JPH10180881A

JPH10180881A - 光造形装置

Info

Publication number: JPH10180881A
Application number: JP8348065A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Inoue; 篤郎井上; Mitsuaki Adachi; 光明足立; Junji Sone; 順治曽根; Tatsumi Goto; 達美後藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-12-26
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 1998-07-07

Abstract

(57)【要約】【課題】樹脂液面へのレーザ光の照射を高速にて行
い、かつ精度よい光造形物を成形可能な光造形装置およ
び光造形方法を提供すること。【解決手段】光硬化性樹脂の樹脂３３に対して光源３
１より光を照射して硬化させる光造形装置３０におい
て、上記樹脂３３を蓄える樹脂液槽３４と、樹脂液槽３
４の上方に設けられた支持部材３５と、上面が平坦面で
あり、上記樹脂液槽３４内に上下駆動可能に設けられ、
この上下動によって上記上面側の樹脂３３の厚さを設定
するエレベータ５７と、一端部が上記支持部材３５に回
転可能であり、他端部に上記樹脂３３の液面３３ａとほ
ぼ平行となる水平部４０を有するアーム体３８と、アー
ム体３８の水平部４０に沿って駆動自在に設けられ、上
記樹脂３３に光を出射するヘッド体４５と、ヘッド体４
５からの光の出射を制御する出射制御手段５９と、を具
備したことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光硬化性樹脂による
三次元形状作成技術に係わり、特に光造形装置およびそ
の光造形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば樹脂製品を製作する場合、
金型を用いて射出成形・トランスファー成形などが行わ
れているが、この金型の製作には、手間やコストが掛か
るため、金型を用いずに樹脂製品を製作する手法とし
て、近年は光硬化性樹脂を用いての光造形の手法が注目
されている。

【０００３】この光造形装置には、ミラーを駆動して光
を樹脂液面上で走査させるミラーを駆動させるタイプ
と、上記樹脂液面に平行なＸＹ軸をとった場合、このＸ
Ｙ平面に平行に光の出射部分を移動可能なタイプとがあ
る。

【０００４】以下、これら従来の光硬化性樹脂を用いて
の光造形装置の構成について説明する。図９に示すミラ
ーを駆動させるタイプの光造形装置１は、レーザ光を発
生させるレーザ光発振器２を有しており、このレーザ光
発振器２より発生したレーザ光は、後述する制御手段に
よりレーザ光を明滅させる光変調手段３に入射される。
上記光変調手段３で変調されて出射されたレーザ光は、
反射ミラー４へと入射して所定角度へと反射され、次い
で第１のガルバノメータ駆動ミラー５へと入射する。

【０００５】第１のガルバノメータ駆動ミラー５は、図
示しない駆動手段によって一方向に揺動され、レーザ光
の光路を変動させる。この第１のガルバノメータ駆動ミ
ラー５によって反射されたレーザ光は、上記第１のガル
バノメータ駆動ミラー５が駆動される一方向と交叉する
方向に揺動される第２のガルバノメータ駆動ミラー６に
入射され、上記第１のガルバノメータ駆動ミラー５と同
様にレーザ光の光路を変動させる。

【０００６】上記レーザ光は、内部が光硬化性樹脂７で
満たされている樹脂液槽８に入射され、上記光硬化性樹
脂７はこのレーザ光によって硬化される。ここで、上記
樹脂液槽８内部にはこの樹脂液槽８内部で上下駆動可能
であり、かつ上面が平面状のエレベータ９が設けられて
いる。このエレベータ９は、樹脂液槽８外部でエレベー
タを上下駆動させる上下駆動装置１０に接続されてお
り、上記レーザ光を樹脂液槽１０に入射させる場合に
は、このエレベータ９の上面に最初は例えば約０．１ｍ
ｍ程度の深さの樹脂７が存在するように、エレベータ９
の位置が調整されている。

【０００７】そしてレーザ光が照射され、このエレベー
タ９上面の樹脂液が層状に硬化された後は、再び上記上
下駆動装置１０を駆動させてエレベータ９を下方に約
０．１ｍｍ程度沈め、上記層状に硬化させた樹脂の表面
上に樹脂７が再び満たされるようにする。そしてこの樹
脂７に再びレーザ光を照射して上記光硬化性樹脂７をこ
のレーザ光によって硬化させる。

【０００８】ここで、上記第１のガルバノメータ駆動ミ
ラー５、第２のガルバノメータ駆動ミラー６、上下駆動
装置１０などは、図示しない制御手段に接続されてい
る。この制御装置は、例えば３次元ＣＡＤやコンピュー
タ断層画像撮影装置（ＣＴ）、磁気共鳴画像撮影装置
（ＭＲＩ）等、立体形状を示すデータを生成するデータ
生成部を有している。そして、このデータ生成部から得
られた立体データは、所定の間隔で切断した２次元形状
のスライスデータに変換され、このデータに基づいて上
記制御手段でレーザの樹脂液面上の走査を制御する。

【０００９】このようなレーザ光の上記樹脂液面７ａ上
での走査の制御により、所定の形状の層状の光造形物を
形成し、上記の層状の光造形物の形成を繰り返すことに
より、所定の立体形状の樹脂製の造形物が形成される。

【００１０】また、図１０に示す樹脂槽内の樹脂表面に
対し平行な平面内で光出射口を移動させるＸＹプロッタ
タイプの光造形装置２０では、上記図７に示した光造形
装置１と同じように、レーザ光発振器２を有しており、
このレーザ光発振器２を出射したレーザ光は、図１０で
は光ファイバ２１に導入される。この光ファイバ２１は
ヘッド体２２に接続され、この光ファイバ２１内部を伝
達するレーザ光をこのヘッド体２２に導入する。ヘッド
体２２にはレーザ光を所定の径および強度に加工する、
例えばカライドスコープ、あるいはマスク、フレネルレ
ンズなどの光変調手段２２が内部に設けられている。

【００１１】このヘッド体２２は、例えばＸ方向および
Ｙ方向の２方向に移動可能なＸ駆動体２３およびＹ駆動
体２４に取り付けられており、これらＸ駆動体２３およ
びＹ駆動体２４は図示しない制御手段に接続されてい
る。この制御手段も上記と同様に、例えば３次元ＣＡ
Ｄ、コンピュータ断層画像撮影装置（ＣＴ）、磁気共鳴
画像撮影装置（ＭＲＩ）等の立体形状を示すデータを生
成するデータ生成部を有しており、これらのデータ生成
部から得られる立体データは、所定の間隔で２次元のス
ライスデータへと変換される。このスライスデータは、
Ｘ，Ｙ座標系のデータを有しており、このスライスデー
タに基づいて上記駆動体２３，２４のＸ，Ｙ軸方向への
駆動を制御する。

【００１２】ここで、上記樹脂７にレーザ光を照射して
上記樹脂７を液体から固体へと変化させる場合、この固
体への変化に伴って上記樹脂７は収縮する。この場合、
従来の上記樹脂７の収縮による体積変化の予測は、この
光造形物は全ての領域で一様な力学的性質を有すること
を前提として行っている。すなわち、上記光造形物を形
成する場合には、一様な収縮率を有して収縮するという
前提に基づいた収縮補正値を加算した分をこの光造形物
の立体形状のデータとして上記制御手段に用いている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで上述のような
従来の光造形装置１，２０では、それぞれ以下に掲げる
問題を有している。すなわち、上述のミラーを駆動させ
るタイプの光造形装置１は、上記第１および第２のガル
バノメータ駆動ミラー５，６を駆動して上記樹脂液面７
ａにレーザ光を照射するものであるが、この場合、上記
第１および第２のガルバノメータ駆動ミラー５，６の駆
動によりレーザ光発振器２から上記樹脂液面７ａに入射
するまでのレーザ光の光路長が変化してしまう。光路長
が変化すると、上記レーザ光発振器２より発せられるレ
ーザ光のビーム径が変化するため、この樹脂液面７ａへ
のレーザ光の照射具合が変化して、上記樹脂７の硬化に
不具合を生じる。また、ミラー揺動タイプにおいては樹
脂液面７ａに対するレーザ光入射角が変動し、造形物中
心と周縁部とで成形状態が変動していた。

【００１４】すなわち上記レーザ光の光路長が変化すれ
ば、上記レーザ光発振器２から発せられるレーザ光のビ
ーム径が例えば小さくなり、そのために上記樹脂液面７
ａの硬化に時間を要する等の問題が生じる。また上記レ
ーザ光の入射角度を変化させると、樹脂液面７ａへのレ
ーザ光の照射形状が楕円となったり、樹脂の深さ方向に
対して斜めに樹脂７が硬化したりするため、この樹脂液
面７ａへのレーザ光の照射に時間を要し、また硬化によ
り形成される光造形物の精度が悪くなる、という問題を
有している。

