説明

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、左右首振り駆動装置88とを備えている。左右首振り駆動装置が、上下に延びる回転軸Z2を中心としてプリンタヘッド85を左右方向に回転移動させるとともに、プリンタヘッドからインクを吐出させながら所望の印刷を行う。

【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形状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、凹凸形状が形成された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第1の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延びる第1首振り軸を中心として回転可能に支持する第1のヘッド首振り装置と、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、および前記第1のヘッド首振り装置による前記プリンタヘッドの回転制御に応じて、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いる。
【0007】
上記構成の3次元プリンタにおいて、前記第1のヘッド首振り装置は、水平方向に延びた前記直線移動方向に対して上下方向に延びた前記第1首振り軸を中心として前記プリンタヘッドを回転可能に支持する構成が好ましい。
【0008】
また、本発明に係る第2の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延びる第2首振り軸を中心として回転可能に支持する第2のヘッド首振り装置と、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、および前記第2のヘッド首振り装置による前記プリンタヘッドの回転制御に応じて、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いる。
【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、第1のヘッド首振り装置により第1首振り軸を中心として回転可能となって構成されており、この構成より、印刷対象物の送り方向(移動方向)に対して、プリンタヘッドの幅を変えることができる。よって、凹形状(凸形状)に形成された3次元形状の印刷対象表面の底部に対して、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、第1のヘッド首振り装置は、水平方向に延びた直線移動方向に対して上下方向に延びた第1首振り軸を中心として、プリンタヘッドを回転可能に支持する構成が好ましい。このように構成した場合には、第1のヘッド首振り装置によってプリンタヘッドは、水平面内において回転移動するのでプリンタヘッドからのインクの吐出制御が容易となり、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】
本発明に関する第2の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、第2のヘッド首振り装置により第2首振り軸を中心として回転可能となって構成されており、この構成より、印刷対象物表面に形成された斜面に対してプリンタヘッドが平行となるように回転移動させることができる。よって、凹形状(凸形状)に形成された3次元形状の印刷対象表面の斜面に対して、プリンタヘッドを常に所定の間隔を有し且つ平行となるように(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。
【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、実施例1および実施例2を挙げて説明する。なお、以下に説明する各実施例において、まず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。その後、その相対移動制御および印刷制御を用いて、印刷対象物80に所望の印刷を行うプリンタ装置の具体的構成について説明する。
【実施例1】
【0013】
まず、図1を参照しながら、実施例1に係るプリンタ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説明する。
【0014】
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を支持するように構成されている。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)となるように支持されている。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。
【0015】
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、プリンタヘッド85の上方に配置された左右首振り駆動装置(図示せず)が、プリンタヘッド85の下面86の、例えば中心点を通ってZ軸方向に延びる回転軸Z2を中心として、プリンタヘッド85を矢印Cに示す(左右)方向に回転移動(首振り)可能となって配設されている。ここで、軸X2,軸Y2および回転軸Z2は、それぞれX軸,Y軸およびZ軸と平行であるとともに点O2で交差している。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。
【0016】
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。
【0017】
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軸に沿って上方に移動(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。
【0018】
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、プリントヘッド85の下面86のノズル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・・・が断面視凹形状(凸形状)となっている場合には、凹形状(凸形状)に応じて左右首振り駆動装置がプリンタヘッド85を回転軸Z2を中心として、矢印Cに示す方向に回転移動させながらインク吐出を行う。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。なお、左右首振り駆動装置のプリンタヘッド85に対する具体的な回転移動制御については後述する。
