JPH0478523A - 三次元形状の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、三次元形状の形成方法に関し、詳しくは、
光の照射によって硬化する光硬化性樹脂を用いて、立体
的な三次元形状を有する物品を製造する方法に関するも
のである。

〔従来の技術〕

光硬化性樹脂を用いて三次元形状を形成する方法は、光
の照射をレーザー光照射装置やコンピュータ等を用いて
精密に制御することにより、従来の機械的な加工方法等
では実現不可能な微細かつ正確な三次元形状を容易に形
成することが可能になる方法として研究開発が進められ
ており、具体的には、特開昭６２−３５９６６号公報、
特開昭６１−１１４８１７号公報に開示された方法等が
知られている。

第１７図は、従来における三次元形状の形成方法の一例
を示しており、光硬化性樹脂液２を溜めた貯液槽１内で
、液面直下に昇降自在な成形台３を沈めておき、レーザ
照射装置から照射されたレーザビーム４を液面に照射す
ることにより、液面と成形台３の間に存在する一定厚み
の樹脂液２を光硬化させて光硬化層５を形成させる。レ
ーザビーム４を平面方向に走査することにより、光硬化
Ｎ５の形状パターンを自由に描くことができる。

１層の光硬化層５が形成されると、成形台３を−さらに
深く沈めて、光硬化層５の上を新たな一定厚みの樹脂液
２で覆った後、前記同様にレーザビーム４を照射する。

この方法では、レーザビーム４は、常に同じ液面位置す
なわち基準液面し、に照射される。ある段階で形成され
る光硬化層５の厚みｔは、直前の段階で下降させた成形
台３の下降距離ΔＸで決まる。このような工程を繰り返
すことにより、複数層の光硬化層５が成形台３上に積み
重ねられて所望の三次元形状が形成されることになる。

この方法で作製される三次元形状の寸法精度や形状精度
を向上させるには、各段階における光硬化層５の厚みｔ
を出来るだけ薄くかつ正確に形成する必要がある。

なお、上記で説明した方法では、貯液槽１の中で成形台
３を段階的に沈めることによって、先に形成された光硬
化層５の上に一定厚みの樹脂液２を供給するようにして
いるが、成形台３は固定したままで、貯液槽重に新たな
樹脂液２を追加供給することによって、光硬化層５の上
に一定厚みの樹脂液２を供給する方法もある。この場合
、レーザービーム４を照射する基準液面し、が段階的に
高くなっていくので、レーザービーム４の焦点位置も段
階的に変更する必要がある。但し、レーザービーム４の
焦点位置を変える代わりに、貯液槽１全体を段階的に下
降させて、基準液面し、が変わらないようにする方法も
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記した従来における三次元形状の形成方法
では、各段階で形成する光硬化層の厚みが正確に設定出
来ないという問題があった。光硬化層の厚みに誤差やバ
ラツキが生じると、当然、複数層の光硬化層を積み重ね
て形成される三次元形状の形状精度や寸法精度に直接影
響を与えることになる。

従来の方法で光硬化層の厚みが正確に設定出来ない原因
の一つに、光硬化性樹脂液２の液面位置の誤差もしくは
変動の問題がある。貯液槽１に光硬化性樹脂液２を溜め
ておく場合、その貯液量もしくは供給量に誤差やバラツ
キが生じるために、液面位置が予め設定された基準液面
に正確に設定されないのである。

例えば、第１７図において、第１層目の光硬化層５を形
成する際には、まず、成形台３の表面を基準液面し、と
じて、これに光硬化性樹脂液２の液面を一致させた後、
形成しようとする光硬化層５の設定厚みｔに相当する距
離ΔＸだけ成形台３を下降させる。成形台３の移動は機
械的に精密に制御できるので、ΔＸの値はほぼ正確に設
定できる。ところが、このとき、第１８図の左側図に示
すように、成形台３の表面位置すなわち基準液面Ｌ、よ
りも実際の液面りが高いと、右側図のように、成形台３
をΔＸだけ下降させたときに、成形台３と液面りとの間
の距離はΔＸよりも大きくなってしまい、この状態で光
を照射すると、形成される光硬化層５の厚みｔｌは、予
定された厚みもよりも分厚くなってしまう。また、第１
９図のように、成形台３の表面位置すなわち基準液面り
。

よりも実際の液面りが低い場合には、形成される光硬化
層５の厚みｔ、は、予定された厚みｔよりも薄くなって
しまう。

成形台３を昇降させるというような機械的な作動の精度
を向上させるのはそれほど困難ではないが、液体を取り
扱う必要のある貯液槽１への樹脂液２の供給量や液面位
置を管理するのは技術的に極めて困難であるため、どう
しても液面位置に誤差やバラツキが生じ、その結果、光
硬化層５の厚み、すなわち三次元形状の寸法精度が低下
してしまうことになるのである。

さらに、貯液槽１の液面を前記基準液面し、に正確に合
わせていても、樹脂液２の厚みに誤差が生じる。すなわ
ち、第２０ｉの左側図に示すように、樹脂液２の液面り
と成形台３の表面すなわち基準液面し、を合致させた状
態で、右側図に示すように、形成しようとする光硬化層
５の厚み已に相当する距離ΔＸだけ成形台３を樹脂液２
中に沈めると、成形台３と液面りとの間の距ｙａｉｔｓ
は、前記ｔよりも大きくなってしまうのである。これは
、成形台３を樹脂液２中に沈める前（左側図）と沈めた
後（右側図）で、成形台３の腕部分３ａのうち、樹脂液
２に挿入されている部分の長さに差が出来るためである
。すなわち、成形台３を樹脂液２中に沈める際には、腕
部分３ａで押し除けられた樹脂液２の体積分だけ液面り
が上昇することになる。樹脂液２に挿入された腕部分３
ａの長さが変われば液面りの上昇量も変わる。したがっ
て、成形台３を沈めて腕部分３ａの挿入長さが増えれば
、前記第１８図の場合と同様に、成形台３上の樹脂液２
の厚みｔ、が分厚くなってしまうのである。

