JP2017119358A - 液体吐出装置および液体吐出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】液体の吐出性能を改善できる液体吐出装置を提供する。
【解決手段】複数のノズル114が配列されているノズル列115を有し、複数のノズルのそれぞれから液体を吐出させて液柱LCを垂下させるヘッド部110と、ノズル列の中心から見て配列方向に対して斜めに交差する方向から、少なくとも2つの液柱にレーザーを照射して液柱から液滴L1,L2を分離させる液滴生成部120と、液滴にエネルギーを付与して、液滴の飛行方向を変更する方向変更部130と、を備える液体吐出装置100。
【選択図】図4
【解決手段】複数のノズル114が配列されているノズル列115を有し、複数のノズルのそれぞれから液体を吐出させて液柱LCを垂下させるヘッド部110と、ノズル列の中心から見て配列方向に対して斜めに交差する方向から、少なくとも2つの液柱にレーザーを照射して液柱から液滴L1,L2を分離させる液滴生成部120と、液滴にエネルギーを付与して、液滴の飛行方向を変更する方向変更部130と、を備える液体吐出装置100。
【選択図】図4
Description
本発明は、液体吐出装置および液体吐出方法に関する。
液体を吐出する液体吐出装置の一態様として、インクを吐出して印刷物を作製するインクジェットプリンターや、液体材料を吐出して立体物を造形する3Dプリンターなどが知られている。例えば、下記特許文献1のインクジェットプリンターは、ノズルにおいて形成されたインク液の液柱の粘度をノズル部分に設けられた発熱手段(レーザー)によって変化させ、当該液柱に脈動を生じさせることによって、インク粒子を連続的に形成する。
しかし、特許文献1記載の技術では、インク液が吐出されるノズル部分に発熱手段が設けられているため、乾燥したインクがノズルの縁に付着して堆積し、ノズルのインク吐出性能が低下してしまう可能性がある。従来から、インクジェットプリンターにおいては、安定してインクを吐出させることができるように、ノズル近傍にインクが堆積してしまうことを抑制できる技術が求められている。また、インクジェットプリンターにおいては、より効率的にインクを吐出させることができる技術が求められている。こうした課題は、印刷物の作製に用いられるインクジェットプリンターに限らず、液体を吐出可能な機構を備える種々の液体吐出装置に共通した課題である。特に、液体材料を吐出して立体物を作製する3Dプリンターなどでは、比較的粘度が高い液体材料が用いられることもあり、液体材料の吐出技術を改善することについての要望が大きい。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
[1]本発明の一形態によれば、液体吐出装置が提供される。この液体吐出装置は、ヘッド部と、液滴生成部と、方向変更部と、を備えてよい。前記ヘッド部は、複数のノズルが所定の配列方向に配列されているノズル列を有し、前記複数のノズルのそれぞれから液体を吐出して液柱を垂下させてよい。前記液滴生成部は、前記ノズル列の中心から見て前記配列方向に対して斜めに交差する方向から、少なくとも2つの前記液柱にレーザーを照射して前記液柱から液滴を分離させてよい。前記方向変更部は、前記液滴にエネルギーを付与して、前記液滴の飛行方向を変更してよい。この形態の液体吐出装置によれば、各ノズルから垂下している液柱に対して、各ノズルから離れた位置からレーザーが照射されるため、液体が各ノズルの吐出口近傍で乾燥して堆積することが抑制され、液体の吐出性能が低下してしまうことが抑制される。加えて、ノズルの配列方向に対して斜めに交差する方向からレーザーが照射されるため、ノズルの配列方向に直交する方向からレーザーを照射する場合よりも、液柱に付与されることなく液柱同士の間をすり抜けてしまう光エネルギーを低減できる。また、レーザーの照射範囲を縮小することができるため、レーザーによって各液柱に付与されるエネルギー密度を効率的に高めることや、液滴生成部の小型化などが可能である。
[2]上記形態の液体吐出装置において、前記レーザーは、水平方向における横幅が鉛直方向における縦幅よりも大きい集光形状を有しており、少なくとも2つの前記液柱にまたがって照射されてよい。この形態の液体吐出装置によれば、1度のレーザーの照射によって複数の液柱から液滴を同時に生成することができるため効率的である。
[3]上記形態の液体吐出装置において、前記ノズル列に含まれる前記ノズルの数をNとし、前記配列方向において隣り合う前記ノズル同士の間隔をDとし、前記レーザーの前記横幅をLwとし、前記配列方向に直交する方向と前記レーザーの射出方向との間の角度のうち小さい方の角度をθとするとき、Lw>D・(N−1)・cosθの関係が満たされてよい。この形態の液体吐出装置によれば、ノズル列を構成している全てのノズルから垂下する液柱に対してレーザーを一度に照射して光エネルギーを付与することができ、効率的である。
[4]上記形態の液体吐出装置において、前記液滴生成部は、前記配列方向に沿った方向に前記レーザーを走査して、少なくとも2つの前記液柱を、前記レーザーによって照射してよい。この形態の液体吐出装置によれば、レーザーの走査によって、複数の液柱に、液滴を生成するための光エネルギーを効率的に付与することができる。
[5]上記形態の液体吐出装置において、前記ヘッド部は、前記複数のノズルのそれぞれに連通し、前記液体を貯留する液体室を備えてよい。この形態の液体吐出装置によれば、複数のノズルに対する液体の供給が効率化される。
[6]上記形態の液体吐出装置において、前記方向変更部は、レーザーの照射により、前記液滴に前記エネルギーを付与してよい。この形態の液体吐出装置によれば、液体の飛行方向の制御性が高められる。
[7]上記形態の液体吐出装置において、前記液滴生成部は、第1のサイズの液滴と、前記第1のサイズよりも大きい第2のサイズの液滴と、を生成してよい。この形態の液体吐出装置によれば、用途に応じたサイズの液滴を吐出可能であるため、印刷物や立体物の造形が容易化される。
[8]上記形態の液体吐出装置は、さらに、前記第1のサイズの液滴または前記第2のサイズの液滴を回収して前記ヘッド部に再供給する回収部を備えてよい。この形態の液体吐出装置によれば、液滴を回収して再利用することができるため、液体を効率的に用いることができる。
[9]上記形態の液体吐出装置において、前記方向変更部は、前記第1のサイズの液滴の飛行方向を変更し、前記第2のサイズの液滴の飛行方向を変更せず、前記回収部は、飛行方向の変更された前記第1のサイズの液滴を回収し、飛行方向の変更されない前記第2のサイズの液滴を回収しなくてもよい。この形態の液体吐出装置によれば、比較的小さい第1のサイズの液滴の飛行方向を変更して回収するため、第2のサイズの液滴の飛行方向を変更して回収するよりも、より効率的に液滴を回収することができる。
[10]上記形態の液体吐出装置において、前記方向変更部は、前記第1のサイズの液滴の飛行方向を変更し、前記第2のサイズの液滴の飛行方向を変更せず、前記回収部は、飛行方向の変更された前記第1のサイズの液滴を回収せず、飛行方向の変更されない前記第2のサイズの液滴を回収してよい。この形態の液体吐出装置によれば、比較的小さい第1のサイズの液体の飛行方向を制御して印刷や造形を行うことができるため、画像形成や立体物造形の精度を高めることができる。
[11]上記形態の液体吐出装置において、上記形態の液体吐出装置は、さらに、所定の対象物に対して着弾した前記液滴にエネルギーを付与するエネルギー付与部を備えてよい。この形態の液体吐出装置によれば、例えば、着弾した液滴を対象物に固定するなどの加工処理が可能になる。
[12]上記形態の液体吐出装置において、前記液体は、粉末と溶媒とを含む流動性組成物であり、前記エネルギー付与部は、着弾した前記液滴にエネルギーを付与することにより、前記液滴中の前記粉末を焼結させてもよいし、あるいは、前記液滴中の前記粉末を溶融させた後に固化させてもよい。この形態の液体吐出装置によれば、液体中の粉末を焼結または固化することにより、着弾した液滴を対象物に固定することができる。
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
