(57)【要約】【課題】造形途中のフォーカス状態を確認可能な、マイクロマシンニングに好適な光造形装置を提供する。【解決手段】露光用光を、造形基材５１上の樹脂層にフォーカスが一致するように照射す一方、その反射光を対物レンズ３４で受光し、ビームスプリッタ３３で分岐させて像面光学系４０へと導き、露光用光の波長に対し感度十分なＣＣＤカメラ４２で受像する。露光中は、照射された露光用光が照明光となり、その時のフォーカスが樹脂層表面に一致しているか否かが確認可能となる。当該樹脂層についての露光終了後、次の樹脂層に対する露光までの間にステージ５２の高さ位置を微調整することで、モニタ４３による観察結果に応じたフォーカス位置の微調整が行える。これにより、以降の樹脂層についての造形精度の低下が防止され造形物全体の造形精度を高く保つことができ、造形物の歩留まりや生産性が向上が実現される。【選択図】図１
2006240045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平板状の樹脂層を所定の樹脂を硬化させることによって順次に形成しつつ、当該樹脂層が形成されるごとにこれを順次に積層することで、所定の三次元造形物を造形する光造形装置であって、
三次元造形物が造形される造形部と、
前記造形部に対して樹脂を供給する供給手段と、
前記供給手段によって供給された樹脂を平滑化する平滑化手段と、
光源から発せられた光を変調手段によって変調したうえで前記造形部上で平滑化された樹脂に照射することにより前記樹脂を硬化させる照射手段と、
前記造形部からの反射光を結像させて視認可能とする観察手段と、
を備え、
前記造形部が所定の駆動機構によって垂直移動可能に設けられており、
前記観察手段が、
前記照射手段における光路の途中に設けられ、前記反射光を前記光路から分岐させる光学的分岐手段と、
前記光学的分岐手段によって分岐された前記反射光を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段による撮像画像を視認可能に表示する表示手段と、
を含み、
前記光による露光の際に前記表示手段に表示された前記樹脂層または平滑化された樹脂における前記光のフォーカス状態に応じて前記駆動機構を駆動させることにより、前記光の焦点位置が調整可能である、
ことを特徴とする光造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光造形装置であって、
あらかじめ想定された前記光による露光の際の前記樹脂層または平滑化された樹脂の高さ位置と前記光の焦点位置との関係に応じて前記駆動機構を駆動させることにより、前記光の焦点位置が調整可能である、
ことを特徴とする光造形装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光造形装置であって、
前記照射手段が所定の位置に固設されてなるとともに、
前記造形部における造形の開始時に、前記照射手段から照射した前記光の焦点位置を、前記造形部に固定した所定の造形基材の表面に一致させたうえで造形を行う、
ことを特徴とする光造形装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光造形装置であって、
前記造形部における造形の開始に先だって、前記造形基材の造形面全面に所定の樹脂による平滑面を形成可能である、
ことを特徴とする光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光などの光を所定の光硬化性樹脂に照射することによって三次元物体を造形する光造形装置、特にミクロンオーダーのサイズを有する物体の造形に好適な光造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある三次元物体を表現する立体形状データ（例えばＣＡＤデータなど）に基づき、所定間隔にてその最下端から最上端までの複数のスライス断面の形状を表現する断面形状データを生成しておき、該断面形状データに基づいて各スライス断面を表現する平板状の樹脂層を光硬化性樹脂を硬化させることによって順次に形成しつつ、該樹脂層が形成されるごとにこれを順次に積層することで、該三次元物体に相当する造形物を造形する光造形技術およびこれを実現する光造形装置が、すでに公知である（例えば、特許文献１ないし３参照。）。造形の手法に関しては、種々の方式が提案されているが、いずれにおいても、例えばレーザー光などの露光用光を、断面形状データにより定まる照射範囲でもって未硬化の光硬化性樹脂に対し照射することによる樹脂層の形成と、該樹脂層の積層とを繰り返し行うことにより造形物を得る、という点では概ね共通している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２４９５０８号公報
【特許文献２】特開２００４−２２３７８９号公報
