JP2019122955A - 弁型ノズル及び液体を吐出する装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ピエゾ素子への印可電圧が0になった場合でも吐出口からの液体漏れが生じない弁型ノズルを提供する。【解決手段】 弁型ノズル1は、液体が吐出される吐出口2をピエゾ素子5に所定の電圧を印加することにより移動可能に形成された弁体7によって開閉することにより液体の吐出を制御するものであり、ピエゾ素子5と弁体7の間に移動機構8を設けることによりピエゾ素子5に所定の電圧EVを印加するとピエゾ素子5が伸張した際に移動機構8が吐出口2を開口する方向に弁体7を移動させることで液体11が吐出される。そして、ピエゾ素子5への電圧の印可が無くなった場合には移動機構8が原型に復帰することにより弁体7が吐出口2を閉塞して液体11の吐出を阻止する。【選択図】図1

Description

本発明は、弁型ノズル及び液体を吐出する装置に関し、さらに詳しくは、塗装装置や自動描画装置等に好適な弁型ノズル及び液体を吐出する装置に関する。
車体等に塗装や印字を行う塗装装置のインクジェットノズルとして、例えば、特許文献1に示す弁型インクジェットノズルを用いたものがある。この弁型インクジェットノズルは、弁を開閉する駆動手段として電磁駆動機構を利用したものであるが、弁の駆動速度(開閉速度)を上げるために、ピエゾ駆動機構を利用した従来例もある。そのようなピエゾ駆動機構を用いた弁型インクジェットノズルの従来例の一つを図3に示す。図3(a)は吐出口を閉塞した状態を示す従来のピエゾ駆動機構を用いた弁型インクジェットノズルの断面図、(b)は吐出口を開口した状態を示す従来のピエゾ駆動機構を用いた弁型インクジェットノズルの断面図である。
図示された従来の弁型インクジェットノズル100は、先端にインクを吐出する吐出口102が設けられると共に、吐出口102の近傍には注入口103が設けられた中空状のノズル本体101と、ノズル本体101に内蔵されて外部からの電圧の印加に応じて伸縮(図3では左右方向へ伸縮)するピエゾ素子104と、伸縮するピエゾ素子104の先端側に固定されて吐出口102を開閉する弁体105と、弁体105に外嵌されてピエゾ素子104側へインクが流入することを阻止する封止部材106と、ピエゾ素子104の電極に接続された電圧印可用の一対のリード線107,108を備えて構成されている。
そして、弁型インクジェットノズル100のリード線107,108を介して所定の電圧(EV)がピエゾ素子104に印可されると、ピエゾ素子104が長手方向に伸張することにより弁体105が図3(a)の左側に移動して弁体105が吐出口102を閉塞する。これにより、吐出口102からのインク109の吐出が阻止される。そして、ピエゾ素子104への電圧の印加が0V、すなわち電圧の印可が行われない場合には、ピエゾ素子104が元の状態(原形)に戻ることにより、図3(b)に示すように、吐出口102が開口されてインク109が吐出口102から吐出されて塗装等が行われる。尚、ピエゾ素子104は、負の電圧(−EV)が印可されると破壊する特性を有しているため、負の電圧を印加することはできない。
特許第4123897号公報
上述したピエゾ素子104を利用した従来の弁型インクジェットノズルは、インクを吐出する必要のないときにピエゾ素子104に所定の電圧を印加して弁体105によって吐出口102を閉塞したままにする必要がある。しかしながら、何らかのトラブルによって印加電圧がダウンしたり、停電が発生したりすると、ピエゾ素子104が原形に戻ってしまい、弁体105が吐出口102を開口し、その結果、インク109が吐出口102から漏れ出すことになる。インク漏れはインク109の大量かつ無駄な消費を引き起こすのみならず、漏れ出たインク109が吐出口102の周辺を汚染してノズル詰まりを起こすという問題を発生させる。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、ピエゾ素子への電圧印可の継続中に印加電圧が0になった場合であっても吐出口からの液体漏れが生じないようにした弁型ノズル及び液体を吐出する装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために請求項1に記載の発明は、液体が吐出される吐出口をピエゾ素子に所定の電圧を印加することにより移動可能に形成された弁体によって開閉することにより液体の吐出を制御する弁型ノズルにおいて、前記ピエゾ素子と弁体の間に移動機構を介在させ、前記ピエゾ素子に所定の電圧を印加することにより前記移動機構によって前記吐出口を開口するように前記弁体を移動させると共に、前記ピエゾ素子に印加する所定の電圧を解放することにより前記移動機構によって前記吐出口を閉口するようにしたことを特徴とする。
