JP2024027786A - 立体物印刷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボット３の信頼性を向上を図りつつ、印刷品質を高める。【解決手段】立体物印刷装置は、ワークに向けて液体を吐出するヘッドと、ヘッドを駆動する駆動信号を生成する駆動基板と、を含むヘッドユニットと、ヘッドユニットを支持する先端アームと、先端アームに設けられ、ヘッドユニットを先端回動軸まわりに回動させる先端関節と、を有し、ワークに対するヘッドの位置および姿勢を変化させるロボットと、を備え、ヘッドが液体を吐出する方向である吐出方向にみて、先端回動軸は、ヘッドと駆動基板との間に位置する。【選択図】図３

Description

本開示は、立体物印刷装置に関する。

立体的なワークの表面にインクジェット方式により印刷を行う立体物印刷装置が知られている。例えば、特許文献１には、多関節ロボットを用いて被印刷体とプリントヘッドとの相対位置を変化させながら印刷を行う印刷装置が記載される。

特開２０１７－１９１８３号公報

一般に、プリントヘッドには、当該プリントヘッドを駆動する駆動信号を生成する駆動基板が電気的に接続される。特許文献１には、駆動基板に関する記載がない。

多関節ロボットの基部に対する駆動基板の位置を固定した場合、プリントヘッドと駆動基板とを電気的に接続する配線を多関節ロボットのアームに沿って配置する必要がある。したがって、この場合、当該配線の引き回しが煩雑化するとともに、当該配線の長尺化により駆動基板からの信号が減衰したりノイズの混入の影響を受けたりしてしまう。そこで、多関節ロボットの先端にプリントヘッドとともに駆動基板を配置することにより、当該配線の長さを短くすることが考えられる。

しかし、プリントヘッドおよび駆動基板がいずれも重量物であるため、これらの両方を単に多関節ロボットの先端に配置すると、多関節ロボットの先端関節に対する負荷が増大したり、印刷動作の実行中に先端関節の振動が収束し難くなることにより印刷品質の低下を招いたりするという問題がある。

本開示の一態様に係る立体物印刷装置は、ワークに向けて液体を吐出するヘッドと、前記ヘッドを駆動する駆動信号を生成する駆動基板と、を含むヘッドユニットと、前記ヘッドユニットを支持する先端アームと、前記先端アームに設けられ、前記ヘッドユニットを先端回動軸まわりに回動させる先端関節と、を有し、前記ワークに対する前記ヘッドの位置および姿勢を変化させるロボットと、を備え、前記ヘッドが液体を吐出する方向である吐出方向にみて、前記先端回動軸は、前記ヘッドと前記駆動基板との間に位置する。

本開示の他の一態様に係る立体物印刷装置は、ワークに向けて液体を吐出するヘッドと、前記ヘッドを駆動する駆動信号を生成する駆動基板と、を含むヘッドユニットと、前記ヘッドユニットを支持する先端アームと、前記先端アームに設けられ、前記ヘッドユニットを先端回動軸まわりに回動させる先端関節と、を有し、前記ワークに対する前記ヘッドの位置および姿勢を変化させるロボットと、を備え、前記ヘッドが液体を吐出する方向である吐出方向にみて、前記先端回動軸は、前記ヘッドの重心と前記駆動基板の重心との間に位置する。

第１実施形態に係る立体物印刷装置の概略図である。 第１実施形態に係る立体物印刷装置の電気的な構成を示すブロック図である。 第１実施形態に用いるロボットを説明するための図である。 第１実施形態に用いるヘッドユニットの斜視図である。 ヘッドチップの構成例を示す断面図である。 第１実施形態に係る立体物印刷装置の印刷動作の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る立体物印刷装置の天面印刷を説明するための図である。 第１実施形態に係る立体物印刷装置の側面印刷を説明するための図である。 第２実施形態に係る立体物印刷装置の概略図である。 第２実施形態に用いるヘッドユニットと先端回動軸との位置関係を説明するための図である。 変形例に係る立体物印刷装置の概略図である。

以下、添付図面を参照しながら本開示に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法および縮尺は実際と適宜に異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本開示の範囲は、以下の説明において特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。

以下の説明は、便宜上、互いに交差するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜に用いて行う。また、Ｘ軸に沿う一方向がＸ１方向であり、Ｘ１方向と反対の方向がＸ２方向である。同様に、Ｙ軸に沿って互いに反対の方向がＹ１方向およびＹ２方向である。また、Ｚ軸に沿って互いに反対の方向がＺ１方向およびＺ２方向である。

ここで、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、後述のロボット３が設置される空間に設定されるワールド座標系の座標軸である。典型的には、Ｚ軸が鉛直な軸であり、Ｚ２方向が鉛直方向での下方向に相当する。ロボット３の基部を基準とするベース座標系は、キャリブレーションにより当該ワールド座標系に対応付けられる。以下では、便宜上、ワールド座標系をロボット座標系として用いてロボット３の動作を制御する場合が例示される。

なお、Ｚ軸は、鉛直な軸でなくともよい。また、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、典型的には互いに直交するが、これに限定されず、直交しない場合もある。例えば、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸が８０°以上１００°以下の範囲内の角度で互いに交差すればよい。

１．第１実施形態
１－１．立体物印刷装置の概要
図１は、第１実施形態に係る立体物印刷装置１の概略図である。立体物印刷装置１は、ロボット３を用いて立体的なワークＷの表面にインクジェット方式により印刷を行う装置である。

図１に示す例では、ワークＷは、直方体である。ここで、ワークＷは、Ｚ１方向を向く天面Ｗｃと、Ｚ軸に直交する方向を向く４つの側面Ｗｓと、を有する。以下では、天面Ｗｃに印刷を行う天面印刷と、１つの側面Ｗｓに印刷を行う側面印刷と、を順に実行する場合が例示される。本実施形態におけるワークＷは、例えば段ボールによって構成された箱であり、図１は、工場等において生産された製品が段ボール箱に梱包された状態で搬送される様子を例示している。

なお、ワークＷの印刷対象となる面は、前述の面に限定されず、例えば、天面Ｗｃまたは側面Ｗｓのみであってもよいし、２以上の側面Ｗｓであってもよい。さらに、ワークＷの大きさ、形状、設置位置または設置姿勢は、図１に示す例に限定されず、任意である。

図１に示すように、立体物印刷装置１は、フレーム２とロボット３とヘッドユニット４と搬送機構５とを備える。以下、まず、図１に示す立体物印刷装置１の各部を順次簡単に説明する。

フレーム２は、ロボット３を支持する構造体である。図１に示す例では、フレーム２は、ロボット３を天吊り支持する。ここで、フレーム２は、水平方向に延びる少なくとも１つの梁と、鉛直方向に延びて当該少なくとも１つの梁を支持する複数の柱と、を有する。また、フレーム２は、搬送機構５により搬送されるワークＷの搬入のための入口と搬出のための出口とを有する。

図１では、図中の２点鎖線で示すように、フレーム２の図示が簡略化される。なお、フレーム２の構成は、特に限定されず、任意である。また、フレーム２は、必要に応じて設けられ、省略されてもよい。この場合、例えば、ロボット３は、建物の天井等に支持される。

ロボット３は、ワールド座標系でのヘッドユニット４の位置および姿勢を変化させる多関節ロボットである。図１に示す例では、ロボット３は、基部３１０および腕部３２０に加えて、第１関節３３０＿１、第２関節３３０＿２、第３関節３３０＿３および先端関節３３０＿４を有する４軸の多関節ロボットである。

基部３１０は、フレーム２にネジ留め等により固定される。基部３１０には、腕部３２０の基端Ｅ１が第１関節３３０＿１を介して接続される。腕部３２０は、第２関節３３０＿２、第３関節３３０＿３および先端関節３３０＿４を有する。第１関節３３０＿１、第２関節３３０＿２および第３関節３３０＿３のそれぞれは、Ｚ軸に平行な軸まわりに回動する回動関節である。ただし、第３関節３３０＿３は、Ｚ軸に平行な軸に沿って伸縮する直動関節としても機能する。先端関節３３０＿４は、ロボット３の関節のうち最も先端に位置する関節であり、Ｚ軸に交差する軸である先端回動軸Ｏ４まわりに回動する回動関節である。以下では、第１関節３３０＿１、第２関節３３０＿２、第３関節３３０＿３および先端関節３３０＿４のそれぞれを関節３３０という場合がある。なお、ロボット３の詳細については、後に図３に基づいて説明する。

ヘッドユニット４は、ヘッド４ａおよび駆動基板４ｂを有するアセンブリーであり、ロボット３のアームの先端にエンドエフェクターとしてネジ止め等の固定方法により装着される。ここで、ヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間には、先端回動軸Ｏ４が位置する。ヘッド４ａは、「液体」の一例であるインクをワークＷに向けて吐出する。駆動基板４ｂは、ヘッド４ａを駆動する駆動信号を生成する。なお、ヘッドユニット４の詳細については、後に図４に基づいて説明する。

