JP2020189444A - 印刷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元の曲面を有するワークに対して精度良く印刷できるようにする。【解決手段】立体物１０は、固定治具４０に固定されている。駆動部５０は、Ａ軸回転機構２０４、Ｂ軸回転機構２０５、Ｙ軸可動機構２０２、Ｚ軸可動機構２０３を有し、固定治具４０を保持している。駆動部５０は、立体物１０の曲面の曲率に応じて立体物１０の姿勢を調整して、ノズル２５と立体物１０の表面との距離を一定範囲に近付ける。インクジェットヘッド部２０は、立体物１０の表面に液滴を吐出させる。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状の曲面に液滴を配置し、曲面上に膜を形成する印刷装置に関するものである。

近年、柄や模様といわれるデザインや写真などの画像を、掃除機、電動歯ブラシ、カメラ、パソコンなどの家電製品の表面へ加飾し、その製品を提供することが注目されている。

例えば、あるブランドのロゴやそのブランドイメージから連想されるデザインなどを製品に追加した製品がある。また、ある販売店だけ既存品からデザインを変更した製品もある。インターネットでの購入に限定し、デザインを追加・変更した製品もある。さらに、消費者自身にデザインを考えてもらい、製品に印刷するサービスなどもある。

これらは、製品の外観上のデザインを消費者の細かなニーズに対応させることで、商品の付加価値を高めている。このような少量多品種な製品を加飾する技術として、オンデマンドやバリアブルに適した印刷方法であるインクジェット技術の利用が考えられる。

ところで、従来のインクジェット技術は、液滴を吐出するインクジェットヘッドと印刷対象物であるワークとの距離を一定に保って、画像を紙面や板など二次元形状に形成するものである。

そのため、インクジェット技術を三次元形状に応用する場合、インクジェットヘッドとワークとの距離を一定に保とうとしても、ワークが曲面である場合、曲率の違う場所が存在するため、距離が変わってしまう。

また、インクジェット技術は、ノズル内の液滴をピエゾ振動や気泡などにより吐出させ、その吐出した微小の液滴を空間中で飛翔させワークへ着弾させるプロセスである。

そのため、インクジェットヘッドとワークとの距離が長い部分は、液滴がワークに到達する時間が長くなるため周囲の気流の影響を受けやすい。そして、インクジェットヘッドとワークとの距離が変わるところで、液滴の位置が所定の位置と違うことが起こり、にじみやかすれ、さらには色ずれなどの現象が起こる。つまり、三次元の曲面上に液滴を所定の位置に精度良く配置させなければ、印刷画像が低画質となる問題がある。

一方、インクジェットを用いて、曲面を有するワークに印刷する技術も公開されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、インクジェットヘッドの主走査方向を軸方向とする筒状体のワークの側面に対して、副走査方向にノズル列を傾けてインク滴を吐出するようにした印刷装置が開示されている。

特許６４２６０３８号公報

ところで、特許文献１の発明では、印刷可能なワークの断面形状が、楕円、かまぼこ型、ピーナツ型等の筒状体のものに限定されている。そのため、筒状体のワークに限定されることなく、任意の三次元の曲面を有するワークに対しても、高精度に印刷することが可能な印刷装置が望まれていた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、三次元の曲面を有するワークに対して精度良く印刷できるようにすることにある。

本発明は、主走査方向に移動するインクジェットヘッド部のノズルからワークの曲面に対して液滴を吐出することで、所定の画像を印刷する印刷装置を対象としている。そして、前記ワークを固定する固定治具と、２軸の回転機構及び２軸の可動機構を有し、前記ワークが所定の姿勢となるように前記固定治具を駆動させる駆動部と、前記ワークの曲面の曲率に応じて該ワークの姿勢を調整して、前記ノズルと該ワークの表面との距離を一定範囲に近付けるとともに、該ワークの表面に液滴を吐出させるように、前記インクジェットヘッド部及び前記駆動部の動作を制御する制御部とを備えている。