【特許文献３】特許３２９４８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光造形技術は、設計データから比較的簡易にその具現化モデルとなる造形物を造形できることから、従来より、種々の製品試作の場面で用いられてきた技術である。近年ではその造形対象がより小型化し、いわゆるマイクロマシンニングに当該技術を適用する研究が盛んとなっている。
【０００５】
マイクロマシンニングの場合、造形物の全体サイズとして要求されるサイズは最大でも数百μｍ程度であるので、その構成部分については、少なくともさらに１オーダー程度小さいサイズでの造形が要求されることになる。その実現のためには、数十μｍ以下、より好適には１０〜２０μｍ程度以下の造形精度を実現することが必要となる。
【０００６】
光造形装置においては、露光時の平面解像度が造形精度を左右する因子の１つであると考えられる。係る平面解像度は、露光用光のフォーカス状態に依存して定まることから、造形に際しては常に露光対象となる樹脂層の表面にフォーカスが保たれている必要がある。しかしながら、樹脂層の積層が進んで行くにつれて、各層の厚みの設定値からのズレが累積し、該樹脂層表面にフォーカスが一致しないことが起こりうる。また、造形を行う際のベース面の高さばらつきや凹凸によってもフォーカスが一致しないことがある。しかも、こうしたフォーカス状態のずれが生じていても、造形途中でこれを把握できなければ、造形物を実際に完成させて該造形物の良否をその現物でもって直接に判断せざるを得ないので、歩留まりの向上や生産性の向上が阻害されることになる。
【０００７】
特許文献１においては、フォーカス合わせ用の光学ユニットを有し、該光学ユニットに備わる光源から発した光の反射光を該光学ユニットに備わる検出手段で検出することで、フォーカス状態の調整を行うことが出来る光造形装置が開示されている。しかしながら、係る態様の場合、実際に露光に用いられる露光用光のフォーカス状態そのものの良否を判断しているわけではないことから、高精度なフォーカス合わせを実現することは困難である。
【０００８】
特許文献２においては、ガルバノミラーによって露光用光を走査する光学系を有する光造形装置であって、露光用光の照射光学系の途中にビームスプリッタを配し、かつ該ビームスプリッタの分岐光路上に撮像カメラを配するとともに、造形ステージとなる基板よりも下方に観察用の照明光源を配してなる光造形装置が開示されている。該光造形装置においては、造形中に該照明光源から照明光を照射すると、ガラス基板及び造形物を透過した透過光がビームスプリッタによって分岐光路上の撮像カメラへと導かれ、その像をみることで造形状態を確認することができる。しかしながら、この態様の場合、照明光源が必須であること、およびステージと造形物とが照明光を透過する材質のものに限定される、という問題点がある。
【０００９】
特許文献３には、あらかじめ樹脂で満たされた槽において、その液面の露光とステージの降下と繰り返すことにより造形を行ういわゆる自由液面方式の装置が開示されている。係る装置においては、液面を検出する手段は設けられているものの、造形状態を観察する手段は設けられていない。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、造形途中のフォーカス状態を確認することができるとともに、その状態を補正することができ、マイクロマシンニングに好適な光造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、複数の平板状の樹脂層を所定の樹脂を硬化させることによって順次に形成しつつ、当該樹脂層が形成されるごとにこれを順次に積層することで、所定の三次元造形物を造形する光造形装置であって、三次元造形物が造形される造形部と、前記造形部に対して樹脂を供給する供給手段と、前記供給手段によって供給された樹脂を平滑化する平滑化手段と、光源から発せられた光を変調手段によって変調したうえで前記造形部上で平滑化された樹脂に照射することにより前記樹脂を硬化させる照射手段と、前記造形部からの反射光を結像させて視認可能とする観察手段と、を備え、前記造形部が所定の駆動機構によって垂直移動可能に設けられており、前記観察手段が、前記照射手段における光路の途中に設けられ、前記反射光を前記光路から分岐させる光学的分岐手段と、前記光学的分岐手段によって分岐された前記反射光を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による撮像画像を視認可能に表示する表示手段と、を含み、前記光による露光の際に前記表示手段に表示された前記樹脂層または平滑化された樹脂における前記光のフォーカス状態に応じて前記駆動機構を駆動させることにより、前記光の焦点位置が調整可能である、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の光造形装置であって、前記光による露光の際の前記樹脂層または平滑化された樹脂の高さ位置と前記光の焦点位置との関係に応じて前記駆動機構を駆動させることにより、前記光の焦点位置が調整可能である、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