(57)【要約】【課題】各層の画像を独立に形成しそれらを順に積層して３次元の立体物を得る造形方法において、立体物の品質及び精度を向上するための技術を提供する。【解決手段】立体物の形成に先立ち、画像形成部によってマーカ材料からなるマーカを形成し、前記マーカを転写体を介してステージ上に積層する工程と、前記ステージ上に積層された前記マーカの位置を検出部により検出する工程と、前記検出部の検出結果から前記ステージ上に積層された前記マーカの画像歪みが無い場合に前記マーカが積層されるべき位置である正規位置からのずれを表す変形ベクトルを計測する工程と、立体物を形成するときに、前記変形ベクトルに基づいて、前記画像形成部に与える各層の画像データに対し前記画像歪みを低減する補正を行う工程と、を含み、前記マーカ材料として、造形材料よりも前記検出部で検出され易い物性を有する材料を用いることを特徴とする。【選択図】図１
2017128015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形材料からなる材料画像を積層することによって３次元の立体物を作製する造形装置であって、
各層の画像データに基づき造形材料又はマーカ材料からなる材料画像を形成する画像形成部と、
前記画像形成部で形成された材料画像が転写され、前記材料画像を搬送する転写体と、
前記転写体により搬送された前記材料画像が積層されるステージと、
を有する造形装置による造形方法において、
立体物の形成に先立ち、前記画像形成部によって前記マーカ材料からなるマーカを形成し、前記マーカを前記転写体を介して前記ステージ上に積層する工程と、
前記ステージ上に積層された前記マーカの位置を検出部により検出する工程と、
前記検出部の検出結果から前記ステージ上に積層された前記マーカの画像歪みが無い場合に前記マーカが積層されるべき位置である正規位置からのずれを表す変形ベクトルを計測する工程と、
立体物を形成するときに、前記変形ベクトルに基づいて、前記画像形成部に与える各層の画像データに対し前記画像歪みを低減する補正を行う工程と、
を含み、
前記マーカ材料として、前記造形材料よりも前記検出部で検出され易い物性を有する材料を用いる
ことを特徴とする立体物の造形方法。
【請求項２】
立体物の形成に先立ち、前記マーカを前記ステージ上に積層する際には、前記マーカ材料を有するカートリッジを前記造形装置の本体に装着した状態とし、
立体物を形成するときには、前記マーカ材料を有するカートリッジに替えて、前記造形材料を有するカートリッジを前記造形装置の本体に装着した状態とする
ことを特徴とする請求項１に記載の立体物の造形方法。
【請求項３】
前記マーカ材料は、前記造形材料よりも前記検出部で検出され易い色を有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の立体物の造形方法。
【請求項４】
前記マーカ材料と前記ステージの造形面とのコントラストの差が、前記造形材料と前記ステージの造形面とのコントラストの差よりも大きい
ことを特徴とする請求項３に記載の立体物の造形方法。
【請求項５】
前記マーカ材料と前記ステージの造形面との色相の差が、前記造形材料と前記ステージの造形面との色相の差よりも大きい
ことを特徴とする請求項３に記載の立体物の造形方法。
【請求項６】
前記マーカ材料は、粒子サイズが前記造形材料よりも小さい
ことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の立体物の造形方法。
【請求項７】
前記マーカを電子写真プロセスによって形成する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の立体物の造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体物の造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の層を積み上げることで３次元立体物を形成する造形装置が注目を集めている。この種の積層造形技術は、アディティブマニファクチャリング（ＡＭ）、３次元プリンタ、ラピッドプロトタイピングなどと呼ばれる。積層造形技術にはさまざまな造形方式が提案されている。例えば、特許文献１、３には、電子写真プロセスを応用した造形方式が開示され、特許文献２には、レーザ焼結方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２２４５８１号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／００６０３８６号明細書
【特許文献３】特開２００３−０５３８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
造形装置では、各層の断面画像の形状精度（画像形成精度）と各層を積み重ねるときの位置精度（積層精度）が、最終的な立体物の品質に大きな影響を与え得る。特に、特許文献１、３の装置のように、各層の画像を独立に形成しそれらを順に積層するタイプの積層方式では、その問題が大きくなる。しかしながら、特許文献１、３に開示された装置では、画像の歪みや画像位置のばらつきへの対処はなされておらず、画像形成精度及び積層精度を保証することができない。
【０００５】
特許文献２には、レーザ焼結方式の装置において、造形開始前にキャリブレーションプレートをスキャンして画像のセンタ基準を確定する、という位置キャリブレーション方法が開示されている。しかしこの方法は、画像の描画位置をステージのセンタに合わせるというものにすぎず、画像そのものの歪みを補正するものではない。また、この方法は、特許文献１、３のような、各層の画像を独立に形成しそれらを順に積層するタイプの積層方式には適用することができない。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みなされたものであって、各層の画像を独立に形成しそれらを順に積層して３次元の立体物を得る造形方法において、立体物の品質及び精度を向上するための技術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】
