JP4639322B2 - 光造形装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光硬化性樹脂を用いて３次元形状モデルを作成する光造形装置に関する。

光造形装置について、例えば特許第１８２７００６号を始めとして数多くの発明が知られている。従来の光造形装置は一般に、紫外線レーザを出力するガスレーザ発振器を光源として用いている。

ガスレーザ発振器のサイズはかなり大きく（例えば１５０ｃｍラ３０ｃｍラ３０ｃｍ）、結果として光造形装置本体のサイズも相当に大型である。加えて、ガスレーザ発振器はそれ自体が高価であり、さらに発振器の種類によっては、２００Ｖ電源が必要であったり水冷装置（チラー）が必要であったりする。従って、従来の光造形装置の価格は非常に高額である（例えば、数千万円）。

従って、本発明の目的は、小型で安価な光造形装置を提供することにある。

本発明にかかる光造形装置は、光硬化性樹脂の露光領域を多数のピクセルの２次元集合として把握する手段と、光硬化性樹脂の露光領域に光を照射する露光装置と、露光領域内の選択されたピクセルを硬化するよう露光装置を制御する制御装置とを備える。露光領域は、造形物に要求される寸法精度を満たすような細かい多数のピクセルの２次元集合として把握される。
本発明の造形装置における露光装置は、オンされたときに光スポットを露光領域に照射する１個以上の光スポット発生器を有しているが、その光スポットのサイズは露光領域のピクセルより大きいものである。そして、露光装置はその光スポット発生器により露光領域を走査し、その走査の間を通じ、制御装置は、選択されたピクセルに光スポットを照射できる位置にある延べ複数個の光スポット発生器をオンする。

本発明の光造形装置では、光スポット発生器から露光領域に照射する光スポットのサイズは、露光領域のピクセル程には微小ではなく、ピクセルより大きいサイズである。また、各ピクセルの露光は、そのピクセルに光スポットを照射することのできる延べ複数個の光スポット発生器を用いて多重に行うので、個々の光スポット発生器の出力は比較的に小さくてもよい。
ここで、「延べ複数個」の光スポット発生器とは、物理的に異なる複数個の光スポット発生器から複数の光スポットを同時に１つのピクセルを照射する場合だけでなく、物理的に１個の光スポット発生器を走査の間に複数回用いて異なる時刻に何回も光スポットを照射することも含む意味である。

上記のこと故に、光スポット発生器の光源には、従来の大型で高価なガスレーザ発振器を用いる必要がなく、小型で安価なＬＥＤのような固体発光素子を用いることが可能である。結果として、従来より大幅に安価な（例えば、従来の数千万円に対して数百万円程度の）光造形装置が提供できる。

露光の効率の面から、光スポット発生器は複数個ある方が望ましい。その場合、上述した多重露光を行えるようにするために、複数の光スポット発生器は露光領域の非走査方向に光スポットの直径より小さい第１のピッチ（典型的にはピクセルのピッチ）で配列されていて、それら複数個の光スポット発生器が露光領域を走査方向に走査するように構成されていることが望ましい。また、非走査方向の全長に亘って、複数の光スポット発生器が配列されていれば一層望ましい。

上記のように複数の光スポット発生器を小さい第１のピッチで配列する場合、２個以上の光スポット発生器を、光スポットの直径以上の第２のピッチで１列に並べて成る光スポット発生器アレイを複数本用意して、それらの光スポット発生器アレイを、相互間に非走査方向に沿って上記第１のピッチに等しい変位をもって、走査方向に前後に配置することできる。このような配列方法を採ることにより、第１のピッチより光スポット発生器のサイズの方が遥かに大きくても、それら大きい光スポット発生器を非走査方向に第１のピッチで配列することが可能となる。

