(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅方向に走行自在に配置した線状光源からの光線を、液晶シャッターを経て、液状の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、
前記線状光線と前記液晶シャッターとの間に、線状光源の長さ方向にスリット状に、又は線状光源の長さ方向と幅方向に格子状に配列させた複数枚の長方形の薄板を有し、前記液晶シャッターに印加する電圧を、前記線状光線の位置に対応する液晶シャッターの温度に応じて制御することによって、該液晶シャッターのコントラスト変動を補償するコントラスト補償手段を有することを特徴とする光造形装置。
【請求項２】
前記液晶シャッターと前記光硬化性樹脂の液面との間に、等倍結像素子を有することを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
【請求項３】
前記線状光源と前記液晶シャッターとの間に、熱線吸収フィルターを有することを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
【請求項４】
前記線状光源と前記液晶シャッターとの間に、メカニカルシャッターを有することを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
【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ーを配置し、この液晶シャッター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、液晶シャッター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、液晶シャッター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、液晶シャッター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ー等を組み合わせ、線状光源を移動させることにより、液晶シャッター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で、線状光線と液晶シャッターの配置から、露光方法として、線状光線と線状シャッターとが一体となって移動しながら露光するもの（特開平４−２８４２２７号公報、特開平４−３０５４３８号公報、特願平６−８８３３７号）や面状の液晶シャッター上を線状の液晶シャッターが移動して露光するもの（特願平６−１２０２５７）等が一般に知られている。
【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、あらかじめ特定の温度で液晶シャッターのコントラストが最大になる液晶の最適駆動電圧を設定しても、線状光源光の照射を受ける該光照射部は、該光の強度、照射時間、雰囲気温度等の影響を受けて初期温度から任意の温度に上昇し、この温度上昇に伴って前記液晶の最適駆動バイアス電圧がシフトするために液晶シャッターのコントラストが低下するという問題があり、特に、面状の液晶シャッター上を線状光源が移動して露光する光造形装置においては、線状光線が液晶シャッター上を繰り返し通過することによって、液晶シャッターの前記線状光源移動方向（液晶シャッターの幅方向）に対して温度分布が生じるために、液晶シャッター幅方向の特定の位置の温度で液晶の最適駆動電圧を設定すると、他の部分ではコントラストが低下し、この結果、液晶シャッターのマスクパターンのうち光透過部では透過光量が減少し所定の硬化樹脂膜厚が得られず、光遮光部では漏れ光が増大し非硬化部が硬化してしまい部分的に均一な硬化樹脂層ができないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたもので、常に均一な液晶シャッターの透過光による厚みの均一な硬化樹脂層を得ることができる光造形装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、幅方向に走行自在に配置した線状光源からの光線を、液晶シャッターを経て、液状の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、
前記線状光線と前記液晶シャッターとの間に、線状光源の長さ方向にスリット状に、又は線状光源の長さ方向と幅方向に格子状に配列させた複数枚の長方形の薄板を有し、前記液晶シャッターに印加する電圧を、前記線状光線の位置に対応する液晶シャッターの温度に応じて制御することによって、該液晶シャッターのコントラスト変動を補償するコントラスト補償手段を有することを特徴とするものである。
ここで、前記液晶シャッターと前記光硬化性樹脂の液面との間に、等倍結像素子を有することが好ましい。
また、前記線状光源と前記液晶シャッターとの間に、熱線吸収フィルターを有することが好ましい。
さらに、前記線状光源と前記液晶シャッターとの間に、メカニカルシャッター
を有することが好ましい。
【００１０】
【作用】
線状光線から光の照射を受けることにより、液晶シャッターの光照射部の温度は上昇するが、コントラスト補償手段により液晶シャッターの温度に応じて液晶シャッターに印加する電圧が制御されることにより、温度上昇に基く液晶シャッターのコントラストの変動が補償されて一定に維持される。
【００１１】
【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。
【００１２】
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。
【００１３】
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ー５を、その一端において水平に保持する液晶シャッター保持機構６が立設されている。
【００１４】
前記液晶シャッター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。
【００１５】
ここで、前記液晶シャッターの一側端には図３に示すように温度センサー７が後述する光源ユニット８の移動方向に一定間隔で列状に設置され、多点温度計９により、前記液晶シャッター表面の温度を測定できるようになっており、ここで温度センサーは応答性がよく且つ精度よく温度計測できるものであればよく、例えば、熱電対や温度抵抗体等が使用できる。
