JP2017533455A - ３ｄプリンタおよびこれに用いられる鏡筒モジュール - Google Patents

Abstract

本発明の鏡筒モジュールは、入射光の伝播方向に沿って同軸に配列される第一レンズ、第二レンズおよび第三レンズを含み、前記第一レンズ、第二レンズおよび第三レンズはいずれもメニスカス状のレンズである。前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を含み、前記第二レンズは第三曲面と第四曲面を含み、前記第三レンズは第五曲面と第六曲面を含み、前記第一曲面ないし第六曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列される。前記第一曲面ないし第六曲面の曲率半径は順に、−２００±５％、−１００±５％、−８０±５％、−１５０±５％、−１００±５％、−７０±５％であり、これらの単位はミリメートルである。前記鏡筒モジュールにより３Ｄプリンタの効率を向上させ、大型部品を造形することができる。本発明は３Ｄプリンタを更に提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザー加工システムに関し、特に、３Ｄプリンタおよびこれに用いられる鏡筒モジュールに関するものである。

現在、３Ｄプリンタにより様々な物体を造形することができる。例えば、小さいものであればアクセサリーの部品、大きいものであれば３次元の家を造形することができる。常用の３Ｄプリンタにおいて、コンピュータの制御により、所定形状の部品の輪郭に沿って、紫外線レーザーで液体状の感光性樹脂を１スポットずつ、且つ１レイヤーずつ照射し、照射された液体状の樹脂が光重合反応によって固化することにより部品の１つの断面レイヤーを形成し、このようなステップを繰り返すことにより部品全体を造形することができる。３Ｄプリンタは、制御装置によって反射鏡と鏡筒モジュールの移動を制御することにより、光束の焦点を移動させ、１スポットずつのプリントをすることができる。しかしながら、このような３Ｄプリンタは、造形の速度が遅く、効率が低く、大型部品を容易に造形することができないという欠点を有している。

本発明の目的は、造形の効率が高い３Ｄプリンタとこれに用いられる鏡筒モジュールを提供することにある。

鏡筒モジュールであって、入射光の伝播方向に沿って順に同軸に配列される第一レンズ、第二レンズおよび第三レンズを含み、前記第一レンズ、第二レンズおよび第三レンズはいずれもメニスカス状のレンズであり、前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を含み、前記第二レンズは第三曲面と第四曲面を含み、前記第三レンズは第五曲面と第六曲面を含み、前記第一曲面ないし第六曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列され、前記第一曲面ないし第六曲面の曲率半径は順に、−２００±５％、−１００±５％、−８０±５％、−１５０±５％、−１００±５％、−７０±５％であり、これらの単位はミリメートルである。

本発明の一実施例において、前記第一レンズないし第三レンズの中心の厚さは順に、５±５％、４±５％、３±５％であり、これらの単位はミリメートルである。

本発明の一実施例において、前記第一レンズの屈折率とアッベ数の比例は（１．６２／５６）±５％であり、前記第二レンズの屈折率とアッベ数の比例は（１．６０／４５）±５％であり、前記第三レンズの屈折率とアッベ数の比例は（１．６３／５５）±５％である。

本発明の一実施例において、前記鏡筒モジュールの全長は３０ミリメートルであり、前記鏡筒モジュールの外径は９０ミリメートル以下である。

本発明の一実施例において、前記鏡筒モジュールは、入射光の伝播方向に沿う場合の前記第三レンズの後ろに位置する第四レンズを更に含み、該第四レンズは平板型のレンズである。

本発明の一実施例において、前記第四レンズは保護用ガラスであり、その中心の厚さは５±５％ミリメートルであり、前記第四レンズの屈折率とアッベ数の比例は（１．５１／６４）±５％である。

本発明の一実施例において、前記鏡筒モジュールの焦点距離は２２００ミリメートルであり、入射瞳の直径は３０ミリメートルであり、作業光線の波長は１０６４〜６３０ナノメートルである。

