JP6882878B2 - 三次元造形装置 - Google Patents

Description

この発明は、素材をノズルから吐出して硬化させ、これを堆積することによって任意の造形物を成形する三次元造形装置に関する。

三次元造形方式として、熱に溶ける樹脂を一層ずつ積み上げて成形する熱融解積層方式（例えば特許文献１）、および液状の紫外線硬化樹脂を噴射しそれらに紫外線を照射して硬化させるインクジェット方式（例えば特許文献２）がある。これらの他にも、光造形方式、粉末焼結造形方式、粉末石膏造形方式等がある。これらの造形方式は、いずれもノズルから出す素材を水平面上に対して１方向（主に垂直方向）に堆積させて三次元造形を行う。

特開２０１５−１４７４１４号公報 特開２００５−０５９２８９号公報

従来の三次元造形装置は、造形方式が前記各三次元造形方式のいずれであっても、造形物が突き出た部分を有する場合、成形中に形が崩れないように突き出た部分の下側にサポート部を設ける必要がある。造形物の形状が複雑になるほど、多くのサポート部と必要なる。サポート部を設けた場合、造形後にサポート部を除去する作業が必要になる。また、サポート部を除去した跡の表面が粗くなるといった問題もある。さらに、サポート部は成形終了後に廃棄されるため、コストアップに繋がるだけでなく、環境面でも好ましくない。

この発明の目的は、サポート部を設けることなく、または少ないサポート部で造形物を成形することができ、複雑な形状も高速で成形することができ、かつ表面をきれいに成形することができる三次元造形装置を提供することである。

この発明における三次元造形装置は、流動性を有する素材を吐出ヘッドのノズルから吐出して造形テーブル上で硬化させる動作を、前記吐出ヘッドおよび前記造形テーブルの相対位置を変えながら繰り返し行うことで、硬化した前記素材が積層状に重なって形作られる造形物を成形する三次元造形装置であって、
前記吐出ヘッドに対して前記造形テーブルを相対的に直交３軸方向に動かす直動機構と、前記吐出ヘッドに対して前記造形テーブルを相対的に傾ける回転ユニットとを備えることを特徴とする。

この構成によると、直動機構により吐出ヘッドに対して造形テーブルを相対的に直交３軸方向に動かすと共に、回転ユニットにより吐出ヘッドに対して造形テーブルを相対的に回転させながら、吐出ヘッドのノズルから素材を吐出する。吐出された素材は、造形テーブル上で硬化する。吐出ノズルに対する造形テーブルの位置および角度を調整して、硬化した素材を積層状に堆積させることで、所定の形状の造形物が成形される。

吐出ヘッドに対して造形テーブルを相対的に１以上の回転自由度で回転させる回転ユニットが設けられているため、水平に設けられた造形テーブル上に素材を堆積して造形物を成形するだけでなく、傾いた造形テーブル上に素材を堆積して造形物を成形することができる。例えば、造形物が突き出た部分を有する場合、その突き出た方向に対して造形テーブルの造形物が成形される面である造形面が直交するように、回転ユニットにより造形テーブルを傾けることにより、突き出し方向に素材を堆積することができる。突き出し方向に素材を堆積すると成形中に形が崩れ難いため、突き出た部分を支えるためのサポート部が不要であるか、またはサポート部が少なくて済む。その結果、サポート部の除去作業が不要となるか、または除去作業の時間を大幅に短縮できる。また、サポート部を除去した跡の表面が粗くなることを大幅に解消できる。

また、垂直多関節ロボットや水平多関節ロボットのように、回転機構の組み合わせにより広い範囲を高速で動作させる機構を用いた三次元造形装置とは異なり、この構成では、直線運動を直動機構、回転運動を回転ユニットで行うため、三次元造形装置全体の動作の無駄な動きが少なくスムーズに動作させることができる。これにより、三次元造形装置がコンパクトな構成になり、造形時間を短縮でき、さらに複雑な形状の造形物の造形時でもスムーズに動作させることができる。

さらに、回転ユニットにより造形テーブルが動く方向と、直動機構により吐出ヘッドを動かす方向とがほぼ同じであるため、直動機構のストロークを短くでき、三次元造形装置全体の水平方向寸法を小さくできる。

この発明において、前記回転ユニットは２回転自由度を有していてもよい。
回転ユニットが２回転自由度を有すると、吐出ヘッドに対して造形テーブルを一方向だけでなく、円周のすべての方向に傾けることができる。このため、円周の様々な方向に突き出た部分を成形することができ，形状が複雑な造形物を成形することが可能となる。

前記回転ユニットは２回転自由度のリンク作動装置であってもよい。リンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用アクチュエータが設けられた構成とする。そして、前記先端側のリンクハブに前記造形テーブルを設置する。

リンク作動装置は、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸周りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。また、リンク作動装置は、可動範囲内において特異点を持たないスムーズな動作が可能である。

