JP2022099491A - 立体物印刷装置および立体物印刷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】立体物に対して印刷を施すにあたり、印刷ヘッドや他の構成要素のそれぞれが機能し、かつ、ワークとの接触を可能な限り防止することが可能な立体物印刷装置および立体物印刷方法を提供する。【解決手段】立体物印刷装置は、ノズルＮが設けられた吐出面Ｆ１を備え、立体的なワークに対してノズルＮからインクを吐出するヘッド３１０と、インクを硬化可能なエネルギーを出射する出射面Ｆ２を備えたエネルギー出射部３３０と、を含むヘッドユニット３００と、ワークとヘッドユニット３００との相対的な位置および姿勢を変化させるロボットと、を有し、ヘッド３１０がインクを吐出する方向を吐出方向とすると、吐出面Ｆ１は、出射面Ｆ２よりも、吐出方向側に位置する。【選択図】図３

Description

本発明は、立体物印刷装置および立体物印刷方法に関する。

立体物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に記載のシステムは、ロボットと、ロボットに配置される印刷ヘッドと、を有し、車両の湾曲した表面に対して印刷ヘッドからインク滴を噴射させる。

特許文献１には、印刷ヘッドと隣り合うようにロボットに配置された硬化用ヘッドを印刷ヘッドと同一にトレースさせることにより印刷直後のインクを硬化させることが記載される。

特表２０１５－５２００１１号公報

しかしながら、硬化用ヘッドを印刷ヘッドの周辺に配置すると、印刷ヘッドを印刷対象である立体的なワークに対して所望の位置および姿勢とする際に、硬化用ヘッドがワークと接触する虞がある。このように、硬化用ヘッドや距離測定手段などのように、ワークに作用を与える、または、ワークからの作用を受ける構成要素を印刷ヘッドの近傍に設ける必要がある一方で、それぞれが機能し、かつ、ワークとの接触を可能な限り防止することが望まれる。以上に例示したような観点から、印刷ヘッドの周辺において、硬化用ヘッドや距離測定手段などの構成要素を適切に配置することは、課題の一つとなっていた。

立体物印刷装置は、ノズルが設けられた吐出面を備え、立体的なワークに対して前記ノズルから液体を吐出するヘッドと、前記液体を硬化可能なエネルギーを出射する出射面を備えた硬化手段と、を含むヘッドユニットと、前記ワークと前記ヘッドユニットとの相対的な位置および姿勢を変化させる移動機構と、を有し、前記ヘッドが前記液体を吐出する方向を吐出方向とすると、前記吐出面は、前記出射面よりも、前記吐出方向側に位置する。

立体物印刷装置は、ノズルが設けられた吐出面を備え、立体的なワークに対して前記ノズルから液体を吐出するヘッドと、前記ワークとの相対的な距離を測定する測定面を備えた距離測定手段と、を含むヘッドユニットと、前記ワークと前記ヘッドユニットとの相対的な位置および姿勢を変化させる移動機構と、を有し、前記ヘッドが前記液体を吐出する方向を吐出方向とすると、前記吐出面は、前記測定面よりも、前記吐出方向側に位置する。

立体物印刷方法は、ノズルが設けられた吐出面を備え、立体的なワークに対して前記ノズルから液体を吐出するヘッドと、前記液体を硬化可能なエネルギーを出射する出射面を備えた硬化手段と、を備えたヘッドユニットによって、前記ワークの印刷領域に対して印刷を施す立体物印刷方法であって、前記ヘッドが前記液体を吐出する方向を吐出方向とすると、前記吐出面は、前記出射面よりも、前記吐出方向側に位置し、前記ワークは、前記印刷領域とは異なる位置に、前記ヘッドユニット側に突出した突出部を有し、前記吐出面を前記印刷領域に対向させ、前記ヘッドから前記液体を吐出する際に、前記出射面は、前記吐出方向に見て前記突出部と重なる。

第１実施形態に係る立体物印刷装置とワークの概略を示す斜視図である。 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実施形態におけるヘッドユニットの構成を示す斜視図である。 第１実施形態におけるヘッドユニットの構成を示す平面図である。 第１実施形態におけるヘッドユニットとアームとの位置関係を示す側面図である。 第１実施形態に係る立体物印刷方法の流れを示すフローチャートである。 第１実施形態における経路の設定と印刷動作を説明するための側面図である。 第１実施形態における経路の設定と印刷動作を説明するための側面図である。 第１実施形態における経路の設定と印刷動作を説明するための側面図である。 第２実施形態に係る立体物印刷装置とワークの概略を示す斜視図である。 第２実施形態における経路の設定と印刷動作を説明するための平面図である。 第３実施形態における経路の設定と印刷動作を説明するための側面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明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または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、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明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、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軸に沿う一方向をＸ１方向といい、Ｘ１方向と反対の方向をＸ２方向という。同様に、Ｙ軸に沿って互いに反対の方向をＹ１方向およびＹ２方向という。また、Ｚ軸に沿って互いに反対の方向をＺ１方向およびＺ２方向という。

ここで、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、後述のワークＷおよび基台２１０が設置される空間に設定されるベース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。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略
図１は、実施形態に係る立体物印刷装置１００の概略を示す斜視図である。立体物印刷装置１００は、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。

ワークＷは、印刷対象となる面ＷＦを有する。図１に示す例では、面ＷＦが曲率の異なる複数の部分を有する凹状の曲面である。ワークＷの大きさ、形状または設置姿勢は、図１に示す例に限定されず、任意である。

図１に示す例では、立体物印刷装置１００は、垂直多関節ロボットを用いるインクジェットプリンターである。具体的には、図１に示すように、立体物印刷装置１００は、ロボット２００とヘッドユニット３００と液体供給ユニット４００とコントローラー６００とを有する。以下、まず、図１に示す立体物印刷装置１００の各部を順次簡単に説明する。

ロボット２００は、ワークＷとヘッドユニット３００との相対的な位置および姿勢を変化させる移動機構である。図１に示す例では、ロボット２００は、いわゆる６軸の垂直多関節ロボットである。具体的には、ロボット２００は、基台２１０とアーム２２０とを有する。

基台２１０は、アーム２２０を支持する台である。図１に示す例では、基台２１０は、Ｚ１方向を向く床面等の設置面にネジ止め等により固定される。なお、基台２１０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１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。

アーム２２０は、基台２１０に取り付けられる基端と、当該基端に対して３次元的に位置および姿勢を変化させる先端と、を有する６軸のロボットアームである。具体的には、アーム２２０は、アーム２２１、２２２、２２３、２２４、２２５および２２６を有し、これらがこの順に連結される。

アーム２２１は、基台２１０に対して第１回動軸Ｏ１まわりに回動可能に関節部２３０＿１を介して連結される。アーム２２２は、アーム２２１に対して第２回動軸Ｏ２まわりに回動可能に関節部２３０＿２を介して連結される。アーム２２３は、アーム２２２に対して第３回動軸Ｏ３まわりに回動可能に関節部２３０＿３を介して連結される。アーム２２４は、アーム２２３に対して第４回動軸Ｏ４まわりに回動可能に関節部２３０＿４を介して連結される。アーム２２５は、アーム２２４に対して第５回動軸Ｏ５まわりに回動可能に関節部２３０＿５を介して連結される。アーム２２６は、アーム２２５に対して第６回動軸Ｏ６まわりに回動可能に関節部２３０＿６を介して連結される。なお、以下では、関節部２３０＿１～２３０＿６のそれぞれを関節部２３０という場合がある。

関節部２３０は、「可動部」の一例である。図１では、関節部２３０の数が６個である場合が例示される。図１に示す例では、関節部２３０＿１～２３０＿６のそれぞれは、隣り合う２つのアームの一方を他方に対して回動可能に連結する機構である。図１では図示しないが、関節部２３０＿１～２３０＿６のそれぞれには、隣り合う２つのアーム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測定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。なお、当該駆動機構の集合体は、後述の図２に示すアーム駆動機構２４０に相当する。また、当該エンコーダーは、後述の図２等に示すエンコーダー２４１に相当する。

第１回動軸Ｏ１は、基台２１０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回動軸Ｏ２は、第１回動軸Ｏ１に対して垂直な軸である。第３回動軸Ｏ３は、第２回動軸Ｏ２に対して平行な軸である。第４回動軸Ｏ４は、第３回動軸Ｏ３に対して垂直な軸である。第５回動軸Ｏ５は、第４回動軸Ｏ４に対して垂直な軸である。第６回動軸Ｏ６は、第５回動軸Ｏ５に対して垂直な軸である。

