JP2021151759A - ３次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より高い形状精度で３次元造形物を製造できる技術を提供する。【解決手段】３次元造形装置は、ビーム照射部１０と、空間光変調器１４と、分離光学系１８と、走査部とを含む。ビーム照射部１０は光ビームを照射する。空間光変調器１４は、ビーム照射部１０によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する。分離光学系１８は、第１軸に沿って並んだ複数のレンズ１８ａを有する少なくとも一つのレンズアレイ１８Ａを含み、空間光変調器１４によって変調された光ビームを、レンズアレイ１８Ａによって複数の光ビームに分離する。走査部１９は、分離光学系１８からの複数の光ビームを造形材料上で走査方向に沿って移動させて互いに離れた第１複数行に対する走査を行い、複数の光ビームを走査方向に直交する方向に移動させた上で走査方向に沿って移動させて、第１複数行の相互間の第２複数行に対する走査を行う。【選択図】図４

Description

本願は、３次元造形装置に関する。

従来から、金属材料（パウダー）などの造形材料にレーザー光源からの光を照射し、当該光を造形材料上で走査することによって、造形材料を溶融または焼結させる３次元造形装置が、提案されている。また、造形の高速化のため、ライン状の光を造形材料上で走査して３次元造形方法も検討されている（例えば特許文献１）。

特開２００３−８０６０４号公報

しかしながら、造形材料上にライン状の光が照射されると、その照射されたライン状の領域内で造形材料の温度がばらつく。温度がばらつくと、溶融した造形材料はその温度分布および表面張力に応じて流動する。これにより、造形材料の表面が部分的に隆起し、冷却して一体化した造形材料の形状が意図した形状と異なってしまう。つまり、３次元造形物の形状精度が低下するという問題がある。

そこで、本願は、より高い形状精度で３次元造形物を製造できる技術を提供することを目的とする。

３次元造形装置の第１の態様は、３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、光ビームを照射するビーム照射部と、前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査方向に沿って移動させて互いに離れた第１複数行に対する走査を行い、複数の光ビームを前記走査方向に直交する方向に移動させた上で前記走査方向に沿って移動させて、前記第１複数行の相互間の第２複数行に対する走査を行う走査部とを備える。

３次元造形装置の第２の態様は、第１の態様にかかる３次元造形装置であって、前記分離光学系からの複数の光ビームを、光軸に平行な回転軸のまわりで、可変の回転角度で一体に回転させるイメージローテータをさらに備え、前記走査部はガルバノミラーを含み、前記イメージローテータは前記ガルバノミラーよりも後段に設けられる。

３次元造形装置の第３の態様は、第１または第２の態様にかかる３次元造形装置であって、前記分離光学系からの複数の光ビームを、光軸に平行な回転軸のまわりで、可変の回転角度で一体に回転させるイメージローテータをさらに備え、前記走査部はガルバノミラーを含み、前記イメージローテータは前記ガルバノミラーよりも前段に設けられる。

３次元造形装置の第１の態様によれば、造形材料上では、複数の光ビームのスポットが形成される。複数のスポットは互いに離れているので、溶融した造形材料が流動可能な範囲は狭い。よって、溶融した造形材料の部分的な隆起を低減することができる。言い換えれば、高い形状精度で３次元造形物を製造することができる。

３次元造形装置の第２の態様によれば、造形材料上の複数のスポットの配列方向および走査方向を変更できる。

３次元造形装置の第３の態様によれば、造形材料上の複数のスポットの配列方向を変更することができる。一方で、イメージローテータの回転によっては走査方向は回転しない。よって、複数のスポットに対応する複数の走査ラインの間隔を調整することができる。

また、本願明細書に開示される技術に関連する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。

３次元造形装置の構成の一例を概略的に示す図である。 空間光変調器の構成の一例を概略的に示す斜視図である。 造形材料層の表面の様子の一例を概略的に示す平面図である。 ３次元造形装置での光路の一例を概略的に示す図である。 制御装置の処理の一例を示すフローチャートである。 変調ビームの強度分布の一例を概略的に示す図である。 分離光学系の構成の他の一例を概略的に示す図である。 ビーム照射装置の構成の一例を概略的に示す図である。 制御装置の内部構成の他の一例を示す機能ブロック図である。 イメージローテータの回転角度が零度であるときのスポットの一例を概略的に示す図である。 イメージローテータの回転角度が４５度であるときのスポットの一例を概略的に示す図である。 イメージローテータの回転角度が９０度であるときのスポットの一例を概略的に示す図である。 ビーム照射装置の構成の他の一例を概略的に示す図である。 イメージローテータの回転角度が４５度であるときのスポットの一例を概略的に示す図である。 空間光変調器の構成の他の例を概略的に示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、実施の形態について説明する。なお、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本開示の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。図面においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法および数が誇張または簡略化して図示されている場合がある。

また、以下に記載される説明において、「第１」または「第２」などの序数が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、これらの序数によって生じ得る順序などに限定されるものではない。

相対的または絶対的な位置関係を示す表現（例えば「一方向に」「一方向に沿って」「平行」「直交」「中心」「同心」「同軸」など）は、特に断らない限り、その位置関係を厳密に表すのみならず、公差もしくは同程度の機能が得られる範囲で相対的に角度または距離に関して変位された状態も表すものとする。等しい状態であることを示す表現（例えば「同一」「等しい」「均質」など）は、特に断らない限り、定量的に厳密に等しい状態を表すのみならず、公差もしくは同程度の機能が得られる差が存在する状態も表すものとする。形状を示す表現（例えば、「四角形状」または「円筒形状」など）は、特に断らない限り、幾何学的に厳密にその形状を表すのみならず、同程度の効果が得られる範囲で、例えば凹凸や面取りなどを有する形状も表すものとする。一の構成要素を「備える」「具える」「具備する」「含む」または「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的表現ではない。「Ａ，ＢおよびＣの少なくともいずれか一つ」という表現は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、Ａ，ＢおよびＣのうち任意の２つ、ならびに、Ａ，ＢおよびＣのすべてを含む。

＜第１の実施の形態＞
以下の説明において、「造形材料を加熱して溶融させる」ことには、加熱されたすべての造形材料の温度が融点以上になる場合だけでなく、加熱された造形材料の一部が融点よりも低い温度で焼結する場合も含まれるものとする。

また、以下の説明における「層」という用語は、堆積された造形材料に光ビームを照射して溶融させるプロセスを複数回繰り返すことによって、厚み方向に固化物を積み重ねて３次元造形物を形成する場合に、１回のプロセスで形成される部分をいう。なお、３次元造形物の断面観察などによって層と層との境界を確認することができる場合もあるが、溶融の均一性が高い場合などには、層と層との境界が明確には検出されない場合もある。

＜３次元造形装置の構成について＞
図１を参照しつつ、３次元造形装置１００の一例について説明する。図１は、３次元造形装置１００の構成の一例を概略的に示す図である。なお、本実施の形態においては、便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を記載することがある。ここでは、Ｘ軸およびＹ軸は水平方向に平行であり、Ｚ軸は鉛直方向に平行である。また、本実施の形態では、光学系の軸として、互いに直交するａ軸、ｂ軸およびｃ軸を記載することがある。ａ軸は光軸である。

３次元造形装置１００は、造形材料に光ビーム（変調ビームＬ３３）を照射して造形材料を溶融させるプロセスを複数回繰り返すことによって、厚み方向に固化物を積み重ねて３次元造形物を製造する。３次元造形装置１００は３次元積層造形装置とも呼ばれる。

