(57)【要約】【課題】光硬化性樹脂の平坦な自由液面を露光して、高精度の光造形を高速に行うことができる光造形装置及び光造形方法を提供する。【解決手段】ブレード１６４により光硬化性樹脂１５０の自由液面が平坦化された直後に露光を行うので、液面下に存在する造形物１６５により液面が表面張力の影響を受けることが無く、平坦な自由液面を露光することができ、高精度の光造形を行うことができる。また、ブレード１６４による掃引と露光とが略同時に行われるので、造形時間を短縮でき、高速造形を行うことができる。【選択図】図１２
2005153356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の光硬化性樹脂及び該光硬化性樹脂を露光することによって硬化された硬化物を収容する収容槽と、
前記光硬化性樹脂の自由液面を露光して硬化させると共に、前記収容層に対して相対移動可能に設けられた露光装置と、
前記硬化物を支持するように前記収容槽内に昇降可能に設けられた支持台と、
前記露光装置による露光直前の前記光硬化性樹脂の自由液面を平坦化するように設けられた平坦化部材と、
前記支持台に支持された硬化物が自由液面下に位置するように前記支持台を下降させると共に、前記平坦化部材によって平坦化された自由液面が露光され且つ露光によって前記硬化物に連続して前記光硬化性樹脂が硬化するように、前記露光装置及び前記収容槽の少なくとも一方を移動させる移動装置と、
を含む光造形装置。
【請求項２】
前記露光装置を、レーザ光を照射するレーザ装置と、各々制御信号に応じて光変調状態が変化する多数の画素部が基板上に２次元状に配列され、前記レーザ装置から照射されたレーザ光を変調する空間光変調素子と、前記基板上に配列された画素部の全個数より少ない個数の複数の画素部の各々を、露光情報に応じて生成した制御信号によって制御する制御手段と、各画素部で変調されたレーザ光を前記収容槽に収容された光硬化性樹脂の液面に結像させる光学系と、を含んで構成した請求項１に記載の光造形装置。
【請求項３】
前記平坦化部材に冷却装置を付加又は内蔵した請求項１又は２に記載の光造形装置。
【請求項４】
前記冷却装置が内部に充填された減圧流体の拡散で放熱するヒートパイプである請求項３に記載の光造形装置。
【請求項５】
液状の光硬化性樹脂を硬化させて硬化物を生成し、
生成した硬化物を自由液面下に沈下させ、
露光直前の前記光硬化性樹脂の自由液面を平坦化し、
平坦化された前記光硬化性樹脂の自由液面を露光して硬化させ、
前記光硬化性樹脂による３次元形状を造形する光造形方法。
【請求項６】
前記光硬化性樹脂の自由液面を露光する際に、前記光硬化性樹脂の露光領域を多数個の画素に分割し、隣接する所定個以上の画素が同時に露光されないように露光した後、未露光の画素を露光する請求項５に記載の光造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光造形装置及び光造形方法に係り、特に、平坦化された液面を露光し硬化して光硬化性樹脂による３次元形状を高精度で造形する光造形装置及び光造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、収容槽に収容した光硬化性樹脂の自由液面を露光して光造形を行う自由液面法では、造形物を液面下に沈めた後ブレード掃引して、光硬化性樹脂の露光液面を平坦化している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平２０００−１４１４９５号公報（段落００１８、図１３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の方法では、露光面全面についてブレード掃引が完了した後に露光を行うため、液面下に存在する造形物により液面が表面張力の影響を受け、露光液面の平坦性が損なわれる、という問題がある。
【０００４】
また、ブレード掃引後に所定時間放置し、液面を安定化させて露光を行うため、造形時間が長くなる、という問題がある。
【０００５】
本発明は上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、光硬化性樹脂の平坦な自由液面を露光して、高精度の光造形を高速に行うことができる光造形装置及び光造形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の光造形装置は、液状の光硬化性樹脂及び該光硬化性樹脂を露光することによって硬化された硬化物を収容する収容槽と、前記光硬化性樹脂の自由液面を露光して硬化させると共に、前記収容層に対して相対移動可能に設けられた露光装置と、前記硬化物を支持するように前記収容槽内に昇降可能に設けられた支持台と、前記露光装置による露光直前の前記光硬化性樹脂の自由液面を平坦化するように設けられた平坦化部材と、前記支持台に支持された硬化物が自由液面下に位置するように前記支持台を下降させると共に、前記平坦化部材によって平坦化された自由液面が露光され、且つ露光によって前記硬化物に連続して前記光硬化性樹脂が硬化するように、前記露光装置及び前記収容槽の少なくとも一方を移動させる移動装置と、を含んで構成したことを特徴とする。
【０００７】
