JP3779358B2

JP3779358B2 - 立体形状造形方法

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Publication number: JP3779358B2
Application number: JP28650895A
Authority: JP
Inventors: 元宏小林; 圭佑阿部
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Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 2006-05-24
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立体形状造形方法に関する。詳しくは、例えば、液状光硬化型樹脂材に光学的ビーム、例えば、レーザー光を照射して任意に設計された立体像イメージに基づいて立体形状を造形する立体形状造形方法、特に、液状光硬化型樹脂材の液面を立体像イメージの水平方向で分解された等高断面の形状に応じて露光することにより硬化樹脂層を形成すると共にこのような硬化樹脂層を順次積層して行くことにより立体形状を造形する立体形状造形方法に関するものであり、ビームスポットの各走査線における始端と終端との精度を向上させ、これにより、造形された立体形状の表面を滑らかにすると共に、立体形状の造形を高速で行なう技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液状光硬化型樹脂材に所定の光学的ビームを照射することにより所望の形状の物品を造形する方法が提案されており、例えば、特願昭６３−２６７９４５号にそのような造形方法が示されている。
【０００３】
図８は上記した造形方法を実施するための立体形状造形装置の一例ａを示すものである。
【０００４】
樹脂貯留槽ｂには、所定の光学的ビーム、例えば、紫外光を照射することによって硬化する液状光硬化型樹脂材ｃが貯留されていると共に、該樹脂貯留槽ｂには水平な板状を為すステージｄを有し図示しない移動手段によって上下方向へ移動されるエレベータｅが配設されている。
【０００５】
樹脂貯留槽ｂの上方には光学的ビームｆを液状光硬化型樹脂材ｃの液面ｇに対して集光照射するビームスキャナーｈが配置され、該ビームスキャナーｈによる光学的ビームｆの液面ｇに対する走査やエレベータｅの移動が造形コントローラｉによって制御されるようになっている。
【０００６】
そして、所定の立体形状を造形するには、先ず、エレベータｅを同図に実線で示すように、そのステージｄ上に液状光硬化型樹脂材ｃが所定の厚さ（この厚さについては後述する。）で位置する初期位置へと移動する。
【０００７】
次に、光学的ビームｆによる液面ｇに対する走査を行なう。この走査は、任意に設計された立体像イメージｊの鉛直方向で多数に分解された各平面（以下、「等高断面」と言う。）のそれぞれに応じたパターンで、ラスタスキャンが行なわれる。このような光学的ビームｆの走査が為されると、光学的ビームｆが照射された液状光硬化型樹脂材ｃの部分が硬化し、液面ｇのうち当該等高断面の形状と同じ形状を有したシート状に硬化され、一の硬化樹脂層が形成される。また、エレベータｅはこのように一の硬化樹脂層の形成が完了する度に下方へ所定のピッチ、即ち、立体像イメージｊを鉛直方向で多数の等高断面に分解したときの分解ピッチに応じたピッチ（初期の状態におけるステージｄ上の液状光硬化型樹脂材ｃの厚さもこれと同じにされる。）で下方へ移動され、それにより、硬化樹脂層の上に液状光硬化型樹脂材ｃが１ピッチ分の厚さで流れ込むように供給され、次の順位の等高断面についての光学的ビームｆの走査が行なわれて別の硬化樹脂層が形成される。尚、このとき当該硬化樹脂層は前の硬化樹脂層と接着される。
【０００８】
ところでこのような立体形状造形装置ａにあっては、光学的ビームｆを振るための偏向器と液面ｇに焦点を合わせるための焦点補正器と光学的ビームｆの光強度を調整するＡＯＭ（音響光学効果光変調器）とを有し、また、これら偏向器、焦点補正器、ＡＯＭを各別に制御するための制御部を備えている。尚、これら偏向器、焦点補正器、ＡＯＭは図示は省略したが、上記ビームスキャナーｈ又はこれよりレーザー発振器側に配設される。
【０００９】
偏向器は例えばガルバノミラーが用いられ、該偏向器の角度を動かすことにより、光学的ビームｆの照射方向を偏向するようになっており、光学的ビームｆが一方向に振られることによりビームスポットｋの移動ラインが主走査ラインｌとして硬化する。また、偏向器の角度の変更速度がビームスポットｋの走査速度を決定することになる。図９はある等高断面についての光学的ビームｆの走査軌跡の一部を概念的に示す平面図である。
