JP4503404B2 - 光造形装置及び光造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、光硬化性樹脂組成物に光を照射して光硬化させて、光学的に立体造形物を製造する光造形装置及び光造形方法に関する。

近年、三次元ＣＡＤに入力されたデータに基づいて光硬化性樹脂を硬化させて立体造形物を製造する光造形装置が実用化されている。このような光造形技術は、設計の途中で外観デザインを検証するためのモデル、部品の機能性をチェックするためのモデル、鋳型を製作するための樹脂型、金型を製作するためのベースモデルなどのような複雑な三次元物体を容易に造形できることから注目を集めている。

光造形装置によって造形物を製造するに当たっては、造形浴槽を用いる方法が汎用されており、その手順としては、造形浴槽に液状の光硬化性樹脂組成物を入れ、液面に所望のパターンが得られるようにコンピュータで制御されたスポット状の紫外線レーザー光を選択的に照射して所定の厚みに光硬化させて光硬化層を形成し、その光硬化層を造形浴槽内で下方に移動させて造形浴槽内の光硬化性樹脂液を該光硬化層上に流動させて光硬化性樹脂液の層を形成し、その光硬化性樹脂液層にスポット状の紫外線レーザー光を照射して光硬化層を積層形成するといった工程を所定の形状および寸法の立体造形物が得られるまで繰り返して行う。

しかしながら、スポット状の紫外線レーザー光を用いる上記した従来法による場合は、スポット状レーザー光を光硬化性樹脂組成物の表面に照射しながら移動させて面状の光硬化したパターンを形成する、いわゆる点描方式であるため、造形に長い時間を要し、生産性が低いという問題がある。しかも、光源として用いられる紫外線レーザー装置は極めて高価であるため、この種の光造形装置を高価格なものにしている。

そこで、従来においては、光を選択的に透過または遮光する液晶シャッター（液晶マスク）を光硬化性樹脂の液面に対して平行に走向し得るように配置すると共に、当該液晶シャッターを、光硬化性樹脂の液面上を往復移動させて順次露光を行い、１層分の所定の断面形状パターンを有する光硬化層を形成する光造形装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１１２８６３号公報

しかしながら、上記液晶シャッターを用いて露光を行う従来の技術においては、１層分の光硬化層を形成する場合に、液晶シャッターを光硬化性樹脂の液面に対して往復移動させながら光硬化性樹脂の液面の全面をくまなく露光する構成としているため、造形時間が長く、生産性の点で十分満足のゆくものではなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、造形時間を短縮し生産性を向上させることの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。

上記目的を達成するために、本発明は、未硬化樹脂層の表面に所定パターンを有するマスクを介して光を照射して１層分の光硬化層を形成した後に、当該光硬化層の表面に新たな未硬化樹脂層を形成し、当該未硬化樹脂層に前記マスクを介して光を照射して新たな光硬化層を積層形成する工程を繰り返して立体造形物を形成する光造形装置において、前記マスクを介して照射された光による露光面を前記未硬化樹脂層の表面上を往復移動させながら光を照射して、前記１層分の光硬化層を形成する第１手順と、前記未硬化樹脂層に形成すべきパターンに沿って前記露光面を移動させながら光を照射して、前記１層分の光硬化層を形成する第２手順とを前記未硬化樹脂層に形成すべきパターンに応じて切り替える制御装置を備えることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記制御装置は、前記第１手順および前記第２手順のうち、前記１層分の光硬化層を形成する際の露光に要する時間が短い方の手順に切り替えることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記制御装置は、前記露光に要する時間を、前記１層分の光硬化層を形成する間に前記露光面が移動する移動距離、及び、前記露光面の移動速度に基づいて求めることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、光の照射エネルギーの総量を一定に維持する速度で前記露光面を移動させることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記未硬化樹脂層の表面のうち、前記光が複数回にわたって照射される個所では、前記光の照射回数に応じて１回の光の照射光量を小さくするようにしたことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記マスクは、微小ドットエリアでの遮光及び透光が可能な複数の微小光シャッターが面状に配置され、これらの微小光シャッターによりマスク画像を形成する面状マスクであり、前記未硬化樹脂層の表面に対する前記露光面の連続移動と同期して、形成すべきパターンに応じて前記マスク画像を連続的に変化させることを特徴とする。