【００１５】さらに上記第１および第２のガルバノメー
タ駆動ミラー５，６が駆動される場合、この樹脂液面７
ａまでの光路長が変化するために、この内部に設けられ
た光変調手段３、例えば上記樹脂液面７ａへのレーザ光
の結像を行う結像レンズなどの焦点がずれてしまい、そ
のために、この結像レンズを移動させる構成を新たに設
ける必要があるなど、構成が複雑になる。よって、この
結像レンズを移動させる場合に、例えばカライドスコー
プやマスクなどの他の光変調手段を挿入する場合の妨げ
となり、構成上の制約が大きくなる。

【００１６】また、上記ＸＹ平面に平行に光の出射部を
移動可能なタイプの光造形装置２０では、上記樹脂７の
所定領域にレーザ光を照射する場合に、例えば上記Ｘ駆
動体２３を駆動させてレーザ光を直線状に上記樹脂液面
７ａ上に照射させ、そして照射領域の境界に差し掛かっ
た場合に、駆動させている上記Ｘ駆動体２３の駆動を停
止させ、次にＹ駆動体２４を駆動させて上記ヘッド体２
２を所定間隔だけずらし、そして再び上記Ｘ駆動体２３
を駆動させて上記直線状の照射に平行となるようにレー
ザ光を照射するが、この場合には、上記ヘッド体２２を
駆動させたり停止させたりするために、上記照射領域を
全て一定間隔ごとに照射し終えるまでに硬化作用に必要
な時間以外で多くの時間が掛かるものとなっている。

【００１７】また、上記樹脂７にレーザ光を照射して光
造形物を形成する場合、このレーザ光の照射による上記
樹脂７の硬化に伴う収縮は、外郭と内部側とでは一様に
は生じておらず、そのため光造形物を形成する場合に、
収縮による体積変化を予測して、この予測に基づく上記
樹脂液面７ａへのレーザ光の照射範囲を決定し、そして
レーザ光を照射して精度よい光造形物を形成することが
難しくなっている。

【００１８】本発明は上記の事情にもとづきなされたも
ので、その目的とするところは、樹脂液面へのレーザ光
の照射を高速に行い、かつ精度よい光造形物を形成可能
な光造形装置および光造形方法を提供しようとするもの
である。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
光硬化性樹脂の樹脂を光源より発生する光で照射して樹
脂を硬化させる光造形装置において、上記樹脂を蓄える
樹脂液槽と、上記樹脂液槽の上方に設けられた支持部材
と、上面が平坦面に形成され、上記樹脂液槽内に上下駆
動可能に設けられ、この上下動によって上記上面側の樹
脂の厚さを設定するエレベータと、一端部が上記支持部
材に回転可能に設けられ、他端部に上記樹脂の液面とほ
ぼ平行となる水平部を有するアーム体と、上記アーム体
の水平部に沿って駆動自在に設けられ、上記樹脂に光を
出射するヘッド体と、上記ヘッド体からの上記光の出射
を制御する出射制御手段と、を具備したことを特徴とす
る光造形装置である。

【００２０】請求項２記載の発明は、上記光源は上記ア
ーム体の外部に設けられ、かつ上記アーム体内部は、上
記光源で発生する光をガイドするガイド部に形成されて
いることを特徴とする請求項１記載の光造形装置であ
る。

【００２１】請求項３記載の発明は、上記ガイド部は、
光ファイバであることを特徴とする請求項２記載の光造
形装置である。請求項４記載の発明は、上記光源および
上記出射制御手段は上記ヘッド体内部に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の光造形装置である。

【００２２】請求項５記載の発明は、上記ヘッド体は、
上記アーム体に対して揺動自在に設けられていることを
特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の
光造形装置である。

【００２３】請求項６記載の発明は、上記ヘッド体は、
上記アーム体に対して上下駆動自在に設けられているこ
とを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記
載の光造形装置である。

【００２４】請求項７記載の発明は、上記出射制御手段
は、入射された光の出射角度を変更可能な光変調素子で
あることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれ
かに記載の光造形装置である。

【００２５】請求項８記載の発明は、上記出射制御手段
は、スライド可能なシャッター機構であることを特徴と
する請求項６のいずれかに記載の光造形装置である。請
求項９記載の発明は、上記アーム体は、上記ヘッド体が
アーム体の少なくとも回転軸の中心まで移動できる形状
に形成されていることを特徴とする請求項２ないし請求
項８のいずれかに記載の光造形装置である。

【００２６】請求項１０記載の発明は、上記樹脂液槽に
は上記樹脂液面を平坦化するリコーティング機構が取り
付けられたことを特徴とする請求項１ないし請求項９の
いずれかに記載の光造形装置である。

【００２７】請求項１１記載の発明は、上記樹脂液槽に
は揺動運動によって上記樹脂液面を平坦化する一対のリ
コーティング機構が設けられていることを特徴とする請
求項１０記載の光造形装置である。

【００２８】請求項１２記載の発明は、光硬化性樹脂の
樹脂に外部から光を照射し、樹脂を収縮硬化させること
によって所定寸法の光造形物を形成する光造形方法にお
いて、上記光造形物の外面から所定寸法の厚さの外郭部
で生じる収縮率と、上記光造形物の内部の収縮率とから
上記外郭部と上記内部との収縮後の体積を予測する算出
工程と、上記算出工程で予測された体積に応じて光の照
射範囲を設定する設定工程と、上記設定工程に基づいて
上記樹脂に光を照射する照射工程と、を具備したことを
特徴とする光造形方法である。

【００２９】請求項１３記載の発明は、光硬化性樹脂の
樹脂に外部から光を照射し、樹脂を収縮硬化させること
によって所定寸法の光造形物を形成する光造形方法にお
いて、上記光造形物の造形すべき形状の体積と表面積と
の比率によって予め光造形物の寸法収縮を予測する算出
工程と、上記算出工程で予測された体積に応じて光の照
射範囲を設定する設定工程と、上記設定工程に基づいて
上記樹脂に光を照射する照射工程と、を具備したことを
特徴とする光造形方法である。

【００３０】請求項１４記載の発明は、光硬化性樹脂の
樹脂に外部から光を照射し、樹脂を収縮硬化させること
によって所定寸法の光造形物を形成する光造形方法にお
いて、上記光造形物の代表肉厚の収縮率を予測して、こ
の予測により光造形物全体の収縮率を予測する算出工程
と、上記算出工程で予測された体積に応じて光の照射範
囲を設定する設定工程と、上記設定工程に基づいて上記
樹脂に光を照射する照射工程と、を具備したことを特徴
とする光造形方法である。

【００３１】請求項１５記載の発明は、上記照射工程
は、造形すべき形状の境界に最初に光を照射した後に、
この境界内部を塗り潰すように光を照射して上記樹脂を
硬化させることを特徴とする請求項１２ないし請求項１
４のいずれかに記載の光造形方法である。

【００３２】請求項１の発明によると、上記光造形装置
には、回転可能に設けられ、上記樹脂の液面とほぼ平行
となる水平部を有し、内部が光をガイドするガイド部に
形成されたアーム体を有しており、さらに上記アーム体
の水平部に沿ってスライド自在に設けられ、上記ガイド
部と光学的に接続されて上記ガイド部からの光を出射す
るヘッド体、上記ヘッド体からの上記光の出射を制御す
る出射制御手段を具備しているため、上記アーム体を回
転させてさらに上記ヘッド体をこのアーム体に沿ってス
ライドさせれば、上記樹脂液面に対してヘッド体を停止
させることなく光を高速度で照射させることが可能とな
る。

【００３３】請求項２の発明によると、上記光源は外部
に設けられ、かつ上記アーム体内部は、外部の光源で発
生する光をガイドするガイド部に形成されているため、
上記外方に設けられた光源を種々選択可能となり、さら
にこの光源に不具合が生じた場合でも、メンテナンスが
容易に行うことが可能となる。

【００３４】請求項３の発明によると、上記ガイド部は
光ファイバであるため、ミラーの反射によらずに光を所
定径に保ちながら上記ヘッド体へと光を導入することが
可能となる。

【００３５】請求項４の発明によると、上記光源は、上
記ヘッド体内部に設けられるとともに、上記出射制御手
段も上記光源に対応した上記ヘッド体内部に設けられて
いるため、上記アーム体内部にミラーなどの光をガイド
する手段を設ける必要はなく、かつ上記ヘッド体内部で
光源を固定すれば、この光源より生じる光の光路がずれ
難いものとなる。

【００３６】請求項５の発明によると、上記ヘッド体
は、上記アーム体に対して揺動自在に設けられているた
め、このヘッド体の揺動によって光の出射角度を制御可
能となり、光造形物に応じた角度で光の出射を行うこと
が可能となる。

