JP2017144659A - 液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置 - Google Patents

液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ヘッドの大型化を抑制しつつ、共通液室内の振動を効果的に抑制できるようにする。【解決手段】共通循環液室40は、ノズル配列方向と直交する方向において、共通液室10と並んで配置され、共通液室10は、共通循環液室40と並ぶ部分10Aと、共通循環液室40と並ばない部分10Bとを含み、共通液室10の共通循環液室40と並ばない部分10Bは、ノズル配列方向と直交する方向の幅L1が、共通液室10の共通循環液室40と並ぶ部分10Bの幅L2よりも広く、共通液室10の共通循環液室40と並ばない部分10Bの壁面を形成するダンパ部材81を備えている。【選択図】図2

Description

本発明は液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置に関する。
液体を吐出する液体吐出ヘッド(液滴吐出ヘッド)として、複数の個別液室内の液体を循環させる循環型ヘッドが知られている。
例えば、複数の個別液室に液体を供給する共通液室(共通供給流路)と複数の個別液室に通じて液体が戻される循環共通液室(共通戻り流路)とを、ヘッドのフレーム部材に、ノズル配列方向と直交する方向において並べて配置したものが知られている(特許文献1)。
特開2015−071289号公報
ところで、特許文献1に開示されているように、循環共通液室を、ノズル配列方向と直交する方向において、共通液室と並べて配置すると、ヘッドの幅が大きくなって大型化するという課題がある。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ヘッドの大型化を抑制しつつ、共通液室の振動を効果的に抑制することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、
液体を吐出するノズルに通じる複数の個別液室と、
前記個別液室に液体を供給する共通液室と、
前記個別液室に通じる循環流路と、
前記循環流路が通じる循環共通液室と、を有し、
前記共通液室の一部と前記循環共通液室とは面内方向において並べて配置され、
前記共通液室の残部は、前記循環共通液室と並ぶ前記一部よりも並び方向の幅が広く、
前記共通液室の残部の壁面を形成する復元可能に変形可能な振動減衰部材を備えている
構成とした。
本発明によれば、ヘッドの大型化を抑制しつつ、共通液室内の振動を効果的に抑制することができる。
本発明の第1実施形態に係る液体吐出ヘッドの外観斜視説明図である。 同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向(液室長手方向)の断面説明図である。 同ヘッドのノズル配列方向(液室短手方向)の断面説明図である。 図2のA−A線に沿うノズル配列方向に沿う断面説明図である。 図2のB−B線に沿うノズル配列方向に沿う断面説明図である。 ダンパ室部材の平面説明図である。 本発明の第2実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向に沿う断面説明図である。 本発明の第3実施形態に係る液体吐出ヘッドの減衰部材保持部材の平面説明図である。 本発明に係る液体を吐出する装置の一例の要部平面説明図である。 同装置の要部側面説明図である。 本発明に係る液体吐出ユニットの他の例の要部平面説明図である。 本発明に係る液体吐出ユニットの更に他の例の正面説明図である。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明の第1実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図1ないし図3を参照して説明する。図1は同ヘッドの外観斜視説明図、図2は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向(液室長手方向)の断面説明図、図3は同ヘッドのノズル配列方向(液室短手方向)の断面説明図である。なお、図1では吐出方向を下向きにして示しているが、図2及び図3では吐出方向を上向きにして示している。
この液体吐出ヘッドは、ノズル板1と、流路板2と、壁面部材としての振動板部材3とを積層接合している。そして、振動板部材3を変位させる圧電アクチュエータ11と、第1フレーム部材である共通液室部材20及び第2フレーム部材である減衰部材保持部材80と、カバー21とを備えている。共通液室部材20及び減衰部材保持部材80でヘッドのフレーム部材を構成している。
ノズル板1は、液体を吐出する複数のノズル4を有している。
流路板2は、ノズル4に通じる通路5、通路5に通じる個別液室6、個別液室6に通じる流体抵抗部7、流体抵抗部7に通じる液導入部8を形成する貫通穴や溝部を形成している。
振動板部材3は、液導入部8と共通液室部材20に形成される共通液室10とを通じる開口9を有している。
振動板部材3は、流路板2の個別液室6の壁面を形成する壁面部材である。この振動板部材3は2層構造とし、流路板2側から薄肉部を形成する第1層と、厚肉部を形成する第2層で形成され、第1層で個別液室6に対応する部分に変形可能な振動領域(振動板)30を形成している。この振動板部材3と流路板2で流路部材を構成している。
そして、この振動板部材3の個別液室6とは反対側に、振動板部材3の振動領域30を変形させる駆動手段(アクチュエータ手段、圧力発生手段)としての電気機械変換素子を含む圧電アクチュエータ11を配置している。
この圧電アクチュエータ11は、ベース部材13上に接合した圧電部材12を有し、圧電部材12にはハーフカットダイシングによって溝加工して1つの圧電部材12に対して所要数の柱状の圧電素子(圧電柱)12A、12Bを所定の間隔で櫛歯状に形成している。
ここでは、圧電部材12の圧電素子12Aは駆動波形を与えて駆動させる圧電素子とし、圧電素子12Bは駆動波形を与えないで単なる支柱として使用しているが、すべての圧電素子12A、12Bを駆動させる圧電素子として使用することもできる。