本発明は、液体吐出装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、液体を吐出する方法として実現することができる。その他に、立体物造形装置や、立体物造形方法、画像形成装置、画像形成方法、印刷装置、印刷方法、前述の各装置の制御方法、前述の各方法および制御方法を実現するコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
A.第1実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態における液体吐出装置100の概略構成を示す説明図である。図1には、液体吐出装置100が通常の使用状態で配置されているときの重力方向(鉛直方向)を示す矢印Gが図示されている。鉛直方向を示す矢印Gは、後に参照される各図においても、適宜、図示されている。
図1は、本発明の第1実施形態における液体吐出装置100の概略構成を示す説明図である。図1には、液体吐出装置100が通常の使用状態で配置されているときの重力方向(鉛直方向)を示す矢印Gが図示されている。鉛直方向を示す矢印Gは、後に参照される各図においても、適宜、図示されている。
本実施形態の液体吐出装置100は、いわゆる3Dプリンターであり、液体材料をヘッド部110から造形ステージ160に向かって吐出し、当該造形ステージ160上において当該原材料を固化させた層を積み重ねて立体物を作製する。液体吐出装置100は、前述のヘッド部110および造形ステージ160に加えて、制御部101と、液体供給部105と、液滴生成部120と、方向変更部130と、回収部140と、エネルギー付与部150と、移動機構190と、を備えている。
制御部101は、液体吐出装置100の全体を制御する。制御部101は、少なくとも、CPU102と、メモリー103と、を備えるマイクロコンピューターによって構成される。CPU102は、メモリー103にプログラムを読み出して実行することにより、液体吐出装置100全体の動作を制御する。このプログラムは、例えば、各種の記録媒体に記録されていてもよい。
制御部101には、コンピューター200が接続されている。制御部101は、コンピューター200から、立体物を造形するためのデータMDを受信する。当該データMDには、立体物の高さ方向に積み重ねられる各層における液体材料の吐出位置を表すデータが含まれている。制御部101は、コンピューター200からではなく、ネットワークや記録媒体などを介して直接的にデータを取得してもよい。立体物を造形する際の制御部101による液体吐出装置100の制御フローについては後述する。
ヘッド部110は、液体貯留部112と、ノズル114と、を備えている。液体貯留部112は、液体材料を貯留可能な中空容器によって構成されており、内部の液体室113に液体材料を貯留する。本実施形態では、液体貯留部112は、ステンレス鋼によって構成されている。本実施形態の液体吐出装置100において用いられる液体材料については後述する。
液体貯留部112に貯留されている液体材料は、ノズル114を介して外部に吐出される。本実施形態では、ノズル114は、液体貯留部112の内部空間の下端に連通し、ヘッド部110の鉛直下方の領域に向かって開口する貫通孔として設けられている。ノズル114の開口径は、例えば、5〜100μm程度であってよい。ノズル114から吐出された直後の液体材料は、ノズル114から垂下して液柱LCを形成する。本実施形態では、約10〜100μm程度の径の液柱LCが形成される。図1では、便宜上、1つのノズル114のみが図示されているが、本実施形態では、液体貯留部112には一列に配列されている複数のノズル114が設けられている。ヘッド部110の構成の詳細については後述する。
液体供給部105は、ヘッド部110の液体貯留部112に液体材料を供給するとともに、ノズル114から液体材料を吐出させるための圧力を液体材料に付与する。液体供給部105は、加圧ポンプ170と、粘度調整タンク180と、溶媒供給タンク182と、を備える。
粘度調整タンク180には、液体材料が貯留されており、溶媒供給タンク182には、液体材料の溶媒成分が貯留されている。粘度調整タンク180は、溶媒供給タンク182から溶媒の供給を受ける。また、後述するように、粘度調整タンク180は、回収部140から回収された液体材料の供給を受ける。粘度調整タンク180は、自身に貯留されている液体材料と溶媒供給タンク182から供給される溶媒とを混合して、液体材料の粘度を調整する。制御部101は、液体材料が所定の粘度に保持されるように、溶媒供給タンク182からの溶媒の供給量を制御する。本実施形態では、粘度調整タンク180において、液体材料の粘度が、50mPa・s以上になるように調整される。
粘度調整タンク180の液体材料は、加圧ポンプ170の駆動によってヘッド部110の液体貯留部112へと供給される。加圧ポンプ170による加圧によって、ヘッド部110のノズル114から液体材料が吐出される。制御部101は、圧力計(図示は省略)によって、ヘッド部110における液体材料の圧力を監視し、加圧ポンプ170が液体材料に加える圧力をフィードバック制御する。これによって、ノズル114から液体材料が液柱状に垂下するように、液体材料の流速が調整される。液体材料の流速は、液体材料の粘度を考慮して決められることが望ましい。本実施形態では、制御部101は、ノズル114から吐出される液体材料の流速が10m/秒〜20m/秒になるように、液体材料の圧力を調整する。
液滴生成部120は、ヘッド部110の複数のノズル114からそれぞれ垂下している液体材料の液柱LCに対して、ヘッド部110から離れた位置からエネルギーを付与することによって、当該液柱LCから液体材料の液滴を生成する。本実施形態では、液滴生成部120は、レーザー装置によって構成され、液体材料の液柱LCにレーザーを照射して光エネルギーを付与する。液滴生成部120は、少なくとも、レーザー光源と、レーザー光源から射出されたレーザーを液柱状の液体材料に集光させるための集光レンズと、を含む。液滴生成部120の内部構成についての図示は省略する。
本実施形態の液滴生成部120は、エネルギーが周期的に変化するパルスレーザーをノズル114から垂下している液柱LCに照射する。このようなレーザーが液体に照射されると、液柱LCにおける液体の流れ方向(液柱LCが垂下している方向)に、温度の高い部分と温度の低い部分が生じる。液柱LCにこのような温度勾配が生じることによって、液柱LCの径が小さく括れる部位が生じ、当該部位において液柱LCがちぎれて、液滴が生成される。生成された液滴は、重力の作用によって鉛直方向に落下する。このように、レーザーによって液体材料の液柱LCに光エネルギーを付与する構成であれば、立体物の作製に適した粘度が高い液体材料が用いられている場合であっても、十分に液柱LCに液滴化のための温度勾配を生じさせることができる。
ここで、液柱LCから分離して飛行する液滴のサイズは、液体材料の特性や、液滴生成部120によるレーザーの照射タイミング、レーザーが液柱LCに付与するエネルギーの大きさ(レーザーの波長や強度)によって定まる。本実施形態では、制御部101は、液滴生成部120によるレーザーの照射タイミングを制御することによって、第1のサイズを有する第1の液滴L1と、第1のサイズの液滴L1よりも大きい第2のサイズを有する第2の液滴L2と、を生成する。本明細書において、液滴のサイズとは、液滴の体積を意味する。ただし、液滴のサイズは、液滴の重量として解釈されてもよい。本実施形態では、液滴のサイズは、液柱LCに照射するレーザーの照射間隔を異ならせることによって調整することができる。例えば、レーザーの照射間隔を短くすれば、それだけサイズの小さな液滴を生成することができ、逆に、レーザーの照射間隔を長くすれば、それだけサイズの大きな液滴を生成することができる。本実施形態では、制御部101は、第1の液滴L1を生成するときには、第2の液滴L2を生成するときよりもレーザーの照射間隔を短くする。なお、制御部101は、レーザーの照射時間や、照射出力、波長、照射範囲を制御することによって、異なるサイズの液滴を生成するものとしてもよい。
