JP2018192793A - 固定印刷ヘッドアレイを有するダイレクト・トゥ・オブジェクト・プリンタにおける印刷ヘッド動作を調整するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な程度の湾曲を有する多種多様な製品について高品質画像を生成する印刷プロセス制御システムを提供する。【解決手段】ダイレクト・トゥ・オブジェクト・プリンタは、ホルダ及びオブジェクトがオブジェクト上にインク像を印刷するために複数の印刷ヘッドを越える前に、ホルダに固定されたオブジェクトの画像データを生成する複数の画像形成装置を含む。コントローラは、画像データを受信し、それをオブジェクトプロファイルに変換する。コントローラは、不均一なインク像濃度及びインク像歪みを減衰させるために、オブジェクトプロファイルを参照して印刷ヘッドにおけるイジェクタを動作させる。【選択図】図３

Description

本開示は、一般に、３次元（３Ｄ）オブジェクトへの印刷のためのシステムに関し、より具体的には、印刷ヘッドの固定アレイを有するオブジェクト上に印刷するシステムに関する。

商業用物品印刷は、通常、物品の製造中に行われる。例えば、ボール表皮は、ボールが完成して膨張される前にパターン又はロゴによって印刷される。したがって、例えば、潜在的な製品の顧客が複数の専門家又は大学のチームをサポートする領域において、製品をカスタマイズする配布サイト又は小売店などの非製造の確立は、領域に続いて様々なチームのロゴが付された製品の在庫を維持する必要がある。在庫を維持するために異なるロゴ毎に正確な数の製品を注文することは問題になり得る。

非製造直販店においてこれらの問題に対処する１つの方法は、印刷されていないバージョンの製品を保管し、配布サイト又は小売店においてそれらにパターン又はロゴを印刷することである。個々のオブジェクトを印刷するために、ダイレクト・トゥ・オブジェクト（ＤＴＯ）・プリンタとして知られているプリンタが開発されている。３次元オブジェクト上に画像コンテンツを適用するために２次元（２Ｄ）媒体印刷技術などの公知の印刷技術によってこれらのプリンタを動作させることは、矛盾した結果を生み出す。オブジェクトの表面が比較的平坦である限り、画像は許容可能である。しかしながら、マグ、水差し、ペンなどの多くの製品は、印刷された画像品質に悪影響を与える湾曲した表面を有する。公知の２Ｄ印刷プロセスでは、湾曲した製品表面上のインチあたりの液滴（ｄｐｉ）又は単位面積あたりの質量で測定されることができるインク像の濃度は著しく変化し、大抵の場合、印刷に縞模様が生じる。さらに、オブジェクトの湾曲は、インク滴を印刷ヘッドからオブジェクト表面まで異なる距離を通って移動させる。移動距離におけるこれらの差異は、歪んだ画像をもたらす。したがって、様々な程度の湾曲を有する多種多様な製品について高品質画像を生成する印刷プロセス制御システムが有益であろう。

新たなダイレクト・トゥ・オブジェクト（ＤＴＯ）印刷システムは、印刷ヘッドの固定アレイによって構成され、高品質画像を用いて３次元（３Ｄ）オブジェクトの曲面に印刷することができる。印刷システムは、複数の印刷ヘッドにおける各印刷ヘッドがマーキング材料を吐出するように構成された複数の印刷ヘッドと、第１の端部及び第２の端部を有し、複数の印刷ヘッドが部材に対向し且つ部材の第１の端部と第２の端部との間に配置される部材と、オブジェクトを保持し且つ部材の第１の端部と第２の端部との間において部材に沿って移動するように構成されたホルダと、複数の印刷ヘッドにおける印刷ヘッドからのマーキング材料を受けるためにオブジェクトが印刷ヘッドを越えて移動するのを可能とするようにアクチュエータが部材に沿ってホルダを移動させるようにホルダに動作可能に接続されたアクチュエータと、部材の第１の端部と複数の印刷ヘッドとの間に配置され、オブジェクトが複数の画像形成装置を通過するのにともない、複数の画像形成装置における各画像形成装置が画像形成装置に対向するオブジェクトの一部の画像データを生成するように構成された複数の画像形成装置と、複数の印刷ヘッド、アクチュエータ、及び複数の画像形成装置に動作可能に接続されたコントローラとを含む。コントローラは、部材に沿ってホルダ及びオブジェクトを移動させるようにアクチュエータを動作させ、オブジェクトが画像形成装置に対向したことに応答してオブジェクトの画像データを生成するように画像形成装置を動作させ、画像形成装置から受信した生成された画像データを参照してオブジェクトプロファイルを生成し、生成されたオブジェクトプロファイルを参照して複数の印刷ヘッドの印刷ヘッド内のイジェクタを動作させるように構成されている。