回転ユニットとして上記リンク作動装置を用いると、以下の利点である。
・姿勢制御用アクチュエータをすべてリンク作動装置の固定側に配置できるため、造形テーブルを含む可動部が軽量になり、高速で造形テーブルの姿勢を変更することができる。
・リンク作動装置はコンパクトに構成できるため、三次元造形装置をコンパクトに構成することができる。
・リンク作動装置は広い可動範囲を持つため、造形テーブルに対して様々な角度から素材を堆積することができる。つまり、造形テーブルの造形面上に中心が位置する仮想の球面を想定した場合、この仮想の球面における造形面側の半球のすべての方向から素材を吐出して、造形テーブルに対して素材を堆積することができる。
・リンク作動装置は様々な方向にスムーズな動作が可能であるため、複雑な形状の造形物もきれいに成形できる。

この発明において、前記吐出ヘッドは位置および姿勢が固定され、かつ、前記造形テーブルは前記造形物が成形される面である造形面が上向きとなるように前記回転ユニットに設置され、この回転ユニットが前記直動機構に搭載されていてもよい。
吐出ヘッドの位置および姿勢が固定されていると、素材を送る配管を固定できるため、吐出ヘッドのノズルから素材を安定して吐出させることができる。また、造形面が上向きであると、造形テーブル上に素材を堆積させ易い。

前記回転ユニットである前記リンク作動装置は、前記基端側のリンクハブよりも前記先端側のリンクハブが下側に位置するように配置され、前記造形テーブルが前記３組以上のリンク機構の内側空間に配置され、前記吐出ヘッドの一部または全体が前記基端側のリンクハブに設けられた貫通孔を通して前記内側空間に挿入されていてもよい。
この構成であると、吐出ヘッドと造形テーブルとの相対移動範囲が狭いので、比較的小さいものしか成形できないが、直動機構の各軸のストロークが小さくなるため、三次元造形装置の全体をコンパクトになる。それにより、コスト低減に繋がる。

この発明の三次元造形装置は、熱融解積層方式により造形物を成形する方式であってもよい。
熱融解積層方式は、熱に溶ける樹脂を一層ずつ積み上げて成形する方法である。このように成形するため、造形テーブルを液剤等に浸す必要がなく、樹脂を固めながら様々な方向に素材を堆積できる。このため、熱融解積層方式は、種々の造形方式の中でもこの発明の三次元造形装置に用いるのに適する。

この発明の三次元造形装置は、流動性を有する素材を吐出ヘッドのノズルから吐出して造形テーブル上で硬化させる動作を、前記吐出ヘッドおよび前記造形テーブルの相対位置を変えながら繰り返し行うことで、硬化した前記素材が積層状に重なって形作られる造形物を成形する三次元造形装置であって、前記吐出ヘッドに対して前記造形テーブルを相対的に直交３軸方向に動かす直動機構と、前記吐出ヘッドに対して前記造形テーブルを相対的に傾ける回転ユニットとを備えるため、サポート部を設けることなく、または少ないサポート部で造形物を成形することができ、複雑な形状も高速で成形することができ、かつ表面をきれいに成形することができる。

この発明の第１の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。 （Ａ）は同三次元造形装置の回転ユニットの正面図、（Ｂ）はその側面図である。 （Ａ）は造形物の一例を示す図、（Ｂ）は同造形物を従来の造形方法で成形する場合における成形途中の造形物を示す図である。 図１の三次元造形装置を用いて行う造形方法の説明図その１である。 同造形方法の説明図その２である。 同造形方法の説明図その３である。 同造形方法の説明図その４である。 同造形方法の説明図その５である。 同造形方法の説明図その６である。 この発明の第２の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。 同三次元造形装置の回転ユニットであるリンク作動御装置の一部を断面で表した正面図である。 同リンク作動装置のパラレルリンク機構の一状態を示す図である。 同パラレルリンク機構の異なる状態を示す図である。 図１１のXIV−XIV断面図である。 同リンク作動装置の１つのリンク機構を直線で表現した図である。 この発明の第３の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。 この発明の第４の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。 この発明の第５の実施形態にかかる三次元造形装置の一状態の概略構成を示す正面図である。 同三次元造形装置の他の状態の概略構成を示す正面図である。 同三次元造形装置の回転ユニットであるリンク作動装置の一部を省略した正面図である。 （Ａ）は図２０のXXIＡ−XXIＡ断面図、（Ｂ）はその部分拡大図である。 この発明の第６の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。

この発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。この三次元造形装置１は、熱融解積層方式により造形物を成形する装置であって、熱により融解して流動性を有する素材を吐出ヘッド２のノズル２ａから吐出して、造形テーブル３の上で硬化させる。この動作を、吐出ヘッド２および造形テーブル３の相対位置を変えながら繰り返し行うことで、硬化した素材が積層状に重なって形作られる造形物を成形する。素材としては、例えば熱に溶ける性質を有する樹脂が用いられる。

