JP2018039213A - ディスペンサ、ディスペンサユニット及びこれを用いる立体物造形装置 - Google Patents

ディスペンサ、ディスペンサユニット及びこれを用いる立体物造形装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高粘度の液体を吐出することができるディスペンサ、ディスペンサユニット及びこれを用いる立体物造形装置を提供すること。【解決手段】大気圧よりも圧力の高い高圧液体を供給する高圧液体供給部と、高圧液体供給部から供給される高圧液体を吐出する吐出部と、吐出部を駆動させる駆動源と、を有し、吐出部は、外周面に少なくとも1つの高圧液体を収容する収容部が形成され、駆動源によって回転される回転ロータと、回転ロータを回転自在の状態で収容し、収容部と高圧液体供給部とを連通させる液体供給路と、収容部と吐出部の外部とを連通させる吐出ノズルと、が形成されたケーシングと、駆動源の回転を制御し、回転方向における収容部の位置を制御する制御部と、を備える。【選択図】図6

Description

本発明は、ディスペンサ、ディスペンサユニット及びこれを用いる立体物造形装置に関する。
近年、インクジェット技術を応用した装置が様々な用途に用いられつつある。例えば、立体物の材料である造形材をインクジェットヘッドから吐出することで立体物を造形する3Dプリンタが知られている。3Dプリンタは、液体の造形材を吐出し、液体の造形材に対して紫外線を照射することによって造形材を硬化させ、これを積層して積層体を形成することにより、所望の立体物を得ることが可能になっている(例えば、特許文献1)。
ここで、インクジェットヘッドは、吐出できる液体の粘度に制約があることが知られており、より高粘度のインクを吐出できるように様々な改良がされている。例えば、特許文献2には、駆動パルスの印加タイミングを最適化させたインクジェットヘッドの駆動方法が記載されている。特許文献2記載のインクジェットヘッドの駆動方法は、第1駆動パルスでインクを吐出し、第2駆動パルスでインクの糸引きを切ることで、従来よりも粘度の高いインクを吐出できる。
特開2016−7711号公報 特開2013−103460号公報
しかしながら、特許文献2に記載のインクジェットヘッドの駆動方法は、50mPa・sまでの粘度を有するインクしか吐出できない。そのため、50mPa・sを超える高粘度のインクを吐出することができず、使用できるインクが限られてしまうという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高粘度の液体を吐出することができるディスペンサ、ディスペンサユニット及びこれを用いる立体物造形装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るディスペンサは、大気圧よりも圧力の高い高圧液体を供給する高圧液体供給部と、前記高圧液体供給部から供給される前記高圧液体を吐出する吐出部と、前記吐出部を駆動させる駆動源と、を有し、前記吐出部は、外周面に少なくとも1つの前記高圧液体を収容する収容部が形成され、前記駆動源によって回転される回転ロータと、前記回転ロータを回転自在の状態で収容し、前記収容部と前記高圧液体供給部とを連通させる液体供給路と、前記収容部と前記吐出部の外部とを連通させる吐出ノズルと、が形成されたケーシングと、前記駆動源の回転を制御し、回転方向における前記収容部の位置を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、高圧液体供給部が高圧液体を収容部に供給することを可能にし、回転ロータが回転して収容部と吐出ノズルとが連通した場合に収容部の内部と吐出ノズルの外部との圧力差により高圧液体を吐出することができ、回転ロータの回転により吐出方向に生じる遠心力を高圧液体に加えることができ、吐出方向(鉛直方向下向き)に加わる重力により高圧液体の吐出方向に加わる力をより大きくすることができ、高圧液体の粘度が高い場合でも液体を吐出することができる。
また、前記駆動源の回転位相を測定する位相センサを備え、前記制御部は、前記位相センサの検出結果に基づいて、前記駆動源の回転を制御し、前記収容部の位置を制御することが好ましい。
この構成によれば、駆動源の回転を停止する場合に収容部と吐出ノズルとが連通した状態で停止しないように制御することができ、駆動源が停止した状態において収容部の内壁に付着した液体が大気に暴露されることを防ぐことができ、収容部の内壁に付着したインクの溶媒が揮発することを抑制することができ、インクが収容部の内部で固着することを防ぐことができる。
また、前記収容部の前記高圧液体が接する面の温度を調整する温度調整部を備えることが好ましい。
この構成によれば、収容部の内壁の温度が目標温度に近づくように調整することができ、収容部の内壁の濡れ性が変化することを抑制でき、収容部から高圧液体が吐出された場合に収容部の内壁に付着する液体の量のばらつきを小さくすることができ、収容部から吐出される液体の量のばらつきを小さくすることができる。
また、前記駆動源は、ステッピングモータまたはサーボモータであることが好ましい。
この構成によれば、駆動源の回転位相に応じた制御をすることができ、駆動源の回転を停止する場合に収容部と吐出ノズルとが連通した状態で停止をしないように制御することができ、収容部の内壁に付着した液体が大気に暴露されることを防ぐことができ、液体が収容部の内部で固着することを防ぐことができる。また、収容部と吐出ノズルとが連通する度に駆動源の回転を一時停止させ、収容部の内部の高圧液体が吐出ノズルから吐出されるまで収容部と吐出ノズルとが連通した状態を維持させる制御を高い精度で実行することができる。つまり、収容部内の圧力と大気圧とが同圧になるまで収容部と吐出ノズルとを連通させることができ、より確実に収容部から液体を全量吐出することができ、収容部から吐出される液体の量を安定させることができる。
また、上述した課題を解決するための本発明は、ディスペンサユニットであって、上記のいずれかに記載のディスペンサを複数備え、複数の前記ディスペンサは、複数の前記吐出部が共通の前記駆動源に接続されていることを特徴とする。
この構成によれば、1つの駆動源を回転駆動させることで同時に複数の吐出部から液体を吐出することができる。
