CN101259798B - 三维打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维打印机，其对具有三维形状表面的打印对象物的表面实施所期望的打印，包括：底座；第1支承构件，沿X轴方向移动自由地支承在底座上；第2支承构件，沿Z轴方向移动自由地支承在上述第1支承构件上；第3支承构件，以沿Y轴方向延伸的第1旋转轴线为中心旋转自由地被支承在第2支承构件上；保持卡盘，以第2旋转轴线为中心旋转自由地支承在第3支承构件上，保持打印对象物；打印头，设置于底座上，可在打印对象物的上方沿Y轴方向移动地被支承。于是，在利用移动控制装置控制移动时，并且，打印头与打印对象物的表面隔开规定打印距离并进行控制，使得喷出的墨垂直喷在打印对象物的表面。

Description

三维打印机
技术领域
本发明涉及一种自打印头喷墨而对具有三维形状表面的打印对象物的上述表面实施规定打印的三维打印机。
背景技术
对纸等打印对象物打印文字、图案等的打印机装置从以往就公知有各种类型，例如，与计算机连接而对纸面进行打印的打印机装置等已广泛使用于工作、家庭。以往的打印机通常是这样的打印方式，即，一边沿规定方向输送作为打印对象物的纸或片材、一边使打印头沿与该输送方向垂直的方向扫描移动、同时进行打印。举例的话，有专利文献1及专利文献2所述的打印机装置。
专利文献1：日本特开2003-191455号公报
专利文献2：日本特开2004-148666号公报
这种以往的打印机装置对平面状的片材或固体物品的平面进行规定的打印，进行的全是二维打印，但是，近来要求一种可以对具有三维形状表面(例如，圆柱面、球面、其他各种曲面)的对象物进行打印的打印机。
发明内容
本发明即是鉴于这样的问题而作出的，其目的在于提供一种可以自打印头对具有圆柱面、球面、其他各种曲面、即三维形状表面的打印对象物喷墨而对该三维形状表面进行所期望的打印的三维打印机。
对象物喷墨而对上述表面实施规定打印，其中，该三维打印机包括保持装置、支承装置、移动控制装置和打印控制装置；上述保持装置保持上述打印对象物；上述支承装置以使上述保持装置及上述打印头可在三维空间内相对移动的方式支承上述保持装置及上述打印头；上述移动控制装置一边保持上述打印头的喷墨口与被上述保持装置保持着的打印对象物表面上的打印部位的相互位置关系以使得上述喷墨口与上述打印部位隔开规定打印间隔地相面对、且使从上述喷墨口喷出的墨垂直喷在上述打印部位的表面，一边控制上述保持装置及上述打印头在三维空间内相对移动；上述打印控制装置与由上述移动控制装置进行的相对移动控制相应地，对自上述打印头喷墨进行控制。
在上述结构的打印机中，优选为：上述支承装置以使上述保持装置及上述打印头可沿互相正交的X、Y及Z轴方向相对移动的方式支承上述保持装置及上述打印头，并且以使上述保持装置可相对于上述打印头以上述X轴为中心相对旋转及能以上述Y轴为中心相对旋转的方式支承上述保持装置，上述移动控制装置进行使被上述支承装置支承的上述保持装置及上述打印头沿上述X、Y及Z轴方向相对移动的控制、以及使上述保持装置以上述X轴及上述Y轴为中心相对旋转的控制。
另外，优选为：上述支承装置由第1支承构件、第2支承构件和第3支承构件构成；上述第1支承构件沿在水平面延伸的X轴方向自由移动地被支承在底座构件上；上述第2支承构件沿与上述水平面垂直延伸的Z轴方向自由移动地被支承在上述第1支承构件上；上述第3支承构件以第1旋转轴线为中心自由旋转地被支承在上述第2支承构件上，该第1旋转轴线沿与上述X轴及上述Z轴方向垂直的Y轴方向延伸；上述保持装置以第2旋转轴线为中心自由旋转地被支承于上述第3支承构件上，保持打印对象物，上述第2旋转轴线在与上述第1旋转轴线正交的面内延伸；上述第2支承构件的前表面形成为以上述第1旋转轴线为中心的凹形圆柱面形状，上述第3支承构件具有与该凹形圆柱面形状的前表面相接合的凸形圆柱面形状的后表面，该第3支承构件设置成可沿该前表面自由滑动；上述打印头设置于上述底座构件上，可在被上述保持装置保持的打印对象物上方沿上述Y轴方向移动地被支承。
