立体造形物の造形方法及び造形装置
【課題】液体で立体造形物を造形する。
【解決手段】液体を吐出する液体吐出部のノズルから液滴を対象物に吐出して立体造形物を造形する立体造形物の造形方法において、液体に、少なくとも水と、水に溶解又は分散する着色剤とを含有させ、液体が単独の液滴として飛翔した時の体積から、理想的な真球として近似したときの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上０．５ｍ３／ｇ以下であり、この比表面積を有する液滴を対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出する。
【解決手段】液体を吐出する液体吐出部のノズルから液滴を対象物に吐出して立体造形物を造形する立体造形物の造形方法において、液体に、少なくとも水と、水に溶解又は分散する着色剤とを含有させ、液体が単独の液滴として飛翔した時の体積から、理想的な真球として近似したときの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上０．５ｍ３／ｇ以下であり、この比表面積を有する液滴を対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水と着色剤とを含有する液体を用いて、立体造形物を造形する造形方法及び造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録方式は、インク液滴を形成し、それらの一部若しくは全部を被記録材に付着させて記録を行う。近年、インクジェット記録方式は、幅広い分野で使用され、厚みを持つ構造体や三次元形状物の造形にも利用されている。その中でも、直接、造形材料を吐出して三次元形状物を造形するダイレクト造形方法は、造形に寄与しない余分な材料をインクからなくすか、少なくすることが可能である。
【０００３】
このようなダイレクト造形方法としては、例えば、特許文献１〜４に開示されている方法がある。特許文献１では、絶縁体である基板の表面に貼り付けられた銅箔等の導電体の表面に、インクジェットヘッドからレジストインクを吐出して、電極配線パターンに対応するレジストパターンを描画することにより、配線基板の作製を省略する方法が提案されている。
【０００４】
特許文献２では、発泡材と熱可塑性樹脂とを含有するインクを用いて、立体イメージを形成することが提案されている。
【０００５】
特許文献３や特許文献４では、インクジェットヘッドを用いて光硬化性樹脂を噴出して造形する方法が提案されている。
【０００６】
特許文献１〜特許文献３に記載されている三次元形状物は、水溶性、非水溶性に因らず、水に溶解又は再分散しないものである。これは、インクジェット方式が液体を吐出するための技術であるため、固体の造形物を得るために、硬化処理を施す必要があることに起因するものである。
【０００７】
特許文献１〜特許文献３に記載されているダイレクト造形方法にこれまで利用されてきた硬化処理は、水に溶解又は分散しない処理である。このため、硬化処理後の造形物は、水に溶解又は分散しないため、造形物を元の状態に戻すことはできず、多くの場合不可逆的である。
【０００８】
ところで、一般的なインクジェット記録方式における問題点の一つとして、廃インク吸収体に石筍／鍾乳石(stalagmites/stalactites)状のインク堆積が発生することが知られている。これらの堆積物を回避する方法について特許文献５及び特許文献６では、廃棄インクタンクや吸収体に対しての改良が提案されている。インク堆積が発生する原因として、特許文献５には、凝集し易い色材やインク組成の場合に、堆積物が出来易いことが記載されている。特許文献６には、異なる２種類のインクが混合することで堆積物が出来ることが記載されている。
【０００９】
また、非特許文献１では、静電力を用いたインクジェット記録技術の一例として、１ｋＨｚで同じ位置に液滴を吐出し続けることで、インク滴着弾位置に色材の柱が成長することが記載されている。
【００１０】
特許文献５、特許文献６、非特許文献１の記載から、特定の要件を満たすことで、強度的に十分な強度を持つ色材からなる構造物を得ることが出来ることがいえる。
【００１１】
色材からなる構造物を得るのは、廃液として濃縮されたり、又は静電力を用いたインクジェットヘッドでみられるノズル先端で、吐出される前にインクが濃縮されることで、著しく色材の濃度が高くなった場合に限られる。
【００１２】
しかしながら、一般に、インクジェットプリントヘッドにおいて、このような色材濃度の高いインクを用いると、インクの粘度が高すぎるためにインクを吐出することができない。
【００１３】
特許文献７では、吐出時にインクを濃縮させず、吐出された後、基材上でゲル化させ、これを積層することで柱状の構造物を得る造形方法が提案されている。この造形方法は、インクにゲル化剤を添加することで、増粘による吐出不良を避けつつ、ＵＶ硬化等の硬化方法を利用しない立体造形方法である。
【００１４】
上述の特許文献及び非特許文献は、上述のインクジェット方式を用いて三次元の立体構造物を形成するものであるが、それぞれ、以下に説明する問題点を有する。すなわち、特許文献１〜４に開示されている方法では、いずれも得られる立体構造物は水に溶解することが出来ない。また、特許文献１〜４に開示されている方法では、熱又は光により硬化させる工程が入るので、造形に時間がかかる上、装置も大型化せざるを得ないという問題がある。
【００１５】
従って、このように従来知られているインクジェット方式を用いる立体構造物の造形方法では、商業的に利用可能な安定性を有するインクジェット方式による立体構造物の形成は困難であった。特に、水で溶解可能な立体構造物を得ることは不可能であった。
【００１６】
非特許文献１では、濃縮させたインク滴を連続的に着弾させることで、色材の柱が形成できることが記載されている。しかしながら、非特許文献１には、インク滴の吐出を制御する制御方法については全く記載されておらず、得られた構造物も変形した円柱でしかない。即ち、この非特許文献１に記載されている方法では、単に基材に対して垂直な色材の柱を形成することができることを示したにすぎない。
【００１７】
特許文献７では、積層させる液滴にゲル化剤が添加されている。特許文献７に記載された造形方法では、吐出中や着弾後に液滴を乾燥させ、ゲル化を起こさせるために、液滴にゲル化剤を添加する必要がある。更に、特許文献７では、ゲル化剤や樹脂を添加することで粘性を与えることが記載されているが、吐出される液滴の比表面積や吐出周波数について全く記載されていない。更に、特許文献７では、吐出される液組成物は、液滴の状態ではなく、柱状に吐出されることが記載されている。
【００１８】
また、特許文献８では、一般的なインクジェット技術による液滴の吐出方法に対して、着弾物の比表面積を０．６以上としているが、単位が記載されていない。仮に単位がｍ３／ｇだとしても、液滴が非常に小さく、着弾位置の正確に合わせることが困難であり、立体構造を造形することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特許第３３５３９２８号
【特許文献２】特許第３３８５８５４号
【特許文献３】特許第２６９７１３６号
【特許文献４】特許第２７３８０１７号
【特許文献５】特開２００９−１２４５７号公報
【特許文献６】特許第４１２１７０５号
【特許文献７】特開２００４−３２４７５５公報
【特許文献８】特開２００５−５９３０１号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】日本画像学会誌、Ｖｏｌ．４０．Ｎｏ．１（２００１）．ｐｐ．４０−４７ 村上他：「静電力を用いた超高精細インクジェット記録技術の開発」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
そこで、本発明は、液体を液滴の状態で対象物に吐出することによって、対象物上に立体造形物を安定で高速に造形することができる立体造形物の造形方法及びこの造形方法に用いられる造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上述した目的を達成する本発明に係る立体造形物の造形方法は、液体を吐出する液体吐出部のノズルから液滴を対象物に吐出して立体造形物を造形する立体造形物の造形方法であり、液体は、水と、上記水に溶解又は分散する着色剤とを含有し、上記液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下である液滴を、対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出し、液滴を積層することで、液滴の吐出軸と同方向に伸びる立体造形物を造形する。
【００２３】
上述した目的を達成する本発明に係る造形装置は、液体の液滴を吐出するノズルを有する液体吐出部と、液滴が着弾する対象物が載置される造形ステージと、液体吐出部及び／又は造形ステージを液滴の吐出軸と同方向のＺ軸方向に移動させるＺ軸移動部とを有し、液体吐出部は、水と、水に溶解又は分散する着色剤とを含有した液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上０．５ｍ３／ｇ以下である液滴を対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出し、液滴を積層しながら、Ｚ軸移動部で液体吐出部及び／又は造形ステージをＺ軸方向に移動させることで、Ｚ軸方向に伸びる立体造形物を造形する装置である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、液体に少なくとも水と、水に溶解又は分散する着色剤とを含有させる。本発明では、液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上０．５ｍ３／ｇ以下となるようにし、この液滴を１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出することによって、液体の吐出軸方向に液滴が積層し、立体構造を造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を適用した立体造形物の造形方法に用いられる造形装置の斜視図である。
【図２】（Ａ）は、同液体吐出装置の液体吐出ヘッドの平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）中の線分Ａ−Ａにおける断面図である。
【図３】（Ａ）は、液滴を吐出して、立体造形物を造形しているところの概略図であり、（Ｂ）は、立体造形物の概略図である。
【図４】（Ａ）は、造形開始から０．５秒後の立体造形物、（Ｂ）は、造形開始から１秒後の立体造形物、（Ｃ）は、造形開始から５秒後の立体造形物の概略図である。
【図５】（Ａ）は、液滴の比表面積が０．２ｍ３／ｇの立体造形物、（Ｂ）は、液滴の比表面積が０．５ｍ３／ｇの立体造形物の概略図である。
【図６】（Ａ）は、Ｚ軸方向に伸びる略円柱状の立体造形物、（Ｂ）は、斜め方向に成長させた立体造形物の概略図である。
【図７】（Ａ）は、Ｚ軸方向に伸びる柱を形成した状態を示し、（Ｂ）は、１つの柱を斜め方向に成長させた状態を示し、（Ｃ）は、隣接する柱を斜め方向に成長させた状態を示し、（Ｄ）は、隣接する柱同士を架橋した状態を示し、（Ｅ）は、すべての柱を架橋した状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を適用した立体造形物の製造方法及び立体造形物を造形する造形装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
【００２７】
１．立体造形物を造形する造形装置
（１）液体吐出部
（２）造形ステージ
（３）Ｚ軸移動部
（４）Ｘ軸移動部
（５）Ｙ軸移動部
２．立体造形物の造形方法
（１）液体
（２）立体造形物
１．立体造形物を造形する造形装置
造形装置１を図１及び図２に示す。造形装置１は、支持台２と、液体３を吐出する液体吐出部４と、この液体吐出部４の液体３が吐出される面４ａと対向して設けられ、液体吐出部４から吐出された液滴３ａが着弾する対象物５が載置される造形ステージ６とを有する。更に、造形装置１には、液体吐出部４から対象物５に向かって液滴３ａが吐出される方向の液滴３ａの吐出軸方向、ここではＺ軸方向に液体吐出部４を移動させるＺ軸移動部７を有する。また、造形装置１は、造形ステージ６をＺ軸方向と略直交する面内のＸ軸方向に移動させるＸ軸移動部８と、Ｙ軸方向に移動させるＹ軸移動部９とを有する。また、この造形装置１は、液体３が収容された液体タンク１０を取り付け可能に備え、液体タンク１０から液体供給部１１を介して液体吐出ヘッド４に液体３が供給可能となっている。この造形装置１は、液体吐出部４が液滴３ａを吐出して、図３に示すような液滴３ａの吐出軸方向であるＺ軸方向に伸びる柱状の立体造形物１２を造形することができる。
【００２８】
（１）液体吐出部
液体吐出部４は、後述する液体３を普通紙や光沢用紙、基板等の対象物５に対して液滴３ａの状態にして吐出する液体吐出ヘッド４である。液体吐出ヘッド４は、図１に示すように、略長尺状に形成され、長辺の一端がＺ軸移動部７に着脱可能に取り付けられ、造形ステージ６と略平行となるように設けられている。
【００２９】
液体吐出ヘッド４は、液体３を圧力発生素子で押圧して、液体３を吐出させる。具体的に、液体吐出ヘッド４は、図２に示すように、液体タンク１０から供給された液体３を吐出するヘッドチップ２１を有する。ヘッドチップ２１は、圧力発生素子として例えば発熱抵抗体のヒータ２２ａと液体３を予備加熱する加温用ヒータ２２ｂとが設けられた回路基板２２と、液体３を吐出する吐出口であるノズル２３ａが設けられたノズルシート２３とを有する。ヒータ２２ａは、液体タンク１０から供給された液体３が充填される液体加圧室２４に設けられている。この液体加圧室２４は、ヒータ２２ａが設けられた回路基板２２で上面が形成され、ノズルシート２３及びこのノズルシート２３と一体に形成された壁部で下端面及び周囲三側面が形成されている。液体加圧室２４は、他の一側面が室内に液体３を供給するための流路２５側に開放した構成を有している。
【００３０】
ヒータ２２ａは、ノズル２３ａと対向する位置に設けられ、例えば２０μｍ角に形成された発熱抵抗体である。このヒータ２２ａは、周囲の液体３を加熱することにより、気泡を発生し、この気泡が膨張しながら液体３を加圧することで、押し退けられた液体３が液滴３ａの状態でノズル２３ａから吐出させる。
【００３１】