本発明の光造形装置では、支持台に支持された硬化物が自由液面下に位置するように支持台を下降させた後に、平坦化部材が露光直前の光硬化性樹脂の自由液面を平坦化する。移動装置により露光装置及び収容槽の少なくとも一方が移動され、平坦化された直後の自由液面が露光されて、前記の硬化物に連続して光硬化性樹脂が硬化し、光硬化性樹脂による３次元形状が造形される。
【０００８】
この光造形装置では、平坦化部材により光硬化性樹脂の自由液面が平坦化された直後に露光を行うので、露光する液面が、液面下に存在する造形物による表面張力の影響を受けることが無く、平坦な自由液面を露光することができ、高精度の光造形を行うことができる。また、平坦化と露光とを略同時に行うことができ、造形時間が短縮される。即ち、高速造形が可能になる。
【０００９】
なお、平坦化部材は、光硬化性樹脂が平坦化部材を付着するのを防止する手段を備えたものからなることが好ましい。例えば、露光する液面側の表面部の臨界表面張力を低くすれば、平坦化部材に光硬化性樹脂が付着するのを防止することができる。
【００１０】
また、本発明の光造形装置は、自由液面が乱されることを防止する手段を備えていることが好ましい。例えば、平坦化部材により押し出される光硬化性樹脂が、平坦化部材の形状を工夫すれば、自由液面の乱れを防止できる。
【００１１】
上記の光造形装置では、露光装置を、レーザ光を照射するレーザ装置と、各々制御信号に応じて光変調状態が変化する多数の画素部が基板上に２次元状に配列され、レーザ装置から照射されたレーザ光を変調する空間光変調素子と、基板上に配列された画素部の全個数より少ない個数の複数の画素部の各々を、露光情報に応じて生成した制御信号によって制御する制御手段と、各画素部で変調されたレーザ光を収容槽に収容された光硬化性樹脂の液面に結像させる光学系と、を含んで構成することができる。
【００１２】
この露光装置では、空間光変調素子について、その基板上に配列された画素部の全個数より少ない個数の複数の画素部の各々を、露光情報に応じて生成した制御信号によって制御する。即ち、基板に配列された画素部の全部を制御することなく、一部の画素部を制御している。このため、制御する画素部の個数が少なくなり、制御信号の転送速度が全画素部の制御信号を転送する場合より短くなる。これによって変調速度を速くすることができ、更に高速での造形が可能となる。
【００１３】
また、熱歪みを防止して造形精度を高める観点から、平坦化部材に冷却装置を付加又は内蔵しておくことが好ましい。冷却装置としては、例えば、内部に充填された減圧流体の拡散で放熱するヒートパイプや冷水を用いることができる。
【００１４】
上記目的を達成するために本発明の光造形方法は、液状の光硬化性樹脂を硬化させて硬化物を生成し、生成した硬化物を自由液面下に沈下させ、露光直前の前記光硬化性樹脂の自由液面を平坦化し、平坦化された前記光硬化性樹脂の自由液面を露光して硬化させ、光硬化性樹脂による３次元形状を造形することを特徴とする。
【００１５】
この光造形方法では、光硬化性樹脂の自由液面が平坦化された直後に露光を行うので、液面下に存在する造形物により液面が表面張力の影響を受けることが無く、平坦な自由液面を露光することができ、高精度の光造形を行うことができる。また、造形時間が短縮され、高速造形が可能になる。
【００１６】
上記の光造形方法において光硬化性樹脂の自由液面を露光する際に、光硬化性樹脂の露光領域を多数個の画素に分割し、隣接する所定個以上の画素が同時に露光されないように露光した後、未露光の画素を露光するようにしてもよい。なお、隣接する画素とは、例えば画素形状が多角形の場合であれば１辺を共有する画素というように、２点以上で接触している画素を意味する。
【００１７】
光硬化性樹脂の露光領域を多数個の画素に分割し、最初に隣接する所定個以上の画素が同時に露光されないように露光した後、未露光の画素を露光するので、同時に露光されなかった画素には、硬化収縮による歪みが伝播せず、光造形物における歪みの発生が抑制されて、高精度での造形が可能となる。例えば、隣接する２個以上の画素が同時に露光されないように露光した後、未露光の画素を露光する場合には、硬化収縮による歪みは１画素の範囲でのみ生じ、隣接する画素には伝播しない。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明によれば、光硬化性樹脂の平坦な自由液面を露光して、高精度の光造形を高速に行うことができる、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
［光造形装置の構成］
本発明の実施の形態に係る光造形装置は、図１に示すように、上方に開口した容器１５６を備えており、容器１５６内には液状の光硬化性樹脂１５０が収容されている。また、容器１５６内には、平板状の昇降ステージ１５２が配置されており、この昇降ステージ１５２は、容器１５６外に配置された支持部１５４に支持されている。支持部１５４には、雄ねじ部１５４Ａが設けられており、この雄ねじ部１５４Ａには、図示しない駆動モータにより回転可能とされたリードスクリュー１５５が螺合されている。このリードスクリュー１５５の回転に伴い、昇降ステージ１５２が昇降される。
【００２０】