上記のように、液面位置に誤差や変動が生じると、レー
ザビーム４を照射した際のスポット径カ変わってしまい
、光硬化層５の平面形状にも誤差が生じてしまう。例え
ば、第２１図に示すように、樹脂液２の液面りが基準液
面し、よりも高い状態で、レーザビーム４を照射すると
、レーザビーム４は基準液面し、の位置に焦点を合わせ
るように照射されるので、実際の液面りにおけるレーザ
ビーム４のスポット径が太き（なってしまう。レーザビ
ーム４のスポット径が大きくなれば、当然、レーザビー
ム４の走査によって描かれる光硬化層５の描画軌跡も太
くなり、微細な凹凸形状を形成することが出来なくなっ
たり、形成される光硬化層５の輪郭形状が変わ、たりし
てしまう。第２２図に示すように、樹脂液２の液面りが
基準液面し、よりも低い場合にも、同様に、レーザビー
ム４の焦点位置が液面りから離れるので、やはり液面り
におけるレーザビーム４のスポット径が大きくなってし
まう。

このような樹脂液２の液面位置の誤差や変動に伴う問題
は、貯液槽１に一定量の樹脂液２を溜めた状態で三次元
形状の形成を行う前記方法だけでなく、樹脂液２を段階
的に追加して液面の高さを段階的に変えながら光の照射
を行って光硬化層５を形成していく方法の場合にも起こ
ることであるなお、従来における三次元形状の形成方法
では、光硬化性樹脂液の液面を一定にするために、特開
平１−２２８８２７号に開示されているような方法が提
案されている。この方法は、第２３図に示すように、貯
液槽１の壁面に液面高さを規制するための排液口１ａを
設けておくものであり、排液口１ａを超える高さまで樹
脂液２を供給しても、余分の樹脂液２は排液口１ａから
流れ出てしまうので、貯液槽１における樹脂液２の液面
り、は常に一定に保たれるというものである。

ところが、この方法でも、液面を一定に保てなくなる場
合がある。これは、従来における三次元形状の形成方法
においては、成形台３の移動時に、成形台３を一旦所定
の下降距離ΔＸよりも深く樹脂液２中に沈めた後、成形
台３を上昇させて所定の下降距離ΔＸまで戻すような操
作が行われるためである。上記のように成形台３を作動
させるのは、成形台３を樹脂液２中に一旦深く沈めるこ
とにより、光硬化Ｎ５の上方に樹脂液２が流れ込み易く
して、光硬化層５の上に十分な厚みの樹脂液２が迅速に
供給されるようにするためである。

そこで、第２４図に示すように、成形台３を、光硬化層
５の厚みｔに相当する距離ΔＸよりも少し深くまで、す
なわち距離Δχ＋αだけ下降させると、成形台３の腕部
分３ａが樹脂液２に挿入されて樹脂液２を押し除けただ
け、液面りが高くなってしまうので、上昇した液面りと
元の液面り。

との間に存在する樹脂液２は全て排液口１ａから流れ出
てしまう。その後、第２５図に示すように、成形台３を
上昇させて、基準液面し。すなわち排液口１ａの下端か
らΔＸの距離に位置させると、成形台３の腕部分３ａが
一部、樹脂液２から引き出されることになり、前記第２
４図の状態に比べて、樹脂液２に挿入されている腕部分
３ａの体積、すなわち腕部分３ａで押し除けていた樹脂
液２の量が少なくなる。そうすると、腕部分３ａで押し
除けられている樹脂液２の量が少なくなっただけ、樹脂
液２の液面が下がり、排液口１ａの位置に相当する基準
液面し、よりも実際の液面りが下がってしまうのである
。この液面りと基準液面し、との差ΔＬは、第２６図に
示す成形台３の腕部分３ａの断面積Ｓ、と、この断面積
Ｓ１を除いた樹脂液２の液面の面積Ｓ、とから、下式で
求められる。

ΔＬ−α・　Ｃ８＋／Ｓ□）・・・（１）Ｓｌが８８に
比べて無視できるほど小さければ、ΔＬの値も無視でき
るが、実際には、ΔＬはかなり大きく、光硬化層５の厚
みや三次元形状の寸法精度に大きな影響を与える。特に
、高精度な三次元形状を作製しようとするときは、重大
な誤差となる。

さらに、従来における三次元形状の形成方法では、成形
台３もしくは光硬化層５の上に樹脂液２を供給したとき
に、樹脂液２の液面に凹みが生じたり、逆に盛り上がり
が生じて平坦にならないという問題もあった。

これは、光硬化層５の上に供給する樹脂液２は、極めて
薄い薄層であるから、光硬化層５の表面と周囲の液面と
の間の極めてわずかな落差によって樹脂液２が光硬化層
５の外周から中央までの表面全体に流れ込む必要がある
。しかし、通常の光硬化性樹脂液２は、比較的粘性があ
って流動性の低いものであるため、光硬化層５の表面全
体に一様に拡がることができず、表面張力によって外周
から遠い中央部分に凹みが生じたままになり易いのであ
る。