図１を参照して、３次元造形装置１００は、ビーム照射装置４０と、制御装置２０とを含む。ビーム照射装置４０は造形材料に変調ビームＬ３３を照射する。制御装置２０はビーム照射装置４０を制御する。

制御装置２０は、例えば、内部または外部の記憶媒体（後述の記憶部３０を含む）に記憶されたプログラムを実行することによって制御対象を制御するものであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイクロプロセッサまたはマイクロコンピュータなどの処理装置を含む。なお、制御装置２０の機能の一部または全部は、ソフトウェアが不要な論理回路等のハードウェア回路によって実現されてもよい。制御装置２０は制御回路とも呼ばれる。

また、３次元造形装置１００は、供給機構１６と、記憶部３０とをさらに含む。記憶部３０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびフラッシュメモリ等の、揮発性または不揮発性のメモリおよびＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶部を含む。

３次元造形装置１００は、造形空間ＳＰ中に３次元造形物を製造する。ここで、造形空間ＳＰは３次元空間である。

３次元造形物は、所定の造形材料を用いて所望の形状に製造される。造形材料は、粉末またはペースト状であり、例えば、金属粉体、エンジニアリングプラスチック、セラミックスまたは合成樹脂等である。金属粉体であれば、例えば、チタン、アルミニウムまたはステンレス等を採用できる。なお、３次元造形に用いられる造形材料には、複数種類の造形材料が含まれていてもよい。

造形材料は、例えば、供給機構１６によって所定の単位空間に供給される。そして、造形材料に変調ビームＬ３３が照射される。造形材料のうち変調ビームＬ３３が照射された部分の温度が上昇し、造形材料の当該部分の表面または全体が溶融する。変調ビームＬ３３を造形材料上で走査することにより、当該造形材料は所望の形状で一体化する。

３次元造形物の形状は、特に限定されない。また、３次元造形物の所望の形状を示す３次元造形データは、例えば、製造者によって記憶部３０に記憶される。３次元造形データは、例えば、ＣＡＤ（Computer Aided Design）データや、ＳＴＬ（Stereolithography）データである。

次に、造形材料に変調ビームＬ３３を照射するビーム照射装置４０の具体的な一例について概説する。図１の例では、ビーム照射装置４０は、ビーム照射部１０と、空間光変調器１４と、投影光学系１５と、分離光学系１８と、走査部１９とを含んでいる。

ビーム照射部１０は、レーザー光源１１と、照明光学系１２とを含んでいる。レーザー光源１１はレーザー光Ｌ３０を照明光学系１２に出射する。レーザー光源１１は例えばファイバーレーザー光源である。レーザー光Ｌ３０の波長は例えば１０６４ｎｍである。レーザー光Ｌ３０の進行方向に対して垂直な面におけるレーザー光Ｌ３０の断面形状は、例えば略円形である。また、レーザー光Ｌ３０の進行方向に対して垂直な面におけるレーザー光Ｌ３０の断面寸法は、レーザー光Ｌ３０が進行方向に進行すればするほど大きくなっていく。

照明光学系１２はレーザー光Ｌ３０を平行な光ビーム（以下、平行ビームＬ３１とも呼ぶ）に整形して、平行ビームＬ３１を空間光変調器１４に導く。平行ビームＬ３１の進行方向に対して垂直な面における平行ビームＬ３１の断面寸法は、理想的には、進行方向に進行しても一定である。また、平行ビームＬ３１は当該垂直な面において略均一な強度を有する。平行ビームＬ３１は当該垂直な面において、例えば一方向（紙面垂直な方向）に長い矩形形状を有する。このような平行ビームＬ３１はラインビームとも呼ばれ得る。

空間光変調器１４は平行ビームＬ３１を変調し、変調後の変調ビームＬ３２を投影光学系１５に導く。空間光変調器１４は例えばＬｉｎｅａｒ−ＰＬＶ（Planar Light Valve）、ＧＬＶ（登録商標：Grating Light Valve）またはＤＭＤ（Digital Micromirror Device）である。

図２は、空間光変調器１４の構成の一例を概略的に示す図である。図２の例では、空間光変調器１４はＧＬＶであり、基板１４Ａと、基板１４Ａ上に平行に配列された、リボン状のマイクロブリッジ１４Ｂおよびリボン状のマイクロブリッジ１４Ｃが一組または複数組み交互に配列される。これらが回折格子型の空間変調器の１画素として機能する。マイクロブリッジ１４Ｂは可動リボンとも呼ばれ、マイクロブリッジ１４Ｃは固定リボンとも呼ばれる。マイクロブリッジ１４Ｂおよびマイクロブリッジ１４Ｃが並ぶ方向は平行ビームＬ３１の長手方向と同じである。

マイクロブリッジ１４Ｂは、その端部以外の部分が基板１４Ａから離間して位置し、基板１４Ａに対向する下面が窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）などからなる可撓性部材で構成され、下面と反対側の上面がアルミニウムなどの単層金属膜からなる反射電極膜で構成される。

空間光変調器１４は、マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加される電圧のオン／オフで駆動制御される。マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加する電圧をオンにすると、静電誘導された電荷によってマイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ１４Ｂが基板１４Ａ側に撓む。マイクロブリッジ１４Ｃに電荷は印加されず、マイクロブリッジ１４Ｃはそのままの状態（形状）を維持するため、マイクロブリッジ１４Ｂとマイクロブリッジ１４Ｃとで回折格子が形成される。空間光変調器１４の一画素に照射された光は、反射または回折され、光の伝搬する方向が変化する。マイクロブリッジ１４Ｂの撓み量が光の波長の４分の１となった場合、正反射光または０次回折光の強度はゼロになる一方で１次回折光の強度が最大となる。一方で、マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加する電圧をオフにすると、上記の撓みが解消し、マイクロブリッジ１４Ｂは基板１４Ａから遠ざかり、マイクロブリッジ１４Ｃと同一の高さとなり、空間光変調器１４は正反射ミラーとして振る舞うため、正反射光または０次回折光の強度が最大となる。このようにマイクロブリッジ１４Ｂの電圧のオン、オフを切り替えることで、正反射光または１次回折光の強度をオン、オフする光変調器として機能する。

通常、ＧＬＶ素子の画素は、例えば３組のマイクロブリッジ１４Ｂおよびマイクロブリッジ１４Ｃで構成され、空間光変調器１４は例えば１０００個の画素を含む。１０００個の画素は平行ビームＬ３１の長手方向に沿って並んで配置される。つまり、３組のマイクロブリッジ１４Ｂおよびマイクロブリッジ１４Ｃからなる組が平行ビームＬ３１の長手方向に沿って１０００個配列される。さらに、空間光変調器１４の構成として、１０００個の画素を例えば２００個の画素毎の５つのグループに分割し、平行ビームＬ３１を５つのグループとして変調し、変調ビームＬ３２を出射する。このように各グループは２００個の画素があるため、光強度分布の形状を自由に変形することができる。

投影光学系１５は、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２の不要光を遮光する。例えば投影光学系１５は、変調ビームＬ３２に含まれた高次回折光を遮光し、０次回折光を通過させる。

分離光学系１８は、投影光学系１５を通過した変調ビームＬ３２を複数の変調ビームＬ３３に分離する（図４も参照）。例えば、分離光学系１８は空間光変調器１４の画素のグループごとに変調ビームＬ３２を分離する。ここでは、空間光変調器１４は２００画素からなるグループを５つ含むので、分離光学系１８は変調ビームＬ３２を５つの変調ビームＬ３３に分離する。５つの変調ビームＬ３３は進行方向に垂直な面において間隔を空けて並ぶ。各変調ビームＬ３３は当該面において、例えば矩形形状を有する。

