JP2019018548A - ３ｄプリンタの間欠式励磁装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間のプリント作業においてモータ内部のコイルで累積される熱を大幅に低減させることが可能な３Ｄプリンタの間欠式励磁装置および３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法を提供する。【解決手段】駆動ロッドと、移動機ベースと、マイコンと、少なくとも１つのスライドレールとを備えた３Ｄプリンタの間欠式励磁装置であって、マイコンが第１モータを「不励磁かつ不回転」状態に制御している際に、移動機ベースが駆動ロッドに固定されて、３Ｄプリンタが平面プリント作業を行い、マイコンが第１モータを「励磁かつ回転」状態に制御している際に、移動機ベースが駆動ロッド上で移動するように構成されている。当該装置によれば、前記第１モータ内部で累積される熱を大幅に減らし、設備コストを低減し、設備全体のサイズを縮小することができる。【選択図】図４

Description

本発明は、３Ｄプリンタの励磁装置およびその制御方法に関し、特に、３Ｄプリンタの間欠式励磁装置およびその制御方法に関する。

３Ｄプリンタがプリント作業を行う場合、１つの対象物（プリントされる対象物）をプリントするために、プリントスタートからプリント終了まで数時間かかることも多い。そのため、３つの軸の移動機構（例えば、Ｘ軸移動機構、Ｙ軸移動機構およびＺ軸移動機構）の往復移動を駆動するモータは、長時間のプリント作業において熱累積による温度上昇に耐えられなければならない。モータの温度は、通常、機械周囲の環境温度とモータの回転で発生する熱による温度上昇分との合計に相当する。高温のプリント環境において、モータの温度が高くなりすぎると、モータの故障や、回転停止などを引き起こすことがある。場合によっては、モータ内部のコイルの短絡によって発火が起きると、設備および人員に被害をもたらす恐れがある。

３ＤプリンタがＸ−Ｙ平面でプリント作業を行っている際、Ｘ軸移動機構およびＹ軸移動機構による移動プリントのみ（Ｚ軸移動機構が固定されている状態）になっているため、Ｘ軸移動機構およびＹ軸移動機構の移動を制御するモータ（それぞれ、「Ｘ軸モータ」および「Ｙ軸モータ」と称する）は「励磁かつ回転」状態となっており、当該励磁かつ回転時の電流波形は、図１Ａに示すようになっている。

一方、Ｚ軸移動機構の上昇を制御するモータ（「Ｚ軸モータ」と称する）は、プリントレイヤ数を引き上げる操作を行う際に、Ｚ軸モータも「励磁かつ回転」状態になって、Ｚ軸移動機構を駆動して上へ上昇させる。ここで、Ｚ軸移動機構とは、駆動されると上下に移動することが可能な装置全体の名称であり、また、３Ｄプリンタのプリントヘッドが当該Ｚ軸移動機構に設置されている。この場合、Ｚ軸モータの励磁かつ回転時の電流波形も図１Ａに示すようになっている。Ａ相コイルおよびＢ相コイルを有する二相ステッピングモータをＸ軸モータ、Ｙ軸モータおよびＺ軸モータとして用いる場合、モータが「励磁かつ回転」状態となっている場合、Ａ相コイル（またはＢ相コイル）は、図１Ａに示すような正弦波励磁電流が印加されており、即ち、正弦波形態の励磁電流がモータのコイルに流れるようになっている。そのため、モータで発生する熱の量は、前記正弦波電流の平方根（ＲＭＳ）の値と直接相関している。

Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータおよびＺ軸モータが「励磁かつ回転」（即ち、モータが励磁されて回転している）の状態にあるのに対して、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータがそれぞれＸ軸移動機構およびＹ軸移動機構を駆動して平面プリント作業を行わせる際に、Ｚ軸モータは、Ｚ軸移動機構を固定高さの位置に保持する「励磁中不回転」（即ち、モータが励磁されているが回転していない）の状態となっている。「励磁中不回転」状態において、Ｚ軸モータのＡ相コイルとＢ相コイルとが同時に励磁されて、その励磁電流の波形が図１Ｂに示すようになっている。つまり、Ａ相コイルおよびＢ相コイルには、同時に図１Ｂに示す直流の励磁電流が印加されている。即ち、直流形態の励磁電流がモータのコイルに流れるようになっている。そのため、モータ内部で発生する熱の量は、当該直流電流の大きさと直接相関している。したがって、通電励磁によって発生した保持トルクにより、固定子が回転子をロックするトルクを得ているため、Ｘ軸移動機構およびＹ軸移動機構が平面プリント作業を行っている際に、Ｚ軸移動機構がしっかりロックされて同一高さの位置に保持されている。そして、当該レイヤにおけるプリント作業が完了して次のレイヤへ引き上がる操作を行う時に、Ｚ軸モータが「励磁中不回転」状態から「励磁かつ回転」状態に切り替えられる。

図１Ａおよび図１Ｂから明らかなように、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータがそれぞれＸ軸移動機構およびＹ軸移動機構を駆動して平面プリントを行わせ、Ｚ軸モータがＺ軸移動機構をロックする「励磁中不回転」状態にある時（図１Ｂ）、Ｚ軸モータのコイルに流れる電流の大きさは、Ｚ軸モータがＺ軸移動機構を上昇駆動している（Ｚ軸モータが励磁され回転している）際に（図１Ａ）、Ｚ軸モータのコイルに流れる電流の大きさより遥かに大きくなっている。

次に、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明する。図２Ａは、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの運転期間中の電流波形を示す図であり、図２Ｂは、Ｚ軸モータの運転期間中の電流波形を示す図である。図２Ａに示すように、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータが平面プリント作業の駆動を担当しているため、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータは「励磁かつ回転」の状態を保っている。そのため、正弦波形態の励磁電流がＸ軸モータおよびＹ軸モータのコイルに流れるようになっている。

