(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の光硬化性樹脂の上方であって巾方向に走行自在に配置した線状光源からの光線を、光透過部と遮光部とからなる液晶シャッタ及び該液晶シャッタの透過光を光硬化性樹脂面に結像する等倍結像素子を経て、前記光硬化性樹脂の液面に照射して、目的立体モデルの断面パターンに対応する薄膜の硬化樹脂層を形成し、この樹脂層を順次積層して立体モデルを形成するようにした光造形装置において、
前記線状光源と前記液晶シャッタとの間に、前記線状光源から発せられる光のうち、前記等倍結像素子を通過できない入射角を有する光成分を遮断する遮光板組立体を装着したことを特徴とする光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液状の光硬化性樹脂に光を照射し、所望の形状を持つ立体モデルを形成する光造形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光造形装置としては、液状の光硬化性樹脂の表面にスポット状のレーザ光を平面的に走査させて目的造形物の断面パターンを描く露光を行って、レーザ光が当たった部分に位置する光硬化性樹脂のみを硬化させて薄膜の硬化樹脂層を形成し、この硬化樹脂層を連続的に幾層にも積層することで、立体モデルを形成するようにしたものが一般に知られている。
【０００３】
しかしながら、このようなレーザ光による露光方式を採用した光造形装置の場合、レーザ光での走査は、一筆書きによる長い線を描くのと同様の工程となるため、造形に長時間が必要であった。
【０００４】
このため、レーザ光の代わりに、平行光を用いた光造形装置、即ち、平行光の光源と光硬化性樹脂との間に液晶シャッタを配置し、この液晶シャッタ上に表示した立体モデル（目的造形物）の断面パターンをマスクパターン（露光マスクパターン）として使用して、このマスクパターンを介した平行光による一括露光で高速に光硬化性樹脂を硬化させるようにしたものが広く知られている（例えば、特開昭６２−２８８８４４号公報、特開平３−２２７２２２号公報、実開平２−３１７２６号公報等参照）。
【０００５】
しかし、液晶シャッタと平行光を用いた従来例の場合、一括露光を行うためには、液晶シャッタのサイズと少なくとも同じだけの面積を照射する照射強度の均一な平行光が必要となり、液晶シャッタのサイズが大きいほど、高圧水銀ランプ等の光源から均一な平行光を得るために、大型のレンズや反射板等を使用し、しかも長い光路長が必要となって、光源、ひいては装置全体が大型化してしまうといった問題があった。
【０００６】
そこで、大型のレンズや反射板、長い光路長を必要としない造形方法として、平行光による一括露光を用いる代わりに、ロングアークの水銀ランプ等を使用した線状光源と液晶シャッタ等を組み合わせ、線状光源を移動させることにより、液晶シャッタのマスクパターンを介した線露光で光硬化性樹脂を硬化させるようにしたものが一般に知られている（特開平４−２８４２２７号公報、特開平４−３０５４３８号公報、特願平６−８８３３７号、特願平６−１２０２５７号）  。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、線状光源を用いた従来例の場合、光源からミラー等で反射集光され液晶シャッタ面に入射する線状光は、平行光でなくシャッタ面に対して様々な角度成分を有するが、実際に液晶シャッタのマスクパターンに忠実な光硬化性樹脂の硬化層形成に利用できる光は、液晶シャッタの視野角依存性の為に、液晶シャッタ面から垂直に近い角度で出射する平行光に近い光成分のみで、この光を等倍結像素子等の光学系で選択的に利用する。この結果、液晶シャッタ面に入射する光の大半は非利用光となり、この非利用光が液晶シャッタの急激な昇温を招き、コントラストを著しく低下させるばかりか、液晶シャッタを劣化させ、寿命を短くするという問題があった。
【０００８】
