以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図中同一又は相当する部分には同一符号を付す。
<熱膨張性シート10>
図1に、実施形態1に係る造形物を造形するための熱膨張性シート10の断面構成を示す。熱膨張性シート10は、予め選択された部分が加熱により膨張することによって造形物が造形される媒体である。造形物とは、立体的な形状を有する物体であって、2次元状のシートにおいて、シートのうちの一部分がシートに垂直な方向に膨張することによって造形される。造形物は、立体物又は立体画像とも言う。造形物の形状は、単純な形状、幾何学形状、文字等の形状一般を含む。
図1に示すように、熱膨張性シート10は、基材11と、熱膨張層12と、インク受容層13とを、この順に備えている。なお、図1は、造形物が造形される前、すなわちどの部分も膨張していない状態における熱膨張性シート10の断面を示している。
基材11は、熱膨張性シート10の元となるシート状の媒体である。基材11は、熱膨張層12とインク受容層13とを支持する支持体であって、熱膨張性シート10の強度を保持する役割を担う。基材11として、例えば、一般的な印刷用紙を用いることができる。或いは、基材11の材質は、合成紙、キャンバス地等の布、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)等のプラスチックフィルムであっても良く、特に限定されるものではない。
熱膨張層12は、基材11の上側に積層されており、規定の温度以上に加熱されることによって膨張する層である。熱膨張層12は、バインダと、バインダ内に分散配置された熱膨張剤と、を含む。バインダは、酢酸ビニル系ポリマー、アクリル系ポリマー等の熱可塑性樹脂である。熱膨張剤は、具体的には、プロパン、ブタン等の低沸点で気化する物質を、熱可塑性樹脂の外殻に内包した、粒径が約5~50μmの熱膨張性のマイクロカプセル(マイクロパウダー)である。熱膨張剤は、例えば80℃から120℃程度の温度に加熱されると、内包している物質が気化し、その圧力によって発泡及び膨張する。このようにして、熱膨張層12は、吸収した熱量に応じて膨張する。熱膨張剤は、発泡剤とも呼ぶ。
インク受容層13は、熱膨張層12の上側に積層された、インクを吸収して受容する層である。インク受容層13は、インクジェット方式のプリンタに用いられる印刷用のインク、レーザー方式のプリンタに用いられる印刷用のトナー、ボールペン又は万年筆のインク、鉛筆の黒鉛等を受容する。インク受容層13は、これらを表面に定着させるための好適な材料によって形成される。インク受容層13の材料として、例えば、インクジェット用紙に用いられている汎用的な材料を用いることができる。
図2に、熱膨張性シート10の裏面を示す。熱膨張性シート10の裏面は、熱膨張性シート10の基材11側の面であって、基材11の裏面に相当する。
図2に示すように、熱膨張性シート10の裏面には、その縁部に沿って複数のバーコードBが付されている。バーコードBは、熱膨張性シート10を識別するための識別子であって、熱膨張性シート10が造形物を造形するための専用のシートであることを示す識別子である。バーコードBは、膨張装置50によって読み取られ、膨張装置50において熱膨張性シート10の使用の可否を判定するために用いられる。
造形システム1は、このような熱膨張性シート10に造形物を造形することができる。熱膨張性シート10の表面又は裏面のうちの膨張させたい部分には、カーボン分子が印刷される。カーボン分子は、黒色(カーボンブラック)又は他の色のインクに含まれ、電磁波を吸収して熱に変換する電磁波熱変換材料(発熱剤)の一種である。カーボン分子は、電磁波を吸収して熱振動することで熱を発生する。熱膨張性シート10において、カーボン分子が印刷された部分が加熱されると、その部分の熱膨張層12が膨張して隆起(バンプ)が形成される。このような熱膨張層12の隆起(バンプ)によって凸若しくは凹凸形状を造ることにより、熱膨張性シート10に造形物が造形される。
熱膨張性シート10における膨張させる箇所及び高さを組み合わせることにより、多彩な造形物を得ることができる。また、造形(造型)によって視覚又は触覚を通じて美感又は質感を表現することを「加飾(造飾)」と呼ぶ。
<造形システム1>
次に、図3を参照して、熱膨張性シート10に造形物を造形する造形システム1について説明する。図3に示すように、造形システム1は、端末装置30と、印刷装置40と、膨張装置50と、を備える。
端末装置30は、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット等の情報処理装置であって、印刷装置40及び膨張装置50を制御する制御ユニットである。図4に示すように、端末装置30は、制御部31と、記憶部32と、操作部33と、表示部34と、記録媒体駆動部35と、通信部36と、を備える。これら各部は、信号を伝達するためのバスによって接続されている。
制御部31は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)を備える。制御部31において、CPUが、ROMに記憶されている制御プログラムを読み出して、RAMをワークメモリとして用いながら、端末装置30全体の動作を制御する。
記憶部32は、フラッシュメモリ、ハードディスク等の不揮発性メモリである。記憶部32は、制御部31によって実行されるプログラム又はデータ、及び、印刷装置40によって印刷されるカラー画像データ、表面発泡データ及び裏面発泡データを記憶する。
操作部33は、キーボード、マウス、ボタン、タッチパッド、タッチパネル等の入力装置を備えており、ユーザから操作を受け付ける。ユーザは、操作部33を操作することによって、カラー画像データ、表面発泡データ及び裏面発泡データ編集する操作、印刷装置40又は膨張装置50に対する操作等を入力することができる。