三次元造形装置１は、脚付きで正面形状が長方形のボックス形の架台４を備える。この架台４の下部に、直交３軸方向に可動の直動機構５が設置されている。直動機構５には、１回転自由度の回転ユニット６が搭載されている。そして、回転ユニット６に前記造形テーブル３が設けられている。

架台４の上面部４ａに、前記吐出ヘッド２がヘッド固定部材７を介して固定されている。吐出ヘッド２はボルト等で上板部４ａに固定されており、上板部４ａに対して上方に脱着できるようになっている。また、架台４の上面部４ａの上面に、造形物のモデル材である素材の入った素材タンク８が設置されている。そして、この素材タンク８と吐出ヘッド２とが、素材供給チューブ９を介して繋がっている。素材供給チューブ９は、素材タンク８内の素材を吐出ヘッド２へ送る配管である。素材タンク８は、架台４の内側に設置してもよく、また三次元造形装置１とは別に設置してもよい。

前記直動機構５は、上下方向（Ｚ軸方向）に可動のＺ軸直動部１１と、左右方向（Ｘ軸方向）に可動のＸ軸直動部１２と、前後方向（Ｙ軸方向）に可動のＹ軸直動部１３とからなる。各直動部１１，１２，１３は互いに連結していて、直動機構５がユニット化されている。

Ｚ軸直動部１１は、ボールねじ機構を用いた構成である。すなわち、架台４の底面部４ｂから上方に延びる複数のシャフト１５に、リニアブッシュ１６を介してＺ軸ステージ１７が昇降可能に案内されている。各シャフト１５は、シャフト支持部材１８によって架台４の底面部４ｂに支持されている。Ｚ軸ステージ１７は、左右方向に長い平板状である。また、架台４の底面部４ｂにモータ１９が取り付けられ、このモータ１９によって回転させられるねじ軸２０が前記シャフト１５と平行に上方に延びている。ねじ軸２０は、軸受ユニット２１により回転自在に支持されている。そして、ねじ軸２０に、Ｚ軸ステージ１７に設けられたナット２２が螺合している。この構成によると、モータ１９でねじ軸２０を回転させることで、Ｚ軸ステージ１７が各シャフト１５に案内されながら昇降する。

Ｘ軸直動部１２は、Ｚ軸ステージ１７の上に設置された直動アクチュエータからなり、モータ２３の駆動によりＸ軸ステージ２４が左右方向（Ｘ軸方向）に進退する。Ｙ軸直動部１３は、Ｘ軸ステージ２４の上に設置された直動アクチュエータからなり、モータ（図示せず）の駆動によりＹ軸ステージ２５が前後方向（Ｙ軸方向）に進退する。Ｙ軸ステージ２５は、直動機構５の出力部である。そして、Ｙ軸ステージ２５に前記回転ユニット６が設置されている。

図２（Ａ），（Ｂ）は回転ユニット６の正面図と平面図である。回転ユニット６は、Ｙ軸ステージ２５（図１）にモータ固定部材２７が固定され、このモータ固定部材２７にモータ２８が取り付けられている。モータ固定部材２７は側面形状がＬ字形で、その一辺２７ａがＹ軸ステージ２５（図１）に固定され、他辺２７ｂにモータ２８が取り付けられている。モータ２８の出力軸２８ａは前後方向に延びており、この出力軸２８ａに連結部材２９を介して造形テーブル３が取り付けられている。

この三次元造形装置１の作用を説明する。
この三次元造形装置１によると、直動機構５により吐出ヘッド２に対して造形テーブル３を相対的に直交３軸方向に動かすと共に、回転ユニット６により吐出ヘッド２に対して造形テーブル３を相対的に回転させながら、吐出ヘッド２のノズル２ａから素材を吐出する。吐出された素材が造形テーブル３の上で硬化し、その硬化した素材が積層状に堆積していくことで造形物が成形される。直動機構５、回転ユニット６、および吐出ヘッド２が互いに連係して動作するように、図示しない制御装置によって制御される。

図３（Ａ）に示す形状の造形物Ｍを成形する場合を例にとって、造形方法を具体的に説明する。なお、造形物Ｍの奥行き方向の厚さは一定とする。

まず、図４のように、造形テーブル３を水平にし、その造形テーブル３の造形面３ａが吐出ヘッド２のノズル２ａの真下に位置するように、直動機構５により位置調整する。造形面３ａは、造形物が成形される面のことであり、この例では上面である。そして、目的の造形物の形状に合わせて造形テーブル３を前後左右に動かしながら、ノズル２ａから素材を吐出する。この動作を、造形テーブル３を少しずつ下げながら繰り返し行うことにより、図５のように、造形テーブル３の上に素材が造形物ＭのＡ部（図３参照）の形状に堆積される。吐出ヘッド２の位置および姿勢が固定されており、素材供給チューブ９が固定されているため、吐出ヘッド２のノズル２ａから素材を安定して吐出させることができる。

