WO2017158739A1 - 光加工装置および造形装置 - Google Patents

Abstract

光加工装置の機動性を高めること。一次元以上の拡がりを有する加工領域に対して、ノズルヘッドを介して光加工用光線を照射しつつ、前記ノズルヘッドを移動して前記加工領域を走査する光加工装置であって、光加工用光線を前記ノズルヘッドに向けて大気中に出射する光源と、鉛直方向に中空のノズルと、前記光源から射出され大気中を伝搬してきた前記光線を受光し、受光光線の伝搬方向を前記加工領域内の現に加工している加工点方向に変換して光線方向変換光学系とを有するノズルヘッドと、前記ノズルヘッドに前記加工領域の主走査方向で走査させて前記ノズルヘッドを移動する主走査方向移動機構と、を有する。

Description

光加工装置および造形装置

　本発明は、加工面にレーザ光などの光を照射し、その照射部に、例えば、粉体材料を含む流体を噴射することにより、粉体材料を溶融して造形する光加工に用いられる光加工装置に関するものであり、特に、光加工装置の加工ヘッド（光加工ヘッド、ノズルヘッド）もしくはノズルの移動の機動性ならびに加工精度の向上に関する。

　上記技術分野に属する特許文献１では、粉体材料を加工点に向けて射出する粉体射出部と加工光のエネルギーを集光する集光光学系とが一体となった加工ヘッドが開示されている。

米国特許第７２２３９３５号明細書

　従来の構造では、粉体射出部であるノズル（あるいはノズルヘッド）と集光光学系とが一体となっているため、光加工ヘッドは重いものであり、光加工ヘッドを移動させる際の機動性が低かった。

　特に、レーザ光などの加工光の光源は重量があり機動性は低い。そのため、光源を光加工ヘッドと共に移動させることは困難である。そこで従来では、光源を固定し、光源と光加工ヘッドを光ファイバーで結び、光加工ヘッドを移動させる構成としていた。

　さらに、光ファイバー自体は細く重くはないものの、光ファイバーを保護する被覆を含めると重量とボリュームは嵩み、さらに、光加工ヘッドと共に移動するファイバーが他の機器と干渉するおそれがある。そのために、光加工ヘッドの集光光学系のみならず、光ファイバーも加工装置全体の機動性を低める障害となっていた。

　本発明は、ノズルヘッドが光源に対して移動可能（相対位置が可変）な光加工装置において、ノズルヘッドの移動の機動性を向上させた光加工装置を提供することを目的とする。

　本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

　上記目的は、光源からノズルヘッドまでの加工光線（光線）を開放空間中で伝搬させ、開放空間中を伝搬してきた加工光線をノズルヘッドの光学系で捉え、さらに捉えた加工光線の進行方向をノズルヘッドの加工点方向に変換して加工点に送ることができる、光加工装置を提供することによって達成できる。
　ここで、開放空間とは、大気中、不活性ガス中、あるいは真空中などである。不活性ガスとして、たとえば、ヘリウム、窒素、アルゴンなどがある。

　上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、
　一次元以上の拡がりを有する加工領域に対して、ノズルヘッドを介して光加工用光線を照射しつつ、前記ノズルヘッドを移動して前記加工領域を走査する光加工装置であって、
　前記光加工用光線を前記ノズルヘッドに向けて開放空間に射出する光源と、
　中空のノズルと、前記光源から射出され、前記開放空間中を伝搬してきた前記光線を受光し、受光光線の伝搬方向を前記加工領域内の前記加工領域方向に変換する光線方向変換光学系とを有するノズルヘッドと、
　前記ノズルヘッドを前記加工領域の主走査方向に移動させる主走査方向移動機構と、
　を有する。

　上記目的を達成するため、本発明に係る造形装置、
　上記光加工装置を具備して積層造形を行う造形装置であって、
　前記ノズルヘッドは、粉体材料を吸入する吸入部を有し、吸入した粉体材料を前記加工点に向けて噴射する。

　本発明によれば、光加工装置の機動性を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る光加工装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態の光加工装置において、ノズルヘッドの任意の移動に追随して、光源からの平行光線が、エネルギーの拡散やロスもなくてノズルヘッドに到達する原理を説明する図である。第1実施形態では、光源からの光線が、移動するノズルヘッドの移動に追随してノズルヘッドに到達するのは、光源からの光線を中継してノズルヘッドに案内するための平板ミラーが、ノズルヘッドの移動に同期して移動するスライダー上に設けられている。 本発明の第１実施形態の光線方向変換光学系１４００の構成を示す図である。特に、光線方向変換光学系１４００の平面ミラー１０４６により、Ｘ軸ガイドレール１０４０ＸＲに沿って進行する光線が集光レンズ１０７０に向けて屈折され、さらに集光レンズ１０７０により平行光線が加工点１０６０で収束するように集光される様子を示す。 本発明の第１実施形態の加工装置において、ノズルヘッドが時間の経過(ｔ１→ｔ２→ｔ３)と共にＸＹ平面上で移動に追随して、加工点(集光点または光線の収束点)が加工基板１００８上の一点(１０６０)に集光し続け、移動していく様子を示す図である。 本発明の第１実施形態において、ノズルヘッドがＹ軸方向（１０２０Ｙ）に平行移動しても、Ｙ軸方向に平行な光線１０４２Ｙが、Ｙ軸に対して４５度傾斜した平面ミラー１０４５により、ノズルヘッド１０００に到達させられる様子が、さらに、ノズルヘッドがＸ軸に対して平行移動（１０２０Ｘ）しても、光源からの光線１０４２Ｙはミラー１０４６により方向１０２０Ｘに平行な光線に替えられているので、同じように、ノズルヘッド１０００に到達させられる様子を示す図である。 本発明の第１実施形態の光加工装置を、Ｙ軸に沿って複数ヘッドを配置したマルチヘッド光加工装置に適用した変形実施例の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる光加工装置２５００の構成を概念的に示す図である。第２実施形態の光加工装置は、第１実施形態の光線方向変換光学系の改良に関わり、図７は、特に、第1実施形態の方向変換ミラーと集光レンズとの機能を一体化させた回転対称ミラー２４００を図示する。 本発明の第２実施形態の回転対称ミラー２４００を、回転楕円体鏡面を有するミラー３４００により実現した第２実施形態の、第１実施例の構成を示す図である。 第２実施形態の第１実施例である回転楕円体鏡面３４００の構成を説明する図であり。 本発明の第２実施形態の回転対称ミラー２４００を、回転放物面体鏡面を有するミラー４４００により実現した第２実施例の構成を示す図である。第２実施形態の第２実施例にかかる回転放物線ミラーを使用した光加工装置では、光源光線は平行光線であることが好ましい。 図７の第２実施形態(第1実施例と第2実施例に共通)の光加工装置２５００において、ノズルヘッドが二次元平面内で移動されているに際して、光源からの光線が移動しているノズルヘッドの入射開口２０２２に追随させる動作（光源２００１の自転角度（α）と構成を示す。 光源がノズルヘッドの斜め上方におかれる第２実施形態(第１実施例、第２実施例に共通)の光加工装置２５００において、ノズルヘッド２０００の移動によって、光源からの距離に変動があった場合に、入射光線の入射開口２０２２への追随を可能とするために、光源２００１のＺ軸方向高さ（Ｌz）を調整することが必要となる理由を説明する図である。 光源が斜め上方におかれる第２実施形態の第１実施例の光加工装置３５００において、ノズルヘッド３０００の移動によって、光源からノズルヘッドまでの距離変動があった場合に、入射光線の入射開口２０２２への追随した結果発生する、光源３００１Ｉの集光光学系の焦点距離を制御する原理を説明する図である。

　以下に、本発明を適用した好適な実施形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

　以下に説明する２つの実施形態、ならびに、それらの実施例もしくは変形例は、本発明の光加工装置を、粉体材料を加工光線（加工光、光線、光線ビーム）により溶融して積層形成を行う造形装置に適用したものである。造形装置としても、光加工装置としては変わるところは実質的にないので本明細書では、「光加工装置」として総称する。