３Ｄプリンタであって、光の伝播方向に順に配列されるレーザー装置、ビームエキスパンダー、第一ガルバノミラー、第二ガルバノミラー、前記鏡筒モジュール、および造形台を含み、前記レーザー装置、ビームエキスパンダーおよび前記第一ガルバノミラーは同軸に設けられ、前記第二ガルバノミラーと前記第一ガルバノミラーは互いに平行に設けられ、前記第二ガルバノミラー、前記鏡筒モジュールおよび前記造形台は同軸に設けられる。

本発明の一実施例において、前記３Ｄプリンタは、前記造形台の付近に設けられるガイドフレームと、該ガイドフレーム上に滑動可能に設けられる引上げ部材とを更に含み、前記造形台には収納槽が形成されており、前記引上げ部材の一端は前記造形台の収納槽内に移動可能に設置されている。

鏡筒モジュールの３個のレンズの配置とパラメーターにより、鏡筒モジュールは、非常に長い焦点距離を獲得し、３Ｄプリンタの造形の効率を向上させることができ、かつ大型部品を造形することができる。

図面に示された本発明の好適な実施例の技術的事項により、本発明の目的、特徴および発明の効果をより詳細に理解することができる。各図面において、同様な符号は同様な部分を示す。下記図面は、実際の製品のサイズの比例によって画いたものではなく、本発明の趣旨をよく表すことができるように画かれている。
本発明の一実施例の３Ｄプリンタの構造を示す図である。 図１に示される３Ｄプリンタの鏡筒モジュールを示す図である。 図２に示される鏡筒モジュールの収差を示す図である。 図２に示される鏡筒モジュールの変調伝達関数を示すＭ.Ｔ.Ｆ図である。 図２に示される鏡筒モジュールの像面湾曲を示す図である。 図２に示される鏡筒モジュールの変形を示す図である。

本発明の目的、特徴および発明の効果をより詳細に理解してもらうため、以下、図面により本発明の具体的な実施例をより詳細に説明する。下記実施例に示される具体的な技術的事項により、本発明を充分に理解してもらうことができる。明細書には本発明の好適な実施例が示されているが、本発明はそれらと異なる他の実施形態によって実施されることもできる。すなわち、本技術分野の技術者は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で色々な設計の変更などをすることができ、本発明は下記実施例の構成にのみ限定されるものではない。

注意されたいことは、本明細書では光の伝播方向は図面の左側から右側に向かう。レンズの曲率半径の正負は曲面の球心の位置、及び曲面と主光軸の交差点によって決められ、曲面の球心が前記交差点の左側に位置するとき、曲率半径は負数になり、逆に、曲面の球心が前記交差点の右側に位置するとき、曲率半径は正数になる。鏡筒の左側には物体が位置しており、鏡筒の右側には結像が位置している。正レンズはレンズの中心の厚さが辺縁の厚さより厚いレンズを指し、負レンズはレンズの中心の厚さが辺縁の厚さより薄いレンズを指す。

図１を参照すると、本発明の一実施例の３Ｄプリンタ１００は、光の伝播方向に順に配列されるレーザー装置１０、ビームエキスパンダー２０、第一ガルバノミラー３０、第二ガルバノミラー４０、鏡筒モジュール５０および造形台５５を含む。３Ｄプリンタ１００は、造形台５５の付近に設けられるガイドフレーム６０と、ガイドフレーム６０上に滑動可能に設けられる引上げ部材７０とを更に含む。レーザー装置１０、ビームエキスパンダー２０および第一ガルバノミラー３０は同軸に設けられ、第二ガルバノミラー４０と第一ガルバノミラー３０は互いに平行に設けられる。第二ガルバノミラー４０、鏡筒モジュール５０および造形台５５は同軸に設けられ、造形台５５は鏡筒モジュール５０の上方に位置する。本実施例において、造形台５５には収納槽５５１が形成されており、この内部には部品成型用の液体凝固剤が収納されている。引上げ部材７０の一端は造形台５５の収納槽５５１内に移動可能に設置されている。第一ガルバノミラー３０はＸ方向のガルバノミラーであり、第二ガルバノミラー４０はＹ方向のガルバノミラーである。