印刷ヘッドの固定アレイを有するＤＴＯプリンタを動作させる方法は、湾曲した表面を有するオブジェクトに印刷されるのを可能とする。本方法は、ホルダに取り付けられた部材に沿ってホルダ及びホルダ内に固定されたオブジェクトを移動させるようにホルダに動作可能に接続されたアクチュエータをコントローラによって動作させることと、オブジェクトが画像形成装置に対向したことに応答してオブジェクトの画像データを生成するように複数の画像形成装置をコントローラによって動作させることと、画像形成装置から受信した生成された画像データを参照してオブジェクトプロファイルをコントローラによって生成することと、生成されたオブジェクトプロファイルを参照して複数の印刷ヘッド内のイジェクタをコントローラによって動作させることとを含む。

３Ｄオブジェクトの湾曲した表面に印刷する印刷システムの上述した態様及び他の特徴は、添付図面に関連して以下の詳細な説明において説明される。

図１は、オブジェクトホルダ上のオブジェクトのプロファイルを生成し、プリンタにおける印刷ヘッドの動作を調整するように構成された印刷システムの側面図の概略図である。 図２は、線２−２に沿った図１に示されるカメラアレイを示している。 図３は、図１のシステムにおいてオブジェクトを印刷するためのプロセスのフロー図である。 図４Ａは、平面上へのオブジェクトプロファイルの湾曲部分の投影を示している。 図４Ｂは、湾曲したオブジェクトの側面において生じる縞模様及び結果として得られた印刷画像を補償するための印刷ヘッド動作に対する調整を示している。 図５Ａは、オブジェクトプロファイルから得られた印刷ヘッド対オブジェクト距離を示している。 図５Ｂは、印刷ヘッドノズルとオブジェクトとの間の距離の差異及び得られた印刷画像を補償するための印刷ヘッド動作に対する調整を示している。 図６Ａは、固定印刷ヘッドのアレイを越えてオブジェクトホルダ上にオブジェクトを供給する従来の直立印刷システムを示している。 図６Ｂは、図６Ａの従来のシステムにおけるオブジェクト及びオブジェクトホルダの正面図を示している。 図７Ａは、図６Ａの従来のシステムにおいてオブジェクトの曲率が増加するのにともない液滴間の距離が増大する問題を示している。 図７Ｂは、この問題を示すグラフである。 図７Ｃは、結果として得られた縞模様を示している。 図８Ａは、図６Ａの従来のシステムにおいてオブジェクトの曲率が増大するのにともない印刷ヘッドとオブジェクトとの間の距離が増大する問題を示している。 図８Ｂは、この問題を示すグラフである。 図８Ｃは、結果として得られた画像歪みを示している。

