JP4499538B2 - Light beam control apparatus and stereolithography apparatus - Google Patents

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本発明は、光ビーム制御装置及び光造形装置に係り、特に、光ビームとしてレーザビームを用いる光ビーム制御装置及び光造形装置において、ビーム径および焦点位置を高速で制御する技術に関する。   The present invention relates to a light beam control apparatus and an optical modeling apparatus, and more particularly to a technique for controlling a beam diameter and a focal position at high speed in a light beam control apparatus and an optical modeling apparatus that use a laser beam as a light beam.

従来より、三次元形状の物体を造形する手法として、光硬化樹脂を用いた光硬化造形法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
光硬化造形法では、例えば、造形対象形状の等高断面に対応させて光硬化性樹脂の液面にレーザビームを走査させつつ照射する。するとレーザビームが照射された光硬化成樹脂の液面が光硬化され、断面硬化層が形成される。光硬化造形法ではこのようにして断面硬化層を形成すると同時に、新たに形成される断面硬化層が先に形成されている断面硬化層に積層一体化されるように三次元的に連続的に造形を行う。このようにすることにより、断面硬化層が積層一体化されて全体として造形対象の形状を有する三次元物体が造形されることとなっていた。
特開昭56−144478号公報
Conventionally, a photo-curing modeling method using a photo-curing resin is known as a method for modeling a three-dimensional object (for example, see Patent Document 1).
In the photo-curing modeling method, for example, the liquid surface of the photo-curing resin is irradiated while being scanned with a laser beam so as to correspond to the contour section of the shape to be modeled. Then, the liquid surface of the photocurable resin irradiated with the laser beam is photocured, and a cross-section cured layer is formed. In the photo-curing modeling method, the cross-section hardened layer is formed in this way, and at the same time, the newly formed cross-section hardened layer is continuously and three-dimensionally laminated and integrated with the previously formed cross-section hardened layer. Perform modeling. By doing in this way, the cross-section hardening layer was laminated and integrated, and the three-dimensional object which has the shape of modeling object as a whole was modeled.
JP 56-144478 A

ところで、光硬化樹脂にレーザビームを照射するに際しては、ビーム径と焦点位置を同時に制御する必要があるが、従来の光硬化造形装置においては、焦点位置を制御する焦点位置制御装置を構成し、この焦点位置制御装置全体をレーザビームの光軸方向に駆動する構成を採っていたため、高速でビーム径を変更することはできないという問題点があった。
そこで、本発明の目的は、装置構成が簡単で、レーザビームのビーム径及び焦点位置を高速で変更することが可能な光ビーム制御装置およびこの光ビーム制御装置を用いた光造形装置を提供することにある。
By the way, when irradiating a photocurable resin with a laser beam, it is necessary to control the beam diameter and the focal position at the same time, but in the conventional photocuring modeling apparatus, a focal position control device for controlling the focal position is configured, Since the entire focal position control device is driven in the direction of the optical axis of the laser beam, there is a problem that the beam diameter cannot be changed at high speed.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a light beam control device having a simple device configuration and capable of changing the beam diameter and focus position of a laser beam at high speed, and an optical modeling device using the light beam control device. There is.

上記課題を解決するため、本発明は、レーザビームの出射装置と、前記レーザビームを走査するスキャナ部との間に配置され、焦点位置及びビーム径調整用のレンズを前記レーザビームの光軸に沿って移動して、前記出射装置より入射されたレーザビームの焦点位置及びビーム径を変更する光ビーム制御装置において、前記レンズを担持し、外部からの駆動制御信号に基づいて前記レーザビームの光軸方向に直動するボビンを有するボイスコイルモータと、前記ボビンを支持するとともに、当該ボビンの直動をガイドする案内部材と、前記レンズ位置を検出し、前記駆動制御信号生成のための位置検出信号を出力するエンコーダと、を備え、前記ボイスコイルモータは、前記スキャナ部によるレーザビームの走査時に、前記駆動制御信号に基づいて前記ボビンを直動して、照射面でのレーザビームのビーム径を変更するために前記レンズを変更すべきビーム径に対応した基準位置に移動、前記レーザビームの走査に追従して前記焦点位置を調整するために前記基準位置を基準として前記レンズを移動することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is arranged between a laser beam emitting device and a scanner unit that scans the laser beam, and a lens for adjusting a focal position and a beam diameter is provided on the optical axis of the laser beam. In the light beam control device that moves along and changes the focal position and the beam diameter of the laser beam incident from the emission device , the lens is carried, and the light of the laser beam is based on an external drive control signal. A voice coil motor having a bobbin that moves linearly in the axial direction, a guide member that supports the bobbin and guides the bobbin linear movement, and detects the lens position, and detects the position for generating the drive control signal. comprising an encoder for outputting a signal, wherein the voice coil motor, during scanning of the laser beam by the scanner unit, based on the drive control signal And linear motion of the bobbin had to move to the reference position corresponding to the beam diameter to be changed the lens to change the beam diameter of the laser beam on the irradiation surface, wherein following the scanning of the laser beam characterized by moving the lens relative to the said reference position to adjust the focus position.

