JP2019137907A - 構造物の製造方法、構造物、光学装置、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料の放出の低減に有利な構造物の製造方法を提供する。【解決手段】光照射により材料を硬化させて層を形成することを繰り返す過程で、穴を有する積層部材を形成し、続いて形成された積層部材の穴を閉塞する。この形成と閉塞の間において、積層部材の中の材料を穴から出すことを特徴とする構造物の製造方法。【選択図】図４

Description

本発明は、構造物の製造方法、構造物、光学装置、及び撮像装置に関する。

光ビームの照射等の加熱手段を用い、粉末材料の溶融・凝固（硬化）により得られた層を繰り返し積み重ねることにより構造物を造形（形成）する粉末焼結積層法が知られている。

粉末焼結積層法は、刃物による切削法や、金型に溶融した材料を流し込んで造形する成型法に比べて、複雑な形状の構造物を造形することが容易であり、特に、中空の構造物を容易に造形することができる。中空形状の造形は、材料の一部を硬化させ、硬化させなかった材料を残したまま次の層を重ねて造形し、造形完了後に、構造物に形成されている穴から、硬化させなかった材料を抜き取ることにより行われうる（特許文献１及び２）。

国際公開２０１５／０４９８７５号 国際公開２０１３／１３７２８３号

特許文献１及び２に開示された技術は、材料を完全に除去することを保証するものではなく、使用中の構造物の内部（中空部）から材料が放出されうる。

本発明は、例えば、材料の放出の低減に有利な構造物の製造方法を提供する。

本発明の一実施態様に係る構造物の製造方法は、材料を硬化させて層を形成することを繰り返して、穴を有する積層部材を形成し、形成された前記積層部材の前記穴を閉塞することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、材料の放出の低減に有利な構造物の製造方法を提供できる。

実施例１に係る三次元構造物の造形方法を説明するための図である。 実施例１に係る三次元構造物の形状の一例を示す。 実施例１に係る三次元構造物の断面図である。 貫通穴を粘着テープで閉塞した三次元構造物の断面図である。 貫通穴を粘着テープで閉塞した別の三次元構造物の断面図である。 貫通穴を接着剤で閉塞した三次元構造物の断面図である。 貫通穴をキャップで閉塞した三次元構造物の断面図である。 貫通穴を溶接により閉塞した三次元構造物の断面図である。 実施例２に係る三次元構造物を使用した機器の概略的な構成の断面図である。

以下、本発明を実施するための例示的な実施例を、図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施例で説明する寸法、材料、形状、及び構成要素の相対的な位置等は任意であり、本発明が適用される装置の構成又は様々な条件に応じて変更できる。また、図面において、同一であるか又は機能的に類似している要素を示すために図面間で同じ参照符号を用いる。さらに、本明細書における中空部には、中空構造や、構造物内部から外部に貫通する開口部等が含まれるものとする。

（実施例１）
以下、図１から図８を参照して、本発明の実施例１による三次元構造物の製造方法について説明する。本実施例による製造方法では、粉末材料に熱を加えることで溶融・凝固させた層を繰り返し積層することで、中空構造を備える三次元構造物を造形する。

図１は、本実施例に係る三次元構造物の造形方法を示す。図１（ａ）は、本実施例に係る三次元構造物の造形過程を示す。図１（ｂ）は、本実施例に係る三次元構造物の造形が完了した状態を示す。

本実施例による製造方法では、まず、図１（ａ）に示すように、造形ステージ１と造形枠２に囲まれた造形領域に、粉末材料３を所定の厚みで敷き詰める。次に、光ビームＡを粉末材料３に照射することで、粉末材料３を熱により溶融させる。粉末材料３は溶融後に凝固・硬化し、凝固層３ａを形成する。この処理を繰り返し行って、図１（ｂ）に示すように、凝固層３ａを順次積み重ねる（積層する）ことで三次元構造物４（積層部材）を造形する。

このような製造方法によれば、所望の形状に応じて光ビームＡを粉末材料３に照射し、凝固層３ａを積層していくことで、所望の形状を有する三次元構造物４を造形することができる。なお、造形ステージ１や造形枠２の形状は、図１（ａ）及び（ｂ）に示す形状に限られず、所望の構成に応じて任意の形状としてよい。

