JP2018164990A - 立体物造形装置、立体物造形方法、及び、立体物造形装置の制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】造形される立体物の外観を向上させることが可能な技術を提供する。
【解決手段】立体物造形装置は、前記インクのインク滴を吐出する複数のノズルを備えた記録ヘッドと、前記複数のノズル毎に、前記吐出するインクのインク滴の固化後の体積または体積の増減量に相当するノズルデータを予め記憶している記憶部と、前記立体物を造形するための造形データを生成する造形データ生成部と、前記生成した造形データから、前記ノズル毎の前記インク滴の吐出を指示するインク吐出データを、前記記憶されたノズルデータに従って、前記ドットの積み重ね方向の合計高さが平均化するように、生成する吐出データ生成部と、を備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、立体物の造形技術に関する。

立体物造形装置として、３Ｄ（三次元）プリンターが知られている。特許文献１に記載の３Ｄ（三次元）プリンターは、インクを吐出し、吐出したインクにより形成されるドットにより層状の造形体を形成し、層状の造形体を積層することで、立体物を造形する。立体物の表面には、着色用インクにより形成されるインク層が形成される。

特開２０００−２８０３５７号公報

インクは、列に並べられたノズルから吐出され、同じノズルは、同じ行に吐出する。ノズルからのインクの吐出量は、ノズル毎に微妙に異なる。このノズル間の吐出量の違いはわずかであるが、立体物を形成する場合には、同じノズルからは同じ行にインクが吐出されるため、このわずかな違いが積み重なり、線状の凸部あるいは凹部として立体物に現れるおそれがある。そのため、吐出量の違いを緩和し、形状再現性を向上させることが望まれている。

本発明は、上述の課題を少なくとも１つ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、吐出された後に固化して立体的なドットとして立体物の一部となるインクを用いる立体物造形装置が提供される。この立体物造形装置は、前記インクのインク滴を吐出する複数のノズルを備えた記録ヘッドと、前記複数のノズル毎に、前記吐出するインクのインク滴の固化後の前記ドットの体積または体積の増減量に相当するノズルデータを予め記憶している記憶部と、前記立体物を造形するための造形データを生成する造形データ生成部と、前記生成した造形データから、前記ノズル毎の前記インク滴の吐出を指示するインク吐出データを、前記記憶されたノズルデータに従って、前記ドットの積み重ね方向の合計高さが平均化するように、生成する吐出データ生成部と、を備える。
この形態によれば、吐出データ生成部は、記憶されたノズルデータに従って、前記ドットの積み重ね方向の合計高さが平均化するようにノズル毎のインク滴の吐出を指示するインク吐出データを生成するので、多層で立体物を形成したときに、ノズルからのインクの吐出量の違いを緩和し、形状再現性を向上させることができる。

（２）上記形態において、前記吐出データ生成部は、前記ドットの積み重ね方向の合計高さの平均化を、前記インク滴の数の増減により行ってもよい。
この形態によれば、インク滴の数の増減により、容易にインクの吐出量の違いを緩和できる。

（３）上記形態において、前記吐出データ生成部は、ハーフトーン処理の際の階調データを減少させることで、前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルを予め生成し、前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルにインク滴のドットを割り当てることで前記インク滴の数の増加を可能としてもよい。
この形態によれば、ハーフトーン処理の際の階調データを減少させることで、インク滴のドットが割り当てられないボクセルを予め生成し、このインクのドットが割り当てられないボクセルにインク滴のドットを割り当てることでインク滴の数を増加することが容易となる。

（４）上記形態において、前記吐出データ生成部は、前記ドットの積み重ね方向の合計高さの平均化を、前記インク滴の大きさを変更することにより行ってもよい。
この形態によれば、インク滴の大きさを変えることで、ドットの積み重ね方向の合計高さの平均化を容易に実現できる。

（５）上記形態において、前記吐出データ生成部は、ハーフトーン処理の際の階調データを減少させることで、前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルを予め生成し、
前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルに、前記ノズルデータに従った大きさのインク滴のドットを割り当ててもよい。
この形態によれば、インク滴のドットが割り当てられないボクセルに、ノズルデータに従った大きさのインク滴のドットを割り当てるので、ドットの積み重ね方向の合計高さの平均化を容易に実現できる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、立体物造形装置の他、立体物造形方法、立体物造形装置の制御プログラム様々な形態で実現することができる。

立体物造形システムの構成を示す機能ブロック図である。 立体物造形装置の内部構造の概略を示す斜視図である。 記録ヘッドを示す説明図である。 ホストコンピューターのＣＰＵが実行するインク吐出データの生成フローチャートである。 立体物をｘｙ平面で切ったときの立体物の一部を示す説明図である。 立体物造形装置が実行する造形処理を示すフローチャートである。 ノズルから１層分のインク滴を吐出して固化したときの状態を示す説明図である。 ノズルから４層分のインク滴を吐出して固化したときの状態を示す説明図である。 第１の方法におけるインク量の減少処理を示す説明図である。 第２の方法におけるインク量の減少処理を示す説明図である。 第３の方法におけるドット記録率の変換処理を示す説明図である。 第３の方法においてハーフトーン処理後のドットが割り当てられるボクセルと割り当てられないボクセルを示す説明図である。 第３の方法におけるインク量の減少処理を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。ただし、各図において、各部の寸法及び縮尺は、実際のものと適宜に異ならせてある。また、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

本実施形態では、立体物造形装置として、樹脂エマルジョンを含むレジンインクや、紫外線硬化型インク等の、硬化性インク（「液体」の一例）を吐出して立体物Ｏｂｊを造形する、インクジェット式の立体物造形装置を例示して説明する。

