JP2018103488A - 液滴吐出装置の温度制御方法、液滴吐出装置および三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出ヘッド等の液滴吐出装置において、適切な温度上昇率で温度調節を行うことができる技術を提供する。【解決手段】内部に液体を貯留し、複数のノズルから液体の液滴を吐出する液滴吐出装置の温度制御方法では、ａ）ヒータ出力を所定の初期出力値として、所定の初期昇温時間、前記液体の加熱を行う工程（ステップＳ２０１）の後に、ｂ）液体の最新の計測温度と目標温度との温度差ΔＴが一定値よりも大きい場合に、ｋ＝（目標温度変化率）／（計測温度変化率）として係数ｋを算出する工程（ステップＳ２０４）と、ｃ）ヒータ出力を、工程ｂ）において算出した前記係数ｋと現在の前記ヒータ出力とを乗じた値に変更する工程（ステップＳ２１０）とを繰り返し行う。これにより、迅速に、かつ、急激な温度上昇をすることなく、適切な温度上昇率で温度調節を行うことができる。【選択図】図７

Description

本発明は、液滴吐出装置と、当該液滴吐出装置を備えた三次元造形装置と、液滴吐出装置の温度制御方法とに関する。

近年、３Ｄプリンティング等の三次元造形技術が急速に普及している。三次元造形により得られる造形物は、例えば、工業製品の試作品、展示品、医療用模型などに利用される。三次元造形の方式としては、インクジェット方式、光造形方式、粉末方式等が知られている。

一般的に、インクジェット方式の三次元造形装置は、吐出ヘッドから造形材を吐出することで材料層を形成し、当該材料層を積み重ねることで、指定された立体形状の造形物を製造する。具体的には、造形ステージ上に紫外線硬化型の造形材を吐出することで材料層を形成する。そして、当該材料層に紫外線を照射することで、材料層を硬化させる。このような、造形材の吐出処理および照射部による紫外線照射処理を繰り返すことで、造形ステージ上に造形物が形成される。インクジェット方式の三次元造形技術については、例えば、特許文献１に記載される。

特許文献１に記載の三次元造形装置は、最終的に得られる最終造形物となるモデル材を吐出するモデル材吐出ヘッドと、最終造形物を支持するサポート部を形成するサポート材を吐出するサポート材吐出ヘッドと、液状のモデル材または液状のサポート材に紫外光を照射して硬化させるＵＶランプとを備える。

特開２０１５−１５０８４０号公報

特許文献１に記載の三次元造形装置では、吐出ヘッドが、モデル材やサポート材のような造形材を複数のノズルから吐出する。吐出ヘッドから吐出される液状のモデル材やサポート材は、種類によっては室温における粘度が高く、吐出ヘッドに貯留される造形材を、室温よりも高い温度に温度調節しておくことが好ましいものがある。

吐出ヘッドに貯留される造形材を目標温度まで加熱する場合、温度上昇率が大きすぎたり、加熱しすぎたりすると、吐出ヘッド内の圧力発生素子等の部品が壊れる虞がある。一方、温度上昇率を小さくすると、造形材が目標温度に達するまでに時間がかかるという問題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、吐出ヘッド等の液滴吐出装置において、適切な温度上昇率で温度調節を行うことができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願の第１発明は、内部に液体を貯留し、複数のノズルから前記液体の液滴を吐出する液滴吐出装置の温度制御方法であって、ａ）ヒータ出力を所定の初期出力値として、所定の初期昇温時間、前記液体の加熱を行う工程と、ｂ）前記工程ａ）の後であって、前記液体の最新の計測温度と目標温度との温度差ΔＴが一定値よりも大きい場合に、ｋ＝（目標温度変化率）／（計測温度変化率）として係数ｋを算出する工程と、ｃ）前記工程ｂ）の後であって、前記ヒータ出力を、前記工程ｂ）において算出した前記係数ｋと現在の前記ヒータ出力とを乗じた値に変更する工程と、を有し、前記工程ｂ）と前記工程ｃ）とを繰り返し行う。

本願の第２発明は、第１発明の温度制御方法であって、ｄ）前記工程ａ）の後であって、前記温度差ΔＴが前記一定値よりも小さい場合に、ｋ＝（緩傾温度変化率）／（前記計測温度変化率）として前記係数ｋを算出する工程と、ｅ）前記工程ｄ）の後であって、前記ヒータ出力を、前記工程ｄ）において算出した前記係数ｋと現在の前記ヒータ出力とを乗じた値に変更する工程と、をさらに有し、前記工程ｄ）において、前記緩傾温度変化率は、前記目標温度変化率よりも小さい。

本願の第３発明は、第２発明の温度制御方法であって、前記工程ｄ）において、前記緩傾温度変化率は、前記温度差ΔＴに比例する。

本願の第４発明は、第３発明の温度制御方法であって、前記緩傾温度変化率は、所定の間隔で算出され、更新される。

本願の第５発明は、内部に液体を貯留し、複数のノズルから前記液体の液滴を吐出する液滴吐出装置であって、前記ノズルのそれぞれと連通し、内部に前記液体を貯留する複数の圧力室と、前記圧力室のそれぞれの内部に配置された複数の圧力発生素子と、前記液体を加熱するヒータと、前記液体の温度を検出するセンサと、各部を制御する制御部と、を有する。前記制御部は、前記ヒータのヒータ出力を所定の初期出力値として、所定の初期昇温時間、前記液体の加熱を行った後、前記ヒータ出力を、係数ｋと現在の前記ヒータ出力とを乗じた値に更新しつつ、前記ヒータを駆動させる。前記係数ｋは、前記液体の最新の計測温度と目標温度との温度差ΔＴが一定値よりも大きい場合に、ｋ＝（目標温度変化率）／（計測温度変化率）として算出される。

本願の第６発明は、第５発明の液滴吐出装置であって、前記係数ｋは、前記温度差ΔＴが前記一定値よりも小さい場合に、ｋ＝（緩傾温度変化率）／（前記計測温度変化率）として算出され、前記緩傾温度変化率は、前記目標温度変化率よりも小さい。

