JP7310332B2 - 立体造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、立体造形装置に関する。

立体物を造形する立体造形装置が知られているが、立体造形装置には大きく分けて以下の三つの造形方式がある。

（１）熱溶解積層方式：ディスペンサに似た記録ヘッドが溶けた造形用素材を押し出しながら積層して立体物を作る方式
（２）粉末積層方式：造形用素材の粉末の層の必要部分を何らかの手段で硬化させ積層して立体物を作る方式
（３）マテリアルインクジェット方式：造形用素材を記録ヘッドから吐出させ、何らかの手段でこれを硬化させ積層して立体物を作る方式

従来のマテリアルインクジェット方式の立体造形装置は、造形用素材、例えば、ＵＶ硬化型樹脂を吐出する記録ヘッドが立体物を載置するプラットホームの上方に位置決めされ、記録ヘッドからＵＶ硬化型樹脂ドットを下方に向けて吐出し、吐出されたプラットホーム上のＵＶ硬化型樹脂に紫外線（ＵＶ）を照射して硬化させるものである。そして、硬化したＵＶ硬化型樹脂の上に次のＵＶ硬化型樹脂をさらに吐出して、順次硬化させる過程を必要な層数だけ繰り返すことで立体物を造形している。なお、立体造形装置によって立体物を造形する方法及び装置としては、例えば、特許文献１がある。

特開２００４－３３０７０２号公報

しかしながら、従来のマテリアルインクジェット方式の立体造形装置は、図１０（Ａ）に示すような「きのこ型」の立体物１００をインクジェット方式で造形する場合、図１０（Ｂ）に示すプラットホーム５からＰ点付近までの本体部分に相当するＡ部の造形は可能である。しかし、記録ヘッドＩＨは水平方向（ＸＹ方向）にしか走査できないために、Ａ部から水平方向に延びるＢ部のような横に張り出した部分の造形は樹脂ドットを受け止めてくれるものがないので造形は不可能である。また、Ａ部の上部より下方に垂下しているＣ部の造形も不可能である。

そこで、本発明は、従来のインクジェット方式の立体造形装置では不可能であった立体形状を造形することが可能な立体造形装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、造形用素材を吐出するインクジェットノズルと、前記インクジェットノズルを有する複数の記録ヘッドと、前記造形用素材を硬化する硬化手段と、を有し、前記記録ヘッドは、前記造形用素材を下方に向かって吐出する第1の記録ヘッドと、前記造形用素材を水平方向に向かって吐出する第2の記録ヘッドまたは前記造形用素材を上方に向かって吐出する第3の記録ヘッドとを有し、前記インクジェットノズルは、前記造形用素材を吐出する吐出口と、前記吐出口を開閉する弁体と、所定の電圧を印可することで伸長する圧電素子と、前記弁体と前記圧電素子との間に配置され、前記弁体と前記圧電素子のそれぞれに接続する弁体移動手段と、有し、前記弁体移動手段が前記圧電素子の伸長に応じて変形し、前記弁体を移動させることによって開かれた前記吐出口から、前記造形用素材を吐出することを特徴とする立体造形装置を提供する。

上記課題を解決するために請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の立体造形装置において、前記立体物を載置する前記プラットホームを水平方向に回転可能とすることにより前記第２の記録ヘッド及び第３の記録ヘッドが前記立体物の周囲を相対的に移動するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る立体造形装置によれば、従来の記録ヘッドを用いた立体造形装置では造形することができないような立体物を造形することができるという効果がある。

本発明の第一の実施形態に係る立体造形装置の主要部の構成を示す斜視図である。 （Ａ）は吐出口を閉塞した状態を示す弁型インクジェットノズルの一実施形態を示す断面図、（Ｂ）は吐出口を開口した状態を示す弁型インクジェットノズルの一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る立体造形装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。 本発明に係る立体造形装置を用いて行う造形工程の一実施形態を示すフローチャートである。 （Ａ）は第１の記録ヘッドによる造形の初期の状態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の状態から更に造形が進んだ状態を示す図である。 （Ａ）は第２の記録ヘッドによる造形の初期の状態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の状態から更に造形が進んだ状態を示す図である。 （Ａ）は第３の記録ヘッドによる造形の初期の状態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の状態から更に造形が進んだ状態を示す図である。 第１の記録ヘッドによる最上部（Ｄ部）の造形を示す図である。 第二の実施形態に係る立体造形装置における第１の記録ヘッドの駆動系を示す斜視図である。 （Ａ）は第二の実施形態に係る立体造形装置の第３の記録ヘッドの駆動系を示す斜視図、（Ｂ）は第２の記録ヘッドの配置を示す斜視図である。 従来の立体造形装置の記録ヘッドの動作を示し、（Ａ）は造形したい「きのこ型」の立体物の形状を示す断面図、（Ｂ）は従来の立体造形装置の動作を示す説明図である。