また上記目的を達成するために、本発明は、未硬化樹脂層の表面に所定パターンを有するマスクを介して光を照射して１層分の光硬化層を形成した後に、当該光硬化層の表面に新たな未硬化樹脂層を形成し、当該未硬化樹脂層に前記マスクを介して光を照射して新たな光硬化層を積層形成する工程を繰り返して立体造形物を形成する光造形方法において、前記マスクを介して照射された光による露光面を前記未硬化樹脂層の表面上を往復移動させながら光を照射して、前記１層分の光硬化層を形成する第１手順と、前記未硬化樹脂層に形成すべきパターンに沿って前記マスクを移動させながら光を照射して、前記１層分の光硬化層を形成する第２手順とを前記未硬化樹脂層に形成すべきパターンに応じて切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、造形時間を短縮し生産性を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について詳細に説明する。図１は本実施の形態に係る光造形装置１００の外観構成を示す図である。この図に示すように、光造形装置１００は、大別して、液状の光硬化性樹脂組成物が満たされる造形浴槽１０と、当該光硬化性樹脂組成物に対して上方から光を照射する光照射装置２０とを備えている。上記造形浴槽１０の内部には、造形テーブル１１が昇降機構３０により昇降可能に配置されている。

上記造形テーブル１１は、立体造形物を製造する際に、図２に示すように、造形浴槽１０に満たされた液状の光硬化性樹脂組成物の液面１２から所定距離ｄだけ引き下げられて、当該造形テーブル１１の面上に、立体造形物の１層分に相当する液状の光硬化性樹脂層、すなわち、未硬化の光硬化性樹脂層（以下、「造形面５」という）が形成される。そして、光照射装置２０が造形面５に対して光を照射することで造形面５を光硬化させて、立体造形物の１層分に相当する光硬化層を形成する。その後、造形テーブル１１を更に所定距離ｄだけ引き下げて、先に形成した光硬化層の上面に１層分の造形面５を形成し、上記と同様に、光照射装置２０が造形面５に対して光を照射することで、先に形成した光硬化層の上に新たに１層分の光硬化層を積層形成する。また、各光硬化層を形成する際には、光照射装置２０が所定パターンの光を造形面５に照射することで各光硬化層が所定パターンに形成され、かかる光硬化層を積層形成することで目的の立体造形物が製造される。

上記光照射装置２０の構成について詳述すると、図３に示すように、光照射装置２０は、光源１と、集光レンズ２と、面状描画マスク３と、投影レンズ４とを備えている。光源１は、液状の光硬化性樹脂組成物に光を照射して光硬化層を形成するものであり、例えば超高圧水銀ランプや、メタルハライドランプ、或いは紫外線蛍光灯等の紫外線ランプが用いられる。光源１の光放射端１ａは全体的に球面を帯びた形状になされ、当該光放射端１ａから出射された光が所定の拡散角を持って拡散し集光レンズ２に入射する。

集光レンズ２は、入射光を集光して投影レンズ４に対して照射するものであり、投影レンズ４は、液状の光硬化性樹脂組成物の液面に光を照射して、当該光硬化性樹脂組成物を光硬化させる。上記面状描画マスク３は、図３に示すように、集光レンズ２と投影レンズ４との間に、その全面に光が照射されるように介挿される。すなわち、集光レンズ２から放射された光うち、面状描画マスク３のマスク画像（マスクパターン）を通過した光が造形面５に照射されて露光面を形成し、その露光面が光硬化することで、造形面５にマスク画像に応じたパターンの光硬化層（以下、「露光像」という）６が形成される。

面状描画マスク３について詳述すると、当該面状描画マスク３は、微小ドットエリアでの遮光及び透光が可能な複数の微小光シャッターが面状に配置され、これらの微小光シャッターによりマスク画像を形成する面状マスクであり、本実施の形態では、この面状描画マスク３に、液晶式の面状描画マスクを用いて面状描画マスク３のマスク画像を適宜変更することで、所望のパターンを有する露光像６を得ることとしている。かかる面状描画マスク３としては、例えばカシオ社製のＴＦＴ方式ＶＧＡ（６４０×４８０画素）の液晶を用いることができる。

ここで、本実施の形態では、面状描画マスク３を固定した状態で造形面５の全体に一括露光して一層分の光硬化層を一度に形成するのではなく、図３に示すように、面状描画マスク３として、目的の光硬化層の全幅、或いは、造形面５の全幅よりも幅寸法の小さい面状描画マスク３を用いると共に、面状描画マスク３を移動させて造形面５内で露光面を連続移動させることで露光像６を順次形成して、一層分の光硬化層を形成することとしている（なお、図３には造形面５の幅の約半分の幅を有する画状描画マスク３を用いた場合を例示する）。

