JP5293993B2

JP5293993B2 - 光造形装置および光造形方法

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Publication number: JP5293993B2
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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、高精度な造形物の造形に必要な時間を短縮させ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。

光造形装置において、光硬化樹脂の表面に光を照射する方式としては、光ビームを走査させるビームスキャン方式、液晶パネルなどの空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いて一括して光を照射するＳＬＭ投影方式、および、ビームスキャン方式とＳＬＭ投影方式とを組み合わせた方式がある。

ビームスキャン方式とＳＬＭ投影方式とを組み合わせた方式では、空間光変調器を用いて、光硬化樹脂の表面の露光領域に光を一括して照射した後に、光ビームを断面形状データの輪郭線に沿って走査させることにより、短時間で、輪郭がきれいに形成される立体モデルを造形することができる。

ここで、特許文献１には、立体モデルの大きさに合わせて、光ビームをスキャンするためのミラーと光硬化樹脂の表面との間隔を調整することができる光造形装置が開示されている。

特開平５−７７３２３号公報

上述したように光造形装置は構成されているが、従来よりも高精度な造形物の造形に必要な時間を短縮することが求められていた。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高精度な造形物の造形に必要な時間を短縮させ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、光造形物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光造形物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ごとに、前記光硬化性樹脂を露光する露光手段と、前記露光手段による露光条件を前記ワーク小領域ごとに制御し、所定のワーク小領域における複数の階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させる露光制御手段とを備え、前記露光制御手段は、積層方向に連続する複数の階層のうちのｎ（ｎ：正の整数）層目の階層で、ｎ層目の所定の前記ワーク小領域とｎ＋１層目の所定の前記ワーク小領域との露光パターンが略同一である場合、ｎ層目の所定の前記ワーク小領域に対する前記光硬化性樹脂の露光をスキップし、ｎ層目の所定の前記ワーク小領域とｎ＋１層目の所定の前記ワーク小領域との露光パターンが略同一でない場合、ｎ−１層目以下において所定の前記ワーク小領域が未露光であるとき、所定の前記ワーク小領域において複数の階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させ、ｎ−１層目以下において所定の前記ワーク小領域が未露光でないとき、所定の前記ワーク小領域において１階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させる。

本発明の一側面の光造形方法は、光造形物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光造形物を造形
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
たワーク小領域ごとに、前記光硬化性樹脂を露光し、露光条件を前記ワーク小領域ごとに
制御し、所定のワーク小領域における複数の階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させ
ステップを含み、積層方向に連続する複数の階層のうちのｎ（ｎ：正の整数）層目の階層で、ｎ層目の所定の前記ワーク小領域とｎ＋１層目の所定の前記ワーク小領域との露光パターンが略同一である場合、ｎ層目の所定の前記ワーク小領域に対する前記光硬化性樹脂の露光がスキップされ、ｎ層目の所定の前記ワーク小領域とｎ＋１層目の所定の前記ワーク小領域との露光パターンが略同一でない場合、ｎ−１層目以下において所定の前記ワーク小領域が未露光であるとき、所定の前記ワーク小領域において複数の階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させ、ｎ−１層目以下において所定の前記ワーク小領域が未露光でないとき、所定の前記ワーク小領域において１階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させる。

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ごとに、光硬化性樹脂が露光され、露光条件がワーク小領域ごとに制御され、所定のワーク小領域における複数の階層分の光硬化性樹脂が１度に露光される。そして、積層方向に連続する複数の階層のうちのｎ（ｎ：正の整数）層目の階層で、ｎ層目の所定のワーク小領域とｎ＋１層目の所定のワーク小領域との露光パターンが略同一である場合、ｎ層目の所定のワーク小領域に対する光硬化性樹脂の露光をスキップし、ｎ層目の所定のワーク小領域とｎ＋１層目の所定のワーク小領域との露光パターンが略同一でない場合、ｎ−１層目以下において所定のワーク小領域が未露光であるとき、所定のワーク小領域において複数の階層分の光硬化性樹脂が１度に露光され、ｎ−１層目以下において所定のワーク小領域が未露光でないとき、所定のワーク小領域において１階層分の光硬化性樹脂が１度に露光される。