素材が固まった後、図６のように、造形テーブル３を時計回りに９０°回転させると共に、造形テーブル３を垂直方向に位置決めする。そして、前記同様に、造形テーブル３の水平移動と下降を行いながらノズル２ａから素材を吐出することにより、図７のように、造形物ＭのＢ部（図３参照）を成形する。

素材が固まった後、図８のように、造形テーブル３を反時計回りに１３５°回転させて造形テーブル３を斜め４５°の姿勢にすると共に、造形テーブル３を垂直方向に位置決めする。そして、前記同様に、造形テーブル３の水平移動と下降を行いながらノズル２ａから素材を吐出することにより、図９のように、造形物ＭのＣ部（図３参照）を成形する。これにより、図３（Ａ）に示す造形物Ｍが形作られる。

上記のようにして、熱融解積層方式により造形物を成形する。熱融解積層方式は熱に溶ける樹脂を一層ずつ積み上げて成形する方法であるため、造形テーブル３を液剤等に浸す必要がなく、樹脂を固めながら様々な方向に素材を堆積できる。このため、熱融解積層方式は、種々の造形方式の中でも三次元造形装置に適用するのに適する。

この三次元造形装置１は、吐出ヘッド２に対して造形テーブル３を相対的に回転させる回転ユニット６が設けられているため、水平面上に素材を堆積して造形物を成形するだけでなく、傾いた平面上に対して素材を堆積して造形物を成形することができる。このため、図３（Ａ）のように造形物Ｍが突き出た部分（Ｂ部、Ｃ部）を有する場合、その突き出た方向と直交する平面を作成し、回転ユニット６により造形テーブル３を傾け、作成した平面に対して突き出し方向に素材を重ねていくことができる。

従来の装置を用いて図３（Ａ）の造形物Ｍを成形する場合、造形中に突き出た部分（Ｂ部、Ｃ部）の形が崩れないように、図３（Ｂ）に示すように、突き出た部分の下部にサポート部（Ｄ部、Ｅ部）を設けて成形する必要がある。サポート部は後で除去される。これに対し、この発明の三次元造形装置１を用いる場合、突き出し方向に素材を堆積することで、造形中に形が崩れ難いため、サポート部が不要であるか、またはサポート部が少なくて済む。その結果、サポート部の除去作業が不要となるか、または除去作業の時間を大幅に短縮できる。また、サポート部を除去した跡の表面が粗くなることを大幅に解消できる。

また、垂直多関節ロボットや水平多関節ロボットのように、回転機構の組み合わせにより広い範囲を高速で動作させる機構を用いた三次元造形装置とは異なり、この構成では、直線運動を直動機構５、回転運動を回転ユニット６で行うため、三次元造形装置１の全体の動作の無駄な動きが少なくスムーズに動作させることができる。これにより、三次元造形装置１がコンパクトな構成になり、造形時間を短縮でき、さらに複雑な形状の造形物の造形時でもスムーズに動作させることができる。

さらに、回転ユニット６により造形テーブル３が動く方向と、直動機構５により吐出ヘッド２を動かす方向とがほぼ同じであるため、直動機構５のＸ軸直動部１２およびのＹ軸直動部１３のストロークを短くできる。これにより、三次元造形装置１の全体の水平方向寸法を小さくできる。

［第２の実施形態］
図１０は、第２の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。この三次元造形装置１は、回転ユニット６が２回転自由度のリンク作動装置Ｌからなる。他は前記第１の実施形態と同じである。構成が第１の実施形態と同じ箇所については、同一符号を付けて表し、説明を省略する。

図１１に示すように、リンク作動装置Ｌは、パラレルリンク機構３０と、このパラレルリンク機構３０を作動させる複数の姿勢制御用アクチュエータ３１とで構成される。図１２および図１３は、パラレルリンク機構３０だけを取り出して表わした斜視図であり、互いに異なる状態を示している。これら図１１〜図１３に示すように、パラレルリンク機構３０は、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３を３組のリンク機構３４を介して姿勢変更可能に連結してなる。なお、図１１では、１組のリンク機構３４のみが示されている。リンク機構３４の数は、４組以上であってもよい。

各リンク機構３４は、基端側の端部リンク部材３５、先端側の端部リンク部材３６、および中央リンク部材３７で構成され、４つの回転対偶からなる４節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ３２および先端側のリンクハブ３３に回転自在に連結されている。中央リンク部材３７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。

パラレルリンク機構３０は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造であって、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶、および端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ（図１１）で交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γ（図１１）を持っていてもよいし、平行であってもよい。

図１４は図１１のXIV−XIV断面図であって、同図に、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５の各回転対偶の中心軸Ｏ１と、中央リンク部材３７と基端側の端部リンク部材３５の各回転対偶の中心軸Ｏ２と、基端側の球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。つまり、中心軸Ｏ１と中心軸Ｏ２とが交差する点が球面リンク中心ＰＡである。先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６の形状ならびに位置関係も図１４と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ３２（３３）と端部リンク部材３５（３６）との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材３５（３６）と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、前記角度αは９０°以外であってもよい。

