JPH0999490A - 立体形状造形方法並びにその装置 - Google Patents

立体形状造形方法並びにその装置

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JPH0999490A
JPH0999490A JP7286508A JP28650895A JPH0999490A JP H0999490 A JPH0999490 A JP H0999490A JP 7286508 A JP7286508 A JP 7286508A JP 28650895 A JP28650895 A JP 28650895A JP H0999490 A JPH0999490 A JP H0999490A
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    • B29C64/135—Processes 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

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 各制御対象（ＡＯＭ、焦点補正器、偏向器）
をフィードバック制御したとき、１つ前のタイミングに
よる情報に基づき、制御信号が生成されるため、少なか
らず「ズレ」が生じ、造形された立体形状の精度が悪か
った。 【解決手段】 ビームスポット１８のあらかじめ設定し
た速度情報に基づき、光学的ビーム１５のＡＯＭ１７及
び光学的ビームの偏向器２０、２１を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は立体形状造形方法並
びにその装置に関する。詳しくは、例えば、液状光硬化
型樹脂材に光学的ビーム、例えば、レーザー光を照射し
て任意に設計された立体像イメージに基づいて立体形状
を造形する立体形状造形方法並びにその装置、特に、液
状光硬化型樹脂材の液面を立体像イメージの水平方向で
分解された等高断面の形状に応じて露光することにより
硬化樹脂層を形成すると共にこのような硬化樹脂層を順
次積層して行くことにより立体形状を造形する立体形状
造形方法並びにその装置に関するものであり、ビームス
ポットの各走査線における始端と終端との精度を向上さ
せ、これにより、造形された立体形状の表面を滑らかに
すると共に、立体形状の造形を高速で行なう技術に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】液状光硬化型樹脂材に所定の光学的ビー
ムを照射することにより所望の形状の物品を造形する方
法が提案されており、例えば、特願昭６３−２６７９４
５号にそのような造形方法が示されている。
【０００３】図８は上記した造形方法を実施するための
立体形状造形装置の一例ａを示すものである。
【０００４】樹脂貯留槽ｂには、所定の光学的ビーム、
例えば、紫外光を照射することによって硬化する液状光
硬化型樹脂材ｃが貯留されていると共に、該樹脂貯留槽
ｂには水平な板状を為すステージｄを有し図示しない移
動手段によって上下方向へ移動されるエレベータｅが配
設されている。
【０００５】樹脂貯留槽ｂの上方には光学的ビームｆを
液状光硬化型樹脂材ｃの液面ｇに対して集光照射するビ
ームスキャナーｈが配置され、該ビームスキャナーｈに
よる光学的ビームｆの液面ｇに対する走査やエレベータ
ｅの移動が造形コントローラｉによって制御されるよう
になっている。
【０００６】そして、所定の立体形状を造形するには、
先ず、エレベータｅを同図に実線で示すように、そのス
テージｄ上に液状光硬化型樹脂材ｃが所定の厚さ（この
厚さについては後述する。）で位置する初期位置へと移
動する。
【０００７】次に、光学的ビームｆによる液面ｇに対す
る走査を行なう。この走査は、任意に設計された立体像
イメージｊの鉛直方向で多数に分解された各平面（以
下、「等高断面」と言う。）のそれぞれに応じたパター
ンで、ラスタスキャンが行なわれる。このような光学的
ビームｆの走査が為されると、光学的ビームｆが照射さ
れた液状光硬化型樹脂材ｃの部分が硬化し、液面ｇのう
ち当該等高断面の形状と同じ形状を有したシート状に硬
化され、一の硬化樹脂層が形成される。また、エレベー
タｅはこのように一の硬化樹脂層の形成が完了する度に
下方へ所定のピッチ、即ち、立体像イメージｊを鉛直方
向で多数の等高断面に分解したときの分解ピッチに応じ
たピッチ（初期の状態におけるステージｄ上の液状光硬
化型樹脂材ｃの厚さもこれと同じにされる。）で下方へ
移動され、それにより、硬化樹脂層の上に液状光硬化型
樹脂材ｃが１ピッチ分の厚さで流れ込むように供給さ
れ、次の順位の等高断面についての光学的ビームｆの走
査が行なわれて別の硬化樹脂層が形成される。尚、この
とき当該硬化樹脂層は前の硬化樹脂層と接着される。
【０００８】ところでこのような立体形状造形装置ａに
あっては、光学的ビームｆを振るための偏向器と液面ｇ
に焦点を合わせるための焦点補正器と光学的ビームｆの
光強度を調整するＡＯＭ（音響光学効果光変調器）とを
有し、また、これら偏向器、焦点補正器、ＡＯＭを各別
に制御するための制御部を備えている。尚、これら偏向
器、焦点補正器、ＡＯＭは図示は省略したが、上記ビー
ムスキャナーｈ又はこれよりレーザー発振器側に配設さ
れる。
【０００９】偏向器は例えばガルバノミラーが用いら
れ、該偏向器の角度を動かすことにより、光学的ビーム
ｆの照射方向を偏向するようになっており、光学的ビー
ムｆが一方向に振られることによりビームスポットｋの
移動ラインが主走査ラインｌとして硬化する。また、偏
向器の角度の変更速度がビームスポットｋの走査速度を
