JP6143932B1

JP6143932B1 - 造形材料の吐出ヘッド用流路構造体および造形方法

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Publication number: JP6143932B1
Application number: JP2016189984A
Authority: JP
Inventors: 谷口　秀夫; 秀夫谷口; 暢久石田
Original assignee: HIT DEVICES LTD.
Current assignee: HIT DEVICES LTD.
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: JP2018001741A

Abstract

【課題】吐出口が非常に近接して流路を形成する場合でも、隣接する吐出口間で相互に干渉することなく、独立して吐出口から正確な造形材料の吐出量を制御することができる吐出ヘッド用流路構造体および造形方法を提供する。【解決手段】１または接合された２以上の板状体に貫通孔と溝が形成され、造形材料を流動させる流路およびその流路と連通した吐出口をそれぞれ複数個ライン状に並列して有する流路構造体１を有している。この流路構造体１の少なくとも吐出口側が隣接する流路間に空隙が形成されるか、板状体の一部のみの連結部で連結されるか、または板状体の材料よりも熱伝導の小さい材料により接続されている。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、３次元プリンタで立体造形物を製造する場合などに、造形材料を吐出する造形材料の吐出ヘッド用流路構造体および３次元造形用の造形方法に関する。さらに詳しくは、複数個の吐出口をライン状に狭い間隔で並べて、異なる造形材料を吐出することができるようにしながら、隣接する流路および吐出口間での吐出の際などに相互作用を招かないと共に、安価に製造することができ、かつ、造形材料の吐出制御が容易な造形材料の吐出ヘッド用流路構造体および造形方法に関する。

近年、コンピュータを利用して３次元プリンタにより立体造形物を製造することが盛んに行われている。このような３次元プリンタは、断面形状の集合体として立体モデルが表現される。そのため、３次元プリンタは、造形材料を吐出するノズルを３次元で移動させながら、または造形物側の造形テーブルを移動させながら、所定の場所に造形材料を吐出させることにより造形物を製作する。このような造形物の形成法としては、光造形法、粉末結合法、シート堆積法、樹脂押出し法、インクジェット方式などがある（特許文献１参照）。そして、インクジェット方式が最も多く用いられている。しかし、大形の造形物を製作するには、例えば熱可塑性樹脂や融点の低い金属のように、温度を上昇させて融解状態にできる材料が一度に大量の造形材料を吐出させることができるので好ましい。

さらに、吐出口を並列に並べて、複数箇所で造形材料を同時に吐出させることができればより早く造形物を製造することができる。一方、インクジェットプリンタにより、インクを吐出させて画像を形成する場合には、吐出口をライン状に並べたラインヘッドと呼ばれる吐出ヘッドが知られている。しかし、このようなラインヘッド型のプリンタは、同じプリント材料を通す流路の先端側に複数の吐出口を並列に接続し、ピエゾ素子などを用いて、吐出口ごとにプリント材料を吐出させるものである（例えば特許文献１参照）。このようなインクジェットプリンタを用いて造形物を作製しようとすると、吐出材料に粘度の大きい材料を使用し難いこと、吐出量が少なく造形速度が遅いこと、吐出口が複数個あっても、近隣の吐出口では同じ吐出材料しか吐出することができないこと、光硬化式やピエゾ素子は温度による吐出量への影響が大きいことなどの理由により、大形の造形物を製造するには、不向きである。

一方、熱可塑性樹脂などの融解型の造形材料を用いた吐出ヘッドとしては、例えば図８に示されるような吐出ヘッドが知られている（非特許文献１参照）。すなわち、ヒータブロック１６３の一端側にノズル１６１がねじ込まれ、他端部側にバレル１６２がねじ込まれ、バレル１６２にワイヤ状または棒状の造形材料が挿入される。そして、バレル１６２により造形材料が一定の割合で送り込まれ、ヒータブロック１６３の熱により造形材料が加熱されて融解し、ノズル１６１の先端部の吐出口１６１ａから融解した造形材料が一定量ずつ吐出される。この吐出口１６１ａの位置が３次元の所望の図形を描くようにコンピュータで制御されてｘｙｚ方向に相対移動する。これにより、融解した造形材料が吐出され、所望の立体形状の造形物が作製される。このヒータブロック１６３の周囲には、図示しないヒータが設けられており、造形材料が融解するようにヒータブロック１６３が所定の温度に上昇されている。

特開２０１３−６７０３５号公報

「３Ｄプリンタではじめるデジタルモノづくり」（門田和雄著、日刊工業新聞社、１０３頁）

前述のように、インクジェットプリンタの場合には、吐出口をライン状に並べて多数個の吐出口から異なる場所に同時にインクを吐出することができる。しかし、この場合でも、一部の複数の吐出口から吐出させるインク材料は同じ流路から吐出されるもので、それぞれの吐出口に別々の造形材料を供給するものではない。また、ピエゾ素子などを用いて吐出するインク材は、液体のように粘度の小さい材料になり、吐出量が非常に少なく（たとえ吐出量を多くしても粘度が小さいので積み上がらない）、小さい立体造形物を製造することはできても、大形の立体造形物を早く製造する場合には、不向きであるという問題がある。

また、従来の融解型の造形材料を吐出する吐出ヘッドでは、ライン状に吐出口を有するヘッドはなく、図８に示されるような吐出ヘッドを並べて構成するしかない。しかし、ヒータブロック１６３自身が大形であり、さらにその周囲にはヒータおよび熱電対、サーミスタなどの温度検出手段が必要であり、吐出口間の間隔も大きくなり、吐出口のピッチも大きくなってしまう。そのため、効率的に高密度で大形の造形物を得ることができないという問題がある。本出願人は、このような観点に基づき、板状体による簡単な構造の吐出ヘッドを開発し、ＰＣＴ／ＪＰ２０１５／０７９１８３、およびＰＣＴ／ＪＰ２０１５／０７９１８４で出願をしている。この構造にすれば、板状体に貫通孔を並べて形成するだけで多数の吐出口をライン状に簡単に形成することができる。しかし、この出願では、流路の一つの側壁に加熱板を突き当てで接合させている。一方、熱伝導率の大きい金属板を用いて貫通孔を閉塞すれば、板状体を用いた同様の流路構造体を容易に得ることができる。

また、吐出口から大量の造形材料が吐出されると、その表面は種々の形状になり、一定の厚さの要望される平面形状にすることができず、その層を積み重ねた立体造形物も所望の形状にならないという問題もある。さらに、造形物が大きくなると、造形テーブルを加熱していても、形成された造形物の、新たに造形材料が吐出される表面部分は造形テーブルの温度とは変化し、硬化状態が変る。そのため、新たに吐出される造形材料との間で温度差が大きくなる。その結果、その界面での造形材料同士の馴染が悪くなり、接合が不充分で剥離が生じたり、歪みが入って後に変形したり、ひび割れが生じたりするという問題もある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、前述の本出願人が出願している特許出願の吐出ヘッドの吐出口の間隔を非常に狭くすることができると共に、狭くする場合でも、隣接する吐出口間で相互に干渉することなく、独立して吐出口から正確な造形材料の吐出量を制御することができる吐出ヘッド用流路構造体および造形方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、形成される造形物が大きくなっても、常に造形材料が吐出される部分の近傍の造形物の温度を、造形物と相対移動をさせながら加熱することにより、新たに吐出される造形材料と積層された造形物の吐出される部分との温度差を小さくして、吐出材料が積層される部分で剥れや熱歪みなどを生じ難くした造形方法を提供することになる。

本発明のさらに他の目的は、吐出された造形材料が山状に突出するような大きな凹凸（表面の小さな凹凸により層間の密着性を向上させるものを含まない）をなくし、自動的にマクロ的に平坦化され、次に吐出される造形材料の積層をスムーズにできる造形方法を提供することにある。

本発明の造形材料を吐出する吐出ヘッド用の流路構造体は、１枚、または貫通孔および吐出口に沿って接合された２枚以上の板状体に形成され、造形材料を流動させる流路とするための細長の貫通孔および前記流路と連通して前記板状体の端部に形成される吐出口をそれぞれ複数個ライン状に並列して有し、造形材料を吐出する吐出ヘッド用の流路構造体であって、前記流路構造体の少なくとも隣接する吐出口間が、空隙を介するか、前記板状体の吐出口間に空隙が存在しつつ、かつ、吐出口間を前記板状体の一部のみの連結部で連結されるか、または前記板状体の材料よりも熱伝導の小さい材料により接続されている。

なお、造形材料としては、融解して固化される材料であれば何でもよく、熱可塑性樹脂、融点の低い金属などからなる種々の材料が用いられ、形状も粉末、線材、リボン状の板材、ペレット、マイクロカプセルなど種々の形状に適用することができる。また、樹脂材料に着色のための顔料などを含むフィラーや、金属粉末などが添加されて導電性を有するものや、融解温度の異なる材料など、あらゆる材料を適用することができる。前述のペレット、マイクロカプセルなどは同一流路から吐出物の色、材料を連続的、不連続的に可変することができる。リボン（フィルム、平板状体）の場合は、材料供給口への移送が連続的でも、間欠的でも容易であり、また、融解時間を短くすることができると共に、平板状であるため、断面が円形の積み重ねでは空間が介在し（体積的に２０％程度無駄になる）、梱包密度が高くなるため、材料の保管、運搬が便利である。

