JP6102995B2 - 三次元造形方法及び三次元造形装置の制御用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、基板上に形成された層状構造体を他の基板に転写して該他の基板に層状構造体を順次積層することにより立体を造形する造形方法に関する。

従来から、例えば特許文献１に記載のように、立体を造形する造形方法の一つとして、描画用基板上に形成された層状構造体を転写用基板に転写することを繰り返して層状構造体が積層されてなる立体を造形する、いわゆる積層法が知られている。特許文献１では、まず、紫外線硬化樹脂を含む液状体が形成材料として用いられるとともに、該液状体に対する撥液性が付与された描画用基板に該液状体からなる液状層が形成される。次いで、転写用基板を液状層に接触させた後に、描画用基板と転写用基板とによって挟持された上記液状層に紫外光を照射する。これによって、液状層が硬化されてなる層状構造体が描画用基板と転写用基板との間に形成される。この層状構造体と転写用基板との接着力は、上記撥液性を有した描画用基板と層状構造体との接着力よりも大きく、転写用基板が描画用基板から遠ざけられると転写用基板に接着した状態で層状構造体が描画用基板から剥離される。このようにして層状構造体が転写用基板に転写される。そして転写用基板に転写された層状構造体に対する他の層状構造体の転写が繰り返されることによって、複数の層状構造体からなる立体が造形される。

特開平１０−３４７５２号公報

しかしながら、上述した造形方法では、描画用基板の描画面に撥液性が付与されているため、また液状層と同系統の材料で構成された層状構造体と液状層との親和性が一般には高いため、以下のような問題が生じる。図１５は、層状構造体と描画用基板とによって液状層が挟持された状態を示す図である。図１５に示されるように、描画用基板２０１の描画面と転写用基板２０２に形成された層状構造体２０３とによって液状層２０４が挟持されると、層状構造体２０３と液状層２０４との高い親和性によって、液状層２０４の一部が層状構造体２０３に引き寄せられる。そして液状層２０４の一部が層状構造体２０３へ流動する結果、層状構造体２０３及び液状層２０４がその形状を維持し難くなる。つまり液状層２０４が流動する分、該液状層２０４が硬化してなる層状構造体や液状層の流動先である層状構造体２０３、ひいてはこれら層状構造体が積層されてなる立体の形状が設計上の形状とは異なるものとなってしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされてものであり、その目的は、層状構造体が積層されてなる立体の形状の精度を高めることが可能な造形方法を提供することにある。

本発明の造形方法は、硬化性を有した液状層を第１基板の描画領域に描画する描画工程と、前記液状層に第２基板を接触させた状態で該液状層を硬化させる硬化工程と、前記第１基板と前記第２基板との間隔を広げることによって前記液状層の硬化物である層状構造体を前記第２基板に転写する転写工程とを含み、前記層状構造体を有する立体を造形する造形方法であって、前記硬化工程では、前記液状層に前記第２基板を接触させる前に前記液状層を半硬化させ、その後、前記半硬化した前記液状層に前記第２基板を接触させて、前記半硬化した前記液状層を本硬化させることを要旨とする。

本発明の造形方法によれば、硬化工程において、半硬化した液状層に対して第２基板が接触する。液状層を半硬化させることによって、該液状層の流動性が抑えられることになる。そのため、液状層に第２基板を接触させたときに、第２基板側に液状層が濡れ広がることを抑えることができる。つまり、硬化工程における液状層の形状の変化が抑えられる結果、層状構造体の形状の精度を高めることができ、ひいては立体の形状の精度を高めることができる。

この造形方法は、前記硬化工程では、前記液状層を半硬化させるエネルギーを前記第１基板における前記液状層とは反対側から与えることを要旨とする。
この造形方法によれば、液状層における第１基板側の硬化が第２基板側の硬化よりも進行しやすくなる。そのため、液状層の流動性を抑えつつ、液状層と第２基板との接合性、液状層と第２基板が有する層状構造体との接合性、これらの接合性をより確実に得ることができる。

この造形方法において、前記液状層は、光硬化性を有し、前記硬化工程では、１つの光源を用いて、前記液状層を半硬化させる光の強度と、前記液状層を本硬化させる光の強度とを同じにすることを要旨とする。

この造形方法によれば、液状層に光を照射するだけで該液状層を硬化させることができる。ここで、光硬化性の液状層は、照射される光の強度や照射時間に応じて硬化度合いが変化する。すなわち、照射する光の強度や照射時間を変えることで液状層の硬化度合いを変えることができる。上述した構成であれば、光の照射時間のみを調整するだけで液状層の硬化度合いを調整することができる。これにより、例えば、照射時間を一定として、１つの光源が強度の異なる光を出射することによって、あるいは、強度の異なる光を出射する複数の光源を用いることによって、液状層の半硬化及び本硬化を行う場合に比べて、装置の構成を簡素化することができる。

この造形方法において、前記第１基板の描画領域には、前記液状層を構成する液状体に対して相対的に高い撥液性を示す撥液領域と、前記撥液領域内に点在して、前記液状体に対して相対的に低い撥液性を示す親液領域とが形成されていることを要旨とする。

この造形方法のように、液状層を構成する液状体に対する撥液性を描画領域に付与することによって、転写工程において層状構造体を描画領域から剥離させやすくすることができる。一方、描画領域の全域にわたって撥液性が付与されているとなれば、描画領域上において液状層が移動しやすくなるため、該液状層の形状及び位置が維持され難くなる。

これに対して、上述した造形方法によれば、描画領域には、液状体に対して高い撥液性を示す撥液領域内に、液状体に対して低い撥液性を示す親液領域が点在していることから、描画領域上に形成された液状層の一部を親液領域に保持させることができる。そのため、撥液領域のみで構成される描画領域に形成される液状層に比べて、液状層の形状及び位置が維持されやすくなる。つまり、上述した造形方法によれば、層状構造体を描画領域から容易に剥離させることができるとともに、液状層の形状の精度を高めることができる。

