JP2009184121A

JP2009184121A - ３次元プリンタ

Info

Publication number: JP2009184121A
Application number: JP2008023282A
Authority: JP
Inventors: Chikao Tezuka; 千加雄手塚; Kazutomo Seki; 和友関; Nobuyuki Ono; 伸幸小野
Original assignee: Mimaki Engineering Co Ltd; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Mimaki Engineering Co Ltd; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】凹凸が形成された３次元形状の表面に対してプリンタヘッドからインクを吐出して、所望の印刷を施す３次元プリンタを提供する。
【解決手段】印刷対象物８０の表面８１に対してプリンタヘッド８５からインクを吐出して所定の印刷を施す３次元プリンタであって、印刷対象物を保持する保持チャック２６と、保持チャックを空間内で移動可能に支持する第１〜第３支持部材１０，１５，２０と、プリンタヘッドを保持する前端部４ａを保持チャックにより保持された印刷対象物に対して直線移動可能に支持するプリンタヘッドキャリッジ４と、左右首振り駆動装置８８とを備えている。左右首振り駆動装置が、上下に延びる回転軸Ｚ２を中心としてプリンタヘッド８５を左右方向に回転移動させるとともに、プリンタヘッドからインクを吐出させながら所望の印刷を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッドからインクを吐出して前記表面に所定の印刷を施す３次元プリンタに関する。

紙等のプリント対象物に文字、図柄等を印刷するプリンタ装置は従来種々のものが知られており、例えば、コンピュータに繋がって紙面に印刷するプリンタ装置等は業務用、家庭用として広く用いられている。従来のプリンタは、プリント対象物となる紙もしくはシート材を所定方向に送りながら、プリンタヘッドをこの送り方向と直角に走査移動させながら印刷を行う形式のものが一般的であった。例を挙げれば、特許文献１および２に記載のプリンタ装置がある。

特開２００３−１９１４５５号公報特開２００４−１４８６６６号公報

このような従来のプリンタ装置は、平面状のシート材もしくは固体物の平面に対して所定の印刷を行うものであり、全て２次元の印刷を行うものであったが、最近において３次元形状の表面（例えば、円筒面、球面、その他のさまざまな曲面）を有する対象物に対して印刷を行うことができるようなプリンタが要求されている。さらには、この３次元形状の表面に凹凸形状が形成されているものも存在し、このような印刷対象物に対しては、プリンタヘッドと印刷表面との距離を一定に保ちにくく、そのため所望の印刷を施すことが困難であるという課題があった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、凹凸形状が形成された３次元形状の表面に対してプリンタヘッドからインクを吐出して、この３次元形状の表面に所望の印刷を施すことができる３次元プリンタを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係る第１の３次元プリンタは、３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッドからインクを吐出して前記印刷対象物の表面に所定の印刷を施す３次元プリンタであって、前記印刷対象物を保持する対象物保持装置と、前記対象物保持装置を３次元空間内において移動可能に支持する３次元移動支持装置と、前記プリンタヘッドを保持するヘッド保持装置を、前記対象物保持装置により保持された前記印刷対象物に前記プリンタヘッドが対向する位置を通って直線移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、前記ヘッド移動支持装置に対して前記プリンタヘッドを、前記直線移動方向に直交する方向に延びる第１首振り軸を中心として回転可能に支持する第１のヘッド首振り装置と、前記３次元移動支持装置による前記対象物保持装置の３次元移動制御、前記ヘッド移動支持装置による前記ヘッド保持装置の直線移動制御、および前記第１のヘッド首振り装置による前記プリンタヘッドの回転制御に応じて、前記プリンタヘッドからのインクの吐出制御を行うプリント制御装置とを備えている。

上記構成の３次元プリンタにおいて、前記第１のヘッド首振り装置は、水平方向に延びた前記直線移動方向に対して上下方向に延びた前記第１首振り軸を中心として前記プリンタヘッドを回転可能に支持する構成が好ましい。

また、本発明に係る第２の３次元プリンタは、３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッドからインクを吐出して前記印刷対象物の表面に所定の印刷を施す３次元プリンタであって、前記印刷対象物を保持する対象物保持装置と、前記対象物保持装置を３次元空間内において移動可能に支持する３次元移動支持装置と、前記プリンタヘッドを保持するヘッド保持装置を、前記対象物保持装置により保持された前記印刷対象物に前記プリンタヘッドが対向する位置を通って直線移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、前記ヘッド移動支持装置に対して前記プリンタヘッドを、前記直線移動方向に延びる第２首振り軸を中心として回転可能に支持する第２のヘッド首振り装置と、前記３次元移動支持装置による前記対象物保持装置の３次元移動制御、前記ヘッド移動支持装置による前記ヘッド保持装置の直線移動制御、および前記第２のヘッド首振り装置による前記プリンタヘッドの回転制御に応じて、前記プリンタヘッドからのインクの吐出制御を行うプリント制御装置とを備えている。

