(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被固化剤に偏向手段を介してレーザビームを照射して固化させた固化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状モデルを形成する光造形システム用のレーザビームの偏向制御方法であって、
予め所定の方法にて加工面でのレーザビーム照射位置の較正作業を行って、その状態で三次元モデル形成スタート直前に照射ターゲット上にレーザビームを照射し、照射ターゲット上の照射位置を複数箇所で測定してスタート時照射位置情報を取得する段階と、
三次元モデルの形成動作中において、照射ターゲット上にレーザビームを照射してその照射位置を複数箇所で測定してモデル形成時照射位置情報を取得する段階と、
スタート時照射位置情報とモデル形成時照射位置情報とを比較して、その差分データを得るとともに測定点以外の点での差分データを推定する差分データ取得段階と、
差分データからレーザビーム照射位置とレーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいてレーザビームの偏向制御の補正を行う偏向制御段階と
を有して、モデル形成時照射位置情報の取得段階と、差分データ取得段階と、偏向制御段階とからなる途中補正動作を、予め定めた所定時間毎、もしくは所定数の層の固化処理の完了毎に行うとともに、レーザビームの偏向手段を構成するミラーの温度情報に基づいた時点で行うことを特徴とする光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方法。
【請求項２】
偏向手段の温度情報をレーザビームの一部から測定した照射熱量の計測値を基に得ることを特徴とする請求項１記載の光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方法。
【請求項３】
被固化剤に偏向手段を介してレーザビームを照射して固化させた固化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状モデルを形成する光造形システム用のレーザビームの偏向制御装置であって、
加工面での照射位置の較正作業がなされたレーザビームを、三次元モデル形成スタート直前に加工面上に用意した照射ターゲット上に照射して、照射ターゲット上の照射位置を複数箇所で測定することでスタート時照射位置情報を取得するスタート時照射位置測定手段と、
三次元モデルの形成動作中において、加工面上に用意した照射ターゲット上にレーザビ
ームを照射してその照射位置を複数箇所で箇所で測定してモデル形成時照射位置情報を取得するモデル形成時照射位置測定手段と、
スタート時照射位置測定手段で得たスタート時照射位置情報とモデル形成時照射位置測定手段で得たモデル形成時照射位置情報とを比較して、その差分データを得るとともに測定点以外の点での差分データを推定する差分データ取得手段と、
差分データからレーザビーム照射位置とレーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいてレーザビームの偏向制御の補正を行う偏向制御手段と、
これら手段による補正動作を予め定めた所定時間毎、もしくは所定数の層の固化処理の完了毎に行わせる手段と、
偏向手段を構成するミラーの温度変化を計測するとともにその出力値に応じてモデル形成照射位置測定手段と差分データ取得手段と偏向制御手段を動作させる温度計測手段とを備えていることを特徴とする光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光造形システムは、被固化剤に偏向手段を介してレーザビームを照射して被固化剤の特定の部分を固化させて固化層を形成し、この固化層の上に新たな被固化剤を導入してレーザビームの照射で特定の部分を固化させて固化層を形成するということを繰り返すことで、固化層が複数層積み重なったものとして所望の三次元モデルを形成するもので、作成する三次元モデルの形状精度はＣＡＤデータに基づいたレーザビームの走査の精度に大きく影響される。
【０００３】
特にレーザビームの照射位置はモデル形成作業の開始直前に較正を行ったとしても、レーザビームの光源の発振点のずれ、環境温度の変化によるレーザ光源やレーザビームの走査のための偏向手段を支持する支持部材のたわみ、偏向手段そのものの温度ドリフト等によって照射位置がずれてくることから、モデル形成作業の途中で位置ずれの補正を行わなくては精度の高い三次元モデルを得ることはできない。
【０００４】
