JP2016172379A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】記録対象物への記録画像の品質を向上させる。【解決手段】インクを吐出する複数のノズル孔を有する記録ヘッド３０と、記録ヘッド３０が取り付けられ、立体形状の記録対象物に対して記録ヘッド３０を移動させるアーム型ロボット２０と、記録ヘッド３０のノズル面から記録対象物の記録面までの距離を測定する測距センサと、記録対象物の記録面にインクを吐出して記録する際に、測定された距離に基づいて、記録ヘッド３０のノズル面と記録対象物の記録面との距離を一定に保持するようアーム型ロボット２０を制御するアーム制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、画像形成装置に関する。

従来、立体形状の印刷対象物（記録対象物）の表面に印刷を行なう場合、マスキングをしながら塗装するなどの手法が用いられていたため、量産して印刷を行うことが困難であった。近年では、印刷対象物に対して非接触でインクジェットによる印刷を行うことができる。従って、立体形状の印刷対象物への印刷が実用化されつつあり、インクを吐出する記録ヘッドの姿勢を保ちつつ、ある程度表面に凹凸がある物体への印刷が可能になってきている。しかしながら、大きな凹凸のある物体の表面への印刷は困難である。

そこで、記録ヘッドの姿勢を３Ｄ方向に自在に移動させながらインクを吐出できれば、立体形状の印刷対象物の表面に対して記録ヘッドの吐出面を合わせるように移動させて印刷を行うことが可能になる。例えば、多関節ロボットに記録ヘッドを搭載し、印刷媒体（印刷対象物）の高さ、形状等に合わせて記録ヘッドの位置を移動させて印刷する印刷装置が開示されている（特許文献１参照）。

しかしながら、記録ヘッドの姿勢を３Ｄ方向に移動させる場合、記録ヘッドの向きや移動速度が大きく変化するため、インク滴の着弾位置を印刷対象物における所望の位置に定めることが困難となり、印刷対象物への印刷画像の品質が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、記録対象物への記録画像の品質を向上させる画像形成装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、液滴を吐出する複数のノズル孔を有する記録ヘッドと、前記記録ヘッドが取り付けられ、立体形状の記録対象物に対して前記記録ヘッドを移動させる搬送装置と、前記記録ヘッドのノズル面から前記記録対象物の記録面までの距離を測定する測距部と、前記記録対象物の前記記録面に液滴を吐出して記録する際に、測定された距離に基づいて、前記記録ヘッドの前記ノズル面と前記記録対象物の前記記録面との距離を一定に保持するよう前記搬送装置を制御する第１の制御部と、を備える。

本発明によれば、記録対象物への記録画像の品質を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる画像形成装置の構成図である。 図２は、記録ヘッドの座標軸を示す図である。 図３は、記録ヘッドを図１における矢印Ａから見た矢視図である。 図４は、ノズル面と記録対象物の記録面との平行度の説明図である。 図５は、実施の形態にかかる画像形成装置の機能構成図である。 図６は、記録ヘッドのノズル吐出口の断面図である。 図７は、立体形状の記録対象物の記録面に連続して画像を記録する状態を示す図である。 図８は、実施の形態にかかる画像形成装置における記録動作の説明図である。 図９は、実施の形態の変形例１にかかる画像形成装置の構成図である。 図１０は、実施の形態の変形例２にかかる画像形成装置の構成図である。

（実施の形態）
以下に添付図面を参照して、画像形成装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施の形態にかかる画像形成装置の構成図である。本実施の形態の画像形成装置は、アーム型ロボット２０と、記録ヘッド３０と、ジャイロセンサ４０と、チャッキング５０と、メンテナンスステーション６０と、測距センサ７０、８０、９０（図３等参照）と、を主に備えており、記録対象物１０に記録（印刷）を行なう。記録対象物１０は、記録面である表面に文字やパターンなどを記録する立体形状の物体である。

