WO2018154847A1 - 光造形装置 - Google Patents

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WO2018154847A1
WO2018154847A1 PCT/JP2017/038080 JP2017038080W WO2018154847A1 WO 2018154847 A1 WO2018154847 A1 WO 2018154847A1 JP 2017038080 W JP2017038080 W JP 2017038080W WO 2018154847 A1 WO2018154847 A1 WO 2018154847A1
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WO
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light
light emitting
source device
light source
photocurable resin
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/038080
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English (en)
French (fr)
Inventor
直之 麻野
教和 方志
義幸 月崎
杉山　健
Original Assignee
株式会社ジャパンディスプレイ
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—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
    • B29C64/129—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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses

Definitions

  • the present invention relates to an optical modeling apparatus.
  • An optical modeling apparatus that creates a three-dimensional shape model using three-dimensional shape data created by CAD (Computer Aided Design) is known (see Patent Document 1).
  • An optical modeling apparatus irradiates light to a liquid photocurable resin to form a cured layer, and stacks a plurality of cured layers to form an optically modeled object.
  • beam scanning type As such an optical modeling apparatus, there are a so-called beam scanning type and a batch exposure type.
  • the beam scanning method irradiates a liquid photocurable resin with a light beam scanned one layer at a time. For this reason, processing time may increase.
  • the batch exposure method described in Patent Document 1 performs batch exposure using light sources arranged in an array.
  • the optical modeling apparatus of Patent Document 1 configures a light source by bundling a large number of optical fibers. For this reason, the resolution of the hardened layer is regulated by the diameter of the optical fiber.
  • a large number of optical fibers are scanned and exposed to increase the resolution of the cured layer. For this reason, the structure of an apparatus is complicated and processing time may increase.
  • An object of the present invention is to provide an optical modeling apparatus capable of processing an optical modeling object in a short time.
  • An optical modeling apparatus is an optical modeling apparatus that forms an optical modeling object by irradiating a photocurable resin with light and laminating a plurality of resin cured layers, and the liquid photocurable resin
  • a light source device including a substrate disposed opposite to the surface of the resin, and a plurality of light emitting elements disposed in a matrix on the substrate; and the light source disposed between the light source device and the photocurable resin,
  • An optical element that collects light emitted from the element and emits the light to the photocurable resin.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical modeling apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the position of the stage of the optical modeling apparatus is changed.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the light source device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing the optical element according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the light source device and the optical element according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a schematic cross-sectional structure of the light emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of the optical modeling apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical modeling apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the position of the stage of the optical modeling apparatus is changed.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the light source
  • FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a drive circuit of the light source device according to the embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining an operation example of the light source device according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic cross-sectional structure of an optical element according to a modification.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a state of an electric field between electrodes of an optical element according to a modification.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical modeling apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the position of the stage of the optical modeling apparatus is changed.
  • the optical modeling apparatus 1 of the present embodiment includes a container 10, a stage 14, a light source device 20, and an optical element 30.
  • a photocurable resin 11 is accommodated in the container 10.
  • the container 10 is provided with an opening on the upper side, and the surface 11 a that is the liquid surface of the photocurable resin 11 is exposed to the opening of the container 10.
  • the photocurable resin 11 is a liquid ultraviolet curable resin.
  • the photocurable resin 11 is not limited to a liquid resin, and may be a film-like resin.
  • the photocurable resin 11 is not limited to the ultraviolet curable resin, and may be any resin that cures when irradiated with light having a predetermined wavelength.
  • the stage 14 is disposed inside the container 10 and is disposed below the surface 11a of the photocurable resin 11.
  • the stage 14 is a plate-like member, and the upper surface S ⁇ b> 1 of the stage 14 is provided substantially parallel to the surface 11 a of the photocurable resin 11.
  • the stage 14 is connected to the stage drive unit 44 (see FIG. 7) via the arm 15.
  • the stage drive unit 44 includes, for example, a drive motor.
  • the stage 14 is provided so as to be movable in a third direction Dz perpendicular to the surface 11a by the drive of the stage driving unit 44.
  • a direction parallel to the surface 11a is defined as a first direction Dx.
  • a direction orthogonal to the first direction Dx in a plane parallel to the surface 11a is defined as a second direction Dy.
  • a direction orthogonal to the first direction Dx and the second direction Dy is defined as a third direction Dz. Note that the first direction Dx, the second direction Dy, and the third direction Dz may cross each other without being orthogonal to each other.
  • the light source device 20 and the optical element 30 are disposed so as to face the surface 11a of the photocurable resin 11.
  • the light source device 20 and the optical element 30 are fixed to the support portion 12.
  • a surface S3 of the light source device 20 facing the optical element 30 is provided substantially parallel to the surface 11a of the photocurable resin 11.
  • the surface S ⁇ b> 2 facing the optical element 30 and the surface 11 a of the photocurable resin 11 is provided substantially parallel to the surface 11 a of the photocurable resin 11. That is, the light source device 20, the optical element 30, and the stage 14 are disposed so as to be substantially parallel to each other.
  • the light source device 20 includes a light-emitting element 22 (see FIG. 3 and the like) such as a light-emitting diode (LED: Light Emitting Diode).
  • a plurality of light emitting elements 22 arranged in a matrix are opposed to the photocurable resin 11.
  • the light source device 20 can switch the emission state of the light L for each unit region 29 including the light emitting element 22 (see FIG. 3 and the like). Thereby, the light source device 20 collectively emits the light L to the exposure area Ae of the photocurable resin 11.
  • the light L is light having a wavelength suitable for curing the photocurable resin 11.
  • the photocurable resin 11 is an ultraviolet curable resin
  • the light L is, for example, UV light having a wavelength of about 250 nm to 400 nm.
  • the optical element 30 is disposed between the light source device 20 and the photocurable resin 11 in the third direction Dz.
  • the optical element 30 is preferably disposed in the vicinity of the surface 11a.
  • the optical element 30 is, for example, a microlens device, and collects the light L from the light source device 20 for each unit region 29.
  • the light L condensed by the optical element 30 is irradiated onto the surface 11a with an appropriate spot diameter.
  • the stage 14 is moved downward, that is, in a direction away from the surface 11a, by driving the stage driving unit 44.
  • the moving distance of the stage 14 is substantially equal to the stacking pitch Pz of the optical modeling object 100. In other words, the moving distance of the stage 14 is substantially equal to the thickness of one layer of the hardened layer 100b.
  • the light source device 20 can vary the unit region 29 that emits the light L for each layer of the optically shaped object 100.
  • the exposure area Ae of the photocurable resin 11 shown in FIG. 2 is a smaller area than in the case of FIG. 1, and the light source device 20 emits light L according to the exposure area Ae.
  • another hardened layer 100b is formed on the hardened layer 100a.
  • the three-dimensional shaped optically shaped article 100 is formed by repeatedly stacking a plurality of cured layers while changing the exposure area Ae in each layer.
  • a driving device for moving the light source device 20 and the optical element 30 is not provided, and the light source device 20 and the optical element 30 are fixed to the support portion 12. That is, in the manufacturing process of the optical model 100, the position of the light source device 20 and the optical element 30 with respect to the surface 11a is fixed while the at least one cured layer 100a, 100b is formed.
  • the optical modeling apparatus 1 can form the cured layers 100a and 100b by simultaneously irradiating the entire exposure area Ae with the light L without moving the light source device 20 and the optical element 30. Therefore, compared with the method of forming the cured layers 100a and 100b by scanning the light source device 20 with the driving device and the method of forming the cured layers 100a and 100b by scanning the light L, the optical modeling apparatus 1 of the present embodiment is The optically shaped object 100 can be formed in a short time.
