JP6772725B2 - 流体吐出装置および流体を吐出する方法 - Google Patents

流体吐出装置および流体を吐出する方法 Download PDF

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Description

本発明は、流体吐出装置および流体を吐出する方法に関する。
吐出口から流体を吐出する種々の流体吐出装置が提案されている。例えば、下記の特許文献1には、収容部である液室において、プランジャーロッドを往復移動させることによって、吐出口から液体を押し出して、液滴として吐出させる液滴吐出装置が開示されている。特許文献1のプランジャーロッドのような移動体を用いた流体の吐出機構は、インクを吐出して印刷物を作製するインクジェットプリンターや、液体材料を吐出して立体物を造形する3Dプリンターなどに適用される場合がある。
特開2002−282740号公報
上記のような流体吐出装置では、流体を吐出した後に、吐出口の周縁に付着した流体によって、次の流体の吐出が阻害されてしまうという場合があった。流体吐出装置においては、流体の吐出後に吐出口の周縁に流体が残留してしまうことを抑制する技術について、依然として改良の余地がある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。その1つの形態として、流体吐出装置が提供される。この流体吐出装置は、収容部と、吐出口と、移動体と、制御部と、を備える。前記収容部は、流体を収容する。前記吐出口は、前記収容部に連通し、前記流体を吐出する。前記移動体は、前記収容部の内部において、前記吐出口に向かう第1方向と、前記吐出口から離れる第2方向と、に移動する。前記制御部は、前記移動体の駆動を制御する。前記制御部は、前記移動体を、前記吐出口を閉塞する閉塞位置から前記第2方向に移動させて、前記吐出口を開放した後に、前記移動体を、前記第1方向に移動させて、前記吐出口から前記流体を押し出して吐出させる吐出処理を実行する。前記制御部は、前記吐出処理によって前記吐出口から前記流体が吐出されている間に、前記移動体を、前記第2方向に移動させ、その後、前記移動体を前記閉塞位置に移動する移動処理を実行する。制御部は、前記移動処理において、前記移動体を前記第2方向に移動させている間に、前記移動体の速度を、第1速度から前記第1速度よりも遅い第2速度に変更する。
[1]本発明の第1の形態によれば、流体吐出装置が提供される。この流体吐出装置は、収容部と、吐出口と、移動体と、制御部と、を備える。前記収容部は、流体を収容する。前記吐出口は、前記収容室に連通し、前記流体を吐出する。前記移動体は、前記収容部の内部において、前記吐出口に向かう第1方向と、前記吐出口から離れる第2方向と、に移動する。前記制御部は、前記移動体の駆動を制御する。前記制御部は、前記移動体を、前記吐出口を閉塞する閉塞位置から前記第2方向に移動させて、前記吐出口を開放した後に、前記移動体を、前記第1方向に移動させて、前記吐出口から前記流体を押し出して吐出させる吐出処理を実行する。前記制御部は、前記吐出処理によって前記吐出口から前記流体が吐出されている間に、前記移動体を、前記第2方向に移動させる移動処理を実行する。
この形態の流体吐出装置によれば、吐出口から流体が吐出されている間に、移動体を吐出口から離れる方向に移動させることによって、吐出口から収容部内へと流体を引き戻す方向に働く力を生じさせることができる。この力によって、吐出口から押し出された流体から目標物に向かって飛翔させるべき流体滴を分離させることができるとともに、残りの流体を収容部内へと戻すことができる。従って、流体の吐出後に、吐出口の周縁部に余分な流体が残留してしまうことが効率的に抑制される。
[2]上記形態の流体吐出装置の前記制御部は、前記吐出処理において、前記移動体を、前記第1方向に移動させて前記閉塞位置まで到達させてもよい。
この形態の流体吐出装置によれば、吐出処理の後に生じさせる吐出口から収容部内へと流体を引き戻す方向に働く力を増大させることができる。よって、吐出口の周縁部に余分な流体が残留してしまうことが、さらに抑制される。
[3]上記形態の流体吐出装置では、前記移動処理において前記移動体が前記第2方向へ移動するときの距離は、前記吐出処理において前記移動体が前記第2方向に移動するときの距離と同じ、または、当該距離よりも小さくてもよい。
この形態の流体吐出装置によれば、移動体を余分に移動させてしまうことが抑制される。
[4]上記形態の流体吐出装置の前記制御部は、前記制御部は、前記移動処理において、前記移動体を前記第2方向に移動させた後、前記吐出処理において前記移動体を前記第1方向に移動させるときの移動速度よりも遅い速度で、前記移動体を前記閉塞位置に戻してよい。
この形態の流体吐出装置によれば、移動処理において吐出口を閉塞するときに吐出口から余分な流体が外部に押し出されてしまうことが抑制される。
[5]上記形態の流体吐出装置の前記制御部は、前記移動処理において、前記移動体を前記第2方向に移動させている間に、前記移動体の速度を、第1速度から前記第1速度よりも遅い第2速度に変更してもよい。
この形態の流体吐出装置によれば、移動処理において吐出口を介して収容部内に外気が入り込んでしまうことを抑制できる。
[6]上記形態の流体吐出装置は、さらに、前記収容部の外部の前記吐出口の周縁領域に付着している前記流体を検出する流体検出部を備え、前記制御部は、前記流体検出部によって検出された前記流体の量に応じて、前記移動処理において前記移動体が前記第2方向に移動するときの距離と速度のうちの少なくとも一方を変更してよい。
この形態の流体吐出装置によれば、吐出口の周縁領域における流体の残留量に応じて、移動処理の処理条件を適切に調整することができ、吐出口の周縁における流体の残留が、さらに抑制される。
