JP5656312B2 - ３次元プリンタおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、印刷対象物とプリンタヘッドの相対的な位置関係を保ちつつ、印刷対象物及びプリンタヘッドを移動させながら３次元物体の表面に印刷を施す３次元プリンタに関する。

紙等の印刷対象物に文字、図形等を印刷するプリンタ装置については、従来から種々のものが存在する。例えば、プリンタヘッドを走査させながら、この走査方向に対して垂直な方向に印刷対象物を移動させながら印刷を行うものが周知となっている（例えば、特許文献１及び２を参照）。このような従来のプリンタ装置は、平面状の紙や樹脂板など平面状のシート材もしくは固体物の平面に対して所定の印刷を行うものであり、全てが２次元の表面の印刷を行うものであった。ところが、近年では３次元形状の表面（例えば、円筒面、球面など）に印刷を行う３次元プリンタが要求されている。

このような３次元形状の表面に印刷を施す３次元プリンタとしては、プリンタヘッドから印刷対象領域にインクを着弾させるため、プリンタヘッドを水平面内で移動させるためのＹ軸、Ｙ軸と直交しプリンタヘッドのノズル列方向であって印刷対象物を移動させるためのＸ軸、印刷対象物の表面とプリンタヘッドとの間隔を一定に保つため印刷対象物を昇降させるためのＺ軸、印刷対象物を回転させるためのＡ軸、及びＡ軸をＸＺ平面内で回転させるためのＢ軸を備える５軸構造のものが知られている（例えば、特許文献３を参照）。

特開２００３−１９１４５５号公報 特開２００４−１４８６６６号公報 特開２００８−１１４４９３号公報

上述したような５軸構造の３次元プリンタを用いて、円筒、円錐、球体など回転軸に対して対称性が維持されるものや、楕円柱のように中心軸上において断面形状が変化しない印刷対象物に対して印刷を行うことが可能となっている。しかし、実際の印刷対象物の形状が上記のいずれかのように表面形状が単純な数式で表現されることは少なく、このような印刷対象物に対してはプリンタヘッドおよび印刷対象物を相対移動させる経路を求める計算が複雑になり、効率良く印刷を施すことができないという課題があった。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、印刷対象物の形状にかかわらず、複雑な計算を要することなく効率良く印刷を施すことができる３次元プリンタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元プリンタは、インクを吐出するノズルが多数形成されるノズル面を備えたプリンタヘッドを有し、３次元形状の印刷対象物の表面における印刷対象点にプリンタヘッドのノズルからインクを吐出して印刷対象物の表面に所定の印刷を施す３次元プリンタであって、印刷対象物を保持する対象物保持装置（例えば、実施形態における保持シャフト７５、保持チャック７６）と、対象物保持装置を３次元空間内に移動可能に支持する３次元移動支持装置（例えば、実施形態における第１支持部材６０、第２支持部材６５、第３支持部材７０）と、プリンタヘッドを、ノズル面が対象物保持装置に保持された印刷対象物の表面に対向する位置を通るように、移動可能に支持するヘッド移動支持装置（例えば、実施形態におけるキャリッジ５）と、プリンタヘッドのノズル面が印刷対象点に対して所定の間隔を維持するとともに、ノズル面が印刷対象点の接平面に対して平行となるように、３次元移動支持装置及びヘッド移動支持装置によりプリンタヘッドを対象物保持装置に保持された印刷対象物に対して相対移動させる制御を行う相対移動制御装置（例えば、実施形態における第１制御装置７、第２制御装置８）と、相対移動制御装置による相対移動制御に応じて、プリンタヘッドからのインクの吐出制御を行うプリント制御装置とを備えたことを特徴とする。

また、相対移動制御装置は、対象物保持装置に保持された印刷対象物の表面形状から、印刷対象点の接平面に対して直交する法線ベクトルを求め、ノズル面が法線ベクトルに対して直交するように、プリンタヘッドを印刷対象物に対して相対移動させる制御を行うことが好ましい。

そして、ノズル面には、ノズルが所定方向に並んで設けられるノズル列が形成され、対象物保持装置は、３次元空間内に設けられる回転軸を中心として、印刷対象物を回転可能に保持し、相対移動制御装置は、対象物保持装置に保持された印刷対象物の表面形状から、印刷対象点の接平面に対して平行且つ回転軸の方向に延びて設けられるノズル列と同一の長さの線分を求め、ノズル列が線分に対向するように、プリンタヘッドを印刷対象物に対して相対移動させる制御を行うことが好ましい。

また、印刷対象物の表面形状は、ＣＡＤデータ、ポリゴンデータ、または３次元撮影機で撮影される輪郭形状データから得られることが好ましい。

以上、本発明に係る３次元プリンタにおいては、相対移動制御装置が、プリンタヘッドのノズル面が印刷対象点に対して所定の間隔を維持するとともに、ノズル面が印刷対象点の接平面に対して平行となるように、３次元移動支持装置及びヘッド移動支持装置によりプリンタヘッドを対象物保持装置に保持された印刷対象物に対して相対移動させる制御を行うことにより、３次元形状の印刷対象物に印刷を施す際に必要な座標データ（印刷パス）の計算を容易に行うことが可能となり、効率良く印刷を行うことができる。

また、相対移動制御装置が、対象物保持装置に保持された印刷対象物の表面形状から、印刷対象点の接平面に対して直交する法線ベクトルを求めることにより、ノズル面が常に印刷対象物の表面と平行になるようにプリンタヘッドを相対移動させる座標データを容易に計算することができる。

そして、相対移動制御装置が、対象物保持装置に保持された印刷対象物の表面形状から、印刷対象点の接平面に対して平行且つ回転軸の方向に延びて設けられるノズル列と同一の長さの線分を求めることにより、ノズル列の向きを最適化させながらプリンタヘッドを相対移動させる座標データを容易に計算することができる。