決定することになる。図９はある等高断面についての光
学的ビームｆの走査軌跡の一部を概念的に示す平面図で
ある。
【００１０】焦点補正器は偏向器の角度変更に伴い、液
面ｇに焦点を合わせるため光学的ビームｆのフォーカシ
ングを行うようになっている。
【００１１】ＡＯＭは、光学的ビームｆの光強度を制御
して、硬化した主走査ラインｌの深さ、幅等の硬化状態
をその始端から終端まで一定にする。
【００１２】ビームスキャナーｈで光学的ビームｆを振
るには予め造形コントローラｉに入力された立体像イメ
ージｊの情報に基づき行われ、１つ１つの主走査ライン
ｌを形成して行くことになるが、ビームスポットｋが予
定したライン上を走査しているか否かをチェックする必
要があるため、常にビームスポットｋの現在位置（位置
情報）に基づきフィードバックされる。かかる場合、例
えば、ビームスキャナーｈの偏向器の角度を逐次検知し
て、この角度情報に基づき、フィードバック制御が為さ
れ、上記偏向器の角度が変更されて光学的ビームｆを振
ることになる。
【００１３】また、光学的ビームｆのフォーカシングに
あってもフィードバック制御される。即ち、検出された
偏向器の角度情報からビームスポットｋのＸ−Ｙ座標値
を逐次算出し、これと予め入力されたＸ−Ｙ座標の各点
における光学的ビームｆの焦点補正値のテーブルとを比
較して、これに基づいて、焦点補正器を駆動してビーム
スポットｋのフォーカシングが行われる。
【００１４】更に、ＡＯＭによってなされる光強度Ｐに
あってもフィードバック制御される。即ち、検出された
偏向器の角度情報から光学的ビームｆのＸ−Ｙ座標値を
算出し、該Ｘ−Ｙ座標値の所定時間における変化量から
ビームスポットｋの走査速度Ｖを逐次算出し、これと光
強度Ｐとの「積：Ｖ×Ｐ」が一定になるように、ＡＯＭ
を制御している。
【００１５】しかして、形成された硬化樹脂層の上に新
たな硬化樹脂層が順次積層されて行き、積層された多数
の硬化樹脂層により、所望の立体形状が造形される。
【００１６】このような立体形状造形方法並びにその装
置によれば、任意に設計された立体像イメージｊに基づ
いて立体形状を造形することができるので、従来の金型
による立体形状造形方法に比して立体形状の試作を即座
に行なうことができ、設計から量産段階までの開発作業
を迅速かつ低コストに行なうことができる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、各制御対象
（ＡＯＭ、焦点補正器、偏向器）からのフィードバック
信号により逐次、次の制御信号を生成して各制御対象を
制御する方法にあっては、常に、１つ前のタイミングに
よる情報に基づき、制御信号が生成されるため、少なか
らず「ズレ」が生じ、造形された立体形状の精度が悪
い。光学的ビームによる立体形状造形方法にあっては、
光学的ビームが所定の照射位置からずれた場合、フィー
ドバック制御により光学的ビームを止めたり、逆戻りさ
せたりすることは当該部分の硬化状態を変えてしまい、
造型した立体形状の精度が低下してしまうことになる。
【００１８】しかも、上記従来例における偏向器のフィ
ードバック制御は、偏向器自身の位置（角度）情報に基
づき行い、また、光学的ビームｆの光強度のフィードバ
ック制御は、偏向器の位置（角度）情報に基づきＸ−Ｙ
座標値を算出し、該Ｘ−Ｙ座標値の所定時間における変
化量から速度を算出し、その速度情報から光強度を演算
しなければならず、同じ情報（偏向器の角度）に基づく
フィードバック制御ではあるが指令値を演算するまでの
過程が相違するため、指令値の算出までの間の時間が、
偏向器のフィードバック制御に比較して長いため、両者
（偏向器とＡＯＭ）の同期が採りにくいという問題があ
る（図１０参照）。
【００１９】また、フィードバック信号により逐次、次
の制御信号を生成して各制御対象を制御する方法にあっ
ては、フィードバック信号に基づき次の指令を出すまで
に、必ず、指令値を算出するための時間と各制御対象ヘ
制御信号を送る時間とがかかるため、各制御対象に各制
御信号が入力されるまでに「遅延（Ｄｅｌａｙ）」が生
じてしまう。そして、この「Ｄｅｌａｙ」は各制御対象
により異なるため、最も遅い「Ｄｅｌａｙ」に合せて制
御信号の指令タイミングを採らなければならず、結局、
指令タイミングの同期は、最も遅い「Ｄｅｌａｙ」に合
わせる必要があり、造形速度を上げられないという問題
がある。
【００２０】更に、各制御対象（ＡＯＭ、焦点補正器、
偏向器）のレスポンス（指令信号の入力から動作開始ま
での時間）が相違するため、フィードバック制御により
同時に各制御対象に指令を出力しても、各制御対象が動
作し始めるタイミングが相違してしまうため、光学的ビ
ームｆの照射状態が目標値からズレてしまうという問題
がある（図１１参照）。
【００２１】そして、各制御対象（ＡＯＭ、焦点補正
器、偏向器）における「Ｄｅｌａｙ」及び「レスポン
ス」が相違するためこれらの同期をとることが難しく、
これらにズレが生じた場合、主走査ラインｌの始端ある
いは終端において、欠損（光学的ビームがＯＦＦ状態で
偏向器が動いてしまう場合）やいわゆる「だま」（偏向
器が動かないのに光学的ビームがＯＮしてしまう状態）
が生じてしまうという問題がある（図１２参照）。
【００２２】このように、従来のフィードバック信号に
より各制御対象を制御する場合、各主走査ラインｌの始
端及び終端においての位置精度が悪く、結局、造形され
た立体形状の表面が荒くなると共に、かかる問題は走査
速度を速くすると顕著になるため、高速での立体形状造
形ができないという問題があった。
【００２３】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明立体形状
