JP2019018432A - 造形装置、造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェット式の造形装置は、フルカラーの造形物を高精度で造形することができる。しかしながら、造形物が大きくなると昼夜連続で数日間かかる場合もあり、例えば週末にわざわざ人手を使ってインクを貯留するインク用容器の交換をする必要が生じるなど運用が煩雑である。適切な制御でインク用容器にインクを補充可能な造形装置を提供する。【解決手段】インク供給系は、少なくともインクの重量を測定する重量測定部と、インク用容器へインクの補充が可能な補充用容器からインクを引き出しインク用容器へインクを補充するインク補充用ポンプを有し、制御部は、重量測定部により測定されたインクの重量が所定の設定値以下になる場合に、補充用容器からインク用容器へインクの補充をおこなうようインク用補充ポンプを制御し、その設定値は、変更可能であることを特徴とする造形装置。【選択図】図１

Description

本発明はインクジェット方式を用いて積層造形を行う造形装置と、造形方法に関する。

近年、立体の造形物を成型する、いわゆる３Ｄプリンタと呼ばれる造形装置が普及し始めている。３Ｄプリンタは材料を薄い層状として出力して多数積層することで、立体形状を造形する。金型無しに試作が可能なため多くの分野で利用されることが期待されている。造形方法としては、光造形法、熱溶解樹脂積層法、インクジェット方式、粉末焼結方式等が知られている。この中で、インクジェット方式はノズルから、比較的粘度の低い、例えばアクリル系の光硬化性樹脂を吐出して積層していくため、他の方法と比べて高精細な形状を出力でき、また強度等についてもインクの成分調整により変化を持たせることができるといった利点を有する。

図１０（Ａ）は、インクジェット方式による造形装置１の概念図である。（例えば、特許文献１参照）。造形装置１は、インクを吐出するインクジェットヘッド１０と、インクジェットヘッド１０を３次元方向に駆動させる走査駆動部２０と、走査駆動部２０の動きの制御や、インクの吐出等の制御をおこなう制御部３０を備える。インクジェットヘッド１０は、Ｚ方向の動きを固定した状態でＸＹ平面方向へインクを吐出することで造形台４０の上で層状に造形を行う。この際、インクとして例えば紫外線硬化樹脂を使用する場合、造形直後に紫外線をインクに照射して硬化させる。そしてＺ方向にインクを積層していくことで立体造形をおこなう。図１０（Ａ）の例では、サポート材と呼ばれる造形後に除去可能な材料を使用してサポート層４２を作成することで、オーバーハング形状、つまり積層する２つの層について、鉛直上側の層の方が、鉛直下側の層よりも広くなっている形状、の造形を行っている。

図１０（Ｂ）は、造形物４４の断面図である。造形物４４の表面は着色層４６が形成され、その内側には形状を決定する構造体が造形される。着色層４６は、例えば１００ミクロンから３００ミクロン程度の厚みの着色用インクで造形される。そしてオーバーハング部分の下側にはサポート層４２が形成される。造形物４４の表面をフルカラーで着色する場合、着側層のすぐ内側に光を反射する白色インクの層を設けることが望ましく、その厚みは２００ミクロン程度でも十分である。図１０（Ｂ）においては、構造体を造形するインクとして白色インクを使用している。一般に構造体の体積は着色層の体積よりはるかに大きいため、着色用インクと構造体の内部を造形するためのインクとでは、インクの消費量が大きく異なってくる。

特開２０１６−１６５５３公報

インクジェット式の造形装置は、フルカラーの造形物を高精度で作製することができる。しかしながら、造形物が大きくなると造形時間が極めて長くなるため、昼夜連続で数日間かかる場合もあり、インク切れの危険がある。そこで例えば週末にわざわざ人手を使ってインクを貯留するインク用容器の交換をする必要が生じる可能性がでてくるなど運用が煩雑となる。連続運転を可能にするために、仮に大型のインク用容器を用意するとしても、インクが長期間インク用容器に貯留されると、空気に触れて、酸化、腐敗、塵埃の溶け込み、顔料粒子の凝集などの劣化を生じてしまうという問題点がある。また上述のようにインクの種類によって消費量に大幅な違いがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、適切な条件でインク用容器にインクを補充可能な造形装置を提供することを目的とする。

インクの種類によって、インク用容器の大きさを変えることも一つの考え方であるが、コスト増につながる。そこで本発明では、各種類のインクについて同じ容量のインク用容器を使用し、インク用容器への継ぎ足し補充の基準だけを、インクの種類によって柔軟に変更設定可能にする。また本発明では、インクの継ぎ足し補充の基準を高い精度で設定し、且つ柔軟に変更可能にするため、少なくともインクの重量を測定する重量測定部を、各々のインクについて設けることとする。

（１）本発明は、インクを吐出することで立体的な造形物を造形する造形装置であって、互いに異なる色の前記インクを吐出する複数のインクジェットヘッドと、複数の前記インクジェットヘッドの各々へ、対応する前記インクを供給する複数のインク供給系と、複数の前記インク供給系から複数の前記インクジェットヘッドへの、前記インクの供給を制御する制御部とを備え、それぞれの前記インク供給系は、少なくともインク用容器に貯留された前記インクの重量を測定する重量測定部と、前記インク用容器へ前記インクの補充が可能な補充用容器から前記インクを引き出し、前記インク用容器へ前記インクを補充するインク補充用ポンプを有し、前記制御部は、前記重量測定部により測定された前記インクの重量が、所定の設定値以下になる場合に、前記補充用容器から前記インク用容器へ前記インクの補充をおこなうように前記インク用補充ポンプを制御し、前記設定値は、変更可能であることを特徴とする造形装置を提供する。

上記（１）に記載する発明によれば、インクの重量が使用者の決めた設定値以下になったときに補充用容器からインク用容器にインクを補充することができる。貯留されたインクの重量を測定する重量測定部を設けて、その測定値である重量に基づいてインク用容器へのインクの補充をおこなうことができると、従来よりも正確かつ適切にインクを補充することが可能になるという効果を奏する。したがって造形装置を数日間に渡って運転し続ける場合にも、途中手動でインク用容器にインクを継ぎ足す必要が無くなるという優れた効果を奏する。また当該設定値を変更することができるので、使用者がインク補充の条件をインクの種類によって変更することが可能になるという効果を奏する。また例えばインク用容器が、インクの液面検出計を備える場合には、インク補充をおこなう液面の高さを変更することにはある程度限界が生じるのに比べ、インクの重量を測定する本発明によれば、ソフトウェア的な変更のみでインク補充をおこなうタイミングを自由、且つ、容易に変えられるという極めて優れた効果を奏する。更には、ユーザーの造形内容（着色無しの造形物、単色の造形物、フルカラーの造形物、造形物内部へのカラーインクの使用等）の偏りによってインク種毎の消費頻度が異なることにも対応できるという効果をも奏する。

（２）本発明は、複数の前記インク供給系として、少なくとも、第一の前記インクを供給する第一の前記インク供給系と、第一の前記インクと異なる第二のインクを供給する第二の前記インク供給系を備え、第一の前記インク供給系に対して設定する第一の前記設定値が、第二の前記インク供給系に対して設定する第二の前記設定値よりも相対的に小さいことを特徴とする上記（１）に記載の造形装置を提供する。

全体の体積が大きく、極めて長時間の積層時間が必要な造形物の場合、大量のインクを消費することが予想されるため、すべてのインクについて各色のインクの内、最大の消費量が予想されるインクのインク量に合わせた容量の大きなインク用容器を、すべての色のインクに対して用意することが考えられる。しかし造形対象によっては、造形に使用する数種類のインクの中で、消費量に大きな差が出てくることが考えられる。例えば後述するいわゆるプロセスカラーのインクの消費量については、造形物の内部の造形、すなわち形状を決める構造体の造形に用いる、例えば白色インクの消費量に比較して、桁違いに少なくなる場合がある。各色のインクについてすべて大量消費をするインクに合わせて、容量の大きなインク用容器に貯留すると、プロセスカラーのインクが、劣化の原因となる大気との接触の多いインク用容器内にとどまる時間が極めて長時間になってしまう。

上記（２）に記載する発明によれば、少量しか使用しない第一のインクについては、インク補充の条件である設定値として軽い重量設定値にして、開封後のインクの消費期限を越えずにインクを消費していけるように調整し、短期間に大量に使用する第二のインクについては、インク補充の条件である設定値として重い重量設定値にして、頻繁にインク用容器へ補充するようにでき得る。

