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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】5982732
(24)【登録日】2016年8月12日
(45)【発行日】2016年8月31日
(54)【発明の名称】造形材料吐出ヘッドおよび造形方法
(51)【国際特許分類】
B29C 67/00 20060101AFI20160818BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20160818BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20160818BHJP
B41J 2/14 20060101ALI20160818BHJP
B41J 2/17 20060101ALI20160818BHJP
【ＦＩ】
B29C67/00
B33Y10/00
B33Y30/00
B41J2/14
B41J2/17
【請求項の数】27
【全頁数】32
(21)【出願番号】特願2016-522121(P2016-522121)
(86)(22)【出願日】2015年10月15日
(86)【国際出願番号】JP2015079183
【審査請求日】2016年4月12日
(31)【優先権主張番号】特願2015-102185(P2015-102185)
(32)【優先日】2015年5月19日
(33)【優先権主張国】JP
(31)【優先権主張番号】特願2015-127059(P2015-127059)
(32)【優先日】2015年6月24日
(33)【優先権主張国】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】514277570
【氏名又は名称】株式会社ヒットデバイス
(74)【代理人】
【識別番号】110001896
【氏名又は名称】特許業務法人朝日奈特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】谷口 秀夫
(72)【発明者】
【氏名】砂田 重政
(72)【発明者】
【氏名】小田 一夫
【審査官】
辰己 雅夫
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００５−１０４１３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−０４１２１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−０６７０３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−２５５６１４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ２９Ｃ６７／００
Ｂ３３Ｙ１０／００
Ｂ３３Ｙ３０／００
Ｂ４１Ｊ ２／１４
Ｂ４１Ｊ ２／１７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
融解型の造形材料を流動させる流路を形成する側壁の一部である第１側壁部を構成すると共に、前記流路内の造形材料を加熱する第１加熱板と、
前記第１側壁部以外の前記側壁の一部である第２側壁部を構成する閉塞板または第２加熱板と、
前記流路と連通し、前記流路の一端部側に形成される吐出口と、
前記流路と連通し、前記流路の他端部側に形成される材料供給口と、
を備え、
前記流路内で前記造形材料を融解し得るように前記第１加熱板が形成されてなる立体造形用の造形材料吐出ヘッド。
前記第１側壁部以外の前記側壁の一部である第２側壁部を構成する閉塞板または第２加熱板と、
前記流路と連通し、前記流路の一端部側に形成される吐出口と、
前記流路と連通し、前記流路の他端部側に形成される材料供給口と、
を備え、
前記流路内で前記造形材料を融解し得るように前記第１加熱板が形成されてなる立体造形用の造形材料吐出ヘッド。
【請求項2】
ほぼ同じ形状の貫通孔を有する板状体を複数枚重ねて前記貫通孔の周壁により前記流路の前記第１側壁部および前記第２側壁部以外の側壁である第３側壁部が形成される流路構造体をさらに有し、
前記貫通孔の一端側が前記第１加熱板で閉塞され、
前記貫通孔の他端側が前記閉塞板または前記第２加熱板により閉塞される
ことにより前記流路が形成されてなる請求項１記載の造形材料吐出ヘッド。
前記貫通孔の一端側が前記第１加熱板で閉塞され、
前記貫通孔の他端側が前記閉塞板または前記第２加熱板により閉塞される
ことにより前記流路が形成されてなる請求項１記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項3】
前記第１加熱板の一部に凹状の断面形状を有する溝が形成され、該凹状の溝の開口部を閉塞するように前記閉塞板または前記第２加熱板が設けられることにより、前記流路が形成されてなる請求項１記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項4】
前記閉塞板が薄板により形成され、前記薄板の前記流路と反対側に、前記流路内の造形材料に熱作用を及ぼす第３加熱板がさらに設けられ、
前記第３加熱板の瞬間的加熱により前記流路内の造形材料が吐出される請求項１〜３のいずれか１項に記載の造形材料吐出ヘッド。
前記第３加熱板の瞬間的加熱により前記流路内の造形材料が吐出される請求項１〜３のいずれか１項に記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項5】
前記流路は、該流路が延びる方向と直角方向に複数個並列して形成され、
前記複数個の流路のそれぞれの前記第１側壁部が、前記第１加熱板により形成され、
前記複数個の流路のそれぞれの前記第２側壁部が、前記薄板により形成され、
前記第３加熱板が前記複数個の流路のうち、特定の流路のみを加熱するように形成され、
前記第３加熱板の瞬間的加熱により前記特定の流路のみから造形材料を吐出する請求項４記載の造形材料吐出ヘッド。
前記複数個の流路のそれぞれの前記第１側壁部が、前記第１加熱板により形成され、
前記複数個の流路のそれぞれの前記第２側壁部が、前記薄板により形成され、
前記第３加熱板が前記複数個の流路のうち、特定の流路のみを加熱するように形成され、
前記第３加熱板の瞬間的加熱により前記特定の流路のみから造形材料を吐出する請求項４記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項6】
前記薄板と前記第３加熱板との間に接合された熱歪み発生部材をさらに有し、
前記第３加熱板の瞬間的加熱による前記熱歪み発生部材の加熱で、前記薄板の変形により前記流路内の造形材料を吐出する請求項４または５記載の造形材料吐出ヘッド。
前記第３加熱板の瞬間的加熱による前記熱歪み発生部材の加熱で、前記薄板の変形により前記流路内の造形材料を吐出する請求項４または５記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項7】
前記薄板が金属または非金属の薄板により形成され、前記熱歪み発生部材が、前記薄板とは熱膨張率の異なる金属片または非金属片からなり、前記流路に沿って前記薄板に接合されるピースである請求項６記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項8】
前記熱歪み発生部材が、熱膨張率の異なる少なくとも２種類の板材の接合により形成されるバイメタルからなり、該バイメタルが前記流路に沿って前記薄板に接合されてなる請求項６記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項9】
前記第３加熱板により前記特定の流路内の造形材料または前記薄板の熱膨張による造形材料の体積増加または前記薄板の膨張による前記流路の体積変化に基づき前記流路内の造形材料を吐出する請求項４または５記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項10】
前記第３加熱板は、第２絶縁基板上に発熱抵抗体が前記複数個の流路のそれぞれの流路に沿って形成され、特定の前記流路内に熱作用を生じさせるように形成されてなる請求項５〜９のいずれか１項に記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項11】
前記第３加熱板の前記流路に沿って形成される発熱抵抗体が２以上に分割され、分割されたそれぞれに独立して電圧を印加できるように電極端子が形成されてなる請求項１０記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項12】
前記第１加熱板または前記第２加熱板は、
第１絶縁基板と、該第１絶縁基板の一面に形成され、前記第１絶縁基板を加熱する帯状の発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の長手方向に電流を流し得る少なくとも一対の電極と、前記発熱抵抗体の近傍で、前記発熱抵抗体に沿って前記絶縁基板上に形成される温度測定用抵抗体と、前記温度測定用抵抗体の所定の場所の電気抵抗を測定するための少なくとも一対の測定端子とを具備している請求項１〜１１のいずれか１項に記載の造形材料吐出ヘッド。
第１絶縁基板と、該第１絶縁基板の一面に形成され、前記第１絶縁基板を加熱する帯状の発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の長手方向に電流を流し得る少なくとも一対の電極と、前記発熱抵抗体の近傍で、前記発熱抵抗体に沿って前記絶縁基板上に形成される温度測定用抵抗体と、前記温度測定用抵抗体の所定の場所の電気抵抗を測定するための少なくとも一対の測定端子とを具備している請求項１〜１１のいずれか１項に記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項13】
前記第１加熱板の発熱抵抗体が、前記流路および前記吐出口近傍を加熱できるように形成され、かつ、前記流路の前記吐出口側が前記供給口側よりも温度が高くなるように前記発熱抵抗体が形成されてなる請求項１２記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項14】
前記第１加熱板の発熱抵抗体が、前記流路の方向に沿った２本の直線状の発熱抵抗体の部分と、該直線状の部分のそれぞれの一端部が他の発熱抵抗体で接続された構造で、平面形状がＵ字形状に形成され、前記Ｕ字形状の底部の発熱抵抗体が前記流路構造体の前記吐出口側になるように形成されてなる請求項１３記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項15】
前記発熱抵抗体が、前記流路の方向に沿って直線状に形成された部分を有し、前記直線状の部分がテーパ状もしくは段階的に幅が細くなるように形成され、または、前記直線状の部分に沿って、部分的に導体層で置き換えられることにより、前記吐出口側の温度が前記供給口側よりも高温になるように形成されてなる請求項１３または１４記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項16】
前記Ｕ字形状の発熱抵抗体の前記底部の発熱抵抗体の幅が、前記直線状の部分の発熱抵抗体の幅よりも狭く形成されてなる請求項１４または１５記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項17】
前記Ｕ字形状のコーナ部の少なくとも一部は導体層で接続されてなる請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項18】
