(57)【要約】【課題】本発明の課題は、マイクロ光造形加工装置において、光造形の途中経過を観察できるモニター機構を設けて、硬化条件の確認や製造過程の確認をスムーズに行なうことができるようにすることにある。【解決手段】本発明のマイクロ光造形装置は、レーザ光源１からのレーザビームを硬化性樹脂層１６にスポット照射するレーザ光学系において、走査用のガルバノミラー８，９と対物レンズ１４の間で、ビームを一旦集光させて再び結像レンズ１２を介して対物レンズ１４に入れる構成をとると共に、この光軸上にビームスプリッタ１１と、該ビームスプリッタ１１の分岐光路に撮像カメラ２０を配置するようにし、加工途上において加工条件や加工状態の良し悪しを観察できる機能を備えるようにした。また、本発明の観察機能付きマイクロ光造形装置ビームスプリッタ１１は、摺動自在に設置し、光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態が切換えられるようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からのレーザビームを硬化性樹脂層にスポット照射するレーザ光学系において、走査用のガルバノミラーと対物レンズの間で、ビームを一旦集光させて再び結像レンズを介して対物レンズに入れる構成をとると共に、この光軸上にビームスプリッタを、該ビームスプリッタの分岐光路に撮像カメラを配置した観察機能付きマイクロ光造形装置。
【請求項２】
前記ビームスプリッタは摺動自在に設置し、光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態が切換えられることを特徴とする請求項１に記載の観察機能付きマイクロ光造形装置。
【請求項３】
前記ビームスプリッタには屈折率を同じくするダミーを連設させ、該ビームスプリッタが光路外に位置する形態において、前記ダミーを光軸上に配置させ光学路における屈折率の補償を行なうことを特徴とする請求項２に記載の観察機能付きマイクロ光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体形状データを基にして液体状の光硬化性樹脂に対し、形状部分にレーザ光を照射することにより前記樹脂を硬化させて前記立体形状を形成させる所謂光造形の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光造形のプロセスについて図４の概念図を基にまず説明する。ステップ１で作製したい形状をＣＡＤ情報としてコンピュータ上で作製するか外部からコンピュータに入力する。ステップ２でＣＡＤにより三次元の静止画形態に変換する。ステップ３で該三次元形状を１軸方向に直交する面で厚さｄ毎にスライスして各層毎の断面形状情報を得る。ステップ４で該各層毎の断面形状情報に基づき、下層部分から順次形成する。この手法は液状の光硬化性樹脂の容器内に少なくとも上下方向に駆動されるテーブルを配置し、該テーブル面が樹脂液面下ｄの位置にくるようにセットすると共に、前記テーブル上の樹脂層にレーザスポットを照射しながら最下層の断面形状をなぞるように走査する。すると、厚みｄの樹脂層の内レーザスポットがあてられた部分だけが硬化してテーブル上に最下層形状Ｓ１が形状形成される。ステップ５では前記テーブルをｄだけ下方に変位させる。すると今形成された最下層形状Ｓ１の面上に厚みｄの液体樹脂層がかぶることになる。この状態で第２層目の断面形状をなぞるようにビームスポットを走査し、最下層形状Ｓ１の面上に第２層形状Ｓ２が光硬化して形成される。以下順次にテーブルの下方移動と各層毎の断面データに基くレーザ走査を繰り返し、各層毎の形状を形成してゆく。そしてステップ５に示すように最上層の形状Ｓｎを形成して所望の三次元形状の造形を終了する。以上が積層型光造形プロセスの基本である。
【０００３】
この光造形の技術は複雑な立体形状を得るのに適した方法として機械部品モデルの加工等に採用され実用化されている。さらに最近は医学の分野への適用が期待されているマイクロマシンの作製にこの光造形技術を用いることが研究されている。特許文献１には硬化層の剥離の問題を解消でき、しかも、加工分解能をさらに向上できる光造形加工法、該加工法を用いた可動装置および光造形加工装置を提供することを目的として、図３に示す光造形加工装置が記載されている。すなわち、「液状の光硬化性樹脂ｈに光を照射して、該光硬化性樹脂ｈを所望の形状に硬化させる光造形加工法を用いた光造形加工装置において、レーザ発振器ａと、レーザ発振器から出射されたレーザビームＬを集光するためのレンズｇと、レンズｇで集光されたレーザビームＬが照射される液状の光硬化性樹脂ｈを載置するステージｉと、レーザ発振器ａとレンズｇとの間に配置され、レーザ発振器ａから出射されたレーザビームＬのビーム幅を拡げることにより、レンズで集光されるレーザビームの焦点Ｆの部分のみが光硬化性樹脂ｈの硬化に必要なエネルギ強度を有するようにするためのビームエキスパンダｅとを設ける。」