JP2021154713A - Head for printer and three-dimensional printer device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プリンタ用ヘッド、及び、3次元プリンタ装置に関する。 The present invention relates to a printer head and a three-dimensional printer device.
従来、LEDとロッドレンズアレイを用いたプリンタ用ヘッドが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このプリンタ用ヘッドは、ロッドレンズの固有の焦点距離、ロッドレンズとLED、感光体との間のそれぞれの距離に基づく演算式により演算処理して、ロッドレンズの光軸方向の位置調整を行なっていた。これによれば、ロッドレンズの焦点深度内であれば調整組み立ては必要とせずに結像性能が得られるとされている。 Conventionally, a printer head using an LED and a rod lens array has been proposed (see, for example, Patent Document 1). This printer head adjusts the position of the rod lens in the optical axis direction by performing arithmetic processing based on the unique focal length of the rod lens and the respective distances between the rod lens and the LED and the photoconductor. rice field. According to this, it is said that the imaging performance can be obtained without the need for adjustment and assembly as long as it is within the depth of focus of the rod lens.
また、成形液を収容するための液槽と、液槽の底部に配置されるガラス層と、ガラス層の上方に配置されるベースフィルムと、液槽の下方に配置される照射ユニットと、光硬化液に浸漬されて成形物を載置するための成形ステージと、マイクロプロセッシングユニットと、液槽の一方側に配置される調整ユニットと、を含む光硬化性3Dプリンタが提案されている(例えば、特許文献2参照)。この光硬化性3Dプリンタは、ベースフィルムが、一辺が調整ユニットに接続され、他辺が液槽の調整ユニットに対する他方側に接続され、また、マイクロプロセッシングユニットが、成形物を硬化させる際にベースフィルムを引っ張るように調整ユニットをリセット制御し、印刷層の硬化を行なうことで3次元物体を造形する。 Further, a liquid tank for accommodating the molding liquid, a glass layer arranged at the bottom of the liquid tank, a base film arranged above the glass layer, an irradiation unit arranged below the liquid tank, and light. A photocurable 3D printer including a molding stage for placing a molded product immersed in a curing liquid, a microprocessing unit, and an adjusting unit arranged on one side of a liquid tank has been proposed (for example,). , Patent Document 2). In this photocurable 3D printer, the base film is connected to the adjustment unit on one side and the other side to the adjustment unit of the liquid tank, and the microprocessing unit is the base when the molded product is cured. The adjustment unit is reset and controlled so as to pull the film, and the print layer is cured to form a three-dimensional object.
しかし、特許文献1のような構成のプリンタ用ヘッドを特許文献2のような構成の光硬化性3Dプリンタと組み合わせて3次元の造形をする場合、ビーム径が絞られすぎてビーム間の樹脂露光がされなくなり、露光ムラが生じる場合があると言う問題があった。
However, when a printer head having a configuration as described in
従って、本発明の目的は、ロッドレンズからの出射光がビーム間において隙間なく線状に光を照射できるプリンタ用ヘッド、及び、3次元プリンタ装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a printer head and a three-dimensional printer device capable of irradiating light emitted from a rod lens linearly without gaps between beams.
[1]本発明は、所定のピッチで各発光素子が配列された発光素子アレイと、前記発光素子アレイに対応して配列され、前記発光素子アレイの各発光素子から出射される光が入射面に入射され、前記入射面と反対側の出射面から前記光が出射されるロッドレンズアレイと、を有してプリンタ用ヘッドを構成し、前記各発光素子は、前記入射面側において、前記ロッドレンズアレイの焦点位置からずれたデフォーカス位置に配置されている、プリンタ用ヘッドを提供する。
[2]前記デフォーカス位置は、前記ロッドレンズアレイの焦点位置よりも前記発光素子に近い位置であってもよい。
[3]本発明は、上記[1]又は[2]のプリンタ用ヘッドと、前記プリンタ用ヘッドから出射される光により硬化する光硬化性液を収容する液槽と、前記光により硬化して形成された成形物が付着するプラットフォームと、前記プラットフォームを前記液槽の前記光硬化性液に対して液面が上下する方向である高さ方向Zに移動調整可能なZ方向ステージ部と、前記発光素子アレイの各発光素子の並びの方向である主走査方向X及び前記高さ方向Zとそれぞれ直交する副走査方向Yに前記プリンタ用ヘッドを移動調整可能とするY方向ステージ部と、前記プリンタ用ヘッドの前記各発光素子の光出力を制御する光出力制御部、前記高さ方向Zの移動調整制御を行なう高さ方向制御部、及び、前記副走査方向Yの移動調整制御を行なう副走査方向制御部を有する制御部と、を有する3次元プリンタ装置を提供する。
[4]前記プリンタ用ヘッドは、前記ロッドレンズアレイから出射される光のビーム径が、前記液槽の液面において、前記発光素子アレイの各発光素子の間隔となるように設定されてもよい。
[5]また、前記光出力制御部は、前記各発光素子を前記主走査方向Xに線状に発光させる主走査動作を行ない、前記副走査方向制御部は、前記主走査動作が終了する毎に前記副走査方向Yに前記プリンタ用ヘッドを所定量だけ移動させる副走査動作を行ない、前記高さ方向制御部は、前記Z方向の各層の成形が終了する毎に前記高さ方向Zに前記Z方向ステージ部を所定量だけ移動させる高さ方向動作を行なうようにしてもよい。
[1] In the present invention, a light emitting element array in which each light emitting element is arranged at a predetermined pitch and a light emitted from each light emitting element of the light emitting element array arranged corresponding to the light emitting element array are incident surfaces. A rod lens array, which is incident on the incident surface and emits the light from an emitting surface opposite to the incident surface, constitutes a printer head, and each light emitting element is formed on the incident surface side of the rod. Provided is a head for a printer, which is arranged at a defocus position deviated from the focal position of a lens array.