本発明の立体造形物を作製する造形方法は、板状体からなり、流路および該流路と接続された吐出口がライン状に並んだ流路構造体を有する吐出ヘッドを用いて立体造形物を形成する造形方法であって、少なくとも隣接する吐出口間を、空隙で離間するか、前記板状体の吐出口間に空隙が存在しつつ、かつ、吐出口間を前記板状体の一部のみの連結部で連結するか、または前記板状体の材料よりも熱伝導の小さい材料により接続した流路構造体を用いて前記造形材料を吐出させて積層しながら造形物を形成することを特徴とする。

本発明によれば、板状体に貫通孔と溝を形成することにより、流路および吐出口が形成されるため、非常に小さいピッチで複数個の吐出口（ノズル）をライン状に有する流路構造体を非常に簡単に形成することができる。しかも、吐出口側の各流路間には、空隙が形成されるか、連結部分を非常に狭い幅にするか、または板状体よりも熱伝導の小さい材料で接続された構造にされることにより、各流路を、例えば図４Ａに示される第２加熱板により特定の流路を加熱して吐出する場合でも、隣接する流路および吐出口からの熱が伝導して誤って吐出することはない。この際、例えば無機材料からなる接着剤により、空隙の一部または全体を接着もしくは固化することにより、ノズル（吐出口）の変位を防止することができるのみならず、貼り合わせて接着した流路板の剥離を防止することもできる。さらに、材料供給口側を流路構造体に当接する樹脂ブロックで形成し、その樹脂ブロックに貫通孔を形成することで材料供給口が形成されることにより、その間隔を狭くすることができ、より一層吐出口のピッチを小さくすることができる。また、供給材料をリボン状やペレット状の扁平構造にすることにより、融解を短時間でできると共に、吐出口の間隔をさらに狭くすることができる。その結果、複数の吐出口をライン状に形成しながら、非常に高速で、かつ、高密度の造形物を形成することができる。

また、造形物の表面にさらに造形材料を積層する前に、造形物の造形材料が吐出される部分を加熱してから新たな造形材料を吐出したり、造形材料の吐出後に、吐出により形成される造形物の表面の凹凸をならしながら造形物を造形したりすることにより、積層面が密着して、綺麗な積層面で造形物が形成され得る。そして、造形材料の吐出により形成された造形物の表面と、新たに積層される造形材料との界面に歪みが発生することがなく、剥離やひび割れなどが生じ難くなる。

さらに、流路構造体またはその近傍に成形板が設けられることにより、吐出ヘッドと造形テーブルとの相対移動により、吐出された造形材料の表面が自動的に成形され、大きな凹凸がなだらかにされる。この場合、成形板の表面に微細な凹凸が形成されることにより、積層される造形材料間の密着性を向上し得る。その結果、その表面にさらに造形材料が吐出される場合に、綺麗な積層構造に形成される。また、故意に凹凸を成形板に形成しておくことにより、前述の効果が得られる。

本発明の吐出ヘッドの一実施形態の側面説明図である。図１Ａの材料供給口側であるＢ視図である。図１Ｂと同様の図で、別の構造例を示す図である。図１Ｂと同様の図で、さらに別の構造例を示す図である。図１Ｂと同様の図で、さらに別の構造例を示す図である。図１Ａの吐出口側であるＦ視図である。図１Ａの吐出口の他の例を示す一部拡大説明図である。図１Ａの吐出口のさらに他の例を示す一部拡大説明図である。図１Ａの第１流路板の平面図である。図１Ａの第２流路板（第３流路板）の平面図である。図２Ａの変形例の一部を示す平面図である。図２ＣのＤ−Ｄ断面図である。図２Ａの第１流路板の変形例を示す図である。図２Ｂの第２流路板の変形例を示す図である。図１Ａの第１加熱板の絶縁基板表面の平面説明図の一例である。図１Ａの第１加熱板の側面図の一例である。図１Ａの第２加熱板の発熱抵抗体のパターンの一例を示す説明図である。第２加熱板の造形材料の吐出機構を説明する図である。本発明の吐出ヘッドの他の実施形態を示す側面の説明図である。図５Ａの圧着部材の他の構造例を示す材料供給口側から見た図である。図５Ｂの変形例を示す図５Ｂと同様の図である。図５Ａの材料供給口の他の構造例の一部を示す図である。図５Ａの吐出ヘッドの吐出口の列をｘ方向に対して傾けてｙ方向およびｘ方向に走査して吐出するときの吐出位置のピッチの変化を説明する図である。加熱基板の絶縁基板を所定の温度に制御する駆動回路例を示す図である。基板温度制御の一例を示す回路図である。従来の造形材料の吐出用ノズルの一例を示す断面説明図である。

つぎに、図面を参照しながら本発明の造形材料を吐出する吐出ヘッド１００が説明される。図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｆに本発明の吐出ヘッド１００の一実施形態の側面図（図１Ａ）およびそのＢ視図、Ｆ視図が、図２Ａ〜２Ｂにその第１流路板１１、および第２流路板１２と第３流路板１３の一例の平面説明図がそれぞれ示されている。本実施形態の吐出ヘッド１００は、１または接合された２以上の板状体に貫通孔と溝が形成され、その貫通孔の両端を第２流路板１２および第３流路板１３により閉塞することにより造形材料を流動させる流路１１１およびその流路１１１と連通した吐出口１１２をそれぞれ複数個ライン状に並列して有する流路構造体１を有している。そして、その流路構造体１の一方の面に、流路１１１内の造形材料を融解する第１加熱板２と、図１Ａに示される例では、その反対面側に、複数個の流路１１１を個別に加熱して流路１１１内の造形材料を吐出させる第２加熱板３とを具備している。一実施形態では、この第１流路板１１および少なくとも第３流路板１３の、少なくとも吐出口１１２側が隣接する流路１１１間に貫通溝（空隙）１１５、１２２（図２Ａ〜２Ｂ参照）を介するか、空隙１１５を有するように細い連結部１１６により接続される（図２Ｃ〜２Ｄ参照）か、第１流路板１１または第３流路板１３よりも熱伝導の小さい材料により接続されている。

しかし、後述される他の実施形態に示されるように、隣接する流路１１１（吐出口１１２）へのクロストークの問題が少ない場合には、このような貫通溝１１５、１２２などが無い、図２Ｃ〜２Ｄに示されるような平板状の第１流路板１１および第２流路板（第３流路板１３も第２流路板１２と同じ形状）が用いられてもよい。

第１流路板１１は、図２Ａにその一例が示されるように、厚さが１ｍｍ程度のステンレス板（熱膨張率がセラミックスの熱膨張率と近い材料）などに、流路１１１とするための細長い貫通孔が形成されると共に、造形材料を供給するためのテフロン（登録商標）チューブ（以下、材料供給チューブという）６１（図１Ａ〜１Ｂ参照）を挿入するための貫通孔１１３が形成されている。また、貫通孔１１３と反対側の端部には、吐出口１１２が形成されている。この吐出口１１２は、例えば１枚の第１流路板１１に流路１１１と連通して端部に及ぶ凹溝が形成されることにより、流路１１１より小さい吐出口１１２が形成されている。本実施形態では、図２Ａに示されるように、この流路１１１が複数個並列して形成されている。さらに、図２Ａに示される例では、この流路１１１の少なくとも吐出口１１２側は、相互に分離されるように貫通溝１１５が第１流路板１１を貫通して形成されている。この流路１１１とする貫通孔、材料供給チューブ６１用またはバレル用の貫通孔１１３、及び分離用の空隙部とする貫通溝１１５は、金型などにより外形を打ち抜くのと同時に打ち抜くことにより形成される。また、吐出口１１２とする溝も、打ち抜き用の金型により打ち抜かない溝として同時に形成され得る。しかし、吐出口１１２などの貫通しない溝は、ハーフエッチングなどにより形成されてもよい。そのため、流路１１１および吐出口１１２を何個形成する場合でも、容易にライン状に並べて形成され得る。

流路１１１用の貫通孔は、例えば幅Ｄが２ｍｍ程度に形成され、２枚の第１流路板１１が重ねられることにより、２ｍｍ×２ｍｍ（１ｍｍ厚×２個）の断面積を有する流路１１１が形成される。また、材料供給チューブ６１またはバレルを挿入するための貫通孔１１３の直径Ｅは３.２ｍｍ程度で、外径が３.２ｍｍの材料供給チューブ６１を挿入できるようになっている。また、流路の先端側には、吐出口１１２が流路１１１と連続して形成されている。この吐出口１１２は、例えば幅（紙面と垂直方向の長さ）が０.４ｍｍ、深さＦが０.２ｍｍ×２、長さＨが１ｍｍ程度の凹溝により形成される。２枚の流路板１１の対向面にこの凹溝が形成され、２枚の流路板１１が重ね合されることにより、０.４ｍｍ×０.４ｍｍの断面積の吐出口１１２になっている。吐出口１１２は、このような矩形形状でなくて、例えば図１Ｇ（後述される）に図１Ｆの１個の吐出口１１２の近傍の他の例を示す拡大図が示されるように、円形形状でも同様に形成される。さらに、流路１１１間の分離溝１１５の間隙Ｇは、２ｍｍ弱である。分離溝１１５は、隣接する流路間の熱伝導を抑制するもので、僅かでも隙間があれば、熱伝導が遮断され、効果がある。また、隙間が大きくて、機械的強度が低下する場合には、図２Ｃに示されるように、連結部１１６で連結したり、第１流路板１１よりも熱伝導率の小さい材料（例えば無機材料からなる接着剤など）によりその一部を固着したりすることもできる。この点に関しては後述される。