表示部34は、液晶ディスプレイ、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ等の表示装置と、表示装置に画像を表示させる表示駆動回路と、を備える。例えば、表示部34は、カラー画像データ、表面発泡データ及び裏面発泡データを表示する。また、表示部34は、必要に応じて、印刷装置40又は膨張装置50の現在の状態を示す情報を表示する。
記録媒体駆動部35は、可搬型の記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出す。可搬型の記録媒体とは、CD(Compact Disc)-ROM、DVD(Digital Versatile Disc)-ROM、USB(Universal Serial Bus)規格のコネクタが備えられているフラッシュメモリ等である。例えば、記録媒体駆動部35は、カラー画像データ、表面発泡データ及び裏面発泡データを、可搬型の記録媒体から読み出して取得する。
通信部36は、印刷装置40及び膨張装置50を含む外部の装置と通信するためのインタフェースを備える。端末装置30は、フレキシブルケーブル、有線LAN(Local Area Network)等の有線、又は、無線LAN、Bluetooth(登録商標)等の無線を介して印刷装置40及び膨張装置50と接続されている。通信部36は、制御部31の制御の下、これらのうちの少なくとも1つの通信規格に従って、印刷装置40及び膨張装置50と通信する。
<印刷装置40>
印刷装置40は、熱膨張性シート10の表面又は裏面に画像を印刷する印刷ユニットである。印刷装置40は、インクを微滴化し、被印刷媒体に対して直接に吹き付ける方式で画像を印刷するインクジェットプリンタである。
図5に、印刷装置40の詳細な構成を示す。図5に示すように、印刷装置40は、熱膨張性シート10が搬送される方向である副走査方向D1(Y方向)に直交する主走査方向D2(X方向)に往復移動可能なキャリッジ41を備える。
キャリッジ41には、印刷を実行する印刷ヘッド42と、インクを収容したインクカートリッジ43(43k,43c,43m,43y)が取り付けられている。インクカートリッジ43k,43c,43m,43yには、それぞれ、ブラックK、シアンC、マゼンタM、及びイエローYの色インクが収容されている。各色のインクは、印刷ヘッド42の対応するノズルから吐出される。
キャリッジ41は、ガイドレール44に滑動自在に支持されており、駆動ベルト45に狭持されている。キャリッジ41は、モータ45mの回転により駆動ベルト45が駆動することで、印刷ヘッド42及びインクカートリッジ43と共に、主走査方向D2に移動する。
フレーム47の下部には、印刷ヘッド42と対向する位置に、プラテン48が設けられている。プラテン48は、主走査方向D2に延在しており、熱膨張性シート10の搬送路の一部を構成している。熱膨張性シート10の搬送路には、給紙ローラ対49a(下のローラは不図示)と排紙ローラ対49b(下のローラは不図示)とが設けられている。給紙ローラ対49aと排紙ローラ対49bとは、プラテン48に支持された熱膨張性シート10を副走査方向D1に搬送する。
印刷装置40は、フレキシブル通信ケーブル46を介して端末装置30と接続されている。端末装置30は、フレキシブル通信ケーブル46を介して、印刷ヘッド42、モータ45m、給紙ローラ対49a及び排紙ローラ対49bを制御する。具体的に説明すると、端末装置30は、給紙ローラ対49a及び排紙ローラ対49bを制御して、熱膨張性シート10を搬送させる。また、端末装置30は、モータ45mを回転させてキャリッジ41を移動させ、印刷ヘッド42を主走査方向D2の適切な位置に搬送させる。
印刷装置40は、端末装置30から画像データを取得し、取得した画像データに基づいて印刷を実行する。具体的に説明すると、印刷装置40は、画像データとして、カラー画像データと表面発泡データと裏面発泡データとを取得する。カラー画像データは、熱膨張性シート10の表面に印刷するカラー画像を示すデータである。印刷装置40は、印刷ヘッド42に、シアンC、マゼンタM及びイエローYの各インクを熱膨張性シート10に向けて噴射させて、カラー画像を印刷する。
表面発泡データは、熱膨張性シート10の表面において発泡及び膨張させる部分を示すデータである。また、裏面発泡データは、熱膨張性シート10の裏面において発泡及び膨張させる部分を示すデータである。印刷装置40は、印刷ヘッド42に、カーボンブラックを含むブラックKの黒色インクを熱膨張性シート10に向けて噴射させて、黒色による濃淡画像(濃淡パターン)を印刷する。カーボンブラックを含む黒色インクは、電磁波を熱に変換する材料の一例である。
<膨張装置50>
膨張装置50は、熱膨張性シート10の表面又は裏面に電磁波を照射し、熱膨張性シート10の表面又は裏面に印刷された濃淡画像を発熱させて、熱膨張性シート10のうちの濃淡画像が印刷された部分を膨張させる膨張ユニットである。
図6に、膨張装置50の構成を模式的に示す。図6において、X方向は、膨張装置50の幅方向に相当し、Y方向は、膨張装置50の長手方向に相当し、Z方向は、鉛直方向に相当する。X方向とY方向とZ方向とは、互いに直交する。
膨張装置50は、照射部60を移動させながら、トレイ100に載置された熱膨張性シート10に向けて照射部60に電磁波を照射させることにより、熱膨張性シート10を膨張させる。照射部60は、第1の位置P1と第2の位置P2との間で往復移動する。第1の位置P1は、照射部60の初期位置(ホームポジション)である。照射部60は、膨張装置50が動作していない時には第1の位置P1で待機している。
膨張装置50は、箱型の筐体51を備える。筐体51の内部は、上側筐体51aと下側筐体51bとの2室に仕切られている。これは、照射部60からの電磁波の照射により上側筐体51a内の温度が上昇した際に、下側筐体51b内の基板等に与える影響を抑制するものである。膨張装置50は、上側筐体51aの内部に、換気部54と、搬送モータ55と、搬送レール56と、照射部60と、トレイ100と、誘導部材200と、を備える。また、膨張装置50は、下側筐体51bの内部に、電源部69と、制御部70と、を備える。
