JP6482914B2 - 印刷装置 - Google Patents
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Description
ここで、特許文献1〜3に示されているように、ヘッドとワークを近接させる必要があることから、通常、ワークは平坦なものが用いられるが、ヘッドを多軸型ロボットに取り付けることにより、三次元的な曲面を有するワーク(「三次元ワーク」とよぶ)にも印刷できるようにする技術も公開されている。
しかし、CIJ型は着弾径が一般的に大きく(典型的には1mm程度)、印刷型エレクトロニクスに要求される精度の高い印刷(典型的には100μm以下)には不向きである。さらに、CIJ型は、インク液滴を帯電させる必要があること、大気中を常に循環させることによるインクの性質変化に対する対策が必要であること、等、使用されるインクに要求される条件がDoD型よりはるかに厳しいため、印刷エレクトロニクスに適したCIJ型インクジェット用インクを開発することは至難であることが実情である。
ヘッドの吐出状態の観察、監視は、典型的には、数μm程度の分解能を有する撮像装置、およびストロボ光源により行なわれる。ここで、撮像装置の分解能が高いため、必然的に、撮像装置の被写界深度は小さくなる(典型的には数μm程度)。したがって、ヘッドの吐出状態の観察、監視には、精度の高いヘッドの位置決めが必要となるが、ここでも、多軸型ロボットの位置決め精度不足が問題となる。すなわち、液滴観察位置にヘッドを移動させても、液滴を観察できる位置に精密に位置決めをすることは困難であり、ヘッドの吐出状態の観察、監視に重大な支障をきたす。この点においても、印刷エレクトロニクスに、多軸型ロボットをそのまま適用することはできないという課題があった。
すなわち、(1)着弾径の小ささと(2)着弾精度の高さを両立するために、液滴を小さくした上で、速度を上げるという技術思想である。この技術思想は、プッシュ式インクジェットヘッドを利用することにより実現することができた。
したがって、本発明は、軸型ロボットを用いて、三次元ワークに印刷エレクトロニクスで要求される高い印刷品質でインクジェット印刷を行うことができる印刷装置を提供することを目的とするものである。
尚、プッシュ式インクジェットヘッドは、圧電素子式インクジェットヘッドを意味している。
また、前記撮像部および前記光源は、前記多軸型ロボットの先端に取り付けられ、前記撮像部および光源に対し、それぞれ一つの光反射ミラーを有することが望ましい。
これによって、ワークの材質を選ばないというインクジェット印刷技術の利点がさらに拡張され、様々な形状のワークに直接電子回路を印刷することが実現される。本発明は様々な技術分野に応用が可能であるが、代表的には、ガラスや射出形成樹脂等の曲面を有する車載部品に対して電子回路を直接形成する技術分野が、市場も大きく有望である。
(第1実施形態)
本発明にかかる最も基本的な技術要素は、図1および図2に示すように、多軸型ロボット1と、プッシュ式インクジェットヘッド3と、直動機構4である。本実施形態の説明においては、本発明にかかる技術思想の一例として、プッシュ式インクジェットヘッド3および直動機構4をまとめてインクジェット吐出ユニット2を形成し、そのインクジェット吐出ユニット2を多軸型ロボット1の先端部に取り付ける形態を取り上げる。すなわち、プッシュ式インクジェットヘッド3は、直動機構4およびインクジェット吐出ユニット2を介して多軸型ロボット1に接続される形となっている。
多軸型ロボット1は、台座部10、第1の回転軸11、第2の回転軸12、第3の回転軸13、第4の回転軸14、第5の回転軸15、第6の回転軸16、およびインクジェット吐出ユニット2を有している。
なお、本発明において多軸型ロボット1を用いる意図は、インクジェット吐出ユニット2の高さ、水平位置、および傾斜をできるだけ自由に設定できるようになすためであり、軸数をこれより多くすれば、より高い自由度で位置決めを行うことができるので、好ましい。一方、軸数を少なくすれば、パラメータが少ない分、動作が単純で分かりやすくなり、さらに装置のコストを低減することができるので、好ましい。このように、多軸型ロボット1の構成は、印刷対象物や印刷の目的に合わせて、適宜選択できる。