上記課題を解決するために請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の弁型ノズルにおいて、前記移動機構は、前記ピエゾ素子に所定の電圧を印加した際に当該ピエゾ素子が伸張する長さよりも前記弁体が移動する長さの方が長くなるように形成されていることを特徴とする。
上記課題を解決するために請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の弁型ノズルを有する液体吐出ヘッドと、当該液体吐出ヘッドを移動させる液体吐出ヘッド移動機構と、を有することを特徴とした液体を吐出する装置である。
本発明に係る弁型ノズル又は液体を吐出する装置によれば、ピエゾ素子と弁体との間に移動機構を配置することにより、電圧印可が0のときに弁体が吐出口を閉塞するように構成したので、何らかのトラブルによって印加電圧が0となったり、停電が発生した場合であっても吐出口から液体が漏れ出すことが防止できるという効果がある。その結果、液体が大量かつ無駄に消費されることが防止されると共に、漏れ出た液体によるノズル詰まりの発生を防止できるという効果がある。
(a)は吐出口を閉塞した状態を示す本発明に係る弁型インクジェットノズルの一実施形態を示す断面図、(b)は吐出口を開口した状態を示す本発明に係る弁型インクジェットノズルの一実施形態を示す断面図である。 ピエゾ素子に対する印可電圧の一例を示す波形図である。 (a)は吐出口を閉塞した状態を示す従来のピエゾ駆動機構を用いたインクジェットノズルの断面図、(b)は弁体が吐出口を開口した状態を示す従来のピエゾ駆動機構を用いたインクジェットノズルの断面図である。 インクジェットプリンタの一実施形態を示す構成図である。 プリント対象である自動車Mに対する図4に示すインクジェットプリンタの配置例を示す説明図である。 プリント対象の自動車Mに対する図4に示すインクジェットプリンタの他の配置例を示す説明図である。 (a)インクジェットプリンタで球面に画像をプリントした場合の説明図、(b)は球面に四角形をプリントした場合の結果を示す説明図、(c)は球面にインクジェットプリンタで四角形を連続してプリントした場合の説明図である。
[弁型インクジェットノズルの構成]
以下、本発明に係る弁型インクジェットノズル(弁型ノズルの一例)について、好ましい一実施形態に基づいて詳細に説明する。図1(a)は吐出口を閉塞した状態を示す本発明に係る弁型インクジェットノズルの一実施形態を示す断面図、(b)は吐出口を開口した状態を示す本発明に係る弁型インクジェットノズルの一実施形態を示す断面図である。
図示された弁型インクジェットノズル1は、概略として、先端にインク(液体の一例)を吐出する吐出口2が設けられると共に、吐出口2の近傍にインクを注入する注入口3が設けられた中空状のノズル本体4と、ノズル本体4に内蔵され、外部からの電圧の印加に応じて伸縮(図1(a),(b)の左右方向へ伸縮)するピエゾ素子(Piezoelectric element)5と、吐出口2を開閉する弁体7と、弁体7とピエゾ素子5の間に配置された逆バネ機構8(移動機構の一例)と、弁体7に外嵌されてインクがピエゾ素子5側へ流入することを阻止する封止部材6と、ピエゾ素子5の電極に接続された電圧印可用の一対のリード線9,10を備えて構成されている。
ノズル本体4は、全体として円筒状又はや角筒状に形成され、吐出口2及び注入口3以外は閉塞されている。吐出口2はノズル本体4の先端に穿設された小さな開口であり、インク11が吐出されるようになっている。注入口3は、吐出口2の近傍のノズル本体4の側面に設けられ、図示しないインクタンクと接続されると共に図示しない加圧手段によって連続的にインク(または塗料)が弁型インクジェットノズル1に供給されるようになっている。ピエゾ素子(圧電素子)5は、ジルコニアセラミックス等を用いて形成されており、吐出されるインク11の量等に応じて適宜の外形及び厚みによって形成される。また、ピエゾ素子5は、制御部20によって制御される駆動部21から出力される例えば図2(a)に示すような波形の電圧が連続的に印可される。封止部材6は、例えばパッキンやOリング等であり、封止部材6を弁体7に外嵌することで、注入口3側からピエゾ素子5側へインクが流入することを防止している。尚、弁型インクジェットノズル1を備えた塗装装置は、それぞれ異なる色のインクを吐出する弁型インクジェットノズル1を複数並列配置することによって構成される。
