(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性樹脂の表面から等距離を隔てる複数の発光点を有し、前記発光点から射出した光を光硬化性樹脂の表面に照射する光照射手段と、
前記発光点を前記光硬化性樹脂の表面に対し相対移動させて前記発光点からの射出光を走査する光走査手段と、を備え、
前記光照射手段が、光源と、該光源からの光を前記複数の発光点から選択的に射出するよう前記複数の発光点に配置された複数の光スイッチング素子とを有し、
該複数の光スイッチング素子が、それぞれ印加される所定の磁場に応じて入射光の偏光面を選択的に回転させる回転子と、特定方向の偏光面の光のみ透過させる偏光フィルタと、を含んで構成されている光造形装置。
【請求項２】
前記偏光フィルタが、前記光源からの光のうち偏光面が第１の方向にそろった光を通過させて前記回転子に入射させる第１の偏光フィルタと、前記回転子からの光のうち偏光面が第２の方向にそろった光を通過させて前記複数の発光点から選択的に射出する第２の偏光フィルタとを含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
【請求項３】
前記複数の発光点が前記光硬化性樹脂の表面から一定距離を隔てて所定方向に整列配置され、前記光源が該所定方向に延びていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光造形装置。
【請求項４】
前記発光点が、前記光硬化性樹脂の表面から一定距離を隔てて前記射出光の走査方向に延びる、単一の列に整列配置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光造形装置。
【請求項５】
前記発光点が、前記光硬化性樹脂の表面から一定距離を隔てて前記射出光の走査方向に延びる、複数の列に整列配置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光造形装置。
【請求項６】
前記複数の列における前記発光点の位置が、隣の列の前記発光点の位置に対し前記射出光の走査方向にずれていることを特徴とする請求項５に記載の光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光硬化性樹脂に光を照射して造形する光造形装置、特に光源にレーザや複雑な光学系を必要としない光造形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光硬化性樹脂に光を照射して造形する光造形装置においては、精度良く造形するため集光性が良好で波長の揃った紫外線レーザ光を光源として使用している。
光造形装置は、丸谷：光造形システムの基礎・現状・問題点、型技術、第７巻第１０号、ｐｐ１８−２３，１９９２に示されるように、光走査の方法の観点から、レーザ走査方式と可動ミラー方式に分けられる。
【０００３】
レーザ走査方式による光造形装置を図５に示す。紫外線レーザ５０は紫外線レーザ光を発し、シャッタ５２、光ファイバ５４を通してプロッタ５６に到達する。プロッタ５６は容器６０にいれられた光硬化性樹脂６２の、容器６０の開口部６４に存在する面６６を照射する。光硬化性樹脂６２は紫外線レーザ光を受けると硬化する性質をもつ樹脂である。なお、シャッタ５２は紫外線レーザ５０から発せられる紫外線レーザ光をさえぎることができ、プロッタ５６が紫外線レーザ光を照射するか否かを制御できる。また、ＸＹ位置決め機構５８はＸ位置決め機構５８ａとＹ位置決め機構５８ｂを有し、Ｘ位置決め機構５８ａはプロッタ５６のＸ方向の位置を決め、Ｙ位置決め機構５８ｂはプロッタ５６のＹ方向の位置を決める。このように、ＸＹ位置決め機構５８によりプロッタ５６のＸ方向、Ｙ方向の位置を制御でき、シャッタ５２によりプロッタ５６が照射するか否か、すなわちｏｎ−ｏｆｆを制御できるので、面６６の任意の部分を硬化させられる。このとき、面６６の一端から他の一端までＸ方向（またはＹ方向）にプロッタ５６を動かし、プロッタ５６をｏｎ−ｏｆｆしていく、すなわち走査することも可能である。
【０００４】
しかし、シャッタ５２によるｏｎ−ｏｆｆの制御にかかる時間の制約から、Ｘ方向、Ｙ方向のプロッタ５６の速度が数百ｍｍ／ｓｅｃしか出せないので造形に時間がかかりすぎる。
