JP2016068290A - インクジェット印刷装置とその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のノズルを用いて曲面形状に正確なパターニングを行うこと。【解決手段】インクを吐出する複数のノズルを有するインクジェットヘッドと、前記インクを塗布する被対象物と前記複数のノズルのそれぞれとの間の距離を計算し、前記それぞれ距離に応じて、前記ノズルからのインク吐出タイミングを調整する制御部と、前記インクジェットヘッドと前記被対象物とを相対的に移動させる移動機構と、を含むインクジェット印刷装置を用いる。【選択図】図８

Description

本発明は、インクジェット印刷装置とその方法に関する。特に、３次元的な曲面の表面に画像の印刷を行うインクジェット装置に関するものである。

近年、家電製品の分野、特にクリーナー、炊飯器のカバー、ドライヤー等の曲面構造を有する外形の表面に、多品種少量の様々な画像を印刷した家電製品が脚光を浴びている。

ところが、従来のインクジェットプリンターのように２次元的に印刷を行っても曲面上に正確な画像をパターニングすることができない。

これは、インクジェットヘッドのノズル面からの高さが異なっているために、インク液滴が基板に到着するまでの時間が異なる。このために、平面でできていた正確なパターンを曲面上では実現することはできない。

そこで、特許文献１の方法を、図１０の斜視図で説明する。図１０では、ヘッド２１０に対して、楕円形状の物体３００の中心軸回りに回転し、インクを塗布する。

特許第５４４５６７４号

しかし、特許文献１では、一方向にのみ湾曲している物体が対象である。３次元的な曲面形状（２方向に湾曲）を有する物体には塗布できない。特に、３次元の曲面に対しては、ノズルと対象物間の距離が、各々のノズルごとで異なる。このため、ノズル移動と対象物との相対移動により、その位置が、ノズルごとでずれる。

よって、本願課題は、複数のノズルを用いて曲面形状に正確なパターニングを行うこととする。

上記課題を解決するため、インクを吐出する複数のノズルを有するインクジェットヘッドと、前記インクを塗布する被対象物と前記複数のノズルのそれぞれとの間の距離を計算し、前記それぞれ距離に応じて、前記ノズルからのインク吐出タイミングを調整する制御部と、前記インクジェットヘッドと前記被対象物とを相対的に移動させる移動機構と、を含むインクジェット印刷装置を用いる。

また、複数のノズルを有するインクジェットヘッドによる印刷方法であり、前記インクを塗布する被対象物と前記複数のノズルのそれぞれとの間の距離を計算する工程と、前記それぞれ距離に応じて、前記ノズルからのインク吐出タイミングを計算する工程と、前記インクジェットヘッドと前記被対象物とを相対的に移動させながら、前記インクを前記ノズルより前記インク吐出タイミングで前記被対象物へ塗布する工程と、を含むインクジェット印刷方法を用いる。

複数のノズルを有するインクジェットヘッドを用いて、曲面上にデザインを描く場合、塗布する際にあらかじめ計算された曲面上ワークの軌道と複数ノズルのそれぞれのノズルからの距離を予め計算して導出する。その後、計算した結果に基づいてインクジェットヘッドの複数のノズルからの吐出タイミングを制御する。複数のノズルから吐出される液滴が曲面に到着するタイミングをほぼ同時に制御できる。この結果、曲面上に着弾した液滴の精度を向上させ、平面上で印刷するときと同様な精度のデザインを描くことが可能となる。

実施の形態１の曲面を塗布するためのインクジェットヘッド装置の図 実施の形態１の曲面を保持するための５軸駆動系の図 実施の形態１の曲面とインクジェットノズルの関係を示す図 実施の形態２のインクジェットヘッドを用いた曲面の塗布方法を示す図 実施の形態３のインクジェットノズルから曲面までの距離が一定範囲内にあるインクジェットヘッド部分の断面図 実施の形態３のインクジェットノズルから曲面までの距離が一定範囲内にあるインクジェットヘッドによる複数回パターニングを示す図 実施の形態３のインクジェットノズルから曲面までの距離に応じてインクジェットヘッドの範囲を可変して複数回パターニングを示す図 実施の形態３の曲面パターニングの制御フロー図 実施の形態４のインクジェットヘッドを用いた曲面の塗布方法を示す図 従来のインクジェットヘッドを用いた曲面の塗布方法を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の曲面１０上にインクジェットヘッド１１を配置し、複数のノズル１２を有するインクジェットヘッド１１からインクを吐出してデザインを形成するシステムを示す斜視図である。