本発明によれば、三次元の曲面を有するワークに対して液滴を精度良く配置することができる。

本実施形態に係る印刷装置の概略構成を示す正面図である。 印刷装置の概略構成を示す側面図である。 ワークの形状を示す平面図である。 ワークの形状を示す正面図である。 インクジェットヘッド部の構成を示す平面図である。 ノズル列の配置を示す平面図である。 ノズル列の別の配置を示す平面図である。 ノズル列の別の配置を示す平面図である。 インク供給・循環システム部の概略構成を示す図である。 印刷装置の動作手順を示すフローチャート図である。 印刷装置の姿勢と向きを示す平面図である。 印刷装置の姿勢と向きを示す側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１及び図２に示すように、印刷装置１００は、ワークとしての立体物１０の表面に画像を形成するものである。立体物１０は、平面１１と、曲面１２とを有する。

印刷装置１００は、インクジェットヘッド部２０と、インク供給・循環システム部３０と、固定治具４０と、駆動部５０と、制御部６０とを備えている。

〈立体物１０〉
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、立体物１０は、例えば、ロボット掃除機の筐体として用いられる家電製品のカバーである。立体物１０は、ＡＢＳ樹脂、ＰＰ樹脂、ＰＣ樹脂等の樹脂成形品で構成されている。

立体物１０は、平面１１と、曲面１２とを有する。立体物１０は、平面視でルーローの三角形に似た形状に形成されている。なお、ルーローの三角形とは、正方形に内接して回転可能な三角形である。

平面１１は、平面視で立体物１０の中心位置に設けられている。曲面１２は、平面１１の中心位置から三角形の頂点位置に向かって徐々に傾斜する側面で形成されている。

なお、立体物１０は、平面１１と曲面１２とを有するものであれば、この形態に限定するものではない。

〈インクジェットヘッド部２０〉
図１に示すように、印刷装置１００は、門型のガントリー１０１を有する。ガントリー１０１は、１軸の並進機構であるＸ軸可動機構２０６を有する。Ｘ軸可動機構２０６には、インクジェットヘッド部２０が取り付けられている。

インクジェットヘッド部２０は、立体物１０の印刷面の上方に配置されている。インクジェットヘッド部２０は、液滴２１を吐出することで、立体物１０の平面１１及び曲面１２に画像を形成する。

図４に示すように、インクジェットヘッド部２０は、主走査方向２００（図４で左右方向）に移動可能となっている。副走査方向２０１は、主走査方向２００に直交する方向である。立体物１０は、駆動部５０を駆動させることで、インクジェットヘッド部２０に対して副走査方向２０１に相対移動する。

インクジェットヘッド部２０は、複数のヘッド２２と、硬化部２３と、距離測定部２４とを有する。

ヘッド２２は、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）の４色に対応して４つ設けられている。

なお、画像の粒状性を改善するライトシアン（Ｌｃ）やライトマゼンタ（Ｌｍ）、色の再現領域を広げるためのグリーン（Ｇ）、オレンジ（Ｏｒ）、レッド（Ｒ）、バイオレット（Ｖ）等、いわゆる特色と呼ばれる他の色のヘッドを加えてもよい。

また、図４に示す例では、インクジェットヘッド部２０の左側から順に、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）のヘッド２２が並べられているが、この形態に限定するものではない。例えば、画像を形成する商品に求められる色合いに合わせて、ブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順にヘッド２２を並べてもよい。

また、下地が白色ではない媒体に対して画像を形成する場合には、ホワイト（Ｗ）のヘッドが必要となる。例えば、４色のヘッド２２の端部に、ホワイト（Ｗ）のヘッドを配置すればよい。

また、下地との密着性を付与するためのプライマー用のヘッド、凹凸のテクスチャーの作成や色の上に保護層を形成すためのクリアー用のヘッド、アルミ、金、銀、銅などを含有するメタリック調の材料用のヘッドについても、必要に応じて、４色のヘッド２２の端部に、これらのヘッドを配置すればよい。