造形方法並びにその装置は、上記した課題を解決するた
めに、ビームスポットの速度情報に基づき、光学的ビー
ムの光強度及び光学的ビームの偏向を制御するようにし
たものである。
【００２４】従って、本発明立体形状造形方法並びにそ
の装置によれば、共通の速度情報に基づき、光学的ビー
ムの強度と光学的ビームの偏向を制御するため、光学的
ビームの強度と光学的ビームの偏光との同期がとり易
く、従って、走査ラインにおいて、欠損、だまの発生を
少なくすることができる。
【００２５】また、別の本発明立体形状造形方法並びに
その装置は、ビームスポットの走査速度を、「０」から
の加速期間の初期及び「０」までの減速期間の終期にお
いて、ビーム走査速度の時間変化率の絶対値が徐々に変
化するように設定し、また、該ビームスポットの速度情
報に基づき、各等高断面のデータにより任意の中間点に
おけるビームスポットの走査速度データを予め生成し、
これら中間点群のビームスポットの走査速度データに基
づき、上記光学的ビームの光強度を上記ビームスポット
の走査速度に比例するように制御するものである。
【００２６】従って、別の本発明立体形状造形方法並び
にその装置によれば、走査速度データを予め計算し、任
意の中間点で光学ビームの光強度を制御するようにした
ので、光学ビームの光強度を予測的に制御することがで
き、光学的ビームの光強度を遅延なく所定のタイミング
（中間点）で制御することができる。また、光学的ビー
ムの光強度を上記ビームスポットの走査速度に比例する
ようにしたので、エネルギー密度を走査ライン上におい
てほゞ一定にすることができ、よって、硬化した走査ラ
インの深さ、幅等をその始端から終端まで一定にするこ
とができる。
【００２７】更に、また別の本発明立体形状造形方法並
びにその装置は、各等高断面のデータにより任意の中間
点におけるビームスポットの走査速度データを予め生成
し、光学的ビームの光強度を調整する光変調器と、光学
的ビームの偏向を行う偏向器と、ビームスポットのフォ
ーカシングを行う焦点補正器の各制御対象に対する信号
の指令から各制御対象の実際の動作開始までの遅延を演
算し、これら制御対象の動作が同時に開始するように各
制御対象を制御するようにしたものである。
【００２８】従って、また別の本発明立体形状造形方法
並びにその装置によれば、走査速度データを予め計算
し、各制御対象に対する信号の指令から各制御対象の実
際の動作開始までの遅延時間を演算したので、各制御対
象を常に同時に動作開始させることができ、また、ビー
ムスポットの始端と終端との位置精度の向上を図ること
ができ、これにより、ビームスポットを高速で走査させ
ても、各制御対象の動作開始にズレが生ずることはな
く、従って、立体形状の造形の高速化を図ることができ
る。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下に、本発明立体形状造形方法
並びにその装置の詳細を添付図面に示した実施の一例に
従って説明する。
【００３０】先ず、本発明立体形状造形方法を実施する
ための立体形状造形装置の一例を説明し、その後該立体
形状造形装置を使用しての立体形状造形方法を説明す
る。
【００３１】立体形状造形装置１は、液状光硬化型樹脂
材を貯留した樹脂貯留槽やエレベータ等を有する作業部
２と、光学的ビームを液状光硬化型樹脂材の液面に対し
て走査させるビーム走査部３と、該ビーム走査部３の動
きを制御する制御部４と、図示しない立体形状プログラ
ミング装置により任意に設計された立体像イメージのい
わゆるＣＡＤデータに基づき予め上記制御部４ヘの指令
信号を生成するデータ処理手段５等から成る。
【００３２】作業部２の樹脂貯留槽６は、その内部に液
状光硬化型樹脂材７が貯留されており、該液状光硬化型
樹脂材７は所定の光学的ビームを照射されることによっ
て硬化する液状を為し、かつ、既に硬化された部分の表
面上で硬化する際該表面に固着する接着性を有すること
が必要である。
【００３３】また、液状光硬化型樹脂材７の粘度はでき
るだけ低いことが望ましい。尚、このような特性を有す
る液状光硬化型樹脂材７としては、例えば、紫外光硬化
型の変性アクリレートがある。
【００３４】作業部２のエレベータ８は、その下端部に
位置した水平な板状を為すステージ９を有すると共に上
端部１０にナット１１が固定されており、該ナット１１
がステッピングモータ１２により回転される送りねじ１
３と螺合され、該送りねじ１３が回転することによって
ナット１１が送りねじ１３に沿って軸方向に移動され、
それにより、エレベータ８が上下方向へ移動される。
【００３５】また、上記送りねじ１３と平行にエレベー
タ位置検出センサー１４が配置されており、上記エレベ
ータ８は該エレベータ位置検出センサー１４によりその
位置が検出される。
【００３６】尚、このようなエレベータ８は、そのステ
ージ９が前記樹脂貯留槽６に貯留されている液状光硬化
型樹脂材７中に位置され、また、所定のピッチでステッ
プ移動される。
【００３７】ビーム走査部３は、光学的ビーム１５を発
振するレーザビーム発振器１６と、該レーザビーム発振
器１６から発振された光学的ビーム１５の光強度を調整
する音響光学効果光変調器（ＡＯＭ）１７と、ビームス
ポット１８のフォーカシングを行う焦点補正器１９と、
光学的ビーム１５を液状光硬化型樹脂材７の液面７ａ上
における所定の位置に偏向するための偏向器２０、２１
等から成る。
【００３８】偏向器２０、２１は、例えば、ガルバノス
キャナー等で上記レーザビーム発振器１６から発振され
た光学的ビーム１５を液状光硬化型樹脂材７の液面７ａ
に対する照射方向を偏向するようになっており、その一
方の偏向器２０（以下、「Ｘ方向偏向器」と言う。）は
