JP6397569B2 - ３ｄプリンタ、印刷方法および鏡筒モジュール - Google Patents

Description

本発明は、レーザー加工システムに関し、特に、３Ｄプリンタ、印刷方法および鏡筒モジュールに関するものである。

近年、３Ｄプリンタは迅速に発展している。常用の３Ｄプリンタは、データモデルにより、粘着性の材料、例えばワックス、粉末状の金属またはプラスチックなどを一層ずつ堆積させることにより３次元の物体を形成する。しかしながら、従来の３Ｄプリンタは、印刷方法と鏡筒モジュールの設計などにより精密度低く、精密な加工対象物を加工することができないという欠点がある。

本発明の目的は、加工の精度が高い３Ｄプリンタ、印刷方法および鏡筒モジュールを提供することにある。

鏡筒モジュールであって、入射光の伝播方向に沿って順に同軸に配列される第一レンズ、第二レンズおよび第三レンズを含み、前記第一レンズは両凹型のレンズであり、前記第二レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第三レンズは両凸型のレンズであり、前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を含み、前記第二レンズは第三曲面と第四曲面を含み、前記第三レンズは第五曲面と第六曲面を含み、前記第一曲面ないし第六曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列され、前記第一曲面ないし第六曲面の曲率半径は順に、−３７±５％、４００±５％、−１３０±５％、−６０±５％、３６０±５％、−６８±５％であり、これらの単位はミリメートルである。

本発明の一実施例において、前記第一レンズないし第三レンズの中心の厚さは順に、７±５％、５±５％、１３±５％であり、これらの単位はミリメートルである。

本発明の一実施例において、前記第一レンズの屈折率とアッベ数の比は（１．５／６４）±５％であり、前記第二レンズの屈折率とアッベ数の比は（１．６７／３２）±５％であり、前記第三レンズの屈折率とアッベ数の比は（１．６７／３２）±５％である。

本発明の一実施例において、前記鏡筒モジュールは、入射光の伝播方向に沿う場合の前記第三レンズの後ろに位置する第四レンズを更に含み、該第四レンズは平板型のレンズである。

本発明の一実施例において、前記第四レンズは保護用ガラスであり、その中心の厚さは３±５％ミリメートルであり、前記第四レンズの屈折率とアッベ数の比は（１．５／６４）±５％である。

本発明の一実施例において、前記鏡筒モジュールの焦点距離は１６０ミリメートルであり、入射瞳の直径は１２ミリメートルであり、作業光線の波長は１０６０ナノメートルである。

３Ｄプリンタであって、光の伝播方向に順に配列されるレーザー装置、ビームエキスパンダー、第一ガルバノミラー、第二ガルバノミラーおよび前記鏡筒モジュールを含み、前記レーザー装置、ビームエキスパンダーおよび前記第一ガルバノミラーは同軸に設けられ、前記第二ガルバノミラーと前記第一ガルバノミラーは互いに平行に設けられる。前記３Ｄプリンタは、前記鏡筒モジュールの付近に設けられるガイドフレームと、該ガイドフレーム上に滑動可能に設けられる支持部材とを更に含み、前記第二ガルバノミラー、前記鏡筒モジュールおよび前記支持部材は同軸に設けられる。

３Ｄ印刷方法であって、
前記３Ｄプリンタを提供するステップと、
加工対象物を前記３Ｄプリンタの支持部材上の所定の位置に固定するステップと、
前記レーザー装置から出射したレーザービームは、前記ビームエキスパンダー、第一ガルバノミラー、第二ガルバノミラーおよび前記鏡筒モジュールを経て加工対象物に照射することにより、該加工対象物に対して印刷をするステップとを含む。

本発明の一実施例において、前記レーザービームで前記加工対象物に対して印刷する過程において、前記レーザービームは前記第一ガルバノミラーと第二ガルバノミラーによって偏向し、前記支持部材は前記レーザービームの偏向に合わせながら前記加工対象物を移動させることにより、該加工対象物の全体に対して印刷をする。

鏡筒モジュールの第一レンズないし第三レンズの配置とパラメーターにより、３Ｄプリンタは高い加工精度を獲得することができる。

図面に示された本発明の好適な実施例の技術的事項により、本発明の目的、特徴および発明の効果をより詳細に理解することができる。各図面において、同様な符号は同様な部分を示す。下記図面は、実際の製品のサイズの比例によって画いたものではなく、本発明の趣旨をよく表すことができるように画かれている。

本発明の一実施例の３Ｄプリンタの構造を示す図である。 図１に示される３Ｄプリンタの鏡筒モジュールを示す図である。 図２に示される鏡筒モジュールの収差を示す図である。 図２に示される鏡筒モジュールの変調伝達関数を示すＭ.Ｔ.Ｆ図である。 図２に示される鏡筒モジュールの像面湾曲を示す図である。 図２に示される鏡筒モジュールの変形を示す図である。 本発明の一実施例の印刷方法を示す流れ図である。

