JP5234315B2

JP5234315B2 - 光造形装置および光造形方法

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Inventors: 淳一葛迫; 信宏木原; 勝久本田
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Description

本発明は、光造形装置および光造形方法に関し、特に、高精度な造形物を高強度で造形することができるようにした光造形装置および光造形方法に関する。

従来、ＣＡＤ（Computer Aided Design）で作成された３次元形状データを用いて、立体モデル（造形物）を作成するときには、例えば、数値制御される機械加工機などが用いられ、機械加工により立体モデルが作成される。

また、近年、機械加工をすることなく立体モデルを作成するラピッドプロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）と呼ばれる手法が、多くの製造現場で注目を集めている。ラピッドプロトタイピングでは、立体モデルの３次元形状データに基づいて、立体モデルをスライスした断面形状の薄板を作成し、その断面形状の薄板を積層することで立体モデルが作成される積層造形法と呼ばれる製造手法が用いられる。

また、ラピッドプロトタイピングは、この断面形状の薄板を作成する方法によって、紫外線硬化樹脂を用いた光造形、熱可塑性樹脂を押し出し積層する方法（ＦＤＭ）、粉末の溶融接着積層方式（ＳＬＳ）、紙を薄膜積層する方式（ＬＯＭ）、粉末や硬化触媒を吐出させ積層する方式（Ｉｎｋ−Ｊｅｔ方式）などに分類される。

例えば、光造形においては、ＣＡＤで作成された立体モデルの３次元形状データが、立体モデルの表面が小さな三角形の面で表現されるフォーマットであるＳＴＬ（Stereo Lithography）に変換されて、光造形装置に入力される。

光造形装置は、３次元形状データから、例えば、0.1〜0.2mm程度の一定間隔で、立体モデルをスライスした断面形状データを作成し、断面形状データに応じて、液状の光硬化樹脂の表面に照射する光の照射領域を決定する。光造形装置は、断面形状データの１層ごとに、液状の光硬化樹脂の表面に、その断面形状データに応じた照射領域の光を照射するとともに、液状の光硬化樹脂中の移動架台を、立体モデルをスライスした厚みに応じて垂直方向下方に移動させる。そして、光造形装置は、断面形状データの最下層から最上層まで、光の照射と移動架台の移動とを繰り返すことにより、立体モデルを生成する。

ここで、特許文献１には、空間光変調器を用い、画像データに応じて紫外線を変調して、その紫外線により感光性樹脂に画像を記録する画像記録装置が開示されている。

特開平６−９５２５７号公報

上述したように光造形装置は構成されているが、従来の光造形装置よりも、高精度な造形物を高強度で造形することができる装置が求められていた。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高精度な造形物を高強度で造形することができるようにするものである。

本発明の一側面の光造形装置は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置であって、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成するデータ生成手段と、所定の前記ワーク小領域に隣接している前記他のワーク小領域に対応するワーク小領域データのうちの、前記所定のワーク小領域と前記他のワーク小領域との境界線から一定幅のデータを、前記所定のワーク小領域に対応する前記ワーク小領域データに付加し、前記所定のワーク小領域の前記境界線をオフセットする付加手段と、前記付加手段によりオフセットされた前記ワーク小領域データに基づいて、前記光硬化性樹脂の表面の前記ワーク小領域より前記一定幅だけ広い領域を一括して露光し、前記ワーク小領域ごとに前記硬化層を形成する一括露光手段とを備え、前記データ生成手段は、前記ワーク全体領域を前記ワーク小領域に分割するときに、それぞれの前記ワーク小領域に対して、隣接する前記ワーク小領域の有無を示す情報を設定し、前記付加手段は、前記データ生成手段により設定された情報に基づいて、前記境界線のオフセットを行う。

本発明の一側面の光造形方法は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形方法であって、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成し、所定の前記ワーク小領域に隣接している前記他のワーク小領域に対応するワーク小領域データのうちの、前記所定のワーク小領域と前記他のワーク小領域との境界線から一定幅のデータを、前記所定のワーク小領域に対応する前記ワーク小領域データに付加し、前記所定のワーク小領域の前記境界線をオフセットし、前記ワーク小領域データに基づいて、前記光硬化性樹脂の表面の前記ワーク小領域より前記一定幅だけ広い領域を一括して露光し、前記ワーク小領域ごとに前記硬化層を形成するステップを含み、前記ワーク全体領域を前記ワーク小領域に分割するときに、それぞれの前記ワーク小領域に対して、隣接する前記ワーク小領域の有無を示す情報を設定し、前記設定された情報に基づいて、前記境界線のオフセットを行う。