なお、これらの回動軸について、「垂直」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。

以上のアーム２２０の先端、すなわち、アーム２２６には、エンドエフェクターとして、ヘッドユニット３００が装着される。

ヘッドユニット３００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３１０と、ヘッド３１０からワークＷ上に吐出されたインクを硬化させる硬化手段であるエネルギー出射部３３０と、ヘッドユニット３００からワークＷまでの距離を測定する距離測定手段である距離測定部３６０と、を有する機器である。本実施形態では、ヘッドユニット３００は、ヘッド３１０、エネルギー出射部３３０および距離測定部３６０のほか、ヘッド３１０に供給されるインクの圧力を調整する圧力調整弁３２０を有する。これらは、ともにアーム２２６に固定されるので、互いの位置および姿勢の関係が固定される。

立体物印刷装置１００は、移動機構として垂直多関節ロボットを用いることで、ヘッドユニット３００とワークＷとの位置関係を任意に設定でき、ワークＷの所望の表面に対して印刷を施すことが可能となる。

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、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。

図１では図示しないが、ヘッド３１０は、内部にヘッドチップを有する。ヘッドチップは圧電素子と、インクを収容するキャビティーと、当該キャビティーに連通するノズルＮと、を有する。ここで、当該圧電素子は、キャビティーごとに設けられており、当該キャビティーの圧力を変化させることにより、当該キャビティーに対応するノズルＮからインクを吐出させる。このようなヘッドチップは、例えば、エッチング等により適宜に加工したシリコン基板等の複数の基板を接着剤等により貼り合わせることにより得られる。ノズルＮは後述するノズルプレート３１２に形成される。ノズルプレート３１２はヘッドチップを構成する基板の一つである。なお、当該圧電素子は、後述の図２に示す圧電素子３１１に相当する。また、ノズルＮからインクを吐出させるための駆動素子として、当該圧電素子に代えて、キャビティー内のインクを加熱するヒーターを用いてもよい。

圧力調整弁３２０は、ヘッド３１０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３１０内のインクの圧力が所定範囲内の負圧に維持される。このため、ヘッド３１０のノズルＮに形成されるインクのメニスカスの安定化が図られる。この結果、ノズルＮ内に気泡が入り込んだり、ノズルＮからインクが溢れ出したりすることが防止される。

なお、図１に示す例では、ヘッドユニット３００が有するヘッド３１０および圧力調整弁３２０のそれぞれの数が１個であるが、当該数は、図１に示す例に限定されず、２個以上でもよい。また、圧力調整弁３２０の設置位置は、アーム２２６に限定されず、例えば、他のアーム等でもよいし、基台２１０に対して固定の位置でもよい。

エネルギー出射部３３０は、インクの種類に応じて、光、熱、電子線または放射線等、インクを硬化可能なエネルギーを出射する。例えば、インクが紫外線硬化型である場合、当該エネルギーは、紫外線である。エネルギー出射部３３０は、当該エネルギーの種類に応じた構成を有する。例えば、当該エネルギーが紫外線である場合、エネルギー出射部３３０は、紫外線を出射するＬＥＤ（light emitting diode）等の発光素子等の光源を含む。なお、エネルギー出射部３３０は、エネルギーの出射方向または出射範囲等を調整するためのレンズ等の光学部品等を有してもよい。

インクは、エネルギー出射部３３０から出射されたエネルギーの照射によって硬化する。ここで、「硬化」とは、熱硬化性樹脂または光硬化性樹脂等の硬化性樹脂が重合反応等の反応により硬化することや、溶液から溶媒を除去することにより溶質由来の固体を得るか、または、分散液から分散媒を除去することにより分散質由来の固体を得ることを含む概念である。

ここで、エネルギー出射部３３０は、出射されるエネルギーの強度を調整可能であることが好ましい。この場合、後述の印刷動作時にエネルギーの強度を小さくすることによりノズル詰まりを低減するとともに、後述の硬化動作時にエネルギーの強度を大きくすることによりインクの硬化または固化に要する時間を短縮することができる。

距離測定部３６０は、ワークＷに対して電磁波や音波などを出射し、ワークＷが反射する電磁波や音波を検出することで、距離測定部３６０とワークＷとの間の距離を測定する。例えば、レーザー変位計や超音波センサを距離測定部３６０として用いることができる。距離測定部３６０の別な例としては、３次元ビジョンカメラであってもよい。

液体供給ユニット４００は、インクをヘッド３１０に供給するための機構である。液体供給ユニット４００は、液体貯留部４１０と供給流路４２０とを有する。

液体貯留部４１０は、インクを貯留する容器である。液体貯留部４１０は、例えば、可撓性のフィルムで形成された袋状のインクパックである。

図１に示す例では、液体貯留部４１０は、常にヘッド３１０よりもＺ１方向に位置するように、壁、天井または柱等に固定される。すなわち、液体貯留部４１０は、ヘッド３１０の移動領域よりも鉛直方向での上方に位置する。このため、ポンプ等の機構を用いなくても、液体貯留部４１０からヘッド３１０に所定の加圧力でインクを供給することができる。

供給流路４２０は、液体貯留部４１０からヘッド３１０にインクを供給する流路である。供給流路４２０の途中には、圧力調整弁３２０が設けられる。このため、ヘッド３１０と液体貯留部４１０との位置関係が変化しても、ヘッド３１０内のインクの圧力の変動を低減することができる。

コントローラー６００は、ロボット２００の駆動を制御するロボットコントローラーである。コントローラー６００の機能や、図１に図示しない他の構成要素とコントローラー６００との接続関係などについては後述する。

１－２．立体物印刷装置の電気的な構成
図２は、第１実施形態に係る立体物印刷装置１００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１００の構成要素のうち、電気的な構成要素が示される。また、図２では、エンコーダー２４１＿１～２４１＿６を含むアーム駆動機構２４０が示される。アーム駆動機構２４０は、関節部２３０＿１～２３０＿６を動作させる前述の駆動機構の集合体である。エンコーダー２４１＿１～２４１＿６は、関節部２３０＿１～２３０＿６に対応して設けられ、関節部２３０＿１～２３０＿６の回転角度等の動作量を計測する。なお、以下では、エンコーダー２４１＿１～２４１＿６のそれぞれをエンコーダー２４１という場合がある。

図２に示すように、立体物印刷装置１００は、前述のロボット２００とヘッドユニット３００とコントローラー６００のほか、制御モジュール５００とコンピューター７００とを有する。本実施形態においては、コントローラー６００および制御モジュール５００には、コンピューター７００が通信可能に接続される。さらに、コントローラー６００と制御モジュール５００とは、コンピューター７００を介さずに電気的に接続され、後述する信号Ｄ３を直接的に伝達可能である。なお、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。

コントローラー６００は、ロボット２００の駆動を制御する機能と、ヘッド３１０の吐出動作をロボット２００の動作に同期させるための信号Ｄ３を生成する機能と、を有する。コントローラー６００は、記憶回路６１０と処理回路６２０とを有する。

記憶回路６１０は、処理回路６２０が実行する各種プログラムと、処理回路６２０が処理する各種データと、を記憶する。

記憶回路６１０には、経路情報Ｄｂが記憶される。ここで経路情報Ｄｂは、ヘッドユニット３００の移動すべき経路を示す情報である。経路情報Ｄｂは、例えば、ベース座標系の座標値を用いて表される。経路情報Ｄｂは、ワークＷの位置および形状を示すワーク情報に基づいて決められる。当該ワーク情報は、ワークＷの３次元形状を示すＣＡＤ（computer-aided design）データ等の情報を前述のベース座標系に対応付けることにより得られる。以上の経路情報Ｄｂは、コンピューター７００から記憶回路６１０に入力される。

処理回路６２０は、経路情報Ｄｂに基づいて関節部２３０＿１～２３０＿６の動作を制御するとともに、信号Ｄ３を生成する。具体的には、処理回路６２０は、経路情報Ｄｂを各関節部２３０＿１～２３０＿６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６２０は、各関節部２３０＿１～２３０＿６の実際の回転角度および回転速度等の動作量が前述の演算結果となるように、ロボット２００のアーム駆動機構２４０に含まれるエンコーダー２４１＿１～２４１＿６からの出力Ｄ１＿１～Ｄ１＿６に基づいて、制御信号Ｓｋ＿１～Ｓｋ＿６を出力する。制御信号Ｓｋ＿１～Ｓｋ＿６は、関節部２３０＿１～２３０＿６に対応しており、対応する関節部２３０に設けられるモーターの駆動を制御する。なお、出力Ｄ１＿１～Ｄ１＿６は、エンコーダー２４１＿１～２４１＿６に対応する。以下では、出力Ｄ１＿１～Ｄ１＿６のそれぞれを出力Ｄ１という場合がある。