Ｚ軸移動機構が上昇期間ｔｒ内で上昇動作を行う際に、Ｚ軸モータのコイルに正弦波形態の励磁電流が流れているため、Ｚ軸移動機構は、ロックが解除されて上へ上昇するように移動することができる。上昇期間ｔｒ以外では、Ｚ軸移動機構が上昇動作を行わないため、当該Ｚ軸移動機構を固定高さの位置に保持するための保持トルクを提供するために、Ｚ軸モータのコイルには、直流形態の励磁電流が継続して流れている。

上記説明から分かるように、Ｚ軸モータの「励磁中不回転」状態でＺ軸モータのコイルに流れる電流の大きさは、Ｚ軸モータがＺ軸移動機構を駆動して上昇させる（即ち、Ｚ軸モータの「励磁かつ回転」状態）でＺ軸モータのコイルに流れる電流の大きさよりも遥かに大きくなっており、しかも、Ｚ軸モータが「励磁中不回転」状態になっている時間は、Ｚ軸モータが「励磁かつ回転」状態になっている時間より遥かに長い。そのため、長時間のプリント期間中に熱が累積し易く、特に、Ｚ軸モータの「励磁中不回転」状態で発生する大量の熱がＺ軸モータの中で累積することで、Ｚ軸モータの温度が高温になり易い。

上述したモータの長時間回転による温度上昇の課題を解決するために、モータを面積の大きい鉄部材に固定して放熱させ、または、モータに放熱フィンを設置して放熱させるなどの対策が取られている。このような鉄部材または放熱フィンを利用して、ある程度の放熱効果を得ることができる。しかしながら、モータを面積の大きい鉄部材に固定して放熱させる場合は、設備のレイアウト設計が制限されて自由度が小さくなり、また、モータに放熱フィンを設置して放熱させる場合は、設備コストが増加し、モータの占める空間および体積サイズが大きくなるといった問題点がある。

本発明は、長時間のプリント期間中にモータ内部のコイルで累積される熱を大幅に低減させることが可能な３Ｄプリンタの間欠式励磁装置および３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る３Ｄプリンタの間欠式励磁装置は、台座を有する３Ｄプリンタの間欠式励磁装置あって、少なくとも１つのスライドレールと、駆動ロッドと、移動機ベースと、マイコンとを備え、前記少なくとも１つのスライドレールは、前記台座に設置されて第１方向に沿って延伸し、前記駆動ロッドは、前記少なくとも１つのスライドレールに平行して前記第１方向に沿って前記台座に設置されて第１モータに駆動され、前記移動機ベースは、プリントヘッドが取り付けられ、前記駆動ロッドに設置され、前記マイコンは、前記第１モータと接続されており、前記第１モータは、前記駆動ロッドを駆動することによって、前記移動機ベースを前記第１方向に沿って前記駆動ロッド上で移動させ、前記マイコンが前記第１モータを不励磁かつ不回転の状態に制御している際に、前記移動機ベースが前記駆動ロッドに固定されて、前記３Ｄプリンタが平面プリント作業を行い、前記マイコンが前記第１モータを励磁かつ回転の状態に制御している際に、前記移動機ベースが前記駆動ロッド上で前記第１方向に沿って移動するように構成されている。

また、上記本発明の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、好ましくは、前記駆動ロッドは、スクリュー、ラックロッド、およびベルトロッドのうちのいずれか１つである。

また、上記本発明の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、好ましくは、前記移動機ベースが前記駆動ロッド上で前記第１方向に沿って移動する動作が完了し、前記第１モータを不励磁かつ不回転の状態となるように制御された時に、前記移動機ベースが前記駆動ロッドに固定されるようになっている。

また、上記本発明の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、好ましくは、少なくとも１つの平面移動機構をさらに備え、当該平面移動機構は、対応する少なくとも１つの第２モータに駆動され、第２方向およびと当該第２方向に直交する第３方向からなる平面上で移動することが可能であり、前記第２方向、前記第３方向および前記第１方向は、互いに直交する。

また、上記本発明の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、好ましくは、前記マイコンは、プリント情報を読み取り、当該プリント情報に基づいて前記第１モータおよび前記少なくとも１つの第２モータを制御し、前記少なくとも１つの第２モータが前記マイコンと接続されている。

また、上記本発明の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、好ましくは、前記プリント情報は、デジタル制御コードコマンド形式の情報または映像形式の情報であることが好ましい。

また、上記本発明の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、前記少なくとも１つの平面移動機構は、Ｘ軸移動機構およびＹ軸移動機構であり、前記移動機ベースは、Ｚ軸移動機構であることが好ましい。

上記本発明の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置によれば、長時間のプリント期間中にモータ内部のコイルで累積される熱を大幅に減らすことができるため、従来技術とは異なり、モータを面積の大きい鉄部材に固定して放熱させたり、モータに放熱フィンを増設して放熱させたりする必要がない。その結果、設備のレイアウト設計の自由度が高くなり、設備コストが低減され、設備の占める空間および設備全体の体積サイズを縮小することができる。

さらに、本発明の上記目的を達成するために、本発明に係る３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法は、マイコンでＺ軸モータの励磁制御を行う３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法であって、前記マイコンがプリント情報を読み取る第１ステップと、前記マイコンが前記プリント情報に基づいてＺ軸のレイヤ数が変わったか否かを判断する第２ステップと、前記Ｚ軸のレイヤ数が変わった場合、前記マイコンが前記Ｚ軸モータの励磁を実行させる制御を行う第３ステップと、前記マイコンが前記Ｚ軸モータを制御することにより、前記Ｚ軸モータに上昇操作を行わせる第４ステップとを含む。