【0019】
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30の構成を、図2〜図7を参照しながら説明する。
【0020】
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。
【0021】
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、この制御は周知なので説明は省略する。
【0022】
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、矢印Cに示す方向に回転自在となって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。また、本明細書において、プリンタヘッドモジュール85の詳細な形状説明は省略するとともに、模式的に略直方体に示す。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、これについては従来から周知の構成であるのでその説明は省略する。
【0023】
図5に示すように、プリンタヘッドモジュール85の上方には、左右首振り駆動装置88が設置されている。左右首振り駆動装置88は、外周部が例えば保護カバー(図示せず)で覆われており、内部には駆動軸91bの先端に小径歯車91aが取り付けられたサーボモータ91、および上端に大径歯車92aが取り付けられた回転支持軸92が収納されている。ここで、駆動軸91bおよび回転支持軸92は、Z方向に延びて平行となって配設されるとともに、小径歯車91aと大径歯車92aとが噛合している。また、回転支持軸92の下端には、プリンタヘッドモジュール85の上面が連結されており、サーボモータ91が駆動すると、その回転駆動力が駆動軸91bに出力されて小径歯車91aを回転させ、小径歯車91aと噛合している大径歯車92aが回転駆動されることによって、回転支持軸92およびプリンタヘッドモジュール85を、回転軸Z2を中心として矢印Cの方向(サーボモータ91の回転方向とは逆方向)に回転移動させる。
【0024】
さらに、この左右首振り駆動装置88の駆動系として、上述のように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(左右回転)位置に連続的に回転移動可能に構成される。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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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)自在に支持される。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
以上の構成のプリンタ装置30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、矢印Cに示す(左右)方向に回転移動(首振り)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。
【0032】
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、回転軸Z2が第1首振り軸、左右首振り駆動装置88が第1のヘッド首振り装置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。
【0033】
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、左右首振り駆動装置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。
【0034】
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。
【0035】
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、例えば図6(a)および図7(a)に示すように、凹形状(溝形状)となっていない印刷対象点P0と、所定印刷距離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が位置するように各移動制御装置を駆動させる。上記接近位置に移動したプリンタヘッドモジュール85は、図6(a)に示す上方からの側面視において、例えば略矩形の長さ方向(紙面に対して上下方向)が軸X2の方向と一致するとともに、略矩形の幅方向(紙面に対して左右方向)が軸Y2の方向と一致した回転原点位置にある。この回転原点位置において、プリンタヘッドモジュール85は軸X2方向にX方向幅Hを有している。上記接近位置において、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、次に印刷を行う凹形状(溝形状)となった印刷対象点P1を下面86の下方に位置させる。
【0036】
ここで印刷対象点P1は溝幅Mの底部に位置して、溝幅M<X方向幅Hの大小関係となっているために、回転原点位置のまま第2回転軸X0を中心として印刷対象物80回転させると、プリンタヘッドモジュール85と表面81とが干渉するので、下面86を印刷対象点P1に対して所定印刷距離だけ離れた接近位置に移動させることは不可能である。そこで、上記形状データに基づいて左右首振り駆動装置88が、例えば図6(b)に示すように、回転原点位置より反時計回りに回転角度θ2だけプリンタヘッドモジュール85を回転移動させながら、第2回転軸X0を中心として印刷対象物80を回転させる。上記左右首振り駆動装置88による回転移動によって、プリンタヘッドモジュール85は軸X2方向にX方向幅H´となり、図7(b)に示すように、軸X2方向の長さ関係はX方向幅H´<溝幅M<X方向幅Hとなる。
【0037】
こうすることにより、プリンタヘッドモジュール85と表面81とが干渉することなく、プリンタヘッドモジュール85の下面86を印刷対象点P1に対して、所定印刷距離だけ離れた接近位置に移動させることが可能となる。なお、上記接近位置に移動させる際の、プリンタヘッドモジュール85と印刷対象点P1との上下方向の相対移動は、例えば上下に移動自在(矢印D(z)方向に移動自在)に設けられた第2支持部材15を、上記形状データに基づいて上下に移動させて行う。
【0038】
