JP2017132141A - 造形装置、造形方法、ステージの経路補正装置及びステージの経路補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステージまたは積層部材が積層方向に移動可能な構成において、ステージまたは積層部材が、積層方向に移動する際に、積層方向に直交する方向に変位してしまうことを抑制する。
【解決手段】３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、前記造形材料が積層されるステージと、前記ステージに前記造形材料を積層する積層部材と、前記造形材料を積層する方向である積層方向に平行な面を有する部材と、前記ステージまたは前記積層部材を、前記積層方向と、前記積層方向に直交する方向のうち少なくとも第１の方向とに駆動可能な駆動機構と、前記部材と前記ステージのうちいずれか一方の、前記積層方向に平行な面に形成されたマーカと、前記部材と前記ステージのうち前記マーカが形成されていない方に配置され、前記マーカを検出する検出部と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は造形装置、造形方法、ステージの経路補正装置及びステージの経路補正方法に関する。

多数の層を積み上げることで３次元造形物を形成する造形装置が注目を集めている。特許文献１、２には、電子写真プロセスを応用した造形方式が開示されている。

特開平１０−２２４５８１号公報 特開２００３−０５３８４６号公報

造形装置では、各層の断面画像の形状精度（画像形成精度）と各層を積み重ねるときの位置精度（積層精度）が、最終的な造形物の品質に大きな影響を与え得る。特許文献１、２の装置のように、各層の画像を独立に形成しそれらを順に積層するタイプの積層方式では、その問題が大きくなる。
位置精度に影響する要因は複数あると考えられるが、特許文献１、２のようにステージ（テーブル）を積層方向に移動させ、その上に各層を積層する構成の場合、ステージの上昇及び下降におけるステージの微妙な回転歪みや垂直軸の傾きが要因の一つとなる。これは、積層方向に移動可能な積層部材が、固定されたステージ上に各層を積層する構成の場合においても同様である。
しかしながら、特許文献１、２に開示された装置では、ステージの上昇及び下降におけるステージの微妙な回転歪みや垂直軸の傾きへの対処はなされておらず、積層精度を保証することができない。

本発明は、上記実情に鑑みなされたものであって、ステージまたは積層部材が積層方向に移動可能な構成において、ステージまたは積層部材が、積層方向に移動する際に、積層方向に直交する方向に変位してしまうことを抑制することを目的とする。

本発明の第１態様は、
３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、
前記造形材料が積層されるステージと、
前記ステージに前記造形材料を積層する積層部材と、
前記造形材料を積層する方向である積層方向に平行な面を有する部材と、
前記ステージまたは前記積層部材を、前記積層方向と、前記積層方向に直交する方向のうち少なくとも第１の方向とに駆動可能な駆動機構と、
前記部材と前記ステージのうちいずれか一方の、前記積層方向に平行な面に形成されたマーカと、
前記部材と前記ステージのうち前記マーカが形成されていない方に配置され、前記マーカを検出する検出部と、
を有することを特徴とする造形装置を提供する。

本発明の第２態様は、
積層部材とステージのいずれか一方を積層方向に移動して、前記積層部材と前記ステージとの相対位置を変えながら、３次元形状データに基づき前記積層部材により造形材料を前記ステージに積層して立体物を作製する造形方法であって、
前記積層方向に移動させたときの前記積層部材または前記ステージの前記積層方向に垂直な方向の変位量をあらかじめ取得しておき、
前記変位量を低減するように前記積層部材と前記ステージとの相対位置を補正しながら、前記造形材料を前記ステージに積層する
ことを特徴とする造形方法を提供する。

本発明の第３態様は、
３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、
前記造形材料が積層されるステージと、
前記ステージに前記造形材料を積層する積層部材と、
前記造形材料を積層する方向である積層方向に平行な面を有する部材と、
前記ステージまたは前記積層部材を、前記積層方向と、前記積層方向に直交する方向のうち少なくとも第１の方向とに駆動可能な駆動機構と、
前記部材と前記ステージのうちいずれか一方の、前記積層方向に平行な面に形成されたマーカと、
前記部材と前記ステージのうち前記マーカが形成されていない方に配置され、前記マーカを検出する検出部と、
を有する造形装置による造形方法であって、
立体物の作製に先立ち、前記ステージまたは前記積層部材が前記積層方向に相対移動したときの前記ステージと前記積層部材との相対位置の前記第１の方向における変位量を、前記検出部の検出結果に基づいて計測する工程と、
立体物を作製するときに、計測された前記変位量に基づいて、前記ステージまたは前記積層部材が前記積層方向に移動するときの前記第１の方向の位置を、前記駆動機構により補正する工程と、
を含むことを特徴とする造形方法を提供する。