（３）本発明は第一の前記設定値は、第二の前記設定値の１/２０以上、且つ、１/２以下であることを特徴とする上記（２）に記載の造形装置を提供する。

フルカラーでの着色可能なインクジェット式造形装置を実現する場合に、Ｃ（Ｃｙａｎ：シアン）、Ｍ（Ｍａｇｅｎｔａ：マゼンタ）、Ｙ（Ｙｅｌｌｏｗ：イエロー）、Ｋ（Ｋｅｙ Ｐｌａｔｅ：ブラック）（以下ＣＭＹＫと省略する）という、いわゆるプロセスカラーのインクを組み合わせて造形する。このときプロセスカラーのインクは、着色用インクの下地であり構造体でもある部分を作製するために白色インクを使用する場合の白色インクと比べて少量（例えば１/２０以上、且つ、１/２以下の量）しか使用しないことが多く、プロセスカラーの中の１種のインクでは白色インクの１％程度の量しか使用しない場合もある。

上記（３）に記載する発明によれば、プロセスカラーのインクを第一のインクとし、プロセスカラー以外のインク以外の使用量の多いインクを第二のインクとするとき、インク補充の基準となる設定値について、第一の前記設定値を、第二の設定値の例えば１/２０以上、且つ、１/２以下とすることで、短期間に大量に使用するインクのインク用容器には頻繁にインク補充をおこない、比較的少量の使用にとどまるプロセスカラーのインク用容器には、開封後のインクの消費期限を越えずにインクを消費していけるように補充頻度と補充量を調整できるという効果を奏する。

（４）本発明は、第一の前記インク供給系において用いる前記インク用容器の容量と、第二の前記インク供給系において用いる前記インク用容器の容量が略等しいことを特徴とする上記（２）又は（３）に記載の造形装置を提供する。

上記（４）に記載する発明によれば、同容量のインク用容器を用いることができるので通常所定のインクを供給する各インク供給系に対して、臨時に通常と異なる種類のインクに切替えて使用することが可能になり、例えば一つのインク供給系が故障した場合にも、緊急避難的に他のインク供給系だけで出力可能とすることができる。また同じ形状、同容量のインク用容器を用いることができるので、量産効果からインク用容器の調達コストも低廉化でき、全体として低価格化に資するという効果を奏する。

なお立体造形を行う造形装置においては、長時間の連続運転をより適切に行うためには、単に大型のインク用容器を用いるのではなく、インク用容器に補充ができる容器を用いることが望ましい。これは前述したように、空気に触れることでインクが劣化してしまうのを防ぐ意味の他に、これまでのインクの使用履歴によらず、適切な運転をするためである。すなわち造形を開始する時点において、それまでの履歴、すなわち今回行う造形以前におこなった造形の内容により、各インク用容器のインクの量は、色や種類によって差が生じていることがある。そのため容量の大きなインク用容器を使用したとしても、一部のインクについて残量が少なくなっている場合もある。このような事態に対処するため、造形開始前にすべての色のインク用容器を容量の限度まで満たすことも考えられるが、上述の劣化の問題も生じる。したがってインク用容器は大型であるだけではなく、補充できることが望ましい。このとき補充用容器の容量は、インクの色、種類によって異なっても良い。また補充できないインク用容器を用いると、インクを使い果たしてしまった状態になると、一旦造形を停止して、インク用容器を交換することが必要になり、長時間の連続運転には望ましくない。

（５）本発明は、複数の互いに異なる着色用インクを用いて着色された前記造形物を造形可能であり、第一の前記インクは前記着色用インクであり、第二の前記インクは、白色インクであることを特徴とする上記（２）乃至（４）のうちのいずれかに記載の造形装置を提供する。

上記（５）に記載する発明によれば、第一のインクとして着色用インクを用い、第二のインクとして白色インクを用いることで、少なくとも着色用インクの内側に所定厚さ以上の白色インクがあることで、外部から着色用インクを透過した光が反射されて、減法混色法による多色の造形物を造形できるというという効果を奏する。また、さらに内側の構造体の形状を決定する構造体造形用のインクとして白色インクを使う場合もありうる。

（６）本発明は、複数の互いに異なる着色用インクを用いて着色された前記造形物を造形可能であり、第一の前記インクは前記着色用インクであり、第二の前記インクは、造形中の前記造形物を支えるサポート層の材料となるインクであることを特徴とする上記（２）乃至（４）のうちのいずれかに記載の造形装置を提供する。

上記（６）に記載する発明によれば、第二のインクとして造形後に除去可能な材料であるサポート層の材料となるインクを大量に用いることができるので、オーバーハング形状、つまり積層する２つの層について、鉛直上側の層の方が、鉛直下側の層よりも広くなっている形状、の造形を容易に、且つ、インク切れの危険無くおこなうことができるという優れた効果を奏し得る。

（７）本発明は、複数の互いに異なる着色用インクを用いて着色された前記造形物を造形可能であり、第一の前記インクは前記着色用インクであり、第二の前記インクは、クリア色のインクであるクリアインクであることを特徴とする上記（２）乃至（４）のうちのいずれかに記載の造形装置を提供する。

造形物の性質によっては、クリアインクを多く使用することがある。例えば、造形物の最外部、すなわち着色層の外側に透明な保護層を形成する場合がある。また白色層と着色層の間にクリア層を設けてインクが混じることを防ぐための分離層とすることもある。
更には、細い線状や薄い膜状の強度の弱い物体を造形する場合などでは、全体をクリアインクの中に埋め込んだものが造形物となる場合がある。この場合、クリアインクは着色層のための例えばプロセスカラーのインクよりも大量に消費されることになる。

上記（７）に記載する発明によれば、クリアインクを第二のインクとして使用することができるので、全体としてクリア色の造形物を容易に、且つ、インク切れの危険無くおこなうことができるという優れた効果を奏し得る。

（８）本発明は、前記インクが循環されるインク循環経路を更に備え、前記インク循環経路内に、前記インクジェットヘッドの近傍に配設されて前記インクを貯留し、前記インクジェットヘッドに前記インクを補充するサブタンクと、二つの入口からの入力を切り替えて一つの出口に出力する三方バルブを有し、前記出口側に配設され、前記サブタンクに前記インクを送り出すインクポンプが接続される第一流路と第一の前記入口側に配設され、前記インク用容器から前記インクを供給する供給経路と、第二の前記入口側に配設され、前記サブタンクから前記インクを戻す第二流路とを備え、前記サブタンク内には、前記サブタンク内の前記インクの液面を検出する液面検出センサを有し、前記制御部は、前記液面検出センサの測定値に基づいて前記三方バルブの入力を切り替えることを特徴とする上記（１）乃至（７）のうちのいずれかに記載の造形装置を提供する。

上記（８）に記載する発明によれば、インクジェットヘッドがインクを少量貯留するサブタンクを備えてサブタンク内のインク圧力を制御することで、インクジェットヘッドのノズル近傍のインク圧力を容易に調整できるようになるという優れた効果を奏する。またインクをインク用容器から供給するインク供給系と、インク循環経路を、三方バルブを介して独立させ、また緩衝のためにサブタンクを設けることで、造形中にもインクを供給の影響が少ない造形装置が実現できるという極めて優れた効果を奏し得る。

（９）本発明は、前記サブタンク内の気圧を変化させる気圧調整用ポンプをさらに有し、前記制御部は前記気圧調整用ポンプを制御して、前記サブタンクから前記インクジェットヘッドへのインクの供給の圧力を調整することを特徴とする上記（８）に記載の造形装置を提供する。

所定の色のインクによる造形停止時に、当該色のノズルから余剰インクが垂れないように、サブタンク内の気圧を負圧にすることがある。上記（９）に記載する発明によれば、サブタンク内の気圧を変化させる気圧調整用ポンプをさらに有し、制御部が気圧調整用ポンプを制御して、サブタンクからインクジェットヘッドへのインクの供給の圧力を調整することができるので、容易にサブタンク内の気圧を負圧にしてノズル近傍のインク圧力を負圧にすることで、インクが垂れないようにすることができるという優れた効果を奏する。またインク供給系からのインク供給時にも、サブタンクの気圧を精密に制御することができるので、インクジェットのノズル近傍におけるインク圧を一定に保つことができるという極めて優れた効果を奏し得る。

（１０）本発明は、前記インク循環経路内に、前記インクの脱気をおこなう脱気モジュールを有することを特徴とする上記（８）又は（９）に記載の造形装置を提供する。

インクジェットヘッドでは、インク吐出時に多数回加圧、減圧を繰り返すため、微小な気泡が発生するキャビテーション効果によりノズル内部で気泡が成長しやすい。またサブタンク内には空気が常時存在し、インク用容器の上部にも空気が滞留しており、特に大きなインク用容器では空気に触れるインクの表面積も大きい。インクは空気に触れて内部に空気を溶かし込み、キャビテーションによる気泡をより成長させ、気泡による吐出圧力の吸収でノズル詰まりやインクの着滴位置精度低下の原因となりうる。またインクとして紫外線硬化型インクを用いる場合、インクの組成によっては、空気とインクが触れることで、重合阻害等の問題が生じる場合もある。上記（１０）に記載する発明によれば、インク循環経路内にインクの脱気をする脱気モジュールを備えるので、インク循環経路内で内部に空気を溶かし込んだインクが脱気されて気泡が成長しにくくなり、故障し難くなるという優れた効果を奏する。