図２は完成後の三次元構造物４の形状の一例を示す。本実施例に係る三次元構造物４は、例示的に略ドーナツ形状をしており、円環部には連続した中空部４ａが形成されている。また、中空部４ａには三次元構造物４の外部まで延在する少なくとも１つの貫通穴４ｂが設けられる。

上述の造形方法によれば、凝固層３ａ以外の箇所では、粉末材料３は凝固・硬化せず粉末状態のまま存在することとなる。そのため、三次元構造物４の造形が完了した状態では、中空部４ａの内部には未硬化の粉末材料３が残っている。本実施例による製造方法では、三次元構造物４の造形後、中空部４ａ内に残った粉末材料３を中空部４ａから貫通穴４ｂを通して取り出す。図３は、貫通穴４ｂを通して中空部４ａ内に残った粉末材料３を取り出した状態を示す。なお、粉末材料３を取り出す方法は、任意の方法であってよく、例えば、三次元構造物４を揺動する、又は中空部４ａに流体を送る等により粉末材料３を取り出してもよい。

この処理により、未硬化の粉末材料３の大半は取り除かれるが、一部が残留粉末３ｂとして中空部４ａ内に残る。残留粉末３ｂは、硬化せず粉末状態のままであり、三次元構造物４に固定されないため、三次元構造物４の姿勢の変化や振動等により、貫通穴４ｂから外部に放出される可能性がある。残留粉末３ｂが外部に放出されると、三次元構造物４とともに用いられる電子基板等の不具合を引き起こす場合がある。

そこで、本実施例による製造方法では、三次元構造物４の残留粉末３ｂが貫通穴４ｂから外部に放出されることを防止するために、粘着テープ５を貫通穴４ｂに張り付けて、貫通穴４ｂを閉塞する。これにより、残留粉末３ｂが三次元構造物４から外部に放出されることを防止・低減することができる。

なお、一般に粉末焼結積層法により造形された構造物の表面は荒いため、粘着テープ５を貫通穴４ｂに良好に張り付けることが難しい場合がある。そのため、造形された三次元構造物４に表面の荒さをとるための表面加工等を行って接着面４ｃを作った後で、粘着テープ５を貫通穴４ｂに貼り付けてもよい。図５は、このような場合の三次元構造物４の一例を示す。

また、貫通穴４ｂを閉塞する閉塞手段（閉塞部）は粘着テープ５に限られない。例えば、閉塞手段として、接着剤やキャップを用いてもよいし、溶接により貫通穴４ｂを閉塞してもよい。ここで、図６は、接着剤６で貫通穴４ｂを閉塞する例を示し、図７は、ゴムのような弾性材料からなるキャップ部材７で貫通穴４ｂを閉塞する例を示す。さらに、図８は、溶接部８で貫通穴４ｂを閉塞する例を示す。また、貫通穴４ｂは、三次元構造物４に取り付けられる他の部材によって、貫通穴４ｂ及び貫通穴４ｂに通じる三次元構造物４の外側の空間を包むように閉塞されてもよい。

以上のように、本実施例による三次元構造物４の製造方法は、粉末材料３を光照射により硬化させて凝固層３ａを形成することと、凝固層３ａを繰り返し積み重ねて形成し、三次元構造物４を形成することを含む。また、本実施例による製造方法は、積み重ねられた凝固層３ａにより、未硬化の粉末材料３を内包するとともに、貫通穴４ｂを有する三次元構造物４の中空部４ａを形成することを含む。さらに、本実施例による製造方法は、中空部４ａの貫通穴４ｂから未硬化の粉末材料３を除去することと、未硬化の粉末材料３を除去した後に貫通穴４ｂを閉塞することを含む。

このように、中空部４ａを備える三次元構造物４から未硬化の粉末材料３を取り出すための貫通穴４ｂを、粉末材料３を取り出した後で閉塞手段により塞ぐことで、残留粉末３ｂが中空部４ａから外部に放出されることを防止・低減できる。これにより、残留粉末３ｂの落下による周辺構造の不具合を低減することができ、三次元構造物４を含む製品の品質を向上させることができる。さらに、貫通穴４ｂから三次元構造物４の中空部４ａへ異物が入り込むことも防止・低減することができる。また、貫通穴４ｂを閉塞することで三次元構造物４の外観品位を向上させることもできる。

