JP3784232B2 - 光造形装置及び光造形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光造形装置及び光造形方法に係り、特に、可視光光源及び液晶パネルを用いて、造形対象物（例えば、樹脂）の３次元形状を非積層・一体で光造形する光造形装置及び光造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光造形技術は、例えば、医療や工業の分野での製品又は部品形状の試作や小規模生産のための簡易型作成などの分野で広く用いられており、高精度化や適用分野の拡大に対する期待が高まってきている。また、光造形技術は、様々な分野で利用される技術であるため、対象となる製作物の形状や寸法、材質も多様となる。
【０００３】
また、一般に、工業製品等の新製品開発において、リードタイムの短縮が重要である。製品及びその部品は、通常ＣＡＤで設計されて、開発段階で試作品を正確に早く作成することが望まれる。従来より、３次元ＣＡＤデータに基づくＮＣ工作機械による加工で、製品又は部品を直接切削する技術の他に、積層造形法によるラピッドプロトタイピングが進歩をとげている。
【０００４】
積層造形法には、光硬化樹脂法(光造形法)、奮発レーザ光（熱硬化）焼結法、インクジェットノズル堆積法、押出堆積法、切断されたシートを積層する方法など、多種類の方法がある。いずれの方法も、所望の３次元形状を得るために、３次元ＣＡＤデータを２次元のシート状のデータとして、複数の層を積み重ねるようにしたものである。特に、光硬化樹脂法では、３次元ＣＡＤデータから２次元スライスデータを作成し、レーザ光を２次元で造形対象物としての樹脂上を走査し、樹脂を硬化させることで造形する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の積層造形法では、所望の造形品の寸法精度を向上するためには、層の数を増やす必要があり、製造時間及びコストが増大することになる。また、樹脂の硬化が順次硬化であるため、硬化の際の収縮により、精度を落とす場合がある。さらに、複雑な構造や空中に浮かぶような部分には、支持物を配置し、加工後にそれを取り除く工程が必要となる。
【０００６】
また、処理時間・工程の短縮のために、液晶パネルを用いた一括面露光による光造形法が提案されたものの、紫外線を用いる必要があるため液晶が損傷又は破壊される場合がある。また、この光造形法では、回折光や散乱光が発生し、結像が不鮮明となり、造形物の寸法精度が良くない。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、精密部品やマイクロマシニング用の製品又は部品などのような小型形状、中型形状の造形からマイクロ形状の造形までカバーできる光造形装置及び光造形方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明は、液晶マスクと可視光を用いて、面露光による非積層での造形を、高い造形自由度、高精度、高速で実現することを目的とする。本発明は、液晶表示階調による造形深さを制御することで、露光像の強度変調を容易とすることを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、造形データの作成を容易とし、異なる形状の複数部品を同時に作成可能とすることで、多品種少量生産に適した光造形装置及び光造形方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
液晶ディスプレイは、任意の画像を表示できることから、従来作成が困難であった可変マスクとして利用できる。この液晶マスクを用いて、一括面露光を行い、ビーム走査の工程を含まない造形を行うのが、本発明の液晶光造形法の主な特徴である。走査により点から面を作る工程を含まないために、造形時間の短縮と高精度化を達成することができる。また、液晶は、濃淡表示によって透過光の強度を変化することができるため、二次元画像に強度情報を加えた三次元情報を持った像から、一括して立体形状を作成することができる。この点で、積層という2次元から3次元への拡張に不可欠なプロセスを必要としない点は、従来の手法と大きく異なる。さらに画像の取り扱いが容易であることから、AFM等の三次元測定データからの形状を拡大再構成する等の新たな利用法も考えられる。
【００１１】
また、液晶により、回折から生じる1次回折光等のノイズ、液晶の光吸収・光照射により熱が発生する場合がある。本発明では、これを抑制又は防止するために、可視光光源と可視光感光樹脂を用いている他、空間周波数フィルターによる１次回折光の除去等の対策をとっている。