このように、熱膨張などにより変形しやすい場合には、前述の分離溝１１５内で、図２Ｃに部分拡大図が示されるように、連結部１１６が形成されることにより、機械的強度が維持されながら、熱伝導を抑制することができる。この連結部１１６の幅Ｍは、例えば０.８〜１.２ｍｍ程度である。熱膨張による変形を抑制する力に対抗できればよいため、細くても充分に効果が発揮される。さらに、図２Ｄに図２ＣのＤ−Ｄ断面図が示されるように、流路板１１に溝１１６ａが形成されることにより、さらに機械的強度を維持しながら、熱伝導が抑制され得る。この溝の深さも深すぎると機械的強度を向上させる目的が達成され得ないので、板厚の１／３〜１／２程度が好ましい。なお、この連結部１１６の形成位置は、図２Ｃに示されるように、吐出口１１２よりも流路１１１側で、吐出口１１２に近い部分に形成されることが好ましい。吐出口１１２部分を連結すると、隣接する吐出口１１２間で熱伝導が大きくなりクロストークが起こりやすいからである。しかし、吐出口１１２の先端部分が変形しやすいため、できるだけ吐出口１１２に近い方が好ましい。

なお、後述されるように、材料供給チューブ６１ではなく、樹脂ブロック６３（図１Ｃ参照）が前述の流路構造体１に突き当てで設けられ、その樹脂ブロック６３に各流路１１１と連通する貫通孔が形成されることにより材料供給口６（図１Ｃ参照）が形成される場合には、例えば第１流路板１１の、材料供給チューブ６１が挿入されるための貫通孔１１３の形成されている部分全体をなくした状態、すなわち、図２Ａの寸法Ｋで示される形状に形成され、その端部に樹脂ブロックが突き当てで設けられることになる。しかし、寸法Ｋの部分を第１加熱板２などの長さより長くすることもできる。また、突き当て部に溝などを形成することもできる。

この吐出口１１２も含めた流路１１１の長さＫは、例えば９.２ｍｍ程度であるが、適宜変更され得る。また、吐出口１１２のピッチＰは、例えば５ｍｍ程度で形成される。図２Ａに示される例では、長さＬが、１３.７ｍｍ程度で、幅Ｗが５０ｍｍ程度である。なお、１１４は、２枚の第１流路板１１や第２または第３の流路板１２、１３と貼り合せたときの接着剤の余剰分を吸収する溝で、例えば０.６ｍｍ幅で０.２ｍｍ程度の深さに形成されている。この溝１１４も前述の金型による打ち抜きの際に同時に形成され得る。接着剤としては、造形材料が融解温度まで上昇されるため、耐熱性を有することが必要であり、例えば融解温度が低い場合には有機物系接着剤が、融解温度が高い場合には無機物系接着剤などを用いることができる。

前述の各寸法は、一例であって、その値に限定されるものではない。例えば流路１１１の大きさとしては、断面積が３.５ｍｍ²〜４.０ｍｍ²程度に、吐出口１１２の大きさは、０.１６ｍｍｍ²〜０.４ｍｍ²程度に形成され得る。吐出口１１２の形状および位置も前述の例に限定されるものではなく、前述のように、矩形形状に限らず、図１Ｇに示されるように円形でもよく、また図示しない楕円形状でもよい。さらに、図１Ｈに示されるように、第１流路板１１の向き合せ面の両方に形成する必要はなく、１枚の流路板１１のみに形成されてもよい。この場合、吐出口が中心からずれることになるが、吐出ヘッド１００および造形テーブルが相対移動されるため、特に支障はない。一方の流路板１１のみに吐出口１１２が形成される場合、その凹溝の幅を広くしたり、深さを深くしたりすることにより、２枚の流路板１１の両方に凹溝を形成した場合と同様の大きさの吐出口１１２にすることができる。図１Ｈも図１Ｇと同様に図１Ｆの１個の吐出口１１２の近傍の拡大説明図である。吐出口１１２の溝の深さは、流路板１１の機械的強度を維持できる程度であれば、特に限定されないが、板厚の１／３〜１／２程度の厚さであることが好ましい。

この第１流路板１１は、流路１１１の形成が貫通孔のみで形成されているため、その貫通孔の両端を閉塞する必要がある。そのため、この第１流路板１１の両面に第２流路板１２および第３流路板１３が貼り付けられる。この第２流路板１２は無くても後述される第１加熱板２によっても閉塞され得るが、隙間が生じると造形材料が漏出して、接合面に浮きが生じやすいので、薄い金属板が貼り付けられることが好ましい。この第２流路板１２は第３流路板１３と同じものでも構わないし、異なる形状に形成されてもよい。例えば第２流路板１２は、後述される第１加熱板２が第２流路板１２と接して設けられるが、第１加熱板２は、各流路１１１によって温度を変える必要がない場合もあり、その場合には、流路１１１間の貫通溝１１５などは形成されないで、図２Ｆに示されるような連続した板状体でもよい。

この第２および第３の流路板１２、１３の一例が図２Ｂに図２Ａと同様の平面図で示されている。すなわち、この第２および第３の流路板１２、１３は、前述の第１流路板１１の両面に重ね合さるように形成されており、流路１１１に対応する部分には閉塞部１２１が形成れている。そして、この例でも、隣接する流路１１１に対応する閉塞部１２１の間に空隙部となる貫通溝１２２が形成されている。この場合も、前述の第１流路板１１の場合と同様に、空隙部となる貫通溝１２２でなくても、連結部１１６（図２Ｃ参照）または第２または第３の流路板１２、１３より熱伝導率の小さい材料により固定されていてもよい。また、第２流路板１２には、このような貫通溝１２２などは形成されていなくてもよい。各流路１１１とも中の造形材料が融解されるように加熱される必要があるからである。しかし、閉塞部１２１は同じ形状で形成される必要があり、図２Ｂに示されるように、第２流路板１２も各流路１１１間に貫通溝１２２などが形成されていてもよい。共通にすれば部品点数が減り、コストダウンになる。

この第２および第３の流路板は、前述のように、流路１１１を形成する第１流路板１１の貫通孔の両端を閉塞しているが、この第２流路板１２は、それを介して設けられる第１加熱板２により、流路１１１内の造形材料を融解状態にする。また、第３流路板１３は、その流路１１１と反対側に第２加熱板３が設けられ、特定の流路１１１内の造形材料を吐出するための加熱がされる場合がある。そのため、この第２および第３の流路板１２、１３は特に熱伝導に優れていることが好ましい。従って、第１加熱板１１より薄い０.８ｍｍ程度の厚さの銅板やアルミニウム系金属板が用いられる。また、後述される図５Ａなどに示される例のように、取付部１２ａ、１３ａが形成されない場合には、０.１〜０.３ｍｍ程度の厚さのものが用いられる。なお、第２加熱板３が設けられないで、別の手段により各流路１１１内の造形材料が吐出される場合には、第３流路板１３は、貫通溝１２３の形成など何らの制約を受けない。

図２Ｂに示される例では、長さＬ２が第１流路板１１の長さＬ１よりも長く、２３.５ｍｍ程度に形成されている。これは第１流路板１１と同じくらいの長さのところ、すなわち貫通孔１２５の中心部から図の上端部ぐらいの間で折り曲げられて（図１Ａ参照）、その先端の取付部１２ａ、１３ａ側が図示しない取付板などに取り付けやすくするためである。そのため、後述される図５Ａに示されるように、別の取り付け構造にすることにより、この先端の取付部１２ａ、１３ａはなくてもよい。貫通孔１２５は、前述の材料供給チューブ６１（図１Ａ参照）またはバレルが挿入されるための孔部であり、流路１１１まで材料供給チューブ６１を挿入できるように凹溝１２４が形成されている。また、線状の溝１２３は、第１流路板１１と貼り合せたときの接着剤の余剰分を吸収するための溝である。この接着剤も前述の第１流路板１１を貼り合わせる際の接着剤と同じものが使用され得る。また、円形の貫通孔１２６は、前述の図示しない取付板に取り付けるための取付孔である。

以上のように第１流路板１１と第２および第３の流路板１２、１３とで、図１Ａに示されるように、一端部に吐出口１１２（図１Ｆ参照）がライン状に形成され、他端部にそれぞれの流路１１１に造形材料を供給できるような材料供給口６が形成された流路構造体１が得られる。なお、これらの流路板１１、１２、１３の板厚や、各寸法、吐出口１１２の大きさや形状、流路１１１の数、材料などは一例であって、これらの例に限定されるものではない。また、第１流路板１１は、２枚が貼り合されないで、１枚で形成されてもよいし、３枚以上が貼り合されてもよい。２枚貼り合されることにより、吐出口１１２を吐出ヘッド１００の中心に形成しやすい。さらに、接着剤で貼り合されないで、ねじなどにより固定される構造でもよいし、接着剤とねじなどとが併用されてもよい。要は、板状体により多数の流路１１１および吐出口１１２、それぞれの流路１１１に独立した材料供給口６を有する流路構造体１が形成される点に特徴がある。１個の流路１１１に複数個の吐出口１１２が形成されてもよい。