また、上記本発明の３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法において、好ましくは、前記第２ステップの後、さらに、Ｚ軸のレイヤ数が変わっていない場合、前記マイコンが前記Ｚ軸モータの励磁を行わせず、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの励磁を継続させるように制御するステップと、前記マイコンが前記プリント情報に基づいて前記Ｘ軸モータおよび前記Ｙ軸モータを制御することによって、プリント作業を行わせるステップとを含む。

また、上記本発明の３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法において、好ましくは、前記マイコンは、駆動ロッドが前記Ｚ軸モータに駆動されてＺ軸方向の上昇動作を行うように、前記Ｚ軸モータを制御する。

また、上記本発明の３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法において、好ましくは、前記駆動ロッドは、スクリュー、ラックロッド、およびベルトロッドのうちのいずれか１つである。

上記本発明の３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法によれば、長時間のプリント期間中にモータ内部のコイルで累積される熱を大幅に減らすことができるため、従来技術とは異なり、モータを面積の大きい鉄部材に固定して放熱させたり、モータに放熱フィンを増設して放熱させたりする必要がない。その結果、設備のレイアウト設計の自由度が高くなり、設備コストが低減され、設備の占める空間および設備全体の体積サイズを縮小することができる。

図１Ａは、従来技術におけるモータの「励磁かつ回転」時の電流波形を示す図である。 図１Ｂは、従来技術におけるモータの「励磁中不回転」時の電流波形図である。 図２Ａは、従来技術におけるＸ軸モータおよびＹ軸モータの運転期間中の電流波形図である。 図２Ｂは、従来技術におけるＺ軸モータの運転期間中の電流波形図である。 図３は、本発明の実施の形態の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置の制御系の概略ブロック図である。 図４は、本発明の実施の形態の間欠式励磁装置の斜視図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態におけるモータの「励磁かつ回転」時の電流波形図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態におけるモータの「不励磁かつ不回転」時の電流波形図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態におけるＸ軸モータおよびＹ軸モータの運転期間中の電流波形図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態におけるＺ軸モータの運転期間中の電流波形図である。 図６Ｃは、本発明の実施の形態と従来技術とのＺ軸モータの運転期間中の電流波形の比較図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法を示すフロチャートである。

本発明における課題を解決するための技術手段およびその特徴と効果をより明確にするために、次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。但し、以下の説明および図面の内容は、本発明を具体的に示すためのものであり、本発明を限定するものではない。

図３は、本実施の形態の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置の制御系の概略ブロック図である。当該制御系は、主に、マイコン１０を備えている。マイコン１０は、外部からプリント情報１１を受信または読み取るように構成されている。溶融堆積モデリング（ＦＤＭ）を例とした場合、前記プリント情報は、デジタル制御コード（Ｇ−Ｃｏｄｅ）コマンド形式の情報であり、以下、「Ｇ−Ｃｏｄｅコマンド形式の情報」と称する。また、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）を例とした場合、前記プリント情報は、イメージ映像形式の情報である。

マイコン１０は、複数の移動機構の制御モータと直接または間接に接続されている。三軸制御を例とした場合、マイコン１０は、Ｘ軸モータ１２Ｘ、Ｙ軸モータ１２ＹおよびＺ軸モータ１２Ｚと直接または間接に接続されるようになっている。本実施の形態において、上記各モータは、ステッピングモータまたはサーボモータとするが、これに限定することがない。また、Ｘ軸モータ１２Ｘは、対応する移動機構であるＸ軸移動機構１３Ｘを駆動するものであり、Ｙ軸モータ１２Ｙは、対応する移動機構であるＹ軸移動機構１３Ｙを駆動するものであり、Ｚ軸モータ１２Ｚは、対応する移動機構であるＺ軸移動機構１３Ｚを駆動するものである。なお、発明の特徴に関する内容を中心として簡潔に説明を行うために、ここで、マイコン１０の制御信号を拡大したり、各モータの動作を駆動したりする駆動回路に関しては、説明を省略する。

マイコン１０は、受信したまたは読み取った前記プリント情報に基づいて、Ｘ軸モータ１２ＸおよびＹ軸モータ１２Ｙを制御することにより、Ｘ軸移動機構１３ＸおよびＹ軸移動機構１３Ｙに平面プリント作業を行わせる。また、マイコン１０は、前記プリント情報に基づいて、Ｚ軸モータ１２Ｚを制御することにより、Ｚ軸移動機構１３Ｚの位置固定制御または上昇操作制御を実現する。なお、前記位置固定制御とは、Ｘ軸移動機構１３Ｘおよび／またはＹ軸移動機構１３Ｙが平面プリント作業を行っている際に、現在のレイヤのプリント作業（プリントしている平面でのプリント作業）が完了するまで、Ｚ軸移動機構１３Ｚをしっかりロックして同一高さの位置に保持することである。前記上昇操作制御とは、現在のレイヤのプリント作業が完了して次のレイヤのプリント作業を行う前に、Ｚ軸移動機構を次のレイヤのプリント位置に上昇させるように、Ｚ軸移動機構の高さを調整することである。

図４は、本実施の形態における間欠式励磁装置の斜視図である。当該３Ｄプリンタの間欠式励磁装置は、台座２０を備えている。台座２０は、当該３Ｄプリンタが有する部品および装置を載せるためのものである。当該３Ｄプリンタの間欠式励磁装置は、主に、少なくとも１つのスライドレール２１Ａ、２１Ｂと、駆動ロッド２２と、少なくとも１つの平面移動機構２３Ｘ、２３Ｙと、移動機ベース２３Ｚと、マイコン１０（図３参照）とを備えている。

