(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザビームをベクトル走査する方法において、ベクトルに沿って露光を一定にする。【解決手段】第１のミラー１４６を位置決めするための第１の回転駆動装置１４８に連結された第１のミラー１４６と、第２のミラー１４７を位置決めするための第２の回転駆動装置１４９に連結された第２のミラー１４７を備えた走査装置に、レーザ光源からのレーザビームを方向付ける。レーザビームは、第１のミラーから第２のミラーへと、次いで、作業面へと方向付けられる。ミラーのそれぞれを回転させるように、第１と第２の回転駆動装置の各々に命令された位置信号を提供することによって、レーザビームをベクトルに沿って走査する。ミラーの各々は、ベクトルの始めと終わりで加速を経験するものである。命令された位置信号は、走査装置の慣性の作用を考慮に入れたミラーの加速度の物理的数学モデルに基づいて計算される。【選択図】図２
2006323361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームをベクトル走査する方法において、
第１のミラーを位置決めするための第１の回転駆動装置に連結された第１のミラーと、第２のミラーを位置決めするための第２の回転駆動装置に連結された第２のミラーを備えた走査装置に、レーザ光源からのレーザビームを方向付ける工程であって、前記レーザビームが、前記走査装置の前記第１のミラーから前記第２のミラーへと、次いで、作業面へと方向付けられる工程、および
前記ミラーのそれぞれを回転させるように、前記第１と第２の回転駆動装置の各々に命令位置信号を提供することによって、前記レーザビームをベクトルに沿って走査する工程であって、前記ミラーの各々が、前記ベクトルの始めと終わりで加速を経験するものであり、前記命令位置信号が、前記走査装置の慣性の作用を考慮に入れた前記ミラーの加速度の物理的数学モデルに基づいて計算される工程、
を有してなる方法。
【請求項２】
前記数学モデルが、第１の時間間隔中に増加する大きさを、前記第１の時間間隔に続く第２の時間間隔中に減少する大きさを有するものとして、前記ミラーの各々の加速度をモデル化する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ミラーの各々の加速度が、前記第１の時間間隔中に所定の第１の割合で増加する大きさを、前記第２の時間間隔中に所定の第２の割合で減少する大きさを有するものとしてモデル化されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ミラーの各々の加速度が、前記第２の時間間隔に続く第３の時間間隔中にゼロの大きさを有するものとしてモデル化されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記所定の第１の割合が前記第１の時間間隔中ずっと一定であり、前記所定の第２の割合が前記第２の時間間隔中ずっと一定であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記ミラーの各々の加速度が、式：
α（ｔ）＝α0＋Ｊｔ
ここで、α（ｔ）は時間ｔでの加速度であり、α0は、時間ｔ＝０での加速度であり、Ｊは、前記ミラーの加速中に大きさが変動する所定の関数である：
にしたがってモデル化されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
Ｊは、前記加速の第１の時間間隔中に第１の関数定義を、前記加速の第２の時間間隔中に第２の関数定義を有することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
Ｊは、前記第２の時間間隔に続く第３の時間間隔中に第３の関数定義を有することを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
Ｊが、
０≦Ｔ≦Ｔ1では、Ｊ1であり、
Ｔ1≦Ｔ≦Ｔ2では、Ｊ2であり、
Ｔ2≦Ｔでは、０である、
ここで、Ｔは、加速の始まりからの経過時間であり、Ｊ1およびＪ2は定数であり、Ｔ1およびＴ2は所定の時間値である：
ように定義されていることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
Ｊ1は正の数であり、Ｊ2は負の数であることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
Ｊ1およびＪ2は実質的に等しい絶対値を有することを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
Ｊ1とＪ2について、またＴ1とＴ2について値を計算するように、ベクトルを走査する前に該ベクトルを分析する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１３】
複数の異なるベクトルが走査され、前記ベクトルの各々が走査される前に、Ｊ1とＪ2について、およびＴ1とＴ2についての値が計算され、前記値があるベクトルと別のベクトルとで異なることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
Ｊ1とＪ2について、およびＴ1とＴ2についての値が、前記第１のベクトルが走査される前に、走査すべき全てのベクトルについて計算されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
式：
ｖ（ｔ）＝ｖ0＋α0ｔ＋（１／２）Ｊｔ2
ここで、ｖ（ｔ）は時間ｔでの前記ミラーの予測速度であり、ｖ0は時間ｔ＝０での前記ミラーの速度である：
にしたがって、前記ミラーの各々の予測速度を計算する工程、および
式
ｘ（ｔ）＝ｘ0＋ｖ0ｔ＋（１／２）α0ｔ2＋（１／６）Ｊｔ3
ここで、ｘ（ｔ）は時間ｔでの前記ミラーの予測位置であり、ｘ0は時間ｔ＝０での前記ミラーの位置である：
にしたがって、前記ミラーの各々の予測位置を計算する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１６】
Ｊが、
０≦Ｔ≦Ｔ1では、Ｊ1であり、
Ｔ1≦Ｔ≦Ｔ2では、Ｊ2であり、
Ｔ2≦Ｔでは、０である、
ここで、Ｔは、加速の始まりからの経過時間であり、Ｊ1およびＪ2は定数であり、Ｔ1およびＴ2は所定の時間値である：
ように定義されていることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
ベクトルの走査中に複数の連続時間段階の各々で前記ミラーの各々の実際の位置を定期的に測定する工程、
前記時間段階の各々での前記ミラーの各々の前記予測位置を計算する工程、
前記時間段階の各々での前記ミラーの各々の前記実際の位置と前記予測位置との間の位置誤差を計算する工程、および
フィードバック制御スキームを用いて、前記時間段階の各々での前記位置誤差をゼロにする工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
ベクトルの走査中に複数の連続時間段階の各々で前記ミラーの各々の実際の位置を干渉型エンコーダを用いて定期的に測定する工程、
前記走査装置の物理的数学モデルに基づいて、前記時間段階の各々での前記ミラーの各々の前記予測位置を計算する工程、
前記時間段階の各々での前記ミラーの各々の前記実際の位置と前記予測位置との間の位置誤差を計算する工程、および
フィードバック制御スキームを用いて、前記時間段階の各々での前記位置誤差をゼロにする工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記ミラーの各々の前記予測位置が、式：
ｘ（ｔ）＝ｘ0＋ｖ0ｔ＋（１／２）α0ｔ2＋（１／６）Ｊｔ3
ここで、ｘ（ｔ）は時間ｔでの前記ミラーの予測位置であり、ｘ0、ｖ0およびα0は、それぞれ、時間ｔ＝０での前記ミラーの位置、速度、および加速度であり、Ｊは、前記ミラーの加速相中に大きさが変動する所定の関数である：
