JP7566440B2 - Fluid ejection method, ejection device, and output device using centrifugal force - Google Patents
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Description
本発明は、プリンタの印刷ヘッドの走査方法に関するものである。また前記走査方法を用いた印刷装置や加工装置といった出力装置に関するものである。 The present invention relates to a method for scanning a print head of a printer. It also relates to an output device, such as a printing device or processing device, that uses the scanning method.
コンピュータの出力装置の中でオンデマンドに記録紙やメディア・記録面の望みの位置にインクや材料を吐出しメディア(記録紙または記録材)に加工を行う印刷装置・塗布装置・吐出装置やレーザー加工装置などがある。
前記装置はコンピュータ端末により制御され2次元または3次元のある場所にインク材料やレーザーなどによる加工又は処理を行い、2次元の画像や文章をイメージとして形成し、3次元の立体を造形する。
プリンタあるいはプロッタやマシニングセンタといった出力機械は2次元または3次元の望みの位置に材料を配置又は材料への加工処理を行う機械である。
Computer output devices include printers, coaters, ejectors, and laser processing devices that eject ink or materials on demand onto desired positions on recording paper, media, or the recording surface of the media (recording paper or recording material).
The device is controlled by a computer terminal and processes or manipulates a two-dimensional or three-dimensional location using ink materials, lasers, etc., to form two-dimensional images or text as images and create three-dimensional objects.
An output machine, such as a printer, plotter, or machining center, is a machine that places or processes material at a desired location in two or three dimensions.
インクジェットプリンタにおいてはインクジェットプリントヘッドのノズルからインクを吐出し、印刷したいメディアにインクを付着させ乾燥もしくは反応・硬化・接着させインクを定着させる。
インクジェットプリンタはインクの材料・種類に対応したプリントヘッドのノズルを備えることで複数種類のインクを記録面に吐出し配置でき、カラーイメージの印刷に適しており、文章の印刷やカラー画像の印刷用プリンタとして実用されている。
In an inkjet printer, ink is ejected from the nozzles of an inkjet print head, and the ink is deposited on the media to be printed, where it is dried or reacted, hardened, bonded, and fixed.
Inkjet printers are equipped with print head nozzles that correspond to the material and type of ink, allowing them to eject and deposit multiple types of ink onto a recording surface. This makes them suitable for printing color images, and they are used in printing text and color images.
また2次元に印刷し堆積させた記録面のインク材料の上に、高さ方向にさらなるイメージを印刷し堆積させていくことで3次元の立体を造形することも可能になり、インクジェット方式の3次元プリンタ(3Dプリンタ)が実用に供されている。
2次元プリンタ(2Dプリンタ、従来のプリンタ)を応用し3次元プリンタ(3Dプリンタ)の用途に利用することが行われている。
It is also possible to create three-dimensional objects by printing and depositing additional images in the vertical direction on top of the ink material printed and deposited on the recording surface in two dimensions, and inkjet-type three-dimensional printers (3D printers) are now in practical use.
Two-dimensional printers (2D printers, conventional printers) are being adapted for use as three-dimensional printers (3D printers).
3次元プリンタはインクを印刷して積層するときに、インクを定着後にローラーなどで圧縮し堆積させるか、記録紙の代わりに粉体や紙を供給しインクを定着させローラー等でならす工程を経て高さ方向へ積層を行い造形する。 When printing and layering ink, 3D printers either compress and pile up the ink with rollers after it has set, or supply powder or paper instead of recording paper, allow the ink to set, and then smooth it out with rollers before layering it in the height direction to create the shape.
一方2次元プリンタは3次元用途への応用のほかに特殊なインクやメディアへの記録用途や高速印刷用途への利用が行われている。
オンデマンド印刷用の文章書籍やポスターといった紙に対し印刷する用途のほか、防火材料で出来たフィルムに専用のインクを用いてプリントし看板や広告に利用され、繊維製品の着色や捺染、製品への印字・印刷用途、製品の試作の為のオンデマンド印刷、プロトタイピングに利用される。
プリンテッドエレクトロニクス分野においては電子部品の製造に用い、塗布工程で液体材料を基板に塗布する場合にも用いられる。有機半導体、無機半導体、ハイブリッド材料、合成金属材料、導電性高分子、電極材料、金属粒子材料、インクジェットプリンタ素子電子部品材料、レジストなど機能性素材を塗布・定着する用途に検討されている。
前述の各分野では印刷速度が速いことが好ましい。
On the other hand, in addition to being used for three-dimensional applications, two-dimensional printers are also used for recording on special inks and media, and for high-speed printing.
In addition to being used for printing on paper such as text books and posters for on-demand printing, it is also used for printing on film made of fire-resistant material using special ink for signs and advertisements, coloring and printing on textile products, printing on products, on-demand printing for product trials, and prototyping.
In the field of printed electronics, it is used in the manufacture of electronic components and in the application process of liquid materials onto substrates. It is being considered for use in applying and fixing functional materials such as organic semiconductors, inorganic semiconductors, hybrid materials, synthetic metal materials, conductive polymers, electrode materials, metal particle materials, inkjet printer element electronic component materials, and resists.
In each of the aforementioned fields, high printing speed is desirable.
印刷速度を向上する既知の取り組みの一つとしてインクジェットプリンタの分野ではシリアルプリンタに対するラインプリンタの開発がある。
実用のインクジェットプリンタは多くが、シリアルプリンタ(解説例、https://www.jfpi.or.jp/webyogo/index.php?term=1165)であり、記録ヘッドが記録紙の送り方向(縦方向)に対して垂直方向(横方向)に移動を繰り返し記録を行うマルチパス方式の為、記録ヘッドを繰り返し移動させ印刷を行う必要があり、印刷に時間を要する場合があった。
One known approach to increasing printing speed in the inkjet printer field is the development of line printers as opposed to serial printers.
Most practical inkjet printers are serial printers (see example explanation, https://www.jfpi.or.jp/webyogo/index.php?term=1165), and use a multi-pass method in which the recording head repeatedly moves in a direction perpendicular to the paper feed direction (vertical direction) to record. This requires the recording head to be moved repeatedly to print, which can take a long time to print.
シリアルプリンタでは記録ヘッドを大規模化(ノズル数Nzの増大)・高速化(ノズル駆動速度fの増大)させることでヘッドの処理力を高め印刷速度を高速化する方法がとられる。(これは既知の事で、例えば非特許文献1の222ページには、シリアルプリンタのスピードファクターSFについて記述されている。)
例えば記録ヘッドに搭載されたノズル数を増やすことがあり、ノズル数を増やすために、ノズルの作りこまれた記録ヘッド素子をスタガ配列などで複数連結させシリアルプリンタの記録ヘッドに搭載することで記録ヘッドを大規模化し印刷速度を向上させる既知の手法がある。
In serial printers, the method of increasing the print speed is to increase the head's processing power by making the print head larger (increasing the number of nozzles Nz) and faster (increasing the nozzle drive speed f). (This is well known, and for example, the speed factor SF of serial printers is described on page 222 of Non-Patent
For example, the number of nozzles mounted on a recording head may be increased. To do this, a known method is to link multiple recording head elements, each having a nozzle built in, in a staggered arrangement or the like and mount them on the recording head of a serial printer, thereby making the recording head larger and improving printing speed.
記録ヘッドを大規模化し質量を増やす場合はヘッドを支持し駆動する機構も大型化する。大型化したヘッドを動かす速度には限界がある。 When making the recording head larger and increasing its mass, the mechanism that supports and drives the head also becomes larger. There is a limit to the speed at which a larger head can be moved.
またヘッド素子をプリントヘッドに組付ける個数が増えることで、素子の位置や水平を取り吐出等を調整する必要も生じる。ヘッドに多くの素子を組付けている場合には故障したヘッド素子の取りつけと吐出の調整は時として労力を要する。
発明者の個人的な意見として大型化していったスタガ配列ヘッドは巨大化するとクリーニング部(キャップする部分を兼ねる)のフットプリントも巨大化する。
Furthermore, as the number of head elements mounted on the print head increases, it becomes necessary to adjust the position and level of the elements and adjust the ejection, etc. When many elements are mounted on the head, it can sometimes be laborious to install a broken head element and adjust the ejection.
In the inventor's personal opinion, as the staggered head becomes larger, the footprint of the cleaning section (which also serves as the capping section) also becomes larger.
ヘッドの取り付けに関連し、インクジェット方式の内、サーマルインクジェットを用いる産業用プリンタでは、半導体製造技術で多く製造されるシリアルプリンタのサーマルインクジェット式ヘッド素子ないしは素子が作りこまれたプリントヘッドを製造でき、回復できないノズル抜けが生じた際にはプリントヘッドごと交換することで保守の労力やメンテナンスコストの低減、ヘッド調整のダウンタイム時間の低減を行うこともありうる。 Regarding head installation, among the inkjet methods, industrial printers that use thermal inkjet can manufacture thermal inkjet head elements for serial printers, which are often manufactured using semiconductor manufacturing technology, or printheads with these elements built in. In the event of irreparable nozzle leakage, the entire printhead can be replaced, reducing maintenance labor and costs, and downtime for head adjustment.
さて、シリアルプリンタの印刷速度の問題を改善するため、複数の記録ヘッド素子のノズルを記録紙の送り方向(縦方向、副走査方向)に対して垂直方向(横方向)に直線状(1次元状)に並べたラインプリンタのラインヘッド(https://www.epson.jp/osirase/2017/170202_4.htm)が記録ヘッドとして用いられている。
特許文献1から4は既報のラインプリンタの特許文献例である。ラインプリンタは印刷時に記録面または記録紙が供給された際の記録ヘッドの移動が一回のみの(記録ヘッドが固定され記録面が移動する)シングルパス方式である。
ラインプリンタでは記録紙を送り出すと同時に記録紙の記録幅に配置された記録ヘッドによる印刷が行われる。そして記録紙が記録ヘッドの下を通るだけで印刷が行われるので、オフセット印刷と同じく、止まることなくメディアを送り出して印刷することが可能である。
Now, in order to improve the printing speed problem of serial printers, a line printer line head (https://www.epson.jp/osirase/2017/170202_4.htm) is used as the recording head, in which the nozzles of multiple recording head elements are arranged in a straight line (one-dimensionally) perpendicular (horizontal) to the feed direction of the recording paper (vertical direction, sub-scanning direction).
In a line printer, printing is performed by a recording head arranged across the recording width of the recording paper as soon as the recording paper is fed out. Since printing is performed simply by the recording paper passing under the recording head, it is possible to feed the media and print without stopping, just like offset printing.
ここで、ラインヘッドもシリアルプリンタの記録ヘッドと同じく望みの処理能力となるノズル数を増やすなどして吐出性能を持つ必要があり、消費者としては低速なラインヘッドよりも高速なシリアルヘッドでもよい事に留意する事が必要かもしれない。
ラインヘッドや本発明で示す方式はプリントしていないときのヘッドのクリーニング機構、キャッピング機構や、大型ヘッドの保守等の問題から、家庭用よりは事業所用で、プリンタが常時稼働される用途が好ましいかもしれない。
Here, like the recording heads of serial printers, line heads also need to have the ejection performance required to achieve the desired processing power, for example by increasing the number of nozzles, and it may be important for consumers to keep in mind that a faster serial head is a better option than a slower line head.
Due to issues such as the head cleaning mechanism when not printing, the capping mechanism, and maintenance of large heads, the line head and the method shown in this invention may be preferable for business use rather than home use, where the printer is operated constantly.
さて、実用のラインヘッドではシリアルプリンタで利用できるインクジェットヘッドノズル部に対するクリーニング機構が利用できない、又は利用に制限があるという課題があった。 However, there is an issue with practical line heads in that the cleaning mechanisms for the inkjet head nozzles that can be used in serial printers cannot be used or are limited in their use.
ラインヘッドは印刷時に稼働する記録ヘッドをクリーニングする事が困難である。クリーニングする際には印刷時に印刷を中断してラインヘッドを記録面から退避などしてクリーニングさせる必要があり、中断することで印刷時間が伸びてしまう。
これはスピードファクターSFの視点で考えるとメンテナンス時間Tmやその他時間Xを増加させている。
そこで印刷を中断しないようにするため2組以上のラインヘッドを備えさせプリントに用いないヘッドをクリーニングする方式もある。
このようにラインヘッドではクリーニング対策が既知の課題である。
It is difficult to clean the line head, which is in operation during printing. When cleaning, printing must be interrupted and the line head must be moved away from the recording surface to be cleaned, which extends the printing time.
From the viewpoint of the speed factor SF, this increases the maintenance time Tm and other time X.
In order to avoid interrupting printing, a method is also proposed in which two or more sets of line heads are provided and the heads not used for printing are cleaned.
Thus, cleaning measures are a known issue with line heads.
また、ヘッド素子をライン状に連結させ、ある位置で固定して印刷に用いる場合にはノズルの位置が固定されてしまい、クリーニングでは回復できないノズルが生じる(ノズル抜けが発生する)という課題もあった。
シリアルプリンタではマルチパスによる印刷を行い、プリントヘッドの持つ吐出の不具合や各ノズルの偏りを複数回の走査に分けて画像上で目立たなくすることができるが、前記ラインヘッドのシングルパス方式ではノズル抜けなどは目立ってしまう。
これは画像であれば部分的な画像の欠陥、3Dプリンタであれば造形の失敗、電子部品であれば製造失敗につながるので避ける必要がある。
3次元物体を印刷する際には積層に時間をかけており、ノズルをクリーニング出来ないことで生じたノズル抜けが造形を失敗させてしまうと、材料と「時間」を無駄にしてしまう。
そこでクリーニングをしながらラインプリンタのように印刷できる方式を発明者は求めようとした。
Furthermore, when the head elements are connected in a line and fixed in a certain position for printing, the nozzle positions become fixed, resulting in the issue of nozzles that cannot be restored by cleaning (missing nozzles).
Serial printers perform multi-pass printing, which makes it possible to make print head ejection defects and biases in each nozzle less noticeable on the image by dividing the print head into multiple scans, but with the single-pass method of the line head, nozzle dropouts and the like are noticeable.
This must be avoided, as it can lead to partial image defects in images, modeling failures in 3D printers, and manufacturing failures in electronic components.
When printing three-dimensional objects, it takes time to layer the layers, and if nozzle clogging caused by an inability to clean the nozzle results in a failed model, it will waste material and time.
The inventor therefore sought to find a method that would allow printing like a line printer while cleaning.
解決しようとする課題は、2次元及び3次元の印刷用に間欠なくノズルをクリーニングできるラインヘッドないしラインヘッドに相当する記録ヘッドが利用できない点である。
そしてラインプリンタの様にシングルパスで印刷しつつシリアルプリンタの様に印刷時にクリーニングがしやすい記録ヘッドがないことが課題であった
前記課題は、特に3次元プリンタといった長時間動作するプリンタにおいてラインヘッドを用いるときにクリーニングを印刷中に行える機構がないという事であり、2次元プリンタにおいても産業用製品のオンデマンド製造時に長時間ノズルを稼働させる場合に3Dプリンタと同様の問題を生じうるので、
印刷動作中にクリーニング出来る機構がラインプリンタのように動作するプリンタにあると好ましい。
The problem to be solved is the lack of availability of line heads or line head equivalent recording heads with continuous nozzle cleaning for two and three dimensional printing.
And there is no print head that can print in a single pass like a line printer, but can be easily cleaned during printing like a serial printer. This problem is that there is no mechanism to perform cleaning during printing when using a line head in a printer that operates for a long time, such as a 3D printer. In 2D printers, the same problems as 3D printers can occur when operating the nozzle for a long time during on-demand production of industrial products.
It would be desirable for a printer that operates like a line printer to have a mechanism for cleaning during the printing operation.
本発明では課題解決の手段として、図1や図1AA、1AB、1AC、図2Cのようなプリンタの走査方法模式図と、図5Aや図5Aの場合のインクジェットまたは付加製造法のノズルを備えるプリンタの説明図と、図5Eのようなレーザー加工機の説明図を用いて説明を行う。
本発明は課題に対し、本発明は図1AAや図2Cに記載の説明図のように、記録紙2または記録面2を横切りつつクリーニング部3を通り再度記録面2を横切る回転もしくはループする軌道(ここで軌道が円軌道の場合は100や100A、オーバルトラック状の軌道は100Rや、4R)を描く(ノズル10,100NZ)あるいはノズル列100を記録ヘッド1に備え、
前記記録ヘッド1のノズルが回転またはループする軌道(100,100A,100R,4R)に記録面2とクリーニング機構3を配置して備え、
前記ノズルに材料吐出ノズル(インクジェットノズル、ディスペンサーノズル、蒸着ガス照射ノズル、付加製造法を用いるノズル)もしくはレーザーノズル(レーザー加工により木材・樹脂・電極膜を加熱し削り除去するレーザー加工ノズル、除去加工法を用いるノズル)を用いて、
前記ノズルが図5Aや図5Dに記載するように記録面2を横切ったあとクリーニング部3を通過し再度記録面2を横切ってクリーニング部3を通過してを繰り返す走査を行い、印刷・加工とクリーニングを交互に行うことの出来るノズルの走査経路を備えることを主要な特徴とする。
なお、図2AAや図2Aに記載のように、記録ヘッドのノズルが描く軌道は記録面を横切り通過し、記録ヘッドの軌道が通過する記録面の両脇または記録面の近傍に1つ以上備えてもよく、プリンタにはクリーニング部3が1つ以上設けられたクリーニング部を通過することを特徴とする。
図1、図1A、図2A、図2AA、図2C、図3B、図5A、図5B、図5Dは本発明の代表的な説明図である。
本発明はインクジェットノズルやFDM方式または付加製造法(Aadditive manufacturing法、AM法)のノズルを備える装置で用いられ、本装置は1つ以上のノズルをプリントヘッドに備える。前記ノズルはFDM方式に類似のAM法による3Dプリントや、インクジェット方式の二次元および三次元の印刷に用いる。
<電子部品製造>
また電子部品等製造プロセスにおいても本願の方法や装置を用い材料を堆積させ製膜する用途で用いることを意図する。
電子部品プロセスに関連してノズルをAM法で用いる方式でなくレーザーノズルなど切削・除去加工を行うノズルを備えさせ、電子部品製造時に製膜した部分をレーザー加工により切り分け切除し、電極のパターニングに用いることを意図している。
特に太陽電池製造プロセスなど大面積にわたり製膜とパターニングが必要な部品に適応することを意図している。
As a means for solving the problem, the present invention will be explained using schematic diagrams of printer scanning methods such as Figures 1, 1AA, 1AB, 1AC, and 2C, an explanatory diagram of a printer equipped with an inkjet or additive manufacturing nozzle as in Figure 5A and Figure 5A, and an explanatory diagram of a laser processing machine as in Figure 5E.
In response to the problem, the present invention provides a nozzle array 100 (
A
A material discharge nozzle (inkjet nozzle, dispenser nozzle, deposition gas irradiation nozzle, nozzle using additive manufacturing method) or a laser nozzle (laser processing nozzle that heats and removes wood, resin, and electrode film by laser processing, nozzle using removal processing method) is used as the nozzle,
The main feature of this system is that it has a nozzle scanning path that allows printing/processing and cleaning to be performed alternately, as shown in Figures 5A and 5D, in which the nozzle crosses the
As shown in Figures 2AA and 2A, the trajectory drawn by the nozzles of the recording head crosses and passes across the recording surface, and one or more nozzles may be provided on both sides of the recording surface through which the trajectory of the recording head passes or in the vicinity of the recording surface, and the printer is characterized in that the trajectory passes through a cleaning section provided with one or
1, 1A, 2A, 2AA, 2C, 3B, 5A, 5B, and 5D are representative explanatory views of the present invention.
The invention is used in an apparatus with inkjet nozzles, FDM or additive manufacturing (AM) nozzles, the apparatus comprising one or more nozzles in a print head, said nozzles being used for 3D printing with AM methods similar to FDM, or for inkjet printing in 2D and 3D.
<Electronic parts manufacturing>
The method and apparatus of the present invention are also intended to be used in the manufacturing process of electronic components and the like, for depositing materials and forming films.
In relation to electronic component processing, the nozzle is not the type used in the AM method, but rather a laser nozzle or other nozzle that performs cutting and removal processing, and the intended use is to cut and remove the film formed during electronic component manufacturing using laser processing, and use this for electrode patterning.
It is intended to be particularly applicable to components that require film formation and patterning over large areas, such as in solar cell manufacturing processes.
記録ヘッドのノズルが描く軌道は具体例として円や長円や楕円であり、特に円であるときはノズルが円状に並ぶように配置して固定し、その固定された円状のノズル列をもつプリントヘッドを外部もしくはプリントヘッドに備えるモータにより回転させ、記録面を横切る円状の軌道を描くノズル列からインクを吐出し印刷を行う。
インクといった材料を吐出するほかに加工素子をノズルの代わりに配置すれば加工も行うことができる。
本発明では図1ACや図5Aに示すように、ノズルが1つならばノズルを円型ヘッド1の円周側に単体で1つ備えさせ、前記ヘッド1を回転(または移動)させ、記録面を横切る円状の軌道100Cを描くノズル100NZからインク12を記録面2へ吐出し印刷を行う。そしてノズルは吐出動作後にクリーニング部3を通過しクリーニングされ、再度記録面の上に移動し吐出してといった吐出とクリーニング動作を繰り返す。
本発明では図1Aや図1AAや図1ABに示すように、ノズルが1つ(100NZの時)ではなく2や3を超えて複数個のノズルをヘッド1にノズル列100のように備える時、プリントヘッド1を外部もしくはプリントヘッドに備えるモーターにより回転させ、記録面を横切る円状の軌道を描く複数のノズル(ノズル列100)からインク12を記録面2へ吐出し印刷を行うとともに印刷中もクリーニング部3をノズルが通過しクリーニングを行い、吐出とクリーニング動作を繰り返す。
Specific examples of the trajectory described by the nozzles of the recording head are a circle, an oval, or an ellipse, and when it is a circle in particular, the nozzles are arranged and fixed in a circular shape, and the print head with this fixed circular nozzle row is rotated by a motor either external or attached to the print head, and ink is ejected from the nozzle row that describes a circular trajectory across the recording surface to print.