本発明の一側面においては、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、立体モデルの断面形状データが分割され、ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データが生成される。また、所定のワーク小領域に隣接している他のワーク小領域に対応するワーク小領域データのうちの、所定のワーク小領域と他のワーク小領域との境界線から一定幅のデータが、所定のワーク小領域に対応するワーク小領域データに付加され、所定のワーク小領域の境界線がオフセットされる。そして、ワーク小領域データに基づいて、光硬化性樹脂の表面のワーク小領域より一定幅だけ広い領域が一括して露光されて、ワーク小領域ごとに硬化層が形成される。そして、ワーク全体領域をワーク小領域に分割するときに、それぞれのワーク小領域に対して、隣接するワーク小領域の有無を示す情報が設定され、その設定された情報に基づいて、境界線のオフセットが行われる。

本発明の一側面によれば、高精度な造形物を高強度で造形することができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した光造形装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。

図１において、光造形装置１１は、光源１２、シャッタ１３、偏光板１４、ビームインテグレータ１５、ミラー１６、空間光変調器１７、集光レンズ１８、対物レンズ１９、ワーク部２０、および制御部２１から構成される。

光源１２としては、例えば、高出力な青色ＬＥＤをアレイ状に配置したものを用いることができ、光源１２は、ワーク部２０の紫外線硬化樹脂３１を露光して、硬化層を形成するための光を放射する。なお、光源１２としては、コヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。

シャッタ１３は、制御部２１の制御に従って、光源１２から放射される光を通過または遮蔽し、光源１２からの光による紫外線硬化樹脂３１の露光のオン／オフを制御する。

偏光板１４は、シャッタ１３を通過した光を所定の偏光光とする。即ち、偏光板１４は、透過型の液晶パネルからなる空間光変調器１７が、光源１２からの光を空間変調することができるように、その光を偏光する。

ビームインテグレータ１５は、偏光板１４により偏光された光を均一化する。ビームインテグレータ１５としては、複数のレンズエレメントを配列してなるフライアイタイプや、四角柱等の柱状のロッドレンズの内部を全反射させる構成としてなるライトロッドタイプ等の一般的なものが用いられる。

ミラー１６は、ビームインテグレータ１５により均一化された光を空間光変調器１７に向かって反射する。

空間光変調器１７は、例えば、透過型の液晶パネルからなり、ミラー１６により反射された光が、紫外線硬化樹脂３１上の断面形状データに応じた照射領域を露光するように、制御部２１の制御に従い、その光の一部を空間変調する。

即ち、空間光変調器１７には、断面形状データに応じて、液晶パネルの各画素を駆動させる駆動信号が制御部２１から供給され、空間光変調器１７は、その駆動信号に基づいて、照射領域に対応する画素の液晶の分子の配列を変えて透過する偏光方向を変化させる。これにより、空間光変調器１７は、液晶パネルを通過する光を空間変調し、液晶パネルの１画素に対応する領域を、露光を行う単位領域として、断面形状データに応じた形状の光を紫外線硬化樹脂３１に投影する。

集光レンズ１８は、空間光変調器１７により空間変調された光が対物レンズ１９を通過する際のディストーションを補正するためのレンズ群により構成され、空間光変調器１７により空間光変調された光を、対物レンズ１９の前焦点に集光する。例えば、集光レンズ１８と対物レンズ１９とが対称光学系となるように、それぞれのレンズ群を構成することで、ディストーションを少なくすることができる。

対物レンズ１９は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、空間光変調器１７により空間変調された光を紫外線硬化樹脂３１の表面に結像させる

ここで、対物レンズ１９は、例えば、光源１２からの光による一括露光とともに、図示しないビームスキャン光学系からの光ビームによるビームスキャン露光が行われるときに、ビームスキャン光学系からの光ビームを集光するとともに、光ビームが、紫外線硬化樹脂３１の表面において等速度で走査されるように、即ち、紫外線硬化樹脂３１の表面において均一な走査線速度で走査されるように構成されている。

例えば、対物レンズ１９としては、入射角θに比例した像高Ｙをもち、焦点距離ｆと入射角θとの積が像高Ｙとなるような関係（Ｙ＝ｆ×θ）を有する所謂ｆθレンズが用いられる。換言すると、ｆθレンズは、走査される光ビームの走査速度が、レンズへの入射位置によらず、常に一定となるように設計されたレンズである。このような対物レンズ１９を用いることで、走査線速度がばらつくことによる設計形状と実際の硬化層の形状とに違いが発生することを防止することができ、高精細な造形が実現される。なお、対物レンズ１９としては、ｆθレンズではなく、通常の集光機能を有するレンズを用いてもよい。