  • a driving device for driving the light source device 20 and the optical element 30 is unnecessary, and the device can be simplified.
  • one layer of the exposure area Ae is cured substantially simultaneously. Thereby, the variation of the thermal expansion of the photocurable resin 11 that occurs during curing and the uneven curing can be suppressed, and the optically shaped object 100 can be formed with high accuracy.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the light source device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing the optical element according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the light source device and the optical element according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a schematic cross-sectional structure of the light emitting device according to the embodiment.
  • the light source device 20 includes a substrate 21, a light emitting element 22, partition walls 24 and 25, and a protective layer 26.
  • the protective layer 26 is omitted, and in FIG. 5, the partition wall 24 is omitted.
  • substrate 21 is arrange
  • the substrate 21 is a glass substrate or a resin substrate.
  • various circuits for driving the light emitting element 22, switching elements such as a TFT (Thin Film Transistor), various wirings such as a scanning line SCL, a signal line DTL, and a power line PCL (not shown in FIG. 3). are provided).
  • a plurality of light emitting elements 22 are arranged in a matrix on the substrate 21.
  • a plurality of light emitting elements 22 are arranged in the first direction Dx, and a plurality of light emitting elements 22 are arranged in the second direction Dy.
  • the light emitting element 22 is, for example, an LED chip that emits UV light.
  • the partition walls 24 are provided along the first direction Dx, and a plurality of partitions 24 are provided in the second direction Dy.
  • the partition walls 25 are provided along the second direction Dy, and a plurality of the partition walls 25 are provided in the first direction Dx.
  • the partition wall 24 is provided so as to intersect with the partition wall 25 in a plan view.
  • One light emitting element 22 is provided in a space surrounded by the partition wall 24 and the partition wall 25.
  • a region including at least one light emitting element 22 and surrounded by the partition wall 24 and the partition wall 25 is defined as a unit region 29.
  • a region including all the unit regions 29 is a light emitting region Ad in which the light source device 20 can emit the light L.
  • the light emitting area Ad is composed of a plurality of unit areas 29 arranged in a matrix.
  • the light source device 20 of the present embodiment can switch the light emitting element 22 on and off for each unit region 29. Accordingly, the light-curable resin 11 (see FIG. 1) can be cured by switching the light-emitting element 22 between turning on and off according to the cross-sectional shape of the optically shaped object 100.
  • the height of the partition walls 24 and 25 is higher than that of the light emitting element 22.
  • the partition walls 24 and 25 are made of, for example, a resin material or a metal material. Since the light emitting element 22 is provided surrounded by the partition walls 24 and 25, the directivity of the light L1 emitted from the light emitting element 22 can be improved.
  • the protective layer 26 is provided on the partition walls 24 and 25.
  • the protective layer 26 is provided to protect the light emitting element 22 and is formed of a translucent resin film or the like that can transmit the light L1.
  • the configuration of the light source device 20 can be changed as appropriate.
  • a plurality of light emitting elements 22 may be provided in one unit region 29.
  • substrate 21 of the light source device 20 is rectangular shape by planar view, it is not limited to this.
  • the substrate 21 may have a square shape, a circular shape, or an elliptical shape.
  • the light emitting element 22 and the unit region 29 are also arranged in a square shape, a circular shape, or an elliptical shape as a whole according to the substrate 21.
  • the partition wall 24 and the partition wall 25 are provided orthogonally in plan view.
  • the present invention is not limited to this, and the partition wall 24 and the partition wall 25 may intersect each other without being orthogonal.
  • the light source device 20 may have a configuration in which the partition walls 24 and 25 are not provided.
  • the optical element 30 is provided in the vicinity of the light source device 20.
  • the light L1 emitted from the light emitting element 22 enters the lens 32.
  • the light source device 20 may have a configuration in which the protective layer 26 is not provided.
  • the optical element 30 includes a base 31 and a lens 32.
  • a plurality of lenses 32 are provided in a matrix on the base 31.
  • the base 31 and the lens 32 are made of translucent glass or resin material.
  • the base 31 and the lens 32 are integrally formed.
  • the lens 32 may be formed separately from the base 31 and installed on the base 31.
  • the lens 32 is arranged corresponding to the unit area 29 of the light source device 20. That is, the arrangement pitch P1 of the lenses 32 in the first direction Dx shown in FIG. 4 is substantially equal to the arrangement pitch Px of the light emitting elements 22. Further, the arrangement pitch P2 of the lenses 32 in the second direction Dy is substantially equal to the arrangement pitch Py of the light emitting elements 22.
  • the lens 32 is provided to face each of the light emitting elements 22.
  • the optical element 30 is preferably provided so that the optical axis 32 ⁇ / b> A of the lens 32 coincides with the light emitting element 22. In this way, the light L1 emitted from the light emitting element 22 efficiently enters the lens 32. Then, the light L2 emitted from the lens 32 is collected and applied to the surface 11a of the photocurable resin 11.
  • the configuration of the optical element 30 of the present embodiment can be changed as appropriate.
  • one lens 32 is provided corresponding to each unit region 29, but a plurality of lenses 32 may be provided corresponding to one unit region 29.
  • the light emitting element 22 may be a known LED chip. As shown in FIG. 6, the light emitting element 22 includes an n-type electrode 51, a p-type electrode 52, a reflective layer 53, an adhesive layer 54, a transparent substrate 55, a buffer layer 56, an n-type cladding 57, An active layer 58, a p-type cladding layer 59, and a cap layer 60 are included.
  • the n-type electrode 51 is electrically connected to the n-type cladding 57.
  • the p-type electrode 52 is electrically connected to the cap layer 60.
  • the reflective layer 53 is provided on the substrate 21.
  • a transparent substrate 55 is provided on the reflective layer 53 via an adhesive layer 54.
  • a buffer layer 56, an n-type cladding 57, an active layer 58, a p-type cladding layer 59, and a cap layer 60 are laminated in this order.
  • the n-type cladding 57, the active layer 58, and the p-type cladding layer 59 are light emitting layers, and a material that emits light having a wavelength suitable for the photocurable resin 11 is used.
  • a nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), or aluminum gallium nitride (AlGaN) is used.
  • the reflective layer 53 is formed of a material having a metallic luster that reflects light from the light emitting layer.
  • the n-type electrode 51 is connected to the wiring 61 by a bonding wire.
  • the p-type electrode 52 is connected to the wiring 62 by a bonding wire.
  • the light emitting element 22 emits light when supplied with current through the wirings 61 and 62.
  • FIG. 6 The configuration illustrated in FIG. 6 is merely an example.
  • an n-type cladding 57, an active layer 58, and a p-type cladding are disposed between the n-type electrode 51 and the p-type electrode 52 in a direction perpendicular to the substrate 21.
  • a configuration in which layers such as the layer 58 are stacked may be employed.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of the optical modeling apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a drive circuit of the light source device according to the embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining an operation example of the light source device according to the embodiment.
  • the optical shaping apparatus 1 includes a light source driving unit 40, a stage driving unit 44, a control device 45, an input unit 46, and a signal processing unit 47.
  • the control device 45 is a computer including a control unit such as a CPU (Central Processing Unit), and controls operations of the light source device 20 and the stage 14.
  • the input unit 46 is a keyboard or a touch panel. Information relating to optical shaping is input to the control device 45 via the input unit 46.