そこで、高速に造形するためには数十ｍ／ｓｅｃでＸ方向、Ｙ方向の走査が行える可動ミラー方式が使用される。可動ミラー方式による光造形装置を図６に示す。可動ミラー方式においても、紫外線レーザを使用するのはレーザ走査方式と同様である。紫外線レーザ光７０はＸ軸回転ミラー７２、Ｙ軸回転ミラー７４に反射されて光硬化性樹脂６２を照射する。Ｘ軸回転ミラー７２はＺ軸を回転軸として回転することで照射位置のＸ方向の位置を、Ｙ軸回転ミラー７４はＸ軸を回転軸として回転することで照射位置のＹ方向の位置を制御する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ走査方式および可動ミラー方式においては、紫外線レーザを使用する。しかし、紫外線レーザ発振チューブは非常に高価である。また、紫外線レーザ発振チューブの寿命は数千時間程度であり短い。さらに、１０ＫＷ入力でレーザ出力０．５Ｗ、つまり０．００５％程度の低いエネルギ効率しか得られない。入力したエネルギの大部分は熱となり、装置に悪影響を与える。そこで、冷却のためのチラーが必要となり、装置が大きくなる。このように、紫外線レーザを使用することで種々の問題が生ずる。
【０００６】
また、可動ミラー方式においては高速の造形が可能ではある。しかし、回転ミラーを使用していることから、以下のような問題点が生ずる。
紫外線レーザ光７０がＹ軸回転ミラー７４に反射されて光硬化性樹脂６２に進行する状態を図７に示す。図７（ａ）に示すように、レーザ光の入射する角度αがある程度の範囲におさまっていれば光硬化性樹脂６２に紫外線レーザ光７０が進行する。しかし、レーザ光の入射する角度αが図７（ｂ）に示すように小さすぎたり、図７（ｃ）に示すように大きすぎたりすれば紫外線レーザ光７０を反射しきれなくなる。よって、照射できる範囲が限定されてくる。照射できる範囲を広くするためには、Ｙ軸回転ミラー７４を光硬化性樹脂６２から遠ざける、すなわち高くする必要がある。これにより、紫外線レーザを使用しなければ集光性が悪く位置決め精度が悪くなるので、光源として紫外線レーザを使用することになる。
【０００７】
また、紫外線レーザ光を照射する位置を決めるために、Ｙ軸回転ミラー７４が紫外線レーザ光７０を反射する点を中心とした極座標を平面座標に変換する。極座標を平面座標に変換する際の考え方を図８に示す。紫外線レーザ光７０を反射する点を原点ｏとして原点ｏと光硬化性樹脂６２の面６４との距離をＤとする。Ｙ軸回転ミラー７４の回転角の違いにより紫外線レーザ光７０の進行方向が（ａ）（ｂ）というように変化する。（ａ）（ｂ）のなす角度をθとすると、（ｂ）の照射位置と（ａ）の照射位置との間の距離はおよそＤｓｉｎθとなり、これを変位として位置決めを行う。しかし、真の照射位置とはｄのずれがある。このずれをピン・クッションエラーという。θが大きいほどピン・クッションエラーは大きくなるため、照射範囲を拡大するほど、特に照射範囲の端の方で位置決め精度に問題がでてくる。
【０００８】
さらに、ミラーの光軸調整などの光学系の調整も複雑である。
そこで、本発明は紫外線レーザを不要とし、位置決め精度を向上し、光学系の複雑な調整が不要な光造形装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光硬化性樹脂の表面から等距離を隔てる複数の発光点を有し、発光点から射出した光を光硬化性樹脂の表面に照射する光照射手段と、発光点を光硬化性樹脂の表面に対し相対移動させて発光点からの射出光を走査する光走査手段と、を備え、前記光照射手段が、光源と、該光源からの光を前記複数の発光点から選択的に射出するよう前記複数の発光点に配置された複数の光スイッチング素子とを有し、該複数の光スイッチング素子が、それぞれ、印加される所定の磁場に応じて入射光の偏光面を選択的に回転させる回転子と、特定方向の偏光面の光のみ透過させる偏光フィルタと、を含んで構成されているものである。ここで、磁気光学的に偏光面を回転させる回転子は、ファラデー回転子であるのがよい。
【００１０】
ここで、発光点を光硬化性樹脂の表面に対し相対移動させるというのは、発光点を光硬化性樹脂の表面から等距離を隔てながら、発光点と光硬化性樹脂の表面との相対的な位置関係を変えることをいう。発光点を移動させてもよいし、光硬化性樹脂の表面のみを移動させてもよいし、発光点と光硬化性樹脂の表面の双方を移動させてもよい。
【００１１】
本発明においては、光照射手段と光走査手段とを備えたことで、ミラーが不要となるので、光学系の複雑な調整が不要となる。
また、ミラーを使用しないため、広い範囲を照射するために光源と光硬化性樹脂の面を遠ざける必要がなくなるので、光源を光硬化性樹脂に接近させることができる。よって、集光が楽になるので、光源に紫外線レーザのように集光性の良いものを使用する必要がない。
【００１２】
さらに、ミラーを使用しないためピン・クッションエラーが生じないので、造形精度が向上する。
また、発光点を複数の発光素子で形成し、光照射手段が発光素子を選択的に発光させるので、発光手段により、任意の点を照射できる。なお、発光素子には例えば、発光ダイオードを用いることができる。
【００１３】
また、光照射手段が、光源と、発光点に配置されて光源からの光を複数の発光点から選択的に射出する複数の光スイッチング素子とを有するようにしているので、光スイッチング素子により、任意の点を照射できる。