この造形方法において、前記描画工程では、前記液状層を構成する液状体を液滴にして吐出する液滴吐出法を用いて、前記描画領域に前記液状層が描画されることを要旨とする。

この造形方法のように、液状体を液滴にして吐出する液滴吐出法を用いて描画領域に液状層を描画することで描画領域に高精細な液状層を形成することができる。しかも、撥液領域内に親液領域が点在している場合には、描画領域に着弾した液滴の移動が制限されることから、より高精細な液状層を描画することができる。

本発明の造形方法を具体化した一実施形態に用いられる造形システムの構成を示す図。 造形システムを構成する造形装置の斜視構造を示す斜視図。 造形装置が有する液滴吐出ヘッドの側面構造を示す側面図。 液滴吐出ヘッドが有するノズル形成面の平面構造を示す平面図。 液滴吐出ヘッドの内部構造を示す側断面図。 描画用基板の描画面の一部を模式的に示す部分拡大図。 造形装置が有する露光部及び転写部の斜視構造を示す斜視図。 露光部及び転写部の側面構造を示す側面図。 造形装置の電気的構成を示すブロック図。 造形システムによって造形される立体の積層構造の一例を示す図。 本発明の造形方法を具体化した手順を示すフローチャート。 描画用基板と転写用基板とによって第１層目の液状層が挟持された状態の一例を模式的に示す図。 描画用基板と転写用基板とによって第２層目の液状層が挟持された状態の一例を模式的に示す図。 描画用基板と転写用基板とによって第ｋ層目の液状層が挟持された状態の一例を模式的に示す図。 従来例において、描画用基板と転写用基板とに挟まれた液状層の状態を模式的に示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態における造形方法について図１〜図１４を参照して説明する。まず、造形方法に用いられる造形システムについて説明する。図１は、造形システムの概略構成を示す図である。図１に示されるように、造形システム１は、コンピューター３と、造形装置５とで構成されている。コンピューター３は、立体７を複数の層状構造体からなる積層体として取り扱うために、立体７の形状を示すデータに基づいて各層状構造体の形状を示すデータを生成する。コンピューター３は、層状構造体の形状を示すデータである層形状データを造形装置５に出力する。造形装置５は、コンピューター３から出力される層形状データに基づいて該層形状データが示す形状の層状構造体を形成するとともに、層状構造体を順次積層することによって立体７を造形する。

次に、造形システム１を構成する造形装置５について図２を参照して説明する。図２は、造形装置の斜視構造を示す斜視図である。図２に示されるように、造形装置５は、基板搬送部１０と、キャリッジ搬送部２０と、露光部７０と、転写部８０とを有している。

基板搬送部１０は、一つの方向に沿って延びる基台１２を有している。基台１２の上面１２ａには、基台１２が延びる方向である搬送方向Ｘに沿って延びる一対のガイドレール１３ａ，１３ｂが敷設されている。一対のガイドレール１３ａ，１３ｂには、基板搬送モーター１６（図９参照）の駆動軸に伝達機構を介して連結された搬送テーブル１４が配設されている。そして基板搬送モーター１６が駆動されると、ガイドレール１３ａ，１３ｂに沿って、転写部８０と対向する転写エリアと該転写エリアとは反対側の待機エリアとの間で搬送テーブル１４が移動する。

搬送テーブル１４は、露光部７０が出射する紫外光７１（図８参照）に対して透過性を有した例えばガラスや石英などで構成されている。搬送テーブル１４の上面１４ａには、矩形状の描画面１５ａを有した第１基板としての描画用基板１５が載置されている。描画用基板１５は、これもまた露光部７０が出射する紫外光７１（図８参照）に対して透過性を有した例えばガラスや石英などで構成されている。

キャリッジ搬送部２０は、基台１２が延びる方向と直交する方向であるヘッド移動方向Ｙにおける基台１２の両側に立設された支柱２１ａ，２１ｂと、該支柱２１ａ，２１ｂに架設されたガイド部材２２とを有している。なお、搬送方向Ｘ及びヘッド移動方向Ｙに直交する方向を鉛直方向Ｚという。ガイド部材２２には、ガイド部材２２が延びる方向に沿ってガイドレール２３が配設されている。ガイドレール２３には、キャリッジモーター２７（図９参照）の駆動軸に伝達機構を介して連結されたキャリッジ２４が配設されている。そしてキャリッジモーター２７が駆動されると、ガイドレール２３に沿ってキャリッジ２４が移動する。このキャリッジ２４には、ヘッドプレート２５を介して液滴吐出ヘッド３０が搭載されている。なお、本実施形態の造形装置５においては、搬送テーブル１４が移動する経路のうち、液滴吐出ヘッド３０が移動する経路と相対向する領域を描画エリアという。

次に、キャリッジ２４に搭載される液滴吐出ヘッド３０について図３〜図５を参照して説明する。図３は、キャリッジ２４が移動する方向から見た液滴吐出ヘッドの側面図である。図４は、ノズル形成面の平面構造を示す平面図である。図５は、液滴吐出ヘッドの内部構造を示す側断面図である。

図３に示されるように、液滴吐出ヘッド３０は、ヘッドプレート２５に連結されるヘッド本体３１と、ヘッド本体３１の底部に設けられたノズルプレート３２とを有している。ノズルプレート３２は、液滴吐出ヘッド３０と描画用基板１５とが対向するときに、ノズル形成面３２ａと描画用基板１５の描画面１５ａとが略平行になるように配置されている。そしてノズル形成面３２ａと描画面１５ａとが相対向するとき、液滴吐出ヘッド３０は、これらの間に液滴５５（図５参照）が飛行する空間を形成する。またノズルプレート３２のノズル形成面３２ａは、ヘッド本体３１と描画用基板１５とが相対向している間、ノズル形成面３２ａと描画面１５ａとの距離であるプラテンギャップが所定の距離に維持される。ノズル形成面３２ａには、鉛直方向Ｚに沿ってノズルプレート３２を貫通するノズル３３が複数形成されている。