  • the control device 45 includes an optical modeling data generation unit 45A and a storage unit 45B.
  • the optical modeling data generation unit 45 ⁇ / b> A generates cross-sectional shape data based on the three-dimensional shape data of the optical modeling object 100.
  • the cross-sectional shape data is generated by dividing the three-dimensional shape data at a pitch corresponding to the stacking pitch Pz (see FIG. 2) of the optically shaped object 100.
  • the optical modeling data generation unit 45A calculates an exposure area Ae irradiated with the light L in the surface 11a (see FIGS. 1 and 2) of the photocurable resin 11.
  • the storage unit 45B is, for example, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), or the like.
  • the storage unit 45B stores three-dimensional shape data of the optical modeling object 100 and information related to optical modeling.
  • the information regarding the optical modeling is, for example, information such as the stacking pitch Pz (see FIG. 2), the exposure time of the light source device 20, the resolution of the optical modeling object 100, and the like.
  • the signal processing unit 47 supplies the drive signal Vz to the stage drive unit 44 and supplies the drive signal BL to the light source drive unit 40 based on the control signal Vc supplied from the control device 45.
  • the light source driving unit 40 is a control device that controls driving of the light source device 20.
  • the stage drive unit 44 is a control device that controls the drive of the stage 14. Note that the function of the signal processing unit 47 may be included in the control device 45.
  • the signal processing unit 47 receives information related to the stacking pitch Pz from the control device 45 and supplies the drive signal Vz to the stage driving unit 44. Further, the signal processing unit 47 receives information on the exposure area Ae from the control device 45, and among the unit areas 29 of the light source device 20, the unit area 29 that turns on the light emitting element 22 and the unit area that turns off the light emitting element 22. 29 is calculated. Based on the calculation result, the drive signal BL is supplied to the light source drive unit 40.
  • the light source driving unit 40 includes a signal output circuit 41, a scanning circuit 42, and a power supply circuit 43.
  • the signal output circuit 41 is connected to the light source device 20 through the signal line DTL.
  • the scanning circuit 42 is connected to the light source device 20 through the scanning line SCL.
  • the power circuit 43 is connected to the light source device 20 through the power line PCL.
  • the signal output circuit 41 and the scanning circuit 42 are circuits that scan the light emitting elements 22 (not shown in FIG. 7) in the unit region 29 and select the light emitting elements 22 to be lit for each unit region 29.
  • the power supply circuit 43 is a circuit that drives the light emitting element 22 by supplying a current to the selected light emitting element 22.
  • a control transistor Tr1, a drive transistor Tr2, and a capacitor C1 are formed in the unit region 29 including the light emitting element 22.
  • the control transistor Tr1 is a switching element that selects the light emitting element 22 to be driven.
  • the gate of the control transistor Tr1 is connected to the scanning line SCL.
  • the source of the control transistor Tr1 is connected to the signal line DTL.
  • the drain of the control transistor Tr1 is connected to the gate of the drive transistor Tr2.
  • One end of the capacitor C1 is connected to the gate of the driving transistor Tr2, and the other end is connected to the source of the driving transistor Tr2.
  • the source of the driving transistor Tr 2 is connected to the power supply line PCL, and the drain of the driving transistor Tr 2 is connected to one end of the light emitting element 22.
  • the other end of the light emitting element 22 is connected to, for example, a reference potential (for example, ground).
  • control transistor Tr1 is an n-channel transistor
  • drive transistor Tr2 is a p-channel transistor.
  • present invention is not limited to this, and the polarities of the control transistor Tr1 and the drive transistor Tr2 may be appropriately changed as necessary.
  • the control transistor Tr1, the driving transistor Tr2, the capacitor C1, and various wirings of each unit region 29 shown in FIG. 8 are formed.
  • various wirings a scanning line SCL, a signal line DTL, and a power supply line PCL are formed.
  • the scanning line SCL and the signal line DTL supply a control signal for selecting a lighting or extinguishing state for each unit region 29 to the control transistor Tr1 and the driving transistor Tr2.
  • the power line PCL supplies a power current to the light emitting element 22 to be driven.
  • the scanning circuit 42 shown in FIG. 7 sequentially selects the scanning lines SCL.
  • the scanning circuit 42 applies a scanning signal to the gate of the control transistor Tr1 in the unit region 29. Thereby, one row (one horizontal line) in the unit area 29 is sequentially selected as a drive target.
  • the signal output circuit 41 supplies a selection signal to the unit area 29 constituting one selected horizontal line through the signal line DTL.
  • the driving transistor Tr2 is turned on, and the unit area 29 to be driven is selected from one horizontal line.
  • the power supply circuit 43 supplies a current to the light emitting elements 22 included in the unit area 29 to be driven via the power supply line PCL. In these unit areas 29, the light emitting elements 22 to be driven are turned on one horizontal line at a time.
  • a period in which the scanning circuit 42 selects all the scanning lines SCL that is, a period in which all the unit areas 29 of the light emitting area Ad are turned on or off is referred to as a “light emitting period”.
  • a capacitor C1 is connected to the driving transistor Tr2. For this reason, a current is continuously supplied to the light emitting element 22 selected as a driving target during the light emission period, and the light emitting element 22 continues to be lit.
  • the control device 45 repeatedly performs the operation of the light emission period a plurality of times, so that the operation of the light source device 20 is performed so as to be equal to or longer than the exposure time for forming the above-described one cured layer 100a (see FIG. 1). Control the time.
  • the lighting area 29L where the light emitting element 22 is lit is indicated by hatching.
  • the unit area 29 that is not shaded is an unlit area 29D in which the light emitting element 22 is turned off.
  • the outer shape of the exposure area Ae corresponding to the cross-sectional shape data is shown overlapping the light emitting area Ad.
  • the light emitting element 22 in the lighting area 29L that overlaps the exposure area Ae is turned on.
  • the hardened layers 100a and 100b are formed in the shape of the exposure area Ae corresponding to the cross-sectional shape data by the light L from the light emitting element 22.
  • the signal processing unit 47 supplies the drive signal Vz to the stage drive unit 44.
  • the stage drive unit 44 moves the stage 14 in the third direction Dz by the stacking pitch Pz.
  • the signal processing unit 47 supplies a driving signal BL based on the cross-sectional shape data of the next layer to the light source driving unit 40.
  • the optically shaped object 100 is formed by repeatedly executing this for all the cross-sectional shape data.
  • the light emitting elements 22 in the lighting region 29L in the light emitting region Ad are lighted substantially simultaneously.
  • region Ae (refer FIG. 1) of the photocurable resin 11 is hardened
  • the variation of the thermal expansion of the photocurable resin 11 that occurs during curing and the uneven curing can be suppressed, and the optically shaped object 100 can be formed with high accuracy.
  • the light emitting area Ad has a larger outer shape than the exposure area Ae corresponding to the cross-sectional shape data.
  • the light emitting area Ad is provided so as to overlap the entire exposure area Ae, and the exposure area Ae corresponding to the cross-sectional shape data in a plan view is included inside the outer periphery of the light emitting area Ad.
  • the optically shaped object 100 can be formed by collective exposure with the light source device 20 and the optical element 30 fixed. Therefore, a driving device for moving the light source device 20 and the optical element 30 and an optical system for adjusting the defocus of the light L accompanying the movement are unnecessary. Therefore, the configuration of the optical modeling apparatus 1 can be simplified.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic cross-sectional structure of an optical element according to a modification.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a state of an electric field between electrodes of an optical element according to a modification.
