JP4845508B2

JP4845508B2 - 光造形装置とオフセット距離設定方法

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Publication number: JP4845508B2
Application number: JP2005373746A
Authority: JP
Inventors: 好一大場
Original assignee: CMET Inc
Current assignee: CMET Inc
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP2007175887A

Description

本発明は、光硬化性液状樹脂と光を利用して３次元形状を造形する光造形装置に関する。

光造形装置は、光硬化性液状樹脂を収容しておく容器と、光源と、光源から射出した光のスポットを容器内に収容されている光硬化性液状樹脂の液面内の任意の位置に指向させる光学系を備えている。
光造形装置では、造形物の輪郭線に沿って光スポットの中心を移動させると、輪郭線よりも光スポットの半径分だけ大きく硬化してしまう。それを避けるために、造形物の輪郭線から造形物の内側に向けて光スポットの半径分だけ平行移動することによって、光スポット中心の移動線を算出する手段を備えている。この算出手段では、光スポットの形状が真円であり、その半径が方位によらないで一定であるとしている。
特許文献１に、楕円形状の光スポットを利用する光造形装置が開示されており、楕円形状の光スポットを利用すると硬化層の縁での面だれが小さくなるとしている。しかしながら、楕円形状の光スポットを利用すると、前記したオフセット技術では対応できないことになってしまう。特許文献２はその問題を認識し、輪郭に沿って照射する（正確には輪郭線から造形物の内側に向けて平行移動した移動線に沿って移動する）光スポットについては、真円形状の光スポットを利用することによって、その問題に対処している。特許文献３と４にも、光スポットが真円形状から歪んだときの問題を意識した技術が記載されており、特許文献３には光スポットの長径と短径の比が0.9〜1.1以内にある真円に近い形状の光スポットを利用するべきであることが開示されており、特許文献４には光スポットの形状を真円に近づけるための調整技術が開示されている。
現状の光造形装置では、真円または真円に近い形状の光スポットを利用することによって、造形物の輪郭線から造形物の内側に向けて光スポットの半径分だけ平行移動した移動線に沿って光スポット中心を移動すると、与えられた輪郭線を有する硬化層を造形できるという手法を採用している。

特開昭６３−１４５０１６号公報特開平６−２５４９７１号公報特開２０００−２７２０１６号公報特開２００２−３５７７８１号公報

光造形装置で造形する造形物の形状に要求される精度は格段に厳しくなっており、わずかな誤差も許されなくなっている。本発明者が誤差をもたらす要因を種々に研究したところ、現状のオフセット技術に誤差の要因があることが判明した。
前記したように、現状では、光スポットの形状を真円または真円に近い形状に調整し、それを前提にしたうえで、光スポットの半径分だけ造形物の内側に平行移動した移動線を算出すればよいという手法を採用している。確かに、過去に要求されていた精度レベルで見れば、光スポットの形状が真円であるとしてもよかった。しかしながら、今日に要求されている精度で見ると、光スポットの形状は真円でなく、それ無視して真円であることを前提とするオフセット技術を採用していることから、要求される形状精度を満たせないでいることを確認した。

本発明では、精密に計測すると光スポットの形状は真円でなく、むしろ楕円形状であるという事実に適合するように輪郭線から移動線をオフセットする光造形装置を提供する。
本発明では、造形物の形状精度を一段と向上させられる光造形装置を提供する。
本発明の改良された態様では、オフセット算出過程が過度に複雑とならない技術を提供する。
本発明では、光スポットの形状が真円でないことに起因する他の問題にも対処する。たとえば、光スポットの形状が真円でないために、ラスタスキャンの主走査方向の方位によって副走査方向のピッチを増減させる。あるいは、輪郭線に沿ったベクトルスキャンと、その内部のラスタスキャンを過不足なく接合するために、ベクトルスキャンに対するラスタスキャンの始点および／または終点の位置関係をラスタスキャンの方位によって調整する技術を提供する。
本発明はまた、光スポットの形状が真円でないことによる影響を、光スポットの移動速度を増減調整することによって補償する技術を提供する。

本発明は、光硬化性液状樹脂の表面に光スポットを照射するとともに、その照射位置を移動させると、照射された範囲の光硬化性液状樹脂が硬化して硬化層を造形することを利用して３次元形状を造形する光造形装置に関する。本発明の光造形装置では、光硬化性液状樹脂の表面における光スポットの形状が非真円であり、光造形装置の不動部に対する非真円の傾斜角が一定の関係に維持される。すなわち、光硬化性液状樹脂の表面における光スポットの形状は、方位によって半径が変化する非真円である。そして、光造形装置の不動部に対する方位と光スポットの半径の関係が一定に維持される。
本発明の光造形装置は、光硬化性液状樹脂の表面における造形物の輪郭線から造形物の内側に向けてオフセット距離だけ平行移動することによって光スポット中心の移動線を算出する手段を有しているとともに、光造形装置の不動部に対する輪郭線の方位によってそのオフセット距離を増減することを特徴とする。ここでいう光造形装置の不動部とは、光スポット中心の位置を記述する座標軸に対して固定されている部材をいい、造形中に移動しない任意の部分をとることができる。例えば液槽に対する方位と光スポット中心の位置を記述する座標軸に対する方位は常に一定の関係にあり、液槽を不動部とすることもできる。