露光面の連続移動のための構成について詳述すると、図１に示すように、光造形装置１００は、造形浴槽１０の上方に配置された、上記光照射装置２０をＸ−Ｙ軸の２軸に移動させるためのＸ軸ガイドレール４０及びＹ軸ガイドレール４１とを有している。これらのガイドレール４０、４１には、上記光照射装置２０を支持する支持プレート４２が移動可能に連結されている。また、この支持プレート４２は、図示せぬモータ駆動回路を介してコンピュータ５０によって制御されるＸ軸パルスモータ４３及びＹ軸パルスモータ４４と連結されており、これらのパルスモータ４３、４４の駆動によって支持プレート４２と共に上記光照明装置２０がＸ−Ｙ軸に沿って、すなわち、造形面５に対して平行に移動する。なお、上記パルスモータ４３、４４には位置決め精度の高いものを使用するのが望ましく、また、上記パルスモータ４３、４４に代えて、サーボモータを用いる構成としても良い。

一方、面状描画マスク３には、光照射装置２０の連続移動と同期して、マスク画像データがコンピュータ５０から動画的に連続変化するように出力される。具体的には、コンピュータ５０は、立体造形物の各光硬化層ごとに、形成すべきパターン画像を例えばハードディスク装置等の記憶装置５１（図１参照）に予め記憶しており、Ｘ軸パルスモータ４３及びＹ軸パルスモータ４４に対して駆動信号を順次出力して光照射装置２０を連続移動させると共に、この駆動信号の出力と同期して面状描画マスク３に対して露光面の位置（光照射位置）に応じたマスク画像を順次出力し、当該面状描画マスク３のマスク画像を動画的に変化させる。これにより、光照射装置２０の連続移動に伴って、造形面５内に所定パターンを有する露光像６が連続的に形成される。

この露光像６の連続的形成について、より詳細に説明すると、図４に示すように、光造形装置１００は、先ず、図４の（１）に示すように、露光面が造形面５の端部５ａにくるように位置させる。このとき、面状描画マスク３には、造形浴槽１０への光照射を遮るべく、全面黒色等の全面遮光パターンがコンピュータ５０から出力される。次いで図４の（２）〜（５）に示すように、露光面を造形面５のもう一方の端部５ｂの方向へと、造形面５に対して平行状態で直線的に連続移動させる。その際、面状描画マスク３によるマスク画像は、露光面の位置及び形成すべきパターンに応じて動画的に連続的に変化し、該マスク画像に対応した光が造形面５に照射されて露光像６が連続的に形成される。

そして、図４の（５）に示すように、露光面が造形面５の端部５ｂの外側に位置したときには、当該造形面５には、形成すべき所定パターンの半幅分の露光像６が形成されているので、その段階で、露光面を造形面５の残り半幅分の位置に移動し（図４の（６））、その位置から図４の（６）〜（１０）に示すように、造形面５の端部５ｂから造形面５の端部５ａ側へと光照射位置を連続移動させ、上記と同様にして、露光像６を連続的に形成する。これによって、造形面５に、形成すべき所定パターン（断面形状パターン）を有する１層分の光硬化層が形成される。

なお、上記の説明では、露光面を造形面５の一端の端部５ａから他端の端部５ｂとの間で一往復させて１層分の光硬化層９を形成する場合について例示したが、これに限らず、光照射面積（露光面積）と造形面５の面積に応じて、当該造形面５内で露光面を複数回往復させて１層分の光硬化層９を形成しても良い。また、上記の説明では、露光面の往路と復路との各々で光照射を行うことで造形面５内に露光像６を順次形成する場合を例示したが、これに限らず、往路または復路のみで光照射を行って、露光像６を順次形成する構成としても良い。例えば、この構成においては、露光面を造形面５の一端の端部５ａから他端の端部５ｂまで連続移動させて露光像６を順次形成した後、光照射を行わずに露光面を端部５ｂから端部５ａまで移動させ、そして、先に形成した露光像６と隣接する位置に露光面をずらし、再び、端部５ａから他端の端部５ｂまで連続移動させて露光像６を順次形成する。そして、かかる工程を繰り返し行い、一層分の光硬化層９を形成する。

ところで、本実施の形態では、例えば図５に示すように、一層の光硬化層９を形成する際、前掲図４に示したように、露光面を造形面５に対して多数回にわたって往復移動させ、いわゆるベタ塗り的（ラスターとも呼ばれる）に光硬化層９を形成する場合における露光に要する時間よりも、図６に示すように、当該光硬化層９に造形すべきパターンに沿って露光面を移動させたときの露光に要する時間の方が短い場合には、上記のような、ベタ塗り的にパターンを形成するのではなく、パターン８に沿って露光面を移動させてパターン８を順次形成する手順に切り替えることとし、造形時間を短縮可能としている。

