(57)【要約】【課題】三次元造形物の副走査方向および積層方向における強度の低下を防止することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供する。【解決手段】造形ステージ１４０と、造形ステージ１４０に向けて造形材料を吐出する複数の吐出ノズルが列状に配置されたインクジェットヘッド１２２と、インクジェットヘッド１２２と造形ステージ１４０との相対位置を変化させる移動機構１３０と、を有し、主走査方向に走査しながら造形材料を吐出する第１動作と、インクジェットヘッド１２２による造形材料の吐出位置を異ならせるように主走査方向と直交する副走査方向に走査する第２動作とを繰り返すことにより一層分の造形材料層を形成する二次元パターン形成部、インクジェットヘッド１２２から吐出された造形材料を硬化させるための硬化処理（光照射処理）を、造形材料層を形成するための最後の第１動作の開始以降に行う光源１２６を備える。【選択図】図６
2015036234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形ステージと、造形ステージに向けて造形材料を吐出する複数の吐出ノズルが列状に配置されたインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドと前記造形ステージとの相対位置を変化させる移動機構と、を有し、主走査方向に走査しながら前記造形材料を吐出する第１動作と、前記インクジェットヘッドによる前記造形材料の吐出位置を異ならせるように前記主走査方向と直交する副走査方向に走査する第２動作とを繰り返すことにより一層分の造形材料層を形成する二次元パターン形成部、
前記インクジェットヘッドから吐出された造形材料を硬化させるための硬化処理を行う硬化部、及び、
前記二次元パターン形成部及び前記硬化部の動作を制御する制御部、を備え、
前記制御部は、前記一層分の造形材料層を形成するための最後の前記第１動作の開始以降に前記硬化処理を行うように前記硬化部を制御するとともに、前記造形材料層を積層することによって三次元造形物を造形するように前記二次元パターン形成部を制御することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記造形材料は、常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有し、
ゾル状態の前記造形材料が前記インクジェットヘッドから吐出されるように前記インクジェットヘッドを前記ゾル−ゲル相転移温度以上に加熱する加熱部を備えることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記造形材料は、常温よりも低いゾル−ゲル相転移温度を有し、
前記インクジェットヘッドにより吐出されたゾル状態の前記造形材料を、前記ゾル−ゲル相転移温度以下に冷却する冷却部を備えることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記造形材料は、光硬化性を有する造形材料であり、
前記硬化部は、前記造形材料に光を照射することによって前記硬化処理を行うための光源を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記造形ステージに向けて吐出された前記造形材料に前記光源の光を照射させないよう遮蔽する遮蔽状態と、前記光源の光を遮蔽しない非遮蔽状態とに切り替え可能なシャッター部を備え、
前記光源は少なくとも前記二次元パターン形成部による三次元造形動作中は常時点灯とされ、
前記シャッター部は、前記硬化処理が行われる期間のみ前記非遮蔽状態に切り替えることを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記光源は、前記硬化処理が行われる期間のみ発光することを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記光源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項６に記載の三次元造形装置。
【請求項８】
前記インクジェットヘッドは、前記主走査方向における走査の起点となる基準位置を有し、
前記硬化部は、前記一層分の造形材料層を形成するための最初の前記第１動作の走査方向において前記インクジェットヘッドの前方に配置されることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
前記インクジェットヘッドが前記基準位置に戻る最後の前記第１動作とともに前記硬化処理を行うことを特徴とする請求項８に記載の三次元造形装置。
【請求項１０】
前記インクジェットヘッドが前記造形材料を吐出可能な前記副走査方向の長さは、前記三次元造形物の前記副走査方向における最大長さより長いことを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項１１】
複数の吐出ノズルが列状に配置されたインクジェットヘッドと造形ステージとの相対位置を変化させながら、前記インクジェットヘッドから前記造形ステージに向けて造形材料を吐出することにより一層分の造形材料層を形成し、この造形材料層を積層することによって三次元造形物を造形する三次元造形方法であって、
主走査方向に走査しながら前記造形材料を吐出する第１動作と、前記インクジェットヘッドによる前記造形材料の吐出位置を異ならせるように前記主走査方向と直交する副走査方向に走査する第２動作とを繰り返すことにより一層分の造形材料層を形成する第１のステップと、
前記インクジェットヘッドから吐出された造形材料を硬化させるための硬化処理を行う第２のステップと、
を含み、
前記第２のステップは、前記第１のステップにおける前記造形材料層を形成するための最後の前記第１動作の開始以降に行われることを特徴とする三次元造形方法。
【請求項１２】
前記造形材料は光硬化性を有する造形材料であり、前記第２のステップにおいて、前記造形材料に光を照射することによって前記硬化処理を行うことを特徴とする請求項１１に記載の三次元造形方法。
【請求項１３】
前記第１のステップの少なくとも最初の前記第１動作において前記造形材料に光照射を行わず、前記第１のステップの少なくとも最後の前記第１動作において前記造形材料に光照射を行うことを特徴とする請求項１２に記載の三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元の立体物（以下「三次元造形物」）を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）と呼ばれる技術が知られている。この技術は、ひとつの三次元造形物の表面を３角形の集まりとして記述したデータ（ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）フォーマットのデータ）により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状に従って各層を形成して三次元造形物を造形する技術である。また、三次元造形物を造形する手法としては、溶融物堆積方式（ＦＤＭ：Fused Deposition Molding）、インクジェット方式、インクジェットバインダ方式、光造形方式（ＳＬ：Stereo Lithography）、粉末焼結方式（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）などが知られている。
【０００３】
インクジェット方式による三次元造形方法としては、例えば、造形ステージに対してインクジェットヘッドから選択的に造形材料（例えば、光硬化性樹脂）を吐出する工程、その表面を平滑化する工程、及び当該造形材料硬化させる工程（光硬化性樹脂の場合は光照射工程）によって一層分の造形材料層（硬化層）を形成し、この造形材料層を複数積層して三次元造形物を造形する技術が提供されている。このような方式によれば、造形材料を微小なインク液滴として吐出することにより高精細な造形材料層が形成されるため、これを積層することにより高精細な三次元造形物を造形することができる。また、インクジェットヘッドとして、複数の吐出ノズルが配列されたインクジェットヘッド（いわゆるラインヘッド）を使用することによって、大きな三次元造形物であっても比較的短時間で造形できるように工夫がされている。
