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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024132960
(43)【公開日】2024-10-01
(54)【発明の名称】印刷ヘッドを分析する方法
(51)【国際特許分類】
   B41J 2/01 20060101AFI20240920BHJP
   B05C 5/00 20060101ALI20240920BHJP
   B05C 11/00 20060101ALI20240920BHJP
【FI】
B41J2/01 207
B05C5/00 101
B05C11/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2024036368
(22)【出願日】2024-03-08
(31)【優先権主張番号】23161778.8
(32)【優先日】2023-03-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(71)【出願人】
【識別番号】596032878
【氏名又は名称】イボクラール ビバデント アクチェンゲゼルシャフト
(74)【代理人】
【識別番号】100064012
【弁理士】
【氏名又は名称】浜田 治雄
(72)【発明者】
【氏名】ビター,ニコラ
(72)【発明者】
【氏名】ラインハルト,ヨナス
(72)【発明者】
【氏名】ニードリヒ,クリスティアン
(72)【発明者】
【氏名】レンナー,ヨハネス
【テーマコード(参考)】
2C056
4F041
4F042
【Fターム(参考)】
2C056EB07
2C056EB39
2C056EC07
2C056EC38
2C056FA04
2C056KB16
4F041AB01
4F041BA01
4F041BA10
4F041BA13
4F041BA34
4F042AB00
4F042BA12
4F042BA19
4F042BA21
4F042CB12
4F042DH09
(57)【要約】
【課題】印刷装置内の印刷ヘッドあるいは印刷液の状態を検出する。
【解決手段】印刷ヘッド内の圧電素子を電圧プロフィールの順番列で付勢するステップ(S101)と;前記付勢中に音響レベル、電流、抵抗、インピーダンス、および/または印刷ヘッドの温度を測定するステップ(S102)とからなる印刷ヘッド(103)を分析する方法とする。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
印刷ヘッド(103)内の圧電素子(101)を電圧プロフィール(107)の順番列で付勢するステップ(S101)と;
前記付勢中に音響レベル、電流、抵抗、インピーダンス、および/または印刷ヘッド(103)の温度を測定するステップ(S102)からなる
印刷ヘッド(103)を分析する方法。
【請求項2】
測定された音響レベル、電流、または温度が所与の数値を超えた場合に、印刷ノズル(105)の機能不良が検出される請求項1に記載の方法。
【請求項3】
圧電素子(101)が所与の時間範囲にわたって励起される請求項1または2に記載の方法。
【請求項4】
電圧プロフィール(107)の順番列が相互に異なった電圧プロフィール(107)からなる予め設定された順番列を含む請求項1ないし3のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
電圧プロフィール(107)のホールド時間、立ち上がり時間、および/または立ち下がり時間がその順で増加あるいは減少する請求項4に記載の方法。
【請求項6】
付勢中に電流あるいは印刷ヘッド(103)の温度の推移を検出する請求項1ないし5のいずれかに記載の方法。
【請求項7】
検出した推移を予め記憶された推移と比較する請求項6に記載の方法。
【請求項8】
印刷ヘッド(103)内の印刷液(109)の種類が比較に基づいて判定されるかまたは特徴付けられる請求項7に記載の方法。
【請求項9】
電圧プロフィール(107)の順番列が相互に同一である電圧プロフィール(107)からなる予め設定された順番列を含む請求項1ないし8のいずれかに記載の方法。
【請求項10】
電流が所与の数値未満に低下した場合にノズルプレート(111)の脱離が検出される請求項1ないし9のいずれかに記載の方法。
【請求項11】
測定された音響レベルあるいは電流が所与の数値未満に低下した場合に圧電素子(101)の摩耗が検出される請求項1ないし10のいずれかに記載の方法。
