(57)【要約】【課題】ステージに加える振動の波形を容易に制御して効率よく未硬化粉体を回収することができる立体造形装置を提供する。【解決手段】立体造形装置は、ステージ１１と、ステージ昇降モータと、回収口６５とを備える。ステージ１１には、立体造形粉体が載置され、且つ立体造形粉体を落下させるための複数の孔が形成されている。ステージ昇降モータはステージ１１を昇降させる。回収口６５は、ステージ１１の下方に配置され、ステージ１１から落下した立体造形粉体を回収する。立体造形装置は、ステージ１１に載置された立体造形粉体に造形液を吐出して固化し、且つ固化せずに残存した立体造形粉体を回収口６５から回収する。立体造形装置は、ステージ１１を振動させて立体造形粉体をステージ１１から落下させるピエゾ素子６０を備える。【選択図】図５
2013075389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体造形粉体が載置され、且つ前記立体造形粉体を落下させる複数の孔を有するステージと、
前記ステージを昇降させる昇降手段と、
前記ステージの下方に配置され、前記ステージから落下した前記立体造形粉体が回収される回収口と
を備え、前記ステージに載置された立体造形粉体に造形液を吐出して固化し、且つ固化せずに残存した前記立体造形粉体を前記回収口から回収する立体造形装置であって、
前記ステージを振動させて前記立体造形粉体を前記ステージから落下させるピエゾ素子を備えたことを特徴とする立体造形装置。
【請求項２】
前記ピエゾ素子に印加する駆動信号を制御することで前記ピエゾ素子を振動させる振動制御手段をさらに備え、
前記振動制御手段は、前記ピエゾ素子を１００Ｈｚ以上の周波数で振動させることを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
【請求項３】
複数の前記ピエゾ素子を複数の位置に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の立体造形装置。
【請求項４】
前記ピエゾ素子を前記ステージの下部に配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の立体造形装置。
【請求項５】
前記ステージは、
複数の孔が形成された板状の部材であり、水平に配置される上部ステージと、
前記上部ステージの厚みよりも薄く、且つ複数の孔が形成された板状の部材であり、前記上部ステージの下方において前記上部ステージと平行に配置される下部ステージと
を備え、
前記ピエゾ素子を前記下部ステージに配置したことを特徴とする請求項４に記載の立体造形装置。
【請求項６】
前記ステージの側面に接し、且つ前記ステージの昇降範囲の外周を取り囲む枠部をさらに備え、
前記ピエゾ素子を前記枠部に配置したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の立体造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形粉体に造形液を吐出して固化することで立体造形物を造形する立体造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、立体造形粉体（以下、単に「粉体」という場合がある。）と造形液とを混合して固化することで立体造形物を造形する立体造形装置が知られている。例えば、立体造形装置は、平坦に配置した粉体に対し、インクジェットヘッドを用いて造形液を吐出する。粉体と造形液とが混合すると、粉体に含まれる接着剤が溶解し、溶解した接着剤同士が結合して層を形成する。以上の工程が繰り返されて層が重ねられることで、作業者が所望する形状の立体造形物が造形される。立体造形装置は、固化せずに残存した立体造形物周辺の未硬化の粉体（以下、「未硬化粉体」という。）を回収する。
【０００３】
未硬化粉体を円滑に回収する等の目的で、立体造形物が載置されるステージを振動させる場合がある。例えば、特許文献１が開示している立体造形装置は、ステージの底面にモータを装着する。モータは、偏心盤を回転させることで振動を発生させる。モータが発生させた振動は、ステージに直接伝わる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３６４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モータの振動波形を自由に制御することは困難である。モータの駆動波形を最適な波形に制御できなければ、未硬化粉体を十分にステージから落下させることができず、且つ粉詰まりが生じる可能性も高くなる。従って、従来の立体造形装置は、ステージに加える振動の波形を容易に制御して効率よく未硬化粉体を回収することは困難だった。
【０００６】
本発明は、ステージに加える振動の波形を容易に制御して効率よく未硬化粉体を回収することができる立体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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る立体造形装置は、立体造形粉体が載置され、且つ前記立体造形粉体を落下させる複数の孔を有するステージと、前記ステージを昇降させる昇降手段と、前記ステージの下方に配置され、前記ステージから落下した前記立体造形粉体が回収される回収口とを備え、前記ステージに載置された立体造形粉体に造形液を吐出して固化し、且つ固化せずに残存した前記立体造形粉体を前記回収口から回収する立体造形装置であって、前記ステージを振動させて前記立体造形粉体を前記ステージから落下させるピエゾ素子を備える。
【０００８】
本発明に係る立体造形装置は、ピエゾ素子でステージを振動させることで、未硬化粉体をステージから落下させる。ピエゾ素子の振動波形は、印加する駆動信号に応じて変化する。従って、立体造形装置は、ステージに加える振動の波形を容易に制御して効率よく未硬化粉体を回収することができる。
【０００９】