容器１５６内に収容された光硬化性樹脂１５０の液面上方には、箱状のスキャナ１６２がその長手方向を容器１５６の短手方向に向けて配置されている。スキャナ１６２は、その短手方向の両側面に設けられたガイド溝１６３と嵌合する図示しない凸部を備えた２本の支持アーム１６０により昇降可能に支持されている。また、容器１５６の長手方向の両側面には、副走査方向に延びたガイド１５８が各々設けられている。２本の支持アーム１６０の下端部は、このガイド１５８に副走査方向に沿って往復移動可能に取り付けられている。
【００２１】
この光造形装置には、図示しない駆動装置が設けら、この駆動装置により、スキャナ１６２が支持アーム１６０に沿って昇降されると共に、支持アーム１６０がガイド１５８に沿って駆動される。この結果、支持アーム１６０により支持されたスキャナ１６２が、光硬化性樹脂１５０の液面上方の所定高さに配置され、副走査方向に沿って往復移動される。
【００２２】
スキャナ１６２の長手方向の一方の側面の下端部には、スキャナ１６２の往復移動に伴って光硬化性樹脂１５０の液面の高さをならす（平坦化する）ように、長尺状のブレード１６４がスキャナ１６２の長手方向に沿って取り付けられている。スキャナ１６２の下端部にブレード１６４を取り付けて同時に移動させることで、ブレード１６４により平坦化された直後の液面を露光することができる。
【００２３】
ブレード１６４には、両端部に図示しないヒートシンクを備えたヒートパイプ１６７が内蔵されている。ヒートパイプ１６７は、光硬化性樹脂１５０から吸収した熱を、内部に充填された減圧流体の拡散によりヒートシンクに移動させ、ブレード１６４の近傍に存在する光硬化性樹脂１５０を冷却する。
【００２４】
スキャナ１６２は、図２に示すように、（例えば、３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（例えば、１４個）の露光ヘッド１６６を備えている。この例では、容器１５６の短手方向の幅との関係で、３行目には４個の露光ヘッド１６６を配置した。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドを示す場合は、露光ヘッド１６６mnと表記する。
【００２５】
露光ヘッド１６６による露光エリア１６８は、副走査方向を短辺とする矩形状である。従って、スキャナ１６２の移動に伴い、光硬化性樹脂１５２の液面には露光ヘッド１６６毎に帯状の露光済み領域（硬化領域）１７０が形成される。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドによる露光エリアを示す場合は、露光エリア１６８mnと表記する。
【００２６】
また、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、帯状の露光済み領域１７０が副走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の露光ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔（露光エリアの長辺の自然数倍、本実施の形態では２倍）ずらして配置されている。このため、１行目の露光エリア１６８11と露光エリア１６８12との間の露光できない部分は、２行目の露光エリア１６８21と３行目の露光エリア１６８31とにより露光することができる。
【００２７】
露光ヘッド１６６11〜１６６mn各々は、図４、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）５０を備えている。ＤＭＤ５０は、ＳＲＡＭセル（メモリセル）上に、微小ミラー（マイクロミラー）が支柱により支持されて配置されたものであり、画素（ピクセル）を構成する多数の（例えば、６００個×８００個）の微小ミラーを格子状に配列して構成された矩形状のミラーデバイスである。ＤＭＤ５０の各ピクセルにおけるマイクロミラーの傾きを制御することによって、ＤＭＤ５０に入射された光はそれぞれのマイクロミラーの傾き方向へ反射される。
【００２８】
このＤＭＤ５０は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラのデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。
【００２９】
ＤＭＤ５０の光入射側には、光ファイバの出射端部（発光点）が露光エリア１６８の長辺方向と対応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源６６、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光を補正してＤＭＤ上に集光させるレンズ系６７、レンズ系６７を透過したレーザ光をＤＭＤ５０に向けて反射するミラー６９が配置されている。
【００３０】
レンズ系６７は、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光を平行光化するレンズ７１、平行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正する１対の組合せレンズ７３、及び光量分布が補正されたレーザ光をＤＭＤ上に集光する集光レンズ７５で構成されている。
【００３１】