前記流路構造体の複数枚の板状体の少なくとも１枚に前記貫通孔と連通する凹みが形成されることにより前記吐出口が形成されてなる請求項２または４〜１７のいずれか１項に記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項19】
前記流路の１個に対して複数個の前記吐出口が接続して形成されてなる請求項１〜１８のいずれか１項に記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項20】
前記流路構造体が、熱伝導性部材または閉塞板を介して複数個重ねられ、該複数個の流路構造体の両外側面に前記第１加熱板または薄板が接合されてなる請求項２記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項21】
前記流路構造体と、該流路構造体の一面側に形成される第１加熱板と、前記流路構造体の他面側に薄板を介して形成される第３加熱板とをそれぞれ有する第１および第２の造形材料吐出ヘッドが、前記第１加熱板側をそれぞれ対向させ、かつ、前記吐出口が同じ向きに整列するように、断熱板を介して接合することにより複数列の吐出口を有する請求項２記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項22】
複数の流路を有する流路構造体を複数列接合することにより複数列の吐出口を有する造形材料吐出ヘッドであって、前記吐出口の前記流路の延びる方向の位置が列により異なるように形成されてなる請求項２１記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項23】
前記流路構造体と前記第１加熱板とが取り外し自在に接合されてなる請求項２または４〜２２のいずれか１項に記載の造形材料吐出ヘッド。
【請求項24】
融解型の造形材料を流動させて立体造形物を形成する造形方法であって、前記造形材料を流動させるための流路の一側壁を第１加熱板で閉塞して前記流路内の造形材料を融解するように加熱することにより前記造形材料を流動させると共に、前記一側壁とは異なる別の側壁を薄板で形成し、該薄板の前記流路と反対側に第３加熱板を配置し、該第３加熱板により特定の流路のみに瞬間的な熱作用を及ぼすことにより特定の流路の造形材料を吐出させながら造形することを含む立体造形物の造形方法。
【請求項25】
前記熱作用を、前記特定の流路内の造形材料の熱膨張または前記特定の流路に沿った前記薄板の熱膨張を局所的に起させることにより行う請求項２４記載の造形方法。
【請求項26】
前記熱作用を、前記薄板と前記第３加熱板との間に前記薄板とは熱膨張率の異なるピースを設けることにより、またはバイメタルを設けることにより、前記第３加熱板による加熱で熱膨張率の差に基づく熱歪みにより前記薄板を変形させることにより行う請求項２４記載の造形方法。
【請求項27】
前記流路の前記吐出口側を前記流路の材料供給口側よりも高い温度になるように前記第１加熱板で加熱しながら造形材料を吐出する請求項２４〜２６のいずれか１項に記載の造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、３次元プリンタで立体造形物を製造する場合などに、造形材料を吐出する造形材料吐出ヘッドおよび３次元造形用の造形方法に関する。さらに詳しくは、安価に製造することができ、かつ、造形材料の吐出制御が容易な造形材料吐出ヘッドおよび造形方法に関する。【背景技術】
【0002】
近年、コンピュータを利用して３次元プリンタにより立体造形物を製造することが盛んに行われている。このような３次元プリンタは、断面形状の集合体として立体モデルが表現される。そのため、３次元プリンタは、造形材料を吐出するノズルが３次元で移動されながら、または造形物側のテーブルが移動されながら、所定の場所に造形材料が吐出されることにより造形物が形成される。このような造形物を形成する材料の一例として、例えば熱可塑性樹脂や融点の低い金属のように、温度を上昇させて融解状態にする材料が挙げられる。また、光硬化性樹脂（紫外線硬化性樹脂等）に光を当てて選択的に硬化させる光造形法や、光硬化性樹脂や熱可塑性樹脂、ワックスなどをインクジェットノズルから吐出することで積層造形するインクジェット方式などが知られている。また、樹脂主剤が吐出された後に硬化剤が吐出される反応型硬化方式なども知られている。前述の熱融解材料は、コンピュータの制御により、所定の位置に吐出されると、温度が低下して固化し、固形物が形成される。従って、この吐出ノズルを３次元空間で相対的に移動させながら造形材料を吐出させることにより、立体的な造形物が得られる。【0003】
このような造形材料を吐出する装置としては、例えば図１７に示されるような構造のものが知られている（例えば非特許文献１参照）。すなわち、図１７において、ヒータブロック６３の一端側にノズル６１がねじ込まれ、他端部側にバレル６２がねじまれ、バレル６２にワイヤ状または棒状の造形材料が挿入される。そして、バレル６２により造形材料が一定の割合で送り込まれ、ヒータブロック６３の熱により造形材料が加熱されて融解し、ノズル６１の先端部の吐出口６１ａから融解した造形材料が一定量ずつ吐出される。この吐出口６１ａの位置が３次元の所望の図形を描くようにコンピュータで制御されてｘｙｚ方向に相対移動する。これにより、融解した造形材料が吐出されることにより、所望の立体形状の造形物が作製される。このヒータブロック６３の周囲には、図示しないヒータが設けられており、造形材料が融解するようにヒータブロック６３が所定の温度に上昇されている。【0004】
一方、２次元画像を形成するのに主として用いられるインクジェット方式では、複数のノズルからインク滴（液滴）が吐出されて所定の記録媒体上に画像形成が行われる。この記録ヘッドとしては、アクチュエータによってノズルに連通する圧力室に例えばピエゾ素子などの圧電素子により圧力変動を発生させ、ノズル開口部からインク滴が吐出される。また、ノズルの底面にヒータ（発熱体）が配置され、そのヒータによる極部加熱により発泡させ、その気泡が合体して沸騰することにより吐出されるサーマルインクジェットの方式も知られている（非特許文献２の７〜９頁、３５頁参照）。【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】「３Ｄプリンタではじめるデジタルモノづくり」（門田和雄著、日刊工業新聞社、１０３頁）
【非特許文献2】「インクジェット」（日本画像学会編２００８年９月１０日発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
前述のように、円筒状のノズル６１やバレル６２を作製してヒータブロック６３に固定する構造では、材料費や製造コストが嵩むという問題がある。さらに、ヒータブロック６３に１個ずつ貫通孔を開け、ネジ孔を切る必要があり、ヒータブロックを含めた全体としての吐出装置が大型化するという問題もある。さらに、造形材料はヒータブロック６３の外部からヒータにより加熱されるため、間接加熱となり、熱効率が悪い。【0007】
さらに、図１７に示されるように、吐出口６１ａがヒータブロック６３から離れると、所望の場所に造形材料を吐出する前にノズル６１の先端部で融解した造形材料が固化してしまうという問題も生じやすい。しかも、一度固化してしまうと、ノズル６１の先端部の温度を上昇させるためには、ヒータブロック６３が必要以上に高温にされなければならない。しかし、ヒータブロック６３の温度自体が造形材料の融解温度以上に上げられると、バレル６２側で導入される線状または棒状の造形材料であるフィラメントが融解してしまい、一定量で押し出すことができなくなるという問題もある。また、造形材料によっては、例えばポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ）のように、温度が上昇すると条件により再結晶して炭化し、一度固化した造形材料は再度温度を上昇させても、融解状態には至らない場合がある。そのような材料の場合には、ノズル６１は廃棄されて新しいものが使用されなければならない。そのため、製造コストの高いノズル６１がさらに無駄になり、より一層コストが上昇するという問題がある。また、従来は造形材料の原料としてφ１.７５ｍｍ、またはφ３.５ｍｍの円形断面で、半弾性体のワイヤ状のものがリールに巻かれて使用されている。そのため、フィラメントがリールに巻かれると嵩張りスペース効率が悪い。すなわち、体積的にはそれ程異ならない材料が扁平テープ状のものに比べて、保管の際にスペースが多く必要とされる。しかし、テープ状の材料は幅が大きくなり、バレル６２およびノズル６１に入らなくなり、使用することができないという問題がある。【0008】
また、前述のインクジェット方式の圧電素子を用いる方法では、連続吐出ではなく、小面積ごとに造形材料が吐出され得る。しかし、この圧電素子を用いる方法は、造形材料は比較的粘度の小さいものにしか適用できない。また、圧電素子による圧力の変化（体積変化）は小さく、大量の造形材料が一度に吐出され得ない。そのため、吐出された造形材料が大量に積み上げられない。結果的に、小さい造形物なら作製され得るが、大きな造形物を作製するには不向きである。また、ヒータを配置するサーマル方式でも、液体ではない流動体のような粘度の大きい造形材料は、沸騰させられない。すなわち、粘度の大きい造形材料には適用することができないという問題がある。そのため、前述のように、ノズルから連続的に造形材料を吐出させる方式が一般的に用いられている。そして、ノズルと造形テーブルのいずれかを相対的にスキャンしながら特定の場所ごとに必要な量の粘度の大きい造形材料を吐出させて造形物を作製することができない。その結果、大きな造形物を短時間で作製することができないという問題がある。【0009】
このように、粘度の大きい造形材料を所定量ずつ、安定して吐出させることができないという問題がある。そのため、大形の造形物を作製する場合に時間がかかり、大形の造形物でも、短時間で造形物を作製することが望まれている。【0010】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、造形材料が加熱板により直接加熱されるように、造形材料の流路の少なくとも一部が、加熱板の一部により形成されることにより、熱効率を向上した吐出ヘッドを提供することにある。【0011】
本発明の他の目的は、ネジの切られた円筒状の高価なノズルなどを用いることなく、板材などの非常に安価な材料で、しかも容易に作製することができる流路構造体を有する造形材料吐出ヘッドおよびその造形方法を提供することにある。【0012】
本発明のさらに他の目的は、造形材料を融解して流動させる流路の造形材料供給口側よりも吐出口側での温度を高くし、吐出口で融解した造形材料の粘度が上昇して流れ難くなったり、固化して吐出できなくなったりするという問題を解決することにある。【0013】
本発明のさらに他の目的は、造形材料が融解した後に固化した場合で、温度を上昇させても再度融解しないような材料の場合に、吐出部を分解して、固化した造形材料を除去することができる構造の造形材料吐出ヘッドを提供することにある。【0014】
本発明のさらに他の目的は、液体ではない流動物のように、粘度の大きい材料でも、所定量の造形材料を所定の場所に吐出することができ、吐出口または造形テーブルのいずれかをスキャンしながら短時間で造形物を作製することができる吐出構造を有する造形材料吐出ヘッドを提供することにある。【0015】
本発明のさらに他の目的は、吐出口をライン状および／または複数列に形成して、異なる色の材料や融点などの異なる材料を含む造形物でも１回のスキャンで同じ層に形成することができると共に、１回のスキャンにより、複数層の造形物の作製を行うこともできる造形材料の吐出ヘッドおよび立体造形物の造形方法を提供することにある。【0016】