本願の第７発明は、第６発明の温度制御方法であって、前記緩傾温度変化率は、前記温度差ΔＴに比例し、かつ、所定の間隔で算出および更新される。

本願の第８発明は、造形材を積層して立体物を形成する三次元造形装置であって、
液状の造形材を造形ステージ上に吐出する、第５発明ないし第７発明のいずれかの液滴吐出装置と、前記造形材を硬化させる硬化部と、前記造形ステージを前記液滴吐出装置および前記硬化部に対して相対的に移動する移動機構と、を有する。

本願の第１発明〜第８発明によれば、目標温度変化率と計測温度変化率との比である係数ｋを用いてヒータ出力値を決定することにより、迅速に、かつ、急激な温度上昇をすることなく、適切な温度上昇率で造形材の温度調節を行うことができる。

特に、本願の第２発明および第６発明によれば、計測温度が目標温度に近づいた際に、温度変化率を小さくする。これにより、吐出ヘッドの温度が目標温度を大きく上回ることを抑制できる。

三次元造形装置の構成を示した図である。 積層装置の構成を示した図である。 積層装置の制御部と積層装置内の各部との接続を示したブロック図である。 積層装置の三次元造形処理の流れを示したフローチャートである。 吐出ヘッドの概略断面図である。 吐出ヘッドの概略断面図である。 吐出ヘッドにおける温度調節処理の流れを示したフローチャートである。 吐出ヘッドにおける温度調節処理における計測温度の推移の一例を示した図である。 一変形例に係る温度調節処理における計測温度の推移の一例の一部を示した図である。 他の変形例に係る温度調節処理の流れを示したフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

＜１．三次元造形装置の構成＞
図１は、一実施形態に係る三次元造形装置１の構成を示した図である。この三次元造形装置１は、搬入装置１１、積層装置１０、搬送装置１２、洗浄装置１３、および搬出装置１４を有する。

搬入装置１１は、後述する造形ステージＳを積層装置１０に搬送する装置である。搬入装置１１は、第１搬送機構１１０を有する。第１搬送機構１１０は、例えば、ロボット機構、ローラ機構等により構成される。ただし、第１搬送機構１１０は、他の機構により構成されていてもよい。造形ステージＳは、外部から搬入装置１１内に搬入されると、第１搬送機構１１０により、積層装置１０に搬送される。なお、積層装置１０の構成については、後述する。

搬送装置１２は、造形ステージＳを積層装置１０から洗浄装置１３へと搬送する装置である。搬送装置１２は、第２搬送機構１２０を有する。第２搬送機構１２０は、例えば、ロボット機構、ローラ機構等により構成される。ただし、第２搬送機構１２０は、他の機構により構成されていてもよい。積層装置１０により、造形ステージＳの上面にモデル材とサポート材とを積層させて成る立体物９が形成されると、造形ステージＳは、第２搬送機構１２０により洗浄装置１３に搬送される。

洗浄装置１３は、立体物９からサポート材を除去する装置である。洗浄装置１３は、薬液１３２に満たされた処理槽１３１を有する。造形ステージＳが洗浄装置１３内に搬入されると、立体物９は、処理槽１３１の薬液１３２内に浸漬される。これにより、立体物９からサポート材が除去される。その結果、造形ステージＳの上面にモデル材から成る最終造形物９００が形成される。

搬出装置１４は、造形ステージＳを洗浄装置１３から三次元造形装置１の外部へと搬出する装置である。搬出装置１４は、第３搬送機構１４０を有する。第３搬送機構１４０は、例えば、ロボット機構、ローラ機構等により構成される。ただし、第３搬送機構１４０は、他の機構により構成されていてもよい。洗浄装置１３において立体物９からサポート材が除去された後、造形ステージＳは、搬出装置１４の第３搬送機構１４０により、装置外部へと搬出される。

＜２．積層装置の構成＞
次に、積層装置１０の構成について説明する。図２は、本実施形態に係る積層装置１０の構成を示した図である。なお、ここでは、水平方向に延びる搬送方向に沿って往復移動する造形ステージの、往路方向を前方とし、復路方向を後方として、各部の位置関係を説明する。ただし、この前後方向の定義によって、積層装置１０および三次元造形装置１の向きを限定する意図はない。

この積層装置１０は、三次元造形における最終造形物９００の製造工程において、造形材であるモデル材およびサポート材からなる立体物９を形成する装置である。本実施形態のモデル材およびサポート材は、いずれも紫外線硬化型の材料である。モデル材は、目的とする最終造形物９００を構成する造形材である。サポート材は、造形物の製造中にモデル材が崩れたり撓んだりすることを防止するために、モデル材を支持する造形材である。立体物９は、モデル材およびサポート材からなる材料層を積層することで形成される。

図２に示すように、本実施形態の積層装置１０は、積層部２０、ローラ部３０、照射部４０、昇降機構５０、移動機構６０および制御部１００を有する。

積層部２０は、搬入装置１１から搬入された造形ステージＳ上にモデル材およびサポート材からなる材料層９０を積層し、材料層９０を形成する。造形ステージＳは、材料層９０を支持する支持台である。造形ステージＳは、水平に拡がる上面を有する。図２の矢印および破線矢印に示すように、造形ステージＳは、昇降機構５０および移動機構６０により前後方向および下方へ移動する。そして、造形ステージＳが移動している間に、その上面に、モデル材およびサポート材からなる材料層９０が順次積層形成される。これにより、造形ステージＳの上面に立体物９が形成される。なお、後述する紫外線の反射を抑制するために、造形ステージＳの表面は、黒色の被膜処理や、黒色フィルムの貼り付け等の、反射防止処理がされていてもよい。

