JPH03218816A - 立体リトグラフ装置 - Google Patents

立体リトグラフ装置

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JPH03218816A
JPH03218816A JP2290593A JP29059390A JPH03218816A JP H03218816 A JPH03218816 A JP H03218816A JP 2290593 A JP2290593 A JP 2290593A JP 29059390 A JP29059390 A JP 29059390A JP H03218816 A JPH03218816 A JP H03218816A
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mirror
frame
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dynamic
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JP2290593A
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Stuart T Spence
スチュアート、トーマス、スペンス
Charles W Lewis
チャールズ、ウイリアム、ルイス
Mark A Lewis
マーク、アラン、ルイス
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3D Systems Inc
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    • B29C64/124Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • B29C64/135Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明の利用分野は、立体的な物体を製造するための立
体リトグラフ(sle+eolilhograph)装
置である。
発明の背景 立体リトグラフは、複雑な原型を製造するための方法と
して使用されるようになってきた。これは、ハットに入
った光硬化性ポリマーをその表面で硬化させることによ
って、所期の部分の断面層を上に重ねるように連続的に
プリントすることによって行イつれる。一つの断面層が
硬化した後、この断面をハット内で液体の表面より下に
連続した断面の所望の厚さたけ下げる。硬化した断面層
上に液体の滑らかなコーティングか形成されるようにす
るため、種々の方法のうちの一つ又はそれ以上の方法か
使用される。滑らかなコーティングの厚さは連続した断
面の所望の厚さに等しい。次いて、連続した断面を前の
断面と物理的に連結されるようにハントの表面で製造す
る。この工程を繰り返すこと、及び連続した断面の蓋然
的変化によって物理的な部分を構成することかできる。
これは、原型等を製造する上で非常に有用である。立体
リトグラフシステムは、[立体リトグラフによる立体的
な物体の製造装置(APPARATIJS FORPR
ODLICTION OF T}IREE−DEMEN
SIONAL OBJECTSBY STEREOLI
THOGRAPHY)Jという表題の米国特許第457
5330号に記載され、この特許の開示を参考のため本
願に組み込む。
リトグラフ工程について、幾つかの手段か考えられてき
た。光硬化性ポリマーのターゲット面を横切ってトレー
スする電磁放射ビーム、全体に一方向に放射させるマス
ク、化学物質の噴流、及び熱が、所望の断面をつくるの
に使用できる可能性の幾つかを提供する。非常に実用性
かあることがわかっている一つのこのようなシステムで
は、代表的にはレーザーが発生する電磁ビームを使用す
る。ビームの選択されたトレースを感光面で行うため、
コンピュータ制御式動的鏡システムfdHamic m
irror  sys+em)をこのようなビーム発生
装置と共に使用するのがよい。立体リトグラフシステム
では、ビームの選択されたトレースは、各連続した断面
が形成される光硬化性ポリマー液の表面上で行われる。
1989年3月31日に出願された[解像度の高い立体
的な物体を立体リトグラフで製造するための方法及び装
置 (METHOD AND APPARATUS FOR
 PRODUCTION OFHIGH RESOLU
TION THREE−DIMENSIONAL OB
JECTSBY STEREOLITHOGRAPHY
) Jという表題の米国特許出願第331664号を参
照されたい。この出願の開示を参考のため本願に組み込
む。
立体リトグラフ装置の設計に関して多くの配慮が払われ
ている。所望のパターンをトレースするのに動的鏡シス
テムを使用する場合、レーザービームを使用するのがよ
く、レーザービームは、鏡によって被加工面に差し向け
られる前に集光レンズを通過する。集光レンズは、多く
の場合液状の光硬化樹脂である硬化性材料の被加工面上
にビームを焦合させるように選択されている。ビームは
、集光レンズで焦合された後に小さな像を形成できるよ
うにその大きさを増大させるため、集光レン′ズを通過
する前に凹レンズを通過するのがよい。
ビームがトレースする水平液面の全ての部分は、動的鏡
システムからの光路長が同じところがなく、従って、ビ
ームを水平液面の全てのこのような部分て最適に焦合さ
せることができない。形成される部分に細部の最大解像
度を実現するため、ビームを比較的に小さな点に焦合し
なければならない。
この焦合上の問題のため、ビーム路長に比べて小さな視
野を使用するシステムが望ましい。この小さな視野は、
走査鏡とターゲット面との間の部分の長さに対して小さ
いターゲット面寸法(最大幅)に関連する。換言すると
、走査鏡の角変位は、ターゲット面の端から端まで横断
するとき、小さくなければならない。この設計の特徴は
、比較的大型の部品をこのようなシステムに加える必要
があるということとシステムの大きさを合理的な限度内