インクジェットヘッド１１で、デザインを形成する場合、その塗布時間のタクトが重要となる。従って、実施の形態１では、曲面１０を有するワークを移動させながらインクジェットヘッド１１の複数のノズル１２からインクを吐出してデザインを形成する。

インクジェットヘッド１１の複数のノズル１２の配列方向１５に対してほぼ直角方向１６に曲面１０を移動させてデザインすることを考える。このとき、曲面１０上の代表点がインクジェットヘッド１１の下面のノズル１２が位置する面に対して、接線方向になるように曲面１０を移動させる。この曲面１０は、凸形状であることが望ましく、ノズル１２の配列方向１５と、ノズル１２の配列方向１５に直角方向１６では、曲率が異なる曲面１０を想定している。このような曲面１０の塗布を行う装置を、図２の斜視図で説明する。

図２は、実施の形態１の塗布装置の斜視図である。３軸の並進移動スライダー２５（Ｘ軸２０、Ｙ軸２１、Ｚ軸２２）と２軸の回転機構２６（回転Ａ軸２３、回転Ｂ軸２４）により構成されている。この構成のように５軸以上の駆動軸を有するものを使用してもよい。例えば、６軸、６軸以上のロボット（図示せず）や６軸のパラレルリンクロボット（図示せず）を用いてもよい。

図１において、インクジェットヘッド１１の複数のノズル１２を含む断面１３により、曲面１０を分割すると、交線１４ができる。交線１４は、インクジェットヘッド１１の複数のノズル１２が曲面１０上に液滴を吐出するとき、液滴が吐出される点を結んだものに相当する。

インクジェットヘッド１１の複数のノズル１２と交線１４との関係を平面図として、図３に示す。図３は、交線１４の面での断面図である。インクジェットヘッド１１の複数のノズル１２の中央のノズル１２から曲面１０に垂直に降ろした垂線と曲面１０との交点を交点３１とする。交点３１での接線が、インクジェットヘッド１１のノズル１２が位置する面（ヘッド面）と、平行になるようにする。

ノズル１２と曲面１０までの距離を距離ｄとする。このとき、曲面のＣＡＤデータより、交点３１の接線３２がヘッド面に対して、接線３２が平行になるように移動させる。ことにより、複数のノズル１２のそれぞれと曲面１０（交線１４）までの距離をそれぞれｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、・・・ｄ_ｎと算出することができる。

ノズル１２から、インクが吐出される速度をそれぞれ速度ｖ_１、ｖ_２、ｖ_３、・・・ｖ_ｎとする。ノズル１２から液滴を吐出してから、曲面１０に落下するまでの時間を、時間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３・・・ｔ_ｎとする。

結果、それぞれの時間は、時間ｔ_１＝ｄ_１／ｖ_１、ｔ_２＝ｄ_２／ｖ_２、ｔ_３＝ｄ_３／ｖ_３・・・ｔ_ｎ＝ｄ_ｎ／ｖ_ｎと演算することができる。

ここで、インクジェットヘッド１１の複数のノズル１２からの速度は、それぞれ異なっていると仮定したが、あらかじめ速度を調整して一定の速度ｖ_０としてもよい。

曲面上に早く到達するノズルをｋ番目のノズルと仮定すると、ｋ番目のノズルから吐出された液体が曲面上に到達する時間は、ｔ_ｋ＝ｄ_ｋ／ｖ_ｋと表すことができる。

従って、１番目のノズルからｎ番目のノズルとｋ番目のノズルとの到着時間の差は以下のように表すことが可能となる。
Δｔ_１＝ｄ_１／ｖ_１−ｄ_ｋ／ｖ_ｋ ・・・（式１）
Δｔ_２＝ｄ_２／ｖ_２−ｄ_ｋ／ｖ_ｋ ・・・（式２）
Δｔ_ｋ＝０ ・・・（式３）
Δｔ_ｎ＝ｄ_ｎ／ｖ_ｎ−ｄ_ｋ／ｖ_ｋ ・・・（式４）
従って、１〜ｎ番目のノズルの吐出タイミングは、Δｔ_１〜Δｔ_ｎだけ吐出タイミングを早くさせることにより、曲面上にインクジェットヘッドノズルから吐出した液滴をほぼ同時に着弾させることが可能となる。インクジェットヘッド１１と交線１４との相対移動中に、上記タイミングを考慮して、インクを塗布する。