トレイ100は、熱膨張性シート10を筐体51内の適正な位置に設置するための機構であって、熱膨張性シート10を安定して保持するためのシート保持機構2の一部を構成する。図7に、トレイ100の構成を示す。トレイ100は、載置部110と、押圧部材120と、補助押圧部材140と、を備える。
載置部110は、その上面に熱膨張性シート10が載置される平面状の部材である。載置部110は、押圧部材120との間で熱膨張性シート10を挟み込んで保持する。
図8に、載置部110から押圧部材120が開かれた状態のトレイ100を示す。また、図9(a)及び(b)に、押圧部材120に設けられた補助押圧部材140の拡大平面図及び拡大底面図を示す。図8に示すように、載置部110は、熱膨張性シート10を安定して保持できるように、トレイ100に載置可能な熱膨張性シート10の最大サイズよりも大きなサイズの長方形状をしている。トレイ100に載置可能な熱膨張性シート10の最大サイズは、例えばA3サイズである。載置部110は、ユーザがトレイ100を筐体51から引き出すための手掛け部111を備える。
載置部110の中央部分における熱膨張性シート10が載置される領域には、矩形状の凹部112が設けられている。より詳細には、凹部112は、載置部110における、熱膨張性シート10のうちの膨張する部分が載置される領域に設けられている。ここで、熱膨張性シート10のうちの膨張する部分とは、濃淡画像が印刷されて膨張可能な部分であって、周縁部以外の部分に相当する。周縁部とは、熱膨張性シート10の4辺の外周(境界)に接する部分であって、いわゆる余白領域に相当する。
凹部112は、裏面発泡の際、すなわち熱膨張性シート10がその裏面を上側に向けて載置部110に載置された場合に、熱膨張性シート10の熱膨張層12が下側に向けて膨張できるようにするために設けられている。凹部112が設けられていることにより、載置部110に載置された熱膨張性シート10のうちの中央の膨張可能な部分は載置部110に接しない。言い換えると、熱膨張性シート10は、その周縁部が凹部112を囲む外周部分によって支持されることにより、載置部110に保持される。
凹部112の底面には、トレイ100に載置された熱膨張性シート10の下側の面の一部が露出するように、開口113が設けられている。開口113が設けられていることにより、熱膨張性シート10が膨張する際に発生する熱を外部に逃がすことができ、熱膨張性シート10の温度が上昇しすぎることを回避することができる。
凹部112を囲む外周部分、すなわち熱膨張性シート10の周縁部が載置される部分(図8において黒く塗られた部分)には、磁石116が設けられている。磁石116は、細長い板状をしており、凹部112の外周部分の4辺のそれぞれに沿って設けられている。磁石116は、押圧部材120が閉じられた際に押圧部材120に設けられた金属板125を吸引(吸着)することで、熱膨張性シート10を固定する役割を果たす。載置部110における磁石116が設けられた4辺の領域は、縦方向(X方向)に延伸する2辺の領域である2つの縦枠部と、横方向(Y方向)に延伸する2辺の領域である2つの横枠部と、に分けられる。これら2つの縦枠部及び2つの横枠部は、熱膨張性シート10が載置部110に載置された場合に、熱膨張性シート10の4辺の周縁部を支持する。これにより、熱膨張性シート10を固定しながら、熱膨張性シート10に,膨張処理を施すことができる。
押圧部材120及び補助押圧部材140は、載置部110に載置された熱膨張性シート10の周縁部を押圧することにより、熱膨張性シート10を載置部110に固定する部材である。熱膨張性シート10は、膨張時に内部で応力が働くことにより、例えば周縁部が鉛直方向(Z方向)に弓なりに曲がって反る等、平面状から変形することがある。このように熱膨張性シート10が変形すると、膨張の高さが変わる等のように膨張の精度に影響を及ぼし、造形される造形物の品質が悪化するおそれがある。このような熱膨張性シート10の変形を抑制するため、熱膨張性シート10は、押圧部材120及び補助押圧部材140により周縁部が押圧されることで、トレイ100に固定される。このように熱膨張性シート10がトレイ100に安定して固定された状態で、膨張処理が実行される。
押圧部材120は、熱膨張性シート10の周縁部を押圧する部材である。これに対して、補助押圧部材140は、押圧部材120を補助的に押圧する部材である。具体的に説明すると、補助押圧部材140は、押圧部材120の-X方向の端部付近の2ヶ所を-Z方向に押圧し、押圧部材120は、補助押圧部材140の押圧力によって、載置部110に載置された熱膨張性シート10の4辺の周縁部を-Z方向に押圧する。
図8に示すように、押圧部材120は、載置部110に接する1辺に設けられた、例えばヒンジ構造の回動部117を軸に回転することで開閉される。押圧部材120は、額縁状(枠状又はフレーム状)に形成されている。言い換えると、押圧部材120は、熱膨張性シート10のうちの電磁波が照射される部分が露出するように、また、表面発泡の際に熱膨張性シート10が上側に向けて膨張可能なように、中央部分が大きく開口している。押圧部材120は、載置部110に熱膨張性シート10が載置された状態で閉じられると、額縁の枠部分によって、載置部110に載置された熱膨張性シート10の4辺の周縁部を押圧して、載置部110との間で熱膨張性シート10の4辺の周縁部を挟持する。回動部117によって、補助押圧部材140の押圧力は、押圧部材120全体に伝達される。
より詳細に説明すると、押圧部材120は、A3サイズの熱膨張性シート10が載置部110に載置可能になるように設けられている。そのため、載置部110にA3サイズの熱膨張性シート10が載置された場合、押圧部材120の4辺の枠が熱膨張性シート10の4辺の周縁部に被せられることで、4辺の周縁部が押圧される。