逆バネ機構8は、適宜に変形可能なゴムや軟質樹脂等又は薄い金属板等を成形加工することによって形成された弾性部材であり、弁体7の基端側の面(図1(a)では弁体7の右側端面)に当接するようにして形成された断面略台形状の変形部8aと、ノズル本体4の内壁面に固定される固定部8bと、ピエゾ素子5の端面と連結されるガイド部8cを備えており、台形状の変形部8の長辺(台形の下底に相当)は固定部8bと連結された屈曲辺8dとされている。このような構造を備えた逆バネ機構8は、駆動部21を介してピエゾ素子5に所定の電圧が印加されるとピエゾ素子5が伸張することによりガイド部8cが吐出口2側へ移動して変形部8aの屈曲辺8dの中央部付近を押圧すると共に、屈曲辺8dの周縁部側がピエゾ素子5側に引き込まれるように変形する。これにより、弁体7と連結されている変形部8aの頂部(台形の上底に相当)がピエゾ素子5側に移動する(図1(b)参照)。これにより、弁体7は図1に示す距離dだけピエゾ素子5側に引き寄せられることで吐出口2が開口する。そして、このような逆バネ機構8の変形部8aにおける弁体7との連結部である頂部と屈曲辺8dとの距離や屈曲辺8の長さを適宜に調整することによりピエゾ素子5が伸張する長さよりも弁体7が移動する長さを長くすることが可能となる。すなわち、逆バネ機構8はピエゾ素子5の僅かな伸張を増幅することが可能となる。これにより、高価なピエゾ素子5の長さを従来よりも短くすることができるのでノズルの生産コストを大幅に下げることができる。例えば、弁体7の移動距離をピエゾ素子5の端面の移動距離の2倍とすればピエゾ素5の長さを従来の約1/2にすることが可能となる。
このように、ピエゾ素子5に電圧が印加されていない状態においては、ピエゾ素子5は原型に戻るので逆バネ機構8には外部から力が加わらない状態となり、図1(a)に示すように変形は生じない。一方、ピエゾ素子に+EVの電圧が印可されるとピエゾ素子5が伸張し、これに応じて逆バネ機構8のガイド部8cが吐出口2方向(軸方向)へ移動するため、変形部8aが軸方向の変形を受け、図1(b)に示すように押し潰されたように変形する。
[弁型インクジェットノズル1の動作]
次に、上述した弁型インクジェットノズル1の動作について説明する。図2はピエゾ素子に対する印可電圧の一例を示す波形図である。ピエゾ素子5に電圧が印可されていない状態、すなわち、印加電圧=0Vのときには、逆バネ機構8の変形部8aは膨らんだ状態(通常状態)になっており、弁体7は変形部8aの弾性力によって吐出口2方向に付勢され、図1(a)に示すように、吐出口2は弁体7の端面によって閉塞されている。したがって、吐出口2からインク11が吐出されることはない。
そして、ピエゾ素子5に図2に示すような波形P1の電圧(+EV)が印可されると、ピエゾ素子5は図1(b)に示す軸方向に先端(図1では左端)が伸長してガイド部8cが吐出口2方向(軸方向)へ移動する。これに伴い、変形部8aの屈曲辺8dの中央部付近が吐出口2側(図1(a)の矢印a方向)へ押し込まれると共に、ノズル本体4の内壁側近くの屈曲辺8dの周縁部がピエゾ素子5側(図1(a)の矢印b方向)へ後退し、変形部8aが圧縮された状態となり、変形部8aの屈曲辺8dと弁体7との連結面までの長さが縮まり、弁体7が図1に示す距離dだけピエゾ素子5側に引き寄せられる。その結果、弁体7の先端面と吐出口2との間に図1(b)に示すような空隙が生じ、吐出口2が開口される。これにより、注入口3と吐出口2が連通して吐出口2からインク11が吐出する。
一方、図2(b)に示すように、ピエゾ素子5に対する波形P2の電圧(+EV)が途中で消失したり、また、図2(c)に示すように印可されるべき波形P3の電圧が停電等によってピエゾ素子5に印可されなかった場合には、ピエゾ素子5は原型に戻される、すなわち、図1(a)に示す状態に戻ることにより、逆バネ機構8は原型に復帰する。これにより、弁体7は吐出口2を閉塞するのでインク11が吐出口2から吐出されることはない。従って、停電等の場合であってもインク11が吐出口2から不用意に漏れ出すことがないことから吐出口2の周辺は汚染されることもなく、ノズル詰まりを生じることもない。
このように、本実施形態に係る弁型インクジェットノズルによれば、逆バネ機構8をピエゾ素子5と弁体7との間に介在させたことにより、ピエゾ素子5に対する印加電圧がダウンしたり停電となったとき、即ち、ピエゾ素子5への印加電圧が解放された場合には、逆バネ機構8の作用によって弁体7が吐出口2を閉塞するため、インク11が吐出口2から漏れ出ることがない。