上記構成によれば、ボイスコイルモータのボイスコイル部は、レンズを直接的あるいは間接的に担持し、外部からの駆動制御信号に基づいて光ビームの光軸方向に直動する。
このとき、ガイド部材は、ボイスコイル部を支持するとともに、当該ボイスコイル部の直動をガイドする。
さらにこれと並行して、エンコーダは、レンズ位置を検出し、位置検出信号を出力する。
According to the above configuration, the voice coil unit of the voice coil motor carries the lens directly or indirectly, and moves directly in the optical axis direction of the light beam based on the drive control signal from the outside.
At this time, the guide member supports the voice coil unit and guides the linear motion of the voice coil unit.
In parallel with this, the encoder detects the lens position and outputs a position detection signal.

また、前記エンコーダは、前記ボイスコイル部の直動に連動して直動するスケールと、前記スケールを読み取って前記位置検出信号を出力するエンコーダヘッドと、を備えるようにしてもよい。   The encoder may include a scale that moves linearly in conjunction with the linear movement of the voice coil unit, and an encoder head that reads the scale and outputs the position detection signal.

さらに、前記ビーム径に対応する前記レンズの位置を基準位置とし、前記焦点位置に応じて前記レンズの位置を前記基準位置から所定距離移動させるようにしてもよい。   Furthermore, the position of the lens corresponding to the beam diameter may be set as a reference position, and the position of the lens may be moved from the reference position by a predetermined distance according to the focal position.

また、光造形装置は、レーザビームの出射装置と、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の光ビーム制御装置と、前記光ビーム制御装置を通過したレーザビームを集光する対物レンズと、レーザビームで照射面を走査するためのスキャナ部と、造形対象の三次元形状に対応する造形データおよび前記光ビーム制御装置のレンズの位置検出信号に基づいて、前記光ビーム制御装置のボイスコイルモータの駆動制御信号を出力する造形コントローラと、を備えたことを特徴とする。
An optical modeling apparatus includes a laser beam emitting device, the light beam control device according to any one of claims 1 to 3, and an objective lens that condenses the laser beam that has passed through the light beam control device. A voice coil of the light beam control device based on a scanner unit for scanning the irradiation surface with a laser beam , modeling data corresponding to a three-dimensional shape to be modeled, and a lens position detection signal of the light beam control device And a modeling controller that outputs a motor drive control signal.

上記構成によれば、レーザビーム出射装置は、レーザビームを光ビーム制御装置に出射する。
これにより、造形コントローラは、造形対象の三次元形状に対応する造形データに基づいて、駆動制御信号を光ビーム制御装置に出力する。
一方、光ビーム制御装置を構成するボイスコイル部は、レンズを直接的あるいは間接的に担持し、造形コントローラからの駆動制御信号に基づいて光ビームの光軸方向に直動し、ガイド部材は、ボイスコイル部を支持するとともに、当該ボイスコイル部の直動をガイドする。
According to the above configuration, the laser beam emitting device emits the laser beam to the light beam control device.
Accordingly, the modeling controller outputs a drive control signal to the light beam control device based on the modeling data corresponding to the three-dimensional shape to be modeled.
On the other hand, the voice coil unit that constitutes the light beam control device carries the lens directly or indirectly, and moves directly in the optical axis direction of the light beam based on the drive control signal from the modeling controller. While supporting a voice coil part, the linear motion of the said voice coil part is guided.

これと並行して、エンコーダは、レンズ位置を検出し、位置検出信号を造形コントローラに出力する。
これらの結果、造形コントローラは、造形対象の三次元形状に対応する造形データおよび位置検出信号に基づいて、新たな駆動制御信号を出力する。
さらに対物レンズは、光ビーム制御装置を通過したレーザビームを集光し、スキャナ部はレーザビームを走査して光硬化造形を行う。
In parallel with this, the encoder detects the lens position and outputs a position detection signal to the modeling controller.
As a result, the modeling controller outputs a new drive control signal based on the modeling data corresponding to the three-dimensional shape to be modeled and the position detection signal.
Further, the objective lens condenses the laser beam that has passed through the light beam control device, and the scanner unit scans the laser beam to perform photo-curing modeling.

本発明によれば、簡単な装置構成で、レーザビームのビーム径及び焦点位置を高速で変更することが可能となる。   According to the present invention, the beam diameter and focal position of a laser beam can be changed at high speed with a simple apparatus configuration.