また、線状光源は使用する光源自体あるいは光源種類やロットの違いによっても光源長さ方向の発光強度に分布があり、且つその分布がばらつくため、その結果、光硬化性樹脂を硬化する際、硬化樹脂の膜厚が不均一となり、造形精度の低下を招くという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解消すべくなされたもので、液晶シャッタの昇温によるコントラスト低下やシャッタ性能の劣化を抑制し、光源照度分布を均一化し得る光造形装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、液状の光硬化性樹脂の上方であって巾方向に走行自在に配置した線状光源からの光線を、光透過部と遮光部とからなる液晶シャッタ及び該液晶シャッタの透過光を光硬化性樹脂面に結像する等倍結像素子を経て、前記光硬化性樹脂の液面に照射して、目的立体モデルの断面パターンに対応する薄膜の硬化樹脂層を形成し、この樹脂層を順次積層して立体モデルを形成するようにした光造形装置において、
前記線状光源と前記液晶シャッタとの間に、前記線状光源から発せられる光のうち、前記等倍結像素子を通過できない入射角を有する光成分を遮断する遮光板組立体を装着したことを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】
巾方向に走行する光源から出た光は、液晶シャッタに向かうが、この際、遮光板組立体の調節により、等倍結像素子の開口角よりも大きい角度をもって液晶シャッタに入射する光、すなわち、光硬化性樹脂の硬化に利用されない光を遮光することができ、これにより、液晶シャッタの昇温が防止される。また、遮光板組立体の調節により光源の長さ方向の光量を均一化することができ、この結果、光源の照度分布が均一化される。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１において、付番１は、上方に開口した矩形ボックス状の容器（樹脂槽）で、この容器１の内部には、光が当たると液体から固体に硬化する液状の光硬化性樹脂２が満たされている。この光硬化性樹脂２は、光エネルギーによって重合反応を起こして、液体が固体に変化するという特性を持った樹脂で、例えば光重合性ポリマー、光開始剤、特性改善のための添加剤等を含むことができる。
【００１３】
前記容器１の一側方には、前記容器１内に位置して上下に昇降する平板状のエレベータ３を備えた位置制御可能なエレベータ昇降機構４が配置され、このエレベータ３の上に光硬化樹脂２が硬化することによって得られる硬化樹脂層２ａが順次積層されるようになっている。
【００１４】
また、前記容器１の他側方には、平面状に拡がって前記容器１内に収容された光硬化性樹脂２の液面のほぼ全域を覆う液晶シャッタ５を、その一端において水平に保持する液晶シャッタ保持機構６が立設されている。
【００１５】
前記液晶シャッタ５は、目的立体モデルの断面パターンを透過部と遮断部で表示できるものであれば良く、例えば、ＳＴＮ型液晶パネル、ＴＮ型液晶パネル、ポリマー分散型液晶パネル等を使用することができる。
【００１６】
更に、前記容器１の該容器１を挟んだ両側には、図２に示すように、レール７上をエアー圧やステッピングモータ等の駆動装置によって走行する支柱８を備えた位置制御可能な一対の直線移動機構９が平行かつ水平に配置され、この支柱８の上端に、容器１を跨がって直線状に延びる光源ユニット１０の端部が連結されている。そして、前記光源ユニット１０の内部には、前記液晶シャッタ５が挿通する矩形枠状の窓部１０ａが形成されている。
【００１７】
これにより、光源ユニット１０は、容器１の上方に位置し、液晶シャッタ５を挟んだ状態で、直線移動機構９の駆動に伴う支柱８の互いに同期した移動に伴って、その幅方向に水平に走行し、しかもこの走行が液晶シャッタ５によって阻害されないようになっている。
【００１８】