【００３７】請求項６の発明によると、上記ヘッド体
は、上記アーム体に対して上下駆動自在に設けられてい
るため、上記樹脂の液面に対する光の焦点調整や、光路
長の調整を容易に行うことが可能となる。

【００３８】請求項７の発明によると、上記出射制御手
段は、入射された光の角度を変更可能な光変調素子であ
るため、例えばこの光変調素子に電界を印加すれば、こ
の電界の印加に応じて応答性良く上記光の入射角度を変
更可能となり、そのため上記樹脂液面への光の出射およ
び非出射を即座に制御可能となり、上記樹脂の光の照射
による光造形物の形成をより良好に行うことが可能とな
る。

【００３９】請求項８の発明によると、上記出射制御手
段は、スライド可能なシャッター機構であるため、この
シャッターのスライドによって簡素でありながら確実に
上記光の出射を制御可能となる。

【００４０】請求項９の発明によると、上記アーム体の
回転駆動時に、上記ヘッド体がアーム体に沿って移動す
る場合に、このアーム体の回転軸の中心にも上記ヘッド
体を移動可能とするようにミラーが配置されているた
め、上記アーム体を回転駆動させて上記樹脂液面へ光を
照射させる場合に、樹脂液面への光の照射に死角が生じ
なくなり、一層良好に上記樹脂液面へ光を照射可能とな
る。

【００４１】請求項１０の発明によると、上記樹脂液槽
には上記樹脂液面を平坦化するリコーティング機構が取
り付けられたため、上記樹脂へ光を照射する場合に、こ
の樹脂液面を均一に平坦化して光を照射することが可能
となる。そのため、上記樹脂液面に光を照射して硬化さ
せる場合に、この表面を滑らかに硬化させることができ
る。

【００４２】請求項１１の発明によると、上記リコーテ
ィング機構は上記樹脂液槽の内面部分に対向して一組設
けられ、これらのリコーティング機構の揺動運動によっ
て上記樹脂液面を平坦化するため、上記樹脂液面の平坦
化をよりスムーズに、かつ高速に行うことが可能とな
る。

【００４３】請求項１２の発明によると、上記光造形物
の外面から所定寸法の厚さの外郭部で生じる収縮率およ
び上記光造形物の内部の収縮率とから上記外郭部と上記
内部との収縮後の体積を予測し、この体積の予測に応じ
て光の照射範囲を設定し、この設定に基づいて上記樹脂
に光を照射するため、従来の上記樹脂で均一な収縮率を
有していると仮定した場合と比較して、上記収縮後の体
積の予測を正確に行うことが可能となり、そのため上記
樹脂への光の照射範囲の設定範囲も正確に行え、光造形
物を形成する場合の精度を向上させることが可能とな
る。

【００４４】請求項１３の発明によると、上記光造形物
の形成は、造形すべき形状の体積と表面積との比率によ
ってあらかじめ光造形物の寸法収縮を予測し、この予測
に基づいて樹脂へ照射する光の制御を行うため、上記樹
脂の収縮の予測を簡単に行うことが可能となる。しかも
従来と比較して、収縮の予測も精度良く行える。

【００４５】請求項１４の発明によると、上記光造形物
の形成は、代表肉厚の収縮率を予測することにより、こ
の光造形物全体の収縮率を予測するため、比較的簡単な
方法で樹脂の収縮率の予測を行うことが可能となる。

【００４６】請求項１５の発明によると、上記光造形物
の形成は、造形すべき形状の境界に最初に光を照射した
後に、この境界内部を塗り潰すように光を照射して上記
樹脂を硬化させるため、この境界への樹脂の照射による
上記境界内部側でのレーザ光の照射による反りを防止す
ることが可能となる。そのため、上記光造形物の形成を
より精度良く行うことが可能となる。

【００４７】

【発明の実施の形態】

（第一の実施の形態）以下、本発明の第一の実施の形態
について、図１ないし図６に基づいて説明する。

【００４８】図１に示す光造形装置３０は、例えばパル
ス状のレーザ光を発生させるための光源として、レーザ
光発振器３１を有しており、このレーザ光発振器３１よ
り生成されたレーザ光は、傾斜角度が固定的に設けられ
た第１の反射ミラー３２に入射し、この第一の反射ミラ
ー３２により反射されて下方側に設けられた光硬化性樹
脂３３を蓄えるための円筒形状の樹脂液槽３４側へと導
かれる。この樹脂液槽３４の外周部分には、コ字状に形
成された板状の支持部材３５の両端部が取り付けられ、
この支持部材３５が上記樹脂液槽３４の上方側を跨ぐよ
うに、橋渡しされて取り付けられている。この場合、上
記支持部材３５は上記樹脂液槽３４の上方側で上記樹脂
液槽３４に蓄えられている樹脂液面３３ａに平行な平行
部３６を有してコ字状となっている。

【００４９】なお上記支持部材３５は、装置の設置スペ
ースの問題から、上述のように上記樹脂液槽３４の外周
部分に取り付けられていても構わないが、上記樹脂液槽
３４とこの支持部材３５とが別体的に設けられた構成で
あっても構わない。このとき、アーム体３８の回動運動
による振動が樹脂液面３３ａに伝わりにくくなるので成
形精度が向上する。

【００５０】上記平行部３６は、上記樹脂液槽３４を上
方から見た場合に、円形状の樹脂液槽３４の中心を通過
するように設けられている。そして、この平行部３６の
上記樹脂液槽３４の上方から見た中心部分には、この下
方に後述するアーム体３８が回転自在に取り付けられる
ように設けられている。すなわち、この平行部３６の中
心部分には、例えば軸受３７を介してアーム体３８が回
転自在に取り付けられている。

【００５１】ここでアーム体３８は、上記軸受３７の下
方に鉛直に取り付けられている鉛直部３９と、この鉛直
部３９の下端から水平方向に突出して形成された水平部
４０とを有している。そして、この鉛直部３９の、上記
平行部３６よりも所定だけ下方の外周側には、このアー
ム体３８を回転駆動させるためのプーリ４１が取り付け
られている。このプーリ４１にはベルト４２が張設さ
れ、このベルト４２によって外部に設けられた図示しな
い駆動源からの駆動力を伝達して回転可能となってい
る。

【００５２】なお本実施の形態では、上記鉛直部３９に
プーリ４１が設けられ、このプーリ４１によってアーム
体３８を回転駆動させる構成となっているが、他の摩擦
駆動機構を用いることが可能であり、これ以外にも、例
えば上記アーム体３８の上端に駆動源としてのモータを
一体的に取り付けて、外部に駆動源を有しない構成とし
ても良い。この場合、上述した外部のレーザ光発振器３
１で発生したレーザ光を導入するために、中心部分に所
定径の空洞部を有するモータが好ましい。

【００５３】この中心部分にはスリップリング４３が取
り付けられ、上記樹脂液槽３４の外方側からこのアーム
体３８に向かって電力および電気信号を、上記アーム体
３８が回転駆動しているときでも送信可能としている。

【００５４】上記アーム体３８は、本実施の形態では内
部が中空形状となっており、この中空形状によって上記
平行部３６の中心部分より導入されたレーザ光を導く、
いわばレーザ光のガイド部としての機能を果たす構成と
なっている。具体的には、上記アーム体３８内部には、
アーム体３８の上端よりレーザ光が鉛直に導入され、こ
の鉛直に導入されたレーザ光は、上記鉛直部３９の下端
に設けられた第２の反射ミラー４４に入射されて、上記
水平部４０の内部を良好にレーザ光が進行するような反
射角度で反射されるようになっている。

【００５５】ここで上記第２の反射ミラー４４は、所定
角度傾斜して上記アーム体３８が回転駆動された場合で
も角度が変化しないように、図示しない固定部材によっ
て強固に固定され、この第２の反射ミラー４４の傾斜角
度を維持している。

【００５６】上記第２の反射ミラー４４で反射されたレ
ーザ光は、上記水平部４０内部を進行して、ヘッド体４
５内部へと入射される。ここで、上記アーム体３８の水
平部４０と上記ヘッド体４５の関係について述べる。

【００５７】上記ヘッド体４５の内部には、上記第２の
反射ミラー４４によって反射されたレーザ光がこのヘッ
ド体４５内部へと導かれ、この下端部からレーザ光が出
射させるようになっている。すなわち、上記ヘッド体４
５内部には上記第２の反射ミラー４４で反射されたレー
ザ光をヘッド体４５内部へと進行させ、下端より出射さ
せるための第３の反射ミラー４６を有している。この第
３の反射ミラー４６は、上記ヘッド体４５の上方側かつ
上記水平部４０内部に位置するように固定されており、
上記ヘッド体４５が上記水平部４０に沿ってスライドす
れば、この水平部４０の内部でスライドするように設け
られている。

