JP3171478B2

JP3171478B2 - 光造形装置の反射光学系

Info

Publication number: JP3171478B2
Application number: JP04177892A
Authority: JP
Inventors: 寿智大西
Original assignee: 帝人製機株式会社
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 2001-05-28
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JPH05237943A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光硬化樹脂の硬化層を
積層して立体を造形する光造形装置に関し、詳しくはそ
の反射光学系を工夫することにより装置高さの縮小を図
った光造形装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、製版技術の応用により３次元物体
（立体物）を造形する光造形装置が開発されている。こ
の装置は、例えば未硬化又は半硬化の光硬化樹脂を露光
して硬化層を形成するとともに該硬化層を順次積層して
３次元物体にするものであり、電子計算機等を併用して
各層断面形状のデータを作成し、そのデータに基づいて
未硬化樹脂液を選択的に露光することで、製品開発時の
雛型や模型等のような複雑な３次元物体を造形すること
ができる。

【０００３】この種の光造形装置としては、例えば特開
平３−２２７２２２号公報に記載されたものがある。こ
の装置では、未硬化樹脂液を収容した造形槽の液面に対
しレーザ光を走査してその液面近傍の未硬化樹脂液を所
定形状に硬化させ、その硬化層を造形槽中に沈めた後、
次の断面層をその上に接着しつつ積層するようになって
いる。そのレーザー光走査装置（スキャニング装置）
は、例えばレーザ光源からのレーザ光をＸ方向に走査す
る第１回転反射鏡と、第１回転反射鏡からの光を反射し
つつ回転してレーザ光をＸ方向と直交するＹ方向に走査
する第２回転反射鏡とを有するものがある。各回転反射
鏡は、ガルバノミラーで構成され、Ｘ，Ｙ両走査方向に
ついて高速走査を行なってワーク（硬化層）形状に沿っ
た露光を行なうようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の光造形装置にあっては、２つの反射鏡により
光を走査する構成であったため、走査エラーが複雑に発
生し、これによる描画パターンの歪を補正するのに手間
がかかるという問題があった。すなわち、第１又は第２
反射鏡の回転によって、第１、第２反射鏡上の反射点か
ら光硬化樹脂表面の露光点までの反射・投光経路の長さ
が変化するとともに、走査方向両端部においてレーザ光
は描画すべき面に斜めに当る。これに対し、レーザ光を
未硬化樹脂液の液面上に集光するレンズ（例えば、ダイ
ナミックフォーカスレンズ）を調整して焦点距離を加減
することで、デフォーカス（焦点ぼけ）を防止すること
ができるが、Ｙ方向両端側でＹ方向中央部よりＸ方向の
最大露光幅が大きくなる所謂ピンクッションエラーの発
生は避けられない。そして、第１反射鏡により反射した
光を第２反射鏡上に振らすことで、第２反射鏡による反
射の角度が変化し、これによって前記反射・投光経路が
微妙に異なってくることで前記ピンクッションエラーが
複雑化する。また、ガルバノミラーを用い、Ｘ、Ｙ両走
査方向について同時に高速走査制御を行なってワーク形
状（輪郭）に沿った露光を行なうことで、前記ピンクッ
ションエラーはより一層複雑なものになっていた。この
結果、リアルタイムの演算処理でこのような走査エラー
を補正することが困難であり、造形作業に先立って造形
物の各断面形状データ等を作成する際に、上述の走査エ
ラーに対する補正用のデータを準備する（記憶させてお
く）必要があり、その準備作業が面倒になっていた。

【０００５】そこで、本発明は、光源からの光を単一の
反射鏡によって主・副両走査方向に走査することによ
り、走査エラーを単純なものにし、リアルタイムの演算
処理によって補正処理を実行できるようにすることを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明に係る光造形装置の反射光学系は、光硬化樹脂を選
択的に露光して光硬化樹脂の硬化層を形成し、該硬化層
を順次積層し一体化して３次元物体を造形する光造形装
置において、光源からの光を反射する反射鏡および該反
射鏡を回転させるスキャニングモータを有し、前記光を
第１の走査方向に走査する反射鏡ユニットと、該反射鏡
ユニットを支持するとともに前記反射鏡の回転中心軸と
直交する軸を中心に回転し、前記反射鏡の反射光を第１
の走査方向と直交する第２の走査方向に走査する回転台
と、を備えたことを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】本発明では、反射鏡ユニットによって光源から
の光が第１の走査方向に走査されると共に、反射鏡ユニ
ットが回転台と共に反射鏡の回転中心軸と直交する軸を
中心に回転することによって、その反射鏡に反射された
光が第２の走査方向に走査される。したがって、光源か
らの光が単一の反射鏡によって主・副両走査方向に走査
されることになり、走査エラーが単純な処理で補正可能
になる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１〜図６は本発明に係る光造形装置の反射光学系の一実
施例を示す図である。まず、構成を説明する。