ここで、各色のインク又は塗料は、紫外線（ＵＶ）で硬化する材料で構成されている。なお、プライマーやクリアー等は、紫外線タイプのものでもよいし、溶剤型でもよい。また、メタリック調の材料も、紫外線タイプや溶剤型でもよい。

〈硬化部２３〉
インクジェットヘッド部２０は、上述したインクや塗料を硬化させる硬化部２３を有する。硬化部２３は、塗布するインクや塗料の種類によって選択される。例えば、硬化部２３として、メタルハライドランプやＵＶ−ＬＥＤ等の紫外線光源、ハロゲンランプや赤外線レーザーダイオード、赤外線レーザー等の赤外線光源、ヒーターによる熱源等を用いることができる、
なお、図４に示す例では、硬化部２３を１つのみ設けた構成としたが、硬化部２３を複数設けた構成としてもよい。

〈距離測定部２４〉
インクジェットヘッド部２０は、距離測定部２４を有する。距離測定部２４は、立体物１０とインクジェットヘッド部２０との距離を測定する。距離測定部２４は、立体物１０を構成する材料の種類によって選択される。例えば、距離測定部２４として、接触式のプローブや、ＬＥＤ等の光を立体物１０に照射してから受光素子（図示省略）に返ってくるまでの時間に基づいて距離を測定する非接触方式のものを用いることができる。

ここで、立体物１０にインクを吐出して印刷する前に、距離測定部２４によって、立体物１０とインクジェットヘッド部２０との距離を測定するようにしている。

具体的に、立体物１０は、プラスチック等の樹脂成形品で構成されている。そのため、立体物１０は、製品の設計ＣＡＤデータに対して、±１ｍｍ以上の寸法差が生じることとなる。

そこで、立体物１０とインクジェットヘッド部２０との距離を事前に測定しておけば、印刷時に、インクジェットヘッド部２０と立体物１０とが衝突することなく、且つインクが確実に届く距離間である印刷ギャップを適切に設定することができる。

なお、距離測定部２４によって、立体物１０の形状を測定し、測定データに基づいて、立体物１０のサーフェスデータに変換するようにしても良い。これにより、立体物１０のサーフェスデータを印刷に使用することができる。また、印刷するエリアの代表点のみを測定して、印刷ギャップを変更しても良い。

このような作業は、印刷する部品の全数でも取得してもよいし、抜き取りでも良い。なお、このような距離測定のための手順は、寸法の安定性に優れた材料であれば、特に実施する必要はない。

また、図４に示す例では、距離測定部２４を１つのみ設けた構成としたが、原理の異なる複数の距離測定部２４を設けた構成としてもよい。

〈ノズル２５〉
図５Ａに示すように、ヘッド２２は、ノズル列２６を有する。ノズル列２６は、１ヘッドに対して複数のノズル２５が並んで配置されることで形成されている。図５Ａに示す例では、ノズル列２６は、２列設けられている。

ヘッド２２は、主走査方向２００に対して傾いた状態で配置されている。ノズル列２６も同様に、主走査方向２００に対して傾いた状態で配置されている。

ここで、隣接するノズル２５間における主走査方向２００に対するピッチ２７と、副走査方向２０１に対するピッチ２８とは、所定の間隔となるように、ヘッド２２のノズル孔や取り付け角度が設定されている。

好ましくは、３００〜１２００ｄｐｉとなるように設定されている。より好ましいのは、６００ｄｐｉとなるように設定されている。

インクジェットヘッド部２０は、ピエゾ方式であり、制御部６０から供給される駆動信号に応じて、ノズル２５から鉛直下方に向かって、所定量の液滴２１を吐出する。

なお、ノズル列２６は、１列であっても良い（図５Ｂ参照）。また、ノズル列２６は、複数列（例えば４列）であっても良い（図５Ｃ参照）。

〈インク供給・循環システム部３０〉
図６に示すように、インク供給・循環システム部３０は、インク供給部３００と、インク循環部３０１とを有する。

インク供給部３００には、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）の各インク又は塗料が投入されて貯留される。インク供給部３００に貯留されたインク又は塗料は、ポンプ３０２によって吸い上げられ、インク循環部３０１に供給される。