また、複数の前記ディスペンサの前記液体供給路にそれぞれ取り付けられる電磁弁を備え、前記制御部は、前記電磁弁の開閉を制御し、前記ディスペンサへのインクの供給を制御することが好ましい。
この構成によれば、複数の高圧液体供給部から複数の吐出部へ供給される高圧液体を遮断することを可能にし、複数の吐出部から液体の漏れが発生しても、漏れる量を抑えることができる。また、複数の電磁弁の開閉を制御することで複数の吐出部に対して選択的に吐出動作を行わせることができる。
また、上述した課題を解決するための本発明は、立体物造形装置であって、上記のいずれかに記載のディスペンサと、造形物を載置する載置台と、前記造形物に紫外線を照射する紫外線光源と、前記載置台と前記ディスペンサとを相対移動させる駆動部と、を備え、前記制御部は、前記立体物の前記形状情報に基づいて、前記駆動部の動作及び前記駆動源の回転を制御することを特徴とする。
上記のいずれかに記載のディスペンサユニットと、造形物を載置する載置台と、前記造形物に紫外線を照射する紫外線光源と、前記載置台と前記ディスペンサユニットとを相対移動させる駆動部と、を備え、前記制御部は、前記立体物の前記形状情報に基づいて、前記駆動部の動作及び前記駆動源の回転を制御することを特徴とする。
本発明に係るディスペンサ、ディスペンサユニット及びこれを用いる立体物造形装置は、高粘度の液体を吐出することができる。
図1は、実施形態1に係る立体物造形装置の模式図である。 図2は、図1に示す立体物造形装置により造形される造形物の一例を示す斜視図である。 図3は、実施形態1に係るディスペンサユニットをインク滴の吐出面側から見た説明図である。 図4は、実施形態1に係るディスペンサの正面図である。 図5は、実施形態1に係るディスペンサの側面図である。 図6は、図4のA−A断面図である。 図7は、実施形態1に係るディスペンサの収容部が吐出ノズルと連通している場合における図5のB−B断面図である。 図8は、実施形態1に係るディスペンサの収容部が吐出ノズルと連通していない場合における図5のB−B断面図である。 図9は、ディスペンサの収容部の変形例を示す概略断面図である。 図10は、実施形態2に係るディスペンサユニットの概略構成図である。
以下に、本発明に係るディスペンサ、ディスペンサユニット及びこれを用いる立体物造形装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能、且つ、容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
図1は、実施形態1に係る立体物造形装置10の模式図である。図2は、図1に示す立体物造形装置10により造形される造形物5の一例を示す斜視図である。図3は、実施形態1に係るディスペンサユニット12aをインク滴の吐出面側から見た説明図である。図1に示す立体物造形装置10は、積層造形法により立体の造形物5を造形する装置である。この場合、積層造形法とは、例えば、複数の層を重ねて造形物5を造形する方法である。また、造形物5とは、例えば、三次元構造物のことである。また、立体物造形装置10において実行する立体物造形方法は、例えば、三次元構造物の形状情報とカラー画像情報とから三次元構造物を造形するカラー造形方法であってもよい。
また、以下に説明する点を除き、立体物造形装置10は、公知の立体物造形装置と同一、または同様の構成を有してよい。また、立体物造形装置10は、例えば、公知の平面への印刷装置であるインクジェットプリンタの構成の一部を変更した装置であってよい。例えば、立体物造形装置10は、紫外線硬化型インク(UVインク)を用いるインクジェットプリンタの一部を変更した装置であってよい。
本実施形態1に係る立体物造形装置10は、ディスペンサユニット12aと、主走査駆動部14と、造形物5を載置する載置台である造形台16と、制御部18と、を備えている。ディスペンサユニット12aは、造形物5の材料となる液滴を吐出する部分であり、所定の条件に応じて硬化する樹脂である硬化性樹脂の液滴等を吐出し、硬化させることにより、造形物5を構成する各層を形成する。より具体的には、ディスペンサユニット12aは、例えば、制御部18の指示に応じて液滴を吐出することにより、硬化性樹脂の層を形成する層形成動作と、層形成動作で形成された硬化性樹脂の層を硬化させる硬化動作とを複数回繰り返して行う。ディスペンサユニット12aは、これらの動作を繰り返し行うことにより、硬化した硬化性樹脂の層を複数層重ねて形成する。
このディスペンサユニット12aから吐出する硬化性樹脂としては、例えば、紫外線の照射により硬化する紫外線硬化型樹脂を用いる。この場合、ディスペンサユニット12aは、造形物5の材料となる液滴として、例えば、紫外線硬化型インクのインク滴を吐出する。また、硬化動作では、紫外線光源46により紫外線を照射することにより、硬化性樹脂の層を硬化させる。この場合、硬化性樹脂の層とは、紫外線硬化型インクのことである。
また、本実施形態1に係る立体物造形装置10では、ディスペンサユニット12aは、有色の紫外線硬化型インクのインク滴を吐出することにより、造形物5の表面或いは内部に対して着色を行い、着色された造形物5を造形する。また、ディスペンサユニット12aは、造形物5の造形時において、図2に示すように、造形物5の周囲にサポート6を形成する。サポート6は、造形中の造形物5を支えるための積層構造物(サポート層)であり、造形物5の造形完了後に、水等により溶解除去される。なお、ディスペンサユニット12aのより具体的な構成及び動作については、後にさらに詳しく説明をする。
主走査駆動部14は、ディスペンサユニット12aに主走査動作を行わせる駆動部である。なお、本実施形態1における、ディスペンサユニット12aに主走査動作を行わせるとは、例えば、ディスペンサユニット12aが有するディスペンサ30aに主走査動作を行わせることである。また、主走査動作とは、例えば、予め設定された主走査方向(図中のY方向)へ移動しつつ、インク滴を吐出する動作である。