[2] The defocus position may be a position closer to the light emitting element than the focal position of the rod lens array.
[3] The present invention comprises the printer head according to the above [1] or [2], a liquid tank containing a photocurable liquid that is cured by the light emitted from the printer head, and a liquid tank that is cured by the light. A platform to which the formed molded product adheres, a Z-direction stage portion capable of moving and adjusting the platform in the height direction Z, which is the direction in which the liquid level moves up and down with respect to the photocurable liquid in the liquid tank, and the above. The Y-direction stage unit that allows the printer head to be moved and adjusted in the sub-scanning direction Y that is orthogonal to the main scanning direction X and the height direction Z, which are the directions in which the light emitting elements of the light emitting element array are arranged, and the printer. An optical output control unit that controls the light output of each light emitting element of the head, a height direction control unit that controls the movement adjustment in the height direction Z, and a subscan that controls the movement adjustment in the subscan direction Y. A control unit having a direction control unit and a three-dimensional printer device having the direction control unit are provided.
[4] The printer head may be set so that the beam diameter of the light emitted from the rod lens array is the distance between the light emitting elements of the light emitting element array on the liquid surface of the liquid tank. ..
[5] Further, the optical output control unit performs a main scanning operation of causing each light emitting element to emit light linearly in the main scanning direction X, and the sub-scanning direction control unit performs each time the main scanning operation is completed. The printer head is moved in the sub-scanning direction Y by a predetermined amount, and the height direction control unit performs the sub-scanning operation in the height direction Z each time the molding of each layer in the Z direction is completed. The height direction operation that moves the Z direction stage portion by a predetermined amount may be performed.
本発明によれば、ロッドレンズからの出射光がビーム間隔において隙間なく線状に光を照射できる。 According to the present invention, the light emitted from the rod lens can irradiate the light linearly without a gap at the beam interval.
〔第1の実施の形態〕
(プリンタ用ヘッド10の構成)
図1、2に示すように、本発明の実施の形態に係るプリンタ用ヘッド10は、所定のピッチで各発光素子21が配列された発光素子アレイ20と、発光素子アレイ20に対応して配列され、発光素子アレイ20の各発光素子21から出射される光が入射面31に入射され、入射面31と反対側の出射面32から光が出射されるロッドレンズアレイ30と、を有し、各発光素子21は、入射面31側において、ロッドレンズアレイ30の焦点位置からずれたデフォーカス位置に配置されて構成されている。発光素子アレイ20とロッドレンズアレイ30は、上記の位置関係で、共に筐体70に固定されて組立体とされている。
[First Embodiment]
(Configuration of Printer Head 10)
As shown in FIGS. 1 and 2, the
(発光素子アレイ20)
図2に示すように、発光素子アレイ20は、所定のピッチで各発光素子21が基板25上に実装されて配列されている。この基板25は、筐体70に固定されている。各発光素子21は、所定のピッチ、一例として120μmで、基板25上にアレイ状に配列されている。各発光素子21は、必要な主走査方向の幅だけ並べて配置することができる。
(Light emitting element array 20)
As shown in FIG. 2, in the light
各発光素子21は、所定の波長を有するレーザ素子を使用することができる。所定の波長は、紫外、可視、近赤外等の種々の波長が可能であるが、本実施の形態では、発光素子21は、紫外光のレーザ素子を使用する。各発光素子21は、干渉性(コヒーレント)を有し、高出力化が可能なレーザが好ましい。各発光素子21は、各発光素子21の光出力を制御する光出力制御部330に接続されて、主走査方向Xに線状に光を照射する。