以下、本発明に係る立体造形装置について、図面を参照しつつ好ましい一実施形態に基づいて詳細に説明する。まず、第一の実施形態について説明図する。

１．第一の実施形態
［立体造形装置の第一の実施形態の構成］
図１は本発明の第一の実施形態に係る立体造形装置の主要部の構成を示す斜視図である。図示された立体造形装置１は、概略として、複数の弁型インクジェットノズルを搭載し、ＵＶ硬化型樹脂等の造形用素材を上方から下方に向かって吐出できるように配置された状態で水平方向及び垂直方向に移動可能な第１の記録ヘッド２と、複数の弁型インクジェットノズルを搭載し、造形用素材を水平方向（横方向）に吐出できるように配置された状態で水平方向及び垂直方向に移動可能であると共に立体物の周囲を相対的に移動可能な第２の記録ヘッド３と、複数の弁型インクジェットノズルを搭載し、造形用素材を下方から上方に向かって吐出できるように配置された状態で水平方向及び垂直方向に移動可能であると共に立体物の周囲を相対的に移動可能な第３の記録ヘッド４と、立体物を載置する台であって図示しないモータを駆動源として回転可能なプラットホーム５と、各部材が収納される筐体６と、第１の記録ヘッド２をプラットホーム５に対して水平及び垂直方向に移動させる第１駆動機構５５と、第２の記録ヘッド３をプラットホーム５に対して水平及び垂直方向に移動させる第２駆動機構５６と、第３の記録ヘッド４をプラットホーム５に対して水平及び垂直方向に移動させる第３駆動機構５７を備えて構成されている。尚、第１駆動機構５５、第２駆動機構５６及び第３駆動機構５７が取り付けられた上面部１０Ａとプラットホーム５が取り付けられた台座部１０Ｂは、筐体６内に収納されている。ここで、第１の記録ヘッド２、第２の記録ヘッド３及び第３の記録ヘッド４のそれぞれに搭載される弁型インクジェットノズル４０は、吐出口を弁体によって開閉することにより加圧された造形用素材の吐出が可能であり、その構造について説明する。

次に、弁型インクジェットノズルの一例について図２Ａを参照して説明する。図２Ａは同ヘッドの１つのノズル部分の断面説明図である。なお、図２Ａ（Ａ）はノズルが閉じている状態、（Ｂ）はノズルが開いている状態をそれぞれ示している。

弁型インクジェットノズル４０は、先端部に液体を吐出するノズル３０２が設けられ、ノズル３０２の近傍に液体が注入される注入口３０３が設けられた中空状のハウジング３０４を備えている。

ハウジング３０４内には、外部からの電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子３０５と、ノズル３０２を開閉する弁体３０７と、弁体３０７と圧電素子３０５との間に配置され、弁体３０７をノズル３０２に対して進退させる弁体移動手段３０８とが配置されている。

圧電素子３０５はケース３１５内に収容され、電圧印加用の一対の配線部材３１０ａ，３１０ｂが接続されて外部に引き出されている。

弁体３０７とハウジング３０４との間には、注入口３０３から注入される加圧液体の圧電素子３０５側への侵入を阻止する封止部材３０６が配置されている。これにより、注入口３０３から加圧液体が注入される液室３０９が形成される。

ハウジング３０４は、円筒状、角筒状などの筒状体であり、ノズル３０２及び注入口３０３以外は閉じられている。ノズル３０２は、ハウジング３０４の先端部に開けられた開口であり、液体３１１を吐出する。注入口３０３は、ノズル３０２の近傍のハウジング３０４の側面に設けられ、加圧された液体が連続的に供給される。

圧電素子３０５は、ジルコニアセラミックス等を用いて形成されている。圧電素子３０５には、配線部材３１０ａ、３１０ｂを介して駆動波形（駆動電圧）が与えられる。

封止部材３０６は、例えばパッキン、Ｏリング等であり、封止部材３０６を弁体３０７に外嵌することで、注入口３０３側から圧電素子３０５側へ液体が流入することを防止している。

弁体移動手段３０８は、ゴム、軟質樹脂、薄い金属板等で形成された復元可能に変形可能な弾性部材で形成された断面略台形状の変形部３０８ａを有する。変形部３０８ａの断面略台形状の上辺に相当する連結部３０８ｅは弁体３０７の基端側の面に固定されている。変形部３０８ａの断面略台形状の底辺に相当する長辺側は屈曲辺部３０８ｄと連結されている。屈曲辺部３０８ｄは、径方向中央部がガイド部３０８ｃと連結され、径方向中央部と端部との間が、一端がケース３１５に連結された固定部３１２と連結されている。

