JP6477500B2 - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関する。

微小な吐出ノズルを有するインクジェットヘッドから画像形成材料を微小な液滴として吐出することによって、二次元画像を形成するインクジェット方式の二次元画像形成装置（例えば、インクジェットプリンター）が知られている。このインクジェット方式では、他の印字方式と同様に、高画質、高精細に印字が行えるよう改良が行われている。また、インクジェット方式は、印字対象物にインクジェットヘッドが接触せずに印字することが可能であるため、当該印字対象物の幅が広く、多くの産業分野で使用されている。

また、三次元の立体物（以下、「三次元造形物」）を造形するインクジェット方式の三次元造形装置が知られている。三次元造形装置には、ラピッド・プロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）と呼ばれる技術が使用されている。この技術は、１つの三次元造形物の表面を３角形の集まりとして記述したデータ（ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）フォーマットのデータ）により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状に従って各層を形成して三次元造形物を造形する技術である。また、三次元造形物を造形する手法としては、インクジェット方式の他に、溶融物堆積方式（ＦＤＭ：Fused Deposition Molding）、インクジェットバインダ方式、光造形方式（ＳＬ：Stereo Lithography）、粉末焼結方式（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）などが知られている。

インクジェット方式の三次元造形装置は、例えば、ステージに対してインクジェットヘッドから選択的に例えば光硬化性樹脂の造形材料（画像形成材料）を吐出する工程、その表面を平滑化する工程、および当該造形材料を硬化させる工程（光硬化性樹脂の場合は光照射工程）によって一層分の造形材料層（二次元画像）を形成し、この造形材料層を積層して三次元造形物を造形する。このような方式によれば、造形対象物の三次元形状に基づいて造形材料を微小な液滴（液滴径：数十［μｍ］）として吐出することにより高精細な造形材料層が形成されるため、これを積層することにより高精細な三次元造形物を造形することができる。また、インクジェットヘッドとして、複数の吐出ノズルが配列され副走査を不要とする長さを有するインクジェットヘッド（いわゆるラインヘッド）を使用することによって、大きな三次元造形物であっても比較的短時間で造形できるように工夫がされている。

特許文献１には、複数の方向性を有するパターンを均一な品質で印刷するため、一方向に印刷する第１インクジェットヘッドと、当該一方向と交差する他方向に印刷する第２インクジェットヘッドとを備えるインクジェットプリンターが開示されている。また、特許文献２には、印刷面と平行な面において回転可能な回転部材をインクジェットヘッドに設けたインクジェットプリンターが記載されている。また、特許文献３には、インクジェット方式の三次元形成装置が記載されている。

特開２０１０−５６５２２号公報 特開平５−９６７２８号公報 特開平２−３０７７３２号公報

しかしながら、上述した二次元画像形成装置や三次元造形装置において二次元画像を形成する際、液滴の着弾位置にばらつき（ムラ）が生じ、ひいては形成された二次元画像の品質が低下するという問題があった。これにより、三次元造形物を造形する場合には、三次元造形物の品質の低下にもつながってしまう。液滴の着弾位置にばらつきが生じる理由は、インクジェットヘッドから吐出された液滴が印字対象物（造形ステージなど）に接触するまでに多くの外的要因が存在するためである。外的要因としては例えば、インクジェットヘッドの品質ムラ、吐出ノズルの詰まり具合、液滴の粘度のばらつき、インクジェットヘッドの移動方向、印字対象物とインクジェットヘッドとの相対位置関係などが挙げられる。

図１を参照し、上述した問題について具体的に説明する。図１は、複数の吐出ノズル１０が列状に配列されたインクジェットヘッド１２を図中Ｘ方向に移動させながら画像形成材料の液滴を吐出することによって、複数の線分（直線部）からなる五角形２０（二次元画像）を形成する様子を示している。図１に示すように、インクジェットヘッド１２は、吐出ノズル１０の配列方向（図中Ｙ方向）に直交する主走査方向（図中Ｘ方向）に移動することによって、１つの吐出ノズル１０で線分Ｂを印字できるように配置されている。線分Ｂを印字する場合、使用される吐出ノズル１０は１つであるため、図中Ｙ方向に対する液滴のブレはほぼなく線分Ｂ全体の線幅は安定し、その結果、線分Ｂの再現性は高くなる。

一方、線分Ａについては、インクジェットヘッド１２が線分Ａを形成するべき位置に達したときに、多数の吐出ノズル１０を使用して液滴を吐出する（図１の場合では、あるタイミングで各吐出ノズル１０から液滴を一斉に吐出する）ことによって印字されるため、吐出ノズル１０毎の誤差（より具体的には、吐出タイミングの誤差）を拾いやすく、液滴の着弾位置にばらつきが生じやすい。そのため、印字された線分Ａには、ジャギー（階段状のギザギザ）が発生し、その結果、線分Ａの再現性は低くなる。

また、線分Ｃについては、斜め線であり、インクジェットヘッド１２の主走査方向（図中Ｘ方向）および吐出ノズル１０の配列方向（図中Ｙ方向）に非平行となるため、液滴が階段状に着弾することによって印字される。そのため、印字された線分Ｃには、ジャギーが発生し、その結果、線幅Ｃの再現性は低くなる。

図１を参照して説明したように、二次元画像を形成する場合に、インクジェットヘッド１２の主走査方向との関係によって、印字される線分Ａ〜Ｃの再現性に異方性が生じてしまう。そのため、ユーザーとしては、二次元画像に含まれる線分Ａ〜Ｃについて、意図した線幅となるように（例えば、線分Ａ〜Ｃの線幅の再現性が揃うように）、線幅の再現性を制御したいという要望が大きい。