【００５８】この場合、上記水平部４０は例えば断面が
長方形状の筒状に形成されているが、この筒状の下面側
は上記水平部４０に沿うように所定幅を有するスリット
部４７が形成されている。

【００５９】そしてこのスリット部４７の下方側から
は、上記ヘッド体４５がスライド自在に挿入されて、上
記水平部４０の内部に上記ヘッド体４５の上方部分が位
置するように設けられている。この場合、水平部４０の
内部に位置するヘッド体４５は、くびれた部分を有して
上記スリット部４７の幅よりも大きく形成されていても
良く、この水平部４０の内部でのスライドが妨げられな
ければ種々変形可能となっている。

【００６０】水平部４０の内部に位置する上記ヘッド体
４５には、上記第２の反射ミラー４４から反射されるレ
ーザ光をこのヘッド体４５内部へ導入させるために、上
記レーザ光が上記ヘッド体４５に対して進行する部分に
は孔状部４５ａが形成されている。この孔状部４５ａを
通過したレーザ光は、ヘッド体４５内部の上方部分に取
り付けられている第３の反射ミラー４６に入射される。
この第３の反射ミラー４６は、上記ヘッド体４５内部を
レーザ光が進行するように、上記ヘッド体４５内部の側
壁部分に取り付け固定されている。

【００６１】しかしながら、この第３の反射ミラー４６
は、図３に示すように、ミラー支持体４８と第３の反射
ミラー４６との間にピエゾ素子４９を挟んで固定されて
おり、このピエゾ素子４９は上記スリップリング４３に
よって制御部と電気的に接続され、このピエゾ素子４９
に電圧を印加することが可能となっている。そしてこの
ピエゾ素子４９に電圧を印加すれば、この第３の反射ミ
ラー４６の傾斜角度を変化させ、レーザ光の光路を変動
させて上記樹脂液面３３ａへの照射角度を最適なものと
することが可能となっている。

【００６２】なお、このピエゾ素子４９は第３の反射ミ
ラー４６以外にも、上記第２の反射ミラー４４に設けて
も構わない。またピエゾ素子４９は複数個設けてもよ
い。上記ヘッド体４５の内部には、この第３の反射ミラ
ー４６で反射されたレーザ光の進行方向を変更可能な、
出射制御手段としての光変調素子５０が設けられてい
る。上記第３の反射ミラー４６で反射されたレーザ光
は、この光変調素子５０を通過するように設けられてい
る。この光変調素子５０は、例えば光学的な結晶の電界
による屈折率変化、いわゆるポッケルス効果を利用した
電気光学偏向装置であり、例えばＤＫＤＰやＬｉＴａＯ
₃ などのポッケルス効果の大きな結晶でプリズムを形成
し、このプリズム同士を、例えば相互に結晶軸の方向が
逆になるように組み合わせ、このプリズムの組み合わせ
に電界を印加する駆動電源に接続された電極板を対向し
て設けた構成である。

【００６３】このプリズムに入射されたレーザ光は、入
射偏光面に対して直角方向の電界を印加すると、入射直
線偏光に対して屈折率が変化するため、この屈折によっ
て偏向される。さらにプリズム同士の組み合わせること
により、この偏向角を大きくすることが可能となる。大
きく偏向した光については、例えばヘッド体４５の内壁
部を利用して遮光し、樹脂液面３３ａに到達しないよう
にする。このようにして、レーザ光の出射が制御できる
構成となっている。

【００６４】なお、上記光変調素子５０は、上記のよう
な電気光学偏向装置以外にも、例えば音響光学偏向器を
用いることも可能である。また、このような光変調素子
５０を用いる構成によらず、例えば機械的なシャッター
機構を設けて上記レーザ光を遮る構成としても構わな
い。この場合には、例えば上記ヘッド体４５内部や上記
水平部４０内部のモータなどの駆動源によって、このシ
ャッター機構が電気的にスライドされ上記レーザ光を遮
る構成、またはカメラに用いられる絞りを用いる構成な
どを設けることが可能である。

【００６５】上記光変調素子５０の下方には、この下方
に設けられた結像レンズ５２に入射される。この結像レ
ンズ５２は、上記樹脂液面３３ａにレーザ光が適切な強
度および径で照射される位置に調整されて設けられてい
る。

【００６６】この結像レンズ５２を出射したレーザ光
を、光強度分布のばらつきをなくし、あるいはこのレー
ザ光を所定の径へと変換、加工する、例えばカライドス
コープやマスク、あるいはフレネルレンズなどの光学的
加工手段５１が取り付けられている。この光学的加工手
段５１を出射したレーザ光は、上記樹脂液面３３ａへと
照射される。

【００６７】このような構造を有するヘッド体４５を、
上記水平部４０に沿ってスライド可能とするために、駆
動軸としてのボールねじ５３が軸線を上記水平部４０に
沿わせ、かつこの軸線を中心として回転可能に設けられ
ている。またこのボールねじ５３には上記ヘッド体４５
の外面に固定的に取り付けられているナット体５４が螺
合されており、上記ボールねじ５３の回転によってヘッ
ド体４５が水平方向に移動可能となっている。

【００６８】また、上記ボールねじ５３の一端部には、
従動ギヤ５３ａが取り付けられており、駆動手段として
のモータ５５の回転軸５５ａに取り付けられた駆動ギヤ
５５ｂが上記従動ギヤ５３ａに噛合されている。このモ
ータ５５は、上記水平部４０の一端部に取り付け固定さ
れている。

【００６９】よって、上記モータ５５が回転駆動すれ
ば、上記ボールねじ５３が回転されてヘッド体４５が水
平方向に移動可能となっている。ここで、上記樹脂液槽
３４に蓄えられている樹脂３３の液面に対応する位置に
は、一組のリコータ体５６が取り付けられている。この
リコータ体５６は、少なくとも樹脂３３に接する部分が
精度良い平行度を有するように形成された、例えば角柱
状体や円筒体などの柱状体と、この柱状体に連結され、
柱状体を揺動駆動させる駆動源とを有しており、この駆
動源が上記樹脂液槽３４の内面側にそれぞれ同じ高さと
なるように取り付けられている。

【００７０】そして、上記レーザ光を樹脂液面３３ａに
照射する場合には、まずこのリコータ体５６の柱状体を
ワイパー状に作動させ、樹脂液面３３ａを平坦化させ
る。この樹脂液面３３ａの平坦化の後に、上記アーム体
３８が回転駆動され、それとともに上記ヘッド体４５の
下端からレーザ光が出射される。この場合、上記ヘッド
体４５は所定の速度で上記水平部４０に沿って駆動さ
れ、上記樹脂液面３３ａに渦巻き状にレーザ光が照射さ
れる。

【００７１】上記樹脂液面３３ａのレーザ光による照射
を終えると、この照射の終えた樹脂液面３３ａ上に新た
な樹脂３３を流入させる。すなわち、上記樹脂液槽３４
内部には、例えば円板状に形成され、上面が精度良く平
坦化されたエレベータ５７が、上記樹脂液面３３ａと平
行となるように設けられている。このエレベータ５７
は、樹脂液槽３４内部で上下駆動を可能とするために、
端部側で上記樹脂液槽３４の外方側に設けられた上下駆
動機構５８に連結されている。そのため、この上下駆動
機構５８によって上記エレベータ５７を下方に、例えば
０．１ｍｍだけ駆動させれば、照射を終えて硬化が開始
された樹脂３３の上方に、０．１ｍｍの層状の樹脂３３
を流入させることができる。

【００７２】このようにして、順次エレベータ５７を所
定間隔ごとに駆動させ、そして順次層状の光造形物をス
ライス状に形成することができる。ここで、上記ヘッド
体４５のピエゾ素子４９、変調素子５０、モータ５５、
リコータ体５６、アーム体３８の回転駆動を行う外部に
設けられた図示しない駆動源などは、外部に設けられた
制御装置５９に接続されている。この制御装置５９は、
例えば３次元ＣＡＤやコンピュータ断層画像撮影装置
（ＣＴ）、磁気共鳴画像撮影装置（ＭＲＩ）等の造形形
状を示す立体データを生成するデータ生成部と、これら
データ生成部で得られた立体データを、所定の間隔（ス
ライスピッチ）で切断した複数の平板状の２次元断面形
状（スライスデータ）に変換するデータ処理部と、この
データ処理部において得られたスライスデータを基に上
述の外部装置を制御する制御部を有して構成されてい
る。

【００７３】このような構成により、データ生成部で所
望の立体データを生成して認識し、この立体データに基
づき、この立体データの高さ方向に応じて水平に切断し
たスライスデータをデータ処理部で形成し、このデータ
処理部で形成したスライスデータに基づいて上記ヘッド
体４５、上下駆動機構５８の駆動の制御を行って、上記
樹脂液面３３ａへのレーザ光の照射を最適に行う。