【００１６】
更に、前記容器１の該容器１を挟んだ両側には、同図に示すように、レール１０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１１を備えた位置制御可能な一対の直線移動機構１２が平行かつ水平に配置され、この支柱１１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８の端部が連結されている。そして、前記光源ユニット８の内部には、前記液晶シャッター５が挿通する矩形枠状の窓部８ａが形成されている。
【００１７】
これにより、光源ユニット８は、容器１の上方に位置し、液晶シャッター５を挟んだ状態で、直線移動機構１２の駆動に伴う支柱１１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ー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８の内部の前記液晶シャッター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１３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１３は、前記液晶シャッター５を該線状光源１３の長さ方向に対して少なくとも８０％以上の照度分布で照射できるものであれば良く、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１３の上方には、図２に示すようにこの線状光源１３から出た光を反射して、この反射光を前記液晶シャッター５上に集光させる円弧状の反射ミラー１４が、この反射ミラー１４の下方で前記液晶シャッター５の上方位置には、前記線状光源１３からの熱エネルギーや光エネルギーによる液晶へのダメージを防止するための熱線吸収フィルタ１５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ー１６とが上下に平行に順に配置されて前記光源ユニット８内に収容されている。
【００２２】
なお、図４に示すように、前記線状光源１３からの光のうち、後述する等倍結像素子１７を通過できない入射角を有する光成分を遮断し、光量を調整する遮光板組立体２５を線状光源１３と熱線吸収フィルタ１５との間に配置してもよい。
【００２３】
前記遮光板組立体２５は、複数の長方形の薄板２５ａ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５（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。
【００２４】
また、遮光板組立体２５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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、遮光板組立体２５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。
なお、ここに、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８の前記液晶シャッター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ー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１７が配置されている。
【００２８】
この等倍結像素子１７は、液晶シャッター５を透過した透過パターン光の内、垂直に近い角度成分を有する光のみ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】
前記光源ユニット８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８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１８が取付けられている。
【００３０】
この平滑板１８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８の進行方向の前方側に位置する一方の平滑板１８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８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１２の位置と速度の制御、液晶シャッター５の表示、及び液晶を駆動するのに必要なバイアスＤＣ電圧Ｖを供給する可変ＤＣ電源１９の制御、多点温度計９の制御、メカニカルシャッター１６のオン・オフ、平滑板１８の昇降制御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２０が備えられ、このコンピュータ（制御装置）２０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２１に接続されている。
【００３２】
そして、このコンピュータ２０は、データファイル２１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ー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】
このコンピュータ２０による制御により、液晶シャッター面内の温度変動（分布）による該シャッターのコントラストのばらつきを光源ユニットの移動とともに補正し、該補正によって前記液晶シャッター全面に亘って液晶シャッターを透過する均一光で、前記エレベータ３の表面に液状の光硬化性樹脂２を硬化させ、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、先立って、液晶シャッターの温度変動によるコントラストのばらつきを補正する手順例を説明する。
【００３４】
本発明において、液晶シャッターのコントラスト変動を補償する機能とは、一般に液晶シャッターの液晶を駆動する方法である時分割駆動法において、液晶を駆動する際、各液晶セル間には、専用（時分割駆動法用）の液晶ドライバ回路によって回路外部から供給されるＤＣバイアス電圧を基準電圧とした任意のＤＣあるいはＡＣの電圧が印加されるが、このときのＤＣバイアス電圧を液晶シャッターの温度に応じて制御することによって、液晶ドライバが発生する実効電圧を相対的に可変し、液晶のコントラストを任意に調整することである。より具体的には、先ず、光学マスクとして使用する液晶シャッター５の温度Ｔと該シャッターのコントラストが最大となる液晶の駆動バイアス電圧Ｖとの関係を少なくとも液晶シャッターの温度変動の範囲で多項式で