押圧部材120は、その下側の面、すなわち載置部110に載置された熱膨張性シート10に接する側の面に、金属板125を備える。金属板125は、鉄等の磁性を有する金属の板であり、押圧部材120の4辺の枠に沿って設けられている。金属板125は、押圧部材120が閉じられた際に、載置部110に設けられた磁石116に吸引される。このような磁石116と金属板125との間の吸引力により、押圧部材120は、載置部110に載置された熱膨張性シート10の周縁部を押圧して固定する。
図8及び図9各図に示すように、押圧部材120は、開口部126,126及び軸127,127を有する。開口部126,126は、押圧部材120の手掛け部111側の両端付近に設けられている。開口部126は、略十字状を呈し、その内部にトレイ100の移動方向に直交する方向に伸びる円柱状の軸127を受ける略U字状の軸受128,128及び舌片状の軸止129を有する。開口部126には、軸127に取り付けられた補助押圧部材140が配置されている。
図9(a)及び(b)に示すように、補助押圧部材140は、略車輪状の部材(ホイール)であり、軸127にトレイ100の移動方向に回動自在に取り付けられている。補助押圧部材140の一部は、トレイ100の開口部126から+Z方向に突出している。トレイ100が+X方向に押されて、補助押圧部材140の突出部分が誘導部材200に-Z方向に押圧されることにより、補助押圧部材140が押圧部材120を-Z方向に押圧する。これにより、押圧部材120が回動部117を軸にして回動することで載置部110を-Z方向に押圧する。補助押圧部材140は、トレイ100の移動方向に回動自在なので、補助押圧部材140が誘導部材200に押圧されていても、ユーザはトレイ100を容易に+X方向に押すことができる。
図10(a)及び(b)に示すように、誘導部材200は、XZ平面視略U字状の断面を有する板バネの弾性部材である。誘導部材200は、補助押圧部材140に対応して2つ設けられている。誘導部材200は、トレイ100の通路上、すなわち、後述するスライドレールカバー90の頂部91の下面、かつ、補助押圧部材140の上部に配置されている。誘導部材200は、トレイ100が+X方向に押される時に、補助押圧部材140を-Z方向(載置部110の方向)に押圧するように誘導することで、押圧部材120を-Z方向に押圧させるための部材である。
誘導部材200は、固定端201と、折曲部202と、自由端203とを有する。固定端201は、ネジ等の固定部材によって、スライドレールカバー90の頂部91の下面に固定される。折曲部202は、頂部91の下面に配置された固定端201、自由端203から-Z方向に突出する部分である。折曲部202は、-Z方向に略U字状に突出しているので、トレイ100が+X方向に押されるにつれて、補助押圧部材140を-Z方向に押圧する。折曲部202は、XZ平面視で傾斜している傾斜部204,204と、傾斜部204,204を結ぶ底部205とを有する。トレイ100が後述する所定の位置に向けて押動される時、補助押圧部材140は、-X方向側の傾斜部204と当接し、トレイ100が所定の位置に配置される時、補助押圧部材140は底部205と当接する。従って、トレイ100が所定の位置に配置されたとき、最大の押圧力で、誘導部材200は補助押圧部材140を押圧する。自由端203は、スライドレールカバー90の頂部91の下面に沿って移動可能に配置されている。折曲部202が補助押圧部材140を-Z方向(載置部110の方向)に押圧するとき、折曲部202は+Z方向への応力を受けるので、この応力を受けた折曲部202がU字の先端を開くようにして+Z方向へ変形することができるように、自由端203が設けられている。
図7,8を参照して、熱膨張性シート10がトレイ100に保持される様子を説明する。熱膨張性シート10を、図8に示す、押圧部材120を開いた状態の載置部110に載置する。この状態で押圧部材120が閉じられると、押圧部材120の額縁状の枠の一部が熱膨張性シート10の4辺の周縁部の上に被せられ、トレイ100は図7に示す状態になる。その結果、熱膨張性シート10の4辺の周縁部が押圧部材120によって上から押さえつけられる。このとき、押圧部材120に設けられた金属板125が、載置部110に設けられた磁石116に吸引されることにより、熱膨張性シート10は、載置部110と押圧部材120との間で固定される。
このように、熱膨張性シート10の4辺の周縁部が、押圧部材120によって押圧される。その結果、熱膨張性シート10が膨張する際における反り、歪み等の不要な変形を抑制することができる。
以上のように構成されるトレイ100は、筐体51内に設けられた1対のスライドレールに取り付けられており、スライドレールに沿ってX方向にスライドする。図11及び図12に、筐体51からトレイ100を取り出した状態を示す。
図11に示すように、ユーザは、熱膨張性シート10を膨張装置50に搬入する際、手掛け部111に手を掛けて、トレイ100を-X方向にスライドさせて筐体51から引き出す。そして、ユーザは、押圧部材120を開き、膨張させる対象となる熱膨張性シート10を、その表面又は裏面を上に向けて載置部110に載置する。
熱膨張性シート10を載置部110に載置すると、ユーザは、押圧部材120を閉じる。押圧部材120が閉じられると、図12に示すように、載置部110に載置された熱膨張性シート10は、押圧部材120によってその周縁部が押圧されることにより、固定される。
このようにして熱膨張性シート10をトレイ100に載置すると、ユーザは、トレイ100を+X方向にスライドさせて、筐体51内に送り込む。これにより、熱膨張性シート10は、照射部60によって電磁波を照射可能な所定の位置に配置される。