に収めるということである。
ビームの配向ちまた重要である。硬化速度がビムの強さ
(単位面積あたりの電力)によって影響を受けるため、
ビームを面に比較的均一に配向させることが有利である
。同様に、硬化放射がターゲット面に90°以外の角度
で衝突する場合にはいつでも問題が起こる。これが起こ
った場合には、これらと同じ角度で硬化し、覆瓦効果(
shingliB elfecl)として周知の、部分
の仕上げの粗さを引き起こす。従って、ビームを液面に
できるだけ垂直に近くする、設計上の配慮を払わなけれ
ばならない。ビーム路長に対して小さなパターンがこの
所望の状態を高める。
許容することのできる誤差に対して薄い層を形成するこ
とによって覆瓦効果を少なくすることができるというこ
とは理解されよう。これは、覆瓦効果を引き起こす誤差
を生じる、ビームの液面でのX−Y位置とビームの液面
下一層厚でのX−Y位置とのずれのためである。ビーム
は、層が薄ければ薄い程垂直から外れ、顕著な覆瓦効果
を引き起こすことなく面にあたる。等式の形態でいうと
、中央からのビームの最大角変位θは、許容し得る誤差
のアークタンジェントを層の厚さで除したものてある。
例えば、許容誤差か0.0508mm(2mils)で
レーザーの厚さが0.  508+nm(20mils
)である場合には、ビームの最大角変位は約5.7°で
ある。しかしながら、層の厚さが0.  1 2 7m
m (5mils)まで減少すると、最大角変位は約2
0°まで増大する。
追加のレーザー及び他の光学装置は、これらの問題点の
幾つか又は全てを減少させるか或いは無くすことができ
るが、システム全体の価格を大きく増大させてしまう。
システムのレイアウトにも別の考慮か払われている。減
少させたビーム回折から鮮明な像を得るため、被加工面
上に焦合されるビームのための多数の穴を設けるのか有
利である。しかしながら、この利点は、小さな像とビー
ムの広範な入射及び出口コーンの両方のため、広範な被
加工面積に亘って鮮明な焦合を維持し続ける上での非常
に大きな困難によって相殺される。これは、有利には、
視野をビーム路長に対して狭くしてしまう。また、動的
鏡が設計に影響を及ぼしてしまう。これらの動的鏡は、
このようなシステムにしばしば制限を提供する。鏡速度
は大きさによって影響を受ける。
これは、大型の鏡は大きな慣性を持つためである。
大きな反射角に亘って機能する鏡の能力もまた制限を受
ける。同時に、被加工面での距離の所定の増分か鏡の比
較的大きな枢動を必要とする場合、鏡の制御は更に精密
である。かくして、上述の設計上の配慮は長いビーム路
長と短いビーム路長との間で矛盾する要求を与える。好
ましくは、妥協である「最良の距離」か選択される。
かくして、立体リトグラフの設計では、トレース速度と
、正確性と、システムの価格との間で妥協か図らなけれ
ばならない。これらのファクタの均衡をとるため、被加
工面の最大直線寸法の約2倍乃至5倍、好ましくは3倍
乃至4倍の範囲内のビーム路長か競合するファクタの合
理的な妥協点てあるということがわかった。この関係は
、ビームとターゲソト面との交差が、公称入射角度、例
えば液面に垂直な法線から約14°を越えないようにす
るものと理解することもできる。しかしながら、大型の
原型を得るためには、これらの関係は、次いで、比較的
大型の立体リトグラフシステムを必要とする。
本明細書中、最初の方で論じたように、ビーム路長と被
加工面の最大直線寸法との比率は幾つかの競合するファ
クタに左右され、特定の状況での好ましい比率は、これ
らのファクタのうちのいずれが優勢であるかによって決
まる。ここに定義してあるように、ビーム路長は、ビー
ムが動的鏡を出てから樹脂面に到るまでのビームの移動
距離である。比率の範囲の下限を与えるファクタは、(
1)覆瓦効果、(2)ビームの強さの変動、(3)走査
鏡の最大角速度及び角加速度、(4)ビーム路長の相違
、等である。これらのファクタの大きさ及びこれらのフ
ァクタに及はされる制御に応じてこの下限は増減される
。同様に、範囲の上限に到るファクタは、(1)走査鏡
鏡の角度配置の解像度(2)ターゲット面で特定のスポ
ット径を得るのに必要な走査鏡の大きさ、等である。
これらのファクタの大きさ及びこれらのファクタに及ぼ
される制御に応じてこの上限は増減される。
長すぎるビーム路長は、以下の不利な結果をもたらす。
第1に、ビームを面上でトレースするのに関連した直線
解像度が、ビーム路長が乗じられる角度解像度に等しく
、長いビーム路長は直線解像度に受容し難い損失をもた
らす。第2に、長いビーム路長は、樹脂面で所望のビー
ム径を達成するために、大型の動的鏡を必要とする。こ
れは、動的鏡の大きさが光学系を制限するものであるか
らである。しかしながら、動的鏡は代表的には非常に高
価であり、大型のものは更に高価である。
更に、大型の動的鏡は小型の鏡程には速度又は加速度を
上げることができない。
他方、短すぎるビーム路長もまた不利な結果をもたらす
。第1に、ビームが樹脂面、特にバットの外縁に更に過
大な角度で当たるため、短いビーム路長は覆瓦効果を恐
らく受容し難い程に悪化させてしまう。第2に、短いビ
ーム路長は、樹脂面、特に入射角度更に極端なバットの
外縁での強さを不均等にしてしまう。これは、硬化深さ
を不均等にしてしまう。第3に、短いビーム路長は、バ
ットの中央に差し向けられたビームの路長とバットの該
縁に差し向けられたビームの路長との間の差を更に大き
なものにしてしまう。従って、外縁では、ビームは、ビ
ームのくびれの範囲外で樹脂面と交差する。ビームのく
びれは、焦点の前後の焦点領域であり、この領域では、
ビーム径がほぼ一定であるように入射円錐の頂点と出射
円錐の頂点か接触する。従って、ビームは、外縁では焦
点から外れ、そのためビーム径は大きすぎるものとなる
。このため、これに関連してビームの強さが小さくなる
ため硬化深さが不均等になる。ターゲット面でのビーム
の並進速度を一定に維持する、これは均一な露光を維持
するのに望ましい、ため、ビーム路長の変化時に鏡の角
走査速度を変化させる必要から別の困難が生じる。