なお、特許文献１に記載の技術では、図１に示す線分Ａ〜Ｃのうち、第１インクジェットヘッドおよび第２インクジェットヘッドの移動方向（主走査方向）に平行な線分Ａ，Ｂの再現性を確保することができても、当該移動方向に非平行な線分Ｃの再現性を確保することはできないという問題があった。また、特許文献２に記載の技術では、印刷面と平行な面においてインクジェットヘッドを回転可能とし、主走査方向に対する角度を調整することで解像度を変化させることはできるが、上述したジャギーの発生を回避することはできない。また、特許文献３に記載の装置では、水平方向から造形材料を吐出する吐出ノズルを、造形物の周囲に回転できるように構成しているが、ステージに向けて吐出する吐出ヘッドを主走査方向にガイドするガイド部材をステージに対して回転することは記載されていない。

本発明の目的は、二次元画像が有する直線部について線幅の再現性を制御することが可能な二次元画像形成装置、三次元造形装置、二次元画像形成方法および三次元造形方法を提供することである。

本発明に係る三次元造形装置は、
列状に配列された複数の吐出ノズルを有し、ステージ上に二次元画像を形成するために、前記ステージに向けて当該吐出ノズルから画像形成材料を吐出する吐出部と、
前記複数の吐出ノズルの配列方向に交差する主走査方向において、前記吐出部および前記ステージの少なくとも一方の移動をガイドするガイド部材を備え、当該ガイド部材に沿って前記吐出部を前記ステージに対して相対的に移動させる主走査方向移動部と、
前記ステージと平行な平面において、前記二次元画像が有する直線部の再現性を高くすることが重視される場合には前記直線部に対して前記主走査方向が平行となるように、三次元造形物の表面に生じる積層痕を目立たなくさせることが重視される場合には前記直線部に対して前記主走査方向が非平行となるように、前記ガイド部材および前記ステージの少なくとも一方を回転させることにより、前記主走査方向と前記ステージとの相対的な回転位置を変化させる回転部と、
高さ方向において前記吐出部および前記ステージの少なくとも一方を移動させる高さ方向移動部と、
を備え、
前記吐出ノズルから吐出された前記画像形成材料によって前記ステージ上の造形面に前記二次元画像を順に形成し前記高さ方向に積層することによって前記三次元造形物を造形する。

本発明に係る三次元造形方法は、
ステージ上に二次元画像を形成するために、列状に配列され前記ステージに向けて画像形成材料を吐出する複数の吐出ノズルを有する吐出部を、ガイド部材に沿って前記複数の吐出ノズルの配列方向に交差する主走査方向に、前記ステージに対して相対的に移動させながら、前記画像形成材料を前記複数の吐出ノズルから吐出し、
前記ステージと平行な平面において、前記二次元画像が有する直線部の再現性を高くすることが重視される場合には前記直線部に対して前記主走査方向が平行となるように、三次元造形物の表面に生じる積層痕を目立たなくさせることが重視される場合には前記直線部に対して前記主走査方向が非平行となるように、前記ガイド部材および前記ステージの少なくとも一方を回転させることにより、前記主走査方向と前記ステージとの相対的な回転位置を変化させ、
前記主走査方向に対する回転位置が変化した前記ステージに対して、前記吐出部を前記主走査方向に前記ステージに対して相対的に移動させながら、前記画像形成材料を前記複数の吐出ノズルから吐出し、
高さ方向において前記吐出部および前記ステージの少なくとも一方を移動させ、
前記吐出部に対する高さ方向の位置が変化した前記ステージに対して、前記吐出部を前記主走査方向に前記ステージに対して相対的に移動させながら、前記画像形成材料を前記複数の吐出ノズルから吐出し、
前記吐出ノズルから吐出された前記画像形成材料によって前記ステージ上の造形面に前記二次元画像を順に形成し前記高さ方向に積層することによって前記三次元造形物を造形する。

本発明によれば、ステージと平行な平面において、吐出部の主走査方向とステージとの相対的な回転位置を任意に変更することが可能となる。このため、ステージ上に形成される二次元画像が有する直線部と、吐出部（吐出ノズル）の移動方向との平行度合いを任意に変更することができる。したがって、二次元画像が有する直線部について線幅の再現性を制御することができる。また、本発明の三次元造形装置においては、三次元造形物の表面形状の再現性を制御することができる。

従来技術の問題点を説明する図である。 本実施の形態に係る三次元造形装置の構成を概略的に示す図である。 本実施の形態に係る三次元造形装置の制御系の主要部を示す図である。 本実施の形態に係るヘッドユニットの構成を示す図である。 図５Ａ〜５Ｃは、ヘッドユニットの主走査方向と造形ステージとの相対的な回転位置を示す図である。 本実施の形態に係る三次元造形装置の構成の変形例を概略的に示す図である。 本実施の形態に係る三次元造形装置の制御系の主要部の変形例を示す図である。 図８Ａ〜８Ｃは、ヘッドユニットの主走査方向とステージとの相対的な回転位置を示す図である。 ヘッドユニットの主走査方向と三次元造形物に発生する積層痕との関係を説明する図である。 図１０Ａ〜１０Ｃは、ヘッドユニットの主走査方向と造形ステージとの相対的な回転位置を示す図である。

以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図２は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の構成を概略的に示す図である。図３は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の制御系の主要部を示す図である。図２、３に示す三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０上に造形材料（画像形成材料）からなる造形材料層２１０（二次元画像）を順に形成して積層することによって、三次元造形物２００を造形する。