この時、トレイ100、補助押圧部材140、誘導部材200の位置関係は、図13(a)、(b)に示す状態になる。トレイ100が筐体51に+X方向に押動されることにより、スライドレールカバー90の頂部91の下面に配置された誘導部材200に補助押圧部材140が-Z方向に押圧される。従って、補助押圧部材140が押圧部材120を-Z方向に押圧し、押圧部材120が熱膨張性シート10の4辺の周縁部を-Z方向に押圧することになる。トレイ100が筐体51内に送り込まれることにより、熱膨張性シート10は、トレイ100により強固に固定される。
その後、熱膨張性シート10の膨張処理が終了すると、ユーザは、再びトレイ100を-X方向に引き出して、トレイ100から熱膨張性シート10を取り出す。
図6に示した膨張装置50の説明に戻る。照射部60は、トレイ100に配置された熱膨張性シート10に向けて電磁波を照射する機構である。図6に示すように、照射部60は、箱型のカバーの内部に、ランプヒータ61と、反射板62と、温度センサ63と、冷却部64と、を備える。
ランプヒータ61は、例えば照射源としてハロゲンランプを備えており、電磁波として、熱膨張性シート10に対して、近赤外領域(波長750~1400nm)、可視光領域(波長380~750nm)、又は、中赤外領域(波長1400~4000nm)の光を照射する。照射部60及びランプヒータ61は、このような波長域の光を照射することにより、熱膨張性シート10にエネルギーを照射する照射手段として機能する。
カーボンブラックを含む黒色インクによる濃淡画像が印刷された熱膨張性シート10に光(エネルギー)を照射すると、濃淡画像が印刷された部分では、濃淡画像が印刷されていない部分に比べて、より効率良く光が熱に変換される。そのため、熱膨張性シート10のうちの濃淡画像が印刷された部分が主に加熱され、熱膨張剤が膨張を開始する温度に達すると膨張する。照射部60は、搬送モータ55によって搬送されながら光(エネルギー)を照射することにより、熱膨張性シート10を熱膨張させる熱膨張手段として機能する。なお、ランプヒータ61によって照射される光は、電磁波であれば良く、上記波長域の光であることに限らない。
反射板62は、ランプヒータ61の上側を覆うように配置されており、ランプヒータ61から照射された光を熱膨張性シート10に向けて反射する機構である。温度センサ63は、熱電対、サーミスタ等であって、反射板62の温度を測定する測定手段として機能する。冷却部64は、照射部60に給気するための少なくとも1つのファンを備え、外気を吸入し、吸入した外気を反射板62に送って冷却する。反射板62に送られた外気は、更に下方に流れることで、照射部60及び筐体51の内部が冷却される。
換気部54は、膨張装置50における奥側の端部に設けられており、膨張装置50の内部を換気する。換気部54は、少なくとも1つのファンを備えており、筐体51の内部の空気を外部に排出することで筐体51の内部を換気する。
搬送モータ55は、例えばパルス電力に同期して動作するステッピングモータであって、照射部60をトレイ100に載置された熱膨張性シート10に沿って移動させる。筐体51の内部には、Y方向に、すなわちトレイ100に載置された熱膨張性シート10の表面又は裏面に平行な方向に搬送レール56が設けられている。照射部60は、搬送レール56に沿って移動することができるように搬送レール56に取り付けられている。搬送モータ55は、制御部70からの指令に基づいて、軸方向から見て時計回り又は反時計回りに回転数を制御されて回転する。このような搬送モータ55の回転に伴う駆動力を動力源として、照射部60は、熱膨張性シート10との距離を一定に保ちながら、搬送レール56に沿って往復移動する。搬送モータ55は、熱膨張性シート10に沿って照射部60を移動させる移動部(移動手段)として機能する。
電源部69は、電源IC(Integrated Circuit)等を備え、膨張装置50内の各部に必要な電源を作り出して供給する。例えば、換気部54、搬送モータ55、ランプヒータ61及び冷却部64は、電源部69から電力を得て動作する。
制御部70は、筐体51の下部に配置された基板上に設けられている。制御部70は、CPU等のプロセッサと、ROM、RAM等のメモリと、を備えており、命令やデータを転送するための伝送経路であるシステムバスを介して膨張装置50の各部と接続されている。また、制御部70は、いずれも図示しないが、フラッシュメモリ、ハードディスク等の不揮発性メモリと、RTC(Real Time Clock)等の計時デバイスと、端末装置30と通信するための通信インタフェースと、を備える。
制御部70において、CPUが、ROMに記憶されている制御プログラムを読み出して、RAMをワークメモリとして用いながら、膨張装置50全体の動作を制御する。具体的に説明すると、制御部70は、搬送モータ55を制御して、照射部60を指定された向きに指定された移動速度で移動させる。また、制御部70は、照射部60による電磁波を照射のオンとオフとを切り替え、バーコードリーダ65にバーコードBを読み取らせる。
バーコードリーダ65は、熱膨張性シート10の周縁部に設けられたバーコードBを読み取る読取部(読取手段)として機能する。バーコードリーダ65は、光を発する光源と光を検知する光学センサとを備え、レーザー方式等の周知の方式でバーコードBを光学的に読み取る。バーコードリーダ65は、照射部60のカバーの外側に取り付けられており、照射部60と共に、トレイ100に載置された熱膨張性シート10に沿って移動する。
上述したように、バーコードBは、熱膨張性シート10の1辺の周縁部に設けられている。一方で、熱膨張性シート10がトレイ100に載置されて押圧部材120が閉じられると、押圧部材120は、バーコードBが設けられた1辺の周縁部を含む少なくとも3辺の周縁部に被さり、少なくとも3辺の周縁部を上から押圧する。このような押圧部材120によってバーコードBが隠されて読めなくなることを回避するため、載置部110及び押圧部材120には、バーコードリーダ65がバーコードBを読み取るための開口が設けられている。