ここでは、例として、スライドレールを２つ（スライドレール２１Ａおよびスライドレール２１Ｂ）とする。スライドレール２１Ａおよびスライドレール２１Ｂは、台座２０の両対向側にそれぞれ設置され、本実施の形態においては、当該台座２０の長手方向の両端付近にそれぞれ設置され、第１方向に沿って延伸するようになっている。本実施の形態において、前記第１方向とは、台座２０の上表面（または下表面）と直交する方向であり、即ち、図４に示す座標のＺ方向である。

本実施の形態において、駆動ロッド２２は、スクリューとし、例えば、ネジスクリューまたはボールスクリューとする。駆動ロッド２２、スライドレール２１Ａおよびスライドレール２１Ｂは、互いに平行に前記第１方向に沿って台座２０に設置されている。具体的に言うと、駆動ロッド２２は、スライドレール２１Ａとスライドレール２１Ｂとの間に設置されて、スライドレール２１Ａおよびスライドレール２１Ｂと平行に、座標のＺ方向に沿って延伸する。

本実施の形態において、少なくとも１つの平面移動機構２３Ｘ、２３Ｙは、それぞれ、Ｘ軸移動機構１３ＸおよびＹ軸移動機構１３Ｙ（図３参照）である。当該少なくとも１つの平面移動機構２３Ｘ、２３Ｙは、対応する少なくとも１つの第２モータに駆動されるようになっている。即ち、Ｘ軸移動機構１３Ｘを駆動する第２モータは、Ｘ軸モータ１２Ｘ（図３参照）であり、Ｙ軸移動機構１３Ｙを駆動する第２モータは、Ｙ軸モータ１２Ｙ（図３参照）である。前記少なくとも１つの平面移動機構２３Ｘ、２３Ｙ（即ち、Ｘ軸移動機構１３Ｘ、Ｙ軸移動機構１３Ｙ）は、それぞれ、Ｘ軸モータ１２Ｘ、Ｙ軸モータ１２Ｙに駆動されることにより、第２方向と第３方向とからなる平面上で移動することができる。なお、前記第３方向と前記第２方向とは直交している。本実施の形態において、前記第２方向は、図４に示す座標のＸ方向であり、前記第３方向は、図４に示す座標のＹ方向である。また、前記第１方向（Ｚ方向）、前記第２方向（Ｘ方向）、および前記第３方向（Ｙ方向）は、互いに直交している。

本実施の形態において、移動機ベース２３Ｚは、Ｚ軸移動機構１３Ｚ（図３参照）である。移動機ベース２３Ｚには、プリントヘッドが取り付けられている。移動機ベース２３Ｚは、駆動ロッド２２に設置されている。駆動ロッド２２は、第１モータに駆動されるようになっている。即ち、Ｚ軸移動機構１３Ｚを駆動する第１モータは、Ｚ軸モータ１２Ｚ（図３参照）とすることにより、移動機ベース２３Ｚ（即ち、Ｚ軸移動機構１３Ｚ）が駆動ロッド２２上で前記第１方向に沿って移動することができる。

マイコン１０は、さらにプリント情報を読み取る。溶融堆積モデリング（ＦＤＭ）を例とした場合、前記プリント情報はＧ−Ｃｏｄｅ形式の情報である。ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）を例とした場合、前記プリント情報はイメージ形式の情報である。マイコン１０は、前記プリント情報に基づいて、前記少なくとも１つの第２モータ（即ち、Ｘ軸モータ１２ＸおよびＹ軸モータ１２Ｙ）と第１モータ（即ち、Ｚ軸モータ１２Ｚ）とを制御するように構成されている。

マイコン１０が前記プリント情報に基づいて、Ｘ軸モータ１２ＸおよびＹ軸モータ１２Ｙを「励磁かつ回転」状態に制御すると共に、Ｚ軸モータ１２Ｚを「不励磁かつ不回転」状態に制御した場合、Ｚ軸移動機構１３Ｚ（即ち、移動機ベース２３Ｚ）は、駆動ロッド２２に固定されており、Ｘ軸移動機構１３Ｘおよび／またはＹ軸移動機構１３Ｙは、平面プリント作業を行うようになっている。

Ｚ軸移動機構１３Ｚは、駆動ロッド２２（即ち、スクリュー）上に取り付けられ、駆動ロッド２２は、非自由端（台座２０に取り付けられた側）がＺ軸モータ１２Ｚに接続されている。Ｚ軸モータ１２Ｚが駆動ロッド２２の前記非自由端を駆動すると、回転運動が直線運動に変換されるため、Ｚ軸移動機構１３Ｚは、駆動ロッド２２に連動されて、駆動ロッド２２上で前記第１方向に沿って昇降することができる。したがって、駆動ロッド２２は、３ＤプリンタのＺ軸移動機構１３Ｚの上昇動作を実現するためのものである。

また、Ｘ軸移動機構１３Ｘおよび／またはＹ軸移動機構１３Ｙが平面プリント作業を行っている際に、Ｚ軸移動機構１３Ｚが駆動ロッド２２によって固定されているため、重力の影響による滑落が発生することがない。そのため、Ｘ軸移動機構１３Ｘおよび／またはＹ軸移動機構１３Ｙがプリント作業を行っている際に、Ｚ軸移動機構１３Ｚを駆動するＺ軸モータ１２Ｚは、「不励磁かつ不回転」状態となってもよい。即ち、後述するように、駆動ロッド２２（スクリュー）によれば、Ｚ軸移動機構１３Ｚを同一高さの位置に保持したままで平面プリント作業を行うことができる。つまり、スクリューを駆動ロッド２２とした例の場合、スクリューのねじ山部をＺ軸移動機構１３Ｚに係合させることにより、３Ｄプリンタのプリントヘッドが取り付けられたＺ軸移動機構１３Ｚは、重力の影響を受けずに、Ｘ軸移動機構１３Ｘおよび／またはＹ軸移動機構１３Ｙがプリント作業を行っている際に、同一高さの位置に固定されて、現在のレイヤでプリントヘッドにプリント操作を行わせることができる。