図１は、立体物造形システム１００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、立体物造形システム１００は、立体物を造形するためのデータを生成するホストコンピューター９０と、立体物を造形する立体物造形装置１０と、を備える。立体物造形装置１０は、インクを吐出し、吐出したインクを固化させることにより形成されるドットにより所定の厚さの層状の造形体を形成し、造形体を積層することで立体物Ｏｂｊを造形する造形処理を実行する。ホストコンピューター９０は、立体物造形装置１０が造形する立体物Ｏｂｊを構成する複数の造形体の各々の形状及び色彩を定める造形データＦＤを生成するデータ生成処理を実行する。

図１に示すように、ホストコンピューター９０は、ホストコンピューター９０の各部の動作を制御するＣＰＵ（図示省略）と、ディスプレイ等の表示部（図示省略）と、キーボードやマウス等の操作部９１と、ホストコンピューター９０の制御プログラム、立体物造形装置１０のドライバープログラム、及び、ＣＡＤ（computer aided design）ソフト等のアプリケーションプログラムを記憶する情報記憶部（図示省略）と、モデルデータＤａｔを生成するモデルデータ生成部９２と、モデルデータＤａｔに基づいて造形データＦＤを生成するデータ生成処理を実行する造形データ生成部９３と、を備える。

ここで、モデルデータＤａｔとは、立体物造形装置１０が造形すべき立体物Ｏｂｊを表すモデルの形状及び色彩を示すデータであり、立体物Ｏｂｊの形状及び色彩を指定するためのデータである。なお、以下において、立体物Ｏｂｊの色彩には、立体物Ｏｂｊに複数色が付される場合における当該複数色の付され方、すなわち、立体物Ｏｂｊに付される複数色により表される模様、文字、その他の画像も含むこととする。

モデルデータ生成部９２は、ホストコンピューター９０のＣＰＵが情報記憶部に記憶されているアプリケーションプログラムを実行することにより実現される機能ブロックである。このモデルデータ生成部９２は、例えばＣＡＤアプリケーションであり、立体物造形システム１００の利用者が操作部９１を操作して入力した情報等に基づいて、立体物Ｏｂｊの形状及び色彩を指定するモデルデータＤａｔを生成する。

なお、本実施形態では、モデルデータＤａｔが、立体物Ｏｂｊの外部形状と表面の色彩を指定する場合を想定する。換言すれば、モデルデータＤａｔが、立体物Ｏｂｊを中空の物体であると仮定した場合の当該中空の物体の形状、すなわち、立体物Ｏｂｊの輪郭の形状を指定するデータである場合を想定する。例えば、立体物Ｏｂｊが球体である場合には、モデルデータＤａｔは当該球体の輪郭である球面の形状を示す。但し、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、モデルデータＤａｔは、少なくとも立体物Ｏｂｊの外部形状を特定可能な情報を含むものであればよい。例えば、モデルデータＤａｔは、立体物Ｏｂｊの外部形状や色彩に加えて、立体物Ｏｂｊの内部の形状や材料等を指定するものであってもよい。モデルデータＤａｔとしては、例えば、ＡＭＦ（Additive Manufacturing File Format）、または、ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）等のデータ形式を例示することができる。

造形データ生成部９３は、ホストコンピューター９０のＣＰＵが情報記憶部に記憶されている立体物造形装置１０のドライバープログラムを実行することにより実現される機能ブロックである。造形データ生成部９３は、造形領域決定部であり、モデルデータ生成部９２が生成するモデルデータＤａｔに基づいて、立体物造形装置１０が形成する造形体の形状及び色彩を定める造形データＦＤを生成するデータ生成処理を実行する。

なお、以下では、立体物Ｏｂｊが、Ｑ個の層状の造形体を積層させることで造形される場合を想定する（Ｑは、Ｑ≧２を満たす自然数）。また、以下では、立体物造形装置１０が造形体を形成する処理を積層処理と称する。すなわち、立体物造形装置１０が立体物Ｏｂｊを造形する造形処理は、Ｑ回の積層処理を含む。

造形データ生成部９３は、所定の厚さを有するＱ個の造形体の形状及び色彩を定めるＱ個の造形データＦＤを生成するために、まず、モデルデータＤａｔの示す三次元の形状を所定の厚さＬｚ毎にスライスすることで、各造形体と１対１に対応する断面モデルデータを生成する。ここで、断面モデルデータとは、モデルデータＤａｔの示す三次元の形状をスライスして得られる断面体の形状及び色彩を示すデータである。但し、断面モデルデータは、モデルデータＤａｔの示す三次元の形状をスライスしたときの断面の形状及び色彩を含むデータであればよい。厚さＬｚは、インクの固化により形成されるドットの高さ方向の大きさに対応している。

次に、造形データ生成部９３は、断面モデルデータの示す形状及び色彩に対応する造形体を形成するために、立体物造形装置１０が形成すべきドットの配置を決定し、決定結果を、造形データとして出力する。つまり、造形データＦＤは、断面モデルデータの示す形状及び色彩を格子状に細分化することで、断面モデルデータの示す形状及び色彩をドットの集合として表した場合に、複数のドットの各々を形成するためのインクの種別を指定するデータである。ドットの大きさを示すデータを含んでいても良い。ここで、ドットとは、１回の吐出によるインクが固化されて形成される立体的なものである。本実施形態では、便宜上、ドットは、直方体または立方体であり、所定の厚さＬｚを有し、所定体積を有する直方体または立方体としている。また、本実施形態において、ドットの体積及びサイズは、インクを吐出するノズルのピッチ、インクの吐出間隔、インクの粘度等により定められる。