＜実施形態装置の概略＞
　第１実施形態の加工装置は、図１乃至図６により説明される。第２実施形態の装置は、図７乃至図１３により説明される。

　第１実施形態装置、第２実施形態装置、そして、これらの実施例装置や変形実施例装置の共通の課題は、ノズルヘッドを移動させながら光加工する場合において、ノズルヘッドへの光線エネルギーの伝搬を、従来のような光ファイバーに頼らずに、即ち、ノズルヘッド動作に対して物理的な外乱力として働く懼れのある光ファイバーのような光伝搬媒体を用いずに、開放空間を伝搬媒体として、光源からの光線エネルギーを、ノズルヘッドを介して加工点に伝搬することにある。
　ここで、光線エネルギーは、可視光、ミリ波、赤外線、紫外線などあらゆる波長域の電磁波のエネルギーでよい。

　第１実施形態では、光源から射出される加工光線は「平行光線」を用いる。他方、第２実施形態では、回転対称体ミラー（楕円体ミラー、や回転放物面体ミラー）を用いる。この際、前者の楕円体ミラーの第１実施例に対しては「集光光線」を用い、後者の放物面体ミラーに対しては平行光線を用いる。

第１実施形態

　以下、図１乃至図６を参照して、第１実施形態の光加工装置と、その変形例であるマルチヘッド光加工装置について詳細に説明する。

　第１実施形態にかかる光加工装置１５００は、第２実施形態の光加工装置と同様に、光源と独立して移動する（つまり、相対位置が可変である）ノズルヘッド１０００を含み、その適用分野は、ノズルヘッド（加工用ノズル）１０００が集光した光が生み出す熱で流体中の粉体材料を溶融することにより三次元造形物を造形する、もしくは、肉盛溶接を生成する装置である。

　第１実施形態の光加工装置１５００は、ノズルヘッド１０００の他に、加工光線（加工光、光線、光線ビーム）を発生してその加工光線を平行ビーム（平行光線）の形態でノズルヘッド１０００に向けて射出する光源１００１、加工対象である加工基板１００８を載置するステージ１００５、粉体材料を収容する材料収容装置１００６、粉体材料をノズルヘッド１０００に供給する材料パイプ１０３０、ノズルヘッド１０００を移動するノズルヘッド移動機構１０４０、そして、光加工装置１５００の動作を制御する制御部１００２を備えている。

　光源１００１としては、本明細書では、便宜上、レーザ光源を用いることとするが、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）、ハロゲンランプ、キセノンランプなども用いることができる。材料の溶融に使う光線はレーザ光に限るものではなく、加工点１０６０で粉体材料を溶融することができるものであればどのような光線でもよい。例えば、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などの光線であってもよい。

　材料収容装置１００６は、ノズルヘッド１０００に対し、材料パイプ１０３０を介して材料（粉体、粉体材料）を含むキャリアガスを供給する。例えば、材料は金属粒子、樹脂粒子などの粉体材料である。キャリアガスは、不活性ガスであり、例えばアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス、などの流体でよい。材料パイプ１０３０は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流をノズルヘッド１０００へと導く。ただし、材料は線材でもよく、この場合、キャリアガスは不要となる。

　ノズルヘッド１０００は、たとえばコアキシャル型と呼ばれる構造を有していてもよい。その場合、ノズルヘッド１０００は回転対称軸を有し、加工点１０６０へ向かい先細りする回転対称な外部筐体と内部筐体から構成される。両者は、間隙（スリット）が形成されるように配置される。粉体流は、このスリットを通り加工点１０６０へと射出され、加工点１０６０で収束される。このとき、スリットの幅を変化させることで、粉体のスポット径を変化させることができる。つまり、外部筐体をスライドさせてスリット幅を変化させることにより、線状の造形物の幅を変化させることが出来、細書きあるいは太書きを実現できる。制御部１００２は、細書きまたは太書きなどの造形条件を入力し、入力した造形条件に応じて光源１００１からのレーザ光の出力値を変更すると共に、ノズルヘッド１０００の外側筐体をスライドさせる。これにより、ノズルヘッド１０００から射出される粉体の粉体スポット径を、加工基板１００８上に形成する溶融プール径に合わせて制御する。

＜ヘッド走査移動機構＞
　図１と図２を用いて、第１実施形態のノズルヘッド移動機構１０４０の詳細について説明する。図１のノズルヘッド移動機構１０４０の詳細構成は図２に示される。

　第１実施形態のノズルヘッド移動機構１０４０は、ノズルヘッド１０００を、制御部１００２内の所定のプログラムに従ってＸ軸（１０２０Ｘ）とＹ軸（１０２０Ｙ）が成すＸＹ平面内で所望の位置に移動し位置決めするもので、ノズルヘッド１０００を、任意のＸＹ座標系の座標位置に移動する。ここで、ＸＹ平面は、鉛直方向に垂直な水平面であり、Ｚ軸（１０２０Ｚ）方向は、このＸＹ平面に垂直な軸である。ただし、これに限るものではなく、ＸＹ平面の法線は鉛直ではなくどのような方向を向いていても構わない。ＸＹ平面の法線を鉛直方向に限るものではなく、鉛直方向にした場合、加工に使用されなかった余剰な粉体材料が鉛直方向に落ちるため、回収しやすいという利点がある。

　Ｙ軸方向に沿って伸びたＹ軸ガイドレール１０４０ＹＲの一端は、制御部１００２の位置決めプログラムの座標系の所定の固定位置に対応する固定物に固定されている。このＹ軸ガイドレール１０４０ＹＲ上に沿ってＹ軸スライダー１０４０ＹＳが位置決めプログラムに即して自在に移動する。

　Ｘ軸ガイドレール１０４０ＸＲは、このＸ軸ガイドレール１０４０ＸＲがＹ軸ガイドレール１０４０ＹＲに直交するように、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳに固定されている。ただし、この限りではなく、Ｘ軸ガイドレール１０４０ＸＲは、Ｙ軸ガイドレール１０４０ＹＲに斜交するように取り付けられてもよい。以上により、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳがＹ軸ガイドレール１０４０ＹＲ上を移動するにつれて、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳに固定されたＸ軸ガイドレール１０４０ＸＲが、そのＹ軸ガイドレール１０４０ＹＲに対する直交状態（あるいは斜交状態）を保ちながら移動する。

　Ｘ軸に平行なＸ軸ガイドレール１０４０ＸＲ上をＸ軸スライダー１０４０ＸＳは自在に移動する。ノズルヘッド１０００本体はこのＸ軸スライダー１０４０ＸＳに固定されている。ノズルヘッド１０００のＸ軸位置は、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳがＸ軸ガイドレール１０４０ＸＲに沿って移動させることによって位置決めすることができる。

　Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳと同じく、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳは、Ｘ軸ガイドレール１０４０ＸＲの所定の位置に固定され、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳ自体は、内部を貫通するＹ軸ガイドレール１０４０ＹＲに沿ってＹ軸方向（図１の矢１０２０Ｙの方向）にスライドするが、Ｘ軸方向（即ち、矢１０２０Ｘの方向）には移動しない。

　したがって、接続部１００７は、所定の制御プログラムにより、ノズルヘッド１０００を座標（ｘ１，Ｙ1）に移動するときは、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳを「ｘ１」位置に移動させる指令と、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳを「Ｙ1」位置に移動させる指令を送る。

　かくして、第１実施形態のノズルヘッド移動機構１０４０は、制御部１００２の位置決めプログラムを介してＸ軸スライダー１０４０ＸＳとＹ軸スライダー１０４０ＹＳに対してコマンドを送ることにより、ノズルヘッド１０００を所望の加工位置（Ｘ、Ｙ）に位置決めすることができる。

＜光源＞
　第１実施形態の光源１００１は、ノズルヘッド１０００に光線方向反転光学系として設けられた平板ミラー１０４６に光線が到達するように、平行光線１０４２を射出する。因みに、後述の第２実施形態の、光線方向反転光学系として回転楕円体ミラーを用いる第１実施例の光源(３００１)は集光光線を射出し、他方、回転放物面体ミラーを用いる第２実施形態では、平行光線を用いる。