【００１０】
焦点補正器は偏向器の角度変更に伴い、液面ｇに焦点を合わせるため光学的ビームｆのフォーカシングを行うようになっている。
【００１１】
ＡＯＭは、光学的ビームｆの光強度を制御して、硬化した主走査ラインｌの深さ、幅等の硬化状態をその始端から終端まで一定にする。
【００１２】
ビームスキャナーｈで光学的ビームｆを振るには予め造形コントローラｉに入力された立体像イメージｊの情報に基づき行われ、１つ１つの主走査ラインｌを形成して行くことになるが、ビームスポットｋが予定したライン上を走査しているか否かをチェックする必要があるため、常にビームスポットｋの現在位置（位置情報）に基づきフィードバックされる。かかる場合、例えば、ビームスキャナーｈの偏向器の角度を逐次検知して、この角度情報に基づき、フィードバック制御が為され、上記偏向器の角度が変更されて光学的ビームｆを振ることになる。
【００１３】
また、光学的ビームｆのフォーカシングにあってもフィードバック制御される。即ち、検出された偏向器の角度情報からビームスポットｋのＸ−Ｙ座標値を逐次算出し、これと予め入力されたＸ−Ｙ座標の各点における光学的ビームｆの焦点補正値のテーブルとを比較して、これに基づいて、焦点補正器を駆動してビームスポットｋのフォーカシングが行われる。
【００１４】
更に、ＡＯＭによってなされる光強度Ｐにあってもフィードバック制御される。即ち、検出された偏向器の角度情報から光学的ビームｆのＸ−Ｙ座標値を算出し、該Ｘ−Ｙ座標値の所定時間における変化量からビームスポットｋの走査速度Ｖを逐次算出し、これと光強度Ｐとの「積：Ｖ×Ｐ」が一定になるように、ＡＯＭを制御している。
【００１５】
しかして、形成された硬化樹脂層の上に新たな硬化樹脂層が順次積層されて行き、積層された多数の硬化樹脂層により、所望の立体形状が造形される。
【００１６】
このような立体形状造形方法によれば、任意に設計された立体像イメージｊに基づいて立体形状を造形することができるので、従来の金型による立体形状造形方法に比して立体形状の試作を即座に行なうことができ、設計から量産段階までの開発作業を迅速かつ低コストに行なうことができる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、各制御対象（ＡＯＭ、焦点補正器、偏向器）からのフィードバック信号により逐次、次の制御信号を生成して各制御対象を制御する方法にあっては、常に、１つ前のタイミングによる情報に基づき、制御信号が生成されるため、少なからず「ズレ」が生じ、造形された立体形状の精度が悪い。光学的ビームによる立体形状造形方法にあっては、光学的ビームが所定の照射位置からずれた場合、フィードバック制御により光学的ビームを止めたり、逆戻りさせたりすることは当該部分の硬化状態を変えてしまい、造型した立体形状の精度が低下してしまうことになる。
【００１８】
しかも、上記従来例における偏向器のフィードバック制御は、偏向器自身の位置（角度）情報に基づき行い、また、光学的ビームｆの光強度のフィードバック制御は、偏向器の位置（角度）情報に基づきＸ−Ｙ座標値を算出し、該Ｘ−Ｙ座標値の所定時間における変化量から速度を算出し、その速度情報から光強度を演算しなければならず、同じ情報（偏向器の角度）に基づくフィードバック制御ではあるが指令値を演算するまでの過程が相違するため、指令値の算出までの間の時間が、偏向器のフィードバック制御に比較して長いため、両者（偏向器とＡＯＭ）の同期が採りにくいという問題がある（図１０参照）。
【００１９】
また、フィードバック信号により逐次、次の制御信号を生成して各制御対象を制御する方法にあっては、フィードバック信号に基づき次の指令を出すまでに、必ず、指令値を算出するための時間と各制御対象ヘ制御信号を送る時間とがかかるため、各制御対象に各制御信号が入力されるまでに「遅延（Ｄｅｌａｙ）」が生じてしまう。そして、この「Ｄｅｌａｙ」は各制御対象により異なるため、最も遅い「Ｄｅｌａｙ」に合せて制御信号の指令タイミングを採らなければならず、結局、指令タイミングの同期は、最も遅い「Ｄｅｌａｙ」に合わせる必要があり、造形速度を上げられないという問題がある。
【００２０】
更に、各制御対象（ＡＯＭ、焦点補正器、偏向器）のレスポンス（指令信号の入力から動作開始までの時間）が相違するため、フィードバック制御により同時に各制御対象に指令を出力しても、各制御対象が動作し始めるタイミングが相違してしまうため、光学的ビームｆの照射状態が目標値からズレてしまうという問題がある（図１１参照）。