また、前記したように、成形台３を一旦樹脂液２中に深
く沈めた後、所定の深さまで上昇させる方法を採用した
場合は、成形台３を上昇させたときに、光硬化層５の上
方の樹脂液２が周辺に逃げ切れず分厚く残ったままにな
るので、樹脂液２の液面が部分的に盛り上がった状態に
なってしまう樹脂液２の表面の凹みや盛り上がりを無く
す方法として、樹脂液２全体の温度を上げて、粘性を低
下させる方法があるが、樹脂液２全体の温度を上げたま
まで長時間室いておくと、樹脂の劣化やゲル化が生じる
可能性があり、照射光による光硬化がうまく行えなくな
ったり、形成される光硬化Ｎ５の品質性能が低下する心
配がある。また、樹脂液２の表面を板片（ブレード）等
で擦って平坦に均らす方法もあるが、このような機械的
な方法では、液面を十分に平坦化させることが難しく、
所定の液面高さに板片を正確にセットするのも難しいと
いう問題がある。

以上に説明したように、従来における三次元形状の形成
方法では、光を照射して硬化させる樹脂液の厚みすなわ
ち光硬化層の厚みを正確に設定するのが難しく、光硬化
層の厚みに誤差や変動が生じるので、作製される三次元
形状の寸法精度、形状精度が悪くなるという問題があっ
た。

そこで、この発明の課題は、上記のような従来技術の問
題点を解消して、光硬化層を厚みを正確に設定すること
のできる三次元形状の形成方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明にかかる三次元形状の形
成方法のうち、請求項１記載の方法は、光硬化性樹脂液
の液面に光を照射して光硬化層を形成する段階と、光硬
化層の上に光硬化性樹脂液を供給する段階とを繰り返し
、光硬化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状を形成
する方法において、液面位置を液面検知手段でヰ★知し
、その検知信号にもとづいて光硬化層を形成する光硬化
性樹脂液の厚みを制御する。

光硬化性樹脂液に光を照射する方法や、光硬化層の上に
光硬化性樹脂液を供給する方法は、通常の三次元形状の
形成方法と同様の方法が採用できる。光硬化層の上に光
硬化性樹脂液を供給するには、前記のように、成形台を
段階的に貯液槽に沈めていく方法のほか、成形台の上に
段階的に新たな樹脂液を供給しでいく方法も採用できる
。

この発明では、光硬化性樹脂液の液面位置を検知できる
液面検知手段を設けておく。液面検知手段としては、各
種のセンナが利用できる。センサには、光や電波あるい
は音波等を液面に照射して非接触式に液面位置を検知す
るものや、液面と接触して機械的に位置を検知するもの
、液面の変化に伴う磁気的あるいは電気的特性の変化を
捉えて検知するものなどがあり、使用する光硬化性樹脂
の特性や目的に応じて、超音波センサ、光センサ、渦電
流センサその他任意のセンサが採用できるまた、光や音
波等で液面位置を検知する場合、液面に直接光や音波を
照射する方法のほか、液面に浮かせることによって液面
と連動して昇降するフロート等の被検知部材を用い、こ
の被検知部材に光や音波を照射して、被検知部材を介し
て間接的に液面位置を検知することもできる。

液面検知手段で検知された液面位置の情報、すなわち検
知信号は、通常、電気信号の形で、光硬化性樹脂液の厚
みを制御する手段に伝えられる。

光硬化性樹脂液の厚みを制御する手段としては、例えば
、前記したように、貯液槽内を昇降する成形台およびそ
の昇降機構、あるいは、貯液槽に光硬化性樹脂液を供給
する液体供給機構、貯液槽の液面高さを規制する堰や排
出口の高さを制御する機構等、通常の三次元形状の形成
方法または装置で採用されていて、光を照射して硬化さ
せる樹脂液の厚みすなわち光硬化層の厚みを制御できる
機構であれば、任意の手段が適用できる。

つぎに、請求項２記載の方法は、光硬化性樹脂液の液面
に光を照射して光硬化層を形成する段階と、光硬化層の
上に光硬化性樹脂液を供給する段階とを繰り返し、光硬
化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状を形成する方
法において、液面位置を液面検知手段で検知し、その検
知信号にもとづいて照射光の集光位置を制御する。

この方法は、基本的には、前記した請求項１記載の方法
と同じであるが、液面検知手段で検知された液面位置の
情報すなわち検知信号で、光硬化性樹脂液の液面に照射
するレーザビーム等の照射光の集光位置を制御し、液面
におけるビームスポット径を調整する点が異なる。

レーザビームを用いる方法は、微細な形状を有する光硬
化層を迅速に形成することのできる方法であるが、通常
の各種光エネルギーをビーム状に照射することもできる
。ビーム光は、レンズやミラー、プリズム等の光学系を
通して、光硬化性樹脂液の液面、または液面近傍に焦点
を結ぶように照射される。このビーム光が最も集中する
位置を集光位置と呼ぶ。このとき、液面における照射光
のビームスポット径は、液面に焦点が合致しているとき
、すなわち集光位置が液面に設定されている場合が最も
小さくなる。ビームスポット径が小さいほど、照射され
る光エネルギーの密度が高くなり、光硬化性樹脂液の硬
化は促進される。また、ビームスポット径が小さいほど
、同時に硬化する光硬化性樹脂液の面積は小さくなり、
微細なパターンが形成できる。このようなことを勘案し
て、液面におけるビームスポット径が適当な状態になる
ように、照射光の焦点すなわち集光位置を設定する。具
体的にビームスポット径を変えるには、前記した光学系
のうち、レンズやミラーの位置を変える方法が簡単で正
確に行えるが、各種の光学系における焦点位置の変更手
段やビームスポット径の変更手段が採用できる。レンズ
やミラーの位置を変える手段は、通常のレーザ照射装置
その他における光学系に採用されているのと同様の機構
や装置が用いられる。

