３次元プリンタ
【課題】凹凸が形成された３次元形状の表面に対してプリンタヘッドからインクを吐出して、所望の印刷を施す３次元プリンタを提供する。
【解決手段】印刷対象物８０の表面８１に対してプリンタヘッド８５からインクを吐出して所定の印刷を施す３次元プリンタであって、印刷対象物を保持する保持チャック２６と、保持チャックを空間内で移動可能に支持する第１〜第３支持部材１０，１５，２０と、プリンタヘッドを保持する前端部４ａを保持チャックにより保持された印刷対象物に対して直線移動可能に支持するプリンタヘッドキャリッジ４と、プリンタヘッドキャリッジに対してプリンタヘッドを直線移動方向に直交する方向に移動可能に支持するヘッド駆動装置８８と、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て構成される。
【解決手段】印刷対象物８０の表面８１に対してプリンタヘッド８５からインクを吐出して所定の印刷を施す３次元プリンタであって、印刷対象物を保持する保持チャック２６と、保持チャックを空間内で移動可能に支持する第１〜第３支持部材１０，１５，２０と、プリンタヘッドを保持する前端部４ａを保持チャックにより保持された印刷対象物に対して直線移動可能に支持するプリンタヘッドキャリッジ４と、プリンタヘッドキャリッジに対してプリンタヘッドを直線移動方向に直交する方向に移動可能に支持するヘッド駆動装置８８と、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て構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッドからインクを吐
出して前記表面に所定の印刷を施す３次元プリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
紙等のプリント対象物に文字、図柄等を印刷するプリンタ装置は従来種々のものが知られており、例えば、コンピュータに繋がって紙面に印刷するプリンタ装置等は業務用、家庭用として広く用いられている。従来のプリンタは、プリント対象物となる紙もしくはシート材を所定方向に送りながら、プリンタヘッドをこの送り方向と直角に走査移動させながら印刷を行う形式のものが一般的であった。例を挙げれば、特許文献１および２に記載のプリンタ装置がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１９１４５５号公報
【特許文献２】特開２００４−１４８６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来のプリンタ装置は、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２次元の印刷を行うものであったが、最近において３次元形状の表面（例えば、円筒面、球面、その他のさまざまな曲面）を有する対象物に対して印刷を行うことができるようなプリンタが要求されている。さらには、この３次元形状の表面に凹凸が形成されているものも存在し、このような印刷対象物に対しては、プリンタヘッドと印刷表面との距離を一定に保ちにくく、そのため所望の印刷を施すことが困難であるという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、凹凸が形成された３次元形状の表面に対してプリンタヘッドからインクを吐出して、この３次元形状の表面に所望の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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために本発明に係る３次元プリンタは、３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッド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次元空間内において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保持するヘッド保持装置を、前記対象物保持装置により保持された前記印刷対象物に前記プリンタヘッドが対向する位置を通って直線移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、前記ヘッド移動支持装置に対して前記プリンタヘッドを前記直線移動方向に直交する方向に移動可能に支持するヘッド駆動装置と、前記３次元移動支持装置による前記対象物保持装置の３次元移動制御、前記ヘッド移動支持装置による前記ヘッド保持装置の直線移動制御、および前記ヘッド駆動装置による前記プリンタヘッドの前記直交する方向の移動制御に応じて、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て構成される。
【０００７】
上記構成の３次元プリンタにおいて、前記プリンタヘッドは平面状に配列された多数の吐出ノズルを有している。そして、前記ヘッド駆動装置は、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における前記多数の吐出ノズルが対向する印刷箇所と前記多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、前記プリンタヘッドを前記直交する方向に移動させる構成が好ましい。
【０００８】
また、上記構成の３次元プリンタにおいて、前記プリンタヘッドは、複数のプリンタヘッド構成体を平面状に並べて構成され、前記複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれは、平面状に配列された前記多数の吐出ノズルを有している。そして、前記ヘッド駆動装置は、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における前記多数の吐出ノズルが対向する前記印刷箇所と前記多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、前記複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれを前記直交する方向に移動させる構成が好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に関する３次元プリンタによれば、印刷インクを印刷対象物に向けて吐出するプリンタヘッドが、ヘッド移動支持装置により印刷対象物と対向する位置を通って直線移動可能に構成されるとともに、ヘッド駆動装置によりヘッド移動支持装置に対してプリンタヘッドを上記直線移動方向に直交する方向に移動可能に支持されて構成されている。この構成より、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対して、プリンタヘッドを常に所定の間隔を有した状態となるように（すなわち、プリンタヘッドから吐出されるインクを印刷対象表面に付着させて印刷を施すのに適した間隔となるように）相対移動させることが可能となる。このようにして相対移動させる際に、プリント制御装置によりこの移動に応じてプリンタヘッドからのインクの吐出制御を行えば、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対して、所望の印刷を簡単に且つ自動的に行うことができる。
【００１０】
ここで、ヘッド駆動装置が印刷対象物の表面における印刷箇所と多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、プリンタヘッドを上記直交する方向に移動させる構成が好ましい。このように構成した場合、３次元移動支持装置およびヘッド移動支持装置により、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面と吐出ノズルとの距離が変化する場合においても、印刷対象表面と吐出ノズルとの距離を上記印刷に適した所定の間隔となるように、ヘッド駆動装置がプリンタヘッドを移動させることができる。よって、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対して高精度な印刷が可能となる。
【００１１】
また、プリンタヘッドは複数のプリンタヘッド構成体を平面状に並べて構成され、ヘッド駆動装置は印刷対象物の表面における印刷箇所と多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれを、上記直交する方向に独立して移動させる構成が好ましい。このように構成した場合、３次元形状の印刷対象表面に形成されたより微小な凹凸に対しても、印刷対象表面と吐出ノズルとの距離を上記印刷に適した所定の間隔となるように、ヘッド駆動装置が複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれを独立して移動させることができる。よって、プリンタヘッドを高精度に移動制御できることにより、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対してより高精度な印刷が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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、図１を参照
して、本発明のプリンタ装置における保持装置により保持された印刷対象物８０と、プリンタヘッド８５との相対移動制御および印刷制御の概要を説明する。図１に示す印刷対象物８０は切頭円錐形状の部材であり、その円錐状の外表面８１にプリンタヘッド（インクジェットヘッド）８５からインクを吐出して所望の印刷を行うように構成されたプリンタの作動原理について、図１を用いて説明する。