As each
(ロッドレンズアレイ30)
ロッドレンズアレイ30は、棒状のロッドレンズを多数並列的に配列し、各ロッドレンズによる正立等倍像を重ね合わせて全体で1個の連続像を形成するアレイ状光学系である。本実施の形態では、ロッドレンズアレイ30として、屈折率分布型レンズを多数配列し、全体で1個の連続した像を形成するセルフォック(登録商標)レンズアレイを使用する。
(Rod lens array 30)
The
ロッドレンズアレイ30は、図3(b)に示すように、発光素子アレイ20(発光素子21)を、ロッドレンズアレイ30の入射面31から焦点距離fの位置(焦点位置)に配置した場合は、発光素子アレイ20(発光素子21)から出射されたレーザ光Lは、ロッドレンズアレイ30の出射面32から焦点距離fの位置(焦点位置)に結像される。このような構成にすると、レーザ光Lのビーム径が絞られすぎてビーム間の樹脂露光がされなくなる可能性がある。
As shown in FIG. 3B, the
そこで、本実施の形態では、図3(a)に示すように、発光素子アレイ20(発光素子21)は、入射面31側において、ロッドレンズアレイ30の焦点位置からずれたデフォーカス位置に配置されて構成されている。このデフォーカス位置は、ロッドレンズアレイ30の焦点位置よりも発光素子アレイ20(発光素子21)に近い位置とされている。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 3A, the light emitting element array 20 (light emitting element 21) is arranged at a defocus position deviated from the focal position of the
すなわち、発光素子アレイ20(発光素子21)は、図3(a)に示すように、ロッドレンズアレイ30の入射面31から焦点距離fの位置(焦点位置)よりも発光素子アレイ20(発光素子21)に近い距離d1に配置されている。
That is, as shown in FIG. 3A, the light emitting element array 20 (light emitting element 21) is the light emitting element array 20 (light emitting element) rather than the position (focal position) of the focal length f from the
図3(a)に示すように、発光素子アレイ20(発光素子21)から出射されたレーザ光Lは、ロッドレンズアレイ30の出射面32から距離d2で結像する。この距離d2での結像は、図3(b)で示した焦点位置での結像ほどはビーム径が小さくない。この距離d2は、各発光素子21間のビーム間隔までビーム径が広がる距離とする。
As shown in FIG. 3A, the laser beam L emitted from the light emitting element array 20 (light emitting element 21) is imaged at a distance d2 from the
本実施の形態では、図2に示すように、発光素子アレイ20(発光素子21)とロッドレンズアレイ30は、上記のような位置関係となる状態で、筐体70に固定されて組立体とされて、プリンタ用ヘッド10を構成している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the light emitting element array 20 (light emitting element 21) and the
上記説明したように、図4、図5(a)に示すように、発光素子アレイ20(発光素子21)とロッドレンズアレイ30の距離は焦点位置ではビーム径が絞られすぎてビーム間の樹脂(光硬化性液)が露光されなくなる可能性があるので、焦点位置より近づけてビーム間隔のビーム径になる距離に設定する。発光素子アレイ20(発光素子21)とロッドレンズアレイ30の距離を最初からデフォーカス位置にすることで、ロッドレンズアレイ30からの出射光が結像位置でビーム間隔において隙間なく線状にレーザ光Lを照射できる。隙間無く樹脂(光硬化性液)に光を照射できるので露光ムラを防ぐことができる。
As described above, as shown in FIGS. 4 and 5A, the distance between the light emitting element array 20 (light emitting element 21) and the
本実施の形態では、図4、図5(b)に示すように、ロッドレンズアレイ30の入射面31から焦点距離fの位置(焦点位置)よりも発光素子アレイ20(発光素子21)に近い距離d1(11.8mm)に配置する。すなわち、デフォーカス位置として、ロッドレンズアレイ30の焦点位置よりも発光素子アレイ20(発光素子21)に近い11.8mmの位置に設定することにより、ロッドレンズアレイ30に入射する発光素子21の周辺光のけられが低減でき光の損失を低減できる。これにより、ロッドレンズアレイ30の出射側でのレーザ出力効率を増大させることが可能になる。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5 (b), the
(実施例)
(1)例えば、発光素子アレイ21とロッドレンズアレイ30の距離が焦点距離(13.8mmの場合)において、ロッドレンズアレイ30から出てくるレーザ出力を5mWにするために発光素子21の出力を36mWにする必要があり、光の損失が大きい。
(2)光損失の原因の1つとしてレンズに入る光が少ないことが挙げられる。半導体レーザ光は円錐状に広がりを持つが、焦点距離13.8mm離れた位置だとファーフィールドパターン(FFP)で5.4mmまで垂直方向に広がる。
(3)図4に示すように、発光素子21とロッドレンズアレイ30間の距離を近づければ広がりは少なくなり、ロッドレンズアレイ30に入る光量は増える。図4、図5(b)に示すように、11.8mmまで近づけると10%明るくなり、図4、図5(c)に示すように、9.8mmまで近づけると20%明るくなる。ただし、本実施の形態では、発光素子間隔が120μmのため近づけすぎて素子間隔よりも大きなビーム径になると、分解能低下等により精度のよい光照射ができないので、発光素子21とロッドレンズアレイ30間の距離を発光措置間隔である120μmになるように11.2mmまで近づけることにより、10%以上取り込み量をアップさせられることを確認した。
(Example)
(1) For example, when the distance between the light emitting
(2) One of the causes of light loss is that less light enters the lens. The semiconductor laser beam has a conical spread, but when the focal length is 13.8 mm away, it spreads vertically up to 5.4 mm in the Farfield pattern (FFP).