なお、液面検知手段の検知信号にもとづいて、照射光の
集光位置と前記光硬化性樹脂液の厚みの両方を制御すれ
ば、より正確な形状の光硬化層が形成でき、作製される
三次元形状の精度を向上させることができる。

つぎに、請求項４記載の方法は、光硬化性樹脂液の貯液
槽内で成形台を段階的に沈めてい（とともに、各段階で
液面に光を照射して所定形状の光硬化層を形成し、成形
台上に光硬化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状を
形成する方法において、貯液槽に、基準液面を超える光
硬化性樹脂液を排出する液面規制手段を備えておき、成
形台を沈める工程で、成形台を一旦目的とする光硬化層
の厚みに対応する深さ位置よりも深く沈めた後、目的と
する光硬化層の厚みに対応する深さ位置に戻すとともに
、上記工程の間は液面規制手段による前記樹脂液の排出
を停止しておき、上記工程終了後、液面規制手段による
樹脂液の排出を行うようにする。

この方法も、基本的には前記請求項１記載の方法等と同
様に、通常の三次元形状の形成方法が適用できる。但し
、この方法は、成形台を貯液槽内に段階的に沈めていく
方法に適用される。

液面規制手段は、通常の液体取り扱い装置において液面
を一定に維持するために採用されている各種の液面規制
手段を使用できる。例えば、貯液槽の壁面で、前記基準
液面に相当する位置に開閉自在な排液口や排液層等を設
けておけば、これらの排液口等が開放されている間は、
基準液面を超える樹脂液が全て排出され、排液口等が閉
鎖されると、基準レベルよりも高い液面位置まで樹脂液
を溜めることが可能になる。

そして、１層の光硬化層が形成された後、成形台を次層
の光硬化層の厚みに対応する深さ位置まで樹脂液中に沈
めるが、この工程の際に、成形台を一旦上記深さ位置よ
りも深く沈める。深（沈められた成形台の上方に周囲か
ら樹脂液が供給されて、成形台の上方を十分な量の樹脂
液が覆った後、成形台を上昇させて、前記光硬化層の厚
みに対応する深さ位置に戻す、このような成形台の下降
および上昇を行っている間は、前記液面規制手段を機能
させず、樹脂液が排出されないようにして、前記基準液
面よりも液面が高くなることを許容するようにしておく
、そして、前記成形台の下降および上昇が終了した後、
液面規制手段を機能させて、基準液面を超える樹脂液を
排出する。

この方法は、前記請求項１〜３記載の方法と組み合わせ
ることによって、光硬化層の厚みおよび形状の精度をよ
り高めることができる。

つぎに、請求項５記載の方法は、光硬化性樹脂液の液面
に光を照射して光硬化層を形成する段階と、光硬化層の
上に光硬化性樹脂液を供給する段階とを繰り返し、光硬
化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状を形成する方
法において、光硬化層の上に光硬化性樹脂液を供給した
後、液面付近の前記樹脂液のみを加温する。

光の照射方法や光硬化性樹脂液の供給方法は、通常の三
次元形状の形成方法と同様の方法で行われる。

光硬化性樹脂液を加温する手段としては、液面に熱風を
吹きつけたり、赤外線を照射したりする等、光硬化性樹
脂液の液面近くのみを局部的に昇温させることのできる
手段であれば、任意の手段が採用できる。加温により上
昇させる樹脂液の温度もくしは加熱量は、光硬化性樹脂
液の粘性が下がり流動性が増加して、液面の凹みや盛り
上がりが少なくなって平坦になる程度で良く、あまり液
温を上昇させ過ぎると、光硬化性樹脂液の硬化や光硬化
層の品質性能に悪影響が出る。液温を上昇させる樹脂液
の厚みは、上記のような作用が果たされれば、出来るだ
け薄いほうが良く、１段階で光硬化させる光硬化性樹脂
液の厚み以下、あるいは、液面に生じた凹みや盛り上が
りの高さ以下程度のわずかな範囲でよい。

この方法は、前記請求項１〜４記載の方法と組み合わせ
ることによって、光硬化層の厚みおよび形状の精度をよ
り高めることができる。

〔作　　用〕

請求項１記載の発明によれば、光硬化性樹脂液の液面位
置の誤差や変動を検知して、実際の液面位置に合わせて
、成形台を移動させたり、樹脂液の供給を制御したりす
ることにより、光を照射して硬化させる樹脂液の厚み、
すなわち形成される光硬化層の厚みを制御するので、光
硬化層の厚みには液面位置の誤差や変動による影響が含
まれず、極めて正確で精度の高いものとなる。

請求項２記載の発明によれば、光硬化性樹脂液の液面位
置の誤差や変動を検知して、実際の液面における照射光
の集光位置を制御することにより、液面位置の誤差や変
動があっても、常に最適なビームスポット径で樹脂液に
光を照射することが可能になる。その結果、高密度な光
エネルギーを目的とする領域に正確に照射できることに
なり、形成される光硬化層の形状が微細かつ正確になり
、樹脂の硬化状恕も良好になる。