【００１２】
本発明の第1の解決手段によると、
造形対象物を造形するための可視光を出力する光源と、
２次元情報及び階調情報により透過光又は反射光が制御される液晶マスク部と、
液晶マスク部に、2次元情報及び階調情報を与え、造形対象物の３次元形状を設定する制御部と、
を備え、
前記光源からの可視光が、前記制御部により制御された前記液晶マスク部を透過又は反射し、造形対象物に照射されることにより、３次元形状を形成するようにした光造形装置を提供する。
【００１３】
本発明の第２の解決手段によると、
液晶マスク部に、２次元情報及び階調情報を与え、造形対象物の３次元造形形状を設定し、
光源からの可視光を、所定のビーム径で且つ一様又は略一様な強度分布をもつ光に調整し、
調整された光を、液晶マスク部に透過させて又は液晶マスク部で反射させて、造形対象物に照射することにより、３次元形状を形成するようにした光造形方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の光造形装置の構成図を示す。この光造形装置は、光源１、コリメータ部２、１／４波長板３、１／２波長板４、液晶マスク部５、レンズ６、ピンホール７、Ｘ−Ｚステージ８、制御部（ＰＣ）９を備える。
【００１５】
光源１は、可視光を発生する各種レーザである。この実施の形態では、例えば、大出力が得られること、及び、可視光（例えば、波長４８８ｎｍ）を発生させ液晶に損傷を与えないこと（紫外光では液晶に損傷をあたえる場合がある）から、可視光源のＡｒ＋レーザーを用いている。コリメータ部２は、対物レンズ２１、ピンホール２２、レンズ２３等が組み合わせて構成される。コリメータ部２は、光源１からのビーム径を広げＬＣＤ５２全体又は広範囲を照射できるようにする。また、コリメータ部２は、光強度を全体にわたって均一化する役目もはたしている。１／４波長板３は、円偏光の光を直線偏光に変換するもので、ＬＣＤ５２の手前にある偏光子（ｚ）でのビームエネルギーのロスを減らす。１／２波長板４は、直線偏光に変換した光の偏光方向を変え、ＬＣＤ５２に対して最適なコントラストを得られる方向に変換する。
【００１６】
液晶マスク部５は、偏光子（ｚ）５１、液晶パネル（ＬＣＤ）５２及び偏光子（ｚ）５３を備える。偏光子（ｚ）５１は、ＬＣＤ５２に入射する前の非直線偏光成分の光をカットし画像のコントラストを向上させる。ＬＣＤ５２は、例えば、TFT液晶を有し、直接接続されたＰＣ９から出力された画像を表示、表示画像にしたがって一画素ごとに偏光方向を変換し、一様照明された光に偏光の回転角として画像情報を与える。偏光子（ｙ）５３は、この偏光子を通過することでＬＣＤ５２に表示された画像が光の濃淡として変換される。ＬＣＤ５２の画素毎の偏光の回転によってその画素に対応する光の強度が決定される。
【００１７】
制御部（ＰＣ）９は、液晶マスク部５のＬＣＤ５２に、2次元情報及び階調情報を与え、造形対象物の３次元造形形状を設定する。例えば、造形物の３次元ＣＡＤデータに基づき、２次元スライスデータを作成し、その縦方向のデータとしてＬＣＤ５２の階調データに変換する。ＬＣＤ５２を通過した光を造形対象物１０に結像させることで、実質的に複数のスライスデータを用いた露光を、一度の面露光で造形物を作成することになる。
【００１８】
レンズ６は、現在ズームレンズを用いており、像の縮小および拡大倍率を変換できる。このレンズ６によって、造形対象物１０上にＬＣＤ５２に表示された画像が結像される。なお、光の方向を調整するために適宜ミラー６１を設けることができる。空間周波数フィルター７は、例えば、ピンホールを用いることができる。空間周波数フィルター７は、ＬＣＤ５２によって生じた０次元を除く回折光をカットする。これにより、結像位置での光の干渉による像の劣化を防ぐ。すなわち、０次光は直進するが、それ以外の回折光はＢｒａｇｇ条件を満たす方向へすすむので、レンズを通過して光が集光する位置に空間周波数フィルター７（ピンホール）を配置し、主に０次光のみを通過させる。また、空間周波数フィルター７によって２次回折光以降の光についても同様に除去できる。なお、２次以降の回折光については強度が弱くなるため、実際に影響するのは主に１次回折光である。
【００１９】
Ｘ−Ｚステージ８は、造形対象物１０の位置をレンズによって像が結像する面に正確に配置する。ベースプレート８１は、造形対象物１０を実際に配置する。下方から光があたるため透明で厚さの薄いガラス、プラスチック等の板を用いる。なお、ここでは、一例として、厚さ１５０μｍのカバーガラスを使用した。造形対象物１０は、例えば、光硬化性樹脂を用いられる。ここでは、一例として、可視光に感度を有するように特別に調合された光硬化性樹脂を使用し、そのピーク感度は、４８８ｎｍ付近に調整されている。造形対象物１０は、これに限らず、光源１により造形しうる適宜の材料を用いることができる。