【請求項12】
印刷ヘッド(103)内の印刷液(109)が交換された場合に方法が実行される請求項1ないし11のいずれかに記載の方法。
【請求項13】
方法の実行中に印刷ノズル(105)が開放あるいは閉鎖される請求項1ないし12のいずれかに記載の方法。
【請求項14】
閉鎖プレート(111)によって印刷ヘッド(103)が遮蔽される請求項13に記載の方法。
【請求項15】
請求項1ないし14のいずれかに記載の方法を実行するように構成された印刷装置(100)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、印刷ヘッドを分析する方法とその方法を実行する印刷装置に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0002】
本発明の目的は、印刷装置内の印刷ヘッドあるいは印刷液の状態を検出することである。
【課題を解決するための手段】
【0003】
前記の課題は、独立請求項の対象によって解決される。技術的に好適な実施形態が、従属請求項、発明の詳細な説明、および添付図面の対象である。
【0004】
第1の態様によれば、印刷ヘッド内の圧電素子を電圧プロフィールの順番列で付勢するステップと;前記付勢中に音響レベル、電流、抵抗、インピーダンス、および/または印刷ヘッドの温度を測定するステップからなる、印刷ヘッドを分析する方法によって前記の技術的な課題が解決される。電流は、例えば電圧プロフィールの間にわたって平均化された電流値である。圧電素子の付勢およびそれと同時の電力消費あるいは音響の測定(センシング)によって、例えばリアクタンス、印刷ヘッドの劣化等の、印刷ヘッドおよび流体システムのパラメータを検出することができる。さらに、印刷ヘッドを介する流速、印刷ヘッド中の液体の粘度、または印刷液の劣化あるいは変化、またはノズルプレートの剥離を判定することができる。
【0005】
この方法の技術的に好適な実施形態によれば、測定された音響レベル、電流、または温度が所与の数値を超えた場合に、印刷ノズルの機能不良が検出される。それによって例えば、詰まり、液体中の気泡封入、液体の濃縮、またはノズル管内の粒子付着等による機能不良を、簡便な方式でかつ印刷を行わずに検出し得るという技術的な利点が達成される。
【0006】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、圧電素子が所与の時間範囲にわたって励起される。それによって例えば、測定信号の時間平均によってより高められた測定の再現性と、低解像度の測定システムを使用しても有意な測定結果が得られるという技術的な利点が達成される。圧電素子は、所与の電圧プロフィールに従って付勢することができる。
【0007】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、電圧プロフィールの順番列が相互に異なった電圧プロフィールからなる予め設定された順番列を含む。それによって例えば、多様な電圧プロフィールに相関して特徴的な推移が得られ、それによってより高められた測定感度が得られるという技術的な利点が達成される。従って、多様な構成要素の特徴付けが可能になる。
【0008】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、電圧プロフィールのホールド時間、立ち上がり時間、および/または立ち下がり時間がその順で増加あるいは減少する。それによって例えば、音波速度あるいはその他のパラメータに基づいて印刷液を特徴付けることができるという技術的な利点が達成される。加えて、粘度あるいは粒子密度の変化を判定することができる。
【0009】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、付勢中に電流あるいは印刷ヘッドの温度の推移を検出する。それによって例えば、検出した推移を予め設定された電流あるいは印刷ヘッドの温度の推移と比較し得るという技術的な利点が達成される。圧電素子のエネルギー付加によって、温度に関する変化を温度センサによって検出するか、または温度に関する変化から流速を検出することができる。
【0010】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、検出した推移を予め記憶された推移と比較する。それによって例えば、偏差を判定し得るという技術的な利点が達成される。予め記憶された推移との偏差が少ない場合、その予め記憶された推移に相当する特性、例えば流速あるいは劣化等を推定することができる。