[7]本発明の第2の形態によれば、流体を収容する収容部に連通している吐出口から流体を吐出する方法であって、前記収容部の内部において、移動体を、前記吐出口を閉塞する閉塞位置から、前記吐出口から離れる第2方向に移動させて、前記吐出口を開放した後に、前記移動体を、前記吐出口に向かう第1方向に移動させて、前記吐出口から前記流体を押し出して吐出させる吐出工程と、前記吐出工程によって前記吐出口から前記流体が吐出されている間に、前記移動体を、前記第2方向に移動させる移動工程と、を備える、方法が提供される。
この方法によれば、流体の吐出後に、吐出口の周縁に余分な流体が残留してしまうことが効率的に抑制される。
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
本発明は、流体吐出装置および流体を吐出する方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、流体吐出装置の機能を備える印刷装置や三次元造形装置、それらの装置と同等の機能を備えるシステム、それらの装置を制御する制御方法、流体の吐出方法や前記の制御方法を実現するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
第1実施形態における流体吐出装置の構成を示す概略図。 流体の吐出工程の流れを示すフロー図。 吐出工程における移動体の位置と時間との関係を示す説明図。 吐出処理における工程1の内容を示す模式図。 吐出処理における工程2の内容を示す模式図。 移動処理における工程3の内容を示す模式図。 移動処理における工程4の内容を示す模式図。 第2実施形態における吐出工程を説明するための説明図。 第3実施形態における吐出工程を説明するための説明図。 第4実施形態における流体吐出装置の構成を示す概略図。
A.第1実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態における流体吐出装置100の構成を示す概略図である。図1には、流体吐出装置100が通常の使用状態で配置されているときの重力方向(鉛直方向)を示す矢印Gが図示されている。本明細書において、「上」または「下」として説明される方向は、特に断らない限り、鉛直方向を基準とする方向を意味する。図1には、後述する第1方向D1および第2方向D2を示す矢印が図示されている。矢印G,D1,D2は、本明細書において参照される各図においても、適宜、図示してある。
流体吐出装置100は、三次元造形装置である3Dプリンターであり、流体FLを吐出し、その流体FLを硬化させた層を積み重ねることによって立体物を造形する。本明細書において「吐出」とは、流体を、重力を含む何らかの力によって、流体が収容されている空間内から外部へと放出することを意味し、圧力により流体を放出する「噴射」を含む概念である。流体吐出装置100が造形対象である立体物の材料として吐出する流体FLの具体例については後述する。流体吐出装置100は、吐出部10と、供給部30と、造形ステージ40と、移動機構45と、エネルギー付与部50と、制御部60と、を備える。
吐出部10は、3Dプリンターにおけるヘッド部に相当し、流動性を有する材料である流体FLを流体滴の状態で吐出する。「流体滴」とは、流体の粒状のかたまりを意味し、流体が液体である場合には液滴を意味する。流体滴の形状は限定されることはなく、球状であってもよいし、球状の形状が一方向に延ばされた形状や、針状、棒状の形状でもよい。また、1回の吐出につき吐出される流体滴の数は1つに限定されず、複数の流体滴が吐出されるものとしてもよい。吐出部10は、収容部11と、移動体12と、駆動機構13と、駆動回路14と、を備える。
収容部11は中空容器として構成されており、吐出部10が吐出する流体FLを収容する。本実施形態では、収容部11は、略円筒状の形状を有しており、例えば、ステンレス鋼によって構成される。収容部11の底面11bには、流体FLを吐出するためのノズルとして機能する吐出口15が設けられている。
吐出口15は、収容部11の内部空間に連通し、略円形状の開口断面を有する貫通孔として設けられている。本実施形態は、吐出口15は鉛直方向に開口している。吐出口15の開口径は、例えば、10〜200μm程度であってよい。吐出口15の鉛直方向における長さは、例えば、10〜30μm程度としてよい。
収容部11は、内部に、貯留室16と、圧力室17と、駆動室18と、を有する。貯留室16は、流体FLを貯留する。貯留室16は、供給部30から圧送される流体FLを受け入れるための流通路19が接続されている。流通路19は、収容部11の外壁を貫通する管路として構成されている。貯留室16の下端では、吐出口15に向かって下降傾斜する傾斜壁面が下方に向かって縮径するテーパー部を形成している。当該テーパー部は省略されてもよく、貯留室16の底面は略水平面によって構成されていてもよい。
圧力室17は、貯留室16の下方に位置している。圧力室17は、貯留室16と空間的に連続しており、貯留室16の下端において開口している。圧力室17の下端には吐出口15が開口している。後述するように、圧力室17は、移動体12が吐出口15を閉塞する閉塞位置に配置されているときに、移動体12によって貯留室16と空間的に分断される。なお、吐出口15の開口方向に直交する断面における圧力室17の開口面積は、吐出口15の開口面積よりも大きくなっており、圧力室17の流路抵抗は、吐出口15の流路抵抗よりも小さい。
駆動室18は、貯留室16の上方に位置しており、駆動機構13を収容する。駆動室18は、貯留室16に貯留されている流体FLが進入しないように、後述するシール部材21によって貯留室16とは空間的に分離されている。これによって、駆動機構13が流体FLから保護される。
移動体12は、収容部11内に収容されている。移動体12は、吐出口15の上方に配置されている。本実施形態では、移動体12は、金属製の柱状の部材によって構成されており、自身の中心軸が吐出口15の中心軸NXに一致するように配置されている。移動体12の形状は柱状には限定されない。移動体12は、例えば、略三角錐形状であってもよいし、略球形であってもよい。