加温用ヒータ２２ｂは、流路２５に設けられている。この加温用ヒータ２２ｂは、任意に、吐出する液体３の温度を制御する。加温用ヒータ２２ｂは、例えば液体３がノズル２３ａから吐出された後、飛翔中及び対象物５に着弾した後に適度に乾燥しやすくするため、ヒータ２２ａで加熱する前に、液体３を加熱するものである。
【００３２】
ノズルシート２３は、樹脂で形成されている。ノズルシート２３には、例えば約１７μｍの径を有する円形状で、吐出面４ａ側に向かって狭まったテーパー状のノズル２３ａが複数並設されている。ノズルシート２３には、ノズル径が異なる複数のノズル２３ａが形成されていたり、楕円形等の他の形状のノズル２３ａが形成されていてもよい。
【００３３】
また、液体吐出ヘッド４には、ノズル２３ａと対象物５と間の空間の温度や湿度を測定する温湿度センサ２６が設けられている。
【００３４】
また、液体吐出ヘッド４には、対象物５上に造形された造形物を観察する観察用カメラ２７も設けられている。
【００３５】
以上のような構成からなる液体吐出ヘッド４は、電気制御装置のコントローラから入力された立体造形物１２のデータに基づいた吐出制御信号により、液体３を吐出させるヘッドチップ２１の回路基板２２の制御回路を制御する。そして、液体吐出ヘッド４は、選択されたヒータ２２ａにパルス電流を供給し、ヒータ２２ａを加熱する。液体吐出ヘッド４では、ヒータ２２ａを加熱することによって、気泡を発生させ、この気泡により周囲の液体３を押圧し、図２（Ｂ）に示すように、液体３を液滴３ａの状態でノズル２３ａより吐出する。この液体吐出ヘッド４は、図１に示す、後述するＸ軸移動部８、Ｙ軸移動部９、Ｚ軸移動部７によって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する可能である。
【００３６】
（２）造形ステージ
造形ステージ６は、液体吐出ヘッド４から液体３の液滴３ａが吐出される普通紙や光沢用紙、基板等の対象物５が載置され、対象物５を液体吐出ヘッド４の吐出面４ａに対して略平行に支持するものである。この造形ステージ６は、後述するＸ軸移動部８、Ｙ軸移動部９、Ｚ軸移動部７によって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動可能である。
【００３７】
（３）Ｚ軸移動部
図１において、Ｚ軸移動部７は、液体吐出ヘッド４を造形ステージ６に対して近接離間する方向に移動させる手段である。Ｚ軸移動部７は、Ｚ軸ガイド部材３３に沿って液体吐出ヘッド４を移動させる。Ｚ軸移動部７は、液体３が吐出される吐出軸と同方向のＺ軸方向に移動可能にＺ軸ガイド部材３３に取り付けられたＺ軸ステージ３１と、このＺ軸ステージ３１をＺ軸ガイド部材３３に沿ってＺ軸方向に移動させるＺ軸モータ３２とから構成されている。Ｚ軸移動部７は、例えばＺ軸モータ３２の回転軸を介して駆動力がＺ軸ステージ３１に伝達され、Ｚ軸ステージ３１をＺ軸方向に移動させる。Ｚ軸移動部７は、Ｚ軸ステージ３１をＺ軸方向に移動させることによって、液体吐出ヘッド４をＺ軸方向に移動させる。
【００３８】
なお、Ｚ軸移動部７を造形ステージ６側に設けて、造形ステージ６が液体吐出ヘッド４に対して近接離間するように、造形ステージ６をＺ軸方向に移動させる構成としてもよい。また、Ｚ軸移動部７を液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６に共に設けて、液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６を共にＺ軸方向に移動させて、互いに近接離間するように、液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６をＺ軸方向に移動させる構成としてもよい。
【００３９】
（４）Ｘ軸移動部
図１において、Ｘ軸移動部８は、造形ステージ６をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸移動部８は、Ｙ軸移動部９上に設けられている。このＸ軸移動部８は、造形ステージ６が設けられたＸ軸ステージ４１と、このＸ軸ステージ４１をＸ軸方向に移動させるＸ軸モータ４２とから構成されている。Ｘ軸移動部８は、Ｘ軸モータ４２の回転軸４２ａを介して駆動力がＸ軸ステージ４１に伝達され、Ｘ軸ステージ４１をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸移動部８は、Ｘ軸ステージ４１をＸ軸方向に移動させることによって、造形ステージ６をＸ軸方向に移動させる。
【００４０】
なお、Ｘ軸移動部８を液体吐出ヘッド４、又は液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６に共に設けて、液体吐出ヘッド４、又は液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６を共にＸ軸方向に移動させる構成としてもよい。
【００４１】
（５）Ｙ軸移動部
図１において、Ｙ軸移動部９は、支持台２とＸ軸ステージ４１との間に設けられている。Ｙ軸移動部９は、造形ステージ６をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸移動部９は、造形ステージ６及びＸ軸ステージ４１が設けられたＹ軸ステージ５１と、このＹ軸ステージ５１をＹ軸方向に移動させるＹ軸モータ５２とから構成されている。Ｙ軸移動部９は、Ｙ軸モータ５２の回転軸５２ａを介して駆動力がＹ軸ステージ５１に伝達され、Ｙ軸ステージ５１をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸移動部９は、Ｙ軸ステージ５１をＹ軸方向に移動させることによって、造形ステージ６をＹ軸方向に移動させる。
【００４２】
なお、Ｙ軸移動部９を液体吐出ヘッド４、又は液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６に共に設けて、液体吐出ヘッド４、又は液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６を共にＹ軸方向に移動させる構成としてもよい。
【００４３】
なお、造形装置１には、対象物５に対して安定な造形を行うことができる温度や湿度の環境整え、その環境を一定とするため、制御部２８を設けるようにしてもよい。制御部２８は、温湿度センサ２６により温度や湿度を測定した結果に基づいて、ノズル２３ａと対象物５との間の空間の環境が一定になるように、送風機、熱交換器、加湿器、エアフィルタ等を納めた空調機からなる。
【００４４】
２．造形方法
（１）液体
液体３は、少なくとも水と、水に溶解又は分散する着色剤とを含有する。着色剤としては、水溶性インクに使用され、凝集しやすいものが選択される。具体的には、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９などが挙げられる。なお、このイエロー染料Ｙ１１８９に限定されるものではなく、他の染料であっても本発明が成り立たない訳ではなく、適時、他の着色剤を選択することができる。顔料を分散した水性の液体３も使用することができる。顔料を分散した水性の液体３では、水で容易には再分散されないので、造形された立体造形物１２は水溶性ではなくなる。
【００４５】
その他、液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ内で液体３が乾燥しないように、保湿剤を含有させてもよい。保湿剤の含有量は、着色剤の濃度以下の量である。保湿剤としては、トリメチロールプロパン等が挙げられる。立体造形物の強度を弱めないという点から、常温常圧の通常環境下で固体の保湿剤を選択するほうがより強度が強い構造体が得られる。
【００４６】
なお、液体３としては、水と着色剤とを含有するものに限られず、着色剤に代えて、水溶性の塩で、分子量が適度に大きい、例えば数百〜数千の分子量のものを用い、溶媒が乾燥することで、粘性を生じるものであれば用いることができる。
【００４７】
（２）造形方法
上述の造形装置１では、造形ステージ６上に普通紙や基板等の対象物５を載置し、液体吐出ヘッド４のノズル２３ａと対象物５が対向するように、対象物５を配置する。造形装置１では、液体タンク１０から液体３が流路２５を介して液体吐出ヘッド４の液体加圧室２４に供給される。そして、造形装置１では、液体加圧室２４に供給された液体３をヒータ２２ａを発熱させて押圧し、ノズル２３ａから液滴３ａを対象物５に吐出する。液体３を吐出する際には、液体３が単独の液滴３ａとして飛翔したとき、理想的な真球として近似した液滴３ａの質量当りの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下である。また、この比表面積を有する液滴３ａを対象物５上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に例えば同じ位置に吐出する。造形装置１は、液滴３ａの比表面積及び液滴３ａの吐出周波数を制御することによって、液滴３ａの飛翔中及び対象物５に着弾後の乾燥、着色剤の凝集を制御し、図３に示すような、略円柱状の立体造形物１２を造形することができる。
【００４８】
ここで、液体３が単独の液滴３ａとして飛翔したとき、理想的な真球として近似した液滴３ａの質量当りの比表面積は、次のようにして求めることができる。先ず、１滴の体積を求める。主たる液滴サイズは、吐出される液滴３ａをストロボ撮影することで測定できる。他の方法として、サテライトが十分に少ない場合は、吐出発数に対して使用された液体３の量を求めることで、１滴あたりの液量を近似的に求めることができる。このようにして求められた液滴３ａ（１滴）の体積から理想的な球形として、その半径ｒ（μｍ）を求める。求めた半径ｒ（μｍ）を元に、理想的な球形に近似すると、表面積は４πｒ２、体積は（４／３）πｒ３で求められる。液体３の密度をρ（ｇ／ｃｍ３）（ρは、ほぼ１である）とすると、比表面積（Ｓｍ）は、Ｓｍ＝３／（ｒ・ρ）（ｍ３／ｇ）から求めることができる。
【００４９】
このように求められた比表面積が０．２ｍ３／ｇを下回る場合には、１滴の液量が多いため、ノズル２３ａから吐出された液体３が十分に乾燥する前に造形ステージ６上の対象物５に着弾してしまい、積層による立体造形に適さない。逆に比表面積が０．５ｍ３／ｇを上回る場合には、１滴の液量が少ないため、乾燥は十分であるものの、より空気抵抗の影響を受け易く、着弾位置を正確に合わせることが困難となり、やはり積層による立体造形に適していない。
【００５０】
なお、液滴３ａは、吐出直後から着弾までに形状を変化させながら飛翔するので、その形状を特定することは出来ないということが知られている。しかしながら、基本的には、球形から振動しつつ紡錘形や涙形を取るので、一定条件での乾燥・凝集への影響を考えるときには、理想的な球形での比表面積として取り扱うことで、十分な制御が可能となる。本発明では、液体３が単独の液滴３ａとして飛翔したとき、理想的な真球として近似した液滴３ａの質量当りの比表面積を取り扱っている。
【００５１】
また、造形装置１では、液滴３ａを１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の吐出周波数で吐出する。１秒間に１発から１００発の液滴３ａを重ねて着弾させることによって、対象物５に着弾するまでの数１０μ秒から数１００μ秒という短時間に、液滴３ａの表面から溶媒が蒸発し、同時に着色剤の凝集が始まる。液滴３ａの表面が薄く凝集した状態で、対象物５に着弾すると、液滴３ａは対象物５上で更に固化が進み、対象物５上に半球状で着弾する。更に、次の液滴３ａを重ねるまでに、１０ｍ秒から１０００ｍ秒間隔を空けることで、更に対象物５上で乾燥と凝集が進み、もはや次の液滴３ａが重なっても大きなドットとなることはなく、液滴３ａの吐出軸方向（Ｚ軸方向）に積層を続けることになる。液滴３ａの吐出周波数は、液滴３ａの飛翔中及び対象物５上に着弾した後に乾燥し、液滴３ａが積層できるように、造形装置１の周囲の温度や湿度等の環境に合わせて決定する。例えば、乾燥しにくい環境の場合には、液滴３ａの吐出間隔を大きく、乾燥しやすい環境の場合には、液滴３ａの吐出間隔を狭くする。
【００５２】
この造形方法では、図３（Ａ）に示すように、１秒間に１発から１００発の液滴３ａを成長点１３に重ねて着弾させる。これにより、造形方法は、あたかも石筍や鍾乳石が成長するかのように、１秒間に数μｍから数十μｍの速度で凝集した着色剤による略円柱状の立体造形物１２が図３（Ｂ）に示すように形成される。なお、図３（Ｂ）に示す略円柱状の立体造形物１２は、液滴３ａの比表面積が０．３ｍ３／ｇ以上で、液滴３ａの吐出周波数が１０Ｈｚの条件で造形したものであり、直径が２４μｍである。なお、立体造形物１２の形状は、略円柱状に限らず、ノズル２３ａの形状によって変えることができる。
【００５３】
造形装置１では、１滴目の液滴３ａが吐出され、対象物５に着弾し、着弾した１滴目の液滴３ａが成長点１３となり、この成長点１３上に２滴目の液滴３ａが積み重なる。そして、３滴目は着弾した２滴目の液滴３ａが成長点１３となり、この成長点１３上に積み重なり、４滴目以降も同様に前に着弾した液滴３ａ上に積み重なる。
【００５４】
１滴目を吐出する際には、液体吐出ヘッド４のノズル２３（吐出面４ａ）と対象物５との距離が所定の距離となるように、Ｚ軸移動部７で液体吐出ヘッド４をＺ軸方向、即ち対象物５に対して近接離間する方向に移動させて、液体吐出ヘッド４の位置を調整する。続いて、２滴目以降を吐出する際には、対象物５に着弾した液滴３ａのうち最も上に位置する液滴３ａ（成長点１３）と液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ（吐出面４ａ）の距離を調整する。この調整は、１滴目を吐出する際に調整した液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ（吐出面４ａ）と対象物５との所定の距離と略同じになるように、液体吐出ヘッド４をＺ軸方向、即ち対象物５から離れる方向に上昇させる。また、液体吐出ヘッド４と対象物５との間の湿度及び温度がほぼ一定となるように、温湿度センサ２６で液体吐出ヘッド４と対象物５との間の湿度及び温度を測り、湿度及び温度を調整する。液体吐出ヘッド４と対象物５との間の湿度及び温度をほぼ一定とすることによって、吐出した液滴３ａの乾燥を一定とすることができ、安定して立体造形物１２を造形できる。
【００５５】