上記の多重露光を可能とするために、制御装置は露光装置を次のように制御することができる。すなわち、制御装置は、まず、造形物の断面形状を示すデータを受け、このデータに所定のオフセット量を適用して断面形状を膨張させる。次に、光スポット発生器が露光領域を走査している間、制御装置は、膨張させた断面形状に含まれる各ピクセルを中心点とした光スポットをそれぞれ照射できる光スポット発生器をオンする。このオフセット膨張処理を取入れた方法によれば、各光スポット発生器を光スポット中心点のピクセルの値に従ってオン／オフするという単純な光スポット駆動方法を行うだけで、造形物の断面形状の全てのピクセルに対して（特に、形状内部のピクセルだけなく輪郭近傍のピクセルに対しても）効果的な多重露光を施すことが可能になる。

前述したように、各光スポット発生器の光源には、ＬＥＤのような固体発光素子を用いることができる。望ましくは、各ＬＥＤに光ファイバーを接続して、その光ファイバーの先端部から光スポットを露光面に照射するように構成することができる。更に望ましくは、光ファイバーの先端部の先にＧＲＩＮレンズ（Gradient Index Lens；屈折率分布型レンズ）を配置して、光ファイバーの先端部の像を露光領域に結像させるように構成することができる。このように構成すると、光ファイバーの直径（例えば０．５ｍｍ）に相当する小さい直径の光スポットを生成することができる。この程度に小さい光スポットを用いれば、光造形の一般的用途で十分に実用可能な寸法精度をもった造形物を作成することができる。それに加え、従来のガスレーザを用いた光造形装置に比較して価格が桁違いに低く、かつ装置も小型化するため、本発明の光造形装置の実際上のメリットは非常に大きい。

光源としてのＬＥＤは、出来るだけエネルギーの高い（つまり、波長の短い）波長光を発するものが望ましく、その観点から青色ＬＥＤを用いる、或いは入手可能ならば紫外線ＬＥＤを用いることが望ましい。

尚、光源としてのＬＥＤは、露光領域を走査する光スポット発生器（露光ヘッド）と一体化されていて露光ヘッドと一緒に移動するようになっていてもよいし、後述の実施形態のように露光ヘッドから離れた場所に固定されていて、光ファイバーで露光ヘッドと繋がっている構成であってもよい。

本発明はまた、光造形方法も提供する。この方法では、光硬化性樹脂の露光領域を、そのピクセルより大きいサイズの光スポットを発生し得る１個以上の光スポット発生器で走査しながら、選択されたピクセルに光スポットを照射できる延べ複数個の光スポット発生器をオンする（つまり、多重露光を行う）。この方法により、例えば上述したＬＥＤと光ファイバの組合せのように、ピクセルより大きい光スポットしか発生できず且つ光スポットの出力も小さいが、反面小型で非常に安価である光スポット発生器を用いて、実用的な光造形を行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる光造形装置の全体構成を示す。

この造形装置１００は、光造形に必要な機械機構や光源やそれらの駆動装置を含んだ装置本体１と、この本体１の動作を制御するための制御コンピュータ３とを有する。制御コンピュータ３は、Ethernetのような通信ネットワーク９を介して、３次元CADシステム５や、制御データ生成用ワークステーション７などと接続することができる。
３次元CADシステム５は、造形物の３次元モデリングを行って造形物の３次元形状データを生成するものである。制御データ生成用ワークステーション７は、その３次元形状データを多数の薄い層にスライスして各層の２次元形状を生成し、その各層の２次元形状データや厚みデータなどを制御コンピュータ３に供給するものである。

装置本体１内には、樹脂液槽１１が設置され、そこに光硬化性樹脂液１３が所定液位まで満たされている。液位を制御するために、液面検知センサ３１が液位を検知し、その検知信号に基づいて制御コンピュータ３が液面調整駆動装置３５を制御し、その制御に従って液面調整駆動装置３５が液面調整ボリューム３３を機能させる。

樹脂液槽１１内にはＺ軸エレベータ１５があり、このエレベータ１５上にトレイ１９が置かれる。エレベータ１５は、制御コンピュータ３によって制御されるＺ軸エレベータ駆動装置２１によってＺ軸方向（上下方向）に移動させることができる。周知のように、造形中、トレイ１９上に造形物１７が形成されて行くのにつれて、エレベータ１５は徐々に降下していく。