移動体12は、貯留室16と駆動室18とにわたって配置されている。移動体12の先端部12aは、貯留室16に収容されており、移動体12の後端部12bは、駆動室18に収容されている。本実施形態では、移動体12の先端部12aは、半球状の形状を有している。移動体12の後端部12bは、水平方向に張り出した略円盤形状を有している。先端部12aと後端部12bとの間の移動体12の本体部12cは、略円柱形状を有している。本体部12cの直径は、例えば、0.3〜5mm程度としてよい。
貯留室16と駆動室18との境界には、樹脂製のOリングによって構成された円環状のシール部材21が配置されている。移動体12の本体部12cは、シール部材21の中央の貫通孔に挿通されている。シール部材21の外周面は、収容部11の内壁面と気密に接しており、シール部材21の内周面は移動体12の本体部12cと気密に接している。これによって、貯留室16と駆動室18とは、上述したように、空間的に分離されている。
移動体12は、収容部11内において、吐出口15に向かう第1方向D1と、吐出口15から離れる第2方向D2と、に移動可能に配置されている。本実施形態は、第1方向D1および第2方向D2はともに、移動体12の中心軸に平行であり、鉛直方向に平行である。本実施形態では、移動体12は鉛直方向に沿って往復移動する。移動体12は、シール部材21の内周面を擦りながら移動する。本実施形態では、移動体12は、10〜500μm程度の範囲で移動する。
移動体12は、最も下側の位置に位置するときには、その先端部12aが貯留室16における圧力室17の開口周縁部に線接触し、貯留室16に対して吐出口15を閉塞し、貯留室16と吐出口15との空間的な接続を遮断する。本明細書では、このときの移動体12の位置を「閉塞位置」と呼ぶ。
駆動機構13は、移動体12に移動のための駆動力を付与する。駆動機構13は、圧電素子であるピエゾ素子23と、弾性部材24と、を備える。ピエゾ素子23は、複数の圧電材料が積層された構成を有しており、各圧電材料に印加される電圧の大きさに応じて、その積層方向に長さが変化する。ピエゾ素子23は、駆動回路14から電圧を印加される。
ピエゾ素子23の上端部は駆動室18の上壁面に固定されており、下端部は移動体12の後端部12bに接触している。ピエゾ素子23が伸長して移動体12に荷重を付与することによって、移動体12は第1方向D1に移動する。
弾性部材24は、移動体12を第2方向D2に付勢する。本実施形態では、弾性部材24は、皿ばねによって構成されている。弾性部材24は、移動体12の後端部12bの下側において、本体部12cの周囲を囲むように配置されており、後端部12bを対して第2方向に力を付与する。弾性部材24は、皿ばねに代えて、弦巻ばねによって構成されてもよい。ピエゾ素子23が収縮したときに、移動体12は、弾性部材24から付与される力によって、ピエゾ素子23の下端部に追従して第2方向D2に移動する。
吐出部10では、移動体12が往復移動することによって、吐出口15から流体FLの流体滴が吐出される。吐出部10における流体滴の吐出メカニズムについては後述する。なお、吐出部10において、収容部11の底面11bを構成し、吐出口15が設けられている壁部は、収容部11本体から取り外し可能な部材によって構成されていてもよい。収容部11からの当該部材の取り外しによって、吐出口15のクリーニングやメンテナンス、劣化や破損が生じたときの交換などが容易化される。また、開口径(ノズル径)の異なる種々の吐出口15への交換が可能になる。その他に、吐出部10では、移動体12や、シール部材21、弾性部材24など、収容部11に収容されている部品がそれぞれ、収容部11から取り外し可能に構成されていてもよい。これによって、吐出部10のメンテナンスや部品交換が容易化される。
供給部30は、収容部11の貯留室16に、流通路19を介して、流体FLを圧送する。供給部30は、配管31と、流体貯留部32と、圧力発生部33と、を備える。配管31は、収容部11の流通路19と流体貯留部32とを接続する。流体貯留部32は、流体吐出装置100における流体FLの供給源であり、流体FLを貯留するタンクによって構成されている。流体貯留部32では、貯留されている流体FLに溶媒が混合されることによって、流体FLの粘度が予め決められた所定の粘度に保持される。流体FLの粘度は、例えば、50〜40,000mPa・s程度であってよい。
圧力発生部33は、例えば加圧ポンプによって構成される。圧力発生部33は、流体貯留部32の流体FLを、配管31を介して収容部11に圧送するための圧力を付与する。圧力発生部33は、例えば、0.4〜0.6MPa程度の圧力を流体FLに付与する。なお、図1では、圧力発生部33は、流体貯留部32の上流側に設けられているが、圧力発生部33は、流体貯留部32の下流側に設けられていてもよい。
造形ステージ40は、吐出部10における吐出口15の開口方向の先に配置されている。吐出部10は、造形ステージ40を目標対象物として流体FLを吐出する。造形ステージ40に着弾した流体FLの流体滴によって立体物が造形される。本実施形態では、造形ステージ40は、平板な板状部材によって構成され、略水平に配置されている。造形ステージ40は、例えば、吐出口15から鉛直下方に1.5〜3mm程度離れた位置に配置される。
移動機構45は、造形ステージ40を吐出部10に対して変位させるためのモーターやローラー、シャフト、各種アクチュエーターを備える。移動機構45は、図1において両矢印X,Yによって示されているように、造形ステージ40を吐出部10に対して相対的に水平方向および鉛直方向に変位させる。これによって、造形ステージ40上における流体FLの着弾位置が調整される。なお、流体吐出装置100においては、造形ステージ40が固定され、吐出部10が造形ステージ40に対して変位するように構成されていてもよい。
