JPH0985836A - 露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 デジタルデータにしたがって光硬化性樹脂に
光線を照射し，立体形状物を製造する装置において，そ
の立体形状物の製造能率の向上と装置の低価額化を図
る． 【解決手段】 光の照射によって硬化する物質に対し
て，必要とする立体形状物の断面形状をデジタルデータ
にしたがって選択的に照射し所要形状を成形する造形用
露光装置において，その露光ヘッドに複数の露光口を一
体的に設置し，その露光口よりの複数の露光をそれぞれ
の走査位置において各露光口について独立にオン・オフ
制御して必要とする断面形状に硬化させうる露光ヘッド
を開発したものである．

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は立体形状を表現する
デジタルデータをもとに，光の照射によって流動性を失
い硬化する物質（主として光硬化性樹脂である。以後に
は光硬化性樹脂と称す）を平板状に露光・硬化し，これ
を順次積層して自動的に立体形状物を作製する装置にお
ける露光ヘッドに関する.

【０００２】

【従来の技術】立体物の形状やその内部構造，相互の組
み付け状況を正確に理解・確認するため，あるいはプラ
スチック成形金型やダイカスト鋳造型、その他の金型を
製作するための模型とするために，デジタルデータが表
現している立体形状から３次元模型を自在に製作する技
術が待望されている.最近ラピッドプロトタイピングと
呼ばれる新しい立体モデル製作法が注目されている.な
かでもレーザーによる光硬化反応を用いた方式（光造形
法）は性能的に最も優れている.

【０００３】光硬化性樹脂に光を照射すると，照射部分
は縮重合反応を生じて硬化する．照射光は樹脂に吸収さ
れ減衰するから，硬化は樹脂表面でのみ生じる．図９，
図１０のようにレンズ２で細くビーム状に絞ったレーザ
ー光１６を光硬化性樹脂１５上を走査しつつ露光すれ
ば，所望形状の硬化層１５ｈが得られる．この硬化層を
順次に積み重ねることにより任意の形状を持った立体物
を創成できる．１４はベースプレートである．

【０００４】ＣＡＤで設計した形状に従って積層を自動
的に行うには，数値モデルをまず高さ方向に等間隔の水
平面で切断し，スライス図形データ群を作製する．スラ
イスの厚さは樹脂の硬化厚さ以下とする．次にそれらを
下端から取り出して，その形状に基づいて光を走査し硬
化層１５ｈを形成する．一層の硬化層を形成した後，所
定の厚さの未硬化樹脂液をその上に満たし（または、硬
化層を樹脂液面下に沈め），次のスライス図形について
の露光を行い硬化を行う．これをモデルの上端に至るま
で繰り返す．硬化反応時に上下の層は互いに強固に接合
され，全体は一体化したプラスチックの立体モデルとな
る．

【０００５】このように硬化層の積層を行う方法として
は基本的に二種類のものある．図９は水平な自由液面に
対して大気側から直接光照射する方法であり，自由液面
法と呼ばれる．図１０は透明板１７上に適量の未硬化樹
脂液を満たし，その液面を光照射して硬化するので，規
制液面法と呼ばれる．図９ではベースプレート１４を樹
脂中に所定量沈め，該プレート上の樹脂１５にレーザー
光１６を照射１６ａして硬化１５ｈし，次いで該プレー
トを所定量沈めて前記の硬化１５ｈした樹脂上に流入載
置した未硬化樹脂を光硬化させる．この操作を繰り返し
て所望形状を形成する．図１０では未硬化樹脂液１５中
でベースプレート１４をその底面から所定量引き上げ，
ベースプレートの下面に薄い樹脂液１５層を設けここに
下方から光照射１６ａして硬化層１５ｈを形成し，次い
でそのベースプレートを所定量引き上げて、再びその間
に次段の未硬化樹脂液１５を流入させ，これに光照射せ
しめて硬化層１５ｈを連続的に形成する．自由液面法は
簡便であり，大多数の実用装置でこの方式が採用されて
いる．規制液面法は透明板１７と硬化した樹脂表面との
剥離に問題があるので，セラミック粉を混合したような
特殊な樹脂を使用する場合に用いられることがある．

