JP2019181855A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動制御用ＩＣの発熱量が増加しても、冷却効率を高めて温度の安定化を図ることができる液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔を有するヘッド本体と、ヘッド本体に液体を供給する供給部を備えている。ヘッド本体には、一定距離離間して配置され、内部を冷却液が通流する流路が形成された水冷ユニット１００を備えている。ヘッド本体と水冷ユニットとの間には、制御素子が実装された第１の基板７０が配置され、一端側がヘッド本体に接続され、他端側が第１の基板に接続され、ヘッド本体を駆動する駆動制御用素子を搭載する第２の基板と、一端側が水冷ユニットの内部に接触し、他端側が駆動制御用素子に熱的に接続された熱伝導部材とを備えている。【選択図】図１０

Description

本発明の実施形態は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。

プリンタ（液体吐出装置）に用いられるインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）は、インクを吐出するための圧電素子を有するヘッドと、ヘッドの圧電素子を駆動するための駆動制御用ＩＣを備えている。駆動制御用ＩＣが実装される基板や、電子部品が実装される基板は、インクや異物の付着を防止する観点から、インナカバーに収容されるのが一般的である。

駆動制御用ＩＣから発生した熱は、インナカバーがヒートシンクとなって外部へ放出される。このため、ヒートシンクとして機能するインナカバーを大きくするほど、駆動制御用ＩＣから発生する熱に対する放熱効果を向上させることができる。しかしながら、近年、印字率及び印字速度の増加により、駆動制御用ＩＣへの負荷が増加しており、それに伴い発熱量も増えている。装置全体の大きさを考えるとインナカバーの大型化は限界にきている。

特開２０１５−２１７５９８号公報

本発明が解決しようとする課題は、駆動制御用ＩＣの発熱量が増加しても、冷却効率を高めて温度の安定化を図ることができる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供することである。

一実施形態に係る液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔を有するヘッド本体と、ヘッド本体にインクを供給する供給部を備えている。ヘッド本体には、一定距離離間して配置され、内部を冷却液が通流する流路が形成された水冷ユニットを備えている。ヘッド本体と水冷ユニットとの間には、制御素子が実装された第１の基板が配置され、一端側がヘッド本体に接続され、他端側がプリント配線基板に接続され、ヘッド本体を駆動する駆動制御用素子を搭載する第２の基板と、一端側が水冷ユニットの内部に接触し、他端側が駆動制御用素子に熱的に接続された熱伝導部材とを備えている。

図１は、第１の実施形態のインクジェットヘッドの斜視図である。 図２は、同インクジェットヘッドの正面図である。 図３は、同インクジェットヘッドの図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断し矢印方向に見た断面図である。 図４は、同インクジェットヘッドに組み込まれた水冷ユニットを示す分解斜視図である。 図５は、同インクジェットヘッドの要部の断面図である。 図６は、同インクジェットヘッドの組立工程を示す斜視図である。 図７は、同インクジェットヘッドの組立工程を示す斜視図である。 図８は、同インクジェットヘッドの組立工程を示す斜視図である。 図９は、同インクジェットヘッドの組立工程を示す斜視図である。 図１０は、同インクジェットヘッドの組立工程を示す斜視図である。 図１１は、第２の実施形態のインクジェットヘッドの正面図である。 図１２は、図１１におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線で切断し矢印方向に見た断面図である。 図１３は、同インクジェットヘッドに組み込まれた水冷ユニットを示す分解斜視図である。 図１４は、プリンタを示す図である。

以下、発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。また、実施形態の説明に用いる各図面は、説明のため、各部の縮尺を適宜変更して示している場合がある。
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係るプリンタ（液体吐出装置）１及びインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）１０について説明する。図１はインクジェットヘッド１０の斜視図、図２はインクジェットヘッド１０の正面図、図３はインクジェットヘッド１０の図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断し矢印方向に見た断面図、図４は、インクジェットヘッド１０に組み込まれた水冷ユニット１００を示す分解斜視図、図５は、同インクジェットヘッド１０の要部の断面図、図６は、インクジェットヘッド１０の組立工程を示す斜視図、図７は、インクジェットヘッド１０の組立工程を示す斜視図、図８は、インクジェットヘッド１０の組立工程を示す斜視図、図９は、インクジェットヘッド１０の組立工程を示す斜視図、図１０は、インクジェットヘッド１０の組立工程を示す斜視図である。

