JP7183763B2

JP7183763B2 - 三次元物体の造形装置および造形方法

Info

Publication number: JP7183763B2
Application number: JP2018237473A
Authority: JP
Inventors: 卓衛西尾; 麻人田村
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: JP2020019271A

Description

本発明は、三次元物体の造形装置および造形方法に関する。

光を材料（熱可塑性樹脂や金属、光硬化樹脂等）に照射することで材料を硬化させて徐々に積層していくことで三次元物体を造形する三次元造形方法（例えば選択的レーザ焼結やステレオリソグラフィ）が知られている。
このような三次元造形方法においては、造形物の形状から複数の層の形状データを生成し、形状データに基づいて生成された複数の造形層を積層する積層造形法が用いられている。
このような従来の積層造形法では二次元的な形状データを積層して三次元造形を行う都合上、まず造形面に二次元的なレーザ走査を行った後、造形面をステージごと移動させてさらに次の層を形成する、という手順を取る必要があった。
このような二次元的なレーザ走査の方法としては、一般にガルバノスキャンなどを用いて二次元走査を行う方法があるが、ミラー面が加減速を繰り返す構成であるために走査速度を向上させるという観点で改善の余地がある。

本発明は以上のような課題に基づきなされたものであり、三次元物体の造形の高精度化と高速化とを両立することを目的とする。

本願発明にかかる造形装置は、光源を有し、前記光源から発せられた光を造形面上または既に造形された層上に配置される材料に照射することでＸＹＺの三次元直交座標系で表される三次元空間に所望の造形物を形成する三次元物体の造形装置であって、ＸＹ平面と平行な造形面をＺ方向に移動させる駆動機構と、前記Ｚ方向と平行な中心軸であるＺ軸の周りを回転するとともに、前記Ｚ軸に対して垂直なＹ方向に前記光を走査する光走査手段と、前記光走査手段を前記Ｚ軸を回転軸として前記造形面に対して相対的に回転させる回転機構と、を有し、前記回転機構による前記回転と、前記光走査手段による前記走査の組み合わせにより前記造形面に照射される前記光のパターンを制御する。

本発明の造形装置によれば、三次元物体の造形の高精度化と高速化とを両立する。

本発明の参考例としての三次元造形装置の一例を示す図である。本発明の光走査手段による走査の一例を示す図である。図１に示した三次元造形装置の照射光の経路の変遷の一例を示す図である。図１に示した三次元造形装置の造形動作の一例を示す図である。図１に示した三次元造形装置の表面高さ調整部の構成の一例を示す図である。図５に示した三次元造形装置を異なる角度から見た図である。図４に示した造形動作において２層目の造形を行う動作例を示す図である。従来の造形装置における動作の一例を示す図である。図４、７に示した造形動作により形成される造形物の一例を示す図である。三次元造形装置の第２の参考例の構成の一例を示す図である。三次元造形装置の第３の参考例の構成の一例を示す図である。三次元造形装置の第４の参考例の構成の一例を示す図である。図１２に示した三次元造形装置において、独立した２つの光源を用いる構成の一例を示す図である。三次元造形装置の第５の参考例の構成の一例を示す図である。図１４に示した三次元造形装置の照射光の経路の一例を示す図である。三次元造形装置の第１の実施形態の構成の一例を示す図である。三次元造形装置の第２の実施形態の構成の一例を示す図である。

本発明の第１の参考例として、図１にＸＹＺの三次元直交座標系で表される三次元空間に三次元物体を造形する造形装置としての造形装置１００を示す。
なお、以降の説明では、ＸＹＺの三次元直交座標系を用いる。後述する回転ステージ１０の回転軸をＺ軸とし、回転ミラー２２の回転軸と平行な軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに垂直な方向をＹ軸とする。