<膨張処理>
制御部70は、印刷装置40によって濃淡画像が印刷された熱膨張性シート10に電磁波を照射することにより、熱膨張性シート10を膨張させる。
図14に、膨張装置50が膨張処理を実行する様子を示す。制御部70は、バーコードリーダ65によってトレイ100に載置された熱膨張性シート10に設けられたバーコードBが読み取られた場合、照射部60に電源電圧を供給してランプヒータ61を点灯させる。そして、制御部70は、照射部60に電磁波を照射させている状態で搬送モータ55を駆動させる。これにより、制御部70は、照射部60を、第1の位置P1から第2の位置P2に向けた方向(第1の方向)に、規定の距離だけ移動させる。このように、制御部70は、照射部60を熱膨張性シート10の端から端まで移動させることで、熱膨張性シート10の表面又は裏面に広く電磁波を照射させる。
規定の距離は、熱膨張性シート10のサイズに応じて異なる。例えば、熱膨張性シート10のサイズがA3サイズであれば、規定の距離は、第1の位置P1から第2の位置P2までの距離である。これに対して、熱膨張性シート10のサイズがA4サイズであれば、規定の距離は、第1の位置P1から第2の位置P2までの半分の距離である。一例として、熱膨張性シート10のサイズ情報がバーコードBに含まれており、制御部70は、バーコードリーダ65によるバーコードBの読み取り結果に応じて、規定の距離を設定しても良い。或いは、熱膨張性シート10の厚み、基材11の種類等の情報がバーコードBに含まれており、制御部70は、バーコードリーダ65によるバーコードBの読み取り結果に応じて、照射部60を移動させる速度を変更しても良い。
照射部60によって電磁波が照射されると、熱膨張性シート10のうちの、カーボンブラックを含む黒色インクで濃淡画像が印刷された部分は発熱し、規定の温度にまで加熱されると膨張する。
規定の温度は、熱膨張層12に含まれる熱膨張剤が膨張を開始する温度であって、例えば80℃から120℃程度の温度である。制御部70は、所定の強度で電磁波を照射している照射部60を所定の速度で移動させることによって、熱膨張性シート10のうちの濃淡画像が印刷された部分を規定の温度以上に加熱する。所定の強度及び所定の速度は、熱膨張性シート10を規定の温度以上に加熱できるように予め設定されている。
このように、制御部70は、搬送モータ55によって照射部60を第1の方向に移動させながら、照射部60に電磁波を照射させることによって、熱膨張性シート10を膨張させる。熱膨張性シート10のうちの濃淡画像が印刷された部分は、濃淡画像における黒色の濃さに応じた高さに膨張する。これによって、熱膨張性シート10に所望の造形物が造形される。
このような膨張処理によって、照射部60は、熱膨張性シート10の第2の位置P2側の端部に到達する。膨張処理を実行した後、制御部70は、図示しないが、照射部60を第2の位置P2から第1の位置P1への方向(第2の方向)に移動させながら、すなわち照射部60をホームポジションに戻しながら、必要に応じて、換気部54による換気処理、又は冷却部64による冷却処理を実行する。具体的に説明すると、制御部70は、換気部54を駆動させて、膨張処理によって加熱された筐体51内の空気を外部に排出する。また、制御部70は、冷却部64を駆動させて、膨張処理によって加熱された照射部60及び熱膨張性シート10を冷却する。
<造形物の製造処理>
次に、図15に示すフローチャート及び図16(a)~(e)に示す熱膨張性シート10の断面図を参照して、印刷装置40及び膨張装置50において実行される造形物の製造処理の流れについて説明する。
第1に、ユーザは、造形物が製造される前の熱膨張性シート10を準備し、端末装置30を介して、カラー画像データ、表面発泡データ及び裏面発泡データを指定する。そして、熱膨張性シート10を、その表面を上側に向けて印刷装置40に挿入する。印刷装置40は、挿入された熱膨張性シート10の表面に熱変換層(表側変換層81)を印刷する(ステップS1)。表側変換層81は、電磁波熱変換材料を含むインク、例えばカーボンブラックを含む黒色インクで形成された層である。印刷装置40は、指定された表面発泡データに従って、熱膨張性シート10の表面に、カーボンブラックを含む黒色インクを吐出する。その結果、図16(a)に示すように、インク受容層13上に表側変換層81が形成される。なお、理解を容易とするため、インク受容層13上に表側変換層81が形成されているように図示しているが、より正確には黒色インクはインク受容層13中に受容されているため、インク受容層13中に表側変換層81が形成されている。
第2に、ユーザは、表側変換層81が印刷された熱膨張性シート10を、その表面を上側に向けて膨張装置50に挿入する。膨張装置50は、挿入された熱膨張性シート10へ表面から電磁波を照射する(ステップS2)。具体的に説明すると、膨張装置50は、照射部60によって熱膨張性シート10の表面に電磁波を照射する。熱膨張性シート10の表面に印刷された表側変換層81に含まれる熱変換材料は、照射された電磁波を吸収することによって発熱する。その結果、表側変換層81が発熱し、図16(b)に示すように、熱膨張性シート10の熱膨張層12のうちの表側変換層81が印刷された領域が膨張し、盛り上がる。
第3に、熱膨張層12の一部が膨張した熱膨張性シート10を、その表面を上側に向けて印刷装置40に挿入する。印刷装置40は、挿入された熱膨張性シート10の表面にカラー画像(カラーインク層82)を印刷する(ステップS3)。具体的には、印刷装置40は、指定されたカラー画像データに従って、熱膨張性シート10の表面に、シアンC、マゼンタM及びイエローYの各インクを吐出する。その結果、図16(c)に示すように、インク受容層13上にカラーインク層82が形成される。なお、インク受容層13上にカラーインク層82が形成されているように図示しているが、より正確にはカラーインクはインク受容層13中に受容されている。
