JP5931946B2 - 光照射装置および積層造形装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、光照射装置および積層造形装置に関する。

従来、積層造形装置に用いられる光照射装置として、噴射した粉末状の材料に、光束を照射して、該材料を溶融させる構成のものが知られている。

特開２００６−２０００３０号公報

積層造形装置用の光照射装置は、機能部が光束を遮らないような構成をする必要がある。そのため、従来の構成においては、機能部のレイアウトが大きく制限されていた。そこで、この種の光照射装置では、機能部のレイアウトの自由度を向上できる構成が得られれば有意義である。

実施形態の光照射装置は、積層造形装置用である。前記光照射装置は、集光部と、機能部と、を備える。前記集光部は、複数の第一の光束を集光する。前記機能部の少なくとも一部は、前記複数の第二の光束の間または前記複数の第二の光束に囲まれた位置に位置されている。前記集光部は、第一のレンズであり、前記複数の第一の光束の、前記第一のレンズの中心側の位置に、前記機能部の一部が位置されている。

図１は、第１の実施形態の積層造形装置の一例の模式図である。 図２は、第１の実施形態の積層造形装置による積層造形物の製造工程の一例が示された説明図である。 図３は、第１の実施形態の光照射装置の一例の内部の概略構成が示された模式的な斜視図である。 図４は、第１の実施形態の光照射装置の一例の内部の概略構成が示された模式的な側面図である。 図５は、第１の実施形態の分岐部の一例の側面図である。 図６は、第１の実施形態の集光部の一例の正面図である。 図７は、第１の実施形態の積層造形装置の一例の一部が示された模式図である。 図８は、第１の実施形態の光照射装置の一例が照射したレーザ光束の集光部位の模式図である。 図９は、第２の実施形態の光照射装置の一例の内部の概略構成が示された模式的な斜視図である。 図１０は、第２の実施形態の集光部の一例の正面図である。 図１１は、第３の実施形態の光照射装置の一例の内部の概略構成が示された模式的な斜視図である。 図１２は、第３の実施形態の光照射装置の一例の内部の概略構成が示された模式的な側面図である。 図１３は、第３の実施形態の光照射装置の一例の内部の概略構成が示された模式的な側面図であって、図１２とは異なる方向の視線での側面図である。 図１４は、第３の実施形態の光照射装置の分岐部の一例の側面図である。 図１５は、第３の実施形態の光照射装置の一例が照射したレーザ光束の集光部位の模式図である。 図１６は、第４の実施形態の光照射装置の一例の内部の概略構成が示された模式的な斜視図である。

以下、図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される。

（第１の実施形態）
図１に示されるように、積層造形装置１は、処理槽１１や、ステージ１２、移動装置１３、ノズル装置１４、光学装置１５、計測装置１６、制御装置１７等を備えている。

積層造形装置１は、ステージ１２上に配置された対象物１１０に、ノズル装置１４で供給される材料１２１を層状に積み重ねることにより、所定の形状の積層造形物１００を造形する。

対象物１１０は、ノズル装置１４によって材料１２１が供給される対象であって、ベース１１０ａおよび層１１０ｂを含む。複数の層１１０ｂがベース１１０ａの上面に積層される。材料１２１は、粉末状の金属材料や樹脂材料等である。造形には、一つ以上の材料１２１が用いられうる。

処理槽１１には、主室２１と副室２２とが設けられている。副室２２は、主室２１と隣接して設けられている。主室２１と副室２２との間には扉部２３が設けられている。扉部２３が開かれた場合、主室２１と副室２２とが連通され、扉部２３が閉じられた場合、主室２１が気密状態になる。

主室２１には、給気口２１ａおよび排気口２１ｂが設けられている。給気装置（図示されず）の動作により、主室２１内に給気口２１ａを介して窒素やアルゴン等の不活性ガスが供給される。排気装置（図示されず）の動作により、主室２１から排気口２１ｂを介して主室２１内のガスが排出される。

また、主室２１内には、移送装置（図示されず）が設けられている。また、主室２１から副室２２にかけて、搬送装置２４が設けられている。移送装置は、主室２１で処理された積層造形物１００を、搬送装置２４に渡す。搬送装置２４は、移送装置から渡された積層造形物１００を副室２２内に搬送する。すなわち、副室２２には、主室２１で処理された積層造形物１００が収容される。積層造形物１００が副室２２に収容された後、扉部２３が閉じられ、副室２２と主室２１とが隔絶される。

主室２１内には、ステージ１２や、移動装置１３、ノズル装置１４の一部、計測装置１６等が設けられている。

ステージ１２は、対象物１１０を支持する。移動装置１３は、ステージ１２を、互いに直交する三軸方向に移動することができる。

ノズル装置１４は、ステージ１２上に位置された対象物１１０に材料１２１を供給する。また、ノズル装置１４のノズル３３は、ステージ１２上に位置された対象物１１０にレーザ光束２００を照射する。ノズル装置１４は、複数の材料１２１を並行して供給することができるし、複数の材料１２１のうち一つを選択的に供給することができる。また、ノズル３３は、材料１２１の供給と並行してレーザ光束２００を照射する。

ノズル装置１４は、供給装置３１や、ノズル３３、供給管３４等を有している。材料は、供給装置３１から供給管３４を経てノズル３３へ供給される。

供給装置３１は、タンク３１ａと、供給部３１ｂと、を含む。タンク３１ａには、材料１２１が収容される。供給部３１ｂは、タンク３１ａの材料１２１を所定量供給する。供給装置３１は、粉状の材料１２１が含まれたキャリアガス（気体）を供給する。キャリアガスは、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガスである。