図１に示すようにインクジェットヘッド１０は、インク管路５に接続されるインクジェットヘッドである。

インクジェットヘッド１０は、ヘッド本体２０と、このヘッド本体２０上部に配置された水冷ユニット１００を備えている。ヘッド本体２０は、一対のサイドカバー３０を備えている。サイドカバー３０は例えば、熱伝導率が比較的高いアルミニウム材から形成されている。

ヘッド本体２０内には、サイドカバー３０に挟持されて、駆動ユニット４０が収容されている。サイドカバー３０は、板状のメインプレート３１と、このメインプレート３１の両側に一体的に形成された一対のサイドプレート３２を備えている。メインプレート３１及びサイドプレート３２は、放熱フィン３１ａ，３２ａを有している。したがって、メインプレート３１及びサイドプレート３２は、ヒートシンクの機能を有している。メインプレート３１の内側面には内側に向けて付勢された板バネ３１ｂと、凸部３１ｃが形成されている。板バネ３１ｂの代わりに、他の弾性体、例えばシリコンゴムを用いても良い。

駆動ユニット４０は、一対のインナプレート（熱伝導部材）４１を備えている。これらインナプレート４１は、インク循環ユニット５０及び基準プレート６０を挟持している。インナプレート４１と基準プレート６０はネジによって固定されている。

インク循環ユニット５０は、４つの筒状の接続部５１を有している。接続部５１には、インク供給チューブ５２及びインク排出チューブ５３が接続されている。

基準プレート６０は、プリンタ本体にインクジェットヘッド１０を固定・位置決めして取り付けるための部材である。基準プレート６０は、プレート６１を有している。プレート６１は、４つの開口孔６２が形成されている。開口孔６２には上述した接続部５１の外周が嵌め込まれ、接着固定されている。

プリント配線基板（第１の基板）７０は、基板本体７１を備えている。基板本体７１には、穴部７２が形成されている。穴部７２は後述する駆動制御用ＩＣ８２の上方に形成される。基板本体７１の外側の面には絶縁フィルム７３が貼られている。基板本体７１は絶縁フィルム７３を介してインナプレート４１に固定されている。絶縁フィルム７３は例えばグラファイトシートである。基板本体７１上には制御素子が実装されている。制御部２との通信には図９に示す通信端子７４が用いられ、この通信端子７４にはフラットケーブル７５が接続されている。

図５に示すように、プリント配線基板７０の下方には配線フィルム（第２の基板）８０が配置されている。配線フィルム８０は、柔軟性のあるフィルムベース８１を有している。フィルムベース８１上には信号線と接続される配線が施されている。また、フィルムベース８１の内側には駆動制御用ＩＣ（駆動制御用素子）８２が実装されている。駆動制御用ＩＣ８２の配線フィルム８０と反対側の面は絶縁フィルム７３を挟んでインナプレート４１に接続されている。

配線フィルム８０の上端にはプリント配線基板７０が接続され、下端は後述するヘッドプレート９１が接続されている。

ヘッド本体２０の下部には吐出ユニット９０が設けられている。吐出ユニット９０の最下端にはヘッドプレート（ヘッド本体）９１が配置されている。ヘッドプレート９１にはインクを吐出するための吐出孔（不図示）及び圧力室が形成されている。各圧力室にはそれぞれ圧力室を駆動させる配線フィルム８０の配線が接続されている。

駆動制御用ＩＣ８２は、メインプレート３１側からインナプレート４１側に、弾性体（板バネ又は、シリコンゴム等）により接するように押し付けられ、駆動制御用ＩＣ８２にて発生した熱をインナプレート４１に伝達する構造である。

ヘッドプレート９１は、その上面でマニホールド９２に接している。マニホールド９２は、圧力室に連通してインクを供給、排出する流路を有している。マニホールド９２には、インク供給チューブ、及びインク排出チューブが接続される接続部が接着されている。