本実施形態では、液滴生成部120は、ノズル114から所定の距離だけ離れた位置において、液体材料の液柱LCに対してレーザーを照射する。ノズル114とレーザーの照射位置との距離は、例えば、0.3〜0.7mm程度であってもよい。本実施形態では、ノズル114から鉛直下方に、0.5mm離れた位置において、液体材料の液柱LCにレーザーを照射する。また、本実施形態では、液滴生成部120は、ヘッド部110におけるノズル114の配列方向に対して斜めに交差する方向から、ノズル114の下方に垂下している液柱LCに向かってレーザーを射出する。液滴生成部120が射出するレーザーは、各ノズル114から垂下している複数の液柱LCを一度に照射することができる幅を有している。液滴生成部120によるレーザーの射出方向および当該レーザーの形状についての詳細は後述する。なお、本明細書において、レーザーの射出方向とは、レーザーの光軸に平行な方向を意味する。
方向変更部130は、液滴生成部120の下方に設けられている。方向変更部130は、液滴生成部120によって生成され、鉛直方向に飛行している液滴のうちの少なくとも一部の液滴にエネルギーを付与することによって、その飛行方向を変更する。本実施形態では、方向変更部130は、レーザー装置によって構成され、第1のサイズを有する第1の液滴L1に対して光エネルギーを付与する。方向変更部130は、少なくとも、レーザー光源と、レーザー光源から射出されたレーザーを液滴に集光させるための集光レンズと、を含む。方向変更部130の内部構成についての図示は省略する。
本実施形態では、方向変更部130は、複数のレーザーを並列に照射可能であり、1つのノズル114に対して1本のレーザーを射出する。方向変更部130は、液滴の飛行方向に対して垂直な方向からレーザーを射出する。また、本実施形態では、方向変更部130は、ヘッド部110におけるノズル114の配列方向に対して垂直な方向からレーザーを射出する。つまり、本実施形態では、方向変更部130によるレーザーの射出方向は、液滴生成部120によるレーザーの射出方向と異なっており、液滴生成部120によるレーザーの射出方向と交差する。液滴生成部120によって飛行中の液滴にレーザーが照射される位置は、例えば、ヘッド部110から鉛直下方に、0.8mm〜1.2mm程度離れた位置であってもよい。本実施形態では、ヘッド部110と方向変更部130によるレーザーの照射位置との間の距離は1mm程度である。
飛行中の液滴にレーザーが照射されると、液滴中の溶媒の少なくとも一部が瞬間的に気化することによってガスが生じ、そのガスの圧力によって液滴の飛行方向が変更される。より具体的には、液滴の飛行方向は、方向変更部130によるレーザーの射出方向に曲げられる。レーザーの照射エネルギーが高いほど、また、液滴のサイズが小さいほど、液滴の飛行方向の変更度合いも大きくなる。方向変更部130によるレーザーの照射は、液滴が方向変更部130を横切るタイミングで行われる。本実施形態では、制御部101は、方向変更部130によるレーザー照射のタイミングを、液滴生成部120によって第1の液滴L1が生成されるタイミングに連動して決定する。方向変更部130が射出するレーザーの強度や波長は、液体材料の特性や第1の液滴L1のサイズに応じて予め定められていてもよいし、制御部101によって制御されてもよい。このように、レーザーであれば、液滴に、飛行方向の変更のためのエネルギーを瞬間的に付与することができる。また、本実施形態では、方向変更部130が、1つのノズル114に対して1本のレーザーを射出可能であるため、各ノズル114から吐出された液滴の中から選択されたものに光エネルギーを付与することができ、液滴の飛行方向の制御性が高められている。
その他に、液滴の飛行方向の変更を光エネルギーの付与によっておこなうことによって以下のような効果を得ることができる。例えば、液滴を帯電させて静電力によって飛行方向を変更する構成を採用した場合には、帯電可能な液体材料を用いる必要がある。これに対して、本実施形態の液体吐出装置100であれば、光エネルギーを用いて液体の飛行方向を変更しているため、帯電させることができない、あるいは、帯電させることが困難な液体材料であっても用いることができる。従って、立体物の作製に用いられる液体材料の選択の幅を広げることができる。
方向変更部130によって飛行方向が変更された第1の液滴L1は、ヘッド部110から鉛直下方に配置されている造形ステージ160に着弾する。造形ステージ160は、水平に延びる平板な板状部材によって構成され、ヘッド部110から鉛直下方に1.5〜3mm程度離れた位置に配置されていてよい。本実施形態では、造形ステージ160とヘッド部110との間の距離は、約2mmである。また、本実施形態では、造形ステージ160は、移動機構190によって、ヘッド部110およびエネルギー付与部150に対して相対的に水平方向および鉛直方向に変位する。移動機構190は、造形ステージ160を移動させるためのモーターやローラー、シャフト、各種アクチュエーターなどを備える。移動機構190による造形ステージ160の移動は、制御部101によって制御される。なお、他の実施形態では、造形ステージ160の位置が固定され、ヘッド部110およびエネルギー付与部150が造形ステージ160に対して変位するように構成されていてもよい。
エネルギー付与部150は、造形ステージ160に着弾した液滴にエネルギーを付与して硬化させる。本実施形態では、エネルギー付与部150は、レーザー装置によって構成され、レーザーの照射によって、光エネルギーを液滴に付与する。エネルギー付与部150は、少なくとも、レーザー光源と、レーザー光源から射出されたレーザーを着弾した液滴に集光させるための集光レンズと、レーザーを走査するためのガルバノミラーと、を含む(図示は省略)。エネルギー付与部150は、造形ステージ160における液滴の着弾位置をレーザーによって走査し、レーザーの光エネルギーによって、液滴中の材料粉末を焼結させる。あるいは、液滴中の材料粉末をいったん溶融させた後に固化させる。これによって、作製対象である立体物や当該立体物を支持するためのサポート部を構成する粒子が造形ステージ160上に固定される。
本実施形態では、液滴生成部120によって生成された液滴のうち、方向変更部130によって飛行方向が変更されなかった第2の液滴L2が回収部140によって回収される。回収部140は、「ガター」とも呼ばれる。回収部140は、当該液滴L2を回収するための受け部141を有する。受け部141は、鉛直方向に飛行する液滴を受け止めることができるようにノズル114の下方に配置されている。受け部141に受け止められた液滴は、吸引ポンプなどの吸引装置(図示は省略)によって集められ、粘度調整タンク180に送られる。このように、本実施形態の液体吐出装置100では、回収部140によって回収された液滴が再利用されるため、液体材料の浪費が抑制される。
特に、本実施形態では、上述したように、サイズが小さい第1の液滴L1の飛行方向を方向変更部130のレーザーによって変更し、その液滴L1を造形ステージ160に着弾させている。従って、立体物をよりきめ細かく精細に生成することができる。また、本実施形態では、大きなサイズの第2の液滴L2を回収部140によって回収するので、液体材料の回収効率が向上し、液体材料を効率的に再利用することができる。また、本実施形態では、サイズが小さい第1の液滴L1の飛行方向が方向変更部130によって変更されるので、サイズが大きい第2の液滴L2の飛行方向を変更するよりも、飛行方向を大きく変更することができる。そのため、造形ステージ160に着弾すべき液滴が回収部140に誤って回収されてしまうことが抑制される。