トレイ１９の上方の液面上には、液面に硬化用の光を照射する露光ヘッド２３が配置されている。図２の斜視図に示すように、露光ヘッド２３は、Ｙ軸方向に長く、かつ、制御コンピュータ３により制御されるスキャン軸駆動装置２５によってＸ軸方向に移動させることができる。露光ヘッド２３が移動しながらカバーする露光領域２４は、この実施形態ではＸ軸方向６４ｍｍ及びＹ軸方向６４ｍｍであり、よって、作成可能な造形物１７の最大の平面サイズは６４ｍｍラ６４ｍｍである（但し、後述するオフセット量の適用による膨張のために、実際に作成される造形物１７の最大平面サイズは約６０ｍｍラ６０ｍｍである）。露光ヘッド２３は、光ファイバー束３９を介して、ＬＥＤ光源３７に接続されている。この部分の詳細な構成は後に説明する。

造形物１７の露光面（液面）に接して、その露光面（液面）を平らにするためのＹ軸方向に長いリコータ２７が配置されている。リコータ２７は、制御コンピュータ３により制御されるリコータ駆動装置２９によって、Ｘ軸方向に移動させることができる。

樹脂液１３の温度を制御するために、複数箇所で温度センサ４１、４３が樹脂液１３の温度を検出し、その検出温度に基づいて制御コンピュータ３が、温度調節器４５を制御し、その制御に従って温度調節器４５がヒータ４７を駆動する。

以上の構成の中で、特に注目すべきものは、光源部分（露光ヘッド２３、光ファイバ束３９及びＬＥＤ光源３７）の構造と、その光源部分の制御コンピュータ３による制御である。以下、この点に関して詳細に説明する。

３次元ＣＡＤシステム５で作成された３次元形状モデルは、Ｚ軸方向に例えば０．１ｍｍの幅でスライスされる。スライスされた各層のデータはＸＹ平面における２次元形状データであり、これが光造形装置１００の制御コンピュータ３に供給される。制御コンピュータ３は、まず、各層の２次元形状データを１０２４ビットラ１０２４ビットのビットマップデータに展開する。このビットマップデータは、ＸＹ平面上の上述した露光領域２４（６４ｍｍラ６４ｍｍ）のイメージを示している。
換言すれば、このビットマップデータは、露光領域２４の６４ｍｍラ６４ｍｍのイメージを、１０２４ピクセルラ１０２４ピクセルのラスタイメージとして表現している。
従って、このビットマップデータの各１ビットは、露光領域２４内の６２．５・ｍラ６２．５μｍの各ピクセルに対応し、各ビットの値"１"及び"０"は、各ピクセルにて樹脂を硬化する（光源をオンする）、及び硬化しない（光源をオフする）をそれぞれ意味する。

ＬＥＤ光源３７には、露光領域２４のＹ軸方向の一ラインのピクセル数に相当する１０２４個のＬＥＤが含まれている。それら１０２４個のＬＥＤは制御コンピュータ３からの指令で個別にオン／オフできるようになっている。
図３は個々のＬＥＤの構成を示している。図３に示すように、各ＬＥＤ５１は、市販のＬＥＤランプ５３の頭部のレンズ部分５４をカットしたものであり、これに光ファイバー５５が接続されており、実質的に出力光の全部が光ファイバー５５に入射するように構成されている。各ＬＥＤ５３は、できるだけ紫外線に近い短波長の高エネルギー光を発するものが好ましく、この実施形態では、青色光（波長４７０ｎｍ、出力３ｍＷ）を発するものを用いている。