この主走査駆動部14は、キャリッジ22及びガイドレール24を有している。このうち、キャリッジ22は、造形台16と対向させてディスペンサユニット12aを保持する保持部である。即ち、キャリッジ22は、ディスペンサユニット12aから吐出するインク滴の吐出方向が造形台16へ向かう方向になるように、ディスペンサユニット12aを保持している、主走査動作時において、キャリッジ22は、ディスペンサユニット12aを保持した状態で、ガイドレール24に沿って移動する。ガイドレール24は、キャリッジ22の移動をガイドするレール部材であり、主走査動作時において、制御部18の指示に応じて、キャリッジ22を移動させる。
なお、主走査動作時におけるディスペンサユニット12aの移動は、造形物5に対する相対的な移動であってよい。そのため、立体物造形装置10の構成の変形例においては、例えば、ディスペンサユニット12aの位置を固定して、造形台16を移動させることにより、造形物5側を移動させてもよい。
造形台16は、造形中の造形物5を上面に載置する載置台である。この造形台16は、上面を上下方向(図中のZ方向)へ移動させる機能を有しており、制御部18の指示に応じて、造形物5の造形の進行に合わせて、上面を移動させる。これにより、造形途中の造形物5における被造形面と、ディスペンサユニット12aとの間の距離(ギャップ)を適宜調整することが可能になっている。ここで、造形物5の被造形面とは、ディスペンサユニット12aによる次の層が形成される面のことである。また、造形台16は、上面を副走査方向(図中のX方向)へ移動させる機能を有しており、制御部18の指示に応じて、造形物5の造形の進行に合わせて、上面を移動させる。なお、ディスペンサユニット12aに対して造形台16をZ方向、X方向及びY方向へ走査させる動作は、ディスペンサユニット12a側をZ方向、X方向及びY方向へ移動させることで行ってもよい。
制御部18は、立体物造形装置10の各部を制御する装置になっており、各種処理を実行するコントローラとして機能するCPU(Central Processing Unit)や、各種情報を記憶するメモリとして機能するRAM(Random Access Memory)及びROM(Read Only Memory)等を有している。制御部18は、造形すべき造形物5の形状情報や、カラー画像情報等に基づいて立体物造形装置10の各部を制御することにより、造形物5を造形するための動作の制御を行う。
図3は、ディスペンサユニット12aをインク滴の吐出面側から見た説明図である。ディスペンサユニット12aは、ディスペンサ30a、32a、34a、36a、38a、40a、42a、44a及び紫外線光源46を有している。
ディスペンサ30a、32a、34a、36a、38a、40a、42a、44aは、硬化性樹脂の液滴を吐出する吐出手段である。ディスペンサ30a、32a、34a、36a、38a、40a、42a、44aは、紫外線硬化型インクのインク滴を吐出する。ディスペンサ30a、32a、34a、36a、38a、40a、42a、44aは、副走査方向(X方向)における位置を揃えて、主走査方向(Y方向)へ並んで配設されている。
ディスペンサ30a、32a、34a、36aは、互いに異なる色の有色インクのインク滴をそれぞれ吐出する。ここで、異なる色の有色のインクとは、例えば、イエロー(Y)、ゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の各色の紫外線硬化型インクである。また、ディスペンサ38aは、白色(W)の紫外線硬化型インクのインク滴を吐出する。
また、ディスペンサ40aは、紫外線硬化型のクリアインクのインク滴を吐出する。このクリアインクとは、透明色(T)であるクリア色のインクであり、無色透明のインクになっている。このクリアインクは、紫外線硬化型の樹脂を含み、且つ、着色剤を含まないインクになっている。
また、ディスペンサ42aは、造形物5を形成するための流動性を有する造形材として用いる紫外線硬化型インクのインク滴を吐出するインクジェットヘッドになっている。このディスペンサ42aは、所定の色の造形用インク(MO)のインク滴を吐出することが可能になっている。造形用インクとしては、例えば、白色のインク、またはクリアインク等を用いてもよい。
また、ディスペンサ44aは、サポート6(図2参照)の材料(S)を含むインク滴を吐出する。この場合におけるサポート6の材料としては、造形物5の造形後に水で溶解可能な水溶性の材料を用いることが好ましい。なお、サポート6の材料としては、サポート6用の公知の材料を適宜用いてもよい。
ディスペンサ30a、32a、34a、36a、38a、40a、42a、44aの詳細な構成については、後述する。
複数の紫外線光源46は、紫外線硬化型インクを硬化させる紫外線の光源である。複数の紫外線光源46は、例えば、紫外LED(Light Emitting Diode)、メタルハライドランプ、水銀ランプである。本実施形態1に係る立体物造形装置10では、紫外線光源46としてUV1とUV2とが設けられている。UV1は、主走査方向(Y方向)におけるディスペンサユニット12aの一端側に配設されている。UV2は、主走査方向(Y方向)におけるディスペンサユニット12aの他端側に配設されている。
本実施形態1に係る立体物造形装置10は、以上のような構成である。以下、立体物造形装置10の作用について説明する。立体物造形装置10によって造形物5を造形する際には、パーソナルコンピュータ等の外部装置(図示省略)から、造形物5のデータを制御部18で取得し、このデータに基づいて制御部18によってディスペンサユニット12aを制御することにより、造形台16上で造形物5の造形を行う。この造形物5の造形に用いるデータは、目的とする造形物5をZ方向に多数に分割して多数の層として扱い、各層ごとに主走査方向と副走査方向とにおいて、インク滴を吐出すべき位置をインク滴の種類ごとに定めたデータになっている。ディスペンサユニット12aによって造形物5の造形を行う際には、このデータに基づいてディスペンサユニット12aからインク滴を吐出することによってZ方向に層を形成し、複数の紫外線光源46から紫外線を照射することによって各層において吐出したインク滴を硬化させる。立体物造形装置10は、上述した動作を繰り返しながら造形物5を造形をする。
具体的には、ディスペンサユニット12aからインク滴を吐出する際には、制御部18は、主走査駆動部14を制御することにより、ガイドレール24に沿ってキャリッジ22を主走査方向(Y方向)に移動させることにより、ディスペンサユニット12aを主走査方向に移動させながらインク滴を吐出する。次に、副走査方向(X方向)に造形台16を移動させた後に、主走査方向(Y方向)における吐出を繰り返す。つまり、ディスペンサユニット12aは、造形用のデータで定められている主走査方向(Y方向)及び副走査方向(X方向)の位置にインク滴を吐出する。