組合せレンズ７３は、レーザ出射端の配列方向に対しては、レンズの光軸に近い部分は光束を広げ且つ光軸から離れた部分は光束を縮め、且つこの配列方向と直交する方向に対しては光をそのまま通過させる機能を備えている。この組合せレンズ７３により、光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比が入射側に比べて出射側の方が小さくなるように各出射位置における光束幅を変化させて、ＤＭＤ５０の被照射面での光量分布が略均一になるように、光量分布を補正することができる。
【００３２】
また、ＤＭＤ５０の光反射側には、ＤＭＤ５０で反射されたレーザ光を光硬化性樹脂１５０の走査面（被露光面）５６上に結像するレンズ系５４、５８が配置されている。レンズ系５４及び５８は、ＤＭＤ５０と被露光面５６とが共役な関係となるように配置されている。
【００３３】
ファイバアレイ光源６６は、図６（Ａ）に示すように、複数（例えば、６個）のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。また、マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が同軸的に結合されている。
【００３４】
そして、レーザ出射部６８には、図６（Ｃ）に示すように、光ファイバ３１の出射端部（発光点）が副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されている。なお、図６（Ｄ）に示すように、発光点を主走査方向に沿って２列に配列することもできる。この例では、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０の間にマルチモード光ファイバ３０を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の２つの出射端の間に挟まれるように１列に配列されている。
【００３５】
光ファイバ３１の出射端部は、図６（Ｂ）に示すように、表面が平坦な２枚の支持板６５に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ３１の光出射側には、光ファイバ３１の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板６３が配置されている。
【００３６】
マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ３０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ３１は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２である。
【００３７】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、波長４０５ｎｍのレーザ光では、クラッドの厚み｛（クラッド径−コア径）／２｝を８００ｎｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の１／２程度、通信用の１．５μｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約１／４にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。本実施の形態では、後述する通り、ＧａＮ系半導体レーザから出射された波長４０５ｎｍのレーザ光を用いるので、クラッド径を、例えば６０μｍと小さくして光源の高輝度化を図ることができる。
【００３８】
なお、光ファイバ３１のクラッド径は６０μｍには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている光ファイバのクラッド径は１２５μｍであるが、クラッド径が小さくなるほど輝度が上がるため焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は８０μｍ以下が好ましく、６０μｍ以下がより好ましく、４０μｍ以下が更に好ましい。一方、コア径は少なくとも３〜４μｍ必要であることから、光ファイバ３１のクラッド径は１０μｍ以上が好ましい。
【００３９】
レーザモジュール６４は、図７に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば、７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，及びＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，及び１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０と、から構成されている。なお、半導体レーザの数は７個には限定されない。クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のマルチモード光ファイバには、２０個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、露光ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【００４０】