【００７４】ここで、上記スライスデータを形成する場
合には、上記レーザ光の照射によって形成される層状の
上記樹脂３３に生じる、反りなどの変形を考慮し、かつ
この層状の樹脂３３の硬化によって形成される全体とし
ての造形形状の光造形物への影響なども考慮しなければ
ならないが、この影響を考慮して、上記樹脂３３へのレ
ーザ光の照射強度および上記エレベータ５７の駆動間隔
が決定される。

【００７５】さて、樹脂液面３３ａにレーザ光を出射す
る場合、このレーザ光の上記樹脂液面３３ａへの出射
は、以下の手順で行われる。上記ヘッド体４５の下端か
ら上記樹脂液面３３ａにレーザ光を照射させる場合、こ
の樹脂３３へのレーザ光の照射によって上記樹脂３３の
体積の収縮が生じるため、あらかじめこの体積の収縮の
分も考慮して上記樹脂３３にレーザ光を照射しなければ
ならない。

【００７６】この樹脂３３にレーザ光を照射して所定の
造形形状を形成する場合、一般には造形形状の内部と外
殻とでは収縮率が異なり、そのため一つの収縮率を用い
て上記樹脂液面３３ａ上にレーザ光を照射すると、精度
を要求する造形形状を形成する場合には、寸法精度に誤
差を生じる。

【００７７】本実施の形態では、収縮後に所定寸法の造
形形状を精度良く形成するために、上記データ生成部で
収縮後に上記所定の寸法の造形形状となる上記樹脂３３
の範囲を予測する場合に、従前とは異なり、造形形状の
内部側の寸法収縮率と、造形形状の外殻の寸法収縮率と
を用いて予測している。

【００７８】図４に示すフローチャートでは、まず造形
形状を決定し、この造形形状の決定に基づいて、体積
Ｖ、表面積Ｓ、代表厚さＴまたは外郭厚さｔのいずれか
を決定している。

【００７９】これらの決定に基づいて、外郭および内部
側の体積比を求め、これらの体積比に外郭の寸法収縮率
Ｘ₁ 、内部側の寸法収縮率Ｘ₂ を掛け合わせて加え、全
体の最適な寸法収縮率Ｘを求めている。

【００８０】この場合、実際のレーザ光の樹脂液面３３
ａへの照射は上記造形形状の立体データに基づくスライ
スデータにより、それぞれ層状に求められるが、この層
ごとのレーザ光の照射を最適に行うため、まずスライス
データの境界線にレーザ光のエネルギ密度を大きくして
照射し、次にこの境界線の内部側、すなわち面領域に境
界線よりもエネルギ密度を小さくしてレーザ光を照射す
る。

【００８１】またこの場合、境界線へのレーザ光の照射
による影響、すなわち線要素による影響、および面領域
へのレーザ光の照射による影響、すなわち面要素による
影響は、基礎実験を繰り返すことにより変形の解析を行
い、この変形の解析に基づいて、上記樹脂３３への光造
形物形成の際の変形防止対策として、レーザ光の照射に
還元される。

【００８２】ここで、上述の寸法収縮率Ｘを求め、寸法
の収縮による収縮補正を求める計算式は、以下に示され
る。造形する造形形状の体積をＶ、この造形形状の表面
積をＳ、寸法収縮率が外殻と異なる値となる外殻からの
厚さをｔとする、上記造形形状の外殻の体積Ｖ₁ はＳ・
ｔ、内部側の体積Ｖ₂ はＶ−Ｓ・ｔとなる。

【００８３】ここで、外殻の寸法収縮率をＸ₁ 、内部側
の寸法収縮率をＸ₂ とすると、光造形物全体の寸法収縮
率Ｘは、Ｘ＝Ｘ₁ ・（Ｖ₁ ／Ｖ）＋Ｘ₂ ・（Ｖ₂ ／Ｖ）＝Ｘ₁ ・（Ｓ・ｔ／Ｖ）＋Ｘ₂ ・（１−Ｓ・ｔ／Ｖ）となる。

【００８４】例えば、２ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ
の板を形成する場合、収縮後の体積Ｖは、Ｖ＝２×１００×１００＝２０，０００ｍｍ³ この表面積Ｓは、Ｓ＝｛（１００×１００）＋（１００×２）＋（１００×２）｝×２＝２０，８００ｍｍ² となっている。

【００８５】ここで、一般的な造形では外殻からの厚さ
ｔは、０．３ｍｍ程度であるため、外殻の体積Ｖ₁ は、Ｖ₁ ＝２０，８００×０．３＝６，２４０ｍｍ³ 内部側の体積Ｖ₂ は、Ｖ₂ ＝２０，０００−６，２４０＝１３，７６０ｍｍ³ となっている。仮に、外殻の寸法収縮率Ｘ₁ が９９．５
％、内部側の寸法収縮率Ｘ₂ が９９．０％であるとする
と、光造形物全体の寸法収縮率Ｘは、Ｘ＝９９．５×６，２４０／２０，０００＋９９．０×
１３，７６０／２０，０００＝９９．１５６％となる。ここで、収縮後に上記所定の寸法の造形形状と
なる上記樹脂３３の範囲を従来の光造形法を用いて予測
すると、従来は外殻の影響は考慮せずに、単に内部側の
収縮率Ｘ₂ ＝９９．０％を用いて上記光造形物の寸法収
縮を予測していたため、例えば長さが１００ｍｍの部品
を造形する場合、上記樹脂３３に対するレーザ光の照射
範囲は、収縮を考慮して１００／０．９９＝１０１．０
１ｍｍとなるようにレーザ光の照射を行っていた。

【００８６】しかしながら、このようにレーザ光を照射
しても、実際には寸法収縮は外殻の寸法収縮の影響を受
けるため、この樹脂３３の収縮によって得られる部品の
実際の寸法は、１０１．０１×０．９９１５６＝１０
０．１５８ｍｍとなる。

【００８７】そのため、必要な寸法との間におよそ０．
１５ｍｍ強の寸法誤差を生じてしまい、部品の精度が好
ましいものとはならない。このように本発明では収縮後
に上記所定の寸法の造形形状となる上記樹脂３３の範囲
を決定する場合、外殻の影響も考慮し、内部側と外殻と
でそれぞれ寸法収縮率を設定し、この外殻の寸法収縮率
が収縮補正値となって取り扱われているため、上記所定
の寸法の造形形状となる上記樹脂３３の範囲にレーザ光
を照射して、光造形物を形成する場合でも、精度良く光
造形物を形成することが可能となる。

【００８８】このような制御装置５９により、上記アー
ム体３８および上記ヘッド体４５の極座標系での制御を
行うことが可能になっている。ここで、上述の図４のフ
ローチャートで説明した上記樹脂液面３３ａへのレーザ
光の照射を、図５に示すフローチャートにより説明す
る。

【００８９】上記樹脂液面３３ａ上にレーザ光を照射す
る場合には、上記制御装置５９により極座標系のデータ
をＸＹ座標系に変換し、このＸＹ座標系へ変換されたス
ライスデータに基づいて上記アーム体３８およびヘッド
体４５、光変調素子５０を制御して行う。

【００９０】上記スライスデータに基づいて、まず液体
のままの部分とこれから固化する部分との境界線から先
に照射（描画）する。そして、この境界部分へのレーザ
光の照射を終えた後に、上記制御装置５９でこのスライ
スデータの半径とヘッド体４５の上記樹脂液面３３ａへ
走査すべき速度より、上記アーム体３８の回転速度を算
出する。

【００９１】この回転速度を算出した後に、算出された
回転速度が許容値以内かどうかを上記制御装置５９内部
の次のステップで判定し、この算出された回転速度が許
容値以内ならば、この回転速度に上記アーム体３８を設
定し、また算出された回転速度が許容値を越えている場
合には、許容値以内に上記アーム体３８の回転速度を設
定する。この場合には、この許容値以内の上記アーム体
３８の回転速度に対応して、上記ヘッド体４５から出射
されるレーザ光の強度を再調整する。

【００９２】そして、上記アーム体３８の回転速度に応
じ、レーザ光のシャッターとしての機能を果たす上記光
変調素子５０へ印加する電界のオン・オフのタイミング
を決定する。

【００９３】この後に、図６に示すように上記樹脂液面
３３ａに対して上記のように決定したタイミングでレー
ザ光を照射させ、先に照射した上記樹脂液面３３ａの境
界部分の内部を塗り潰すようにレーザ光を照射させる。

