化し、フィルムの直線状の領域より下流側では、フィルムがステージから離れていくように、フィルムが押圧機構に相対的に移動していく。これにより、フィルムを樹脂の硬化層からきれいに剥がすことができる。

また、広い平面状の領域ではなく、直線状の領域が押圧されてフィルムにテンションが与えられるので、押圧機構にフィルムが密着した状態となる。したがって、光硬化性材料が硬化するときの収縮力がフィルムに加えられても、フィルムにしわや弛みなどの変形が発生することもなく、また、露光前における光硬化性樹脂の粘性によるフィルムの変形も防止できる。これにより、各硬化層の平面度を高め、その各硬化層の厚さを高精度に制御することができる。

直線状の領域は、１次元でもよいし、２次元でもよい。２次元の場合、直線状の領域は平面でもよいし、曲面であってもよい。直線状の領域が曲面である場合、それはミクロ的に見れば実質的に平面領域となる。

前記押圧機構は、前記フィルムに前記直線状の領域を含む曲面領域を形成するように、前記フィルムを押圧してもよい。これにより、フィルムと押圧機構との間の摩擦力を低減できる。

前記押圧機構は、前記曲面領域の形状に対応する曲面を有する光透過性部材を有してもよい。この場合、前記光透過性部材は、円柱状レンズであってもよい。

前記円柱状レンズは、前記第１の方向に沿う軸を中心に回転可能に設けられていてもよい。これにより、フィルムと押圧機構が擦れ合うことを防止でき、押圧機構の劣化、あるいは、フィルムの曲面領域でのしわや傷の発生を抑制できる。

前記３次元光造形装置は、前記光硬化性材料に照射される前記レーザ光のビームスポットの形状を補正するための補正レンズをさらに具備してもよい。レーザビームが円柱状レンズを通る時、ビームスポットの形状が歪む。高精度な造形物の形成が必要な場合には、補正レンズが設けられることにより、ビームスポットの形状を所望の形状になるように補正し、露光の解像度を高めることができる。

前記光透過性部材は、前記曲面としてシリンドリカル面を有するシリンドリカルレンズであってもよい。シリンドリカルレンズでは、円柱状レンズに比べその光軸方向の厚さを薄くすることができるので、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を上げることができる。したがって、レーザビームのスポット径を小さくすることができ、露光の解像度が上がり、高精度な造形物を形成することができる。

前記押圧機構は、前記光透過性部材を支持する支持部材を有してもよい。その場合、前記支持部材は、曲面と、流路とを有してもよい。前記曲面は、前記曲面領域を形成するために、前記光透過性部材の前記曲面に連続するように設けられている。前記流路は、前記光透過性部材の前記曲面及び前記支持部材の曲面と、前記フィルムとの間にガスを導入する流路とを有する。導入されたガスがクッション機能を発揮するので、フィルムと押圧機構との間の摩擦力を低減できる。

前記押圧機構は、前記直線状の領域を含む平面領域と、前記平面領域に連続するように設けられた曲面領域とを前記フィルムに形成するように、前記フィルムを押圧してもよい。直線状の領域を含む領域が平面状であることにより、それが曲面状である場合に比べ、光硬化性材料の硬化層の平面度を向上させることができる。

前記押圧機構は、前記レーザ光の光路と、スリットと、曲面とを有してもよい。その場合、スリットは、前記平面領域の形状に対応する開口面を有し、前記光路が形成されている。前記曲面は、前記開口面に連続するように設けられ、前記曲面領域の形状に対応するものである。本形態では、レーザ光がスリットを通り光硬化性材料に照射される。すなわちレーザ光はレンズを通らないので、レーザ光の屈折がない。したがって、対物レンズから出射されたレーザビームのスポット形状は変わらないので、露光の解像度を高めることができる。

前記押圧機構は、前記開口面及び前記曲面と、前記フィルムとの間にガスを導入する流路をさらに有してもよい。導入されたガスがクッション機能を発揮するので、フィルムと押圧機構との間の摩擦力を低減できる。

前記３次元光造形装置は、前記スリット内の圧力を制御する圧力制御機構をさらに具備してもよい。この圧力制御機構は、光硬化性材料の硬化時の収縮力、あるいはその粘性力に応じて、スリット内の圧力を制御することにより、光硬化性材料の硬化層の平面度を制御することができる。

前記３次元光造形装置は、前記第１の方向に沿う方向で、前記レーザ光を、前記押圧機構及び前記ステージに相対的にスキャンさせるスキャン機構をさらに具備してもよい。

前記移動機構は、前記ステージ及び前記フィルムを一体的に、前記押圧機構に相対的に移動させてもよい。ステージ及びフィルムを一体的に移動する構成であることにより、それぞれが別々に移動する構成に比べ、移動機構の構成を簡易な構成により実現することができる。

