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JP2003080604A - 積層造形装置 - Google Patents

積層造形装置

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Publication number
JP2003080604A
JP2003080604A JP2001274351A JP2001274351A JP2003080604A JP 2003080604 A JP2003080604 A JP 2003080604A JP 2001274351 A JP2001274351 A JP 2001274351A JP 2001274351 A JP2001274351 A JP 2001274351A JP 2003080604 A JP2003080604 A JP 2003080604A
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JP
Japan
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laser
light source
light
powder body
laser beam
Prior art date
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Pending
Application number
JP2001274351A
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English (en)
Inventor
Kazuhiko Nagano
和彦 永野
Yoji Okazaki
洋二 岡崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Photo Film Co Ltd filed Critical Fuji Photo Film Co Ltd
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Priority to US10/236,930 priority patent/US6717106B2/en
Publication of JP2003080604A publication Critical patent/JP2003080604A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高速且つ高精細な造形を可能とする積層造形装
置を提供する。 【解決手段】ＸＹ位置決め機構２０により露光ユニット
１８の第１の位置が決定されると、第１の位置に応じた
所定面積の領域１６の画像データに応じて、ＤＭＤ２８
のマイクロミラー４０がオンオフ制御され、光源２２か
ら出射された紫外を含む所定波長領域のレーザ光１４が
光ファイバ２４及びホモジナイザ２６を介してＤＭＤ２
８へ入射されて、画像データに応じて各画素毎に変調さ
れる。反射ミラー３２の方向に反射されたレーザ光１４
は、集光レンズ３０により集光され、反射ミラー３２に
より粉末体１２表面の方向に反射され、粉末体１２表面
の所定面積の領域１６内がレーザ光１４で露光されて、
露光された部分が硬化する。同様にして、露光ユニット
１８の移動と露光とを繰り返すことにより、粉末体１２
の表面全体を露光する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、積層造形装置に係
り、詳しくは、粉末体を紫外を含む所定波長領域の連続
もしくはパルス駆動されたレーザ光で露光して燒結さ
せ、粉末燒結体から成る３次元モデルを造形する積層造
形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）システムの普
及に伴い、コンピュータ上の仮想空間に作成された３次
元のＣＡＤデータに基づき、３次元モデルを造形するラ
ピッド・プロトタイピング・システムが利用されてい
る。
【０００３】ラピッド・プロトタイピング・システムの
中で初期に開発され、普及したものは光造形システムで
ある。光造形システムでは、コンピュータ上でＣＡＤデ
ータを所定間隔でスライスして複数の断面データを作成
し、各断面データに基づいて液状の光硬化性樹脂の表面
をレーザ光で走査して層状に硬化させ、樹脂硬化層を順
次積層して３次元モデルを造形する。光造形方法として
は、上方開放型の槽内に液状の光硬化性樹脂を貯留して
おき、光硬化性樹脂の液面近くに配置した造形テーブル
を樹脂の自由液面から順次沈下させながら樹脂硬化層を
積層する自由液面法が広く知られている。
【０００４】従来、この光造形システムに使用される光
造形装置には、「丸谷洋二：光造形システムの基礎・現
状・問題点、型技術、第７巻第１０号、ｐｐ．１８−２
３、１９９２」に示されるように、レーザプロッタ方式
により走査を行うものと可動ミラー方式により走査を行
うものとがあった。
【０００５】レーザプロッタ方式による光造形装置を図
１８に示す。この装置では、レーザ光源２５０から発振
されたレーザ光は、シャッタ２５２を備えた光ファイバ
２５４を通ってＸＹプロッタ２５６に到達し、ＸＹプロ
ッタ２５６から容器２６０内の光硬化性樹脂２６２の液
面２６６に照射される。また、Ｘ位置決め機構２５８ａ
とＹ位置決め機構２５８ｂとを備えたＸＹ位置決め機構
２５８により、ＸＹプロッタ２５６のＸ方向、Ｙ方向の
位置が制御される。従って、ＸＹプロッタ２５６をＸ方
向、Ｙ方向に移動させながら、シャッタ２５２によりＸ
Ｙプロッタ２５６から照射されるレーザ光を断面データ
に応じてオンオフ制御することで、液面２６６の所定部
分の光硬化性樹脂２６２を硬化させることができる。
【０００６】しかしながら、レーザプロッタ方式による
光造形装置では、シャッタ速度やプロッタの移動速度に
限界があり、造形に長時間を要する、という問題があ
る。
【０００７】次に、従来のガルバノメータ・ミラーを用
いた可動ミラー方式による光造形装置を図１９に示す。
この装置では、レーザ光２７０は、Ｘ軸回転ミラー２７
２、Ｙ軸回転ミラー２７４に反射されて光硬化性樹脂２
６２に照射される。Ｘ軸回転ミラー２７２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２７４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。この可動ミラー
方式では、レーザプロッタ方式に比べ走査速度を上げる
ことができる。
【０００８】しかしながら、可動ミラー方式による光造
形装置においても、微小なレーザスポットで走査するた
めに、例えば２〜１２ｍ／ｓの高速走査を行っても、１
０立方センチメートル程度の３次元モデルの造形に８〜
２４時間もの時間を要する等、造形に長時間を要してい
る。また、レーザ光２７０は、Ｙ軸回転ミラー２７４に
所定範囲の角度で入射した場合にしか反射されないため
照射領域が限定される。そこで、照射領域を広げるため
にＹ軸回転ミラー２７４を光硬化性樹脂２６２から離れ
た高い位置に配置すると、レーザスポットの径が大きく
なって位置決め精度が悪くなり、造形精度が低下する、
という問題がある。また、Ｙ軸回転ミラー２７４の回転
角度を大きくした場合にも、照射範囲は拡大するが、同
様に位置決め精度が悪くなり、ピン・クッション・エラ
ーが増加する。更に、ガルバノメータ・ミラーを用いた
光造形装置には、歪み補正や光軸調整などの光学系の調
整が複雑である、光学系が複雑で装置全体が大型化す
る、といった問題もある。
【０００９】また、いずれの方式による光造形装置にお
いても、レーザ光源としては高出力の紫外線レーザ光源
が使用され、従来はアルゴンレーザ等のガスレーザが一
般的であったが、ガスレーザはガスの充填等のメンテナ
ンスが面倒であることに加え、高価であり光造形装置の
価格を引き上げ、冷却用チラー等の付帯設備が必要で装
置全体が大型化する。この問題に鑑み、特開平１１−１
３８６４５号公報には、単一の画素より大きなサイズの
スポットで露光領域を照射することができる光源を複数
備え、複数の光源により画素を多重露光する光造形装置
が提案されている。この装置では、複数の光源により画
素を多重露光するので、個々の光源の出力は小さくても
よいため、安価な発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とし
て使用することができる。
【００１０】しかしながら、特開平１１−１３８６４５
号公報に記載の光造形装置では、各光源のスポットサイ
ズは単一の画素より大きいため、高精細な造形には使用
できず、また、複数の光源によって画素を多重露光する
ため動作に無駄が多く、造形に長時間を要する、という
問題もある。また、光源の数が増えることで露光部が大
型化する、という問題もある。更に、ＬＥＤの出力光量
で多重露光しても、充分な分解能が得られない虞もあ
る。
【００１１】光硬化性樹脂を用いる光造形装置の次に開
発され、現在、多く利用されているラピッド・プロトタ
イピング・システムとして粉末焼結積層造形装置が知ら
れている。粉末焼結積層造形装置では、コンピュータ上
で作製された３次元モデルの断面データに基づいて、粉
末体の表面をレーザ光で走査する。レーザ光による走査
で、粉末体を逐次溶融、焼結することにより、粉末体を
硬化させる処理を繰り返す。この処理の繰り返しによ
り、積層された粉末燒結体から成る３次元モデルが造形
される。
【００１２】粉末焼結積層造形装置は、多種多様な材料
を選択でき、靭性に富む機能評価モデルや精密鋳造パタ
ーン・鋳型のみならず金型や金属部品が直接作製でき、
その応用範囲が広いという利点を有している。さらに積
層造形装置は光造形装置に比べ、装置価格が安価であ
り、成形速度も高速であることから意匠モデル確認用と
しての用途が固まりつつある。しかしながら、粉末焼結
積層造形装置でも、ガルバノメーターミラーなどの可動
ミラー方式を用いていること、及び光源として高出力の
赤外線を出力するＣＯ2レーザ（波長１０．６μｍ）及
びＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）などのガスレーザ
及び固体レーザを用いていること、により上記光造形装
置において、これらを使用した場合と同様の問題点を有
する。
【００１３】本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成さ
れたものであり、本発明の目的は、高速且つ高精細な造
形を可能とする積層造形装置を提供することにある。本
発明の他の目的は、安価かつ高速・高精細な積層造形装
置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、粉末体を紫外を含む所定波長領域の連続
もしくはパルス駆動されたレーザ光で露光して３次元モ
デルを造形する積層造形装置であって、粉末体の表面の
複数画素に対応する所定領域を、光源から出射され画像
データに応じて各画素毎に変調された紫外を含む所定波
長領域の連続もしくはパルス駆動されたレーザ光で露光
する露光手段と、該露光手段を粉末体の表面に対し相対
移動させる移動手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】紫外を含む所定波長領域のレーザ光を使用
することにより、赤外波長領域のレーザ光を使用する場
合に比べ、粉末体への光吸収率を大幅に増加させること
ができる。特に、粉末体が金属である場合には、光吸収
率の増加は大きい。紫外を含む所定波長領域のレーザ光
は短波長であるためフォトンエネルギーが大きく、粉末
体を焼結するための焼結エネルギーに変換することが容
易である。このように、紫外を含む所定波長領域のレー
ザ光は光吸収率が大きく、焼結エネルギーへの変換が容
易であるため、粉末体の焼結を高速に行うことができ
る。また、波長が短波長であることから微小スポットま
たは細線状に集光することができるため（例えば、ＣＯ
2レーザのスポットが１０．６μｍであるのに対し、
０．４μｍ）、焼結を高精細に行うことができる。
【００１６】さらに、粉末体をパルス駆動されたレーザ
光で露光することにより、照射した光により発生する熱
の拡散が防止されるため、光エネルギーが粉末体の焼結
に有効に利用され、高速な造形が可能となる。また、熱
拡散が防止されるため、照射された際のビーム形状とほ
ぼ同様の大きさで、粉末体が焼結され、表面が滑らかな
高精細な造形が可能となる。したがって、パルス駆動さ
れたレーザ光のパルス幅は短い方がよく、好ましくは、
１psec〜１００nsec、より好ましくは、１psec〜３００
psecが適している。紫外を含む所定波長域としては、３
５０〜４２０nmが好ましく、４０５nmがより低コストな
ＧａＮ系半導体レーザを用いるという点では、最も高出
力化が期待できる。
【００１７】前記積層造形装置では、露光手段が、粉末
体の表面の複数画素に対応する所定領域を、光源から出
射され画像データに応じて各画素毎に変調された紫外を
含む所定波長領域の連続もしくはパルス駆動されたレー
ザ光で露光するので、粉末体の表面の複数画素に対応す
る所定領域を同時に燒結させて硬化させることができ、
高速造形が可能となる。そして、移動手段がこの露光手
段を粉末体の表面に対し相対移動させることができるの
で、露光手段により同時に露光される所定領域の面積を
制限して、空間分解能を向上させることができ、高精細
な造形が可能となる。
【００１８】上記の積層造形装置において、露光手段を
複数設け、複数の露光手段の各々を粉末体の表面に対し