造形装置１００は、光源たる発光部２０を有し、発光部２０から発せられた光Ｌを造形面Ｓ上に配置される材料１０１に照射することで所望の造形物を形成する三次元物体の造形装置である。
造形装置１００は、発光部２０から照射された光を平行光へと変換するコリメータレンズ２１と、Ｘ方向に平行な中心軸の周囲を回転する多面鏡である回転ミラー２２と、集光光学系たる走査レンズ２３と、を有している。
造形装置１００は、＋Ｚ方向側の表面に材料１０１が配置されて最終的な造形物Ｐが形成される造形ステージ１１と、造形ステージ１１よりも－Ｚ側に配置されて造形面ＳをＺ軸中心に回転可能に支持する回転機構たる回転ステージ１０と、を有している。
造形装置１００は、回転ステージ１０をＺ軸方向に進退可能に、言い換えると±Ｚ方向に自在に移動可能に支持するＺステージ１２と、造形ステージ１１の周囲に材料１０１を保持するための造形槽１０２と、を有している。
本参考例では、造形槽１０２の底面部１０３を挿通するようにＺステージ１２が配置されている。

発光部２０は、ＣＷレーザやパルスレーザなどを用いて良く、特に数十ｐｓ以下のパルス幅の短いパルス発光レーザは、多光子光造形法の場合に特に好適である。
コリメータレンズ２１は、発光部２０から出射された光Ｌを光軸に沿って略平行な光へと変換するレンズである。
回転ミラー２２は、多角形柱（図１においては特に六角柱）状の側面に鏡面が形成されてＸ軸と平行な軸を中心に回転する回転多面鏡（ポリゴンミラー）である。
回転ミラー２２は、図１におけるＡ方向で示す回転方向に回転することで、Ｙ方向に沿って進んできた光Ｌを反射して角度を変更する。
走査レンズ２３は、所謂ｆθレンズであり、Ｙ方向に沿って一定の角速度θで移動する光ＬをＹ方向に一定の速度を持つ走査光Ｌへと変換する。
このように、発光部２０、コリメータレンズ２１、回転ミラー２２、走査レンズ２３とで１つのユニットとなって走査光Ｌの光源を形成している。
このとき、回転ミラー２２と走査レンズ２３とによって走査される距離は、造形ステージ１１の半径よりも長いことが望ましい。このような走査距離とすることによれば、造形物Ｐのサイズを十分に確保可能である。

なお、本参考例においては、回転ミラー２２と走査レンズ２３とを用いて光線を走査するような構成としているが、かかる構成に限定されるものではなく、走査レンズ２３は複数のレンズを備える集光光学系や反射光学系であっても良い。また、回転ミラー２２は一次元走査光を形成する手段であれば良く、例えばガルバノミラーやＭＥＭＳミラーを用いるとしても良いが、ミラーの加減速が必要となる点や、往復走査により造形物への光走査の順序が一方向にならず熱分布に不均一が生じる場合があるため、回転ミラー２２が好適である。

材料１０１は、例えば液状の紫外線硬化樹脂であり、走査光Lが照射されることで照射位置Ｑにある材料１０１が硬化することで三次元物体たる造形物Ｐが形成されていく。なお、かかる材料１０１は、熱可塑性樹脂であっても良く、その他、粒子状であってもゲル状であっても、走査光Ｌが照射された位置が三次元物体として造形されるものであれば良い。

回転ステージ１０は、Ｚ軸中心として回転する円柱状のステージであり、＋Ｚ方向側に造形ステージ１１が載置されている。
造形ステージ１１上には、材料１０１が配置され、図２、図３に示すように走査光Ｌの照射位置Ｑが＋Ｚ側の表面にくるように調整されている。かかる構成により、造形ステージ１１上にはＸＹ平面に平行な造形面Ｓが形成されている。かかる造形面Ｓは、初期状態においては造形ステージ１１上であり、後述するように造形物Ｐが形成されていく過程においては当該造形物Ｐの現在造形している層の直前に造形された層の＋Ｚ方向側の表面を指す。
Ｚステージ１２は、Ｚ軸方向に進退可能に支持された円柱状の部材であり、＋Ｚ方向の先端部に回転ステージ１０が取り付けられている。
Ｚステージ１２の中心と、回転ステージ１０の回転中心とは一致していることが望ましい。