本発明の目的、特徴および発明の効果をより詳細に理解してもらうため、以下、図面により本発明の具体的な実施例をより詳細に説明する。下記実施例に示される具体的な技術的事項により、本発明を充分に理解してもらうことができる。明細書には本発明の好適な実施例が示されているが、本発明はそれらと異なる他の実施形態によって実施されることもできる。すなわち、本技術分野の技術者は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で色々な設計の変更などをすることができ、本発明は下記実施例の構成にのみ限定されるものではない。

注意されたいことは、本明細書中の光の伝播方向は図面の左側から右側に向かう。レンズの曲率半径の正負は、曲面と主光の交差点に比べて、曲面の球心が前記交差点の左側に位置するとき、曲率半径は負数になり、逆に、曲面の球心が前記交差点の右側に位置するとき、曲率半径は正数になる。鏡筒の左側には物体が位置しており、鏡筒の右側には結像が位置している。正レンズはレンズの中心の厚さが辺縁の厚さより厚いレンズを指し、負レンズはレンズの中心の厚さが辺縁の厚さより薄いレンズを指す。

図１を参照すると、本発明の一実施例の３Ｄプリンタ１００は、光の伝播方向に順に配列されるレーザー装置１０、ビームエキスパンダー２０、第一ガルバノミラー３０、第二ガルバノミラー４０および鏡筒モジュール５０を含む。３Ｄプリンタ１００は、鏡筒モジュール５０の付近に設けられるガイドフレーム６０と、ガイドフレーム６０上に滑動可能に設けられる支持部材７０とを更に含む。レーザー装置１０、ビームエキスパンダー２０および第一ガルバノミラー３０は同軸に設けられ、第一ガルバノミラー３０と第二ガルバノミラー４０は互いに平行に設けられる。第二ガルバノミラー４０、鏡筒モジュール５０および支持部材７０は同軸に設けられ、支持部材７０は鏡筒モジュール５０の下方に位置する。本実施例において、支持部材７０は平板状体であり、その上には加工対象物２００が載置される。第一ガルバノミラー３０はＸ方向のガルバノミラーであり、第二ガルバノミラー４０はＹ方向のガルバノミラーである。

図２を参照すると、鏡筒モジュール５０は、入射光の伝播方向に沿って順に同軸に配列される第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３および第四レンズＬ４を含む。第一レンズＬ１は両凹型のレンズであり、第二レンズＬ２はメニスカス状のレンズであり、第三レンズＬ３は両凸型のレンズであり、第四レンズＬ４は平板型のレンズである。第一レンズＬ１は第一曲面Ｓ１と第二曲面Ｓ２を含み、第二レンズＬ２は第三曲面Ｓ３と第四曲面Ｓ４を含み、第三レンズＬ３は第五曲面Ｓ５と第六曲面Ｓ６を含み、第四レンズＬ４は第七曲面Ｓ７と第八曲面Ｓ８を含む。各レンズにおいて２つの曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面になり、第一曲面Ｓ１ないし第八曲面Ｓ８は入射光の伝播方向に沿って順に配列される。第一曲面Ｓ１、第三曲面Ｓ３、第四曲面Ｓ４、第六曲面Ｓ６の湾曲方向は同様であり、いずれも入射光の伝播方向（すなわち結像側に向かう方向）に突出している。第二曲面Ｓ２と第五曲面Ｓ５の湾曲方向は同様であり、いずれも入射光の伝播方向の反対方向（すなわち物体側に向かう方向）に突出している。第七曲面Ｓ７と第八曲面Ｓ８は平面である。本実施例において、第四レンズＬ４は保護用ガラスである。注意されたいことは、第四レンズＬ４を設けなくてもよい。

第一レンズＬ１の屈折率とアッベ数の比は１．５／６４である。第一レンズＬ１の第一曲面Ｓ１は結像側へ突出しており、曲率半径は−３７ミリメートルである。第二曲面Ｓ２は物体側へ突出しており、曲率半径は４００ミリメートルである。第一レンズＬ１の中心の厚さｄ１（すなわちレンズの光軸上の厚さ）は７ミリメートルである。第一レンズＬ１の前記各パラメーターはいずれも５％の公差の範囲を有することができる。すなわち、各パラメーターは±５％の範囲内で変化することができる。

第二レンズＬ２の屈折率とアッベ数の比は１．６７／３２である。第二レンズＬ２の第三曲面Ｓ３は結像側へ突出しており、曲率半径は−１３０ミリメートルである。第四曲面Ｓ４は結像側へ突出しており、曲率半径は−６０ミリメートルである。第二レンズＬ２の中心の厚さｄ２は５ミリメートルである。第二レンズＬ２の前記各パラメーターはいずれも５％の公差の範囲を有することができる。