  • the optical element 30A of the present embodiment is a liquid crystal lens element.
  • the liquid crystal lens element changes the refractive index of the liquid crystal layer 137 by changing the alignment direction of the liquid crystal molecules 137 ⁇ / b> A, thereby forming a plurality of lenses 132.
  • the optical element 30A includes a first substrate 130A, a second substrate 130B, a first electrode 131, a second electrode 134, and a liquid crystal layer 137.
  • the first substrate 130A is disposed to face the second substrate 130B.
  • a plurality of first electrodes 131 are provided on the first substrate 130A.
  • the second electrode 134 is provided on the second substrate 130B.
  • the liquid crystal layer 137 is disposed between the first substrate 130A and the second substrate 130B.
  • the first substrate 130A and the second substrate 130B are translucent substrates such as a glass substrate and a resin substrate.
  • the first electrode 131 and the second electrode 134 are formed of a light-transmitting conductive oxide such as ITO (Indium Tin Oxide) or IZO (Indium Zinc Oxide).
  • a plurality of first electrodes 131 are arranged in a stripe shape or a matrix shape.
  • the second electrode 134 is a so-called common electrode, and is formed on the entire surface of the second substrate 130B.
  • One of the first electrode 131 and the second electrode 134 is fixed at, for example, a common potential for variable focus.
  • the common potential for variable focus may be fixed by being connected to the common potential line, or may be fixed by being grounded.
  • the other of the first electrode 131 and the second electrode 134 is supplied with a lens drive signal from a lens control driver (not shown), for example.
  • the liquid crystal layer 137 is disposed between the first electrode 131 and the second electrode 134 facing the third direction Dz.
  • the liquid crystal layer 137 is made of a positive nematic liquid crystal material. As shown in FIG. 11, for example, a distribution of the electric field E ⁇ b> 1 is formed by the vertical electric field between the first electrode 131 and the second electrode 134.
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules 137A of the liquid crystal layer 137 shown in FIG. 10 changes depending on the distribution of the electric field E1. As a result, the refractive index of the lens 132 changes.
  • the first alignment film 133 covering the entire surface including the first electrode 131 is formed on the first substrate 130A.
  • a second alignment film 135 covering the entire surface including the second electrode 134 is formed on the second substrate 130B.
  • These are formed of, for example, a polyimide material, and an alignment process such as a rubbing process or a photo-alignment process is performed on the surface thereof.
  • the first alignment film 133 and the second alignment film 135 define the direction of the molecular axis of the liquid crystal molecules 137A when no electric field is applied.
  • the lens 132 includes six first electrodes 131 arranged in the first direction Dx.
  • the lens 132 may be configured by a plurality of first electrodes 131 arranged in a matrix in a plan view. The number of the first electrodes 131 included in one lens 132 can be changed as appropriate.
  • the first electrodes 131 each have a predetermined width EW.
  • a plurality of the first electrodes 131 are arranged with a predetermined interval NW.
  • the width EW and the interval NW of the first electrode 131 are not particularly limited, and may be set so that the distribution of the electric field E1 is appropriately formed.
  • a spacer 136 is provided between the first substrate 130A and the second substrate 130B.
  • the spacer 136 has at least a side surface covered with an overcoat layer 141 that is an insulator.
  • the overcoat layer 141 covers the surface of the first substrate 130A.
  • the first electrode 131 is provided on the overcoat layer 141.
  • the spacer 136 is provided at the center of the lens 132.