本発明の第４態様は、
載置面を有し、前記載置面に対して垂直方向に移動可能なステージと、
前記載置面に対して垂直方向と平行な面を有する部材と、
前記載置面に対して平行な方向のうち少なくとも第１の方向に前記ステージを駆動する駆動機構と、
前記部材と前記ステージとのうちいずれか一方に形成されたマーカと、
前記部材と前記ステージとのうち前記マーカが形成されていない方に配置され、前記マーカを検出する検出部と、
前記ステージが前記垂直方向に移動したときの前記ステージの前記第１の方向への変位量を、前記検出部の検出結果に基づいて計測する計測部と、
前記計測部で計測された変位量に基づいて、前記ステージが前記垂直方向に移動するときの前記第１の方向の前記ステージの位置を、前記駆動機構により補正する補正部と、
を有することを特徴とするステージの経路補正装置を提供する。

本発明の第５態様は、
載置面を有し、前記載置面に対して垂直方向に移動可能なステージと、
前記載置面に対して垂直方向と平行な面を有する部材と、
前記載置面に対して平行な方向のうち少なくとも第１の方向に前記ステージを駆動する
駆動機構と、
前記部材と前記ステージとのうちいずれか一方に形成されたマーカと、
前記部材と前記ステージとのうち前記マーカが形成されていない方に配置され、前記マーカを検出する検出部と、
を有するステージの経路補正装置による経路補正方法において、
前記ステージが前記垂直方向に移動したときの前記ステージの前記第１の方向への変位量を、前記検出部の検出結果に基づいて計測する工程と、
計測された前記変位量に基づいて、前記ステージが前記垂直方向に移動するときの前記第１の方向の前記ステージの位置を、前記駆動機構により補正する工程と、
を有することを特徴とするステージの経路補正方法を提供する。

本発明によれば、ステージまたは積層部材が積層方向に移動可能な構成において、ステージまたは積層部材が、積層方向に移動する際に、積層方向に直交する方向に変位してしまうことを抑制することができる。

実施形態に係る造形装置の構成を模式的に示す図。 造形コントローラの回路ブロック図。 マーカとステージの位置関係を説明する図。 キャリブレーション及び経路補正のフローチャート。 マーカ検出の概念図。 マーカ検出の概念図。 ステージの移動経路の補正の概念図。 ステージ側にマーカを形成した例について示す図。

以下、この発明を実施するための形態を図面を参照して例示的に説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている各部材の寸法、材質、形状、その相対配置など、各種制御の手順、制御パラメータ、目標値などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施形態＞
（造形装置の構成）
図１を参照して、本発明の実施形態に係る造形装置の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る造形装置の構成を模式的に示す図である。

造形装置は、多数の薄膜を積層することによって立体物を作製する装置である。この装置は、ＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）システム、３Ｄプリンタ、ＲＰ（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）システムなどとも呼ばれる。

本実施形態の造形装置は、概略、制御部、画像形成部、及び、造形部を有する。制御部は、造形対象物の３次元形状データから複数層のスライス画像データ（断面データ）を生成する処理、造形装置の各部の制御、などを担う構成部分である。制御部は、制御ユニット６０、造形コントローラ７０、画像生成コントローラ１０、複数のモータ１１２〜１１４、複数のセンサ４４，４５，５４，５５、５７などで構成される。画像形成部は、各層のスライス画像データに基づき、造形材料からなる１層分の画像を形成する構成部分である。画像形成部は、レーザスキャナ（露光装置）２０、プロセスカートリッジ３０、転写ローラ４１などで構成される。造形部は、画像形成部で形成された複数層の画像を順に積層し固着することによって、３次元構造をもつ立体物を形成する構成部分である。造形部
は、転写体４２、ヒータローラ４３、ステージ５２、ステージガイド５３、側面ガイド５６などで構成される。

（制御部）
制御ユニット６０は、造形対象物の３次元形状データを積層造形用のスライス画像データへ変換する機能、各層のスライス画像データを画像生成コントローラ１０へ出力する機能、積層造形工程を管理する機能、などを有する。制御ユニット６０は、例えばパーソナルコンピュータや組み込み型コンピュータにこれらの機能を有するプログラムを実装することにより構成することができる。３次元形状データとしては、３次元ＣＡＤ、３次元モデラー、３次元スキャナなどで作成されたデータを用いることができる。３次元形状データのフォーマットは問わないが、例えば、ＳＴＬ（ＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などのポリゴンデータを好ましく用いることができる。またスライス画像データのフォーマットとしては、例えば、多値の画像データ（各値が材料の種類を表す）やマルチプレーンの画像データ（各プレーンが材料の種類に対応する）を用いることができる。

造形コントローラ７０は、造形装置のメカトロ制御を行う機能を有している。駆動系は、ステージ５２が３軸移動を行うように駆動可能なステージ駆動Ｘモータ１１２，ステージ駆動Ｙモータ１１３，及びステージ駆動Ｚモータ１１４を含む。センシング系は、オフラインキャリブレーションで利用される材料先端検知センサ４４、４５、材料左先端センサ５４、材料右先端センサ５５、検出部としてのステージ水平位置検出センサ（以下、水平位置検出センサ）５７を含む。

