JP2018138393A - 光造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便に十分に精度のよい３次元造形を実現すること。【解決手段】底面が光透過材料で形成された材料槽であって、光硬化液体材料を収容する材料槽と、底面に対して、レーザ光を走査する駆動ミラー内蔵の光源ユニットと、樹脂槽から前記レーザ光で造形された造形物を吊り上げる吊り上げ機構と、を備え、光源ユニットは、光学エンジンとして、筐体と、筐体内の一辺に配置されて、レーザ光を発射するレーザダイオードと、レーザダイオードからの反射光を、垂直方向および水平方向に角度を変えつつ反射する駆動ミラーと、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、光造形装置に関する。

上記技術分野において、特許文献１には、連続的液体結合製法による３次元光造形技術が開示されている。

US20130292862A1

しかしながら、上記文献に記載の技術では、図１０に記載されているように、大きなＤＬＰプロジェクタ１２６を用いており、簡便に十分に精度のよい３次元造形を実現することができなかった。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る装置は、
底面が光透過材料で形成された材料槽であって、光硬化液体材料を収容する材料槽と、
前記底面に対して、レーザ光を走査する駆動ミラー内蔵の光源ユニットと、
前記樹脂槽から前記レーザ光で造形された造形物を吊り上げる吊り上げ機構と、
を備え、
前記光源ユニットは、光学エンジンとして、
筐体と、
前記筐体内の一辺に配置されて、レーザ光を発射するレーザダイオードと、
レーザダイオードからの反射光を、垂直方向および水平方向に角度を変えつつ反射する前記駆動ミラーと、
を有する光造形装置である。

上記目的を達成するため、本発明に係る他の装置は、
底面が光透過材料で形成された材料槽であって、光硬化液体材料を収容する材料槽と、
前記底面に対してレーザ光を走査する光学エンジンを内蔵したスマートデバイスを設置するためのスタンドと、
前記樹脂槽から前記レーザ光で造形された造形物を吊り上げる吊り上げ機構と、
を備えた、光造形装置である。

本発明によれば、簡便に十分に精度のよい３次元造形を実現できる。

本発明の第１実施形態に係る積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光学エンジンの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光学エンジンの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光学エンジンの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るレーザプロジェクタの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るレーザプロジェクタの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光学エンジンの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光学エンジンの筐体の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光学エンジンの筐体の工夫を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光学エンジンの筐体の工夫を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光学エンジンの効果を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るレーザプロジェクタを内蔵するスマートデバイスを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光学エンジンの構成を示す図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての積層造形装置１００について、図１を用いて説明する。情報処理装置１００は、引き上げ式の連続液体結合造形装置である。

図１に示すように、情報処理装置１００は、材料槽１０１と、光源ユニット１０２と、つり上げ機構１０３と、を含む。

材料槽１０１は、少なくとも底面１１１が光透過材料で形成された材料槽であって、光硬化液体材料を収容する。

光源ユニット１０２は、超小型レーザプロジェクタを内蔵するスマートデバイスであって、材料槽１０１の底面１１１に対して、下側からレーザ光１２１を走査する。

つり上げ機構１０３は、材料槽１０１からレーザ光１２１で造形された造形物を積層ピッチに合わせて上昇させ吊り上げる。

材料槽の下面より、レーザ光１２１を当てて硬化させ、造形テーブルを一層分上昇させ、その下側に２層目の断面形状を硬化させることを繰り返し、順次積層して造形する。

（光学エンジンの構成）
光源ユニット１０２が内蔵する光学エンジン２００について、図２Ａ、図２Ｂ、図２を用いて説明する。図２Ａ、図２Ｂは、光学エンジン２００の内部構成を異なる角度からみた斜視図である。図２Ｃは、光学エンジン２００内の光路を示す図である。

光学エンジン２００は、例えば、赤色、赤外光、紫外光の三色のレーザダイオード（半導体レーザ）２０１〜２０３と、レーザダイオード２０１〜２０３からの光線を１つの光束に纏めるためのプリズムミラー２０４と、を含む。レーザダイオード２０１〜２０３は
例えばレーザダイオード２０１は紫外光、レーザダイオード２０２も紫外光、レーザダイオード２０３は赤外光を放出する。波長の違いにより生じる微妙な反射角等の誤差を均等にするために短波長のものが最もＭＥＭＳから遠くなるように順番に配置している。