インクジェット吐出ユニット2は、プッシュ式インクジェットヘッド3、直動機構4、を有する。プッシュ式インクジェットヘッド3は、直動機構4を介して、インクジェット吐出ユニット2に取り付けられ、インクをワークに吐出する機能を持つ。直動機構4は、多軸型ロボット1よりも高い位置決め精度を有し(典型的には数μm)、プッシュ式インクジェットヘッド3を精密に位置決めする機能を有する。
しかし、位置決めの自由度が高い反面、その精度は必ずしも高いものではない。印刷エレクトロニクス用の印刷装置としては、少なくとも100μmの着弾位置をピンポイントで狙うことができる必要がある。
そして、直動機構4の可動範囲内での印刷が終了したら、多軸型ロボット1を用いて次の範囲内の一点に移動し、そこで再び直動機構4を動かして印刷を行なう。これを繰り返すことで、印刷範囲が広範囲であっても、直動機構4がない場合と比較して、圧倒的に少ない位置決め回数で印刷を行なうことが可能である。
この場合、直動機構4は、二方向に高精度に動作させることができる。この構成では、二つの可動軸の方向をワーク表面に対して両方とも平行にする場合(平行配置)と、一方は平行でもう一方は垂直にする場合(垂直配置)を、選択することが可能である。
平行配置は、少数(典型的には1個〜十数個)のノズルを有したプッシュ式インクジェットヘッド3を用いる場合に効果的である。プッシュ式インクジェットヘッド3のノズルが少数の場合、1回の直動動作ではあまり広範囲に印刷することができないが、二次元的にスキャン動作をさせることで、多数のノズルを備えた場合と同様に、広範囲に印刷することが可能であるためである。
垂直配置では、プッシュ式インクジェットヘッド3が多数のノズルを有する場合で、かつ、ワーキングディスタンスを精密に制御する必要がある場合に効果的である。
この場合、直動機構4は、三方向に高精度に動作させることができる。この構成では、少数のノズルを有したプッシュ式インクジェットヘッド3を用い、かつ、ワーキングディスタンスを精密に制御する必要がある場合に効果的である。
なお、多数のノズルを有したプッシュ式インクジェットヘッド3を用いる場合であっても、三つの可動軸を有する構成は有効である。なぜならば、こうすることで、印刷範囲がさらに広範囲であっても、ワーキングディスタンスを精密に制御する機能を持たせつつ、高速で高精細な印刷を行なうことができるためである。
例として、プッシュ式インクジェットヘッド3のノズル数は一つ、印刷範囲は100mm×100mm、直動機構4の可動軸は二つで平行配置、可動範囲は20mm×20mm、着弾位置精度は100μm、の場合を考える。
多軸型ロボット1単体でプッシュ式インクジェットヘッド3の位置決めを行なうには、全ての着弾位置において、位置教示を行なう必要がある。この教示ポイント数は、印刷範囲が100mm×100mm、1ポイントの範囲が100μm×100μmであるので、総数は1000000ポイントに上る。この百万ものポイントを教示する労力、手間、時間がどれほど膨大なものなのかは容易に想像がつき、ほぼ実行不可能といっても良い状態である。
一方、可動範囲が20mm×20mmである直動機構4を有する場合は、教示ポイント数は25ポイントにまで削減される。25ポイントの教示であるなら、十分実行可能であるし、応用も容易である。本発明により、これほどの圧倒的な効果が得られることは、強調されるべき点である。
本発明の技術思想の根幹は、高精細なインクジェット印刷に対する汎用性を確保する(様々な形状のワークに対応する)ことであるので、多軸型ロボット1を直接移動させて印刷する方法は、本発明にかかる印刷方法としては適当ではない。
本発明にかかる技術思想は、着弾径の小ささと着弾精度の高さを両立するために、液滴を小さくした上で、速度を上げるというものである。この思想のもとで、三次元ワークに対する最適なインクジェット方式について鋭意研究を行った結果、プッシュ式インクジェットヘッドが最適であるという結論を得た。