図２に、造形コントローラ７０の回路ブロックの一例を示す。造形コントローラ７０は、ＣＰＵ７１、メモリ７２、インタフェース７３、ＵＩ手段７４、モータ駆動回路７５、モータドライバ７６、センサ回路７７、センサインタフェース７８、その他のＩＯ回路７９、ヒータ回路８０、ＩＯインタフェース８１を有する。モータドライバ７６には、ステージ駆動Ｘモータ１１２、ステージ駆動Ｙモータ１１３、及びステージ駆動Ｚモータ１１４が接続される。センサインタフェース７８には、材料先端検知センサ４４、材料先端検知センサ４５、材料左先端センサ５４、材料右先端センサ５５、水平位置検出センサ５７が接続される。ヒータ回路８０には、ヒータローラ４３内のヒータ及び熱電対が接続される。ＩＯインタフェース８１には、図示しないが、造形装置のカバーオープン検知スイッチ、ステージ５２のホームポジションセンサなどが接続される。

画像生成コントローラ１０は、制御ユニット６０から入力されるスライス画像データ及び造形コントローラ７０から入力される制御信号などに基づき、画像形成部における画像形成プロセスを制御する機能を有する。具体的には、画像生成コントローラ１０は、スライス画像データの解像度変換や復号処理、レーザスキャナ２０による画像書き出し位置及びタイミングの制御などを行う。その他にも、画像生成コントローラ１０は、一般的なレーザプリンタ（２Ｄプリンタ）に内蔵されるプリンタコントローラと同じような機能を有していてもよい。

なお、本実施形態では、制御ユニット６０と造形コントローラ７０と画像生成コントローラ１０を別々のコンピュータにて構成したが、これらの機能を１つのコンピュータにより構成しても構わない。

（画像形成部）
画像形成部は、電子写真プロセスを利用して造形材料からなる１層分の画像を形成するユニットである。電子写真プロセスとは、感光体を帯電し、露光によって潜像を形成し、現像剤粒子を潜像に付着させて画像を形成するという一連のプロセスによって、所望の画像を形成する手法である。造形装置では、トナーの代わりに、造形材料からなる粒子を現
像剤として用いるが、電子写真プロセスの基本原理は２Ｄプリンタのものとほぼ同じである。

感光ドラム３４は、有機感光体やアモルファスシリコン感光体などの感光体層を有する像担持体である。一次帯電ローラ３３は、感光ドラム３４の感光体層を一様に帯電するための帯電装置である。レーザスキャナ２０は、画像生成コントローラ１０から与えられる画像信号にしたがい、レーザ光で感光ドラム３４上をスキャンし、潜像を描画する露光装置である。造形材料供給部３１は現像剤としての造形材料を収容・供給する装置である。現像ローラ３２は、感光ドラム３４上の静電潜像に造形材料を供給する現像装置である。転写ローラ４１は、感光ドラム３４上に形成された造形材料の画像を転写体（転写ベルト）４２に転写する転写装置である。図示しないが、感光ドラム３４と転写ローラ４１のあいだの転写ニップの下流に、感光ドラム３４の表面をクリーニングするためのクリーニング装置を設けてもよい。本実施形態では、感光ドラム３４、一次帯電ローラ３３、造形材料供給部３１、現像ローラ３２が、プロセスカートリッジ３０として一体化され、交換が容易になっている。

造形材料としては、作製する立体物の用途・機能・目的などに応じてさまざまな材料を選択することができる。本明細書では、造形目的である立体物を構成する材料を「構造材料」と呼ぶ。以下、構造材料からなる部分を構造体と呼ぶ場合がある。作製途中の構造体を支持するためのサポート体（例えばオーバーハング部を下から支える構造）を構成する材料を「サポート材料」と呼ぶ。また両者を特に区別する必要がない場合には、単に「造形材料」という用語を用いる。構造材料としては、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＡＢＳ、ＰＳ（ポリスチレン）など、熱可塑性の樹脂を用いることができる。また、サポート材料としては、構造体からの除去を簡単にするため、熱可塑性と水溶性を有する材料を好ましく用いることができる。サポート体用の材料としては、例えば、糖質、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）などを例示できる。

（造形部）
転写体４２は、画像形成部で形成された造形材料の画像を担持し、ステージ５２（積層ニップ）まで搬送する搬送部材である。転写体４２は、例えば、樹脂、ポリイミドなどの無端ベルトで構成される。ヒータローラ４３は、ヒータを内蔵しており、転写体４２上の造形材料画像を溶融し、ステージ５２上の造形物上に積層する積層部材である。ステージ５２は、作製中の造形物を保持する部材であり、駆動機構としての、ステージガイド５３及びステージ駆動Ｘモータ１１２、ステージ駆動Ｙモータ１１３、及びステージ駆動Ｚモータ１１４によりＸＹＺの３軸方向に移動可能である。ここで、本実施形態では、画像形成部で形成された複数層の画像が、ステージ５２の表面（積層面、載置面）に対して垂直に積層されていく方向を指す積層方向をＺ方向としている。側面ガイド５６は、Ｚ方向と平行になるように固定されたガイド面にマーカが形成された部材である。ただし、装置本体の側壁など、側面ガイド５６としての機能を兼ねることのできる部材がある場合は、専用の部材として設ける必要はない。

