JP6353911B2 - 光加工装置および造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工面にレーザ光などの光を照射し、その照射部に、例えば、粉体材料を含む流体を噴射することにより、粉体材料を溶融して造形する光加工に用いられる光加工装置に関するものであり、特に、光加工装置のノズルヘッドもしくはノズルの移動の機動性ならびに加工精度の向上に関する。

上記技術分野に属する特許文献１では、粉体材料を加工点に向けて射出する粉体射出部と加工光のエネルギーを集光する集光光学系とが一体となった加工ヘッドが開示されている。

米国特許第７２２３９３５号明細書

従来の構造では、粉体射出部であるノズル（あるいはノズルヘッド）と集光光学系とが一体となっているため、光加工ヘッドは重いものであり、光加工ヘッドを移動させる際の機動性が低かった。

特に、レーザ光などの加工光の光源は重量があり機動性は低い。そのため、光源を光加工ヘッドと共に移動させることは困難である。そこで従来では、光源を固定し、光源と光加工ヘッドを光ファイバーで結び、光加工ヘッドを移動させる構成としていた。

さらに、光ファイバー自体は細く重くはないものの、光ファイバーを保護する被覆を含めると重量とボリュームは嵩み、さらに、光加工ヘッドと共に移動するファイバーが他の機器と干渉するおそれがある。

そのために、光加工ヘッドの集光光学系のみならず、光ファイバーも加工装置全体の機動性を低める障害となっていた。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、
光加工用の光線を射出する光源と、
前記光源から射出された前記光線を受光し、受光光線を加工点に集光させる光学系を有するノズルヘッドと、
前記ノズルヘッドを移動させる移動機構と、
を有し、
前記光学系は、
内壁面が鏡面で回転対称軸を有し、前記加工点を焦点として有する回転対称ミラーと、
前記回転対称ミラーの前記回転対称軸に沿って加工点から離れた位置に、前記光源からの光線を取り込む入射開口と、
を含み、
前記光線が前記入射開口から入射して、前記回転対称ミラーの前記内壁面で反射するように、前記入射開口よりも加工点から離れた位置に前記光源が配置され、
前記回転対称ミラーを用いたノズルヘッドがＸＹ平面内で任意に移動したとき、前記光源のチルト角度の調整角度Δβについて、前記光源の前記入射開口からの高さをＬ０、前記光源から移動前の前記回転対称ミラーの焦点までの距離をＤ０、前記光源から移動後の前記回転対称ミラーの焦点までの距離をＤ１とすると、
Δβ＝tan ^-1 (D0/L0)−tan ^-1 (D1/L0)
となる角度調整を行いつつ、
前記ノズルヘッドの移動に応じて、前記光源からの光線が前記焦点に向くように、前記光源の光線を回動させる調整手段をさらに備えた。

上記目的を達成するため、本発明に係る造形装置は、
上記光加工装置を備え、積層造形を行う造形装置であって、
前記ノズルヘッドは、粉体材料を前記加工点に向けて噴射する。

上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置の制御方法は、
光加工用の光線を射出する光源と、
前記光源から射出された前記光線を受光し、受光光線を加工点に集光させる光学系を有するノズルヘッドと、
前記ノズルヘッドを移動させる移動機構と、
を有する光加工装置の制御方法であって、
前記光学系は、
内壁面が鏡面で回転対称軸を有し、前記加工点を焦点として有する回転対称ミラーと、
前記回転対称ミラーの前記回転対称軸に沿って加工点から離れた位置に、前記光源からの光線を取り込む入射開口と、
を含み、
前記光線が前記入射開口から入射して、前記回転対称ミラーの前記内壁面で反射するように、前記入射開口よりも加工点から離れた位置に前記光源が配置され、
前記回転対称ミラーを用いたノズルヘッドがＸＹ平面内で任意に移動したとき、前記光源のチルト角度の調整角度Δβについて、前記光源の前記入射開口からの高さをＬ０、前記光源から移動前の前記回転対称ミラーの焦点までの距離をＤ０、前記光源から移動後の前記回転対称ミラーの焦点までの距離をＤ１とすると、
Δβ＝tan ^-1 (D0/L0)−tan ^-1 (D1/L0)
となる角度調整を行いつつ、
前記ノズルヘッドの移動に応じて、前記光源からの光線が前記焦点に向くように、前記光源の光線を回動させる調整工程を含む。

本発明によれば、光加工装置の機動性を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る光加工装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態の光加工装置において、ノズルヘッドの任意の移動に追随して、光源からの平行光線が、エネルギーの拡散やロスもなくてノズルヘッドに到達する原理を説明する図である。 本発明の第１実施形態の光線方向変換光学系の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態の加工装置において、ノズルヘッドが時間の経過(ｔ１→ｔ２→ｔ３)と共にＸＹ平面上で移動に追随して、加工点(集光点または光線の収束点)が加工基板上の一点に集光し続け、移動していく様子を示す図である。 本発明の第１実施形態において、ノズルヘッドがＹ軸方向に平行移動しても、Ｙ軸方向に平行な光線が、Ｙ軸に対して４５度傾斜した平面ミラーにより、ノズルヘッドに到達する様子を示す図である。 本発明の第１実施形態の光加工装置を、Ｙ軸に沿って複数ヘッドを配置したマルチヘッド光加工装置に適用した変形実施例の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる光加工装置の構成を概念的に示す図である。 本発明の第２実施形態の回転対称ミラーを、回転楕円体鏡面を有するミラーにより実現した第２実施形態の第１実施例の構成を示す図である。 第２実施形態の第１実施例である回転楕円体鏡面の構成を説明する図である。 本発明の第２実施形態の回転対称ミラーを、回転放物面体鏡面を有するミラーにより実現した第２実施例の構成を示す図である。 第２実施形態(第１実施例と第２実施例に共通)の光加工装置において、ノズルヘッドの二次元平面内での移動に際して、光源からの光線が移動しているノズルヘッドの入射開口に追随させる動作と構成を示す図である。 光源がノズルヘッドの斜め上方におかれる第２実施形態の光加工装置において、ノズルヘッドの移動によって、光源からの距離に変動があった場合でも、入射光線の入射開口への入射を可能とするために、光源のＺ軸方向高さ（Ｌz）を調整することが必要となる理由を説明する図である。 光源が斜め上方におかれる第２実施形態の第１実施例の光加工装置において、ノズルヘッドの移動によって、光源からノズルヘッドまでの距離変動があった場合に、集光光学系の焦点距離を制御する原理を説明する図である。

以下に、本発明を適用した好適な実施形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

以下に説明する２つの実施形態、ならびに、それらの実施例もしくは変形例は、本発明の光加工装置を、粉体材料を加工光線（加工光、光線、光線ビーム）により溶融して積層造形を行う造形装置に適用したものである。