プッシュ式は、ピストン式とも呼ばれ、DoD型インクジェットの一つに分類されている。プッシュ式インクジェットヘッドの特徴は、小さな液滴径を実現しながら、同時に、液滴を押し出す力を大きくできる(力を効率的に液滴に乗せることができる)点である。
図3は、本発明にかかるプッシュ式インクジェットヘッド3の構造を示しており、本発明にかかるプッシュ式インクジェットヘッド3は、オリフィス21と、インク貯留部22と、隔壁23と、圧電素子24と、を有する。
圧電素子24は、電圧を印加したときに、長辺方向が最も大きく変位するように、隔壁23の反対側で固定される構造となっている。そして、その変位量は、圧電素子24が長いほど大きくなる。研究により、圧電素子24の最長辺の長さが最短辺の長さの5倍以上である直方体の形状である場合に、本発明にかかる装置において十分な力を有することがわかった。
圧電素子24で得られた力は、隔壁23を通じてインク貯留部22に伝えられ、インク貯留部22内を圧力波として伝播し、オリフィス21を通じて、液滴を飛翔させる運動エネルギーとなる。このとき、圧電素子24と、隔壁23と、インク貯留部22と、オリフィス21が、同じ直線上に配置されることによって、圧電素子24で発生した力が効率よく液滴に伝えられるということである。逆に、たとえば、それぞれが同じ直線上になかったとした場合、発生した圧力波はインク貯留部22の内部で反射、減衰を繰り返してオリフィス21に到達することになり、その分、液滴に与える運動エネルギーは小さくなってしまう。
具体的には、液滴径を小さくできることにより、着弾径は100um以下とすることができ、同時に、液滴速度を速くできることにより、ワーキングディスタンスを30mm以上とすることができる。
ここで、着弾径、およびワーキングディスタンスをそれぞれ独立して従来技術と比較すると、それぞれはそれほど優れた値ではないかもしれない。しかし、この2つを両立することができることこそが重要であると考える。
しかし、この構造こそが、着弾径の小ささと着弾精度の高さを両立することを可能とし、三次元ワークに対する印刷エレクトロニクスを実現する優れたソリューションとなる。
(第2実施形態)
図5において、インクジェット吐出ユニット2は、プッシュ式インクジェットヘッド3と、直動機構4と、を有する。さらに、本実施の形態にかかる装置は、吐出観察ユニット支持部9、撮像部5、光源6、を有する。
撮像部5および光源6は、それぞれ吐出観察ユニット支持部9に取り付けられ、撮像部5と光源6は直線的に配置される。このような配置となっているところに、多軸型ロボット1の位置決め機構を利用して、インクジェット吐出ユニット2を撮像部5および光源6に近接させる。
そして、プッシュ式インクジェットヘッド3を、撮像部5および光源6の間に配置することで、プッシュ式インクジェットヘッド3から吐出されるインク液滴を観察することができる。
このとき、直動機構4は、図4cで示したように、3つの可動軸を有することが好ましい。なぜならば、インク液滴の精密な位置決めは三次元空間内で行なわれるため、3つの可動軸で最適な位置に精密に位置決めする必要があるためである。
たとえば、直動機構4の可動軸数が2つである場合は、残りの1つの可動軸を、吐出観察ユニット支持部9に組み込めばよい。同様に、直動機構4の可動軸数が1つである場合は、残りの2つの可動軸を、吐出観察ユニット支持部9に組み込めばよい。
このように、観察に必要となる3軸の可動軸数のうちの一部を、吐出観察ユニット支持部9に組み込む場合は、可動軸の可動範囲や位置決め精度を、観察に特化した形で設計することができる。
図6は、撮像部5、および光源6を、インクジェット吐出ユニット2の内部に組み込んだ場合の構成を示す図である。
インクジェット吐出ユニット2は、プッシュ式インクジェットヘッド3と、直動機構4と、撮像部5と、光源6と、第1の光反射ミラー7aと、第2の光反射ミラー7bと、を有する。