造形データ生成部９３は、着色領域決定部９４と、吐出データ生成部９５を備える。着色領域決定部９４は、立体物造形装置１０が形成すべきドットのうち、着色用インクで形成されるドットが配置される領域を決定する。着色領域決定部９４は、造形用インクによるドットの集合の表面に着色用インクを吐出して着色を行なう着色領域を、立体物Ｏｂｊの表面の法線方向における深さの相違を抑制するように決定する。例えば、着色領域の表面からの深さのバラツキを一定とする。吐出データ生成部９５は、造形用インクを吐出するための造形用インク吐出データと、着色用インクを吐出するための着色用インク吐出データとを生成する。吐出データ生成部９５は、着色用インク吐出データを生成するときには、ハーフトーン処理を行う。

上述のとおり、本実施形態に係るモデルデータＤａｔは、立体物Ｏｂｊの外部形状（輪郭の形状）を指定する。このため、モデルデータＤａｔの示す形状を有する立体物Ｏｂｊを忠実に造形した場合、立体物Ｏｂｊの形状は、厚みを有さない輪郭だけの中空形状となる。しかし、立体物Ｏｂｊを造形する場合には、立体物Ｏｂｊの強度等を考慮して、立体物Ｏｂｊの内部の形状を決定することが好ましい。具体的には、立体物Ｏｂｊを造形する場合には、立体物Ｏｂｊの内部の一部または全部が中実構造であることが好ましい。このため、本実施形態に係る造形データ生成部９３は、モデルデータＤａｔの指定する形状が中空形状であるか否かに関わらず、立体物Ｏｂｊの内部の一部または全部が中実構造となるような造形データＦＤを生成する。

なお、立体物Ｏｂｊの形状によっては、ｎ層目のドットの下側の層であるｎ−１層目にドットが存在しない場合がある。このような場合、ｎ層目のドットを形成しようとしても、当該ドットが下側に落下してしまう可能性がある。よって、「ｑ≧２」である場合、造形体を構成するためのドットを本来形成されるべき位置にドットを形成するためには、当該ドットの下側に、当該ドットを支持するための支持部を設ける必要がある。本実施形態では、支持部は、立体物Ｏｂｊと同様に固化したインクであるドットによって形成される。そこで、本実施形態では、造形データＦＤが、立体物Ｏｂｊの他に、立体物Ｏｂｊを造形する際に必要となる支持部を形成するドットを形成するためのデータを含むこととする。つまり、本実施形態において、造形体には、立体物Ｏｂｊのうちｑ回目の積層処理で形成すべき部分と、支持部のうちｑ回目の積層処理で形成すべき部分と、の双方が含まれる。換言すれば、造形データＦＤは、立体物Ｏｂｊのうち造形体として形成される部分の形状及び色彩をドットの集合として表したデータと、支持部のうち造形体として形成される部分の形状をドットの集合として表したデータと、を含む。本実施形態に係る造形データ生成部９３は、断面モデルデータまたはモデルデータＤａｔに基づいて、ドットの形成のために支持部を設ける必要があるか否かを判定する。そして、造形データ生成部９３は、当該判定の結果が肯定である場合には、立体物Ｏｂｊの他に支持部が設けられるような造形データＦＤを生成する。なお、支持部は、立体物Ｏｂｊの造形後に容易に除去することのできる材料、例えば、水溶性のインクで構成されることが好ましい。この支持部に用いられるドットを形成するためのインクを「サポートインク」と呼ぶ。

図２は、立体物造形装置１０の内部構造の概略を示す斜視図である。以下、図２に加えて図１も参照しながら説明する。図１及び図２に示すように、立体物造形装置１０は、筐体４０と、造形台４５と、立体物造形装置１０の各部の動作を制御する処理制御部１５（「造形制御部」の一例）と、ヘッドユニット１３と、硬化ユニット６１と、キャリッジ４１と、位置変化機構１７と、立体物造形装置１０の制御プログラムやその他の各種情報を記憶する記憶部１６と、を備える。キャリッジ４１は、ヘッドユニット１３及び７個のインクカートリッジ４８を搭載する。ヘッドユニット１３は、ノズル列３３〜３９を具備する記録ヘッド３０を備えており、ノズル３３〜３９から造形台４５に向かってインクのインク滴ＬＱを吐出する。硬化ユニット６１は、造形台４５の上に吐出されたインクを硬化させるためのものである。位置変化機構１７は、筐体４０に対するキャリッジ４１、造形台４５、及び、硬化ユニット６１の位置を変化させる。なお、処理制御部１５及び造形データ生成部９３は、立体物造形システム１００の各部の動作を制御するシステム制御部として機能する。

硬化ユニット６１は、造形台４５の上に吐出されたインクを硬化させるための構成要素であり、例えば、紫外線硬化型インクに対して紫外線を照射するための光源や、レジンインクを加熱するための加熱器等を例示することができる。硬化ユニット６１が紫外線の光源である場合、硬化ユニット６１は、例えば造形台４５の上側（＋Ｚ方向）に設けられ、一方、硬化ユニット６１が過熱器である場合、硬化ユニット６１は、例えば造形台４５の内部または造形台４５の下側に設けられればよい。以下では、硬化ユニット６１が紫外線の光源である場合を想定し、硬化ユニット６１が造形台４５の＋Ｚ方向に位置する場合を想定して説明する。