【０００６】集束した光を任意位置に移動するのに光走
査機構が必要である．そのメカニズムとして２台の可動
ミラー（電磁ミラー，ガルバノミラー）によって光ビー
ムを２次元に偏向する方法と，導光路（ミラーまたは光
ファイバー）をＮＣテーブルによって移動し，照射位置
を制御する方法とがある．

【０００７】光硬化性樹脂は光重合性プレポリマー（オ
リゴマー），光重合性モノマー（モノマー）および光重
合開始剤を主成分とする混合液体である．光照射によっ
てまず光重合開始剤が解離して反応性の分子となり，こ
の分子がオリゴマーやモノマーの連鎖的な重合反応のト
リガーとなって照射点近傍の樹脂が硬化する．光重合開
始剤は紫外線によって解離するので，光造形では紫外線
レーザー（アルゴンレーザーなど）が用いられている．

【０００８】光硬化性樹脂の硬化反応に紫外線が必要で
あるところから，従来の光造形装置では紫外線レーザー
が使用されてきた．これにはアルゴンイオンレーザーと
ヘリウムカドミウムレーザーとがあるが，レーザー発振
管，電源とも大形で寿命が短く，また大電力を消費し、
かつ、冷却水が必要であるなど，装置価格，保守費，運
用のうえで問題をかかえていた．

【０００９】可視光レーザーと可視光硬化性の樹脂を用
いた方式もあるが，樹脂の硬化深度が数ミリに達するた
め、自由液面法によると各硬化層間に段差が生じスムー
ズな曲面の形成が困難で精密な模型を作製できず，特別
な露光方法、例えば規制液面法（図１０）を用いる必要
があったが容器底面との接着が生じる等の問題があっ
た．

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の光造形法の最大
の問題点はレーザー光源で，これが大形できわめて高価
であるために必然的に装置の価額を引き上げ，装置全体
のサイズもまた大形化する原因になっている．またレー
ザー管の交換費用も高価であるため保守費用の高騰の原
因となっている．さらに，レーザー光源交換時にはレー
ザー発振管を取り外すため，光軸を再調整し，走査機構
の精度も再調整する必要があり，大きな負担となってい
た．さらにまた，レーザー光の照射される露光点がただ
１カ所であるため，造形に時間を要する欠点もあった．

【００１１】本発明はレーザー光線を使用せず，安価で
小形である放電灯（紫外線光源）を用いることによっ
て，光源の価格低減ひいては装置全体の価格低減と装置
サイズの小型化を図ったものである．さらに，光源の発
する光を複数の導光路で導き，あるいは複数の放電灯を
並列に使用して複数の露光点において同時並列的に光硬
化を行うことにより造形時間の短縮を実現しようとする
ものである．

【００１２】

【課題を解決するための手段】光の照射によって流動性
を失い硬化する（光硬化）物質を製作物の断面形状にし
たがって選択的に照射し所要形状を成形する造形用露光
装置において，その光硬化物質に対向する複数の露光口
を一体的に保持した露光ヘッドを設け，その露光ヘッド
を該物質に対して光硬化に最適な距離を保って水平に、
かつ、各々の走査線を平行に移動せしめ，その間，それ
ぞれの走査位置において行うべき露光を各露光口につい
て独立にオン・オフ制御し走査対象面を順次選択的に露
光する露光ヘッド構造を採用したものである．従来のも
のが一点照射であったために樹脂の硬化時間を多く要し
たのに対して，この複数照射によって光硬化樹脂による
モデルの造形時間は飛躍的に短縮することが可能となっ
た．

【００１３】単一もしくは複数の放電灯の発光を複数の
導光路，例えば光ファイバーによりそれぞれの露光口に
導き，その露光口を一体的に保持する露光ヘッドを光硬
化物質に所定間隔で対向し，その表面を平行に走査し
て，それぞれの露光をコンピュータ制御によりオン・オ
フして走査対象面を順次選択的に露光する導光方法を採
用し，一の光源を多点の照射に使用し、あるいは小容量
の光源を複数個使用することによって光硬化樹脂による
モデルの造形時間の短縮と装置の低価額化を図ったもの
である.