【００１３】
このプリンタは、図示しないが、印刷対象物８０を支持する支持装置を有し、この支持装置は、切頭円錐の中心軸Ｘが前後に延びるとともに、この軸Ｘを中心として回転自在（矢印Ａで示す回転）に印刷対象物８０を支持し、この状態で軸Ｘ上の点Ｏ１を通り軸Ｘと直交して左右に延びる軸Ｙを中心として、印刷対象物８０が回転自在（矢印Ｂで示す回転）となるように支持し、さらに、この印刷対象物８０をＸ軸方向に沿って前後に移動（矢印Ｄ（ｘ）で示す移動）可能で、且つＸ軸およびＹ軸に直交して垂直に延びるＺ軸に沿って、上下に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能に支持するように構成されている。
【００１４】
このように図示しない支持装置により支持された印刷対象物８０の上方に、プリンタヘッド８５がＹ軸方向に移動（矢印Ｄ（ｙ）で示す移動）可能になって配設されている。さらに、図示しないヘッド駆動装置により、プリンタヘッド８５がＺ軸方向に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能になって配設されている。なお、プリンタヘッド８５は下面８６に多数のインク吐出孔を有し、図示しないインク供給装置から供給されるインクを、プリント制御装置により各インク吐出孔毎に制御して吐出させ、印刷対象物８０の表面８１に所定の印刷を行うようになっている。
【００１５】
このように、支持装置により支持された印刷対象物８０の円錐状の表面８１に対して、プリンタヘッド８５の下面８６に形成されたインク吐出孔から、インクを吐出して所望の印刷を行う。このとき、インク吐出孔を印刷対象物８０の表面８１の印刷対象位置に、所定の印刷間隔を有する接近した位置（インク吐出孔から吐出するインクを表面８１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。さらに、印刷対象位置の表面８１に対して、プリンタヘッド８５の下面に形成されたインク吐出孔が正面を向くように、すなわち、インク吐出孔からのインクの吐出方向が表面８１に対して直交するように向ける必要がある。例えば、印刷対象物８０の表面８１における、図示の印刷対象点Ｐ０にプリンタヘッド８５からインクを吐出して印刷を行うには、印刷対象点Ｐ０の位置における表面８１が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷間隔だけ離れた位置まで接近させ、且つ印刷対象点Ｐ０の位置における表面８１が、プリンタヘッドの下面８６と平行になるように位置決めする必要がある。
【００１６】
このため、図１に示すように印刷対象物８０を支持した状態から、印刷対象物８０をＸ軸方向に沿って前後に移動（矢印Ｄ（ｘ）で示す移動）させて、印刷対象点Ｐ０がプリンタヘッド８５の直下位置まで移動させる。そして、軸Ｘを中心として回転（矢印Ａで示す回転）させて、印刷対象点Ｐ０を真上に位置させ、軸Ｙを中心として回転（矢印Ｂで示す回転）させて印刷対象点Ｐ０を通る稜線Ｌ１が水平に延びるように位置させる。そして、プリンタヘッド８５の下面８６（のインク吐出孔）が、印刷対象点Ｐ０の真上に位置するようにプリンタヘッド８５をＹ軸方向に移動（矢印Ｄ（ｙ）で示す移動）させる。そして、プリンタヘッド８５の下面８６が、印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離だけ離れた接近位置に位置するように、Ｚ軸に沿って移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）させる。なお、この移動および回転の順序は、印刷対象物８０とプリンタヘッド８５とが干渉しない限りどのような順序でも良い。
【００１７】
このようにして、プリンタヘッド８５の下面８６が印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離だけ離れ、且つ正面を向いて対向する位置に位置した状態において、プリンタヘッド８５の下面８６のインク吐出孔からプリント制御装置による制御に基づいてインクの吐出が行われ、点Ｐ０に対する印刷が行われる。そして、例えば、印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行うには、印刷対象物８０の外表面における周方向に沿った点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷距離だけ離れて正面を向いて対向するように、上述した支持装置による印刷対象物８０の支持位置を変更しながら、プリント制御装置により制御してインク吐出を行わせる。さらにこのとき、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が印刷対象点Ｐ０に対して凹または凸となっている場合には、凹凸形状に応じてヘッド駆動装置がプリンタヘッド８５をＺ軸に沿って上下（矢印Ｄ（ｚ））方向に移動させる。こうすることにより、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷距離だけ離れて正面を向いて対向することが可能となり、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・に対して所望の印刷が行われる。
【００１８】
以上説明した作動原理に基づいて、３次元プリントを行うための具体的なプリンタ装置構成を、以下に示す２つの実施例（実施例１および実施例２）を挙げて、図２〜図６を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１９】
図２〜図５に、第１の実施例に係るプリンタ装置３０を示す。このプリンタ装置３０は、図２に示すように、ベース１の上に、左右一対の支持脚２ａ，２ｂおよびこれら支持脚２ａ，２ｂの上端を繋いで左右に延びた支持桁２ｃとからなる門型支持フレーム２が固設されている。また、右支持脚２ｂに隣接して操作盤６ａを有する第１制御装置６が設けられ、左支持脚２ａに隣接してメンテナンスステーション８を有する第２制御装置７が設けられている。なお、第１および第２制御装置６，７は、後述する各種部材の移動および回転作動制御を行う移動制御装置、プリンタヘッドからのインク吐出制御を行うプリント制御装置および電源制御装置等の、各種制御装置からなる。
【００２０】
支持桁２ｃの上面に前後一対の左右ガイドレール３ａ，３ｂが、左右方向（Ｙ軸方向）に延びて設けられており、この上に左右に移動自在（矢印Ｄ（ｙ）方向に移動自在）にプリンタキャリッジ４が取り付けられている。このプリンタキャリッジ４を左右に移動させるために、ボールネジ機構等の送り機構が設けられており、その駆動制御によりプリンタキャリッジ４の左右方向移動を制御できるが、このような送り機構は周知なのでその構成説明は省略する。
【００２１】
プリンタキャリッジ４は、図３に示すように、左右ガイドレール３ａ，３ｂにより支持される部分から前方に延びて下方に折れ曲がるとともに前方に延びた、側面視クランク形状の部材である。このプリンタキャリッジ４の前端部４ａに対して、複数のプリンタヘッドモジュール８５が一体となって、上下に移動自在（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動自在）に取り付けられている。プリンタヘッドモジュール８５は、インクジェットヘッドモジュールとも称され、下面８６に多数のインク吐出孔（図示せず）が形成されており、例えば、それぞれ異なる色のインクをインク吐出孔から吐出させるように構成されている。前端部４ａは、プリンタヘッドモジュール８５の下面８６と対向する部分が上下に開口しており、下面８６に形成されたインク吐出孔から前端部４ａの下方に位置する印刷対象物８０に向けてインクが吐出されることにより、所望の印刷が行われる。なお、このインクの吐出制御は、プリント制御装置によりインク吐出孔毎になされるが、この制御は周知なのでその説明は省略する。
【００２２】
さらに、プリンタヘッドモジュール８５の上方には、プリンタヘッドモジュール８５と連結されて、プリンタヘッドモジュール８５を上下に移動可能（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動可能）に構成されたヘッド駆動装置８８が設置されている。このヘッド駆動装置８８の駆動系として、例えばサーボモータ駆動機構を用いることにより、プリンタヘッドモジュール８５を所望の（上下）位置に連続的に移動させるように構成されている。このようにプリンタヘッドモジュール８５が搭載されたプリンタヘッドキャリッジ４が、左右ガイドレール３ａ，３ｂ上を左右に移動可能であるが、図２に示すように、左端部に位置した状態で、メンテナンスステーション８が上動してプリンタヘッドモジュール８５の下面８６の、インク吐出孔の乾燥防止および清掃が行われるようになっている。
【００２３】
ベース１の上に、門型支持フレーム２の左右支持脚２ａ，２ｂの間位置して、前後方向（Ｘ軸方向）に延びる一対の前後ガイドレール１ａ，１ｂが設けられており、この前後ガイドレール１ａ，１ｂの上に前後に移動自在（矢印Ｄ（ｘ）方向に移動自在）に第１支持部材１０が設けられている。この第１支持部材１０を前後に移動させるために、ボールネジ機構等の送り機構が設けられており、その駆動制御により第１支持部材１０の前後方向移動を制御できるが、このような送り機構は周知なのでその構成説明は省略する。
【００２４】