３組のリンク機構３４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図１５に示すように、各リンク部材３５，３６，３７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材３７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図１５は、一組のリンク機構３４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構３０は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６との位置関係が、中央リンク部材３７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。各中央リンク部材３７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。

基端側のリンクハブ３２と先端側のリンクハブ３３と３組のリンク機構３４とで、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３が直交２軸回りに回転自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ３２に対して先端側のリンクハブ３３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の可動範囲を広くとれる。

例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図１４）と直角に交わる直線をリンクハブ３２，３３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図１５）の最大値を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の旋回角φ（図１５）を０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。

基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図１２は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図１３は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離ｌ（図１５）は変化しない。

各リンク機構３４が次の各条件を満たす場合、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６とは同じに動く。よって、パラレルリンク機構３０は、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合、基端側と先端側は同じ回転角になって等速で回転する等速自在継手として機能する。
条件１：各リンク機構３４におけるリンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６との回転対偶の中心軸Ｏ１の角度および長さが互いに等しい。
条件２：リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６との回転対偶の中心軸Ｏ１および端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７との回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢで交差する。
条件３：基端側の端部リンク部材３５と先端側の端部リンク部材３６の幾何学的形状が等しい。
条件４：中央リンク部材３７における基端側部分と先端側部分の幾何学的形状が等しい。
条件５：中央リンク部材３７の対称面に対して、中央リンク部材３７と端部リンク部材３５，３６との角度位置関係が基端側と先端側とで同じである。

図１１〜図１３に示すように、基端側のリンクハブ３２は、基端部材４０と、この基端部材４０と一体に設けられた３個の回転軸連結部材４１とで構成される。図１４に示すように、基端部材４０は中央部に円形の貫通孔４０ａを有し、この貫通孔４０ａの周囲に３個の回転軸連結部材４１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔４０ａの中心は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡ（図１１）上に位置する。各回転軸連結部材４１には、軸心が基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと交差する回転軸４２が回転自在に連結されている。この回転軸４２に、基端側の端部リンク部材３５の一端が連結される。

図１４に示すように、回転軸４２は、２個の軸受４３を介して回転軸連結部材４１に回転自在に支持されている。軸受４３は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。これらの軸受４３は、回転軸連結部材４１に設けられた内径孔４４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。他の回転対偶部に設けられる軸受の種類および設置方法も同様である。

回転軸４２には、この回転軸４２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材３５の一端と後記扇形のかさ歯車４５とが結合されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の一端に切欠き部４６が形成されており、この切欠き部４６の両側部分である内外の回転軸支持部４７，４８間に回転軸連結部材４１が配置される。かさ歯車４５は、内側の回転軸支持部４７の内側面に当接して配置される。そして、回転軸４２を内側から、かさ歯車４５に形成された貫通孔、内側の回転軸支持部４７に形成された貫通孔、軸受４３の内輪、外側の回転軸支持部４８に形成された貫通孔の順に挿通し、回転軸４２の頭部４２ａと回転軸４２のねじ部４２ｂに螺着したナット５０とで、かさ歯車４５、内外の回転軸支持部４７，４８、および軸受４３の内輪をそれぞれ挟み込んでこれらを互いに結合する。内外の回転軸支持部４７，４８と軸受４３との間にスペーサ５１，５２が介在させてあり、ナット５０の螺着時に軸受４３に予圧を付与する構成である。

基端側の端部リンク部材３５の他端には、回転軸５５が結合される。回転軸５５は、２個の軸受５３を介して中央リンク部材３７の一端に回転自在に連結されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の他端に切欠き部５６が形成されており、この切欠き部５６の両側部分である内外の回転軸支持部５７，５８間に中央リンク部材３７の一端が配置される。そして、回転軸５５を外側から、外側の回転軸支持部５８に形成された貫通孔、軸受５３の内輪、内側の回転軸支持部５７に形成された貫通孔の順に挿通し、回転軸５５の頭部５５ａと回転軸５５のねじ部５５ｂに螺着したナット６０とで、内外の回転軸支持部５７，５８、および軸受５３の内輪をそれぞれ挟み込んでこれらを互いに結合する。内外の回転軸支持部５７，５８と軸受５３との間にスペーサ６１，６２が介在させてあり、ナット６０の螺着時に軸受５３に予圧を付与する構成である。