積層部２０は、造形ステージＳ上に液状の造形材（モデル材およびサポート材）を吐出することで、造形ステージＳの上面に材料層９０を形成する。積層部２０は、第１吐出ヘッド２１と、第１吐出ヘッド２１よりも前方に配置された第２吐出ヘッド２２とを有する。第１吐出ヘッド２１および第２吐出ヘッド２２はそれぞれ、造形ステージＳの搬送経路の上方に配置される。第１吐出ヘッド２１および第２吐出ヘッド２２はそれぞれ、搬送方向である前後方向に相対的に移動する造形ステージＳに対して、幅方向（搬送方向に対して直交する水平方向）に配列された複数のノズルから造形材の液滴を選択的に吐出する液滴吐出装置である。第１吐出ヘッド２１は、モデル材の液滴を吐出する。また、第２吐出ヘッド２２は、サポート材の液滴を吐出する。各吐出ヘッド２１，２２の詳細な構成については、後述する。

ローラ部３０は、第１ローラ３１と、第２ローラ３２とを有する。第１ローラ３１および第２ローラ３２はそれぞれ、円筒状の外周面を有する回転体である。ローラ３１,３２の材料には、例えば、材料層９０を構成するモデル材およびサポート材よりも硬度の高いＳＵＳ等の金属が用いられる。第１ローラ３１は、第１吐出ヘッド２１の前方かつ照射部４０の後方に配置される。第２ローラ３２は、第２吐出ヘッド２２の後方かつ照射部４０の前方に配置される。

ローラ３１，３２はそれぞれ、水平に延びる回転軸を中心として、回転可能に支持される。ローラ３１，３２は、例えば、図示を省略したモータ等の駆動源と接続されている。そして、当該モータを駆動させると、当該モータの出力軸とともにローラ３１，３２が回転軸を中心に回転する。ローラ部３０は、吐出ヘッド２１，２２のいずれかが材料層９０の最上層に液状の造形材を吐出した後、硬化前に、当該液状の材料層９０の上面を平坦化する。平坦化処理を行うときには、造形ステージＳを前後方向に移動させて、材料層９０の上面にローラ３１，３２を接触させつつ、ローラ３１，３２を回転させる。これにより、材料層９０の上面は平坦化される。第１ローラ３１は、第１吐出ヘッド２１の吐出した液状のモデル材の上面を平坦化する。第２ローラ３２は、第２吐出ヘッド２２の吐出した液状のサポート材の上面を平坦化する。

照射部４０は、造形ステージＳ上の材料層９０に硬化処理を行う硬化部である。具体的には、照射部４０は、造形ステージＳの上面に形成された材料層９０に紫外線を照射する。照射部４０は、第１吐出ヘッド２１および第１ローラ３１と、第２吐出ヘッド２２および第２ローラ３２と、の間に配置される。また、照射部４０は、造形ステージＳの搬送経路の上方に配置される。

照射部４０は、後述する制御部１００によって、照射タイミングや発光強度が制御される。照射部４０の光源としては、例えば、ＵＶランプが用いられる。ただし、照射部４０の光源には、メタルハライドランプ、キセノンランプまたはＬＥＤランプ等を用いてもよい。

昇降機構５０は、造形ステージＳを上下に移動させる機構である。昇降機構５０には、例えば、モータの回転運動をボールねじを介して直進運動に変換する機構が用いられる。造形ステージＳは、保持部５１上に支持される。保持部５１は、ボールねじの外周面に設けられた螺旋状のねじ溝と噛み合うように、ボールねじに取り付けられている。図示を省略したモータを駆動させると、ボールねじがその軸心周りに回転する。これにより、保持部５１および造形ステージＳが、ボールねじに沿って上下方向に移動する。ただし、昇降機構５０には、リニアモータ等の他の機構を用いてもよい。

移動機構６０は、造形ステージＳを前後方向に往復移動させる機構である。これにより、移動機構６０は、造形ステージＳと、積層部２０、ローラ部３０および照射部４０とを、搬送方向に相対的に移動させる。本実施形態の移動機構６０には、リニアモータ機構が用いられる。リニアモータを駆動すると、移動機構６０は、ガイド６１に沿って昇降機構５０を前後方向に移動させる。なお、移動機構６０には、ボールねじ等の他の機構を用いてもよい。

制御部１００は、積層装置１０内の各部を動作制御するための手段である。図３は、制御部１００と、積層装置１０内の各部との接続を示したブロック図である。図３中に概念的に示したように、制御部１００は、ＣＰＵ等の演算処理部１０１、ＲＡＭ等のメモリ１０２およびハードディスクドライブ等の記憶部１０３を有するコンピュータにより構成される。記憶部１０３内には、積層装置１０による各処理を実行するためのコンピュータプログラムＰが、インストールされている。

図３に示すように、制御部１００は、積層部２０の第１吐出ヘッド２１および第２吐出ヘッド２２と、ローラ部３０の第１ローラ３１および第２ローラ３２と、照射部４０と、昇降機構５０と、移動機構６０と、それぞれ通信可能に接続されている。制御部１００は、記憶部１０３に記憶されたコンピュータプログラムＰやデータをメモリ１０２に一時的に読み出し、当該コンピュータプログラムＰに基づいて、演算処理部１０１が演算処理を行うことにより、上記の各部を動作制御する。これにより、造形ステージＳの搬送処理、モデル材およびサポート材の吐出処理、紫外線照射処理および平坦化処理が進行する。

次に、上記の積層装置１０による積層処理について、図４を参照しつつ説明する。図４は、本実施形態の積層処理の過程を示したフローチャートである。積層処理を行うときは、予め、製造したい立体物の形状を高さ位置ごとに分割した設計データが制御部１００へと入力される。そして、制御部１００が、当該設計データに従って、積層処理を行う。これにより、造形ステージＳ上に立体物９が得られる。