ＬＥＤ光源３７内の１０２４個のＬＥＤ５１に接続された１０２４本の光ファイバー５５は、図１に示した光ファイバー束３９として、露光ヘッド２３へ導かれている。露光ヘッド２３では、１０２４本の光ファイバー５５の先端部が、図４を参照して後に説明するような態様で配列されており、その下方に、多数の円柱状のＧＲＩＮレンズ（屈折率分布型レンズ）を平面状に敷き並べた図３に示すようなＧＲＩＮレンズ・プレート５７が配置されている。このＧＲＩＮレンズ・プレート５７は、個々の光ファイバー５５の先端面の像（つまり、光ファイバー５５と同径の光スポット）５９を、その下方の樹脂液面に結像する。各光ファイバー５５の直径は例えば０．５ｍｍであり、よって、ＧＲＩＮレンズ５７により結像される各光スポット５９の直径も０．５ｍｍである。

図４は、露光ヘッド２３における光ファイバー５５の先端部の平面配列の一態様を示す。

１０２４本の光ファイバー５５の各々は、露光領域２４のＹ軸に沿った１０２４個の各ピクセル位置を露光するためのものである。従って、露光ヘッド２３における１０２４本の光ファイバー５５の先端部は、露光領域２４のピクセルのピッチに等しい６２．５μｍのピッチでＹ軸に沿って配列される必要がある。しかし、各光ファイバー５５の直径はピクセルピッチ６２．５μｍより遥かに大きい０．５ｍｍであるため、このピッチで一列に光ファイバー５５を配列することは不可能である。

そこで、図４に示すような１２８本×８行のファイバー配列を採用する。すなわち、１２８本の光ファイバー５５をその直径に等しい０．５ｍｍピッチでＹ軸方向に一直線に並べて、長さ６４ｍｍの１本の光ファイバーアレイ６３(1)を作成する。同様にして、全部で８本の光ファイバーアレイ６３(1)〜６３(8)を用意する。各光ファイバーアレイ６３(1)〜６３(8)は、具体的には、長さ６４ｍｍの溝をもったベース６５の溝に１２８本の光ファイバー５５をはめ込むことにより作成することができる。
これらの８本の光ファイバーアレイ６３(1)〜６３(8)を、それぞれＹ軸方向に平行に、かつ、相互間でＹ軸方向にピクセルピッチに等しい６２．５μｍだけ変位するようにして、Ｘ軸方向に適当な間隔で配置する（よって、露光ヘッド２３の外観は、図２に示すように、８本のベース６５が並んだものとなる）。

図４に示すように８本の光ファイバーアレイ６３(1)〜６３(8)が並んだ露光ヘッド２３をＸ軸方向に走査させていくことにより、その１０２４個の光ファイバー５５は、露光領域２４のＹ軸に沿った１０２４個のピクセルの位置をそれぞれ走査することになる。
例えば、その１０２４個のピクセルに対し端から０番、１番、・・・、１０２３番と番号を付けたとすると、図４に示す１行目のアレイ６３(1)の光ファイバー５５は、０番、８番、１６番、・というように、０番のピクセルから８ピクセルピッチ置きの１２８個のピクセルの位置を走査することになり、２行目のアレイ６３(2)の光ファイバー５５は、１番、９番、１７番、・・・・というように、１番のピクセルから８ピクセルピッチ置きの１２８個のピクセルの位置を走査することになる。

尚、図４に示したファイバー配列は一例であり、別の配列、例えば図５に示すような配列も採用可能である。
図５の配列では、１行目のアレイ６３(1)の隣に、図４の配列における５行目のアレイ６３(5)が配置されるというように、アレイ間のＹ方向の変位がファイバー半径である０．２５mmに等しい２つのアレイ同士が隣接して配置される。この配置では、隣接するアレイのＸ方向の間隔を最小にできるので、露光ヘッド２３のＸ軸方向のサイズが最小になる。