そして、圧電素子12Aを振動板部材3の振動領域30に形成した島状の厚肉部である凸部30aに接合している。また、圧電素子12Bを振動板部材3の厚肉部である凸部30bに接合している。
圧電部材12は、圧電層と内部電極とを交互に積層したものであり、内部電極がそれぞれ端面に引き出されて外部電極が設けられている。
共通液室部材20は、振動板部材3に接合されて、個別液室6に液体を供給する共通液室10と、個別液室6から戻される液体が流入する循環共通液室40とを形成する。ここで、循環共通液室40は振動板部材3側に配置されている。
また、流路板2には、個別液室6と反対側であるノズル板1側に各個別液室6に通じる循環流路41、循環流路41と通路5とを通じる循環抵抗部42を形成する溝部と、循環流路41と循環共通液室40とを通じる通路43となる貫通穴が形成されている。また、振動板部材3には、通路43と循環共通液室40とを通じる開口44が形成されている。
なお、図1に示すように、共通液室10に通じる供給ポート23と、循環共通液室40に通じる循環ポート(排出ポート)46が外部に配置されている。
このように構成した液体吐出ヘッドにおいては、例えば圧電素子12Aに与える電圧を基準電位から下げることによって圧電素子12Aが収縮し、振動板部材3の振動領域30が下降して個別液室6の容積が膨張することで、個別液室6内に液体が流入する。
その後、圧電素子12Aに印加する電圧を上げて圧電素子12Aを積層方向に伸長させ、振動板部材3の振動領域30をノズル4に向かう方向に変形させて個別液室6の容積を収縮させることにより、個別液室6内の液体が加圧され、ノズル4から液体が吐出される。
そして、圧電素子12Aに与える電圧を基準電位に戻すことによって振動板部材3の振動領域30が初期位置に復元し、個別液室6が膨張して負圧が発生するので、このとき、共通液室10から個別液室6内に液体が充填される。そこで、ノズル4のメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次の吐出のための動作に移行する。
なお、このヘッドの駆動方法については上記の例(引き−押し打ち)に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや押し打ちなどを行なうこともできる。
次に、本実施形態における共通液室及び循環共通液室並びにダンパ部材の構成の詳細に図4ないし図6も参照して説明する。図4は図2のA−A線に沿うノズル配列方向に沿う断面説明図、図5は図2のB−B線に沿うノズル配列方向に沿う断面説明図、図6はダンパ室部材の平面説明図である。
共通液室部材20は、前述したように、個別液室6に液体を供給する共通液室10と、個別液室6から戻される液体が流入する循環共通液室40とが形成されている。ここで、循環共通液室40は、共通液室10を流路部材(ここでは、振動板部材3)に接合する側に配置されている。
循環共通液室40は、ヘッドの面内方向で、ノズル配列方向において、共通液室10の一部10Aと並んで配置されている。共通液室10は、循環共通液室40に並ぶ部分(一部)10Aと、循環共通液室40に並ばない部分(残部)10Bとを含んでいる。
本実施形態では、共通液室10の個別液室6に通じる側を下流側とするとき、循環共通液室40に並ぶ部分10Aは下流側の部分であり、循環共通液室40に並ばない部分10Bは上流側の部分である。
共通液室10の循環共通液室40に並ばない部分10Bのノズル配列方向と直交する方向の幅(以下、単に「幅」という。)L1が、共通液室10の循環共通液室40に並ぶ部分10Aの幅L2よりも広い。
そして、共通液室10の循環共通液室40に並ばない部分10Bの壁面を形成する復元可能に変形可能な振動減衰部材としてのダンパ部材81を備えている。ダンパ部材81は薄膜部材であり、共通液室部材20と減衰部材保持部材80とに挟まれて保持されている。
減衰部材保持部材80は、ダンパ部材81を挟んで共通液室10と反対側に、ダンパ部材81の変形を許容する室であるダンパ室(大気連通室)82を形成し、ダンパ室82を大気に開放する大気開放連通穴83が設けられている。
また、減衰部材保持部材80には、共通液室10を供給ポート23に通じる連通路25及び連通路26が設けられ、循環共通液室40と循環ポート46を通じる連通路48が設けられている。なお、ダンパ部材81には、連通路25、48に対応して開口が設けられている。また、ダンパ部材81には圧電アクチュエータ11用の貫通穴84が設けられている。
このように、ノズル配列方向において、循環共通液室40と共通液室10の一部の部分10Aとが並べて配置されているので、循環共通液室40と共通液室10全体を並べて配置した場合よりもヘッド幅を小さくできる。
一方、共通液室10の循環共通液室40に並ばない部分10Bの幅L1が、循環共通液室40に並ぶ部分10Aの幅L2よりも広く形成され、部分10Bの壁面に振動減衰部材であるダンパ部材81が配置されているので、大きなダンパ面積を確保することができる。
このようにして、ヘッドの大型化を抑制しつつ、共通液室内の振動を効果的に抑制することができる。
次に、本発明の第2実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図7を参照して説明する。図7は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向に沿う断面説明図である。
本実施形態では、ダンパ部材81は、振動板部材3と同様に、復元可能に変形可能な薄肉部81aと、薄肉部81aの周囲の厚肉部82bとで構成されている。ダンパ部材81の厚肉部82bを共通液室部材20と減衰部材保持部材80との間に挟んでいる。
このように構成することで、ダンパ部材の取り扱い性が向上する。また、ダンパ部材と振動板部材をともにNi電鋳膜とすることで、高温硬化型接着剤を使用しても振動板部材と線膨張係数を揃えることができ、部品の反りを抑制できる。
次に、本発明の第3実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図8を参照して説明する。図8は同ヘッドの減衰部材保持部材の平面説明図である。