(3) As shown in FIG. 4, if the distance between the light emitting
〔第2の実施の形態〕
(3次元プリンタ装置100の構成)
図1、2に示すように、本発明の実施の形態に係る3次元プリンタ装置100は、プリンタ用ヘッド10と、プリンタ用ヘッド10から出射される光により硬化する光硬化性液を収容する液槽110と、光により硬化して形成された成形物が付着するプラットフォーム200と、プラットフォーム200を液槽110の光硬化性液115に対して液面115aが上下する方向である高さ方向Zに移動調整可能なZ方向ステージ部210と、発光素子アレイ20の各発光素子21の並びの方向である主走査方向X及び高さ方向Zとそれぞれ直交する副走査方向Yにプリンタ用ヘッド10を移動調整可能とするY方向ステージ部220と、プリンタ用ヘッド10の各発光素子21の光出力を制御する光出力制御部330、高さ方向Zの移動調整制御を行なう高さ方向制御部310、及び、副走査方向Yの移動調整制御を行なう副走査方向制御部320を有する制御部300と、を有して構成されている。3次元プリンタ装置100は、プリンタ用ヘッド10、Z方向ステージ部210、及びY方向ステージ部220により、光硬化性液を3次元的に選択的に硬化させる。これにより、3次元的に硬化された対象物を形成して、3次元プリントを実現する。
[Second Embodiment]
(Configuration of 3D Printer Device 100)
As shown in FIGS. 1 and 2, the
(液槽110)
液槽110は、図1に示すように、収容部111と本体部112から概略構成されている。収容部111は、光硬化性液115を収容する凹部である。この収容部111に収容された光硬化性液115の液面115aは、ロッドレンズアレイ30から出射するレーザ光Lの結像位置とされる。
(Liquid tank 110)
As shown in FIG. 1, the
ここで、光硬化性液115は、液状の光硬化樹脂であって、光硬化樹脂は特定の波長の光によって重合、硬化する樹脂である。光硬化樹脂の重合反応を生じる波長域は、長波長域側から赤外線、可視光線、紫外線の順に短波長域までとなる。本実施の形態では、使用する発光素子21のレーザ波長を紫外光とするので、この紫外波長により硬化する樹脂が選択される。例えば、紫外光に対応する光硬化樹脂の例として、エポキシ樹脂やアクリル樹脂が使用できる。
Here, the
本体部112は、図1、図2に示すように、Z方向ステージ部210、Y方向ステージ部220等が装着されるベースとなる部分である。本体部112は、各ステージ部のベースとなる十分な剛性を有し、また、液体である光硬化性液115を安定に収容できる材質が使用される。本体部112の例として、鉄系、銅系金属等が使用できる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
(プリンタ用ヘッド10の調整)
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明したように、プリンタ用ヘッド10のロッドレンズアレイ30の出射面32から液面115aまでの距離を、距離d2とする。この距離d2は、各発光素子21間のビーム間隔までビーム径が広がる距離である。すなわち、プリンタ用ヘッド10は、ロッドレンズアレイ30から出射される光のビーム径が、液槽110の液面115aにおいて、発光素子アレイ20の各発光素子21の間隔となるように設定されている。
(Adjustment of printer head 10)
In the present embodiment, as described in the first embodiment, the distance from the
プリンタ用ヘッド10は、図2に示すように、図示省略するZ方向調整部が、第1の実施の形態で説明したように、プリンタ用ヘッド10のロッドレンズアレイ30の出射面32から液面115aまでの距離が距離d2となるように調整する。この調整は、3次元プリンタ装置100の初期設定時に実行される。また、液面115aが変化した場合に随時実行することができる。
As shown in FIG. 2, in the
(Z方向ステージ部210)
Z方向ステージ部210は、光により硬化して形成された成形物が付着するプラットフォーム200と、プラットフォーム200を液槽110の光硬化性液115に対して液面115aが上下する方向である高さ方向Zに移動調整可能なステージ部として構成されている。なお、本実施の形態では、図1、2に示すように、プラットフォーム200、Z方向ステージ部210は、液槽110の中に配置されている。
(Z-direction stage portion 210)
The height of the Z-
Z方向ステージ部210は、図2に示すように、図示省略するZ駆動部が制御部300と接続され、制御信号SZにより高さ方向Zへの移動、調整が行われる。
(Y方向ステージ部220)