図１の１０は、造形物の輪郭線を例示している。造形物の輪郭線１０に沿って光スポット中心を移動させると、光スポットの半径分だけ大きく硬化してしまう。図１の１２は、それを避けるために、造形物の輪郭線１０から造形物の内側に向けて一定の距離だけ平行移動した光スポット中心の移動線１２を例示している。すなわち従来の技術で算出される光スポット中心の移動線を例示している。光スポットが真円であれば、輪郭線１０から造形物の内側に向けて一定の距離（光スポットの半径）だけ平行移動した移動線１２に沿って光スポットの中心を移動させれば、硬化層の輪郭は輪郭線１０に一致する。
図１は、精密に計測すると光スポット１４は真円でなく、楕円であることの影響を示している。図１において、ｘ軸は短径方向を示し、ｙ軸は長径方向を示している。図１では図示の明瞭化のために、楕円率を誇張して示している。実際には、短径と長径の差はわずかであり、一例を挙げれば、短径が0.18mmであり、長径が0.22mmであり、平均半径が0.2mmである。図1の場合、平均半径に相当する0.2mmだけ一様にオフセットした移動線１２を算出した場合を例示している。

楕円形状の光スポットの中心を移動線１２に沿って移動させると、造形物の輪郭は１６に示すものとなる。長径方向（ｙ軸方向）で見ると、範囲１８，２０で過剰に硬化している。短径方向（ｘ軸方向）で見ると、範囲２２，２４で過少に硬化している。例示の場合には、y軸方向には0.4ｍｍだけ過剰に硬化し、ｘ軸方向には0.4ｍｍだけ過少に硬化することがわかる。
実際の造形物の形状１６を、与えられた輪郭線１０に正確に一致させるには、光スポット１４が真円でなく、楕円であることの影響を加味して移動線１２を算出する必要があることがわかる。
上記では、輪郭線が造形物の外側輪郭である場合を例示した。開口を持つ造形物の場合には、内側輪郭線を有する。開口を記述する線は、造形物の内側輪郭線に相当する。この場合には、内側輪郭線に沿って光スポットを移動させると、光スポットの径の分だけ開口が小さくなってしまう。与えられた大きさの開口を造形するためには、開口を記述する内側輪郭線よりも光スポットの移動線を外側に移動する必要がある。この場合も、造形領域（露光領域）からみれば、造形物の内側に向けて移動することになる。輪郭線から造形物の内側に向けて平行移動するということは、内側輪郭線の場合には幾何学的には外側に向けて平行移動することを意味する。

図２は、輪郭線の方位によってオフセット距離を増減した場合を例示している。例えばy軸に直交する輪郭線１０ａに対してはオフセット距離をoff1とし、y軸に角度θ２をなす輪郭線１０ｂに対してはオフセット距離をoff２とし、以下同様に、y軸に角度θ８をなす輪郭線１０ｈに対してはオフセット距離をoff８とした場合を例示している。
輪郭線の方位によってオフセット距離を増減すると、光スポットの形状が真円ではなくて楕円であることの影響を補償し、実際の造形物の形状を与えられた輪郭線に正確に一致させられることを例示している。図２では、楕円の長径方向ｙに対する輪郭線の方位によってオフセット距離を増減することを例示しているが、光硬化性液状樹脂を収容している光造形装置の不動部に対する楕円の長径方向ｙの方位は一定である。光造形装置の不動部に固定されている座標軸をＸ，Ｙ軸とすると、Ｙ軸とｙ軸のなす角度は一定である。図２は、光造形装置の不動部に対する輪郭線の方位（Ｙ軸と輪郭線がなす角度）によってオフセット距離を増減すると、実際の造形物の形状を与えられた輪郭線に正確に一致させられることを例示している。
請求項１の発明では、光造形装置の不動部に対する輪郭線の方位によってオフセット距離を増減するために、光スポットの形状が真円でなくて楕円であることの影響を補償することができ、実際の造形物の形状を与えられた輪郭線に正確に一致させることができる。

実際には、光造形装置の不動部に対する輪郭線の方位は様々であり、方位角ごとにオフセット距離を算出することが好ましい。しかしながら、近似的に扱うことができる。
近似する場合は、輪郭線の方位を複数個に分類し、分類毎にオフセット距離を記憶している手段を備えていればよい。
図４はその一例を示し、例えば方位を８方位に分類する場合、Ｙ軸とのなす角が22.5〜67.5°の場合には45°の方位に分類する。
図２は、8方位に対するオフセット距離off1〜off8を例示しており、8方位に対するオフセット距離off1〜off8をあらかじめ記憶しておけば、光スポットの形状が真円でなくて楕円であることの影響を近似的に補償することができる。なお方位の分類数は８に限られない。