減衰部材保持部材80には、共通液室10に面して弾性体保持部85を設け、弾性体保持部85内に共通液室10の壁面を形成する粘弾性体などの弾性体86を収容している。この場合、前記第1実施形態のダンパ部材を備えていないが、前記ダンパ室82内に弾性体を充填することもできる。
次に、本発明に係る液体を吐出する装置の一例について図9及び図10を参照して説明する。図9は同装置の要部平面説明図、図10は同装置の要部側面説明図である。
この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構493によって、キャリッジ403は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構493は、ガイド部材401、主走査モータ405、タイミングベルト408等を含む。ガイド部材401は、左右の側板491A、491Bに架け渡されてキャリッジ403を移動可能に保持している。そして、主走査モータ405によって、駆動プーリ406と従動プーリ407間に架け渡したタイミングベルト408を介して、キャリッジ403は主走査方向に往復移動される。
このキャリッジ403には、本発明に係る液体吐出ヘッド404及びヘッドタンク441を一体にした液体吐出ユニット440を搭載している。液体吐出ユニット440の液体吐出ヘッド404は、例えば、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(K)の各色の液体を吐出する。また、液体吐出ヘッド404は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。
液体吐出ヘッド404の外部に貯留されている液体を液体吐出ヘッド404に供給するための供給機構494により、ヘッドタンク441には、液体カートリッジ450に貯留されている液体が供給される。
供給機構494は、液体カートリッジ450を装着する充填部であるカートリッジホルダ451、チューブ456、送液ポンプを含む送液ユニット452等で構成される。液体カートリッジ450はカートリッジホルダ451に着脱可能に装着される。ヘッドタンク441には、チューブ456を介して送液ユニット452によって、液体カートリッジ450から液体が送液される。
この装置は、用紙410を搬送するための搬送機構495を備えている。搬送機構495は、搬送手段である搬送ベルト412、搬送ベルト412を駆動するための副走査モータ416を含む。
搬送ベルト412は用紙410を吸着して液体吐出ヘッド404に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト412は、無端状ベルトであり、搬送ローラ413と、テンションローラ414との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、あるいは、エアー吸引などで行うことができる。
そして、搬送ベルト412は、副走査モータ416によってタイミングベルト417及びタイミングプーリ418を介して搬送ローラ413が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。
さらに、キャリッジ403の主走査方向の一方側には搬送ベルト412の側方に液体吐出ヘッド404の維持回復を行う維持回復機構420が配置されている。
維持回復機構420は、例えば液体吐出ヘッド404のノズル面(ノズルが形成された面)をキャッピングするキャップ部材421、ノズル面を払拭するワイパ部材422などで構成されている。
主走査移動機構493、供給機構494、維持回復機構420、搬送機構495は、側板491A,491B、背板491Cを含む筐体に取り付けられている。
このように構成したこの装置においては、用紙410が搬送ベルト412上に給紙されて吸着され、搬送ベルト412の周回移動によって用紙410が副走査方向に搬送される。
そこで、キャリッジ403を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド404を駆動することにより、停止している用紙410に液体を吐出して画像を形成
する。
このように、この装置では、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高画質画像を安定して形成することができる。
次に、本発明に係る液体吐出ユニットの他の例について図11を参照して説明する。図11は同ユニットの要部平面説明図である。
この液体吐出ユニットは、前記液体を吐出する装置を構成している部材のうち、側板491A、491B及び背板491Cで構成される筐体部分と、主走査移動機構493と、キャリッジ403と、液体吐出ヘッド404で構成されている。
なお、この液体吐出ユニットの例えば側板491Bに、前述した維持回復機構420、及び供給機構494の少なくともいずれかを更に取り付けた液体吐出ユニットを構成することもできる。
次に、本発明に係る液体吐出ユニットの更に他の例について図12を参照して説明する。図12は同ユニットの正面説明図である。
この液体吐出ユニットは、流路部品444が取付けられた液体吐出ヘッド404と、流路部品444に接続されたチューブ456で構成されている。
なお、流路部品444はカバー442の内部に配置されている。流路部品444に代えてヘッドタンク441を含むこともできる。また、流路部品444の上部には液体吐出ヘッド404と電気的接続を行うコネクタ443が設けられている。
本願において、吐出される液体は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が30mPa・s以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、DNA、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、3次元造形用材料液等の用途で用いることができる。
液体を吐出するエネルギー発生源として、圧電アクチュエータ(積層型圧電素子及び薄膜型圧電素子)、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものが含まれる。