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が総て共通（例えば、４０５ｎｍ）であり、最大出力も総て共通（例えば、マルチモードレーザでは１００ｍＷ、シングルモードレーザでは３０ｍＷ）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いることができる。レーザ光の波長帯域は３５０〜４２０ｎｍがより好ましい。低コストなＧａＮ系半導体レーザを用いるという点では、波長４０８ｎｍが特に好ましい。
【００４１】
上記の合波レーザ光源は、図８及び図９に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【００４２】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、前記ヒートブロック１０と、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダー４５と、マルチモード光ファイバ３０の入射端部を保持するファイバホルダー４６とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ３０の出射端部は、パッケージ４０の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。
【００４３】
また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【００４４】
なお、図９においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。
【００４５】
図１０は、上記コリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ１１〜１７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図１０の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【００４６】
一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００４７】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ1＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００４８】
集光レンズ２０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ１１〜１７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ２０は、焦点距離ｆ2＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【００４９】
このレーザモジュール６４では、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，及びＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。
【００５０】
本例では、コリメータレンズ１１〜１７及び集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。
【００５１】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５で、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が３０ｍＷの場合には、アレイ状に配列された光ファイバ３１の各々について、出力１８０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．８５×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。従って、６本の光ファイバ３１がアレイ状に配列されたレーザ出射部６８での出力は約１Ｗ（＝１８０ｍＷ×６）である。
【００５２】
ファイバアレイ光源６６のレーザ出射部６８には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一の半導体レーザからのレーザ光を１本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば１列でも所望の出力を得ることができ、高速造形が可能である。
【００５３】
［光造形装置の動作］
次に、上記光造形装置の造形動作について説明する。
【００５４】
スキャナ１６２による１回の副走査により１層分の硬化が終了すると、スキャナ１６２は、図示しない駆動装置により、ブレード１６４が液面に接触しない位置まで引き上げられ、ガイド１５８に沿って駆動されて、副走査方向の最上流側にある待機位置に復帰する。
【００５５】
