JPH07223268A

JPH07223268A - 立体像形成装置

Info

Publication number: JPH07223268A
Application number: JP6017259A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Uchiyama; 昭彦内山; Kenji Nakatani; 健司中谷; Hisatomo Oonishi; 寿智大西
Original assignee: Teijin Ltd; Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp; Teijin Ltd
Priority date: 1994-02-14
Filing date: 1994-02-14
Publication date: 1995-08-22

Abstract

(57)【要約】【目的】放射線源としての紫外線レーザ装置や制御手段
としての音響光学素子を用いなくても立体像形成が可能
な立体像形成装置を得る。【構成】光硬化性化合物９に活性放射線１４を照射する
ことにより、硬化性化合物９の少なくとも一部を光硬化
させ、さらに活性放射線１４により硬化された層の上に
新たな光硬化性化合物９を導入し、再び活性放射線１４
を照射して硬化性化合物９の少なくとも一部を光硬化さ
せるという工程を複数回繰り返すことにより立体像を形
成する立体像形成装置において、活性放射線１４の照射
強度および／または照射パターンを制御する手段とし
て、外部信号１５により活性放射線１４の透過率を制御
できる液晶光学素子４を、活性放射線１４の照射光路中
に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固化させようとしてい
る領域あるいは体積に順次光を照射することによって、
段階的に三次元物体の立体領域を形成する立体像形成装
置に関する。特にその際に照射する光の露光強度および
パターンを制御する手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】光硬化によって三次元像を製造する手法
には、すでに数々の提案がある。ヨーロッパ特許出願
（１９８７年６月６日にScitex Corporation,Ltd. の出
願した公開番号２５０，１２１）を参考資料とするが、
ここにはこの分野に関する、Kodama,Hull,Herbert によ
るものとされる数種の方法についての要約が存在する。
また、ジョン・アラン・ロートンによる日本国特許出願
公開（平３−２１４３２）も参考資料として援用する。

【０００３】これらの方法は、固化させようとしている
領域あるいは体積に、順次光を照射することによって段
階的に三次元物体の立体領域を形成するものである。ま
た、目的とするパターンに従って光硬化性物質にレーザ
ービームを照射し、三次元像を一層ずつ重ねていく方法
も記載されている。

【０００４】そしてこれらの方法を用いた従来の立体像
形成装置では、光硬化性化合物を硬化させる放射線源と
して、高出力で高エネルギーのレーザ光を用いる必要が
ある。このため放射線源としては、紫外線領域に主要帯
域を持ち得る紫外線レーザ装置を使用している。そして
レーザ光照射を制御する手段としては、高価ではあるが
応答速度の速い音響光学素子を用いている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら紫外線レ
ーザ装置は高価であり、かつ寿命も短く、さらには冷却
装置等の問題から装置全体として容積の大きなものとな
る。この結果として、光硬化性物質を硬化させる放射線
源として紫外線レーザ装置を使用した装置は、必然的に
高価で大型にならざるを得ないと言う課題が有る。

【０００６】そこで、紫外線レーザ装置を用いずに通常
のインコヒーレントな紫外線光源を、放射線源として用
いる試みもなされている。しかしインコヒーレントな光
源では、光のＯＮ−ＯＦＦ制御に従来の音響光学素子を
使用することができないと言う課題がある。

【０００７】本発明はかかる課題を解決して、放射線源
としての紫外線レーザ装置や制御手段としての音響光学
素子を用いなくても立体像形成が可能な立体像形成装置
を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる立体像形
成装置は、光硬化性化合物に活性放射線を照射すること
により、硬化性化合物の少なくとも一部を光硬化させ、
さらに活性放射線により硬化された層の上に新たな光硬
化性化合物を導入し、再び活性放射線を照射して硬化性
化合物の少なくとも一部を光硬化させるという工程を複
数回繰り返すことにより立体像を形成する立体像形成装
置において、活性放射線の照射強度および／または照射
パターンを制御する手段として、外部信号により活性放
射線の透過率を制御できる液晶光学素子を、活性放射線
の照射光路中に設けることを特徴としている。

【０００９】本発明では、活性放射線の照射強度および
／または照射パターンを制御する手段として、活性放射
線の透過率を制御できる液晶光学素子を用いることで、
インコヒーレントな光であっても高速にその透過率を制
御することができる。