【００１４】露光ヘッドに形成した複数の露光口がそれ
ぞれに放電灯を保持し，その露光ヘッドが光硬化樹脂に
対向してその表面を平行移動により走査し，その間それ
ぞれの放電灯をコンピュータ制御によりオン・オフして
走査対象面全体を選択的に露光することにり光硬化性樹
脂によるモデルの造形時間短縮と装置の小型化，メンテ
ナンスの簡易化が図られ，装置の低価額化を実現したも
のである.

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る装置１の構成
例である．放電灯２の放射光を集光レンズ３により集光
し，たとえば光ファイバーなどからなる複数の導光路
４，４を用いて移送し，その導光路の末端から出射する
光を直接露光口とし，または集束レンズ５を介して光硬
化樹脂１５の液面に照射・露光する．この複数の導光路
末端は一体の照射ヘッド６に配設されていて，該照射ヘ
ッド６は光硬化性樹脂１５面に対し所定距離すなわち樹
脂表面に光の焦点が結ぶ等効果的に樹脂を硬化せしめ得
る間隔を保ちつつ，かく走査線が平行に移動する構成に
なっている．露光口６ａから出射された光は樹脂面上に
露光点６ｂを形成し樹脂の硬化反応を促進することにな
るが，これにはあらかじめコンピュータ等の制御機器の
記憶装置に記憶させた立体形状に関するデジタルデータ
から得られた断面形状データに基づき，各露光点６ｂを
硬化すべき点ではオン，硬化すべきでない点ではオフと
なるように光シャッター７を個別にオンオフ制御する．

【００１６】樹脂１５の液面を照射する各露光点６ｂ，
６ｂはそれぞれ独立しているが，その間隔は光照射によ
り硬化１５ｈした部分が走査の進行に伴って互いに接し
て一体となるよう，すなわち，露光点６ｂの硬化１５ｈ
部分の半径内に，隣接する露光点の硬化１５ｈ部の外周
が相接するように配置されている．しかし，図１のよう
に各レンズ５や導光路４などの部品の直径による制限か
ら，隣合う露光点６ｂ，６ｂを平行配置によってはそれ
ぞれの硬化半径内に接近させることが困難である．そこ
で本発明の一つとして次の方法を開発したものでその例
を図２以下に示した．

【００１７】すなわち図２は，露光すべき樹脂液１５面
を上方から観察したもので，走査方向に対して前後方向
に各露光口６ａを配置した．８は硬化範囲，９は導光路
４の先端露光部の装置が占有する範囲であり，１０は露
光すべき走査線である．このように前後方向に間隔を設
けて配置することによって，走査の進行方向と直角方向
における各露光点の接近配置が可能となる．この照射ヘ
ッド６を走査線に沿って右方に移動しつつ，必要な場所
で光をオン・オフすると複数の露光口６ａ，６ａにより
照射された所も接合した状態の硬化物が得られる．集束
レンズ５を使用した場合のように装置の部品の占有範囲
が硬化範囲を大きく上回っていても，このように露光口
６ａを走査方向に対して前後に配置すれば相互の露光軌
跡を任意に接近させることができる．図３は図２の続き
を示したもので，右方への走査が終了の後，露光点全体
を３走査線分だけ下方へ移動し，左方向に走査・露光を
おこなう．