また、図１に示されるように、光学装置１５は、光源４１と、ケーブル２１０とを備えている。光源４１は、発振素子（図示されず）を有し、発振素子の発振によりレーザ光束２００を出射する。光源４１は、出射するレーザ光のパワー密度を変更することができる。

光源４１は、ケーブル２１０を介してノズル３３に接続されている。光源４１から出射されたレーザ光束２００は、ノズル３３に導かれる。ノズル３３は、レーザ光束２００を、対象物１１０や、対象物１１０に向けて噴射された材料１２１に照射する。

計測装置１６は、固化した層１１０ｂの形状および造形された積層造形物１００の形状を計測する。計測装置１６は、計測した形状の情報を制御装置１７に送信する。計測装置１６は、例えば、カメラ６１と、画像処理装置６２と、を備えている。画像処理装置６２は、カメラ６１で計測した情報に基づいて画像処理を行う。なお、計測装置１６は、例えば、干渉方式や光切断方式等によって、層１１０ｂおよび積層造形物１００の形状を計測する。

制御装置１７は、移動装置１３、搬送装置２４、供給装置３１、光源４１、および画像処理装置６２に、信号線２２０を介して電気的に接続されている。

制御装置１７は、移動装置１３を制御することで、ステージ１２を三軸方向に移動させる。制御装置１７は、搬送装置２４を制御することで、造形した積層造形物１００を副室２２に搬送する。制御装置１７は、供給装置３１を制御することで、材料１２１の供給の有無ならびに供給量を調整する。制御装置１７は、光源４１を制御することで、光源４１から出射されるレーザ光束２００のパワー密度を調整する。また、制御装置１７は、ノズル３３の移動を制御する。

制御装置１７は、記憶部１７ａを備えている。記憶部１７ａには、材料１２１の比率を示すデータや、造形する積層造形物１００の形状（参照形状）を示すデータ等が記憶されている。

制御装置１７は、ノズル３３から複数の異なる材料１２１を選択的に供給し、複数の材料１２１の比率を調整（変更）する機能を備えることができる。例えば、制御装置１７は、記憶部１７ａに記憶された各材料１２１の比率を示すデータに基づいて、当該比率で材料１２１の層１１０ｂが形成されるよう、供給装置３１等を制御する。この機能により、積層造形物１００の位置（場所）によって複数の材料１２１の比率が変化（漸減または漸増）する傾斜材料（傾斜機能材料）を造形することができる。具体的には、例えば、層１１０ｂの形成に際し、制御装置１７が、積層造形物１００の三次元座標の各位置に対応して設定された（記憶された）材料１２１の比率となるように、供給装置３１を制御することにより、積層造形物１００を、材料１２１の比率が三次元の任意の方向に変化する傾斜材料（傾斜機能材料）として造形することが可能である。単位長さあたりの材料１２１の比率の変化量（変化率）も、種々に設定することが可能である。

制御装置１７は、材料１２１の形状を判断する機能を備えている。例えば、制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状と比較することで、所定の形状でない部位が形成されているか否かを判断する。

また、制御装置１７は、材料１２１の形状の判断により所定の形状でない部位と判断された不要な部位を除去することで、材料１２１を所定の形状にトリミングする機能を備えている。例えば、制御装置１７は、まず、所定の形状とは異なる部位に材料１２１が飛散して付着している場合に、レーザ光束２００が材料１２１を蒸発可能なパワー密度となるように光源４１を制御する。次いで、制御装置１７は、レーザ光束２００を、当該部位に照射して材料１２１を蒸発させる。

次に、図２を参照し、積層造形装置１による積層造形物１００の製造方法について説明する。図２に示されるように、まずは、材料１２１の供給およびレーザ光束２００の照射が行われる。制御装置１７は、材料１２１がノズル３３から所定の範囲に供給されるよう供給装置３１等を制御するとともに、供給された材料１２１がレーザ光束２００によって溶融するよう、光源４１を制御する。これにより、図２に示されるように、ベース１１０ａ上の層１１０ｂを形成する範囲に、溶融した材料１２１が所定の量だけ供給される。材料１２１は、ベース１１０ａや層１１０ｂに噴射されると、変形して層状または薄膜状等の材料１２１の集合となる。あるいは、材料１２１は、材料１２１を運ぶキャリアガスによって冷却されるか若しくは材料１２１の集合への伝熱によって冷却されることにより、粒状で積層され、粒状の集合となる。

次に、アニール処理が行われる。アニール処理は、積層造形装置１の外でアニール装置（図示されず）を用いて行ってもよいが、積層造形装置１内で行ってもよい。後者の場合、制御装置１７は、ベース１１０ａ上の材料１２１の集合にレーザ光束２００が照射されるよう、光源４１を制御する。これにより、材料１２１の集合が再溶融されて層１１０ｂになる。

次に、形状計測が行われる。制御装置１７は、アニール処理が行われたベース１１０ａ上の材料１２１を計測するよう、計測装置１６を制御する。制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状と比較する。

次に、トリミングが行われる。トリミングは、積層造形装置１の外でトリミング装置（図示されず）を用いて行ってもよいが、積層造形装置１内で行ってもよい。後者の場合、制御装置１７は、形状計測ならびに参照形状との比較により、例えば、ベース１１０ａ上の材料１２１が所定の形状とは異なる位置に付着していたことが判明した場合には、不要な材料１２１が蒸発するよう、光源４１を制御する。一方、制御装置１７は、形状計測ならびに参照形状との比較により、層１１０ｂが所定の形状であったことが判明した場合には、トリミングを行わない。