構成が提示されている。このような構成を採ることによりビームの焦点部分のみが光硬化性樹脂の硬化に必要なエネルギ強度を有するようにしたので、光硬化性樹脂の内部でビームの焦点部分のみを硬化させることが可能になり、これにより、硬化層の剥離の問題を解消でき、加工分解能を一層向上できるとともに、粘性の高い材料を使えるようになる効果を生じるものである。しかし、この種の従来の光造形法においては加工途中の状態、すなわち硬化条件の確認や製造過程の確認をすることが難しかった。そのため、一連の製造工程を終えた段階で加工された製品を見てその出来具合から次回の加工にそれを生かすしかなかった。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１７０３７７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、マイクロ光造形加工装置において、光造形の途中経過を観察できるモニター機構を設けて、硬化条件の確認や製造過程の確認をスムーズに行なうことができるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ光造形装置は、レーザ光源からのレーザビームを硬化性樹脂層にスポット照射するレーザ光学系において、走査用のガルバノミラーと対物レンズの間で、ビームをレンズで一旦集光させて再び結像レンズを介して平行光として対物レンズに入れる構成をとると共に、この光軸上にビームスプリッタと、該ビームスプリッタの分岐光路に撮像カメラを配置するようにし、加工途上において加工条件や加工状態の良し悪しを観察できる機能を備えるようにした。
また、本発明の観察機能付きマイクロ光造形装置ビームスプリッタは、摺動自在に設置し、光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態が切換えられることを特徴とする。更に、ビームスプリッタには屈折率を同じくするダミーを連設させた構成をとることを特徴とし、この場合における本発明の観察機能付きマイクロ光造形装置は、該ビームスプリッタが光路外に位置する形態において光学路における屈折率の補償を行なうことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の基本構成を図１を参照しつつ説明する。１はレーザ光源であり、２はレーザビームの通過／遮断機能をもつシャッタ、３はニュトラルデンシティフィルタ（ＮＤフィルタ）で、レーザ光の透過量を制限する機能を有する。４，５はミラー、６，７，１０はレンズ、８，９はビームをＸ方向とＹ方向に走査させるガルバノミラー、１１は光を透過光と反射光に二分するビームスプリッタ、１２は結像レンズであり、１３は絞り、１４は対物レンズ、そして１５はカバーガラス、１６は光硬化性樹脂、１７はガラス基板１８はガラス基板をＸＹＺ方向に移動させる三次元移動機構であり、１９は観察用の照明で、２０が観察用のＣＣＤ撮像カメラである。レーザ光源１からのレーザ光はＮＤフィルター３で透過量を制限されレンズ６で一旦集光されてから広げられ、レンズ７で平行光線とされる。平行光線とされたレーザ光はガルバノミラー８でＸ（またはＹ）方向に振られ、次いでガルバノミラー９でＹ（またはＸ）方向に振られる。走査偏向されたレーザ光はレンズ１０により集光されてから広げられ結像レンズ１２へ入れられる。本発明ではさらに集光点と結像レンズ１２間の位置にビームスプリッタ１１が配設される。この結像レンズ１２でレーザ光は平行光線にされ、絞り１３を通過したレーザ光が対物レンズ１４で光硬化性樹脂層に集光される。カバーガラス１５を介してこのレーザスポットが照射された部分の樹脂が光硬化する。ここで、光硬化させるパターンはＣＡＤ情報から得られた該当層の断面形状である。そして、この二次元位置情報に基づき前記ガルバノミラー８，９が走査されレーザスポットが断面形状をなぞる。また、跳びパターンなどの場合にはスポット移動の間シャッタ２がレーザ光を遮断する。そして該当層の加工が終了したならばシャッタ２がレーザ光を遮断した状態でＸＹＺ方向移動機構１８でＺ方向に層の厚み分変位させ、一つ上の層のパターンを形成する。以上は光造形装置としての一般構成と作動である。
【０００８】
本発明の特徴点はこの光硬化現象を加工途上においてリアルタイムで観察できる機能を備えた点にあり、そのための構成は照明１９と結像レンズ１２、ビームスプリッタ１１とその分岐光学路上に配置されたＣＣＤカメラ２０等の撮像カメラである。結像レンズ１２のレンズ力に対応して加工中の層が撮像カメラの結像位置となるように撮像カメラ２０、ビームスプリッタ１１そして結像レンズ１２の位置が決められる。加工中の状態を観察をする場合には照明１９により、光硬化性樹脂を下方から照らすと、レーザビームスポット部分が撮像カメラ２０に捉えられる。この撮像画像をモニタ画面に映し目視により、光硬化現象の状態や硬化条件の確認が加工途上においてリアルタイムで観察できる。したがって、すぐに不適性な加工条件は修正することが可能となり、作製効率歩留まりが従来に較べて格段に向上する。またこの画像を記録に残し作製された造形物と対比させて後の検討に供することもできる。