本発明にかかる態様は、
造形材料からなる材料画像を積層することによって３次元の立体物を作製する造形装置であって、
各層の画像データに基づき造形材料又はマーカ材料からなる材料画像を形成する画像形成部と、
前記画像形成部で形成された材料画像が転写され、前記材料画像を搬送する転写体と、
前記転写体により搬送された前記材料画像が積層されるステージと、
を有する造形装置による造形方法において、
立体物の形成に先立ち、前記画像形成部によって前記マーカ材料からなるマーカを形成し、前記マーカを前記転写体を介して前記ステージ上に積層する工程と、
前記ステージ上に積層された前記マーカの位置を検出部により検出する工程と、
前記検出部の検出結果から前記ステージ上に積層された前記マーカの画像歪みが無い場合に前記マーカが積層されるべき位置である正規位置からのずれを表す変形ベクトルを計測する工程と、
立体物を形成するときに、前記変形ベクトルに基づいて、前記画像形成部に与える各層の画像データに対し前記画像歪みを低減する補正を行う工程と、
を含み、
前記マーカ材料として、前記造形材料よりも前記検出部で検出され易い物性を有する材料を用いる
ことを特徴とする造形方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、各層の画像を独立に形成しそれらを順に積層して３次元の立体物を得る造形方法において、立体物の品質及び精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る造形装置の構成を模式的に示す図。
【図２】造形コントローラの回路ブロック図。
【図３】キャリブレーションマーカと画像歪みを説明する図。
【図４】キャリブレーション及びレジストレーションに関わる機能ブロック図。
【図５】キャリブレーション及び画像歪み補正のフローチャート。
【図６】画像歪み補正の概念図。
【図７】キャリブレーションマーカのコントラストについて説明するための図。
【図８】キャリブレーションマーカからの反射光量について説明するための図。
【図９】第２実施形態に係る造形装置の構成を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明を実施するための形態を図面を参照して例示的に説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている各部材の寸法、材質、形状、その相対配置など、各種制御の手順、制御パラメータ、目標値などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１１】
＜第１実施形態＞
（造形装置の構成）
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る造形装置の構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る造形装置の構成を模式的に示す図である。
【００１２】
造形装置は、多数の薄膜を積層することによって造形物（立体物）を作成する装置である。この装置は、ＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）システム、３Ｄプリンタ、ＲＰ（Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）システムなどとも呼ばれる。
【００１３】
本実施形態の造形装置は、概略、制御部、画像形成部、及び、造形部を有する。制御部は、造形対象物の３次元形状データから複数層のスライス画像データ（断面データ）を生成する処理、造形装置の各部の制御、などを担う構成部分である。制御部は、制御ユニット６０、造形コントローラ７０、画像生成コントローラ１０、複数のモータ１１１〜１１４、複数のセンサ４４，４５，５４，５５などで構成される。画像形成部は、各層のスライス画像データに基づき、造形材料からなる１層分の画像を形成する構成部分である。画像形成部は、レーザスキャナ（露光装置）２０、カートリッジ（プロセスカートリッジ）３０、転写ローラ４１などで構成される。造形部は、画像形成部で形成された複数層の画像を順に積層し固着することによって、３次元構造をもつ造形物を形成する構成部分であ
る。造形部は、転写体４２、ヒータローラ４３、ステージ５２、ステージガイド５３などで構成される。
【００１４】
（制御部）
制御ユニット６０は、造形対象物の３次元形状データを積層造形用のスライス画像データへ変換する機能、各層のスライス画像データを画像生成コントローラ１０へ出力する機能、積層造形工程を管理する機能、などを有する。制御ユニット６０は、例えばパーソナルコンピュータや組み込み型コンピュータにこれらの機能を有するプログラムを実装することにより構成することができる。３次元形状データとしては、３次元ＣＡＤ、３次元モデラー、３次元スキャナなどで作成されたデータを用いることができる。３次元形状データのフォーマットは問わないが、例えば、ＳＴＬ（ＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などのポリゴンデータを好ましく用いることができる。またスライス画像データのフォーマットとしては、例えば、多値の画像データ（各値が材料の種類を表す）やマルチプレーンの画像データ（各プレーンが材料の種類に対応する）を用いることができる。
【００１５】