本発明の一側面によれば、高精度な造形物の造形に必要な時間を短縮させることができる。

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。

まず、図１を参照して、本発明を適用した光造形装置における光造形の方式であるタイリング方式について説明する。

一般に、光造形において、光ビームを走査する範囲、または、空間光変調器を用いて光を照射する範囲を小さくすることで、立体モデルの輪郭を高精度に形成することができ、これにより、立体モデルの寸法精度を向上させることができる。そこで、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とビームスキャンを行うタイリング方式が提案されている。

図１Ａには、ワーク全体領域が示されており、図１Ｂ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１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１Ａ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１Ｂに示されている。

ここで、一括露光においては、縦×横が1000画素×1000画素である空間光変調器が用いられているとすると、図１Ｂに示すように、ワーク小領域は、空間光変調器の画素に応じて、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。

また、図１Ｂでは、断面形状データの輪郭線が、２点鎖線で表されており、一括露光により露光される単位領域に、ハッチングが施されている。即ち、一括露光では、輪郭線より内側にある単位領域が露光されており、断面形状データの輪郭線が重なっている単位領域、および断面形状データの輪郭線より外側にある単位領域は、露光されない。

そして、一括露光が行われた後、断面形状データの輪郭線の内側に沿ってビームスキャンが行われ、輪郭線の内側の領域であって、一括露光により露光されていない領域が露光される。

このようにして、ワーク小領域ごとに光硬化樹脂を露光し、１層分のワーク小領域を露光して硬化層を形成するため、１硬化層を形成するために必要な時間は、１ワーク小領域の露光に必要な露光時間と、１層分のワーク小領域の数とを掛け合わせた時間となる。さらに、その硬化層を積層して立体モデルを造形するため、立体モデルを造形するために必要な造形時間は、１硬化層を形成するために必要な時間と、立体モデルを構成する硬化層の数とを掛け合わせた時間となる。

例えば、図２を参照して、立体モデルの造形時間について説明する。

図２には、立体モデルの斜視図が示されている。

図２に示されている立体モデルは、ワーク小領域が露光されることで硬化したワーク小領域の大きさの紫外線硬化樹脂（以下、適宜、タイルと称する）がＸ−Ｙ方向に４×４個（即ち、１６個）配置されて形成された硬化層が、Ｚ方向に４層積層されて形成されている。即ち、立体モデルは、ワーク小領域の露光を６４回繰り返して、６４個のタイルにより形成されている。従って、１ワーク小領域の露光して１個のタイルの形成に必要な露光時間をＡとすると、図２の立体モデルの造形時間は、６４×Ａとなる。

上述したように、タイリング方式により、ワーク小領域ごとに光硬化樹脂を露光することで立体モデルの寸法精度を向上させることができるが、タイルの個数が増えることで立体モデルの造形時間が長くなってしまう。

そこで、本発明を適用した光造形装置では、立体モデルの造形時間を短縮することができるようにする。

図３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３において、光造形装置１１は、一括露光光学系１２、ビームスキャン光学系１３、偏光ビームスプリッタ１４、対物レンズ１５、ワーク部１６、および制御部１７から構成され、光硬化性樹脂である紫外線硬化樹脂５１に光（紫外線）を照射して光造形を行う。なお、図３では、制御部１７が光造形装置１１を構成する各ブロックを制御することを表す線のうちの一部の図示は、図が煩雑になるため、省略してある。

一括露光光学系１２は、ワーク部１６にある紫外線硬化樹脂５１の表面を一括して露光する一括露光を行うための光学系であり、光源２１、シャッタ２２、偏光板２３、ビームインテグレータ２４、ミラー２５、空間光変調器２６、および集光レンズ２７から構成される。