エネルギー付与部50は、造形ステージ40に着弾した流体FLにエネルギーを付与して硬化させる。本実施形態では、エネルギー付与部50は、レーザー装置によって構成され、レーザーの照射によって、光エネルギーを流体FLに付与する。エネルギー付与部50は、少なくとも、レーザー光源と、レーザー光源から射出されたレーザーを、造形ステージ40に着弾した流体FLに集光させるための集光レンズと、レーザーを走査するためのガルバノミラーと、を含む(図示は省略)。エネルギー付与部50は、造形ステージ40における流体滴の着弾位置をレーザーによって走査し、レーザーの光エネルギーによって、流体FL中の粉末材料を焼結させる。あるいは、流体FL中の粉末材料をいったん溶融させて結合させる。これによって、立体物を構成する材料層が造形ステージ40上に形成される。
エネルギー付与部50は、レーザー照射以外の方法によって流体FLを硬化させてもよい。エネルギー付与部50は、紫外線の照射によって流体FLを硬化させてもよいし、ヒーターによる加熱によって流体FLの溶媒の少なくとも一部を除去して粉末材料を硬化させてもよい。
制御部60は、CPU61と、メモリー62と、を備えるコンピューターによって構成される。CPU61は、メモリー62に、コンピュータープログラムを読み出して実行することにより、流体吐出装置100を制御するための種々の機能を発揮する。制御部60は、上述した吐出部10、供給部30、移動機構45、および、エネルギー付与部50をそれぞれ制御して立体物を造形する造形処理を実行する。
制御部60は、流体吐出装置100に接続される外部のコンピューター(図示は省略)から、立体物を造形するためのデータMDを受信する。当該データMDには、立体物の高さ方向に積み重ねられる各材料層を表すデータが含まれている。制御部60は、データMDに基づいて、吐出部10に流体FLの流体滴を吐出させるタイミングや流体滴のサイズを決定する。また、制御部60は、データMDに基づいて、造形ステージ40上における当該流体FLの流体滴の着弾位置や、エネルギー付与部50によるレーザー照射位置および照射タイミングを決定する。なお、造形ステージ40上において造形された立体物は、必要に応じて加熱炉における焼結工程を経るものとしてもよい。
制御部60は、造形処理において、駆動回路14に駆動信号を送信して、吐出部10における移動体12の移動を制御し、吐出部10に流体FLを吐出させる。このときの制御部60による移動体12の制御については後述する。
以上の構成により、本実施形態の流体吐出装置100は、吐出対象である流体FLを材料として、立体物を造形する。立体物の材料となる流体FLの具体例を説明する。本実施形態では、流体FLは、粉末材料と、溶媒と、を含むペースト状の流動性組成物である。流体FLは、粉末材料と、溶媒と、を含んでよい。粉末材料としては、例えば、マグネシウム(Mg)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)の単体粉末、もしくは、これらの金属を1つ以上含む合金粉末(マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金)、または、単体粉末や合金粉末から選択される1種または2種以上を組み合わせた混合粉末でもよい。流体FLの溶媒は、例えば、水;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の(ポリ)アルキレングリコールモノアルキルエーテル類;酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸iso−プロピル、酢酸n−ブチル、酢酸iso−ブチル等の酢酸エステル類;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−n−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類;エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類;テトラアルキルアンモニウムアセテート類;ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤;ピリジン、γ−ピコリン、2,6−ルチジン等のピリジン系溶剤;テトラアルキルアンモニウムアセテート(例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等)等のイオン液体等や、これらから選択される1種または2種以上を組み合わせたものであってもよい。
流体FLは、上記の粉末材料と溶媒に、バインダーを混合してスラリー状、あるいは、ペースト状にした混合材料であってもよい。バインダーは、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はPLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)或いはその他の熱可塑性樹脂であってもよい。流体FLは、上記の粉末材料を含むものに限定されず、例えば、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックなどの樹脂を溶融させたものであってもよい。流体FLは、その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックなどの樹脂であってもよい。流体FLには、上記金属以外の金属やセラミックス、樹脂等が含まれていてもよい。流体FLには、焼結助剤が含まれていてもよい。
図2〜図5Bを参照して、流体吐出装置100における流体FLの吐出工程およびその吐出工程における制御部60による移動体12の制御を説明する。図2は、流体FLの吐出工程の流れを示すフロー図である。図3は、吐出工程における移動体12の位置と時間との関係を表すグラフの一例を示す説明図である。図3のグラフの縦軸における移動体12の位置は、駆動回路14がピエゾ素子23に印加する電圧の大きさに対応している。図4Aおよび図4Bは、吐出工程において実行される吐出処理の内容を示す模式図である。図5Aおよび図5Bは、吐出工程において実行される移動処理の内容を示す模式図である。図4A,図4B,図5A,図5Bではそれぞれ、収容部11における吐出口15の近傍領域の様子を抜き出して示してある。
