JPH04305438A - 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に於ては、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（１９８１．４　ｖｏｌ．Ｊ６４−Ｃ　　Ｎｏ．
４　　第２３７頁以降）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号公報）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（本願出願
人により提案された特願平２−４６２３５号）がある。 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】

【発明が解決しようとする課題】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。

【０００９】特に光学マスクを用いる方法では、露光光
源の光の拡散などにより露光照度が低下してしまい、露
光時間の増大や露光による硬化領域と未硬化領域との境
界が不明瞭になり造形精度が著しく低下してしまう問題
がある。

【００１０】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
用点を移動させることなく、短時間かつ高精度で立体物
を造形することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような点に
鑑みて為されたものであって、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配
置し、該露光マスクと光源の間或るいは、露光マスクと
光硬化樹脂表面との間にレンズ系を具備するとともに、
該光シャッタ−の配列方向と垂直方向に該ライン形状の
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ている。

【００１２】

【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
、光源の光量低下や光の拡散を防ぐので、高速かつ高精
度、安価に３次元立体形状を造形することが可能である
。

【００１３】

【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、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、図３は該露光マ
スクの光シャッター部分の構造例を示している。これら
の図において、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と該
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３６５
ｎｍ）、或るいはレ−ザ（出力４０ｍｗ，波長３２５ｎ
ｍ）等の光源４が、光が拡散させずにライン形状となっ
て光シャッター６のエリア上に集光させるシリンドリカ
ルレンズ１５を介して設置し、該露光マスク３と該光源
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−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。また、露光マスク３
の光シャッタ−６と液状光硬化樹脂２表面との間にも拡
散を防ぐため各光シャッター６毎にレンズ１６が１列に
設置されている。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、ライン形状の露光マ
スク３、光源４、シリンドリカルレンズ１５、レンズ１
６（図４では４，１５，１６省略）は左端に位置されて
いる。破線は、所望の水平断面形状である。まず左の露
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Ａ方向にライン形状の露光
マスク３と光源４・シリンドリカルレンズ１５・レンズ
１６を一体で移動させていく（図５）。この時露光マス
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、露光マ
スク３、光源４、シリンドリカルレンズ１５、レンズ１
６を走査時に停止させることなく定速移動が可能となる
。このように最終的には図６に実線で示されてるように
、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ライン形状の露光マ
スク３を光透過部及び光遮断部が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、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。そして又、光源からの光が拡散せ
ず露光照度を上げるためにシリンドリカルレンズ１５や
、露光マスク３を通過した光が拡散しないためにレンズ
１６を設置しているため、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、また造形時間の短縮も
可能となる。

【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
減衰及び拡散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
なり高精度・短時間で且つ安価に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
を示す概略構成図である。

【図２】本発明方法を実施するためのライン形状露光マ
スクの上面図である。

【図３】本発明方法を実施するためのライン形状露光マ
スクの上面図である。

【図４】本発明に係わる光学的立体造形方法における水
平断面形状の露光の手順を示す図である。

【図５】本発明に係わる光学的立体造形方法における水
平断面形状の露光の手順を示す図である。

【図６】本発明に係わる光学的立体造形方法における水
平断面形状の露光の手順を示す図である。

【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− １５　　　　シリンドリカルレンズ １６　　　　レンズ

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
   スクを配置し、該露光マスクと光源の間或るいは、露光
   マスクと光硬化樹脂表面との間にレンズ系を具備すると
   ともに、該光シャッタ−の配列方向と垂直方向に該ライ
   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。