第三レンズＬ３の屈折率とアッベ数の比は１．６７／３２である。第三レンズＬ３の第五曲面Ｓ５は物体側へ突出しており、曲率半径は３６０ミリメートルである。第六曲面Ｓ６は結像側へ突出しており、曲率半径は−６８ミリメートルである。第三レンズＬ３の中心の厚さｄ３は１３ミリメートルである。第三レンズＬ３の前記各パラメーターはいずれも５％の公差の範囲を有することができる。

第四レンズＬ４の屈折率とアッベ数の比は１．５／６４である。第四レンズＬ４の第七曲面Ｓ７と第八曲面Ｓ８の曲率半径はいずれも∞である。第四レンズＬ４の中心の厚さｄ４は３ミリメートルである。第四レンズＬ４の前記各パラメーターはいずれも５％の公差の範囲を有することができる。

上述した構造を有している鏡筒モジュール５０のパラメーターにおいて、焦点距離は１６０ミリメートルであり、入射瞳の直径は１２ミリメートルであり、視野角は５０度であり、作業光線の波長は１０６０ナノメートルである。鏡筒モジュール５０により３Ｄプリンタ１００が加工できる加工対象物のサイズは次のとおりである。加工対象物が円柱体であるとき、加工可能な加工対象物の体積はＶ＝Ф＊Ｌ（Ｌは加工対象物の長さである）であり、直径Фの最大値は０．１４メートルに達することができる。加工対象物の断面が四角形であるとき、加工可能な加工対象物の体積はＶ＝Ｓ＊Ｌであり、面積Ｓの最大値は０．１＊０．１平方メートルに達することができる。鏡筒モジュール５０のテスト結果は図３〜図６に示されるとおりである。

図３は鏡筒モジュール５０の幾何的収差を示す図である。この図において、ＤＢＪは視野角を意味し、単位は度であり、ＩＭＡは結像面の結像の直径を意味し、単位はミリメートルである。図３には長さが４０ミリメートルである標尺が示されている。図３に示されるスポットから分かるように、鏡筒モジュール５０の集光スポットのサイズは小さく、理想的な解像度になっている。すなわち、全視野角内の錯乱円の幾何的サイズはいずれも８マイクロメートル以下となっている。

図４は鏡筒モジュール５０の変調伝達関数（modulation transfer function、Ｍ.Ｔ.Ｆ）を示す図である。この図において、横座標は解像度を意味し、単位はライン・ペア／ミリメートルであり、ＴＳは視野角を意味し、単位は度である。図４に示されるとおり、解像度が２０ライン・ペア／ミリメートルであるとき、Ｍ.Ｔ.Ｆは依然として０．６より大きい。すなわち、解像度は０．０１ミリメートルになり、かなり理想的な状態になっている。

図５は図１に示される実施例の鏡筒モジュール５０の像面湾曲を示す図である。図５において、縦座標＋Ｙは視野角の大きさを意味し、横座標の単位はミリメートルである。図６は図１に示される実施例の鏡筒モジュール５０の変形を示す図である。図６において、縦座標＋Ｙは視野角の大きさを意味し、横座標の単位はパーセントである。図５〜図６に示されるとおり、像面湾曲と変形はいずれも理想的な状態になっている。

図１および図７を再び参照すると、前記３Ｄプリンタ１００の印刷方法は次のステップを含む。
ステップＳ１０１において、前記３Ｄプリンタ１００を提供する。
ステップＳ１０２において、加工対象物２００を支持部材７０上の所定の位置に固定する。
ステップＳ１０３において、レーザー装置１０から出射したレーザービームは、ビームエキスパンダー２０、第一ガルバノミラー３０、第二ガルバノミラー４０および鏡筒モジュール５０を経て加工対象物２００に照射することにより、加工対象物２００に対して印刷をすることができる。具体的に、レーザービームにより加工対象物２００の一部分の材料が溶解するか或いは気化することにより、所定の形状の製品を形成することができる。印刷の過程において、レーザービームは第一ガルバノミラー３０と第二ガルバノミラー４０によって偏向し、支持部７０はレーザービームの偏向に合わせながら加工対象物２００を移動させることにより、加工対象物２００の全体に対して印刷をすることができる。