また、上記印刷対象物の表面形状が、ＣＡＤデータ、ポリゴンデータ、または３次元撮影機で撮影される輪郭形状データから得られるようにすれば、これらのデータを用いない場合と比較して、上述したような座標データの計算を更に容易に行うことができ、形状が複雑な３次元形状に対しても効率良く印刷を行うことができる。

なお、上記同様の手段により、紫外線硬化型インク及び紫外線照射装置を備えたプリンタに対しては、上記プリンタヘッドを紫外線照射装置に置き換えることにより、印刷パスだけではなく、３次元形状の印刷対象物の表面に紫外線を照射していく紫外線照射装置の経路（硬化パス）の計算を容易に行うことが可能となり、さらには、印刷パスから次の印刷パスへ移動させる経路である送りパスの計算や、印刷対象物の表面における印刷領域の生成を行うこともできる。

本発明の一実施形態に係る３次元プリンタの正面図である。 上記３次元プリンタの側面図である。 本発明に係る３次元プリンタの作動原理を説明する概略図である。 上記３次元プリンタにおけるプリンタヘッドと印刷対象物との関係を示す概略図である。（ａ）はプリンタヘッドの下面を印刷対象点に対向させた状態を示す図、（ｂ）はプリンタヘッドの下面を別の印刷対象点に対向させるためプリンタヘッドを移動、印刷対象物を回転させた状態を示す図、（ｃ）はプリンタヘッドの下面と印刷対象点を通る稜線とが平行でない状態を示す図、（ｄ）は印刷対象物を回転させプリンタヘッドの下面と上記稜線とを平行にさせた状態を示す図である。 ３次元物体に対し印刷パス等の座標データを生成する方法を示す図である。（ａ）は基準面と３次元物体の交点を所定角度毎に求める図、（ｂ）は左記で求めた交点を結び基準面における３次元物体の外周曲線を求める図、（ｃ）は基準面に直交する面と３次元物体との交点を所定角度毎に求める図、（ｄ）は左記で求めた交点を結び基準面と直交する面における３次元物体の外周曲線を求める図である。 ３次元物体に対し印刷パス等の座標データを生成する方法を示す図である。（ａ）は所定角度毎に基準面と直交する面における３次元物体の外周曲線を求める図、（ｂ）は図５（ｂ）で求めた外周曲線から所定距離だけ離れた点を結んで前記外周曲線に平行な曲線を求める図、（ｃ）は上記同様頂点方向に所定距離毎に前記外周曲線に平行な曲線を求める図、（ｄ）は（ｃ）の図から法線ベクトル及び印刷パス等を求める図である。 ３次元物体に対し送りパスを生成する状態を示す図である。 ３次元物体の展開図及び印刷領域を示す図である。 Ｃ軸を備えた６軸構成の３次元プリンタの概要を説明する図である。（ａ）はプリンタヘッドと切頭角錐形状の印刷対象物との位置関係を示す斜視図、（ｂ）は前記６軸の位置について示した図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。まず、本発明の適用対象の一例として示す３次元プリンタ１の構成について、図１及び図２を参照しながら簡潔に説明する。なお、以下では、図１及び図２の矢印に示すように３次元プリンタ１を正面（図１の紙面）から見て左右方向、上下方向をそれぞれ単に左右方向、上下方向とし、図１の紙面から見て奥行方向（図２の紙面から見て右方向）を後方向その反対側を前方向として説明する。

３次元プリンタ１は、円柱、円錐、球等様々な形状の３次元物体に印刷を施すことが可能なプリンタ装置である。３次元プリンタ１は、ベース２の上に、左支持脚３ａ及び右支持脚３ｂ並びにこれら左支持脚３ａ及び右支持脚３ｂの上端を繋いで左右に延びた支持桁３ｃとからなる門型支持フレーム３が固設される。また、右支持脚３ｂに隣接して操作盤７ａを有する第１制御装置７が設けられ、左支持脚３ａに隣接してメンテナンスステーション９を有する第２制御装置８が設けられている。第１制御装置７及び第２制御装置８は、各部材の平行移動及び回転移動の制御を行う移動制御装置、後述するプリンタヘッド１１から吐出されるインクのインク吐出制御を行うプリント制御装置、並びに電源等を制御する電源制御装置等を備えて構成される。

支持桁３ｃの上面に前後一対に左右ガイドレール４ａ，４ｂが、左右方向に延びて設けられ、この上に左右（矢印Ｄ（ｙ）の方向）に移動自在にキャリッジ５が設けられている。キャリッジ５は、図２に示すように、左右ガイドレール４ａ，４ｂに支持される部分から前方に延び下方に折れ曲がり更に前方に延びた側面視クランク形状の部材である。このキャリッジ５の前端部５ａにプリンタヘッド１１が取り付けられている。プリンタヘッド１１の下面には多数のノズル（不図示）がプリンタヘッド１１の移動方向と直交する方向に延びる列を成して形成され、それぞれのノズルから互いに同一もしくは異なる色のインクが吐出される。前端部５ａは、プリンタヘッド１１の下面と対向する部分が上下に開口され、ノズルから前端部５ａの下方に位置する印刷対象物１２の表面に向けてインクが吐出されて所望の印刷が行われる。また、プリンタヘッド１１の上方には、プリンタヘッド１１を上下方向に移動させるヘッド駆動装置１４が設けられる。このプリンタヘッド１１が搭載されたキャリッジ５は、左右ガイドレール４ａ，４ｂ上を左右に移動可能となっているが、これらが左端部に位置した状態でメンテナンスステーション９を上動させ、このメンテナンスステーション９により、プリンタヘッド１１の下面のノズルの清掃及び乾燥防止処置等が行われるようになっている。