【００１８】図４は一つの照射ヘッドに４個の露光口を
設け，そのうち２個づつを接近させてグループ化し，互
いのグループを２走査線分だけ離して配置したときの露
光順序を図示したものである．４個の露光口６ａ，６
ａ，６ａ，６ａを一体として右方に走査した後，照射ヘ
ッド６を２走査線分下方に移動させて，最初の走査で残
った部分とそこから２走査線下方の部分とを走査・照射
する．これが終了すると４本分走査線下方に照射ヘッド
６全体を移動する．この場合の一の露光口６ａ，６ａグ
ループと他のグループ６ａ，６ａの配置は一つの走査線
の幅のほぼ２倍になされている．このことは，一回の走
査，照射により１体的に硬化する走査に対して直角方向
の幅の等倍の位置に他の露光口グループ６ａ，６ａが配
置されることが必要であることを意味し，それは２倍で
も３倍でもよい．

【００１９】図５は種々の露光口６ａの配置を示したも
ので，走査方向は左右方向であるものとする．同一走査
線上に露光点がある場合（図５（ａ）（ｄ））は，前方
の露光点が露光した部分については更に露光する必要が
ないので，露光点群全体がその部分で走査をスキップ
（早送り）するものとする．図５（ｂ）は１方向１回の
走査・照射によってＨの幅が一体として硬化される．図
５（ｃ）は一回の走査によって３本の独立した線状の硬
化が得られ，さらにその硬化した線の間を補完する走査
・照射をすることによって一体化が図られる．なお，図
５（ａ）（ｃ）（ｄ）の照射ヘッド６を，露光装置１へ
の装着においていくらかの角度を持たせて装着して各照
射口６ａ，６ａが走査方向と直角方向において接近せし
め，各露光点６ｂの硬化半径内に隣接する露光点６ｂの
硬化半径外周が相接するようにして硬化部を一体化して
もよい．

【００２０】図６は複数の放電灯２を照射ヘッド６に配
列し，その各々の電源１１をスイッチによってオンオフ
しつつ全体を走査して所望の露光をおこなう実施例であ
る．オン・オフの制御は前記と同様コンピュータによっ
て制御され，また放電灯の配列は導光路による方式と同
様である．なお，露光ヘッドの寸法を小さくするため
に，放電灯の光をそれぞれ１本づつの導光路によって露
光口に導くことも可能である．

【００２１】

【実施例】図７は実験に用いた装置１の構成である．放
電灯２（浜松ホトニクス（株）キセノン放電灯Ｃ２５７
６形）の放射光を直径１８ｍｍ，焦点距離２５ｍｍの集
光レンズ３により５本の光ファイバー４（コア径０．１
ｍｍ，長さ１．５ｍ）により照射ヘッド６導き，これら
５本の出射端（露光口６ａ）を直線上に配列し，直径４
０ｍｍ，焦点距離５０ｍｍの収束レンズ５を１枚使用し
て光ファイバーの出射端から発する光束を一括して光硬
化性樹脂１５（旭電化工業（株）ＨＳ６７３）の液面を
照射した．露光部はＸＹプロッタ１２（ローランド
（株）ＤＸＹ−８８０形）のペン・キャリア部分に装着
し，また，光シャッタ７はリン青銅からなる遮蔽板を電
磁ソレノイドに結合して構成し，パーソナルコンピュー
タ１３の描画指令１３ａによってオン・オフおよび樹脂
上を走査した．この実験の結果，レーザー光線を使用せ
ずに紫外線あるいは紫外線と可視光線によって実用に十
分に耐え得る露光ができることが分かった．