にしたがって、計算されることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
連続して走査すべき複数のベクトルが、走査前に分析され、所定の値よりも長い長さを持つベクトルが、前記所定の値よりも短い長さを持つベクトルについて用いられるものとは異なる物理的数学モデルを用いて分析されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２１】
前記所定の値より長い長さを持つベクトルの前記物理的数学モデルが、前記ミラーの動きの等速相を考慮するものであることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記所定の値より短い長さを持つベクトルの前記物理的数学モデルが、前記ミラーが加速され、次いで、前記ミラーの動きの等速相が介在せずに減速するものと仮定することを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
デジタル化された前記ミラーの測定された実際の位置に基づいて、該ミラーの位置を制御するようにデジタル信号プロセッサが用いられ、制御がデジタル領域で行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２４】
前記命令位置信号が、周期頻度で前記回転駆動装置に送信され、前記デジタル信号プロセッサが、前記ミラーの共鳴を励起する傾向のある前記信号の振動数を除去するためにフィルタ操作を用いることを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
第１のミラーを位置決めするための第１の回転駆動装置に連結された第１のミラーと、第２のミラーを位置決めするための第２の回転駆動装置に連結された第２のミラーとを備えた走査装置に、レーザ光源からのレーザビームを方向付ける工程であって、前記レーザビームが、前記走査装置の前記第１のミラーから前記第２のミラーへと、次いで、作業面へと方向付けられる工程、および
前記ミラーのそれぞれを回転させるように、前記第１と第２の回転駆動装置の各々に命令位置信号を提供することによって、前記レーザビームを第１のベクトルに沿って走査し、次いで、前記第１のベクトルと非共線の第２のベクトルに沿って前記レーザビームを走査する工程、
をさらに含み、
前記ミラーが、前記第１のベクトルと前記第２のベクトルとの間で、該ベクトルのそれぞれの接線である滑らかな曲線に沿って前記レーザビームを走査し、かつ前記レーザの方向の瞬時の変化を避けるように制御されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２６】
前記滑らかな曲線が三次多項式であることを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記レーザビームが前記作業面上でスポットを形成し、前記ミラーの実際の位置が測定され、前記ミラーの位置のデジタル・フィードバック制御が、前記レーザスポットの追従誤差を約２００μｓ未満に常に維持するほど十分に小さい周期割合で用いられることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２８】
前記レーザスポットの前記追従誤差が常に約１００μｓ未満に維持されることを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記レーザスポットの前記追従誤差が常に約５０μｓ未満に維持されることを特徴とする請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記ミラーが約１ミリ秒未満の加速時間を有し、前記走査装置により、前記レーザスポットが、約１００マイクロ秒未満の時間間隔Ｔで前記レーザスポットの長さに相当する前記作業面に沿った距離を移動し、よって、
前記レーザビームの瞬間パワーが、前記ミラーの加速時間未満の応答時間を持つパワー・メータを用いて、リアルタイム基準で周期的に測定され、
パワー制御信号が、前記レーザ光源に周期的に送信されて、前記レーザビームのパワーを調節し、該パワー制御信号が、前記測定された瞬間パワーの関数であることを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項３１】
前記レーザビームの前記瞬間パワーが、約０．３Ｔ未満の応答時間を持つパワー・メータを用いて測定されることを特徴とする請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記レーザビームの前記瞬間パワーが、約１０μｓ未満の応答時間を持つパワー・メータを用いて測定されることを特徴とする請求項３０記載の方法。
【請求項３３】
高速試作成形装置において熱可溶性材料の作業面が露光されるレーザパワーの量が、
前記ミラーの加速時間未満の応答時間を持つ第１のパワー・メータを用いて、リアルタイム基準で前記レーザビームの瞬間パワーを周期的に測定する工程、
前記レーザビームの測定された瞬間パワーに基づいて、前記レーザ光源の動作をリアルタイムで調節する工程、および
前記第１のパワー・メータの応答時間よりも長い応答時間を持つ第２のパワー・メータを用いて、前記第１のパワー・メータを周期基準で校正する工程、
によって求めることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３４】
前記レーザ光源が、高速試作成形装置内にあり、
少なくとも１つのベクトルに沿った前記レーザビームの走査中の複数の連続時間の各々で、前記ミラーの各々の瞬間位置を測定し、前記複数の連続時間の各々で前記作業面上の前記レーザビームの瞬間位置を演繹する工程、
前記複数の連続時間の各々で、パワー・メータを用いて、前記レーザビームの瞬間パワーを測定し、よって、パワー対位置のデータが前記少なくとも１つのベクトルに沿って導き出される工程、
前記パワー対位置のデータに基づいて、前記熱可溶性材料のレーザエネルギーへの露光を計算し、よって、計算された露光対位置のデータが導き出される工程、および
前記計算された露光対位置のデータに基づいて、前記レーザ光源を調整する工程、
によって調整されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３５】
前記調整工程が、前記少なくとも１つのベクトルに沿った少なくとも１つの位置について導き出された計算された露光を、所定の露光レベルと比較し、前記計算された露光と前記所定の露光レベルとの間の差に基づいて、前記レーザ光源を調整して、前記レーザパワーを調節する各工程を含むことを特徴とする請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記調整工程が、コンピュータ通信ネットワークを介して遠隔で行われることを特徴とする請求項３４記載の方法。
【請求項３７】
前記調整工程が、所定の調整アルゴリズムに基づいて、コンピュータ制御装置において自動的に行われることを特徴とする請求項３４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く、ステレオリソグラフィー装置およびレーザ焼結装置などの高速試作成形装置に関する。本発明は、より詳しくは、ベクトル走査中のレーザ走査装置の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速試作および製造（ＲＰ＆Ｍ）は、三次元物体を、その物体を表すコンピュータ・データから高速かつ自動的に形成するのに使用できる技術分野に与えられた名称である。一般に、高速試作および製造技法では、形成すべき物体の断面を表すスライスされたデータ・セットを用いて、作業媒質から三次元物体を層毎に構築する。典型的に、物体の表示は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムにより最初に提供される。ＲＰ＆Ｍ技法は、固体イメージングとも呼ばれ、ステレオリソグラフィー、固体イメージングに適用されるインクジェット・プリンティング、およびレーザ焼結を含む。