当該インクとしては、特に限定されず、例えば、水系溶媒に染料または顔料等の色材を溶解させた水系インク、紫外線硬化型等の硬化性樹脂を用いた硬化性インク、および、有機溶剤に染料または顔料等の色材を溶解させた溶剤系インク等が挙げられる。中でも、硬化性インクが好適に用いられる。硬化性インクは、特に限定されず、例えば、熱硬化型、光硬化型、放射線硬化型および電子線硬化型等のいずれでもよいが、紫外線硬化型等の光硬化型が好適である。なお、当該インクは、溶液に限定されず、分散媒に色材等を分散質として分散させたインクでもよい。また、当該インクは、色材を含むインクに限定されず、例えば、配線等を形成するための金属粒子等の導電性粒子を分散質として含むインクでもよいし、クリアインクでもよいし、ワークＷの表面処理のための処理液でもよい。

搬送機構５は、ワールド座標系でのワークＷの位置を変化させる機構である。図１に示す例では、搬送機構５は、ワークＷをＸ１方向に移動させるベルトコンベアーである。本実施形態では、搬送機構５は、後述の図２に示すコンピューター７による制御のもとで、ワークＷをロボット３による印刷領域への搬入または搬出を行う。図示しないが、搬送機構５には、搬送機構５上のワークＷのＸ軸方向での位置を検出するためのセンサーが設けられており、当該センサーの検出結果に基づいて搬送機構５の駆動制御が行われる。当該センサーは、例えば、光位置センサーである。図１では、当該印刷領域への搬入前および搬出後のワークＷが二点鎖線で示される。

なお、搬送機構５上のワークＷのＸ軸方向での位置の検出は、光位置センサーによる検出に限定されず、例えば、搬送機構５の動作量を検出するためのエンコーダーの出力に基づく検出でもよい。また、搬送機構５は、ベルトコンベアーに限定されず、例えば、ローラーコンベアー等の他のコンベアーでもよいし、多関節ロボット、自走式の台車、リニアモータを用いたスライダー機構等でもよい。ワークＷが段ボール箱である場合、搬送機構５としてローラーコンベアーを用いると、段ボール箱の底面とローラーコンベアーのローラーが接触して擦れ、紙粉が発生することがある。紙粉がヘッド４ａに設けられた後述のノズル面ＦＮに付着すると、インクの吐出不良の原因となる場合がある。このため、搬送機構５としては段ボール箱の底面が擦れ難い機構であることが好ましい。

以上の概略の立体物印刷装置１では、先端回動軸Ｏ４がヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置するので、ロボット３の先端関節３３０＿４の負荷を低減することにより、ロボット３の信頼性を向上させたり、印刷動作の実行中のヘッドユニット４の振動を低減することにより、印刷品質を高めたりすることができる。

１－２．立体物印刷装置の電気的構成
図２は、第１実施形態に係る立体物印刷装置１の電気的な構成を示すブロック図である。図２では、立体物印刷装置１の構成要素のうち、電気的な構成要素が示される。図２に示すように、立体物印刷装置１は、前述の図１に示す構成要素のほか、コントローラー６およびコンピューター７を備える。

なお、図２に示す電気的な各構成要素は、適宜に分割されてもよいし、一部が他の構成要素に含まれてもよいし、他の構成要素と一体で構成されてもよい。例えば、コントローラー６の機能の一部または全部は、コンピューター７により実現されてもよいし、ＬＡＮ（Local Area Network）またはインターネット等のネットワークを介してコントローラー６に接続されるＰＣ（personal computer）等の他の外部装置により実現されてもよい。

コントローラー６は、ロボット３の駆動を制御する機能と、ヘッドユニット４でのインクの吐出動作をロボット３の動作に同期させるための信号ＤＴを生成する機能と、を有する。

コントローラー６は、記憶回路６ａと処理回路６ｂとを有する。

記憶回路６ａは、処理回路６ｂが実行する各種プログラムと、処理回路６ｂが処理する各種データと、を記憶する。記憶回路６ａは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性のメモリーとＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）またはＰＲＯＭ（Programmable ROM）等の不揮発性メモリーとの一方または両方の半導体メモリーを含む。なお、記憶回路６ａの一部または全部は、処理回路６ｂに含まれてもよい。

記憶回路６ａには、印刷経路情報Ｄａが記憶される。印刷経路情報Ｄａは、ロボット３の動作の制御に用いられ、ヘッド４ａの移動すべき経路におけるヘッド４ａの位置および姿勢を示す情報である。印刷経路情報Ｄａは、例えば、ベース座標系またはワールド座標系の座標値を用いて表される。印刷経路情報Ｄａは、例えば、ワークＷの形状を示す３次元データに基づいて、コンピューター７により生成される。印刷経路情報Ｄａは、コンピューター７から記憶回路６ａに入力される。なお、印刷経路情報Ｄａは、ワーク座標系の座標値を用いて表されてもよい。この場合、印刷経路情報Ｄａは、ワーク座標系の座標値からベース座標系またはワールド座標系の座標値に変換した後にロボット３の動作の制御に用いられる。

処理回路６ｂは、印刷経路情報Ｄａに基づいてロボット３のアーム駆動機構３ａの動作を制御するとともに、信号ＤＴを生成する。処理回路６ｂは、例えば、１個以上のＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサーを含む。なお、処理回路６ｂは、ＣＰＵに代えて、または、ＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等のプログラマブルロジックデバイスを含んでもよい。

ここで、アーム駆動機構３ａは、前述の第１関節３３０＿１～３３０＿４の駆動機構の集合体であり、関節３３０ごとに、ロボット３の関節３３０を駆動するためのモーターと、ロボット３の関節３３０の回転角度を検出するエンコーダーと、を有する。

処理回路６ｂは、印刷経路情報Ｄａをロボット３の各関節３３０の回転角度および回転速度等の動作量に変換する演算である逆運動学計算を行う。そして、処理回路６ｂは、各関節３３０の実際の回転角度および回転速度等の動作量が印刷経路情報Ｄａに基づく前述の演算結果となるように、アーム駆動機構３ａの各エンコーダーからの出力Ｄｅ１に基づいて、制御信号Ｓｋ１を出力する。制御信号Ｓｋ１は、アーム駆動機構３ａのモーターの駆動を制御するための信号である。ここで、制御信号Ｓｋ１は、必要に応じて、図示しない距離センサーからの出力に基づいて処理回路６ｂにより補正される。

また、処理回路６ｂは、アーム駆動機構３ａの複数のエンコーダーのうちの少なくとも１つからの出力Ｄｅ１に基づいて、信号ＤＴを生成する。例えば、処理回路６ｂは、当該複数のエンコーダーのうちの１つからの出力Ｄｅ１が所定値となるタイミングのパルスを含むトリガー信号を信号ＤＴとして生成する。

ヘッドユニット４の駆動基板４ｂは、コントローラー６から出力される信号ＤＴとコンピューター７からの印刷データＩｍｇに基づいて、ヘッド４ａのインクの吐出動作を制御する回路である。駆動基板４ｂは、タイミング信号生成回路４ｂ１と電源回路４ｂ２と制御回路４ｂ３と駆動信号生成回路４ｂ４とを有する。

タイミング信号生成回路４ｂ１は、信号ＤＴに基づいてタイミング信号ＰＴＳを生成する。タイミング信号生成回路４ｂ１は、例えば、信号ＤＴの検出を契機としてタイミング信号ＰＴＳの生成を開始するタイマーで構成される。

電源回路４ｂ２は、図示しない商用電源から電力の供給を受け、所定の各種電位を生成する。生成した各種電位は、ヘッド４ａおよび駆動基板４ｂの各部に適宜に供給される。例えば、電源回路４ｂ２は、電源電位ＶＨＶとオフセット電位ＶＢＳとを生成する。オフセット電位ＶＢＳは、ヘッド４ａに供給される。また、電源電位ＶＨＶは、駆動信号生成回路４ｂ４に供給される。

制御回路４ｂ３は、タイミング信号ＰＴＳに基づいて、制御信号ＳＩと波形指定信号ｄＣｏｍとラッチ信号ＬＡＴとクロック信号ＣＬＫとチェンジ信号ＣＮＧとを生成する。これらの信号は、タイミング信号ＰＴＳに同期する。これらの信号のうち、波形指定信号ｄＣｏｍは、配線１２を介して、駆動信号生成回路４ｂ４に入力され、それ以外の信号は、配線１１を介して、ヘッドユニット４のスイッチ回路４ａ２に入力される。

制御信号ＳＩは、ヘッド４ａのヘッドチップ４ａ１の有する後述の駆動素子Ｅａ、Ｅｂの動作状態を指定するためのデジタルの信号である。具体的には、制御信号ＳＩは、印刷データＩｍｇに基づいて、駆動素子Ｅａ、Ｅｂに対して後述の駆動信号Ｃｏｍを供給するか否かを指定するための信号である。この指定により、例えば、駆動素子Ｅａ、Ｅｂに対応するノズルからインクを吐出するか否かを指定したり、当該ノズルから吐出されるインクの量を指定したりする。波形指定信号ｄＣｏｍは、駆動信号Ｃｏｍの波形を規定するためのデジタル信号である。ラッチ信号ＬＡＴおよびチェンジ信号ＣＮＧは、制御信号ＳＩと併用され、駆動素子Ｅａ、Ｅｂの駆動タイミングを規定することにより、当該ノズルからのインクの吐出タイミングを規定するための信号である。クロック信号ＣＬＫは、タイミング信号ＰＴＳに同期した基準となるクロック信号である。