（１１）本発明は、前記インク循環経路内に、前記インクジェットヘッドの上流に配設される第一の前記サブタンクと、前記インクジェットヘッドの下流に配設される第二の前記サブタンクとを有することを特徴とする上記（７）乃至（１０）のうちのいずれかに記載の造形装置を提供する。

上記（１１）に記載する発明によれば、インクジェットヘッドのノズルの上流と下流にそれぞれサブタンクを備えるので、その各々のサブタンクの気圧を制御することで、容易にノズル近傍のインク圧を制御できるという効果を奏する。

（１２）本発明は、インクを吐出することで立体的な造形物を造形する造形装置であって、互いに異なる色の前記インクを吐出する複数のインクジェットヘッドと、複数の前記インクジェットヘッドの各々へ、対応する前記インクを供給する複数のインク供給系と、前記インクが循環されるインク循環経路を備え、前記インク循環経路内には、前記インクジェットヘッドの近傍に配設されて前記インクを貯留し、前記インクジェットヘッドに前記インクを補充するサブタンクと、二つの入口からの入力を切り替えて一つの出口に出力する三方バルブと、前記出口側に配設され、前記サブタンクに前記インクを送り出すインクポンプが接続される第一流路と、第一の前記入口側に配設され、インク用容器から前記インクを供給する供給経路と、第二の前記入口側に配設され、前記サブタンクから前記インクを戻す第二流路とを有し、前記インク循環経路内には、前記インクの脱気をおこなう脱気モジュールを有し、前記サブタンクには、前記サブタンク内の前記インクの液面を検出する液面検出センサを有するとともに、複数の前記インク供給系から複数の前記インクジェットヘッドへの、前記インクの供給を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記液面検出センサの測定値に基づいて前記三方バルブの入力を切り替えることを特徴とする造形装置。

インクジェット方式で用いるインクは、空気に触れると内部に空気を溶かし込みやすくなる。大きな容量のインク用容器を用いる場合、大気と触れるインクの表面積が大きくなってしまい、またノズル近傍のインク圧の調整のために、インクジェットヘッドにサブタンクを備えてインクを貯留して、気圧調整をするので、そこでもインクが大気に接触する。さらにインクジェットヘッドに供給されるインクが循環される場合には、ノズル先端のキャビテーション効果により気泡が成長する。上記（１２）に記載する発明によれば、インク循環経路内に脱気モジュールを備えて脱気することができるので、気泡が成長しにくくなり、ノズル詰まり等の故障が生じにくくなるという優れた効果を奏する。

またサブタンクの気圧を調整することができるので、インク供給時にも、サブタンクの気圧を精密に制御することができ、インクジェットのノズル近傍におけるインク圧を一定に保つことができるという極めて優れた効果を奏し得る。

さらにインクをインク用容器から供給するインク供給系と、インク循環経路を、三方バルブを介して独立させる制御が可能で、また緩衝のためにサブタンクを設けていることで、造形中にもインクを供給の影響が少ない造形が実現できるという極めて優れた効果を奏し得る。

（１３）本発明は、インクを吐出することで立体的な造形物を造形する造形方法であって、互いに異なる色の前記インクを吐出する複数のインクジェットヘッドと、複数の前記インクジェットヘッドの各々へ、対応する前記インクを供給する複数のインク供給系について、複数の前記インク供給系から複数の前記インクジェットヘッドへの、前記インクの供給を制御し、少なくともインク用容器に貯留された前記インクの重量を測定し、前記インク用容器へ前記インクの補充が可能な補充用容器から前記インクを引き出し、前記インク用容器へ前記インクを補充し、前記重量測定部により測定された前記インクの重量が、所定の設定値以下になる場合に、前記補充用容器から前記インク用容器へ前記インクの補充をおこなうように前記インク用補充ポンプを制御し、前記設定値は、変更可能であることを特徴とする造形方法を提供する。

上記（１３）に記載する発明によれば、貯留されたインクの重量を測定して、その重量に基づいて補充用容器からインク用容器にインクを補充するよう制御できる。そしてインク補充をするタイミングは、測定する重量についての閾値を設定することで決定できる。すなわち、インクの重量が所定の設定値以下になったときに、補充用容器からインク用容器にインクを補充することができるので、インクの消費量及びインク用容器にインクを貯留した際に生じるインクの劣化を考慮して、適切な設定値を選択することで、インク切れを生じないことと、インクの劣化を極力防ぐことの両立を図ることができるという優れた効果を奏し得る。

（１４）本発明は、少なくとも、第一の前記インクを供給する第一の前記インク供給系と、第一の前記インクと異なる第二のインクを供給する第二の前記インク供給系について、第一の前記インク供給系に対して設定する第一の前記設定値が、第二の前記インク供給系に対して設定する第二の前記設定値よりも相対的に小さいことを特徴とする請求項１３に記載の造形方法を提供する。

少量しか使用しない、例えばプロセスカラーのインクを第一のインクとし、大量なインクを短時間の間に使用する可能性が高い構造体造形用の、例えば白色インクを第二のインクとする場合を考える。上記（１４）に記載する発明によれば、少量しか使用しない第一のインクについては、インク補充の条件である設定値として軽い重量設定値にして、開封後のインクの消費期限を越えずにインクを消費していけるように調整し、短期間に大量に使用する第二のインクについては、インク補充の条件である設定値として重い重量設定値にして、頻繁にインク用容器へ補充するようにできるという極めて優れた効果を奏する。

なお上記（１３）、及び、（１４）の造形方法は、造形物の製造方法と考えることもできる。

本発明の請求項１〜１４記載の造形装置と、造形方法によれば、インクの重量が使用者の決めた設定値以下になったときに補充用容器からインク用容器にインクを補充することができる。貯留されたインクの重量を測定する重量測定部を設けて、その測定値である重量に基づいてインク用容器へのインクの補充をおこなうことができると、従来よりも正確かつ適切にインクを補充することが可能になるという効果を奏する。したがって造形装置を数日間に渡って運転し続ける場合にも、途中で人手をかけてインク用容器にインクを継ぎ足す必要が無くなりインク切れを気にせずに造形が続けられる。また無駄に多くのインクをインク用容器に貯留させないで済むため、インクがインク用容器内で空気に触れることで劣化してしまうことをできるだけ防ぐことが可能になるという優れた効果を奏する。また当該設定値を変更することができるので、使用者がインク補充の条件をインクの種類によって自在に変更することが可能になるという優れた効果を奏しうる。

本発明の実施形態に係る造形装置のブロック図である。 造形装置の詳細説明図である。 インク供給系の説明図である。 インク循環系の説明図である。 エア供給制御部の説明図である。 （Ａ）三方バルブの接続を説明する説明図である。（Ｂ）本発明の実施形態にかかる造形装置におけるキャリッジ内の複数のサブタンクと、それに接続される複数のノズルの説明図である。（Ｃ）サブタンク内の液面検出動作説明図である。 サブタンク内の気圧制御を説明する図表である。 （Ａ）エア供給制御部による負圧保持制御について説明する図表である。（Ｂ）二つのサブタンクにおける圧力の時間変化を説明するグラフである。 （Ａ）サブタンクを正圧制御してパージをおこなう動作の説明図である。（Ｂ）パージ後、サブタンク内を負圧制御した状態の説明図である。（Ｃ）エア供給制御部による正圧保持制御について説明する図表である。 （Ａ）インクジェット方式による造形装置の概念図である。（Ｂ）インクジェット方式によって着色された造形物の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１〜図９は発明を実施する形態の一例であって、図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わす。なお、各図において一部の構成を適宜省略して、図面を簡略化する。そして、部材の大きさ、形状、厚みなどを適宜誇張して表現する。

図１は、本発明の実施形態にかかる造形装置１の全体像を説明するブロック図である。造形装置１はインクを吐出することで立体的な造形物を造形する造形装置であり、互いに異なる色のインクを吐出する複数のインクジェットヘッド１６０（図２、図６（Ｂ）参照）を備える。インクジェットヘッド１６０は、キャリッジ７０（図２参照）により保持されて、走査され造形を行う。複数のインクジェットヘッド１６０へは、対応するそれぞれのインクを供給する複数のインク供給系５０等が接続される。つまり造形装置１は、図１で示すように、インクジェットヘッド１６０の各々へ、対応するインクを供給する複数のインク供給系５０を備えるインク供給ユニット４００と、対応するインクが循環される複数のインク循環経路１４５を備えるインク循環ユニット５００を有する。インク循環ユニット５００については、エア経路２００を通じて少なくとも一つのエア供給制御部８０によって、後述するサブタンク１６２及びサブタンク１６４内の気圧が制御され、結果的にインクジェットヘッド１６０にあるノズル近傍のインク圧が精密に調整される。なおインク供給ユニット４００、インク循環ユニット５００、及びエア供給制御部８０は制御部３０によって適宜制御される。