【００１０】そうした液晶光学素子としては、活性放射
線に対する散乱状態を外部信号によって制御すること
で、活性放射線の透過率を制御する物が好ましい。すな
わち活性放射線を散乱して透過させない状態と、散乱せ
ずに透過する状態とを、電場、磁場、熱等の外部信号に
より制御できる物を用いることが好ましい。液晶光学素
子として、２枚の基板の間にネマチック液晶を挟み、さ
らに基板の表面配向処理によって分子配向をねじらせた
セルの両側に偏光子を備えた、ねじれネマチックセルを
用いた場合には、偏光子等による紫外光の吸収が大き
く、すなわち光の透過率の点で好ましくない。

【００１１】このように外部信号により散乱状態を制御
できる液晶光学素子としては、高分子樹脂中に液晶分子
を滴状、あるいは３次元網目状に分散させた高分子分散
型液晶が好ましく用いられる。この高分子分散型液晶
は、相分離法等により樹脂中に液晶、好ましくはネマチ
ック液晶を均一に分散させたものである。そして、樹脂
の屈折率と液晶の屈折率の一致／不一致により透過／散
乱を制御する。その際に双方の屈折率の一致／不一致の
制御は、電場、磁場、熱等を外部から加えることにより
液晶の配向を変化させて行う。もちろん、ネマチック液
晶に限らず、コレステリック液晶、スメクチック液晶等
も使用可能である。また、マイクロカプセル化した液晶
滴を用いることも可能である。あるいは散乱状態での光
の透過を低く押さえるために、液晶中に二色性色素を適
量加えることにより、散乱状態では光を吸収し、透明状
態では光を透過させることができる。

【００１２】このような液晶光学素子の透過率を制御す
る外部信号としては、高精細な３次元像を得るために
は、光により加熱を行う方法を用いることが好ましい。
この場合、熱をかけた状態においては液晶が等方相とな
り、樹脂の屈折率と液晶の屈折率が一致するため、入射
した光は散乱せずに透過することができる。一方、熱を
かけない状態においては樹脂の屈折率とネマチック状態
にある液晶の屈折率が不一致なため、光の散乱が起こり
不透過な状態となる。

【００１３】このように熱により光スイッチングを行う
ためには、使用する液晶のネマチック−アイソトロピッ
ク相転移温度が室温以上であることが望ましい。さらに
熱信号源の容量を小型化するため、そして熱による速い
応答速度を得るため、液晶の相転移温度は４０℃以上か
つ１５０℃以下であることが好ましい。もちろん、この
液晶光学素子に冷却装置等の温度制御装置を具備させた
場合にはこれに限らない。

【００１４】また、高分子分散型液晶を挟み込む基板
は、特に熱線が入射する側は、より熱を伝え易くするた
めなるべく薄いことが望ましく、基板材料としては熱伝
導係数の大きなものが望ましい。同様に樹脂に関しても
熱伝導係数の大きなものが好ましい。もちろん、活性放
射線に透明であることが必要である。

【００１５】そして液晶光学素子への熱供給源として用
いる光には、赤外線レーザ光を用いることが好ましい。
この場合に照射された光が熱に変換されれば良いことか
ら、赤外線以外の可視光線レーザ光も使用可能である。
しかし高出力光が半導体レーザ装置によって得られる赤
外線レーザ光が好適に用いられる。半導体レーザ装置で
は光のＯＮ−ＯＦＦを電気信号で高速制御可能であり、
音響光学素子等も不用である。

【００１６】また液晶光学素子上にこうした赤外線レー
ザ光を走査させる手法としては、赤外線レーザ装置自身
を可動させる方法等もあるが、赤外線レーザ装置は固定
とし、可動ミラー等をコンピュータ等で制御する方法も
用いられる。

【００１７】本発明における活性放射線としては、光硬
化性化合物を硬化させるに足る光強度を持っていれば良
い。それには紫外線領域に主要帯域を持つ光であれば、
そのエネルギーが高く好ましい。本発明ではこれがイン
コヒーレントな光であっても良い。そしてインコヒーレ
ントな紫外線光源は、容易に得ることができるので好ま
しい。