造形装置１では、以上のような条件で液体３を吐出することによって、吐出された液滴３ａは飛翔している間及び対象物５に着弾後に乾燥し、着色剤が凝集して、適度に固化し、着弾した液滴３ａが対象物５の面方向に広がらず、対象物５上に半球状に着弾する。これにより、造形装置１では、液滴３ａを同じ位置に吐出した場合、図３（Ｂ）に示すように、液滴３ａの吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる略円柱状の立体造形物１２を液体３で造形することができる。ここで、液滴３ａの吐出軸とは、液体吐出ヘッド４のノズル２３ａから対象物５に対して液滴３ａが吐出される方向と略平行な軸を示す。
【００５６】
例えば、吐出した液滴３ａの比表面積が０．３ｍ３／ｇ、吐出周波数１０Ｈｚで液滴３ａを同じ位置に吐出した場合、図４に示すように、液滴３ａが積み重なり、液体３の吐出軸と同方向（Ｚ軸方向）に伸びる直径２４μｍの略円柱状の立体造形物１２が造形される。図４（Ａ）は、造形開始から０．５秒後の立体造形物１２であり、対象物５上に液滴３ａが積み重なり、半球状に液滴３ａが着弾している。図４（Ｂ）は、造形開始から１秒後の立体造形物１２である。この立体造形物１２は、液滴３ａが吐出軸と同方向（Ｚ軸方向）に積み重なることによって、略円柱状の立体造形物１２の成長点１３が吐出軸と同方向（Ｚ軸方向）に向かって成長して造形される。更に、液滴３ａの吐出を続けると、立体造形物１２が吐出軸と同方向（Ｚ軸方向）に向かって更に成長し、造形開始から５秒後では、図４（Ｃ）に示すような立体造形物１２を造形できる。
【００５７】
また、吐出した液滴３ａの比表面積が０．２ｍ３／ｇ、吐出周波数が１Ｈｚの場合には、図５（Ａ）に示すような、直径が４０μｍの立体造形物１２が得られる。吐出した液滴３ａの比表面積が０．５ｍ３／ｇ、吐出周波数が１０Ｈｚの場合には、図５（Ｂ）に示すような、直径が１４μｍの立体造形物１２が得られる。
【００５８】
このような造形方法では、吐出軸方向（Ｚ軸方向）の円柱状の立体造形物１２だけではなく、図６に示すように、液滴３ａの吐出軸方向（Ｚ軸方向）に対して、９０度以下の角度で斜め又は真横に伸びる立体造形物１２を造形することもできる。９０度以下の角度で斜め又は真横に伸びる立体造形物１２を造形するには、２滴目以降において、液滴３ａを吐出する際に、直前に吐出した液滴３ａが着弾した位置と同じ位置ではなく、先に対象物５に着弾した液滴３ａの直径以下の量の範囲で着弾位置をずらして液滴３ａを積層する。
【００５９】
図６（Ａ）は、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる略円柱状の立体造形物１２を示している。図６（Ａ）では、１滴目の液滴３ａ（Ａ１）が吐出されて対象物５上に着弾し、続いて２滴目の液滴３ａ（Ｂ１）が吐出されて、対象物５上に着弾した液滴３ａ（Ａ１）上に積み重なる。同様に、３滴目の液滴３ａ（Ｃ１）が液滴３ａ（Ｂ１）上に積み重なり、液滴３ａ（Ｃ１）上に液滴３ａ（Ｄ１）が積み重なり、液滴３ａ（Ｄ１）上に液滴３ａ（Ｅ１）が積み重なる。即ち、液滴３ａ（Ａ１）〜液滴３ａ（Ｅ１）を略同じ位置に着弾させることで、略円柱状の立体造形物１２の先端が成長点１３となり、Ｚ軸方向に成長し、立体造形物１２が形成される。ここで、液滴３ａ（Ａ１）〜（Ｅ１）を吐出する際に、立体造形物１２の成長点１３と液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ（吐出面４ａ）との距離が一定となるように、液体吐出ヘッド４をＺ軸方向に移動させる。
【００６０】
図６（Ｂ）は、液滴３ａの着弾位置を、先に対象物５に着弾した液滴３ａの直径以下の量の範囲でＸ軸方向にずらすことによって、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に対して、９０度以下の角度で斜めに成長した立体造形物１２を示している。先に対象物５に着弾した液滴３ａの直径以下の量の範囲で液滴３ａの着弾位置をずらすとは、後述するように、先に吐出した液滴３ａによって形成された吐出軸方向（Ｚ軸方向）の円柱状の立体造形物１２の先端、即ち液滴３ａが着弾して立体造形物１２が成長する成長点１３の直径以下の量の範囲で液滴３ａの着弾位置をずらすことである。
【００６１】
図６（Ｂ）では、１滴目の液滴３ａ（Ｆ１）が吐出されて対象物５上に着弾し、続いて２滴目の液滴３ａ（Ｇ１）が吐出されて、対象物５上に着弾した液滴３ａ（Ｆ１）の直径以下の量の範囲内で着弾位置をずらして、液滴３ａ（Ｆ１）上に液滴３ａ（Ｇ１）を積み重ねる。即ち、対象物５上に着弾した液滴３ａ（Ｆ１）が立体造形物１２の成長点１３となり、この成長点１３の直径以下の量の範囲内で着弾位置をずらして、液滴３ａ（Ｇ１）を成長点１３に着弾させる。同様に、３滴目の液滴３ａ（Ｈ１）は、液滴３ａ（Ｇ１）が着弾してできた成長点１３に対して、この成長点１３の直径以下の量の範囲内で着弾位置をずらして吐出し、成長点１３に着弾させる。４滴目以降の液滴３ａ（Ｉ１）（Ｊ１）についても、成長点１３の直径以下の量の範囲内で着弾位置をずらして成長点１３に積み重ねる。ここで、液滴３ａ（Ｆ１）〜（Ｊ１）を吐出する際に、成長点１３と液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ（吐出面４ａ）との距離が一定となるように、液体吐出ヘッド４をＺ軸方向に移動させる。
【００６２】
なお、図６（Ｂ）では、着弾前の液滴３ａ（Ｆ１）〜（Ｊ１）の軌道が重なっている状態を示しているが、このようにずらして順々に液滴３ａ（Ｆ１）〜（Ｊ１）を吐出することによって、着弾しても液滴３ａ（Ｆ１）〜（Ｊ１）は上述したように成長点１３で重なる。また、本発明では、少なくとも着弾した液滴３ａが成長点１３で重なっていればよい。
【００６３】
ここで、液滴３ａは、対象物５上に着弾、及び先に吐出された液滴３ａ上に着弾すると、環境や吐出周波数によって、着弾前の液滴３ａの直径よりもやや大きくなる。このことについて、発明者らが確認したところ、比表面積が０．２ｍ３／ｇの液滴３ａを吐出周波数１０Ｈｚで吐出した場合には、液滴３ａの直径は３０μｍであるが、着弾すると、直径が４０μｍとなる。比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴３ａを吐出周波数１０Ｈｚで吐出した場合には、液滴３ａの直径は２０μｍであるが、着弾すると、２４μｍとなる。比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴３ａを吐出周波数１０Ｈｚで吐出した場合には、液滴３ａの直径は１２μｍであるが、着弾すると、１４μｍとなる。
【００６４】
造形装置１では、液滴３ａの着弾位置をずらすには、対象物５が載置された造形ステージ６をＸ軸移動部８でＸ軸方向に移動又はＹ軸移動部９でＹ軸方向に、即ち立体造形物１２を成長させる方向とは反対方向に、立体造形物１２の成長点１３の直径以下の量の範囲で移動させる。
【００６５】
これにより、造形装置１では、造形ステージ６をＸ軸方向又はＹ軸方向に移動させることによって、液体３の着弾位置がずれるため、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に対して、９０度以下の角度で斜めに立体造形物１２が成長する。その結果、図６（Ｂ）に示すような立体造形物１２を造形することができる。この造形装置１では、吐出軸方向（Ｚ軸方向）と直交する方向、即ち真横に伸びる柱状の立体造形物１２を造形することができる。なお、造形装置１では、液体吐出ヘッド４を立体造形物１２の成長方向に移動させることで、図６（Ｂ）に示すような立体造形物１２を造形するようにしてもよい。
【００６６】
例えば、図７に示すように、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる隣接する円柱状の立体造形物を接続するように、架橋構造を造形することができる。このような架橋構造は、図７（Ａ）に示すように、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる円柱状の立体造形物を造形する。なお、図７の説明において、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる円柱状の立体造形物を柱１２ａ〜１２ｄという。次に、図７（Ｂ）に示すように、柱１２ａに隣接する他の柱１２ｂの方向に向かって、９０度以下の角度で斜めに柱１２ａを成長させる。柱１２ａを成長させるには、柱１２ａの成長点１３に液滴３ａを吐出する際に、造形ステージ６を成長させる方向とは反対方向、例えばＸ軸方向に、成長点１３の直径以下の量の範囲で移動させることによって、柱１２ａと隣接する他の柱１２ｂの方向に向かって、９０度以下の角度で斜めに成長する。同様にして、造形ステージ６を柱１２ｃの方向に移動させながら、この柱１２ａに隣接する他の柱１２ｂの成長点１３に液滴３ａを吐出する。これにより、図７（Ｃ）に示すように、柱１２ａの方向に向かって、９０度以下の角度で斜めに柱１２ｂが成長する。そして、図７（Ｄ）に示すように、どちらか一方又は両方の柱１２ａ、１２ｂを更に成長させることによって、隣接する柱１２ａと柱１２ｂとが接続され、架橋構造が形成される。同様にして、図７（Ｅ）に示すように、更に隣接する柱１２ｃ、１２ｄとで架橋構造を形成することによって、複数の柱１２ａ〜１２ｄを接続した架橋構造を造形することができる。
【００６７】
この図７に示す架橋構造は、吐出した液滴３ａの比表面積が０．５ｍ３／ｇ、吐出周波数１０Ｈｚで液滴３ａを吐出して造形した。吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる柱１２ａ〜１２ｄは、円柱状であり、直径が２４μｍ、柱１２ａ〜１２ｄの間隔が１００μｍである。なお、図７に示す架橋構造を造形する際に、造形ステージ６をＸ軸方向に移動させて造形したが、柱１２ａ〜１２ｄの位置や成長させる方向によって、Ｙ軸移動部９で、造形ステージ６をＹ軸方向に移動させて、柱１２を９０度以下の角度で斜めに成長させてもよい。架橋構造を造形するに当って、上記比表面積、吐出周波数は一例であり、他の条件で造形しても、架橋構造を得ることができる。
【００６８】
また、図７の架橋構造では、柱１２ａ〜１２ｄを９０度以下の角度で斜めに成長させたが、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に対して直交方向に真横に成長させてもよい。また、図７に示す架橋構造は、更に、同様の構造のものを吐出軸方向（Ｚ軸方向）に積層して、網のように造形したり、Ｙ軸方向に更に柱を形成して立方体等の三次元造形物を造形してもよい。
【００６９】
以上のように、造形装置１では、液体３が単独の液滴３ａとして飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下であり、この液滴３ａを対象物５上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出する。このような条件で吐出することによって、液滴３ａは飛翔中又は対象物５に着弾した後、乾燥し、着色剤が凝集することによって、固化し、対象物５上で広がらず、半球状となる。これにより、この造形装置１による造形方法では、連続して液滴３ａを同じ位置に吐出することによって、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる立体造形物１２を造形することができる。また、この造形方法では、着弾位置を僅かにずらして液滴３ａを着弾させることで、液滴３ａの吐出方向に対して斜めや殆ど真横にまで伸長させることができる。
【００７０】
また、この造形方法では、１秒間に１発から１００発の液滴３ａを重ねて着弾させるため、１秒間に数μｍから数十μｍの速度で、微細な柱状の立体造形物１２を造形することができる。また、造形された立体造形物１２は、水と着色剤とを含む液体３を吐出して、乾燥することによって着色剤が凝集してできたものであるから、再度水に溶解させることが可能である。なお、造形後に後処理を行ったり、液体３に硬化剤を添加することで、立体造形物１２を水に不溶にでき、立体造形物１２の用途が限定されず、汎用性に富んでいる。また、この造形方法では、立体造形物１２を造形した後に、熱や光による硬化工程が必要ないため、造形時間が短く、装置の大型も防ぐことができ、小型の造形装置１で造形できる。造形して得られた立体造形物１２は、溶媒が乾燥しても収縮せず、歪みが発生することを防止できる。
【００７１】
この造形方法では、液体３にゲル化剤を含有せずとも、吐出する際の液滴３ａの比表面積と吐出周波数を制御することで、飛翔中及び着弾後の液滴３ａが適度に固化し、積層させることができる。これにより、液体３の汎用性が著しく大きくなる。
【００７２】
この造形方法では、１：１００以上の圧倒的なアスペクト比の立体造形物を得ることができる。
【００７３】
また、この造形方法では、通常の水性インクジェットインクと異なり、飛翔中から乾燥・凝集を十分に行うことができ、溶剤を吸収するような対象物５を使用する必要がない。即ち、インクジェット用紙と呼ばれるインク受容層を有した樹脂層を持たないガラス表面や金属表面にも、直接、着色剤の凝集によって立体造形物１２を自由に形成することができる。
【００７４】
また、この造形方法では、対象物５を乗せる造形ステージ６を加熱することで、より液組成物の乾燥を促進することもできる。なお、この造形方法では、基材の熱伝導率や厚みによって、その成長度が大きく変わる場合があるため、吐出させる液滴３ａの温度を一定に加温することで液滴３ａの乾燥性を制御し、より安定な積層速度の制御を可能にする。
【００７５】
この造形方法は、得られた立体造形物１２が商業的に利用可能な安定性を有し、且つ圧倒的な速度で立体造形物の造形することが可能である。
【００７６】
また、このような造形方法では、基材は特に撥水処理等を行なう必要は無い。かりに撥水処理を行なったとしても、２層目以降は１層目に対する濡れ性で直径が決まってくるので、意味が無いからである。本発明において、柱構造物の径は、吐出される液滴の比表面積と吐出周波数及び温度と湿度などの積層時の環境に依存することになる。
【実施例】
【００７７】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果をもとに詳細に説明する。まず、実験に使用した造型用の液体組成物（以下、インクという。）の組成について説明する。
【００７８】
（インクＡ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が２０質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクＡを調製した。