本実施形態の液体吐出装置100において用いられる液体材料は、粉末と溶媒とを含む流動性組成物である。液体材料は、例えば、マグネシウム(Mg)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)の単体粉末、もしくはこれらの金属を1つ以上含む合金(マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金)などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとを含むスラリー状あるいはペースト状にした混合材料であってもよい。また、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックなどの樹脂を溶融させたものであってもよい。その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックなどの樹脂であってもよい。このように、液体材料は特に限定されることはなく、上記金属以外の金属やセラミックス、樹脂等を使用可能である。液体材料の溶媒は、例えば、水;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の(ポリ)アルキレングリコールモノアルキルエーテル類;酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸iso−プロピル、酢酸n−ブチル、酢酸iso−ブチル等の酢酸エステル類;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−n−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類;エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類;テトラアルキルアンモニウムアセテート類;ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤;ピリジン、γ−ピコリン、2,6−ルチジン等のピリジン系溶剤;テトラアルキルアンモニウムアセテート(例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等)等のイオン液体等や、これらから選択される1種または2種以上を組み合わせたものであってもよい。また、バインダーは、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はPLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)或いはその他の熱可塑性樹脂であってもよい。
図2は、立体物を造形する際に、制御部101の制御下において、液体吐出装置100によって実行される立体物の作製工程のフローを示す説明図である。制御部101は、プログラムに従って以下の工程を繰り返し実行させる。ステップS10では、制御部101は、加圧ポンプ170を制御して、ヘッド部110に備えられた複数のノズル114から液体を液柱状に吐出させる。ステップS20では、制御部101は、液滴生成部120を制御して、複数のノズル114からそれぞれから垂下している液柱LCにレーザーを照射させ、液滴を生成する。なお、制御部101は、レーザーが照射されるタイミングを、コンピューター200から受信したデータMDに基づいて事前に決定している。
ステップS30では、制御部101は、方向変更部130を制御して、生成された液滴のうちの第1の液滴L1にレーザーを照射させ、液滴の飛行方向を変更させる。また、ステップS30では、制御部101は、データMDに基づいて、移動機構190を制御して造形ステージ160を移動させる。これによって、飛行方向が変更された液滴の造形ステージ160上での着弾位置が調整される。なお、上述したように、飛行方向が変更されなかった第2の液滴L2は回収部140によって回収されて、液体供給部105に戻される。
ステップS40では、制御部101は、エネルギー付与部150を制御し、造形ステージ160上に着弾した液体材料にレーザーを照射し、当該液体材料を固化させて当該着弾位置に固着させる。ステップS10〜S40の工程が繰り返され、固化した材料粒子が積み重ねられていくことによって、造形ステージ160上に立体物が形成される。
図3は、ヘッド部110が有する複数のノズル114の各中心軸CXを含む仮想平面において切断したときのヘッド部110の構成を示す概略断面図である。上述したように、本実施形態の液体吐出装置100では、ヘッド部110は、複数のノズル114が所定の配列方向に一列に配列されているノズル列115を有している。図3では、便宜上、4つのノズル114が図示されている。本実施形態では、ノズル列115の各ノズル114は、鉛直方向に沿って見た場合に一直線状に並んでいる。ノズル列115の各ノズル114は、ほぼ等間隔で配列されている。各ノズル114の中心軸CX間の距離は、例えば、100〜200μmであってよい。ノズル列115の列が延びている方向が、本発明における所定の配列方向の下位概念に相当する。
各ノズル114は、液体貯留部112の液体室113に連通している。つまり、本実施形態では、各ノズル114に対して、液体室113が共通化されている。これによって、液体貯留部112から各ノズル114にほぼ同一の圧力の液体材料がほぼ均一に供給され、各ノズル114からほぼ同一の状態の液柱LCが形成される。このように、本実施形態の液体吐出装置100によれば、制御部101による加圧ポンプ170の制御によって、複数のノズル114において同時に複数の液柱LCを効率的に形成することができるため効率的である。また、複数のノズル114から同時に液体材料が吐出されるため、立体物の造形速度を高めることができる。
図4は、液体吐出装置100におけるヘッド部110と液滴生成部120と方向変更部130と造形ステージ160の位置関係を模式的に示す概略斜視図である。図4では、ヘッド部110の各ノズル114から液体材料が吐出され、液滴生成部120と方向変更部130とがともにレーザーを照射している状態が模式的に図示されている。また、図4には、ノズル列115の配列方向を示す軸線AXと、当該配列方向におけるノズル列115の中心CPと、が図示されている。
本実施形態の液体吐出装置100では、ヘッド部110と、液滴生成部120と、方向変更部130と、造形ステージ160とが、この順で鉛直方向に配置されている。液滴生成部120は、ノズル列115の中心CPから見たときに、ノズル114の配列方向に対して斜めに交差する方向に位置しており、その位置から直線状に延びるレーザーを射出する。液滴生成部120が射出するレーザーは、液体材料の液柱LCが形成されるヘッド部110の下方の領域に向かって、一直線に、帯状、あるいは、平板状に延びる。液滴生成部120が射出するレーザーの横幅は、その縦幅よりも大きく、その横幅は、各ノズル114から垂下している複数の液柱LCを一度に照射することができる幅である。本明細書において、レーザーの横幅とは、水平方向におけるレーザーの径であり、レーザーの縦幅とは、鉛直方向におけるレーザーの径である。本実施形態の液体吐出装置100によれば、横幅が広い集光形状を有するレーザーの照射によって、複数の液柱LCから液滴が同時に生成されるため効率的である。なお、本実施形態の液滴生成部120が射出するレーザーの集光形状の詳細については後述する。
方向変更部130は、ヘッド部110から見たときに、ノズル114の配列方向に直交する方向に位置しており、その位置から、ノズル114の配列方向に直交する方向に、複数のレーザーを並列に射出する。方向変更部130は、ヘッド部110が有するノズル114の数に対応する数のレーザーを射出する。方向変更部130が射出するレーザーのそれぞれは、鉛直方向に延びる各ノズル114の中心軸CXのいずれか一本と直交する。方向変更部130が射出する各レーザーのスポット径は、液体材料の特性や液滴生成部120によって生成される液滴のサイズに応じて予め決められていることが望ましい。
図5を参照して、液滴生成部120によるレーザーの射出方向をさらに詳細に説明する。図5には、液体吐出装置100を鉛直方向に沿って下方から見たときのヘッド部110と、液滴生成部120と、が模式的に図示されている。図5では、液滴生成部120が射出したレーザーによって各ノズル114に生成された液柱LCが照射されている状態が模式的に図示されている。加えて、図5には、各ノズル114の中心軸CXの位置が図示されるとともに、図4と同様に、配列方向を示す軸線AXと、ノズル列115の中心CPと、が図示されている。