７個のインクカートリッジ４８は、立体物Ｏｂｊを造形するための６色の造形用インクと、支持部を形成するための支持用インク（サポートインク）と、の合計７種類のインクと１対１に対応して設けられたものである。各インクカートリッジ４８には、当該インクカートリッジ４８に対応する種類のインクが充填されている。立体物Ｏｂｊを造形するための５色の造形用インクには、有彩色の色材成分を有する有彩色インクと、無彩色の色材成分を有する無彩色インクと、有彩色インク及び無彩色インクと比較して単位重量または単位体積あたりの色材成分の含有量が少ないクリアー（ＣＬ）インクと、が含まれる。本実施形態では、有彩色インクとして、シアン（ＣＹ）、マゼンタ（ＭＧ）、及び、イエロー（ＹＬ）の３色のインクを採用する。また、本実施形態では、無彩色インクとして、ホワイト（ＷＴ）とブラック（Ｋ）のインクを採用する。本実施形態では、有彩色インクとブラックインクとを合わせて「着色用インク」と呼ぶ。本実施形態に係るホワイトインクとは、可視光の波長領域（概ね、４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に属する波長を有する光がホワイトインクに照射された場合において、当該照射された光のうち、所定の割合以上の光を反射するインクである。なお、「所定の割合以上の光を反射する」とは、「所定の割合未満の光を吸収または透過する」ことと同義であり、例えば、ホワイトインクに照射される光の光量に対する、ホワイトインクで反射される光の光量の比率が、所定の割合以上である場合が該当する。本実施形態において、「所定の割合」とは、例えば、３０％以上で且つ１００％以下の任意の割合であればよく、好ましくは、５０％以上の任意の割合、より好ましくは、８０％以上の任意の割合である。また、本実施形態において、クリアインクは、有彩色インク及び無彩色インクと比較して、色材成分の含有量が少なく透明度の高いインクである。

なお、各インクカートリッジ４８は、キャリッジ４１に搭載される代わりに、立体物造形装置１０の別の場所に設けられるものであってもよい。

図１及び図２に示すように、位置変化機構１７は、昇降機構駆動モーター７１と、キャリッジ駆動モーター７２，７３と、硬化ユニット駆動モーター７４と、モータードライバー７５〜７８を備える。昇降機構駆動モーター７１は、処理制御部１５からの指示を受けて、造形台４５を＋Ｚ方向及び−Ｚ方向（以下、＋Ｚ方向及び−Ｚ方向を「Ｚ軸方向」と総称する場合がある）に昇降させる造形台昇降機構７９ａを駆動する。キャリッジ駆動モーター７２は、処理制御部１５からの指示を受けて、キャリッジ４１をガイド７９ｂに沿って＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（以下、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向を「Ｙ軸方向」と総称する場合がある）に移動させる。キャリッジ駆動モーター７３は、処理制御部１５からの指示を受けて、キャリッジ４１をガイド７９ｃに沿って＋Ｘ方向及び−Ｘ方向（以下、＋Ｘ方向及び−Ｘ方向を「Ｘ軸方向」と総称する場合がある）に移動させる。硬化ユニット駆動モーター７４は、処理制御部１５からの指示を受けて、硬化ユニット６１をガイド７９ｄに沿って＋Ｘ方向及び−Ｘ方向に移動させる。モータードライバー７５は、昇降機構駆動モーター７１を駆動し、モータードライバー７６、７７は、キャリッジ駆動モーター７２，７３を駆動し、モータードライバー７８は、硬化ユニット駆動モーター７４を駆動する。

ヘッドユニット１３は、記録ヘッド３０と、駆動信号生成部３１を備える。駆動信号生成部３１は、処理制御部１５からの指示を受けて、記録ヘッド３０を駆動させるための駆動波形信号及び波形指定信号を含む各種信号を生成させ、これら生成した信号を記録ヘッド３０に出力する。駆動信号生成部３１や、駆動波形信号については、説明を省略する。

図３は、記録ヘッド３０を示す説明図である。記録ヘッド３０は、７個のノズル列３３〜３９を備える。各ノズル列３３〜３９は、ピッチＬｘの間隔で設けられた複数のノズルＮｚを備える。ノズル列３３〜３５は着色用インクである有彩色インク（シアン、マゼンタ、イエロー）を吐出するノズルＮｚを有する。ノズル列３６、３７は、無彩色インクであるブラックのインクとホワイトのインク（「ホワイトインク」とも呼ぶ。）を吐出するノズルＮｚを有する。ノズル列３８は、クリアインクを吐出するノズルＮｚを有する。ノズル列３９は、サポートインクを吐出するノズルＮｚを有する。ここで、造形用インクとしては、サポートインクを除いた他のインクが全て用いられ、着色用インクとしては、有彩色インクとブラックインクが用いられる。したがって、造形用インクを吐出する第１ノズルには、ノズル列３３〜３８のノズルＮｚが含まれ、着色用インクを吐出する第２ノズルには、ノズル列３３〜３６，３８のノズルＮｚが含まれる。

なお、本実施形態では、図３に示すように、各ノズル列３３〜３９のノズルＮｚがＸ軸方向に一列に整列するように配置される場合を例示しているが、例えば、各ノズル列３３〜３９を構成する複数のノズルＮｚのうち一部のノズルＮｚ（例えば、偶数番目のノズルＮ）と、その他のノズルＮｚ（例えば、奇数番目のノズルＮｚ）とのＹ軸方向の位置が異なる、所謂千鳥状に配列されるものであってもよい。また、各ノズル列３３〜３９において、ノズルＮｚ間の間隔（ピッチＬｘ）は、印刷解像度（ｄｐｉ：dot per inch）に応じて適宜設定され得る。

処理制御部１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等を含んで構成され、当該ＣＰＵ等が記憶部１６に記憶されている制御プログラムに従って動作することで、立体物造形装置１０の各部の動作を制御する。記憶部１６は、ホストコンピューター９０から供給される造形データＦＤを格納する不揮発性半導体メモリーの一種であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）と、立体物Ｏｂｊを造形する造形処理等の各種処理を実行する際に必要なデータを一時的に格納し、あるいは造形処理等の各種処理が実行されるように立体物造形装置１０の各部を制御するための制御プログラムを一時的に展開するＲＡＭ（Random Access Memory）と、制御プログラムを格納する不揮発性半導体メモリーの一種であるＰＲＯＭと、を備える。記憶部１６は、ノズル毎のインク滴の固化後のドットの体積、または、基準からの体積の増減量に相当するノズルデータを格納している。このインク滴の固化後のドットの体積または基準からの体積の増減量は、予め測定されている。