  • a plurality of first electrodes 131 are arranged symmetrically around the lens 132. That is, the spacer 136 is disposed at a position where the alignment direction of the liquid crystal molecules 137A of the liquid crystal layer 137 does not change when the refractive index of the lens 132 is changed. Thereby, the performance of the lens 132 can be improved.
  • the height SH of the spacer 136 is preferably set to 5 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less due to optical characteristics required for the optical element 30A.
  • the height SH of the spacer 136 is preferably 10 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less. Thereby, it is possible to achieve both processability such as mechanical strength and optical characteristics such as light collection and response speed. By setting the spacer 136 to the above height, the lens function of the optical element 30A can be enhanced.
  • the lens 132 is formed corresponding to the unit region 29 (see FIG. 5) of the light source device 20.
  • the refractive index of the lens 132 is changed by driving the liquid crystal layer 137 with the first electrode 131 and the second electrode 134.
  • the light L1 (see FIG. 5) emitted from the light emitting element 22 is transmitted through the lens 132 and collected.
  • the light L2 (see FIG. 5) that has passed through the lens 132 is applied to the photocurable resin 11.
  • the refractive index of the lens 132 can be changed by driving the liquid crystal layer 137. For this reason, the state of the light L2 can be changed appropriately.
  • the liquid crystal layer 137 may be driven so that the light L1 is not transmitted in the light-off region 29D (see FIG. 9) where the light-emitting element 22 is turned off. Thereby, the exposure to an unnecessary part can be suppressed and the hardened layer 100a, 100b (refer FIG. 1, FIG. 2) can be formed accurately.

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Abstract

光硬化性樹脂に光を照射して、樹脂硬化層を複数積層することにより光造形物を形成する光造形装置であって、液状の光硬化性樹脂の表面に対向して配置される基板と、基板にマトリクス状に複数配置された発光素子とを含む光源装置と、光源装置と光硬化性樹脂との間に配置され、発光素子から照射された光を集光して光硬化性樹脂に出射する光学素子と、を有する。

Description

光造形装置
　本発明は、光造形装置に関する。
　ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ）により作成された３次元形状データを用いて、３次元形状モデルを作成する光造形装置が知られている（特許文献１参照）。光造形装置は、液状の光硬化性樹脂に光を照射して硬化層を形成し、硬化層を複数積層して光造形物を形成する。このような光造形装置として、いわゆるビームスキャン方式のものと、一括露光方式のものとがある。
特開２００８－２０１１３５号公報
　ビームスキャン方式は、液状の光硬化性樹脂に光ビームを１層ずつ走査して照射する。このため、加工時間が増大する可能性がある。一方、特許文献１に記載されている一括露光方式は、アレイ状に配置された光源を用いて一括露光を行う。特許文献１の光造形装置は、多数の光ファイバを束ねて光源を構成している。このため、硬化層の解像度が光ファイバの径により規制される。特許文献１では、硬化層の解像度を高めるために、多数の光ファイバを走査して露光している。このため、装置の構成が複雑であり、加工時間が増大する可能性がある。
　本発明は、短時間に光造形物の加工を行うことが可能な光造形装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様の光造形装置は、光硬化性樹脂に光を照射して、樹脂硬化層を複数積層することにより光造形物を形成する光造形装置であって、液状の前記光硬化性樹脂の表面に対向して配置される基板と、前記基板にマトリクス状に複数配置された発光素子とを含む光源装置と、前記光源装置と前記光硬化性樹脂との間に配置され、前記発光素子から照射された光を集光して前記光硬化性樹脂に出射する光学素子と、を有する。
図１は、実施形態に係る光造形装置の構成例を示す図である。 図２は、光造形装置のステージの位置を変えた状態を表す図である。 図３は、実施形態に係る光源装置を模式的に示す平面図である。 図４は、実施形態に係る光学素子を模式的に示す平面図である。 図５は、実施形態に係る光源装置及び光学素子を模式的に示す断面図である。 図６は、実施形態に係る発光素子の概略断面構造を示す断面図である。 図７は、実施形態に係る光造形装置の構成例を示すブロック図である。 図８は、実施形態に係る光源装置の駆動回路を示す回路図である。 図９は、実施形態に係る光源装置の動作例を説明するための説明図である。 図１０は、変形例に係る光学素子の概略断面構造を示す断面図である。 図１１は、変形例に係る光学素子の電極間の電界の状態を説明するための説明図である。
　本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
　図１は、実施形態に係る光造形装置の構成例を示す図である。図２は、光造形装置のステージの位置を変えた状態を表す図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の光造形装置１は、容器１０と、ステージ１４と、光源装置２０と、光学素子３０とを備える。容器１０の内部に光硬化性樹脂１１が収容される。容器１０は、上方に開口が設けられており、光硬化性樹脂１１の液面である表面１１ａが容器１０の開口に露出する。
　本実施形態において、光硬化性樹脂１１は液状の紫外線硬化型樹脂である。なお、光硬化性樹脂１１は、液状のものに限られず、フィルム状の樹脂であってもよい。また、光硬化性樹脂１１は、紫外線硬化型樹脂に限られず、所定の波長の光が照射されることにより硬化する樹脂であればよい。
　ステージ１４は、容器１０の内部に配置され、光硬化性樹脂１１の表面１１ａよりも下方に配置される。ステージ１４は、板状の部材であり、ステージ１４の上面Ｓ１が、光硬化性樹脂１１の表面１１ａに実質的に平行に設けられる。ステージ１４は、アーム１５を介してステージ駆動部４４（図７参照）に接続される。ステージ駆動部４４は、例えば駆動モータを含む。ステージ１４は、ステージ駆動部４４の駆動により、表面１１ａに対して垂直な第３方向Ｄｚに移動可能に設けられている。
　なお、本明細書において、表面１１ａに平行な方向を第１方向Ｄｘとする。表面１１ａに平行な面内において第１方向Ｄｘと直交する方向を第２方向Ｄｙとする。また、第１方向Ｄｘ及び第２方向Ｄｙと直交する方向を第３方向Ｄｚとする。なお、第１方向Ｄｘ、第２方向Ｄｙ及び第３方向Ｄｚは、互いに直交しないで交差してもよい。