本発明に関する３次元プリンタによれば、印刷インクを印刷対象物に向けて吐出するプリンタヘッドが、第１のヘッド首振り装置により第１首振り軸を中心として回転可能となって構成されており、この構成より、印刷対象物の送り方向（移動方向）に対して、プリンタヘッドの幅を変えることができる。よって、凹形状（凸形状）に形成された３次元形状の印刷対象表面の底部に対して、プリンタヘッドを常に所定の間隔を有した状態となるように（すなわち、プリンタヘッドから吐出されるインクを印刷対象表面に付着させて印刷を施すのに適した間隔となるように）相対移動させることが可能となる。このようにして相対移動させる際に、プリント制御装置によりこの移動に応じてプリンタヘッドからのインクの吐出制御を行えば、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対して、所望の印刷を簡単に且つ自動的に行うことができる。

ここで、第１のヘッド首振り装置は、水平方向に延びた直線移動方向に対して上下方向に延びた第１首振り軸を中心として、プリンタヘッドを回転可能に支持する構成が好ましい。このように構成した場合には、第１のヘッド首振り装置によってプリンタヘッドは、水平面内において回転移動するのでプリンタヘッドからのインクの吐出制御が容易となり、３次元形状の印刷対象表面に対して高精度な印刷が可能となる。

本発明に関する第２の３次元プリンタによれば、印刷インクを印刷対象物に向けて吐出するプリンタヘッドが、第２のヘッド首振り装置により第２首振り軸を中心として回転可能となって構成されており、この構成より、印刷対象物表面に形成された斜面に対してプリンタヘッドが平行となるように回転移動させることができる。よって、凹形状（凸形状）に形成された３次元形状の印刷対象表面の斜面に対して、プリンタヘッドを常に所定の間隔を有し且つ平行となるように（すなわち、プリンタヘッドから吐出されるインクを印刷対象表面に付着させて印刷を施すのに適した間隔となるように）相対移動させることが可能となる。このようにして相対移動させる際に、プリント制御装置によりこの移動に応じてプリンタヘッドからのインクの吐出制御を行えば、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対して、所望の印刷を簡単に且つ自動的に行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について、実施例１および実施例２を挙げて説明する。なお、以下に説明する各実施例において、まず本発明のプリンタ装置における保持装置により保持された印刷対象物８０と、プリンタヘッド８５との相対移動制御および印刷制御の概要を説明する。その後、その相対移動制御および印刷制御を用いて、印刷対象物８０に所望の印刷を行うプリンタ装置の具体的構成について説明する。

まず、図１を参照しながら、実施例１に係るプリンタにおける保持装置により保持された印刷対象物８０と、プリンタヘッド８５との相対移動制御および印刷制御の概要を説明する。図１に示す印刷対象物８０は切頭円錐形状の部材であり、その円錐状の外表面８１にプリンタヘッド（インクジェットヘッド）８５からインクを吐出して、所望の印刷を行うように構成されたプリンタの作動原理について説明する。

このプリンタは、図示しないが、印刷対象物８０を支持する支持装置を有し、この支持装置は、切頭円錐の中心軸Ｘが前後に延びるとともに、この軸Ｘを中心として回転自在（矢印Ａで示す回転）に印刷対象物８０を支持するように構成されている。この状態で軸Ｘ上の点Ｏ１を通り軸Ｘと直交して左右に延びる軸Ｙを中心として、印刷対象物８０が回転自在（矢印Ｂで示す回転）となるように支持されている。さらに、この印刷対象物８０をＸ軸方向に沿って前後に移動（矢印Ｄ（ｘ）で示す移動）可能で、且つＸ軸およびＹ軸に直交して垂直に延びるＺ軸に沿って、上下に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能に支持するように構成されている。

このように図示しない支持装置により支持された印刷対象物８０の上方に、プリンタヘッド８５がＹ軸方向に移動（矢印Ｄ（ｙ）で示す移動）可能になって配設されている。さらに、プリンタヘッド８５の上方に配置された左右首振り駆動装置（図示せず）が、プリンタヘッド８５の下面８６の、例えば中心点を通ってＺ軸方向に延びる回転軸Ｚ２を中心として、プリンタヘッド８５を矢印Ｃに示す（左右）方向に回転移動（首振り）可能となって配設されている。ここで、軸Ｘ２，軸Ｙ２および回転軸Ｚ２は、それぞれＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸と平行であるとともに点Ｏ２で交差している。なお、プリンタヘッド８５は下面８６に多数のインク吐出孔を有し、図示しないインク供給装置から供給されるインクを、プリント制御装置により各インク吐出孔毎に制御して吐出させ、印刷対象物８０の表面８１に所定の印刷を行うようになっている。

このように支持装置により支持された、印刷対象物８０の円錐状の表面８１に対して、プリンタヘッド８５の下面８６に形成されたインク吐出孔から、インクを吐出して所望の印刷を行う。このとき、インク吐出孔を印刷対象物８０の表面８１の印刷対象位置に、所定の印刷間隔を有する接近した位置（インク吐出孔から吐出するインクを表面８１に付着させて印刷を行うのに最適な間隔を有する位置）に位置させる必要がある。さらに、印刷対象位置の表面８１に対して、プリンタヘッド８５の下面に形成されたインク吐出孔が正面を向くように、すなわち、インク吐出孔からのインクの吐出方向が表面８１に対して直交するように向ける必要がある。例えば、印刷対象物８０の表面８１における、図示の印刷対象点Ｐ０にプリンタヘッド８５からインクを吐出して印刷を行うには、印刷対象点Ｐ０の位置における表面８１が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷間隔だけ離れた位置まで接近させ、且つ印刷対象点Ｐ０の位置における表面８１が、プリンタヘッドの下面８６と平行になるように位置決めする必要がある。