この弁体移動手段３０８は、圧電素子３０５に所定の電圧が印加されて圧電素子３０５が伸張することにより、ガイド部３０８ｃがノズル３０２側へ例えば距離ｅだけ移動し、屈曲辺部３０８ｄの中央部付近が押し込まれる。

このとき、屈曲辺部３０８ｄは、ガイド部３０８ｃの外周側が固定部３１２に連結されているので、固定部３１２との連結部と起点として矢印方向に変位する。屈曲辺部３０８ｄが矢印方向に変位することで、変形部３０８ａは拡開するので、弁体３０７との連結部３０８ｅが矢印方向に引き込まれる。

この弁体移動手段３０８の変形部３０８ａの変形により、変形部３０８ａの連結部３０８ｅに固定された弁体３０７が距離ｄだけ引き込まれて、ノズル３０２が開かれる。

つまり、圧電素子３０５の伸張によってガイド部３０８ｃがノズル３０２側へ距離ｅだけ移動することで、弁体３０７はガイド部３０８ｃの移動方向（圧電素子３０５の伸長方向）と逆方向に距離ｄだけ移動する。

ここで、弁体移動手段３０８の変形部３０８ａにおける弁体３０７との連結部３０８ｅと屈曲辺部３０８ｄとの距離や屈曲辺部３０８ｄの長さを調整することにより、弁体３０７の移動量を圧電素子３０５の変位量よりも長くすることができる。

つまり、弁体移動手段３０８は圧電素子３０５の変位量を増幅することができ、圧電素子３０５の変位量を少なくすることができるため、圧電素子３０５を小型化することができる。

第１の記録ヘッド２、第２の記録ヘッド３及び第３の記録ヘッド４は、それぞれ上述した弁型インクジェットノズル４０を複数搭載して形成されている。そして、第１の記録ヘッド２は、水平方向に配置されたレール１１Ａの一端側に造形用素材の吐出方向が下向きとなるようにして配置され、レール１１Ａは互いに直交するレール１１Ｂに図示しないガイドブロックを介して移動可能に取り付けられており、第１の記録ヘッド２が水平方向へ平面移動可能とされている。そして、レール１１Ｂの反対側の端部は垂直方向に伸びるレール１１Ｃに図示しないガイドブロックを介して移動可能に取り付けられおり、レール１１Ｃの上方側には第１駆動機構５５が配置されている。第１の記録ヘッド２は、モータなどの駆動源１４による動力によってレール１１Ａとレール１１Ｂが相互に水平方向に移動すると共に、レール１１Ｃが上下移動することにより水平方向（ＸＹ方向）及び垂直方向（Ｚ方向）への移動が可能とされている。

また、第２の記録ヘッド３は、水平に配置されたレール１２Ａの一端側に造形用素材の吐出方向が水平方向（横方向）となる向きに配置されると共に、レール１２Ａは垂直に立設されたレール１２Ｂに対して水平移動可能に取り付けられており、さらにレール１２Ｂの上方側には第２駆動機構５６が配置されている。第２駆動機構５６が動作することでレール１２Ｂが上下方向へ移動し、これに伴ってレール１２Ａ及び第２の記録ヘッド３が昇降する。そして、レール１２Ａは、駆動源１５によって水平方向に直線移動する。尚、第２の記録ヘッド３は、第１の記録ヘッド２と同様に、水平面方向（ＸＹ方向）及び垂直方向（Ｚ方向）へ移動可能に構成することもできる。また、第２の記録ヘッド３は水平方向（横方向）に対して仰角又は俯角を有して配置することもできる。

さらに、第３の記録ヘッド４は、第２の記録ヘッド３と同様の移動機構に搭載されている。すなわち、水平に配置されたレール１３Ａの一端側に造形用素材の吐出方向が斜め上方となるように所定の仰角を有して傾斜させて配置されると共に、レール１３Ａは垂直に立設されたレール１３Ｂに対して水平移動可能に取り付けられており、さらにレール１３Ｂの上方側には第３駆動機構５７が配置されている。第３駆動機構５７が動作することでレール１３Ｂが上下方向へ移動し、これに伴ってレール１３Ａ及び第３の記録ヘッド４が昇降する。そして、レール１３Ａは、駆動源１６によって水平方向に直線移動する。尚、第３の記録ヘッド４は、第１の記録ヘッド２と同様に、水平面方向（ＸＹ方向）及び垂直方向（Ｚ方向）への移動が可能となるように構成することもできる。また、第３の記録ヘッド４は真上、すなわち、プラットホーム５の面に対して９０°の向きに取り付けることもできる。