また、処理回路６２０は、エンコーダー２４１＿１～２４１＿６のうちの少なくとも１つからの出力Ｄ１に基づいて、信号Ｄ３を生成する。例えば、処理回路６２０は、エンコーダー２４１＿１～２４１＿６のうちの１つのエンコーダー２４１からの出力Ｄ１が所定値となるタイミングで信号Ｄ３をトリガー信号として生成する。

制御モジュール５００は、コントローラー６００から出力される信号Ｄ３とコンピューター７００からの印刷データＩｍｇとに基づいて、ヘッド３１０の吐出動作を制御する回路である。制御モジュール５００は、タイミング信号生成回路５１０と電源回路５２０と制御回路５３０と駆動信号生成回路５４０とを有する。

タイミング信号生成回路５１０は、信号Ｄ３をトリガーとしてタイミング信号ＰＴＳを生成する。タイミング信号ＰＴＳは、ヘッド３１０の吐出動作のタイミングを規定する信号であり、タイミング信号生成回路５１０に含まれるタイマーによって生成される。

電源回路５２０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、立体物印刷装置１００の各部に適宜に供給される。例えば、電源回路５２０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、ヘッドユニット３００に供給される。また、電源電位ＶＨＶは、駆動信号生成回路５４０に供給される。

制御回路５３０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、駆動信号生成回路５４０に入力され、それ以外の信号は、ヘッドユニット３００のスイッチ回路３４０に入力される。

制御信号ＳＩは、ヘッド３１０が有する圧電素子３１１の動作状態を指定するためのデジタルの信号である。波形指定信号ｄＣｏｍは、後述する駆動信号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、ノズルＮからのインクの吐出タイミングを規定する。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。

駆動信号生成回路５４０は、ヘッド３１０が有する各圧電素子３１１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５４０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５４０では、当該ＤＡ変換回路が制御回路５３０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５２０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に含まれる波形のうち、圧電素子３１１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、スイッチ回路３４０を介して、駆動信号生成回路５４０から圧電素子３１１に供給される。スイッチ回路３４０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。

コンピューター７００は、コントローラー６００に経路情報Ｄｂを供給する機能と、制御モジュール５００に印刷データＩｍｇを供給する機能と、を有する。また、本実施形態のコンピューター７００は、前述のエネルギー出射部３３０に電気的に接続されており、コントローラー６００および制御モジュール５００からの信号に基づいて、エネルギー出射部３３０の駆動を制御する信号Ｄ２を出力する。また、本実施形態のコンピューター７００は、前述の距離測定部３６０に電気的に接続されており、距離測定部３６０はコンピューター７００に対して距離情報Ｄ４を出力する。なお、コントローラー６００と距離測定部３６０を直接的に接続してもよい。エネルギー出射部３３０および距離測定部３６０の機能については後述する。

１－３．ヘッドユニット
図３は、第１実施形態におけるヘッドユニット３００の概略構成を示す斜視図である。

以下の説明は、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、ａ軸に沿う一方向をａ１方向といい、ａ１方向と反対の方向をａ２方向という。同様に、ｂ軸に沿って互いに反対の方向をｂ１方向およびｂ２方向という。また、ｃ軸に沿って互いに反対の方向をｃ１方向およびｃ２方向という。

ここで、ａ軸、ｂ軸およびｃ軸は、ヘッドユニット３００に設定されるツール座標系の座標軸であり、前述のロボット２００の動作により前述のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸との相対的な位置および姿勢の関係が変化する。図３に示す例では、ｃ軸が前述の第６回動軸Ｏ６に平行な軸である。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。

ヘッドユニット３００は、前述のように、ヘッド３１０と圧力調整弁３２０とエネルギー出射部３３０と距離測定部３６０とを有する。これらは、図３中の破線で示される支持体３５０に支持される。

支持体３５０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３では、支持体３５０が扁平な箱状をなすが、支持体３５０の形状は、特に限定されず、任意である。

以上の支持体３５０は、前述のアーム２２０の先端、すなわちアーム２２６に装着される。このため、ヘッド３１０と圧力調整弁３２０とエネルギー出射部３３０と距離測定部３６０とのそれぞれは、アーム２２６との位置関係が固定される。

図３に示す例では、圧力調整弁３２０は、ヘッド３１０に対してｃ１方向に位置する。エネルギー出射部３３０は、ヘッド３１０に対してａ２方向に位置する。距離測定部３６０は、ヘッド３１０に対してａ１方向に位置する。なお、ヘッド３１０とエネルギー出射部３３０と距離測定部３６０との詳細な位置関係については後述する。

供給流路４２０は、圧力調整弁３２０により上流流路４２１と下流流路４２２とに区分される。すなわち、供給流路４２０は、液体貯留部４１０と圧力調整弁３２０とを連通させる上流流路４２１と、圧力調整弁３２０とヘッド３１０とを連通させる下流流路４２２と、を有する。

図４は、本実施形態におけるヘッドユニット３００をｃ１方向に見た際の構成を示す平面図である。

図３および図４に示すように、本実施形態において、ヘッド３１０は、ノズルプレート３１２と筐体部３１３とカバー部材３１４を含む。ノズルプレート３１２は、前述のヘッドチップの一部を構成する板状の部材であり、シリコン（Ｓｉ）もしくは金属で形成され、複数のノズルＮが開口して設けられる。筐体部３１３は、ヘッドチップを保持する部材であり、樹脂や金属によって形成され、内部にはヘッドチップに対してインクを供給する内部流路が設けられる。カバー部材３１４は、ノズルプレート３１２を囲んで形成された金属製の部材であり、ノズルプレート３１２を保護する。

ここで、ヘッド３１０は、ノズルＮが形成された吐出面Ｆ１を有する。吐出面Ｆ１は、ノズルプレート３１２およびその周辺を構成する部分の表面であって、かつ、ヘッド３１０をインクの吐出方向側から見たときに、視認可能な面である。本実施形態におけるインクの吐出方向、即ちヘッド３１０がインクを吐出する方向はｃ２方向であり、インクの吐出方向側から見るとは、ヘッド３１０をｃ１方向に見ることを意味する。ここで、ノズルプレート３１２およびその周辺を構成する部分とは、ヘッド３１０をｃ軸方向に半分に区画したときに、ノズルプレート３１２が設けられているｃ２方向側の部分を示す。

吐出面Ｆ１は複数の面を含んでもよい。本実施形態における吐出面Ｆ１は、ノズル面Ｆ１１とカバー面Ｆ１２とを含む。ノズル面Ｆ１１は、ノズルプレート３１２のｃ軸に沿った方向を法線方向とする面であり、ノズル面Ｆ１１に設けられた複数のノズルＮからｃ２方向に向かってインクが吐出される。カバー面Ｆ１２は、ｃ軸に沿った方向を法線方向とする面であり、カバー面Ｆ１２に設けられた開口にノズル面Ｆ１１が設けられる。

ここで、ノズル面Ｆ１１とカバー面Ｆ１２とはｃ軸方向の位置が異なっていても構わない。図３では省略されているが、カバー面Ｆ１２はノズル面Ｆ１１よりも若干ｃ２方向側に位置している。このような位置関係によれば、ノズル面Ｆ１１に物体が接触しにくくなり、ノズル面Ｆ１１が保護される。

本実施形態において、吐出面Ｆ１を構成する部材は、ノズルプレート３１２とカバー部材３１４であるが、吐出面Ｆ１を構成する部材はこれらに限定されない。例えば、筐体部３１３がカバー部材３１４よりも、ａ１方向やａ２方向に大きい場合、筐体部３１３をｃ１方向に見て視認できる部分が吐出面Ｆ１に含まれる。

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第１ノズル列Ｌａと第２ノズル列Ｌｂとに区分される。第１ノズル列Ｌａおよび第２ノズル列Ｌｂのそれぞれは、「ノズル列」の一例であり、ｂ軸に沿う方向に直線状に配列される複数のノズルＮの集合である。このため、以下の説明ではｂ軸をノズル列軸と表現することもある。ここで、ヘッド３１０における第１ノズル列Ｌａの各ノズルＮに関連する要素と第２ノズル列Ｌｂの各ノズルＮに関連する要素とがａ軸に沿う方向で互いに略対称な構成である。