【０００３】
レーザ焼結装置は、粉末床を形成するために、プロセス・チャンバに亘って、熱可溶性粉末、しばしば熱可溶性高分子粉末、高分子被覆金属、またはセラミックの薄層を分配する。次いで、レーザ焼結装置は、熱エネルギーを施して、その粉末層に構築されている物品の断面に対応する粉末層の部分を溶融する。「部品入りケーキ」と一般に呼ばれる粉末塊内に物品が形成される。レーザは一般に、変調と正確な方向制御によって、熱エネルギーを粉末層の目的区域に供給する。スリー・ディー・システムズ社(3D Systems, Inc.)から市販されているＶａｎｇｕａｒｄシステムなどの従来の選択的レーザ焼結装置では、二酸化炭素レーザを使用し、このレーザビームを偏向するガルバノ・ミラーを備えた走査装置を用いてレーザビームを位置決めする。
【０００４】
高速試作成形装置で一般に行われるレーザ走査には、ラスタ走査とベクトル走査の２種類がある。ラスタ走査では、レーザビームは、互いに平行に間隔が離れた、比較的長い（一般に、少なくとも、走査方向において、製造されている部品の外寸と同じだけ長い）一連の直線に沿って順次操作される。それゆえ、レーザビームは、各走査ラインに沿って一方向のみに移動しなければならなず、走査装置は一般に、各走査ラインに沿った動作が、１つのミラーの動作により行われるように配置されている。ベクトル走査では、レーザビームは一連の直線すなわちベクトルに沿って順次操作される。その長さは、非常に短い（１ｍｍ未満）ものから比較的長いものまでまちまちであり得、互いに対する向きがまちまちであり得る。それゆえ、ベクトルを走査するために２つのミラーの動作を連係させることが一般に必要とされる。あるベクトルの終了点は、次のベクトルの出発点としばしば一致する。本発明は、特に、ベクトル走査に関する。ベクトル走査には、一般に、ラスタ走査には関係しない課題がある。
【０００５】
市販のベクトル式スキャナのほとんどは２つのミラーを備えており、それぞれがガルバノメータのシャフトに取り付けらている。ガルバノメータに加えて、ブラスレス・モータを使用して、ミラーが取り付けられているシャフトを回転させことができる。レーザビームは、ミラーにより次々に反射されて、高速試作成形装置内の熱可溶性材料の作業面上に向けられる。一般に、２つのミラーは作業面の上に配置され、焦点の合わされたレーザビームは、作業面上へと垂直に下方に進む。ガルバノ・ミラーは、各シャフトがその軸の周りで回転したときに、２つのミラーが、焦点の合わされたレーザ・スポットを作業面上で移動させるように配置されている。２つのミラーは、それらがスポットを２つの垂直方向に移動させるように配列されている。
【０００６】
レーザ・スキャナは、シャフトに取り付けられた角度エンコーダも有する。この角度エンコーダは、各シャフトの角度変化を測定する。一般に、特別なコンデンサが角度エンコーダとして用いられる。シャフトの角度が変化すると、静電容量が角度により線形に変化する。エンコーダの回路が静電容量値を電圧に変換する。光学エンコーダは、同様に線形かつ単調なエンコーダ応答曲線を有する。
【０００７】
この電圧対角度の単調応答は、高速で高分解能の用途において問題を生じる。典型的な高分解能のスキャナ用途において、５μＲａｄの角分解能が予測される。一般に、５μＲａｄの角分解能は、約１２５μＶのエンコーダ信号に相当するであろう。それゆえ、高い角分解能を達成するために、エンコーダの電子部品は、少なくとも約１００μＶの精度で電圧レベルを分離できなければならない。さらに、この１００μＶの精度は、数十マイクロ秒で達成する必要がある。数十マイクロ秒で１００μＶを分解できる実際的なエンコーダ回路を設計することは非常に難しい。それゆえ、ほとんどの市販の走査装置は、走査ミラーが動いている間にそのミラーの位置を高精度で測定することはできない。ミラーが静止しているときしか、精度は達成されない。
【０００８】
高速試作成形用途において、走査ミラーは、特定の用途に応じて、サイズと質量がまちまちであって差し支えない。ある場合には、ミラーは比較的大きく、したがって、相当な機械慣性を持ち得る。この走査装置は、ミラーを移動させるために用いられるガルバノメータまたはモータのインダクタンスの結果として、電気慣性も持つ。その結果、走査ミラーを最高速度まで加速するのに著しい期間がかかり得る。ある場合には、ミラーの有限の加速期間を無視すると、後にレーザ・スポットが許容できないほど大きい誤差を生じてしまうことが分かった。
【０００９】
高速試作成形装置に関連するさらに別の難点は、レーザパワーの制御である。一般に、作業面に所定の露光（すなわち、単位面積当たりのエネルギー）パターンを供給することが望ましい。最も単純な場合、好ましい露光パターンは、部品の内部で露光は一定であり、部品の外部では露光はゼロである。しかしながら、多くの実際的な場合、好ましい露光パターンは均一なパターンではない。例えば、露光区域の境界での高露光は有益なことが多い。いずれにせよ、一般に、構築されている部品の様々な領域について所定の最適な露光があり、最適露光をできるだけきっちりと達成するように、レーザパワーを調節することが望ましい。
【００１０】
レーザ・スポットの速度が変わる場合、走査すべきベクトルに沿った一定の露光は、レーザ・スポットの速度に比例してレーザパワーを変動させることによって達成できる。このことが、ここに引用する特許文献１に記載されている。
【００１１】
露光を精密に制御するために、走査速度およびレーザパワーを精密に制御する必要がある。一般に、レーザパワーは、レーザ利得媒質の励起を変化させることによって制御できる。例えば、レーザ焼結に用いられるＲＦ励起ＣＯ2レーザの場合、レーザへのＲＦパワーは、パルス幅変調できる。あるいは、そのパワーは、レーザを一定のパワーで動作させ、走査ミラーの前にレーザビームの光路内にパワー変調器を取り付けることによって制御しても差し支えない。例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）がこの目的に使用できる。
【００１２】
実際には、パワーは、異なるレベルの変調を施し、レーザが定常状態に達した後にレーザパワーを測定することによって、定常状態で測定される。このようにして、変調レベルと定常状態のレーザパワーとの間の関数関係が確立され、レーザパワー制御装置中に格納される。この関数関係は、パワー校正曲線と呼ばれる。次いで、パワー校正曲線は、ベクトルに沿った一定露光を達成するために用いられる。各制御工程で、レーザ・スポットの速度を決定し、パワー校正曲線を用いて、レーザパワーをレーザ・スポットの速度に比例させるために必要なパワー変調レベルを評価する。
【特許文献１】米国特許第６０８５１２２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
先に記載された手法では、レーザパワー制御の動特性を無視できることを前提としている。残念ながら、レーザ媒質の励起を変化させることによってレーザパワーを制御する場合、レーザの動特性を考慮することは非常に重要である。例えば、レーザ焼結に用いられるタイプのＣＯ2レーザが、作動された後に全出力に到達するのには約１００マイクロ秒（「μｓ」）かかり、低パルス幅変調で定常状態のパワーに到達するにはそれより長くかかる。典型的な走査ミラー加速時間は、前述したように、数百マイクロ秒から１ミリ秒である。動特性を考慮に入れないと、露光は、ベクトルに沿ってずっと均一にはならない。ベクトルの始まりでは露光は不十分になり、終わりでは露光は過剰になる。
【００１４】
本発明は、上述した必要性に対処し、他の利点を達成するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様において、レーザビームをベクトル走査する方法であって、