In addition to ejecting materials such as ink, processing can also be performed by placing a processing element in place of the nozzle.
1AC and 5A, in the present invention, if there is one nozzle, the nozzle is provided alone on the circumferential side of a
In the present invention, as shown in Figures 1A, 1AA and 1AB, when a
図2C及び図5D に示すように、記憶ヘッドの軌道は円状の他には長円状(楕円状、オーバルトラック状)であってもよく、ノズルは軌道(4R、100R)上に1つ以上を配置し可動式にして、ノズル100NZを列車(カー、キャリア、キャリッジ)のように見立ててが長円状に並ぶようレールなどの軌道に配置し、ノズルを備えたカーをある原点位置から記録面を横切りクリーニング部を経て再度原点と記録面を横切り連続して印刷できるよう移動させ、ノズルは記録面を横切るときに印刷や加工を行う。この場合もノズルでは吐出動作とクリーニング動作を主走査を続けることで交互に実行される。 As shown in Figures 2C and 5D, the track of the storage head can be circular or elliptical (elliptical, oval track), and one or more nozzles are arranged on a track (4R, 100R) and made movable, and the nozzles 100NZ are arranged on a track such as a rail so that they are lined up in an ellipse like a train (car, carrier, carriage), and the car equipped with the nozzles is moved from a certain origin position across the recording surface, through a cleaning section, and then across the origin and the recording surface again so that it can print continuously, and the nozzles print or process as they cross the recording surface. In this case, the nozzles alternate between ejection and cleaning operations by continuing the main scan.
本発明のヘッドにはインクジェット方式のみならず3Dプリンタに見られる材料を押し出してノズルから吐出する方式(付加製造法、FDM方式)や、レーザー加工機における材料を加工する照射部(照射用レーザーノズル部)を備えたレーザー照射方式を用いてよい。 The head of the present invention may use not only the inkjet method, but also a method of pushing out material and ejecting it from a nozzle as seen in 3D printers (additive manufacturing method, FDM method), or a laser irradiation method equipped with an irradiation section (irradiation laser nozzle section) that processes materials in a laser processing machine.
記録ヘッドはインクジェット方式のノズルを複数備えていてもよいしFDM(Fused Deposition Modeling/熱溶解積層方式)方式の材料吐出用ノズルを複数備えていてもよい。
既知の付加製造法にて用いられるノズルから材料を押し出す方式のノズルであればよい。
熱溶解していない材料(常温域で流動性を持つ材料)、例えば食品ペースト(クッキー生地やチョコレートペーストなどペースト状の製菓材料、製パン材料、生地材料など)、あるいは陶器や土器、建材などの無機素材/有機素材ペーストにより製造できる品目に本発明の走査方法を利用してよい。
本発明の走査方法を利用し記録面に生物由来の材料を吐出させるようしてもよく、例えば農業機械の用途で種子を吐出できるノズルの直径を備えたノズルから吐出させてもよい。
プリントヘッドにインクジェットノズルと食品材料用押出ノズルを備え、食品ペーストを押出ノズルで積層し、食品に食品着色料で印刷を施しオンデマンドな食品を出力してもよい。
本願では機械部品や電子部品を出力してもよい。本発明では大気圧下のみならず真空下でも動作させてもよい。真空下もしくは真空の宇宙空間で電子部品の材料を本発明のスキャン方法で材料吐出ノズルを持つヘッドを走査させ記録面の基板に堆積させてもよい。
The recording head may include a plurality of inkjet nozzles, or may include a plurality of FDM (Fused Deposition Modeling) material ejection nozzles.
Any type of nozzle that extrudes material from a nozzle used in known additive manufacturing methods may be used.
The scanning method of the present invention may be used for items that can be manufactured from materials that are not thermally melted (materials that are fluid at room temperature), such as food pastes (paste-like confectionery materials such as cookie dough and chocolate paste, bread ingredients, and dough ingredients), or inorganic/organic material pastes such as pottery, earthenware, and building materials.
The scanning method of the present invention may also be used to eject biological material onto a recording surface, for example from a nozzle having a nozzle diameter capable of ejecting seeds for agricultural machinery applications.
The print head may be equipped with an inkjet nozzle and an extrusion nozzle for food materials, food paste may be layered with the extrusion nozzle, and food may be printed with food coloring to output on-demand food.
In the present application, mechanical parts and electronic parts may be output. In the present invention, operation may be performed not only under atmospheric pressure but also under vacuum. Materials for electronic parts may be deposited on a substrate on a recording surface by scanning a head having a material discharge nozzle under vacuum or in vacuum space using the scanning method of the present invention.
<宇宙空間での利用と宇宙での電子部品や建築物構造物の出力>
本発明の方式は大気圧下のみならず、宇宙空間の無重力かつ真空下で動作させてもよい。
宇宙空間で用いる場合はヘッド1の回転を静止または打ち消す機構を備えてもよい。本願はシリアルプリンタのように左右に質量を振る運動は少ないが回転する運動が多い。
<Use in space and output of electronic components and building structures in space>
The method of the present invention may be operated not only under atmospheric pressure, but also under the weightless vacuum of outer space.
When used in outer space, it may be equipped with a mechanism for stopping or canceling the rotation of the
<●宇宙空間で打ち上げられた材料や基板を用いて製造される太陽電池>
宇宙空間は地上よりも高い真空であるので(地上のようにターボ分子ポンプ等を使わなくとも宇宙空間は真空になっているので)、真空プロセスを伴う一部の太陽電池や金属部品の製造(宇宙用部品・製品の出力)を宇宙ステーションなど基地のその場で行うメリットが宇宙にはあるかもしれない。
<● Solar cells manufactured using materials and substrates launched in space>
Since outer space has a higher vacuum than Earth (a vacuum in outer space without the need for turbomolecular pumps, etc., as on Earth), it may be advantageous to carry out the manufacturing of some solar cells and metal parts, which involve vacuum processes (output of space parts and products), on-site at a base such as the space station.
発明者個人の意見として、地上でフィルム型の太陽電池を製造し宇宙空間に打ち上げる場合と、宇宙にフィルム材料と電極や半導体など原材料を地上から宇宙へ打ち上げたのち宇宙空間のその場で宇宙の備える真空を用い太陽電池を製造する場合を比べると、
後者の原材料を打ち上げたのち宇宙空間のその場で宇宙の持つ真空を用い太陽電池を製造する場合のほうが真空ポンプの利用が少ないか不要になる可能性がある。
後者の場合は宇宙空間の備える真空を用いて蒸着などの材料を基板に吐出・噴出・照射・成膜・堆積させる真空プロセスをもつ太陽電池製造装置が必要になる。
In the inventor's personal opinion, when comparing the case of manufacturing film-type solar cells on the ground and launching them into space, and the case of launching film materials and raw materials such as electrodes and semiconductors from the ground into space and then manufacturing solar cells on site in space using the vacuum provided by space,
If the latter raw materials are launched and then solar cells are manufactured in situ in space using the vacuum of space, it may be possible to use vacuum pumps less frequently or even unnecessary.
In the latter case, solar cell manufacturing equipment is required that has a vacuum process that uses the vacuum provided by outer space to eject, spray, irradiate, form a film, and deposit materials onto a substrate, such as by vapor deposition.
<宇宙空間で真空ポンプのない真空プロセスにより太陽電池を製造とき>
宇宙ステーションや人工衛星などの太陽電池や宇宙太陽光発電用の太陽電池が故障などをして宇宙空間の宇宙ステーションで半導体や電極材料など原材料や基板等から太陽電池を製造して現地調達したいことがあるかもしれない。
例として地上から打ち上げた原材料や部品、基板を宇宙空間の真空環境を用いてオンデマンドに太陽電池を製造したいとき、
宇宙空間に太陽電池製造に用いる蒸着装置や、蒸着装置の原理で原子や分子を蒸気化し蒸着や昇華を行い金属電極や透明電極、無機半導体・有機半導体膜の成膜、半導体膜へのドーピングなど不純物の吐出打ち込み処理を行う装置(ここでは製造のための出力装置)を、地上で太陽電池製造時に真空プロセスに用いる真空槽を真空引きするポンプ(ターボ分子ポンプや油拡散ポンプといった真空ポンプ)を用いずに、宇宙空間の備える真空を太陽電池製造に利用して太陽電池を製造してよい。
<Manufacturing solar cells in space using a vacuum process without a vacuum pump>
If solar cells on space stations or artificial satellites, or solar cells for space solar power generation, break down, it may be necessary to manufacture solar cells locally from raw materials and substrates such as semiconductors and electrode materials on a space station in space.
For example, if you want to manufacture solar cells on demand using raw materials, parts, and substrates launched from the ground in the vacuum environment of space,
A deposition device used for manufacturing solar cells in space, or a device (here, an output device for manufacturing) that vaporizes atoms and molecules using the principles of a deposition device and performs deposition or sublimation to form metal electrodes, transparent electrodes, inorganic semiconductor and organic semiconductor films, and performs impurity injection processing such as doping into semiconductor films, may be used to manufacture solar cells by utilizing the vacuum provided in space, without using a pump (vacuum pump such as a turbo molecular pump or oil diffusion pump) that evacuates a vacuum chamber used in the vacuum process during solar cell manufacturing on Earth.
地上の真空槽と宇宙空間では真空度を同じようにできたとしても、宇宙空間には半導体部品製造に悪影響を与える粒子が存在または飛行している恐れがあるので前記粒子の影響を遮る装置が製造プロセスに備えられていてもよい。
たとえば有機太陽電池の電極の蒸着などで真空槽の真空度を測定する電離真空計などから生じうる粒子等による有機半導体膜への影響を下げる機構を宇宙空間の真空を用いる製造装置に備えていてもよい。
Even if the degree of vacuum can be made the same in a vacuum chamber on Earth and in outer space, there is a risk that particles exist or fly in outer space that can have an adverse effect on the manufacturing of semiconductor components, so the manufacturing process may be equipped with a device to block the effects of such particles.
For example, a manufacturing device that uses the vacuum of outer space may be equipped with a mechanism for reducing the effect on the organic semiconductor film of particles that may be generated from an ionization vacuum gauge that measures the vacuum level of a vacuum chamber during deposition of electrodes for organic solar cells.
真空中に除去したい粒子が電荷を帯びた粒子の場合、電場や磁場による粒子の除去が利用されうる。前記の製造を行う装置に物理的に衝突する微小なデブリがあるときは障壁などを設置して製造を行う装置へのデブリの衝突を防ぐ。ガンマ線やエックス線など光子の場合は密度の高い金属の障壁で遮蔽する。 If the particles to be removed into the vacuum are electrically charged particles, electric or magnetic fields can be used to remove the particles. If there is microscopic debris that may physically collide with the manufacturing equipment, barriers or other structures are installed to prevent the debris from colliding with the manufacturing equipment. In the case of photons such as gamma rays or X-rays, they are blocked by a dense metal barrier.
<宇宙空間でのオンデマンド出力装置>
宇宙空間では前記の製造装置として利用できるスペースや質量が限られているかもしれない。そこで本願では前記の製造装置に本願の主張する特徴を持つプリンタ8を用いてもよい。
本願の特徴は、記録面2に材料吐出や材料の噴射、材料流体・材料ガス流体(蒸着プロセスや昇華プロセスにおける蒸発した粒子)の吐出を行う際に、吐出動作中においてもノズルクリーニングを行うことができる特性を持っていることであり、宇宙空間において太陽電池(プリンタ8により印刷プロセスに類似してロールツーロール製造を行うことを意図する、宇宙空間での真空を応用したフィルム型太陽電池)といった電子部品や宇宙用の構造物あるいは立体の製品・部品の造形を行うことに利用できうる。
前記装置及び前記方法により製造されたフィルム状(フィルム型)太陽電池は宇宙ステーション等宇宙構造物や宇宙太陽光発電に用いてもよい。
<On-demand output device in space>
In outer space, the space and mass available for the manufacturing device may be limited, so the present application may use a
The feature of the present application is that it has the characteristic of being able to perform nozzle cleaning even during the ejection operation when ejecting or spraying material onto the
The film-like (film-type) solar cell manufactured by the above-mentioned device and method may be used in space structures such as space stations and for space solar power generation.
大気圧下または真空下でフィルム用太陽電池のように印刷プロセス(インクジェット印刷、ロールツーロールプロセス)に近い製造工程を持つキャパシタ(電解コンデンサ、セラミックコンデンサ)やピエゾアクチュエータ、二次電池(電解液式もしくは固体電解質式のリチウムイオン電池)といった素子が製造するときに大面積のフィルムや電極箔等の基板が投入され加工されていく電子部品の製造に本願のプリンタ8を用いてよい。
The
真空下では大気下と比べ酸素や窒素が実質存在しないので金属の焼結時に酸化などが起こらないことが期待できる。
本願ではプリンタ8のヘッド1にレーザーノズルと金属粒子(チタンを含む)を含む流体を吐出する吐出ノズルを備えさせ金属粉末を記録面2に吐出堆積しながら順次レーザーノズルより金属粒子を宇宙の備える真空下で焼結させ金属製の部品などを造形できる。
吐出ノズルの代わりに金属粉末を記録面2に供給し、ローラ等で積層厚さごとにならしレーザーノズルでレーザーを照射し焼結してもよい。金属粉末にかかわらず樹脂粉末も同様である。
In a vacuum, oxygen and nitrogen are virtually nonexistent compared to the atmosphere, so it is expected that oxidation will not occur during sintering of metals.
In this application, the
Instead of using a discharge nozzle, metal powder may be supplied to the
<本発明のプリンタの接続例>
本発明は記録ヘッド1のノズル(複数ノズル列100、単体ノズル100NZ)が描く回転またはループする軌道(100、100C、100R、4R)に記録面2とクリーニング機構3を備えることを主要な特徴とするため、
ヘッド1に材料供給する吐出材料と材料供給経路(インクサブタンク11,インク供給路111、インク供給路112,インクタンク113、材料押出ポンプ110PP、ポンプ駆動回路1FDP)と、
ヘッド1に搭載された材料の吐出をノズル(10,100NZ)及びノズルのアクチュエータ100VA及びノズル駆動回路1FDNで制御する信号を送受信する経路(1WL、6WL)と、
ヘッド1を動作させる動力・電力を供給する経路(1PU、6P)が必要となる。
簡単な構成として図5Aから図5Fに1ノズルを備える場合の説明図を記載する。
<Connection example of the printer of the present invention>
The main feature of the present invention is that a
The ejection material and the material supply path (ink sub-tank 11, ink supply path 111,
A path (1WL, 6WL) for transmitting and receiving signals to control the ejection of the material mounted on the
A path (1PU, 6P) for supplying power and electricity to operate the
As a simple configuration, an explanatory diagram of a case in which one nozzle is provided is shown in Figs. 5A to 5F.
<電力とデータの蓄積部>
本発明の用途は業務用に近いため停電にあってもプリンタが一時停止するまでに区切りの良い所まで動作することが求められるかもしれない。
そこでプリントヘッド1に蓄電装置1PUC(二次電池、キャパシタ)を備えて一時停電等による電力の変動を平滑化する手段を備えることが強く望ましい。
またヘッド1の1PUCに加えてプリンタ本体8に蓄電装置を備えてもよい。
<Power and data storage unit>
Since the application of the present invention is close to business use, even in the event of a power outage, it may be required for the printer to continue operating up to a convenient stopping point before pausing.
It is therefore highly desirable to provide the
In addition to the one PUC of the
またヘッド1にはプリンタ本体から通信により送られた印刷データや制御データなどを記録し蓄えプールする記憶装置1CU0(メモリ。例としてSRAM、DRAMなど揮発性メモリ、フラッシュメモリなど不揮発性メモリ)を備えることが強く望ましい。図5Cに示すようにコントローラー間で通信を行いデータを蓄える。
不揮発性メモリの場合、プリントデータをヘッド1に記憶させたのち電源が無くてもデータを記録でき、例えば印刷データがプロトタイプ兼オンデマンド製造用データであるとき、ヘッド1の不揮発メモリに記録させたデータでプロトタイプとしてプリンタで出力したのち、問題が無ければそのままデータを再度ロードせず(印刷データのコントローラー間での通信・移動・複製時間を削減して)オンデマンドに製品製造に移行できる。
不揮発性メモリが高速で大容量かつ書換可能回数が低くないものが必要である。一般に2021年時点で流通している不揮発メモリとしてフラッシュメモリがある。(他に強誘電体メモリなど読み書き速度や読み書き可能回数がフラッシュメモリよりも優れる記憶素子も存在する)
コストや動作速度・記憶容量の兼ね合いからコンピュータのメインメモリとして用いられるDRAMや中央演算装置CPUのキャッシュメモリとして内蔵される高速なSRAMをヘッド1に搭載する場合も考えられる。
It is also highly desirable to have a storage device 1CU0 (memory, for example volatile memory such as SRAM or DRAM, or non-volatile memory such as flash memory) in the
In the case of non-volatile memory, after the print data is stored in
Non-volatile memory is required to be fast, have a large capacity, and not have a low rewrite count. Flash memory is a non-volatile memory that is generally in circulation as of 2021. (There are also other memory elements such as ferroelectric memory that have better read/write speeds and read/write counts than flash memory.)
Considering the balance between cost, operating speed and storage capacity, it is also possible to mount a DRAM used as the main memory of a computer or a high-speed SRAM built into the central processing unit (CPU) as a cache memory in the
<ヘッドへの吐出材料輸送>
回転するヘッド1に対し、吐出材料を供給する場合は流体ジョイント111(液体、気体、プラズマを含む)を用いればよく、単一の材料(単色)の場合は単色に対応したロータリージョイントを用いる。複数の材料(多色)の場合は対応するロータリージョイント111を用いる。
ロータリージョイント111を用いないときもヘッド1に単一もしくは複数の材料を供給できるよう対応する。図1BEのように対向するインク供給機構を設ける。
インクを供給する方法については大気圧下、真空下でそれぞれに対応した方式をとることができる。真空下では配管を備えるロータリージョイントを用いることもできる。宇宙空間の無重力かつ真空下でも動作させる場合には流体を搬送するポンプやジョイントも変更する必要がある。
<Transport of ejection material to head>
A fluid joint 111 (including liquid, gas, and plasma) may be used to supply ejection material to the
Even when the rotary joint 111 is not used, it is possible to supply a single material or a plurality of materials to the
The ink supply method can be either under atmospheric pressure or under vacuum. In a vacuum, a rotary joint with piping can be used. To operate in the zero gravity and vacuum of outer space, the pump and joints that transport the fluid must also be changed.
<ヘッドへの吐出信号通信>
吐出信号は非接触式の無線と接触式の有線を用いてヘッド1に伝えてよい。本発明では非接触式の通信方法を利用できることを重要な特徴とする。
回転するヘッド1にスリップリング等の接触式の方法でデータを伝える場合、スリップリングの稼働寿命やコストや通信の安定性を考慮する必要が生じる。
そこで本発明では回転もしくは移動するプリントヘッド1とプリンタ本体との通信方式は接触式通信ではなく非接触式通信を用いる事が好ましい。本発明で非接触通信の具体例は無線通信と光通信である。図5Aや図5Dでは1WL、6WLが前記非接触通信部に該当する。
無線通信には電波によるものと音波によるものがある。本発明では通信容量が印刷データ量に対し充足していればよい。既存の技術では無線通信の内、電波を用いることが出来る。
<補足>
先に述べたように本発明をインクジェット法を用い大面積、高解像度な3Dプリンタにもちいる場合、造形に必要なドット数が多くなることでデータ量が増大し、前記大容量のデータ転送をスリップリングで実現する必要が生じかねない。
本発明で第一に主張する走査方法とデータ通信にスリップリングを用いたプリンタを作ることも不可能ではない。しかしスリップリングには摩耗(接触によるブラシの摩耗)による寿命が存在することから本発明では非接触通信を用いる事が好ましい。スリップリングの寿命や価格、通信の高速性・安定性が解決される場合、該スリップリングは本発明に利用できうる。
本発明はプリンタとヘッド1との通信および電力供給、特に電力の供給にスリップリングの利用を認めないわけではない。プリンタとヘッドとの通信は非接触方式を用いるが、プリンタからヘッドへの電力の給電はスリップリングや端子を接触させる接触式を利用できる。接触式通信を使う場合考慮する点がある。
本発明では無線を用いたデータ転送と接点を用いた電力給電を組み合わせてヘッドを動作させる。プリンタ本体(プリンタコントローラ6)から接触式の電力供給をプリントヘッド1に行う場合には電力の平滑化を行う蓄電装置1PUCを備えさせることを特徴とする。
<Ejection signal communication to head>
The ejection signal may be transmitted to the
When transmitting data to the
Therefore, in the present invention, it is preferable to use non-contact communication rather than contact communication as the communication method between the rotating or moving
Wireless communication can be by radio waves or by sound waves. In the present invention, it is sufficient that the communication capacity is sufficient for the amount of print data. In the existing technology, radio waves can be used for wireless communication.
<Additional Information>
As mentioned above, when the present invention is used in a large-area, high-resolution 3D printer using the inkjet method, the number of dots required for modeling increases, resulting in an increase in the amount of data, and it may become necessary to use a slip ring to transfer the large amounts of data.