次に本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、実施形態の光造形装置の概要構成図である。
光硬化造形装置10は、レーザビームLを出射するレーザビーム出射装置11と、出射されたレーザビームLの焦点位置及びビーム径を制御する光ビーム制御装置12と、光ビーム制御装置12を通過したレーザビームLを集光する対物レンズ13と、レーザビームLを走査するためのスキャナ部14と、図示しないエレベータ装置を有し光硬化樹脂を貯留する樹脂貯留槽15と、光硬化造形装置10全体を制御するための造形コントローラ16と、造形コントローラ16の制御下でレーザビーム出射装置11、光ビーム制御装置12スキャナ部14等における光学系の制御を行う光学系コントローラ17と、樹脂貯留槽15を図示しないテーブルにより昇降させるための制御を行うテーブル昇降制御部18と、樹脂貯留槽15内の光硬化樹脂の表面を均すための図示しないナイフを制御するためのナイフ制御部と、樹脂貯留槽15内の光硬化樹脂の液面制御を行う液面制御部20と、を備えている。
Next, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical modeling apparatus according to an embodiment.
The photocuring modeling apparatus 10 has passed through a laser beam emitting apparatus 11 that emits a laser beam L, a light beam control apparatus 12 that controls a focal position and a beam diameter of the emitted laser beam L, and a light beam control apparatus 12. An objective lens 13 that condenses the laser beam L, a scanner unit 14 for scanning the laser beam L, a resin storage tank 15 that has an elevator device (not shown) and stores a photo-curing resin, and the photo-curing modeling apparatus 10 as a whole. A modeling controller 16 for controlling the optical system, an optical system controller 17 for controlling the optical system in the laser beam emitting device 11, the light beam control device 12, the scanner unit 14 and the like under the control of the modeling controller 16, and a resin storage tank 15. A table elevating control unit 18 that performs control for elevating by a table (not shown), and a photocuring tree in the resin storage tank 15 It includes a knife controller for controlling a knife (not shown) for leveling the surface of the liquid level control unit 20 which performs the liquid level control of the photocurable resin in the resin reservoir 15, the.

スキャナ部14は、2個のガルバノ式スキャナ14A、14Bと、各ガルバノ式スキャナ14A、14Bに取り付けられた2枚のミラー14C、14Dと、を備えている。   The scanner unit 14 includes two galvano scanners 14A and 14B, and two mirrors 14C and 14D attached to the galvano scanners 14A and 14B.

図2は、ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の平面図である。図3は、ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の正面図である。図4は、ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の背面図である。図5は、ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の側面図である。図6は、光ビーム制御装置のボイスコイルモータ部の断面図である。図7は、光ビーム制御装置の分解斜視図である。図8は、図2のA−A断面矢視図である。   FIG. 2 is a plan view of the light beam control apparatus when the case is removed. FIG. 3 is a front view of the light beam control apparatus when the case is removed. FIG. 4 is a rear view of the light beam control apparatus when the case is removed. FIG. 5 is a side view of the light beam control apparatus when the case is removed. FIG. 6 is a cross-sectional view of the voice coil motor unit of the light beam control apparatus. FIG. 7 is an exploded perspective view of the light beam control apparatus. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

光ビーム制御装置12は、大別すると、ボイスコイルモータ部21と、ボイスコイルモータ部21を構成する円筒状のボビン22をレーザビームLの光軸方向に沿って案内するための案内部23と、ボビン22の位置を検出するためのエンコーダ部24と、ボイスコイルモータ部21、案内部23及びエンコーダ部24を支持するベース部25と、外部から駆動制御信号を入力するとともに、外部にエンコーダ部24の検出信号を出力するリード線部26と、ボビン22の温度を計測するための温度センサ27と、を備えている。   The light beam control device 12 is roughly classified into a voice coil motor unit 21 and a guide unit 23 for guiding the cylindrical bobbin 22 constituting the voice coil motor unit 21 along the optical axis direction of the laser beam L. The encoder unit 24 for detecting the position of the bobbin 22, the voice coil motor unit 21, the guide unit 23, and the base unit 25 that supports the encoder unit 24, the drive control signal is input from the outside, and the encoder unit is externally A lead wire portion 26 that outputs 24 detection signals and a temperature sensor 27 for measuring the temperature of the bobbin 22 are provided.

ボイスコイルモータ部21は、ボビン22と、このボビン22の両端側にそれぞれ巻回されたコイル31A、31B(図6及び図7参照)と、ボビン22内に収納された焦点位置及びビーム径調整用のレンズ32(図6参照)と、各コイル31A、31Bの少なくとも一部がそれぞれ収納される略二重管形状のマグネットヨーク部33A、33Bと、を備えている。   The voice coil motor unit 21 includes a bobbin 22, coils 31 </ b> A and 31 </ b> B (see FIGS. 6 and 7) wound around both ends of the bobbin 22, and a focal position and beam diameter adjustment accommodated in the bobbin 22. Lens 32 (see FIG. 6) and magnet yoke portions 33A and 33B having substantially double tube shapes in which at least a part of the coils 31A and 31B are respectively housed.