本発明のさらに他の目的は、融解型造形材料、紫外線硬化型造形材料、または樹脂主剤と硬化剤との２液混合型の樹脂材料などのいずれの場合でも、またはこれらのタイプを併用して造形する場合でも、同じ場所に連続的に異なる樹脂を吐出させることで、造形物を確実に作製することができる造形材料吐出ヘッドおよび造形方法を提供することにある。【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明の立体造形用の造形材料吐出ヘッドは、融解型の造形材料を流動させる流路を形成する側壁の一部である第１側壁部を構成すると共に、前記流路内の造形材料を加熱する第１加熱板と、前記第１側壁部以外の前記側壁の一部である第２側壁部を構成する閉塞板または第２加熱板と、前記流路と連通し、前記流路の一端部側に形成される吐出口と、前記流路と連通し、前記流路の他端部側に形成される材料供給口と、を備え、前記流路内で前記造形材料を融解し得るように前記第１加熱板が形成されている。
【0018】
ここに第１側壁部、第２側壁部とは、それぞれ流路を構成する側壁の一部を指すもので、例えば矩形形状の一辺とか二辺とを指すとは限らず、例えば円形の一部円弧など、周壁の一部を意味している。また、第１側壁部と第２側壁部とで周壁が構成する場合もあるが、さらに第３側壁部と合せて周壁が構成される場合もある。【0019】
一実施形態では、ほぼ同じ形状の貫通孔を有する板状体を複数枚重ねて前記貫通孔の周壁により前記流路の前記第１側壁部および前記第２側壁部以外の側壁部である第３側壁部が形成される流路構造体をさらに有し、前記貫通孔の一端側が前記第１加熱板で閉塞され、前記貫通孔の他端側が前記閉塞板または前記第２加熱板により閉塞されることにより前記流路が形成されている。【0020】
他の実施形態では、前記第１加熱板の一部に凹状の断面形状を有する溝が形成され、該凹状の溝の開口部を閉塞するように前記閉塞板または前記第２加熱板が設けられることにより、前記流路が形成されている。【0021】
前記閉塞板が薄板により形成され、前記薄板の前記流路と反対側に、前記流路内の造形材料に熱作用を及ぼす第３加熱板がさらに設けられ、前記第３加熱板の瞬間的加熱により前記流路内の造形材料が吐出される構造にされ得る。【0022】
本発明の立体造形物の造形方法は、融解型の造形材料を流動させて立体造形物を形成する造形方法であって、前記造形材料を流動させるための流路の一側壁を第１加熱板で閉塞して前記流路内の造形材料を融解するように加熱することにより前記造形材料を流動させると共に、前記一側壁とは異なる別の側壁を薄板で形成し、該薄板の前記流路と反対側に第３加熱板を配置し、該第３加熱板により特定の流路のみに瞬間的な熱作用を及ぼすことにより特定の流路の造形材料を吐出させながら造形することを含む。
【発明の効果】
【0024】
本発明の吐出ヘッドによれば、造形材料の流路の側壁の一部が加熱板の一部により形成されているため、加熱板の熱により、直接造形材料が加熱される。その結果、非常に熱効率が向上する。【0025】
また、板状体からなる流路構造体が形成されることにより、安い板材料が用いられ、しかも、流路が非常に簡単に形成されるため、コストダウンが図られる。しかも、流路は貫通孔により形成され、吐出口は板状体への凹みにより形成されるので、製造が非常に容易である。【0026】
さらに、流路側壁の一部に薄板を介して第３加熱板が設けられ、特定流路のみに熱作用を及ぼさせることにより、簡単な構造で特定の流路のみから造形材料を吐出させることができる。【0027】
また、吐出口が複数列設けられ、その複数列で吐出口の位置が鉛直方向の高さで異なるように配置されることにより、１回のスキャンで複数層の堆積がされ得る。従って、大形の造形物でも、短時間で製作され得る。【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1A】本発明の一実施形態の造形材料吐出ヘッドを説明する側面図である。
【図6】本発明の他の実施形態の造形材料吐出ヘッドを説明する斜視図である。
【図7A】本発明のさらに他の実施形態の吐出ヘッドを説明する側面図である。
【図11D】１個の流路に２個の吐出口が形成された他の例を説明する図である。
【図14A】吐出口部分の構造の変形例を示す図である。
【図15】加熱板の絶縁基板を所定の温度に制御する駆動回路例を示す図である。
【図16】基板温度制御の一例を示す回路図である。
【図17】従来の造形材料の吐出用ノズルの一例を示す断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
つぎに、図面を参照しながら本発明の造形材料吐出ヘッドおよびその造形方法が説明される。図１Ａ〜１Ｃに、本発明の一実施形態による造形材料吐出ヘッドの側面図、平面図および吐出口側から見た上面図がそれぞれ示され、図２にその分解図が示されている。本実施形態の造形材料吐出ヘッドは、図２にその分解図が示されるように、造形材料を流動させる流路１２（１２ａ、１２ｂ）（図３参照）を形成する側壁の一部である第１側壁部１２１（図２参照）を構成すると共に、流路１２内の造形材料を加熱する第１加熱板２と、第１側壁部１２１以外の側壁の一部である第２側壁部１２２（図２参照）を構成する閉塞板７または第２加熱板（図示せず）と、流路１２と連通し、流路１２の一端部側に形成される吐出口１３（１３ａ、１３ｂ）（図３参照）と、流路１２と連通し、流路１２の他端部側に形成される材料供給口１４（１４ａ、１４ｂ）（図３参照）と、を備えている。この全体が組立板９により図示しない供給装置に固定される。【0030】
一実施形態の具体例では、図３に示されるように、ほぼ同じ形状の貫通孔１２ａ、１２ｂを有する板状体１０（１０ａ〜１０ｃ）を複数枚重ねて貫通孔の周壁１２３により流路１２の第１側壁部１２１および第２側壁部１２２以外の側壁である第３側壁部１２３が形成される流路構造体１（図２参照）が形成されている。図２に示されるように、貫通孔（流路１２）の一端側が第１加熱板２の絶縁基板２１の裏面で閉塞され、貫通孔の他端側が閉塞板７または図示しない第２加熱板により閉塞されることにより流路１２が形成されている。【0031】
また、他の実施形態では、例えば図６に示されるように、第１加熱板２の一部に凹状の断面形状を有する溝２１ａが形成され、その凹状の溝２１ａの開口部を閉塞するように閉塞板７または図示しない第２加熱板が設けられることにより、流路１２が形成されていてもよい。この流路１２（溝２１ａ）の一端部には吐出口１３が溝２１ａより細く形成されている。【0032】
流路構造体１は、図１に示される例では、３枚の板状体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ（図３に示されるように、共通して指す場合１０）が重ね合されて接合されている。各板状体１０には、図３に示されるように、流路１２（１２ａ、１２ｂ）が貫通孔として形成され、融解した造形材料が流動するように形成されている。さらに、その流路１２ａ、１２ｂと連結して、それぞれの一端部に吐出口１３（１３ａ、１３ｂ）が形成されている。この吐出口１３は、板状体１０を貫通しないで、厚さの半分程度の深さに凹みとして形成されている。この凹みは、ハーフエッチングまたはスタンピング、または機械加工などにより形成される。この凹みの形状（吐出口１３の断面形状）は、図１Ｃに示されるような矩形形状には限定されず、円形やその他の形状でも構わない。この吐出口１３の数、すなわち凹みの数は、用途に応じて必要な個数に形成される。また、この凹みの形成の際に、吐出ヘッドの長さに合せた位置に同様の凹みによる溝１５（図３参照）が形成され、直角方向に曲げやすくされている。図２に示されるように、曲げられた部分は取付板５に固定する取付部１６となる。１７は流路構造体１を取付板５にネジで固定する際の孔（貫通孔）である。【0033】
板状体１０は、熱伝導に優れ、貫通孔１７や凹みなどの加工が容易な材料により形成される。その観点からは、薄い金属板が好ましい。一例として、図３に示される板状体１０は、厚さが０.６ｍｍ程度のステンレス板であり、吐出口１３の先端部から折り曲げ用の溝１５までの寸法Ａが１３ｍｍ、溝１５から、吐出口１３と反対側の端部までの寸法Ｂが７.５ｍｍで、幅Ｃが１０ｍｍである。しかし、この寸法は一例であり、この例に限定されない。また、流路１２（１２ａ、１２ｂ）の幅が２ｍｍ、吐出口１３ａの幅は０.４ｍｍ、吐出口１３ｂの幅は０.８ｍｍ、貫通孔１７の直径はφ３.２ｍｍが例示される。この程度の厚さのステンレス板であれば、打抜き加工により前述の流路１２や貫通孔１７およびその外形形状は容易に形成される。外形形状は、用途により種々の大きさに形成される。また、吐出口１３付近の形状も用途により自由に形成される。このような板状体１０での形成により、流路１２は板状体１０への貫通孔により形成され、吐出口１３は、板状体１０の半分ぐらいの深さに形成された凹み部により形成されているので、材料費も、加工費も非常に安価になる。さらに、流路１２が貫通孔で形成され、その開口部が直接第１加熱板２で閉塞されるので、造形材料が直接加熱され、効率的に加熱される。【0034】
さらに、板厚も前述の例示に限定されるものではなく、用途に応じて種々の厚さのものが使用され得る。さらに板状体１０の重ね合せの枚数も３枚に限定されるものではなく、さらに多くすることもできる。重ね合せる枚数を多くすれば、同じ流路１２と連結する数多くの吐出口１３が形成され得る。吐出量を種々変更し得る造形材料吐出ヘッドが得られる。すなわち、流路構造体１の複数枚の板状体の少なくとも１枚に貫通孔１２と連通する凹みが形成されることにより吐出口１３が形成される。なお、各板状体１０として図３に示されており、外形や流路１２は各板状体１０で共通している。しかし、吐出口１３とする凹みは、その形状、数量などが異なる。例えば図１Ｃに示される吐出口１３ｃ、１３ｄが形成されるための板状体１０ａと板状体１０ｂとでは、その凹みが対称になるように形成されている。また、このように２枚の板状体１０を重ね合せて吐出口１３が形成される場合、同じ大きさの凹みや同じ形状の凹みであることには限定されない。０.４ｍｍ幅の凹みと０.２ｍｍ幅の凹みとが重ね合されてもよいし、矩形状と円形状の凹みが向かい合されてもよい。【0035】
吐出口１３は、例えばハーフエッチングにより形成される。すなわち、吐出口１３が形成される部分以外の場所にレジストマスクが形成され、エッチング液に浸漬されたり、エッチング液をスプレーで吹き付けるスプレーエッチングをしたりすることにより形成される。また、電解エッチングをすることもできる。エッチングの深さはエッチング液に晒される時間に応じて制御される。あまり深くエッチングされると、機械的強度が低下するので、板状体１０の板厚の半分程度以下とすることが好ましい。板状体１０が薄くて、大きな吐出口１３を形成できない場合には、例えば、図１Ｃの吐出口１３ｃ、１３ｄに示されるように、２枚の板状体１０ａと１０ｂの向かい合う位置に同様の凹みを形成しておくことにより（前述のように凹みの位置は２枚の板状体１０ａ、１０ｂで異なる）、板状体１０ａ、１０ｂが重ね合された際に両方の凹みを合せた深さの吐出口１３ｃ、１３ｄが形成される。また、この凹みを金型などによるスタンピングにより形成する場合、金型の形状などにより球状や円筒状の凹みが形成され得る。このようなスタンピングで行う場合、打抜き加工（外形や貫通孔１７）、溝１５の加工、もしくは折り曲げと同時に、または連続的に凹みが形成される。【0036】