It is not impossible to create a printer that uses a slip ring for the scanning method and data communication that is the first claim of this invention. However, since slip rings have a lifespan due to wear (brush wear due to contact), it is preferable to use non-contact communication in this invention. If the issues of slip ring lifespan, cost, and high speed and stability of communication can be resolved, the slip ring can be used in this invention.
This invention does not exclude the use of slip rings for communication and power supply between the printer and the
In the present invention, the head is operated by combining wireless data transfer and power supply using contacts. When contact-type power supply is performed from the printer main body (printer controller 6) to the
さて、本発明ではプリントヘッドとプリンタ本体との通信方式に関しては、3次元プリンタや大面積かつ高速な2次元イメージのデータ出力を行うために、大容量のデータ通信形式が取れる事が望ましく、無線については極超短波やマイクロ波より波長が小さく高周波数方向の電波と、赤外から可視光および紫外線による光通信を含む。
電波を用いる場合はプリントヘッドとプリンターの本体にそれぞれアンテナを備える。光通信を行う場合は光子のやり取りが行えるようプリントヘッドとプリンターの本体にそれぞれ光子を放出する素子と光子を受け取り信号を生成するディテクタを備える。具体例として光の放出にはLEDやレーザーダイオードを用い、光の検出にはフォトダイオードを用いる。
(本発明での電波は次の帯域である。超長波、長波、中波、短波、超短波、極超短波、マイクロ波、ミリ波、サブミリ波。)
Now, in the present invention, with regard to the communication method between the print head and the printer body, it is desirable to have a large capacity data communication format in order to output data for 3D printers or large-area, high-speed 2D images. In terms of wireless, this includes radio waves with shorter wavelengths than ultra-high frequency waves or microwaves, and optical communications using infrared, visible light, and ultraviolet light.
When using radio waves, the print head and the printer body are each equipped with an antenna. When using optical communication, the print head and the printer body are each equipped with an element that emits photons and a detector that receives the photons and generates a signal so that photons can be exchanged. For example, an LED or laser diode is used to emit light, and a photodiode is used to detect light.
(The radio waves in this invention are in the following bands: very long wave, long wave, medium wave, short wave, ultra-short wave, ultra-short wave, microwave, millimeter wave, and sub-millimeter wave.)
本発明の記録ヘッド1と印刷方式を備えたプリンタ8は、ラインプリンタの利点を持ちノズルを多く持たせ、そのノズルを記録面を横切るように回転させることでマルチパスの様に記録面をスキャンさせ記録させつつ記録ヘッド1のノズル(10,100,100A,100B,100NZ)は記録面2とクリーニング部3を巡回することで印刷とクリーニングを交互に行うことができ、印刷の高速化とノズルのメンテナンス性を両立できるという利点がある。
図1Aでは円状のプリントヘッド1の下半分の円弧にあるノズル列100にて印刷を行うが、図2AAに示すようにノズル列100の下半分と上半分の両方の円弧にあるノズル列を用い、クリーニング3も記録面2に対し左右両側に設けてもよい(図2Aの下の図もしくは図2AAのようにクリーニング部を左右に備えていてもよい)。
発明者の個人的な意見として、ノズル列を上下2列(図2AAの右側面図のように)用いることでスピードファクターSFのキャリッジ操作数Crを片方向時の2から双方向時の1に低下させ、速度を2倍にできうる。
A
In FIG. 1A, printing is performed using
In the inventor's personal opinion, by using two nozzle rows, one above the other (as in the right side view of FIG. 2AA), the number of carriage operations Cr of the speed factor SF can be reduced from 2 in one direction to 1 in both directions, thereby doubling the speed.
3次元プリンタにおいて造形物を造形する際に連続して印刷を行うことから印刷途中でのノズル不良による造形物の不良を本発明の方式によりノズルクリーニングを行い防ぐことができる。
そして3次元プリンタによる造形物やオンデマンド印刷、繊維製品、産業製品、電子部品製品に関する製品製造時のノズル不良と印刷不良の抑制に貢献する。
3次元プリンタにおいてノズルクリーニングの実行時に印刷を中止しクリーニングに時間を取られないようにするために、印刷とクリーニングを同時に行うことが可能になり印刷時間の低減に貢献する。
<注釈>
本発明はラインプリンタのようにノズルを多く搭載させ印刷の高速化を意図したものであったが、
それに付随してノズルクリーニングを行う場合にはノズルを随時クリーニングすることを行わせたことにより、
ノズルクリーニングが不足している場合のノズル不良による造形ミス・印刷ミスを予防できるよう、クリーニングを印刷動作中に行えるようにすることを意図している。
Since three-dimensional printers perform continuous printing when creating objects, nozzle cleaning according to the method of the present invention can be used to prevent defects in the created object due to nozzle malfunctions during printing.
This will also help reduce nozzle defects and printing defects when manufacturing objects created with 3D printers, on-demand printing, textile products, industrial products, and electronic component products.
To prevent the time required for nozzle cleaning in a three-dimensional printer from being wasted by stopping printing when performing nozzle cleaning, it becomes possible to perform printing and cleaning simultaneously, thereby contributing to a reduction in printing time.
<Notes>
The present invention was intended to increase printing speed by equipping a large number of nozzles like a line printer, but
In addition, when performing nozzle cleaning, the nozzle is cleaned as needed.
The intention is to enable cleaning to be performed during printing operations in order to prevent modeling and printing errors caused by nozzle failure due to insufficient nozzle cleaning.
ラインヘッドの高速性を備えつつクリーニング機構を備えさせるという目的を、
記録ヘッド1にループした軌道(円状、オーバルトラック状、長円状、楕円状)を描くことの出来るノズル(10,100,100NZ,100LD)を1つまたは複数配置し、
前記ノズルをループに沿って回転または移動させ記録面2とクリーニング部3を走査(スキャン)させることで実現した。
The objective of providing a high speed line head and a cleaning mechanism is to
One or more nozzles (10, 100, 100NZ, 100LD) capable of drawing a looped track (circular, oval track, elliptical, elliptical) are arranged on the
This is achieved by rotating or moving the nozzle along a loop to scan the
本発明の留意点として産業用のプリンテッドエレクトロニクス用途や3次元プリンタ用途、新聞・雑誌・書籍印刷、繊維製品用途、オンデマンドかつ大量の印刷用途を意図してプリントヘッドの大型化と高速化を行うために考案しており、家庭用のシリアルプリンタに見られる小型さや経済性をこの発明では考慮していない。ヘッドを停止・休止させキャップする時間が少ない用途を想定している。 It is important to note that this invention was conceived to increase the size and speed of print heads for industrial printed electronics applications, 3D printer applications, newspaper, magazine and book printing, textile product applications, and on-demand, high-volume printing applications, and does not take into consideration the compactness and economy seen in home serial printers. It is intended for applications where the head is stopped, paused and capped for short periods of time.
<プリントヘッド>
ヘッド1にはモーションセンサ1CSを搭載してもよい。ヘッド1に内蔵された記録ヘッド素子にモーションセンサ1CSを採用しヘッド素子の傾きを検出できてもよい。前記ヘッドに内蔵されたモーションセンサ1CSの測定情報をヘッド1やノズルの取り付け時の調整に役立ててもよい。モーションセンサ1CSにはヘッド1の傾きや水平を検出する水平器としてふるまう機能があってもよい。
本発明では記録面を横切るようにループするよう記録ヘッド素子10を複数配置する。プリンタ8のプリントヘッド1に組付けられたヘッド素子10の交換保守を考慮するとヘッドの素子を交換時の素子組付けを支援する手段があると好ましい。そこでヘッド素子10やヘッド1にモーションセンサ1CSを内蔵することでそれぞれの素子の傾きを検知することでヘッドの素子交換時に素子のアライメントを調整しやすくする。
本発明ではヘッド1やヘッド素子10のノズル面の傾きや位置情報を検出できることが好ましい。
プリントヘッド1に内蔵されたモーションセンサ1CSの情報はプリンタ8がヘッド1を主走査方向に走査し吐出・加工動作する際に利用してもよい。
ヘッド1のモーションセンサ1CSの情報は装置の動作保守にかかわるヒトの安全を確保するために用いてよい。
ヘッド1のモーションセンサ1CSの情報はプリンタ本体の情報やインクなど吐出情報、加工情報などと共にプリントサーバ8U、プリント用ユーザー端末8Uへ収集しプリンタを導入した事業者が装置の稼働状況をネットワーク経由で事業所内で共有し利活用してよい。
<Print head>
The
In the present invention, a plurality of
In the present invention, it is preferable to be able to detect the inclination and position information of the nozzle surface of the
Information from the motion sensor 1CS built into the
Information from the motion sensor 1CS of the
Information from the motion sensor 1CS of the
ヘッド1の素子の印刷方式はインクジェット方式の場合、1つ以上のノズルを備えたピエゾインクジェット方式やサーマルインクジェット方式あるいはインクにポンプ(例として図5Aの110PP)にて圧力をかけバルブ(図5Aの100VA)を開閉するバルブ開閉方式(バルブジェット方式)を利用してもよい。
100VAはバルブジェット方式ではバルブであるがピエゾインクジェット方式ではピエゾアクチュエータ素子でサーマルインクジェット方式では加熱素子であり、100VAはインクや流体材料の吐出を行わせるためのアクチュエータ素子である。
バルブ開閉時はインクジェット方式であればインクをノズルから吐出させ、あるいはディスペンサのようにノズルから押出・吐出・塗布し、スプレーのようにノズルから吐出・噴出・噴射・噴霧させてもよい。
ヘッドには温度を調節する機構を備え吐出もしくは射出する流体の温度と粘度を変更できてもよい。加熱により固体材料を液体や気体といった流体へ相転移させることができてもよい。
既報によれば固体ワックス材を加熱溶融させインクジェット方式で印刷する様式があり、本発明でも固体から溶融させた液体をインクに用いてもよい。
既知の真空蒸着法に類似してフィラメントなどで固体有機材料(色材など)を昇華させ、あるいは固体金属材料や固体半導体材料を溶融・蒸発させ蒸気がノズルから吐出されることをバルブ開閉・アクチュエータ操作により制御してもよい。
If the printing method of the elements of
The 100VA is a valve in the valve jet system, a piezoelectric actuator element in the piezoelectric ink jet system, and a heating element in the thermal ink jet system; the 100VA is an actuator element for ejecting ink or fluid material.
When the valve is opened and closed, the ink may be ejected from the nozzle in the case of an inkjet system, or may be extruded, ejected, or applied from the nozzle like a dispenser, or may be ejected, squirted, sprayed, or atomized from the nozzle like a spray.
The head may be provided with a temperature adjusting mechanism to change the temperature and viscosity of the fluid to be discharged or ejected. A solid material may be caused to undergo a phase transition to a fluid such as a liquid or gas by heating.
According to previous reports, there is a method in which a solid wax material is heated and melted, and printed using an inkjet method. In the present invention, a liquid melted from a solid may also be used as the ink.
Similar to known vacuum deposition methods, a solid organic material (such as a color material) may be sublimated using a filament or the like, or a solid metal material or solid semiconductor material may be melted and evaporated, and the vapor ejected from a nozzle may be controlled by opening and closing a valve and operating an actuator.
<ヘッドの動作する気圧>
本発明のプリンタは大気下で用いてもよいし、真空下で用いてもよい。
大気下では水性インクなど既知のインクや、FDM法もしくはペースト状の材料をノズルから送り出して製膜するAM法でもちいるプリントヘッドの方式が用いられる。
真空下で動作する場合、ノズルから吐出する流体は大気下での流体材料(宇宙構造物の建築を意図する金属や樹脂、セラミックの素材等)のほかに溶融液体や気体(ガス)、分子、原子、荷電粒子、光子含む基本粒子でもよい。
真空下を想定する分野として宇宙分野や真空下での製造プロセスを含む用途を想定する。また宇宙にあっては船外で製品および部品の製造への利用を意図する。
真空下で太陽電池等電子デバイスを製造する際にヘッド部分やヘッド部分を含む本願のプリンタを真空下に配置して、有機半導体材料、電極材料、透明電極材料をノズルより基板へ昇華・蒸着・衝突。堆積・製膜させてもよい。
既知の手法では有機半導体を真空下で加熱しガスもしくは分子の流れとなった有機半導体を基板(製膜を行いたい基板、記録面)にあてることで製膜する。
本発明ではヘッドに加熱部分を備えるか、インクタンクの代わりに材料を加熱したガスを蓄えさせるなどして、蒸気化した材料をプリントヘッドのノズル部までポンプで圧力をかけて送り出し、ノズル部ではバルブによる開閉を行うバルブジェット方式(バルブ開閉による吐出制御方式)を行い記録面の望みの位置に材料を吐出・噴出させる。
あるいはカドミウムテルル太陽電池のような化合物系太陽電池の製造に利用される近接昇華法などの真空化または減圧下の成膜手法において、記録面である基板の望みの位置に製膜する手段として本発明が利用されてもよく、無機半導体材料を真空下で製膜する分野においても真空下で無機材料を加熱し蒸気化(ガス化・気体化)して、バルブによる開閉を行うバルブジェット方式(バルブ開閉による吐出制御方式)に類似の方法でノズルから吐出あるいは噴出する材料ガスを記録面である基板に吹き付けて半導体膜を製膜してもよい。
<Air pressure at which the head operates>
The printer of the present invention may be used under atmospheric conditions or under vacuum conditions.
In atmospheric conditions, known inks such as water-based inks, or print head methods used in the FDM method or AM method, in which a film is created by ejecting a paste-like material from a nozzle, are used.
When operating under vacuum, the fluid ejected from the nozzle may be atmospheric fluid materials (such as metals, resins, and ceramic materials intended for the construction of space structures), as well as molten liquids, gases, molecules, atoms, charged particles, and elementary particles including photons.
The fields in which vacuum is expected to be used include the space industry and manufacturing processes under vacuum, and in space, it is intended to be used for manufacturing products and parts outside of vehicles.
When manufacturing electronic devices such as solar cells under vacuum, the head portion or the printer of the present application including the head portion may be placed under vacuum, and organic semiconductor materials, electrode materials, and transparent electrode materials may be sublimated, evaporated, or impinged from the nozzle onto a substrate, and deposited or formed into a film.
In known methods, an organic semiconductor is heated under vacuum, and the organic semiconductor becomes a gas or molecular flow, which is then applied to a substrate (a substrate on which a film is to be formed, a recording surface) to form a film.
In the present invention, the head is equipped with a heating section, or a gas made by heating the material is stored instead of an ink tank, and the vaporized material is sent under pressure with a pump to the nozzle part of the print head, where a valve is opened and closed using a valve jet method (a method of controlling ejection by opening and closing a valve) to eject and spray the material at the desired position on the recording surface.
Alternatively, the present invention may be used as a means for forming a film at a desired position on a substrate, which is a recording surface, in a vacuum or reduced pressure film formation method such as the close-proximity sublimation method used in the manufacture of compound solar cells such as cadmium telluride solar cells, and in the field of forming films from inorganic semiconductor materials under vacuum, the inorganic material may be heated and vaporized (gasified or vaporized) under vacuum, and the material gas discharged or jetted from a nozzle in a manner similar to a valve jet method (a method of controlling discharge by opening and closing a valve) in which a valve is opened and closed, may be sprayed onto a substrate, which is a recording surface, to form a semiconductor film.
ヘッドの印刷方式はインクジェット方式の他にFDM(Fused Deposition Modeling/熱溶解積層方式)またはFFF(Fused filament fabrication )の付加製造法(Additive Manufacturing)の3Dプリンタにおいて記録ヘッドに用いられる流体材料や溶融樹脂等を射出するノズルを複数ノズル列100部分に用いてもよい。
本発明のプリントヘッドは付加製造法に利用されうる。この場合、流動性のある材料をノズルから吐出させるための押出機・射出機・エクストルーダーを持っていてもよい。(図5Bの110PPはAM方式ではペーストなど流動性材料を押出する押出機、エクストルーダーにもなりうる)
AM方式・FDM方式では溶融したプラスチックを主に吐出させるが、このほかに本発明で付加製造法で吐出する材料として流動性をもつペースト・スラリー・ジェル・材料であってもよい。ノズルから吐出するのに構わない程度(ノズル抜けしない、ノズル径よりも小さい程度)の繊維もしくは粒子をペーストに含んでいてもよい。
本発明では付加製造法で用いるノズルを備え、クッキーなどの生地、チョコレートなどの生地をふくむ水分や油分を含む流動性のあるペースト材料や人工肉等に用いられる溶解したたんぱく質材料を吐出できる。
ヘッド素子(10,100,100A,100B,100NZ)を記録面を横切るようにループするよう走査し記録面2に材料の付加を行って記録させる場合に、付加製造法(AM法)で樹脂もしくは流動性材料を射出しているノズルをクリーニング部3にてクリーニングしノズルの状態を清浄な状態に保つことで材料を安定的に積層する事に貢献する。
In addition to the inkjet printing method, the head may use multiple nozzles in the
The print head of the present invention can be used in additive manufacturing. In this case, it may have an extruder, injector, or extruder for ejecting a fluid material from a nozzle. (The 110PP in FIG. 5B can also be an extruder or extruder that extrudes a fluid material such as paste in the AM method.)
In the AM and FDM methods, molten plastic is mainly discharged, but in addition to this, the material discharged in the additive manufacturing method of the present invention may be a paste, slurry, gel, or material with fluidity. The paste may contain fibers or particles to the extent that it does not matter if it is discharged from the nozzle (it does not fall out of the nozzle, and is smaller than the nozzle diameter).
The present invention is equipped with a nozzle for use in additive manufacturing, and can eject fluid paste materials containing water and oil, including dough for cookies and chocolate, as well as dissolved protein materials used in artificial meat.
When the head elements (10, 100, 100A, 100B, 100NZ) are scanned in a loop across the recording surface to add material to the
インクを吐出する方式には静電インクジェット方式を用いてもよい。静電力により材料を吐出させてもよい。 The ink may be ejected using an electrostatic inkjet method. The material may be ejected using electrostatic force.
インクなど流体材料の吐出の力に、ヘッド1がループもしくは回転することによる遠心力を用いる方式を用いてもよい。
A method may be used in which centrifugal force generated by the looping or
遠心力により吐出材料を加圧する場合は吐出材料がノズルから飛び出るのを防止するバルブやゲート・アクチュエータを備えていてもよい。
前記バルブやゲート・アクチュエータはノズル1つに対し1つ以上あって回路によりデジタル的に開閉操作できてよい。
When the material to be discharged is pressurized by centrifugal force, a valve or gate actuator may be provided to prevent the material from flying out of the nozzle.
There may be one or more valves or gate actuators for each nozzle, and the valves or gate actuators may be digitally opened and closed by a circuit.
本発明はヘッド1がループする際にヘッド1のノズル部、あるいは吐出されたインク液滴(流動性材料)に遠心力が生じうる。そこでノズル部において吐出前と吐出中、飛翔中のインク液滴(や、付加製造用材料)の振る舞いや軌道を考慮する必要がある。
ヘッド1が円型で記録紙を横切るように回転する場合、すなわち図1Aの場合にインク液滴の質量m[kg]とヘッドの回転角速度Vomg[rad/sec]とヘッド1の回転半径r(r=Dh/2)[m]を用いて、
遠心力F=mr(Vomg)2
となることは明らかであり、インク液滴が望みの記録面の位置に着弾し、かつヘッド1のノズルをクリーニングし続けられるようVomgを決定する必要がある。本発明ではVomgは零ではない事を特徴とする。
In the present invention, when the
When the
Centrifugal force F = mr(Vomg) 2
It is clear that Vomg must be determined so that the ink droplets land at the desired position on the recording surface and so that cleaning of the nozzles of the
前記Vomgがゼロに近い時、本発明はノズル列の位置が固定された、ノズルが移動しない(Vomg=0)のシングルパスのラインヘッド方式に近づく。
Vomgが大きくなると単位時間あたりに、ある記録面近傍に多くのノズルが記録面の上を横切り、インクを吐出した後クリーニング部でクリーニングを受け印刷動作する。複数のマルチなノズルが記録面をパスできる。ただし吐出されたインクが遠心力のかかる方向に移動するので着弾地点が変化する。
Vomgが大きすぎるとき、ノズルのメニスカス付近でインクが静止しようとするしようとする力の釣り合いを、遠心力や遠心力による押し出し圧力が壊すときインクがノズルから放出される。(ヘッドが遠心分離機や遠心式のポンプになってしまう場合にインクがヘッド1から出てしまう恐れがある。FDM方式のペースト状流動性材料の場合もヘッド1の遠心力が大きすぎる場合で、かつノズルを開閉制御するゲートが無い場合にノズルから出てしまう恐れがある)
本発明ではVomgはプリンタの主走査速度、副走査速度、プリントヘッドの動作周波数、ノズル数、材料の物性、環境条件等により変わる。印刷時また加工時にVomgは少なくともゼロではないことを特徴とする。
When Vomg is close to zero, the present invention approaches a single-pass line head method in which the positions of the nozzle rows are fixed and the nozzles do not move (Vomg=0).
When Vomg becomes large, many nozzles pass over a certain recording surface in a unit time, eject ink, and then are cleaned by a cleaning unit before printing. Multiple nozzles can pass the recording surface. However, the ejected ink moves in the direction of centrifugal force, so the landing point changes.
When Vomg is too large, the ink is released from the nozzle when the centrifugal force or the extrusion pressure caused by the centrifugal force destroys the balance of the force that keeps the ink stationary near the meniscus of the nozzle. (If the head becomes a centrifuge or centrifugal pump, there is a risk that the ink will come out of the
In the present invention, Vomg varies depending on the printer's main scanning speed, sub-scanning speed, print head operating frequency, number of nozzles, material properties, environmental conditions, etc. During printing or processing, Vomg is characterized by being at least not zero.