マグネットヨーク部33Aは、図6に示すように、円筒形状の永久磁石33A1と、円筒形状のヨーク部33A2と、ボビン22内に挿入され、ボビン22を案内する案内筒34Aを備えている。同様に、マグネットヨーク部33Bは、円筒形状の永久磁石33B1と、円筒形状のヨーク部33B2と、ボビン22内に挿入され、ボビン22を案内する案内筒34Bを備えている。   As shown in FIG. 6, the magnet yoke portion 33 </ b> A includes a cylindrical permanent magnet 33 </ b> A <b> 1, a cylindrical yoke portion 33 </ b> A <b> 2, and a guide cylinder 34 </ b> A that is inserted into the bobbin 22 and guides the bobbin 22. Similarly, the magnet yoke portion 33B includes a cylindrical permanent magnet 33B1, a cylindrical yoke portion 33B2, and a guide tube 34B that is inserted into the bobbin 22 and guides the bobbin 22.

この場合において、レーザビームLは、一方のマグネットヨーク部33Aの一端の開口から案内筒34Aを介してボビン22内に入射し、レンズ32を通って、他方のマグネットヨーク部33Bの案内筒34B及び開口から出射するようにされている。   In this case, the laser beam L enters the bobbin 22 from the opening of one end of one magnet yoke portion 33A through the guide tube 34A, passes through the lens 32, and guide tube 34B of the other magnet yoke portion 33B. The light is emitted from the opening.

案内部23は、ボビン22をマグネットヨーク部33A、33Bに接触しないように支持するための略U字状の支持部を有する支持ブロック41と、支持ブロック41の一方の側部にねじにより固着されるベアリングガイドブロック42と、支持ブロック41の他方の側部の下方側から支持するとともに、ベアリングガイドブロック42と協働して、支持ブロック41をボビン22と一体でレーザビームの光軸方向に直線的に摺動させるためリニアガイドブロック43と、ベース部25に設けられた位置決め用溝25A内に固定されているガイド軸44と、を備えている。   The guide portion 23 is fixed to the support block 41 having a substantially U-shaped support portion for supporting the bobbin 22 so as not to contact the magnet yoke portions 33A and 33B, and one side portion of the support block 41 with screws. The bearing guide block 42 is supported from the lower side of the other side of the support block 41, and in cooperation with the bearing guide block 42, the support block 41 is integrated with the bobbin 22 in the direction of the optical axis of the laser beam. The linear guide block 43 and the guide shaft 44 fixed in the positioning groove 25 </ b> A provided in the base portion 25 are provided.

ベアリングガイドブロック42は、ガイド軸44に対応する位置に一対のベアリング45A、45Bを有し、ベアリング45A、45Bがガイド軸44上で転動することにより、ベアリングガイドブロック43を滑らかにレーザビームLの光軸方向に直線的に摺動させる。   The bearing guide block 42 has a pair of bearings 45A and 45B at positions corresponding to the guide shaft 44, and the bearings 45A and 45B roll on the guide shaft 44 so that the bearing guide block 43 can be smoothly moved to the laser beam L. Slide linearly in the direction of the optical axis.

エンコーダ部24は、支持ブロック41の他方の側部にねじにより固着されるエンコーダガイド51を有し、このエンコーダガイド51には、移動量を検出するための平板状のスケール(エンコーダテープ)52が設けられている。このスケール52の対向する位置には、スケール52を読み取るためのエンコーダヘッド53がベース部25の所定位置に固定されている。ここで、エンコーダガイド51は、第1端子板54として機能し、エンコーダヘッド53には、第2端子板55が固定されている。   The encoder unit 24 has an encoder guide 51 fixed to the other side portion of the support block 41 with a screw. The encoder guide 51 has a flat scale (encoder tape) 52 for detecting the amount of movement. Is provided. An encoder head 53 for reading the scale 52 is fixed at a predetermined position of the base portion 25 at a position facing the scale 52. Here, the encoder guide 51 functions as the first terminal plate 54, and the second terminal plate 55 is fixed to the encoder head 53.