造形コントローラ７０は、造形装置のメカトロ制御を行う機能を有している。駆動系は、転写ローラ４１を回転する転写ローラモータ１１１、ステージ５２の３軸移動を行うステージ駆動Ｘモータ１１２，ステージ駆動Ｙモータ１１３，及びステージ駆動Ｚモータ１１４を含む。センシング系は、オンラインレジストレーションで利用される材料先端検知センサ４４、オフラインキャリブレーションで利用される材料先端検知センサ４５、材料左先端センサ５４、材料右先端センサ５５を含む。なお、これらのセンサの役割とオンラインレジストレーション及びオフラインキャリブレーションの詳細については後述する。
【００１６】
図２に、造形コントローラ７０の回路ブロックの一例を示す。造形コントローラ７０は、ＣＰＵ７１、メモリ７２、インタフェース７３、ＵＩ手段７４、モータ駆動回路７５、モータドライバ７６、センサ回路７７、センサインタフェース７８、その他のＩＯ回路７９、ヒータ回路８０、ＩＯインタフェース８１を有する。モータドライバ７６には、転写ローラモータ１１１、ステージ駆動Ｘモータ１１２、ステージ駆動Ｙモータ１１３、及びステージ駆動Ｚモータ１１４が接続される。センサインタフェース７８には、材料先端検知センサ４４、材料先端検知センサ４５、材料左先端センサ５４、材料右先端センサ５５が接続される。ヒータ回路８０には、ヒータローラ４３内のヒータ及び熱電対が接続される。ＩＯインタフェース８１には、図示しないが、造形装置のカバーオープン検知スイッチ、ステージ５２のホームポジションセンサなどが接続される。
【００１７】
画像生成コントローラ１０は、制御ユニット６０から入力されるスライス画像データ及び造形コントローラ７０から入力される制御信号などに基づき、画像形成部における画像形成プロセスを制御する機能を有する。具体的には、画像生成コントローラ１０は、スライス画像データの解像度変換や復号処理、レーザスキャナ２０による画像書き出し位置及びタイミングの制御などを行う。その他にも、画像生成コントローラ１０は、一般的なレーザプリンタ（２Ｄプリンタ）に内蔵されるプリンタコントローラと同じような機能を有していてもよい。
【００１８】
なお、本実施形態では、制御ユニット６０と造形コントローラ７０と画像生成コントローラ１０を別々のコンピュータにて構成したが、これらの機能を１つのコンピュータにより構成しても構わない。
【００１９】
（画像形成部）
画像形成部は、例えば電子写真プロセスを利用して造形材料からなる１層分の画像を形成するユニットである。電子写真プロセスとは、感光体を帯電し、露光によって潜像を形成し、現像剤粒子を潜像に付着させて画像を形成するという一連のプロセスによって、所
望の画像を形成する手法である。造形装置では、トナーの代わりに、造形材料からなる粒子を現像剤として用いるが、電子写真プロセスの基本原理は２Ｄプリンタのものとほぼ同じである。
【００２０】
感光ドラム３４は、有機感光体やアモルファスシリコン感光体などの感光体層を有する像担持体である。一次帯電ローラ３３は、感光ドラム３４の感光体層を一様に帯電するための帯電装置である。レーザスキャナ２０は、画像生成コントローラ１０から与えられる画像信号にしたがい、レーザ光で感光ドラム３４上をスキャンし、潜像を描画する露光装置である。造形材料供給部３１は現像剤としての造形材料３５を収容・供給する装置である。現像ローラ３２は、感光ドラム３４上の静電潜像に造形材料３５を供給する現像装置である。転写ローラ４１は、感光ドラム３４上に形成された造形材料３５の画像を転写体（転写ベルト）４２に転写する転写装置である。図示しないが、感光ドラム３４と転写ローラ４１のあいだの転写ニップの下流に、感光ドラム３４の表面をクリーニングするためのクリーニング装置を設けてもよい。本実施形態では、感光ドラム３４、一次帯電ローラ３３、造形材料供給部３１、現像ローラ３２が、カートリッジ３０として一体化され、造形装置本体に対して着脱可能に構成されることで、交換が容易になっている。
また、本実施形態では、キャリブレーション専用のマーカ材料３７が収容されているカートリッジ３６が用意されており、後述するオフラインキャリブレーションが実施されるときに、カートリッジ３６と、造形用のカートリッジ３０とが交換可能に構成されている。
【００２１】
造形材料３５としては、作製する造形物の用途・機能・目的などに応じてさまざまな材料を選択することができる。本明細書では、造形目的である３次元の造形物を構成する材料を「構造材料」と呼ぶ。以下、構造材料からなる部分を構造体と呼ぶ場合がある。積層途中の構造体を支持するためのサポート体（例えばオーバーハング部を下から支える構造）を構成する材料を「サポート材料」と呼ぶ。また両者を特に区別する必要がない場合には、単に「造形材料」という用語を用いる。構造材料としては、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＡＢＳ、ＰＳ（ポリスチレン）など、熱可塑性の樹脂を用いることができる。構造材料に非水溶性の材料を用いる場合は、サポート材料としては、構造体からの除去を簡単にするため、熱可塑性と水溶性を有する材料を好ましく用いることができる。サポート体用の材料としては、例えば、糖質、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）などを例示できる。
本実施形態では、キャリブレーション専用のカートリッジ３６に収容するマーカ材料３７として、造形材料３５とは物性が異なる材料を用いるものであるが、このマーカ材料については後述する。
【００２２】
（造形部）
転写体４２は、画像形成部で形成された造形材料の画像を担持し、ステージ５２（積層ニップ）まで搬送する搬送部材である。転写体４２は、例えば、樹脂、ポリイミドなどの無端ベルトで構成される。ヒータローラ４３は、ヒータを内蔵しており、転写体４２上の造形材料画像を溶融し、ステージ５２上の造形物上に積層する加熱積層装置である。ステージ５２は、積層中の造形物を保持する部材であり、ステージガイド５３によりＸＹＺの３軸方向に移動可能である。