ベース２の上部における左支持脚３ａ及び右支持脚３ｂの間の位置に、前後方向に延びる一対の前後ガイドレール２ａ，２ｂが設けられ、図２に示すように、この前後ガイドレール２ａ，２ｂの上部に前後方向（矢印Ｄ（ｘ）方向）に移動自在に第１支持部材６０が設けられる。この第１支持部材６０の上部には、垂直に起立した状態で垂直支持部材６１が設けられ、垂直支持部材６１の前方に上下方向に延びるように左右一対に上下ガイドレール６２ａ，６２ｂが設けられる。更に、この上下ガイドレール６２ａ，６２ｂに上下方向（矢印Ｄ（ｚ）方向）に移動自在に支持された状態で第２支持部材６５が設けられる。第２支持部材６５の前面６５ａは、第２支持部材６５に対して定まる所定点ｐ１（後述する印刷対象物１２が位置し得る位置に設定された点）を通り、左右方向に延びる第１回転軸Ｙ０を中心とする円筒面形状に形成されており、この円筒面形状の前面６５ａに接合する円筒面形状の後面７０ａを有した第３支持部材７０が、前面６５ａに沿って摺動自在に設けられている。すなわち、第３支持部材７０の後面７０ａが第２支持部材６５の前面６５ａと摺動移動可能であり、これにより、第３支持部材７０は第２支持部材６５に対して第１回転軸Ｙ０を中心として回転（矢印Ｂで示す方向に回転）自在となって支持される。

このように支持された第３支持部材７０を、第２支持部材６５に対して第１回転軸Ｙ０を中心として回転させるため、第３支持部材７０の図１における左側部の前面に駆動モータ６６が設けられ、この駆動モータ６６の駆動シャフト（不図示）に取り付けられた駆動ピニオン６７が内歯車７１と噛合している。よって、駆動モータ６６により駆動ピニオン６７を回転駆動させ、これに伴い内歯車７１が回転して、第３支持部材７０を第１回転軸Ｙ０を中心に矢印Ｂで示す方向（以下、Ｂ軸方向と称する）に回転させることができる。

第３支持部材７０の前面側には、保持シャフト７５が前後方向に延びるとともに、上記所定点ｐ１を通る第２回転軸Ｘ０を中心に回転自在に設けられ前方に突出し、その前端に印刷対象物１２を保持させる保持チャック７６が取り付けられている。保持シャフト７５は、第３支持部材７０の内部に配設された駆動モータ（不図示）により回転駆動されるようになっており、保持チャック７６は、印刷対象物１２を保持可能な構成となっている。このため、保持チャック７６に印刷対象物１２を保持させた状態で保持シャフト７５を回転駆動させれば、印刷対象物１２を第２回転軸Ｘ０を中心に矢印Ａの方向に（以下、Ａ軸方向と称する）回転させることができる。また、第３支持部材７０は第１回転軸Ｙ０を中心にＢ軸方向に回転自在であるため、第３支持部材７０が所定回転位置（図２に示す位置）に位置したときには第２回転軸Ｘ０は前後方向に延びるが、第３支持部材７０のＢ軸方向への回転に応じて第２回転軸Ｘ０は上下に振られるようになっている。

以上のように構成される３次元プリンタ１における、印刷対象物１２に印刷を施すための作動原理、及び印刷対象物１２とプリンタヘッド１１との相対移動制御の概要について図３を参照しながら説明する。図３において、保持シャフト７５の回転中心となる第２回転軸Ｘ０はＸ軸に、第３支持部材７０の回転中心となる第１回転軸Ｙ０はＹ軸に、それぞれ相当する。なお、図３に示す印刷対象物１２は切頭円錐形状の部材であり、以下ではこの印刷対象物１２を用いて説明する。なお、実際は、印刷対象物の形状として上記切頭円錐形状に限定されることはなく、円筒形、楕円筒形、円錐形等、様々な形状の３次元物体に対して印刷が可能である。

まず、上述したように、３次元プリンタ１は、印刷対象物１２を支持する第１〜第３支持部材６０，６５，７０及び保持チャック７６を備え、これらの第１〜第３支持部材６０，６５，７０及び保持チャック７６により、Ｘ軸を中心としてＡ軸方向に回転自在に印刷対象物１２を支持し、この状態でＸ軸上の所定点ｐ１を通りＸ軸と直交して左右に延びるＹ軸を中心として印刷対象物１２がＢ軸方向に回転自在となるように支持し、更に、この印刷対象物１２をＸ軸方向に沿って前後に（矢印Ｄ（ｘ）で示す方向に）移動可能且つＸ軸及びＹ軸に直交して垂直に延びるＺ軸に沿って上下に（矢印Ｄ（ｚ）で示す方向に）移動可能に支持するように構成されている。

このように支持された印刷対象物１２の上方に、プリンタヘッド１１が矢印Ｄ（ｙ）で示す方向（以下、Ｙ軸方向と称する）に移動可能な状態で配設され、また、上述したヘッド駆動装置１４により、プリンタヘッド１１を矢印Ｄ（ｚ）で示す方向（以下、Ｚ軸方向と称する）に移動させることができる。なお、プリンタヘッド１１は、インク供給装置（不図示）から供給されるインクを、プリント制御装置（不図示）の制御に基づいて各ノズル毎に吐出させて、保持された印刷対象物１２の表面に所定の印刷を施すようになっている。

ところで、印刷を行う際には、ノズルを、印刷対象物１２の表面の印刷対象位置から所定印刷間隔を有する接近した位置（ノズルから吐出させるインクを印刷対象物１２の表面に付着させて印刷を行うのに最適な間隔を有する位置）に位置させる必要がある。更に、上記表面の印刷対象位置に対してノズルからのインクの吐出方向を直交する方向に向けなければならない。具体的には、図３に示すように、プリンタヘッド１１を、その下面（ノズルが形成されているノズル面）が印刷対象である点からなる印刷線１３ａの中点を接点とする接平面に対して平行になるように、且つ、そのノズル面が上記中点から所定印刷間隔だけ離れて位置するように、移動させる必要がある。