プッシュ式インクジェットヘッド3は、直動機構4を介してインクジェット吐出ユニット2に取り付けられる。撮像部5、光源6は、プッシュ式インクジェットヘッド3から吐出されるインク液滴の方向と平行な向きでインクジェット吐出ユニット2に取り付けられる。第1の光反射ミラー7aおよび第2の光反射ミラー7bは、光源6から発せられた光が第2の光反射ミラー7b、および第1の光反射ミラー7aでそれぞれ反射されて、撮像部5に到達するように、インクジェット吐出ユニット2の内部に取り付けられる。
このように配置されることで、プッシュ式インクジェットヘッド3より先端に位置する領域に撮像部5および光源6を配置することを避けることができるので、印刷動作時に撮像部5および光源6がワークと干渉することを回避することができる。
ここで、直動機構4は、図4cで示したように、3つの可動軸数を有することが好ましい。なぜならば、インク液滴の精密な位置決めは三次元空間内で行なわれるため、3つの可動軸で最適な位置に精密に位置決めする必要があるためである。
たとえば、直動機構4の可動軸数が2つである場合は、残りの1つの可動軸を、撮像部5および光源6に組み込めばよい。図6の構成では、撮像部5および光源6をプッシュ式インクジェットヘッド3に近接させるほど、プッシュ式インクジェットヘッド3から遠い位置のインク液滴を観察することが可能である。同様に、直動機構4の可動軸数が1つである場合は、残りの2つの可動軸を、撮像部5および光源6に組み込めばよい。
このように、観察に必要となる3軸の可動軸数のうちの一部を、撮像部5および光源6に組み込む場合は、可動軸の可動範囲や位置決め精度を、観察に特化した形で設計することができる。
すなわち、インクジェット吐出ユニット2を決められた吐出観察位置(図5の例では、吐出観察ユニット支持部9を設置した位置)に移動させることなく、多軸型ロボット1の動作状態とは無関係に、吐出状態を観察、監視することができる点である。これにより、どのような動作状態であっても即座に吐出状態を観察、監視することができるため、吐出状態の変動をいち早く確認し、対処することが可能となる。
なお、撮像部5、および光源6を、プッシュ式インクジェットヘッド3と同様に、直動機構4を介してインクジェット吐出ユニット2に取り付ければ、プッシュ式インクジェットヘッド3が直動している最中であっても観察を継続することができるので、さらに好ましい。
(第3実施形態)
プッシュ式インクジェットヘッド3は、直動機構4を介してインクジェット吐出ユニット2に取り付けられ、第1乃至第4の非接触距離センサ8a乃至8dは、インクジェット吐出ユニット2の先端にそれぞれ対称的な位置関係をもって取り付けられる。
さらに、第1乃至第4の非接触距離センサ8a乃至8dは、配線を介して距離データ計算部40と電気的に接続される。距離データ計算部40は、インクジェット吐出ユニット2の内部に設置されてもよいし、外部に設置されてもよい。
ここで、直動機構4により、ワーキングディスタンスの精密な調整ができる場合、その調整値は、このように計算された実質的なワーキングディスタンスを基にして決定することができる。すなわち、直動機構4が存在することにより、本実施の形態で説明されたようなワーキングディスタンス測定機能は、より有効に利用されることが可能となる。
図8におけるインクジェット吐出ユニット2は、プッシュ式インクジェットヘッド3と、直動機構4と、撮像部5と、光源6と、第1の光反射ミラー7aと、第2の光反射ミラー7bと、第1の非接触距離センサ8aと、第2の非接触距離センサ8bと、第3の非接触距離センサ8cと、第4の非接触距離センサ8dと、を有する。
プッシュ式インクジェットヘッド3は、直動機構4を介してインクジェット吐出ユニット2に取り付けられ、撮像部5、光源6は、プッシュ式インクジェットヘッド3から吐出されるインク液滴の方向と平行な向きでインクジェット吐出ユニット2に取り付けられる。
第1の光反射ミラー7aおよび第2の光反射ミラー7bは、光源6から発せられた光が第2の光反射ミラー7b、および第1の光反射ミラー7aでそれぞれ反射されて、撮像部5に到達するように、インクジェット吐出ユニット2の内部に取り付けられる。