【００９４】このレーザ光の境界部分への照射を行う場
合、上記境界部分が固化により成形物として形状を保つ
よう、十分な強度をもたせるため、この境界部分のレー
ザ光の照射エネルギーを、境界部分の内部側よりも、エ
ネルギ密度を大きくして照射する。

【００９５】一方、上記境界部分の内部側は、収縮力に
より生じる反り変形を防止するために、この境界部分よ
りもレーザ光の照射エネルギ密度を小さくして照射す
る。そしてこの照射を終えた後、上記上下駆動機構５８
を作動させて、上記エレベータ５７を下方、例えば０．
１ｍｍだけ駆動させ、この照射の終えた樹脂液面３３ａ
上に新たな樹脂３３を流入させ、以下上記と同様の動作
を繰り返す。

【００９６】この場合、上記樹脂３３は、この樹脂３３
に対する層状のレーザ光の照射では、この境界部分が他
の部分よりも早く硬化するが、この層状の光造形物の段
階では、まだ樹脂３３の硬化は終了しておらず、そのた
め全体として造形形状の光造形物の全体形状が形成され
てからも収縮を行うことが多い。

【００９７】しかしながら、所望の形状の光造形物を得
るべく、寸法収縮を考慮した立体データを生成する段階
では、この立体データの生成は、外殻と内部側とで異な
る寸法収縮率を用いて予測しているため、この光造形物
の寸法収縮状況まで考慮すると、上述のように最初に外
殻の寸法収縮率が適用される境界部分の照射を行い、次
に内部側の寸法収縮率が適用される境界部分の内部側の
照射を行う、上述のレーザ光照射方法は好ましいものと
なる。

【００９８】以上のような構成を有する光造形装置３０
および光造形方法の作用について、以下に説明する。上
記光造形装置３０は、アーム体３８が回転可能に設けら
れ、この回転可能なアーム体３０の水平部４０にヘッド
体４５がスライド自在に設けられているため、上記アー
ム体３８を回転駆動させるとともに、このアーム体３８
に沿ってヘッド体４５をスライドさせることによって、
上記樹脂３３に対するレーザ光の照射を連続的に行うこ
とが可能となる。

【００９９】そのため、従来の光造形装置では生じてい
た、例えば樹脂液面３３ａへのレーザ光の照射する場合
のヘッド体４５の停止および立ち上げに要していた時間
がなくなるため、上記樹脂３３へレーザ光の照射を高速
化でき、また上記ヘッド体４５が上記樹脂液面３３ａへ
レーザ光を照射したまま停止されることがないから、こ
の樹脂液面３３ａへ照射するレーザ光の光強度を均一な
ものとすることが可能となる。

【０１００】このレーザ光の上記樹脂液面３３ａに対す
る高速化の一例として、直径５０ｍｍの円領域をレーザ
光で照射する場合を考える。従来のＸＹ平面に平行に光
の出射部分を移動可能なタイプの光造形装置２０では、
例えば０．５ｍｍ間隔ごとにレーザ光で平行な直線を樹
脂液面３３ａに描くとすると、この場合の描画長さは、
（面積）／（間隔）で計算できるため、２５×２５×３．１４／０．５＝３９２５ｍｍとなる。

【０１０１】このレーザ光での走査速度を、例えば１ｍ
／ｓとした場合、この走査に要する時間は、３．９２５
秒、すなわち約４秒と算出できる。ここで、上記走査速
度が所定の値、すなわちここでは１ｍ／ｓまで立ち上が
るまでの加速時間および停止するまでの減速時間につい
ても考慮する必要があり、ここで仮に限界加速度が１０
ｍ² ／ｓ（ほぼ重力加速度に等しい値とした）である場
合、立上がり、停止に要する時間はともに０．１秒であ
る。このレーザ光の照射の線の本数は、５０／０．５＝１００本となるので、この立上がり、停止に要する時間の合計
は、０．１×１００×２＝２０秒となる。よって従来のＸＹ平面に平行に光の出射部分を
移動可能なタイプの光造形装置２０では、合計２４秒要
することとなっている。

【０１０２】これに対して、本発明の光造形装置３０を
用いた場合、間隔０．５ｍｍの同心円状（渦巻状）に描
画されるとして良く、この場合は上記同心円状の周の長
さは最大でも５０×３．１４＝１５７ｍｍとなる。

【０１０３】ここで、走査速度を上記のように１ｍ／ｓ
とするのは、この回転速度が３８２ｒｐｍとなってしま
うが、これよりも遅い、例えばここでは最大回転速度を
１２０ｒｐｍ（１秒間に２回転）として計算する。

【０１０４】この場合でも、上記樹脂液面３３ａの照射
に要する時間は、０．５×（２５／０．５）＝２５秒となり、上記従来の光造形装置２０よりも遅い走査速度
であるにもかかわらず、レーザ光の走査に要する時間が
ほぼ同様になっている。

【０１０５】このため、レーザ光の照射を高速化可能と
いえる。また、上記アーム体３８は中空状に形成されて
上端よりレーザ光が鉛直に導入され、そしてこのアーム
体３８の鉛直部３９内部を通過して上記第２の反射ミラ
ー４４に入射されて水平部４０内部へと導かれるよう
な、いわばガイド部として形成されているため、外部の
例えばレーザ光発振器３１などの光源を容易に種々選択
可能となり、またこの光源に不具合が生じたときにはこ
れを容易に交換できる。

【０１０６】また、上記レーザ光発振器３１などの光源
を外部に設けたことにより、ヘッド体４５の構造および
上記レーザ光発振器３１の設置する位置などの制約が少
なくなり、設計上の自由度が増すこととなる。

【０１０７】さらに、上記ヘッド体４５内部には、入射
された光の出射角度を変更可能な出射制御素子としての
光変調素子５０が設けられているため、この光変調素子
５０に電界を印加するだけで、簡単に入射された光の出
射角度を制御することが可能となり、よって上記樹脂液
面３３ａの照射領域に応じた上記レーザ光の出射の制御
を応答性良く制御することが可能となる。このため、光
造形物を形成する場合の精度をより向上させることが可
能となる。

【０１０８】そして、上記樹脂液槽３４には、この内面
側にリコータ体５６が取り付けられているため、上記樹
脂液面３３ａにレーザ光を照射する場合に、この樹脂液
面３３ａを平坦化してから照射することが可能となる。
このため、上記レーザ光の照射によって形成される層状
の光造形物に凹凸が生じ難くなり、一層良好な光造形物
を形成することが可能となる。

【０１０９】ここで、本実施の形態では、上記リコータ
体５６は一組設けられ、この一組のリコータ体５６の揺
動運動によって上記樹脂液面３３ａを平坦化するため、
この樹脂液面３３ａの平坦化もよりスムーズかつ高速に
行うことが可能となる。

【０１１０】また、上記樹脂３３にレーザ光を照射する
場合には、上記光造形物に生じる外殻からの影響を考慮
して、上記光造形物の外面から所定寸法の厚さの外郭部
で生じる収縮率および上記光造形物の内部の収縮率の二
つの収縮率を用いて上記データ生成部で所望の立体デー
タを生成し、この立体データに基づき、高さ位置に応じ
て水平なスライスデータに切断してレーザ光の照射領域
を最適に制御する。そのため、光造形物を形成する場合
の精度を向上させることが可能となる。

【０１１１】ここで、上記樹脂液面３３ａにレーザ光を
照射する場合、スライスデータの境界部分に上記レーザ
光のエネルギ密度を大きくして照射を行い、この後に境
界部分の内部側へ境界部分よりもエネルギ密度を小さく
してレーザ光の照射を行うため、この境界部分の内部側
の樹脂液面３３ａでのレーザ光の照射による反りを防止
することが可能となり、よってより精度の良好な光造形
物を形成することが可能となる。

【０１１２】また、このようなレーザ光の照射により、
スライスデータに基づいて層状にレーザ光を照射した場
合の各層での光造形物の接着性が良好なものとなる。な
お、上記樹脂３３にレーザ光を照射する方法としては、
上記の方法の他に、例えば造形すべき光造形物の体積と
表面積の比率を求め、この比率によって上記樹脂３３へ
レーザ光を照射した場合の寸法収縮を予測する方法もあ
る。

【０１１３】この場合には、上記樹脂３３の収縮の予測
が簡単かつ精度良く行うことが可能となる。また、造形
すべき光造形物が単一形状など、比較的簡単な形状であ
る場合には、上記造形すべき光造形物の代表的な肉厚部
分の収縮率を予測するだけで、これを光造形物全体に適
用しても構わない。

【０１１４】（第二の実施の形態）以下、本発明の第二
の実施の形態について、図７を参照して説明する。な
お、以下の説明では、上述の第一の実施の形態と共通の
構成となる部分の符号などはそのままこの第二の実施の
形態で用いるものとする。