以上の制御回路４ｂ３は、例えば、１個以上のＣＰＵ等のプロセッサーを含む。なお、制御回路４ｂ３は、ＣＰＵに代えて、または、ＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ等のプログラマブルロジックデバイスを含んでもよい。

駆動信号生成回路４ｂ４は、ヘッド４ａのヘッドチップ４ａ１の有する各駆動素子Ｅａ、Ｅｂを駆動するための駆動信号Ｃｏｍを生成する回路である。具体的には、駆動信号生成回路４ｂ４は、例えば、ＤＡ変換回路と増幅回路とを有する。駆動信号生成回路４ｂ４では、当該ＤＡ変換回路が制御回路４ｂ３からの波形指定信号ｄＣｏｍをデジタル信号からアナログ信号に変換し、当該増幅回路が電源回路４ｂ２からの電源電位ＶＨＶを用いて当該アナログ信号を増幅することで駆動信号Ｃｏｍを生成する。ここで、駆動信号Ｃｏｍは、パルス波形を含むパルス信号であり、駆動信号Ｃｏｍに含まれる波形のうち、駆動素子Ｅａ、Ｅｂに実際に供給される波形の信号が駆動パルスＰＤである。駆動パルスＰＤは、ヘッド４ａのスイッチ回路４ａ２を介して、駆動信号生成回路４ｂ４から駆動素子Ｅａ、Ｅｂに供給される。

ここで、スイッチ回路４ａ２は、制御信号ＳＩに基づいて、駆動信号Ｃｏｍに含まれる波形のうちの少なくとも一部を駆動パルスＰＤとして供給するか否かを切り替えるスイッチング素子を含む回路である。

コンピューター７は、所定のプログラムをインストールしたデスクトップ型またはノート型等のコンピューターである。コンピューター７は、印刷データＩｍｇおよび印刷経路情報Ｄａを生成する機能と、コントローラー６に印刷経路情報Ｄａ等の情報を供給する機能と、駆動基板４ｂに印刷データＩｍｇ等の情報を供給する機能と、を有する。本実施形態のコンピューター７は、これらの機能のほか、搬送機構５の駆動を制御する機能を有する。

１－３．ロボット
図３は、第１実施形態に用いるロボット３を説明するための図である。図３に示すように、ロボット３は、基部３１０と腕部３２０とを有する。

基部３１０は、腕部３２０を支持する台であり、前述の図２に示すフレーム２にネジ止め等により固定される。

腕部３２０は、基部３１０に取り付けられる基端Ｅ１と、基端Ｅ１に対して３次元的に位置および姿勢を変化させる先端Ｅ２と、を有する４軸のロボットアームである。具体的には、腕部３２０は、第１アーム３２１と第２アーム３２２と第３アーム３２３と先端アーム３２４とを有し、これらがこの順に連結される。

第１アーム３２１は、基部３１０に対して第１軸Ｏ１まわりに回動可能に第１関節３３０＿１を介して接続される。図３に示す例では、第１軸Ｏ１がＺ軸に平行な軸である。第１アーム３２１は、基部３１０のＺ２方向での端からＺ軸に直交する方向に延びる形状をなす。第１関節３３０＿１には、基部３１０に対して第１アーム３２１を回動させる駆動機構が設けられる。当該駆動機構は、前述のアーム駆動機構３ａの一部を構成しており、例えば、当該回動のための駆動力を発生させるモーターと、当該駆動力を減速して出力する減速機と、当該回動の角度等の動作量を検出するロータリーエンコーダー等のエンコーダーと、を有する。

第２アーム３２２は、第１アーム３２１に対して第２軸Ｏ２まわりに回動可能に第２関節３３０＿２を介して接続される。図３示す例では、第２軸Ｏ２がＺ軸に平行な軸である。第２アーム３２２は、第１アーム３２１の長手方向での先端部からＺ２方向に延びた後にＺ軸に直交する方向に延びる形状をなす。第２関節３３０＿２には、第１アーム３２１に対して第２アーム３２２を回動させる駆動機構が設けられる。当該駆動機構は、前述のアーム駆動機構３ａの一部を構成しており、例えば、当該回動のための駆動力を発生させるモーターと、当該駆動力を減速して出力する減速機と、当該回動の角度等の動作量を検出するロータリーエンコーダー等のエンコーダーと、を有する。

第３アーム３２３は、第２アーム３２２に対して第３軸Ｏ３まわりに回動可能であるとともに第３軸Ｏ３に沿って伸縮可能な第３関節３３０＿３を介して接続される。図３に示す例では、第３軸Ｏ３がＺ軸に平行な軸である。第３アーム３２３は、第２アーム３２２の先端部から突出しており、Ｚ軸に沿う方向に延びる円柱状の作動軸である。第３関節３３０＿３には、第３アーム３２３をその中心軸まわりに回動させたりその中心軸に沿って昇降させたりする駆動機構が設けられることにより、第３軸Ｏ３に沿った回動と伸縮が可能となる。当該駆動機構は、前述のアーム駆動機構３ａの一部を構成しており、例えば、当該回動のためのボールネジ機構等の回動機構と、当該昇降のためのボールスプライン機構等の昇降機構と、当該回動および当該昇降のための駆動力を発生させるモーターと、当該回動および当該昇降の動作量を検出するエンコーダーと、を有する。

先端アーム３２４は、第３アーム３２３に対して先端回動軸Ｏ４まわりに回動可能に先端関節３３０＿４を介して接続される。図３に示す例では、先端回動軸Ｏ４がＺ軸に直交する軸である。先端アーム３２４は、第３アーム３２３のＺ２方向での端部に取り付けられる。先端関節３３０＿４には、第３アーム３２３に対して先端アーム３２４を回動させる駆動機構が設けられる。当該駆動機構は、前述のアーム駆動機構３ａの一部を構成しており、例えば、当該回動のための駆動力を発生させるモーターと、当該駆動力を減速して出力する減速機と、当該回動の角度等の動作量を検出するロータリーエンコーダー等のエンコーダーと、を有してもよい。また他の例として、当該駆動機構は、圧縮空気によって回動するロータリーシリンダ等を有してもよい。

以上のロボット３では、第１軸Ｏ１、第２軸Ｏ２および第３軸Ｏ３が互いに平行であり、かち、先端回動軸Ｏ４が第３軸Ｏ３に直交する。なお、これらの回動軸について、「直交」とは、２つの回動軸のなす角度が厳密に９０°である場合のほか、２つの回動軸のなす角度が９０°から±５°程度の範囲内でずれる場合も含む。同様に、「平行」とは、２つの回動軸が厳密に平行である場合のほかに、２つの回動軸の一方が他方に対して±５°程度の範囲内で傾斜する場合も含む。

以上のような構成のロボット３は、例えば、既製品のスカラロボットを用いて構成される。具体的には、例えば、既製品の４軸のスカラロボットの先端に先端関節３３０＿４および先端アーム３２４を追加することにより、ロボット３を実現することができる。このように、ロボット３は、関節機能を有するエンドエフェクターを既製品のロボットに追加した構成でもよく、当該エンドエフェクターは、ロボット３の構成要素の一部である。したがって、ロボット３がロボットおよびエンドエフェクターを含む場合であっても、当該ロボットおよび当該エンドエフェクターを含む構成において、回動のための複数の関節のうち、最も先端に位置する関節が「先端関節３３０＿４」であり、先端関節３３０＿４のための回動軸が「先端回動軸Ｏ４」である。なお、ロボット３は、既製品のロボットを用いずに構成されてもよい。

以上のロボット３の先端アーム３２４には、エンドエフェクターとして、ヘッドユニット４がネジ止め等により固定された状態で装着される。ここで、ヘッドユニット４は、ヘッドユニット４の先端回動軸Ｏ４まわりのモーメントを小さくするように構成される。

具体的には、ヘッド４ａがインクを吐出する方向である吐出方向にみて、先端回動軸Ｏ４がヘッド４ａの重心Ｇ１と駆動基板４ｂの重心Ｇ２との間に位置する。図３に示す例では、ヘッド４ａがインクを吐出する方向である吐出方向にみて、先端回動軸Ｏ４がヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置する。また、先端回動軸Ｏ４に沿う方向にみて、先端回動軸Ｏ４がヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置する。

ここで、ヘッドユニット４の先端回動軸Ｏ４まわりのモーメントを小さくする観点から、先端回動軸Ｏ４に沿う方向にみて、先端回動軸Ｏ４は、重心Ｇ１と重心Ｇ２とを結ぶ線分ＬＳ１に近いことが好ましい。また、同様の観点から、先端回動軸Ｏ４と重心Ｇ１との間の距離Ｌ１と、先端回動軸Ｏ４と重心Ｇ２との間の距離Ｌ２と、のそれぞれは、可能な限り小さいことが好ましい。