Y方向ステージ部220は、発光素子アレイ20の各発光素子21の並びの方向である主走査方向X及び高さ方向Zとそれぞれ直交する副走査方向Yに移動調整可能なステージ部である。図1に示すように、Y方向ステージ部220は、液槽110の本体部112に装着され、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに移動可能とされている。これにより、Y方向ステージ部220は、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに移動させて、レーザ光Lの主走査方向Xへの線状出力と併せて、2次元画像を液面115aに照射することができる。
(Y-direction stage portion 220)
The Y-
Y方向ステージ部220は、図2に示すように、図示省略するY駆動部が制御部300と接続され、制御信号SYにより副走査方向Yへの移動、調整が行われる。
(制御部300)
図2に示すように、制御部300は、高さ方向制御部310、副走査方向制御部320、光出力制御部330、3Dデータ部350を有して概略構成されている。制御部300は、例えば、プログラムに従って、取得したデータに演算、加工等を行うCPU(Central Processing Unit)、半導体メモリであるRAM(Random Access Memory)及びROM(Read Only Memory)等から構成されるマイクロコンピュータである。RAMは、例えば、一時的に演算結果等を格納する記憶領域として用いられる。また、制御部300は、信号の入出力処理のためのインターフェース部等を有する。
(Control unit 300)
As shown in FIG. 2, the
(高さ方向制御部310)
高さ方向制御部310は、高さ方向Zの各層の成形が終了する毎に、Z方向ステージ部210を駆動することによりプラットフォーム200を高さ方向Zに、所定量だけ移動させる高さ方向動作を行なう。高さ方向制御部310は、制御信号SZをZ方向ステージ部210に出力することにより、高さ方向Zへの移動、調整を実行する。高さ方向制御部310は、Z方向ステージ部210の位置情報を検出して、Z方向ステージ部210の高さ方向Zの位置制御を行なうことができる。
(Height direction control unit 310)
The height
高さ方向制御部310は、プラットフォーム200を高さ方向Z(図2に示す下方向)に移動させる。高さ方向制御部310は、高さ方向Zの各層の成形が終了する毎に、3Dデータに従ってプラットフォーム200を下方向に下げることで、プラットフォーム200に付着する形成物(造形物)を成長させることができる。
The height
高さ方向制御部310は、3次元プリント時において、プリンタ用ヘッド10をZ方向ステージ部210の駆動により、高さ方向Zの下方向に所定移動量ΔZずつ移動させる制御を行なう。この所定移動量ΔZは、後述するスライスデータの各Zデータの増分に相当する。
The height
高さ方向制御部310は、Z方向ステージ部210を駆動することにより、上記のプリンタ用ヘッド10の初期位置(高さ方向Z)から、順次、所定移動量ΔZだけプリンタ用ヘッド10を下方向に移動させる。この下方向への移動制御は、プリンタ用ヘッド10の副走査方向Yへの移動とレーザ光Lの主走査方向Xへの線状出力とにより2次元画像形成が完了する毎に実行される。
By driving the Z-
なお、高さ方向制御部310によるZ方向ステージ部210の位置制御は、上記の所定移動量ΔZだけ順次Z方向ステージ部210を移動させるオープン制御でもよく、また、Z方向ステージ部210のZ位置をフィードバックすることにより位置制御するクローズド制御でもよい。
The position control of the Z-
(副走査方向制御部320)
副走査方向制御部320は、各発光素子21を主走査方向Xに線状に発光させる主走査動作が終了する毎に、副走査方向Yにプリンタ用ヘッド10を所定量だけ移動させる副走査動作を行なう。副走査方向制御部320は、制御信号SYをY方向ステージ部220に出力することにより、副走査方向Yへの移動、調整を実行する。副走査方向制御部320は、Y方向ステージ部220の位置情報を検出して、Y方向ステージ部220の副走査方向Yの位置制御を行なうことができる。
(Sub-scanning direction control unit 320)
The sub-scanning
副走査方向制御部320は、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに移動させて、所定のY初期位置に調節する。これにより、3次元プリンタ装置100におけるプリンタ用ヘッド10の初期位置(副走査方向Y)設定ができる。
The sub-scanning
副走査方向制御部320は、3次元プリント時においては、プリンタ用ヘッド10をY方向ステージ部220の駆動により、副走査方向Yに所定移動量ΔYずつ移動させる制御を行なう。この所定移動量ΔYは、後述するスライスデータの各Yデータの増分に相当する。
During three-dimensional printing, the sub-scanning