各々独立に相対移動可能とすることにより、更に造形の
高速化を図ることができる。
【００１９】露光手段は、光源と、該光源から出射され
た紫外を含む所定波長領域の連続もしくはパルス駆動さ
れたレーザ光を画像データに応じて各画素毎に変調する
空間変調素子と、で構成することができる。空間変調素
子は、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス、
または回折格子光バルブ（ＧＬＶ：Grating Light Valv
e）で構成することができる。なお、ＧＬＶの詳細につ
いては米国特許第５３１１３６０号に記載されている。
【００２０】本発明の積層造形装置は、粉末体の表面の
画像データの複数画素を含む所定領域を、光源から出射
され、画像データに応じて各画素毎に変調された紫外を
含む所定波長領域のレーザ光で走査して露光する走査機
能を備えた露光手段と、該露光手段を粉末体の表面に対
し相対移動させる移動手段と、を備えるように構成して
もよい。この積層造形装置では、粉末体の表面の画像デ
ータの複数画素を含む所定領域を、光源から出射され、
画像データに応じて各画素毎に変調された紫外を含む所
定波長領域のレーザ光で走査して露光する走査機能を備
えているので、さらに、高速で高精細な造形が可能とな
る。
【００２１】例えば、露光手段を、光源と、該光源から
出射された紫外を含む所定波長領域の連続もしくはパル
ス駆動されたレーザ光を画像データに応じて各画素毎に
変調する空間変調素子を第１の走査方向（例えば、主走
査方向）に配列した空間変調素子アレイと、で構成して
もよい。この場合、移動手段は、空間変調素子アレイが
第１の走査方向と交差する第２の走査方向（例えば、副
走査方向）に移動するように、露光手段を粉末体の表面
に対し相対移動させる。また、空間変調素子アレイが主
走査方向に走査し、可動ミラー（スキャナミラー）で副
走査方向に露光してもよい。上記の空間変調素子アレイ
を構成する空間変調素子としては、線状の回折格子光バ
ルブおよびマイクロミラーが線状に配列されたデジタル
・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を用いることが
できる。
【００２２】本発明の積層造形装置は、粉末体を紫外を
含む所定波長領域の連続もしくはパルス駆動されたレー
ザ光で露光して３次元モデルを造形する積層造形装置で
あって、粉末体の表面の複数画素に対応する所定領域
を、光源から出射され、画像データに応じて各画素毎に
変調された紫外を含む所定波長領域の連続もしくはパル
ス駆動されたレーザ光で走査して露光する露光ユニット
を、アレイ状に複数配列した露光手段を備えたことを特
徴とする積層造形装置であってもよい。
【００２３】前記積層造形装置では、露光手段にアレイ
状に配列された複数の露光ユニットの各々が、粉末体の
表面の複数画素に対応する所定領域を、光源から出射さ
れ画像データに応じて各画素毎に変調された紫外を含む
所定波長領域の連続もしくはパルス駆動されたレーザ光
で走査して露光するので、高速且つ高精細な造形が可能
となる。
【００２４】上記の積層造形装置においては、露光ユニ
ットは、光源と、該光源から出射された紫外を含む所定
波長領域の連続もしくはパルス駆動されたレーザ光を集
光する集光光学系と、該集光光学系により集光された紫
外を含む所定波長領域の連続もしくはパルス駆動された
レーザ光を画像データに応じて各画素毎に変調する偏向
素子と、を含んで構成することができる。この露光ユニ
ットは、画像データに応じて各画素毎に変調する偏向素
子を用いることにより、従来の２枚組の可動ミラーを用
いる場合に比べて小型化されている。このため露光手段
に多数の露光ユニットを配列することが可能であり、更
に高速且つ高精細な造形が可能となると共に、露光ユニ
ット当りの露光領域が小さくなるので、ピン・クッショ
ン・エラーを略解消することができる。また、この露光
ユニットは、光源、集光光学系、及び偏向素子が、パッ
ケージ内に封止されている形態とすることができる。偏
向素子としては、例えば、２次元マイクロ・スキャナを
用いることができる。
【００２５】光源としては、下記の紫外を含む所定波長
領域の連続もしくはパルス駆動されたレーザ光を出射す
る光源を用いることができる。紫外を含む所定波長領域
のレーザ光に対する粉末体（特に金属である粉末体）の
光吸収率は、従来の赤外光に対する光吸収率に比べ、非
常に高い。また、紫外を含む所定波長領域のレーザ光の
波長は赤外光に比べ非常に短いため、粉末体に微小スポ
ットで集光することができる。その結果、従来の粉末体
に使用されているレーザ出力よりも小さな出力でも高速
な露光が可能になる。したがって、紫外を含む所定波長
領域のレーザ光を使用することにより、赤外光を使用す
る場合に比べ、高速・高精細な積層造形を行うことが可
能となる。また、紫外を含む所定波長領域のパルス駆動
されたレーザ光を使用することにより熱拡散が防止され
るため、さらに高速かつ高精細な造形が可能となる。す
なわち、紫外を含む所定波長領域の連続もしくはパルス
駆動されたレーザ光源を使用することにより、高価なガ
スレーザ及び固体レーザを使用する必要がなくなり、安
価かつ高速・高精細な積層造形装置を提供することがで
きる。 （１）窒化ガリウム系半導体レーザ。例えば、ブロード
エリア発光領域を有する窒化ガリウム系半導体レーザ、
１０mm長バー型構造半導体レーザ、複数の発光点を有す
る窒化ガリウム系半導体レーザチップによる半導体レー
ザでもよい。また、複数の発光点を有する窒化ガリウム
系半導体レーザチップを複数実装することにより構成さ
れる特願２００１−２７３８４９号に開示されているア
レイ型半導体レーザであれば、より高出力を得ることが
できる。 （２）窒化ガリウム系半導体レーザで固体レーザ結晶を
励起して得られたレーザビームを光波長変換素子で波長
変換して出射する半導体レーザ励起固体レーザ。例え
ば、希土類元素イオンとして少なくともＰｒ3+が添加さ
れた固体レーザ結晶、該固体レーザ結晶を励起するレー
ザビームを出射する窒化ガリウム系半導体レーザ、及び
前記固体レーザ結晶を励起して得られたレーザビームを
紫外領域の光に波長変換する光波長変換素子を備えた半
導体レーザ励起固体レーザである。
【００２６】Ｐｒ3+が添加された固体レーザ結晶は、Ｇ
ａＮ系半導体レーザにより励起されて、７００〜８００
ｎｍの波長帯で効率良く発振する。つまり、例えば3Ｐ0
→3Ｆ4の遷移によって、Ｐｒ3+の発振ラインである波長
７２０ｎｍの赤外域の固体レーザビームを効率良く発振
させるので、この固体レーザビームを光波長変換素子に
より第２高調波に波長変換すれば、波長３６０ｎｍの高
強度の紫外光を得ることができる。また、第３高調波を
発生させる場合のように構成が複雑化することがなく、
低コストの半導体レーザ励起固体レーザが実現される。 （３）窒化ガリウム系半導体レーザでファイバを励起し
て得られたレーザビームを光波長変換素子で波長変換し
て出射するファイバレーザ。例えば、Ｅｒ3+、Ｈｏ3+、
Ｄｙ3+、Ｅｕ3+、Ｓｎ3+、Ｓｍ3+、及びＮｄ3+のうちの
少なくとも１つとＰｒ3+とが共ドープされたコアを持つ
ファイバ、該ファイバを励起するレーザビームを出射す
る窒化ガリウム系半導体レーザ、及び前記ファイバを励
起して得られたレーザビームを紫外領域の光に波長変換
する光波長変換素子を備えたファイバレーザである。
【００２７】Ｅｒ3+、Ｈｏ3+、Ｄｙ3+、Ｅｕ3+、Ｓ
ｎ3+、Ｓｍ3+、及びＮｄ3+は、波長３８０〜４３０ｎｍ
に吸収帯があり、ＧａＮ系半導体レーザによって励起さ
れ得る。そして、励起された電子をＰｒ3+の励起準位
（例えば3Ｐ0→3Ｐ1）にエネルギー移動し、下準位に落
とすことにより、Ｐｒ3+の発振ラインである青、緑、赤
色領域の発振が可能となる。波長３８０〜４３０ｎｍは
ＧａＮ系半導体レーザが比較的発振しやすい波長帯であ
り、特に波長４００〜４１０ｎｍは、現在提供されてい
るＧａＮ系半導体レーザの最大出力が得られる波長帯で
あるので、Ｅｒ3+、Ｈｏ3+、Ｄｙ3+、Ｅｕ3+、Ｓｎ3+、
Ｓｍ3+、及びＮｄ3+をＧａＮ系半導体レーザによって励
起すれば、励起光の吸収量が大きくなり、高効率化およ
び高出力化が達成される。また、光学部品が少なくて簡
潔な構成となり、損失が低減され、温度安定領域も広く
なる。
【００２８】なお、励起光源であるＧａＮ系半導体レー
ザとしては、単一縦、横モード型のものを使用できるこ
とは勿論、その他ブロードエリア型、フェーズドアレー
型、ＭＯＰＡ型、あるいはＧａＮ系半導体レーザを合波
し、ファイバへ結合したファイバ型の高出力タイプのも
のを１個または複数個使用することもできる。また、フ
ァイバレーザを励起光源とすることもできる。このよう
に高出力な励起光源を用いることにより、更なる高出
力、例えばＷ（ワット）クラスの高出力を得ることも可
能である。また、（２）、（３）で述べた発光スペクト
ルの広いＰｒ3+を用いたレーザは、モードロックにより
容易にｐｓｅｃパルス駆動ができ、高繰り返し動作も可
能になる。さらに、ｐｓｅｃ発振のため、高効率波長変
換ができる。 （４）赤外領域の光を出射する半導体レーザでファイバ
を励起して得られたレーザビームを光波長変換素子で波
長変換して出射するファイバレーザまたはファイバアン
プ。例えば、Ｎｄ3+ドープ、Ｙｂ3+ドープ、またはＥｒ
3+とＹｂ3+とが共ドープされたコアを持つファイバ、該
ファイバを励起する赤外領域のレーザビームを出射する
半導体レーザ、及び前記ファイバを励起して得られたレ
ーザビームを紫外領域の光に波長変換する光波長変換素
子を備えたファイバレーザまたはファイバアンプであ
る。光波長変換素子としては、ＴＨＧ（第３高調波発
生）素子、ＦＨＧ（第４高調波発生）素子を用いること
ができる。
【００２９】ファイバレーザを用いることで、従来の固
体レーザに対して、励起光と発振ビームとのモードマッ
チングを向上させることができるので、高効率化するこ
とが可能になる。また、ファイバレーザ方式の場合にお
いては、モードロック機構を従来の固体レーザに対して
安定且つ低コストに構成することが可能であり、上記フ
ァイバレーザの発振スペクトルをブロードにすることが
でき、短パルス駆動（ｐｓｅｃ）及び高繰り返し動作
（１００ＭＨｚ）が可能になる。その結果、波長変換に
よるＴＨＧ光、ＦＨＧ光を高効率にて得ることが可能に
なる。
【００３０】また、ファイバアンプの場合においても、
種光源に高繰り返し及び短パルス化が可能なＬＤ光を用
いることによって、ファイバアンプにより高出力化する
ことが可能になり、且つ波長変換によるＴＨＧ光、ＦＨ
Ｇ光を高効率にて得ることが可能になる。以上のことか
ら、従来の固体レーザに対して高出力且つ高繰り返しの
紫外レーザ光を得ることが可能となる。その結果、高速
露光に適した低コストな光源となる。（５）窒化ガリウ
ム系半導体レーザをファイバへ合波したレーザ。例え
ば、特願２００１−２７３８７０号及び特願２００１−
２７３８７１号で開示されているように、複数の窒化ガ
リウム系半導体レーザを合波光学系で合波結合すること
により、ファイバから高出力を得ることができる。複数
のビームを出射する半導体レーザチップによる半導体レ
ーザを集光光学系によりファイバに合波したレーザでも
よい。また、ブロードエリア発光領域を有する窒化ガリ
ウム系半導体レーザビームをファイバに合波してもよ
い。これらのファイバをアレイ状に配置して線状光源と
すること、またはバンドル状に配置して面状光源とする
ことにより、さらにを高出力を得ることができる。
【００３１】（６）また、光源は、複数のレーザ光源、
及び該複数のレーザ光源から出射されたレーザビームを
合波する合波光学系を含んで構成されていてもよく、レ
ーザ光源としては、上記（１）〜（５）のレーザ光源を
用いることができる。合波光学系を用いて複数のレーザ
光源から出射されたレーザビームを合波することによ
り、光源の高出力化を図ることができる。
【００３２】また、以上述べたレーザ光源は、従来にな
い数１０Ｗ級の高出力化ができるだけでなく、ｐｓｅｃ
オーダの短パルス発振も可能であり、高速かつ高精細な
露光が可能となる。
【００３３】特に、窒化ガリウム系半導体レーザは、半
導体レーザであるため、低コストなシステムを構成する
ことが可能である。また、窒化ガリウム系半導体レーザ
は、転移の移動度が非常に小さく、熱伝導係数が非常に
大きいため、赤外波長領域の光源に比べ非常に高いＣＯ
Ｄ（Catastrophic Optical Damage）値を有している。
さらに、半導体レーザであるため、短周期で高いピーク
パワーを有するパルスによる繰り返し動作が可能であ
り、これにより、高速かつ高精細な粉末体の焼結を行う
ことができる。したがって、窒化ガリウム系半導体レー
ザは、安価かつ高速・高精細な積層造形装置によく適し
た光源である。
【００３４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態は、
紫外を含む所定波長領域のレーザを用いたものである。 （第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態に係る
積層造形装置は、図１に示すように、成形室１０の中央
に、積層造形に伴い降下する床面を備えたパートシリン
ダー３６２、成形室１０内のパートシリンダー３６２の
両サイドに設けられた材料供給用のフィードシリンダー
３６０を備えている。パートシリンダー３６２及びフィ
ードシリンダー３６０の上部には、一方のフィードシリ
ンダー３６０から他方のフィードシリンダー３６０へ逆
回転させながら往復されるローラ３４６が設けられてい