本発明に係る３次元光造形方法は、ステージに対面する前記ステージに最も近い、第１の方向に沿う直線状の領域をフィルムに形成するように、前記ステージに前記フィルムが対面するように支持された前記フィルムの少なくとも前記直線状の領域を、押圧機構により押圧する。
前記ステージ側と、前記フィルムの前記直線状の領域との間の領域であるスリット領域に光硬化性材料が供給される。
前記スリット領域に供給された前記光硬化性材料に、前記押圧機構及び前記フィルムを介してレーザ光が照射される。
１層分の前記光硬化性材料の硬化層を形成するために、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿う方向で、前記ステージ及び前記押圧機構が、前記フィルムに相対的に移動させられる。
前記レーザ光により前記光硬化性材料の前記硬化層を積層するために、前記ステージと前記フィルムの前記直線状の領域との間の距離が制御される。

本発明に係る造形物は、上記３次元光造形方法に形成された造形物である。

以上、本発明によれば、規制面を形成するフィルムから樹脂をきれいに引き剥がすことができ、各層の平面度を高め、または各層の厚さを高精度に制御することができる。

本発明の第１の実施形態に係る３次元光造形装置を示す斜視図である。 図１に示した３次元光造形装置の模式的な側面図及びその制御システムの構成を示すブロック図である。 ３次元光造形装置の動作を説明するための模式的な側面図である。 同様にその動作を説明するための模式的な側面図である。 スリット領域及びその周辺の状態を拡大して示す図である。 図３（Ｃ）に示した、造形ステージ上の樹脂液及び硬化層を拡大して示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る押圧機構を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る押圧機構を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る押圧機構を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る押圧機構を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[第１の実施形態]
（３次元光造形装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元光造形装置を示す斜視図である。

３次元光造形装置１００は、ベース１と、このベース１上の後方側に立設された２つの側壁２と、これら側壁２の間に配置されたステージ機構１０とを備える。

図２は、３次元光造形装置１００を示す模式的な側面図及びその制御システムの構成を示すブロック図である。

ステージ機構１０は、造形物が堆積される造形ステージ１５と、この造形ステージ１５に対面するようにフィルムＦを支持するフィルム支持機構４０とを備える。また、ステージ機構１０は、これら造形ステージ１５及びフィルム支持機構４０を支持し、これらを一体的に移動させるための移動ベース１１と、移動ベース１１をＹ軸に沿った方向で移動させるＹ軸移動機構７０を有する。Ｙ軸移動機構７０は、Ｙ軸移動モータ７２と、移動ベース１１の移動をガイドするガイドレール７１とを有する。ガイドレール７１は、ベース１上にＹ軸方向に沿って敷設されている。

フィルム支持機構４０は、フィルムＦが巻回されフィルムＦを供給する供給リール１６と、この供給リール１６と実質的に同じ高さ位置に配置された、供給リール１６から供給されるフィルムＦを巻き取る巻取リール１７とを有する。供給リール１６は、移動ベース１１上に立設された前方側の２つの柱部材１２の間に回転可能に支持されている。同様に、巻取リール１７は、移動ベース１１上に立設された後方側の２つの柱部材１３の間に回転可能に支持されている。

例えば、巻取リール１７は巻取モータ８により駆動され、供給リール１６は従動リールとなっている。造形ステージ１５上に造形物が形成される時、移動ベース１１はＹ軸方向に所定ピッチごとに間欠的に移動するが、この移動の間は、巻取リール１７は駆動せず、フィルムＦは移動ベース１１に対して固定された状態となる。

フィルムＦとしては、光透過性のものが用いられ、例えばポリカーボネート、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル等が用いられる。造形物の材料となる光硬化性材料ＲがフィルムＦから剥がれやすくなるように、表面にハードコート処理が施されたフィルムＦが用いられてもよい。

また、側壁２の間には、フィルム支持機構４０の供給リール１６及び巻取リール１７と実質的に同じ高さ位置に、フィルムＦの移動をガイドする、入口ガイドローラ２１及び出口ガイドローラ２２がＹ軸方向に並んで設けられている。これらの入口ガイドローラ２１及び出口ガイドローラ２２は、Ｘ軸に沿って長い形状を有し、側壁２にそれぞれ回転自在に支持されている。

側壁２の間であって、Ｙ軸方向において入口ガイドローラ２１及び出口ガイドローラ２２の間には、フィルム支持機構４０により支持されたフィルムＦを造形ステージ１５側に向けて押圧することで、フィルムＦにテンションを与える押圧機構３５が配置されている。押圧機構３５として、例えば曲面を有する光透過性部材としてのロッドレンズ２５が用いられる。ロッドレンズ２５はＸ軸方向に長い円柱状をなし、側壁２に回転自在に支持されている。

ロッドレンズ２５がフィルムＦを造形ステージ１５側に押し付けるために、ロッドレンズ２５とフィルムＦとの接触領域の高さ位置が、入口ガイドローラ２１（及び出口ガイドローラ２２）とフィルムＦとの接触領域の高さ位置に比べて異なるように、具体的には低くなるように設定されている。これにより、ロッドレンズ２５は、造形ステージ１５に最も近い、Ｘ軸に沿った直線状の領域Ａ１をフィルムＦに形成するように、フィルムＦのその直線状の領域Ａ１を押圧する。その結果、造形ステージ１５側と、そのフィルムＦの直線状の領域Ａ１との間にスリット領域Ｓ（図５参照）が形成され、後述するようにフィルムＦを介してこのスリット領域Ｓに光硬化性材料Ｒが供給される。