第１のミラーを位置決めするための第１の回転駆動装置に連結された第１のミラーと、第２のミラーを位置決めするための第２の回転駆動装置に連結された第２のミラーとを備えた走査装置に、レーザ光源からのレーザビームを向ける工程であって、前記レーザビームは、前記走査装置の第１のミラーから第２のミラーに、次いで、作業面に向けられる工程、および
前記第１と第２の回転駆動装置に命令された位置信号を提供して、それぞれのミラーを回転させることによって、前記レーザビームをベクトルに沿って走査させる工程であって、前記各ミラーは、前記ベクトルの始めで加速を経るものであり、前記命令された位置信号は、前記走査装置の機械慣性および電気慣性の影響を考慮して、前記ミラーの加速度の物理的数学モデルに基づいて計算されたものである工程、
を有してなる方法が提供される。
【００１６】
本発明のある実施の形態において、命令された位置信号は、式：
α（ｔ）＝α0＋Ｊｔ
にしたがう時間の関数としてミラーの加速度α（ｔ）をモデル化することによって計算された予測位置を用いて計算される。ここで、α0は、時間ｔ＝０（すなわち、現在の時間間隔の始まりの時間）での加速度であり、Ｊは、ミラーの加速中に大きさが変動する所定の関数である。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態において、所定の関数Ｊは、ミラーの加速中に、異なる時間間隔で異なる関数定義を有する区分関数である。例えば、ある実施の形態において、Ｊは、第１の時間間隔（例えば、加速の始まりでの時間「ゼロ」から、時間Ｔ1まで）中は正の定数Ｊ1であり、その後の第２の時間間隔（Ｔ1からＴ2まで）では、Ｊの値は、負の定数Ｊ2である。時間Ｔ2後、Ｊの値はゼロであり、ミラーの加速度はゼロ（すなわち、ミラーは等速である）。
【００１８】
ミラーのモデル化加速度に基づいて、各時間間隔中の任意の時間に関して、予測のミラー速度および位置が計算できる。走査装置は、作業面に沿ったレーザ・スポットの「追従誤差」が常に約２００μｓ未満、より好ましくは約１００μｓ未満、さらにより好ましくは約５０μｓ未満、理想的にはできるだけ公称ゼロに近くなるような様式で、マイクロプロセッサ、好ましくはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を備えた制御装置により制御することが有利である。この目的のために、制御装置は、ある周期割合（例えば、毎１５μｓ、ここで「刻み時間」と呼ぶ）で、各ミラーについて、予測された加速度、速度、および位置を決定する。さらに、各「刻み」でのミラーの実際の位置は、干渉型エンコーダなどの高速応答装置を用いて測定される。位置の誤差は各ミラーについて決定され、走査装置は、位置の誤差をゼロにするように制御される。好ましい実施の形態において、制御装置は、デジタル・ドメインにおけるフィードバック制御を用いて動作する（例えば、制御装置はＤＳＰを備えることができる）。
【００１９】
本発明はまた、走査を開始する前に、走査に適切な制御パラメータを決定するように、走査すべき一連のベクトルを予備分析することも包含する。例えば、ミラーの加速度を、上述したように区分Ｊ関数を用いてモデル化する場合、予備分析は、走査すべき各ベクトルについて、Ｊ1、Ｊ2、Ｔ1、およびＴ2の適切な値を決定することを含むことができる。制御パラメータは、制御装置のメモリ内に格納される。予備分析において、所定の値より長いベクトルは、所定の値より短いベクトルについて用いたものとは異なる物理的数学モデルを用いて分析できる。例えば、あるベクトルは、ベクトル走査中に等速に決して到達しないほど非常に短く、一方で、長いベクトルについては、ミラーは、走査中に動作の等速相を有するであろう。各場合において、モデルは異なっても差し支えない。
【００２０】
本発明の別の態様において、熱可溶性材料の作業面が高速試作成形装置内で露光されるレーザ・エネルギーの量を制御する方法が提供される。この方法は、ミラーが約１ミリ秒未満の加速時間を有し、レーザ・スポットが、約１００マイクロ秒未満で時間期間Ｔにおいてレーザ・スポットの長さに対応する作業面に沿った距離を移動するものであるレーザ走査装置において特に有用である。本発明のある実施の形態による方法は、
ミラーの加速時間未満の応答時間を有するパワー・メータを用いて、リアルタイム基準でレーザビームの瞬間パワーを周期的に測定する工程、および
測定された瞬間パワーの関数であるパワー制御信号をレーザ光源に周期的に送って、レーザビームのパワーを調節する工程、
を有してなる。
【００２１】
ある実施の形態において、レーザビームの瞬間パワーは、約０．３Ｔ未満の応答時間を有するパワー・メータを用いて測定される。それゆえ、レーザ・スポットがそれ自体の長さまたは直径を移動するのに必要な時間間隔Ｔが、例えば、１００μｓに等しい場合、パワー・メータは、約３０μｓ未満の応答時間を有する。本発明のある好ましい実施の形態において、レーザビームの瞬間パワーは、約１０μｓ未満、より好ましくは約５μｓ未満、さらにより好ましくは約２μｓ以下の応答時間を有するパワー・メータを用いて測定される。
【００２２】
長期間に亘り精密な校正を維持するために上述したタイプの高速パワー・メータを予測することは、酷である。したがって、本発明の別の実施の形態において、レーザ・パワーを制御する方法であって、
ミラーの加速時間よりも短い応答時間を有する第１のパワー・メータを用いて、リアルタイム基準でレーザビームの瞬間パワーを周期的に測定する工程、
レーザビームの測定した瞬間パワーに基づいて、リアルタイムでレーザ光源の動作を調節する工程、および
第１のパワー・メータのものより長い応答時間を有する第２のパワー・メータを用いて、周期的に第１のパワー・メータを校正する工程、
を有してなる方法が提供される。
【００２３】
例えば、第２の（遅い）パワー・メータは、１ミリ秒よりも長く約１秒以上の応答時間を有していてもよい。
【００２４】
さらに別の実施の形態において、本発明は、レーザビームの測定した瞬間パワーを少なくとも表すデジタル化データに基づいて、リアルタイムでレーザ光源の動作を調節するための、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の使用を包含する。ＤＳＰは、フィードバック・モードで動作させてもよい。ここで、ＤＳＰは、レーザビームの所望のパワーと、レーザビームの測定された瞬間パワーとの間のパワー誤差を決定し、パワー誤差をゼロにするようにリアルタイムでレーザ光源を調節する。別の実施の形態において、ＤＳＰは、ミラーの位置対時間を表すデジタル化データから、リアルタイム基準でレーザビームの瞬間走査速度を演繹し、所望のパワーが走査速度に基づいて決定される。あるいは、デジタル信号プロセッサは、レーザビームへの熱可溶性材料の所望の露光と、測定された瞬間パワーおよび走査速度に基づいて計算された実際の露光との間の露光誤差を決定し、露光誤差をゼロにするようにリアルタイムでレーザ光源を調節できる。
【００２５】
本発明は、さらに別の態様において、高速試作成形装置においてレーザ光源を調整する方法を提供する。この方法は、
作業面上で少なくとも１つのベクトルに沿ってレーザビームを走査する工程、
少なくとも１つのベクトルに沿ったレーザビームの走査中の複数の順次時間の各々で、各ミラーの瞬間位置を測定し、複数の順次時間の各々で作業面上のレーザビームの瞬間位置を演繹する工程、
複数の順次時間の各々で、パワー・メータを用いてレーザビームの瞬間パワーを測定し、よって、少なくとも１つのベクトルに沿ってパワー対位置データを導く工程、
パワー対位置データに基づいて熱可溶性材料のレーザ・エネルギーへの露光を計算し、よって、計算された露光対位置データを導く工程、および
計算した露光対位置データに基づいてレーザ光源を調整する工程、
を有してなる。
【００２６】
