JPH11254543A

JPH11254543A - 光造形装置

Info

Publication number: JPH11254543A
Application number: JP10054606A
Authority: JP
Inventors: Takakuni Ueno; 高邦上野
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 1999-09-21
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: JP3901831B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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で安価でかつ高速な光
造形装置を提供する。【解決手段】光硬化性樹脂１２の表面１６から等距離
を隔てる複数の発光点２を有し、発光点２から射出した
光を光硬化性樹脂１２の表面１６に照射する光照射手段
と、発光点２を光硬化性樹脂１２の表面１６に対し相対
移動させて発光点２からの射出光を走査する光走査手段
８とを備えたことを特徴とする。

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、ｐｐ１８−２
３，１９９２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５
６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】

【発明を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％程度の低いヱネルギ効率
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Ｄｓｉ
ｎθ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たこ
とを特徴とする。

【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。
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てもよい。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】光照射手段が光源と、発光点に配置され、
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もよい。光
スイッチング素子により、任意の点を照射できる。発光
点を単一の列に配置してもよい。発光点を一つ備えるよ
りも、高速に走査が可能である。複数の列に、いわばマ
トリクス状に配置してもよい。

【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８
ａ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、２
２、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３
４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。

【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８ＸＹ位置決め機構８ａＸ位置決め機構８ｂＹ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５８ＸＹ位置決め機構５８ａＸ位置決め機構５８ｂＹ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７２Ｘ軸回転ミラー７４Ｙ軸回転ミラー

Claims

【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、を備えたことを特徴とする光造形装置。
【請求項２】前記発光点は複数の発光素子から形成さ
れ、前記光照射手段が該発光素子を選択的に発光させること
を特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
【請求項３】前記光照射手段が光源と、前記発光点に配
置され、前記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、を有することを特徴とする請求項１に記載の光造形装
置。
【請求項４】前記発光点が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。