図２における左右方向（以下、この方向を「Ｘ方向」と
言う。）に光学的ビーム１５を偏向するように配設さ
れ、また、他方の偏向器２１（以下、「Ｙ方向偏向器」
と言う。）は上記Ｘ方向と直交する方向（以下、「Ｙ方
向」と言う。）に光学的ビーム１５を偏向するように配
設されている。
【００３９】これら偏向器２０及び２１は軸回り方向へ
高速で回動される回動軸２２、２２′を有する駆動部２
３、２３′と回動軸２２、２２′に固定された例えば、
ガルバノミラー等の偏向ミラー２４、２４′とを備えて
いる。
【００４０】そして、これら２つの偏向器２０、２１の
うちＸ方向偏向器２０はその回動軸２２の軸方向が上記
Ｙ方向と平行な方向に延びると共に偏向ミラー２４が前
記エレベータ８のステージ９のほゞ真上に位置されてお
り、また、Ｙ方向偏向器２１はその回動軸２２′の軸方
向が上下方向に沿って延びると共にその偏向ミラー２
４′の反射面２４′ａがＸ方向偏向器２０の偏向ミラー
２４の反射面２４ａに側方から対向するように配置され
ている（図２参照）。
【００４１】従って、偏向器２０、２１により偏向ミラ
ー２４、２４′の向きを変更することにより、光学的ビ
ーム１５の照射方向の偏向と光学的ビーム１５の走査速
度の変更を行うようになっている。
【００４２】レーザビーム発振器１６は所定の光学的ビ
ーム１５、例えば、波長が３６０ｎｍ（ナノメートル）
のアルゴンイオンレーザあるいは波長が３２５ｎｍのヘ
リウムカドミウムレーザを発振するようになっており、
該レーザビーム発振器１６から発振された光学的ビーム
１５を所定の方向へ向けて順次全反射して前記Ｙ方向偏
向器２１の偏向ミラー２４′に入射せしめるために全反
射ミラー２５、２６が配設されている。
【００４３】ＡＯＭ１７は上記２つの全反射ミラー２５
と２６との間に配置され、そこから先の光路への進行を
制御し、光学的ビーム１５の光強度を変更するようにな
っている。
【００４４】焦点補正器１９は、例えば、フォーカシン
グレンズ等が用いられ、上記一方の全反射ミラー２６と
Ｙ方向偏向器２１との間に配設されている。かかる焦点
補正器１９は偏向ミラー２４及び／又は２４′の角度変
更に伴い、偏向ミラー２４又は２４′から液状光硬化型
樹脂材７の液面７ａまでの光路長が変化してしまうの
で、液面７ａに焦点を合わせるため光学的ビーム１５の
フォーカシングを行うようになっている。
【００４５】しかして、レーザビーム発振器１６から発
振された光学的ビーム１５は、全反射ミラー２５によっ
てＡＯＭ１７へ向けて反射され、該ＡＯＭ１７における
スイッチング作用によってそこから先の光路への進行を
ＯＮ−ＯＦＦ制御され、ＡＯＭ１７のスイッチングがＯ
Ｎであるときは全反射ミラー２６に入射しかつここで焦
点補正器１９へ向けて反射せしめられ、この焦点補正器
１９を透過する際光束が絞られ、２つの偏向ミラー２
４′、２４により順次反射されて液状光硬化型樹脂材７
に上方から照射される。
【００４６】そして、このような光学的ビーム１５は、
焦点補正器１９によって光束を絞られることにより液状
光硬化型樹脂材７の液面７ａに、常時、所定の径のビー
ムスポット１８で集光照射され、また、Ｘ方向偏向器２
０の回動軸２２が回動してその偏向ミラー２４が揺動さ
れたときに液状光硬化型樹脂材７の液面７ａを前記Ｘ方
向へ走査され、Ｙ方向偏向器２１の回動軸２２′が回動
してその偏向ミラー２４′が揺動されたときに液状光硬
化型樹脂材７の液面７ａを前記Ｙ方向へ走査される。
【００４７】従って、Ｘ方向の偏向ミラー２４のみを揺
動させることによって為されるＸ方向でのライン走査
（以下、「Ｘライン走査」と言う。）が１つ終了する度
にＹ方向の偏向ミラー２４′を揺動させてＸライン走査
のＹ方向における位置を変えながら光学的ビーム１５を
照射するか、あるいはＹ方向の偏向ミラー２４′のみを
揺動させることによって為されるＹ方向でのライン走査
（以下、「Ｙライン走査」と言う。）が１つ終了する度
にＸ方向の偏向ミラー２４を揺動させてＹライン走査の
Ｘ方向における位置を変えながら光学的ビーム１５を照
射することによって、ラスタスキャンによる照射が行な
われる。
【００４８】制御部４は、ＡＯＭ１７へ制御信号を出力
するＡＯＭ制御部２７と、焦点補正器１９に制御信号を
出力する焦点制御部２８と、２つの偏向器２０、２１に
各別に制御信号を出力する偏向器制御部２９とを有す
る。
【００４９】尚、これら各制御部２７、２８、２９から
の各制御対象１７、１９、２０、２１への制御信号の出
力の指令タイミングについては後述する。
【００５０】ＡＯＭ制御部２７は後述する中間点群生成
部で生成された走査速度データ（中間点群データ）に基
づき、その値に対応するＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕ
ｅｎｃｙ）パワー（光強度制御値）をＡＯＭ１７に出力
することにより光学的ビーム１５の光強度を制御する。
かかる制御は光学的ビーム１５の光強度Ｐをこれとビー
ムスポット１８の走査速度Ｖとの「積：Ｖ×Ｐ」が一定
であるようにして、これにより、ビームスポット１８に
よる走査ラインの全長においてエネルギー密度が一定に
なり、硬化した走査ラインの深さ、幅等がその始端から
終端までほゞ一定にすることができる。
【００５１】焦点制御部２８は前記偏向器２０、２１の
角度変更に伴う焦点距離の変動による焦点ボケ（例え
ば、図４において、液状光硬化型樹脂材７の液面７ａの
点ａでビームスポット１８が合焦していたとき、偏向器
２０、２１の角度変更により、補正を行わなければその
合焦点は点ｂ′となってしまう。これを補正して、ビー
ムスポット１８の合焦点を液状光硬化型樹脂材７の液面
７ａ上の点ｂにする必要がある。）を補正するため、後