このために特開平８−３１８５７４号公報においては、各固化層を形成するたびにレーザビームの照射位置の検出動作を行ってずれが生じていれば、このずれに基づいて次の照射位置の補正を行うことがなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、各層毎にレーザビームの照射位置の検出動作及び位置ずれ補正を行うことは、三次元モデルの形成にかかる時間を不必要に長くしてしまうことになる。また、複数層毎に、あるいは所定時間毎にレーザビームの照射位置の検出動作及び位置ずれ補正を行うならば、三次元モデルの形成にかかる時間を上記従来例より短くすることができるものの、その間にレーザビームの照射位置の位置ずれが生じた場合、次のレーザビームの照射位置の検出動作及び位置ずれ補正がなされるまで、位置ずれが生じたまま三次元モデルの形成がなされてしまうことになり、それまで積み上げてきたモデル精度が台無しになってしまう。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところはレーザビームの照射位置の位置ずれを的確に補正してモデル精度を保つことができる光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方法及びその装置を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方法は、被固化剤に偏向手段を介してレーザビームを照射して固化させた固化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状モデルを形成する光造形システム用のレーザビームの偏向制御方法であって、予め所定の方法にて加工面でのレーザビーム照射位置の較正作業を行って、その状態で三次元モデル形成スタート直前に照射ターゲット上にレーザビームを照射し、照射ターゲ
ット上の照射位置を複数箇所で測定してスタート時照射位置情報を取得する段階と、三次元モデルの形成動作中において、照射ターゲット上にレーザビームを照射してその照射位置を複数箇所で測定してモデル形成時照射位置情報を取得する段階と、スタート時照射位置情報とモデル形成時照射位置情報とを比較して、その差分データを得るとともに測定点以外の点での差分データを推定する差分データ取得段階と、差分データからレーザビーム照射位置とレーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいてレーザビームの偏向制御の補正を行う偏向制御段階とを有して、モデル形成時照射位置情報の取得段階と、差分データ取得段階と、偏向制御段階とからなる途中補正動作を、予め定めた所定時間毎、もしくは所定数の層の固化処理の完了毎に行うとともに、レーザビームの偏向手段を構成するミラーの温度情報に基づいた時点で行うことに特徴を有している。
【０００８】
レーザビームの走査のためのミラーを備えた偏向手段が温度による影響を受けやすく、レーザビームの照射位置の位置ずれが偏向手段の温度の影響に起因していることに着目し、ミラーの温度情報に応じて位置ずれの補正動作を行うことで、位置ずれ補正の回数を最小限に保ちつつ、モデル精度を保つことができなくなるような位置ずれが生じるまでに補正を行うことができるようにしたものであり、また上記ミラーの温度以外の原因にも対応できるように、予め定めた所定時間毎、もしくは所定数の層の固化処理の完了毎にも補正を行うようにしたものである。
【０００９】
偏向手段の温度情報はレーザビームの一部から測定した照射熱量の計測値を基に得るようにしてもよい。
【００１０】
そして本発明に係る光造形システム用のレーザビームの偏向制御装置は、被固化剤に偏向手段を介してレーザビームを照射して固化させた固化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状モデルを形成するものにおいて、加工面での照射位置の較正作業がなされたレーザビームを、三次元モデル形成スタート直前に加工面上に用意した照射ターゲット上に照射して、照射ターゲット上の照射位置を複数箇所で測定することでスタート時照射位置情報を取得するスタート時照射位置測定手段と、三次元モデルの形成動作中において、加工面上に用意した照射ターゲット上にレーザビームを照射してその照射位置を複数箇所で箇所で測定してモデル形成時照射位置情報を取得するモデル形成時照射位置測定手段と、スタート時照射位置測定手段で得たスタート時照射位置情報とモデル形成時照射位置測定手段で得たモデル形成時照射位置情報とを比較して、その差分データを得るとともに測定点以外の点での差分データを推定する差分データ取得手段と、差分データからレーザビーム照射位置とレーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいてレーザビームの偏向制御の補正を行う偏向制御手段と、これら手段による補正動作を予め定めた所定時間毎、もしくは所定数の層の固化処理の完了毎に行わせる手段と、偏向手段を構成するミラーの温度変化を計測するとともにその出力値に応じてモデル形成照射位置測定手段と差分データ取得手段と偏向制御手段を動作させる温度計測手段とを備えていることに特徴を有している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図２は本発明に係るレーザビームの偏向制御装置を備えた光造形システムの一例を示しており、被固化剤の層が上面に形成されるとともに造形に従って昇降を行う造形ステージ１の周辺には、造形ステージ１上の被固化剤の掻き取り用のスキージング４０を備えた可動テーブル４を移動させるための駆動機構４１と、撮像用のカメラ５０を備えた可動テーブル５を移動させるための駆動機構５１とが設置されている。また、造形ステージ１の上方には、レーザ光源２０から出力されたレーザビームを造形ステージ１上に走査するための偏向手段２が配されている。この偏向手段２は直交する２軸の回りを夫々回転駆動される２つのミラー２１，２２を備えたガルバノスキャナで構成されている。また、偏向手段２とレーザ光源２０との間には焦点調整及び集光径の変更用のレンズを備えた調整部２３が設けられている。