（造形装置の動作）
次に、造形装置による造形物作製の基本動作について説明する。
制御ユニット６０は、造形対象物の３次元形状データに基づき、当該造形対象物を所定のピッチ（例えば数ミクロンから十数ミクロンの厚さ）でスライスして各層の断面形状を計算し、各層のスライス画像データを生成する。最下層のスライス画像データから順に画像生成コントローラ１０に入力される。画像生成コントローラ１０は、入力されたスライス画像データにしたがって、レーザスキャナ２０のレーザ発光及びスキャンを制御する。

画像形成部では、一次帯電ローラ３３によって感光ドラム３４の表面が均一に帯電される。レーザスキャナ２０からのレーザ光により感光ドラム３４の表面が露光されると、その露光部分が除電される。現像バイアスで帯電された造形材料が現像ローラ３２によって除電部分に供給され、造形材料からなる１層分の画像（以下「材料画像」と呼ぶ）が感光ドラム３４の表面に形成される。この材料画像は、転写ローラ４１により転写体４２上に転写される。

転写体４２は材料画像を担持しつつ回転し、材料画像を積層位置へと搬送する。一方、造形コントローラ７０は、ステージ５２（又はステージ５２上の造形物）が材料画像と同じタイミング且つ同じ速度で積層位置へと進入するように、ステージ５２を制御する。そして、ステージ５２と転写体４２を同期して移動させつつ、ヒータローラ４３により熱を与えることで、材料画像がステージ５２上（又はステージ５２上の造形物の上面）に熱溶着される。材料画像が積層されるたび、造形コントローラ７０はステージ５２を積層方向（Ｚ方向）に一層の厚み分だけ下降させ、次の層の積層に備える。
以上の材料画像を形成する画像形成工程、及び材料画像を積層する積層工程を含む造形動作を、スライス画像データの枚数分繰り返すことで、ステージ５２上に造形物が形成される。

なお、本明細書では、１層分の画像の形成に用いられるデジタルデータを「スライス画像データ」と呼ぶ。スライス画像データに基づき画像形成部で形成される、造形材料からなる１層分の画像を「材料画像」と呼ぶ。また、造形装置で作製しようとする目的の構造体（つまり造形装置に与えられる画像データが表す物体）を「造形対象物」と呼び、造形装置で作製された（出力された）物体（立体物）を「造形物」と呼ぶ。また、造形物がサポート体を含む場合において、サポート体を除いた部分である構造体が造形対象物の立体物となる。

（積層造形の課題）
本実施形態のように、多数の画像を積層して造形物を形成するタイプの造形装置では、材料画像の形状精度と積層時の位置精度の２つが、造形物の品質を左右する。各層の材料画像をステージ上の造形物に積層する際に位置のばらつきがあると、造形物の側面が凹凸になり、滑らかな表面を得ることができず、造形物の寸法や形状に無視できない影響が表れる。これらは、数百から数万枚の画像を重ねて造形物を作る造形装置に特有の課題といえる。ステージの上昇及び下降におけるステージの微妙な回転歪みや垂直軸の傾きなどが、積層造形では無視できない変位を生ずる要因の一つとなっている。

そこで、本実施形態では、各層の材料画像による垂直方向の形状精度を担保するために、造形物の形成に先立ち、ステージ５２の上下動による水平位置の変位量データを取得する（キャリブレーションと呼ぶ）。そして、画像形成時には、変位量を低減するように、ステージ５２の水平位置の補正を施す。以下、キャリブレーションの詳細を説明する。

（キャリブレーション）
造形物の生成前に行われるキャリブレーションについて説明する。
造形コントローラ７０は、キャリブレーションに関わる機能として、水平位置検出センサ５７、計測部７０１、補正部７０２を有する。
キャリブレーションでは、まず、前述した側面ガイド５６のガイド面に形成されたマーカを、ステージ５２をＺ方向に相対移動（上下動）させることによりステージ５２上の水平位置検出センサ５７で検出する。そして、その検出結果から水平方向の変位量（位置ずれ量）を計測部７０１で計測する。このように、マーカの位置ずれから、ステージ５２がＺ方向に移動したときの、ステージ５２と積層部材４３との相対位置の水平方向の変位量を取得することができる。
そして、造形の際には、ステージ駆動Ｚモータ１１４によりステージ５２がＺ方向に一層の厚み分だけ下降するときに、補正部７０２が、水平方向の変位量に基づき、ステージ駆動Ｙモータ１１３を制御してステージ５２を水平方向に移動させる。
これにより、ステージ５２は、造形の際、補正された移動経路に沿って移動することができ、ステージ５２がＺ方向に移動したときの、ステージ５２と積層部材４３との相対位置の水平方向の変位量を低減することができる。
ここで、マーカは、ステージ５２の水平方向の変位量を計測する際に、ステージ５２がＺ方向に等速で移動したときのステージ５２の水平方向への位置ずれ量に応じて、水平位置検出センサ５７により検出される時間が異なるように形成されているものであるとよい。