なお、この実施例では、直線移動機構として、位置及び速度の制御が比較的容易なエアー圧やステッピングモータ等を使用した例を示しているが、油圧シリンダ等、任意のものを使用しても良いことは勿論である。
【００１９】
前記光源ユニット１０の内部の前記液晶シャッタ５の上方位置には、この長さ方向に沿ってこのほぼ全長に亘って直線状に延びる線状光源１１が前記光硬化性樹脂２の液面と水平に配置されて収容されている。
【００２０】
この線状光源１１としては、例えば、クリプトンロングアークランプ、キセノンロングアークランプ、メタルハライドロングアークランプ、水銀ロングアークランプ等を使用することができる。
【００２１】
前記線状光源１１の上方には、図３に示すようにこの線状光源１１から出た光を反射して、この反射光を前記液晶シャッタ５上に集光させる円弧状の反射ミラー１２が、この反射ミラー１２の下方で前記液晶シャッタ５の上方位置には、前記線状光源１１からの光の内、等倍結像素子１６を通過できない入射角を有する光成分を遮断し、光量を調節する遮光板組立体１３と光硬化性樹脂の硬化反応に寄与しない波長域の熱エネルギーや光エネルギーを遮光し、液晶へのダメージを防止するための熱線吸収フィルタ１４と光の透過と遮光を切り替えるためのメカニカルシャッタ１５とが上下に平行に順に配置されて前記光源ユニット１０内に収容されている。
【００２２】
前記遮光板組立体１３は、複数の長方形の薄板１３ａから構成され、等倍結像素子の開口角より大きな角度成分光を遮光するもので、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、高さｌの長方形の薄板を垂直に立て、該薄板のそれぞれの面が平行になるように間隔ｄを置いて、線状光源の長さ方向にスリット状に、或いは線状光源の長さ方向と幅方向に格子状に配列され、前記薄板の高さｌと間隔ｄを調節して、入射角ｔａｎ−１（ｄ／ｌ）以上の光線成分を遮光する。
【００２３】
また、遮光体組立体１３は、線状光源の長さ方向の光量を均一化する機能をも果たし、高さｌの長方形の薄板を垂直に立て、該薄板のそれぞれの面が平行になるように間隔ｄを置いて、線状光源の長さ方向にスリット状に、或いは線状光源の長さ方向と幅方向に格子状に配列され、線状光源の長さ方向に並んだ前記薄板の間隔ｄを部分的に変えることにより、遮光板を透過する光量を部分的に調節することができる。
【００２４】
通常、光量の調節は間隔ｄを変えることにより行うが、高さｌを単独で変えることにより行うことも可能であり、あるいは間隔ｄと高さｌとの双方を変えることにより行うことも可能である。
【００２５】
また、遮光板組立体１３の配列は、スリット状又は格子状に限らず、ハニカム状であってもよい。
すなわち、本発明においては、遮光板組立体は、液晶シャッタへの入射光を遮光によって選択的に規制するのであるが、これはより具体的には以下の実施態様のいずれかによって達成される。
（１）線状光源から液晶シャッタへ入射する光線のうち、入射角が等倍結像素子の開口角より大きな角度成分を遮光する。
（２）遮光板組立体の調節により、線状光源の長さ方向の光量を均一化する。
（３）線状光源から液晶シャッタ面へ入射する光線のうち、入射角が等倍結像素子の開口角より大きな角度成分を遮光し、かつ遮光板組立体の調節により、線状光源の長さ方向の光量を均一化する。
【００２６】
なお、本発明において、遮光板とは光の反射の少ない、即ち光を吸収し易く且つ透過光のロスを少なくするためできるだけ薄板であればよく、例えば、黒アルマイト処理したアルミ板や黒染めした薄い鉄板等が使用できる。
【００２７】
更に、光源ユニット１０の前記液晶シャッタ５の下方位置には、光硬化性樹脂２の上方に位置して前記液晶シャッタ５の透過光を光硬化性樹脂２の液面に結像する等倍結像素子１６が配置されている。
【００２８】
この等倍結像素子１６は、液晶シャッタ５を透過した透過パターン光を効率良く光硬化性樹脂２の液面に結像できる幅と長さを有するものであれば良く、例えば、セルホックレンズを列状に並べたセルホックレンズアレー等を使用することができる。