アーム型ロボット２０は、ベース２３と、ベース２３に対して回転可能に取り付けられたアーム２２と、アーム２２に対して回転可能に取り付けられたアーム２１とから構成されている多関節ロボットである。アーム型ロボット２０は、アーム２１の先端に、チャッキング５０を介して取り付けられた搬送対象物を、限定された空間内における任意の位置へ移動させることができる搬送装置である。本実施の形態では、アーム型ロボット２０は、先端部分に固定された搬送対象物である記録ヘッド３０を、任意の位置に移動させる。

チャッキング５０は、アーム型ロボット２０のアーム２１の先端付近に取り付けられており、記録ヘッド３０をチャックする（取り付ける）。記録ヘッド３０は、インクを吐出する複数のノズル孔３２（図３等参照）を有しており、記録対象物１０の記録面（表面）にインクを吐出して画像を記録する。

ジャイロセンサ４０は、記録ヘッド３０の側面に取り付けられている３軸ジャイロセンサであって、回転角速度を検出するものである。図２は、記録ヘッドの座標軸を示す図である。図２に示すように、記録ヘッド３０における水平方向（重力に直交する方向）にｘ軸、ｘ軸に垂直なｙ軸、重力と反対方向にｚ軸が設定されている。ジャイロセンサ４０は、ｘ軸周りの角度θｘと、ｙ軸周りの角度θｙと、ｚ軸周りの角度θｚとを検出する。なお、ジャイロセンサ４０が角速度検出部に相当する。

メンテナンスステーション６０は、記録ヘッド３０のメンテナンスを行うメンテナンス装置である。具体的には、メンテナンスステーション６０は、記録ヘッド３０の印字時間が一定時間経過した場合に空吐出を行なったり、ノズル抜けが生じた場合にヘッドクリーニングを行なう。また、メンテナンスステーション６０は、記録ヘッド３０がメンテナンスステーション６０の上面に載置された場合に、メンテナンスを行う。

測距センサ７０、８０、９０は、距離を測定するセンサであり測距部に相当する。図３は、記録ヘッドを図１における矢印Ａから見た矢視図である。図３に示すように記録ヘッド３０の下面にはノズル面３１が備えられており、ノズル面３１には、インクを吐出する複数のノズル孔３２が形成されている。そして、ノズル面３１における複数のノズル孔３２の周辺３か所に、測距センサ７０、８０、９０が取り付けられている。なお、本実施の形態は、３つの測距センサを備えた構成となっているが、４つ以上備えた構成としてもよい。

測距センサ７０、８０、９０は、各測距センサ７０、８０、９０の中心点７０ａ、８０ａ、９０ａを結んで囲まれた三角形の範囲内に、複数のノズル孔３２から算出される仮想中心点３０ａが位置するように配置されている。そして、測距センサ７０、８０、９０は、記録ヘッド３０のノズル面３１から記録対象物１０の記録面までの距離を測定する。

仮想中心点３０ａは、例えば、ノズル面３１に形成された複数のノズル孔３２のｘｙ座標データから座標平均を算出し、算出した座標平均に相応する点である。

また、測距センサ７０、８０、９０と記録対象物１０の記録面との間の測距から、ノズル面３１と記録対象物１０との平行度を検出することができる。図４は、ノズル面と記録対象物の記録面との平行度の説明図である。

図４（ａ）に示すように、測距センサ７０、８０、９０から得られる３つの距離データ（距離７０Ｌ、８０Ｌ、９０Ｌ）が異なる場合（７０Ｌ≠８０Ｌ≠９０Ｌ）、ノズル面３１と記録対象物１０の記録面１１が平行でない状態であることがわかる。一方、図４（ｂ）に示すように、測距センサ７０、８０、９０から得られる３つの距離データが同じ場合（７０Ｌ＝８０Ｌ＝９０Ｌ）、ノズル面３１と記録対象物１０の記録面１１が平行な状態であることがわかる。