より詳細に説明すると、上記コンピュータ５０が立体造形物の各光硬化層９ごとに、形成すべきパターン画像を例えばハードディスク装置等の記憶装置５１（図１参照）に予め記憶していることは前述の通りであるが、コンピュータ５０は、１層の光硬化層９の造形を開始するに際し、その光硬化層９のパターン画像に基づいて、上記露光面を往復移動させてベタ塗り状に光造形を行うか、或いは、パターン８に沿って露光面を移動させて光造形を行うかを決定している。

すなわち、図７に示すように、コンピュータ５０は、一層の光硬化層９を造形するときに、先ず、造形面５に形成すべきパターンのパターン画像を記憶装置５１から読み出し（ステップＳ１）、このパターン画像に基づいて、パターン８に沿って露光面を移動させたときの最短の総移動距離を算出する（ステップＳ２）。

このステップＳ２での処理について詳述すると、例えば図８に示すように、一般に、パターン８は複数の線分Ａ１〜Ａｎ（図示例ではｎ＝６）に分けることができ、本実施の形態では、コンピュータ５０の記憶装置５１に、図９に示すように、パターン画像と対応付けて、各線分Ａ１〜Ａｎごとの両端の座標（いわゆるベクトルデータ）を予め格納する構成としている。

コンピュータ５０が最短の総移動距離を算出する際には、先ず、露光面をパターン８に沿って移動させるときの最短の移動経路を特定した後、この最短の移動経路に基づいて露光面の総移動距離を算出する。最短の移動経路の特定について詳しくは、先ず、露光面の開始位置（原点）Ｏから最も近い端点を有する線分Ａを特定し、次いで、この線分Ａの他端に最も近い端点を有する線分Ａを特定する。以降同様にして、ある線分Ａの端点と最も近い端点を順番に結び、最短の移動経路を特定する。図８に示す例では、露光面の開始位置Ｏに最も近い端点として、端点（Ｘ１１、Ｙ１１）が特定され、次いで、この端点を有する線分Ａ１の他端（Ｘ１２、Ｙ１２）に最も近い端点として、線分Ａ２の端点（Ｘ２１、Ｙ２１）が特定される。以後同様にして、開始位置Ｏから線分Ａ１→線分Ａ２→線分Ａ３→線分Ａ４→線分Ａ５→線分Ａ６を順に結んでなる最短の移動経路が特定される。

上記のように最短の移動経路を決定した後、コンピュータ５０は、その最短の移動経路に沿って露光面を移動させたときの総移動距離を三平方の定理を用いて算出する。この総移動距離の算出では、各線分Ａ１〜Ａｎの長さと、線分Ａの端点から他の線分Ａの端点に移動するときの移動距離との総和が算出され、これにより、最短の総移動距離が算出される。

なお、上記の総移動距離算出処理において、面状描画マスク３の面積、すなわち、露光面が線分Ａの幅より小さく、露光面に線分Ａの幅全体が収まらない場合には、当該線分Ａに沿って露光面を複数回往復移動させる必要があり、その場合には、この往復に伴う移動距離も移動距離の算出に加味するようにしている。
また、上記の例では、パターン８が直線状の線分Ａのみから構成される場合を例示したが、これに限らず、曲線状の線分を含んでいても良い。曲線状或いは斜めの線分に沿って露光面を移動させる際には、Ｘ軸パルスモータ４３及びＹ軸パルスモータ４４の両方を駆動制御する。また、パターン８に沿った最短の移動経路を次のようにして特定しても良い。すなわち、パターン８が、いわゆる一筆書きの要領で描画可能であるかを判定し、一筆書きの要領での描画が可能である場合には、一筆書きの際の移動経路が最短の移動経路であるため、その経路を最短の移動経路と特定する。また、パターン８に、一筆書きの要領で描画可能なパターンと、一筆書き描画が不可能なパターンとが含まれている場合には、一筆書き可能なパターンを描画する際の移動経路と、当該一筆書き可能なパターンから一筆書き描画が不可能なパターンに移動する際の最短の移動経路と、一筆書き不可能なパターンを描画する際の最短の移動経路とに基づいて、パターン８全体を描画する際の最短の移動経路を特定する。

再び前掲図７に戻り、コンピュータ５０は、パターン８に沿って露光面を移動させたときの総移動距離と、露光面を往復移動させながらベタ塗り状に移動させたときの通常描画時の総移動距離（予めコンピュータ５０に格納）とを比較し（ステップＳ３）、パターン８に沿った総移動距離の方が短い場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、描画手順を、パターン８に沿って露光面を移動させながら描画する手順（第２手順）に決定し（ステップＳ４）、パターン８に沿った総移動距離の方が長い場合には（ステップＳ３：ＮＯ）、描画手順を、露光面を往復移動させながら描画する手順（第１手順）、すなわち通常描画時の手順に決定する（ステップＳ５）。そして、コンピュータ５０は、このように決定した描画手順にしたがって、上記Ｘ軸パルスモータ４３及びＹ軸パルスモータ４４の駆動制御を実行すると共に、これらのパルスモータ４３、４４の駆動制御と同期して、面状描画マスク３にマスク画像を出力し、造形面５に所定のパターンを有する１層分の光硬化層９を形成する（ステップＳ６）。