【０１１５】本実施の形態の光造形装置６０は、上記第
一の実施の形態と比較してアーム体６１の構成が異なる
ものとなっている。すなわち、上記第一の実施の形態で
は、上記アーム体３８は、鉛直部３９と水平部４０とか
ら構成され、この水平部４０にヘッド体４５がスライド
自在に設けられているが、図７に示すアーム体３８の構
成では、上記第２の反射ミラー４４と上記ヘッド体４５
もしくは第３の反射ミラー４６とがぶつかって干渉して
しまい、このため上記ヘッド体４５によるレーザ光の樹
脂３３への照射を行う場合に、上記アーム体３８の回転
軸線の下方側に死角が生じる虞がある。ここで上記第一
の実施の形態においては、この問題をピエゾ素子４９や
光変調素子５０を利用して光路を偏向させることにより
解決している。

【０１１６】上記樹脂３３へのレーザ光の照射の際に、
このような死角が生じていると、上記樹脂３３の一部分
が硬化されずにそのまま残ってしまうため、精度誤差や
不良の原因となる。

【０１１７】本実施の形態においては、アーム体６１
は、上端の上記支持部材３５への取り付け位置から下端
側が回転軸線よりずれるように設けられている。具体的
には、上記支持部材３５への取り付け位置から内部が中
空なクランク部６２に形成されており、このクランク部
の下端側が上端側より所定だけ軸線からずれるように設
けられている。

【０１１８】このクランク部６２の内部には、このアー
ム体６１の上記支持部材３５への取り付け部分から導入
されるレーザ光を良好にこのクランク部６２の下方に導
くために、内部に複数の反射ミラー６３…を有してい
る。具体的には、上記クランク部６２のそれぞれの折れ
曲がり部に対応する位置に、それぞれこの折れ曲がり形
状に対応するように反射ミラー６３…が取り付けられて
おり、この折れ曲がり形状に対応した反射ミラー６３…
による複数回のレーザ光の反射によって、上記レーザ光
がこのクランク部６２の下端まで導かれるようになって
いる。

【０１１９】上記クランク部６２の下端からは、上記水
平部４０と同様に水平部６４が上記樹脂液面３３ａと平
行になるように設けられている。この水平部６４は、ヘ
ッド体４５の下端に設けられたレーザ光を出射する部分
が、この水平部４０に沿うスライドの際に、上記アーム
体６１の回転軸線と交差可能に設けられている。

【０１２０】また、この水平部６４の長さは、上記ヘッ
ド体４５がこの水平部６４に沿ってスライド移動した際
に、上記アーム体６１の回転軸線も十分通過可能な長さ
に設けられている。

【０１２１】このため、上記ヘッド体４５が水平部６４
に沿ってスライド移動すれば、上記樹脂液面３３ａに対
するレーザ光の照射の際に死角が生じない構成となる。
このような構成の光造形装置６０によると、上記アーム
体６１は、下端が回転軸線から所定だけずれるクランク
部６２を有し、このクランク部６２の下端に、ヘッド体
４５のレーザ光を出射する部分が、スライドによって回
転軸線を通過可能に設けられた水平部６４を有するた
め、上記ヘッド体４５を上記アーム体６１の回転軸線の
位置に移動させても、上記反射ミラー６３…同士が互い
に干渉することがなく、そのためこの回転軸線側にもこ
のヘッド体４５を移動可能となる。

【０１２２】このため上記樹脂液面３３ａへのレーザ光
の照射に死角が生じなくなり、よって光造形物の形成を
より良好なものとすることが可能となる。なお、本実施
の形態では、上記アーム体６１が回転軸線からずれるた
めの構成として、クランク部６２を有するものとしてい
るが、回転軸線からずれる構成であればこの形状はクラ
ンク部６２に限られず、この他にも種々変形可能となっ
ている。

【０１２３】（第三の実施の形態）以下、本発明の第三
の実施の形態について、図８に基づいて説明する。な
お、以下の説明では、上記第二の実施の形態と同様に、
上述の第一の実施の形態および第二の実施の形態と共通
の構成となる部分の符号などはそのままこの第三の実施
の形態で用いるものとする。

【０１２４】本実施の形態の光造形装置７０は、上記第
一および第二の実施の形態と比較して、ヘッド体７１の
構成が異なる。このヘッド体７１は、内部に例えばＺｎ
Ｓｅ（セレン亜鉛）単結晶を有して青色レーザ光を発生
することが可能な半導体レーザ発振器７２を有してい
る。この青色レーザ光を発生する半導体レーザ発振器７
２は、上記レーザ光発振器３１と比較して小寸法かつ軽
量なものである。このため、上記ヘッド体７１内部の上
方側に上記半導体レーザ発振器７２を設けることが可能
となっており、以下の構成は上記ヘッド体４５と同様な
ものとなっている。

【０１２５】この半導体レーザ発振器７２は、出射され
るレーザ光の出射角度が変わらないように、上記ヘッド
体７１内部に固定的に設けられているが、別途内部に光
軸調整手段が設けられていても構わない。

【０１２６】このヘッド体７１をスライド移動可能とす
るアーム体７３は、上記ヘッド体７１内部に光源として
の半導体レーザ発振器７２を設けたため、この内部にレ
ーザ光を導く必要がなく、よって例えば反射ミラーや光
ファイバなどのガイド部が設けられていない。

【０１２７】なお上記アーム体７３は、樹脂液面３３ａ
と水平な水平部７４を、上記第二の実施の形態と同様に
このアーム体７３の回転軸線も十分通過可能な長さに設
けたほうが好ましい。

【０１２８】このような光造形装置７０によると、上記
ヘッド体７１内部には、上記樹脂液面３３ａにレーザ光
を出射する光源が設けられたため、例えば反射ミラーな
どのレーザ光を導くガイド部を構成する手段が設けられ
ていなくても構わなく、アーム体の構成を簡素にするこ
とが可能となる。

【０１２９】また、上記ヘッド体７１内部に光源である
半導体レーザ発振器７２が固定的に設けられたため、こ
の半導体レーザ発振器７２の光路をわざわざ調整する必
要がなく、よって上記樹脂液面３３ａに良好にレーザ光
を照射することが可能となる。

【０１３０】以上、本発明の第一ないし第三の実施の形
態について説明したが、本発明はこれ以外にも種々変形
可能となっている。例えば上記ヘッド体４５，７１は、
上記水平部４０，６４，７４に対して上下駆動および揺
動駆動される構成でも構わなく、この場合には、上記樹
脂液面３３ａに対する光路長の調整およびレーザ光の焦
点調整などがより良好に行える。その他、本発明の要旨
を変更しない範囲において、種々変形可能となってい
る。

【０１３１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によると、上記光造形装置には、回転可能に設けら
れ、上記樹脂の液面とほぼ平行となる水平部を有し、内
部が光をガイドするガイド部に形成されたアーム体を有
しており、さらに上記アーム体の水平部に沿ってスライ
ド自在に設けられ、上記ガイド部と光学的に接続されて
上記ガイド部からの光を出射するヘッド体、上記ヘッド
体からの上記光の出射を制御する出射制御手段を具備し
ているため、上記アーム体を回転させてさらに上記ヘッ
ド体をこのアーム体に沿ってスライドさせれば、上記樹
脂液面に対してヘッド体を停止させることなく光を高速
度で照射させることができる。

【０１３２】請求項２記載の発明によると、上記光源は
上記アーム体の外部に設けられ、かつ上記アーム体内部
は、上記光源で発生する光をガイドするガイド部に形成
されているため、上記外方に設けられた光源を種々選択
可能となり、さらにこの光源に不具合が生じた場合で
も、メンテナンスが容易に行える。

【０１３３】請求項３記載の発明によると、上記ガイド
部は光ファイバであるため、ミラーの反射によらずに光
を所定径に保ちながら上記ヘッド体へと光を導入でき
る。請求項４記載の発明によると、上記光源および上記
出射制御手段は、上記ヘッド体内部に設けられているた
め、上記アーム体内部にミラーなどの光をガイドする手
段を設ける必要はなく、かつ上記ヘッド体内部で光源を
固定すれば、この光源より生じる光の光路がずれ難いも
のとなる。

【０１３４】請求項５記載の発明によると、上記ヘッド
体は、上記アーム体に対して揺動自在に設けられている
ため、このヘッド体の揺動によって光の出射角度を制御
可能となり、光造形物に応じた光の出射を行える。

【０１３５】請求項６記載の発明によると、上記ヘッド
体は、上記アーム体に対して上下駆動自在に設けられて
いるため、上記樹脂の液面に対する光の焦点調整や、光
路長の調整を容易に行える。