采用上述那种结构的打印机，一边由移动控制装置控制上述保持装置及上述打印头在三维空间内相对移动，一边由上述打印控制装置根据上述移动控制装置进行的相对移动控制对自上述打印头喷墨进行控制，从而可以简单地自动对具有三维形状表面的打印对象物的表面进行期望的打印。此时，移动控制装置一边保持打印头的喷墨口与被上述保持装置保持着的打印对象物表面上的打印部位的相互位置关系以使得上述喷墨口与上述打印部位隔开规定打印间隔地相面对、且使从上述喷墨口喷出的墨垂直喷在上述打印部位的表面，一边控制上述相对移动，因此，可以使从喷墨口喷出的墨最高效率地喷附在打印对象物表面的打印部位，可以对三维表面进行准确且良好的打印。
附图说明
图1是说明本发明的打印机的动作原理的概略图。
图2是本发明的一个实施方式的打印机装置的主视图。
图3是该打印机装置的侧视图。
图4是取出该打印机装置的一部分而表示的立体图。
图5是表示该打印机装置的打印头与打印对象物的关系的概略侧视图。
图6是用于说明在打印对象物表面为曲面形状的情况下对自打印头喷墨进行控制的概略侧视图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的较佳实施方式。首先，参照图1，说明本发明的打印机装置的、由保持装置保持的打印对象物80与打印头85的相对移动控制及打印控制的概要。图1所示的打印对象物80是圆锥台形状的构件，使用图1，说明自打印头(喷墨头)85向该圆锥状的外表面81喷墨而进行所期望的打印时的打印机动作原理。
虽未图示，但该打印机具有支承打印对象物80的支承装置，该支承装置支承圆锥台中心轴线X沿前后延伸的、且以该轴X为中心旋转自由(箭头A所示的旋转)的打印对象物80，在该状态下，支承打印对象物80，使打印对象物80以通过轴X上的点O1、且与轴X正交地沿左右方向延伸的轴Y为中心旋转自由(箭头B所示的旋转)，并且，以使打印对象物80可沿X轴方向前后移动(箭头D(x)所示的移动)、且可沿与X轴及Y轴正交地垂直延伸的Z轴上下移动(箭头D(z)所示的移动)的方式支承该打印对象物80。在这样被未图示的支承装置支承的打印对象物80的上方，配设有可沿Y轴方向移动(箭头D(y)所示的移动)的打印头。另外，打印头85在下表面具有许多喷墨孔，由打印控制装置控制每个喷墨孔而使其喷出自未图示的墨供给装置供给来的墨，对打印对象物80的表面81进行规定的打印。
在自打印头85下表面的喷墨孔向这样被支承装置支承的打印对象物80的圆锥状表面81喷墨而进行所期望的打印时，使喷墨孔位于与打印对象物80的表面的打印对象位置相面对且具有规定的打印间隔的、接近打印对象的位置(具有最适合使自喷墨孔喷出的墨附着在表面81上而进行打印的间隔的位置)。并且，此时，打印头85下表面的喷墨孔正面朝向打印对象位置的表面，即，使来自喷墨孔的墨喷出方向与表面81正交，被喷出的墨与表面81垂直地打在表面81上。
例如，如图5所示，为了自打印头85向打印对象物80表面上的图示的点P0喷墨而进行打印，进行定位，从而使点P0位置处的表面靠近打印头85直至位于离开打印头85的下表面规定的打印间隔CL0的位置，并且使点P0位置处的打印对象物80的表面与打印头下表面86平行。该规定打印间隔CL0是这样的值，即，根据自朝下形成于打印头下表面86上的许多喷墨孔喷出的墨滴大小及速度(势头)，设定为可以对打印对象物80表面进行最适合的打印的间隔。
因此，如图1所示，自支承打印对象物80的状态起，使打印对象物80在沿X轴方向前后移动(箭头D(x)所示的移动)的同时、以轴X为中心旋转(箭头A所示的旋转)，使打印对象点P0朝向正上方、并且处于打印头85的正下方位置。接着，使打印对象物80以轴Y为中心旋转(箭头B所示的旋转)，使通过打印对象点P0的母线L1位于沿水平方向延伸的位置，使打印头85沿Y轴方向移动(箭头D(y)所示的移动)，使得打印头85的下表面86(喷墨的喷嘴孔)位于打印对象点P0的正上方，使打印对象物80沿Z轴向上方移动(箭头D(z)所示的移动)，使得打印头85的下表面86(喷墨的喷嘴孔)处于离开打印对象点P0规定打印距离的接近位置。另外，只要不干涉打印对象物80与打印头85，该移动及旋转的顺序可以是任意的顺序。