図４に示されるように、ノズルプレート３２には、描画用基板１５が移動する方向に沿ってピッチ寸法Ｐで配列された複数のノズル３３からなる２本のノズル列３４ａ，３４ｂが液滴吐出ヘッド３０の移動する方向に並設されている。このノズル列３４ａ，３４ｂを構成する複数のノズル３３は、液滴吐出ヘッド３０が移動する方向から見て、ノズル列３４ａにおけるノズル３３の間を補うようにノズル列３４ｂにおけるノズル３３が配置されている。そして、これら２本のノズル列３４ａ，３４ｂによってノズル群３５Ｋが構成されている。なお、ノズルプレート３２には、ノズル群３５Ｋと同様の構成からなるノズル群３５Ｃ、ノズル群３５Ｍ、ノズル群３５Ｙ、ノズル群３５Ｗ、及びノズル群３５Ｔが液滴吐出ヘッド３０の移動する方向に併設されている。

図５に示されるように、ヘッド本体３１は、ノズルプレート３２に接合されるとともに、各ノズル３３に連通した複数のキャビティ４５を有したキャビティプレート４１と、各キャビティ４５を覆うようにキャビティプレート４１に接合された振動板４２とを有している。またヘッド本体３１は、各キャビティ４５に対向するように振動板４２に接合された複数の圧電素子４３を有している。このような構成からなる液滴吐出ヘッド３０では、駆動電圧を受けた圧電素子４３が鉛直方向Ｚに伸縮すると、各キャビティ４５に収容された液状体５０の一部が駆動電圧に応じたサイズや速度を有する液滴５５としてノズル３３から吐出された後に描画面１５ａに着弾する。そして描画面１５ａには、着弾した液滴５５によって液状層５８（図１３参照）が描画される。なお、このような液滴吐出ヘッド３０を用いて液状層５８を描画する構成であれば、ディスペンサ法を用いて形成されたものよりも高精細な液状層５８を描画することが可能である。

次に、ノズル３３から液滴５５として吐出される液状体５０について説明する。本実施形態の液状体５０は、紫外光によって硬化が進行する光硬化性を有した光硬化剤が樹脂材料に添加されてなる液状体である。こうした液状体５０を構成する樹脂材料としては、例えば、アクリル系やエポキシ系の樹脂材料など採用することが可能である。また光硬化剤としては、例えば、ラジカル重合型の光重合開始剤や、カチオン重合型の光重合開始剤などが採用することが可能である。なお、ラジカル重合型の光重合開始剤としては、例えば、イソブチルベンゾインエーテルや、イソプロピルベンゾインエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインメチルエーテル、ベンジル、ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ジエトキシアセトフェノン、クロロチオキサントン、イソプロピルチオキサントンなどが挙げられる。カチオン重合型の光重合開始剤としては、例えば、アリールスルホニウム塩誘導体や、アリルヨードニウム塩誘導体、ジアゾニウム塩誘導体、トリアジン系開始剤などが挙げられる。

上述した液状体５０は、それに照射させる紫外光の強度及び照射時間に応じて、該液状体５０の硬化の進行する度合いが異なる。例えば、液状体５０に照射される紫外光の強度が一定ならば、紫外光の照射時間が長くなるほど、液状体５０の硬化がより進行することになる。また、液状層に照射させる紫外光の照射時間が一定ならば、紫外光の強度が高くなるほど、液状体５０の硬化がより進行することになる。それゆえに、液状体５０に照射する紫外光の強度や照射時間を変えることによって、液状体５０の硬化度合いを変えることが可能である。

また、上記構成の液状体５０に顔料や染料等の色素や、親液性あるいは撥液性を示す表面改質材料などの機能性材料を添加することによって、固有の機能を有する液状体５０を生成することも可能である。なお本実施形態の造形装置５には、液状体５０として、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）及びホワイト（Ｗ）の各色で構成された５種類の液状体５０Ｙ，５０Ｍ，５０Ｃ，５０Ｋ，５０Ｗと、光透過性を有する樹脂材料で構成された液状体５０Ｔとが用いられている。そしてノズル群３５Ｋ，３５Ｃ，３５Ｍ，３５Ｙ，３５Ｗ，３５Ｔの各々には、それに対応する液状体５０Ｋ，５０Ｃ，５０Ｍ，５０Ｙ，５０Ｗ，５０Ｔが供給される。

次に、液滴５５が着弾する描画用基板１５の描画面１５ａについて説明する。図６は、描画用基板の描画面の一部を模式的に示す部分拡大図である。
図６に示されるように、描画面１５ａの描画領域には、液状体５０に対して撥液性を示す材料がコーティングされていることによって、撥液領域６０が形成されている。描画面１５ａに撥液性を持たせることにより、描画面１５ａにおいて硬化した液状体５０を該描画面１５ａから剥離させやすくすることができる。液状体５０に対して撥液性を示す材料としては、例えば、フッ素やフッ素化合物を含有する材料が挙げられる。撥液領域６０は、フッ素やフッ素化合物を含有するガス中に基板を曝す気相法、フッ素やフッ素化合物を含有する溶液中に基板を浸す浸液法、該溶液を基板に吹き付けるスプレー法、該溶液を基板の表面で伸ばすスピンコート法などによって形成される。また、フッ素やフッ素化合物を含有するガス中で基板をプラズマ処理することによっても形成される。本実施形態では、フッ素化合物の１つであるフルオロアルキルシラン化合物を含む材料が描画面１５ａにコーティングされている。