このため、図１に示すように印刷対象物８０を支持した状態から、印刷対象物８０をＸ軸方向に沿って前後に移動（矢印Ｄ（ｘ）で示す移動）させて、印刷対象点Ｐ０がプリンタヘッド８５の直下位置まで移動させる。そして、軸Ｘを中心として回転（矢印Ａで示す回転）させて、印刷対象点Ｐ０を真上に位置させ、軸Ｙを中心として回転（矢印Ｂで示す回転）させて印刷対象点Ｐ０を通る稜線Ｌ１が水平に延びるように位置させる。そして、プリンタヘッド８５の下面８６（のインク吐出孔）が、印刷対象点Ｐ０の真上に位置するようにプリンタヘッド８５をＹ軸方向に移動（矢印Ｄ（ｙ）で示す移動）させる。そして、プリンタヘッド８５の下面８６が、印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離だけ離れた接近位置に位置するように、Ｚ軸に沿って上方に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）させる。なお、この移動および回転の順序は、印刷対象物８０とプリンタヘッド８５とが干渉しない限りどのような順序でも良い。

このようにして、プリンタヘッド８５の下面８６が印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離だけ離れ、且つ正面を向いて対向する位置に位置した状態において、プリントヘッド８５の下面８６のノズル孔からプリント制御装置による制御に基づいてインクの吐出が行われ、点Ｐ０に対する印刷が行われる。そして、例えば、印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行うには、印刷対象物８０の外表面における周方向に沿った点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷距離だけ離れて正面を向いて対向するように、上述した支持装置による印刷対象物８０の支持位置を変更しながら、プリント制御装置により制御してインク吐出を行わせる。さらにこのとき、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が断面視凹形状（凸形状）となっている場合には、凹形状（凸形状）に応じて左右首振り駆動装置がプリンタヘッド８５を回転軸Ｚ２を中心として、矢印Ｃに示す方向に回転移動させながらインク吐出を行う。こうすることにより、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷距離だけ離れて正面を向いて対向することが可能となり、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・に対して所望の印刷が行われる。なお、左右首振り駆動装置のプリンタヘッド８５に対する具体的な回転移動制御については後述する。

以上説明した作動原理に基づいて、３次元プリントを行うための具体的なプリンタ装置３０の構成を、図２〜図７を参照しながら説明する。

プリンタ装置３０は、図２に示すように、ベース１の上に、左右一対の支持脚２ａ，２ｂおよびこれら支持脚２ａ，２ｂの上端を繋いで左右に延びた支持桁２ｃとからなる門型支持フレーム２が固設されている。また、右支持脚２ｂに隣接して操作盤６ａを有する第１制御装置６が設けられ、左支持脚２ａに隣接してメンテナンスステーション８を有する第２制御装置７が設けられている。なお、第１および第２制御装置６，７は、後述する各種部材の移動および回転作動制御を行う移動制御装置、プリンタヘッドからのインク吐出制御を行うプリント制御装置および電源制御装置等の、各種制御装置からなる。

支持桁２ｃの上面に前後一対の左右ガイドレール３ａ，３ｂが、左右方向（Ｙ軸方向）に延びて設けられており、この上に左右に移動自在（矢印Ｄ（ｙ）方向に移動自在）にプリンタキャリッジ４が取り付けられている。このプリンタキャリッジ４を左右に移動させるために、ボールネジ機構等の送り機構が設けられており、その駆動制御によりプリンタキャリッジ４の左右方向移動を制御できるが、この制御は周知なので説明は省略する。

プリンタキャリッジ４は、図３に示すように、左右ガイドレール３ａ，３ｂにより支持される部分から前方に延びて下方に折れ曲がるとともに前方に延びた、側面視クランク形状の部材である。このプリンタキャリッジ４の前端部４ａに対して、複数のプリンタヘッドモジュール８５が一体となって、矢印Ｃに示す方向に回転自在となって取り付けられている。プリンタヘッドモジュール８５は、インクジェットヘッドモジュールとも称され、下面８６に多数のインク吐出孔（図示せず）が形成されており、例えば、それぞれ異なる色のインクをインク吐出孔から吐出させるように構成されている。また、本明細書において、プリンタヘッドモジュール８５の詳細な形状説明は省略するとともに、模式的に略直方体に示す。前端部４ａは、プリンタヘッドモジュール８５の下面８６と対向する部分が上下に開口しており、下面８６に形成されたインク吐出孔から前端部４ａの下方に位置する印刷対象物８０に向けてインクが吐出されることにより、所望の印刷が行われる。なお、このインクの吐出制御は、プリント制御装置によりインク吐出孔毎になされるが、これについては従来から周知の構成であるのでその説明は省略する。