ワーク部２０は、収容容器３２、ステージ３３、駆動部３４から構成される。

収容容器３２は、液状の紫外線硬化樹脂３１を収容する。

ステージ３３は、収容容器３２の紫外線硬化樹脂３１に浸漬され、少なくとも紫外線硬化樹脂３１の表面である液面に対して直交する垂直方向（図１の矢印Ｚの方向）に移動可能とされる。また、ステージ３３は、紫外線硬化樹脂３１の表面である液面に沿う方向（即ち、矢印Ｚの方向に対して垂直なＸ−Ｙ方向）に移動可能とされる。

駆動部３４は、制御部２１の制御に従い、収容容器３２およびステージ３３を駆動する。例えば、駆動部３４は、立体モデルの断面形状データに応じて紫外線硬化樹脂３１が露光され、立体モデルの硬化層が１層形成されるのに応じて、１ステップずつステージ３３を垂直方向下方に駆動する。また、駆動部３４は、紫外線硬化樹脂３１の表面が、対物レンズ１９の後側焦点位置に一致するように、収容容器３２を垂直方向に駆動する。

また、駆動部３４は、後述するワーク小領域（図２）ごとに、紫外線硬化樹脂３１の表面に沿う方向（Ｘ−Ｙ方向）にステージ３３を移動させる。

制御部２１は、光源１２を制御して、光源１２からの光の放射をオン／オフさせたり、シャッタ１３を制御して、紫外線硬化樹脂３１の露光をオン／オフさせたり、駆動部３４を制御して、収容容器３２およびステージ３３を駆動させる。また、制御部２１は、立体モデルの断面形状データに基づいて、照射領域に対応する空間光変調器１７の画素が光を透過するように、空間光変調器１７の各画素を駆動する駆動信号を空間光変調器１７に供給する。

また、制御部２１は、例えば、光造形の作業が行われる全領域であるワーク全体領域を、複数のワーク小領域に分割し、ワーク小領域ごとに一括露光を行わせて硬化層を形成するタイリング方式により光造形が行われるように、光造形装置１１の各部を制御する。

図２を参照して、タイリング方式による光造形について説明する。

図２Ａには、光造形の作業が行われる全領域であるワーク全体領域が示されており、図２Ｂには、ワーク全体領域の一部であるワーク小領域が示されている。

図２において、ワーク全体領域の縦×横は10cm×10cmであり、ワーク小領域の縦×横は1cm×1cmである。即ち、ワーク全体領域は、縦×横が10個×10個のワーク小領域により分割されている。

図２Ａに示すように、ワーク全体領域の中央付近のハッチングが施されている領域が、立体モデルの断面形状データに応じた露光領域であり、このワーク全体領域の下から２行目であって、左から３列目にあるワーク小領域が拡大されて、図２Ｂに示されている。図２Ｂにおいて、立体モデルの断面形状データに基づく輪郭線が２点差線で示されており、その輪郭線の内側のハッチングが施されている単位領域に光が照射される。

例えば、空間光変調器１７の画素が、縦×横が1000画素×1000画素であるように配置されているとすると、図２Ｂに示すように、ワーク小領域は、空間光変調器１７の画素に応じて、縦×横が1000個×1000個の単位領域（即ち、空間光変調器１７の１画素に対応する領域）に分割される。ワーク小領域の縦×横が1cm×1cmであるので、単位領域の縦×横は10μm×10μmとなる。

このように、タイリング方式による光造形では、空間光変調器１７を介して光が照射される範囲を小さくして、タイル状に配置されている複数のワーク小領域を順次露光することにより、ワーク全体領域を一度に露光する場合よりも単位領域を微細にすることができる。これにより、硬化層を高精度に形成することができ、ひいては、立体モデルの寸法精度を向上させることができる。

ここで、一般的に、紫外線硬化樹脂３１は、光が照射されて硬化する際に、例えば、７％程度の収縮率で収縮する。このように紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮することにより、例えば、一括露光が行われるワーク小領域ごとに紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮してしまい、隣接するワーク小領域どうしの接合強度が損なわれたり、硬化層の寸法精度が低下したりすることがある。

図３を参照して、紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮することによる影響について説明する。

図３Ａおよび図３Ｂには、断面形状データを単純に分割して生成されるワーク小領域データの外形寸法（設計データ）が破線で示され、そのワーク小領域データに基づいて光が照射されて紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮して形成された硬化層の外形寸法が実線で示されている。

図３に示すように、断面形状データを単純に分割して生成されるワーク小領域データに基づいて光が照射されると、紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮して形成される硬化層どうしの間に隙間が発生してしまう。このような隙間は、例えば、事後硬化（後の処理で照射される光による硬化）により硬化するが、その隙間が硬化した領域、即ち、図３Ｂにおいてハッチングされている領域は、ワーク小領域の硬化層よりも強度が低下しており、ワーク小領域の硬化層どうしの接合強度が低下してしまう。また、このような隙間が生じることで、露光領域全体に対応する硬化層の寸法精度が低下してしまう。

そこで、光造形装置１１では、紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮することによる影響を回避するために、断面形状データを分割したワーク小領域データを、紫外線硬化樹脂３１の収縮率に基づいたオフセット幅で拡大するオフセット処理を施し、ワーク小領域よりも、オフセット幅だけ広い領域に光を照射して、ワーク小領域の硬化層を形成させる。

図４を参照して、オフセット処理が施されたワーク小領域データに基づいて形成されるワーク小領域の硬化層について説明する。

図４には、隣接して配置されている２つのワーク小領域が示されており、オフセット処理が施されたワーク小領域データの外形寸法が破線で示され、そのワーク小領域データに基づいて光が照射されて紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮して形成された硬化層の外形寸法（設計データ）が実線で示されている。

例えば、断面形状データを単純に分割して生成されるワーク小領域データの一辺の長さをＬとし、紫外線硬化樹脂３１の収縮率をＳとすると、オフセット処理が施されたワーク小領域データの一辺の長さＬ’は、Ｌ’＝Ｌ＋（Ｌ×Ｓ／１００）となる。

このように、紫外線硬化樹脂３１の収縮率Ｓに基づいて、オフセット処理が施されたワーク小領域データの一辺の長さＬ’を決定するので、オフセット処理が施されたワーク小領域データに基づいて光が照射されて紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮して形成された硬化層の一辺の長さは、断面形状データを単純に分割して生成されるワーク小領域データの一辺の長さＬに等しくなる。即ち、設計データどおりの外形寸法の硬化層が得られる。

従って、紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮して形成された硬化層どうしの間に隙間が生じることはなく、図３を参照したような硬化層どうしの接合強度の低下を回避することができる。これにより、露光領域全体（図２Ａのハッチングが施されている領域）に対応する１層分の硬化層の強度を高めることができ、ひいては、従来よりも強度の高い立体モデルを造形することができる。

また、隣接するワーク小領域どうしで、所定のオフセット幅だけ重なり合うように光を照射することで、１層分の硬化層の強度をさらに高めることができる。

図５を参照して、隣接するワーク小領域と重なり合うようにするためのオフセットについて説明する。

ここで、以下、適宜、紫外線硬化樹脂３１の収縮率に基づいて行われるオフセットを第１のオフセットと称し、隣接するワーク小領域と重なり合うようにするためのオフセットを第２のオフセットと称する。

図５には、縦×横が３×３となるように配置されたワーク小領域が示されている。

例えば、左下のワーク小領域が露光の対象となっているときには、第１のオフセットにより、紫外線硬化樹脂３１の収縮率Ｓに基づいて、オフセット量αだけ広い領域が照射されるようにワーク小領域データが拡大される。

また、第２のオフセットにより、オフセット量βに対応する幅の左側中央のワーク小領域データの下側（即ち、露光の対象となっているワーク小領域と接している側）のデータが、露光の対象となっているワーク小領域データに付加されるとともに、オフセット量βに対応する幅の中央下側のワーク小領域データの左側（即ち、露光の対象となっているワーク小領域と接している側）のデータが、露光の対象となっているワーク小領域データに付加されて、それぞれの境界線が、オフセット量βでオフセットされる。ここで、オフセット量βは、任意の数値に設定することができ、例えば、10μｍ程度とすることができる。

そして、第１のオフセットによるオフセット量α、および第２のオフセットによるオフセット量βでオフセットされた領域（即ち、図５において破線で囲われた領域）が露光され、硬化後の外形寸法においてハッチングが施されている領域の硬化層が形成される。即ち、左下のワーク小領域の上側と右側に、オフセット量βに対応する幅で、それぞれ隣接するワーク小領域と重なり合う（オーバラップする）硬化層が形成される。