距離Ｌ１、Ｌ２の大小関係は、ヘッド４ａおよび駆動基板４ｂの質量の大小関係に応じて決められることが好ましい。すなわち、ヘッド４ａの質量が駆動基板４ｂの質量よりも大きい場合、距離Ｌ１は距離Ｌ２よりも短い。一方、ヘッド４ａの質量が駆動基板４ｂの質量よりも小さい場合、距離Ｌ１は距離Ｌ２よりも長いことが好ましい。

１－４．ヘッドユニット
図４は、第１実施形態に用いるヘッドユニット４の斜視図である。以下の説明は、便宜上、互いに交差するａ軸、ｂ軸およびｃ軸を適宜に用いて行う。また、以下の説明では、ａ軸に沿う一方向がａ１方向であり、ａ１方向と反対の方向がａ２方向である。同様に、ｂ軸に沿って互いに反対の方向がｂ１方向およびｂ２方向である。また、ｃ軸に沿って互いに反対の方向がｃ１方向およびｃ２方向である。

ここで、ａ軸、ｂ軸およびｃ軸は、ヘッドユニット４に設定されるツール座標系の座標軸に相当し、前述のロボット３の動作により前述のワールド座標系またはロボット座標系との相対的な位置および姿勢の関係が変化する。図４に示す例では、ａ軸が前述の先端回動軸Ｏ４に直交する軸である。なお、ａ軸、ｂ軸およびｃ軸は、典型的には互いに直交するが、これに限定されず、例えば、８０°以上１００°以下の範囲内の角度で交差すればよい。なお、ツール座標系とベース座標系またはロボット座標系とは、キャリブレーションにより対応付けされる。

ツール座標系は、ツールセンターポイントを基準として設定される。したがって、ヘッド４ａの位置および姿勢は、ツールセンターポイントを基準として規定される。例えば、ツールセンターポイントは、後述のノズル面ＦＮの中心に配置されてもよいし、ヘッド４ａからインクの吐出方向ＤＥに間隔を隔てた空間に配置されてもよい。

ヘッドユニット４は、前述のヘッド４ａおよび駆動基板４ｂのほか、ヘッド４ａおよび駆動基板４ｂを支持する支持体４ｃを有する。なお、ヘッドユニット４は、ヘッド４ａ、駆動基板４ｂおよび支持体４ｃ以外の構成要素を含んでもよい。例えば、紫外線硬化性を有するインクを用いる場合、ヘッドユニット４が当該インクの硬化のための光源を含んでもよい。

支持体４ｃは、例えば、金属材料等で構成されており、実質的な剛体である。なお、図４では、支持体４ｃがｂ軸に沿う方向に延びるとともにａ軸に沿う方向を厚さ方向とする長尺板状をなすが、支持体４ｃの形状は、特に限定されず、任意である。また、支持体４ｃは、必要に応じて設けられ、省略されてもよい。支持体４ｃが省略される場合、例えば、ヘッド４ａおよび駆動基板４ｂが先端アーム３２４に直接にネジ留め等により固定されてもよい。

以上の支持体４ｃは、先端アーム３２４に装着される。したがって、ヘッド４ａおよび駆動基板４ｂが支持体４ｃにより一括して先端アーム３２４に支持される。このため、先端アーム３２４に対するヘッド４ａおよび駆動基板４ｂのそれぞれの相対的な位置が固定される。図４に示す例では、ヘッド４ａおよび駆動基板４ｂがｂ軸に沿う方向に並ぶ。そして、先端回動軸Ｏ４に対して、ｂ２方向の位置にヘッド４ａが配置され、ｂ１方向の位置に駆動基板４ｂが配置される。

ヘッド４ａは、ノズル面ＦＮを有する。ノズル面ＦＮは、複数のノズルＮが貫通孔として設けられる後述のノズル板１８ｃおよびこれと略同一平面上に配置される部材の面で構成される。図４に示す例では、ノズル面ＦＮの法線に沿う方向、すなわちノズルＮからのインクの吐出方向ＤＥがｃ２方向である。

図４に示す例では、ヘッド４ａが４個のヘッドチップ４ａ１を有する。当該４個のヘッドチップ４ａ１は、ｂ軸に沿う方向に互いに並ぶ２個のヘッドチップ４ａ１と、当該２個のヘッドチップ４ａ１に対してａ軸に沿う方向に並ぶとともに、ｂ軸に沿う方向に互いに並ぶ２個のヘッドチップ４ａ１と、で構成される。なお、ヘッド４ａの有するヘッドチップ４ａ１の数は、図４に示す例に限定されず、１個以上３個以下でもよいし、５個以上でもよい。また、複数のヘッドチップ４ａ１の配置は、図４に示す例に限定されず任意である。

各ヘッドチップ４ａ１は、複数のノズルＮを有する。当該複数のノズルＮは、ａ軸に沿う方向に互いに間隔をあけて並ぶノズル列ＮＬ１とノズル列ＮＬ２とに区分される。ノズル列ＮＬ１およびノズル列ＮＬ２のそれぞれは、ｂ軸に沿う方向である配列方向ＤＮに直線状に配列される複数のノズルＮの集合である。ここで、ヘッド４ａの複数のノズルＮの配列方向ＤＮは、先端回動軸Ｏ４と交差する方向である。なお、ノズル列ＮＬ１およびノズル列ＮＬ２のうちの一方の各ノズルＮに関連する要素が省略されてもよい。

図５は、ヘッドチップ４ａ１の構成例を示す断面図である。図５に示すように、ヘッドチップ４ａ１は、流路基板１８ａと圧力室基板１８ｂとノズル板１８ｃと吸振体１８ｄと振動板１８ｅと複数の駆動素子Ｅａ、Ｅｂとカバー１８ｇとケース１８ｈと配線基板１８ｉと駆動回路１８ｊとを有する。

流路基板１８ａおよび圧力室基板１８ｂは、この順でｃ１方向に積層されており、複数のノズルＮにインクを供給するための流路を形成する。流路基板１８ａおよび圧力室基板１８ｂからなる積層体よりもｃ１方向に位置する領域には、振動板１８ｅと複数の駆動素子Ｅａ、Ｅｂとカバー１８ｇとケース１８ｈと配線基板１８ｉと駆動回路１８ｊとが設置される。他方、当該積層体よりもｃ２方向に位置する領域には、ノズル板１８ｃと吸振体１８ｄとが設置される。ヘッドチップ４ａ１の各要素は、概略的にはｂ軸に沿う方向に長尺な板状部材であり、例えば接着剤または直接接合等により、互いに接合される。以下、ヘッドチップ４ａ１の各要素を順に説明する。

ノズル板１８ｃは、ノズル列ＮＬ１およびノズル列ＮＬ２のそれぞれの複数のノズルＮが設けられた板状部材である。複数のノズルＮのそれぞれは、インクを通過させる貫通孔である。ノズル板１８ｃは、例えば、ドライエッチングまたはウェットエッチング等の加工技術を用いる半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。

流路基板１８ａには、ノズル列ＮＬ１およびノズル列ＮＬ２のそれぞれについて、空間Ｒ１ａ、Ｒ１ｂと複数の供給流路ＲＲａ、ＲＲｂと複数の連通流路ＮＲａ、ＮＲｂとが設けられる。空間Ｒ１ａ、Ｒ１ｂのそれぞれは、Ｚ軸に沿う方向でみた平面視で、Ｙ軸に沿う方向に延びる長尺状の開口である。供給流路ＲＲａ、ＲＲｂおよび連通流路ＮＲａ、ＮＲｂのそれぞれは、ノズルＮごとに形成された貫通孔である。各供給流路ＲＲａは、空間Ｒ１ａに連通する。各供給流路ＲＲｂは、空間Ｒ１ｂに連通する。

圧力室基板１８ｂは、複数の圧力室Ｃａおよび複数の圧力室Ｃｂが設けられた板状部材である。複数の圧力室Ｃａは、Ｙ軸に沿う方向に配列される。同様に、複数の圧力室Ｃｂは、Ｙ軸に沿う方向に配列される。各圧力室Ｃａは、ノズル列ＮＬ１のノズルＮごとに形成され、平面視でＸ軸に沿う方向に延びる長尺状の空間である。同様に、各圧力室Ｃｂは、ノズル列ＮＬ２のノズルＮごとに形成され、平面視でＸ軸に沿う方向に延びる長尺状の空間である。流路基板１８ａおよび圧力室基板１８ｂそれぞれは、前述のノズル板１８ｃと同様に、例えば、半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。

圧力室Ｃａは、連通流路ＮＲａおよび供給流路ＲＲａのそれぞれに連通する。したがって、圧力室Ｃａは、連通流路ＮＲａを介してノズル列ＮＬ１のノズルＮに連通し、かつ、供給流路ＲＲａを介して空間Ｒ１ａに連通する。同様に、圧力室Ｃｂは、連通流路ＮＲｂおよび供給流路ＲＲｂのそれぞれに連通する。したがって、圧力室Ｃｂは、連通流路ＮＲｂを介してノズル列ＮＬ２のノズルＮに連通し、かつ、供給流路ＲＲｂを介して空間Ｒ１ｂに連通する。