次に、記録ヘッド３０が取り付けられたアーム型ロボット２０、記録ヘッド３０のインクの制御について説明する。図５は、実施の形態にかかる画像形成装置の機能構成図である。図５に示すように、本実施の形態の画像形成装置は、アーム制御部１０２と、ヘッド駆動制御部１０４とを備えている。

アーム制御部１０２は、測距センサ７０、８０、９０からの測定結果（測定された距離）を受け付ける。そして、アーム制御部１０２は、記録対象物１０の記録面１１に記録ヘッド３０からインクを吐出して画像を形成（記録）する際に、測定された距離に基づいて、記録ヘッド３０のノズル面３１と記録対象物１０の記録面１１との距離を一定に保持するようアーム型ロボット２０を制御する。

また、アーム制御部１０２は、距離７０Ｌ、８０Ｌ、９０Ｌ（全ての測距センサにより測定された距離）を一定に保持することで、記録ヘッド３０のノズル面３１と記録対象物１０の記録面１１との平行度を一定に保持するようアーム型ロボット２０を制御する。また、アーム制御部１０２は、ノズル面３１と記録面１１が平行でない状態であった場合（例えば、図４（ａ）のような場合）、７０Ｌ＝８０Ｌ＝９０Ｌとなるよう記録ヘッド３０の姿勢を制御して、ノズル面３１と記録面１１を平行な状態（例えば、図４（ｂ）のような状態）に戻す。

ヘッド駆動制御部１０４は、ジャイロセンサ４０により検出された角度θｘ、角度θｙ、および角度θｚの値に応じて、記録ヘッド３０の液室内のインクへの圧力を制御するものである。例えば、ヘッド駆動制御部１０４が記録ヘッド３０内部の負圧を高めて、メニスカスを奥行き方向へ引き込む場合について説明する。

図６は、記録ヘッドのノズル吐出口の断面図である。画像形成装置では、インクの吐出前の待機状態である場合、記録ヘッド３０の吐出口付近にはメニスカスＭが形成され、このメニスカスＭを大きく引き込んでから押し出すことでインクを吐出する。図６（ａ）では、ノズル面３１が水平面と平行なθｘ＝０°、かつθｙ＝０°の場合に形成されるメニスカスＭを示している。

そして、図６（ｂ）に示すように、角度θｘもしくは角度θｙが大きくなるに連れて、ノズル孔３２が斜めに傾いていき、メニスカスＭの端が外にはみ出るような形状になってしまう。そうすると、ノズル孔３２のノズル吐出口に形成されたメニスカスＭが壊れてしまい、記録ヘッド３０から正常にインクが吐出できなくなる恐れが生じる。それを防止するためには、ヘッド駆動制御部１０４は、記録ヘッド３０内部の負圧を高めていき、ノズル孔３２に形成されたメニスカスＭを奥行き方向（図６の矢印Ｐ方向）へ引き込む。

また、ヘッド駆動制御部１０４は、ジャイロセンサ４０により検出された角度θｘ、角度θｙ、および角度θｚの値に応じて、記録ヘッド３０から吐出されるインクの吐出速度を制御する。例えば、ヘッド駆動制御部１０４が角度θｘ、角度θｙ、角度θｚに基づいて記録ヘッド３０の傾きに応じてインクの吐出速度を高める場合について説明する。

図７は、立体形状の記録対象物の記録面に連続して画像を記録する状態を示す図である。図７に示すように、記録対象物１０の記録面１１の水平面である上面１１ａに画像を記録する場合、インクが重力と同一方向へ飛翔するために曲がりは発生しない。

一方、記録対象物１０の記録面１１の角部１１ｃを曲がり斜面１１ｂに画像を記録する場合、インクの飛翔方向が重力方向に対して斜め方向となるため、インクの飛翔方向が重力方向へ曲がってしまう。そうすると、記録対象物１０の記録面１１の角部１１ｃにインクが吐出されていない範囲（インクが届かない範囲）ができてしまい、記録された画像に不連続が生じてしまう。