水冷ユニット１００は、四角枠状の筐体１１０と、この上面側を閉塞するトップカバー１２０を備えている。筐体１１０及びトップカバー１２０は、いずれもアルミニウム・マグネシウム・セラミック等の熱伝導性の高い材料によって形成されている。

筐体１１０の内壁面１１１には凹部１１２が形成されている。内壁面１１１には上述したインナプレート４１の上端部が接触している。凹部１１２にはフラットケーブル７５が位置する。筐体１１０の外壁面１１３には冷却フィン１１４が形成されている。筐体１１０の内部には後述する冷却液が通流する流路（溝）１１５が形成されている。流路１１５は後述するプレート１２１に覆われることで流路となる。冷却液は、蒸留水にグリセリン等を混合した不凍液が用いられる。

トップカバー１２０は板状のプレート１２１を有している。プレート１２１には、２組のインク供給チューブ５２及びインク排出チューブ５３を通すための孔部１２２が形成されている。またフラットケーブル７５を通すためのスリット孔１２３が形成されている。さらに、冷却液供給口１２４と冷却液排水口１２５が形成され、流路１１５に接続されている。冷却液供給口１２４から供給された冷却液は、流路１１５を通過し、冷却液排水口１２５から排出される。

このように構成されたインクジェットヘッド１０は、次のようにして組み立てられる。すなわち、図６に示すように、ヘッドプレート９１に配線フィルム８０を実装する。配線フィルム８０にプリント配線基板７０を接続する。ヘッドプレート９１にマニホールド９２を取り付ける。マニホールド９２に接続部５１を取り付ける。接続部５１を基準プレート６０の開口孔６２に通す。

次に、図７に示すように接続部５１にインク供給チューブ５２及びインク排出チューブ５３を取り付ける。次に、図８に示すようにインナプレート４１を基準プレート６０に固定する。次に、図９に示すようにプリント配線基板７０をインナプレート４１に取り付ける。プリント配線基板７０の通信端子７４にフラットケーブル７５を接続する。

次に、図１０に示すように、水冷ユニット１００の内壁面１１１側にインナプレート４１、インク供給チューブ５２及びインク排出チューブ５３とフラットケーブル７５を通す。さらにサイドカバー３０同士を結合する。この時、サイドカバー３０の凸部３１ｃを穴部７２からインナプレート４１に突き当て、ネジ止めする。また、板バネ３１ｂは駆動制御用ＩＣ８２をインナプレート４１に押し付ける。

このようにして組み立てられたインクジェットヘッド１０は、次のようにして印刷・冷却が行われる。すなわち、外部から印刷命令が入力されると駆動制御用ＩＣ８２がヘッドプレート９１の圧力室の制御を開始し、インク供給チューブ５２から供給されたインクを記録媒体Ｓに向けて吐出する（図１４参照）。この時、駆動制御用ＩＣ８２が発熱する。駆動制御用ＩＣ８２の熱は、直接接しているインナプレート４１に伝達する。インナプレート４１に伝わった熱は、図５中二点鎖線Ｈに示すようにして、上方へ熱拡散する。インナプレート４１はサイドカバー３０の凸部３１ｃと当接しており、熱がサイドカバー３０に伝わる。穴部７２によってインナプレート４１とサイドカバー３０とは最短距離で接触しているため、熱伝達効率を高めることができる。