第１駆動機構５５、第２駆動機構５６及び第３駆動機構５７は、図２Ｂに示す制御部２００によって制御され、また、プラットホーム５の回転制御もこの制御部２００によって制御される。そして、制御部２００は図３に示す手順を実行するプログラムによって動作するコンピュータを内蔵している。尚、本実施形態では、第２の記録ヘッド及び第３の記録ヘッド４がプラットホーム５の上に造形される立体物の周囲を相対的に移動する構成として、プラットホーム５を回転するようにしているが、プラットホーム５を固定して第２の記録ヘッド及び第３の記録ヘッド４を立体物の周囲を回転するように構成してもよい。

［立体造形装置のハードウェア構成］
次に、立体造形装置１のハードウェア構成について説明する。
図２Ｂは、立体造形装置１のハードウェア構成例を示すブロック図である。例えば、立体造形装置１は、図示するハードウェア構成等である。

立体造形装置１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２０２及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０３を有する。また、立体造形装置１は、ＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ）２０４及びＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）２０５を有する。

さらに、立体造形装置１は、ホストＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２０６、印刷制御装置２０７、キャリッジ３０ａ～３０ｂ、モータ駆動装置２１０及びＩ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）２１３を有する。

さらにまた、立体造形装置１は、操作パネル２１４、温度センサ２１５、第１駆動機構５５、エンコーダセンサ４３、第２駆動機構５６、エンコーダセンサ３５及び第３駆動機構５７を有する。

ＣＰＵ２０１は、立体造形装置１全体を制御する。すなわち、ＣＰＵ２０１は、制御部２００が行う処理及びデータ加工を実現するための演算を行う演算装置である。また、ＣＰＵ２０１は、図示するハードウェアを制御する制御装置である。

ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３及びＮＶＲＡＭ２０４は、記憶装置の例である。具体的には、ＲＯＭ２０２は、ＣＰＵ２０１が実行するプログラム及び固定データ等のデータを記憶する。またＲＡＭ２０３は、画像データ等のデータを記憶する。さらに、ＮＶＲＡＭ２０４は、立体造形装置１の電源が遮断されてもデータを保持できるため、ＮＶＲＡＭ２０４には、立体造形装置１の電源が遮断されても保持させるデータ等が記憶される。

ＡＳＩＣ２０５は、画像データに対する各種信号処理、並び替え等の画像処理及び立体造形装置１全体を制御するための入出力信号の処理を行う電子回路である。

ホストＩ／Ｆ２０６は、ホスト側と、データを送受信するインタフェースである。

印刷制御装置２０７は、第１の記録ヘッド２、第２の記録ヘッド３及び第３の記録ヘッド４等を駆動させるデータを送信する。また、印刷制御装置２０７は、駆動波形を生成し、送信する。

キャリッジ３０ａは、ヘッドドライバ２０８ａ、第１の記録ヘッド２及び照射部２２０ａ等によって実現される。ヘッドドライバ２０８ａは、キャリッジ３０ａ側に設けられる第１の記録ヘッド２を駆動させるためのドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等である。照射部２２０ａは、ＵＶ硬化型樹脂を硬化させるためのＵＶ光を照射する光源等である。

キャリッジ３０ｂは、ヘッドドライバ２０８ｂ、第２の記録ヘッド３及び照射部２２０ｂ等によって実現される。ヘッドドライバ２０８ｂは、キャリッジ３０ｂ側に設けられる第２の記録ヘッド３を駆動させるためのドライバＩＣ等である。照射部２２０ｂは、ＵＶ硬化型樹脂を硬化させるためのＵＶ光を照射する光源等である。

キャリッジ３０ｃは、ヘッドドライバ２０８ｃ、第３の記録ヘッド４及び照射部２２０ｃ等によって実現される。ヘッドドライバ２０８ｃは、キャリッジ３０ｃ側に設けられる第３の記録ヘッド４を駆動させるためのドライバＩＣ等である。照射部２２０ｃは、ＵＶ硬化型樹脂を硬化させるためのＵＶ光を照射する光源等である。

上記の照射部２２０ａ～２２０ｃのそれぞれは、「硬化手段」の一例である。

ここで、印刷制御装置２０７、キャリッジ３０ａ～３０ｃを合わせて、液滴を吐出するユニット３００とする。また、印刷制御装置２０７及びヘッドドライバ２０８ａ～２０８ｃを合わせて、液滴を吐出するユニット３００のユニット制御部とする。液滴を吐出するユニット３００の制御については図４とともに後述する。

モータ駆動装置２１０は、第１駆動機構５５、第２駆動機構５６及び第３駆動機構５７を駆動させる。

エンコーダセンサ４３は、第１駆動機構５５の位置を示す検出信号を出力する。同様に、エンコーダセンサ３５は、第２駆動機構５６の位置を示す検出信号を出力する。温度センサ２１５は、立体造形装置１の環境温度を計測し、検出信号を出力する。

