JP2020066194A

JP2020066194A - ３次元造形装置

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Publication number: JP2020066194A
Application number: JP2018201381A
Authority: JP
Inventors: 英司大嶋; Eiji Oshima; 久則鈴木; Hisanori Suzuki
Original assignee: Kantatsu Co Ltd
Current assignee: Kantatsu Co Ltd
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: CN212684741U; US20200324476A1; CN111098497A; JP7331297B2

Abstract

【課題】均一な造形をすること。【解決手段】３次元造形装置であって、レーザ光源と、レーザ光源から射出されたレーザ光を反射させて造形台に向けて走査させる光走査部と、光走査部と造形台との間に配置され、光走査部で反射されたレーザ光を集光する集光レンズと、を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、３次元造形装置に関する。

上記技術分野において、特許文献１には、光走査部の後方に集光レンズが配置されていない装置が開示されている。

特開２０１７−９４５６３号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、光走査部の後方に集光レンズが配置されていないので、均一な造形をすることができなかった。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置は、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から射出されたレーザ光を反射させて造形台に向けて走査させる光走査部と、
前記光走査部と前記造形台との間に配置され、前記光走査部で反射されたレーザ光を集光する集光レンズと、
を備えた。

本発明によれば、光走査部の後方に集光レンズを配置したので、均一な造形をすることができる。

本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの特性を示す図である。本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズにおける入射角と反射率との関係を説明するための図である。本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズにおける法線角を説明するための図である。本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第５実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第５実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第６実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第６実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第７実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第７実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第８実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第８実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第９実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第９実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第１０実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第１０実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第１１実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第１１実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第１２実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第１２実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第１３実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。本発明の第１３実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本発明の第１４実施形態に係る３次元造形装置の構成を説明するための図である。本発明の第１４実施形態に係る３次元造形装置を用いて造形したマイクロ流路を含む３次元造形物の一例を示す斜視図である。本発明の第１４実施形態に係る３次元造形装置を用いて造形したマイクロ流路を含む３次元造形物の他の例を斜視図である。本発明の第１４実施形態に係る３次元造形装置を用いて造形したマイクロ流路を含む３次元造形物のさらに他の例を斜視図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての３次元造形装置１００について、図１を用いて説明する。３次元造形装置１００は、３次元造形物を造形する装置である。

図１に示すように、３次元造形装置１００は、レーザ光源１０１、光走査部１０２および集光レンズ１０３を含む。

レーザ光源１０１は、レーザ光の光源である。光走査部１０２は、レーザ光源１０１から射出されたレーザ光を反射させて造形台１０４に向けて走査させる。集光レンズ１０３は、光走査部１０２と造形台１０４との間に配置され、光走査部１０２で反射されたレーザ光を集光する。

本実施形態によれば、光走査部と造形台との間に集光レンズを備えたので、均一な造形をすることができる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元造形装置について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る３次元造形装置の構成を説明するための図である。３次元造形装置２００は、レーザ光源２０１、光走査部２０２、集光レンズ２０３および造形台２０４を有する。

レーザ光源２０１は、レーザ光（光線）を射出する。レーザ光源２０１は、ＬＤ（Laser Diode；レーザダイオード）であり、紫外レーザ光、可視レーザ光、赤外レーザ光などのレーザ光を発振するレーザ光発振素子である。

光走査部２０２は、レーザ光源２０１から放射されたレーザ光を反射させて造形台に向けて走査させる。より詳細には、光走査部２０２は、二次元ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー２２１を有する。二次元ＭＥＭＳミラー２２１は、二次元方向に動かせるので、二次元ＭＥＭＳミラー２２１で反射したレーザ光は、二次元ＭＥＭＳミラー２２１の動きに従って、造形台に向けて２次元方向に走査させられる。二次元ＭＥＭＳミラー２２１は、電気機械式ミラーである。なお、二次元ＭＥＭＳミラー２２１の代わりに、１次元ＭＥＭＳミラーを２つ用いてもよい。