Ｖ＝Ａ０  ＋Ａ１  Ｔ＋Ａ２  Ｔ２  ＋…                        （１）
（ここでＡ０  、Ａ１  、Ａ２  …は定数）
のように近似するが、これは図６に示すような液晶シャッター５の温度Ｔをパラメータとして求めた、液晶シャッターのコントラストＣｒと液晶の駆動バイアス電圧Ｖとの関係から、図７に示すように、図６の各温度でのコントラストＣｒが最大となる液晶の駆動バイアス電圧Ｖをプロットして求めることができる。
【００３５】
そして、液晶シャッター５の光源ユニット８の移動方向に対する任意の位置Ｘでの温度Ｔが分かれば（１）式より液晶シャッター上の位置ＸでのコントラストＣｒを常に最大ピークにする液晶の駆動電圧Ｖが決定されるが、ここで液晶シャッター５の温度Ｔは、該シャッターに設置された複数の温度センサ７すべての位置Ｘに対して、該位置での液晶シャッターの温度を多点温度計９で測定すると、図８のようになり、図８の関係を多項式で近似すれば温度Ｔは
Ｔ＝Ｂ０  ＋Ｂ１  Ｘ＋Ｂ２  Ｘ２  ＋…                        （２）
（ここで  Ｂ０  、Ｂ１  、Ｂ２  、…は定数）
のように求めることができ、液晶シャッター５に対する光源ユニット８の位置Ｘが決まれば、（１）（２）式から、位置Ｘでの液晶の駆動バイアス電圧Ｖは
0003584942.tif 000002
のように求めることができる。
【００３６】
このような手法で液晶シャッター５の温度変動によりコントラストのばらつきを補正しつつ造形を以下のように行う。
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。
【００３７】
次に、データファイル２１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ー５に所定の液晶の駆動バイアス電圧Ｖを印加し、表示を可能な状態にする。
【００３８】
そして、多点温度測定計９により液晶シャッター５の温度Ｔを計測し、（２）式の温度分布を求める。
この状態で、メカニカルシャッター１６を開き、光源ユニット８を一方の端辺から他方の端辺まで、直線移動機構１２の駆動によって一定の速度で平行移動させるが、このとき、直線移動機構１２により光源ユニット８の液晶シャッター上の位置Ｘをリアルタイムでモニターし、（３）式の関係から最適な液晶の駆動バイアス電圧Ｖを求め、可変ＤＣ電源から供給された電圧Ｖでの液晶シャッターの駆動を行うことにより、光源ユニット８内の線状光源１３から出射され液晶シャッター５を透過する均一な線状光で光硬化性樹脂２の液面を照射して、一層の硬化性樹脂層２ａを形成する。
【００３９】
尚、液晶シャッター５の温度の計測は、コンピュータ２０の割り込み処理等を使用し、光源ユニット８の移動中も随時行ない、温度分布式（２）を更新するが、測定頻度が多ければ多いほど、より高い精度でコントラストの補正ができるのは勿論である。
【００４０】
この光源ユニット８の移動の際、光源ユニット８の進行方向の全面側に取付けられた一方の平滑板１８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８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性樹脂層２ａを形成することができる。
【００４１】
そして、これと同様な操作を繰り返すことにより、所定の形状の硬化樹脂層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、しかる後にポストキュアを施して立体像を完成させる。
【００４２】
上記実施例では、樹脂容器１の全面に亘って配置された液晶シャッターの温度変動によるコントラストむらの補償例を示したが、従来例で示した線状光線と線状の液晶シャッターとが一体となって移動しながら露光する場合（特開平４−２８４２２７号公報、特開平４−３０５４３８号公報、特願平６−８８３３７号）の線状の液晶シャッターにも適用できることは勿論、液晶シャッターに設置する温度センサーの位置と設置数を変えれば、様々な大きさの液晶シャッターに適応できる。
【００４３】
また、温度センサーの設置数や多項式（１）（２）（３）の次数は、該設定値を増やせばコントラストの補償精度は良くなるが制御装置２０の処理や温度測定に時間を要するため、繰り返し行う光源ユニットの位置Ｘを検出してから液晶の駆動バイアス電圧Ｖを設定するまでの応答速度が光源ユニット８の移動速度より十分大きくなるように設定する必要がある。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は上記のような構成であるので、液晶シャッター温度変動による液晶シャッター面内のコントラストむらの影響を受けることなく、常に均一な液晶シャッターの透過光による、厚みの均一な硬化樹脂層が得られるため、高精度な立体モデルの造形ができる。
【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、光源ユニットの拡大断面図。
【図３】同じく、光源ユニットの移動機構を示す斜視図。
【図４】本発明の他の実施例に係る光源ユニットの拡大断面図。
【図５】図５（ａ）は、遮光板組立体による光調整方法を示すもので、図４の側面からみた説明図、図５（ｂ）は図４の正面からみた説明図。
【図６】同じく、液晶シャッターの温度をパラメータとしたコントラスト液晶駆動電圧の関係図。
【図７】同じく、液晶シャッターのコントラストを最大にする温度に対する液晶駆動電圧の補償曲線図。
【図８】同じく、液晶シャッター光源ユニット移動方向の温度分布図。
【符号の説明】
２…光硬化性樹脂
２ａ…硬化樹脂層
５…液晶シャッター
７…温度センサー
９…多点温度計
１３…線状光源
１９…可変ＤＣ電源
２０…コンピュータ
【図１】
0003584942.tif 000003
【図２】
0003584942.tif 000004
【図３】
0003584942.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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