マイコン１０がプリント情報に基づいて、Ｚ軸モータ１２Ｚを「励磁かつ回転」状態に制御した時、Ｚ軸移動機構１３Ｚ（即ち、移動機ベース２３Ｚ）は、駆動ロッド２２上で第１方向（即ち、座標のＺ方向）に沿って上昇動作を行う。つまり、Ｘ軸移動機構１３Ｘおよび／またはＹ軸移動機構１３Ｙが現在のレイヤの平面プリント作業が完了した後、Ｚ軸移動機構１３Ｚを上昇させることによって、次のレイヤに入ってプリント作業を行う必要がある。そのため、Ｚ軸モータ１２Ｚを「励磁かつ回転」状態に制御することにより、駆動ロッド２２を駆動して回転させて、Ｚ軸移動機構１３Ｚを次のレイヤの高さまで上昇させる。そうすれば、Ｘ軸移動機構１３Ｘおよび／またはＹ軸移動機構１３Ｙは、次のレイヤの平面プリント作業を行うことができる。また、Ｚ軸移動機構１３Ｚが次のレイヤの高さに達した時に、マイコン１０は、Ｚ軸モータ１２Ｚを「不励磁かつ不回転」状態に制御することにより、Ｚ軸移動機構１３Ｚを駆動ロッド２２上に固定し、Ｚ軸移動機構１３Ｚの上昇操作を終了させて、次のレイヤの平面プリント操作を行わせる。

本実施の形態において、駆動ロッド２２は、スクリューとしているが、本発明は、それに限定されず、駆動ロッド２２をラックロッドまたはベルトロッドで実現することもできる。Ｚ軸モータ１２Ｚを用いてラックロッドまたはベルトロッドを駆動することにより、ラックロッドまたはベルトロッド上に固定されたＺ軸移動機構１３Ｚの昇降移動が実現される。つまり、ラックロッドまたはベルトロッドを駆動ロッド２２とした例の場合、ラックロッドの歯部またはベルトロッドの溝部をＺ軸移動機構１３Ｚに係合させることにより、３Ｄプリンタのプリントヘッドが取り付けられたＺ軸移動機構１３Ｚは、重力の影響を受けずに、Ｘ軸移動機構１３Ｘおよび／またはＹ軸移動機構１３Ｙがプリントしている際に、同一高さの位置に固定されて、現在のレイヤでプリントヘッドにプリント作業を行わせることができる。また、本発明は、その他の類似の簡単な装置を用い、電磁弁の引力制御を取り入れて、Ｚ軸移動機構１３Ｚを重力に影響されずに同一高さの位置に保持してもよい。

図５Ａは、本実施の形態におけるモータの「励磁かつ回転」時の電流波形図であり、図５Ｂは、本実施の形態におけるモータの「不励磁かつ不回転」時の電流波形図である。３ＤプリンタがＸ−Ｙ平面でプリント作業を行っている際に、Ｘ軸移動機構１３ＸおよびＹ軸移動機構１３Ｙのみが移動してプリントするようになっている（Ｚ軸移動機構１３Ｚが固定状態となっている）ため、Ｘ軸モータ１２ＸおよびＹ軸モータ１２Ｙが「励磁かつ回転」状態に制御されており、その「励磁かつ回転」時の電流波形が図５Ａに示すようになっている。

同様に、Ｚ軸モータ１２Ｚの場合、プリントのレイヤ数の引き上げ操作を行う際に、Ｚ軸モータ１２Ｚも「励磁かつ回転」状態に制御されて、Ｚ軸移動機構１３Ｚを駆動して上へ上昇させるため、その「励磁かつ回転」時の電流波形も図５Ａに示すようになっている。

Ａ相コイルおよびＢ相コイルを有する二相ステッピングモータを、Ｘ軸モータ１２Ｘ、Ｙ軸モータ１２ＹおよびＺ軸モータ１２Ｚとする場合、モータが「励磁かつ回転」状態になっている時、Ａ相コイル（またはＢ相コイル）は、図５Ａに示すような正弦波励磁電流が印加されており、即ち、正弦波形式の励磁電流がモータのコイルに流れるようになっている。

Ｘ軸モータ１２Ｘ、Ｙ軸モータ１２ＹおよびＺ軸モータ１２Ｚが「励磁かつ回転」状態になっているのに対して、Ｘ軸移動機構１３ＸおよびＹ軸移動機構１３Ｙが平面プリント作業を行っている際に、Ｚ軸移動機構１３Ｚは、駆動ロッド２２（例えばスクリュー）によって固定の高さの位置に保持されて、「不励磁かつ不回転」状態になっている。当該「不励磁かつ不回転」状態において、Ｚ軸モータ１２ＺのＡ相コイルまたはＢ相コイルに対して励磁を行っていなため、励磁電流がゼロであり、当該「不励磁かつ不回転」時の電流波形が図５Ｂに示すようになっている。つまり、平面プリント作業を行っている際に、Ｚ軸移動機構１３Ｚは、駆動ロッド２２に固定されて同一高さの位置に保持され、そして、現在のレイヤのプリントが完了して次のレイヤへ引き上げる操作を行う時に、Ｚ軸モータ１２Ｚは、「不励磁かつ不回転」状態から「励磁かつ回転」状態に切り替えられるようになっている。

図６Ａは、本実施の形態におけるＸ軸モータ１２ＸおよびＹ軸モータ１２Ｙの運転時の電流波形図であり、図６Ｂは、本実施の形態におけるＺ軸モータ１２Ｚの運転時の電流波形図である。図６Ａに示すように、Ｘ軸移動機構１３ＸおよびＹ軸移動機構１３Ｙが平面プリント作業を担当しているため、Ｘ軸移動機構１３ＸおよびＹ軸移動機構１３Ｙを駆動するＸ軸モータ１２ＸおよびＹ軸モータ１２Ｙは、「励磁かつ回転」状態を保っており、即ち、正弦波形式の励磁電流がＸ軸モータ１２ＸおよびＹ軸モータ１２Ｙのコイルに流れるようになっている。