オフセット距離（図２の例ではoff1〜off8）を決定する際には、多角形をなす移動線に沿って光スポット中心を移動することによって造形された造形物の形状測定結果から、光造形装置の不動部に対する方位に対応付けて移動線と造形物の形状の差を求め、その差からオフセット距離を算出しておくことが好ましい。

図３は、移動線３０に沿って楕円形状の光スポット３４を移動させることによって造形される造形物の形状３２を示している。図３において、X−Y軸は光造形装置の不動部に固定されている基準方位を示し、x−y軸は光スポット３４の長径と短径で構成される座標軸を示している。X−Y座標系とx−y座標系のなす角は一定である。
この場合、造形物のY軸方向の寸法と移動線３０のY軸方向の寸法差から、X軸方向に伸びる輪郭線に対するオフセット距離OFF1，OFF5を知ることができる。同様に、造形物のＸ軸方向の寸法と移動線３０のＸ軸方向の寸法差から、Ｙ軸方向に伸びる輪郭線に対するオフセット距離OFF3，OFF7を知ることができる。同様に、造形物のＹ軸から45度傾斜した方向の寸法と移動線３０の同方向の寸法差から、Ｙ軸から135度傾斜した方向に伸びる輪郭線に対するオフセット距離OFF2，OFF6を知ることができる。同様に、造形物のＹ軸から315度傾斜した方向の寸法と移動線３０の同方向の寸法差から、Ｙ軸から225度傾斜した方向に伸びる輪郭線に対するオフセット距離OFF4，OFF8を知ることができる。なお、方位の分類数は８に限られない。

造形物の形状を測定することに代えて、光スポットの強度分布を測定し、強度分布において等強度線をなす楕円形状から、輪郭線の方位に対応するオフセット距離を算出するようにしてもよい。
図６は、光スポットの強度分布において等強度線をなす楕円形状６０を例示している。図６の場合、Ｙ軸に対してθ方向に伸びる輪郭線６２に対しては、OFF(θ)のオフセット距離を算出すればよいことを例示している。ここでいう楕円形状とは、長径と短径のみならず、長径方向（ｙ軸方向）が光造形装置の不動部を基準とするY軸に対してなす角αをも含む。楕円の長径と短径と傾斜角αが既知であれば、輪郭線の方位θが与えられた時にオフセット距離OFF(θ)を算出することができる。

光造形装置では、光硬化性液状樹脂の表面に光スポットを照射する際に、光スポットを主走査方向に走査するとともに、その主走査線を副走査方向に平行移動させることによって、光硬化性液状樹脂の表面に沿って面的に拡がっている硬化層を造形することがある。この場合にも、光硬化性液状樹脂の表面における光スポットの形状が方位によって半径が変化する非真円であり、光造形装置の不動部に対する方位と光スポットの半径の関係が一定に維持されることを加味することが好ましい。
すなわち、光造形装置の不動部に対する主走査線の方位によって副走査方向の平行移動距離を増減することが好ましい。

図１１の１１０と１１２は、X方向に主走査するときの移動線を示し、副走査方向（Y方向）の平行移動距離をYpとしたときに、範囲１１４において２重に照射されることを例示している。図１１の１１６と１１８は、Y方向に主走査するときの移動線を示し、副走査方向（X方向）の平行移動距離をXpとしたときに、範囲１２０において２重に照射されることを例示している。光造形方法では、硬化層ごとに主走査方向と副走査方向を交換することがあり、その場合、２重の照射範囲１１４，１２０の幅をおおむね等しくすることが好ましい。
光スポットが楕円形状である場合、２重照射範囲１１４，１２０の幅をおおむね等しくするためには、Y方向の平行移動距離YpとX方向の平行移動距離Xpを等しくするべきでなく、主走査の方向方位によって副走査方向の平行移動距離を増減することが好ましい。主走査方向の方位によって副走査方向の平行移動距離を増減することよって、２重照射範囲１１４，１２０の幅をおおむね等しくすることができ、良質な造形が可能となる。

光造形装置では、光硬化性液状樹脂の表面に光スポットを照射して硬化層を造形する際に、硬化層に対応する断面における造形物の輪郭線から造形物の内側に向けてオフセット距離だけ平行移動した移動線に沿って光スポット中心を移動させることで外周硬化線を造形するとともに、輪郭の内側部分では外周硬化線に達する内側硬化線を造形することがある。この場合にも、光硬化性液状樹脂の表面における光スポットの形状が方位によって半径が変化する非真円であり、光造形装置の不動部に対する方位と光スポットの半径の関係が一定に維持されることを加味することが好ましい。
すなわち、内側硬化線を造形する移動線の始端および／または終端と外周硬化線を造形する移動線との間の距離を、光造形装置の不動部に対する内側硬化線の方位によって増減することが好ましい。