インク循環部３０１とインクジェットヘッド部２０との間では、一定の流量でインクが循環するようになっている。具体的に、ポンプ３０３の回転数を制御することで、インクジェットヘッド部２０へ流れ込むインクの圧力及び流量と、インクジェットヘッド部２０から流れ出すインクの圧力及び流量とを制御している。

インク循環部３０１からインクジェットヘッド部２０に向かってインクや塗料を供給するための流路には、デガス３０４と、フィルタ３０５とが設けられている。デガス３０４は、インクや塗料に含まれる泡を抜くためのものである。フィルタ３０５は、インクや塗料に含まれる異物を取り除くためのものである。

インクジェットヘッド部２０からインク循環部３０１に向かってインクや塗料を戻すための流路には、ポンプ３０３と、ダンパ３０６とが設けられている。ダンパ３０６は、インクや塗料の脈動を抑えるためのものである。

このように、インク供給・循環システム部３０によって、印刷装置１００では、インク又は塗料が常に循環している。このため、インクや塗料中に存在する気泡が除去されるので、気泡によるノズル詰まりを少なくすることができる。

また、インクや塗料の材料として、立体物１０が白色の材質でない場合に用いる白インク等や、加飾の高級感を付与するメタリック調の材料や配線等に用いる金属や、金属酸化物を含有する等の比重が重い材料を用いても、材料の詰まりによる吐出不良が発生し難くなる。なお、これらの複数のインクや塗料を用いる場合は、同等の構成でインク供給・循環システム部３０に各材料のユニットとして追加すればよい。

また、インク供給・循環システム部３０の中に、インクや塗料を温めるヒータユニットを設けても良い。例えば、インク供給部３００やインク循環部３０１の各色を温めても良いし、インク経路の配管にヒータを付けても良い。

このような構成にすれば、高粘度であるプライマーやクリアー等の塗料やワックス等を塗布することが可能となる。

また、図示していないが、各分岐する配管にバルブを配置して、インクジェットヘッド部２０へ流入する側に、ポンプ３０３やダンパ３０６を設置しても良い。

〈固定治具４０〉
図１及び図２に示すように、固定治具４０は、立体物１０を保持している。固定治具４０は、駆動部５０に取り付けられている。

固定治具４０は、駆動部５０の先端に取り付けられている。固定治具４０は、インクジェットヘッド部２０の下方に対向して配置される。固定治具４０には、立体物１０が固定されている。

固定治具４０の形状は、立体物１０を製品として組み込んだ場合に、相手側の部品と同様の形状とするのが良い。これにより、立体物１０の形状が歪むことなく、固定治具４０で保持することができる。また、実際の製品の形状データを利用することで、固定治具４０の設計の汎用性が向上する。

〈駆動部５０〉
図１及び図２に示すように、駆動部５０は、固定治具４０に固定された立体物１０を、インクジェットヘッド部２０の下方に搬送する。

駆動部５０は、２軸の並進機構であるＹ軸可動機構２０２及びＺ軸可動機構２０３と、２つの回転機構であるＡ軸回転機構２０４及びＢ軸回転機構２０５とを有する。

Ｂ軸回転機構２０５の先端には、固定治具４０が取り付けられている。固定治具４０には、立体物１０が保持されている。固定治具４０は、立体物１０の形状に合わせて交換可能となっている。

駆動部５０は、Ｙ軸可動機構２０２、Ｚ軸可動機構２０３、Ａ軸回転機構２０４、Ｂ軸回転機構２０５を動作させることで、立体物１０をインクジェットヘッド部２０の鉛直下方に移動させる。このとき、駆動部５０によって、立体物１０の位置及び姿勢を調整することができる。