【００２３】
（造形装置の動作）
次に、造形装置による造形物作成の基本動作について説明する。
制御ユニット６０は、造形対象物の３次元形状データに基づき、当該造形対象物を所定のピッチ（例えば数ミクロンから十数ミクロンの厚さ）でスライスして各層の断面形状を計算し、各層のスライス画像データを生成する。最下層のスライス画像データから順に画像生成コントローラ１０に入力される。画像生成コントローラ１０は、入力されたスライ
ス画像データにしたがって、レーザスキャナ２０のレーザ発光及びスキャンを制御する。
【００２４】
画像形成部では、一次帯電ローラ３３によって感光ドラム３４の表面が均一に帯電される。レーザスキャナ２０からのレーザ光により感光ドラム３４の表面が露光されると、その露光部分が除電される。現像バイアスで帯電された造形材料が現像ローラ３２によって除電部分に供給され、造形材料からなる１層分の画像（以下「材料画像」と呼ぶ）が感光ドラム３４の表面に形成される。この材料画像は、転写ローラ４１により転写体４２上に転写される。
【００２５】
転写体４２は材料画像を担持しつつ回転し、材料画像を積層位置へと搬送する。一方、造形コントローラ７０は、ステージ５２（又はステージ５２上の造形物）が材料画像と同じタイミング且つ同じ速度で積層位置へと進入するように、ステージ５２を制御する。そして、ステージ５２と転写体４２を同期して移動させつつ、ヒータローラ４３により熱を与えることで、材料画像がステージ５２上（又はステージ５２上の造形物の上面）に熱溶着される。材料画像が積層されるたび、造形コントローラ７０はステージ５２をＺ方向に一層の厚み分だけ下降させ、次の層の積層に備える。
以上の材料画像を形成する画像形成工程、及び材料画像を積層する積層工程を含む造形動作を、スライス画像データの枚数分繰り返すことで、ステージ５２上に造形物が形成される。
【００２６】
なお、本明細書では、１層分の画像の形成に用いられるデジタルデータを「スライス画像データ」と呼ぶ。また、造形装置を用いて作製しようとする目的の構造体（つまり造形装置に与えられる画像データが表す物体）を「造形対象物」と呼び、造形装置で作製された（出力された）物体（立体物）を「造形物」と呼ぶ。また、造形物がサポート体を含む場合において、サポート体を除いた部分である構造体が造形対象物の立体物となる。
【００２７】
（積層造形の課題）
本実施形態のように、多数の材料画像を積層して造形物を形成するタイプの造形装置では、材料画像の形状精度が、造形物の品質を左右する。例えば、露光のスキャン精度、感光ドラムと転写ローラの相対位置精度、転写体が積層ステージに移動するまでの画像歪みに起因して、材料画像に歪みが生じることがある。このような画像歪みが造形装置に特有の課題といえる。
【００２８】
そこで、本実施形態では、各層の材料画像の形状精度を担保するために、造形物の形成に先立ち、画像形成部で発生する画像歪みを計測し（オフラインキャリブレーションと呼ぶ）、画像形成時には各層のスライス画像データに対し画像歪み補正を施す。
このとき、本実施形態では、造形材料３５よりも検出部（材料先端検知センサ４５、材料左先端センサ５４及び材料右先端センサ５５）で検出され易い物性を有するマーカ材料３７を用いてオフラインキャリブレーションを実施する。そして、キャリブレーション専用のマーカ材料３７を収容するために、本実施形態ではキャリブレーション専用のカートリッジ３６を用意し、造形材料３５が収容されているカートリッジ３０に替えて、カートリッジ３６を造形装置本体に装着可能に構成した。
すなわち、造形物の形成に先立ち、オフラインキャリブレーションを行う際には、造形材料３５が収容されているカートリッジ３０に替えて、キャリブレーション専用のカートリッジ３６を、画像形成部の所定の画像形成位置（材料供給位置）に配置する。そして、造形物を形成するときには、キャリブレーション専用のカートリッジ３６に替えて、造形材料３５が収容されているカートリッジ３０を画像形成部の所定の画像形成位置に配置する。
以下、オフラインキャリブレーション、画像歪み補正の詳細を説明する。
【００２９】
（オフラインキャリブレーション）
造形物の生成前に行われるオフラインキャリブレーションについて説明する。オフラインキャリブレーションでは、前述した画像形成及び積層と同じ手順で、キャリブレーションマーカをステージ５２上に形成し、そのマーカの位置ずれから画像歪みを計測する。オフラインキャリブレーションの実施にあたっては、造形材料３５が収容されているカートリッジ３０に替えて、キャリブレーション専用のカートリッジ３６を、造形装置本体に装着しておく。
【００３０】
以下の説明では、画像生成コントローラ１０に与えられるキャリブレーションマーカ用の画像データを「キャリブレーションマーカデータ」と呼ぶ。キャリブレーションマーカデータは、制御ユニット６０のメモリ内に記憶されており、オフラインキャリブレーションの際に読み出される。また、キャリブレーションマーカデータに基づき形成された造形材料からなる画像を「キャリブレーションマーカ」又は単に「マーカ」と呼ぶ。さらに、感光ドラム３４から転写体４２に転写されたマーカ（つまり転写体４２上のマーカ）を「キャリブレーション転写マーカ」と呼び、ステージ５２上に転写されたマーカを「キャリブレーション積層マーカ」と呼ぶ。場所によってマーカの呼称を変える理由は、マーカが転移していく過程において画像歪みが変化し得ること、及び、場所ごとに異なるセンサを用いてマーカを検出すること等から、マーカがどこにあるかを説明の便宜上区別するほうが好ましいからである。なお、場所を特に区別する必要のない文脈では「キャリブレーションマーカ」又は「マーカ」の用語を用いる。
【００３１】
図３Ａは、本実施形態で用いるキャリブレーションマーカ（画像歪みの無い状態）の一例を示す図であり、キャリブレーションマーカは画像エリア２０３に形成されている。