図６は、１つの光ファイバー５５から樹脂液面に投影された１つの光スポット５９と、その樹脂液面ピクセル７１との関係を示している。

既に説明した通り、ＧＲＩＮレンズ・プレート５７によって樹脂液面に投影された各光スポット５９の直径は、各光ファイバー５５の直径と同じ０．５mmである。これに対し、個々のピクセル７１のサイズは６２．５μｍラ６２．５μｍである。そのため、光スポット５９は、その中心点に位置するピクセル７３（図４を参照したファイバー配列の説明で「各光ファイバー５５が走査するピクセル」と説明したピクセル）だけでなく、その周囲の多くのピクセルにも照射されることになる。これを別の側面から見ると、１つのピクセル７３には、このピクセル７３を中心とする直径０．５mmの範囲内に中心点をもつ多数の光スポットが照射されることがわかる。本実施形態では、このことを利用して、１つのピクセルを多数の光スポットで多重に露光することにより、光源であるＬＥＤの出力光を最大限に利用するようにしている。

図７は、この多重露光の原理を示す。
図７に示すように、或るピクセルを７３を硬化させる場合、このピクセル７３を中心とする直径０．５mmの範囲内の全てのピクセル（図中「＋」印で示したピクセル）位置に中心点をもつ全ての光スポットを点灯させるようにする。この多重露光は、図４や図５に例示したようなピクセルピッチで並ぶ光ファイバーアレイを使用することと、後に説明する造形物の形状に対するオフセット量の適用とによって実現される。

図８は、上述した構成の光源を駆動するための制御処理の流れを示す。

既に説明したように、まず、３次元ＣＡＤシステム５が、造形物の３次元形状データをモデリングする（ステップＳ１）。次に、ワークステーション７が、Ｚ軸方向に所定ピッチで３次元形状をスライスして、スライスした各層の２次元形状データを作成し、これを造形装置１００の制御コンピュータ３に送る（Ｓ２）。

次に、制御コンピュータ３が、各層の２次元形状データに所定のオフセット量を適用して、その２次元形状をオフセット量だけ膨張させる（Ｓ３）。例えば、図８に示すように、元の２次元形状が円８１であった場合、その半径にオフセット量８３を加えて、より大径の円８５に膨張させる。また、図示してないが、元の２次元形状が例えば輪であった場合、その外径はオフセット量だけ拡大させるが、内径はオフセット量だけ縮小させる。要するに、輪郭をオフセット量だけ外方へずらすのである。

このオフセット膨張処理を行う理由は次の通りである。すなわち、後述するように各ＬＥＤ５１のオン／オフは各光スポット５９の中心点のピクセル値によって決められる。そのため、ワークステーション７からの２次元形状データをそのまま用いてＬＥＤ５１のオン／オフを行うと、２次元形状の輪郭（端）近傍のピクセルを露光する光スポット数が少なくなり（何故なら、輪郭線の外側のピクセルを中心点とする光スポットはオフであるから）、上述した多重露光の効果が十分に得られなくなる。そこで、２次元形状の輪郭線上のピクセルに対しても、そのピクセルを中心とする直径０．５ｍｍの範囲内のピクセルを中心点とする全ての光スポットがオンされるように、オフセット量を適用して輪郭線を外側へ移動させるのである。従って、オフセット量は、光スポットの半径である０．２５ｍｍが標準である。
しかし、最適なオフセット量は、樹脂の硬化特性や光スポットの点灯時間の調整などに依存するため、マイナス値を含めて任意のオフセット量が設定できるようになっていることが好ましい。

上記処理により膨張させた２次元形状データはコンタ・データと呼ばれる。制御コンピュータ３は、次に、このコンタ・データを１０２４ビットラ１０２４ビットのビットマップイメージ８７に展開する。ビットマップイメージ８７の各ビット値は例えば"１"がＬＥＤオン（ピクセルを硬化する）、“０”がＬＥＤオフ（ピクセルを硬化しない）を意味する（勿論、逆でもよい）。

次に、制御コンピュータ３は、露光ヘッド２３の走査を開始し、走査が行われている間、ビットマップイメージ８７からビット値を読み出し発光パターンを作成し、これに基づいてＬＥＤ光源３７を駆動する（Ｓ５）。