走査部１９は複数の変調ビームＬ３３を造形材料層１２０上にスポット照射する。図３は、造形材料層１２０の表面の様子の一例を概略的に示す平面図である。図３の例では、造形材料層１２０の表面上には、複数の変調ビームＬ３３が照射される。これにより、造形材料層１２０の表面上に複数のスポットＳ３が形成される。スポットＳ３とは、造形材料層１２０の表面のうち変調ビームＬ３３によって照射された領域を示す。造形材料層１２０の表面において複数のスポットＳ３は間隔を空けて並んでいる。以下では、造形材料層１２０上においてスポットＳ３が並ぶ方向を配列方向Ｄ２とも呼ぶ。図３の例では、配列方向Ｄ２はＸ軸に平行である。

走査部１９は、配列方向Ｄ２と交差する走査方向Ｄ１（ここではＹ軸）に沿って複数のスポットＳ３を走査（移動）させる。図１の例では、走査部１９はガルバノミラー１９２を含んでいる。走査部１９はガルバノミラー１９２の回転により、複数のスポットＳ３を造形材料層１２０上で一体的に移動させる。このスポットＳ３の走査態様は任意であるものの、例えばラスタスキャンを採用してもよい。この走査により、造形材料層１２０は、スポットＳ３内の強度分布に応じて溶融および焼結し、所望の形状に一体化する。

次に、造形材料を供給する供給機構１６について説明する。図１に例示するように、供給機構１６は、パートシリンダー１６Ａと、フィードシリンダー１６Ｂと、スキージ１６Ｄとを含む。供給機構１６は、所定の単位空間に順次に造形材料層１２０を積層させる。造形材料層１２０は、造形材料からなる。

フィードシリンダー１６Ｂは、フィードシリンダー１６Ｂの内部に下面１６Ｂａを有する。当該下面１６Ｂａは、フィードシリンダー１６Ｂの内部においてＺ軸方向に移動可能である。フィードシリンダー１６Ｂの内部における下面１６Ｂａの上部には、造形材料が収容されている。

一方、パートシリンダー１６Ａは、パートシリンダー１６Ａの内部に下面１６Ａａを有する。当該下面１６Ａａは、パートシリンダー１６Ａの内部においてＺ軸方向に移動可能である。パートシリンダー１６Ａの内部における下面１６Ａａの上部には、造形空間ＳＰが設定されている。

パートシリンダー１６Ａの内部には、フィードシリンダー１６Ｂから造形材料が供給される。具体的には、パートシリンダー１６Ａの下面１６Ａａを所定距離、下降させる。一方、フィードシリンダー１６Ｂの下面１６Ｂａを所定距離、上昇させる。そして、フィードシリンダー１６Ｂからパートシリンダー１６Ａへ向かって、スキージ１６Ｄを移動させる。その結果、所定量の造形材料がフィードシリンダー１６Ｂの内部からパートシリンダー１６Ａの内部へ移動する。

次に、制御装置２０の一例について説明する。制御装置２０は、ビーム照射装置４０および供給機構１６を制御する。具体的な一例として、制御装置２０は、レーザー制御部２０Ａと、変調制御部２０Ｂと、走査制御部２０Ｃと、データ取得部２０Ｄと、露光データ作成部２０Ｅとを含む。

データ取得部２０Ｄは、例えば、外部装置または記憶媒体から３次元造形データを受信する。データ取得部２０Ｄは当該３次元造形データを記憶部３０に記憶させる。

露光データ作成部２０Ｅは、データ取得部２０Ｄによって取得された３次元造形データに基づいて露光データを作成し、露光データを記憶部３０に記憶させる。露光データとは、空間光変調器１４の各空間変調素子（マイクロブリッジ１４Ｂ）の状態を示すデータであり、例えば各マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加する各電圧を示すデータである。露光データは、空間光変調器１４の変調パターンを示すデータである、ともいえる。露光データ作成部２０Ｅは、３次元造形データで示された３次元造形物を製造できるように、各造形材料層１２０の各位置における変調ビームＬ３３の強度を決定し、その強度で変調ビームＬ３３を照射するための空間光変調器１４の変調パターンを決定し、その変調パターンを示す露光データを作成する。

レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１を制御して、レーザー光源１１にレーザー光Ｌ３０を出射させる。

変調制御部２０Ｂは、露光データ作成部２０Ｅによって作成された露光データに基づいて、空間光変調器１４を制御する。これにより、変調ビームＬ３２の光の強度分布が、３次元造形データに示された形状を反映する強度分布となる。

走査制御部２０Ｃは走査部１９および供給機構１６を制御する。走査制御部２０Ｃは、所定の単位空間に順次に変調ビームＬ３３を導くように、走査部１９および供給機構１６を制御する。具体的には、走査制御部２０Ｃは、ガルバノミラー１９２を回転させることによって、変調ビームＬ３３を造形材料層１２０上で走査させる。

また、走査制御部２０Ｃは、パートシリンダー１６Ａとフィードシリンダー１６Ｂとスキージ１６Ｄとを移動させることによって、所定の単位空間に順次、造形材料層１２０を形成する。

＜光路について＞
次に、図４を参照して、３次元造形装置１００での光路の一例について説明する。図４は、３次元造形装置１００での光路の一例を概略的に示す図である。以下では、光学系の直交座標系を導入して説明する。当該直交座標系は、互いに直交するａ軸、ｂ軸およびｃ軸で構成され、ａ軸は光軸に相当する。ｂ軸は平行ビームＬ３１の長手方向に延びる軸であり、ｃ軸は平行ビームＬ３１の短手方向に延びる軸である。

図４に例示されるように、照明光学系１２は、レーザー光源１１から出射されたレーザー光Ｌ３０を平行ビームＬ３１に変換し、平行ビームＬ３１を空間光変調器１４に導く。図１を参照して、照明光学系１２はコリメートレンズ１２１，１２２を含んでもよい。コリメートレンズ１２１，１２２は、例えば、シリンドリカルレンズまたはパウエルレンズである。コリメートレンズ１２１は、ｃ軸に沿って見て、レーザー光Ｌ３０を平行光に変換し、コリメートレンズ１２２は、ｂ軸に沿って見て、レーザー光Ｌ３０を平行光に変換する。なお、照明光学系１２は、単一のコリメートレンズによって構成されてもよく、また、他の光学素子が照明光学系１２に追加されてもよい。

空間光変調器１４は照明光学系１２からの平行ビームＬ３１を変調して、ｂ軸における光の強度分布を調整する。空間光変調器１４は複数（ここでは５つ）の変調素子群１４１を含んでいる。各変調素子群１４１は一グループに相当する。空間光変調器１４はグループ単位で平行ビームＬ３１を変調する。よって、変調ビームＬ３２は、各グループ（変調素子群１４１）によって変調された部分変調ビームＬ３２１がｂ軸において連続することで構成される。

なお、図４の例では、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２の投影像が模式的に示されている。また、図４においては、便宜上、空間光変調器１４の前後で光路が一直線となっているが、空間光変調器１４が反射型の変調器である場合は、空間光変調器１４の前後における光路は逆向きとなる（図１も参照）。