述する焦点位置算出部で算出された値に基づき、焦点補
正器１９を移動させる（例えば、フォーカスレンズを光
軸方向へ移動させる）制御信号を焦点補正器１９に出力
する。これにより、ビームスポット１８のビーム径が液
状光硬化型樹脂材７の液面７ａにおいて常に一定である
ように制御され、ビームスポット１８の走査線上におけ
るエネルギー密度をほゞ一定にすることができる。
【００５２】偏向器制御部２９は後述する中間点群生成
部で生成された走査速度データ（中間点群データ）に基
づき、Ｘ−Ｙ座標算出部でＸ−Ｙ座標値を算出し、これ
に基づき、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれの偏角の制御指令
を偏向器２０、２１に出力し、光学的ビーム１５の偏向
及びビームスポット１８の走査が為される。尚、ビーム
スポット１８の走査速度は予め設定されて、データ処理
手段５に入力されており、これに基づき、上記偏向器２
０、２１がその偏向角を変更するようになっている。
【００５３】データ処理手段５は、立体像イメージに関
するすべてのＣＡＤデータが格納された立体造形情報記
憶部３０と、上記エレベータ８を主に制御する一般制御
部３１と、上記立体造形情報記憶部３０に格納されたＣ
ＡＤデータからある１つの等高断面における情報のみ抽
出する走査硬化層情報抽出部３２と、予め設定したビー
ムスポット１８の走査速度の変化を始点から終点まで表
わした速度曲線Ｍ（図５参照）における任意の点（以
下、「中間点」という。）の走査速度データ（以下、
「中間点群データ」という。）を算出する中間点群生成
部３３と、該中間点群生成部３３で生成された各中間点
群データに対応する液状光硬化型樹脂材７の液面７ａ上
のＸ−Ｙ座標値を算出するＸ−Ｙ座標算出部３４と、該
Ｘ−Ｙ座標算出部３４で算出されたＸ−Ｙ座標値に基づ
き焦点位置を算出する焦点位置算出部３５とを有する
（図３参照）。
【００５４】立体造形情報記憶部３０は図示しない立体
形状プログラミング装置、例えば、いわゆるＣＡＤに接
続されており、立体像イメージに関するすべてのＣＡＤ
データが格納される。
【００５５】一般制御部３１は、主にエレベータ８を制
御するためのデータを立体造形情報記憶部３０に入力さ
れた立体像イメージのＣＡＤデータに基づき算出し、こ
れをエレベータ制御器３６に送出し、また、該エレベー
タ制御器３６においては一般制御部３１の指令信号と上
記エレベータ位置検出センサー１４からのエレベータ８
の位置情報とに従い、ステッピングモータ１２を制御す
るようになっている。
【００５６】そして、ステッピングモータ１２は、上記
エレベータ制御器３６からの指令によって駆動され、該
駆動は立体形状の形成動作が開始される時はエレベータ
８をそのステージ９が液状光硬化型樹脂材７の液面７ａ
より１階層ピッチ、即ち、立体像イメージを多数の等高
断面に分解したときの分解ピッチ分下方にある位置に移
動されるように制御され、また、上記形成動作が開始さ
れた後は１つの等高断面についての光学的ビーム１５の
走査が終了する度にエレベータ８を１階層ピッチ分下方
へ移動するように制御される。
【００５７】走査硬化層情報抽出部３２は、上記立体造
形情報記憶部３０に入力された立体像イメージのうちあ
る１つの等高断面における造形領域である走査硬化層に
関する情報のみを抽出し、該走査硬化層のデータを中間
点群生成部３３に出力する。
【００５８】中間点群生成部３３は予め設定したビーム
スポット１８の走査速度に基づき、該ビームスポット１
８の走査速度の変化を始点から終点まで表わした速度曲
線Ｍを等時間間隔で分割した時点での中間点群データを
算出する。
【００５９】かかるビームスポット１８の走査速度の速
度曲線Ｍを、図５に示すようにその「０」からの加速期
間の初期及び「０」までの減速期間の終期において、ビ
ーム走査速度の時間変化率の絶対値が徐々に変化するよ
うに、即ち、ビームスポット１８がその１つの走査ライ
ンＳ上を走査するときにその走査初期と走査終期とはゆ
るやかに走査速度を増し又は減じるように設定し、ま
た、走査ラインにおける中間部分においてはある程度速
い走査速度になるようにされている。
【００６０】これは、走査ラインＳ上の始端と終端との
位置精度を向上させると共に、ビームスポット１８の平
均走査速度を上げて、立体形状の全体の造形時間の短縮
を図るためである。即ち、ビームスポット１８の初期及
び終期の走査速度を速くした場合、このビームスポット
１８の走査速度を決定しているのが機械的な偏向ミラー
２４、２４′の動きであり、制御信号の指令を受けてか
ら動作おｗ開始するまでに少なからず遅延があり、走査
ラインにおける始端と終端との位置精度の向上が図れ
ず、また逆に、全体にビームスポット１８の走査速度を
遅くすると、立体形状の造形時間が掛かり過ぎるからで
ある。
【００６１】尚、中間点群生成部３３はビームスポット
１８の設定走査速度の速度曲線Ｍを等時間間隔で分割し
て中間点群データを算出するようにしたが、本発明立体
形状造形方法並びにその装置はこれに限らず、不規則な
時点で分割した任意の点で中間点群データを算出するよ
うにしても良い。
【００６２】中間点群生成部３３で生成された中間点群
データは上記ＡＯＭ制御部２７及びＸ−Ｙ座標算出部３
４に出力される。
【００６３】ＡＯＭ制御部２７においては、ＡＯＭ１７
のレスポンスが比較的速いため、指令信号からＡＯＭ１
７の動作開始までの遅延が少なく、従って、後述するよ
うに、ＡＯＭ１７の動作と他の制御対象（焦点補正器１
９、偏向器２０、２１）の動作との同期を図るべく、Ａ
ＯＭ１７への指令信号の出力を遅らせるようになってい
る。
【００６４】Ｘ−Ｙ座標算出部３４は中間点群生成部３