の光造形装置であって、前記照射手段が所定の位置に固設されてなるとともに、前記造形部における造形の開始時に、前記照射手段から照射した前記光の焦点位置を、前記造形部に固定した所定の造形基材の表面に一致させたうえで造形を行う、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３に記載の光造形装置であって、前記造形部における造形の開始に先だって、前記造形基材の造形面全面に所定の樹脂による平滑面を形成可能である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１ないし請求項４の発明によれば、樹脂層についての造形精度の低下が防止されるので、全く微調整を行わない場合よりは造形物全体の造形精度を高く保つことができる。また、造形途中で微調整を行えるので、全体の造形が完了して初めて造形物の良否を判断するような場合に比して、造形物の歩留まりや生産性が向上が実現される。
【００１６】
特に、請求項２の発明によれば、露光時に逐次に調整を行わずとも、焦点位置の微調整が行えるので、樹脂層についての造形精度の低下が防止される。
【００１７】
特に、請求項３または請求項４の発明によれば、光造形装置の経時変化を吸収し、常に精度良く造形を行うことが出来る。
【００１８】
特に、請求項４の発明によれば、造形基材に高さばらつきや凹凸ばらつきがあっても、下地層によってこれらの影響がキャンセルされるので、高精度の造形を行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
＜装置概要＞
図１は、本実施の形態に係る光造形装置１００の構成を概略的に示す断面模式図である。光造形装置１００は、所定の塗布領域に一定厚みに塗布した光硬化性樹脂（以下、単に「樹脂」とも称する）に対して形状データに基づく露光を施すことを樹脂の積層と共に繰り返すことにより、三次元物体を得ることが出来る、いわゆる積層造形法によって造形を行う装置である。光造形装置１００は、光源部１０と、照明光学系２０と、投影光学系３０と、像面観察系４０と、造形部５０と、供給部６０と、平滑化部７０と、ビーム観測部８０と、真空固定部９０と、制御用コンピュータＰＣとを、主として備える。なお、図１は、あくまで各部の構成を概略的に示すに留まるものであり、各構成要素の大小関係などは必ずしも実際の状態を反映したものではない。
【００２０】
光源部１０は、所定の光源１１から、熱線カットフィルタ１２を介して露光用光を発する。光源１１の種類は特に限定されず、例えばレーザーやランプ、ＬＥＤなど、造形に用いる樹脂を硬化させることが出来る範囲において、適宜のものを用いることが出来る。すなわち、露光用光には、ＵＶ光や可視光、赤外光など、適宜の波長を有する光を用いることが出来る。また、複数種の光源が切り替え可能に設けられてなる態様であってもよい。光源１１から発せられた露光用光は、光ファイバー１３にて照明光学系２０へ導かれる。
【００２１】
照明光学系２０は、詳細な図示は省略するが、光源からの露光用光を適宜に反射等してこれを例えばＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などの変調手段２１に照射し、その反射光を図示しない所定のレンズ群で調整しつつ投影光学系３０へと入射させる。
【００２２】
ここで、変調手段２１としてＤＭＤを用いる場合について概説する。ＤＭＤにおいては、微小なミラーが２次元的に配列された単位ブロックが一次元的に配列されてなるとともに、各ミラーに対応した駆動用メモリーセルが備わっており、該駆動用メモリーセルへのＯＮ／ＯＦＦ書き込み状態に応じて各ミラーの姿勢を変更することにより、投影光学系３０への露光用光の入射のＯＮ／ＯＦＦの切り替えが各ミラー単位で可能とするされてなる。微小領域における露光用光の照射の有無を各々のミラーに対応させて設定することができるので、後述する造形部５０において、それぞれのミラーからの反射光の照射範囲を露光単位とする露光を行うことが出来る。そして、各ミラーに対応する駆動用メモリーセルへの書き込みのＯＮ／ＯＦＦを、各スライス断面を表現する断面形状データの内容に応じて設定することで、露光用光の照射領域を、そのデータによって表現される断面形状に応じて定めるとすることが出来るので、断面形状に応じて定まる範囲のみを露光することが可能となる。このようなＤＭＤを用いると、例えば、１０２４画素×７６８画素の露光サイズの領域について露光が可能となる。
【００２３】
なお、変調手段２１は、ＤＭＤのような２次元的な制御を行うものには限定されず、液晶シャッタのような１次元の制御を行うものや、点状のビームを制御する態様のものを用いる態様であってもよい。ただし、露光効率の観点からは、ＤＭＤのような２次元的な制御を行うものが好適であることは言うまでもない。
【００２４】