光源２１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２１は、一括露光を行うための光を放射する。なお、光源２１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２２は、制御部１７の制御に従って、光源２１から放射される光の通過または遮蔽を制御し、一括露光光学系１２による露光のオン／オフを制御する。

偏光板２３は、シャッタ２２を通過した光を所定の偏光光とする。即ち、偏光板２３は、透過型の液晶パネルからなる空間光変調器２６が、光源２１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２４は、偏光板２３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２４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２５は、ビームインテグレータ２４により均一化された光を空間光変調器２６に向かって反射する。

空間光変調器２６は、例えば、透過型の液晶パネルからなり、ミラー２５により反射された光が、紫外線硬化樹脂５１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１７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２６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１７から供給され、空間光変調器２６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２６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５１に投影する。

集光レンズ２７は、空間光変調器２６により空間変調された光が対物レンズ１５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２６により空間光変調された光を、偏光ビームスプリッタ１４の反射透過面上の対物レンズ１５の前焦点に集光する。例えば、集光レンズ２７と対物レンズ１５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。

ビームスキャン光学系１３は、ワーク部１６の紫外線硬化樹脂５１の表面にレーザ光を走査させてビームスキャン露光を行うための光学系であり、光源３１、コリメータレンズ３２、アナモルフィックレンズ３３、ビームエキスパンダ３４、ビームスプリッタ３５、シャッタ３６、ガルバノミラー３７および３８、リレーレンズ３９および４０、並びに、反射光モニタ部４１から構成される。

光源３１は、例えば、青から紫外域程度の比較的に波長の短いレーザ光を放射する半導体レーザであり、ビームスキャン光学系１３によりビームスキャンを行うための光ビームを放射する。なお、光源３１としては、半導体レーザ以外に、ガスレーザなどを用いてもよい。

コリメータレンズ３２は、光源３１から放射される光ビームの発散角を変換して略平行光とする。アナモルフィックレンズ３３は、コリメータレンズ３２により略平行光とされた楕円形状の光ビームを整形して略円形状にする。

ビームエキスパンダ３４は、アナモルフィックレンズ３３により略円形状にされた光ビームのビーム径（ビームの直径）を、対物レンズ１５の開口、ＮＡ（開口数）等に適した所望のビーム径に変換してビーム径のサイズ調整を行う。

ビームスプリッタ３５は、光源３１から照射される光ビームを透過させて、ワーク部１６にある紫外線硬化樹脂５１に向かわせるとともに、紫外線硬化樹脂５１で反射され、各光学系を通過してくる戻り光を、反射光モニタ部４１に向かって反射する。

シャッタ３６は、制御部１７の制御に従って、ビームスプリッタ３５を透過した光ビームの通過または遮蔽を制御し、ビームスキャン光学系１３によるビームスキャン露光のオン／オフを制御する。なお、光源３１が半導体レーザであるときには、半導体レーザにおいて光ビームの放射を直接変調することにより、ビームスキャン露光のオン／オフを制御することができるので、シャッタ３６を設けずにビームスキャン光学系１３を構成するようにしてもよい。

ガルバノミラー３７および３８は、所定の方向に回転可能とされた反射手段と、電気信号に応じて反射手段の回転方向の角度を調整する調整手段とを有し、調整手段が反射手段の角度を調整することで、反射手段により反射される光ビームを、所定の方向に走査させる。

即ち、ガルバノミラー３７は、シャッタ３６を透過した光ビームを、ガルバノミラー３８に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に平行な面内の所定の一方向であるＸ方向に走査させる。ガルバノミラー３８は、ガルバノミラー３７により反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ１４に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に平行な面内の、Ｘ方向に直交する方向であるＹ方向に走査させる。