＜実施形態の概略＞
第１、第２実施形態の加工装置は、図１乃至図６により説明される。第３乃至第５実施形態の装置は、図７乃至図１３により説明される。

第１実施形態乃至第５実施形態の共通の課題は、ノズルヘッドを移動させながら光加工する場合において、ノズルヘッドへの光線エネルギーの伝搬を、従来のような光ファイバーに頼らずに行なうことにある。即ち、ノズルヘッド動作に対して物理的な外乱力として働く懼れのある光ファイバーのような光伝搬媒体を用いずに、開放空間を伝搬媒体として、光源からの光線エネルギーを、ノズルヘッドを介して加工点に伝搬することにある。
ここで、光線エネルギーは、可視光、ミリ波、赤外線、紫外線などあらゆる波長域の電磁波のエネルギーでよい。

第１実施形態では、光源から射出される加工光線は「平行光線」を用いる。他方、第３乃至第５実施形態では、回転対称体ミラー（楕円体ミラー、や回転放物面体ミラー）を用いるが、この際、楕円体ミラーに対しては「集光光線」を用い、放物面体ミラーに対しては平行光線を用いる。

（第１実施形態）
以下、図１乃至図６を参照して、第１実施形態にかかる光加工装置１００と、その変形例であるマルチヘッド光加工装置について詳細に説明する。

光加工装置１００は、光源と独立して移動する（つまり、相対位置が可変である）ノズルヘッド１１０を含み、その適用分野は、ノズルヘッド（加工用ノズル）１１０が集光した光が生み出す熱で流体中の粉体材料を溶融することにより三次元造形物を造形する、もしくは、肉盛溶接を生成する装置である。

光加工装置１００は、ノズルヘッド１１０の他に、加工光線（加工光、光線、光線ビーム）を発生してその加工光線を平行ビーム（平行光線）の形態でノズルヘッド１１０に向けて射出する光源１０１と、加工対象である加工基板１０８を載置するステージ１０５と、粉体材料を収容する材料収容装置１０６と、粉体材料をノズルヘッド１１０に供給する供給パイプ１０３と、ノズルヘッド１１０を移動するノズルヘッド移動機構１０４と、光加工装置１００の動作を制御する制御部１０２とを備えている。

光源１０１としては、本明細書では、便宜上、レーザ光源を用いることとするが、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ハロゲンランプ、キセノンランプなども用いることができる。材料の溶融に使う光線はレーザ光に限るものではなく、加工点１６０で粉体材料を溶融することができるものであればどのような光線でもよい。例えば、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などの光線であってもよい。

材料収容装置１０６は、ノズルヘッド１１０に対し、供給パイプ１０３を介して材料（粉体、粉体材料）を含むキャリアガスを供給する。例えば、材料は金属粒子、樹脂粒子などの粉体材料である。キャリアガスは、不活性ガスであり、例えばアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス、などの流体でよい。供給パイプ１０３は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流をノズルヘッド１１０へと導く。ただし、材料は線材でもよく、この場合、キャリアガスは不要となる。

ノズルヘッド１１０は、たとえばコアキシャル型と呼ばれる構造を有していてもよい。その場合、ノズルヘッド１１０は回転対称軸を有し、加工点１６０へ向かい先細りする回転対称な外部筐体と内部筐体から構成される。両者は、間隙（スリット）が形成されるように配置される。粉体流は、このスリットを通り加工点１６０へと射出され、加工点１６０で収束される。このとき、スリットの幅を変化させることで、粉体のスポット径を変化させることができる。つまり、外部筐体をスライドさせてスリット幅を変化させることにより、線状の造形物の幅を変化させることができ、細書きあるいは太書きを実現できる。制御部１０２は、細書きまたは太書きなどの造形条件を入力し、入力した造形条件に応じて光源１０１からのレーザ光の出力値を変更すると共に、ノズルヘッド１１０の外側筐体をスライドさせる。これにより、ノズルヘッド１１０から射出される粉体の粉体スポット径を、加工基板１０８上に形成する溶融プール径に合わせて制御する。

＜ヘッド走査移動機構＞
図２はノズルヘッド移動機構１０４の詳細構成を示す図である。

ノズルヘッド移動機構１０４は、ノズルヘッド１１０を、制御部１０２内の所定のプログラムに従ってＸ軸（１２０Ｘ）とＹ軸（１２０Ｙ）が成すＸＹ平面内で所望の位置に移動し位置決めするもので、ノズルヘッド１１０を、任意のＸＹ座標系の座標位置に移動する。ここで、ＸＹ平面は、鉛直方向に垂直な水平面であり、Ｚ軸（１２０Ｚ）方向は、このＸＹ平面に垂直な軸である。ただし、これに限るものではなく、ＸＹ平面の法線は鉛直ではなくどのような方向を向いていても構わない。ＸＹ平面の法線を鉛直方向に限るものではなく、鉛直方向にした場合、加工に使用されなかった余剰な粉体材料が鉛直方向に落ちるため、回収しやすいという利点がある。

Ｙ軸方向に沿って伸びたＹ軸ガイドレール１０４ＹＲの一端は、制御部１０２の位置決めプログラムの座標系の所定の固定位置に対応する固定物に固定されている。このＹ軸ガイドレール１０４ＹＲ上に沿ってＹ軸スライダー１０４ＹＳが位置決めプログラムに即して自在に移動する。

Ｘ軸ガイドレール１０４ＸＲは、このＸ軸ガイドレール１０４ＸＲがＹ軸ガイドレール１０４ＹＲに直交するように、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳに固定されている。ただし、この限りではなく、Ｘ軸ガイドレール１０４ＸＲは、Ｙ軸ガイドレール１０４ＹＲに斜交するように取り付けられてもよい。以上により、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳがＹ軸ガイドレール１０４ＹＲ上を移動するにつれて、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳに固定されたＸ軸ガイドレール１０４ＸＲが、そのＹ軸ガイドレール１０４ＹＲに対する直交状態（あるいは斜交状態）を保ちながら移動する。

Ｘ軸に平行なＸ軸ガイドレール１０４ＸＲ上をＸ軸スライダー１０４ＸＳは自在に移動する。ノズルヘッド１１０本体はこのＸ軸スライダー１０４ＸＳに固定されている。ノズルヘッド１１０のＸ軸位置は、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳがＸ軸ガイドレール１０４ＸＲに沿って移動させることによって位置決めすることができる。

Ｘ軸スライダー１０４ＸＳと同じく、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳは、Ｘ軸ガイドレール１０４ＸＲの所定の位置に固定され、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳ自体は、内部を貫通するＹ軸ガイドレール１０４ＹＲに沿ってＹ軸方向１２０Ｙにスライドするが、Ｘ軸方向１２０Ｘには移動しない。

したがって、制御部１０２は、所定の制御プログラムにより、ノズルヘッド１１０を座標（ｘ１，Ｙ1）に移動するときは、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳを「ｘ１」位置に移動させる指令と、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳを「Ｙ1」位置に移動させる指令を送る。

かくして、ノズルヘッド移動機構１０４は、制御部１０２の位置決めプログラムを介してＸ軸スライダー１０４ＸＳとＹ軸スライダー１０４ＹＳに対してコマンドを送ることにより、ノズルヘッド１１０を所望の加工位置（Ｘ、Ｙ）に位置決めすることができる。