図１Ａ〜１Ｂに示される例では、材料供給口６が材料供給チューブ６１の中空部により形成されている。しかし、材料供給口６は、この例に限らず、例えば図１Ｃに図１Ｂと同様の平面図が示されるように、樹脂ブロック６３に設けられる貫通孔により形成されてもよい。この樹脂ブロック６３は、前述のように、図２Ａに示される第１流路板１１を長さＫのところ、またはもう少し長いところで切断された構造（貫通孔１１３を形成する部分をなくした構造）とし、その端部に突き当たるように設けられている。そして、この樹脂ブロック６３に、各流路１１１と連通する貫通孔が形成されることにより材料供給口６が形成されている。

この構造にすることにより、わざわざ材料供給チューブ６１を挿入する必要がなく、簡単に製造することができると共に、流路板１１に材料供給チューブ６１の挿入用の孔を形成する必要もないため、材料供給口６のピッチを非常に小さくすることができる。その結果、吐出口１１２のピッチを狭くすることができる。この樹脂ブロック６３としては、材料供給チューブ６１と同様の材料、すなわちフッ素樹脂などにより形成される。それにより、造形材料が付着しにくいので好ましい。また、樹脂ブロック６３の大きさは、例えば材料供給チューブ６１の長さと同程度の高さで、材料供給チューブ６１の外径と同程度の幅で、複数の流路１１１をカバーする長さに形成される。

さらに、図１Ｃに示されるような樹脂ブロック６３が用いられることにより、図１Ｄ〜１Ｅに示されるように、その樹脂ブロック６３に形成される貫通孔、すなわち材料供給口６の形状を矩形にすることもできる。このような矩形状の材料供給口６にすることにより、造形用材料として、従来のワイヤ状のフィラメントではなく、リボンやペレットを用いることができる。このリボンやペレットを用いることにより、流路１１１内で融解する際に融解しやすいという利点があると共に、造形材料の運搬や保管の際に、同じ量に対してワイヤ状のものよりスペースを取らないため、取り扱いが容易になる。図１Ｅに示されるように、矩形状の貫通孔を縦長（複数の流路１１１が並ぶ方向の幅が狭い形状）に形成されることにより、流路１１１の間隔をさらに狭くすることができる。図１Ｃ〜１Ｅに示される例では、図１Ｂの流路１１１（吐出口１１２）のピッチに合せて描かれているため、間隔が広くなっているが、もっと狭くすることができる。

図１Ｆは、図１Ａに示される吐出ヘッド１００のＦ視図で、吐出口１１２側から見た平面図である。このように吐出口１１２が各流路１１１と連通して、吐出ヘッド１００の中心部に並列して形成されている。この吐出口１１２は、前述のように、第１流路板１１に形成される凹溝により形成され、その２枚が貼り合されることにより図１Ｆに示されるような正方形状の吐出口１１２が吐出ヘッド１００の中心部に形成されている。

この吐出口１１２の形状や位置は、その吐出口１１２の部分のみの拡大図が図１Ｇ〜１Ｈに示されるように、種々の形状や位置に形成され得る。すなわち、図１Ｇに示される例は、吐出口１１２の形状が円形に形成されている。さらに図１Ｈに示される例は、１枚の第１流路板１１のみに形成された凹溝だけで吐出口１１２が形成されている。そのため、吐出口１１２の位置は吐出ヘッド１００のセンターからオフセットしている。また、大きさも半分の高さになっている。しかし、吐出口１１２がセンターになくても、吐出ヘッド１００と造形テーブル９５(図５Ａ参照)とは相対移動をされるため問題はない。また、吐出口１１２の深さが浅くなっても、その幅を大きくすることにより、その断面積は同程度に調整し得る。

前述の例では、第１流路板１１と少なくとも第２加熱板が設けられる側の第３流路板１３が、少なくとも吐出口１１２側で隣接する流路１１１間で、貫通溝１１５、１２２による隙間、または連結部１１６もしくは熱伝導率の小さい材料による接続部で接続する例が示されている。このように、隣接する流路間で熱伝導が抑制される構造になっていることにより、各流路１１１からの吐出制御が乱れることはなくなる。しかし、流路１１１間の間隔が大きい場合や隣接する流路１１１間での熱伝導の影響が小さい場合には、このような貫通溝１１５、１２２や熱伝導を小さくする手段が設けられなくてもよい。第２流路板１２は熱伝導がよければ、直接第１加熱板２が形成されるのとあまり差はない。また第３流路板１３は、元々閉塞板として薄板が必要であり、熱伝導の影響がなければ、連続した板状体でもよいからである。その例が図２Ｅ〜２Ｆに示されている。

図２Ｅに示される例は、図２Ａに示される第１流路板１１の変形例であり、貫通溝１１５が形成されていない。しかし、余剰接着剤を逃がす溝１１４が吐出口１１２側の先端まで延ばして形成されている。このような溝１１４が形成されていることにより、完全に接着剤が埋まっていない場合には、熱伝導が抑制される効果も生じる。すなわち、前述の連結部１１６で接続されたものよりは熱伝導は大きいが、同様の効果を奏することになる。

第２流路板１２および第３流路板１３も、図２Ｆに示されるように、図２Ｂに示される第２流路板１２の貫通溝１２２が無くなり、図２Ｂのような閉塞部１２１として分離されないで板状体であり、余剰の接着剤を逃がす溝１２３が裏面に形成され、吐出口１１２側の端部まで延びている。他の形状は図２Ｂに示される構造と同じであり、同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略される。

流路構造体１の第２流路板１２側には第１加熱板２が設けられている。この第１加熱板２は、接着されていなくても、密着されていればよい。流路構造体１の流路１１１内にある造形材料を融解状態にするための加熱源である。

この第１加熱板２は、例えば図３Ａに保護膜２６(図３Ｂ参照)を除去した状態の平面説明図が、図３Ｂに保護膜２６を付けた状態の側面図が、それぞれ示されるような構造になっている。すなわち、第１加熱板２は、絶縁基板２１上に形成される発熱抵抗体２２や温度測定用抵抗体２３の上に、ガラス材またはセラミック板などからなる保護膜２６（図３Ｂ参照）が設けられ、発熱抵抗体２２などが保護されている。発熱抵抗体２２の電極２４や温度測定用抵抗体２３の測温用端子２５と接続して、リード２７（図３Ｂ参照）が導出されている。このリード２７と電極２４、測温用端子２５との接続は、高融点ハンダ、または５００℃以上の温度に対して耐熱性が必要な場合には無機導電接着剤などで接続される。また、後述されるように、発熱抵抗体２２の駆動回路や、絶縁基板２１の温度を測定する測定回路を含む温度制御手段を有し、発熱抵抗体２２に流れる電流を制御して、絶縁基板２１の温度が所定の温度になるように駆動回路を制御する制御手段を有している。

なお、図示されていないが、リード２７と電極２４または測温用端子２５との接続部は、その接続部でリード２７が折れないように保護部材で保護される。なお、図３Ａでは、図面の明瞭化のため、温度測定用の測温用端子２５が、両端部および中央部の測温用端子２５のみで同じ符号で示されているが、途中から引き出す測温用端子が形成されてもよい。図３Ａに示される例では、２個の発熱抵抗体２２と温度測定用抵抗体２３がそれぞれ設けられているが、この個数、および形状はこれらの例に限定されない。また、電極２４や測温用端子２５は、発熱抵抗体２２や温度測定用抵抗体２３の両端にそれぞれ設けられないで、一方の端子を接続して共通端子とすることもできる。さらに、例えば発熱抵抗体２２などを連続的に２列やそれ以上に連結して途中から端子を取り出すこともできる。

この第１加熱板２は、カードなどに記録や消去をするのに用いられる従来の加熱ヘッドと同様の構造になっており、絶縁基板２１の一面に発熱抵抗体２２と温度測定用抵抗体２３とが図示されないガラス層などからなるグレーズ層を介して設けられた構造になっている。この発熱抵抗体２２は、種々の形状に形成され得るが、図３Ａに示される例では、並列する複数の流路１１１をカバーできるように、流路１１１が並列する方向に直線状に２本の発熱抵抗体２２で形成されている。図３Ａに示される例では、図の下側が吐出口１１２側になるように形成されており、流路１１１の吐出口１１２側の温度を高くすることができるように、吐出口１１２側の発熱抵抗体２２が幅広に形成され、造形材料の材料供給口６側の発熱抵抗体２２が細い幅で形成されている。すなわち、同じ電圧が２本の発熱抵抗体２２の両端に並列に印加された場合、幅広の発熱抵抗体２２には多くの電流が流れやすく、温度も上昇しやすい。発熱抵抗体２２の形状は同じで、駆動電圧を変えるなどの方法により温度を変えることもできる。発熱抵抗体２２の形状は、このような形状に限定されず、例えば図３Ａの左右で垂直方向にも発熱抵抗体２２が形成されてもよいし、幅方向、すなわち流路１１１の方向の両端部側に電極が形成されて、流路の方向に電流が流れるようにされてもよいし、幅方向を長手とするＵ字形（Ｕの底部が吐出口側）の発熱抵抗が何個も形成されてもよい。また、前述の２本で形成する場合、一端部側で折り返したり、一端部側が導体で接続されたり、種々の形状に形成され得る。２本の発熱抵抗体２２が直列に接続されると、温度上昇に差を持たせる場合、発熱抵抗体２２の抵抗を大きくするほど温度を上昇させやすい。