リレーレンズ３９および４０は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、ガルバノミラー３７および３８により光ビームがスキャンされるスキャン角度にわたり、平行入射光ビームを平行に出射する。即ち、リレーレンズ３９は、ガルバノミラー３７で反射された光ビームを、ガルバノミラー３８上に結像し、リレーレンズ４０は、ガルバノミラー３８で反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ１４の反射透過面上に結像する。

このように、ガルバノミラー３７とガルバノミラー３８との間にリレーレンズ３９を設け、ガルバノミラー３８と偏光ビームスプリッタ１４との間にリレーレンズ４０を設けることで、近接する位置に配置されていないガルバノミラー３７とガルバノミラー３８とにより光ビームをスキャンさせても、偏光ビームスプリッタ１４の反射透過面上に光ビームを結像させ、一括露光光学系１２からの光と合成させることができる。

反射光モニタ部４１は、紫外線硬化樹脂５１の表面で反射された戻り光を、例えば、非点収差法や三角測量法を用いて検出する。反射光モニタ部４１により検出される戻り光は、ビームスキャン光学系１３から紫外線硬化樹脂５１に照射される光ビームのフォーカス調整などに利用される。例えば、反射光モニタ部４１により検出された戻り光に基づいて、ビームエキスパンダ３４が有する複数のレンズを駆動させてビーム径のサイズを調整したり、ビームエキスパンダ３４を透過した光ビームの平行度を調整するレンズを設けて、そのレンズによりビーム径のサイズを調整したりすることができる。また、反射光モニタ部４１により検出された戻り光に基づいて、空間光変調器２６や対物レンズ１５を光軸方向に移動させることで、一括露光において紫外線硬化樹脂５１に結像される光のフォーカスを調整することができる。

偏光ビームスプリッタ１４は、一括露光光学系１２からの光と、ビームスキャン光学系１３からの光ビームとを合成し、それらの光を紫外線硬化樹脂５１に導く。なお、偏光ビームスプリッタ１４は、その反射透過面が、対物レンズ１５の前側焦点位置に一致するように配置されている。

対物レンズ１５は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、一括露光光学系１２からの光を紫外線硬化樹脂５１の表面に結像させるとともに、ビームスキャン光学系１３からの光ビームを集光する。

また、対物レンズ１５は、ビームスキャン光学系１３のガルバノミラー３７および３８により偏向された光ビームが、紫外線硬化樹脂５１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５１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１５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１５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。

ワーク部１６は、収容容器５２、ステージ５３、駆動部５４から構成される。

収容容器５２は、液状の紫外線硬化樹脂５１を収容する。

ステージ５３は、収容容器５２の紫外線硬化樹脂５１に浸漬され、紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に対して直交する垂直方向（図２の矢印Ｚの方向）、および、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５４は、制御部１７の制御に従い、収容容器５２およびステージ５３を駆動する。例えば、駆動部５４は、露光が行われるワーク小領域（図１）ごとに、Ｘ−Ｙ方向にステージ５３を移動させ、立体モデルの硬化層が１層形成されるごとに１ステップずつステージ５３をＺ方向下方に硬化層の厚さ（図２および４の厚さｄ）に従って移動させる。また、駆動部５４は、紫外線硬化樹脂５１の表面が、対物レンズ１５の後側焦点位置に一致するように、収容容器５２を垂直方向に駆動する。

制御部１７は、光源２１を制御して、光源２１からの光の放射をオン／オフさせたり、シャッタ２２を制御して、紫外線硬化樹脂５１の露光をオン／オフさせたり、駆動部５４を制御して、収容容器５２およびステージ５３を駆動させる。また、制御部１７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２６の画素が光を透過するように、空間光変調器２６の各画素を駆動する駆動信号を空間光変調器２６に供給する。

ここで、制御部１７は、立体モデルの断面形状データをワーク小領域（図１）ごとに分割したワーク小領域データのパターンに基づいて、積層方向に同一のパターンのワーク小領域が連続する場合には、それらのワーク小領域を１度に露光するように、光造形装置１１の各部を制御する。