処理制御部１５は、ホストコンピューター９０から供給される造形データＦＤに基づいて、ヘッドユニット１３及び位置変化機構１７の動作を制御することにより、造形台４５上にモデルデータＤａｔに応じた立体物Ｏｂｊを造形する造形処理の実行を制御する。具体的には、処理制御部１５は、まず、ホストコンピューター９０から供給される造形データＦＤを記憶部１６に格納する。次に、処理制御部１５は、造形データＦＤ等の記憶部１６に格納されている各種データに基づいて、ヘッドユニット１３の駆動信号生成部３１を制御して記録ヘッド３０を駆動させるための駆動波形信号及び波形指定信号を含む各種信号を生成させ、これら生成した信号を記録ヘッド３０へ出力させる。また、処理制御部１５は、造形データＦＤ等の記憶部１６に格納されている各種データに基づいて、モータードライバー７５〜７８の動作を制御するための各種信号を生成し、これら生成した信号をモータードライバー７５〜７８に出力し、造形台４５に対するヘッドユニット１３の相対位置を制御する。

このように、処理制御部１５は、モータードライバー７５，７６、及び、７７の制御を介して、造形台４５に対するヘッドユニット１３の相対位置を制御し、モータードライバー７５、及び、７８の制御を介して、造形台４５に対する硬化ユニット６１の相対位置を制御する。また、処理制御部１５は、ヘッドユニット１３の制御を介して、ノズルＮｚからのインクの吐出の有無、インクの吐出量、及び、インクの吐出タイミング等を制御する。これにより、処理制御部１５は、造形台４５上に吐出されたインクにより形成されるドットサイズ及びドット配置を調整しつつ造形台４５上にドットを形成し、造形台４５上に形成されたドットを硬化させて造形体を形成する積層処理の実行を制御する。更に、処理制御部１５は、積層処理を繰り返し実行することで、既に形成された造形体の上に新たな造形体を積層することで、モデルデータＤａｔに対応する立体物Ｏｂｊを形成する造形処理の実行を制御する。

図４は、ホストコンピューター９０のＣＰＵが実行するインク吐出データの生成フローチャートである。この処理は、ホストコンピューター９０のモデルデータ生成部９２によってモデルデータＤａｔが作成された後で、造形データ生成部９３に相当するＣＰＵにより実行される。この処理が開始されると、ステップＳ１００で、造形データ生成部９３は、モデルデータＤａｔから断面モデルデータを生成する。ステップＳ１００に続くステップＳ１１０では、領域決定部９４は、着色領域を決定する。具体的には、各層を構成するドットＤＴのうち、どのドットＤＴを着色用インクで構成するかを決定する。なお、領域決定部９４は、着色領域だけで無く、透明層、遮蔽層、造形層も決定する。ステップＳ１１０に続くステップＳ１２０では、吐出データ生成部９５は、各ドットに色彩値を割り当てるハーフトーン処理を実行する。続くステップＳ１７０では、吐出データ生成部９５は、造形データＦＤに対応するフォーマットで、インク吐出データを生成する。

図５は、立体物Ｏｂｊをｘｙ平面で切ったときの立体物Ｏｂｊの一部を示す説明図である。造形データ生成部９３は、立体物Ｏｂｊの形状を、縦、横、高さが、Ｌｙ、Ｌｘ、Ｌｚの３次元形状を有するドットＤＴの集合体の形状として構成する。本実施形態では、Ｌｙ：Ｌｘ：Ｌｚは、１：１：２である。ここで、Ｌｘは、ドットＤＴのｘ方向の大きさであり、ノズルＮｚのピッチに等しい。Ｌｙは、ドットＤＴのｙ方向の大きさであり、インクの吐出間隔に応じた記録ヘッド３０の移動長さに等しい。Ｌｚは、ドットＤＴのｚ方向の大きさに等しい。Ｌｚは、ドットを形成するインクの粘度や量により決まる。各層の断面モデルデータは、例えば、ｘ方向、ｙ方向の二次元に配置されたドットＤＴの集合として構成される。なお、各ドットＤＴは、後述する透明層、着色層（着色領域）、遮蔽層、造形層のいずれかを形成する。

立体物Ｏｂｊは、中心に造形層がある。造形層は、立体物Ｏｂｊの主たる形状を形成する層である。造形層は、サポートインク以外のインクであれば、どのインクを用いて形成されても良い。造形層の表面には、遮蔽層が形成される。遮蔽層は、造形層の色が見えないように遮蔽するための層であり、ホワイトインクで形成される。遮蔽層の厚さは、Ｌ３である。遮蔽層の表面には、着色層が形成される。着色層は、着色領域であり、立体物Ｏｂｊに色を付ける。着色層は、有彩色インクとホワイトインクで形成される。ここで、有彩色インクの階調が低い場合、有彩色インクが打たれない領域が生じる場合が有り得る。有彩色インクも形状を構成するインクであるため、有彩色インクが打たれない領域は、形状欠損が生じるおそれがある。ホワイトインクは、その有彩色インクを打たない領域を埋めて形状欠損の発生を抑制する。なお、ホワイトインクの代わりにクリアインクを用いても良い。着色層の厚さは、Ｌ２である。透明層は、着色層を保護するための層であり、透明なインクであるクリアインクにより形成される。透明層の厚さは。Ｌ１である。なお、透明層は無くても良い。