要するに、上述の理由から、本実施例についてターゲッ
ト面の最大直線寸法の約2倍乃至5倍、好ましくは約3
倍乃至4倍の範囲内のビーム路長か受容し得る範囲であ
るということがわかった。
勿論、他の実施例については、別の範囲が適当であろう
。というのは、上述のファクタのうちの一つ又はそれ以
上がより大きなファクタとなるからである。本発明は、
これらの他の実施例を包含しようとするものであり、タ
ーゲット面の最大線型寸法に対するビーム路長の比率を
対応して変化させる。
機械の大きさを大きくすることによって、実際上の困難
性か固有に存在する。大きさそれ自体は非現実的なもの
となる。好ましい実施例では、自由液而か使用され、こ
の液面は水平であるため、ビームは被加工面の上方から
差し向けられなければならない。液状樹脂が入ったバッ
トの底部、又はハットの側部を通過させる実施例では、
これらの同じ困難性か生じる。これらの場合には、被加
工面の増大はシステムの長さによって制限される。
従って、ターゲット面積の増大はシステムの高さによっ
て制限される。全ての構成部品の相対的な位置を維持す
るのに必要な構造は、複雑なものになるか或いは製造及
び使用に大きな注意を払わなければならないものになる
かである。ビームの焦合は更に複雑なものになる。同様
に固有ビームが複雑にされる。
このような立体リトグラフシステムでのビームの適正な
制御に考慮が払われた。米国特許出願第331664号
、及び参考のため本願に組み込んた、本願と同時に出願
された[立体リトグラフ部品の迅速で正確な製造(RA
PID AND ACCURATEPRODUCTIO
N OF STEREOLITHOGRAPHIC P
ARTS) Jという表題のライアンアンドライアン (Lyon  &  Lyon)の事件番号第188/
175号の米国特許出願を再び参照する。ビーム輪郭そ
れ自体は、ビームの強さ及び焦点を制御することかでき
、光硬化液内につくり出されるプラスチックの硬化深さ
及び幅を予言することができるように計測することがで
きる。1988年11月8日に出願されたUビームの輪
郭を決めるための装置及び方法(APPARATUS 
AND METNOD FORPROFILING A
 BEAM) Jという表題の米国特許出願第2688
16号、及び参考のため本願に組み込んだ、本願と同時
に出願された「立体的な物体を種々の浸透深さ及びビー
ム輪郭を使用した立体リトグラフで製造するためのシス
テム(IMPROVEDSYSTEMFORPRODU
CTIONOF  THREE−DEMENSIONA
L OBJECTS BY STEREOGRAP}I
YEMPLOYINGVARIOLiS PENETR
ATION AND BEAM PROFILE) J
 トイう表題のライアンアンドライアンの事件番号第1
86/168号の米国特許出願を参照する。いろいろな
原因によるビームの偏りを補正することに考慮か払われ
ている。参考のため本願に組み込んた、1988年11
月8日に出願された[立体リトグラフによる物体の製造
における偏りを補正するための装置及び方法(APPA
RATUS AND METHODFOR  CORR
ECTI へIG  FOR  DRIFT  INP
RODIICTION  OFOBJECTS :ll
Y STE:IEOLITHOGRAPHY) Jとい
う表題の米国特許出願第268907号を参照する。更
に、ターゲット面のグリットの前後でのビームの較正及
び正規化もまた、芯考のため本願に組み込んだ、198
8年11月8日に出願された「立体リトグラフ装置を較
正及び正規化するめの装置及び方法(APPARATU
S  AND METHOD  FOR CALIBR
ATING ANDNORMALL21NG A ST
EREOLITHOGRAPHIC APPARATU
S) Jという表題の米国特許出願第268837号で
言及されている。これらの方法及びそのための装置は、
ビームをターゲット面で、又はターゲット面の周りで修
正するように設計されている。かくして、これらは、整
えられたビームを発生してこれをターゲット面に送出す
るのに使用される装置とは関わりなくシステムコンピュ
ータ制御装置を有する。立体リトグラフ部品を作るため
の立体リトグラフンステムに関する他の教示は、参考の
ため本願に組み込んだ、以下の明細書中に見出される。
1988年8月18日に出願された[立体的な物体を立
体リトグラフで製造するための方法及び装置(METH
OD AND APPARATUS FOR PROD
UCING ATHREE−DEMENSIONAL 
OBJECT BY STEREOGRAPHY) J
という表題の米国特許出願第182801号、1988
年4月18日に出願された「立体的な物体を立体リトグ
ラフで製造するための方法及び装置」という表題の米国
特許出願第183015号、 1988年11月8日に出願された「部分的に重合させ
た部品を取り出すための方法(METHODFOR D
RAINING PARTIALLY POLYMER
I2ED PARTS ) Jという表題の米国特許出
願第268408号、1988年11月8日に出願され
た「部分的に重合させた部品を仕上げるための方法(M
ETHODFOR FINIS}IING PARTI
ALLY POLYMERl2ED PARTS) J
という表題の米国特許出願第268428号、1988
年11月8日に田願された「部分的に重合させた部品を
硬化させるための方法FMET}IOD FOR CU
RING PARTIALLY POLYMERI2E
DPARTS) Jという表題の米国特許出願第268
429号、 1988年10月31日に出願された[液面高さを5l
AIリし制御する適用及び方法(APPLICATIO
N、へND METHOD  FOR  MEASLI
RING AND  CONTROLLING  TH
ELEVEL OF A FLUID)J トイウ表題
の米国特許出願第265039号、 1988年9月26日に出願された[立体的な物体を立
体リトグラフで製造するための方法及び装if(MET
HOD ANI) APPARATtlS FOR P