図５に示すように、プリンタヘッドモジュール８５の上方には、左右首振り駆動装置８８が設置されている。左右首振り駆動装置８８は、外周部が例えば保護カバー（図示せず）で覆われており、内部には駆動軸９１ｂの先端に小径歯車９１ａが取り付けられたサーボモータ９１、および上端に大径歯車９２ａが取り付けられた回転支持軸９２が収納されている。ここで、駆動軸９１ｂおよび回転支持軸９２は、Ｚ方向に延びて平行となって配設されるとともに、小径歯車９１ａと大径歯車９２ａとが噛合している。また、回転支持軸９２の下端には、プリンタヘッドモジュール８５の上面が連結されており、サーボモータ９１が駆動すると、その回転駆動力が駆動軸９１ｂに出力されて小径歯車９１ａを回転させ、小径歯車９１ａと噛合している大径歯車９２ａが回転駆動されることによって、回転支持軸９２およびプリンタヘッドモジュール８５を、回転軸Ｚ２を中心として矢印Ｃの方向（サーボモータ９１の回転方向とは逆方向）に回転移動させる。

さらに、この左右首振り駆動装置８８の駆動系として、上述のようにサーボモータ駆動機構を用いることにより、プリンタヘッドモジュール８５を所望の（左右回転）位置に連続的に回転移動可能に構成される。このようにプリンタヘッドモジュール８５が搭載されたプリンタヘッドキャリッジ４が、左右ガイドレール３ａ，３ｂ上を左右に移動可能であるが、図２に示すように、左端部に位置した状態で、メンテナンスステーション８が上動してプリンタヘッドモジュール８５の下面８６の、インク吐出孔の乾燥防止および清掃が行われるようになっている。

ベース１の上に、門型支持フレーム２の左右支持脚２ａ，２ｂの間位置して、前後方向（Ｘ軸方向）に延びる一対の前後ガイドレール１ａ，１ｂが設けられており、この前後ガイドレール１ａ，１ｂの上に前後に移動自在（矢印Ｄ（ｘ）方向に移動自在）に第１支持部材１０が設けられている。この第１支持部材１０を前後に移動させるために、ボールネジ機構等の送り機構が設けられており、その駆動制御により第１支持部材１０の前後方向移動を制御できるが、このような送り機構は周知なのでその構成説明は省略する。

第１支持部材１０の上に、垂直に起立した状態で垂直支持部材１１が固設されており、この垂直支持部材１１の前面に垂直方向（Ｚ方向）に延びる一対の上下ガイドレール１２ａ，１２ｂが設けられている。この上下ガイドレール１２ａ，１２ｂに支持されて、上下に移動自在（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動自在）に第２支持部材１５が設けられている。この第２支持部材１５を上下に移動させるために、ボールネジ機構等の送り機構が設けられており、その駆動制御により第２支持部材１５の上下方向移動を制御できるが、このような送り機構は周知なのでその構成説明は省略する。

第２支持部材１５の前面１５ａは、第２支持部材１５に対して定まる所定点Ｏ１（後述するように印刷対象物８０が位置し得る位置に設定された点）を通り、Ｙ軸方向に延びる第１回転軸Ｙ０を中心とする円筒面形状に形成されており、この円筒面形状の前面１５ａに接合する円筒面形状の後面２０ａを有した第３支持部材２０が、前面１５ａに沿って摺動自在に設けられている。すなわち、第３支持部材２０の後面２０ａが第２支持部材１５の前面１５ａと摺接移動可能であり、これにより、第３支持部材２０は第２支持部材１５に対して第１回転軸Ｙ０を中心として回転（矢印Ｂで示す回転）自在に支持される。

このように支持した第３支持部材２０を、第２支持部材１５に対して第１回転軸Ｙ０を中心として回転移動させるために、第３支持部材２０の図２における左側部の前面に第１回転軸Ｙ０を中心とした内歯車２１が形成されている。そして、第２支持部材１５の左側部の前面に駆動モータ１６が取り付けられ、この駆動モータ１６の駆動シャフトに取り付けられた駆動ピニオン１７が内歯車２１と噛合している。このため、駆動モータ１６により駆動ピニオン１７を回転駆動すれば、これに噛合する内歯車２１が回転駆動され、第３支持部材２０を第１回転軸Ｙ０を中心として回転させることができる。

第３支持部材２０の前面側に、保持シャフト２５が前後方向（Ｘ軸方向）に延びるとともに、上記所定点Ｏ１を通る第２回転軸Ｘ０を中心として回転自在に設けられて前方に突出しており、その前端に印刷対象物を保持するための保持チャック２６が取り付けられている。保持シャフト２５は、第３支持部材２０の内部に配設された駆動モータ（図示せず）により回転駆動制御されるようになっており、保持チャック２６は印刷対象物８０を保持可能な構成を有している。このため、保持チャック２６により印刷対象物８０を保持した状態で保持シャフト２５を回転駆動すれば、印刷対象物８０を第２回転軸Ｘ０を中心として回転させることができるようになっている。