【００２１】
そして、各制御対象（ＡＯＭ、焦点補正器、偏向器）における「Ｄｅｌａｙ」及び「レスポンス」が相違するためこれらの同期をとることが難しく、これらにズレが生じた場合、主走査ラインｌの始端あるいは終端において、欠損（光学的ビームがＯＦＦ状態で偏向器が動いてしまう場合）やいわゆる「だま」（偏向器が動かないのに光学的ビームがＯＮしてしまう状態）が生じてしまうという問題がある（図１２参照）。
【００２２】
このように、従来のフィードバック信号により各制御対象を制御する場合、各主走査ラインｌの始端及び終端においての位置精度が悪く、結局、造形された立体形状の表面が荒くなると共に、かかる問題は走査速度を速くすると顕著になるため、高速での立体形状造形ができないという問題があった。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明立体形状造形方法は、上記した課題を解決するために、ビームスポットの速度情報に基づき、光学的ビームの光強度及び光学的ビームの偏向を制御するようにしたものである。すなわち、上記ビームスポットの走査速度を、「０」からの加速期間の初期及び「０」までの減速期間の終期において、ビーム走査速度の時間変化率の絶対値が徐々に変化するように設定し、また、該ビームスポットの速度情報に基づき、各等高断面のデータにより任意の中間点におけるビームスポットの走査速度データを予め生成し、これら中間点群のビームスポットの走査速度データに基づき、上記光学的ビームの光強度を上記ビームスポットの走査速度に比例するように制御すると共に、上記光学的ビームの光強度を調整する光変調器と、上記光学的ビームの偏向を行う偏向器と、上記ビームスポットのフォーカシングを行う焦点補正器の各制御対象に対する信号の指令から各制御対象の実際の動作開始までの遅延を演算し、これら制御対象の動作が同時に開始するように各制御対象を制御するようにしたものである。
【００２４】
従って、本発明立体形状造形方法によれば、共通の速度情報に基づき、光学的ビームの強度と光学的ビームの偏向を制御するため、光学的ビームの強度と光学的ビームの偏光との同期がとり易く、従って、走査ラインにおいて、欠損、だまの発生を少なくすることができる。すなわち、走査速度データを予め計算し、任意の点で光学ビームの光強度を制御するようにしたので、光学ビームの光強度を予測的に制御することができ、光学的ビームの光強度を遅延なく所定のタイミングで制御することができる。また、光学的ビームの光強度を上記ビームスポットの走査速度に比例するようにしたので、エネルギー密度を走査ライン上においてほゞ一定にすることができ、よって、硬化した走査ラインの深さ、幅等をその始端から終端まで一定にすることができる。そして、さらに、走査速度データを予め計算し、各制御対象に対する信号の指令から各制御対象の実際の動作開始までの遅延時間を演算したので、各制御対象を常に同時に動作開始させることができ、また、ビームスポットの始端と終端との位置精度の向上を図ることができ、これにより、ビームスポットを高速で走査させても、各制御対象の動作開始にズレが生ずることはなく、従って、立体形状の造形の高速化を図ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明立体形状造形方法の詳細を添付図面に示した実施の一例に従って説明する。
【００３０】
先ず、本発明立体形状造形方法を実施するための立体形状造形装置の一例を説明し、その後該立体形状造形装置を使用しての立体形状造形方法を説明する。
【００３１】
立体形状造形装置１は、液状光硬化型樹脂材を貯留した樹脂貯留槽やエレベータ等を有する作業部２と、光学的ビームを液状光硬化型樹脂材の液面に対して走査させるビーム走査部３と、該ビーム走査部３の動きを制御する制御部４と、図示しない立体形状プログラミング装置により任意に設計された立体像イメージのいわゆるＣＡＤデータに基づき予め上記制御部４ヘの指令信号を生成するデータ処理手段５等から成る。
【００３２】
作業部２の樹脂貯留槽６は、その内部に液状光硬化型樹脂材７が貯留されており、該液状光硬化型樹脂材７は所定の光学的ビームを照射されることによって硬化する液状を為し、かつ、既に硬化された部分の表面上で硬化する際該表面に固着する接着性を有することが必要である。
【００３３】
また、液状光硬化型樹脂材７の粘度はできるだけ低いことが望ましい。尚、このような特性を有する液状光硬化型樹脂材７としては、例えば、紫外光硬化型の変性アクリレートがある。
【００３４】