このように、本実施の形態では、光硬化層９の造形の際に、パターン８に応じて描画手順を切り替えることで、造形時間を短縮し、スループットの向上を図ることが可能となる。なお、上記の説明では、光硬化層９を形成する際に、その都度、露光面の最短の移動経路や総移動距離を算出し、この総移動距離と通常描画時の移動距離との比較に基づいて造形手順を切り替えるように構成したが、これに限らず、光硬化層９ごとに総移動距離と通常描画時の移動距離との比較に基づく造形手順の決定を予め行い、この結果をコンピュータ５０の記憶装置５１に格納しておく構成としても良い。
また、露光面（面状描画マスク３）のＸ方向及びＹ方向への各々の移動速度が異なる場合には、Ｘ方向に移動する移動距離及びＸ方向の移動速度と、Ｙ方向に移動する移動距離及びＹ方向の移動速度とに基づいて露光に要する時間を算出し、１層の光硬化層９を形成する際の露光に要する時間が短い方の手順を選択する構成としても良い。

ここで、本実施の形態では、光の照射エネルギーの総量を一定に維持する速度で露光面を移動させながら露光像６を形成する構成とし、面状描画マスク３が一定速度で移動しているときにのみ造形面５に対して光照射を行っている。すなわち、例えば前掲図６に示すように、露光面の移動開始及び移動停止を必ず造形面５の外側で行うこととし、造形面５の外側の移動開始地点から描画の開始点（線分Ａの一端）までは加速させながら面状描画マスク３を移動させ、この描画の開始点から描画の終了点（線分Ａの他端）まで一定の速度で露光面を移動させながら造形面５に対して光照射を行い、露光像６を順次形成した後、描画の終了点から造形面５の外側の移動停止地点まで減速させながら露光面を移動させるようにしている。このように、露光面を定速移動させている間のみ露光像６を形成する構成とすることで、光硬化層９の中でのいわゆる露光ムラを防止することが可能となる。

また、上記のように、露光面の移動開始及び移動停止を必ず造形面５の外側で行うこととした場合、例えば図６中、符号Ｗで示すように、複数回にわたって光が照射されるエリアＷが生じる。このエリアＷは、複数の線分Ａが交わる個所に生じるものであり、このエリアＷでは、何ら対策を施さなければ、他の個所よりも光の照射量が大きくなるため、光硬化層９の厚みや硬度が他の個所と異なり、寸法精度の低下や強度ムラが発生してしまう。そこで、本実施の形態では、当該エリアＷにおいては、そのエリアＷへの光の照射回数に応じて、１回の光照射時の光量を少なくし、そのエリアＷに対するトータルの光照射量が他の個所と同程度となるようにしている。これにより、寸法精度の低下や強度ムラの発生を防止し、高品位な立体造形物を得ることが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、光造形装置１００が、造形面５に１層分の光硬化層９を形成するに際して、露光面を造形面５の表面上を往復移動させながら光を照射して上記１層分の光硬化層９を形成する手順（第１手順）と、造形面５に形成すべきパターン８に沿って露光面を移動させながら光を照射して上記１層分の光硬化層９を形成する手順（第２手順）とを、上記造形面５に形成すべきパターン８に応じて切り替えるため、パターン８に応じて露光面を効率よく移動させ、造形時間を短縮し生産性を向上させることができる。

また、１層分の光硬化層９を形成する際に、露光面を造形面５に対して連続移動させながら露光像６を順次形成するようにしたため、光源１として、高価な紫外線レーザー装置に代えてを紫外線ランプ等の比較的安価な光源を用いることができるため、装置コストを下げることができる。

また本実施の形態によれば、造形面５に形成すべきパターンに応じて、露光面を造形面５の表面上を往復移動させながら光を照射して１層分の光硬化層９を形成する上記第１手順、および、露光面をパターン８に沿って移動させながら光を照射して１層分の光硬化層９を形成する上記第２手順のうち、１層分の光硬化層９を形成する際の露光に要する時間が短い方の手順に切り替えるようにしため、造形面５にパターン８の全体を形成するのに要する時間を短縮することができ、造形速度を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、造形面５に光を照射する場合には、光の照射エネルギーの総量を一定に維持する速度で露光面を移動させる構成としたため、光硬化層９の中でのいわゆる露光ムラを防止することができる。