このように、第2回転軸X0を中心として印刷対象物80を回転させて、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、左右首振り駆動装置88が印刷対象点の(凹)形状に応じて、プリンタヘッドモジュール85を回転移動制御しながら、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、所望の印刷が可能となる。つまり、上記形状データを基に左右首振り駆動装置88が、回転軸Z2を中心としてプリンタヘッドモジュール85を連続的に回転移動制御することにより、プリンタヘッドモジュール85は表面81の凹形状部分に入り込むことが可能となる。そして、インク吐出孔は印刷対象点に対して常に所定印刷距離だけ離れた接近位置から、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に形成された凹形状(凸形状)に関わらず所望の印刷を行うことができる。
【0039】
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、予め取得された印刷対象物80の表面81の形状データを基に、左右首振り駆動装置88が回転軸Z2を中心としてプリンタヘッドモジュール85を連続的に回転移動制御することにより、プリンタヘッドモジュール85と表面81とが干渉せず、プリンタヘッドモジュール85は表面81の凹形状部分に入り込むことが可能となる。よって、インク吐出孔は印刷対象点に対して常に所定印刷距離だけ離れた接近位置から、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に形成された凹形状(凸形状)に関わらず、所望の高精度な印刷を行うことが可能である。
【実施例2】
【0040】
まず、図8を参照して、実施例2に係る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。上記実施例1の場合と同様に、印刷対象物80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8を参照しながら説明する。なお、上述の実施例1に係るプリンタ装置の作動原理説明と同一番号が付された部材は、実施例1で説明した構成となっており、以下に実施例1と相違する構成を中心に説明する。
【0041】
実施例2に係るプリンタ装置は、そのプリンタヘッド85の上方に左右首振り駆動装置ではなく前後首振り駆動装置(図示せず)が配設されている。ここで、プリンタヘッド85の下面86の中心点を通ってZ軸方向に延びる軸Z3は、その軸Z3上の点O3において、X軸と平行である軸X3とY軸と平行である揺動軸Y3とが交差している。そして、前後首振り駆動装置は、揺動軸Y3を中心としてプリンタヘッド85を矢印Dに示す(前後)方向に揺動(首振り)可能となって配設されている。なお、軸Z3は下面86の中心点以外の点を通っていても良いが、中心点を通るように構成することで、プリンタヘッド85の位置制御が容易となる。
【0042】
そして、前後首振り駆動装置が配設された実施例2に係るプリンタ装置を用いて、実施例1の場合と同様に、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(のインク吐出孔)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。
【0043】
さらにこのとき、点P1,P2,P3・・・が断面視凹形状(凸形状)となっている場合には、凹形状(凸形状)に応じて前後首振り駆動装置プリンタヘッド85を揺動軸Y3を中心として、矢印Dに示す方向に回転移動させながらインク吐出を行う。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。なお、前後首振り駆動装置のプリンタヘッド85に対する具体的な回転移動制御については後述する。
【0044】
図2〜図4,図9および図10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。
【0045】
図2および図3に示すように、プリンタキャリッジ4の前端部4aに対して、プリンタヘッドモジュール85が、矢印D方向(前後方向)に揺動自在に取り付けられており、さらにプリンタヘッドモジュール85の上方には、前後首振り駆動装置89が設置されている。前後首振り駆動装置89は、図9に示すように外周部が例えば保護カバー(図示せず)で覆われており、その内部には、前後首振り駆動装置89の底部89aに固定されるとともに、駆動軸(図示せず)の先端に小径歯車95aが取り付けられたサーボモータ95、および上面に揺動軸Y3を中心とした内歯車96aが形成された揺動部材96が配設されている。
【0046】
小径歯車95aは、内歯車96aの上方に位置しているとともに内歯車96aと噛合しており、揺動部材96の下面には揺動支持軸96bの上端が連結されるとともに、揺動支持軸96bの下端はプリンタヘッドモジュール85の上面と連結されている。上記構成において、サーボモータ95が駆動すると、その回転駆動力が駆動軸を介して小径歯車95aを回転させ、小径歯車95aと噛合している内歯車96aが形成された揺動部材96が、揺動軸Y3を中心として矢印D(y3)方向に揺動されることによって、揺動支持軸96bおよびプリンタヘッドモジュール85を矢印D(y3)方向に揺動させる。さらに、この前後首振り駆動装置89の駆動系として、上述のように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(前後揺動)位置に連続的に揺動させることが可能である。
【0047】
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85、前後首振り駆動装置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。
【0048】
図8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85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10(a)に示すように、凹形状(溝形状)となっていない印刷対象点P0と、所定印刷距離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が位置するように各移動制御装置を駆動させる。
【0049】
上記接近位置に移動したプリンタヘッドモジュール85は、側面視において印刷対象点P0を含む表面81と下面86とが平行であり、この位置を揺動原点位置とする。そして上記接近位置において、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、次に印刷を行う印刷対象点P1を下面86の下方に位置させる。ここで印刷対象点P1は、図10(b)に示すように、表面81に形成された凹形状部分の斜面81aに位置した点である。