る。このローラ３４６は、材料である粉末体２１２をフ
ィードシリンダー３６０からパートシリンダー３６２上
に供給し、粉末体２１２が一定レベルになるように平坦
化する。パートシリンダー３６２上に収納されている粉
末体２１２の表面上方には、粉末体表面の複数画素に対
応する所定面積の領域１６をレーザ１４で露光する露光
ユニット１８が配置されている。露光ユニット１８は、
ＸＹ位置決め機構２０により、粉末体表面に対して水平
方向（ＸＹ方向）に移動可能とされている。
【００３５】ＸＹ位置決め機構２０は、露光ユニット１
８を固定する固定台２０ａ、固定台２０ａをＸ方向に移
動可能に支持する支持体２０ｂ、及び支持体２０ｂを固
定台２０ａと共にＹ方向に移動可能に支持する支持体２
０ｃから構成されている。そして、固定台２０ａが支持
体２０ｂ上をＸ方向にスライドすることにより露光ユニ
ット１８がＸ方向に移動されて、露光ユニット１８のＸ
方向の位置が決められ、支持体２０ｂが支持体２０ｃ上
をＹ方向にスライドすることにより露光ユニット１８が
Ｙ方向に移動されて、露光ユニット１８のＹ方向の位置
が決められる。固定台２０ａ及び支持体２０ｂをスライ
ドさせる機構としては、ラックアンドピニオン、ボール
ねじ等がある。
【００３６】露光ユニット１８は、図１及び図２に示す
ように、例えば、約０．５Ｗのレーザ光を出射する光源
２２から、例えば、コア径１０μｍ〜２００μｍの光フ
ァイバに結合し、この光ファイバをバンドル状に多数本
（例えば、１００本の）束ねられた光ファイバ２４を介
して入射された５０Ｗ（＝０．５Ｗ×１００本）のレー
ザ光１４を平行光化すると共に、その波形を整形して光
軸に垂直な面内での強度分布を矩形状に変換する整形光
学系としてのホモジナイザ光学系２６、ホモジナイザ光
学系２６から入射されたレーザ光を例えば約１００万画
素の画像データに応じて各画素毎に変調する２次元状に
配列されたデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭ
Ｄ）２８、ＤＭＤ２８から入射されたレーザ光を集光す
る集光レンズ３０、及び集光レンズ３０を透過したレー
ザ光を粉末体２１２の表面の方向に反射する固定配置さ
れた反射ミラー３２を備えている。
【００３７】なお、ＸＹ位置決め機構２０、レーザ光の
光源２２及びＤＭＤ２８は、これらを制御するコントロ
ーラ（図示せず）に接続されている。
【００３８】例えば、特願２００１−２７３８７０号に
示された窒化ガリウム系半導体レーザをファイバへ合波
結合して構成される光源２２は、図３（Ａ）に示すよう
に、複数個、例えば８個のマルチモード窒化ガリウム
（ＧａＮ）系半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２、ＬＤ３、Ｌ
Ｄ４、ＬＤ５、ＬＤ６、ＬＤ７およびＬＤ８と、合波光
学系３４とから構成されている。ＧａＮ系半導体レーザ
ＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長は、発振可能な３９０〜４１
０ｎｍの範囲内で、高出力発振可能な波長が選択され、
例えば、３９５ｎｍ、３９６ｎｍ、３９７ｎｍ、３９８
ｎｍ、３９９ｎｍ、４００ｎｍ、４０１ｎｍ、４０２ｎ
ｍと１ｎｍずつ異なる波長とされている。なお、このと
きの各レーザの出力は全て共通の１００ｍＷである。
【００３９】ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ８の各
々に対応して、各々から出射する発散光状態のレーザビ
ームＢ１〜Ｂ８を平行光化するコリメートレンズＣ１〜
Ｃ８が設けられている。
【００４０】合波光学系３４は、平行平板プリズム３６
と、その一方の表面３６ａに貼着された狭帯域バンドパ
スフィルタＦ３、Ｆ５およびＦ７と、平行平板プリズム
３６の他方の表面３６ｂに貼着された狭帯域バンドパス
フィルタＦ２、Ｆ４、Ｆ６およびＦ８とから構成されて
いる。これらの狭帯域バンドパスフィルタＦ２〜Ｆ８は
各々、平行平板プリズム３６の表面３６ａと粘着された
粘着面から入射される光を例えば反射率９８％で反射
し、且つ粘着面と反対側から入射される所定波長域の光
を例えば透過率９０％で透過するように形成されてい
る。図４には、これらの狭帯域バンドパスフィルタＦ２
〜Ｆ８の透過スペクトルを、後述する狭帯域バンドパス
フィルタＦ１の透過スペクトルと併せて示してある。
【００４１】ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ８の各
々は、各々から出射したレーザビームＢ１〜Ｂ８が狭帯
域バンドパスフィルタＦ２〜Ｆ８に対して５°の入射角
で入射するように配設されており、各ＧａＮ系半導体レ
ーザＬＤ１〜ＬＤ８から出射した波長３９５ｎｍ、３９
６ｎｍ、３９７ｎｍ、３９８ｎｍ、３９９ｎｍ、４００
ｎｍ、４０１ｎｍ、４０２ｎｍのレーザビームＢ１〜Ｂ
８は、平行平板プリズム３６に入射した後、狭帯域バン
ドパスフィルタＦ２〜Ｆ８で反射されながら１本に合波
され、波長多重された高出力（例えば、約０．５Ｗ）の
レーザビームＢが平行平板プリズム３６から出射し、レ
ンズＣ９によって集光され、コア径約１０μｍ、ＮＡ＝
０．３のマルチモードファイバ３７に結合される。この
マルチモードファイバ３７を図３（Ｂ）に示すように、
入射端面がバンドル状になるように配列し、例えば、１
００本バンドル化することで５０Ｗの面状ビームを得
る。
【００４２】ＤＭＤ２８は、図５（Ｃ）に示すように、
ＳＲＡＭセル（メモリセル）３８上に、微小ミラー（マ
イクロミラー）４０が支柱により支持されて配置された
ものであり、多数の（数１０万個から数１００万個）の
微小ミラーである画素を格子状に配列して構成されたミ
ラーデバイスである。各画素には、最上部に支柱に支え
られたマイクロミラー４０が設けられており、マイクロ
ミラー４０の表面にはアルミニウムが蒸着されている。
なお、マイクロミラー４０の反射率は９０％以上であ
る。また、マイクロミラー４０の直下には、ヒンジ及び
ヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラ
インで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのＳＲＡＭ
セル３８が配置されており、全体はモノリシック（一体
型）に構成されている。
【００４３】ＤＭＤ２８のＳＲＡＭセル３８にデジタル
信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラ
ー４０が、対角線を中心としてＤＭＤ２８が配置された
基板側に対して±α度（例えば±１０度）の範囲で傾け
られる。図６（Ａ）は、マイクロミラー４０がオン状態
である＋α度に傾いた状態を示し、図６（Ｂ）は、マイ
クロミラー４０がオフ状態である−α度に傾いた状態を
示す。従って、画像信号に応じて、ＤＭＤ２８の各画素
におけるマイクロミラー４０の傾きを、図５（Ｃ）に示
すように制御することによって、ＤＭＤ２８に入射され
た光はそれぞれのマイクロミラー４０の傾き方向へ反射
される。なお、図５（Ｃ）には、ＤＭＤ２８の一部を拡
大し、マイクロミラー４０が＋α度又は−α度に制御さ
れている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー
４０のオンオフ制御は、ＤＭＤ２８に接続されたコント
ローラ（図示せず）によって行われる。なお、オフ状態
のマイクロミラー４０によりレーザ光が反射される方向
には、光吸収体（図示せず）が配置されている。
【００４４】次に、以上説明した積層造形装置の動作に
ついて説明する。コントローラ（図示せず）により材料
供給用ローラ３６４が回転駆動されながら移動されて、
左右いずれかのフィードシリンダー３６０から粉末体２
１２がパートシリンダ３６２上に収納されている粉末体
２１２上に供給される。材料供給用ローラが、他方のフ
ィードシリンダー３６０に向けて移動され、且つ、移動
方向と反対向きに回転されることにより、粉末体２１２
は、パートシリンダー３６２上に、押し広げられ平坦化
される。この粉末体２１２の表面は露光ユニット１８の
結像位置に一致するように平坦化される。コントローラ
（図示せず）によりＸＹ位置決め機構２０が駆動され
て、露光ユニット１８がＸ方向及びＹ方向に移動され
て、露光ユニット１８のＸ方向及びＹ方向の第１の位置
が決定される。露光ユニット１８の第１の位置が決定さ
れると、光源２２からレーザ光が出射され、露光ユニッ
ト１８の第１の位置に応じた所定面積の領域１６の画像
データがＤＭＤ２８のコントローラ（図示せず）に送信
される。ＤＭＤ２８のマイクロミラー４０は、受信した
画像データに応じてオンオフ制御される。
【００４５】光源２２から出射されたレーザ光１４は、
光ファイバ２４を介してホモジナイザ光学系２６に入射
され、ホモジナイザ２６により平行光化されると共に、
その波形が整形され光軸に垂直な面内での強度分布が矩
形状に変換されて、ＤＭＤ２８へ入射される。ホモジナ
イザ光学系２６から入射されたレーザ光１４は、ＤＭＤ
２８のマイクロミラー４０がオン状態の場合には反射ミ
ラー３２の方向に、マイクロミラー４０がオフ状態の場
合には光吸収体（図示せず）の方向にそれぞれ反射され
る。即ち、ＤＭＤ２８へ入射されたレーザ光１４は、画
像データに応じて各画素毎に変調される。反射ミラー３
２の方向に反射されたレーザ光１４は、集光レンズ３０
により集光され、集光されたレーザ光１４が反射ミラー
３２により粉末体２１２の表面の方向に反射される。こ
れにより、粉末体２１２表面の所定面積の領域１６内が
レーザ光１４で露光され、領域１６内のレーザ光１４で
露光された部分が硬化する。
【００４６】第１の位置での所定面積の領域１６の露光
が完了すると、ＸＹ位置決め機構２０により、露光ユニ
ット１８がＸ方向、Ｙ方向に移動されて、露光ユニット
１８のＸ方向及びＹ方向の第２の位置が決定され、上記
と同様にして、第２の位置に対応する所定面積の領域１
６が露光される。このように、露光ユニット１８の移動
と露光とを繰り返すことにより、粉末体２１２の表面全
体を露光することができる。
【００４７】例えば、粉末体２１２の表面上でのレーザ
光のスポット径を５０μｍとすると、１００万（１００
０×１０００）画素のＤＭＤ２８を備えた露光ユニット
１８を用いた場合には、面積５０ｍｍ×５０ｍｍの領域
１６を同時に露光することができる。この場合、粉末体
２１２表面の露光総面積が５００ｍｍ×５００ｍｍであ
るとすると、露光ユニット１８の位置をずらしながら１
００回に分けて露光することにより、表面全体を露光す
ることができる。
【００４８】粉末体２１２は溶融されて硬化されること
により、Ｚ軸方向に縮小して沈下する。材料供給用ロー
ラ３６４により粉末体２１２を供給しやすくするため
に、硬化することにより生成された積層の厚さだけパー
トシリンダー３６０の床面を降下させて、積層の最上面
とフィードシリンダーの上部の高さを揃える。次に、上
記と同様に、材料供給用ローラ３６４が駆動されて、粉
末体２１２の積層を形成する。以上の積層及び露光の処
理を繰り返すことにより、積層造形が行われる。
【００４９】以上の通り、本実施の形態に係る積層造形
装置では、露光ユニットはＤＭＤを備えているので、所
定面積の領域を同時に露光することができ、高速での造
形が可能となる。また、露光ユニットはＸＹ位置決め機
構により移動可能とされており、露光ユニットの位置を
ずらしながら複数回に分けて全体を露光することができ
るので、１つの露光ユニットで同時に露光する領域の面
積を制限して、空間分解能を向上させることができ、高
精細な造形が可能となる。
【００５０】また、複数のＧａＮ系半導体レーザと合波
光学系とから構成されたレーザ光源は、高出力が得られ
ると同時に低コストであり、積層造形装置全体の製造コ
ストも低減することができる。特に、ＹＡＧレーザ、Ｃ
Ｏ2レーザ等のガスレーザや固体レーザを使用している
従来の積層造形装置と比較した場合には、安価で、メン
テナンスが容易となり、装置全体が小型化する、という
利点がある。
【００５１】また、露光ユニットの外に紫外光源を配置
し、露光ユニットと紫外光源とを光ファイバで結合した
ことにより、露光ユニットを軽量化することができ、Ｘ
Ｙ位置決め機構に掛かる負荷が軽減されて、露光ユニッ
トを高速移動させることができる。
【００５２】なお、上記では、紫外光源を、複数のＧａ
Ｎ系半導体レーザと合波光学系とで構成した紫外レーザ
光源とする例について説明したが、紫外光源を、以下の
（１）〜（６）のいずれかで構成してもよい。 （１）図７に示される窒化ガリウム系半導体レーザ。好
ましくは、図２１及び図２２に示される複数の窒化ガリ
ウム系半導体レーザより構成されるアレイ型半導体レー
ザ。 （２）図８に示される、窒化ガリウム系半導体レーザで
固体レーザ結晶を励起して得られたレーザビームを光波
長変換素子で波長変換して出射する半導体レーザ励起固
体レーザ。 （３）図１０に示される、窒化ガリウム系半導体レーザ
でファイバを励起して得られたレーザビームを光波長変
換素子で波長変換して出射するファイバレーザ。 （４）図９に示される、赤外領域の光を出射する半導体
レーザでファイバを励起して得られたレーザビームを光
波長変換素子で波長変換して出射するファイバレーザま
たはファイバアンプ。 （５）窒化ガリウム系半導体レーザをファイバに結合し
たレーザ光源、複数の窒化ガリウム系半導体レーザを合
波光学系によりファイバに結合したレーザ光源、図２３
に示される、当該ファイバをアレイ状に配列した線状レ
ーザ光源、およびバンドル状に配列した面状レーザ光
源。 （６）上記（１）〜（５）のいずれかのレーザ光源と合