発光点を単一又は複数の列に配置してもよく、その場合、光源が複数の発光点の配列方向に延びているのがよい。発光点を一つ備えるよりも、高速に走査が可能である。複数の列は、いわばマトリクス状の配置でもよい。
【００１４】
マトリクス状に配置した場合、複数の列における発光点の位置を、隣の列の発光点の位置に対し射出光の走査方向にずらすこともできる。発光点を単一の列に配置した場合、発光点の大きさから、発光点の間隔をつめられない場合があるが、列の長さ方向にずらした配置により、実質的に間隔をつめられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置を示す。発光ダイオード２が一列に並んで配置されている。発光ダイオード２はスイッチ６を介して電源４に接続されている。スイッチ６は発光ダイオード２を一個づつ、電源４に接続および接続の解除を行うことにより、発光ダイオード２を一個づつ選択的に発光、すなわちｏｎ−ｏｆｆできる。発光ダイオード２は容器１０にいれられた光硬化性樹脂１２の、容器１０の開口部１４に存在する面１６を照射する。光硬化性樹脂１２は光を受けると硬化する性質をもつ樹脂である。
【００１６】
また、ＸＹ位置決め機構８はＸ位置決め機構８ａとＹ位置決め機構８ｂを有し、Ｘ位置決め機構８ａは発光ダイオード２のＸ方向の位置を決め、Ｙ位置決め機構８ｂは発光ダイオード２のＹ方向の位置を決める。いいかえれば、ＸＹ位置決め機構８は発光ダイオード２を、面１６から一定距離離れているＸＹ平面上を動くように駆動している。
【００１７】
さらに、図示しない容器駆動手段により、容器１０はＸ方向、Ｙ方向に高さを変えずに動かすことができる。
よって、ＸＹ位置決め機構８および図示しない容器駆動手段により、発光ダイオード２と面１６はその距離を変えずに、相対的に移動させられる。
このように、ＸＹ位置決め機構８、容器駆動手段により発光ダイオード２の面１６に対するＸ方向、Ｙ方向の位置を制御でき、スイッチ６により各々の発光ダイオード２のｏｎ−ｏｆｆを制御できるので、面１６の任意の部分を硬化させられる。このとき、ＸＹ位置決め機構８、容器駆動手段により面１６の一端から他の一端までＸ方向（またはＹ方向）に発光ダイオード２を動くようにし、発光ダイオード２をｏｎ−ｏｆｆしていく、すなわち走査することも可能である。
【００１８】
本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置によれば、ミラーを使用しないため、光軸の調整等の光学系の複雑な調整が不要となる。
また、ミラーを使用すれば広い範囲に光を照射するためには光源と光硬化性樹脂の面を遠ざける必要があるが、本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置はミラーを使用しないため、光源を光硬化性樹脂の面に接近させることができる。よって、集光が楽になるので、光源に紫外線レーザのように集光性の良いものを使用する必要がなく、発光ダイオードを光源に使用できる。
【００１９】
さらに、ミラーを使用しないためピン・クッションエラーがおきないので、位置決め精度が向上する。
なお、発光ダイオードの点滅すなわちｏｎ−ｏｆｆは電気的に切り換えられるので高速にできるため、高速に走査ができる。
図２に本発明の第２の実施の形態に係る光造形装置を示す。発光ダイオード２は列２０、２２、２４といった複数の列に配置されている。列２０、２２、２４は方向Ａに沿ってずれている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。そこで、図１と同じ番号を付して説明を省略する。
【００２０】
発光ダイオード２を単一の列に配置した場合、発光ダイオード２の大きさから、発光ダイオード２の間隔をつめられない場合があるが、第２の実施の形態に係る光造形装置によれば、列２０、２２、２４は方向Ａに沿ってずれているので、実質的に間隔をつめることができる。
図３に本発明の第３の実施の形態に係る光造形装置を示す。ファラデ回転子３２が一列に並んで配置されている。ファラデ回転子３２は磁場制御手段３６をに接続されている。磁場制御手段３６はファラデ回転子３２の一個づつに、磁場をかける／かけないの制御ができる。
【００２１】
光源３４から照射された光は第１偏光フィルタ３８により偏光面が一方向にそろう。なお、光源３４は、紫外線ランプ、紫外線蛍光灯である。第１偏光フィルタ３８を通過した光は、ファラデ回転子３２を通過することで、ファラデ回転子３２に磁場がかけらていれば、さらに偏光面が回転する。第２偏光フィルタ４０はファラデ回転子３２により偏光面が回転した光のみが通過するようにされている。よって、磁場がかけらているファラデ回転子３２を通過した光のみが光を集める集光性レンズ４１により集光され、光硬化性樹脂１２の、容器１０の開口部１４に存在する面１６を照射する。また、第２偏光フィルタ４０はファラデ回転子３２により偏光面が回転しなかった光のみが通過するようにしてもよい。この場合は、磁場がかけられていないファラデ回転子３２を通過した光のみが光硬化性樹脂１２の、容器１０の開口部１４に存在する面１６を照射する。このようにして、面１６に照射する光のｏｎ−ｏｆｆを制御できる。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。そこで、図１と同じ番号を付して説明を省略する。