上述した層１１０ｂの形成が終了すると、積層造形装置１は、当該層１１０ｂの上に、新たな層１１０ｂを形成する。積層造形装置１は、層１１０ｂを反復的に積み重ねることにより、積層造形物１００を造形する。

図１に示されるように、ノズル３３は、筐体７１を備えている。筐体７１は、上下方向に長い筒状に構成されている。筐体７１の下端部には、開口部７１ａ（図７参照）が設けられている。ノズル３３は、光照射装置の一例である。

図３にノズル３３の斜視図、図４にノズル３３の側面図が示されている。図３および図４に示されるように、ノズル３３は、レンズ７２と、ミラー７３と、レンズ７４と、管７５と、を備えている。レンズ７２、ミラー７３、レンズ７４、および管７５は、筐体７１（図１参照）の内部に収容され、筐体７１に支持されている。レンズ７２、ミラー７３、およびレンズ７４は、レーザ光束２００（レーザ光束２００ａ）を対象物１１０に照射する光学系を構成している。管７５は、供給装置３１と供給管３４とによって、材料１２１を供給する材料供給部６５を構成している。

レンズ７２は、その光軸が筐体７１の上下方向（長手方向）と略直交する方向に沿う姿勢で、筐体７１の上部に位置されている。レンズ７２には、ケーブル２１０から出射され広がったレーザ光束２００が入射する。レンズ７２は、入射されたレーザ光束２００を平行光束にして（変換して）出射する。レンズ７２から出射されたレーザ光束２００は、ミラー７３に入射する。ミラー７３に入射するレーザ光束２００は、第二の光束の一例である。

ミラー７３は、レンズ７２と対向している（面している）。ミラー７３は、複数の反射面７３ｃ，７３ｄを有している。また、ミラー７３は、図３ないし図５に示されるように、基部７３ａ（第一の部分）と、延出部７３ｂ（第二の部分）と、を有している。延出部７３ｂは、基部７３ａのレンズ７２側の部分から、レンズ７２に向けて延びている。延出部７３ｂの先端部（レンズ７２と対向する端部）には、反射面７３ｃが設けられ、基部７３ａのレンズ７２側の部分には、二つ（複数）の反射面７３ｄが設けられている。また、ミラー７３には、開口部７３ｅが設けられている。開口部７３ｅは、例えば貫通孔である。開口部７３ｅは、筐体７１の上下方向にミラー７３を貫通している。開口部７３ｅには、管７５の少なくとも一部が入れられている。なお、開口部７３ｅは、切り欠きであってもよい。

図４に示されるように、反射面７３ｃ，７３ｄは、それぞれ、レンズ７２から出射されたレーザ光束２００の光軸に対して傾斜し、レーザ光束２００の一部を筐体７１の下方に向けて反射する。なお、図４には、二つの反射面７３ｄのうち一方のみ示されているが、他方も同様に反射する。レーザ光束２００の光軸に対する各反射面７３ｃ，７３ｄの傾きは、略同じである。図４からわかるように、反射面７３ｄは、反射面７３ｃよりもレンズ７２から離れた位置（遠い側、図４では左側）に位置されている。換言すれば、反射面７３ｃは、反射面７３ｄよりもレンズ７２に近い位置（近い側、図４では右側）に位置されている。すなわち、反射面７３ｃは、第一の方向Ｄを視線方向として管７５を見たとき（図３および図４参照、レンズ７２から反射面７３ｃに向かう方向）、管７５の後方（レンズ７２に近い側を後方とする）に位置されている。また、反射面７３ｄは、第一の方向Ｄを視線方向として管７５を見たとき、反射面７３ｃよりも前方（レンズ７２から遠い側を前方とする）に位置されている。

また、図５に示されるように、二つの反射面７３ｄは、筐体７１の上下方向と略直交する方向、且つレンズ７２から出射されたレーザ光束２００の光軸と略直交する方向（図５の左右方向）に、互いに間隔を空けて位置されている。二つの反射面７３ｄの間に、延出部７３ｂが位置されるとともに、第一の方向Ｄを視線方向として管７５を見たとき、二つの反射面７３ｄの間に、反射面７３ｃが位置されている。すなわち、第一の方向Ｄを視線方向として管７５を見たとき、反射面７３ｃは、管７５と重なる位置に位置され、反射面７３ｄは、管７５とは外れた位置に位置されている。ここで、第一の方向Ｄを視線方向として管７５を見たとき、管７５は反射面７３ｃに完全に隠れる構造になっている。これより、レンズ７２から出射されたレーザ光束２００は、必ず、反射面７３ｃあるいは７３ｄのいずれかに到達し、反射される。つまり、レーザ光束２００の全光束は全て反射されることになり、反射面７３ｃ，７３ｄを外れる光束がないため、効率がよい。

このように、本実施形態では、ミラー７３の、管７５の周囲に周方向に分散して配置された複数（三つ）の反射面７３ｃ，７３ｄによって、一つのレーザ光束２００から複数（三つ）のレーザ光束２００ａが得られる。各レーザ光束２００ａは、レーザ光束２００が複数に分岐されることにより得られるので、レーザ光束２００ａは、レーザ光束２００の一部ということができる。複数のレーザ光束２００ａは、管７５の周囲に周方向に分散して配置され、それぞれ、管７５の長手方向（軸方向、中心軸Ａｘ）に略沿って進む。複数のレーザ光束２００ａは、筐体７１の中心軸Ａｘから離れた状態で、レンズ７４に向かって進む。つまり、レーザ光束２００ａは、少なくともミラー７３とレンズ７４との間では、中心軸Ａｘと重ならない。ミラー７３から出射された複数のレーザ光束２００ａは、互いに離れた状態で、レンズ７４に入射する。ミラー７３は、分岐部の一例である。反射面７３ｃは、第一の反射面の一例であり、反射面７３ｄは、第二の反射面の一例である。レーザ光束２００ａは、第一の光束の一例である。