ホストコンピューター９０は、生成された造形データＦＤを所定のタイミングで立体物造形装置１０に出力する。図６は、立体物造形装置１０が実行する造形処理を示すフローチャートである。この処理は、立体物造形装置１０がホストコンピューター９０から造形データＦＤを受け取ることで開始される。図６の処理を開始すると、処理制御部１５は、変数ｑに１を代入する（ステップＳ２００）。ｑは、何層目かを示す変数であり、ｑが１である場合は、ｚ方向の下側から１層目を意味する。続くステップＳ２１０では、処理制御部１５は、位置変化機構１７に指示して、造形台４５を１層目の造形体を形成する高さに移動させる。ステップＳ２２０では、インク吐出データ（造形データＦＤ）に基づいて、第１層目の造形体を形成する。具体的には、処理制御部１５は、ノズル列３３〜３８のノズルＮｚから、各種インクを造形台４５の上に吐出させ、その後、硬化ユニット６１を用いてインクを固化させてドットＤＴを形成する。ステップＳ２３０では、処理制御部１５は、ｑ≧Ｑか否かを判断する。Ｑは、立体物Ｏｂｊを構成する造形体の層の数である。ｑ≧Ｑであれば、１層目からＱ層目までの全ての造形体の生成が終了し、立体物Ｏｂｊの生成が完了しているため、処理制御部１５は、処理を終了する。一方、ｑ＜Ｑの場合には、ステップＳ２４０に移行して、変数ｑに１を加えステップＳ２１０に移行する。２回目以降のステップＳ２１０では、位置変化機構１７は、造形台４５を、ドットＤＴの高さＬｚだけ造形台４５を下げる。その後ステップＳ２２０に移行し、ステップＳ２３０でｑ≧Ｑを満たすまで同様の処理を繰り返す。

図７は、ノズルから１層分のインク滴を吐出して固化したときの状態を示す説明図である。この例では、固化したドットを長方形で示している。ドットの下のａ〜ｐの文字は、どのノズルＮｚから吐出されたかを特定するための符号である。図７の例では、１６個のドットを図示しているが、１６個は、一例である。ドットの高さは、１回のインクの吐出量に対応したものである。ノズル毎のインクの吐出量の違いは、僅かであり、各ドットの高さも大きな違いはないが、図７では、ドットの高さを誇張して図示している。最も高いドット（ノズルａ）からと、最も低いドット（ノズルｄ）とは、ΔＨの差が生じる。

図８は、ノズルから４層分のインク滴を吐出して固化したときの状態を示す説明図である。各ノズルａ〜ｐから吐出されるインク滴の大きさは、どの層のドットを形成する場合でも、変わらない。そのため、多数層を形成すると、図７で示したΔＨの差は蓄積されていく。図８では、４層分のインク滴を吐出、固化しているので、ノズルａから吐出されたインク滴が固化されてできたドットと、ノズルｄから吐出されたインク滴が固化されてできたドットとは、４ΔＨの差が生じている。この差は、層を増やせば増やすほど増加していく。なお、ΔＨの蓄積は、１つの色のインクで層を形成するときに顕著である。２色以上のインクの場合には、同じ位置にドットを形成する２色以上のインクのノズルＮｚから吐出されるインク滴のインク量が、同じように少ない、あるいは、同じように多いことは確率的に低く、また、ハーフトーン処理により、インクのドットが分散されるため、このようなΔＨの蓄積が起こり難いからである。以下、このΔＨの蓄積を抑制する方法について説明する。

・第１の方法
第１の方法は、ドットを間引くことで、インク滴の数を減少させる方法である。図９は、第１の方法におけるインク滴の数の減少処理を示す説明図である。第１の方法では、インク固化後の各ドットの狙い高さＴｚを、最も低い高さとする。インク固化後の狙い高さＴｚと、狙い高さＴｚとの差ｄｚａ〜ｄｚｐは、予め測定され、ノズルデータとして記憶部１６に格納されている。この例では、ノズルｄから吐出されて形成されたインク滴のドットの高さが基準となる。なおどのノズルが基準かは記憶部１６に格納されていなくても良い。狙い高さＴｚとの差がゼロのノズルが基準と特定できるからである。この場合、他のノズルから吐出されるインク滴のインクの量は、ノズルｄから吐出されるインク滴のインクの量よりも多い。したがって、吐出データ生成部９５は、ノズルデータに基づいて、他のノズルから吐出されるインク滴の吐出回数（単に「数」と呼ぶ。）を間引いて減らすことにより、他のノズルから吐出されるインクの量を減らす。図９において、黒丸で示されるボクセルは、インク滴のドットが形成され、黒丸がないボクセルは、間引かれたボクセルであり、インク滴のドットが形成されない。ノズルｄから吐出されるインク滴のドットは間引かれていないが、ノズルａから吐出されるインク滴のドットは３回間引かれている。なお、図９に示す例は、ある層のドットの形成の有無を示した例であり、層が異なると、インク滴のドットが形成されない位置（間引かれる位置）が図９に示した位置と異なる。そのため、多数の層を形成すると、インク滴のドットが形成されない位置が分散し、ドットの高さの和が平均化する。したがって、ノズル毎の吐出量の違いを緩和し、形状再現性を向上させることが可能となる。

間引く数ｍは、例えば以下のように算出可能である。ノズルａを例にとると、ｄａｚ／Ｔｚ＝ｍ／Ｍを満たすｍを求める。Ｔｚは、狙い高さであり、ｄａｚは、実際のドットの高さから狙い高さＴｚを引いた値である。Ｍは処理の単位となるｙ方向のボクセル数である。図９の例では、Ｍの値は１６である。吐出データ生成部９５は、ドットを間引く位置を、例えば、ディザマスクの閾値を用いて決めることができる。例えば、吐出データ生成部９５は、３個のドットを間引く場合、１層目は、ディザマスクのｙ方向において、閾値の大きい順に３番目までの位置のドットを間引き、２層目は、ディザマスクのｙ方向において、閾値の大きい順の４番目から６番目の位置のドットを間引く。３層目は、ディザマスクのｙ方向において、閾値の大きい順の７番目から９番目の位置のドットを間引く。このようにすれば、インク滴のドットが形成されない位置を分散できる。