【０００９】
上記のビームスプリッタ１１は撮像カメラで加工状況を観察するために必要なもので、単に光造形を実行するだけの時には必要がないものである。そして、このビームスプリッタ１１は照射するレーザ光量のロスを伴うものでもあるため、本発明では非観察時には図２のＡに示すようにビームスプリッタ１１を光学路から退避させる構成を提示する。具体的には摺動機構に該ビームスプリッタ１１を取り付けるようにし、二つの摺動位置で光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態が切換えられるようにした。
【００１０】
また、このビームスプリッタ１１が光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態でレーザビーム光学系の光学的条件が変ってしまわないように、ダミーキューブ２１を準備し、図２のＢに示すように上記の光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態の二つの摺動位置に対応するようにビームスプリッタ１１とダミーキューブ２１を連接して設ける構成を提示する。このダミーキューブ２１は該ビームスプリッタ１１と同じ屈折率を有する光学部材で、ビームスプリッタ１１が光路外に退避している時、光路内に位置して透過するレーザビームに対して同じ屈折率となって作用する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の光造形装置は、レーザ光源からのレーザビームを硬化性樹脂層にスポット照射するレーザ光学系において、走査用のガルバノミラーと対物レンズの間で、ビームを一旦集光させて再び結像レンズを介して対物レンズに入れる構成をとると共に、この光軸上にビームスプリッタと、該ビームスプリッタの分岐光路に撮像カメラを配置した構成を採用したものであるから、光造形の加工途上でオペレータが加工状態をモニターを見ながら観察することができ、不適正である場合には加工条件の修正を即座に対応して実行することができる。したがって、従来のように加工を終えた製品の出来具合から適正条件を修正するようなことではなく、加工作業中にリアルタイムの対応がとれるので加工精度がよく、歩留まりも高くなる。
【００１２】
また、摺動自在に設置し、光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態が切換えられるビームスプリッタの構成を採った本発明の観察機能付きマイクロ光造形装置は、非観察時にはビームスプリッタをレーザ光の光路から退避させることができるので、該ビームスプリッタによるレーザ光量のロスを防ぎ効率の良い光硬化を促すことができる。
そして、そのビームスプリッタには屈折率を同じくするダミーを連設させ、該ビームスプリッタ光路外に位置する形態を採ったときには、ビームスプリッタをレーザ光の光路から退避させた状態において同じ屈折率を持ったダミーが光路に位置されることとなり、光学路における屈折率の補償を行ない当該光路における光学特性をビームスプリッタが存在した時と同じに保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の観察機能付きマイクロ光造形装置の構成を示す図である。
【図２】Ａはスライド機構を備えたビームスプリッタの作動形態を説明する図で、Ｂはダミーキューブを連接した形態を説明する図である。
【図３】従来のマイクロ光造形装置の例を示す図である。
【図４】光造形のプロセスを説明する図である。
【符号の説明】
１  レーザ光源                      １４  対物レンズ
２  シャッタ                        １５  カバーガラス
３  フィルター                      １６  光硬化性樹脂
４，５  ミラー                      １７  ガラス基板
６，７，１０  レンズ                １８  ＸＹＺ移動機構
８，９  ガルバノミラー              １９  照明
１１  ビームスプリッタ              ２０  撮像カメラ
１２  結像レンズ                    ２１  ダミーキューブ
１３  絞り
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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