Ｉ／Ｏ２１３は、各センサからの検出信号を入力するインタフェースである。

操作パネル２１４は、立体造形装置１のユーザに対して、各種情報を表示する表示装置及びユーザによる操作を入力する入力装置である。

例えば、制御部２００は、ホストＩ／Ｆ２０６によって、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等の情報処理装置、イメージスキャナ等の画像読取装置及びデジタルカメラ等の撮像装置等から画像データ等を受信する。なお、画像データ等は、ケーブル又はネットワーク等を介して受信される。次に、制御部２００が有するＣＰＵ２０１は、ホストＩ／Ｆ２０６が有する受信バッファに記憶される画像データ等を読み出して解析する。

そして、制御部２００は、ＡＳＩＣ２０５によって、画像処理及びデータの並び替え等の処理を行う。続いて、ＡＳＩＣ２０５によって処理された画像データは、印刷制御装置２０７によって、ヘッドドライバ２０８ａ～２０８ｃに送信される。

また、印刷制御装置２０７は、画像データをシリアルデータにして、ヘッドドライバ２０８ａ～２０８ｃに送信する。さらに、印刷制御装置２０７は、画像データを送信するのに用いられるクロック信号、ラッチ信号及び滴制御信号（マスク信号）等の信号をヘッドドライバ２０８ａ～２０８ｃに送信する。

さらにまた、印刷制御装置２０７は、ＲＯＭ２０２等に記憶される駆動信号パターンを示すデータをＤ／Ａ（ｄｉｇｉｔａｌ／ａｎａｌｏｇ）変換するＤ／Ａ変換器等を有する。また、印刷制御装置２０７は、信号の電圧を増幅させる電圧増幅器及び信号の電流を増幅させる電流増幅器等によって、駆動信号を生成する共通駆動波形生成部３０１を有する。

さらに、印刷制御装置２０７は、ヘッドドライバ２０８ａ～２０８ｃに送信される駆動波形の選択を指示する選択部（図示を省略）を有する。続いて、１つ又は複数の駆動波形パルス、すなわち、駆動信号（共通駆動波形）が、ヘッドドライバ２０８ａ～２０８ｃに送信される。なお、印刷制御装置２０７の詳細は、後述する。

ヘッドドライバ２０８ａ～２０８ｃには、画像データが、シリアルに送信される。また、ヘッドドライバ２０８ａ～２０８ｃには、画像データが、第１の記録ヘッド２、第２の記録ヘッド３、及び第３の記録ヘッド４のそれぞれの１行分のデータで送信される。この１行分のデータに基づいて、ヘッドドライバ２０８ａ～２０８ｃは、駆動波形となる駆動信号を第１の記録ヘッド２、第２の記録ヘッド３、及び第３の記録ヘッド４のそれぞれ（の個別電極）に印加する。駆動信号が印加されると、第１の記録ヘッド２、第２の記録ヘッド３、及び第３の記録ヘッド４のそれぞれが有する駆動素子（例えば、圧電素子３０５を含む圧電部材等）は、液滴を吐出させるエネルギーを発生させる。このようにして、画像データに基づいて、第１の記録ヘッド２、第２の記録ヘッド３、及び第３の記録ヘッド４のそれぞれが駆動される。

また、立体造形装置１は、駆動波形を構成する駆動波形パルスを選択することによって、例えば、大滴（大ドット）、中滴（中ドット）及び小滴（小ドット）等のいずれかの大きさとなるように、ドットを打ち分けることができる。

さらに、ＣＰＵ２０１は、リニアエンコーダ等を構成するエンコーダセンサ４３から送信される検出信号をサンプリングして、速度検出値及び位置検出値等を得る。次に、ＣＰＵ２０１は、あらかじめ記憶する速度及び位置プロファイル等から得られる速度目標値及び位置目標位置と、速度検出値及び位置検出値とに基づいて、第１駆動機構５５を制御するための駆動出力値、すなわち、制御値を算出する。続いて、ＣＰＵ２０１は、制御値に基づいて、モータ駆動装置２１０を介して、第１駆動機構５５を駆動させる。

同様に、ＣＰＵ２０１は、ロータリエンコーダ等を構成するエンコーダセンサ３５から送信される検出信号をサンプリングして、速度検出値及び位置検出値等を得る。次に、あらかじめ記憶する速度及び位置プロファイル等から得られる速度目標値及び位置目標位置と、速度検出値及び位置検出値とに基づいて、第２駆動機構５６を制御するための駆動出力値、すなわち、制御値を算出する。続いて、ＣＰＵ２０１は、制御値に基づいて、モータ駆動装置２１０を介して、第２駆動機構５６を駆動させる。