　第１実施例では、ノズルヘッド１０００がＸＹ平面内を自在に移動するのと対照的に、光源１００１は固定位置に不動である。第１実施形態の光源１００１は、第２実施形態の光源(２００１，３００１，４００１)と異なり、ＸＹ平面内でも、Ｚ方向でも移動する必要はない。因みに、第２実施形態の光源は、ＸＹ平面内の移動は不要であるが、Ｚ方向では移動させてもよい。

　また、第１実施形態の光源１００１は、平行光線（１０４２Ｘあるいは１０４２Ｙ）を、走査系が１次元であれば直接ノズルヘッド１０００に向けて、ＸＹ二次元走査系では、中継用の光線方向変換ミラー１０４５に向けて照射する。

　平行光線はその性質故に、開放空間中を進行しても、平行状態は変わらない。また、光源１００１とノズルヘッド１０００との間では、光線方向変換ミラー１０４５や平板ミラー１０４６のみが設けられ、レンズなどの像を変倍する光学系は用いられていない。この平行光線１０４２は、光源１００１とノズルヘッド１０００との間では、ノズルヘッド１０００がＸＹ平面内をいかに移動しようとも、光源１００１と光線方向変ミラー１０４５間の距離、あるいは、光線方向変換ミラー１０４５と平板ミラー１０４６の間の距離が伸縮することはあっても、平行光状態は保たれ、即ち、光線のエネルギー密度は射出時のものに保たれて、ノズルヘッド１０００に到達する。

　本実施形態において、光線方向変換ミラー１０４５と平板ミラー１０４６とは、それぞれＹ軸スライダー１０４０ＹＳおよびノズルヘッド１０００に固定である。しかし、光線方向変換ミラー１０４５と平板ミラー１０４６との協働により、ノズルヘッド１０００のＸＹ平面内の任意の移動があっても、移動したノズルヘッド１０００の平板ミラー１０４６に平行光線をリアルタイムで導く方法も考えられる。

＜ノズルヘッドの構成＞
　ノズルヘッド(または光加工ヘッド)１０００は、ノズル部分１００７を備えており、ノズル部分１００７はたとえば内部に同心円状の２層の中空の管路を備えている。ただし、このような構造に限るものではない。また、図１乃至図４に示されているように、ノズルヘッド１０００は、ノズル部分１００７と光学系部分とからなる。ノズル部分１００７の中心側の管路の中を集光される光線が通り、その外側の管路には粉体流が通る。光線と粉体流とは、ノズルヘッド１０００の先端から射出され、加工基板１００８上の加工点で合流して溶融プールを形成し、造形が行われる。

　ノズルヘッド１０００のノズル部分１００７の内部では、ノズルヘッド１０００の集光光学系により加工点１０６０に向けて集光された加工光線（加工光、光線、光線ビーム）と共に、材料収容装置１００６から供給された粉体が同じく加工点１０６０に向けて供給され、結果的に、ノズル部分１００７の出口から両者が加工点１０６０に送られて、粉体が加工光線（加工光、光線、光線ビーム）の熱により溶融されるのは前述したとおりである。

　ノズルヘッド１０００は、光線（光）を集光させる集光レンズ１０７０(図２参照)を内部に備え、その集光レンズ１０７０の下流に、ノズル部分１００７が取り付けられている。ノズルヘッド１０００に供給されたレーザ光は、内部に設けられた集光レンズ１０７０を介することで、加工面１０６０において集光するように調整されており、ノズル部分１００７内部を経て加工面１０６０に照射される。なお、集光レンズ１０７０は、ノズル部分１００７に対する相対位置を制御することで、集光位置を制御可能に設けられている。

　ノズル部分１００７の直上方には集光レンズ１０７０が設けられ、光源１００１からの平行光線１０４２を集光してエネルギー密度が高められた加工光線（加工光、光線、光線ビーム）が加工点１０６０に到達する。

　集光レンズ１０７０の直上方には、平板ミラー１０４６の法線が、Ｘ軸とＺ軸の両軸に対して４５度傾けられて設けられている。

　図１または図２の配置では、Ｘ軸ガイドレール１０４０ＸＲに平行な平行光線１０４２Ｘは、平板ミラー１０４６に入射すると、反射により光路がＺ軸に沿うように９０度折り曲げられて、平行光１０４２のまま、集光レンズ１０７０に向かう。

＜光線方向変換ミラー１０４５の動作＞
　次に、図２乃至図５を参照しつつ、ノズルヘッド（加工ヘッド）の移動に対し、加工光線（加工光、光線、光線ビーム）である平行光線（平行光線）の追跡動作について説明する。

　光加工装置１５００は、ノズルヘッド１０００が移動している際、切れ目なく加工光線をノズルヘッド１０００に連続して供給することにより、加工のリードタイムを短縮できる。ただし、この限りではなく、加工光線はパルスレーザーなどでもよい。また、敢えて加工光線を止めることにより、造形物の冷却を促し、造形精度を向上させることもある。一方、第１実施形態の光源１００１は固定位置に置かれ、Ｘ，Ｙ，Ｚのいずれの方向に対しても移動することはない。

第１実施形態の加工装置１５００では、光源１００１からＹ軸方向１０２０Ｙに沿って射出された加工光線を、ノズルヘッド１０００に到達させるために、図１乃至図３に示すように、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳに平板の光線方向変換ミラー１０４５を設ける。これによりＸ軸方向１０２０Ｘに向けて光線を反射させることができる。

　このような構成とすることで、光線方向変換ミラー１０４５のＹ軸スライダー１０４０ＹＳに対する相対位置を、ノズルヘッド１０００の移動に応じて変化させる必要がない。つまり、光線方向変換ミラー１０４５の駆動機構が必要ないため、シンプルな構成になるという利点がある。

　光線方向変換ミラー１０４５により反射されＸ軸方向１０２０Ｘに沿って伝搬する加工光線（光線、光線ビーム、平行光線）は、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳに設けられた平板ミラー１０４６により、ノズル部分１００７に向けて下方（Ｚ方向１０２０Ｚ）に折り曲げられる。

　第１実施形態では、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳ上の光線方向変換ミラー１０４５の法線は、Ｙ軸とＸ軸の双方に対して４５度傾いており、Ｚ軸方向に直交している。同じく、ノズルヘッド１０００上の平板ミラー１０４６は、Ｙ軸とＺ軸に対して４５度傾いている。

　Ｘ軸とＹ軸は、それぞれＸ軸ガイドレール１０４０ＸＳとＹ軸ガイドレール１０４０ＹＳに平行なので、Ｘ軸ガイドレール１０４０ＸＳとＹ軸ガイドレール１０４０ＹＳとが形成する平面は、Ｘ座標軸とＹ座標軸とが形成するＸＹ平面に平行である。また、光源１００１からＹ軸スライダー１０４０ＹＳ側に向けられた光線１０４２Ｙと、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳに設けられた光線方向変換ミラー１０４５により反射された光線１０４２Ｘとがなす平面も、上記ＸＹ平面に平行である。

　光源１００１から射出された光線（平行光線）１０４２Ｙは、Ｙ軸スライダー１０４０に設けられた光線方向変換ミラー１０４５によってＸ軸ガイドレール１０４０ＸＳに沿った光線（平行光線）１０４２Ｘに変換される。これより、平板ミラー１０４６には常に同じ入射角を持った光線が入射される。したがって、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳに固定されて設けられたノズルヘッド１０００が、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳとＹ軸スライダー１０４０ＹＳとにより、いかなる位置に移動されても、光源１００１から射出された光線は、ノズルヘッド１０００の移動に追随するので、当該光線はノズルヘッド１０００のノズル部分１００７に精度高く到達する。

　第１実施形態では、光線方向変換反射ミラー１０４５と平板ミラー１０４６とにより、ノズルヘッド１０００がＸＹ平面上のどの位置に移動しても、そのノズルヘッド１０００の位置に加工光線１０４２を導いている。即ち、上述したように、第１実施形態の加工装置１５００は、ノズルヘッド１０００が移動しても、加工光線はノズルヘッド１０００の移動に正確に追随し、ノズルヘッド１０００に到達する。