レンズ７４は、ミラー７３の下方に位置されて、筐体７１の上下方向で、ミラー７３と対向している。レンズ７４の光軸は、筐体７１の中心軸Ａｘと略一致している。図６に示されるように、レンズ７４には、複数のレーザ光束２００ａが入射する。複数のレーザ光束２００ａは、レンズ７４のうち中心部（光軸）から離れた部分を通る。すなわち、レーザ光束２００ａは、互いに離れた状態で、レンズ７４を通過する。レンズ７４は、複数のレーザ光束２００ａを集光する。複数のレーザ光束２００ａの各中心部が、レンズ７４の光軸から互いに同じ距離に位置されることにより、レンズ７４によるレーザ光束２００ａの集光がより良好に行われる。これは、レンズ７４の光軸に対する対称性がよいほど、集光部位２００ｂ（集光スポット）が小さくなりやすいことによる。レンズ７４は、各レーザ光束２００ａを筐体７１の開口部７１ａから下方へ出射して、それらのレーザ光束２００ａを筐体７１の下方に集光する。図３および図４から明らかとなるように、このような構成により、複数のレーザ光束２００ａは、管７５を避けながら、集光部位２００ｂ（集光位置）に集光される。集光部位２００ｂは、管７５の軸方向に沿って管７５の軸方向の端部よりも外側に位置される。集光部位２００ｂの形状は、一例として図８に示されるように、非円形となる。レンズ７４は、集光部および第一のレンズの一例である。

また、図６に示されるように、レンズ７４には、開口部７４ａが設けられている。開口部７４ａは、三つ（複数）のレーザ光束２００の、レンズ７４の中心側の位置に、設けられている。具体的には、開口部７４ａは、レンズ７４の中央部に設けられている。開口部７４ａは、レンズ７４のうちレーザ光束２００ａが通る領域７４ｂから外れた位置に設けられている。開口部７４ａは、一例として、貫通孔である。開口部７４ａは、レンズ７４の光軸に沿ってレンズ７４を貫通している。開口部７４ａは、管７５の一部を収容している。なお、開口部７４ａは、切り欠きであってもよい。開口部７４ａは、第二の開口部の一例である。

図３および図４に示されるように、管７５は、筐体７１の上下方向に沿って延びている。管７５は、その通路７５ａが筐体７１の中心軸Ａｘと重なっている。管７５は、ミラー７３の開口部７３ｅに挿入されるとともに、レンズ７４の開口部７４ａに挿入されている。管７５は、ミラー７３の上方位置とレンズ７４の下方位置との間で延びている。管７５は、複数のレーザ光束２００ａに囲まれた位置に、少なくとも一部が位置されている。具体的には、管７５は、少なくともミラー７３よりも下方の部分が、複数のレーザ光束２００ａに囲まれている。すなわち、管７５の少なくともミラー７３よりも下方の部分の周囲に、複数のレーザ光束２００ａが配置されている。複数のレーザ光束２００ａは、管７５を避けながら集光される。管７５は、機能部の一例である。

図７に示されるように、管７５の内部には、通路７５ａが設けられている。また、管７５の下端部（先端部）には、通路７５ａに連通した開口部７５ｂが設けられている。開口部７５ｂは、複数のレーザ光束２００ａの集光部位２００ｂの上方（レンズ７４側）に位置されて、集光部位２００ｂと上下方向で対向する。また、開口部７５ｂは、対象物１１０の上方に位置されて、対象物１１０と上下方向で対向する。開口部７５ｂは、第三の開口部の一例である。

管７５は、供給管３４から通路７５ａ内にキャリアガスとともに供給された材料１２１を、開口部７５ｂから噴射する。具体的には、管７５（開口部７５ｂ）は、材料１２１を、対象物１１０の上方から対象物１１０に対して略垂直に噴射する。噴射された材料１２１は、複数のレーザ光束２００ａの集光部位２００ｂに到達して、集光部位２００ｂで溶融される。溶融された材料１２１は、対象物１１０上に供給されて、対象物１１０上に積層される。ここで、対象物１１０に対して斜め上方からキャリアガスおよび材料１２１を噴射する構成の場合には、材料１２１が対象物１１０に反跳されて飛散しやすいとともに、対象物１１０上の材料１２１の集合の径が大きくなりやすい。これに対して、本実施形態では、管７５が、キャリアガスおよび材料１２１を、対象物１１０の上方から対象物１１０に対して略垂直に噴射するので、対象物１１０に到達した材料１２１が、例えば対象物１１０上で跳ね返っても、対象物１１０の垂直方向に跳ね返る。これにより、材料１２１は、上方から噴射されたキャリアガスによって対象物１１０に向けて押される。よって、材料１２１が対象物１１０上に留まりやすく、材料１２１の飛散が抑制されやすい。また、管７５が、対象物１１０の上方から対象物１１０に対して略垂直に材料１２１を噴射するので、対象物１１０上での材料１２１の集合の径が小さくなりやすい。

以上、説明したように、本実施形態では、ノズル３３（光照射装置）は、ミラー７３（分岐部）と、レンズ７４（集光部）と、管７５（機能部）と、を備えている。ミラー７３は、レーザ光束２００（第二の光束）を複数のレーザ光束２００ａ（第一の光束）に分岐させる。レンズ７４は、複数のレーザ光束２００ａを集光する。管７５は、複数のレーザ光束２００ａに囲まれた位置（領域）に、少なくとも一部が位置されている。よって、本実施形態によれば、例えば、管７５が対象物１１０に対して垂直にキャリアガスおよび材料１２１を噴射できる位置や、ノズル３３の中心軸と重なる位置、集光部位２００ｂの直上等に、管７５を配置できる。すなわち、本実施形態によれば、例えば、管７５のレイアウトの自由度を向上でき、管７５をより良好に機能する位置に配置できる。