投影光学系１５は、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２の不要光を遮光する。例えば投影光学系１５は、レンズ１５Ａと、アパーチャ部１５Ｂと、レンズ１５Ｃとを含む。レンズ１５Ａは例えばフーリエ変換レンズであり、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２のうち０次回折光をアパーチャ部１５Ｂの開口１５ｂに集光させる。アパーチャ部１５Ｂはレンズ１５Ａの焦点位置に設けられており、変調ビームＬ３２に含まれる０次回折光のみを通過させる。言い換えれば、変調ビームＬ３２に含まれる高次回折光（例えば１次回折光）はアパーチャ部１５Ｂの開口１５ｂ以外の部分に集光し、遮光される。レンズ１５Ｃは例えば逆フーリエ変換レンズであり、アパーチャ部１５Ｂを通過した変調ビームＬ３２（０次回折光）を平行光に変換する。なお、投影光学系１５には他の光学素子が追加されてもよい。

分離光学系１８は投影光学系１５からの変調ビームＬ３２を複数の変調ビームＬ３３に分離する。図４の例では、分離光学系１８は、レンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを含むアフォーカルな縮小光学系である。レンズアレイ１８Ａは、ｂ軸に沿って配列された複数（図１では５つ）のレンズ１８ａを含んでいる。ｂ軸に沿って配列されるレンズ１８ａの個数は、空間光変調器１４のグループ（変調素子群１４１）の個数と同じである。複数のレンズ１８ａは連続的に配列され得る。言い換えれば、複数のレンズ１８ａは間隔を空けずにｂ軸に沿って配列されて、一体化され得る。

レンズアレイ１８Ｂも、ｂ軸に沿って配列された複数（ここでは５つ）のレンズ１８ｂを含んでいる。ｂ軸に沿って配列されるレンズ１８ｂの個数は、空間光変調器１４のグループ（変調素子群１４１）の個数と同じである。複数のレンズ１８ｂも連続的に配列され得る。複数のレンズ１８ｂが光軸（ａ軸）方向においてレンズアレイ１８Ａの複数のレンズ１８ａとそれぞれ向かい合う位置に、レンズアレイ１８Ｂが設けられる。なお、分離光学系１８には他の光学素子が追加されてもよい。

投影光学系１５からの変調ビームＬ３２はレンズアレイ１８Ａの５つのレンズ１８ａに入射する。具体的には、変調ビームＬ３２は５つのレンズ１８ａの全体に入射する。つまり、理想的には、レンズアレイ１８Ａに入射する変調ビームＬ３２の幅は５つのレンズ１８ａの全体の幅と等しい。空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２の幅がレンズ１８ａの全体の幅と一致していない場合、投影光学系１５は、変調ビームＬ３２の幅が５つのレンズ１８ａの全体の幅と一致するように、変調ビームＬ３２の幅を拡大または縮小するとよい。このような拡大および縮小は、レンズ１５Ａ，１５Ｃを適切に選定することにより実現できる。

変調ビームＬ３２は、ｂ軸に沿って連続的に並ぶ５つの部分変調ビームＬ３２１によって構成される。変調ビームＬ３２がレンズアレイ１８Ａに入射することにより、５つの部分変調ビームＬ３２１はそれぞれ５つのレンズ１８ａに入射する。各レンズ１８ａは、対応する部分変調ビームＬ３２１をそれぞれの焦点位置に集光させる。これにより、変調ビームＬ３２が複数（ここでは５つ）の変調ビームＬ３３に分離する。つまり、各変調ビームＬ３３は、各部分変調ビームＬ３２１を縮小したビームに相当する。

分離された複数の変調ビームＬ３３はそれぞれレンズアレイ１８Ｂのレンズ１８ｂに入射する。各レンズ１８ｂは、入射した変調ビームＬ３３を平行光に変換する。レンズアレイ１８Ｂの光源側の焦点距離はレンズアレイ１８Ａの像側の焦点距離よりも短いので、分離光学系１８から出射される各変調ビームＬ３３の幅（ｂ軸に沿う幅）は、部分変調ビームＬ３２１の幅よりも狭くなる。図４の例では、レンズアレイ１８Ｂを通過した複数の変調ビームＬ３３の投影像が模式的に示されている。

レンズアレイ１８Ａはその直前の光学系（投影光学系１５）の像側の焦点位置（合成焦点位置）に設けられるとよい。つまり、レンズアレイ１８Ａは投影光学系１５の投影像が形成される位置に設けられるとよい。これにより、レンズアレイ１８Ａの配置位置での変調ビームＬ３２の強度分布において、隣り合う部分変調ビームＬ３２１の光のクロストークを低減することができる。

図１を参照して、分離光学系１８からの複数の変調ビームＬ３３は、レンズ１９１を介してガルバノミラー１９２に入射し、ガルバノミラー１９２の反射面で反射する。レンズ１９１は複数のレンズによって構成されてもよい。ガルバノミラー１９２で反射された複数の変調ビームＬ３３はレンズ１９３を介して造形材料層１２０の表面上に照射される。レンズ１９３は例えばｆθレンズを含む。レンズ１９３は複数のレンズによって構成されてもよい。複数の変調ビームＬ３３が造形材料層１２０に照射されることにより、造形材料層１２０の表面上に複数のスポットＳ３が形成される（図３も参照）。なお、レンズ１９１、ガルバノミラー１９２およびレンズ１９３は走査部１９に属する。

ガルバノミラー１９２が所定の回転軸で回転することにより、複数のスポットＳ３が走査方向Ｄ１に沿って一体的に移動する。図１の例では、模式的に１つのガルバノミラー１９２のみが示されているものの、実際には、２つのガルバノミラーが設けられる。各ガルバノミラー１９２の回転軸は互いに交差しており、より具体的には直交している。各ガルバノミラー１９２が独立して制御されることにより、複数のスポットＳ３を任意の走査方向に沿って移動させることもできる。ここでは一例として、ガルバノミラーの一方のみを回転させることで、複数のスポットＳ３を走査方向Ｄ１に沿って移動させ、ガルバノミラーの他方のみを回転させることで、複数のスポットＳ３を、走査方向Ｄ１に直交する直交方向（例えば配列方向Ｄ２）に沿って移動させることができる。

＜制御装置の処理について＞
次に、図５を参照して、制御装置２０の処理の一例について説明する。図５は、制御装置２０の処理の一例を示すフローチャートである。

まず、データ取得部２０Ｄは、例えば、外部装置または記憶媒体から３次元造形データを受信することで、当該３次元造形データを記憶部３０に記憶させる（ステップＳＴ１）。また、露光データ作成部２０Ｅは当該３次元造形データに基づいて露光データを作成する。

次に、レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１を制御する（ステップＳＴ２）。具体的には、レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１からレーザー光Ｌ３０を出射させる。レーザー光Ｌ３０は照明光学系１２において平行ビームＬ３１に変換されて、空間光変調器１４に入射する。

変調制御部２０Ｂは空間光変調器１４を制御するとともに、走査制御部２０Ｃは走査部１９を制御する（ステップＳＴ３）。具体的には、変調制御部２０Ｂは露光データに基づいて空間光変調器１４を制御する。この制御により、空間光変調器１４は平行ビームＬ３１を変調し、変調後の変調ビームＬ３２を出射する。変調ビームＬ３２は、３次元造形データに示された形状を反映する強度分布を有する。変調ビームＬ３２は投影光学系１５を経由して分離光学系１８に入射する。分離光学系１８は変調ビームＬ３２を複数の変調ビームＬ３３に分離する。走査部１９は、分離光学系１８からの複数の変調ビームＬ３３を造形材料層１２０に導く。走査制御部２０Ｃは、変調制御部２０Ｂによる変調制御と並行して、走査部１９を制御し、造形材料層１２０上でスポットＳ３を移動させる。

ここで、走査経路の一例について述べる。図３の例では、スポットＳ３の間隔はスポットＳ３の幅と同程度である。つまり、５つのスポットＳ３は初期的には、それぞれ１行目、３行目、５行目、７行目および９行目の走査ラインの先頭に位置している。５つのスポットＳ３の走査方向Ｄ１の移動によって、１行目、３行目、５行目、７行目および９行目の走査ラインに対する走査が終了する。