次に、図示しない駆動モータによりリードスクリュー１５５を回転させて昇降ステージ１５２を所定量降下させ、光硬化性樹脂１５０の硬化部分を液面下に沈め、硬化部分上方を液状の光硬化性樹脂１５０で満たす。光硬化性樹脂１５０としては、一般に、光ラジカル重合反応により硬化するウレタンアクリレート系樹脂や、光カチオン重合反応により硬化するエポキシ系樹脂が使用される。
【００５６】
次に、スキャナ１６２の各露光ヘッド１６６において、次の層の画像データが、ＤＭＤ５０に接続された図示しないコントローラに入力され、コントローラ内のフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。
【００５７】
次に、スキャナ１６２の待機位置からの移動が開始される。スキャナ１６２は、図１１に示すように、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿って副走査方向の上流側から下流側に一定速度で移動されると共に、液面に向かって徐々に下降される。ブレード１６４が液面に僅かに接触する所定高さに到達すると、スキャナ１６２の下降は停止されるが、副走査方向への移動は続行される。
【００５８】
スキャナ１６２に取り付けられたブレード１６４は、スキャナ１６２と共に副走査方向に移動されるので、光硬化性樹脂１５２の液面がブレード１６４により掃引されて平坦化される。スキャナ１６２に搭載された各露光ヘッド１６６は、ブレード１６４で掃引した直後の液面を露光するので、平坦な液面を露光することができる。
【００５９】
例えば、図１２（Ｂ）に示すように、液面下に造形物１６５が存在する場合には、ブレード１６４による掃引後、所定時間経過すると、造形物１６５の上方では、液面が表面張力の影響を受けて盛り上り平坦性が損なわれる。これに対し、ブレード１６４による掃引直後は、図１２（Ａ）に示すように、造形物１６５の上方であっても液面は平坦である。従って、掃引直後の液面を露光することで、液面下に存在する造形物による表面張力の影響を受けることなく、光硬化性樹脂の平坦な自由液面を露光して、高精度の光造形を行うことができる。また、時間の経過と共に平坦性が損なわれる一方、ブレード１６４の極近傍ではメニスカスが形成されるため、ブレード１６４の後端部から３〜５ｍｍ後方を露光するのが好ましい。
【００６０】
液面と接触するブレード１６４の表面であって露光する側の面と液面との接触により生じる表面張力によって、液面を持ち上げることがないように、ブレード１６４の表面が低い臨界表面張力（Zismanが表面自由エネルギーの目安として提唱した臨界表面張力のことを意味する。）を有する物質により形成し、ブレード１６４に樹脂が付着するのを防止するのが好ましい。例えば、セイミケミカル社製の樹脂付着防止剤「エスエフコート  ＳＲ−２０００Ａ」（商品名）によりブレード１６４の表面を被覆し、臨界表面張力を約９ｍＮ／ｍにするとよい。ブレード１６４の長手方向の長さは、ブレード１６４の両端から露光する液面に樹脂が回り込むことにより液面を乱すことがないように、露光する長さより十分長いことが好ましい。
【００６１】
スキャナ１６２の下降が停止されると、光硬化性樹脂１５０の露光が開始される。まず、フレームメモリに記憶された画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された画像データに基づいて各露光ヘッド１６６毎に制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部により、生成された制御信号に基づいて各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。
【００６２】
ファイバアレイ光源６６からＤＭＤ５０にレーザ光が照射されると、ＤＭＤ５０のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系５４、５８により光硬化性樹脂１５０の液面（被露光面）５６上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、光硬化性樹脂１５０がＤＭＤ５０の使用画素数と略同数の画素単位（露光エリア１６８）で露光されて硬化する。また、スキャナ１６２が一定速度で移動されることにより、光硬化性樹脂１５０の液面が副走査され、各露光ヘッド１６６毎に帯状の硬化領域１７０が形成される。
【００６３】
スキャナ１６２による副走査が終了すると、スキャナ１６２は、図示しない駆動装置により駆動されて、再度、待機位置に復帰する。以上で説明した副走査による露光（硬化）とステージの降下とを繰り返し行い、硬化層が積み重ねられることにより３次元モデルが形成される。
【００６４】
以上説明した通り、本実施の形態では、ブレードで掃引された直後の光硬化性樹脂の液面を露光するので、液面下に存在する造形物による表面張力の影響を受けることなく、平坦な液面を露光することができる。これにより、高精度での光造形を行うことができる。
【００６５】
また、ブレードでの掃引と露光とを同時に行うため、造形時間が短縮される。
【００６６】
更に、ブレードに内蔵されたヒートパイプにより、ブレードの近傍に存在する光硬化性樹脂が冷却されるので、露光による光硬化性樹脂の温度上昇が抑制され、熱歪みが低減される。これにより、更に高精度での光造形を行うことができる。
【００６７】
次に、以上説明した実施の形態の変形例について説明する。