このように、絶縁基板２１に温度勾配が形成され、吐出口１２２側の温度が高くされることにより、吐出口１１２付近ではヒータから離れ温度が下がって粘度が上昇したり、固化して詰まったりしやすいという問題を解決し、吐出口１１２付近での温度が高くなり、流動性よく吐出され得る。すなわち、全体が一定温度になる従来のヒータブロックでは、吐出口１１２側の温度が下がるのを防止しようとすると、ヒータブロック全体の温度を上昇させる必要があるが、ヒータブロックの中心部での温度を高くし過ぎると、造形材料の分解や気化が始まり、炭化に至るため、余り高温にすることはできない。このように、流動性がよくなることにより、吐出口１１２の大きさが小さくなっても、僅かの圧力で造形材料が吐出される。

この発熱抵抗体２２の両端部および中央部には、導体からなる電極２４が形成されている。図３Ａに示される例では、外部リード２７（図３Ｂ参照）との接続を容易にするため、絶縁基板２１の端部まで導出されているが、必須ではない。この電極２４は、後述されるように、発熱抵抗体２２よりＡｇなどの導電材料を多くしてＰｄなどを少なくした電気抵抗の小さい材料を印刷により形成することができる。

図３Ａに示される例では、発熱抵抗体２２と並んで温度測定用抵抗体２３が２本形成されている。この温度測定用抵抗体２３は、絶縁基板２１の温度が流路１１１内の造形材料を融解状態にする温度になっているかを確認するためのものである。この温度測定の方法に関しては後述される。そして、この温度測定用抵抗体２３の両端部および中央部にも測温用端子２５がそれぞれ形成されている。中央部に限らず、種々の位置に温度測定用の測温用端子２５が形成されることにより、各部の絶縁基板２１の温度を測定することができ、全体を所望の温度に調整しやすい、すなわち、発熱抵抗体２２の中央部の電極２４などを利用して、発熱の仕方が調整され得る。

絶縁基板２１は、アルミナなどからなる熱伝導率の優れた絶縁性の基板が用いられる。形状および寸法は、流路構造体１の大きさに応じて形成される。例えば前述の第１流路板１１の大きさに近い大きさにすることができる。例えば前述の第１流路板１１に対して、１０ｍｍ×５０ｍｍ程度で、０.６５ｍｍ厚程度のアルミナ基板が用いられる。外形も矩形状には限定されないで、必要とされる第１流路板１１の形状に合せて形成される。しかし、この第１加熱板２は、複数の流路１１１内の造形材料の全体をほぼ同じ温度に上昇させるため、各流路１１１間で区切る必要はない。すなわち、第１流路板１１のように分離溝１１５が形成される必要はない。

後述される保護膜２６は、絶縁基板２１上に形成される発熱抵抗体２２などを保護するために形成されると共に、絶縁基板２１の熱容量を大きくし、さらには熱膨張率差に基づく絶縁基板２１の反りを防止するために形成されている。従って、熱伝導性は余り求められないが、絶縁基板２１と同じ厚さのアルミナ基板が用いられてもよいし、ガラス材が塗布されて硬化されたものでもよい。この保護膜２６側は、流路構造体１とは接触しないので、熱伝導性はよくない方が好ましい。従って、もっと熱伝導性の低い材料を用いることができるが、この保護膜２６の表面に断熱性シートが貼り付けられることにより、問題は無くなり、絶縁基板２１と同じ材料が用いられるというメリットの方が大きくなる。

発熱抵抗体２２は、例えばＡｇ、Ｐｄ、ＲｕＯ₂、Ｐｔ、金属酸化物、ガラスなどの粉末を適宜選択して混合することにより温度係数、抵抗値などが最適に調整される。この混合材料は、ペースト状にして塗布され、焼成される。それにより発熱抵抗体２２が形成されている。焼成により形成される抵抗膜のシート抵抗は固形絶縁粉末の量によって変えられる。両者の比率により抵抗値や温度係数が変えられる。また、導体（電極２４、測温用端子２５など）として使用する材料としては、Ａｇの割合を多くし、Ｐｄを少なくした同様のペースト状にした材料が用いられる。そうすることにより、発熱抵抗体２２と同様に、導体も印刷により形成され得る。端子接続の関係で使用温度により変る必要がある場合もある。Ａｇが多い程抵抗値を低くすることができる。この発熱抵抗体２２の抵抗温度係数は正に大きい方が好ましく、とくに１０００〜３５００ｐｐｍ／℃の材料を用いることが好ましい。また、図示されていないが、発熱抵抗体２２の電流の流れる方向に沿って適当な位置に電極が設けられることにより、部分的に電圧が印加され得る。そうすることにより、場所によって温度が変えられ得る。

抵抗温度係数が正に大きいということは、温度が上昇すると抵抗値の増加が大きいことであるから、発熱させた状態における抵抗値測定により基準抵抗値からのずれにより実際の発熱温度の検出を容易に精度よく行え、印加電圧を調整し、または印加パルスのデューティを調整することにより所望の発熱温度からのずれを修正しやすくなる。また、抵抗温度係数が正であることにより、温度が上昇し過ぎた場合に抵抗値が増大して電流値が下がり、抵抗による発熱量が下がるため、より早く温度が飽和状態となり、高温時の温度安定性に優れているからであり、熱暴走などによる過熱を防止できる。なお、発熱抵抗体２２の標準的な部分の幅も、用途に応じて所定の温度になるように設定されるし、複数本の発熱抵抗体２２が並列に並べられてもよい。

また、発熱抵抗体２２の両端部には、例えばパラジウムの比率を小さくした銀・パラジウム合金やＡｇ-Ｐｔ合金などの良導電体からなる電極２４が印刷などにより形成されている。この電極２４は、前述の図３Ａ〜３Ｂに示されるように、リード２７が接続され、電源が接続されて発熱抵抗体２２に通電される構造になっている。この電源は、直流でも、交流でもよく、また、パルス電圧でもよい。パルス電圧であれば、そのデューティを変えることにより、印加電力を制御することができる。

発熱抵抗体２２の近傍には、発熱抵抗体２２と同様に絶縁基板２１の表面に温度測定用抵抗体２３が形成されている。この温度測定用抵抗体２３は、図３Ａに示されるように、発熱抵抗体２２に沿って形成されるのが好ましい。図３Ａに示される例では、発熱抵抗体２２と同様に、２個の温度測定用抵抗体２３が直線状に形成されている。そして、その両端および中央部に測温用端子２５が形成されている。この測温用端子２５も前述の電極２４と同様に、良導電性の材料により形成されている。この温度測定用抵抗体２３には、さらに多くの測温用端子２５が形成され得る。

温度測定用抵抗体２３は、発熱抵抗体２２と同じ材料で形成されてもよいが、できるだけ温度係数の絶対値（％）が大きい方が好ましい。この温度測定用抵抗体２３は、発熱させるものではなく、絶縁基板２１の温度を検出して、造形材料の融解温度に達するようにするもので、例えば０.５ｍｍ幅で、発熱抵抗体２２より若干短い長さで形成される。また、温度測定用抵抗体２３自身は発熱しないよう印加電圧が低く抑えられて、例えば５Ｖ程度が印加される。すなわち、この温度測定用抵抗体２３は絶縁基板２１上に直接設けられているため、両者の温度は殆ど同じで、温度測定用抵抗体２３の抵抗値を測定することにより、絶縁基板２１表面の温度、ひいては絶縁基板２１の裏面で密着する流路構造体１内の造形用材料の温度をその融解温度にするためである。すなわち、抵抗体材料は、一般的にその温度が変化するとその抵抗値が変化するので、その抵抗値の変化を測定することにより、温度を測定するのである。温度検出手段については後述するが、この温度測定用抵抗体２３の両端の電圧変化を検出することにより温度測定用抵抗体２３の温度を検出するため、温度係数が大きい方が測定誤差を小さくすることができる。なお、この場合は、温度係数は正でも負でもよい。

温度測定用抵抗体２３は、発熱抵抗体２２と同じ材料とは限らず用途に応じて異なる材料で、印刷などにより形成されてもよい。すなわち、微小の温度差を必要とする場合には、ＡｇとＰｄの混合比率を変えたものや、全く別の材料で温度係数の大きいものを用いることもできる。この温度測定用抵抗体２３の測温用端子２５も、発熱抵抗体２２の電極２４などと同様に、Ａｇを多くしてＰｄを少なくした良導電性の材料により形成される。この温度測温用端子２５の形成は、温度測定用抵抗体２３の端部に設けられるとは限らない。