投影光学系３０は、変調手段２１から入射した露光用光による露光処理を担う。投影光学系３０は、露光用光を所定のレンズ群３１やミラー群３２で調整しつつ、対物レンズ３４から造形部５０の造形基材５１上へとフォーカス状態で照射させる。なお、造形部５０からの反射光は対物レンズ３４で受光され、投影光学系３０の光路上に設けられたビームスプリッタ３３にて分岐されて、像面観察系４０へと導かれる。
【００２５】
本実施の形態に係る光造形装置１００においては、対物レンズ３４は基体１に固定され、鉛直下方に向けて露光用光を照射するように配置されてなる。すなわち、直接の照射源を固定した状態で露光が行われることになる。この態様は、照射源を移動または走査させる方式にて露光を行う場合に比して、光路長が固定されることによりフォーカス状態が安定することや、移動等に伴う光量の揺らぎや光ビームの振動が少ないことなどの利点を有している。仮に照射源を移動または走査させる方式を採用した場合、積層厚みを２０μｍ以下、平面解像度を５μｍ以下とすると、露光用光の走査ずれが造形精度に影響を与えてしまい、それ以上の精度向上が見込めない。すなわち、本実施の形態に係る投影光学系３０の配置態様は、造形の際の平面解像度の向上に資する態様である。
【００２６】
さらに、光造形装置１００は、後述するように別の場所にて造形基材５１に対し樹脂が平滑に塗布されてなる造形部５０を、水平駆動機構５４によって対物レンズ３４の直下に配置させたうえで露光を行うよう構成されている。すなわち、対物レンズ３４と造形基材５１との間に他の構成要素が介在しないので、対物レンズ３４に対して造形基材５１上の露光対象面を十分に近接させた状態での露光が実現される。好ましくは、両者の間隔は２０μｍ以下とされる。
【００２７】
像面観察系４０は、ビームスプリッタ３３からの光、つまりは造形部５０からの反射光を所定のレンズ群４１で調整しつつＣＣＤカメラ４２で受像して、その受像画像をモニタ４３に表示させる。なお、ＣＣＤカメラ４２は、露光用光の波長に対して十分な感度を持つものを用いる。これにより、露光用光にて露光を行っている際に、その反射光を受光することで、露光時の状態（造形状態）を直接に観察することが可能となる。
【００２８】
本実施の形態に係る光造形装置１００においては、このような像面観察系４０を用いて、フォーカス位置の調整を行うことができる。これについては後述する。
【００２９】
造形部５０は、三次元物体の造形がなされる箇所である。造形部５０においては、造形の際のベース部材となる造形基材５１を固定可能なステージ５２を内部に有する造形槽５３が設けられてなる。造形基材５１としては、ガラス基板その他の適宜の平板状部材を用いることが出来る。樹脂の種類や造形物の構造、サイズなどによって適宜に選択して用いられてよい。造形基材５１における造形可能エリアは、変調手段２１や投影光学系３０の構成等によっても異なるが、１０２４画素×７６８画素の露光エリアを有するＤＭＤを変調手段２１に用いる場合であれば、例えば、１５ｃｍ×１５ｃｍの領域で造形が可能である。
【００３０】
図２は、光造形装置１００における造形の様子について例示する図である。造形に際しては、断面形状データに基づき、造形基材５１上において樹脂層の塗布と露光とを繰り返し行うことで、造形槽５３には露光により硬化した樹脂層の積層体である造形物Ｍが、非硬化部分の樹脂Ｐともども段階的に蓄積されていくことになる。樹脂の粘度が低い場合は、造形槽５３に溜まった樹脂液の中に硬化部分が浸ったような状態となっている。いずれにせよ、全ての断面についての処理が終了した時点で造形物Ｍが造形基材５１ごと造形槽５３より引き上げられることで、造形基材５１上に形成された三次元物体が得られることになる。なお、その際に、該三次元物体の周囲に非硬化の樹脂が付着することがあるが、これらは、所定の洗浄手段等によって除去される。
【００３１】
また、造形槽５３は、水平駆動機構５４にて水平方向（好ましくはＸＹ２軸方向）に移動可能とされてなる。本実施の形態に係る光造形装置１００においては、造形部５０に対して樹脂の供給を担う供給部６０と、供給された樹脂の平滑化を担う平滑化部７０と、平滑化された樹脂への露光を担う対物レンズ３４とがそれぞれ別個の位置に設けられてなり、造形部５０をこの水平駆動機構５４によって順次に移動させることで、それぞれの処理を行う態様となっている。従って、造形部５０はこれらの各部の間を水平駆動機構５４によって移動可能に構成されてなる。係る水平駆動機構５４は、例えばボールネジなどの公知の駆動機構によって実現可能である。好ましくは、水平駆動機構５４による駆動精度は±０．５μｍ以下である。また、ステージ５２は垂直駆動機構（エレベータ）５５にて造形槽５３内を垂直方向（Ｚ軸方向）に移動可能とされてなる。垂直駆動機構５５は、駆動精度が±０．２μｍの精密な位置決めが実現できることが好ましい。これは例えば、公知のリニアスケールを用いることで可能である。
【００３２】