RODtlCTION OFT}IREE−DEMEN
SJONAL OBJECTS BY STEREOG
liAP}IY)Jという表題の米国特許出願第249
399号、1989年4月17日に出願された「立体リ
ト’y”ラ7 1: .k ルカール減少(STERE
OG)iAP){IC CURL REDtlCTIO
N} Jという表題の米国特許出願第339246号、
及び 1989年9月26日に出願された「立体リトグラフ層
の再コーティング(liEcOATING OFSTE
REOGRAP}IIc LAYERS)Jという表題
のライアンアンドライアンの事件番号第188/189
号の国際特許出願。
発明の概要 本発明は、立体リトグラフによって物体を作り出すシス
テムに関する。この目的のため、動的鏡システムとター
ゲット面との間のビーム路に鏡が使用される。このよう
な鏡は装置の全体の大きさを脊効に小さくすることがで
きる。これは大型の物体を作り出すのに特に有用である
。このように大きさを小さくすることは、それ自体自然
と実際的であり、必要な構造の複雑さ、及び幾つかの構
成部材の相対位置の保守を簡単なものにする。例えば、
ビーム発生装置及び動的鏡システムをバットのターゲッ
ト面に更に近づけることができる。
熱応力等の効果はこれに対応して減少する。動的鏡シス
テム及びバットの所期位置は、これらの構成部材の位置
決めにおける調節不良を補償するのに大型の中間鏡を調
節すればよいので、それ程厳密でなくてよい。
動的鏡システムとターゲット面との間での中間鏡の実際
の使用は、ビームの輪郭を定め、ビームの狙いを付け、
ビームを補償するのに使用される上述のシステムによっ
て高められる。このような中間鏡から利点を得るため、
システムはビーム路に沿った距離のおよそ1/4乃至3
/4のところに配置される。鏡の大きさか必然的に大き
くなればなる程、鏡をターゲット面近くに配置すること
かできる。この範囲内での鏡の配置は、次の幾つかのフ
ァクタ、即ち、(1)装置全体を小さくする気持ち、(
2)部品を、大型の鏡にぶつけることなく、樹脂の入っ
たバットから垂直に持ち上げる気持ち、(3)システム
の種々の構成部材の所望の位置、等に基づいている。好
ましい実施例では、この鏡は動的鏡システムからターゲ
ット面までの距離の約6/10のところに配置されてい
る。
かくして、この位置では、この鏡は比較的に大型であり
、ターゲット面の大きさの半分よりも大きい。必要な光
学的コヒーレンス及び整合を得るには非常に精密な鏡配
置及び反射面が必要とされる。
しかしながら、較正一正規化システムを使用することに
よって、このような必要性は実際上大きく減じられる。
かくして、本発明の目的は、立体リトグラフによって中
実の、特に、大型の物体をつくるための実用的な立体リ
トグラフシステムを提供することである。本発明の別の
目的は、このような立体リトグラフ装置の大きさを減少
させることである。
他の目的及び更に他の目的は、以下の記載から明らかに
なるであろう。
実施例 次に、図面を詳細に参照すると、立体リトグラフ装置が
図示してある。第1図を明確な理解に基づいて参照する
と、この装置は主プロセスモジュール10と、制御モジ
ュール12と、サービスモジュール14とを有する。プ
ロセスモジュール10はバット、レーザー、及び必要な
光学系を含む。制御モジュール12は、プロセス制御コ
ンピュータ、スクリーン、及びキーボード及び/又は制
御パネルを有する。サービスモジュール14は、ヒータ
、フィルタ、電源等の付帯的な装置を収容するとともに
貯蔵用の室を提供する。
第2図はプロセスモジュール10の内部を図示する。プ
ロセスモジュール10は、容器即ちバット16を含み、
このハット収容モジュール内に配置されている。バット
16には液状の光硬化樹脂18か入っており、特定の液
面高さに注意深く維持されている。変形例として、バッ
トは、液状のポリマーの代わりに、赤外線を吸収するこ
とによって溶融し、冷却後に再固化できる粉体等の液体
様媒体を収容してもよい。この場合には、特定の波長で
適切な反射を提供するため、鏡材料及び光学系の種々の
構成部材(以下に説明する)のコーティング(コーティ
ングが存在する場合)を選択しなければならない。
液状ボリマー18の液面は、被加工面として公知の水平
ターゲット面を構成する。バット16内には昇降台が配
置され、この昇降台は、続く断面要素を創成するために
発現部分を位置決めするため、非常に正確に上昇させた
り下降させたりすることができる。各要素は、液面に引
き出すことによって露光され、これによって液体内に特
定の深さまで硬化し、薄い層を形成することができる。
この実施例では、水平ターゲット面は比較的大型、例え
ば50.8cm (20インチ) X50.  8cm
(20インチ)の正方形であるようになっている。昇降
台装置は、上述の米国特許第4575330号及び上述
の米国特許出願第331664号を検討すると、これら
に最も良く図示してある。
電磁エネルギビーム発生装置即ち紫外線アルゴンーイオ
ンレーザー20がプロセスモジュール10内でバット1
6に隣接して配置されている。
このレーザー20もまた装置内で所定位置に固定され、
代表的にはフレーム22に取付けられている。このレー
ザーは、感光性ポリマーを水平ターゲット面で所望の速
度で所定の深さまで硬化させるための適正な性質を持つ
ように選択されている。
このレーザーは、機能及び保守の容易性について最もよ
く決定されるように配向させることができる。第2図か
らわかるように、レーザー及びバットを比較的コンパク
トな領域内に配置することができる。光学板24がレー
ザー20の前方に配置され、これは多数の光学部品を正
確に固定するための固定取付け具を提供する。第3図で
わかるように、先ず、シャッタ組立体26をレーザー2
0のすぐ前に配置する。このシャッタは、レーザーの前
方の位置へ迅速に揺動してビームを遮断するように、又
はこの位置から外れてビームが光学系に連続的に入射で
きるように回動自在に取付けられている。このシャッタ
は、便利には、危険な作動を回避するため、装置の本体
と関連した安全ラッチによって制御されるのがよい。二