このように、隣接するワーク小領域と重なり合うように硬化層を形成することにより、隣接する硬化層どうしの接合を、より強固にすることができる。

また、第２のオフセットは、隣接するワーク小領域との境界線をオフセットするので、ワーク小領域と隣接していない境界線（例えば、図５の例では、露光の対象となっているワーク小領域の左側と下側の境界線）に対してはオフセットをする必要がない。即ち、ワーク小領域の位置によって、オフセット処理方法を変更する必要がある。

そこで、例えば、制御部２１は、露光領域をワーク小領域に分割するときに、露光の対象となる順番に応じて、各ワーク小領域を識別する符号を付加するとともに、それぞれのワーク小領域に対して、隣接するワーク小領域の有無を示すフラグを設定し、そのフラグに基づいて第２のオフセットが処理される。

図６を参照して、ワーク小領域の位置に応じた第２のオフセットについて説明する。

図６には、図５と同様に、縦×横が３×３となるように配置された９つのワーク小領域が示されており、各ワーク小領域には、例えば、露光の対象となる順番に応じて、符号Ｔ₁乃至Ｔ₉が、左下から右上までラスタスキャン順に付加されている。

図６Ａでは、ワーク小領域Ｔ₁に対する第２のオフセットについて説明し、図６Ｂでは、ワーク小領域Ｔ₄に対する第２のオフセットについて説明し、図６Ｃでは、ワーク小領域Ｔ₅に対する第２のオフセットについて説明する。

図６Ａに示すように、ワーク小領域Ｔ₁は、左下に配置されており、ワーク小領域Ｔ₁の右側にワーク小領域Ｔ₂が隣接しており、ワーク小領域Ｔ₁の上側にワーク小領域Ｔ₄が隣接している。従って、制御部２１は、露光領域をワーク小領域に分割するときに、ワーク小領域Ｔ₁の右側と上側に隣接するワーク小領域が有ることを示すフラグを設定する。

具体的には、ワーク小領域Ｔ₁における、ワーク小領域の右側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグX_FLG(+)に、隣接するワーク小領域が有ることを示す「１」をセットし、ワーク小領域の上側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグY_FLG(+)に、隣接するワーク小領域が有ることを示す「１」をセットする。また、ワーク小領域Ｔ₁における、ワーク小領域の左側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグX_FLG(-)に、隣接するワーク小領域が無いことを示す「０」をセットし、ワーク小領域の下側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグY_FLG(-)に、隣接するワーク小領域が無いことを示す「０」をセットする。

従って、このフラグに基づいて、ワーク小領域Ｔ₁に対して第２のオフセットが施されるときに、ワーク小領域Ｔ₁とワーク小領域Ｔ₂との境界線を右側にオフセットし、ワーク小領域Ｔ₁とワーク小領域Ｔ₄との境界線を上側にオフセットする処理が施される。

また、図６Ｂに示すように、ワーク小領域Ｔ₄は、左側中央に配置されており、ワーク小領域Ｔ₄の右側にワーク小領域Ｔ₅が隣接しており、ワーク小領域Ｔ₄の上側にワーク小領域Ｔ₇が隣接しており、ワーク小領域Ｔ₄の下側にワーク小領域Ｔ₁が隣接している。従って、制御部２１は、露光領域をワーク小領域に分割するときに、ワーク小領域Ｔ₄の右側、上側、および下側に隣接するワーク小領域が有ることを示すフラグを設定する。

具体的には、ワーク小領域Ｔ₄における、ワーク小領域の右側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグX_FLG(+)に、隣接するワーク小領域が有ることを示す「１」をセットし、ワーク小領域の上側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグY_FLG(+)に、隣接するワーク小領域が有ることを示す「１」をセットし、ワーク小領域の下側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグY_FLG(-)に、隣接するワーク小領域が有ることを示す「１」をセットする。また、ワーク小領域Ｔ₄における、ワーク小領域の左側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグX_FLG(-)に、隣接するワーク小領域が無いことを示す「０」をセットする。

従って、このフラグに基づいて、ワーク小領域Ｔ₄に対して第２のオフセットが施されるときに、ワーク小領域Ｔ₄とワーク小領域Ｔ₅との境界線を右側にオフセットし、ワーク小領域Ｔ₄とワーク小領域Ｔ₇との境界線を上側にオフセットし、ワーク小領域Ｔ₄とワーク小領域Ｔ₁との境界線を下側にオフセットする処理が施される。

