JP3252859B2 - 立体形状成形装置および立体形状成形方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液状光硬化樹脂にビーム
を選択的に照射して立体形状を成形するようにした成形
装置および成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】タンク内に液状の光硬化樹脂を注入して
おき、ステージの上面が液面とほぼすれすれの状態で液
面に焦点を結ぶようにビーム照射を行なうことによっ
て、ステージ上に硬化樹脂層を形成し、この後にステー
ジを少し下げ、上記硬化樹脂層の上に液状硬化型樹脂を
位置させるとともに、ビームを照射することによって、
硬化樹脂層を積層する操作を繰返して立体形状を成形す
るようにした装置が提案されている。このような装置に
おいて、上記光硬化樹脂にビームを照射するために、ガ
ルバノミラーを用いたスキャナ装置が用いられており、
このような装置によってビーム照射を行なうことによっ
て、所望の立体形状に成形するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のこのような装置
において、液状の光硬化樹脂の液面とガルバノミラーの
間隔は一定の値に固定されていた。一般にガルバノミラ
ーによって描画可能な最大範囲は、ガルバノミラーによ
る光軸の振り角度とスキャン半径の積で決定される。ま
たガルバノミラーにより描画される位置の精度は、ミラ
ーの振れ角の誤差によって決まるために、位置の誤差は
振れ角の誤差とスキャン半径の積で与えられる値にな
る。

【０００４】従って同じ振れ角誤差のガルバノミラース
キャナでも、スキャン半径が長いほど描画する面での位
置誤差が大きくなる。従ってスキャン半径が固定された
システムで最大描画範囲に対して比較的小さな造形物を
成形するようにすると、その造形物が最大描画範囲にな
るようなスキャン半径で成形する条件に比べて同等の精
度を期待できなくなるという問題がある。

【０００５】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、大きさに比例した分解能および描画精
度が得られるようにした立体形状成形装置および成形方
法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、すでに形
成された硬化樹脂層の上に液状光硬化樹脂を位置させ、
ガルバノミラーによって選択的にビーム照射を行なって
硬化樹脂層を積層して所定の形状に成形するようにした
装置において、前記ガルバノミラーによって前記液状硬
化樹脂層の液面上に照射されたビームの反射光を検出す
る反射光検出手段と、前記液状硬化樹脂の液面上に照射
されるビームのフォーカス制御を行なうフォーカス制御
手段と、前記ガルバノミラーと前記液状硬化樹脂の液面
との間の間隔を調整する調整手段と、を具備し、前記検
出手段によって検出される反射光に応じてフォーカス制
御を行なうとともに、造形物の大きさに応じて前記調整
手段によって前記ガルバノミラーと前記液状硬化樹脂の
液面との間の距離を調整することを特徴とする立体形状
成形装置に関するものである。

【０００７】第２の発明は、すでに形成された硬化樹脂
層の上に液状光硬化樹脂を位置させ、スキャニングしな
がら選択的にビーム照射を行なって硬化樹脂層を積層し
て所定の形状に成形するようにした方法において、前記
スキャニングの最大可能振れ角によって制限される最大
照射範囲を造形物の大きさと同等にするかもしくは造形
物よりも若干大きくなるようにスキャニング手段と前記
液状光硬化樹脂の液面との間の間隔を調整するととも
に、前記液状光硬化樹脂の液面上に照射されるビームの
フォーカス制御を行なうことを特徴とする立体形状成形
方法に関するものである。

【０００８】

【作用】第１の発明によれば、反射光検出手段によって
ガルバノミラーから液状硬化樹脂の液面上に照射された
ビームの反射光が検出される。またフォーカス制御手段
によって液状硬化樹脂の液面上に照射されるビームのフ
ォーカス制御が行なわれる。また調整手段によってガル
バノミラーと液状光硬化樹脂の液面との間の間隔が調整
される。

【０００９】第２の発明によれば、造形物の大きさに応
じてスキャニング手段と液状光硬化樹脂の液面の距離が
調整されるとともに、検出手段によって検出される反射
光に応じてフォーカス制御が行なわれる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例に係る光硬化樹
脂を用いた立体形状成形装置を示すものであって、この
装置はタンク１０を備えている。このタンク１０内には
光硬化樹脂溶液１１が注入されるようになっている。ま
たこのタンク１０内にはステージ１２が配されるように
なっている。そしてこのステージ１２上に硬化樹脂層１
３が形成され、これによって成形体を得るようになって
いる。