上述のように第３支持部材２０は第１回転軸Ｙ０を中心として回転自在であるため、第３支持部材２０が所定回転位置（図３に示す回転位置）に位置したときに第２回転軸Ｘ０は前後方向（Ｘ軸方向）に延びるが、第３支持部材２０の回転位置に応じて第２回転軸Ｘ０は上下に振られる。また、図示のように第１回転軸Ｙ０および第２回転軸Ｘ０はともに所定点Ｏ１を通り互いに交差しているが、これは交差せずにずれていても良い。但し、交差している方が、印刷対象物８０の位置演算が容易であり、移動制御装置による制御が簡単である。

以上の構成のプリンタ装置３０において、保持シャフト２５の回転中心となる第２回転軸Ｘ０が、図１に示す作動原理構成における軸Ｘに該当し、第３支持部材２０の回転中心となる第１回転軸Ｙ０が図１の作動原理構成の軸Ｙに該当する。この第３支持部材２０を支持する第２支持部材１５は、第１支持部材１０によりＺ軸方向（上下方向）に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能に支持され、第１支持部材１０は、ベース１上にＸ軸方向（前後方向）に移動（矢印Ｄ（ｘ）で示す移動）可能に支持されている。また、プリンタヘッド８５は、印刷対象物８０の上方においてベース１に対して、Ｙ軸方向（左右方向）に移動（矢印Ｄ（ｙ）で示す移動）可能に支持されるとともに、矢印Ｃに示す（左右）方向に回転移動（首振り）可能に支持されている。すなわち、図１に示す作動原理と同一の作動を行うことができるように構成されている。

なお、本明細書における前端部４ａが、請求の範囲に規定するヘッド保持装置に該当し、同様に、プリンタヘッドキャリッジ４がヘッド移動支持装置、プリンタヘッドモジュール８５がプリンタヘッド、回転軸Ｚ２が第１首振り軸、左右首振り駆動装置８８が第１のヘッド首振り装置にそれぞれ該当する。また、本明細書における保持シャフト２５および保持チャック２６により、請求の範囲に規定する対象物保持装置が構成される。本明細書における第１支持部材１０、第２支持部材１５および第３支持部材２０を主体として、請求の範囲に規定する３次元移動支持装置が構成される。

以上ここまでは、プリンタ装置３０の構成部材について説明したが、以下において、上記のプリンタ装置３０を用いて、印刷対象物８０に所望の印刷を行うときの各構成部材の作動について説明する。ここで、本発明の特徴構成を分かりやすく説明するために、プリンタヘッドモジュール８５、左右首振り駆動装置８８および保持チャック２６に保持された印刷対象物８０の作動を中心に説明する。

図１に示すような作動原理に基づき、印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行う場合には、印刷を行う前段階として、例えば各移動制御装置が原点に位置した状態において、印刷対象物８０の表面８１の形状データを取得し、取得された形状データがプリンタ装置３０の演算処理部（図示せず）に記憶されている。また、各移動制御装置が駆動した場合にもその駆動量を検出することにより、印刷対象物８０の表面８１の各位置を算出できる構成となっている。ここで、各移動制御装置を駆動させて、印刷対象点Ｐ０がプリンタヘッドモジュール８５の直下に位置するように移動させる。

このとき、上記形状データより印刷対象点Ｐ０の位置が算出され、例えば図６（ａ）および図７（ａ）に示すように、凹形状（溝形状）となっていない印刷対象点Ｐ０と、所定印刷距離だけ離れた接近位置にプリンタヘッドモジュール８５の下面８６が位置するように各移動制御装置を駆動させる。上記接近位置に移動したプリンタヘッドモジュール８５は、図６（ａ）に示す上方からの側面視において、例えば略矩形の長さ方向（紙面に対して上下方向）が軸Ｘ２の方向と一致するとともに、略矩形の幅方向（紙面に対して左右方向）が軸Ｙ２の方向と一致した回転原点位置にある。この回転原点位置において、プリンタヘッドモジュール８５は軸Ｘ２方向にＸ方向幅Ｈを有している。上記接近位置において、印刷対象点Ｐ０に対して所望の印刷を行った後、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０が回転されることにより、次に印刷を行う凹形状（溝形状）となった印刷対象点Ｐ１を下面８６の下方に位置させる。

ここで印刷対象点Ｐ１は溝幅Ｍの底部に位置して、溝幅Ｍ＜Ｘ方向幅Ｈの大小関係となっているために、回転原点位置のまま第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０回転させると、プリンタヘッドモジュール８５と表面８１とが干渉するので、下面８６を印刷対象点Ｐ１に対して所定印刷距離だけ離れた接近位置に移動させることは不可能である。そこで、上記形状データに基づいて左右首振り駆動装置８８が、例えば図６（ｂ）に示すように、回転原点位置より反時計回りに回転角度θ２だけプリンタヘッドモジュール８５を回転移動させながら、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０を回転させる。上記左右首振り駆動装置８８による回転移動によって、プリンタヘッドモジュール８５は軸Ｘ２方向にＸ方向幅Ｈ´となり、図７（ｂ）に示すように、軸Ｘ２方向の長さ関係はＸ方向幅Ｈ´＜溝幅Ｍ＜Ｘ方向幅Ｈとなる。