また、前記立体造形装置は、前記ピエゾ素子に印加する駆動信号を制御することで前記ピエゾ素子を振動させる振動制御手段をさらに備え、前記振動制御手段は、前記ピエゾ素子を１００Ｈｚ以上の周波数で振動させてもよい。ステージに低周波振動のみを加えると、粉体が圧縮されて固まる現象（所謂「圧粉」）が生じ、粉詰まりを引き起こす可能性がある。モータによって発生させることができる振動の周波数は、約１００Ｈｚ以下である。立体造形装置は、ピエゾ素子によって１００Ｈｚ以上の高周波振動をステージに加えることで、粉詰まりが生じる可能性を低下させることができる。さらに、立体造形装置は、昇降手段によってステージを昇降させることで、高周波振動に加えて低周波振動もステージに加えることができる。よって、周波数が異なる複数の振動をステージに加えることができ、円滑に未硬化粉体を回収できる。
【００１０】
また、複数の前記ピエゾ素子を複数の位置に配置してもよい。この場合、粉体の落下のし難さ、振動の伝わり難さ等に応じた適切な位置にピエゾ素子を配置することができる。よって、立体造形装置は、より効率よく未硬化粉体を回収することができる。さらに、複数のピエゾ素子を用いることで、それぞれの位置に適した駆動信号を、複数のピエゾ素子の各々に印加することができる。よって、立体造形装置は、振動の振幅、振動を加えるタイミング等を位置に応じて変えることができ、効率よくステージを振動させることができる。
【００１１】
また、前記ピエゾ素子を前記ステージの下部に配置してもよい。ステージは、粉詰まりが生じる場所である。粉詰まりが生じるステージにピエゾ素子を直接配置することで、ピエゾ素子の振動を効率よくステージに伝えて未硬化粉体を回収することができる。
【００１２】
また、前記ステージは、複数の孔が形成された板状の部材であり、水平に配置される上部ステージと、前記上部ステージの厚みよりも薄く、且つ複数の孔が形成された板状の部材であり、前記上部ステージの下方において前記上部ステージと平行に配置される下部ステージとを備え、前記ピエゾ素子を前記下部ステージに配置してもよい。下部ステージにかかる立体造形粉体の重量は、上部ステージにかかる重量よりも小さい。よって、下部ステージは、薄く形成しても立体造形粉体の重量に耐え得る。立体造形装置は、薄い下部ステージにピエゾ素子を配置することで、ピエゾ素子の振動を効率よく伝播させることができる。
【００１３】
また、前記立体造形装置は、前記ステージの側面に接し、且つ前記ステージの昇降範囲の外周を取り囲む枠部をさらに備え、前記ピエゾ素子を前記枠部に配置してもよい。立体造形装置は、ステージに側面から振動を伝えることができ、効果的にステージを振動させることができる。また、立体造形装置は枠部も振動させることができるので、枠部に付着した未硬化粉体も容易に回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】立体造形装置１の外観斜視図である。
【図２】造形台６の斜視図である。
【図３】立体造形装置１の内部構成を右側面から見た図である。
【図４】粉体供給部１５および平坦化ローラ１６の近傍の拡大斜視図である。
【図５】図２におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図（ステージ１１が上昇している状態）である。
【図６】図２におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図（ステージ１１が下降している状態）である。
【図７】下部ステージ５２の底面図である。
【図８】立体造形装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【図９】立体造形装置１が実行する立体造形処理のフローチャートである。
【図１０】立体造形処理中に実行される未硬化粉体回収処理のフローチャートである。
【図１１】変形例における枠部９およびステージ１１の一部を示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている装置の構成、各種処理のフローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。図１および図２の左下側および右上側は、それぞれ、立体造形装置１の正面側および背面側である。図１および図２の左右方向および上下方向は、それぞれ、立体造形装置１の左右方向および上下方向である。図３の左側、右側、上側、下側、紙面手前側、紙面奥側は、それぞれ、立体造形装置１の正面側、背面側、上側、下側、右側、左側である。図４の左側、右側、上側、下側、紙面右手前側、紙面左奥側は、それぞれ、立体造形装置１の正面側、背面側、上側、下側、右側、左側である。立体造形装置１の右方をＸ座標の正方向、後方をＹ座標の正方向、上方をＺ座標の正方向とする。
【００１６】
図１を参照して、立体造形装置１の概略構成について説明する。立体造形装置１は、座標データおよび色データを含む立体造形データに従ってヘッド２０等を駆動することで、立体造形物を造形することができる。パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」という。）１００は、物体の三次元形状を示す立体データに基づいて立体造形データを作成し、ネットワーク等を介して立体造形装置１に送信する。立体造形装置１は、ＰＣ１００から受信した立体造形データに従って立体造形物を造形する。なお、立体造形装置１は、立体データを他のデバイスから取得し、取得した立体データに基づいて自ら立体造形データを作成することもできる。
【００１７】
立体造形装置１は、土台２と、造形台６と、粉体供給部１５と、平坦化ローラ１６と、ヘッド２０と、ヘッドクリーニング機構２２と、粉体回収部２３とを主に備える。土台２は、左右方向（Ｘ軸方向）を長手方向とする矩形板状に形成されており、立体造形装置１の全体を支持する。造形台６はステージ１１を備え、ステージ１１上で立体造形物が造形される。粉体供給部１５は、造形台６のステージ１１上に立体造形粉体を供給する。平坦化ローラ１６は、ステージ１１上に載置された立体造形粉体の上面を平坦化し、立体造形粉体の層（以下、「粉体層」という。）を形成する。ヘッド２０は、ステージ１１上に形成された粉体層に造形液を吐出する。ヘッドクリーニング機構２２は、ヘッド２０の吐出口をワイプし、また、密着して造形液を吸引する。粉体回収部２３は、造形物周辺で固化せずに残存した余分な立体造形粉体（以下、「未硬化粉体」という。）を回収する。以下、各構成について説明する。