【００２９】
図１または図２に示すように、前記光源ユニット１０の走行方向の前後面、即ち幅方向の両側には、光源ユニット１０の長さ方向に沿ってそのほぼ全長に亘って直線状に延びて光硬化性樹脂２の液面を平滑化する一対の平滑板１７が取り付けられている。
【００３０】
この平滑板１７は、それぞれ独立に駆動できる昇降機構を介して上下動自在に構成され、前記光源ユニット１０の進行方向の前方側に位置する一方の平滑板１７をこの下端が光硬化性樹脂２の液面に接触するまで下降させることにより、光源ユニット１０の走行に伴って、光硬化性樹脂２の液面の平滑化を行うようになっている。
【００３１】
図１に示すように、前記エレベータ昇降機構４、直線移動機構９の位置と速度、液晶シャッタ５の表示、メカニカルシャッタ１５のオン・オフ、平滑板１７の昇降等をそれぞれ独立に制御する制御装置としてのコンピュータ１８が備えられ、このコンピュータ（制御装置）１８は、目的立体モデルの断面パターン（造形データ）を格納したデータファイル１９に接続されている。
【００３２】
そして、このコンピュータ１８は、データファイル１９から目的立体モデルの断面パターンを呼出し、この断面パターンを図形として液晶シャッタ５上に白黒の２階調のマスクパターンで表示させるようになっている。
【００３３】
このように、コンピュータ１８による制御により、前記エレベータ３の表面に液状の光硬化性樹脂２が硬化することによって得られる硬化樹脂層２ａを順次積層して、この硬化樹脂層２ａからなる立体モデルを形成するものであるが、これを以下のようにして行う。
【００３４】
先ず、エレベータ昇降機構４を駆動させて、最上段に位置する硬化樹脂層２ａ（またはエレベータ４の表面）の上に位置する光硬化性樹脂２が所定の深さΔｈになるようにする。
【００３５】
次に、データファイル１９に格納されている目的立体モデルの断面パターン（断面形状データ）を呼び出して、この断面パターンを図形として白黒の２階調のマスクパターンで前記液晶シャッタ５に表示させる。
【００３６】
この状態で、メカニカルシャッタ１５を開き、光源ユニット１０を一方の端辺から他方の端辺まで、直線移動機構９の駆動によって一定の速度で平行移動させることにより、光源ユニット１０内の線状光源１１から出射され、遮光板組立体１３を介して液晶シャッタ５を透過した線状光で光硬化層樹脂２の液面を照射して、一層の硬化樹脂層２ａを形成する。
【００３７】
即ち、液晶シャッタ５に表示された白黒の２諧調のマスクパターンによって、例えば白色の部分で光を透過させ、黒色の部分で光を遮断することにより、液晶シャッタ５に表示されたマスクパターン形状と同様な形状の硬化樹脂層２ａを形成することができる。
【００３８】
この光源ユニット１０の移動の際、光源ユニット１０の進行方向の前面側に取り付けられた一方の平滑板１７をこの下端が光硬化性樹脂２の液面に接触するよう下降させ、これによって、光源ユニット１０の平行移動に伴って光硬化性樹脂２の液面の平滑化を行い、この平滑化と同時に硬化樹脂層２ａを形成することができる。
【００３９】
そして、これと同様な操作を繰り返すことにより、所定形状の硬化樹脂層２ａを順次積層し、所望の立体像が得られた時に、これを容器１から取り出し、洗浄し未硬化の光硬化性樹脂を取り除き、しかる後ポストキュアを施して立体像を完成させる。
【００４０】
ここで、遮光板による線状光の角度成分を制御し光量を調節する方法について図１を参照して説明する。
線状光源下に、高さがｌの薄板を間隔ｄをおいてスリット状に配列すれば、線状光源の長さ方向に発散する光に対して、このスリットを通過できる光の角度θはおよそｔａｎ−１（ｄ／ｌ）以下に制限でき、また、線光源の長さ方向の照度分布に合わせて、薄板の間隔ｄを部分的に変え光量を調節すれば遮光板通過後の光量を均一化できる。更に、遮光板を光源の長さ及び幅方向に格子状に配置し、薄板の高さｌ及び間隔ｄを光源の長さと幅方向でそれぞれ調節すれば、光のロスは大きくなるものの、スリットを透過する光全般に亘って、つまり、液晶シャッタへ入射する光の角度成分と光量をより精密に制御できる。