また、撥液領域６０には、撥液領域６０よりも液状体５０に対して低い撥液性を示す親液領域６１が複数設けられている。親液領域６１は、例えば、撥液領域６０が形成された描画面１５ａにレーザー光を照射することにより形成される。親液領域６１は、互いに直交するとともに所定間隔の仮想線６３，６４によって形成される正方格子の交点を中心に液滴５５の外径と略等しい径で形成されている。親液領域６１は、隣接する親液領域６１との離間距離ｆｘ，ｆｙが液滴５５の外径の１．２５倍以下になるように配置される。こうした親液領域６１を形成することによって、親液領域６１に着弾した液滴５５を該親液領域６１に保持させることができる。また隣接する親液領域６１との離間距離ｆｘ，ｆｙが液滴５５の外径の１．２５倍以下になるように配置することによって、隣接する親液領域６１の隙間に着弾した液滴５５が描画面１５ａ上で濡れ広がったときに該液滴５５を隣接する親液領域６１で保持させることが可能である。つまり、液状層５８を構成する液状体５０の一部を親液領域６１に保持させることが可能になる。これにより、撥液領域６０のみで構成される描画面１５ａに形成された液状層５８に比べて、液状層５８を構成する液状体５０が描画面１５ａ上を移動し難くすることができる。その結果、液状層５８の位置ずれや形状の変化といった不具合を抑えることができる。

次に、液状層５８の硬化を進行させる露光部７０について図７及び図８を参照して説明する。図７は、露光部及び転写部の斜視構造を示す斜視図である。図８は、描画用基板１５が移動する方向から見た露光部及び転写部の側面図である。

図７及び図８に示されるように、露光部７０は、基台１２が延びる方向における該基台１２の一端部に設けられている。露光部７０は、基台１２におけるガイドレール１３ａ，１３ｂ間に設けられた凹部１２ｂ内に配設されるとともに、該凹部１２ｂの開口部に向けて所定の波長及び強度を有した紫外光７１を光源７３から出射する。凹部１２ｂの開口部には、光源７３から出射された紫外光７１を透過する蓋板７５が配設されている。紫外光７１としては、描画面１５ａに形成されたコーティング膜が破壊されないように、２００ｎｍよりも長い波長の紫外光が好ましい。光源７３としては、例えば、水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、エキシマランプ等を用いることができる。そして搬送テーブル１４が転写エリアに位置しているときに光源７３から紫外光７１が出射されると、蓋板７５、搬送テーブル１４、及び描画用基板１５を通過した紫外光７１が描画面１５ａに描画された液状層５８に到達する。

次に、転写部８０について同じく図７及び図８を参照して説明する。図７及び図８に示されるように、転写部８０は、液滴吐出ヘッド３０が移動する方向における基台１２の両側に立設された支柱８１ａ，８１ｂと、露光部７０と相対向するように支柱８１ａ，８１ｂに架設された架設部材８２とを有している。液滴吐出ヘッド３０が移動する方向において架設部材８２の中央部には、露光部７０に向かって延びる支持部材８３が鉛直方向Ｚに移動するように取り付けられている。この支持部材８３の基端は、昇降モーター８６の駆動軸に伝達機構を介して連結されるとともに、該昇降モーター８６に駆動されて鉛直方向Ｚに移動する。また支持部材８３の先端には、第２基板を構成する矩形状の転写用基板８５が固定されている。転写用基板８５は、描画用基板１５の描画面１５ａに対して平行な造形面８５ａを有している。造形面８５ａは、搬送テーブル１４が転写エリアに配置されているときに、描画用基板１５の描画面１５ａにおける中心と該造形面８５ａにおける中心とが鉛直方向Ｚで一致するかたちで、描画用基板１５の描画面１５ａと相対向する。ちなみに、転写用基板８５の造形面８５ａは、描画用基板１５の描画面１５ａよりも液状体５０に対する撥液性が低くなるように構成されている。

次に、造形装置５の電気的構成について図９を参照して説明する。図９は、造形装置の電気的構成を示すブロック図である。図９に示されるように、造形装置５は、造形装置５を統括制御する制御部１０１を有している。制御部１０１は、ＣＰＵ１０２と、駆動制御部１０３と、記憶部１０４とを有している。ＣＰＵ１０２、駆動制御部１０３及び記憶部１０４は、バス１１１を介して互いに接続されている。

駆動制御部１０３は、モーター制御部１３１、位置検出制御部１３３、吐出制御部１３５、露光制御部１３７から構成されている。駆動制御部１０３の各構成部は、ＣＰＵ１０２からの指令に基づいて、基板搬送部１０、キャリッジ搬送部２０、液滴吐出ヘッド３０、露光部７０、転写部８０における駆動の態様を制御する。記憶部１０４は、ＲＡＭやＲＯＭなどで構成されて、造形装置５における各種制御プログラム１０５を記憶する領域や、各種のデータが一時的に展開された展開データ１０６を記憶するための領域を有する。

制御部１０１には、インターフェース１１３（以下では、Ｉ／Ｆ１１３とよぶ）を介して上記コンピューター３が接続されている。コンピューター３は、立体７を複数の層状構造体からなる積層体として取り扱うために、立体７の形状を示すデータに基づいて各層状構造体の形状を示すデータを生成して制御部１０１に出力する。また、コンピューター３は、紫外光７１の照射時間に関わる情報が規定されたデータである照射時間データを生成して制御部１０１に出力する。照射時間に関わる情報とは、光源７３を用いて液状体５０を半硬化させるための照射時間Ｔｈ、及び光源７３を用いて半硬化させた液状体５０を完全に硬化させるための照射時間Ｔｆに関わる情報である。

ここで、複数の層状構造体からなる積層体として立体７を取り扱う態様について図１０を参照して説明する。図１０は、造形システムによって造形される立体の積層構造の一例を示す図である。

図１０に示されるように、コンピューター３は、立体７の形状を示すデータに基づいて、厚さｔｎを有した立体７を、膜厚ｔを有するｎ層（ｎは、２以上の整数）の層状構造体１２０に仮想的に分割する。コンピューター３は、層状構造体１２０の各々に対して、層状構造体１２０の大きさ、厚さ、形、位置、配色などを示す層形状データを生成する。