このように、図５に示すように、ロッドレンズ２５がフィルムＦを押圧することにより、直線状の領域Ａ１を含む曲面領域Ａ２がフィルムＦに形成される。

側壁２の間には、Ｘ軸に沿って長い形状を有し、光硬化性材料ＲをフィルムＦに供給する供給機構として供給ノズル２６が設けられている。供給ノズル２６は、図２に示すように、フィルム支持機構４０により支持されてロッドレンズ２５によりテンションが与えられた状態のフィルムＦと、造形ステージ１５側との間であって、かつ、入口ガイドローラ２１とロッドレンズ２５との間に配置される。供給ノズル２６は、その長手方向に沿って、光硬化性材料Ｒを吐出するための図示を省略したスリットまたは複数の穴を有する。これらのスリットまたは複数の穴は、フィルムＦが配置される側に向けて開口している。

なお、供給ノズル２６には、例えばこの供給ノズル２６に光硬化性材料Ｒを導入するための図示しないポンプ、配管、開閉バルブ等が接続されている。

図１に示すように、ステージ機構１０は、造形ステージ１５を支持し造形ステージ１５を移動ベース１１に対して昇降させる昇降機構（制御機構の一部または全部）１４を有する。昇降機構１４は、昇降モータ１９により造形ステージ１５を昇降させることにより、造形ステージ１５とフィルムＦの直線状の領域Ａ１との間の距離を制御する。昇降機構１４による造形ステージ１５の最上位置は、ロッドレンズ２５に接触したフィルムＦが配置される位置となっている。造形ステージ１５は、水平面内（Ｘ−Ｙ平面内）で円形を有しているが、円形に限られず矩形またはその他の形状であってもよい。光硬化性材料Ｒとしては、典型的には紫外線硬化樹脂が用いられる。

図１に示すように、３次元光造形装置１００は、供給ノズル２６から供給された光硬化性材料Ｒにレーザ光を照射する照射ユニット３０を備えている。３次元光造形装置１００の後方側において、ベース１から２つの支柱３が立設され、これら２つの支柱３の間には梁材４が架け渡されている。照射ユニット３０は、図２に示すように、この梁材４に設けられたＸ軸移動機構６０によりＸ軸に移動可能となっている。Ｘ軸移動機構６０は、Ｘ軸移動モータ６３と、梁材４に固定されたガイドレール６２ａを有するレール板６２と、レール板６２に移動可能に取り付けられた可動板６１とを有する。Ｘ軸移動機構６０は、レーザ光をＸ軸方向にスキャンさせるスキャン機構として機能する。

照射ユニット３０は、可動板６１に固定されており、レーザ光源３１と、レーザ光源３１の直下に配置された対物レンズホルダ３２と、対物レンズホルダ３２に保持された対物レンズ３４（図２、６参照）と、レーザ光源３１及び対物レンズホルダ３２を支持し、これらを可動板６１に固定する固定板３３とを有する。照射ユニット３０は、光硬化性材料Ｒに照射できるような位置に配置されている。

照射ユニット３０は、レーザ光源３１から出射されたレーザビームのスポット径を対物レンズ３４を用いて絞り、ロッドレンズ２５及びフィルムＦを介して、スリット領域Ｓ、または、スリット領域Ｓ及びその近傍の領域にある光硬化性材料Ｒに焦点を合わせる。すなわち、典型的には、対物レンズ３４はレーザ光の焦点が少なくともスリット領域Ｓにある光硬化性材料Ｒに合致するような光軸上の位置に配置される。

対物レンズ３４及びロッドレンズ２５の間において、その光軸上には補正レンズ２７が配置されている。補正レンズ２７は、光硬化性材料Ｒに照射されるレーザ光のビームスポットの形状を所望の形状に補正する。これにより、露光の解像度を上げることができる。しかし、造形物の形状の精度があまり要求されない場合には、補正レンズ２７は必要ない。なお、補正レンズ２７は、図示しないレンズホルダにより保持されればよい。

以上のように構成された３次元光造形装置１００では、入口ガイドローラ２１、出口ガイドローラ２２、供給ノズル２６、ロッドレンズ２５、及び、照射ユニット３０に対し、フィルムＦ、造形ステージ１５及び移動ベース１１が一体的にＹ軸方向に移動する。このように、造形ステージ１５及びフィルムＦが一体的に移動することにより、それぞれが別々に移動するような構成に比べ、Ｙ軸移動機構７０を簡易な構成により実現することができる。

図２に示した、昇降機構１４、Ｙ軸移動機構７０及びＸ軸移動機構６０は、例えばボールネジ駆動機構、ラックアンドピニオン駆動機構、ベルト駆動機構、または流体圧シリンダ駆動機構などにより実現することができる。