そして、第1端子板54と第2端子板55との間は、ボビン22の滑らかな動きを阻害しないようにフレキシブルハーネス56により電気的に接続され、さらに第2端子板55からボビン22に複数のリード線で構成されるリード線群56が導かれている。このリード線群56を介して駆動電流がコイル31A、31Bに供給され、温度センサ27の検出信号が外部に出力されるようになっている。   And between the 1st terminal board 54 and the 2nd terminal board 55, it electrically connects with the flexible harness 56 so that the smooth motion of the bobbin 22 may not be obstructed, and also the 2nd terminal board 55 is connected to the bobbin 22 by two or more. A lead wire group 56 composed of lead wires is guided. A drive current is supplied to the coils 31A and 31B via the lead wire group 56, and a detection signal of the temperature sensor 27 is output to the outside.

これらの場合において、ボビン22は高速で移動するため、ボビン22、支持ブロック41、ベアリングガイドブロック42及びエンコーダガイド51が一体となって浮き上がる方向に力が働く可能性がある。これを防止するため、支持ブロック41のボビン22と反対側の面に吸引ヨーク61が設けられ、ベース部25の吸引ヨーク61に対向する位置には、マグネット62及び吸引ヨーク63が埋設されている。これによりボビン22、支持ブロック41、ベアリングガイドブロック42及びエンコーダガイド51が一体となってベース部25側に吸引され、安定してボビン22の駆動が可能となっている。
また、造形コントローラ16は、各種造形データの処理を行う造形データ処理部16Aと、造形データに基づいて光学系コントローラ17、テーブル昇降制御部18、ナイフ制御部19および液面制御部20を制御するための制御部16Bと、を備えている。
In these cases, since the bobbin 22 moves at a high speed, there is a possibility that a force acts in the direction in which the bobbin 22, the support block 41, the bearing guide block 42, and the encoder guide 51 are lifted together. In order to prevent this, a suction yoke 61 is provided on the surface of the support block 41 opposite to the bobbin 22, and a magnet 62 and a suction yoke 63 are embedded at a position facing the suction yoke 61 of the base portion 25. . Accordingly, the bobbin 22, the support block 41, the bearing guide block 42, and the encoder guide 51 are integrally sucked to the base portion 25 side, and the bobbin 22 can be driven stably.
The modeling controller 16 controls the modeling data processing unit 16A that processes various modeling data, and the optical system controller 17, the table lifting control unit 18, the knife control unit 19, and the liquid level control unit 20 based on the modeling data. A control unit 16B.

次に実施形態の動作について説明する。
図9は実施形態の処理フローチャートである。
まず、光硬化造形装置10の造形コントローラ16は、造形対象物の一つの等高断面におけるCADデータ(造形データ)が入力されると(ステップS1)、レーザビームの走査手順(走査方向、走査形状、走査順番など)、各走査手順に応じたレーザビーム径設定、レーザビームの焦点位置設定を含む造形制御データを生成する(ステップS2)。
Next, the operation of the embodiment will be described.
FIG. 9 is a processing flowchart of the embodiment.
First, when CAD data (modeling data) in one contour section of a modeling target is input to the modeling controller 16 of the photo-curing modeling apparatus 10 (step S1), a laser beam scanning procedure (scanning direction, scanning shape). , Scanning order, etc.), modeling control data including laser beam diameter setting and laser beam focal position setting corresponding to each scanning procedure is generated (step S2).

次に造形コントローラ16は、操作手順に従って、走査を開始し、走査速度、レーザビーム径に基づいてレーザビームの照射時の当該レーザビームのエネルギー密度が常に一定になるように、レーザビーム出射装置11を制御して、出射されるレーザビームLのエネルギー強度を調整するとともに、レーザビームの出射の可否を制御する(ステップS3)。
続いて造形コントローラ16は、光ビーム制御装置12を制御し、必要な光ビーム径に応じてボビン22内に収納された焦点位置及びビーム径調整用のレンズ32の位置を調整する(ステップS4)。
Next, the modeling controller 16 starts scanning in accordance with the operation procedure, and the laser beam emitting device 11 so that the energy density of the laser beam at the time of laser beam irradiation is always constant based on the scanning speed and the laser beam diameter. Is controlled to adjust the energy intensity of the emitted laser beam L and to control whether or not the laser beam can be emitted (step S3).
Subsequently, the modeling controller 16 controls the light beam control device 12 and adjusts the focal position stored in the bobbin 22 and the position of the lens 32 for adjusting the beam diameter according to the required light beam diameter (step S4). .