【００１８】
造形台６について説明する。図２に示すように、造形台６は、造形台６を支持する基部７と、基部７の上部に支持される枠部９とを備える。基部７の左右の各々には、前後方向（Ｙ軸方向）に貫通する貫通孔８が形成されている。図１に示すように、土台２の略中央には、前後方向に平行に延びる２本のレール３が設けられている。２本のレール３は、土台２の正面側端部に設けられた支持部４と、背面側端部に設けられた支持部（図示せず）とによって、土台２の上面から所定の高さで支持されている。２本のレール３の各々は、造形台６の基部７に形成された２つの貫通孔８の各々を貫通する。さらに、土台２の背面側端部には、造形台６を前後動させるための造形台前後動モータ４１（図８参照）が設けられる。造形台前後動モータ４１が駆動すると、キャリッジベルト（図示せず）を介して動力が造形台６に伝わり、造形台６は２本のレール３に沿って前後方向（Ｙ軸方向）に移動する。つまり、造形台前後動モータ４１が駆動すると、粉体供給部１５、平坦化ローラ１６、およびヘッド２０は、造形台６のステージ１１に対して前後方向（ステージ面と平行な方向）に相対移動する。
【００１９】
図２に示すように、枠部９は、略立方体の箱型形状を成す。枠部９は、上面が開放された平面視矩形状の凹部であるステージ保持部１０を有している。ステージ保持部１０の内側には、立体造形物が造形されるステージ１１が昇降可能に保持される。ステージ１１は、ステージ保持部１０の内周面に接するように平面視矩形状に形成されており、且つ、ステージ１１の上面は水平に保たれている。つまり、枠部９は、ステージ１１の側面に接し、且つステージ１１の昇降範囲の外周を取り囲む。枠部９の右側面には、未硬化粉体をステージ保持部１０内から粉体回収部２３（図１参照）に導くための回収路１２が接続している。
【００２０】
ステージ保持部１０の背面側には、上面が開放された平面視矩形の凹部である粉体落下口１３が設けられている。粉体落下口１３には、粉体層を形成する際に平坦化ローラ１６によって集積された余剰粉体が落下する。粉体落下口１３に落下した余剰粉体は、作業者によって、造形台６の上方に位置する粉体供給部１５（図１、図３、および図４参照）内に戻される。しかし、立体造形装置１は、粉体落下口１３に落下した余剰粉体を吸引等によって回収し、粉体供給部１５に自動的に戻してもよい。造形台６の内部構造の詳細については後述する。
【００２１】
粉体供給部１５について説明する。図３および図４に示すように、粉体供給部１５は、上方へ向けて徐々に前後方向の幅が広がる箱状に形成されており、内部に立体造形粉体を収容する。粉体供給部１５は、造形台６の上方に位置するように、粉体回収部２３（図１参照）の左側面に固定されている。粉体供給部１５の下面には、左右方向を長手方向とする開口である供給口（図示せず）が形成されている。供給口は、ステージ１１上の左右方向に線状に延びる全領域に立体造形粉体を供給できるように、ステージ１１の左右方向の幅以上の幅に形成されている。供給口には、供給口を開閉するシャッター（図示せず）が設けられている。立体造形装置１は、粉体供給モータ４４（図８参照）によってシャッターの開閉を制御することで、ステージ１１上に立体造形粉体を供給する。
【００２２】
平坦化ローラ１６について説明する。平坦化ローラ１６は、ステージ１１上に供給された立体造形粉体の上面を平坦化して粉体層を形成するために設けられる。図３および図４に示すように、平坦化ローラ１６の回転軸１７は、ステージ１１の上面と平行な状態で、造形台６の移動方向と交差する方向（左右方向）に延びる。回転軸１７は、粉体回収部２３（図１参照）に配置されたローラ回転モータ４３（図８参照）に接続している。ローラ回転モータ４３が駆動すると、平坦化ローラ１６は、図４に示す矢印方向（右側面視反時計回りの方向）に回転する。立体造形装置１は、粉体層を形成する場合、粉体供給部１５のシャッターを開放させた状態で、平坦化ローラ１６を回転させながら造形台６を後方から前方へ（Ｙ軸の負の方向へ）移動させる。その結果、ステージ１１（図２参照）に載置された立体造形粉体の上面は、平坦化ローラ１６によって平坦化される。平坦化ローラ１６の背面側に集積した余剰粉体は、造形台６の背面側に形成された粉体落下口１３に落下する。
【００２３】
図３および図４に示すように、粉体供給部１５の正面には板状のブレード１８が固定されている。ブレード１８は、平坦化ローラ１６に付着した立体造形粉体を除去するために設けられる。ブレード１８は、粉体供給部１５の正面の壁面から前方斜め下方へ延び、平坦化ローラ１６の背面側に隙間無く接触している。図４に示すように、平坦化ローラ１６のうち、ブレード１８が接触する位置Ｐは、回転軸１７の高さＨ以下の高さに調整されている。従って、立体造形粉体は、ブレード１８と平坦化ローラ１６との間に堆積することなく、平坦化ローラ１６の表面から容易に剥がれ落ちる。さらに、ブレード１８の板面は、平坦化ローラ１６の正面側の空間と背面側の空間との間を遮断する。従って、ブレード１８は、平坦化ローラ１６の背面側の立体造形粉体が正面側に飛散することを防止することができる。よって、平坦化ローラ１６によって形成された粉体層の上面は平坦に保たれる。飛散した立体造形粉体がヘッド２０に付着する可能性も低下する。
【００２４】
ヘッド２０について説明する。図示しないが、ヘッド２０は、シアンヘッド、マゼンタヘッド、イエローヘッド、ブラックヘッド、およびクリアヘッドを備える。立体造形装置１の左胴部２５（図１参照）の内部には、シアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液、およびクリア造形液の各々を収容した複数のタンクが装着されている。ヘッド２０が備える各色のヘッドの各々は、可撓性を有するチューブ（図示せず）によって、対応する色の造形液を収容したタンクに接続されている。ヘッド２０は、ＣＰＵ３０（図８参照）の制御によって、各色の造形液を粉体層に吐出する。なお、吐出する造形液の種類は変更できる。例えば、シアンヘッド、マゼンタヘッド、イエローヘッド、およびクリアヘッドによって、４種類の造形液を吐出してもよい。この場合、シアン、マゼンタ、およびイエローを混色させて黒色を再現する。４種類の液体を吐出するヘッドは、シアン、マゼンタ、イエロー、およびブラックのインクを吐出する通常の印刷装置で一般に用いられている。通常の印刷装置のヘッドのうち、ブラックのインクを吐出するヘッドをクリア造形液用に用いれば、印刷装置のヘッドを立体造形装置１にそのまま転用することができる。