図２を参照すると、鏡筒モジュール５０の全長は３０ミリメートルであり、最大外径は９０ミリメートルである。鏡筒モジュール５０は、入射光の伝播方向に沿って順に同軸に配列される第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３および第四レンズＬ４を含む。第一レンズＬ１、第二レンズＬ２および第三レンズＬ３はいずれもメニスカス状のレンズであり、第四レンズＬ４は平板型のレンズである。第一レンズＬ１は第一曲面Ｓ１と第二曲面Ｓ２を含み、第二レンズＬ２は第三曲面Ｓ３と第四曲面Ｓ４を含み、第三レンズＬ３は第五曲面Ｓ５と第六曲面Ｓ６を含み、第四レンズＬ４は第七曲面Ｓ７と第八曲面Ｓ８を含む。各レンズにおいて２つの曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面になり、第一曲面Ｓ１ないし第八曲面Ｓ８は入射光の伝播方向に沿って順に配列される。第一曲面Ｓ１、第二曲面Ｓ２、第三曲面Ｓ３、第四曲面Ｓ４、第五曲面Ｓ５および第六曲面Ｓ６の湾曲方向は同様であり、いずれも入射光の伝播方向（すなわち結像側に向かう方向）に突出している。第七曲面Ｓ７と第八曲面Ｓ８は平面である。本実施例において、第四レンズＬ４は保護用ガラスである。注意されたいことは、第四レンズＬ４を設けなくてもよい。

第一レンズＬ１の屈折率とアッベ数の比例は１．６２／５６である。第一レンズＬ１の第一曲面Ｓ１は結像側へ突出しており、曲率半径は−２００ミリメートルである。第二曲面Ｓ２は結像側へ突出しており、曲率半径は−１００ミリメートルである。第一レンズＬ１の中心の厚さｄ１（すなわちレンズの光軸上の厚さ）は５ミリメートルである。第一レンズＬ１の前記各パラメーターはいずれも５％の公差の範囲を有することができる。すなわち、各パラメーターは±５％の範囲内で変化することができる。

第二レンズＬ２の屈折率とアッベ数の比例は１．６０／４５である。第二レンズＬ２の第三曲面Ｓ３は結像側へ突出しており、曲率半径は−８０ミリメートルである。第四曲面Ｓ４は結像側へ突出しており、曲率半径は−１５０ミリメートルである。第二レンズＬ２の中心の厚さｄ２は４ミリメートルである。第二レンズＬ２の前記各パラメーターはいずれも５％の公差の範囲を有することができる。

第三レンズＬ３の屈折率とアッベ数の比例は１．６３／５５である。第三レンズＬ３の第五曲面Ｓ５は結像側へ突出しており、曲率半径は−１００ミリメートルである。第六曲面Ｓ６は結像側へ突出しており、曲率半径は−７０ミリメートルである。第三レンズＬ３の中心の厚さｄ３は５ミリメートルである。第三レンズＬ３の前記各パラメーターはいずれも５％の公差の範囲を有することができる。

第四レンズＬ４の屈折率とアッベ数の比例は１．５１／６４である。第四レンズＬ４の第七曲面Ｓ７と第八曲面Ｓ８の曲率半径はいずれも∞である。第四レンズＬ４の中心の厚さｄ４は３ミリメートルである。第四レンズＬ４の前記各パラメーターはいずれも５％の公差の範囲を有することができる。