〈制御部６０〉
図１に示すように、制御部６０は、インクジェットヘッド部２０、インク供給・循環システム部３０、駆動部５０の動作を制御する。

制御部６０は、パソコンやＰＬＣ等で構成されている。制御部６０は、インクジェットヘッド部２０のヘッド２２から液滴２１を吐出させるための制御を行う。制御部６０は、Ｘ軸可動機構２０６や駆動部５０を動作させるための制御を行う。制御部６０は、インク又は塗料をインクジェットヘッド部２０に供給し、再循環させるための制御を行う。

図７に示すように、ステップＳ１０では、立体物１０の形状データ及び印刷したい画像データが制御部６０に入力される。

ステップＳ１１では、入力されたデータに基づいて、立体物１０に対しての駆動部５０の動作が決定される。

ステップＳ１２では、駆動部５０を動作させながら、距離測定部２４によって、立体物１０とインクジェットヘッド部２０との距離を計測する。

ステップＳ１３では、距離測定部２４の計測結果に基づいて、実際の部品の形状データを算出する。

ステップＳ１４では、算出した形状データに基づいて、駆動部５０の動作とインクジェットヘッド部２０の動作を決定する。

ステップＳ１５では、立体物１０の三次元形状のデータ、印刷する絵柄の画像データ、印刷する絵柄を三次元曲面に合わせて分割した画像データ、分割した画像データを各色の毎に分配した画像データ、駆動部５０の動作データなどが制御部６０の記憶装置に記憶される。

ステップＳ１６では、形状データ、画像データ、動作データに基づいて、ヘッド２２を駆動してインクを吐出しながら、駆動部５０を動作させることで、立体物１０に画像を印刷して、処理を終了する。

〈印刷する際の姿勢と向き〉
図８及び図９に示すように、立体物１０の曲面上の一部である印刷領域４０１にインクや塗料を塗布する場合には、主走査方向２００と同じ方向に延びる印刷平面４００を立体物１０上に設定する。

そして、立体物１０の直下のＢ軸回転機構２０５を回転させて、次に、Ａ軸回転機構２０４を回転させることで、立体物１０の姿勢と向きを変える。このとき、Ｚ軸可動機構２０３及びＹ軸可動機構２０２を動作させることで、インクジェットヘッド部２０のノズル２５の鉛直直下に印刷平面４００を移動させる。

そして、インクジェットヘッド部２０を、Ｘ軸可動機構２０６に沿って動作させ、立体物１０上の印刷領域４０１に位置したときに、ノズル２５から液滴２１を吐出する。なお、印刷平面４００とノズル２５との距離は、５ｍｍ以内となるように配置することが好ましい。

印刷平面４００は、立体物１０の形状の曲率に合わせて複数用意しておく。印刷平面４００の主走査方向２００側の距離は、ヘッド２２の幅より大きくなる。また、副走査方向２０１側の距離は、立体物１０の曲率に合わせて距離が変わる。

例えば、曲率が小さい場合には、ヘッド２２の幅より大きくしても良いし、ヘッド２２より小さい平面を複数用意しても良い。一方、曲率が大きい場合には、ヘッド２２より小さい平面を複数用意して、立体物１０の姿勢と向きを制御すればよい。

これにより、曲面を有する立体物１０、特に、家電製品の外観に加飾、配線、部品を作成する際に、高画質な画像で印刷することができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、例えば、インクジェットヘッド部２０に、ノズル２５から吐出した液滴２１からなるミストを回収する機構を設けても良い。また、インクジェットヘッド部２０を主走査方向２００に移動させる際に発生する風を防ぐために、整流板を取り付けてもよい。また、吐出した液滴２１の立体物１０上の位置を確認するためのカメラを取り付けても良い。

以上説明したように、本発明は、曲面を有するワークに対して高精度にパターンを描画することができるので、製品外観のデザイン形成や三次元表面の配線パターン描画等に利用可能である。

１０ 立体物（ワーク）
１２ 曲面
２０ インクジェットヘッド部
２１ 液滴
２２ ヘッド
２３ 硬化部
２５ ノズル
３０ インク供給・循環システム部
４０ 固定治具
５０ 駆動部
６０ 制御部
１００ 印刷装置
２００ 主走査方向
２０１ 副走査方向
２０２ Ｙ軸可動機構
２０３ Ｚ軸可動機構
２０４ Ａ軸回転機構
２０５ Ｂ軸回転機構
２０６ Ｘ軸可動機構
４００ 印刷平面