【００２５】
図１に示すように、造形台６の上方、且つ粉体供給部１５の前方には、ヘッド２０の左右方向の移動を案内するためのガイドレール２１が設けられている。ガイドレール２１は、立体造形装置１の左胴部２５の右側面から右方へ真っ直ぐに水平に延び、粉体回収部２３の左側面に接続する。ガイドレール２１は、ヘッド２０を左右方向に貫通しており、ヘッド２０はガイドレール２１に沿って左右に移動できる。立体造形装置１の左胴部２５には、ヘッド２０を移動させるためのヘッド移動モータ４５（図８参照）が設けられている。ヘッド移動モータ４５が駆動すると、キャリッジベルト（図示せず）を介して動力がヘッド２０に伝わり、ヘッド２０が左右方向（Ｘ軸方向）に移動する。
【００２６】
ヘッドクリーニング機構２２は、ヘッド２０の下方のノズル面をワイプ（拭き取り）し、また、密着し、ノズルに各色の造形液が達するまで吸引を行う。また、ヘッドクリーニング機構２２は、造形液の吐出が行われない場合にヘッド２０のノズル面を覆い、造形液が乾燥することを防止する。
【００２７】
粉体回収部２３は、図１に示すように、造形台６と右胴部２６との間に配置される。粉体回収部２３は、造形台６のステージ保持部１０（図２参照）内の未硬化粉体を吸引するための粉体吸引ポンプ４８（図８参照）を備える。粉体吸引ポンプ４８が吸引を開始すると、ステージ保持部１０内の未硬化粉体は、回収路１２（図２および図４参照）および粉体回収部２３を通じて、粉体供給部１５に戻される。
【００２８】
なお、立体造形装置１の右胴部２６の正面には操作パネル２７が設けられている。操作パネル２７は、各種操作キーと表示部とを有する。作業者は、表示部を見ながら操作キーを操作することで、立体造形装置１に対する操作指示を入力する。
【００２９】
図５から図７を参照して、造形台６の内部構造について説明する。まず、ステージ１１の詳細な構造について説明する。ステージ１１は、上部ステージ５１および下部ステージ５２を備える。上部ステージ５１は矩形板状の部材であり、水平に配置される。上部ステージ５１には、厚み方向に貫通する孔７１（図２参照）が複数設けられている。下部ステージ５２は、上部ステージ５１と略同一形状の板状部材であり、且つ、上部ステージ５１の厚みよりも薄く形成されている。下部ステージ５２は、上部ステージ５１の下方において、上部ステージ５１と平行に配置される。
【００３０】
下部ステージ５２にも、上部ステージ５１と同様に複数の孔７２（図７参照）が設けられている。しかし、平面視において、上部ステージ５１に設けられた孔７１の位置と、下部ステージ５２に設けられた孔７２の位置とが重複しないように、上部ステージ５１および下部ステージ５２が形成されている。従って、上部ステージ５１に立体造形粉体が載置されると、孔７１が設けられていない位置では、上部ステージ５１の上面に立体造形粉体が堆積する。孔７１が設けられている位置では、立体造形粉体は孔７１から下部ステージ５２に落下する。しかし、落下地点には下部ステージ５２の孔７２は形成されていない。よって、上部ステージ５１から落下した立体造形粉体は、下部ステージ５２の上面に堆積する。その結果、ステージ１１上に立体造形粉体が堆積する。
【００３１】
下部ステージ５２には、下部ステージ５２と上部ステージ５１との間に位置する立体造形粉体の重さが僅かに加わる程度である。従って、下部ステージ５２は、積層される粉体層の重さが加わる上部ステージ５１に比べて、薄く形成することができる。
【００３２】
詳細は後述するが、立体造形物の造形が完了すると、立体造形装置１はステージ１１を振動させる。ステージ１１が振動すると、下部ステージ５２と上部ステージ５１との間に位置する未硬化粉体は、下部ステージ５２の孔７２から受け皿５３に落下する。これに伴い、上部ステージ５１上に堆積していた未硬化粉体は、孔７１から下部ステージ５２に落下し、さらに下部ステージ５２の孔７２から受け皿５３に落下する。
【００３３】
未硬化粉体を回収する機構、および、ステージ１１を昇降させる機構について説明する。受け皿５３は、下部ステージ５２の全体の下部を覆うように、平面視略矩形状に形成されている。受け皿５３の右端部近傍における前後方向略中心には、下部ステージ５２から落下した未硬化粉体を回収路１２に導く誘導口５５が形成されている。受け皿５３は、誘導口５５に近づく程高さが低くなるように傾斜している。従って、受け皿５３が振動すると、未硬化粉体は誘導口５５に向かって移動する。
【００３４】
受け皿５３の中心下部にはボールねじ５７が接続している。ボールねじ５７は、受け皿５３から鉛直下方へ延び、ナット（図示せず）に装着されている。造形台６の下部には、ボールねじ５７を回転させるためのステップモータであるステージ昇降モータ４２（図８参照）が設けられている。ステージ昇降モータ４２が駆動すると、ボールねじ５７が回転して昇降し、ボールねじ５７に接続している受け皿５３が昇降する。その結果、受け皿５３によって支持されているステージ１１が昇降する。
【００３５】
受け皿５３の誘導口５５の鉛直下方には、回収路１２の入口である回収口６５が配置されている。回収口６５は、未硬化粉体が振動によって集積される部位である。枠部９の内周面のうち、回収口６５よりもやや高い位置に、内側に突出する接触部６７が設けられている。本実施形態の接触部６７は、下降した受け皿５３の下部に接触してステージ１１の昇降経路の下端を遮断するように、矩形環状に形成されている。接触部６７の左部の内側には、ステージ１１が昇降範囲の下端に位置しているか否かを検出するためのステージ位置検出センサ３６が設置されている。本実施形態のステージ位置検出センサ３６は周知の光学センサであるが、ステージ１１の下降による押圧によって機械的に近接を検知したりする近接スイッチ等の他のセンサやスイッチを用いることも可能である。
【００３６】