三次元造形装置１００は、各部の制御や３Ｄデータの取り扱いを行うための制御部１１０、造形材料を用いて造形を行うためのヘッドユニット１２０、三次元造形物２００が形成される造形ステージ１４０、造形ステージ１４０を回転および高さ方向に移動させるためのステージ回転移動部１３０、造形ステージ１４０、ヘッドユニット１２０を主走査方向へ移動させるためのヘッドユニット移動部１５０、各種情報を表示するための表示部１６０、外部機器との間で３Ｄデータ等の各種情報を送受信するためのデータ入力部１７０、および、ユーザーからの指示を受け付けるための操作部１８０を筐体１０５の内部に備える。三次元造形装置１００には、造形対象物を設計するための、あるいは、三次元測定機を用いて実物を測定して得られた三次元情報に基づいて造形用のデータを生成するためのコンピューター装置１９０が接続される。本実施の形態においては、ヘッドユニット移動部１５０が、後述する吐出部を含むヘッドユニット１２０を主走査方向へ移動させるための主走査方向移動部として機能する。また、ステージ回転移動部１３０が、造形ステージ１４０と平行な平面において、後述するガイド部材および造形ステージ１４０の少なくとも一方を回転させることにより、主走査方向と造形ステージ１４０との相対的な回転位置を変化させる回転部として機能する。

データ入力部１７０は、造形対象物の三次元形状を示す３Ｄデータ（ＣＡＤデータやデザインデータなど）をコンピューター装置１９０から受け取り、制御部１１０に出力する。ＣＡＤデータやデザインデータには、造形対象物の三次元形状だけに限らず、造形対象物の表面の一部または全面および内部におけるカラー画像情報が含まれている場合もある。なお、３Ｄデータを取得する方法は特に限定されず、有線通信や無線通信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの短距離無線通信を利用して取得しても良いし、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリなどの記録媒体を利用して取得しても良い。また、この３Ｄデータは、当該３Ｄデータを管理および保存するサーバーなどから取得しても良い。

制御部１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算手段を有しており、データ入力部１７０から３Ｄデータを取得し、取得した３Ｄデータの解析処理や演算処理を行う。制御部１１０は、データ入力部１７０から取得した３Ｄデータを、積層方向について薄く切った複数のスライスデータに変換する。スライスデータは、三次元造形物２００を造形するための造形材料層毎のデータである。スライスデータの厚み、すなわち造形材料層の厚みは、造形材料層の一層分の厚さに応じた距離（積層ピッチ）と一致する。例えば、造形材料層の厚みが０．０５［ｍｍ］である場合、制御部１１０は、１［ｍｍ］の高さの積層に必要な連続した２０［枚］のスライスデータを３Ｄデータから切り出す。

また、制御部１１０は、三次元造形物２００の造形動作中、三次元造形装置１００全体の動作を制御する。例えば、造形材料を所望の場所に吐出するための機構制御情報をステージ回転移動部１３０およびヘッドユニット移動部１５０に対して出力するとともに、ヘッドユニット１２０に対してスライスデータを出力する。すなわち、制御部１１０は、ヘッドユニット１２０と、ステージ回転移動部１３０およびヘッドユニット移動部１５０とを同期させて制御する。

表示部１６０は、制御部１１０の制御を受けて、ユーザーに認識させるべき各種の情報やメッセージを表示する。操作部１８０は、テンキー、スタートキー等の各種操作キーを備え、ユーザーによる各種入力操作を受け付けて、操作信号を制御部１１０に出力する。

造形ステージ１４０は、ヘッドユニット１２０の下方に配置される。造形ステージ１４０には、ヘッドユニット１２０によって造形材料層が形成され、この造形材料層が積層されることにより三次元造形物２００が造形される。より具体的には、ヘッドユニット１２０は、一層分の造形材料層を形成する際、ヘッドユニット１２０が有する複数の吐出ノズルの配列方向に直交する主走査方向（図中Ｘ方向）に造形ステージ１４０上の一方の端部から他方の端部まで移動しながら、造形ステージ１４０に向けて造形材料を吐出する（第１動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、造形材料の吐出を一旦停止し、Ｘ方向に造形ステージ１４０上の他方の端部から一方の端部まで移動する（第２動作）。この第１動作および第２動作によって、ヘッドユニット１２０は、造形ステージ１４０上の所定の領域を移動し、一層分の造形材料層を形成する。

ヘッドユニット移動部１５０は、図２に示すように、筺体１０５に取り付けられたガイド部材（直線ガイド）１５１と、図示しないモーター等の駆動源を含む駆動機構とを備えている。ガイド部材１５１は、ヘッドユニット１２０の上部に係合し、造形ステージ１４０上においてヘッドユニット１２０を主走査方向に造形ステージ１４０に沿って移動するようにガイドするためのガイド部材である。ヘッドユニット移動部１５０は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って、不図示の駆動機構を用いてヘッドユニット１２０を主走査方向に自在に移動させる（図２を参照）。これによって、ヘッドユニット１２０は造形ステージ１４０に沿って移動することになる。なお、ヘッドユニット１２０の位置を固定し、造形ステージ１４０を主走査方向に移動させるように構成しても良いし、ヘッドユニット１２０と造形ステージ１４０との双方を主走査方向に移動させるように構成しても良い。

ステージ回転移動部１３０は、造形ステージ１４０を鉛直方向に延びる回転軸を中心にして回転可能に支持し、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、造形ステージ１４０の造形材料支持面と平行な平面において、ヘッドユニット移動部１５０のガイド部材１５１に対して造形ステージ１４０を図中矢印Ａ方向に回転させる。つまり、ステージ回転移動部１３０は、ヘッドユニット移動部１５０によるヘッドユニット１２０の移動方向（主走査方向）と造形ステージ１４０との相対的な回転位置を変更する。なお、ステージ回転移動部１３０は、造形ステージ１４０を支持しながら自らが回転することによって造形ステージ１４０を回転させても良いし、造形ステージ１４０を支持する回転体を有し、当該回転体を回転させることによって造形ステージ１４０を回転させても良い。ステージ回転移動部１３０による造形ステージ１４０の回転量は、数［μｍ］の精度で制御できることが好ましい。なお、回転方向Ａは造形ステージ１４０を上方から見たときに時計回りでも良いし、反時計回りでも良い。制御部１１０が、スライスデータに基づいて、二次元画像を形成するのに回転が最小化されるように回転方向を決定し、この決定された方向に回転させるようにしても良い。