なお制御部３０はＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどから構成され、各種制御を実行する。ＣＰＵはいわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて様々な機能を実現する。ＲＡＭはＣＰＵの作業領域、記憶領域として使用され、ＲＯＭはＣＰＵで実行されるオペレーティングシステムやプログラムを記憶する。

インク供給ユニット４００には、互いに異なる色のインクごとに、インク供給系５０Ａ〜インク供給系５０Ｈの、例えば８つのインク供給系５０が配設される。そしてそのそれぞれのインク供給系５０Ａ〜インク供給系５０Ｈが、対応するインクについての、例えば８つのインク循環経路１４５Ａ〜インク循環経路１４５Ｈのそれぞれに、供給経路１３０Ａ〜供給経路１３０Ｈを介して接続される。このとき造形時に比較的消費量の少ない４つの色のインク群を第一のインクとし、第一のインクと異なる色のインクを第二のインクとすると、インク供給ユニット４００とインク循環ユニット５００は、それぞれ第一のインク系統６００と、第二のインク系統７００に分類される。すなわち、例えばプロセスカラーであるＣＭＹＫそれぞれの着色用インクは第一のインク系統６００とし、例えば白色インクやクリアインク、サポート層の材料であるインク等を第二のインク系統７００とする。

なお、着色用インクは、ＣＭＹＫの各色、又は、いわゆるプロセスカラーの各色のインクである。また着色用インクは減法混色でフルカラーを表現するための基本色である。言い換えれば、着色用インクは複数の有彩色、及び、黒色のインクである。また白色インクは、造形物の内部で減法混色法に必要な光反射性の領域の形成に用いるインクであり、少なくとも着色層の内側に配置するインクである。

図２は、造形装置１の詳細説明図である。ただしここでは簡単のために、複数あるうちの一つの色のインクについてのインク供給系５０、インク循環経路１４５、及びエア供給制御部８０の説明図を示す。エア供給制御部８０は、複数のインク循環経路１４５に対して一つ、共通に設けられる。すなわち例えば８つのインク循環経路１４５に対して、一つのエア供給制御部８０のみでインク圧の制御を行う。もちろんそれぞれのインク循環経路１４５に対して、それぞれの色に対応するエア供給制御部８０を有しても良いし、例えば第一インク系統６００（図１参照）に一つ、第二インク系統７００（図１参照）に一つ、それぞれエア供給制御部８０を設けても良い。造形装置１は、インクを供給するインク供給系５０と、インクが循環するインク循環経路１４５と、インク圧を制御するエア供給制御部８０と、造形装置１全体の制御を行う制御部３０を備える。またこのうち、インク循環経路１４５の一部と、インクジェットヘッド１６０を少なくとも保持するキャリッジ７０等を備える。

簡単に言えば、インク供給系５０が供給経路１３０を介してインクをインクジェットヘッド１６０へ供給し、インク経路制御部６０がインク経路におけるインクの流れを制御し、エア供給制御部８０が、インクジェットヘッドにおけるインク圧を制御する。そして制御部３０が造形装置１全体を制御する。

図３は、一つの色のインクについてのインク供給系５０の説明図である。ここでは簡単のため８つある内の１つの色のインクのインク供給系５０について説明を行う。インク供給系５０は、インクが貯留されたインク用容器１００と、インク用容器１００に貯留されたインクの重量を測定する重量測定部１２０と、インク用容器１００へインクの補充が可能な補充用容器９０と、インク用容器１００へインクの補充が可能な補充用容器９０からインクを引き出し、インク用容器１００へインクを補充するインク補充用ポンプ１１０を備える。制御部３０（図２参照）は、重量測定部１２０により測定される、貯留されたインクの重量が、所定の設定値以下になる場合に、補充用容器９０からインク用容器１００へインクの補充をおこなうようにインク用補充ポンプ１１０を制御する。所定の設定値は使用者が予め変更することが可能である。

ここで重量測定部１２０は、少なくともインクの重量を測定するとしたが、その方法は適宜選択して良い。例えばインクを貯留するインク用容器１００について、空の状態の重量を予め測定しておくことが考えられる。造形装置１の運転時において重量測定部１２０によって、インクを貯留した状態のインク用容器１００全体の重量を測定し、予め測定しておいた空の状態であったインク用容器１００の重量を差し引くことでインクの重量を求めても良い。また常に同じ重量のインク用容器１００を用いるとすれば、インクの重量とインク用容器１００の重量を合わせた重量について設定値を設けて、その設定値に基づいて補充用容器９０からインク用容器１００へのインクの供給をおこなってもよい。

またインク用容器１００の出口側経路中には、インクを通過させるフィルタ５５を備え、インクをインク経路制御部６０に供給する経路である供給経路１３０により、インク供給系５０とインク経路制御部６０が接続されインクの供給が実現される。接続部には後述する供給経路１３０が配設され、インク供給系５０とインク循環経路１４５を独立させる。

なお少なくとも白色インクのインク用容器１００にはインクを撹拌する撹拌部５７を備え、容器内のインクを攪拌する。

ここで第一のインクを、例えばプロセスカラーであるＣＭＹＫそれぞれの着色用インクとし、第二のインクを白色インクやクリアインク、サポート層の材料であるインク等とするとき（図１参照）、第一のインクを供給する第一のインク供給系に対して設定する第一の設定値は、例えば白色インクである第二のインクを供給する第二のインク供給系に対して設定する第二の設定値よりも小さい。具体的には第一の設定値は、第二の設定値の例えば１/２０以上、且つ、１/２以下である。もちろんそれぞれの設定値は、インクの種類に応じて適宜使用者が設定してよい。

また第一のインク供給系５０Ａ〜インク供給系５０Ｄにおいて用いるインク用容器１００の容量と、第二のインク供給系５０Ｅ〜インク供給系５０Ｈにおいて用いるインク用容器１００の容量は互いに略等しい。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、インクの重量が使用者の決めた設定値以下になったときに補充用容器からインク用容器にインクを補充することができる。貯留されたインクの重量を測定する重量測定部１２０を設けて、その測定値である重量に基づいてインク用容器１００へのインクの補充をおこなうことができると、従来よりも正確かつ適切にインクを補充することが可能になるという効果を奏する。したがって造形装置１を数日間に渡って運転し続ける場合にも途中でインク用容器１００に手動でインクを継ぎ足す必要が無くなるという優れた効果を奏する。また当該設定値を変更することができるので、使用者がインク補充の条件をインクの種類によって変更することが可能になるという効果を奏する。また例えばインク用容器が、インクの液面検出計を備える場合には、インク補充をおこなう液面の高さを変更することにはある程度限界が生じるのに比べ、インクの重量を測定する本発明によれば、ソフトウェア的な変更のみでインク補充をおこなうタイミングを自由、且つ、容易に変えられるという極めて優れた効果を奏する。

全体の体積が大きく、極めて長時間の積層時間が必要な造形物４４（図１０参照）の場合、大量のインクを消費することが予想されるため、すべてのインクの内、最大の消費量が予想されるインクのに合わせた容量の大きなインク用容器１００を、すべての色のインクに対して用意することが考えられる。しかし造形対象によっては、造形に使用する数種類のインクの中で、消費量に大きな差が出てくることが考えられる。例えばいわゆるプロセスカラーのインクの消費量については、造形物４４の内部の造形、すなわち形状を決める構造体の造形に用いる、例えば白色インクの消費量に比較して、桁違いに少なくなる場合がある。各色のインクについてすべて大量消費をするインクに合わせて、容量の大きなインク用容器１００に貯留すると、プロセスカラーのインクが、劣化の原因となる大気との接触の多いインク用容器１００内にとどまる時間が極めて長時間になってしまう。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、少量しか使用しない第一のインクについては、インク補充の条件である設定値として軽い重量設定値にして、開封後のインクの消費期限を越えずにインクを消費していけるように調整し、短期間に大量に使用する第二のインクについては、インク補充の条件である設定値として重い重量設定値にして、頻繁にインク用容器１００へ補充するようにでき得る。