なお、温度測定用抵抗体２３は、絶縁基板２１（第１加熱板２）の大きさ、または温度勾配をどの程度にするか、などの目的に応じて、形成される位置や測温用端子２５の接続位置が設定される。

図１Ａに示される例では、流路構造体１の第３流路板１３側には第２加熱板３が設けられている。この第２加熱板３は、複数の流路１１１の所望の流路１１１のみから造形材料を吐出させるために設けられている。従って、他の手段により所望の流路１１１のみから造形材料を吐出させることができれば、この第２加熱板３が設けられる必要はない。例えば、材料供給口６に供給される造形材料９１(図５Ａ参照)を所定のピッチで押し込む構造にすることにより、所望の量の造形材料を吐出させることができれば、第２加熱板３は不要である。

図４Ａは、第２加熱板３の一例を説明する、保護膜３５を除去した図３Ａと同様の平面図である。保護膜３５の位置が二点鎖線で示されている。すなわち、二点鎖線３５より吐出口１１２側（図４Ａの下側）は保護膜３５が形成されている。図示しない保護膜は、ヒータ３２などを保護するためのもので、各ヒータ３２の熱を直接そのヒータ３２と対向する流路１１１部分の第２加熱板３またはその流路１１１内の造形材料９２(図５Ａ参照)に伝える必要があるので、熱伝導がよく、薄いものが好ましい。例えばガラス膜が用いられ、耐熱性フィルムでもよい。この第２加熱板３は、詳細な図は示されていないが、前述の第１加熱板２と同様の構成で形成され得る。すなわち、第１加熱板２の絶縁基板２１と同様の絶縁基板３１上に、発熱抵抗体からなるヒータ３２が個々の流路１１１に沿って形成され、その両端部には第１導電端子３３と第２導電端子３４が形成されている。この第１導電端子３３および第２導電端子３４は、前述の電極２４や測温用端子２５と同様に、抵抗率の小さい材料が塗布されることにより形成されている。

この図４Ａに示される例では、複数の流路１１１に沿って設けられる個々のヒータ３２の各一端部を連結して共通電極として第１導電端子３３が形成され、各ヒータ３２の他端部が第２導電端子３４として、それぞれ独立して形成されている。その結果、個々の流路１１１の単位で信号が印加され得る。このヒータ３２に電圧が印加されることにより、温度が上昇して第２加熱板３の温度が局部的に上昇し、その部分の流路１１１内の融解している造形材料を圧迫する。その結果、その流路１１１内の造形材料が吐出口１１２から吐出される。このヒータ３２に印加される電圧が増加することにより、圧迫力が大きくなり、造形材料の吐出量が多くなる。また、発熱抵抗体（ヒータ３２）が１個の流路１１１に沿って２か所に形成され、加熱のタイミングがずらされることによっても吐出量が増加され得る。すなわち、第２加熱板３は、図４Ａに示されるように、絶縁基板３１上に発熱抵抗体からなるヒータ３２が複数個の流路１１１のそれぞれの流路１１１に沿って形成され、特定の流路１１１内に熱作用を生じさせるように形成されている。

前述の例では、ヒータ３２が１個で形成されていたが、ヒータ（発熱抵抗体）３２が２個以上に分割され、それぞれのヒータに別々に独立して電圧が印加されてもよい。例えば図４Ａに示されるヒータ３２の中間部に導電端子を接続してその端子を導出することにより、それぞれに別々の電圧を印加することができ、加熱量を加減することができる。こうすることにより吐出量の種々の制御が行われ得る。

この第２加熱板３には、造形物の微小単位での造形材料の吐出の観点から、パルス電圧が印加されることが好ましい。このパルス電圧の印加時間は、数ｍ（ミリ）秒の非常に短い時間であるが、瞬間的にヒータ３２の温度が上昇し、そのヒータ３２近傍の第３流路板１３の温度が上昇してそのヒータ３２に対応する流路１１１内の造形材料を部分的に圧迫する。その結果、その流路１１１内の造形材料が吐出される。この観点からも、前述のように、また、図１Ａに示されるように、第２加熱板３は保護膜３５側が第３流路板１３と接するように設けられる。一方、第１加熱板２は、並列する流路１１１をほぼ均一に加熱することが好ましいため、絶縁基板２１側が第２流路板１２と接するように設けられる。

前述の例では、第３流路板１３を直接加熱して、その熱膨張を利用することにより、流路１１１内の造形材料を押し出すことにより吐出していた。しかし、第３流路板１３に、市販のバイメタルもしくは、図４Ｂに示されるように、熱膨張率の異なる２種以上の板材からなる熱歪み発生部材４０を貼り付けることにより、または第３流路板１３と共に熱歪みを発生させる部材を貼り付けることによる第３流路板１３の反りを利用して、流路１１１内の造形材料を吐出することができる。すなわち、例えば図４Ｂに示されるように、くし歯形をした熱歪み発生用の第１ピース４１が第３流路板１３に貼り付けられ、その第１ピースに第２ピース４２が貼り付けられることにより、両者の熱膨張率差を利用して、敏感に第３流路板１３を圧迫して造形材料の吐出をすることができる。

この場合、第３流路板１３が流路１１１内に変形する関係に限らず、外側に引っ張られる状態でも、戻るときに流路１１１内の造形材料を圧迫することができる。また、この場合第３流路板１３の熱膨張率は問題にしていないので、絶縁フィルムなど薄い有機フィルムが用いられ得る。この場合、第１ピース４１と第２ピース４２との熱膨張率の差に基づく変形が発生する。その変形により第３流路板１３が押し込まれたり、引っ張られたりすることにより、造形材料が吐出される。なお、図４Ｂで３２は、第２加熱板３が設けられたときのヒータ３２の位置を示している。さらに、第１および第２のピース４１、４２も金属片の必要はなく、非金属片でもよい。

また、熱歪み発生用の第１ピース４１は、各流路１１１に沿って形成されるが、図４Ｂに示される例では、その根元側（吐出口１１２と反対側）が連結部４１ａにより連結されて、くし歯状に形成されている。この根元側はヒータ３２の位置から離れているため、瞬間的加熱によっては、温度も殆ど上昇しない。そのため、熱歪み発生部材４０としては機能しない。一方、各流路１１１に沿って第１ピース４１を貼り付けるのは手間がかかるが、連結部４１ａがあると、各流路１１１に合せて第１ピース４１を位置合せするのが非常に容易になる。従って、連結部４１ａの位置合せをして第１ピース４１が貼り付けられ得る。

図４Ｂでは、流路構造体１の第３流路板１３に直接第１ピース４１が貼り付けられた状態が示されており、この上に第２ピース４２が貼り付けられている。しかし、第３流路板１３と熱膨張率（線膨張率）の異なる材料からなる第１ピース４１が形成されれば、第２ピース４２は設けられなくても熱歪みを発生させ得る。図４Ｂには、第２加熱板３のヒータ３２の位置が二点鎖線で示されるように、第１ピース４１の先端部側が加熱されるようになっている。その結果、前述のように、連結部４１ａの方は、第２加熱板３による温度上昇を殆どもたらさない。なお、第１ピース４１と第２ピース４２の幅は、熱歪みによる反りが流路１１１の外側に反る場合には、流路１１１の幅よりも広くても構わないが、流路１１１側に反る場合には、流路１１１の幅よりも狭くする必要がある。

前述のような熱歪みを発生させる場合、熱膨張率の異なる２種類の材料を貼り合せるものに限定されるものではない。その間に中間の熱膨張率を有する第３のピースが介在されていてもよく、種々の変形をなし得る。

図１Ａに示される例は、第２および第３の流路板１２、１３に取付部１２ａ、１３ａが形成され、その取付部１２ａ、１３ａが折り曲げられて図示しない取付板などに取り付けられる構造になっている。しかし、この取付構造は、他の構造にすることができ、その例が図５Ａに示されている。この例の吐出ヘッド１００ａは、第２および第３の流路板１２、１３に取付部１２ａ、１３ａ（図２Ｂ参照）が形成されないで、圧着部材７１、７２からなる圧着構造７およびカバー部材８１、８２とネジ８３からなるカバー部８により流路構造体１、第１加熱板２および第２加熱板３を締め付ける構造になっている。なお、カバー部材８１、８２は、流路構造体１の温度に耐える耐熱性があればプラスチックなどの樹脂でも金属板でも何でも構わない。この圧着部材７１、７２の対向面には、断面が半円状の孔が形成され、外径がφ３.２ｍｍ程度で、内径が２ｍｍ程度の材料供給口６となる材料供給チューブ６１の材料供給口６が各流路１１１と、それぞれ連通するように挿入されている。この材料供給チューブ６１の内径が材料供給口６になり、例えばφ１.７５ｍｍのフィラメントからなる造形材料９１が供給される。テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂からなる材料供給チューブ６１が用いられる理由は、造形材料９１の潤滑性、難付着性、耐熱性などの利用のためである。このカバー部８が図示しない取付板などに取り付けられることにより、吐出ヘッド１００ａが固定される。このような構造にすることにより、第１加熱板２および第２加熱板３も一緒に締め付けられて固定されるので、加熱板２、３を流路構造体１に密着させやすい。