［平坦化部材］
上記の実施の形態では、ブレードをスキャナの下部に設置して、平坦化部材と露光装置とが機械的に連接されるように構成したが、平坦化部材で平坦化された直後の光硬化性樹脂の液面を露光できればよく、平坦化部材と露光装置とを機械的に連接せずに、同期させて移動させてもよい。
【００６８】
また、平坦化部材としてブレードを用いる例について説明したが、逆回転ローラ等、他の平坦化部材を用いることもできる。また、平坦化部材に光硬化性樹脂を供給する機能を持たせてもよい。
【００６９】
［冷却装置］
上記の実施の形態では、ブレードが冷却装置としてヒートパイプを内蔵する例について説明したが、例えば、水冷等、他の放熱手段による冷却装置を備えていてもよい。
【００７０】
［他の空間変調素子］
上記の実施の形態では、空間変調素子としてＤＭＤを使用する例について説明したが、例えば、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を交互に多数個並列配置して構成したグレーティング・ライト・バルブ（ＧＬＶ）等の他のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）タイプの空間変調素子（ＳＬＭ；Spacial Light Modulator）や、電気光学効果により透過光を変調する光学素子（ＰＬＺＴ素子）や液晶光シャッタ（ＦＬＣ）等、ＭＥＭＳタイプ以外の空間変調素子を用いることができる。
【００７１】
なお、ＭＥＭＳとは、ＩＣ製造プロセスを基盤としたマイクロマシニング技術によるマイクロサイズのセンサ、アクチュエータ、そして制御回路を集積化した微細システムの総称であり、ＭＥＭＳタイプの空間変調素子とは、静電気力を利用した電気機械動作により駆動される空間変調素子を意味している。
【００７２】
［ＤＭＤの駆動方法］
通常のＤＭＤには、主走査方向にマイクロミラーが８００個配列されたマイクロミラー列が、副走査方向に６００組配列されているが、コントローラにより一部のマイクロミラー列（例えば、８００個×１００列）だけが駆動されるように制御してもよい。一部のマイクロミラー列だけを駆動することにより、全部のマイクロミラー列を駆動する場合に比べて、１ライン当りの変調速度が速くなる。これにより高速での露光、造形が可能になる。
【００７３】
また、所定方向に対応する方向の長さが前記所定方向と交差する方向の長さより長い基板上に、各々制御信号に応じて反射面の角度が変更可能な多数のマイクロミラーが２次元状に配列された細長いＤＭＤを用いても、反射面の角度を制御するマイクロミラーの個数が少なくなるので、変調速度を速くすることができる。
【００７４】
なお、他の空間変調素子を用いる場合にも、基板上に配列された全画素部に対し一部の画素部を使用することで、１画素当り、１主走査ライン当たりの変調速度を速くすることができるので、同様の効果を得ることができる。
【００７５】
［レーザ駆動方法］
また、ファイバアレイ光源に含まれる各ＧａＮ系半導体レーザは、連続駆動してもよく、またパルス駆動してもよい。パルス駆動されたレーザ光で露光することにより熱拡散が防止され、高速かつ高精細な造形が可能となる。パルス幅は短い方が好ましく、１psec〜１００nsecが好ましく、１psec〜３００psecがより好ましい。なお、ＧａＮ系半導体レーザは、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）と呼ばれる光出射端面の破損が生じ難く、高信頼性であり、１psec〜３００psecのパルス幅も容易に実現できる。
【００７６】
［他の露光方式］
一般に、３次元モデルを造形する光造形方法においては、樹脂の硬化に伴う重合収縮、硬化時に発生した重合熱により高温となった樹脂が常温に冷却されて歪むことによる硬化収縮が発生し、これら硬化に伴う収縮により造形物が歪み、造形精度が低下するという問題がある。特に、複数の画素を含む領域を同時に露光（面露光）して平板状に造形する場合には、造形物が積層方向に対して下側に凸に反ってしまう。このような硬化収縮による歪みの発生を防止するために、露光領域を複数の領域に分けて順次露光するのが好ましい。
【００７７】
例えば、光硬化性樹脂の同一液面を複数回走査することとし、１回目の走査で造形形状の輪郭線を露光して光硬化性樹脂を硬化させた後、２回目以降の走査で輪郭線の内部を露光して光硬化性樹脂を硬化させることにより、歪みの発生が防止される。
【００７８】
また、図１３（Ａ）に示すように、露光領域を多数個の画素に分割し、この多数個の画素を、相互に隣接しない画素１０２で構成される第１のグループと、相互に隣接しない画素１０４で構成される第２のグループの２つのグループに分けて、グループ毎に走査露光してもよい。画素１０２と画素１０４とは市松模様を構成するように交互に配列されている。図１３（Ａ）には露光領域の一部を示すが、例えば１００万画素のＤＭＤを備えた露光ヘッドを用いた場合には、ＤＭＤの画素数に応じて露光領域を１００万個の画素に分割することができる。
【００７９】
まず、１回目の走査で、図１３（Ｂ）に示すように、第１のグループに属する画素１０２を露光し、２回目の走査で、図１３（Ｃ）に示すように、第２のグループに属する画素１０４を露光する。これにより、画素と画素との隙間が埋められて、光硬化性樹脂の液面の露光領域の全面が露光される。