フルカラーでの着色可能なインクジェット式造形装置を実現する場合に、プロセスカラーであるＣＭＹＫのインクを組み合わせて造形する。このときプロセスカラーのインクは、着色用インクの光反射層であり構造体でもある部分を造形するために使用する白色インクと比べて少量（例えば１/２０以上、且つ、１/２以下の量）しか使用しないことが多く、１色のインクの場合では白色インクの１％程度の量しか使用しない場合もある。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、プロセスカラーのインクを第一のインクとし、白色インクを第二のインクとするとき、インク補充の基準となる設定値について第一の設定値を、例えば第二の設定値の１/２０以上、且つ、１/２以下とすることで、短期間に大量に使用する白色インクのインク用容器には頻繁にインク補充をおこない、比較的少量の使用にとどまるプロセスカラーのインク用容器には、開封後のインクの消費期限を越えずにインクを消費していけるように補充頻度と補充量を調整できるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、同容量のインク用容器１００を用いることができるので通常所定のインクを供給する各インク供給系５０に対して、臨時に通常と異なる種類のインクに切替えて使用することが可能になり、例えば一つのインク供給系５０が故障した場合にも、緊急避難的に他のインク供給系５０だけで出力可能とすることができる。また同じ形状、同容量のインク用容器１００を用いることができるので、量産効果からインク用容器１００の調達コストも低廉化でき、全体として低価格化に資するという効果を奏する。

なお立体造形を行う造形装置１においては、長時間の連続運転をより適切に行うためには、単に大型のインク用容器１００を用いるのではなく、インク用容器１００に補充ができる容器を用いることが望ましい。これは前述したように、空気に触れることでインクが劣化してしまうのを防ぐ意味の他に、これまでのインクの使用履歴によらず、適切な運転をするためである。すなわち造形を開始する時点において、それまでの履歴、すなわち今回行う造形以前におこなった造形の内容により、各インク用容器１００のインクの量は、色によって差が生じていることがある。そのため容量の大きなインク用容器１００を使用したとしても、一部の色のインクについて残量が少なくなっている場合もある。このような事態に対処するため、造形開始前にすべての色のインク用容器１００を容量の限度まで満たすことも考えられるが、上述の劣化の問題も生じる。したがってインク用容器１００は大型であるだけではなく、補充できることが望ましい。このとき補充用容器９０の容量は、インクの色、種類によって異なっても良い。また補充できないインク用容器１００を用いることは、インクを使い果たしてしまった状態になると、一旦造形を停止して、インク用容器１００を交換することが必要になり、長時間の連続運転には望ましくない。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、同容量のインク用容器１００を用いることができるので通常所定のインクを供給する各インク供給系５０に対して、臨時に通常と異なる種類のインクに切替えて使用することが可能になり、例えば一つのインク供給系５０が故障した場合にも、緊急避難的に他のインク供給系５０だけで出力可能とすることができる。また同じ形状、同容量のインク用容器１００を用いることができるので、量産効果からインク用容器１００の調達コストも低廉化でき、全体として低価格化に資するという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、第一のインクとして着色用インクを用い、第二のインクとして着色用インクの内側に白色インクの層を形成することで、多色の造形物を造形できるというという効果を奏する。また構造体の形状を決定する構造体造形用のインクとしても白色インクを使う場合もありうる。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、第二のインクとして造形後に除去可能な材料であるサポート層の材料となるインクを大量に用いることができるので、オーバーハング形状、つまり積層する２つの層について、鉛直上側の層の方が、鉛直下側の層よりも広くなっている形状、の造形を容易に、且つ、インク切れの危険無くおこなうことができるという優れた効果を奏し得る。

造形物の性質によっては、クリアインクを多く使用することがある。例えば、造形物の最外部、すなわち着色層の外側に透明な保護層を形成する場合がある。また白色層と着色層の間にクリア層を設けてインクが混じることを防ぐための分離層とすることもある。更には、細い線状や薄い膜状の強度の弱い物体を造形する場合などでは、全体をクリアインクの中に埋め込んだものが造形物となる場合がある。この場合、クリアインクは着色層のための例えばプロセスカラーのインクよりも大量に消費されることになる。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、クリアインクを第二のインクとして使用することができるので、全体として透明な造形物を容易に、且つ、インク切れの危険無くおこなうことができるという優れた効果を奏し得る。

次に図４により、インクが循環されるインク循環経路１４５を説明する。ここでも簡単のため８つある内の１つのインクのインク循環経路１４５について説明をおこなう。インク循環経路１４５内には、インク経路を制御するインク経路制御部６０と、インク経路制御部６０を含む第一流路１５６と、インクジェットヘッド１６０を保持するキャリッジ７０と、キャリッジ７０から続く第二流路１７０と、インク供給系５０とインク循環経路１４５とを接続する供給経路１３０の分岐点である三方バルブ１４０が配設される。

まずインク経路制御部６０について説明する。

インク経路制御部６０においてインク供給系５０から供給されるインクは、三方バルブ１４０からインクポンプ１５０へと送出される。二つの入口からの入力を切り替えて一つの出口に出力する三方バルブ１４０の動作については図６（Ａ）において詳述する。インク経路制御部６０は、三方バルブ１４０と、三方バルブ１４０の出口側に配設され、サブタンク１６２にインクを送り出すインクポンプ１５０が接続される、インク循環経路１４５の一部である第一流路１５６と、インクを通すことでインク中のゴミや凝集して粗大化した色素を通さないフィルタ１５２と、インクを脱気する脱気モジュール１５４を備える。インクポンプ１５０近傍で第一のサブタンク１６２に向かう流路から枝分かれさせてインク排出ポート１５８を設ける。

全体のインク流路の中では、特に脱気モジュール１５４内部の中空糸とインクジェットヘッド１６０のノズルの流路が狭いので、フィルタ１５２は脱気モジュール１５４の上流側に配置する。従って、第一流路１５６内のインクポンプ１５０から見て第一のサブタンク１６２側に向かって、順番にフィルタ１５２、脱気モジュール１５４を備えることが望ましい。

次にキャリッジ７０について説明する。キャリッジ７０は、インクジェットヘッド１６０を保持する。キャリッジ７０には第一流路１５６が接続する第一のサブタンク１６２と、インクを吐出するノズル（後述の図６（Ｂ）参照）を有するインクジェットヘッド１６０と、インクジェットヘッド１６０の下流側に配設される第二のサブタンク１６４と、第二のサブタンク１６４から三方バルブ１４０にインクを循環させる第二流路１７０が配設される。第一のサブタンク１６２と第二のサブタンク１６４は、インクジェットヘッド１６０の近傍、すなわち例えばキャリッジ７０内に配設されてインクを貯留し、インクジェットヘッド１６０にインクを補充する。

また第一のサブタンク１６２と、第二のサブタンク１６４には、気圧を制御するエア経路１６５がそれぞれ接続され、エア経路１６５はエア供給制御部８０に接続される。エア経路１６５は、誤ってインクが逆流することを防止し、且つエア中のゴミがサブタンク１６２、１６４に入るのを防ぐ逆流防止フィルタ１６６と、上流側二方バルブ１９４と、下流側二方バルブ１９６を備える。

なお立体造形を行う、本発明の実施形態に係る造形装置１では、インクを大量に使用するため、キャリッジ７０にはインク用容器１００を載せることはせず、キャリッジ７０の軽量化を図り、高速造形を可能としている。なおキャリッジ７０にインクジェットヘッド１６０と一体化したインク用容器１００を備えると、インク圧の調整が容易であるというメリットはあるが、インク用容器１００として大型で重い容器を載せると走査するために大きなエネルギーが必要になるため、造形速度を上げることが困難になるというデメリットを持つ。インク用容器１００とインクジェットヘッド１６０の間の経路が長くなる本実施形態に係る造形装置１では、後述するようにエア供給制御部８０によって、インク圧を適切に制御する。

また、造形装置１はインク循環経路１４５内に、インクジェットヘッド１６０の上流に配設される第一のサブタンク１６２と、インクジェットヘッド１６０の下流に配設される第二のサブタンク１６４を有する。このような構造にすると、第一のサブタンク１６２内の気圧を第二のサブタンク１６４内の気圧より高めることで、第一のサブタンク１６２からインクジェットヘッド１６０を経由して、第二のサブタンク１６４へインクが循環する流れが実現されるとともに、インクジェットヘッド１６０内に於けるインク圧の調整が可能になる。

図５は、エア供給制御部８０の説明図である。エア供給制御部８０は、エア経路１６５（図４参照）を介してキャリッジ７０に接続され、第一のサブタンク１６２と第二のサブタンク１６４の気圧を制御することで、間接的にインク圧を調整する。すなわち造形装置１は、サブタンク内の気圧を変化させる気圧調整用ポンプとして第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２及び第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４をさらに有し、制御部３０は第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２及び第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４を制御して、サブタンクからインクジェットヘッド１６０へのインクの供給の圧力を調整する。エア供給制御部８０は、負圧制御を行う第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２と、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４と、急激な気圧変化を防ぐための大チャンバ１８０及び大チャンバ１８２を有する。また大気開放用の正圧用スロットルバルブ１９８を有し、制御部３０による圧力制御のため、上流側三方バルブ１９０と、下流側三方バルブ１９２と、正圧センサ１８５と、負圧センサ１８６と、負圧センサ１８７を備える。第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２と、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４は、複数のインクジェットヘッド１６０において共通に使用される。上流側三方バルブ１９０と、下流側三方バルブ１９２の動作及び具体的な制御については後述する。