画像エリア２０３は、横２００ｍｍ、縦３００ｍｍの画像を形成可能な範囲を有している。この画像エリア２０３は、ステージ５２上の造形エリア（造形物が積層される領域）に等しい。画像エリア２０３の四隅に、先左端キャリブレーションマーカＡＦＬ、先右端キャリブレーションマーカＡＦＲ、後左端キャリブレーションマーカＡＲＬ、後右端キャリブレーションマーカＡＲＲがある。各マーカＡＦＬ，ＡＦＲ，ＡＲＬ，ＡＲＲは、５ｍｍ角の正方形画像であり、画像エリア２０３の四隅の１０ｍｍ角の領域の中心に生成される。
【００３２】
図３Ｂは、ステージ５２上に転写されたキャリブレーション積層マーカの一例を示す図である。画像形成及び／又は積層の過程で発生した画像歪みにより、画像エリア２０４、画像エリア２０４に形成された四隅のマーカＡＦＬ，ＡＦＲ，ＡＲＬ，ＡＲＲの位置及び形状が変化している様子を示している。
【００３３】
図３Ｃは、ステージ、キャリブレーション積層マーカ、センサの構成を示す模式図である。ステージ５２には、センサの検出基準となる原点Ｏ１と原点Ｏ２が記されている。原点Ｏ１，Ｏ２は寸法基準となるもので、高い位置精度が要求される。よってレーザマーキングのような高精度印字か、高精度ＮＣ加工による穴開けにより、原点Ｏ１，Ｏ２を作成することが望ましい。センサの検出精度にも影響を与えるため、本実施形態で用いるような光学センサの場合には、原点とその周囲の間のコントラストが最大となる印字手法または加工手法が望ましい。ここではレーザマーキングにより原点Ｏ１，Ｏ２を作成する。
【００３４】
ステージ５２の上方には、原点Ｏ１に対応するＹ位置に材料左先端センサ５４が配置され、原点Ｏ２に対応するＹ位置に材料右先端センサ５５が配置されている。材料左先端センサ５４は、先左端キャリブレーションマーカＡＦＬと後左端キャリブレーションマーカＡＲＬの位置を検出するためのセンサである。材料右先端センサ５５は、先右端キャリブレーションマーカＡＦＲと後右端キャリブレーションマーカＡＲＲの位置を検出するためのセンサである。図３Ｃに示すベクトルＶＦＬ，ＶＦＲ，ＶＲＬ，ＶＲＲはそれぞれマー
カＡＦＬ，ＡＦＲ，ＡＲＬ，ＡＲＲの変形ベクトル（画像歪み）を表している。本実施形態のオフラインキャリブレーションは、キャリブレーションマーカを実際にステージ５２上に形成し、画像形成や積層によって生じる変形ベクトルＶＦＬ，ＶＦＲ，ＶＲＬ，ＶＲＲを実測する処理である。
【００３５】
通常、四隅のマーカの変形ベクトルは同一方向のベクトルとはならない。転写体４２の歪みや各ローラ軸のアライメントずれなどの影響で、造形領域内の位置ごとに歪みの方向や程度が相違するからである。したがって、ステージ上の造形領域内の離れた位置に少なくとも２つ以上のマーカを配置し、それぞれの位置での画像歪みを検出（計測）するとよく、望ましくは、本実施形態のように矩形の造形領域の四隅にマーカを配置するとよい。これにより、造形領域内の各位置の画像歪みを把握することができる。なお、転写体４２として硬質のベルト材を用いることにより、位置ごとの歪みの変化は比較的線形となるため、四隅のマーカ以外の位置での画像歪みは四隅のマーカの画像歪み（変形ベクトル）の線形補間により求めることができる。もし転写体４２の撓みが部分的に周期をもったり不連続性が有る場合は、キャリブレーションマーカの数を増やしてもよい。例えば、造形領域の四辺に沿って複数のマーカを配列することが望ましい。
【００３６】
図４及び図５Ａを用いて、オフラインキャリブレーションの詳細を説明する。図４は、オフラインキャリブレーションに関わる機能を示すブロック図であり、図５Ａは、オフラインキャリブレーションの処理フローである。
【００３７】
図４に示すように、制御ユニット６０は、オフラインキャリブレーションに関わる機能として、キャリブレーションマーカ生成部６５を有する。また造形コントローラ７０は、オフラインキャリブレーションに関わる機能として、キャリブレーション積層マーカ位置検出部２０１と画像歪計測部２０２を有する。キャリブレーション積層マーカ位置検出部２０１は、材料左先端センサ５４と材料右先端センサ５５の検出結果に基づき、各マーカＡＦＬ，ＡＦＲ，ＡＲＬ，ＡＲＲの位置を検出する機能である。画像歪計測部２０２は、各マーカの歪量である変形ベクトルＶＦＬ，ＶＦＲ，ＶＲＬ，ＶＲＲを求める機能である。
【００３８】
図５Ａのフローチャートに沿って、造形コントローラ７０によるオフラインキャリブレーションの流れを説明する。
ステップ３０１では、造形コントローラ７０が、ステージ駆動Ｘモータ１１２とステージ駆動Ｙモータ１１３を制御してステージ５２のＸＹ位置を変化させながら、材料左先端センサ５４の出力を監視する。造形コントローラ７０は、原点Ｏ１を検出すると、そのときのステージ５２のＸＹ位置をＸ＝０，Ｙ＝０として記憶する。ステップ３０２では、同じように、造形コントローラ７０はステージ５２のＸＹ位置を変化させながら、材料右先端センサ５５の出力を監視する。ステップ３０３では、造形コントローラ７０は、原点Ｏ２を検出したときのステージ５２のＸＹ位置と原点Ｏ１を検出したときのステージ５２のＸＹ位置との差を、Ｘ＝ｄｘ、Ｙ＝ｄｙとして記憶する。この（ｄｘ，ｄｙ）は、材料左先端センサ５４と材料右先端センサ５５の取り付け誤差を表す誤差オフセット量である。なお、２つのセンサ５４，５５の取り付け誤差を無視できる場合（つまりｄｘ＝ｄｙ＝０とみなせる場合）には、ステップ３０２と３０３の処理は省略してもよい。
【００３９】
ステップ３０４では、制御ユニット６０のキャリブレーションマーカ生成部６５がキャリブレーションマーカデータを画像生成コントローラ１０に出力することで、画像形成部及び造形部にキャリブレーション積層マーカの生成処理を行わせる。具体的には、画像形成部は、キャリブレーションマーカデータに基づき、造形物の材料画像を形成するのと同じプロセスで、感光ドラム３４上にマーカ材料３７からなるキャリブレーションマーカを形成する。このマーカは感光ドラム３４から転写体４２上に転写され、キャリブレーショ