積層処理においては、まず、造形ステージＳが初期位置である後方端に配置される（ステップＳ１０１）。本実施形態において、後方端は、図２に示すように、第１吐出ヘッド２１および第１ローラ３１よりも後方である。また、ステップＳ１０１では、後方端において、造形ステージＳの上面と、第１ローラ３１および第２ローラ３２の下端部とは、上下方向に材料層１層分の距離を開けて配置される。本実施形態の積層処理においては、移動機構６０により造形ステージＳを前後方向に搬送しつつ、造形材の積層および硬化を１層分行う。そして、昇降機構５０により造形ステージＳを造形した層の厚み分下降させる。このような造形材の積層・硬化と、造形ステージＳの下降とを繰り返して、積層処理が進行する。

ステップＳ１０１において造形ステージＳが後方端に配置されると、続いて、移動機構６０が、造形ステージＳを後方端から前方へ向けて移動させる。これにより、造形ステージＳが第１吐出ヘッド２１の下方を通過する。第１吐出ヘッド２１は、下方を通過する造形ステージＳの上面に向けて、分割されたデータに基づいて、モデル材の液滴を吐出する（ステップＳ１０２）。これにより、設計データの各高さ位置の形状に応じた１層分のモデル材の層が形成される。当該モデル材の層が、材料層９０のうち、最終造形物９００となる部位を形成する。

次に、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに前方へと移動させる。これにより、ステップＳ１０２で形成された液状のモデル材の層の上面と、第１ローラ３１の外周面とが接触する。その結果、モデル材の層の上面が第１ローラ３１により平坦化される（ステップＳ１０３）。このとき、図２中に矢印で示したように、第１ローラ３１は、造形ステージＳの前方への移動に逆らう向きに回転している。これにより、モデル材の層を効率的に平坦化できる。

モデル材の層が平坦化されると、続いて、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに前方へと移動させ、照射部４０の下方を通過させる。照射部４０は、下方を通過する造形ステージＳへ向けて紫外線を照射する（ステップＳ１０４）。これにより、造形ステージＳの上面に形成されたモデル材の層が硬化する。

続いて、移動機構６０は造形ステージＳをさらに前方へと移動させる。そうすると、造形ステージＳは、第２ローラ３２の下方を通過する。このとき、硬化後のモデル材の層が第２ローラ３２と接触する。そして、引き続き、移動機構６０は、造形ステージＳを前方へと移動させる。これにより、造形ステージＳは、第２吐出ヘッド２２の下方を通過する。そして、移動機構６０はさらに造形ステージＳを前方へと移動させ、造形ステージＳが前方端に配置される。

次に、移動機構６０は、造形ステージＳを前方端から後方へ向けて移動させる。これにより、造形ステージＳが第２吐出ヘッド２２の下方を通過する。第２吐出ヘッド２２は、下方を通過する造形ステージＳの上面に向けて、分割されたデータに基づいて、サポート材の液滴を吐出する（ステップＳ１０５）。これにより、設計データの各高さ位置の形状に応じた１層分のサポート材の層が形成される。このように、材料層９０が形成される。

続いて、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに後方へと移動させる。これにより、ステップＳ１０５で形成された液状のサポート材の層の上面と、第２ローラ３２の外周面とが接触する。その結果、サポート材の層の上面が第２ローラ３２により平坦化される（ステップＳ１０６）。このとき、図２中に矢印で示したように、第２ローラ３２は、造形ステージＳの後方への移動に逆らう向きに回転している。これにより、サポート材の層を効率的に平坦化できる。

サポート材の層が平坦化されると、続いて、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに後方へと移動させ、照射部４０の下方を通過させる。照射部４０は、下方を通過する造形ステージＳへ向けて紫外線を照射する（ステップＳ１０７）。これにより、造形ステージＳの上面に形成されたサポート材の層が硬化する。

その後、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに後方へと移動させる。そして、第１ローラ３１および第１吐出ヘッド２１の下方を通過した後、造形ステージＳは、後方端へと配置される。そして、後方端において、昇降機構５０は、１層分の材料層９０の高さだけ、造形ステージＳを降下させる。なお、昇降機構５０は、ステップＳ１０７の後、後方端への移動を行う前に、造形ステージＳを照射部４０の下方において降下させてもよい。

続いて、制御部１００は、積層すべき次の材料層があるか否かを確認する（ステップＳ１０９）。そして、積層すべき次の材料層がある場合は、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理を繰り返すことにより、材料層をさらに積層する。一方で、全ての材料層の積層が完了すると、積層工程が終了する。

この積層装置１０では、２つの吐出ヘッド２１，２２の間に配置される１つの照射部４０により、モデル材およびサポート材の硬化を行っていたが、造形材の硬化処理を行う硬化部は、複数あってもよい。また、この積層装置１０では、モデル材を吐出する第１吐出ヘッド２１と、サポート材を吐出する第２吐出ヘッド２２とは、それぞれ単一であった。しかしながら、第１吐出ヘッド２１および第２吐出ヘッド２２の数は、それぞれ複数であってもよい。

また、この積層装置１０では、吐出ヘッド２１，２２、ローラ３１，３２および照射部４０を含む処理ユニットの位置が固定されていた。そして、昇降機構５０および移動機構６０が、造形ステージＳを当該処理ユニットに対して移動させていた。しかしながら、固定された造形ステージＳに対して処理ユニットが移動する構成であってもよい。

また、本実施形態では、モデル材およびサポート材は紫外線硬化型の材料であった。しかしながら、モデル材およびサポート材は、熱、赤外線、レーザおよびＸ線等の、紫外線以外のエネルギーにより硬化するエネルギー硬化型の材料であってもよい。そして、照射部は、熱、赤外線、レーザおよびＸ線等のエネルギー線を照射するものであってもよい。

＜３．吐出ヘッドの構成＞
続いて、吐出ヘッド２１，２２の構成について図５および図６を参照しつつ説明する。第２吐出ヘッド２２の構成は、第１吐出ヘッド２１とほぼ同等であるため、ここでは、第１吐出ヘッド２１の構成について説明する。図５および図６は、本実施形態に係る第１吐出ヘッド２１の構成を示した概略断面図である。図６は、図５中に示したＡ−Ａ’断面における第１吐出ヘッド２１の断面図である。図５および図６は、第１吐出ヘッド２１の主要な要素を示した概略図であり、実際の第１吐出ヘッド２１とは、貯留室７２の個数、圧力室７３およびノズル７０の個数、および、各要素の配置が異なる。

