JPH04284227A - 光学的立体造形方法 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液状光硬化樹脂に光を照
射することにより露光硬化を行わせ、３次元立体形状を
造形させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学的立体造形方法として、半導
体のリソグラフィ技術の応用として光学マスクを用い各
断面毎に順次露光硬化を繰り返して立体造形を行う方法
と、光エネルギを液状光硬化樹脂表面上に各断面毎に断
面形状にそって走査させ、選択的に樹脂硬化を行わせる
ことにより立体造形を行う方法とがある。

【０００３】光学マスクを用いる方法は、電子通信学会
論文誌（１９８１．４ｖｏｌ．Ｊ６４−Ｃ　Ｎｏ．４　
Ｐ−２３７〜）に記載された論文で提案されている。こ
れは、先ず極めて浅い液状光硬化樹脂に上方又は下方か
ら光照射するにあたり、得ようとする立体物の水平断面
形状に相当する光透過部分を有した光学マスクを光硬化
樹脂の手前に配置し、この照射により所望断面形状の薄
層硬化部分を得、これに連続する水平断面形状について
、光硬化樹脂の深さを僅かずつ増し光学マスクを順次取
り替えては光照射を繰り返すことにより、所望の立体を
得るものである。しかしこの方法では、得ようとする立
体の水平断面形状毎の光学マスクを製作しなければなら
ず、これに手間と時間とを必要とする。特に曲面の平滑
さを得るには立体の分割数を増す必要があり、これに連
れて光学マスクが多数必要となり、製作時間及び費用が
膨大となる。

【０００４】一方、光エネルギを走査させる方法は、特
開昭６０−２４７５１５号公報（特公昭６３−４０６５
０）等で開示されているように、液状光硬化樹脂を容器
内に収容し、光エネルギの作用点を容器内において３次
元的に相対移動させることができる光照射手段を設け、
この光照射手段による光エネルギの作用点をまず水平方
向に相対移動させつつ液状光硬化樹脂に対して選択的に
光エネルギを照射して平面状の硬化部分を形成し、次い
で作用点を垂直方向に若干相対移動させた後又は漸次相
対移動させつつ上記と同様に水平方向に相対移動させて
硬化部分を積層形成し、これを繰り返すことにより所望
の立体物を造形するものである。しかしこの方法では、
光照射手段又は容器を動作させて光エネルギの作用点を
移動させ、作用点における液状光硬化樹脂を遂次硬化さ
せているので、短時間で造形することができず、特に大
型の立体物を造形するのに適していないという問題があ
る。

【０００５】又、上記問題点を解決する一案として、容
器内の液状光硬化樹脂に上方又は下方から露光可能な光
を照射するにあたり、得ようとする立体物の水平断面形
状に応じて光透過部が電気的に変化する液晶シャッター
板等の光学マスクを光硬化樹脂の手前に設置し、この照
射により所望断面形状の薄層硬化部分を得、これに連続
する水平断面形状について、順次該薄層硬化部分と該光
透過部が電気的に変化する光学マスクとの間に、薄い液
状光硬化樹脂を供給できるように光硬化樹脂の深さを僅
かずつ増し、該液晶シャッター等の光学マスクの光透過
部形状を水平断面形状データに合わせながら電気的に変
化させ、光照射を繰り返すことにより、所望の立体を得
る光学マスクに液晶シャッターを用いる方法（特願平２
−４６２３５号）が案出されている。しかしこの方法で
は、液晶シャッター等の光学マスクが光源として適して
いる紫外光の透過率が低い為、照度の低下、透光部と遮
光部のコントラストの低下、硬化時間の増大等の問題が
生じる。また、液晶シャッターで利用されている液晶自
体が紫外光に対する耐久性が低いため、液晶が劣化して
しまい動作不良を起こす問題も生じる。

【０００６】光学マスクを用いる方法では、得ようとす
る立体の水平断面形状毎の光学マスクを製作しなければ
ならず、これに手間と時間とを必要とする。特に曲面の
平滑さを得るには立体の分割数を増す必要があり、これ
に連れて光学マスクが多数必要となり、製作時間及び費
用が膨大となる問題がある。

【０００７】また光エネルギを走査させる方法では、光
照射手段又は容器を動作させて光エネルギの作用点を移
動させ、作用点における液状光硬化樹脂を遂次硬化させ
ているので、短時間で造形することができず、特に大型
の立体物を造形するのに適していないという問題がある
。