波光学系とで構成された紫外光源。
【００５３】図７に、上記（１）のブロードエリアの発
光領域を有するＧａＮ系半導体レーザの積層構造の一例
を示す。この積層構造のＧａＮ系半導体レーザでは、ｎ
型ＧａＮ（０００１）基板１００上には、ｎ型Ｇａ1-z1
Ａｌz1Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０２（０．０５＜
ｚ１＜１）、ｎ型またはｉ型ＧａＮ光導波層１０４、Ｉ
ｎ1-z2Ｇａz2Ｎ（Ｓｉドープ）／Ｉｎ1-z3Ｇａz3Ｎ多重
量子井戸活性層１０６（０．０１＜ｚ２＜０．０５、
０．１＜ｚ３＜０．３）、ｐ型Ｇａ0.8Ａ10.2Ｎキャリ
アブロッキング層１０８、ｎ型またはｉ型ＧａＮ光導波
層１１０、ｐ型Ｇａ1-z1Ａｌz1Ｎ／ＧａＮ超格子クラッ
ド層１１２、及びｐ型ＧａＮコンタクト層１１４が順次
積層されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１４上に
は、幅５０μｍ程度のストライプ領域を除いて絶縁膜１
１６が形成され、ストライプ領域にはｐ側電極１１８が
形成されている。また、ｎ型ＧａＮ（０００１）基板１
００の裏面には、ｎ側電極１２０が形成されている。な
お、この半導体レーザの発振波長帯は４４０ｎｍであ
り、発光領域幅が５０μｍであるので、得られる出力は
１Ｗ程度であり、電気−光変効率は１５％である。この
半導体レーザをコア径５００μｍのファイバに１０素子
からのレーザ光を入力し、１０Ｗ出力のファイバ励起モ
ジュール１２２を得る。
【００５４】図８に、上記（２）の窒化ガリウム系半導
体レーザで固体レーザ結晶を励起して得られたレーザビ
ームを光波長変換素子で波長変換して出射する半導体レ
ーザ励起固体レーザの一例を示す。この半導体レーザ励
起固体レーザは、励起光としてのレーザビーム１２１を
発する励起モジュール１２２、入射端が励起モジュール
１２２に光結合されたファイバＦ、ファイバＦから出射
された発散光である上記レーザビーム１２１を集光する
集光レンズ１２４、Ｐｒ3+がドープされた固体レーザ媒
質であるＬｉＹＦ4結晶（以下、Ｐｒ：ＹＬＦ結晶と称
する）１２６、このＰｒ：ＹＬＦ結晶１２６の光出射側
に配置された共振器ミラー１２８、Ｐｒ：ＹＬＦ結晶１
２６と共振器ミラー１２８との間に配置された光波長変
換素子１３０、及びエタロン１３２を備えている。
【００５５】光波長変換素子１３０は、非線形光学材料
である、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ3結晶に周期
ドメイン反転構造が設けられて構成されている。周期ド
メイン反転構造の周期は、例えば、基本波波長を７２０
ｎｍ、第２高調波の波長を３６０ｎｍとした場合、これ
らの波長に対して１次の周期となるように１．６５μｍ
とされている。また、波長選択素子としてのエタロン１
３２は、固体レーザを単一縦モード発振させて低ノイズ
化を実現する。
【００５６】半導体レーザ１２２としては、例えば、Ｉ
ｎＧａＮ活性層を有し、波長４５０ｎｍで発振するブロ
ードエリア型のものを用いることができる。また、Ｐ
ｒ：ＹＬＦ結晶１２６の光入射側の端面１２６ａには、
波長４５０ｎｍの光は８０％以上の透過率で良好に透過
させる一方、Ｐｒ3+の１つの発振線である波長７２０ｎ
ｍに対して高反射率で、７２０ｎｍ以外のＰｒ3+の発振
線４００〜６５０ｎｍおよび８００ｎｍ以上に対しては
低反射率のコーティングが施されている。また、Ｐｒ：
ＹＬＦ結晶１２６の光出射側の端面１２６ｂには、波長
７２０ｎｍに対して低反射率で、その第２高調波波長３
６０ｎｍに対しては高反射率のコーティングが施されて
いる。一方、共振器ミラー１２８のミラー面１２８ａに
は、波長７２０ｎｍの光に対して高反射率で、波長３６
０ｎｍの光を９５％以上透過させ、上記４９０〜６５０
ｎｍおよび８００ｎｍ以上の光に対しては低反射率のコ
ーティングが施されている。
【００５７】この半導体レーザ励起固体レーザでは、半
導体レーザ１２２から出射された波長４５０ｎｍのレー
ザビーム１２１は、上記端面１２６ａを透過してＰｒ：
ＹＬＦ結晶１２６に入射する。Ｐｒ：ＹＬＦ結晶１２６
はこのレーザビーム１２１によってＰｒ3+が励起される
ことにより、波長７２０ｎｍの光を発する。このときの
準位は3Ｐ0→3Ｆ4と考えられる。そして、Ｐｒ：ＹＬＦ
結晶１２６の端面１２６ａと共振器ミラー１２８のミラ
ー面１２８ａとで構成される共振器によりレーザ発振が
引き起こされて、波長７２０ｎｍの固体レーザビーム１
２３が得られる。このレーザビーム１２３は光波長変換
素子１３０に入射して、波長が１／２すなわち３６０ｎ
ｍの第２高調波１２５に変換される。共振器ミラー１２
８のミラー面１２８ａには、前述の通りのコーティング
が施されているので、共振器ミラー１２８からは、略、
波長３６０ｎｍの第２高調波１２５のみが出射する。
【００５８】図９に、上記（４）の赤外領域の光を出射
する半導体レーザでファイバを励起して得られたレーザ
ビームを光波長変換素子で波長変換して出射するファイ
バレーザの一例を示す。このファイバレーザは、ＴＨＧ
（第３高調波発生）ファイバレーザであり、波長１０６
４ｎｍのレーザビーム１３３を出射するＱスイッチＹＶ
Ｏ4固体レーザ１３４、発散光である上記レーザビーム
１３３を平行光化するコリメートレンズ１３６、平行光
となったレーザビーム１３３を集光する集光レンズ１３
８、コリメートレンズ１３６と集光レンズ１３８との間
に配置されたハーフミラー１４２、Ｎｄ3+がドープされ
たコアを持つファイバ１４０、ファイバ１４０から出射
されたレーザビーム１３３を集光する集光レンズ１５
４、及び集光されたレーザビーム１３３を入射させて波
長変換波を得る波長変換部１５６を備えている。
【００５９】波長変換部１５６は、入射されたレーザビ
ーム１３３を１／２の波長（５３２ｎｍ）のレーザビー
ムに変換するＳＨＧ（第２高調波発生）素子１５８、及
び入射されたレーザビーム１３３を１／３の波長（３５
５ｎｍ）のレーザビームに変換するＴＨＧ（第３高調波
発生）素子１６０から構成されている。ＳＨＧ素子１５
８及びＴＨＧ素子１６０は、非線形光学材料である、Ｍ
ｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ3に周期ドメイン反転構
造が設けられて構成されたバルク型波長変換結晶であ
る。
【００６０】ハーフミラー１４２の反射光入射側には
（図中、ハーフミラー１４２の下方）には、波長８０９
ｎｍのレーザビーム１３５を出射する半導体レーザ１４
４が配置されている。ハーフミラー１４２と半導体レー
ザ１４４との間にはコリメートレンズ１４６が配置され
ている。
【００６１】図９に示すように、ファイバ１４０におい
て、レーザビーム１３３は、同じ波長１０６４ｎｍの蛍
光からエネルギーを受けて増幅され、ファイバ１４０の
出射端面１４０ｂから出射される。出射された波長１０
６４ｎｍのレーザビーム１３３は、集光レンズ１５４で
集光され、波長変換部１５６に入射され、入射されたレ
ーザビーム１３３は、波長変換部１５６において、第３
高調波である３５５ｎｍのレーザビーム１３７に変換さ
れて出射される。なお、このＴＨＧファイバレーザで
は、５Ｗの出力を得ることができる。
【００６２】なお、波長変換部を、入射されたレーザビ
ームを１／２の波長のレーザビームに変換するＳＨＧ
（第２高調波発生）素子、及び入射されたレーザビーム
を１／４の波長のレーザビームに変換するＦＨＧ（第４
高調波発生）素子から構成することにより、ＦＨＧ（第
４高調波発生）ファイバレーザとすることができる。
【００６３】例えば、図１１に示すように、波長１５６
０ｎｍのレーザビーム１３３Ａを出射するパルス分布帰
還形半導体レーザ（パルスＤＦＢレーザ）１３４Ａ、発
散光である上記レーザビーム１３３Ａを平行光化するコ
リメートレンズ１３６Ａ、平行光となったレーザビーム
１３３Ａを集光する集光レンズ１３８Ａ、Ｅｒ3+及びＹ
ｂ3+が共ドープされたコアを持つファイバ１４０Ａ、フ
ァイバ１４０Ａから出射されたレーザビーム１３３Ａを
集光する集光レンズ１５４Ａ、入射されたレーザビーム
１３３Ａを１／２の波長（７８０ｎｍ）のレーザビーム
に変換するＳＨＧ（第２高調波発生）素子１５８Ａ、及
び入射されたレーザビーム１３３Ａを１／４の波長（３
９０ｎｍ）のレーザビームに変換するＦＨＧ（第４高調
波発生）素子１６０ＡからＦＨＧファイバレーザを構成
する。
【００６４】また、図１０に、上記（３）の窒化ガリウ
ム系半導体レーザを用いたファイバー入力励起モジュー
ルでファイバを励起して得られたレーザビームを光波長
変換素子で波長変換して出射するファイバレーザの一例
を示す。このファイバレーザは、ＳＨＧ（第２高調波発
生）ファイバレーザであり、波長４５０ｎｍのレーザビ
ーム１７３を出射するＧａＮ系半導体レーザを用いたフ
ァイバー入力励起モジュール１７４、発散光である上記
レーザビーム１７３を平行光化するコリメートレンズ１
７６、平行光となったレーザビーム１７３を集光する集
光レンズ１７８、Ｐｒ3+がドープされたコアを持つファ
イバ１８０、ファイバ１８０から出射された波長７２０
ｎｍのレーザビーム１８２を集光する集光レンズ１９
４、及び集光されたレーザビーム１８２を入射させて１
／２の波長（３６０ｎｍ）のレーザビーム１７７に変換
するＳＨＧ（第２高調波発生）素子１９６を備えてい
る。ＳＨＧ素子１９６は、ＭｇＯがドープされたＬｉＮ
ｂＯ3に周期ドメイン反転構造が設けられて構成された
バルク型波長変換結晶である。ファイバ１８０の端面１
８０ａおよび１８０ｂには、以上述べた各波長の光に対
してＡＲ（無反射）となる特性のコートが施されてい
る。
【００６５】このファイバレーザでは、ＧａＮ系半導体
レーザを用いたファイバー入力励起モジュール１７４か
ら出射された波長４５０ｎｍのレーザビーム１７３は、
集光レンズ１７８により集光されて、ファイバ１８０に
入射する。入射したレーザビーム１７３により波長７２
０ｎｍの蛍光が発生し、ファイバ１８０の両端面１８０
ａ、１８０ｂ間で共振されて、波長７２０ｎｍのレーザ
ビーム１８２が出射端面１８０ｂから出射される。出射
された波長７２０ｎｍのレーザビーム１８２は、集光レ
ンズ１９４で集光され、ＳＨＧ素子１９６に入射され
る。入射されたレーザビーム１８２は、ＳＨＧ素子１９
６において、第２高調波である３６０ｎｍのレーザビー
ム１７７に変換されて出射される。
【００６６】なお、上記では、空間変調素子としてＤＭ
Ｄ２８を使用し、反射ミラー３２を固定配置する構成と
したが、本発明はこれに限定されない。例えば、空間変
調素子としてＧＬＶを使用し、反射ミラー３２をＸ軸方
向に向けて回転可能とすることができる。このような構
成とすることにより、ＸＹ位置決め機構２０により露光
ユニット１８の位置を決定した後、ＧＬＶでＹ軸方向の
所定の長さの線分を同時に露光し、反射ミラー３２の微
小回転によりＸ軸方向の所定の長さの線分を露光するこ
とにより、決定された位置において、所定の領域の露光
を可能とすることができる。このように、ＸＹ位置決め
機構２０を移動させることなく、所定の領域の露光が可
能となることにより、さらに、高速で高精細な造形を可
能とすることができる。
【００６７】光源として、紫外を含む所定波長領域の連
続もしくはパルス駆動されたレーザ光を使用することが
できる。パルス駆動されたレーザ光を光源として使用す
る場合には、ＣＯＤレベルの高い窒化ガリウム系半導体
レーザを駆動電流をパルス動作させパルス駆動してもよ
いし、固体レーザもしくはファイバレーザをＱスイッ
チ、より好ましくは繰り返し周波数の高い（例えば、１
００ＭＨｚ）モードロック動作によりパルス駆動しても
よい。パルス駆動されたレーザ光を光源として使用する
ことにより、熱拡散が防止されるため、高速かつ高精細
な造形が可能となる。したがって、パルス駆動されたレ
ーザ光のパルス幅は短い方がよく、好ましくは、１psec
〜１００nsec、より好ましくは、１psec〜３００psecが
適している。特に、１psec〜３００psecのパルス幅は、
ＣＯＤの高いＧａＮ−ＬＤにおいては、容易に実現で
き、更に本実施の形態で示したＰｒ3+，Ｅｒ3+，Ｙｂ3+
等の発光スペクトル幅の広い希土類元素を含んだ固体レ
ーザ及びファイバレーザをモードロック動作させること
で容易に実現できる。 （第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態に係る
積層造形装置は、図１２に示すように、複数の露光ユニ
ット及び複数の光源を備えた以外は、第１の実施の形態
に係る積層造形装置と同じ構成であるため、同一部分に
は同じ符号を付して説明を省略する。
【００６８】この積層造形装置では、パートシリンダー
３６２上に配置された粉末体２１２の表面上方には、４
つの露光ユニット１８1、１８2、１８3、及び１８4が配
置されている。露光ユニット１８1〜１８4の各々は、Ｘ
Ｙ位置決め機構２０により、粉末体表面に対して水平方
向（ＸＹ方向）に相互に独立に移動させることができ
る。
【００６９】ＸＹ位置決め機構２０は、露光ユニット１
８1〜１８4の各々を固定する固定台２０ａ1〜２０ａ4、
固定台２０ａ1、２０ａ2をＸ方向に移動可能に支持する
支持体２０ｂ1、固定台２０ａ3、２０ａ4をＸ方向に移
動可能に支持する支持体２０ｂ2、及び支持体２０ｂ1及
び支持体２０ｂ2を固定台２０ａ1〜２０ａ4と共にＹ方
向に移動可能に支持する支持体２０ｃから構成されてい
る。
【００７０】露光ユニット１８1〜１８4の各々は、対応
する紫外光源２２1〜２２4から対応する光ファイバ２４
1〜２４4を介して入射された紫外を含む所定波長領域の