また、ピエゾ素子5と弁体7との間に逆バネ機構8を介在させることでピエゾ素子5に所定の電圧を印加した際にピエゾ素子5が伸張する長さよりも弁体7が移動する長さの方が長くなるように形成することができ、ピエゾ素子5の長さを従来の弁型インクジェットノズルよりも短くすることができる。例えば、逆バネ機構8が縮む長さをピエゾ素子5が伸張する長さの2倍とすれば、ピエゾ素子5の長さを従来の1/2とすることができる。これにより、高価なピエゾ素子5を小型化することができるのでインクジェットノズル1の生産コストを大幅に下げることが可能となる。
[他の実施の形態]
尚、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上述した少なくとも1つの弁型ノズルは、下記のインクジェットプリンタ(液体を吐出する装置の一例)の少なくとも1つのノズルとして使用することが可能である。
以下、インクジェットプリンタの構成について説明する。図4はインクジェットプリンタの構成を示す構成図である。図示されたインクジェットプリンタ1001は、概略として、インクジェット方式によるプリントヘッド1002(液体吐出ヘッドの一例)と、プリントヘッド1002の近傍に配設された撮影手段としてのカメラ1004と、プリントヘッド1002及びカメラ1004をX方向及びY方向へ移動させるX−Yテーブル1003(液体吐出ヘッド移動機構の一例)と、カメラ1004で撮影した画像を編集する画像編集ソフトウエアS及び予め設定した制御プログラムに基づいてX−Yテーブル1003を動作させてプリントヘッド1002からインクを吐出して被プリント面に対するプリントを制御する制御部1009と、制御部1009からの制御に基づいてカメラ1004及びプリントヘッド1002を所定の位置に位置させて撮影やプリントの動作を行う駆動部1011を備えて構成されている。
プリントヘッド1002は、被塗装物Mの被塗装面に向けてインクを吐出する複数のノズル(図示せず)を備えて構成されている。尚、ここでいう「インク」には「塗料」も含まれるものとする。インクは各ノズルからプリントヘッド1002に対して垂直に吐出される。即ち、プリントヘッド1002のインクの吐出面は、X−Yテーブル1003の移動によって形成されるX−Y平面と平行であり、各ノズルから吐出されるインクドットはX−Y平面に対して垂直な方向に吐出される。また、各ノズルから吐出されるインクの吐出方向はそれぞれ平行に吐出される。各ノズルは、それぞれ所定の色のインクタンクと連結され、インクタンクは図示しない加圧装置によって加圧されており、各ノズルと被塗装物Mのプリント面との距離は20cm程度であれば問題なくインクドットをプリント面に吐出することができるようになっている。
X−Yテーブル1003は、概略として、直線移動機構を備えて形成されたX軸1005と、X軸1005を2つのアームで保持しつつX軸をY方向へ移動するY軸1006を備えて構成されており、X軸の図示しないスライダにプリントヘッド1002及び後述するカメラ1004が取り付けられている。また、Y軸1006にはシャフト1007が設けられており、このシャフト1007をロボットアーム1008で保持することで、プリントヘッド1002を被塗装物Mに対してプリントを行うべき所定位置に自由に配置できるようになっている。例えば、被塗装物Mが自動車である場合に、図5に示すような横位置に配置したり、図6に示すような上部に配置したりすることができる。尚、ロボットアーム1008は、予め制御部1009に格納されたプログラムに基づいてその動作が制御される。
カメラ1004は、プリントヘッド1002の近傍であるX軸1006の図示しないスライダに配設されてX−Y方向に移動しながら被塗装物Mの被プリント面の所定の範囲を一定の微小な間隔で撮影を行う。カメラ1004はいわゆるデジタルカメラであり、上述のように、被プリント面の所定の範囲について複数の細分割画像の撮影が可能なレンズの仕様や解像度等の仕様が適宜に選択される。カメラ1004による被プリント面の複数の細分割画像の撮影については、制御部1009に予め設けられたプログラムに従って連続的、且つ、自動的に行われる。