図１１の範囲１２０は、Y軸方向に伸びる外周硬化線を例示している。それに対して、１１０，１１２は、内側硬化線のための移動線を例示している。この場合、内側硬化線用の移動線１１０，１１２の始端(あるいは終端)については、外周硬化線のための移動線１２２からXoff2の距離だけ離れた位置に設定すると、１２４の範囲で外周硬化線と内側硬化線が重複する。なお、Xoff1は輪郭形成時のオフセット距離を例示している。
図１１の範囲１２６は、X軸方向に伸びる外周硬化線を例示している。それに対して、１１６，１１８は、内側硬化線のための移動線を例示している。この場合、内側硬化線用の移動線１１６，１１８の始端(あるいは終端)については、外周硬化線のための移動線１２８からYoff2の距離だけ離れた位置に設定すると、１３０の範囲で外周硬化線と内側硬化線が重複する。なお、Yoff1は輪郭形成時のオフセット距離を例示している。
光スポットが楕円形状である場合、外周硬化線と内側硬化線の重複範囲１２４，１３０の幅をおおむね等しくするためには、内側硬化線の始端(あるいは終端)と外周硬化線のX方向の距離Xoff2とY方向の距離Yoff2を等しくすべきでなく、内側硬化線の方位によって増減することによって重複範囲１２４，１３０の幅をおおむね等しくすることができる。内側硬化線の始端(あるいは終端)と外周硬化線の距離を内側硬化線の方位によって増減することによって、良質な造形が可能となる。

前記では、楕円形状の光スポットによる影響をオフセット距離を増減調整することで補償している。これに代えて、光スポットの移動速度を増減調整することで補償することもできる。
この場合、光スポットの移動速度を算出する手段において、光造形装置の不動部(例えば液槽)に対する輪郭線の方位によって移動速度を増減する処理を組み込むことが好ましい。

図９のカーブ９０，９２は、光スポットの強度分布の一例を示しており、短径方向（x軸）の強度分布と、長径方向（ｙ軸）の強度分布を示している。楕円形状であることを反映し、左右非対称となっている。カーブ９２は長時間照射した場合の累積強度（光エネルギー）を示し、カーブ９０は短時間照射した場合の累積強度（光エネルギー）を示している。レベル９４は、光硬化性液状樹脂が硬化するエネルギーレベルを示しており、累積光エネルギーがレベル９４以上の範囲で光硬化性液状樹脂は硬化する。x軸方向では短径でありｙ軸方向では長径である光スポットでも、短時間照射した時のy軸方向の硬化幅と長時間照射した時のｘ軸方向の硬化幅を一致させられることを示している。
図８は、光スポットをy軸方向に伸びる移動線８２，８４に沿って移動させる際には低速度で移動し、ｘ軸方向に伸びる移動線８６，８８に沿って移動させる際には高速度で移動した場合の硬化範囲を示している。オフセット距離は一定にして移動線を算出しても、輪郭線の方位によって移動速度を増減すると、実際の造形形状と与えられた輪郭線を一致されられることがわかる。
輪郭線の方位によって移動速度を増減すると、光スポットが楕円形状であっても、移動線から硬化限界までの距離を一定とすることができる。この場合には、オフセット距離を一定にして移動線を算出してもよいことがわかる。

本発明は、光造形装置にオフセット距離を設定する方法にも関する。この方法は、光造形装置の出荷前に実施してもよいし、光造形装置を実際に使用する際に実施してもよい。
本発明のひとつの方法では、図３を参照して説明したように、多角形をなす移動線に沿って光スポット中心を移動することによって硬化層を造形する工程と、造形された硬化層の形状を測定する工程と、光造形装置の不動部（例えば液槽）に対する方位に対応付けて移動線と硬化層の形状の差を算出する工程と、前記の方位に対応する差から前記の方位に対応するオフセット距離を算出する工程を備えている。上記における多角形をなす移動線は、形状計測用の移動線であるということができる。
本発明の他のひとつの方法では、図６を参照して説明したように、光硬化性液状樹脂の表面における光スポットの強度分布を測定する工程と、光スポットの強度分布において等強度線をなす楕円の形状と、光造形装置の不動部（例えば液槽）に対する楕円の傾斜角（不動部に対する楕円の長径または短径がなす角）を算出する工程と、その楕円の形状と、光造形装置の不動部に対する楕円の傾斜角から、光造形装置の不動部に対する輪郭線の方位に対応するオフセット距離を算出する工程を備えている。
いずれの方法によっても、光スポットが楕円等の非真円であることによる影響を補償するのに必要なオフセット距離を的確に設定することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
図５は、本実施例の光造形装置５０の全体構成を備えている。光造形装置５０は、光硬化性液状樹脂５１を収容している液槽５２と、レーザ光５３を射出する光源５４と、光源５４から射出したレーザ光５３のスポットを液槽５２内に収容されている光硬化性液状樹脂５１の液面５１ａ内の任意の位置に指向させる光学系５５と、液槽５２内において昇降する昇降台５６と、その昇降台５６の駆動機構５７と、液面５１ａに沿って移動することによって液面を平滑化するリコータ５８と、そのリコータ５８の駆動機構５９と、制御装置４９を備えている。制御装置４９は、３次元ＣＡＤシステム４８に接続されており、３次元ＣＡＤシステム４８から造形するべき３次元形状を記述するデータを入力する。制御装置４９は、３次元形状を記述するデータに基づいて、光源５４と、光学系５５と、昇降台駆動機構５７と、リコータ駆動機構５９を制御し、３次元ＣＡＤシステム４８から入力した３次元形状を記述するデータによって記述されている３次元形状を有する硬化物（造形物）が造形されるようにする。光造形装置５０は、レーザ光５３の液面５１ａにおける照射範囲（光スポット）を調整する光学系４７も備えている。液槽５２は光造形装置５０の不動部であり、光スポットの液面内の照射位置を記述する座標系と一定の関係に固定されている。