図３Ａ〜図３Ｄは、マーカとステージの位置関係を説明するための図であり、図３Ａ、図３Ｂに斜視図を示し、図３Ｃ、図３Ｄにはそれぞれ図３Ａ、図３Ｂの平面図を示している。
図３Ａは、比較例として、側面ガイド５６，５８にステージ５２がガイドされる場合のステージ５２と側面ガイド５６，５８との位置関係を示す図である。このように、側面ガイド５６，５８にステージ５２がガイドされる構成であれば、ステージ５２は水平移動せず、側面ガイド５６，５８とステージ５２との隙間は存在しない。
図３Ｂは、本実施形態においてキャリブレーション時、又はレジストレーション時に、ステージ５２の水平方向への移動が可能な形態を示す図である。
ステージ５２と側面ガイド５６，５８との間には隙間が存在し、これが水平位置の補正可動範囲となる。本実施形態では、ガイド面が、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ沿うように配置された２つの側面ガイド５６，５８を示している。
以下の説明では、２つの側面ガイド５６，５８のうち側面ガイド５６に沿う水平方向の位置ずれを補正する場合について説明するが、側面ガイド５８に沿う水平方向の位置ずれの補正方法も同様である。なお、本実施形態では、２つの側面ガイドに従って、ステージ５２の水平方向への移動が可能となる形態について説明するが、これに限るものではなく、ステージ５２の可動方向が１方向であれば、側面ガイドは１つであってもよい。ここで、側面ガイド５６は、Ｚ方向及びＹ方向それぞれに平行な壁面に相当する。

図５及び図６を用いて、キャリブレーションの詳細を説明する。図５は、ステージ５２がＺ方向に移動したときに、水平位置検出センサ５７の検出ラインが１方向に沿うようにステージ５２が水平方向に変位する場合について説明するための図である。図６は、ステージ５２がＺ方向に移動したときに、水平位置検出センサ５７の検出ラインが曲線を描くようにステージ５２が水平方向に変位する場合について説明するための図である。

図５を用いて、側面ガイド５６上に形成されたマーカを検出する概念について説明する。マーカＭ１〜Ｍ４は、側面ガイド５６上のステージ５２可動範囲の所定位置に形成されている。本実施形態のマーカは、側面ガイド５６のＺ方向に対し直交する第１エッジと、Ｚ方向に対し斜めの第２エッジを有する、直角三角形状の図形である。

マーカのＺ方向に平行なエッジとＺ方向に対し直交する第１エッジが交差する角の位置を基準点Ｏとして、直角三角形の斜辺の変化量を式にあらわすと、
Ｙ＝１−ａＺ
となる。ここで、ａは斜辺の傾きであり、三角形のＺ方向に対し直交する一辺の長さは１である。

基準点ＯをＹ＝０．５ずらした点（ラインＬ１とＺ方向に対し直交する第１エッジが交差する点）を正規位置とすると、正規位置からの変位量ΔＹは、
ΔＹ＝Ｙ−０．５＝（１−ａＺ）−０．５＝０．５−ａＺ
と表すことができる。

斜辺の角度が４５°であればａ＝１であり、
Ｚ＝０．５のときに ΔＹ＝０
Ｚ＝０のときに ΔＹ＝０．５
Ｚ＝１のときに ΔＹ＝−０．５
となる。０＜Ｚ＜１の範囲とする。

水平位置検出センサ５７により、マーカＭ１の第１エッジと第２エッジを検出する。Ｌ１は、ステージ５２が側面ガイド５６上のマーカＭ１〜Ｍ４上の正規位置を通過した場合の水平位置検出センサ５７の検出ラインである。つまり、水平位置検出センサ５７がラインＬ１を通過する状態が基準（変位量ΔＹ＝０）となる。ラインＬ１を通過したときの水平位置検出センサ５７の出力信号をＳ１に示す。マーカＭ１の第１エッジを検出すると信号はローレベルからハイレベルに変化する。第２エッジを検出すると信号はハイレベルからローレベルに変化する。

ここで仮にステージ５２が基準からマーカＭ４においてΔＹだけ左にシフトした場合、水平位置検出センサ５７はラインＬ３を通過することになる。ラインＬ３を通過したときの水平位置検出センサ５７の出力信号をＳ３に示す。マーカの第１エッジを検出すると信号はローレベルからハイレベルに変化する。第２エッジを検出すると信号はハイレベルからローレベルに変化する。例えば、マーカＭ４の位置ではラインＬ４で示される。本来、正規経路でステージ５２が下降した場合の位置をラインＬ２で示すと、Ｌ２とＬ４の時間差ΔＺ分が水平方向の変位量ΔＹに変換されることになる。
以上の動作を、マーカＭ１からＭ４まで繰り返した結果の変位量データ群を蓄積し、造形時にステージ５２の水平方向の位置の補正量として使用することができる。