造形部５０においては、後述する供給部６０と平滑化部７０の作用によって該造形基材５１上に所定厚みで塗布された光硬化性樹脂に対して、断面形状データに応じた断面形状に対応して照射範囲が定められた露光用光を対物レンズ３４から照射することにより、該樹脂のうちその照射範囲のみを硬化させることで、造形対象となっている三次元物体のある部分断面を具現化した樹脂層の形成がなされる。なお、厳密に言えば、すでに樹脂層が形成されている場合には、新たな樹脂の塗布はその樹脂層の上になされることになる。しかし、本実施の形態においては表現の簡単のため、既述の場合も含めてこうした態様に対しても「造形基材５１上に」あるいは「造形基材５１の上に」樹脂層が形成されてなる、あるいは露光用光を照射する、などといった表現を用いることがある。
【００３３】
係る露光がなされると、垂直駆動機構５５によってステージ５２をその上に形成された樹脂の積層体ともども所定距離だけ下降させ、次の断面について同様の処理が行われる。これを三次元物体の最下部から最上端部まで所定ステップだけ繰り返すことで、三次元物体が得られることになる。
【００３４】
供給部６０は、このような造形に際して造形部５０に対し所定の量の光硬化性樹脂を供給する処理を担う。具体的には、水平駆動機構５４を駆動させて造形部５０をディスペンサノズル６１の直下の位置に配置させた状態で、加圧タンク６２に貯留された造形用の樹脂を所定量、供給管６３を通じて基体１に固定されたディスペンサノズル６１から造形部５０の造形基材５１上へ供給する。１回の供給に係る樹脂の供給量は、加圧タンク６２における加圧状態とディスペンサバルブ６４の開閉とをディスペンサコントローラ６５によって制御制御することで調整自在とされてなる。また、加圧タンク６２は好ましくは攪拌機能を有しており、所定の操作指示に応答して攪拌動作を実行可能とされてなる。これにより、加圧タンク６２内の樹脂の状態をより均一に保つことが出来る。なお、樹脂の供給に際してはディスペンサノズル６１と造形基材５１との間に他の構成要素が介在することがないので、ディスペンサノズル６１と造形基材５１とを十分に近接させた状態での樹脂の供給が実現される。また、１つの断面についての造形を行うにあたっての樹脂の供給態様は、樹脂の種類や造形しようとしている断面の形状などに応じて適宜に定めることができる。それに応じて、供給量も適宜に定められることになる。
【００３５】
平滑化部７０は、供給部６０にて供給された樹脂を基体１に設けられたリコータ７１によって平滑化する処理を担う。リコータ７１は、スキージやナイフエッジなどとも称され、例えば、少なくとも先端部分が略平板状をなす部材である。
【００３６】
平滑化部７０における樹脂の平滑化は、供給部６０にて造形基材５１上に樹脂が供給された後の造形部５０を水平駆動機構５４によって平滑化部７０の直下の位置にまで移動させたうえ行われる。係る配置関係が実現された上で、図示しない所定の駆動手段の作用によって、進退自在に設けられてなるリコータ７１を造形基材５１の上方の一方端から他方端まで移動させると、造形基材５１上に塗布された樹脂がリコータ７１によって掻き取られるなどして均一化される。なお、掻き取られた余剰の樹脂は、図示しない排出部へと排出される。
【００３７】
このとき、リコータ７１が移動するの際のリコータ７１と造形基材５１（もしくは直前に硬化された樹脂層）との距離が、塗布された樹脂が露光に供される際の厚みを規定することになるが、本実施の形態に係る光造形装置１００においては、上述のように垂直駆動機構５５によってステージ５２（つまりは造形基材５１）の精密な位置精度が可能であり、かつ平滑化に際してリコータ７１と造形基材５１との間に他の構成要素が介在することがないので、リコータ７１と造形基材５１とを十分に近接させた状態での平滑化が実現される。好ましくは両者の距離が１０μｍ程度となる状態が実現される。そして、係る樹脂層についての露光後は、次の樹脂の塗布に先立って垂直駆動機構５５が当該厚みに対応する距離だけステージ５２（つまりは造形基材５１）を下降させる。この樹脂の塗布、露光、ステージ５２の下降の繰り返しにより、結局のところ、本実施の形態に係る光造形装置１００においては、従来の光造形装置に比して非常に微細な厚みである１０μｍ程度の厚みにて樹脂層を形成することが出来るようになる。
【００３８】
ここで、上述した対物レンズ３４（投影光学系３０）、造形部５０、供給部６０、および平滑化部７０の配置関係の持つ意味について説明する。一般に、光造形装置における造形精度の向上の観点からは、露光用光のフォーカスを正確に樹脂表面と一致させることが必要であり、そのためには、対物レンズ３４と照射位置との距離をできるだけ短くする方が好ましい。また、樹脂の塗布厚み精度の向上を実現するには、樹脂を供給する供給手段と供給された樹脂を平滑化する平滑化手段とをそれぞれ、出来るだけ造形面に近接させることが好ましい。
【００３９】
仮に、造形部を固定して露光用光の投影光学系が移動する機構を採用すると、樹脂の供給と平滑化に際しては、造形部と投影光学系の間にて供給手段や平滑化手段を動作させる必要が生じる。その場合、これら供給手段や平滑化手段の配置は大きく制約を受けることになってしまう。供給手段や平滑化手段の動作時に投影光学系を退避させ、露光時には逆に供給手段や平滑化手段を退避させるような機構を採用することも可能ではあるが、その場合、装置構造も複雑なものとなってしまうことはもちろんだが、投影光学系を固定する態様に比してその露光用光の照射精度が劣ってしまうことになり、造形精度向上の観点からは好ましくない。