制御部60は、造形処理において吐出部10による流体FLの吐出タイミングが到達したときに、以下の吐出工程を実行する。以下に説明する吐出工程が1回実行されると、1ドット分の量の流体滴が吐出される。まず、制御部60は、吐出処理として、工程1と工程2とを順に実行する。
工程1では、制御部60は、駆動回路14に、ピエゾ素子23に対して電圧を印加させて、ピエゾ素子23を収縮させる(図3の時刻t〜t)。これによって、移動体12が吐出口15を閉塞する閉塞位置Pから第2方向D2に移動し、貯留室16と圧力室17とが連通する状態となり、吐出口15が開放される(図4A)。工程1において、移動体12は、移動体12の移動範囲のうちの吐出口15から最も離れた位置である開放位置Pまで到達する。工程1における移動体12の第2方向への移動時間(時刻t〜t)は、例えば、50〜400μs程度としてもよい。
その後、予め決められた微小な待機時間の間(図3の時刻t〜t)、ピエゾ素子23に印加される電圧が維持されて、移動体12は開放位置Pに保持される。この間に、貯留室16の圧力を駆動力として、移動体12の先端部12aと吐出口15との間の領域に流体FLが流動して補充される。このときの待機時間は、流体FLの粘度や圧力発生部33によって流体FLに付与されている圧力、貯留室16の容積などに応じて適宜、決められればよい。待機時間は、例えば、100〜300μs程度としてもよい。
工程2では、制御部60は、ピエゾ素子23が伸長するように、駆動回路14によってピエゾ素子23に印加されている電圧を変化させる(図3の時刻t〜t)。これによって、移動体12が第1方向D1に移動し、吐出口15から流体FLが押し出され、流体FLの吐出が開始される(図4B)。本実施形態では、工程2において、移動体12は、閉塞位置Pまで移動し、その先端部12aが収容部11の内壁面に衝突して、吐出口15を閉塞する。これによって、圧力室17および吐出口15への流体FLの流入を一旦、遮断することができるため、流体FLの吐出量の調整精度が高められる。
工程2において、移動体12が第1方向D1に移動する速さは、工程1において移動体12が第2方向D2に移動する速さと同じであってもよいし、それより大きくてもよい。工程2において、移動体12がピエゾ素子23から付与される荷重は、吐出口15から流体FLを吐出するときに吐出口15の流体FLに生じる目標圧力に応じて決められればよい。例えば、その目標圧力が、約900〜1100MPaである場合には、ピエゾ素子23が移動体12に付与する荷重は、数百N程度としてもよい。
制御部60は、工程2によって吐出口15からの流体FLの吐出が開始された後、吐出口15から流体FLが吐出されている間に移動処理を開始する。「吐出口15から流体FLが吐出されている間」とは、吐出口15から柱状の流体FLが垂下している期間を意味し、当該柱状の流体FLの先端部位が流体滴として分離した後の期間は含まない。つまり、この期間は、吐出口15からの流体FLの吐出が開始された後、流体FLの流体滴が生成される前の期間である。この期間は、流体FLの粘度や吐出口15において流体FLに生じている圧力などによって変わる。制御部60は、工程2を実行した後、吐出口15から流体FLが吐出されている状態にあると見込まれる予め決められた経過時刻に移動処理を開始する。制御部60は、例えば、工程2の実行後、0.001〜0.04s経過後に、移動処理を開始してもよい。制御部60は、移動処理として、工程3と工程4とを順に実行する。
工程3では、制御部60は、駆動回路14に、ピエゾ素子23に対して電圧を印加させて、ピエゾ素子23を再び収縮させる(図3の時刻t〜t)。これによって、吐出口15から流体FLが吐出されている間に、移動体12の第2方向D2への移動が開始される。本実施形態では、工程3において、移動体12は、閉塞位置Pと開放位置Pとの間の中間位置Pまで移動する(図5A)。
工程3において移動体12を第2方向D2に移動させることによって、吐出口15から吐出されている流体FLに吐出口15から貯留室16内に向かう力を発生させることができる。これによって、吐出口15から垂下している流体FLの下端側の部位には吐出の際の慣性力と重力とが働く一方で、当該流体FLの上端側の部位には収容部11内に引き寄せようとする力が働くことになる。従って、移動体12の第2方向D2への移動が、吐出口15から垂下している流体FLの下端側の先端部位が、破線で示されているように、流体滴として分離して飛行するきっかけとなる。工程3は、移動体12を第2方向D2に移動させて、柱状の流体FLから流体滴を分離させる工程であると解釈できる。加えて、工程3では、移動体12の第2方向D2への移動によって、収容部11内へ流体FLを引き戻す方向への慣性力が生じ、吐出口15の外部に流体FLが残留することが抑制される。特に、本実施形態では、移動体12を閉塞位置Pから第2方向D2に移動させていることによって、収容部11内へ流体FLを引き戻す力が高められており、吐出口15の外部に流体FLが残留してしまうことが、さらに抑制される。
工程3では、図3において二点鎖線のグラフGaによって示されているように、移動体12を開放位置Pまで移動させてもよい。工程3における移動体12の移動距離は、工程1(時刻t〜t)における移動体12の移動距離と同じか、それより小さいことが望ましい。これによって、移動体12の移動距離が無駄に増加してしまうことが抑制され効率的である。特に、工程3における移動体12の移動距離を工程1における移動体12の移動距離より小さくすれば、工程3において吐出口15から収容部11内に外気が入り込んでしまうことが抑制される。工程3の後、工程4が開始されるまでの期間(図3の時刻t〜t)は、移動体12の先端部12aと吐出口15との間の領域に多量の流体FLが流入してしまわない程度の短い時間であることが望ましい。時刻t〜tの期間は、少なくとも、時刻t〜tの期間よりも短い期間であることが望ましい。この期間は、実質的には省略されるものとしてもよい。これよって、工程4において吐出口15から流体FLが押し出されてしまうことが抑制される。