　第１実施形態の加工装置１５００は、ノズルヘッド（加工ヘッド、光加工ヘッド）１０００の位置、移動速度、移動方向の如何によらず、ノズルヘッド（加工ヘッド、光加工ヘッド）１０００に到達する光線のエネルギーを変動させない。換言すれば、開放空間中の伝搬による光線のエネルギーの損失は極小である。

　図３は、ノズルヘッド１０００内に設けられた光線方向変換光学系１４００の構成のＸＺ断面図を示す。光線方向変換光学系１４００は、Ｘ軸に平行な平行光線１０４２Ｘの伝搬方向をＺ軸方向に変換（その光線を図３のように、「１０４２Ｚ－Ｃ」とする）する平板ミラー１０４６と、Ｚ軸方向に方向を変換された光線を集光する集光レンズ１０７０とからなる。集光された集光光１０４２Ｚ－Ｆは、ノズル部分１００７の、内側の管路の開口部１０２２に入射し、加工点１０６０に向けて照射される。前述したように、粉体流はノズル部１００７の外側の管路を通り、同加工点１０６０に向けて吹き出される。こうして、集光光１０４２Ｚ－Ｆは加工点１０６０上で積層加工などを行う。この積層加工の過程で、ノズルヘッド１０００は、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳあるいはＹ軸スライダー１０４０ＹＳの移動により、二次元の平面領域での積層加工することができる。

　図３は、説明の簡略化のために、２つのガイドレールのうち、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳが摺動するＸ軸ガイドレール１０４０ＸＲのみを示し、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳなどの図示は省略している。即ち、図１では、光源１００１からの射出光線はＹ軸スライダー１０４０ＹＳに向かうが、図３では、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳの図示は省略して、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳの平板ミラー１０４６に向かう光線のみ示している。

　図１，図２，図５では、簡略化せずに、Ｙ方向光線１０４２ＹとＸ方向光線１０４２Ｘの双方を図示する。

　図３で、光源１００１からの射出光は集光レンズ１００３－ＣＬの働きにより、平行光線となる。図１または図２，図５で、光源１００１から射出された平行光線（平行光）１０４２Ｙは、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳの光線方向変換ミラー１０４５に入射し、そこで、反射により９０度だけ折り曲げられ、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳの平板ミラー１０４６に入射する。フル反射ミラー１０４６は、この平行光線（平行光）１０４２Ｘを反射により９０度折り曲げて下方（鉛直下向き）の集光レンズ１０７０に入射させる。集光レンズ１０７０は集光光１０４２Ｚ－Ｆを加工点１０６０に向けて集光する。

　図３では、光源１００１からの平行光線（平行光）１０４２Ｘは、図３には不図示の光線方向変換ミラー１０４５を経て、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳの平板ミラー１０４６に到達する。平板ミラー１０４６で反射されて折り曲げられた平行光線（平行光線）１０４２Ｚ－Ｃは同じく集光レンズ１０７０に入射する。集光レンズ１０７０は、平行光線を加工点１０６０に向けて集光光（集光光線）１０４２Ｚ－Ｆに変換する。

　かくして、図１，図２，図３，図５において、光源１００１からの平行光線は、平行光線のまま、ノズルヘッド１０００が設けられたＸ軸スライダー１０４０ＸＳに設置された平板ミラー１０４６に入射し、この平板ミラー１０４６により平行光線のまま方向を変換されて反射され、さらに、集光レンズ１０７０により集光光１０４２－Ｆに変換され、加工点１０６０の加工に用いられる。

　即ち、図１，図２，図３，図５において、光源１００１からノズルヘッド１０００までは平行光線であるので、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳやＹ軸スライダー１０４０ＹＳがどのように移動しようとも、平行光線が保たれる。従って、加工光線（加工光、光線、光線ビーム）は光源１００１と平板ミラー１０４６との間では、集光もしなければ発散もせずに、平行光のまま保たれる。即ち、ノズルヘッド１０００の平板ミラー１０４６で受光される加工光線（加工光、光線、光線ビーム）のエネルギーは、光源１００１から射出された加工光線のエネルギーと同量である。換言すれば、ノズルヘッド１０００が、ＸＹ平面内のどの位置に、いかなる速度で移動しようとも、加工点１０６０に照射されるエネルギーは等量である。即ち、均一な溶融加工が実現される。

　図４は、説明を簡略化させるために、Ｙ軸スライダー１０４０ＹＳが座標位置Ｙ0に停止しているときのノズルヘッド１０００と光源１００１を示した図である。時刻ｔが、ｔ１→ｔ２→ｔ３と変化したとき、Ｘ軸スライダー１０４０ＸＳの座標値が、ｘ１→ｘ２→ｘ３と変化する。このとき、平行光線１０４２の経路が、１０４２（ｔ１）→１０４２（ｔ２）→１０４２（ｔ３）と変化し、その経路長が変化しても、平行光の状態は保たれる。従って、加工点１０６０における加工光線の照射エネルギーに変動はなく等量であることを示している。したがって、加工点１０６０における加工は加工プログラムの仕様通りに行われる。

＜第１実施形態の効果＞
　以上説明した第１実施形態の光加工装置によれば、以下の効果が得られる。

Ａ：ノズルヘッド１０００と光源１００１とは分離されており、互いに独立して相対位置を変化させることができる。加工用の光線は、光源１００１からノズルヘッド１０００に向けて開放空間を介して送っている。そのため、従来ではヘッドの機動的動作の障害になっていたファイバーケーブルをノズルヘッド１０００と光源１００１との間で不要にしたことにより、ノズルヘッド１０００の動作の機動性が向上できる。

Ｂ：光源１００１は、図３で示したようにレンズ１００３－ＣＬを用いて平行光線に変換することができる。つまり、光源１００１の光源スポットと加工点１０６０側の集光スポットは共役関係にある。これにより、光源スポットの大きさを変化させることで加工点１０６０側の集光スポットの大きさを変化させることができる。つまり、光加工時に造形幅を調整できるという効果がある。光源スポットを可変にするには、ズームレンズなどの機構を用いればよい。また、光線１００１から発せられる光線のビームプロファイルを変化させ、造形精度の向上を図ることも可能である。このとき、ビームプロファイルを変化させる機構は、光源１００１に備えれば良い。

　以上により、光源１００１に光源スポットを可変にするズームレンズ機構（光源スポット可変機構）や、ビームプロファイル可変機構を盛り込むことができる。これにより、それらをノズルヘッド１０００に搭載した場合と比べ、ノズルヘッド１０００を軽量にでき、機動性を向上させることができる。

Ｃ：光源１００１からノズルヘッド１０００への光線エネルギーの伝搬は平行光線を用いているので、光源１００１からの光線をノズルヘッド１０００に届けるまでの間に中継用の光学系（１０４５)や光線方向変換用の光学系(１０４６)が存在しても、光線エネルギーは発散も収束もされないので、ノズルヘッド１０００の移動にも拘わらず、集光点(加工点)においては均一なエネルギーで光加工が実現でき、加工の高精度化が達成できる。

Ｄ：ノズルヘッド１０００の移動機構は、中継用の光学系(１０４５）や光線方向変換用の光学系（１０４６)により、光源１００１からの平行光線はＹ軸スライダーＹＳに平行に、ノズルヘッド１０００への平行光線はＸ軸スライダーＸＳに平行に伝搬させることが可能になっている。これにより、平板ミラー１０４６に入射する平行光線の入射状態（入射角、入射位置）を、ノズルヘッド１０００の移動に関わらず常に同じにすることができる。これにより、ノズルヘッド１０００に到達する光線は光源１００１から射出された時点光線と同じエネルギー密度の平行光線となる。これにより、全ての加工対象領域での積層加工の均一な加工精度が保たれている。

Ｅ：また、光線方向変換ミラー１０４５及び平板ミラー１０４６は各スライダー１０４０ＸＳ，１０４０ＹＳに固定であり、ノズルヘッド１０００の移動に合わせ、各スライダー１０４０ＸＳ，１０４０ＹＳに対する相対位置を変化させなくてもよいという効果がある。