また、本実施形態では、ミラー７３は、反射面７３ｃ，７３ｄを有している。反射面７３ｃは、第一の方向Ｄを視線方向として管７５を見たとき、管７５と重なる位置で管７５の後方に位置されている。反射面７３ｄは、第一の方向Ｄを視線方向として管７５を見たとき、管７５から外れた位置で反射面７３ｃよりも前方に位置されている。よって、本実施形態によれば、反射面７３ｃ，７３ｄがレーザ光束２００の全光束を反射することにより、管７５の周囲で、レーザ光束２００を複数のレーザ光束２００ａに分岐させることができる。

また、本実施形態では、ミラー７３は、複数の反射面７３ｄを有している。反射面７３ｃは、第一の方向Ｄを視線方向として管７５を見たとき、反射面７３ｄの間に位置されている。よって、本実施形態によれば、レーザ光束２００を、管７５を囲む三つのレーザ光束２００ａに分岐させることができる。

また、本実施形態では、レンズ７４には、複数のレーザ光束２００ａの、当該レンズ７４の中心側の位置に、管７５の一部を収容する開口部７４ａが設けられている。よって、本実施形態によれば、複数のレーザ光束２００ａの集光部位２００ｂの比較的近くに管７５を位置させることができる。管７５が集光部位２００ｂよりも離れるほど、管７５から供給される材料１２１は対象物１１０において広がる。そこで、管７５と集光部位２００ｂを近づけることにより、供給される材料１２１が対象物１１０において広がるのを低減することができる。これにより、精度の良い造形が可能となる。

また、本実施形態では、レンズ７４には、レーザ光束２００ａが通る複数の領域７４ｂから外れた位置に、開口部７４ａが設けられている。よって、本実施形態によれば、レンズ７４によってレーザ光束２００ａが良好に集光される。

（第２の実施形態）
本実施形態は、ノズル３３Ａが第１の実施形態に対して異なる。図９に示されるように、ノズル３３Ａは、レンズ７２、ミラー７３、レンズ７４、および管７５の他に、管７６を備えている。また、レンズ７４が第１の実施形態に対して異なる。

図１０に示されるように、レンズ７４には、開口部７４ａの他に、二つ（複数）の開口部７４ｃが設けられている。開口部７４ｃは、レンズ７４のうち複数のレーザ光束２００ａが通る複数の領域７４ｂから外れた位置に設けられている。開口部７４ｃは、一例として貫通孔である。開口部７４ｃは、レンズ７４の光軸に沿ってレンズ７４を貫通している。なお、開口部７４ｃは、切り欠きであってもよい。

二つ（複数）の管７６が、管７５の周囲に位置されている。管７６は、管７５（筐体７１の中心軸Ａｘ）に対して傾斜している。管７６の内部には、通路７６ａが設けられている。通路７６ａは、その下端部が管７５の通路７５ａと連通している。また、管７６は、レンズ７４の開口部７４ｃに挿入されている。すなわち、開口部７４ｃは、管７６の一部を収容している。管７６には、供給装置３１から供給管３４を介して材料１２１が供給される。本実施形態では、供給管３４は、管７５，７６毎に設けられ、管７５，７６は、それぞれに対応した供給管３４を介して、供給装置３１に接続される。

各管７５，７６に供給される材料１２１は、同じ種類であってもよいし互いに異なる種類であってもよい。後者の場合、複数の管７５，７６の二つ以上に材料１２１が供給された場合、それらの材料１２１が管７５の下端部で混合される。混合された材料は、管７５の開口部７５ｂから噴射される。一方、複数の管７５，７６のうちの一つだけに材料１２１が供給された場合、その材料１２１が管７５の開口部７５ｂから噴射される。なお、各管７５，７６の通路７５ａ，７６ａは、互いに接続されていなくてもよい。この構成の場合、各管７５，７６が個々に材料１２１を噴射し、二つ以上の管７５，７６から噴射された材料１２１が管７５の下方で混合されてよい。すなわち、管７５，７６の外部で複数の材料１２１が混合されてよい。

以上の構成では、第１の実施形態と同様に、管７５（機能部）の少なくとも一部が、複数のレーザ光束２００ａ（第一の光束）に囲まれた位置に、位置されている。よって、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、管７５が対象物１１０に対して垂直にキャリアガスおよび材料１２１を噴射できる位置や、ノズル３３の中心軸と重なる位置、集光部位２００ｂの直上等に、管７５を配置できる。すなわち、本実施形態によれば、例えば、管７５のレイアウトの自由度を向上でき、管７５をより良好に機能する位置に配置できる。また、管７６が設けられているので、異なる材料１２１を混合することも可能となる。あるいは、各管７５，７６に同じ材料１２１を供給し、材料１２１の供給量を増やすことも可能となる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、ノズル３３Ｂが第１の実施形態に対して異なる。ノズル３３Ｂは、図１１ないし図１３に示されるように、レンズ７２と、レンズ７７と、レンズ７８と、レンズ７４と、管７５と、管７６と、を有している。