ある実施の形態において、調整工程は、コンピュータ通信ネットワークを介して、遠隔して行われる。例えば、高速試作成形装置から相当離れた位置にいるオペレータは、例えば、インターネットを介して、露光対位置データを分析し、次いで、レーザ・パワー制御アルゴリズムを調整するために、インターネットを介して調整パラメータをレーザ・パワー制御装置に送信できる。代わりの実施の形態において、調整は、露光対位置データを分析し、最適な調整パラメータを決定する所定のアルゴリズムによって自動的に行っても差し支えない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明を一般的な用語で説明してきたので、ここで、添付の図面を参照する。これらの図面は、必ずしも、正しい縮尺で描かれていない。
【００２８】
ここで、本発明を、添付の図面を参照して、以下により詳しく説明する。これらの図面には、全てではないが、本発明の実施の形態のいくつかが示されている。実際に、これらの発明は、多くの異なる形態で実施してもよく、ここに述べられた実施の形態に制限されるものと考えるべきではない。むしろ、これらの実施の形態は、この開示が、適用される法律要件を満たすように提供されたものである。同じ番号は、全体を通じて、同じ部材を示している。
【００２９】
本発明は、制御すべきレーザの特定の用途に関係なく、レーザ制御装置に関して利用してよいことが、以下の説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）またはコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）のデータベースからの物品の製造においてレーザを利用する高速試作成形装置に適用したときに、特に有益であるのが分かっている。したがって、以下の説明は、そのような高速試作成形装置、特に選択的レーザ焼結装置に関する。しかしながら、先の記載に基づいて、本発明は、他のタイプの高速試作成形装置（例えば、ステレオリソグラフィーおよびＬＯＭ装置）並びにレーザエネルギーの他の用途に使用してもよいことを理解すべきである。
【００３０】
最初に図１を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する目的のために、参照番号１００によって示された選択的レーザ焼結装置の構成および動作を説明する。図１に示されているように、選択的レーザ焼結装置１００は、プロセス・チャンバ１０２（明白にする目的のために、チャンバ１０２の正面のドアと頂部は、図１に示されていない）を備えている。チャンバ１０２は、その中で物品を製造するために、適切な温度および雰囲気組成（一般に、窒素などの不活性雰囲気）を維持する。
【００３１】
装置１００における粉末送達装置は、上方に移動し、ある容積の熱可溶性（すなわち、焼結可能な）粉末をチャンバ１０２中に持ち上げるように、モータ１１６により制御された供給ピストンを含む。モータ１０８により制御された部品ピストン１０６は、少量だけ、例えば、５ミル（約０．１２５ｍｍ）だけチャンバ１０２の床から下方に動いて、加工すべき粉末の各層の厚さを定義する。ローラ１１８は、供給ピストン１１４から標的面１０４に粉末を平行移動させる逆回転ローラである。標的面１０４は、ここでの説明の目的のために、部品ピストン１０６の上に配置された熱可溶性粉末（もし存在すれば、先に焼結した部分を含む）の頂面を称する。部品ピストン１０６の上に配置された焼結粉末と未焼結粉末は、ここでは、部品入りケーキ１０７と称される。
【００３２】
米国特許第５０１７７５３号明細書に記載されているように、ローラ１１８（蓄積を防ぐためにスクレーパを備えることが好ましい。そのようなスクレーパは、明瞭にするために図１には示されていない）は、部品ピストン１０６上の部品入りケーキ１０７の表面で供給ピストン１１４から標的面１０４に向かいその面を横切る平行移動によって、チャンバ１０２内の粉末を、粉末床を横切らせ、標的面１０４上に広げる。粉末を滑らかかつ完全に分布させるために、供給ピストン１１４により提供される粉末量が、粉末床の表面で受け入れられる量よりも多く、よって標的面１０４を横切るローラ１１８の動作から、過剰の粉末が生じることが好ましい。これは、供給ピストン１１４をチャンバ１０２の床の上に、部品ピストン１０６がチャンバ１０２の床の下に下げられる距離より大きい距離（例えば、１０ミル（約０．２５ｍｍ）対５ミル（約０．１２５ｍｍ））だけ上昇させることによって行ってよい。ローラ１１８の逆回転をチャンバ１０２内のローラ１１８の平行移動に連動させ、よって回転速度対平行移動速度の比が一定であることも好ましい。効率的かつ融通の利く粉末送達のために、２つの粉末ピストン１１４を部品ピストン１０６の両側に設けることも好ましいであろう。
【００３３】
レーザ焼結装置１００は、ここでは供給ピストン１１４を１つだけ備えたものとして説明されているが、部品入りケーキ１０７の両側にある２つの供給ピストンを、プロセス・チャンバの両側から粉末を供給するために同様にうまく用い、それによって、構築プロセスを加速させられることにも留意されたい。さらに、新たな粉末を粉末床に直接配置するホッパーおよび粉末を粉末床に横切らせて広げるためのドクター・ブレードを備えたオーバーヘッド供給装置を用いた粉末供給装置に本発明を同様にうまく利用することもできる。オーバーヘッド粉末供給装置は、本発明の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許出願第１０／８５６３０３号明細書に記載されているような逆回転ローラの頂部に新たな粉末を配置することもできる。
【００３４】
所望の物品の断面の製造は、レーザ１１０により行われる。このレーザは、先に述べられた米国特許に記載され、ここで図２に関して説明される様式で、走査装置１４２により方向付けられるビームを提供する。レーザ１１０は、レーザ自体に加え、例えば、正面ミラー・アセンブリを含む、米国特許第４８６３５３８号明細書に記載されたような従来の制御要素、および発散レンズや収束レンズなどの集束要素を含む。使用されるレーザ１１０のタイプは、多くの要因に依存し、特に、焼結すべき粉末のタイプに依存する。多くのタイプの従来の粉末にとって、好ましいレーザは、パワー出力が制御可能な、５０ワットのＣＯ2型レーザである。レーザ１１０は、オンにされると、図２の矢印によって示された光路に沿って進むレーザビーム１０５を放出する。
【００３５】
標的面１０４に当たるときのレーザビーム１０５の方向を制御するために、コンピュータ１４０および走査装置１４２が含まれる。本発明のこの好ましい実施の形態において、コンピュータ１４０は、走査装置１４２のための制御マイクロプロセッサを備え、また製造されている物品の寸法を定義するための、スライス毎の形態にあるＣＡＤ／ＣＡＭデータベースを格納するためのシステムも備えている。ペンティアム（登録商標）級のマイクロプロセッサに基づき、浮動小数点能力を備えたパソコンなどの従来のパソコン・ワークステーションが、本発明の好ましい実施の形態におけるコンピュータ１４０として使用するのに適している。コンピュータ１４０は、現在の粉末層で製造すべき物品の断面にしたがってレーザビーム１０５に標的面１０４を横切るように方向付けるために、走査装置１４２内のスキャナ・プロセッサ１０３へのラインＡＩＭ上で信号を生成する。
【００３６】
走査装置１４２は、レーザビーム１０５の進行路を向け直すためのプリズム１４４を備えている。レーザビーム１０５を適切な位置に方向付けるために必要なプリズム１４４の数は、装置の物理的レイアウトに基づく。あるいは、当該技術分野においてよく知られているように、装置１００の特定のレイアウトに応じて、レーザビーム１０５を方向付けるためのプリズム１４４の代わりに、１つ以上の固定ミラーを用いても差し支えない。走査装置１４２はさらに、ガルバノメータ１４８，１４９などのそれぞれの回転駆動装置により駆動された一組のミラー１４６，１４７を備えている。ガルバノメータ１４８，１４９は、それぞれのミラー１４６，１４７に連結されて、ミラー１４６，１４７を選択的に方向合わせし、レーザビーム１０５の照準を制御する。ガルバノメータ１４８，１４９は、ミラー１４６，１４７が互いに対して名目上直角に取り付けられるように、互いに垂直に取り付けられている。走査装置１４２内のスキャナ・プロセッサ１０３は、標的面（ここでは、「作業面」とも称される）１０４にある粉末層内に形成すべき物品の断面を定義する、そこに格納されたＣＡＤ／ＣＡＭデータベースにしたがって生成される、コンピュータ１４０からのラインＡＩＭ上の信号に応答して、標的面１０４内のレーザビーム１０５の照準を制御するようにガルバノメータ１４８，１４９の動きを制御する。