Ｆ：以上の効果は：
・　光源１００１からの光線が集光レンズ１０７０に到達するまで平行光状態が保たれること、

・　光源１００１からの射出光１０４２ＹはＹ軸に平行であり、また、Ｘ軸と平行なＸ軸ガイドレール１０４０ＸＲと共にＹ軸方向に移動する光線方向変換ミラー１０４５の移動方向もＹ軸に平行であること、

・　平行光１０４２ＸはＸ軸ガイドレールＸＲに平行であることによって達成される。

Ｇ：即ち、ノズルヘッド１０００がＸＹ平面上を二次元的に移動することにより発生する、ノズルヘッド１０００の、光源１００１に対する方位角方向の変位によらず、光線方向変換ミラー１０４５の移動によって吸収されることにより、第１実施形態において、二次元平面内で自在移動するノズルヘッド１０００の平板ミラー１０４６に対する、光源１００１からの射出光の追従性が確保できる。

第１実施形態の変形実施例

　上述の第１実施形態の加工装置１５００は、ガイドレールはＸ軸ガイドレール１０４０ＳＲとＹ軸ガイドレール１０４０ＹＲとの２つにより、二次元平面を走査可能にしていたが、本実施形態では、Ｘ軸ガイドレール１０４０ＳＲとＹ軸ガイドレール１０４０ＹＲとのいずれか一方のみ、即ち、１次元の操作用との加工装置に対しても適用可能である。同様に、第１実施形態は単独のノズルヘッド１０００を有する適用例であったが、複数の加工ヘッド（マルチヘッド）を用いる変形も可能である。

　複数（５個）の加工ヘッドを用いる例を、第１実施形態の変形例（マルチヘッド実施例）として図６を用いて説明する。

　この変形例に係る加工装置１７００は第１実施形態と同様に、Ｘ軸に平行な５対のＸ軸方向ガイドレール（Ｘ－ＧＲ（ｎ））と、Ｙ軸に平行な１対のＹ軸ガイドレール（Ｙ－ＧＲ（ｎ））により形成される平面上で、５個の加工ヘッド（ＨＥＡＤ－＃１～＃５）が自在に位置決めされるように構成される。変形例の個々の加工ヘッド（ＨＥＡＤ）は、第１実施形態の図２のノズルヘッド１０００と異なるところは無い。即ち、夫々の加工ヘッド（ＨＥＡＤ）は、Ｘ軸に平行な平行光を鉛直下方に屈折させるフル反射ミラー（ＦＭ）と、Ｘ軸ガイドレール（Ｘ－ＧＲ）に沿って移動することによりフル反射ミラー（ＦＭ）を移動するＸ軸スライダー（Ｘ－ＳＬＤ）を有する。

　ｎ番目のＸ軸ガイドレール（Ｘ－ＧＲ（ｎ））は、Ｙ軸ガイドレール（Ｙ－ＧＲ）に沿って自在に移動するＹ軸スライダー（Ｙ－ＳＬＤ（ｎ））に支持される。かくして、任意のｎ番目のＹ軸スライダー（Ｙ－ＳＬＤ（ｎ））がＹ軸ガイドレール（Ｙ－ＧＲ）上を移動し、当該移動するＹ軸スライダー（Ｙ－ＳＬＤ（ｎ））に支持されたＸ軸ガイドレール（Ｘ－ＧＲ（ｎ））上をＸ軸方向にＸ軸スライダー（Ｘ－ＳＬＤ（ｎ））が移動することにより、任意のヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））をＸ軸とＹ軸上の任意の座標位置において位置決めできる。

　Ｙ軸スライダー（Ｙ－ＳＬＤ（ｎ））に設けられているミラーＨＭは、第１実施形態の光線方向変換ミラー１０４５と異なり、入射した光線の一部を反射し一部を透過させるハーフミラーである。

　当該変形例に係る図６の加工装置は、１つの光源（不図示）からの一本の加工光線を５つの加工ヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））が共有する例である。１つの光源からの光線のエネルギーを５つの加工ヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））に分配し、併せて、ハーフミラー（ＨＭ（ｎ））の透過率（Ｔ）と反射率（Ｒ）とを適当に調整することにより、個々の加工ヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））のフル反射ミラー（ＦＭ（ｎ））に注がれる光線のエネルギー量を、個々に制御できる。

　図６の変形例のマルチヘッド構成を、個々の加工ヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））で等量のエネルギーに設定する場合における、個々のハーフミラー（ＨＭ（m））の透過率（Ｔ）と反射率（Ｒ）は下記表（表１）に示されたセッティングを用いる。ここで、加工ヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））の数を５個とし、それをnとする。光源からの１本の平行光線のエネルギーをＩ（Ｗ：ワット）とすると、５個の加工ヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））の各々に均等に供給される、とする設計の下では、１個あたりのエネルギーは５分のＩ（Ｗ）である。

　以上のセッティングにより、第１実施形態のマルチヘッド変形例によれば、各加工ヘッド（ＨＥＡＤ（ｎ））に供給されるエネルギー量は、光源からの射出エネルギーをＩ（ワット）とすると、一様に、Ｉ／５（Ｗ）となる。
　ここで、表１より明らかなように、m番目のハーフミラー（ＦＭ（ｍ））の反射率は1/(n-m+1)＊１００となる。

第２実施形態

　第２実施形態は、第１実施形態で採用した光線方向反転光学系としての平板ミラー１０４６を、回転対称ミラーにより置き換えることにより不要にする。さらにいえば、同ミラーの採用により、第１実施形態の反転光学系と集光レンズの２機能をミラーに集約できるという利点にある。

＜加工装置の全体構成＞
　図７を用いて第２実施形態の光学装置の概念を説明する。

　第２実施形態の光加工装置２５００も、第１実施形態と同じように、光源２００１とノズルヘッド２０００と、ノズルヘッド２０００を移動させる走査移動機構(不図示)、さらに、制御装置(不図示)、材料供給系(不図示)、などから構成される。光源２００１は、光線２０４２（あるいは光）をヘッド２０００に向けて射出する。かくして、第２実施形態光加工装置は、第１実施形態光加工装置と同様に、光源２００１とノズルヘッド２０００との間には光ファイバーなどの光線伝搬媒体を不要である。

＜第２実施形態の走査移動機構＞
　第２実施形態では第１実施形態の移動機構１０４０がそのまま用いられているために、図７～図１３では、図面中に、ヘッドの走査移動機構の図示は省略されている。

　第２実施形態の走査移動機構が、第１実施形態の移動機構１０４０と異なるところは、前者が、後者の平板ミラー１０４６と光線方向変換ミラー１０４５とを不要にしていることである。第１実施形態における光線方向変換ミラー１０４５は、光源１００１から、Ｙ軸沿いに送られてきた平行光線１０４２をＸ軸に平行に平板ミラー１０４６に送るものであるが、光源２００１からの光線をノズルヘッドに直接送出する第２実施形態では光線方向変換ミラー１０４５は用いる必要はない。

＜光源＞
　第２実施形態の光源２００１は、光加工装置２５００に固定されている。光源２００１は、たとえばＲＡＹＬＡＳＥ社の３Ｄスキャナーでよく、３Ｄスキャナーからの光線の集光点を３次元空間内に自由に走査できる。このとき、ノズルヘッド２０００に備えられた入射開口に集光点を追随させることができる。ただし、光源２００１の構成は様々であり、たとえば一部稼働してもよく、光源２００１の固定は、Ｘ座標方向とＹ座標方向に関して固定し、
Ｚ方向と光源２００１の鉛直軸周りの回転方向については固定されてなくても良い。このような構成で、光源２００１からの光線をノズルヘッド２０００に備えられた入射開口に入射させることができる。このとき、第２実施形態の光源２００１は、Ｚ座標(図１２参照)における光源２００１の高さ位置(高さ調整)と、光源２００１の方位角方向(図１１の角度Δα)と、光源２００１のチルト角度については調整(図１３の角度Δβ)が必要である。これらについては、図１１乃至図１３を用いて後述する。