そこで、上記の移動を行うため、まず、印刷対象物１２を矢印Ｄ（ｘ）に示す方向（以下、Ｘ軸方向と称する）に移動させる。そして、印刷対象物１２をＡ軸方向に回転させて印刷対象の印刷線１３ａが真上を向くように位置させ、更に印刷対象物１２をＢ軸方向に回転させてプリンタヘッド１１のノズル列と印刷線１３ａを通る稜線Ｌ０とが互いに平行になるように位置させる。そして、プリンタヘッド１１のノズル面が、印刷線１３ａの中点から所定印刷間隔だけ離れた位置に位置するように、矢印Ｄ（ｚ）で示す方向に移動させる。なお、上記移動及び回転等は、印刷対象物１２とプリンタヘッド１１とが干渉しない限り、どのような順序で行ってもよい。

上記のように、プリンタヘッド１１のノズル面が印刷線１３ａの中点の接平面と平行、且つ、プリンタヘッド１１のノズル面が印刷線１３ａの中点から所定印刷間隔だけ離れた状態において、ノズルから印刷線１３ａへのインクの吐出が行われる。そして、例えば、印刷線１３ａから印刷対象物１２の表面における周方向に沿った位置に形成されＸ軸（回転軸）方向に向かう方向に延びる印刷線１３ｂ、印刷線１３ｃに印刷を行う場合は、上記印刷線１３ａと同様、それぞれの中点からプリンタヘッド１１のノズル面を所定印刷間隔だけ離し、プリンタヘッド１１のノズル面が印刷線１３ｂ、印刷線１３ｃそれぞれの中点の接平面と平行になるように、プリンタヘッド１１及び印刷対象物１２の平行移動、回転移動を行いながら印刷を行う。このように、印刷線１３ｂ、印刷線１３ｃからプリンタヘッド１１のノズル面を所定印刷距離だけ離しつつ、プリンタヘッド１１のノズル面が印刷線１３ｂ、印刷線１３ｃそれぞれの中点の接平面と平行になるように位置させた状態で、印刷線１３ｂ、印刷線１３ｃにインクを吐出させる。このように、印刷対象物１２の表面において、印刷線１３ａ、印刷線１３ｂ、印刷線１３ｃ・・・に順次一定間隔でインクを吐出させていくことにより所望の印刷を行うことができる。

以上、本実施形態における３次元プリンタ１は、印刷対象物１２をプリンタヘッド１１のノズル列方向に移動させるためのＸ軸と、Ｘ軸に直交する方向に設けられプリンタヘッド１１を移動させるためのＹ軸と、プリンタヘッド１１及び印刷対象物１２を上下方向に移動させるためのＺ軸と、印刷対象物１２をＸ軸を中心に回転させるＡ軸と、印刷対象物１２をＹ軸を中心に回転させるＢ軸とを備えた５軸の移動機構を有している。

また、例えば楕円柱形状の印刷対象物２２に印刷を行うにあたり、図４（ａ）及び（ｂ）に示す印刷対象物２２の表面の一部であり印刷基準点Ｂ０から離れた印刷対象点Ｂ１に位置する印刷線に印刷を行うときに、インクを精度良く着弾させるためには印刷対象物２２の表面に対してプリンタヘッド１１の垂直Ｙ０軸と印刷線における法線方向が常に一致するように、図４（ｂ）に示すように、印刷対象物１２を回転角度ｂ１だけＡ軸方向に回転させつつ、プリンタヘッド１１をｙ１の位置に移動させて印刷を行う。

また、図４（ｃ）に示すような、切頭円錐形状の印刷対象物１２に印刷を行うにあたり、印刷対象物１２の表面とプリンタヘッド１１のノズル面が平行になるか、あるいは、印刷対象物１２が曲率を有する物体である場合は印刷対象点の接平面が上記ノズル面と平行になるように、図４（ｄ）に示すように、Ａ軸を傾斜角ａ１だけＢ軸方向に傾斜させる。また、プリンタヘッド１１のノズル面と印刷対象物１２の印刷領域との距離ｇを一定に保つため、Ｚ座標をｚ１に及びＸ座標をｘ１にして、印刷領域の基準点とノズルの基準点とを一致させる。

以上の原理を用いて、印刷対象物１２の表面の印刷線１３ａ、印刷線１３ｂ、印刷線１３ｃ・・・に連続的にインクを吐出して印刷を行うためには、各印刷線１３ａ，印刷線１３ｂ，印刷線１３ｃ・・・に対応するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、及びＢ軸上の位置を示す座標データの値を求める必要がある。以下、これらの座標データの生成手順及び生成した座標データに基づく印刷等の方法について説明する。なお、３次元プリンタ１では、上述した移動制御装置及びプリント制御装置（第１制御装置７及び第２制御装置８）によりプリンタヘッド１１及び印刷対象物１２等の相対移動、並びにインクの吐出が行われる。また、３次元プリンタ１は、ＣＡＤデータやポリゴンデータ、または３次元撮影機により得られた印刷対象物の表面形状データを予め備えており、当該表面形状データは予めデジタリングされ上記Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸で構成されるＸＹＺ空間に形成されている。なお、以下では、図５に示すような、ドーム形状の３次元物体１００に対して後述する印刷パス等の座標データを求め印刷を施す例を用いて説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、印刷を開始する基準となる面（以下、基準面と称する）、基準面に対して直交し３次元物体１００の中心を通る回転軸、及び基準面と３次元物体１００との交点３１（１）を定め、交点３１（１）から回転軸を中心に角度θ１ずつ回転させて、基準面における３次元物体１００の外周形状を求める。具体的には、例えば、基準面をＹＺ平面、回転軸をＸ軸とした場合、図５（ａ）に示すように、まずＹＺ平面と３次元物体１００との交点である交点３１（１）を定め、Ｘ軸を中心に角度θ１ずつ回転させて、順次ＹＺ平面と３次元物体１００との交点を３１（２）・・・３１（ｎ）として求めていく。そして、交点３１（１）〜（ｎ）の間を補間曲線で補間して、図５（ｂ）のように、外周曲線３２（１）を生成する。なお、ｎは理論的には２以上の自然数とすることができるが精度を上げるためある程度大きい数字にすることが好ましい。また、このとき用いる補間曲線の種類としては、スプライン曲線を用いることができるが、ｎ個の点から曲線を生成することができれば、ラグランジュ補間等、他の補間方法を用いることも可能である。