【００３７】
さらに、コンピュータ１４０は、オンにされたときに、レーザ１１０により送達すべき所望のレベルのパワーを示すために、ラインＤＬＰ上でレーザパワー制御装置１５０への信号を生成する。スキャナ・プロセッサ１０３は、現在の粉末層に関する物品のスライスを表すＣＡＤ／ＣＡＭデータベースにしたがってレーザ１１０をオンまたはオフにすべき時間を示す、ラインＬＯＮ／ＬＯＦＦ＿上の信号を生成する。本発明の好ましい実施の形態によれば、ラインＬＯＮ／ＬＯＦＦ＿上の信号は、スキャナ・プロセッサ１０３により生成された１つ以上のラインＦＢ上のフィードバック信号と共同して、レーザパワー制御装置１５０を制御して、送達すべき瞬時パワーに対応したラインＬＰ上のレーザ１１０への時間的に変化する信号を生成する。ここに引用する米国特許第６０８５１２２号明細書に記載されたように、ラインＦＢ上のフィードバック信号は、レーザ１１０の制御に使用するために、ガルバノメータ１４８，１４９（およびミラー１４６，１４７）の位置または速度の指示を含んでもよい。以下の説明から明らかになるように、本発明の好ましい実施の形態によるスキャナ・プロセッサ１０３およびレーザパワー制御装置１５０は、粉末をレーザエネルギーで所望のように露光するように、レーザ１１０のパワーおよびレーザビームの走査を制御する。レーザパワー制御装置１５０は図２において別個の構成要素として示されているが、レーザパワー制御装置１５０は、もちろん、所望であれば、コンピュータ１４０またはスキャナ・プロセッサ１０３内に設けられていてもよい。
【００３８】
レーザ走査制御
前述したように、走査制御およびパワー制御のために、ベクトル走査中のミラーの実際の位置を知ることが望ましい。したがって、ガルバノメータのシャフトの各々の角度変化を測定するために、角度エンコーダ（図面では見えない）が用いられる。従来、角度エンコーダとして、特別なコンデンサが用いられる。シャフトの角度が変化するにつれ、キャパシタンスは、その角度によりやや線形に変化する。図３は、シャフトの角度の関数として、またレーザスポットを操縦している走査ミラーの角度の関数としての典型的な容量エンコーダ応答を示している。エンコーダ回路は、図３に示すように、キャパシタンス値を電圧値に変換する。容量エンコーダ以外に、光学式エンコーダも角度エンコーダとして適用されることがある。光学式エンコーダは、図３に示したものに類似のエンコーダ応答曲線を有する。
【００３９】
図３に示した電圧対角度の単調な応答は、高速かつ高分解能の用途において問題を生じる。典型的な高分解能のスキャナ用途において、５μＲａｄの角度分解能が予測される。図３から、５μＲａｄの角度分解能は、エンコーダ信号における１２５μＶの変化に相当するのが分かる。それゆえ、高い角度分解能を達成するためには、エンコーダの電子部品は、約１００μＶの精度で電圧レベルを分離できなければならない。高分解能が高速と組み合わされた場合、数十マイクロ秒でこの１００μＶの精度を達成する必要がある。数十マイクロ秒で１００μＶを分解できる実際的なエンコーダ回路を設計することは非常に難しい。それゆえ、市販の走査装置のほとんどは、走査ミラーが動いている間に、この走査ミラーの位置を高精度で測定することができない。その精度は、ミラーが静止しているときしか達成されない。
【００４０】
本発明の好ましい実施の形態において、走査ミラーの位置を測定するために、干渉型エンコーダが用いられる。干渉型エンコーダと従来の容量エンコーダとの間の重大な差は、干渉型エンコーダは図３のような単調な応答を持たないことである。代わりに、応答は、図４に示すように周期的である。応答が周期的な場合、測定に利用できる全電圧は、応答曲線の傾斜を制限しない。例えば、５μＲａｄの角度分解能は、エンコーダ信号における２００ｍＶの差に相当する。エンコーダ信号における２００ｍＶなどの差は、数十マイクロ秒で測定するのが比較的容易である。それゆえ、ミラーが移動している間にミラー位置を測定できるように、高速および高精度が同時に達成できる。周期関数は、別の周期関数（例えば、図４に示すようなサインとコサイン）で補完する必要があることに留意することが重要である。何故ならば、１つの周期関数の傾斜は、特定の値（図４のサインについては、１９５μＲａｄでなど）ではゼロであり、分解能がここでも制限されてしまうからである。
【００４１】
前述したように、スキャナ制御装置は、１５マイクロ秒などの、マイクロ秒の時間毎にミラー位置を測定することが都合よい。レーザ焼結用途において、ミラーは、比較的大きい傾向にある（例えば、ステレオリソグラフィー用途に一般に用いられる走査ミラーよりも直線寸法で３倍大きい）。その結果、それらの慣性モーメントは、約２０から４０倍大きい。したがって、これらの走査ミラーを最高速度まで加速するのには、ずっと長い時間がかかる。実験的に、走査ミラーが、ベクトルの始めで最高速度に到達する前に、約４００マイクロ秒かかると測定された。同様に、１つのベクトルを描く単純な場合において、ミラーは、レーザスポットがベクトルの終わりでの停止点に近づくときに、この終わりで減速（すなわち、負の加速度値による加速）しなければならない。作業面上でのレーザ位置を精確に制御するために、これらの加速周期（すなわち、始めでの正の加速度と終わりでの負の加速度）を無視することはできない。
【００４２】
加速周期はモデル化でき、線形に増加している加速度の大きさと線形に減少している加速度の大きさの２つの相に分割したときに非常に精確に制御できることが分かった。これにより、加速度の変化率が制限される。図５Ａは、本発明の好ましい実施の形態にしたがってモデル化された２相の加速周期（正の加速度が速度を増加させる）を示す。図示されているように、ミラーが１０ｍ／ｓの最高速度に到達するのには約４００マイクロ秒かかる。図５Ａの加速度曲線に対応する、時間の関数としてのレーザスポットの位置が図５Ｃに示されている。比較のために、速度変化が瞬時（無限大の加速度）であると仮定した場合、図５Ｃの第２の曲線（直線）が得られる。それゆえ、加速相を無視した場合、ミラーの実際の位置は、約２ｍｍだけ予測位置から遅れているのが明らかである。
【００４３】
加速度はベクトルの終わりで負であるので、図５Ａの曲線は当てはまらないが、代わりに、加速度曲線は、図５Ａの像の鏡像を有する。それゆえ、第１相における加速度は、ゼロから負の値に向かって線形速度で進み、次いで、ゼロに線形に戻る。
【００４４】
レーザ走査の構成において、エンコーダにより測定される位置信号をフィードバック制御装置に用いることが好ましい。走査ミラーの位置が、正確には命令された位置ではない場合、誤差信号が生成され、ミラーを所望の位置に動かすように、追加の制御信号が適用される。ミラーの測定位置が命令された位置に正確に一致する場合、誤差はゼロである。命令された位置を求めるときに、加速周期が無視される場合、位置の誤差が常に生成される。図５Ｃから、１０ｍ／ｓの走査速度について、約２ｍｍの位置誤差が生成される。この誤差はしばしば、追従誤差と称される。レーザビームが、命令された位置には実際にはない。レーザビームは、命令された位置から２ｍｍ遅れており、これは定期的に、フィードバック回路により駆動される。位置誤差は、理論的に、命令された位置に対して測定された位置の先行または遅延であり得る。
【００４５】
直線のみを描くべき場合、追従誤差は、心配の大きな理由にはならないであろう。しかしながら、走査ミラーが、最高速度で、追従誤差よりも小さな非線形特徴を描くべき場合、その特徴は消えるかまたは酷く歪められるであろう。この問題をうまく避ける方法の１つは、その特徴を直線から作り、追従誤差がゼロになるのに十分に長い期間に亘り各線の終わりで停止することである。残念ながら、小さな特徴は、この方式では、描くのが非常に遅い。