ただし、第１ノズル列Ｌａにおける複数のノズルＮと第２ノズル列Ｌｂにおける複数のノズルＮとのｂ軸に沿う方向での位置が互いに一致してもよいし異なってもよい。また、第１ノズル列Ｌａおよび第２ノズル列Ｌｂ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。以下では、第１ノズル列Ｌａにおける複数のノズルＮと第２ノズル列Ｌｂにおける複数のノズルＮとのｂ軸に沿う方向での位置が互いに一致する構成が例示される。

エネルギー出射部３３０は、窓部３３１と筐体部３３２と、を含む。筐体部３３２は金属等で形成された箱状の部材である。窓部３３１は透明なガラス等で形成された部材であり、筐体部３３２のｃ２方向側の面に設けられる。

ここで、エネルギー出射部３３０は、エネルギーを出射する出射面Ｆ２を有する。出射面Ｆ２とは、窓部３３１およびその周辺を構成する部分の表面であって、かつ、エネルギー出射部３３０を前述の吐出方向側から見たときに、視認可能な面である。ここで、窓部３３１およびその周辺を構成する部分とは、エネルギー出射部３３０をｃ軸方向に半分に区画したときに、窓部３３１が設けられているｃ２方向側の部分を示す。

出射面Ｆ２は複数の面を含んでもよい。本実施形態における出射面Ｆ２は、窓面Ｆ２１と筐体面Ｆ２２から成る。窓面Ｆ２１は、窓部３３１のうち外部に露出する面である。筐体面Ｆ２２は、筐体部３３２をｃ１方向に見たときに、視認可能な筐体部３３２の面である。

本実施形態におけるエネルギー出射部３３０は紫外線ランプである。筐体部３３２の内側には図示しないＵＶ－ＬＥＤ（Ultraviolet light emitting diode）やリフレクタが配置されており、ＵＶ－ＬＥＤから発生した紫外線が窓面Ｆ２１からｃ２方向に出射される。つまりｃ２方向はエネルギーの出射方向である。なお、紫外線ランプは、内部に設けられた電子部品や配線の電気抵抗などにより、発光する際に熱を発生する。

本実施形態において、窓部３３１は平板状であり、窓面Ｆ２１は法線方向がｃ２方向である。しかしながら、窓部３３１の形状はこれに限定されない。窓部３３１の他の形状としては、例えば凹レンズ状や凸レンズ状であってもよく、この場合、窓面Ｆ２１は曲面状である。筐体部３３２の形状も同様に限定されない。

なお、窓面Ｆ２１と筐体面Ｆ２２とはｃ軸方向の位置が異なっていても構わない。図３では省略されているが、筐体面Ｆ２２は窓面Ｆ２１よりも若干ｃ２方向側に位置している。このような位置関係によれば、窓面Ｆ２１に物体が接触しにくくなり、窓面Ｆ２１が保護される。

距離測定部３６０は、窓部３６１と筐体部３６２とを含む。筐体部３６２は金属や樹脂等で形成された箱状の部材である。窓部３６１は透明なガラスや樹脂等で形成された部材であり、筐体部３６２のｃ２方向側の面に設けられる。

ここで、距離測定部３６０は、ワークＷとの相対的な距離を測定する測定面Ｆ３を有する。測定面Ｆ３とは、窓部３６１およびその周辺を構成する部分の表面であって、かつ、距離測定部３６０を前述の吐出方向側から見たときに、視認可能な面である。ここで、窓部３６１およびその周辺を構成する部分とは、距離測定部３６０をｃ軸方向に半分に区画したときに、窓部３６１が設けられているｃ２方向側の部分を示す。

測定面Ｆ３は複数の面を含んでもよい。測定面Ｆ３は、窓面Ｆ３１と筐体面Ｆ３２から成る。窓面Ｆ３１は、窓部３６１のうち外部に露出する面である。筐体面Ｆ３２は、筐体部３６２をｃ１方向に見たときに、視認可能な筐体部３６２の面である。

本実施形態における距離測定部３６０はレーザー変位計である。筐体部３６２の内側には図示しないレーザー光源や受光素子が配置されている。レーザー光源から生じたレーザー光線は窓部３６１から出射され、物体の表面で反射して再び窓部３６１から入射し、受光素子で検出される。このようにして、レーザー変位計はｃ軸に沿った方向における距離測定部３６０とワークＷの表面との距離を測定することができる。つまりｃ２方向は距離測定部３６０の測定方向である。なお、距離測定部３６０は、内部に設けられた電子部品や配線の電気抵抗などにより、測定時に熱を発生する。

本実施形態において、窓部３６１は平板状であり、窓面Ｆ３１の法線方向はｃ２方向である。しかしながら、窓部３６１の形状はこれに限定されない。窓部３６１の他の形状としては、例えば凹レンズ状や凸レンズ状等であってもよく、この場合、窓面Ｆ３１は曲面状である。筐体部３６２の形状も同様に限定されない。なお、窓部３６１は複数設けられることもある。

なお、窓面Ｆ３１と筐体面Ｆ３２とはｃ軸方向の位置が異なっていても構わない。図３では省略されているが、筐体面Ｆ３２は窓面Ｆ３１よりも若干ｃ２方向側に位置している。このような位置関係によれば、窓面Ｆ３１に物体が接触しにくくなり、窓面Ｆ２１が保護される。

続いて、ヘッド３１０の吐出面Ｆ１と、エネルギー出射部３３０の出射面Ｆ２と、距離測定部３６０の測定面Ｆ３と、の位置関係について説明する。

図５は、本実施形態に係るヘッドユニット３００とロボット２００との位置関係を示す側面図であり、ヘッドユニット３００をｂ軸方向に見た際のヘッド３１０、エネルギー出射部３３０、距離測定部３６０、および支持体３５０が示されている。前述のように、ヘッドユニット３００の支持体３５０は、前述のアーム２２０の先端、すなわちアーム２２６に装着されている。

図３および図５に示すように、ヘッド３１０の吐出面Ｆ１は、エネルギー出射部３３０の出射面Ｆ２よりもｃ２方向側に位置する。換言すれば、吐出面Ｆ１は出射面Ｆ２よりもインクの吐出方向側に位置する。また、ヘッド３１０の吐出面Ｆ１は、距離測定部３６０の測定面Ｆ３よりもｃ２方向側に位置する。換言すれば、吐出面Ｆ１は測定面Ｆ３よりもインクの吐出方向側に位置する。

また、出射面Ｆ２は、ｃ軸方向において、測定面Ｆ３と吐出面Ｆ１との間に位置する。また、ｃ軸方向における出射面Ｆ２と吐出面Ｆ１との距離は、ｃ軸方向における出射面Ｆ２と測定面Ｆ３との距離よりも短い。

図５では、アーム２２０の関節部２３０＿５の回動軸である第５回動軸Ｏ５が、前述のヘッド３１０のノズル列軸と実質的に平行な位置関係となっている。つまり、第５回動軸Ｏ５はｂ軸に平行である。アーム２２０とヘッド３１０とのこうした位置関係は、アーム２２５に対してアーム２２６を回動する関節部２３０＿６において、第６回動軸Ｏ６まわりの回動を調整することで可能となる。ここで、本実施形態ではノズル列軸はｂ軸に沿って形成され、関節部２３０＿６の回動軸はｃ軸に平行である。

図５に示すように、ノズル列軸方向に見て、ノズル列軸と平行な第５回動軸Ｏ５と、吐出面Ｆ１の端部Ｆ１ａとの距離をＲとすると、出射面Ｆ２は、第５回動軸Ｏ５を中心軸とし、半径をＲとした仮想円Ｃの内側に位置する。また、測定面Ｆ３も同様に前述の仮想円Ｃの内側に位置する。ここで、吐出面Ｆ１の端部Ｆ１ａとは、ヘッド３１０をノズル列軸方向に見て、吐出面Ｆ１のうち第５回動軸Ｏ５から最も離間した部分を指す。つまり、第５回動軸Ｏ５を起点としたとき、第５回動軸Ｏ５から最も離間した出射面Ｆ２の端部までの距離や、第５回動軸Ｏ５から最も離間した測定面Ｆ３の端部までの距離に比べて、端部Ｆ１ａまでの距離の方が大きくなる。