【００７９】
（インクＢ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が１６質量％、トリメチロールプロパンが１６質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクＢを調製した。
【００８０】
（インクＣ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が１６質量％、トリメチロールエタンが１２質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクを調製した。
【００８１】
（インクＤ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が１６質量％、キシリトールが８質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクを調製した。
【００８２】
（インクＥ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が１６質量％、Ｄ−マンニトールが４質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクを調製した。
【００８３】
以上のようにして調整したインクＡ〜Ｅを用いて、実施例１〜９、比較例１〜３において造形物を造形した。ここで、実施例及び比較例では、ノズルシートの厚みが１０〜２０μｍ、ノズルの径が９〜３０μｍ、ヒータのサイズが２０μｍ×２０μｍ、液体加圧室の高さが８〜１２μｍのサイズの異なる複数のインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）を使用した。インクジェットヘッドは、駆動周波数を１０ＫＨｚ以上まであげることが出来るが、立体造形は１Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下で行なった。この時の駆動パルスは、１．３μｓ、駆動電圧を９．８Ｖとしている。
【００８４】
（実施例１）
液組成物としてインクＡ、基材（対象物）としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）との距離を１００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００８５】
この時、毎秒５μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒５μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようにした。
【００８６】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、図５（Ｂ）のように直径１４μｍ、高さ３００μｍの円柱状の造形物が得られた。
【００８７】
（実施例２）
液組成物としてインクＢ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１Ｈｚで比表面積が０．２ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００８８】
毎秒０．２μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒０．２μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようにした。
【００８９】
１２００秒間、液滴の数として１２００発を積層することで、図５（Ａ）のように直径４０μｍ、高さ約２５０μｍの円柱状の造形物が得られた。
【００９０】
（実施例３）
液組成物としてインクＢ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００９１】
毎秒２０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒２０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようした。
【００９２】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、図３のように直径２４μｍ、高さ約５００μｍの円柱状造形物が得られた。積層の途中経過は図４に示した。
【００９３】
（実施例４）
液組成物としてインクＡ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を１００μｍとした。その後、更にインクジェットヘッドの液温を６０℃に加温して、基材上に１００Ｈｚで比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００９４】
毎秒５０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒５０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようにした。
【００９５】
０．５秒間、液滴の数として５００発を積層することで、直径１５μｍ、高さ約２００μｍの円柱状造形物が得られた。
【００９６】
（実施例５）
液組成物としてインクＣ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００９７】
毎秒２０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒２０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようした。
【００９８】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、直径２５μｍ、高さ約４５０μｍの円柱状造形物が得られた。
【００９９】
（実施例６）
液組成物としてインクＤ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１００】
毎秒２０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒２０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようした。
【０１０１】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、直径２４μｍ、高さ約４２０μｍの円柱状造形物が得られた。
【０１０２】
（実施例７）
液組成物としてインクＥ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１０３】
毎秒２０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒２０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようした。
【０１０４】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、直径２４μｍ、高さ約４００μｍの円柱状造形物が得られた。
【０１０５】
（実施例８）
液組成物としてインクＢ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１０６】
柱状構造物が成長するのに応じて、インクジェットヘッドを基材の距離を離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造型を得るようにした。
【０１０７】
基材の乗った造型ステージを１０秒で一周するように、半径４０μｍの円運動をさせたところ、スプリング状の構造物を得ることができた。
【０１０８】
（実施例９）
液組成物としてインクＢ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１０９】
柱状構造物が成長するのに応じて、インクジェットヘッドを基材の距離を離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようにした。
【０１１０】
その後、以下の通りに造型ステージを移動することで、図７のような造形物を得た。
【０１１１】
高さ１００μｍの柱状造形物を作った後、基材の乗ったステージを１００μｍピッチでＸ軸方向に移動させた。同様に１００μｍの柱造形物を作成し、造型ステージを移動させるという動作を繰り返し、４本の直径２４μｍ、高さ１００μｍの柱群を作製した。
【０１１２】
続いて、柱の先端に液滴を着弾させた後、１滴毎に２０μｍずつＸ軸方向に基材を移動させて４５°の角度で柱を伸ばした。更に隣の柱から逆方向に柱を伸ばし、結合させることで、アーチ構造を得た。この作業を繰り返すことで、図７のような架橋構造物を得た。
【０１１３】
（比較例１）
液組成物としてインクＡ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を１００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．１５ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１１４】
６０秒間、液滴の数として６００発を吐出したところ、柱状の造形物は得られず、半球状のインク液が基材上に残った。このインク液は、数十分後、十分乾燥すると厚みが１μｍ以下の円形のドットになる。
【０１１５】
（比較例２）
液組成物としてインクＡ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を１００μｍとした。その後、基材上に３００Ｈｚで比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッド１と基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１１６】
２秒間、液滴の数として６００発を吐出したところ、柱状の構造物は得られず、半球状のインク液が基材上に残った。
【０１１７】
このインク液は、数十分後、十分乾燥すると厚みが１μｍ以下の円形のドットになる。
【０１１８】
（比較例３）
液組成物としてインクＡ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を１００μｍとした。その後、２秒間に一回（０．５Ｈｚ）、吐出パルスで比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴を吐出可能なインクジェットヘッドに送った。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１１９】
この条件下では、吐出方向が安定せず、或いは不吐出となり、造形物の作成が出来なかった。
【０１２０】
実施例及び比較例の実験結果を表１に示す。
【０１２１】
【表１】
【０１２２】
表１に示すように、実施例１〜実施例９は、基材上に、１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の範囲で比表面積が０．２ｍ３／ｇ以上０．５ｍ３／ｇ以下の範囲の液滴を吐出して造形したので、柱状の造形物を造形することができた。一方、これらの要件を満たしていない比較例１〜比較例３は、造形物を造形することができなかった。
【０１２３】
なお、基材には、特に撥水処理等を行なう必要は無い。かりに撥水処理を行なったとしても、２層目（２滴目）以降は、１層目（着弾した１滴目）に対する濡れ性で直径が決まってくるので、意味が無いからである。本発明において、柱構造物の径は、吐出される液滴の比表面積と吐出周波数及び温度と湿度などの積層時の環境に依存する。
【符号の説明】
【０１２４】
１ 造形装置、２ 支持台、３ 液体、４ 液体吐出ヘッド、５ 対象物、６ 造形ステージ、７ Ｚ軸移動部、８ Ｘ軸移動部、９ Ｙ軸移動部、１２ 立体造形物、１２ａ 柱、２２ａ ヒータ、２２ｂ 加温用ヒータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水と着色剤とを含有する液体を用いて、立体造形物を造形する造形方法及び造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録方式は、インク液滴を形成し、それらの一部若しくは全部を被記録材に付着させて記録を行う。近年、インクジェット記録方式は、幅広い分野で使用され、厚みを持つ構造体や三次元形状物の造形にも利用されている。その中でも、直接、造形材料を吐出して三次元形状物を造形するダイレクト造形方法は、造形に寄与しない余分な材料をインクからなくすか、少なくすることが可能である。
【０００３】
このようなダイレクト造形方法としては、例えば、特許文献１〜４に開示されている方法がある。特許文献１では、絶縁体である基板の表面に貼り付けられた銅箔等の導電体の表面に、インクジェットヘッドからレジストインクを吐出して、電極配線パターンに対応するレジストパターンを描画することにより、配線基板の作製を省略する方法が提案されている。
【０００４】
特許文献２では、発泡材と熱可塑性樹脂とを含有するインクを用いて、立体イメージを形成することが提案されている。
【０００５】
特許文献３や特許文献４では、インクジェットヘッドを用いて光硬化性樹脂を噴出して造形する方法が提案されている。
【０００６】
特許文献１〜特許文献３に記載されている三次元形状物は、水溶性、非水溶性に因らず、水に溶解又は再分散しないものである。これは、インクジェット方式が液体を吐出するための技術であるため、固体の造形物を得るために、硬化処理を施す必要があることに起因するものである。
【０００７】
特許文献１〜特許文献３に記載されているダイレクト造形方法にこれまで利用されてきた硬化処理は、水に溶解又は分散しない処理である。このため、硬化処理後の造形物は、水に溶解又は分散しないため、造形物を元の状態に戻すことはできず、多くの場合不可逆的である。
【０００８】
ところで、一般的なインクジェット記録方式における問題点の一つとして、廃インク吸収体に石筍／鍾乳石(stalagmites/stalactites)状のインク堆積が発生することが知られている。これらの堆積物を回避する方法について特許文献５及び特許文献６では、廃棄インクタンクや吸収体に対しての改良が提案されている。インク堆積が発生する原因として、特許文献５には、凝集し易い色材やインク組成の場合に、堆積物が出来易いことが記載されている。特許文献６には、異なる２種類のインクが混合することで堆積物が出来ることが記載されている。