上述したように、本実施形態の液体吐出装置100では、液滴生成部120は、ノズル列115の中心CPから見て、ノズル114の配列方向に対して斜めに交差する方向からレーザーを射出している。そのため、ノズル114の配列方向に対して直交する方向からヘッド部110に向かってレーザーが射出される構成に比較して、隣り合う2つの液柱LC同士の間をすり抜けて分岐された各レーザーの横幅WSが小さくなる。従って、隣り合う液柱LC同士の間をすり抜けてしまう光エネルギーの量が低減され、光エネルギーの浪費が抑制される。
ここで、ノズル列115に含まれるノズル114の個数をN(Nは2以上の自然数)とし、隣り合うノズル114同士の間隔(以下、「ノズル間隔」とも呼ぶ。)をDとする。ノズル間隔Dは、ノズル114の配列方向における隣り合うノズル114同士の中心軸CX間の距離である。液滴生成部120が射出するレーザーの横幅をLwとし、ノズル114の配列方向を表す軸線AXに直交する軸線VXに対するレーザーの射出方向IDの角度のうち小さい方の角度をθとする。
このとき、本実施形態の液体吐出装置100においては、下記の不等式(A)の関係が満たされている。液滴生成部120が射出するレーザーが下記の不等式(A)の関係を満たす横幅Lwを有していれば、ノズル列115を構成している全てのノズル114から垂下している液柱LCに光エネルギーを付与することができる。
Lw>D・(N−1)・cosθ …(A)
Lw>D・(N−1)・cosθ …(A)
また、本実施形態の液体吐出装置100では、液滴生成部120が射出するレーザーの横幅Lwは、ノズル114の配列方向におけるノズル列115の幅RDよりも小さいことが望ましい。これによって、液滴生成部120を小型化することが可能である。また、レーザーの横幅Lwが縮小されることによって、各液柱LCに付与される光エネルギーのエネルギー密度を高めることができ、液滴の生成効率を高めることができる。
図6および図7を参照して、液滴生成部120が射出するレーザーの集光形状について説明する。図6および図7には、液滴生成部120が射出するレーザーの射出方向に垂直な断面における当該レーザーの形状である集光形状CSの例が模式的に図示されている。液滴生成部120は、集光レンズによって、レーザーの集光形状を、図6において例示されているように、横幅が縦幅よりも大きい略楕円形状に成形して射出してもよい。あるいは、液滴生成部120は、光ファイバーを直線状に並列に並べて各光ファイバーから並列なレーザーを互いに重なり合う状態で射出するファイバー集積型レーザー装置によって構成されてもよい。この場合には、レーザーの集光形状は、図7において例示されているように、複数の略円形形状が水平方向に連なった形状になる。なお、液滴生成部120が射出するレーザーの集光形状は、図6や図7の形状に限定されることはない。
以上のように、本実施形態の液体吐出装置100では、液滴生成部120によって、各ノズル114から離れた位置において、液体材料に対して液滴化のためのエネルギーが付与されている。そのため、液体材料またはその含有成分が各ノズル114の近傍で乾燥して堆積し、ノズル114からの液体材料の吐出が阻害されてしまうことが抑制されており、液体材料の吐出性能が安定化されている。また、本実施形態のように、液滴を生成するためのエネルギーをヘッド部110の外部から付与する構成であれば、ヘッド部110における液滴生成のための機構を省略することができる。従って、ヘッド部110の構造を簡素化することができ、ヘッド部110の耐圧性を容易に高めることができ、より高い粘度の液体材料を用いることも可能になる。
加えて、本実施形態の液体吐出装置100では、液滴生成部120は、ノズル列115の中心から見たときに、ノズル114の配列方向に対して斜めに交差する方向からレーザーを射出している。そのため、上述したように、光エネルギーが浪費されてしまうことが抑制されており、液滴化のためのエネルギー効率が高められている。その他に、本実施形態の液体吐出装置100によれば、本実施形態中において説明した種々の作用効果を奏することが可能である。
B.第2実施形態:
図8は、第2実施形態における液体吐出装置100Aが備える液滴生成部120Aの構成を説明するための概略図である。図8には、第2実施形態の液体吐出装置100Aを鉛直方向に沿って下方から見たときのヘッド部110と液滴生成部120Aとが、図5と同様に模式的に図示されている。図8では、液滴生成部120が射出するレーザーが走査される領域がハッチングを付して模式的に図示されている。
図8は、第2実施形態における液体吐出装置100Aが備える液滴生成部120Aの構成を説明するための概略図である。図8には、第2実施形態の液体吐出装置100Aを鉛直方向に沿って下方から見たときのヘッド部110と液滴生成部120Aとが、図5と同様に模式的に図示されている。図8では、液滴生成部120が射出するレーザーが走査される領域がハッチングを付して模式的に図示されている。
第2実施形態の液体吐出装置100Aは、液滴生成部120Aの構成が異なっている点以外は第1実施形態で説明した液体吐出装置100の構成とほぼ同じである。第2実施形態の液滴生成部120Aは、ノズル列115の中心CPから見てノズル114の配列方向に対して斜めに交差する方向に位置にしている。そして、その位置から、1つのレーザー光源から射出されたレーザーを、ガルバノミラーやデジタルマイクロミラーデバイスを用いて、ノズル114の配列方向に沿って水平に走査し、複数のノズル114から垂下している複数の液柱LCを連続的に照射する。これによって、複数の液柱LCに対して、液滴を生成するための光エネルギーが連続的に付与される。なお、液滴生成部120Aが射出するレーザーのスポット径は、液柱LCの直径よりも大きくてもよい。ただし、当該スポット径が液柱LCの直径と同等以下である方がレーザーの照射効率の点で好ましい。
第2実施形態の液体吐出装置100Aによれば、ノズル列115の中心CPから見て、ノズル114の配列方向に対して直交する方向の位置からレーザーを走査する構成に比較して、レーザーが液柱LCの間をすり抜けてしまうことによる光エネルギーの損失が抑制される。また、レーザーの走査角度Φを縮小することもできる。その他に、第2実施形態の液体吐出装置100Aによれば、第1実施形態において説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
C.第3実施形態:
図9は、本発明の第3実施形態における液体吐出装置100Bの構成を説明するための概略図である。図9には、第2実施形態の液体吐出装置100Aを鉛直方向に沿って下方から見たときのヘッド部110Bと液滴生成部120とが、図5と同様に模式的に図示されている。図9では、第1のノズル列115aにおけるノズル114の配列方向を示す軸線AXaと、第2のノズル列115bにおけるノズル114の配列方向を示す軸線AXbと、が図示されている。第3実施形態の液体吐出装置100Bは、ヘッド部110Bが、2つのノズル列115a,115bを有している点以外は、第1実施形態の液体吐出装置100とほぼ同じ構成を有している。
図9は、本発明の第3実施形態における液体吐出装置100Bの構成を説明するための概略図である。図9には、第2実施形態の液体吐出装置100Aを鉛直方向に沿って下方から見たときのヘッド部110Bと液滴生成部120とが、図5と同様に模式的に図示されている。図9では、第1のノズル列115aにおけるノズル114の配列方向を示す軸線AXaと、第2のノズル列115bにおけるノズル114の配列方向を示す軸線AXbと、が図示されている。第3実施形態の液体吐出装置100Bは、ヘッド部110Bが、2つのノズル列115a,115bを有している点以外は、第1実施形態の液体吐出装置100とほぼ同じ構成を有している。
第1のノズル列115aと第2のノズル列115bとは、互いに並列に設けられており、第1のノズル列115aと第2のノズル列115bのノズル114の配列方向は互いに平行である。第1のノズル列115aは、液滴生成部120によるレーザーの射出方向において前段に設けられ、第2のノズル列115bは後段に設けられている。また、ノズル114の配列方向に直交する方向に見たときに、第1のノズル列115aに含まれる各ノズル114の間には、第2のノズル列115bに含まれる各ノズル114が一つずつ位置する。つまり、第3実施形態の液体吐出装置100Bでは、ヘッド部110において、複数のノズル114がノズル114の配列方向に千鳥状に配列されている。なお、第1のノズル列115aと第2のノズル列115bとはそれぞれ異なる液体室(図示は省略)に連通しており、異なる種類の液体材料を吐出する。