エネルギー出射部３３０および距離測定部３６０は、出射面Ｆ２および測定面Ｆ３が仮想円Ｃの内側に位置するように配置すればよく、図５の位置に限定されない。つまり、エネルギー出射部３３０は寸法に応じて、出射面Ｆ２が仮想円Ｃの内側に位置するように配置位置を調整すればよく、例えば図５に破線で示した位置３３０ａに配置することができる。これは距離測定部３６０についても同様である。

ロボット２００のアーム２２０が有する複数の回動軸には、ノズル列軸と平行となり得る少なくとも１つの回動軸が含まれ、第５回動軸Ｏ５は、その中でヘッドユニット３００に最も近い回動軸である。こうした条件を満たす回動軸を以下では中心回動軸と称して説明する場合がある。つまり、仮想円Ｃは中心回動軸を中心軸として形成される。なお、ここで述べる「近い」とはアーム２２０の接続関係での順序を意味している。

なお、エネルギー出射部３３０を傾けて配置することもできる。例えば、図５に破線で示した姿勢３３０ｂのように、出射面Ｆ２が、ヘッド３１０が位置する側の反対側を向くように、エネルギー出射部３３０を傾けて配置してもよい。

図４に示すように、ヘッドユニット３００をｃ１方向に見たときに、吐出面Ｆ１は、ａ軸方向、即ちノズル列軸と吐出方向の双方に直交する方向において、出射面Ｆ２と測定面Ｆ３との間に位置する。また、ａ軸方向における吐出面Ｆ１の幅Ｗ３１０は、ａ軸方向における出射面Ｆ２の幅Ｗ３３０よりも狭い。さらに、吐出面Ｆ１の幅Ｗ３１０は、窓面Ｆ２１の幅Ｗ３３１よりも狭い。

図３に示すように、ヘッドユニット３００をｃ軸方向に見たときに、下流流路４２２はエネルギー出射部３３０と、距離測定部３６０との間に位置する。換言すれば、ａ軸方向において、下流流路４２２はエネルギー出射部３３０と、距離測定部３６０とに挟まれる。

図４に示すように、ヘッドユニット３００をｃ１方向に見たときに、出射面Ｆ２のｂ１方向側の端部は、吐出面Ｆ１のｂ１方向側の端部よりもｂ１方向に突出しない。本実施形態においては、吐出面Ｆ１のｂ１方向側の端部は、出射面Ｆ２のｂ１方向側の端部とｂ１方向において同じ位置に設けられる。なお、出射面Ｆ２のｂ２方向側の端部は、吐出面Ｆ１のｂ２方向側の端部よりもｂ２方向に突出してもよいし、突出しないようにしてもよい。図４では、出射面Ｆ２のｂ２方向側の端部は、吐出面Ｆ１のｂ２方向側の端部よりもｂ２方向に突出している。こうした構成によれば、後述する硬化動作において、エネルギー出射部３３０が広範囲のインクを一度に硬化させることができる。しかしながら、ｂ２方向に突出した出射面Ｆ２の端部がワークＷと干渉する場合もあるため、出射面Ｆ２のｂ２方向側の端部は、必要に応じて吐出面Ｆ１のｂ２方向側の端部よりもｂ２方向にも突出しないように設計することもできる。

図４に示すように、ノズル面Ｆ１１に設けられた複数のノズルＮのうち、印刷時にインクを吐出して画像形成に寄与する吐出ノズルは、エネルギー出射部３３０の窓面Ｆ２１のｂ１方向側の端部とｂ２方向側の端部との間よりも、ｂ軸方向において外側にはみ出す位置には設けられない。つまり、吐出ノズルは、窓面Ｆ２１のｂ１方向側の端部と、ｂ２方向側の端部との間に位置する。なお、ノズル面Ｆ１１に設けられた複数のノズルＮには、印刷時にインクを吐出せず、画像形成に寄与しないダミーノズルが含まれる場合もある。こうしたダミーノズルは、窓面Ｆ２１のｂ１方向側の端部と、ｂ２方向側の端部との間に位置していなくてもよい。

図４に示すように、ヘッドユニット３００をｃ１方向に見たときに、測定面Ｆ３のｂ１方向側の端部は、吐出面Ｆ１のｂ１方向側の端部よりもｂ１方向に突出しない。同様に、測定面Ｆ３のｂ２方向側の端部は、吐出面Ｆ１のｂ２方向側の端部よりもｂ２方向に突出しない。つまり、本実施形態において、測定面Ｆ３のｂ軸方向の位置は、吐出面Ｆ１のｂ１方向側の端部とｂ２方向側の端部との間である。ただし、測定面Ｆ３のｂ２方向側の端部は、吐出面Ｆ１のｂ２方向側の端部よりもｂ２方向に突出していてもよい。

１－４．立体物印刷装置の動作および立体物印刷方法
図６は、第１実施形態に係る立体物印刷方法の流れを示すフローチャートである。当該立体物印刷方法は、前述の立体物印刷装置１００を用いて行われる。立体物印刷装置１００は、図６に示すように、経路を設定するステップＳ１１０と、印刷動作を行うステップＳ１２０と、硬化動作を行うステップＳ１３０と、をこの順で実行する。

図７Ａ～図７Ｃは、第１実施形態における経路の設定と印刷動作を説明するための図であり、図７Ａ～図７Ｃの順に時間の経過に応じたヘッドユニット３００の位置および姿勢を示している。本実施形態におけるワークＷは、凹んだ曲面である面ＷＦを有しており、立体物印刷装置１００によって面ＷＦに対して印刷が施される。図７Ａ～図７Ｃの破線矢印は経路ＲＵを示し、矢印は経路ＲＵでのヘッドユニット３００の移動方向を示す。つまり、この移動方向は、ヘッドユニット３００がワークＷに沿って相対的に移動する方向であり、この移動は、ロボット２００によってなされる。

ステップＳ１１０では、ワークＷの位置および形状を示すワーク情報に基づいて、ヘッドユニット３００の内部またはその近傍の代表点が移動すべき経路として経路ＲＵが設定される。本実施形態における当該代表点は吐出面Ｆ１上に設定されており、経路ＲＵには、吐出面Ｆ１の取るべき姿勢に関する情報も含まれている。なお、当該代表点とはロボットの教示におけるＴＣＰ（Tool Center Point）に相当する。経路ＲＵとその方向は面ＷＦに沿って設定されることが好ましく、経路ＲＵの途中で吐出面Ｆ１の姿勢および移動方向は、面ＷＦに対応して随時変化する。このように経路ＲＵを設定することにより、コンピューター７００によって前述の経路情報Ｄｂが生成される。本実施形態では、経路ＲＵはヘッドユニット３００が面ＷＦを概ねＸ１方向に走査するように設定されている。

ここで、経路ＲＵと面ＷＦとの間の距離は略一定であり、かつ、ヘッド３１０の吐出面Ｆ１の法線と面ＷＦとのなす角度が略一定である。したがって、吐出面Ｆ１の法線方向における吐出面Ｆ１と面ＷＦとの間の距離Ｌは経路ＲＵの全域にわたり略一定である。このため、ヘッド３１０から面ＷＦへのインクの着弾位置の誤差を低減することができる。また、図７Ａ～図７Ｃに示す例では、吐出面Ｆ１の法線が面ＷＦに直交または略直交する。このため、吐出面Ｆ１の法線が面ＷＦに対して傾斜する場合に比べて、印刷品質を高めやすい。

ステップＳ１２０では、ヘッドユニット３００が経路ＲＵに沿って移動しながら、ヘッド３１０がワークＷの面ＷＦに向けてインクを吐出することにより、印刷が行われる。このとき、前述のツール座標系におけるａ１方向が経路ＲＵの方向を向く。つまり、ヘッド３１０は、ノズル列軸および吐出方向の双方に直交する方向に移動する。そして、距離測定部３６０がヘッド３１０よりも移動方向で前方にある。また、ヘッド３１０がエネルギー出射部３３０よりも移動方向での前方にある。換言すれば、印刷動作においては、測定面Ｆ３は吐出面Ｆ１よりも移動方向側に位置する。また、吐出面Ｆ１は出射面Ｆ２よりも移動方向側に位置する。

ステップＳ１２０では、ヘッドユニット３００の移動およびヘッド３１０によるインク吐出と同時に、エネルギー出射部３３０からエネルギーを出射することもできる。つまり、本実施形態においては、面ＷＦに対して紫外線を照射し、面ＷＦ上に着弾したインクを硬化することもできる。