ン転写マーカとして造形部へ搬送される。材料先端検知センサ４５によってキャリブレーション転写マーカの先端が検知されると、造形コントローラ７０は、ステージ５２がキャリブレーション転写マーカと同じタイミングで積層位置へと進入するよう、ステージ５２を制御する。そして、ヒータローラ４３によりキャリブレーション転写マーカがステージ５２上に転写され、キャリブレーション積層マーカが得られる。キャリブレーション積層マーカＡＦＬ，ＡＦＲ，ＡＲＬ，ＡＲＲには、図３Ｂに示すように、露光、現像、転写、積層といった一連のプロセスの中で発生した画像歪みが含まれている。
【００４０】
ステップ３０５では、造形コントローラ７０が、ステージ駆動Ｘモータ１１２とステージ駆動Ｙモータ１１３を制御してステージ５２のＸＹ位置を変化させながら、材料左先端センサ５４及び材料右先端センサ５５の出力を監視する。材料左先端センサ５４で検出されたマーカＡＦＬのＸＹ位置、及び、材料右先端センサ５５で検出されたマーカＡＦＲのＸＹ位置は、キャリブレーション積層マーカ位置検出部２０１に記憶される。ステップ３０６では、造形コントローラ７０が、ステージ駆動Ｘモータ１１２を制御し、ステージ５２を後端のキャリブレーション積層マーカＡＲＬ，ＡＲＲの位置まで移動させる。ステップ３０７では、造形コントローラ７０が、ステージ駆動Ｘモータ１１２とステージ駆動Ｙモータ１１３を制御してステージ５２のＸＹ位置を変化させながら、材料左先端センサ５４及び材料右先端センサ５５の出力を監視する。材料左先端センサ５４で検出されたマーカＡＲＬのＸＹ位置、及び、材料右先端センサ５５で検出されたマーカＡＲＲのＸＹ位置は、キャリブレーション積層マーカ位置検出部２０１に記憶される。
【００４１】
ステップ３０８では、画像歪計測部２０２が、原点Ｏ１のＸＹ位置に基づき、画像歪みが無い場合の各マーカＡＦＬ，ＡＦＲ，ＡＲＬ，ＡＲＲのＸＹ位置（これを正規位置と呼ぶ）を計算する。そして、画像歪計測部２０２は、各マーカの正規位置と、ステップ３０５及び３０７で検出された各マーカの検出位置との差に基づいて、各マーカの歪量である変形ベクトルＶＦＬ，ＶＦＲ，ＶＲＬ，ＶＲＲを計算する。２つのセンサ５４と５５の間に誤差オフセット量（ｄｘ，ｄｙ）がある場合は、変形ベクトルＶＦＲ，ＶＲＲを計算する際に誤差オフセット量（ｄｘ，ｄｙ）を考慮する。
ステップ３０９では、造形コントローラ７０が、各マーカの変形ベクトルを画像歪情報として制御ユニット６０に送信する。変形ベクトルを表す情報としては、向きと大きさでも良いし、向きと始点および終点の座標でもよい。
【００４２】
（画像歪み補正）
次に、図４及び図５Ｂを参照して、オフラインキャリブレーションによって予め取得された画像歪情報に基づき、材料画像の形成時に実行される画像歪み補正について説明する。
【００４３】
図４に示すように、制御ユニット６０は、スライス画像データの生成及び画像歪み補正に関わる機能として、３Ｄデータスライサ６１、レジストレーションマーカ付加部６２、画像歪補正部６３、プリンタドライバ６４を有する。以下、図５Ｂのフローチャートに沿って、画像形成時の制御ユニット６０の動作を説明する。
【００４４】
ステップ３１１では、造形コントローラ７０から画像歪情報が取得される。ステップ３１２では、画像歪補正部６３が、画像歪情報として得られた四隅のマーカの変形ベクトルから逆ベクトルを算出し、それらを線形補間することによって画素ごとの補正パラメータを算出する。補正パラメータは、例えば、補正前の画像における画素座標と補正後の画像における画素座標の対応を示す情報である。
【００４５】
ステップ３１３では、造形対象物の３次元形状データが読み込まれる。ステップ３１４では、３Ｄデータスライサ６１が３次元形状データに基づき、当該造形対象物の３次元形
状を所定のピッチ（例えば数ミクロンから十数ミクロンの厚さ）でスライスして各層のスライス画像データを生成する。ステップ３１５では、レジストレーションマーカ付加部６２が、各層のスライス画像データに対しレジストレーションマーカを付加する。
オンラインレジストレーションは、材料画像の積層時に行われるもので、材料画像にレジストレーションマーカを埋め込み、そのマーカの検出位置に基づき積層時の位置合わせを行うものである。オンラインレジストレーションに関わる機能として、造形コントローラ７０は、図４に示すように、レジストレーション転写マーカ位置検出部２１１、位置ずれ計測部２１２、積層位置調整部２１３を有する。
ステップ３１６では、画像歪補正部６３が、ステップ３１２で求めた補正パラメータを用いて、スライス画像データの歪み補正を行う。ここでの歪み補正は、画像形成から積層までの過程で発生する画像歪みが低減ないしキャンセルされるように、逆方向の歪みをスライス画像に与える処理となる。ステップ３１７では、プリンタドライバ６４が、補正後のスライス画像データを画像生成コントローラ１０に送信する。
【００４６】
以上のように、オフラインキャリブレーションによって得られた画像歪情報に基づきスライス画像データを補正することで、ステージ５２上に積層したときに画像歪みの無い又は小さい材料画像を形成することができ、造形物の寸法精度を向上することができる。
【００４７】
図６Ａ〜図６Ｃを用いて、画像歪み補正の概念を説明する。図６Ａ〜図６Ｃでは、説明を簡略化するため、画像の上端辺の画素の補正についてのみ示す（実際の補正では、画像中のすべての画素について同様の補正が行われる）。
【００４８】
図６Ａの破線はステージ５２上の造形領域を示し、造形領域の左右の白四角ＡＦＬＯ，ＡＦＲＯは画像歪みが無い状態でのキャリブレーション積層マーカの正規位置を示している。また、黒四角ＡＦＬ，ＡＦＲは、オフラインキャリブレーションのときに実際にキャリブレーション積層マーカが積層された位置を示している。ＶＦＬ及びＶＦＲは、それぞれ、マーカＡＦＬ及びＡＦＲの変形ベクトルを示す。図６Ａの例では、画像が左右に伸び、画像の左側は正規位置より前進し、右側は正規位置より後退していることがわかる。