＜光源＞
光源１０１は、ノズルヘッド１１０に光線方向反転光学系として設けられた平板ミラー１４６に光線が到達するように、平行光線１４２を射出する。

ノズルヘッド１１０がＸＹ平面内を自在に移動するのと対照的に、光源１０１は固定位置に不動である。

また、光源１０１は、平行光線（１４２Ｘあるいは１４２Ｙ）を、走査系が１次元であれば直接ノズルヘッド１１０に向けて、ＸＹ二次元走査系では、中継用の光線方向変換ミラー１４５に向けて照射する。

平行光線はその性質故に、開放空間中を進行しても、平行状態は変わらない。また、光源１０１とノズルヘッド１１０との間では、光線方向変換ミラー１４５や平板ミラー１４６のみが設けられ、レンズなどの像を変倍する光学系は用いられていない。この平行光線１４２は、光源１０１とノズルヘッド１１０との間では、ノズルヘッド１１０がＸＹ平面内をいかに移動しようとも、光源１０１と光線方向変換ミラー１４５間の距離、あるいは、光線方向変換ミラー１４５と平板ミラー１４６の間の距離が伸縮することはあっても、平行光状態は保たれ、即ち、光線のエネルギー密度は射出時のものに保たれて、ノズルヘッド１１０に到達する。

本実施形態において、光線方向変換ミラー１４５と平板ミラー１４６とは、それぞれＹ軸スライダー１０４ＹＳおよびノズルヘッド１１０に固定である。しかし、光線方向変換ミラー１４５と平板ミラー１４６との協働により、ノズルヘッド１１０のＸＹ平面内の任意の移動があっても、移動したノズルヘッド１１０の平板ミラー１４６に平行光線をリアルタイムで導く方法も考えられる。

＜ノズルヘッドの構成＞
ノズルヘッド１１０は、ノズル部分１０７を備えており、ノズル部分１０７はたとえば内部に同心円状の２層の中空の管路を備えている。ただし、このような構造に限るものではない。また、ノズルヘッド１１０は、ノズル部分１０７と光学系部分とからなる。ノズル部分１０７の中心側の管路の中を集光される光線が通り、その外側の管路には粉体流が通る。光線と粉体流とは、ノズルヘッド１１０の先端から射出され、加工基板１０８上の加工点で合流して溶融プールを形成し、造形が行われる。

ノズルヘッド１１０のノズル部分１０７の内部では、ノズルヘッド１１０の集光光学系により加工点１６０に向けて集光された加工光線（加工光、光線、光線ビーム）と共に、材料収容装置１０６から供給された粉体が同じく加工点１６０に向けて供給され、結果的に、ノズル部分１０７の出口から両者が加工点１６０に送られて、粉体が加工光線（加工光、光線、光線ビーム）の熱により溶融される。

図３は、ノズルヘッド１１０内に設けられた光線方向変換光学系１４０の構成のＸＺ断面図である。図３は、説明の簡略化のために、２つのガイドレールのうち、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳが摺動するＸ軸ガイドレール１０４ＸＲのみを示し、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳなどの図示は省略している。即ち、図１では、光源１０１からの射出光線はＹ軸スライダー１０４ＹＳに向かうが、図３では、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳの図示は省略して、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳの平板ミラー１４６に向かう光線のみ示している。図３で、光源１０１からの射出光は集光レンズ３０１の働きにより、平行光線となる。図３に示すように、ノズルヘッド１１０は、光線を集光させる集光レンズ２７０を内部に備え、その集光レンズ２７０の下流に、ノズル部分１０７を備えている。ノズルヘッド１１０に供給されたレーザ光は、内部に設けられた集光レンズ２７０を介することで、加工点１６０において集光するように調整されており、ノズル部分１０７内部を経て加工点１６０に照射される。なお、集光レンズ２７０は、ノズル部分１０７に対する相対位置を制御することで、集光位置を制御可能に設けられている。

ノズル部分１０７の直上方には集光レンズ２７０が設けられ、光源１０１からの平行光線１４２を集光してエネルギー密度が高められた加工光線（加工光、光線、光線ビーム）が加工点１６０に到達する。

集光レンズ２７０の直上方には、平板ミラー１４６の法線が、Ｘ軸とＺ軸の両軸に対して４５度傾けられて設けられている。

Ｘ軸ガイドレール１０４ＸＲに平行な平行光線１４２Ｘは、平板ミラー１４６に入射すると、反射により光路がＺ軸に沿うように９０度折り曲げられて、平行光線１４２のまま、集光レンズ２７０に向かう。
図４で、光源１０１から射出された平行光線１４２Ｙは、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳの光線方向変換ミラー１４５に入射し、そこで、反射により９０度だけ折り曲げられ、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳの平板ミラー１４６に入射する。平板ミラー１４６は、この平行光線１４２Ｘを反射により９０度折り曲げて下方（鉛直下向き）の集光レンズ２７０に入射させる。集光レンズ２７０は集光光１４２Ｚ−Ｆを加工点１６０に向けて集光する。
図４では、光源１０１からの平行光線１４２Ｘは、光線方向変換ミラー１４５を経て、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳの平板ミラー１４６に到達する。平板ミラー１４６で反射されて折り曲げられた平行光線１４２Ｚ−Ｃは同じく集光レンズ２７０に入射する。集光レンズ２７０は、平行光線を加工点１６０に向けて集光光（集光光線）１４２Ｚ−Ｆに変換する。

＜光線方向変換ミラー１４５の動作＞
次に、図５を参照しつつ、ノズルヘッドの移動に対し、加工光線（加工光、光線、光線ビーム）である平行光線の追跡動作について説明する。 図５は、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳが座標位置Ｙ0に停止しているときのノズルヘッド１１０と光源１０１を示した図である。時刻ｔが、ｔ１→ｔ２→ｔ３と変化したとき、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳの座標値が、ｘ１→ｘ２→ｘ３と変化する。このとき、平行光線１４２の経路が、１４２（ｔ１）→１４２（ｔ２）→１４２（ｔ３）と変化し、その経路長が変化しても、平行光の状態は保たれる。従って、加工点１６０における加工光線の照射エネルギーに変動はなく等量であることを示している。したがって、加工点１６０における加工は加工プログラムの仕様通りに行われる。

光加工装置１００は、ノズルヘッド１１０が移動している際、切れ目なく加工光線をノズルヘッド１１０に連続して供給することにより、加工のリードタイムを短縮できる。ただし、この限りではなく、加工光線はパルスレーザーなどでもよい。また、敢えて加工光線を止めることにより、造形物の冷却を促し、造形精度を向上させることもある。一方、光源１０１は固定位置に置かれ、Ｘ，Ｙ，Ｚのいずれの方向に対しても移動することはない。

光加工装置１００では、光源１０１からＹ軸方向１２０Ｙに沿って射出された加工光線を、ノズルヘッド１１０に到達させるために、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳに平板の光線方向変換ミラー１４５を設ける。これによりＸ軸方向１２０Ｘに向けて光線を反射させることができる。