【０００４】
近年、三次元造形物を高精細に造形すること、具体的には６００［ｄｐｉ］（１インチ当たり６００［ドット］、約４２［μｍ］ピッチ）以上の解像度で造形することが求められている。三次元造形物の積層方向の高解像度化は、造形ステージの降下量あるいはインクジェットヘッドの上昇量（送りピッチ）を小さくしていくことで対応することができる。また、主走査方向（吐出ノズルの配列方向に直交する方向）の高解像度化は、インクジェットヘッドに印加する電圧の周波数（吐出周波数）を高くする、または造形ステージやインクジェットヘッドの走査速度を小さくすることで対応することができる。
【０００５】
また、副走査方向（吐出ノズルの配列方向に平行な方向）の高解像度化は、インクジェットヘッドのノズル解像度を大きくする、すなわちノズルピッチを小さくすることで対応することができる。しかしながら、インクジェットヘッドのノズル解像度を大きくするには限度があり、現在使用されているものはせいぜい１００［ｄｐｉ］（１インチ当たり１００個のノズル、約０．２５［ｍｍ］ピッチ）程度である。このため、主走査方向に走査しながら造形材料を吐出する第１動作の終了後に、造形材料の吐出中心位置が重ならないようにノズルピッチ以下で副走査方向に走査する第２動作を行い（つまり、吐出位置をノズル間位置にずらし）、この第１動作および第２動作を繰り返すことによって副走査方向の解像度を高くすることが行われている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
また、造形材料として光硬化性樹脂を用いる場合、光硬化性樹脂を硬化させるために光の照射が行われる。光源として従来は、アーク放電を利用する高圧水銀ランプあるいはメタルハライドランプが使用されている。高圧水銀ランプあるいはメタルハライドランプは比較的強い光量を確保できる半面、点灯から照射量が均一になるまでに一定時間を要するため、常時点灯させておく必要があった。
【０００７】
また、インクジェットヘッドから吐出されたインク液滴は着弾後から形状が時間とともに崩れていき、形状を保持しておくことができない。この現象は吐出面となるインクそのものの表面張力に依存し、表面張力が小さいほど形状が崩れる速度が速くなる。つまり、インクの表面張力を大きくすることでこの現象は改善できる。しかし、インクの表面張力を大きくすると、インクジェットヘッドで微小なインク液滴を吐出できなくなる。また、着弾後のインク液滴同士が繋がらなくなるとともに、着弾した部分に留まる力が弱くなり、造形ステージの移動時の衝撃などでインク液滴の位置がずれてしまう。
【０００８】
これらのことから、インク液滴は吐出直後に硬化させることが好ましい。そのために、インクジェットヘッドと光源とは近接して設置され、光源を常時点灯させた状態で、吐出されたインク液滴をなるべく早く硬化させることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１３０８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した第１動作と第２動作を繰り返して光硬化性樹脂からなる一層分の造形材料層を形成する場合、最初の第１動作で吐出されたインク液滴に対する光の照射回数は、最後の第１動作で吐出されたインク液滴に対する光の照射回数より多くなってしまうという問題が生じる。この問題について、図１を参照し、例えば、第１動作を２往復（計４回）行うことによって一層分の造形材料層を形成する場合について説明する。
【００１１】
図１は、造形ステージ５０上に一層分の造形材料層を形成する場合のヘッドブロック１０の動作を説明する図である。
図１Ａは、ヘッドブロック１０が１回目の第１動作を行う前の状態、すなわち主走査方向における走査の起点となる基準位置に位置している状態を示している。図１Ｂは、１回目の第１動作及び第２動作を行った後の状態を示している。図１Ｃは、ヘッドブロック１０が２回目の第１動作及び第２動作を行った後の状態を示している。図１Ｄは、ヘッドブロック１０が３回目の第１動作及び第２動作を行った後の状態を示している。図１Ｅは、ヘッドブロック１０が４回目の第１動作を行った後の状態を示している。図１Ｂ〜図１Ｅにおいて、造形ステージ５０上の太線は、ヘッドブロック１０が第１動作を行った際に、インクジェットヘッド２０により吐出されたインク液滴を示している。以下、ｎ回目の第１動作で、インクジェットヘッド２０により吐出されたインク液滴をそれぞれ「Ｌｉｎｅ−ｎ」と称する。
【００１２】
ヘッドブロック１０には、インクジェットヘッド２０と光源とが近接して設置される。インクジェットヘッド２０は、複数の吐出ノズルが副走査方向に配列されたラインヘッドである。光源３０は、最初の第１動作（図１Ａ参照）の走査方向において、インクジェットヘッド２０の前方に位置する。光源３０は、常時点灯しており、造形ステージ５０に向けて光４０を照射する。
ここでは、ノズル解像度が１５０［ｄｐｉ］（１インチ当たり１５０個のノズル、１６７［μｍ］ピッチ）のインクジェットヘッド２０を用いて、副走査方向における解像度が６００［ｄｐｉ］の三次元造形物を造形する場合を想定している。
この場合、６００／１５０＝４となるので、第２動作では、副走査方向にヘッドブロック１０が、例えばインクジェットヘッド２０のノズル解像度の１／４である４２［μｍ］ずつ移動する。第１動作及び第２動作を４回繰り返す（４回目の第２動作は基準位置への復帰動作）ことによって、副走査方向における解像度が６００ｄｐｉである造形材料層が形成される。
【００１３】
光源３０による光の照射に着目すると、１回目の第１動作においては、光源３０はインクジェットヘッド２０よりも当該主走査方向の前方に位置しているため、Ｌｉｎｅ−１は、光源３０による光４０の照射を受けない。
【００１４】
２回目の第１動作においては、光源３０はインクジェットヘッド２０よりも当該主走査方向の後方に位置しているため、Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−２は、光源３０による１回目の光４０の照射を受ける。
【００１５】
３回目の第１動作においては、光源３０はインクジェットヘッド２０よりも当該主走査方向の前方に位置しているため、Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−２は、光源３０による２回目の光４０の照射を受ける一方、Ｌｉｎｅ−３は、光源３０による光４０の照射を受けない。
【００１６】
４回目の第１動作においては、光源３０はインクジェットヘッド２０よりも当該主走査方向の後方に位置しているため、Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２は、光源３０による３回目の光４０の照射を受け、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４は、光源３０による１回目の光４０の照射を受ける。
【００１７】
以上より、図１に示すヘッドブロック１０を用いて一層分の造形材料層を形成する場合、Ｌｉｎｅ−１及びＬｉｎｅ−２は光源３０による光４０の照射を３回受け、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４は、光源３０による光４０の照射を１回受ける。つまり、Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−２は、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４に比べて、光源３０による光４０の照射を２回多く受けることとなる。
【００１８】