もし、同時にインクが曲面１０に到達しないと、曲面１０が移動するため、着弾位置がズレ、印刷精度が悪くなる。

このように吐出させることにより、平面で吐出した場合と同等のデザイン精度を実現することができる。この実施の形態では、有効なノズル１２において、曲面１０の表面に到着するまでの時間が最短のものに合わせて、その他のノズル１２の時間の吐出タイミングの調整を行ったが、どのノズル１２に合わせて、吐出タイミングの調整を行ってもよい。

（実施の形態２）
実施の形態２を図４で説明する。図４は、インクジェットヘッド１１と交線１４との位置関係を示す断面図である。実施の形態１では、インクの吐出のタイミングを制御したが、実施の形態２では、インクの吐出速度を調整する。

インクジェットヘッド１１と交線１４との距離として、ノズル９１、ノズル９２・・・ノズル１００と、交線１４との距離を、距離ｄ１、距離ｄ２・・・距離ｄｎとする。これらの距離は、ＣＡＤデータから予め導出する。

インクジェットヘッド１１のノズル９１、ノズル９２・・・ノズル１００からのインクの吐出速度を、速度ｖ１、速度ｖ２・・・速度ｖｎとする。この時、ノズルからインクを吐出してから、インクが曲面にたどりつくまでの時間を同じするために以下の数式が成り立つように、ノズルから吐出される液滴速度を制御する。
ｄ１／ｖ１＝ｄ２／ｖ２＝・・・＝ｄｎ／ｖｎ （式５）
このようにノズルからの吐出速度を制御することにより、塗布したい曲面上にほぼ同じ時間に液滴を着弾させ、曲面上の画像を正確に描くことが可能となる。なお、この実施の形態では吐出速度をノズルによって変更することによって、曲面に到達する時間をほぼ同一時刻になるように制御したが、吐出タイミング（実施の形態１）と吐出速度（この実施の形態２）の組合せにより、曲面に到着する時間をほぼ同一の時刻としてもよい。

なお、インクの吐出速度の調整は、インクジェットの方式により異なる。圧電素子を利用する場合には、圧電素子の電圧を調整することでできる。
その他、記載していない事項は、実施の形態１と同様である。

（実施の形態３）
実施の形態３を、図５を用いて説明する。図５は、図３に相当する断面配置図である。実施の形態１、２では、インクジェットヘッド１１のノズル１２の１〜ｎ番目のすべてを使用することを考えていた。しかし、実施の形態３では、図５に示したように、ノズル１２の一部を使用する。有効な範囲４１内のノズル１２のみを使用する。

ノズル１２から曲面１０までの距離ｄが、０．５ｍｍ以下、５ｍｍ以上となると気流の影響を受け、着弾精度が悪くなる。よって、有効な範囲４１は、距離ｄが、０．５ｍｍより大きく、５ｍｍ未満のノズル１２の範囲である。

つまり、着弾精度の悪化を防ぐために、上記範囲外の場合には、そのノズル１２の使用を停止し、ノズル１２と曲面１０との距離が有効な距離ｄの範囲のノズル１２を使用して塗布する。

この実施の形態では、ノズル１２と曲面１０との距離に応じて、インクジェットヘッド１１内の有効なノズル１２の数を限定したが、許容される解像度の限界から有効なノズル１２の数を選択してもよい。

＜曲面全体への塗布＞
曲面１０全体の塗布について、図６、図７に示す。図６、図７は、図５に相当する断面図である。

図６に示したように、曲面１０全体を塗布する場合には、有効な範囲４１の領域のノズル１２の数を固定して、複数回往復運動を繰り返すことにより、塗布を行ってもよい。

別の方法として、図７に示したように、曲面１０の曲率に応じて、有効な範囲４１を可変して、ノズル１２の数を変化させて吐出させてもよい。

この時のフローは、図８のように書き表すことができる。
・ まず、曲面１０上のデザイン開始点の接線３２とヘッド面が平行になるように５軸のロボット（図２）を移動させる。
・ 次に、ヘッド面と曲面１０上との距離ｄが、一定距離（例えば、上記記載の距離）以下になる複数のノズル１２を選択します。
・ 選択した複数のノズル１２で吐出するまでの時間が最短になるノズル１２とその他の塗布する予定のノズル１２の時間差を導出します。
・ 導出した時間差に基づいてノズル１２の吐出タイミングを制御し、パターンを吐出します。デザインを描く。
次の領域でも、同様にして、必要な領域にインクを塗布する。

（実施の形態４）
実施の形態３を図９で説明する。図９は、インクジェットヘッド１１と曲面１０との位置関係を示す斜視図である。実施の形態１、２、３との相違点は、インクジェットヘッド１１のノズル１２が、１つの直線上になく、碁盤の目、複数列あることである。