つの鏡28及び30は、各々、ビームを90″反射する
ように作動し、ビームをビーム拡大器32、第2シャッ
タ組立体、及び走査鏡システム34と整合させる。この
機能を一つの鏡で行うことができるということは理解さ
れよう。ビーム拡大器32は、残りの光学系を通過した
後、ビームのくびれが水平ターゲット面にあるようにレ
ーザービームを拡大し且つ焦合する。ビームは、ビーム
拡大器32から動的(走査)鏡システム34に差し向け
られる。
動的鏡システム34は、好ましくは、二つの高速走査鏡
を有する。マサチューセッツ州ウォータータウンのゼネ
ラルスキャニング社(GeneraScanning 
Inc.  of Walerlovn, Massa
chusetts)か販売している2一鏡、2一軸ガル
バノメータ走査ヘッド、特定的には、ゼネラルスキャニ
ング社の型番DX−2005サーボ及び型番XY050
7ガルバノメータXY走査ヘッドがこの目的を満足させ
るものであることがわがっている。
これらの装置の代わりに、カリフォルニア州ミルピタス
のグレイホークシステムズ(GteyhawkSyst
ems(Milpilxs (:xlifotnia)
)の走査鏡システム11331−001を使用してもよ
い。これらの鏡は高速で正確に位置決めすることができ
る。
上文で参照したライアンアンドライアンの事件番号第1
88/175号の国際特許出願を参照されたい。動的鏡
システム34もまた、ビーム路と注意深く整合されるよ
うに光学板に対して固定されている。これらの鏡は二つ
のほぼ直角な軸線に沿って作動し、レーザー20から受
け取ったビームのトレースを、レーザービームがビーム
拡大器32によって焦合された点から一定の距離にある
夕一ゲノト面のX軸線及びY軸線に沿って水平面内で行
う。
動的鏡システム34は受け取ったビームをバット16の
上へ上方に差し向けるように配向されている。静止鏡3
6かフレーム22に固定配置されている。静止鏡36は
、鏡の法線を垂直に対して約22°30′の角度にして
フレーム22に下向きに固定されている。垂直からのこ
の22m30′の回転は走査鏡に向かうものである。鏡
36の中心はバット16の水平ターゲット面の真上にあ
る。動的鏡システムは、静止鏡36の中心に向かって垂
直に対して約45°の角度でビームを差し向ける。かく
して、鏡36の入射するビームは、ビームが鏡の中心に
当たったとき、鏡の法線に対して22°30′の角度で
ある。この幾何学的な関係によって反射ビームは、水平
ターゲット面の中心に当たったとき、この面の法線をな
すように、バット16の水平ターゲット面にほぼ垂直下
方に差し向けられる。ビームがターゲット面にほほ垂直
な配向で衝突するように拘束しながら静止鏡を他の角度
配向にすることができる。層の厚さ/硬化深さが十分に
小さい場合、樹脂面での垂直な入射の必要性は、ほぼ一
定の入射の必要性にとってかわる。勿論、入射が非垂直
であるが一定角度であるため、非垂直入射によるターゲ
ット面上のビームの入射幅の伸びを補正するビーム成形
要素を必要とする。
第7図に示す他の実施例では、光学板(第7図には図示
せず)が垂直でなく水平にされており、90″反射鏡(
折り返し鏡)が一つだけ設けられている。第2高速シャ
ッタ51がビーム拡大器の第1レンズ54の焦点に配置
され、反射鏡51は、変化させる必要がある場合にレー
ザーを整合させるのに使用される二次ビーム52を作り
出すビーム分割器としても作用する。更に、減衰器53
がビーム拡大器の第2レンズ55の後方に配置されてい
る。この減衰器は、実質的に透明なモード、及び95%
遮光モードの二つのモードで作動することかできる。実
質的に透明なモードは、ほぼ全ての場合に使用される。
95%遮光モードは、所望の硬化深さが小さく、互いに
重なり合うベクトルによる走査に基づいて露光が行われ
る場合に使用される。この状態がどのようなときに起こ
るのかの例は、薄皮充填ベクトル(shallow s
kinfill vectors)が引かれているとき
である。反射鏡50はビームを二つのビーム路、即ち入
射ビ−ムの約99%であるビーム56と、入射ビームの
約1%であるビーム52とに分割する。ビーム56のビ
ーム路に配置されているのは、順に、(1)安全シャッ
タ26、(2)折り返し鏡/ビーム分割器50、(3)
第1ビーム拡大器レンズ54、(4)高速シャッタ51
、(5)第1ビーム拡大器レンズ55、(6)減衰器5
3、(7)動的鏡34、(8)環境シールとして作用す
る窓56、(9)犬型鏡36、及び(10)樹脂面18
である。50/50ビーム分割器57及び象限セル(q
uad cell ) 58及び59が図示のように加
えられている。ビーム分割器は、ビーム52のビーム路
に配置され、このビームを強さがほぼ等しいビーム60
及び61に分割する。ビーム60は、次いで、象限セル
59と交差し、ビーム61は象限セル58と交差する。
これらの象限セルは、本明細書中、最初の方で参照した
出願第265039号に記載されているバイセル(bi
−cclls )と、バイセルのように2セルしかない
のでなく、これらが4セルを提供し、これによってビー
ムの位置を検出するという点を除けば、類似している。
4セルの利点は、バイセルがビームの一次元の整列に拘
束されているのとは異なり、ビムの二次元の整列を許容
することである。象限セル58はビーム61の位置を検
出し、象限セル59はビーム60の位置を検出する。各
セルは、ビームの位置を所定の位置と比較し、このため
、象限セルか検出したビーム位置が所定の位置と同じに
なるまでレーサー20の位置を調節することができる。
その結果、レーザー20を交換しなければならない場合
、放出されたビームが前に放出されたビームと同じビー
ム路に沿って移動するように、上述の装置を使用してレ
ーザーの再整合を行うことかできる。これによって、残
りの光学系を再整合させる必要なしにレーサーを交換で
きる。
更に、第7図には、種々の構成要素間の距離がミリメー
タを単位として示してある。
通常の作動では、制御モジュール12は、製造されるべ
き部分の連続した断面を構成する一連のトレースを行う