レーザダイオード２０１〜２０３は、筐体２１０の一辺において、筐体２１０の内部方向に向けて並べて配置される。プリズムミラー２０４は、レーザダイオード２０１、２０２からの２つのレーザ光を、それぞれ、レーザダイオード２０３側へ一度反射させる。そして、さらに、その２つの反射光を、レーザダイオード２０３の光軸と重なるように、もう一度、筐体２１０の内部方向に向けて反射させる。また、光学エンジン２００は、レーザダイオード２０１〜２０３と、プリズムミラー２０４との間に、コリメータレンズ２０５を備え、レーザ光の焦点距離を無限遠に調整している。

筐体２１０においてレーザダイオード２０１〜２０３の取り付け面と逆側の端部には、底面向きに傾斜した傾斜ミラー２０６が設けられている。傾斜ミラー２０６は、プリズムミラー２０４から入射されたレーザ光束を、筐体２１０の底面に向けて反射する。さらに、プリズムミラー２０４と傾斜ミラー２０６との間の筐体２１０底面には、底面ミラー２０７が上向きに取り付けられている。底面ミラー２０７を挟み込むように、二次元ＭＥＭＳミラー２０９とカバーガラス２１２が設けられている。底面ミラー２０７は、傾斜ミラー２０６から入射されたレーザ光束を二次元ＭＥＭＳミラー２０９に向けて上方に反射する。そして、二次元ＭＥＭＳミラー２０９に隣接した位置であって、カバーガラス２１２側の位置には、画像投射仰角およびサイズを決めるプリズム２０８が設けられている。

一方、底面ミラー２０７とカバーガラス２１２との間には、もう一つの底面ミラー２１３が設けられている。また、プリズムミラー２０４とプリズム２０８との間に、フォトセンサ２１５を備えている。フォトセンサ２１５は、ＭＥＭＳミラー２０９の位置のキャリブレーションを行なうため、ＭＥＭＳミラー２０９から底面ミラー２１３を介して光線が入射されたタイミングを外部のＭＥＭＳ制御部に伝える。

さらに、傾斜ミラー２０６は、半透過ミラーになっており、その後ろ側、つまり、筐体２１０の壁部と傾斜ミラー２０６との隙間には、レーザパワーセンサ２１６が設けられ、レーザパワーを検出して、外部のレーザスキャン表示制御部に伝えている。

ＭＥＭＳミラー２０９で反射され、プリズム２０８およびカバーガラス２１２を通過した走査光線によって底面１１１上に投射画像を形成する。

図２Ｃに示すとおり、レーザダイオード２０１〜２０３からの３つの光線は、コリメータレンズ２０５を介して、プリズムミラー２０４に入射され、１つの光束に纏められる。

プリズムミラー２０４から出た光線は、傾斜ミラー２０６で反射して底面ミラー２０７に向かう。底面ミラー２０７は、傾斜ミラー２０６から入射した光を上方に反射し、プリズム２０８を介して、二次元ＭＥＭＳミラー２０９の中央部分に入射する。二次元ＭＥＭＳミラー２０９は、外部から入力した制御信号に基づいて駆動される駆動ミラーであり、水平方向（Ｘ方向）および垂直方向（Ｙ方向）に角度を変えて光線を反射するように振動する。

（レーザピコプロジェクタ全体の構成）
図３は、光学エンジン２００を含むレーザプロジェクタ３００の構成を示す図である。図４は、レーザプロジェクタ３００の機能構成図である。光学エンジン２００は、図２Ａ、図２Ｂを用いて説明した各構成以外に、レーザダイオード（図中ＬＤ）駆動部３１１とパワー管理回路３１２とを備えている。

また、レーザプロジェクタ３００は、光学エンジン２００以外に、ＭＥＭＳ制御部３０１とレーザスキャン表示制御部３０２とを備えている。

レーザスキャン表示制御部３０２は、外部からデジタル映像信号を入力すると、その画素数、サイズを抽出して、ＭＥＭＳ制御部３０１に伝送する。また、レーザスキャン表示制御部３０２は、デジタル映像信号を、各色の画素データに分解して、レーザダイオード駆動部３１１に送る。