集光レンズ２０３は、光走査部２０２で反射されたレーザ光を集光する。集光レンズ２０３は、Ｅ／Ｄ＜５．０を満たす位置に配置される。ここで、Ｄは、光走査部２０２の二次元ＭＥＭＳ２２１ミラーから、集光レンズ２０３の２つの面のうち光走査部２０２に近い側の面までの距離である。また、Ｅは、光走査部２０２の二次元ＭＥＭＳ２２１ミラーから造形面２０４までの距離である。なお、Ｅ／Ｄが５．０より大きいと、レンズ有効径は小さくなるが、ＮＡ（Numerical Aperture）値が小さく、レーザ光を集光するのが困難となる。

集光レンズ２０３は、さらに、３．５＜Ｅ／Ｄを満たす位置に配置される。なお、Ｅ／Ｄが３．５より小さいとＮＡ値が大きくなるためレーザ光のビーム径は小さくなるが、レンズ有効径が大きくなるので、構造上配置が困難となる。

本実施形態によれば、光走査部と造形台との間に集光レンズを配置したので、レーザ光のビーム径を絞ることができ、均一な造形を行うことができる。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る３次元造形装置について、図３乃至図６Ｂを用いて説明する。図３は、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの特性を示す図である。図４は、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズにおける入射角と反射率との関係を説明するための図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態と比べると、集光レンズが所定の形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

ＬＤ（Laser Diode）から発せられるレーザ光は、直線偏光であることから、ミラーで反射されたレーザ光も直線偏光であり、従って、集光レンズに入射するレーザ光も直線偏光となる。以下に示すフレネルの公式より、垂直偏光（ｐ偏光）の反射率Ｒ_ｐ、および水平偏光（ｓ偏光）の反射率をＲ_ｓは、以下の式のとおりとなり、反射率は入射角に依存するとともに、ｐ偏光とｓ偏光とでも反射率は異なっている。
Ｒ_ｐ＝ｔａｎ^２（α−β）／ｔａｎ^２（α＋β）
Ｒ_ｓ＝ｓｉｎ^２（α−β）／ｓｉｎ^２（α＋β）
ここで、αは入射角、βは屈折角である。

ミラーで反射したレーザ光の強度をＩ_０とすると、造形台（像面）に到達するレーザ光の強度Ｉは、
Ｉ＝Ｉ_０−Ｉ_ｒ（Ｉ_ｒ：反射強度）
であり、反射率が高いほど造形台でのレーザ光強度は低下する。

図３に示したように、レンズ材料がＺＥＯＮＥＸ３３０Ｒ（３０１）の場合、レーザ光の波長が４０５ｎｍにおいて、屈折率は１．５２５１であるので、反射率は、図４に示したグラフの通りとなる。図４に示したように、ブリュースター角（４０３）以下の角度ではｓ偏光の反射率（Ｒ_ｓ）（４０１）は単純に増加しており、ｐ偏光の反射率（Ｒ_ｐ）（４０２）は単純に減少している。

しかしながら、入射角が同じでも、レーザ光は直線偏光であるため、レンズへの入射方向により、反射率は変化し、造形台でのレーザ光強度も異なってしまうため、造形された造形物が不均一となる。本実施形態では、ｐ−ｓ偏光での反射率の差を１５％以内、好ましくは１０％以内、さらに好ましくは５％以内とすることで、均一な造形物を造形する。フレネルの公式より、ＺＥＯＮＥＸ３３０Ｒでは、入射角が３５．４度以内でｐ偏光とｓ偏光との反射率差は５％となる。

なお、図３には、各レンズ材料の波長４０５ｎｍにおける屈折率と、ｐ−ｓ偏光の反射率差１５％における入射角をフレネルの公式から算出した値が示されている。ここで、Δｎは、レンズ材料と空気との屈折率差である。

図５は、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズにおける法線角を説明するための図である。光走査部５０１から反射され、集光レンズ５０２（集光レンズ５０３）に入射するレーザ光の法線角（Ａ）およびレーザ光振れ角（Θ：最大画角（半角））の関係は図５に示したようになる。光走査部５０１は、二次元ＭＥＭＳミラー５１１を含む。なお、二次元ＭＥＭＳミラー５１１は、ミラー面を二次元方向に振りながらレーザ光を反射させることにより、レーザ光を二次元方向に走査させる。