ステップＳ１２０では、ヘッドユニット３００の移動およびヘッド３１０によるインク吐出と同時に、ヘッドユニット３００と面ＷＦとの距離を距離測定部３６０によって測定することもできる。つまり、本実施形態においては、ヘッドユニット３００と面ＷＦとの距離を距離測定部３６０によって測定し、距離測定部３６０の信号に基づき、前述の距離Ｌを一定に保つようにロボット２００を制御することもできる。

ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で面ＷＦ上に着弾したインクを硬化する硬化動作を行う。なお、ステップＳ１２０で、前述のようにエネルギー出射部３３０からエネルギーを出射し、十分にインクが硬化し、面ＷＦに定着している場合は、ステップＳ１３０を省略することができる。ステップＳ１３０での硬化動作では、ロボット２００を動作させ、エネルギー出射部３３０で面ＷＦを走査しつつ、エネルギー出射部３３０からエネルギーを出射する。硬化動作における経路は、印刷動作における経路ＲＵと同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、ステップＳ１３０では、エネルギー出射部３３０とは別に設けられた図示しない硬化手段を用いて、硬化動作を行うこともできる。

立体物印刷装置１００が以上に説明したステップＳ１１０～Ｓ１３０を実行することにより、ワークＷの面ＷＦにインクによる印刷が完了する。

本実施形態では、ヘッドユニット３００が、エネルギー出射部３３０と距離測定部３６０との両方を有する場合を説明したが、このうち片方を省略することもできる。例えば硬化性インクを用いない場合は、エネルギー出射部３３０を設けなくともよい。例えばロボット２００の動作経路が事前に定められている場合は、距離測定部３６０を設けなくともよい。

本実施形態における立体物印刷装置１００では、ヘッド３１０の吐出面Ｆ１が、エネルギー出射部３３０の出射面Ｆ２よりもｃ２方向側に位置する。換言すれば、吐出面Ｆ１は出射面Ｆ２よりもインクの吐出方向側に位置する。このため、ワークＷに対する吐出面Ｆ１の相対的な位置および姿勢を、所望の位置および姿勢とする際に、出射面Ｆ２とワークＷとの接触を防止することができる。特に吐出面Ｆ１とワークＷの面ＷＦとを互いに対向させつつ、互いに近づける際に、吐出方向において吐出面Ｆ１を出射面Ｆ２よりも面ＷＦに接近させることができる。従って、ヘッド３１０のノズルＮから吐出されたインクが面ＷＦに着弾する位置の精度を高め、印刷品質を高めることが可能となる。また、ヘッドユニット３００が、出射面Ｆ２を備えたエネルギー出射部３３０を含むため、面ＷＦに着弾したインクに対して直ちにエネルギーを照射し、インクを硬化させることが可能となる。

本実施形態における立体物印刷装置１００では、ヘッドユニット３００において、吐出面Ｆ１と、出射面Ｆ２との互いの位置関係が固定されている。このため、例えばリニアアクチュエーター等を用いて、吐出面Ｆ１と出射面Ｆ２との位置関係を可変としたヘッドユニットの構成に比べ、簡単な構成となり、制御も容易となる。

本実施形態における立体物印刷装置１００では、中心回動軸である第５回動軸Ｏ５とノズル列軸とが互いに平行な状態において、ヘッド３１０をノズル列軸方向に見たときに、第５回動軸Ｏ５と最も離間した吐出面Ｆ１の端部Ｆ１ａと、第５回動軸Ｏ５との距離をＲとすると、出射面Ｆ２および測定面Ｆ３は、第５回動軸Ｏ５を中心として半径がＲの仮想円Ｃの内側に位置する。このため、吐出面Ｆ１とワークＷとを対向させて接近させた印刷姿勢において、ヘッドユニット３００を第５回動軸Ｏ５まわりに回動させた際に、エネルギー出射部３３０や距離測定部３６０がワークＷと干渉することを防ぐことができる。

本実施形態における立体物印刷装置１００では、ヘッド３１０の吐出面Ｆ１が、距離測定部３６０の測定面Ｆ３よりもｃ２方向側に位置する。換言すれば、吐出面Ｆ１は測定面Ｆ３よりもインクの吐出方向側に位置する。このため、ワークＷに対する吐出面Ｆ１の相対的な位置および姿勢を、所望の位置および姿勢とする際に、測定面Ｆ３とワークＷとの接触を防止することができる。特に吐出面Ｆ１とワークＷの面ＷＦとを互いに対向させつつ、互いに近づける際に、吐出方向において吐出面Ｆ１を測定面Ｆ３よりも面ＷＦに接近させることができる。従って、ヘッド３１０のノズルＮから吐出されたインクが面ＷＦに着弾する位置の精度を高め、印刷品質を高めることが可能となる。また、ヘッドユニット３００が、測定面Ｆ３を備えた距離検出手段を含むため、ヘッドユニット３００とワークＷとの距離を正確に測定することが可能となる。

本実施形態における立体物印刷装置１００では、ヘッドユニット３００において、吐出面Ｆ１と、測定面Ｆ３との互いの位置関係が固定されている。このため、例えばリニアアクチュエーター等を用いて、吐出面Ｆ１と測定面Ｆ３との位置関係を可変としたヘッドユニットの構成に比べ、簡単な構成となり、制御も容易となる。

本実施形態における立体物印刷装置１００では、吐出方向において、出射面Ｆ２は、測定面Ｆ３と吐出面Ｆ１との間に位置する。このため、出射面Ｆ２から出射されたエネルギーが十分な強度を保った状態で、ワークＷの面ＷＦに着弾したインクに照射されるので、効率的にインクを硬化させることが可能となる。換言すれば、面ＷＦと出射面Ｆ２との距離を接近させることで、当該距離を離間させた場合に比べ、出射面Ｆ２から出射されたエネルギーが面ＷＦに到達するまでに減衰することを抑制できる。また、測定面Ｆ３とワークＷとの接触を防ぐために、ヘッドユニット３００の全体をワークＷから離間させることが必要となる場合が減る。従って、ヘッド３１０のノズルＮから吐出されたインクが面ＷＦに着弾する位置の精度を高め、印刷品質を高めることが可能となる。また、出射面Ｆ２から出射されたエネルギーが十分な強度を保った状態で、面ＷＦに着弾したインクに照射されるので、効率的にインクを硬化させることが可能となる。

本実施形態における立体物印刷装置１００では、吐出方向において、出射面Ｆ２と吐出面Ｆ１との距離は、測定面Ｆ３と吐出面Ｆ１との距離よりも短い。このため、ヘッドユニット３００をワークＷに接近させる際に、測定面Ｆ３と面ＷＦとの距離に比べて、吐出面Ｆ１と面ＷＦとの距離、および出射面Ｆ２と面ＷＦとの距離を狭めることができる。また、測定面Ｆ３とワークＷとの接触を防ぐためにヘッドユニット３００の全体をワークＷから離間させることが必要となる場合が減る。従って、ヘッド３１０のノズルＮから吐出されたインクが面ＷＦに着弾する位置の精度を高め、印刷品質を高めることが可能となる。また、出射面Ｆ２から出射されたエネルギーが十分な強度を保った状態で、面ＷＦに着弾したインクに照射されるので、効率的にインクを硬化させることが可能となる。

印刷動作において立体物印刷装置１００では、吐出面Ｆ１にノズル列軸に沿って複数のノズルＮが設けられ、ノズル列軸および吐出方向の双方と直交するａ軸方向において、吐出面Ｆ１は、出射面Ｆ２と測定面Ｆ３との間に位置する。また、ロボット２００によってヘッドユニット３００を移動することと、ヘッド３１０からワークＷの面ＷＦに対してインクを吐出することと、エネルギー出射部３３０からエネルギーを出射することと、を同時に実行可能である。

この立体物印刷装置１００は、図７Ａ～図７Ｃに示したように、ヘッドユニット３００をノズル列軸および吐出方向の双方と直交するａ軸方向に移動する。この印刷動作の際に測定面Ｆ３が吐出面Ｆ１よりも移動方向側に位置しているため、測定面Ｆ３が吐出面Ｆ１よりも先に面ＷＦの領域を走査する。このため、まず、面ＷＦの当該領域を測定面Ｆ３によって走査し、当該領域とヘッドユニット３００の距離を測定し、続いて、面ＷＦの当該領域を吐出面Ｆ１によって走査し、ヘッド３１０からインクを吐出することができる。この際、距離の測定結果に基づいて距離Ｌを一定に保つように制御することができる。また、面ＷＦの当該領域と吐出面Ｆ１とが接触することを未然に防ぐことが可能となる。さらに、距離の測定とインクの吐出とを一連の動作で完了することが可能となる。