【０００９】
また、非特許文献１では、静電力を用いたインクジェット記録技術の一例として、１ｋＨｚで同じ位置に液滴を吐出し続けることで、インク滴着弾位置に色材の柱が成長することが記載されている。
【００１０】
特許文献５、特許文献６、非特許文献１の記載から、特定の要件を満たすことで、強度的に十分な強度を持つ色材からなる構造物を得ることが出来ることがいえる。
【００１１】
色材からなる構造物を得るのは、廃液として濃縮されたり、又は静電力を用いたインクジェットヘッドでみられるノズル先端で、吐出される前にインクが濃縮されることで、著しく色材の濃度が高くなった場合に限られる。
【００１２】
しかしながら、一般に、インクジェットプリントヘッドにおいて、このような色材濃度の高いインクを用いると、インクの粘度が高すぎるためにインクを吐出することができない。
【００１３】
特許文献７では、吐出時にインクを濃縮させず、吐出された後、基材上でゲル化させ、これを積層することで柱状の構造物を得る造形方法が提案されている。この造形方法は、インクにゲル化剤を添加することで、増粘による吐出不良を避けつつ、ＵＶ硬化等の硬化方法を利用しない立体造形方法である。
【００１４】
上述の特許文献及び非特許文献は、上述のインクジェット方式を用いて三次元の立体構造物を形成するものであるが、それぞれ、以下に説明する問題点を有する。すなわち、特許文献１〜４に開示されている方法では、いずれも得られる立体構造物は水に溶解することが出来ない。また、特許文献１〜４に開示されている方法では、熱又は光により硬化させる工程が入るので、造形に時間がかかる上、装置も大型化せざるを得ないという問題がある。
【００１５】
従って、このように従来知られているインクジェット方式を用いる立体構造物の造形方法では、商業的に利用可能な安定性を有するインクジェット方式による立体構造物の形成は困難であった。特に、水で溶解可能な立体構造物を得ることは不可能であった。
【００１６】
非特許文献１では、濃縮させたインク滴を連続的に着弾させることで、色材の柱が形成できることが記載されている。しかしながら、非特許文献１には、インク滴の吐出を制御する制御方法については全く記載されておらず、得られた構造物も変形した円柱でしかない。即ち、この非特許文献１に記載されている方法では、単に基材に対して垂直な色材の柱を形成することができることを示したにすぎない。
【００１７】
特許文献７では、積層させる液滴にゲル化剤が添加されている。特許文献７に記載された造形方法では、吐出中や着弾後に液滴を乾燥させ、ゲル化を起こさせるために、液滴にゲル化剤を添加する必要がある。更に、特許文献７では、ゲル化剤や樹脂を添加することで粘性を与えることが記載されているが、吐出される液滴の比表面積や吐出周波数について全く記載されていない。更に、特許文献７では、吐出される液組成物は、液滴の状態ではなく、柱状に吐出されることが記載されている。
【００１８】
また、特許文献８では、一般的なインクジェット技術による液滴の吐出方法に対して、着弾物の比表面積を０．６以上としているが、単位が記載されていない。仮に単位がｍ３／ｇだとしても、液滴が非常に小さく、着弾位置の正確に合わせることが困難であり、立体構造を造形することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特許第３３５３９２８号
【特許文献２】特許第３３８５８５４号
【特許文献３】特許第２６９７１３６号
【特許文献４】特許第２７３８０１７号
【特許文献５】特開２００９−１２４５７号公報
【特許文献６】特許第４１２１７０５号
【特許文献７】特開２００４−３２４７５５公報
【特許文献８】特開２００５−５９３０１号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】日本画像学会誌、Ｖｏｌ．４０．Ｎｏ．１（２００１）．ｐｐ．４０−４７ 村上他：「静電力を用いた超高精細インクジェット記録技術の開発」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
そこで、本発明は、液体を液滴の状態で対象物に吐出することによって、対象物上に立体造形物を安定で高速に造形することができる立体造形物の造形方法及びこの造形方法に用いられる造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上述した目的を達成する本発明に係る立体造形物の造形方法は、液体を吐出する液体吐出部のノズルから液滴を対象物に吐出して立体造形物を造形する立体造形物の造形方法であり、液体は、水と、上記水に溶解又は分散する着色剤とを含有し、上記液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下である液滴を、対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出し、液滴を積層することで、液滴の吐出軸と同方向に伸びる立体造形物を造形する。
【００２３】
上述した目的を達成する本発明に係る造形装置は、液体の液滴を吐出するノズルを有する液体吐出部と、液滴が着弾する対象物が載置される造形ステージと、液体吐出部及び／又は造形ステージを液滴の吐出軸と同方向のＺ軸方向に移動させるＺ軸移動部とを有し、液体吐出部は、水と、水に溶解又は分散する着色剤とを含有した液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上０．５ｍ３／ｇ以下である液滴を対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出し、液滴を積層しながら、Ｚ軸移動部で液体吐出部及び／又は造形ステージをＺ軸方向に移動させることで、Ｚ軸方向に伸びる立体造形物を造形する装置である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、液体に少なくとも水と、水に溶解又は分散する着色剤とを含有させる。本発明では、液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上０．５ｍ３／ｇ以下となるようにし、この液滴を１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出することによって、液体の吐出軸方向に液滴が積層し、立体構造を造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を適用した立体造形物の造形方法に用いられる造形装置の斜視図である。
【図２】（Ａ）は、同液体吐出装置の液体吐出ヘッドの平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）中の線分Ａ−Ａにおける断面図である。
【図３】（Ａ）は、液滴を吐出して、立体造形物を造形しているところの概略図であり、（Ｂ）は、立体造形物の概略図である。
【図４】（Ａ）は、造形開始から０．５秒後の立体造形物、（Ｂ）は、造形開始から１秒後の立体造形物、（Ｃ）は、造形開始から５秒後の立体造形物の概略図である。
【図５】（Ａ）は、液滴の比表面積が０．２ｍ３／ｇの立体造形物、（Ｂ）は、液滴の比表面積が０．５ｍ３／ｇの立体造形物の概略図である。
【図６】（Ａ）は、Ｚ軸方向に伸びる略円柱状の立体造形物、（Ｂ）は、斜め方向に成長させた立体造形物の概略図である。
【図７】（Ａ）は、Ｚ軸方向に伸びる柱を形成した状態を示し、（Ｂ）は、１つの柱を斜め方向に成長させた状態を示し、（Ｃ）は、隣接する柱を斜め方向に成長させた状態を示し、（Ｄ）は、隣接する柱同士を架橋した状態を示し、（Ｅ）は、すべての柱を架橋した状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を適用した立体造形物の製造方法及び立体造形物を造形する造形装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
【００２７】
１．立体造形物を造形する造形装置
（１）液体吐出部
（２）造形ステージ
（３）Ｚ軸移動部
（４）Ｘ軸移動部
（５）Ｙ軸移動部
２．立体造形物の造形方法
（１）液体
（２）立体造形物
１．立体造形物を造形する造形装置
造形装置１を図１及び図２に示す。造形装置１は、支持台２と、液体３を吐出する液体吐出部４と、この液体吐出部４の液体３が吐出される面４ａと対向して設けられ、液体吐出部４から吐出された液滴３ａが着弾する対象物５が載置される造形ステージ６とを有する。更に、造形装置１には、液体吐出部４から対象物５に向かって液滴３ａが吐出される方向の液滴３ａの吐出軸方向、ここではＺ軸方向に液体吐出部４を移動させるＺ軸移動部７を有する。また、造形装置１は、造形ステージ６をＺ軸方向と略直交する面内のＸ軸方向に移動させるＸ軸移動部８と、Ｙ軸方向に移動させるＹ軸移動部９とを有する。また、この造形装置１は、液体３が収容された液体タンク１０を取り付け可能に備え、液体タンク１０から液体供給部１１を介して液体吐出ヘッド４に液体３が供給可能となっている。この造形装置１は、液体吐出部４が液滴３ａを吐出して、図３に示すような液滴３ａの吐出軸方向であるＺ軸方向に伸びる柱状の立体造形物１２を造形することができる。
【００２８】
（１）液体吐出部
液体吐出部４は、後述する液体３を普通紙や光沢用紙、基板等の対象物５に対して液滴３ａの状態にして吐出する液体吐出ヘッド４である。液体吐出ヘッド４は、図１に示すように、略長尺状に形成され、長辺の一端がＺ軸移動部７に着脱可能に取り付けられ、造形ステージ６と略平行となるように設けられている。
【００２９】
液体吐出ヘッド４は、液体３を圧力発生素子で押圧して、液体３を吐出させる。具体的に、液体吐出ヘッド４は、図２に示すように、液体タンク１０から供給された液体３を吐出するヘッドチップ２１を有する。ヘッドチップ２１は、圧力発生素子として例えば発熱抵抗体のヒータ２２ａと液体３を予備加熱する加温用ヒータ２２ｂとが設けられた回路基板２２と、液体３を吐出する吐出口であるノズル２３ａが設けられたノズルシート２３とを有する。ヒータ２２ａは、液体タンク１０から供給された液体３が充填される液体加圧室２４に設けられている。この液体加圧室２４は、ヒータ２２ａが設けられた回路基板２２で上面が形成され、ノズルシート２３及びこのノズルシート２３と一体に形成された壁部で下端面及び周囲三側面が形成されている。液体加圧室２４は、他の一側面が室内に液体３を供給するための流路２５側に開放した構成を有している。
【００３０】
ヒータ２２ａは、ノズル２３ａと対向する位置に設けられ、例えば２０μｍ角に形成された発熱抵抗体である。このヒータ２２ａは、周囲の液体３を加熱することにより、気泡を発生し、この気泡が膨張しながら液体３を加圧することで、押し退けられた液体３が液滴３ａの状態でノズル２３ａから吐出させる。
【００３１】
加温用ヒータ２２ｂは、流路２５に設けられている。この加温用ヒータ２２ｂは、任意に、吐出する液体３の温度を制御する。加温用ヒータ２２ｂは、例えば液体３がノズル２３ａから吐出された後、飛翔中及び対象物５に着弾した後に適度に乾燥しやすくするため、ヒータ２２ａで加熱する前に、液体３を加熱するものである。
【００３２】
ノズルシート２３は、樹脂で形成されている。ノズルシート２３には、例えば約１７μｍの径を有する円形状で、吐出面４ａ側に向かって狭まったテーパー状のノズル２３ａが複数並設されている。ノズルシート２３には、ノズル径が異なる複数のノズル２３ａが形成されていたり、楕円形等の他の形状のノズル２３ａが形成されていてもよい。
【００３３】
また、液体吐出ヘッド４には、ノズル２３ａと対象物５と間の空間の温度や湿度を測定する温湿度センサ２６が設けられている。
【００３４】
また、液体吐出ヘッド４には、対象物５上に造形された造形物を観察する観察用カメラ２７も設けられている。
【００３５】
以上のような構成からなる液体吐出ヘッド４は、電気制御装置のコントローラから入力された立体造形物１２のデータに基づいた吐出制御信号により、液体３を吐出させるヘッドチップ２１の回路基板２２の制御回路を制御する。そして、液体吐出ヘッド４は、選択されたヒータ２２ａにパルス電流を供給し、ヒータ２２ａを加熱する。液体吐出ヘッド４では、ヒータ２２ａを加熱することによって、気泡を発生させ、この気泡により周囲の液体３を押圧し、図２（Ｂ）に示すように、液体３を液滴３ａの状態でノズル２３ａより吐出する。この液体吐出ヘッド４は、図１に示す、後述するＸ軸移動部８、Ｙ軸移動部９、Ｚ軸移動部７によって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する可能である。
【００３６】
（２）造形ステージ
造形ステージ６は、液体吐出ヘッド４から液体３の液滴３ａが吐出される普通紙や光沢用紙、基板等の対象物５が載置され、対象物５を液体吐出ヘッド４の吐出面４ａに対して略平行に支持するものである。この造形ステージ６は、後述するＸ軸移動部８、Ｙ軸移動部９、Ｚ軸移動部７によって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動可能である。
【００３７】
（３）Ｚ軸移動部
図１において、Ｚ軸移動部７は、液体吐出ヘッド４を造形ステージ６に対して近接離間する方向に移動させる手段である。Ｚ軸移動部７は、Ｚ軸ガイド部材３３に沿って液体吐出ヘッド４を移動させる。Ｚ軸移動部７は、液体３が吐出される吐出軸と同方向のＺ軸方向に移動可能にＺ軸ガイド部材３３に取り付けられたＺ軸ステージ３１と、このＺ軸ステージ３１をＺ軸ガイド部材３３に沿ってＺ軸方向に移動させるＺ軸モータ３２とから構成されている。Ｚ軸移動部７は、例えばＺ軸モータ３２の回転軸を介して駆動力がＺ軸ステージ３１に伝達され、Ｚ軸ステージ３１をＺ軸方向に移動させる。Ｚ軸移動部７は、Ｚ軸ステージ３１をＺ軸方向に移動させることによって、液体吐出ヘッド４をＺ軸方向に移動させる。
【００３８】
なお、Ｚ軸移動部７を造形ステージ６側に設けて、造形ステージ６が液体吐出ヘッド４に対して近接離間するように、造形ステージ６をＺ軸方向に移動させる構成としてもよい。また、Ｚ軸移動部７を液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６に共に設けて、液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６を共にＺ軸方向に移動させて、互いに近接離間するように、液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６をＺ軸方向に移動させる構成としてもよい。