第１支持部材１０の上に、垂直に起立した状態で垂直支持部材１１が固設されており、この垂直支持部材１１の前面に垂直方向（Ｚ方向）に延びる一対の上下ガイドレール１２ａ，１２ｂが設けられている。この上下ガイドレール１２ａ，１２ｂに支持されて、上下に移動自在（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動自在）に第２支持部材１５が設けられている。この第２支持部材１５を上下に移動させるために、ボールネジ機構等の送り機構が設けられており、その駆動制御により第２支持部材１５の上下方向移動を制御できるが、このような送り機構は周知なのでその構成説明は省略する。
【００２５】
第２支持部材１５の前面１５ａは、第２支持部材１５に対して定まる所定点Ｏ１（後述するように印刷対象物８０が位置し得る位置に設定された点）を通り、Ｙ軸方向に延びる第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１５ａに接合する円筒面形状の後面２０ａを有した第３支持部材２０が、前面１５ａ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２０の後面２０ａが第２支持部材１５の前面１５ａと摺接移動可能であり、これにより、第３支持部材２０は第２支持部材１５に対して第１回転軸Ｙ０を中心として回転（矢印Ｂで示す回転）自在となって支持される。
【００２６】
このように支持した第３支持部材２０を、第２支持部材１５に対して第１回転軸Ｙ０を中心として回転移動させるために、第３支持部材２０の図２における左側部の前面に第１回転軸Ｙ０を中心とした内歯車２１が形成されている。そして、第２支持部材１５の左側部の前面に駆動モータ１６が取り付けられ、この駆動モータ１６の駆動シャフトに取り付けられた駆動ピニオン１７が内歯車２１と噛合している。このため、駆動モータ１６により駆動ピニオン１７を回転駆動すれば、これに噛合する内歯車２１が回転駆動され、第３支持部材２０を第１回転軸Ｙ０を中心として回転させることができる。
【００２７】
第３支持部材２０の前面側に、保持シャフト２５が前後方向（Ｘ軸方向）に延びるとともに、上記所定点Ｏ１を通る第２回転軸Ｘ０を中心として回転自在に設けられて前方に突出しており、その前端に印刷対象物を保持するための保持チャック２６が取り付けられている。保持シャフト２５は、第３支持部材２０の内部に配設された駆動モータ（図示せず）により回転駆動制御されるようになっており、保持チャック２６は印刷対象物８０を保持可能な構成を有している。このため、保持チャック２６により印刷対象物８０を保持した状態で保持シャフト２５を回転駆動すれば、印刷対象物８０を第２回転軸Ｘ０を中心として回転させることができるようになっている。
【００２８】
上述のように第３支持部材２０は第１回転軸Ｙ０を中心として回転自在であるため、第３支持部材２０が所定回転位置（図３に示す回転位置）に位置したときに第２回転軸Ｘ０は前後方向（Ｘ軸方向）に延びるが、第３支持部材２０の回転位置に応じて第２回転軸Ｘ０は上下に振られる。また、図示のように第１回転軸Ｙ０および第２回転軸Ｘ０はともに所定点Ｏ１を通り互いに交差しているが、これは交差せずにずれていても良い。但し、交差している方が、印刷対象物８０の位置演算が容易であり、移動制御装置による制御が簡単である。
【００２９】
以上の構成のプリンタ装置において、保持シャフト２５の回転中心となる第２回転軸Ｘ０が、図１に示す作動原理構成における軸Ｘに該当し、第３支持部材２０の回転中心となる第１回転軸Ｙ０が図１の作動原理構成の軸Ｙに該当する。この第３支持部材２０を支持する第２支持部材１５は、第１支持部材１０によりＺ軸方向（上下方向）に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能に支持され、第１支持部材１０は、ベース１上にＸ軸方向（前後方向）に移動（矢印Ｄ（ｘ）で示す移動）可能に支持されている。また、プリンタヘッド８５は、印刷対象物８０の上方においてベース１に対して、Ｙ軸方向（左右方向）に移動（矢印Ｄ（ｙ）で示す移動）可能に支持されるとともに、Ｚ軸方向（上下方向）に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能に支持されている。すなわち、図１に示す作動原理と同一の作動を行うことができるように構成されている。
【００３０】
なお、本明細書における前端部４ａが、請求の範囲に規定するヘッド保持装置に該当し、同様に、プリンタヘッドキャリッジ４がヘッド移動支持装置、プリンタヘッドモジュール８５がプリンタヘッドにそれぞれ該当する。また、本明細書における保持シャフト２５および保持チャック２６により、請求の範囲に規定する対象物保持装置が構成される。本明細書における第１支持部材１０、第２支持部材１５および第３支持部材２０を主体として、請求の範囲に規定する３次元移動支持装置が構成される。
【００３１】
以上ここまでは、プリンタ装置３０の構成部材について説明したが、以下において、上記のプリンタ装置３０を用いて、印刷対象物８０に所望の印刷を行うときの各構成部材の作動について説明する。ここで、本発明の特徴構成を分かりやすく説明するために、プリンタヘッドモジュール８５、ヘッド駆動装置８８および保持チャック２６に保持された印刷対象物８０の作動を中心に説明する。
【００３２】
図１に示すような作動原理に基づき、印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行う場合には、印刷を行う前段階として、例えば各移動制御装置が原点に位置した状態において、印刷対象物８０の表面８１の形状データを取得し、取得された形状データがプリンタ装置３０の演算処理部（図示せず）に記憶されている。また、各移動制御装置が駆動した場合にもその駆動量を検出することにより、印刷対象物８０の表面８１の各位置を算出できる構成となっている。ここで、各移動制御装置を駆動させて、印刷対象点Ｐ０がプリンタヘッドモジュール８５の直下に位置するように移動させる。
【００３３】
このとき、上記形状データより印刷対象点Ｐ０の位置が算出されるとともに、例えば図５に示すように、印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離ｄ１だけ離れた接近位置にプリンタヘッドモジュール８５の下面８６が位置するように、上記形状データを基にヘッド駆動装置８８がプリンタヘッドモジュール８５をＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する（実線で示したプリンタヘッドモジュール８５）。上記位置において、印刷対象点Ｐ０に対して所望の印刷を行った後、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０が回転されることにより、次の印刷対象点Ｐ１が下面８６の下方に位置する（２点破線で示したプリンタヘッドモジュール８５）。
【００３４】
ここで、印刷対象点Ｐ０に対して印刷対象点Ｐ１は下方に向けて凹んでいるために、表面８１と下面８６との距離は印刷対象物８０の回転に伴って変化する。このとき、上記形状データを基にヘッド駆動装置８８が、表面８１と下面８６との距離を常に所定印刷距離ｄ１に保つように、プリンタヘッドモジュール８５をＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する。このように、プリンタヘッド８５の直下に順次印刷対象点を位置させるとともに、ヘッド駆動装置８８がプリンタヘッドモジュール８５に対して移動制御を行いながら、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出することにより、所望の印刷が行われる。つまり、上記形状データを基にヘッド駆動装置８８が、プリンタヘッドモジュール８５をＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御することにより、インク吐出孔は常に所定印刷距離ｄ１だけ離れた位置から、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹凸に関わらず所望の印刷を行うことができる。
【００３５】
ここで、第１の実施例に係るプリンタ装置３０の効果について簡単にまとめると、印刷対象物８０の表面８１における印刷対象点とインク吐出孔との距離を、常に所定印刷距離ｄ１に保つように、ヘッド駆動装置８８がプリンタヘッドモジュール８５を移動制御する構成となっている。よって、インク吐出孔は常に所定印刷距離ｄ１だけ離れた位置から印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹凸に関わらず、高精度な印刷を行うことができる。
【実施例２】
【００３６】
図２〜図４および図６に、第２の実施例に係るプリンタ装置４０を示す。このプリンタ装置４０は、第１の実施例に係るプリンタ装置３０とほぼ同一構成となっており、以下においてプリンタ装置３０と異なる構成部分を中心に説明する。なお、プリンタ装置３０と同一番号が付された部材は、上述の第１の実施例で説明した構成となっている。
【００３７】