また、３次元光造形装置１００は、昇降モータ１９の駆動を制御する昇降モータコントローラ５１、巻取モータ８の駆動を制御する巻取モータコントローラ５４、Ｙ軸移動モータ７２の駆動を制御するＹ軸移動モータコントローラ５３、Ｘ軸移動モータ６３の駆動を制御するＸ軸移動モータコントローラ５５を備える。また、３次元光造形装置１００は、レーザ光源３１から出射されるレーザ光のパワーを制御するレーザパワーコントローラ５２を備える。これらの各コントローラの動作は、ホストコンピュータ５０により統括的に制御される。図示されていないが、３次元光造形装置１００は、供給ノズル２６に接続されたポンプや開閉バルブを駆動するためのコントローラも備えている。

上記各コントローラは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えている。ＣＰＵの代わりに、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が用いられてもよい。典型的には、各コントローラは互いに有線により接続されるが、これらコントローラのうち少なくとも１つは無線により３次元光造形装置１００内の制御システムに接続されてもよい。

（３次元光造形装置の動作）
次に、以上のように構成された３次元光造形装置１００の動作を説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）はその動作を順に示す図である。

図３（Ａ）は、３次元光造形装置１００の静止状態を示し、移動ベース１１が初期位置にある状態を示している。実際に造形を実行する前に、光硬化性材料Ｒである硬化層の１層分の厚さがホストコンピュータを介して設定される。そして、例えば昇降モータコントローラ５１の制御に応じた昇降機構１４の駆動により、造形ステージ１５が、ロッドレンズ２５により押圧されたフィルムＦの高さ位置まで上昇する。造形ステージ１５がフィルムＦに接触した時の造形ステージ１５の高さ位置が、Ｚ軸方向での原点として設定される。

なお、この原点の設定時における、造形ステージ１５のＹ軸方向での位置は、適宜設定可能である。

原点が設定されると、予め設定された、光硬化性材料Ｒの１層の厚さ分、造形ステージ１５が下降する。

造形ステージ１５が下降した後、造形ステージ１５はＹ軸移動機構７０により、図３（Ｂ）に示すような所定の位置である造形開始位置に移動する。この造形開始位置とは、造形ステージ１５と、ロッドレンズ２５によりフィルムＦに形成された直線状の領域Ａ１との間のスリット領域Ｓが形成することができるような造形ステージ１５のＹ軸に沿った方向での位置である。この造形開始位置は、スリット領域Ｓが形成できるような造形ステージ１５の位置であれば、形成される造形物のＹ軸方向での大きさにより適宜設定が変更され得る。

造形ステージ１５が造形開始位置に位置すると、供給ノズル２６から光硬化性材料ＲがフィルムＦの下面側に供給される。既に上で述べたように、光硬化性材料Ｒとして例えば紫外線硬化樹脂が用いられる。以下、これを便宜的に樹脂液Ｒという。

このようにしてフィルムＦに樹脂液Ｒが転写されると、例えば樹脂液Ｒは自重によりフィルムＦを伝っていくことで、スリット領域Ｓを含む、フィルムＦの下面と造形ステージ１５の表面との間を満たすようになる。この時のスリット領域Ｓ及びその周辺の状態を図５に拡大して示す。この状態から、レーザ光の樹脂液Ｒへの照射、つまり露光が開始される。

照射ユニット３０は、Ｘ軸移動モータコントローラ５５の制御によりＸ軸に沿った方向で移動しながら、造形対象物の１層分の中のＸ軸方向の１列分のデータに基づき、レーザパワーコントローラ５２の制御に応じて、樹脂液Ｒに対して選択的に露光していく。具体的には、レーザパワーコントローラ５２は、上記１列分のデータに応じてレーザパワーの変調信号を生成し、これをレーザ光源３１に送ることで、１層分中のＸ軸方向の１列分の樹脂液Ｒが選択的に露光され、硬化される。少なくともスリット領域Ｓにある樹脂液Ｒが露光され、あるいはスリット領域Ｓ及びその近傍の領域にある樹脂液Ｒが露光される。

レーザ光としては、紫外線の波長領域を有するものが用いられる。造形物の１層分の厚さは、１μ〜１００μｍであるが、この範囲に限られず適宜設定可能である。

樹脂液Ｒの１列分の露光が終了すると、レーザ光の照射動作が停止し、Ｙ軸移動機構７０により造形ステージ１５がＹ軸に沿った方向で前方側（図３（Ｂ）における左側）へ所定のピッチ移動する。そして、１層目内における次の１列分（最初の１列に隣接する１列）の選択的な露光が上記と同様に行われる。

３次元光造形装置１００は、以上のような動作を繰り返すことにより、図３（Ｃ）に示すように、１層分の樹脂液Ｒの選択的な硬化層、つまり１層分の造形物を形成する。このように、いわゆるラスタースキャンの要領によって、１層分の露光処理が行われる。造形ステージ１５のこのようなＹ軸に沿った方向における間欠的な移動のピッチは、レーザビームのスポット径にもより、つまり、造形物を形成するときの分解能にもよるが、この移動のピッチは適宜設定可能である。

図６は、図３（Ｃ）に示した、造形ステージ１５上の樹脂液Ｒ及び硬化層を拡大して示した図である。図６では、１層分の硬化層Ｒ１を黒塗りで表している。図６に示すように、ロッドレンズ２５より下流側である右側で、フィルムＦに硬化していない樹脂液Ｒが付着しており、また、形成された１層分の硬化層Ｒ１の上にも硬化していない樹脂液Ｒが付着しているが、これは問題ない。これについては後で説明する。