このように貫通孔（流路１２）や凹み（吐出口１３）が形成された、例えば３枚の板状体１０ａ、１０ｂ、１０ｃが、例えば耐熱性接着剤などにより３枚重ね合せて接合される。そして、溝１５（図３参照）で、両サイドの板状体１０ａ、１０ｃがそれぞれ反対側に折り曲げられ、真ん中の板状体１０ｂは、その溝１５の部分で切断され、折り曲げられた取付部１６が取付板５に固定されることにより、図１Ａに示されるように、流路構造体１が形成される。この溝１５は形成されなくても折り曲げや切断は可能である。この重ね合せの際に、前述の貫通孔１７や外形の凸部などが位置合せとして用いられる。なお、板状体１０が２枚のときは、切断の必要はない。【0037】
図１Ａに示されるように、この流路構造体１の少なくとも一面に第１加熱板２が接合されている。流路構造体１の一面には、貫通孔で形成された流路１２ａ、１２ｂの第１側面側および第２側面側（図２の流路構造体１の右側面および左側面）が開放しているが、この流路１２ａ、１２ｂの第１側壁部１２１はこの第１加熱板２の絶縁基板２１の裏面で形成されて閉塞される。第１加熱板２の絶縁基板２１は、その一面側に発熱抵抗体２２（図５Ａ参照）が設けられるので、一番温度が上がっており、流路１２内に供給される造形材料の温度は容易に上昇され得る。そのため、容易にフィラメントなどの造形材料は融解される。流路１２内が直接加熱されるのみならず、流路構造体１自身の温度も上昇するので、反対側の面（流路構造体１の他面）の温度も上昇する。しかし、この流路構造体１の大きさが大きくて、十分に温度を上昇させられない場合には、この流路構造体１の第２側面側にも図示しない第２加熱板が設けられてもよい。すなわち、閉塞板７に代えて、第１加熱板２と同様の構造の第２加熱板が設けられ得る。図示されていないが、この第１加熱板２の絶縁基板２１と反対側のカバー基板２６上には、断熱部材が設けられることが好ましい。そうすることにより、第１加熱板２の熱が有効に利用され得る。【0038】
この流路構造体１への第１加熱板２の接合は、例えば、耐熱性接着剤により接着されてもよいが、取り外しが容易な接着剤が好ましい。あるいはネジ止めなどにより接合されてもよい。これらが取り外し自在に接合されることにより、造形材料が流路１２内で固まっても、分解清掃がなされ得る。その結果、メンテナンスが容易になる。【0039】
流路構造体１の他面側には、閉塞板７が第１加熱板２と同様に流路１２を構成する貫通孔の開口部を閉塞するように接合されている。この閉塞板７により第２側壁部１２２（図２参照）が形成されている。流路構造体１の分解清掃を容易にするため、分解が容易な状態で接合されることが好ましい。この閉塞板７は、絶縁基板２１と同様のセラミック板でもよいし、他の金属板、合成樹脂板、絶縁フィルム等でもよい。後述される吐出駆動部が形成される場合には、この閉塞板７は、薄い板材またはフィルムが好ましい。この閉塞板７は、前述のように、流路構造体１の温度が十分に上昇しない場合には、第２加熱板が設けられてもよい。そうすることにより、両側から加熱されるので、流路構造体１が大きい場合などでも、十分に加熱され得る。この閉塞板７としては、熱伝導率の小さい材料が好ましいが、熱膨張率差に基づく反りが防止される点から、第１加熱板２の絶縁基板２１と同じ熱膨張率を有する材料もしくは絶縁基板２１と同じ材料が用いられることが好ましい。【0040】
前述の流路構造体１の折り曲げられた取付部１６が取付板５に固定される。その結果、図１Ａ〜１Ｃに示されるような造形材料吐出ヘッドが形成される。なお、取付板５には、バレル６が取り付けられ、造形材料のフィラメント（図示せず）を一定スピードで送り出す装置がバレル６に取り付けられており、一定の間隔で造形材料が送り出される。従来のバレル６２（図１７のネジ部がφ６ｍｍ）を用いた構造は、前述のように断面が円形のワイヤ状の材料を送り出す構造であるが、本発明では、流路１２の断面形状が矩形状にされ得るので、バレル６内は平坦なテープ状の材料が送り出されるようにされ得る。それにより、吐出口１３から一定の割合で所望の量の造形材料が吐出される。扁平なテープ状の材料であれば、リールに巻き付けられても空間の無駄がなく、持ち運びおよび保管が容易になる。さらに、バレル６が用いられないで、後述される図７Ａに示されるように、非連続吐出構造が採用されてもよい。図１Ｂに示される例では、流路１２（図３参照）が２つ形成されているので、バレル６が２個形成されている。【0041】
次に、第１加熱板２が詳細に説明される。図４Ａ〜４Ｂに第１加熱板２の一例が側面図と平面図とで示されている。第１加熱板２は、図４Ａ〜４Ｂおよび図５Ａ〜５Ｅに示されるように、第１絶縁基板２１の一面に、絶縁基板２１を加熱する発熱抵抗体２２が形成されている。その発熱抵抗体２２には、その長手方向に電流を流すための電極２３が形成されている。さらに、発熱抵抗体２２の近傍に温度測定用抵抗体２４（図５Ａ参照）が形成されている。この温度測定用抵抗体２４には、所定の場所の電気抵抗を測定するための測定端子２５が形成されている。これらの上にカバー基板２６が図示しないガラス材などにより接着され、発熱抵抗体２２の電極２３や温度測定用抵抗体２４の測定端子２５（２５ａ、２５ｂ）と接続して、リード２７、２８が導出されている。このリード２７、２８と電極２３、測定端子２５との接続は、高融点ハンダ、または５００℃以上の温度に対して耐熱性が必要な場合には無機導電接着剤などで接続される。また、後述されるように、造形材料吐出ヘッドとして使用するには、発熱抵抗体２２の駆動回路や、絶縁基板２１の温度を測定する測定回路を含む制御手段が設けられる。制御手段は、発熱抵抗体２２の電流を制御して、絶縁基板２１の温度が所定の温度になるように駆動回路を制御する。なお、図示されていないが、リード２７、２８と電極２３または測定端子２５ａ、２５ｂとの接続部は、その接続部でリード２７、２８が折れないように保護部材で保護される。なお、図４Ｂでは、図面の明瞭化のため、温度測定用の測定端子が、両端部の測定端子２５ａ、２５ｂのみで示されており、図５Ａ等に示されるように、途中から引き出す測定端子２５ｃ、２５ｄは省略されている。【0042】
この第１加熱板２は、カードなどに記録や消去をするのに用いられる従来の加熱ヘッドと同様の構造になっており、絶縁基板２１の一面に図示しないガラスなどからなる断熱グレーズ層を介して発熱抵抗体２２と温度測定用抵抗体２４とが設けられた構造になっている。しかし、本発明では、例えば図５Ａに示されるように、発熱抵抗体２２が直線状部分（第１の発熱抵抗体）２２ａのみではなく、２つの直線状部分２２ａのそれぞれの一端部が、その直線状部分２２ａと直角方向の成分を有するように（２つの直線状部分２２ａが連結されるように）設けられる第２の発熱抵抗体２２ｂにより連結された形状になっている。その結果、例えばＵ字形状、Ｖ字形状、Ｌ字形状などに形成されるなど、絶縁基板２１に温度勾配が形成され、そのＵ字形状の底部の発熱抵抗体（第２の発熱抵抗体）２２ｂが流路構造体１０の吐出口１３側になるように形成されていることに特徴がある。なお、本明細書では、このＵ字形状は、前述のように、例えば図５Ｂ〜５Ｅに示されるように、完全なＵ字になっていなくても、２本の直線状部２２ａとそれを連結する第２の発熱抵抗体２２ｂを有する形状であればよく、コ字型など、他の形状のものも含む意味である。【0043】
図５Ａに示されるように、第２の発熱抵抗体２２ｂが形成されることにより、この発熱抵抗体２２に電流を流すと、発熱抵抗体２２が発熱して絶縁基板２１が加熱されるが、絶縁基板２１の温度は、第２の発熱抵抗体２２ｂが形成されている端部の方がその反対側の一対の電極２３が形成されている側よりも高くなる。この場合、図５Ａに示されるように、第２の発熱抵抗体２２ｂの幅を直線状部分の発熱抵抗体（第１の発熱抵抗体）２２ａの幅よりも狭く形成されていると、発熱抵抗体２２の単位長さ当たりの抵抗値は、直線状部分の発熱抵抗体２２ａよりも大きくなる。この両者は直列に接続されているので、電流は同じであり、抵抗値の大きい部分の方の発熱量が多くなる。従って、第２の発熱抵抗体２２ｂの部分の方がより一層基板温度を上昇させることができる。【0044】
このように、絶縁基板２１に温度勾配が形成され、吐出口１３側の温度が高くされることにより、吐出口付近ではヒータから離れ温度が下がって粘度が上昇したり、固化して詰まったりしやすいが、本実施形態では吐出口付近での温度が高く、流動性よく吐出され得る。すなわち、全体が一定温度になる従来のヒータブロックでは、吐出口側の温度が下がるのを防止しようとすると、ヒータブロック全体の温度を上昇させる必要があるが、ヒータブロックの中心部での温度を高くし過ぎると、造形材料の分解や気化が始まり、炭化に至るため、余り高温にすることはできない。このように、流動性がよくなることにより、吐出口１３の大きさが小さくなっても、僅かの圧力で造形材料が吐出される。【0045】
絶縁基板２１は、アルミナなどからなる熱伝導率の優れた絶縁性の基板が用いられる。形状および寸法は、目的とする造形物に応じて、吐出口１３の数が多くなれば流路構造体１が大きくなり、第１加熱板２、すなわち絶縁基板２１もそれに合せて大きくなる。そのため、目的に応じて必要な大きさの絶縁基板２１が用いられるが、例えば前述の流路構造体１の例では、２個の流路１２に対して、１０ｍｍ角程度で、０.６ｍｍ厚程度のアルミナ基板が用いられる。勿論、流路構造体１の１個に対して、第１加熱板２が複数個で設けられてもよい。外形も矩形状には限定されないで、必要とされる流路構造体１の形状に合せて形成される。従って、流路１２が１２本形成される場合には、前述のように、１０ｍｍ角の第１加熱板２が６個分（図９Ｂの３個分）の大きさの第１加熱板２になる（１０ｍｍ×６０ｍｍ）。外形も矩形状には限定されないで、必要とされる流路構造体１の形状に合せて形成される。この絶縁基板２１の大きさとしては一般的には５ｍｍ角から３５ｍｍ角程度の大きさに形成されるが、これに限らず、例えば１０ｍｍ×２２０ｍｍなどの大型のものでもよく、ラインヘッドの吐出口の数などに合せて長いものも形成され得る。さらに、この第１加熱板２を何個も並べることにより、絶縁基板２１がラインヘッドなどの大きさに合せられてもよい。【0046】
後述されるカバー基板２６は、絶縁基板２１上に形成される発熱抵抗体２２などを保護するために形成されると共に、絶縁基板２１の熱容量を大きくし、さらには熱膨張率差に基づく絶縁基板２１の反りを防止するために形成されている。従って、熱伝導性は余り求められないが、絶縁基板２１と同じ厚さのアルミナ基板が用いられる。このカバー基板２６側は、流路構造体１とは接触しないので、熱伝導性はよくない方が好ましい。従って、もっと熱伝導性の低い材料を用いることができる。しかし、このカバー基板２６の表面に断熱性シートが貼り付けられることにより、絶縁基板２１と同じ材料（熱膨張率が同じ材料）が用いられ得る。また、加熱温度は、通常の場合、最高使用温度が１５０℃、２５０℃、５００℃などに製造され、使用目的に応じて必要な温度に設定して使用される。【0047】
発熱抵抗体２２は、たとえばＡｇ、Ｐｄ、ＲｕＯ2、Ｐｔ、金属酸化物、ガラスなどの粉末を適宜選択して混合することにより温度係数、抵抗値などが最適に調整される。この混合材料は、ペースト状にして塗布され、焼成される。それにより発熱抵抗体２２が形成されている。焼成により形成される抵抗膜のシート抵抗は固形絶縁粉末の量によって変えられる。両者の比率により抵抗値や温度係数を変えられる。また、導体（電極２３、２５、連結導体２７ａ〜２７ｄ）として使用する材料としては、Ａｇの割合を多くし、Ｐｄを少なくした同様のペースト状にした材料が用いられる。そうすることにより、発熱抵抗体２２と同様に、導体も印刷により形成され得る。端子接続の関係で使用温度により変る必要がある場合もある。Ａｇが多い程抵抗値を低くすることができる。この発熱抵抗体２２の抵抗温度係数は正に大きい方が好ましく、とくに１０００〜３５００ｐｐｍ／℃の材料を用いることが好ましい。また、図示されていないが、発熱抵抗体２２の電流の流れる方向に沿って適当な位置に電極が設けられることにより、部分的に電圧が印加され得る。そうすることにより、場所によって温度が変えられ得る。【0048】