【００４１】
次に、本発明のより具体的な例につき、従来例と比較しつつ説明する。
図５は、遮光板組立体の有無をパラメータとして、光源ユニットを一定のインターバルで移動させたときの液晶シャッタ中央部で測定した該シャッタ表面温度の時間変化を示し、図６は遮光板組立体使用前と使用後における光源長さ方向の照度分布を示すもので、以下に実施条件を示す。
【００４２】
図３に示した光源ユニット１０において、線状光源１１に３．５ＫＷの長さ約３００ｍｍのメタルハライドロングアークランプおよび等倍結像素子１６として開口角（透過できる入射光の最大角度）が１２°のセルホックアレーを使用し、この時の遮光板組立体１１を使用例においては、該遮光板組立体は、液晶シャッタへの入射光の角度成分がおよそ１２°以下になるよう高さ１７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの黒染め鉄板を７ｍｍ間隔で線状光源の長さ方向にスリット状に配列した。
【００４３】
図５の結果は上記条件で、光源ユニット１０を連続的に速度１５ｍｍ／ｓで液晶シャッタ両端間をそれぞれの端で約２０秒のインターバルをおくようにして往復移動させた場合の室温雰囲気での液晶シャッタ中央付近の表面温度を測定したもので、遮光板組立体のない場合、温度は経時的に液晶の等方性温度付近まで上昇し、且つ光源の通過に伴い局所的に急激な温度上昇の為に液晶シャッタのコントラストが低下するばかりか、シャッタとして使用できなくなる一方、遮光板組立体を使用した場合、温度上昇はほとんど見られず、局所的温度上昇も穏やかである。遮光板組立体を用いずに造形をする場合、よりパワーの小さい光源を使用しなければならず、造形に長時間を要していたが、簡便な遮光板を使用するだけで、よりパワーの大きな光源の使用が可能になり造形時間短縮ができる。
【００４４】
図６の結果は前記条件で、セルホックレンズを透過し光硬化性樹脂２の位置に届く光の照度分布を光源の長さ方向で測定したもので、遮光板がある場合の照度分布は、遮光板のない場合の照度分布に応じて、遮光板の初期の間隔７ｍｍから場所により間隔を変え、光量を調節することによって照度の均一化を実現したもので、全体的に照度は低下するもののこの実施例では約１５％あった照度のばらつきを２％程度に抑えられた。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では線状光源と液晶シャッタの間に、簡便な、遮光板を用いた遮光板組立体を配置することにより、光硬化性樹脂の硬化に利用されない角度成分を有する光成分を遮光することによって、液晶シャッタの昇温によるコントラスト低下やシャッタ性能の劣化を抑制し得るとともにより高出力光源の使用が可能になるため、造形時間の短縮が実現できる。また、遮光板組立体を調節することにより、光源照度分布を均一化し、目的立体モデルを精度よく造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概要図。
【図２】同じく、光源ユニットの移動機構を示す斜視図。
【図３】同じく、光源ユニットの拡大断面図。
【図４】図４（ａ）は、遮光板組立体による光量調整方法を示すもので、図３の側面からみた説明図。図４（ｂ）は、図３の正面からみた説明図。
【図５】同じく、遮光板組立体による遮光の効果を示す測定結果図。
【図６】同じく、遮光体組立体による光源光均一化の効果を示す測定結果図。
【符号の説明】
１…容器
２…光硬化性樹脂
２ａ…硬化樹脂層
５…液晶シャッタ
１０…光源ユニット
１１…線状光源
１３…遮光板組立体
１５…等倍結像素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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