制御装置４９は、３次元ＣＡＤシステム４８から入力した３次元形状を記述するデータを処理し、断面ごとの輪郭線（図１の場合には輪郭線１０）を算出する。次に、制御装置４９は、輪郭線を方位によって分類する。本実施例では、図４にしたがって、８方位に分類する。例えば、Ｙ軸とのなす角が22.5〜67.5°の場合には45°の方位に分類する。図１２は、輪郭線１３０を方位によって分類した一例を示しており、ポイントＰ１からＰ２の範囲の輪郭線は近似的に45°の方位であり、ポイントＰ２からＰ３の範囲の輪郭線は近似的に90°の方位であり、ポイントＰ３よりも右側の輪郭線は近似的に135°の方位であるとする。

図５に示すように、制御装置４９は、方位に対応づけてオフセット距離を記憶している手段４６を備えている。図３が、手段４６に記憶されているオフセット距離を例示している。図３は、移動線３０に沿って楕円形状の光スポット３４を移動させることによって造形された造形物の形状３２を示している。図３において、X−Y軸は光造形装置の不動部の基準方位を示し、x−y軸は光スポット３４の長径と短径で構成される座標軸を示している。X−Y座標系とx−y座標系のなす角は一定である。
この場合、造形物のY軸方向の寸法を測定し、測定値から移動線３０のY軸方向の寸法を減じることによってから、Ｙ軸とのなす角が90°である方向の輪郭線に対するオフセット距離OFF1，OFF5を知ることができる。ここで、OFF1＝OFF5とすることができる。同様に、造形物のＸ軸方向の寸法と移動線３０のＸ軸方向の寸法差から、Ｙ軸方向に伸びる輪郭線に対するオフセット距離OFF3，OFF7を知ることができる。OFF3＝OFF7とすることができる。同様に、造形物のＹ軸から45°傾斜した方向の寸法と移動線３０の同方向の寸法差から、Ｙ軸から135度傾斜した方向に伸びる輪郭線に対するオフセット距離OFF2，OFF6を知ることができる。OFF2＝OFF6とすることができる。同様に、造形物のＹ軸から315度傾斜した方向の寸法と移動線３０の同方向の寸法差から、Ｙ軸から225度傾斜した方向に伸びる輪郭線に対するオフセット距離OFF4，OFF8を知ることができる。OFF４＝OFF8とすることができる。オフセット距離の記憶手段４６には、輪郭線の方位（光造形装置の不動部に対する方位）に対応付けて、上記のオフセット距離OFF1〜OFF8が記憶されている。方位を8等分する場合には、その対称性からOFF1〜OFF4を記憶しておけばよい。オフセット距離の記憶手段４６には、多角形をなす移動線３０に沿って光スポット３４を移動することによって造形された造形物の形状３２の測定結果から光造形装置の不動部に対する方位に対応付けて移動線３０と造形物の形状３２の差を求め、その差から算出されたオフセット距離が記憶されている。なお、方位の分類数は８に限られない。近似的にＸ方向に伸びる輪郭線かＹ軸方向に伸びる輪郭線かに分類するだけでも、有用な結果が得られる。

図５に示すように、制御装置４９は、上記の過程を経て移動線を算出する手段４５を備えている。移動線は、造形物の輪郭線から造形物の内側に向けてオフセット距離だけ平行移動した線であり、本実施例では輪郭線の方位によってオフセット距離が選択される。すなわち、方位に対応付けてオフセット距離を記憶している手段４６に記憶されているオフセット距離OFF1〜OFF8を利用して移動線が算出される。図３において、そうして算出される移動線の一部が３６に示されている。
本実施例では、移動線を算出した後に、光スポット中心が移動線３６に沿って移動するように光学系５５を制御する。その結果得られる硬化層の輪郭は、輪郭線３０に一致する。光スポット３４が真円でなく楕円であっても、その影響は移動線３６を算出する過程に織り込まれているために、硬化層の輪郭は、輪郭線３０に一致する。