この結果、造形コントローラ16は、駆動信号をリード線部26を介して、第1端子板54に供給する。第1端子板54に供給された駆動信号は、フレキシブルハーネス56を介して第2端子板55に供給され、さらに第2端子板55からボビン22に複数のリード線で構成されるリード線群56が導かれている。このリード線群56を介して駆動電流がコイル31A、31Bに供給されて、ボビン22、ひいては、レンズ32が駆動される。
これと並行して、実際のレンズ32の位置は、エンコーダガイド51に設けられたスケール(エンコーダテープ)52をエンコーダヘッド53により読み取り、リード線部26を介して位置検出信号として造形コントローラ16にフィードバックされ、レンズ32の位置のフィードバック制御がなされ、レンズ32は、所望の位置に移動されることとなる。
As a result, the modeling controller 16 supplies a drive signal to the first terminal board 54 via the lead wire portion 26. The drive signal supplied to the first terminal board 54 is supplied to the second terminal board 55 via the flexible harness 56, and further, a lead wire group 56 composed of a plurality of lead wires from the second terminal board 55 to the bobbin 22. Has been led. A drive current is supplied to the coils 31A and 31B via the lead wire group 56, and the bobbin 22 and thus the lens 32 are driven.
In parallel with this, the actual position of the lens 32 is read by a scale (encoder tape) 52 provided on the encoder guide 51 by the encoder head 53 and fed back to the molding controller 16 as a position detection signal via the lead wire portion 26. Then, feedback control of the position of the lens 32 is performed, and the lens 32 is moved to a desired position.

図10は、焦点位置及びビーム径調整用のレンズの制御テーブルの一例の説明図である。
図10に示すように、ビーム径を調整する場合には、レンズ32を10mm〜15mmの間で駆動することとなる。
すなわち、ビーム径が0.1mmφである場合には、レンズ32を10.00mm駆動した位置を基準位置とし、ビーム径が0.2mmφである場合には、レンズ32を10.20mm駆動した位置を基準位置とし、ビーム径が0.3mmφである場合には、レンズ32を10.40mm駆動した位置を基準位置とし、ビーム径が0.4mmφである場合には、レンズ32を10.60mm駆動した位置を基準位置とする。
FIG. 10 is an explanatory diagram of an example of a control table of a lens for adjusting the focal position and the beam diameter.
As shown in FIG. 10, when adjusting the beam diameter, the lens 32 is driven between 10 mm and 15 mm.
That is, when the beam diameter is 0.1 mmφ, the position where the lens 32 is driven 10.00 mm is set as the reference position, and when the beam diameter is 0.2 mmφ, the position where the lens 32 is driven 10.20 mm is set as the reference position. When the beam diameter is 0.3 mmφ as the reference position, the position where the lens 32 is driven 10.40 mm is set as the reference position, and when the beam diameter is 0.4 mmφ, the lens 32 is driven 10.60 mm. The position is the reference position.

次に造形コントローラ16は、光ビーム制御装置12を制御し、照射位置に対応する焦点位置に応じてボビン22内に収納された焦点位置及びビーム径調整用のレンズ32の位置を調整する(ステップS5)。
図11は、ミラーとレーザビーム照射位置の関係説明図である。図11においては、説明の簡略化のため、ミラー14Dのみを図示している。
図10に示すように、照射位置に対応させて焦点位置を調整する場合には、レンズ32を基準位置から0.00mm〜0.15mmの間で駆動することとなる。
Next, the modeling controller 16 controls the light beam control device 12 to adjust the focus position housed in the bobbin 22 and the position of the lens 32 for adjusting the beam diameter according to the focus position corresponding to the irradiation position (step). S5).
FIG. 11 is an explanatory diagram of the relationship between the mirror and the laser beam irradiation position. In FIG. 11, only the mirror 14D is shown for the sake of simplicity.
As shown in FIG. 10, when the focal position is adjusted in correspondence with the irradiation position, the lens 32 is driven between 0.00 mm and 0.15 mm from the reference position.

具体的には、照射位置がミラー14Dの真下にある照射位置P1と、最も遠い照射位置である照射位置P3 と、照射位置P1及び照射位置P3 の間に位置する照射位置P2 について説明する。
照射位置P1では、ミラー14Dから最も近い位置であるので、レンズ32を基準位置から0.00mm、すなわち、基準位置そのままとする。
照射位置P2 では、レンズ32粗基準位置から0.05mm駆動した位置とする。
さらに、照射位置P3 では、最も遠い照射位置であるので、レンズ32を基準位置から0.15mm駆動した位置とする。
Specifically, the irradiation position P1 where the irradiation position is directly below the mirror 14D, the irradiation position P3 which is the farthest irradiation position, and the irradiation position P2 located between the irradiation position P1 and the irradiation position P3 will be described.
Since the irradiation position P1 is closest to the mirror 14D, the lens 32 is set to 0.00 mm from the reference position, that is, the reference position is left as it is.
At the irradiation position P2, the lens 32 is driven by 0.05 mm from the rough reference position.
Further, since the irradiation position P3 is the farthest irradiation position, the lens 32 is set to a position driven by 0.15 mm from the reference position.