発光パターンは次の方法で作成する。
前提として、光ファイバー５５が図４に示した１２８本ラ８行の配列になっているとする。また、図９に示すように、各光ファイバ５５を、露光ヘッド２３上での座標（ｐ，ｑ）で識別することにする。ここに、番号ｐ（ｐ＝０〜７）は各光ファイバーアレイ６３(1)〜６３(8)の行番号（ｐ＝０〜７）であり、番号ｑ（ｑ＝０〜１０２３）は各光ファイバーアレイ内での各光ファイバー５５の位置番号である。
また、露光ヘッド２３上での各光ファイバーアレイ６３(1)〜６３(8)のＸ軸方向（走査方向）位置を、１行目の光ファイバーアレイ６３(1)と各光ファイバーアレイ６３(1)〜６３(8)との間の間隔をピクセルピッチ６２．５μｍで割った倍数値Ｎｐで表すこととする。例えば、１行目のアレイ６３(1)（ｐ＝０）についてはＮ０＝０であり、２行目アレイ６３(2)（ｐ＝１）についてはＮ１＝８（つまり、１行目アレイとの間隔は０．５ｍｍ）、３行目アレイ６３(3)（ｐ＝２）についてはＮ２＝１８（つまり、２行目アレイとの間隔は０．６２５ｍｍ）、などとなっている。
また、各ピクセル７１を、露光領域２４（ビットマップイメージ８７）内の座標（ｉ，ｊ）で識別することとする。ここに、番号ｉ、ｊはそれぞれビットマップイメージ８７内の行番号（Ｘ座標）及び列番号（Ｙ座標）である。更に、露光ヘッド２３の走査は１ピクセルピッチ６２．５μｍづつＸ軸方向に移動して行く方法により行われ、走査中の時刻ｔは、走査開始時点でｔ＝０、以後、ｍピクセルピッチだけ移動した時点でｔ＝ｍと表すこととする。

以上の前提の下で、制御コンピュータ３は、走査中の個々の時刻ｔにおいて、座標（ｐ，ｑ）の光ファイバ５５に接続されたＬＥＤ５１を、下式
ｉ＝ｔ−Ｎｐ
ｊ＝ｐ＋８ラｑ
で決定される座標（ｉ，ｊ）のピクセル値に基づいてオン／オフする（但し、ｉがマイナス値又は１０２４以上のときはＬＥＤ５１はオフである）。

例えば、走査開始時刻ｔ＝０では、１行目の光ファイバアレイ６３(1)（ｐ＝０、Ｎｐ＝０）が露光開始位置に位置している。このとき、この１行目の光ファイバアレイ６３(1)に対してのみ発光パターンが与えられる（２行目以降のアレイについてはｉがマイナスである）。即ち、この１行目の位置番号ｑ＝０、１、２、・・・・、１２７の各光ファイバ５５のＬＥＤ５１に対し、上記式で決定した座標（０，０）、（０，８）、（０，１６）、・・・・、（０，１０１６）のピクセル値の発光パターンが与えられる。

以後、ｔ＝１、２、・・・、７の各時点では、１行目アレイ６３(1)に対してのみ、上記式で決定した発光パターンが与えられる。

開始から８ピクセルピッチだけ移動したｔ＝８の時点で、２行目の光ファイバーアレイ６３(2)（ｐ＝１、Ｎｐ＝８）が露光開始位置に来る。この時点から、１行目アレイ６３(1)と２行目アレイ６３(2)とに対して発光パターンが与えられる（３行目以降のアレイについてはｉがマイナスである）。
即ち、１行目の位置番号ｑ＝０、１、２、・・・、１２７の各ＬＥＤ５１に対し、上記式で決定した座標（８，０）、（８，８）、（８，１６）、・・・、（８，１０１６）のピクセル値の発光パターンが、また、２行目の位置番号ｑ＝０、１、２、・・・、１２７の各ＬＥＤ５１に対し、上記式で決定した座標（０，１）、（０，９）、（０，１７）、・・・、（０，１０１７）のピクセル値の発光パターンが与えられる。