上記のように外周曲線３２を生成した後は印刷開始点を定める。印刷開始点としては、外周曲線３２上の点を用いることができるが、ここでは、図５（ｃ）のように、外周曲線３２（１）とＺ軸との交点を印刷開始点３３（１）とする。そして、印刷開始点３３（１）と同一の点を交点３４（１）とし、交点３４（１）から上記基準面に対して平行な軸を中心に角度θ２ずつ回転させて、基準面と直交する面における３次元物体１００の外周形状を求める。具体的には、例えば、上記基準面（ＹＺ平面）と直交する面をＸＺ平面とし、交点３４（１）からＹ軸を中心に角度θ２ずつ回転させる場合、交点３４（１）から順次ＸＺ平面と３次元物体１００との交点を３４（２）、３４（３）・・・３４（ｎ）として求めていくことができる。なお、θ２は、最後の交点３４（ｎ）がＸ軸と一致する位置になるように定められ、π／｛２（ｎ−１）｝（ｒａｄ）とすることができる。交点３４（１）〜（ｎ）の間は、上記交点３１（１）〜（ｎ）と同様、補間曲線により補間し、図５（ｄ）のように、曲線３５（１）を生成する。このとき用いる補間曲線の種類としても、交点３１（１）〜（ｎ）と同様、スプライン曲線等を用いることができ、他種の様々な補間方法を用いることもできる。

また、図５（ｂ）に示した外周曲線３２（１）において、所定の印刷解像度に基づいて間隔ΔＬを規定し（図６（ａ）参照）、上述した曲線３５（１）と同様に、間隔ΔＬごとに曲線３５（２）・・・３５（ｎ）を生成する。これらの曲線３５（１）〜（ｎ）は、図６（ａ）に示すように、地球儀上の経線に相当するものである。ここで、曲線３５（１）と外周曲線３２（１）との交点を基準点３６（１）、曲線３５（２）と外周曲線３２（１）との基準点を３６（２）・・・、曲線３５（ｎ）と外周曲線３２（１）との基準点を３６（ｎ）とする。そして、図６（ｂ）に示すように、曲線３５（１）〜（ｎ）上における基準点３６（１）〜（ｎ）から距離ｄだけ離れた３次元物体１００上の点をそれぞれ点３７（１）〜（ｎ）とする。また、点３７（１）〜（ｎ）をスプライン関数等により補間して曲線３２（２）を得る。同様の方法で、図６（ｃ）に示すように、距離ｄ毎に曲線３２（３）・・・（ｎ）を生成する。なお、曲線３２（１）〜（ｎ）は、地球儀上の緯線に相当するものである。また、上記距離ｄは、ノズル列の長さと同一になるように定められ、曲線３２（ｎ）のｎの値は、当該長さのノズルを用いて対象の印刷領域に印刷を施すことが可能な値となっている。

そして、図６（ｄ）に示すように、曲線３５（１）上における外周曲線３２（１）と曲線３２（２）との間の線分を線分３８（１）、曲線３５（２）上における外周曲線３２（１）と曲線３２（２）との間の線分を線分３８（２）・・・、曲線３５（ｎ）上における外周曲線３２（１）と曲線３２（２）との間の線分を線分３８（ｎ）とすると、これらの線分３８（１）〜（ｎ）が、プリンタヘッド１１から３次元物体１００の表面にインクを吐出させながら最初に１周させる印刷パス用の座標となる。すなわち線分３８（１）〜（ｎ）の長さはノズル列の長さと同一になっており、これらの線分３８（１）〜（ｎ）を求めた後、これに沿ってプリンタヘッド１１のノズル列の位置を移動させながらインクを吐出させていくことにより印刷が行われる。

なお、３次元物体１００に印刷を施すための座標データ（印刷パス）として、図６（ｄ）に示すように、線分３８（１）〜（ｎ）それぞれの中点から該中点に対して垂直な法線ベクトル３９（１）〜（ｎ）を求める。これらの法線ベクトル３９（１）〜（ｎ）はプリンタヘッド１１のノズル面と３次元物体１００の表面とを平行にさせるための該表面における法線ベクトルであり、プリンタヘッド１１は、そのノズル面が法線ベクトル３９（１）〜（ｎ）と直交する状態を維持しながら移動する。また、法線ベクトル３９（１）〜（ｎ）とＸＺ平面とのなす角が上述した３次元物体１００のＡ座標（Ａ軸方向の傾斜）に相当する。さらに、法線ベクトル３９（１）〜（ｎ）の始点の位置が上述したＸ座標（Ｘ軸方向の位置）に相当し、当該始点と座標系の基準点までの距離が３次元物体１００の表面への回転中心からの半径距離となる。

以上のように、線分３８（１）〜（ｎ）及び法線ベクトル３９（１）〜（ｎ）に基づいて、プリンタヘッド１１及び３次元物体１００を移動させるための座標データｘ，ｙ，ｚ，ａ，ｂを求めることができ、これらの座標データを用いてプリンタヘッド１１及び３次元物体１００を平行移動及び回転移動させることにより３次元物体１００の表面に順次印刷を施すことができる。なお、上記の方法においては、印刷が頂点に進むほど（曲線３２（１）から曲線３２（ｎ）に進むほど）解像度が上昇し画質が向上するが、この曲線の位置による画質の変化については画像処理等別の方法で対処することが可能であるため、本実施形態ではその記載を省略する。