Ｚ軸移動機構１３Ｚが上昇期間ｔｒ内で上昇動作を行う際に、Ｚ軸モータ１２Ｚのコイルに正弦波形式の励磁電流が流れて、Ｚ軸移動機構１３Ｚは、ロックが解除されて上へ上昇移動することが可能になっている。一方、Ｚ軸移動機構１３Ｚが上昇期間ｔｒ以外の非上昇期間にある時に、Ｚ軸モータ１２Ｚのコイルが非励磁状態となり、Ｚ軸移動機構１３Ｚ（即ち、移動機ベース２３Ｚ）が駆動ロッド２２によって固定されたまま、Ｘ軸移動機構１３Ｘおよび／またはＹ軸移動機構１３Ｙが平面プリント作業を行うことができるようになっている。

従来技術におけるＺ軸モータの非上昇期間（図２Ｂに示す上昇期間ｔｒ以外の時間）において、Ｚ軸モータの「励磁中不回転」期間中にＺ軸モータのコイルに相当大きな電流が流れており、しかも、電流が流れる期間も非常に長い。それに比べて、本実施の形態におけるＺ軸モータ１２Ｚの非上昇期間（図６Ｂに示す上昇期間ｔｒ以外の時間）において、Ｚ軸モータ１２Ｚのコイルが非励磁状態となっているため、Ｚ軸モータ１２Ｚのコイルに流れる電流がゼロであり、つまり、上昇期間ｔｒのみ、Ｚ軸モータ１２Ｚのコイルに正弦波形式の励磁電流が流れるようになっている。そのため、本発明による励磁は「間欠式励磁」である。したがって、本発明の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置は、従来技術における、非上昇期間中に直流励磁電流がモータのコイルに長時間、流れることによって熱が大量に累積するといった問題を解消することができる。

図６Ｃは、本実施の形態と従来技術とのＺ軸モータ１２Ｚの運転期間中の電流波形の比較図であり、なお、図２Ｂおよび図６Ｂは、それぞれ従来技術におけるＺ軸モータ１２Ｚの運転期間中の電流波形および本実施の形態におけるＺ軸モータ１２Ｚの運転期間中の電流波形を示している。これらの図面から明らかなように、３Ｄプリンタがプリント作業を行っている際（平面プリント作業とＺ軸における上昇操作とを含む）に、従来技術では、Ｚ軸モータ１２Ｚが回転していない時にもコイルに励磁電流が流れて、熱Ｈｅｘｔ（図６Ｃの斜線部分で示す）が生成される。これに対して、本実施の形態の場合では、Ｚ軸モータ１２Ｚが回転していない時にコイルに励磁電流が流れていないため、余計な熱Ｈｅｘｔが生成されなくなる。つまり、従来技術の場合、Ｘ軸移動機構１３ＸおよびＹ軸移動機構１３Ｙが平面プリント作業を行っている際に、Ｚ軸モータ１２Ｚは、Ｚ軸移動機構１３Ｚを固定高さに保持するために、「励磁中不回転」状態となっており、長時間のプリント作業において大量の熱がＺ軸モータ１２Ｚに累積していく。それに対して、本実施の形態の場合、Ｘ軸移動機構１３ＸおよびＹ軸移動機構１３Ｙが平面プリント作業を行っている際に、Ｚ軸移動機構１３Ｚが駆動ロッド２２によって固定高さにロックされているため、Ｚ軸モータ１２Ｚは、励磁されず回転もしない「不励磁かつ不回転」状態となっているため、励磁電流による熱の発生を避けることができる。その結果、全運転期間において、Ｚ軸モータ１２Ｚに累積する熱が少なくなり、Ｚ軸モータ１２Ｚに放熱フィンを増設して放熱させる必要が無くなり、設備のレイアウト設計の自由度が高くなり、さらに、設備コストおよび設備の占める空間および体積サイズを減らすことができる。

図７は３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法を示すフロチャートである。説明し易くするために、図７に示す例において、３Ｄプリンタの３つの移動機構を、Ｘ軸移動機構、Ｙ軸移動機構、およびＺ軸移動機構として説明する。即ち、移動機構と関連する構成、例えばガイドレール、ガイドブロックなどを省略し、移動機構のみ、例えばＸ軸移動機構、Ｙ軸移動機構、Ｚ軸移動機構のみを表す。また、３Ｄプリンタに関しては、上述した内容が参照されるため（図３〜図６Ｃ参照）、ここでの説明を省略する。

３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法は、以下に説明するステップを含む。

３Ｄプリンタの電源をオンして起動させると、その３つの軸をスタート位置（ホーム位置、または原点位置と称する）へ戻すリセットが完了した後、マイコンは、速度および運転要請のパルス信号を発生し、駆動装置または駆動回路へ送る。そして、当該駆動装置または駆動回路は、マイコンから送られてきたパルス信号を電力の制御に用いて、電流励磁を行い、モータに必要な電力を提供する。

図７に示すように、まず、３Ｄプリンタが初期設定および初期レイヤ（通常、第１レイヤ）のプリント準備を完了した後、マイコンは、３Ｄ模型カットレイヤのプリント情報を読み取る（ステップＳ１１）。現在の主流の技術において、溶融堆積モデリング（ＦＤＭ）を例とした場合、前記プリント情報は、Ｇ−Ｃｏｄｅ形式の情報であり、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）を例とした場合、前記プリント情報は、イメージ形式の情報である。本実施の形態において、溶融堆積モデリングに用いるＧ−Ｃｏｄｅを例として説明を行う。即ち、ステップＳ１１において、マイコンはＧ−Ｃｏｄｅをプリント情報として読み取る。