走査光Ｌは、発光部２０の明滅と、回転ミラー２２の角度とによって、＋Ｚ方向から見ると図２に網掛けで示したように、Ｙ軸に沿って形成される照射領域Ｑ’内の任意の点である照射位置Ｑに照射されることとなる。かかる走査光Ｌは、回転ステージ１０の回転によらず常にＹ方向に向かって走査されることとなるから、回転ステージ１０とともに造形面が回転すると、図３に示すように造形面Ｓ上を径方向に沿って走査光Ｌが走る軌跡を放射状に複数生じることとなる。
なお、かかる走査光Ｌの径方向に沿った照射の１つ１つが、「造形面Ｓ上においてＹ方向に沿って光を走査する走査ステップ」である。

回転ステージ１０は、造形を行う最中には所定の角速度で常に回転しており、１回転が１層の造形に対応する。回転ステージ１０が１回転した時に、Ｚステージ１２は造形物Ｐの１層分、本参考例では５０μｍだけ－Ｚ方向へ向かって降下する。
なお、このとき回転ステージ１０の１回転と、Ｚステージ１２の移動速度との割合は自由に変更可能であり、１層の造形が終わった段階すなわち回転ステージ１０が初期位置から１回転した時点で１層分の厚みだけＺステージ１２を移動しても良いが、このように段階的な移動を行おうとすると、造形物Ｐに不要な段差が生じる原因ともなり得るので、Ｚステージ１２は常に一定の速度で移動させることが望ましい。
かかる回転ステージ１０の回転が、「造形面ＳをＺ軸を回転軸として回転させる回転ステップ」である。なお、回転ステップはかかる回転ステージ１０の回転に限るものではなく、回転ミラー２２側が回転するものであっても、両方が互いに逆方向に回転するものであっても良い。すなわち、造形面Ｓと光走査手段とをＺ軸を回転軸として相対的に回転させるものであれば良い。

回転ステージ１０の１回転中に走査光Ｌが何回走査するかは、求められる造形物Ｐの解像度等によって任意の回数取れば良く、回転ミラー２２の回転速度と回転ステージ１０の回転速度とによって任意の値に制御することができる。
ここで、造形面Ｓ上の造形物Ｐが形成されるイメージに沿って、回転ミラー２２の回転によって生じる一方向（ここではＹ方向）への走査光Ｌの移動を一般的な複写機における主走査、回転ステージ１０の回転による走査位置の変化が副走査と対応して考えても良い。

さて、かかる構成の造形装置１００を用いて造形物Ｐが造形されるときの動作について図３、４に模式的に示す。
図３においては、回転ステージ１０を＋Ｚ方向上からみたときに１０°ずつ回転させる場合について、走査光Ｌが照射位置Ｑに照射された軌跡である走査線を、走査線Ａ１～Ａｎとして模擬的に示している。
図３においては、走査光Ｌの照射位置Ｑが見易くなるように照射位置Ｑ同士の間隔を広く取ったが、実際には造形面Ｓの外縁部においても十分小さい。また、図３では走査線Ａ１～Ａｎの間隔も広く表示しているが、実際には１ｍｍ以下の走査線距離であり、副走査あたりの角度もより適切な角度であって良い。

まず、図４（ａ）に示すように回転ステージ１０が初期位置、０°にあるとき、走査光ＬはＹ方向に、斜線で示すように走査線Ａ１に沿って並んだ照射位置Ｑ_１を形成する（走査ステップ）。
次に、図４（ｂ）に示すように回転ステージ１０が１０度だけ回転した場合を考えると、図４（ｂ）中に斜線で示したように第１回目の走査によって形成された造形位置が１０°だけ回転して配置されている（回転ステップ）。
この状態で、走査光Ｌが走査されると、走査線Ａ２に沿って並んだ照射位置Ｑ_２が、図４（ｂ）に示すように形成される。
さらに同様に１０°回転すると、図４（ｃ）に示すように、照射位置Ｑ_３が走査線Ａ３に沿って形成されることとなる。
これを１０°ずつ繰り返すと、最終的に図４（ｄ）に示すように、照射位置Ｑの軌跡が造形面Ｓ全体に満遍なく形成される。
このように動作させることにより、造形面Ｓ全体に任意の形状の平面パターンを形成することができる。すなわち、照射位置Ｑの平面パターンが三次元的に複数連なった造形データさえあれば所望の造形物Ｐを造形することができる。