作業部２のエレベータ８は、その下端部に位置した水平な板状を為すステージ９を有すると共に上端部１０にナット１１が固定されており、該ナット１１がステッピングモータ１２により回転される送りねじ１３と螺合され、該送りねじ１３が回転することによってナット１１が送りねじ１３に沿って軸方向に移動され、それにより、エレベータ８が上下方向へ移動される。
【００３５】
また、上記送りねじ１３と平行にエレベータ位置検出センサー１４が配置されており、上記エレベータ８は該エレベータ位置検出センサー１４によりその位置が検出される。
【００３６】
尚、このようなエレベータ８は、そのステージ９が前記樹脂貯留槽６に貯留されている液状光硬化型樹脂材７中に位置され、また、所定のピッチでステップ移動される。
【００３７】
ビーム走査部３は、光学的ビーム１５を発振するレーザビーム発振器１６と、該レーザビーム発振器１６から発振された光学的ビーム１５の光強度を調整する音響光学効果光変調器（ＡＯＭ）１７と、ビームスポット１８のフォーカシングを行う焦点補正器１９と、光学的ビーム１５を液状光硬化型樹脂材７の液面７ａ上における所定の位置に偏向するための偏向器２０、２１等から成る。
【００３８】
偏向器２０、２１は、例えば、ガルバノスキャナー等で上記レーザビーム発振器１６から発振された光学的ビーム１５を液状光硬化型樹脂材７の液面７ａに対する照射方向を偏向するようになっており、その一方の偏向器２０（以下、「Ｘ方向偏向器」と言う。）は図２における左右方向（以下、この方向を「Ｘ方向」と言う。）に光学的ビーム１５を偏向するように配設され、また、他方の偏向器２１（以下、「Ｙ方向偏向器」と言う。）は上記Ｘ方向と直交する方向（以下、「Ｙ方向」と言う。）に光学的ビーム１５を偏向するように配設されている。
【００３９】
これら偏向器２０及び２１は軸回り方向へ高速で回動される回動軸２２、２２′を有する駆動部２３、２３′と回動軸２２、２２′に固定された例えば、ガルバノミラー等の偏向ミラー２４、２４′とを備えている。
【００４０】
そして、これら２つの偏向器２０、２１のうちＸ方向偏向器２０はその回動軸２２の軸方向が上記Ｙ方向と平行な方向に延びると共に偏向ミラー２４が前記エレベータ８のステージ９のほゞ真上に位置されており、また、Ｙ方向偏向器２１はその回動軸２２′の軸方向が上下方向に沿って延びると共にその偏向ミラー２４′の反射面２４′ａがＸ方向偏向器２０の偏向ミラー２４の反射面２４ａに側方から対向するように配置されている（図２参照）。
【００４１】
従って、偏向器２０、２１により偏向ミラー２４、２４′の向きを変更することにより、光学的ビーム１５の照射方向の偏向と光学的ビーム１５の走査速度の変更を行うようになっている。
【００４２】
レーザビーム発振器１６は所定の光学的ビーム１５、例えば、波長が３６０ｎｍ（ナノメートル）のアルゴンイオンレーザあるいは波長が３２５ｎｍのヘリウムカドミウムレーザを発振するようになっており、該レーザビーム発振器１６から発振された光学的ビーム１５を所定の方向へ向けて順次全反射して前記Ｙ方向偏向器２１の偏向ミラー２４′に入射せしめるために全反射ミラー２５、２６が配設されている。
【００４３】
ＡＯＭ１７は上記２つの全反射ミラー２５と２６との間に配置され、そこから先の光路への進行を制御し、光学的ビーム１５の光強度を変更するようになっている。
【００４４】
焦点補正器１９は、例えば、フォーカシングレンズ等が用いられ、上記一方の全反射ミラー２６とＹ方向偏向器２１との間に配設されている。かかる焦点補正器１９は偏向ミラー２４及び／又は２４′の角度変更に伴い、偏向ミラー２４又は２４′から液状光硬化型樹脂材７の液面７ａまでの光路長が変化してしまうので、液面７ａに焦点を合わせるため光学的ビーム１５のフォーカシングを行うようになっている。
【００４５】
しかして、レーザビーム発振器１６から発振された光学的ビーム１５は、全反射ミラー２５によってＡＯＭ１７へ向けて反射され、該ＡＯＭ１７におけるスイッチング作用によってそこから先の光路への進行をＯＮ−ＯＦＦ制御され、ＡＯＭ１７のスイッチングがＯＮであるときは全反射ミラー２６に入射しかつここで焦点補正器１９へ向けて反射せしめられ、この焦点補正器１９を透過する際光束が絞られ、２つの偏向ミラー２４′、２４により順次反射されて液状光硬化型樹脂材７に上方から照射される。
【００４６】
そして、このような光学的ビーム１５は、焦点補正器１９によって光束を絞られることにより液状光硬化型樹脂材７の液面７ａに、常時、所定の径のビームスポット１８で集光照射され、また、Ｘ方向偏向器２０の回動軸２２が回動してその偏向ミラー２４が揺動されたときに液状光硬化型樹脂材７の液面７ａを前記Ｘ方向へ走査され、Ｙ方向偏向器２１の回動軸２２′が回動してその偏向ミラー２４′が揺動されたときに液状光硬化型樹脂材７の液面７ａを前記Ｙ方向へ走査される。