副走査方向制御部320は、Y方向ステージ部220を駆動することにより、上記のプリンタ用ヘッド10の初期位置(副走査方向Y)から、順次、所定移動量ΔYだけプリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに移動させる。この副走査方向Yへの移動制御は、レーザ光Lを主走査方向Xに線状に照射して主走査方向への画像形成が完了する毎に実行される。
By driving the Y-
なお、副走査方向制御部320によるY方向ステージ部220の位置制御は、上記の所定移動量ΔYだけ順次Y方向ステージ部220を移動させるオープン制御でもよく、また、Y方向ステージ部220のY位置をフィードバックすることにより位置制御するクローズド制御でもよい。
The position control of the Y-
(光出力制御部330)
光出力制御部330は、各発光素子21を主走査方向Xに線状に発光させる主走査動作を行なう。光出力制御部330は、発光素子アレイ20の各発光素子21の光出力値(発光パワー)を制御する。すなわち、光出力制御部330は、光出力値のデータに基づいて、所定の光振幅値(光ピーク値)、または、発光時間を規定する駆動信号のパルス幅を所定量に設定して、主走査方向Xに線状のレーザ光Lを出射させる制御を行なう。
(Optical output control unit 330)
The optical
本実施の形態では、各発光素子21の発光パワーは、光振幅値(光ピーク値)をAPC(Automatic Power Control)により一定に制御し、駆動信号のパルス幅を制御することにより光出力制御を行なう。なお、主走査方向Xの光出力制御は、成形する3Dデータに基づいて、各X位置での光出力を制御することにより、所望の線状のレーザ光Lをプリンタ用ヘッド10に出射させる。
In the present embodiment, the light emission power of each light emitting
(3Dデータ部350)
3Dデータ部350は、3次元プリンタ装置100により形成する立体形状を3次元のデータとして準備する。3Dデータ部350は、3次元プリンタ装置100で3Dプリントを実行するための3Dモデルのデータとして、X、Y、Z座標データ、及び、その各座標における光出力値を有する3Dデータを備える。この3Dデータは、外部で作成されて制御部300に入力されてもよく、また、3Dデータ部350において作成されてもよい。
(3D data unit 350)
The
3Dデータ部350は、例えば、3DモデルをZ方向にスライスした、Z0からZnまでのスライスデータを作成する。このスライスデータは、3Dプリントにおける各1層分のデータである。スライスデータZi(iは、0からnまでの整数)は、高さ位置ZiにおけるX座標値、Y座標値、光出力値のデータ列で構成される。なお、一例として、高さ位置ZiにおけるX座標値は発光素子アレイ20のピッチにより規定される値、Y座標値はY方向ステージ部220の所定移動量ΔYの分解能で規定される値で、Yj(jは、0からmまでの整数)とすることができる。また、高さ位置Ziにおける光出力値は、X座標値、Y座標値における駆動信号のパルス幅とすることができる。
(3次元プリンタ装置100の動作)
図6は、本発明の実施の形態に係る3次元プリンタ装置の動作を示すフローチャートである。以下、これに基づいて、3次元プリンタ装置100の動作を説明する。
(Operation of 3D printer device 100)
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the three-dimensional printer device according to the embodiment of the present invention. Hereinafter, the operation of the three-
(Step1)
制御部300は、3Dデータ部350において、3Dデータを準備する。3Dデータは、3次元プリンタ装置100により形成する立体形状を3次元のデータとしたもので、外部で作成されて制御部300に入力されるか、または、3Dデータ部350において作成する。
(Step1)
The
(Step2)
制御部300は、高さ方向制御部310において、i=0に設定する。
(Step2)
The
(Step3)
高さ方向制御部310は、制御信号SZをZ方向ステージ部210に出力することにより、プラットフォーム200を高さ方向Ziに移動させて、液面115aとの距離を所定の距離に調節する。なお、iは、0からnまでの整数であり、i=0の場合は、3次元プリンタ装置100におけるプリンタ用ヘッド10の初期位置(高さ位置Z0)の設定となる。
(Step3)
Height
(Step4)
制御部300は、副走査方向制御部320において、j=0に設定する。
(Step4)
The
(Step5)
副走査方向制御部320は、制御信号SYをY方向ステージ部220に出力することにより、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yjに移動させる。なお、jは、0からmまでの整数であり、j=0の場合は、3次元プリンタ装置100におけるプリンタ用ヘッド10の初期位置(副走査方向Y0)の設定となる。