図１２、図１３に示すように、先端側のリンクハブ３３は、先端部材７０と、この先端部材７０の内面に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材７１とで構成される。各回転軸連結部材７１が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材７１には、軸心がリンクハブ中心軸ＱＢと交差する回転軸７３が回転自在に連結されている。この先端側のリンクハブ３３の回転軸７３に、先端側の端部リンク部材３６の一端が連結される。先端側の端部リンク部材３６の他端には、中央リンク部材３７の他端に回転自在に連結された回転軸７５が連結される。先端側のリンクハブ３３の回転軸７３および中央リンク部材３７の回転軸７５は、それぞれ前記回転軸４２，５５と同じように２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材７１および中央リンク部材３７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。

図１１に示すように、パラレルリンク機構３０は、基端部材４０を複数本のシャフト８１を介してベース部材８０と連結することで、直動機構５の出力部であるＹ軸ステージ２５に設置される。基端部材４０の外周縁とベース部材８０の外周縁間にカバー８２が取り付けられており、基端部材４０とベース部材８０との間は外部から遮蔽された遮蔽空間８３となっている。

パラレルリンク機構３０を作動させる姿勢制御用アクチュエータ３１は、前記遮蔽空間８３に配置され、前記基端部材４０に設置されている。姿勢制御用アクチュエータ３１の数は、リンク機構３４と同数の３個である。姿勢制御用アクチュエータ３１はモータ等のロータリアクチュエータからなり、その回転出力軸３１ａに取り付けられたかさ歯車７６と基端側のリンクハブ３２の回転軸４２に取り付けられた前記扇形のかさ歯車４５とが噛み合っている。かさ歯車７６と扇形のかさ歯車４５とで軸直交型の減速機７７が構成される。かさ歯車ではない他の機構（例えばウォーム機構）を用いて軸直交型の減速機を構成してもよい。

なお、この例では、リンク機構３４と同数の姿勢制御用アクチュエータ３１が設けられているが、３組のリンク機構３４のうち少なくとも２組に姿勢制御用アクチュエータ３１が設けられていれば、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢を確定することができる。

リンク作動装置Ｌは、各姿勢制御用アクチュエータ３１を回転駆動することで、パラレルリンク機構３０を作動させる。詳しくは、姿勢制御用アクチュエータ３１を回転駆動すると、その回転が軸直交型の減速機７７を介して減速して回転軸４２に伝達されて、基端側のリンクハブ３２に対する基端側の端部リンク部材３５の角度が変更する。それにより、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の位置および姿勢が決まる。

この実施形態のように、回転ユニット６としてリンク作動装置Ｌを用いると、以下の利点である。
・姿勢制御用アクチュエータ３１をすべてリンク作動装Ｌ置の固定側に配置できるため、造形テーブル３を含む可動部が軽量になり、高速で造形テーブル３の姿勢を変更することができる。
・リンク作動装置Ｌはコンパクトに構成できるため、三次元造形装置１をコンパクトに構成することができる。
・リンク作動装置Ｌは広い可動範囲を持つため、造形テーブル３に対して様々な角度から素材を堆積することができる。つまり、造形テーブル３の造形面３ａ上に中心が位置する仮想の球面を想定した場合、この仮想の球面における造形面３ａの側の半球のすべての方向から素材を吐出して、造形テーブル３に対して素材を堆積することができる。
・リンク作動装置Ｌは様々な方向にスムーズな動作が可能であるため、複雑な形状の造形物もきれいに成形できる。

［第３の実施形態］
図１６は、第３の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。この三次元造形装置１は、第２の実施形態と同様に、回転ユニット６はリンク作動装置Ｌからなる。直動機構５の構成は、第２の実施形態と異なっている。他は第２の実施形態と同じである。構成が第２の実施形態と同じ箇所については、同一符号を付けて表し、説明を省略する。

第３の実施形態の直動機構５も、第２の実施形態と同様にＺ軸直動部１１とＸ軸直動部１２とＹ軸直動部１３とを有するが、各直動部１１〜１３の配置が第２の実施形態と異なっている。すなわち、架台４の底面部４ｂにＸ軸直動部１２が設置され、このＸ軸直動部１２のＸ軸ステージ２４にＹ軸直動部１３が設置され、このＹ軸直動部１３のＹ軸ステージ２５にブラケット８５を介してＺ軸直動部１１が設置されている。Ｚ軸直動部１１は、第２の実施形態のようにボールねじ機構を用いた構成ではなく、直動アクチュエータからなる。第３の実施形態の場合、Ｚ軸直動部１１のＺ軸ステージ１７が直動機構５の出力部であり、この出力部であるＺ軸ステージ１７に回転ユニット設置部材８６を介して回転ユニット６が設置されている。
この第３の実施形態も、第２の実施形態と同様に動作し、同様の作用・効果が得られる。

［第４の実施形態］
図１７は、第４の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。この三次元造形装置１は、直動機構５が、水平面に沿う直交２軸方向に可動の水平面直動機構部５ａと、鉛直方向に可動の上下直動機構部５ｂとからなる。水平面直動機構部５ａは、架台４の中間板８７に設置され、Ｘ軸直動部１２とＹ軸直動部１３とを組み合わせて構成される。中間板８７は、架台４の上下中間部に水平状に設けられている。また、上下直動機構部５ｂは、架台４の底面部４ｂに設置されたＺ軸直動部１１からなる。Ｚ軸直動部１１は、第２の実施形態と同様に、ボールねじ機構を用いた構成である。