【００４７】
従って、Ｘ方向の偏向ミラー２４のみを揺動させることによって為されるＸ方向でのライン走査（以下、「Ｘライン走査」と言う。）が１つ終了する度にＹ方向の偏向ミラー２４′を揺動させてＸライン走査のＹ方向における位置を変えながら光学的ビーム１５を照射するか、あるいはＹ方向の偏向ミラー２４′のみを揺動させることによって為されるＹ方向でのライン走査（以下、「Ｙライン走査」と言う。）が１つ終了する度にＸ方向の偏向ミラー２４を揺動させてＹライン走査のＸ方向における位置を変えながら光学的ビーム１５を照射することによって、ラスタスキャンによる照射が行なわれる。
【００４８】
制御部４は、ＡＯＭ１７へ制御信号を出力するＡＯＭ制御部２７と、焦点補正器１９に制御信号を出力する焦点制御部２８と、２つの偏向器２０、２１に各別に制御信号を出力する偏向器制御部２９とを有する。
【００４９】
尚、これら各制御部２７、２８、２９からの各制御対象１７、１９、２０、２１への制御信号の出力の指令タイミングについては後述する。
【００５０】
ＡＯＭ制御部２７は後述する中間点群生成部で生成された走査速度データ（中間点群データ）に基づき、その値に対応するＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）パワー（光強度制御値）をＡＯＭ１７に出力することにより光学的ビーム１５の光強度を制御する。かかる制御は光学的ビーム１５の光強度Ｐをこれとビームスポット１８の走査速度Ｖとの「積：Ｖ×Ｐ」が一定であるようにして、これにより、ビームスポット１８による走査ラインの全長においてエネルギー密度が一定になり、硬化した走査ラインの深さ、幅等がその始端から終端までほゞ一定にすることができる。
【００５１】
焦点制御部２８は前記偏向器２０、２１の角度変更に伴う焦点距離の変動による焦点ボケ（例えば、図４において、液状光硬化型樹脂材７の液面７ａの点ａでビームスポット１８が合焦していたとき、偏向器２０、２１の角度変更により、補正を行わなければその合焦点は点ｂ′となってしまう。これを補正して、ビームスポット１８の合焦点を液状光硬化型樹脂材７の液面７ａ上の点ｂにする必要がある。）を補正するため、後述する焦点位置算出部で算出された値に基づき、焦点補正器１９を移動させる（例えば、フォーカスレンズを光軸方向へ移動させる）制御信号を焦点補正器１９に出力する。これにより、ビームスポット１８のビーム径が液状光硬化型樹脂材７の液面７ａにおいて常に一定であるように制御され、ビームスポット１８の走査線上におけるエネルギー密度をほゞ一定にすることができる。
【００５２】
偏向器制御部２９は後述する中間点群生成部で生成された走査速度データ（中間点群データ）に基づき、Ｘ−Ｙ座標算出部でＸ−Ｙ座標値を算出し、これに基づき、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれの偏角の制御指令を偏向器２０、２１に出力し、光学的ビーム１５の偏向及びビームスポット１８の走査が為される。尚、ビームスポット１８の走査速度は予め設定されて、データ処理手段５に入力されており、これに基づき、上記偏向器２０、２１がその偏向角を変更するようになっている。
【００５３】
データ処理手段５は、立体像イメージに関するすべてのＣＡＤデータが格納された立体造形情報記憶部３０と、上記エレベータ８を主に制御する一般制御部３１と、上記立体造形情報記憶部３０に格納されたＣＡＤデータからある１つの等高断面における情報のみ抽出する走査硬化層情報抽出部３２と、予め設定したビームスポット１８の走査速度の変化を始点から終点まで表わした速度曲線Ｍ（図５参照）における任意の点（以下、「中間点」という。）の走査速度データ（以下、「中間点群データ」という。）を算出する中間点群生成部３３と、該中間点群生成部３３で生成された各中間点群データに対応する液状光硬化型樹脂材７の液面７ａ上のＸ−Ｙ座標値を算出するＸ−Ｙ座標算出部３４と、該Ｘ−Ｙ座標算出部３４で算出されたＸ−Ｙ座標値に基づき焦点位置を算出する焦点位置算出部３５とを有する（図３参照）。
【００５４】
立体造形情報記憶部３０は図示しない立体形状プログラミング装置、例えば、いわゆるＣＡＤに接続されており、立体像イメージに関するすべてのＣＡＤデータが格納される。
【００５５】
一般制御部３１は、主にエレベータ８を制御するためのデータを立体造形情報記憶部３０に入力された立体像イメージのＣＡＤデータに基づき算出し、これをエレベータ制御器３６に送出し、また、該エレベータ制御器３６においては一般制御部３１の指令信号と上記エレベータ位置検出センサー１４からのエレベータ８の位置情報とに従い、ステッピングモータ１２を制御するようになっている。