抵抗温度係数が正に大きいということは、温度が上昇すると抵抗値の増加が大きくなることである。従って、抵抗温度係数が正であることにより、温度が上昇し過ぎた場合に抵抗値が増大して電流値が下がり、抵抗による発熱量が下がる。そのため、より早く温度が飽和状態となり、高温時の温度安定性に優れている。さらに、熱暴走などによる過熱が防止され得る。なお、発熱抵抗体２２の標準的な部分の幅も、用途に応じて所定の温度になるように設定されるし、複数本の発熱抵抗体２２が並列に並べられてもよい。【0049】
また、発熱抵抗体２２の両端部には、たとえばパラジウムの比率を小さくした銀・パラジウム合金やＡｇ-Ｐｔ合金などの良導電体からなる電極２３が印刷などにより形成されている。この電極２３は、前述の図４Ａ〜４Ｂに示されるように、リード２７が接続され、電源が接続されて発熱抵抗体２２に通電される構造になっている。この電源は、直流でも、交流でもよく、また、パルス電圧でもよい。パルス電圧であれば、そのデューティまたはパルスの周波数を変えることにより、印加電力が制御され得る。【0050】
発熱抵抗体２２の近傍には、発熱抵抗体２２と同様に絶縁基板２１の表面に温度測定用抵抗体２４が形成されている。この温度測定用抵抗体２４は、図５Ａに示されるように、発熱抵抗体２２に沿って形成されるのが好ましい。図５Ａに示される例では、発熱抵抗体２２と同様に、温度測定用抵抗体２４が、２個の直線部分を連結するＵ字形状に形成されている。そして、その両端が一対の測定用端子２５ａ、２５ｂに接続されている。この測定用端子２５ａ、２５ｂも前述の電極２３と同様に、良導電性の材料により形成されている。この温度測定用抵抗体２４には、両端の一対の測定用端子２５ａ、２５ｂのみならず、両端からそれぞれ１／３程度の長さのところに測定用リード２５ｅの一端部が接続され、測定用リードの他端部がそれぞれ測定用端子２５ｃ、２５ｄに接続されているが、この理由に関しては後述される。【0051】
温度測定用抵抗体２４は、発熱抵抗体２と同じ材料で形成されてもよいが、できるだけ温度係数の絶対値（％）が大きい材料が好ましい。この温度測定用抵抗体２４は、発熱させるものではなく、絶縁基板２１の温度を検出して、絶縁基板２１の温度が、造形材料の融解温度に達するように制御するために設けられている。そのため、例えば０.５ｍｍ幅で、発熱抵抗体２２より若干短い長さで形成される。また、温度測定用抵抗体２４自身は発熱しないよう印加電圧が低く抑えられて、例えば５Ｖ程度が印加される。この温度測定用抵抗体２４は絶縁基板２１上に直接設けられているため、両者の温度は殆ど同じである。その結果、温度測定用抵抗体２４の抵抗値を測定することにより、絶縁基板２１表面の温度、ひいては絶縁基板２１の裏面で密着する造形用材料の温度が推定される。すなわち、抵抗体材料は、一般的にその温度が変化するとその抵抗値が変化するので、その抵抗値の変化を測定することにより、その温度が測定され得る。温度検出手段については後述されるが、この温度測定用抵抗体２４の両端の電圧変化を検出することにより温度測定用抵抗体２４の温度が検出される。そのため、抵抗体の温度係数が大きいことが測定誤差を小さくする。なお、この場合は、温度係数は正でも負でもよい。【0052】
温度測定用抵抗体２４は、発熱抵抗体２２と同じ材料とは限らず用途に応じて印刷などにより形成される。すなわち、微小の温度差を必要とする場合には、ＡｇとＰｄの混合比率を変えたものや、全く別の材料で温度係数の大きいものを用いることもできる。この温度測定用端子２５ａ、２５ｂの形成は、温度測定用抵抗体２４の端部に設けられるとは限らない。例えば、図５Ａ〜５Ｅに示されるように、温度測定用抵抗体２４がＵ字状に１本で形成され、その途中のところから測定用リード２５ｅを介して温度測定用端子２５ｃ、２５ｄが形成され、さらに、両端部に接続される測定用端子２５ａ、２５ｂが形成されてもよい。そうすることにより、局部的な温度測定が可能となる。すなわち、測定用端子２５ａと測定用端子２５ｃを用いることにより、Ｕ字形の温度測定用抵抗体２４の測定端子２５ａ側の１／３程度の部分の温度が測定されるし、測定用端子２５ｃと測定用端子２５ｄとを用いて測定することにより、Ｕ字形のコーナ部近傍（第２の発熱抵抗体２２ｂの部分）の温度が測定される。さらに、測定用端子２５ｄと測定用端子２５ｂとを用いて測定することにより、温度測定用抵抗体２４の残り１／３程度の部分の温度が測定される。さらに、測定用端子２５ａと測定用端子２５ｂとで測定することにより、全体の平均の絶縁基板２１の温度が測定される。この測定用端子の数は、１／３程度の位置に限定されず、さらに細かく設けられてもよいし、粗く設けられてもよい。特に絶縁基板２１が大きい場合には、絶縁基板２１の位置により温度がばらつく可能性があるので、細かく測定点が設けられることが好ましい。この測定位置は、発熱抵抗体２２の近傍が好ましい。【0053】
なお、温度測定用抵抗体２４は、絶縁基板２１（第１加熱板２）の大きさ、または温度勾配をどの程度にするか、などの目的に応じて、形成される位置や測定端子２５の位置が設定される。【0054】
図５Ｂに示される例は、逆コ字状に発熱抵抗体２２が形成された例であり、第２の発熱抵抗体２２ｂの幅は、直線状部分の発熱抵抗体（第１の発熱抵抗体）２２ａの幅より小さく形成されている。前述のように、この部分での温度を第１の発熱抵抗体の部分よりも、より高くするためである。図５Ｂに示されるように、少なくともコーナ部の一部には、連結用導体２７ａが設けられることが好ましい。コーナ部では、道程が短く抵抗の小さい内側部分に電流が集中して、外周側の電流が少なくなり、均一な発熱をし難くなるからである。図５Ｂに示されるように、コーナ部の少なくとも一部に連結用導体（導体層）２７ａが設けられることにより、一定幅の発熱抵抗体２２を平行に流れた電流は、連結用導体２７ａでは全体に均一に電流が流れる。そのため、底部の第２の発熱抵抗体２２ｂでも均一に電流が流れ、さらに直線部分となる第１の発熱抵抗体２２ａにも全体を電流が均一に流れる。なお、図５Ｂに示される例では、電極２３等と連結用導体２７ａとが先に印刷形成され、その上に発熱抵抗体２２等が形成された例である。【0055】
しかし、この上下関係は逆でもよく、図５Ｃに示されるように、先に発熱抵抗体２２等が形成され、その後に電極２３および連結用導体２７ｂが形成されてもよい。連結用導体２７ａ、２７ｂが形成される部分は発熱抵抗体２２が無くてもよいが、有っても電流は抵抗の小さい連結用導体２７ａの部分を流れるので、構わない。【0056】
図５Ｄに示される例は、直線状の発熱抵抗体（第１の発熱抵抗体）２２ａの部分が切断されて連結用導体２７ｃで接続された例である。このような構造にすると、連結用導体２７ｃで連結された場所では、抵抗が殆ど無いため発熱は殆どしない。そのため、この近傍の温度は低下する。従って、電極２３が設けられている端部側にこのような連結用導体２７ｃが形成されることにより、このような連結用導体２７ｃが設けられていない側に比べて、連結用導体２７ｃが設けられた側の絶縁基板２１の温度が低くなる。その結果、絶縁基板２１に温度勾配が形成される。換言すると、前述のＵ字形状にされなくても、絶縁基板２１に温度勾配が形成される。なお、図示されていないが、２以上に分割された発熱抵抗体２２ｃと２２ｄとで、その幅を異ならせ、電極２３から遠くなる程その幅を小さくすることにより、より一層、絶縁基板２１に温度勾配が形成され得る。図５Ｄでは、第２の発熱抵抗体２２ｂが形成されているが、無くても温度勾配が形成され得る。この発熱抵抗体２２ａが切断され、連結用導体層２７ｃが形成されている場所は、１か所に限らず、複数か所に形成されてもよい。また、この場合も、連結用導体層２７ｃが形成されるだけで、発熱抵抗体２２ａは連続して形成されていてもよい。さらに、連結用導体２７ｃの形成は、発熱抵抗体２２ａの上側に形成されてもよい。【0057】
図５Ｅは、絶縁基板２１に温度勾配を形成するためのさらに他の例を示す図である。この例は、発熱抵抗体２２が、流路１２の方向に沿って直線状に形成された部分２２ｅを有し、直線状の部分２２ｅがテーパ状もしくは段階的に幅が細くなるように形成されることにより、吐出口１３側の温度が供給口側よりも高温になるように形成されている。具体的には、発熱抵抗体２２の幅が、一定ではなく、電極２３側で幅が広く、電極２３と反対側の端部側で発熱抵抗体２２の幅が狭く形成された発熱抵抗体２２ｅで形成されている。このような構造にしても、発熱抵抗体２２ｅが狭くなると、前述のように、直列抵抗値は大きくなるので、発熱量が大きくなる。すなわち、テーパ状の発熱抵抗体２２ｅの幅の狭い方の基板温度が上昇する。従って、この方式により温度勾配が形成されれば、第２の発熱抵抗体２２ｂは無くてもよいが、図５Ｅの例では、第２の発熱抵抗体２２ｂも形成されている。なお、その他の部分は前述の各例と同じであり、同じ部分には同じ符号を付してその説明が省略されている。【0058】
前述のように、発熱抵抗体２２の数や温度測定用抵抗体２４の数、また、温度測定用の測定端子の数などは、限定されない。流路構造体１の大きさおよび造形材料の融解温度に応じて、所望の温度に上昇することができるように、発熱抵抗体２２は、その数、または各発熱抵抗体２２の幅を調整することにより形成される。【0059】
このように絶縁基板２１の一面に発熱抵抗体２２、温度測定用抵抗体２４、電極２３および測定用端子２５が形成されることにより、第１加熱板２および図示しない第２加熱板が形成される。この第１加熱板２の表面側に図示しないガラス接着層を介してカバー基板２６が貼り付けられている。カバー基板２６は、絶縁基板２１よりも熱伝導率が小さくてもよいが、熱膨張率がほぼ同じ、または絶縁基板２１と同じ材料で同じ厚さであることが好ましい。一方でこの第１加熱板２で十分な発熱量が得られない場合には、この発熱抵抗体２２などが形成された絶縁基板２１を、絶縁体を挟んで向い合せて、またはそのまま同じ向きで重ね合せてその露出面にカバー基板２６が貼り付けられることにより形成される、多重加熱板が用いられてもよい。単に第１加熱板２を重ねることにより、熱量が増やされてもよい。そういう可能性のある場合には、このカバー基板２６は、絶縁基板２１と同程度の熱伝導率を持つことが好ましい。【0060】
図１Ａ〜１Ｃに示される例は、流路の側壁の第３側壁部１２３が流路構造体１の貫通孔の側壁で形成され、貫通孔の両端部が第１加熱板２の第１側壁１２１と閉塞板７の第２側壁１２２とで構成されていた。しかし、このような流路構造体１が用いられないで、第１加熱板２の絶縁基板２１またはカバー基板２６の一部に凹状の断面形状を有する溝２１ａが形成され、その開口部が閉塞板７または第２加熱板により閉塞されて流路１２が形成されてもよい。この場合、第１加熱板２に形成される溝２１ａ（図６参照）の周囲が流路１２の第１側壁部となり、閉塞板７により閉塞される部分が第２側壁部となる。その例が図６を参照して説明される。【0061】
図６は、前述の第１加熱板２の絶縁基板２１の裏面側を上にして描かれている。すなわち、絶縁基板２１の裏面に溝２１ａが形成されることにより、流路１２が形成され、その一端部側に細くされた吐出口１３が形成されている。この面に閉塞板７、または後述される薄板３１および第３加熱板４、または第２加熱板が接合されることにより、流路１２の第２側壁部が形成される。このような構造でも、流路１２の第１側壁部（コ字型部）が第１加熱板２により形成されているので、流路１２内の造形材料は、非常に効率よく加熱される。図６に示される例では、絶縁基板２１の裏面に溝２１ａが形成されたが、カバー基板２６またはカバー基板２６に代えて形成される保護板に流路用の溝が形成されてもよい。このようなセラミック板に溝を形成することは、例えば粉末化したセラミック材料が金型で加圧成形されてから焼結されるか、グリーンシートなどの加工しやすい状態で溝加工が行われ、その後に焼結されることにより行われる。また、流路１２を形成する溝の断面形状も矩形には限定されない。断面が、例えば円形の一部でもよい。【0062】