このような構成とすることで、光線方向変換ミラー１４５のＹ軸スライダー１０４ＹＳに対する相対位置を、ノズルヘッド１１０の移動に応じて変化させる必要がない。つまり、光線方向変換ミラー１４５の駆動機構が必要ないため、シンプルな構成になるという利点がある。

光線方向変換ミラー１４５により反射されＸ軸方向１２０Ｘに沿って伝搬する加工光線（光線、光線ビーム、平行光線）は、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳに設けられた平板ミラー１４６により、ノズル部分１０７に向けて下方（Ｚ軸方向１２０Ｚ）に折り曲げられる。

Ｙ軸スライダー１０４ＹＳ上の光線方向変換ミラー１４５の法線は、Ｙ軸とＸ軸の双方に対して４５度傾いており、Ｚ軸方向に直交している。同じく、ノズルヘッド１１０上の平板ミラー１４６は、Ｙ軸とＺ軸に対して４５度傾いている。光線方向変換光学系１４０は、Ｘ軸に平行な平行光線１４２Ｘの伝搬方向をＺ軸方向に変換する平板ミラー１４６と、Ｚ軸方向に方向を変換された光線を集光する集光レンズ２７０とからなる。

Ｘ軸とＹ軸は、それぞれＸ軸ガイドレール１０４ＸＳとＹ軸ガイドレール１０４ＹＳに平行なので、Ｘ軸ガイドレール１０４ＸＳとＹ軸ガイドレール１０４ＹＳとが形成する平面は、Ｘ座標軸とＹ座標軸とが形成するＸＹ平面に平行である。また、光源１０１からＹ軸スライダー１０４ＹＳ側に向けられた光線１４２Ｙと、Ｙ軸スライダー１０４ＹＳに設けられた光線方向変換ミラー１４５により反射された光線１４２Ｘとがなす平面も、上記ＸＹ平面に平行である。

光源１０１から射出された平行光線１４２Ｙは、Ｙ軸スライダー１０４に設けられた光線方向変換ミラー１４５によってＸ軸ガイドレール１０４ＸＳに沿った平行光線１４２Ｘに変換される。これより、平板ミラー１４６には常に同じ入射角を持った光線が入射される。したがって、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳに固定されて設けられたノズルヘッド１１０が、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳとＹ軸スライダー１０４ＹＳとにより、いかなる位置に移動されても、光源１０１から射出された光線は、ノズルヘッド１１０の移動に追随するので、ノズルヘッド１１０のノズル部分１０７に精度高く到達する。

光線方向変換ミラー１４５と平板ミラー１４６とにより、ノズルヘッド１１０がＸＹ平面上のどの位置に移動しても、そのノズルヘッド１１０の位置に平行光線１４２を導いている。即ち、光加工装置１００は、ノズルヘッド１１０が移動しても、加工光線はノズルヘッド１１０の移動に正確に追随し、ノズルヘッド１１０に到達する。

光加工装置１００は、ノズルヘッド１１０の位置、移動速度、移動方向の如何によらず、ノズルヘッド１１０に到達する光線のエネルギーを変動させない。換言すれば、開放空間中の伝搬による光線のエネルギーの損失は極小である。

集光された集光光１４２Ｚ−Ｆは、ノズル部分１０７の、内側の管路の射出開口３２４に入射し、加工点１６０に向けて照射される。

前述したように、粉体流はノズル部分１０７の外側の管路を通り、加工点１６０に向けて吹き出される。

こうして、集光光１４２Ｚ−Ｆは加工点１６０上で積層加工などを行う。

この積層加工の過程で、ノズルヘッド１１０は、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳあるいはＹ軸スライダー１０４ＹＳの移動により、二次元の平面領域での積層加工することができる。

図５に示すとおり、光源１０１からの平行光線は、平行光線のまま、ノズルヘッド１１０が設けられたＸ軸スライダー１０４ＸＳに設置された平板ミラー１４６に入射される。

この平板ミラー１４６により平行光線のまま方向を変換されて反射され、さらに、集光レンズ２７０により集光光１４２Ｆに変換され、加工点１６０の加工に用いられる。

即ち、光源１０１からノズルヘッド１１０までは平行光線であるので、Ｘ軸スライダー１０４ＸＳやＹ軸スライダー１０４ＹＳがどのように移動しようとも、平行光線が保たれる。従って、加工光線（加工光、光線、光線ビーム）は光源１０１と平板ミラー１４６との間では、集光もしなければ発散もせずに、平行光線のまま保たれる。

即ち、ノズルヘッド１１０の平板ミラー１４６で受光される加工光線（加工光、光線、光線ビーム）のエネルギーは、光源１０１から射出された加工光線のエネルギーと同量である。換言すれば、ノズルヘッド１１０が、ＸＹ平面内のどの位置に、いかなる速度で移動しようとも、加工点１６０に照射されるエネルギーは等量である。即ち、均一な溶融加工が実現される。

＜第１実施形態の効果＞
以上説明した本実施形態の光加工装置によれば、以下の効果が得られる。

Ａ：ノズルヘッド１１０と光源１０１とは分離されており、互いに独立して相対位置を変化させることができる。加工用の光線は、光源１０１からノズルヘッド１１０に向けて開放空間を介して送っている。そのため、従来ではヘッドの機動的動作の障害になっていたファイバーケーブルをノズルヘッド１１０と光源１０１との間で不要にしたことにより、ノズルヘッド１１０の動作の機動性が向上できる。

Ｂ：光源１０１は、集光レンズ３０１を用いて平行光線に変換することができる。つまり、光源１０１の光源スポットと加工点１６０側の集光スポットは共役関係にある。これにより、光源スポットの大きさを変化させることで加工点１６０側の集光スポットの大きさを変化させることができる。つまり、光加工時に造形幅を調整できるという効果がある。光源スポットを可変にするには、ズームレンズなどの機構を用いればよい。また、光源１０１から発せられる光線のビームプロファイルを変化させ、造形精度の向上を図ることも可能である。このとき、ビームプロファイルを変化させる機構は、光源１０１に備えれば良い。

以上により、光源１０１に光源スポットを可変にするズームレンズ機構（光源スポット可変機構）や、ビームプロファイル可変機構を盛り込むことができる。これにより、それらをノズルヘッド１１０に搭載した場合と比べ、ノズルヘッド１１０を軽量にでき、機動性を向上させることができる。

Ｃ：光源１０１からノズルヘッド１１０への光線エネルギーの伝搬は平行光線を用いているので、光源１０１からの光線をノズルヘッド１１０に届けるまでの間に中継用の平板ミラー１４５や光線方向変換用の平板ミラー１４６が存在しても、光線エネルギーは発散も収束もされないので、ノズルヘッド１１０の移動にも拘わらず、集光点(加工点)においては均一なエネルギーで光加工が実現でき、加工の高精度化が達成できる。