ようにプログラムされている。プログラムを走らせると
、レーザービームが動的鏡システムに差し向けられ、こ
のシステムがビームを走査してレーザービームの選択さ
れたトレースを行う。このトレースは静止鏡36に差し
向けられ、次いで、バット16の水平ターゲット面に差
し向けられる。トレースは、所望厚さの感光性ポリマー
の中実断面が形成されるように、適切な強さ及びターゲ
ット面の横断速度で行われる。次いて、バット内の昇降
台を、次の被加工面よりも所定距離下の新たな正味位置
まで移動させる。この所定の距離は、成形されるべき次
の断面の所望の厚さに等しい。米国特許出願第2493
39号、及び上文で参照したライアンアンドライアンの
事件番号第188/175号の国際特許出願に記載され
ているように、再コーティングを行って新たな平らな被
加工面をつくる。次いで、動的鏡システムを駆動して、
第2のトレースを第1のトレースと位置合わせして行い
、これを第1のトレースに接着する。連続した工程によ
って部分全体をつくることができる。
静止鏡36の位置は、プロセスモジュール10の全体を
コンパクトにするように構成されている。
このようにするため、この鏡はビーム路の中央近くに配
置され、これによって装置全体の高さが小さくされる。
このような位置は、長い距離に亘って差し渡すことなく
正確な整合を行うように構成部材を配置する上での構造
上の要求をも最小にする。
静止鏡36か動的鏡システムからいくらか距離を隔てて
配置されているため、比較的大型の鏡が必要とされる。
動的鏡システムからのレーザービームによるトレースの
正確な反射に関し、大型の鏡に信頼が置かれるならば、
非常に高価で平らな注意深く配置された鏡か必要とされ
る。当然のことながら、実際上の理由のため、このよう
な高価な構成部材を避けるのがよい。前述の、システム
のグリット較正及び正規化は、水平ターゲット面、又は
この面の近くて行われる計測を介して行われる。ターゲ
ット面で計測及び較正を行うことによって、静止鏡36
は、鏡の歪み及び不整合並びに他のファクタを考慮に入
れてある、システムの一体部分となる。
較正一正規化システムを広範な用途及びシステムで使用
できる。このシステムは、計画されたパターンが被加工
面上に引かれるように走査システムに送られるべき指示
にコンピュータの設計位置を変換できるようにする[ル
ックアップテーブル(look−up table )
 Jを自動的に発生する。[正規化(no+malir
alion) Jという用語は、一度に一つ以上の寸法
が補正されるということを表すのに使用することができ
、[較正(calib『ation)Jという用語は、
システムに単一の物差しのファクタを適用するという言
外の意味を含む。好ましい実施例では、装置は、単一の
位置(ビーム輪郭)センサーを有し、このセンサーは被
加工面上の点の列、即ちアレイへ自動的に移動され、次
いで、これらの点の各々に到るのに必要な対応する鏡指
示で記録がつくられる。他の好ましい実施例では、セン
サーを動かす必要かないように、センサーピンホールの
正方形のアレイか使用される。更に他の好ましい実施例
では、単一の軸線だけに沿って動かす必要があるピンホ
ールセンサーの直線状のアレイが使用される。アレイの
点の数は、結果的にもたらされる補正の所望の正確さに
よって決まる。較正板のピンホールを所望のターゲット
面に正確に位置決めするのが非常に望ましい。このター
ゲット面が感光性ポリマー面の位置であるため、バット
は機械に取りつけたり外したりできるように設計されて
いるが、更に好ましくは、バット取付けシステムは、較
正装置をターゲット面に配置できるように、バットを十
分な距離下ろすことができるように設計される。
他の可能性は、ピンホールをターゲット面の高さの幾分
上(又は下)に移動させることである。
各ピンホールのX−Y位置及びピンホールと走査鏡との
間の距離に基づいて、当業者はピンホールの位置をター
ゲット面でのそれらの所定の位置まで下方に外挿するこ
とができる。ピンホール位置とターゲット面との間の分
離は、バットに入った感光性ポリマーを取り除いたり再
位置決めすることなくシステムを較正できるようにする
のに有用である。この分離距離は、外挿が大きな偏差を
導入しないように、他の距離及び誤差源に対して十分に
小さくなければならない。
走査鏡と大型鏡との間の距離は、動的鏡から始まる走査
鏡からターゲット面までの金光路長の約1/4乃至3/
4の範囲にあり、好ましくは、金光路長の約1/2乃至
3/4の範囲である。本発明の好ましい実施例では、走
査鏡と大型鏡との間の距離は、ほぼ154.94cm 
(61インチ)である。大型鏡とターゲット面との間の
距離はほぼ91.44cm (36インチ)である。こ
れらの二つの距離の合計は、上文中に寸法を記載した(
50.8cm (20インチ)X50.8cm(20イ
ンチ)X60.96cm (24インチ))ハットが構
成するターゲット面の最大直線寸法の約3.4倍である
。この最大寸法は、71.  88cm (28.3イ
ンチ)である。これは、上文中で言及した比率範囲内に
ある。これらの寸法の装置では、較正装置をターゲット
面から最大るが、重要なことは、解像度を最大にするた
め、穴の直径が投射されたビームの板/液面での直径よ
りも小さいということである。好ましい実施例では、タ
ーゲット面でのビームの直径は0.254mm (lm
i 1 s)以下である。光ダイオードであるのがよい
センサー46は、較正板の内部に基材の下に取付けられ
ている。較正板は、使用中、好ましくはピンホール面が
光硬化液のターゲット面に位置された状態に配置される
。しかしながら、上述のように、算出した修正値でそれ
からの小さな距離を相殺して矛盾を補償することができ
る。
本発明の好ましい実施例では、5×5のアレイ即ち25
個の紫外線に反応する光ダイオード46が較正板に関連
して使用されている。拡散材料47が基材42とセンサ
ー46との間に配置されている。光はピンホール44の
うちの一つを通ってしか板38に入ることができないた
め、そして拡散材料47は入る光を拡散するため、ピン