なお各ポンプ運転中のエアの向きは図５の矢印で示す。すなわち第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２については、ポンプ運転中には第一のサブタンク１６２に押し込む向きにエアは流れ、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４については、ポンプ運転中には第二のサブタンク１６４からエアを引き抜く向きにエアは流れる。

図６（Ａ）は三方バルブ１４０の接続を説明する説明図である。三方バルブ１４０は、二つの入口、すなわち第一の入口と第二の入口からの入力を切り替えて、一つの出口に出力する。三方バルブ１４０の出口１４３には、サブタンク１６２にインクを送り出すインクポンプ１５０が接続される第一流路１５６が接続され、インク用容器１００から前インクを供給する供給経路１３０が第一の入口１４１に接続され、第二のサブタンク１６４からインクを戻す第二流路１７０が第二の入口１４２に接続される。

インクが循環している状態で、制御部３０は三方バルブ１４０に対して、供給経路１３０からの第一の入口１４１を閉じ、キャリッジ７０側の第二の入口１４２を開いて、出口１４３から矢印の向きに第一流路１５６へ送出することでインクを循環させる制御を行う。すなわち循環状態においてインクは、第一流路１５６内のインクポンプ１５０から第一のサブタンク１６２、インクジェットヘッド１６０、第二のサブタンク１６４を順に経由して、第二流路１７０を通じて再びインクポンプ１５０に戻る向きに循環する。またインクがインク供給系５０から供給される場合、制御部３０は、三方バルブ１４０はキャリッジ７０側の第二の入口１４２を閉じ、インク供給系５０側の第一の入口１４１を開放して、出口１４３から、第一流路１５６へと矢印の向きにインクを送出する制御を行う。インクの供給時間は、例えば１０秒以内である。このときインクポンプ１５０は運転を一旦停止することが望ましい。このような制御をすることで、インク用容器１００からのインク供給をおこなっている間も、造形自体は連続しておこなうことができる優れた効果を奏する。

図６（Ｂ）は、本発明の実施形態にかかる造形装置１におけるキャリッジ７０内の複数のサブタンクと、それに接続される複数のノズルの説明図である。キャリッジ７０は、各色のインクに対応する、例えば８つのインクジェットヘッド１６０を備える。図６（Ｂ）には、第一のインクを吐出するインクジェットヘッド１６０Ａと、第二のインクを吐出するインクジェットヘッド１６０Ｂを示す。インクジェットヘッド１６０Ａは、第一のインクを吐出する第一ノズル列２０２Ａと、第二ノズル列２０４Ａを備え、第一のサブタンク１６２Ａと、第二のサブタンク１６４Ａに接続されて、インクは第一のサブタンク１６２Ａから第二のサブタンク１６４Ｂへと移動する。インクジェットヘッド１６０Ｂは、第二のインクを吐出するが、構成はインクジェットヘッド１６０Ａと同様なので説明を省略する。

本実施形態では、第一ノズル列２０２と第二ノズル列２０４とを合わせた構成について、インクジェットヘッド１６０と考えている。この場合、インクジェットヘッド１６０については、例えば、一つのインク用容器１００からインクの供給を受けてインクを吐出する部分等と考えることができる。また、構成の分け方によっては、例えば、第一ノズル列２０２や第二ノズル列２０４の内の一つのノズル列に対応する構成を、インクジェットヘッド１６０と考えてもよい。この場合、本実施形態におけるインクジェットヘッド１６０については、例えば、複数のインクジェットヘッド１６０により構成される複合ヘッド等と考えることができる。

なお第一のサブタンク１６２と、第二のサブタンク１６４の容量は、それぞれおおよそ２０ｍｌ程度である。

図６（Ｃ）は、サブタンク内の液面検出動作の説明図である。第一のサブタンク１６２は、インク２１４を貯留し、液面検出センサ２１０を有してインクの液面に浮かぶフロート２１２の位置を検出する。インク２１４の上部にはエア２１５があり、エア経路１６５を通じてエア供給制御部８０に接続される。液面検出センサ２１０の検出結果に基づいて、インク２１４の量が少ないと制御部３０が判断する場合には、インク供給系５０からインク循環経路１４５にインクを供給し、十分にインク２１４があると判断すればインクの供給をせず、インクが循環するように制御部３０は制御を行う。すなわちサブタンク内には、サブタンク内のインクの液面を検出する液面検出センサを有し、制御部３０は、液面検出センサの測定値に基づいて三方バルブ１４０の入力を切り替える。

具体的には、制御部３０が液面検出センサ２１０によって第一のサブタンク１６２内のインクが少ないことを検出すると、制御部３０は、三方バルブ１４０（図６（Ａ）参照）において、キャリッジ７０側の第二の入口１４２を閉じ、インク供給系５０側の第一の入口１４１を開放して、出口１４３から、第一流路１５６へと矢印の向きにインクを供給する。制御部３０が液面検出センサ２１０によって第一のサブタンク１６２内のインク量が適正であることを検出すると、制御部３０は、三方バルブ１４０において、インク供給系５０側の第一の入口１４１を閉じて、キャリッジ７０側の第二の入口１４２を開放し、出口１４３から第一流路１５６へと矢印の向きにインクを循環させる。このような構成にすることで、連続運転を妨げること無く、インク供給系５０からインク循環経路１４５へインクを供給することができる。

なお本実施形態では第一のサブタンク１６２に液面検出センサ２１０を配置したが、第二のサブタンク１６４に配置しても良い。

次に、上記した実施の形態の動作を図７及び図８で説明する。

図７は、サブタンク内の気圧制御を説明する図表である。サブタンク内の圧力を現状維持したい場合、すなわち圧力制御を停止したい場合には、サブタンク内の気圧調整をおこなわないので、エア２１５に繋がるエア経路１６５は、大気圧にすることが望ましい。そこで上流側三方バルブ（加圧切替三方弁）１９０は、第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２からの経路を切り離して、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側に切り替える。同時に下流側三方バルブ（負圧切替三方弁）１９２も、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４からの経路を切り離して、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側に切り替える。負圧保持制御を行いたい場合には、上流側三方バルブ（加圧切替三方弁）１９０は、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側に切り替えたまま、下流側三方バルブ（負圧切替三方弁）１９２は、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側を切り離して、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４からの経路に切り替える。こうすることで、下流の第二のサブタンク１６４側のエアが下流側三方バルブ１９２を通じて、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４から大気中に吸い出され、第二のサブタンク１６４内は負圧となる。一方、正圧保持制御を行いたい場合には、上流側三方バルブ（加圧切替三方弁）１９０は、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側を切り離して、サブタンク１６２側に切り替え、下流側三方バルブ（負圧切替三方弁）１９２は、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４からの経路を切り離して、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側に切り替える。こうすることでエアが正圧用スロットルバルブ１９８から吸い込まれて、第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２により、第一のサブタンク１６２へ送出されて、第一のサブタンク１６２内の正圧を維持する。また第二のサブタンク１６４側は、正圧用スロットルバルブ１９８からのエアを引き込むことになる。すなわち二つのサブタンクの経路内気圧をまとめて一系統で制御する。

以上のような動作をすることで、インクジェットヘッド１６０内のインク圧を、第一のサブタンク１６２と第二のサブタンク１６４内の気圧調整を通じて、制御することが可能になる。

図８（Ａ）は、制御部３０による負圧保持制御を説明する。負圧センサ１８７で、所定の圧よりも気圧が高い場合、制御部３０は、下流側三方バルブ（負圧切替三方弁）１９２について、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側を切り離して、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４からの経路に切り替える。そして第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４の回転数を上げ、第二のサブタンク１６４の気圧を下げる。負圧センサ１８７が適正負圧の場合には現状を維持すれば良いので、制御部３０は、下流側三方バルブ（負圧切替三方弁）１９２については、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４からの経路側に切り替えたままにして、負圧センサ１８７の回転速度は維持する。負圧センサ１８７において、所定の圧よりも気圧が低い場合には、制御部３０は、下流側三方バルブ（負圧切替三方弁）１９２について、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４からの経路を切り離して、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側へ切り替える。そして第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４を停止する。