工程4では、制御部60は、駆動回路14によってピエゾ素子23に印加されている電圧を変化させてピエゾ素子23を伸長させ、移動体12を閉塞位置Pに戻す(図3の時刻t〜t,図5B)。これによって、吐出口15と貯留室16との連通状態が移動体12によって遮断され、吐出口15からの流体FLの漏洩が抑制される。工程4において移動体12を第1方向D1に移動させるときの速度は、工程2において移動体12を第1方向D1に移動させるときの速度よりも遅い方が望ましい。これによって、工程4における移動体12の移動によって吐出口15から流体FLが吐出されてしまうことが抑制される。また、移動体12が閉塞位置Pにおいて収容部11の内壁面に衝突するときの衝撃を緩和することができるため、吐出部10の劣化が抑制される。
以上のように、本実施形態の流体吐出装置100およびその吐出工程における流体FLの吐出方法によれば、吐出口15から流体FLが吐出されている間に移動体12を第2方向D2に移動させることによって、吐出口15から垂下している柱状の流体FLからの流体滴の分離が促進される。また、吐出工程の後に、吐出口15の外に流体FLが残留してしまうことが抑制される。従って、吐出口15を含む吐出口15の周縁領域に余分な流体FLが存在することによって、次の流体FLの吐出が阻害されてしまうことが抑制される。例えば、次の吐出工程における流体FLの吐出量に狂いが生じてしまうことや、次の吐出工程において吐出された流体FLの流体滴の飛行状態が悪化してしまうことが抑制される。従って、流体FLの流体滴の吐出を円滑に連続して実行することが可能になる。また、吐出口15の周縁領域に余分な流体FLが付着することが抑制されるため、吐出口15の周縁領域のクリーニング処理の実行回数を低減することができ、効率的である。その他に、本実施形態の流体吐出装置100およびその吐出工程における流体FLの吐出方法によれば、上記実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。
B.第2実施形態:
図6は、本発明の第2実施形態における吐出工程を説明するための説明図である。図6は、時刻t〜tにおいて、移動体12が閉塞位置Pと中間位置Pとの間において停止している点以外は、第1実施形態で参照した図3とほぼ同じである。第2実施形態における流体吐出装置は、第1実施形態の流体吐出装置100とほぼ同じ構成を有している(図1)。第2実施形態の流体吐出装置において実行される吐出工程は、以下に説明する点以外は、第1実施形態で説明した工程とほぼ同じである。
第2実施形態の吐出工程では、制御部60は、吐出処理の工程2において、移動体12を閉塞位置Pまで到達させることなく、閉塞位置Pと中間位置Pとの間の位置である折り返し位置Pにおいて停止させる(時刻t〜t)。そして、移動処理の工程3では、その折り返し位置Pから第1方向D1に移動体12を移動させている。折り返し位置Pは、移動体12がその位置まで到達するまでに所望の量の流体FLが吐出口15から吐出されるように、実験的に予め決められた位置でよい。
第2実施形態の流体吐出装置およびその吐出工程における流体FLの吐出方法であっても、第1実施形態で説明したのと同様に、移動処理の工程3によって流体FLの流体滴を分離させつつ、吐出口15の外に余分な流体FLが残留してしまうことを抑制できる。また、第2実施形態の流体吐出装置およびその吐出工程における流体FLの吐出方法であれば、工程2において移動体12の先端部12aを収容部11の内壁面に衝突させないため、その衝突に起因する収容部11の劣化を抑制することができる。さらに、吐出工程における移動体12の移動距離を低減できるため、吐出工程が効率化される。その他に、第2実施形態の流体吐出装置およびその吐出工程における流体FLの吐出方法によれば、上記の第1実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
C.第3実施形態:
図7は、本発明の第3実施形態における吐出工程を説明するための説明図である。図7には、吐出工程における移動体12の位置と時間との関係を表すグラフの一例が図示されている。図7のグラフでは、便宜上、吐出工程における移動処理の工程3,4が実行される時刻t〜tの期間を抜き出して示してある。第3実施形態における流体吐出装置は、第1実施形態の流体吐出装置100とほぼ同じ構成を有している(図1)。第3実施形態の流体吐出装置において実行される吐出工程は、以下に説明する点以外は、第1実施形態で説明した工程とほぼ同じである。
第3実施形態の吐出工程は、制御部60が、工程3において、移動体12の移動速度を変更している点以外は、第1実施形態の吐出工程とほぼ同じである。第3実施形態の吐出工程では、制御部60は、移動処理の工程3の途中の時刻tにおいて、移動体12の移動速度を初期の移動速度である第1速度vから、第1速度vよりも遅い第2速度vに変更している。時刻t〜tの間の移動体12の速度が高いことによって、吐出口15から吐出されている流体FLから流体滴を素早く分離させることができる。また、時刻t〜tの間の移動体12の速度が低いことによって、吐出口15から収容部11の内部に外気が入り込んでしまうことが抑制される。工程3では、制御部60は、移動体12の速度を、図7において二点鎖線のグラフGbによって図示されているように、なだらかに低下させることによって、移動体12の速度を、第1速度vから第2速度vに変更してもよい。