本実施形態の一般的な理解のために、図面が参照される。図面において、同様の参照符号は、同様の要素を示すために全体を通して使用されている。

図６Ａは、ホルダ１０８が固定印刷ヘッドのアレイ１１２を越えて部材１１６上を移動するのにともない、ホルダ１０８に取り付けられたオブジェクト１０４の表面に印刷するように構成された従来の印刷システム１００を示している。本願明細書において使用される場合、用語「固定印刷ヘッド」は、ホルダによって固定されたオブジェクトの印刷中にオブジェクトホルダの平面と平行なままのそれらのフェースプレートを有するプリンタにおける印刷ヘッドを指す。アレイ１１２における印刷ヘッド１１８のうちの１つ以上が紫外線（ＵＶ）インクを吐出する場合、ＵＶランプ１２０は、ＵＶインクを硬化させるようにコントローラ１２４によって動作される。コントローラ１２４はまた、オブジェクトがホルダ内に取り付けられた後にホルダ１０８を移動させるようにアクチュエータ１２８を動作させるように構成されている。コントローラ１２４は、オブジェクト１０４の表面上にマーキング材料を吐出するようにアレイ１１２における印刷ヘッドを動作させるように構成されている。図６Ｂは、それらが印刷ヘッドアレイ１１２に面するときのホルダ１０８及びオブジェクト１０４を示している。ラッチ１３２は、ホルダ１０８を部材１１６に取り付ける。

従来のプリンタ１００から生じる問題が図７Ａ乃至図７Ｃ及び図８Ａ乃至図８Ｃに示されている。図７Ａにおいて、マーキング材料液滴は、印刷ヘッド１１８から湾曲したオブジェクト１０４の表面に向かって吐出される。読者は、オブジェクトの半分のみが図７Ａに示されているが、オブジェクトの他の半分は、負のＸ、正のＹ平面においてその関係を繰り返すことに留意すべきである。オブジェクトの表面が印刷ヘッドから離れるように湾曲することから、オブジェクトが印刷ヘッドからさらに離れて曲がるのにともない、液滴についての着弾領域間の距離は増加する。この関係は、図７Ｂに図示されており、液滴が着弾する位置が印刷ヘッド１１８に最も近いオブジェクト位置から遠く離れるのにともない、インクの質量／単位面積が減少することを示している。図７Ｃに示すように、印刷ヘッド１１８は、各位置について同数の液滴を吐出するが、外周上の液滴間の距離が増加することから、印刷画像１４０は、中央におけるよりも縁部において濃度が低い。

従来のプリンタ１００において生じる他の問題が図８Ａに示されている。この図は、印刷ヘッドと印刷ヘッド１１８によって吐出される液滴の着弾位置との距離が、ヘッド−シリンダ間隙として示される印刷ヘッドと印刷ヘッドに最も近いオブジェクトの部分との間の間隙と、曲率間隙と称されるヘッド−シリンダ間隙における接線からオブジェクトの曲率上の位置までの間隙との合計であることを示している。図に示すように、ヘッド−シリンダ間隙は一定のままであるが、オブジェクトの表面が印刷ヘッド１１８から離れるのにともない湾曲間隙は増加する。図８Ｂにおけるグラフは、印刷位置が印刷ヘッド１１８に最も近いオブジェクトの部分からさらに除去されるのにともない、印刷ヘッド１１８と液滴の着弾位置との間の距離が増加することを明らかにしている。この距離の増加は、印刷ヘッドに最も近いオブジェクトの部分から遠い位置における液滴がさらに移動し、そのため、オブジェクトが部材１１６上を移動する時間がより長くなることを意味している。それゆえに、同時に吐出された液滴は、オブジェクトを横切る直線を形成せず、むしろ図８Ｃに示されるように湾曲した画像１４４を形成する。この画像における湾曲は、画像歪みと称される。