こうすることにより、プリンタヘッドモジュール８５と表面８１とが干渉することなく、プリンタヘッドモジュール８５の下面８６を印刷対象点Ｐ１に対して、所定印刷距離だけ離れた接近位置に移動させることが可能となる。なお、上記接近位置に移動させる際の、プリンタヘッドモジュール８５と印刷対象点Ｐ１との上下方向の相対移動は、例えば上下に移動自在（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動自在）に設けられた第２支持部材１５を、上記形状データに基づいて上下に移動させて行う。

このように、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０を回転させて、プリンタヘッド８５の直下に順次印刷対象点を位置させるとともに、左右首振り駆動装置８８が印刷対象点の（凹）形状に応じて、プリンタヘッドモジュール８５を回転移動制御しながら、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出することにより、所望の印刷が可能となる。つまり、上記形状データを基に左右首振り駆動装置８８が、回転軸Ｚ２を中心としてプリンタヘッドモジュール８５を連続的に回転移動制御することにより、プリンタヘッドモジュール８５は表面８１の凹形状部分に入り込むことが可能となる。そして、インク吐出孔は印刷対象点に対して常に所定印刷距離だけ離れた接近位置から、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹形状（凸形状）に関わらず所望の印刷を行うことができる。

ここで、第１の実施例に係るプリンタ装置３０の効果について簡単にまとめると、予め取得された印刷対象物８０の表面８１の形状データを基に、左右首振り駆動装置８８が回転軸Ｚ２を中心としてプリンタヘッドモジュール８５を連続的に回転移動制御することにより、プリンタヘッドモジュール８５と表面８１とが干渉せず、プリンタヘッドモジュール８５は表面８１の凹形状部分に入り込むことが可能となる。よって、インク吐出孔は印刷対象点に対して常に所定印刷距離だけ離れた接近位置から、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹形状（凸形状）に関わらず、所望の高精度な印刷を行うことが可能である。

まず、図８を参照して、実施例２に係るプリンタ装置における保持装置により保持された印刷対象物８０と、プリンタヘッド８５との相対移動制御および印刷制御の概要を説明する。上記実施例１の場合と同様に、印刷対象物８０の円錐状の外表面８１にプリンタヘッド（インクジェットヘッド）８５からインクを吐出して、所望の印刷を行うように構成されたプリンタの作動原理について、図８を参照しながら説明する。なお、上述の実施例１に係るプリンタ装置の作動原理説明と同一番号が付された部材は、実施例１で説明した構成となっており、以下に実施例１と相違する構成を中心に説明する。

実施例２に係るプリンタ装置は、そのプリンタヘッド８５の上方に左右首振り駆動装置ではなく前後首振り駆動装置（図示せず）が配設されている。ここで、プリンタヘッド８５の下面８６の中心点を通ってＺ軸方向に延びる軸Ｚ３は、その軸Ｚ３上の点Ｏ３において、Ｘ軸と平行である軸Ｘ３とＹ軸と平行である揺動軸Ｙ３とが交差している。そして、前後首振り駆動装置は、揺動軸Ｙ３を中心としてプリンタヘッド８５を矢印Ｄに示す（前後）方向に揺動（首振り）可能となって配設されている。なお、軸Ｚ３は下面８６の中心点以外の点を通っていても良いが、中心点を通るように構成することで、プリンタヘッド８５の位置制御が容易となる。

そして、前後首振り駆動装置が配設された実施例２に係るプリンタ装置を用いて、実施例１の場合と同様に、例えば印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行うには、印刷対象物８０の外表面における周方向に沿った点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、プリンタヘッド８５の下面８６（のインク吐出孔）と所定印刷距離だけ離れて正面を向いて対向するように、上述した支持装置による印刷対象物８０の支持位置を変更しながら、プリント制御装置により制御してインク吐出を行わせる。

さらにこのとき、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が断面視凹形状（凸形状）となっている場合には、凹形状（凸形状）に応じて前後首振り駆動装置プリンタヘッド８５を揺動軸Ｙ３を中心として、矢印Ｄに示す方向に回転移動させながらインク吐出を行う。こうすることにより、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷距離だけ離れて正面を向いて対向することが可能となり、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・に対して所望の印刷が行われる。なお、前後首振り駆動装置のプリンタヘッド８５に対する具体的な回転移動制御については後述する。

図２〜図４，図９および図１０に、第２の実施例に係るプリンタ装置４０を示す。このプリンタ装置４０は、第１の実施例に係るプリンタ装置３０とほぼ同一構成となっており、以下においてプリンタ装置３０と異なる構成部分を中心に説明する。なお、プリンタ装置３０と同一番号が付された部材は、上述の第１の実施例で説明した構成となっている。