【００４０】
これに対して、図１に示す光造形装置１００においては、樹脂を供給するための供給部６０と、供給された樹脂を平滑化する平滑化部７０と、平滑化された樹脂への露光を行う対物レンズ３４とが、略同一水平面内にてそれぞれ別個の位置に設けられてなり、これら各部の下方において、造形が施される造形部５０が、水平駆動機構５４によって移動可能に構成されてなる。そして、各部における処理に際しては、造形部５０をこの水平駆動機構５４によって順次に各部の直下へと移動させ、それぞれに対向配置させて行う態様となっている。これにより、光造形装置１００においては、上述したように、樹脂の供給、平滑化、露光のそれぞれの処理に際して、造形部５０とそれぞれの処理を担う各部の間に他の処理を担う構成要素が介在することはなく、造形部５０を各部それぞれに出来るだけ近接させた状態で、それぞれの処理が行われていることになる。これは、係る光造形装置１００において従来に比して高い造形精度が実現される理由の１つである。
【００４１】
ビーム観測部８０は、対物レンズ３４から照射される露光用光の状態を観察するために備わる。ビーム観測部８０は、露光用光の光路上の所定の観測位置（例えば対物レンズ直下の露光結像位置）にて、図示しない所定の観測手段によって露光用光のパワーや形状、光量分布などを観測する。なお、ビーム観測部８０は、図１に例示するように造形部５０に付設され、水平駆動機構５４を駆動させることで観測位置へと配置されるように構成されていてもよいし、独立の駆動手段によって移動可能とされる態様であってもよい。あるいは、造形部５０に対して着脱自在とされ、必要なときにのみ付設され、それ以外のときは除去することが出来る態様であってもよい。この場合、不使用中の観測手段８０を汚染から保護することが出来る。いずれの態様をとる場合であっても、実際に露光に使用される露光用光を露光を行う位置で直接に観測するので、造形を行うに際して、用いる露光用光の状態を正確に把握することが出来る。
【００４２】
真空固定部９０は、ステージ５２に造形基材５１を吸着固定させるために備わる。図３は、係る吸着固定について説明する概念図である。本実施の形態に係る光造形装置１００においては、真空ポンプ９１が、途中にソレノイドバルブ９２を備えた排気管９３によって、ステージ５２に設けられた図１においては図示を省略する複数の吸着穴９４と連通してなる（図３（ａ））。ステージ５２に造形基材５１を載置した状態で真空ポンプ９１を作動させソレノイドバルブ９２を開状態とすると、吸着穴９４における負圧によってステージ５２に造形基材５１が固定されることになる。
【００４３】
また、造形基材５１の造形面５１ｓの面積がステージ５２の載置面５２ｓの面積よりも小さく、造形基材５１によってはステージ５２上の全ての吸着穴をふさぐことが出来ない場合は、図３（ａ）のようにただ造形基材５１をステージ５２上に載置したのみでは係る固定が実現できない。この場合には、図３（ｂ）に示すように、造形基材５１のサイズに応じて中央部分をくり抜いた（あるいは組み合わせることで同じ状態を出来る）マスク９５を用意し、造形基材５１の周囲に該マスク９５を載置して、造形基材５１によってはカバーしきれない吸着穴９４を該マスク９５にて塞ぐことで、造形基材５１の固定を行う。
【００４４】
なお、ステージ５２に対する造形基材５１の固定の態様としては、ステージ上に固定爪や挟み込み部材等といった固定具や固定用枠を設けて固定する態様や、磁石の磁力によって固定する態様なども考えられる。しかしながら、前者の場合は造形基材がシート上である場合などに特に中央部分における平面度が十分に出ないことや、リコータ７１の動作時に固定具や固定用枠がリコータ７１の動作と干渉するおそれがあることや、造形基材のサイズに応じて固定具や固定用枠を移動させる必要が生じるので操作も面倒でまた十分な位置精度が出ない、などといった問題があって好ましくない。さらに、後者の場合、造形基材が磁性体であることが必要であったり、造形に用いる光硬化性樹脂が磁性材料を含有していると、磁力の存在で該磁性材料の分散状態や配向性が偏ってしまうなどといった問題があり、コスト高にもなるので好ましくない。
【００４５】
これに対して、本実施の形態に係る光造形装置１００においては、平坦であって造形基材５１よりも薄く、かつステージ５２をカバー出来るものであれば、どのような材質のマスク９５であってもリコータ７１との干渉を生じることなく造形基材５１を確実に固定することが出来る。すなわち、造形基材５１のサイズがステージ５２より小さい場合であっても、簡便かつ廉価に該造形基材５１を確実にステージ５２に固定することが出来る。
【００４６】