在进行这样的移动时，打印对象物80以轴X及轴Y为中心旋转，这些旋转中心轴X及Y如上所述地通过点O1。在此，点O1设定为位于被支承装置支承的打印对象物80的内部，结果，打印对象物80进行以通过点O1的轴X及轴Y为中心自转这样的旋转。因此，在如上述那样维持打印对象物80与打印头85的下表面86保持规定打印距离而相面对的状态而进行使打印对象物80相对移动的控制时，打印对象物80的移动范围较小，可以使支承打印对象物80的支承装置小型紧凑。同样，打印头85的移动范围也较小，可以使其小型紧凑化，可以使打印机装置的整体构造小型紧凑。
这样，例如，如图5所示，在使打印头85的下表面86(喷墨的喷嘴孔)位于离开打印对象点P0规定打印间隔CL0、且互相朝向正面地相面对的位置的状态下，根据由打印控制装置进行的控制，如图5中箭头所示，自打印头85的下表面86的喷嘴孔喷墨，在沿着点P0的范围(沿着通过点P0的母线L1的范围)进行打印。然后，例如，为了沿打印对象物80表面上的周向进行打印，在维持着沿打印对象物80外表面上的周向的点P1、P2、P3…离开打印头85的下表面86(喷墨的喷嘴孔)规定打印距离CL0地朝向正面地相面对的位置关系的同时，一边改变由上述支承装置支承打印对象物80的位置，一边由打印控制装置进行控制而喷墨。
在这种情况下，若打印对象物80如上述那样为圆锥台形状，则如图5所示，在维持使打印头85的许多喷墨孔所开口的下表面86与沿着母线L1平行延伸、并且离开规定打印距离CL0的位置关系的同时，进行自全部喷墨孔喷墨的控制。由此，可以在沿着母线L1且与打印头85的宽度相对应的较宽的范围内进行良好的打印。
但如图6所示，在打印对象物80’的表面81’呈曲面状的情况下，与打印头85的下表面86相面对的部分的表面L2与下表面的间隔不为恒定，而会产生变动。在这种情况下，也大多无法进行在下表面86的整个范围内为规定打印距离CL0的设定。因此，在这样的情况下，使与打印头85的下表面中央部相面对的部分位于规定打印距离CL0的容许范围内、即CL1(＝CL0-α)～CL2(＝CL0+α)的范围内，进行仅在与进入到该范围内的部分相面对的喷嘴区域中喷墨的控制。例如，如图6所示，在相对于打印头85定位设定了打印对象物80’的状态下，进行这样的控制，即，仅在与该表面81’进入到规定打印距离CL0的容许范围CL1～CL2内的部分相面对的打印头85的下表面区域A1内，自喷墨喷嘴喷墨而不自其两侧区域B1、B2喷墨。由此，仅对处于可对打印对象物80’的表面进行最适合的打印的打印距离的部分进行打印，可以不降低打印品质而进行良好的打印控制。
另外，也可以替代进行这样的在打印距离的容许范围内喷墨的控制，对于规定打印距离CL0的容许范围CL1～CL2之外的区域B1、B2，根据实际距离控制喷墨量、速度，可以不会因自该区域B1、B2喷墨而导致打印品质降低。例如，进行控制，从而与距打印头85的下表面86的距离增大相应地，增加喷墨量，或加快喷墨速度，抵消距离增大的影响，保持打印品质。
参照图2～图4，说明用于根据以上说明的工作原理进行三维打印的具体的打印机装置构造。在该打印机装置中，在底座1上固定设置有门型支承框架2，该门型支承框架2由左右一对支承腿2a、2b、以及连接这些支承腿2a、2b上端且左右延伸的支承梁2c构成。另外，设有与右支承腿2b相邻的、具有操作盘6a的第1控制装置6，设有与左支承腿2a相邻的、具有维护站8的第2控制装置7。另外，第1及第2控制装置6、7由控制后述的各种构件的移动动作及旋转动作的移动控制装置、控制自打印头喷墨的打印控制装置、电源控制装置等各种控制装置构成。
在支承梁2c的上表面，设有沿左右方向(Y轴方向)延伸的前后一对左右导轨3a、3b，在一对左右导轨3a、3b上安装有沿左右方向移动自由(沿箭头D(y)方向移动自由)的打印头滑架4。为了使该打印头滑架4左右移动，设有滚珠丝杠机构等进给机构，利用对该进给机构进行驱动控制，可以控制打印头滑架4的左右方向移动。另外，由于这样的进给机构众所周知，因此省略说明其构造。