以上のようにして、プリンタヘッド１１を、そのノズル面が法線ベクトル３９（１）〜（ｎ）と直交する状態を維持させながら３次元物体１００の線分３８（１）〜（ｎ）上を相対移動させインクの吐出を行い線分３８（１）〜（ｎ）上に印刷を施すことができる（１回目の印刷パス）。そして、これと同様にプリンタヘッド１１をあとｎ−１周相対移動させながら残りｎ−１回の印刷パスを経ることにより、３次元物体１００への印刷が完了する。この時、例えば上記外周曲線３２（１）を基準線とした線分３８（１）〜（ｎ）までの印刷（１回目の印刷パス）が終了した後連続して曲線３２（２）を基準線とした印刷（２回目の印刷パス）を行うことはできず、前の印刷パスから次の印刷パスへ移行させるときには送りパスを介在させる必要がある。すなわち、最初の印刷パスが終了した後は、基準線を外周曲線３２（１）から曲線３２（２）に移行させるためにプリンタヘッド１１をインクを吐出させずに３次元物体１００上を１周相対回転させる必要がある。具体的には、プリンタヘッド１１を曲線３５（１）〜（ｎ）まで相対回転させる間に基準線を外周曲線３２（１）から曲線３２（２）に移行させる必要がある。以下でこの移行のための経路（送りパス）を求める方法について説明する。

上記送りパスとしては、図７に示すように、曲線３５（１）上における線分３８（１）からｄ×１／ｎだけ曲線３２（２）側（頂点側）に移動させた線分４０（１）、曲線３５（２）上における線分３８（２）からｄ×２／ｎだけ曲線３２（２）側に移動させた線分４０（２）・・・、曲線３５（ｎ）上における線分３８（ｎ）からｄ×ｎ／ｎ（＝ｄ）だけ曲線３２（２）側に移動させた線分４０（ｎ）を使用することができる。更に、これらの線分４０（１）〜（ｎ）の中点から該中点それぞれに対して垂直な法線ベクトル４１（１）〜（ｎ）を求める。そして、これらの線分４０（１）〜（ｎ）上を、法線ベクトル４１（１）〜（ｎ）とプリンタヘッド１１のノズル面とが直交した状態を維持させながら、インクを吐出させずに移動させる経路が送りパスとなる。

外周曲線３２（１）を基準線として最初の印刷パスを終了した後は上記のように、プリンタヘッド１１をインクを吐出させずに移動させながら基準線を外周曲線３２（１）から曲線３２（２）に移行させる送りパスを経て、次の印刷パス（曲線３２（２）を基準線とした印刷パス）に移行させることができる。なお、上記では、送りパスとして、プリンタヘッド１１を無印刷状態で１回転させる間に基準線を移行させる経路を示しているが、機械的な動作速度等を向上させれば、プリンタヘッド１１を１回転させるまでもなく例えば半回転あるいは１／４回転させる間に基準線を移行させる経路を送りパスとすることもできる。また、印刷可能領域に対して、実際の印刷領域が小さい場合（無印刷領域が大きい場合）は、無印刷領域上で基準線を移行させる経路を送りパスとすることもできる。

また、上記印刷パス及び送りパスの生成方法を、紫外線硬化型インク（以下、ＵＶインクと称する）を用いた場合における紫外線の照射に応用することができる。すなわち、ＵＶインク吐出後にＵＶインクに紫外光を照射するＵＶ光源を走査させる硬化パスに応用させることができる。この硬化パスの生成方法について以下で説明する。以下では、ＵＶ光源がプリンタヘッド１１と同様Ｙ軸方向に移動自在に支持されている例を挙げて説明する。

硬化パスにおいては、基本的に上記印刷パスと同様、ＵＶ光源を３次元物体１００の表面の直上に移動させる必要がある。すなわち、ＵＶ光源を３次元物体１００の表面に対して平行に配置させる前提で硬化パスを生成する必要がある。硬化パスは、３次元物体１００の表面に対してＵＶインクの吐出が終了しプリンタヘッド１１を退避させた後ＵＶ光源を３次元物体１００の表面の直上に移動させる第１パスと、紫外光を照射しながらＵＶ硬化処理を行う第２パスと、ＵＶ硬化処理後にＵＶ光源を元の位置に退避させる第３パスとから構成される。

なお、上記第１乃至第３パスのそれぞれで１回ずつ３次元物体１００を回転させる例について説明すると、まず第１パスとして、印刷パスが１回終了した後当該印刷パスと同一の座標データに基づいて３次元物体１００を回転させ、この回転中にプリンタヘッド１１を退避させＵＶ光源を３次元物体１００の直上に移動させるための経路、すなわちＵＶ光源のＹ座標を変化させる経路により生成できる。また、第２パスは、ＵＶ光源を印刷パスと同様３次元物体１００上で相対回転させる経路を求めることにより生成でき、第３パスは、３次元物体１００を１回転させている間にＵＶ光源を退避させプリンタヘッド１１を３次元物体１００の直上に戻す経路、すなわち第１パスと同様ＵＶ光源のＹ座標を変化させる経路により生成できる。

なお、上記の硬化パスと印刷パスとの関係について、例えば、硬化処理後の第３パス（ＵＶ光源の退避及びプリンタヘッド１１の３次元物体１００上への移動）を行っている間に、上述した送りパスを実行してもよい。また、送りパスと同様、機械的な動作速度等を向上させた場合、３次元物体１００を一回転させるまでもなく例えば半回転させる間に硬化パス（第１〜第３パス）を素早く実行させることもできる。

続いて、３次元物体１００からプリンタヘッド１１のインクを吐出させる対象となる印刷領域を求める方法について、図８を参照しながら説明する。まず印刷領域の外郭は、図６（ｂ）等に示す曲線３２（１）〜（ｎ）を基準線（インク着弾点）として展開した図で示される。図８にその展開図を示すが、この展開図は、印刷開始点３３（１）を基準とした図、すなわち、印刷開始点３３（１）を中央真下にして展開させた形状になっている。