液滴生成部120は、第1のノズル列115aの中心CPa、または、第2のノズル列115bの中心CPbから見て、ノズル114の配列方向に対して斜めに交差する方向から、第1実施形態で説明したのと同様な横幅の広いレーザーを射出する。液滴生成部120は、レーザーの射出方向に見たときに、2つのノズル列115a,115bの各ノズルが重なり合わない位置からレーザーを射出する。
第3実施形態の液体吐出装置100Bによれば、液柱LC間をすり抜けてしまう光エネルギーの量を、さらに低減できる。また、複数の液体材料の液柱LCに対して同一のレーザーによって液滴を生成するための光エネルギーを照射することができ、より効率的である。その他に、第3実施形態の液体吐出装置100Bによれば、上記実施形態において説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
D.変形例:
D1.変形例1:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bは、液体材料を吐出して立体物を形成する3Dプリンターとして構成されている。これに対して、上記各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bは、例えば、インクを吐出して画像を形成するインクジェットプリンターとして構成されてもよい。この場合には、造形ステージ160に代えて、印刷媒体や記録媒体上にインク滴が吐出される。また、エネルギー付与部150は省略されてもよい。上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bでは、造形ステージ160を、液体材料が着弾する対象物としている。これに対して、液体材料が着弾する対象物は、造形ステージ160に限定されることはない。液体吐出装置100,100A,100Bは、造形ステージ160に代えて、造形ステージ160上に取り外し可能に設置されている金属プレートや、材料粉末が焼結した立体物、材料粉末が溶融後に固化した立体物などを対象物として液体材料を吐出してもよい。
D1.変形例1:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bは、液体材料を吐出して立体物を形成する3Dプリンターとして構成されている。これに対して、上記各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bは、例えば、インクを吐出して画像を形成するインクジェットプリンターとして構成されてもよい。この場合には、造形ステージ160に代えて、印刷媒体や記録媒体上にインク滴が吐出される。また、エネルギー付与部150は省略されてもよい。上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bでは、造形ステージ160を、液体材料が着弾する対象物としている。これに対して、液体材料が着弾する対象物は、造形ステージ160に限定されることはない。液体吐出装置100,100A,100Bは、造形ステージ160に代えて、造形ステージ160上に取り外し可能に設置されている金属プレートや、材料粉末が焼結した立体物、材料粉末が溶融後に固化した立体物などを対象物として液体材料を吐出してもよい。
D2.変形例2:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、液滴生成部120,120Aは、ノズル列115,115a,115bの全てのノズル114から垂下している液柱LCにレーザーを照射している。これに対して、液滴生成部120,120Aは、ヘッド部110,110Bのノズル114から垂下している一部の液柱LCに対してのみレーザーを照射してもよい。液滴生成部120,120Aは、ヘッド部110,110Bのノズル114から垂下している液柱LCのうち、少なくとも2つの液柱LCを照射可能に構成されていればよい。なお、この場合には、レーザーによって照射される液柱LCを生成している一部のノズル114によって構成される列が、本発明のノズル列の下位概念に相当する。また、上記の各実施形態においては、ノズル列115,115a,115bを構成する各ノズル114は等間隔で配列されている。これに対して、ノズル列115,115a,115bを構成する各ノズル114は等間隔に配置されていなくてもよい。
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、液滴生成部120,120Aは、ノズル列115,115a,115bの全てのノズル114から垂下している液柱LCにレーザーを照射している。これに対して、液滴生成部120,120Aは、ヘッド部110,110Bのノズル114から垂下している一部の液柱LCに対してのみレーザーを照射してもよい。液滴生成部120,120Aは、ヘッド部110,110Bのノズル114から垂下している液柱LCのうち、少なくとも2つの液柱LCを照射可能に構成されていればよい。なお、この場合には、レーザーによって照射される液柱LCを生成している一部のノズル114によって構成される列が、本発明のノズル列の下位概念に相当する。また、上記の各実施形態においては、ノズル列115,115a,115bを構成する各ノズル114は等間隔で配列されている。これに対して、ノズル列115,115a,115bを構成する各ノズル114は等間隔に配置されていなくてもよい。
D3.変形例3:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、ノズル列115,115a,115bを構成している複数のノズル114はそれぞれ共通の液体材料を吐出している。これに対して、ノズル列115,115a,115bを構成している複数のノズル114はそれぞれ、異なる種類の液体材料を貯留する液体室に連通し、異なる種類の液体材料を吐出してもよい。例えば、ノズル列115,115a,115bを構成している複数のノズル114は、一部のノズル114が立体物を造形するための液体材料を吐出し、他のノズル114が立体物を支持するサポート部を造形するための液体材料を吐出するように構成されていてもよい。また、各ノズル列115,115a,115bを構成している全てのノズル114がそれぞれに異なる液体室に連通し、異なる液体材料を吐出してもよい。
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、ノズル列115,115a,115bを構成している複数のノズル114はそれぞれ共通の液体材料を吐出している。これに対して、ノズル列115,115a,115bを構成している複数のノズル114はそれぞれ、異なる種類の液体材料を貯留する液体室に連通し、異なる種類の液体材料を吐出してもよい。例えば、ノズル列115,115a,115bを構成している複数のノズル114は、一部のノズル114が立体物を造形するための液体材料を吐出し、他のノズル114が立体物を支持するサポート部を造形するための液体材料を吐出するように構成されていてもよい。また、各ノズル列115,115a,115bを構成している全てのノズル114がそれぞれに異なる液体室に連通し、異なる液体材料を吐出してもよい。
D4.変形例4:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、液滴生成部120,120Aによるレーザーの照射タイミングを調整して、2種類のサイズが異なる液滴L1,L2を生成している。これに対して、液体吐出装置100,100A,100Bは、単一のサイズの液滴を連続して生成するように構成されていてもよい。この場合には、制御部101は、単一のサイズの液滴の中から造形ステージ160に着弾させるべき液滴を選択し、その液滴が生成されるタイミングに応じて、方向変更部130によるレーザー照射を実行してもよい。液体吐出装置100,100A,100Bは、3種類以上のサイズの液滴を生成するように構成されていてもよい。また、制御部101は、サイズの異なる液滴を生成するために、液滴生成部120,120Aによるレーザーの照射タイミングの代わりに、例えば、レーザーの強度や波長を調整してもよい。