図４を参照して、同一のパターンのワーク小領域が１度に露光されて造形された立体モデルの例について説明する。

図４には、Ｙ方向からみた立体モデルが示されており、この立体モデルは、Ｚ方向に４層の硬化層が積層されて構成されており、各硬化層は、Ｘ方向に４個のタイルが接合されて構成されている。また、各タイルのＸ方向の一辺の長さがＬである。

なお、以下、適宜、各タイルを、それぞれのタイルの階層と位置とにより表し、例えば、ｎ層目の硬化層のｍ番目のタイルをタイルＴ_n,mと称する。即ち、１層目の硬化層は、タイルＴ_1,1乃至Ｔ_1,4から構成されており、２層目の硬化層は、タイルＴ_2,1乃至Ｔ_2,4から構成されており、３層目の硬化層は、タイルＴ_3,1乃至Ｔ_3,4から構成されており、４層目の硬化層は、タイルＴ_4,1乃至Ｔ_4,4から構成されている。

また、図４の立体モデルには、Ｚ方向にそれぞれ同一の直径の穴Ｐ₁乃至Ｐ₃が設けられている。

穴Ｐ₁は、タイルＴ_1,1、タイルＴ_2,1、タイルＴ_3,1、タイルＴ_4,1に設けられており、立体モデルの上面から底面まで貫通するように形成されている。即ち、タイルＴ_1,1、タイルＴ_2,1、タイルＴ_3,1、タイルＴ_4,1を形成するためのワーク小領域データは、穴Ｐ₁に対応する領域に光を照射しないように、それぞれ同一のパターンとなっている。

穴Ｐ₂は、タイルＴ_4,2に設けられており、立体モデルの上面から、タイルＴ_4,2とタイルＴ_3,2との境界面まで形成されている。即ち、タイルＴ_4,2を形成するためのワーク小領域データは、穴Ｐ₂に対応する領域に光を照射しないようなパターンとなっており、タイルＴ_1,2、タイルＴ_2,2、タイルＴ_3,2を形成するためのワーク小領域データは、全面を露光するように、それぞれ同一のパターンとなっている。

穴Ｐ₃は、タイルＴ_2,3、タイルＴ_3,3、タイルＴ_4,3に設けられており、立体モデルの上面から、タイルＴ_2,3とタイルＴ_1,3との境界面まで形成されている。即ち、タイルＴ_2,3、タイルＴ_3,3、タイルＴ_4,3を形成するためのワーク小領域データは、穴Ｐ₃に対応する領域に光を照射しないように、それぞれ同一のパターンとなっており、タイルＴ_1,3を形成するためのワーク小領域データは、全面を露光するようなパターンとなっている。

また、タイルＴ_1,4、タイルＴ_2,4、タイルＴ_3,4、タイルＴ_4,4を形成するためのワーク小領域データは、全面を露光するように、それぞれ同一のパターンとなっている。

このように、タイルＴ_1,1、タイルＴ_2,1、タイルＴ_3,1、タイルＴ_4,1を形成するためのワーク小領域データは、それぞれ同一のパターンとなっているので、露光条件を適切に設定して硬化深度を調整することで、タイルＴ_1,1、タイルＴ_2,1、タイルＴ_3,1、タイルＴ_4,1を１度の露光で形成することができる。

同様に、ワーク小領域データが同一のパターンである、タイルＴ_1,2、タイルＴ_2,2、タイルＴ_3,2を１度の露光で形成することができ、タイルＴ_2,3、タイルＴ_3,3、タイルＴ_4,3を１度の露光で形成することができ、タイルＴ_1,4、タイルＴ_2,4、タイルＴ_3,4、タイルＴ_4,4を１度の露光で形成することができる。