第4に、カラーインク層82の形成後、カラーインク層82を乾燥させる(ステップS4)。例えば、ユーザは、カラーインク層82が印刷された熱膨張性シート10を、その裏面を上側に向けて膨張装置50に挿入し、膨張装置50は、挿入された熱膨張性シート10を裏面から加熱し、熱膨張性シート10の表面に形成されたカラーインク層82を乾燥させる。具体的に説明すると、膨張装置50は、照射部60によって熱膨張性シート10の裏面に電磁波を照射させ、カラーインク層82を加熱し、カラーインク層82中に含まれる溶媒を揮発させる。なお、ステップS4は省略することも可能である。
第5に、ユーザは、カラーインク層82が印刷された熱膨張性シート10を、その裏面を上側に向けて印刷装置40に挿入する。印刷装置40は、挿入された熱膨張性シート10の裏面に熱変換層(裏側変換層83)を印刷する(ステップS5)。裏側変換層83は、熱膨張性シート10の表面に印刷された表側変換層81と同様に、電磁波を熱に変換する材料、具体的にはカーボンブラックを含む黒色インクで形成された層である。印刷装置40は、指定された裏面発泡データに従って、熱膨張性シート10の裏面に、カーボンブラックを含む黒色インクを吐出する。その結果、図16(d)に示すように、基材11の裏面に裏側変換層83が形成される。
第6に、ユーザは、裏側変換層83が印刷された熱膨張性シート10を、その裏面を上側に向けて膨張装置50に挿入する。膨張装置50は、挿入された熱膨張性シート10へ裏面から電磁波を照射して加熱する(ステップS6)。具体的に説明すると、膨張装置50は、照射部60によって熱膨張性シート10の裏面に電磁波を照射させる。熱膨張性シート10の裏面に印刷された裏側変換層83は、照射された電磁波を吸収することによって発熱する。その結果、図16(e)に示すように、熱膨張性シート10の熱膨張層12のうち、裏側変換層83が印刷された領域が膨張し、盛り上がる。
以上のような手順によって、熱膨張性シート10の表面上に造形物が形成される。
なお、熱変換層は表側のみ又は裏側のみに形成されてもよい。表側変換層81のみを利用して熱膨張層12を膨張させる場合、上記の処理のうちステップS1~S4を実施する。一方、裏側変換層83のみを利用して熱膨張層12を膨張させる場合、上記の処理のうち、ステップS3~S6を実施する。
また、ステップS5,S6における裏面発泡の処理を、ステップS1,S2における表面発泡の処理よりも前に実施しても良いし、ステップS3,S4におけるカラーインク層82の印刷及び乾燥処理を、ステップS1,S2における表面発泡の処理よりも前に実施しても良い。或いは、ステップS1における表側変換層81の印刷と、ステップS3におけるカラーインク層82の印刷を実施した後で、ステップS2における表面発泡の処理を実施しても良い。このように、上記ステップS1~S6の処理の順番は、様々に入れ替えて実施しても良い。
以上説明したように、本実施形態に係る膨張装置50は、電磁波を照射する照射部60を熱膨張性シート10に沿って移動させることで熱膨張性シート10を膨張させる方式の装置において、膨張時に熱膨張性シート10が反る、歪む等の不要な変形をすることを抑制するために、押圧部材120と補助押圧部材140と誘導部材200とによって熱膨張性シート10の周縁部を押圧した状態で、熱膨張性シート10を膨張させる。その際に、トレイ100が所定の位置に配置されることによって、押圧部材120が熱膨張性シート10をより強く押圧する。これにより、熱膨張性シート10の周縁部を適切に押圧することができる。その結果、熱膨張性シート10を精度良く膨張させることができ、安定した品質の造形物を得ることができる。
(変形例)
以上に本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は一例であり、本発明の適用範囲はこれに限られない。すなわち、本発明の実施形態は種々の応用が可能であり、あらゆる実施の形態が本発明の範囲に含まれる。
例えば、上記実施形態では、押圧部材120は、額縁状をしており、載置部110に熱膨張性シート10が載置された場合に、熱膨張性シート10の4辺の周縁部を押圧した。しかしながら、本発明において、押圧部材120の形状は、額縁状に限らない。例えば、載置部110に載置された熱膨張性シート10の、3辺の周縁部を最低限押圧できるように、押圧部材120は、U字状をしていても良い。或いは、+Y方向端部の辺と-Y方向端部の辺との2辺を押圧する形状であっても良い。
また、上記実施形態では、補助押圧部材140が-X方向の端部の2ヶ所に配置されていた。しかしながら、本発明において、補助押圧部材140及び誘導部材200の個数や配置は、これに限らない。熱膨張性シート10の膨張時における不要な変形を抑制することができる程度に周縁部を押圧しさえすれば、補助押圧部材140及び誘導部材200の個数は2つでなくても良く、補助押圧部材140及び誘導部材200の位置も他の位置に配置されていても良い。例えば、押圧部材120の-X方向の中間部分に1ヶ所の補助押圧部材140及び対応する位置に誘導部材200が配置されていても良いし、押圧部材120の4角に4ヶ所の補助押圧部材140及び対応する位置に誘導部材200が配置されていても良い。
上記実施形態では、押圧部材120は、回動部117によって載置部110に回動自在に取り付けられていたが、本発明ではこれに限らない。例えば、押圧部材120Aは、単に載置部110に冠着される構造であり、押圧部材120Aの4角を4つの補助押圧部材140で押圧するものであっても良い。
上記実施形態では、載置部110に磁石116が設けられ、押圧部材120に金属板125が設けられていた。しかしながら、本発明において、磁石116と金属板125とが逆に設けられていても良い。言い換えると、載置部110に磁石116と金属板125とのうちの一方が設けられ、押圧部材120に磁石116と金属板125とのうちの他方が設けられていれば良い。なお、磁石116及び金属板125の形状は、上記実施形態の例に限らない。