レーザ光１４1〜１４4を各々平行光化すると共に、その
波形を整形して光軸に垂直な面内での強度分布を矩形状
に変換する整形光学系としてのホモジナイザ光学系２６
1〜２６4、ホモジナイザ光学系２６1〜２６4の各々から
入射されたレーザ光を画像データに応じて各画素毎に変
調するデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）
２８1〜２８4、ＤＭＤ２８1〜２８4の各々から入射され
たレーザ光を集光する集光レンズ３０1〜３０4、及び集
光レンズ３０1〜３０4の各々を透過したレーザ光を粉末
体２１２の表面の方向に反射する固定配置された反射ミ
ラー３２ 1〜３２4を備えている。
【００７１】なお、ＸＹ位置決め機構２０、紫外光源２
２1〜２２4及びＤＭＤ２８1〜２８4は、これらを制御す
るコントローラ（図示せず）に接続されている。
【００７２】次に、以上説明した積層造形装置の動作に
ついて説明する。コントローラ（図示せず）によりＸＹ
位置決め機構２０が駆動され、露光ユニット１８1〜１
８4の各々がＸ方向及びＹ方向に移動されて、露光ユニ
ット１８1〜１８4各々のＸ方向及びＹ方向の第１の位置
が決定される。露光ユニット１８1〜１８4各々の第１の
位置が決定されると、第１の実施の形態と同様にして、
粉末体２１２表面の所定面積の領域１６1〜１６4内の各
々が対応する紫外を含む所定波長領域のレーザ光１４1
〜１４4で露光され、領域１６1〜１６4内のレーザ光で
露光された部分が硬化する。
【００７３】第１の位置での所定面積の領域１６1〜１
６4の露光が完了すると、ＸＹ位置決め機構２０によ
り、露光ユニット１８1〜１８4の各々がＸ方向及びＹ方
向に移動されて、露光ユニット１８1〜１８4各々のＸ方
向及びＹ方向の第２の位置が決定され、上記と同様にし
て、第２の位置に対応する所定面積の領域１６1〜１６4
が露光される。このように、露光ユニット１８1〜１８4
の移動と露光とを繰り返すことにより、粉末体２１２の
表面全体を露光することができる。
【００７４】以上の通り、本実施の形態に係る積層造形
装置では、ＤＭＤを備えた露光ユニットを複数備えてお
り、各々の露光ユニットについて所定面積の領域を同時
に露光することができるので、第１の実施の形態と比べ
て更に高速での造形が可能となる。例えば、４つの露光
ユニットを使用する場合には、１つの露光ユニットを使
用する場合の４倍の速度で造形を行うことができる。
【００７５】また、複数の露光ユニットにより露光を行
う場合には、露光領域を分散させて硬化させ、局部的な
硬化収縮に起因する歪みの発生を抑制することができる
外、１部の露光ユニットが故障しても他の露光ユニット
を使用して積層造形を続行することができ、使用安定性
に優れている。
【００７６】なお、上記の第２の実施の形態では、露光
ユニットを４つ設ける例について説明したが、露光ユニ
ットの数は、パートシリンダーのサイズ、要求される造
形速度、造形精度等に応じて適宜決定される。また、第
１の実施の形態と同様に、紫外光源を、前記（１）〜
（５）のいずれかで構成してもよい。
【００７７】上記では、空間変調素子としてＤＭＤ２８
を使用し、反射ミラー３２を固定配置する構成とした
が、本発明はこれに限定されない。例えば、空間変調素
子としてＧＬＶを使用し、反射ミラー３２をＸ軸方向に
向けて回転可能とすることができる。このような構成と
することにより、ＸＹ位置決め機構２０により露光ユニ
ット１８の位置を決定した後、ＧＬＶでＹ軸方向の所定
の長さの線分を同時に露光し、反射ミラー３２の微小回
転によりＸ軸方向の所定の長さの線分を露光することに
より、決定された位置において、所定の領域の露光を可
能とすることができる。このように、ＸＹ位置決め機構
２０を移動させることなく、所定の領域の露光が可能と
なることにより、さらに、高速で高精細な造形を可能と
することができる。 （第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態に係る
積層造形装置を、図１３に示す。積層造形装置は、図示
されないパートシリンダーを備えており、パートシリン
ダー上には粉末体２１２が配置されている。パートシリ
ンダー上に配置された粉末体２１２の表面上方には、露
光ヘッド４２が固定手段（図示せず）により固定されて
配置されている。露光ヘッド４２には、粉末体表面の複
数画素に対応する所定面積の領域１６を紫外を含む所定
波長領域のレーザ光１４で走査して露光する多数（図１
３では、１００個）の露光ユニット１８Ａがアレイ状
（１０列×１０行）に配列されている。
【００７８】露光ユニット１８は、図１４（Ａ）及び
（Ｂ）に示すように、紫外を含む所定波長領域の光源と
してのＧａＮ系半導体レーザ４４、ＧａＮ系半導体レー
ザ４４から出射されたレーザ光を集光する、例えば、屈
折率分布型レンズで構成された集光レンズ４６、及び集
光レンズ４６により集光されたレーザ光を２次元方向に
反射すると共に粉末体２１２の表面に結像させる２次元
マイクロスキャナ４８を備えている。
【００７９】窒化ガリウム系半導体レーザ４４及び集光
レンズ４６は、例えば、銅またはシリコンからなるマウ
ント５０、５２に各々保持された状態で、２次元マイク
ロスキャナ４８と共に、共通の基板５４に取り付けられ
ている。各構成要素を固定配置した基板５４は、温度調
節手段を構成するペルチェ素子５６上に固定されて、光
出射窓５８を有するパッケージ６０内に気密封止されて
いる。パッケージ６０内にはサーミスタ（図示せず）が
取り付けられており、サーミスタが出力する温度検出信
号に基づいて温度制御回路（図示せず）によりペルチェ
素子５６の駆動が制御されて、パッケージ６０内の要素
が全て共通の所定温度に制御される。なお、図１５
（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ペルチェ素子５６はパ
ッケージ６０の外側に設けられていてもよい。
【００８０】２次元マイクロスキャナ４８は、基板５４
に固定された外枠６２、外枠６２に回転軸６４の周りに
回転可能に保持された内枠６６、及び内枠６６に回転軸
６８の周りに回転可能に保持された反射ミラー７０から
構成されている。この反射ミラー７０から反射されたレ
ーザ光が、粉末体表面の領域をＸ方向及びＹ方向に走査
するように、露光ユニット１８が露光ヘッドに配置され
ている。
【００８１】なお、各々の露光ユニット１８の窒化ガリ
ウム系半導体レーザ４４及び２次元マイクロスキャナ４
８は、これらを独立に制御するコントローラ（図示せ
ず）に接続されている。
【００８２】次に、以上説明した積層造形装置の動作に
ついて説明する。コントローラ（図示せず）により各々
の露光ユニット１８の窒化ガリウム系半導体レーザ４４
が独立に駆動されて、窒化ガリウム系半導体レーザ４４
からレーザ光が出射され、露光ユニット１８の各々の配
置位置に応じた所定面積の領域の画像データが２次元マ
イクロスキャナ４８のコントローラ（図示せず）に送信
される。２次元マイクロスキャナ４８では、画像データ
に応じて、内枠６６に保持された反射ミラー７０が回転
軸６８の周りに回転して、Ｘ方向にレーザ光１４が走査
されると共に、外枠６２に保持された内枠６６が反射ミ
ラー７０と共に回転軸６４の周りに回転して、Ｘ方向と
直交するＹ方向にレーザ光１４が走査されて、各々の露
光ユニット１８に対応する所定面積の領域が露光され、
結果として、粉末体２１２の表面全体が露光される。
【００８３】例えば、粉末体２１２の表面上でのレーザ
光のスポット径を５０μｍとすると、１００万（１００
０×１０００）画素の２次元マイクロスキャナ４８を備
えた露光ユニット１８を用いた場合には、面積５０ｍｍ
×５０ｍｍの領域を同時に露光することができる。この
場合、粉末体２１２の表面の露光総面積が５００ｍｍ×
５００ｍｍであるとすると、１００個の露光ユニット１
８を用いて同時に露光することにより、表面全体を短時
間で露光することができる。即ち、表面の全体を１００
個の露光ユニット１８を用いて同時に露光する場合に
は、１つの露光ユニット当りの露光領域は、表面全体を
１個の露光ユニット１８を用いて露光する場合の１００
分の１となり、露光時間も１／１００に短縮される。
【００８４】以上の通り、本実施の形態に係る積層造形
装置では、露光ユニットは、画像データに応じて各画素
毎に変調されたレーザ光で走査する２次元マイクロスキ
ャナを用いることにより、従来の可動ミラーを用いる場
合に比べて小型化される。このため、露光ヘッドに多数
の露光ユニットを配列することが可能であり、多数の露
光ユニットで所定面積の領域を並列に走査露光すること
ができ、高速且つ高精細な造形が可能となる。また、多
数の露光ユニットで全体を露光するので、１つの露光ユ
ニットで走査露光する領域の面積を制限して、ピン・ク
ッション・エラーを、例えば１００個の露光ユニットを
用いた場合は約１／１０に低減することができる。
【００８５】また、窒化ガリウム系半導体レーザで構成
された紫外光源は、高出力が得られると同時に低コスト
であり、積層造形装置全体の製造コストも低減すること
ができる。特に、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2レーザ等のガス
レーザや固体レーザを使用している従来の積層造形装置
と比較すると、安価で、メンテナンスが容易となり、装
置全体が小型化する、という利点がある。
【００８６】なお、上記の第３の実施の形態では、露光
ユニットを１００個設ける例について説明したが、露光
ユニットの数は、粉末体を配置するパートシリンダーの
サイズ、要求される造形速度、造形精度等に応じて適宜
決定される。露光ユニットの数は、２５〜１００個の範
囲が好ましい。
【００８７】また、上記第３の実施の形態では、紫外光
源を窒化ガリウム系半導体レーザで構成する例について
説明したが、第１の実施の形態と同様に、紫外を含む所
定波長領域の光源を、前記（１）〜（６）のいずれかで
構成してもよい。
【００８８】図１６（Ａ）及び（Ｂ）に、前記（２）の
半導体レーザ励起固体レーザを用いた場合の露光ユニッ
トの構成例を示す。第３の実施の形態の露光ユニットと
同じ構成部分については同じ符号を付して説明を省略す
る。この露光ユニットでは、集光レンズ４６及び２次元
マイクロスキャナ４８の間に、Ｐｒ3+がドープされた固
体レーザ媒質であるＬｉＹＦ4結晶（以下、Ｐｒ：ＹＬ
Ｆ結晶と称する）４７が配置されており、例えば銅から
なるマウント４９に保持された状態で、共通の基板５４
に取り付けられている。また、Ｐｒ：ＹＬＦ結晶４７及
び２次元マイクロスキャナ４８の間には、波長変換素子
７２、エタロン７４、及び共振器ミラー７６がマウント
（図示せず）に保持された状態でこの順に配列されてい
る。また、ペルチェ素子５６はパッケージ６０の外側に
設けられている。なお、光波長変換素子７２、半導体レ
ーザ４４、及び共振器ミラー７６の構成は、図８に示す
半導体レーザ励起固体レーザと同様である。
【００８９】この半導体レーザ励起固体レーザでは、半
導体レーザ４４から入射されたレーザビームによりＰ
ｒ：ＹＬＦ結晶４７のＰｒ3+が励起され、Ｐｒ：ＹＬＦ
結晶４７から所定波長のレーザビームが出射される。出
射されたレーザビームはＰｒ：ＹＬＦ結晶４７の端面と
共振器ミラー７６のミラー面とで構成される共振器によ
り共振されると共に、光波長変換素子７２により波長変
換されて、レーザ光１４が出射される。
【００９０】図１７（Ａ）及び（Ｂ）に、図１０に示す
窒化ガリウム系半導体レーザで、ファイバを励起して得
られたレーザビームを光波長変換素子で波長変換して出
射するファイバレーザを用いた場合の露光ユニットの構
成例を示す。第３の実施の形態の露光ユニットと同じ構
成部分については同じ符号を付して説明を省略する。こ
の露光ユニットは、ファイバレーザと、ファイバレーザ
から出射されたレーザ光１７７を２次元方向に反射する
と共に粉末体２１２の表面に集光レンズ１９４を通過し
たレーザ光を結像させる２次元マイクロスキャナ４８
と、を備えている。
【００９１】ファイバレーザは、図１０に示すように、
波長４５０ｎｍのレーザビーム１７３を出射するＧａＮ
系半導体レーザ１７４、発散光である上記レーザビーム
１７３を平行光化するコリメートレンズ１７６、平行光
となったレーザビーム１７３を集光する集光レンズ１７
８、Ｐｒ3+がドープされたコアを持つファイバ１８０、
ファイバ１８０から出射された波長７２０ｎｍのレーザ
ビーム１８２を集光する集光レンズ１９４、及び集光さ
れたレーザビーム１８２を入射させて１／２の波長（３
６０ｎｍ）のレーザビーム１７７に変換するＳＨＧ（第
２高調波発生）素子１９６を備えている。
【００９２】パッケージ６０の内側には、集光レンズ１
９４及びＳＨＧ素子１９６が配置されており、集光レン
ズ１９４及びＳＨＧ素子１９６は、例えば銅からなるマ
ウント５７、５９に各々保持された状態で、２次元マイ
クロスキャナ４８と共に、共通の基板５４に取り付けら
れている。各構成要素を固定配置した基板５４は、光出
射窓５８を有するパッケージ６０内に気密封止されてい
る。ファイバ１８０の出射側の端部は、パッケージ６０
の側壁を貫通して内部に導入されて、集光レンズ１９４
と光結合されている。一方、図１７においては図示は省
略するが、図１０に示すその他の構成要素は、パッケー
ジ６０の外側に設けられている。
【００９３】また、図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示す露光
ユニットにおいて、図１０に示すファイバレーザに代え
て、図９に示す、赤外領域の光を出射する半導体レーザ
でファイバを励起して得られたレーザビームを光波長変