それを防止するために、ヘッド駆動制御部１０４は、インクの吐出速度を高める制御を行うことで対応できるが、インクにかけるエネルギーが大きくなり、サテライトやミストの発生量も多くなるため、記録速度（印刷速度）はなるべく低く抑えることが望ましい。そこで、ジャイロセンサ４０により検出された角度θｘ、角度θｙ、角度θｚの値に基づき重力方向（鉛直方向）に対して傾きが生じた場合、ヘッド駆動制御部１０４は、その傾きに応じて吐出速度を高める制御を行う。また、ヘッド駆動制御部１０４は、角度θｘ、角度θｙ、角度θｚの変化量に応じて、記録ヘッド３０の移動速度を遅くする制御を行うことで、画像の不連続を最小限に抑える。

次に、本実施の形態にかかる画像形成装置で行う画像の記録動作について説明する。図８は、実施の形態にかかる画像形成装置における記録動作の説明図である。

本実施の形態の画像形成装置による画像の記録手順としては、まず、ロボットティーチングにて、アーム制御部１０２は、アーム型ロボット２０を制御して記録ヘッド３０をＴＰ１〜ＴＰｎまで順次移動させ、ｎ点の座標を記録する。また、ヘッド駆動制御部１０４は、ノズル孔３２に形成されたメニスカスを奥行き方向へ引き込ませるため、記録ヘッド３０内部の負圧を高める制御を行う。

次に、アーム制御部１０２は、アーム型ロボット２０をＴＰ１、ＴＰ２、…ＴＰｎの順に移動させながら、ヘッド駆動制御部１０４は、記録ヘッド３０のノズル孔３２からインクを吐出させ記録対象物１０へ画像を記録する。

アーム型ロボット２０を移動させる際には、アーム制御部１０２は、測距センサ７０、８０、９０により測定された距離に基づいて、ノズル面３１と記録対象物１０の記録面との距離を一定に保持するようアーム型ロボット２０を制御する。そして、アーム制御部１０２は、ノズル面３１と記録対象物１０の記録面とが平行になるよう平行度を一定に保持するようアーム型ロボット２０を制御および補間しながら移動させる。

そして、記録ヘッド３０からインクを吐出して画像を記録する際、ヘッド駆動制御部１０４は、ジャイロセンサ４０により検出された角度θｘ、角度θｙ、角度θｚの値に基づいて、重力方向（鉛直方向）に対する傾きに応じて吐出速度を高める制御を行う。また、ヘッド駆動制御部１０４は、角度θｘ、角度θｙ、角度θｚの変化量に応じて、記録ヘッド３０の移動速度を遅くする制御を行う。

このように、実施の形態にかかる画像形成装置は、測距センサ７０、８０、９０により測定された記録ヘッド３０のノズル面３１から記録対象物１０の記録面までの距離に基づいて、ノズル面３１と記録面との距離を一定に保持するとともに、ノズル面３１と記録面との平行度を一定に保持する。これにより、記録対象物１０の記録面と記録ヘッド３０との距離を一定に保つことができ、記録対象物１０への記録画像の品質を向上させることができる。

また、実施の形態にかかる画像形成装置は、３つの測距センサ７０、８０、９０により検出された距離から記録対象物１０の記録面に対するノズル面３１の傾きを把握でき、その傾きを補正することでノズル面３１と記録対象物１０の記録面を平行に保つことができ、記録対象物１０への記録画像の品質を向上させることができる。

さらに、実施の形態にかかる画像形成装置は、ジャイロセンサ４０により検出された角度θｘ、角度θｙ、および角度θｚの値に基づいて、記録ヘッド３０の液室内のインクへの圧力を制御し、記録ヘッド３０から吐出されるインクの吐出速度を制御する。これにより、立体形状の記録対象物１０の記録面に画像を記録する場合、記録ヘッド３０が傾くことで生じるメニスカスの破壊を防止できる。また、記録ヘッド３０の傾き量を算出し、その傾き量に応じて吐出するインクの吐出速度を制御することで、インクの着弾位置のズレを抑えて、画像の不連続を最小限に抑えることができる。