モーター制御部１３１は、ＣＰＵ１０２からの指令に基づいて、基板搬送モーター１６、キャリッジモーター２７、及び昇降モーター８６の各々を駆動する。位置検出制御部１３３は、ＣＰＵ１０２からの指令に基づいて搬送テーブル１４の位置、キャリッジ２４の位置、及び転写用基板８５の位置の各々を、テーブル位置検出装置１４１、キャリッジ位置検出装置１４３、及び転写用基板位置検出装置１４５に検出させる。位置検出制御部１３３は、テーブル位置検出装置１４１、キャリッジ位置検出装置１４３、及び転写用基板位置検出装置１４５の検出結果に基づいて搬送テーブル１４の位置、キャリッジ２４の位置、及び転写用基板８５の位置を示す信号をＣＰＵ１０２に出力する。吐出制御部１３５は、ＣＰＵ１０２からの指令に基づいて液滴吐出ヘッド３０を駆動する。吐出制御部１３５は、記憶部１０４に格納された液滴５５を吐出するためのデータに基づいて、圧電素子４３に駆動電圧を供給することでノズル３３から液滴５５を吐出させる。露光制御部１３７は、ＣＰＵ１０２からの指令に基づいて、光源７３への電力供給とその遮断とを実行する。

また、制御部１０１には、バス１１１を介してタイマー部１５０が接続されている。制御部１０１は、タイマー部１５０は、ＣＰＵ１０２からの指令に基づいて、紫外光７１の照射時間を計測する。

次に、上述した構成の造形装置５による造形方法について図１１を参照して説明する。図１１は、造形方法の手順を示すフローチャートである。
図１１に示されるように、本実施形態の造形方法は、コンピューター３によって層形状データが生成される層形状データ生成工程（ステップＳ１０）が行われる。次いで、第１層目の層形状データに基づく液状層５８が描画用基板１５に描画される描画工程（ステップＳ２０）が行われる。続いて、第１層目の液状層５８を半硬化させる半硬化工程（ステップＳ３０）が行われる。続いて、描画用基板１５と転写用基板８５とによって第１層目の液状層５８が挟持された状態で液状体５０を本硬化させる本硬化工程（ステップＳ４０）と、転写用基板８５側に層状構造体１２０を転写する転写工程（ステップＳ５０）とが順に行われる。そして、全ての層状構造体１２０に対する転写が終了したか否かの判断がなされる（ステップＳ６０）。全ての層状構造体１２０に対する転写が終了していない場合（ステップＳ６０：ＮＯ）には、全ての層状構造体１２０に対する転写が終了するまで、後続する層状構造体の描画工程（ステップＳ２０）、半硬化工程（ステップＳ３０）、本硬化工程（ステップＳ４０）、転写工程（ステップＳ５０）が繰り返される。

描画工程（ステップＳ２０）では、描画面１５ａに膜厚ｔの液状層５８が描画される。この液状層５８を描画する処理は、制御部１０１によって以下のようにして実行される。まず制御部１０１は、記憶部１０４に記憶された制御プログラムに従って、描画対象である液状層５８に対応する層形状データを読み出した後、該層状構造体が形成される位置と該層状構造体の膜厚ｔとを該層形状データから把握する。次いで制御部１０１は、層状構造体の位置と該層状構造体の膜厚ｔとに基づいて、液状層５８を描画するために必要とされる液滴の直径、数量、位置を決定する。制御部１０１は、該液滴の直径、数量、位置を示す液状層描画データを生成した後、該液状層描画データを記憶部１０４における所定の記憶領域に一旦格納する。

そして制御部１０１は、待機エリアから描画エリアへ描画用基板１５を搬送した後、液状層描画データを用いて、液滴吐出ヘッド３０と描画用基板１５とを相対的に移動させながら、膜厚ｔからなる液状層５８を描画面１５ａに描画する。

半硬化工程（ステップＳ３０）では、液状層５８を構成する液状体５０を半硬化させる。液状体５０を半硬化させる半硬化処理は、制御部１０１によって以下のようにして実行される。まず制御部１０１は、記憶部１０４に記憶された制御プログラムに従って、描画エリアに位置している描画用基板１５を転写エリアまで搬送する。次いで制御部１０１は、光源７３への電力供給を開始して液状層５８に紫外光７１を照射するとともに、タイマー部１５０を用いて紫外光７１の照射時間を計測する。制御部１０１は、紫外光７１の照射時間が上記照射時間Ｔｈを超えると、光源７３への電力供給を遮断する。このように、液状層５８を構成する液状体５０に含まれるモノマーの一部について重合を開始させることで該液状体５０の粘度を高める半硬化処理を施すことによって、該液状体５０の流動性を抑えることができる。

本硬化工程（ステップＳ４０）では、液状層５８を描画用基板１５と転写用基板８５とによって挟持させた状態で、液状層５８に残存しているモノマーの重合を開始させることで該液状層５８を硬化させて層状構造体１２０を形成する。液状体５０を本硬化させる本硬化処理は、制御部１０１によって以下のようにして実行される。まず制御部１０１は、記憶部１０４に記憶された制御プログラムに従って、硬化させる液状層５８に応じた位置まで転写用基板８５を降下させて、液状層５８を描画用基板１５と転写用基板８５とによって挟持させる。次いで制御部１０１は、光源７３への電力供給を開始して液状層５８に紫外光７１を照射するとともに、タイマー部１５０を用いて紫外光７１の照射時間を計測する。制御部１０１は、紫外光７１の照射時間が上記照射時間Ｔｆを超えると、光源７３への電力供給を遮断する。

転写工程（ステップＳ５０）では、硬化工程（ステップＳ４０）で形成された層状構造体１２０を転写用基板８５に転写させる。層状構造体１２０を転写させる転写処理は、制御部１０１によって以下のようにして実行される。制御部１０１は、記憶部１０４に記憶された制御プログラムに従って、転写用基板８５を上昇させる。この際、層状構造体１２０は、描画用基板１５に対する接着力よりも転写用基板８５に対する接着力の方が大きいことから、転写用基板８５に接着した状態で描画用基板１５から剥離される。こうして層状構造体１２０が転写用基板８５側に積層される。