<ドットを記録する場合の座標>
既知のX軸Y軸を走査させるプリンタやレーザー加工機ではX軸とY軸の大きさから2次元の望みの位置を表現することの容易な方式である。
一方本発明の円型のヘッドとノズル列を用いる図1Aでは遠心力によるインクなど吐出後の材料に印加される事を考慮し、120や120Bのように円弧上にノズルがインクやレーザーを照射しドットが記録される特徴がある。
<Coordinates for recording dots>
In known printers and laser processing machines that scan the X and Y axes, it is an easy method to express a desired two-dimensional position from the magnitude of the X and Y axes.
On the other hand, in FIG. 1A which uses a circular head and nozzle array of the present invention, taking into consideration the centrifugal force that is applied to the material after ejection, such as ink, a nozzle irradiates ink or a laser on an arc, as in 120 and 120B, to record dots.
<ノズル・ノズル列・ノズル配置>
本発明においてノズルは吐出する方式に応じて変化する。付加製造法で用いるノズルとインクジェット法で用いるノズルや吐出部は形状や大きさは異なる。(例えばFDM方式など3Dプリンタにおいて材料を押出・射出する方式のノズルの直径は一般的にインクジェット方式のノズルよりも大きい。)
また本発明において記録ヘッド1(プリントヘッド1)のノズル列は、図1Aや図1Aや図1AA、図1Bのノズル列100や100Aや100Bのように円状(環状)に配置されていればよく、100Aや100Bや100のノズル列は円状に一列有るとは限らず、円状に複数かつ、あるピッチPで配列されたノズル列でよい。
ノズル数Nzは少なくとも1つ以上あればよい。ノズル数Nzは1つ以上であることを本発明の大きな特徴とする。
ノズルが1つ(100NZ)であっても記録面2を1つのノズルがループしてインク吐出による印刷を行いながら横切り、クリーニング3でクリーニングを受け再度同じ工程を繰り返す際に、記録ヘッドが主走査方向に速く回転させ、かつその主走査方向への回転速度に追随できる高い駆動周波数fをノズルが備えている場合には高速な印刷を行うことができ、本発明を実施できる。
しかし本発明で意図するインクジェットプリンタとしての高速化を行おうとするときノズル数は1では足りないのでノズル数は1以上であり実際はノズル数は数百を超えていく。
本発明ではノズル数はインクジェット法やFDM方式あるいは付加製造法のどちらでも2あるいは3以上が好ましく、インクジェット法であれば2の4乗を超える。(しかしノズル数が1でも本発明の走査方法の実施はできる)
非特許文献1によればインクジェット方式について2000年代以降ノズル数は2の10乗を超えており、本発明もその規模を超えるノズル数を備えることができる。
一方で本発明をピエゾ式あるいはバルブジェット式の単ノズルかつ特殊なインクを用いる用途、あるいはFDM法やAM法による3Dプリント用途では、ノズルが1つ以上で2から3あるいは2の4乗以内でもよい恐れがあるので、本発明ではノズル数Nzは1つ以上を備えていればよい。
<Nozzles, nozzle rows, and nozzle arrangement>
In the present invention, the nozzle changes depending on the ejection method. The nozzles used in additive manufacturing methods and the nozzles and ejection parts used in inkjet methods have different shapes and sizes. (For example, the diameter of the nozzle for the method of extruding and ejecting material in a 3D printer, such as the FDM method, is generally larger than that of the inkjet method.)
In addition, in the present invention, the nozzle row of the recording head 1 (print head 1) may be arranged in a circular (annular) shape like the
The number of nozzles Nz may be at least 1. It is a significant feature of the present invention that the number of nozzles Nz is 1 or more.
Even if there is only one nozzle (100 NZ), when a single nozzle loops across the
However, when attempting to achieve the high speed of an inkjet printer intended by the present invention, one nozzle is not enough, so the number of nozzles must be more than one, and in reality the number of nozzles will exceed several hundred.
In the present invention, the number of nozzles is preferably 2 or 3 or more for either the inkjet method, FDM method, or additive manufacturing method, and exceeds the fourth power of 2 for the inkjet method. (However, the scanning method of the present invention can be implemented even with only one nozzle.)
According to
On the other hand, when the present invention is used for applications using a single piezoelectric or valve jet nozzle and special ink, or for 3D printing applications using FDM or AM methods, it may be possible to have one or more nozzles within 2 to 3 or the fourth power of 2, so in the present invention, the number of nozzles Nz may be one or more.
図1Aは材料を吐出させるノズルの場合を示しているが、吐出用ノズルの代わりにレーザーダイオードを素子として配置し、紫外線硬化樹脂や金属粉末で満たされた記録面2を走査しレーザーダイオード等の素子で印字・焼結・定着・加工する場合でも同様である。
つまり円状に複数かつピッチPで配列した素子列でもよい。素子列はレーザーダイオードでもよいしレーザーダイオードやレーザー発振素子と接続されたレーザーノズル100LDやノズル列でもよい。
レーザー素子をある駆動周波数fでパルス駆動しピークパワーを利用するよう用いてよい。レーザー加工用のレーザー照射ノズル100LDをプリントヘッド1に材料吐出ノズルの代わりに配置してもよい。
FIG. 1A shows the case of a nozzle that ejects material, but the same applies to the case where a laser diode is placed as an element instead of an ejection nozzle, and a
That is, it may be a circular element array arranged at a pitch P. The element array may be a laser diode, or a laser nozzle 100LD or nozzle array connected to a laser diode or laser oscillation element.
The laser element may be pulse-driven at a certain driving frequency f to utilize the peak power. A laser irradiation nozzle 100LD for laser processing may be disposed in the
ノズル(オリフィスや流路、センサや加熱素子やアクチュエータ)を含むインクジェット素子は円状に半導体プロセス用シリコン基板などに配列されMEMS技術、フォトリソグラフィなどで作られたノズルやオリフィス、流路、IC回路、センサ素子等が集積されていると本発明ではノズル面の水平がシリコン基板の面のレベルで取れているので好ましいが、
現実的にはヘッド1のノズル列100を実現するためにピエゾあるいはサーマル方式のインクジェット素子を作りこんだ長方形チップ(インクジェットチップ、インクジェットヘッド素子、大型プリンタにおいてスタガ配列を作るために利用されるヘッド素子、インクジェットのノズルと流路と吐出機構を作りこんだ長方形チップ)を円状に配列してもよい。
ここで述べるヘッド素子(10、11)について誤解を防ぐため具体的なプリンタヘッドの例を示すと、
・オフキャリッジ型では、
エプソン社(型番L1440等)、コニカミノルタ社(型番KM1024a等)
・オンキャリッジ型では、
キヤノン社 (型番PF-05等)、ヒューレットパッカード社(型番C6602A 等)となる。
※既知のインクジェット方式のシリアルプリンタにおいて行われるスタガ配列ヘッドに類似して入れ違いの配置を円状に続けてヘッドを構築してもよく、図1Aを例に説明する場合、円状に配列したインクジェットノズル100Aや100の円の軌道に沿って入れ違いに(ジグザグ配置に、スタガ配置に)ヘッド素子(インクジェットのノズルと流路と吐出機構を作りこんだ長方形チップ)を配置してもよい。この場合でもヘッド1には加速度センサを備え素子やヘッドの傾きを検出できてもよい。
Inkjet elements including nozzles (orifices, flow paths, sensors, heating elements, and actuators) are arranged in a circle on a silicon substrate for semiconductor processing, and nozzles, orifices, flow paths, IC circuits, sensor elements, etc. made by MEMS technology, photolithography, etc. are integrated. In this invention, the nozzle surface is preferably horizontal at the same level as the surface of the silicon substrate.
In reality, to realize the
To avoid any misunderstanding regarding the head elements (10, 11) described here, a specific example of a printer head will be given as follows:
・For off-carriage type,
Epson (model number L1440, etc.), Konica Minolta (model number KM1024a, etc.)
・For on-carriage type,
Canon (model number PF-05, etc.), Hewlett-Packard (model number C6602A, etc.).
*Similar to the staggered arrangement heads used in known inkjet serial printers, a head may be constructed by continuing the staggered arrangement in a circular fashion, and in the example shown in Figure 1A, head elements (rectangular chips incorporating inkjet nozzles, flow paths, and ejection mechanisms) may be arranged in a zigzag or staggered arrangement along the circular trajectory of
1つのノズルのみ(単ノズルのヘッド素子、シングルノズル)であるバルブジェット素子や静電インクジェット、ピエゾインクジェット、サーマルインクジェットの素子を円状に1列もしくは複数の列にあるピッチPごとに配列してもよい。
インクジェットチップにはピッチPで配列したノズルを備えてもよく、本発明では円周に複数のノズル列を備えた、帯状のノズル列が配置されていてもよい。(これは前述の入れ違いに長方形のヘッド素子を並べた場合に円状かつ帯状のノズル列ができることを意図する記述である。)
Valve jet elements having only one nozzle (single-nozzle head element, single nozzle), electrostatic ink jet, piezoelectric ink jet, or thermal ink jet elements may be arranged in a circle at a pitch P in one or more rows.
The inkjet chip may have nozzles arranged at pitch P, and in the present invention, a belt-shaped nozzle array may be arranged with multiple nozzle arrays on the circumference. (This is a description intended to indicate that a circular and belt-shaped nozzle array can be formed when rectangular head elements are arranged in a staggered manner as described above.)
本発明は、図2Cや図1CBや図1BEや図1Aのように、1つのノズルまたは1つのインクジェットチップといった吐出を行う素子を円状や長円状あるいは楕円状のループする軌道に配置し、前記軌道に沿って吐出する素子を列車(カー、キャリア、キャリッジ)のように見立てて動かしてもよい。
図2Cの100Rはノズル列100を動かす際に利用するレール・軌道である。100Rはヘッド素子への電力供給を行い、4または4Rはヘッド素子をループした軌道に沿って移動させる駆動部分であり、レールやベルトを備える。
4Rはノズル100NZを備えるヘッドをカーに見立てて移動するレールとベルトなどを備える。
In the present invention, as shown in Figures 2C, 1CB, 1BE, and 1A, an element that ejects, such as a single nozzle or a single inkjet chip, may be arranged on a circular, oval, or elliptical looping track, and the element that ejects along the track may be moved like a train (car, carrier, carriage).
2C denotes a rail or track used to move the
The 4R is equipped with rails and belts that move the head equipped with the nozzle 100NZ like a car.
<硬化・定着・表面処理>
プリントヘッド1には吐出した材料が記録面到達した時、材料に対応した既知の方法にて、硬化ないし定着させる機構をヘッド1が備えてもよい。
その例として当発明のプリントヘッド1の方式で3Dプリンティングを行う際に紫外線硬化インクを紫外線LEDで硬化させ、硬化した際にローラーでならし積層できるよう印刷ヘッドに紫外線LEDやローラーをヘッドに備えてもよい。
水溶性接着剤をピエゾ方式もしくはサーマル方式のインクジェット法で吹き付けながら立体造形用の粉末を硬化・定着・接着する場合も同様である。
<Hardening, Fixation, Surface Treatment>
The
As an example, when performing 3D printing using the
The same is true when a water-soluble adhesive is sprayed using a piezoelectric or thermal inkjet method while hardening, fixing, and adhering powder for three-dimensional modeling.
3Dプリンタにおいて積層されたレイヤー間の接着性を高めるためにプリントヘッドに吐出装置に加えUVオゾン処理やプラズマ照射といった装置をヘッドに備えていてもよい。
電子部品材料では次の工程に向けた処理がヘッドで行えてもよい。例えば塗布できる半導体材料や電極材料を製膜した後にUVオゾン処理を行い次の工程に備えてもよい。
印刷物や素子の製造に用いるときに定着・硬化処理や表面処理をヘッド1で行えてもよい。
In order to increase adhesion between stacked layers in a 3D printer, the print head may be equipped with a device for UV ozone treatment or plasma irradiation in addition to the ejection device.
For electronic component materials, the head may be used to perform processing for the next process. For example, after forming a film of a semiconductor material or electrode material that can be applied, UV ozone processing may be performed in preparation for the next process.
When used in the manufacture of printed matter or elements, the
本発明では記録ヘッド1がインクジェットといった吐出用途に限らず、LED素子やレーザー素子など光子や粒子の照射ノズルを吐出ノズルの代わりに円状に配置して、記録紙2もしくは記録部分2に供給される紙や粉末材料を光により変化させ印刷や造形に用いてよい。
ヘッド1で3Dプリンティングを行うときに金属粉末や樹脂粉末、光硬化樹脂を供給する場合に記録ヘッド1が備えるレーザーノズルから照射する光を材料に照射し反応・加熱・変化させ、結合・融着・硬化・焼結させてもよい。
これは感熱紙式のサーマルプリンタにおいて感熱紙をサーマルヘッドで印字し印刷物とする概念(材料をダイレクトにノズルから吐出するのではなく、記録面に材料を備える例)と類似する。
本発明のプリントヘッド1を感熱紙や3Dプリンティング用の光硬化樹脂や材料粉末といった記録紙を光学ヘッドで印刷データに従って硬化・焼結させ印刷物・造形物とする。
In the present invention, the
When performing 3D printing with
This is similar to the concept of a thermal printer that uses a thermal head to print on thermal paper to produce a printed product (an example of providing material on the recording surface rather than directly ejecting the material from a nozzle).
The
本発明は走査方法を含む。インクジェット方式やFDM方式(付加製造法)のように材料を記録面2の上を走査する記録ヘッド(プリントヘッド1)から直接吐出して定着させてもよいし、サーマルプリンタ方式のように記録部に記録材料を供給され、そこへ記録ヘッド1を走査しヘッド1から光、電磁波、プラズマ、加速粒子などを放出し記録材料を反応させて定着させてもよい。本発明の走査方法を用い二次元および三次元の製品製造や加工に用いてもよい。
具体的には本発明によるプリンタにおいても感熱紙においては光にて加熱し印字することができ、紫外線硬化樹脂については紫外線LEDや紫外線レーザーを用いて硬化させることができる。
赤外線や可視光線、紫外線のもつ光子のエネルギーでは困難な反応を起こすためにヘッド1からエックス線といった放射線を用いて材料に化学反応(例として放射線重合)を起こしてもよい。
ヘッド1から荷電粒子を加速してもよく、大気下、真空下で荷電粒子を照射、あるいは加速して材料に打ち込みしてもよい。
光子をプリントヘッドに備えた素子からレーザーなどの形態で照射し金属粉体を加熱させてもよい。熱風やフレーム(炎、バーナー)を吐出後の材料にあてて処理をしてもよい。
ドットインパクトプリンタに類似して、ヘッド1に備えたピン等打刻装置で記録面2を打撃し出力に用いてもよいし、レーザーノズルの代わりにピン等で機械的切削加工を行えてもよい。
レーザープリンタに類似して、感光ドラムにヘッド1から感光できる波長の光子によるレーザーを照射し帯電させトナー等を付着するなど既知の用途に利用できる。
The present invention includes a scanning method. The material may be directly ejected from a recording head (print head 1) that scans over a
Specifically, in the printer according to the present invention, thermal paper can be printed by heating it with light, and ultraviolet curing resin can be cured by using an ultraviolet LED or ultraviolet laser.
In order to induce reactions that are difficult to induce using the photon energy of infrared rays, visible light, or ultraviolet light, radiation such as X-rays may be used from the
Charged particles may be accelerated from the
The metal powder may be heated by irradiating photons from an element provided on the print head in the form of a laser, etc. The material may be treated by applying hot air or a flame (flame, burner) to the material after ejection.
Similar to a dot impact printer, a pin or other stamping device attached to the
Similar to a laser printer, a photosensitive drum can be irradiated with a laser beam of photons of a wavelength that the drum can be sensitive to, thereby charging the drum and allowing toner or the like to adhere thereto, for use in known applications.
<インクカートリッジとインク供給>
ヘッド1にインクジェットによる吐出機構を採用するとき、ヘッド1へのインク供給方式はオンキャリッジ方式とオフキャリッジ方式の両方を利用できる。
オンキャリッジ式ではインクタンクがヘッド1に内蔵されるのでオフキャリッジ方式のようにロータリージョイント111といった回転体であるヘッド1にインク流体を供給する機構を搭載しなくてもよい。
オフキャリッジ方式ではインクをインクタンクからヘッドへ供給するポンプと流路を備えてよい。オフキャリッジ方式ではロータリージョイント111や回転体にインク流体を供給する機構(例として111F1、111F2)を搭載する必要があるが、インクをインクタンク113からヘッドのノズルまで供給できる。
本発明をオフキャリッジ方式で利用する場合にインクをインクタンク113からキャリッジの記録ヘッド素子10まで接続するジョイント機構111や111F、ポンプ110PPが必要となる。ポンプはインクタンク113からノズル10までインクの流路の間に備えておいてもよい。110PPは1つの例である。
(なおインクジェット方式のみならずFDM方式(付加製造法)でもオンキャリッジ方式とオフキャリッジ方式が取れる。)
<Ink cartridges and ink supply>
When an ink jet ejection mechanism is employed for the
In the on-carriage type, since the ink tank is built into the
In the off-carriage system, a pump and a flow path for supplying ink from an ink tank to the head may be provided. In the off-carriage system, it is necessary to mount a mechanism for supplying ink fluid to the rotary joint 111 and the rotating body (for example, 111F1 and 111F2), but ink can be supplied from the
When the present invention is used in an off-carriage system, a
(Note that the on-carriage and off-carriage methods can be used not only with the inkjet method but also with the FDM method (additive manufacturing method).)
オフキャリッジ方式の場合、プリントヘッド1に一種類の材料もしくはインクを供給してもよいし、複数種類のインクを供給してもよい。
<単色印刷>
1種類のインクで印刷を行うとき、
オフキャリッジ式では、ジョイントを用いる場合は図1BBに示すようにインクタンク113から112、111を経由し回転するヘッド1のインクをサブタンク11やノズル10へ供給する。
他にジョイント111を使わない場合には図1BEのようにインク供給側111F1とインク受け取り側111F2に分離し、111F2のインク受け取り流路に111F1のインク供給側がインク・材料を落下ないしは滴下、吐出、投入し回転するヘッド1にインクや材料を補充・供給する。
インクの投入もプリンタコントローラ6とヘッドコントローラ1CUが通信し合い、1CUに接続されたインクタンクセンサ1LVMによりインク流路のタンク容量から補充量・投入量を決定してよい。
インク流路を制御するコントローラー(1CU、6など)とバルブやポンプといったアクチュエータがあってもよい。インク流路のインクを移動する方法は既知の方法を用いることができる。
※例えばインクに分散された顔料や粒子径の大きい沈殿しやすい機能性粒子が自然に沈殿しないようインク流路にポンプやバルブと流路を備えタンクや流路内の粒子が沈殿しつくさないように循環させる方法があることは既知の方法である。
<多色印刷>
複数種類のインク(吐出材料)による印刷を行う場合、単色印刷時の事柄に従いつつ、
オフキャリッジ式では、インクタンク113Fから複数種類のインクをヘッドに送りヘッドのジョイント部111Fにてインクを分配し各色インクに対応したプリントヘッド1に供給する。
ジョイント111Fを使わない場合には図1BEのようにインク供給側111F1とインク受け取り側111F2に分離し、111F2のインク受け取り流路に111F1のインク供給側がインク・材料を落下ないしは滴下、吐出、投入し回転するヘッドに複数種類のインクや材料を供給する。
(オンキャリッジ式では単色、多色を問わずインクがサブインクタンク11の形でヘッド1に搭載される。)
In the case of the off-carriage system, the
<Monochrome printing>
When printing with one type of ink,
In the off-carriage type, when a joint is used, ink is supplied from an
In other cases where the joint 111 is not used, the nozzle is separated into an ink supply side 111F1 and an ink receiving side 111F2 as shown in Figure 1BE, and the ink supply side of 111F1 drops, drips, ejects, or pours ink or materials into the ink receiving flow path of 111F2 to replenish and supply the ink or materials to the
Regarding the supply of ink, the
There may be a controller (1CU, 6, etc.) for controlling the ink flow path, and actuators such as valves and pumps. A known method can be used to move ink in the ink flow path.
* For example, it is a known method to circulate the ink by providing a pump, valve, and flow path in the ink flow path to prevent pigments dispersed in the ink or functional particles with large particle sizes that are prone to settling from settling naturally, and to prevent all particles in the tank or flow path from settling completely.
<Multi-color printing>
When printing with multiple types of ink (ejection materials), follow the same procedure as for single-color printing.
In the off-carriage type, a plurality of types of ink are sent from an
When the joint 111F is not used, it is separated into an ink supply side 111F1 and an ink receiving side 111F2 as shown in FIG. 1BE, and the ink supply side of 111F1 drops, drips, ejects, or pours ink or materials into the ink receiving flow path of 111F2 to supply multiple types of ink or materials to the rotating head.