続いて、走査部１９は５つのスポットＳ３をスポットＳ３の幅と同程度だけ、配列方向Ｄ２に沿って移動させる。これにより、５つのスポットＳ３は、それぞれ２行目、４行目、６行目、８行目および１０行目の走査ライン上に位置する。次に、走査部１９は５つのスポットＳ３を走査方向Ｄ１に沿って走査させる。これにより、２行目、４行目、６行目、８行目および１０行目の走査ラインに対する走査が終了する。以上の動作によって、１行目から１０行目までの走査ラインに対する走査が終了する。

次に、走査部１９は、先頭のスポットＳ３が１１行目の走査ラインに位置するように、５つのスポットＳ３を配列方向Ｄ２に沿って移動させる。これにより、５つのスポットＳ３は、１１行目、１３行目、１５行目、１７行目および１９行目の走査ライン上に位置する。要するに、走査部１９は、分離光学系１８からの複数の変調ビームＬ３３（スポットＳ３）を造形材料上で走査方向Ｄ１に沿って移動させて互いに離れた第１複数行に対する走査を行い、複数の変調ビームＬ３３（スポットＳ３）を走査方向Ｄ１に直交する方向に移動させた上で走査方向Ｄ１に沿って移動させて、第１複数行の相互間の第２複数行に対する走査を行う。以後、同様にして、複数のスポットＳ３を移動させることにより、造形材料層１２０上の全領域をスポットＳ３で走査することができる。これにより、造形材料層１２０が３次元造形データに応じた位置で溶融および焼結し、３次元造形データに示された形状に整形される。

３次元造形装置１００は造形材料層１２０に対する走査が終了すると、次の造形材料層１２０を積層して再び走査を行う。３次元造形装置１００はこのプロセスを複数回行うことで、３次元造形物を製造する。

以上のようにして、３次元造形装置１００は３次元造形物を製造することができる。しかも、この３次元造形装置１００によれば、造形材料層１２０上で複数のスポットＳ３が互いに離れている（図３参照）。

比較のために、５つのスポットＳ３が互いに連続する場合について考慮する。つまり、ライン状に変調ビームが造形材料層１２０上に照射される場合について考慮する。図３の例では、造形材料層１２０上のライン状の変調ビームをラインＬＳ３で示している。この場合、ラインＬＳ３の全体に亘って造形材料が溶融し得る。よって、例えばラインＬＳ３内の一方の端部で溶融した造形材料は、他方の端部により近い位置まで流動し得る。つまり、溶融した造形材料がより広い範囲で流動する。ラインＬＳ３内の造形材料の温度分布がばらついているほど、より広い範囲から一部分に造形材料が局所的に流入し、これによって、当該一部分での造形材料の隆起が大きくなる。

これに対して、３次元造形装置１００によれば、複数のスポットＳ３が互いに離れている。造形材料は各スポットＳ３で溶融するので、造形材料の流動可能な範囲を狭くすることができる。よって、造形材料の隆起を低減することができる。したがって、３次元造形物をより所望の形状に近い状態で製造することができる。言い換えれば、高い形状精度で３次元造形物を製造することができる。

さらなる比較のために、単一のスポットＳ３で３次元造形物を製造する場合についても考慮する。この場合、スループットを向上するには、スポットＳ３の光の強度を増加させつつ、スポットＳ３の移動速度（走査速度ともいう）を高めることが考えられる。しかしながら、スポットＳ３の強度および移動速度を変更すると、造形材料の現象プロセス（例えば溶融の程度、蒸発など）が変わる。３次元造形物の製造に適した強度範囲および移動速度の範囲は予め決められるので、単一のスポットＳ３での３次元造形では、スループットの向上には限界がある。

これに対して、本実施の形態では、複数のスポットＳ３を造形材料層１２０上に形成できる。これによれば、一度の移動によって、複数行分の領域に対する走査を行うことができるので、スループットを向上させることができる。つまり、造形材料にとって適した強度および走査速度を採用しつつも、スポットＳ３の個数を増やすことで、スループットを向上させることができる。

また、本実施の形態では、単一のレーザー光源１１を用い、分離光学系１８が変調ビームＬ３２を複数の変調ビームＬ３３に分離している。よって、複数のレーザー光源１１から複数の変調ビームを形成する場合に比して、ビーム照射装置４０の装置サイズおよび製造コストを低減することができる。

＜分離光学系＞
図４の例では、分離光学系１８はレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを含んでいる。図６は、分離光学系１８に入射する変調ビームＬ３２および分離光学系１８から出射される複数の変調ビームＬ３３の強度分布の一例を概略的に示す図である。図６の例では、分離光学系１８も示されている。図６の例では、分離光学系１８に入射する変調ビームＬ３２の強度分布は、矩形状の形状を有している。つまり、変調ビームＬ３２の強度はｂ軸上の位置によらず略一定である。

一方で、分離光学系１８から出射される各変調ビームＬ３３の強度分布は、その中央における強度が両側の強度よりも小さい凹状の形状を有している。つまり、各変調ビームＬ３３の強度は中央領域よりも両側領域において高まっている。これは、レンズアレイ１８Ａのレンズ１８ａどうしの境界付近およびレンズアレイ１８Ｂのレンズ１８ｂどうしの境界付近で生じる回折現象に起因する。

以上のように、レンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを含む分離光学系１８は、たとえ変調ビームＬ３２の強度が一定であっても、両側で強度が高い変調ビームＬ３３を出射することができる。よって、造形材料層１２０上のスポットＳ３でも、その両側領域での強度が中央領域に比べて高くなる。

比較のために、各変調ビームＬ３３の強度分布が、その中央位置でピーク値をとる凸形状を有している場合について考慮する。このような凸形状の強度分布を有するビームとしては、ガウシアンビームを例示できる。各変調ビームＬ３３の強度は中央位置でピーク値をとり、当該中央位置から離れるにつれて低減する。造形材料層１２０上のスポットＳ３の強度分布も同様である。

スポットＳ３内の全領域に十分な熱量を与えるには、スポットＳ３内の強度の面積積分値を増加させる必要がある。例えば、スポットＳ３の走査速度を向上させる場合、造形材料層１２０上の各位置で十分な熱量を与えるには、スポットＳ３の強度の面積積分値を増加させる必要がある。ガウシアンビームでは強度は中央領域でピーク値を有するので、面積積分値を増加させると、スポットＳ３は、その中央の強度が周縁の強度に比べて非常に高い極端な強度分布を呈する。このようなスポットＳ３では、その中央の微小領域に集中して熱量が与えられるので、当該微小領域は周縁領域に比べて瞬時に高温となる。これにより、中央で溶融した造形材料が周辺に飛散するスパッタ、または、蒸発した造形材料が凝集するヒュームが生じるという問題がある。

これに対して、上述の例では、分離光学系１８にはレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂが設けられているので、各変調ビームＬ３３の強度分布において、その両側領域の強度が中央領域の強度よりも高くなる。これによれば、ピーク値が２箇所あるので、変調ビームＬ３３（スポットＳ３）内の強度の面積積分値を高めるために、ガウシアンビームほどピーク値を高める必要がない。したがって、スパッタおよびヒュームが発生する可能性を低減することができる。

また、スポットＳ３内の両ピーク値の近傍で生じた熱は、スポットＳ３の中央側にも移動するので、スポットＳ３における造形材料の温度分布をより均一にすることができ、熱を有効利用することができる。