図２は、輪郭線の方位を、光スポットの長径方向（ｙ軸方向）を基準とする8方位に分類した場合を例示している。y軸に直交する輪郭線１０ａに対してはオフセット距離をoff1とし、y軸に角度θ２をなす輪郭線１０ｂに対してはオフセット距離をoff２とし、以下同様に、y軸に角度θ８をなす輪郭線１０ｈに対してはオフセット距離をoff８とした場合を例示している。
図２の線１３は、オフセット距離をoff1〜off８を利用して輪郭線を造形物の内側に向けて平行移動することによって算出した移動線を示している。光スポットの中心が移動線１３に沿って移動するように光学系５５を制御した結果得られる硬化層の輪郭は、輪郭線１０によく一致する。光スポットが真円でなく楕円であっても、その影響は移動線１３を算出する過程に織り込まれているために、硬化層の輪郭は輪郭線１０によく一致する。
図２に示すように、輪郭線から造形物の内側に向けてオフセット距離off1〜off８だけ平行移動した線は交差する。実際の移動線は、交点同士を結ぶ線分の集合で算出される。

光造形装置では、光硬化性液状樹脂の表面に光スポットを照射するにあたって、光スポットを主走査方向に走査するとともに、その主走査線を副走査方向に平行移動させることによって、光硬化性液状樹脂を面的に硬化することがある。本実施例では、主走査の走査速度と副走査のピッチを決定するにあたって、光スポットが楕円形状であることを加味する。
図１１の１１０と１１２は、X方向に主走査するときの移動線を示し、副走査方向（Y方向）の平行移動距離をYpとしたときに、範囲１１４において２重に照射されることを例示している。図１１の１１６と１１８は、Y方向に主走査するときの移動線を示し、副走査方向（X方向）の平行移動距離をXpとしたときに、範囲１２０において２重に照射されることを例示している。光造形方法では、硬化層ごとに主走査方向と副走査方向を交換することがあり、その場合、２重に照射範囲１１４，１２０の幅をおおむね等しくすることが好ましい。
光スポットが楕円形状である場合、２重に照射範囲１１４，１２０の幅をおおむね等しくするためには、Y方向の平行移動距離YpとX方向の平行移動距離Xpを等しくするべきでないことがわかる。本実施例では、光スポットの楕円形状を加味して、Y方向の平行移動距離YpとX方向の平行移動距離Xpを独立に決定しているために、２重の照射範囲１１４，１２０の幅をおおむね等しくすることができ、良質な造形が可能となっている。光造形装置の工場出荷段階でＸｐとＹｐを独立に設定しておいてもよいし、実際の使用段階でＸｐとＹｐを独立に設定できるようにしてもよい。
図１１から理解されるように、Ｘ軸方向に主走査する場合には、Ｘ軸方向の光スポットの幅が狭いために、同一地点を光スポットが短時間のうちに通過する。それに対し、Ｙ軸方向に主走査する場合には、Ｙ軸方向の光スポットの幅が長いために、Ｘ軸方向に主走査する場合に比して長時間を要する。この影響を相殺するために、Ｘ軸方向に主走査する場合の走査速度と低速度とし、Ｙ軸方向に主走査する場合の走査速度と高速度とすることが好ましい。このようにすると、Ｘ軸方向に主走査する場合と、Ｙ軸方向に主走査する場合とで、単位面積当たりに与える累積光エネルギー量が均等化される。光造形装置の工場出荷段階でＸ方向の移動速度とＹ方向の移動速度を独立に設定しておいてもよいし、実際の使用段階でＸ方向の移動速度とＹ方向の移動速度を独立に設定できるようにしてもよい。

光造形装置では、光硬化性液状樹脂の表面に光スポットを照射するにあたって、輪郭を造形する部分では光スポットを移動線に沿って連続的に移動させることによって滑らかな外周硬化線を造形するとともに、輪郭の内側部分では外周硬化線に達する内側硬化線を造形することがある。本実施例では、この場合にも、光スポットが楕円形状であることを加味する。
すなわち、内側硬化線の始端および／または終端と外周硬化線の距離を、光造形装置の不動部に対する内側硬化線の方位に従って増減する。

図１１の範囲１２０は、Y軸方向に伸びる外周硬化線を例示している。それに対して、１１０，１１２は、内側硬化線のための移動線を例示している。この場合、内側硬化線用の移動線１１０，１１２の始端(あるいは終端)については、外周硬化線のための移動線１２２からXoff2の距離だけ離れた位置に設定すると、１２４の範囲で外周硬化線と内側硬化線が重複する。なお、Xoff1は輪郭形成時のオフセット距離を例示している。
図１１の範囲１２６は、X軸方向に伸びる外周硬化線を例示している。それに対して、１１６，１１８は、内側硬化線のための移動線を例示している。この場合、内側硬化線用の移動線１１６，１１８の始端(あるいは終端)については、外周硬化線のための移動線１２８からYoff2の距離だけ離れた位置に設定すると、１３０の範囲で外周硬化線と内側硬化線が重複する。なお、Yoff1は輪郭形成時のオフセット距離を例示している。
光スポットが楕円形状である場合、外周硬化線と内側硬化線の重複範囲１２４，１３０の幅をおおむね等しくするためには、内側硬化線用の移動線の始端(あるいは終端)と外周硬化線用の移動線のX方向の距離Xoff2とY方向の距離Yoff2を等しくすべきでないことがわかる。内側硬化線の方位に従って距離Xoff2，Yoff2を独立に調整することによって、重複範囲１２４，１３０の幅をおおむね等しくすることができ、良質な造形が可能となる。本実施例では、光スポットの楕円形状からXoff2とYoff2を独立に設定している。光造形装置の工場出荷段階でX方向の距離Xoff2とY方向の距離Yoff2を独立に設定しておいてもよいし、実際の使用段階でX方向の距離Xoff2とY方向の距離Yoff2を独立に設定できるようにしてもよい。