(In the on-carriage type, ink, whether single color or multicolor, is mounted on the
<負圧形成>
ヘッド1とインクタンクを接続する際にヘッドや流路へインクに負圧を形成する機構を搭載してもよい。例えばフォーム体による負圧形成方式や風船とばねによる負圧形成方式でもよい。そして負圧形成を行う部分はキャリッジのヘッドやサブインクタンクに搭載されていてもよい。ヘッド1には異物を除去するフィルタを備えてもよい。
<Negative pressure formation>
When connecting the
<キャリッジの移動制御方式>
本発明の記録面2を横切るようにループするよう記録ヘッド素子10を複数配置しラインヘッド様とするとき、前記複数配置された記録ヘッド素子10を搭載したヘッド1はエンコーダを用いて制御してもよい。
ロータリエンコーダやリニアエンコーダといったエンコーダを利用し機構、特に駆動機構4や記録面搬送等機構(20や、5)といった主走査機構および副走査機構を制御することはインクジェットプリンタやレーザープリンタを含む印刷機にとっては既知の内容であるがここに記載する。
具体例として、本発明の記録面を横切るようにループするよう記録ヘッド素子を搭載しエンコーダ制御用センサ(例として光学エンコーダに対しては光センサ、磁気エンコーダに対しては磁気センサ)を記録ヘッドもしくは記録ヘッドを搭載したオンキャリッジもしくはオフキャリッジなヘッドに搭載し、リニア型のスケールを印刷機側(加工機側)のループする軌道に取り付け、印刷時にヘッドが記録面を横切るようにループする際のヘッドのモーション情報や位置情報を検出し印刷時の主走査や副走査の制御に用いてよい。
主走査を行う駆動機構4のモーター40や副走査を行うに記録面2の搬送機構20にロータリスケール、ロータリーエンコーダを取り付けモータ駆動制御に利用してよい。
3Dプリンタとして本発明を利用する場合も高さ方向(Z軸方向)に走査を行う機構にエンコーダを用いてよいし、主走査(X方向)および副走査(Y方向)を行う機構にエンコーダを用いてよい。
<Carriage movement control method>
When a plurality of
The use of encoders such as rotary encoders and linear encoders to control mechanisms, particularly main scanning mechanisms and sub-scanning mechanisms such as the
As a specific example, a recording head element is mounted so as to loop across the recording surface of the present invention, and an encoder control sensor (for example, an optical sensor for an optical encoder, or a magnetic sensor for a magnetic encoder) is mounted on the recording head or on-carriage or off-carriage head carrying the recording head, and a linear scale is attached to the looping track on the printing machine side (processing machine side), and motion information and position information of the head as it loops across the recording surface during printing can be detected and used to control the main scan and sub-scan during printing.
A rotary scale and a rotary encoder may be attached to the
When the present invention is used as a 3D printer, an encoder may be used in the mechanism that performs scanning in the height direction (Z-axis direction), or an encoder may be used in the mechanism that performs main scanning (X direction) and sub-scanning (Y direction).
<キャリッジの方式>
記録面を横切るようにループするよう記録ヘッド素子10、100NZを複数配置するときにオンキャリッジもしくはオフキャリッジなヘッド1もしくはヘッド型ロボット1を複数台ループする軌道上に配置してもよい。
前記ヘッド型ロボット1はライントレース型ロボットのように、軌道上に備えられたエンコーダでモーション情報や位置情報を検出してもよい。エンコーダはリニアエンコーダを用いてよい。ヘッド1を駆動する際にモータ用にエンコーダ(ロータリエンコーダ)を用いてよい。
<Carriage system>
When a plurality of
The
例えば、記録面2を横切るようにループするよう、円形(真円形)のディスク基板の円周側に記録ヘッド素子10を円状に連なるように搭載しディスク基板の側面(例えば図5Bの1PUや1の側面)にリニアスケールを巻きながら円を一周するように張りつけ、
ヘッド1の側面を駆動機構4とモータ40によって動かすことでヘッド1を回転させつつ、駆動機構4に付属させたリニアエンコーダでヘッド1のリニアスケールを読み取り位置を検出に利用して印刷を行ってもよい。
For example, the
Printing may be performed by rotating the
図1A、図1AA、図1ABに示す円形のターンテーブル型のプリントヘッド1について、
円周側に記録ヘッド素子10を図1BDや図1BEあるいは図1CBのようにヘッド1の円周側に円状に連なるように搭載し、
インクを内蔵したオンキャリッジ、もしくはインクタンクとジョイントにより接続したオフキャリッジのターンテーブル型プリントヘッド1としてもよい。
ターンテーブル型プリントヘッド1はターンテーブルの円周部分を駆動機構4により回転させてノズル部100が記録面2を横切るように走査させインクを吐出させ印刷を行ってもよい。
Regarding the circular turntable
The
The
The turntable
<主走査の軌道>
記録面2を横切るようにループする軌道は円形、オーバルトラック形、楕円形、長円形、円形(真円形)であってもよい。
※ループした軌道には円形や楕円形のほかにアラビア数字の8の字を一筆書きで1点を交差しながらなぞる軌道を作り、オーバルトラック型と同様に記録面を横切りつつノズルクリーニングを行うクリーニング部を配置するも考えられる。
アラビア文字の8の字のループ経路はループ時に交差する点が一つある例であって交差する点が1を超え複数ある場合も存在する。
ただし本発明の実施例ではシンプルな形状である円形やオーバルトラック状の形状を示す。
<ノズルを固定した場合>
ノズルを固定してヘッド1(この場合ヘッド1は円盤もしくは円柱状のターンテーブル型ヘッド1になる)を動かすときはノズル列の形状(ループする軌道)は円形とする。
なおターンテーブル型のヘッド1にノズルが複数ではなく1つのみ搭載していてもヘッド1が回転することでノズルは本発明で主張する記録面を横切るループした円状の軌道を描いて吐出印刷・加工を行えるので、主走査の軌道にはノズルは1つ以上あればよい。
<ノズルを移動させる場合>
ノズルを移動させヘッドを固定するときはループする軌道は好ましくはオーバルトラック形、長円形、あるいは楕円形とする。
ノズルを搭載したカーを前記ループする軌道に連結された列車のように搭載させ動かす場合はノズル列もオーバルトラック形、長円形、あるいは楕円形となる。
図1Aは円形、図2Cはオーバルトラック形である。図1ではループする軌道として楕円形を記載している。
※先述の段落に記述したように、アラビア文字の8の字を描くようなループする軌道がある場合も考えられるが、
軌道を非接触通信によって運転を制御され架線によって給電される列車が走るものと見立てて考えると、
前記8の字型軌道においてもノズルが1つなどノズルが少ない場合に8の字の交差する部分でノズルを乗せたカー(キャリア)が衝突しなければ利用できうる。そして8の字に限らずループした経路で交差する点を含む軌道が用いられうる。
しかし本願では交差する点を含むループする軌道よりは交差しない楕円形やオーバルトラック型そして円形を製造や制御のシンプルさの面から用いることができる。
<Main scanning trajectory>
The track that loops across the
*In addition to circles and ellipses, the looped trajectory could also be a trajectory that traces the
The loop route of the Arabic figure of eight is an example of one intersection point during the loop, but there are also cases where there are more than one intersection points.
However, in the embodiments of the present invention, simple shapes such as a circular shape and an oval track shape are shown.
<When the nozzle is fixed>
When the nozzles are fixed and the head 1 (in this case, the
Furthermore, even if the turntable-
<When moving the nozzle>
When the nozzle is moved and the head is fixed, the looping trajectory is preferably an oval track, ellipse or ellipse.
When the cars carrying the nozzles are mounted and moved like a train connected to the looping track, the nozzle row also has an oval track shape, an elliptical shape, or an oval shape.
Figure 1A shows a circular track, while Figure 2C shows an oval track. Figure 1 shows an ellipse as a looping track.
*As described in the previous paragraph, it is possible that there is a looping trajectory that draws the Arabic letter "8",
If we imagine the track as a train that runs on it, with operation controlled by non-contact communication and powered by overhead lines,
The figure-of-eight trajectory can also be used when there are only a few nozzles, such as one nozzle, as long as the car (carrier) carrying the nozzle does not collide at the intersection of the figure-of-eight. In addition, a trajectory that includes an intersection point on a looped route can be used, not limited to the figure-of-eight.
However, in the present application, non-intersecting elliptical, oval track types and circles may be used rather than looping tracks that include intersecting points, for simplicity of manufacture and control.
<ヘッドの形成>
図1Aや図1AAのようにループする軌道が円形である時、ヘッド1を製造する場合は円状にインクジェットチップ・インクジェット素子プレート・インクジェットヘッド素子(これはノズルを複数備えたインクジェットヘッド素子10で、例として図1BEの10FMー11FMや10FC-11FCに示すノズルやサブインクタンクを備えたヘッド素子10)を円周方向に複数円状に並べてノズル列100、100Aを形成する。
コンパクトディスクのような円盤の形状をした基板を利用し、円盤状の基板にプリントに用いるインクジェットチップやセンサ(インク温度センサ、モーションセンサ)や吐出機構の駆動回路などIC部品、非接触通信部品、インク流路等を搭載し形成し図1BE等のようなプリントヘッド1とする。
プリント時には円盤状基板のプリントヘッド1を外部から駆動機構4を用いて回転させ、インク(吐出材料)と電力を供給し、非接触通信によりプリンタ本体からプリントヘッドにプリントデータを送信し、記録面2に印刷を行う。
(なおプリントヘッド1がモーター40を備え機構4に沿って移動・回転してもよい。プリントヘッド1が二次電池とモータ40を備え、ヘッドとモータ側に充電された電力により駆動機構4のレールやベルト、ガイド、リニアスケールを利用しながら回転してもよい。)
<Head formation>
When the looping trajectory is circular as in Figures 1A and 1AA, in manufacturing the
A substrate in the shape of a disk, such as a compact disc, is used, and IC components such as inkjet chips and sensors (ink temperature sensor, motion sensor) used for printing, a drive circuit for the ejection mechanism, non-contact communication components, ink flow paths, etc. are mounted on the disk-shaped substrate to form a
When printing, the
(Note that the
<ヘッドとノズルの走査する軌道の注意点>
本発明では円状のノズル列を備えるヘッドを駆動機構4によって回転させることに触れている。
ここで、円状のノズル列ではなく楕円形や長円形のノズルを配置して形成したプリントヘッドをノズルを固定しヘッドを回転させ印刷に利用しようとする場合、
例えば図2Dに示す場合、楕円状のノズル列100を回転させたときにクリーニング部3に達する楕円の長軸上の頂点近傍のノズル以外クリーニングできない(楕円状ノズル列の頂点以外の全てのノズルがクリーニングできない)ので、本発明の課題から逸脱してしまう。
従って本発明では、ヘッドを回転させる設計では、図2Dに示す楕円状のノズル列ではなく図1Aに示す円状に配列したノズルを備えるヘッドを回転させる事が好ましい。
<Points to note regarding the head and nozzle scanning trajectory>
In the present invention, it is mentioned that a head having a circular nozzle row is rotated by a
Here, if you want to use a print head with elliptical or oval nozzles instead of a circular nozzle row, and you want to fix the nozzles and rotate the head for printing,
For example, in the case shown in FIG. 2D, when the
Therefore, in the present invention, in a design in which the head is rotated, it is preferable to rotate a head having nozzles arranged in a circle as shown in FIG. 1A, rather than the elliptical nozzle array as shown in FIG. 2D.
ただし、図2Dに示すときでも、楕円状ノズル列の頂点部分2か所は記録面横2を切るループする軌道の上を通り印刷を行うことができるので本発明の印刷に利用できる。前記の場面では楕円状ノズル列の頂点部分2か所は円盤状のヘッドの円周側に2か所、円の中心部を挟んで向かい合う形でノズルを備えるヘッド(ノズルを2つだけ備えるヘッド)と同じ状態になる。
本発明では円状にノズルを配列する際にノズル数が1つあるいは2つであっても副走査速度よりも主走査速度が大きい時(ヘッド1が高速で何回も単位時間に回転し記録面2を主走査できるとき)に、記録面2を横切るループする軌道の上をノズル1つが高速で主走査され、その1つのノズルが高速な駆動周波数fを持つならば、全てのノズルの内、楕円状ノズル列の頂点部分2か所以外が未稼働であっても印刷動作とクリーニング動作を行うことが出来うる。
このような経緯から、本発明ではノズルの個数に関して1つ以上のノズル数(少なくとも1を超えるノズル数であれば記録面に記録は可能であり、本発明で意図する印刷の高速化を意図すれば1を超え2から8以上、インクジェットでは数十ノズル以上)でループする軌道を横切る事に加えクリーニング部を通る事を主張する。
2D, the two vertices of the elliptical nozzle array can be used for printing according to the present invention because they pass along a looping track that cuts across the
In the present invention, when the nozzles are arranged in a circle, even if there are only one or two nozzles, if the main scanning speed is faster than the sub-scanning speed (when the
For these reasons, the present invention advocates that the number of nozzles is one or more (recording on the recording surface is possible with a nozzle number of at least one, and to achieve the high printing speed intended by the present invention, it is more than one, 2 to 8 or more, or several tens of nozzles or more), and that the nozzles pass through a cleaning section in addition to crossing a looping trajectory.
<ノズルが動く場合の軌道>
前記の円状に配置したノズル列を持つヘッド1を回転させずに、ヘッド1やヘッド駆動機構4に支持され搭載されたノズルをループする軌道に沿って(列車のように)移動させ印刷する場合も考えられる。
図2Cや図5Dに示すように、ループする軌道がオーバルトラック状の場合はレール型のループに記録ヘッドとインクタンクを内蔵した自走式オンキャリッジヘッド1(インクジェット機能付きライントレース型ロボットまたはインクジェット機能付きロボットカー)を複数台列車の様に連結させ駆動ベルトとエンコーダに組付け、オンキャリッジヘッド1のループ体100を作り、前記ループ体を記録面を横切るように移動・走査させ記録面2へインクジェット方式により印刷を行うことができる。
図2Cはオーバルトラックな長円形の軌道を利用した説明図として示したが、ノズルをループした軌道に沿って動かす場合は、ループする軌道が円状あるいは楕円形であっても、同様にノズルを動かし印刷させることが可能である。
ノズルが軌道上にあって動くことができるとき、ループしていればよいので円や楕円といった軌道に限らず、三角形や四角形、六角形、多角形のようなループ(閉鎖した環状の経路)を持つ軌道であれば本発明を実施できる。8の字のようにループし交差する点のある軌道も存在する。
<Trajectory when nozzle moves>
It is also possible to print by not rotating the
As shown in Figures 2C and 5D, when the looping trajectory is an oval track, multiple self-propelled on-carriage heads 1 (line tracing type robots with inkjet function or robot cars with inkjet function) with built-in recording heads and ink tanks are connected like a train on a rail-type loop and attached to a drive belt and encoder to create a
FIG. 2C is an explanatory diagram using an oval track, but when the nozzle is moved along a looped track, it is possible to move the nozzle and print in the same manner even if the looped track is circular or elliptical.
When the nozzle is on a trajectory and can move, it is sufficient to loop, so the trajectory is not limited to a circle or ellipse, and the present invention can be implemented on any trajectory that has a loop (a closed circular path) such as a triangle, square, hexagon, or polygon. There are also trajectories that loop and have intersecting points, such as a figure eight.
自走するオンキャリッジヘッド(インクジェットロボット)の場合に軌道にはヘッドを記録面から退避させる退避路があってもよい。退避路に格納したヘッドをキャップしてもよい。 In the case of a self-propelled on-carriage head (inkjet robot), the track may have an escape route for retracting the head from the recording surface. The head stored in the escape route may be capped.
オンキャリッジヘッドの場合は、ヘッド1に搭載されたノズル10に固有の材料やインクの種類を備えていてもよい。具体的にはオンキャリッジヘッドにシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインクタンクをそれぞれ搭載し、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインクを吐出できるノズルを合わせて搭載し多色印刷を1つのプリントヘッド1で行えるようにしてもよい。
図1CBはシアン・マゼンタ・イエロー・ブロックの4色インクをオンキャリッジ方式で用いるときの説明図である。
In the case of an on-carriage head, the
FIG. 1CB is an explanatory diagram when four color inks of cyan, magenta, and yellow blocks are used in the on-carriage method.
オフキャリッジヘッドの場合は、複数材料もしくはインクを供給する手段を備えていてもよい。
具体的にはオンキャリッジヘッドにシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインクをそれぞれ搭載しシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの順にヘッド並べて多色印刷を1つのプリントヘッドで行えるようにしてもよい。
図1BD及び図1BEはオフキャリッジ方式かつ2色のインクを備える場合の説明図である。
In the off-carriage head case, there may be a means for supplying multiple materials or inks.
Specifically, cyan, magenta, yellow and black inks may be mounted on the on-carriage heads, and the heads may be arranged in the order of cyan, magenta, yellow and black, so that multi-color printing can be performed with a single print head.
1BD and 1BE are explanatory diagrams of an off-carriage type printer equipped with two colors of ink.
本発明のヘッドは必ずしも自走するオンキャリッジヘッドでなくともよい。
自走しないオンキャリッジヘッドであっても、自走しないオフキャリッジヘッドでも、プリンタ側のヘッドを駆動するモータ40により動かされてもよい。ループする軌道はヘッドが巡回できる軌道でよい。
オフキャリッジヘッドでは、インクタンクから供給する際に多種類のインクを供給できるジョイント111やプリントヘッド上部からインクを投入・注入できる流路(111F1、111F2)等を備えたプリントヘッド1が必要である。
The head of the present invention does not necessarily have to be a self-propelled on-carriage head.
The head may be an on-carriage head that does not move by itself, or an off-carriage head that does not move by itself, and may be moved by the
The off-carriage head requires a
<円状のループする軌道での条件>
本発明の記録面を横切るようにループする軌道の例として前述の図1Aに示す円形(真円形)がある。真円形のヘッドにおいてヘッド1の外周部分に円形に備えられたノズル列100があるとき、ノズル列100を円と考え、ノズル列100の直径Dhで記録紙の主走査方向の幅Lmである場合に本発明では長さの関係はDh>Lmである。
ノズル列100の円の形状に沿ってノズルはループした経路を描いて走査され吐出・加工動作とノズルクリーニングをヘッド1が主走査方向に回転し続けることで交互に行う。
<Conditions for a circular looping orbit>
An example of a trajectory that loops across the recording surface in the present invention is the circle (perfect circle) shown in Fig. 1A. When a
The nozzles of the
<プリントヘッドのメンテナンス機構>
ヘッド1のノズルおよびヘッドが記録面2と向き合う面のクリーニング方法は既知の方法を用いてよい。
ゴム製のブレードを用いたワイピングを利用してもよく、スポンジ状のローラーをクリーニングに用いてもよい。図1Aに示すようにクリーニング部3はクリーニングエレメント30を備えている。
ここでクリーニングエレメント30はゴム製ブレードやスポンジ状ローラーといったノズルのクリーニング動作により消耗する部品である。クリーニング法やクリーニングエレメントは既知の方法に従う。
ノズルクリーニングはインクジェットに関しては例えばゴムブレードによるワイピングを行うが、
FDM等に用いるインクジェットノズルよりもノズルの吐出させる部分の直径が大きいノズルでは、ノズル吐出部をワイピングするほかにノズル内部の流路に材料が変化して残ってノズル抜けになる事がありうる。
FDMのノズルではノズルの吐出部の径が細い針金を通して流路を針金などで突いてクリーニングでき、本発明でもクリーニング部3に吐出部が大きく流路に材料が蓄積または堆積してしまう場合に備えた針金等を用いるクリーニング機構を用いてもよい。(溶融した樹脂の変化した蓄積物や、ガス製の材料や蒸着蒸気を流路からノズルを経て吐出させた場合に、流路やノズル内部あるいはノズルの近傍に堆積した材料を針金などクリーニングエレメントにより取り除けるようにしてもよい。)
クリーニング部3はクリーニングの結果排出された材料等を回収する機構を備えてよい。
<クリーニング部・クリーニングエレメントの個数及び交換>
クリーニングエレメント30はクリーニング部3に2つ以上備えていてもよい。クリーニング部3は図2Aや図2AAに示すようにプリンタに2つ以上備えていてもよい。クリーニングエレメント30はプリントヘッド1が稼働している間に取り換える機構(エレメントをヘッド1の下部もしくは近傍から退避させヒトや機械により交換できるようにする取り換え機構)を備えていてもよい。
業務用印刷あるいは3Dプリントを行う場合に、長期にわたり動作するときクリーニングエレメント30を定期的に取り替えたい場合に前記取り換え機構を備えていると好ましい。
<クリーニングの動作時間>
ノズルへのクリーニングはノズル列(例としてノズル列100)を円状に主走査させる際に常時行ってもよいし、ある間隔ごとに行ってもよい。
インクジェット素子等のノズルはノズル表面の摩耗などによる耐久性が問題になる恐れもあり、
大きなノズル直径をもつ真鍮や銅や樹脂セラミックによってできたFDM方式のノズルでは常時クリーニングでも問題ないかもしれないが、
インクジェットノズルでは常時クリーニングエレメントでインクジェットノズルの表面をクリーニングし続けることは困難である恐れもあり、
その場合は本発明の意図に沿い、ノズル抜けをしないある間隔を実機開発で決定し、前記間隔でノズルクリーニング用のエレメント30を上下させヘッド1のノズル列100の一部にある間隔時間にわたり押し当てて主走査させてノズル列100のすべてクリーニングする形態をとることもできる。
<注釈>
円状のヘッド1の円周方向にはノズルがありクリーニング部3にてクリーニングされるが、ヘッド1の中心部分はノズルがないのでクリーニング部3でクリーニングされない。
しかし長く動作している中にヘッド1の中心部分にミスト状のインク等が付着する恐れがある。
ヘッド1の中心付近にミスト状のインクが生じる場合には帯電防止機構や、ミストを吸収し印刷ジョブの無い定期保守時に回収できるトラップ機構を備えてもよい。
<Print head maintenance mechanism>
The nozzles of the
The
The cleaning
For inkjet printers, nozzle cleaning is done by wiping with a rubber blade, for example.
In a nozzle having a larger diameter for the nozzle discharge portion than an inkjet nozzle used in FDM or the like, in addition to wiping the nozzle discharge portion, the material may change and remain in the flow path inside the nozzle, resulting in nozzle leakage.