【００１２】
そして、上記偏向手段２と調整部２３及びレーザ光源２０は偏向制御や焦点制御並びに発振制御のための偏向制御装置２４を介して制御コンピュータ９に接続されており、また
上記可動テーブル４，５も制御コンピュータ９に接続されてスキージング動作及びカメラ５０による撮像エリアのコントロールが制御コンピュータ９によってなされるようになっており、さらにカメラ５０は画像処理装置５５を介して制御コンピュータ９に接続されている。
【００１３】
本発明においては、上記カメラ５０を用いてレーザビームの照射位置の測定を行うのであるが、この時、上記可動テーブル４上に設けた照射ターゲット３を用いて測定を行う。ここでは照射ターゲット３として、ロール供給方式の感熱紙を用いている。
【００１４】
この照射ターゲット３とカメラ５０とによるレーザビームの照射位置測定は、次のようにして行う。すなわち、可動テーブル４を駆動することで照射ターゲット３を加工面である造形ステージ１上に移動させ、この状態で所定の複数点の位置の確認ができるマーキング模様（たとえば図８に示すような格子模様）をレーザビームによって照射ターゲット３上に描く。この時の所定の複数点は、レーザビーム走査領域内で格子状間隔で存在し且つ必要な走査領域と走査精度で決まる間隔（この間隔は実験等で求めてもよい）を持つものという条件を満たすものとする。そして、マーキング模様を照射ターゲット３上に描いたならば、可動テーブル５を照射ターゲット３上に移動させて、カメラ５０で格子点付近を撮像し、画像処理と撮影時のカメラ５０の位置とから格子点中心ｃｃの位置を求める。
【００１５】
上記の照射位置測定と補正とについて三次元モデルの造形手順に従って説明すると、まず所定の方法にて造形ステージ１上でのレーザビーム照射位置の較正作業を行っておく。そして、三次元モデル形成のスタート直前に、上記測定動作を行って、予め定めた複数の測定点についてのレーザビーム照射位置情報をスタート時照射位置情報として記憶しておく。この時、格子状の各測定点とその中心位置とを測定点（１，１），格子点中心位置（Ｘ，Ｙ）＝（ＸＸＸ，ＹＹＹ）といったデータ形式で記憶する。
【００１６】
このように初期状態での予め定めた測定点に対するレーザビームの照射位置の測定が完了すれば、造形ステージ１上に被固化剤の層を形成し、被固化剤の所定エリアをレーザビームの照射により固化させて固化層とし、造形ステージ１を一段降下させた後、上記固化層の上に被固化剤の新たな層を形成し、被固化剤の所定エリアをレーザビームの照射により固化させて下層の固化層と結合された固化層を設けるということを繰り返して、固化層を積み重ねていくことで所望の三次元形状モデルの造形を行う。
【００１７】
この間、適宜のタイミングで造形ステージ１上に照射ターゲット３を移動させて測定点に対する前述のようなレーザビーム照射位置測定動作をおこない、その測定結果を上記スタート時照射位置情報と比較して、その差分データ、つまりはずれ量とずれの方向とに関するデータを得る。また、各測定点についての上記差分データから、測定点以外の点でのずれ量及びずれ方向を推定する。
【００１８】
そして差分データからレーザビーム照射位置とレーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいて次の被固化剤に対するレーザビーム照射に際しレーザビームの偏向制御の補正を行う。この補正角は、次のレーザビーム照射位置測定動作を行うまで維持する。
【００１９】
ここにおいて、レーザビーム照射位置測定動作をモデル作成中に行うタイミングは、上記偏向手段２の各ミラー２１，２２に付設した熱電対のような温度センサ２５，２５の出力に基づいて決定している。
【００２０】
すなわち、温度センサ２５，２５でミラー２１，２２の温度を常時監視し、所定時間内の温度の変化が所定値ΔＴを越える時、補正必要有りと判断して、レーザビーム照射位置測定動作とこれに続く照射位置補正動作とを行うのである。モデル精度に影響を及ぼすような位置ずれが生じる前に、補正を行うことができる。しかも、モデル作成開始直後の温度変化が大きい時点では、レーザビーム照射位置測定及び補正動作は頻繁に行われるが、温度が安定したならば、レーザビーム照射位置測定及び補正動作の間隔は長くなるために、モデル作成中の補正動作の回数は少なくてすむ。図３に温度変化と補正動作との関係の一例を示す。
【００２１】
なお、偏向手段２の温度の影響以外が原因でレーザビームの照射位置の位置ずれが生じる虞もあることから、偏向手段２の温度が安定している状態においても、図４に示すよう
にレーザビームの照射位置測定及び補正動作がなされてから所定時間ｔ１が経過すれば、もしくは所定数の層の固化処理を行ったならば、レーザビームの照射位置測定及び補正動作を行うようにしておく。図５に示すように、予め定めた所定時間毎、あるいは所定数の層の固化処理の完了毎に計画的な照射位置測定及び補正動作を行うようにしておき、この測定及び補正動作に加えて、上記偏向手段２の温度変化に基づいた臨時測定及び補正動作を行うようにしておいてもよい。
【００２２】