次に、ｐ偏光とｓ偏光との反射率は、レーザ光入射角と屈折率差とに依存する。ここで、δＲ１５％（反射率差１５％以内）における、図３に示した各レンズ材料でのレーザ光入射角と屈折率差との関係は、以下の式（１）に従う。

Ｋ＝（レーザ光入射角）×ｓｑｒｔ（Δｎ）・・・（１）
ここで、Ｋは、
０＜Ｋ＜４０・・・（２）
を満たす。ここで、図３では、ＺＥＯＮＥＸ３３０Ｒ（３０１）のＫは、４０．２２となっている。しかしながら、集光レンズ５０２の２つの面のうちＳ２面（光走査部５０１から遠い面）での反射率差は、集光レンズ５０２の２つの面のうちＳ１面（光走査部５０１から近い面）での反射率差と比較して小さいため、Ｋは式（２）を満たせばよい。その他のレンズ材料も同様である。

レーザ光入射角＝レーザ光振れ角（Θ）＋法線角（Ａ）であるので、
式（１）は、Ｋ＝（Ａ＋Θ）×ｓｑｒｔ（Δｎ）となり、これを式（２）に代入すると、
０＜（Ａ＋Θ）×ｓｑｒｔ（Δｎ）＜４０
となり、これを展開すると、
０＜Ａ＋Θ＜４０／ｓｑｒｔ（Δｎ）
となり、さらに整理すると、
−Θ＜Ａ＜４０／ｓｑｒｔ（Δｎ）−Θ ・・・（３）
となる。集光レンズ５０２は、式（３）を満たす形状のレンズとなる。

このような形状のレンズとすることにより、集光レンズ５０２は、２つの面のうち光走査部５０１に近い面（Ｓ１面）における垂直偏光（ｐ偏光）の反射率と水平偏光（ｓ偏光）の反射率との差と、２つの面のうち光走査部５０１から遠い面（Ｓ２面）における、垂直偏光（ｐ偏光）の反射率と水平偏光（ｓ偏光）の反射率との差と、の和が１５％以内、好ましくは１０％以内、さらに好ましくは５％以内となる。

図６Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図６Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。３次元造形装置６００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ６０３および造形台６０４を有する。レーザ光源６０１は、４０５ｎｍのレーザ光を放射する。光走査部６０２は、二次元ＭＥＭＳミラー６２１を含み、二次元ＭＥＭＳミラー６２１は、レーザ光を反射させて造形台６０４に向けて走査させる。集光レンズ６０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３３０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、８４．９８ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２４度であり、−２４＜Ａ＜３１．２２であり、その他、図６Ｂに示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は０．９６％となり、５％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー６２１からＳ１面までの距離Ｄは、２０ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー６２１から造形台６０４までの距離Ｅは、８３．９０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、４．２である。集光レンズ６０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、５０．５μｍ×２８．５μｍである。

本実施形態によれば、レーザ光のビーム径を絞ることができ、均一な造形が可能となる。また、高精細な加工も可能となる。

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置について、図７Ａおよび図７Ｂを用いて説明する。図７Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図７Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態および第３実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態および第３実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置７００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ７０３および造形台６０４を有する。集光レンズ７０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３３０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、８５．００ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２４度であり、−２４＜Ａ＜３１．２２であり、その他、図７に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は４．９９％となり、５％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー７２１からＳ１面までの距離Ｄは、２０ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー７２１から造形台７０４までの距離Ｅは、８３．９０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、４．２である。集光レンズ７０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、５０．３μｍ×２８．４μｍである。

［第５実施形態］
次に本発明の第５実施形態に係る３次元造形装置について、図８Ａおよび図８Ｂを用いて説明する。図８Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図８Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態乃至第４実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態乃至第４実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置８００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ８０３および造形台６０４を有する。集光レンズ８０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３３０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、８５．００ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２４度であり、−２４＜Ａ＜３１．２２であり、その他、図８に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は５．５０％となり、１０％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー８２１からＳ１面までの距離Ｄは、２０ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー８２１から造形台８０４までの距離Ｅは、８３．９０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、４．２である。集光レンズ８０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、５０．３μｍ×２８．４μｍである。