図５に示すように、立体造形装置１は、立体造形物を造形する場合、回収口６５よりも高い位置にステージ１１を位置させる。詳細には、立体造形装置１は、昇降範囲の上端からステージ１１を徐々に下降させながら立体造形物を造形する。立体造形装置１は、立体造形物の造形が完了すると、ステージ１１を昇降範囲の下端まで下降させる。
【００３７】
図６に示すように、ステージ１１が昇降範囲の下端に達すると、受け皿５３の外周縁部が、枠部９に形成された接触部６７に接触（衝突）する。その結果、ステージ１１に衝撃が加えられて、ステージ１１は振動する。さらに、立体造形装置１は、ステージ１１が昇降範囲の下端に達すると、後述するピエゾ素子６０の駆動を開始する。ピエゾ素子６０は、ステージ１１、受け皿５３、枠部９、および回収口６５に高周波振動を加えることができる。その結果、未硬化粉体は、誘導口５５から直下の回収口６５を経て回収路１２に円滑に流れ込む。
【００３８】
ピエゾ素子６０について説明する。ピエゾ素子（圧電素子）６０は、圧電体によって電圧と力学的な力を相互に変換する受動素子である。本発明には、振動を発生させる種々のピエゾ素子６０を用いることができる。本実施形態で用いるピエゾ素子６０は振動板を備え、電圧が印加されることで振動を発生させる。立体造形装置１は、複数のピエゾ素子６０によってステージ１１等を振動させることで、未硬化粉体を回収する。
【００３９】
ピエゾ素子６０の配置位置について説明する。図５および図６に示すように、立体造形装置１は、ステージ１１の下部にピエゾ素子６０（ピエゾ素子６０Ａ，６０Ｂ）を備える。ステージ１１の下部は粉詰まりが生じる場所である。立体造形装置１は、粉詰まりが生じるステージ１１の下部にピエゾ素子６０を直接配置することで、ピエゾ素子６０の振動を効率よくステージ１１に伝えて未硬化粉体を回収することができる。
【００４０】
詳細には、立体造形装置１は、下部ステージ５２に複数のピエゾ素子６０を備える。前述したように、下部ステージ５２は上部ステージ５１よりも薄く形成されている。従って、立体造形装置１は、薄い下部ステージ５２にピエゾ素子６０を備えることで、ピエゾ素子６０の振動を効率よく伝播させることができる。
【００４１】
図７に示すように、立体造形装置１は、下部ステージ５２の底面に配置する６つのピエゾ素子６０のうちの４つを、下部ステージ５２の右側中央部に集中させている。図５および図６に示すように、下部ステージ５２の右側中央部の直下には誘導口５５が位置する。図７に示すように、立体造形装置１は、誘導口５５の直上の位置Ｗの周囲を取り囲むように、４つのピエゾ素子６０Ａを配置する。誘導口５５には未硬化粉体が集積されるため、誘導口５５の近傍では他の部位に比べて粉詰まりが生じやすい。立体造形装置１は、粉詰まりが生じやすい部位に多くのピエゾ素子６０Ａを配置することで、粉詰まりが生じる可能性を低下させることができる。
【００４２】
図７に示すように、立体造形装置１は、誘導口５５から離間した位置（下部ステージ５２の左側の底面）に、２つのピエゾ素子６０Ｂを配置している。詳細は後述するが、立体造形装置１は、誘導口５５の近傍のピエゾ素子６０Ａの駆動を開始し、所定時間経過した後に、誘導口５５から離間しているピエゾ素子６０Ｂの駆動を開始する。その結果、大量の未硬化粉体が短時間で誘導口５５に集積される可能性は低下する。よって、粉詰まりが生じる可能性はさらに低下する。
【００４３】
図５および図６に示すように、立体造形装置１は、受け皿５３の底面にピエゾ素子６０Ｃを配置する。ピエゾ素子６０Ｃは、受け皿５３に振動を加えることで、受け皿５３に落下した未硬化粉体を円滑に誘導口５５に移動させることができる。また、立体造形装置１は、回収路１２の回収口６５にピエゾ素子６０Ｄを備える。回収口６５は、誘導口５５と同様に未硬化粉体が集積される位置であり、粉詰まりが生じやすい。ピエゾ素子６０Ｄは、回収口６５に振動を加えることで、回収口６５に粉詰まりが生じる可能性を低下させることができる。
【００４４】
図５および図６に示すように、立体造形装置１は、ステージ１１の側面に接する枠部９に複数（本実施形態では２つ）のピエゾ素子６０Ｅを備える。ピエゾ素子６０Ｅは、ステージ１１に側面から振動を伝えることができ、効果的にステージ１１を振動させることができる。また、ピエゾ素子６０Ｅは、枠部９も振動させることができるため、枠部９に付着した未硬化粉体も容易に回収することができる。図６に示すように、ピエゾ素子６０Ｅの高さは、昇降範囲の下端に位置した場合のステージ１１の高さに等しい。よって、立体造形装置１は、未硬化粉体の回収中に、ピエゾ素子６０Ｅの振動を効率よくステージ１１に加えることができる。
【００４５】
図８を参照して、立体造形装置１の電気的構成について説明する。立体造形装置１は、立体造形装置１の制御を司るＣＰＵ３０を備える。ＣＰＵ３０には、ＲＡＭ３１、ＲＯＭ３２、モータ駆動部３３、ピエゾ駆動部３４、ヘッド駆動部３５、ヘッドクリーニング機構２２、粉体吸引ポンプ４８、ステージ位置検出センサ３６、操作パネル２７、および外部通信Ｉ／Ｆ３７が、バス３９を介して接続されている。
【００４６】
ＲＡＭ３１には、ＰＣ１００から受信した立体造形データ等の各種データが一時的に記憶される。ＲＯＭ３２には、立体造形装置１の動作を制御するための制御プログラム、初期値等が記憶されている。モータ駆動部３３は、造形台前後動モータ４１、ステージ昇降モータ４２、ローラ回転モータ４３、粉体供給モータ４４、およびヘッド移動モータ４５の各々の動作を制御する。ピエゾ駆動部３４は、複数のピエゾ素子６０の各々に印加する駆動信号（電圧および周波数）を制御する。ヘッド駆動部３５はヘッド２０に接続しており、ヘッド２０の各吐出チャンネルに設けられた圧電素子を駆動する。外部通信Ｉ／Ｆ３７は、立体造形装置１をＰＣ１００等の外部機器に接続する。なお、立体造形装置１は、ＵＳＢインタフェース、インターネット等を介して、他のデバイス（例えば、ＵＳＢメモリ、サーバ等）からデータを取得することも可能である。
【００４７】
図９および図１０を参照して、立体造形装置１が実行する立体造形処理について説明する。前述したように、立体造形装置１のＲＯＭ３２には、立体造形装置１の動作を制御するための制御プログラムが記憶されている。立体造形装置１のＣＰＵ３０は、造形の開始指示を入力すると、制御プログラムに従って、図９に示す立体造形処理を実行する。
【００４８】