　光源装置２０及び光学素子３０は、光硬化性樹脂１１の表面１１ａに対向して配置される。光源装置２０及び光学素子３０は、支持部１２に固定される。光源装置２０の、光学素子３０と対向する面Ｓ３は、光硬化性樹脂１１の表面１１ａに対して実質的に平行に設けられる。また、光学素子３０、光硬化性樹脂１１の表面１１ａと対向する面Ｓ２は、光硬化性樹脂１１の表面１１ａに対して実質的に平行に設けられる。つまり、光源装置２０、光学素子３０及びステージ１４は、互いに実質的に平行になるように配置される。
　光源装置２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子２２（図３等参照）を有する。マトリクス状に複数配列された発光素子２２が、光硬化性樹脂１１に対向する。光源装置２０は、発光素子２２を含む単位領域２９（図３等参照）ごとに光Ｌの出射状態を切り換えることが可能である。これにより、光源装置２０は、光硬化性樹脂１１の露光領域Ａｅに光Ｌを一括して出射する。光Ｌは、光硬化性樹脂１１を硬化させるために適した波長を有する光である。光硬化性樹脂１１が紫外線硬化型樹脂の場合、光Ｌは、例えば波長２５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下程度のＵＶ光である。
　光学素子３０は、第３方向Ｄｚにおいて、光源装置２０と光硬化性樹脂１１との間に配置される。光学素子３０は、表面１１ａの近傍に配置されることが好ましい。光学素子３０は、例えばマイクロレンズデバイスであり、光源装置２０からの光Ｌを単位領域２９ごとに集光する。光学素子３０により集光された光Ｌは、適切なスポット径で表面１１ａに照射される。このような構成により、図１に示すように、光硬化性樹脂１１の露光領域Ａｅが一括して露光されて、ステージ１４の上に硬化層１００ａが形成される。
　次に、図２に示すように、ステージ１４は、ステージ駆動部４４の駆動により、下方、すなわち表面１１ａから離れる方向に移動する。ステージ１４の移動距離は、光造形物１００の積層ピッチＰｚと実質的に等しい。言い換えると、ステージ１４の移動距離は、硬化層１００ｂの１層分の厚さと実質的に等しい。
　光源装置２０は、光造形物１００の各層ごとに光Ｌを出射する単位領域２９を異ならせることが可能である。図２に示す光硬化性樹脂１１の露光領域Ａｅは、図１の場合に比べ小さい領域となっており、光源装置２０は、露光領域Ａｅに応じて光Ｌを出射する。これにより、硬化層１００ａの上に、別の硬化層１００ｂが形成される。このように各層で露光領域Ａｅを変えて硬化層を複数繰り返して積層することで３次元形状の光造形物１００が形成される。
　本実施形態の光造形装置１において、光源装置２０及び光学素子３０を移動させるための駆動装置は設けられておらず、光源装置２０及び光学素子３０は支持部１２に固定されている。すなわち、光造形物１００の製造工程において、光源装置２０及び光学素子３０は、少なくとも１層の硬化層１００ａ、１００ｂを形成する間において、表面１１ａに対する位置が固定されている。
　このような構成により、光造形装置１は、光源装置２０及び光学素子３０を移動せずに、露光領域Ａｅの全体に同時に光Ｌを照射して硬化層１００ａ、１００ｂを形成することができる。したがって、光源装置２０を駆動装置により走査して硬化層１００ａ、１００ｂを形成する方法や、光Ｌを走査して硬化層１００ａ、１００ｂを形成する方法に比べ、本実施形態の光造形装置１は短時間に光造形物１００を形成することができる。また、光源装置２０及び光学素子３０を駆動させるための駆動装置が不要であり装置の簡略化を図ることができる。また、１層の露光領域Ａｅが実質的に同時に硬化される。これにより、硬化の際に生じる光硬化性樹脂１１の熱膨張のばらつきや、硬化むらを抑制して、精度よく光造形物１００を形成することができる。
　次に、光源装置２０及び光学素子３０の構成を説明する。図３は、実施形態に係る光源装置を模式的に示す平面図である。図４は、実施形態に係る光学素子を模式的に示す平面図である。図５は、実施形態に係る光源装置及び光学素子を模式的に示す断面図である。図６は、実施形態に係る発光素子の概略断面構造を示す断面図である。
　図３及び図５に示すように、光源装置２０は、基板２１と、発光素子２２と、隔壁２４、２５と、保護層２６とを有する。なお、図３では保護層２６を省略して示しており、図５では隔壁２４を省略して示す。基板２１は、光硬化性樹脂１１の表面１１ａ（図１、２参照）に対向して配置される。基板２１は、ガラス基板又は樹脂基板である。基板２１には、発光素子２２を駆動するための各種回路や、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子や、走査線ＳＣＬ、信号線ＤＴＬ、電源線ＰＣＬ等の各種配線（図３では省略して示す）が設けられる。
　図３に示すように、発光素子２２は、基板２１にマトリクス状に複数配置される。発光素子２２は、第１方向Ｄｘに複数配置され、かつ、第２方向Ｄｙに複数配置される。本実施形態において、発光素子２２は、例えばＵＶ光を出射するＬＥＤチップである。
　隔壁２４は、第１方向Ｄｘに沿って設けられ、第２方向Ｄｙに複数設けられる。隔壁２５は、第２方向Ｄｙに沿って設けられ、第１方向Ｄｘに複数設けられる。隔壁２４は、平面視で隔壁２５と交差して設けられる。隔壁２４と隔壁２５とで囲まれる空間に１つの発光素子２２が設けられる。
　本実施形態において、少なくとも１つの発光素子２２を含み、隔壁２４と隔壁２５とで囲まれた領域を単位領域２９とする。また全ての単位領域２９を含む領域を、光源装置２０が光Ｌを出射可能な発光領域Ａｄとする。発光領域Ａｄは、マトリクス状に複数配置された単位領域２９により構成される。本実施形態の光源装置２０は、単位領域２９ごとに発光素子２２の点灯と消灯とを切り換えることができる。これにより、光造形物１００の断面形状に応じて発光素子２２の点灯と消灯とを切り換えて、光硬化性樹脂１１（図１参照）を硬化させることができる。
　図５に示すように、隔壁２４、２５の高さは発光素子２２よりも高い。隔壁２４、２５は、例えば樹脂材料や金属材料により形成される。発光素子２２が隔壁２４、２５により囲まれて設けられているので、発光素子２２から出射される光Ｌ１の指向性を高めることができる。
　保護層２６は、隔壁２４、２５の上に設けられる。保護層２６は、発光素子２２を保護するために設けられており、光Ｌ１を透過させることが可能な透光性の樹脂フィルム等により形成される。
　光源装置２０の構成は、適宜変更することができる。例えば、１つの単位領域２９に複数の発光素子２２が設けられていてもよい。光源装置２０の基板２１は、平面視で長方形状であるが、これに限定されない。例えば、基板２１は、正方形状や円形状、楕円形状であってもよい。この場合、発光素子２２及び単位領域２９も、基板２１に応じて全体として正方形状や円形状、楕円形状に配置される。図３に示す例では、平面視で隔壁２４と隔壁２５とは直交して設けられている。これに限定されず、隔壁２４と隔壁２５とは直交せずに交差してもよい。また、光源装置２０は隔壁２４、２５が設けられていない構成であってもよい。この場合、光学素子３０は光源装置２０の近傍に設けられる。これにより発光素子２２から出射された光Ｌ１が、レンズ３２に入射する。或いは、光源装置２０は保護層２６が設けられていない構成であってもよい。
　図４及び図５に示すように、光学素子３０は、基部３１とレンズ３２とを含む。レンズ３２は、基部３１にマトリクス状に複数設けられる。基部３１及びレンズ３２は、透光性のガラス又は樹脂材料により形成される。本実施形態では、基部３１とレンズ３２とは一体に形成される。或いは、レンズ３２は、基部３１と別に形成されて、基部３１上に設置されてもよい。
　レンズ３２は、光源装置２０の単位領域２９に対応して配列される。すなわち、図４に示す、第１方向Ｄｘにおけるレンズ３２の配列ピッチＰ１は、発光素子２２の配列ピッチＰｘと実質的に等しい。また、第２方向Ｄｙにおけるレンズ３２の配列ピッチＰ２は、発光素子２２の配列ピッチＰｙと実質的に等しい。
　図５に示すように、レンズ３２は発光素子２２のそれぞれと対向して設けられる。光学素子３０は、レンズ３２の光軸３２Ａが、発光素子２２と一致するように設けられることが好ましい。こうすれば、発光素子２２から出射された光Ｌ１が、レンズ３２に効率良く入射する。そして、レンズ３２から出射した光Ｌ２は集光されて光硬化性樹脂１１の表面１１ａに照射される。
　なお、本実施形態の光学素子３０の構成は、適宜変更することができる。例えば、各単位領域２９に対応して１つのレンズ３２が設けられているが、１つの単位領域２９に対応して複数のレンズ３２が設けられていてもよい。
　発光素子２２は公知のＬＥＤチップを用いることができる。図６に示すように、発光素子２２は、ｎ型電極５１と、ｐ型電極５２と、反射層５３と、接着層５４と、透明基板５５と、バッファ層５６と、ｎ型クラッド５７と、活性層５８と、ｐ型クラッド層５９と、キャップ層６０とを有する。ｎ型電極５１は、ｎ型クラッド５７に電気的に接続される。ｐ型電極５２はキャップ層６０に電気的に接続される。反射層５３は基板２１の上に設けられる。反射層５３の上に、接着層５４を介して透明基板５５が設けられる。透明基板５５の上に、バッファ層５６、ｎ型クラッド５７、活性層５８、ｐ型クラッド層５９、キャップ層６０の順に積層される。