偏向手段２のミラー２１，２２の温度情報は、レーザビームの照射熱量の計測値を基に得るようにしてもよい。たとえば、図６に示すように、レーザ光源２０からのレーザビームの一部（たとえば５％ほど）をハーフミラー２８によってパワーメータ２９に導いて、単位時間当たりのレーザビームの照射熱量を測定し、この照射熱量を基に偏向手段２のミラー２１，２２の温度を推測して、温度変化が大きい時にはレーザビームの照射位置の測定動作及び補正動作を行うのである。
【００２３】
このほか、温度変化計測に加えて、湿度センサ（図示せず）を用いて、湿度が図７に示す定常時に許容範囲Ｄを外れたならば、レーザビームの照射位置の測定及び補正動作を行うようにしておいてもよい。温度ドリフトに加えて湿度ドリフトの影響による照射位置ずれを未然に防ぐことができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る光造形システムにおけるレーザビームの偏向制御方法は、予め所定の方法にて加工面でのレーザビーム照射位置の較正作業を行って、その状態で三次元モデル形成スタート直前に照射ターゲット上にレーザビームを照射し、照射ターゲット上の照射位置を複数箇所で測定してスタート時照射位置情報を取得する段階と、三次元モデルの形成動作中において、照射ターゲット上にレーザビームを照射してその照射位置を複数箇所で測定してモデル形成時照射位置情報を取得する段階と、スタート時照射位置情報とモデル形成時照射位置情報とを比較して、その差分データを得るとともに測定点以外の点での差分データを推定する差分データ取得段階と、差分データからレーザビーム照射位置とレーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいてレーザビームの偏向制御の補正を行う偏向制御段階とを有して、モデル形成時照射位置情報の取得段階と、差分データ取得段階と、偏向制御段階とからなる途中補正動作を、レーザビームの偏向用のミラーの温度情報に基づいて行うものであり、レーザビームの照射位置に位置ずれが生じる大きな原因である偏向手段の温度による影響を考慮して補正動作を行うことから、位置ずれ補正の回数を最小限に保ちつつ、モデル精度を保つことができなくなるような位置ずれが生じるまでに補正を行うことができものであり、モデル精度の確保と補正動作によるところの時間的ロスの削減とを両立させることができる。
【００２５】
しかも、途中補正動作は、予め定めた所定時間毎、もしくは所定数の層の固化処理の完了毎にも行うことから、温度の影響以外の原因でのレーザビームの照射位置の位置ずれも修正することができる。
【００２６】
ミラーの温度情報はレーザビームの一部から測定した照射熱量の計測値を基に得るようにしてもよい。この場合、ミラーだけでなく、光学系全体の温度ドリフトも考慮したものとすることができるほか、偏向手段のミラーの自己発熱と分離して考えることが可能となる。
【００２７】
そして本発明に係る光造形システム用のレーザビームの偏向制御装置は、被固化剤に偏向手段を介してレーザビームを照射して固化させた固化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状モデルを形成するものにおいて、加工面での照射位置の較正作業がなされたレーザビームを、三次元モデル形成スタート直前に加工面上に用意した照射ターゲット上に照射して、照射ターゲット上の照射位置を複数箇所で測定することでスタート時照射位置情報を取得するスタート時照射位置測定手段と、三次元モデルの形成動作中において、加工面上に用意した照射ターゲット上にレーザビームを照射してその照射位置を複数箇所で箇所で測定してモデル形成時照射位置情報を取得するモデル形成時照射位置測定手段と、スタート時照射位置測定手段で得たスタート時照射位置情報とモデル形成時照射位置測定手段
で得たモデル形成時照射位置情報とを比較して、その差分データを得るとともに測定点以外の点での差分データを推定する差分データ取得手段と、差分データからレーザビーム照射位置とレーザビームの偏向用のミラーの回転角との関係に基づいてミラーの補正角を決定してこの補正角に基づいてレーザビームの偏向制御の補正を行う偏向制御手段と、これら手段による補正動作を予め定めた所定時間毎、もしくは所定数の層の固化処理の完了毎に行わせる手段と、偏向手段を構成するミラーの温度変化を計測するとともにその出力値に応じてモデル形成照射位置測定手段と差分データ取得手段と偏向制御手段を動作させる温度計測手段とを備えているために、上記方法による補正動作を簡便に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る方法の説明図である。
【図２】同上の装置の一例の斜視図である。
【図３】同上の動作説明図である。
【図４】他例の動作説明図である。
【図５】さらに他例の動作説明図である。
【図６】他の例の概略図である。
【図７】別の例の動作説明図である。
【図８】測定点の説明図である。
【符号の説明】
１  造形ステージ
２  偏向手段
３  照射ターゲット
２５  熱電対
【図１】
0003565186.tif 000002
【図２】
0003565186.tif 000003
【図３】
0003565186.tif 000004
【図４】
0003565186.tif 000005
【図５】
0003565186.tif 000006
【図６】
0003565186.tif 000007
【図７】
0003565186.tif 000008
【図８】
0003565186.tif 000009