Ｄ：ノズルヘッド１１０の移動機構は、中継用の平板ミラー１４５や光線方向変換用の平板ミラー１４６により、光源１０１からの平行光線はＹ軸スライダーＹＳに平行に、ノズルヘッド１１０への平行光線はＸ軸スライダーＸＳに平行に伝搬させることが可能になっている。これにより、平板ミラー１４６に入射する平行光線の入射状態（入射角、入射位置）を、ノズルヘッド１１０の移動に関わらず常に同じにすることができる。これにより、ノズルヘッド１１０に到達する光線は光源１０１から射出された時点光線と同じエネルギー密度の平行光線となる。これにより、全ての加工対象領域での積層加工の均一な加工精度が保たれている。

Ｅ：また、光線方向変換ミラー１４５及び平板ミラー１４６は各スライダー１０４ＸＳ，１０４ＹＳに固定であり、ノズルヘッド１１０の移動に合わせ、各スライダー１０４ＸＳ，１０４ＹＳに対する相対位置を変化させなくてもよいという効果がある。

Ｆ：以上の効果は以下の３つの事項によって達成される。
・光源１０１からの光線が集光レンズ２７０に到達するまで平行光線状態が保たれること、

・光源１０１からの射出光１４２ＹはＹ軸に平行であり、また、Ｘ軸と平行なＸ軸ガイドレール１０４ＸＲと共にＹ軸方向に移動する光線方向変換ミラー１４５の移動方向もＹ軸に平行であること、

・平行光線１４２ＸはＸ軸ガイドレールＸＲに平行であること

Ｇ：即ち、ノズルヘッド１１０がＸＹ平面上を二次元的に移動することにより発生する、ノズルヘッド１１０の、光源１０１に対する方位角方向の変位によらず、光線方向変換ミラー１４５の移動によって吸収されることにより、第１実施形態において、二次元平面内で自在移動するノズルヘッド１１０の平板ミラー１４６に対する、光源１０１からの射出光の追従性が確保できる。

（第２実施形態）
上述の光加工装置１００において、ガイドレールはＸ軸ガイドレール１０４ＳＲとＹ軸ガイドレール１０４ＹＲとの２つにより、二次元平面を走査可能にしていた。しかし、Ｘ軸ガイドレール１０４ＳＲとＹ軸ガイドレール１０４ＹＲとのいずれか一方のみ、即ち、１次元の操作用との加工装置に対しても適用可能である。同様に、光加工装置１００は単独のノズルヘッド１１０を有する適用例であったが、複数のノズルヘッド（マルチヘッド）を用いる変形も可能である。

複数（５個）のノズルヘッドを用いる例を、第２実施形態（マルチヘッド実施例）として図６を用いて説明する。

本実施形態に係る光加工装置６００は第１実施形態と同様に、Ｘ軸に平行な５対のＸ軸方向ガイドレール（Ｘ−ＧＲ（ｎ））と、Ｙ軸に平行な１対のＹ軸ガイドレール（Ｙ−ＧＲ（ｎ））により形成される平面上で、５個のノズルヘッド（ＨＥＡＤ−＃１〜＃５）が自在に位置決めされるように構成される。変形例の個々のノズルヘッド（ＨＥＡＤ）は、図２のノズルヘッド１１０と異なるところは無い。即ち、夫々のノズルヘッド（ＨＥＡＤ）は、Ｘ軸に平行な平行光線を鉛直下方に屈折させるフル反射ミラー（ＦＭ）と、Ｘ軸ガイドレール（Ｘ−ＧＲ）に沿って移動することによりフル反射ミラー（ＦＭ）を移動するＸ軸スライダー（Ｘ−ＳＬＤ）を有する。

ｎ番目のＸ軸ガイドレール（Ｘ−ＧＲ（ｎ））は、Ｙ軸ガイドレール（Ｙ−ＧＲ）に沿って自在に移動するＹ軸スライダー（Ｙ−ＳＬＤ（ｎ））に支持される。かくして、任意のｎ番目のＹ軸スライダー（Ｙ−ＳＬＤ（ｎ））がＹ軸ガイドレール（Ｙ−ＧＲ）上を移動し、移動するＹ軸スライダー（Ｙ−ＳＬＤ（ｎ））に支持されたＸ軸ガイドレール（Ｘ−ＧＲ（ｎ））上をＸ軸方向にＸ軸スライダー（Ｘ−ＳＬＤ（ｎ））が移動することにより、任意のヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））をＸ軸とＹ軸上の任意の座標位置において位置決めできる。

Ｙ軸スライダー（Ｙ−ＳＬＤ（ｎ））に設けられているミラーＨＭは、光線方向変換ミラー１４５と異なり、入射した光線の一部を反射し一部を透過させるハーフミラーである。

光加工装置６００は、１つの光源（不図示）からの一本の加工光線を５つのノズルヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））が共有する例である。１つの光源からの光線のエネルギーを５つのノズルヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））に分配し、併せて、ハーフミラー（ＨＭ（ｎ））の透過率（Ｔ）と反射率（Ｒ）とを適当に調整することにより、個々のノズルヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））のフル反射ミラー（ＦＭ（ｎ））に注がれる光線のエネルギー量を、個々に制御できる。

光加工装置６００において、個々のノズルヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））で等量のエネルギーに設定する場合における、個々のハーフミラー（ＨＭ（m））の透過率（Ｔ）と反射率（Ｒ）は下記表（表１）に示されたセッティングを用いる。ここで、ノズルヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））の数を５個とし、それをnとする。光源からの１本の平行光線のエネルギーをＩ（Ｗ：ワット）とすると、５個のノズルヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））の各々に均等に供給される、とする設計の下では、１個あたりのエネルギーは５分のＩ（Ｗ）である。

以上のセッティングにより、各ノズルヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））に供給されるエネルギー量は、光源からの射出エネルギーをＩ（ワット）とすると、一様に、Ｉ／５（Ｗ）となる。ここで、表１より明らかなように、m番目のハーフミラー（ＦＭ（ｍ））の反射率は1/(n-m+1)×１００となる。

（第３実施形態）
第３実施形態としての光加工装置７００では、第１実施形態で採用した光線方向反転光学系としての平板ミラー１４６を、回転対称ミラーにより置き換える。さらにいえば、第１実施形態の反転光学系と集光レンズの２機能を平板ミラー１４６に集約している。

＜加工装置の全体構成＞
図７を用いて光加工装置７００の概念を説明する。

光加工装置７００は、第１実施形態と同様に、光源７０１とノズルヘッド７１０と、ノズルヘッド７１０を移動させる走査移動機構(不図示)、さらに、制御装置(不図示)、材料供給系(不図示)、などから構成される。光源７０１は、光線７４２（あるいは光）をノズルヘッド７１０に向けて射出する。かくして、光加工装置７００は、光加工装置１００と同様に、光源７０１とノズルヘッド７１０との間には光ファイバーなどの光線伝搬媒体を不要である。

＜走査移動機構＞
本実施形態では第１実施形態のノズルヘッド移動機構１０４がそのまま用いられている。

本実施形態の走査移動機構は、第１実施形態のノズルヘッド移動機構１０４と異なり、平板ミラー１４６と光線方向変換ミラー１４５とを不要にしている。光線方向変換ミラー１４５は、光源１０１から、Ｙ軸沿いに送られてきた平行光線１４２をＸ軸に平行に平板ミラー１４６に送るものである。しかし、光源７０１からの光線をノズルヘッドに直接送出する本実施形態では光線方向変換ミラー１４５を用いる必要はない。