【００３９】
（４）Ｘ軸移動部
図１において、Ｘ軸移動部８は、造形ステージ６をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸移動部８は、Ｙ軸移動部９上に設けられている。このＸ軸移動部８は、造形ステージ６が設けられたＸ軸ステージ４１と、このＸ軸ステージ４１をＸ軸方向に移動させるＸ軸モータ４２とから構成されている。Ｘ軸移動部８は、Ｘ軸モータ４２の回転軸４２ａを介して駆動力がＸ軸ステージ４１に伝達され、Ｘ軸ステージ４１をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸移動部８は、Ｘ軸ステージ４１をＸ軸方向に移動させることによって、造形ステージ６をＸ軸方向に移動させる。
【００４０】
なお、Ｘ軸移動部８を液体吐出ヘッド４、又は液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６に共に設けて、液体吐出ヘッド４、又は液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６を共にＸ軸方向に移動させる構成としてもよい。
【００４１】
（５）Ｙ軸移動部
図１において、Ｙ軸移動部９は、支持台２とＸ軸ステージ４１との間に設けられている。Ｙ軸移動部９は、造形ステージ６をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸移動部９は、造形ステージ６及びＸ軸ステージ４１が設けられたＹ軸ステージ５１と、このＹ軸ステージ５１をＹ軸方向に移動させるＹ軸モータ５２とから構成されている。Ｙ軸移動部９は、Ｙ軸モータ５２の回転軸５２ａを介して駆動力がＹ軸ステージ５１に伝達され、Ｙ軸ステージ５１をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸移動部９は、Ｙ軸ステージ５１をＹ軸方向に移動させることによって、造形ステージ６をＹ軸方向に移動させる。
【００４２】
なお、Ｙ軸移動部９を液体吐出ヘッド４、又は液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６に共に設けて、液体吐出ヘッド４、又は液体吐出ヘッド４及び造形ステージ６を共にＹ軸方向に移動させる構成としてもよい。
【００４３】
なお、造形装置１には、対象物５に対して安定な造形を行うことができる温度や湿度の環境整え、その環境を一定とするため、制御部２８を設けるようにしてもよい。制御部２８は、温湿度センサ２６により温度や湿度を測定した結果に基づいて、ノズル２３ａと対象物５との間の空間の環境が一定になるように、送風機、熱交換器、加湿器、エアフィルタ等を納めた空調機からなる。
【００４４】
２．造形方法
（１）液体
液体３は、少なくとも水と、水に溶解又は分散する着色剤とを含有する。着色剤としては、水溶性インクに使用され、凝集しやすいものが選択される。具体的には、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９などが挙げられる。なお、このイエロー染料Ｙ１１８９に限定されるものではなく、他の染料であっても本発明が成り立たない訳ではなく、適時、他の着色剤を選択することができる。顔料を分散した水性の液体３も使用することができる。顔料を分散した水性の液体３では、水で容易には再分散されないので、造形された立体造形物１２は水溶性ではなくなる。
【００４５】
その他、液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ内で液体３が乾燥しないように、保湿剤を含有させてもよい。保湿剤の含有量は、着色剤の濃度以下の量である。保湿剤としては、トリメチロールプロパン等が挙げられる。立体造形物の強度を弱めないという点から、常温常圧の通常環境下で固体の保湿剤を選択するほうがより強度が強い構造体が得られる。
【００４６】
なお、液体３としては、水と着色剤とを含有するものに限られず、着色剤に代えて、水溶性の塩で、分子量が適度に大きい、例えば数百〜数千の分子量のものを用い、溶媒が乾燥することで、粘性を生じるものであれば用いることができる。
【００４７】
（２）造形方法
上述の造形装置１では、造形ステージ６上に普通紙や基板等の対象物５を載置し、液体吐出ヘッド４のノズル２３ａと対象物５が対向するように、対象物５を配置する。造形装置１では、液体タンク１０から液体３が流路２５を介して液体吐出ヘッド４の液体加圧室２４に供給される。そして、造形装置１では、液体加圧室２４に供給された液体３をヒータ２２ａを発熱させて押圧し、ノズル２３ａから液滴３ａを対象物５に吐出する。液体３を吐出する際には、液体３が単独の液滴３ａとして飛翔したとき、理想的な真球として近似した液滴３ａの質量当りの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下である。また、この比表面積を有する液滴３ａを対象物５上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に例えば同じ位置に吐出する。造形装置１は、液滴３ａの比表面積及び液滴３ａの吐出周波数を制御することによって、液滴３ａの飛翔中及び対象物５に着弾後の乾燥、着色剤の凝集を制御し、図３に示すような、略円柱状の立体造形物１２を造形することができる。
【００４８】
ここで、液体３が単独の液滴３ａとして飛翔したとき、理想的な真球として近似した液滴３ａの質量当りの比表面積は、次のようにして求めることができる。先ず、１滴の体積を求める。主たる液滴サイズは、吐出される液滴３ａをストロボ撮影することで測定できる。他の方法として、サテライトが十分に少ない場合は、吐出発数に対して使用された液体３の量を求めることで、１滴あたりの液量を近似的に求めることができる。このようにして求められた液滴３ａ（１滴）の体積から理想的な球形として、その半径ｒ（μｍ）を求める。求めた半径ｒ（μｍ）を元に、理想的な球形に近似すると、表面積は４πｒ２、体積は（４／３）πｒ３で求められる。液体３の密度をρ（ｇ／ｃｍ３）（ρは、ほぼ１である）とすると、比表面積（Ｓｍ）は、Ｓｍ＝３／（ｒ・ρ）（ｍ３／ｇ）から求めることができる。
【００４９】
このように求められた比表面積が０．２ｍ３／ｇを下回る場合には、１滴の液量が多いため、ノズル２３ａから吐出された液体３が十分に乾燥する前に造形ステージ６上の対象物５に着弾してしまい、積層による立体造形に適さない。逆に比表面積が０．５ｍ３／ｇを上回る場合には、１滴の液量が少ないため、乾燥は十分であるものの、より空気抵抗の影響を受け易く、着弾位置を正確に合わせることが困難となり、やはり積層による立体造形に適していない。
【００５０】
なお、液滴３ａは、吐出直後から着弾までに形状を変化させながら飛翔するので、その形状を特定することは出来ないということが知られている。しかしながら、基本的には、球形から振動しつつ紡錘形や涙形を取るので、一定条件での乾燥・凝集への影響を考えるときには、理想的な球形での比表面積として取り扱うことで、十分な制御が可能となる。本発明では、液体３が単独の液滴３ａとして飛翔したとき、理想的な真球として近似した液滴３ａの質量当りの比表面積を取り扱っている。
【００５１】
また、造形装置１では、液滴３ａを１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の吐出周波数で吐出する。１秒間に１発から１００発の液滴３ａを重ねて着弾させることによって、対象物５に着弾するまでの数１０μ秒から数１００μ秒という短時間に、液滴３ａの表面から溶媒が蒸発し、同時に着色剤の凝集が始まる。液滴３ａの表面が薄く凝集した状態で、対象物５に着弾すると、液滴３ａは対象物５上で更に固化が進み、対象物５上に半球状で着弾する。更に、次の液滴３ａを重ねるまでに、１０ｍ秒から１０００ｍ秒間隔を空けることで、更に対象物５上で乾燥と凝集が進み、もはや次の液滴３ａが重なっても大きなドットとなることはなく、液滴３ａの吐出軸方向（Ｚ軸方向）に積層を続けることになる。液滴３ａの吐出周波数は、液滴３ａの飛翔中及び対象物５上に着弾した後に乾燥し、液滴３ａが積層できるように、造形装置１の周囲の温度や湿度等の環境に合わせて決定する。例えば、乾燥しにくい環境の場合には、液滴３ａの吐出間隔を大きく、乾燥しやすい環境の場合には、液滴３ａの吐出間隔を狭くする。
【００５２】
この造形方法では、図３（Ａ）に示すように、１秒間に１発から１００発の液滴３ａを成長点１３に重ねて着弾させる。これにより、造形方法は、あたかも石筍や鍾乳石が成長するかのように、１秒間に数μｍから数十μｍの速度で凝集した着色剤による略円柱状の立体造形物１２が図３（Ｂ）に示すように形成される。なお、図３（Ｂ）に示す略円柱状の立体造形物１２は、液滴３ａの比表面積が０．３ｍ３／ｇ以上で、液滴３ａの吐出周波数が１０Ｈｚの条件で造形したものであり、直径が２４μｍである。なお、立体造形物１２の形状は、略円柱状に限らず、ノズル２３ａの形状によって変えることができる。
【００５３】
造形装置１では、１滴目の液滴３ａが吐出され、対象物５に着弾し、着弾した１滴目の液滴３ａが成長点１３となり、この成長点１３上に２滴目の液滴３ａが積み重なる。そして、３滴目は着弾した２滴目の液滴３ａが成長点１３となり、この成長点１３上に積み重なり、４滴目以降も同様に前に着弾した液滴３ａ上に積み重なる。
【００５４】
１滴目を吐出する際には、液体吐出ヘッド４のノズル２３（吐出面４ａ）と対象物５との距離が所定の距離となるように、Ｚ軸移動部７で液体吐出ヘッド４をＺ軸方向、即ち対象物５に対して近接離間する方向に移動させて、液体吐出ヘッド４の位置を調整する。続いて、２滴目以降を吐出する際には、対象物５に着弾した液滴３ａのうち最も上に位置する液滴３ａ（成長点１３）と液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ（吐出面４ａ）の距離を調整する。この調整は、１滴目を吐出する際に調整した液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ（吐出面４ａ）と対象物５との所定の距離と略同じになるように、液体吐出ヘッド４をＺ軸方向、即ち対象物５から離れる方向に上昇させる。また、液体吐出ヘッド４と対象物５との間の湿度及び温度がほぼ一定となるように、温湿度センサ２６で液体吐出ヘッド４と対象物５との間の湿度及び温度を測り、湿度及び温度を調整する。液体吐出ヘッド４と対象物５との間の湿度及び温度をほぼ一定とすることによって、吐出した液滴３ａの乾燥を一定とすることができ、安定して立体造形物１２を造形できる。
【００５５】
造形装置１では、以上のような条件で液体３を吐出することによって、吐出された液滴３ａは飛翔している間及び対象物５に着弾後に乾燥し、着色剤が凝集して、適度に固化し、着弾した液滴３ａが対象物５の面方向に広がらず、対象物５上に半球状に着弾する。これにより、造形装置１では、液滴３ａを同じ位置に吐出した場合、図３（Ｂ）に示すように、液滴３ａの吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる略円柱状の立体造形物１２を液体３で造形することができる。ここで、液滴３ａの吐出軸とは、液体吐出ヘッド４のノズル２３ａから対象物５に対して液滴３ａが吐出される方向と略平行な軸を示す。
【００５６】
例えば、吐出した液滴３ａの比表面積が０．３ｍ３／ｇ、吐出周波数１０Ｈｚで液滴３ａを同じ位置に吐出した場合、図４に示すように、液滴３ａが積み重なり、液体３の吐出軸と同方向（Ｚ軸方向）に伸びる直径２４μｍの略円柱状の立体造形物１２が造形される。図４（Ａ）は、造形開始から０．５秒後の立体造形物１２であり、対象物５上に液滴３ａが積み重なり、半球状に液滴３ａが着弾している。図４（Ｂ）は、造形開始から１秒後の立体造形物１２である。この立体造形物１２は、液滴３ａが吐出軸と同方向（Ｚ軸方向）に積み重なることによって、略円柱状の立体造形物１２の成長点１３が吐出軸と同方向（Ｚ軸方向）に向かって成長して造形される。更に、液滴３ａの吐出を続けると、立体造形物１２が吐出軸と同方向（Ｚ軸方向）に向かって更に成長し、造形開始から５秒後では、図４（Ｃ）に示すような立体造形物１２を造形できる。
【００５７】
また、吐出した液滴３ａの比表面積が０．２ｍ３／ｇ、吐出周波数が１Ｈｚの場合には、図５（Ａ）に示すような、直径が４０μｍの立体造形物１２が得られる。吐出した液滴３ａの比表面積が０．５ｍ３／ｇ、吐出周波数が１０Ｈｚの場合には、図５（Ｂ）に示すような、直径が１４μｍの立体造形物１２が得られる。
【００５８】
このような造形方法では、吐出軸方向（Ｚ軸方向）の円柱状の立体造形物１２だけではなく、図６に示すように、液滴３ａの吐出軸方向（Ｚ軸方向）に対して、９０度以下の角度で斜め又は真横に伸びる立体造形物１２を造形することもできる。９０度以下の角度で斜め又は真横に伸びる立体造形物１２を造形するには、２滴目以降において、液滴３ａを吐出する際に、直前に吐出した液滴３ａが着弾した位置と同じ位置ではなく、先に対象物５に着弾した液滴３ａの直径以下の量の範囲で着弾位置をずらして液滴３ａを積層する。
【００５９】
図６（Ａ）は、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる略円柱状の立体造形物１２を示している。図６（Ａ）では、１滴目の液滴３ａ（Ａ１）が吐出されて対象物５上に着弾し、続いて２滴目の液滴３ａ（Ｂ１）が吐出されて、対象物５上に着弾した液滴３ａ（Ａ１）上に積み重なる。同様に、３滴目の液滴３ａ（Ｃ１）が液滴３ａ（Ｂ１）上に積み重なり、液滴３ａ（Ｃ１）上に液滴３ａ（Ｄ１）が積み重なり、液滴３ａ（Ｄ１）上に液滴３ａ（Ｅ１）が積み重なる。即ち、液滴３ａ（Ａ１）〜液滴３ａ（Ｅ１）を略同じ位置に着弾させることで、略円柱状の立体造形物１２の先端が成長点１３となり、Ｚ軸方向に成長し、立体造形物１２が形成される。ここで、液滴３ａ（Ａ１）〜（Ｅ１）を吐出する際に、立体造形物１２の成長点１３と液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ（吐出面４ａ）との距離が一定となるように、液体吐出ヘッド４をＺ軸方向に移動させる。
【００６０】