なお、かかる造形パターンにおいては、一般に光源たるレーザの照射密度がなるべく均一になるように制御することで、材料１０１に対して一律のエネルギーを与えることができて良好な造形結果が得られる。
そこで、本参考例においては、回転中心から遠い位置と近い位置とで照射時間の間隔を変えることで、面積あたりの照射密度が均一になるように制御している。または、発光部２０の点灯間隔の調整によって制御しても良い。

また、図４（ａ）～（ｄ）においては照射位置Ｑの間には広い間隔が空いているが、実際には連続的な造形を行うために照射位置Ｑは複数回重ねて走査されることがより望ましい。また、同図では１辺あたり５個の照射位置Ｑができるように図示しているが、かかる回数についても限定されるものではなく、任意の回数走査して良い。

さて、かかる回転ステージ１０の回転は、既に述べたように本参考例では１回転が１層分である５０μｍに相当している。
そこで、回転ステージ１０が３６０°回転する時には、Ｚステージ１２は１層分すなわち５０μｍ分だけ－Ｚ方向へと降下する（駆動ステップ）。
かかる降下によって造形槽１０２内に充填された材料１０１が造形面Ｓへと広がることで、造形面Ｓ上に材料１０１が供給される。

なお、材料１０１の供給はＺステージ１２の下降によって自然に広がるような構成だけでなく、例えば図５、図６に示すように、材料１０１の表面高さを一定にするための表面高さ調整部１５を有するとしても良い。
かかる表面高さ調整部１５は、摺りきりを行うように造形面Ｓから所定の距離ｚだけ離れた柱状の部材であり、走査光Ｌの走査位置に対してステージ回転方向の上流側であって、走査光Ｌを妨げない範囲で十分に近い位置に形成されることが望ましい。
かかる構成により、回転ステージ１０の回転に応じて、自然に造形面Ｓ表面にある細かい凹凸を均されて材料１０１の表面精度が向上するから、より精度良く造形物Ｐを形成することができる。

図７は、１層目が造形されて材料１０１が供給された後、２層目の造形が開始されたときの造形物Ｐを簡略的に記載したものである。
図７に示すように、光走査手段たる回転ミラー２２の回転を主走査に、回転ステージ１０の回転を副走査に用いることにより、複数層の造形を行う際にも、動作を止めることなく連続的な造形を行うことができて、造形の高速化を行うことができる。
さらにこのとき、図４（ａ）で示した走査線Ａ１の直上が、図７で示した走査線Ｂ１の位置に対応する。そのため、１層目の中で最も冷却が済んだ部分から２層目の造形が開始されることとなって、造形面Ｓ上の熱分布が偏ることなく、造形精度的に好ましい。

この点について詳しく説明する。
従来の造形装置の例として示す３Ｄプリンタ３００においては、図８（ａ）のように主走査方向たるＹ方向と副走査方向たるＸ方向とを定めたとき、ｎ層目をＸ方向下流端まで造形した後、ｎ＋１層目の造形を開始するためには初期位置としてＸ方向の最も上流側へと戻る必要があり、スループットの低下を招いてしまっていた。
そこで、スループット向上のために図８（ｂ）に示すように、ｎ層目をＸ方向の端部まで走査した後に、ｎ＋１層目を＋Ｘ方向側の端部から－Ｘ方向へ向けて造形する往復走査を行う方法が考えられている。しかしながら、このような方法を用いた場合には、ｎ層目において最後に造形した熱が冷める前に、ｎ＋１層目の最初の造形が為されてしまうという別の課題が生じてしまう。