＜スポットの分離＞
次に、図６を参照して、スポットＳ３の両端の位置について述べる。このスポットＳ３の両端は、スポットＳ３内の光の強度が、そのピーク値ｐの所定割合の強度となる位置で規定される。具体的には、スポットＳ３の両端は、その強度がｐ／ｅ^２をとる位置によって規定される。ｅはネイピア数である。つまり、図６に例示するように、強度がｐ／ｅ^２をとる位置がスポットＳ３のｂ軸における両端となる。スポットＳ３が分離するとは、隣り合うスポットＳ３の端どうしが互いに離れていることを意味する。

＜変調素子群＞
上述の例では、空間光変調器１４のグループ（変調素子群１４１）は複数の空間変調素子（マイクロブリッジ１４Ｂおよびマイクロブリッジ１４Ｃ）によって構成される。よって、各グループ（変調素子群１４１）は部分変調ビームＬ３２１の強度分布を細かく調整することができる。例えば、空間光変調器１４は、各変調ビームＬ３２の強度分布が複数（例えば３つ以上）のピーク値を有するように、各部分変調ビームＬ３２１を制御してもよい。これによっても、スポットＳ３内の強度の面積積分値を高めるために、ガウシアンビームほどピーク値を高める必要がなく、スポットＳ３内の造形材料の温度分布をより均一にできる。

また、上述のように、図６の例では、ｂ軸において均一な強度を有する変調ビームＬ３２（複数の部分変調ビームＬ３２１）がレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを経由することにより、複数の変調ビームＬ３３の各々では、その強度が両側領域よりも中央領域で小さくなる。そこで、空間光変調器１４の各変調素子群１４１は、各部分変調ビームＬ３２１の両側領域の強度が中央領域に比べて低くなるように、部分変調ビームＬ３２１の強度分布を調整してもよい。これによれば、変調ビームＬ３２がレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを経由することにより、各変調ビームＬ３３の強度分布をトップハット形状（つまり、略矩形状）に近づけることができる。言い換えれば、空間光変調器１４は、各変調ビームＬ３２の強度分布が略矩形形状を有するように、各部分変調ビームＬ３２１を制御してもよい。これによって、スポットＳ３内の造形材料の温度分布をさらに均一にすることができる。

空間光変調器１４として、ＧＬＶまたはＰＬＶを採用すれば、各空間変調素子が多階調に強度を調整できるので、変調ビームＬ３３の光の強度分布をより細かく調整することができる。また、空間変調素子が強度を二値（ＯＮ／ＯＦＦ）で調整する場合であっても、変調素子群１４１を構成する空間変調素子の個数を多くすることにより、光の強度分布を細かく調整することが可能である。さらに、空間変調素子のＯＮ／ＯＦＦを時間的に変調することにより、強度の時間平均値を多階調で調整することも可能である。このような変調は、パルス幅変調と同様である。これにより、疑似的に強度を多階調で調整することもできる。

なお、例えばスポットＳ３内の造形材料の温度分布があまり問題にならない場合では、空間光変調器１４の各グループ（変調素子群１４１）を単一の画素によって構成しても構わない。

＜分離光学系の他の例＞
図７は、分離光学系１８の構成の他の一例を概略的に示す図である。図７の例では、分離光学系１８は単一のレンズアレイ１８Ｃを含んでいる。レンズアレイ１８Ｃは、ｂ軸に沿って配列された複数（ここでは５つ）のレンズ１８ｃを含んでいる。ｂ軸に沿って配列されたレンズ１８ｃの個数は、空間光変調器１４のグループ（変調素子群１４１）の個数と同じである。複数のレンズ１８ｃは連続的に配列され得る。言い換えれば、複数のレンズ１８ｃは間隔を空けずにｂ軸に沿って配列されて、一体化され得る。レンズアレイ１８Ｃの像側の焦点距離は例えばレンズアレイ１８Ａよりも長い。

変調ビームＬ３２のうち各部分変調ビームＬ３２１は、対応するレンズ１８ｃに入射する。これにより、変調ビームＬ３２は複数の変調ビームＬ３３に分離される。変調ビームＬ３３はその進行方向に垂直な断面において、例えば矩形形状を有する。

この構成によれば、変調ビームＬ３３の強度分布（ファーフィールド像）は、Ｓｉｎｃ関数のように、その中央で第１ピーク値をとるとともに、その中央よりも離れた両側で第１ピーク値よりも小さな第２ピーク値をとる。したがって、第２ピーク値を有さないガウシアンビームに比べて、スポットＳ３内の造形材料の温度分布をより均一にすることができ、熱を有効利用することができる。また、第２ピーク値を有さないガウシアンビームに比べて、スポットＳ３内における強度の面積積分値は高い。よって、この面積積分値を高めるためにガウシアンビームほどピーク値を増加させる必要がない。したがって、スパッタまたはヒュームが発生する可能性を低減することもできる。

図７の分離光学系１８は単一のレンズアレイ１８Ｃで構成されるので、より簡易に分離光学系１８を構成することができる。よって、ビーム照射装置４０の装置サイズおよび製造コストを低減することができる。一方で、図６の分離光学系１８によれば、変調ビームＬ３３の両側領域の強度をより高くすることができ、強度分布をより均一化できる。よって、スポットＳ３内の造形材料の温度分布をより均一化できる。

＜空間光変調器＞
空間光変調器１４として、位相型の空間光変調器を用いてもよい。例えば位相型のＰＬＶおよび位相型のＧＬＶを採用することができる。この空間光変調器１４は位相差による光の干渉によって、平行ビームＬ３１を変調できる。これによれば、アパーチャ部１５Ｂによる不要光の遮光を必要としないので、光の損失を低減することができる。

また、上述の例では、空間光変調器１４は１次元の空間光変調器であるものの、２次元の空間光変調器であってもよい。つまり、空間変調素子がｂｃ平面において２次元で配列されていてもよい。これによれば、変調ビームＬ３３の強度分布を２次元（ｂｃ平面）で調整することができる。

＜走査態様＞
図３の例では、スポットＳ３の間隔がスポットＳ３の幅と同程度であったが、スポットＳ３の間隔は適宜に変更してもよい。スポットＳ３の間隔は、例えば、分離光学系１８における縮小倍率を調整することで、調整することが可能である。例えば、スポットＳ３の間隔をスポットＳ３の幅の整数倍と同程度に設定してもよい。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態にかかる３次元造形装置１００は、イメージローテータの有無を除いて第１の実施の形態にかかる３次元造形装置１００と同様の構成を有している。図８は、第２の実施の形態にかかる３次元造形装置１００のビーム照射装置４０の構成の一例を概略的に示す図である。以下では、第２の実施の形態にかかるビーム照射装置４０をビーム照射装置４０Ａと呼ぶ。

ビーム照射装置４０Ａは、ビーム照射部１０と、空間光変調器１４と、投影光学系１５（または投影光学系１５０）と、分離光学系１８と、イメージローテータ１３と、走査部１９とを含んでいる。図８の例では、分離光学系１８はレンズアレイ１８Ｃを含んでいるものの、レンズアレイ１８Ｃに替えてレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを含んでいてもよい。また、図８の例では、分離光学系１８はアパーチャ部１８Ｄを含んでいるものの、アパーチャ部１８Ｄは省略してもよい。