図１Ａ〜１Ｃに示される例は、造形材料を連続的に吐出する場合の吐出ヘッドの例であった。この場合には、バレル５内で、図示しないフィラメントなどの原材料を一定ピッチで送り出す装置により吐出量が定められ、所望の吐出口１３から所望の造形材料が吐出されて造形物に供給される。【0063】
図７Ａ〜７Ｂは、本発明の造形材料吐出ヘッドのさらに他の実施形態を示す図である。図７Ａでは、第１加熱板２が流路構造体１の左側に設けられているが、図１Ａと同じでもよい。この実施形態では、閉塞板７が薄板３１で形成され、その流路構造体１と反対側に流路１２（図８参照）を局部的に加熱し得る第３加熱板４が熱歪み発生部材３２を介して設けられている。第３加熱板４の瞬間的加熱（第３加熱板４での加熱は数ｍｓであるが、造形材料への熱作用は熱伝導を考慮すると数十ｍｓになる）により薄板３１の変形で流路１２内の造形材料を吐出し得る。熱歪み発生部材３２はなくても構わない。第３加熱板４は、後述されるが、流路１２が複数個あっても、個別の流路１２のみに熱作用を及ぼすように形成されている。このような第３加熱板４が設けられることにより、造形材料が融解型のものに限らず、３００〜４００ｎｍ程度の紫外線硬化性樹脂や４００ｎｍ以上の可視光で硬化する樹脂などの光硬化性樹脂であっても、必要な吐出口のみから、間欠的に造形材料が吐出され得る。光硬化性樹脂のように、加熱する必要のない場合には、第１加熱板２を発熱させなければそのまま使用され得る。そのような光硬化性樹脂を硬化させるために、ＬＥＤ８が吐出口１３の近傍に設けられている。ＬＥＤ８は、光硬化性樹脂を硬化させ得る波長の光であればよい。【0064】
すなわち、本発明の立体造形物の造形方法は、造形材料を吐出するための流路１２の一面を薄板３１で形成し、薄板３１の流路１２と反対側に第３加熱板４を配置し、第３加熱板４を用いて、特定の流路のみに瞬間的な熱作用を及ぼすことにより特定の流路１２の造形材料を吐出させることを特徴としている。この熱作用は、後述されるように、特定の流路内の造形材料の熱膨張または特定の流路１２に沿った薄板３１の熱膨張を局所的に起させることにより行われる。または、薄板３１と第３加熱板４との間に薄板３１とは熱膨張率の異なるピース３２（図１０Ａ参照）を設けることにより、またはバイメタルを設けることにより、第３加熱板４による加熱で熱膨張率の差に基づく熱歪みにより薄板３１を変形させ得る。【0065】
流路構造体１およびその取付板５への取付構造、並びに第１加熱板２の構造は、図１Ａ〜１Ｃに示される構造と殆ど同じであるが、図７Ａに示される流路構造体１は、図８に板状体１０の一例が示されるように、流路１２が６個並列に形成されている（図８では６個であるが、１２個程度形成され得る）。その結果、吐出口１３も、図７Ｂに吐出口１３側の平面図が示されるように、６個並列して形成されている。従って、板状体１０自体の大きさＣも大きく、幅Ｃは形成する流路１２の数に応じて定められるが、例えば、流路１２の数を１２個（図８では６個）として、６０ｍｍ程度の幅になる。吐出口１３を含めた流路の長さＡ、取付部１６の長さＢは、図３に示される例と同じであり、その詳細な説明は省略される。なお、図７Ａでは、流路構造体１の板状体１０ａ、１０ｂが２枚の板状体１０で形成されているが、本質的な差異ではない。３枚でもよいし、図１Ａの流路構造体１が２枚でもよい。４枚以上で形成されてもよい。この吐出ヘッドでは、取付板５にバレルは設けられておらず、材料供給口１４に通じる開口５１（図１１Ａ、図１２Ａ参照）が取付板５に形成されている。【0066】
すなわち、例えば流路１２が、図３や図８に示されるように、その流路１２の延びる方向と直角方向に複数個並列して形成され得る。そして、複数個の流路１２のそれぞれの第１側壁部が、第１加熱板２により形成され、複数個の流路のそれぞれの第２側壁部が、薄板３１により形成され、第３加熱板４が複数個の流路１２のうち、特定の流路１２のみを加熱するように形成され、第３加熱板４の瞬間的加熱により特定の流路１２のみから造形材料を吐出するように形成されている。【0067】
なお、板状体１０の大きさが図１Ａに示される例よりも大きく、それに伴い、第１加熱板２も大きく形成されている。すなわち、図９Ａ〜９Ｃに示されるように、図５Ａ等に形成される第１加熱板２の２個分が１枚の絶縁基板２１に形成されている。個々の発熱抵抗体２２などは、前述の例と同じであるので、その説明は省略される。なお、図９Ａでは、図面の明瞭化のため、温度測定用の測定端子が、全て２５のみで示されている。図９Ｃは、発熱抵抗体２２の形成例の他の構造を示している。絶縁基板２１の長手方向に沿って延びるように発熱抵抗体２２が形成されている。なお、図９Ｃでは、第３の発熱抵抗体２２ｆが、吐出口１３側で幅が広く高い熱量用として形成され、その反対側では幅が狭く、低い熱量用の第４の発熱抵抗体２２ｇが形成されている。しかし、材料などは、前述の例と同じであり、同じ部分には同じ符号を付して、その説明は省略される。【0068】
なお、前述の各例では、第１の発熱抵抗体２２ａと第２の発熱抵抗体２２ｂとが直列に接続されているため、発熱抵抗体の幅の狭い方の温度が高くなったが、この図９Ｃに示される例では、第３の発熱抵抗体２２ｆと第４の発熱抵抗体２２ｇとはそれぞれ別々に一対の電極２３に接続されている。従って、異なる電圧を印加することにより、第３の発熱抵抗体２２ｆの発熱量を大きくすることもできる。すなわち、図５Ａなどに示される第１加熱板２と同様に、絶縁基板２１の図の左端側が右端側よりも高い温度勾配になるように形成されている。さらに、この例では、第３の発熱抵抗体２２ｆおよび第４の発熱抵抗体２２ｇの中間部に共通端子２３ｂが形成され、半分ずつで、それぞれ別の電圧を印加できるようになっている。このようにすることにより、流路１２により発熱温度を制御することができ、流路に供給する造形材料の融解温度が異なる場合でも、同時に利用することもできる。この共通端子２３ｂは温度測定用抵抗体２４の中間点の共通端子と兼ねられている。この図９Ｃに示される発熱抵抗体２２の形状は、流路１２の数が多い場合に有効で、容易に吐出口１３側の第１加熱板２の温度を高くすることができる。【0069】
流路構造体１の他面側に設けられる第３加熱板４は、流路１２が複数個ある場合、流路１２ごとに外部からの信号により選択的パルス電流の印加などにより加熱することができるように形成されている。この第３加熱板４により特定の流路１２にパルス電圧が印加されると、その流路１２が薄板３１を介して加熱され、その流路１２の内部の造形材料が膨張する。その結果、その流路１２内の造形材料が押し出されてその流路１２の吐出口１３から造形材料が吐出される。すなわち、この例では、図７Ａに示される熱歪み発生部材３２（３）は不要である。換言すると、第３加熱板４により特定の流路１２内の造形材料または薄板３１の熱膨張による造形材料の体積増加または薄板３１の膨張による流路１２の体積変化に基づき流路１２内の造形材料を吐出することができる。【0070】
この場合、薄板３１が熱膨張率の大きい材料で形成されていれば、その流路に沿って膨張し、後述される熱歪み発生部材の場合と同様の変化で造形材料が吐出され得る。また、薄板３１の熱膨張率が大きくなくても、直接造形材料の温度が上昇すると、材料そのものの体積が増大する。その結果、流路１２内の造形材料は吐出口１３の方に押し出され、吐出口１３から造形材料が吐出される。この場合も第３加熱板４が瞬間的に発熱させられることにより、膨張が瞬時に起こり、発熱作用が解除されると温度が低下し、体積は元に戻る。その結果、いずれの方法によっても、瞬時に造形材料が吐出され、その後は吐出が止まる。なお、造形材料は常に造形材料供給口側から供給され、流路１２内で融解した造形材料または室温で流動状態の造形材料は、流路１２内に充満した状態を維持している。この造形材料は、フィラメントや棒状の材料であれば、バレルにより送り込まれるが、光硬化性樹脂の場合、その種類により粘度は異なるものの、いずれの場合も流動物であるため、吐出口１３を下側にセッティングすることにより、自重で流路１２内に充満される。もし、自重により落下しない場合は、加圧することにより、常に流路１２内に充満させることができる。また、樹脂や低融点の金属の場合でも、粉末状にすることにより、光硬化性樹脂などの粒状物と同様に自重による落下が可能となる。【0071】
一方、図７Ａに示されるように、薄板３１と第３加熱板４との間の薄板３１に熱歪み発生部材３（金属片または非金属片からなるピース３２；図１０Ａ参照）が貼り付けられてもよい。この熱歪み発生部材３は、例えば薄板３１と熱膨張率の異なる材料で、各流路１２に沿ったピース３２（図１０Ａ参照）などで形成される。このピース３２が加熱されると、薄板３１とピース３２との熱膨張率の差に基づき薄板３１に反りの変形が生じる。この場合、ピース３２の熱膨張率が薄板３１よりも大きいと、流路１２内に食い込むように薄板３１が変形するので、ピース３２の幅は流路の幅より狭いことが好ましい。逆にピース３２の方が薄板３１よりも熱膨張率が小さいと、薄板３１が外側に引っ張られるように変形が生じる。従って、この場合はピース３２の幅は制限されない。薄板３１が内側に食い込むように変形すれば、それに伴い流路１２内の造形材料は押し出される。また、外側に引っ張られても、第３加熱板４による加熱は瞬間的なパルス加熱であるため、直ちに加熱は止まり、薄板３１の変形は元に戻る。そのため、流路１２内の体積は、一旦大きくなりその後元に戻るため、元に戻る際に流路１２内の造形材料は押し出されて吐出口１３から吐出される。従って、薄板３１とピース３２との間の熱膨張率は、差があればよく、どちらが大きいという必要はない。この熱歪み発生部材３は、後に詳述されるように、薄板との間で熱膨張率の差を生じさせなくても、直接バイメタルが貼り付けられてもよい。その詳細例が図１０Ａ〜１０Ｅを参照して説明される。【0072】
図１０Ａには、ピース３２が設けられる構造例が示されている。図１０Ａには、また、第３加熱板４のヒータ４２がその位置を示すため二点鎖線で示されている。この薄板３１は、前述の図８に示される流路構造体１の複数の流路１２のそれぞれの一面を被覆するように貼り付けられている。すなわち、１枚の薄板３１が全ての流路１２の一面を閉塞するように形成されていることが製造上簡単で好ましい。この薄板３１は、例えば０.６ｍｍ程度の厚さの、アルミニウム合金板などからなる金属板でもよいし、変形しやすい多孔質セラミックスでもよいし、また、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの耐熱性絶縁フィルムでもよい。耐熱性があり、変形しやすく、熱を伝達しやすい材料であることが好ましい。【0073】