湾曲したオブジェクト上のインク像の縞模様及び歪みに対処するために、図１に示されるプリンタ２００が開発された。プリンタ２００は、上述したように、アレイ１１２における固定印刷ヘッド１１８と、ＵＶランプ１２０と、部材１１６と、オブジェクト１０４用のホルダ１０８とを含む。プリンタ２００はまた、示されるように、複数の位置からホルダ１０８内のオブジェクト１０４の画像データを生成するように構成されたカメラアレイ２４０である複数の画像形成装置を含む。図にはカメラが示されているが、画像形成装置は、オブジェクトに向かって光を導いて反射光を受光し、そして検出器が検出器によって受光される光強度に対応する電気信号として画像データを生成するように構成された複数の発光器及び光検出器とすることができる。画像形成装置はまた、オブジェクト１０４の表面に係合して接触センサの偏向の程度に対応する信号を生成する接触センサとすることもできる。本文書において使用される場合、「画像形成装置」は、画像形成装置に対向するオブジェクトの表面の一部を示す１つ以上の信号を生成するように構成された任意の装置を意味する。図１において、アレイにおけるカメラは、３０フレーム／秒以上のフレームレートでカラー画像を捕捉するように構成され、各フレームは、１０２４画素×１０２４画素の解像度を有する。ビデオデータは、ａｖｉ又はｗｍｖなどの公知のフォーマットで捕捉され、ＰＮＧ、ｊｐｅｇなどの公知のフォーマットを有する画像データファイルに変換される。画像データは、コントローラに動作可能に接続されたメモリに格納されたプログラミング命令によって画像データを処理してオブジェクト１０４の３Ｄオブジェクトプロファイルを生成するように構成されたコントローラ２２４に供給される。コントローラによって生成された３Ｄオブジェクトプロファイルは、ホルダ１０８の表面を基準とした（ｘ，ｙ，ｚ）座標を有する３次元マトリクスデータであり、これらのプロファイルは、これを提供する．ｃｓｖ、．ｔｘｔなどの公知のフォーマットで格納される。コントローラ２２４は、以下により詳細に記載されるように、生成されたオブジェクトプロファイルを使用し、縞模様及び歪みを補償するように印刷ヘッド１１８の動作を制御する。代替実施形態において、画像形成装置によって生成されたオブジェクトの画像データからオブジェクトプロファイルを生成する代わりに、オブジェクトプロファイルデータは、方程式又は設計データファイルとしてコントローラに送信されることができる。

プリンタ２００を動作させるためのプロセスが図３に示される。プロセスの説明において、プロセスがいくつかのタスク又は機能を実行しているというステートメントは、タスク又は機能を実行するためにデータを操作するように又はプリンタにおける１つ以上のコンポーネントを動作させるように、コントローラ又はプロセッサに動作可能に接続された非一時的コンピュータ可読記憶媒体に格納されたプログラミング命令を実行するコントローラ又は汎用プロセッサを指す。上述したコントローラ２２４は、そのようなコントローラ又はプロセッサとすることができる。あるいは、コントローラは、複数のプロセッサ並びに関連する回路及びコンポーネントによって実装されることができ、そのそれぞれは、本願明細書に記載される１つ以上のタスク又は機能を形成するように構成されている。さらに、本方法のステップは、図に示される順序又は処理が記述される順序にかかわらず、任意の実行可能な時間順に実行されてもよい。

プロセス３００は、オブジェクト１０４がホルダ１０８内に固定されて開始される（ブロック３０４）。コントローラは、カメラアレイ２４０に対向するオブジェクト及びホルダを移動させるようにホルダ１０８に動作可能に接続されたアクチュエータ１２８を動作させ、また、コントローラは、ホルダ及びホルダに固定されたオブジェクトがカメラアレイを越えるのにともないコントローラがカメラアレイから受信するオブジェクトの画像データを生成するようにカメラアレイにおけるカメラを動作させる（ブロック３０８）。オブジェクトの構成が画像データの生成に追加の時間を必要とする場合、コントローラは、印刷ヘッドを越えるホルダ及びオブジェクトの移動を継続する前に所定時間複数のカメラに対向してホルダ及びオブジェクトを維持するようにアクチュエータを動作させるようにさらに構成されている。コントローラは、画像データを処理してオブジェクトの３Ｄプロファイルを生成する（ブロック３１２）。３Ｄプロファイルは、局所的なインク濃度制御（ブロック３２０）のために印刷ヘッドを動作させるためにコントローラによって使用されるオブジェクト表面積比を特定するために使用される（ブロック３１６）。３Ｄプロファイルはまた、イジェクタタイミング制御（ブロック３２８）のために印刷ヘッドを動作させるためにコントローラによって使用される印刷ヘッド−オブジェクト距離を特定するために使用される（ブロック３２４）。