【0011】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、印刷ヘッド内の印刷液の種類が比較に基づいて判定されるかまたは特徴付けられる。それによって例えば、特定の印刷液が存在することを判定し得るという技術的な利点が達成される。従って、プロセス安全性を高め、また所要の液体がシステム内に存在するか、またはその液体が機能良好であるかを検査することができる。
【0012】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、電圧プロフィールの順番列が相互に同一である電圧プロフィールからなる予め設定された順番列を含む。それによって例えば、複数の電圧プロフィールにわたって平均化を行うことができるため、より正確な測定結果が得られるという技術的な利点が達成される。
【0013】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、電流が所与の数値未満に低下した場合にノズルプレートの脱離が検出される。それによって例えば、ノズルプレートあるいは微細流体系の故障、または内部で層剥離を有する印刷ヘッドの故障等の印刷装置の障害を検知し得るという技術的な利点が達成される。
【0014】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、測定された音響レベルあるいは電流が所与の数値未満に低下した場合に圧電素子の摩耗が検出される。それによって例えば、印刷ヘッドの劣化を検知し得るという技術的な利点が達成される。
【0015】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、印刷ヘッド内の印刷液が交換された場合に方法が実行される。それによって例えば、新規の印刷液が完全に印刷ヘッド内に収容されたか、または所定の印刷液が充填されたかを判定し得るという技術的な利点が達成される。加えて、効率性の向上を実現することができる。
【0016】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、方法の実行中に印刷ノズルが開放あるいは閉鎖される。それによって例えば、印刷ノズルの異なった開放状態において方法を実行し得るという技術的な利点が達成される。
【0017】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、閉鎖プレートによって印刷ヘッドが遮蔽される。それによって例えば、方法実行中に印刷液が漏出しないという技術的な利点が達成される。
【0018】
第2の態様によれば、第1の態様に係る方法を実行するように構成された印刷装置によって技術的な課題が解決される。この印刷装置によれば、第1の態様に係る方法と同様の技術的な利点が達成される。
【0019】
本発明の実施例が添付図面に示されており、以下詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1】制御可能な印刷ヘッドの概略断面図である。
図2】圧電素子を付勢するための電圧プロフィールを示した概略説明図である。
図3】異なった印刷液に対応する電圧プロフィールに相関する電流の推移を示した説明図である。
図4】異なった印刷液に対応する電圧プロフィールに相関する電流の推移を示した別の説明図である。
図5】異なった流速に対応する電圧プロフィールに相関する音響レベルの推移を示した説明図である。
図6】印刷ヘッドの閉鎖プレートを示した概略説明図である。
図7】印刷ヘッドを分析する方法を示したブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
図1には、制御可能な印刷ヘッド103の概略断面図が示されている。印刷装置100は、印刷プロセス(インクジェット方式)のために液滴115の噴流を使用する。その印刷プロセスは、インクを塗付することによって画像を作成する二次元の印刷プロセスとするか、または構築プラットフォーム119上に層ごとに蓄積される印刷液109によって作成される立体的な対象物113を製造する三次元の印刷プロセスとすることができる。
【0022】
印刷液109を射出するために、印刷装置100の印刷ヘッド103内に少なくとも1個の圧電素子101が取り付けられ、その圧電素子が電圧パルスを動作に変換してインクチャンバ117内の印刷液109に伝導する。圧電素子101の動作は逆方向の圧電作用によって達成され、その場合に圧電素子101が負の電圧によって下方動作(下降)を形成し、正の電圧によって上方動作(上昇)を形成するように作用する。