そして、印刷解像度を一定の値とし、上記展開図において、印刷の基準となる外周曲線３２（１）の長さを印刷解像度で除した値をドット数５０（１）、曲線３２（２）の長さを印刷解像度で除した値をドット数５０（２）・・・、曲線３２（ｎ）の長さを印刷解像度で除した値をドット数５０（ｎ）として求める。これらのドット数５０（１）〜（ｎ）には、曲線３２（１）と３２（２）の間・・・、曲線３２（ｎ−１）と３２（ｎ）の間における、印刷線長に対応したノズルから吐出されるインク滴のドット数が対応する。このように曲線３２（１）〜（ｎ）におけるドット数５０（１）〜（ｎ）を求めることにより印刷領域が得られる。

以上のように、展開図内に所望の画像を入力し、上述した印刷パスに基づいて印刷領域を得て、当該印刷領域にインクを吐出させることにより、３次元物体１００の表面に画像を生成させることができる。なお、上記印刷領域は、印刷解像度が一定であることを前提として作成されているが、印刷距離の変化に対して印刷解像度が変化する現象が発生することがあるため、実際には、印刷解像度の変化を考慮し印刷領域の形状等の補正を行う。

以上、本実施形態における３次元プリンタ１は、ＣＡＤデータ、ポリゴンデータ等から得られる印刷対象物の表面形状データを備え、当該表面形状データに基づいて、線分３８（１）〜（ｎ）及び法線ベクトル３９（１）〜（ｎ）等の座標データを生成し、印刷パス、硬化パスの生成、及び印刷領域を求めることを可能にしている。よって、従来のように、複雑な計算を要することなく印刷等を行うことができる。

なお、上記の表面形状データは、表面形状の座標を計算できる情報を備えたものであれば、上記ＣＡＤデータ、ポリゴンデータに限定されることはない。また、印刷パス、硬化パスの生成、及び印刷領域等を求めるための基礎となる表面形状データについては、上記のように予め保持させておいてもよいし、座標データの計算の前に外部から入力させるようにしてもよい。

また、上記では５軸構造の３次元プリンタ１を例示して説明したが、本発明の適用対象は、上述した構成の３次元プリンタ１に限定されることはない。また、６軸構造の３次元プリンタに本発明を応用することも可能であり、例えば、上記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、及びＢ軸に加え、図９（ｂ）に示すようなＣ軸を備えた３次元プリンタに対しても本発明を適用させることができる。なお、この種の３次元プリンタは、図９（ａ）に示すように、上記実施形態同様のプリンタヘッド１１１を備え、上底面及び下底面が長方形であり上底面の面積が下底面の面積より小さい切頭角錐形状の３次元物体１１２に印刷を施すことが可能となっている。また、Ｚ軸回りに３次元物体１１２を旋回させるためのＣ軸を有し、このＣ軸に沿って旋回させながら印刷を施すことにより、５軸構造の３次元プリンタでは連続したパスを生成できず効率良く印刷等できない３次元物体１１２の端部の領域１１２ａに対しても、効率良く印刷を施すことができる。

そして、上述した本発明の表面形状データから印刷パス等の座標データを生成する方法については、３次元プリンタだけでなく、２次元のプリンタやカッティングプロッタ等に対しても応用させることができる。

１ ３次元プリンタ
５ キャリッジ（ヘッド移動支持装置）
５ａ 前端部（ヘッド移動支持装置）
７ 第１制御装置（相対移動制御装置、プリント制御装置）
８ 第２制御装置（相対移動制御装置、プリント制御装置）
１１ プリンタヘッド
１２，２２ 印刷対象物
６０ 第１支持部材（３次元移動支持装置）
６５ 第２支持部材（３次元移動支持装置）
７０ 第３支持部材（３次元移動支持装置）
７５ 保持シャフト（対象物保持装置）
７６ 保持チャック（対象物保持装置）
１００，１１２ ３次元物体（印刷対象物）

Claims (6)