【０００８】光学マスクに液晶シャッターを用いる方法
では、液晶シャッター等の光学マスクが光源として適し
ている紫外光の透過率が低い為、照度の低下、透光部と
遮光部のコントラストの低下、硬化時間の増大の問題や
、液晶シャッターで利用されている液晶自体が紫外光に
対する耐久性が低いため、液晶シャッターが劣化してし
まう問題がある。又、光造形物のサイズが、液晶シャッ
ターのサイズに制約されてしまい、大型の立体物を造形
するとした場合、それに合わせて液晶シャッターも大型
サイズにしなければならず、装置が大型化したり、大型
液晶シャッターの製作の面においても問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点に
鑑み、光学マスクを立体の水平断面形状毎に製作せず、
かつ光エネルギの作用点を平面的に移動させることなく
、短時間で大型サイズの立体物の造形も可能とすること
を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、液状光硬化樹脂を樹脂収容容器に収容し、該
光硬化樹脂に露光マスクを介して樹脂硬化する光源を照
射することにより、光硬化樹脂を選択的に硬化させ立体
形状を形成する方法において、微小ドットエリアの遮光
制御可能な光シャッタ−が連続的に一列配置されてなる
、透過光量の低下が少ないライン形状の露光マスクを、
複数個平行並列に配置し、上記光シャッタ−の配列方向
と垂直方向に上記複数個のライン形状の露光マスクを走
査させながら、水平断面形状データに応じて該光シャッ
タ−を制御することにより露光領域を変化させて樹脂硬
化を行うものである。

【００１１】

【作用】本発明は上記手段を用いるため、水平断面形状
毎に光学マスクを製作する手間がはぶける上に、点状ビ
−ムを水平断面形状に沿って走査させる必要がなく且つ
、１方向に露光マスクと別の露光マスクの間隔分だけ走
査させるだけで大型の立体物の造形も可能となり、光源
の光量を低下させることがないので、高速かつ安価、高
精度に大型の３次元立体形状を造形することが可能であ
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。図１は本発明方法を実施するための装
置構成の一例を示す図、図２は本発明方法を実施するた
めのライン形状露光マスクの一例を上面から見た図、図
３は該露光マスクの光シャッター部分の構造例を示す図
である。

【００１３】この実施例において、樹脂収容容器１内に
ウレタンアクリレ−ト、エポキシアクリレ−ト等の液状
光硬化樹脂２を適当量収容し、該液状光硬化樹脂２表面
に光シャッタ−６が連続的に一列配置されたライン形状
の露光マスク３が複数個（図１では２個）一定間隔で各
々平行並列に配置されている。又各々の該露光マスク３
の上方に前記液状光硬化樹脂２を硬化させることの可能
な波長を発する紫外線ランプ（波長３６５ｎｍ）、或る
いはレ−ザ（出力４０ｍｗ，波長３２５ｎｍ）等の光源
４を露光マスクの数に応じて設置し、各々の露光マスク
３と光源４は一軸ステージ５により一体で液状光硬化樹
脂２表面上を光シャッタ−６の配列方向と垂直方向（矢
印方向）に走査できるように構成されている。各々の光
シャッター６は、シャッタ−コントロ−ラ７により制御
されている。

【００１４】ここでライン形状の露光マスク３の構造を
図３を用いて説明する。露光マスク３は、微小な光シャ
ッタ−６が連続的に一列配置されたライン型マスク形状
となっており、各々の微小な光シャッタ−６はガイド８
により矢印方向へ自由に距離ｄの分スライドできる。右
端の電気的に磁力が生じる素子９に磁力が生じた場合、
磁性材質でできた微小な光シャッター６は右端の素子９
に吸着され、露光エリア１１のシャッター６が開放状態
となり光を減衰させることなく透過させることができる
。また、左端の電気的に磁力が生じる素子１０に磁力が
生じた場合、微小な光シャッタ−６は左端の素子１０に
吸着され、露光エリア１１のシャッタ−が閉じた状態と
なり光を遮断することができる。

【００１５】図４乃至図６に光シャッタ−６を連続的に
一列配置したライン形状の露光マスク３を複数個同時に
一体で走査させることによる水平断面形状の造形手順例
を示す。図４は樹脂収容容器１を上方から見たもので、
複数個（図４では２個）のライン形状の露光マスク３と
光源４（図４では省略）は各々ある一定間隔Ｘ１をおい
て左端に位置されている。破線は、所望の水平断面形状
である。まず各々の露光マスク３の光シャッター部分６
から光硬化させながら一軸ステージ５により矢印の方向
に各々のライン形状の露光マスク３と光源４を一体で移
動させていく（図５）。この時各々の露光マスク３の光
透過部を該露光マスク３の移動とともに連続的に水平断
面形状に応じて変化させ露光させると、各々の露光マス
ク３や光源４は走査時に停止することなく一定間隔を保
って定速移動が可能となる。このように最終的には図６
にの実線で示されてるように、各々の露光マスク３と光
源４は全体の走査距離Ｘ０も移動することなくわずかＸ
２の距離を移動させるだけで所望の水平断面形状が微小
膜厚分だけ光硬化することになる。