そこで、本発明においては、回転ミラー２２の回転により主走査を行うとともに、回転ステージ１０の回転及びＺステージ１２のＺ軸の移動により副走査方向に対応する方向に造形面Ｓを移動させることで、ｎ＋１層目の造形時にも、熱分布を偏らせることなく、かつ停止や加減速が生じないことでスループットを向上させることができる。
かかる構成により、三次元物体の造形の高精度化と高速化とを両立することができる。
換言すれば、本参考例では、造形面ＳをＺ方向に移動させるＺステージ１２と、光走査モジュール２５と造形面ＳをＺ軸を回転軸として相対的に回転させる回転ステージ１０と、Ｚ軸に対して垂直なＹ方向に走査光Ｌを走査する光走査手段と、を有し、回転ステージ１０による造形面Ｓの回転と、光走査手段による走査の組み合わせにより造形面Ｓに照射される走査光Ｌのパターンを制御する。かかる構成により、三次元物体の造形の高精度化と高速化とを両立することができる。

図７に示した走査線Ｂ１についても、図５（ａ）～（ｄ）で説明した１層目の造形と同様に走査することで、２層目が造形される。
以上述べたような工程を任意の層数だけ繰り返すことにより、造形装置１００の造形ステージ１１上には、図９に示すように、三次元物体（造形物Ｐ）が造形される。
なお、図９においては、正方形が積みあがった直方体形状についてのみ記したが、任意の形状であって良い。

本発明の第２の参考例について説明する。
図１０に示す造形装置２００は、図１に示したような構成とは異なり、鉛直下方側から鉛直方向（Ｚ軸方向）上向きに走査光Ｌを入射する構成を示している。
なお、以降の各形態の説明においては、第１の参考例において示した構成と同様の構成については、同一の番号を付して説明を省略する。

第２の参考例においては、回転ステージ１０の－Ｚ方向側の面に造形面Ｓが－Ｚ方向側を向いて配置されている。従って、走査光Ｌを用いて材料１０１を硬化させるには、造形槽１０２と造形面Ｓとの間に隙間を形成すれば、自動的に厚みが均一な材料１０１で満たされることとなる。
また、底面部１０３は走査光Ｌを透過するように、透明材料で形成されている。

このように、走査光Ｌを－Ｚ方向側から＋Ｚ方向側に向かって打ち上げる吊り下げ方式をとることによれば、特に液状の材料１０１を用いた場合に、自動的に材料１０１が均一に充填されることとなるから、造形精度の向上に寄与する。

さらにまた、一般的にはこのように吊り下げ式の造形装置では造形槽１０２の底面部１０３と造形物Ｐとが接着されてしまうため、剥離させる工程が必要となるが、本参考例においては、回転ステージ１０の回転による角運動量が造形物Ｐと造形槽１０２の底面部１０３との間に剪断力としてはたらくから、剥離工程が無くとも回転ステージ１０の回転によって造形物Ｐと造形槽１０２の底面部１０３とが切り離される。

本発明の第３の参考例について説明する。
一般的な光造形においては、走査光Ｌを材料１０１が吸収することで、光の持つエネルギーが熱として材料１０１に伝わり、材料１０１が変性して硬化する。すなわち、材料１０１の吸収波長と走査光Ｌの波長とが近しいことが好ましい。
また、光の波長が長ければ長いほど、光の透過距離は長くなることが知られている。
しかしながら、図１１に示すように、光造形においては、材料１０１の吸収波長よりも長い波長の（言い換えるとエネルギーの低い）光を用いることもできる。
このような方法は多光子造形と呼ばれており、通常は光子エネルギーが材料１０１のバンドギャップよりも低いため、通常、光の吸収は生じない。しかしながら焦点近傍など光エネルギー密度が高い場合には、材料１０１の例えば単粒子に複数の光子が到達する現象が生じて、合計エネルギーがバンドギャップを超えるために材料１０１が複数個の光子を同時に吸収する場合がある。
すなわち、光エネルギー密度が高い（言い換えれば光の集中する）焦点付近でのみ光が吸収され、その他の領域では吸収されないこととなる。