また、ステージ回転移動部１３０は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って自らが沈み込むことによって、造形ステージ１４０を高さ方向（図２中上下方向）下方に移動させてヘッドユニット１２０と三次元造形物２００との間隔を調整する。すなわち、造形ステージ１４０は、ステージ回転移動部１３０によって高さ方向に移動可能に構成されており、造形ステージ１４０の表面は、１層目の造形材料層が形成されるときの造形面であり、造形ステージ１４０上にＮ層目（Ｎは自然数）の造形材料層が形成された後、積層ピッチだけ高さ方向下方に移動する。そして、このＮ層目の造形材料層の上面を新たな造形面として、造形ステージ１４０上にＮ＋１層目の造形材料層が形成された後、積層ピッチだけ高さ方向下方に再び移動する。なお、造形ステージ１４０の高さ方向位置を固定し、ヘッドユニット１２０を高さ方向上方に移動させても良いし、ヘッドユニット１２０と造形ステージ１４０との双方を高さ方向に移動させるように構成しても良い。

ヘッドユニット１２０は、図３，４に示すように、インクジェット方式の第１吐出部１２２および第２吐出部１２４、平滑化部１２６、光源１２８を筐体１２１の内部に備える。本実施の形態では、ヘッドユニット１２０は、２色からなる三次元造形物２００を造形するため、それぞれ異なる色の造形材料を吐出可能な第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を備えている。なお、ヘッドユニット１２０は、それぞれ異なる色の造形材料を吐出可能な３つ以上の吐出部を備えても良い。なお、一方の吐出部からは造形物を構成するモデル材となる造形材料を吐出し、他方の吐出部からは造形中に造形物を保持し、造形完了後に除去されるサポート材となる造形材料を吐出するようにしても良い。

第１吐出部１２２は、長手方向（図２中Ｘ方向に直交する方向）に列状に配列された複数の吐出ノズル１２２Ａを有する。第１吐出部１２２は、長手方向に直交する主走査方向（Ｘ方向）に移動しながら、造形ステージ１４０に向けて複数の吐出ノズル１２２Ａから造形材料の液滴を選択的に吐出する。第１吐出部１２２は、１層分の造形材料層が形成される際、その造形材料層に対応するスライスデータに基づいて造形材料の液滴を吐出する。

第２吐出部１２４は、第１吐出部１２２と同様に、長手方向（図２中Ｘ方向に直交する方向）に列状に配列された複数の吐出ノズル１２４Ａを有する。第２吐出部１２４は、長手方向に直交する主走査方向（Ｘ方向）に移動しながら、造形ステージ１４０に向けて複数の吐出ノズル１２４Ａから造形材料の液滴を選択的に吐出する。第２吐出部１２４は、１層分の造形材料層が形成される際、その造形材料層に対応するスライスデータに基づいて造形材料の液滴を吐出する。

第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の吐出動作によって造形ステージ１４０上の所望の領域に造形材料層が形成される。造形材料層は、光照射による硬化処理が施されることにより半硬化する。ここで、半硬化とは、層（造形材料層）として形状を維持することができる程度の粘度を有するように硬化された状態を言う。

第１吐出部１２２および第２吐出部１２４は、それぞれ異なる造形材料貯蔵タンク（図示せず）に接続され、造形材料貯蔵タンクから造形材料の供給を受ける。造形材料貯蔵タンクは、造形材料を吐出可能な状態で貯留する。造形材料貯蔵タンク内の造形材料量が少なくなった場合には、造形材料貯蔵タンクに設けられた補充口から造形材料を補充しても良いし（補充方式）、新しい造形材料貯蔵タンクに交換しても良い（カートリッジ方式）。

本実施の形態では、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４として、例えば粘度が５〜１５［ｍＰａ・ｓ］の範囲で造形材料を吐出できるものが採用されている。造形材料としては、特定波長の光が照射されることにより硬化する光硬化性材料が用いられる。光硬化性材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂が挙げられ、アクリル酸エステルまたはビニルエーテル等のラジカル重合系紫外線硬化性樹脂や、エポキシまたはオキセタン等のモノマーやオリゴマーと、樹脂に応じた重合開始剤（反応開始剤）としてアセトフェノンやベンゾフェノン等とを組み合わせて使用するカチオン重合系紫外線硬化性樹脂を用いることができる。光硬化性材料は、硬化を進行させ得る特定波長の光を遮光部材やフィルターなどにより遮断しておくことで、吐出可能な状態で貯留することができる。

第１吐出部１２２および第２吐出部１２４としては、従来公知のコンテニュアス方式（電荷粒子制御方式）、オンデマンド方式（ピエゾ方式、バブルジェット（登録商標）方式）などを利用した、画像形成用のインクジェットヘッドが用いられる。コンテニュアス方式は、電荷を帯びた造形材料を連続的に吐出するとともに、電界を制御することによって必要な液滴だけを付着させ、また造形材料層の形成に不要な造形材料は所定の造形材料受けによって回収する方式である。これに対して、オンデマンド方式は、造形材料層の形成に必要なときだけ造形材料を吐出する方式である。

第１吐出部１２２および第２吐出部１２４における造形材料の吐出方式としては、電気−機械変換方式（ピエゾ型）、電気−熱変換方式（サーマル型）または静電吸引方式などを適用することができる。