この圧着部材７１、７２による圧着構造７は、図５Ａの上面からみた平面図（カバー部８は省略）が図５Ｂに示されるように、中心部で材料供給チューブ６１などを挟み付けて締め付けられるようにされてもよいし、図５Ｃに、図５Ｂと同様の平面説明図が示されるように、材料供給チューブ６１を包囲し得る孔６５を有する圧着部材７３と平板状の圧着部材７４とで挟みつける構造に形成されてもよい。この圧着部材７１、７２は、金属でも、合成樹脂などでもよく、自由に選定され得、例えば１〜２ｍｍ程度の厚さの、アルミニウムなどからなる板状体が用いられ得る。この材料としては、流路構造体１などよりも熱伝導率が小さい方が好ましい。流路構造体１などの熱が逃げることを防止すること、圧着部材７１〜７４に流路構造体１の熱が伝わって、圧着部材７１〜７４の中で固体の造形材料９１が融解しない方が好ましいこと、などの理由からである。また、圧着部材７３は３〜５ｍｍ程度、圧着部材７４は３〜５ｍｍ程度の同様の板状体を用いることができる。なお、図５Ａで、９１はワイヤ状で、太さが例えばφ１.７５ｍｍ程度の造形材料、９２は融解した造形材料、９３は吐出された造形材料が積層されて形成された造形物、９５は造形物９３を作製する台である造形テーブルで、図に示されるようにｙ方向に主として走査され、ｘ方向(紙面と垂直方向)にも僅かに（吐出口１１２のピッチ以下の寸法）走査し得ると共に、ｚ方向（紙面の上下方向）にも移動し得る構造になっている。なお、ワイヤ状の造形材料９１が材料供給口６から流路１１１内に供給されると、第１加熱板２により加熱されて融解し、図５Ａに示されるように流路１１１内に融解した造形材料９２が充満し、材料供給チューブ６１内では、温度が低いため、ワイヤ状を維持している。そのため、ワイヤ状の造形材料９１を押し込めば、その体積に応じて融解した造形材料９２が押し出される。その他の図１Ａと同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略される。

図５Ａに示されるように、造形材料９１がフィラメント（ワイヤ状）である場合、市販されているφ１.７５ｍｍのものが使用され得る。前述のように、このようなワイヤ状の造形材料を使用する場合には、ワイヤ状の造形材料を所定量だけ押し出すことによっても、造形材料９２を吐出させることができる。その例が図５Ｄに示されている。なお、図５Ｄに示される吐出ヘッド１００ｂは、造形材料の吐出構造が造形材料９１による押出し構造を採用しているため、第２加熱板３が無いのみならず、造形材料９１の供給口６側の構造も材料供給チューブ６１ではなく、樹脂ブロック６３に貫通孔により形成される供給口６の構造になっており、さらに、造形物９３の表面を加熱する加熱部２ａ（図５Ａ参照）や成形板５も省略されている。

すなわち、図５Ｄで、樹脂ブロック６３は、流路構造体１の第２および第３の流路板１２、１３を抱え込むように設けられており、その樹脂ブロック６３には、各流路１１１に連通するような貫通孔により材料供給口６が形成されている。この例では、ワイヤ状の造形材料９１を所定寸法だけ押し込むことにより吐出する構造になっているため、吐出用の第２加熱板３は不要である。そのため、第１加熱板２が流路構造体１の両側に設けられているが、一方だけに第１加熱板２が設けられていてもよい。この場合の第２および第３の流路板１２、１３は、前述のように、熱伝導の良い銅やアルミニウムからなり、０.１〜０.３ｍｍ程度の薄い板材が用いられる。ワイヤ状の造形材料９１は、送りローラ９６の回転で供給される構造になっており、吐出する場合には、吐出用ローラ９７が造形材料９１を介して常に回転している送りローラ９６に押し付けられることにより、送りローラ９６の回転で所定量だけワイヤ状の造形材料９１が押し込まれて、その分の体積の融解した造形材料９２が吐出口１１２から吐出される。そのため、吐出ローラ９７は、矢印Ｑで示されるように瞬間的に横移動するように設けられている。なお、図５Ｄで、８５はカバー部材８１、８２の端部を第１加熱板２に断熱しながら固定する固定部材で、断熱材により形成されている。その他の構造は図５Ａに示される構造と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略される。

図５Ａに示される例では、さらに、第１加熱板２の絶縁基板２１が延出され、造形物９３の表面を加熱する加熱部２ａが形成されると共に、成形板５が第２加熱板３側に設けられている。加熱部２ａは、第１加熱板２の一部が延長されて形成されてもよいし、全く別の加熱部２ａが形成され、その加熱部２ａが、第１加熱板２に、または第１加熱板２と離間して設けられてもよい。第１加熱板２とは別の加熱板として形成される場合には、温度測定用の抵抗体も設けられ、その温度が造形物の温度に応じて調整され得る構成にできるので好ましい。第１加熱板２が延長して形成される場合も含めて、造形物９３との接触面には、アルミニウム板などが貼り付けられ、ある範囲で温度を上昇し得る構成にすることが好ましい。この加熱部２ａは、第１加熱板２側である必要はなく、吐出ヘッド１００ａと造形テーブル９５の相対移動する際に吐出口より上流側（相対移動により吐出口１１２に至る前の場所）に設けられればよい。図５Ａに示されるように、ｙ方向に造形テーブル９５が相対的に移動する場合には、第１加熱板２側に設けられる。その理由は、吐出された造形材料により形成された造形物９３のさらに造形材料９２が積層される部分を、新たな造形材料９２の吐出前に加熱して、造形物９３の表面を加熱できるようにするためである。

すなわち、造形テーブル９５は通常加熱されて造形物９３も温度が低下しないようにされるが、作製される造形物９３が大形になると、造形テーブル９５により加熱されても、造形物９３の造形テーブル９５から離れた表面側では、ｙ方向の走査の間に温度が低下しやすい。そのため、さらにその表面に造形材料を積層する際に、造形物９３の表面の温度が低下すると、新たに吐出される造形材料９２と造形物９３の表面の温度差が大きくなりやすい。温度差が大きくなると、歪みが生じやすく、クラックが入ったり、剥がれが生じたりしやすくなる。そのため、その温度差ができるだけ小さくなるように吐出される直前にその吐出される部分を加熱できるように第１加熱板２の絶縁基板２１が延出されて加熱部２ａが形成されている。しかし、吐出口との距離が近すぎて充分に造形物９３の表面の温度を上昇させることができないときは、もう少し離れた位置で大きな面積で加熱し得る加熱部２ａにすることもできる。そうすることにより、造形物９３の全体を加熱することなく、必要最小限の加熱をすることができ、非常に効率的になる。

この加熱部２ａが第１加熱板２の一部で形成される場合には、第１加熱板２の絶縁基板２１が予め長く形成されてもよいし、第１加熱板２の絶縁基板２１に加熱部２ａが貼り付けられてもよい。加熱部２ａが貼り付けられる場合、絶縁基板２１と同じ材料でもよいし、異なる材料が貼り付けられてもよい。貼り付けられる場合、絶縁基板２１と同じ材料でもよいが、異なる材料でもよい。耐熱性があり、熱伝導のよい材料であれば、絶縁材料でも、導電材料でもよく金属板でもよい。この場合、先端部が造形物２３の表面を擦れるように折り曲げられていることにより、比較的広い面積で接触させて加熱することができるので好ましい。また、第１加熱板２自体を大きく形成し、その端部が造形物９３の表面に接するように形成されてもよい。すなわち、この加熱部２ａにも造形物９３加熱用の発熱抵抗体２２が形成されていてもよい。または、第１加熱板２とは異なる加熱板が形成され、その加熱板の先端が広い面積で造形物９３の表面と接触するように形成された加熱部２ａが、第１加熱板２の露出面側に、直接、または間隔をあけて設けられてもよい。

図５Ａに示される装置では、造形テーブル９５がｙ方向に主として走査され、形成された造形物９３上に、さらに積層されるようにｚ方向にも移動し得るように形成されている。そのため、図５Ａに示されるように、融解した造形材料９２が吐出される直前、すなわち加熱部２ａは吐出ヘッド１００ａと造形テーブル９５との相対移動の方向で、吐出口１１２の上流側（後に吐出口１１２の下を通る側）に形成される必要がある。さらに、加熱部２ａの高さは、造形材料が吐出されて形成される造形物９３の表面に接するように形成される。その結果、造形テーブル９５がｙ方向に走査されることにより、造形物９３の表面が加熱された後、直ちに吐出口１１２の下側に造形物９３が進み、新たな融解した造形材料９２が吐出される。そのため、造形物９３の造形材料９２が吐出される面と、新たに吐出される融解した造形材料９２の温度が近くなり、馴染みがよくなる。その結果、造形物９３が大きくなり、造形テーブル９５からその表面が離れて加熱が充分でなくなっても、歪みやひび割れが発生することなく次々と造形材料が積層される。