一方、インナプレート４１の上端は水冷ユニット１００に接続されている。水冷ユニット１００には冷却液が通流しており、インナプレート４１を冷却する。なお、インク排出チューブ５３を通流するインクの温度を温度センサによって検出することで冷却液の流量を調整し、温度を一定に保つ。すなわち、駆動制御用ＩＣ８２の発熱量が増加しても、冷却効率を高めて温度の安定化を図ることができる
上述したように駆動制御用ＩＣ８２からインナプレート４１に伝わった熱は、サイドカバー３０によって空冷されると共に、水冷ユニット１００により冷却される。したがって、高い放熱効果が得られる。このため、駆動制御用ＩＣ８２が過熱することによる不具合や、基準プレート６０に対する吐出ユニット９０の相対位置が高い精度で保たれると共に、インクの粘度上昇に伴う印刷品質の低下を防止することができる。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０では、駆動制御用ＩＣ８２からの熱を効率よく放熱することができる。このため、印字速度を向上させることが可能となる。また、吐出ユニット９０を精度よく位置決めすることが可能となる。特に、インクジェットヘッド１０を複数設置してインクを吐出するプリンタにおいては、各インクジェットヘッド１０相互間の位置関係の変動を抑制することができる。したがって、印字品質を向上させることが可能となる。
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態に係るインクジェットヘッド１０Ａを図１１〜図１３を用いて説明する。図１１はインクジェットヘッド１０Ａの正面図、図１２は、図１１におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線で切断し矢印方向に見た断面図、図１３は、インクジェットヘッド１０Ａの水冷ユニット１３０を示す分解斜視図である。なお、これらの図において、図１〜図１０と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

水冷ユニット１３０は、四角枠状の筐体１４０と、この上面側を閉塞するトップカバー１５０を備えている。筐体１４０及びトップカバー１５０は、いずれもアルミニウム・マグネシウム・セラミック等の熱伝導性の高い材料によって形成されている。

筐体１４０の内壁面１４１には凹部１４２が形成されている。内壁面１４１には上述したインナプレート４１の上端部が接触している。凹部１４２にはフラットケーブル７５が位置する。筐体１４０の外壁面１４３には冷却フィン１４４が形成されている。筐体１４０の内部には冷却液が通流する流路１４５が形成されている。流路１４５は、貫通していない３本の長穴であり、その端部に、冷却液供給口１４６と冷却液排水口１４７が形成されている。なお、パイプ等が接続されていない孔にはプラグ１４８によって液密に閉塞されている。冷却液供給口１４６から供給された冷却液は、流路１４５を通過し、冷却液排水口１４７から排出される。

トップカバー１５０は板状のプレート１５１を有している。プレート１５１には、２組のインク供給チューブ５２及びインク排出チューブ５３を通すための孔部１５２が形成されている。またフラットケーブル７５を通すためのスリット孔１５３が形成されている。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０Ａにおいても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１４に示すプリンタ（液体吐出装置）１は、複数のインクジェットヘッド１０と、インクジェットヘッド１０を図中矢印方向に沿って移動可能に支持するヘッド支持機構１１と、記録媒体Ｓを移動可能に支持する媒体支持機構１２と、ホスト制御装置１３と、を備える。

図１に示すように、複数のインクジェットヘッド１０が、所定の方向に並列して配置されヘッド支持機構１１に支持される。ホスト制御装置１３は、ヘッド支持機構１１に設けられたキャリッジ１１ａによって記録媒体Ｓを矢印方向に沿って往復移動させる。インクジェットヘッド１０は、インクを循環して回収・供給するインク循環機構（液体循環機構）１５を一体に備える。液体吐出装置１０は、液体として例えばインクを吐出ユニット９０から吐出することで、対向して配される記録媒体Ｓに所望の画像を形成する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、絶縁フィルム７３はグラファイトシートとしたが、絶縁性と熱伝達性を兼ねた材料であれば他の材料を用いてもよい。インクジェットヘッド１０が、２組のインク供給チューブ５２及びインク排出チューブ５３を有している場合について説明したが、１組のインク供給チューブ５２及びインク排出チューブ５３を有している場合でも、３組以上のインク供給チューブ５２及びインク排出チューブ５３を有していてもよい。また、インク供給チューブ５２及びインク排出チューブ５３は、対になっている必要はない。例えば、インク供給チューブ５２を１本の管路となるように構成してもよい。

実施形態のプリンタ１は、記録媒体Ｓに、インクによる二次元の画像を形成するインクジェットプリンタである。しかしながら、実施形態のプリンタは、これに限られるものではない。実施形態のプリンタは、例えば、３Ｄプリンタ、産業用の製造機械、又は医療用機械などであっても良い。実施形態のプリンタが３Ｄプリンタ、産業用の製造機械、又は医療用機械などである場合には、実施形態のプリンタは、例えば、素材となる物質又は素材を固めるためのバインダなどを液体吐出ヘッドから吐出させることで、立体物を形成する。