ディスペンサユニット12aが有するディスペンサとしては、ディスペンサ30a、32a、34a、36a、38a、40a、42a、44aが設けられているが、このうち、ディスペンサ30a、32a、34a、36aは、造形物5の着色に用いる有色のインク滴を吐出する。造形用のデータには、造形物5の着色に関するデータも含まれており、ディスペンサ30a、32a、34a、36aは、このデータに基づいて有色のインク滴を吐出する。
また、ディスペンサ38aは、造形物5において、ディスペンサ30a、32a、34a、36aから吐出された有色のインクが用いられている部分よりも内側に白色のインク滴を吐出する。これにより、白色の紙への2次元の印刷と同様の減法混色法による高い発色性で視認することが可能になる。
また、ディスペンサ40aは、例えば、造形物5の最表面に光沢を出して美観等を確保するために、造形後の造形物5における表面部分となる有色のインクの外側部分に透明のインク滴を吐出する。
また、ディスペンサ42aは、造形物5を形成するための基になる造形材として用いるインク滴を吐出する。ディスペンサ42aは、造形用のデータに基づいて造形材として用いるインク滴を吐出することにより、各層ごとに、それぞれの層における造形物5の形状を形成する。その際に、ディスペンサ30a、32a、34a、36a、38a、40aから各色のインク滴を吐出することにより、造形材によって形成される各層を、造形用のデータに基づいた色にして形成する。
また、ディスペンサ44aは、造形物5の形状に関わらず、造形物5を高い精度で形成するために、各層において、造形物5を形成する部分以外の部分に、サポート6の材料となるインク滴を吐出する。これにより、造形物5は、各層においてインクが硬化する前でも、このサポート6の材料となるインク滴によって形状が保持される。
制御部18は、ディスペンサユニット12aと造形台16とを主走査方向及び副走査方向に相対移動させながら、造形用のデータに基づいて、各層ごとにインク滴を吐出し、紫外線光源46によって紫外線を照射してインクを硬化させる。このように1つの層を形成したら、造形台16がディスペンサユニット12aから離れる方向に、1層の厚さ分、造形台16をZ方向に移動させ、硬化済みの層に対してZ方向に重ねるようにして次の層を形成する。立体物造形装置10は、これらを繰り返すことにより、立体の造形物5を造形する。
次に図3に加え、図4、図5、図6、図7、図8及び図9を用いて、本発明の第1実施形態に係るディスペンサ30aについて説明する。図4は、実施形態1に係るディスペンサ30aの正面図である。図5は、実施形態1に係るディスペンサ30aの側面図である。図6は、図4のA−A断面図である。図7は、実施形態1に係るディスペンサ30aの収容部78aが吐出ノズル70aと連通している場合における図5のB−B断面図である。図8は、実施形態1に係るディスペンサ30aの収容部78aが吐出ノズル70aと連通していない場合における図5のB−B断面図である。図9は、ディスペンサ30aの収容部の変形例を示す概略断面図である。
ここで、ディスペンサ32a、34a、36a、38a、40a、42a、44aは、上述したインクの種類以外はディスペンサ30aと同様の構成を有するため、説明を省略する。
ディスペンサ30aは、高圧液体供給部50aと、吐出部60aと、回転駆動力を供給する駆動源であるモータ80aと、軸受部84a、84aと、位相センサ86aとを有する。
高圧液体供給部50aは、インクタンク52aと、インク54aと、温度調整部55aと、インク流路56aと、ポンプ58aと、高圧インク59aとを備える。インクタンク52aは、インク54aを貯留する容器である。インク54aは、例えば、紫外線硬化型インクである。温度調整部55aは、図4に示すように、インクタンク52aの内部に設けられる。温度調整部55aは、例えば、インク54aを加熱するヒータと、インク54aの温度に応じてヒータのオンオフ制御を行うヒータ制御部とを有する。温度調整部55aは、インク54aの温度が予め設定された目標温度に近づくようにオンオフ制御を行う。具体的には、温度調整部55aは、インク54aの温度が予め定められた目標温度よりも低い場合、ヒータ制御部がヒータの電源を投入する。温度調整部55aは、インク54aの温度が予め定められた目標温度よりも高い場合、ヒータ制御部がヒータの電源を開放する。なお、温度調整部55aは、ヒータ制御部がヒータをオンオフ制御をすることによりインク54aの温度を調整するとしたが、これに限定されない。温度調整部55aは、例えば、PID制御によってインク54aの温度を調整してもよい。インク流路56aは、インクタンク52aとケーシング62aとをポンプ58aを介して繋ぐインク54aの流路である。インク流路56aは、例えば、耐圧ホースである。ポンプ58aは、吸込側がインク流路56aを介してインクタンク52aに接続されている。ポンプ58aは、吐出側がインク流路56aを介してケーシング62aに接続されている。ポンプ58aは、インクタンク52aのインク54aを例えば、6気圧(0.60795MPa)まで昇圧する。ポンプ58aは、昇圧された高圧インク59aをケーシング62aに供給する。なお、ポンプ58aがケーシング62aに供給する高圧インク59aの圧力は6気圧であるとしたがこれに限定されない。ポンプ58aが供給する高圧インク59aの圧力は、大気圧よりも高ければよく、吐出条件に応じて適宜調整すればよい。
吐出部60aは、ケーシング62aと、Oリング74a、74aと、回転ロータ76aとを有する。