【００４９】
図６Ｂは画像歪み補正の概念を模式的に示している。破線はステージ５２上の造形領域を示し、実線は補正後のスライス画像の領域を仮想的に示している。画像の左上端においては、変形ベクトルＶＦＬの逆ベクトル−ＶＦＬだけ画素を移動させる。また画像の右上端においては、変形ベクトルＶＦＲの逆ベクトル−ＶＦＲだけ画素を移動させる。左上端と右上端のあいだの位置では、逆ベクトル−ＶＦＬと−ＶＦＲの線形補間により、画素の移動及び間引きを行う。なお、積層造形に用いるスライス画像は二値画像（材料粒子の有り無し）であるため、各画素は中間階調をもつことができない。したがって、画像歪みの補正（画素の移動）は画素単位となり、補正後の画像のエッジは図６Ｂのように階段状になる。画素間引きについても、図６Ｂのように２つの画素の移動先が同じ画素になった場合に、いずれか一方の画素を削除するという単純間引きとなる。
【００５０】
図６Ｃは、図６Ｂの実線で示した補正後のスライス画像データを用いて画像形成及び積層を行った場合にステージ５２上に形成される画像を示している。キャリブレーション積層マーカＡＦＬ，ＡＦＲは正規位置に積層され先端は傾きが無い直線となる。これにより、画像歪みの無い積層が実現できる。ここでは厳密には表現されていないが画像の上端エッジは階段状になっており部分的には画素が傾斜している。画素数が少なく実際の升目（一画素）は若干伸びて横幅は正規幅となっている。一画素５０ミクロンの粒子であれば１％の伸縮では０．５ミクロンの伸縮となるが全体の画像レベルでは見た目では判断できない差分である。
【００５１】
図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂを用いて、キャリブレーションマーカに関してさらに
詳しく説明する。
図７Ａ、図７Ｂは、ステージ５２上に積層されたキャリブレーションマーカのコントラストについて説明するための図である。図７Ａ、図７Ｂにおいてはそれぞれ、画像エリア２０３の左先端領域の先左端キャリブレーションマーカＡＦＬの一部を拡大して示している。図８Ａ、図８Ｂは、ステージ５２上に積層されたキャリブレーションマーカからの反射光量について説明するための図であり、説明の便宜上、矢印の長さを反射光量の大きさに対応させて示している。
図７Ａ、図８Ａでは、薄層の造形材料３５で形成したキャリブレーションマーカを示し、図７Ｂ、図８Ｂでは、小粒径の着色した材料で形成したキャリブレーションマーカを示している。
【００５２】
造形材料は、造形精度を向上するために、粒径の小径化及び積層ピッチ（厚み）の狭小化を求められる。例えば、造形材料として粒径２０μｍのＡＢＳを用いた場合、その厚みは溶融後１０〜１５μｍとなる。
したがって、このような造形材料を用いてキャリブレーションマーカを形成し、センサで読み取る場合、キャリブレーションマーカが薄層となるため、センサの検出精度が低下してしまうことが懸念される。これは、図７Ａに示すようにキャリブレーションマーカが薄層となることで、図８Ａに示すように、キャリブレーションマーカからの反射光量と、下地となるステージ５２からの反射光量との差分Ｖｃ１が小さくなるためである。
また、センサの検出精度の向上のために、センサの解像度を上げることが考えられる。しかし、キャリブレーションマーカの端部形状のシャープさは、造形材料の粒径（上記の例では２０μｍ）でほぼ決まってくるので、センサの解像度を上げても、センサの検出精度を向上させるには限界がある。
【００５３】
このため、本実施形態においては、上述のように、キャリブレーション専用のカートリッジ３６を用意し、次のような材料で、キャリブレーションマーカを形成している。それは、造形材料３５とは物性が異なる材料、すなわち、造形材料３５よりもセンサで検出され易い物性を有するマーカ材料３７で、キャリブレーションマーカを形成している。より具体的には本実施形態では、マーカ材料３７として、図７Ｂに示すように、造形材料３５に替えて着色材料を使用し、さらに、この材料の粒径を造形材料３５より小粒径としている。
【００５４】
マーカ材料３７として着色材料を使用することで、図８Ｂに示すように、キャリブレーションマーカからの反射光量と、下地となるステージ５２からの反射光量との差分Ｖｃ２を大きくすることができ、コントラストをより大きくすることができる。これにより、材料先端検知センサ４５、材料左先端センサ５４及び材料右先端センサ５５によるキャリブレーションマーカの検出精度を向上させることができる。このとき、ステージ５２の色が例えば黒色であれば、マーカ材料３７には白の着色を行うとよい。また、光学センサが、単に光の強弱を検知するセンサではなく、イメージセンサのように画像を検出するセンサの場合は、ステージ上の造形面の色とは色相が大きく異なり認識しやすい関係にある色のマーカ材料３７を用いるとよい。
さらに、キャリブレーションマーカのコントラストを大きくすることで、センサの検出精度を上げることができるので、マーカ材料３７として、造形材料３５より小粒径の材料を使用できるようになる。マーカ材料３７に、より小粒径の材料を使用することで、キャリブレーションマーカの端部形状をシャープにすることができ、キャリブレーションマーカの位置を検出する精度を向上させることができる。例えば、造形材料３５の粒径が２０μｍであれば、マーカ材料３７の粒径は５μｍといったような微細化を行うとよい。
このようなマーカ材料３７としては、例えば市販の（２次元）プリンタ用トナーを用いることができる。市販のプリンタ用トナーでキャリブレーションマーカを形成した場合でも、十分な効果が得られる。特に電子写真特性において互換性も担保し得る。また、市販
の材料を使用できることで、新たに材料開発を行う必要がなくなり、コストを抑えることもできる。
【００５５】