３で生成された中間点群データを受け、この各中間点に
対応するＸ−Ｙ座標値を算出して焦点位置算出部３５に
出力すると共に、Ｘ−Ｙ座標値から偏向ミラー２４、２
４′の角度情報を算出して、この角度情報を上記偏向器
制御部２９に出力する。
【００６５】偏向ミラー２４、２４′の角度情報を受け
た偏向器制御部２９は、通常、偏向器２０、２１のレス
ポンスがＡＯＭ１７よりは遅いが焦点補正器１９よりも
速いため、指令信号から偏向器２０、２１の動作開始ま
での遅延がやや多く、従って、後述するように、偏向器
２０、２１の動作と他の制御対象（焦点補正器１９）の
動作との同期を図るべく、偏向器２０、２１への指令信
号の出力をやや遅らせるようになっている。
【００６６】Ｘ−Ｙ座標値を受けた焦点位置算出部３５
は、偏向器２０、２１の角度変更に伴い、偏向器２０、
２１から液状光硬化型樹脂材７の液面７ａまでの光路長
が変化してしまうので、液面７ａに焦点を合わせてビー
ムスポット１８のビーム径が常に一定になるようにその
フォーカスレンズを光軸方向に移動させるための焦点位
置情報を算出する。
【００６７】かかる焦点位置情報は、焦点位置算出部３
５に入力されたＸ−Ｙ座標値と予め入力されたＸ−Ｙ座
標の各点における光学的ビーム１５の焦点補正値のテー
ブルとを比較して、これに基づいて焦点補正器１９を駆
動して光学的ビーム１５のフォーカシングが行われる。
【００６８】焦点位置検出部２８から焦点位置情報を受
けた焦点制御部２８は、通常、焦点補正器１９のレスポ
ンスが偏向器２０、２１よりは遅いため、指令信号から
焦点補正器１９の動作開始までの遅延が多く、従って、
焦点補正器１９の動作と他の制御対象（ＡＯＭ１７、偏
向器２０、２１）の動作との同期を図るべく、焦点補正
器１９への指令信号の出力を遅らせるようになってい
る。
【００６９】そして、ＡＯＭ１７、焦点補正器１９、偏
向器２０、２１の動作タイミングが一致するように、各
制御部２７、２８、２９から制御信号が出力される（図
６参照）。即ち、レスポンスのもっとも悪い焦点補正器
１９に先ず指令信号を発し、次に、焦点補正器１９と偏
向器２０、２１とのレスポンスの差分を遅らせて偏向器
２０、２１に指令信号を発し、更に、偏向器２０、２１
とＡＯＭ１７とのレスポンスの差分を遅らせてＡＯＭ１
７に指令信号を発する。これにより、ＡＯＭ１７、焦点
補正器１９、偏向器２０、２１は同時に動作を開始し、
従って、上記走査ラインの始端又は終端において上述の
ような欠損、だまが発生することはない。尚、各制御対
象１７、１９、２０、２１のレスポンスはその制御対象
１７、１９、２０、２１の固有のものであり、予め計算
することができる。
【００７０】図７は本実施例の制御部及びデータ処理手
段における処理手順を示す、フローチャートである。
【００７１】尚、光学的ビーム１５の照射による液状光
硬化型樹脂材７の一方向（例えば、Ｘ方向）の走査にお
ける偏向器２０の動作、Ｘ方向走査が終了したときの走
査ラインの変更及びエレベータ８の昇降動作についての
制御は前記従来例と同じなのでその説明は省略し、以
下、一方向におけるライン走査における各制御対象のタ
イミングを合せるための各処理手段における処理手順を
説明する。
【００７２】先ず、立体造形情報記憶部３０に格納され
た立体像イメージに関するすべてのＣＡＤデータからあ
る１つの等高断面における情報のみを走査硬化層情報抽
出部３２において抽出する（図７（Ｓ１）参照）。
【００７３】次に、走査硬化層情報抽出部３２において
抽出した等高断面情報から、中間点群生成部３３におい
て、予め設定したビームスポットの走査速度の変化を走
査ラインの始端から終端まで表わした速度曲線Ｍにおけ
る中間点の中間点群データを生成する（図７（Ｓ２）参
照）。
【００７４】更に、かかる中間点群データに基づき、Ｘ
−Ｙ座標算出部３４においてＸ−Ｙ座標値を算出する
（図７（Ｓ３ａ）参照）。
【００７５】一方、ＡＯＭ制御部２７において、先ず、
中間点群生成部３３で生成した中間点群データに基づい
て、かかる中間点群データと出力する光強度の積が一定
になるように、光強度制御値を演算し（図７（Ｓ３ｂ）
参照）、次に、その光強度制御値を基に、偏向器２０、
２１の応答特性に合せて光強度制御値を補正する（図７
（Ｓ４ｂ）参照）。これにより、光強度の変化とビーム
スポット１８の走査速度の同期がとれ、造形精度が向上
する。
【００７６】焦点位置算出部３５において、Ｘ−Ｙ座標
算出部３４が算出したＸ−Ｙ座標値に対する焦点位置を
算出し（図７（Ｓ３ｃ）参照）、該焦点位置の値を基
に、焦点位置の制御値（フォーカスレンズの光軸方向に
おける位置）を算出する（図７（Ｓ４ｃ）参照）。
【００７７】そして、偏向器制御部２９においては、Ｘ
−Ｙ座標算出部３４から受けたＸ−Ｙ座標値を基に、偏
向器２０、２１の制御値（偏角）を算出する（図７（Ｓ
４ａ）参照）。
【００７８】しかして、ＡＯＭ制御部２７、焦点制御部
２８、偏向器制御部２９により得られた制御値により、
各制御対象（ＡＯＭ１７、焦点補正器１９、偏向器２
０、２１）をこれら制御対象の動作開始が同じになるよ
うなタイミングに制御することにより、液状光硬化型樹
脂材７の液面７ａ上でエネルギー密度を一定に保ちつつ
光学的ビーム１５を走査させ、立体形状を高精度に造形
することができる（図７（Ｓ５）参照）。
【００７９】
【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、本発明立体形状造形方法並びにその装置によれば、
共通の速度情報に基づき、光学的ビームの強度と光学的
ビームの偏向を制御するため、光学的ビームの強度と光
学的ビームの偏光との同期がとり易く、従って、走査ラ