【００１１】ステージ１３にはアーム１４が取付けられ
るとともに、このアーム１４が可動子１５に結合される
ようになっている。そしてこの可動子１５を貫通するよ
うに送りねじ１６が配されるとともに、この送りねじ１
６がモータ２３によって回転駆動されるようになってい
る。

【００１２】上記可動子１５は連結部材１７を介して昇
降板１８と連結されている。昇降板１８の上方の限界位
置はリミットスイッチ２０によって検出されるととも
に、下方の限界位置はリミットスイッチ２１によって検
出されるようになっている。またステージ１２の上面が
タンク１０内の液面と対応するレベルにあることを検出
する原点検出スイッチ２２が昇降板１８に対向するよう
に設けられている。

【００１３】つぎにこのタンク１０内の光硬化樹脂溶液
１１の表面にレーザビームを照射するための装置につい
て説明する。この装置はレーザ管から成る光源２６を備
えている。レーザ管２６からの光はミラー２７によって
反射されるようになっている。またミラー２７の後方に
は音響光学変調器から成るシャッタ２８が配されてい
る。そしてシャッタ２８のさらに後方にはハーフミラー
２９が配されている。

【００１４】ハーフミラー２９で反射されたビームは可
動ユニット３０内のミラー３１に導かれるようになって
いる。このミラー３１の後方にはフォーカスレンズ３２
と集光レンズ３３とが配されている。これらのレンズ３
２、３３はそれぞれアクチュエータ３４、３５によって
光軸方向に移動されるようになっている。またこの可動
ユニット３０はＸ方向ガルバノミラー３６とＹ方向ガル
バノミラー３７とを備えている。これらのガルバノミラ
ー３６、３７はそれぞれスキャナ３８、３９によって制
御されるようになっている。

【００１５】そしてこの可動ユニット３０は全体として
送りねじ４０によって上下に移動されるようになってい
る。すなわち送りねじ４０はモータ４１によって回転さ
れるようになっている。また上記ハーフミラー２９の上
方にはビデオカメラ４２が配されている。このビデオカ
メラ４２はタンク１０内の溶液１１の液面で反射した光
を検出するようになっている。またこの装置はコントロ
ーラ４３を備えており、このコントローラ４３によって
モータ２３、４１、スキャナ３８、３９、アクチュエー
タ３４、３５およびシャッタ２８の制御を行なうように
なっている。

【００１６】以上のような構成において、レーザ管２６
からのレーザビームはミラー２７で反射され、シャッタ
２８が開かれるとミラー２９、３１で反射され、レンズ
３２、３３を通り、ミラー３６、３７によってＸ方向お
よびＹ方向にそれぞれ振られてタンク１０内の光硬化樹
脂溶液１１の液面上に焦点を結ぶように照射される。

【００１７】タンク１０は固定されているが、このタン
ク１０内のステージ１２はモータ２３と送りねじ１６と
によって上下に移動されるようになっている。そして成
形を開始する段階では、ステージ１２の上面がタンク１
０の溶液１１の液面と一致する状態とする。この状態は
原点検出スイッチ２２によって検出される。そして上述
のレーザビームの照射によってステージ１２上に硬化樹
脂層１３が形成されると、この樹脂層１３の形成に応じ
て、ステージ１２は送りねじ１６およびモータ２３によ
って徐々に下方へ移動するようになっており、光硬化樹
脂溶液１１内に徐々に没するようになっている。

【００１８】このように本実施例の立体形状成形装置
は、液状光硬化樹脂溶液１１の液面にビームを選択的に
照射することによって、硬化樹脂層１２を形成し、ステ
ージ１２をモータ２３と送りねじ１６とによって下降さ
せることによって、この硬化樹脂層の上に液状光硬化樹
脂溶液を位置させるとともに、さらにビーム照射を行な
って硬化樹脂を積層するようにし、順次硬化樹脂層を成
形していくことにより、立体形状の造形物を成形するよ
うにしている。なおビームの選択的な照射は、シャッタ
２８とＸ方向ガルバノミラー３６を取付けているスキャ
ナ３８とＹ方向ガルバノミラー３７を取付けているスキ
ャナ３９とをコントローラ４３で制御することによって
達成される。

【００１９】そして液状光硬化樹脂に選択的にビーム照
射を行なうためのガルバノミラー方式のスキャナ装置に
改良を加えることによって、造形物の大きさに応じた適
切な寸法精度および精細度の適用を可能にしたものであ
る。