上記の実施例では、図３を参照して説明したように、造形物の形状を測定してオフセット距離を算出している。これに代えて、光スポットの強度分布を測定し、強度分布において等強度線をなす楕円形状から、輪郭線の方位に対応するオフセット距離を算出するようにしてもよい。
図６は、光スポットの強度分布において等強度線をなす楕円形状６０を示している。図の場合、Ｙ軸に対してθ方向に伸びる輪郭線６２に対しては、OFF(θ)のオフセット距離を算出すればよいことを例示している。ここでいう楕円形状とは、長径と短径のみならず、長径方向（ｙ軸方向）が光造形装置の不動部を基準とするY軸に対してなす角αをも含む。長径と短径と傾斜角αが既知であれば、輪郭線の方位θが与えられた時にOFF(θ)を算出することができる。

図７は、上記方式で移動線を算出する装置４５ａが実行する処理を示し、断面輪郭線データから輪郭線の方位θを算出し、方位からオフセット距離OFF(θ)を算出し、算出されたオフセット距離OFF(θ)から移動線データを算出する。オフセット距離OFF(θ)を算出するために、方位θからオフセット距離OFF(θ)を算出する式が記憶手段７２に記憶されている。記憶手段７２には、図６の幾何学関係に基づいて、方位θからオフセット距離OFF(θ)を算出する式が記憶されている。

前記では、楕円形状の光スポットによる影響をオフセット距離を増減調整することで補償している。これに代えて、光スポットの移動速度を増減調整することで補償することもできる。この場合、光スポットの移動速度を算出する手段に、光造形装置の不動部に対する輪郭線の方位によって移動速度を増減する処理を組み込む。

図９のカーブ９０，９２は、光スポットの強度分布の一例を示しており、短径方向（x軸）の強度分布と、長径方向（ｙ軸）の強度分布を示している。楕円形状であることを反映し、左右非対称となっている。カーブ９２は、長時間照射した場合の累積強度（光エネルギー）を示し、カーブ９０は、短時間照射した場合の累積強度（光エネルギー）を示している。レベル９４は、光硬化性液状樹脂が硬化するエネルギーレベルを示しており、累積光エネルギーがレベル９４以上の範囲で光硬化性液状樹脂は硬化する。x軸方向では短径でありｙ軸方向では長径である光スポットでも、短時間照射した時のy軸方向の硬化幅と長時間照射した時のｘ軸方向の硬化幅を一致させられることを示している。
図８は、光スポットをy軸方向に伸びる移動線８２，８４に沿って移動させる際には低速度で移動し、ｘ軸方向に伸びる移動線８６，８８に沿って移動させる際には高速度で移動した場合の硬化範囲を示している。小さな楕円７８は、光スポットを高速で移動させる場合の硬化範囲に対応し、大きな楕円７６は、光スポットを低速で移動させる場合の硬化範囲に対応している。この場合、図９に示すように、短時間照射した時のy軸方向の硬化幅ｌ_０と長時間照射した時のｘ軸方向の硬化幅ｌ_０が一致する速度の関係に調整しておく。この方式によると、オフセット距離は一定にして移動線を算出しても、輪郭線の方位によって移動速度を増減すると、実際の造形形状と与えられた輪郭線を一致されられることがわかる。
輪郭線の方位によって移動速度を増減すると、光スポットが楕円形状であっても、移動線から硬化限界までの距離を一定とすることができる。この場合には、オフセット距離を一定にして移動線を算出してもよいことがわかる。
図１０は、この方式を採用する制御装置が実行する処理手順を示している。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

オフセット距離を一定として算出した移動線に沿って楕円形状の光スポットを移動させることによって得られる硬化層の形状を示す図。輪郭線の方位によってオフセット距離を変えながら算出した移動線に沿って楕円形状の光スポットを移動させることによって得られる硬化層の形状を示す図。多角形移動線に沿って楕円形状の光スポットを移動させることによって得られる硬化層の形状を示す図。方位の分類図。実施例の光造形装置の全体構成を示す図。光スポットの強度分布と、輪郭線と、オフセット距離OFF(θ)の関係を例示する図。輪郭線の方位によってオフセット距離を変えながら移動線を算出する装置の構成を示す図。オフセット距離を一定として算出した移動線に沿って、輪郭線の方位によって光スポットの移動速度を変えながら造形することによって得られる硬化層の形状を示す図。光高度分布と累積光エネルギー量の分布を例示する図。輪郭線の方位によって移動速度を算出する装置の構成を示す図。副走査方向の平行移動距離を方位によって変えることの意味を説明する図。輪郭線を方位によって分類する意味を説明する図。