また、本実施の形態によれば、造形面５の表面のうち、光が複数回にわたって照射される個所では、前記光の照射回数に応じて１回の光の照射光量を小さくするようにし、その個所に対するトータルの光照射量が他の個所と同程度となるようにしたため、その個所の厚みや硬度が他の個所と異なってしまうといった事態を防止し、寸法精度が良く強度ムラの無い高品位な立体造形物を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、マスクとして、微小ドットエリアでの遮光及び透光が可能な複数の微小光シャッターが面状に配置され、これらの微小光シャッターによりマスク画像を形成する面状描画マスク３を用いる構成としたため、露光面積を拡大することができ、これにより、例えばスポット状のレーザー光を造形面５内で走査させてパターンを形成する、いわゆる点描画方式に比べて、造形に要する時間を短縮し、生産性を高めることが可能となる。

また、本実施の形態によれば、面状描画マスク３が、造形面５に対する連続移動と同期して、形成すべきパターンに応じてマスク画像を連続的に変化させる構成としたため、小型、中型の立体造形物は勿論のこと、大型の立体造形物であっても、高い造形制度で、且つ、硬化ムラの発生を防止しながら、高品位な立体造形物を速い造形速度で生産性良く製造することができる。

（変形例）
上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形可能である。そこで以下に、各種の変形例について説明する。

（変形例１）
上述した実施の形態では、光源１からの光を直接集光レンズ２に照射する構成としたが、これに限らず、図１０に示すように、光源１からの光を、光伝送機構６０を介して集光レンズ２に導く構成としても良い。具体的には、光伝送機構６０は、光源１からの光をライン状にして出力するロッドレンズ６１と、当該ロッドレンズ６１から出力されたライン状の光を拡散させる結像レンズ６２と、当該結像レンズ６２により拡散された光を集光レンズ２に向けて照射する反射鏡６３とを有している。このように、光伝送機構６０を介して光源１の光を集光レンズ２に伝達する構成とすることで、光源１と集光レンズ２とを離間配置することができると共に、光源１の光軸と集光レンズ２との光軸とを合致させる必要がなく、光学系のレイアウトが柔軟になる。

なお、光伝送機構６０は上記の構成に限らず、図１１に示すように、光伝送機構６０として光ファイバー６４（ライドガイドでも良い）を用い、光源１からの光を当該光ファイバー６４内を導波させて、当該光ファイバー６４の出射端６４ａから集光レンズ２に向けて光を照射する構成としても良い。このように、光伝送機構６０に光ファイバー６４等の可撓性材を用いることにより、造形面５内で光照射位置を連続移動させる際に、光源１を所定の位置に固定配置したまま、光伝送機構６０を集光レンズ２、面状描画マスク３および投影レンズ４と共に連続移動させることができる。

（変形例２）
上述した実施の形態では、面状描画マスク３として液晶式のものを用いた構成を例示したが、これに限らず、微小ドットエリアでの遮光及び透光が可能であり、なおかつ、連続的に、これらの遮光及び透光が可能であればよく、例えば、デジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスク（以下「ＤＭＤ式面状描画マスク」という）を用いる構成としても良い。このように、面状描画マスク３として、ＤＭＤ式面状描画マスクを用いる場合には、図１２に示すように、形成しようとする所定の断面形状とＤＭＤ式面状描画マスクの連続移動に対応させてコンピュータ５０に予め記憶させた情報に応じて、面状に配置された複数の微小なミラーシャッターのうち特定のミラーシャッターは光が投影レンズ４および造形面５の方向に反射される（導かれる）方向に向き、一方光を遮蔽させるべき箇所に位置するミラーシャッターは光が投影レンズ４および造形面５の方向に反射されない（導かれない）方向に向き、そのような操作を、所定の断面形状を有する光硬化した樹脂層が形成されるまで連続的（動画的）に繰り返すように設計すれば良い。

なお、面状描画マスク３として、液晶式或いはＤＭＤ式のいずれを用いる場合であっても、その形状は上述した実施の形態に特に制限されるものではなく、製造しようとする光造形物の形状や寸法（特に断面形状やその寸法）などに応じて適当な形状のものを採用することができる。すなわち、面状描画マスク３は、例えば、図３に示すような正方形或いは矩形の形状であってもよいし、またはその他の形状であってもよい。

さらに、面状描画マスク３の寸法も、製造しようとする光造形物の形状や寸法（特に断面形状やその寸法）などに応じて適当な寸法のものを採用することができる。例えば、図３に示すように、形成しようとする所定の光硬化した断面形状パターンの全幅（造形面の全幅）よりもその幅寸法が小さい面状描画マスク３を使用して、該面状描画マスク３よりも大きな寸法を有する所定の光硬化した断面形状パターンを製造することができる。