さらに、記録中の記録ヘッド３０のメンテナンスを行なうことができ、記録対象物１０への記録画像の品質を向上させることができる。

（実施の形態の変形例１）
実施の形態にかかる画像形成装置は、記録ヘッド３０が取り付けられたアーム型ロボット２０を備えた構成となっていた。これに対し、変形例１にかかる画像形成装置では、複数の記録ヘッドを付け替え可能なアーム型ロボットを備えた構成となっている。

図９は、実施の形態の変形例１にかかる画像形成装置の構成図である。本変形例の画像形成装置は、アーム型ロボット２０と、記録ヘッド３４、３５、３６と、ジャイロセンサ４０と、チャッキング５２と、メンテナンスステーション６２と、測距センサ７０、８０、９０と、を主に備えており、記録対象物１０に画像を記録する。ここで、アーム型ロボット２０、ジャイロセンサ４０、測距センサ７０、８０、９０の構成は実施の形態と同様である。

図９に示すように、本変形例の画像形成装置は、複数の記録ヘッド３４、３５、３６を備えた構成となっている。なお、ここでは、３つの記録ヘッドを備えた構成となっているが、２つ若しくは４つ以上の記録ヘッドを備えた構成としてもよい。

チャッキング５２は、実施の形態と同様に、アーム型ロボット２０のアーム２１の先端付近に取り付けられており、記録ヘッド３４、３５、３６をチャックして搬送し、記録対象物１０に対して移動させる。さらに、チャッキング５２は、記録ヘッドを付け替え可能となっている。

メンテナンスステーション６２は、実施の形態と同様の機能を有し、さらに、複数の記録ヘッドを載置することが可能となっている。図９では、記録ヘッド３４が取り付けられ、画像の記録に使用されておらずアーム型ロボット２０に取り付けられていない記録ヘッド３５、３６は、メンテナンスステーション６２に載置されてメンテナンスが行われる。例えば、記録ヘッド３５、３６は、ノズルの乾燥を防止するため保湿しながら待機状態となる。

このように、実施の形態の変形例１にかかる画像形成装置は、複数の記録ヘッド３４、３５、３６を備え、それらの付け替えを可能とすることで、例えば、特色インクによる印刷や後塗り印刷を行なう場合でも容易に対応することができる。また、本変形例では、画像の記録に使用していない記録ヘッド（実施の形態の変形例１では記録ヘッド３５、３６）のノズルの乾燥を防ぐために、メンテナスステーション６２に載置されてノズルを保湿しながら待機させる。これにより、使用していない記録ヘッドのメンテナンス回数を減らせるとともに、メンテナンスに使用する廃インクを減少させることができる。

（実施の形態の変形例２）
実施の形態にかかる画像形成装置は、記録ヘッド３０が取り付けられたアーム型ロボット２０を備えた構成となっていた。これに対し、変形例２にかかる画像形成装置では、複数の記録ヘッドを取り付け可能なアーム型ロボットを備えた構成となっている。

図１０は、実施の形態の変形例２にかかる画像形成装置の構成図である。本変形例の画像形成装置は、アーム型ロボット２０と、記録ヘッド３７、３８、３９と、ジャイロセンサ４０と、チャッキング５４と、メンテナンスステーション６２と、測距センサ７０、８０、９０と、を主に備えており、記録対象物１０に画像を記録する。ここで、アーム型ロボット２０、ジャイロセンサ４０、測距センサ７０、８０、９０の構成は実施の形態と同様である。また、メンテナンスステーション６２の構成は、変形例１と同様である。