ここで、光源３０による光４０の照射量は、インク液滴が数回の照射で実質的に完全に硬化する（すなわち、１回の照射では完全に硬化せず半硬化状態になる）ように設定されている。つまり、光源３０によって複数回照射されたインク液滴は硬化が促進され、ほぼ完全硬化した状態となっており、１回しか照射されていないインク液滴との間で硬化状態が大きく異なっている。そのため、造形材料層の副走査方向においてインク液滴の硬化状態に均一性がなくなり、副走査方向における三次元造形物の強度が低下するという問題があった。また、硬化が進んだインク液滴とその上に積層された硬化が進んでいないインク液滴との間で重合反応が起こりにくくなる。そのため、造形材料層の積層方向においても、インク液滴の硬化状態に均一性がなくなり、積層方向における三次元造形物の強度が低下するという問題があった。
【００１９】
本発明の目的は、三次元造形物の副走査方向および積層方向における強度の低下を防止することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る三次元造形装置は、
造形ステージと、造形ステージに向けて造形材料を吐出する複数の吐出ノズルが列状に配置されたインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドと前記造形ステージとの相対位置を変化させる移動機構と、を有し、主走査方向に走査しながら前記造形材料を吐出する第１動作と、前記インクジェットヘッドによる前記造形材料の吐出位置を異ならせるように前記主走査方向と直交する副走査方向に走査する第２動作とを繰り返すことにより一層分の造形材料層を形成する二次元パターン形成部、
前記インクジェットヘッドから吐出された造形材料を硬化させるための硬化処理を行う硬化部、及び、
前記二次元パターン形成部及び前記硬化部の動作を制御する制御部、を備え、
前記制御部は、前記一層分の造形材料層を形成するための最後の前記第１動作の開始以降に前記硬化処理を行うように前記硬化部を制御するとともに、前記造形材料層を積層することによって三次元造形物を造形するように前記二次元パターン形成部を制御することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る三次元造形方法は、
複数の吐出ノズルが列状に配置されたインクジェットヘッドと造形ステージとの相対位置を変化させながら、前記インクジェットヘッドから前記造形ステージに向けて造形材料を吐出することにより一層分の造形材料層を形成し、この造形材料層を積層することによって三次元造形物を造形する三次元造形方法であって、
主走査方向に走査しながら前記造形材料を吐出する第１動作と、前記インクジェットヘッドによる前記造形材料の吐出位置を異ならせるように前記主走査方向と直交する副走査方向に走査する第２動作とを繰り返すことにより一層分の造形材料層を形成する第１のステップと、
前記インクジェットヘッドから吐出された造形材料を硬化させるための硬化処理を行う第２のステップと、
を含み、
前記第２のステップは、前記第１のステップにおける前記造形材料層を形成するための最後の前記第１動作の開始以降に行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、一層分の造形材料層を形成する際、当該造形材料層に対する硬化処理量を均一にすることができるため、造形材料層の副走査方向および積層方向においてインク液滴の硬化状態の均一性を確保することができ、三次元造形物の副走査方向および積層方向における強度の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術の問題点を説明するための説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る三次元造形装置１００の構成を概略的に示す図である。
【図３】本実施の形態に係る三次元造形装置１００の制御系の主要部を示す図である。
【図４】本実施の形態に係る三次元造形装置１００が備えるヘッドブロック１２０の構成を示す図である。
【図５】本実施の形態に係るヘッドブロック１２０の動作を示す図である。
【図６】本実施の形態に係るヘッドブロック１２０および光源１２６の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図７】インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射回数を比較例と対比して表す表である。
【図８】インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射回数を比較例と対比して表す表である。
【図９】本実施の形態に係るヘッドブロック１２０および光源１２６の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図１０】インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射回数を比較例と対比して表す表である。
【図１１】インク液滴が着弾した瞬間からの接触角の時間変化を示す図である。
【図１２】着弾直後（図１１の点Ａ）、着弾してから１０秒後（図１１の点Ｂ）におけるインク液滴の状態を示す模式図である。
【図１３】ゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料について粘度の温度依存性を示す図である。
【図１４】インクジェットヘッド１２２を加熱する加熱部を有するヘッドブロックの構成を示す図である。
【図１５】インクジェットヘッド１２２により吐出されて着弾したインク液滴を冷却する構成を示す図である。
【図１６】インクジェットヘッド１２２により吐出されて着弾したインク液滴を冷却する構成を示す図である。
【図１７】高圧水銀ランプの消費電力の時間推移を示す図である。
【図１８】本実施の形態に係るシャッター部の構成を示す図である。
【図１９】本実施の形態に係るヘッドブロック１２０、光源１２６およびシャッター部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
［三次元造形装置１００の構成］
図２は、本発明の実施の形態に係る三次元造形装置１００の構成を概略的に示す図である。図３は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の制御系の主要部を示す図である。図４は、三次元造形装置１００が備えるヘッドブロック１２０の構成を示す図である。図２、３に示す三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０上に造形材料（モデル材ともいう）からなる造形材料層を順に積層形成することによって、三次元造形物２００を造形する。ここでは、造形材料として光硬化性樹脂を用いる場合について説明する。
【００２５】
三次元造形装置１００は、制御部１１０、ヘッドブロック１２０、移動機構１３０、造形ステージ１４０およびデータ入力部１５０を備えている。三次元造形装置１００には、コンピューター装置１６０が接続されている。
【００２６】
データ入力部１５０は、造形対象物の３Ｄデータ（ＣＡＤデータやデザインデータなど）を、造形対象物を設計するためのコンピューター装置１６０から取得し、制御部１１０に出力する。ＣＡＤデータやデザインデータには、造形対象物の形状だけに限らず、造形対象物の表面の一部または全面および内部におけるカラー画像情報が含まれている場合もある。なお、３Ｄデータを取得する方法は特に限定されず、有線通信や無線通信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの短距離無線通信を利用して取得しても良いし、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリなどの記録媒体を利用して取得しても良い。また、この３Ｄデータは、当該３Ｄデータを管理および保存するサーバーなどから取得しても良い。
【００２７】
制御部１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算手段を有しており、データ入力部１５０から出力された３Ｄデータに基づいて、３次元造形物を造形するための層毎のデータ（以下、「スライスデータ」と称する）を再構築する。また、制御部１１０は、三次元造形物２００の造形動作中、三次元造形装置１００全体の動作を制御する。例えば、造形材料を所望の場所に吐出するための機構制御情報を移動機構１３０に対して出力するとともに、ヘッドブロック１２０に対してスライスデータを出力する。すなわち、制御部１１０は、ヘッドブロック１２０と移動機構１３０とを同期させて制御する。