【００１８】

【実施例】図１に、本発明の立体像形成装置の装置構成
例を示す。図中、１は活性放射線の光源、２は活性放射
線の集光鏡、３は活性放射線のコリメータレンズ、４は
液晶光学素子、５は赤外線レーザ装置、６は可変ミラ
ー、７は赤外線レーザ光の集光レンズ、８は活性放射線
の集光レンズ、９は光硬化性化合物、10は容器、11は像
形成面、12は形成中の立体像、13は可動テーブル、14は
光源１から放射された活性放射線、15は赤外線レーザ装
置５から放射された赤外線レーザ光、16は赤外線レーザ
光15が照射された液晶光学素子４中のスポット部であ
る。

【００１９】ここで液晶光学素子４としては、高分子分
散型液晶セルを用いた。この高分子分散型液晶セルによ
る液晶光学素子４の製造法について以下に示す。

【００２０】透明基板としては、ポリエチレンテレフタ
レートフィルムを用いた。その際、透過状態の制御用信
号である赤外線レーザ光入射側の基板フィルムの厚みは
１０μｍ、反対側は１２５μｍとした。

【００２１】そして液晶としては、シアノビフェニル系
液晶であるメルク社製の商品名「ＢＬ０１１」を用い、
樹脂モノマーとしては、ノニルフェノキシエチレンオキ
サイドアクリレートである東亜合成（株）製の商品名
「Ｍ１１３」、２−ヒドロキシプロピルアクリレートで
ある共栄社油脂化学工業製の商品名「ＨＯＰ−Ａ」、オ
クタフロロペンチルアクリレートである大阪有機化学工
業製の商品名「ビスコート８−Ｆ」、ペンタエリスリト
ール４−アクリレートである共栄社油脂化学工業製の商
品名「ＰＥ−４Ａ」を、重量混合比でそれぞれ、Ｍ１１
３：ＨＯＰ−Ａ：８−Ｆ：ＰＥ−４Ａ＝６４：１６：２
０：１の割合で混合した。さらに光開始剤として、ベン
ジルジメチルケタールであるチバガイギー製の商品名
「イルガキュアー６５１」を樹脂モノマーに対して重量
比で１％添加混合した。

【００２２】この混合液にスペーサーとして積水ファイ
ンケミカル（株）製の商品名「ミクロパール２１０」を
０．５重量％加え、さらに液晶成分が７０重量％になる
ように混合した。この混合液を前述の基板フィルムに挟
み、紫外線照射装置を用いて６．４ｍＷ／平方ｃｍの紫
外光を約５分間照射して、高分子分散型液晶セルによる
液晶光学素子４を得た。

【００２３】こうして得られた液晶光学素子４につい
て、波長４００ｎｍにおける透過率の温度依存性を図２
に示す。ＢＬ０１１液晶の相転移温度は６２℃であるの
で、その温度以上において透過率が急激に高くなってい
るのが分かる。すなわち高温状態では光が透過し、低温
状態では光を遮光することができる。ここで、透過状態
と遮光状態での透過率の比率である遮光性は、光の波長
が短波長になるとより高まる。

【００２４】また光硬化性化合物９としては、ウレタン
アクリレート樹脂である商品名「サートマー９６１
０」、エトキシレートトリメチロールプロパントリアク
リレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、
２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノンをそ
れぞれ３０：２６：４０：４重量％含んだ混合物を用い
た。これをステンレス製の容器10に入れ、図１のように
液晶光学素子４の下に配置した。

【００２５】また光源１には、インコヒーレントな紫外
線を発生する水銀ランプを用いた。そして光源１からの
活性放射線は、集光鏡２とコリメータレンズ３により平
行光線化されて、液晶光学素子４に照射される。

【００２６】一方、液晶光学素子４の透過状態制御用外
部信号手段としては、波長８３０ｎｍの赤外線レーザ装
置５を用いた。この赤外線レーザ装置５は、０ｍＷから
２００ｍＷまでレーザ光出力を任意に変化させることが
できる。

【００２７】そして赤外線レーザ装置５からの赤外線レ
ーザ光15は、集光レンズ７と可変ミラー６によって、液
晶光学素子４上に集光照射される。その際に液晶光学素
子４上での赤外線レーザ光15の直径は１０μｍとなる。