【００１６】この光硬化層を順次積層することにより、
３次元立体形状物の造形が可能となる。その手順は、ま
ず、液状光硬化樹脂２内を昇降できる昇降ステ−ジ１４
を液状光硬化樹脂２液面より１回の露光時間で硬化する
厚さ分だけ沈める。所望立体の水平断面形状に応じて液
状光硬化樹脂２を硬化させるために複数個のライン形状
の露光マスク３を光透過部及び光遮断部が各々で変化す
るようにシャッタ−コントロ−ラ７により光シャッター
６を制御しながら一軸ステージ５を走査させる。これに
より、第１層の水平断面形状を該昇降ステージ５上に該
厚さ分だけ光硬化層ができる。次に、該昇降ステージ５
をさらに１回の露光時間で硬化する厚さ分だけ沈め、２
層目の水平断面形状に応じて複数個のライン形状の露光
マスク３をシャッタ−コントロ−ラにより走査制御させ
て、２層目を光硬化させる。同様なことを繰り返し、硬
化樹脂層を何層も積み重ねることにより所望の３次元立
体形状物１２が短時間且つ容易に得られる。

【００１７】この３次元立体形状物は、ＣＡＤ装置１３
で設計されたものが、各水平断面毎に２次　　元断面形
状データに変換され、各データが、シャッタ−コントロ
−ラ７に送られる。該シャッタ−コントロ−ラ７は各水
平断面形状データに応じて、複数個の露光マスク３の各
光シャッター６の制御及び一軸ステージ５の位置・速度
の同時制御御を行っている。ライン形状の露光マスクは
、光を透過するエリアで光を減衰させることなく光を透
過することが構造的に可能である。その為、透光部と遮
光部のコントラストが高くなり精度の向上が計れ、また
露光マスクを複数個平行並列に設置している為、造形時
間の短縮も可能となる。なお、露光マスク３と液状光硬
化樹脂２表面とのディスタンスは、光の拡散を考慮して
できるだけ小さいほうが望ましい。

【００１８】

【発明の効果】本発明の光学的立体造形方法によれば、
各水平断面形状に応じて複数個の１次元の光学マスクの
光透過部が連続的に変化しながら走査させるので、水平
断面形状毎の光学マスクを製作し毎回取り替えることな
く、露光を連続的に行っていくことができる。また、光
源の光を減衰させることなく透過させることが構造的に
可能であるので、透光部と遮光部のコントラストが高く
なるため造形精度が向上し、また複数個の露光マスクを
設置している為大型サイズの立体物が短時間で且つ安価
に高精度で３次元立体形状を造形することが可能である
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる光学的立体造形方法の１実施例
を示す概略構成図。

【図２】本発明方法を実施するためのライン形状露光マ
スクの上面図。

【図３】本発明方法を実施するためのライン形状マスク
の構成図。

【図４】本発明に係わる光学的立体造形方法における露
光動作を説明するための上面図。

【図５】本発明に係わる光学的立体造形方法における露
光動作を説明するための上面図。

【図６】本発明に係わる光学的立体造形方法における露
光動作を説明するための上面図。

【符号の説明】

１　　　　樹脂収容容器 ２　　　　液状光硬化樹脂 ３　　　　露光マスク ４　　　　光源 ５　　　　一軸ステージ ６　　　　光シャッター ７　　　　シャッターコントローラ １３　　　　ＣＡＤ装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　液状光硬化樹脂材を樹脂収容容器に収
   容し、該光硬化樹脂に露光マスクを介して樹脂硬化する
   光源を照射することにより、光硬化樹脂を選択的に硬化
   させ立体形状を形成する方法において、微小ドットエリ
   アの遮光制御可能な光シャッタ−が連続的に一列配置さ
   れてなる、透過光量の低下が少ないライン形状の露光マ
   スクを、複数個平行並列に配置し、上記光シャッタ−の
   配列方向と垂直方向に上記複数個のライン形状の露光マ
   スクを走査させながら、水平断面形状データに応じて該
   光シャッタ−を制御することにより露光領域を変化させ
   て一層の硬化を行い、各水平断面毎にマスクを取り換え
   ることなく所望の立体形状を得ることを特徴とする光学
   的立体造形方法。