【００２８】
造形ステージ１４０は、ヘッドブロック１２０の下方に配置される。造形ステージ１４０にはヘッドブロック１２０によって造形材料層が形成され、この造形材料層が積層されることにより三次元造形物が造形される。
【００２９】
移動機構１３０は、ヘッドブロック１２０と造形ステージ１４０との相対位置を３次元で変化させる。具体的には、移動機構１３０は、図２示すように、ヘッドブロック１２０に係合する主走査方向ガイド１３２と、主走査方向ガイド１３２を副走査方向に案内する副走査方向ガイド１３４と、造形ステージ１４０と鉛直方向に案内する鉛直方向ガイド１３６とを備え、さらに図示しないモーターや駆動リール等からなる駆動機構を備えている。移動機構１３０は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って、図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、造形材料を吐出するためのヘッドブロック１２０を主走査方向および副走査方向に自在に移動させる（図２を参照）。なお、移動機構１３０は、ヘッドブロック１２０の位置を固定し、造形ステージ１４０を主走査方向および副走査方向に移動させても良い。
【００３０】
また、移動機構１３０は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って、図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、造形ステージ１４０を鉛直方向下方に移動させてヘッドブロック１２０と三次元造形物２００との間隔を調整する（図２を参照）。すなわち、造形ステージ１４０は、移動機構１３０によって鉛直方向に移動可能に構成されており、造形ステージ１４０上にＮ層目の造形材料層が形成された後、造形材料層の一層分の厚さに応じた距離（積層ピッチ）だけ鉛直方向下方に移動する。そして、造形ステージ１４０上にＮ＋１層目の造形材料層が形成された後、積層ピッチだけ鉛直方向下方に再び移動する。なお、移動機構１３０は、造形ステージ１４０の鉛直方向位置を固定し、ヘッドブロック１２０を鉛直方向上方に移動させても良い。
【００３１】
ヘッドブロック１２０は、図３、４に示すように、インクジェットヘッド１２２、平坦化部１２４および光源１２６を内部に備える。インクジェットヘッド１２２、平坦化部１２４および光源１２６は、この順で図４左側からヘッドブロック１２０の内部に配置されている。
インクジェットヘッド１２２は、長手方向（副走査方向）に列状に配列された複数の吐出ノズルを有する。インクジェットヘッド１２２は、長手方向に直交する主走査方向に走査しながら、造形ステージ１４０に向けて複数の吐出ノズルから造形材料のインク液滴を選択的に吐出する。この動作を、副走査方向にずらして複数回繰り返すことにより造形ステージ１４０上の所望の領域に造形材料層を形成する。すなわち、造形ステージ１４０、インクジェットヘッド１２２、及び移動機構１３０によって、本発明の二次元パターン形成部が構成される。このようなインクジェットヘッド１２２としては、従来公知の画像形成用のインクジェットヘッドが用いられる。なお、複数の吐出ノズルは、列状に配列されていればよく、直線状に並んでいてもよいし、ジグザグ配列で全体として直線状になるように並んでいてもよい。
【００３２】
インクジェットヘッド１２２は、造形材料を吐出可能な状態で貯留する。本実施の形態では、インクジェットヘッド１２２として、粘度が５〜１５［ｍＰａ・ｓ］の範囲で造形材料を吐出できるものが採用されている。
造形材料としては、特定波長の光が照射されることにより硬化する光硬化性材料が用いられる。光硬化性材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂が挙げられ、アクリル酸エステルまたはビニルエーテル等のラジカル重合系紫外線硬化性樹脂や、エポキシまたはオキセタン等のモノマーやオリゴマーと、樹脂に応じた反応開始剤としてアセトフェノンやベンゾフェノン等とを組み合わせて使用するカチオン重合系紫外線硬化性樹脂を用いることができる。光硬化性材料は、硬化を進行させ得る特定波長の光を遮光部材やフィルターなどにより遮断しておくことで、吐出可能な状態で貯留することができる。造形材料は、インクジェットヘッド１２２により造形ステージ１４０上に吐出されて造形材料層を形成する。造形材料層は、光照射による硬化処理が施されることにより半硬化する。ここで、半硬化とは、造形材料層が、層として形状を維持することができる程度の粘度を有するように硬化された状態をいう。
【００３３】
なお、インクジェットヘッド１２２は、造形材料とともに、造形材料を支持する支持材料（サポート材ともいう）を吐出する構成としても良い。例えば、インクジェットヘッド１２２に、造形材料用の吐出ノズルとは別の吐出ノズルを設け、この吐出ノズルから支持材料を吐出させても良いし、インクジェットヘッド１２２とは別のインクジェットヘッド（図示せず）から支持材料を吐出させても良い。支持材料は、例えば造形対象物がオーバーハングする部位を有している場合等に、造形材料層の下層側に設けられ、三次元造形物２００の造形が完了するまでオーバーハングする部位を支持する。また、支持材料は、造形材料層に隣接して設けられて、造形される三次元造形物２００を保護するものとしても良い。このような支持材料は、三次元造形物２００の造形が完了した後に除去される。
【００３４】
平坦化部１２４は、制御部１１０の制御下において回転駆動可能な均しローラーであり、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴表面に接触してインク液滴表面の凹凸を平坦化する。その結果、均一な層厚を有する造形材料層が形成される。造形材料層の表面が平坦化されることにより、次の造形材料層を精度良く形成して積層することができるので、高精度の三次元造形物２００を造形することができる。平坦化部１２４の表面に付着した造形材料は、平坦化部１２４の近傍に設けられたブレード（図示せず）によって掻き取られる。ブレードによって掻き取られた造形材料は、インクジェットヘッド１２２に供給されて再利用されるものとしても良いし、廃タンクに輸送されるものとしても良い。
【００３５】
光源１２６は、造形ステージ１４０に向けて吐出された光硬化性樹脂のインク液滴に硬化処理（光照射処理）を施して、半硬化させる。造形材料が紫外線硬化性材料である場合、光源１２６として、紫外線（ＵＶ）を放射するＵＶランプ（本実施の形態では、発光ダイオード）が用いられる。なお、光源１２６は、本発明の硬化部として機能する。
【００３６】
ヘッドブロック１２０は、一層分の造形材料層を形成する際、主走査方向に造形ステージ１４０上の一方の端部から他方の端部まで走査しながら、造形材料を吐出する（第１動作）。次に、ヘッドブロック１２０は、造形材料の吐出を一旦停止し、インクジェットヘッド１２２による造形材料の吐出位置が重ならないように副走査方向に走査する（第２動作）。次に、ヘッドブロック１２０は、再び所定の領域に対して造形材料の吐出を行いながら、主走査方向に造形ステージ１４０上の他方の端部から一方の端部まで走査する。これらを繰り返すことにより、造形ステージ１４０上の所定の領域を走査し、一層分の造形材料層を形成することができる。
【００３７】
なお、インクジェットヘッド１２２が造形材料を吐出可能な副走査方向の長さは、三次元造形物２００の副走査方向における最大長さより長いことが好ましい。インクジェットヘッド１２２を副走査方向に大きく移動させなくても、副走査方向における三次元造形物２００の全体部分に対して造形材料を吐出させることができ、一層分の造形材料層、ひいては当該造形材料層を積層してなる三次元造形物２００の造形時間を短縮することができるからである。なお、副走査方向の長さが、インクジェットヘッド１２２の長さよりも大きい三次元造形物２００を得ようとする場合は、同じ水平面内で位置を変えて同様の造形動作を繰り返すようにすればよい。