図８（Ｂ）は、二つのサブタンクにおける圧力の時間変化を説明するグラフである。まず造形装置１の運転開始直後は、第一のサブタンク１６２の気圧も、第二のサブタンク１６４の気圧も正圧からスタートして、制御部３０がエア供給制御部８０の制御をおこなう。このとき前述のように、制御部３０は、下流側三方バルブ（負圧切替三方弁）１９２について、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側を切り離して、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４からの経路に切り替え、第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４の運転を行う。そして下流側二方バルブ１９６は開放状態にする。造形装置１が、インクジェットヘッド１６０からインクを吐出して造形を行っている間（造形時）は、第二のサブタンク（下流側サブタンク）１６４は適正圧である、例えば−４．７ｋＰａ±０．４ｋＰａに維持され、第一のサブタンク（上流側サブタンク）１６２も、適正圧である、例えば０ｋＰａ±０．４ｋＰａに維持される。造形を一旦停止して再開が見込まれる場合（停止時）には、第二のサブタンク（下流側サブタンク）１６４は適正圧である、例えば−４．７ｋＰａ±０．４ｋＰａに維持され、第一のサブタンク（上流側サブタンク）１６２も、適正圧である、例えば０ｋＰａ±０．４ｋＰａに維持される。

なお制御対象のインクジェットヘッド１６０はインク充填済みであることを前提とする。

図９（Ａ）は、サブタンクを正圧制御してパージをおこなう動作の説明図である。エア経路２００から正圧を掛ける、パージ制御は、サブタンク内のインクをインクジェットヘッド１６０に押し込みたいインク充填とクリーニング時と、インクの流路、サブタンク、インクジェットヘッド１６０内のインク及び洗浄液をノズルから押し出したい時である。具体的には、インクのインクジェットヘッド１６０への充填時、インクジェットヘッド１６０のクリーニング時、インクの交換時などの場面である。

まずエア経路３４０からエアを送り込み、サブタンク３２０の内部を正圧とする。そしてサブタンク３２０内に貯留されたインクをインクジェットヘッド１６０に押しだし、インクジェットヘッド１６０のノズル（図示省略）からインク３６０を吐出する。

図９（Ｂ）は、パージ後、サブタンク内を負圧制御した状態の説明図である。パージを一定時間行った後、エア経路３４０からエアを引き抜くことで、サブタンク３２０内の気圧を負圧にする。この動作により、インクジェットヘッド１６０からインクが垂れ落ちることを防ぐ。

図９（Ｃ）は、エア供給制御部８０による正圧保持制御の動作を説明するグラフである。

インクに正圧をかけるパージ制御は、第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２を運転し、所定の気圧、例えば３ｋＰａ±０．２ｋＰａを一定の時間かけておこなう。具体的には、制御部３０は上流側三方バルブ（加圧切替三方弁）１９０について、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側から切り離して、サブタンク１６２側に切り替え、第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２を運転開始させる。このとき正圧作成時には上流側二方バルブ１９４は閉鎖状態にする。次に第一のサブタンク１６２に正圧をかけ、維持するように、上流側二方バルブ１９４を開放し、指定時間の間、気圧を維持する。そして指定時間経過後、サブタンク内の圧力を下げるべく、第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２を停止して、上流側三方バルブ（加圧切替三方弁）１９０について、サブタンク１６２側から切り離して、大気圧開放用の正圧用スロットルバルブ１９８側に切り替え、逆流防止フィルタ１６６を大気開放状態にする。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、インクジェットヘッド１６０がインクを少量貯留するサブタンクを備えてサブタンク内のインク圧力を制御することで、ノズル２０２及びノズル２０４近傍のインク圧力を容易に調整できるようになるという優れた効果を奏する。

所定のインクによる造形停止時に、当該ノズルから余剰インクが垂れないように、サブタンク内の気圧を負圧にすることがある。本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、サブタンク内の気圧を変化させる気圧調整用ポンプをさらに有し、制御部３０が第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７２や第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ１７４といった気圧調整用ポンプを制御して、サブタンクからインクジェットヘッド１６０へのインクの供給の圧力を調整することができるので、容易にサブタンク内の気圧を負圧にしてノズル近傍のインク圧力を負圧にすることで、インクが垂れないようにすることができるという優れた効果を奏する。

インクジェットヘッド１６０では、キャビテーション効果によりノズル内に気泡が発生する。またサブタンク内には空気が常時存在し、インク用容器１００の上部にも空気が滞留しており、特に大きなインク用容器１００では空気に触れるインクの表面積も大きい。インクは、酸素に触れると数十ミクロンの径を持つ凝集体を形成し、ノズル詰まりや出力精度低下の原因となる。本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、インク循環経路１４５内のインクの脱気をする脱気モジュール１５４を備えるので、インクが脱気されてキャビテーション効果による気泡の発生を抑えて、且つインクが凝集しにくくなり、故障し難くなるという優れた効果を奏する。

本発明の実施形態に係る造形装置１によれば、インクジェットヘッド１６０のノズルの上流と下流にそれぞれサブタンクを備えるので、その各々のサブタンクの気圧を制御することで、容易にノズル２０２やノズル２０４近傍のインク圧を制御できるという効果を奏する。

尚、本発明の造形装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記した実施形態では、第一のサブタンク１６２と第二のサブタンク１６４の圧力は、エア供給制御部８０の気圧調整用ポンプにより制御をおこなっているが、いわゆる機械式ダンパによる圧力調整をおこなっても良い。

また、重量測定部１２０の設定値による、補充用容器９０からインク用容器１００へのインクの補充については、インクの重量が所定の設定値よりも少なくなったときに、制御部３０がインク補充用ポンプ１１０を運転して補充をおこなう実施形態を説明したが、実施形態としてはこれに限らない。すなわち、各色のインクのインク用容器１００について、設定値として下限であって、その設定値以下になったら補充用容器９０からインク用容器１００にインクを補充する閾値である下限設定値と、設定値として上限であって、その設定値以上になったら補充用容器９０からインク用容器１００へのインクの補充を停止する閾値である上限設定値を、それぞれ設けて、インク補充開始と、インク補充停止を制御しても良い。この場合、インク消費量の少ないことが見込まれる着色用インクについては、下限設定値と上限設定値の差を小さくすることで、補充頻度を高め、空気に触れるインク用容器１００内にインクのとどまる時間を少なくすることが考えられる。このとき補充用容器９０は、不活性ガスで充填しておいて劣化を防ぐ容器であることが望ましい。その他、消費するインク量を、制御部３０が造形物のいわゆる３Ｄデータから見積もって、各色のインクについて下限設定値及び上限設定値を設定しても良い。また、補充したインク量から、制御部３０が補充用容器９０に残存しているインク量を見積もり、使用者に補充用容器９０の交換を促す警告をしても良い。

例えば、別の変形実施例としては、インク用容器１００のインク量については、重量測定部１２０により測定されたインクの重量に基づく精密な制御ではなく、例えばインク用容器１００の内部に設けた浮き（フロート）と、インクの液面検出装置による制御をおこなってもよい。またインク供給系５０からインク経路制御部６０やキャリッジ７０へのインクの供給方法によらず、上述の実施形態と同様なインク循環経路の構成としても良い。

また上記した本発明の実施形態では、重量測定部１２０において、インク用容器１００に貯留されたインクの重量を測定し、それに対する設定値で、インクの補充の可否を決定していたが、その態様だけに限らない。例えば変形実施例としては、インクを貯留したインク用容器とインクを合わせた重量を重量測定部１２０が測定して、そのインクを貯留したインク用容器とインクを合わせた重量について閾値すなわち設定値を決めて、補充用容器９０からインク用容器１００へのインクの補充を、制御部３０が制御してもよい。

すなわち、インクを吐出することで立体的な造形物を造形する造形装置１は、互いに異なる色のインクを吐出する複数のインクジェットヘッド１６０と、複数のインクジェットヘッド１６０の各々へ、対応するインクを供給する複数のインク供給系５０と、インクが循環されるインク循環経路１４５を備え、インク循環経路１４５内には、インクジェットヘッド１６０の近傍に配設されてインクを貯留し、インクジェットヘッド１６０にインクを補充する第一のサブタンク１６２及び第二のサブタンク１６４を備え、二つの入口からの入力を切り替えて一つの出口に出力する三方バルブ１４０と、出口側に配設され、第一のサブタンク１６２及び第二のサブタンク１６４に、インクを送り出すインクポンプ１５０が接続される第一流路１５６と、第一の入口側に配設され、インク用容器１００からインクを供給する供給経路１３０と、第二の入口側に配設され、第一のサブタンク１６２及び第二のサブタンク１６４からインクを戻す第二流路１７０とを有し、第一流路１１５６内には、インクの脱気をおこなう脱気モジュール１５４を有し、第一のサブタンク１６２及び第二のサブタンク１６４の少なくとも一方には、サブタンク内のインクの液面を検出する液面検出センサを有するとともに、複数のインク供給系５０から複数のインクジェットヘッド１６０への、インクの供給を制御する制御部３０を有し、制御部３０は、液面検出センサ２１０の測定値に基づいて三方バルブ１４０の入力を切り替えることを特徴とする。