ここで、造形ステージ１５（及び移動ベース１１）がＹ軸移動機構７０によりＹ軸に沿った方向で移動する時、巻取リール１７は静止しており、フィルムＦは造形ステージ１５（及び移動ベース１１）に対して静止した状態となっている。したがって、造形ステージ１５（及び移動ベース１１）がＹ軸に沿った方向で移動する時に、フィルムＦとロッドレンズ２５との間の摩擦力により、ロッドレンズ２５が回転する。これにより、フィルムＦとロッドレンズ２５が擦れ合うことを防止でき、ロッドレンズ２５の劣化、あるいは、フィルムＦの曲面領域Ａ２でのしわや傷の発生を抑制できる。

また、樹脂液Ｒの１列分の露光が終了し、造形ステージ１５が所定の１ピッチ分移動する時、スリット領域Ｓより下流側（図５において例えばスリット領域Ｓより右側）では、フィルムＦがＺ軸方向において造形ステージ１５から離れていくように、造形ステージ１５が移動する。これにより、フィルムＦを樹脂の硬化層Ｒ１からきれいに剥がすことができる。

また、図５に示すように、フィルムＦの曲面領域Ａ２において、フィルムＦからロッドレンズ２５の曲面に法線方向に力が加えられてフィルムＦがロッドレンズ２５に密着している。したがって、樹脂液Ｒが硬化するときの収縮力がフィルムＦに加えられても、フィルムＦにしわや弛みなどの変形が発生することもなく、また、露光前における樹脂液Ｒの粘性によるフィルムＦの変形も防止できる。これにより、硬化層Ｒ１の平面度を高め、また、その厚さを高精度に制御することができる。

１層分の樹脂液Ｒへの露光が終了すると、造形ステージ１５が、その硬化層Ｒ１の１層の厚さ分、下降する。そして、移動ベース１１及び造形ステージ１５は、図３（Ｃ）に示す位置から図３（Ｂ）に示す造形開始位置に再び戻る。この場合、造形ステージ１５が下降している間に、移動ベース１１及び造形ステージ１５が造形開始位置に戻ってもよい。

その後、フィルムＦは巻取リール１７により所定の長さ分巻き取られ、新しいフィルムＦがロッドレンズ２５に押圧されるように配置される。このように１層ごとに新しいフィルムＦがロッドレンズ２５に供給されることにより、仮に１層目の造形処理においてフィルムＦに傷が付いた場合であっても、次の２層目の造形処理の硬化層Ｒ１の厚さの制御に悪影響を与えず、高精度な形状の造形物を形成することができる。しかし、ユーザにより造形物の形状の精度が要求されない場合、複数層の造形処理において同じフィルムＦが使用されてもよい。

そして、２層目の造形処理では、最初の１層と同様の動作によってその１層目の硬化層Ｒ１の上に残った、硬化していない樹脂液Ｒが露光されることにより、２層目の硬化層Ｒ１が形成される。このようにしてＺ軸方向に造形物が積層されていく間に、樹脂液Ｒが定期的に補充されるようにフィルムＦに供給される。

しかしもちろん、１層の造形処理ごと、あるいはそれより短い周期で、あるいは常時、樹脂液Ｒが補充されてもよい。

以上のようにして任意の厚さ分積層された造形物が既に形成された状態において、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、その造形物の上に、図３に示した動作と同様の動作によってさらに１層分の硬化層Ｒ１が形成される。

以上のように、本実施形態では、造形物の各層ごとの厚さを、正確に一定となるように維持することができる。また、これにより、１層ごとの硬化層Ｒ１の平面の均一性を向上させることができる。

従来の規制液面法では、フィルムから造形物を引き剥がす工程に時間を要していた。しかし、本実施形態では、露光処理時において造形ステージ１５のＹ軸に沿った方向でのステップ送り時にフィルムから造形物が引き剥がされていく。つまり露光処理と引き剥がし処理の時間帯が重複しているので、造形物の形成にかかる時間を短縮することができる。

本実施形態では、ロッドレンズ２５に接触したフィルムＦは、硬化層Ｒ１の収縮力や、樹脂液Ｒの粘性力に耐えることができるので、光硬化性材料の選択の幅が広がる。

[第２の実施形態]
上記第１の実施形態に係る３次元光造形装置１００では、押圧機構３５としてロッドレンズ２５が用いられたが、以下では、ロッドレンズ２５に代えた押圧機構について、４つの実施形態を説明する。以降の実施形態では押圧機構を中心に説明し、３次元光造形装置１００における、押圧機構３５以外の構成について同様なものは説明を簡略化または省略する。

図７に示す押圧機構１３５は、シリンドリカルレンズ１３１と、これを補強して支持する支持部材１３２とを有する。シリンドリカルレンズ１３１は、フィルムＦと接触するシリンドリカル面１３１ａを有する。支持部材１３２は、シリンドリカルレンズ１３１のシリンドリカル面１３１ａとは反対側の面に設けられており、レーザ光の光路を形成するためのスリット１３２ａを有する。