より詳細には、ビーム径0.2mmφで照射位置P1にレーザビームを照射する場合には、レンズ32を、
10.20+0.00=10.20(mm)
の位置に駆動することとなる。同様にビーム径0.2mmφで照射位置P2 にレーザビームを照射する場合には、レンズ32を、
10.20+0.05=10.25(mm)
の位置に駆動することとなる。ビーム径0.2mmφで照射位置P3 にレーザビームを照射する場合には、レンズ32を、
10.20+0.15=10.35(mm)
の位置に駆動することとなる。すなわち、ビーム径0.2mmφで照射位置P1〜P3 まで連続的に走査した場合には、レンズ32を10.20〜10.35mmの範囲で駆動することとなる。
More specifically, when irradiating the irradiation position P1 with a laser beam diameter of 0.2 mmφ, the lens 32 is
10.20 + 0.00 = 10.20 (mm)
It will drive to the position. Similarly, when irradiating the irradiation position P2 with a beam diameter of 0.2 mmφ, the lens 32 is
10.20 + 0.05 = 10.25 (mm)
It will drive to the position. In the case of irradiating the irradiation position P3 with a beam diameter of 0.2 mmφ, the lens 32 is
10.20 + 0.15 = 10.35 (mm)
It will drive to the position. That is, when the beam diameter is 0.2 mmφ and the irradiation positions P1 to P3 are continuously scanned, the lens 32 is driven in the range of 10.20 to 10.35 mm.

続いて造形コントローラ16は、造形対象物の全ての等高断面におけるCADデータ(造形データ)に対応する走査が完了したか否かを判別し(ステップS6)、造形対象物の全ての等高断面におけるCADデータ(造形データ)に対応する走査が完了するまでは、処理を再びステップS1に移行して同様の処理を行うこととなる。
以上の説明のように、本実施形態によれば、光ビーム制御装置12は、焦点位置及びビーム径調整用のレンズ32を軽量化が容易なボイスコイルモータ部21で駆動する構成を採っているので、ビーム径と焦点位置を高速、かつ、高精度で変更し、制御することができる。
Subsequently, the modeling controller 16 determines whether or not scanning corresponding to CAD data (modeling data) in all the contour sections of the modeling target is completed (step S6), and all the contour sections of the modeling target object. Until the scan corresponding to the CAD data (modeling data) is completed, the process proceeds to step S1 again and the same process is performed.
As described above, according to the present embodiment, the light beam control device 12 employs a configuration in which the focus position and beam diameter adjusting lens 32 is driven by the voice coil motor unit 21 that can be easily reduced in weight. Therefore, the beam diameter and the focal position can be changed and controlled at high speed and with high accuracy.

以上の説明においては、光ビーム制御装置12を構成するレンズ32をボビン32内に配置する構成を採っていたが、例えば、ベアリングガイドブロック42に設けたり、ボビン22の外周上面に配置するなどボビン32外に設けるように構成することも可能である。
以上の説明においては、スキャナ部14をガルバノ式スキャナで構成していたが、ポリゴンミラーを用いたスキャナ、サーボモータを使用したスキャナなど他のスキャナを用いるように構成することも可能である。
In the above description, the lens 32 constituting the light beam control device 12 is arranged in the bobbin 32. However, for example, the bobbin is provided on the bearing guide block 42 or on the outer peripheral upper surface of the bobbin 22. It is also possible to configure it so as to be provided outside of 32.
In the above description, the scanner unit 14 is configured by a galvano scanner. However, other scanners such as a scanner using a polygon mirror and a scanner using a servo motor may be used.

実施形態の光造形装置の概要構成図である。It is a schematic block diagram of the optical modeling apparatus of embodiment. ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の平面図である。It is a top view of the light beam control apparatus at the time of removing a case. ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の正面図である。It is a front view of the light beam control apparatus at the time of removing a case. ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の背面図である。It is a rear view of the light beam control apparatus when a case is removed. ケースを取り外した場合の光ビーム制御装置の側面図である。It is a side view of the light beam control apparatus when a case is removed. 光ビーム制御装置のボイスコイルモータ部の断面図である。It is sectional drawing of the voice coil motor part of a light beam control apparatus. 光ビーム制御装置の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a light beam control apparatus. 図2のA−A断面矢視図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2. 実施形態の処理フローチャートである。It is a processing flowchart of an embodiment. 焦点位置及びビーム径調整用のレンズの制御テーブルの一例の説明図である。It is explanatory drawing of an example of the control table of the lens for a focus position and beam diameter adjustment. ミラーとレーザビーム照射位置の関係説明図である。It is explanatory drawing of the relationship between a mirror and a laser beam irradiation position.