【０００９】図１、図２において、11は造形槽であり、
造形槽11には所定の光硬化樹脂の未硬化樹脂液13が収容
されている。この光硬化樹脂は、例えば赤外線領域の光
（紫外線領域の光又は可視光等であってもよい）で硬化
する性質のものである。12は造形槽11内に配置された平
板状の造形棚であり、造形棚12は昇降駆動手段14によっ
て昇降可能に支持されている。この昇降駆動手段14は、
例えば図示しないサーボモータやボールネジ機構等を有
し、造形棚12を未硬化樹脂液13の液面下に位置させ、必
要に応じて所定量（後述する硬化層ｑの厚さに対応する
量）ずつ下降させることができる。

【００１０】造形槽11の上方にはレーザ光走査装置15が
設けられており、レーザ光走査装置15はレーザ光源16か
ら出射されたレーザ光を変調して後述する反射光学系20
により偏向（造形槽11に向かって投光）しつつ未硬化樹
脂液13の液面上に集光させ、そのレーザ光100を第１の
走査方向（図２のＸ方向）およびこれと直交する第２の
走査方向（図２のＹ方向）に走査するようになってい
る。レーザ光源16から出射されるレーザ光100は、光硬
化樹脂13の性質に適合する光、例えば赤外線領域の光
（紫外線領域の光、又は可視光等でもよい）である。ま
た、レーザ光走査装置15の光走査による描画パターン
は、造形物を複数の硬化層ｑ（各層パターン形状が同一
でも異なってもよい）の積層体である３次元物体とした
とき、硬化層ｑのそれぞれの形状に対応するものであ
り、造形槽11内の未硬化樹脂液13の液面と造形棚12の間
の未硬化樹脂液13がこの描画パターンに対応して選択的
に露光され硬化することで、必要形状の硬化層ｑが形成
される。そして、硬化層ｑは、最下層の形成時に像形棚
12に接着され、それより上の硬化層ｑは造形棚12の下降
と上述の露光動作によって下層の硬化層ｑ上に順次積層
される。

【００１１】18は、昇降駆動手段14、レーザ光走査装置
15およびレーザ光源16を制御する制御装置であり、制御
装置18は図示しないＣＰＵ、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ
等）および入出力インターフェイス回路等を含んでな
る。この制御装置18には、公知の３次元ＣＡＤ（comput
er aided design）システム19が接続されており、制御
装置18は前記ＲＯＭ内に予め格納された所定の制御プロ
グラムに基づいて、３次元ＣＡＤシステム19から送信さ
れてきたデータに対応する制御信号を生成し、その信号
により昇降駆動手段14、レーザ光走査装置15およびレー
ザ光源16を制御するようになっている。具体的には、３
次元ＣＡＤシステム19は、設計された３次元物体につい
て微小間隔を隔てた複数の断面形状のデータを作成する
ことができ、各断面形状データを前記硬化層ｑのそれぞ
れの描画パターンデータとし、その断面間隔を硬化層ｑ
の層厚データとして制御装置18に送信するようになって
いる。また、制御装置18は送信されてきた描画パターン
データおよび層厚データに応じて、レーザ光走査装置15
をＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ走査駆動する走査駆動信号
とレーザ光源16の駆動信号とを生成するとともに、層厚
データに対応する昇降駆動手段14の駆動信号を生成し、
これらの駆動信号を所定タイミングで昇降駆動手段14、
レーザ光走査装置15およびレーザ光源16に出力するよう
になっている。