　第２実施形態の光源２００１は、第１実施形態のそれと同様に、固体レーザ、ファイバーレーザ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、などでよい。ただし、これに限らず、電磁波を発生するものならばなんでもよい。

　光源２００１は、光源自体をＺ軸（２０２０Ｚ）の周りに角度αだけ回動するタレットテーブル２８００により回転させられる。

＜ノズルヘッド＞
　ノズルヘッド２０００のノズル２００７内部では、光線方向変換光学系（回転対称ミラー）２４００により加工点１０６０に向けて集光された加工光線が、粉体供給部１００６から供給された粉体と共に加工点１０６０に向けて供給され、結果的に、加工点１０６０において、粉体が加工光線の熱により溶融され、溶融プールを形成するのは前述したとおりである。

　光源２００１は、光線２０４２をノズルヘッド２０００に向けて射出する。光線２０４２は、ノズルヘッド２０００の入射開口２０２２に到達し、回転対称ミラー２４００によって光路を鉛直方向に変換され、方向変換された光線２０４２－Ｆは射出開口２０２４を介してノズル２００７に入り、ノズルの先端で加工基板１００８の加工点１０６０で光加工を行う。

＜光線方向変換光学系（回転対称ミラー）の採用＞
　ノズルヘッド２０００は、光源２００１からの光線２０４２の光線方向を、ノズルヘッド２０００内で変換する光線方向変換光学系２４００を有する。この光線方向変換光学系２４００は、第１実施形態の平板ミラー(１０４６)と異なり、回転対称ミラー２４００を用いる。この回転対称ミラー２４００の具体例が、回転楕円体ミラー３４００(第１実施例、図８，９参照）と回転放物面体ミラー４４００（第２実施例、図１０参照）である。

　以下の説明では、回転楕円体ミラー３４００(第１実施例)や回転放物面体ミラー４４００）を総称して「回転対称ミラー」と呼ぶ。

　回転対称ミラー２４００は、その回転対称軸はノズル２００７の中心軸と一致し、ミラー面はノズル２００７の内側に形成されている。回転対称ミラー２４００は少なくとも１つの焦点を形成することができ、その焦点は、ノズル２００７に対して加工点側に設定することが可能である。

　一方、回転対称ミラー２４００は、ノズルヘッド２０００の中心軸の周りに回転対称となるように、ミラー面を形成されているので、その回転対称のミラー面によって形成される一群の焦点列はノズルヘッド２０００の中心軸に一致させることができ、そのようにミラー面を形成することができる。

＜射出光線の方位方向の補正＞
　回転対称ミラー２４００の形状をノズルヘッド２０００の中心軸の周りに回転対称に設定することの技術上の長所は、第２実施形態のノズルヘッド２０００がＸＹ水平面内を任意方向に移動していく過程で、位置座標の変動ΔＸ、ΔＹが大きくなる。ここで、方位角のずれ量をΔαとすると、

であらわされる。これよりＸ方向の移動量ΔＸが相対的に小さいとき、あるいはＹ方向の移動量ΔＹが大きいときは、Δαが大きくなる。光源２００１は、加工光線をノズルヘッド２０００の入射開口２０２２に合致させて照射し続けることができる。光源２００１の光線射出方向をノズルヘッド２０００の入射開口部２０２２の方向に合致させる調整は、図７において、光源２００１のタレット機構（タレットテーブル）２８００が光源２００１を回動軸２０２０Ｚの周りに角度αだけ自転させることによって実現できる。

　図１１は、第２実施形態の光加工装置２５００において、ノズルヘッド２０００による加工光線２０４２の焦点Ｆが、座標位置ＸＹＺが（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動しようとする場合において、座標ＸＹＺα（０，０，Ｌ０、０）にあった光源２００１を角度αだけ自転させる様子を示している。

　図１１において、回転対称ミラー２４００の回転対称軸上にある焦点ＦがＸＹ水平面上を（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動しようとする場合、光源２００１からの射出光線２０４２の方位角の変位量Δαは、　　　

によって決定される。

　かくして、第２実施形態で、ノズルヘッド２０００が（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動しようとする場合に、光源２００１からの光線２０４２は方位角変化Δαだけ回転させれば、ノズルヘッド２０００の入射開口２０２２を捉えることができる。

　この場合、ノズルヘッド２０００の走査移動機構は、第１実施形態と同じく、Ｘ軸とＹ軸の２次元テーブルであるので、ノズルヘッド２０００自体のＸ軸とＹ軸に対する姿勢は変動しない。即ち、ノズルヘッド２０００が（Ｘ0，Ｙ0，０）にあるときのノズルヘッド２０００のＸ軸に対する姿勢角度(図１１では角度ゼロ度)は、ノズルヘッド２０００が（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動した時点でも変わらない。しかし、ノズルヘッド２０００の光線２０４２に対する角度は、（Ｘ0，Ｙ0，０）での光線２０４２－０に対するゼロ度から、（Ｘ１，Ｙ1，０）におけるΔαに変化している。

　第２実施形態のノズルヘッド２０００の回転対称ミラー２４００の中心軸に対する回転対称性という性質は、ノズルヘッド２０００の光線２０４２に対する姿勢変位Δαが変化しても、常に同様の光線変換を行えるという効果がある。

　図１２は、第２実施形態のノズルヘッド２０００が、座標位置（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ1，０）に移動し、光源２００１からノズルヘッド２０００の入射開口２０２２までの距離Ｄの変化（Ｄ０からＤ１）した場合を示す。図１２は、光源２００１の高さを、初期高さ位置Ｌ０からΔＺだけ変位させれば光源２００１からの光線２０４２は、ノズルヘッド２０００の位置（Ｘ0，Ｙ0，０）から（Ｘ１，Ｙ１，０）への位置変化に対しても、光線方向を変化させなくても良いことを示している。

　光源２００１の初期高さＬ０が既知であるとすると、簡単な計算から調整後の光源２００１の高さＬｚは、

により得ることができる。

　図１２の例では、光源２００１のＺ軸方向の光源２００１のＺ軸に対する移動は平行移動であるとして、移動前後の光源２００１のＺ軸に対する光線射出方向のチルト角βは既知であり、移動前後で変わらないことを仮定した。

　上記の光源２００１の高さ方向への高さ調整により、ノズルヘッド２０００のＸＹ水平面内での移動があっても、光源２００１からの光線２０４２がノズルヘッド２０００の入射開口２０２２を捕捉し続けることができる。

　なお、図１２の手法は、光線２０４２が平行光線である場合により効果的である。平行光であれば、光源２００１から入射開口２０２２までの距離が変わっても、平行光状態は変わらないので、後述するように、ノズルヘッド２０００のミラー２４００が、回転放物面体(図１０)の形状を有する場合に効果的だからである。

　次に、回転対称ミラー（光線方向変換光学系）２４００の具体例を、第２実施形態の第１実施例および第２実施例として説明する。

＜回転楕円体ミラー面の適用＞…第２実施形態の第１実施例
　図７の第２実施形態の回転対称ミラー（光線方向変換光学系）２４００の具体的な適用例を図８乃至図１０を用いて説明する。

　図８乃至図１０に示された構成部品の図中参照番号に関して、図７の参照番号の末尾３桁と同じ番号を有する第２実施例の構成部品は、上位概念としての回転対称ミラー２４００（図７）を採用した第２実施形態の同部品と同一物もしくは同一種類の部品構成要素である。

　図８は、第１実施例としての光加工装置３５００に設けられた、ノズルヘッド３０００の内部断面図を図示する。ノズルヘッド３０００の内部に回転対称回転楕円体ミラー(以下「回転楕円体ミラー」と称す)３４００、具体的には、回転楕円体の表面形状を有するミラー面によって光線変換光学系は構成されている。

　ノズルヘッド３０００は、入射開口３０２２と射出開口３０２４を備えている。入射開口３０２２に連続して、回転楕円体ミラー３４００の内面にミラー面が形成されている。回転楕円体ミラー３４００のミラー面は、ノズルヘッド３０００の射出開口部３０２４まで続いている。