本実施例では、粉末焼結積層法に従った、光ビームによる粉末材料の積層成型について述べた。しかしながら、三次元構造物４の造形方法はこれに限られず、例えば、粉末材料３を接着材で硬化させる方法で三次元構造物４を造形してもよい。この場合であっても、中空部から粉末材料を取り除いた後に貫通穴を閉塞手段で閉塞することで、上記効果と同様の効果を奏することができる。さらに、樹脂等の流動性材料を積層し、造形時に支持材料を使用する方法で三次元構造物４を造形してもよい。この場合であっても、支持部材の除去後に貫通穴を閉塞手段で閉塞することで、残留材料が貫通穴を介して外部に放出されることや、異物が中空部に入り込むことを防止することができる。

また、閉塞手段によって貫通穴４ｂを閉塞する際には、三次元構造物４の外部表面において貫通穴４ｂを閉塞することにより、中空部４ａだけでなく貫通穴４ｂ内に残留する粉末材料３の放出も防止することができる。

（実施例２）
以下、図９を参照して、本発明の実施例２による三次元構造物を用いた機器の製造方法について説明する。図９は本実施例に係る三次元構造物を使用した機器の概略的な構成の断面図である。本実施例では、製造する三次元構造物を鏡筒９とし、三次元構造物を用いた機器をカメラ２０（撮像装置）として説明する。ここで、三次元構造物の造形方法は、実施例１と同様であるため説明を省略する。

本実施例に係る鏡筒９には、中空部９ａと、フランジ部９ｂと、中空部９ａから鏡筒９の外部に延在する貫通穴９ｃ，９ｄ，９ｅが設けられている。フランジ部９ｂはレンズ保持部１０（保持部材）を保持し、レンズ保持部１０はレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３（光学素子）を保持する。ここで、鏡筒９及びレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、光学素子を備えたレンズ装置（光学装置）を構成することができる。また、フランジ部９ｂには、カバー部材１１が固定される。カバー部材１１には、有効光線Ｂが入射する撮像素子が配置された電気回路基板１２が設けられている。このようにして、カメラ２０は、レンズ装置により像が形成される像面に配された撮像素子を備えている。さらに、貫通穴９ｅが設けられた鏡筒９の外縁部には蓋部材１３が設けられている。

ここで、レンズＬ１とレンズＬ２の間、及びレンズＬ２とレンズＬ３の間の空間には、レンズ有効光線Ｂが通る。そのため、これらの空間内に異物が混入すると、不要な反射や光量の低下が生じ、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３によるレンズ光学系の性能が低下する可能性がある。

これに対し、本実施例に係るカメラ２０では、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３の間に異物が入り込む隙間が無いようにレンズ保持部１０（落下防止手段）が構成される。本実施例に係るカメラ２０では、貫通穴９ｃから落下した残留粉末３ｂは、レンズ保持部１０の外周部１０ａに付着するが、レンズ保持部１０の内部に落下・侵入することはない。

また、残留粉末３ｂは矢印Ｃの経路からカメラ２０の外部に出ることがあるが、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３の間に入り込むことがないため、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３によるレンズ光学系の性能に影響を及ぼすことはない。これにより、残留粉末３ｂの落下によるレンズ光学系等の周辺構造の不具合を防止することができる。

また、本実施例に係るカメラ２０では、レンズ保持部１０によって、矢印Ｃで示される一部の経路を残して貫通穴９ｃに通じる鏡筒９の外側の空間が塞がれるように、貫通穴９ｃ及び貫通穴９ｃに通じる空間が閉塞される。このため、貫通穴９ｃに繋がる空間からの残留粉末３ｂの放出が低減されることができる。このように、部分的な開口を残して、中空部９ａから延在する貫通穴９ｃや貫通穴９ｃに繋がる鏡筒９の外側の空間を塞ぐように閉塞しても、残留粉末３ｂの放出を低減することができる。なお、このような構成は、貫通穴４ｂを直接閉塞する実施例１による構成にも適用されることができる。

また、これらの場合の開口は、他の部材への影響が生じないような粒子（例えば、放出を許容できる小粒径の粒子）を通す程度のものとすることもできる。さらに、開口は残留粉末３ｂが他の部材と干渉しないように三次元構造物を用いた機器の外部へ繋がる位置に設けられることもできる。また、図９に示す矢印Ｃの経路を残さずに貫通穴９ｃに繋がる空間を塞ぐように、貫通穴９ｃを閉塞することでも同様の効果が得られる。