プリンタキャリッジ４の前端部４ａ上に対して、複数のプリンタヘッドモジュール８５ｃ，８５ｍ，８５ｙ，８５ｋ（以下において、プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋと称す）が、それぞれ独立して上下に移動自在（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動自在）に取り付けられている。ここで、例えばプリンタヘッドモジュール８５ｃはシアン、８５ｍはマゼンダ、８５ｙはイエロー、８５ｋはブラックのように、それぞれ異なる色のインクをインク吐出孔から吐出するように構成されている。なお、上記複数のプリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋをまとめて、単にプリンタヘッドモジュール８５ａと称する。さらに、プリンタヘッドモジュール８５ａの上方には、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋと連結されて、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋをそれぞれ独立して上下に移動可能（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動可能）に構成されたヘッド駆動装置８９が設置されている。上記ヘッド駆動装置８９の駆動系として、例えばサーボモータ駆動機構を用いることにより、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋを独立して所望の（上下）位置に、連続的に移動させることができるように構成されている。
【００３８】
以上ここまでは、プリンタ装置４０のプリンタヘッド部分の構成について説明したが、以下において、上記のプリンタ装置４０を用いて印刷対象物８０に所望の印刷を行うときの各構成部材の作動について説明する。ここで、本発明の特徴構成を分かりやすく説明するために、プリンタヘッドモジュール８５ａ、ヘッド駆動装置８９および保持チャック２６に保持された印刷対象物８０の作動を中心に説明する。
【００３９】
図１に示すような作動原理に基づき、印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行う場合には、上記第１実施例と同様に、印刷対象物８０の表面８１の形状データを取得した上で、各移動制御装置を駆動させて、印刷対象点Ｐ０がプリンタヘッドモジュール８５ａの直下に位置するように移動させる。このとき、上記形状データより印刷対象点Ｐ０の位置が算出されるとともに、例えば図６に示すように、印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離ｄ１だけ離れた接近位置に、プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋのそれぞれの下面８６ｃ，８６ｍ，８６ｙ，８６ｋ（以下において、下面８６ｃ〜８６ｋと称す）を位置させる。ここで、上記形状データを基にヘッド駆動装置８９がプリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋのそれぞれを、Ｚ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する（実線で示したプリンタヘッドモジュール８５ａ）。上記位置において、印刷対象点Ｐ０に対して所望の印刷を行った後、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０が回転されることにより、次の印刷対象点Ｐ１が各下面８６ｃ〜８６ｋの下方に位置する（２点破線で示したプリンタヘッドモジュール８５ａ）。
【００４０】
ここで、印刷対象点Ｐ０に対して印刷対象点Ｐ１は下方に向けて凹んでいるために、表面８１と各下面８６ｃ〜８６ｋとの距離は印刷対象物８０の回転に伴って変化する。このとき、上記形状データを基にヘッド駆動装置８９が、表面８１と下面８６ｃ〜８６ｋとの距離を常に所定印刷距離ｄ１に保つように、プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋのそれぞれを、Ｚ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する。このように、プリンタヘッドモジュール８５ａの直下に順次印刷対象点を位置させるとともに、ヘッド駆動装置８９がプリンタヘッドモジュール８５ａに対して移動制御を行いながら、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出することにより、所望の印刷が行われる。つまり、上記形状データを基にヘッド駆動装置８９が、プリンタヘッドモジュール８５ａのそれぞれをＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御することにより、インク吐出孔は常に所定印刷距離ｄ１だけ離れた位置から、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹凸に関わらず所望の印刷を行うことができる。
【００４１】
ここで、第２の実施例に係るプリンタ装置４０の効果について簡単にまとめると、印刷対象物８０の表面８１における印刷対象点と各下面８６ｃ〜８６ｋに形成されたインク吐出孔との距離を、常に所定印刷距離ｄ１に保つようにヘッド駆動装置８９が、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋを、それぞれ独立してＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する構成となっている。よって、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹凸に応じて、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋごとに細かな移動制御ができ、より微小な凹凸に対しても高精度な印刷が可能となる。
【００４２】
上述の第１および第２の実施例において、ヘッド駆動装置８８における駆動系として、サーボモータ駆動機構を用いてプリンタヘッドモジュール８５（８５ａ）を連続的に上下移動させる構成となっているが、このような構成に限定されず、例えば、エアシリンダを用いてプリンタヘッドモジュール８５（８５ａ）を段階的に上下移動させる構成でも良い。
【００４３】
上述の第１および第２の実施例において、例えばプリンタヘッドモジュール８５の下面８６に、表面８１と下面８６との距離を連続検出可能である距離検出器（図示せず）を設置する構成も可能である。この距離検出器において検出された距離および表面８１の形状データに基づいて、ヘッド駆動装置８８（８９）がプリンタヘッドモジュール８５を移動制御するように構成することにより、プリンタヘッドモジュール８５のより高精度な移動制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係るプリンタの作動原理を説明する概略図である。
【図２】本発明に係るプリンタ装置を示した正面図である。
【図３】このプリンタ装置の側面図（一部断面図）である。
【図４】このプリンタ装置の一部を取り出して示した斜視図である。
【図５】第１の実施例に係るヘッド駆動装置の作動を説明する模式図である。
【図６】第２の実施例に係るヘッド駆動装置の作動を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
４ プリンタヘッドキャリッジ（ヘッド移動支持装置）
４ａ 前端部（ヘッド保持装置）
１０ 第１支持部材（３次元移動支持装置）
１５ 第２支持部材（３次元移動支持装置）
２０ 第３支持部材（３次元移動支持装置）
２５ 保持シャフト（対象物保持装置）
２６ 保持チャック（対象物保持装置）
３０ プリンタ装置（３次元プリンタ）
８０ 印刷対象物
８５ プリンタヘッドモジュール（プリンタヘッド）
８５ｃ，８５ｍ，８５ｙ，８５ｋ プリンタヘッドモジュール（プリンタヘッド構成体）
８８ ヘッド駆動装置
Ｐ０ 印刷対象点（印刷箇所）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッドからインクを吐
出して前記表面に所定の印刷を施す３次元プリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
紙等のプリント対象物に文字、図柄等を印刷するプリンタ装置は従来種々のものが知られており、例えば、コンピュータに繋がって紙面に印刷するプリンタ装置等は業務用、家庭用として広く用いられている。従来のプリンタは、プリント対象物となる紙もしくはシート材を所定方向に送りながら、プリンタヘッドをこの送り方向と直角に走査移動させながら印刷を行う形式のものが一般的であった。例を挙げれば、特許文献１および２に記載のプリンタ装置がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１９１４５５号公報