次に、液状体５０の半硬化により本硬化工程にて発現される作用について図１２〜図１４を参照して説明する。
図１２は、描画用基板と転写用基板とによって第１層目の液状層が挟持された状態の一例を模式的に示す図である。図１３は、描画用基板と転写用基板とによって第２層目の液状層が挟持された状態の一例を模式的に示す図である。図１４は、描画用基板と転写用基板とによって第ｋ層目の液状層が挟持された状態の一例を模式的に示す図である。

上述した造形方法においては、まず、第１層目の層状構造体１２０が転写用基板８５に積層される。図１２に示されるように、第１層目の層状構造体１２０に関わる硬化工程（ステップＳ４０）において、制御部１０１は、描画用基板１５と転写用基板８５との距離が膜厚ｔと等しくなる位置まで転写用基板８５を降下させる。

第１層目の液状層５８を構成する液状体５０は、描画用基板１５と転写用基板８５とによって挟持されることで造形面８５ａに濡れ広がろうとする一方、半硬化処理によってその流動性が抑えられている。そのため、半硬化処理が行われていない液状層５８を構成する液状体５０に比べて、液状層５８を描画用基板１５と転写用基板８５とで挟持させたときに、造形面８５ａへの液状層５８の濡れ広がりが抑えられる。つまり、液状層５８の形状の変化を抑えた状態で該液状層５８を硬化させることができる。それゆえに、第１層目の層状構造体１２０における形状の精度を高めることができる。

次に、第２層目の層状構造体１２０が第１層目の層状構造体１２０に積層される。図１３に示されるように、第２層目の液状層５８は、第１層目の層状構造体１２０と同じ幅を有する膜厚ｔの液状層５８である。第２層目の層状構造体１２０に関わる硬化工程（ステップＳ４０）において、制御部１０１は、描画用基板１５と転写用基板８５との距離が距離（２×ｔ）と等しくなる位置まで転写用基板８５を降下させる。

第２層目の液状層５８は、転写用基板８５に積層された第１層目の層状構造体１２０を介して、描画用基板１５と転写用基板８５とによって挟持される。すなわち転写用基板８５と第１層目の層状構造体１２０とによっての第２基板が構成される。この際、第２層目の液状層５８を構成する液状体５０は、第１層目の層状構造体１２０に濡れ広がろうとする一方、半硬化処理によってその流動性が抑えられている。そのため、半硬化処理が行われていない液状層５８を構成する液状体５０に比べて、液状層５８を描画用基板１５と転写用基板８５とで挟持させたときに、第１層目の層状構造体１２０への第２層目の液状層５８の濡れ広がりが抑えられる。これにより、第２層目における層状構造体１２０の形状の精度を高めることができるとともに、第２層目の液状層５８の濡れ広がりに起因する第１層目の層状構造体１２０の形状の変化を抑えることもできる。

やがて、第ｋ層目の層状構造体１２０が第（ｋ−１）層目の層状構造体１２０に積層される。このとき、転写用基板８５と第１層目から第（ｋ−１）層目までの層状構造体とによって第２基板が構成される。図１４に示されるように、第ｋ層目の液状層５８は、第（ｋ−１）層目の層状構造体１２０よりも幅広である膜厚ｔの液状層５８である。このような場合、第ｋ層目の液状層５８は、第（ｋ−１）層目の層状構造体１２０の側面に対して濡れ広がりやすいため、第（ｋ−１）層目及び第ｋ層目の層状構造体１２０に形状の変化が生じやすい。

第ｋ層目の層状構造体１２０に関わる硬化工程（ステップＳ４０）において、制御部１０１は、描画用基板１５と転写用基板８５との距離が距離（ｋ×ｔ）と等しくなる位置まで転写用基板８５を降下させる。第ｋ層目の液状層５８は、転写用基板８５に積層された第１層目から第（ｋ−１）層目までの層状構造体１２０を介して、描画用基板１５と転写用基板８５とによって挟持される。第ｋ層目の液状層５８を構成する液状体５０は、第（ｋ−１）層目の層状構造体１２０の側面に濡れ広がろうとする一方、半硬化処理によってその流動性が抑えられている。そのため、半硬化処理が行われていない液状層５８を構成する液状体５０に比べて、液状層５８を描画用基板１５と転写用基板８５とで挟持させたときに、第（ｋ−１）層目の層状構造体１２０の側面への第ｋ層目の液状層５８の濡れ広がりが抑えられる。これにより、第ｋ層目における層状構造体１２０の形状の精度を高めることができるとともに、第ｋ層目の液状層５８の濡れ広がりに起因する第（ｋ−１）層目の層状構造体１２０の形状の変化を抑えることもできる。

以上説明したように、上述した造形方法によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）液状層５８を構成する液状体５０を半硬化させてから、該液状層５８を描画用基板１５と転写用基板８５とで挟持させた。こうした構成によれば、液状層５８を構成している液状体５０の流動性が抑えられることから、描画用基板１５と転写用基板８５とによって液状層５８を挟持したときに、液状層５８が転写用基板８５あるいは層状構造体１２０に濡れ広がることを抑えることができる。これにより、液状層５８の形状の変化を抑えることができる。それゆえに、各層状構造体１２０の形状の精度を高めることができ、ひいては層状構造体１２０の積層体である立体７の形状の精度を高めることが可能である。

（２）第（ｋ−１）層目の層状構造体１２０よりも幅広な第ｋ層目の液状層５８は、第（ｋ−１）層目の層状構造体１２０の側面に濡れ広がりやすいが、こうした場合であっても、第（ｋ−１）層目の層状構造体１２０の側面に液状層５８が濡れ広がることを抑えることができる。それゆえに、第ｋ層目の層状構造体１２０の形状の精度を高めることができるとともに、層状構造体１２０の側面に濡れ広がってしまった液状体５０に起因する層状構造体１２０の形状の変化、特に造形面８５ａと平行な方向における寸法の変化を抑えることができる。