ホールに入る光はピンホールの正確な位置を越えて水平
方向に移動し、そのため、好ましい実施例では,.上文
中に記載したセンサーような25個のセンサーかビンホ
ールの全部で49X49のアレイをカハ′−するのに適
当である。
代表的には、較正手順は装置を顧客へ送る前に行われ、
引渡後、及び何らかの物理的な傷が鏡制御装置又は光学
系に付いた場合には、これは不整合を引き起こす。
作動では、較正手順は、質量の中心からのピンホールの
「最適位置」或いは走査データの比較し得る機能を得る
ため、ビーム輪郭倣い方法を使用する。新たな「最適位
置」が、板の場合に各ピンホールについて、直線の場合
には各ビンホールコラムについて、そして特定の所定の
位置に配置されたセンサーの場合には各所定の位置につ
いて得られる。作動し実際上使用可能なルックアップテ
ーブルを得るために各ピンホールを走査することは必ず
しも必要とされない。小さな幾何学的歪みかある場合、
又は低い精度でも受容し得る場合、或いは他の歪み源が
、内挿の信頼性を更に大きくすることによって、修正に
ついて適合し得る場合、少数のビンホールを写像するこ
とができる。ルックアップテーブルの記憶装置内に記憶
された「最適位置」までの中間点について走査鏡の位置
を決定するのにX位置及びY位置に対する双一次又は他
の内挿が使用される。ピンホールの適切な数は、これら
の考慮、又は、較正を行うのに必要な時間、ルックアッ
プテーブルに記憶するのに利用できるシステムメモリ、
及び静止鏡36の品質などについての他の考慮から決定
できる。
較正システムは、ビームを所定位置に置くことに関し、
種々の光学部品によって導入される誤差を補償すること
ができる。上文中に記載したように、これらの光学部品
には大型アーム並びに他の較正部材が含まれる。従って
、ビームの焦合、又は覆瓦効果等に関連した問題点を減
少させる非平面鏡形状が、ビームをターゲット面上へ低
い精度で配置するためにかかるのと同じ費用で容易に得
られるならば、システム中に有利に使用することができ
る。このような鏡は、単独で、或いは中央から遠隔の光
学系(lelcecnlric optics)又は他
の光学系と組み合わせてこれらの問題点のうちの幾つか
に対処する有効な方法なるであろう。従って、システム
の大きさを更に小さくできるようになる。
例えば、大型鏡を湾曲させてもよいし、適当な光学系の
一部として平らであってもよい。このようなシステムは
、本明細書中で論じた幾つかの問題に対処するための利
点を有し、従って、ターゲット面の水平方向最大寸法に
対する光路長の比率の範囲を大きくするのに使用するこ
とができる。
かくして、立体リトグラフを使用した特に大型の原型を
実際に製作することのできる装置を開示した。本発明の
実施例及び適用を図示し且つ説明したが、本明細書中に
開示した本発明の概念を逸脱することなく、多くのこれ
以外の変形態様が可能であるということは当業者には明
らかであろう従って、本発明は添付の特許請求の範囲の
精神以外の何物にも拘束されない。
【図面の簡単な説明】
第1図は、立体リトグラフ装置の斜視図であり、第2図
は、明瞭のため、カバーの主要部が取り外してある立体
リトグラフ装置の斜視図であり、第3図は、明瞭のため
、大部分が取り外してあるレーザー、鏡及び光学系、及
び大型鏡装置の斜視図であり、 第4図は、本発明の好ましい実施例の光学系の概略図で
あり、 第5図は、較正板の斜視図であり、 第6図は、較正板の側断面図であり、 第7図は、本発明の第2の好ましい実施例の光学系の概
略図である。 10・・・主プロセスモジュール、12・・・制御モジ
ュール、14・・・サービスモジュール、16・・・容
器即ちバット、18・・・光硬化樹脂、2o・・・電磁
エネルギビーム発生装置即ちアルゴンイオンレーサー2
2・・・フレーム、24・・・光学板、26・・・シャ
ッタ組立体、28、30・・・鏡、32・・・ビーム拡
大器、34・・・動的鏡システム、36・・・静止鏡、
38・・・較正板、40・・・紫外線不透過性金属コー
ティング、44・・・穴、50、折り返し鏡/ビーム分
割器、51・・・第2高速シャッタ、52・・・二次ビ
ーム、53・・・減衰器、54・・・第1ビーム拡大器
レンズ、55・・・第2ビーム拡大器レンズ、56・・
・窓、57・・分割器、58、59・・・象限セル。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、電磁エネルギに露光するとき、物理的形態を選択的
    に変えることのできる材料から立体的な物体を製造する
    ためのシステムにおいて、フレームと、 前記フレームに対して固定された電磁エネルギビーム発
    生装置と、 前記フレームに対して固定された、材料を保持し且つタ
    ーゲット面を構成する容器と、 前記フレームに取付けられ、前記ビーム発生装置のビー
    ム路中に配置された、前記ビーム発生装置からのビーム
    の選択されたトレースを前記ターゲット面から一定の距
    離のところで前記ターゲット面上で行うように移動する
    ことができる、動的鏡システムと、 前記フレームに対し、前記動的鏡システムがトレースす
    るビームの路中に、前記動的鏡システムから前記一定の
    距離よりも小さい距離のところに固定された静止鏡とを
    有し、 前記静止鏡は、前記ビーム発生装置がトレースするビー
    ムを前記水平ターゲット面にほぼ垂直に反射するように
    、前記動的鏡システムに対して所定の角度になっている
    、システム。 2、前記静止鏡がほぼ平らである、請求項(1)に記載
    のシステム。 3、前記動的鏡システムがトレースするビームの前記静
    止鏡での入射角度は、前記静止鏡の中心に当たったとき
    約22゜30′の角度であり、前記静止鏡は、表面の法
    線を、前記ターゲット面に対して垂直な角度からほぼ2
    2゜30′の角度に有する、請求項(1)に記載のシス
    テム。 4、前記動的鏡システムと前記ターゲット面との間のビ
    ーム路は、前記ターゲット面の中心から前記ターゲット