第1乃至第4の非接触距離センサ8a乃至8dは、インクジェット吐出ユニット2の先端にそれぞれ対称的な位置関係をもって取り付けられる。さらに、第1乃至第4の非接触距離センサ8a乃至8dは、配線を介して距離データ計算部40と電気的に接続される。
距離データ計算部40は、インクジェット吐出ユニット2の内部に設置されてもよいし、外部に設置されてもよい。
本発明にかかる印刷方法においては、ワーキングディスタンスおよびワーキングアングルの測定を含め、多軸型ロボット1の位置決めを行なってから印刷をおこなう手順を踏むため、通常は、ワーキングディスタンスおよびワーキングアングルを測定している間は、印刷を行なわない。
この間、プッシュ式インクジェットヘッド3は、断続的に、多軸型ロボット1の位置決めに伴う振動にさらされることになるので、プッシュ式インクジェットヘッド3にとって、多軸型ロボット1の位置決めの最中が、特に吐出不良に対する注意が必要となる状態となる。
ここで、図8に示す構成であれば、多軸型ロボット1の位置決めの最中であっても、常に吐出状態を観察、監視することができるので、吐出状態の変動をいち早く確認し、対処することが可能となる。なお、非印刷状態で吐出状態を観察する場合は、意図しないインクの付着を防止するため、プッシュ式インクジェットヘッド3とワークの間に遮蔽物を挿入できる構造とするのが、さらに好ましい。
2・・・インクジェット吐出ユニット
3・・・プッシュ式インクジェットヘッド
4・・・直動機構
4a・・・第1の1軸直動機構
4b・・・第2の1軸直動機構
4c・・・第3の1軸直動機構
5・・・撮像部
6・・・光源
7a・・・第1の光反射ミラー
7b・・・第2の光反射ミラー
8a・・・第1の非接触距離センサ
8b・・・第2の非接触距離センサ
8c・・・第3の非接触距離センサ
8d・・・第4の非接触距離センサ
9・・・吐出観察ユニット支持部
10・・・台座部
11・・・第1の回転軸
12・・・第2の回転軸
13・・・第3の回転軸
14・・・第4の回転軸
15・・・第5の回転軸
16・・・第6の回転軸
21・・・オリフィス
22・・・インク貯留部
23・・・隔壁
24・・・圧電素子
40・・・距離データ計算部
Claims (3)
- エレクトロニクスデバイスを製造する印刷装置であって、
プッシュ式インクジェットヘッド、直動機構を備えるインク吐出ユニットが、多軸型ロボットの先端部に取り付けられ、
前記プッシュ式インクジェットヘッドは、前記直動機構に取り付けられ、
前記多軸型ロボットは、前記プッシュ式インクジェットヘッドの高さ、水平面内位置、および傾斜をそれぞれ独立して制御できる機能を有し、
前記直動機構は、前記多軸型ロボットの先端に取り付けられ、前記多軸型ロボットよりも高い位置決め精度を有し、かつ前記直動機構は、互いに直交した3軸の可動軸を有し、
更に、複数の非接触距離センサ、および距離データ計算部を有し、前記複数の非接触距離センサは、前記多軸型ロボットの先端に取り付けられ、
前記多軸型ロボットの先端から被印刷物までの距離データをそれぞれ出力し、前記距離データ計算部は、前記複数の非接触距離センサと電気的に接続され、前記距離データを元に、前記プッシュ式インクジェットヘッドから被印刷物までの距離、および角度を算出する機能を有し、
複数の距離センサの距離データの差分が0とみなされる状態になった際、複数の距離データの平均値をワーキングディスタンスとし、
前記ワーキングディスタンスに基づいて調整値を決定し、更に直動機構でワーキングディスタンスを調整することを特徴とする印刷装置。 - 撮像部および光源を有し、
前記プッシュ式インクジェットヘッドを、撮像部および光源の間に配置し、
プッシュ式インクジェットヘッドから吐出されるインク液滴を観察することを特徴とする請求項1に記載の印刷装置。 - 前記撮像部および前記光源は、前記多軸型ロボットの先端に取り付けられ、前記撮像部および光源に対し、それぞれ一つの光反射ミラーを有することを特徴とする請求項2に記載の印刷装置。
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