【0023】
圧電素子101を付勢するために、異なった区分を有してなる電圧プロフィールが使用される。電圧プロフィールおよび使用される印刷液109に応じて、異なって形成された液滴115が発生する。
【0024】
図2には、圧電素子101を付勢するための台形状の電圧プロフィール107が概略的に示されている。この電圧プロフィール107は、電気回路を備えた電子制御ユニットによって生成され、所与の電圧プロフィール107として予め印刷装置100内に保存することができる。そのため、電圧プロフィール107のデータを制御ユニット内にデジタルで記憶および変更することができる。制御ユニットが予め設定された複数の電圧プロフィール107を記憶することもでき、使用される印刷液に応じてそのうち1個がこの方法の開始点として選択される。
【0025】
電圧プロフィール107は3個の区分を有し、すなわち立ち下がり時間を有する1番目の開始区分121を有し、その区分中において電圧が上昇し、また待ち時間を有する2番目のホールド区分123を有し、その区分中は電圧が一定であり、さらに立ち上がり時間を有する3番目の最終区分125を有し、その区分中は電圧が下降する。適宜な滴形状を形成するために、各区分121、123および125を変化させる。
【0026】
その場合に各区分121、123および125の立ち下がり時間、待ち時間、および立ち上がり時間が変更および調節される。各印刷液109が流体力学的に異なるため、各印刷液109に対してそれぞれ適宜に適合させた電圧プロフィール107を印刷プロセスのために使用する必要がある。印刷液が粒子を含む場合、充填度合いあるいは固形物濃度を判定することもできる。
【0027】
立ち下がり時間が圧電素子101の引張動作(プル)を生成する。開始区分121は、立ち下がり時間と立ち下がり電圧を組み合わせたものである。立ち下がり電圧は、例えば形成される滴サイズに対する影響を有する。立ち下がり電圧の大きな変化に際して、印刷液109の音波速度を超過すべきではない。
【0028】
待ち時間はホールド区分123中の定電圧の時間であり、その間は印刷液109が緩和される。その緩和は、印刷液109中の音波速度に相関する。待ち時間の終了は印刷ヘッド103のインクチャンバ117内の印刷液109の緩和と可能な限り正確に一致すべきであり、それによってその時点で緩和動作と同期して立ち上がり時間が開始する。最適に同期した調節によって、その後に滴を射出するために最小のエネルギーしか必要でなくなる。
【0029】
最終区分125中の立ち上がり時間が、圧電素子101の押し動作(プッシュ)を生成する。立ち下がり時間によって生成された印刷液109の動作と待ち時間中に発生する印刷液109の緩和が立ち上がり時間中に追加的に加速され、従ってインクチャンバ117から印刷ノズル105を介して液滴115が放出される。
【0030】
振幅の高さは待ち時間中の電圧の高さであり、押し出される液滴115の大きさと相関する。電圧プロフィール107を調整する際に、圧電素子101の変位に相当するものである予め設定された一定の電圧を振幅の高さとして使用することができる。
【0031】
電圧プロフィール107の調整(波形調整)に際して、異なった立ち下がり時間、待ち時間、立ち上がり時間、および振幅の高さを有する異なった電圧プロフィール107が形成される。その後、個々の電圧プロフィール107に対して圧電素子101を通ずる電流がアンペア計あるいは適宜な電気回路を使用して判定されて電圧プロフィール107の継続時間にわたって平均化され、例えば個々の電流値の時間積分によって平均化される。その電圧プロフィール107を所定の繰り返し周波数をもって繰り返し圧電素子101に適用することができ、それによってそれの継続時間中に圧電素子101を通ずる電流を平均化する。
【0032】
圧電素子101を通ずる電流の代わりにその圧電素子101によって生成される音波振幅を使用することもできる。そのようにして検出された電流値あるいは音波振幅の数値が、その後生成された電圧プロフィール107のうちの1個を選択するために使用される。
【0033】
図3には、印刷ヘッド103内の異なった印刷液109-1、109-2および109-3に関する推移が示されている。その場合に、電圧プロフィール107の立ち下がり時間を変化させた際の検出された平均電流値が記録される。適用された電圧プロフィール107は、一定の待ち時間2.3μsと一定の立ち上がり時間1μsを有する。電圧プロフィールの繰り返し周波数は15kHzである。電圧プロフィールをその他の特定の周波数で反復することもでき、その周波数を調節することもできる。