これらシリンドリカルレンズ１３１及び支持部材１３２は、上記第１の実施形態に係る３次元光造形装置１００と同様に、Ｘ軸に長い形状を有し、側壁２に取り付けられるが、上記ロッドレンズ２５のように回転はしない。支持部材１３２のスリット１３２ａは、Ｘ軸に沿って長い形状で形成される。支持部材１３２の、図中右側の部材及び左側の部材は、例えば支持部材１３２の長さ方向における両端において図示しない固定具により一体となるように固定される。

シリンドリカルレンズ１３１のシリンドリカル面１３１ａがフィルムＦを押圧することにより、造形ステージ１５側に最も近い直線状の領域Ａ１がフィルムＦに形成される。

このような押圧機構３５によれば、ロッドレンズ２５に比べ、シリンドリカルレンズ１３１の光軸方向の厚さを薄く形成できるので、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を上げることができる。したがって、レーザビームのスポット径を小さくすることができ、露光の解像度が上がり、高精度な造形物を形成することができる。

シリンドリカルレンズ１３１の光軸部分における厚さは、４〜５ｍｍであるが、この範囲に限られない。

また、この押圧機構１３５では、フィルムＦとシリンドリカルレンズ１３１との間に摩擦力が働くので、その間に潤滑液を供給する機構が設けられていてもよい。この場合例えば、供給ノズル２６の、フィルムＦを挟んで対向する位置に、フィルムＦ面に潤滑液を供給するノズルが配置されていてもよい。

また例えば、その潤滑液として、シリンドリカルレンズ１３１と実質的に同じ程度の屈折率を持つものが用いられる場合、シリンドリカルレンズ１３１とフィルムＦとの界面におけるレーザ光の反射を低減することができる。

[第３の実施形態]
図８は、第３の実施形態に係る押圧機構を示す断面図である。

本実施形態に係る押圧機構２３５の支持部材２３２は、光路を形成するためのスリット２３２ａと、そのスリット２３２ａ内に配置されたシリンドリカルレンズ２３１とを有する。また、支持部材２３２は、支持部材２３２とフィルムＦとの間、及び、シリンドリカルレンズ２３１とフィルムＦとの間に圧縮空気を導入する流路２３２ｂを有する。流路２３２ｂは、例えばスリット１３２ａの両側に配置され、Ｘ軸に沿って長いスリット形状でもよいし、Ｘ軸に沿って配列された複数の貫通穴であってもよい。この流路２３２ｂは、図示しない、配管を有する圧縮空気の供給源に接続される。

支持部材２３２、スリット２３２ａ及びシリンドリカルレンズ２３１は、上記第２の実施形態と同様に、Ｘ軸に沿って長い形状を有している。

シリンドリカルレンズ２３１の、フィルムＦと接触するシリンドリカル面は、支持部材２３２の、フィルムＦと接触する曲面と連続的な曲面とされている。つまり、両者の曲率が実質的に同じとされている。シリンドリカルレンズ１３１及び支持機構がフィルムＦを押圧することにより、造形ステージ１５側に最も近い直線状の領域Ａ１がフィルムＦに形成される。

本実施形態では、支持部材２３２の流路２３２ｂから導入された圧縮空気はフィルムＦに向けて噴出され、押圧機構３５とフィルムＦとの間を通って押圧機構３５のＹ軸方向での両側から外部に排出される。つまり圧縮空気がクッションの機能を有し、押圧機構３５とフィルムＦとの間を非接触とすることができ、その間の摩擦力を大幅に低減することができる。

また、圧縮空気の圧力や空気の流量を調整することによりフィルムＦのテンションを調整することができ、樹脂液Ｒの硬化層の厚さを高精度に制御することができる。

[第４の実施形態]
図９は、第４の実施形態に係る押圧機構を示す断面図である。

この押圧機構３３５は、図８に示した押圧機構２３５においてシリンドリカルレンズ２３１がない構造の押圧機構である。すなわち、この押圧機構３３５のテンション部材３３２は、レーザ光の光路と、この光路を形成するために、Ｘ軸に沿った方向に長い形状で形成されたスリット３３２ａと、圧縮空気の流路３３２ｂとを有する。

テンション部材３３２のフィルムＦに対面する面３３２ｃは、曲面（例えばシリンドリカル面）状に形成され、その曲面に連続するようにスリット３３２ａの開口面３３２ｄが形成される。この開口面３３２ｄは、フィルムＦに直線状の領域Ａ１を形成するための面となる。この面は平面であるため、直線状の領域Ａ１も平面領域となる。

このような押圧機構３３５により、フィルムＦにテンションが加えられると、テンション部材３３２の面３３２ｃにより曲面領域がフィルムＦに形成され、かつ、その曲面領域に連続するように、上記平面領域がフィルムＦに形成される。

本実施形態では、レーザ光はレンズを通らないので、レーザ光の屈折がない。したがって、対物レンズ３４から出射されたレーザビームのスポット形状は変わらないので、露光の解像度を高めることができる。