【００２０】すなわち２対のガルバノミラー３６、３７
から成るＸＹスキャナと、１つのリニアトランスレータ
から成るＺフォーカスユニット３２、３３によって構成
されるガルバノスキャニングユニット３０をビーム照射
面に対して送りねじ４０によって移動可能にし、造形物
１３の大きさに応じてスキャン半径を調整するようにし
ている。

【００２１】すなわちスキャン半径とガルバノミラー３
６、３７の最大可能振り角によって制限される最大描画
範囲を造形物１３の大きさと同等とするかもしくは若干
大きくとるように設定する。

【００２２】図３に示すように最大描画範囲は最大可能
振り角θとスキャン半径Ｒの積で決まり、振り角誤差ｄ
θとスキャン半径Ｒで描画位置精度が決まる。またスキ
ャン半径Ｒの長さとビーム照射のスポットサイズは比例
関係にあり、さらにスキャナの全振り角θはある一定量
の微少角に分割されて制御されているために、大きいも
のは大きい半径で、小さいものは小さい半径で描画する
と次のような利点を生ずる。すなわちどのような大きさ
の造形物１３であってもおおむね、その大きさに比例し
た分解能が得られる。また大きさに比例した描画精度が
得られることになる。さらに大きさに比例した精細度が
得られるようになる。

【００２３】またこの装置は、タンク１０の樹脂溶液１
１の液面に照射されたビームの拡散反射光をＹ方向ガル
バノミラー３７、Ｘ方向ガルバノミラー３６、レンズ３
３、３２、ミラー３１でハーフミラー２９に導くととも
に、このハーフミラー２９を透過する反射光をビデオカ
メラ４２によって検出している。なおこの検出は照射さ
れたビームが液面に垂直になるのに同期して行なわれ
る。そしてこの検出に応じてアクチュエータ３４、３５
を駆動してレンズ３２、３３をそれぞれ光軸方向に移動
調整することによって、フォーカスサーボを行なうよう
にしている。従って照射されたビームが液面にほぼ垂直
になったときに樹脂溶液１１の液面にビームが焦点を結
ぶようになり、スポットサイズを常に小さく絞り、分解
能を上げるとともに、精細度が高まることになり、高品
質の成形体１３を得ることが可能になる。なおビームが
液面にほぼ垂直に照射される位置が空間であるような構
造の成形体１３の場合には、斜め方向からビームを照射
してその反射光を検出するとともに、照射角度に応じた
補正を加えるようにするとよい。

【００２４】つぎに第２の実施例を図４によって説明す
る。上記第１の実施例においては、Ｘ方向ガルバノミラ
ー３６およびＹ方向ガルバノミラー３７を有する可動ユ
ニット３０を送りねじ４０によって昇降させるようにし
ているが、この第２の実施例においては、可動部３０に
対してタンク１０を昇降させるようにしている。すなわ
ちタンク１０には連結部材４７を介してブロック４８が
取付けられ、このブロック４８を貫通するように送りね
じ４９が設けられている。この送りねじ４９をモータ５
０で駆動することによって、タンク１０を昇降させるよ
うにしている。なおステージ１２の昇降については上記
第１の実施例と同様である。このような構成によって
も、最終段のガルバノミラー３７と液状光硬化樹脂１１
の液面との間隔を調整できるようになり、上記実施例と
同様の作用効果を奏することが可能になる。

【００２５】以上本発明を２つの実施例によって説明し
たが、本発明は上記実施例によって限定されることな
く、本発明の技術的思想に基いて各種の変更が可能であ
る。例えば第１の実施例における可動部３０のみなら
ず、光源２６を含む光学系全体を可動部として液面との
間の間隔を調整するようにしてもよい。

【００２６】あるいはまたタンク１０の高さを十分高く
とっておき、液面のみを変化させて間隔を調整するよう
にしてもよい。さらにはスキャナ、タンク、液面の複数
を可動として間隔を調整することも可能である。