また、鏡筒９に設けられた貫通穴９ｄは、カバー部材１１側に向けて鏡筒９を貫通する。上述のように、カバー部材１１の内部には、電気回路基板１２が設けられている。鏡筒９が導電性を備える材質である場合（例えば金属、導電性樹脂）、残留粉末３ｂが電気回路基板１２上に落下すると、電気回路がショートする恐れがある。これに対し、本実施例に係るカメラ２０では、カバー部材１１によって貫通穴９ｄを閉塞する。これにより、電気回路基板１２が存在する空間に残留粉末３ｂが入り込むことを防止することができる。

上記のように、本実施例による製造方法は、鏡筒９とは異なる光学素子（光学部材又は第１の部材ともいう）を鏡筒９に組み付けることを含む。また、本実施例による製造方法は、貫通穴９ｃと光学部材との間に、光学部材の内部への未硬化の残留粉末３ｂの落下（侵入）を低減する保持部材（光学素子を保持する部材）を設けることを含む。なお、本実施例では、レンズ保持部１０が保持部材に相当する。このように、貫通穴９ｃと、貫通穴９ｃからの残留粉末３ｂの落下（放出）の影響が出やすい範囲との間に落下を低減する手段を設けることで、光学系の有効光線Ｂが通る空間に残留粉末３ｂが入り込むことを低減できる。また、この場合には、貫通穴９ｃを完全に塞ぐ必要がないため全ての貫通穴を塞ぎ切る必要が無くなり、組立作業を簡易化することができる。

さらに、カメラ２０において、貫通穴９ｅはカメラ２０の外部に向けて開口を持つため、閉塞しなくてもカメラ２０の機能上は問題にはならないが、蓋部材１３で貫通穴９ｅを閉塞することでカメラ２０の外観品位を向上させることができる。

なお、本実施例による製造方法で製造する構造物は光学部材に限られず、構造物を用いた装置も光学装置や撮像装置に限られない。構造物は、積層法により造形される中空部を備えた構造物であればよく、例えば、種々の筐体や容器等の部材を含みうる。また、構造物を用いた装置は、構造物から放出される材料の影響を受ける可能性がある装置であればよく、例えば、種々の電気装置や機械装置、複合的装置を含みうる。

さらに、本実施例による造形方法も粉末焼結積層法に限られず、粉末材料３を接着材で硬化させる方法や樹脂等の流動性材料を積層する方法を用いてもよい。

以上、実施例を参照して本発明について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。本発明の趣旨に反しない範囲で変更された発明、及び本発明と均等な発明も本発明に含まれる。また、上述の各実施例及び変形例は、本発明の趣旨に反しない範囲で適宜組み合わせることができる。

３：粉末材料、３ａ：凝固層、４：三次元構造物（積層物）、４ｂ：貫通穴、５：粘着テープ（閉塞部）、６：接着剤（閉塞部）、７：キャップ部材（閉塞部）、８：溶接部（閉塞部）

Claims (13)

1. 材料を硬化させて層を形成することを繰り返して、穴を有する積層部材を形成し、
   形成された前記積層部材の前記穴を閉塞する、
   ことを特徴とする構造物の製造方法。
2. 前記構造物は、鏡筒を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記閉塞は、粘着テープで行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記閉塞は、接着剤で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
5. 前記閉塞は、キャップで行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
6. 前記閉塞は、溶接により行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
7. 前記閉塞は、前記穴及び前記穴に通じる前記構造物の外側の空間を閉塞するように行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
8. 前記材料は、粉末材料を含み、
   前記硬化は、光照射により行う、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の製造方法。
9. 前記形成と前記閉塞との間において、前記積層部材の中の前記材料を前記穴から出すことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の製造方法。
10. 穴を有する積層部材と、
    前記穴を閉塞する閉塞部と、
    を含むことを特徴とする構造物。
11. 請求項１０に記載の構造物と、
    前記構造物に保持された光学素子と、
    を含むことを特徴とする光学装置。
12. 前記閉塞部は、
    前記光学素子を保持し且つ前記構造物に保持されている保持部材を含み、
    前記保持部材により、前記穴及び前記穴に通じる前記構造物の外側の空間を閉塞することを特徴とする請求項１１に記載の光学装置。
13. 請求項１１又は１２に記載の光学装置と、
    前記光学装置により像が形成される像面に配された撮像素子と、
    を含むことを特徴とする撮像装置。

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