（変形例３）
上述した実施の形態では、面状描画マスク３を造形面５に対して平行移動させる構成としたが、必ずしもそれに限定されず、必要に応じて造形面５に対して非平行状態で移動させてもよい。例えば、立体造形物を製造するに当たって、各光硬化層のすべてにおいて、形成しようとする所定の断面形状パターンが面状描画マスクの寸法（面積）よりも大きな連続した描画領域となるような形状および構造を有する立体造形物の製造においては、面状描画マスク３を光硬化性樹脂組成物の表面（造形面５）に対して連続的に移動させると共に面状描画マスクのマスク画像を、形成しようとする断面形状パターンに対応させて面状描画マスク３の移動と同期させて連続的に変えながら（動画的に変えながら）、光硬化性樹脂組成物の表面に面状描画マスク３を介して光を照射して、所定の断面形状パターンを有する光硬化層を形成し、これを積層形成することで、目的とする立体造形物を製造することができる。

なお、立体造形物の形状や構造によっては、面状描画マスク３の面積よりも大きな所定の断面形状パターンの形成と共に、面状描画マスク３の面積よりも小さな断面形状パターンを造形操作の途中で形成することが必要な場合がある（例えば、球状をなす本体の頂部に尖った角（つの）を有する立体造形物において、球状の本体部分の横断面積（断面形状パターン）は面状描画マスク３の面積よりも大きく、角に相当する部分の横断面積（断面形状パターン）が面状描画マスク３の面積よりも小さい場合など）。そのような場合には、大きな断面形状パターンを有する本体部分の形成は、面状描画マスク３のマスク画像を動画的に連続的に変える上記した造形操作を多層にわたって繰り返すことによって行い、一方小さな断面形状パターンを有する角の部分は、面状描画マスク３のマスク画像を動画的に変化させずに静止画の状態にし、そのマスク画像を通して光を造形面に照射する操作を角部分の形成が完了するまで多層にわたって繰り返すことによって、目的とする立体造形物を製造することができる。

（変形例４）
上述した実施の形態では、面状描画マスク３の数が１個の構成について例示したが、これに限定されず、複数（２個以上）の面状描画マスク３を備える構成とし、これらの面状描画マスク３が同時に連続移動して露光像６を形成するようにしても良い。このようにすることで、造形速度が一層向上する。

（変形例５）
上述した実施の形態では、造形浴槽１０に満たした液状の光硬化性樹脂組成物に対して光を照射して、当該造形浴槽１０内に配置された造形テーブル１１の上面に光硬化層を形成し、当該光硬化層を積層形成して立体造形物を形成する構成について例示したが、これに限らず、例えば、気体雰囲気中に造形テーブルを配置し、その造形テーブル面に１層分の液状、ペースト状、粉末状或いは薄膜状の光硬化性樹脂組成物を施して面状描画マスク３を介して光を照射して所定のパターンおよび厚みを有する光硬化層を形成した後、該光硬化層面に１層分の液状、ペースト状、粉末状または薄膜状の光硬化性樹脂組成物を施して面状描画マスク３を介して制御下に光を照射して所定のパターンおよび厚みを有する光硬化層を一体に積層形成する工程を繰り返して行って、立体造形物を形成する構成としても良い。

また、この構成においては、造形テーブルまたは光硬化層を上向きにしておき、その上面に光硬化性樹脂組成物を施し、面状描画マスク３を介して光照射して光硬化層を順次積層形成する構成としても良いし、造形テーブルまたは光硬化層を垂直または斜めに配置しておいて造形テーブル面または光硬化層面上に光硬化性樹脂層を施し面状描画マスク３を介して光照射して光硬化層を順次積層形成する構成としても良いし、或いは、造形テーブルまたは光硬化層を下向きに配置しておいて造形テーブル面または光硬化層面に光硬化性樹脂層組成物を施し面状描画マスク３を介して光照射して順次下方に光硬化層を積層形成してゆく構成としても良い。造形テーブル面または光硬化層面に光硬化性樹脂組成物を施すに当たっては、例えば、ブレード塗装、流延塗装、ローラー塗装、転写塗装、ハケ塗り、スプレー塗装などを用いることができる。