【００４６】
本発明は、ある実施の形態において、ミラーの動きの加速相と減速相を物理的にモデル化することのできる走査装置を提供する。例えば、図５Ａに示した加速度プロファイルは、数学的にモデル化できる。図５Ａに示した加速度は、時間の連続関数であることに留意するのが重要である。走査モータのインダクタンスとミラーの慣性のために、加速度の瞬間変化は不可能である。図５Ａの加速度プロファイルは、加速度の変化率が常に一定である時間間隔から作成でき、それゆえ、以下の形態で記述することができる：
α（ｔ）＝α0＋Ｊｔ
ここで、α（ｔ）は、ｔがその時の間隔の始まりから測定される場合の時間ｔでの加速度であり、α0はその間隔の始まりにおける加速度値である。図５Ａにおいて、関数Ｊは以下のように定義される区分的な線形関数である：
Ｊ＝２５０×１０6ｍ／ｓ3      時間間隔［Ｔ＝０から２１０μ秒］
Ｊ＝−２５０×１０6ｍ／ｓ3    時間間隔［Ｔ＝２１０μ秒から４２０μ秒］
Ｊ＝０                       時間間隔［Ｔ＝４２０μ秒から８４０μ秒］
ここで、Ｔは、加速の始まりから測定される。
【００４７】
それゆえ、第１の時間間隔において、加速度は正であり、時間と共に線形比率で増加し、第２の時間間隔において、加速度は正であるが、線形比率で減少し、第３の間隔において、加速度はゼロである（すなわち、ミラーは等速である）。ベクトルの終わりでの負の加速度（すなわち、減速）について、第１の間隔におけるＪの値は負であり、第２の間隔のＪ値は正である。
【００４８】
走査ミラーの瞬間速度ｖ（ｔ）は以下により与えられる：
ｖ（ｔ）＝ｖ0＋α0ｔ＋（１／２）Ｊｔ2
ここで、ｖ0はそのときの間隔の始まりでの速度である。同様に、任意の瞬間での走査ミラーの位置ｘ（ｔ）は以下により与えられる：
ｘ（ｔ）＝ｘ0＋ｖ0ｔ＋（１／２）α0ｔ2＋（１／６）Ｊｔ3
ここで、ｘ0は、そのときの間隔の始まりでの位置である。
【００４９】
上記式をミラーの加速相と減速相に適用することによって、ベクトル全体の描画が、加速度、速度、および位置に関して正確な式で分析的に記載できる。さらに、描く必要のある全てのベクトルは、走査が始まる前でも予備分析でき、等速の間隔の期間を変えることにより、ベクトルの始まりと終わりのＪの値を変えることにより、また加速相と減速相の期間を変えることにより、最適速度で描くことができる。
【００５０】
次いで、予備分析され、最適化されたベクトルは走査装置に適用される。スキャナ・プロセッサ１０３は、描くべきベクトルの各々について、Ｊの値とそれらが適用される時間間隔が格納されているメモリを備えている。走査前または走査中、時間段階毎（一般に、約１０から１５マイクロ秒）でミラー・エンコーダの予測位置が、物理的数学モデルに基づいて、プロセッサ１０３により計算される。走査中、スキャナ・エンコーダからの時間段階毎に関する測定位置が予測位置と比較され、位置誤差を常に最小に維持するために、フィードバック・アルゴリズムが適用される。
【００５１】
順次走査すべき複数のベクトルをこのようにして予備分析する場合、本発明のある実施の形態において、所定の値よりも長い長さを持つベクトルは、所定の値よりも短い長さを持つベクトルについて用いられるものとは異なる物理的数学モデルを用いて分析される。例えば、ミラーの最終速度が１０ｍ／ｓである走査装置の場合、ミラーがこの最高速度まで加速するのには、レーザスポットが作業面上で約１ミリメートル移動し、したがって、例えば、２ミリメートルの長さのベクトルについて、レーザスポットは、最高の等速には決して到達することがない。それゆえ、そのような短いベクトルに用いられるモデルでは、ミラーの動きに等速相はないと仮定する。代わりに、正の加速度の初期相には、負の加速度の第２相が直ちに続く。しかしながら、等速相のある長いベクトルについては、前述したように、モデル化することができる。
【００５２】
本発明の好ましい実施の形態におけるスキャナ・プロセッサ１０３は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を備えている。エンコーダからの位置信号はデジタル化され、位置フィードバック制御は、デジタル領域においてＤＳＰにより実施される。ある場合には、ＤＳＰによりガルバノメータに送られた命令位置信号は、ミラーの共振現象を励起する振動数を含むかもしれない。これを避けるために、デジタル信号プロセッサは、ミラーの振動現象を励起する傾向にある振動数を除去するためのフィルタ操作（例えば、いわゆる「ノッチ・フィルタ」）を用いる。
【００５３】
２つの連続した非共線的なベクトルの連結により形成された鋭角において、レーザがその角で完全に停止しない場合、角での瞬間加速度（すなわち、加速度ベクトル）は無限大の大きさを有することが認識されるであろう。もちろん、これは、走査装置の慣性のために物理的に生じ得ない。したがって、従来は、各ベクトルの終わりにレーザスポットを停止させる必要がある。しかしながら、本発明の別の実施の形態によれば、レーザスポットは、あるベクトルから次のベクトルまで滑らかな曲線に沿って走査される。その滑らかな曲線は、両方のベクトルの接線であり、「名目上の」第１ベクトルの終点の先にある第１ベクトル上の点（これもまた、第２ベクトルの「名目上の」開始点である）を、第２ベクトルの名目上の開始点の後の第２ベクトルの点に連結する。これが図６に示されており、点線が滑らかな曲線を表している。滑らかな曲線が三次多項式（スプライン関数と称されることもある）であることが有益である。適切なスプライン関数は、ベクトルを分析することによって、走査前に計算でき、それらのスプライン関数は、スキャナ・プロセッサ１０３のメモリ内に格納できる。
【００５４】
スプライン関数を使用すると、レーザスポットが、次のベクトルを描き始める前に、完全に停止するのを防ぐことができる。レーザスポットは、あるベクトルから次のベクトルへと連続して移動でき、走査ミラーの方向に瞬時の変化が全くないので、加速度は常に有限である。
【００５５】
レーザパワー制御
本発明の別の態様は、前述したように、レーザパワーの制御である。一般に、高速試作成形装置で製造されている部品の各領域には、望ましい最適露光がある。先に説明したように、所望の露光は、特定の例に応じて、全ての領域で均一であるか、または不均一であってもよい。露光は、可溶性材料に送達される単位面積当たりのレーザエネルギーとして定義される。それゆえ、露光は、主に、レーザパワーとレーザスポットの速度に依存し、より詳しくは、露光は、パワーに正比例し、速度に反比例することが認識できる。
【００５６】
本発明によれば、露光は、１つのベクトルまたは複数の連続したベクトルの走査中に瞬間のレーザパワーを測定するために高速パワー・メータを使用することによって、精確に制御できる。本発明のある実施の形態によるパワー制御されたレーザ・スキャナの概略図が図７に示されている。スキャナは、レーザ１１０およびレーザビームをビーム・スプリッタ１６２に向け直す高反射ミラー１６０を有する。このスプリッタ１６２は、ビームを分割し、ビーム強度のごく一部（例えば、ビーム・スプリッタは、約１％の反射率および約９９％の透過率を有し得る）を、集束レンズ１６４を通して、瞬時にビームのパワーを測定するように動作できる高速パワー・メータ１６６に方向付ける。この高速パワー・メータは、例えば、高速応答光検出器などであって差し支えない。高速パワー・メータの一例に、ポーランド国、ワルシャワ所在のビゴ・システムズ社(Vigo Systems S.A.)により製造されたモデルＰＤ−ＴＥ−１０．６−３がある。高速パワー・メータは、走査ミラーの加速周期よりも短い応答時間を有する。応答時間は、作業面上でレーザスポットがそれ自体の長さまたは直径を移動するのにかかる（最高速度で動いているとき）時間よりも短いことがより好ましい。例えば、レーザスポットが０．１ｍｍの直径であり、スポットが１０ｍ／ｓで移動する場合、そのスポット長さを移動するのに要する時間は１０μｓである。したがって、高速パワー・メータの応答時間は、好ましくは１０μｓ未満、より好ましくは５μｓ未満、さらにより好ましくは３μｓ未満、より一層好ましくは約２μｓ以下である。スポット長を移動する時間が１０μｓではない他の用途において、高速パワー・メータの応答時間は異なっていて差し支えない。大雑把に言えば、Ｔが、レーザスポットが作業面上をそれ自体の長さまたは直径を移動するのにかかる（最高速度で移動するとき）時間である場合、応答時間が０．３Ｔ未満であることが望ましい。