電力管理回路（Power management circuits：ＰＭＣｓ）３１２は、レーザダイオード駆動部３１１が初期過渡区間、例えば、上昇区間（rising period）または下降区間（falling period）で誤作動しないように制御する。特に、過渡区間の間、出力電圧は必要な電圧より低い場合がある。レーザダイオード駆動部３１１は低い電圧および／または電圧の変動のため、誤作動しうる。このような問題を避けるために機能回路ブロックは過渡区間の間、リセット（reset）状態に置くことができる。

レーザパワーセンサ２１６は、傾斜ミラー２０６を透過したレーザの各色毎のパワーを検知し、そのパワーデータをレーザスキャン表示制御部３０２にフィードバックすることにより、レーザダイオード２０１〜２０３の各色の照度を制御する。

図４は光学エンジン２００を備えた光源ユニット１０２の機能構成図である。レーザスキャン表示制御部３０２に入力されたデジタル映像信号はここで変調され、レーザダイオード駆動部３１１に送られる。レーザダイオード駆動部３１１は、各色のＬＥＤを駆動させて投射されるレーザの輝度および照射タイミングをコントロールする。レーザスキャン表示制御部３０２は、同時にＭＥＭＳ制御部３０１を駆動してＭＥＭＳミラー２０９を最適な条件で２軸に振動させる。電力管理回路３１２は、レーザダイオード駆動部３１１を制御して、レーザダイオード２０１〜２０３を適切な電圧とタイミングで発光させる。コリメータレンズ２０５および光学系２０４、２０６等を経て二次元ＭＥＭＳミラー２０９で反射されたレーザ光は底面１１０に造形用レーザ光として投影される。

以上のようなＭＥＭＳスキャン方式はＤＬＰに比較すると圧倒的に光利用効率が高い。その為に圧倒的な低パワーのレーザでＤＬＰと同じ造形が可能となる。つまり高精度を達成しながら低価格化・省電力化・小型化が可能となる。また、レーザ光の絞り込み（φ0.8mm⇒φ0.02mm）を行ない、造形精度を上げることが可能である。

さらに、光学エンジンの照射距離を変えることにより、造形エリアを変えることができる。光学エンジンの照射距離を変えずに、ソフトにて造形エリアが変えることもできる。したがって、引き上げ速度は一定にしつつ、造形エリアを変えることができる。

光学エンジンのレーザダイオードの組付個数を変える事により、レーザダイオードのトータルパワーを上げることができる。例えば、１個で２０ｍＷのレーザダイオードを３個用いて６０ｍＷの出力を実現することができる。同じ波長の光源としてのレーザダイオードを複数組み付けることで、高出力光学エンジンを実現できる。

同じ波長のレーザを射出するレーザダイオードであって、ビーム径が異なるレーザダイオードを複数組み付けることで、任意の場所でシャープ/ソフトの造形選択が可能となる。

異なる波長のレーザを射出する複数のレーザダイオードを設けることで、硬化樹脂に最適な波長選択が可能となる。

レーザの波長を赤外光と紫外光の２種類を搭載して、赤外レーザで位置を検出しながら紫外光にて所定の位置に自動生成可能である。赤外レーザは、ガイド光の役目を持たす。

照射ドットごとに照射パワーを変えることが可能である。これにより、断面形状のエッジ部分のパワーを強くしたり、傾斜造形等での突抜け硬化防止の為に弱くすることもできる。形状に合わせたパワー制御が可能である。

スポット径を変えることにより造形表面段差を変えることもできる。

（小型化のための工夫）
図５は、小型化を実現するにあたっての光学系の構成上の工夫を示す図である。本実施形態の前提としての構成５０１に比べると、本実施形態の構成５０２は、超小型化、信頼性改善および生産効率の向上を実現するために、以下の３つの点で工夫している。

（１）離間していた３つのレーザダイオード５１１〜５１３に代えて、小型なレーザダイオード２０１〜２０３を間を詰めて配置した。

（２）レーザダイオード５１１〜５１３のそれぞれについて反射ミラー５１４〜５１６が用意されていたものを、１つのプリズムミラー２０４で置き換えた。

（３）投射映像に角度（仰角）を付け、迷光の影響を抑えるために設けていたプリズム５１７を削減し、新たに材料から迷光対策設計しなおしたプリズム２０８を設けた。

さらに、本実施形態では、前提となる構成５０１に比べて、ＭＥＭＳミラー２０９そのものも小型になっている。

前提技術として使用していた高屈折率硝材をそのままプリズム２０８に採用すると迷光の問題が解消されないため、低屈折率硝材を使用した。そして、プリズム２０８の角度を変更することで迷光を投影画像に影響が出ないように対策した。