請求項３記載の発明によれば、液面を直接センサで検知
するのでなく、液面検知手段を構成するセンサと被検知
部材により、被検知部材を介して液面を検知するので、
光硬化性樹脂液の種類や特性によってセンサの検知性能
に影響を受けることがない。これは、光硬化性樹脂液に
よっては、光を吸収したり、樹脂液から発生する気体で
音波の伝播速度が変わったりするものがあり、このよう
な光硬化性樹脂液の液面を直接光センサや音波センサ等
で検知しようとすると、全く検知できなくなったり、検
知感度が悪くなったり、検知結果が不正確になったりし
てしまう。しかし、液面と連動して昇降する被検知部材
をセンサで検知するのであれば、光硬化性樹脂液の種類
や特性による影響は全く受けず、常に一定の検知感度で
正確な検知信号を得ることができる。

請求項４記載の発明によれば、従来、貯液槽の液面を一
定に維持するために、排液口等を設けておく方法を採用
したときに、成形台を一旦深く沈めた後上昇させて所定
の深さ位置に戻すという操作を行うと、必要な樹脂液の
一部までが排出されて液面位置が変動してしまうという
問題を解決することができる。すなわち、成形台を下降
および上昇させる工程では、排液口等の液面規制手段を
機能させずに、液面が基準液面以上に上昇しても樹脂液
が排出されないようにしておき、成形台が所定の深さ位
置に移動終了した後に、液面規制手段を機能させて、基
準液面を超える樹脂液を排出してしまうので、成形台の
下降時に成形台を支持する腕部分が樹脂液を押し除けて
液面が上昇しても、樹脂液が排出されてしまうことがな
い。そして、成形台が所定の深さ位置に配置された後、
基準液面を超える余分な樹脂液を排出すれば、樹脂液に
光を照射する段階では、常に一定の液面位置すなわち基
準液面が維持されることになる。その結果、光を照射さ
れる樹脂液の厚みすなわち光硬化層の厚みが正確に設定
されることになる。

請求項５記載の発明によれば、成形台もしくは光硬化層
の上方に薄層の光硬化性樹脂液を供給する際に、樹脂液
の粘性や流動性の問題で、樹脂液の液面に凹みや盛り上
がりが生じても、この凹みや盛り上がり部分の液面に、
熱風や光を照射して、液面近くの樹脂液を加温すること
によって、樹脂液の粘性を下げ流動性を高めることがで
きるので、凹みや盛り上がり部分の樹脂液が速やかに移
動して、周囲と同じような平坦な液面が迅速に形成され
ることになる。その結果、光が照射された樹脂液すなわ
ち光硬化層は、場所による厚みのムラや変動がなく、形
状精度の高いものとなる。また、光を照射する樹脂液の
液面が平坦になれば、光ビームの焦点位置も正確に液面
近傍に設定され、ビームスポット径も正確になって、光
硬化層の全面で正確かつ良好な光硬化が行われるように
なる。

特に、この方法では、樹脂液の液面近くのみを液面が平
坦になるまでのわずかな時間だけ加温しておけばよいの
で、光硬化性樹脂が熱劣化やゲル化を起こす心配がない
、また、樹脂液自体の流動性によって平坦化されるので
、機械的に液面を均らす場合に比べてはるかに平坦かつ
平滑な液面が形成できる。

〔実　施　例〕

ついで、この発明の実施例を図面を参照しながら以下に
詳しく説明する。

第１図は、三次元形状の形成装置の全体構造を示してお
り、貯液槽ＩＯには光硬化性樹脂液２０が収容され、こ
の樹脂液２０の中に成形台３０が沈められている。成形
台３０の上面に複数層の光硬化層５０が積み重ねられる
。成形台３０は、腕部３２を介して、貯液槽１０の外部
に設置された駆動部３４に連結されており、駆動部３４
は、ボールネジ軸３６等の上下動機構により昇降するよ
うになっている。駆動部３４の作動は、電子回路等から
なる制御装置６０によって電気的に制御される。

貯液槽１０の上方には、走査機構となるミラー４２や集
光レンズ４３、スポット径を調整するビームエキスパン
ダーを構成するレンズ群４４．４５等からなる光学系を
備えたレーザビーム照射装置が設置されており、貯液槽
」Ｏの液面にレーザビーム４０を照射する。ビームエキ
スパンダーヲ構成するレンズ群４４．４５のうち、ひと
つのレンズ４５には前進後退可能な駆動機構４６を備え
ており、この駆動機構４６でレンズ４５を前後に移動さ
せることにより、レーザビーム４０の焦点位置が変化す
る。駆動機構４Ｇも前記制御装置６０で電気的に制御さ
れる。

貯液槽１０のうち、成形台３０の配置部分と仕切り壁１
２で仕切られた部分に、フロー）１４を浮かべている。

フロート１４の上端は樹脂液２０の液面上に突出してお
り、このフロート１４と対向する上方位置に光センサ１
６を備えている。光センサ１６から照射された光がフロ
ート】４で反射して再び光センサ１６で捉えられること
によって、フロート１４の高さ位置、すなわち液面位置
が検知される。光センサ１６も制御装置６０と電気的に
接続されており、光センサ１６で検知された液面位置の
情報すなわち検知信号を制御装置６０に送り込み、それ
にもとづいて、制御装置６０で成形台３０の昇降やビー
ムエキスパンダーの駆動機構４６等を制御する。