このような現象を利用すれば、材料１０１の表面を硬化するのみならず、材料表面より所定距離だけ内側にある焦点近傍でのみ硬化し、当該箇所以外は透過するような走査光Ｌと材料１０１との組み合わせができるから、より造形精度を高めることができる。
また、一光子造形と比較して多光子造形においては造形分解能が向上する一方で照射位置Ｑの面積が小さくなるため造形速度が低下してしまう。
しかしながら、本発明の構成を用いれば、分解能を向上しながらも造形速度の高速化を図れるので、より好適に多光子造形法による三次元物体の造形が可能となる。

さらに、造形面Sと走査光Ｌを透過する造形槽１０２の底面部１０３との間にギャップを設けることで、造形槽１０２の下面と造形物Ｐとが接着されてしまうことがなくなり、剥離工程が不要となって三次元物体の造形が高速化可能である。

本発明の第４の参考例について説明する。
図１２は、走査光Ｌａ、Ｌｂの２本の走査光線を備え、造形面Ｓ上に２つの同じ三次元物体の造形を行う造形装置２００の例を示す。

造形装置２００は、発光部２０と、２つの回転ミラー２２ａ、２２ｂと走査レンズ２３ａ、２３ｂとを有している。
造形装置２００においては、ハーフミラ１６を用いて、発光部２０からの光を２つに分離し、一方を回転ミラー２２ａと走査レンズ２３ａ、他方を回転ミラー２２ｂと走査レンズ２３ｂとしてそれぞれ造形面Ｓ上の異なる領域に導光される。すなわち、本参考例では、複数の走査光Ｌａ、Ｌｂを材料表面の異なる位置に照射する。
このような構成により、回転ミラー２２ａと走査レンズ２３ａとによって形成される走査光Ｌａが照射される照射位置Ｑａと、回転ミラー２２ｂと走査レンズ２３ｂとによって形成される走査光Ｌｂが照射される照射位置Ｑｂとで略同一の三次元物体の造形を行うことができるから、スループットが向上して高速に造形物を形成することができる。
なお、かかる構成においては、造形面Ｓの面積の半分が、造形物ＰのＸＹ平面射影の最大値となるように形成する。
また、図１２（ｂ）に示したように、２本の走査光Ｌａ、Ｌｂを造形面Ｓの別の点に照射する場合には、照射位置Ｑａと照射位置Ｑｂとに対応するそれぞれの位置に、表面高さ調整部１５ａ、１５ｂを複数設けることがより望ましい。

造形装置２００はまた、図１３に示すように、互いに独立した発光部２０ａ、２０ｂを有しているとしても良い。このように２つの独立した光源を有するとすれば、照射位置Ｑａと照射位置Ｑｂとで異なる造形物Ｐａ、Ｐｂをそれぞれ生成可能である。
あるいは、単一の発光部２０を用いたとしても、例えば回転ミラー２２ａ、２２ｂの光路手前側に開閉時間を制御可能なシャッターのように独立して点灯時間を制御可能な構成としても良い。
また、走査レンズ２３ａ、２３ｂは本参考例においては、別体として設けたが、かかる構成に限定されるものではなく、１つの走査レンズ２３を２つの光線が通るような構成としても良い。

次に本発明の第５の参考例について説明する。
本参考例では、造形装置２００は、図１４に示すように、１つの回転ミラー２２に対して発光部２０から２本の光線として走査光Ｌａ、Ｌｂを導光し、照射タイミングを１／２画素ずつずらして照射する。かかる構成とすれば、分解能を保ったまま回転ミラー２２の回転速度を上昇させることができるから、より高速に造形物を形成することができる。
なお、このように２本の光線を回転ミラー２２まで重なるように導光するためには、例えば偏光ビームスプリッター１７を用いて一方の光線Ｌａをｐ偏光、他方の光線Ｌｂをｓ偏光とする方法が挙げられる。
このようにｐ偏光とｓ偏光とを用いて制御する場合には、例えば図１５に示したように、照射タイミングが１／２画素ずつずれるように照射すれば、照射位置Ｑａと照射位置Ｑｂとが１／２画素ずつ離れて交互に配置させることとなるから、より細かい制御が可能となる。