In an FDM nozzle, a thin wire can be passed through the nozzle discharge part to poke the flow path with the wire, and in the present invention, a cleaning mechanism using a wire or the like may be used in case the discharge part of the
The
<Number of cleaning parts and cleaning elements and replacement>
Two or
Such a replacement mechanism may be desirable in commercial or 3D printing applications where the
<Cleaning operation time>
Cleaning of the nozzles may be performed constantly when the nozzle row (for example, the nozzle row 100) is subjected to a circular main scan, or may be performed at certain intervals.
The nozzles of inkjet elements, etc. may have durability issues due to wear on the nozzle surface,
Regular cleaning may not be an issue for FDM nozzles made of brass, copper, or resin ceramics with large nozzle diameters, but
It may be difficult to constantly clean the surface of the inkjet nozzle with a cleaning element.
In this case, in line with the intent of the present invention, a certain interval at which nozzles do not drop out can be determined through actual machine development, and the
<Notes>
The
However, there is a risk that mist-like ink or the like may adhere to the center portion of the
In the case where mist-like ink is generated near the center of the
<クリーニング部での材料吐出と観察>
クリーニング部3でノズルクリーニングを行うほかに、クリーニング部3にてノズルからインクを吐出しノズル内のインクを常にインクタンクのインクを同じように保つ事が出来てもよい。
例えばノズル内のインクは印刷中に材料の沈殿や乾燥などで変化する恐れがあるので、プリント動作中に予防的にインクを微量捨てるための吐出動作をしてもよい。インクの材料沈殿・乾燥等に対応する既知の方法を用いてもよい。
吐出したインクの状態をクリーニング部3に備えたノズル観察カメラによって観察しノズル抜けやインク的の飛翔の状態を観察してよい。
<キャップ>
プリントヘッド1を長期間使用しない場合はヘッドのノズルをキャップする必要が生じる。本発明ではヘッドの備え付けられた部分をキャップする。
ヘッドもしくはヘッド部分を含むプリンタ筐体に密閉機構を備えていると好ましい。(本発明ではキャップ機構について課題がある。)
既知の方法であるがプリントをしておらず、キャップ状態あるいは長期停止が予期される場合でもインクの吐出やクリーニングをプリンタがコントローラーの制御に従い無人で行ってもよい。
<Material discharge and observation in the cleaning section>
In addition to performing nozzle cleaning in the
For example, since the ink in the nozzles may change due to precipitation or drying of the material during printing, a discharge operation may be performed to preventively discard a small amount of ink during the printing operation. A known method for dealing with precipitation and drying of the ink material may also be used.
The state of the ejected ink may be observed by a nozzle observation camera provided in the
<Cap>
If the
It is preferable that the head or the printer housing including the head portion is provided with a sealing mechanism. (The present invention has a problem with the cap mechanism.)
In a known manner, ink ejection and cleaning may be performed unattended by the printer under the control of a controller even when not printing and in a capped state or when a long stop is expected.
ヘッドのクリーニング部3にヘッドのインク吐出状態を観察するカメラを備えてもよい。
The
ヘッドのインクの吐出具合を確認するためインクジェットヘッド1にイメージセンサを持たせカメラとして動作させ、2次元のプリンターとしての印刷状態や3次元プリンターの造形状態を撮影してもよい。
記録面2から印刷後・加工後に副走査方向へ送り出された印刷物をカメラで撮影してもよい。
前記カメラをヘッドのヘッド素子の交換時に印刷物の出来上がりを確認するために利用してもよい。
In order to check the state of ink ejection from the head, the
The printed matter sent out in the sub-scanning direction from the
The camera may be used to check the finished print when replacing the head element of the head.
<メディアの供給/搬送/排出機構>
2次元の印刷用途に関して、本発明の記録ヘッドを備えたキャリッジは常に一方向に回転しておりその回転方向を主走査方向とすると、メディアは副走査方向に搬送される。搬送には既知の搬送法(ローラ、ベルト、ドラム)を用いる。
メディアは既知の記録紙を用いたインクジェットプリンタ方式ではA4判等の記録紙をストレートパス、Uターンパスで搬送してもよい。インクジェット方式のフォーム印刷機に見られるロール状メディアを用いてもよい。
<Media supply/transport/ejection mechanism>
For two-dimensional printing applications, the carriage with the recording head of the present invention always rotates in one direction, which is the main scanning direction, and the media is transported in the sub-scanning direction using known transport methods (rollers, belts, drums).
In the inkjet printer method using known recording paper, the media may be A4 size recording paper or the like, which may be conveyed in a straight path or a U-turn path. Roll-shaped media as seen in inkjet form printers may also be used.
印刷されたメディアを搬出する際に印刷面の印刷内容や品質を確認するためヘッド1を備えるプリンタはカメラを備えてもよい。
Printers equipped with
メディアは看板に用いる耐候性のフィルムや布等繊維でもよい。半導体部品の基材や金属、シリコン基板、結晶基板、セラミックス基板、ガラス基板、木材そして食品の表面といった既知の機材に印刷してもよく、既知の搬送方法とメディアを用いてもよい。 The media may be weather-resistant films used for signs, or fabrics or other fibers. Printing may be performed on known substrates such as semiconductor component substrates, metals, silicon substrates, crystal substrates, ceramic substrates, glass substrates, wood, and food surfaces, and known transport methods and media may be used.
3Dプリンタにおいては材料の粉末をインクにより接着硬化して3次元に積層する場合は、既知の方法でメディアとなる粉末を供給してローラーなどでならし積層してよい。
3Dプリンタにおいて紫外線硬化インクを用いるときは(出力物の)紫外線硬化用の紫外線光源(紫外線LEDや紫外線レーザーを好ましく使うが他に紫外線を発するランプ)をプリントヘッド1に備えていてもよい。
In a 3D printer, when material powder is laminated in three dimensions by bonding and hardening it with ink, the powder that will become the media may be supplied in a known manner and layered by smoothing it with a roller or the like.
When using ultraviolet curable ink in a 3D printer, the
本発明はプリンテッドエレクトロニクス分野においてディスプレイ、インクジェット素子、電子部品、半導体素子の製造に用いてもよく、前記エレクトロニクス製品の基材である平板のガラスやフィルム、電子回路基板、シリコンウェハといった基板を搬送してもよい。
インクに遺伝情報物質や生物的な材料を含ませ3Dプリンティングにより立体物を出力したり食品、製薬および生体組織や人工骨や人工歯の製造に用いてもよい。
図3Bのプリンタにおいてプリントヘッド1で記録面2に塗布した液体材料についてターンテーブル型記録面2をスピンコータ様に高速回転させてスピンコート法のように製膜してもよい。半導体製造のレジストや無機薄膜、有機薄膜の成膜に用いてよい。
The present invention may be used in the field of printed electronics for the manufacture of displays, inkjet devices, electronic components, and semiconductor devices, and may transport substrates such as flat glass or film, electronic circuit boards, and silicon wafers, which are the base materials for the electronic products.
The ink may be impregnated with genetic information material or biological materials and used for 3D printing to output three-dimensional objects, or for the manufacture of food, pharmaceuticals, biological tissues, artificial bones, and artificial teeth.
3B, the turntable-
<3Dプリンタにおける造形ステージ2の搬送方法と造形方法>
3Dプリンタの造形時に造形速度を向上させるにはプリントヘッドの印刷速度を増加させるとともに造形用ステージ2(造形用ベッド2)の搬送機構も高速化する必要がある。
3Dプリンタ方式ではFDM方式では一回の走査後の積層厚さが100マイクロメートルオーダーで、インクジェット方式では一層が十数マイクロメートルオーダーであり、インクジェット方式は積層厚さがFDM方式よりも薄く高精細だが目標の高さの立体を作るには走査回数・積層回数がFDM方式よりも必要になる特徴がある。
本発明ではプリントヘッドが印刷面を横切ることを実現するために円状のターンテーブル型プリントヘッド1を用いることができるが、造形用ステージ2においても記録面2としてターンテーブル型造形用ステージ2を利用できる(図2B、図3B、図3C、図3Dを参照)。
ターンテーブル型記録面を利用する意図は、記録面を1方向の副走査回転方向に回転させ、間欠なく(途切れなく)インクの積層と造形を行うためである。図3Bに円状のターンテーブル型プリントヘッド1とターンテーブル型造形用ステージ2の配置を示す。
ターンテーブル型造形ステージ2についてもターンテーブル型プリントヘッド1と同じくエンコーダにより位置決めと制御を行ってもよい。
実物大の模型もしくは自動車及びその部品、住宅関連の部材を造形する際に自動車用ターンテーブルを造形用ステージ2及びメディア搬送機構として本発明のプリントヘッド1とともにプリンタ8(図3B)に用いることができる。
(紫外線硬化式や接着式の3Dプリントではそのインクの定着する速度の範囲内で本発明の造形を行う。)
<Method of transporting
In order to improve the modeling speed during modeling with a 3D printer, it is necessary to increase the printing speed of the print head and also to speed up the transport mechanism of the modeling stage 2 (modeling bed 2).
With the 3D printer method, the layer thickness after one scan with the FDM method is on the order of 100 micrometers, while with the inkjet method, each layer is on the order of a few tens of micrometers.The inkjet method has a thinner layer thickness and higher resolution than the FDM method, but has the characteristic that more scans and layers are required to create a three-dimensional object of the desired height than the FDM method.
In the present invention, a circular turntable-
The purpose of using a turntable type recording surface is to rotate the recording surface in one sub-scanning rotation direction to perform intermittent (uninterrupted) ink deposition and modeling. Figure 3B shows the arrangement of a circular turntable
The turntable
When modeling a life-size model, an automobile and its parts, or housing-related components, an automobile turntable can be used as the
(In the case of UV-curing or adhesive 3D printing, the modeling of the present invention is performed within the range of the ink fixing speed.)
ターンテーブル型造形ステージ2について、ターンテーブル型プリントヘッド1と同じく加速度センサなどモーションセンサを記録面2の円周方向に備え、造形ステージの記録面の傾きを検知しヒトに知らせることができてもよい。
FDM法では造形ステージの傾きが3Dプリント時の初期のプリントミスの原因となることがあり(収縮を吸収するラフトを3Dプリント冒頭に造形することで回避できる場合もあるが、3Dプリンタにおいては初期状態でステージの水平などを取れていることが前提であって必要なので)本発明のヘッドとステージを備えるプリンタにおいてもヘッド1とステージ2の傾きを検出し3Dプリントに支障が無いかユーザーに知らせる手段を備えてよい。
The turntable-
In the FDM method, tilt of the modeling stage can cause initial printing errors during 3D printing (although this can sometimes be avoided by forming a raft that absorbs shrinkage at the beginning of the 3D printing, this is necessary as a prerequisite for a 3D printer to have the stage level in its initial state), so a printer equipped with the head and stage of the present invention may also be equipped with a means for detecting the tilt of
<コントローラー>
図4Aにプリンタの構成図を示す。処理するイメージのデータ量によっては処理速度の高い制御演算装置や、大容量かつ高速のメモリーと高速な通信経路が必要になる。印刷時の信号をプリンタからプリントヘッドに伝える方式は無線通信方式あるいは非接触通信方式を用いてもよい。(図5A、図5B、図5Cも参照)
前述のようにFDM方式よりもインクジェット方式は積層厚さが薄く、解像度が高くなるのでイメージデータ量も増大する。イメージデータ量に従って吐出するべきインクジェットのインク滴数・ドット数も増大する。
プリンタ内部やプリンタ外部のユーザー端末8Uの通信装置82Uやネットワーク8Nあるいは出力装置84Uを介してユーザー端末の指示に応じプリンタに印刷させる。(ユーザー端末8Uはコンピュータ端末やスマートフォンなどでもよいしプリントサービス用サーバでもよい。)
<Controller>
Figure 4A shows the printer configuration. Depending on the amount of image data to be processed, a high-speed control and calculation device, large-capacity, high-speed memory, and high-speed communication paths may be required. A wireless communication method or a non-contact communication method may be used to transmit printing signals from the printer to the print head. (See also Figures 5A, 5B, and 5C.)
As described above, the inkjet method has a thinner layer thickness and higher resolution than the FDM method, so the amount of image data increases. The number of ink droplets/dots to be ejected by the inkjet method also increases according to the amount of image data.
The printer prints according to instructions from a
プリンタ8はコントローラを複数持っていてもよい。プリントヘッド1やプリンタ本体にそれぞれコントローラを備えてもよい。プリントヘッド1に内蔵されたモーションセンサ1CSの信号はプリントヘッド1に内蔵したヘッドコントローラ1CUで処理し、プリンタ本体のコントローラ6に通信装置を介して伝えてもよい。
コントローラはコンピュータの五大装置として演算、制御、記憶、入出力(通信装置含む)機能を備え、電源や蓄電装置を備える。
The
The controller has the five major functions of a computer: calculation, control, memory, and input/output (including communication devices), as well as a power source and a storage device.
<インターフェースと通信経路>
ユーザー端末8U(ユーザーの電子計算機)からプリンタコントローラ6を通じてヘッド1へ送信される場合の、8Uから6までの印刷データ伝達方式は有線、無線のどちらでもよい。6に備えられたインターフェース7を用いてよい。
プリンタ8にはユーザーが手入力しプリンタの状態を表示し動作時に警告音を発するコンソール6IOCを備えてもよい。
好ましくはユーザ端末とプリンタ端末が非接触の通信手段を備えていればよい。
<ヘッドとプリンタの通信>
図5Cに示すように、プリンタ本体に内蔵されたプリンタコントローラ6と記録面2を横切ってループし回転するヘッド1のヘッドコントローラ1CUの間では無線によるデータ伝達を好ましく用いる。
利用する無線の電波帯は既知の無線技術で利用できる。具体的には2.4Ghz帯や5Ghz帯、あるいは60Ghz帯が利用できる。
高周波数である場合無線が遮られる恐れはあるが利用できるバンドが増え伝達できるデータ量が増加し、高解像度あるいは体積の広い造形物の印刷に役立つ。(電磁波の周波数を高くすると次第に電波から赤外線から可視光線へと近づく。本発明では非接触通信に電波による無線通信と、赤外行や可視光による非接触な光の送受信による光通信を含めてよい。)
<Interfaces and communication paths>
When printing data is sent from a
The
Preferably, the user terminal and the printer terminal are provided with non-contact communication means.
<Communication between head and printer>
As shown in FIG. 5C, wireless data transmission is preferably used between a
The radio wave band to be used can be any known radio technology, specifically, the 2.4 GHz band, the 5 GHz band, or the 60 GHz band.
Although there is a risk of radio interference when using high frequencies, the available band increases and the amount of data that can be transmitted increases, making it useful for printing objects with high resolution or large volumes. (As the frequency of electromagnetic waves increases, they gradually approach radio waves, infrared rays, and visible light. In this invention, non-contact communication may include radio communication using radio waves, and optical communication using non-contact light transmission and reception using infrared or visible light.)
本発明でヘッド1への印刷データ伝達方式に無線を使うことが好ましい理由は、有線の場合に接触式にて信号伝えるスリップリング等を利用する必要が生じるからである。一方で無線の場合はスリップリングが無くともプリンタとプリントヘッドの間で非接触通信ができるからである。
(安価で高信頼性かつ耐久性のあるスリップリング等回転体に信号を伝える手段が有る場合には非接触方式でなくとも本発明は実施できる。)
無線のほかに光子を用いた通信を行ってもよく、具体的には紫外光や先述の可視光、赤外光の発光ダイオードやレーザーとフォトディテクタを用いてヘッドとプリンタ間で(ヘッドコントローラーとプリンタコントローラ―の間で)情報を非接触に送受信できればよい。
The reason why it is preferable to use wireless communication for the method of transmitting print data to the
(If there is a means for transmitting signals to a rotating body, such as an inexpensive, highly reliable and durable slip ring, the present invention can be implemented without using a non-contact method.)
In addition to wireless communication, photon-based communication may also be used; specifically, information can be sent and received contactlessly between the head and printer (between the head controller and the printer controller) using ultraviolet, the aforementioned visible light, or infrared light-emitting diodes, lasers, and photodetectors.
ヘッド1はプリンタ8(プリンタコントローラ6)から電源をとってもよいし、ヘッド1に電源および電池やキャパシタといった蓄電装置1PUCを備え、プリンタから電力供給を受けて電池やキャパシタに蓄電し情報処理や制御及び印刷加工のために電力を消費してもよい。
本発明のヘッド1には蓄電装置(1PUC)を備えることが好ましい。ヘッド1にはインクジェット素子や素子を動かす温度調整回路やシフトレジスタ等ロジック回路・駆動回路を動作させる必要があり、プリントヘッド1とプリンタ間(プリンタコントローラ6間)での通信やデータの記憶などを行う必要がある。
そこで電力を一時的な給電の停止であってもヘッド1の動作を安定して行うため、二次電池を用いて充電して蓄電するか、キャパシタへの蓄電が行える蓄電回路1PUCを備えてよい。蓄電装置1PUCは電力供給を平滑化する機能を備える。
ヘッド1にモータ40が備え付けられており、蓄電装置1PUCでモータ40が駆動させてもよい。
ヘッド1へ電力を供給する場合、記録面2を横切ってループし回転する軌道に電力線を備えて供給してもよい。ヘッド1に接触方式で給電・充電をしてもよい。(例えば図5Dではヘッドを列車に見立てて、100Rを架線及び軌道に見立てて、4Rを列車をけん引するベルト式駆動機構に見立てて架線から電力供給を受け駆動する様子を記載している)
ヘッド1とプリンタコントローラ―間で非接触による電力給電(非接触による充電)を行う装置を備えさせ給電を行ってもよい。
二次電池・キャパシタといった蓄電装置1PUCをヘッド1に備えつつ、ヘッド1を駆動するプリントヘッド支持及び駆動機構4に対して備えてもよい。
The
It is preferable that the
Therefore, in order to ensure stable operation of the
The
When supplying power to the
A device for non-contact power supply (non-contact charging) may be provided between the
While the
ヘッド1はコンピュータの5大装置である演算、制御、記憶、入出力装置を備え、非接触通信にて印刷イメージデータをRAMやROMといった記憶装置に記憶してデータを蓄え、印刷時にデータを読み取り、データに従い吐出を行ってもよい。
ヘッド1は非接触通信を行う為、時として通信障害や機器の瞬間的不良が生じ通信できない場合であっても記憶装置に蓄えられたデータに従って印刷を行えることが好ましい。ヘッド1にはデータの処理や記録の観点からも蓄電装置が供えられえていると好ましい。
蓄電装置1PUCに加えプリント予定の印刷データをプリントヘッド1の記憶装置1CU0に予め通信によりデータを受け取り記憶して蓄えていてもよい。
The
Since the
In addition to the power storage device 1PUC, print data to be printed may be received in advance by communication and stored in the memory device 1CU0 of the
<ヘッド及びキャリッジの搬送機構>
記録面2を横切ってループし回転する軌道をヘッド1が動くとき、軌道を動くためのモータ40がヘッド1に備えられていてもよいし、軌道もしくはヘッド筐体をプリンタに備え付けたモータ40や40で動かされるギヤ・ベルト・チェーンといった動力伝達要素にて動かして駆動装置4によりヘッド1を移動・回転・ループさせてもよい。
ここで軌道はレールやパイプもしくはチェーンやベルトといった伝達を行う機械要素やヘッド駆動機構(プリントヘッド支持機構及び駆動機構4、プリントヘッド回転機構4)を用いてもよい。
本発明ではプリントヘッド1を機構4を用いて円状に回転させる場合(ノズルは動かさずノズルを支持するヘッドを動かす場合)と、プリントヘッド1の長円や楕円状などに並んだノズルを機構4を用いて軌道方向に動かす場合(ヘッドは固定し、ヘッド内のノズルを循環させ動かす場合)が存在する。
<Head and Carriage Transport Mechanism>
When the
Here, the track may use a mechanical element such as a rail, a pipe, a chain, or a belt for transmission, or a head drive mechanism (print head support mechanism and drive
In the present invention, there are two cases: when the
ループし回転する軌道とはヘッド1のあるノズルが始点から記録面2そしてヘッドクリーニング部3を通り再び始点に戻る輪や環状の軌道である。
A looped, rotating orbit is a circular orbit in which a nozzle in the
<制御回路>
制御を行うコントローラ6は通信装置として有線及び無線の通信装置を持っていてもよい。コントローラ6はプリントヘッド1やユーザー端末8Uと通信する手段を備える。
プリントヘッド1が無線通信により印刷イメージをコントローラ6から受信してもよい。有線方式で受信してもよい。本発明は好ましくは非接触の通信を行う。
<Control circuit>
The
The
<多数ヘッドによる印刷>
本発明に用いる記録面を横切ってループし回転する軌道を描いてノズルから材料を吐出するプリントヘッド1を複数配置して印刷してもよい。
具体的には4色インクを用いたカラー印刷を行う場合はシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの4色に対応する4つのプリントヘッド1を記録紙2の搬送方向(副走査方向)配置し印刷に用いてもよい。
図1BEのようにプリントヘッド1に複数の色のインクを搭載し1台のプリントヘッドでカラー印刷を行ってもよいし、図1BBや図1CAに記載の単色のプリントヘッド1を4色用いてカラー印刷を行ってもよい。
本発明のヘッドを他の製造工程と組み合わせ、印刷・加工された製品の生産に用いてもよい。
二次元印刷のほか3Dプリンタにおいても記録面2がターンテーブル型であるとき、例えば図3Fのように1つのヘッド1は樹脂材料(主材料)で、もう1つのヘッド1は取り除きやすいサポート材(副材料)を3Dプリントしてもよい。
<Printing with multiple heads>
Printing may be performed using a plurality of
Specifically, when performing color printing using four color inks, four
As shown in FIG. 1BE, the
The head of the present invention may also be used in combination with other manufacturing processes to produce printed and finished products.