制御用コンピュータＰＣは、光造形装置１００の各部の動作を制御するために備わる。制御用コンピュータＰＣには、汎用のパーソナルコンピュータを用いることが可能である。制御用コンピュータＰＣは、図示しない所定の制御プログラムに従って上述した各部の動作の制御を担う制御対象要素に対し所定の動作信号を与えるとともに、当該各部からの応答信号を受け取ることにより、光造形装置１００における造形処理を実現させる。例えば、当該制御用コンピュータＰＣあるいは図示しない他のコンピュータによってあらかじめ作成された、造形対象となる三次元物体のスライス断面を表現する断面形状データを取得し、各断面に係る当該データに基づいて変調手段２１における露光用光のＯＮ／ＯＦＦ状態を設定して、断面形状に応じた露光を行わせる、といった処理を初めとする種々の動作制御を、制御用コンピュータＰＣは担っている。
【００４７】
このような構成を有する光造形装置１００を用いることで、図６に例示するように、積層厚み１０μｍ、平面解像度２μｍという高精度の造形を実現することが出来る。すなわち、本実施の形態に係る光造形装置は、マイクロマシンニングにおいて好適な装置である。
【００４８】
光造形装置１００においては、また、造形部５０を水平移動可能に設け、その上方において対物レンズ３４（投影光学系３０）と供給部６０と平滑化部７０とをそれぞれ独立に略同一水平面内に配置してなることから、各部のメンテナンスが必要になった場合には、造形部５０をその位置から退避させるだけで対象となる部分へと容易にアクセスすることが可能となる。装置構成が単純であることを含め、本実施の形態に係る光造形装置においては、メンテナンス性の向上が実現されてなる。
【００４９】
＜フォーカスの調整＞
次に、本実施の形態に係る光造形装置１００における露光用光のフォーカスの調整について説明する。
【００５０】
図４は、本実施の形態に係る光造形装置１００におけるフォーカスの状態について説明する図である。まず、造形を開始する際には、図４（ａ）に示すように樹脂層ＰＬの形成前の造形基材５１の表面にフォーカスＦを一致させておく。これは、光造形装置１００の経時変化を吸収するためである。その後、図４（ｂ）さらには（ｃ）に示すようにその一定厚み（例えば１０μｍ）の樹脂層ＰＬの形成と露光とを繰り返すわけであるが、各樹脂層の形成の度に、その表面にフォーカスが一致していることが必要となる。より詳細に言えば、対物レンズ３４は基体１に固定されているので、空間における絶対的なフォーカス位置（図４中で点線にて示す高さ）は不変と考えてよい。よって、樹脂層表面におけるフォーカスの一致は、樹脂層表面の空間における絶対的な高さを、フォーカス位置と一致させるようにすることで実現されることになる。よって、理想的には、完全に一定の厚みの樹脂層ＰＬを繰り返し形成しつつ、該厚みと厳密に一致する距離だけステージ５２を下降させることで、どの樹脂層ＰＬに対しても、フォーカスはその表面に一致するはずである。
【００５１】
しかしながら、実際には、樹脂層ＰＬの積層が進んで行くにつれて、図４（ｄ）に示すように各層の厚みの設定値からのズレが累積し、該樹脂層ＰＬの表面にフォーカスＦが一致しないことが起こりうる。また、造形を行う際のベース面の高さばらつきや凹凸によってもフォーカスが一致しないことがある。
【００５２】
一方、光造形装置１００においては、露光用光が、造形基材５１上に塗布形成された未硬化の樹脂層にフォーカスが一致するように照射される一方、その反射光を対物レンズ３４で受光し、ビームスプリッタ３３で分岐させて像面光学系４０へと導き、ＣＣＤカメラ４２で受像する態様となっている。すなわち、露光の際に照射している露光用光を露光対象となっている樹脂層への照明光として利用していることになるので、像面観察系４０のモニタ４３にて、露光がなされている該樹脂層の状態をリアルタイムで観察することが可能である。これにより、露光の際、図４に示すようなフォーカス状態の成否を容易に判断できることになる。しかも、別途の照明光源を設ける必要はなく、造形に用いる造形基材５１や樹脂の材質が、そうした照明光源に起因した制約を受けることもない。なお、露光と露光の間は光が照射されないが、通常、露光時間は０．５〜１秒程度に設定されるので、露光の際、係る判断は問題なく行える。
【００５３】
すなわち、本実施の形態に係る光造形装置１００においては、ある一断面に対応する樹脂層についてまさに露光を行っている際に、そのときのフォーカスが樹脂層表面に一致しているか否かを確認することが可能である。むろん、その時点では、当該樹脂層についてのフォーカスの調整はもはや出来ないが、当該樹脂層についての露光の終了後、次の断面について次の樹脂層に対し露光を行うまでの間に、制御用コンピュータＰＣに所定の微調整動作指示を入力するなどして垂直駆動機構５５に微調整動作をさせ、ステージ５２の高さ位置を微調整することで、モニタ４３による観察結果に応じたフォーカス位置の微調整が行える。係る微調整は、例えば樹脂層の形成に先立ってステージ５２を下降させる際に併せて、あるいはその後、露光に至るまでの間に行うことが出来る。
【００５４】
すなわち、すでにフォーカスがずれた状態で露光がなされた樹脂層についての造形精度の改善はできないものの、係る微調整を行うことで、以降の樹脂層についての造形精度の低下が防止されるので、全く微調整を行わない場合よりは造形物全体の造形精度を高く保つことができる。また、このように造形途中で微調整を行えるので、全体の造形が完了して初めて造形物の良否を判断するような場合に比して、造形物の歩留まりや生産性が向上が実現される。