次に本発明の第１の実施形態について説明する。
本実施形態では、造形装置２００は、光源部として機能する発光部２０と、コリメータレンズ２１と、Ｚ方向と平行な中心軸の周りを回転可能な光走査モジュール２５と、発光部２０から導光した光を反射することで光路を形成するミラー２４ａとミラー２４ｂとを有している。
造形装置２００はまた、光走査モジュール２５に取り付けられた回転部材２６と、回転ミラー２２と、走査レンズ２３とを有している。上述の構成の内、第１～第５の参考例と同様の構成については、同一の付番を付けて説明を適宜省略する。
造形装置２００は、図１６に示すように造形ステージ１０ではなく、光走査モジュール２５をＺ軸中心として回転させる。ミラー２４ａは回転軸上に固定して配置され、同じく回転軸上に配置されて光走査モジュール２５と一体に回転するミラー２４ｂへ向けて光を反射する。
すなわち、本実施形態においては回転部材２６及び光走査モジュール２５は、造形面Ｓの回転軸に合わせて回転し、発光部２０から導光した光をミラー２４aおよび２４ｂを介して回転ミラー２２に導光する。このとき、発光部２０は非回転とすることを仮定するとミラー２４aは非回転、ミラー２４ｂ、回転ミラー２２、レンズ２３は光走査モジュール２５に固定され、一体となって回転する構成が望ましい。
また、本実施形態においては回転ステージ１０、造形ステージ１１はそれぞれ回転は行わず、Ｚステージ１２によるＺ方向への上下動が可能な態様で支持される。
従って、本実施形態においては回転部材２６及び光走査モジュール２５は、『少なくとも回転ミラー２２を含む部材』に相当し、かかる回転部材２６は光走査モジュール２５とをＺ軸を回転軸として回転させることで、前記光走査手段と前記造形面をＺ軸を回転軸として相対的に回転させる回転機構としての機能を有している。

第１の実施形態を用いることで、造形対象となる材料１０１が液体材料であった時にも高速化が可能になる。この点について具体的に説明する。第１～５の参考例で想定しているような造形面Ｓが回転する手法では、材料１０１が液体材料であった場合には回転によって材料１０１に慣性が生じ、造形物が回転方向と逆方向に流れてしまう。液体材料、例えば紫外線硬化樹脂に光硬化させる場合には、硬化までにかかる硬化時間がミリ秒程度であることが知られている。
回転ミラー２２の回転数を上梓されている一般的な1,000-10,000rpmであると仮定すると、本手法により描画する直線の回転方向に対する描画間隔が5-50msとなり、光硬化時間と同程度のオーダーとなってしまう。従って、第１～５の参考例のように、材料１０１ごと回転ステージ１０や造形ステージ１１を回転させる構成では材料１０１が流れてしまうことで光硬化樹脂の造形に対しては狙いの造形ができない可能性があることを意味する。
その点、第１の実施形態で利用する方式では、造形対象たる材料１０１に慣性力が働かないため、安定な造形が可能となり、高速化しても精度が落とさず造形可能となる。

第１の実施形態において、光走査モジュール２５を回転させる機構としては、光走査モジュール２５を大型のモーターに接続する手法や、光走査モジュールを接するいずれかの面に対して自走回転させる手法などが考えられる。

大型のモーターに接続する手法とは例えば図１６における回転部材２６を電動機に接続し、造形ステージ１１の回転軸と同軸で回転させることで光走査モジュール２５が回転する。