（信頼性および生産性向上のための工夫）
本実施形態の前提技術としての構成５０１では、目標に対してまずレーザダイオード５１３を調整する。その際の調整内容はミラー５１６の位置（２軸方向）、ＭＥＭＳミラー５１９の位置（２軸方向）およびコリメータレンズ（不図示）（５軸方向）であった。ビームサイズが調整範囲の中で、所定の位置およびサイズのレーザ光スポット形成されていること、ＭＥＭＳミラー５１９のヒンジからの反射光が投影画像に出ないことを確認して調整し、適当なポイントでコリメータレンズ、ミラー５１６、ＭＥＭＳミラー５１９を接着固定を実施していた。

他の色の光線については中心のレーザダイオードの調整接着完了後、ＭＥＭＳミラー５１９から所定距離離れた位置を目標としてコリメータレンズ（５軸位置）調整を実施していた。

中心ダイオードの調整時には７軸の調整を同時に実行する作業となっており、熟練技術者による調整作業が必要でかつ調整に長時間を要する状態であった。精密な光軸調整はマン＆マシンで熟練した人間が行ってきたが、近年人件費の高騰や熟練作業者の人員不足等で大量に低コストで生産することが極めて難しくなってきている。さらには、また、コリメータレンズを空間接着していたため、環境温度変化による接着剤の収縮により折角調整したビーム位置がずれてしまうリスクが常にあり、生産効率および信頼性が悪かった。特に環境条件の厳しい車載機器等への搭載は困難であった。

本実施形態では、図６に示すダイキャスト製ハウジングとしての筐体２１０を使用し、コリメータレンズおよびレーザダイオードを除く光学部品をあらかじめ筐体２１０の位置決め部に突き当て接着する。具体的には、プリズムミラー２０４を位置決め部６０１の角に寄せて配置する。また、ＭＥＭＳミラー２０９を、位置決め面６０２、６０３に当接させて配置する。さらに、傾斜ミラー２０６を位置決め面６０４、６０５に当接させて配置する。そして、底面ミラー２０７を位置決め面６０６に貼り付ける。また、プリズム２０８を、位置決め面６０７、６０８に当接させて貼り付ける。

これにより、調整箇所を前提技術の構成５０１の３部品から２部品（コリメータレンズ２０５およびレーザダイオード２０１〜２０３）に削減した。筐体２１０は、無切削無加工のハウジングであるため、精度および生産効率が格段によく、量産化に適している。なお、筐体２１０として、樹脂等の金型を使用した成形品を利用してもよい。

さらに、ハウジング２１０において、コリメータレンズ（実際にはコリメータレンズホルダ）を配置する個所には、傾斜を付けて成形した位置決め用の傾斜面６０９が、コリメータホルダ１つにつき、各２面ずつ用意されている。

（コリメータホルダの固定方法）
図７は、コリメータホルダの固定方法について説明するための図であり、図６のＡ−Ａ断面図である。

前提技術では、レーザダイオードをハウジングに圧入し、コリメータレンズを接着固定したコリメータホルダを、ハウジング上で空間調整にて光学的に適切な位置に配置し、ハウジングとコリメータホルダの間にＵＶ接着剤を流し込みＵＶ照射硬化させる。

このＵＶ照射固定の際に接着剤が体積収縮するため、コリメータホルダの位置が変動してしまうという問題がある。ＵＶ照射光を照射する際にビーム変動方向をモニタリングしながらＵＶ光の照射量および方向を工夫しながら照射し所定の位置に固定する。さらにそのプロジェクタでは緑のコリメータホルダの位置調整後、青および赤のビーム位置を緑に対して一致させる必要があり、さらに調整作業は困難を極める。また、無事接着が成功したとしても冷熱試験等のＱＡ試験において接着剤の応力緩和がなされてビーム位置が変動する問題が発生する。