次に、第一の実施形態の立体造形装置による造形手順について説明する。まず、第１の記録ヘッド２をプラットホーム５の上方の所定位置に位置決めする（ステップＳ１）。次に、図４（Ａ）に示すように、プラットホーム５を所定の速度で回転させながら、第１の記録ヘッド２をＸ－Ｙ方向に走査して造形用素材、例えば、ＵＶ硬化型樹脂を指定された領域に連続的にドット１０１として吐出し、さらに紫外線を照射してＵＶ硬化型樹脂層を硬化させる。さらに、その上に所定の厚みのＵＶ硬化型樹脂層を形成し、これを適宜に繰り返すことで、図４（Ｂ）に示すようなＡ部（本体部）を造形する（ステップＳ２）。

次に、第２の記録ヘッド３をＡ部の上端の横の所定位置に位置決めする（ステップＳ３）。そして、プラットホーム５を所定の速度で回転させながら第２の記録ヘッド３からＵＶ硬化型樹脂によるドット１０１を水平方向（横方向）に連続的に吐出し、さらに紫外線照射によりＵＶ硬化型樹脂層を硬化させ、これを適宜に繰り返すことにより、図５（Ａ）に示すように、Ｂ部を横方向に順次積層していき、最終的には図５（Ｂ）の状態となるように造形する（ステップＳ４）。

次に、第３の記録ヘッド４をＢ部の周辺の下側の所定位置に位置決めする（ステップＳ５）。第３の記録ヘッド４は吐出方向が角度θ（図６（Ａ）参照）の仰角を有している。そして、プラットホーム５を回転させながら、第３の記録ヘッド４のノズルからＵＶ硬化型樹脂によるドット１０１を連続的に吐出し、図６（Ａ）に示すように、下方向にＣ部を順次積層していき、最終的には図６（Ｂ）のようにＢ部の下側にＣ部を造形する（ステップＳ６）。

次に、第１の記録ヘッド２をＢ部の上方の所定位置に位置決めする（ステップＳ７）。そして、図７に示すように、プラットホーム５を回転させながら、第１の記録ヘッド２を水平方向に移動させながらＤ部を造形する（ステップＳ８）。以上により、プラットホーム５上にいわゆる「きのこ型」の立体物１００を造形することができる。第３の記録ヘッド４を斜め上方に向かって吐出できるようにしたことで既に造形された部分による干渉を低減することができる。

尚、造形用素材はＵＶ硬化型樹脂であるとしたが、他にも例えば熱硬化型樹脂等を利用することができ、熱硬化型樹脂であればレーザや電子ビームや熱照射で硬化することにより造形することができる。また、造形用素材として、樹脂だけでなく高粘度の溶剤の中に金属粒子を溶かして作った素材をドットとして吐出することにより金属製の立体物を作ることも可能である。

［第一の実施形態の効果］
第一の実施形態に係る立体造形装置によれば、造形用素材を下方に向かって吐出できるように配置された状態でプラットホーム５に対して水平方向及び垂直方向に移動可能な第１の記録ヘッド２と、造形用素材を水平方向に向かって吐出できるように配置された状態でプラットホーム５に対して水平方向及び垂直方向に移動可能であり、且つ、立体物の周囲を相対的に移動可能な第２の記録ヘッド３と、造形用素材を上方に向かって吐出できるように配置された状態でプラットホーム５に対して水平方向及び垂直方向に移動可能であり、且つ、立体物の周囲を相対的に移動可能な第３の記録ヘッド４を備え、第１の記録ヘッド２、第２の記録ヘッド３及び第３の記録ヘッド４は、吐出口を弁体によって開閉することにより加圧された造形用素材の吐出を制御する弁型インクジェットノズル４０をそれぞれ複数配置したので、下向き、横向き、上向きの各方向からドットの吐出を行うことが可能となり、これにより従来のインクジェットノズルを用いた立体造形装置では造形できない形状の立体物１００、例えば「きのこ型」のような形状の立体物１００を造形することができるという効果がある。より具体的には、例えば、「きのこ型」の傘の部分のような本体から張り出した部分についても容易に造形することができるという効果がある。

従来の記録ヘッドの搭載されているインクジェットノズルはインクの吐出口が常にオープンであるため、インク室に高圧をかけるとインクジェットノズルの先端からインクが漏れてしまうために圧力をかけることができず、高粘度のインクを吐出させることができなかった。そのため、従来の記録ヘッドを立体造形装置に使用した場合には高粘度の造形用素材を横方向や上方向にドットを吐出させることができず、単に上から下に向かって吐出させることしかできないものであった。この点、本発明者らは、永年にわたり、高粘度インクが長距離を真っ直ぐに吐出可能な弁型インクジェットノズルを開発した（例えば、特願２０１８－４６８２）。この弁型インクジェットノズルは、インク室に数気圧以上の高い圧力をかけることができて１００ｍＰａ・ｓ以上の高粘度の材料ドットを１０ｃｍ以上にわたり真っ直ぐ吐出させることができる。それも単に上から下に向かってだけではなく、横方向にも、下から上に向かってでも吐出可能である。