（３）液状層５８に対して描画用基板１５側から紫外光７１を照射することによって、液状層５８における描画用基板１５側の硬化が、転写用基板８５側の硬化よりも進行しやすくなる。すなわち、本硬化工程において、描画用基板１５あるいは先行して転写された層状構造体１２０に接触する部分は、半硬化した液状層５８の中でも粘度の低い部分となる。それゆえに、液状層５８と転写用基板８５との接合性、液状層５８と転写用基板８５が有する層状構造体１２０との接合性、これらの接合性をより確実に得ることができる。

（４）液状体５０は、紫外光７１を照射されることによって硬化する光硬化性を有している。こうした構成であれば、液状層５８に紫外光７１を照射するだけで該液状層５８を硬化させることができる。

（５）光源７３から照射される所定強度の紫外光７１を用いて照射時間に基づき液状層５８の半硬化及び本硬化を行うことで、照射時間を一定として紫外光７１の強度に基づき液状層５８の半硬化及び本硬化を行う場合に比べて、造形装置５の構成を簡素化することができる。

（６）描画面１５ａは、撥液領域６０を有している。こうした構成によれば、描画面１５ａにおいて硬化した液状層５８を該描画面１５ａから剥離させやすくすることができる。

（７）また、撥液領域６０内には親液領域６１が点在している。こうした構成によれば、描画面１５ａに描画された液状層５８を構成する液状体５０の一部が親液領域６１に保持されることになる。これにより、液状層５８の位置ずれや形状の変化、層状構造体１２０の位置ずれや形状の変化を抑えることができる。ひいては層状構造体１２０の積層体である立体７の形状の精度を、より高めることが可能である。

（８）上記実施形態では、液滴吐出ヘッド３０から液状体５０の液滴５５が吐出される液滴吐出法を用いて、描画面１５ａに液状層５８を描画した。こうした構成によれば、描画面１５ａ上に液状層５８を高精細に形成することができる。しかも本実施形態では、描画面１５ａには撥液領域６０内に親液領域６１が点在していることから、より高精細な液状層５８を形成することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、液状体５０を液滴５５にして吐出する液滴吐出法を用いて描画面１５ａに液状層５８を描画した。これに限らず、描画面１５ａに液状層５８を描画する方法は、例えばディスペンサ法などであってもよい。

・上記実施形態では、描画面１５ａには、撥液領域６０と該撥液領域６０内に点在している親液領域６１とが形成されている。これを変更して、親液領域６１を割愛してもよい。こうした構成であれば、転写工程（ステップＳ５０）において、描画面１５ａから層状構造体１２０を剥離させる点について優れている。

・また、転写工程（ステップＳ５０）において、描画用基板１５と転写用基板８５とで挟持された層状構造体１２０が転写用基板８５の上昇によって転写用基板８５側に転写されるのであれば、撥液領域６０を割愛してもよい。

・上記実施形態では、撥液領域６０にレーザー光を照射することによって、親液領域６１を形成した。これに限らず、撥液領域６０内に親液領域６１を形成する方法としては、例えば、波長が２００ｎｍよりも短い紫外光を撥液領域６０に照射することによっても親液領域６１を形成することが可能である。また、親液領域６１の配置に対応するレジストパターンを描画面１５ａに形成したのち、エッチングすることによって描画面１５ａに凹凸を形成する。そして、その描画面１５ａに撥液材料をコーティングしたのち、凸部を研磨することによっても親液領域６１を形成することが可能である。

・上記実施形態では、仮想線６３，６４によって形成される正方格子に従って親液領域６１が配置されている。これを変更して、親液領域６１を例えば千鳥状に配置される構成でもよいし、親液領域６１の外形や隙間の寸法を規定したうえで所定領域に該親液領域６１が最密充填されるように親液領域６１が配置される構成であってもよい。またフィボナッチ数列を利用した螺旋状に親液領域６１を配列してもよい。千鳥状に親液領域６１を配置した場合には、互いに直交する２つの直線と該２つの直線に対して傾斜した斜線とによって外形が構成される層状構造体１２０に好適である。最密充填されるように親液領域６１を配置した場合には、外形が矩形状の層状構造体１２０に好適である。またフィボナッチ数列を利用して螺旋状に配列した場合には、直線だけでなく曲線で外形が構成される層状構造体１２０に好適である。

・上記実施形態では、光硬化性を有する液状体５０によって液状層５８が形成される。これを変更して、例えば熱硬化性を有する液状体によって液状層５８が形成される構成であってもよい。また例えば、光硬化性を有する液状体と熱硬化性を有する液状体とが混合されてなる液状体によって液状層５８が形成される構成であってもよい。この構成によれば、光硬化性に基づく硬化と熱硬化性に基づく硬化とを互いに異なるタイミングで進行させることが可能であるため、液状層５８の硬化度合いの制御性、すなわち液状層５８を半硬化状態にするという制御が容易にもなる。

・上記実施形態では、液状体５０の硬化度合いを紫外光７１の照射時間を用いて制御した。これに限らず、例えば、半硬化処理及び本硬化処理における照射時間を予め定めたうえで、光源７３が発する紫外光７１の強度を変えることによって、液状体５０の硬化度合いを制御するようにしてもよい。

・上記実施形態では、光源７３への電力の供給及び遮断によって紫外光７１の照射の態様を制御している。これを変更して、光源７３に電力を供給し続けるとともに、凹部１２ｂの開口部を開閉するシャッターの開閉によって紫外光７１の照射の態様を制御するようにしてもよい。こうした構成によれば、光源７３から出射される光量の安定化を図ることが可能であるため、紫外光７１の照射量の安定化、液状層５８における硬化の度合いの安定化を図ることが可能である。ひいては、立体７の形状の精度を、より高めることが可能である。