上記装置の使用方法のうち、基本的な作動、例えば、成
形台３０の段階的な下降工程、レーザビームの照射工程
等は、前記した従来例その他の通常の三次元形状の形成
装置および方法と同じであり、詳しい説明は省略する。

第２図〜第４図は、樹脂液２０の液面の誤差や変動から
成形台３０の移動量やレーザビームのスポット径を修正
する方法を示している。

第２図に示すように、液面位置をフロート１４を介して
検知している光センサ１６の検知信号が、基準レベルと
なる液面位置し、であれば、成形台３０は目的とする光
硬化層５０の厚みｔに相当する深さΔＸ（＝ｔ）だけ樹
脂液２０中に沈めればよい、また、レーザビーム４０の
焦点すなわち集光位置Ｆは液面位置に合わせておけばよ
い。したがってビームスポット径も予め設定された通り
である。

ところが、第３図に示すように、液面位置りが基準液面
し、よりも低いことをセンサ１６で検知したときは、こ
の液面位置りから目的とする光硬化層５０の厚みｔに相
当する深さ位置まで成形台３０を沈めるように制御する
。すなわち、基準液面し、からの成形台３０の下降量Δ
Ｘは、ΔＸ＝ｔ＋αになる。また、レーザビーム４０の
集光位置Ｆが基準液面し、のままでは、液面におけるビ
ームスポット径が大きくなってしまうので、ビームエキ
スパンダーの駆動機構４６を作動させて、レーザビーム
４０の集光位置Ｆを検知された液面位置りまで下げて、
液面におけるビームスポット径が設定通りになるように
調整する。

つぎに、第４図に示すように、液面位置りが基準レベル
Ｌ、よりも高くなった場合には、前記とは逆に、成形台
３０の下降量ΔＸを、ΔＸ＝ｔ−αに設定し、レーザビ
ーム４０の集光位置Ｆを液面りまで上げることになる。

上記のような、成形台３０の下ｌｉｌ量ΔＸおよびレー
ザビーム４０の集光位置Ｆの調整は、成形台３０の上に
１層目の光硬化層５０を形成する前に−度行うだけでも
、それ以後に液面が変動しなければ問題はない。但し、
樹脂液２０の減少や前記した成形台３０の腕部３２の挿
入深さの増加等、液面が変動する要因がある場合には、
各層の光硬化層５０を形成する曲毎に、前記調整を行え
ば、より正確に光硬化層５０の厚みやビームスポット径
の調整が行える。成形台３０の下降量ΔＸとレーザビー
ム４０の集光位置Ｆの調整は、何れか一方を単独で行っ
ても前記したようなそれぞれの作用効果が達成されるが
、両方を併用することによって、より正確で良好な光硬
化層５０を形成できる。

つぎに、第５図には、液面規制手段を用いる別の実施例
を示している。貯液槽１０、貯液槽ｌＯに収容された光
硬化性樹脂液２０、成形台３０、光学系の一部を構成す
るレンズ４１等の基本的な構成は、前記した実施例等、
通常の三次元形状の形成装置と同じである。

この実施例では、液面規制手段として、貯液槽１０の一
方の壁面に排液口１８が設けられている。排液口１８の
外面は弁板７０で塞がれており、この弁板７０はシリン
ダ等の駆動機構７２で昇降するようになっている。この
弁板７０の昇降に伴って、排液口１８が開放されたり閉
鎖されたりする。

上記のような装置の作動について説明する。まず、第６
図に示すように、弁板７０で排液口１８を閉鎖した状態
で、成形台３０を下降させる。成形台３０の下降量ΔＸ
は、次に形成しようとする光硬化層５０の厚みｔに相当
する深さよりも少し大きく設定する。すなわち、下降量
ΔＸ＝ｔ＋αとなる。そうすると、樹脂液２０の液面は
、成形台３０の腕部３２が挿入されて押し除けられただ
け上昇する。但し、排液口１８が閉鎖されているので、
樹脂液２０が排出されることはなく、基準液面り、より
も高い液面りのままで維持される。

つぎに、成形台３０を上昇させて、基準レベルＬ、から
光硬化層５０の厚みｔに相当する深さに配置する。この
とき、成形台３０の上昇に伴って、腕部３２は樹脂液２
０の上方に引き上げられ、樹脂液２０を押し除けている
腕部３２の体積が小さくなり、その結果、液面が少し下
降する。但し、この段階でも、基準液面し、よりも高い
位置に液面りが存在する。成形台３０の移動が終了した
後、弁板７０を開けて排液口１８を開放すると、基準液
面し、よりも高い位置に存在する樹脂液２０は全て排液
口１８から排出されるので、液面は確実に基準液面り、
に一致する。

その後、第５図に示すように、樹脂液２０の液面にレー
ザビーム４０を照射すれば、レーザビーム４０は基準液
面り、である液面に良好に照射され、形成される光硬化
Ｎ５０の厚みも正確に設定される。

上記実施例では、排液口１８と弁板７０で、液面規制手
段を構成しているが、基準液面し、とそれより高い位置
の２段階に液面を調整できれば、各種構造の堰や仕切り
板、弁機構、その他の液面制御機構に変更することがで
きる。

つぎに、第８図〜第１６図に示す実施例は、光硬化性樹
脂液２０の液面近くを加温する場合を示している。貯液
槽１０、貯液槽１０に収容された光硬化性樹脂液２０、
成形台３０、レーザビーム４０の照射機構等の基本的な
構成は、前記した実施例等、通常の三次元形状の形成装
置と同じである。