圧力室基板１８ｂのＺ１方向を向く面には、振動板１８ｅが配置される。振動板１８ｅは、弾性的に振動可能な板状部材である。振動板１８ｅは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で構成される弾性膜と、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）で構成される絶縁膜とを有し、これらがこの順でｃ１方向に積層される。当該弾性膜は、例えば、シリコン単結晶基板の一方の面を熱酸化することにより形成される。当該絶縁膜は、例えば、スパッタ法によりジルコニウムの層を形成し、当該層を熱酸化することにより形成される。なお、振動板１８ｅは、前述の構成に限定されず、例えば、単層で構成されてもよいし、３層以上で構成されてもよい。

振動板１８ｅのｃ１方向を向く面には、複数の駆動素子Ｅａおよび複数の駆動素子Ｅｂが配置される。駆動素子Ｅａ、Ｅｂのそれぞれは、駆動信号の供給により変形する受動素子である。駆動素子Ｅａ、Ｅｂのそれぞれは、平面視でａ軸に沿う方向に延びる長尺状をなす。複数の駆動素子Ｅａは、複数の圧力室Ｃａに対応するようにｂ軸に沿う方向に配列される。同様に、複数の駆動素子Ｅｂは、複数の圧力室Ｃｂに対応するようにｂ軸に沿う方向に配列される。

駆動素子Ｅａ、Ｅｂのそれぞれは、図示しないが、第１電極と圧電体層と第２電極とを有し、この順でこれらがＺ１方向に積層される。第１電極および第２電極のうちの一方の電極は、駆動素子Ｅａごとまたは駆動素子Ｅｂごとに互いに離間して配置される個別電極であり、当該一方の電極には、駆動信号が印加される。第１電極および第２電極のうちの他方の電極は、複数の駆動素子Ｅａまたは複数の駆動素子Ｅｂにわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状の共通電極であり、当該他方の電極には、所定の基準電位が供給される。これらの電極の金属材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）等の金属材料が挙げられ、これらのうち、１種を単独でまたは２種以上を合金または積層等の態様で組み合わせて用いることができる。圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）等の圧電材料で構成されており、例えば、複数の駆動素子Ｅａまたは複数の駆動素子Ｅｂにわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状をなす。ただし、圧電体層は、駆動素子Ｅａごとまたは駆動素子Ｅｂごとに個別に設けられてもよい。以上の駆動素子Ｅａの変形に連動して振動板１８ｅが振動すると、圧力室Ｃａ内の圧力が変動することで、インクがノズル列ＮＬ１のノズルＮから噴射される。同様に、駆動素子Ｅｂの変形に連動して振動板１８ｅが振動すると、圧力室Ｃｂ内の圧力が変動することで、インクがノズル列ＮＬ２のノズルＮから噴射される。なお、駆動素子として、当該駆動素子Ｅａ、Ｅｂに代えて、圧力室Ｃａ、Ｃｂ内のインクを加熱する発熱素子を用いてもよい。

カバー１８ｇは、振動板１８ｅのＺ１方向を向く面に設置される板状部材であり、複数の駆動素子Ｅａおよび複数の駆動素子Ｅｂを保護するとともに振動板１８ｅの機械的な強度を補強する。ここで、カバー１８ｇと振動板１８ｅとの間には、複数の駆動素子Ｅａおよび複数の駆動素子Ｅｂが収容される。カバー１８ｇは、例えば、樹脂材料で構成される。

ケース１８ｈは、複数の圧力室Ｃａおよび複数の圧力室Ｃｂに供給されるインクを貯留するためのケースである。ケース１８ｈは、例えば、樹脂材料で構成される。ケース１８ｈには、空間Ｒ２ａ、Ｒ２ｂ、導入口Ｒａ＿ｉｎ、Ｒｂ＿ｉｎおよび排出口Ｒａ＿ｏｕｔ、Ｒｂ＿ｏｕｔが設けられる。空間Ｒ２ａは、前述の空間Ｒ１ａに連通する空間であり、空間Ｒ１ａとともに、複数の圧力室Ｃａに供給されるインクを貯留するリザーバーである液体貯留室Ｒａとして機能する。液体貯留室Ｒａ内のインクは、各供給流路ＲＲａを介して圧力室Ｃａに供給される。同様に、空間Ｒ２ｂは、前述の空間Ｒ１ｂに連通する空間であり、空間Ｒ１ｂとともに、複数の圧力室Ｃｂに供給されるインクを貯留するリザーバーである液体貯留室Ｒｂとして機能する。液体貯留室Ｒｂ内のインクは、各供給流路ＲＲｂを介して圧力室Ｃｂに供給される。

吸振体１８ｄは、コンプライアンス基板とも称され、液体貯留室Ｒａ、Ｒｂの壁面を構成する可撓性の樹脂フィルムであり、液体貯留室Ｒａ、Ｒｂ内のインクの圧力変動を吸収する。なお、吸振体１８ｄは、金属製の可撓性を有する薄板であってもよい。吸振体１８ｄのＺ１方向を向く面は、流路基板１８ａに接着剤等により接合される。

配線基板１８ｉは、振動板１８ｅのｃ１方向を向く面に実装されており、駆動基板４ｂとヘッドチップ４ａ１とを電気的に接続するための実装部品である。配線基板１８ｉは、例えば、ＣＯＦ（Chip On Film）、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）またはＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の可撓性の配線基板である。本実施形態の配線基板１８ｉには、前述のスイッチ回路４ａ２が実装される。スイッチ回路４ａ２は、制御信号ＳＩに基づいて、各駆動素子Ｅａ、Ｅｂに駆動信号Ｃｏｍを駆動パルスＰＤとして供給する。

以上のヘッドチップ４ａ１には、図示しない圧力調整弁を介して、図示しないインクタンクからインクが供給される。圧力調整弁は、ヘッドチップ４ａ１内のインクの圧力に応じて開閉する弁機構である。この開閉により、ヘッドチップ４ａ１と前述の図示しないインクタンクとの位置関係が変化しても、ヘッドチップ４ａ１内のインクの圧力が所定範囲内の負圧に維持される。なお、圧力調整弁は、ヘッドチップ４ａ１ごとに設けられてもよいし、１個の圧力調整弁から複数のヘッドチップ４ａ１に分岐流路を介してインクを分配するように構成されてもよい。また、圧力調整弁は、ヘッド４ａの構成要素であってもよいし、ヘッド４ａとは別のヘッドユニット４の構成要素であってもよい。

図４に示す駆動基板４ｂは、前述の図２に示す回路を構成する電子部品および配線基板で構成される。

１－５．印刷動作
図６は、第１実施形態に係る立体物印刷装置１の印刷動作の一例を示すフローチャートである。立体物印刷装置１は、印刷動作Ｓ１０を実行する。図６に示す例では、印刷動作Ｓ１０は、前述のワークＷの天面Ｗｃに印刷を行う天面印刷Ｓ１１と、ワークＷの側面Ｗｓに印刷を行う側面印刷Ｓ１２と、を含む。天面印刷Ｓ１１および側面印刷Ｓ１２の実行順は、任意である。以下、天面印刷Ｓ１１および側面印刷Ｓ１２について順に説明する。

図７は、第１実施形態に係る立体物印刷装置１の天面印刷Ｓ１１を説明するための図である。天面印刷Ｓ１１では、ロボット３がワークＷに対するヘッド４ａの位置を変化させつつ、ヘッド４ａがワークＷの天面Ｗｃに向けてインクを吐出する。このとき、ノズル面ＦＮが天面Ｗｃに対向しており、複数のノズルＮの配列方向ＤＮおよび吐出方向ＤＥに交差する方向ＤＳに、ヘッド４ａが移動する。ここで、ヘッド４ａの配列方向ＤＮと方向ＤＳとのなす角度を一定に保つように、第１関節３３０＿１、第２関節３３０＿２、第３関節３３０＿３の動作により、ヘッド４ａが方向ＤＳに移動する。この間、先端関節３３０＿４は動作させなくてもよい。

図７に示す例では、吐出方向ＤＥがＺ２方向であり、配列方向ＤＮがＸ軸に沿う方向であり、方向ＤＳがＹ軸に沿う方向である。

ここで、天面印刷Ｓ１１では、ヘッド４ａと駆動基板４ｂとが第３軸Ｏ３に交差する方向に並ぶ状態で、ロボット３がワークＷに対するヘッド４ａの位置を変化させつつ、ヘッド４ａがワークＷに向けてインクを吐出する。また、天面印刷Ｓ１１の実行中において、ヘッド４ａが駆動基板４ｂに対して水平方向に並んで位置する。このように、天面印刷Ｓ１１の実行中において、ヘッドユニット４の姿勢は、駆動基板４ｂに対して鉛直上方にヘッド４ａが位置しない姿勢である。

ここで、第３アーム３２３の長さＬ３は、最大長よりも短く、好ましくは、例えば、最大長に対して５０％未満の長さである。すなわち、天面印刷Ｓ１１での第３アーム３２３の伸縮率は、５０％未満であることが好ましい。これにより、側面印刷Ｓ１２のための第３アーム３２３の伸長の余地を残すことができる。