この三次元造形装置１は、水平面直動機構部５ａの出力部であるＹ軸ステージ２５にヘッド取付部材８８を設置し、このヘッド取付部材８８に対して吐出ヘッド２をヘッド固定部材８９により固定している。また、上下直動機構部５ｂであるＺ軸直動部１１のＺ軸ステージ１７に回転ユニット６が搭載され、この回転ユニット６に、造形面３ａが上向きとなるように造形テーブル３が設置されている。回転ユニット６は、リンク作動装置Ｌからなる。

［第５の実施形態］
図１８、図１９は第５の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図であり、互いに異なる状態を表している。この三次元造形装置１は、第２〜第４の実施形態と比べて、回転ユニット６であるリンク作動装置Ｌ２が、基端側のリンクハブ３２よりも先端側のリンクハブ３３が下側に位置するように設置され、３組のリンク機構３４の内側空間Ｓに造形テーブル３が配置されている点が異なっている。

具体的には、架台４の上下中間部に水平状の中間板９０が固定され、この中間板９０にリンク作動装置Ｌ２が上下逆向き姿勢で設置されている。なお、中間板９０は、後で説明するようにリンク作動装置Ｌ２の一部を構成する。そして、先端側のリンクハブ３３の先端部材７０の上面に造形テーブル固定部材９１が設置され、この造形テーブル固定部材９１の上に造形テーブル３が固定されている。造形テーブル３は、前記内側空間Ｓに位置する。

また、前記中間板９０に直交３軸方向に可動の直動機構５が設置され、この直動機構５の出力部であるＺ軸ステージ１７に吐出ヘッド２が設置されている。詳しくは、Ｚ軸ステージ１７にヘッド取付部材９２を設置して、ヘッド固定部材９３により吐出ヘッド２をヘッド取付部材９２に固定している。吐出ヘッド２は、中間板９０に設けられた貫通孔９０ａを通して、上方から内側空間Ｓに挿入される。

この構成であると、吐出ヘッド２と造形テーブル３との相対移動範囲が狭いので、比較的小さいものしか成形できないが、直動機構５の各直動部１１，１２，１３のストロークが短くなるため、三次元造形装置１の全体をコンパクトにできる。それにより、コスト低減に繋がる。
図１８、図１９の例では、吐出ヘッド２を直動機構５により直交３軸方向に移動させるようにしているが、リンク作動装置Ｌ２ごと造形テーブル３を直交３軸方向に移動させてもよく、また吐出ヘッド２および造形テーブル３の双方を移動させてもよい。

この実施形態のリンク作動装置Ｌ２も、第２〜第４の実施形態のリンク作動装置Ｌとほぼ同じ構成であるが、駆動機構を含む一部の構成が異なっている。以下、第５の実施形態のリンク作動装置Ｌ２のうち第２〜第４の実施形態のリンク作動装置Ｌと構成が異なる箇所について説明する。

図２０はリンク作動装置Ｌ２の一部を省略した正面図、図２１（Ａ）は図２０のXXIＡ−XXIＡ断面図、図２１（Ｂ）はその部分拡大図である。基端側のリンクハブ３２は、前記中間板９０と、この中間板９０と一体に設けられた３個の回転軸連結部材１０１とで構成される。中間板９０は中央部に円形の前記貫通孔９０ａを有し、この貫通孔９０ａの周囲に３個の回転軸連結部材１０１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔９０ａの中心は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡ上に位置する。各回転軸連結部材１０１には、軸心が基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと交差する回転軸１０２が回転自在に連結されている。これら回転軸１０２に、各基端側の端部リンク部材３５の一端がそれぞれ連結される。

図２１（Ｂ）に示すように、前記回転軸１０２は、大径部１０２ａ、小径部１０２ｂ、および雄ねじ部１０２ｃを有し、小径部１０２ｂで２個の軸受１０３を介して回転軸連結部材１０１に回転自在に支持されている。軸受１０３は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。これらの軸受１０３は、回転軸連結部材１０１に設けられた内径溝１０４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。

回転軸１０２は、大径部１０２ａで後記減速機構１２２の出力軸１２２ａに同軸上に配置される。その配置構造については、後で説明する。また、回転軸１０２には、この回転軸１０２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材３５の一端が連結される。すなわち、基端側の端部リンク部材３５の一端に形成された切欠き部１０５内に回転軸連結部材１０１を配置し、回転軸１０２の小径部１０２ｂを、基端側の端部リンク部材３５の一端における前記切欠き部１０５の両側部分である内外一対の回転軸支持部１０６，１０７にそれぞれ形成された貫通孔、および軸受１０３の内輪に挿通してある。そして、回転軸１０２の大径部１０２ａの外周に嵌合するスペーサ１０８を介し、基端側の端部リンク部材３５と減速機構１２２の出力軸１２２ａとをボルト１０９で固定すると共に、外側の回転軸支持部１０７よりも突出した回転軸１０２の雄ねじ部１０２ｃにナット１１０を螺着してある。軸受１０３の内輪と一対の回転軸支持部１０６，１０７との間に、スペーサ１１１，１１２を介在させてあり、ナット１１０を螺着時に軸受１０３に予圧を付与する構成である。