また、図６Ｃに示すように、ワーク小領域Ｔ₅は、上下左右中央に配置されており、ワーク小領域Ｔ₅の右側にワーク小領域Ｔ₆が隣接しており、ワーク小領域Ｔ₅の左側にワーク小領域Ｔ₄が隣接しており、ワーク小領域Ｔ₅の上側にワーク小領域Ｔ₈が隣接しており、ワーク小領域Ｔ₅の下側にワーク小領域Ｔ₂が隣接している。従って、制御部２１は、露光領域をワーク小領域に分割するときに、ワーク小領域Ｔ₅の右側、左側、上側、および下側に隣接するワーク小領域が有ることを示すフラグを設定する。

具体的には、ワーク小領域Ｔ₅における、ワーク小領域の右側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグX_FLG(+)に、隣接するワーク小領域が有ることを示す「１」をセットし、ワーク小領域の左側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグX_FLG(-)に、隣接するワーク小領域が有ることを示す「１」をセットする。また、ワーク小領域Ｔ₅における、ワーク小領域の上側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグY_FLG(+)に、隣接するワーク小領域が有ることを示す「１」をセットし、ワーク小領域の下側に隣接するワーク小領域の有無を示すフラグY_FLG(-)に、隣接するワーク小領域が有ることを示す「１」をセットする。

従って、このフラグに基づいて、ワーク小領域Ｔ₅に対して第２のオフセットが施されるときに、ワーク小領域Ｔ₅とワーク小領域Ｔ₆との境界線を右側にオフセットし、ワーク小領域Ｔ₅とワーク小領域Ｔ₄との境界線を左側にオフセットし、ワーク小領域Ｔ₅とワーク小領域Ｔ₈との境界線を上側にオフセットし、ワーク小領域Ｔ₅とワーク小領域Ｔ₂との境界線を下側にオフセットする処理が施される。

次に、図７は、図１の光造形装置１１による光造形を行う処理を説明するフローチャートである。

例えば、光造形装置１１に、ＣＡＤで作成された立体モデルの３次元形状データが入力され、光造形を開始する操作が行われると、ステップＳ１１において、制御部２１は、ＣＡＤで作成された立体モデルの３次元形状データをＳＴＬに変換するプログラムを実行し、立体モデルの３次元形状データをＳＴＬに変換する。

ステップＳ１１の処理後、処理はステップＳ１２に進み、制御部２１は、ＳＴＬに変換された３次元形状データから立体モデルの断面形状データを作成し、処理はステップＳ１３に進む。また、立体モデルの断面形状データを作成する際に、例えば、立体モデルの姿勢および向きが決定され、造形中における立体モデルの転倒を防止するための部材を造形するためのデータなどが作成される。

ステップＳ１３において、制御部２１は、処理の対象となっている１層の断面形状データ（例えば、最初は最下層の断面形状データ）を、ワーク小領域に応じて分割し、ワーク小領域データを作成（生成）する。このとき、図６を参照して説明したように、制御部２１は、各ワーク小領域データに、ワーク小領域をそれぞれ識別するための符号を付加するとともに、隣接するワーク小領域の有無を示すフラグを付加する。

ステップＳ１３の処理後、処理はステップＳ１４に進み、制御部２１は、露光の対象となる順番に応じて、露光の対象となっているワーク小領域に対し、紫外線硬化樹脂３１の収縮率に基づいたオフセット量αで拡大させる第１のオフセットを施し、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、制御部２１は、露光の対象となっているワーク小領域に対し、そのワーク小領域に付加されているフラグに基づいて、オフセット量βで境界線をオフセットさせる第２のオフセットを施し、処理はステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６において、制御部２１は、照射領域となる単位領域に光を照射させるように空間光変調器１７の各画素を駆動させる駆動信号を、空間光変調器１７に供給し、空間光変調器１７は、光源１２から放射された光が、照射領域となる単位領域に対応する画素を通過するように、各画素を駆動する。そして、制御部２１は、所定の露光時間だけシャッタ１３を開放して、紫外線硬化樹脂３１の表面の照射領域を露光させる。

ステップＳ１６の処理後、処理はステップＳ１７に進み、制御部２１は、ステップＳ１３で作成された１層分の全てのワーク小領域データに基づいた露光が行われたか否かを判定する。

ステップＳ１７において、制御部２１が、１層分の全てのワーク小領域データに基づいた露光が行われていないと判定した場合、処理はステップＳ１８に進み、制御部２１は、駆動部３４を制御して、直前のステップＳ１６で露光が行われたワーク小領域の次のワーク小領域に対して露光が行われるように、ステージ３３を移動させる。