・また、光源７３に電力を供給し続ける場合には、液状層５８を半硬化させる照射時間Ｔｈだけ経過するタイミングに合わせて、描画用基板１５と転写用基板８５とによって液状層５８が挟持されるように転写用基板８５を降下させてもよい。こうして構成であれば、半硬化工程（ステップＳ３０）から硬化工程（ステップＳ４０）までの処理時間の短縮が見込まれる。

・上記実施形態において、例えば転写用基板８５を紫外光７１に対して透過性を有する材料で形成するとともに該転写用基板８５の背面に光源を設置することによって、転写用基板８５側から紫外光７１を液状層５８に照射してもよい。

・上記実施形態における液状層５８の半硬化とは、液状層５８にエネルギーを与えることによって液状層５８が硬化を開始してから液状層５８全体が完全に硬化するまでの間における硬化状態を指すものであって、例えば液状層５８が部分的に完全に硬化したものも含むものである。

・上記実施形態の造形装置５は、１つの液滴吐出ヘッド３０によって液状層５８が描画されている。これを変更して、複数の液滴吐出ヘッド３０によって液状層５８が描画されるという構成であってもよい。こうした構成であれば、描画工程（ステップＳ２０）における処理時間の短縮が見込まれる。

・上記実施形態の造形装置５では、圧電素子駆動方式の液滴吐出ヘッド３０によって液滴５５が吐出されている。これを変更して、液滴吐出ヘッドから液滴５５を吐出するという観点からすれば、抵抗加熱方式や静電駆動方式の液滴吐出ヘッドによって液滴５５が吐出されるという構成であってもよい。

１…造形システム、３…コンピューター、５…造形装置、７…立体、１０…基板搬送部、１２…基台、１２ａ…上面、１２ｂ…凹部、１３ａ，１３ｂ…ガイドレール、１４…搬送テーブル、１４ａ…上面、１５…描画用基板、１５ａ…描画面、１６…基板搬送モーター、２０…キャリッジ搬送部、２１ａ，２１ｂ…支柱、２２…ガイド部材、２３…ガイドレール、２４…キャリッジ、２５…ヘッドプレート、２７…キャリッジモーター、３０…液滴吐出ヘッド、３１…ヘッド本体、３２…ノズルプレート、３２ａ…ノズル形成面、３３…ノズル、３４ａ，３４ｂ…ノズル列、３５Ｃ，３５Ｋ，３５Ｍ，３５Ｔ，３５Ｗ，３５Ｙ…ノズル群、４１…キャビティプレート、４２…振動板、４３…圧電素子、４５…キャビティ、５０…液状体、５５…液滴、５８…液状層、６０…撥液領域、６１…親液領域、６３，６４…仮想線、７０…露光部、７１…紫外光、７３…光源、７５…蓋板、８０…転写部、８１ａ，８１ｂ…支柱、８２…架設部材、８３…支持部材、８５…転写用基板、８５ａ…造形面、８６…昇降モーター、１０１…制御部、１０２…ＣＰＵ、１０３…駆動制御部、１０４…記憶部、１０５…制御プログラム、１０６…展開データ、１１１…バス、１１３…インターフェース、１２０…層状構造体、１３１…モーター制御部、１３３…位置検出制御部、１３５…吐出制御部、１３７…露光制御部、１４１…テーブル位置検出装置、１４３…キャリッジ位置検出装置、１４５…転写用基板位置検出装置、１５０…タイマー部、２０１…描画用基板、２０２…転写用基板、２０３…層状構造、２０４…液状層。

Claims (2)

1. ヘッドと第一基板とを水平方向に相対的に移動させながら、所定の光の照射で硬化する
   液状体の造形材料を下方に向かって前記ヘッドにより吐出する造形材料吐出工程と、
   前記造形材料吐出工程において吐出された造形材料を前記第一基板の第一面で受け止め
   該第一面に付着させる造形材料付着工程と、
   前記造形材料付着工程において前記第一基板の第一面に付着させた造形材料を前記第一
   基板の第一面と第二基板の第二面との間に介在させた状態で該造形材料に向かって前記所
   定の光を光照射手段により照射し該造形材料を部分的に完全に硬化させる造形材料硬化工程と、
   前記造形材料硬化工程の実施により造形材料が部分的に完全に硬化したのち、
   前記部分的に完全に硬化した造形材料と前記第二面とが挟持された状態で、前記部分的に完全に硬化した造形材料を完全に硬化させ、
   該造形材料を前記第二基板側に付着させた状態で前記第一基板と前記第二基板とを互いに離隔する方向に相対的に移動させ前記第一面から前記造形材料を剥離させる造形材料剥離工程とを備え、
   前記各工程を繰り返し行うことで前記造形材料を積層一体化して三次元造形物を製造する三次元造形方法。
2. ヘッドと第一基板とを水平方向に相対的に移動させながら、所定の光の照射で硬化する
   液状体の造形材料を下方に向かって前記ヘッドにより吐出する造形材料吐出機能と、
   前記造形材料吐出機能の実行により吐出された造形材料を前記第一基板の第一面で受け
   止め該第一面に付着させる造形材料付着機能と、
   前記造形材料付着機能の実行により前記第一面に付着させた造形材料を前記第一面と第
   二基板の第二面との間に介在させた状態で該造形材料に向かって前記所定の光を光照
   射手段により照射し該造形材料を部分的に完全に硬化させる造形材料硬化機能と、
   前記造形材料硬化機能の実行により造形材料が部分的に完全に硬化したのち、
   前記部分的に完全に硬化した造形材料と前記第二面とが挟持された状態で、前記部分的に完全に硬化した造形材料を完全に硬化させ、
   該造形材料を前記第二基板側に付着させた状態で前記第一基板と前記第二基板とを互いに離隔する方向に相対的に移動させ前記第一面から前記造形材料を剥離させる造形材料剥離機能とをコンピュータに実行させるための三次元造形装置の制御用プログラム。

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