図９に示したように平面状に複数のノズルを有するインクジェットヘッド１１で、曲面１０にパターニング方法を説明する。

（１）平面状に配置された複数のノズル１２と曲面１０との距離を、それぞれＣＡＤデータから算出する。この時、ノズル１２と曲面１０との距離が最小となるように、インクジェットヘッド１１の傾き、回転角度など姿勢をシュミレーションする。つまり、ある範囲内で、インクジェットヘッド１１の傾き、回転角度を変えて、それぞれのノズル１２と曲面１０との距離の総和が最小となる条件を求める。

なお、インクジェットヘッド１１を傾けなくとも、曲面１０を傾ける方が好ましい。インクジェットヘッド１１と曲面１０との相対位置関係を調整する機構を別途設けるとよい。

（２）インクの吐出液滴が曲面１０に到着する時間を算出する。面内に配置された複数のノズルの中で曲面に到着する一番早いノズルとの時間遅れ差を算出する。

（３）算出した時間遅れ差分、吐出タイミングを早くさせることにより、曲面１０上で液滴が到着するタイミングをほぼ同時刻とすることが可能となる。

この実施の形態は、インクジェットヘッド１１のノズル１２が、１つの直線上の場合でも利用できる。

なお、（２）と（３）で実施の形態１の吐出タイミングを調整したが、実施の形態２のインクの吐出速度を調整してもよい。また、別途、実施の形態３，４を用いてもよい。

（なお書き）
各実施の形態は、組み合わせることができる。

本発明のインクジェット印刷装置とその方法は、球面、曲面、平面に印刷ができる。家電製品、自動車、機械、装置などいろいろな製品の印刷に利用される。

１０ 曲面
１１ インクジェットヘッド
１２ ノズル
１３ 断面
１４ 交線
１５ 配列方向
１６ 直角方向
２０ Ｘ軸
２１ Ｙ軸
２３ 回転Ａ軸
３１ 交点
３２ 接線
４１ 範囲
９１ ノズル
９２ ノズル
１００ ノズル
２１０ ヘッド
３００ 物体
ｄ 距離
ｖ 速度
ｔ 時間

Claims (8)

1. インクを吐出する複数のノズルを有するインクジェットヘッドと、
   前記インクを塗布する被対象物と前記複数のノズルのそれぞれとの間の距離を計算し、前記それぞれ距離に応じて、前記ノズルからのインク吐出タイミングを調整する制御部と、
   前記インクジェットヘッドと前記被対象物とを相対的に移動させる移動機構と、を含む
   インクジェット印刷装置。
2. インクを吐出する複数のノズルを有するインクジェットヘッドと、
   前記インクを塗布する被対象物と前記複数のノズルのそれぞれとの間の距離を計算し、前記それぞれ距離に応じて、前記ノズルからのインク吐出速度を調整する制御部と、
   前記インクジェットヘッドと前記被対象物とを相対的に移動させる移動機構と、を含む
   インクジェット印刷装置。
3. 前記距離に応じて、前記インクを吐出するノズルの領域を前記制御部で設定する請求項１または２記載のインクジェット印刷装置。
4. 前記インクを吐出するノズルの領域は、前記被対象物の塗布領域により変更される請求項１または２記載のインクジェット印刷装置。
5. 前記インクジェットヘッドと前記被対象物との相対的位置関係を調整する調整機構を、さらに有する請求項１または２に記載のインクジェット印刷装置。
6. 前記距離が０．５ｍｍ〜５ｍｍ以内である請求項１または２に記載のインクジェットヘッド印刷装置。
7. 複数のノズルを有するインクジェットヘッドによる印刷方法であり、
   前記インクを塗布する被対象物と前記複数のノズルのそれぞれとの間の距離を計算する工程と、
   前記それぞれ距離に応じて、前記ノズルからのインク吐出タイミングを計算する工程と、
   前記インクジェットヘッドと前記被対象物とを相対的に移動させながら、前記インクを前記ノズルより前記インク吐出タイミングで前記被対象物へ塗布する工程と、
   を含むインクジェット印刷方法。
8. 複数のノズルを有するインクジェットヘッドによる印刷方法であり、
   前記インクを塗布する被対象物と前記複数のノズルのそれぞれとの間の距離を計算する工程と、
   前記それぞれ距離に応じて、前記ノズルからのインク吐出速度を計算する工程と、
   前記インクジェットヘッドと前記被対象物とを相対的に移動させながら、前記インクを前記ノズルより前記インク吐出速度で前記被対象物へ塗布する工程と、を含むインクジェット印刷方法。
   

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