(Step 5)
The sub-scanning
(Step6)
制御部300は、光出力制御部330により、主走査方向Xに光出力する。すなわち、光出力制御部330は、制御信号SXをプリンタ用ヘッド10に出力することにより、各発光素子21を主走査方向Xに線状に発光させて、レーザ光Lを液面115aに照射する。液槽110内の光硬化性液115は、レーザ光Lに反応して硬化する光硬化樹脂であるので、レーザ光Lが照射された領域(ビーム径の範囲)の樹脂液が硬化する。硬化した成形物はプラットフォーム200に付着する。
(Step 6)
The
(Step7)
制御部300は、Yj=Ymかどうかを判断する。Yj=Ymの場合は、Step8へ進み(Step7:Yes)、Yj=Ymでない場合は、j=j+1としてStep5へ戻る(Step7:No)。なお、Yj=Ymの場合は、第i層目のプリント成形ができたことになる。また、Yj=Ymでない場合は、第i層目のプリント成形を続行することになる。
(Step7)
The
(Step8)
制御部300は、Zi=Znかどうかを判断する。Zi=Znの場合は、Step9へ進み(Step8:Yes)、Zi=Znでない場合は、i=i+1としてStep3へ戻る(Step8:No)。なお、Zi=Znでない場合は、次の層である(i+1)層の成形を行なう。
(Step 8)
The
(Step9)
3次元プリンタ装置100により、硬化した光硬化樹脂により3次元データの立体形状が完成したので、プラットフォーム200に付着して形成された3D造形物を離形して完成となる。
(Step 9)
Since the three-dimensional shape of the three-dimensional data is completed by the cured photocurable resin by the three-
(実施の形態に係る3次元プリンタ用ヘッド、及び、3次元プリンタ装置の効果)
上記本実施の形態の3次元プリンタ用ヘッド、及び、3次元プリンタ装置によれば、以下のような効果を有する。
(1)第1の実施の形態に係るプリンタ用ヘッド10は、所定のピッチで各発光素子21が配列された発光素子アレイ20と、発光素子アレイ20に対応して配列され、発光素子アレイ20の各発光素子21から出射される光が入射面31に入射され、入射面31と反対側の出射面32から光が出射されるロッドレンズアレイ30と、を有し、各発光素子21は、入射面31側において、ロッドレンズアレイ30の焦点位置からずれたデフォーカス位置に配置されて構成されている。発光素子アレイ20(発光素子21)とロッドレンズアレイ30の距離を最初からデフォーカス位置にすることで、ロッドレンズアレイ30からの出射光が結像位置でビーム間隔において隙間なく線状にレーザ光Lを照射できる。隙間無く樹脂(光硬化性液)に光を照射できるので露光ムラを防ぐことができる。また、デフォーカス位置として、ロッドレンズアレイ30の焦点位置よりも発光素子アレイ20(発光素子21)に近い位置を設定することにより、ロッドレンズアレイ30に入射する発光素子21の周辺光のけられが低減でき光の損失を低減できる。これにより、ロッドレンズアレイ30の出射側でのレーザ出力効率を増大させることが可能になる。
(2)第2の実施の形態に係る3次元プリンタ装置100は、上記示したプリンタ用ヘッド10を用いた3次元プリンタ装置である。したがって、ロッドレンズアレイ30からの出射光が結像位置でビーム間隔において隙間なく線状にレーザ光Lを照射できるので、形成された3次元形状の表面精度がよい造形物を作ることができる。
(3)光源をアレイ状に配置するプリンタの対向面が液体樹脂のように静置状態で凹凸が生じない材質において、光源とレンズの距離を固定して、レンズと液面距離を焦点位置からずらしてアレイ状の光の間隔になるように調整し、液面に露光させることで焦点調整が不要になる。また、アレイ光源とセルフォックレンズアレイのようなバー状のレンズの組み合わせにして線状に光を照射できる設計にすることで、点光源で照射した場合の造形速度の遅さを解決することができる。本実施の形態では、従来のように結像光学系を移動させて焦点調節を行なう必要がないので、結像させるための複雑な計算、調整がないため動作が早く、線状に光を照射させるため、樹脂の造形速度が大きい。また、光の出射面と照射対象の距離が一定になるため結像のための計算が不要になる。また、ロッドレンズアレイを用いることで、線状光源をつくるための素子間隔を狭くでき、ビーム数を数百から数千といった数にできるため造形速度を早くできる。
(Effects of the 3D printer head and the 3D printer device according to the embodiment)
According to the three-dimensional printer head and the three-dimensional printer device of the present embodiment, the following effects are obtained.