符号の説明

１０：輪郭線
１２：移動線
１４：光スポット
１６：硬化層輪郭
１８：過剰硬化範囲
２０：過剰硬化範囲
２２：過少硬化範囲
２４：過少硬化範囲
off1〜off8:オフセット距離
OFF1〜OFF8: オフセット距離
３０：移動線
３２：硬化層輪郭
３４：光スポット
３６：オフセットした移動線
４５：移動線算出装置
４６：方位／オフセット距離記憶手段
４７：光学系
４８：３次元ＣＡＤ
４９：制御装置
５０：光造形装置
５１：光硬化性液状樹脂
５２：液槽
５３：レーザ光
５４：光源
５５：光学系
５６：昇降台
５７：昇降台駆動装置
５８：リコータ
５９：リコータ駆動装置
OFF（θ）: オフセット距離
７２：方位／オフセット距離関係式記憶手段

Claims

光硬化性液状樹脂の表面に光スポットを照射するとともに、その照射位置を移動させて硬化層を造形する光造形装置において、
前記表面における前記光スポットの形状が方位によって半径が変化する非真円であり、光造形装置の不動部に対する方位と前記半径の関係が一定に維持され、
前記表面における造形物の輪郭線から造形物の内側に向けてオフセット距離だけ平行移動して光スポット中心の移動線を算出する手段を有しており、
前記不動部に対する前記輪郭線の方位によって、前記オフセット距離を増減することを特徴とする光造形装置。
前記輪郭線の方位を複数個に分類した分類毎に前記オフセット距離を記憶している手段を備えていることを特徴とする請求項１の光造形装置。
前記輪郭線の方位を８方位に分類した分類毎に前記オフセット距離を記憶している手段を備えていることを特徴とする請求項２の光造形装置。
前記表面における前記光スポットの強度分布において等強度線が楕円であり、その楕円の形状と、前記不動部に対する前記楕円の長径または短径がなす角から、前記輪郭線の方位に対応する前記オフセット距離が算出されていることを特徴とする請求項１の光造形装置。
光硬化性液状樹脂の表面に光スポットを照射する際に、光スポットを主走査方向に走査するとともに、その主走査線を副走査方向に平行移動させることによって、前記表面に沿って面的に拡がっている硬化層を造形する光造形装置において、
前記表面における前記光スポットの形状が方位によって半径が変化する非真円であり、光造形装置の不動部に対する方位と前記半径の関係が一定に維持され、
前記不動部に対する主走査線の方位によって、副走査方向の平行移動距離を増減することを特徴とする光造形装置。
光硬化性液状樹脂の表面に光スポットを照射するとともに、その照射位置を移動させて硬化層を造形する際に、前記表面における造形物の輪郭線から造形物の内側に向けてオフセット距離だけ平行移動した移動線に沿って光スポット中心を移動させることで外周硬化線を造形するとともに、その外周硬化線に達する内側硬化線を造形する光造形装置において、
前記表面における前記光スポットの形状が方位によって半径が変化する非真円であり、光造形装置の不動部に対する方位と前記半径の関係が一定に維持され、
前記内側硬化線を造形する移動線の始端および／または終端と前記外周硬化線を造形する移動線との間の距離を、前記不動部に対する前記内側硬化線の方位によって増減することを特徴とする光造形装置。
光硬化性液状樹脂の表面に光スポットを照射するとともに、その照射位置を移動させて硬化層を造形する光造形装置において、
前記表面における前記光スポットの形状が方位によって半径が変化する非真円であり、光造形装置の不動部に対する方位と前記半径の関係が一定に維持され、
前記表面における造形物の輪郭線から造形物の内側に向けて所定距離だけ平行移動して光スポット中心の移動線を算出する手段と、
その移動線に沿った光スポットの移動速度を算出する手段を有しており、
前記不動部に対する前記輪郭線の方位によって、前記移動速度を増減することを特徴とする光造形装置。
請求項１に記載の光造形装置に前記オフセット距離を設定する方法であり、
多角形をなす形状計測用移動線に沿って光スポット中心を移動することによって硬化層を造形する工程と、
造形された硬化層の形状を測定する工程と、
光造形装置の不動部に対する方位に対応付けて、移動線と硬化層の形状の差を算出する工程と、
前記の方位に対応する差から、前記不動部に対する前記輪郭線の方位に対応するオフセット距離を算出する工程、
を備えていることを特徴とするオフセット距離の設定方法。
請求項１に記載の光造形装置に前記オフセット距離を設定する方法であり、
前記表面における前記光スポットの強度分布を測定する工程と、
前記光スポットの強度分布において等強度線をなす楕円の形状と、光造形装置の不動部に対する前記楕円の長径または短径がなす角を算出する工程と、
その楕円の形状と、前記不動部に対する前記楕円の長径または短径がなす角から、前記不動部に対する前記輪郭線の方位に対応するオフセット距離を算出する工程、
を備えていることを特徴とするオフセット距離の設定方法。