【００１２】さらに、この制御装置18の前記ＲＯＭ内に
は、所定の補正演算式が記憶されており、この補正演算
式に基づいて走査エラーを補正する補正処理が実行され
るようになっている（詳細は後述する）。図２〜図５
は、レーザー光走査装置15の具体的な構成を示す図であ
る。これらの図に示すように、レーザー光走査装置15
は、レーザー光源16から出射されたレーザ光100を変調
する変調装置17と、反射光学系20とを具備している。反
射光学系20は、固定反射鏡21、集光レンズ22（例えば、
ダイナミックフォーカスレンズ）および回転反射鏡ユニ
ット23を有しており、レーザー光源16から出射されて変
調装置17により変調されたレーザ光100は、固定反射鏡2
1により所定方向に反射された後、集光レンズ22を通っ
て所定焦点距離で集光するよう投光されつつ回転反射鏡
ユニット23の回転反射鏡24に反射される。この回転反射
鏡24は、スキャニングモータ25によってその回転中心軸
Ｃ₁回りに高速で回転され、レーザ光100を図中Ｘ方向に
走査するものである。スキャニングモータ25は、例えば
デジタルエンコーダ25ａを一体化したものであり、その
駆動原理は可動鉄片型の電流計と同一で駆動電流に比例
した角度に回転反射鏡24を回転させるようになってい
る。

【００１３】一方、回転反射鏡ユニット23は図示しない
ボルトによって精密回転台26の取付台部26ａに固定され
ており、精密回転台26は支持体27に対して回転可能にな
っている。精密回転台26の下面側には、図５に示すよう
に、所定角度範囲のウォームホイール部26ｂが形成され
ており、このウォームホイール部26ｂにはウォーム28が
噛み合っている。ウォーム28はエンコーダモータ29に支
持されており、モータ29は一体化されたエンコーダ29ａ
の検出信号と制御装置18からの前記Ｙ方向駆動信号とに
基づいてウォーム28を回転させる。そして、ウォーム28
が回転するとき、ウオームホイール部26ｂを介して精密
回転台26が駆動される。すなわち、精密回転台26は、反
射鏡ユニット23を支持するとともに回転反射鏡24の回転
中心軸Ｃ ₁と直交する軸Ｃ₂を中心に回転し、回転反射鏡
24の反射光100をＸと直交するＹ方向に走査するように
なっている。

【００１４】次に、作用を説明する。まず、予め３次元
ＣＡＤシステム19によって３次元物体の設計がされる
と、３次元ＣＡＤシステム19により、その物体について
微小間隔を隔てた複数の断面の形状データ等が作成さ
れ、そのデータが複数の硬化層ｑの描画パターンおよび
層厚のデータとして制御装置18に送信される。

【００１５】制御装置18では、３次元ＣＡＤシステム19
から送信されてきた描画パターンデータおよび層厚デー
タに応じて、レーザ光走査装置15による前記Ｘ方向、Ｙ
方向の走査量や造形台12の昇降量を計算するとともに、
レーザ光源16の駆動タイミングや昇降駆動手段14の駆動
タイミングを設定する。このとき、制御装置18は、前記
ＲＯＭ内に記憶されている所定の補正演算式に基づいて
走査エラーを補正する処理を実行する。すなわち、回転
反射鏡24の回転角を一定範囲にして精密回転台26を回転
させたとき、図６に示すようにＹ方向両端側においてＸ
方向の走査幅が大きくなる、所謂ピンクッションエラー
が生ずるが、本実施例では、前記補正演算式に基づいて
Ｘ方向の走査駆動信号レベル（例えば電流値）を補正す
ることにより、Ｘ方向の走査幅が一定になるようにす
る。

【００１６】次いで、制御装置18から上記の各駆動信号
が所定のタイミングで昇降駆動手段14、レーザ光走査装
置15およびレーザ光源16に出力される。このとき、レー
ザ光源16から連続的にあるいは前記駆動信号に応じて断
続的にレーザ光100が出射され、このレーザ光100が、変
調装置17により変調された後、固定反射鏡21により所定
方向に反射され、更に集光レンズ22を通って所定焦点距
離で集光するよう投光されつつ回転反射鏡24により造形
槽11の方向に偏向され、未硬化樹脂液13の液面上に集光
する。また、このとき、前記Ｘ方向の走査駆動信号を受
けたスキャニングモータ25により回転反射鏡24が回転中
心軸Ｃ₁回りに高速で回転駆動され、これによってレー
ザ光100が図中Ｘ方向に走査されるとともに、前記Ｙ方
向の走査駆動信号を受けたモータ29により精密回転台26
が回転中心軸Ｃ₂回りにゆっくりと（Ｘ方向に比べて）
回転駆動され、これによって回転反射鏡24の反射光100
がＹ方向に走査される。したがって、この光走査により
未硬化樹脂液13の液面上で所定描画パターンの選択的露
光がなされ、造形槽11内の未硬化樹脂液13の液面と造形
棚12の間の未硬化樹脂液13が必要形状の硬化層ｑに硬化
する。この硬化層ｑが最下層であるときには、硬化層ｑ
は硬化と同時に像形棚12に接着される。