＜光源＞
光源７０１は、光加工装置７００に固定されている。光源７０１は、たとえばＲＡＹＬＡＳＥ社の３Ｄスキャナーでよく、３Ｄスキャナーからの光線の集光点を３次元空間内に自由に走査できる。このとき、ノズルヘッド７１０に備えられた入射開口に集光点を追随させることができる。ただし、光源７０１の構成は様々であり、たとえば一部稼働してもよく、光源７０１の固定は、Ｘ座標方向とＹ座標方向に関して固定し、Ｚ軸方向と光源７０１の鉛直軸周りの回転方向については固定されてなくても良い。このような構成で、光源７０１からの光線をノズルヘッド７１０に備えられた入射開口に入射させることができる。このとき、第２実施形態の光源７０１は、Ｚ座標(図１２参照)における光源７０１の高さ位置(高さ調整)と、光源７０１の方位角方向(図１１の角度Δα)と、光源７０１のチルト角度については調整(図１３の角度Δβ)が必要である。

光源７０１は、光源１０１と同様に、固体レーザ、ファイバーレーザ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、などでよい。ただし、これに限らず、電磁波を発生するものならばなんでもよい。

光源７０１は、光源自体をＺ軸（７２０Ｚ）の周りに角度αだけ回動するタレットテーブル７８０により回転させられる。

＜ノズルヘッド＞
ノズルヘッド７１０のノズル７０７内部では、光線方向変換光学系としての回転対称ミラー７４０により加工光線７４２Ｆが加工点１６０に向けて集光される。そして、材料供給装置から供給された粉体と共に加工点１６０に向けて供給され、結果的に、加工点１６０において、粉体が加工光線の熱により溶融され、溶融プールを形成する。

光源７０１は、光線７４２をノズルヘッド７１０に向けて射出する。光線７４２は、ノズルヘッド７１０の入射開口７２２に到達し、回転対称ミラー７４０によって光路を鉛直方向に変換され、方向変換された光線７４２Ｆは射出開口７２４を介してノズル７０７に入り、ノズル７０７の先端から射出されて加工基板１０８の加工点１６０で光加工を行う。

＜光線方向変換光学系（回転対称ミラー）の採用＞
回転対称ミラー７４０は、平板ミラー１４６と異なり、内壁に反射面を有し回転対称に構成されたミラーである。

回転対称ミラー７４０は、その回転対称軸７２３はノズル７０７の中心軸と一致し、ミラー面はノズル７０７の内側に形成されている。

回転対称ミラー７４０は少なくとも１つの焦点を形成することができ、その焦点は、ノズル７０７に対して加工点側に設定することが可能である。

一方、回転対称ミラー７４０は、ノズルヘッド７１０の中心軸の周りに回転対称となるように、ミラー面を形成されているので、その回転対称のミラー面によって形成される一群の焦点列はノズルヘッド７１０の中心軸に一致させることができ、そのようにミラー面を形成することができる。

＜射出光線の方位方向の補正＞
回転対称ミラー７４０の形状をノズルヘッド７１０の中心軸の周りに回転対称に設定することの技術上の長所は、ノズルヘッド７１０がＸＹ水平面内を任意方向に移動していく過程で、位置座標の変動ΔＸ、ΔＹが大きくなることである。ここで、方位角のずれ量をΔαとすると、

tanΔα＝ΔＹ／ΔＸ
であらわされる。

これよりＸ方向の移動量ΔＸが相対的に小さいとき、あるいはＹ方向の移動量ΔＹが大きいときは、Δαが大きくなる。光源７０１は、加工光線をノズルヘッド７１０の入射開口７２２に合致させて照射し続けることができる。光源７０１の光線射出方向をノズルヘッド７１０の入射開口７２２の方向に合致させる調整は、タレットテーブル７８０が光源７０１を回動軸７２０の周りに角度αだけ自転させることによって実現できる。

図８は、光加工装置７００において、ノズルヘッド７１０による光線７４２の焦点Ｆが、座標位置ＸＹＺが（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動しようとする場合において、座標ＸＹＺα（０，０，Ｌ０、０）にあった光源７０１を角度αだけ自転させる様子を示している。

回転対称ミラー７４０の回転対称軸上にある焦点ＦがＸＹ水平面上を（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動しようとする場合、光源７０１からの光線７４２の方位角の変位量Δαは、

tan Δα＝(Ｙ ₁ −Ｙ ₀ )/(Ｘ ₁ −Ｘ ₀ )
によって決定される。

ノズルヘッド７１０が（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動しようとする場合に、光源７０１からの光線７４２は方位角変化Δαだけ回転させれば、ノズルヘッド７１０の入射開口７２２を捉えることができる。

この場合、ノズルヘッド７１０の走査移動機構は、第１実施形態と同じく、Ｘ軸とＹ軸の２次元テーブルであるので、ノズルヘッド７１０自体のＸ軸とＹ軸に対する姿勢は変動しない。即ち、ノズルヘッド７１０が（Ｘ0，Ｙ0，０）にあるときのノズルヘッド７１０のＸ軸に対する姿勢角度(図８では角度ゼロ度)は、ノズルヘッド７１０が（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動した時点でも変わらない。しかし、ノズルヘッド７１０の光線７４２に対する角度は、（Ｘ0，Ｙ0，０）での光線７４２−０に対するゼロ度から、（Ｘ１，Ｙ1，０）におけるΔαに変化している。

ノズルヘッド７１０の回転対称ミラー７４０の中心軸に対する回転対称性という性質により、ノズルヘッド７１０の光線７４２に対する姿勢変位Δαが変化しても、常に同様の光線変換を行える。

図９は、本実施形態のノズルヘッド７１０が、座標位置（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動し、光源７０１からノズルヘッド７１０の入射開口７２２までの距離Ｄの変化（Ｄ０からＤ１）した場合を示す。図９は、光源７０１の高さを、初期高さ位置Ｌ０からΔＺだけ変位させれば光源７０１からの光線７４２は、ノズルヘッド７１０の位置（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ１，０）への位置変化に対しても、光線方向を変化させなくても良いことを示している。

光源７０１の初期高さＬ０が既知であるとすると、簡単な計算から調整後の光源７０１の高さＬｚは、

Ｌz＝Ｌ０・√（Ｘ₁ ²−Ｙ₁ ²）／√（Ｘ₀ ²−Ｙ₀ ²）
により得ることができる。

図９の例では、光源７０１のＺ軸方向移動は平行移動であるとして、移動前後の光源７０１のＺ軸に対する光線射出方向のチルト角βは既知であり、移動前後で変わらないことを仮定した。

上記の光源７０１の高さ方向への高さ調整により、ノズルヘッド７１０のＸＹ水平面内での移動があっても、光源７０１からの光線７４２がノズルヘッド７１０の入射開口７２２を捕捉し続けることができる。