なお、本実施形態では、必ずしも圧縮空気を用いなくてもよい。

[第５の実施形態]
図１０は、第５の実施形態に係る押圧機構を示す断面図である。

この押圧機構４３５は、図９に示したテンション部材３３２と同様のテンション部材４３２と、このテンション部材４３２のスリット４３２ａの上部開口を塞ぐ光透過性のカバー４３１とを有する。カバー４３１は、スリット４３２ａ内を減圧することができるようにするためのカバー４３１である。スリット４３２ａ内を減圧するための図示しない圧力制御機構が接続される。圧力制御機構としては、例えばスリット４３２ａ内を減圧するために必要な、少なくとも真空ポンプを含む機構である。

このように、スリット４３２ａ内が減圧されることにより、例えば少なくともフィルムＦの直線状の領域Ａ１と造形ステージ１５側との間で硬化された樹脂液Ｒの収縮力に対抗できるようにその真空度が制御可能となる。つまり、樹脂液Ｒの収縮力によりフィルムＦが下方に引っ張られる力に対して逆向きの力をフィルムＦに与えることができる。これにより、フィルムＦは、直線状の領域Ａ１において平面度を高めることができるので、硬化層の厚さを高精度に制御することができる。

本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態がある。

光硬化性材料Ｒとして、紫外線硬化樹脂に限られず、可視光や赤外線により硬化するものであってもよい。つまり、所定の波長領域の所定の光エネルギーの照射により硬化される材料であれば、光硬化性材料Ｒは何でもよい。この場合、もちろん光硬化性材料Ｒの種類に応じてレーザ光源３１の波長領域が適宜選択される。

レーザ光をＸ軸方向に沿ってスキャンさせるＸ軸移動機構６０の構成として、上記実施形態のものに限られない。例えば、ガルバノスキャナあるいはポリゴンミラー等を用いた光学スキャン機構が用いられてもよい。ガルバノスキャナあるいはポリゴンミラー等を用いた光学スキャン機構が用いられた場合、上記Ｘ軸移動機構６０が用いられる場合に比べ、高速なスキャンが可能となり、高速露光処理が可能となる。しかし、そのような光学スキャン機構では、Ｘ軸移動機構６０と実質的に同じ露光解像度を得ようとすると、光学設計がそれより複雑になる。

図５及び６に示したシリンドリカルレンズ１３１のシリンドリカル面１３１ａに限られない。そのレンズのフィルムＦと接触する部分の断面の外形が楕円の一部であるか、あるいは双曲線であってもよい。

上記各実施形態は、移動ベース１１の移動により、フィルムＦ及び造形ステージ１５が一体的に移動する形態であった。しかし、フィルムＦ及び造形ステージ１５がベース１に対して静止した状態で、側壁２が移動して、ロッドレンズ２５等がＹ軸に沿って移動してもよい。あるいは、フィルムＦ、造形ステージ１５及び側壁２のうち少なくとも１つが移動してもよい。

造形ステージ１５は、その表面が水平となるように配置される形態に限られず、Ｚ軸に沿った垂直面、あるいは、斜めの面に沿って設けられていてもよい。あるいは、造形ステージの造形物が堆積される面が下方に向くように、造形ステージが配置されていてもよい。これらの場合、その造形ステージの姿勢に合わせて、フィルムＦは造形ステージに対面するように支持されていればよい。

上記供給ノズル２６の配置は、上記各実施形態に限られず、樹脂液Ｒがスリット領域Ｓに供給されれば、どのような配置でもよい。

Ｘ軸に沿った直線状の領域の長さ方向であるＸ軸方向と、造形ステージ１５及びフィルムＦの移動方向であるＹ軸方向とが直交する形態に限られず、それらが斜めであってもよい。

Ｆ…フィルム
Ｒ…光硬化性材料（樹脂液）
Ａ１…直線状の領域
Ｓ…スリット領域
Ａ２…曲面領域
１０…ステージ機構
１４…昇降機構
１５…造形ステージ
２５…ロッドレンズ
２６…供給ノズル
２７…補正レンズ
３０…照射ユニット
３１…レーザ光源
３５、１３５、２３５、３３５、４３５…押圧機構
４０…フィルム支持機構
６０…Ｘ軸移動機構
７０…Ｙ軸移動機構
１００…３次元光造形装置
１３１、２３１…シリンドリカルレンズ
１３１ａ…シリンドリカル面
１３２、２３２…支持部材
１３２ａ、２３２ａ、３３２ａ、４３２ａ…スリット
２３２ｂ、３３２ｂ…流路
３３２ｃ…面（曲面）
３３２ｄ…開口面

Claims (16)