鏡筒モジュール５０の第一レンズないし第四レンズの配置とパラメーターにより、３Ｄプリンタ１００は、高い加工精度を獲得し、精密な加工が必要である加工対象物を加工することができ、応用の範囲を広くすることができる。また、３Ｄプリンタ１００は印刷加工方法により、原材料が粉砕してはいけない加工対象物、例えばダイヤモンド、玉石、結晶体、貴金属などに対して印刷をすることができるので、３Ｄプリンタ１００の応用の範囲を広くすることができる。と３Ｄプリンタ１００は印刷加工方法において鏡筒モジュール５０を利用することにより、３Ｄプリンタ１００の印刷の精度は０．０１ｍｍ程度に達することができ、加工された製品は表面の粗さが非常に良いので、それ以外機械的加工をされなくてもそのまま使用されることができる。また、３Ｄプリンタ１００により中実の加工対象物を加工することができ、中空の加工対象物を加工することもできる。鏡筒モジュール５０は４個のレンズのみを採用するので、光学部品の構成材料の種類を有効に低減することができる。

加工対象物２００のサイズが異なっているとき、焦点の距離が異なる鏡筒モジュール５０を選択して印刷をすることができる。他の実施例において、ガイドフレーム６０を設けなくてもよい。この場合、加工対象物２００を支持部材７０上に固定することにより、加工対象物２００が移動しないようにする。

以上、上述した複数の実施例により本発明の好適な実施例を詳述してきたが、本発明の構成は前記実施例にのみ限定されるものでない。本技術分野の当業者は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で設計の変換等を行うことができ、このような設計の変更等があっても本発明に含まれることは勿論である。本発明の保護範囲は後述する特許請求の範囲が定めたことを基準にする。

Claims (9)

1. 鏡筒モジュールであって、入射光の伝播方向に沿って順に同軸に配列される第一レンズ、第二レンズおよび第三レンズから構成され、前記第一レンズは両凹型のレンズであり、前記第二レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第三レンズは両凸型のレンズであり、前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を含み、前記第二レンズは第三曲面と第四曲面を含み、前記第三レンズは第五曲面と第六曲面を含み、前記第一曲面ないし第六曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列され、前記第一曲面ないし第六曲面の曲率半径は順に、−３７±５％、４００±５％、−１３０±５％、−６０±５％、３６０±５％、−６８±５％であり、これらの単位はミリメートルであることを特徴とする鏡筒モジュール。
2. 前記第一レンズないし第三レンズの中心の厚さは順に、７±５％、５±５％、１３±５％であり、これらの単位はミリメートルであることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒モジュール。
3. 前記第一レンズの屈折率とアッベ数の比は（１．５／６４）±５％であり、前記第二レンズの屈折率とアッベ数の比は（１．６７／３２）±５％であり、前記第三レンズの屈折率とアッベ数の比は（１．６７／３２）±５％であることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒モジュール。
4. 前記鏡筒モジュールは、入射光の伝播方向に沿う場合の前記第三レンズの後ろに位置する第四レンズを更に含み、該第四レンズは平板型のレンズであることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒モジュール。
5. 前記第四レンズは保護用ガラスであり、その中心の厚さは３±５％ミリメートルであり、前記第四レンズの屈折率とアッベ数の比は（１．５／６４）±５％であることを特徴とする請求項４に記載の鏡筒モジュール。
6. 前記鏡筒モジュールの焦点距離は１６０ミリメートルであり、入射瞳の直径は１２ミリメートルであり、作業光線の波長は１０６０ナノメートルであることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒モジュール。
7. ３Ｄプリンタであって、光の伝播方向に順に配列されるレーザー装置、ビームエキスパンダー、第一ガルバノミラー、第二ガルバノミラーおよび請求項１に記載の鏡筒モジュールを含み、前記レーザー装置、ビームエキスパンダーおよび前記第一ガルバノミラーは同軸に設けられ、前記第二ガルバノミラーと前記第一ガルバノミラーは互いに平行に設けられ、前記３Ｄプリンタは、前記鏡筒モジュールの付近に設けられるガイドフレームと、該ガイドフレーム上に滑動可能に設けられる支持部材とを更に含み、前記第二ガルバノミラー、前記鏡筒モジュールおよび前記支持部材は同軸に設けられることを特徴とする３Ｄプリンタ。
8. ３Ｄ印刷方法であって、
   請求項７に記載の３Ｄプリンタを提供するステップと、
   加工対象物を前記３Ｄプリンタの支持部材上の所定の位置に固定するステップと、
   前記レーザー装置から出射したレーザービームは、前記ビームエキスパンダー、第一ガルバノミラー、第二ガルバノミラーおよび前記鏡筒モジュールを経て加工対象物に照射することにより、該加工対象物に対して印刷をするステップとを含むことを特徴とする３Ｄ印刷方法。
9. 前記レーザービームで前記加工対象物に対して印刷する過程において、前記レーザービームは前記第一ガルバノミラーと第二ガルバノミラーによって偏向し、前記支持部材は前記レーザービームの偏向に合わせながら前記加工対象物を移動させることにより、該加工対象物の全体に対して印刷をすることを特徴とする請求項８に記載の３Ｄ印刷方法。