図６（Ｂ）は、液滴３ａの着弾位置を、先に対象物５に着弾した液滴３ａの直径以下の量の範囲でＸ軸方向にずらすことによって、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に対して、９０度以下の角度で斜めに成長した立体造形物１２を示している。先に対象物５に着弾した液滴３ａの直径以下の量の範囲で液滴３ａの着弾位置をずらすとは、後述するように、先に吐出した液滴３ａによって形成された吐出軸方向（Ｚ軸方向）の円柱状の立体造形物１２の先端、即ち液滴３ａが着弾して立体造形物１２が成長する成長点１３の直径以下の量の範囲で液滴３ａの着弾位置をずらすことである。
【００６１】
図６（Ｂ）では、１滴目の液滴３ａ（Ｆ１）が吐出されて対象物５上に着弾し、続いて２滴目の液滴３ａ（Ｇ１）が吐出されて、対象物５上に着弾した液滴３ａ（Ｆ１）の直径以下の量の範囲内で着弾位置をずらして、液滴３ａ（Ｆ１）上に液滴３ａ（Ｇ１）を積み重ねる。即ち、対象物５上に着弾した液滴３ａ（Ｆ１）が立体造形物１２の成長点１３となり、この成長点１３の直径以下の量の範囲内で着弾位置をずらして、液滴３ａ（Ｇ１）を成長点１３に着弾させる。同様に、３滴目の液滴３ａ（Ｈ１）は、液滴３ａ（Ｇ１）が着弾してできた成長点１３に対して、この成長点１３の直径以下の量の範囲内で着弾位置をずらして吐出し、成長点１３に着弾させる。４滴目以降の液滴３ａ（Ｉ１）（Ｊ１）についても、成長点１３の直径以下の量の範囲内で着弾位置をずらして成長点１３に積み重ねる。ここで、液滴３ａ（Ｆ１）〜（Ｊ１）を吐出する際に、成長点１３と液体吐出ヘッド４のノズル２３ａ（吐出面４ａ）との距離が一定となるように、液体吐出ヘッド４をＺ軸方向に移動させる。
【００６２】
なお、図６（Ｂ）では、着弾前の液滴３ａ（Ｆ１）〜（Ｊ１）の軌道が重なっている状態を示しているが、このようにずらして順々に液滴３ａ（Ｆ１）〜（Ｊ１）を吐出することによって、着弾しても液滴３ａ（Ｆ１）〜（Ｊ１）は上述したように成長点１３で重なる。また、本発明では、少なくとも着弾した液滴３ａが成長点１３で重なっていればよい。
【００６３】
ここで、液滴３ａは、対象物５上に着弾、及び先に吐出された液滴３ａ上に着弾すると、環境や吐出周波数によって、着弾前の液滴３ａの直径よりもやや大きくなる。このことについて、発明者らが確認したところ、比表面積が０．２ｍ３／ｇの液滴３ａを吐出周波数１０Ｈｚで吐出した場合には、液滴３ａの直径は３０μｍであるが、着弾すると、直径が４０μｍとなる。比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴３ａを吐出周波数１０Ｈｚで吐出した場合には、液滴３ａの直径は２０μｍであるが、着弾すると、２４μｍとなる。比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴３ａを吐出周波数１０Ｈｚで吐出した場合には、液滴３ａの直径は１２μｍであるが、着弾すると、１４μｍとなる。
【００６４】
造形装置１では、液滴３ａの着弾位置をずらすには、対象物５が載置された造形ステージ６をＸ軸移動部８でＸ軸方向に移動又はＹ軸移動部９でＹ軸方向に、即ち立体造形物１２を成長させる方向とは反対方向に、立体造形物１２の成長点１３の直径以下の量の範囲で移動させる。
【００６５】
これにより、造形装置１では、造形ステージ６をＸ軸方向又はＹ軸方向に移動させることによって、液体３の着弾位置がずれるため、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に対して、９０度以下の角度で斜めに立体造形物１２が成長する。その結果、図６（Ｂ）に示すような立体造形物１２を造形することができる。この造形装置１では、吐出軸方向（Ｚ軸方向）と直交する方向、即ち真横に伸びる柱状の立体造形物１２を造形することができる。なお、造形装置１では、液体吐出ヘッド４を立体造形物１２の成長方向に移動させることで、図６（Ｂ）に示すような立体造形物１２を造形するようにしてもよい。
【００６６】
例えば、図７に示すように、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる隣接する円柱状の立体造形物を接続するように、架橋構造を造形することができる。このような架橋構造は、図７（Ａ）に示すように、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる円柱状の立体造形物を造形する。なお、図７の説明において、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる円柱状の立体造形物を柱１２ａ〜１２ｄという。次に、図７（Ｂ）に示すように、柱１２ａに隣接する他の柱１２ｂの方向に向かって、９０度以下の角度で斜めに柱１２ａを成長させる。柱１２ａを成長させるには、柱１２ａの成長点１３に液滴３ａを吐出する際に、造形ステージ６を成長させる方向とは反対方向、例えばＸ軸方向に、成長点１３の直径以下の量の範囲で移動させることによって、柱１２ａと隣接する他の柱１２ｂの方向に向かって、９０度以下の角度で斜めに成長する。同様にして、造形ステージ６を柱１２ｃの方向に移動させながら、この柱１２ａに隣接する他の柱１２ｂの成長点１３に液滴３ａを吐出する。これにより、図７（Ｃ）に示すように、柱１２ａの方向に向かって、９０度以下の角度で斜めに柱１２ｂが成長する。そして、図７（Ｄ）に示すように、どちらか一方又は両方の柱１２ａ、１２ｂを更に成長させることによって、隣接する柱１２ａと柱１２ｂとが接続され、架橋構造が形成される。同様にして、図７（Ｅ）に示すように、更に隣接する柱１２ｃ、１２ｄとで架橋構造を形成することによって、複数の柱１２ａ〜１２ｄを接続した架橋構造を造形することができる。
【００６７】
この図７に示す架橋構造は、吐出した液滴３ａの比表面積が０．５ｍ３／ｇ、吐出周波数１０Ｈｚで液滴３ａを吐出して造形した。吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる柱１２ａ〜１２ｄは、円柱状であり、直径が２４μｍ、柱１２ａ〜１２ｄの間隔が１００μｍである。なお、図７に示す架橋構造を造形する際に、造形ステージ６をＸ軸方向に移動させて造形したが、柱１２ａ〜１２ｄの位置や成長させる方向によって、Ｙ軸移動部９で、造形ステージ６をＹ軸方向に移動させて、柱１２を９０度以下の角度で斜めに成長させてもよい。架橋構造を造形するに当って、上記比表面積、吐出周波数は一例であり、他の条件で造形しても、架橋構造を得ることができる。
【００６８】
また、図７の架橋構造では、柱１２ａ〜１２ｄを９０度以下の角度で斜めに成長させたが、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に対して直交方向に真横に成長させてもよい。また、図７に示す架橋構造は、更に、同様の構造のものを吐出軸方向（Ｚ軸方向）に積層して、網のように造形したり、Ｙ軸方向に更に柱を形成して立方体等の三次元造形物を造形してもよい。
【００６９】
以上のように、造形装置１では、液体３が単独の液滴３ａとして飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が、０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下であり、この液滴３ａを対象物５上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出する。このような条件で吐出することによって、液滴３ａは飛翔中又は対象物５に着弾した後、乾燥し、着色剤が凝集することによって、固化し、対象物５上で広がらず、半球状となる。これにより、この造形装置１による造形方法では、連続して液滴３ａを同じ位置に吐出することによって、吐出軸方向（Ｚ軸方向）に伸びる立体造形物１２を造形することができる。また、この造形方法では、着弾位置を僅かにずらして液滴３ａを着弾させることで、液滴３ａの吐出方向に対して斜めや殆ど真横にまで伸長させることができる。
【００７０】
また、この造形方法では、１秒間に１発から１００発の液滴３ａを重ねて着弾させるため、１秒間に数μｍから数十μｍの速度で、微細な柱状の立体造形物１２を造形することができる。また、造形された立体造形物１２は、水と着色剤とを含む液体３を吐出して、乾燥することによって着色剤が凝集してできたものであるから、再度水に溶解させることが可能である。なお、造形後に後処理を行ったり、液体３に硬化剤を添加することで、立体造形物１２を水に不溶にでき、立体造形物１２の用途が限定されず、汎用性に富んでいる。また、この造形方法では、立体造形物１２を造形した後に、熱や光による硬化工程が必要ないため、造形時間が短く、装置の大型も防ぐことができ、小型の造形装置１で造形できる。造形して得られた立体造形物１２は、溶媒が乾燥しても収縮せず、歪みが発生することを防止できる。
【００７１】
この造形方法では、液体３にゲル化剤を含有せずとも、吐出する際の液滴３ａの比表面積と吐出周波数を制御することで、飛翔中及び着弾後の液滴３ａが適度に固化し、積層させることができる。これにより、液体３の汎用性が著しく大きくなる。
【００７２】
この造形方法では、１：１００以上の圧倒的なアスペクト比の立体造形物を得ることができる。
【００７３】
また、この造形方法では、通常の水性インクジェットインクと異なり、飛翔中から乾燥・凝集を十分に行うことができ、溶剤を吸収するような対象物５を使用する必要がない。即ち、インクジェット用紙と呼ばれるインク受容層を有した樹脂層を持たないガラス表面や金属表面にも、直接、着色剤の凝集によって立体造形物１２を自由に形成することができる。
【００７４】
また、この造形方法では、対象物５を乗せる造形ステージ６を加熱することで、より液組成物の乾燥を促進することもできる。なお、この造形方法では、基材の熱伝導率や厚みによって、その成長度が大きく変わる場合があるため、吐出させる液滴３ａの温度を一定に加温することで液滴３ａの乾燥性を制御し、より安定な積層速度の制御を可能にする。
【００７５】
この造形方法は、得られた立体造形物１２が商業的に利用可能な安定性を有し、且つ圧倒的な速度で立体造形物の造形することが可能である。
【００７６】
また、このような造形方法では、基材は特に撥水処理等を行なう必要は無い。かりに撥水処理を行なったとしても、２層目以降は１層目に対する濡れ性で直径が決まってくるので、意味が無いからである。本発明において、柱構造物の径は、吐出される液滴の比表面積と吐出周波数及び温度と湿度などの積層時の環境に依存することになる。
【実施例】
【００７７】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果をもとに詳細に説明する。まず、実験に使用した造型用の液体組成物（以下、インクという。）の組成について説明する。
【００７８】
（インクＡ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が２０質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクＡを調製した。
【００７９】
（インクＢ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が１６質量％、トリメチロールプロパンが１６質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクＢを調製した。
【００８０】
（インクＣ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が１６質量％、トリメチロールエタンが１２質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクを調製した。
【００８１】
（インクＤ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が１６質量％、キシリトールが８質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクを調製した。
【００８２】
（インクＥ）
イオン交換水に、スイスのイルフォードイメージング社から市販されているイエロー染料Ｙ１１８９の濃度が１６質量％、Ｄ−マンニトールが４質量％、界面活性剤としてサーフィノールＥ１０１０（日信化学工業（株）製）が０．３質量％になるように計量し、インクを調製した。
【００８３】
以上のようにして調整したインクＡ〜Ｅを用いて、実施例１〜９、比較例１〜３において造形物を造形した。ここで、実施例及び比較例では、ノズルシートの厚みが１０〜２０μｍ、ノズルの径が９〜３０μｍ、ヒータのサイズが２０μｍ×２０μｍ、液体加圧室の高さが８〜１２μｍのサイズの異なる複数のインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）を使用した。インクジェットヘッドは、駆動周波数を１０ＫＨｚ以上まであげることが出来るが、立体造形は１Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下で行なった。この時の駆動パルスは、１．３μｓ、駆動電圧を９．８Ｖとしている。
【００８４】
（実施例１）
液組成物としてインクＡ、基材（対象物）としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）との距離を１００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００８５】
この時、毎秒５μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒５μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようにした。
【００８６】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、図５（Ｂ）のように直径１４μｍ、高さ３００μｍの円柱状の造形物が得られた。
【００８７】
（実施例２）
液組成物としてインクＢ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１Ｈｚで比表面積が０．２ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００８８】
毎秒０．２μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒０．２μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようにした。