ステップＳ１８の処理後、処理はステップＳ１４に戻り、直前のステップＳ１６で露光が行われたワーク小領域の次のワーク小領域を処理の対象として、以下、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ１７において、制御部２１が、１層分の全てのワーク小領域データに基づいた露光が行われたと判定した場合、処理はステップＳ１９に進み、制御部２１は、ステップＳ１２で作成された全ての断面形状データに基づいた露光が行われたか否かを判定する。

ステップＳ１９において、制御部２１が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われていないと判定した場合、処理はステップＳ１３に戻り、直前のステップＳ１３乃至Ｓ１６で露光が行われた層の次の層の断面形状データを処理の対象として、以下、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ１９において、制御部２１が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われたと判定した場合、立体モデルが完成しており、処理は終了する。

以上のように、光造形装置１１は、ワーク小領域データに対し、第１のオフセットと第２のオフセットを施し、ワーク小領域よりも広い領域を露光するので、図５を参照して説明したように、１層分の硬化層の強度を高めることができる。また、図３を参照して説明したような、隙間が生じることによる寸法精度の低下も回避することができるので、硬化層を高精度に造形することができる。従って、このような硬化層が積層されて造形される立体モデルを、高精度かつ高強度で造形することができる。

このような光造形装置１１を用いて、マイクロチップや、コネクタ、マイクロカプセルなど、または、各種の微細な部品の試作品を造形することができる。そして、例えば、光造形装置１１を用いて造形された立体モデルは、高強度で造形されているので、ニッケルなどでメッキし、その型を転写するときに、ワーク小領域ごとに剥がれるようなことをがない。

なお、空間光変調器１７としては、透過型の液晶パネルの他、入力信号に応じて傾き角度が変化する微小な反射ミラーを複数配列してなるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）や、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal On Silicon）等を用いてもよい。デジタルマイクロミラーデバイスを用いる場合、各マイクロミラーが１単位領域に対応し、偏光板１４を設ける必要はない。

また、本実施の形態においては、第１のオフセットと第２のオフセットの両方の処理が施されているが、いずれか一方のオフセットを施すようにすることができ、この場合でも、従来の立体モデルよりも、高強度な立体モデルを造形することができる。

さらに、紫外線硬化樹脂３１の表面の照射領域を、空間光変調器１７を介して一括して露光するとともに、照射領域の輪郭線に沿って、光ビームをスキャンするビームスキャン露光を行ってもよい。一括露光とビームスキャン露光とを組み合わせることにより、立体モデルを、より高精度に造形することができる。

なお、ワーク小領域は、正方形に限定されるものでなく、Ｘ方向の寸法と、Ｙ方向の寸法とが異なってもよいことは言うまでもない。

また、本発明は、空間光変調器１７により空間変調された光を、紫外線硬化樹脂３１の上方から照射する手法である自由液面法により光造形を行う光造形装置１１の他、例えば、空間光変調器１７により空間変調された光を、紫外線硬化樹脂３１と収容容器３２との界面に照射する手法である規制液面法により光造形を行う光造形装置に適用することができる。

例えば、収容容器３２の底面をガラスなどの光を透過する材料で構成し、そのガラスと紫外線硬化樹脂３１と界面に、空間光変調器１７により空間変調された光が、紫外線硬化樹脂３１の下方から照射される。即ち、立体モデルの断面形状データに応じた光が照射される紫外線硬化樹脂３１の表面は、ガラスと紫外線硬化樹脂３１と界面を含むものである。

規制液面法では、収容容器３２とステージ３３との距離が１層分の硬化層の厚みとなるようにステージ３３を配置し、収容容器３２の底面のガラスを介して紫外線硬化樹脂３１に照射される光により、立体モデルの硬化層が１層形成されるのに応じて、１ステップずつ１層分の硬化層の厚みとなるように垂直方向上方にステージ３３を駆動させる処理を繰り返すことにより、立体モデルが形成される。

このように、光が照射される紫外線硬化樹脂３１の表面（界面）を、ガラスにより規制することにより、硬化層の１層分の厚みが正確に造形されるので、積層精度を向上させることができ、これにより、立体モデルを高精度に形成することができる。

また、上述した制御部２１が行う一連の処理は、ハードウエアにより実行することもできるし、ソフトウエアにより実行することもできる。一連の処理をソフトウエアにより実行する場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに、プログラム記録媒体からインストールされる。