図５および図６に示すように、第１吐出ヘッド２１は、筐体７１と、筐体７１内に設けられた貯留室７２および複数の圧力室７３と、各圧力室７３内に備えられた圧力発生素子７４と、ヒータ７５と、温度センサ７６と、を有する。

貯留室７２は、液状の造形材が一次的に充填される液体充填室である。貯留室７２の上部には、液状の造形材を貯留するタンク（図示せず）から貯留室７２内へと造形材を供給する、供給口７２１が設けられている。

貯留室７２内の圧力は、貯留室７２と連通する圧力室７３に設けられたノズル７０内にメニスカスが形成されるように、調節されている。したがって、貯留室７２内の圧力は、貯留室７２と圧力室７３との相対的な位置関係を考慮して設定される。なお、本実施形態では、圧力室７３が貯留室７２の下方に配置されているため、貯留室７２内の圧力は負圧に設定されている。なお、圧力室７３は、貯留室７２と同じ高さに配置されていてもよいし、貯留室７２よりも上方に配置されていてもよい。

圧力室７３はそれぞれ、連通口７３１を介して貯留室７２と連通する。これにより、圧力室７３内の圧力が下がると、連通口７３１を介して貯留室７２から圧力室７３内へと造形材が供給される。

各圧力室７３には、圧力発生素子７４が備えられている。圧力発生素子７４は、圧力室７３の上壁面に配置されている。また、各圧力室７３の下端部には、筐体７１の下面に露出し、圧力室７３と筐体７１の下方の空間とを連通するノズル７０が設けられている。造形材の非吐出時には、ノズル７０の内部には、造形材の液面がメニスカスを形成する。

第１吐出ヘッド２１の個々のノズル７０は、筐体７１の下面に２次元的に配列される。なお、図５および図６に示す第１吐出ヘッド２１では、説明の簡便のため、筐体７１の下面に複数のノズル７０が１次元的に配列されている。個々のノズル７０は、搬送方向と直交する方向に位置をずらして配列されている。

本実施形態の第１吐出ヘッド２１は、いわゆるピエゾ方式の吐出ヘッドである。すなわち、本実施形態の圧力発生素子７４は、圧電素子である。制御部１００から圧力発生素子７４へ電気信号である吐出信号が送られると、圧力発生素子７４が変形し、圧力室７３内に充填された液状の造形材に圧力をかける。圧力室７３内の圧力が高まると、ノズル７０から圧力室７３内の造形材が液滴として吐出される。なお、本発明の記録ヘッドは、ピエゾ方式に限られない。

ヒータ７５は、第１吐出ヘッド２１の内部に充填された造形材を加熱する。すなわち、ヒータ７５は、貯留室７２および各圧力室７３の内部に充填された造形材を加熱する。本実施形態のヒータ７５は、筐体７１の内部に収容されている。しかしながら、筐体７１内の造形材を加熱するためのヒータは、筐体７１の外部に設けられていてもよい。

温度センサ７６は、第１吐出ヘッド２１の内部に充填された造形材の温度を計測する。本実施形態の温度センサ７６は、筐体７１の内部に収容されている。しかしながら、筐体７１内の造形材の温度を計測するための温度センサは、筐体７１の外部に設けられていてもよい。制御部１００は、温度センサ７６の計測した温度に基づいて、ヒータ７５を駆動させる。これにより、第１吐出ヘッド２１の内部に充填された造形材の温度調節を行う。

三次元造形に用いられる造形材をインクジェット方式で吐出する場合、造形材の種類によっては、温度を調整することにより造形材の粘度等の性質を調節することが好ましい。そこで、この第１吐出ヘッド２１では、造形材の吐出を行う際に、以下に示すような温度調節方法により、第１吐出ヘッド２１内における造形材の温度調節を行っている。図７は、第１吐出ヘッド２１における造形材の温度調節処理の流れを示したフローチャートである。図８は、図７に示した温度調節処理における温度センサ７６の計測温度Ｔｍの推移の一例を示した図である。

図７に示す温度調節処理では、第１吐出ヘッド２１の内部に貯留された造形材を、室温Ｔｒよりも高い目標温度Ｔｔへと調節する。このとき、造形材の温度変化が急激過ぎると、圧電素子である圧力発生素子７４が損傷する虞がある。このため、計測温度Ｔｍから得られる造形材の計測温度変化率Ａｍを一定以下とし、かつ、できるだけ迅速に造形材の温度を目標温度Ｔｔへとするための目標温度変化率Ａｔへと近づけることが好ましい。また、造形材の温度が目標温度Ｔｔを超えた場合には、圧力発生素子７４が損傷したり、造形材が変質したりする虞がある。このため、造形材の温度が目標温度Ｔｔに達した後に、さらに造形材の温度が高くなるのを抑制することが好ましい。なお、初期状態において、第１吐出ヘッド２１の内部に貯留された造形材の温度は室温Ｔｒである。

図７に示す温度調整処理では、まず、ヒータ７５の出力量を示すヒータ出力値Ｈを所定の初期出力値Ｈｏとして、ヒータ７５の駆動を開始する初期昇温が行われる（ステップＳ２０１）。ヒータ出力値Ｈは、例えば、ヒータ７５の駆動電力値などのヒータ７５の加熱強度を示す値である。すなわち、ヒータ出力値Ｈが大きいほど、ヒータ７５から発する熱量が大きくなる。初期出力値Ｈｏは、造形材の計測温度変化率Ａｍが目標温度変化率Ａｔよりも小さくなるヒータ出力値である。このため、ステップＳ２０１における造形材の計測温度変化率Ａｍは、目標温度変化率Ａｔよりも小さくなる。