図８の例では、イメージローテータ１３はガルバノミラー１９２よりも後段に設けられており、より具体的な一例として、ガルバノミラー１９２とレンズ１９３との間に設けられている。イメージローテータ１３には、ガルバノミラー１９２からの複数の変調ビームＬ３３が入射する。イメージローテータ１３は光軸（ａ軸）のまわりで、複数の変調ビームＬ３３を一体に回転させる。これにより、ｂｃ平面における変調ビームＬ３３の配列方向を回転させることができる。イメージローテータ１３は、例えばタブプリズムまたは３面鏡などの光学素子と、当該光学素子を回転軸（ａ軸）のまわりで回転させる回転機構とを含んでいる。

イメージローテータ１３は制御装置２０によって制御される。図９は、制御装置２０の内部構成の一例を概略的に示す機能ブロック図である。制御装置２０は、図１の制御装置２０と比べて、ローテータ制御部２０Ｊをさらに含んでいる。ローテータ制御部２０Ｊはイメージローテータ１３を制御して、変調ビームＬ３３の配列方向を調整する。

イメージローテータ１３が複数の変調ビームＬ３３を一体で回転させることにより、造形材料層１２０上でのスポットＳ３の配列方向Ｄ２を変更することができる。図１０から図１２は複数のスポットＳ３の一例を概略的に示す図である。

図１０は、イメージローテータ１３の回転角度が初期角度（零度）であるときのスポットＳ３の一例を概略的に示している。図１０の例では、イメージローテータ１３の回転角度が零度であるときには、複数のスポットＳ３はＹ軸方向に沿って配列されている。つまり、配列方向Ｄ２はＹ軸方向である。

走査方向Ｄ１は２つのガルバノミラー１９２を並行して動作させることにより、任意の方向に設定可能であるものの、ここでは、一方のガルバノミラー１９２のみを動作させて、複数のスポットＳ３を走査方向Ｄ１に移動させるものとする。ここでは一例として、走査方向Ｄ１は配列方向Ｄ２に直交している。下では、回転角度が零度であるときの走査方向Ｄ１を走査方向Ｄ１０とも呼ぶ。

図１１は、イメージローテータ１３の回転角度が４５度であるときのスポットＳ３の一例を概略的に示している。図１１の例では、回転角度が４５度であるときに、複数のスポットＳ３は、＋Ｘ側かつ＋Ｙ側の斜め４５度方向に沿って配列されている。よって、配列方向Ｄ２は、＋Ｘ側かつ＋Ｙ側の斜め４５度方向に平行である。

図１１の例では、イメージローテータ１３はガルバノミラー１９２よりも後段に位置しているので、走査方向Ｄ１もイメージローテータ１３によって回転する。走査方向Ｄ１は配列方向Ｄ２に直交するので、走査方向Ｄ１は＋Ｘ側かつ−Ｙ側の斜め４５度方向に平行である。以下では、回転角度が４５度であるときの走査方向Ｄ１を走査方向Ｄ１１とも呼ぶ。

図１２は、イメージローテータ１３の回転角度が９０度であるときのスポットＳ３を示している。図１２の例では、回転角度が９０度であるときに、複数のスポットＳ３は、Ｘ軸方向に沿って配列されている。よって、配列方向Ｄ２はＸ軸方向である。走査方向Ｄ１はスポットＳ３の配列方向Ｄ２に直交しているので、Ｙ軸方向である。以下では、回転角度が９０度であるときの走査方向Ｄ１を走査方向Ｄ１２とも呼ぶ。

制御装置２０は、積層される造形材料層１２０ごとに走査方向Ｄ１を変更してもよい。例えば３次元造形装置１００は、ある第１造形材料層１２０に対して走査方向Ｄ１０でスポットＳ３を走査する。これにより、当該第１造形材料層１２０を造形データに応じて溶融および焼結させる。次に、３次元造形装置１００の供給機構１６は、第１造形材料層１２０の上に第２造形材料層１２０を供給し、ローテータ制御部２０Ｊはイメージローテータ１３を回転させて回転角度を４５度とする。そして、３次元造形装置１００は、当該第２造形材料層１２０に対して走査方向Ｄ１１でスポットＳ３を走査する。これにより、第２造形材料層１２０を造形データに応じて溶融および焼結させる。次に、供給機構１６が第２造形材料層１２０の上に第３造形材料層１２０を供給し、ローテータ制御部２０Ｊがイメージローテータ１３を回転させて回転角度を９０度とする。そして、３次元造形装置１００は当該第３造形材料層１２０に対して走査方向Ｄ１２でスポットＳ３を走査する。なお、積層される造形材料層１２０ごとに走査方向Ｄ１を変更するだけでなく、同一の造形材料層１２０において、走査方向Ｄ１を変更してもよく、また、同一の造形材料層１２０内での走査方向の変更と、造形材料層１２０ごとの走査方向の変更を組み合わせても良い。

以後、造形材料層１２０ごとに走査方向Ｄ１を異ならせて、当該造形材料層１２０上でスポットＳ３を移動させる。なお、必ずしも１層ごとに走査方向Ｄ１を異ならせる必要はなく、複数層ごとに走査方向Ｄ１を異ならせてもよい。

比較のために、複数層において同じ走査方向Ｄ１でスポットＳ３を走査する場合を考慮する。この場合、走査方向Ｄ１に沿って生じる各層の造形歪みが蓄積し得る。また、３次元造形物の表面に、走査方向Ｄ１に沿って延びる筋（凸部または凹部）が形成されたり、あるいは、内部応力が偏ることにより、３次元造形物の強度が一方向に弱くなることもある。

これに対して、造形材料層１２０ごとに走査方向Ｄ１を適宜に変更することで、そのような不具合の発生を低減することができる。

ところで、２つのガルバノミラー１９２を並行して駆動し、その各々の回転速度を調整することで、走査方向Ｄ１を変更することは可能である。しかしながら、ガルバノミラー１９２の両方を常に駆動する必要があるので、駆動機構の消耗が早くなる。

これに対して、上述の例では、一方のガルバノミラー１９２のみによってスポットＳ３を走査方向Ｄ１に沿って移動させ、イメージローテータ１３によって走査方向Ｄ１を変更している。これによれば、走査方向Ｄ１を造形材料層１２０ごとに変更しつつも、走査方向Ｄ１の移動中には、他方のガルバノミラー１９２の駆動を停止できる。よって、ガルバノミラー１９２の駆動機構の消耗を低減できる。

図１３は、第２の実施の形態にかかる３次元造形装置１００のビーム照射装置４０（以下、ビーム照射装置４０Ｂと呼ぶ）の構成の他の一例を概略的に示す図である。このビーム照射装置４０Ｂは、イメージローテータ１３の位置という点を除いて、図８のビーム照射装置４０Ｂと同様の構成を有している。図８の例では、イメージローテータ１３はガルバノミラー１９２よりも前段に設けられており、より具体的な一例として、分離光学系１８とレンズ１９１との間に設けられている。

イメージローテータ１３は複数の変調ビームＬ３３を一体に回転させるので、そのｂｃ平面における変調ビームＬ３３の配列方向を変更することができる。よって、造形材料層１２０上の複数のスポットＳ３の配列方向Ｄ２も変更することができる。ただし、イメージローテータ１３はガルバノミラー１９２よりも前段に設けられているので、イメージローテータ１３が回転しても走査方向Ｄ１は変わらない。

図１４は、イメージローテータ１３の回転角度が４５度であるときのスポットＳ３の一例を概略的に示す図である。図１４の例では、配列方向Ｄ２は＋Ｘ側かつ＋Ｙ側の斜め４５度方向に平行であり、走査方向Ｄ１はＸ軸方向である。走査方向Ｄ１は配列方向Ｄ２に対して斜めに交差している。図１４の例では、５つのスポットＳ３が形成されており、走査部１９は、この５つのスポットＳ３を一体で走査方向Ｄ１に沿って移動させる。

