(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の光硬化性樹脂に目的立体モデルの断面パターンに対応する光を選択的に照射して薄膜の硬化樹脂層を形成し、この硬化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、前記光硬化性樹脂を収容した容器の上方に、光を選択的に透過または遮光する液晶シャッタを光硬化性樹脂の液面に対して平行状に走行し得るように配置し、該液晶シャッタの走行範囲を複数に分割した分割区間の各通過点で停止自在な光源ユニットを液晶シャッタの走行方向に走行自在に配置し、該光源ユニットの内部に、前記液晶シャッタの上方であってかつ長手方向が前記液晶シャッタの走行方向とほぼ直交するように線状光源を収容し、前記光源ユニットの走行方向の前面および後面に、該光源ユニットの走行方向に対して直交状に延びて前記光硬化性樹脂の表面を平滑化させる平滑板を上下動自在に取付け、前記分割区間に対応する立体モデルの断面パターンを前記液晶シャッタに表示する制御部を設け、前記液晶シャッタは前記分割区間の各通過点で停止自在であって、該液晶シャッタの停止中に前記線状光源が該液晶シャッタ上を通過して分割露光を行う一連の動作を該液晶シャッタの一方向における走行範囲において繰り返すことにより前記光硬化性樹脂の一層の硬化を行う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】
従来、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】
また、特開平４−３０５４３８号公報に、微小ドットエリアの光シャッタを連続的に一列に配置して露光マスクを構成し、この露光マスクを光源と一体に前記光シャッタの配列方向と直交する方向に走査させながら、露光領域を前記走査方向に沿って順次変化させつつ一層の硬化樹脂膜を形成するようにしたものが提案されている。
【０００６】
ここに、光造形装置においては、前記レーザ光や平行光による液状の光硬化性樹脂への露光を行う前に、光硬化性樹脂の液面を平滑化させたり、該樹脂の積層厚を一定に保つ目的で、例えばスキージ等の平板を光硬化性樹脂の液面に接触させつつ該樹脂の液面上を移動させる工程を行うことが一般化している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記液晶シャッタと平行光を用いた従来例の場合、平行光による一括露光を行うためには、平板状の液晶シャッタの面積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、液晶シャッタの寸法が大きいほど、例えば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ばかりでなく、照射エネルギの損失も増大してしまうといった問題があった。
【０００８】
また、光シャッタを一列に配置して露光マスクを構成し、露光領域を露光マスクの走行方向に沿って順次変化されるようにした場合、光シャッタの構成がかなり複雑で動作の信頼性が欠けるばかりでなく、ドットエリアの微細化にも一定の制限があり、しかも光シャッタを２列以上に配置して露光マスクを構成することができずに、露光時間の増大につながると考えられる。
【０００９】
さらに、液状の光硬化性樹脂の液面の平滑化を行う工程は、光硬化性樹脂の粘度が高いときなどに液面を平滑化させる時間を短縮するために必要であるが、露光時間に関わらず常に一定の時間を要するため、造形時間の短縮化の妨げとなっていた。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、構成が簡単で、しかも大型化することがなく、大型の目的立体モデルを精度よく、かつより短時間で造形す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。
【００１１】
【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、光硬化性樹脂を収容した容器の上方に、光を選択的に透過または遮光する液晶シャッタを光硬化性樹脂の液面に対して平行状に走行し得るように配置し、該液晶シャッタの走行範囲を複数に分割した分割区間の各通過点で停止自在な光源ユニットを液晶シャッタの走行方向に走行自在に配置し、該光源ユニットの内部に、前記液晶シャッタの上方であってかつ長手方向が前記液晶シャッタの走行方向とほぼ直交するように線状光源を収容し、前記光源ユニットの走行方向の前面および後面に、該光源ユニットの走行方向に対して直交状に延びて前記光硬化性樹脂の表面を平滑化させる平滑板を上下動自在に取付け、前記分割区間に対応する立体モデルの断面パターンを前記液晶シャッタに表示する制御部を設け、前記液晶シャッタは前記分割区間の各通過点で停止自在であって、該液晶シャッタの停止中に前記線状光源が該液晶シャッタ上を通過して分割露光を行う一連の動作を該液晶シャッタの一方向における走行範囲において繰り返すことにより前記光硬化性樹脂の一層の硬化を行うことを特徴とするものである。
【００１２】
【作用】
分割区間に対応する立体モデルの断面パターンが表示された液晶シャッタの停止中に、線状光源がこの液晶シャッタ上を通過して分割露光を行う一連の動作の繰り返しにより、大きな目的立体モデルを比較的短時間で造形することができる。また、光源ユニットに取り付けられた平滑板が、光源ユニットの走行時に、分割露光に先立って光硬化性樹脂の表面を平滑化するので、別途平滑化工程を設ける必要がなく、したがって当該工程の省略化に伴って時間の短縮化が図れる。
【００１３】
【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、上方に開口した断面矩形状の容器（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。
【００１４】
前記容器１の一側方には、前記容器１内に位置して昇降自在な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。
【００１５】
また、前記容器１の相対向する両側には、図２に示すように、内側レール６が互いに平行に配置され、この内側レール６には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位置制御可能な直線移動機構７が配置されている。この移動機構７は、容器１を跨架する水平枠材７ａと、水平枠材７ａの両端から下方に延びてレール６上を走行する垂直枠材７ｂとからなり、液晶シャッタ５の一側端が光硬化性樹脂の液面に対し平行状になるように保持されている。
【００１６】
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直線移動機構７の移動方向と直交する方向に任意に分割して透過部と遮光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。
【００１７】
更に、内側レール６の両側には、内側レールに対して平行な外側レール８が配置され、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位置制御可能な直線移動機構９が外側レール８に走行自在に設置されている。この移動機構９は容器１を跨架する水平部９ａと、水平部９ａの両端から下方に延びてレールを走行する支柱９ｂとからなり、水平部９ａは光源ユニット１０を形成する。この光源ユニット１０の内部には、液晶シャッタ５が挿通する矩形状の窓部１０ａが形成されている。
【００１８】
このように光源ユニット１０は、容器１の上方に位置し、いわば液晶シャッタ５を挟むような状態で、直線移動機構９の駆動によって光源ユニット１０が、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。
【００１９】
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あるが、直線移動機構７は少なくとも液晶シャッタの画素サイズより高精度の位置合わせ精度を必要とする。
【００２０】