ケーシング62aは、円柱形状の容器である。ケーシング62aは、内部が中空である。ケーシング62aは、回転ロータ76aを内部に収容する。ケーシング62aは、図4に示すように、上部ケーシング64aと下部ケーシング66aとに分割可能に構成される。なお、ケーシング62aの分割構造は、これに限定されない。上部ケーシング64aは、下部ケーシング66aに例えば、ねじを用いて固定される。上部ケーシング64aは、図6に示すように、鉛直方向上側に液体供給路68aが形成される。液体供給路68aは、インク流路56aに接続される。下部ケーシング66aは、図6に示すように、鉛直方向下側に吐出ノズル70aが形成される。吐出ノズル70aは、回転ロータ76aから供給される高圧インク59aを吐出するノズルである。吐出ノズル70aは、吐出方向が鉛直方向下向きになるように形成されている。ケーシング62aは、図7に示すように、内周面に沿ってシール溝72a、72aが形成される。シール溝72a、72aは、図7に示すように、液体供給路68a及び吐出ノズル70aを挟むように平行に形成されている。
Oリング74a、74aは、ケーシング62aと回転ロータ76aとの隙間を埋め、高圧インク59aを封止するシール部材である。Oリング74a、74aは、図7に示すように、シール溝72a、72aにそれぞれ配置される。
回転ロータ76aは、円柱形状を有するロータである。回転ロータ76aは、図6に示すように、ケーシング62aの内部に回転自在の状態で収容される。回転ロータ76aは、駆動源であるモータ80aのシャフト82aに固定される。詳細には、回転ロータ76aは、回転ロータ76aの中心軸とシャフト82aの回転軸83aとが一致するように固定される。回転ロータ76aは、モータ80aがシャフト82aを回転させることにより、シャフト82aと一体で回転される。回転ロータ76aは、高圧インク59aを収容する収容部78aを有する。収容部78aは、図6に示すように、回転ロータ76aの外周面に周方向において等間隔に4つ形成される。つまり、収容部78aは、回転ロータ76aの外周に対して90度ずつ角度が異なる位置に形成される。4つの収容部78aは、それぞれ回転ロータ76aの外周面に対して開口している凹部(くぼみ)である。4つの収容部78aは、図6及び図7に示すように、それぞれ半球形状に形成される。4つの収容部78aは、体積が同じである。収容部78aは、図7に示すように、回転ロータ76aが回転した場合に、液体供給路68a及び吐出ノズル70aと連通可能な位置に形成される。
モータ80aは、電動機である。モータ80aは、制御部18に接続される。モータ80aは、シャフト82aを有する。シャフト82aは、図7に示すように、回転ロータ76aが固定される。シャフト82aは、回転軸83aを軸として回転する。シャフト82aは、図7に示すように、ケーシング62aに挿入される。
軸受部84a、84aは、シャフト82aを回転可能に支持する軸受である。軸受とは、例えば、ボールベアリングである。軸受部84a、84aは、ケーシング62aとシャフト82aとの間に配置される。
位相センサ86aは、モータ80aの位相を測定するセンサである。位相センサ86aは、図7に示すように、シャフト82aの端部に配置される。位相センサ86aは、測定した位相データを制御部18に出力する。なお、位相センサ86aは、シャフト82aの端部に配置されるとしたが、これに限定されない。位相センサ86aは、モータ80aの位相を測定できるものであればよく、例えば、軸受部84a、84aの内部及びモータ80aの内部に位相センサが配置されたものでもよい。
制御部18は、モータ80a及び位相センサ86aに接続される。制御部18は、モータ80aを回転させることで、ディスペンサ30aに吐出動作を行わせる。制御部18は、位相センサ86aから入力される位相信号に応じてモータ80aの停止位置を制御する。
ここで、上述した実施形態1のディスペンサ30aの動作について説明する。本実施形態のディスペンサ30aにおいて、モータ80aは、シャフト82aを介して回転ロータ76aを回転させる。回転ロータ76aは、回転軸83aを軸として図6に示す矢印90の方向に回転する。モータ80aの回転速度は、例えば、6000rpmである。温度調整部55aは、インクタンク52a内に貯留されたインク54aの温度が予め定められた目標温度に近づくようにヒータのオンオフ制御を行う。ポンプ58aは、インクタンク52a内に貯留されたインク54aを昇圧し、高圧インク59aを吐出する。ポンプ58aは、ケーシング62aに形成された液体供給路68aに高圧インク59a供給する。高圧液体供給部50aは、回転ロータ76aに形成された収容部78aと液体供給路68aとが連通した場合に、収容部78aに高圧インク59aを供給する。Oリング74a、74aは、ケーシング62aと回転ロータ76aとの隙間をシールし、収容部78aに供給された高圧インク59aがケーシング62aと回転ロータ76aとの隙間から流出することを防ぐ。ここで、高圧インク59aが供給される前の収容部78aには、図6に示すように、常圧空気92aが満たされている。常圧空気92aは、高圧液体供給部50aが高圧インク59aを収容部78aに供給した場合に、圧縮されて高圧空気94aとなる。本実施形態においては、高圧インク59aの圧力が6気圧であり、高圧空気94aの体積は、常圧空気92aの体積のおよそ6分の1まで圧縮される。収容部78aに供給された高圧インク59aは、回転ロータ76aの回転により回転ロータ76aの鉛直方向下側まで移動する。収容部78aに供給された高圧インク59aは、収容部78aと吐出ノズル70aとが連通した場合に、吐出ノズル70aから吐出される。具体的には、収容部78a内の高圧インク59aは、収容部78a内の高圧インク59a及び高圧空気94aと大気圧との圧力差、回転による吐出方向に加わる遠心力、及び吐出方向(鉛直方向下向き)に加わる重力により吐出される。ディスペンサ30aは、回転ロータ76aが1回転する間に、4つの収容部78aからそれぞれインクを吐出する。つまり、ディスペンサ30aは、6000rpmで回転ロータ76aを回転させた場合、400Hzの吐出応答性を有する。ディスペンサ30aは、上述した動作を繰り返すことで、吐出動作を続ける。
温度調整部55aは、インク54aの温度を目標温度に近づくように調整する。これにより、高圧インク59aは、目標温度に近い温度で収容部78aに供給される。制御部18は、ディスペンサ30aの吐出動作を停止する場合に、モータ80aの回転を停止する。制御部18は、モータ80aが図7に示す収容部78aと液体供給路68aとが連通した状態で停止することが無いように回転方向における収容部78aの停止位置を制御する。制御部18は、位相センサ86aの検出結果から収容部78aと液体供給路68aとが連通していると判断した場合、収容部78aと吐出ノズル70aとが連通しない位置までモータ80aを回転させる。ここで、収容部78aと吐出ノズル70aとが連通しない位置とは、例えば、図8に示す回転ロータ76aの位置である。