１ 造形装置
１０ インクジェットヘッド
２０ 走査駆動部
３０ 制御部
４０ 造形台
４２ サポート層
４４ 造形物
４６ 着色層
４８ 白色インク層
５０ インク供給系
５５ フィルタ
５７ 撹拌部
６０ インク経路制御部
７０ キャリッジ
８０ エア供給制御部
９０ 補充用容器
１００ インク用容器
１１０ インク補充用ポンプ
１２０ 重量測定部
１３０ 供給経路
１４０ 三方バルブ
１４５ インク循環経路
１５０ インクポンプ
１５２ フィルタ
１５４ 脱気モジュール
１５６ 第一流路
１５８ インク排出ポート
１６０ インクジェットヘッド
１６２ 第一のサブタンク
１６４ 第二のサブタンク
１６６ 逆流防止フィルタ
１７０ 第二流路
１７２ 第一のサブタンク側気圧調整用ポンプ
１７４ 第二のサブタンク側気圧調整用ポンプ
１８０ 大チャンバ
１８２ 大チャンバ
１８４ 小チャンバ
１８５ 正圧センサ
１８６ 負圧センサ
１８７ 負圧センサ
１９０ 上流側三方バルブ
１９２ 下流側三方バルブ
１９４ 上流側二方バルブ
１９６ 下流側二方バルブ
１９８ 正圧用スロットルバルブ
２００ エア経路
２０２ 第一ノズル列
２０４ 第二ノズル列
２０６ インク流路
２１０ 液面検出センサ
２１２ フロート
２１４ インク
３２０ サブタンク
３３０ フロート
３４０ エア経路
３５０ インク
３６０ 吐出されたインク
３７０ 液面検出センサ（Ｌｏｗ）
３７２ 液面検出センサ（Ｈｉｇｈ）
３７４ 液面検出センサ（Ｌｉｍｉｔ）
４００ インク供給ユニット
５００ インク循環ユニット
６００ 第一のインク系統
７００ 第二のインク系統

Claims (14)

1. インクを吐出することで立体的な造形物を造形する造形装置であって、
   互いに異なる色の前記インクを吐出する複数のインクジェットヘッドと、
   複数の前記インクジェットヘッドの各々へ、対応する前記インクを供給する複数のインク供給系と、
   複数の前記インク供給系から複数の前記インクジェットヘッドへの、前記インクの供給を制御する制御部と
   を備え、
   それぞれの前記インク供給系は、
   少なくともインク用容器に貯留された前記インクの重量を測定する重量測定部と、
   前記インク用容器へ前記インクの補充が可能な補充用容器から前記インクを引き出し、前記インク用容器へ前記インクを補充するインク補充用ポンプと、
   を有し、
   前記制御部は、前記重量測定部により測定された前記インクの重量が、所定の設定値以下になる場合に、前記補充用容器から前記インク用容器へ前記インクの補充をおこなうように前記インク用補充ポンプを制御し、
   前記設定値は、変更可能であることを特徴とする造形装置。
2. 複数の前記インク供給系として、少なくとも、
   第一の前記インクを供給する第一の前記インク供給系と、
   第一の前記インクと異なる第二のインクを供給する第二の前記インク供給系と
   を備え、
   第一の前記インク供給系に対して設定する第一の前記設定値が、第二の前記インク供給系に対して設定する第二の前記設定値よりも相対的に小さいことを特徴とする請求項１に記載の造形装置。
3. 第一の前記設定値は、第二の前記設定値の１/２０以上、且つ、１/２以下であることを特徴とする請求項２に記載の造形装置。
4. 第一の前記インク供給系において用いる前記インク用容器の容量と、第二の前記インク供給系において用いる前記インク用容器の容量が略等しいことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の造形装置。
5. 複数の互いに異なる着色用インクを用いて着色された前記造形物を造形可能であり、
   第一の前記インクは前記着色用インクであり、
   第二の前記インクは、白色インクであることを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか一項に記載の造形装置。
6. 複数の互いに異なる着色用インクを用いて着色された前記造形物を造形可能であり、
   第一の前記インクは前記着色用インクであり、
   第二の前記インクは、造形中の前記造形物を支えるサポート層の材料となるインクであることを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか一項に記載の造形装置。
7. 複数の互いに異なる着色用インクを用いて着色された前記造形物を造形可能であり、
   第一の前記インクは前記着色用インクであり、
   第二の前記インクは、クリア色のインクであるクリアインクであることを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか一項に記載の造形装置。
8. 前記インクが循環されるインク循環経路を更に備え、
   前記インク循環経路内に、
   前記インクジェットヘッドの近傍に配設されて前記インクを貯留し、前記インクジェットヘッドに前記インクを補充するサブタンクと、
   二つの入口からの入力を切り替えて一つの出口に出力する三方バルブを有し、
   前記出口側に配設され、前記サブタンクに前記インクを送り出すインクポンプが接続される第一流路と
   第一の前記入口側に配設され、前記インク用容器から前記インクを供給する供給経路と、
   第二の前記入口側に配設され、前記サブタンクから前記インクを戻す第二流路と
   を備え、
   前記サブタンク内には、前記サブタンク内の前記インクの液面を検出する液面検出センサを有し、前記制御部は、前記液面検出センサの測定値に基づいて前記三方バルブの入力を切り替えることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか一項に記載の造形装置。
9. 前記サブタンク内の気圧を変化させる気圧調整用ポンプをさらに有し、
   前記制御部は前記気圧調整用ポンプを制御して、前記サブタンクから前記インクジェットヘッドへのインクの供給の圧力を調整することを特徴とする請求項８に記載の造形装置。
10. 前記インク循環経路内に、前記インクの脱気をおこなう脱気モジュールを有することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の造形装置。
11. 前記インク循環経路内に、
    前記インクジェットヘッドの上流に配設される第一の前記サブタンクと、
    前記インクジェットヘッドの下流に配設される第二の前記サブタンクと
    を有することを特徴とする請求項７から請求項１０のうちのいずれか一項に記載の造形装置。
12. インクを吐出することで立体的な造形物を造形する造形装置であって、
    互いに異なる色の前記インクを吐出する複数のインクジェットヘッドと、
    複数の前記インクジェットヘッドの各々へ、対応する前記インクを供給する複数のインク供給系と、
    前記インクが循環されるインク循環経路を備え、
    前記インク循環経路内には、
    前記インクジェットヘッドの近傍に配設されて前記インクを貯留し、前記インクジェットヘッドに前記インクを補充するサブタンクと、
    二つの入口からの入力を切り替えて一つの出口に出力する三方バルブと、
    前記出口側に配設され、前記サブタンクに前記インクを送り出すインクポンプが接続される第一流路と、
    第一の前記入口側に配設され、インク用容器から前記インクを供給する供給経路と、
    第二の前記入口側に配設され、前記サブタンクから前記インクを戻す第二流路と
    を有し、
    前記インク循環経路内には、前記インクの脱気をおこなう脱気モジュールを有し、
    前記サブタンクには、前記サブタンク内の前記インクの液面を検出する液面検出センサを有するとともに、
    複数の前記インク供給系から複数の前記インクジェットヘッドへの、前記インクの供給を制御する制御部を有し、
    前記制御部は、前記液面検出センサの測定値に基づいて前記三方バルブの入力を切り替えることを特徴とする造形装置。
13. インクを吐出することで立体的な造形物を造形する造形方法であって、
    互いに異なる色の前記インクを吐出する複数のインクジェットヘッドと、
    複数の前記インクジェットヘッドの各々へ、対応する前記インクを供給する複数のインク供給系について、
    複数の前記インク供給系から複数の前記インクジェットヘッドへの、前記インクの供給を制御し、
    少なくともインク用容器に貯留された前記インクの重量を測定し、
    前記インク用容器へ前記インクの補充が可能な補充用容器から前記インクを引き出し、前記インク用容器へ前記インクを補充し、
    前記重量測定部により測定された前記インクの重量が、所定の設定値以下になる場合に、前記補充用容器から前記インク用容器へ前記インクの補充をおこなうように前記インク用補充ポンプを制御し、
    前記設定値は、変更可能であることを特徴とする造形方法。
14. 少なくとも、第一の前記インクを供給する第一の前記インク供給系と、
    第一の前記インクと異なる第二のインクを供給する第二の前記インク供給系
    について、
    第一の前記インク供給系に対して設定する第一の前記設定値が、第二の前記インク供給系に対して設定する第二の前記設定値よりも相対的に小さいことを特徴とする請求項１３に記載の造形方法。

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