本実施形態では、レンズ７２は、光軸が筐体７１の上下方向（長手方向）に沿う姿勢で、筐体７１の上部に位置されている。レンズ７２の光軸は、筐体７１の中心軸Ａｘと略一致している。レンズ７２には、ケーブル２１０から出射されて広がったレーザ光束２００が入射する。レンズ７２は、入射されたレーザ光束２００を平行光束にして出射する。レンズ７２から出射されたレーザ光束２００は、レンズ７７に入射する。レンズ７７に入射するレーザ光束２００は、第二の光束の一例である。

レンズ７７は、レンズ７２の下方に位置され、筐体７１の上下方向でレンズ７２と対向している。レンズ７７は、入射されたレーザ光束２００を複数のレーザ光束２００ａに分岐させる。図１１および図１４に示されるように、レンズ７７は、二つ（複数）の入射面７７ａと、一つの出射面７７ｂと、を有している。入射面７７ａは、凸面状に構成されている。具体的には、入射面７７ａは、円筒面の一部を構成する湾曲面に構成されている。入射面７７ａは、レンズ７２に向かって突出している。二つの入射面７７ａは、円筒の軸心が互いに平行となるように、互いに接続されている。出射面７７ｂは、略平坦に構成されている。レンズ７７において、二つの入射面７７ａの境界部の反対側の出射面７７ｂの部分には、凹部７７ｃが設けられている。凹部７７ｃは、二つの出射面７７ｂの境界部に向けて凹んでいる。レンズ７７は、分岐部および第二のレンズの一例である。

レンズ７７は、例えば、二つの部材７７ｄが接続されて構成されうる。部材７７ｄは、シリンドリカルレンズの一部を削除した形状に構成されている。各部材７７ｄは、一つの入射面７７ａと、出射面７７ｂの一部と、を有する。二つの部材７７ｄの境界面７７ｅに凹部７７ｃが接続されている。凹部７７ｃは、境界面７７ｅを進んだレーザ光束２００を斜め下方に出射して、レーザ光束２００ａに含ませる。これにより、境界面７７ｅを進むレーザ光束２００がロスされなくなる。つまり、レーザ光束２００の利用効率の向上を図れる。レンズ７７は、二つの同一仕様の部材７７ｄにより構成されうる。

図１１に示されるように、レンズ７７には、二つの入射面７７ａにレーザ光束２００が入射される。レンズ７７は、入射面７７ａに入射されたレーザ光束２００を、二つのレーザ光束２００ａに分岐させて出射面７７ｂから出射する。レーザ光束２００ａは、レンズ７７とレンズ７８との間で収束され、収束後に広がってレンズ７８に入射する。本実施形態では、一つのレーザ光束２００を一つのレンズ７７で複数のレーザ光束２００ａに分岐させるので、それらのレーザ光束２００ａがレンズ７８に同時に入射しやすい。つまり、収差補正をかけやすいという利点がある。

図１１ないし図１３に示されるように、レンズ７８は、レンズ７７の下方に位置され、筐体７１の上下方向でレンズ７７と対向する。レンズ７８は、レンズ７７とレンズ７４との間に設けられている。レンズ７８は、入射された二つのレーザ光束２００ａを平行光束にして（変換して）出射する。

レンズ７８は、一つの入射面７８ａと、二つ（複数）の出射面７８ｂと、を有している。入射面７８ａは、略平坦に構成されている。出射面７８ｂは、凸面状に構成されている。具体的には、出射面７８ｂは、円筒面の一部を構成する湾曲面に構成されている。出射面７８ｂは、レンズ７４に向かって突出している。二つの出射面７８ｂは、円筒の軸心が互いに平行となるように、互いに接続されている。レンズ７８は、第三のレンズの一例である。

レンズ７８は、例えば、二つの部材７８ｃが接続されて構成されうる。各部材７８ｃは、入射面７８ａの一部と、一つの出射面７８ｂと、を有する。部材７８ｃは、シリンドリカルレンズの一部を削除した形状に構成されている。レンズ７８は、二つの同一仕様の部材７８ｃにより構成されうる。

レンズ７８では、入射面７８ａに二つのレーザ光束２００ａが入射される。レンズ７８は、入射された各レーザ光束２００ａを平行光束にして（変換して）出射面７８ｂから出射する。一つの出射面７８ｂは、一つのレーザ光束２００ａを出射する。

また、レンズ７８には、開口部７８ｄが設けられている。開口部７８ｄは、二つ（複数）のレーザ光束２００ａの、当該レンズ７８の中心側の位置に、設けられている。具体的には、開口部７８ｄは、レンズ７８の中央部に設けられている。開口部７８ｄは、レンズ７８のうちレーザ光束２００ａが通る領域７８ｅから外れた位置に設けられている。開口部７８ｄは、一例として、貫通孔である。開口部７８ｄは、レンズ７８の光軸に沿ってレンズ７８を貫通している。開口部７８ｄは、管７５の一部を収容している。なお、開口部７８ｄは、切り欠きであってもよい。開口部７８ｄは、第一の開口部の一例である。

また、レンズ７４の構成は、第１の実施形態と同じであるが、本実施形態では、レンズ７４には、レンズ７８から出射された二つのレーザ光束２００ａが入射される。レンズ７４は、入射された二つのレーザ光束２００ａを集光する。複数のレーザ光束２００ａは、管７５を避けながら集光される。レンズ７４によって集光された二つのレーザ光束２００ａの集光部位２００ｂ（集光スポット）の形状は、一例として図１５に示されるように、レンズ７７の作用により、線状（帯状）となる。集光部位２００ｂは、レンズ７７，７８の円筒の軸心に沿って延びる。