なお、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４が有する複数の吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａは、列状に配列されていれば良く、直線状に並んでいても良いし、ジグザグ配列で全体として直線状になるように並んでいても良い。

平滑化部１２６は、均しローラー１２６Ａ、掻き取り部材１２６Ｂ（ブレード）および回収部材１２６Ｃを備える。均しローラー１２６Ａは、制御部１１０の制御下において回転駆動可能であり、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４により吐出された造形材料表面に接触して造形材料表面の凹凸を平滑化する。その結果、均一な層厚を有する造形材料層が形成される。造形材料層の表面が平滑化されることにより、次の造形材料層を精度良く形成して積層することができるので、高精度の三次元造形物２００を造形することができる。均しローラー１２６Ａの表面に付着した造形材料は、均しローラー１２６Ａの近傍に設けられた掻き取り部材１２６Ｂによって掻き取られる。掻き取り部材１２６Ｂによって掻き取られた造形材料は、回収部材１２６Ｃによって回収される。なお、掻き取り部材１２６Ｂによって掻き取られた造形材料は、第１吐出部１２２や第２吐出部１２４に供給されて再利用されるものとしても良いし、廃タンク（図示せず）に輸送されるものとしても良い。

光源１２８は、造形ステージ１４０に向けて吐出された光硬化性樹脂の造形材料に硬化処理（光照射処理）を施して、半硬化させる。本実施の形態では、造形材料が紫外線硬化性材料であるため、光源１２８として、紫外線（ＵＶ）レーザーを放射するＵＶランプが用いられる。なお、光源１２８としては、低圧水銀灯、中圧水銀灯、超高圧水銀灯、カーボンアーク灯、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプまたは紫外線ＬＥＤランプ等を用いることができる。

次に、図５を参照し、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を備えるヘッドユニット１２０を、吐出ノズル１２２Ａおよび１２４Ａの配列方向（図中Ｙ方向）に直交する主走査方向（図中Ｘ方向）に移動させながら造形材料の液滴を吐出させることによって、複数の線分（直線部２１０Ａ〜２１０Ｅ）からなる五角形を造形材料層２１０（二次元画像）として形成する場合について説明する。

図５Ａに示すように、造形材料層２１０のうち直線部２１０Ａ，２１０Ｂを形成する場合、制御部１１０は、ステージ回転移動部１３０を制御し、直線部２１０Ａ，２１０Ｂに対して第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向（図中Ｘ方向）が平行となるように造形ステージ１４０を回転させる。その後、制御部１１０は、ヘッドユニット移動部１５０を制御してヘッドユニット１２０を主走査方向（図中Ｘ方向）に移動させながら、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を制御して造形材料の液滴を吐出させる。これにより、直線部２１０Ａ，２１０Ｂは、複数の吐出ノズル１２２Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズル、又は／及び、複数の吐出ノズル１２４Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズルを用いて印字されることとなるため、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向（図中Ｙ方向）に対する液滴のブレはほぼなく、直線部２１０Ａ，２１０Ｂに発生するジャギーは小さくなる。その結果、複数の吐出ノズル１２２Ａ（１２４Ａ）を用いて印字する場合と比べて、直線部２１０Ａ，２１０Ｂの線幅は安定し、直線部２１０Ａ，２１０Ｂの再現性を高くすることができる。

次に、図５Ｂに示すように、造形材料層２１０のうち直線部２１０Ｃを形成する場合、制御部１１０は、ステージ回転移動部１３０を制御し、直線部２１０Ｃに対して第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向（図中Ｘ方向）が平行となるように、造形ステージ１４０を回転させる。その後、制御部１１０は、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向と造形ステージ１４０との相対的な角度位置を保ったまま、ヘッドユニット移動部１５０を制御してヘッドユニット１２０を主走査方向（図中Ｘ方向）に移動させながら、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を制御して造形材料の液滴を吐出させる。これにより、直線部２１０Ｃは、複数の吐出ノズル１２２Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズル、又は／及び、複数の吐出ノズル１２４Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズルを用いて印字されることとなるため、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向（図中Ｙ方向）に対する液滴のブレはほぼなく、直線部２１０Ｃに発生するジャギーは小さくなる。その結果、複数の吐出ノズル１２２Ａ（１２４Ａ）を用いて印字する場合と比べて、直線部２１０Ｃの線幅は安定し、直線部２１０Ｃの再現性を高くすることができる。

最後に、図５Ｃに示すように、造形材料層２１０のうち直線部２１０Ｄ，２１０Ｅを形成する場合、制御部１１０は、ステージ回転移動部１３０を制御し、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅに対して第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向（図中Ｘ方向）が平行となるように、造形ステージ１４０を回転させる。その後、制御部１１０は、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向と造形ステージ１４０との相対的な角度位置を保ったまま、ヘッドユニット移動部１５０を制御してヘッドユニット１２０を主走査方向（図中Ｘ方向）に移動させながら、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を制御して造形材料の液滴を吐出させる。これにより、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅは、複数の吐出ノズル１２２Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズル、又は／及び、複数の吐出ノズル１２４Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズルを用いて印字されることとなるため、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向（図中Ｙ方向）に対する液滴のブレはほぼなく、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅに発生するジャギーは小さくなる。その結果、複数の吐出ノズル１２２Ａ（１２４Ａ）を用いて印字する場合と比べて、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅの線幅は安定し、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅの再現性を高くすることができる。このように縁となる部分（直線部２１０Ａ〜２１０Ｅ）を形成した後に、縁よりも内側の部分を埋めるようにヘッドユニット１２０全体から造形材料の液滴を吐出することで、１層分の造形材層を形成することができる。図５Ｃにおいて縁の直線部２１０Ｄ，２１０Ｅを形成するのと同じ走査で、縁よりも内側を埋めるように吐出を行っても良いし、図５Ａや図５Ｂの段階で内部領域（縁よりも内側の部分）を埋めるように吐出しても良い。