　ｎ型クラッド５７、活性層５８及びｐ型クラッド層５９は、発光層であり、光硬化性樹脂１１に適した波長の光を発光する材料が用いられる。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等の窒化物半導体が用いられる。反射層５３は、発光層からの光を反射する金属光沢のある材料で形成される。
　ｎ型電極５１はボンディングワイヤにより配線６１と接続される。ｐ型電極５２はボンディングワイヤにより配線６２と接続される。発光素子２２は配線６１、６２を介して電流が供給され、発光する。
　図６に示す構成は、あくまで一例であり、例えば、基板２１に対して垂直な方向において、ｎ型電極５１とｐ型電極５２との間に、ｎ型クラッド５７、活性層５８及びｐ型クラッド層５８等の各層が積層された構成であってもよい。
　次に本実施形態の光造形装置１の駆動方法について説明する。図７は、実施形態に係る光造形装置の構成例を示すブロック図である。図８は、実施形態に係る光源装置の駆動回路を示す回路図である。図９は、実施形態に係る光源装置の動作例を説明するための説明図である。
　図７に示すように、光造形装置１は、光源駆動部４０と、ステージ駆動部４４と、制御装置４５と、入力部４６と、信号処理部４７とを含む。制御装置４５は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｓｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）等の制御部を含むコンピュータであり、光源装置２０及びステージ１４の動作を制御する。入力部４６は、キーボードやタッチパネルである。光造形に関する情報が入力部４６を介して制御装置４５に入力される。
　制御装置４５は、光造形データ生成部４５Ａと、記憶部４５Ｂとを含む。光造形データ生成部４５Ａは、光造形物１００の３次元形状データに基づいて、断面形状データを生成する。断面形状データは、光造形物１００の積層ピッチＰｚ（図２参照）に対応するピッチで、３次元形状データを分割して生成される。光造形データ生成部４５Ａは、断面形状データに基づいて、光硬化性樹脂１１の表面１１ａ（図１、２参照）のうち光Ｌが照射される露光領域Ａｅを演算する。
　記憶部４５Ｂは、例えばＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等である。記憶部４５Ｂは、光造形物１００の３次元形状データや、光造形に関する情報を記憶する。光造形に関する情報は、例えば、積層ピッチＰｚ（図２参照）や、光源装置２０の露光時間や、光造形物１００の解像度等の情報である。
　信号処理部４７は、制御装置４５から供給される制御信号Ｖｃに基づいて、駆動信号Ｖｚをステージ駆動部４４に供給し、また、駆動信号ＢＬを光源駆動部４０に供給する。光源駆動部４０は、光源装置２０の駆動を制御する制御装置である。ステージ駆動部４４は、ステージ１４の駆動を制御する制御装置である。なお、信号処理部４７の機能は、制御装置４５に含まれていてもよい。
　信号処理部４７は、制御装置４５から積層ピッチＰｚに関する情報を受け取って、駆動信号Ｖｚをステージ駆動部４４に供給する。また、信号処理部４７は、制御装置４５から露光領域Ａｅに関する情報を受け取って、光源装置２０の単位領域２９のうち、発光素子２２を点灯させる単位領域２９と、発光素子２２を消灯させる単位領域２９とを演算する。この演算結果に基づいて駆動信号ＢＬを光源駆動部４０に供給する。
　光源駆動部４０は、信号出力回路４１と、走査回路４２と、電源回路４３とを含む。信号出力回路４１は、信号線ＤＴＬを介して光源装置２０と接続される。走査回路４２は、走査線ＳＣＬを介して光源装置２０と接続される。電源回路４３は、電源線ＰＣＬを介して光源装置２０と接続される。信号出力回路４１及び走査回路４２は、単位領域２９の発光素子２２（図７では省略して示す）を走査して、単位領域２９ごとに点灯させる発光素子２２を選択する回路である。電源回路４３は、選択された発光素子２２に電流を供給して発光素子２２を駆動する回路である。
　図８に示すように、発光素子２２を含む単位領域２９には、制御用トランジスタＴｒ１と、駆動用トランジスタＴｒ２と、コンデンサＣ１とが形成されている。制御用トランジスタＴｒ１は、駆動対象の発光素子２２を選択するスイッチング素子である。制御用トランジスタＴｒ１のゲートは走査線ＳＣＬに接続される。また、制御用トランジスタＴｒ１のソースは信号線ＤＴＬに接続される。制御用トランジスタＴｒ１のドレインが駆動用トランジスタＴｒ２のゲートに接続されている。コンデンサＣ１の一端が駆動用トランジスタＴｒ２のゲートに接続され、他端が駆動用トランジスタＴｒ２のソースに接続されている。駆動用トランジスタＴｒ２のソースが、電源線ＰＣＬと接続されており、駆動用トランジスタＴｒ２のドレインが、発光素子２２の一端に接続されている。発光素子２２の他端は、例えば基準電位（例えばアース）に接続されている。
　本実施形態において、制御用トランジスタＴｒ１はｎチャネル型トランジスタであり、駆動用トランジスタＴｒ２はｐチャネル型トランジスタである。ただし、これに限定されず、必要に応じて、制御用トランジスタＴｒ１及び駆動用トランジスタＴｒ２のそれぞれの極性を適宜変更してもよい。
　図５に示す基板２１に、図８に示す各単位領域２９の制御用トランジスタＴｒ１、駆動用トランジスタＴｒ２、コンデンサＣ１及び各種配線が形成されている。各種配線として、走査線ＳＣＬ、信号線ＤＴＬ、電源線ＰＣＬが形成される。走査線ＳＣＬ及び信号線ＤＴＬは、単位領域２９ごとに点灯又は消灯の状態を選択する制御信号を制御用トランジスタＴｒ１、駆動用トランジスタＴｒ２に供給する。これにより、単位領域２９ごとに点灯する発光素子２２と消灯する発光素子２２とが決定される。電源線ＰＣＬは、駆動対象の発光素子２２に電源電流を供給する。
　具体的には、図７に示す走査回路４２は、走査線ＳＣＬを順次選択する。走査回路４２は、走査信号を単位領域２９の制御用トランジスタＴｒ１のゲートに印加する。これにより、単位領域２９のうちの１行（１水平ライン）が駆動対象として順次選択される。また、信号出力回路４１は、選択された１水平ラインを構成する単位領域２９に、信号線ＤＴＬを介して選択信号を供給する。これにより、駆動用トランジスタＴｒ２がオンになることで、１水平ラインのうち、駆動対象の単位領域２９が選択される。電源回路４３は、電源線ＰＣＬを介して駆動対象の単位領域２９に含まれる発光素子２２に電流を供給する。そして、これらの単位領域２９では、１水平ラインずつ駆動対象の発光素子２２が点灯される。
　ここで、走査回路４２が全ての走査線ＳＣＬを選択する期間、すなわち、発光領域Ａｄの全ての単位領域２９の点灯又は消灯動作を実行する期間を「発光期間」とする。本実施形態では、駆動用トランジスタＴｒ２にコンデンサＣ１が接続されている。このため、駆動対象として選択された発光素子２２には、発光期間において連続して電流が供給されることとなり点灯し続ける。制御装置４５は、複数回の発光期間の動作を繰り返し実行することで、上述した１層分の硬化層１００ａ（図１参照）を形成するための露光時間以上となるように光源装置２０の動作時間を制御する。
　図９では、発光領域Ａｄの単位領域２９のうち、発光素子２２が点灯する点灯領域２９Ｌに斜線を付して示す。また、斜線が付けられていない単位領域２９は、発光素子２２が消灯する消灯領域２９Ｄである。図９では、断面形状データに対応する露光領域Ａｅの外形を発光領域Ａｄに重ねて示す。露光領域Ａｅに重なる点灯領域２９Ｌの発光素子２２が点灯する。これにより、発光素子２２からの光Ｌによって断面形状データに対応する露光領域Ａｅ形状に硬化層１００ａ、１００ｂ（図１、２）が形成される。
　１層分の硬化層１００ａ（図１参照）を形成するための露光時間が経過した後、信号処理部４７は、駆動信号Ｖｚをステージ駆動部４４に供給する。ステージ駆動部４４は、ステージ１４を第３方向Ｄｚに積層ピッチＰｚだけ移動させる。そして、信号処理部４７は、次の層の断面形状データに基づいた駆動信号ＢＬを光源駆動部４０に供給する。これを全ての断面形状データについて繰り返し実行することで、光造形物１００が形成される。
　このような駆動方法により、発光領域Ａｄのうち点灯領域２９Ｌの発光素子２２は実質的に同時に点灯される。これにより、光硬化性樹脂１１の露光領域Ａｅ（図１参照）が実質的に同時に硬化される。これにより、硬化の際に生じる光硬化性樹脂１１の熱膨張のばらつきや、硬化むらを抑制して、精度よく光造形物１００を形成することができる。
　また、図９に示すように、発光領域Ａｄは、断面形状データに対応する露光領域Ａｅよりも大きい外形形状を有する。言い換えると、発光領域Ａｄは、露光領域Ａｅの全体と重なって設けられ、平面視で断面形状データに対応する露光領域Ａｅは、発光領域Ａｄの外周よりも内側に含まれる。このため、光源装置２０及び光学素子３０を固定した状態で一括露光により光造形物１００を形成できる。よって、光源装置２０及び光学素子３０を移動させるための駆動装置や、移動に伴う光Ｌの焦点ずれ等を調整するための光学系が不要である。したがって、光造形装置１の構成を簡便にすることができる。
（変形例）