第1実施形態に係るディスペンサ30aは、回転ロータ76aの外周に収容部78aが形成され、回転ロータ76aが回転した場合に収容部78aが液体供給路68a及び吐出ノズル70aと連通する位置に形成され、高圧液体供給部50aが収容部78aに高圧インク59aを供給し、吐出ノズル70aがケーシング62aの鉛直方向下側に形成され、モータ80aがシャフト82aを介して回転ロータ76aを回転させる。これにより、高圧液体供給部50aが高圧インク59aを収容部78aに供給することを可能にし、回転ロータ76aが回転して収容部78aと吐出ノズル70aとが連通した場合に収容部78aの内部と吐出ノズル70aの外部との圧力差により高圧インク59aを吐出することができ、回転ロータ76aの回転により吐出方向に生じる遠心力を高圧インク59aに加えることができ、吐出方向(鉛直方向下向き)に加わる重力により高圧インク59aの吐出方向に加わる力をより大きくすることができ、高圧インク59aの粘度が高い場合でもインクを吐出することができる。
第1実施形態に係るディスペンサ30aは、上部ケーシング64aが下部ケーシング66aにねじを用いて固定され、ケーシング62aが上部ケーシング64aと下部ケーシング66aとに分割可能に構成されている。これにより、回転ロータ76aを交換することを可能にし、異なる大きさの収容部が形成された回転ロータと回転ロータ76aとを交換することができ、ディスペンサ30aの吐出量を変化させることができる。また、収容部78aが閉塞した場合でも回転ロータ76aを容易に取り出すことができ、Oリング74a、74aが摩耗した場合でも交換することができ、容易にメンテナンスを行うことができる。
第1実施形態に係るディスペンサ30aは、インクタンク52aがインク54aの温度が予め設定された目標温度に近づくようにヒータのオンオフ制御を行う温度調整部55aを備えている。これにより、温度調整部55aがインクタンク52a内部に貯留されたインク54aの温度を目標温度に近づくように調整することを可能にし、回転ロータ76aの収容部78aに供給する高圧インク59aの温度が目標温度に近づくように調整することができ、高圧インク59aが供給される収容部78aの内壁の温度が目標温度に近づくように調整することができる。ここで、収容部78aの内壁とは、収容部78aが高圧インク59aと接する面である。これにより、収容部78aの内壁の濡れ性が変化することを抑制でき、収容部78aから高圧インク59aが吐出された場合に収容部78aの内壁に付着するインクの量のばらつきを小さくすることができ、収容部78aから吐出されるインクの量のばらつきを小さくすることができる。
第1実施形態に係るディスペンサ30aは、モータ80aの位相情報を測定する位相センサ86aが制御部18に接続されている。また、ディスペンサ30aは、制御部18がモータ80aの回転位相情報を受信し、制御部18がモータ80aの回転を停止する場合に収容部78aと吐出ノズル70aとが連通した状態で停止しないように制御することができる。これにより、モータ80aが停止した場合に収容部78aの内壁に付着したインクが大気に暴露されることを防ぐことができ、収容部78aの内壁に付着したインクの溶媒が揮発することを抑制することができ、インクが収容部78aの内部で固着することを防ぐことができる。
第1実施形態に係るディスペンサ30aは、収容部78aが回転ロータ76aの外周に4つ形成されている。これにより、回転ロータ76aが1回転する間に4回吐出動作を行うことを可能にし、モータ80aの回転速度を6000rpmとした場合にディスペンサ30aが1秒間に400回吐出をすることができ、ディスペンサ30aの吐出応答性を高めることができる。
ここで、モータ80aはサーボモータまたはステッピングモータであることが好ましい。これにより、モータ80aの回転位相に応じた制御をすることができ、モータ80aの回転を停止する場合に収容部78aと吐出ノズル70aとが連通した状態で停止をしないように制御することができ、収容部78aの内壁に付着したインクが大気に暴露されることを防ぐことができ、インクが収容部78aの内部で固着することを防ぐことができる。また、収容部78aと吐出ノズル70aとが連通する度にモータ80aの回転を一時停止する制御をすることを可能にし、収容部78aの内部の高圧インク59aが吐出ノズル70aから吐出されるまで収容部78aと吐出ノズル70aとが連通した状態を維持させることができる。つまり、収容部78a内の圧力と大気圧とが同圧になるまで収容部78aと吐出ノズル70aとを連通させることができ、より確実に収容部78aからインクを全量吐出することができ、収容部78aから吐出されるインクの量を安定させることができる。なお、モータ80aがサーボモータまたはステッピングモータである場合は、位相センサ86aを省略してもよい。
本実施形態において回転ロータ76aを回転させる駆動源は、モータ80aであるとしたが、これに限定されない。例えば、モータ80aに代えてエアーロータリーアクチュエータが回転ロータ76aを回転させる構成としてもよい。ここで、エアーロータリーアクチュエータとは、風車に圧縮空気を吹き付けることで回転駆動するアクチュエータである。駆動源にエアーロータリーアクチュエータを適用した場合、回転ロータ76aに羽根車を内蔵し、回転ロータ76aに圧縮空気を供給する構成とすることで、駆動源と回転ロータ76aとをシャフト82aで接続しない構造とすることができる。インクを供給する力を駆動源として、回転させてもよい。また、例えば、モータ80aに代えて直線運動をするソレノイド及び直線運動を回転運動に変換する変換機構が回転ロータ76aを回転させる構成としてもよい。ここで、変換機構とは、例えば、ラックアンドピニオン、及びクランク機構である。駆動源にソレノイド及び変換機構を適用した場合、変換機構がソレノイドの直線往復運動を回転運動に変換し、変換機構が回転ロータ76aを直接回転させる構成とすることで、駆動源と回転ロータ76aとをシャフト82aで接続しない構造とすることができる。