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、液滴生成部120,120Aによるレーザーの照射タイミングを調整して、2種類のサイズが異なる液滴L1,L2を生成している。これに対して、液体吐出装置100,100A,100Bは、単一のサイズの液滴を連続して生成するように構成されていてもよい。この場合には、制御部101は、単一のサイズの液滴の中から造形ステージ160に着弾させるべき液滴を選択し、その液滴が生成されるタイミングに応じて、方向変更部130によるレーザー照射を実行してもよい。液体吐出装置100,100A,100Bは、3種類以上のサイズの液滴を生成するように構成されていてもよい。また、制御部101は、サイズの異なる液滴を生成するために、液滴生成部120,120Aによるレーザーの照射タイミングの代わりに、例えば、レーザーの強度や波長を調整してもよい。
D5.変形例5:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、方向変更部130は、サイズの小さい第1の液滴L1に対して光エネルギーを付与して、その飛行方向を変更している。これに対して、方向変更部130は、サイズの大きい第2の液滴L2に対して光エネルギーを付与して、その飛行方向を変更してもよい。また、方向変更部130は、サイズの大小にかかわらず、制御部101によって選択された液滴の飛行方向を変更するように構成されていてもよい。
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、方向変更部130は、サイズの小さい第1の液滴L1に対して光エネルギーを付与して、その飛行方向を変更している。これに対して、方向変更部130は、サイズの大きい第2の液滴L2に対して光エネルギーを付与して、その飛行方向を変更してもよい。また、方向変更部130は、サイズの大小にかかわらず、制御部101によって選択された液滴の飛行方向を変更するように構成されていてもよい。
D6.変形例6:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、方向変更部130は、レーザーの照射によって液滴に光エネルギーを付与して、その飛行方向を変更している。これに対して、方向変更部130は、光エネルギー以外の他のエネルギーを付与することによって、液滴の飛行方向を変更してもよい。方向変更部130は、例えば、メーザーによって液滴にエネルギーを付与して、その飛行方向を変更してもよい。また、方向変更部130は、空気などの気流を生じさせて液滴に運動エネルギーを付与して、その飛行方向を変更してもよい。
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいては、方向変更部130は、レーザーの照射によって液滴に光エネルギーを付与して、その飛行方向を変更している。これに対して、方向変更部130は、光エネルギー以外の他のエネルギーを付与することによって、液滴の飛行方向を変更してもよい。方向変更部130は、例えば、メーザーによって液滴にエネルギーを付与して、その飛行方向を変更してもよい。また、方向変更部130は、空気などの気流を生じさせて液滴に運動エネルギーを付与して、その飛行方向を変更してもよい。
D7.変形例7:
上記の各実施形態において、方向変更部130は、1つのノズル114に対して1本のレーザーを射出するように構成されている。これに対して、方向変更部130は、第1実施形態および第3実施形態の液滴生成部120のように、各ノズル114から吐出された各液滴に対して一様にレーザーを照射可能に構成されていてもよい。また、第2実施形態の液滴生成部120Aのように、照射位置を変更可能なレーザーの走査によって、選択的に液滴を照射するように構成されていてもよい。また、上記の各実施形態において、方向変更部130から照射されるレーザーの集光位置は、液滴の飛行方向を変更可能であれば、精密に調整されていなくてもよい。例えば、液滴にスポット的に集光させるのではなく、液滴の飛行方向に垂直な面に沿った平面状のレーザー光を照射して、液滴の飛行方向を変更してもよい。また、集光スポットが楕円状になるレーザー光を照射して、液滴の飛行方向を変更してもよい。その他に、方向変更部130は、パルスレーザーを射出してもよい。
上記の各実施形態において、方向変更部130は、1つのノズル114に対して1本のレーザーを射出するように構成されている。これに対して、方向変更部130は、第1実施形態および第3実施形態の液滴生成部120のように、各ノズル114から吐出された各液滴に対して一様にレーザーを照射可能に構成されていてもよい。また、第2実施形態の液滴生成部120Aのように、照射位置を変更可能なレーザーの走査によって、選択的に液滴を照射するように構成されていてもよい。また、上記の各実施形態において、方向変更部130から照射されるレーザーの集光位置は、液滴の飛行方向を変更可能であれば、精密に調整されていなくてもよい。例えば、液滴にスポット的に集光させるのではなく、液滴の飛行方向に垂直な面に沿った平面状のレーザー光を照射して、液滴の飛行方向を変更してもよい。また、集光スポットが楕円状になるレーザー光を照射して、液滴の飛行方向を変更してもよい。その他に、方向変更部130は、パルスレーザーを射出してもよい。
D8.変形例8:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bでは、方向変更部130によって飛行方向が変更された液滴が造形ステージ160に着弾し、方向変更部130によって飛行方向が変更されなかった液滴が回収部140によって回収されている。これに対して、方向変更部130によって飛行方向が変更されなかった液滴が造形ステージ160に着弾し、方向変更部130によって飛行方向が変更された液滴が回収部140によって回収さされてもよい。
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bでは、方向変更部130によって飛行方向が変更された液滴が造形ステージ160に着弾し、方向変更部130によって飛行方向が変更されなかった液滴が回収部140によって回収されている。これに対して、方向変更部130によって飛行方向が変更されなかった液滴が造形ステージ160に着弾し、方向変更部130によって飛行方向が変更された液滴が回収部140によって回収さされてもよい。
D9.変形例9:
上記変形例3の構成において、回収部140の受け部141は、例えば、制御部101の制御下において、シャフトやモーターを備えるアクチュエーターによって、水平方向に移動できるように構成されていてもよい。この場合には、制御部101は、例えば、方向変更部130がレーザーの照射を開始するまで、回収部140の受け部141を、ノズル114の鉛直下方に移動させ、方向変更部130がレーザーを照射している間は、ノズル114の鉛直下方の領域から遠ざけてもよい。このように、回収部140の受け部141が移動可能に構成されていれば、不要な液滴が造形ステージ160に無駄に着弾してしまうことを抑制することができる。
上記変形例3の構成において、回収部140の受け部141は、例えば、制御部101の制御下において、シャフトやモーターを備えるアクチュエーターによって、水平方向に移動できるように構成されていてもよい。この場合には、制御部101は、例えば、方向変更部130がレーザーの照射を開始するまで、回収部140の受け部141を、ノズル114の鉛直下方に移動させ、方向変更部130がレーザーを照射している間は、ノズル114の鉛直下方の領域から遠ざけてもよい。このように、回収部140の受け部141が移動可能に構成されていれば、不要な液滴が造形ステージ160に無駄に着弾してしまうことを抑制することができる。
D10.変形例10:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bでは、回収部140によって、液滴生成部120によって生成された液滴の少なくとも一部が回収され、ヘッド部110,110Bに再供給されている。これに対して、回収部140によって回収された液体材料は、ヘッド部110,110Bに再供給されなくてもよく、例えば、そのまま廃棄されてもよい。あるいは、上記各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいて、回収部140は省略されてもよい。