従って、図４の立体モデルでは、１層目が処理の対象となっているとき、タイルＴ_1,3を形成するためのワーク小領域が露光され（１回目の露光）、３層目が処理の対象となっているとき、タイルＴ_1,2、タイルＴ_2,2、タイルＴ_3,2を形成するためのワーク小領域が１度に露光される（２回目の露光）。

また、４層目が処理の対象となっているとき、タイルＴ_1,1、タイルＴ_2,1、タイルＴ_3,1、タイルＴ_4,1を形成するためのワーク小領域が１度に露光され（３回目の露光）、タイルＴ_4,2を形成するためのワーク小領域が露光され（４回目の露光）、タイルＴ_2,3、タイルＴ_3,3、タイルＴ_4,3を形成するためのワーク小領域が１度に露光され（５回目の露光）、タイルＴ_1,4、タイルＴ_2,4、タイルＴ_3,4、タイルＴ_4,4を形成するためのワーク小領域が１度に露光される（６回目の露光）。

このように、複数の階層のタイルを１度に露光することで、露光回数を減らすことができる。例えば、図４の立体モデルを構成する１６個のタイルをそれぞれ露光して立体モデルを造形するには、露光回数は１６回となるが、複数の階層のタイルを１度に露光することで、露光回数を６回に減らすことができる。

そして、複数のタイルを１度に露光して造形する場合の照射時間は、例えば、照射強度を高くすることにより、複数のタイルを１層ずつ露光して造形する場合の照射時間よりも短縮されるので、露光回数を減らすことにより、立体モデルの造形時間を短縮することができる。

次に、図５は、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１７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１７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１７は、ステップＳ１２の処理で作成された断面形状データを分割し、全ての断面形状データについてのワーク小領域データを作成する。

ステップＳ１３の処理後、処理はステップＳ１４に進み、制御部１７は、断面形状データの階層を示す情報ｎと、各断面形状データにおけるワーク小領域の位置を示す情報ｍとに、初期値としての１をそれぞれ設定し、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、制御部１７は、ｎ層目のｍ番目のワーク小領域データのパターンと、ｎ＋１層目のｍ番目のワーク小領域データのパターンとを、例えば、それぞれのパターンのパスデータに基づき比較する。

ステップＳ１５の処理後、処理はステップＳ１６に進み、制御部１７は、ステップＳ１５での比較結果に基づき、ｎ層目のｍ番目のワーク小領域データのパターンと、ｎ＋１層目のｍ番目のワーク小領域データのパターンとが同一であるか否かを判定する。

ステップＳ１６において、制御部１７が、ｎ層目のｍ番目のワーク小領域データのパターンと、ｎ＋１層目のｍ番目のワーク小領域データのパターンとが同一であると判定した場合、処理はステップＳ１７乃至２０をスキップして、ステップＳ２１に進む。なお、この場合、処理の対象となっているワーク小領域は露光されない。

一方、ステップＳ１６において、制御部１７が、ｎ層目のｍ番目のワーク小領域データのパターンと、ｎ＋１層目のｍ番目のワーク小領域データのパターンとが同一でないと判定した場合、処理はステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７において、制御部１７は、ｎ−１層目以下において、処理の対象となっているワーク小領域に対応する位置が未露光であるか否かを判定する。

ステップＳ１７において、制御部１７が、ｎ−１層目以下において、処理の対象となっているワーク小領域に対応する位置が未露光であると判定した場合、処理はステップＳ１８に進む。なお、この場合、ｎ−１層目以下が処理の対象となっているときに、ステップＳ１６においてワーク小領域データのパターンが同一であると判定され、ワーク小領域が露光されていない。即ち、複数の階層のワーク小領域データのパターンが同一であり、処理の対象となっている階層以下に、複数の階層分の液状（未露光）の紫外線硬化樹脂５１が存在している。