図１１ないし図１３に示されるように、管７５は、筐体７１の上下方向に沿って延びている。管７５は、その通路７５ａが筐体７１の中心軸Ａｘと重なっている。管７５は、レンズ７８の開口部７８ｄに挿入されるとともに、レンズ７４の開口部７４ａ（図６参照）に挿入されている。管７５は、レンズ７７とレンズ７８との中間位置から下方に延出している。本実施形態では、管７５は、二つ（複数）のレーザ光束２００ａの間に、少なくとも一部が位置されている。具体的には、本実施形態では、管７５の全体が、二つ（複数）のレーザ光束２００ａの間に、少なくとも一部が位置されている。すなわち、管７５の周囲に、二つ（複数）のレーザ光束２００ａが配置されている。二つ（複数）のレーザ光束２００ａは、管７５を避けながら集光される。

管７６は、二つ（複数）設けられている。管７６は、管７５の上端部に接続されている。管７６は、管７５（筐体７１の中心軸Ａｘ）に対して傾斜している。管７６は、互いに異なる方向に管７５の上端部から斜め上方へ延出している。管７６は、レンズ７７とレンズ７８との間の位置からレンズ７７の側方に向けて延出している。管７６の通路７６ａの下端部は、管７５の通路７５ａの上端部と連通している。管７６には、供給装置３１から供給管３４を介して材料１２１が供給される。本実施形態では、供給管３４は、管７６毎に設けられ、管７６は、それぞれに対応した供給管３４を介して、供給装置３１に接続される。なお、本実施形態では、管７５は、供給管３４に直接は接続されていない。

各管７６に供給される材料１２１は、同じ種類であってもよいし互いに異なる種類であってもよい。後者の場合、各管７６に材料１２１が供給された場合、それらの材料１２１が管７５で混合される。混合された材料１２１は、管７５の開口部７５ｂから噴射される。一方、二つの管７６のうちの一つだけに材料１２１が供給された場合、その材料１２１が管７５の開口部７５ｂから噴射される。

以上の構成では、管７５（機能部）の少なくとも一部が、複数のレーザ光束２００ａの間に位置されている。よって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、管７５が対象物１１０に対して垂直にキャリアガスおよび材料１２１を噴射できる位置や、ノズル３３の中心軸と重なる位置、集光部位２００ｂの直上等に、管７５を配置できる。すなわち、本実施形態によれば、例えば、管７５のレイアウトの自由度を向上でき、管７５をより良好に機能する位置に配置できる。また、管７６が設けられているので、異なる材料１２１を混合することも可能となる。あるいは、各管７６に同じ材料１２１を供給し、材料１２１の供給量を増やすことも可能となる。

また、本実施形態では、分岐部がレンズ７７である。よって、本実施形態によれば、分岐部がミラーである場合に比べて、レーザ光束２００の分岐によって、レーザ光束２００のエネルギーが吸収されるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、レンズ７８は、レンズ７７とレンズ７４との間に設けられ、入射された複数のレーザ光束２００ａを平行光束にして出射する。よって、本実施形態によれば、レンズ７４に平行光束が入射されるので、レンズ７４によって複数のレーザ光束２００ａをより容易にあるいはより精度良く集光することができる。

また、本実施形態では、レンズ７８には、複数のレーザ光束２００ａの、当該レンズ７８の中心側の位置に、管７５の一部を収容する開口部７８ｄが設けられている。よって、本実施形態によれば、複数のレーザ光束２００ａの集光部位２００ｂの比較的近くに管７５を位置させることができる。管７５が集光部位２００ｂよりも離れるほど、管７５から供給される材料１２１は対象物１１０において広がる。そこで、管７５と集光部位２００ｂを近づけることにより、供給される材料１２１が対象物１１０において広がるのを低減することができる。これにより、精度の良い造形が可能となる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、ノズル３３Ｃが主に第１の実施形態に対して異なる。ノズル３３Ｃは、図１６に示されるように、レンズ７２、ミラー７３、レンズ７４、および管７５の他に、管８０を有している。本実施形態では、管８０が材料噴射用であり、管７５は、気体吸引用である。

管８０は、供給管３４に接続されている。管８０には、供給管３４を介して供給装置３１から材料１２１が供給される。管８０は、レーザ光束２００ａの集光部位２００ｂに向けて材料１２１を噴射する。管８０は、供給装置３１と供給管３４とによって、材料供給部６５を構成している。

管７５の構成および配置は、第１の実施形態と同様であり、管７５には、通路７５ａおよび開口部７５ｂ（図７参照）が設けられている。ただし、本実施形態では、管７５は、管８１を介して吸引装置８２に接続されている。吸引装置８２は、例えば、ファンやフィルタを有し、気体を吸引する。管７５は、吸引装置８２の吸引動作によって、開口部７５ｂから気体を吸引する。管７５（開口部７５ｂ）は、レーザ光束２００ａの集光部位２００ｂの周囲の気体を吸引することで、レーザ光束２００ａの照射による材料１２１の溶融によって生じた煤や煙を吸引する。煤や煙は上昇するので、管７５がレーザ光束２００ａの集光部位２００ｂの上方に位置されることで、管７５が良好に煤や煙を吸引することができる。本実施形態では、管７５は、機能部の一例であり、開口部７５ｂは、第四の開口部の一例である。

上記構成によれば、第１の実施形態と同様に、管７５がノズル３３の中心軸と重なる位置や、集光部位２００ｂの直上等に、管７５を配置できる。すなわち、本実施形態によれば、例えば、管７５のレイアウトの自由度を向上でき、管７５をより良好に機能する位置に配置できる。

以上説明したとおり、上記各実施形態によれば、例えば、管７５のレイアウトの自由度を向上でき、管７５をより良好に機能する位置に配置できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、機能部は、撮像装置（カメラ）や温度センサ、照明装置等であってもよい。また、管７５は洗剤を噴射してもよい。また、機能部は、装置や、部品、電気部品、センサ等を固定的にあるいは着脱可能に支持あるいは保持する部品や、構成、形状等であってもよい。