以上述べた本実施形態の造形装置の構成によれば、オフラインキャリブレーション及び画像歪み補正を行うことにより、画像形成から積層までの過程で発生する画像のＸＹ面内歪みを可及的に抑えることができる。
さらに、本実施形態では、造形材料３５よりもセンサで検出され易い物性を有するマーカ材料３７を用いて、オフラインキャリブレーションを実施することとした。即ち、マーカ材料３５とステージ５２の造形面とのコントラスト差は、造形材料３５とステージ５２の造形面とのコントラスト差よりも大きい。このことで、キャリブレーションマーカからの反射光量と、下地となるステージ５２の造形面からの反射光量との差分を大きくでき、コントラストをより大きくすることができる。これにより、センサによるキャリブレーションマーカの検出精度を向上させることができる。このことで、マーカ材料３７として、造形材料３５より粒子サイズが小さい材料を使用できるようになり、キャリブレーションマーカの端部形状をシャープにすることができるので、キャリブレーションマーカの位置を検出する精度を向上させることができる。
したがって、造形を行う際に積層厚を小さくすることができ、より高精度の造形物を作製することが可能となる。
【００５６】
なお、画像形成に起因する画像歪みは、例えば、カートリッジ３０と転写体４２との相対位置歪み、各ローラ軸のアライメントずれ、各部材の伸縮などにより発生する。したがって、オフラインキャリブレーションは、各造形ジョブの先頭のタイミングなどに実行することが好ましい。
また、本実施形態では、マーカ材料３７として、造形材料３５に替えて着色材料を使用し、かつ、この材料の粒径を造形材料３５より小粒径としたが、これに限るものではない。マーカ材料３７は、造形材料３５よりもセンサで検出され易い色を有するものであればよい。例えば、イメージセンサのように画像を検出する光学センサを用いる場合は、ステージ５２の造形面の色とは色相が大きく異なり検知されやすい色のマーカ材料３７を用いることができる。
【００５７】
＜第２実施形態＞
図９は、本発明の第２実施形態に係る造形装置の構成を示す図である。第１実施形態との違いは、複数の画像形成部を有する点である。図８の例では、カートリッジ３０Ａ、感光ドラム３４Ａ、転写ローラ４１Ａを有する第１の画像形成部と、カートリッジ３０Ｂ、感光ドラム３４Ｂ、転写ローラ４１Ｂを有する第２の画像形成部が設けられている。この構成は、例えば、カートリッジ３０Ａに構造材料、カートリッジ３０Ｂにサポート材料を入れることで、構造体とは異なる材料（例えば除去性の高い材料）からなるサポート体を有する造形物を簡単に作成する目的に使用できる。あるいは、両方のカートリッジ３０Ａ，３０Ｂに同じ材料を入れておき、一つの画像形成部で画像形成を行い、材料が空になると自動的に他方の画像形成部に切り替えて画像形成を続行する、という目的にも使用できる。あるいは、カートリッジ３０Ａと３０Ｂに色や物性が異なる材料を入れておき、カラフルな造形物や、複数種の材料が混ざった造形物を作る目的にも使用できる。
【００５８】
本実施形態の造形装置の場合も、着脱可能なキャリブレーション専用のカートリッジ３６を、造形材料３５によるカートリッジ３０に替えて、画像形成部ごとにオフラインキャリブレーション及び画像歪み補正を実施すれば、形状精度の高い造形を実現できる。
このとき、１つのキャリブレーション専用のカートリッジ３６により、カートリッジ３０Ａ，３０Ｂがそれぞれ配置される２つの画像形成部に対してオフラインキャリブレーションを実施してもよいが、これに限るものではない。すなわち、複数のカートリッジ３６を用いて、複数の画像形成部に対するキャリブレーションを実施してもよい。例えば、造
形装置が２つの画像形成部を備えるものであれば、キャリブレーション専用カートリッジとして、カートリッジ３６Ａとカートリッジ３６Ｂを用意するとよい。そして、カートリッジ３０Ａが配置される画像形成部に対しては、カートリッジ３６Ａを用いてオフラインキャリブレーションを実施するとよい。また、カートリッジ３０Ｂが配置される画像形成部に対しては、カートリッジ３６Ｂを用いてオフラインキャリブレーションを実施するとよい。
【００５９】
なお、本実施形態では、造形装置が２つの画像形成部を備える形態について説明したが、これに限るものではなく、画像形成部は複数備えられるものであってもよい。そして、複数の画像形成部に対して、キャリブレーション専用のカートリッジ３６が適宜１つ又は複数用意されるものであるとよい。
また、カートリッジを造形装置本体に着脱可能とする機構については、特に限定されるものではない。例えば、治工具を使用することなくカートリッジを造形装置本体に着脱可能に構成してもよい。また、キャリブレーションの機能向上のため、カートリッジが画像形成部の所定の画像形成位置に精度よく位置決めされるように、冶具及び固定部品を用いてカートリッジを造形装置本体に装着するように構成してもよい。
また、上述した実施形態では、画像形成部が電子写真プロセスを利用する例について説明したが、これに限るものではなく、本発明は、インクジェットプロセスなどの他の方法を利用する場合にも適用することができる。すなわち、キャリブレーションマーカが、造形材料とは物性が異なる材料で形成され、キャリブレーションを精度よく実施できるものであればよい。そして、このようなキャリブレーションマーカの材料が収容されたカートリッジが、専用カートリッジとして用意されているものであればよい。
【符号の説明】
【００６０】
３４：感光ドラム、４２：転写体、５２：ステージ、６５：キャリブレーションマーカ生成部、５４：材料左先端センサ、５５：材料右先端センサ、２０２：画像歪計測部、６３：画像歪補正部
【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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