【0034】
他方、電圧プロフィール107の立ち下がり時間は1μsないし20μsの間で変更される(X軸)。その場合に、立ち下がり時間が最小値から小さなステップで最大値まで高められるような所与の電圧プロフィールが使用される。各立ち下がり時間について、それぞれ該当する、圧電素子101を介して通流する電流の平均電流値が検出される(Y軸)。それに代えて、マイクロフォンを使用して音響レベルを検出することもできる。
【0035】
各印刷液109-1、109-2、および109-3が、それぞれ異なった特徴の推移を有する。例えば、検出された印刷液109-1、109-2、および109-3に対する推移を、予め記憶された印刷液109-1、109-2、および109-3に対する推移と比較すれば、どの印刷液が印刷ヘッド103内に存在するかを判定することができる。この方法において印刷ヘッド103と印刷ノズル105が閉鎖される。従って、印刷液109が印刷ノズル105を介して漏出することは不可能である。
【0036】
その後異なった電圧プロフィール107で付勢することによって、電流および音波測定を使用して多数のパラメータを検出することができ、例えば印刷液、印刷システム、および印刷ヘッドの状態等のパラメータを検出することができる。しかしながら、印刷ノズル105を閉鎖してかつ圧電素子101を励起すれば、印刷液109、流体特性、あるいは印刷ヘッドの状態の別のパラメータを検出することもできる。測定は、印刷ノズル105を閉鎖あるいは遮蔽して実行するか、または印刷中に印刷ノズル105を開放して実行することができる。印刷ヘッドが閉鎖される場合、インクが無駄にされないという利点が得られる。
【0037】
図4には、印刷ヘッド103内の異なった印刷液109-1および109-2に関する別の推移が示されている。その場合に、電圧プロフィール107の待ち時間を変化させた際の検出された平均電流値が記録される。適用された電圧プロフィール107は、一定の立ち下がり時間2.3μsと一定の立ち上がり時間1μsを有する。繰り返し速度は20kHzである。
【0038】
他方、この電圧プロフィール107の待ち時間は、1μsないし20μsの間で変更される(X軸)。その場合に、待ち時間が最小値から小さなステップで最大値まで高められるような所与の電圧プロフィール107が使用される。各待ち時間について、それぞれ該当する、圧電素子101を介して通流する電流の平均電流値が検出される(Y軸)。それに代えて、マイクロフォンを使用して音響レベルを検出することもできる。
【0039】
各印刷液109-1および109-2が、それぞれ異なった特徴の推移を有する。例えば、検出された印刷液109-1および109-2に対する推移を、予め記憶された印刷液109-1および109-2に対する推移と比較すれば、どの印刷液が印刷ヘッド103内に存在するかを判定することができる。この方法において印刷ヘッド103と印刷ノズル105が閉鎖される。従って、印刷液109が印刷ノズル105を介して漏出することは不可能である。
【0040】
図5は、電圧プロフィール107の立ち下がり時間の変化に相対するdBの単位の音響レベルを異なった流速に対して示したものである。適用された電圧プロフィール107は、一定の待ち時間2.3μsと一定の立ち上がり時間1μsを有する。繰り返し速度は15kHzである。他方、電圧プロフィール107の立ち下がり時間は1μsないし20μsの間で変更される(X軸)。
【0041】
印刷液109は、例えば循環ヘッドを介して通流し、その内部では印刷液109が印刷ヘッド103を介して継続的に循環し、印刷液109が射出されない場合でも循環する。より高い流速の場合、励起される印刷ヘッド103の発生音量が低下する。この方式により、音響レベルの測定によって印刷ヘッド103を介する印刷液の流速を判定することができる。音響工学的に音響レベルを測定することによって、圧電素子101の性能低下あるいは劣化を検知して補正することができる。
【0042】