以上説明したように、印字される直線部２１０Ａ〜２１０Ｅの再現性に異方性は生じず、直線部２１０Ａ〜２１０Ｅの再現性を何れも高くすることができる。つまり、ヘッドユニット１２０によって形成される造形材料層２１０の品質を向上させることができる。ひいては、造形材料層２１０を順に形成して積層することによって造形される三次元造形物２００の品質を向上させることができる。

［本実施の形態における効果］
以上詳しく説明したように、本実施の形態では、三次元造形装置１００は、列状に配列された複数の吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａを有し、造形ステージ１４０に向けて吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａから造形材料を吐出する第１吐出部１２２および第２吐出部１２４と、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向に直交する主走査方向（Ｘ方向）において第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の移動をガイドするガイド部材１５１を備え、当該ガイド部材１５１に沿って第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を造形ステージ１４０に対して相対的に移動させるヘッドユニット移動部１５０と、造形ステージ１４０を回転させることによって第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向と造形ステージ１４０との相対的な回転位置を変化させるステージ回転移動部１３０とを備える。

このように構成した本実施の形態によれば、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向と造形ステージ１４０との相対的な回転位置を任意に変更することが可能となる。言い換えれば、造形ステージ１４０に形成される造形材料層２１０（二次元画像）が有する直線部２１０Ａ〜２１０Ｅと、造形ステージ１４０に対する第１吐出部１２２および第２吐出部１２４（吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａ）の移動方向との平行度合いを任意に変更することができる。したがって、造形材料層２１０が有する直線部２１０Ａ〜２１０Ｅについて線幅の再現性をユーザーの意図するような所期のものに任意に制御することができる。この直線部が、造形材料層の積層を繰り返して得られる三次元造形物２００の表面を形成していれば、三次元造形物２００の表面形状の再現性を制御できることとなる。

［変形例］
なお、上記実施の形態では、光硬化性を有する造形材料を用いることによって造形材料層を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、熱可塑性、熱硬化性または化学反応による硬化性を有する造形材料を用いることによって造形材料層を形成しても良い。

また、上記実施の形態では、ヘッドユニット移動部１５０のガイド部材１５１に対して造形ステージ１４０を回転させることによって、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向と造形ステージ１４０との相対的な回転位置を変更する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、造形ステージ１４０に対してガイド部材１５１を回転させることによって、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向と造形ステージ１４０との相対的な回転位置を変更しても良い。また、ガイド部材１５１および造形ステージ１４０の両方を回転させることによって、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向と造形ステージ１４０との相対的な回転位置を変更しても良い。以下、造形ステージ１４０に対してヘッドユニット移動部１５０を回転させる場合の構成について説明する。

図６は、造形ステージ１４０に対してヘッドユニット移動部１５０のガイド部材１５１を回転させる場合における三次元造形装置１００の構成を概略的に示す図である。図７は、造形ステージ１４０に対してガイド部材１５１を回転させる場合における三次元造形装置１００の制御系の主要部を示す図である。図６，７に示すように、三次元造形装置１００は、図３のステージ回転移動部１３０の代わりに高さ方向移動部１３５およびガイド回転部１５５を備える。

高さ方向移動部１３５は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って自らが沈み込むことによって、造形ステージ１４０を高さ方向（図６中上下方向）下方に移動させてヘッドユニット１２０と三次元造形物２００との間隔を調整する。すなわち、造形ステージ１４０は、高さ方向移動部１３５によって高さ方向に移動可能に構成されており、造形ステージ１４０上にＮ層目の造形材料層が形成された後、積層ピッチだけ高さ方向下方に移動する。そして、造形ステージ１４０上にＮ＋１層目の造形材料層が形成された後、積層ピッチだけ高さ方向下方に再び移動する。なお、造形ステージ１４０の高さ方向位置を固定し、ヘッドユニット１２０を高さ方向上方に移動させても良いし、ヘッドユニット１２０と造形ステージ１４０との双方を高さ方向に移動させるように構成しても良い。

ガイド回転部１５５は、ヘッドユニット１２０を主走査方向への移動をガイドするためのガイド部材１５１の両端部に係合し、鉛直方向に延びる回転軸を中心にして、造形ステージ１４０の造形材料支持面と平行な平面においてガイド部材１５１を矢印Ｂ方向に回転させる回転ガイドである。つまり、ガイド回転部１５５は、ヘッドユニット移動部１５０によるヘッドユニット１２０の移動方向（主走査方向、矢印Ｘ方向）と造形ステージ１４０との相対的な回転位置を変更する。回転方向Ｂは造形ステージ１４０を上方から見たときに時計回りでも良いし、反時計回りでも良い。

次に、図８を参照し、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を備えるヘッドユニット１２０を、吐出ノズル１２２Ａおよび１２４Ａの配列方向（図中Ｙ方向）に直交する主走査方向（図中Ｘ方向）に移動させながら造形材料の液滴を吐出させることによって、複数の線分（直線部２１０Ａ〜２１０Ｅ）からなる五角形を造形材料層２１０（二次元画像）として形成する場合について説明する。

図８Ａに示すように、造形材料層２１０のうち直線部２１０Ａ，２１０Ｂを形成する場合、制御部１１０は、ガイド回転部１５５を制御し、直線部２１０Ａ，２１０Ｂに対して第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向（図中Ｘ方向）が平行となるように、ヘッドユニット移動部１５０のガイド部材１５１を回転させる。その後、制御部１１０は、ヘッドユニット移動部１５０を制御してヘッドユニット１２０を主走査方向（図中Ｘ方向）に移動させながら、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を制御して造形材料の液滴を吐出させる。これにより、直線部２１０Ａ，２１０Ｂは、複数の吐出ノズル１２２Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズル、又は／及び、複数の吐出ノズル１２４Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズルを用いて印字されることとなるため、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向（図中Ｙ方向）に対する液滴のブレはほぼなく、直線部２１０Ａ，２１０Ｂに発生するジャギーは小さくなる。その結果、複数の吐出ノズル１２２Ａ（１２４Ａ）を用いて印字する場合と比べて、直線部２１０Ａ，２１０Ｂの線幅は安定し、直線部２１０Ａ，２１０Ｂの再現性を高くすることができる。