換素子で波長変換して出射するファイバレーザを用いる
ことができる。
【００９４】ファイバレーザは、図９に示すように、波
長１０６４ｎｍのレーザビーム１３３を出射するＱスイ
ッチＹＶＯ4固体レーザ１３４（あるいは、窓構造を有
するＩｎＧａＡｓ系半導体レーザを用いても良く、この
場合は、パルス幅をｐｓｅｃオーダに設定でき、高繰り
返し動作（１０ＭＨｚ）も可能となる。）、発散光であ
る上記レーザビーム１３３を平行光化するコリメートレ
ンズ１３６、平行光となったレーザビーム１３３を集光
する集光レンズ１３８、コリメートレンズ１３６と集光
レンズ１３８との間に配置されたハーフミラー１４２、
Ｎｄ3+がドープされたコアを持つファイバ１４０、ファ
イバ１４０から出射されたレーザビーム１３３を集光す
る集光レンズ１５４、及び集光されたレーザビーム１３
３を入射させて波長変換波を得る波長変換部１５６を備
えている。波長変換部１５６は、入射されたレーザビー
ム１３３を１／２の波長（５３２ｎｍ）のレーザビーム
に変換するＳＨＧ（第２高調波発生）素子１５８、及び
入射されたレーザビーム１３３を１／３の波長（３５５
ｎｍ）のレーザビームに変換するＴＨＧ（第３高調波発
生）素子１６０から構成されている。
【００９５】この場合、集光レンズ１５４、ＳＨＧ素子
１５８及びＴＨＧ素子１６０は、各々マウントに保持さ
れた状態でパッケージの内側に配置され、２次元マイク
ロスキャナと共に共通の基板に取り付けられて、パッケ
ージ内に気密封止される。ファイバ１４０の出射側の端
部は、パッケージの側壁を貫通して内部に導入されて、
集光レンズ１５４と光結合される。 （第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態に係る
積層造形装置を、図２０に示す。第４の実施の形態に係
る光造形装置は、第１の実施の形態に係る光造形装置と
ほぼ同様の構成であるため、同一部分には同じ符号を付
して説明を省略する。
【００９６】第１の実施の形態に係る積層造形装置にお
ける露光ユニット１８は、図１及び図２に示すように、
紫外を含む所定波長領域のレーザ光を照射する光源２２
から、アレイに束ねられた光ファイバ２４を介して入射
された紫外を含む所定波長領域のレーザ光１４を使用し
ている。これに対し、第４の実施の形態に係る積層造形
装置における露光ユニット１８Ｂは、図２０に示すよう
に、特願２００１−２７３８７０号及び特願２００１−
２７３８７１号において開示されている高出力光源によ
る紫外を含む所定波長領域のレーザ光を使用する。
【００９７】特願２００１−２７３８７０号及び特願２
００１−２７３８７１号において開示されている光源２
２の詳細を図２３に示す。光源２２は、多数の半導体レ
ーザチップから出力されるビームを１本のファイバに合
波する合波モジュール５２０と半導体レーザ合波モジュ
ール５２０の各々に光結合され、かつ線状のレーザ光束
が出射されるようにアレイ状に配列した光ファイバ２４
とにより構成される。各々の半導体レーザチップ５２０
は、図２１及び図２２に示されるように、（例えば、銅
からなる）ヒートシンクブロック５１０上に配列固定さ
れた複数個（例えば、７個）の横マルチモード窒化ガリ
ウム系半導体レーザ５３０と、半導体レーザ各々に対向
して設けられたコリメータレンズ５４０と、集光レンズ
５５０とから構成され、一本のマルチモード光ファイバ
２４に光結合されている。
【００９８】ヒートシンクブロック５１０、半導体レー
ザ５３０、コリメータレンズ５４０、および集光レンズ
５５０は、上方が開口した箱上のパッケージ５８０内に
収容され、パッケージ５８０の開口がパッケージ蓋５８
１によって閉じられることにより、パッケージ５８０お
よびパッケージ蓋５８１が構成する閉空間内に密閉保持
される。
【００９９】パッケージ５８０の底面にはベース板５９
０が固定され、このベース板５９０の上面に前記ヒート
シンクブロック５１０が取り付けられ、そしてこのヒー
トシンクブロック５１０にコリメータレンズ５４０を保
持するコリメータレンズホルダ５４１が固定されてい
る。さらに、ベース板５９０の上面には、集光レンズ５
５０を保持する集光レンズホルダ５５１と、マルチモー
ド光ファイバ２４の入射端部を保持するファイバホルダ
５５２が固定されている。また窒化ガリウム系半導体レ
ーザ５３０に駆動電流を供給する配線類５５５は、パッ
ケージ５８０の横壁面に形成された図示しない気密封止
材料で封止される配線類５５５を通してパッケージ外に
引き出されている。
【０１００】コリメータレンズ５４０は、窒化ガリウム
系半導体レーザ５３０の発光点の並び方向の開口径が該
方向に直角な方向（図２２（Ｂ）の上下方向）の開口径
よりも小さく（すなわち、細長い形状で）形成されて、
上記発光点の並び方向に密接配置されている。窒化ガリ
ウム系半導体レーザ５３０としては、例えば、発光幅が
２μｍで、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角
がそれぞれ１０°、３０°の状態で各々レーザビームを
発するものが用いられる。これらの窒化ガリウム系半導
体レーザ５３０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。
【０１０１】したがって、各発光点から発せられたレー
ザビームは、上述のように細長い形状とされた各コリメ
ータレンズ５４０に対して、拡がり角最大の方向が開口
径大の方向と一致し、拡がり角最小の方向が開口径小の
方向と一致する状態で入射することになる。つまり、細
長い形状とされた各コリメータレンズ５４０は、入射す
るレーザビームの楕円径の断面形状に対応して、非有効
部分を極力少なくして使用されることになる。
【０１０２】例えば、本実施の形態では、コリメータレ
ンズ５４０の水平方向および垂直方向の開口径１．１ｍ
ｍ、４．６ｍｍ、焦点距離３ｍｍ、ＮＡ０．６、コリメ
ータレンズ５４０に入射するレーザビームの水平方向お
よび垂直方向のビーム径０．９ｍｍ、２．６ｍｍが使用
できる。また、コリメータレンズ５４０はピッチ１．２
５ｍｍで配置される。
【０１０３】集光レンズ５５０は、非球面円形レンズの
光軸を含む領域を細長く切り取って、コリメータレンズ
５４０の並び方向すなわち水平方向に長く、それと直角
な方向に短い形状とされている。集光レンズ５５０は、
例えば、焦点距離１２．５ｍｍ、ＮＡ０．３であるもの
が使用できる。この集光レンズ５５０も、例えば、樹脂
あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形
成される。
【０１０４】他方、マルチモード光ファイバ２４は、例
えば、三菱電線製のグレーデッドインデックス型を基本
としたコア中心部がグレーデットインデックス型で外周
部がステップインデックス型であるコア径２５μｍ、Ｎ
Ａ０．３、端面コートの透過率９９．５％以上のファイ
バが使用できる。すなわちコア径×ＮＡの値は７．５μ
ｍとなる。
【０１０５】レーザビームのマルチモード光ファイバ２
４への結合効率が０．９、窒化ガリウム系半導体レーザ
５３０の出力１００ｍＷ、半導体レーザ５３０の個数７
の場合、出力６３０ｍＷ（＝１００ｍＷ×０．９×７）
の合波レーザビームが得られることになる。
【０１０６】窒化ガリウム系半導体レーザ５３０は、発
振波長は４０５±１０ｎｍであり、最大出力は１００ｍ
Ｗである。これらの窒化ガリウム系半導体レーザ５３０
から発散光状態で出射したレーザビームは、各々対向す
るコリメータレンズ５４０によって平行光化される。平
行光とされたレーザビームは、集光レンズ５５０によっ
て集光され、マルチモード光ファイバ２４のコアの入射
端面上で収束する。
【０１０７】コリメータレンズ５４０および集光レンズ
５５０によって集光光学系が構成され、それとマルチモ
ード光ファイバ２４とによって合波光学系が構成されて
いる。すなわち、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がこのマルチモード光ファイバ
２４のコアに入射してそこを伝搬し、１本のレーザビー
ムに合波されてマルチモード光ファイバ２４から出射す
る。なおマルチモード光ファイバ２４としては、例え
ば、ステップインデックス型のものや微小コアで高いＮ
Ａのものを使用する場合は、グレードインデックス型の
もの及びその複合型のファイバが適用可能である。
【０１０８】なお、各々の半導体レーザ５３０に対応す
る個別のコリメータレンズ５４０の代替として、半導体
レーザ５３０の個数に対応する個数のレンズ要素を有す
るコリメータレンズアレイが使用されてもよい。個別の
コリメータレンズを使用する場合もそれらを互いに密接
配置して、窒化ガリウム系半導体レーザ５３０の配置ピ
ッチを小さくし、空間利用効率を高めることができる
が、コリメータレンズアレイを用いることにより、その
効果をより一層高めることが可能である。また、そのよ
うにして空間利用効率が高められると、合波本数を増や
すことができ、更に窒化ガリウム系半導体レーザ５３
０、集光光学系およびマルチモード光ファイバ２４の組
立位置精度に比較的余裕を持たせることができるという
効果も得られる。
【０１０９】コリメータレンズアレイの各レンズ要素、
もしくは個別のコリメータレンズ５４０の焦点距離およ
び開口数をｆ1、ＮＡ1、集光レンズ５５０の焦点距離を
ｆ2、マルチモード光ファイバ２４の開口数をＮＡ2、空
間利用効率をηとする。なお、この空間利用効率ηは、
レーザビームが使用する空間中でレーザビームの光路が
占める空間の割合で規定されるものであり、レーザビー
ムの光路が互いに密接する状態がη＝１である。
【０１１０】上記の条件下では、レンズ径の倍率ａ、す
なわち、窒化ガリウム系半導体レーザの各発光点におけ
るビームスポット径に対するマルチモードファイバ２４
のコア端面上におけるビームスポット径の比は式（１）
で与えられる。なおＮは合波本数である。
【０１１１】
【数１】
【０１１２】式（１）から明らかな通り、空間利用効率
ηがより大きいほど倍率ａは低下する。そして倍率ａが
小さいほど、窒化ガリウム系半導体レーザ、集光光学系
およびマルチモード光ファイバ２４の相対位置関係がず
れた際に、レーザビームがマルチモード光ファイバ２４
のコア端面上で動く距離が小さくなる。そこで、窒化ガ
リウム系半導体レーザ、集光光学系およびマルチモード
光ファイバ２４の組立位置精度を比較的緩くしておいて
も、レーザビームをマルチモード光ファイバ２４のコア
に正常に入射させることが可能になる。また、ηを１に
近づけるとａを低下することができ、合波本数Ｎをその
分増加させることができるので、合波本数Ｎを増加させ
ても位置ずれ許容度が大きいまま高出力化できる。
【０１１３】長尺状に構成されている光変調アレイ素子
４０２に光変調アレイ素子４０２の長さ方向に延びた線
状のレーザ光を出射するように、多数の半導体レーザチ
ップ５２０各々に対して１本ずつ設けられたファイバ２
４は光変調アレイ素子４０２の長さ方向に沿って配列さ
れてアレイ状に構成されている。
【０１１４】上述されたように、窒化ガリウム系半導体
レーザ５３０から出射されたレーザ光は、各々対応する
コリメータレンズ５４０でコリメートされた後、光ファ
イバ２４に入射される。各半導体レーザチップ５２０に
７個の半導体レーザ５３０が備えられている場合、７本
のコリメートされたレーザ光が、非球面ガラスモールド
レンズ５５０により、ファイバ２４へ光結合される。こ
のコア径２５μｍ、ＮＡ＝０．３、出力０．５Ｗのファ
イバを１００本設ければ、線状に配置されたファイバか
らは、５０Ｗ（＝０．５Ｗ×１００本）の線状の超高出
力ビームが出射される。線状ビームは照射レンズ系によ
り照射され、長尺状の光変調アレイ素子４０２に入射す
る。
【０１１５】上記記載されたファイバを並べた５０Ｗ
（＝０．５Ｗ×１００本）の線状の高出力ビームの代替
として、図２４（Ａ）に示す半導体レーザチップ５６０
を図２４（Ｂ）に示すように所定方向に沿って配列し
た、特願２００１−２７３８４９号で開示されているア
レイ型半導体レーザが使用されてもよい。光源２２は、
複数の半導体レーザチップ５６０により構成される。各
々の半導体レーザチップ５６０は、発光点５７０を複数
個有する。発光点５７０の出力が０．１Ｗ、発光点数が
５であれば、半導体レーザチップ５６０各々の出力は
０．５Ｗ（＝０．１Ｗ×５個）であり、光源２２が３４
個の半導体レーザチップ５６０により構成されていれ
ば、１７Ｗ（＝０．５Ｗ×３４個）の高出力アレイビー
ムを出射することができる。この１７Ｗのアレイビーム
を３素子並べることで、ファイバを並べたビームと同様
の５０Ｗ（１７Ｗ×３素子）級の線状の高出力ビームが
得られる。
【０１１６】露光ユニット１８Ｂは、図２０に示すよう
に、上記記載した光源２２から線状に配列された複数の
ファイバ２４を介して入射された線状光ビーム１４を、
レンズ４００、４０１で光変調素子アレイ４０２上にラ
イン状に照射し、光変調素子アレイ４０２によって画像
データに応じて各画素毎に変調されたビームをレンズ４
０３、４０４によって粉末体の表面に反射ミラー４０６
を通してＹ軸方向にライン状に結像する。
【０１１７】次に、図２５及び図２６を参照して、光変
調アレイ素子４６として用いるＧＬＶ素子の構成及び動
作原理を説明する。ＧＬＶ素子２０１は、例えば米国特
許第５，３１１，３６０号に開示されているように、Ｍ
ＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）タイプの
空間変調素子（ＳＬＭ；Spacial Light Modulator）で
あり、図２５に示すように、グレーティングを一方向に
複数配列して構成されている。