【特許文献２】特開２００４−１４８６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来のプリンタ装置は、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２次元の印刷を行うものであったが、最近において３次元形状の表面（例えば、円筒面、球面、その他のさまざまな曲面）を有する対象物に対して印刷を行うことができるようなプリンタが要求されている。さらには、この３次元形状の表面に凹凸が形成されているものも存在し、このような印刷対象物に対しては、プリンタヘッドと印刷表面との距離を一定に保ちにくく、そのため所望の印刷を施すことが困難であるという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、凹凸が形成された３次元形状の表面に対してプリンタヘッドからインクを吐出して、この３次元形状の表面に所望の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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために本発明に係る３次元プリンタは、３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッド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次元空間内において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保持するヘッド保持装置を、前記対象物保持装置により保持された前記印刷対象物に前記プリンタヘッドが対向する位置を通って直線移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、前記ヘッド移動支持装置に対して前記プリンタヘッドを前記直線移動方向に直交する方向に移動可能に支持するヘッド駆動装置と、前記３次元移動支持装置による前記対象物保持装置の３次元移動制御、前記ヘッド移動支持装置による前記ヘッド保持装置の直線移動制御、および前記ヘッド駆動装置による前記プリンタヘッドの前記直交する方向の移動制御に応じて、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て構成される。
【０００７】
上記構成の３次元プリンタにおいて、前記プリンタヘッドは平面状に配列された多数の吐出ノズルを有している。そして、前記ヘッド駆動装置は、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における前記多数の吐出ノズルが対向する印刷箇所と前記多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、前記プリンタヘッドを前記直交する方向に移動させる構成が好ましい。
【０００８】
また、上記構成の３次元プリンタにおいて、前記プリンタヘッドは、複数のプリンタヘッド構成体を平面状に並べて構成され、前記複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれは、平面状に配列された前記多数の吐出ノズルを有している。そして、前記ヘッド駆動装置は、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における前記多数の吐出ノズルが対向する前記印刷箇所と前記多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、前記複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれを前記直交する方向に移動させる構成が好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に関する３次元プリンタによれば、印刷インクを印刷対象物に向けて吐出するプリンタヘッドが、ヘッド移動支持装置により印刷対象物と対向する位置を通って直線移動可能に構成されるとともに、ヘッド駆動装置によりヘッド移動支持装置に対してプリンタヘッドを上記直線移動方向に直交する方向に移動可能に支持されて構成されている。この構成より、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対して、プリンタヘッドを常に所定の間隔を有した状態となるように（すなわち、プリンタヘッドから吐出されるインクを印刷対象表面に付着させて印刷を施すのに適した間隔となるように）相対移動させることが可能となる。このようにして相対移動させる際に、プリント制御装置によりこの移動に応じてプリンタヘッドからのインクの吐出制御を行えば、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対して、所望の印刷を簡単に且つ自動的に行うことができる。
【００１０】
ここで、ヘッド駆動装置が印刷対象物の表面における印刷箇所と多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、プリンタヘッドを上記直交する方向に移動させる構成が好ましい。このように構成した場合、３次元移動支持装置およびヘッド移動支持装置により、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面と吐出ノズルとの距離が変化する場合においても、印刷対象表面と吐出ノズルとの距離を上記印刷に適した所定の間隔となるように、ヘッド駆動装置がプリンタヘッドを移動させることができる。よって、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対して高精度な印刷が可能となる。
【００１１】
また、プリンタヘッドは複数のプリンタヘッド構成体を平面状に並べて構成され、ヘッド駆動装置は印刷対象物の表面における印刷箇所と多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれを、上記直交する方向に独立して移動させる構成が好ましい。このように構成した場合、３次元形状の印刷対象表面に形成されたより微小な凹凸に対しても、印刷対象表面と吐出ノズルとの距離を上記印刷に適した所定の間隔となるように、ヘッド駆動装置が複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれを独立して移動させることができる。よって、プリンタヘッドを高精度に移動制御できることにより、凹凸が形成された３次元形状の印刷対象表面に対してより高精度な印刷が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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、図１を参照
して、本発明のプリンタ装置における保持装置により保持された印刷対象物８０と、プリンタヘッド８５との相対移動制御および印刷制御の概要を説明する。図１に示す印刷対象物８０は切頭円錐形状の部材であり、その円錐状の外表面８１にプリンタヘッド（インクジェットヘッド）８５からインクを吐出して所望の印刷を行うように構成されたプリンタの作動原理について、図１を用いて説明する。
【００１３】
このプリンタは、図示しないが、印刷対象物８０を支持する支持装置を有し、この支持装置は、切頭円錐の中心軸Ｘが前後に延びるとともに、この軸Ｘを中心として回転自在（矢印Ａで示す回転）に印刷対象物８０を支持し、この状態で軸Ｘ上の点Ｏ１を通り軸Ｘと直交して左右に延びる軸Ｙを中心として、印刷対象物８０が回転自在（矢印Ｂで示す回転）となるように支持し、さらに、この印刷対象物８０をＸ軸方向に沿って前後に移動（矢印Ｄ（ｘ）で示す移動）可能で、且つＸ軸およびＹ軸に直交して垂直に延びるＺ軸に沿って、上下に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能に支持するように構成されている。
【００１４】
このように図示しない支持装置により支持された印刷対象物８０の上方に、プリンタヘッド８５がＹ軸方向に移動（矢印Ｄ（ｙ）で示す移動）可能になって配設されている。さらに、図示しないヘッド駆動装置により、プリンタヘッド８５がＺ軸方向に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能になって配設されている。なお、プリンタヘッド８５は下面８６に多数のインク吐出孔を有し、図示しないインク供給装置から供給されるインクを、プリント制御装置により各インク吐出孔毎に制御して吐出させ、印刷対象物８０の表面８１に所定の印刷を行うようになっている。
【００１５】
このように、支持装置により支持された印刷対象物８０の円錐状の表面８１に対して、プリンタヘッド８５の下面８６に形成されたインク吐出孔から、インクを吐出して所望の印刷を行う。このとき、インク吐出孔を印刷対象物８０の表面８１の印刷対象位置に、所定の印刷間隔を有する接近した位置（インク吐出孔から吐出するインクを表面８１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。さらに、印刷対象位置の表面８１に対して、プリンタヘッド８５の下面に形成されたインク吐出孔が正面を向くように、すなわち、インク吐出孔からのインクの吐出方向が表面８１に対して直交するように向ける必要がある。例えば、印刷対象物８０の表面８１における、図示の印刷対象点Ｐ０にプリンタヘッド８５からインクを吐出して印刷を行うには、印刷対象点Ｐ０の位置における表面８１が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷間隔だけ離れた位置まで接近させ、且つ印刷対象点Ｐ０の位置における表面８１が、プリンタヘッドの下面８６と平行になるように位置決めする必要がある。
【００１６】
このため、図１に示すように印刷対象物８０を支持した状態から、印刷対象物８０をＸ軸方向に沿って前後に移動（矢印Ｄ（ｘ）で示す移動）させて、印刷対象点Ｐ０がプリンタヘッド８５の直下位置まで移動させる。そして、軸Ｘを中心として回転（矢印Ａで示す回転）させて、印刷対象点Ｐ０を真上に位置させ、軸Ｙを中心として回転（矢印Ｂで示す回転）させて印刷対象点Ｐ０を通る稜線Ｌ１が水平に延びるように位置させる。そして、プリンタヘッド８５の下面８６（のインク吐出孔）が、印刷対象点Ｐ０の真上に位置するようにプリンタヘッド８５をＹ軸方向に移動（矢印Ｄ（ｙ）で示す移動）させる。そして、プリンタヘッド８５の下面８６が、印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離だけ離れた接近位置に位置するように、Ｚ軸に沿って移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）させる。なお、この移動および回転の順序は、印刷対象物８０とプリンタヘッド８５とが干渉しない限りどのような順序でも良い。