以上のように、第3実施形態の流体吐出装置およびその吐出工程における流体FLの吐出方法であれば、工程3における移動体12の速度制御によって、流体滴の分離性を高めつつ、収容部11内への外気の進入を抑制することができる。その他に、第3実施形態の流体吐出装置およびその吐出工程における流体FLの吐出方法によれば、上記の第1実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
D.第4実施形態:
図8は、本発明の第4実施形態における流体吐出装置100Aの構成を示す概略図である。図8では、便宜上、流体吐出装置100Aの一部の構成部のみを抜き出して図示してある。第4実施形態の流体吐出装置100Aは、流体検出部70が追加されている点以外は、第1実施形態の流体吐出装置100の構成とほぼ同じである。第4実施形態の流体吐出装置100Aが実行する吐出工程は、以下に説明するように、流体検出部70の検出結果に応じて、移動体12の移動速度や移動距離を変更する点以外は、第1実施形態で説明したのとほぼ同じである。
流体検出部70は、制御部60の制御下において、収容部11の外部の吐出口15の周縁領域に付着している流体FLを検出する。吐出口15の周縁領域には、吐出口15の下方の領域が含まれる。流体検出部70は、CCDイメージセンサーなどによって構成される撮像素子を備える。流体検出部70は、吐出部10が流体FLの吐出をおこなっていない間に、吐出口15の周縁領域を撮影し、その撮影画像を解析する。そして、吐出口15の下方において吐出口15を覆うように形成されている流体FLの膜の厚みや当該膜の像の面積を、吐出口15の周縁領域に存在する流体FLの量を表す値として検出する。
制御部60は、流体検出部70によって検出された流体FLの量に応じて、次の吐出工程における工程3において、移動体12が第2方向D2に移動するときの距離と速度のうちの少なくとも一方を変更する。制御部60は、駆動回路14によってピエゾ素子23に印加する電圧を変化させる。
制御部60は、流体検出部70によって検出された流体FLの量が多いほど、移動体12の移動距離が増加するように制御してもよい。また、制御部60は、流体検出部70によって検出された流体FLの量が多いほど、移動体12の移動速度が高速になるように制御してもよい。これらの制御においては、制御部60は、予め準備されているマップや数式を用いるものとしてもよい。制御部60は、流体検出部70によって検出された流体FLの量が予め決められた閾値より大きいときに、移動体12の移動距離または移動速度、あるいはその両方を、流体FLの検出量が当該閾値以下のときよりも増加させるものとしてもよい。
工程3において移動体12の移動距離や移動速度を大きくすれば、吐出口15から吐出されている流体FLを収容部11の内部に吸引する方向に働く力を大きくすることができる。よって、たとえ、それまでの流体FLの連続した吐出工程の間に、移動処理によって収容部11内部に吸引されなかった流体FLが生じてしまったとしても、次からの吐出工程の移動処理によって、そうした残留している流体FLを低減させることができる。また、工程3における移動体12の移動距離を、通常は短く設定して吐出口15からの外気の進入を抑制し、吐出口15の周縁領域に蓄積された流体FLの残留量が大きくなったときに、移動体12の移動距離を増大させるといった制御が可能になる。
以上のように、第3実施形態の流体吐出装置およびその吐出工程における流体FLの吐出方法によれば、吐出口15の周縁領域に流体FLが残留してしまうことをさらに抑制できる。その他に、第3実施形態の流体吐出装置およびその吐出工程における流体FLの吐出方法によれば、上記の第1実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
E.変形例:
E1.変形例1:
上記の各実施形態において、吐出工程は、立体物を造形する造形処理において実行されている。これに対して、吐出工程は、造形処理以外のときに実行されてもよい。吐出工程は、例えば、吐出部10のメンテナンスのために実行されるフラッシングにおいて実行されてもよい。
E2.変形例2:
上記の各実施形態において、移動体12の移動方向である第1方向D1および第2方向D2はそれぞれ、鉛直方向に平行な方向である。これに対して、第1方向D1および第2方向D2はそれぞれ、鉛直方向に平行な方向でなくてもよい。第1方向D1および第2方向D2は、鉛直方向に交差する斜め方向であってもよい。上記の各実施形態において、吐出口15の開口方向は鉛直方向に一致している。これに対して、吐出口15の開口方向は鉛直方向に一致していなくてもよく、例えば、鉛直方向に交差する斜め下方に向いていても良い。
E3.変形例3:
上記の第2実施形態、第3実施形態および第4実施形態の構成は適宜、組み合わされてもよい。例えば、第3実施形態の吐出工程における工程2において、移動体12は、第2実施形態で説明したように、閉塞位置Pまで到達せず、中間位置Pにおいて停止されてもよい。また、第2実施形態および第3実施形態の吐出工程における工程3において、第4実施形態で説明したように、流体検出部70の検出結果に応じて、移動体12の速度や移動距離が制御されてもよい。第3実施形態の工程3において、流体検出部70の検出結果に応じて移動体12の速度を制御する場合には、吐出口15の近傍領域における流体FLの検出量が多いほど、第1速度vを大きくするものとしてもよい。
E4.変形例4:
上記の各実施形態では、制御部60は、工程4において、移動体12を閉塞位置Pに移動させるときの速度を、工程2において移動体12を第1方向D1に移動させるときの速度よりも遅くしている。これに対して、制御部60は、工程4において、移動体12を閉塞位置Pに移動させるときの速度を、工程2において移動体12を第1方向D1に移動させるときの速度と同じに設定してもよいし、その速度よりも速い速度に設定してもよい。
E5.変形例5:
上記の各実施形態において、収容部11の圧力室17は省略されてもよい。この場合には、閉塞位置Pにおいて移動体12の先端部12aは、吐出口15の内周縁部に接触して吐出口15を直接的に閉塞するものとしてもよい。