図１４の例では、領域Ｒ１は、非造形領域である。よって、スポットＳ３が領域Ｒ１内に位置するときには、当該スポットＳ３の強度が零となるように、空間光変調器１４が制御される。領域Ｒ１よりも＋Ｘ側の領域Ｒ２は造形領域である。スポットＳ３が領域Ｒ２内に位置するときに、スポットＳ３が３次元造形データを反映した強度分布を有するように、空間光変調器１４が制御される。なお、領域Ｒ２よりも＋Ｘ側にも、領域Ｒ１に相当する非造形領域が存在し得るものの、図１４では図示を省略している。

図４の例でも、スポットＳ３は互いに離れているので、第１の実施の形態と同様に、造形材料の流動可能な範囲を狭くすることができる。よって、造形材料の隆起を低減することができる。したがって、高い形状精度で３次元造形物を製造することができる。

図１４の例では、配列方向Ｄ２が走査方向Ｄ１に対して斜めに交差するので、走査ラインの間隔は、スポットＳ３の間隔よりも狭い。走査ラインの間隔は、配列方向Ｄ２と走査方向Ｄ１との間の角度に応じて変わる。よって、イメージローテータ１３により配列方向Ｄ２を回転させることで、走査ラインの間隔を調整することが可能である。例えば、走査ラインの間隔を零に調整することもできる。

以上のように、この３次元造形装置１００は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において、例示であって、この３次元造形装置１００がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この開示の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。上記各実施の形態および各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせたり、省略したりすることができる。

例えば、上述の例では、走査部１９は変調ビームＬ３３の進行方向を変更して、造形材料層１２０上でスポットＳ３を移動させているものの、必ずしもこれに限らない。走査部１９は、供給機構１６をＸＹ平面で移動させる移動機構を含んでてもよい。これによっても、スポットＳ３を造形材料層１２０上で移動させることができる。

また、上述の例では、移動機構１８１は分離光学系１８を移動させているものの、必ずしもこれに限らない。移動機構１８１は、分離光学系１８よりも前段の光学系を一体にｂ軸において移動させてもよい。

また、投影光学系１５のレンズ１５Ａ，１５Ｃは通常のレンズであってもよく、シリンドリカルレンズであってもよい。

分離光学系１８も同様に、レンズアレイ１８Ａ〜１８Ｃはシリンドリカルレンズアレイであってもよい。この場合、ｃ軸用のシリンドリカルレンズアレイがさらに設けられてもよい。

また、上述の例では、空間光変調器１４の一例としてＧＬＶを用いて説明してきたが、これに限られるものではなく、空間光変調器１４としてＬｉｎｅａｒ−ＰＬＶを採用しても良い。Ｌｉｎｅａｒ−ＰＬＶについて、図１５を用いて説明する。

図１５は、空間光変調器１４の構成の他の例としてＬｉｎｅａｒ−ＰＬＶ２２を概略的に示す図である。Ｌｉｎｅａｒ−ＰＬＶ２２は、図示省略の基板上に隣接してマトリクス状に配置された（すなわち、２次元配列された）複数の略矩形状の空間変調素子２２１を備える。Ｌｉｎｅａｒ−ＰＬＶ２２では、当該複数の空間変調素子２２１の表面が変調面となる。図１５に示す例では、図中の縦方向にＭ個かつ横方向にＮ個の空間変調素子２２１が配置される。図１５中の横方向は、平行ビームＬ３１（図４参照）の長軸方向に対応し、図１５中の縦方向は、平行ビームＬ３１の短軸方向に対応する。

各空間変調素子２２１は、固定部材２２２と、可動部材２２３とを備える。固定部材２２２は、上記基板に固定された平面状の略矩形の部材であり、中央に略円形の開口が設けられる。可動部材２２３は、固定部材２２２の当該開口に設けられる略円形の部材である。固定部材２２２の上面（すなわち、図１５中の紙面に垂直な方向における手前側の面）には、固定反射面が設けられる。可動部材２２３の上面には、可動反射面が設けられる。可動部材２２３は、図１５中の紙面に垂直な方向に移動可能である。

各空間変調素子２２１では、固定部材２２２と可動部材２２３との相対位置が変更されることにより、空間変調素子２２１からの反射光が、０次回折光（すなわち、正反射光）と非０次回折光との間で切り替えられる。換言すれば、空間変調素子２２１では、可動部材２２３が固定部材２２２に対して相対移動することにより、回折格子を利用した光変調が行われる。光変調器２２から出射された０次回折光は、投影光学系１５（図１参照）により走査部１９へと導かれる。また、空間光変調器１４から出射された非０次回折光（主として、１次回折光）は、投影光学系１５により走査部１９とは異なる方向へと導かれ、遮光される。

投影光学系１５では、図１５中の縦方向に１列に並ぶＭ個の空間変調素子２２１からの反射光が積算されて、変調された平行ビームＬ３２として走査部１９へと照射される。これにより、走査部１９から造形材料層１２０へと照射される平行ビームＬ３２のパワー密度を増大させることができる。空間光変調器１４では、１つの列のＭ個の空間変調素子２２１（すなわち、Ｍ個の空間変調素子）を、１つの単位空間に対応する１つの変調要素と捉えることもできる。言い換えれば、例えば、縦方向に並ぶＭ個の空間変調素子２２１からなる組が一画素に相当する。空間光変調器１４は、空間光変調器１４上における平行ビームＬ３１の長軸方向（つまり図１５の横方向）に１列に並ぶＮ個の変調要素を備える空間光変調器として機能する。このような空間光変調器を用いることで、縦方向に延びる列単位で積算されたビームとして整形されるため、より大きな光エネルギー（ビーム強度）を造形材料に照射することができる。

１０ ビーム照射部
１１ 光源（レーザー光源）
１３ イメージローテータ
１４ 空間光変調器
１４１ 変調素子群
２２ Ｌｉｎｅａｒ−ＰＬＶ
２２１ 空間変調素子
１５ 投影光学系
１８ 分離光学系
１８Ａ〜１８Ｃ レンズアレイ
１８ａ，１８ｂ レンズ
１８Ｄ アパーチャ部
１８ｄ 開口
１９ 走査部
１９２ ガルバノミラー
２０ 制御装置
３０ 記憶部
４０ ビーム照射部
１００ ３次元造形装置
Ｌ３０ 光ビーム（レーザー光）
Ｌ３１ 光ビーム（平行ビーム）
Ｌ３２，Ｌ３３ 光ビーム（変調ビーム）
Ｓ３ スポット

Claims (3)

1. ３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、
   光ビームを照射するビーム照射部と、
   前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、
   前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、
   前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査方向に沿って移動させて互いに離れた第１複数行に対する走査を行い、複数の光ビームを前記走査方向に直交する方向に移動させた上で前記走査方向に沿って移動させて、前記第１複数行の相互間の第２複数行に対する走査を行う走査部と
   を備える、３次元造形装置。
2. 請求項１に記載の３次元造形装置であって、
   前記分離光学系からの複数の光ビームを、光軸に平行な回転軸のまわりで、可変の回転角度で一体に回転させるイメージローテータをさらに備え、
   前記走査部はガルバノミラーを含み、
   前記イメージローテータは前記ガルバノミラーよりも後段に設けられる、３次元造形装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の３次元造形装置であって、
   前記分離光学系からの複数の光ビームを、光軸に平行な回転軸のまわりで、可変の回転角度で一体に回転させるイメージローテータをさらに備え、
   前記走査部はガルバノミラーを含み、
   前記イメージローテータは前記ガルバノミラーよりも前段に設けられる、３次元造形装置。

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