【００１７】
このようにして、プリンタヘッド８５の下面８６が印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離だけ離れ、且つ正面を向いて対向する位置に位置した状態において、プリンタヘッド８５の下面８６のインク吐出孔からプリント制御装置による制御に基づいてインクの吐出が行われ、点Ｐ０に対する印刷が行われる。そして、例えば、印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行うには、印刷対象物８０の外表面における周方向に沿った点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷距離だけ離れて正面を向いて対向するように、上述した支持装置による印刷対象物８０の支持位置を変更しながら、プリント制御装置により制御してインク吐出を行わせる。さらにこのとき、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が印刷対象点Ｐ０に対して凹または凸となっている場合には、凹凸形状に応じてヘッド駆動装置がプリンタヘッド８５をＺ軸に沿って上下（矢印Ｄ（ｚ））方向に移動させる。こうすることにより、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、プリンタヘッド８５の下面８６と所定印刷距離だけ離れて正面を向いて対向することが可能となり、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・に対して所望の印刷が行われる。
【００１８】
以上説明した作動原理に基づいて、３次元プリントを行うための具体的なプリンタ装置構成を、以下に示す２つの実施例（実施例１および実施例２）を挙げて、図２〜図６を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１９】
図２〜図５に、第１の実施例に係るプリンタ装置３０を示す。このプリンタ装置３０は、図２に示すように、ベース１の上に、左右一対の支持脚２ａ，２ｂおよびこれら支持脚２ａ，２ｂの上端を繋いで左右に延びた支持桁２ｃとからなる門型支持フレーム２が固設されている。また、右支持脚２ｂに隣接して操作盤６ａを有する第１制御装置６が設けられ、左支持脚２ａに隣接してメンテナンスステーション８を有する第２制御装置７が設けられている。なお、第１および第２制御装置６，７は、後述する各種部材の移動および回転作動制御を行う移動制御装置、プリンタヘッドからのインク吐出制御を行うプリント制御装置および電源制御装置等の、各種制御装置からなる。
【００２０】
支持桁２ｃの上面に前後一対の左右ガイドレール３ａ，３ｂが、左右方向（Ｙ軸方向）に延びて設けられており、この上に左右に移動自在（矢印Ｄ（ｙ）方向に移動自在）にプリンタキャリッジ４が取り付けられている。このプリンタキャリッジ４を左右に移動させるために、ボールネジ機構等の送り機構が設けられており、その駆動制御によりプリンタキャリッジ４の左右方向移動を制御できるが、このような送り機構は周知なのでその構成説明は省略する。
【００２１】
プリンタキャリッジ４は、図３に示すように、左右ガイドレール３ａ，３ｂにより支持される部分から前方に延びて下方に折れ曲がるとともに前方に延びた、側面視クランク形状の部材である。このプリンタキャリッジ４の前端部４ａに対して、複数のプリンタヘッドモジュール８５が一体となって、上下に移動自在（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動自在）に取り付けられている。プリンタヘッドモジュール８５は、インクジェットヘッドモジュールとも称され、下面８６に多数のインク吐出孔（図示せず）が形成されており、例えば、それぞれ異なる色のインクをインク吐出孔から吐出させるように構成されている。前端部４ａは、プリンタヘッドモジュール８５の下面８６と対向する部分が上下に開口しており、下面８６に形成されたインク吐出孔から前端部４ａの下方に位置する印刷対象物８０に向けてインクが吐出されることにより、所望の印刷が行われる。なお、このインクの吐出制御は、プリント制御装置によりインク吐出孔毎になされるが、この制御は周知なのでその説明は省略する。
【００２２】
さらに、プリンタヘッドモジュール８５の上方には、プリンタヘッドモジュール８５と連結されて、プリンタヘッドモジュール８５を上下に移動可能（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動可能）に構成されたヘッド駆動装置８８が設置されている。このヘッド駆動装置８８の駆動系として、例えばサーボモータ駆動機構を用いることにより、プリンタヘッドモジュール８５を所望の（上下）位置に連続的に移動させるように構成されている。このようにプリンタヘッドモジュール８５が搭載されたプリンタヘッドキャリッジ４が、左右ガイドレール３ａ，３ｂ上を左右に移動可能であるが、図２に示すように、左端部に位置した状態で、メンテナンスステーション８が上動してプリンタヘッドモジュール８５の下面８６の、インク吐出孔の乾燥防止および清掃が行われるようになっている。
【００２３】
ベース１の上に、門型支持フレーム２の左右支持脚２ａ，２ｂの間位置して、前後方向（Ｘ軸方向）に延びる一対の前後ガイドレール１ａ，１ｂが設けられており、この前後ガイドレール１ａ，１ｂの上に前後に移動自在（矢印Ｄ（ｘ）方向に移動自在）に第１支持部材１０が設けられている。この第１支持部材１０を前後に移動させるために、ボールネジ機構等の送り機構が設けられており、その駆動制御により第１支持部材１０の前後方向移動を制御できるが、このような送り機構は周知なのでその構成説明は省略する。
【００２４】
第１支持部材１０の上に、垂直に起立した状態で垂直支持部材１１が固設されており、この垂直支持部材１１の前面に垂直方向（Ｚ方向）に延びる一対の上下ガイドレール１２ａ，１２ｂが設けられている。この上下ガイドレール１２ａ，１２ｂに支持されて、上下に移動自在（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動自在）に第２支持部材１５が設けられている。この第２支持部材１５を上下に移動させるために、ボールネジ機構等の送り機構が設けられており、その駆動制御により第２支持部材１５の上下方向移動を制御できるが、このような送り機構は周知なのでその構成説明は省略する。
【００２５】
第２支持部材１５の前面１５ａは、第２支持部材１５に対して定まる所定点Ｏ１（後述するように印刷対象物８０が位置し得る位置に設定された点）を通り、Ｙ軸方向に延びる第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１５ａに接合する円筒面形状の後面２０ａを有した第３支持部材２０が、前面１５ａ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２０の後面２０ａが第２支持部材１５の前面１５ａと摺接移動可能であり、これにより、第３支持部材２０は第２支持部材１５に対して第１回転軸Ｙ０を中心として回転（矢印Ｂで示す回転）自在となって支持される。
【００２６】
このように支持した第３支持部材２０を、第２支持部材１５に対して第１回転軸Ｙ０を中心として回転移動させるために、第３支持部材２０の図２における左側部の前面に第１回転軸Ｙ０を中心とした内歯車２１が形成されている。そして、第２支持部材１５の左側部の前面に駆動モータ１６が取り付けられ、この駆動モータ１６の駆動シャフトに取り付けられた駆動ピニオン１７が内歯車２１と噛合している。このため、駆動モータ１６により駆動ピニオン１７を回転駆動すれば、これに噛合する内歯車２１が回転駆動され、第３支持部材２０を第１回転軸Ｙ０を中心として回転させることができる。
【００２７】
第３支持部材２０の前面側に、保持シャフト２５が前後方向（Ｘ軸方向）に延びるとともに、上記所定点Ｏ１を通る第２回転軸Ｘ０を中心として回転自在に設けられて前方に突出しており、その前端に印刷対象物を保持するための保持チャック２６が取り付けられている。保持シャフト２５は、第３支持部材２０の内部に配設された駆動モータ（図示せず）により回転駆動制御されるようになっており、保持チャック２６は印刷対象物８０を保持可能な構成を有している。このため、保持チャック２６により印刷対象物８０を保持した状態で保持シャフト２５を回転駆動すれば、印刷対象物８０を第２回転軸Ｘ０を中心として回転させることができるようになっている。
【００２８】
上述のように第３支持部材２０は第１回転軸Ｙ０を中心として回転自在であるため、第３支持部材２０が所定回転位置（図３に示す回転位置）に位置したときに第２回転軸Ｘ０は前後方向（Ｘ軸方向）に延びるが、第３支持部材２０の回転位置に応じて第２回転軸Ｘ０は上下に振られる。また、図示のように第１回転軸Ｙ０および第２回転軸Ｘ０はともに所定点Ｏ１を通り互いに交差しているが、これは交差せずにずれていても良い。但し、交差している方が、印刷対象物８０の位置演算が容易であり、移動制御装置による制御が簡単である。
【００２９】