【０１１８】図２５に示すように、ＧＬＶ素子２０１の
シリコン等からなる基板２０３上には、可動格子となる
リボン状のマイクロブリッジ２０９が多数個（例えば、
６４８０個）設けられている。複数のマイクロブリッジ
２０９が平行に配列されることで複数のスリット２１１
が形成されている。マイクロブリッジ２０９は、基板２
０３から所定間隔離間されている。
【０１１９】マイクロブリッジ２０９は、図２６に示す
ように、基板２０３に対向する下面側がＳｉＮx等から
なる可撓性梁２０９ａで構成され、表面側がアルミニウ
ム（又は、金、銀、銅等）の単層金属膜からなる反射電
極膜２０９ｂで構成されている。なお、反射電極膜２０
９ｂを金、銀、銅等により形成することで、使用する光
の波長に応じて反射率をより向上させることができる。
上記基板２０３、マイクロブリッジ２０９、及び図示し
ないコントローラは可動格子移動手段に相当する。
【０１２０】このＧＬＶ素子２０１は、マイクロブリッ
ジ２０９と基板２０３との間に印加される電圧のオン／
オフで駆動制御される。マイクロブリッジ２０９と基板
２０３との間に印加する電圧をオンにすると、静電誘導
された電荷によってマイクロブリッジ２０９と基板２０
３との間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ２０
９が基板２０３側に撓む。そして、印加電圧をオフにす
ると、撓みが解消し、マイクロブリッジ２０９は弾性復
帰により基板２０３から離間する。通常、１画素は複数
（例えば、６個）のマイクロブリッジ２０９で構成さ
れ、電圧を印加するマイクロブリッジ２０９を交互に配
置することで、電圧の印加により回折格子を生成し、光
の変調を行なうものである。
【０１２１】マイクロブリッジ２０９に電圧を印加しな
い場合には、マイクロブリッジ２０９の反射面の高さが
総て揃い、反射光には光路差が生じず正反射される。一
方、１つおきのマイクロブリッジ２０９に電圧を印加し
た場合には、前述した原理によりマイクロブリッジ２０
９の中央部が撓み、交互に段差のある反射面となる。こ
の反射面にレーザ光を入射すると、撓みのないマイクロ
ブリッジ２０９で反射された光には光路差が生じ、光の
回折現象が発生する。１次回折光の強度Ｉ1stは光路差
に依存し、下記の式で表すことができる。この場合、光
路差としてλ／２となる場合に最も回折光の強度が高く
なる。
【０１２２】
【数２】
【０１２３】次に、以上説明した光造形装置の動作につ
いて説明する。コントローラ（図示せず）によりＸＹ位
置決め機構２０が駆動されて、露光ユニット１８ＢがＸ
方向及びＹ方向に移動されて、露光ユニット１８ＢのＸ
方向及びＹ方向の初期位置が決定される。露光ユニット
１８Ｂの初期位置が決定されると、紫外を含む所定波長
領域の光源２２から光ビームが出射され、露光ユニット
１８Ｂの初期位置に応じた複数画素に対応する線分１６
Ｂの画像データが光変調アレイ素子４０２のコントロー
ラ（図示せず）に送信される。光変調アレイ素子４０２
の各ＧＬＶ素子２０１は、上記の通り、受信した画像デ
ータに応じてオンオフ制御される。
【０１２４】紫外を含む所定波長領域の光源２２から出
射された光ビーム１４は、光変調アレイ素子に対して平
行に線状に配置された光ファイバ２４、及びレンズ４０
０、４０１を介して、光変調素子アレイ４０２上にライ
ン状に照射され、光変調素子アレイ４０２によって画像
データに応じて各画素毎に変調されたビームがレンズ４
０３、４０４によって粉末体の表面に反射ミラー４０６
を通してＹ軸方向にライン状に結像される。これによ
り、粉末体表面の線分１６Ｂが線状の光ビーム１４で同
時に露光され、露光された部分が燒結し硬化する。
【０１２５】初期位置での線分１６Ｂの露光が完了する
と、ＸＹ位置決め機構２０により、露光ユニット１８が
Ｘ方向に１ステップ移動されて、次の線分が露光され
る。この通りＸ方向への移動と露光とが繰り返され、粉
末体の所定面積の領域が露光される。Ｘ方向に沿って所
定面積の領域の露光が完了すると、ＸＹ位置決め機構２
０により露光ユニット１８がＹ方向に１ステップ移動さ
れ、Ｘ方向への移動と露光とが繰り返されて、粉末体の
所定面積の領域が露光される。
【０１２６】例えば、粉末体の表面上での光ビームのス
ポット径（分解能）を５０μｍとすると、１０００画素
に対応する光変調アレイ素子４０２を備えた露光ユニッ
ト１８Ｂを用いた場合には、長さ５０ｍｍの線分１６Ｂ
を同時に露光することができる。この場合、粉末体表面
の露光総面積が５００ｍｍ×５００ｍｍであるとする
と、露光ユニット１８Ｂの位置を移動させながら露光す
ることにより、分解能を低下させることなく表面全体を
露光することができる。
【０１２７】以上の通り、本実施の形態に係る光造形装
置では、露光ユニットはＧＬＶ素子からなる光変調素子
アレイを備えているので、所定長さの線分を同時に露光
することができ、高速での造形が可能となる。また、露
光ユニットはＸＹ位置決め機構により移動可能とされて
おり、露光ユニットの位置をずらしながら複数回に分け
て全体を露光することができるので、１つの露光ユニッ
トで同時に露光する領域を制限して、空間分解能を向上
させることができ、高精細な造形が可能となる。
【０１２８】また、複数の窒化ガリウム系半導体レーザ
と合波光学系とから構成された紫外を含む所定波長領域
の光源は、高出力が得られると同時に低コストであり、
光造形装置全体の製造コストも低減することができる。
特に、エキシマレーザ等のガスレーザを使用している従
来の光造形装置と比較した場合には、安価で、メンテナ
ンスが容易となり、装置全体が小型化する、という利点
がある。
【０１２９】また、露光ユニットの外に紫外を含む所定
波長領域の光源を配置し、露光ユニットと紫外を含む所
定波長領域の光源とを光ファイバで結合したことによ
り、露光ユニットを軽量化することができ、ＸＹ位置決
め機構に掛かる負荷が軽減されて、露光ユニットを高速
移動させることができる。
【０１３０】なお、紫外を含む所定波長領域の光源は、
第１の実施の形態と同様に、前記（１）〜（６）のいず
れかの紫外を含む所定波長領域の光源で構成することが
できる。
【０１３１】また、図２７に示すように、複数の露光ユ
ニット及び複数の光源を備える構成とすることもでき
る。なお、露光ユニット１８1〜１８4に代えて露光ユニ
ット１８Ｂ1〜１８Ｂ4を配置したこと、および図２３で
示されている光源２２を使用していること以外は、第２
の実施の形態と同様の構成であるため、同一部分には添
字を付した同じ符号を付して説明を省略する。この光造
形装置では、光変調素子アレイを備えた露光ユニットを
複数（図では４つ）備えており、各々の露光ユニットに
ついて所定領域を同時に露光することができるので、更
に高速での造形が可能となる。例えば、４つの露光ユニ
ットを使用する場合には、１つの露光ユニットを使用す
る場合の４倍の速度で造形を行うことができる。また、
複数の露光ユニットにより露光を行う場合には、露光領
域を分散させて硬化させ、局部的な硬化収縮に起因する
歪みの発生を抑制することができる外、一部の露光ユニ
ットが故障しても他の露光ユニットを使用して光造形を
続行することができ、使用安定性に優れている。
【０１３２】以上に説明した第４の実施の形態では、光
変調アレイ素子にＧＬＶを用い、集光レンズを透過した
光ビームを粉末体の表面方向に反射するミラーに固定ミ
ラーを用いているが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、光変調アレイ素子として図５（Ａ）または
（Ｂ）に示されるように、マイクロミラー２４０を１列
またな複数列アレイ状に配列したＤＭＤ素子を使用して
もよい。
【０１３３】なお、光変調アレイ素子の構成は厳密な一
次元（すなわち、一方の次元の素子の数が１個）の線状
に限定されず、一方の次元の素子の数が他方の次元の素
子の数より十分に小さい線状の構成であればよい。光変
調アレイ素子を面状あるいは線状に構成することによ
り、粉末体の複数画素に対応する領域を一度に露光する
ことができるようになり、処理を高速化することができ
る。しかしながら、光変調アレイ素子を面状に構成する
と、一度に処理される領域間の境界が線を構成する。こ
れに対し、光変調アレイ素子が線状に構成されていれ
ば、一度に処理される領域の境界は点となる。このよう
な境界に対しては、各処理毎の整合を行うためにアライ
ンメント処理が行われなければならず、境界が線となる
場合にくらべ、点となる場合の方がアラインメント処理
の対象となる領域が減少するために処理が容易となる。
したがって、光変調アレイ素子を面状ではなく線状に構
成することにより、露光処理を高速化することができ、
かつ、アラインメント処理を容易に行うことができる。
【０１３４】また、反射ミラーをＸ軸方向に向けて回転
可能とすることもできる。このような構成とすることに
よりＸＹ位置決め機構により露光ユニットの位置を決定
した後、光変調アレイ素子でＹ軸方向の所定の長さの線
分を同時に露光し、反射ミラーの微小回転によりＸ軸方
向の長さの線分を露光することにより、決定された位置
において、所定の領域の露光を可能とすることができ
る。このように、ＸＹ位置決め機構を移動させることな
く、所定領域の露光が可能となることにより、さらに、
高速・高精細な造形が可能となる。
【０１３５】第４の実施の形態では、光源として連続駆
動された窒化ガリウム系半導体レーザを使用したが、パ
ルス駆動された窒化ガリウム系半導体レーザを使用して
もよい。ＣＯＤレベルが非常に高い窒化ガリウム系半導
体レーザをパルス駆動することによって、より高速・高
精細な積層造形を得ることができる。パルス幅は、短い
方がよく、好ましくは、１psec〜100nsec、より好まし
くは、１psec〜300psecとすることが好ましい。
【０１３６】また、第４の実施の形態では、図２３に示
すように、ファイバ２４をアレイ状に配設しているが、
本発明はこれに限定されず、ファイバ２４をバンドル状
に配設して面状のレーザ光を発生するようにしてもよ
い。この場合、光変調アレイ素子４０２は面状に構成さ
れているものが使用されることが好ましい。
【０１３７】上記の第１、第２及び第４の実施の形態で
は、ＸＹ位置決め機構により露光ユニットをＸ方向、Ｙ
方向に移動させる例について説明したが、粉末体を配置
したパートシリンダーを露光ユニットに対して移動させ
てもよい。
【０１３８】また、上記の第１〜第４の実施の形態にお
いて、露光ユニットから照射されるレーザ光のスポット
径及び出力光量を適宜変更することができる。例えば、
低出力光量で露光することにより高精細な造形を行うこ
ともできるし、高出力光量で露光することにより高速造
形を行うこともできる。
【０１３９】上記の第１及び第２の実施の形態では、光
源から出射されたレーザ光を画像データに応じて各画素
毎に変調する空間変調素子としてデジタル・マイクロミ
ラー・デバイス（ＤＭＤ）を用いる例について説明した
が、空間変調素子として回折格子光バルブ（ＧＬＶ：Gr
ating Light Valve）を用いてもよい。ＧＬＶは線方向
での変調に適しており、光源とＧＬＶを主走査方向に配
列したＧＬＶアレイとを用いて露光手段を構成してもよ
い。この場合、ＧＬＶアレイが主走査方向と交差する副
走査方向に移動するように、露光手段を粉末体の表面に
対し相対移動させる、直動位置決め機構等の移動手段ま
たは可動ミラーのような走査手段を設けることが好まし
い。
【０１４０】なお、第１〜第４の実施の形態において、
粉末体として、エンジニアリング・プラスチック、金
属、セラミックス、砂、ワックスなどを使用することが
でき、詳細には、アクリル酸、Ｎｙｌｏｎ１１の複合
材、Ｂｅａｄｓ入りＮｙｌｏｎ１１、合成ゴム、ステン
レス３１６、ステンレス４２０、ジルコン砂、シリカ砂
などを使用することができるが、本発明はこれに限定さ
れず、用途に合わせた材料を選択することができる。
【０１４１】第１〜第４の実施の形態において、光源と
して、紫外を含む所定波長領域の連続もしくはパルス駆
動されたレーザ光を使用することができる。紫外を含む
所定波長領域のレーザ光の波長は３５０nm〜４２０nmが
好ましく、４０５nmがより低コストなＧａＮ系半導体レ
ーザを用いるという点では、最も高出力化が期待でき
る。パルス駆動されたレーザ光を光源として使用する場
合には、ＣＯＤレベルの高い窒化ガリウム系半導体レー
ザをパルス駆動してもよいし、固体レーザもしくはファ
イバレーザをＱスイッチもしくはモードロック動作によ
りパルス駆動してもよい。パルス駆動されたレーザ光を
光源として使用することにより、熱拡散が防止されるた
め、高速かつ高精細な造形が可能となる。したがって、
パルス駆動されたレーザ光のパルス周期は短い方がよ
く、好ましくは、１psec〜１００nsec、より好ましく
は、１psec〜３００psecが適している。
【０１４２】なお、上記第１及び第２の実施の形態にお
いてＤＭＤの出射側に１枚のレンズを配置する例につい
て説明したが、複数枚のレンズを組合せて配置してもよ
い。
【０１４３】
【発明の効果】本発明の積層造形装置は、高速且つ高精
細な造形が可能である、という効果を奏する。また、本
発明の露光ユニットは、従来に比べて小型化されてお
り、露光ユニットに多数配列することができる、という
効果を奏する。更に、光源を所定のレーザ光源とした場
合には、安価かつ高速・高精細な積層造形装置及び露光
ユニットが提供される、という効果を奏する。
【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積層造形装置
の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る積層造形装置