【００５６】
そして、ステッピングモータ１２は、上記エレベータ制御器３６からの指令によって駆動され、該駆動は立体形状の形成動作が開始される時はエレベータ８をそのステージ９が液状光硬化型樹脂材７の液面７ａより１階層ピッチ、即ち、立体像イメージを多数の等高断面に分解したときの分解ピッチ分下方にある位置に移動されるように制御され、また、上記形成動作が開始された後は１つの等高断面についての光学的ビーム１５の走査が終了する度にエレベータ８を１階層ピッチ分下方へ移動するように制御される。
【００５７】
走査硬化層情報抽出部３２は、上記立体造形情報記憶部３０に入力された立体像イメージのうちある１つの等高断面における造形領域である走査硬化層に関する情報のみを抽出し、該走査硬化層のデータを中間点群生成部３３に出力する。
【００５８】
中間点群生成部３３は予め設定したビームスポット１８の走査速度に基づき、該ビームスポット１８の走査速度の変化を始点から終点まで表わした速度曲線Ｍを等時間間隔で分割した時点での中間点群データを算出する。
【００５９】
かかるビームスポット１８の走査速度の速度曲線Ｍを、図５に示すようにその「０」からの加速期間の初期及び「０」までの減速期間の終期において、ビーム走査速度の時間変化率の絶対値が徐々に変化するように、即ち、ビームスポット１８がその１つの走査ラインＳ上を走査するときにその走査初期と走査終期とはゆるやかに走査速度を増し又は減じるように設定し、また、走査ラインにおける中間部分においてはある程度速い走査速度になるようにされている。
【００６０】
これは、走査ラインＳ上の始端と終端との位置精度を向上させると共に、ビームスポット１８の平均走査速度を上げて、立体形状の全体の造形時間の短縮を図るためである。即ち、ビームスポット１８の初期及び終期の走査速度を速くした場合、このビームスポット１８の走査速度を決定しているのが機械的な偏向ミラー２４、２４′の動きであり、制御信号の指令を受けてから動作おｗ開始するまでに少なからず遅延があり、走査ラインにおける始端と終端との位置精度の向上が図れず、また逆に、全体にビームスポット１８の走査速度を遅くすると、立体形状の造形時間が掛かり過ぎるからである。
【００６１】
尚、中間点群生成部３３はビームスポット１８の設定走査速度の速度曲線Ｍを等時間間隔で分割して中間点群データを算出するようにしたが、本発明立体形状造形方法並びにその装置はこれに限らず、不規則な時点で分割した任意の点で中間点群データを算出するようにしても良い。
【００６２】
中間点群生成部３３で生成された中間点群データは上記ＡＯＭ制御部２７及びＸ−Ｙ座標算出部３４に出力される。
【００６３】
ＡＯＭ制御部２７においては、ＡＯＭ１７のレスポンスが比較的速いため、指令信号からＡＯＭ１７の動作開始までの遅延が少なく、従って、後述するように、ＡＯＭ１７の動作と他の制御対象（焦点補正器１９、偏向器２０、２１）の動作との同期を図るべく、ＡＯＭ１７への指令信号の出力を遅らせるようになっている。
【００６４】
Ｘ−Ｙ座標算出部３４は中間点群生成部３３で生成された中間点群データを受け、この各中間点に対応するＸ−Ｙ座標値を算出して焦点位置算出部３５に出力すると共に、Ｘ−Ｙ座標値から偏向ミラー２４、２４′の角度情報を算出して、この角度情報を上記偏向器制御部２９に出力する。
【００６５】
偏向ミラー２４、２４′の角度情報を受けた偏向器制御部２９は、通常、偏向器２０、２１のレスポンスがＡＯＭ１７よりは遅いが焦点補正器１９よりも速いため、指令信号から偏向器２０、２１の動作開始までの遅延がやや多く、従って、後述するように、偏向器２０、２１の動作と他の制御対象（焦点補正器１９）の動作との同期を図るべく、偏向器２０、２１への指令信号の出力をやや遅らせるようになっている。
【００６６】
Ｘ−Ｙ座標値を受けた焦点位置算出部３５は、偏向器２０、２１の角度変更に伴い、偏向器２０、２１から液状光硬化型樹脂材７の液面７ａまでの光路長が変化してしまうので、液面７ａに焦点を合わせてビームスポット１８のビーム径が常に一定になるようにそのフォーカスレンズを光軸方向に移動させるための焦点位置情報を算出する。
【００６７】
かかる焦点位置情報は、焦点位置算出部３５に入力されたＸ−Ｙ座標値と予め入力されたＸ−Ｙ座標の各点における光学的ビーム１５の焦点補正値のテーブルとを比較して、これに基づいて焦点補正器１９を駆動して光学的ビーム１５のフォーカシングが行われる。
【００６８】