以上の構成のプリンタ装置において、保持シャフト２５の回転中心となる第２回転軸Ｘ０が、図１に示す作動原理構成における軸Ｘに該当し、第３支持部材２０の回転中心となる第１回転軸Ｙ０が図１の作動原理構成の軸Ｙに該当する。この第３支持部材２０を支持する第２支持部材１５は、第１支持部材１０によりＺ軸方向（上下方向）に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能に支持され、第１支持部材１０は、ベース１上にＸ軸方向（前後方向）に移動（矢印Ｄ（ｘ）で示す移動）可能に支持されている。また、プリンタヘッド８５は、印刷対象物８０の上方においてベース１に対して、Ｙ軸方向（左右方向）に移動（矢印Ｄ（ｙ）で示す移動）可能に支持されるとともに、Ｚ軸方向（上下方向）に移動（矢印Ｄ（ｚ）で示す移動）可能に支持されている。すなわち、図１に示す作動原理と同一の作動を行うことができるように構成されている。
【００３０】
なお、本明細書における前端部４ａが、請求の範囲に規定するヘッド保持装置に該当し、同様に、プリンタヘッドキャリッジ４がヘッド移動支持装置、プリンタヘッドモジュール８５がプリンタヘッドにそれぞれ該当する。また、本明細書における保持シャフト２５および保持チャック２６により、請求の範囲に規定する対象物保持装置が構成される。本明細書における第１支持部材１０、第２支持部材１５および第３支持部材２０を主体として、請求の範囲に規定する３次元移動支持装置が構成される。
【００３１】
以上ここまでは、プリンタ装置３０の構成部材について説明したが、以下において、上記のプリンタ装置３０を用いて、印刷対象物８０に所望の印刷を行うときの各構成部材の作動について説明する。ここで、本発明の特徴構成を分かりやすく説明するために、プリンタヘッドモジュール８５、ヘッド駆動装置８８および保持チャック２６に保持された印刷対象物８０の作動を中心に説明する。
【００３２】
図１に示すような作動原理に基づき、印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行う場合には、印刷を行う前段階として、例えば各移動制御装置が原点に位置した状態において、印刷対象物８０の表面８１の形状データを取得し、取得された形状データがプリンタ装置３０の演算処理部（図示せず）に記憶されている。また、各移動制御装置が駆動した場合にもその駆動量を検出することにより、印刷対象物８０の表面８１の各位置を算出できる構成となっている。ここで、各移動制御装置を駆動させて、印刷対象点Ｐ０がプリンタヘッドモジュール８５の直下に位置するように移動させる。
【００３３】
このとき、上記形状データより印刷対象点Ｐ０の位置が算出されるとともに、例えば図５に示すように、印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離ｄ１だけ離れた接近位置にプリンタヘッドモジュール８５の下面８６が位置するように、上記形状データを基にヘッド駆動装置８８がプリンタヘッドモジュール８５をＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する（実線で示したプリンタヘッドモジュール８５）。上記位置において、印刷対象点Ｐ０に対して所望の印刷を行った後、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０が回転されることにより、次の印刷対象点Ｐ１が下面８６の下方に位置する（２点破線で示したプリンタヘッドモジュール８５）。
【００３４】
ここで、印刷対象点Ｐ０に対して印刷対象点Ｐ１は下方に向けて凹んでいるために、表面８１と下面８６との距離は印刷対象物８０の回転に伴って変化する。このとき、上記形状データを基にヘッド駆動装置８８が、表面８１と下面８６との距離を常に所定印刷距離ｄ１に保つように、プリンタヘッドモジュール８５をＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する。このように、プリンタヘッド８５の直下に順次印刷対象点を位置させるとともに、ヘッド駆動装置８８がプリンタヘッドモジュール８５に対して移動制御を行いながら、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出することにより、所望の印刷が行われる。つまり、上記形状データを基にヘッド駆動装置８８が、プリンタヘッドモジュール８５をＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御することにより、インク吐出孔は常に所定印刷距離ｄ１だけ離れた位置から、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹凸に関わらず所望の印刷を行うことができる。
【００３５】
ここで、第１の実施例に係るプリンタ装置３０の効果について簡単にまとめると、印刷対象物８０の表面８１における印刷対象点とインク吐出孔との距離を、常に所定印刷距離ｄ１に保つように、ヘッド駆動装置８８がプリンタヘッドモジュール８５を移動制御する構成となっている。よって、インク吐出孔は常に所定印刷距離ｄ１だけ離れた位置から印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹凸に関わらず、高精度な印刷を行うことができる。
【実施例２】
【００３６】
図２〜図４および図６に、第２の実施例に係るプリンタ装置４０を示す。このプリンタ装置４０は、第１の実施例に係るプリンタ装置３０とほぼ同一構成となっており、以下においてプリンタ装置３０と異なる構成部分を中心に説明する。なお、プリンタ装置３０と同一番号が付された部材は、上述の第１の実施例で説明した構成となっている。
【００３７】
プリンタキャリッジ４の前端部４ａ上に対して、複数のプリンタヘッドモジュール８５ｃ，８５ｍ，８５ｙ，８５ｋ（以下において、プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋと称す）が、それぞれ独立して上下に移動自在（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動自在）に取り付けられている。ここで、例えばプリンタヘッドモジュール８５ｃはシアン、８５ｍはマゼンダ、８５ｙはイエロー、８５ｋはブラックのように、それぞれ異なる色のインクをインク吐出孔から吐出するように構成されている。なお、上記複数のプリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋをまとめて、単にプリンタヘッドモジュール８５ａと称する。さらに、プリンタヘッドモジュール８５ａの上方には、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋと連結されて、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋをそれぞれ独立して上下に移動可能（矢印Ｄ（ｚ）方向に移動可能）に構成されたヘッド駆動装置８９が設置されている。上記ヘッド駆動装置８９の駆動系として、例えばサーボモータ駆動機構を用いることにより、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋを独立して所望の（上下）位置に、連続的に移動させることができるように構成されている。
【００３８】
以上ここまでは、プリンタ装置４０のプリンタヘッド部分の構成について説明したが、以下において、上記のプリンタ装置４０を用いて印刷対象物８０に所望の印刷を行うときの各構成部材の作動について説明する。ここで、本発明の特徴構成を分かりやすく説明するために、プリンタヘッドモジュール８５ａ、ヘッド駆動装置８９および保持チャック２６に保持された印刷対象物８０の作動を中心に説明する。
【００３９】
図１に示すような作動原理に基づき、印刷対象物８０の表面８１における周方向に沿って印刷を行う場合には、上記第１実施例と同様に、印刷対象物８０の表面８１の形状データを取得した上で、各移動制御装置を駆動させて、印刷対象点Ｐ０がプリンタヘッドモジュール８５ａの直下に位置するように移動させる。このとき、上記形状データより印刷対象点Ｐ０の位置が算出されるとともに、例えば図６に示すように、印刷対象点Ｐ０と所定印刷距離ｄ１だけ離れた接近位置に、プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋのそれぞれの下面８６ｃ，８６ｍ，８６ｙ，８６ｋ（以下において、下面８６ｃ〜８６ｋと称す）を位置させる。ここで、上記形状データを基にヘッド駆動装置８９がプリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋのそれぞれを、Ｚ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する（実線で示したプリンタヘッドモジュール８５ａ）。上記位置において、印刷対象点Ｐ０に対して所望の印刷を行った後、第２回転軸Ｘ０を中心として印刷対象物８０が回転されることにより、次の印刷対象点Ｐ１が各下面８６ｃ〜８６ｋの下方に位置する（２点破線で示したプリンタヘッドモジュール８５ａ）。
【００４０】