ステップＳ２０における初期昇温が開始されると、制御部１００は、所定の初期昇温期間Ｐ１が経過したか否かを判断する（ステップＳ２０２）。初期昇温期間Ｐ１が経過していないと判断すると、制御部１００は、ステップＳ２０１へと戻り、初期昇温を継続する。一方、初期昇温期間Ｐ１が経過したと判断すると、制御部１００は、ステップＳ２０３へと進む。

ステップＳ２０３では、制御部１００は、最新の計測温度Ｔｍと目標温度Ｔｔとの温度差ΔＴ＝Ｔｔ−Ｔｍが、一定値である所定の基準温度差ΔＴｏよりも大きいか否かを判断する（ステップＳ２０３）。

ステップＳ２０３において、温度差ΔＴが所定の基準温度差ΔＴｏよりも大きい場合、制御部１００は、ｋ＝（目標温度変化率Ａｔ）／（計測温度変化率Ａｍ）として係数ｋを算出する（ステップＳ２０４）。その後、制御部１００は、ステップＳ２０６へと進む。

一方、ステップＳ２０３において、温度差ΔＴが所定の基準温度差ΔＴｏ以下である場合、制御部１００は、ｋ＝（緩傾温度変化率Ａｇ）／（計測温度変化率Ａｍ）として係数ｋを算出する（ステップＳ２０５）。その後、制御部１００は、ステップＳ２０６へと進む。緩傾温度変化率Ａｇの値は、目標温度変化率Ａｔよりも小さい値である。

ステップＳ２０６では、制御部１００は、ステップＳ２０４またはステップＳ２０５で算出した係数ｋが下限値ｋ１よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ２０６）。ステップＳ２０６において、ステップＳ２０４またはステップＳ２０５で算出した係数ｋが下限値ｋ１よりも小さい場合、制御部１００は、係数ｋ＝ｋ１に設定する（ステップＳ２０７）。その後、制御部１００は、ステップＳ２１０へと進む。

ステップＳ２０６において、ステップＳ２０４またはステップＳ２０５で算出した係数ｋが下限値ｋ１以上である場合、制御部１００は、引き続き、当該係数ｋが上限値ｋ２よりも大きいか否かを判断する(ステップＳ２０８）。ステップＳ２０８において、ステップＳ２０４またはステップＳ２０５で算出した係数ｋが上限値ｋ２よりも大きい場合、制御部１００は、係数ｋ＝ｋ２に設定する（ステップＳ２０９）。その後、制御部１００は、ステップＳ２１０へと進む。ステップＳ２０８において、ステップＳ２０４またはステップＳ２０５で算出した係数ｋが上限値ｋ２以下である場合、制御部１００は、そのままステップＳ２１０へと進む。

ステップＳ２１０では、ヒータ出力値Ｈを、現在のヒータ出力値ＨにステップＳ２０３〜Ｓ２０９において算出した係数ｋを乗じた値に更新する（ステップＳ２１０）。すなわち、新たなヒータ出力値Ｈは、Ｈ＝（係数ｋ）＊（現在のヒータ出力値Ｈ）として算出し、当該ヒータ出力値Ｈによるヒータ７５の駆動を行う。

ヒータ出力値Ｈの更新が完了すると、制御部１００は、計測温度Ｔｍが目標温度Ｔｔに達したか否かを判断する（ステップＳ２１１）。計測温度Ｔｍが目標温度Ｔｔに達したと判断すると、制御部１００は、保温工程を開始する（ステップＳ２１２）。ステップＳ２１２で行われる保温工程では、例えば、一般的な比例制御、ＰＩ制御およびＰＩＤ制御等が行われる。

一方、ステップＳ２１１において、計測温度Ｔｍが目標温度Ｔｔに達していないと判断すると、制御部１００は、ステップＳ２０３へと戻る。

ステップＳ２０３〜Ｓ２１０における係数ｋの算出およびヒータ出力値Ｈの更新は、所定の時間間隔ごとに行われる。なお、この時間間隔は、例えば、温度センサ７６において計測温度Ｔｍの計測を行うサンプリング間隔であってもよい。

上記のような温度調節工程を行うことにより、図８に示すような計測温度Ｔｍが得られる。計測温度Ｔｍは、期間Ｐ１〜Ｐ４ごとに、その挙動が変化する。なお、期間Ｐ２およびその周辺には、目標温度変化率Ａｔにおける温度変化の様子が破線で示されている。また、期間Ｐ３およびその周辺には、緩傾温度変化率Ａｇにおける温度変化の様子が破線で示されている。

まず、ステップＳ２０１の初期昇温工程が行われる初期昇温期間Ｐ１においては、ヒータ出力値Ｈを所定の初期出力値Ｈｏとして第１吐出ヘッド２１の加熱が行われる。これにより、図８に示すように、計測温度Ｔｍは、目標温度変化率Ａｔよりも小さい変化率で上昇する。

続いて、初期昇温期間Ｐ１に続く第１昇温期間Ｐ２では、ステップＳ２０４と、ステップＳ２０６〜Ｓ２０７とにより決定されたヒータ出力値Ｈで第１吐出ヘッド２１の加熱が行われる。ここでは、係数ｋをｋ＝（目標温度変化率Ａｔ）／（計測温度変化率Ａｍ）としている。

このため、現在の計測温度変化率Ａｍが目標温度変化率Ａｔよりも小さいほど係数ｋは大きくなる。したがって、現在の計測温度変化率Ａｍが目標温度変化率Ａｔが小さいほど、更新されるヒータ出力値Ｈは現在のヒータ出力値Ｈよりも大きくなる。現在の計測温度変化率Ａｍが目標温度変化率Ａｔとちょうど同一である場合、係数ｋは１となる。この場合、更新されるヒータ出力値Ｈは、現在のヒータ出力値Ｈと同一となる。また、現在の計測温度変化率Ａｍが目標温度変化率Ａｔよりも大きいほど係数ｋは小さくなる。したがって、現在の計測温度変化率Ａｍが目標温度変化率Ａｔを超えてしまうと、更新されるヒータ出力値Ｈは現在のヒータ出力値Ｈよりも小さくなる。