　なお、光線方向変換光学系が回転対称ではなく、回転対称軸を持たない場合、中心軸３０２３は入射開口３０２２から射出開口３０２４に向かう方向を正とする軸とする。

　図９は、回転楕円体ミラー３４００のミラー面３４００が回転楕円体鏡面の幾何学を説明する。

　一般に、回転楕円体は２つの焦点Ｆ１とＦ２とを有する。楕円体の中心軸３０２３を、第２実施形態の走査移動機構のＺ軸に一致させ、楕円の長軸をａ、短軸をｂとし、楕円体の中心ＯをＸＹＺ座標系の原点にとると、焦点Ｆ１とＦ２の（Ｘ、Ｚ）座標値は、

に位置する。楕円の性質として、いずれか一方の焦点（例えばＦ１）を通り、当該楕円体の任意の位置の壁面に結ぶ線分が、その壁面と成す角度は、他の焦点（例えばＦ２）から同壁面上の点にまで結ぶ線分が当該壁面で成す角度に等しい。即ち、楕円体の一方の焦点（Ｆ１）に入力した光線が、当該楕円体の壁面にあたって反射すると、その反射光線は、他方の焦点（Ｆ２）を通ることになる。

　そこで、光源３００１からの集光光線を、回転楕円体ミラー３４００の第１の焦点（図９のＦ１）に集光させ、即ち、光源３００１の集光レンズ３００３の焦点位置を、回転楕円体ミラー３４００の第１の焦点に一致させるように集光レンズ３００３を配置して集光光線３０４２Ｆを第１焦点Ｆ１に入射させれば、即ち、集光レンズ３００３からの全ての加工光線３０４２Ｆの全光束を第１焦点Ｆ１に入射させれば、その光線束は全て、当該回転楕円体ミラー３４００の第２の焦点（Ｆ２）に合焦する。そこで、第２の焦点位置（Ｆ２）を加工点３０６０とすると、加工点１０６０に光線エネルギーが集中して、溶融加工が実現する。

　この楕円体は中心軸３０２３の周りに回転対称である。したがって、光源３００１が、図８の配置に対して、中心軸３０２３に対して任意の角度回転した位置に存する場合でも、入射光線３０４２Ｆは、図８や図９の楕円体鏡面上の点に入射し、そこで、反射して、第２焦点Ｆ２に集光する。

　図８の、回転楕円体ミラー３４００を用いた第１実施例(第２実施形態)の光加工装置３５００の光源３００１に対して、図１１のタレットテーブル２８００により、光源３００１に方位角αの回転を与えることにより光源３００１からの射出光線３０４２Ｆは回転楕円体ミラー３４００の入射開口部３０２２に到達する。即ち、ノズルヘッド３０００の回転楕円体ミラー３４００の回転対称性を巧みに利用して方位角方向のノズルヘッド３０００のずれを調整することができる。もしも回転楕円体ミラー３４００の楕円体が方位角方向の対称性がなければ、図１１の手法で、光源３００１を角度Δαだけまわしても、入射開口部３０２２は捉えることはできているかも知れないが、回転楕円体ミラー３４００による反射光の加工基板上での焦点は、移動前の焦点とずれている懼れがあるからである。回転楕円体ミラー３４００が回転対称であるからこそ、移動前の加工点１０６０の走査機構上のＸＹ座標値（Ｘ0，Ｙ0）が（Ｘ１，Ｙ１）に移動することにより、回転楕円体ミラー３４００の第２の焦点Ｆ２は移動前後でずれが発生せず、正確な光加工が保証される。

　さらに、ノズルヘッド３０００のＸＹ平面上に移動が入射開口３０２２を光源３００１から距離方向の距離Ｄの変動をもたらす(Ｄ１≠Ｄ０)場合には、図１２で説明した光源の高さ方向（Ｚ軸方向)の調整(ΔＺの調整)も適用される。

　即ち、図７に関連して説明した第２実施形態の光線方向変換光学系２４００の具体例としての回転対称ミラー２４００は、楕円体の中心軸周りの回転対称性を具備している。したがって、図７のノズルヘッド２０００によって得られた、ノズルヘッド２０００のＸＹ平面内の移動によるノズルヘッド２０００の位置変化に対する、光源光線による追従性が維持される。

＜光源高さ調整の変形例＞
　図８および図１１は、回転楕円体ミラー３４００や回転放物面体(後述)ミラー４４００などのミラー面の１つの性質である方位角方向の対称性を利用して、ノズルヘッド２０００あるいはノズルヘッド３０００の移動により、光源２００１あるいは光源３００１からの射出光線がノズルヘッド２０００あるいはノズルヘッド３０００の入射開口(２０２２あるいは３０２２)を外れてしまうのを、光源２００１あるいは３００１の光線照射方向を角度Δαだけ調整することにより、入射開口２０２２あるいは入射開口２０２２の位置に照射方向を合わせるものである。回転楕円体ミラー３４００や回転放物面体ミラー４４００の「方位角方向の対称性」とは、回転楕円体や回転放物面体の回転対称軸のある点(例えば楕円体の第１焦点Ｆ1)を通る入射光線について、そのある点から見た入射光線の仰角を一定にした場合、任意の方位方向からの入射光線のミラー面による反射角が同じであることをいう。

　一方、楕円体のもう一つの性質として、第１焦点Ｆ1を通る入射光線は、その入射光線の仰角に拘わらず、第２焦点を通る性質があるから、換言すれば、光源３００１からの入射光線は集光光線であるから、光源３００１の焦点位置が回転楕円体ミラー３４００の第１焦点の位置に一致していれば、その焦点位置Ｆ1に表れる像は光源３００１の発光体の像であり、従って、第１焦点Ｆ1の位置に合焦して結像した発光体の像は、その入射光線の仰角が変化しても、全て、第２焦点Ｆ２に結像する、即ち、第２の焦点位置(加工点１０６０でもある)では回転楕円体ミラー３４００によって、発光体の合焦像が表れるから、高温になり、溶融処理ができる、ということである。

　換言すれば、図１３において、光源３００１の射出光線の仰角をβで表せば、楕円体ミラー３４００を用いて、ノズルヘッドがＸＹ平面内で任意に(ΔＸ，ΔＹ)だけ移動しても、光源３００１のチルト角度βの調整角度Δβについて： 

となる角度調整を行えば、ノズルヘッド３０００の位置が（Ｘ0，Ｙ0）から（Ｘ0＋ΔＺ，Ｙ0＋ΔＹ）に移動しても、光源３００１の仰角を式（５）に従ってΔβの角度分調整すれば、光源３００１の発光体の像が、集光レンズ３００３により、回転楕円体ミラー３４００の第１焦点Ｆ１の位置に合焦して結像し、その発光体像が回転楕円体ミラー３４００の壁面で反射して、この反射像が回転楕円体ミラー３４００の第２焦点Ｆ２に結像して、その結果、加工点１０６０上における光エネルギーの密度は極大化して、効率のよい光加工が達成できる。

　なお、第２実施例の図１３のチルト角の補正は、光源３００１からの集光光線の合焦画像を、回転楕円体ミラー３４００の第１焦点に合わせる必要があるために、移動後の光源３００１から回転楕円体ミラー３４００の第１焦点までの距離Ｄ１に、ズームレンズ３００３の焦点距離を調整して一致させる必要がある。この補正はズームアクチュエータ３０３０を用いる。

　かくして、第２実施形態の第１実施例の回転楕円体ミラー３４００によれば、ノズルヘッド３０００がいかなる移動を行ってもその移動量（ΔＸ，ΔＹ）に見合った光源３００１のチルト角度補正を図１３に従って行えば、光加工を行うことができる。換言すれば、ノズルヘッド３０００の移動に合致して最適な方位角補正と、焦点距離補正と、チルト角度補正、とが同時に達成できる。

第２実施形態の第２実施例

　第２実施形態の回転体曲面は第１実施例の如き楕円体に限られない。例えば、鏡面の曲面が、図１０のように、回転放物面体の場合には、その放物面体の唯一の焦点Ｆに加工点１０６０を一致させることが可能である。