【００２０】
以下に、本発明の光造形装置及び方法の動作を説明する。
この例では、光源に、Ar+レーザー（λ=488nm）を用い、コリメータ部２により、ビーム径を拡大して入射光とする。1/4波長板３、1/2波長板４を経て、一様な強度分布をもつ入射光は、液晶マスク部５を透過した後、レンズ６を経て空間周波数フィルター７により一次回折光等のノイズを取り除かれる。レンズ６等による縮小光学系のはたらきによりベースプレート８１上で液晶画像は、縮小（例えば、9/25）されて結像する。ベースプレート８１には造形対象物１０として可視光硬化性樹脂が配置され、非積層で材料を硬化させる。
【００２１】
以下に、本発明による造形物作成の例を説明する。
ＬＣＤ５２としては、一例として、TFTアクティブマトリクス型画素数８００ｘ６００pixel、画面サイズ26.40ｘ19.98mm、ピクセルサイズ３３ｘ３３μｍ等を用いた。また、光源１としては、アルゴン（Ａｒ＋）レーザ（波長４８８ｎｍ、直線偏光、１００ｍＷ〜１．５Ｗ）である。光強度は、３００ｍＷ、露光時間は２〜１０ｓｅｃとした。造形対象物１０の使用樹脂は、ウレタンアクリレート系を用いた。
【００２２】
図２に、液晶の光透過率の説明図を示す。これによると、強度変調には、７０階調程度が利用可能であることがわかる。また、ＬＣＤ５２は、１００％に近い遮光性能をもつことがわかる。測定条件としては、ＬＣＤ５２に光を入射し、主に０次光の強度のみを測定することができる。
【００２３】
図３に、表示階調と光強度および硬化深さの関係についての説明図を示す。
この図は、液晶の表示階調（色の濃さ）と光強度および硬化深さの関係を示すものである。硬化深さは、Lambert-Beerの法則より照射エネルギーの対数にほぼ比例する。したがって、図より硬化深さは表示階調にほぼ比例することが推測される。表示階調と硬化深さの関係の確認をかねて、基本的な形状を幾つか試作した。ここに示す結果は、いずれも非積層プロセスで形状を創成したものである。
【００２４】
図４に、液晶マスクに用いた画像の図を示す。図５に、各液晶マスクにより造形された形状の図を示す。
両方の図で寸法の縮尺が異なるのは、液晶画像が縮小されているためである。各図において、(a)は白抜きのアルファベット、(b)は中心に向かって同心状に階調が等間隔で変化する正方形、(c)にはAFMによる格子縞の3次元測定データを用いた。造形条件は、一例として、入射光強度が500mW、露光時間はそれぞれ1秒、4秒、4秒である。その結果、二次元形状の造形、三次元形状の造形、三次元測定データからの形状復元の可能性を確認できた。
【００２５】
図６に、光リング式変位センサによる非接触で計測した硬化形状の説明図を示す。図中（ａ）は、文字形状の測定結果を示す。図中（ｂ）は、四角錘形状の測定結果を、斜め視点及び正面プロファイルを示す。なお、光リング式変位センサは、例えば、高谷裕浩他：非接触光造形3D形状計測に関する研究、精密工学会秋季大会学術講演論文集(1996)559等参照のこと。特に、図中（ｂ）に示すような四角錐の硬化形状から、階調と硬化深さの関係が図３に示した推測値とよく一致することが分かる。これらの結果から、硬化深さは階調にほぼ比例して変化していることが確認できた。
【００２６】
また、図７は、液晶マスクに用いた他の画像の図（上）とSEM観察像を示す図（下）である。図中（ａ）はアルファベット、（ｂ）はチューブについて、それぞれ示される。なお、ここでは、露光時間は４秒である。このように、３次元造形がなされていることが確認できる。
【００２７】
図８は、多品種同時生産についての入力画像とSEM観察像を示す図である。露光時間４秒、歯車厚さ1mmで、複数種歯車が造形された。なお、製作時間は従来の1/10程度であった。
【００２８】
以上のように、本発明によって形状の試作を行い、硬化深さと表示階調の関係から、非積層で三次元形状を自由に造形できることを確認した。また、三次元測定データの復元や高精度造形が、本発明で可能であることを確認した。
【００２９】
なお、本発明において、液晶パネルに反射部又は反射鏡を設けることにより、光源からの入射光を反射して、造形対象物に照射するような反射型の光造形装置及び方法とすることができる。また、上述の実施の形態において、使用波長、液晶マスクの大きさや画素数等のスペック、造形対象物の材料・形状・大きさ等は、一例を挙げたに過ぎず、適宜変更、修正することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によると、以上のように、精密部品やマイクロマシニング用の製品又は部品などのような小型形状、中型形状の造形からマイクロ形状の造形までカバーできる光造形装置及び光造形方法を提供することができる。