【００１７】このような露光動作が終了し、造形棚12上
で所定形状の硬化層ｑが形成されると、昇降駆動手段14
の作動により造形棚12が硬化層ｑの層厚分だけ下降し、
上述と同様にして次の硬化層ｑの形成作業が開始され
る。そして、以後最上層の硬化層ｑまで同様な作業が繰
り返され、上層の硬化層ｑが下層の硬化層ｑ上に順次積
層されることで、複数の硬化層ｑからなる３次元物体が
造形される。

【００１８】このように本実施例では、回転反射鏡ユニ
ット23によってレーザ光源16からのレーザ光100がＸ方
向に走査されると共に、この反射鏡ユニット23が精密回
転台26と共に回転反射鏡24の回転中心軸Ｃ₁と直交する
軸Ｃ₂を中心に回転することにより、回転反射鏡24に反
射されたレーザ光100がＹ方向に走査される。したがっ
て、レーザ光源16からのレーザ光が単一の回転反射鏡24
によってＸ，Ｙ両走査方向に走査されることになり、従
来のように２つの反射鏡を使用せず、しかも輪郭制御を
しないから、走査エラーが単純なピンクッションエラー
となり、前記補正演算式による簡単な演算処理でリアル
タイムに補正処理を実行することができるようになる。
この結果、造形作業に先立ち予め補正用のデータを計算
して記憶させておくといった準備作業が不必要になり、
３次元ＣＡＤシステム19による設計が終了した後すぐに
造形を開始することができ、きわめて効率的な光造形シ
ステムを構築することができる。

【００１９】図７は、本発明に係る光造形装置の反射光
学系の他の実施例を示す図である。なお、本実施例にお
いて上述例と同様の構成については同一符合を付し、重
複する説明を省略する。本実施例では、図７に示すよう
に、回転反射鏡24の近傍に、回転反射鏡24の回転中心軸
Ｃ₁に対し互いに対称でかつ所定距離を隔てるように走
査用の固定反射鏡51、52が設けられている。これらの固
定反射鏡51、52は、その反射面が回転反射鏡24側に位置
するもので、互いの下端部が離隔するよう未硬化樹脂液
13の液面に対して傾斜し、それぞれ第２の反射鏡22から
のレーザ光100を造形槽11に向かって反射する。また、
回転反射鏡22を駆動するスキャニングモータ25は、制御
装置18からの切換え駆動信号を受けたとき、回転反射鏡
24を９０度（あるいは２７０度）回転させることによ
り、回転反射鏡24以後の反射・投光経路を固定反射鏡51
側又は固定反射鏡52側の何れか一方側から他方側に切換
えるようになっている。すなわち、本実施例において
は、回転反射鏡24に反射させたレーザ光100を、走査用
の固定反射鏡51、52のうち任意の固定反射鏡に反射さ
せ、反射されたレーザ光100を未硬化樹脂液13の液面上
におけるＹ方向一方側の走査領域30Ａ又は他方側の走査
領域30Ｂに到達させて、Ｙ方向の２倍幅の走査を連続的
に行なうことができるようにしている。