【００３８】
本実施の形態では、ノズル解像度が１５０［ｄｐｉ］のインクジェットヘッド１２２を用いて、副走査方向における解像度が６００［ｄｐｉ］の三次元造形物を造形する。この場合、ノズルピッチよりも小さい距離を単位として、インクジェットヘッド１２２を副走査方向に移動させることで副走査方向における解像度をノズル解像度よりも高くすることができる。本例では、解像度の比は６００／１５０＝４となるので、第２動作では、副走査方向にヘッドブロック１２０が、例えばインクジェットヘッド１２２のノズル解像度の１／４である４２［μｍ］ずつ移動する。第１動作及び第２動作を４回繰り返す（４回目の第２動作は基準位置への復帰動作）ことによって、副走査方向における解像度が６００ｄｐｉである造形材料層が形成される。なお、副走査方向におけるヘッドブロック１２０の走査は、インクジェットヘッド１２２による造形材料の吐出中心位置が重ならないように行われれば良く、例えば４２［μｍ］の１倍、２倍、３倍というように、４２［μｍ］の整数倍で順次副走査方向に走査しても良いし、例えば４２［μｍ］の３倍、１倍、２倍というように、ノズルピッチより長い距離の走査が含まれるように走査しても良い。このような、一層分の造形材料層の形成における副走査方向への走査を、層毎にランダムに変化させてもよい。この場合、特定の吐出ノズルに詰まりを生じた場合に、三次元造形物における欠陥の発生を抑制しやすくなる。
【００３９】
このように主走査方向の走査を４回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合におけるヘッドブロック１２０の動作を説明する。図５は、ヘッドブロック１２０の動作を示す図である。図６は、ヘッドブロック１２０および光源１２６の動作タイミングをそれぞれ示すタイミングチャートである。
【００４０】
図５Ａは、ヘッドブロック１２０が１回目の第１動作（１往路）を行う前の状態、すなわち主走査方向における走査の起点となる基準位置に位置している状態を示している。光源１２６は、最初の第１動作の走査方向（図中右方向）において、インクジェットヘッド１２２の前方に位置する。図５Ｂは、ヘッドブロック１２０が１回目の第１動作及び第２動作を行った後の状態を示している。図５Ｃは、ヘッドブロック１２０が２回目の第１動作（１復路）及び第２動作を行った後の状態を示している。図５Ｄは、ヘッドブロック１２０が３回目の第１動作（２往路）及び第２動作を行った後の状態を示している。図５Ｅは、ヘッドブロック１２０が４回目の第１動作（２復路）を行った後の状態を示している。図５Ｂ〜図５Ｅにおいて、造形ステージ１４０上の太線は、ヘッドブロック１２０が第１動作を行った際に、インクジェットヘッド１２２により吐出された造形材料のインク液滴を示している。以下、ｎ回目の第１動作で、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴をそれぞれ「Ｌｉｎｅ−ｎ」と称する。
【００４１】
本実施の形態では、図６のタイミングチャートに示すように、光源１２６は、ヘッドブロック１２０が４回目の第１動作、すなわちヘッドブロック１２０が基準位置に戻る最後の第１動作を行う期間のみ点灯し、それ以外の期間では消灯している。
【００４２】
１回目の第１動作では、光源１２６は消灯しているため、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴（Ｌｉｎｅ−１）は、光源１２６による光（紫外線）の照射を受けない。
【００４３】
２回目の第１動作では、光源１２６は消灯しているため、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴（Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−２）は、光源１２６による光の照射を受けない。
【００４４】
３回目の第１動作では、光源１２６は消灯しているため、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴（Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２およびＬｉｎｅ−３）は、光源１２６による光の照射を受けない。
【００４５】
最後に、４回目の第１動作では、走査方向（図中左方向）において光源１２６はインクジェットヘッド１２２よりも後方に位置しており、かつ、光源１２６は点灯しているため、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴（Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４）は、光源１２６による光の照射を受ける。
【００４６】
上記したように、一層分の造形材料層を形成する際、光源１２６は、造形材料層を形成するための最初の第１動作の走査方向においてインクジェットヘッド１２２の前方に配置され、インクジェットヘッド１２２が基準位置に戻る最後の第１動作とともに光の照射処理を行う。これにより、第１動作を４回行うことによって一層分の造形材料層を形成する場合、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射量を均一にすることができる。そのため、造形材料層の副走査方向および積層方向においてインク液滴の硬化状態の均一性を確保することができ、三次元造形物２００の副走査方向および積層方向における強度の低下を防止することができる。また、最後の第１動作とともに光の照射処理を行うことにより、照射処理のためにヘッドブロック１２０を主走査方向に不必要に走査させる必要がなくなり、ひいては一層分の造形材料層を短い時間で形成することができる。
【００４７】
図７は、比較のために光源１２６を常時点灯させたもの（比較例）と対比して、最後の第１動作とともに光の照射処理を行う場合（実施例）の、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射回数を表す表である。
【００４８】
図４を参照して説明したように、ヘッドブロック１２０内においてインクジェットヘッド１２２（図７では「ＩＪヘッド」で示す）を左側に、光源１２６（図７では「ＵＶランプ」で示す）を右側にそれぞれ配置している（パターンＡ）。比較例では、主走査方向（矢印方向）の走査を４回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、光源１２６を常時点灯させている。実施例では、主走査方向（矢印方向）の走査を４回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、最後（４回目）に行われる第１動作の期間のみ光源１２６を点灯させ、それ以外の期間では消灯させている。
【００４９】
図７に示すように、比較例では、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴であるＬｉｎｅ−１及びＬｉｎｅ−２は光の照射を３回受け、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４は、光の照射を１回受ける。つまり、Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−２は、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４に比べて、光源１２６による光の照射を２回多く受ける。一方、実施例では、Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４は、光源１２６による光の照射を１回ずつ受けることとなり、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射量を均一にすることができる。
【００５０】