この実施例では、液面に沿って移動自在な加温手段８０
を備えている。第１２図に加温手段８０の具体的構造を
示しており、樹脂液２０の液面に沿って移動自在に設け
られた加温ノズル８２は、ヒータや送風機等からなる熱
風供給装置（図示せず）と配管やホースで連結されてお
り、加温ノズル８２の先端に開口する送風口８４から、
樹脂液２０の液面に熱風が吹き付けられる。加温ノズル
８２および送風口８４の形状は、第１２図に示すように
、先端中心が尖った加温ノズル８２に対して中心の両側
に送風口８４が開口しているものや、第１６図に示すよ
うに、先端が平坦な加温ノズル８２に幅の全体に送風口
８４が開口しているもの等、必要に応じて自由な形状で
実施できる。また、第１２図のように、加温ノズル８２
の先端が液面と接触するように配置される場合や、第１
６図のように、加温ノズル８２の先端と液面との間にわ
ずかな隙間ｇをあけて配置される場合がある上記のよう
な加温ノズル８２で液面に熱風を吹き付けることによっ
て、液面近くの樹脂液２０が加温されて液温か上昇する
。加温ノズル８２の構造は、環状もしくはスポット状の
送風口８４から熱風を吹き出す棒状のものや、幅のある
スリット状の送風口８４から熱風を吹き出すブレード状
のもの等、任意の形状および構造で実施できる。加温ノ
ズル８２は、熱風を吹き出す構造のもののほか、赤外線
等の光エネルギを液面に照射して樹脂液２０を加温する
構造のものでもよい。

上記のような装置の作動について説明する。まず、第８
図に示すように、レーザビーム４０を照射して光硬化層
５０が形成された後、第１３図に示すように、光硬化層
５０の上方に次に光を照射する樹脂液２０を供給するた
めに、次層の光硬化層の厚みに相当する深さｔだけ成形
台３０を沈めると、樹脂液２０の粘性等により、樹脂液
２０が光硬化層５０の上面全体に一様に供給されず、中
央部分に凹み２２が残る。

第１５図に示すように、加温ノズル８２の送風口８４か
ら熱風を吹き出しながら、加温ノズル８２を液面に沿っ
て移動させると、熱風を吹きつけられた樹脂液２０の液
面近くの液温が上昇して、粘性が低くなったり、流動性
が高まったりする。

その結果、第１４図に示すように、凹み２２に周囲から
樹脂液２０が供給されて、液面全体が一様な高さで平坦
化されることになる。その後、通常の方法でレーザビー
ム４０を照射すれば、場所による凹凸のない平坦な表面
を備えた光硬化Ｎ５０が形成されることになる。

上記工程において、加温ノズル８２の先端が液面に接触
しながら移動するようにしておくと、加温ノズル８２の
先端で機械的に液面を拘らず作用も発揮され、液面の平
坦化が促進される。

つぎに、第９図に示すように、成形台３０の下降量ΔＸ
を、形成しようとする光硬化層の厚みｔよりも大きくし
た後、成形台３０を上昇させて所定の深さｔに設定する
場合は、成形台３０を大きく下降させた段階では、光硬
化層５０と液面との間に大きな間隔があくので、周囲の
樹脂液２０が流れ込み易くなり、前記したような凹み２
２は生じず、液面は平坦になる。しかし、つづいて、第
１０図に示すように、成形台３０を深さｔの位置まで上
昇させると、光硬化層５０の上に存在する余分の樹脂液
２０が周囲に移動できず、光硬化層５０の中央に残って
、液面に盛り上がり部２４が形成されてしまう。

ここで、第１２図に示すように、前記同様に、加温ノズ
ル８０の送風口８４から熱風を吹き出しながら液面を移
動させると、液面近くの樹脂液２０の液温か上昇して、
粘性が低くなったり、流動性が高まる。その結果、第１
１図に示すように、盛り上がり部２４の樹脂液２０が周
囲に流れて、液面全体が一様に平坦化される。その後、
レーザビーム４０を照射するのは前記同様である。

上記実施例において、加温ノズル８０による液面近くの
樹脂液２０の加温は、凹み２２や盛り上がり部２４の液
面が平坦になるように表層部分の樹脂液２０が移動可能
な程度まで粘性や流動性が高まれば十分であり、盛り上
がり部２４や凹み２２よりも深い部分の樹脂液２０まで
加温する必要はない。

この加温ノズル８０による樹脂液２０表面の平坦化は、
前記した各実施例の方法と併用することができる。すな
わち、各実施例の方法で、光硬化層５０の上方に樹脂液
２０を供給した後、加温ノズル８０で樹脂液２０表面を
平坦化させれば、形成される光硬化層５０の平均的な厚
みが正確に設定されるだけでなく、光硬化１５０の場所
による厚みの違いも解消できるのである。また、逆に、
加温ノズル８０で樹脂液２０の表面を平坦化させた後、
液面検知手段で液面位置を検知して、その液面位置にも
とづいて光硬化性樹脂液の厚みやレーザビームの集光位
置を調整するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上に述べた、この発明にかかる三次元形状の形成方法
のうち、請求項１記載の発明によれば、液面位置の検知
情報にもとづいて、成形台の下降量や樹脂液の供給量を
正確に設定して、光硬化性樹脂液の厚みを制御すること
により、光硬化層の厚みを非常に正確に設定することが
可能になる。