本実施形態において収容部78aは、回転ロータ76aの外周に等間隔に4つ形成されるとしたが、収容部78aの数は4つに限定されない。収容部78aの数は1つ以上であればよい。また、収容部78aの数は、5つ以上が好ましい。これにより、回転ロータ76aの1回転あたりの吐出回数をより増やすことを可能にし、ディスペンサ30aの吐出応答性をより高くすることができる。
本実施形態において収容部78aは、半球形状に形成されるとしたが、これに限定されない。収容部78aは、例えば、半楕円体形状、多面体形状、柱体形状、錐体形状、及び錐台形状に形成されてもよい。
本実施形態において収容部78aは、回転ロータ76aの外周面に開口している凹部であるとしたが、これに限定されない。例えば、図9に示すように、収容部178aは、回転ロータ76aの外周面に形成された2つの開口100aに接続される通路としても。このように、回転ロータ76aは、インクを収容する収容部178aが、複数の開口を備えていてもよい。この場合、収容部178aは、2つの開口100aの一方にインクが供給され、他方からインクを排出してもよいし、インクの供給と排出を同じ開口で行ってもよい。
本実施形態において温度調整部55aは、インクタンク52a内部に設けられ、インクタンク52aに貯留されたインク54aの温度を調整するとしたが、これに限定されない。温度調整部55aは、収容部78aの内壁の温度を直接的または間接的に目標温度に近づけるように調整する構成であればよい。温度調整部55aは、例えば、インク流路56a及びケーシング62aの少なくとも一方に設けられる構成としてもよい。
本実施形態においてOリング74a、74aを用いてケーシング62aと回転ロータ76aとの隙間をシールしたが、シールの方法はこれに限定されない。ケーシング62aと回転ロータ76aとのシールの方法は、例えば、ケーシング62aと回転ロータ76aとが対向する面の少なくとも一方にラビリンスシールを形成する方法でもよい。また、例えば、シール性が向上するようにケーシング62aと回転ロータ76aとの隙間を調整し、Oリング74a、74a及びシール溝72a、72aを省略してもよい。そうすることで、Oリング74a、74aを省略することを可能にし、Oリング74a、74aの摩耗による交換作業を省略でき、ディスペンサ30aのメンテナンス性を向上させることができる。また、シール溝72a、72aを省略することを可能にし、ディスペンサ30aの構造を簡略化でき、製造コストを下げることができる。
本実施形態においてディスペンサ30aが吐出するインクは紫外線硬化型インクであるとしたが、これに限定されない。ディスペンサ30aが吐出するインクは液体であればよく、例えば、各種接着剤、各種樹脂、液晶材、金属ナノ粒子インク及びクリームハンダでもよい。
本実施形態において液体供給路68aは、上部ケーシング64aの最上部に形成されるとしたがこれに限定されない。液体供給路68aが形成される位置は、回転ロータ76aが回転した場合に収容部78aと液体供給路68aとが連通可能な位置であればよい。液体供給路68aが形成される位置は、例えば、ケーシング62aの側面でもよい。
次に、図10を用いて、第2実施形態のディスペンサユニット12bについて説明する。図10は、第2実施形態に係るディスペンサユニット12bの概略構成図である。なお、第2実施形態のディスペンサユニット12bは、上述した第1実施形態のディスペンサユニット12aに代えて立体物造形装置10に適用することができる。つまり、第2実施形態の立体物造形装置は、ディスペンサユニット12b以外は、立体物造形装置10と同様の構成である。
ディスペンサユニット12bは、高圧液体供給部50aと、第2高圧液体供給部50bと、吐出部60aと、第2吐出部60bと、モータ80aと、電磁弁96b、98bとを備える。ディスペンサユニット12bは、吐出部60aに加えて第2吐出部60bを有していること、高圧液体供給部50aに加えて第2高圧液体供給部50bを有していること及び電磁弁96b、98bを有していること以外は、第1実施形態のディスペンサ30aと同じである。以下、ディスペンサ30aと同様の構成にはディスペンサ30aと同一の符号群を用い、その詳細な説明を省略する。
第2吐出部60bは、吐出部60aと同様の構成を有する。第2吐出部60bは、図10に示すように、吐出部60aと共通のシャフト82aに取り付けられる。
第2高圧液体供給部50bは、第2吐出部60bにインクを供給すること以外は高圧液体供給部50aと同様の構成を有する。
電磁弁96bは、図10に示すように、吐出部60aの液体供給路68aに取り付けられる。電磁弁96bは、制御部18に接続される。電磁弁96bは、制御部18から閉動作の信号が入力された場合は、液体供給路68aの流路を閉止して、高圧液体供給部50aから供給される高圧インク59aを遮断する。電磁弁96bは、制御部18から開動作の信号が入力された場合は、液体供給路68aの流路を開放して、高圧液体供給部50aから供給される高圧インク59aの流路を連通させる。
電磁弁98bは、図10に示すように、第2吐出部60bの液体供給路68bに取り付けられる。電磁弁98bは、制御部18に接続される。電磁弁98bは、制御部18から閉動作の信号が入力された場合は、液体供給路68bの流路を閉止して、第2高圧液体供給部50bから供給される高圧インク59bを遮断する。電磁弁98bは、制御部18から開動作の信号が入力された場合は、液体供給路68bの流路を開放して、第2高圧液体供給部50bから供給される高圧インク59bの流路を連通させる。
ここで、上述した実施形態2のディスペンサユニット12bの動作について説明する。なお、実施形態2に係るディスペンサユニット12bの吐出部60a及び第2吐出部60bがインクを吐出する動作は、電磁弁96b、98bの動作以外は実施形態1に係るディスペンサ30aの動作と同様であるので、その記載を省略する。