【００２２】図８はこの実験装置を使用して，自由液面
法により得られる照射したときの樹脂硬化特性である．
硬化直径０．５ｍｍで深さが１ｍｍの硬化物が約２秒で
形成される．この装置により直径５０ｍｍ，高さ２０ｍ
ｍ，肉厚１ｍｍの円筒形状の立体模型が層厚み０．５ｍ
ｍ，積層数４０層として４時間以内に作製できる．ま
た，図６における構成により直径１０ｍｍの小形プラズ
マ放電灯（オプトニクス（株）ＬＬ０７形）に１００ｋ
Ωの抵抗を直列接続し，３０Ｖの直流電圧で発光させ，
集束レンズとして直径１８ｍｍ，焦点距離２５ｍｍのも
のを用いて実験した．樹脂は図８の場合と同じである．
この場合は硬化に要する時間は図８の場合の約５倍を要
した．この放電灯による実験において硬化時間がレーザ
ー光線を使用する場合より遅いことは当然であるが，露
光ヘッドに露光口を多数設置できることにより全体的な
モデル作製時間は短縮することが可能である．

【００２３】

【発明の効果】安価な光源を用い，これを複数の導光路
に導き，あるいは複数の光源群を用い，これらを１次元
配置，あるいは２次元（２グループ）配置して複数の位
置において光硬化性樹脂を同時並列的に露光することに
より，装置価格・維持費とも安価となり，また装置が小
形で，高能率，低消費電力の光造形装置が実現され得る
ものである．

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係る装置の模式図である．

【図２】露光口の配置と走査状況を示す平面図である．

【図３】図２に引き続く走査の状況を示す平面図であ
る．

【図４】露光口の別の配置と，その走査状況を示す平面
図である．

【図５】露光口の配置例を示す平面図である．

【図６】露光部に小形放電灯を装着した実施例を示す模
式図である．

【図７】本発明の実験のための装置構成を示す斜視図で
ある．

【図８】実験装置による光硬化樹脂の硬化特性を示すグ
ラフである．

【図９】従来方法における露光と積層法（自由液面法）
を示す要部断面図である．

【図１０】従来方法における露光と積層法（規制液面
法）を示す要部断面図である．

【符号の説明】 １ 装置本体 ２ 放電灯 ３ 集光レンズ ４ 導光路 ５ 集束レンズ ６ 照射ヘッド ６ａ 露光口 ６ｂ 露光点 ７ 光シャッター ８ 硬化範囲 ９ 導光路の占有範囲 １０ 走査線 １３ コンピュータ（記憶・制御装置） １５ 光硬化性樹脂

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光の照射によって流動性を失い硬化する
   （光硬化性）物質を選択的に照射し所要形状を成形する
   露光装置において，その光硬化物質に対向して複数の露
   光口を一体的に形成した照射ヘッドを備え，かつ，その
   照射ヘッドを該物質との相対位置を所定間隔に保ちつつ
   平行移動させることにより、その表面を走査し，それぞ
   れの走査位置において行うべき露光を各露光口について
   独立にオン・オフ制御し，走査対象面を順次選択的に露
   光することを特徴とする露光装置.
2. 【請求項２】 単一もしくは複数の放電灯の発光を複数
   の導光路により照射ヘッドに形成した露光口に導き，そ
   の照射ヘッドを光硬化物質に対向して所定間隔を保ちつ
   つその表面を平行移動させることにより走査し，それぞ
   れの露光口の露光をコンピュータ制御によりオン・オフ
   をして走査対象面全体を選択的に露光し光硬化物質を硬
   化することに特徴を有する請求項１記載の露光口が複数
   配列になる照射ヘッド.
3. 【請求項３】 照射ヘッドに形成した複数の露光口がそ
   れぞれに放電灯を保持しており，それぞれの放電灯をコ
   ンピュータ制御によりオン・オフして走査対象面全体を
   選択的に露光し光硬化物質を硬化することに特徴を有す
   る請求項１記載の照射ヘッド.
4. 【請求項４】 照射ヘッドに形成される複数の露光口
   は，照射ヘッドの走査方向に対して前後に離間し，かつ
   直角方向においては各露光点の光による光硬化物質の硬
   化範囲の半径以内に隣接の露光点の硬化半径が接し，若
   しくは重なる距離に、又はその等倍の距離に配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の照射ヘッドの構造．