ステップＳ１８において、未露光の紫外線硬化樹脂５１の階層数に応じて、一括露光光学系１２およびビームスキャン光学系１３による露光条件を設定する。ここで、一括露光光学系１２の露光条件としては、光源２１が放射する光の強度や、シャッタ２２を制御することによる照射時間などがある。また、ビームスキャン光学系１３の露光条件としては、光源３１が放射する光ビームの強度や照射時間、ビームエキスパンダ３４を制御することによるビーム径などがある。また、例えば、３層分のタイルを１度の露光で造形するには、光の強度を、１層分の場合の３倍に設定する。

一方、ステップＳ１７において、制御部１７が、ｎ−１層目以下において、処理の対象となっているワーク小領域に対応する位置が未露光でないと判定した場合、処理はステップＳ１９に進む。なお、この場合、処理の対象となっているワーク小領域のタイルＴ_n,mより１層下のタイルＴ_n-1,mは既に造形されており、タイルＴ_n-1,mの上には、１層分の液状の紫外線硬化樹脂５１が存在している。

ステップＳ１９において、制御部１７は、１層分の紫外線硬化樹脂５１を露光するための露光条件を一括露光光学系１２およびビームスキャン光学系１３に設定する。

ステップＳ１８またはＳ１９の処理後、処理はステップＳ２０に進み、一括露光光学系１２およびビームスキャン光学系１３は、ステップＳ１８またはＳ１９で設定された露光条件に従って、複数層のワーク小領域を露光する。例えば、一括露光光学系１２およびビームスキャン光学系１３は、ステップＳ１８で複数の階層分の紫外線硬化樹脂５１を露光するように露光条件が設定されている場合、その露光条件に従ってワーク小領域を露光し、複数の階層分のタイルを１度に造形する。

ステップＳ２０の処理後、処理はステップＳ２１に進み、制御部１７は、ｎ層目の全てのワーク小領域を露光したか否かを判定する。

ステップＳ２１において、制御部１７が、ｎ層目の全てのワーク小領域を露光していないと判定した場合、処理はステップＳ２２に進み、制御部１７は、各断面形状データにおけるワーク小領域の位置を示す情報ｍを１だけインクリメントして、次の位置のワーク小領域を処理の対象として、処理はステップＳ１５に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ２１において、制御部１７が、ｎ層目の全てのワーク小領域を露光したと判定した場合、処理はステップＳ２３に進み、制御部１７は、制御部１７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Ｓ２３において、制御部１７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Ｓ２４に進み、制御部１７は、断面形状データの階層を示す情報ｎを１だけインクリメントして、次の硬化層を処理の対象として、処理はステップＳ１５に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ２３において、制御部１７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では、積層方向に連続する複数の階層のワーク小領域データのパターンが同一である場合、複数の階層分のタイルを１度の露光で造形するので、図４を参照して説明したように、造形時間を短縮することができる。

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。

なお、本実施の形態においては、対物レンズ１５としてｆθレンズが用いられているが、対物レンズ１５としては、通常の集光機能を有するレンズを用いることができる。この場合、ガルバノミラー３７および３８の回転速度を制御することにより、光ビームを均一な走査線速度で走査させるようにビームスキャン光学系１３が構成される。また、光ビームをスキャンさせる手段としては、ガルバノミラー３７および３８以外に、ポリゴンミラー等を用いてもよい。

さらに、空間光変調器２６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、偏光版２３を設けずに一括露光光学系１２を構成することができる。

また、図４に示されている立体モデルでは、形成される穴の直径は一定であるが、例えば、若干のテーパを有する穴であっても、造形精度によっては、１層ごとにパターンが異なるものとせず、各階層における穴の直径が所定の範囲内であれば同一なものとし、１層ごとに露光するのではなく、同一とみなせる所定の数の階層ごとに露光してもよい。即ち、高い造形精度が要求されていない立体モデルでは、同一であるか否かを判定する設定により、造形時間をさらに短縮することができる。