1. インクを吐出するノズルが所定方向に並んで多数設けられるノズル列が形成されるノズル面を備えたプリンタヘッドを有し、３次元形状の印刷対象物の表面における印刷対象点に前記プリンタヘッドのノズルからインクを吐出して前記印刷対象物の表面に所定の印刷を施す３次元プリンタであって、
   前記印刷対象物を保持する対象物保持装置と、
   前記対象物保持装置を３次元空間内に移動可能に支持する３次元移動支持装置と、
   前記プリンタヘッドを、前記ノズル面が前記対象物保持装置に保持された前記印刷対象物の表面に対向する位置を通るように、移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、
   前記プリンタヘッドの前記ノズル面が前記印刷対象点に対して所定の間隔を維持するとともに、前記ノズル面が前記印刷対象点の接平面に対して平行となるように、前記３次元移動支持装置及び前記ヘッド移動支持装置により前記プリンタヘッドを前記対象物保持装置に保持された前記印刷対象物に対して相対移動させる制御を行う相対移動制御装置と、
   前記相対移動制御装置による相対移動制御に応じて、前記プリンタヘッドからのインクの吐出制御を行うプリント制御装置とを備え、
   前記対象物保持装置は、前記３次元空間内に設けられる回転軸を中心として、前記印刷対象物を回転可能に保持し、
   前記相対移動制御装置は、
   前記対象物保持装置に保持された前記印刷対象物の表面形状から、前記印刷対象物に印刷を開始する基準となり前記回転軸と直交する基準面と直交して前記回転軸を通る直交面における前記印刷対象物の外周曲線上に設けられる前記ノズル列と同一の長さの線分と、前記印刷対象点の前記接平面に対して直交する法線ベクトルとを求める工程と、
   前記ノズル列が前記線分に対向して前記ノズル面が前記法線ベクトルに対して直交するように、前記プリンタヘッドを前記印刷対象物に対して相対移動させる制御を行う工程とを実行し、
   前記線分および前記法線ベクトルを求める工程は、
   前記基準面における前記印刷対象物の外周曲線を求める第１の工程と、
   前記直交面における前記印刷対象物の外周曲線を求める動作を、前記第１の工程によって求められた外周曲線上において所定の印刷解像度に基づいて規定する間隔毎に離れた前記直交面毎に実行する第２の工程と、
   前記第２の工程によって求められた複数の外周曲線上に、これらの外周曲線上の基準点から前記ノズル列と同一の長さの距離だけ離れた点を定め、定めた点のそれぞれの間を補間して曲線を求める動作を、前記第１の工程によって求められた外周曲線から前記距離毎に離れた前記基準点毎に実行する第３の工程と、
   前記第２の工程によって求められた外周曲線を、前記第１の工程によって求められた外周曲線および前記第３の工程によって求められた複数の曲線によって区分して前記線分を求める第４の工程と、
   前記第４の工程によって求められた前記線分のそれぞれの中点から該中点に対して垂直な前記法線ベクトルを求める第５の工程とを含むことを特徴とする３次元プリンタ。
2. 前記印刷対象物の表面形状は、ＣＡＤデータ、ポリゴンデータ、または３次元撮影機で撮影される輪郭形状データから得られることを特徴とする請求項１に記載の３次元プリンタ。
3. インクを吐出するノズルが所定方向に並んで多数設けられるノズル列が形成されるノズル面を備えたプリンタヘッドを有し、３次元形状の印刷対象物の表面における印刷対象点に前記プリンタヘッドのノズルからインクを吐出して前記印刷対象物の表面に所定の印刷を施す３次元プリンタであって、
   前記印刷対象物を保持する対象物保持装置と、
   前記対象物保持装置を３次元空間内に移動可能に支持する３次元移動支持装置と、
   前記プリンタヘッドを、前記ノズル面が前記対象物保持装置に保持された前記印刷対象物の表面に対向する位置を通るように、移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、
   前記プリンタヘッドの前記ノズル面が前記印刷対象点に対して所定の間隔を維持するとともに、前記ノズル面が前記印刷対象点の接平面に対して平行となるように、前記３次元移動支持装置及び前記ヘッド移動支持装置により前記プリンタヘッドを前記対象物保持装置に保持された前記印刷対象物に対して相対移動させる制御を行う相対移動制御装置と、
   前記相対移動制御装置による相対移動制御に応じて、前記プリンタヘッドからのインクの吐出制御を行うプリント制御装置とを備え、
   前記対象物保持装置は、前記３次元空間内に設けられる回転軸を中心として、前記印刷対象物を回転可能に保持する前記３次元プリンタの制御方法であって、
   前記相対移動制御装置に、
   前記対象物保持装置に保持された前記印刷対象物の表面形状から、前記印刷対象物に印刷を開始する基準となり前記回転軸と直交する基準面と直交して前記回転軸を通る直交面における前記印刷対象物の外周曲線上に設けられる前記ノズル列と同一の長さの線分と、前記印刷対象点の前記接平面に対して直交する法線ベクトルとを求める工程と、
   前記ノズル列が前記線分に対向して前記ノズル面が前記法線ベクトルに対して直交するように、前記プリンタヘッドを前記印刷対象物に対して相対移動させる制御を行う工程とを実行させるように制御し、
   前記線分および前記法線ベクトルを求める工程は、
   前記基準面における前記印刷対象物の外周曲線を求める第１の工程と、
   前記直交面における前記印刷対象物の外周曲線を求める動作を、前記第１の工程によって求められた外周曲線上において所定の印刷解像度に基づいて規定する間隔毎に離れた前記直交面毎に実行する第２の工程と、
   前記第２の工程によって求められた複数の外周曲線上に、これらの外周曲線上の基準点から前記ノズル列と同一の長さの距離だけ離れた点を定め、定めた点のそれぞれの間を補間して曲線を求める動作を、前記第１の工程によって求められた外周曲線から前記距離毎に離れた前記基準点毎に実行する第３の工程と、
   前記第２の工程によって求められた外周曲線を、前記第１の工程によって求められた外周曲線および前記第３の工程によって求められた複数の曲線によって区分して前記線分を求める第４の工程と、
   前記第４の工程によって求められた前記線分のそれぞれの中点から該中点に対して垂直な前記法線ベクトルを求める第５の工程とを含むことを特徴とする３次元プリンタの制御方法。
4. 前記第１の工程は、前記基準面と、前記直交面の１つと、前記印刷対象物の表面との交点を定め、定めた交点から前記回転軸を中心に所定角度ずつ回転させて、前記基準面と、他の前記直交面と、前記印刷対象物の表面との交点を順次求め、定めた交点および求めた交点のそれぞれの間を補間して前記基準面における前記印刷対象物の外周曲線を求める工程であることを特徴とする請求項３に記載の３次元プリンタの制御方法。
5. 前記第２の工程は、前記第１の工程によって求められた外周曲線上に、前記基準面および前記回転軸を通り前記直交面と直交する軸を通り前記直交面上に存在する直線の１つと、前記印刷対象物の表面との交点を定め、定めた交点から、前記軸を中心に所定角度ずつ回転させて、他の前記直線と、前記印刷対象物の表面との交点を順次求め、定めた交点および求めた交点のそれぞれの間を補間して前記直交面における前記印刷対象物の外周曲線を求める動作を、前記第１の工程によって求められた外周曲線上において所定の印刷解像度に基づいて規定する間隔毎に離れた前記直交面毎に実行することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の３次元プリンタの制御方法。
6. 前記印刷対象物の表面形状は、ＣＡＤデータ、ポリゴンデータ、または３次元撮影機で撮影される輪郭形状データから得られることを特徴とする請求項３から請求項５までの何れかに記載の３次元プリンタの制御方法。