【００２２】
本発明の第３の実施の形態に係る光造形装置によれば、ミラーを使用しないため、光軸の調整等の光学系の複雑な調整が不要となる。
また、ミラーを使用すれば広い範囲に光を照射するためには光源と光硬化性樹脂の面を遠ざける必要があるが、本発明の第３の実施の形態に係る光造形装置はミラーを使用しないため、光源を光硬化性樹脂の面に接近させることができる。よって、集光が楽になるので、発光体に紫外線レーザのように集光性の良いものを使用する必要がなく、紫外線ランプ、紫外線蛍光灯を光源に使用できる。
【００２３】
さらに、ミラーを使用しないためピン・クッションエラーがおきないので、位置決め精度が向上する。
なお、面１６に照射する光のｏｎ−ｏｆｆを高速に切り換えられるので、高速に走査ができる。
図４に本発明の第４の実施の形態に係る光造形装置を示す。ファラデ回転子３２は列４２、４４、４６といった複数の列に配置されている。列４２、４４、４６は方向Ａに沿ってずれている。その他の構成は第３の実施の形態と同様である。そこで、図１と同じ番号を付して説明を省略する。なお、容器１０などは第３の実施の形態と同様であり、図示を省略する。
【００２４】
ファラデ回転子３２を単一の列に配置した場合、ファラデ回転子３２の大きさから、ファラデ回転子３２の間隔をつめられない場合があるが、第４の実施の形態に係る光造形装置によれば、列４２、４４、４６は方向Ａに沿ってずれているので、実質的に間隔をつめることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、光学系の複雑な調整が不要となる。
発光点を光硬化樹脂の表面に対し相対移動させることにより、広い範囲を描画するために光源と光硬化性樹脂の面を遠ざける必要がなくなるので、光源を光硬化性樹脂に接近させることができる。よって、紫外線レーザのように集光性の良い高価な光源や光走査用のミラーが不要である。また、回転子及び偏光フィルタによって光のｏｎ−ｏｆｆを高速に切り換えられるので、高速走査ができる。
【００２６】
さらに、ミラーを使用しないためピン・クッションエラーが生じなくなり、造形精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置の斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る光造形装置の斜視図および部分平面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る光造形装置の斜視図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る光造形装置の斜視図および部分平面図である。
【図５】従来例のレーザ走査方式による光造形装置の斜視図である。
【図６】従来例の可動ミラー方式による光造形装置の斜視図である。
【図７】紫外線レーザ光がＹ軸回転ミラーに反射されて光硬化性樹脂に進行する状態を示す概念図である。
【図８】紫外線レーザ光を照射する位置を決めるための極座標を平面座標に変換する際の考え方を示す概念図である。
【符号の説明】
２    発光ダイオード
３    電気回路
４    電源
６    スイッチ
８    ＸＹ位置決め機構
８ａ    Ｘ位置決め機構
８ｂ    Ｙ位置決め機構
１０    容器
１２    光硬化性樹脂
１４    開口部
１６    面
２０、２２、２４    列
３２    ファラデ回転子
３４    光源
３６    磁場制御手段
３８    第１偏光フィルタ
４０    第２偏光フィルタ
４２、４４、４６    列
５０    紫外線レーザ
５２    シャッタ
５４    光ファイバ
５６    プロッタ
５８    ＸＹ位置決め機構
５８ａ    Ｘ位置決め機構
５８ｂ    Ｙ位置決め機構
６０    容器
６２    光硬化性樹脂
６４    開口部
６６    面
７０    紫外線レーザ光
７２    Ｘ軸回転ミラー
７４    Ｙ軸回転ミラー
【図１】
0003901831.tif 000002
【図２】
0003901831.tif 000003
【図３】
0003901831.tif 000004
【図４】
0003901831.tif 000005
【図５】
0003901831.tif 000006
【図６】
0003901831.tif 000007
【図７】
0003901831.tif 000008
【図８】
0003901831.tif 000009