この薄板３１は、目的に応じて、熱膨張率が大きく変形しやすい材料、膨張率が小さくて変形しやすい材料など、種々の材料が用いられる。前者の例としては、例えば真鍮などの銅合金、アルミニウム合金（ジュラルミン）などで、熱膨張率（線膨張率）は２０〜３０ｐｐｍ／℃である。後者の例としては、Ｆｅ合金（Ｆｅ-Ｎｉ-Ｃｒの比率が異なる）、ステンレス鋼などの金属板で、線膨張率は６ｐｐｍ前後になる。非金属板でも構わない。この薄板３１は、目的に応じて、０.０５〜０.６ｍｍ厚程度のいずれかの厚さのものが用いられ得る。例えば熱歪み発生部材３としてのピース３２と共に、加熱により変形し得るように形成される場合には、薄板３１にピース３２が貼り合され、加熱されることにより、薄板３１とピース３２との熱膨張率の差に基づき薄板３１を変形させ、それに伴って流路１２内の造形材料を吐出させることができる。この場合には、薄板３１は第１ピース３２との熱膨張率の差が大きく、かつ、変形しやすい材料が選ばれる。例えば、薄板３１として、前述のアルミニウム合金板（線膨張率：２３ｐｐｍ／℃）または銅合金（線膨張率：約２０ｐｐｍ／℃）が用いられる場合、ピース３２として、０.１ｍｍ〜０.２ｍｍ厚程度の４２Ｆｅ-Ｎｉ合金板（線膨張率：６ｐｐｍ／℃）が用いられ得る。ここで、流路構造体１を構成する板状体１０は鉄合金が用いられている。なお、この薄板３１の熱膨張を利用しないで、例えば後述されるバイメタルを熱歪み発生部材３として貼り付けることもできる。この場合、薄板３１の熱膨張率は小さい方が好ましい。また、熱歪み発生部材３を設けないで、直接流路１２内の造形材料を加熱し膨張させるか、または薄板３１自身を熱膨張させて吐出することもできる。この場合には、この薄板３１は大きく変形しやすいものが好ましく、絶縁フィルムなどが用いられ得る。なお、薄板３１やピース３２として、金属の例が挙げられたが、金属に限らず、例えば半導体セラミックパッケージなどに用いられるセラミックスや、圧電材料などの無機物質板、石英ガラス（線膨張率：０.５ｐｐｍ／℃）などが用いられてもよい。【0074】
例えば流路１２が幅１ｍｍ×深さ１ｍｍ×長さ５ｍｍ＝５μｌ（マイクロリットル）＝５０００ｎｌ（ナノリットル）の場合に、吐出量（吐出口１３の大きさで定まる）が０.３ｍｍ×０.３ｍｍ×０.０５ｍｍ厚＝０.００４５ｍｍ3＝４.５ｎｌ（ナノリットル）であり、ＡＢＳの体積膨張率は１℃当たり（６〜１３）×１０-5であるので、１０×１０-5として１０℃で０.１％膨張する（流路１２内の１０％が１００℃上がったとすると平均１０℃の上昇）。従って、５０００ｎｌ×０.１％＝５ｎｌで、上記吐出量より多くなり、少量の吐出の場合には、造形材料の熱膨張だけで充分に吐出させることができる。【0075】
また、熱歪み発生部材３を構成するピース３２は、各流路１２に沿って形成されるが、図１０Ａに示される例では、その根元側（吐出口１３と反対側）が連結部３２ａにより連結されて、櫛歯状に形成されている。この根元側はヒータ４２の位置から離れているため、温度も殆ど上昇しない。そのため、薄板３１との熱膨張率差は生じない。一方、各流路１２に沿ってピース３２を貼り付けるのは手間がかかるが、連結部３２ａがあると、各流路１２に合せてピース３２を位置合せするのが非常に容易になる。従って、連結部３２ａの位置合せをしてピース３２が貼り付けられ得る。図１０Ａでは、流路構造体１の表面に薄板３１が貼り付けられ、その表面にピース３２が貼り付けられた状態が示されており、この上に設けられる第３加熱板４のヒータ４２の位置が二点鎖線で示されている。すなわち、ピース３２の先端部側が加熱されるようになっている。その結果、連結部３２ａの方は、第３加熱板４による温度上昇を殆どもたらさない。【0076】
図１０Ｂに示される例は、図１０Ａと同様の図であるが、ピース３２の根元側が連結部３２ａで連結されるだけではなく、各ピース３２の先端部側にハット部３２ｂが形成されている。このハット部３２ｂは連結されないで各流路１２に沿ったピース３２毎に独立して形成されている。このようなハット部３２ｂが形成されることにより、ピース３２と薄板３１との接着力が向上し、ヒートサイクルに対しても剥離が生じにくくなる。すなわち、第３加熱板４のヒータ４２の近傍では温度が上昇して熱膨張率差に基づく応力が発生する。そのため、剥離力が大きくなる。しかし、ハット部３２ｂではそれ程温度は上昇しないので、熱歪みによる応力が働きにくい。その結果、応力のかかりやすいピース３２の両端部が連結部３２ａとハット部３２ｂとでしっかりと固定される。すなわち、ピース３２の剥離力が抑制される。【0077】
図１０Ｃは、熱歪み発生部材３の他の実施形態を示す図である。すなわち、この例は、２種類の材料の熱膨張率差に基づく変形をピース３２と薄板３１の熱膨張率の差を利用しないで、前述のピース３２と第２のピース３３とで形成されている。この場合、薄板３１の熱膨張率は問題にしていないので、絶縁フィルムなど薄い有機フィルムが用いられ得る。この場合、ピース３２と第２のピース３３との熱膨張率の差に基づく変形が発生する。その変形により薄板３１が押し込まれたり、引っ張られたりすることにより、造形材料が吐出される。この場合、連結部３２ａで連結されないで、独立したピース３２でもよく、市販のバイメタルが用いられ得る。すなわち、熱歪み発生部材３が、熱膨張率の異なる少なくとも２種類の板材の接合により形成されるバイメタルからなり、そのバイメタルが流路１２に沿って薄板３１に接合されてもよい。この場合も、薄板３１が外側に引っ張られるような第２のピース３３またはバイメタルの貼り付けであれば、その幅に制限されないが、薄板３１が流路１２内に食い込む変形をする場合には、第２のピース３３またはバイメタルの幅を流路１２の幅より狭くすることが好ましい。また、この場合も、第２ピース３３は金属片に限らず、非金属片でも構わない。なお、熱歪み発生部材３は、熱膨張率の異なる２種類の材料を貼り合せるだけではなく、２種類の熱膨張率の異なる材料に限定されるものではない。その間に中間の熱膨張率を有する第３の板材が介在されていてもよく、種々の変形をなし得る。【0078】
図１０Ｄは、第３加熱板４の一例を説明する平面図である。この第３加熱板４は、詳細な図は示されていないが、前述の第１加熱板２と同様の構成で形成され得る。すなわち、第１加熱板２の絶縁基板２１と同様の絶縁基板４１上に、発熱抵抗体からなるヒータ４２が形成され、その両端部には第１導電端子４３と第２導電端子４４が形成されている。この第１導電端子４３および第２導電端子４４は、前述の電極２３とか測定用端子２５、連結端子２７と同様に、抵抗率の小さい材料が塗布されることにより形成されている。この図１０Ｄに示される例では、第１導電端子４３が複数の流路１２に沿って設けられるヒータ４２の各先端部を連結して共通電極として形成されている。そして第２導電端子４４は、それぞれ個別端子として導出され、個々の流路１２の単位で信号が印加され得る。なお、図１０Ｄにおいて、４５はヒータ４２、導電端子４３、４４の表面を被覆して保護するガラスなどからなる保護膜（図７Ａ〜７Ｂでも省略されている）の形成範囲である。このヒータ４２に印加される電圧が増やされることにより、吐出量が多くなる。また、発熱抵抗体（ヒータ４２）が２か所に形成され、加熱のタイミングがずらされることによっても吐出量が増加され得る。すなわち、第３加熱板４は、図１０Ｄに示されるように、第２絶縁基板４１上に発熱抵抗体４２が複数個の流路１２のそれぞれの流路１２に沿って形成され、特定の流路１２内に熱作用を生じさせるように形成されている。【0079】
前述の例では、ヒータ４２が１個で形成されていたが、図１０Ｅに示されるように、ヒータ（発熱抵抗体）４２が２個以上に分割され、それぞれの第１ヒータ４２ａ、第２ヒータ４２ｂに別々に独立して電圧が印加されてもよい。すなわち、図１０Ｅにおいて、４４ａは第３導電端子、４４ｂは第４導電端子であり、この例では、第１ヒータ４２ａと第２ヒータ４２ｂとが直列に接続された部分に第４導電端子４４ｂが接続されている。その結果、第１導電端子４３と第３導電端子４４ａとの間に電圧が印加されれば、前述の図１０Ｄに示される例と殆ど同じになる。しかし、第１導電端子４３と第４導電端子４４ｂとの間に電圧が印加されれば、第２のヒータ４２ｂのみが加熱される。また、第３導電端子４４ａと第４導電端子４４ｂとの間に電圧が印加されることにより、第１のヒータ４２ａのみが加熱される。この両者の電圧の印加を数ミリ秒〜数十ミリ秒の間隔をあけて連続的に電圧が印加され得る。このような信号電圧の印加により吐出量の種々の制御が行われ得る。【0080】
この第３加熱板４には、造形物の微小単位での造形材料の吐出の観点から、パルス電圧が印加されることが好ましい。このパルス電圧の印加時間は、数ｍ（ミリ）秒の非常に短い時間であるが、瞬間的にヒータ４２の温度が上昇し、その温度がピース３２に伝わり、ピース３２と薄板３１の間、またはピース３２と第２のピース３３との間で変形が生じる。薄板３１の変形により、吐出口１３から造形材料が吐出される。このパルス電圧の印加は、通常のサーマルプリンタなどの各画素の信号を印加するのと同様（例えば特開昭５７-９８３７３号公報）で、データはシリアルにシフトレジスタに入れられ、電圧の印加はパラレルアウトで必要箇所だけ通電することにより行われ得る。加熱量の制御は、このシフトレジスタとＡＮＤ回路の間にラッチ回路を入れて、パルス印加時間を変化させ得る。【0081】
前述の図８に示されるように、流路１２が複数列に形成されることにより、図７Ｂに示されるように、吐出口１３がライン状に並列したライン型吐出ヘッドが得られる。しかし、この吐出口１３は、１個の流路１２に１個とは限らない。すなわち、図１１Ａには、吐出口と反対側の造形材料を導入する取付板５側から見た図が、図１１Ｂには、図１１Ａの矢視Ｂから見た図が、図１１Ｃには、図１１Ｂの矢視Ｃ、すなわち吐出口１３側から見た図（層構造は示されないで簡略化した図）、がそれぞれ示されるように、小さい吐出口１３ａと大きい吐出口１３ｂが１個の流路１２に形成され、大きい吐出口１３ｂと小さい吐出口１３ａを交互にライン状に並列した吐出ヘッドが得られる。この吐出口１３の大きさ、形状はこの例に限定されない。任意の形状の組合せで形成される。なお、取付板５には、前述のように、バレルは取り付けられず、開口５１が流路１２の造形材料供給口１４に連通するように形成されている。この吐出口１３ａ、１３ｂは、両方同時に吐出する場合もあるし、いずれか一方から吐出するが、他方は閉塞される場合もある。この吐出口１３の分岐は、図１１Ｄに示されるように、同じ大きさの吐出口１３ｅ、１３ｆが流路１２の両側端部に形成される構造でもよい。【0082】
このように吐出口１３が形成されることにより、吐出口１３のピッチが狭くなり、より一層きめ細かい微細な造形物が作製され得る。なお、この吐出口１３ｅ、１３ｆは一列に形成されないで２列以上に形成されてもよい。流路構造体１の板状体１０の積層枚数を増やすことにより、１つの流路１２から一列ではない多数の吐出口１３が形成され得る。このように、流路１２の１個に対して複数個の吐出口１３が接続して形成されることにより、多彩な造形物が得られる。また、このような微細化は、吐出ヘッドをｘ方向にも半ピッチ程度動かす、いわゆるシャトル方式を採用することもできる。造形物テーブルはｙ方向やｚ方向にも移動することができる。そうすることにより、１回のｙ方向の移動で２層分積層することができるし、同様に３層以上も可能になり得る。【0083】
図１２Ａ〜１２Ｂは、図７Ａに示される流路構造体１が、図示しない熱伝導性部材または閉塞板を介して２個重ねられた吐出ヘッドの例である。この流路１２を構成する貫通孔の開口部には、前述の第１加熱板２および薄板３１等でそれぞれ閉塞される。その結果、開口５１も吐出口１３ａ、１３ｂも、それぞれ２列のライン状に形成された２列ラインヘッドが得られる。それぞれ図１１Ａと図１１Ｃと同様の図が示されている。この例では、吐出口１３の形成例の異なる２組の流路構造体１が２個重ねられている。なお、重ねる個数は２個には限定されず何個でもよい。これらの構成にすることにより、材料が異なる複数種類の造形材料または色の異なる複数の造形材料を用いることができる。さらに、１スキャンで多色、かつ、凹凸のある造形物の１層を形成することができる。【0084】
図１３Ａは、図７Ａに示される吐出ヘッドが２個、第１加熱板２側が対向するように、断熱板７１を挟んで接合された例である。なお、重ねる個数は２個には限定されない。このようにすることにより、図１３Ｃに吐出口１３ａ、１３ｃ側から見た平面図が示されるように、複数の吐出口１３を有するラインヘッドが２列に形成される。この造形材料吐出ヘッドは、ラインヘッドが２列に形成されるというだけではなく、図１３Ｃに示されるように、吐出口１３ａと吐出口１３ｃとで吐出口１３の大きさが変えられ得る。その結果、造形材料の吐出量が自由に変更され得る。さらに、２列のラインヘッドで、第１加熱板２が別々に設けられているので、それぞれのラインヘッドは異なる融解温度にされ得る。すなわち、異なる造形材料がその材料に合せて融解され得る。より一層種々の造形物が短時間で作製され得る。勿論、この２列で、吐出口１３ａ、１３ｃの大きさがさらに変えられてもよいし、第１加熱板２は発熱されないで、紫外線硬化樹脂と併用されてもよい。図１３Ａにおいて、８は紫外線硬化樹脂を硬化させるＬＥＤである。【0085】