図２および図３に示すように、プリンタキャリッジ４の前端部４ａに対して、プリンタヘッドモジュール８５が、矢印Ｄ方向（前後方向）に揺動自在に取り付けられており、さらにプリンタヘッドモジュール８５の上方には、前後首振り駆動装置８９が設置されている。前後首振り駆動装置８９は、図９に示すように外周部が例えば保護カバー（図示せず）で覆われており、その内部には、前後首振り駆動装置８９の底部８９ａに固定されるとともに、駆動軸（図示せず）の先端に小径歯車９５ａが取り付けられたサーボモータ９５、および上面に揺動軸Ｙ３を中心とした内歯車９６ａが形成された揺動部材９６が配設されている。

小径歯車９５ａは、内歯車９６ａの上方に位置しているとともに内歯車９６ａと噛合しており、揺動部材９６の下面には揺動支持軸９６ｂの上端が連結されるとともに、揺動支持軸９６ｂの下端はプリンタヘッドモジュール８５の上面と連結されている。上記構成において、サーボモータ９５が駆動すると、その回転駆動力が駆動軸を介して小径歯車９５ａを回転させ、小径歯車９５ａと噛合している内歯車９６ａが形成された揺動部材９６が、揺動軸Ｙ３を中心として矢印Ｄ（ｙ３）方向に揺動されることによって、揺動支持軸９６ｂおよびプリンタヘッドモジュール８５を矢印Ｄ（ｙ３）方向に揺動させる。さらに、この前後首振り駆動装置８９の駆動系として、上述のようにサーボモータ駆動機構を用いることにより、プリンタヘッドモジュール８５を所望の（前後揺動）位置に連続的に揺動させることが可能である。

以上ここまでは、プリンタ装置４０のプリンタヘッド部分の構成について説明したが、以下において、上記のプリンタ装置４０を用いて印刷対象物８０に所望の印刷を行うときの各構成部材の作動について説明する。ここで、本発明の特徴構成を分かりやすく説明するために、プリンタヘッドモジュール８５、前後首振り駆動装置８９および保持チャック２６に保持された印刷対象物８０の作動を中心に説明する。

図８に示すような作動原理に基づき、印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行う場合には、上記第１実施例と同様に、印刷対象物８０の表面８１の形状データを取得した上で、各移動制御装置を駆動させて、印刷対象点Ｐ０がプリンタヘッドモジュール８５の直下に位置するように移動させる。このとき、上記形状データより印刷対象点Ｐ０の位置が算出されるとともに、例えば図１０（ａ）に示すように、凹形状（溝形状）となっていない印刷対象点Ｐ０と、所定印刷距離だけ離れた接近位置にプリンタヘッドモジュール８５の下面８６が位置するように各移動制御装置を駆動させる。

上記接近位置に移動したプリンタヘッドモジュール８５は、側面視において印刷対象点Ｐ０を含む表面８１と下面８６とが平行であり、この位置を揺動原点位置とする。そして上記接近位置において、印刷対象点Ｐ０に対して所望の印刷を行った後、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０が回転されることにより、次に印刷を行う印刷対象点Ｐ１を下面８６の下方に位置させる。ここで印刷対象点Ｐ１は、図１０（ｂ）に示すように、表面８１に形成された凹形状部分の斜面８１ａに位置した点である。

そして、印刷対象点Ｐ１を含む斜面８１ａに対して、所定印刷距離だけ離れた接近位置にプリンタヘッドモジュール８５の下面８６を位置させるとともに、印刷対象点Ｐ１を含む斜面８１ａと下面８６とが平行となるように移動させる。このとき例えば、プリンタヘッドモジュール８５と表面８１とが干渉しないように、上記形状データに基づいて前後首振り駆動装置８９が、揺動原点位置より時計回りに揺動角度θ３だけ揺動軸Ｙ３を中心としてプリンタヘッドモジュール８５を揺動させながら、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０を回転させる（図１０（ｂ）を参照）。

このように、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０を回転させて、プリンタヘッド８５の直下に順次印刷対象点を位置させるとともに、前後首振り駆動装置８９が印刷対象点の（凹）形状に応じて、プリンタヘッドモジュール８５を揺動制御しながら、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出することにより所望の印刷が行われる。つまり、上記形状データを基に前後首振り駆動装置８９が、揺動軸Ｙ３を中心としてプリンタヘッドモジュール８５を連続的に揺動制御することにより、斜面８１ａに対してプリンタヘッドモジュール８５の下面８６を、平行かつ所定印刷距離だけ離れた接近位置に移動させることが可能となる。そのため、インク吐出孔は印刷対象点に対して常に所定印刷距離だけ離れた接近位置から、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹形状（凸形状）に関わらず所望の印刷を行うことができる。

ここで、第２の実施例に係るプリンタ装置４０の効果について簡単にまとめると、予め取得された印刷対象物８０の表面８１の形状データを基に、前後首振り駆動装置８９が揺動軸Ｙ３を中心としてプリンタヘッドモジュール８５を連続的に揺動制御することにより、斜面８１ａに対してプリンタヘッドモジュール８５の下面８６を、平行かつ所定印刷距離だけ離れた接近位置に移動させることが可能となる。よって、インク吐出孔は斜面８１ａ上の印刷対象点に対して、常に所定印刷距離だけ離れた接近位置から、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹形状（凸形状）に関わらず、所望の高精度な印刷を行うことが可能である。