打印头滑架4自其被左右导轨3a、3b支承的部分向前方延伸后向下方弯折，然后向前方延伸，侧视为曲柄形状，在打印头滑架4的前端部4a上安装有多个打印头组件5。打印头组件5也被称作喷墨头组件，在其下表面形成有许多喷墨孔，例如，各组件分别自喷墨孔喷出颜色不相同的墨。该墨的喷出控制是利用打印控制装置对各喷墨孔进行的，由于该装置为以往众所周知的构造，因此省略其说明。在本说明书中，单个打印头组件5、或者搭载有打印头组件5的打印头滑架4相当于权利要求书所规定的打印头。
这样搭载有打印头组件5的打印头滑架4可在左右导轨3a、3b上左右移动，如图2所示，在打印头滑架4位于左端部的状态下，维护站8向上移动，防止打印头组件5下表面的喷墨孔干燥及对其进行清扫。
在底座1上设有一对位于门型支承框架2的左右支承腿2a、2b之间、且沿前后方向(X轴方向)延伸的前后导轨1a、1b，在该前后导轨1a、1b上设有前后移动自由(沿箭头D(x)方向移动自由)的第1支承构件10。为了使该第1支承构件10前后移动，设有滚珠丝杠机构等进给机构，通过对该进给机构进行驱动控制，可以控制第1支承构件10的前后方向移动。由于这样的进给机构众所周知，因此省略说明其构造。
在第1支承构件10上，以垂直立起的状态固定设置有垂直支承构件11，在该垂直支承构件11的前表面设有一对沿垂直方向(Z方向)延伸的上下导轨12a、12b。在该上下导轨12a、12b上设有被其支承的、上下移动自由(沿箭头D(z)方向移动自由)的第2支承构件15。为了使该第2支承构件15上下移动，设有滚珠丝杠机构等进给机构，通过对该进给机构进行驱动控制，可以控制第2支承构件15的上下方向移动。由于这样的进给机构众所周知，因此省略说明其构造。
第2支承构件15的前表面15a形成为以沿Y轴方向延伸的第1旋转轴线Y0为中心的圆柱面形状，该第1旋转轴线Y0通过相对于第2支承构件15确定的规定点O1(如后述那样地设定在打印对象物80可位于的位置的点)，第3支承构件20具有与该圆柱面形状的前表面15a相接合的圆柱面形状的后表面20a，该第3支承构件20设置成可沿前表面15a自由滑动。即，第3支承构件20的圆筒状的后表面20a可与第2支承构件15的圆筒状的前表面15a滑动接触地进行移动，由此，第3支承构件20以第1旋转轴线Y0为中心相对于第2支承构件15旋转(箭头B所示的旋转)自由地被第2支承构件15支承。通过做成这样的构造，可以使作为第3支承构件20的旋转中心的第1旋转轴线Y0位于第3支承构件20的内部空间上，可以在该空间内支承打印对象物80。即，第1旋转轴线Y0设置于通过打印对象物80的位置。
为了使这样得到支承的第3支承构件20以第1旋转轴线Y0为中心相对于第2支承构件15旋转移动，在第3支承构件20的图2中的左侧部的前表面形成有以第1旋转轴线Y0为中心的内齿轮21。而且，在第2支承构件15左侧部的前表面安装有驱动电动机16，安装于该驱动电动机16的驱动转轴上的驱动齿轮17与内齿轮21啮合。因此，若利用驱动电动机16驱动驱动齿轮17旋转，则可以驱动与驱动齿轮17啮合的内齿轮21旋转，使第3支承构件20以第1旋转轴线Y0为中心旋转。
在第3支承构件20的前表面侧设置有向前方突出的保持转轴25，该保持转轴25以沿前后方向(X轴方向)延伸、且通过上述规定点O1的第2旋转轴线X0为中心旋转自由，在保持转轴25的前端安装有保持打印对象物的保持卡盘26。保持转轴25可被配设于第3支承构件20内部的驱动电动机(未图示)旋转驱动控制，保持卡盘26具有可保持打印对象物80的构造。因此，若在由保持卡盘26保持打印对象物80的状态下驱动保持转轴25旋转，则可以使打印对象物80以第2旋转轴线X0为中心旋转。由此可知，第2旋转轴线X0也设置于通过打印对象物80的位置。
由这些保持转轴25及保持卡盘26构成权利要求书所规定的保持装置。另外，如上所述，由于第3支承构件20以第1旋转轴线Y0旋转自由，因此，在第3支承构件20已位于规定旋转位置(图3所示的旋转位置)时，第2旋转轴线X0沿前后方向(X轴方向)延伸，与第3支承构件20的旋转位置相应地，第2旋转轴线X0上下摆动。由此，打印对象物80进行自转这样的运动。另外，如图所示，第1旋转轴线Y0及第2旋转轴线X0均通过规定点O1而互相交叉，但也可以不交叉而错开。但是，在它们相交叉的情况下，容易运算打印对象物80的位置，由移动控制装置进行的移动控制较为简单。