図８は、第１実施形態に係る立体物印刷装置１の側面印刷Ｓ１２を説明するための図である。側面印刷Ｓ１２では、ロボット３がワークＷに対するヘッド４ａの位置を変化させつつ、ヘッド４ａがワークＷの側面Ｗｓに向けてインクを吐出する。このとき、ノズル面ＦＮが側面Ｗｓに対向しており、複数のノズルＮの配列方向ＤＮおよび吐出方向ＤＥに交差する方向ＤＳに、ヘッド４ａが移動する。ここで、ヘッド４ａの配列方向ＤＮと方向ＤＳとのなす角度を一定に保つように、第１関節３３０＿１、第２関節３３０＿２、第３関節３３０＿３の動作により、ヘッド４ａが方向ＤＳに移動する。この間、先端関節３３０＿４は動作させなくてもよい。

図８に示す例では、吐出方向ＤＥがＸ１方向であり、配列方向ＤＮがＺ軸に沿う方向であり、方向ＤＳがＹ軸に沿う方向である。図８では、４個の側面Ｗｓのうち、Ｘ２方向を向く側面Ｗｓに印刷を行う場合が例示される。

ここで、側面印刷Ｓ１２では、ヘッド４ａと駆動基板４ｂとが第３軸Ｏ３に沿う方向に並ぶ状態で、ロボット３がワークＷに対するヘッド４ａの位置を変化させつつ、ヘッド４ａがワークＷに向けてインクを吐出する。また、側面印刷Ｓ１２の実行中において、ヘッド４ａが駆動基板４ｂに対して鉛直下方に並んで位置する。このように、側面印刷Ｓ１２の実行中において、ヘッドユニット４の姿勢は、駆動基板４ｂに対して鉛直上方にヘッド４ａが位置しない姿勢である。

ここで、第３アーム３２３の長さＬ３は、好ましくは、最大長に対して５０％以上の長さである。すなわち、側面印刷Ｓ１２での第３アーム３２３の伸縮率は、５０％以上であることが好ましい。これにより、第３アーム３２３の伸縮機能を好適に利用して、側面Ｗｓの印刷を行うことができる。

以上のような天面印刷Ｓ１１および側面印刷Ｓ１２を順に実行する場合、天面印刷Ｓ１１および側面印刷Ｓ１２のうちの一方の印刷の終了から他方の印刷の開始までの間の期間において、ヘッドユニット４の先端回動軸Ｏ４まわりの姿勢が９０°変化する。ここで、吐出方向ＤＥにみて、先端回動軸Ｏ４がヘッド４ａの重心Ｇ１と駆動基板４ｂの重心Ｇ２との間に位置しない構成では、このような姿勢の変化に起因してヘッドユニット４に不要な振動が生じやすいので、当該他方の印刷の開始を遅くする必要があったり、当該他方の印刷の画質低下を招いたりする。これに対し、本実施形態のように、吐出方向ＤＥにみて、先端回動軸Ｏ４がヘッド４ａの重心Ｇ１と駆動基板４ｂの重心Ｇ２との間に位置する構成では、このような姿勢の変化に起因するヘッドユニット４の不要な振動を低減することができる。このため、当該他方の印刷の画質低下を招くことなく、当該他方の印刷を迅速に開始することができる。

また、天面印刷Ｓ１１および側面印刷Ｓ１２のそれぞれにおいて、ワークＷの一部に粘着テープが貼られている場合、ヘッド４ａが当該粘着テープ上を通過する際には、ヘッド４ａとワークＷとの距離を印刷時に比べて大きくすることが好ましい。これにより、当該粘着テープが捲れている場合であっても、当該粘着テープの粘着面とヘッド４ａとの接触を抑制することができる。

以上の立体物印刷装置１は、前述のように、ヘッドユニット４とロボット３とを備える。ヘッドユニット４は、「液体」の一例であるインクをワークＷに向けて吐出するヘッド４ａと、ヘッド４ａを駆動する駆動信号Ｃｏｍを生成する駆動基板４ｂと、を含む。ロボット３は、ヘッドユニット４を支持する先端アーム３２４と、先端アーム３２４に設けられ、ヘッドユニット４を先端回動軸Ｏ４まわりに回動させる先端関節３３０＿４と、を有し、ワークＷに対するヘッド４ａの位置および姿勢を変化させる。

そのうえで、ヘッド４ａがインクを吐出する方向である吐出方向ＤＥにみて、先端回動軸Ｏ４は、ヘッド４ａの重心Ｇ１と駆動基板４ｂの重心Ｇ２との間に位置する。本実施形態では、吐出方向ＤＥにみて、先端回動軸Ｏ４は、ヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置する。

以上の立体物印刷装置１では、ロボット３のエンドエフェクターであるヘッドユニット４がヘッド４ａおよび駆動基板４ｂを含むので、ヘッド４ａと駆動基板４ｂとを電気的に接続する配線１１、１２をロボット３の周囲に引き回す必要がないだけでなく、配線１１、１２を短くすることができる。このため、配線１２の配線長による駆動信号Ｃｏｍの減衰を低減することができる。そのうえで、吐出方向ＤＥにみて先端回動軸Ｏ４がヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置するので、ヘッドユニット４の重心を先端回動軸Ｏ４に近づけることができる。これにより、ヘッドユニット４の先端回動軸Ｏ４まわりの回転運動において、駆動基板４ｂがヘッド４ａのカウンターウエイトとして機能する。このため、ロボット３の先端関節３３０＿４の負荷を低減することにより、ロボット３の信頼性を向上させたり、ヘッドユニット４の意図しない先端回動軸Ｏ４まわりの回転運動を抑制し、印刷動作の実行中のヘッドユニット４の振動を低減することにより、印刷品質を高めたりすることができる。

なお、本実施形態では、吐出方向ＤＥにみて、先端回動軸Ｏ４は、ヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置するが、吐出方向ＤＥにみて、先端回動軸Ｏ４は、ヘッド４ａの重心Ｇ１と駆動基板４ｂの重心Ｇ２との間に位置していればよい。したがって、吐出方向ＤＥにみて、先端回動軸Ｏ４は、ヘッド４ａの重心Ｇ１と駆動基板４ｂの重心Ｇ２との間に位置していれば、吐出方向ＤＥにみてヘッド４ａおよび駆動基板４ｂの一部同士が重なってもよい。

また、本実施形態においては、駆動基板４ｂが、タイミング信号生成回路４ｂ１と電源回路４ｂ２と制御回路４ｂ３と駆動信号生成回路４ｂ４とをいずれも有する構成としたが、本発明はこれに限定されない。他の例として、本発明における駆動基板４ｂは、タイミング信号生成回路４ｂ１と電源回路４ｂ２と制御回路４ｂ３と駆動信号生成回路４ｂ４との少なくとも１つを有していればよく、特に電源回路４ｂ２などは、ヘッドユニット４の外部に設けられた他の基板によって実現されてもよい。しかしながら、配線１２の配線長による駆動信号Ｃｏｍの減衰を低減する観点から、ヘッドユニット４に設けられた駆動基板４ｂは少なくとも駆動信号生成回路４ｂ４を有していることが好ましい。また、信号の遅延を低減する観点から、ヘッドユニット４に設けられた駆動基板４ｂが、駆動信号生成回路４ｂ４に加え、タイミング信号生成回路４ｂ１と制御回路４ｂ３との少なくとも一方または両方を有していることがさらに好ましい。

本実施形態では、前述のように、先端回動軸Ｏ４に沿う方向にみて、先端回動軸Ｏ４がヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置する。このため、ヘッドユニット４の重心を先端回動軸Ｏ４に好適に近づけることができる。

また、前述のように、ヘッド４ａは、インクを吐出する複数のノズルＮと、複数のノズルＮに対応し、ノズルＮに連通する複数の圧力室Ｃａ、Ｃｂと、複数の圧力室Ｃａ、Ｃｂに対応し、圧力室Ｃａ、Ｃｂの圧力を変化させる複数の駆動素子Ｅａ、Ｅｂと、を有する。そして、駆動信号Ｃｏｍは、複数の駆動素子Ｅａ、Ｅｂに供給されるパルス信号である。パルス信号は、伝送経路の長尺化により、波形が崩れたりノイズの混入による影響を受けたりしやすい。そこで、駆動信号Ｃｏｍとして用いるパルス信号がヘッドユニット４の内部で生成される。これにより、パルス信号をヘッドユニット４の外部で生成する構成に比べて、パルス信号の伝送経路を短くすることにより、パルス信号の波形の崩れおよびノイズの混入を低減することができる。

さらに、前述のように、ヘッド４ａの複数のノズルＮの配列方向ＤＮは、先端回動軸Ｏ４と交差する方向である。複数のノズルＮの配列方向ＤＮと先端回動軸Ｏ４とが交差する構成では、これらが平行な構成に比べて距離Ｌ１が大きくなるため、ヘッド４ａを先端回動軸Ｏ４まわりに回動させたときの慣性モーメントが大きい。したがって、複数のノズルＮの配列方向ＤＮと先端回動軸Ｏ４とが交差する構成では、駆動基板４ｂをカウンターウエイトとして用いることによる効果が顕著となる。