図８Ｂに示すように、造形材料層２１０のうち直線部２１０Ｄ，２１０Ｅを形成する場合、制御部１１０は、ガイド回転部１５５を制御し、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅに対して第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向（図中Ｘ方向）が平行となるように、ガイド部材１５１を回転させる。その後、制御部１１０は、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向と造形ステージ１４０との相対的な角度位置を保ったまま、ヘッドユニット移動部１５０を制御してヘッドユニット１２０を主走査方向（図中Ｘ方向）に移動させながら、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を制御して造形材料の液滴を吐出させる。これにより、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅは、複数の吐出ノズル１２２Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズル、又は／及び、複数の吐出ノズル１２４Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズルを用いて印字されることとなるため、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向（図中Ｙ方向）に対する液滴のブレはほぼなく、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅに発生するジャギーは小さくなる。その結果、複数の吐出ノズル１２２Ａ（１２４Ａ）を用いて印字する場合と比べて、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅの線幅は安定し、直線部２１０Ｄ，２１０Ｅの再現性を高くすることができる。

図８Ｃに示すように、造形材料層２１０のうち直線部２１０Ｃを形成する場合、制御部１１０は、ガイド回転部１５５を制御し、直線部２１０Ｃに対して第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査方向（図中Ｘ方向）が平行となるように、ガイド部材１５１を回転させる。その後、制御部１１０は、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向と造形ステージ１４０との相対的な角度を保ったまま、ヘッドユニット移動部１５０を制御してヘッドユニット１２０を主走査方向（図中Ｘ方向）に移動させながら、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４を制御して造形材料の液滴を吐出させる。これにより、直線部２１０Ｃは、複数の吐出ノズル１２２Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズル、又は／及び、複数の吐出ノズル１２４Ａのうちの一つ若しくは限られた数のノズルを用いて印字されることとなるため、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向（図中Ｙ方向）に対する液滴のブレはほぼなく、直線部２１０Ｃに発生するジャギーは小さくなる。その結果、複数の吐出ノズル１２２Ａ（１２４Ａ）を用いて印字する場合と比べて、直線部２１０Ｃの線幅は安定し、直線部２１０Ｃの再現性を高くすることができる。

以上のように、印字される直線部２１０Ａ〜２１０Ｅの再現性に異方性は生じず、直線部２１０Ａ〜２１０Ｅの再現性を何れも高くすることができる。つまり、ヘッドユニット１２０によって形成される造形材料層２１０の品質を向上させることができる。ひいては、造形材料層２１０を順に形成して積層することによって造形される三次元造形物２００の品質を向上させることができる。

また、上記実施の形態において、造形材料層２１０（二次元画像）が有する直線部に対してヘッドユニット１２０（第１吐出部１２２、第２吐出部１２４）の主走査方向が非平行となるように造形ステージ１４０を回転させても良い。図９は、ヘッドユニット１２０を主走査方向（図中Ｘ方向）に移動させながら造形材料の液滴を吐出させることによって造形材料層２１０（二次元画像）を形成し、形成した造形材料層２１０を積層することによって、四角錐型の三次元造形物２００を造形する様子を示している。三次元造形物２００は、造形材料層２１０（二次元画像）として複数の線分（直線部）からなる四角形を順に形成して積層することによって造形される。この場合、三次元造形物２００のＸ方向に平行な表面２２０には、造形材料層２１０の積層方向に積層痕２２０Ａが生じる場合がある。これは、造形材料層２１０のうち表面２２０を構成する直線部を形成する際、当該直線部に対してヘッドユニット１２０の移動方向が平行となるため、各造形材料層２１０のＸ方向に平行なエッジ部分が造形物の表面に露出し、段差を形成したようになるからである。一方、三次元造形物２００のＸ方向に交差する表面２３０には、造形材料層２１０の積層方向に明瞭な積層痕は生じにくくなる。これは、造形材料層２１０のうち表面２３０を構成する直線部を形成する際、当該直線部に対してヘッドユニット１２０の移動方向が非平行となるため、各造形材料層２１０のＸ方向に交差するエッジ部分にジャギーが大きくなる結果、表面２３０にランダムな微小凹凸が形成されたようになるからである。そこで、造形材料層２１０のうち表面２２０を構成する直線部を形成する際、当該直線部に対してヘッドユニット１２０の移動方向が非平行となるように造形ステージ１４０を回転させる。これにより、表面２２０を構成する直線部に発生するジャギーが大きくなり（つまり、直線部の線幅の再現性が粗くなり）、表面２２０に生じる積層痕２２０Ａを目立たなくさせることができる。従って、三次元造形物２００の外観を重視する場合は、全周においてジャギーが大きくなるように各造形材料層２１０を形成することによって、三次元造形物２００の全体の表面に積層痕を生じにくくすることができる。

また、上記実施の形態では、造形材料層２１０（二次元画像）が有する全ての直線部に発生するジャギーが小さくなるように造形ステージ１４０を回転させる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。ユーザーによってジャギーの発生を抑えたい直線部を任意に選択できるようにしても良い。この場合、データ入力部１７０がコンピューター装置１９０から３Ｄデータを入力した時点で、ジャギーの発生を抑えたい直線部をユーザーが任意に選択できるようにしても良い。