図８は、上述した一連の処理をプログラムにより実行するコンピュータのハードウエアの構成例を示すブロック図である。

コンピュータにおいて、CPU（Central Processing Unit）１０１，ROM（Read Only Memory）１０２，RAM（Random Access Memory）１０３は、バス１０４により相互に接続されている。

バス１０４には、さらに、入出力インタフェース１０５が接続されている。入出力インタフェース１０５には、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部１０６、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部１０７、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる記憶部１０８、ネットワークインタフェースなどよりなる通信部１０９、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア１１１を駆動するドライブ１１０が接続されている。

以上のように構成されるコンピュータでは、CPU１０１が、例えば、記憶部１０８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース１０５及びバス１０４を介して、RAM１０３にロードして実行することにより、上述した一連の処理が行われる。

コンピュータ（CPU１０１）が実行するプログラムは、例えば、磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)等）、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどよりなるパッケージメディアであるリムーバブルメディア１１１に記録して、あるいは、ローカルエリアネットワーク、インタネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供される。

そして、プログラムは、リムーバブルメディア１１１をドライブ１１０に装着することにより、入出力インタフェース１０５を介して、記憶部１０８にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部１０９で受信し、記憶部１０８にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM１０２や記憶部１０８に、あらかじめインストールしておくことができる。

なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。また、プログラムは、１つのCPUにより処理されるものであっても良いし、複数のCPUによって分散処理されるものであっても良い。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明を適用した光造形装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。タイリング方式による光造形について説明する図である。紫外線硬化樹脂３１が硬化収縮することによる影響を説明する図である。オフセット処理が施されたワーク小領域データに基づいて形成されるワーク小領域の硬化層について説明する図である。オフセットについて説明する図である。オフセットについて説明する図である。光造形装置１１による光造形を行う処理を説明するフローチャートである。コンピュータの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１１光造形装置，１２光源，１３シャッタ，１４偏光板，１５ビームインテグレータ，１６ミラー，１７空間光変調器，１８集光レンズ，１９対物レンズ，２０ワーク部，２１制御部，３１紫外線硬化樹脂，３２収容容器，３３ステージ，３４駆動部

Claims

立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置において、
光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成するデータ生成手段と、
所定の前記ワーク小領域に隣接している前記他のワーク小領域に対応するワーク小領域データのうちの、前記所定のワーク小領域と前記他のワーク小領域との境界線から一定幅のデータを、前記所定のワーク小領域に対応する前記ワーク小領域データに付加し、前記所定のワーク小領域の前記境界線をオフセットする付加手段と、
前記付加手段によりオフセットされた前記ワーク小領域データに基づいて、前記光硬化性樹脂の表面の前記ワーク小領域より前記一定幅だけ広い領域を一括して露光し、前記ワーク小領域ごとに前記硬化層を形成する一括露光手段と
を備え、
前記データ生成手段は、前記ワーク全体領域を前記ワーク小領域に分割するときに、それぞれの前記ワーク小領域に対して、隣接する前記ワーク小領域の有無を示す情報を設定し、
前記付加手段は、前記データ生成手段により設定された情報に基づいて、前記境界線のオフセットを行う
光造形装置。
前記ワーク小領域データを、前記光硬化性樹脂の収縮率に基づくオフセット幅で拡大する拡大手段
をさらに備え、
前記一括露光手段は、前記拡大手段により拡大されるとともに、前記付加手段によりオフセットされた前記ワーク小領域データに基づいて、前記光硬化性樹脂の表面の前記ワーク小領域より、前記一定幅と前記オフセット幅とを加算した幅だけ広い領域を一括して露光する
請求項１に記載の光造形装置。
立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形方法において、
光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成し、
所定の前記ワーク小領域に隣接している前記他のワーク小領域に対応するワーク小領域データのうちの、前記所定のワーク小領域と前記他のワーク小領域との境界線から一定幅のデータを、前記所定のワーク小領域に対応する前記ワーク小領域データに付加し、前記所定のワーク小領域の前記境界線をオフセットし、
前記ワーク小領域データに基づいて、前記光硬化性樹脂の表面の前記ワーク小領域より前記一定幅だけ広い領域を一括して露光し、前記ワーク小領域ごとに前記硬化層を形成する
ステップを含み、
前記ワーク全体領域を前記ワーク小領域に分割するときに、それぞれの前記ワーク小領域に対して、隣接する前記ワーク小領域の有無を示す情報を設定し、
前記設定された情報に基づいて、前記境界線のオフセットを行う
光造形方法。