焦点位置検出部２８から焦点位置情報を受けた焦点制御部２８は、通常、焦点補正器１９のレスポンスが偏向器２０、２１よりは遅いため、指令信号から焦点補正器１９の動作開始までの遅延が多く、従って、焦点補正器１９の動作と他の制御対象（ＡＯＭ１７、偏向器２０、２１）の動作との同期を図るべく、焦点補正器１９への指令信号の出力を遅らせるようになっている。
【００６９】
そして、ＡＯＭ１７、焦点補正器１９、偏向器２０、２１の動作タイミングが一致するように、各制御部２７、２８、２９から制御信号が出力される（図６参照）。即ち、レスポンスのもっとも悪い焦点補正器１９に先ず指令信号を発し、次に、焦点補正器１９と偏向器２０、２１とのレスポンスの差分を遅らせて偏向器２０、２１に指令信号を発し、更に、偏向器２０、２１とＡＯＭ１７とのレスポンスの差分を遅らせてＡＯＭ１７に指令信号を発する。これにより、ＡＯＭ１７、焦点補正器１９、偏向器２０、２１は同時に動作を開始し、従って、上記走査ラインの始端又は終端において上述のような欠損、だまが発生することはない。尚、各制御対象１７、１９、２０、２１のレスポンスはその制御対象１７、１９、２０、２１の固有のものであり、予め計算することができる。
【００７０】
図７は本実施例の制御部及びデータ処理手段における処理手順を示す、フローチャートである。
【００７１】
尚、光学的ビーム１５の照射による液状光硬化型樹脂材７の一方向（例えば、Ｘ方向）の走査における偏向器２０の動作、Ｘ方向走査が終了したときの走査ラインの変更及びエレベータ８の昇降動作についての制御は前記従来例と同じなのでその説明は省略し、以下、一方向におけるライン走査における各制御対象のタイミングを合せるための各処理手段における処理手順を説明する。
【００７２】
先ず、立体造形情報記憶部３０に格納された立体像イメージに関するすべてのＣＡＤデータからある１つの等高断面における情報のみを走査硬化層情報抽出部３２において抽出する（図７（Ｓ１）参照）。
【００７３】
次に、走査硬化層情報抽出部３２において抽出した等高断面情報から、中間点群生成部３３において、予め設定したビームスポットの走査速度の変化を走査ラインの始端から終端まで表わした速度曲線Ｍにおける中間点の中間点群データを生成する（図７（Ｓ２）参照）。
【００７４】
更に、かかる中間点群データに基づき、Ｘ−Ｙ座標算出部３４においてＸ−Ｙ座標値を算出する（図７（Ｓ３ａ）参照）。
【００７５】
一方、ＡＯＭ制御部２７において、先ず、中間点群生成部３３で生成した中間点群データに基づいて、かかる中間点群データと出力する光強度の積が一定になるように、光強度制御値を演算し（図７（Ｓ３ｂ）参照）、次に、その光強度制御値を基に、偏向器２０、２１の応答特性に合せて光強度制御値を補正する（図７（Ｓ４ｂ）参照）。これにより、光強度の変化とビームスポット１８の走査速度の同期がとれ、造形精度が向上する。
【００７６】
焦点位置算出部３５において、Ｘ−Ｙ座標算出部３４が算出したＸ−Ｙ座標値に対する焦点位置を算出し（図７（Ｓ３ｃ）参照）、該焦点位置の値を基に、焦点位置の制御値（フォーカスレンズの光軸方向における位置）を算出する（図７（Ｓ４ｃ）参照）。
【００７７】
そして、偏向器制御部２９においては、Ｘ−Ｙ座標算出部３４から受けたＸ−Ｙ座標値を基に、偏向器２０、２１の制御値（偏角）を算出する（図７（Ｓ４ａ）参照）。
【００７８】
しかして、ＡＯＭ制御部２７、焦点制御部２８、偏向器制御部２９により得られた制御値により、各制御対象（ＡＯＭ１７、焦点補正器１９、偏向器２０、２１）をこれら制御対象の動作開始が同じになるようなタイミングに制御することにより、液状光硬化型樹脂材７の液面７ａ上でエネルギー密度を一定に保ちつつ光学的ビーム１５を走査させ、立体形状を高精度に造形することができる（図７（Ｓ５）参照）。
【００７９】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、本発明立体形状造形方法によれば、共通の速度情報に基づき、光学的ビームの強度と光学的ビームの偏向を制御するため、光学的ビームの強度と光学的ビームの偏光との同期がとり易く、従って、走査ラインにおいて、欠損、だまの発生を少なくすることができる。すなわち、上記ビームスポットの走査速度を、「０」からの加速期間の初期及び「０」までの減速期間の終期において、ビーム走査速度の時間変化率の絶対値が徐々に変化するように設定し、また、該ビームスポットの速度情報に基づき、各等高断面のデータにより任意の中間点におけるビームスポットの走査速度データを予め生成し、これら中間点群のビームスポットの走査速度データに基づき、上記光学的ビームの光強度を上記ビームスポットの走査速度に比例するように制御する。