インにおいて、欠損、だまの発生を少なくすることがで
きる。
【００８０】また、別の本発明立体形状造形方法並びに
その装置によれば、走査速度データを予め計算し、任意
の中間点で光学ビームの光強度を制御するようにしたの
で、光学ビームの光強度を予測的に制御することがで
き、光学的ビームの光強度を遅延なく、所定のタイミン
グで制御することができる。また、光学的ビームの光強
度を上記ビームスポットの走査速度に比例するようにし
たので、エネルギー密度を走査ライン上においてほゞ一
定にすることができ、よって、硬化した走査ラインの深
さ、幅等をその始端から終端まで一定にすることができ
る。
【００８１】更に、また別の本発明立体形状造形方法並
びにその装置によれば、走査速度データを予め計算し、
各制御対象に対する信号の指令から各制御対象の実際の
動作開始までの遅延時間を演算したので、各制御対象を
常に同時に動作開始させることができ、ビームスポット
の始端と終端との位置精度の向上を図ることができ、こ
れにより、ビームスポットを高速で走査させても、各制
御対象の動作開始にズレが生ずることはなく、従って、
立体形状の造形の高速化を図ることができる。
【００８２】尚、上記実施例において、制御部及びデー
タ処理手段等の情報処理装置は、それぞれ別体に構成し
た具体例として図３に示したが、これに限らず、それぞ
れの各機能を備えている限り、これらを任意の組合せで
組み合せて情報処理装置を構成しても良いことは勿論で
ある。
【００８３】また、上記実施例において、光学的ビーム
の走査がラスタースキャンであるものについて説明した
が、本発明はこれに限らず、ベクトルスキャンに適用す
ることもできる。かかる場合、Ｘ方向の偏向ミラーとＹ
方向の偏向ミラーの両方を同時に揺動することによっ
て、光学的ビームを二次元の方向性を有するようにす
る。
【００８４】更に、前記実施例において示した具体的な
形状ないし構造等は、本発明立体形状造形方法並びにそ
の装置の実施に当っての具体化のほんの一例を示したも
のにすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定
的に解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１乃至図７は本発明立体形状造形方法並びに
その装置の一例を示すものであり、本図は立体形状造形
装置を示す概略斜視図である。
【図２】作業部を一部切断して示す正面図である。
【図３】ブロック回路図である。
【図４】焦点補正の必要性を説明するための概略図であ
る。
【図５】中間点群データの生成を説明するためのグラフ
図である。
【図６】各制御対象の動作についてのタイムチャート図
である。
【図７】フローチャート図である。
【図８】従来の立体形状造形装置の一例を示す概略断面
図である。
【図９】走査ラインを拡大して示す説明図である。
【図１０】偏向器とＡＯＭとのフィードバック制御を説
明するためのフローチャート図である。
【図１１】各制御対象の動作についてのタイムチャート
図である。
【図１２】光強度のタイミングがズレたときの問題点を
示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ 立体形状造形装置 ７ 液状光硬化型樹脂材 ７ａ 液面 １５ 光学的ビーム １７ ＡＯＭ（音響光学効果光変調器） １８ ビームスポット ２０、２１ 偏向器

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光学的ビームを偏向して液状光硬化型樹
    脂材の液面上においてビームスポットを走査させ、かか
    るビーム照射により任意に設計された立体像イメージの
    水平方向で分解された等高断面の形状に応じたパターン
    の硬化樹脂層を形成し、次いで、該硬化樹脂層の上に液
    状光硬化型樹脂材を位置させて、再び、液状光硬化型樹
    脂材の液面をビーム照射して硬化樹脂層を積層するとい
    うように硬化樹脂層を順次に積層していって任意の立体
    形状を造形する立体形状造形方法であって、 上記ビームスポットの速度情報に基づき、光学的ビーム
    の光強度及び光学的ビームの偏向を制御するようにした
    ことを特徴とする立体形状造形方法。
  2. 【請求項２】 光学的ビームを偏向して液状光硬化型樹
    脂材の液面上においてビームスポットを走査させ、かか
    るビーム照射により任意に設計された立体像イメージの
    水平方向で分解された等高断面の形状に応じたパターン
    の硬化樹脂層を形成し、次いで、該硬化樹脂層の上に液
    状光硬化型樹脂材を位置させて、再び、液状光硬化型樹
    脂材の液面をビーム照射して硬化樹脂層を積層するとい
    うように硬化樹脂層を順次に積層していって任意の立体
    形状を造形する立体形状造形装置であって、 光学的ビームの光強度を調整する光変調器と、 光学的ビームの偏向を行う偏向器とを備え、 上記光変調器及び偏向器を上記ビームスポットの速度情
    報に基づき制御するようにしたことを特徴とする立体形
    状造形装置。
  3. 【請求項３】 光変調器が、音響光学効果光変調器（Ａ
    ＯＭ）であることを特徴とする請求項２に記載の立体形
    状造形装置。
  4. 【請求項４】 偏向器が、光学的ビームを反射させる反
    射体と該反射体の向きを変更する駆動部とから成る機械
    的な偏向器であることを特徴とする請求項２に記載の立
    体形状造形装置。
  5. 【請求項５】 光変調器が、音響光学効果光変調器（Ａ
    ＯＭ）で、偏向器が、光学的ビームを反射させる反射体