図４Ａは、オブジェクトの表面積比の特定を示している。投影面４０４は、投影面上の対応する領域に対するオブジェクト表面領域の局所的比率を取得するためにオブジェクトプロファイル４０８と一致される。この比率関数は、ｆ（ｘ，ｙ）＝δＳ（ｘ，ｙ）／δ_ｐＳ（ｘ，ｙ）とすることができる。そして、コントローラは、図４Ｂに示すようにオブジェクト表面全体上の単位面積あたりの質量が均一であるのを確実にするために、面積比ｄｐｉ_ｐｈ（ｘ，ｙ）〜ｆ（ｘ，ｙ）＝δＳ（ｘ，ｙ）／δ_ｐＳ（ｘ，ｙ）に対して印刷ヘッドを局所的に制御する。具体的には、印刷ヘッドから離れた湾曲表面の一部に対向するイジェクタからの液滴がオブジェクトに近いイジェクタによって吐出される同数の液滴よりも多い領域をカバーしなければならないことから、図７Ｃに示すように不均一濃度が発生した。この距離差の影響を解消するために、コントローラ２２４は、オブジェクトに近いイジェクタよりも多くの液滴を吐出するようにその湾曲によってオブジェクト表面から除去されたイジェクタを動作させる非発射パルスに対する発射パルスの比を増加させる。すなわち、これらのイジェクタが動作する頻度が増加する。その結果得られたより広い領域にわたる増加した数の液滴は、印刷ヘッドにより近いより小さな領域における少数の液滴とともにマーキング材料の分布をより均一にする。

図５Ａは、印刷ヘッド−オブジェクト距離の特定を示している。この距離関数は、ｈ（ｘ，ｙ）として記述されることができ、その値は、図に示すように印刷ヘッド１１８の面の位置及びオブジェクトプロファイル４０８を参照して特定される。そして、この距離は、イジェクタの発射のタイミングを制御するために使用される。具体的には、オブジェクトから遠いイジェクタからの液滴は、液滴がほぼ同じ速度を有することから、オブジェクトに近いイジェクタからの液滴よりもオブジェクトの表面に到達するためにより長時間移動する。より近いイジェクタを発射させる前にオブジェクトから遠いイジェクタを発射させることにより、双方のイジェクタからの液滴は、ほぼ同時にオブジェクトの表面に到達する。この動作は、図８Ｃに示すように曲線ではなく図５Ｂに示すように液滴が直線状になるのを可能とする。

上記開示された装置及び他の特徴、並びに機能の変形例、又はそれらの代替例は、多くの他の異なるシステム又はアプリケーションに望ましくは組み合わされることができることが理解される。現在は予期しない又は予測しない様々な代替例、変更例、変形例、又は改良例は、当業者によって後に行われることができ、以下の特許請求の範囲に包含されるようにも意図される。

Claims (10)