また、分岐部は、それぞれ反射面を有した複数のミラーによって構成されてもよい。また、分岐部は、入射されたレーザ光束２００を、複数の分岐線によって複数のレーザ光束２００ａに分岐して、該レーザ光束２００ａを分岐線から出射する分岐光ファイバーであってもよい。この場合、分岐線毎に、レーザ光束２００ａを平行光束にするレンズを設けてよい。また、光照射装置には、広がる光束ではなく平行光束が入射されてよい。この場合、レンズ７２を省略することができる。

また、集光部は、複数のレンズによって構成されてもよい。また、ミラー７３の反射面７３ｃ，７３ｄを凹面状の湾曲面として、該反射面７３ｃ，７３ｄによって複数のレーザ光束２００ａを集光させてもよい。この場合、ミラー７３が分岐部とともに集光部として機能するので、レンズ７４を省略することができる。

また、積層造形装置は、例えば、材料供給部によって粉末状の材料を供給して材料層を形成する工程と、該材料層に、光照射装置によって光束を照射する工程と、を繰り返し行うことにより、個化層を積層させて造形を行う構成等であってもよい。この場合、光照射装置には、材料を噴射するための構成は不要である。

１…積層造形装置、３３，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ…ノズル（光照射装置）、４１…光源、６５…材料供給部、７３…ミラー（分岐部）、７３ｃ…反射面（第一の反射面）、７３ｄ…反射面（第二の反射面）、７４…レンズ（集光部、第一のレンズ）、７４ａ…開口部（第二の開口部）、７４ｂ…領域、７５…管（機能部）、７５ｂ…開口部（第三の開口部、第四の開口部）、７７…レンズ（分岐部、第二のレンズ）、７７ａ…入射面、７７ｂ…出射面、７８…レンズ（第三のレンズ）、７８ｄ…開口部（第一の開口部）、２００…レーザ光束（第二の光束）、２００ａ…レーザ光束（第一の光束）、Ｄ…第一の方向。

Claims (14)

1. 複数の第一の光束を集光する集光部と、
   前記複数の第一の光束の間または前記複数の第一の光束に囲まれた位置に、少なくとも一部が位置された機能部と、
   を備え、
   前記集光部は、第一のレンズであり、
   前記複数の第一の光束の、前記第一のレンズの中心側の位置に、前記機能部の一部が位置された、積層造形装置用の光照射装置。
2. 第二の光束を前記複数の第一の光束に分岐させる分岐部を備えた請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記分岐部は、第一の方向を視線方向として前記機能部を見たとき、前記機能部と重なる位置で前記機能部の後方に位置された第一の反射面と、前記機能部から外れた位置で前記第一の反射面よりも前方に位置された第二の反射面と、を有した、請求項２に記載の光照射装置。
4. 前記分岐部は、複数の前記第二の反射面を有し、
   前記第一の反射面は、前記第一の方向を視線方向として前記機能部を見たとき、前記第二の反射面の間に位置された、請求項３に記載の光照射装置。
5. 前記分岐部は、前記第二の光束が入射される複数の凸面状の入射面と、前記第一の光束を出射する一つの出射面と、を有した第二のレンズである、請求項２に記載の光照射装置。
6. 前記第二のレンズと前記集光部との間に設けられ、入射された複数の前記第一の光束を平行光束にして出射する第三のレンズを備えた、請求項５に記載の光照射装置。
7. 前記第三のレンズには、前記複数の第一の光束の、当該第三のレンズの中心側の位置に、前記機能部の一部を収容する第一の開口部が設けられた、請求項６に記載の光照射装置。
8. 前記第一のレンズには、前記複数の第一の光束の、当該第一のレンズの中心側の位置に、前記機能部の一部を収容する第二の開口部が設けられた、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光照射装置。
9. 前記第一のレンズには、前記第一の光束が通る複数の領域から外れた位置に、前記第二の開口部が設けられた、請求項８に記載の光照射装置。
10. 前記機能部には、材料を噴射する第三の開口部が設けられた、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光照射装置。
11. 前記機能部には、気体を吸引する第四の開口部が設けられた、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光照射装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の光照射装置と、
    光源と、
    材料供給部と、
    を備えた積層造形装置。
13. 複数の第一の光束を集光する集光部と、
    前記複数の第一の光束の間または前記複数の第一の光束に囲まれた位置に、少なくとも一部が位置された機能部と、
    第二の光束を前記複数の第一の光束に分岐させる分岐部と、
    を備え、
    前記分岐部は、第一の方向を視線方向として前記機能部を見たとき、前記機能部と重なる位置で前記機能部の後方に位置された第一の反射面と、前記機能部から外れた位置で前記第一の反射面よりも前方に位置された第二の反射面と、を有した、積層造形装置用の光照射装置。
14. 複数の第一の光束を集光する集光部と、
    前記複数の第一の光束の間または前記複数の第一の光束に囲まれた位置に、少なくとも一部が位置された機能部と、
    第二の光束を前記複数の第一の光束に分岐させる分岐部と、
    を備え、
    前記分岐部は、前記第二の光束が入射される複数の凸面状の入射面と、前記第一の光束を出射する一つの出射面と、を有したレンズであり、
    前記レンズと前記集光部との間に設けられ、入射された複数の前記第一の光束を平行光束にして出射するレンズを備え、
    前記出射するレンズには、前記複数の第一の光束の、当該レンズの中心側の位置に、前記機能部の一部を収容する第一の開口部が設けられた、積層造形装置用の光照射装置。

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