【００２７】

【発明の効果】第１の発明は、すでに形成された硬化樹
脂層の上に液状光硬化樹脂を位置させ、ガルバノミラー
によって選択的にビーム照射を行なって硬化樹脂層を積
層して所定の形状に成形するようにした装置において、
ガルバノミラーによって液状硬化樹脂層の液面上に照射
されたビームの反射光を検出する反射光検出手段と、液
状硬化樹脂の液面上に照射されるビームのフォーカス制
御を行なうフォーカス制御手段と、ガルバノミラーと液
状硬化樹脂の液面との間の間隔を調整する調整手段とを
具備し、検出手段によって検出される反射光に応じてフ
ォーカス制御を行なうとともに、造形物の大きさに応じ
て調整手段によってガルバノミラーと液状硬化樹脂の液
面との間の距離を調整するようにしたものである。従っ
て液状硬化樹脂の液面上でビームが焦点を結ぶように照
射することが可能になり、これによって高い精細度と分
解能とを得ることができ、高品質の成形が可能になる。
また最大描画範囲がこの装置で成形される造形物の大き
さより少し大き目になるように上記の間隔を調整するこ
とによって、ガルバノミラーの振れ角誤差による描画位
置精度の影響を最小に抑えることができる。これによっ
て描画位置精度はこのシステムの最大可能描画範囲の値
によって規定されてしまうことなく、小さな造型物でも
比較的適切な位置精度が確保できる。これに加えてスキ
ャンするビームを集光して描画面上に焦点を結ばせる場
合には小さい造形物に対して短いスキャン半径を用いる
とビームのスポット径を小さく絞ることができるので描
画の精細度が向上することになる。

【００２８】また第２の発明は、すでに形成された硬化
樹脂層の上に液状光硬化樹脂を位置させ、スキャニング
しながら選択的にビーム照射を行なって硬化樹脂層を積
層して所定の形状に成形するようにした方法において、
スキャニングの最大可能振れ角によって制限される最大
照射範囲を造形物の大きさと同等にするかもしくは造形
物よりも若干大きくなるようにスキャニング手段と液状
光硬化樹脂の液面との間の間隔を調整するとともに、液
状光硬化樹脂の液面上に照射されるビームのフォーカス
制御を行なうようにしたものである。従って高い精細度
と分解能で高品質の成形が可能になるとともに、造形物
の大きさに応じてガルバノミラーの振れ角誤差による描
画位置精度の影響を最小限に抑えるようにした立体形状
成形方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】立体形状成形装置の概略を示す斜視図である。

【図２】同要部縦断面図である。

【図３】振れ角誤差と描画位置誤差との関係を示すグラ
フである。

【図４】第２の実施例の成形装置の要部断面図である。

【符号の説明】

１０ タンク １１ 光硬化樹脂溶液 １２ ステージ １３ 硬化樹脂層（成形体、造形物） １４ アーム １５ 可動子 １６ 送りねじ １７ 連結部材 １８ 昇降板 １９ スケール ２０ リミットスイッチ（上） ２１ リミットスイッチ（下） ２２ 原点検出スイッチ ２３ モータ ２６ 光源（レーザ管） ２７ ミラー ２８ シャッタ（音響光学変調器） ２９ ハーフミラー ３０ 可動ユニット ３１ ミラー ３２ フォーカスレンズ ３３ 集光レンズ ３４、３５ アクチュエータ ３６ Ｘ方向ガルバノミラー ３７ Ｙ方向ガルバノミラー ３８、３９ スキャナ ４０ 送りねじ ４１ モータ ４２ ビデオカメラ ４３ コントローラ ４７ 連結部材 ４８ ブロック ４９ 送りねじ ５０ モータ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 すでに形成された硬化樹脂層の上に液状
   光硬化樹脂を位置させ、ガルバノミラーによって選択的
   にビーム照射を行なって硬化樹脂層を積層して所定の形
   状に成形するようにした装置において、 前記ガルバノミラーによって前記液状硬化樹脂層の液面
   上に照射されたビームの反射光を検出する反射光検出手
   段と、 前記液状硬化樹脂の液面上に照射されるビームのフォー
   カス制御を行なうフォーカス制御手段と、 前記ガルバノミラーと前記液状硬化樹脂の液面との間の
   間隔を調整する調整手段と、 を具備し、前記検出手段によって検出される反射光に応
   じてフォーカス制御を行なうとともに、造形物の大きさ
   に応じて前記調整手段によって前記ガルバノミラーと前
   記液状硬化樹脂の液面との間の距離を調整することを特
   徴とする立体形状成形装置。
2. 【請求項２】 すでに形成された硬化樹脂層の上に液状
   光硬化樹脂を位置させ、スキャニングしながら選択的に
   ビーム照射を行なって硬化樹脂層を積層して所定の形状
   に成形するようにした方法において、 前記スキャニングの最大可能振れ角によって制限される
   最大照射範囲を造形物の大きさと同等にするかもしくは
   造形物よりも若干大きくなるようにスキャニング手段と
   前記液状光硬化樹脂の液面との間の間隔を調整するとと
   もに、前記液状光硬化樹脂の液面上に照射されるビーム
   のフォーカス制御を行なうことを特徴とする立体形状成
   形方法。