この目的のため、上記光学的ビームの光強度を調整する光変調器と、上記光学的ビームの偏向を行う偏向器と、上記ビームスポットのフォーカシングを行う焦点補正器の各制御対象に対する信号の指令から各制御対象の実際の動作開始までの遅延を演算し、これら制御対象の動作が同時に開始するように各制御対象を制御するようにした。このように走査速度データを予め計算し、すべての点で光学ビームの光強度を制御するようにしたので、光学ビームの光強度を予測的に制御することができ、光学的ビームの光強度を遅延なく所定のタイミングで制御することができる。また、光学的ビームの光強度を上記ビームスポットの走査速度に比例するようにしたので、エネルギー密度を走査ライン上においてほゞ一定にすることができ、よって、硬化した走査ラインの深さ、幅等をその始端から終端まで一定にすることができる。そして、さらに、走査速度データを予め計算し、各制御対象に対する信号の指令から各制御対象の実際の動作開始までの遅延時間を演算したので、各制御対象を常に同時に動作開始させることができ、また、ビームスポットの始端と終端との位置精度の向上を図ることができ、これにより、ビームスポットを高速で走査させても、各制御対象の動作開始にズレが生ずることはなく、従って、立体形状の造形の高速化を図ることができる。
【００８２】
尚、上記実施例において、制御部及びデータ処理手段等の情報処理装置は、それぞれ別体に構成した具体例として図３に示したが、これに限らず、それぞれの各機能を備えている限り、これらを任意の組合せで組み合せて情報処理装置を構成しても良いことは勿論である。
【００８３】
また、上記実施例において、光学的ビームの走査がラスタースキャンであるものについて説明したが、本発明はこれに限らず、ベクトルスキャンに適用することもできる。かかる場合、Ｘ方向の偏向ミラーとＹ方向の偏向ミラーの両方を同時に揺動することによって、光学的ビームを二次元の方向性を有するようにする。
【００８４】
更に、前記実施例において示した具体的な形状ないし構造等は、本発明立体形状造形方法の実施に当っての具体化のほんの一例を示したものにすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１乃至図７は本発明立体形状造形方法の一例を示すものであり、本図は立体形状造形装置を示す概略斜視図である。
【図２】作業部を一部切断して示す正面図である。
【図３】ブロック回路図である。
【図４】焦点補正の必要性を説明するための概略図である。
【図５】中間点群データの生成を説明するためのグラフ図である。
【図６】各制御対象の動作についてのタイムチャート図である。
【図７】フローチャート図である。
【図８】従来の立体形状造形装置の一例を示す概略断面図である。
【図９】走査ラインを拡大して示す説明図である。
【図１０】偏向器とＡＯＭとのフィードバック制御を説明するためのフローチャート図である。
【図１１】各制御対象の動作についてのタイムチャート図である。
【図１２】光強度のタイミングがズレたときの問題点を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１立体形状造形装置
７液状光硬化型樹脂材
７ａ液面
１５光学的ビーム
１７ＡＯＭ（音響光学効果光変調器）
１８ビームスポット
２０、２１偏向器

Claims

光学的ビームを偏向して液状光硬化型樹脂材の液面上においてビームスポットを走査させ、かかるビーム照射により任意に設計された立体像イメージの水平方向で分解された等高断面の形状に応じたパターンの硬化樹脂層を形成し、次いで、該硬化樹脂層の上に液状光硬化型樹脂材を位置させて、再び、液状光硬化型樹脂材の液面をビーム照射して硬化樹脂層を積層するというように硬化樹脂層を順次に積層していって任意の立体形状を造形する立体形状造形方法であって、
上記ビームスポットの走査速度を、「０」からの加速期間の初期及び「０」までの減速期間の終期において、ビーム走査速度の時間変化率の絶対値が徐々に変化するように設定し、また、該ビームスポットの速度情報に基づき、各等高断面のデータにより任意の中間点におけるビームスポットの走査速度データを予め生成し、これら中間点群のビームスポットの走査速度データに基づき、上記光学的ビームの光強度を上記ビームスポットの速度に比例するように制御すると共に、
上記光学的ビームの光強度を調整する光変調器と、上記光学的ビームの偏向を行う偏向器と、上記ビームスポットのフォーカシングを行う焦点補正器の各制御対象に対する信号の指令から各制御対象の実際の動作開始までの遅延を演算し、これら制御対象の動作が同時に開始するように各制御対象を制御するようにした
ことを特徴とする立体形状造形方法。