符号の説明Explanation of symbols

10…光硬化造形装置、11…レーザビーム出射装置、12…光ビーム制御装置、13…対物レンズ、14…スキャナ部、15…樹脂貯留槽、16…造形コントローラ、17…光学系コントローラ、18…テーブル昇降制御部、19…ナイフ制御部、20…液面制御部、21…ボイスコイルモータ部、22…ボビン、23…案内部(案内部材)、24…エンコーダ部、25…ベース部、L…レーザビーム。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light-curing modeling apparatus, 11 ... Laser beam emission apparatus, 12 ... Light beam control apparatus, 13 ... Objective lens, 14 ... Scanner part, 15 ... Resin storage tank, 16 ... Modeling controller, 17 ... Optical system controller, 18 ... Table lifting control unit, 19 ... Knife control unit, 20 ... Liquid level control unit, 21 ... Voice coil motor unit, 22 ... Bobbin, 23 ... Guide unit (guide member), 24 ... Encoder unit, 25 ... Base unit, L ... Laser beam.

Claims (4)

レーザビームの出射装置と、前記レーザビームを走査するスキャナ部との間に配置され、焦点位置及びビーム径調整用のレンズを前記レーザビームの光軸に沿って移動して、前記出射装置より入射されたレーザビームの焦点位置及びビーム径を変更する光ビーム制御装置において、
前記レンズを担持し、外部からの駆動制御信号に基づいて前記レーザビームの光軸方向に直動するボビンを有するボイスコイルモータと、
前記ボビンを支持するとともに、当該ボビンの直動をガイドする案内部材と、
前記レンズ位置を検出し、前記駆動制御信号生成のための位置検出信号を出力するエンコーダと、を備え、
前記ボイスコイルモータは、前記スキャナ部によるレーザビームの走査時に、前記駆動制御信号に基づいて前記ボビンを直動して、照射面でのレーザビームのビーム径を変更するために前記レンズを変更すべきビーム径に対応した基準位置に移動、前記レーザビームの走査に追従して前記焦点位置を調整するために前記基準位置を基準として前記レンズを移動する
ことを特徴とする光ビーム制御装置。
And emitting device of the laser beam, the disposed between the scanner unit for scanning the laser beam moves along the lens for a focal position and a beam diameter adjusting the optical axis of the laser beam, incident from the emitting device In the light beam control device for changing the focal position and the beam diameter of the laser beam ,
A voice coil motor that carries the lens and has a bobbin that linearly moves in the optical axis direction of the laser beam based on an external drive control signal ;
A guide member for supporting the bobbin and guiding the linear movement of the bobbin;
An encoder that detects the lens position and outputs a position detection signal for generating the drive control signal;
The voice coil motor, during scanning of the laser beam by the scanner unit, and the linear motion of the bobbin on the basis of the driving control signal, to change the lens to change the beam diameter of the laser beam on the irradiated surface It should move to a reference position corresponding to the beam diameter, the beam controller to follow the scanning of the laser beam, characterized in that moving the lens relative to the said reference position in order to adjust the focal position.
請求項記載の光ビーム制御装置において、
前記エンコーダは、前記ボイスコイル部の直動に連動して直動するスケールと、
前記スケールを読み取って前記位置検出信号を出力するエンコーダヘッドと、
を備えたことを特徴とする光ビーム制御装置。
The light beam control device according to claim 1 .
The encoder is a scale that linearly moves in conjunction with the linear movement of the voice coil unit;
An encoder head that reads the scale and outputs the position detection signal;
A light beam control device comprising:
請求項1又は2記載の光ビーム制御装置において、
前記ボビンの両端にそれぞれコイルを巻き回し、各コイルごとにマグネットヨーク部を設け、前記ボビンに前記レンズ収納し、各マグネットヨーク部の間で前記ボビンと共に前記レンズを直動したことを特徴とする光ビーム制御装置。
The light beam control device according to claim 1 or 2 ,
A coil is wound around each end of the bobbin , a magnet yoke portion is provided for each coil , the lens is housed in the bobbin, and the lens is linearly moved together with the bobbin between the magnet yoke portions. Light beam control device.
レーザビームの出射装置と、
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の光ビーム制御装置と、
前記光ビーム制御装置を通過したレーザビームを集光する対物レンズと、
レーザビームで照射面を走査するためのスキャナ部と、
造形対象の三次元形状に対応する造形データおよび前記光ビーム制御装置のレンズの位置検出信号に基づいて、前記光ビーム制御装置のボイスコイルモータの駆動制御信号を出力する造形コントローラと、
を備えたことを特徴とする光造形装置。
A laser beam emitting device;
The light beam control device according to any one of claims 1 to 3,
An objective lens for condensing the laser beam that has passed through the light beam control device;
A scanner unit for scanning the irradiation surface with a laser beam;
Based on modeling data corresponding to a three-dimensional shape to be modeled and a lens position detection signal of the light beam control device, a modeling controller that outputs a drive control signal of a voice coil motor of the light beam control device;
An optical modeling apparatus comprising:
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