　ただし、図１０の回転放物面体ミラー４４００に対して、光源４００１から照射する光線は平行光線４０４２である。これは回転放物面体ミラー４４００に平行光線４０４２が入射すると、その平行光線４０４２の元の光源４００１の発光源の像が、放物面体の焦点に結像するという性質を利用するためである。

　回転放物面体の第２実施例の構成を図１０に示す。回転放物面体ミラー４４０のミラー面は、回転楕円体の場合と同じく、放物面体の焦点近傍のミラー壁面に射出開口部４０２４を設ける必要がある。回転放物面体は、回転楕円体と異なり、焦点と反対側は外に開いている。このために、この開いている入射開口部４０２２に入射光線を入射する。この場合、入射光線４０４２は平行光線とする必要があり、平行光線であれば、当該放物面体の焦点に、全ての反射光線束が集中するのは上述したとおりである。これにより、平行光線が集光点１０６０で集光される。

　なお、回転放物面体ミラー４４００も、回転楕円体ミラー３４００と同様に、光源の方位角（α）の補正（図１１）、光源の高さ補正（図１２）が必要であることは変わらない。ただし、第２実施例では、平行光線を用いるために、図１３の合焦のための焦点距離補正は不要である。

　［他の実施形態］
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

　また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims (19)

1. 　一次元以上の拡がりを有する加工領域に対して、ノズルヘッドを介して光加工用光線を照射しつつ、前記ノズルヘッドを移動して前記加工領域を走査する光加工装置であって、
   　前記光加工用光線を前記ノズルヘッドに向けて開放空間に射出する光源と、
   　中空のノズルと、前記光源から射出され、前記開放空間中を伝搬してきた前記光線を受光し、受光光線の伝搬方向を前記加工領域内の前記加工領域方向に変換する光線方向変換光学系とを有するノズルヘッドと、
   　前記ノズルヘッドを前記加工領域の主走査方向に移動させる主走査方向移動機構と、
   　を有する光加工装置。
2. 　前記加工領域は二次元領域を包含し、前記ノズルヘッドを前記主走査方向に交差する副走査方向に移動させる副走査方向移動機構をさらに具備し、
   　前記加工領域を前記主走査方向および前記副走査方向で構成される二次元平面内で加工する請求項１に記載の光加工装置。
3. 　前記光源は、平行光線を射出する請求項２に記載の光加工装置。
4. 　前記光源は、焦点距離が可変な光源内集光光学系を内装し、集光光線を射出する請求項２に記載の光加工装置。
5. 　前記ノズルヘッドの前記光線方向変換光学系は、
   　法線が前記主走査方向に対して４５度の角度で傾いた平板ミラーであって、前記光源からの平行光線を反射して、前記平行光線の伝搬方向を前記加工領域方向に変換する平板ミラーと、
   　前記平板ミラーにより前記加工領域方向に変換された前記平行光線を前記加工領域上の加工点に集光するノズルヘッド内集光光学系と、
   　を有する請求項３に記載の光加工装置。
6. 　前記光源は副走査方向に平行な平行光線を射出するものであり、
   　さらに、
   　前記主走査方向移動機構と、副走査方向移動機構と、
   　前記副走査方向移動機構に設けられた光線方向変換ミラーであって、前記光源から前記副走査方向に沿って射出された前記平行光線を反射して、前記平行光線を前記主走査方向に向かわせる、光線方向変換ミラーと、
   　を具備し、
   　前記平板ミラーは、前記主走査方向に沿って伝搬する前記平行光線を受光して、前記加工領域方向に進行方向を変換する請求項５に記載の光加工装置。
7. 　前記光加工装置は、前記加工領域をｎ個のノズルヘッドによって並列的に加工可能であって、
   　前記ｎ個のノズルヘッドの夫々を、互いに平行なｎ個の主走査方向に走査して移動するｎ個の主走査方向移動機構と、
   　前記ｎ個の主走査方向移動機構の夫々に固定されたｎ個の第１光線方向変換光学系と、
   　前記副走査方向移動機構と、
   　を備え、
   　前記副走査方向移動機構は、
   　　１本の副走査方向ガイドレールと、
   　　このガイドレール上を自在に移動可能であり、夫々が前記ｎ個の主走査方向移動機構を、副走査方向に移動させる、ｎ個のスライダーと、
   　　前記ｎ個のスライダーの各々に設けられたｎ個の第２の光線方向変換光学系であって、前記光源からの光線を、夫々のノズルヘッドの各々の光線方向変換光学系に導く、ｎ個の第２光線方向変換光学系と、
   　を具備する請求項６に記載の光加工装置。
8. 　前記光線方向変換光学系は、回転対称軸を有し、内面が鏡面である回転対称ミラーである請求項１または２に記載の光加工装置。
9. 　前記ノズルヘッドは、前記回転対称ミラーの前記回転対称軸に沿って加工点から離れる方向に、前記光源からの光線を取り込む入射開口部を有する請求項８に記載の光加工装置。
10. 　前記光源は、前記光源からの光線が前記入射開口部から入射して、前記回転対称ミラーの前記壁面で反射するように、前記入射開口部よりも加工点に対して離れる方向に配置されている請求項９に記載の光加工装置。
11. 　前記回転対称ミラーは前記回転対称軸方向に長軸を有する回転楕円体ミラーであり、
    　前記光源は、
    　　前記ノズルヘッドに向けて射出された集光光線の焦点位置が、前記回転楕円体ミラーの第１の焦点位置に一致し、
    　　前記第１の焦点位置を通過し、前記回転楕円体ミラーのいずれかの壁面に入射して反射した反射光線が、前記回転楕円体ミラーの第２の焦点に集光するように配置されている請求項８に記載の光加工装置。
12. 　前記光源の前記光源内集光光学系の焦点位置は、前記回転楕円体ミラーの前記第１の焦点位置に一致している請求項１１に記載の光加工装置。
13. 　前記回転対称ミラーは、焦点と頂点とが回転対称軸上に並び、内壁面が鏡面である、回転放物面体ミラーであり、
    　前記回転対称ミラーの前記焦点は、前記加工点に一致する請求項８に記載の光加工装置。
14. 　前記ノズルヘッドの移動に応じて、前記光源の光線射出方向が前記光線方向変換光学系に向くように、前記光源の前記光線射出方向を前記回転軸の周りに回動させる回動手段をさらに具備する請求項８に記載の光加工装置。
15. 　前記ノズルヘッドの移動に応じて、前記光源からの光線が前記ノズルヘッドの前記光線方向変換光学系に到達するように、前記光源の前記射出方向を変更することなく、前記光源の光線射出位置の高さを調整する調整手段をさらに有する請求項８に記載の光加工装置。
16. 　前記ノズルヘッドの移動に応じて、前記光源からの光線が前記ノズルヘッドの前記回転対称の前記入射開口位置に到達するように、前記光源を所定角度だけチルトさせるチルト手段を具備する請求項８に記載の光加工装置。
17. 　前記ｎ個の第２の光学系はｎ個のハーフミラーであって、これらのｎ個のハーフミラーの透過率は、光源に近いハーフミラーから順に低くなるように設定され、最後のハーフミラーは透過率が０％（反射率が１００％）のフル反射ミラーである請求項７に記載のマルチヘッド光加工装置。
18. 　前記ｎ個のハーフミラーのうち、前記光源に近いハーフミラーおよび前記最後のハーフミラーを除いた中継光学系のｎ－２個のハーフミラーのうちのｍ番目のハーフミラーの反射率は、｛１/（n-m+1）｝×１００％に設定されることにより、前記ｎ個のノズルヘッドの夫々に供給される光線の光量は互いに等量である請求項１７に記載のマルチヘッド光加工装置。
19. 　請求項１乃至１８に記載の光加工装置を具備して積層造形を行う造形装置であって、
    　前記ノズルヘッドは、粉体材料を吸入する吸入部を有し、吸入した粉体材料を前記加工点に向けて噴射する造形装置。

Images