まず、初期化処理が実行される（Ｓ１）。初期化処理では、ヘッドクリーニング機構２２によって、ヘッド２０の下面がワイプされ、また、ノズルに造形液が達するまで吸引が行われる。吸引によって、ヘッド２０が造形液を吐出できる状態となる。また、ＲＡＭ３１に記憶されているデータが一旦消去される。
【００４９】
立体造形物を造形するための立体造形データがＲＡＭ３１に記憶されているか否かが判断される（Ｓ２）。ＰＣ１００から立体造形データを受信しておらず、ＲＡＭ３１に立体造形データが記憶されていない場合には（Ｓ２：ＮＯ）、Ｓ２の判断が繰り返される。立体造形データが存在する場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、立体造形データのうち最小のＺ座標の値が、Ｚ座標の座標位置に設定される。設定された座標位置Ｚにおける立体造形データが読み出される（Ｓ４）。
【００５０】
次いで、粉末供給・平坦化処理が行われる（Ｓ５）。詳細には、ステージ１１の上面の高さが、形成する粉体層の厚み分だけ造形台６の上端のよりも低い位置に調整される。粉体供給モータ４４が駆動されて、ステージ１１上への立体造形粉体の供給が開始される。ローラ回転モータ４３による平坦化ローラ１６の回転が開始される。造形台前後動モータ４１が駆動されて、造形台６が後方から前方へ移動される。その結果、立体造形粉体の上面が平坦化されて、粉体層が形成される。粉体層の厚み（積層ピッチ）は、造形台６の上端とステージ１１の上面との間の距離に等しくなる。
【００５１】
粉体層が形成されると、造形台前後動モータ４１およびヘッド移動モータ４５が駆動されて、ヘッド２０が成形領域の初期位置に相対移動される（Ｓ６）。設定された座標位置Ｚにおける立体造形データに応じて、ヘッド２０の相対移動および吐出制御が実行され、立体造形データに応じた位置に各色の造形液が吐出される（Ｓ７）。造形液が吐出された部位では、立体造形粉体に含まれる接着剤が溶解し、溶解した接着剤同士が結合する。その結果、立体造形物の層（以下、「造形層」という。）が形成される。
【００５２】
造形が完了したか否かが判断される（Ｓ９）。完了していなければ（Ｓ９：ＮＯ）、次の層（前回処理した層の１つ上の層）のＺ座標の値に座標位置が変更される（Ｓ１１）。処理はＳ４へ戻り、次の層の立体造形データが読み出される（Ｓ４）。次の層の厚み分だけステージ１１が下降され、粉体層が積層される（Ｓ５）。造形液が吐出されて、造形層が積層される（Ｓ６、Ｓ７）。造形が完了すると（Ｓ９：ＹＥＳ）、未硬化粉体回収処理が行われて（Ｓ１２）、立体造形処理は終了する。
【００５３】
図１０を参照して、未硬化粉体回収処理について説明する。まず、ステージ昇降モータ４２が駆動され、ステージ１１の下降が開始される（Ｓ２１）。ステージ位置検出センサ３６（図５、図６、および図８参照）の検出結果から、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達したか否かが判断される（Ｓ２２）。下端に到達していなければ（Ｓ２２：ＮＯ）、Ｓ２２の判断が繰り返される。ステージ１１が昇降範囲の下端に到達したと判断されると（Ｓ２２：ＹＥＳ）、粉体吸引ポンプ４８（図８参照）による未硬化粉体の吸引が開始される（Ｓ２３）。
【００５４】
回収路１２の回収口６５に配置したピエゾ素子６０Ｄ（図５および図６参照）と、受け皿５３に配置したピエゾ素子６０Ｃ（図５および図６参照）とに駆動信号が印加され、振動が開始される（Ｓ２５）。誘導口５５の近傍のピエゾ素子６０Ａ（図５から図７参照）の振動が開始される（Ｓ２６）。ここで、ＣＰＵ３０は、誘導口５５の近傍のピエゾ素子６０Ａに対し、他のピエゾ素子６０に印加する電圧よりも高い電圧を印加する。これにより、粉詰まりが生じやすい誘導口５５の近傍に強い振動を加えて、効率よく未硬化粉体を回収することができる。
【００５５】
誘導口５５の近傍のピエゾ素子６０Ａの振動を開始してから所定時間が経過したか否かが判断される（Ｓ２８）。所定時間が経過するまで（Ｓ２８：ＮＯ）、Ｓ２８の判断が繰り返される。所定時間が経過すると（Ｓ２８：ＹＥＳ）、誘導口５５から離間しているピエゾ素子６０Ｂ（図５から図７参照）の振動が開始される（Ｓ２９）。枠部９のピエゾ素子６０Ｅ（図５および図６参照）の振動が開始される（Ｓ３０）。立体造形装置１は、誘導口５５（回収口６５）から離間した位置を、誘導口５５の近傍よりも後に振動させることで、誘導口５５に短時間で未硬化粉体が集積されることを防止することができる。
【００５６】
次いで、複数のピエゾ素子６０が振動している状態で、昇降範囲の下端部分においてステージ１１の昇降が繰り返される（Ｓ３１）。これにより、立体造形装置１は、往復昇降による低周波振動をステージ１１に加えることができる。一定の周波数の振動を加えるだけでは、未硬化粉体を回収する際に、未硬化粉体を十分にステージ１１から落下させることができず、粉詰まりが生じる可能性も高くなる。立体造形装置１は、ピエゾ素子６０による高周波振動に加えて低周波振動を加えることで、円滑に未硬化粉体を回収することができる。立体造形装置１は、立体造形に必要なステージ１１の昇降手段（ステージ昇降モータ４２）を利用して低周波振動を加えることができ、低周波振動を加えるための別の機構を備える必要が無い。さらに、立体造形装置１は、ステージ１１を下降させて接触部６７（図５および図６参照）に接触させることで、ステージ１１にパルス波を加えることができる。よって、立体造形装置１は、簡易な構成で確実に複数種類の振動をステージ１１に加えることができ、未硬化粉体を円滑に回収することができる。ステージ１１に振動が所定時間加えられると、ピエゾ素子６０の駆動およびステージ１１の昇降動作が停止されて、未硬化粉体回収処理は終了する。
【００５７】
Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２９、Ｓ３０において、ＣＰＵ３０は、ピエゾ素子６０に印加する駆動信号を制御することで、１００Ｈｚ以上の高い周波数（例えば、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲）で各ピエゾ素子６０を振動させる。つまり、立体造形装置１は、モータによって加えることができない高周波振動をステージ１１等に加えることができる。ＣＰＵ３０は、各ピエゾ素子６０の振動周波数を、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲で周期的に変化させる。その結果、様々な周波数の振動がステージ１１等に加わり、円滑に未硬化粉体が回収される。なお、ピエゾ素子６０の振動周波数が１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲に限定されず、適宜設定できることは言うまでもない。例えば、ピエゾ素子６０の周波数の範囲に、１００Ｈｚより低い周波数が含まれていてもよい。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態に係る立体造形装置１は、ピエゾ素子６０でステージ１１を振動させることで、未硬化粉体をステージ１１から落下させる。ピエゾ素子６０の振動波形は、印加する駆動信号に応じて変化する。従って、立体造形装置１は、ステージ１１に加える振動の波形を容易に制御して効率よく未硬化粉体を回収することができる。また、ステージ１１に振動モータを装着すると、ステージ１１の昇降精度の悪化、ステージ１１の傾き等が、振動モータの重さによって引き起こされる可能性がある。一方で、本実施形態の立体造形装置１は、重さが振動モータよりも大幅に小さいピエゾ素子６０を、ステージ１１等に装着する。従って、立体造形装置１は、ステージ１１の傾きの発生および昇降精度の悪化を防止しつつ、ステージ１１を効率よく十分に振動させることができる。
【００５９】
ステージ１１等に低周波振動のみを加えると、立体造形粉体が圧縮されて固まる現象（所謂「圧粉」）が生じ、粉詰まりを引き起こす可能性がある。振動モータによって発生させることができる振動の周波数は、約１００Ｈｚ以下である。立体造形装置１は、ピエゾ素子６０によって１００Ｈｚ以上の高周波振動をステージ１１等に加えることで、粉詰まりが生じる可能性を低下させることができる。さらに、立体造形装置１は、ステージ１１を昇降させることで、高周波振動に加えて低周波振動もステージ１１等に加えることができる。よって、周波数が異なる複数の振動をステージ１１等に加えることができ、円滑に未硬化粉体を回収できる。
【００６０】
立体造形装置１は、複数のピエゾ素子６０を複数の位置に配置する。つまり、立体造形装置１は、立体造形粉体の落下のし難さ、振動の伝わり難さ、粉詰まりの生じ易さ等に応じた適切な位置にピエゾ素子６０を配置することができる。よって、立体造形装置１は、より効率よく未硬化粉体を回収することができる。さらに、立体造形装置１は、複数のピエゾ素子６０を用いることで、それぞれの位置に適した駆動信号を、複数のピエゾ素子６０の各々に印加することができる。よって、立体造形装置１は、振動の大きさ、周波数、振動を開始するタイミング等を位置に応じて変えることができ、効率よくステージ１１等を振動させることができる。
【００６１】
立体造形装置１は、粉詰まりが生じる場所であるステージ１１の下部にピエゾ素子６０を直接配置することで、振動を効率よくステージ１１に伝えて未硬化粉体を回収することができる。詳細には、立体造形装置１は、上部ステージ５１よりも薄く形成された下部ステージ５２にピエゾ素子６０を配置する。下部ステージ５２にかかる立体造形粉体の重量は、上部ステージ５１にかかる重量よりも小さい。よって、下部ステージ５２は、上部ステージ５１よりも薄く形成しても、立体造形粉体の重量に耐え得る。立体造形装置１は、薄い下部ステージ５２にピエゾ素子６０を配置することで、ピエゾ素子６０の振動を効率よく伝播させることができる。
【００６２】
立体造形装置１は、ステージ１１の昇降範囲の外周を取り囲む枠部９にピエゾ素子６０を配置する。従って、立体造形装置１は、ステージ１１に側面から振動を伝えることができ、効果的にステージ１１を振動させることができる。立体造形装置１は、枠部９も振動させることができるので、枠部９に付着した未硬化粉体も容易に回収することができる。また、立体造形装置１は、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達した際に、粉体吸引ポンプ４８の駆動を開始する。つまり、ＣＰＵ３０は、ステージ１１に振動が加えられるタイミングで、粉体吸引ポンプ４８による吸引を開始する。ステージ１１を振動させずに粉体吸引ポンプ４８のみを駆動すると、回収路１２等に粉詰まりが生じやすい。また、ステージ１１のみを振動させて、回収路１２の回収口６５（図５および図６参照）に大量の未硬化粉体が集積されると、その後に吸引を開始しても十分に吸引できない可能性がある。立体造形装置１は、ステージ１１に振動が加えられるタイミングで吸引を開始することで、粉詰まりが生じる可能性を低下させて円滑に未硬化粉体を回収することができる。
【００６３】
上記実施形態において、ステージ昇降モータ４２が本発明の「昇降手段」に相当する。図１０のＳ２５、Ｓ２６、Ｓ２９、Ｓ３０でピエゾ素子６０に印加する駆動信号を制御するＣＰＵ３０が、本発明の「振動制御手段」として機能する。
【００６４】
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、様々な変形が可能であることは言うまでもない。図１１を参照し、上記実施形態の変形例について説明する。上記実施形態では、ステージ１１の昇降経路に固定された接触部６７は、昇降経路の下端を遮断する形状に形成されている（図５および図６参照）。一方で、図１１に示す変形例では、造形台６（図２参照）の枠部９の内側面に、内側へ突出する複数の接触部７０が設けられている。ステージ１１の上部ステージ５１の外周縁部には、外側へ突出する凸部５６が形成されている。ステージ１１が昇降すると、変形例の接触部７０はステージ１１の凸部５６に接触するが、ステージ１１の昇降経路を遮断することはない。従って、ステージ１１が昇降すると、ステージ１１の凸部５６は複数の接触部７０に連続して接触する。その結果、ステージ１１には、ピエゾ素子６０による振動よりも周波数が低い低周波振動が加えられる。以上のように、接触部の形状、個数、位置は適宜変更することができる。接触部の形状、個数、位置を変更することで、ステージ１１に加える振動の態様を調整し、効率よく未硬化粉体を回収することができる。