　図１０は、変形例に係る光学素子の概略断面構造を示す断面図である。図１１は、変形例に係る光学素子の電極間の電界の状態を説明するための説明図である。本実施形態の光学素子３０Ａは、液晶レンズ素子である。液晶レンズ素子は、液晶分子１３７Ａの配向方向を変化させることで液晶層１３７の屈折率を変化させて、複数のレンズ１３２を構成する。
　図１０に示すように、光学素子３０Ａは、第１基板１３０Ａと、第２基板１３０Ｂと、第１電極１３１と、第２電極１３４と、液晶層１３７と、を有する。第１基板１３０Ａは第２基板１３０Ｂと対向して配置される。第１電極１３１は、第１基板１３０Ａに複数設けられる。第２電極１３４は、第２基板１３０Ｂに設けられる。液晶層１３７は、第１基板１３０Ａと第２基板１３０Ｂとの間に配置される。第１基板１３０Ａ及び第２基板１３０Ｂは、ガラス基板や樹脂基板などの透光性基板である。第１電極１３１及び第２電極１３４は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｚｉｎｃ　Ｏｘｉｄｅ）等の透光性を有する導電性酸化物で形成されている。
　第１電極１３１は、ストライプ形状又はマトリクス状に複数配置される。第２電極１３４は、いわゆる共通電極であり、第２基板１３０Ｂの全面に形成されている。第１電極１３１及び第２電極１３４の一方は、例えば焦点可変用の共通電位に固定されている。焦点可変用の共通電位は、共通電位線に接続されることで固定されてもよいし、接地されることで固定されてもよい。第１電極１３１及び第２電極１３４の他方は、例えば不図示のレンズ制御用ドライバからレンズ駆動信号が供給される。
　液晶層１３７は、第３方向Ｄｚに対向する第１電極１３１と第２電極１３４との間に配置される。液晶層１３７は、ポジ型のネマチック液晶材料から成る。図１１に示すように、第１電極１３１と第２電極１３４との縦電界により、例えば、電界Ｅ１の分布が形成される。図１０に示す液晶層１３７の液晶分子１３７Ａは、この電界Ｅ１の分布により配向方向が変化する。これによりレンズ１３２の屈折率が変化する。
　第１基板１３０Ａには、第１電極１３１を含む全面を覆う第１配向膜１３３が形成されている。第２基板１３０Ｂには、第２電極１３４を含む全面を覆う第２配向膜１３５が形成されている。これらは例えばポリイミド材料により形成されており、その表面にラビング処理や光配向処理等の配向処理が施されている。第１配向膜１３３と第２配向膜１３５によって、電界が印加されていない状態における液晶分子１３７Ａの分子軸の方向が規定される。
　レンズ１３２は、第１方向Ｄｘに配列された６つの第１電極１３１を含む。レンズ１３２は、平面視でマトリクス状に配置された複数の第１電極１３１により構成されていてもよい。１つのレンズ１３２に含まれる第１電極１３１の数は適宜変更することができる。第１電極１３１は、それぞれ所定の幅ＥＷを有する。第１電極１３１は、所定の間隔ＮＷを空けて複数配列される。第１電極１３１の幅ＥＷ及び間隔ＮＷは特に限定されるものではなく、電界Ｅ１の分布が適切に形成されるように設定されればよい。
　図１０に示すように、第１基板１３０Ａと第２基板１３０Ｂとの間に、スペーサ１３６が設けられている。スペーサ１３６は、絶縁体であるオーバーコート層１４１で少なくとも側面が覆われている。オーバーコート層１４１は、第１基板１３０Ａの表面を覆う。第１電極１３１は、オーバーコート層１４１上に設けられている。スペーサ１３６はレンズ１３２の中央部に設けられている。レンズ１３２を中心として複数の第１電極１３１が対称に配置されている。すなわち、スペーサ１３６は、レンズ１３２の屈折率を変化させたときに液晶層１３７の液晶分子１３７Ａの配向方向が変わらない場所に配置される。これによりレンズ１３２の性能を高めることができる。
　また、光学素子３０Ａに求められる光学的な特性により、スペーサ１３６の高さＳＨは、５μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。より好ましい態様として、スペーサ１３６の高さＳＨは、１０μｍ以上３０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、機械強度などのプロセス性と集光や応答速度などの光学特性を両立することができる。スペーサ１３６を上記高さとすることで、光学素子３０Ａのレンズ機能を高くすることができる。
　レンズ１３２は、光源装置２０の単位領域２９（図５参照）に対応して形成される。本実施形態では、第１電極１３１と第２電極１３４とで液晶層１３７を駆動させることによりレンズ１３２の屈折率を変化させる。これにより、発光素子２２から照射される光Ｌ１（図５参照）がレンズ１３２を透過して集光される。レンズ１３２を透過した光Ｌ２（図５参照）は光硬化性樹脂１１に照射される。本実施形態では、液晶層１３７の駆動によりレンズ１３２の屈折率を変化させることができる。このため、光Ｌ２の状態を適切に変化させることができる。また、発光素子２２が消灯する消灯領域２９Ｄ（図９参照）では、光Ｌ１が透過しないように液晶層１３７を駆動してもよい。これにより、不要な部分への露光を抑制して硬化層１００ａ、１００ｂ（図１、図２参照）を精度よく形成することができる。
　以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。実施の形態で開示された内容はあくまで一例にすぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で行われた適宜の変更についても、当然に本発明の技術的範囲に属する。
　１　光造形装置
　１１　光硬化性樹脂
　１４　ステージ
　２０　光源装置
　２１　基板
　２２　発光素子
　２４、２５　隔壁
　２９　単位領域
　３０、３０Ａ　光学素子
　３１　基部
　３２　レンズ
　３２Ａ　光軸
　４０　光源駆動部
　４４　ステージ駆動部
　４５　制御装置
　１００　光造形物
　１００ａ、１００ｂ　硬化層
　１３０Ａ　第１基板
　１３０Ｂ　第２基板
　１３１　第１電極
　１３４　第２電極
　１３２　レンズ

Claims (10)

  1. 　光硬化性樹脂に光を照射して、樹脂硬化層を複数積層することにより光造形物を形成する光造形装置であって、
    　液状の前記光硬化性樹脂の表面に対向して配置される基板と、前記基板にマトリクス状に複数配置された発光素子とを含む光源装置と、
    　前記光源装置と前記光硬化性樹脂との間に配置され、前記発光素子から照射された光を集光して前記光硬化性樹脂に出射する光学素子と、を有する光造形装置。
  2. 　前記光源装置は、
    　前記発光素子のそれぞれに対応して設けられたスイッチング素子と、
    　前記スイッチング素子に接続された走査線及び信号線と、
    　前記発光素子に電力を供給するための電源線と、を有する請求項１に記載の光造形装置。
  3. 　前記光源装置は、駆動対象の前記発光素子を選択する制御用スイッチング素子と、前記電源線に接続された駆動用スイッチング素子とを含む請求項２に記載の光造形装置。
  4. 　前記光学素子は、前記発光素子のそれぞれに対向してレンズが設けられたマイクロレンズデバイスである請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光造形装置。
  5. 　前記光学素子は、第１基板と、前記第１基板に設けられた第１電極と、前記第１基板と対向する第２基板と、前記第２基板に設けられた第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた液晶層とを有する、液晶レンズであって、
    　前記液晶層は、前記第１電極及び前記第２電極の間に印加される所定の信号に応じて、前記発光素子からの光の屈折率を変化させるレンズを形成する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光造形装置。
  6. 　前記光造形物の断面形状データに基づいて、前記光硬化性樹脂の表面のうち前記光が照射される露光領域を演算し、前記露光領域と重なる位置の複数の前記発光素子を同時に点灯させる制御装置を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光造形装置。
  7. 　前記光源装置の、全ての前記発光素子と重なる発光領域は、平面視において、前記露光領域の全体に重なって設けられる請求項６に記載の光造形装置。
  8. 　前記発光素子は、紫外光を出射する発光ダイオードである請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光造形装置。
  9. 　前記光硬化性樹脂は、紫外線硬化型樹脂である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光造形装置。
  10. 　液状の前記光硬化性樹脂を収容する容器と、
    　前記光源装置を固定する支持部と、を有し、
    　前記光源装置は、少なくとも１層の前記樹脂硬化層を形成する間において、前記光硬化性樹脂の表面に対する位置が固定される請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の光造形装置。
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