自走回転する手法は例えば図１７に第２の実施形態として概念図を示す。
造形装置２００は、本実施形態においては光源部として機能する発光部２０と、コリメータレンズ２１と、Ｚ方向と平行な中心軸の周りを回転可能な光走査モジュール２５と、発光部２０から導光した光を反射することで光路を形成するミラー２４と、を有している。
造形装置２００はまた、回転ミラー２２と、走査レンズ２３と、造形槽筐体１０４と、造形槽筐体１０４と光走査モジュール２５との間に配置された回転駆動部２７と、を有している。なお上述の構成の内、第１～５の参考例及び第１の実施形態と同様の構成については、同一の付番を付けて説明を適宜省略する。
造形装置２００においては、発光部２５から導光した光がミラー２４にて反射され回転ミラー２２に導光される。光走査モジュール２５は回転駆動部２７と連結されており、回転駆動部２７が造形槽筐体１０４に沿って駆動することで光走査モジュール２５が回転する。
なおかかる回転駆動部２７は、例えばローラーやコロなどの回転駆動力を与えることによって回るものであっても良いし、ベルト等を用いて別途駆動部からの回転駆動力によって光走査モジュール２５を回転させるものであっても良い。
このように、本実施形態においては回転駆動部２７が回転ミラー２２を含む光走査モジュール２５をＺ軸を回転軸として回転させることで、『前記光走査手段と前記造形面をＺ軸を回転軸として相対的に回転させる回転機構』としての機能を有している。
また、本実施形態において回転駆動部２７を動作させて光走査モジュール２５を造形面Ｓに対して相対的に回転させるステップが回転ステップに相当する。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、第１～第２の実施形態として示した各構成を組み合わせて用いたとしても良い。

１０回転機構（回転ステージ）
１１造形ステージ（造形面）
１２駆動機構（Ｚステージ）
２０発光部
２１コリメータレンズ
２２光走査手段（回転ミラー）
２３集光光学系（走査レンズ）
２５光走査モジュール
２６回転機構（回転部材）
２７回転機構（回転駆動部）
１００造形装置
１０１材料
２００造形装置
Ｐ造形物
Ｓ材料表面（造形面）
Ｙ光軸に対して垂直な一方向（走査方向）
Ｚ光軸方向（垂直方向）

特許第４７９０２６４号公報特許第５５７０３３０号公報

Claims

光源を有し、
前記光源から発せられた光を造形面上または既に造形された層上に配置される材料に照射してＸＹＺの三次元直交座標系で表される三次元空間に所望の造形物を形成する三次元物体の造形装置において、ＸＹ平面と平行な造形面をＺ方向に移動させる駆動機構と、
前記Ｚ方向と平行な中心軸であるＺ軸の周りを回転するとともに、前記Ｚ軸に対して垂直なＹ方向に前記光を走査する光走査手段と、
前記光走査手段を前記Ｚ軸を回転軸として前記造形面に対して相対的に回転させる回転機構と、
を有し、
前記回転機構による前記回転と、前記光走査手段による前記走査の組み合わせにより前記造形面に照射される前記光のパターンを制御することを特徴とする三次元物体の造形装置。
請求項１に記載の三次元物体の造形装置であって、
前記造形面上に載置された前記材料の表面高さを一定にするための表面高さ調整部を有することを特徴とする三次元物体の造形装置。
請求項１または２に記載の三次元物体の造形装置であって、
前記光は鉛直方向上向きに照射されることを特徴とする三次元物体の造形装置。
請求項１乃至３の何れか１つに記載の三次元物体の造形装置であって、
前記光源から発せられた前記光を集光するための集光光学系を有し、
前記集光光学系の焦点面は、前記材料の表面よりも内側に設定されることを特徴とする三次元物体の造形装置。
請求項１乃至４の何れか１つに記載の三次元物体の造形装置であって、
複数の前記光を材料表面に照射することを特徴とする三次元物体の造形装置。
光源から発せられた光を造形面上または既に造形された層上に配置される材料に照射してＸＹＺの三次元直交座標系で表される三次元空間に所望の造形物を形成する三次元物体の造形方法において、
前記造形面上においてＹ方向に沿って前記光を走査する走査ステップと、
前記光を走査させる光走査手段をＺ軸を回転軸として前記造形面に対して相対的に回転させる回転ステップと、
前記造形面をＺ方向に移動させる駆動ステップと、
を有し、
前記回転ステップにおける前記光走査手段の回転と、前記走査ステップとの組み合わせにより前記造形面に照射される前記光のパターンを制御する三次元物体の造形方法。