In 2D printing as well as in 3D printers, when the
<安全装置>
本発明に用いるヘッドはトルクの大きいモータ40を用いることができ、記録面を横切ってループし回転する軌道を描いて動くため、回転するプリンタへ利用者が巻き込まれることを防ぐ安全装置を備えることが特に望ましい。
プリントヘッド1にヒトが巻き込まれる事のないように、動作するプリントヘッド部を筐体で包むなどしてヒトが機械に巻き込まれないようにする事が特に好ましい。
プリントヘッド部1にはコンピュータや加速度センサ、モーションセンサ1CSを備えてもよく、前記のセンサはヘッドの水平などを測定するとともに、ヘッドが記録面のメディアやヒトなど外部の物体と接触したときに外力を検知することに利用出来うる。
<Safety devices>
Since the head used in the present invention can utilize a
To prevent a person from becoming entangled in the
The
図1Aから図1Eは記録面を横切ってループし回転する軌道を描くプリントヘッドの説明図である。図2Aから図2Bはプリントヘッドを駆動した際のヘッドの回転方向とインクの着弾図である。(図に関しては遠心力については小さくできる無視できる速度の前提で記述。)
図3Aから図3Dは円状のターンテーブル型プリントヘッドとターンテーブル型造形用ステージのを用いた3Dプリンタの説明図である。
Figures 1A to 1E are explanatory diagrams of a print head that loops and rotates across a recording surface. Figures 2A to 2B are diagrams of the head rotation direction and ink landing when the print head is driven. (The figures are described under the assumption that the centrifugal force is small and negligible.)
3A to 3D are explanatory diagrams of a 3D printer using a circular turntable-type print head and a turntable-type modeling stage.
図1AAに示すように、プリントヘッド1のノズル列100(ノズル列100A)は具体的には円状に配置されており、
原点100A1から記録面2を横切るように移動し100A2から100A3の位置において印刷を行い、
記録面2を横切った後に100A4点にてプリントヘッドのノズルをクリーニング部3によりクリーニングして、
100A5から100A6の点を通り原点100A1に戻る形でのループする軌道を持ち、
再度、原点100A1から記録面2の上の100A2ー100A3間を横切るように移動し印刷を行い、記録面2を横切った後に100A4点を通るときプリントヘッドのノズルがクリーニング部3によりクリーニングされ100A5、100A6を経て原点100A1点に戻ることを繰り返すことで印刷を行う。
<クリーニング部3の設置場所>
ここで他の段落でも述べているが、クリーニング部3は100A4のほかに100A1の付近に備えてもよい。100A4と100A1は記録面の外であり円状の軌道にあるのでクリーニング部3を設置できる。
<印刷や加工のための主走査を行う箇所>
図1AAに示すようにヘッド1のノズルが記録面2の上の100A2ー100A3間を横切るように移動し印刷・加工を行いクリーニング部3を通過するときノズルクリーニングを行う。
他に記録面2の上の100A5ー100A6間を横切るように移動し印刷・加工を行うことができる。
さらに100A5ー100A6間で印刷・加工を行った後、記録面を副走査に送り出して100A2ー100A3間を横切るように移動し印刷・加工を行う事ができる。ノズル列を100A2ー100A3間と100A5ー100A6間の2列にわたって(2つの円弧にわたって)印刷や加工といった出力動作に使うことでキャリッジ走査数Crを低下させ、印刷速度を二倍にできうる。
図1AAを用い、円状のプリントヘッド1にて説明を行ったが、ノズルが動く時の軌道が円形や長円形、楕円形、オーバルトラック状であっても、記録面2の上をノズルが移動する際に、主走査方向の正の向きに移動する往路部分と反対向きに移動する復路部分が記録面の上を通過するとき印刷を行う形でノズル列を2列使うことでキャリッジ走査数Crを低下させ、印刷速度を2倍にできうる。
本発明では図1AAに記載のように、あるいは先に述べたノズル列を上下2列使うこと(少なくともノズル列を2列以上、2つの円弧にわたって使うこと)ができる。
As shown in FIG. 1AA, the nozzle row 100 (
The printer moves from the origin 100A1 across the
After crossing the
It has a looping orbit that passes through points 100A5 and 100A6 and returns to the origin 100A1.
The print head moves again from the origin 100A1 across between 100A2 and 100A3 on the
<Installation location of cleaning
As described in other paragraphs, the
<Location where main scanning for printing and processing is performed>
As shown in FIG. 1AA, the nozzles of the
In addition, it can be moved across the area 100A5-100A6 on the
Furthermore, after printing/processing is performed between 100A5-100A6, the recording surface can be sent in the sub-scanning direction and moved across 100A2-100A3 to perform printing/processing. By using two nozzle rows (across two arcs) between 100A2-100A3 and 100A5-100A6 for output operations such as printing or processing, the number of carriage scans Cr can be reduced and the printing speed can be doubled.
Although the explanation has been given using Figure 1AA with a
In the present invention, as shown in FIG. 1AA, or the nozzle arrays described above can be used in two rows, one above the other (at least two or more nozzle arrays can be used across two arcs).
図3Bと図3Eはそれぞれ3次元と2次元の印刷用途でのプリンタの説明例である。図3Bは3Dプリンタ用途、図3Eは2次元の印刷用途の例である。
図3Eに記載のプリンタは門型マシニングセンタと類似した構造で、図3EのプリンタにZ軸の走査機構を加え3Dプリンタ用途に転用してもよい。
図3Eに記載のプリンタは記録面に紙やフィルム、基板、物体などの印刷対象を乗せ、印刷対象を副走査方向に送り出して印刷対象の表面を記録面2として印刷を行う。
前記の説明は例であって、プリンタそのものが門型洗車機や列車のように車輪を持って2つ以上のレールに沿って副走査方向に移動し、レール(副走査のための機構)に挟まれた記録面2に該当する領域部分へ印刷を行っても問題はない。
Figures 3B and 3E are illustrative examples of printers for three-dimensional and two-dimensional printing applications, respectively, with Figure 3B being an example of a 3D printer application and Figure 3E being an example of a two-dimensional printing application.
The printer shown in FIG. 3E has a structure similar to that of a gantry machining center, and a Z-axis scanning mechanism may be added to the printer shown in FIG. 3E to convert it into a 3D printer.
In the printer shown in FIG. 3E, a printing target such as paper, film, a substrate, or an object is placed on the recording surface, and the printing target is sent in the sub-scanning direction, and printing is performed on the surface of the printing target as the
The above explanation is an example, and there is no problem if the printer itself moves on wheels in the sub-scanning direction along two or more rails like a portal-type car wash or a train, and prints on the area corresponding to the
図3Eの門型洗車機の説明に関連して、プリントヘッド1とインクタンクが搭載されたオンキャリッジ型ヘッドにローラを付属させ、ヒトの手でもってなぞることでバーコードやイメージを印刷できるハンディインクジェットプリンタのように、当発明のプリンタの図3Eのヘッド保持支柱に車輪もしくはローラーを備えさせ、基礎部を除いて、屋外・屋内の物体の表面を通過させるだけで印刷ができるようにしてもよい。
前記本発明のプリンタの図3Eのヘッド保持支柱に車輪もしくはローラーを備えさせ、基礎部を廃して、印刷もしくは材料を吐出したい表面を通過させるだけで印刷ができるようにした2次元用プリンタでもよく、
前記プリンタは運動場など競技場のラインパウダーを搭載したラインカー(ライン引き)のように、インクカートリッジと本発明のプリントヘッド、ヘッド主走査用の駆動機構、クリーニング部、モーションセンサ部、印刷前後記録面撮影センサを収めた筐体にラインカーのような車輪を取り付け人がラインを引くだけでインクジェットヘッドのクリーニングを行いながらプリントを行う装置であってもよい。
In relation to the explanation of the gate-type car wash in Figure 3E, like a handy inkjet printer that can print barcodes or images by tracing them with a human hand by attaching rollers to an on-carriage type head equipped with a
The printer of the present invention may be a two-dimensional printer in which the head holding support column of FIG. 3E is equipped with wheels or rollers, the base part is eliminated, and printing can be performed simply by passing the head over the surface on which printing or material is to be discharged.
The printer may be a device in which wheels like a line car are attached to a housing that contains an ink cartridge, the print head of the present invention, a drive mechanism for main scanning of the head, a cleaning unit, a motion sensor unit, and a sensor for photographing the recording surface before and after printing, like a line car equipped with line powder used in sports fields and the like, and in which a person can simply draw a line and print while cleaning the inkjet head.
図3Bと図3Eについてヘッド1は記録面2および地面に対して水平である。しかし省スペース化等を意図してヘッド1と記録面2(記録箇所2)が地面に対し垂直で有る場合も考えられる。
宇宙では無重力である事が想定されるが、地上では地球の中心に向け地上にある質量を持つ物体に重力がかかる。重力によりインク・材料やプリンタの機構、構造材、駆動機構が影響を受ける。
図3Eの2次元用途の印刷機の場合ヘッド1のノズル面が地面に対し水平でない場合がありうる。ヘッド1のノズル面が地面に対し垂直である2次元用途の印刷機では省スペース化が期待できる。
図3Bや図3Cの3次元プリンタの場合、自動車部品あるいは自動車ボディなどの重量物を載せて回転させられるターンテーブル型記録面2(記録ベッド)を用いる場合は、ヘッド1のノズル面は記録面及び地面に対し水平である方が好ましい。
造形には既知の3次元プリンタの方法、サポート材や保持構造の利用、積層用の圧延ローラーなどを利用してよい。
(3次元プリンタ用途で、記録面2が垂直である場合、造形中の重量物を記録面2に地上での重力を受けつつ垂直に保持させるには記録面2にチャック装置やサポート材・ラフトによる保持構造が必要になるかもしれない。)
3B and 3E, the
It is assumed that there is no gravity in space, but on Earth, gravity acts on any object with mass toward the center of the Earth. Gravity affects ink and materials, printer mechanisms, structural materials, and drive mechanisms.
3E, the nozzle surface of the
In the case of the three-dimensional printer of Figures 3B and 3C, when using a turntable-type recording surface 2 (recording bed) on which a heavy object such as an automobile part or an automobile body can be placed and rotated, it is preferable that the nozzle surface of the
For the shaping, known three-dimensional printer methods, the use of support materials and holding structures, rolling rollers for lamination, etc. may be used.
(For three-dimensional printer applications, if the
図1ACおよび図5Aと図5Bと図5Cと図5Dは本発明の方法を満たし、前記方法を用いるプリンタまたは出力装置の例であり、最もシンプルな構成の1つであって、
プリントヘッド1に搭載したノズルが1つのみで、ノズルは記録面を横切りクリーニング部3を通る円形等のループした軌道に沿ってノズルがスキャンを行い、アクチュエータにはソレノイドバルブを用いポンプで圧送されたインクを吐出する形態である。
なお図5Aは例であり、図5Aにおいてソレノイドバルブを用いない場合はインクタンクを負圧に保ちピエゾアクチュエータや加熱素子といったアクチュエータ素子100VAを用い、インクタンクからサブインクタンクへポンプによりインクを輸送しインク滴をノズルから既知のインクジェット方式で吐出させる。
ノズル100NZがインクジェット方式であれば印刷用途に、ノズル100NZが押出ポンプ110PPにて押し出されたペースト状の材料を吐出する場合にはAM方式またはFDM方式の3Dプリンタもしくは塗布装置となる。
(注)ソレノイドバルブをアクチュエータ100VAの例に示したのは試作で用いる際にノズルが複数備えるインクジェットヘッド素子10は単価が高く個人の用途では購入に難があり、一方でポンプで加圧したソレノイドバルブやダイアフラム型ピエゾアクチュエータ板を用いてインクの吐出を行うことは安価かつ発明者が100NZや100VAを理解しながら試作出来るので本発明では用いた。
試作用に、電子ブザーなどで用いられるダイアフラム型ピエゾアクチュエータもシングルノズルの100VAと100NZを作る用途に試験的に用いることもできる。
本来は駆動周波数fやノズル数Nzの大きいヘッド素子10(プリントヘッド素子)を用いることが好ましい。
他の段落でも述べたように本発明は実現に必要なノズルが1つ以上有ればよいので、ソレノイドバルブ等によるシングルノズルのヘッドでも方法や装置を実施できる。
1A, 1B, 5C and 5D show an example of a printer or output device implementing and using the method of the present invention, which is one of the simplest configurations:
The
Note that FIG. 5A is an example. If a solenoid valve is not used in FIG. 5A, the ink tank is kept at negative pressure and an actuator element 100VA such as a piezoelectric actuator or a heating element is used, and ink is transported from the ink tank to the sub-ink tank by a pump, and ink droplets are ejected from the nozzles by a known inkjet method.
If the nozzle 100NZ is of an inkjet type, it is used for printing purposes, and if the nozzle 100NZ ejects a paste-like material extruded by an extrusion pump 110PP, it becomes an AM or FDM type 3D printer or application device.
(Note) The solenoid valve is used as an example of the 100VA actuator because the
For prototyping, a diaphragm type piezoelectric actuator used in electronic buzzers can also be used experimentally to create single nozzles of 100VA and 100NZ.
Essentially, it is preferable to use a head element 10 (print head element) with a large drive frequency f and a large number of nozzles Nz.
As described in other paragraphs, since the present invention requires only one or more nozzles to be realized, the method and apparatus can be implemented even with a single nozzle head using a solenoid valve or the like.
図5Fはオンキャリッジ方式でオーバルトラック状のレールの上を移動するノズルを備えるヘッドが1つある時の説明図である。レールの上をノズルを搭載したカーが移動することを除けば実施例3と同じである。 Figure 5F is an explanatory diagram of a case where there is one head equipped with a nozzle that moves on an oval track-shaped rail using the on-carriage method. It is the same as Example 3, except that a car equipped with a nozzle moves on the rail.
図5Eと図5Fはノズルから材料を吐出するのではなく、レーザーを記録面の加工する箇所へ照射する構成の加工装置または出力装置の説明図であり、図5Eは1つのノズルをヘッドに備えるレーザー加工機の説明図で、図5Fは図5Eのヘッド1の説明図である。
レーザー加工機に本発明を用いるとき、ラスターイメージに基づいてヘッド1のノズルからレーザーを記録面2に照射して加工を行う。
本発明はベクターイメージに基づいてX軸Y軸に走査するステージを備えるレーザー式のプロッタを意図していない。
Figures 5E and 5F are explanatory diagrams of a processing device or output device that irradiates a laser onto the part of the recording surface to be processed rather than ejecting material from a nozzle. Figure 5E is an explanatory diagram of a laser processing machine equipped with one nozzle in the head, and Figure 5F is an explanatory diagram of
When the present invention is applied to a laser processing machine, processing is performed by irradiating a laser from the nozzle of the
The present invention does not contemplate laser plotters that have a stage that scans in the X and Y axes based on a vector image.
付加製造法による出力装置例である図5Aや図5Dあるいは除去加工法に利用できる出力装置例である図5Eでは、記録面とヘッドの間21があり、前記21は大気圧下でも真空下でもよく、宇宙空間の備える真空下を21に用いてもよい。
宇宙の真空下で太陽電池と言った電子部品製造に真空プロセスが必要な場合、フィルム基板やガラスあるいはシリコンなど半導体基板に、半導体材料や透明電極材料、金属電極材料、レジストなどパターニング材料を太陽電池を製造するためのオンデマンド印刷装置(出力装置)から吐出させて吐出印刷法により製造してもよいし、
既存の太陽電池製造で行われる方法と装置として、スピンコータによる基板へのレジスト材の塗布・露光・パターニングを行ってよい。
製膜された機能膜や電極膜のパターニング・部分的な除去に本発明の走査法を用いてレーザー加工を行ってもよい。
In Figures 5A and 5D, which are examples of output devices using additive manufacturing methods, or Figure 5E, which is an example of an output device that can be used for subtractive processing, there is a
When a vacuum process is required to manufacture electronic components such as solar cells in the vacuum of space, they may be manufactured by ejection printing, in which a semiconductor material, a transparent electrode material, a metal electrode material, a resist, or other patterning material is ejected from an on-demand printing device (output device) for manufacturing solar cells onto a film substrate, glass, or a semiconductor substrate such as silicon.
As an existing method and apparatus used in the manufacture of solar cells, a resist material may be applied to a substrate by a spin coater, exposed to light, and patterned.
Laser processing may be performed using the scanning method of the present invention for patterning and partial removal of the formed functional film or electrode film.
宇宙空間の備える真空を用いた基板一面への蒸着やCVD法、スパッタ法、昇華法、近接昇華法を用いた半導体膜成膜、不純物の打ち込みによるドーピング、半導体以外の機能膜の製膜、透明電極・金属電極パターニング成膜といった半導体製造プロセスと装置を宇宙空間の備える真空下で行ってよい。 Semiconductor manufacturing processes and equipment such as deposition onto the entire surface of a substrate using the vacuum of outer space, deposition of semiconductor films using CVD, sputtering, sublimation, and proximity sublimation, doping by implanting impurities, deposition of functional films other than semiconductors, and patterning of transparent electrodes and metal electrodes may be performed in the vacuum of outer space.
出力装置8(プリンタ8)を宇宙ステーションなど宇宙空間にある大気下施設内(ヒトのいない大気圧条件の施設)に備え、
水や溶剤など真空下で蒸発する成分を含むインクジェット印刷法などのプロセスによるパターニングを基板に行った後、
宇宙ステーションから宇宙空間へパターニング等印刷の終了した基板を搬送し、前記基板に半導体層や電極層を蒸着・スパッタリング・昇華・CVDなどしてよい。
An output device 8 (printer 8) is provided in an atmospheric facility (a facility under atmospheric conditions with no humans present) in outer space such as a space station,
The substrate is then patterned using a process such as inkjet printing that contains components that evaporate under vacuum, such as water or solvents.
A substrate on which printing such as patterning has been completed may be transported from the space station to outer space, and a semiconductor layer or an electrode layer may be deposited on the substrate by deposition, sputtering, sublimation, CVD, or the like.
例えば発明者が知る限りの構成のフィルムタイプの有機薄膜太陽電池を宇宙空間で製造することを実施しようとする場合には、
前提としてロケット打ち上げ時の質量のコストから太陽電池製造の材料は質量が少なく省資源で製造できることが好ましく、
フィルム型基板を用い、吸光係数が高く、光を吸収する半導体層の厚さを小さくし半導体層材料を低減し打ち上げコストの削減に繋がると考え、直接遷移型の化合物半導体や有機半導体(ないしは色素)を用いた太陽電池を製造する前提で次の(1)と(2)に記述する。
※なおここでは太陽電池製造を宇宙の供える真空を用い電子部品を製造する例としているが、宇宙空間の備える真空を用い、有機EL方式を用いたディスプレイ製品の製造、半導体素子やプロセッサ・メモリ・ICの製造、二次電池の製造、フィルムコンデンサや積層セラミックコンデンサ、電解コンデンサなどキャパシタの製造、抵抗器の製造、電子基板の回路の製造を行うときも太陽電池製造と同様に本発明を用いる。
For example, when manufacturing a film-type organic thin-film solar cell of the configuration known to the inventor in space,
As a premise, it is preferable that the materials for manufacturing solar cells are light in mass and can be manufactured with minimal resources, due to the mass cost of launching a rocket.
The following (1) and (2) are based on the assumption that a film-type substrate is used, the absorption coefficient is high, and the thickness of the light-absorbing semiconductor layer is reduced, which will lead to a reduction in the semiconductor layer material and a reduction in launch costs. The solar cells will be manufactured using direct transition compound semiconductors or organic semiconductors (or dyes).
*Note that, although solar cell manufacturing is used here as an example of using the vacuum provided by space to manufacture electronic components, the present invention can also be used, just as with solar cell manufacturing, when using the vacuum provided by space to manufacture display products using the organic electroluminescence method, semiconductor elements, processors, memory, and ICs, secondary batteries, capacitors such as film capacitors, multilayer ceramic capacitors, and electrolytic capacitors, resistors, and circuits for electronic boards.