上述した構造を有している鏡筒モジュール５０のパラメーターにおいて、焦点距離は２２００ミリメートルであり、入射瞳の直径は３０ミリメートルであり、視野角は５０度であり、作業光線の波長は１０６４〜６３０ナノメートルである。鏡筒モジュール５０により３Ｄプリンタの加工可能な加工対象物のサイズを大いに増加させることができる。加工対象物が円柱体であるとき、加工可能な加工対象物の体積はＶ＝Ф＊Ｌ（Ｌは加工対象物の長さである）であり、直径Фの最大値は２メートルに達することができる。加工対象物の断面が四角形であるとき、加工可能な加工対象物の体積はＶ＝Ｓ＊Ｌであり、面積Ｓの最大値は１．４＊１．４平方メートルに達することができる。鏡筒モジュール５０のテスト結果は図３〜図６に示されるとおりである。

図３は鏡筒モジュール５０の幾何的収差を示す図である。この図において、ＤＢＪは視野角を意味し、単位は度であり、ＩＭＡは結像面の結像の直径を意味し、単位はミリメートルである。図３には長さが４００ミリメートルである標尺が示されている。図３に示されるスポットのとおり、鏡筒モジュール５０の集光スポットのサイズは小さくなっており、理想的な解像度になっている。すなわち、全視野角内の錯乱円の幾何的サイズはいずれも０．０４ミリメートル以下である。

図４は鏡筒モジュール５０の変調伝達関数（modulation transfer function、Ｍ.Ｔ.Ｆ）を示す図である。この図において、横座標は解像度を意味し、単位はラインペア／ミリメートルであり、ＴＳは視野角を意味し、単位は度である。Ｍ.Ｔ.Ｆが０．３であるとき、解像度は７ラインペア／ミリメートルになっている。すなわち、解像度は約０．０７ミリメートルになり、理想的な状態になっている。

図５は図１に示される実施例の鏡筒モジュール５０の像面湾曲を示す図である。図５において、縦座標＋Ｙは視野角の大きさを意味し、横座標の単位はミリメートルである。図６は図１に示される実施例の鏡筒モジュール５０の変形を示す図である。図６において、縦座標＋Ｙは視野角の大きさを意味し、横座標の単位はパーセントである。図５〜図６に示されるとおり、鏡筒モジュール５０の色収差は焦点深度内に入っているので、システムは波長が１０６４ナノメートルである作業光線を採用し、波長が６３０ナノメートルである光線（可視光）を監視システムの光線にすることができる。また、波長が６３０ナノメートルである光線を同時に作業光線と監視システムの光線にする場合であっても、像面湾曲と変形はいずれも理想的な状態に達することができる。

図１を再び参照すると、３Ｄプリンタ１００が作業をするとき、レーザー装置１０から出射したレーザービームはビームエキスパンダー２０を経て第一ガルバノミラー３０に到達する。第一ガルバノミラー３０はレーザービームを第二ガルバノミラー４０に反射し、第二ガルバノミラー４０はレーザービームを鏡筒モジュール５０に反射する。鏡筒モジュール５０によって色収差が除去されたレーザービームが造形台５５に伝播することにより、収納槽５５１内の液体凝固剤を固化させ、引上げ部材７０上に所定の形状を有している固化層を形成することができる。この過程において、引上げ部材７０によって前記固化層を上方に移動させ、レーザービームによって液体凝固剤が固化することにより前記固化層に続いて次の固化層を形成することができる。これにより部品を造形することができる。したがって、造形された部品は複数の前記固化層を含む。

鏡筒モジュール５０の第一レンズないし第四レンズの配置とパラメーターにより、鏡筒モジュール５０は、かなり長い焦点距離を獲得し、３Ｄプリンタ１００の造形の効率を向上させることができ、かつ大型部品を造形することができる。また、鏡筒モジュール５０によって色収差を除去することができる。また、鏡筒モジュール５０は４個のレンズのみを採用するので、光学部品の構成材料の種類を有効に低減することができる。

３Ｄプリンタ１００が第一ガルバノミラー３０と第二ガルバノミラー４０を採用することにより、レーザービームはＸ軸とＹ軸の方向の走査をし、レーザービームの偏向を容易に実現することができる。これにより、レーザービームを所定の軌跡で移動させ、造形の速度を有効に向上させることができる。３Ｄプリンタ１００により外形が複雑な部品を造形できるほか、内部の構造が複雑な部品を造形することもできる。