【0050】
そして、印刷対象点P1を含む斜面81aに対して、所定印刷距離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を位置させるとともに、印刷対象点P1を含む斜面81aと下面86とが平行となるように移動させる。このとき例えば、プリンタヘッドモジュール85と表面81とが干渉しないように、上記形状データに基づいて前後首振り駆動装置89が、揺動原点位置より時計回りに揺動角度θ3だけ揺動軸Y3を中心としてプリンタヘッドモジュール85を揺動させながら、第2回転軸X0を中心として印刷対象物80を回転させる(図10(b)を参照)。
【0051】
このように、第2回転軸X0を中心として印刷対象物80を回転させて、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、前後首振り駆動装置89が印刷対象点の(凹)形状に応じて、プリンタヘッドモジュール85を揺動制御しながら、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前後首振り駆動装置89が、揺動軸Y3を中心としてプリンタヘッドモジュール85を連続的に揺動制御することにより、斜面81aに対してプリンタヘッドモジュール85の下面86を、平行かつ所定印刷距離だけ離れた接近位置に移動させることが可能となる。そのため、インク吐出孔は印刷対象点に対して常に所定印刷距離だけ離れた接近位置から、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に形成された凹形状(凸形状)に関わらず所望の印刷を行うことができる。
【0052】
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、予め取得された印刷対象物80の表面81の形状データを基に、前後首振り駆動装置89が揺動軸Y3を中心としてプリンタヘッドモジュール85を連続的に揺動制御することにより、斜面81aに対してプリンタヘッドモジュール85の下面86を、平行かつ所定印刷距離だけ離れた接近位置に移動させることが可能となる。よって、インク吐出孔は斜面81a上の印刷対象点に対して、常に所定印刷距離だけ離れた接近位置から、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に形成された凹形状(凸形状)に関わらず、所望の高精度な印刷を行うことが可能である。
【0053】
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取得された表面81の形状データに基づいて、左右首振り駆動装置88または前後首振り駆動装置89が駆動されるように構成することで、プリンタヘッドモジュール85をより高精度に回転移動制御または揺動制御することが可能となる。
【0054】
上述の第1および第2の実施例における、左右首振り駆動装置88および前後首振り駆動装置89の構成は一例であって、この構成に限定されるものではなく、プリンタヘッドモジュール85を左右方向に回転移動可能、およびプリンタヘッドモジュール85を前後方向に揺動可能となって構成されていれば各駆動装置の構成は特に限定されない。
【0055】
上述の第1および第2の実施例において、プリンタ装置は左右首振り駆動装置88または前後首振り駆動装置89のどちらか一方を備えて構成されているが、この構成に限定されず、例えば左右首振り駆動装置88および前後首振り駆動装置89の両方を備えたプリンタ装置を構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の第1実施例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】左右首振り駆動装置を示した平面図である。
【図6】(a)は回転原点位置のプリンタヘッドモジュールの上側面図で、(b)はθ2だけ回転移動したプリンタヘッドモジュールの上側面図である。
【図7】(a)は回転原点位置のプリンタヘッドモジュールの側面図で、(b)はθ2だけ回転移動したプリンタヘッドモジュールの側面図である。
【図8】本発明の第2実施例に係るプリンタの作動原理を説明する概略図である。
【図9】前後首振り駆動装置を示した斜視図である。
【図10】(a)は揺動原点位置のプリンタヘッドモジュールの側面図で、(b)はθ3だけ揺動したプリンタヘッドモジュールの側面図である。
【符号の説明】
【0057】
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)
88 左右首振り駆動装置(第1のヘッド首振り装置)
89 前後首振り駆動装置(第2のヘッド首振り装置)
Z2 回転軸(第1首振り軸)
Y3 揺動軸(第2首振り軸)

【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延びる第1首振り軸を中心として回転可能に支持する第1のヘッド首振り装置と、
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、および前記第1のヘッド首振り装置による前記プリンタヘッドの回転制御に応じて、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】
前記第1のヘッド首振り装置は、水平方向に延びた前記直線移動方向に対して上下方向に延びた前記第1首振り軸を中心として前記プリンタヘッドを回転可能に支持す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】
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延びる第2首振り軸を中心として回転可能に支持する第2のヘッド首振り装置と、
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、および前記第2のヘッド首振り装置による前記プリンタヘッドの回転制御に応じて、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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2009−184121(P2009−184121A)
【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2008−23282(P2008−23282)
【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)】