そこで、本実施形態では、コリメータレンズ２０５（コリメータホルダ）を、ハウジング２１０に設けられた傾斜面６０９に対して当接させ、しっかりと位置決めする。その状態で、接着剤７０１を、ハウジング２１０下面に設けた注入口７０２から注入し、一定時間待つことにより、コリメータレンズ２０５を狙った位置にしっかりと固定することができる。いわゆる空間接着ではなく、部品同士が直接接触した状態で固定されるため、接着剤の収縮による各部品の位置変動が発生せず、安定性および信頼性が格段に向上する。

また、調整については、図８に示すように、レーザダイオード２０１〜２０３（Ｘ軸Ｙ軸の２軸位置）、コリメータレンズ２０５（Ｚ軸１軸）となり前提技術の構成５０１の９軸から３軸に削減でき、生産効率を向上させることができる。つまり、精密調整がスキルレスで作業者を選ばない自動化作業に集約された生産システムを利用できるため、量産が極めて容易となる。

さらに、上述のように構成することで、結果として図９の左側に示した例９０１のような「高低温の熱衝撃において光束が割れるという問題」を解決し、右側に示した例９０２のように、スポットを所定の大きさおよび位置に調整して、ビーム位置変動を大幅に改善することができる。

以上、レーザプロジェクタ３００について説明したが、上述のように非常に小さく薄く構成したので、図１０に示すような薄型のスマートフォン１０００内部に実装することが可能となる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る積層造形装置について、図１１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る積層造形装置の構成を説明するための図である。本実施形態に係る積層造形装置は、上記第１実施形態と比べると、光源ユニットを有しない点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

図１０に示すようなレーザプロジェクタ内蔵のスマートデバイス１０００を利用すれば、図１１に示すとおり、光源を持たず、代わりにスマートデバイスのスタンド１１０１のみを有する積層造形装置１１００を製造し販売することが可能となる。ユーザが自分のスマートデバイスをスタンド１１０１に指すだけで、３Ｄプリンタを構成できれば、積層造形装置１１００の製造効率を上げることができ、安価に３Ｄプリンタを提供できることになる。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る積層造形装置について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態に係る光学エンジンの構成を説明するための図である。本実施形態に係る光学エンジンは、上記第１実施形態と比べると、フォトセンサ２１５および底面ミラー２１３を有さず、他の構成の配置が異なっている。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。図１２のようにレイアウトすれば、画質を維持しつつ、より一層の小型化を図ることができる。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

Claims (6)

1. 底面が光透過材料で形成された材料槽であって、光硬化液体材料を収容する材料槽と、
   前記底面に対して、レーザ光を走査するＭＥＭＳミラー内蔵の光源ユニットと、
   前記樹脂槽から前記レーザ光で造形された造形物を吊り上げる吊り上げ機構と、
   を備え、
   前記光源ユニットは、フォーカスフリーの光学エンジンとして、
   筐体と、
   前記筐体内の一辺に配置されて、レーザ光を発射するレーザダイオードと、
   レーザダイオードから発射されたレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズを経たレーザ光を垂直方向および水平方向に角度を変えつつ反射する前記ＭＥＭＳミラーと、
   を有する光造形装置。
2. 前記光源ユニットが、
   前記レーザダイオードからのレーザ光を反射させるプリズムミラーと、
   前記プリズムミラーで反射したレーザ光を、前記筐体の底面に向けて反射する傾斜ミラーと、
   前記傾斜ミラーからの反射光を上方に反射して前記ＭＥＭＳミラーに入射するため、前記筐体の底面に設けられた底面ミラーと、
   をさらに備えた請求項１に記載の光造形装置。
3. 前記ＭＥＭＳミラーに隣接して配置され、画像の投射仰角およびサイズを決めるプリズムをさらに備えた請求項２に記載の光造形装置。
4. 前記プリズムミラーの下流に配置され、前記ＭＥＭＳミラーの位置のキャリブレーションを行なうフォトセンサをさらに備えた請求項２または３に記載の光造形装置。
5. 前記傾斜ミラーは、半透過ミラーになっており、前記傾斜ミラーで反射したレーザ光のパワーを検出するレーザパワーセンサをさらに備えた、請求項２、３または４に記載の光造形。
6. 底面が光透過材料で形成された材料槽であって、光硬化液体材料を収容する材料槽と、
   前記底面に対してレーザ光を走査する前記光源ユニットを内蔵したスマートデバイスを設置するためのスタンドと、
   前記樹脂槽から前記レーザ光で造形された造形物を吊り上げる吊り上げ機構と、
   を備えた、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光造形装置。

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