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bでは、回収部140によって、液滴生成部120によって生成された液滴の少なくとも一部が回収され、ヘッド部110,110Bに再供給されている。これに対して、回収部140によって回収された液体材料は、ヘッド部110,110Bに再供給されなくてもよく、例えば、そのまま廃棄されてもよい。あるいは、上記各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいて、回収部140は省略されてもよい。
D11.変形例11:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいて、液体供給部105は、ヘッド部110に高圧の液体材料が供給可能に構成されていればよく、その構成は任意に変更可能である。
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bにおいて、液体供給部105は、ヘッド部110に高圧の液体材料が供給可能に構成されていればよく、その構成は任意に変更可能である。
D12.変形例12:
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bでは、エネルギー付与部150が、液滴が着弾する度に液滴を焼結または固化している。これに対して、エネルギー付与部150は、例えば、着弾後に形状が維持可能な程度に粘度が高い液体材料による成形が終了した後に、加熱炉などで過熱するなどして、エネルギーを付与して焼結または固化してもよい。また、エネルギー付与部150が付与するエネルギーは、レーザーに限らず、液体の特性に応じて、例えば、ヒーターによって熱エネルギーを付与してもよいし、紫外線などの光エネルギーや、マイクロ波などの電磁エネルギーを付与してもよい。
上記の各実施形態の液体吐出装置100,100A,100Bでは、エネルギー付与部150が、液滴が着弾する度に液滴を焼結または固化している。これに対して、エネルギー付与部150は、例えば、着弾後に形状が維持可能な程度に粘度が高い液体材料による成形が終了した後に、加熱炉などで過熱するなどして、エネルギーを付与して焼結または固化してもよい。また、エネルギー付与部150が付与するエネルギーは、レーザーに限らず、液体の特性に応じて、例えば、ヒーターによって熱エネルギーを付与してもよいし、紫外線などの光エネルギーや、マイクロ波などの電磁エネルギーを付与してもよい。
D13.変形例13:
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
100,100A,100B…液体吐出装置、101…制御部、102…CPU、103…メモリー、105…液体供給部、110,110B…ヘッド部、112…液体貯留部、113…液体室、114…ノズル、115,115a,115b…ノズル列、120,120A…液滴生成部、130…方向変更部、140…回収部、141…受け部、150…エネルギー付与部、160…造形ステージ、170…加圧ポンプ、180…粘度調整タンク、182…溶媒供給タンク、190…移動機構、200…コンピューター、AX,VX…軸線、CX…中心軸、CS…集光形状、G…鉛直方向、L1,L2…第1と第2の液滴、LC…液柱、ID…射出方向
Claims (15)
- 液体吐出装置であって、
複数のノズルが所定の配列方向に配列されているノズル列を有し、前記複数のノズルのそれぞれから液体を吐出して液柱を垂下させるヘッド部と、
前記ノズル列の中心から見て前記配列方向に対して斜めに交差する方向から、少なくとも2つの前記液柱にレーザーを照射して前記液柱から液滴を分離させる液滴生成部と、
前記液滴にエネルギーを付与して、前記液滴の飛行方向を変更する方向変更部と、
を備える、液体吐出装置。 - 請求項1記載の液体吐出装置であって、
前記レーザーは、水平方向における横幅が鉛直方向における縦幅よりも大きい集光形状を有しており、少なくとも2つの前記液柱にまたがって照射される、液体吐出装置。 - 請求項2記載の液体吐出装置であって、
前記ノズル列に含まれる前記ノズルの数をNとし、前記配列方向において隣り合う前記ノズル同士の間隔をDとし、前記レーザーの前記横幅をLwとし、前記配列方向に直交する方向と前記レーザーの射出方向との間の角度のうち小さい方の角度をθとするとき、Lw>D・(N−1)・cosθの関係が満たされる、液体吐出装置。 - 請求項1記載の液体吐出装置であって、
前記液滴生成部は、前記配列方向に沿った方向に前記レーザーを走査して、少なくとも2つの前記液柱を、前記レーザーによって照射する、液体吐出装置。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の液体吐出装置であって、
前記ヘッド部は、前記複数のノズルのそれぞれに連通し、前記液体を貯留する液体室を備える、液体吐出装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の液体吐出装置であって、
前記方向変更部は、レーザーの照射により、前記液滴に前記エネルギーを付与する、液体吐出装置。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の液体吐出装置であって、
前記液滴生成部は、第1のサイズの液滴と、前記第1のサイズよりも大きい第2のサイズの液滴と、を生成する、液体吐出装置。 - 請求項7記載の液体吐出装置であって、さらに、
前記第1のサイズの液滴または前記第2のサイズの液滴を回収して前記ヘッド部に再供給する回収部を備える、液体吐出装置。 - 請求項8記載の液体吐出装置であって、
前記方向変更部は、前記第1のサイズの液滴の飛行方向を変更し、前記第2のサイズの液滴の飛行方向を変更せず、
前記回収部は、飛行方向の変更された前記第1のサイズの液滴を回収し、飛行方向の変更されない前記第2のサイズの液滴を回収しない、液体吐出装置。 - 請求項8記載の液体吐出装置であって、
前記方向変更部は、前記第1のサイズの液滴の飛行方向を変更し、前記第2のサイズの液滴の飛行方向を変更せず、
前記回収部は、飛行方向の変更された前記第1のサイズの液滴を回収せず、飛行方向の変更されない前記第2のサイズの液滴を回収する、液体吐出装置。 - 請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の液体吐出装置であって、さらに、
所定の対象物に対して着弾した前記液滴にエネルギーを付与するエネルギー付与部を備える、液体吐出装置。 - 請求項11記載の液体吐出装置であって、
前記液体は、粉末と溶媒とを含む流動性組成物であり、
前記エネルギー付与部は、着弾した前記液滴にエネルギーを付与することにより、前記液滴中の前記粉末を焼結させる、あるいは、前記液滴中の前記粉末を溶融させた後に固化させる、液体吐出装置。 - 液体を吐出する方法であって、
複数のノズルが所定の配列方向に配列されているノズル列において、前記複数のノズルのそれぞれから液体を吐出して液柱を垂下させる第1工程と、
前記ノズル列の中心から見て前記配列方向に対して斜めに交差する方向から、少なくとも2つの前記液柱にレーザーを照射して前記液柱から液滴を分離させる第2工程と、
前記液滴にエネルギーを付与して、前記液滴の飛行方向を変更する第3工程と、
を備える、方法。 - 請求項13記載の方法であって、さらに、
所定の対象物に対して着弾した前記液滴にエネルギーを付与する第4工程を備える、方法。 - 請求項14記載の方法であって、
前記液体は、粉末と溶媒とを含む流動性組成物であり、
前記第4工程は、着弾した前記液滴にエネルギーを付与することにより、前記液滴中の前記粉末を焼結させる、あるいは、前記液滴中の前記粉末を溶融させた後に固化させる工程を含む、方法。
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