［第６実施形態］
次に本発明の第６実施形態に係る３次元造形装置について、図９Ａおよび図９Ｂを用いて説明する。図９Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図９Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態乃至第５実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態乃至第５実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置９００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ９０３および造形台６０４を有する。集光レンズ９０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３３０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、１０６．８２ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２４度であり、−２４＜Ａ＜３１．２２であり、その他、図９に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は０．３９％となり、５％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー９２１からＳ１面までの距離Ｄは、２０ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー９２１から造形台９０４までの距離Ｅは、８３．５０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、４．２である。集光レンズ９０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、５０．３μｍ×２８．４μｍである。

［第７実施形態］
次に本発明の第７実施形態に係る３次元造形装置について、図１０Ａおよび図１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図１０Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態乃至第６実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態乃至第６実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置１０００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ１００３および造形台６０４を有する。集光レンズ１００３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３３０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、１０７．４４ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２４度であり、−２４＜Ａ＜３１．２２であり、その他、図１０に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は１０．７６％となり、１５％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー１０２１からＳ１面までの距離Ｄは、２０ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー１０２１から造形台９０４までの距離Ｅは、８３．５０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、４．２である。集光レンズ１００３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、５０．４μｍ×２８．５μｍである。

［第８実施形態］
次に本発明の第８実施形態に係る３次元造形装置について、図１１Ａおよび図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図１１Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態乃至第７実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態乃至第７実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置１１００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ１１０３および造形台６０４を有する。集光レンズ１１０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、２１．３５ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２４度であり、−２４＜Ａ＜３１．２３であり、その他、図１１に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は３．８４％となり、５％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー１１２１からＳ１面までの距離Ｄは、１０．０５ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー１１２１から造形台１１０４までの距離Ｅは、３５．５５ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、３．５３である。集光レンズ１１０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、２０．４μｍ×１１．３μｍである。

［第９実施形態］
次に本発明の第９実施形態に係る３次元造形装置について、図１２Ａおよび図１２Ｂを用いて説明する。図１２Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図１２Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態乃至第８実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態乃至第８実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置１２００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ１２０３および造形台６０４を有する。集光レンズ１２０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、２１．３４ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２４度であり、−２４＜Ａ＜３１．２３であり、その他、図１２に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は３．２９％となり、５％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー１２２１からＳ１面までの距離Ｄは、１０．０２ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー１２２１から造形台１２０４までの距離Ｅは、３５．５０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、３．５４である。集光レンズ１２０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、２０．４μｍ×１１．３μｍである。

［第１０実施形態］
次に本発明の第１０実施形態に係る３次元造形装置について、図１３Ａおよび図１３Ｂを用いて説明する。図１３Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図１３Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態乃至第９実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態乃至第９実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置１３００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ１３０３および造形台６０４を有する。集光レンズ１３０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、１０７．５３ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２０度であり、−２４＜Ａ＜３１．２３であり、その他、図１３に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は３．９７％となり、５％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー１３２１からＳ１面までの距離Ｄは、２０ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー１３２１から造形台１３０４までの距離Ｅは、８３．５０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、４．２である。集光レンズ１３０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、６０．５μｍ×３３．０μｍである。

［第１１実施形態］
次に本発明の第１１実施形態に係る３次元造形装置について、図１４Ａおよび図１４Ｂを用いて説明する。図１４Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図１４Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態乃至第１０実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態乃至第１０実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置１４００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ１４０３および造形台６０４を有する。集光レンズ１４０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、１０７．５３ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２０度であり、−２４＜Ａ＜３１．２３であり、その他、図１４に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は５．２９％となり、１０％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー１４２１からＳ１面までの距離Ｄは、２０ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー１４２１から造形台１４０４までの距離Ｅは、８３．５０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、４．２である。集光レンズ１４０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、６０．６μｍ×３３．１μｍである。