係数ｋを算出した後、制御部１００は、ステップＳ２０６〜ステップＳ２０９において、温度センサ７６における計測誤差による影響や、急な温度上昇を抑制するために、係数ｋが極端な値をとらないように、係数ｋが所定の範囲内に収まるように修正する。そこで、ステップＳ２０６〜ステップＳ２０９において、係数ｋが下限値ｋ１以上、上限値ｋ２以下となるように調整する。例えば、係数ｋが２以上の値をとる場合、ヒータ出力値Ｈが急に２倍となってしまう。この場合、第１吐出ヘッド２１が急加熱される虞がある。このため、係数ｋの上限値ｋ２を２以下としておくことが好ましい。

第１昇温期間Ｐ２では、計測温度変化率Ａｍが目標温度変化率Ａｔと一致するようにヒータ出力値Ｈが調節される。そして、計測温度Ｔｍと目標温度Ｔｔとの温度差ΔＴが所定の基準温度差ΔＴｏよりも小さくなるまで、第１吐出ヘッド２１を昇温させる。このように、目標温度変化率Ａｔと計測温度変化率Ａｍとの比である係数ｋを用いてヒータ出力値Ｈを決定することにより、迅速に、かつ、急激な温度上昇をすることなく、適切な温度上昇率で第１吐出ヘッド２１内の造形材の温度調節を行うことができる。したがって、第１吐出ヘッド２１内の圧力発生素子７４が破壊されるのが抑制される。

その後、第１昇温期間Ｐ２に続く第２昇温期間Ｐ３では、ステップＳ２０５と、ステップＳ２０６〜Ｓ２０７とにより決定されたヒータ出力値Ｈで第１吐出ヘッド２１の加熱が行われる。ここでは、係数ｋをｋ＝（緩傾温度変化率Ａｇ）／（計測温度変化率Ａｍ）としている。なお、この第２昇温期間Ｐ３においても、制御部１００は、ステップＳ２０６〜ステップＳ２０９において、係数ｋが所定の範囲内に収まるように修正する。そして、ヒータ出力値ＨをＨ＝ｋ＊（現在のヒータ出力値）として更新する。

第２昇温期間Ｐ３では、計測温度変化率Ａｍが、目標温度変化率Ａｔよりも小さい緩傾温度変化率Ａｇと一致するようにヒータ出力値Ｈが調節される。そして、計測温度Ｔｍが目標温度Ｔｔに達するまで、第１吐出ヘッド２１を昇温させる。このように、計測温度Ｔｍが目標温度Ｔｔに近づいた際に、温度変化率を小さくすることにより、第１吐出ヘッド２１の温度が目標温度Ｔｔを大きく上回ることを抑制できる。したがって、第１吐出ヘッド２１内の圧力発生素子７４が破壊されるのが抑制される。

計測温度Ｔｍが目標温度Ｔｔに達した後の保温期間Ｐ４では、計測温度Ｔｍが目標温度Ｔｔを維持するように、ヒータ出力値Ｈが調節される。

＜４．変形例＞
以上、本発明の主たる実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

図９は、一変形例に係る吐出ヘッドの温度調整工程における計測温度Ｔｍの推移の一例の一部を示した図である。図９では、第２昇温期間Ｐ３の近傍における計測温度Ｔｍの推移が示されている。

上記の実施形態の積層装置では、緩傾温度変化率Ａｇは、予め決められた値であったが、本発明はこれに限られない。緩傾温度変化率Ａｇは、温度差ΔＴに応じて変化する値であってもよい。例えば、緩傾温度変化率Ａｇは、温度差ΔＴに比例する値である。この場合、図９に示すように、第２昇温期間Ｐ３中にヒータ出力値Ｈの更新が行われると、その更新の度に緩傾温度変化率Ａｇが変化する。

図９の例では、まず、計測温度Ｔｍが、（目標温度Ｔｔ）−（基準温度差ΔＴｏ）よりも大きくなった時点Ｑ１で、Ｑ１における温度差ΔＴ（＝ΔＴｏ）に基づいて、第１緩傾温度変化率Ａｇ１が算出される。そして、当該第１緩傾温度変化率Ａｇ１に基づいて吐出ヘッドの加熱が行われる。

次に、Ｑ１から所定の時間間隔ΔＰが経過した時点Ｑ２で、Ｑ２における温度差ΔＴに基づいて、第２緩傾温度変化率Ａｇ２が算出される。このとき、Ｑ２における温度差ΔＴは、Ｑ１における温度差ΔＴよりも小さいため、第２緩傾温度変化率Ａｇ２は、第１緩傾温度変化率Ａｇ１よりも小さくなる。そして、このような第２緩傾温度変化率Ａｇ２に基づいて吐出ヘッドの加熱が行われる。

続いて、Ｑ２から所定の時間間隔ΔＰが経過した時点Ｑ３で、Ｑ３における温度差ΔＴに基づいて、第３緩傾温度変化率Ａｇ３が算出される。このとき、Ｑ３における温度差ΔＴは、Ｑ２における温度差ΔＴよりも小さいため、第３緩傾温度変化率Ａｇ３は、第２緩傾温度変化率Ａｇ２よりもさらに小さくなる。そして、このような第３緩傾温度変化率Ａｇ３に基づいて吐出ヘッドの加熱が行われる。

このように、目標とする緩傾温度変化率Ａｇが次第に小さくなるように設定されてもよい。このようにすれば、吐出ヘッドの温度が目標温度Ｔｔを上回るのを、より抑制できる。したがって、吐出ヘッド内の圧力発生素子が破壊されるのをより抑制できる。

図１０は、他の変形例に係る温度調節工程の流れを示したフローチャートである。図１０の例のステップＳ３０１〜Ｓ３０５と、ステップＳ３１１〜Ｓ３１２はそれぞれ、上記の実施形態のステップＳ２０１〜Ｓ２０５と、ステップＳ２１１〜Ｓ２１２と同様であるため、説明を省略する。