【００５５】
＜変形例＞
図１においては、造形部５０の水平移動領域の上方の略同一水平平面内において、左から順に平滑化部７０、対物レンズ３４、供給部６０が配置されてなるが、本発明においてこれは必須の態様ではない。すなわち、造形部５０がこれらの各部に個別に近接可能な態様であれば、各部の配置は図１の態様とは異なっていてもよい。例えば、各部の配置順序が入れ替わっていてもよいし、略同一水平面内で二次元的に配置されてなる態様であってもよい。
【００５６】
なお、上述の実施の形態においては、造形に際してまず、造形基材５１上にフォーカス位置を一致させ、その後、造形のための樹脂層を形成するようにしているが、図５（ａ）に示すように造形基材５１に傾斜がある場合、そのまま樹脂層を形成しても精度良くこれを積層することは困難である。ただし、図５においては傾斜を誇張して表現している。このような場合は、図５（ｂ）に示すようにいったん造形基材５１の造形面全面に下地層ＢＬをその表面が水平となるように設け、その後に造形を行うようにしてもよい。係る下地層ＢＬは、例えば造形に用いる樹脂をそのまま用いる態様であってよい。このように設けた下地層ＢＬを基準として造形を行うことで、造形基材に高さばらつきや凹凸ばらつきがあっても、下地層ＢＬによってこれらの影響がキャンセルされ、高精度の造形を行うことが出来る。
【００５７】
また、上述の実施の形態においては、像面観察系４０にて樹脂層表面を観察しつつフォーカス状態の補正を行う態様を示しているが、積層が進むことによる積層厚み（あるいは高さ）のずれが、つまりは焦点位置からの露光対象となる樹脂層の位置ずれが、樹脂の種類や密度あるいは粘度などから予測できる場合、あるいは統計的な傾向が既知である場合には、フォーカス位置の微調整のため、ステージ５２の移動距離を積層した層数に応じて変化させるようにしておいてもよい。例えば、積層数と微調整量とを関連付けたデータセット（データテーブル）や、積層数や樹脂の物性値などを変数とする微調整量の関数を制御用コンピュータＰＣに記憶させておき、これらから得られる微調整量を適宜に読み出す態様であってもよい。係るデータセットは、造形位置ごとに定められてもよい。あるいはさらに、上述の実施の形態に示したような態様で行った調整の結果を上記のデータセットとして制御用コンピュータＰＣに記憶しておき、後の造形に供することが出来る態様であってもよい。あるいは、以上のような態様を組み合わせて用いてもよい。
【実施例】
【００５８】
図６は、上述の実施の形態に係る光造形装置１００を用いて作成した造形サンプルのＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像である。造形は、光源として波長４０５ｎｍのレーザー光を採用し、光硬化性樹脂としてアクリレート系樹脂（２５℃で粘度が１５００〜２５００ｍＰａ・ｓ）を用いて行った。係る造形サンプルは、ベタ面の上に、底面が２６μｍ角、最上部が５μｍ角で、１層あたりの厚みが約１０μｍの樹脂層を７層積み重ねることにより、高さ約７０μｍに造形してなるものである。詳細な図示は省略するが、設計データからの造形誤差は、約２μｍ以下であった。
【００５９】
すなわち、本実施の形態に係る光造形装置１００においては、積層厚み１０μｍ、平面解像度２μｍを実現することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施の形態に係る光造形装置１００の構成を概略的に示す断面模式図である。
【図２】光造形装置１００における造形の様子について例示する図である。
【図３】吸着固定について説明する概念図である。
【図４】光造形装置１００におけるフォーカスの状態について説明する図である。
【図５】造形基材５１に傾斜がある場合のフォーカス調整について説明する図である。
【図６】光造形装置１００を用いて作成した造形サンプルのＳＥＭ像を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  基体
１０  光源部
１１  光源
２０  照明光学系
２１  変調手段
３０  投影光学系
３３  ビームスプリッタ
３４  対物レンズ
４０  像面観察系
４２  ＣＣＤカメラ
４３  モニタ
５０  造形部
５１  造形基材
５２  ステージ
５３  造形槽
５４  水平駆動機構
５５  垂直駆動機構
６０  供給部
６１  ディスペンサノズル
７０  平滑化部
７１  リコータ
８０  ビーム観測部
９０  真空固定部
９１  真空ポンプ
９４  吸着穴
９５  マスク
１００  光造形装置
ＢＬ  下地層
Ｍ  造形物
Ｐ  樹脂
ＰＣ  制御用コンピュータ
ＰＬ  樹脂層
【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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