【００８０】
１回目の走査で同時に露光される第１のグループの画素同士は相互に隣接しておらず、２回目の走査で同時に露光される第２のグループの画素同士も相互に隣接していない。このように隣接する画素は同時に露光されることが無いので、隣接する画素に硬化収縮による歪みが伝播しない。即ち、露光領域全体を同時に露光する場合には、硬化収縮による歪みは露光領域を伝播するに従い大きくなり、相当の歪みが発生することになるが、この例では、硬化収縮は１画素の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素には伝播しない。これにより、積層造形物において歪みの発生が顕著に抑制されて、高精度での造形が可能となる。なお、上記では露光領域の画素を２つのグループに分けて露光する場合について説明したが、３以上のグループに分けて露光することもできる。
【００８１】
上記の実施の形態の光造形装置では、スキャナによる１回の走査により光硬化性樹脂の液面を任意のパターンで露光することができる。従って、複数回の走査により分割された領域毎に露光することは比較的容易である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の形態に係る光造形装置の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る光造形装置のスキャナの構成を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は液面に形成される露光済み領域を示す平面図であり、（Ｂ）は各露光ヘッドによる露光エリアの配列を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る光造形装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図５】（Ａ）は図４に示す露光ヘッドの構成を示す光軸に沿った副走査方向の断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図６】（Ａ）はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａの部分拡大図であり、（Ｃ）及び（Ｄ）はレーザ出射部における発光点の配列を示す平面図である。
【図７】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図８】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図９】図８に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図１０】図８に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図１１】スキャナが待機位置から液面に向かって徐々に降下される様子を説明する図である。
【図１２】（Ａ）はブレードが造形物上方を掃引した直後の液面の様子を示す図であり、（Ｂ）はブレードが造形物上方を掃引してから所定時間が経過したときの液面の様子を示す図である。
【図１３】（Ａ）は露光領域の露光パターンの１例を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の第１のグループの画素を露光した後の状態を示す斜視図であり、（Ｃ）は（Ａ）の第２のグループの画素を露光した後の状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００８３】
ＬＤ１〜ＬＤ７  ＧａＮ系半導体レーザ
１０  ヒートブロック
１１〜１７  コリメータレンズ
２０  集光レンズ
３０  マルチモード光ファイバ
５０  デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）
５３  反射光像（露光ビーム）
５４、５８  レンズ系
５６  走査面（被露光面）
６４  レーザモジュール
６６  ファイバアレイ光源
６８  レーザ出射部
７３  組合せレンズ
１５０  光硬化性樹脂
１５２  昇降ステージ
１５６  容器
１５８  ガイド
１６２  スキャナ
１６４  ブレード
１６６  露光ヘッド
１６７  ヒートパイプ
１６８  露光エリア
１７０  露光済み領域
【図１】
2005153356.tif 000003
【図２】
2005153356.tif 000004
【図３】
2005153356.tif 000005
【図４】
2005153356.tif 000006
【図５】
2005153356.tif 000007
【図６】
2005153356.tif 000008
【図７】
2005153356.tif 000009
【図８】
2005153356.tif 000010
【図９】
2005153356.tif 000011
【図１０】
2005153356.tif 000012
【図１１】
2005153356.tif 000013
【図１２】
2005153356.tif 000014
【図１３】
2005153356.tif 000015