図１０の例では、ステップＳ３０４またはステップＳ３０５において係数ｋを算出した後、ヒータ出力値Ｈを、現在のヒータ出力値ＨにステップＳ３０４またはステップＳ３０５において算出した係数ｋを乗じた値に更新する（ステップＳ３０６）。すなわち、新たなヒータ出力値Ｈは、Ｈ＝（係数ｋ）＊（現在のヒータ出力値Ｈ）として算出する。

ステップＳ３０７では、制御部１００は、ステップＳ３０６で算出したヒータ出力値Ｈが下限値Ｈ１よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ３０７）。ステップＳ３０７において、ステップＳ３０６で算出したヒータ出力値Ｈが下限値よりも小さい場合、制御部１００は、ヒータ出力値Ｈ＝Ｈ１に設定する（ステップＳ３０８）。その後、制御部１００は、ステップＳ３１１へと進む。

ステップＳ３０７において、ステップＳ３０６で算出したヒータ出力値Ｈが下限値Ｈ１以上である場合、制御部１００は、引き続き、当該ヒータ出力値Ｈが上限値Ｈ２よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ３０９）。ステップＳ３０９において、ステップＳ３０６で算出したヒータ出力値Ｈが上限値Ｈ２よりも大きい場合、制御部１００は、ヒータ出力値Ｈ＝Ｈ２に設定する（ステップＳ３１０）。その後、制御部１００は、ステップＳ３１１へと進む。ステップＳ３０９において、ステップＳ３０６で算出したヒータ出力値Ｈが上限値Ｈ２以下である場合、制御部１００は、そのままステップＳ３１１へと進む。

このように、図１０の例では、ヒータ出力値Ｈを算出した後、制御部１００が、ステップＳ３０７〜Ｓ３１０において、ヒータ出力値Ｈが適正な範囲に収まるように修正してもよい。このようにすれば、ヒータ出力値Ｈが温度センサにおける計測誤差によって不正な値を取ったり、急な温度上昇を引き起こしたりするのが抑制される。

また、吐出ヘッド、積層装置および三次元造形装置の細部の形状および構造については、本願の各図に示された形状および構造と相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

１ 三次元造形装置
９ 立体物
１０ 積層装置
２１ 第１吐出ヘッド
２２ 第２吐出ヘッド
４０ 照射部
７０ ノズル
７５ ヒータ
７６ 温度センサ
１００ 制御部

Claims (8)

1. 内部に液体を貯留し、複数のノズルから前記液体の液滴を吐出する液滴吐出装置の温度制御方法であって、
   ａ）ヒータ出力を所定の初期出力値として、所定の初期昇温時間、前記液体の加熱を行う工程と、
   ｂ）前記工程ａ）の後であって、前記液体の最新の計測温度と目標温度との温度差ΔＴが一定値よりも大きい場合に、ｋ＝（目標温度変化率）／（計測温度変化率）として係数ｋを算出する工程と、
   ｃ）前記工程ｂ）の後であって、前記ヒータ出力を、前記工程ｂ）において算出した前記係数ｋと現在の前記ヒータ出力とを乗じた値に変更する工程と、
   を有し、
   前記工程ｂ）と前記工程ｃ）とを繰り返し行う、温度制御方法。
2. 請求項１に記載の温度制御方法であって、
   ｄ）前記工程ａ）の後であって、前記温度差ΔＴが前記一定値よりも小さい場合に、ｋ＝（緩傾温度変化率）／（前記計測温度変化率）として前記係数ｋを算出する工程と、
   ｅ）前記工程ｄ）の後であって、前記ヒータ出力を、前記工程ｄ）において算出した前記係数ｋと現在の前記ヒータ出力とを乗じた値に変更する工程と、
   をさらに有し、
   前記工程ｄ）において、前記緩傾温度変化率は、前記目標温度変化率よりも小さい、温度制御方法。
3. 請求項２に記載の温度制御方法であって、
   前記工程ｄ）において、前記緩傾温度変化率は、前記温度差ΔＴに比例する、温度制御方法。
4. 請求項３に記載の温度制御方法であって、
   前記緩傾温度変化率は、所定の間隔で算出され、更新される、温度制御方法。
5. 内部に液体を貯留し、複数のノズルから前記液体の液滴を吐出する液滴吐出装置であって、
   前記ノズルのそれぞれと連通し、内部に前記液体を貯留する複数の圧力室と、
   前記圧力室のそれぞれの内部に配置された複数の圧力発生素子と、
   前記液体を加熱するヒータと、
   前記液体の温度を検出するセンサと、
   各部を制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記ヒータのヒータ出力を所定の初期出力値として、所定の初期昇温時間、前記液体の加熱を行った後、前記ヒータ出力を、係数ｋと現在の前記ヒータ出力とを乗じた値に更新しつつ、前記ヒータを駆動させ、
   前記係数ｋは、前記液体の最新の計測温度と目標温度との温度差ΔＴが一定値よりも大きい場合に、ｋ＝（目標温度変化率）／（計測温度変化率）として算出される、液滴吐出装置。
6. 請求項５に記載の液滴吐出装置であって、
   前記係数ｋは、前記温度差ΔＴが前記一定値よりも小さい場合に、ｋ＝（緩傾温度変化率）／（前記計測温度変化率）として算出され、
   前記緩傾温度変化率は、前記目標温度変化率よりも小さい、液滴吐出装置。
7. 請求項６に記載の液滴吐出装置であって、
   前記緩傾温度変化率は、前記温度差ΔＴに比例し、かつ、所定の間隔で算出および更新される、液滴吐出装置。
8. 造形材を積層して立体物を形成する三次元造形装置であって、
   液状の造形材を造形ステージ上に吐出する、請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の液滴吐出装置と、
   前記造形材を硬化させる硬化部と、
   前記造形ステージを前記液滴吐出装置および前記硬化部に対して相対的に移動する移動機構と、
   を有する、三次元造形装置。

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