・第２の方法
第２の方法は、インク滴の大きさ（ドットサイズ）を変更することで、インク量を増減させる方法である。図１０は、第２の方法におけるインク量の減少処理を示す説明図である。第２の方法では、インク固化後のドットの狙い高さＴｚを、インク滴のドットを中ドットで形成したときのドットの平均の高さとする。インク固化後の狙い高さＴｚと、狙い高さＴｚとの差ｄｚａ〜ｄｚｐは、同様に、予め測定され、ノズルデータとして記憶部１６に格納されている。この場合、ノズルから吐出されるインク滴のインクの量は、平均よりも多い場合と、少ない場合とがある。吐出データ生成部９５は、ノズルデータに基づいて、ノズルから吐出されるインク滴の大きさ（ドットサイズ）の一部を変更する。図１０において、黒丸で示されるボクセルは、インクの中ドットが形成される位置である。図１０において、「Ｌ」で示されるボクセルは、中ドットが大ドットに変更されたボクセルである。吐出データ生成部９５は、ノズルから吐出されるインクの量は、平均よりも少ない場合には、一部のドットを形成するインク滴の大きさ（ドットサイズ）を中ドットから大ドットに変更することにより、インク量を増加させる。図１０において、「Ｓ」で示されるボクセルは、中ドットが小ドットに変更されたボクセルである。吐出データ生成部９５は、ノズルから吐出されるインクの量は、平均よりも多い場合には、一部のドットのインクのインク滴の大きさ（ドットサイズ）を中ドットから小ドットに変更することにより、インク量を減少させる。図１０に示す例は、ある層のドットの大きさの変更例を示した例であり、層が異なると、ドットの大きさが変更される位置が異なる。そのため、多数の層を形成すると、大ドット、あるいは小ドットに変更される位置が分散し、ドットの高さの和が平均化する。その結果、ノズル毎の吐出量の違いを緩和し、形状再現性を向上させることが可能となる。どれだけの数のドットを変更するかは、狙い高さＴｚとの差の絶対値により、決定できる。なお、吐出データ生成部９５は、ドットの大きさを変更する数を、第１の方法と同様に算出でき、ドットの大きさを変更する位置も、第１の方法と同様に決めることができる。

・第３の方法
第３の方法は、ドットを追加する方法である。第３の方法は、ドット記録率を下げることで、ハーフトーン処理によりインク滴のドットが割り当てられないボクセルを予め作り、そのドットが割り当てられないボクセルにドットを割り当てることで、インク量を増加する。

図１１は、第３の方法におけるドット記録率の変換処理を示す説明図である。第３の方法では、先ず、吐出データ生成部９５は、ＲＧＢデータを変換して得られるＹＭＣの色データの色毎のドット記録率を減少させる。ドット記録率を減少させた状態でハーフトーン処理が行われると、ドットが割り当てられないボクセルが生じる。

図１２は、第３の方法においてハーフトーン処理後のドットが割り当てられるボクセルと割り当てられないボクセルを示す説明図である。図１２において、黒丸で示されるボクセルは、ハーフトーン処理により、インク滴のドットが割り当てられたボクセルであり、黒丸がないボクセルは、インク滴のドットが割り当てられていないボクセルである。図１１で説明したように、ドット記録率が減少したため、インク滴のドットが割り当てられていないボクセルが生じている。

図１３は、第３の方法におけるインク量の減少処理を示す説明図である。吐出データ生成部９５は、ノズルデータに基づいて、インク固化後の狙い高さＴｚを、最も低いドットの高さとする。したがって、狙い高さＴｚとするには、吐出データ生成部９５は、インク量の追加、すなわちインク滴の増加を行う。この方法では、ドット記録率を下げているため、インク滴のドットが割り当てられていないボクセルが生じている。したがって、吐出データ生成部９５は、インク滴のドットが割り当てられていないボクセルに対して、ドットを割り当てることで、インクの量を増加させる。図１３に示す例は、ある層のドットの追加の例を示した例であり、層が異なると、ドットが追加される位置が異なる。そのため、多数の層を形成すると、ドットが追加される位置が分散し、ドットの高さの和が平均化する。その結果、ノズル毎の吐出量の違いを緩和し、形状再現性を向上させることが可能となる。

第２の方法では、吐出データ生成部９５は、大ドット、中ドット、小ドットの３種のドットを割り当てたが、第３の方法では、ドットサイズが１種類の場合でも適用可能である。

なお、第３の方法の別の態様として、吐出データ生成部９５は、補充すべきインク量の大きさに応じて、大ドット、中ドット、小ドットを割り当ててもよい。この場合、追加するインク量を微調整できる。

以上説明したように、第１〜３の方法のいずれかを用いることで、吐出データ生成部９５は、ノズルＮｚから所定期間、例えば、所定の数の層を形成する期間、に吐出されるインクの量を減少させ、増加させ、すなわち、増減させることができ、ノズル毎の吐出量の違いを緩和し、ドットの積み重ね方向の合計高さが平均化させ、形状再現性を向上させることができる。
また、第１〜３の方法を組み合わせて用いてもよい。

・その他変形例：
例えば、シアンインク、マゼンタインク、イエローインク、ホワイトインク、ブラックインク及び、クリアインク以外の液体を使用する立体物造形装置にも、本技術を適用可能である。例えば、グレーインク、メタリックインク（金属光沢を発現するインク）、等も使用可能である。むろん、シアンインク、マゼンタインク、イエローインク、ブラックインク、ホワイトインク、グレーインク、メタリックインク、クリアインクの一部を使用しない立体物造形装置にも、本技術を適用可能である。ドット形成部により形成される複数種のドットは、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック、ホワイト、グレー、及び、メタリックの内の一種類以上の色のドットを含んでもよい。