したがって、水平位置検出センサ５７の出力信号Ｓ３の立ち上がりのタイミングによってステージ５２のＺ方向位置がわかる。また、出力信号Ｓ３のハイレベルの期間（第１エッジの検出タイミングと第２エッジの検出タイミングの差）と式Ｙ＝１−ａＺから、Ｙ方向の変位量ΔＹを求めることができる。このように、複数のマーカ及び１つの水平位置検出センサ５７により、Ｚ、Ｙの２方向の位置の検出が可能となる。これは、構成及び処理が簡易化されるというコストメリットと、２方向の変位量検出データ取得を高速に行うことができるというメリットがある。造形時はステージ５２が高速に移動するために、本実施形態のような構成が有効である。

次に、ステージ５２がＺ方向に移動するときに、水平位置検出センサ５７の測定結果に基づいて行われる、ステージ５２の水平方向の位置の補正について説明する。
ラインＬ３で示された水平位置検出センサ５７の経路データからマーカ位置毎のΔＹの値を検出し、造形時に、ステージ５２の下降経路をマーカ位置毎に−ΔＹだけＹ方向に移動させれば、ステージ５２はあたかも垂直に下降したごとく軌道経路をたどる。ここでは、積層ピッチに対して水平位置検出タイミングは十分大きいため離散的なデータとなっている。
従って、隣り合うマーカの各変位量から線形補間（直線近似）により積層ピッチ毎の水平方向の変位量（移動量）を求めることで、この変位量から、積層ピッチ毎にステージ５２が下降する時の補正量を求めることができる。すなわち、ステージ５２のＺ方向の可動範囲における複数のマーカ以外の位置での水平方向の変位量を、複数のマーカの変位量を補間して求めることができる。この補正量は、図５において補正ベクトルＶ０〜Ｖ４で示すことができる。図５に示す形態では、補正ベクトルＶ０〜Ｖ４は１つの直線で表される。
この補正量を用いてステージ５２を移動させることで、ステージ５２がＺ方向に移動す
るときの移動経路の補正を行うことができる。

図７を用いて、隣り合うマーカの各変位量から線形補間により積層ピッチ毎の水平方向の変位量を求め、ステージ５２を移動させてＺ方向への移動経路の補正を行う形態について説明する。図７Ａには、キャリブレーション時のマーカＭ１とマーカＭ２との間を水平位置検出センサ５７が検出した位置をラインＬ３で示している。このようなＺ方向の移動経路をとるステージ５２において、移動経路の補正をせずに、そのまま造形を行った場合には、図７Ａに示すように、円筒状の造形物はΔＹ１だけＹ方向に傾く。
図７Ｂには、マーカＭ１，Ｍ２間の補正ベクトルＶ１を線形補間して求められる積層ピッチ毎の補正ベクトルＶ１ａ〜Ｖ１ｇを示している。
ステージ５２の移動経路補正を行い、造形を行った場合、図７Ｂに示すように、円筒状の造形物として造形される。

図６には、図５に示す水平位置検出センサ５７の通過経路であるラインＬ３が曲線状となる場合を示している。ラインＬ３が曲線状となる場合においても、ラインＬ３が直線状となる場合同様に、ステージ５２がＺ方向に移動するときの、移動経路の補正を行うことができる。
すなわち、ラインＬ３が曲線状となる場合には、より補正精度を上げるために、補正ベクトルＶ０〜Ｖ４を曲線近似させ、かつ隣り合うマーカの各変位量から２次曲線近似により積層ピッチ毎の水平方向の変位量を求めればよい。

以下に、図４Ａのフローチャートに沿って、造形コントローラ７０によるキャリブレーションの流れを説明する。
ステップ３０１では、造形コントローラ７０が、ステージ駆動Ｚモータ１１４を用いてステージ５２をＺ軸の原点（造形開始位置）に移動する。
ステップ３０２では、キャリブレーションを開始し造形コントローラ７０が、ステージ駆動Ｚモータ１１４を用いてステージ５２の下降を行う。
ステップ３０３では、水平位置検出センサ５７により、マーカＭ１の第１エッジ（先端位置）を検出する。
ステップ３０４では、水平位置検出センサ５７により、マーカＭ１の第２エッジ（後端位置）を検出する。
ステップ３０５では、水平位置検出センサ５７がマーカＭ１の第２エッジを通過したタイミングと正規（水平方向の変位量が０）タイミングとの差の時間を水平方向の変位量ΔＹ１として経路誤差演算を行い蓄積する。
ステップ３０６では、最下端となるマーカ（本実施形態ではマーカＭ４）の変位量を検出したかどうかを判断する。ステップ３０６でＮＯの場合、ステップ３０３に戻り、次のマーカ（１つ下のマーカ）の検出を行う。ステップ３０６でＹＥＳの場合には、次のステップ３０７に進む。
ステップ３０７では、ステップ３０５で行った経路誤差演算結果を経路変位情報として出力し蓄積する。
ステップ３０８では、キャリブレーションが完了し造形コントローラ７０が、ステージ駆動Ｚモータ１１４を用いてステージ５２をＺ軸の原点（造形開始位置）に移動する。