図１０に示すように、本変形例の画像形成装置は、複数の記録ヘッド３７、３８、３９を備えた構成となっている。なお、ここでは、３つの記録ヘッドを備えた構成となっているが、２つ若しくは４つ以上の記録ヘッドを備えた構成としてもよい。

チャッキング５４は、実施の形態と同様に、アーム型ロボット２０のアーム２１の先端付近に取り付けられており、記録ヘッド３７、３８、３９をチャックして搬送し、記録対象物１０に対して移動させる。さらに、チャッキング５４は、複数の記録ヘッドを同時に取り付けることが可能となっている。

図１０では、記録ヘッド３７、３８が取り付けられ、画像の記録に使用されていない記録ヘッド３９は、メンテナンスステーション６２に載置されてメンテナンスが行われる。なお、ここでは、２つの記録ヘッドを同時に取り付けた構成となっているが、３つ以上の記録ヘッドを取り付け可能な構成としてもよい。

このように、実施の形態の変形例２にかかる画像形成装置は、複数の記録ヘッド３７、３８を同時に取り付けられるため、記録ヘッドを付け替える交換時間を短縮でき、画像の記録時間（印刷時間）を短縮することができる。

１０ 記録対象物
１１ 記録面
２０ アーム型ロボット
２１、２２ アーム
２３ ベース
３０、３４、３５、３６、３７、３８、３９ 記録ヘッド
３１ ノズル面
３２ ノズル孔
４０ ジャイロセンサ
５０、５２、５４ チャッキング
６０、６２ メンテナンスステーション
７０、８０、９０ 測距センサ
１０２ アーム制御部
１０４ ヘッド駆動制御部

特開２００９−２１４０４０号公報

Claims (7)

1. 液滴を吐出する複数のノズル孔を有する記録ヘッドと、
   前記記録ヘッドが取り付けられ、立体形状の記録対象物に対して前記記録ヘッドを移動させる搬送装置と、
   前記記録ヘッドのノズル面から前記記録対象物の記録面までの距離を測定する測距部と、
   前記記録対象物の前記記録面に液滴を吐出して記録する際に、測定された距離に基づいて、前記記録ヘッドの前記ノズル面と前記記録対象物の前記記録面との距離を一定に保持するよう前記搬送装置を制御する第１の制御部と、を備える画像形成装置。
2. 前記測距部は、少なくとも３つ備えられ、前記記録ヘッドの前記複数のノズル孔から算出される仮想中心点が、全ての前記測距部の中心点を線で結んで囲まれた範囲内に位置するよう配置され、
   前記第１の制御部は、全ての前記測距部により測定された距離に基づいて、前記記録ヘッドの前記ノズル面と前記記録対象物の前記記録面との平行度を一定に保持するよう前記搬送装置を制御する、請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記記録ヘッドにおけるｘ軸回りの角度θｘと、ｙ軸回りの角度θｙと、ｚ軸回りの角度θｚとを検出する角速度検出部と、
   検出された角度θｘ、角度θｙ、および角度θｚの値に応じて、前記記録ヘッドの液室内の液滴への圧力を制御する第２の制御部と、をさらに備える請求項１または２に記載の画像形成装置。
4. 前記第２の制御部は、さらに、検出された角度θｘ、角度θｙ、および角度θｚの値に応じて、前記記録ヘッドから吐出される液滴の吐出速度を制御する、請求項３に記載の画像形成装置。
5. 前記記録ヘッドのメンテナンスを行なうメンテナンス装置をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一つに記載の画像形成装置。
6. 前記搬送装置は、前記記録ヘッドを付け替え可能であって、
   前記記録ヘッドは、複数備えられており、前記搬送装置に取り付けられていない場合、前記メンテナンス装置によりメンテナンスが行われる、請求項５に記載の画像形成装置。
7. 前記記録ヘッドは、複数備えられ、
   前記搬送装置は、複数の前記記録ヘッドを取り付け可能である、請求項１〜４のいずれか一つに記載の画像形成装置。

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