また、ワーク小領域のパターンが同一であるか否かは、パスデータに基づいて制御部１７が判定することにより、処理を自動化することができるが、その他、例えば、ユーザがそれらのパターンを見て判定してもよい。この場合、ユーザにより設定された複数の階層分のタイルが１度の露光で造形される。

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２６により空間変調された光を、紫外線硬化樹脂５１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２６により空間変調された光を、紫外線硬化樹脂５１と収容容器５２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５２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５１と界面に、空間光変調器２６により空間変調された光が、紫外線硬化樹脂５１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５１の表面は、ガラスと紫外線硬化樹脂５１と界面を含むものである。

規制液面法では、収容容器５２とステージ５３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５３を配置し、収容容器５２の底面のガラスを介して紫外線硬化樹脂５１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５３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５１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１７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７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。

タイリング方式について説明する図である。立体モデルの造形時間について説明する図である。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。同一のパターンのワーク小領域が一括して露光されて造形された立体モデルの例を示す図である。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，１２一括露光光学系，１３ビームスキャン光学系，１４偏光ビームスプリッタ，１５対物レンズ，１６ワーク部，１７制御部，２１光源，２２シャッタ，２３偏光版，２４ビームインテグレータ，２５ミラー，２６空間光変調器，２７集光レンズ，２８駆動部，３１光源，３２コリメータレンズ，３３アナモルフィックレンズ，３４ビームエキスパンダ，３５ビームスプリッタ，３６シャッタ，３７および３８ガルバノミラー，３９および４０リレーレンズ，４１反射光モニタ部，５１紫外線硬化樹脂，５２収容容器，５３駆動部

Claims

光造形物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光造形物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ごとに、前記光硬化性樹脂を露光する露光手段と、
前記露光手段による露光条件を前記ワーク小領域ごとに制御し、所定のワーク小領域における複数の階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させる露光制御手段と
を備え、
前記露光制御手段は、積層方向に連続する複数の階層のうちのｎ（ｎ：正の整数）層目の階層で、
ｎ層目の所定の前記ワーク小領域とｎ＋１層目の所定の前記ワーク小領域との露光パターンが略同一である場合、ｎ層目の所定の前記ワーク小領域に対する前記光硬化性樹脂の露光をスキップし、
ｎ層目の所定の前記ワーク小領域とｎ＋１層目の所定の前記ワーク小領域との露光パターンが略同一でない場合、ｎ−１層目以下において所定の前記ワーク小領域が未露光であるとき、所定の前記ワーク小領域において複数の階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させ、ｎ−１層目以下において所定の前記ワーク小領域が未露光でないとき、所定の前記ワーク小領域において１階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させる
光造形装置。
前記露光制御手段は、前記光硬化性樹脂を１度に露光させる階層数に応じて、前記光硬化性樹脂に照射される光の強度および照射時間を前記露光条件として、前記露光手段を制御する
請求項１に記載の光造形装置。
光造形物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光造形物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ごとに、前記光硬化性樹脂を露光し、
露光条件を前記ワーク小領域ごとに制御し、所定のワーク小領域における複数の階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させる
ステップを含み、
積層方向に連続する複数の階層のうちのｎ（ｎ：正の整数）層目の階層で、
ｎ層目の所定の前記ワーク小領域とｎ＋１層目の所定の前記ワーク小領域との露光パターンが略同一である場合、ｎ層目の所定の前記ワーク小領域に対する前記光硬化性樹脂の露光がスキップされ、
ｎ層目の所定の前記ワーク小領域とｎ＋１層目の所定の前記ワーク小領域との露光パターンが略同一でない場合、ｎ−１層目以下において所定の前記ワーク小領域が未露光であるとき、所定の前記ワーク小領域において複数の階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させ、ｎ−１層目以下において所定の前記ワーク小領域が未露光でないとき、所定の前記ワーク小領域において１階層分の前記光硬化性樹脂を１度に露光させる
光造形方法。