在以上构造的打印机装置中，作为保持转轴25的旋转中心的第2旋转轴线X0相当于图1所示的动作原理构造中的轴X，作为第3支承构件20的旋转中心的第1旋转轴线Y0相当于图1所示的动作原理构造中的轴Y。支承该第3支承构件20的第2支承构件15被第1支承构件10以可沿Z轴方向(上下方向)移动(箭头D(z)所示的移动)的方式支承，第1支承构件10以可在底座1上沿X轴方向(前后方向)移动(箭头D(x)所示的移动)的方式被支承。另外，打印头以可在打印对象物80的上方相对于底座1沿Y轴方向(左右方向)移动(箭头D(y)所示的移动)的方式被支承。即，可以进行与图1所示的动作原理相同的动作。
由此可知，采用图2～图4所示的构造的打印机装置，可以根据使用图1说明的动作原理，自形成于打印头组件5下表面的喷墨孔喷墨，使墨附着在打印对象物80的表面81上，从而对打印对象物80的表面81进行所期望的打印。另外，在图1中，表示了对圆锥台状的打印对象物80的圆锥形状表面进行打印的例子，但打印对象物的形状并不限定于此，可以对包括圆柱面、球面在内的任意曲面形状进行打印。在这样的情况下，根据该曲面形状进行喷出控制，从而改变设定打印头的许多喷嘴中的所使用的喷嘴的区域，或者控制自喷嘴喷出的喷墨量、喷出速度，无论曲面如何都可获得良好的打印品质。
在该打印机装置中，第1旋转轴线Y0及第2旋转轴线X0均通过规定点O1而互相交叉，规定点O1位于通过被保持卡盘26保持的打印对象物80的位置、即装置的内部空间中。因此，在进行控制以使第3支承构件20以第1旋转轴线Y0为中心旋转、使保持卡盘26以第2旋转轴线X0为中心旋转时，打印对象物80以规定点O1为中心自转地进行移动，可以将该移动范围抑制在最小限度。因此，可以使打印机装置的构造小型紧凑化，也容易控制其动作。

Claims (2)

1.一种三维打印机，该三维打印机自打印头对具有三维形状表面的打印对象物喷墨而对上述表面实施规定打印，其特征在于，
该三维打印机包括保持装置、支承装置、移动控制装置和打印控制装置；
上述保持装置保持上述打印对象物；
上述支承装置以使上述保持装置及上述打印头可在三维空间内相对移动的方式支承上述保持装置及上述打印头；
上述移动控制装置一边保持上述打印头的喷墨口与被上述保持装置保持着的打印对象物表面上的打印部位的相互位置关系以使得上述喷墨口与上述打印部位隔开规定打印间隔地相面对、且使从上述喷墨口喷出的墨垂直喷在上述打印部位的表面，一边控制上述保持装置及上述打印头在三维空间内相对移动；
上述打印控制装置与由上述移动控制装置进行的相对移动控制相应地，对自上述打印头喷墨进行控制；
上述支承装置由第1支承构件、第2支承构件和第3支承构件构成；上述第1支承构件沿在水平面延伸的X轴方向自由移动地被支承在底座构件上；上述第2支承构件沿与上述水平面垂直延伸的Z轴方向自由移动地被支承在上述第1支承构件上；上述第3支承构件以第1旋转轴线为中心自由旋转地被支承在上述第2支承构件上，该第1旋转轴线沿与上述X轴及上述Z轴方向垂直的Y轴方向延伸；
上述保持装置以第2旋转轴线为中心自由旋转地被支承于上述第3支承构件上，保持打印对象物，上述第2旋转轴线在与上述第1旋转轴线正交的面内延伸；
上述第2支承构件的前表面形成为以上述第1旋转轴线为中心的凹形圆柱面形状，上述第3支承构件具有与该凹形圆柱面形状的前表面相接合的凸形圆柱面形状的后表面，该第3支承构件设置成可沿该前表面自由滑动。
2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，
上述打印头设置于上述底座构件上，可在被上述保持装置保持的打印对象物上方沿上述Y轴方向移动地被支承。
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