【００３１】
本発明によると、液晶表示階調による造形深さを制御することで、露光像の強度変調を容易とすることができる。本発明によると、液晶マスクと可視光を用いて、面露光による非積層での造形を、高い造形自由度、高精度、高速で実現することができる。
【００３２】
本発明によると、造形データの作成を容易とし、異なる形状の複数部品を同時に作成可能とすることで、多品種少量生産に適した光造形装置及び光造形方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光造形装置の構成図。
【図２】液晶の光透過率の説明図。
【図３】表示階調と光強度および硬化深さの関係についての説明図。
【図４】液晶マスクに用いた画像の図。
【図５】各液晶マスクにより造形された形状の図。
【図６】光リング式変位センサによる非接触で計測した硬化形状の説明図。
【図７】液晶マスクに用いた他の画像の図上とSEM観察像を示す図。
【図８】多品種同時生産についての入力画像とSEM観察像を示す図。
【符号の説明】
１ 光源
２ コリメータ部
３ １／４波長板
４ １／２波長板
５ 液晶マスク部
６ レンズ
７ ピンホール
８ Ｘ−Ｚステージ
９ 制御部（ＰＣ）
１０ 造形対象物

Claims (5)

1. 造形対象物を造形するための可視光を出力する光源と、
   前記光源からの光のビーム径を広げ、及び、光強度を均一化するコリメータと、
   前記コリメータからの円偏光の光を直線偏光に変換し、偏光子でのビームエネルギーロスを減らすための１／４波長板と、
   前記１／４波長板からの直線偏光に変換した光の偏光方向を変える１／２波長板と、
   ２次元情報及び階調情報により透過光又は反射光が制御される液晶マスク部と、
   前記液晶マスク部に、２次元情報、及び、造形対象物の造形深さにほぼ比例する階調情報を与えて造形対象物の３次元形状を設定する制御部と、
   を備え、
   前記液晶マスク部は、
   前記制御部から出力された２次元情報及び階調情報に基づく画像を濃淡表示し、表示画像にしたがって画素ごとに光の偏光方向を変換し、偏光の回転角として画像情報を与える液晶パネルと、
   前記液晶パネルに入射する光の非直線偏光成分をカットし、画像のコントラストを向上させるための第１の偏光子と、
   前記液晶パネルの画素毎の偏光の回転によってその画素に対応する光の強度が決定され、前記液晶パネルに表示された画像が光の濃淡として変換されるための第２の偏光子と
   を有し、
   前記光源からの可視光が、前記制御部により制御された前記液晶マスク部を透過又は反射し、前記液晶パネルに濃淡表示された画像が前記第２の偏光子を経て造形対象物に照射されることにより、前記３次元形状を面露光による非積層で造形するようにした光造形装置。
2. 前記液晶マスク部を透過又は反射した光について、０次光以外の回折光をカットする空間周波数フィルターをさらに備えた請求項１に記載の光造形装置。
3. 造形対象物は、光硬化性樹脂を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の光造形装置。
4. 液晶パネルに、２次元情報、及び、造形対象物の造形深さにほぼ比例する階調情報を与えて造形対象物の３次元形状を設定し、
   光源からの可視光を、所定のビーム径で且つ一様又は略一様な強度分布をもつ光に調整し、
   調整された円偏光の光を直線偏光に変換し、
   直線偏光に変換した光の偏光方向を変え、
   偏光方向が変えられた光の非直線偏光成分をカットして、液晶パネルに入射し、
   液晶パネルは、与えられた２次元情報及び階調情報に基づく画像を濃淡表示し、表示画像にしたがって画素ごとに光の偏光方向を変換し、偏光の回転角として画像情報を与え、
   液晶パネルの画素毎の偏光の回転によってその画素に対応する光の強度が決定され、液晶パネルに表示された画像が光の濃淡として変換し、
   光源からの可視光が、液晶パネルを透過又は反射し、液晶パネルに濃淡表示された画像が光の濃淡に変換されて造形対象物に照射されることにより、前記３次元形状を面露光による非積層で造形するようにした光造形方法。
5. 液晶パネルを透過又は反射した光を、さらに空間周波数フィルターを通過させて、造形対象物に照射するようにした請求項４に記載の光造形方法。

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