２．第二の実施形態
［立体造形装置の第二の実施形態の構成］
次に、本発明に係る立体造形装置の第二の実施形態の構成について説明する。図８は第二の実施形態に係る立体造形装置における第１の記録ヘッドの駆動系を示す斜視図、図９（Ａ）は第二の実施形態に係る立体造形装置の第３の記録ヘッドの駆動系を示す斜視図、図９（Ｂ）は第２の記録ヘッドの配置を示す斜視図である。尚、第一の実施形態の立体造形装置と同様の構成については同じ符号を付し、詳しい説明は省略する。

図８に示すように、第二の実施形態の立体造形装置２０は、第１の記録ヘッド２が取り付けられたヘッド駆動部２１と、第１の記録ヘッドを水平方向（Ｘ方向）へ移動可能に案内するレール２２と、レール２２の両端に取り付けられて第１の記録ヘッド２をレール２２と直交する水平方向（Ｙ方向）へ移動させる駆動部２３Ａ，２３Ｂと、駆動部２３Ａ，２３Ｂをそれぞれ水平方向（Ｙ方向）に案内するレール２４Ａ，２４Ｂと、レール２４Ａ，２４Ｂを昇降可能にガイドするボールスプライン２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄと、ボールスプライン２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄの中央部に配置されたプラットホーム５を備えて構成されている。そして、ボールスプライン２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄは、レール２４Ａ，２４Ｂの端部がそれぞれ取り付けられた外筒本体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄと、外筒本体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄが案内されるスプライン軸２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄを備えている。

図８において、第１の記録ヘッド２は、ヘッド駆動部２１によってレール２２に沿ってＸ方向へ移動する。また、第１の記録ヘッド２は、駆動部２３Ａ，２３Ｂによってレール２４Ａ，２４Ｂに案内されることによりレール２２と直交するＹ方向へ移動する。すなわち、第１の記録ヘッド２は、レール２２，２４Ａ，２４Ｂ及びヘッド駆動部２１と駆動部２３Ａ，２３Ｂによって形成されるいわゆるＸＹテーブルによって平面上を移動可能とされている。さらに、図示しないコントロールユニットにより外筒本体２５Ａ～２５Ｄをスプライン軸２６Ａ～２６Ｄに沿って同時に昇降させることで第１の記録ヘッドは上下方向、つまりＺ方向にも移動可能とされている。

次に、第３の記録ヘッドの駆動系について説明する。第３の記録ヘッド４は、ガイドブロック３３により互いに直交する２つのレール３２，３４がそれぞれ移動可能に保持されたクロスガイドの一方側のレール３２の先端側にさらにガイドブロック３１を介して取り付けられたレール３０の先端に取り付けられて構成されている。レール３２は水平方向に配置され、レール３４はレール３２と直交するようにして垂直方向に配置されている。そして、図示しないモータを駆動源としてレール３２及びレール３４はそれぞれ上下方向（図９（Ａ）のＺ方向）及び水平方向（同Ｘ方向）に移動可能であり、さらにレール３０はガイドブロック３１によってレール３２と直交する方向（同Ｙ方向）に移動可能とされている。そして、第３の記録ヘッドの吐出面は、図９（Ａ）に示すように、造形用素材が斜め上方へ吐出されるように傾斜させた状態で保持部材２９を介してレール３０に取り付けられている。尚、第３の記録ヘッド４は、斜め上方ではなく真上に向かって造形用素材が吐出されるように配置することもできる。

第２の記録ヘッド３の移動機構は第３の記録ヘッド４と同様であるため説明は省略するが、第２の記録ヘッド３は、吐出面が水平方向（横方向）となるようにして保持部材２７に取り付けられている点で第３の記録ヘッド４とは相違する（図９（Ｂ）参照）。尚、第１の記録ヘッド及び第２の記録ヘッドを上述した第３の記録ヘッドの移動機構を構成するレール３０に搭載して構成することもできる。

このようにして構成された立体造形装置２０では、初めにプラットホーム５を回転させながら上方からプラットホーム５に向けて第１の記録ヘッド２から造形用素材をドット１０１として吐出して、紫外線によって硬化することを順次繰り返して立体物を積層してＡ部を造形する（図４（Ａ），（Ｂ）参照）。次いで、第２の記録ヘッド３からドット１０１を水平方向（横方向）へ吐出することによりＡ部に対してＢ部を造形する（図５（Ａ），（Ｂ））。その後、第３の記録ヘッド４からドット１０１を上方へ向かって吐出することによりＣ部を造形する（図６（Ａ），（Ｂ）参照）。そして、最後に第１の記録ヘッド２からドット１０１を下方へ向かって吐出することによりＤ部を造形する（図７参照）。これにより、立体造形装置２０によって「きのこ型」をした形状の立体物１００を造形することができる。