E6.変形例6:
上記の各実施形態において、移動体12はピエゾ素子23の伸縮によって荷重を加えられて変位している。これに対して、移動体12はピエゾ素子23を用いる以外の他の方法によって荷重をかけられて変位するものとしてもよい。移動体12は、例えば、気体の圧力によって荷重をかけられて変位するものとしてもよい。上記の各実施形態において、移動体12はピエゾ素子23と一体化されていてもよく、ピエゾ素子23の先端部分が移動体12として、収容部11内において往復移動するように構成されていてもよい。
E7.変形例7:
上記第4実施形態では、流体検出部70は、撮像素子を用いた光学的な手段によって、吐出口15の周縁領域における流体FLを検出している。これに対して、流体検出部70は、撮像素子以外の光学的手段を用いて吐出口15の周縁領域における流体FLを検出してもよい。流体検出部70は、例えば、フォトセンサーによって、予め決められた量以上の流体FLが吐出口15の周縁領域に存在することを検出してもよい。また、流体検出部70は、光学的な手段以外の方法によって吐出口15の周縁領域における流体FLを検出してもよい。流体検出部70は、吐出口15の周縁領域に電極を設け、当該電極に電流を流したときの抵抗の変化に基づいて、吐出口15の周縁領域に存在する流体FLを検出してもよい。
E8.変形例8:
上記各実施形態の流体吐出装置は、立体物を造形する三次元造形装置として実現されている。これに対して、流体吐出装置は、三次元造形装置として実現されていなくてもよい。流体吐出装置は、例えば、流体としてインクを吐出するインクジェットプリンターとして実現されてもよいし、塗料を吐出する塗布装置や、流動性を有する接着剤を吐出する加工装置として実現されてもよい。
E9.変形例9:
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…吐出部、11…収容部、11b…底面、12…移動体、12a…先端部、12b…後端部、12c…本体部、13…駆動機構、14…駆動回路、15…吐出口、16…貯留室、17…圧力室、18…駆動室、19…流通路、21…シール部材、23…ピエゾ素子、24…弾性部材、30…供給部、31…配管、32…流体貯留部、33…圧力発生部、40…造形ステージ、45…移動機構、50…エネルギー付与部、60…制御部、61…CPU、62…メモリー、70…流体検出部、100,100A…流体吐出装置、D1…第1方向、D2…第2方向、FL…流体、MD…データ、P…閉塞位置、P…中間位置、P…折り返し位置、P…開放位置

Claims (6)

  1. 流体吐出装置であって、
    流体を収容する収容部と、
    前記収容部に連通し、前記流体を吐出する吐出口と、
    前記収容部の内部において、前記吐出口に向かう第1方向と、前記吐出口から離れる第2方向と、に移動する移動体と、
    前記移動体の駆動を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記移動体を、前記吐出口を閉塞する閉塞位置から前記第2方向に移動させて、前記吐出口を開放した後に、前記移動体を、前記第1方向に移動させて、前記吐出口から前記流体を押し出して吐出させる吐出処理と、
    前記吐出処理によって前記吐出口から前記流体が吐出されている間に、前記移動体を、前記第2方向に移動させ、その後、前記移動体を前記閉塞位置に移動する移動処理と、
    を実行し、
    前記移動処理において、前記移動体を前記第2方向に移動させている間に、前記移動体の速度を、第1速度から前記第1速度よりも遅い第2速度に変更する、
    流体吐出装置。
  2. 請求項1記載の流体吐出装置であって、
    前記制御部は、前記吐出処理において、前記移動体を、前記第1方向に移動させて前記閉塞位置まで到達させる、流体吐出装置。
  3. 請求項1または請求項2記載の流体吐出装置であって、
    前記移動処理において、前記移動体が前記第2方向へ移動するときの距離は、前記吐出処理において、前記移動体が前記第2方向に移動するときの距離と同じ、または、当該距離よりも小さい、流体吐出装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の流体吐出装置であって、
    前記制御部は、前記移動処理において、前記移動体を前記第2方向に移動させた後、前記吐出処理において前記移動体を前記第1方向に移動させるときの移動速度よりも遅い速度で、前記移動体を前記閉塞位置に戻す、流体吐出装置。
  5. 請求項1から請求項4記載のいずれか一項に記載の流体吐出装置であって、さらに、
    前記収容部の外部の前記吐出口の周縁領域に付着している前記流体を検出する流体検出部を備え、
    前記制御部は、前記流体検出部によって検出された前記流体の量に応じて、前記移動処理において前記移動体が前記第2方向に移動するときの距離と速度のうちの少なくとも一方を変更する、流体吐出装置。
  6. 流体を収容する収容部に連通する吐出口から流体を吐出する方法であって、
    前記収容部の内部において、移動体を、前記吐出口を閉塞する閉塞位置から、前記吐出口から離れる第2方向に移動させて、前記吐出口を開放した後に、前記移動体を、前記吐出口に向かう第1方向に移動させて、前記吐出口から前記流体を押し出して吐出させる吐出工程と、
    前記吐出工程によって前記吐出口から前記流体が吐出されている間に、前記移動体を、前記第2方向に移動させ、その後、前記移動体を前記閉塞位置に移動する移動工程と、
    を備え
    前記移動工程において、前記移動体を前記第2方向に移動させている間に、前記移動体の速度を、第1速度から前記第1速度よりも遅い第2速度に変更する、
    方法。
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