1. ステージと、
   前記ステージにフィルムを対面させるように前記フィルムを支持する支持機構と、
   前記ステージに対面する前記ステージに最も近い、第１の方向に沿う直線状の領域を前記フィルムに形成するように、前記支持機構に支持された前記フィルムの少なくとも前記直線状の領域を押圧する押圧機構と、
   前記ステージ側と、前記フィルムの前記直線状の領域との間の領域であるスリット領域に光硬化性材料を供給する供給機構と、
   前記供給機構により前記スリット領域に供給された前記光硬化性材料に、前記押圧機構及び前記フィルムを介してレーザ光を照射する照射ユニットと、
   １層分の前記光硬化性材料の硬化層を形成するために、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿う方向で、前記ステージ及び前記押圧機構を、前記フィルムに相対的に移動させる移動機構と、
   前記レーザ光により前記光硬化性材料の前記硬化層を積層するために、前記ステージと前記フィルムの前記直線状の領域との間の距離を制御する制御機構と
   を具備する３次元光造形装置。
2. 請求項１に記載の３次元光造形装置であって、
   前記押圧機構は、前記フィルムに前記直線状の領域を含む曲面領域を形成するように、前記フィルムを押圧する３次元光造形装置。
3. 請求項２に記載の３次元光造形装置であって、
   前記押圧機構は、前記曲面領域の形状に対応する曲面を有する光透過性部材を有する３次元光造形装置。
4. 請求項３に記載の３次元光造形装置であって、
   前記光透過性部材は、円柱状レンズである３次元光造形装置。
5. 請求項４に記載の３次元光造形装置であって、
   前記円柱状レンズは、前記第１の方向に沿う軸を中心に回転可能に設けられている３次元光造形装置。
6. 請求項４に記載の３次元光造形装置であって、
   前記光硬化性材料に照射される前記レーザ光のビームスポットの形状を補正するための補正レンズをさらに具備する３次元光造形装置。
7. 請求項３に記載の３次元光造形装置であって、
   前記光透過性部材は、前記曲面としてシリンドリカル面を有するシリンドリカルレンズである３次元光造形装置。
8. 請求項３に記載の３次元光造形装置であって、
   前記押圧機構は、前記光透過性部材を支持する支持部材を有し、
   前記支持部材は、
   前記曲面領域を形成するために、前記光透過性部材の前記曲面に連続するように設けられた曲面と、
   前記光透過性部材の前記曲面及び前記支持部材の曲面と、前記フィルムとの間にガスを導入する流路と
   を有する３次元光造形装置。
9. 請求項１に記載の３次元光造形装置であって、
   前記押圧機構は、前記直線状の領域を含む平面領域と、前記平面領域に連続するように設けられた曲面領域とを前記フィルムに形成するように、前記フィルムを押圧する３次元光造形装置。
10. 請求項９に記載の３次元光造形装置であって、
    前記押圧機構は、
    前記レーザ光の光路と、
    前記平面領域の形状に対応する開口面を有し、前記光路が形成されたスリットと、
    前記開口面に連続するように設けられ、前記曲面領域の形状に対応する曲面と
    を含む３次元光造形装置。
11. 請求項１０に記載の３次元光造形装置であって、
    前記押圧機構は、
    前記開口面及び前記曲面と、前記フィルムとの間にガスを導入する流路をさらに有する３次元光造形装置。
12. 請求項１０に記載の３次元光造形装置であって、
    前記スリット内の圧力を制御する圧力制御機構をさらに具備する３次元光造形装置。
13. 請求項１から１２のうちいずれか１項に記載の３次元光造形装置であって、
    前記第１の方向に沿う方向で、前記レーザ光を、前記押圧機構及び前記ステージに相対的にスキャンさせるスキャン機構をさらに具備する３次元光造形装置。
14. 請求項１から１３のうちいずれか１項に記載の３次元光造形装置であって、
    前記移動機構は、前記ステージ及び前記フィルムを一体的に、前記押圧機構に相対的に移動させる３次元光造形装置。
15. ステージに対面する前記ステージに最も近い、第１の方向に沿う直線状の領域をフィルムに形成するように、前記ステージに前記フィルムが対面するように支持された前記フィルムの少なくとも前記直線状の領域を、押圧機構により押圧し、
    前記ステージ側と、前記フィルムの前記直線状の領域との間の領域であるスリット領域に光硬化性材料を供給し、
    前記スリット領域に供給された前記光硬化性材料に、前記押圧機構及び前記フィルムを介してレーザ光を照射し、
    １層分の前記光硬化性材料の硬化層を形成するために、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿う方向で、前記ステージ及び前記押圧機構を、前記フィルムに相対的に移動させ、
    前記レーザ光により前記光硬化性材料の前記硬化層を積層するために、前記ステージと前記フィルムの前記直線状の領域との間の距離を制御する
    ３次元光造形方法。
16. ステージに対面する前記ステージに最も近い、第１の方向に沿う直線状の領域をフィルムに形成するように、前記ステージに前記フィルムが対面するように支持された前記フィルムの少なくとも前記直線状の領域を、押圧機構により押圧し、
    前記ステージ側と、前記フィルムの前記直線状の領域との間の領域であるスリット領域に光硬化性材料を供給し、
    前記スリット領域に供給された前記光硬化性材料に、前記押圧機構及び前記フィルムを介してレーザ光を照射し、
    １層分の前記光硬化性材料の硬化層を形成するために、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿う方向で、前記ステージ及び前記押圧機構を、前記フィルムに相対的に移動させ、
    前記レーザ光により前記光硬化性材料の前記硬化層を積層するために、前記ステージと前記フィルムの前記直線状の領域との間の距離を制御する
    ３次元光造形方法により形成された造形物。

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