以後、ｔ＝９、１０、・・・、１７の各時点では、１行目と２行目のアレイ６３(1)、６３(2)に対してのみ、上記式で決定した発光パターンが与えられる。

開始から１８ピクセルピッチだけ移動したｔ＝１８の時点で、３行目の光ファイバーアレイ６３(3)（ｐ＝２、Ｎｐ＝１８）が露光開始位置に来る。この時点から、１行目アレイ６３(1)と２行目アレイ６３(2)と３行目のアレイ６３(3)とに対して発光パターンが与えられる（４行目以降のアレイについてはｉがマイナスである）。この発光パターンも、上記の式に従って決定される。

以下、同様にして、１ピクセルピッチだけ露光ヘッド２３が進む度に、上記式により発光パターンが計算されて該当のＬＥＤ５１が駆動される。そして、８行目の光ファイバーアレイ６３(8)について上記式で計算したｉが１０２３になるまで（又は、ピクセル値“１”が存在するｉの最大値になるまで）、上記制御動作が繰り返され、これで１つの層の露光が終了する。

一つの層の露光が終了すると、制御コンピュータ３は、エレベータ１５を層の厚み分だけ降下させ、次の層について、再び同様の制御方法で露光を行う。これを造形物の上端の層まで繰り返す。

図１０は、本実施形態で使用可能なＬＥＤ光源３７の別の構成例を示す。

この構成では、図３に示したようなＬＥＤランプは用いずに、半導体基板（又は適当材料の絶縁基板）９１上に例えばマトリックス状に、多数の固体発光素子、典型的にはＬＥＤチップ９２を形成（又はマウント）したものを用いる。そして、各ＬＥＤ素子９２の直上に、各光ファイバー９３の一端が、各ＬＥＤ素子９２に極めて近接又は接触した状態で、配置されている。各光ファイバー９３の先端は露光ヘッド２３に導かれる。
この構成によれば、図３のランプを用いる構成より一層効率良く、ＬＥＤ素子９２の発光を光ファイバー９３に取り込むことができる。

以上、本発明の好適な一実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示であって、本発明をこの実施形態にのみに限定する趣旨ではない。本発明は、それ以外の種々の形態でも実施することができる。

産業上の利用分野

本発明により、従来より大幅に安価な（例えば、従来の数千万円に対して数百万円程度の）光造形装置を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる光造形装置の全体構成を示すブロック図。 露光ヘッド２３の外観を示す斜視図。 個々のＬＥＤの構成を示す側面図。 露光ヘッド２３における光ファイバー５５の配列例を示す平面図。 露光ヘッド２３における光ファイバー５５の別の配列例を示す平面図。 １つの光ファイバー５５から樹脂液面に投影された１つの光スポット５９と、露光領域のピクセル７１との関係を示す平面図。 多重露光の原理を示す平面図。 制御コンピュータ３の処理を示すフローチャート。 発光パターンを生成する方法を説明するために、配列された光ファイバーの座標とピクセルの座標を示した平面図。 ＬＥＤ光源の別の項整理を示す斜視図。

符号の説明

１００ 光造形装置
１ 造形装置本体
３ 制御コンピュータ
２３ 露光ヘッド
２４ 露光領域
３７ ＬＥＤ光源
３９ 光ファイバー束
５１ ＬＥＤランプから頭部を除去したもの
５５ 光ファイバー
５７ ＧＲＩＮレンズ・プレート
５９ 光スポット
６３(1)〜６３(8) 光ファイバーアレイ
６５ ベース
７１ ピクセル
７３ 光スポット中心点のピクセル
８１ ２次元形状データ
８３ オフセット量
８５ コンタ・データ（膨張させた２次元形状データ）
９１ 基板
９２ ＬＥＤチップ
９３ 光ファイバー

Claims (15)