ヘッドユニットから吐出されるインクは、熱可塑性樹脂等といった熱可塑性の液体でもよい。この場合、ヘッドユニットは、液体を加熱して溶融状態で吐出してもよい。また、硬化ユニットは、立体物造形装置においてヘッドユニットからの液体によるドットが冷却されて固化する部位でもよい。本技術において、「硬化」は「固化」を含む。また、造形用インクと支持用インクとで異なった種類の硬化・固化プロセスを有する液体を用いても良い。例えば、造形用インクに紫外線硬化型樹脂を用いて支持用インクに熱可塑性樹脂を用いてもよい。

硬化ユニット６１は、キャリッジに搭載されてもよい。

造形処理装置は、層状に敷き詰められた粉体を硬化性の液体により固めることで造形層を形成し、形成された造形層を積層することで立体物を造形してもよい。

また、立体物造形装置は、液体を吐出してドットを形成するインクジェット方式の装置に限定されず、紫外線硬化型液体樹脂を満たした槽に紫外線レーザーを照射して硬化ドットを形成する光造形方式の装置、粉末材料に高出力のレーザー光を当てて焼結ドットを形成する粉末焼結積層方式の装置、等でもよい。

また、上述した例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術及び上述した例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。

１０…立体物造形装置 １３…ヘッドユニット １５…処理制御部 １６…記憶部 １７…位置変化機構 ３０…記録ヘッド ３３〜３９…ノズル列 ４０…筐体 ４１…キャリッジ ４５…造形台 ４８…インクカートリッジ ６１…硬化ユニット ７１…昇降機構駆動モーター ７２…キャリッジ駆動モーター ７３…キャリッジ駆動モーター ７４…硬化ユニット駆動モーター ７５〜７８…モータードライバー ７９ａ…造形台昇降機構 ７９ｂ、７６ｃ、７６ｄ…ガイド ９０…ホストコンピューター ９１…操作部 ９２…モデルデータ生成部 ９３…造形データ生成部 ９４…着色領域決定部 ９５…吐出データ生成部 １００…立体物造形システム ＤＴ…ドット Ｄａｔ…モデルデータ ＦＤ…造形データ ＬＱ…インク滴 Ｎｚ…ノズル Ｏｂｊ…立体物 ａ〜ｐ…ノズル

Claims (11)

1. 吐出された後に固化して立体的なドットとして立体物の一部となるインクを用いる立体物造形装置であって、
   前記インクのインク滴を吐出する複数のノズルを備えた記録ヘッドと、
   前記複数のノズル毎に、前記吐出するインクのインク滴の固化後の前記ドットの体積または体積の増減量に相当するノズルデータを予め記憶している記憶部と、
   前記立体物を造形するための造形データを生成する造形データ生成部と、
   前記生成した造形データから、前記ノズル毎の前記インク滴の吐出を指示するインク吐出データを、前記記憶されたノズルデータに従って、前記ドットの積み重ね方向の合計高さが平均化するように、生成する吐出データ生成部と、
   を備える、立体物造形装置。
2. 前記吐出データ生成部は、前記ドットの積み重ね方向の合計高さの平均化を、前記インク滴の数の増減により行う請求項１に記載の立体物造形装置。
3. 前記吐出データ生成部は、
   ハーフトーン処理の際の階調データを減少させることで、前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルを予め生成し、
   前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルにインク滴のドットを割り当てることで前記インク滴の数の増加を可能とする、請求項２に記載の立体物造形装置。
4. 前記吐出データ生成部は、前記ドットの積み重ね方向の合計高さの平均化を、前記インク滴の大きさを変更することにより行う請求項１に記載の立体物造形装置。
5. 前記吐出データ生成部は、
   ハーフトーン処理の際の階調データを減少させることで、前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルを予め生成し、
   前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルに、前記ノズルデータに従った大きさのインク滴のドットを割り当てる請求項４に記載の立体物造形装置。
6. 複数のノズル毎に、吐出するインク滴の固化後のドットの体積または体積の増減量に相当するノズルデータを予め記憶し、
   立体物を造形するための造形データを生成し、
   前記生成した造形データから、前記ノズル毎の前記インク滴の吐出を指示するインク吐出データを、前記記憶されたノズルデータに従って、前記ドットの積み重ね方向の合計高さが平均化するように、生成する、立体物造形方法。
7. 前記ドットの積み重ね方向の合計高さの平均化を、前記インク滴の数の増減により行う請求項６に記載の立体物造形方法。
8. ハーフトーン処理の際の階調データを減少させることで、前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルを生成し、
   前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルにドットを割り当てることで前記インク滴の数の増加を可能とする請求項７に記載の立体物造形方法。
9. 前記ドットの積み重ね方向の合計高さの平均化を、前記インク滴の大きさを変更することにより行う請求項６に記載の立体物造形方法。
10. ハーフトーン処理の際の階調データを減少させることで、前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルを予め生成し、
    前記インク滴のドットが割り当てられないボクセルに、前記ノズルデータに従った大きさのインク滴のドットを割り当てる請求項９に記載の立体物造形方法。
11. 複数のノズル毎に、吐出するインク滴の固化後のドットの体積または体積の増減量に相当するノズルデータを予め記憶する機能と、
    立体物を造形するための造形データを生成する機能と、
    前記生成した造形データから、前記ノズル毎の前記インク滴の吐出を指示するインク吐出データを、前記記憶されたノズルデータに従って、前記ドットの積み重ね方向の合計高さが平均化するように、生成する機能と、
    をコンピューターに実現させる立体物造形装置の制御プログラム。

Images