(1)有機薄膜太陽電池、有機無機ハイブリッド太陽電池の場合には、
1.フィルム基板を準備する。
2A.フィルム基板に透明電極材のITOを宇宙空間の真空である箇所の真空を利用して蒸着装置の真空槽や本願の装置の21部分を真空にして真空下で蒸着・スパッタなどで製膜する。(ITOはインジウムスズ酸化物)
2B.2Aを使わないでフィルム基板にドープされた導電性高分子を分散させたインクを塗布・乾燥・製膜する。塗布にはスピンコータや印刷法、インクジェット法を用いてよい。
3.製膜した2Aや2Bの導電性電極に前処理を行う。
4A.3の導電性電極にポリ3ヘキシルチオフェンP3HT等導電性高分子とフラーレン系のPCBM([6,6]-Phenyl-C61-butyric Acid Methyl Ester)を最適化された重量比でクロロベンゼンなど有機溶媒と混ぜて溶解させ、スピンコーターや印刷法、有機溶剤に耐えられるプリント部やプリントヘッドを備えたオフセット印刷やインクジェット法で発電層を印刷・乾燥・製膜する。
●宇宙構造物の一室で大気下で溶剤を用いて印刷プロセスで行う場合には大気下に蒸発した溶剤を回収するプロセスが必要になる事が予想される。
宇宙空間の真空である箇所の真空を利用して蒸着装置や本願の装置の21部分を真空にして用いる場合はドライプロセスを多用する方式の太陽電池が前記方法に適しているかもしれない。
印刷法で用いる溶剤は地上のようにインクやペーストの溶剤として容易に供給・利用できず、質量を持つ溶剤を地上と同じく使おうとすると、溶剤を宇宙に打ち上げるコストがかかり、ウェットプロセスを宇宙空間で多用すると太陽電池の基板や材料と製造装置(製造装置は例えば本願の出力装置8)以外に溶剤を追加し打ち上げる必要が出てしまう。
また宇宙空間の大気圧下の室内の閉鎖系で溶剤利用と溶剤の回収、溶剤の循環を繰り返すことが予想され、溶剤を回収する機構を製造装置や太陽電池製造を行う宇宙構造体の1室に備えることも必要になるかもしれない。
このように溶剤を用いる印刷等によるウェットプロセスは宇宙空間では利用しにくくなる恐れがあり、前記を踏まえ、宇宙空間で太陽電池を作るには、宇宙空間の備える真空を利用したドライプロセスを多用する方式の太陽電池を製造する事が必要かもしれない。
(なお既報のように地上で印刷法により製造した太陽電池(フィルム型のタイプを含む)を、地上の発電所や宇宙に打ち上げて輸送し、発電を行いたい現場に組み込む場合には、印刷法などウェットプロセスを用いるほうが地上に真空を作り製膜をしないので製造が容易かもしれない。前記場合にも本願のプリンタ8を用い、8Uの指示によりコントローラ6によりデジタル制御を行い印刷・パターニングをして基板上の目的の部分に材料を吐出し製膜を行い太陽電池製造に利用する事を意図する)
4B.3の導電性電極に単分子の有機半導体(既知のn型としてフラーレンC60系統の半導体を、p型の例として亜鉛フタロシアニンZnPc)を蒸着または昇華させ基板に堆積させ発電層を製膜させる。前記化合物は例であって太陽光の吸収・電荷分離・キャリア輸送のできる有機半導体層を発電層として形成できる材料を用いればよい。
(有機半導体や色素を用いる場合でも、4Aでは有機溶媒を用いるのに対し、4Bはドライプロセスなので宇宙空間や宇宙構造体の室内環境では溶剤の蒸気の発生がなく利用しやすいかもしれない。)
4C.3の導電電極に有機無機ハイブリッド半導体膜(既知の例として発電層に無機ペロブスカイトを用いホール輸送材としてSpiro-OMeTADを用いる)を、
宇宙空間の真空である箇所の真空を利用して蒸着装置の真空槽や本願の装置の21部分を真空にして真空下で蒸着などで製膜する。(4Bと同じく4Cもドライプロセスで行うことができる)
5.4Aから4Cに記載の発電層製膜後の基板を乾燥が必要な場合、加熱や真空引き等で乾燥する。
6.5の後、発電層を製膜した基板を所定の温度で加熱しアニーリングする。
7.6の基板に金属電極を宇宙の備える真空を用いて真空環境で電極材を蒸着し製膜する。
8.7の基板を再度アニーリングしたり性能をテストするために検査装置で発電のテストを行う。
9.素子が完成する。
(2)CIGS太陽電池の場合は
1.基板準備
2.真空下で金属電極製膜、パターニング
3.真空下でCuGa層の成膜
4.真空下でインジウム層の成膜
5.真空下でセレン化
6.ウェットプロセスでCdsバッファ層製膜
7.真空下でZnOの窓層を製膜、パターニング、透明電極形成
8.検査後、素子が完成する。
となる。
ここで例として記述したCIGS太陽電池の製造には真空プロセスが多いが、一部ウェットプロセスを含んでおり、本発明で宇宙の備える真空を用いる場合は宇宙空間から宇宙構造物等の大気圧下の室内空間に基盤を搬送させウェットプロセスを行う必要がある。
本発明は太陽電池の製造を宇宙空間の真空部分が備える真空を用い、真空下のみで行えると好ましいが、太陽電池の方式によっては宇宙の真空下と宇宙構造物内の大気圧下の両方の圧力環境を用いて太陽電池の製造を行ってもよい。そして前記太陽電池を宇宙太陽光発電用に用いてよい。
(1) In the case of organic thin-film solar cells and organic-inorganic hybrid solar cells,
1. Prepare a film substrate.
2A. The transparent electrode material ITO is applied to the film substrate by evaporating and sputtering under vacuum conditions using the vacuum in the vacuum chamber of the deposition device and the
2B. Without using 2A, apply ink in which doped conductive polymer is dispersed to a film substrate, dry it, and form a film. Spin coater, printing method, or inkjet method can be used for application.
3. The conductive electrodes 2A and 2B thus formed are pretreated.
4A. Conductive polymers such as poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and fullerene-based PCBM ([6,6]-Phenyl-C61-butyric Acid Methyl Ester) are mixed and dissolved in an organic solvent such as chlorobenzene at an optimized weight ratio on the conductive electrodes of 3, and the power generation layer is printed, dried, and formed into a film by using a spin coater, printing method, offset printing with a printing part or print head that can withstand organic solvents, or inkjet printing.
●If the printing process is carried out using solvents in the atmosphere in a room of a space structure, it is expected that a process will be required to recover the solvent that evaporates into the atmosphere.
When the deposition device or the
The solvents used in printing methods cannot be easily supplied and used as solvents for inks or pastes as on Earth, and if one were to use a solvent with mass in the same way as on Earth, it would be costly to launch the solvent into space, and if wet processes were used extensively in space, it would be necessary to launch additional solvent in addition to the solar cell substrates, materials, and manufacturing equipment (the manufacturing equipment is, for example, the
It is also expected that the solvent will be used, recovered, and circulated repeatedly in a closed system inside a room under the atmospheric pressure of space, and it may be necessary to install a solvent recovery mechanism in one of the rooms in the space structure where manufacturing equipment or solar cell manufacturing is carried out.
As such, wet processes such as printing that use solvents may be difficult to use in outer space. Taking this into account, in order to produce solar cells in space, it may be necessary to manufacture solar cells using a method that makes extensive use of dry processes that take advantage of the vacuum present in outer space.
(As previously reported, when solar cells (including film-type) manufactured by printing on the ground are to be launched into space, transported to a power plant on the ground, or installed at the site where power generation is desired, it may be easier to manufacture using a wet process such as printing, since a vacuum is not created on the ground and film formation is not required. In the above case, the
4B. A single molecule organic semiconductor (fullerene C60 semiconductor as a known n-type, zinc phthalocyanine ZnPc as an example of a p-type) is deposited on the conductive electrode of 3 by deposition or sublimation on the substrate to form a power generation layer. The above compounds are examples, and any material that can form an organic semiconductor layer capable of absorbing sunlight, separating charges, and transporting carriers as a power generation layer may be used.
(Even when organic semiconductors or dyes are used, 4A uses organic solvents, whereas 4B is a dry process, so it may be easier to use in the indoor environment of space or space structures, as no solvent vapor is generated.)
4C. An organic-inorganic hybrid semiconductor film (a known example is an inorganic perovskite used for the power generation layer and Spiro-OMeTAD used as the hole transport material) is applied to the conductive electrode of 3.
The vacuum of the vacuum chamber of the deposition device and the
5. If the substrate after the formation of the power generation layer described in 4A to 4C needs to be dried, it is dried by heating, vacuum drawing, etc.
6. After step 5, the substrate on which the power generation layer is formed is heated at a predetermined temperature for annealing.
7.6 Metal electrodes are attached to the substrate by vapor deposition of electrode material in a vacuum environment using the vacuum provided by space.
8.7 The substrate is annealed again and power generation is tested in an inspection apparatus to test its performance.
9. The element is completed.
(2) In the case of CIGS solar cells, the steps are: 1. Preparation of substrate; 2. Deposition and patterning of metal electrodes under vacuum; 3. Deposition of CuGa layer under vacuum; 4. Deposition of indium layer under vacuum; 5. Selenization under vacuum; 6. Deposition of CdS buffer layer by wet process; 7. Deposition and patterning of ZnO window layer and formation of transparent electrode under vacuum; 8. After inspection, the device is completed.
It becomes.
The manufacture of the CIGS solar cells described here as an example involves many vacuum processes, but also includes some wet processes. When using the vacuum provided by space in the present invention, it is necessary to transport the substrate from outer space to an indoor space under atmospheric pressure in a space structure or the like and carry out the wet processes.
In the present invention, it is preferable to manufacture solar cells only under vacuum using the vacuum provided in the vacuum part of outer space, but depending on the type of solar cell, solar cells may be manufactured using both pressure environments of the vacuum of space and atmospheric pressure inside a space structure. The solar cells may then be used for space solar power generation.
本発明の方法やプリンタ8は実施例6の(1)や(2)のように地上の大気圧下や宇宙空間の真空部分が備える真空下(地上での真空ポンプで真空引きされた真空下含む)の圧力下になるよう、記録面ノズル間21の大気圧・環境を制御できてよい。
プリンタ8はドライプロセスとウェットプロセスに用いることができ、コンピュータにより制御されたオンデマンドにパターン化された記録面を作り出し、限られた材料と、宇宙構造物等の限られたスペースの中でノズルクリーニングを行い動作中にノズルをクリーニングでき、ラインプリンタの高速性を持たせようとする出力装置である。
限られた空間であっても高速かつノズルクリーニングが間欠なく行われ動作する出力装置となることを意図している。
The method and
The intention is for the output device to be able to operate in a limited space at high speed with continuous nozzle cleaning.
<真空下蒸着での蒸着による蒸発粒子を吐出するノズルのクリーニング>
真空下で蒸着・昇華する際に、材料の加熱により生じた原子・分子の粒子をプリンタ8のヘッド1のノズルから吐出・放出させ基板に照射させる場合、材料を噴出させるノズルやノズル内のアクチュエータにも蒸着による粒子があたって膜が堆積・製膜される恐れがあり、
印刷・蒸着・昇華・レーザー加工中のプリンタ8であっても、ノズルに製膜された膜をクリーニング部3にて機械装置によりクリーニングして、製膜動作をノズル清掃の為に止めないようにする事が望ましいかもしれない。
この場合、ノズルとノズル内部のバブル開閉・ノズル動作を行うアクチュエータをクリーニング部3でクリーニングできてもよい。
ノズル、バルブ、インクタンクまでの流路の内ノズルやバルブと材料の蓄積しやすい流路を一貫してクリーニングする機構を備えてもよい。
例えばFDM方式のプリンタはノズルメンテナンスをヒトの手で行う際に細い針金などでノズルからエクストルーダの間を突き押してノズルからエクストルーダの間の流路に滞留し蓄積した不良な箇所や材料を取り除く事が行えるが、
真空において真空蒸着を行うノズルにおいても材料がノズルからノズルアクチュエータ及び流路の間で蓄積する場合には針金型又はロッド状、箒などに用いる糸状のクリーニングエレメントによりノズル図まりを解消するよう堆積材料を突いて又はかきとってノズル清掃を行ってもよい。
大気下及び真空下で本願のプリンタ8のノズル(FDMノズル、付加製造法(AM法)のノズル、真空蒸着用蒸発粒子吐出ノズル)をクリーニングするためのクリーニングエレメント30に針金等の糸状・棒状・ロッド上のエレメントを用いてノズルをクリーニングしてよい。
<Cleaning of nozzles that eject particles evaporated by deposition in vacuum>
When vapor deposition and sublimation are performed under vacuum, if atomic and molecular particles generated by heating the material are ejected from the nozzle of the
Even if the
In this case, the nozzle and the actuator that opens and closes the bubble inside the nozzle and operates the nozzle may be cleaned by the
A mechanism for consistently cleaning the nozzles, valves, and flow paths leading to the ink tank, which are prone to material accumulation, may be provided.
For example, when nozzle maintenance is performed manually on FDM printers, a thin wire can be used to push the area between the nozzle and the extruder to remove any defective areas or materials that have accumulated in the flow path between the nozzle and the extruder.
Even in nozzles that perform vacuum deposition in a vacuum, if material accumulates between the nozzle and the nozzle actuator and flow path, the nozzle may be cleaned by poking or scraping off the accumulated material using a needle-shaped or rod-shaped or thread-shaped cleaning element used for a broom or the like to eliminate nozzle clogging.
The nozzle may be cleaned by using a thread-like, rod-like, or rod-shaped element such as a wire as the
真空中でレーザー加工を行おうとする加工機8についてもレーザーノズルが加工時に加工面2の一部をレーザーで削り飛ばしたときのダストなどで覆われてしまうとノズルから粒子として光子をレーザーにて照射できないのでクリーニング機構が必要である。
Even in the case of a
本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。 Although embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
2次元イメージ印刷用のプリンタおよび3Dプリンタの高速化に寄与する。 Contributes to faster printers for printing 2D images and 3D printers.
本発明のプリンタは2次元及び3次元の印刷あるいは材料の積層をデジタルデータに従いより速く行う事を意図したものであり、2次元分野では紙の書籍や新聞といった既知の大面積印刷分野、製品の表面への印刷、産業分野、電子部品製造に、3次元分野ではロボットや自動車、試作、医療分野への応用に寄与する。
本発明は地上や宇宙空間で電子部品製造や電子回路・半導体回路製造に利用されうるかもしれない。
The printer of the present invention is intended to perform two-dimensional and three-dimensional printing or material deposition faster according to digital data, and will contribute to applications in the two-dimensional field such as known large-area printing fields such as paper books and newspapers, printing on the surface of products, industrial fields, and electronic component manufacturing, and in the three-dimensional field such as robots, automobiles, prototyping, and the medical field.
The present invention may be used in the manufacture of electronic components, electronic circuits, and semiconductor circuits on Earth or in space.
溶剤インクを用いた屋外看板・ポスター、紫外線硬化樹脂インクを用いた産業製品への印刷、繊維製品への捺染や着色を行う用途、電子部品などでの製造工程、インク材料を吐出させる既知の用途に応用できる。 It can be used for outdoor signs and posters using solvent inks, printing on industrial products using UV-curable resin inks, printing and coloring textile products, manufacturing processes for electronic components, and other known applications for ejecting ink materials.
1 プリントヘッド
10 記録ヘッドノズル
100 ノズル列
100A 円状に配置したインクジェットノズル
100B 円状に配置したFDMノズル、AM法によるノズル
100NZ 1つだけのノズル
100C 1つだけの固定ノズルが回転する場合の円型軌道
100R 可動ノズルの移動するループ軌道(電力給電用架線含みうる)
11 インクサブタンク
111 ジョイント(ロータリージョイント)
112 オフキャリッジ式におけるインク供給路
113 インクタンク
12 吐出されたインク
120 インク着弾後の記録面
2 記録紙、記録面
20 記録面の搬送機構(5と同様、副走査用モータ含む)
3 クリーニング部(メンテナンス部分)
30 クリーニングエレメント
4 駆動機構(プリントヘッド駆動部および支持部)
40 駆動機構のモータ(プリントヘッド駆動モータ、主走査用)
5 メディア供給搬送排出部
6 コントローラー
7 インターフェース
8 プリンタ本体
8U ユーザー端末
8N ネットワーク
9 印刷物、出力したイメージもしくは立体
90B FDMにより積層する際のノズル100Bより吐出している層
<図5A、図5B、図5C、図5D、図5E、図5Fの符号等>
1 プリントヘッド
100VA ノズル駆動または開閉アクチュエータ
100NZ ノズル、ヘッド1について1つのみのノズル
100NZP ノズル流路
110 サブインクタンク
110PP 材料押出ポンプ(インク供給口を備えてよい)
113 材料タンク
100LD レーザーノズル、レーザー照射素子
1PU ヘッドの電力受電部分及び電源部、蓄電部、配線
1PUC ヘッドに備える蓄電装置
100C 1つだけの固定ノズルが回転する場合の円型軌道
100R 可動ノズルの移動するループ軌道(電力給電用架線含みうる)
1CU ヘッドコントローラー
1CU0 1CUの記憶装置(RAM、ROM)
1CU1 1CUの制御演算処理装置(CPU、MPU、マイコン)
1CU2 1CUの通信装置
1TR ヘッドの非接触通信部、無線通信部(1CU2に含まれる)
1WL ヘッドのワイヤレス通信素子(1CU2に含まれる)
1CU3 1CUの入力装置
1CS ヘッド傾き検知センサ、加速度センサ、モーションセンサ(1CU3に含む)
1LVM インクタンク残量計、マテリアルタンク残量計(オプション)
1CU4 1CUの出力装置
1FD ヘッドの流路駆動回路(ノズル駆動、ポンプ駆動)
1FDN ノズル駆動回路
1FDP ポンプ駆動回路、材料押出駆動回路(エクストルーダ駆動回路)
12 吐出後の材料、インク滴、蒸着時に蒸発・吐出・飛翔する粒子
120 インク着弾後の記録面(材料吐出後記録面)
120B レーザー照射後の記録面
2 記録面、記録紙
20または5 記録面の搬送機構・供給機構、副走査機構
21 記録ヘッドと記録面の間における大気下または真空の環境
4 駆動機構、主走査機構
40 駆動機構のうちモータ
4R 駆動機構のうちレール方式にてノズル搭載車を移動させる機構
6 プリンタコントローラ
60 6の記憶装置(RAM,ROM)
61 6の制御演算処理装置(CPU、MPU、マイコン)
62 6の通信装置
6WL プリンタコントローラの非接触通信素子(62に含まれる)
63 6の入力装置
64 6の出力装置
6IOC プリンターの制御盤、コンソール
6P ヘッドへの電力送電部分、給電部分
7 プリンタインターフェース
8 プリンタ(プリンタ端末)
8U ユーザ端末
1
11 Ink sub-tank 111 Joint (rotary joint)
112 Ink supply path in off-
3 Cleaning section (maintenance section)
30
40 Drive mechanism motor (print head drive motor, for main scanning)
5 Media supply/transport/
1 Print head 100VA Nozzle driving or opening/closing actuator 100NZ Nozzle, only one nozzle per
113 Material tank 100LD Laser nozzle, laser irradiation element 1PU Power receiving part of the head and power supply unit, power storage unit, wiring 1PUC
1CU Head controller 1CU0 1CU memory device (RAM, ROM)
1CU1 1CU control processing unit (CPU, MPU, microcomputer)
1CU2 Communication device of 1CU 1TR Non-contact communication unit of head, wireless communication unit (included in 1CU2)
1WL Head wireless communication element (included in 1CU2)
1CU3 1CU input device 1CS Head tilt detection sensor, acceleration sensor, motion sensor (included in 1CU3)
1LVM Ink tank level gauge, material tank level gauge (optional)
1CU4 1CU output device 1FD Head flow path drive circuit (nozzle drive, pump drive)
1FDN nozzle drive circuit 1FDP pump drive circuit, material extrusion drive circuit (extruder drive circuit)
12: Material after ejection, ink droplets, particles that evaporate, eject, or fly during deposition 120: Recording surface after ink landing (recording surface after material ejection)
120B Recording surface after
61 6 control processing units (CPU, MPU, microcomputer)
62 Communication device 6WL Non-contact communication element of printer controller (included in 62)
63
8U user terminal
Claims (3)
流体又はレーザーの吐出が可能なノズルと、
副走査により走査される又は送り出される記録面2と、
前記ノズルが流体又はレーザーを吐出可能な面3と、
前記ノズルを主走査させる経路を備える走査方法に関して、
前記主走査させる経路は、
前記ノズルを、前記記録面2を通るように走査させた後、
前記面3を通るように走査させ、再び前記記録面2を通るように走査させる、
ループし循環した前記経路を備える特徴を持ち、
前記ノズルが前記記録面2を通る時に、
前記ノズルが前記流体又はレーザーを前記記録面2に吐出し、
前記ノズルが前記面3を通過する時に、
前記ノズルが前記流体又はレーザーを吐出可能な状態で前記面3を通る特徴を備えた、
出力装置の走査方法、
を用いる場合に、
ノズルがループし循環した前記経路を移動するときに、
ノズル及びノズルを含む記録ヘッド部に生じる遠心力を、
前記流体の吐出するための力とし、
前記ノズルから流体を吐出するための、
バルブまたはアクチュエータを含む吐出制御手段を、
ノズルと、ノズルにインクを供給する流路を含む、記録ヘッドに備えた、流体の吐出方法。 One or more of the recording heads 1 of the output device are provided
A nozzle capable of ejecting a fluid or a laser;
a recording surface 2 to be scanned or fed by sub-scanning;
a surface 3 from which the nozzle can eject a fluid or a laser;
Regarding a scanning method including a path for main scanning the nozzle,
The main scanning path is:
After the nozzle is scanned across the recording surface 2,
Scanning through said surface 3 and then scanning through said recording surface 2 again;
The method has a feature of including the above-mentioned path in a loop,
When the nozzle passes over the recording surface 2,
The nozzle ejects the fluid or laser onto the recording surface 2,
When the nozzle passes the surface 3,
The nozzle has a feature that passes through the surface 3 in a state where the fluid or laser can be ejected,
A method for scanning an output device;
When using
As the nozzle moves along the looped, circulated path,
The centrifugal force generated in the nozzle and the recording head portion including the nozzle is
a force for discharging the fluid,
for ejecting a fluid from the nozzle;
A discharge control means including a valve or an actuator,
A method for discharging a fluid provided in a print head including a nozzle and a flow path for supplying ink to the nozzle.
前記記録ヘッド1に円状に前記ノズルを固定して配置し、
前記ノズルを円状に配置した円形の前記記録ヘッド1を、
前記円状の円の中心を回転軸として回転させ、
前記ノズルを前記経路に沿って走査させる、
請求項1に記載の流体の吐出方法。 the path is circular;
The nozzles are fixedly arranged in a circle on the recording head 1,
The recording head 1 is circular in shape and has the nozzles arranged in a circle.
Rotate the circular circle around the center of the circle as a rotation axis;
scanning the nozzle along the path;
The method of claim 1 .
請求項2に記載の吐出方法を用いる吐出装置。 Performing two-dimensional or three-dimensional printing or additive manufacturing or fabrication;
A discharge device using the discharge method according to claim 2.
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