また、トレイ100に載置される熱膨張性シート10のサイズはA3サイズに限らず、本発明は、様々なサイズの熱膨張性シート10がトレイ100に載置された場合に適用することができる。
上記実施形態では、補助押圧部材140は、押圧部材120に回動可能に取り付けられていたが、例えばコストダウンのために、回動しない構造であっても良く、押圧部材120から突出した単なる凸状の部材であっても良い。
上記実施形態では、誘導部材200は、略U字状の断面の板バネの弾性部材であったが、例えば、ゴム等の弾性部材の舌片状の中実構造の部材であっても良く、或いは、弾性部材で無い舌片状の中実構造の部材であっても良く、トレイ100が所定の位置にあるときに補助押圧部材140を押圧できる構造の部材であれば良い。
上記実施形態では、シート保持機構2は、造形物を製造するための熱膨張性シート10を保持するものであった。しかしながら、本発明に係るシート保持機構によって保持されるシートは、熱膨張性シート10に限らず、一般的なシートであっても良い。本発明に係るシート保持機構は、熱膨張性シート10以外のシートを保持する場合においても、シートを安定して保持することができる。
上記実施形態では、熱膨張性シート10は、基材11と熱膨張層12とインク受容層13とを備えていた。しかしながら、本発明において、熱膨張性シート10の構成はこれに限らない。例えば、熱膨張性シート10は、インク受容層13を備えなくても良いし、表面又は裏面に剥離可能な剥離層を備えていても良い。或いは、熱膨張性シート10は、他の任意の材料による層を備えていても良い。
上記実施形態では、端末装置30と印刷装置40と膨張装置50とは、それぞれ独立した装置であった。しかしながら、本発明において、端末装置30と印刷装置40と膨張装置50とのうちの少なくともいずれか2つが一体となっていても良い。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明には、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲とが含まれる。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
(付記1)
シートを収容する装置に設けられるシート保持機構であって、
前記シートが載置される載置部と、前記載置部に載置された前記シートを押圧する押圧部材と、前記押圧部材に設けられ、少なくとも一部が前記押圧部材から突出している補助押圧部材と、を有するトレイと、
前記トレイが移動して所定の位置に近づくにつれて、前記補助押圧部材を前記載置部の方向へ押圧する誘導部材と、を備え、
前記補助押圧部材は、前記トレイが前記所定の位置に配置された時に、前記装置内部に設けられた前記誘導部材によって前記載置部に近づくことにより前記押圧部材を押圧する、
ことを特徴とするシート保持機構。
(付記2)
前記補助押圧部材は、前記押圧部材に設けられた開口部の内部に前記トレイの移動方向に回動自在に設けられたホイールであり、
前記補助押圧部材の一部は、前記開口部から突出しており、
前記補助押圧部材は、前記誘導部材に当接しつつ回動して、前記押圧部材を押圧する、
ことを特徴とする付記1に記載のシート保持機構。
(付記3)
前記誘導部材は、前記トレイの通路上に設けられた弾性部材である、
ことを特徴とする付記1又は2に記載のシート保持機構。
(付記4)
前記押圧部材は、前記載置部に回動自在に接合されている、
ことを特徴とする付記1から3のいずれか1つに記載のシート保持機構。
(付記5)
熱膨張性シートを膨張させる膨張装置であって、
前記熱膨張性シートが載置される載置部と、前記載置部に載置された前記熱膨張性シートの周縁部を押圧する押圧部材と、前記押圧部材に設けられ、少なくとも一部が前記押圧部材から突出している補助押圧部材と、を有するトレイと、
前記トレイが移動して所定の位置に近づくにつれて、前記補助押圧部材を前記載置部の方向へ移動させる誘導部材と、
前記載置部に載置された前記熱膨張性シートに向けて電磁波を照射する照射部と、
前記載置部に載置された前記熱膨張性シートに沿って前記照射部を移動させることにより、前記熱膨張性シートを膨張させる移動部と、を備え、
前記補助押圧部材は、前記トレイが前記所定の位置に配置された時に、前記誘導部材によって前記載置部に近づくことにより前記押圧部材を押圧する、
ことを特徴とする膨張装置。
(付記6)
前記補助押圧部材は、前記押圧部材に設けられた開口部の内部に前記トレイの移動方向に回動自在に設けられたホイールであり、
前記補助押圧部材の一部は、前記開口部から突出しており、
前記補助押圧部材は、前記誘導部材に当接しつつ回動して、前記押圧部材を押圧する、
ことを特徴とする付記5に記載の膨張装置。
(付記7)
前記載置部及び前記押圧部材は、枠状に形成されている、
ことを特徴とする付記5又は6に記載の膨張装置。
(付記8)
前記押圧部材は、前記載置部に回動自在に接合されている、
ことを特徴とする付記5から7のいずれか1つに記載の膨張装置。
(付記9)
前記押圧部材には、磁石と金属板とのうちの一方が設けられ、
前記載置部には、前記磁石と前記金属板とのうちの他方が設けられ、
前記トレイは、前記磁石と前記金属板との間の吸引力により、前記載置部に載置された前記熱膨張性シートの周縁部を押圧する、
ことを特徴とする付記5から8のいずれか1つに記載の膨張装置。
(付記10)
付記5から9のいずれか1つに記載の膨張装置と、
前記熱膨張性シートに、電磁波を熱に変換する変換層を印刷する印刷装置と、を備え、
前記膨張装置は、前記移動部によって前記照射部を移動させながら、前記印刷装置によって前記変換層が印刷された前記熱膨張性シートに向けて前記照射部に電磁波を照射させることにより、前記熱膨張性シートを膨張させる、
ことを特徴とする造形システム。