「液体吐出ユニット」は、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体が含まれる。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。
ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合などで互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。また、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。
例えば、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。また、チューブなどで互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。
また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。
また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。また、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。
また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。
また、液体吐出ユニットとして、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。このチューブを介して、液体貯留源の液体が液体吐出ヘッドに供給される。
主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。
「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて液体を吐出させる装置が含まれる。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を 気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。
この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。
例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物(三次元造形物)を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置(三次元造形装置)がある。
また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層(粉末層)、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。
また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。
また、「液体を吐出する装置」としては、他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液を、ノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。
なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。
1 ノズル板
2 流路板
3 振動板部材
4 ノズル
6 個別液室
10 共通液室
11 圧電アクチュエータ
20 共通液室部材
40 循環共通液室
41 循環流路
80 減衰部材保持部材
81 ダンパ部材(薄膜部材)
85 弾性体保持部
86 弾性体
403 キャリッジ
404 液体吐出ヘッド
440 液体吐出ユニット

Claims (8)

  1. 液体を吐出するノズルに通じる複数の個別液室と、
    前記個別液室に液体を供給する共通液室と、
    前記個別液室に通じる循環流路と、
    前記循環流路が通じる循環共通液室と、を有し、
    前記共通液室の一部と前記循環共通液室とは面内方向において並べて配置され、
    前記共通液室の残部は、前記循環共通液室と並ぶ前記一部よりも並び方向の幅が広く、
    前記共通液室の残部の壁面を形成する復元可能に変形可能な振動減衰部材を備えている
    ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記振動減衰部材は薄膜部材である
    ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記薄膜部材は、復元可能に変形可能な薄肉部と、薄肉部の周囲の厚肉部とで構成されている
    ことを特徴とする請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記薄膜部材を挟んで前記共通液室と反対側に、前記薄膜部材の変形を許容する室が設けられている
    ことを特徴とする請求項2又は3に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記振動減衰部材は弾性体である
    ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 請求項1ないし5のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを含むことを特徴とする液体吐出ユニット。
  7. 前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくともいずれか一つと前記液体吐出ヘッドとを一体化した
    ことを特徴とする請求項6に記載の液体吐出ユニット。
  8. 請求項1ないし5のいずれかに記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項6若しくは7に記載の液体吐出ユニットを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。
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