（変形例６）
光硬化性樹脂組成物の種類は特に制限されず、光造形に用い得る液状、ペースト、粉末状、薄膜状などの光硬化性樹脂組成物のいずれもが使用できる。例えば、光硬化性樹脂組成物としては、アクリル系化合物や多官能性ビニル化合物、各種エポキシ系化合物などの１種または２種以上と、光重合開始剤および必要に応じて増感剤などを含有する光硬化性樹脂組成物を用いることができる。また、これらの成分以外にも、必要に応じて、レベリング剤、リン酸エステル塩系界面活性剤以外の界面活性剤、有機高分子改質剤、有機可塑剤などを含有していてもよい。さらに、必要に応じて、固体微粒子やウィスカーなどの充填材を含有していてもよい。充填材を含有する光硬化性樹脂組成物を用いると、硬化時の体積収縮の低減による寸法精度の向上、機械的物性や耐熱性の向上などを図ることができる。

（変形例７）
本光造形装置は、精密部品や、電気・電子部品、家具、建築構造物、自動車用部品、各種容器類、鋳物、金型、母型などのためのモデルや加工用モデルの製造に用いることができ、また、複雑な熱媒回路の設計用の部品、複雑な構造の熱媒挙動の解析企両用の部品、その他の複雑な形状や構造を有する各種の立体造形物の製造にも用いることができる。

本発明の光造形装置の構成を示す図である。 造形浴槽の構成を示す図である。 光照明装置の構成を示す図である。 １層分の光硬化層の通常時の形成手順を説明するための図である。 １層分の光硬化層の通常時の形成手順を説明するための図である。 パターンに沿って面状描画マスクを移動させて１層分の光硬化層を形成する手順を説明するための図である。 造形面にパターンが形成されてなる１層分の光硬化層を形成する際の処理手順を示すフローチャートである。 面状描画マスクの最短の移動経路の特定手順を説明するための図である。 パターンのベクトルデータを示す図である。 光造形装置の他の構成を示す図である。 光造形装置のその他の構成を示す図である。 光造形装置のその他の構成を示す図である。

符号の説明

１ 光源
３ 面状描画マスク
５ 造形面（未硬化樹脂層）
８ パターン
９ 光硬化層
１０ 造形浴槽
１１ 造形テーブル
５０ コンピュータ
５１ 記憶装置
１００ 光造形装置
Ａ 線分

Claims (7)

1. 未硬化樹脂層の表面に所定パターンを有するマスクを介して光を照射して１層分の光硬化層を形成した後に、当該光硬化層の表面に新たな未硬化樹脂層を形成し、当該未硬化樹脂層に前記マスクを介して光を照射して新たな光硬化層を積層形成する工程を繰り返して立体造形物を形成する光造形装置において、
   前記マスクを介して照射された光による露光面を前記未硬化樹脂層の表面上を往復移動させながら光を照射して、前記１層分の光硬化層を形成する第１手順と、
   前記未硬化樹脂層に形成すべきパターンに沿って前記露光面を移動させながら光を照射して、前記１層分の光硬化層を形成する第２手順とを
   前記未硬化樹脂層に形成すべきパターンに応じて切り替える制御装置を備える
   ことを特徴とする光造形装置。
2. 前記制御装置は、前記第１手順および前記第２手順のうち、前記１層分の光硬化層を形成する際の露光に要する時間が短い方の手順に切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
3. 前記制御装置は、前記露光に要する時間を、前記１層分の光硬化層を形成する間に前記露光面が移動する移動距離、及び、前記露光面の移動速度に基づいて求める
   ことを特徴とする請求項２に記載の光造形装置。
4. 光の照射エネルギーの総量を一定に維持する速度で前記露光面を移動させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光造形装置。
5. 前記未硬化樹脂層の表面のうち、前記光が複数回にわたって照射される個所では、前記光の照射回数に応じて１回の光の照射光量を小さくするようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光造形装置。
6. 前記マスクは、微小ドットエリアでの遮光及び透光が可能な複数の微小光シャッターが面状に配置され、これらの微小光シャッターによりマスク画像を形成する面状マスクであり、前記未硬化樹脂層の表面に対する前記露光面の連続移動と同期して、形成すべきパターンに応じて前記マスク画像を連続的に変化させる
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光造形装置。
7. 未硬化樹脂層の表面に所定パターンを有するマスクを介して光を照射して１層分の光硬化層を形成した後に、当該光硬化層の表面に新たな未硬化樹脂層を形成し、当該未硬化樹脂層に前記マスクを介して光を照射して新たな光硬化層を積層形成する工程を繰り返して立体造形物を形成する光造形方法において、
   前記マスクを介して照射された光による露光面を前記未硬化樹脂層の表面上を往復移動させながら光を照射して、前記１層分の光硬化層を形成する第１手順と、
   前記未硬化樹脂層に形成すべきパターンに沿って前記マスクを移動させながら光を照射して、前記１層分の光硬化層を形成する第２手順とを
   前記未硬化樹脂層に形成すべきパターンに応じて切り替える
   ことを特徴とする光造形方法。

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