［第１２実施形態］
次に本発明の第１２実施形態に係る３次元造形装置について、図１５Ａおよび図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図１５Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態乃至第１１実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態乃至第１１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置１５００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ１５０３および造形台６０４を有する。集光レンズ１５０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、１０７．４７ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２４度であり、−２４＜Ａ＜３１．２３であり、その他、図１５に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は２．００％となり、５％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー１５２１からＳ１面までの距離Ｄは、２０ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー１５２１から造形台１５０４までの距離Ｅは、８３．５０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、４．２である。集光レンズ１５０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、６０．５μｍ×３３．０μｍである。

［第１３実施形態］
次に本発明の第１３実施形態に係る３次元造形装置について、図１６Ａおよび図１６Ｂを用いて説明する。図１６Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置の構成の概略を示す図である。図１６Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の集光レンズの性能を示す図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態乃至第１２実施形態と比べると、集光レンズが異なる形状である点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態乃至第１２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

３次元造形装置１６００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２、集光レンズ１６０３および造形台６０４を有する。集光レンズ１６０３のレンズ材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒであり、焦点距離（ｆ）は、１０７．４７ｍｍ（４０５ｎｍレーザ光）であり、レーザ光振れ角（Θ）は、２４度であり、−２４＜Ａ＜３１．２３であり、その他、図１６に示した特性を有している。

Ｓ１面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、Ｓ２面における垂直偏光の反射率と水平偏光の反射率との差と、の和は１０．４５％となり、１５％以内となった。二次元ＭＥＭＳミラー１６２１からＳ１面までの距離Ｄは、２０ｍｍであり、二次元ＭＥＭＳミラー１６２１から造形台１６０４までの距離Ｅは、８３．５０ｍｍであり、Ｅ／Ｄは、４．２である。集光レンズ１６０３により集光され、絞られたレーザ光のビーム径は、６０．６μｍ×３３．１μｍである。

［第１４実施形態］
次に本発明の第１４実施形態に係る３次元造形装置について、図１７および図１８を用いて説明する。図１７は、本実施形態に係る３次元造形装置の構成を説明するための図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、集光レンズとして上記第２実施形態乃至第１３実施形態に示した集光レンズのいずれかを有する。

３次元造形装置１７００は、レーザ光源６０１、光走査部６０２および集光レンズ１７０３を有する。集光レンズ１７０３は、上記第２実施形態乃至第１３実施形態に示した集光レンズのいずれかである。二次元ＭＥＭＳミラー６２１は、レーザ光を反射させてステージ１７５０上に載置されたバット１７４０内のレジン１７３０に向けて走査させる。レジン１７３０は、３次元造形物１７１０の材料となる樹脂である。そして、３次元造形装置１７００は、プラットフォーム１７２０を上昇させつつ、バット１７４０内のレジン１７３０に集光レンズ１７０３で絞られたレーザ光を照射する。レジン１７３０は、レーザ光が照射される硬化する光硬化性の樹脂である。

図１８は、本実施形態に係る３次元造形装置を用いて造形したマイクロ流路を含む３次元造形物の一例を示す斜視図である。３次元造形物１７１０は、マイクロ流路１８０１，１８０２，１８０３，１８０４，１８０５，１８０６を含み、縦２．５ｃｍ、横１ｃｍ、高さ４ｍｍの直方体の３次元造形物１７１０の内部に設けられている。液溜め１８１０から注入された液体は、矢印１８２０に沿ってマイクロ流路１８０１を流れる。マイクロ流路１８０１を流れる液体は、マイクロ流路１８０２から流れてくる液体と合流し、外部へ排出される。液溜め１８３０から注入された液体は、マイクロ流路１８０５を流れ、マイクロ流路１８０３とマイクロ流路１８０４とに液体に含まれる粒子の大きさにより分岐する。マイクロ流路１８０３を流れる液体は、比重によりマイクロ流路１８０２とマイクロ流路１８０６とに分岐する。

マイクロ流路１８０１とマイクロ流路１８０３は、断面内で傾斜している傾斜流路であるマイクロ流路１８０２で連結されている。マイクロ流路１８０１，１８０３，１８０４は、外部に繋がっている。なお、マイクロ流路１８０１，１８０２，１８０３，１８０４，１８０５，１８０６の流路径は、液体を分別するために任意の大きさに設定される。