次に、図４Ｂのフローチャートに沿って、造形時の造形コントローラ７０の動作を説明する。
ステップ３１１では、造形コントローラ７０から経路変位情報が取得される。
ステップ３１２では、経路変位情報として得られた経路誤差演算結果から補正ベクトルを算出し、積層ピッチに従って補正ベクトル内を補間することによって、層ごとの補正経路パラメータを算出する。補正経路パラメータは、例えば、補正前の経路におけるステージ５２の水平方向の位置座標と、補正後の経路におけるステージ５２の水平方向の位置座
標の対応を示す情報である。

ステップ３１３では、補正経路パラメータに従ってステージ５２のＺ方向の位置に対する水平方向の位置を算出しておく。
その後、造形対象物の３次元形状データが読み込まれ、造形を開始し（ステップ３１４）、材料画像が積層されるたび、ステージ５２をＺ方向に一層の厚み分だけ下降させて造形を継続する（ステップ３１５）。
このとき、ステージ駆動Ｚモータ１１４を用いてステージ５２をＺ方向に一層の厚み分だけ下降させると共に、ステップ３１３で算出した、ステージ５２のＺ方向の位置に対する水平方向の位置に、ステージ駆動Ｙモータ１１３を用いてステージ５２を移動させる。これにより、ステージ５２は、補正された移動経路に沿って移動することができる。

以上述べた本実施形態の造形装置の構成によれば、キャリブレーション及びステージ５２の移動経路の補正を行うことにより、ステージ５２が下降する過程で発生する水平方向の位置ずれを可及的に抑えることができる。したがって、形状精度及び寸法精度の高い、高品質な造形物を形成することが可能となる。
ここで、本実施形態では、ステージ５２が上下動する装置構成におけるキャリブレーションについて説明したが、これに限るものではない。本発明は、積層方向に垂直な方向におけるステージと積層部材との相対位置の変位を補正するものである。従って、固定されたステージに対して積層部材を移動させる装置構成にも適用することができる。固定されたステージ５２に対して積層部材を移動させる装置構成とは、具体的には、図１の造形装置の場合はヒータローラ４３がステージ５２に対して積層方向に移動する構成である。この場合、積層部材の移動経路は、側面ガイド５６をヒータローラ４３と一体で移動させ、ステージ５２に固定したセンサでマーカを検出するとよい。例えば、ステージ５２が他の部材とは別体となっており、他の部材がステージ５２に対してＺ方向に一体で動く構成が考えられる。あるいは、ヒータローラ４３と転写ローラ４１との間にガイドローラを追加し、積層ベルト４２が撓まないようにヒータローラ４３とガイドローラを連携して移動させながら、ヒータローラ４３をステージ５２に対してＺ方向に移動させる構成である。この時、側面ガイド５６をヒータローラ４３の軸と共にＺ方向に移動させるとよい。
また、本実施形態では、側面ガイド５６にマーカが形成され、ステージ５２に水平位置検出センサ５７が配置されるものであったが、これに限るものではない。すなわち、ステージ５２がＺ方向に相対移動したときのステージ５２の水平方向の位置を検出できるものであればよく、造形装置の側面ガイド５６とステージ５２の垂直面のうちいずれか一方にマーカが形成され、他方に水平位置検出センサ５７が配置されるものであればよい。図８にステージ５２の垂直面にマーカを形成し、本体側面ガイド５６に水平位置検出センサ５７が配置される例を示す。この例ではステージ５２が固定されセンサ５７が垂直移動しても良い。
また、本実施形態では、マーカはＺ方向に離れて複数配置されるものであったが、マーカの数や形状は特に限定されるものではなく、ステージ５２のＺ方向の可動範囲、造形物の高さ、造形装置の仕様等に応じて、適宜設定されるものであるとよい。

３４：感光ドラム、４２：転写体、５２：ステージ、５６：側面ガイド、５７：水平位置検出センサ、１１３：ステージ駆動Ｙモータ、７０１：計測部、７０２：補正部、Ｍ１〜Ｍ４：マーカ

Claims (10)