実施形態のプリンタ１は、インクジェットヘッド１０を５つ備え、それぞれのインクジェットヘッド１０が使用するインクの色はシアン、マゼンタ、イエロー、ブラック又はホワイトである。しかしながら、インクジェット記録装置が備えるインクジェットヘッド１０の数は５つに限定せず、また、複数でなくても良い。また、それぞれのインクジェットヘッド１０が使用するインクの色及び特性などは限定しない。

また、インクジェットヘッド１０は、透明光沢インク、赤外線又は紫外線等を照射したときに発色するインク、又はその他の特殊インクなども吐出可能である。さらに、インクジェットヘッド１０は、インク以外の液体を吐出することができるものであっても良い。なお、インクジェットヘッド１０が吐出する液体は、懸濁液などの分散液であっても良い。インクジェットヘッド１０が吐出するインク以外の液体としては例えば、プリント配線基板の配線パターンを形成するための導電性粒子を含む液体、人工的に組織又は臓器などを形成するための細胞などを含む液体、接着剤などのバインダ、ワックス、又は液体状の樹脂などが挙げられる。

この発明の実施形態を説明したが、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。この新規な実施形態は、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、変更を行うことが出来る。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…プリンタ（液体吐出装置）、１０，１０Ａ…インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）、２０…ヘッド本体、３０…サイドカバー、３１…メインプレート、３１ａ…放熱フィン、３１ｂ…板バネ、３１ｃ…凸部、３２…サイドプレート、３２ａ…放熱フィン、４０…駆動ユニット、４１…インナプレート（熱伝導部材）、５０…インク循環ユニット、５１…接続部、５２…インク供給チューブ、５３…インク排出チューブ、６０…基準プレート、６１…プレート、６２…開口孔、７０…プリント配線基板（第１の基板）、７１…基板本体、７２…穴部、７３…絶縁フィルム、７４…通信端子、７５…フラットケーブル、８０…配線フィルム（第２の基板）、８１…フィルムベース、９０…吐出ユニット、９１…ヘッドプレート（ヘッド本体）、９２…マニホールド、１００…水冷ユニット、１１０…筐体、１１１…内壁面、１１２…凹部、１１３…外壁面、１１４…冷却フィン、１１５…流路（溝）、１２０…トップカバー、１２１…プレート、１２２…孔部、１２３…スリット孔、１２４…冷却液供給口、１２５…冷却液排水口、１３０…水冷ユニット、１４０…筐体、１４１…内壁面、１４２…凹部、１４３…外壁面、１４４…冷却フィン、１４５…流路、１４６…冷却液供給口、１４７…冷却液排水口、１４８…プラグ、１５０…トップカバー、１５１…プレート、１５２…孔部、１５３…スリット孔。

Claims (5)

1. 複数の吐出孔を有するヘッド本体と、
   前記ヘッド本体に液体を供給する供給部と、
   前記ヘッド本体に一定距離離間して配置され、内部を冷却液が通流する流路が形成された水冷ユニットと、
   前記ヘッド本体と前記水冷ユニットとの間に配置され、制御素子が実装された第１の基板と、
   一端側が前記ヘッド本体に接続され、他端側が前記第１の基板に接続され、前記ヘッド本体を駆動する駆動制御用素子を搭載する第２の基板と、
   一端側が前記水冷ユニットの内部に接触し、他端側が前記駆動制御用素子に熱的に接続された熱伝導部材と、
   を備えている液体吐出ヘッド。
2. 前記駆動制御用素子を前記熱伝導部材側に付勢する弾性体をさらに備えている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１の基板は、前記熱伝導部材に対して反対側に配置されたカバーによって覆われており、
   前記弾性体は、カバーの内壁に形成されている請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記水冷ユニットの前記流路の端部には、供給口と排水口を備える請求項１から３の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
   前記液体吐出ヘッドへの液体を循環させて回収・供給する液体循環機構と、
   を備えた液体吐出装置。