【００５７】
ビームのその他の部分は、ビーム・スプリッタ１６２から高反射ミラー１６８に向けられる。このミラー１６８は、ビームを、線形トランスレータ・凹面ビーム拡大レンズ１７４および凸面ビーム拡大レンズ１７６に通して、走査ミラー１７８に向け直す（概略としてしか示されていない）。ミラー１６８から走査ミラーへのビームの経路に隣接して、オン／オフ高反射ミラー１７０をビームの経路に入れたり、ビームの経路から出したりするための適切な駆動部を備えたミラー１７０が配置されている。ビームの経路に入れられたときに、ミラー１７０は、ビームを、ビームのパワーを測定するように動作できる低速パワー・メータ１７２に向け直す。
【００５８】
本発明のこの態様によれば、高速パワー・メータ１６６は、作業面上の可溶性材料を露光するレーザビームのパワーを、例えば、校正曲線などによってそれから決定できる信号を提供するように校正される。ベクトルの走査中、レーザパワー制御装置１５０の各刻み時間または時間段階で、高速パワー・メータは、レーザビームの瞬間パワーを測定するのに使用でき、パワーの測定値は、ベクトルに沿った各点について、メモリ内に格納できる。前述したように、これらの点でエンコーダの位置は検出され、格納され、それらの点でのレーザスポットの速度を計算し、格納できる。速度およびパワーの測定値から、可溶性材料の露光を、各点で演繹できる。このパワー、位置、および露光のデータは、ベクトル走査中の露光制御をさらに改善するために、様々な異なる様式で使用できる。
【００５９】
例えば、本発明のある実施の形態において、レーザパワー制御装置１５０のデジタル信号プロセッサは、各点での所望の露光を行うように、ベクトルに沿って各点での測定された瞬間パワーに基づいて、走査中にレーザ１１０（手短に図２参照）をリアルタイムで調節できる。一例として、所望の露光は、構築すべき部品の様々な領域について決定できる。次いで、各点でのレーザの速度および各点での測定された瞬間パワーに基づいて、各点に関する実際の露光をＤＳＰによって演繹できる。ＤＳＰは、露光誤差（すなわち、所望の露光と実際の露光との間の差）をゼロにもっていくように、レーザパワーの閉ループ制御をリアルタイムで行うことができる。
【００６０】
しかしながら、本発明は、そのような閉ループ制御技法に制限されるものではない。例えば、本発明のある代わりの実施の形態には、部品を構築するためのベクトル走査に先だって、レーザパワー調整パラメータの決定を伴う。この目的のために、本発明による調整方法は、特定の組のレーザパワー調整パラメータ（例えば、レーザパワーとスポット速度との間の所定の関係）で、１つ以上のベクトル、好ましくは様々な長さの複数のベクトルを走査し、一般に前述したように、各ベクトルに沿って様々な点で実際の露光対位置を演繹する各工程を有してなる。次いで、露光対位置をプロットし、分析して、レーザパワー調整パラメータを変更するか否か、またはどの程度変更すべきかを決定することができる。一例として、露光対位置のプロットが、ベクトルの終わりが過剰に露光されていることを示す場合、その終わりの領域の露光が減少するように、調整パラメータを調節することができる。次いで、新たな調整パラメータについて、この工程を繰り返し、露光対位置のプロットを再検証して、さらなる変更が必要か否かを決定することができる。
【００６１】
この工程は、プロットを検証し、必要なパラメータの変更を決定する作業者によって、「手動で」行うことができる。あるいは、調整は、ＤＳＰに組み込まれた調整アルゴリズムを使用して、自動的に行っても差し支えない。自動調整において、ＤＳＰは、計算した露光対位置および所望の露光対位置のデータに基づいて、新たなレーザパワー調整パラメータを計算する。例えば、ここに引用する米国特許第６１５１３４５号明細書に記載されたように、調整できるあるレーザパワー調整パラメータは、レーザの「延伸された」初期パルスの期間である。初期パルスの期間は、レーザの「オフ」時間の長さに関連付け、ＤＳＰにおいて計算できる。
【００６２】
本発明のさらに別の実施の形態において、調整は、インターネットなどのネットワークを介して、高速試作成形装置から離れた場所にあるコンピュータ・ワークステーションまたは端末を用いて、オペレータによって遠隔で実施することができる。より具体的には、走査の調整運転からの計算された実際の露光対位置のデータを含むデータ・ファイルを、ネットワークを通じてＤＳＰから遠隔端末に電子的に伝送することができる。端末のオペレータは、新たなレーザパワー調整パラメータを手動で決定したり、このタスクを実行するためにソフトウェアを使用することができる。次いで、新たなレーザパワー調整パラメータを含むデータ・ファイルを、ネットワークを介して、レーザパワー調節装置またはＤＳＰに伝送できる。
【００６３】
先の説明と関連する図面に提示された教示の恩恵を受けた、これらの発明の属する技術分野の当業者には、ここに述べた本発明の多くの改変および他の実施の形態が思い起こされるであろう。したがって、発明は、開示された特定の実施の形態に制限されるべきものではなく、改変や他の実施の形態も添付の特許請求の範囲に含まれるべきであることが意図されているのが理解されよう。特定の用語をここに用いたが、それらは、制限を目的とするものではなく、一般的かつ説明の意味で用いられている。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明のある実施の形態によるレーザ焼結装置の、一部切り取られた斜視図
【図２】本発明のある実施の形態によるレーザ制御装置の、一部切り取られた斜視図
【図３】典型的な容量エンコーダ電圧対角度位置の応答曲線のグラフ
【図４】本発明の好ましい実施の形態に用いられる干渉型エンコーダに関する電圧対角度位置の応答曲線のグラフ
【図５Ａ】本発明のある実施の形態にしたがってモデル化したミラーの加速度対時間をプロットしたグラフ
【図５Ｂ】図５Ａの加速度に対応するミラーの速度対時間をプロットしたグラフ
【図５Ｃ】加速から等速までを瞬時であると仮定したときに得られるミラー位置対時間も比較した、図５Ａの加速度に対応するミラー位置対時間をプロットしたグラフ
【図６】本発明の別の実施の形態によるベクトル間の移行が滑らかな、走査すべき複数の連続ベクトルを示す概略図
【図７】本発明のある実施の形態によるレーザパワー制御装置の機能ブロック図
【符号の説明】
【００６５】
１００    レーザ焼結装置
１０２    プロセス・チャンバ
１０３    スキャナ・プロセッサ
１０６    部品ピストン
１０８，１１６    モータ
１１０    レーザ
１１４    供給ピストン
１１８    ローラ
１５０    レーザパワー制御装置
１６０，１６８，１７０    高反射ミラー
１６２    ビーム・スプリッタ
１６４    集束レンズ
１６６    高速パワー・メータ
１７４，１７６    ビーム拡大レンズ
【図１】
2006323361.tif 000003
【図２】
2006323361.tif 000004
【図３】
2006323361.tif 000005
【図４】
2006323361.tif 000006
【図５Ａ】
2006323361.tif 000007
【図５Ｂ】
2006323361.tif 000008
【図５Ｃ】
2006323361.tif 000009
【図６】
2006323361.tif 000010
【図７】
2006323361.tif 000011
【外国語明細書】
2006323361000001.pdf