【００２８】そして赤外線レーザ光15により照射された
スポット部16は、温度が上昇して透明状態となる。この
結果光源１からの活性放射線14は、スポット部16を透過
して光硬化性化合物９の像形成面11に照射される。その
際の透過光強度は、光硬化性化合物９を硬化するに必要
な３００〜４００ｎｍの波長において１０ｍＷ／平方ｃ
ｍであり、硬化させるのに十分な光強度が得られてい
る。一方赤外線レーザ光15の照射されていない部分の直
下においても同様の測定を行ったが、それらの場所では
０．１ｍＷ／平方ｃｍ以下であり、光硬化性化合物９を
硬化させることはできない。

【００２９】ここで、可変ミラー７を駆動して赤外線レ
ーザ光を１ｃｍ／ｓｅｃで走査し、スポット部16を所望
のパターン位置へ移動させることができる。この走査に
よって赤外線レーザ光15を移動させると、それまで赤外
線レーザ光15が照射されて透明状態であった部分も、瞬
時に不透明状態（光散乱状態）に戻ることが確認され
た。すなわち赤外線レーザ光15の照射位置が他の場所に
移動されると、スポット部16の温度が急激に下がるた
め、瞬時にスポット部16は元の光不透過な状態へと戻
る。

【００３０】またここでは、活性放射線をさらに集光す
る集光レンズ８を備えている。この集光レンズ８は、可
変ミラー６による赤外線レーザ光15の走査に同調して移
動する。そしてこれにより液晶光学素子４を透過した活
性放射線は、光硬化性化合物９に対してより集光されて
照射されることになる。

【００３１】このようにして光硬化性化合物９の像形成
面11においては、液晶光学素子４上の赤外線レーザ光15
の軌跡に対応して、液晶光学素子４を透過した光源１か
らの活性放射線14の軌跡の部分だけが硬化される。そし
て必要に応じて、可動テーブル13が下降して硬化された
層の上にさらに新たに光硬化性化合物を導入し、走査の
工程を繰り返すことにより、立体像12が形成できる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べてきたように本発明によって、
放射線源としての紫外線レーザ装置やそれを走査する装
置、あるいは光照射の制御手段としての音響光学素子を
用いなくても、立体像形成が可能な立体像形成装置を得
ることができる。そしてこうしたことにより立体像形成
装置は、ＣＡＤやＣＡＥ等の分野において広く普及する
ことが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】立体像形成装置の概略構成

【図２】液晶光学素子の透過率温度依存性

【符号の説明】

１光源２集光鏡３コリメータレンズ４液晶光学素子５赤外線レーザ装置６可変ミラー７赤外線レーザ光の集光レンズ８活性放射線の集光レンズ９光硬化性化合物 10 容器 11 像形成面 12 立体像 13 可動テーブル 14 活性放射線 15 赤外線レーザ光 16 スポット部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大西寿智東京都新宿区西新宿２丁目４番１号新宿ＮＳビル帝人製機株式会社東京本社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光硬化性化合物に活性放射線を照射する
ことにより、硬化性化合物の少なくとも一部を光硬化さ
せ、さらに活性放射線により硬化された層の上に新たな
光硬化性化合物を導入し、再び活性放射線を照射して硬
化性化合物の少なくとも一部を光硬化させるという工程
を複数回繰り返すことにより立体像を形成する立体像形
成装置において、活性放射線の照射強度および／または
照射パターンを制御する手段として、外部信号により活
性放射線の透過率を制御できる液晶光学素子を、活性放
射線の照射光路中に設けることを特徴とする立体像形成
装置。
【請求項２】液晶光学素子が、活性放射線に対する散
乱状態を外部信号により制御することで、活性放射線の
透過率を制御するものであることを特徴とする請求項１
記載の立体像形成装置。
【請求項３】液晶光学素子が、高分子樹脂中に液晶分
子を滴状あるいは３次元網目状に分散させた高分子分散
型液晶であることを特徴とする請求項２記載の立体像形
成装置。
【請求項４】高分子分散型液晶に用いる液晶のネマチ
ック−アイソトロピック相転移温度が４０℃以上かつ１
５０℃以下であることを特徴とする請求項３記載の立体
像形成装置。
【請求項５】液晶光学素子を制御する外部信号とし
て、赤外線レーザ光を用いることを特徴とする請求項３
〜４のいづれかに記載の立体像形成装置。
【請求項６】活性放射線として、インコヒーレントな
紫外光線を用いることを特徴とする請求項１〜５のいづ
れかに記載の立体像形成装置。