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、光源ユニットの走行方向と直交する方向、すなわち、ユニットの長さ方向に沿いそ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の液面と平行に配置されて収容されている。
【００２１】
この線状光源１１は、液晶シャッタ５をこの線状光源１１の長さ方向に対して、少なくとも８０％以上の照度分布で光を照射できるのであれば良く、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。
【００２２】
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が配置され、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１３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１４とが上下に平行にこの順序で配置され、これらは前記光源ユニット１０内に収容されている。
【００２３】
なお、図４に示すように、前記線状光源１１からの光のうち、後述する等倍結像素子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１７を線状光源１１と熱線吸収フィルタ１３との間に配置してもよい。
【００２４】
この遮光板組立体１７は、複数の長方形の薄板１７ａ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。
【００２５】
また、遮光体組立体１７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。
【００２６】
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。
【００２７】
また、遮光板組立体１７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。
【００２８】
更に、図３および４に示すように、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。
【００２９】
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のうち、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。
【００３０】
図１ないし図４に示すように、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１８が取り付けられている。
【００３１】
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１０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。
【００３２】
図１に示すように、エレベータ昇降機構４、直線移動機構７、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１４のオン・オフ、平滑板１８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１９が備えられ、このコンピュータ（制御装置）１９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２０に接続されている。
【００３３】
そして、このコンピュータ１９は、データファイル２０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液晶シャッタ５の移動方向と直交する方向に複数の分割パターンに分割し、この分割パターンのうちの液晶シャッタ５の容器１上における位置に対応する分割パターンを液晶シャッタ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。
【００３４】
このように、コンピュータ１９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。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、データファイル２０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液晶シャッタ５の移動方向と直交する方向に複数の分割パターンに分割し、この分割パターンのうちの液晶シャッタ５の容器１上における位置に対応する分割パターンを液晶シャッタ５の容器１上における位置に対応する分割パターンを液晶シャッタ５上に白黒の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。
【００３７】
この状態で、光源ユニット１０を液晶シャッタ５の一方の端辺から他方の端辺まで、メカニカルシャッタ１４を開き、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、△ｈの光硬化性樹脂２を硬化させ、一層の硬化樹脂層２ａのうちの液晶シャッタ５の位置に対応した一部を形成する。
【００３８】
更に、直線移動機構７の駆動によって液晶シャッタ５を次の分割パターン表示位置まで移動させ、液晶シャッタ５の一方の端辺まで光源ユニット１０をメカニリカルシャッタ１４を閉じた状態で直線移動機構９の駆動によって戻した後に、メカニカルシャッタ１４を開き液晶シャッタ５の他方の端辺まで光源ユニット１０を移動させつつこの動作、すなわち、分割露光を繰り返し、光硬化性樹脂２の硬化させる位置に対応する液晶シャッタ５の位置を制御しながら順次部分的に硬化させることによって、一層の硬化樹脂層２ａを形成する。
【００３９】
この光源ユニット１０が液晶シャッタの一方の端辺から他方の端辺まで移動する時のみ、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。
【００４０】
この時、分割露光によって硬化させる順番は、目的立体モデルの断面パターンに対応する全ての箇所が硬化されればよい。
そして、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。
【００４１】
ここで、前記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５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。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、液晶シャッタを露光マスクとして、該シャッタと線状光源とを交互に移動させながら分割露光を行うことにより、大きな目的立体モデルを造形することができ、しかも目的立体モデルと同等の大きな光源やレンズ等が不要となるばかりでなく、光源から光硬化性樹脂の照射面までの光路長が短くなって光のロスを少なくすることができ、これによって、装置としての小型化を図り、大型の目的立体モデルを精度よく、かつより短時間で造形することができる。
【００４３】
しかも、光源ユニットの走行方向の前後面に平滑板を設け、この光源ユニットの走行方向の前方に位置する一方の平滑板をこの下端が光硬化性樹脂の液面に接触する位置まで下降させることにより、光源ユニットの走行に伴って、光硬化性樹脂の液面の平滑化を行うことができ、これによって、液面の平滑化のための工程を省略することができる。
【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】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】（ａ）は、遮光板組立体による光量調整方法を示すもので、図４の側面からみた説明図。
（ｂ）は、図４の正面からみた説明図。
【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
１６…等倍結像素子
１８…平滑板
１９…コンピュータ（制御部）
【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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