【０１３６】請求項７記載の発明によると、上記出射制
御手段は、入射された光の出射角度を変更可能な光変調
素子であるため、例えばこの光変調素子に電界を印加す
れば、この電界の印加に応じて応答性良く上記光の出射
角度を変更することができ、そのため上記樹脂液面への
光の出射および非出射を即座に制御可能となり、上記樹
脂の光の照射による光造形物の形成をより良好に行え
る。

【０１３７】請求項８記載の発明によると、上記出射制
御手段は、スライド可能なシャッター機構であるため、
このシャッターのスライドによって簡素でありながら確
実に上記光の出射を制御可能となる。

【０１３８】請求項９記載の発明によると、上記アーム
体は、、上記ヘッド体がアーム体の少なくとも回転軸の
中心まで移動できる形状に形成されているため、上記ア
ーム体を回転駆動させて上記樹脂液面へ光を照射させる
場合に、樹脂液面への光の照射に死角が生じなくなり、
一層良好に上記樹脂液面へ光を照射可能となる。

【０１３９】請求項１０記載の発明によると、上記樹脂
液槽には上記樹脂液面を平坦化するリコーティング機構
が取り付けられたため、上記樹脂へ光を照射する場合
に、この樹脂液面を均一に平坦化して光を照射すること
が可能となる。そのため、上記樹脂液面に光を照射して
硬化させる場合に、この表面を滑らかに硬化させること
ができる。

【０１４０】請求項１１記載の発明によると、上記樹脂
液槽には揺動運動によって上記樹脂液面を平坦化する一
対のリコーティング機構が設けられているため、上記樹
脂液面の平坦化をよりスムーズに、かつ高速に行える。

【０１４１】請求項１２記載の発明によると、上記光造
形物の外面から所定寸法の厚さの外郭部で生じる収縮率
および上記光造形物の内部の収縮率とから上記外郭部と
上記内部との収縮後の体積を予測し、この体積の予測に
応じて光の照射範囲を設定し、この設定に基づいて上記
樹脂に光を照射するため、従来の上記樹脂で均一な収縮
率を有していると仮定した場合と比較して、上記収縮後
の体積の予測を正確に行うことが可能となり、そのため
上記樹脂への光の照射範囲の設定範囲も正確に行え、光
造形物を形成する場合の精度を向上できる。

【０１４２】請求項１３記載の発明によると、上記光造
形物の造形すべき形状の体積と表面積との比率によって
予め光造形物の寸法収縮を予測するため、上記樹脂の収
縮の予測を簡単に行うことが可能となる。しかも従来と
比較して、収縮の予測も精度良く行える。

【０１４３】請求項１４記載の発明によると、上記光造
形物の代表肉厚の収縮率を予測して、この予測により光
造形物全体の収縮率を求めて体積を予測するため、比較
的簡単な方法で樹脂の収縮率の予測を行える。

【０１４４】請求項１５記載の発明によると、上記照射
工程は、造形すべき形状の境界に最初に光を照射した後
に、この境界内部を塗り潰すように光を照射して上記樹
脂を硬化させるため、この境界への樹脂の照射による上
記境界内部側でのレーザ光の照射による反りを防止する
ことが可能となる。そのため、上記光造形物の形成をよ
り精度良く行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態に係わる光造形装置
の構成を示す斜視図。

【図２】同実施の形態に係わる光造形装置の構成を示す
側断面図。

【図３】同実施の形態に係わるヘッド体の水平部の拡大
部分断面図。

【図４】同実施の形態に係わる光造形装置の樹脂液面へ
の照射による収縮補正および変形防止対策を示すフロー
チャート。

【図５】同実施の形態に係わる光造形装置の樹脂液面へ
の光の照射による照射手順を示すフローチャート。

【図６】同実施の形態に係わる光造形装置の樹脂液面へ
の照射方法を示す図。

【図７】本発明の第二の実施の形態に係わる光造形装置
の構成を示す側断面図。

【図８】本発明の第三の実施の形態に係わる光造形装置
の構成を示す側断面図。

【図９】従来のミラーを駆動させるタイプの光造形装置
の構成を示す側面図。

【図１０】従来のＸＹ平面に平行に光の出射部分を移動
可能なタイプの光造形装置の構成を示す斜視図。

【符号の説明】

３０、６０、７０…光造形装置３１…レーザ光発振器３３…樹脂３４…樹脂液槽３８，６１，７３…アーム体４０，６４，７４…水平部４５、７１…ヘッド体４９…ピエゾ素子５０…光変調素子５１…光学的加工手段５２…結像レンズ５６…リコータ体５７…エレベータ５８…上下駆動機構６２…クランク部７２…半導体レーザ発振器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者後藤達美神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光硬化性樹脂の樹脂を光源より発生する
光で照射して樹脂を硬化させる光造形装置において、上記樹脂を蓄える樹脂液槽と、上記樹脂液槽の上方に設けられた支持部材と、上面が平坦面に形成され、上記樹脂液槽内に上下駆動可
能に設けられ、この上下動によって上記上面側の樹脂の
厚さを設定するエレベータと、一端部が上記支持部材に回転可能に設けられ、他端部に
上記樹脂の液面とほぼ平行となる水平部を有するアーム
体と、上記アーム体の水平部に沿って駆動自在に設けられ、上
記樹脂に光を出射するヘッド体と、上記ヘッド体からの上記光の出射を制御する出射制御手
段と、を具備したことを特徴とする光造形装置。
【請求項２】上記光源は上記アーム体の外部に設けら
れ、かつ上記アーム体内部は、上記光源で発生する光を
ガイドするガイド部に形成されていることを特徴とする
請求項１記載の光造形装置。
【請求項３】上記ガイド部は、光ファイバであること
を特徴とする請求項２記載の光造形装置。
【請求項４】上記光源および上記出射制御手段は上記
ヘッド体内部に設けられていることを特徴とする請求項
１記載の光造形装置。
【請求項５】上記ヘッド体は、上記アーム体に対して
揺動自在に設けられていることを特徴とする請求項１な
いし請求項４のいずれかに記載の光造形装置。
【請求項６】上記ヘッド体は、上記アーム体に対して
上下駆動自在に設けられていることを特徴とする請求項
１ないし請求項５のいずれかに記載の光造形装置。
【請求項７】上記出射制御手段は、入射された光の出
射角度を変更可能な光変調素子であることを特徴とする
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の光造形装
置。
【請求項８】上記出射制御手段は、スライド可能なシ
ャッター機構であることを特徴とする請求項６のいずれ
かに記載の光造形装置。
【請求項９】上記アーム体は、上記ヘッド体がアーム
体の少なくとも回転軸の中心まで移動できる形状に形成
されていることを特徴とする請求項２ないし請求項８の
いずれかに記載の光造形装置。
【請求項１０】上記樹脂液槽には上記樹脂液面を平坦
化するリコーティング機構が取り付けられたことを特徴
とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の光造
形装置。
【請求項１１】上記樹脂液槽には揺動運動によって上
記樹脂液面を平坦化する一対のリコーティング機構が設
けられていることを特徴とする請求項１０記載の光造形
装置。
【請求項１２】光硬化性樹脂の樹脂に外部から光を照
射し、樹脂を収縮硬化させることによって所定寸法の光
造形物を形成する光造形方法において、上記光造形物の外面から所定寸法の厚さの外郭部で生じ
る収縮率と、上記光造形物の内部の収縮率とから上記外
郭部と上記内部との収縮後の体積を予測する算出工程
と、上記算出工程で予測された体積に応じて光の照射範囲を
設定する設定工程と、上記設定工程に基づいて上記樹脂に光を照射する照射工
程と、を具備したことを特徴とする光造形方法。
【請求項１３】光硬化性樹脂の樹脂に外部から光を照
射し、樹脂を収縮硬化させることによって所定寸法の光
造形物を形成する光造形方法において、上記光造形物の造形すべき形状の体積と表面積との比率
によって予め光造形物の寸法収縮を予測する算出工程
と、上記算出工程で予測された体積に応じて光の照射範囲を
設定する設定工程と、上記設定工程に基づいて上記樹脂に光を照射する照射工
程と、を具備したことを特徴とする光造形方法。
【請求項１４】光硬化性樹脂の樹脂に外部から光を照
射し、樹脂を収縮硬化させることによって所定寸法の光
造形物を形成する光造形方法において、上記光造形物の代表肉厚の収縮率を予測して、この予測
により光造形物全体の収縮率を予測する算出工程と、上記算出工程で予測された体積に応じて光の照射範囲を
設定する設定工程と、上記設定工程に基づいて上記樹脂に光を照射する照射工
程と、を具備したことを特徴とする光造形方法。
【請求項１５】上記照射工程は、造形すべき形状の境
界に最初に光を照射した後に、この境界内部を塗り潰す
ように光を照射して上記樹脂を硬化させることを特徴と
する請求項１２ないし請求項１４のいずれかに記載の光
造形方法。