【００２０】本実施例では、描画パターンがＹ方向一方
側の走査領域30Ａと他方側の走査領域30Ｂとに跨る場合
には、まず一方側の領域30Ａ又は30Ｂ内で描画パターン
の全部又は一部について露光動作が行なわれ、次いで他
方側の領域30Ｂ又は30Ａ内で描画パターンの全部又は一
部の露光動作が行なわれる。この領域切換えは、各硬化
層ｑについて１回又はそれ以上の回数である。具体的に
は、一方側の領域30Ａ又は30Ｂ内での露光動作が行なわ
れた後、スキャニングモータ25により回転反射鏡24が駆
動され、造形槽11内の未硬化樹脂液13の液面上におい
て、第３の反射鏡51を利用するＹ方向一方側の走査領域
30Ａと第４の反射鏡52を利用するＹ方向他方側の走査領
域30Ｂとが切換えられる。この切換え時の両領域30Ａ、
30Ｂ内の走査点は中心線Ｃ₃に対して対称に位置するか
ら、走査時の第２反射鏡24の走査回転角を適宜設定する
ことにより、中心線Ｃ₃近傍からＹ方向一方側および他
方側に広がる２つの走査領域30Ａ、30Ｂを連続的に形成
することができ、回転反射鏡24以後の反射・投光経路を
Ｙ方向一方側と他方側に並列しただけの簡単な構成で、
走査領域の拡大を図ることができる。なお、２つの走査
領域30Ａ、30Ｂの継目部は、例えば既に形成した下層の
硬化層ｑの継目部に対して図中左右方向にずれるように
形成される。すなわち、上層の硬化層ｑを積層する際、
レーザ光100を走査するための回転反射鏡24の回動の範
囲を下層の硬化層ｑを形成したときとは異なる範囲に変
更し、固定反射鏡51を用いる光走査領域30Ａと固定反射
鏡52を用いる光走査領域30Ｂとを、下層の硬化層ｑを形
成したときの位置（例えば中心線Ｃ₃に対し対象な位
置）から図中左右方向に交互にずらして形成し、造形す
る３次元物体の強度を確保するようにしている。

【００２１】このようにすれば、回転反射鏡24から固定
反射鏡51を介して未硬化樹脂液13の液面（走査面）にレ
ーザ光100を照射する投光経路と、回転反射鏡24から固
定反射鏡52を介して走査面にレーザ光100を照射する投
光経路とが、並列に設けられる。したがって、回転反射
鏡24から走査面までの距離を大きくしなくとも走査領域
がＹ方向に２倍に拡大され、造形可能なサイズが大き
く、しかも小型で造形精度の高い光造形装置となる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、回転反射鏡によって光
源からの光を第１の走査方向に走査するとともに、この
反射鏡をその回転中心軸と直交する軸を中心に回転さ
せ、単一の反射鏡によって平面的な光走査を行なうよう
にしているので、走査エラーを単純化してリアルタイム
にその補正処理を実行することができ、きわめて効率的
な光造形システムを構築することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光造形装置の反射光学系の一実施
例を示すその造形システム全体の構成図である。

【図２】そのレーザ光走査装置の概略構成を示す斜視図
である。

【図３】その回転反射鏡および回転台の正面図である。

【図４】その回転反射鏡および回転台の動作説明図であ
る。

【図５】その回転台を駆動するウォームギヤ機構の構成
図である。

【図６】ピンクッションエラーの説明図である。

【図７】本発明に係る光造形装置の反射光学系の他の実
施例を示すその要部の構成図である。

【符号の説明】

11 造形槽 12 造形棚 13 未硬化樹脂液（光硬化樹脂） 14 昇降駆動手段 15 レーザ光走査装置 16 レーザ光源（光源） 18 制御装置 19 ３次元ＣＡＤシステム 20 反射光学系 23 回転反射鏡ユニット 24 回転反射鏡 25 スキャニングモータ 26 精密回転台（回転台） 100 レーザ光Ｃ₁ 回転反射鏡の回転中心軸Ｃ₂ 軸（回転台の回転中心軸）ｑ硬化層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光硬化樹脂(13)を選択的に露光して光硬化
樹脂の硬化層(ｑ)を形成し、該硬化層(ｑ)を順次積層し
一体化して３次元物体を造形する光造形装置において、光源(16)からの光(100)を反射する反射鏡(24)および該
反射鏡(24)を回転させるスキャニングモータ(25)を有
し、前記光(100)を第１の走査方向に走査する反射鏡ユ
ニット(23)と、該反射鏡ユニット(23)を支持するとともに前記反射鏡(2
4)の回転中心軸(Ｃ₁)と直交する軸(Ｃ₂)を中心に回転
し、前記反射鏡(24)の反射光(100)を第１の走査方向と
直交する第２の走査方向に走査する回転台(26)と、を備
えたことを特徴とする光造形装置の反射光学系。