図１３Ｂは、取付板５側から見た平面図である。図１３Ｂおよび図１３Ｃから明らかなように、この２列のラインヘッドでは、流路の位置が半ピッチずれるように形成されてもよい。吐出口１３も半ピッチずれて形成されている。このようにラインヘッドを複数列形成する場合に、半ピッチずらせた組合せがあると、ピッチ間に造形材料の不足分がなくなり精度の優れた造形物を作製することができる。これらの構成にすることにより、材料が異なる複数種類の造形材料または色の異なる複数の造形材料を用いることができる。さらに、１スキャンで多色、かつ、凹凸のある造形物の２層以上を形成することができる。この場合も、前述の図１１Ｃや図１１Ｄの場合と同様に、吐出口１３の数を増やすこともできるし、一列に吐出口１３を整列させる必要はない。また、吐出口１３が半ピッチずらされる必要もない。なお、図１３Ｂで５は取付板、５１は材料供給口に通じる開口である。また、このように複数列に吐出口１３の列が形成される場合、その列に応じて吐出口１３の鉛直方向の位置が容易に変えられる。２組の吐出ヘッドがずらせて接合されるだけで得られる。鉛直方向の位置が例えば１ｍｍ程度異ならせることにより、１回のスキャンで２層以上の造形物が形成され得るので、より一層早く造形物が作製され得る。【0086】
また、このように、流路１２の数が多く、吐出口１３がライン状に複数個形成されることにより、多色型の造形物などの場合でも簡単に作製され得る。さらに、主剤と硬化剤が別個に吐出されて混合されることも容易になる。図１４Ａに吐出ヘッドの図７Ａと同様の図が概略図で示されるように、流路構造体１の吐出口１３側の先端部は、流路１２の延びる方向に位置ずれが形成され、段差ｄを有し得る。２枚の板状体１０ａ、１０ｂの長さを変えておくことにより形成される。この段差は、流路構造体１が２個段差を有するように接合されて形成されてもよい。また、流路構造体１が段差を有しなくても、２個以上の吐出ヘッドが先端の吐出口１３に段差を有するように重ねて使用されてもよい。すなわち、吐出口が造形テーブルと交差する向きになるように複数列配列し、前記複数列の少なくとも２列で前記吐出口の列の鉛直方向の高さが異なり、前記吐出口の列の下に設けられる造形テーブルのｘ−ｙ方向の１回のスキャンにより少なくとも２層分の造形物を形成することができる。【0087】
この段差ｄは、例えば吐出された造形材料の高さが１ｍｍ程度であれば、この段差ｄも１ｍｍ程度にし、造形テーブルのスキャンの方向が長い板状体１０ａの方向から短い板状体１０ｂの方向に造形物がスキャンされるようにすることにより、連続的に造形材料を吐出する場合でも、吐出された造形材料が吐出ヘッドで削られることはない。その結果、綺麗な造形物が形成され得る。逆に吐出した造形材料の頭を削り取るように段差が形成されてもよい。そうすれば表面が平坦で綺麗な造形物が作製され得る。このような形状にするのは、材料の性質、粘度などを変える場合に、次の層を付着しやすい平面にしたり、吐出しやすくしたり、付着しやすくしたりするために行われる。また、吐出物が一定の厚さを保つようにしたり、窪みの間隔を保ったりするなど、吐出物をある程度加工できるようにするためである。【0088】
また、段差ではなく、図１４Ｂに示されるように、２枚の板状体１０ａ、１０ｂが斜め方向に切断された構造にされてもよい。そうすることによっても、同様に吐出した造形材料の吐出ヘッドによる欠落が防止される。なお、図１４Ｂおよび図１４Ｃでは、吐出口１３の部分のみが示されている。さらに、図１４Ｃに示される例は、段差が２枚の板状体１０ａ、１０ｂの間で形成されるのではなく、１枚目の板状体１０ａの半分程度の厚さともう１枚の板状体１０ｂの全体が凹ませた形状になっている。造形材料の吐出量が多い場合には、吐出された造形材料の広がり余地が確保され得る。なお、図１４Ａで、５５は隣接する流路１２用の造形材料が交じり合わないようにする筒状部である。また、第１加熱板２や第３加熱板４などは概念的に示されている。【0089】
さらに、図示されてはいないが、吐出ヘッドの先端部が造形物に対して、直角ではなく、傾けた状態で造形材料を吐出させながら、相対的にスキャンされてもよい。そうすることにより、連続的に造形材料が吐出される場合でも、前述の段差が付けられたり、先端部が斜めにカットされたりしたのと同様の効果を発揮する。厚さの厚い造形物を得やすくなる。要するに、造形物の形状に合せて吐出ヘッドの先端部の形状が変えられたり、設置の角度が調整されたりすることにより、厚い造形物でも効率よく形成され得る。【0090】
この実施形態によれば、第３加熱板４により、複数の吐出口１３の特定の吐出口１３から適宜造形材料が吐出され得るので、例えば造形テーブルをスキャンしながら、造形物の特定の場所のみに造形材料を吐出することができる。また、吐出口が複数個形成されることにより、造形物の２か所以上を同時に形成することができる。さらに、複数個の吐出口が形成されることにより、吐出口の大きさを変えて吐出量を変化させることも可能になる。また、種々の色の造形材料を吐出することもできる。すなわち、造形材料を吐出後に混合することもできるし、予め混合した種々の色や材料からなる造形材料を準備しておくことにより、それぞれ別の吐出口から所望の場所に所望の造形材料が吐出され得る。その結果、大きな造形物でも自在に短時間で製造され得る。【0091】
また、ライン状に複数個の吐出口が形成された吐出ヘッドが複数個並置されることにより、さらに吐出口の数が増え、１回のスキャンで一度に多数の場所に造形物が形成され得る。このような構造であれば、２液性の樹脂を用い、樹脂主剤が一列目の吐出口により吐出され、次の列の吐出口から硬化剤が吐出されることにより、反応硬化させることもできる。さらに複数列の吐出ヘッドの吐出口の鉛直方向の位置が列ごとにずらされることにより、吐出口の低い位置のヘッドで造形材料が吐出された後に、高い位置の吐出口の列で同じスキャンの工程で造形材料が吐出されることにより、１回のスキャンで２層以上の造形物が形成され得る。その結果、大きな造形物でも、非常に短時間で形成され得る。【0092】
第１加熱板２が吐出口１３側で供給口側よりも温度が高くなるように温度勾配が形成されることにより、常に吐出口１３側の方が融解した状態になるため、流路１２内への薄板３１の変形により、または造形材料の熱膨張により押出しの力が加わった場合に、吐出口１３側に押し出されやすくなる。【0093】
本発明の熱歪み発生部材による薄板の変形による造形材料の吐出または流路内の造形材料の温度を上昇させることによる造形材料の吐出の方法によれば、瞬間的に造形材料の吐出を制御することができるので、造形テーブルをスキャンさせながら造形材料を吐出させることができるので、大きな造形物でも、非常に容易に作製することができる。【0094】
さらに、本発明の複数列に形成されるライン状ヘッドの列ごとに吐出口の高さを変えて吐出させる方法によれば、１回のスキャンで２層以上の造形物を形成することができるので、大きな造形物でも非常に短時間で作製することができる。なお、各層の厚さを変えることもできる。【0095】
図１Ａなどに示される吐出ヘッドの温度制御手段（駆動回路）が図１５に示されている。すなわち、この駆動回路は直流または交流の電源３９０で駆動する例で電源３９０としては、電池、商用電源または商用電源３９０をトランスなどにより電圧や印加時間を調整して、印加電力を調整する調整部３７０を介して発熱抵抗体２２に接続される電極２３（図Ａ参照）に駆動電力が供給されるようになっている。その結果、交流電源をそのまま使用することもでき、商用の交流電源３９０により供給される電圧は、電力の調整部３７０により調整され、所望の温度になるように調整される。その結果、直流電源が不要で、電源冷却ファンも不要になる。しかし、電池による直流電源が用いられてもよい。また、図示されていないが、パルスを印加するパルス駆動により加熱がされてもよい。その場合、電圧を変える以外にもデューティサイクルを変えることにより印加電力が調整され得る。その温度は、温度測定用抵抗体２４を利用して、定電流回路３５０により測定用電源３１０の電流を一定にして供給される電流と、温度測定用抵抗体２４の両端の電圧Ｖの測定により、その時点の温度測定用抵抗体２４の抵抗値が分る。その抵抗値の変化により温度測定用抵抗体２４、すなわち絶縁基板２１（図１Ａ参照）の温度が測定されて、その温度により電力の調整部３７０で印加電圧などが調整され得る。調整部３７０は、特に複数の発熱抵抗体２２が並べて加熱される場合に、各発熱抵抗体２２の温度が均一にされる。または複数の発熱抵抗体２２で、温度を異ならせる場合に有効である。そのため、複数の温度測定用抵抗体２４が設けられている場合には、それぞれ別々にその近傍の温度が測定され、各発熱抵抗体２２で印加電圧などが調整されることが好ましい。【0096】
この温度測定の原理を、もう少し詳しくした図１６を参照しながら説明する。例えば直流電源からなる測定用電源３１０の両端に定電流回路ＣＣＲ（current controlled regulator）３５０が温度測定用抵抗体２４と直列に接続される。そして、温度測定用抵抗体２４の両端の電圧Ｖが測定され、温度検出手段３３０により、その電圧を定電流で割り算することにより、温度測定用抵抗体２４のその時点での抵抗値が分り、予め分っている温度測定用抵抗体２４の温度係数（材料により定まる）とから温度が算出される。その検出温度に応じて、制御手段３６０から調整部３７により発熱抵抗体２２の両端に印加する電力が制御されることにより、絶縁基板２１の温度が所定の温度に維持される。この制御手段３６０による発熱用抵抗体２２の温度制御は、前述のように、印加電圧をパルスにして、そのパルスのデューティサイクルが変えられてもよいし、電圧そのものが変化されてもよい。図１６に示される例では、定電流回路３５０が設けられたが、それに代えて、温度が変化しない場所に基準抵抗が設けられ、その基準抵抗の電圧が測定されることにより、電流が求められ、温度測定用抵抗体２２の両端の電圧が測定されてもよい。また、温度測定用電源３１０は、直流電源とは限らない。交流でもパルス的に定電流が得られる。【符号の説明】
【0097】
１ 流路構造体２ 第１加熱板
３ 熱歪み発生部材
４ 第３加熱板
５ 取付板
６ バレル
７ 閉塞板
８ ＬＥＤ
９ 組立板
１０ 板状体
１２ 流路
１３ 吐出口
１４ 導入口
１５ 溝
１６ 取付部
２１ 絶縁基板
２２ 発熱抵抗体
２２ａ 直線状発熱抵抗体（第１の発熱抵抗体）
２２ｂ 第２の発熱抵抗体
２３ 電極
２４ 温度測定用抵抗体
２５ａ〜２５ｄ 測定用端子
２５ｅ 温度測定用リード
２６ カバー基板
２７ 発熱抵抗体用リード
２８ 温度測定用リード
２７ａ〜２７ｄ 連結用導体
５５ 筒状部
７１ 断熱板
【要約】
板材などの非常に安価な材料で、しかも容易に作製することができる流路構造体を用い、粘度の大きい材料でも、所定量の造形材料を所定の場所に吐出することができる造形材料吐出ヘッドを提供する。造形材料を流動させる流路を形成する側壁の一部である第１側壁部（１２１）を構成すると共に、流路内の造形材料を加熱する第１加熱板（２）と、第１側壁部（１２１）以外の側壁の一部である第２側壁部（１２２）を構成する閉塞板（７）と、流路と連通し、流路の一端部側に形成される吐出口と、流路と連通し、流路の他端部側に形成される材料供給口を具備している。