の露光ユニットの構成を示す部分拡大図である。
【図３】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る積層
造形装置の紫外光源の構成を示す平面図であり、（Ｂ）
はバンドル状に配置したファイバの端面を示す平面図で
ある。
【図４】図３に示す紫外光源の狭域帯バンドパスフィル
タの透過特性を示すグラフである。
【図５】ＤＭＤを示す図であり、（Ａ）は拡大図、
（Ｂ）は線状に配列された図、（Ｃ）は２次元アレイ状
に配列された図である。
【図６】ＤＭＤの動作を説明するための説明図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る積層造形装置
の紫外光源として使用可能なブロードエリアの発光領域
を有するＧａＮ系半導体レーザの積層構造の一例を示す
概略断面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る積層造形装置
の紫外光源として使用可能な半導体レーザ励起固体レー
ザの構成を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る積層造形装置
の紫外光源として使用可能なＴＨＧ（第３高調波発生）
ファイバレーザの構成を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る積層造形装
置の紫外光源として使用可能なＳＨＧ（第２高調波発
生）ファイバレーザの構成を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る積層造形装
置の紫外光源として使用可能なＦＨＧ（第４高調波発
生）ファイバレーザの構成を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る積層造形装
置の概略構成を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る積層造形装
置の概略構成を示す斜視図である。
【図１４】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る積
層造形装置の露光ユニットの構成を示す平面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。
【図１５】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る積
層造形装置の露光ユニットの変形例を示す平面図であ
り、（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。
【図１６】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る積
層造形装置の露光ユニットの変形例を示す平面図であ
り、（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。
【図１７】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る積
層造形装置の露光ユニットの変形例を示す平面図であ
り、（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。
【図１８】従来のレーザ走査方式の積層造形装置の構成
を示す斜視図である。
【図１９】従来の可動ミラー方式の積層造形装置の構成
を示す斜視図である。
【図２０】本発明の第４の実施の形態に係る積層造形装
置の概略構成を示す斜視図である。
【図２１】光源における半導体レーザチップの斜視図で
ある。
【図２２】（Ａ）は光源における半導体レーザチップの
平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図で
ある。
【図２３】本発明の第４の実施の形態で使用する光源を
示す斜視図である。
【図２４】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第４の実施の形
態で使用する他の光源の構成を示す斜視図である。
【図２５】光変調アレイ素子として使用されるグレーテ
ィングライトバルブ素子（ＧＬＶ素子）の概略構成を示
す斜視図である。
【図２６】（Ａ）及び（Ｂ）はＧＬＶ素子の動作原理の
説明図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態に係る積層造形装
置の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
３６２ パートシリンダー ３６４ 材料供給用ローラ ２１２ 粉末体 １４ 紫外を含む所定波長領域のレーザ光 １６ 領域 １８、１８Ａ 露光ユニット ２０ ＸＹ位置決め機構 ２２ 紫外光源 ２４ 光ファイバ ２６ ホモジナイザ ２８ デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ） ３０ 集光レンズ ３２ 反射ミラー ４２ 露光ヘッド ４４ ＧａＮ系半導体レーザ ４６ 集光レンズ ４８ ２次元マイクロスキャナ ５６ ペルチェ素子 ５８ 光出射窓 ６０ パッケージ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｆ 7/20 ５０５ Ｇ０３Ｆ 7/20 ５０５ ５Ｆ０７３ Ｈ０１Ｓ 5/343 ６１０ Ｈ０１Ｓ 5/343 ６１０ 5/40 5/40 Ｆターム(参考） 2H041 AA12 AB14 AC06 AZ00 2H097 AA03 CA17 LA15 2K002 AA07 AB12 BA02 CA03 GA10 HA20 HA32 4E093 FA11 FC10 4F213 AC04 AP06 AR07 WL02 WL10 WL23 WL26 WL67 WL74 WL85 WL87 WL92 WL95 5F073 AA45 AA74 AB04 AB23 AB28 BA09 CA07 EA14 EA24

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】粉末体を紫外を含む所定波長領域のレーザ
    光で露光して３次元モデルを造形する積層造形装置であ
    って、 粉末体の表面の複数画素に対応する所定領域を、光源か
    ら出射され、画像データに応じて各画素毎に変調された
    紫外を含む所定波長領域のレーザ光で露光する露光手段
    と、 該露光手段を粉末体の表面に対し相対移動させる移動手
    段と、 を備えた積層造形装置。
  2. 【請求項２】粉末体を紫外を含む所定波長領域のパルス
    駆動されたレーザ光で露光して３次元モデルを造形する
    積層造形装置であって、 粉末体の表面の複数画素に対応する所定領域を、光源か
    ら出射され、画像データに応じて各画素毎に変調された
    紫外を含む所定波長領域のパルス駆動されたレーザ光で
    露光する露光手段と、 該露光手段を粉末体の表面に対し相対移動させる移動手
    段と、 を備えた積層造形装置。
  3. 【請求項３】粉末体を紫外を含む所定波長領域のレーザ
    光で露光して３次元モデルを造形する積層造形装置であ
    って、 粉末体の表面の複数画素に対応する所定領域を、光源か
    ら出射され、画像データに応じて各画素毎に変調された
    紫外を含む所定波長領域のレーザ光で走査して露光する
    走査機能を備えた露光手段と、 該露光手段を粉末体の表面に対し相対移動させる移動手
    段と、 を備えた積層造形装置。
  4. 【請求項４】粉末体を紫外を含む所定波長領域のパルス
    駆動されたレーザ光で露光して３次元モデルを造形する
    積層造形装置であって、 粉末体の表面の複数画素に対応する所定領域を、光源か
    ら出射され、画像データに応じて各画素毎に変調された
    紫外を含む所定波長領域のパルス駆動されたレーザ光で
    走査して露光する走査機能を備えた露光手段と、 該露光手段を粉末体の表面に対し相対移動させる移動手
    段と、 を備えた積層造形装置。
  5. 【請求項５】前記露光手段を複数設け、該複数の露光手
    段の各々を粉末体の表面に対し各々独立に相対移動可能
    にした請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層造形装
    置。
  6. 【請求項６】前記露光手段を複数設け、該複数の露光手
    段の各々を粉末体の表面に対し各々独立に走査可能にし
    た請求項３または４に記載の積層造形装置。
  7. 【請求項７】前記露光手段を、光源と、該光源から出射
    された紫外を含む所定波長領域のレーザ光を画像データ
    に応じて各画素毎に変調する空間変調素子とを含んで構
    成した請求項１〜６のいずれか１項に記載の積層造形装
    置。
  8. 【請求項８】前記空間変調素子を、デジタル・マイクロ
    ミラー・デバイスで構成した請求項７に記載の積層造形
    装置。
  9. 【請求項９】前記露光手段を、光源と、該光源から出射
    された紫外を含む所定波長領域のレーザ光を画像データ
    に応じて各画素毎に変調する空間変調素子を第１の走査
    方向に配列した空間変調素子アレイとを含んで構成した
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の積層造形装置。
  10. 【請求項１０】前記移動手段は、前記空間変調素子アレ
    イが第１の走査方向と交差する第２の走査方向に移動す
    るように、前記露光手段を粉末体の表面に対し相対移動
    させる請求項９に記載の積層造形装置。
  11. 【請求項１１】前記空間変調素子が回折格子光バルブで
    ある請求項９または１０に記載の積層造形装置。
  12. 【請求項１２】粉末体を紫外を含む所定波長領域のレー
    ザ光で露光して３次元モデルを造形する積層造形装置で
    あって、 粉末体の表面の複数画素に対応する所定領域を、光源か
    ら出射され、画像データに応じて各画素毎に変調された
    紫外を含む所定波長領域のレーザ光で走査して露光する
    露光ユニットを、アレイ状に複数配列した露光手段を備
    えた積層造形装置。
  13. 【請求項１３】粉末体を紫外を含む所定波長領域のパル
    ス駆動されたレーザ光で露光して３次元モデルを造形す
    る積層造形装置であって、 粉末体の表面の複数画素に対応する所定領域を、光源か
    ら出射され、画像データに応じて各画素毎に変調された
    紫外を含む所定波長領域のパルス駆動されたレーザ光で
    走査して露光する露光ユニットを、アレイ状に複数配列
    した露光手段を備えた積層造形装置。
  14. 【請求項１４】前記露光ユニットを、光源と、該光源か
    ら出射された紫外を含む所定波長領域のレーザ光を集光
    する集光光学系と、該集光光学系により集光された紫外
    を含む所定波長領域のレーザ光を画像データに応じて各
    画素毎に変調する偏向素子と、で構成した請求項１２ま
    たは１３に記載の積層造形装置。
  15. 【請求項１５】前記光源、前記集光光学系、及び前記偏
    向素子を、パッケージ内に封止した請求項１４に記載の
    積層造形装置。
  16. 【請求項１６】前記偏向素子を、２次元マイクロ・スキ
    ャナで構成した請求項１４または１５に記載の積層造形
    装置。
  17. 【請求項１７】前記光源を、窒化ガリウム系半導体レー
    ザ、窒化ガリウム系半導体レーザで固体レーザ結晶を励
    起して得られたレーザビームを光波長変換素子で波長変
    換して出射する半導体レーザ励起固体レーザ、赤外領域
    の光を出射する半導体レーザでファイバを励起して得ら
    れたレーザビームを光波長変換素子で波長変換して出射
    するファイバレーザまたはファイバアンプ、及び窒化ガ
    リウム系半導体レーザでファイバを励起して得られたレ
    ーザビームを光波長変換素子で波長変換して出射するフ
    ァイバレーザのいずれかのレーザ光源で構成した請求項
    １〜１６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
  18. 【請求項１８】前記光源を、窒化ガリウム系半導体レー
    ザをファイバに結合した第１のレーザ光源、複数の窒化
    ガリウム系半導体レーザを合波光学系によりファイバに
    結合した第２のレーザ光源、該第１のレーザ光源のファ
    イバおよび第２のレーザ光源のファイバの少なくとも一
    方を線状のレーザ光束が出射されるようにアレイ状に配
    列した線状レーザ光源、該第１のレーザ光源および第２
    のレーザ光源のファイバの少なくとも一方をスポット状
    のレーザ光束が出射されるようにバンドル状に配列した
    面状レーザ光源のいずれかのレーザ光源で構成した請求
    項１〜１６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
  19. 【請求項１９】前記光源を、複数のレーザ光源、及び該
    複数のレーザ光源から出射されたレーザビームを合波す
    る合波光学系を含んで構成した請求項１〜１１８のいず
    れか１項に記載の積層造形装置。
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