    面上の横方向最大トレース点までの距離の約4倍乃至1
    0倍である、請求項(1)に記載のシステム。 5、前記静止鏡が反射したトレースビームは、前記ター
    ゲット面上の横方向最大トレース点のところで前記ター
    ゲット面に対する法線から約14゜を越えない、請求項
    (1)に記載のシステム。 6、前記動的鏡システムがトレースするビームのビーム
    路長は、前記静止鏡までの長さ、及び前記ターゲット面
    までの長さが、前記一定距離に等しい、請求項(1)に
    記載のシステム。 7、静止鏡が、前記動的鏡システムと前記ターゲット面
    との間のビーム路に沿って、鏡システムからビーム路長
    の約1/4乃至3/4の範囲内の距離のところに配置さ
    れている、請求項(1)に記載のシステム。 8、選択的に硬化できる流体材料から立体的な物体を作
    り出すためのシステムにおいて、フレームと、 前記フレームに対して固定されたビーム発生装置と、 前記フレームに対して固定された、流体材料を保持し且
    つ水平ターゲット面を構成する容器と、前記フレームに
    取付けられ、前記ビーム発生装置のビーム路中に配置さ
    れた、前記ビーム発生装置からのビームの選択されたト
    レースを前記ターゲット面から一定の距離のところで前
    記ターゲット面上で行うように移動することができる、
    動的鏡システムと、 前記フレームに対し、前記動的鏡システムがトレースす
    るビームの路中に、前記動的鏡システムから前記一定の
    距離よりも小さい距離のところに固定された静止鏡とを
    有し、 前記静止鏡は、前記ビーム発生装置がトレースするビー
    ムを前記水平ターゲット面にほぼ垂直に反射するように
    、前記動的鏡システムに対して所定の角度になっている
    、システム。 9、選択的に硬化できる流体材料から立体的な物体を作
    り出すためのシステムにおいて、フレームと、 前記フレームに対して固定されたビーム発生装置と、 前記フレームに対して固定された、前記流体材料を保持
    し且つ水平ターゲット面を構成する容器と、 前記フレームに取付けられ、前記ビーム発生装置のビー
    ム路中に配置された、前記ビーム発生装置からのビーム
    の選択されたトレースを前記ターゲット面から一定の距
    離のところの平らな面上で行うように移動することがで
    きる、動的鏡システムと、 前記フレームに対し、前記動的鏡システムがトレースす
    るビームの路中に、前記動的鏡システムから前記一定の
    距離よりも小さい距離のところに固定された静止鏡とを
    有し、 前記静止鏡は平らであり、前記トレースビームがトレー
    スの横方向最大限界で前記水平ターゲット面に対する法
    線から約14゜を越えないように配置され、前記動的鏡
    システム、前記静止鏡、及び前記水平ターゲット面は、
    前記動的鏡システムと前記水平ターゲット面との間のビ
    ーム路が前記ターゲット面の中心から前記ターゲット面
    上の横方向最大トレース点までの距離の約4倍乃至10
    倍であるように分離されている、システム。 10、選択的に硬化できる流体材料から立体的な物体を
    作り出すためのシステムにおいて、フレームと、 前記フレームに対して固定されたビーム発生装置と、 前記フレームに対して固定された、前記流体材料を保持
    し且つ水平ターゲット面を構成する容器と、 前記フレームに取付けられ、前記ビーム発生装置のビー
    ム路中に配置された前記ビーム発生装置からのビームの
    選択されたトレースを前記ターゲット面から一定の距離
    のところの平らな面上で行うように移動することができ
    る、動的鏡システムと、 ビームの選択されたトレースの発生を制御するため、前
    記動的鏡システムに連結された制御装置と、 前記フレームに対し、前記動的鏡システムがトレースす
    るビームの路中に、前記動的鏡システムから前記一定の
    距離よりも小さい距離のところに固定された静止鏡と、
    を有し、 前記静止鏡は、前記ビーム発生装置がトレースするビー
    ムを前記水平ターゲット面にほぼ垂直に反射するように
    、前記動的鏡システムに対して所定の角度になっており
    、 更に、前記水平ターゲット面に位置することのできるビ
    ーム感応グリッドと、 前記ビーム感応グリッド上でのビームのトレースの位置
    を感知し、前記動的鏡システムを制御するための前記制
    御装置を較正するための手段と、を有するシステム。 11、電磁エネルギに露光するとき、物理的形態を選択
    的に変えることのできる材料から立体的な物体を製造す
    るためのシステムにおいて、フレームと、 前記フレームに対して固定された電磁エネルギビーム発
    生装置と、 前記フレームに対して固定された、材料を保持し且つタ
    ーゲット面を構成する容器と、 前記フレームに取付けられ、前記ビーム発生装置のビー
    ム路中に配置された、前記ビーム発生装置からのビーム
    の選択されたトレースを前記ターゲット面から一定の距
    離のところで前記ターゲット面上で行うように移動する
    ことができる、動的鏡システムと、 前記フレームに対し、前記動的鏡システムがトレースす
    るビームの路中に、前記動的鏡システムから前記一定の
    距離よりも小さい距離のところに固定された静止鏡とを
    有し、 前記静止鏡は前記ビーム発生装置からのビームを前記タ
    ーゲット面へ反射するように位置決めされている、シス
    テム。 12、ビームのトレースが前記ターゲット面に当たり、
    これによって、材料が前記面で硬化して薄い層になる、
    請求項11に記載のシステム。
JP2290593A 1989-10-27 1990-10-26 立体リトグラフ装置 Pending JPH03218816A (ja)

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