なお、ヘッドブロック１２０内におけるインクジェットヘッド１２２および光源１２６の配置構成を変更しても良い。図８は、ヘッドブロック１２０内におけるインクジェットヘッド１２２および光源１２６の配置構成を変更した場合、光源１２６を常時点灯させる比較例と、最後の第１動作の開始以降で光源１２６を点灯させる実施例とについての、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射回数を表す表である。
【００５１】
パターンＢは、ヘッドブロック１２０内において光源１２６を左側に、インクジェットヘッド１２２を右側にそれぞれ配置した構成である。パターンＢの比較例では、主走査方向（矢印方向）の走査を４回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、光源１２６を常時点灯させている。パターンＢの実施例では、主走査方向（矢印方向）の走査を４回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、最後（４回目）に行われる第１動作の終了後、インク液滴の吐出を行わない主走査方向の走査期間（３往路、３復路）のみ光源１２６を点灯させている。図９は、パターンＢの実施例におけるヘッドブロック１２０および光源１２６の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【００５２】
図８に示すように、パターンＢの比較例では、Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４は、光源１２６による光の照射をそれぞれ４回、２回、２回、０回受ける。つまり、Ｌｉｎｅ−１は、Ｌｉｎｅ−４に比べて、光源１２６による光の照射を４回多く受ける。なお、Ｌｉｎｅ−４は、次の一層分の造形材料層を形成する場合に光源１２６による光の照射を受ける。一方、パターンＢの実施例では、Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４は、光源１２６による光の照射を２回ずつ受けることとなり、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射量を均一にすることができる。
【００５３】
パターンＣは、ヘッドブロック１２０内においてインクジェットヘッド１２２の左側および右側に光源１２６をそれぞれ配置した構成である。パターンＣの比較例では、主走査方向（矢印方向）の走査を４回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、光源１２６を常時点灯させている。パターンＣの実施例では、主走査方向（矢印方向）の走査を４回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、最後（４回目）に行われる第１動作の終了後、インク液滴の吐出を行わない主走査方向の走査期間（３往路、３復路）のみ光源１２６を点灯させている。
【００５４】
図８に示すように、パターンＣの比較例では、Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４は、光源１２６による光の照射をそれぞれ７回、５回、３回、１回受ける。つまり、Ｌｉｎｅ−１は、Ｌｉｎｅ−４に比べて、光源１２６による光の照射を６回多く受ける。一方、パターンＣの実施例では、Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４は、光源１２６による光の照射を４回ずつ受けることとなり、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射量を均一にすることができる。
【００５５】
上記した例では、主走査方向の走査を偶数回（４回）行うことによって一層分の造形材料層を形成する場合に説明したが、主走査方向の走査を奇数回（例えば、３回）行うことによって一層分の造形材料層を形成しても良い。図１０は、光源１２６を常時点灯させる比較例と、最後の第１動作の開始以降で光源１２６を点灯させる実施例とについての、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射回数を表す表である。図１０では、第１動作を３回行うことによって一層分の造形材料層を形成することを想定している。
【００５６】
パターンＡの比較例では、主走査方向（矢印方向）の走査を３回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、光源１２６を常時点灯させている。パターンＡの実施例では、主走査方向（矢印方向）の走査を３回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、最後（３回目）に行われる第１動作の終了後、インク液滴の吐出を行わない主走査方向の走査期間（２復路）のみ光源１２６を点灯させている。
【００５７】
図１０に示すように、パターンＡの比較例では、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴であるＬｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２およびＬｉｎｅ−３は、光源１２６による光の照射をそれぞれ２回、２回、０回受ける。つまり、Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−２は、Ｌｉｎｅ−３に比べて、光源１２６による光の照射を２回多く受ける。なお、Ｌｉｎｅ−３は、次の一層分の造形材料層を形成する場合に光源１２６による光の照射を受ける。一方、パターンＡの実施例では、Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２およびＬｉｎｅ−３は、光源１２６による光の照射を１回ずつ受けることとなり、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射量を均一にすることができる。
【００５８】
パターンＣの比較例では、主走査方向（矢印方向）の走査を３回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、光源１２６を常時点灯させている。パターンＣの実施例では、主走査方向（矢印方向）の走査を３回行うことによって造形ステージ１４０上に一層分の造形材料層を形成する場合、最後（３回目）に行われる第１動作の終了後、インク液滴の吐出を行わない主走査方向の走査期間（２復路）のみ光源１２６を点灯させている。
【００５９】
図１０に示すように、パターンＣの比較例では、Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２およびＬｉｎｅ−３は、光源１２６による光の照射をそれぞれ５回、３回、１回受ける。つまり、Ｌｉｎｅ−１は、Ｌｉｎｅ−３に比べて、光源１２６による光の照射を４回多く受ける。一方、パターンＣの実施例では、Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−２およびＬｉｎｅ−３は、光源１２６による光の照射を２回ずつ受けることとなり、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴に対する光源１２６の照射量を均一にすることができる。
【００６０】
ところで、本実施の形態では、最後の第１動作以外では、インクジェットヘッド１２２による吐出動作と光源１２６による光の照射動作とを同時に行っていないため、インクジェットヘッド１２２により吐出されたインク液滴の着弾から光源１２６による光の照射までの時間が長くなる。これにより、インク液滴の接触角が変化し、インク液滴の形状を保持しておくことができないおそれがある。図１１は、２５［℃］での表面張力が３０［ｍＮ／ｍ］のインク液滴が着弾した瞬間からの接触角の時間変化を示す図である。図１２Ａは、着弾直後（図１１の点Ａ）におけるインク液滴の状態を示す模式図である。図１２Ｂは、着弾してから１０秒後（図１１の点Ｂ）におけるインク液滴の状態を示す模式図である。ここで、接触角とは、インク液滴が固体表面（造形ステージ１４０表面）と接触した部分の固体表面との間の角度であり、いわゆる濡れ性を表した指標である。接触角は、液体（インク液滴）と固体表面の物性や固体表面の粗さに依存する値である。