ここで、印刷対象点Ｐ０に対して印刷対象点Ｐ１は下方に向けて凹んでいるために、表面８１と各下面８６ｃ〜８６ｋとの距離は印刷対象物８０の回転に伴って変化する。このとき、上記形状データを基にヘッド駆動装置８９が、表面８１と下面８６ｃ〜８６ｋとの距離を常に所定印刷距離ｄ１に保つように、プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋのそれぞれを、Ｚ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する。このように、プリンタヘッドモジュール８５ａの直下に順次印刷対象点を位置させるとともに、ヘッド駆動装置８９がプリンタヘッドモジュール８５ａに対して移動制御を行いながら、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出することにより、所望の印刷が行われる。つまり、上記形状データを基にヘッド駆動装置８９が、プリンタヘッドモジュール８５ａのそれぞれをＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御することにより、インク吐出孔は常に所定印刷距離ｄ１だけ離れた位置から、プリント制御装置に制御されて印刷用インクを吐出可能となり、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹凸に関わらず所望の印刷を行うことができる。
【００４１】
ここで、第２の実施例に係るプリンタ装置４０の効果について簡単にまとめると、印刷対象物８０の表面８１における印刷対象点と各下面８６ｃ〜８６ｋに形成されたインク吐出孔との距離を、常に所定印刷距離ｄ１に保つようにヘッド駆動装置８９が、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋを、それぞれ独立してＺ軸に沿って矢印Ｄ（ｚ）方向に連続的に移動制御する構成となっている。よって、印刷対象物８０の表面８１に形成された凹凸に応じて、各プリンタヘッドモジュール８５ｃ〜８５ｋごとに細かな移動制御ができ、より微小な凹凸に対しても高精度な印刷が可能となる。
【００４２】
上述の第１および第２の実施例において、ヘッド駆動装置８８における駆動系として、サーボモータ駆動機構を用いてプリンタヘッドモジュール８５（８５ａ）を連続的に上下移動させる構成となっているが、このような構成に限定されず、例えば、エアシリンダを用いてプリンタヘッドモジュール８５（８５ａ）を段階的に上下移動させる構成でも良い。
【００４３】
上述の第１および第２の実施例において、例えばプリンタヘッドモジュール８５の下面８６に、表面８１と下面８６との距離を連続検出可能である距離検出器（図示せず）を設置する構成も可能である。この距離検出器において検出された距離および表面８１の形状データに基づいて、ヘッド駆動装置８８（８９）がプリンタヘッドモジュール８５を移動制御するように構成することにより、プリンタヘッドモジュール８５のより高精度な移動制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係るプリンタの作動原理を説明する概略図である。
【図２】本発明に係るプリンタ装置を示した正面図である。
【図３】このプリンタ装置の側面図（一部断面図）である。
【図４】このプリンタ装置の一部を取り出して示した斜視図である。
【図５】第１の実施例に係るヘッド駆動装置の作動を説明する模式図である。
【図６】第２の実施例に係るヘッド駆動装置の作動を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
４ プリンタヘッドキャリッジ（ヘッド移動支持装置）
４ａ 前端部（ヘッド保持装置）
１０ 第１支持部材（３次元移動支持装置）
１５ 第２支持部材（３次元移動支持装置）
２０ 第３支持部材（３次元移動支持装置）
２５ 保持シャフト（対象物保持装置）
２６ 保持チャック（対象物保持装置）
３０ プリンタ装置（３次元プリンタ）
８０ 印刷対象物
８５ プリンタヘッドモジュール（プリンタヘッド）
８５ｃ，８５ｍ，８５ｙ，８５ｋ プリンタヘッドモジュール（プリンタヘッド構成体）
８８ ヘッド駆動装置
Ｐ０ 印刷対象点（印刷箇所）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッド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次元空間内において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保持するヘッド保持装置を、前記対象物保持装置により保持された前記印刷対象物に前記プリンタヘッドが対向する位置を通って直線移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、
前記ヘッド移動支持装置に対して前記プリンタヘッドを前記直線移動方向に直交する方向に移動可能に支持するヘッド駆動装置と、
前記３次元移動支持装置による前記対象物保持装置の３次元移動制御、前記ヘッド移動支持装置による前記ヘッド保持装置の直線移動制御、および前記ヘッド駆動装置による前記プリンタヘッドの前記直交する方向の移動制御に応じて、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た３次元プリンタ。
【請求項２】
前記プリンタヘッドは平面状に配列された多数の吐出ノズルを有し、
前記ヘッド駆動装置は、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における前記多数の吐出ノズルが対向する印刷箇所と前記多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、前記プリンタヘッドを前記直交する方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の３次元プリンタ。
【請求項３】
前記プリンタヘッドは、複数のプリンタヘッド構成体を平面状に並べて構成され、
前記複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれは、平面状に配列された前記多数の吐出ノズルを有し、
前記ヘッド駆動装置は、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における前記多数の吐出ノズルが対向する前記印刷箇所と前記多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、前記複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれを前記直交する方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の３次元プリンタ。
【請求項１】
３次元形状表面を有する印刷対象物に対してプリンタヘッド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次元空間内において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保持するヘッド保持装置を、前記対象物保持装置により保持された前記印刷対象物に前記プリンタヘッドが対向する位置を通って直線移動可能に支持するヘッド移動支持装置と、
前記ヘッド移動支持装置に対して前記プリンタヘッドを前記直線移動方向に直交する方向に移動可能に支持するヘッド駆動装置と、
前記３次元移動支持装置による前記対象物保持装置の３次元移動制御、前記ヘッド移動支持装置による前記ヘッド保持装置の直線移動制御、および前記ヘッド駆動装置による前記プリンタヘッドの前記直交する方向の移動制御に応じて、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た３次元プリンタ。
【請求項２】
前記プリンタヘッドは平面状に配列された多数の吐出ノズルを有し、
前記ヘッド駆動装置は、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における前記多数の吐出ノズルが対向する印刷箇所と前記多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、前記プリンタヘッドを前記直交する方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の３次元プリンタ。
【請求項３】
前記プリンタヘッドは、複数のプリンタヘッド構成体を平面状に並べて構成され、
前記複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれは、平面状に配列された前記多数の吐出ノズルを有し、
前記ヘッド駆動装置は、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における前記多数の吐出ノズルが対向する前記印刷箇所と前記多数の吐出ノズルとの距離に基づいて、前記複数のプリンタヘッド構成体のそれぞれを前記直交する方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の３次元プリンタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１８４１１９（Ｐ２００９−１８４１１９Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３２３０（Ｐ２００８−２３２３０）
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【出願人】（０００１３７８２３）株式会社ミマキエンジニアリング (437)
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【出願人】（０００１３７８２３）株式会社ミマキエンジニアリング (437)
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
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