図５Ａに示される例では、さらに成形板５が第２加熱板３側に設けられている。この成形板５は、耐熱性があれば、プラスチックでも絶縁板でも金属板でも何でも構わない。例えば０.５〜１ｍｍ厚程度のアルミニウムなどからなる板材が用いられる。この成形板５は、吐出口１１２から吐出された造形材料９２が造形物９３上に山状に盛り上がると、その後さらに積層される場合に、接合面が不規則になる。そのため、その表面を均して平らにするものである。そのため、吐出後ある程度時間が経過して温度が下がり軟化状態になってから表面が擦られることが好ましい。従って、吐出口１１２からある程度離れて設けられた方が好ましい。この成形板５は吐出後の造形材料の表面をなぞる必要があるため、前述の吐出ヘッド１００ａと造形テーブル９５との相対移動で、吐出口１１２より下流側（吐出口１１２から離れる側）に設けられる。そのため、図５Ａに示されるように、造形テーブル９５がｙ方向に相対移動する場合には、第２加熱板３側に成形板５が設けられる。なお、成形板５の造形物９３との接触面は、前述のように、意図的に凹凸が形成されてもよい。

軟化状態になるまでに時間がかかる場合には、第２加熱板３と間隔をあけて固定されてもよい。この場合も、加熱部２ａと同様に、先端部が折り曲げられていることが、広い面積に亘って成形しやすいので好ましい。この成形板５の造形物９３との接触面は、小さい凹凸が形成されていてもよい。小さい凹凸が形成されることにより、造形物９３の表面に微細な凹凸が形成され、その上に積層される造形材料との密着性が向上する。この先端の折り曲げ部の高さは、加熱部２ａの折り曲げ部より少し高い位置で折り曲げられている。すなわち造形物９３の１層分高い位置になるように設けられている。このように成形板５が設けられることにより、造形テーブル９５がｙ方向に移動しながら吐出されると、吐出された造形材料９２が自動的に成形板５により表面がなぞられて平らになる。この成形板５も前述の加熱部２ａと同様に、ｘ方向に延びて、並列する全ての流路１１１の吐出口１１２を覆うような板状体で形成されている。

前述の例では、材料供給チューブ６１を圧着部材７１、７２などにより圧着する圧着構造７であったが、例えば図５Ｄに図５Ａと同様の材料供給口６側のみの図が示されるように、樹脂ブロック６３に貫通孔を形成して材料供給口６とする構造の例（図１Ｃに対応する構造例）が示されるように、材料供給チューブ６１ではなく、樹脂ブロック６３が用いられた場合でも、圧着部材７１、７２により締め付けられる構造にすることができる。この樹脂ブロック６３が用いられることにより、前述の図１Ｃ〜１Ｅに示されるように、材料供給口６を種々の形状に形成される。また、ワイヤ状のフィラメントの場合には、図５Ｄに示されるように、送りローラ９６により材料供給口６を介して流路１１１内に送り込まれる。

さらに、図５Ａに示される例では、吐出ヘッド１００ａと造形テーブル９５とが、ライン状に並ぶ吐出口１１２の列（ｘ方向）と直角方向（ｙ方向）に相対移動する例であったが、図５Ｅに示されるように、吐出ヘッド１００ａの吐出口１１２の列をｘ方向に対して、角度θだけ傾け、ｘ方向にも吐出ヘッド１００ａを相対移動できるようにすることにより、吐出口１１２のピッチを狭くしたのと同様の効果が得られる。例えば、傾き角θを４５度にすると、吐出口１１２のピッチがｐ１であっても、造形物９３上の吐出されるｘ方向のピッチｐ２は、０.７ｐ１に縮小される。ピッチｐ２が縮小されることにより、高密度の造形物が得られる。また、図示されていないが、シリアル、パラレル方式で、ｘ方向とｙ方向で移動速度を変えることにより、吐出の密度を変えられ得る。

図１Ａなどに示される吐出ヘッド１００、１００ａ、１００ｂの温度制御手段（駆動回路）が図６に示されている。すなわち、この駆動回路は直流または交流の電源３９０で駆動する例で電源３９０としては、電池、商用電源または商用電源３９０をトランスなどにより電圧や印加時間を調整して、印加電力を調整する調整部３７０を介して発熱抵抗体２２に接続される電極２４（図３Ａ参照）に駆動電力が供給されるようになっている。その結果、交流電源をそのまま使用することもでき、商用の交流電源３９０により供給される電圧は、電力の調整部３７０により調整され、所望の温度になるように調整される。その結果、直流電源が不要で、電源冷却ファンも不要になる。しかし、電池による直流電源が用いられてもよい。また、図示されていないが、パルスを印加するパルス駆動により加熱がされてもよい。その場合、電圧を変える以外にもデューティサイクルを変えることにより印加電力が調整され得る。その温度は、温度測定用抵抗体２３を利用して、定電流回路３５０により測定用電源３１０の電流を一定にして供給される電流と、温度測定用抵抗体２３の両端の電圧Ｖの測定により、その時点の温度測定用抵抗体２３の抵抗値が分る。その抵抗値の変化により温度測定用抵抗体２３、すなわち絶縁基板２１（図３Ａ参照）の温度が測定されて、その温度により電力の調整部３７０で印加電圧などが調整され得る。調整部３７０は、特に複数の発熱抵抗体２２が並べて加熱される場合に、各発熱抵抗体２２の温度が均一にされる。または複数の発熱抵抗体２２で、温度を異ならせる場合に有効である。そのため、複数の温度測定用抵抗体２３が設けられている場合には、それぞれ別々にその近傍の温度が測定され、各発熱抵抗体２２で印加電圧などが調整されることが好ましい。

この温度測定の原理が、もう少し詳しくした図７を参照しながら説明される。例えば直流電源からなる測定用電源３１０の両端に定電流回路ＣＣＲ（current controlled regulator）３５０が温度測定用抵抗体２３と直列に接続される。そして、温度測定用抵抗体２３の両端の電圧Ｖが測定され、温度検出手段３３０により、その電圧を定電流で割り算することにより、温度測定用抵抗体２３のその時点での抵抗値が分り、予め分っている温度測定用抵抗体２３の温度係数（材料により定まる）とから温度が算出される。その検出温度に応じて、制御手段３６０から調整部３７により発熱抵抗体２２の両端に印加する電力が制御されることにより、絶縁基板２１の温度が所定の温度に維持される。この制御手段３６０による発熱用抵抗体２２の温度制御は、前述のように、印加電圧をパルスにして、そのパルスのデューティサイクルが変えられてもよいし、電圧そのものが変化されてもよい。図７に示される例では、定電流回路３５０が設けられたが、それに代えて、温度が変化しない場所に基準抵抗が設けられ、その基準抵抗の電圧が測定されることにより、電流が求められ、温度測定用抵抗体２３の両端の電圧が測定されてもよい。また、温度測定用電源３１０は、直流電源とは限らない。交流でもパルス的に定電流が得られる。

１流路構造体
２第１加熱板
３第２加熱板
５成形板
６１材料供給チューブ（バレル）
７圧着構造
８カバー部
１１第１流路板
１１１流路
１１２吐出口
１１５貫通溝
１１６連結部
１２第２流路板
１２１閉塞部
１２２貫通溝
１３第３流路板
１３吐出口
１４導入口
１５溝
１６取付部
２１絶縁基板
２２発熱抵抗体
２３温度測定用抵抗体
２４電極
２５測温用端子
２６保護膜
２７リード
３１絶縁基板
３２発熱抵抗体
３３第１導電端子
３４第２導電端子
３５保護膜
４１第１ピース
４２第２ピース
６１材料供給チューブ用孔
７１〜７４圧着部材
８１、８２カバー部材
９１造形用材料
９２融解した造形材料
９３造形物
９５造形テーブル
９６送りローラ
９７吐出ローラ

Claims

１枚、または貫通孔および吐出口に沿って接合された２枚以上の板状体に形成され、造形材料を流動させる流路とするための細長の貫通孔および前記流路と連通して前記板状体の端部に形成される吐出口をそれぞれ複数個ライン状に並列して有し、造形材料を吐出する吐出ヘッド用の流路構造体であって、前記流路構造体の少なくとも隣接する吐出口間が、空隙を介するか、前記板状体の吐出口間に空隙が存在しつつ、かつ、吐出口間を前記板状体の一部のみの連結部で連結されるか、または前記板状体の材料よりも熱伝導の小さい材料により接続される吐出ヘッド用の流路構造体。
前記流路間を一部のみで連結する前記連結部材に凹溝が形成されてなる請求項１記載の吐出ヘッド用の流路構造体。
板状体からなり、流路および該流路と接続された吐出口がライン状に並んだ流路構造体を有する吐出ヘッドを用いて立体造形物を形成する造形方法であって、少なくとも隣接する吐出口間を、空隙で離間するか、前記板状体の吐出口間に空隙が存在しつつ、かつ、吐出口間を前記板状体の一部のみの連結部で連結するか、または前記板状体の材料よりも熱伝導の小さい材料により接続した流路構造体を用いて前記造形材料を吐出させて積層しながら造形物を形成する立体造形物の造形方法。
前記造形物の表面にさらに造形材料を積層する前に、前記造形物の造形材料が吐出される部分を加熱してから新たな造形材料を吐出する請求項３記載の造形方法。
前記造形材料の吐出後に、吐出により形成される造形物の表面の凹凸をならしながら造形物を造形する請求項３または４記載の造形方法。