1. 印刷システムにおいて、
   複数の印刷ヘッドにおける各印刷ヘッドがマーキング材料を吐出するように構成された複数の印刷ヘッドと、
   第１の端部及び第２の端部を有し、前記複数の印刷ヘッドが部材に対向し且つ前記部材の前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置される部材と、
   オブジェクトを保持し且つ前記部材の前記第１の端部と前記第２の端部との間において前記部材に沿って移動するように構成されたホルダと、
   前記複数の印刷ヘッドにおける前記印刷ヘッドからのマーキング材料を受けるために前記オブジェクトが前記印刷ヘッドを越えて移動するのを可能とするようにアクチュエータが前記部材に沿って前記ホルダを移動させるように前記ホルダに動作可能に接続されたアクチュエータと、
   前記部材の前記第１の端部と前記複数の印刷ヘッドとの間に配置され、前記オブジェクトが前記複数の画像形成装置を通過するのにともない、前記複数の画像形成装置における各画像形成装置が前記画像形成装置に対向する前記オブジェクトの一部の画像データを生成するように構成された複数の画像形成装置と、
   前記複数の印刷ヘッド、前記アクチュエータ、及び前記複数の画像形成装置に動作可能に接続され、前記部材に沿って前記ホルダ及び前記オブジェクトを移動させるように前記アクチュエータを動作させ、前記オブジェクトが前記複数の画像形成装置に対向したことに応答して前記オブジェクトの画像データを生成するように前記画像形成装置を動作させ、前記画像形成装置から受信した前記生成された画像データを参照してオブジェクトプロファイルを生成し、前記生成されたオブジェクトプロファイルを参照して前記複数の印刷ヘッドの前記印刷ヘッド内のイジェクタを動作させるように構成されたコントローラと
   を備える、印刷システム。
2. 前記複数の画像形成装置が、複数のカメラにおける各カメラによって生成された前記画像データを前記コントローラに配信するために前記コントローラに動作可能に接続された複数のカメラである、請求項１に記載の印刷システム。
3. 前記複数の印刷ヘッドにおける前記印刷ヘッドが固定印刷ヘッドである、請求項２に記載の印刷システム。
4. 前記コントローラが、第１の頻度で前記オブジェクトに近いイジェクタよりも前記オブジェクトから遠いイジェクタを動作させ、第２の頻度で前記オブジェクトに近いイジェクタを動作させるようにさらに構成されており、前記第１の頻度が前記第２の頻度よりも高い、請求項３に記載の印刷システム。
5. 前記複数の印刷ヘッドから吐出されたＵＶ硬化性マーキング材料を硬化させるようにＵＶ範囲内の光を発光するように構成された紫外線（ＵＶ）ランプ
   をさらに備える、請求項３に記載の印刷システム。
6. プリンタを動作させる方法において、
   ホルダに取り付けられた部材に沿って前記ホルダ及び前記ホルダ内に固定されたオブジェクトを移動させるように前記ホルダに動作可能に接続されたアクチュエータをコントローラによって動作させることと、
   前記オブジェクトが複数の画像形成装置に対向したことに応答して前記オブジェクトの画像データを生成するように複数の画像形成装置を前記コントローラによって動作させることと、
   前記複数の画像形成装置から受信した前記生成された画像データを参照してオブジェクトプロファイルを前記コントローラによって生成することと、
   前記生成されたオブジェクトプロファイルを参照して前記複数の印刷ヘッド内のイジェクタを前記コントローラによって動作させることと
   を備え、前記複数の印刷ヘッドにおける前記印刷ヘッドが固定印刷ヘッドである、
   方法。
7. 前記複数の画像形成装置の動作が、
   前記画像データを生成するように前記コントローラによって複数のカメラを動作させること
   をさらに備える、請求項６に記載の方法。
8. 第１の頻度で前記オブジェクトに近いイジェクタよりも前記オブジェクトから遠いイジェクタを前記コントローラによって動作させることと、
   第２の頻度で前記オブジェクトに近いイジェクタを動作させることと
   をさらに備え、前記第１の頻度が前記第２の頻度よりも高い、
   請求項６に記載の方法。
9. 前記オブジェクトから遠いイジェクタからのマーキング材料の液滴が前記オブジェクトに近いイジェクタから吐出された液滴と同時に前記オブジェクトに到達するのを可能とするように、前記オブジェクトに近いイジェクタを動作させる前に前記オブジェクトに近いイジェクタよりも前記オブジェクトから遠いイジェクタを前記コントローラによって動作させること
   をさらに備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記オブジェクトから遠いイジェクタからのマーキング材料の液滴が前記オブジェクトに近いイジェクタから吐出された液滴と同時に前記オブジェクトに到達するのを可能とするように、前記オブジェクトに近いイジェクタを動作させる前に前記オブジェクトに近いイジェクタよりも前記オブジェクトから遠いイジェクタを前記コントローラによって動作させること
    をさらに備える、請求項７に記載の方法。
    
    

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