【００６１】
図１１に示すように、着弾直後（点Ａ）の接触角は９２［°］と比較的大きい値であるが、時間とともに値が低下し、１０秒後（点Ｂ）には８０［°］まで低下している。接触角の低下とともに液滴径φは大きくなり（点Ａにおける液滴径：φＡ＜点Ｂにおける液滴径：φＢ）、液滴高さＬは小さくなる（点Ａにおける液滴高さ：ＬＡ＞点Ｂにおける液滴高さ：ＬＢ）。液滴径φが大きくなると、造形される三次元造形物２００の主走査方向および副走査方向における精度、特に細かい部分の再現性（解像度）が低下する。また、液滴高さＬが小さくなると、三次元造形物２００の積層方向における解像度が低下する。
【００６２】
三次元造形物２００の解像度が低下するおそれがあるという問題に対応するため、ゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料を使用することが好ましい。例えば、常温（熱したり冷やしたりしない自然な温度）よりも高いゾル−ゲル相転移温度、または、常温よりも低いゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料を使用することが好ましい。ここで、ゾル−ゲル相転移温度とは、ゾル状態の液体の温度を下げていった場合に、当該液体の粘度の値が５００［ｍＰａ・ｓ］を超えたところの温度である。粘度の値が５００［ｍＰａ・ｓ］を超えると、大きさ数十［μｍ］のインク液滴は外力を加えない限り流動しない。すなわち、インク液滴は崩れず、当該インク液滴の形状を保持しておくことができる。
【００６３】
図１３は、ゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料について粘度の温度依存性を示す図である。粘度の値は、レオメータＭＣＲ３００（ＰａａｒＰｈｙｓｉｃａｌ社製）を用いて、剪断速度１０００［１／ｓ］の条件で測定した値である。図１３において、Ｌ１は、ゾル−ゲル相転移温度を有しない造形材料について粘度の温度依存性を示している。Ｌ２は、常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料について粘度の温度依存性を示している。Ｌ３は、常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料について粘度の温度依存性を示している。
【００６４】
図１３に示すように、ゾル−ゲル相転移温度を有しない造形材料（Ｌ１）は、温度を下げていくと粘度が線形に上昇していくが、１０［℃］付近まで下げても５００［ｍＰａ・ｓ］を超えることはなく、ゾル状態からゲル状態に相転移しない。一方、常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料（Ｌ２）は、およそ４５［℃］付近で粘度の値が５００［ｍＰａ・ｓ］を超えて、ゾル状態からゲル状態に相転移する。また、常温よりも低いゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料（線Ｌ３）は、およそ１５［℃］付近で粘度の値が５００［ｍＰａ・ｓ］を超えて、ゾル状態からゲル状態に相転移する。
【００６５】
本実施の形態では、インクジェットヘッド１２２は、粘度が５〜１５［ｍＰａ・ｓ］の範囲で造形材料を吐出することができる。よって、常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料を使用する場合、インクジェットヘッド１２２を６０［℃］に加熱することによって当該造形材料をゾル状態で吐出させることができ、吐出されて着弾したインク液滴は４５［℃］以下まで瞬時に自然冷却されてゾル状態からゲル状態に相転移する。そのため、光源１２６による光の照射を受けて硬化反応が起こるまでの時間が長くても、インク液滴が崩れてしまうことを防止することができる。
このように、常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料を使用する場合、インクジェットヘッド１２２に貯留される造形材料がゾル状態となっている必要があるため、インクジェットヘッド１２２を加熱する加熱部を設けるのが好ましい（図１４参照）。
【００６６】
図１４に示す構成では、インクジェットヘッド１２２の外周部には、伝熱部材１７０を介してヒーター１７２が設けられている。ヒーター１７２の出力は、制御部１１０によって制御される。ヒーター１７２には、図示しないヒーター電源が接続されている。伝熱部材１７０は、インクジェットヘッド１２２の吐出ノズル面にまわり込んで設けられている。つまり、伝熱部材１７０は、ヒーター１７２からの熱を効率良くインクジェットヘッド１２２から吐出される造形材料の流路、かつ、吐出ノズル面近傍に伝えることによって、吐出ノズル面近傍の空気を温める。
制御部１１０がヒーター１７２の出力を制御することにより、インクジェットヘッド１２２は造形材料のゾル−ゲル相転移温度以上に加熱される。これにより、常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料であっても、インクジェットヘッド１２２から吐出させることができる。
【００６７】
一方、常温よりも低いゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料を使用する場合には、インクジェットヘッド１２２を特に加熱することなく、常温において当該造形材料をゾル状態で吐出させることができるが、着弾したインク液滴をゾル−ゲル相転移温度以下まで冷却する必要がある。したがって、この場合は、造形ステージ１４０周辺の温度を約１０［℃］以下まで冷却可能な冷却部を設けるのが好ましい（図１５、図１６を参照）。
【００６８】
図１５は、熱電変換素子である公知のペルチェ素子を用いて、インクジェットヘッド１２２により吐出されて着弾したインク液滴を冷却する構成を示す。図１５に示すように、造形ステージ１４０の下方にはペルチェ素子１８０が配設されている。ペルチェ素子１８０は、電源１８５によって通電されることにより、造形ステージ１４０、ひいてはインクジェットヘッド１２２により吐出されて着弾したインク液滴（三次元造形物２００）を下方から冷却する。制御部１１０は、インクジェットヘッド１２２により吐出されたゾル状態の造形材料をゾル−ゲル相転移温度以下に冷却するように電源１８５を制御する。なお、ペルチェ素子１８０および電源１８５は、冷却部として機能する。
【００６９】
図１６は、公知のヒートポンプを用いて、インクジェットヘッド１２２により吐出されて着弾したインク液滴を冷却する構成を示す。図１６に示すように、ヘッドブロック１２０および造形ステージ１４０は、造形室１９０内に配置されている。造形室１９０には、配管を介してヒートポンプ１９５が接続されている。ヒートポンプ１９５は、造形室１９０内で暖められて排出された暖気から吸熱し、吸熱された冷気を造形室１９０内に供給するように動作する。制御部１１０は、三次元造形物２００の造形中、インクジェットヘッド１２２により吐出されたゾル状態の造形材料をゾル−ゲル相転移温度以下に冷却する冷気が造形室１９０内に供給されるようにヒートポンプ１９５を制御する。なお、ヒートポンプ１９５は、冷却部として機能する。
【００７０】
図１５、図１６に示す構成により、インクジェットヘッド１２２により吐出されて着弾したインク液滴（造形材料）を強制冷却し、ゾル状態からゲル状態に相転移させることができる。したがって、光源１２６による光の照射を受けて硬化反応が起こるまでの時間が長くても、インク液滴が崩れてしまうことを防止することができる。
【００７１】
ゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料とは対照的に、ゾル−ゲル相転移温度を有しない造形材料を使用する場合には、図１３に示すように、インクジェットヘッド１２２または造形ステージ１４０周辺の温度を現実的に設定可能な範囲（例えば、０〜７０［℃］）に調整してもゾル状態からゲル状態への相転移は起こらない。そのため、光源１２６による光の照射を受けて硬化反応が起こるまでの時間が長いと、インク液滴が崩れてしまうおそれがある。よって、ゾル−ゲル相転移温度を有する造形材料を使用することが好ましい。