圧電素子101の付勢によって印刷ヘッド103が追加的に昇温するため、印刷液109の流速も同様に検出された温度あるいは圧電素子101を介する電流の変化によって検知することができる。温度は、内部に設置された温度センサによって検出することができる。電流はアンペア計あるいは適宜な電気回路によって測定することができる。一般的に、音響レベルは印刷ヘッド103の圧電素子101を介する電流と相関する。すなわち、圧電素子101を介する電流がより大きくなると、音響レベルも上昇する。この方式によって、印刷ヘッド103内で個々の流路、個々のノズル、ノズルライン、あるいはインクチャンバが内部結合されている場合でも、流動を測定することができる。
【0043】
例えば、圧電素子101の付勢に際して所与の時間、例えば10分にわたって電流が変化する場合、そのことは流動あるいは温度が低いことを意味する。圧電素子101の昇温によって、放出弾道あるいはエネルギー消費も変化する。
【0044】
その技術により、印刷ヘッド103を介する流速を詳細かつ定点的に測定することができる。内部フィルタあるいは流路の詰まりに際して、流動測定によって故障位置を特定することができる。従って、電圧プロフィール107に従った圧電素子101の付勢ならびに電流の測定によって、印刷液109の流体特性に関する結果を提示することができる。
【0045】
印刷ヘッド103内の個々の圧電素子101を、音響工学的あるいは電流測定を使用して機能適格性に関して検査することができる。圧電素子101の故障に際して、正常動作に比べて電流が低下する。さらに、個々の印刷ヘッドラインの流動測定を、印刷ヘッド103内部で実行することができる。
【0046】
加えて、異なった印刷液109の間で圧電素子101による電流の測定において相違が検知される。その方式によって、印刷液109を流体工学的に識別するあるいは特徴付けることが可能になる。加えて、印刷液109から弾力性に関しての推定を行うことができる。
【0047】
この検査方法は、印刷液109の流動が存在しないことによって構成要素を加熱するエネルギー放出あるいはエネルギー流も発生しないということに基づく。そのことから、圧電素子101の電流消費の変化がもたらされる。
【0048】
図6には、印刷ヘッド103の閉鎖プレート111の概要が示されている。この方法は、印刷ノズル105を開放あるいは閉鎖して実行することができる。印刷ノズル105を閉鎖するために、印刷ヘッド103上に設置された閉鎖プレート111を使用することができる。
【0049】
図7には、印刷ヘッド103を分析する方法のブロック線図が示されている。ステップS101において、印刷ヘッド103内の圧電素子101が所定の電圧プロフィール107の順番列で付勢される。ステップS102において、前記付勢中の音響レベル、電流、および/または印刷ヘッド103の温度を測定して評価する。この方法により、圧電素子101および印刷ノズル105を、音響工学的あるいは電流測定を使用して、流動あるいは電気的な停止に関して検査することができる。この方法は、基礎的なシステムパラメータを判定して、印刷液109、印刷ヘッド103、および流体システムを分析、特徴付け、あるいは検査する可能性を提供する。
【0050】
この方法によって、印刷装置100から多様なパラメータを取得して、必要に応じて対処策を実施することが可能になる。そのことは、印刷ヘッド103が遮蔽されている状態で自動的に実行することができる。それによって、低コストな最適化と時間節約を達成することができる。効率的かつ継続的な印刷システムの監視が実行される。故障検出および保守が容易になる。さらに、遠隔診断、印刷装置100の製造に際してのコスト削減、ならびに高いプロセス安全性も可能になる。
【0051】
本発明の個々の実施形態に関連して説明および図示した全ての特徴を、多様な組み合わせで本発明の対象とすることができ、それによって同時に有効な利点が達成される。
【0052】
全ての方法ステップは、各方法ステップを実行するために適した装置を使用して実行することができる。対象である特徴によって実行される全ての機能は、この方法における方法ステップとすることができる。
【0053】
本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲によって定義され、説明中に記述されたあるいは図示された特徴によって限定されるものではない。
【符号の説明】
【0054】
100 印刷装置
101 圧電素子
103 印刷ヘッド
105 印刷ノズル
107 電圧プロフィール
109 印刷液
111 閉鎖プレート
113 対象物
115 液滴
117 インクチャンバ
119 構築プラットフォーム
121 開始区分
123 ホールド区分
125 最終区分
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7