そして、マイコンは、読み取ったＧ−Ｃｏｄｅのコマンドに基づいて、Ｚ軸のレイヤ数が変わったか否かを判断する（ステップＳ１２）。即ち、マイコンは、Ｚ軸上昇制御に対応して設定されたレイヤ数変更コマンドがＧ−Ｃｏｄｅコマンドに現れているか否かを判断する。Ｚ軸のレイヤ数に変更がない場合、マイコンは、Ｚ軸モータの励磁を行わず、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの励磁を行うように制御する（ステップＳ１３）。なお、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの励磁を実現する励磁電流は、図５Ａに示すような正弦波波形となっており、Ｚ軸モータの励磁を実行していないため、Ｚ軸モータの励磁電流は、図５Ｂに示すようなにゼロとなっている。

そして、マイコンは、プリント情報に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータを制御することにより、平面プリント作業を行わせ（ステップＳ１４）、リターンする。通常、３Ｄプリンタがプリント前の準備を完了した後、まずは、第１レイヤのプリント作業を行う。そのため、Ｇ−Ｃｏｄｅのコマンドには、Ｚ軸のレイヤを上昇させるレイヤ数変更指示が存在せず、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータは、第１レイヤのプリント作業を行うことになっている。このように、マイコンは、引き続いてプリント情報を読み取り（ステップＳ１１）、Ｚ軸のレイヤ数変更指示があるか否かを判断する（ステップＳ１２）。第１レイヤのプリントを例として場合、第１レイヤのプリントを行う期間中に、ステップＳ１１からステップＳ１２、ステップＳ１３およびステップＳ１４へ進んでから、再びステップＳ１１に戻るように処理を繰り返すようになっている。つまり、レイヤ数変更が発生しておらず、Ｘ軸移動機構および／またはＹ軸移動機構に対して設定された制御コマンドのみが変更されている。即ち、ステップＳ１１において、読み取ったプリント情報（Ｇ−Ｃｏｄｅ）の内容は、Ｘ軸移動機構および／またはＹ軸移動機構に対して設定された異なる制御コマンドであるため、ステップＳ１４において、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータは、前記異なる制御コマンドに従って（第１）レイヤの平面プリント作業を行うようになっている。

一方、マイコンは、読み取ったＧ−ＣｏｄｅのコマンドにＺ軸のレイヤ数変更指示があると判断した時に、Ｚ軸移動機構に対して上昇制御を行う必要がある旨を示すようになっている。即ち、ステップＳ１２において、マイコンは、Ｇ−ＣｏｄｅのコマンドにＺ軸移動機構の上昇制御に対して設定されたレイヤ数変更指示があると判断する。そのため、マイコンは、Ｚ軸モータの励磁を行うように制御し（ステップＳ１５）、即ち、マイコンは、Ｚ軸モータの励磁を実行するとの制御信号を出力し、当該励磁制御信号に応じて、励磁電流がＺ軸モータのコイルに流れて当該Ｚ軸モータの励磁が実現される。さらに、マイコンは、再びプリント情報におけるＺ軸に設定された制御コマンドに基づいて、Ｚ軸モータを制御し、Ｚ軸移動機構の上昇操作を行う（ステップＳ１６）。つまり、ステップＳ１５およびステップＳ１６の実行中に、Ｚ軸モータは、「励磁かつ回転」状態となっており、当該状態は、ステップＳ１４におけるＺ軸モータの「不励磁かつ不回転」状態と異なっている。しかも、当該状態は、従来技術における３Ｄプリンタが平面プリントを行う際、即ち、上昇操作していない時（本実施の形態のステップＳ１４に対応している）にＺ軸モータの「励磁中不回転」状態とも大きく異なっている。

ステップＳ１５およびステップＳ１６のＺ軸における上昇操作が完了した後、即ち、Ｚ軸移動機構が第Ｎレイヤから第（Ｎ+１）レイヤへとレイヤ数が上昇したら、リターンし、再び、ステップＳ１１を実行し、マイコンは、３Ｄ模型カットレイヤのプリント情報を読み取る。３Ｄプリンタは、プリントスタートした後、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータは、いずれも、図６Ａに示すような「励磁かつ回転」状態を継続するようになっている。また、ステップＳ１６とステップＳ１３とを比較すると、前者（ステップＳ１６）の場合は、Ｚ軸モータの励磁を行う必要がある（上昇操作を行う必要があるため、図６Ｂの上昇期間ｔｒに対応する区間において励磁を行う必要がある）が、後者（ステップＳ１３）の場合では、Ｚ軸モータの励磁を行う必要がない（上昇操作が既に終了し、平面プリント作業に入っているため、図６Ｂの上昇期間ｔｒ以外の区間で励磁を行う必要がない）。

ステップＳ１１が完了したら、引き続きステップＳ１２を実行し、さらに後続のステップを実行する。各ステップの内容が上述した内容に説明されたため、ここでは、図７に示す繰り返し処理のステップについて改めて説明しないようにする。但し、ステップＳ１１の後、プリント作業が完了したか否かを判断する判断ステップをさらに含むことができる。当該判断ステップにおいて、マイコンは、読み取ったプリント情報に基づいて、プリントの終了を指示するコマンドがあるか否かを判断し、プリントの終了を指示するコマンドがあれば、プリント作業を終了させる。

上記説明から分かるように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。

（１）駆動ロッドのねじ山部、歯部、または溝部をＺ軸移動機構に係合させることにより、３Ｄプリンタのプリントヘッドが取り付けられたＺ軸移動機構は、重力の影響を受けずに、Ｘ軸移動機構および／またはＹ軸移動機構がプリントしている際に、同一高さの位置に固定されて、プリントヘッドに現在のレイヤでプリント作業を行わせることができる。