個々の光硬化層の厚みが正確に設定できれば、三次元形
状の厚み方向の寸法精度や形状精度も向上し、高精度な
三次元形状を能率的に製造することが可能になる。

請求項２記載の発明によれば、液面位置に合わせて、照
射光の集光位置を正確に制御することにより、液面にお
ける照射光のビームスポット径を極めて正確に設定する
ことが可能になる。その結果、限定された領域の樹脂液
のみに適切な強さの光エネルギーを照射することが可能
になり、樹脂液の硬化が良好に行われるとともに、微細
で正確な形状の光硬化層を形成することが可能になる。

請求項３記載の発明によれば、被検知部材を介して液面
位置を検知することにより、光硬化性樹脂液の種類や特
性に影響されずに、正確な液面位置を検知することがで
き、前記した請求項１または２記載の作用効果に加えて
、より正確な形状の光硬化層を形成して、三次元形状の
寸法精度、形状精度を向上させることができる。

請求項４記載の発明によれば、液面規制手段の作動を制
御することによって、成形台を所定の深さ位置よりも一
旦深く沈めた後、所定の深さ位置まで上昇させる方法を
適用しても、液面位置が基準液面からずれてしまうこと
が無くなり、確実に液面位置を基準液面に合わせること
が可能になる。その結果、形成される光硬化層の厚みが
正確に設定され、ひいては三次元形状の寸法精度、形状
精度を向上させることができる。

請求項５記載の発明によれば、液面近くの樹脂液を加温
することによって、液面に形成された凹みや盛り上がり
を解消することができる結果、形成される光硬化層の表
面が平坦になって場所による厚みの違いが無くなり、光
硬化層の形状が正確になって、三次元形状の寸法精度、
形状精度も向上することになる。

【図面の簡単な説明】

第ｔｖｊ！Ｊは請求項１〜３記載の発明にかかる実施例
に用いる装置の全体構造図、第２図〜第４図は作動状態
を示す要部断面図、第５図〜第７図は請求項４記載の発
明にかかる実施例の作動状態を段階的に示す断面図、第
８図〜第１１図は請求項５記載の発明にかかる実施例の
作動状態を段階的に示す断面図、第１２図は加温手段の
構造を示す要部断面図、第１３図および第１４図は別の
作動状態を段階的に示す断面図、第１５図は第１３図の
要部を示す断面図、第１６図は加温手段の別の実施例を
示す要部断面図、第１７図は従来例の構造図、第１８図
〜第２２図はそれぞれ作動状態を示す概略断面図、第２
３図〜第２５図は別の従来例を作動段階毎に示す断面図
、第２６図は概略水平断面図である。 １０・・・貯液槽　１４・・・フロート（被検知部材）
１６・・・センサ　１８・・・排液口　２０・・・光硬
化性樹脂液　２２・・・凹み　２４・・・盛り上がり部
　３０・・・成形台　３２・・・腕ｌ　　４０・・・レ
ーザビーム　５０・・・光硬化層　６０・・・制御装置
　７０・・・弁板　８０・・・加温手段　８２・・・加
温ノズル　８４・・・送風口り、・・・基準液面　し・
・・液面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　光硬化性樹脂液の液面に光を照射して光硬化層を形
   成する段階と、光硬化層の上に光硬化性樹脂液を供給す
   る段階とを繰り返し、光硬化層を複数層積み重ねて所望
   の三次元形状を形成する方法において、液面位置を液面
   検知手段で検知し、その検知信号にもとづいて光硬化層
   を形成する光硬化性樹脂液の厚みを制御する三次元形状
   の形成方法。 ２　光硬化性樹脂液の液面に光を照射して光硬化層を形
   成する段階と、光硬化層の上に光硬化性樹脂液を供給す
   る段階とを繰り返し、光硬化層を複数層積み重ねて所望
   の三次元形状を形成する方法において、液面位置を液面
   検知手段で検知し、その検知信号にもとづいて照射光の
   集光位置を制御する三次元形状の形成方法。 ３　液面検知手段が、光硬化性樹脂液の液面と連動して
   昇降する被検知部材と、この被検知部材を検知するセン
   サからなり、被検知部材を介して間接的に液面位置を検
   知する請求項１または２記載の三次元形状の形成方法。 ４　光硬化性樹脂液の貯液槽内で成形台を段階的に沈め
   ていくとともに、各段階で液面に光を照射して光硬化層
   を形成し、成形台上に光硬化層を複数層積み重ねて所望
   の三次元形状を形成する方法において、貯液槽に、基準
   液面を超える光硬化性樹脂液を排出する液面規制手段を
   備えておき、成形台を沈める工程で、成形台を一旦目的
   とする光硬化層の厚みに対応する深さ位置よりも深く沈
   めた後、目的とする光硬化層の厚みに対応する深さ位置
   に戻すとともに、上記工程の間は液面規制手段による前
   記樹脂液の排出を停止しておき、上記工程終了後、液面
   規制手段による樹脂液の排出を行うことを特徴とする三
   次元形状の形成方法。 ５　光硬化性樹脂液の液面に光を照射して光硬化層を形
   成する段階と、光硬化層の上に光硬化性樹脂液を供給す
   る段階とを繰り返し、光硬化層を複数層積み重ねて所望
   の三次元形状を形成する方法において、光硬化層の上に
   光硬化性樹脂液を供給した後、液面付近の前記樹脂液の
   みを加温することを特徴とする三次元形状の形成方法。