また、上記実施の形態において、三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０に向けて画像形成材料（インク）を吐出することによって二次元画像を形成する本発明の「二次元画像形成装置」として機能することができる。この場合、ヘッドユニット１２０において平滑化部１２６および光源１２８は不要となる。上記実施の形態と同様に、造形ステージ１４０上に形成される二次元画像が有する任意方向の直線部に対してヘッドユニット１２０の主走査方向（移動方向）が平行となるように、造形ステージ１４０を回転させることによって、当該直線部の線幅を安定化することができ、ひいては二次元画像の印字品質を向上させることができる。なお、画像形成材料に用いられるインクは、色材を含んでいなくても良い。色材を含むときには、当該色材は、第１吐出部１２２および第２吐出部１２４から吐出できれば良く、染料または顔料でも良い。また、インクに含まれる溶媒は、水性または油性でも良い。

また、上記実施の形態において、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列は、主走査方向に対して交差していれば良く、必ずしも垂直でなくても良い。例えば、主走査方向に対して交差斜め方向となるように吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａを配列してもよい。この場合、三次元造形物２００を構成する二次元画像の解像度を高めることができる。この場合、図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、主走査方向に対して吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向（図中Ｙ方向）が斜め方向になり、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａの配列方向が傾いたままの状態で主走査方向に移動する以外は、図５で説明したのと同様の動作を行うことになる。このようにすることで、解像度アップを図ることができる。

また、上記実施の形態において、ガイド部材１５１による第１吐出部１２２および第２吐出部１２４の主走査を停止したまま、造形ステージ１４０とガイド部材１５１とを相対的に回転させながら、吐出ノズル１２２Ａ，１２４Ａから造形材料を吐出することで、円や円弧を印字するようにしてもよい。

また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

２０１４年１月１６日出願の特願２０１４−００５８６３の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、全て本願に援用される。

１００ 三次元造形装置
１０５，１２１ 筐体
１１０ 制御部
１２０ ヘッドユニット
１２２ 第１吐出部
１２２Ａ，１２４Ａ 吐出ノズル
１２４ 第２吐出部
１２６ 平滑化部
１２６Ａ 均しローラー
１２６Ｂ 掻き取り部材
１２６Ｃ 回収部材
１２８ 光源
１３０ ステージ回転移動部
１３５ 高さ方向移動部
１４０ 造形ステージ
１５０ ヘッドユニット移動部
１５１ ガイド部材
１５５ ガイド回転部
１６０ 表示部
１７０ データ入力部
１８０ 操作部
１９０ コンピューター装置
２００ 三次元造形物
２１０ 造形材料層
２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃ，２１０Ｄ，２１０Ｅ 直線部
２２０，２３０ 表面
２２０Ａ 積層痕

Claims (4)

1. 列状に配列された複数の吐出ノズルを有し、ステージ上に二次元画像を形成するために、前記ステージに向けて当該吐出ノズルから画像形成材料を吐出する吐出部と、
   前記複数の吐出ノズルの配列方向に交差する主走査方向において、前記吐出部および前記ステージの少なくとも一方の移動をガイドするガイド部材を備え、当該ガイド部材に沿って前記吐出部を前記ステージに対して相対的に移動させる主走査方向移動部と、
   前記ステージと平行な平面において、前記二次元画像が有する直線部の再現性を高くすることが重視される場合には前記直線部に対して前記主走査方向が平行となるように、三次元造形物の表面に生じる積層痕を目立たなくさせることが重視される場合には前記直線部に対して前記主走査方向が非平行となるように、前記ガイド部材および前記ステージの少なくとも一方を回転させることにより、前記主走査方向と前記ステージとの相対的な回転位置を変化させる回転部と、
   高さ方向において前記吐出部および前記ステージの少なくとも一方を移動させる高さ方向移動部と、
   を備え、
   前記吐出ノズルから吐出された前記画像形成材料によって前記ステージ上の造形面に前記二次元画像を順に形成し前記高さ方向に積層することによって前記三次元造形物を造形する、三次元造形装置。
2. 前記回転部は、前記ステージを回転させる、請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記回転部は、前記ガイド部材を回転させる、請求項１に記載の三次元造形装置。
4. ステージ上に二次元画像を形成するために、列状に配列され前記ステージに向けて画像形成材料を吐出する複数の吐出ノズルを有する吐出部を、ガイド部材に沿って前記複数の吐出ノズルの配列方向に交差する主走査方向に、前記ステージに対して相対的に移動させながら、前記画像形成材料を前記複数の吐出ノズルから吐出し、
   前記ステージと平行な平面において、前記二次元画像が有する直線部の再現性を高くすることが重視される場合には前記直線部に対して前記主走査方向が平行となるように、三次元造形物の表面に生じる積層痕を目立たなくさせることが重視される場合には前記直線部に対して前記主走査方向が非平行となるように、前記ガイド部材および前記ステージの少なくとも一方を回転させることにより、前記主走査方向と前記ステージとの相対的な回転位置を変化させ、
   前記主走査方向に対する回転位置が変化した前記ステージに対して、前記吐出部を前記主走査方向に前記ステージに対して相対的に移動させながら、前記画像形成材料を前記複数の吐出ノズルから吐出し、
   高さ方向において前記吐出部および前記ステージの少なくとも一方を移動させ、
   前記吐出部に対する高さ方向の位置が変化した前記ステージに対して、前記吐出部を前記主走査方向に前記ステージに対して相対的に移動させながら、前記画像形成材料を前記複数の吐出ノズルから吐出し、
   前記吐出ノズルから吐出された前記画像形成材料によって前記ステージ上の造形面に前記二次元画像を順に形成し前記高さ方向に積層することによって前記三次元造形物を造形する、三次元造形方法。

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