（２）Ｚ軸モータに対して間欠式の励磁を行うことにより、長時間のプリント作業においてモータ内部のコイルに累積する熱を大幅に減らすことができる。

（３）モータを面積の大きい鉄部材に固定して放熱させたり、モータに放熱フィンを増設して放熱させたりする必要がないため、設備のレイアウト設計の自由度が高くなり、設備コストを低減し、設備の占める空間および体積サイズを縮小することができる。

なお、上述した実施の形態は、本発明を実施するための好ましい実施の形態の例として挙げられたものであり、本発明を限定するものではない。したがって、本発明に関する上記説明の内容および図面と同等のいかなる構造変更、改良なども本発明の範囲に含まれていることは、言うまでもない。

１０ マイコン
１１ プリント情報
１２Ｘ Ｘ軸モータ
１３Ｘ Ｘ軸移動機構
１２Ｙ Ｙ軸モータ
１３Ｙ Ｙ軸移動機構
１２Ｚ Ｚ軸モータ
１３Ｚ Ｚ軸移動機構
２０ 台座
２１Ａ、２１Ｂ スライドレール
２２ 駆動ロッド
２３Ｘ、２３Ｙ 平面移動機構
２３Ｚ 移動機ベース
ｔｒ 上昇期間

Claims (11)

1. 台座を有する３Ｄプリンタの間欠式励磁装置あって、
   前記台座に設置されて第１方向に沿って延伸する少なくとも１つのスライドレールと、
   前記少なくとも１つのスライドレールに平行して前記第１方向に沿って前記台座に設置されて、第１モータに駆動される駆動ロッドと、
   プリントヘッドが取り付けられ、前記駆動ロッドに設置された移動機ベースと、
   前記第１モータと接続されているマイコンとを備え、
   前記第１モータは、前記駆動ロッドを駆動することによって、前記移動機ベースを前記第１方向に沿って前記駆動ロッド上で移動させ、
   前記マイコンが前記第１モータを不励磁かつ不回転の状態に制御している際に、前記移動機ベースが前記駆動ロッドに固定されて、前記３Ｄプリンタが平面プリント作業を行い、前記マイコンが前記第１モータを励磁かつ回転の状態に制御している際に、前記移動機ベースが前記駆動ロッド上で前記第１方向に沿って移動するように構成されていることを特徴とする３Ｄプリンタの間欠式励磁装置。
2. 請求項１に記載の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、
   前記駆動ロッドは、スクリュー、ラックロッド、およびベルトロッドのうちのいずれか１つであることを特徴とする３Ｄプリンタの間欠式励磁装置。
3. 請求項１または２に記載の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、
   前記移動機ベースが前記駆動ロッド上で前記第１方向に沿って移動する動作が完了し、前記第１モータが不励磁かつ不回転の状態となるように制御された時に、前記移動機ベースが前記駆動ロッドに固定されるようになっていることを特徴とする３Ｄプリンタの間欠式励磁装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、
   少なくとも１つの平面移動機構をさらに備え、当該平面移動機構は、対応する少なくとも１つの第２モータに駆動されて、第２方向および当該第２方向に直交する第３方向からなる平面上で移動することが可能であり、
   前記第２方向、前記第３方向および前記第１方向は、互いに直交することを特徴とする３Ｄプリンタの間欠式励磁装置。
5. 請求項４に記載の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、
   前記マイコンは、プリント情報を読み取り、当該プリント情報に基づいて前記第１モータおよび前記少なくとも１つの第２モータを制御し、
   前記少なくとも１つの第２モータが前記マイコンと接続されていることを特徴とする３Ｄプリンタの間欠式励磁装置。
6. 請求項５に記載の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、
   前記プリント情報は、デジタル制御コードコマンド形式の情報または映像形式の情報であることを特徴とする３Ｄプリンタの間欠式励磁装置。
7. 請求項４〜６のいずれか１つに記載の３Ｄプリンタの間欠式励磁装置において、
   前記少なくとも１つの平面移動機構は、Ｘ軸移動機構およびＹ軸移動機構であり、前記移動機ベースは、Ｚ軸移動機構であることを特徴とする３Ｄプリンタの間欠式励磁装置。
8. マイコンでＺ軸モータの励磁制御を行う３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法であって、
   前記マイコンがプリント情報を読み取る第１ステップと、
   前記マイコンが前記プリント情報に基づいてＺ軸のレイヤ数が変わったか否かを判断する第２ステップと、
   前記Ｚ軸のレイヤ数が変わった場合、前記マイコンが前記Ｚ軸モータの励磁を実行させる制御を行う第３ステップと、
   前記マイコンが前記Ｚ軸モータを制御することにより、前記Ｚ軸モータに上昇操作を行わせる第４ステップとを含むことを特徴とする３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法。
9. 請求項８に記載の３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法において、
   前記第２ステップの後、さらに、
   Ｚ軸のレイヤ数が変わっていない場合、前記マイコンが前記Ｚ軸モータの励磁を実行させず、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの励磁を継続させるように制御を行うステップと、
   前記マイコンが前記プリント情報に基づいて前記Ｘ軸モータおよび前記Ｙ軸モータを制御することにより、プリント作業を行わせるステップとを含むことを特徴とする３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法。
10. 請求項８または９に記載の３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法において、
    前記マイコンは、駆動ロッドが前記Ｚ軸モータに駆動されてＺ軸方向の上昇動作を行うように、前記Ｚ軸モータを制御することを特徴とする３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法。
11. 請求項１０に記載の３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法において、
    前記駆動ロッドは、スクリュー、ラックロッド、およびベルトロッドのうちのいずれか１つであることを特徴とする３Ｄプリンタの励磁装置の制御方法。

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