Claims (13)

1. 主走査方向に移動するインクジェットヘッド部のノズルからワークの曲面に対して液滴を吐出することで、所定の画像を印刷する印刷装置であって、
   前記ワークを固定する固定治具と、
   ２軸の回転機構及び２軸の可動機構を有し、前記ワークが所定の姿勢となるように前記固定治具を駆動させる駆動部と、
   前記ワークの曲面の曲率に応じて該ワークの姿勢を調整して、前記ノズルと該ワークの表面との距離を一定範囲に近付けるとともに、該ワークの表面に液滴を吐出させるように、前記インクジェットヘッド部及び前記駆動部の動作を制御する制御部とを備えた印刷装置。
2. 請求項１において、
   前記駆動部は、前記ワークの曲面の曲率に合わせて設定された印刷平面が水平姿勢となり且つ該印刷平面と前記ノズルとの距離が略一定となるように、該ワークの姿勢を調整し、
   前記インクジェットヘッド部は、前記ワークが静止状態のときに該ワークの表面に液滴を吐出する印刷装置。
3. 請求項２において、
   前記印刷平面は、前記ワークの曲面の曲率に応じて複数設定されている印刷装置。
4. 請求項２又は３において、
   前記インクジェットヘッド部のヘッドには、主走査方向に沿って複数の前記ノズルが配置され、
   前記印刷平面の主走査方向の距離が前記ヘッドの主走査方向の幅よりも大きく、該印刷平面の副走査方向の距離が該ヘッドの副走査方向の幅よりも小さい印刷装置。
5. 請求項１乃至４のうち何れか１つにおいて、
   前記ワークは、製品の一部である樹脂成形品で構成され、
   前記固定治具は、前記ワークを製品として組み込んだときの相手側の部品と同様の形状に形成されて該ワークを固定している印刷装置。
6. 請求項１乃至５のうち何れか１つにおいて、
   前記ワークは、平面視でルーローの三角形状に形成され、
   前記ワークの曲面は、三角形状の中心位置から頂点位置に向かって曲率が大きくなっている印刷装置。
7. 請求項１乃至６のうち何れか１つにおいて、
   前記２軸の回転機構のうち、前記固定治具側に配置された該回転機構は、他方の該回転機構よりも回転角度が大きい印刷装置。
8. 請求項１乃至７のうち何れか１つにおいて、
   前記液滴は、紫外線硬化型のインク又は塗料であり、
   前記ワークに塗布された前記液滴に紫外線を照射して該液滴を硬化させる硬化部を備えた印刷装置。
9. 請求項１乃至７のうち何れか１つにおいて、
   前記液滴は、金属を微細化して分散させた状態のインク又は塗料であり、
   前記インクジェットヘッド部にインク又は塗料を供給し、再循環させるインク供給・循環システム部を備えた印刷装置。
10. 請求項１乃至７のうち何れか１つにおいて、
    前記液滴は、金属酸化物を微細化して分散させた状態のインク又は塗料であり、
    前記インクジェットヘッド部にインク又は塗料を供給し、再循環させるインク供給・循環システム部を備えた印刷装置。
11. 請求項１乃至７のうち何れか１つにおいて、
    前記液滴は、金属錯体を含有するインク又は塗料であり、
    前記インクジェットヘッド部にインク又は塗料を供給し、再循環させるインク供給・循環システム部を備えた印刷装置。
12. 請求項１乃至７のうち何れか１つにおいて、
    前記液滴は、顔料を含有するインク又は塗料であり、
    前記インクジェットヘッド部にインク又は塗料を供給し、再循環させるインク供給・循環システム部を備えた印刷装置。
13. 請求項１乃至１２のうち何れか１つにおいて、
    前記インクジェットヘッド部のヘッドは、主走査方向に対して複数且つ斜めに整列して配置されている印刷装置。

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