この立体物印刷装置１００は、図７Ａ～図７Ｃに示したように、ヘッドユニット３００をノズル列軸および吐出方向の双方と直交するａ軸方向に移動する。この印刷動作の際に吐出面Ｆ１が出射面Ｆ２よりも移動方向側に位置しているため、吐出面Ｆ１が出射面Ｆ２よりも先に面ＷＦ上の領域を走査する。このため、まず、面ＷＦの当該領域に対してヘッド３１０からインクを吐出し、続いて、インクが着弾したワークＷの当該領域に出射面Ｆ２を接近させることができる。従って、インクの吐出とエネルギーの照射によるインクの硬化とを一連の動作で完了することが可能となる。

ヘッドユニット３００を吐出方向側から見たときに、ヘッド３１０にインクを供給する供給流路４２０の一部である下流流路４２２は、距離測定部３６０と、エネルギー出射部３３０と、の間に位置し、距離測定部３６０と、エネルギー出射部３３０と、は駆動によって熱を発生する。このため、距離測定部３６０とエネルギー出射部３３０から発生した熱が、両者の間に位置する下流流路４２２に伝搬し、当該流路中のインクが加温され、インクの粘度が低下する。従って、ヘッド３１０や下流流路４２２中でインクが詰まることによる吐出不良を抑制できる。

本実施形態における立体物印刷装置１００において、ノズル列軸および吐出方向の双方と直交するａ軸方向における吐出面Ｆ１の幅Ｗ３１０は、ａ軸方向における出射面Ｆ２の幅Ｗ３３０よりも狭い。このため、例えばワークＷの凹部などにも吐出面Ｆ１を接近させることが容易となる。また、移動方向における出射面Ｆ２の幅Ｗ３３０が広いため、印刷動作の際に出射面Ｆ２がワークＷ上の面ＷＦを走査する時間が長くなる。このため、ヘッド３１０からインクを吐出した後に、面ＷＦに着弾したインクに十分なエネルギーを照射し、インクを硬化させることができる。

本実施形態における立体物印刷装置１００において、出射面Ｆ２が、ヘッド３１０が位置する側の反対側を向くように、エネルギー出射部３３０を傾けて配置してもよい。この立体物印刷装置１００によれば、出射面Ｆ２から出射されたエネルギーが吐出面Ｆ１に入射しにくい。従って、吐出面Ｆ１に付着したインクやノズルＮでメニスカスを形成するインクにエネルギーが照射され、当該インクが硬化し、吐出不良が発生することを防ぐことが可能となる。

２．第２実施形態
以下、本発明の第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８は、第２実施形態に係る立体物印刷装置１００とワークＷの概略を示す斜視図である。本実施形態における立体物印刷装置１００の構成は第１実施形態と同様である。本実施形態におけるワークＷはＺ１方向に突出した突出部ＷＰを有し、印刷領域となる面ＷＦは突出部ＷＰのＹ２方向側に隣接して位置する。突出部ＷＰはＸ軸に沿って延在している。ワークＷの大きさ、形状または設置姿勢は、図８に示す例に限定されず、任意である。

図９は第２実施形態における経路の設定と印刷動作を説明するための平面図である。本実施形態における、経路ＲＵでのヘッドユニット３００は、ワークＷのＺ１方向側において、吐出面Ｆ１を面ＷＦに対向させつつ、ツール座標系のｂ１方向が突出部ＷＰに対向するように、姿勢が設定される。また、経路ＲＵでの移動方向はベース座標系のＸ１方向であり、ツール座標系のａ１方向はＸ１方向に平行である。ロボット２００の動作によって経路ＲＵで移動しつつ、ヘッドユニット３００が経路ＲＵに沿って移動しながら、ヘッド３１０がワークＷの面ＷＦに向けてインクを吐出することにより、印刷動作が行われる。

ヘッドユニット３００をｃ２方向に見たときに、出射面Ｆ２のｂ１方向側の端部は、吐出面Ｆ１のｂ１方向側の端部よりもｂ１方向に突出しない。本実施形態においては、吐出面Ｆ１のｂ１方向側の端部は、出射面Ｆ２のｂ１方向側の端部とｂ１方向において同じ位置に設けられる。こうしたヘッドユニット３００の構成によれば、面ＷＦのうち、突出部ＷＰに隣接する領域に対して印刷を施す際に、出射面Ｆ２が当該突出部ＷＰと干渉することを防ぐことができる。なお、吐出面Ｆ１のｂ１方向側の端部は、出射面Ｆ２のｂ１方向側の端部よりもｂ１方向に設けられてもよい。

また、ヘッドユニット３００をｃ２方向に見たときに、出射面Ｆ２のｂ２方向側の端部は、吐出面Ｆ１のｂ２方向側の端部よりもｂ２方向に突出してもよい。ｂ２方向側の端部は、突出部ＷＰに対向しないため、干渉が生じないためである。しかしながら、ｂ２方向側にワークＷの別な突出部などが設けられる場合は、出射面Ｆ２のｂ２方向側の端部が、吐出面Ｆ１のｂ２方向側の端部よりもｂ２方向に突出しないように設けてもよい。

また、本実施形態においては、ヘッドユニット３００をｃ２方向に見たときに、測定面Ｆ３のｂ軸方向の端部は、吐出面Ｆ１のｂ軸方向の端部よりも外側に突出しない。または、測定面Ｆ３のｂ軸方向の端部は、吐出面Ｆ１のｂ軸方向の端部とｂ軸方向に同じ位置に設けられてもよい。いずれにせよ、測定面Ｆ３のｂ軸方向の端部は、ｂ１方向もしくはｂ２方向において吐出面Ｆ１のｂ軸方向の端部よりも突出しなければよいが、さらには、測定面Ｆ３のｂ軸方向の端部は、ｂ１方向とｂ２方向との両方向において吐出面Ｆ１のｂ軸方向の端部よりも突出しないことが好ましい。こうしたヘッドユニット３００の構成によれば、面ＷＦのうち、突出部ＷＰに隣接する領域に対して印刷を施す際に、測定面Ｆ３が当該突出部ＷＰと干渉することを防ぐことができる。なお、ｂ軸方向において吐出面Ｆ１の端部よりも突出しない方向は、出射面Ｆ２と測定面Ｆ３とで揃えることが好ましい。

３．第３実施形態
以下、本発明の第３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１０は、第３実施形態に係るヘッドユニット３００とワークＷの概略を示す側面図である。本実施形態における立体物印刷装置１００の構成は第１実施形態と同様である。本実施形態におけるワークＷはＺ１方向に突出した突出部ＷＰを有し、印刷領域となる面ＷＦは突出部ＷＰのＸ１方向側に隣接して位置する。突出部ＷＰはＹ軸に沿って延在している。ワークＷの大きさ、形状または設置姿勢は、図１０に示す例に限定されず、任意である。

図１０に示すように、本実施形態における経路ＲＵでのヘッドユニット３００は、ワークＷのＺ１方向側において、吐出面Ｆ１を面ＷＦに対向させつつ、ａ２方向が突出部ＷＰ側となり、ａ１方向が面ＷＦ側となるように姿勢が設定される。また、経路ＲＵでのヘッドユニット３００の移動方向はベース座標系のＸ１方向であり、ツール座標系のａ軸はＸ軸に平行である。ロボット２００の動作によって経路ＲＵで移動しつつ、ヘッドユニット３００が経路ＲＵに沿って移動しながら、ヘッド３１０がワークＷの面ＷＦに向けてインクを吐出することにより、印刷動作が行われる。

本実施形態における立体物印刷方法は、吐出面Ｆ１を面ＷＦに対向させ、ヘッド３１０からインクを吐出する際に、出射面Ｆ２は、吐出方向に見て突出部ＷＰと重なる。ここで吐出方向とは、ｃ２方向である。また、このとき、図１０に示すように、ｃ軸方向において、突出部ＷＰの少なくとも一部が、吐出面Ｆ１と出射面Ｆ２との間に位置する。

以上に説明した立体物印刷方法によれば、出射面Ｆ２とワークＷとの接触を防ぐためにヘッドユニット３００の全体をワークＷから離間させることが必要となる場合が減る。特にワークＷの印刷領域と突出部ＷＰとが隣接する場合であっても、出射面Ｆ２とワークＷとの接触を防ぎつつ、吐出面Ｆ１をワークＷの印刷領域に接近させることができる。従って、ヘッド３１０のノズルＮから吐出されたインクが面ＷＦに着弾する位置の精度を高め、印刷品質を向上することが可能となる。