1. 光硬化性樹脂に光を照射して造形を行なう光造形装置であって、
   光硬化性樹脂液が満たされている樹脂液槽における液位を制御するために液面検知センサーを有し、且つ、
   光硬化性樹脂の露光領域を多数のピクセルの２次元集合として把握する手段と、
   当該露光領域に光を照射する露光装置と、
   前記露光領域内の選択されたピクセルを硬化するよう、前記露光装置を制御する制御装置と
   を備え、
   前記露光装置は、オンされたときに各ピクセルより大きいサイズの各光スポットを前記露光領域に照射する１個以上の光スポット発生器を有し、この光スポット発生器により前記露光領域を走査し、
   前記制御装置は、前記光スポット発生器が前記露光領域を走査している間、前記選択されたピクセルに前記光スポットを照射できる位置にある延べ複数個の前記光スポット発生器をオンする、
   ことを特徴とする光造形装置。
2. 前記露光装置は、前記露光領域の非走査方向に前記光スポットの直径より小さい第１のピッチで配列された複数個の光スポット発生器を有し、これら複数個の光スポット発生器により前記露光領域を走査方向に走査する請求項１記載の光造形装置。
3. 前記第１のピッチが、前記ピクセルのピッチに等しい請求項２記載の光造形装置。
4. 前記露光装置が、２個以上の光スポット発生器を前記光スポットの直径以上の第２のピッチで非走査方向に１列に並べて成る光スポット発生器アレイを２本以上有し、それら２本以上の光スポット発生器アレイが、相互間に前記非走査方向に沿って前記光スポットの直径より小さい第１のピッチに等しい変位をもって、走査方向に配置されている請求項１記載の光造形装置。
5. 露光装置を制御する制御装置が、
   １）造形物の断面形状を示すデータを受け、このデータに所定のオフセット量を適用して前記断面形状を膨張させ、
   ２）前記光スポット発生器が前記露光領域を走査している間、膨張させた断面形状に含まれる各ピクセルを中心点とした前記光スポットを照射できる位置にある前記光スポット発生器をオンする
   請求項１記載の光造形装置。
6. 各光スポット発生器が、光源として固体発光素子を有している請求項１記載の光造形装置。
7. 前記固体発光素子がＬＥＤである請求項６記載の光造形装置。
8. 前記光造形装置が前記固体発光素子に接続された光ファイバーをさらに有し、前記光ファイバーの先端部が前記光スポット発生器に含まれている請求項６記載の光造形装置。
9. 前記光スポット発生器が、前記固体発光素子からの光を受けて前記光スポットを形成するＧＲＩＮレンズをさらに有する請求項６記載の光造形装置。
10. 前記ＬＥＤが青色ＬＥＤである請求項６記載の光造形装置。
11. 樹脂液槽内の液面に接して露光される液面を平らにするためのリコータを有する請求項１〜１０のいずれか１項記載の光造形装置。
12. 樹脂液の温度を制御するために、温度センサを有する請求項１〜１１のいずれか１項記載の光造形装置。
13. 光硬化性樹脂に光を照射して造形を行なう光造形方法であって、
    光硬化性樹脂液が満たされている樹脂液槽における液位を液面検知センサーで検知して液位を制御すると共に、
    光硬化性樹脂の露光領域を多数のピクセルの２次元集合として把握し、当該露光領域を、オンしたときに各ピクセルより大きいサイズの光スポットを前記露光領域に照射する１個以上の光スポット発生器で走査するステップと、
    前記光スポット発生器が前記露光領域を走査している間、前記選択されたピクセルに前記光スポットを照射できる位置にある延べ複数個の前記光スポット発生器をオンするステップと
    を有する光造形方法。
14. リコータによって樹脂液槽内の露光される液面を平らにする請求項１３記載の光造形方法。
15. 温度センサで樹脂液槽内の樹脂液の温度を検出して、樹脂液の温度を制御する請求項１３または１４記載の光造形方法。

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