1. ３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、
   前記造形材料が積層されるステージと、
   前記ステージに前記造形材料を積層する積層部材と、
   前記造形材料を積層する方向である積層方向に平行な面を有する部材と、
   前記ステージまたは前記積層部材を、前記積層方向と、前記積層方向に直交する方向のうち少なくとも第１の方向とに駆動可能な駆動機構と、
   前記部材と前記ステージのうちいずれか一方の、前記積層方向に平行な面に形成されたマーカと、
   前記部材と前記ステージのうち前記マーカが形成されていない方に配置され、前記マーカを検出する検出部と、
   を有することを特徴とする造形装置。
2. 前記検出部の検出結果から、前記ステージまたは前記積層部材を前記積層方向に移動させたときの、前記ステージと前記積層部材との相対位置の前記第１の方向における変位量を計測する計測部と、
   前記変位量に基づき、前記ステージまたは前記積層部材の前記積層方向の移動経路を前記駆動機構により補正する補正部と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の造形装置。
3. 前記マーカは、前記ステージまたは前記積層部材が前記積層方向に等速で移動したときの前記ステージと前記積層部材との相対位置の前記第１の方向における変位量に応じて、前記検出部により検出される時間が異なるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の造形装置。
4. 前記マーカは、前記部材の前記積層方向及び前記第１の方向それぞれに平行な壁面に形成され、前記積層方向に対し直交する第１のエッジと前記積層方向に対し斜めの第２のエッジとを有する図形であり、
   前記計測部は、
   前記第１のエッジの検出タイミングから、前記積層方向に関する前記ステージの位置を取得し、
   前記第１のエッジの検出タイミングと前記第２のエッジの検出タイミングの差から、前記ステージの前記第１の方向への変位量を取得する
   ことを特徴とする請求項３に記載の造形装置。
5. 前記マーカは、前記積層方向に離れて複数配置され、
   前記計測部は、前記ステージまたは前記積層部材の前記積層方向の可動範囲における複数の前記マーカ以外の位置での前記変位量を、複数の前記マーカの前記変位量を補間して求める
   ことを特徴とする請求項４に記載の造形装置。
6. 前記補間が、直線近似又は曲線近似による補間である
   ことを特徴とする請求項５に記載の造形装置。
7. 積層部材とステージのいずれか一方を積層方向に移動して、前記積層部材と前記ステージとの相対位置を変えながら、３次元形状データに基づき前記積層部材により造形材料を前記ステージに積層して立体物を作製する造形方法であって、
   前記積層方向に移動させたときの前記積層部材または前記ステージの前記積層方向に垂
   直な方向の変位量をあらかじめ取得しておき、
   前記変位量を低減するように前記積層部材と前記ステージとの相対位置を補正しながら、前記造形材料を前記ステージに積層する
   ことを特徴とする造形方法。
8. ３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、
   前記造形材料が積層されるステージと、
   前記ステージに前記造形材料を積層する積層部材と、
   前記造形材料を積層する方向である積層方向に平行な面を有する部材と、
   前記ステージまたは前記積層部材を、前記積層方向と、前記積層方向に直交する方向のうち少なくとも第１の方向とに駆動可能な駆動機構と、
   前記部材と前記ステージのうちいずれか一方の、前記積層方向に平行な面に形成されたマーカと、
   前記部材と前記ステージのうち前記マーカが形成されていない方に配置され、前記マーカを検出する検出部と、
   を有する造形装置による造形方法であって、
   立体物の作製に先立ち、前記ステージまたは前記積層部材が前記積層方向に相対移動したときの前記ステージと前記積層部材との相対位置の前記第１の方向における変位量を、前記検出部の検出結果に基づいて計測する工程と、
   立体物を作製するときに、計測された前記変位量に基づいて、前記ステージまたは前記積層部材が前記積層方向に移動するときの前記第１の方向の位置を、前記駆動機構により補正する工程と、
   を含むことを特徴とする造形方法。
9. 載置面を有し、前記載置面に対して垂直方向に移動可能なステージと、
   前記載置面に対して垂直方向と平行な面を有する部材と、
   前記載置面に対して平行な方向のうち少なくとも第１の方向に前記ステージを駆動する駆動機構と、
   前記部材と前記ステージとのうちいずれか一方に形成されたマーカと、
   前記部材と前記ステージとのうち前記マーカが形成されていない方に配置され、前記マーカを検出する検出部と、
   前記ステージが前記垂直方向に移動したときの前記ステージの前記第１の方向への変位量を、前記検出部の検出結果に基づいて計測する計測部と、
   前記計測部で計測された変位量に基づいて、前記ステージが前記垂直方向に移動するときの前記第１の方向の前記ステージの位置を、前記駆動機構により補正する補正部と、
   を有することを特徴とするステージの経路補正装置。
10. 載置面を有し、前記載置面に対して垂直方向に移動可能なステージと、
    前記載置面に対して垂直方向と平行な面を有する部材と、
    前記載置面に対して平行な方向のうち少なくとも第１の方向に前記ステージを駆動する駆動機構と、
    前記部材と前記ステージとのうちいずれか一方に形成されたマーカと、
    前記部材と前記ステージとのうち前記マーカが形成されていない方に配置され、前記マーカを検出する検出部と、
    を有するステージの経路補正装置による経路補正方法において、
    前記ステージが前記垂直方向に移動したときの前記ステージの前記第１の方向への変位量を、前記検出部の検出結果に基づいて計測する工程と、
    計測された前記変位量に基づいて、前記ステージが前記垂直方向に移動するときの前記第１の方向の前記ステージの位置を、前記駆動機構により補正する工程と、
    を有することを特徴とするステージの経路補正方法。

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