［第二の実施形態の効果］
第二の実施形態に係る立体造形装置によれば、第１の記録ヘッド２をいわゆるＸＹテーブルによって移動可能としたので正確且つ安価に移動機構を形成することができるという効果がある。また、第２の記録ヘッド３及び第３の記録ヘッド４をクロスガイドによって保持すると共に、プラットホームを水平方向に回転可能とすることにより第２の記録ヘッド及び第３の記録ヘッドが立体物の周囲を相対的に移動するようにしたので、移動機構を簡易に構成することができるという効果がある。具体的には、第２の記録ヘッド及び第３の記録ヘッドの移動機構を簡易に構成することができる。

本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。例えは、各記録ヘッドからのドット１０１の吐出による積層は、プラットホーム５を回転させて行ったが、逆に、プラットホーム５を固定にし、何らかの手段により第２の記録ヘッド３及び第３の記録ヘッド４を立体物１００の周囲に沿って回転できるように構成してもよい。

また、実施形態では、立体造形装置１、又は２０が、第２の記録ヘッド３と、第３の記録ヘッド４の両方を備える例を説明したが、立体造形装置１、又は２０は、第２の記録ヘッド３、又は第３の記録ヘッド４の少なくとも何れか一方を備えればよい。

１ 立体造形装置
２ 第１の記録ヘッド
３ 第２の記録ヘッド
４ 第３の記録ヘッド
５ プラットホーム
６ 筐体
５５ 第１駆動機構
５６ 第２駆動機構
５７ 第３駆動機構
１０Ａ 上面部
１０Ｂ 台座部
１１Ａ，１１Ｂ レール
１１Ｃ レール
１２Ａ，１２Ｂ レール
１３Ａ，１３Ｂ レール
１４～１６ 駆動源
２０ 立体造形装置
２１ ヘッド駆動部
２２ レール
２３Ａ，２３Ｂ 駆動部
２４Ａ，２４Ｂ レール
２５Ａ～２５Ｄ 外筒本体
２６Ａ～２６Ｄ スプライン軸
２７Ａ～２７Ｄ ボールスプライン
３０ レール
３１ ガイドブロック
３２ レール
３３ ガイドブロック
３４ レール
１００ 立体物
１０１ ドット

特開２０１６－１１４２８４号公報

Claims (6)

1. 造形用素材を吐出するインクジェットノズルと、
   前記インクジェットノズルを有する複数の記録ヘッドと、
   前記造形用素材を硬化する硬化手段と、を有し、
   前記記録ヘッドは、
   前記造形用素材を下方に向かって吐出する第１の記録ヘッドと、
   前記造形用素材を水平方向に向かって吐出する第２の記録ヘッドまたは前記造形用素材を上方に向かって吐出する第３の記録ヘッドとを有し、
   前記インクジェットノズルは、
   前記造形用素材を吐出する吐出口と、
   前記吐出口を開閉する弁体と、
   所定の電圧を印可することで伸長する圧電素子と、
   前記弁体と前記圧電素子との間に配置され、前記弁体と前記圧電素子のそれぞれに接続する弁体移動手段と、有し、
   前記弁体移動手段が前記圧電素子の伸長に応じて変形し、前記弁体を移動させることによって開かれた前記吐出口から、前記造形用素材を吐出することを特徴とする立体造形装置。
2. 請求項１に記載の立体造形装置において、
   立体物を載置するプラットホームを水平方向に回転可能とすることにより前記第２の記録ヘッド及び前記第３の記録ヘッドが前記立体物の周囲を相対的に移動するようにしたことを特徴とする立体造形装置。
3. 前記インクジェットノズルは、前記吐出口を前記弁体によって開閉することにより、加圧された前記造形用素材の吐出を制御することを特徴とする請求項１、又は２に記載の立体造形装置。
4. 前記弁体移動手段は、
   前記圧電素子と接続するガイド部と、
   前記弁体と接続する変形部と、
   一方の端部が前記ガイド部と接続し、他方の端部が前記変形部と接続する屈曲辺部と、を備え、
   前記屈曲辺部は、前記圧電素子を収容するケース部材と固定部を介して固定され、
   前記圧電素子の伸長に応じて、前記屈曲辺部の前記一方の端部が前記吐出口側に移動し、かつ前記他方の端部が前記圧電素子側に移動することで、前記弁体を移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の立体造形装置。
5. 前記変形部は、弾性部材であることを特徴とする、請求項４に記載の立体造形装置。
6. 前記圧電素子の伸長に伴って前記屈曲辺部の前記他方の端部が移動する長さは、前記圧電素子の伸長に伴って前記屈曲辺部の前記一方の端部が移動する長さよりも長いことを特徴とする請求項４、又は５に記載の立体造形装置。

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