注意されたいことは、造形台５５の液体凝固剤の代わりに固体を採用するとき、３Ｄプリンタ１００のレーザー装置１０、ビームエキスパンダー２０、第一ガルバノミラー３０、第二ガルバノミラー４０および鏡筒モジュール５０を造形台５５の上方に設け、レーザービームの伝播方向が上から下に向かうようにすることができる。また、造形台５５は他の形状に形成されてもよい。３Ｄプリンタ１００が他タイプの３Ｄプリンタである場合、ガイドフレーム６０と引上げ部材７０を設けなくてもよい。

以上、上述した複数の実施例により本発明の好適な実施例を詳述してきたが、本発明の構成は前記実施例にのみ限定されるものでない。本技術分野の当業者は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で設計の変換等を行うことができ、このような設計の変更等があっても本発明に含まれることは勿論である。本発明の保護範囲は後述する特許請求の範囲が定めたことを基準にする。

Claims (9)

1. 鏡筒モジュールであって、入射光の伝播方向に沿って順に同軸に配列される第一レンズ、第二レンズおよび第三レンズを含み、前記第一レンズ、第二レンズおよび第三レンズはいずれもメニスカス状のレンズであり、前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を含み、前記第二レンズは第三曲面と第四曲面を含み、前記第三レンズは第五曲面と第六曲面を含み、前記第一曲面ないし第六曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列され、前記第一曲面ないし第六曲面の曲率半径は、−２００±５％、−１００±５％、−８０±５％、−１５０±５％、−１００±５％、−７０±５％であり、これらの単位はミリメートルであることを特徴とする鏡筒モジュール。
2. 前記第一レンズないし第三レンズの中心の厚さは順に、５±５％、４±５％、３±５％であり、これらの単位はミリメートルであることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒モジュール。
3. 前記第一レンズの屈折率とアッベ数の比例は（１．６２／５６）±５％であり、前記第二レンズの屈折率とアッベ数の比例は（１．６０／４５）±５％であり、前記第三レンズの屈折率とアッベ数の比例は（１．６３／５５）±５％であることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒モジュール。
4. 前記鏡筒モジュールの全長は３０ミリメートルであり、前記鏡筒モジュールの外径は９０ミリメートル以下であることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒モジュール。
5. 前記鏡筒モジュールは、入射光の伝播方向に沿う場合の前記第三レンズの後ろに位置する第四レンズを更に含み、該第四レンズは平板型のレンズであることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒モジュール。
6. 前記第四レンズは保護用ガラスであり、その中心の厚さは５±５％ミリメートルであり、前記第四レンズの屈折率とアッベ数の比例は（１．５１／６４）±５％であることを特徴とする請求項５に記載の鏡筒モジュール。
7. 前記鏡筒モジュールの焦点距離は２２００ミリメートルであり、入射瞳の直径は３０ミリメートルであり、作業光線の波長は１０６４〜６３０ナノメートルであることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒モジュール。
8. ３Ｄプリンタであって、光の伝播方向に順に配列されるレーザー装置、ビームエキスパンダー、第一ガルバノミラー、第二ガルバノミラー、請求項１に記載の鏡筒モジュール、および造形台を含み、前記レーザー装置、ビームエキスパンダーおよび前記第一ガルバノミラーは同軸に設けられ、前記第二ガルバノミラーと前記第一ガルバノミラーは互いに平行に設けられ、前記第二ガルバノミラー、前記鏡筒モジュールおよび前記造形台は同軸に設けられることを特徴とする３Ｄプリンタ。
9. 前記３Ｄプリンタは、前記造形台の付近に設けられるガイドフレームと、該ガイドフレーム上に滑動可能に設けられる引上げ部材とを更に含み、前記造形台には収納槽が形成されており、前記引上げ部材の一端は前記造形台の収納槽内に移動可能に設置されていることを特徴とする請求項８に記載の３Ｄプリンタ。