【００７２】
本実施の形態では、光源１２６として、発光ダイオードを使用しているが、低圧水銀灯、中圧水銀灯、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、カーボンアーク灯、メタルハライドランプ、キセノンランプまたは紫外線ＬＥＤ等を用いることができる。ただし、アーク放電を利用する高圧水銀ランプまたはメタルハライドランプなどのＵＶランプを使用する場合には、以下の留意点がある。図１７は、高圧水銀ランプの消費電力の時間推移を示す図である。図１７に示すように、高圧水銀ランプの点灯直後では水銀の蒸気圧が低く消費電力も低いが、放電により内管の温度が上昇するとともに水銀も蒸発し、消費電力も上昇する。そして、消費電力が安定する、すなわち高圧水銀ランプの点灯から照射量が均一になるまでに数分（図１７の例では、約４分）かかる。このような特性から、図６に示したように、ヘッドブロック１２０が４回目の第１動作を行う期間のみ光源１２６を点灯させる場合、当該点灯時間に多くの時間が必要となり、ひいては一層分の造形材料層を形成する時間が長くなってしまう。そもそも、アーク放電を利用するＵＶランプでは、点灯と消灯を短時間で繰り返すように使用することは行われていない。
したがって、このようなＵＶランプを使用する場合、ランプ自体は常時点灯させておき、当該ＵＶランプの光をインク液滴に照射させないよう遮蔽する遮蔽状態と、当該ＵＶランプの光を遮蔽しない非遮蔽状態とに切り替え可能なシャッター部を備えることが好ましい。シャッター部を備えることにより、アーク放電を利用するＵＶランプを光源１２６として使用する場合でも、点灯と消灯とを短時間で繰り返すことと同じ結果を得ることができる。
【００７３】
図１８は、シャッター部の構成を示す図である。図１８に示すように、光源１２６の周囲には、造形ステージ１４０に対向する部分が開口し、光源１２６から照射された光を造形ステージ１４０に向けて反射する反射部材２３０が設けられている。反射部材２３０の外側には、制御部１１０の制御下において、反射部材２３０の外周方向に移動可能な遮蔽部材２４０が設けられている。図１８Ａは、遮蔽部材２４０が反射部材２３０の開口部分に対向する位置に位置しない状態、すなわち光源１２６の光を遮蔽しない非遮蔽状態を示している。図１８Ｂは、遮蔽部材２４０が反射部材２３０の開口部分に対向する位置に位置する状態、すなわち光源１２６の光をインク液滴に照射させないよう遮蔽する遮蔽状態を示している。なお、反射部材２３０および遮蔽部材２４０は、シャッター部として機能する。
【００７４】
図１９は、光源１２６として高圧水銀ランプを使用した場合、ヘッドブロック１２０、光源１２６およびシャッター部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。図１９に示すように、一層分の造形材料層を形成する際、高圧水銀ランプの点灯から照射量が均一になるまでに数分かかることを考慮し、三次元造形物２００の造形動作を開始する前から光源１２６自体は早めに点灯させておき、少なくとも二次元パターン形成部による三次元造形動作中は常時点灯とし、ヘッドブロック１２０が４回目（すなわち最後）の第１動作を行う期間のみシャッター部を遮蔽状態から非遮蔽状態に切り替える。これにより、第１動作を４回行うことによって一層分の造形材料層を形成する場合、光源１２６の点灯時間が不必要に増大することを防止することができる。
【００７５】
一方、光源１２６として発光ダイオードを使用した場合には、照射量が均一になるまでに数分かかるような特性は見られない。そのため、点灯後、瞬時に１００［％］の照度になる。よって、上記シャッター部を備えることなく、点灯と消灯とを短時間で繰り返すことができ、硬化処理が行われる期間のみ発光することができるため好ましい。
【００７６】
［本実施の形態における効果］
以上詳しく説明したように、本実施の形態では、三次元造形装置１００は、（ａ）造形ステージ１４０と、造形ステージ１４０に向けて造形材料を吐出する複数の吐出ノズルが列状に配置されたインクジェットヘッド１２２と、インクジェットヘッド１２２と造形ステージ１４０との相対位置を変化させる移動機構１３０と、を有し、主走査方向に走査しながら造形材料を吐出する第１動作と、インクジェットヘッド１２２による造形材料の吐出位置を異ならせるように主走査方向と直交する副走査方向に走査する第２動作とを繰り返すことにより一層分の造形材料層を形成する二次元パターン形成部、（ｂ）インクジェットヘッド１２２から吐出された造形材料を硬化させるための硬化処理（光照射処理）を行う光源１２６、及び、（ｃ）二次元パターン造形部及び光源１２６の動作を制御する制御部１１０を備える。光源１２６は、造形材料層を形成するための最後の第１動作の開始以降に硬化処理を行う。
【００７７】
このように構成した本実施の形態によれば、一層分の造形材料層を形成する際、当該造形材料層に対する光源１２６の照射量を均一にすることができる。そのため、造形材料層の副走査方向においてインク液滴の硬化状態の均一性を確保することができ、三次元造形物２００の副走査方向における強度の低下を防止することができる。また、造形材料層の積層方向においても、インク液滴の硬化状態の均一性を確保することができるため、例えば、Ｎ層目のインク液滴と、その上に積層されたＮ＋１層目のインク液滴との間で重合反応を層全体にわたって確実に発現させることにより、積層方向における三次元造形物２００の強度が低下することを防止することができる。
【００７８】
なお、上記実施の形態では、光源１２６は、光硬化性を有する造形材料に光を照射することによって硬化処理を行う硬化部として機能する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、造形材料に熱硬化性材料を用い、抵抗発熱体等により発熱する加熱部が、当該造形材料を加熱することによって硬化処理を行う硬化部として機能しても良い。最初の第１動作で吐出されたインク液滴の加熱回数が、最後の第１動作で吐出されたインク液滴の加熱回数より多くなってしまう場合にも、インク液滴間で硬化状態に違いが生じ、「発明が解決しようとする課題」において説明したような問題、すなわち三次元造形物の副走査方向および積層方向における強度が低下するという問題が発生するからである。
【００７９】
その他、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１００  三次元造形装置
１１０  制御部
１２０  ヘッドブロック
１２２  インクジェットヘッド
１２４  平坦化部
１２６  光源
１３０  移動機構
１４０  造形ステージ
１５０  データ入力部
１６０  コンピューター装置
１７０  伝熱部材
１７２  ヒーター
１８０  ペルチェ素子
１８５  電源
１９０  造形室
１９５  ヒートポンプ
２００  三次元造形物
２３０  反射部材
２４０  遮蔽部材
【図１】
2015036234.tif 000003
【図２】
2015036234.tif 000004
【図３】
2015036234.tif 000005
【図４】
2015036234.tif 000006
【図５】
2015036234.tif 000007
【図６】
2015036234.tif 000008
【図７】
2015036234.tif 000009
【図８】
2015036234.tif 000010
【図９】
2015036234.tif 000011
【図１０】
2015036234.tif 000012
【図１１】
2015036234.tif 000013
【図１２】
2015036234.tif 000014
【図１３】
2015036234.tif 000015
【図１４】
2015036234.tif 000016
【図１５】
2015036234.tif 000017
【図１６】
2015036234.tif 000018
【図１７】
2015036234.tif 000019
【図１８】
2015036234.tif 000020
【図１９】
2015036234.tif 000021