なお、図９の手法は、光線７４２が平行光線である場合により効果的である。平行光線であれば、光源７０１から入射開口７２２までの距離が変わっても、平行光線状態は変わらない。

（第４実施形態）
＜回転楕円体ミラー面の適用＞
次に、回転対称ミラー（光線方向変換光学系）７４０の具体例を、図１０乃至図１２を用いて第４実施形態として説明する。

図１０は、回転対称ミラー７４０の第１の具体例としての回転楕円体ミラー１０４０を示す。

図１０は、光加工装置１０００に設けられた、ノズルヘッド１０１０の内部断面図を図示する。

ノズルヘッド１０１０の内部に回転対称回転楕円体ミラー(以下「回転楕円体ミラー」と称す)１０４０、具体的には、回転楕円体の表面形状を有するミラー面によって光線変換光学系は構成されている。

ノズルヘッド１０１０は、入射開口１０２２と射出開口１０２４を備えている。入射開口１０２２に連続して、回転楕円体ミラー１０４０の内壁面にミラー面が形成されている。回転楕円体ミラー１０４０のミラー面は、ノズルヘッド１０１０の射出開口１０２４まで続いている。

なお、光線方向変換光学系が回転対称ではなく、回転対称軸を持たない場合、中心軸１０２３は入射開口１０２２から射出開口１０２４に向かう方向を正とする軸とする。

図１１は、回転楕円体ミラー１０４０が回転楕円体鏡面を構成する場合の幾何学的な分析について説明する図である。

一般に、回転楕円体は２つの焦点Ｆ１とＦ２とを有する。楕円体の中心軸１０２３を、走査移動機構のＺ軸に一致させ、楕円の長軸をａ、短軸をｂとし、楕円体の中心ＯをＸＹＺ座標系の原点にとると、焦点Ｆ１とＦ２の（Ｘ、Ｚ）座標値は、

Ｆ１：（０，√（ａ ² −ｂ ² ））
Ｆ２：（０，−√（ａ ² −ｂ ² ））
に位置する。

楕円の性質として、いずれか一方の焦点（例えばＦ１）を通り、当該楕円体の任意の位置の壁面に結ぶ線分が、その壁面と成す角度は、他の焦点（例えばＦ２）から同壁面上の点にまで結ぶ線分が当該壁面で成す角度に等しい。即ち、楕円体の一方の焦点（Ｆ１）に入力した光線が、当該楕円体の壁面にあたって反射すると、その反射光線は、他方の焦点（Ｆ２）を通ることになる。

そこで、光源１００１からの集光光線を、回転楕円体ミラー１０４０の第１の焦点（図１１のＦ１）に集光させる。即ち、光源１００１の集光レンズ１０４３の焦点位置を、回転楕円体ミラー１０４０の第１の焦点に一致させるように集光レンズ１０４３を配置して光線８４２Ｆを第１焦点Ｆ１に入射させる。集光レンズ１０４３からの全ての光線１０４２Ｆの全光束を第１焦点Ｆ１に入射させれば、その光線束は全て、回転楕円体ミラー１０４０の第２の焦点（Ｆ２）に合焦する。そこで、第２の焦点位置（Ｆ２）を加工点１６０とすると、加工点１６０に光線エネルギーが集中して、溶融加工が実現する。

この楕円体は中心軸１０２３の周りに回転対称である。したがって、光源１００１が、図１０の配置に対して、中心軸１０２３に対して任意の角度回転した位置に存する場合でも、光線８４２Ｆは、図１０や図１１の楕円体鏡面上の点に入射し、そこで、反射して、第２焦点Ｆ２に集光する。

回転楕円体ミラー１０４０を用いた光加工装置１０００の光源１００１に対して、タレットテーブル７８０により、光源１００１に方位角αの回転を与えることにより光源１００１からの光線８４２Ｆは回転楕円体ミラー１０４０の入射開口７２２に到達する。即ち、ノズルヘッド７１０の回転楕円体ミラー１０４０の回転対称性を巧みに利用して方位角方向のノズルヘッド７１０のずれを調整することができる。もしも回転楕円体ミラー１０４０の楕円体が方位角方向の対称性がなければ、図８の手法で、光源１００１を角度Δαだけまわしても、入射開口７２２は捉えることはできているかも知れないが、回転楕円体ミラー１０４０による反射光の加工基板上での焦点は、移動前の焦点とずれている懼れがあるからである。回転楕円体ミラー１０４０が回転対称であるからこそ、移動前の加工点１６０の走査機構上のＸＹ座標値（Ｘ0，Ｙ0）が（Ｘ１，Ｙ１）に移動することにより、回転楕円体ミラー１０４０の第２の焦点Ｆ２は移動前後でずれが発生せず、正確な光加工が保証される。

さらに、ノズルヘッド７１０のＸＹ平面上に移動が入射開口７２２を光源１００１から距離方向の距離Ｄの変動をもたらす(Ｄ１≠Ｄ０)場合には、図９で説明した光源の高さ方向（Ｚ軸方向)の調整(ΔＺの調整)も適用される。

即ち、光線方向変換光学系７４０の具体例としての回転対称ミラー７４０は、楕円体の中心軸周りの回転対称性を具備している。したがって、図７のノズルヘッド７１０によって得られた、ノズルヘッド７１０のＸＹ平面内の移動によるノズルヘッド７１０の位置変化に対する、光源光線による追従性が維持される。

＜光源高さ調整の変形例＞
図８で説明したように、回転楕円体ミラー１０４０のミラー面の１つの性質である方位角方向の対称性を利用することができる。ノズルヘッド７１０の移動により、光源１００１からの射出光線がノズルヘッド１０１０の入射開口１０２２を外れてしまうのを、光源１００１の光線照射方向を角度Δαだけ調整することにより、入射開口１０２２の位置に照射方向を合わせるものである。回転楕円体ミラーや回転放物面体ミラーの「方位角方向の対称性」とは、回転楕円体や回転放物面体の回転対称軸のある点(例えば楕円体の第１焦点Ｆ１)を通る入射光線について、そのある点から見た入射光線の仰角を一定にした場合、任意の方位方向からの入射光線のミラー面による反射角が同じであることをいう。

図１１に示すように、楕円体のもう一つの性質として、第１焦点Ｆ１を通る入射光線は、その入射光線の仰角に拘わらず、第２焦点を通る性質がある。換言すれば、光源１００１からの入射光線は集光光線である。光源１００１の焦点位置が回転楕円体ミラー１０４０の第１焦点の位置に一致していれば、その焦点位置Ｆ１に表れる像は光源１００１の発光体の像である。従って、第１焦点Ｆ１の位置に合焦して結像した発光体の像は、その入射光線の仰角が変化しても、全て、第２焦点Ｆ２に結像する。即ち、第２の焦点位置(加工点１６０でもある)では回転楕円体ミラー１０４０によって、発光体の合焦像が表れるから、高温になり、溶融処理ができる。