(1) The
(2) The three-
(3) Arrange the light sources in an array In a material such as liquid resin where the facing surface of the printer is stationary and does not cause unevenness, the distance between the light source and the lens is fixed, and the distance between the lens and the liquid surface is set from the focal position. Focus adjustment becomes unnecessary by adjusting the distance between the lights in an array and exposing the liquid surface. In addition, by designing a combination of an array light source and a bar-shaped lens such as a Selfock lens array to irradiate light linearly, it is possible to solve the slow modeling speed when irradiating with a point light source. can. In the present embodiment, since it is not necessary to move the imaging optical system to adjust the focus as in the conventional case, the operation is fast because there is no complicated calculation and adjustment for forming an image, and the light is irradiated linearly. Therefore, the molding speed of the resin is high. Further, since the distance between the light emitting surface and the irradiation target is constant, the calculation for imaging becomes unnecessary. Further, by using the rod lens array, the element spacing for creating a linear light source can be narrowed, and the number of beams can be increased from several hundreds to several thousand, so that the modeling speed can be increased.
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be carried out within a range that does not deviate from the gist of the invention. Moreover, the above-described embodiment does not limit the invention according to the claims. It should also be noted that not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means for solving the problems of the invention.
10…プリンタ用ヘッド、20…発光素子アレイ、21…発光素子、25…基板、30…ロッドレンズアレイ、31…入射面、32…出射面、70…筐体、100…3次元プリンタ装置、110…液槽、111…収容部、112…本体部、115…光硬化性液、115a…液面、200…プラットフォーム、210…Z方向ステージ部、220…Y方向ステージ部、300…制御部、310…高さ方向制御部、320…副走査方向制御部、330…光出力制御部、350…3Dデータ部、L…レーザ光、X…主走査方向、Y…副走査方向、Z…高さ方向
10 ... printer head, 20 ... light emitting element array, 21 ... light emitting element, 25 ... substrate, 30 ... rod lens array, 31 ... incident surface, 32 ... emitting surface, 70 ... housing, 100 ... 3D printer device, 110 ... Liquid tank, 111 ... Accommodating part, 112 ... Main body part, 115 ... Photocurable liquid, 115a ... Liquid level, 200 ... Platform, 210 ... Z direction stage part, 220 ... Y direction stage part, 300 ... Control unit, 310 ... Height direction control unit, 320 ... Sub-scanning direction control unit, 330 ... Optical output control unit, 350 ... 3D data unit, L ... Laser light, X ... Main scanning direction, Y ... Sub-scanning direction, Z ... Height direction
Claims (5)
前記発光素子アレイに対応して配列され、前記発光素子アレイの各発光素子から出射される光が入射面に入射され、前記入射面と反対側の出射面から前記光が出射されるロッドレンズアレイと、を有し、
前記各発光素子は、前記入射面側において、前記ロッドレンズアレイの焦点位置からずれたデフォーカス位置に配置されている、プリンタ用ヘッド。 A light emitting element array in which each light emitting element is arranged at a predetermined pitch,
A rod lens array arranged corresponding to the light emitting element array, in which light emitted from each light emitting element of the light emitting element array is incident on an incident surface, and the light is emitted from an emitting surface opposite to the incident surface. And have
A printer head in which each of the light emitting elements is arranged at a defocus position deviated from the focal position of the rod lens array on the incident surface side.
前記プリンタ用ヘッドから出射される光により硬化する光硬化性液を収容する液槽と、
前記光により硬化して形成された成形物が付着するプラットフォームと、前記プラットフォームを前記液槽の前記光硬化性液に対して液面が上下する方向である高さ方向Zに移動調整可能なZ方向ステージ部と、
前記発光素子アレイの各発光素子の並びの方向である主走査方向X及び前記高さ方向Zとそれぞれ直交する副走査方向Yに前記プリンタ用ヘッドを移動調整可能とするY方向ステージ部と、
前記プリンタ用ヘッドの前記各発光素子の光出力を制御する光出力制御部、前記高さ方向Zの移動調整制御を行なう高さ方向制御部、及び、前記副走査方向Yの移動調整制御を行なう副走査方向制御部を有する制御部と、
を有する3次元プリンタ装置。 The printer head according to claim 1 or 2,
A liquid tank containing a photocurable liquid that is cured by the light emitted from the printer head, and
A platform to which a molded product cured by the light adheres, and a Z whose liquid level can be moved and adjusted in the height direction Z, which is the direction in which the liquid level moves up and down with respect to the photocurable liquid in the liquid tank. Directional stage part and
A Y-direction stage unit that allows the printer head to be moved and adjusted in a sub-scanning direction Y that is orthogonal to the main scanning direction X and the height direction Z, which are the directions in which the light emitting elements of the light emitting element array are arranged.
An optical output control unit that controls the light output of each light emitting element of the printer head, a height direction control unit that controls movement adjustment in the height direction Z, and movement adjustment control in the sub-scanning direction Y are performed. A control unit having a sub-scanning direction control unit and
3D printer device.
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