上述の第１および第２の実施例において、例えばプリンタヘッドモジュール８５の下面８６に、表面８１と下面８６との距離を連続検出可能である距離検出器（図示せず）を設置する構成も可能である。この距離検出器において検出された距離および取得された表面８１の形状データに基づいて、左右首振り駆動装置８８または前後首振り駆動装置８９が駆動されるように構成することで、プリンタヘッドモジュール８５をより高精度に回転移動制御または揺動制御することが可能となる。

上述の第１および第２の実施例における、左右首振り駆動装置８８および前後首振り駆動装置８９の構成は一例であって、この構成に限定されるものではなく、プリンタヘッドモジュール８５を左右方向に回転移動可能、およびプリンタヘッドモジュール８５を前後方向に揺動可能となって構成されていれば各駆動装置の構成は特に限定されない。

上述の第１および第２の実施例において、プリンタ装置は左右首振り駆動装置８８または前後首振り駆動装置８９のどちらか一方を備えて構成されているが、この構成に限定されず、例えば左右首振り駆動装置８８および前後首振り駆動装置８９の両方を備えたプリンタ装置を構成することも可能である。

本発明の第１実施例に係るプリンタの作動原理を説明する概略図である。本発明に係るプリンタ装置を示した正面図である。このプリンタ装置の側面図（一部断面図）である。このプリンタ装置の一部を取り出して示した斜視図である。左右首振り駆動装置を示した平面図である。（ａ）は回転原点位置のプリンタヘッドモジュールの上側面図で、（ｂ）はθ２だけ回転移動したプリンタヘッドモジュールの上側面図である。（ａ）は回転原点位置のプリンタヘッドモジュールの側面図で、（ｂ）はθ２だけ回転移動したプリンタヘッドモジュールの側面図である。本発明の第２実施例に係るプリンタの作動原理を説明する概略図である。前後首振り駆動装置を示した斜視図である。（ａ）は揺動原点位置のプリンタヘッドモジュールの側面図で、（ｂ）はθ３だけ揺動したプリンタヘッドモジュールの側面図である。

符号の説明

４プリンタヘッドキャリッジ（ヘッド移動支持装置）
４ａ前端部（ヘッド保持装置）
１０第１支持部材（３次元移動支持装置）
１５第２支持部材（３次元移動支持装置）
２０第３支持部材（３次元移動支持装置）
２５保持シャフト（対象物保持装置）
２６保持チャック（対象物保持装置）
３０プリンタ装置（３次元プリンタ）
８０印刷対象物
８５プリンタヘッドモジュール（プリンタヘッド）
８８左右首振り駆動装置（第１のヘッド首振り装置）
８９前後首振り駆動装置（第２のヘッド首振り装置）
Ｚ２回転軸（第１首振り軸）
Ｙ３揺動軸（第２首振り軸）

Claims

３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッドからインクを吐出して前記印刷対象物の表面に所定の印刷を施す３次元プリンタであって、
前記印刷対象物を保持する対象物保持装置と、
前記対象物保持装置を３次元空間内において移動可能に支持する３次元移動支持装置と、前記プリンタヘッドを保持するヘッド保持装置を、前記対象物保持装置により保持された前記印刷対象物に前記プリンタヘッドが対向する位置を通って直線移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、
前記ヘッド移動支持装置に対して前記プリンタヘッドを、前記直線移動方向に直交する方向に延びる第１首振り軸を中心として回転可能に支持する第１のヘッド首振り装置と、
前記３次元移動支持装置による前記対象物保持装置の３次元移動制御、前記ヘッド移動支持装置による前記ヘッド保持装置の直線移動制御、および前記第１のヘッド首振り装置による前記プリンタヘッドの回転制御に応じて、前記プリンタヘッドからのインクの吐出制御を行うプリント制御装置とを備えた３次元プリンタ。
前記第１のヘッド首振り装置は、水平方向に延びた前記直線移動方向に対して上下方向に延びた前記第１首振り軸を中心として前記プリンタヘッドを回転可能に支持することを特徴とする請求項１に記載の３次元プリンタ。
３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッドからインクを吐出して前記印刷対象物の表面に所定の印刷を施す３次元プリンタであって、
前記印刷対象物を保持する対象物保持装置と、
前記対象物保持装置を３次元空間内において移動可能に支持する３次元移動支持装置と、
前記プリンタヘッドを保持するヘッド保持装置を、前記対象物保持装置により保持された前記印刷対象物に前記プリンタヘッドが対向する位置を通って直線移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、
前記ヘッド移動支持装置に対して前記プリンタヘッドを、前記直線移動方向に延びる第２首振り軸を中心として回転可能に支持する第２のヘッド首振り装置と、
前記３次元移動支持装置による前記対象物保持装置の３次元移動制御、前記ヘッド移動支持装置による前記ヘッド保持装置の直線移動制御、および前記第２のヘッド首振り装置による前記プリンタヘッドの回転制御に応じて、前記プリンタヘッドからのインクの吐出制御を行うプリント制御装置とを備えた３次元プリンタ。