    と該反射体の向きを変更する駆動部とから成る機械的な
    偏向器であることを特徴とする請求項２に記載の立体形
    状造形装置。
  6. 【請求項６】 光学的ビームを偏向して液状光硬化型樹
    脂材の液面上においてビームスポットを走査させ、かか
    るビーム照射により任意に設計された立体像イメージの
    水平方向で分解された等高断面の形状に応じたパターン
    の硬化樹脂層を形成し、次いで、該硬化樹脂層の上に液
    状光硬化型樹脂材を位置させて、再び、液状光硬化型樹
    脂材の液面をビーム照射して硬化樹脂層を積層するとい
    うように硬化樹脂層を順次に積層していって任意の立体
    形状を造形する立体形状造形方法であって、 上記ビームスポットの走査速度を、「０」からの加速期
    間の初期及び「０」までの減速期間の終期において、ビ
    ーム走査速度の時間変化率の絶対値が徐々に変化するよ
    うに設定し、 また、該ビームスポットの速度情報に基づき、各等高断
    面のデータにより任意の中間点におけるビームスポット
    の走査速度データを予め生成し、 これら中間点群のビームスポットの走査速度データに基
    づき、上記光学的ビームの光強度を上記ビームスポット
    の速度に比例するように制御したことを特徴とする立体
    形状造形方法。
  7. 【請求項７】 光学的ビームを偏向して液状光硬化型樹
    脂材の液面上においてビームスポットを走査させ、かか
    るビーム照射により任意に設計された立体像イメージの
    水平方向で分解された等高断面の形状に応じたパターン
    の硬化樹脂層を形成し、次いで、該硬化樹脂層の上に液
    状光硬化型樹脂材を位置させて、再び、液状光硬化型樹
    脂材の液面をビーム照射して硬化樹脂層を積層するとい
    うように硬化樹脂層を順次に積層していって任意の立体
    形状を造形する立体形状造形装置であって、 光学的ビームの光強度を制御する光変調器を備え、 各等高断面のデータにより任意の中間点におけるビーム
    スポットの走査速度データを予め生成し、 これら中間点群のビームスポットの走査速度データに基
    づき、上記光学的ビームの光強度を上記ビームスポット
    の速度に比例するように制御したことを特徴とする立体
    形状造形装置。
  8. 【請求項８】 光変調器が、音響光学効果光変調器（Ａ
    ＯＭ）であることを特徴とする請求項７に記載の立体形
    状造形装置。
  9. 【請求項９】 光学的ビームを偏向して液状光硬化型樹
    脂材の液面上においてビームスポットを走査させ、かか
    るビーム照射により任意に設計された立体像イメージの
    水平方向で分解された等高断面の形状に応じたパターン
    の硬化樹脂層を形成し、次いで、該硬化樹脂層の上に液
    状光硬化型樹脂材を位置させて、再び、液状光硬化型樹
    脂材の液面をビーム照射して硬化樹脂層を積層するとい
    うように硬化樹脂層を順次に積層していって任意の立体
    形状を造形する立体形状造形方法であって、 各等高断面のデータにより任意の中間点におけるビーム
    スポットの走査速度データを予め生成し、 光学的ビームの光強度を調整する光変調器と、光学的ビ
    ームの偏向を行う偏向器と、ビームスポットのフォーカ
    シングを行う焦点補正器の各制御対象に対する信号の指
    令から各制御対象の実際の動作開始までの遅延を演算
    し、これら制御対象の動作が同時に開始するように各制
    御対象を制御するようにしたことを特徴とする立体形状
    造形方法。
  10. 【請求項１０】 光学的ビームを偏向して液状光硬化型
    樹脂材の液面上においてビームスポットを走査させ、か
    かるビーム照射により任意に設計された立体像イメージ
    の水平方向で分解された等高断面の形状に応じたパター
    ンの硬化樹脂層を形成し、次いで、該硬化樹脂層の上に
    液状光硬化型樹脂材を位置させて、再び、液状光硬化型
    樹脂材の液面をビーム照射して硬化樹脂層を積層すると
    いうように硬化樹脂層を順次に積層していって任意の立
    体形状を造形する立体形状造形装置であって、 光学的ビームの光強度を調整する光変調器と、 光学的ビームの偏向を行う偏向器と、 ビームスポットのフォーカシングを行う焦点補正器とを
    備え、 各等高断面のデータにより任意の中間点におけるビーム
    スポットの走査速度データを予め生成して、 上記光変調器、偏向器及び／又は焦点補正器の各制御対
    象に対する信号の指令から各制御対象の実際の動作開始
    までの遅延を演算し、これら制御対象の動作が同時に開
    始するように各制御対象を制御するようにしたことを特
    徴とする立体形状造形装置。
  11. 【請求項１１】 光変調器が、音響光学効果光変調器
    （ＡＯＭ）であることを特徴とする請求項１０に記載の
    立体形状造形装置。
  12. 【請求項１２】 偏向器が、光学的ビームを反射させる
    反射体と該反射体の向きを変更する駆動部とから成る機
    械的な偏向器であることを特徴とする請求項１０に記載
    の立体形状造形装置。
  13. 【請求項１３】 光変調器が、音響光学効果光変調器
    （ＡＯＭ）で、偏向器が、光学的ビームを反射させる反
    射体と該反射体の向きを変更する駆動部とから成る機械
    的な偏向器であることを特徴とする請求項１０に記載の
    立体形状造形装置。
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