【００８９】
１２００秒間、液滴の数として１２００発を積層することで、図５（Ａ）のように直径４０μｍ、高さ約２５０μｍの円柱状の造形物が得られた。
【００９０】
（実施例３）
液組成物としてインクＢ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００９１】
毎秒２０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒２０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようした。
【００９２】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、図３のように直径２４μｍ、高さ約５００μｍの円柱状造形物が得られた。積層の途中経過は図４に示した。
【００９３】
（実施例４）
液組成物としてインクＡ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を１００μｍとした。その後、更にインクジェットヘッドの液温を６０℃に加温して、基材上に１００Ｈｚで比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００９４】
毎秒５０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒５０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようにした。
【００９５】
０．５秒間、液滴の数として５００発を積層することで、直径１５μｍ、高さ約２００μｍの円柱状造形物が得られた。
【００９６】
（実施例５）
液組成物としてインクＣ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【００９７】
毎秒２０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒２０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようした。
【００９８】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、直径２５μｍ、高さ約４５０μｍの円柱状造形物が得られた。
【００９９】
（実施例６）
液組成物としてインクＤ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１００】
毎秒２０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒２０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようした。
【０１０１】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、直径２４μｍ、高さ約４２０μｍの円柱状造形物が得られた。
【０１０２】
（実施例７）
液組成物としてインクＥ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１０３】
毎秒２０μｍで柱状造形物が成長するのに合わせ、インクジェットヘッドを基材から毎秒２０μｍで離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようした。
【０１０４】
６０秒間、液滴の数として６００発を積層することで、直径２４μｍ、高さ約４００μｍの円柱状造形物が得られた。
【０１０５】
（実施例８）
液組成物としてインクＢ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１０６】
柱状構造物が成長するのに応じて、インクジェットヘッドを基材の距離を離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造型を得るようにした。
【０１０７】
基材の乗った造型ステージを１０秒で一周するように、半径４０μｍの円運動をさせたところ、スプリング状の構造物を得ることができた。
【０１０８】
（実施例９）
液組成物としてインクＢ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を４００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．３ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１０９】
柱状構造物が成長するのに応じて、インクジェットヘッドを基材の距離を離すことで、成長点からノズルまでの距離を一定になるようにして、安定な造形物を得るようにした。
【０１１０】
その後、以下の通りに造型ステージを移動することで、図７のような造形物を得た。
【０１１１】
高さ１００μｍの柱状造形物を作った後、基材の乗ったステージを１００μｍピッチでＸ軸方向に移動させた。同様に１００μｍの柱造形物を作成し、造型ステージを移動させるという動作を繰り返し、４本の直径２４μｍ、高さ１００μｍの柱群を作製した。
【０１１２】
続いて、柱の先端に液滴を着弾させた後、１滴毎に２０μｍずつＸ軸方向に基材を移動させて４５°の角度で柱を伸ばした。更に隣の柱から逆方向に柱を伸ばし、結合させることで、アーチ構造を得た。この作業を繰り返すことで、図７のような架橋構造物を得た。
【０１１３】
（比較例１）
液組成物としてインクＡ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を１００μｍとした。その後、基材上に１０Ｈｚで比表面積が０．１５ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１１４】
６０秒間、液滴の数として６００発を吐出したところ、柱状の造形物は得られず、半球状のインク液が基材上に残った。このインク液は、数十分後、十分乾燥すると厚みが１μｍ以下の円形のドットになる。
【０１１５】
（比較例２）
液組成物としてインクＡ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を１００μｍとした。その後、基材上に３００Ｈｚで比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴を同じ位置に着弾させた。この時、インクジェットヘッド１と基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１１６】
２秒間、液滴の数として６００発を吐出したところ、柱状の構造物は得られず、半球状のインク液が基材上に残った。
【０１１７】
このインク液は、数十分後、十分乾燥すると厚みが１μｍ以下の円形のドットになる。
【０１１８】
（比較例３）
液組成物としてインクＡ、基材としてスライドグラスを用い、インクジェットヘッドとの距離を１００μｍとした。その後、２秒間に一回（０．５Ｈｚ）、吐出パルスで比表面積が０．５ｍ３／ｇの液滴を吐出可能なインクジェットヘッドに送った。この時、インクジェットヘッドと基材間は、２５℃±５℃、相対湿度５０％±１０％となるように実験を行なった。
【０１１９】
この条件下では、吐出方向が安定せず、或いは不吐出となり、造形物の作成が出来なかった。
【０１２０】
実施例及び比較例の実験結果を表１に示す。
【０１２１】
【表１】
【０１２２】
表１に示すように、実施例１〜実施例９は、基材上に、１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の範囲で比表面積が０．２ｍ３／ｇ以上０．５ｍ３／ｇ以下の範囲の液滴を吐出して造形したので、柱状の造形物を造形することができた。一方、これらの要件を満たしていない比較例１〜比較例３は、造形物を造形することができなかった。
【０１２３】
なお、基材には、特に撥水処理等を行なう必要は無い。かりに撥水処理を行なったとしても、２層目（２滴目）以降は、１層目（着弾した１滴目）に対する濡れ性で直径が決まってくるので、意味が無いからである。本発明において、柱構造物の径は、吐出される液滴の比表面積と吐出周波数及び温度と湿度などの積層時の環境に依存する。
【符号の説明】
【０１２４】
１ 造形装置、２ 支持台、３ 液体、４ 液体吐出ヘッド、５ 対象物、６ 造形ステージ、７ Ｚ軸移動部、８ Ｘ軸移動部、９ Ｙ軸移動部、１２ 立体造形物、１２ａ 柱、２２ａ ヒータ、２２ｂ 加温用ヒータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出する液体吐出部のノズルから液滴を対象物に吐出して立体造形物を造形する立体造形物の造形方法において、
上記液体は、水と、上記水に溶解又は分散する着色剤とを含有し、
上記液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下である液滴を、上記対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出し、
上記液滴を上記対象物上に積層して、上記液滴の吐出軸と同方向に伸びる立体造形物を造形する立体造形物の造形方法。
【請求項２】
上記対象物に着弾した上記液滴の直径以下の量の範囲で着弾位置をずらして上記液滴を積層することによって、上記液滴の吐出軸に対し、９０度以下の角度で斜め又は真横に伸びる立体造形物を造形する請求項１記載の立体造形物の造形方法。
【請求項３】
上記液体には、上記着色剤の濃度以下の量で保湿剤が添加されている請求項１又は請求項２記載の立体造形物の造形方法。
【請求項４】
上記液体吐出部に充填されている液体を加温する請求項１乃至請求項３の何れか1項記載の造形方法。
【請求項５】
液体の液滴を吐出するノズルを有する液体吐出部と、
上記液滴が着弾する対象物が載置される造形ステージと、
上記液体吐出部及び／又は上記造形ステージを上記液滴の吐出軸と同方向のＺ軸方向に移動させるＺ軸移動部とを有し、
上記液体吐出部は、水と、上記水に溶解又は分散する着色剤とを含有した液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下である液滴を、上記対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出し、上記液滴を積層しながら、上記Ｚ軸移動部で上記液体吐出部及び／又は上記造形ステージを上記Ｚ軸方向に移動させることで、上記Ｚ軸方向に伸びる立体造形物を造形する造形装置。
【請求項６】
更に、上記液体吐出部及び／又は造形ステージを上記Ｚ軸と直交する面内のＸ軸方向に移動させるＸ軸移動部と、Ｙ軸方向に移動させるＹ軸移動部とを有し、
上記Ｘ軸移動部及び／又は上記Ｙ軸移動部が、上記液体吐出部及び／又は上記造形ステージを上記Ｚ軸と略直交する面内を移動させて、上記対象物に着弾した上記液滴の直径以下の量の範囲で着弾位置をずらして上記液滴を積層することによって、上記Ｚ軸方向に対し、９０度以下の角度で斜め又は真横に伸びる立体造形物を造形する請求項５記載の造形装置。
【請求項７】
上記液体吐出部と上記造形ステージとの間の温湿度を測定する測定部と、湿度及び温度を制御する制御部とを有する請求項５又は請求項６記載の造形装置。
【請求項１】
液体を吐出する液体吐出部のノズルから液滴を対象物に吐出して立体造形物を造形する立体造形物の造形方法において、
上記液体は、水と、上記水に溶解又は分散する着色剤とを含有し、
上記液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下である液滴を、上記対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出し、
上記液滴を上記対象物上に積層して、上記液滴の吐出軸と同方向に伸びる立体造形物を造形する立体造形物の造形方法。
【請求項２】
上記対象物に着弾した上記液滴の直径以下の量の範囲で着弾位置をずらして上記液滴を積層することによって、上記液滴の吐出軸に対し、９０度以下の角度で斜め又は真横に伸びる立体造形物を造形する請求項１記載の立体造形物の造形方法。
【請求項３】
上記液体には、上記着色剤の濃度以下の量で保湿剤が添加されている請求項１又は請求項２記載の立体造形物の造形方法。
【請求項４】
上記液体吐出部に充填されている液体を加温する請求項１乃至請求項３の何れか1項記載の造形方法。
【請求項５】
液体の液滴を吐出するノズルを有する液体吐出部と、
上記液滴が着弾する対象物が載置される造形ステージと、
上記液体吐出部及び／又は上記造形ステージを上記液滴の吐出軸と同方向のＺ軸方向に移動させるＺ軸移動部とを有し、
上記液体吐出部は、水と、上記水に溶解又は分散する着色剤とを含有した液体が単独の液滴として飛翔したとき、理想的な真球として近似した当該液滴の質量当りの比表面積が０．２ｍ３／ｇ以上、０．５ｍ３／ｇ以下である液滴を、上記対象物上に１Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下で連続的に吐出し、上記液滴を積層しながら、上記Ｚ軸移動部で上記液体吐出部及び／又は上記造形ステージを上記Ｚ軸方向に移動させることで、上記Ｚ軸方向に伸びる立体造形物を造形する造形装置。
【請求項６】
更に、上記液体吐出部及び／又は造形ステージを上記Ｚ軸と直交する面内のＸ軸方向に移動させるＸ軸移動部と、Ｙ軸方向に移動させるＹ軸移動部とを有し、
上記Ｘ軸移動部及び／又は上記Ｙ軸移動部が、上記液体吐出部及び／又は上記造形ステージを上記Ｚ軸と略直交する面内を移動させて、上記対象物に着弾した上記液滴の直径以下の量の範囲で着弾位置をずらして上記液滴を積層することによって、上記Ｚ軸方向に対し、９０度以下の角度で斜め又は真横に伸びる立体造形物を造形する請求項５記載の造形装置。
【請求項７】
上記液体吐出部と上記造形ステージとの間の温湿度を測定する測定部と、湿度及び温度を制御する制御部とを有する請求項５又は請求項６記載の造形装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１０１８３４（Ｐ２０１１−１０１８３４Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５７００８（Ｐ２００９−２５７００８）
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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