光源１００１からの集光光線の合焦画像を、回転楕円体ミラー１０４０の第１焦点に合わせるためには、移動後の光源１００１から回転楕円体ミラー１０４０の第１焦点までの距離Ｄ１に、集光レンズ１０４３の焦点距離を調整して一致させる必要がある。そこで、図１２に示すように、光源１００１の射出光線の仰角βについて、回転楕円体ミラー１０４０を用いて、ノズルヘッドがＸＹ平面内で任意に(ΔＸ，ΔＹ)だけ移動しても、光源１００１のチルト角度βの調整角度Δβについて：

Δβ＝tan^-1(D0/L0)−tan^-1(D1/L0)
但し
Ｄ０＝√（Ｘ₀ ²−Ｙ₀ ²）
Ｄ１＝√（Ｘ₁ ²−Ｙ₁ ²）
となる角度調整を行う。

ノズルヘッド７１０の位置が（Ｘ0，Ｙ0）から（Ｘ0＋ΔＺ，Ｙ0＋ΔＹ）に移動しても、光源１００１の発光体の像が、集光レンズ１０４３により、回転楕円体ミラー１０４０の第１焦点Ｆ１の位置に合焦して結像する。

そして、その発光体像が回転楕円体ミラー１０４０の壁面で反射して、この反射像が回転楕円体ミラー１０４０の第２焦点Ｆ２に結像して、その結果、加工点１６０上における光エネルギーの密度は極大化して、効率のよい光加工が達成できる。この補正はズームアクチュエータを用いる。

回転楕円体ミラー１０４０によれば、ノズルヘッド７１０がいかなる移動を行ってもその移動量（ΔＸ，ΔＹ）に見合った光源１００１のチルト角度補正を行えば、光加工を行うことができる。換言すれば、ノズルヘッド７１０の移動に合致して最適な方位角補正と、焦点距離補正と、チルト角度補正、とが同時に達成できる。

（第５実施形態）
回転体曲面は第４実施形態の如き楕円体に限られない。例えば、鏡面の曲面が、図１３のように、回転放物面体の場合には、その放物面体の唯一の焦点Ｆに加工点１６０を一致させることが可能である。図１３は、回転対称ミラー７４０の第２の具体例としての回転放物面体ミラー１３４０を示す。回転楕円体ミラー１０４０や回転放物面体ミラー１３４０を総称して「回転対称ミラー」と呼ぶ。

図１３の回転放物面体ミラー１３４０に対して、光源１３０１から照射する光線は平行光線１３４２である。これは回転放物面体ミラー１３４０に平行光線１３４２が入射すると、その平行光線１３４２の元の光源１３０１の発光源の像が、放物面体の焦点に結像するという性質を利用するためである。

回転放物面体ミラー１３４０のミラー面は、回転楕円体の場合と同じく、放物面体の焦点近傍のミラー壁面に射出開口１３２４を設ける必要がある。回転放物面体は、回転楕円体と異なり、焦点と反対側は外に開いている。このために、この開いている入射開口１３２２に入射光線を入射する。この場合、入射光線は平行光線１３４２とする必要があり、平行光線１３４２の全ての反射光線束が、放物面体の焦点に集中する。これにより、平行光線が加工点１６０で集光される。

なお、回転放物面体ミラー１３４０も、回転楕円体ミラー１０４０と同様に、光源の方位角（α）の補正（図８）、光源の高さ補正（図９）が必要であることは変わらない。ただし、本実施形態では、平行光線を用いるために、図１３の合焦のための焦点距離補正は不要である。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims (6)

1. 光加工用の光線を射出する光源と、
   前記光源から射出された前記光線を受光し、受光光線を加工点に集光させる光学系を有するノズルヘッドと、
   前記ノズルヘッドを移動させる移動機構と、
   を有し、
   前記光学系は、
   内壁面が鏡面で回転対称軸を有し、前記加工点を焦点として有する回転対称ミラーと、
   前記回転対称ミラーの前記回転対称軸に沿って加工点から離れた位置に、前記光源からの光線を取り込む入射開口と、
   を含み、
   前記光線が前記入射開口から入射して、前記回転対称ミラーの前記内壁面で反射するように、前記入射開口よりも加工点から離れた位置に前記光源が配置され、
   前記回転対称ミラーを用いたノズルヘッドがＸＹ平面内で任意に移動したとき、前記光源のチルト角度の調整角度Δβについて、前記光源の前記入射開口からの高さをＬ０、前記光源から移動前の前記回転対称ミラーの焦点までの距離をＤ０、前記光源から移動後の前記回転対称ミラーの焦点までの距離をＤ１とすると、
   Δβ＝tan ^-1 (D0/L0)−tan ^-1 (D1/L0)
   となる角度調整を行いつつ、
   前記ノズルヘッドの移動に応じて、前記光源からの光線が前記焦点に向くように、前記光源の光線を回動させる調整手段をさらに備えた光加工装置。
2. 前記回転対称ミラーは前記回転対称軸上に長軸を有する回転楕円体ミラーであり、
   前記回転楕円体ミラーの第１焦点に、前記ノズルヘッドに向けて射出された前記光線の焦点が一致し、
   前記第１焦点を通過し、前記回転楕円体ミラーの前記内壁面に入射して反射した反射光線が、前記回転楕円体ミラーの第２焦点に集光するように前記光源が配置された請求項１に記載の光加工装置。
3. 前記回転対称ミラーは、回転放物面体ミラーであり、
   前記回転対称ミラーの焦点が加工点に一致する請求項１に記載の光加工装置。
4. 前記調整手段は、前記ノズルヘッドの移動に応じて、前記光源からの光線が前記光学系に到達するように、前記光源の光線射出高さを調整する請求項１に記載の光加工装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光加工装置を備え、積層造形を行う造形装置であって、
   前記ノズルヘッドは、粉体材料を前記加工点に向けて噴射する造形装置。
6. 光加工用の光線を射出する光源と、
   前記光源から射出された前記光線を受光し、受光光線を加工点に集光させる光学系を有するノズルヘッドと、
   前記ノズルヘッドを移動させる移動機構と、
   を有する光加工装置の制御方法であって、
   前記光学系は、
   内壁面が鏡面で回転対称軸を有し、前記加工点を焦点として有する回転対称ミラーと、
   前記回転対称ミラーの前記回転対称軸に沿って加工点から離れた位置に、前記光源からの光線を取り込む入射開口と、
   を含み、
   前記光線が前記入射開口から入射して、前記回転対称ミラーの前記内壁面で反射するように、前記入射開口よりも加工点から離れた位置に前記光源が配置され、
   前記回転対称ミラーを用いたノズルヘッドがＸＹ平面内で任意に移動したとき、前記光源のチルト角度の調整角度Δβについて、前記光源の前記入射開口からの高さをＬ０、前記光源から移動前の前記回転対称ミラーの焦点までの距離をＤ０、前記光源から移動後の前記回転対称ミラーの焦点までの距離をＤ１とすると、
   Δβ＝tan ^-1 (D0/L0)−tan ^-1 (D1/L0)
   となる角度調整を行いつつ、
   前記ノズルヘッドの移動に応じて、前記光源からの光線が前記焦点に向くように、前記光源の光線を回動させる調整工程を含む光加工装置の制御方法。

Images