１００…立体物印刷装置、２００…ロボット、２１０…基台、２２０，２２１，２２２，２２３，２２４，２２５，２２６…アーム、２３０…関節部、２４０…アーム駆動機構、２４１…エンコーダー、３００…ヘッドユニット、３１０…ヘッド、３１１…圧電素子、３１２…ノズルプレート、３１３…筐体部、３１４…カバー部材、３２０…圧力調整弁、３３０…エネルギー出射部、３３１…窓部、３３２…筐体部、３４０…スイッチ回路、３５０…支持体、３６０…距離測定部、３６１…窓部、３６２…筐体部、４００…液体供給ユニット、４１０…液体貯留部、４２０…供給流路、４２１…上流流路、４２２…下流流路、５００…制御モジュール、５１０…タイミング信号生成回路、５２０…電源回路、５３０…制御回路、５４０…駆動信号生成回路、６００…コントローラー、６１０…記憶回路、６２０…処理回路、７００…コンピューター、Ｃ…仮想円、Ｆ１…吐出面、Ｆ２…出射面、Ｆ３…測定面、Ｆ１１…ノズル面、Ｆ１２…カバー面、Ｆ２１…窓面、Ｆ２２…筐体面、Ｆ３１…窓面、Ｆ３２…筐体面、Ｌａ…第１ノズル列、Ｌｂ…第２ノズル列、Ｎ…ノズル、Ｏ１…第１回動軸、Ｏ２…第２回動軸、Ｏ３…第３回動軸、Ｏ４…第４回動軸、Ｏ５…第５回動軸、Ｏ６…第６回動軸、ＲＵ…経路、Ｗ…ワーク、Ｗ３１０，Ｗ３３０，Ｗ３３１…幅、ＷＦ…面、ＷＰ…突出部。

Claims (19)

1. ノズルが設けられた吐出面を備え、立体的なワークに対して前記ノズルから液体を吐出するヘッドと、前記液体を硬化可能なエネルギーを出射する出射面を備えた硬化手段と、を含むヘッドユニットと、
   前記ワークと前記ヘッドユニットとの相対的な位置および姿勢を変化させる移動機構と、
   を有し、
   前記ヘッドが前記液体を吐出する方向を吐出方向とすると、
   前記吐出面は、前記出射面よりも、前記吐出方向側に位置する
   ことを特徴とする立体物印刷装置。
2. 前記ヘッドユニットにおいて、前記吐出面と、前記出射面と、の互いの位置関係が固定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体物印刷装置。
3. 前記吐出面には、ノズル列軸に沿って複数のノズルが設けられ、
   前記移動機構には、前記ノズル列軸と平行となり得る回動軸を含む複数の回動軸が含まれ、
   前記ノズル列軸と平行となり得る回動軸のうち、前記ヘッドユニットに最も近い回動軸である中心回動軸と前記ノズル列軸とが互いに平行な状態において、前記ヘッドを前記ノズル列軸方向に見たときに、
   前記吐出面の端部のうち、前記中心回動軸と最も離間した端部と、前記中心回動軸との距離をＲとすると、
   前記出射面は、前記中心回動軸を中心とし、半径がＲの仮想円の内側に位置する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の立体物印刷装置。
4. 前記ヘッドユニットは、前記ワークとの相対的な距離を測定する測定面を備えた距離測定手段をさらに含み、
   前記吐出面は、前記測定面よりも、前記吐出方向側に位置する
   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物印刷装置。
5. ノズルが設けられた吐出面を備え、立体的なワークに対して前記ノズルから液体を吐出するヘッドと、前記ワークとの相対的な距離を測定する測定面を備えた距離測定手段と、を含むヘッドユニットと、
   前記ワークと前記ヘッドユニットとの相対的な位置および姿勢を変化させる移動機構と、
   を有し、
   前記ヘッドが前記液体を吐出する方向を吐出方向とすると、
   前記吐出面は、前記測定面よりも、前記吐出方向側に位置する
   ことを特徴とする立体物印刷装置。
6. 前記ヘッドユニットにおいて、前記吐出面と、前記測定面と、の互いの位置関係が固定されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の立体物印刷装置。
7. 前記吐出面には、ノズル列軸に沿って複数のノズルが設けられ、
   前記移動機構には、前記ノズル列軸と平行となり得る回動軸を含む複数の回動軸が含まれ、
   前記ノズル列軸と平行となり得る回動軸のうち、前記ヘッドユニットに最も近い回動軸である中心回動軸と前記ノズル列軸とが互いに平行な状態において、前記ヘッドを前記ノズル列軸方向に見たときに、
   前記吐出面の端部のうち、前記中心回動軸と最も離間した端部と、前記中心回動軸との距離をＲとすると、
   前記測定面は、前記中心回動軸を中心とし、半径がＲの仮想円の内側に位置する
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の立体物印刷装置。
8. 前記ヘッドユニットは、前記液体を硬化可能なエネルギーを照射する出射面を備えた硬化手段をさらに含み、
   前記吐出面は、前記出射面よりも、前記吐出方向側に位置する
   ことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の立体物印刷装置。
9. 前記吐出方向において、前記出射面は、前記測定面と前記吐出面との間に位置する
   ことを特徴とする請求項４または８に記載の立体物印刷装置。
10. 前記吐出方向において、前記出射面と前記吐出面との距離は、前記測定面と前記吐出面との距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項４および請求項８、９のいずれか一項に記載の立体物印刷装置。
11. 前記吐出面には、ノズル列軸に沿って複数のノズルが設けられ、
    前記ノズル列軸および前記吐出方向の双方と直交する方向において、
    前記吐出面は、前記出射面と前記測定面との間に位置する
    ことを特徴とする請求項４、および請求項８から１０のいずれか一項に記載の立体物印刷装置。
12. 前記ヘッドユニットを前記吐出方向側から見たときに、
    前記ヘッドに前記液体を供給する流路の少なくとも一部は、前記距離測定手段と、前記硬化手段と、の間に位置し、
    前記距離測定手段と、前記硬化手段と、は駆動によって熱を発生する
    ことを特徴とする請求項４、および請求項８から１１のいずれか一項に記載の立体物印刷装置。
13. 前記吐出面には、ノズル列軸に沿って複数のノズルが設けられ、
    前記ノズル列軸および前記吐出方向の双方と直交する方向において、前記吐出面の幅は、前記出射面の幅よりも狭い、
    ことを特徴とする請求項１から４、および請求項８から１２のいずれか一項に記載の立体物印刷装置。
14. 前記出射面は、前記ヘッドが位置する側の反対側を向くように傾いて配置される
    ことを特徴とする請求項１から４、および請求項８から１３のいずれか一項に記載の立体物印刷装置。
15. 前記吐出面には、ノズル列軸に沿って複数のノズルが設けられ、
    前記ノズル列軸に沿った方向の少なくとも一方側において、前記出射面の端部は、前記吐出面の端部よりも突出しない
    ことを特徴とする請求項１から４、および請求項８から１４のいずれか一項に記載の立体物印刷装置。
16. 前記吐出面には、ノズル列軸に沿って複数のノズルが設けられ、
    前記ノズル列軸に沿った方向の少なくとも一方側において、前記測定面の端部は、前記吐出面の端部よりも突出しない
    ことを特徴とする請求項５から１２のいずれか一項に記載の立体物印刷装置。
17. 前記移動機構は、複数の関節を備えた多関節ロボットである
    ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の立体物印刷装置。
18. ノズルが設けられた吐出面を備え、立体的なワークに対して前記ノズルから液体を吐出するヘッドと、前記液体を硬化可能なエネルギーを出射する出射面を備えた硬化手段と、を備えたヘッドユニットによって、前記ワークの印刷領域に対して印刷を施す立体物印刷方法であって、
    前記ヘッドが前記液体を吐出する方向を吐出方向とすると、前記吐出面は、前記出射面よりも、前記吐出方向側に位置し、
    前記ワークは、前記印刷領域とは異なる位置に、前記ヘッドユニット側に突出した突出部を有し、
    前記吐出面を前記印刷領域に対向させ、前記ヘッドから前記液体を吐出する際に、前記出射面は、前記吐出方向に見て前記突出部と重なる
    ことを特徴とする立体物印刷方法。
19. 前記吐出面を前記印刷領域に対向させ、前記ヘッドから前記液体を吐出する際に、
    前記吐出方向において、前記突出部の少なくとも一部が、前記吐出面と前記出射面との間に位置する
    ことを特徴とする請求項１８に記載の立体物印刷方法。

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