【００６５】
上記実施形態はその他の変更も可能である。まず、ピエゾ素子６０の配置位置、配置個数を適宜変更できることは言うまでもない。例えば、ステージ１１のうち、造形される立体造形物の直下では、粉詰まりが生じやすい。従って、ステージ１１のうち、立体造形物の造形を行う位置をあらかじめ固定しておき、造形を行う位置の直下に多くのピエゾ素子６０を集中して配置してもよい。この場合、立体造形物の直下で生じる粉詰まりを防止して、未硬化粉体を円滑に回収することができる。また、上記実施形態のように、立体造形装置１は複数のピエゾ素子６０を備えることが望ましい。しかし、ピエゾ素子６０の数を１つにすることも可能である。この場合、最適な１つの箇所にピエゾ素子６０を配置し、印加する駆動振動を適宜制御して未硬化粉体を回収すればよい。
【００６６】
立体造形装置１は、複数のピエゾ素子６０を備えた場合、それぞれのピエゾ素子６０の振動周波数を配置位置に応じて変化させてもよい。例えば、それぞれの位置に最適な振動周波数を実験等によってあらかじめ割り出しておき、割り出された振動周波数でそれぞれの位置のピエゾ素子６０を駆動するとよい。この場合、立体造形装置１は、未硬化粉体を回収するための最適な振動をステージ１１等に加えることができる。
【００６７】
上記実施形態の立体造形装置１は、粉体吸引ポンプ４８による吸引を行うことで未硬化粉体を回収する。しかし、未硬化粉体を回収する方法も変更できる。例えば、上面が傾斜したトレーをステージ１１の下方に配置し、トレーの傾斜部の下端に設けられた回収口によって未硬化粉体を回収してもよい。つまり、吸引を用いずに未硬化粉体を回収する場合でも、本発明は適用できる。また、ステージ１１の下部の全てを覆う回収口を用いてもよい。この場合、下部ステージ５２の孔７２から落下した未硬化粉体の全てが、回収口に直接落下する。
【００６８】
上記実施形態の立体造形装置１は、各ピエゾ素子６０の振動周波数を周期的に変化させる。しかし、一定の周波数でピエゾ素子６０を駆動してもよい。また、ピエゾ素子６０による振動と、ステージ１１の昇降による振動とを別々にステージ１１に加えてもよい。例えば、立体造形装置１は、ステージ１１を停止させたままピエゾ素子６０の高周波振動を加える。その後、ピエゾ素子６０の振動を停止させて、ステージ１１の昇降による低周波振動を加える。この場合、立体造形装置１は、高周波振動と低周波振動とを別々にステージ１１に加えて未硬化粉体を回収することができる。
【００６９】
上記実施形態の接触部６７は、ステージ１１の昇降範囲の下端を遮断する形状であればよい。つまり、ステージ１１に接触または係止することでステージ１１の下方への移動を規制する形状であればよい。よって、接触部６７の形状は矩形環状に限られず、凸状の部材、棒状等の形状に形成してもよい。同様に、変形例に係る接触部７０（図１１参照）の形状も凸状に限られず、環状、棒状等であってもよい。
【００７０】
上記実施形態では、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達すると、ピエゾ素子６０の振動が開始する。従って、立体造形装置１は、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達したタイミングで、粉体吸引ポンプ４８による吸引を開始し、粉詰まり等を防止する。しかし、吸引を開始するタイミングは変更することができる。例えば、粉体吸引ポンプ４８に駆動開始の信号を出力してから、実際に吸引が開始されるまでに、所定の遅延時間が生じる場合がある。この場合、立体造形装置１は、ステージ１１の振動が開始するタイミングを予測し、予測したタイミングよりも所定の遅延時間だけ前に、駆動開始の信号を粉体吸引ポンプ４８に出力するとよい。また、図１１に示す変形例の接触部７０が、昇降範囲の下端よりも上方に位置する場合には、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達する前にステージ１１が振動する。この場合、立体造形装置１は、ステージ１１が接触部７０に接触するタイミングで吸引を開始してもよい。また、ステージ１１の振動開始のタイミングと吸引開始のタイミングは全く同時でなくてもよく、多少ずれていてもよい。
【００７１】
立体造形装置１の他の構成も適宜変更できる。例えば、ステージ１１上の立体造形粉体を平坦化して粉体層を形成する場合、平坦化ローラ１６とステージ１１が相対的に移動すればよい。従って、立体造形装置１は、造形台６を固定した状態で平坦化ローラ１６を移動させてもよい。同様に、ヘッド２０から造形液を吐出する場合、立体造形装置１は、ヘッド２０を固定したまま造形台６を左右方向（Ｘ軸方向）に移動させてもよい。また、スキージ棒、板等を平坦化ローラ１６の代わりに用いても、立体造形粉体を平坦化することができる。また、本発明は、未硬化粉体の回収以外の目的でステージ１１を振動させる場合にも適用できる。例えば、粉体層における粉同士の隙間を埋めるためにステージ１１を振動させる場合でも、本発明は適用できる。
【符号の説明】
【００７２】
１    立体造形装置
９    枠部
１１    ステージ
１２    回収路
２０    ヘッド
２３    粉体回収部
３０    ＣＰＵ
３２    ＲＯＭ
４２    ステージ昇降モータ
４８    粉体吸引ポンプ
５１    上部ステージ
５２    下部ステージ
５３    受け皿
５５    誘導口
６０    ピエゾ素子
６５    回収口
６７,７０    接触部
７１    孔
７２    孔
１００    ＰＣ
【図１】
2013075389.tif 000003
【図２】
2013075389.tif 000004
【図３】
2013075389.tif 000005
【図４】
2013075389.tif 000006
【図５】
2013075389.tif 000007
【図６】
2013075389.tif 000008
【図７】
2013075389.tif 000009
【図８】
2013075389.tif 000010
【図９】
2013075389.tif 000011
【図１０】
2013075389.tif 000012
【図１１】
2013075389.tif 000013