また、前述のように、ロボット３は、基部３１０と第１アーム３２１と第２アーム３２２と第３アーム３２３と先端アーム３２４とを有する。ここで、基部３１０および第１アーム３２１は、第１軸Ｏ１まわりに回動可能な第１関節３３０＿１を介して互いに接続する。第１アーム３２１および第２アーム３２２は、第１軸Ｏ１と平行な第２軸Ｏ２まわりに回動可能な第２関節３３０＿２を介して互いに接続する。第２アーム３２２および第３アーム３２３は、第２軸Ｏ２と平行な第３軸Ｏ３まわりに回動可能な第３関節３３０＿３を介して互いに接続する。第３アーム３２３および先端アーム３２４は、先端回動軸Ｏ４まわりに回動可能な先端関節３３０＿４を介して互いに接続する。第３関節３３０＿３は、第３軸Ｏ３に沿う方向に伸縮可能である。第１軸Ｏ１および先端回動軸Ｏ４は、互いに交差する。以上の構成のロボット３では、スカラロボットを用いてロボット３を構成することができる。

さらに、前述のように、立体物印刷装置１は、印刷動作Ｓ１０を実行する。印刷動作Ｓ１０では、ヘッド４ａと駆動基板４ｂとが第３軸Ｏ３に沿う方向に並ぶ状態で、ロボット３がワークＷに対するヘッド４ａの位置を変化させつつ、ヘッド４ａがワークＷに向けてインクを吐出する。このため、第３アーム３２３を延長した位置にヘッド４ａを配置した状態で印刷動作Ｓ１０を実行することができる。この結果、印刷範囲を広げることができる。

ここで、前述のように、印刷動作Ｓ１０の実行中（具体的には、側面印刷Ｓ１２の実行中）において、第３関節３３０＿３の伸長率が５０％以上である場合、印刷範囲を広げることができる。

また、前述のように、印刷動作Ｓ１０の実行中（具体的には、天面印刷Ｓ１１および側面印刷Ｓ１２の実行中）において、ヘッドユニット４の姿勢は、駆動基板４ｂに対して鉛直上方にヘッド４ａが位置しない姿勢である。このため、仮にヘッド４ａからインクが漏出しても、その漏出によるインクが駆動基板４ｂに到達することが防止される。

２．第２実施形態
以下、本開示の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図９は、第２実施形態に係る立体物印刷装置１Ａの概略図である。立体物印刷装置１Ａは、ロボット３に代えてロボット３Ａを備えること以外は、前述の第１実施形態の立体物印刷装置１と同様に構成される。

ロボット３Ａは、いわゆる６軸の垂直多関節ロボットである。図８に示すように、ロボット３Ａは、基部３１０Ａと腕部３２０Ａとを有する。

基部３１０Ａは、腕部３２０Ａを支持する台である。図８に示す例では、基部３１０Ａは、Ｚ１方向を向く床面または基台等の設置面にネジ止め等により固定される。なお、基部３１０Ａが固定される設置面は、いかなる方向を向く面でもよく、図８に示す例に限定されず、例えば、壁、天井、移動可能な台車等が有する面でもよい。

腕部３２０Ａは、基部３１０Ａに取り付けられる基端Ｅ１Ａと、基端Ｅ１Ａに対して３次元的に位置および姿勢を変化させる先端Ｅ２Ａと、を有する６軸のロボットアームである。具体的には、腕部３２０Ａは、リンクとも称されるアーム３２１Ａ、３２２Ａ、３２３Ａ、３２４Ａ、３２５Ａおよび先端アーム３２６Ａを有し、これらがこの順に連結される。

アーム３２１Ａは、基部３１０Ａに対して第１軸Ｏ１Ａまわりに回動可能に関節３３０Ａ＿１を介して連結される。アーム３２２Ａは、アーム３２１Ａに対して第２軸Ｏ２Ａまわりに回動可能に関節３３０Ａ＿２を介して連結される。アーム３２３Ａは、アーム３２２Ａに対して第３軸Ｏ３Ａまわりに回動可能に関節３３０Ａ＿３を介して連結される。アーム３２４Ａは、アーム３２３Ａに対して第４軸Ｏ４Ａまわりに回動可能に関節３３０Ａ＿４を介して連結される。アーム３２５Ａは、アーム３２４Ａに対して第５軸Ｏ５Ａまわりに回動可能に関節３３０Ａ＿５を介して連結される。先端アーム３２６Ａは、アーム３２５Ａに対して先端回動軸Ｏ６Ａまわりに回動可能に先端関節３３０Ａ＿６を介して連結される。

関節３３０Ａ＿１～３３０Ａ＿５および先端関節３３０Ａ＿６のそれぞれは、基部３１０Ａ、アーム３２１Ａ～３２５Ａおよび先端アーム３２６Ａのうち互いに隣り合う２つの部材の一方を他方に対して回動可能に連結する機構である。なお、以下では、関節３３０Ａ＿１～３３０Ａ＿５および先端関節３３０Ａ＿６のそれぞれを「関節３３０Ａ」という場合がある。

図１では図示しないが、関節３３０Ａには、対応する当該互いに隣り合う２つの部材の一方を他方に対して回動させる駆動機構が設けられる。当該駆動機構は、例えば、当該回動のための駆動力を発生させるモーターと、当該駆動力を減速して出力する減速機と、当該回動の角度等の動作量を検出するロータリーエンコーダー等のエンコーダーと、を有する。

第１軸Ｏ１Ａは、基部３１０Ａが固定される図示しない設置面に対して垂直な軸である。第２軸Ｏ２Ａは、第１軸Ｏ１Ａに対して垂直な軸である。第３軸Ｏ３Ａは、第２軸Ｏ２Ａに対して平行な軸である。第４軸Ｏ４Ａは、第３軸Ｏ３Ａに対して垂直な軸である。第５軸Ｏ５Ａは、第４軸Ｏ４Ａに対して垂直な軸である。先端回動軸Ｏ６Ａは、第５軸Ｏ５Ａに対して垂直な軸である。

以上のロボット３Ａの先端アーム３２６Ａには、エンドエフェクターとして、ヘッドユニット４がネジ止め等により固定された状態で装着される。ここで、ヘッドユニット４は、ヘッドユニット４の先端回動軸Ｏ６Ａまわりのモーメントを小さくするように構成される。

図１０は、第２実施形態に用いるヘッドユニット４と先端回動軸Ｏ６Ａとの位置関係を説明するための図である。図１０に示すように、ヘッド４ａがインクを吐出する方向である吐出方向にみて、先端回動軸Ｏ６Ａがヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置する。ここで、先端アーム３２６Ａには、例えば、支持体４ｃがネジ留め等により固定される。

以上の構成の立体物印刷装置１Ａでは、例えば、印刷時にヘッドユニット４をＹ１方向またはＹ２方向に走査する場合、ヘッドユニット４の姿勢を保つように、先端関節３３０Ａ＿６の駆動が制御されることにより、ヘッドユニット４が先端回動軸Ｏ６Ａまわりに回動する。なお、他の例として、図９に示すロボット３Ａの姿勢において、Ｘ軸およびＹ軸と平行にヘッドユニット４を走査することもできる。例えば、印刷時にヘッドユニット４をＸ２方向に走査する場合、先端関節３３０Ａ＿６を駆動させずに済むが、前述のように、吐出方向にみて先端回動軸Ｏ６Ａがヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置する構成は、駆動する他の関節からの振動に起因するヘッドユニット４の不要な振動を抑制する観点から有用である。

以上の第２実施形態によっても、ロボット３Ａの信頼性を向上させたり、印刷動作の実行中のヘッドユニット４の振動を低減することにより、印刷品質を高めたりすることができる。本実施形態では、前述のように、ロボット３ＡがワークＷに対するヘッド４ａの位置を変化させつつ、ヘッド４ａがワークＷに向けてインクを吐出する印刷動作の実行中において、先端関節３３０Ａ＿６が駆動する。印刷動作の実行中に先端関節３３０Ａ＿６が駆動する構成では、そうでない構成に比べて、駆動基板４ｂをカウンターウエイトとして用いることによる効果が顕著となる。

５．変形例
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。

５－１．変形例１
図１１は、変形例に係る立体物印刷装置１Ｂの概略図である。立体物印刷装置１Ｂは、ヘッドユニット４に代えてヘッドユニット４Ｂを備えること以外は、第１実施形態の立体物印刷装置１と同様に構成される。ヘッドユニット４Ｂは、支持体４ｃに代えて支持体４ｄを備えること以外は、第１実施形態のヘッドユニット４と同様に構成される。支持体４ｄは、先端回動軸Ｏ４と重心Ｇ１、Ｇ２との位置関係が異なること以外は、第１実施形態の支持体４ｃと同様に構成される。

図１１に示す例では、先端回動軸Ｏ４に沿う方向にみて、先端回動軸Ｏ４がヘッド４ａおよび駆動基板４ｂよりもＺ１方向に位置する。ただし、吐出方向ＤＥにみて、先端回動軸Ｏ４は、ヘッド４ａと駆動基板４ｂとの間に位置する。以上の変形例１によっても、ロボット３の先端関節３３０＿４の負荷を低減することにより、ロボット３の信頼性を向上させたり、印刷動作の実行中のヘッドユニット４の振動を低減することにより、印刷品質を高めたりすることができる。