基端側の端部リンク部材３５の他端と中央リンク部材３７との連結部は、第２の実施形態と同様である。また、先端側のリンクハブ３５と先端側の端部リンク部材３６との連結部、および先端側の端部リンク部材３６と中央リンク部材３７との連結部も、第２の実施形態と同様である。

リンク作動装置Ｌ２の姿勢制御用アクチュエータ１２０は、減速機構１２２を備えたロータリアクチュエータであり、基端側のリンクハブ３２の中間板９０の下面に、前記回転軸１０２と同軸上に設置されている。姿勢制御用アクチュエータ１２０と減速機構１２２は一体に設けられ、モータ固定部材１２３により減速機構１２２が中間板９０に固定されている。この例では、３組のリンク機構３４のすべてに姿勢制御用アクチュエータ１２０が設けられているが、３組のリンク機構３４のうち少なくとも２組に姿勢制御用アクチュエータ１２０を設ければ、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢を確定することができる。

図２１（Ｂ）において、減速機構１２２はフランジ出力であって、大径の出力軸１２２ａを有する。出力軸１２２ａの先端面は、出力軸１２２ａの中心線と直交する平面状のフランジ面１２４となっている。前述したように、出力軸１２２ａは、前記スペーサ１０８を介して、基端側の端部リンク部材３５の回転軸支持部１０６にボルト１０９で接続されている。基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５の回転対偶部の前記回転軸１０２の大径部１０２ａが、減速機構１２２の出力軸１２２ａに設けられた内径溝１２７に嵌っている。

［第６の実施形態］
図２２は第６の実施形態にかかる三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。この三次元造形装置１は、第５の実施形態（図１８、図１９）における造形テーブル固定部材９１の代わりに、先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢに沿って可動なテーブル用直動機構１３０が設けられている。この構成であると、造形テーブル３を先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢに沿って移動させることができるため、直動機構５、特にＺ軸直動部１１のストロークを短くできる。また、第５の実施形態よりも、サイズ、特に高さ寸法が大きい造形物を成形することができる。

なお、上記第１〜第６の実施形態において、造形物の造形方式は熱融解積層方式に限らず、インクジェット方式、粉末焼結造形方式、粉末石膏造形方式等の他の方式であってもよい。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…三次元造形装置
２…吐出ヘッド
２ａ…ノズル
３…造形テーブル
３ａ…造形面
５…直動機構
５ａ…水平面直動機構部
５ｂ…上下直動機構部
６…回転ユニット
３１…姿勢制御用アクチュエータ
３２…基端側のリンクハブ
３３…先端側のリンクハブ
３４…リンク機構
３５…基端側の端部リンク部材
３６…先端側の端部リンク部材
３７…中央リンク部材
９０…中間板（基端側のリンクハブ）
９０ａ…貫通孔
Ｌ，Ｌ２…リンク作動装置
Ｓ…内側空間

Claims (4)

1. 流動性を有する素材を吐出ヘッドのノズルから吐出して造形テーブル上で硬化させる動作を、前記吐出ヘッドおよび前記造形テーブルの相対位置を変えながら繰り返し行うことで、硬化した前記素材が積層状に重なって形作られる造形物を成形する三次元造形装置であって、
   前記吐出ヘッドに対して前記造形テーブルを相対的に直交３軸方向に動かす直動機構と、前記吐出ヘッドに対して前記造形テーブルを相対的に傾ける回転ユニットとを備え、
   前記回転ユニットは２回転自由度のリンク作動装置であり、このリンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用アクチュエータが設けられ、前記先端側のリンクハブに前記造形テーブルが設置されている三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、前記吐出ヘッドは位置および姿勢が固定され、かつ、前記造形テーブルは前記造形物が成形される面である造形面が上向きとなるように前記回転ユニットに設置され、この回転ユニットが、前記直動機構に搭載されている三次元造形装置。
3. 請求項１に記載の三次元造形装置において、前記リンク作動装置は、前記基端側のリンクハブよりも前記先端側のリンクハブが下側に位置するように配置され、前記造形テーブルが前記３組以上のリンク機構の内側空間に配置され、前記吐出ヘッドの一部または全体が前記基端側のリンクハブに設けられた貫通孔を通して前記内側空間に挿入されている三次元造形装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、熱融解積層方式により造形物を成形する三次元造形装置。

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