制御部1009は、各種のプログラム及び撮影済みの画像のデータやプリントすべき画像のデータ等を記録保存する記憶装置、プログラムに従って各種の処理を実行する中央処理装置、キーボードやマウス等の入力装置、必要に応じてDVDプレイヤー等を備えたいわゆるマイクロコンピュータによって構成され、さらにモニタ1010を備えており、制御部1009への入力情報や制御部1009による処理結果等を表示する。制御部1009は、後述するように、カメラ1004で撮影された複数の細分割画像データを画像処理ソフトを用いて画像処理を行い、平面ではない被塗装物Mの被プリント面を平面に投影した合成プリント面の生成を行うと共に、既に被プリント面にプリント済み画像に連続するようにプリントされるべき画像である描画対象画像Aを合成プリント面に重ね、プリント済み画像の縁端部と連続するように描画対象画像Aの編集を行うことにより描画対象編集画像Bの生成を行う。例えば、図7(c)に示したプリント画像1102b(描画対象画像Aに相当)について、隣接するプリント画像1102aとの間に非プリント領域1103が形成されないようにプリント画像1102bを合成プリント面に整合するように編集(変形)することにより描画対象編集画像Bを生成する。そして、この描画対象編集画像Bに基づいて実際にプリントヘッド1002によってプリントすることでプリント済みのプリント画像1102aとの間に隙間なくプリント画像1102bをプリントすることが可能となる。尚、カメラ1004による複数の細分割画像の撮影やプリントヘッド1002の各ノズルからのインクの吐出によるプリントの実施は制御部1009によって動作制御された駆動部1011によって行われる。
本願において、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッド又は液体吐出デバイス(例えば液体吐出ユニット)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である。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」としては、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や、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、壁紙や床材などの建材、衣料用のテキスタイルなど液体が一時的でも付着可能であればよい。
また、「液体」の例は、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い。特に限定されないが、「液体」の例は、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が30mPa・s以下となる物質であることが好ましい。
より具体的には、「液体」の例は、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る。
これら液体の用途は、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である。
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。
1 弁型インクジェットノズル
2 吐出口
3 注入口
4 ノズル本体
5 ピエゾ素子
6 封止部材
7 弁体
8 逆バネ機構
8a 変形部
8b 固定部
8c ガイド部
8d 屈曲辺
9,10 リード線
11 インク
1001 インクジェットプリンタ
1002 プリントヘッド
1003 X−Yテーブル
1004 カメラ
1005 X軸
1006 Y軸
1007 シャフト
1008 ロボットアーム
1009 制御部
1010 モニタ
1011 駆動部
1101 被塗装物
1102a プリント画像
1100 ノズルヘッド
1103 非プリント領域
1102b プリント画像
M 自動車(被塗装物)
S 画像編集ソフトウエア

Claims (3)

  1. 液体が吐出される吐出口をピエゾ素子に所定の電圧を印加することにより移動可能に形成された弁体によって開閉することにより液体の吐出を制御する弁型ノズルにおいて、
    前記ピエゾ素子と弁体の間に移動機構を介在させ、前記ピエゾ素子に所定の電圧を印加することにより前記移動機構によって前記吐出口を開口するように前記弁体を移動させると共に、前記ピエゾ素子に印加する所定の電圧を解放することにより前記移動機構によって前記吐出口を閉口するようにしたことを特徴とする弁型ノズル。
  2. 請求項1に記載の弁型ノズルにおいて、
    前記移動機構は、前記ピエゾ素子に所定の電圧を印加した際に当該ピエゾ素子が伸張する長さよりも前記弁体が移動する長さの方が長くなるように形成されていることを特徴とする弁型ノズル。
  3. 請求項1または2に記載の弁型ノズルを有する液体吐出ヘッドと、
    当該液体吐出ヘッドを移動させる液体吐出ヘッド移動機構と、
    を有する液体を吐出する装置。
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