制御部18は、吐出部60a及び第2吐出部60bの吐出を停止する場合、電磁弁96b、98bを閉止し、モータ80aの回転を停止させる。制御部18は、吐出部60a及び第2吐出部60bから同時にインクを吐出させる場合、電磁弁96b、98bを開放し、モータ80aを回転させる。制御部18は、吐出部60aの吐出を停止し、第2吐出部60bからインクを吐出する場合、電磁弁96bを閉止し、電磁弁98bを開放し、モータ80aを回転させる。制御部18は、吐出部60aからインクを吐出して第2吐出部60bの吐出を停止する場合、電磁弁96bを開放し、電磁弁98bを閉止し、モータ80aを回転させる。このように、ディスペンサユニット12bは、制御部18が電磁弁96b、98bの開閉を制御することで、吐出部60a及び第2吐出部60bの吐出動作を制御する。ここで、モータ80aが回転している状態で電磁弁96b、98bの少なくとも一方を閉止してからインクの吐出が停止するまでには、少なくとも2分の1サイクルのタイムラグが生じる。具体的には、液体供給路68aがケーシング62aの最上部に形成され、吐出ノズル70aがケーシング62aの最下面に形成されているため、少なくとも回転ロータ76aが半回転する前までに収容部78aに供給された高圧インク59aは、電磁弁96bが遮断された後でも吐出ノズル70aから吐出される。ここで、1サイクルとは、モータ80aが1回転するのに要する時間である。
実施形態2に係るディスペンサユニット12bは、吐出部60aに加えて第2吐出部60bがシャフト82aに接続される。これにより、1つのモータ80aを回転させることで吐出部60a及び第2吐出部60bから同時にインクを吐出することができる。
実施形態2に係るディスペンサユニット12bは、電磁弁96b、98bを備える。これにより、高圧液体供給部50a及び第2高圧液体供給部50bから吐出部60a及び第2吐出部60bへ供給されるインクを遮断することを可能にし、吐出部60a及び第2吐出部60bからインクの漏れが発生した場合でもインクの供給を遮断でき、インクの漏えいを抑制することができる。
実施形態2に係るディスペンサユニット12bは、吐出部60aに加えて第2吐出部60bがシャフト82aに接続され、制御部18に接続された電磁弁96b、98bを備える。これにより、制御部18が電磁弁96b、98bの開閉を制御することを可能にし、吐出部60a及び第2吐出部60bの内どちらか一方に対して選択的に吐出動作を行わせることができる。
本実施形態のおいて吐出部60aに加えて第2吐出部60bをシャフト82aに接続し、各吐出部に電磁弁96b、98bを接続するとしたが、吐出部及び電磁弁の数は、これに限定されない。吐出部の数及び吐出部に接続される電磁弁の数は、例えば、8個でもよい。
5 造形物
6 サポート
10 立体物造形装置
12a、12b ディスペンサユニット
14 主走査駆動部
16 造形台
18 制御部
22 キャリッジ
24 ガイドレール
30a、32a、34a、36a、38a、40a、42a、44a ディスペンサ
46 紫外線光源
50a 高圧液体供給部
50b 第2高圧液体供給部
52a インクタンク
54a インク
55a 温度調整部
56a インク流路
58a ポンプ
59a、59b 高圧インク
60a 吐出部
60b 第2吐出部
62a ケーシング
64a 上部ケーシング
66a 下部ケーシング
68a、68b 液体供給路
70a 吐出ノズル
72a、72a シール溝
74a、74a Oリング
76a 回転ロータ
78a、178a 収容部
80a モータ
82a シャフト
83a 回転軸
84a、84a 軸受部
86a 位相センサ
90 矢印
92a 常圧空気
94a 高圧空気
96b、98b 電磁弁
100a 開口

Claims (8)

  1. 大気圧よりも圧力の高い高圧液体を供給する高圧液体供給部と、
    前記高圧液体供給部から供給される前記高圧液体を吐出する吐出部と、
    前記吐出部を駆動させる駆動源と、を有し、
    前記吐出部は、外周面に少なくとも1つの前記高圧液体を収容する収容部が形成され、前記駆動源によって回転される回転ロータと、
    前記回転ロータを回転自在の状態で収容し、前記収容部と前記高圧液体供給部とを連通させる液体供給路と、前記収容部と前記吐出部の外部とを連通させる吐出ノズルと、が形成されたケーシングと、
    前記駆動源の回転を制御し、回転方向における前記収容部の位置を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とするディスペンサ。
  2. 前記駆動源の回転位相を測定する位相センサを備え、
    前記制御部は、前記位相センサの検出結果に基づいて、前記駆動源の回転を制御し、前記収容部の位置を制御することを特徴とする請求項1に記載のディスペンサ。
  3. 前記収容部の前記高圧液体が接する面の温度を調整する温度調整部を備えることを特徴とする請求項1または2に記載のディスペンサ。
  4. 前記駆動源は、ステッピングモータまたはサーボモータであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のディスペンサ。
  5. 請求項1から4のいずれか一項に記載のディスペンサを複数備え、
    複数の前記ディスペンサは、複数の前記吐出部が共通の前記駆動源に接続されていることを特徴とするディスペンサユニット。
  6. 複数の前記ディスペンサの前記液体供給路にそれぞれ取り付けられる電磁弁を備え、
    前記制御部は、前記電磁弁の開閉を制御し、前記ディスペンサへのインクの供給を制御することを特徴とする請求項5に記載のディスペンサユニット。
  7. 立体物の形状情報に基づいて、前記立体物を造形する立体物造形装置であって、
    請求項1から4のいずれか一項に記載のディスペンサと、
    造形物を載置する載置台と、
    前記造形物に紫外線を照射する紫外線光源と、
    前記載置台と前記ディスペンサとを相対移動させる駆動部と、を備え、
    前記制御部は、前記立体物の前記形状情報に基づいて、前記駆動部の動作及び前記駆動源の回転を制御することを特徴とする立体物造形装置。
  8. 立体物の形状情報に基づいて、前記立体物を造形する立体物造形装置であって、
    請求項5または6に記載のディスペンサユニットと、
    造形物を載置する載置台と、
    前記造形物に紫外線を照射する紫外線光源と、
    前記載置台と前記ディスペンサユニットとを相対移動させる駆動部と、を備え、
    前記制御部は、前記立体物の前記形状情報に基づいて、前記駆動部の動作及び前記駆動源の回転を制御することを特徴とする立体物造形装置。
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