５－２．変形例２
前述の形態では、ロボットとして４軸または６軸の多関節ロボットを用いる構成が例示されるが、当該構成に限定されない。ロボットは、例えば、４軸または６軸以外の多関節ロボットでもよい。

ここで、エンドエフェクターが関節機能を有する場合、エンドエフェクターは、ロボットの構成要素の一部である。また、ロボットの有する複数の関節のうち、回動のための最も先端の関節が先端関節に相当し、当該先端関節の回動のための軸が先端回動軸に相当する。

５－３．変形例３
前述の形態では、ロボットに対するヘッドの固定方法としてネジ止め等を用いる構成が例示されるが、当該構成に限定されない。例えば、ロボットのエンドエフェクターとして装着されるハンド等の把持機構によりヘッドを把持することにより、ロボットに対してヘッドを固定してもよい。

５－４．変形例４
前述の形態では、１種類のインクを用いて印刷を行う構成が例示されるが、当該構成に限定されず、２種以上のインクを用いて印刷を行う構成にも本開示を適用することができる。

５－５．変形例５
本開示の立体物印刷装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を吐出する立体物印刷装置は、液晶表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を吐出する立体物印刷装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。また、立体物印刷装置は、接着剤等の液体を媒体に塗布するジェットディスペンサーとしても利用できる。

１…立体物印刷装置、１Ａ…立体物印刷装置、１Ｂ…立体物印刷装置、２…フレーム、３…ロボット、３Ａ…ロボット、３ａ…アーム駆動機構、４…ヘッドユニット、４Ｂ…ヘッドユニット、４ａ…ヘッド、４ａ１…ヘッドチップ、４ａ２…スイッチ回路、４ｂ…駆動基板、４ｂ１…タイミング信号生成回路、４ｂ２…電源回路、４ｂ３…制御回路、４ｂ４…駆動信号生成回路、４ｃ…支持体、４ｄ…支持体、５…搬送機構、６…コントローラー、６ａ…記憶回路、６ｂ…処理回路、７…コンピューター、１８ａ…流路基板、１８ｂ…圧力室基板、１８ｃ…ノズル板、１８ｄ…吸振体、１８ｅ…振動板、１８ｇ…カバー、１８ｈ…ケース、１８ｉ…配線基板、１８ｊ…駆動回路、３１０…基部、３１０Ａ…基部、３２０…腕部、３２０Ａ…腕部、３２１…第１アーム、３２１Ａ…アーム、３２２…第２アーム、３２２Ａ…アーム、３２３…第３アーム、３２３Ａ…アーム、３２４…先端アーム、３２４Ａ…アーム、３２５Ａ…アーム、３２６Ａ…先端アーム、３３０…関節、３３０Ａ…関節、３３０Ａ＿１…関節、３３０Ａ＿２…関節、３３０Ａ＿３…関節、３３０Ａ＿４…関節、３３０Ａ＿５…関節、３３０Ａ＿６…先端関節、３３０＿１…第１関節、３３０＿２…第２関節、３３０＿３…第３関節、３３０＿４…先端関節、ＣＬＫ…クロック信号、ＣＮＧ…チェンジ信号、Ｃａ…圧力室、Ｃｂ…圧力室、Ｃｏｍ…駆動信号、ＤＥ…吐出方向、ＤＮ…配列方向、ＤＳ…方向、ＤＴ…信号、Ｄａ…印刷経路情報、Ｄｅ１…出力、Ｅ１…基端、Ｅ１Ａ…基端、Ｅ２…先端、Ｅ２Ａ…先端、Ｅａ…駆動素子、Ｅｂ…駆動素子、ＦＮ…ノズル面、Ｇ１…重心、Ｇ２…重心、Ｉｍｇ…印刷データ、Ｌ１…距離、Ｌ２…距離、ＬＡＴ…ラッチ信号、ＬＳ１…線分、Ｎ…ノズル、ＮＬ１…ノズル列、ＮＬ２…ノズル列、ＮＲａ…連通流路、ＮＲｂ…連通流路、Ｏ１…第１軸、Ｏ１Ａ…第１軸、Ｏ２…第２軸、Ｏ２Ａ…第２軸、Ｏ３…第３軸、Ｏ３Ａ…第３軸、Ｏ４…先端回動軸、Ｏ４Ａ…第４軸、Ｏ５Ａ…第５軸、Ｏ６Ａ…先端回動軸、ＰＤ…駆動パルス、ＰＴＳ…タイミング信号、Ｒ１ａ…空間、Ｒ１ｂ…空間、Ｒ２ａ…空間、Ｒ２ｂ…空間、ＲＲａ…供給流路、ＲＲｂ…供給流路、Ｒａ…液体貯留室、Ｒａ＿ｉｎ…導入口、Ｒａ＿ｏｕｔ…排出口、Ｒｂ…液体貯留室、Ｓ１０…印刷動作、Ｓ１１…天面印刷、Ｓ１２…側面印刷、ＳＩ…制御信号、Ｓｋ１…制御信号、ＶＢＳ…オフセット電位、ＶＨＶ…電源電位、Ｗ…ワーク、Ｗｃ…天面、Ｗｓ…側面、ｄＣｏｍ…波形指定信号。

Claims (10)

1. ワークに向けて液体を吐出するヘッドと、前記ヘッドを駆動する駆動信号を生成する駆動基板と、を含むヘッドユニットと、
   前記ヘッドユニットを支持する先端アームと、前記先端アームに設けられ、前記ヘッドユニットを先端回動軸まわりに回動させる先端関節と、を有し、前記ワークに対する前記ヘッドの位置および姿勢を変化させるロボットと、を備え、
   前記ヘッドが液体を吐出する方向である吐出方向にみて、前記先端回動軸は、前記ヘッドと前記駆動基板との間に位置する、
   ことを特徴とする立体物印刷装置。
2. 前記先端回動軸に沿う方向にみて、前記先端回動軸が前記ヘッドと前記駆動基板との間に位置する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体物印刷装置。
3. 前記ヘッドは、
   液体を吐出する複数のノズルと、
   前記複数のノズルに対応し、ノズルに連通する複数の圧力室と、
   前記複数の圧力室に対応し、圧力室の圧力を変化させる複数の駆動素子と、を有し、
   前記駆動信号は、前記複数の駆動素子に供給されるパルス信号である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体物印刷装置。
4. 前記ヘッドは、液体を吐出する複数のノズルを有しており、
   前記複数のノズルの配列方向は、前記先端回動軸と交差する方向である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体物印刷装置。
5. 前記ロボットが前記ワークに対する前記ヘッドの位置を変化させつつ、前記ヘッドが前記ワークに向けて液体を吐出する印刷動作の実行中において、前記先端関節が前記先端回動軸まわりに回動する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の立体物印刷装置。
6. 前記ロボットは、基部と第１アームと第２アームと第３アームとをさらに有し、
   前記基部および前記第１アームは、第１軸まわりに回動可能な第１関節を介して互いに接続し、
   前記第１アームおよび前記第２アームは、前記第１軸と平行な第２軸まわりに回動可能な第２関節を介して互いに接続し、
   前記第２アームおよび前記第３アームは、前記第２軸と平行な第３軸まわりに回動可能な第３関節を介して互いに接続し、
   前記第３アームおよび前記先端アームは、前記先端回動軸まわりに回動可能な前記先端関節を介して互いに接続し、
   前記第３関節は、前記第３軸に沿う方向に伸縮可能であり、
   前記第１軸および前記先端回動軸は、互いに交差する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体物印刷装置。
7. 前記ヘッドと前記駆動基板とが前記第３軸に沿う方向に並ぶ状態で、前記ロボットが前記ワークに対する前記ヘッドの位置を変化させつつ、前記ヘッドが前記ワークに向けて液体を吐出する印刷動作を実行する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の立体物印刷装置。
8. 前記印刷動作の実行中において、前記第３関節の伸長率が５０％以上である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の立体物印刷装置。
9. 前記ロボットが前記ワークに対する前記ヘッドの位置を変化させつつ、前記ヘッドが前記ワークに向けて液体を吐出する印刷動作の実行中において、前記ヘッドユニットの姿勢は、前記駆動基板に対して鉛直上方に前記ヘッドが位置しない姿勢である、
   ことを特徴とする請求項６に記載の立体物印刷装置。
10. ワークに向けて液体を吐出するヘッドと、前記ヘッドを駆動する駆動信号を生成する駆動基板と、を含むヘッドユニットと、
    前記ヘッドユニットを支持する先端アームと、前記先端アームに設けられ、前記ヘッドユニットを先端回動軸まわりに回動させる先端関節と、を有し、前記ワークに対する前記ヘッドの位置および姿勢を変化させるロボットと、を備え、
    前記ヘッドが液体を吐出する方向である吐出方向にみて、前記先端回動軸は、前記ヘッドの重心と前記駆動基板の重心との間に位置する、
    ことを特徴とする立体物印刷装置。

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