マイクロ流路１８０１，１８０２，１８０３，１８０４，１８０５，１８０６に流す液体は、血液などである。マイクロ流路１８０１，１８０２，１８０３，１８０４，１８０５，１８０６に血液を流すことにより血中成分である赤血球、白血球、血小板などを分離できる。分離された成分は、マイクロ流路１８０１，１８０４，１８０６から外部へと排出される。

図１９は、本実施形態に係る３次元造形装置を用いて造形したマイクロ流路を含む３次元造形物の他の例を斜視図である。３次元造形物１９００は、４つの液溜め１９１１，１９１２，１９２１，１９２２、およびマイクロ流路１９０１，１９０２を含む。標準的なクロス（十字路）パターンのマイクロ流路１９０１，１９０２が造形されている。マイクロ流路１９０１の両端には、液溜め１９１１，１９１２が設けられている。すなわち、液溜め１９１１および液溜め１９１２は、マイクロ流路１９０１により繋がっている。マイクロ流路１９０２の両端には、液溜め１９２１，１９２２が設けられている。液溜め１９２１および液溜め１９２２は、マイクロ流路１９０２により繋がっている。マイクロ流路１９０１およびマイクロ流路１９０２は、直交している。マイクロ流路１９０１およびマイクロ流路１９０２は、直交部分において、繋がっている。

図２０は、本実施形態に係る３次元造形装置を用いて造形したマイクロ流路を含む３次元造形物のさらに他の例の斜視図である。３次元造形物２０００は、螺旋形状（１重の螺旋）のマイクロ流路２００１を内部に含む。液溜め２０１０から注入された液体は、矢印２０２０に沿って、螺旋形状のマイクロ流路２００１を流れ、外部へ排出される。

本実施形態によれば、レーザ光のビーム径を絞ることができるので、均一で、高精細な３次元造形物を造形できる。高精細な３次元造形物を造形できるので、マイクロ流路のような微細な造形も行うことができる。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

Claims

レーザ光源と、
前記レーザ光源から射出されたレーザ光を反射させて造形台に向けて走査させる光走査部と、
前記光走査部と前記造形台との間に配置され、前記光走査部で反射されたレーザ光を集光する集光レンズと、
を備えた３次元造形装置。
前記集光レンズは、
前記光走査部から前記集光レンズまでの距離をＤ、前記光走査部から前記造形台までの距離をＥとした場合、以下の式を満たす位置に配置される、
Ｅ／Ｄ＜５．０
請求項１に記載の３次元造形装置。
前記集光レンズは、さらに、以下の式を満たす位置に配置される、
３．５＜Ｅ／Ｄ
請求項２に記載の３次元造形装置。
前記集光レンズは、
Ａを法線角、Θをレーザ光振れ角、Δｎを前記集光レンズと空気との屈折率差とした場合、以下の式を満たす、
−Θ＜Ａ＜４０／ｓｑｒｔ（Δｎ）−Θ
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元造形装置。
前記集光レンズは、
前記集光レンズの２つの面のうち、前記光走査部に近い面における、前記垂直偏光の反射率と前記水平偏光の反射率との差と、
前記集光レンズの２つの面のうち、前記光走査部から遠い面における、前記垂直偏光の反射率と前記水平偏光の反射率との差と、
の和が１５％以内である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３次元造形装置。
前記集光レンズは、
前記集光レンズの２つの面のうち、前記光走査部に近い面における、前記垂直偏光の反射率と前記水平偏光の反射率との差と、
前記集光レンズの２つの面のうち、前記光走査部から遠い面における、前記垂直偏光の反射率と前記水平偏光の反射率との差と、
の和が１０％以内である、請求項５に記載の３次元造形装置。
前記集光レンズは、
前記集光レンズの２つの面のうち、前記光走査部に近い面における、前記垂直偏光の反射率と前記水平偏光の反射率との差と、
前記集光レンズの２つの面のうち、前記光走査部から遠い面における、前記垂直偏光の反射率と前記水平偏光の反射率との差と、
の和が５％以内である、請求項６に記載の３次元造形装置。