JP2023132575A - 液体吐出ヘッド及び液体を吐出する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体吐出ヘッドの接地状態を良好に維持する。【解決手段】液体吐出ヘッド２０２は、液体を吐出するノズルが形成されたノズル形成部材と、ノズルを開閉する開閉部材と、駆動電圧により軸方向に伸縮してノズルを開閉するように開閉部材を作動させる圧電体９と、圧電体９を収容する筒状の第一の収容部材１と、第一の収容部材１の内側に接触する接地部材１０と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体を吐出する装置に関する。

液体を吐出する装置の一例として、紙などにインクを吐出して画像を形成するインクジェット式の画像形成装置が知られている。

斯かる画像形成装置においては、インクを吐出する液体吐出ヘッドに静電気などの電荷が蓄積すると、印字品質に悪影響を及ぼす虞があることから、蓄積された電荷を除去するために液体吐出ヘッドに接地部材が設けられているものがある。

例えば、特許文献１（特開２０１３－１５１０９４号公報）においては、液体吐出ヘッドの外側に接地部材を接触させる構成が記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載されるような、液体吐出ヘッドの外側に接地部材を接触させる構成においては、液体吐出ヘッドに外部から衝撃又は振動が付与されると、接地部材が損傷したり、接地部材が液体吐出ヘッドから脱落したりする虞があり、液体吐出ヘッドの接地状態を良好に維持できなくなる可能性があった。

上記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が形成されたノズル形成部材と、前記ノズルを開閉する開閉部材と、駆動電圧により軸方向に伸縮して前記ノズルを開閉するように前記開閉部材を作動させる圧電体と、前記圧電体を収容する筒状の第一の収容部材と、前記第一の収容部材の内側に接触する接地部材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、液体吐出ヘッドの接地状態を良好に維持できるようになる。

本発明に係る液体吐出ヘッドが適用される液体を吐出する装置の一実施形態の構成を示す図である。 プリント対象の自動車に対する塗装装置の配置例を示す図である。 自動車に対する塗装装置の他の配置例を示す図である。 本実施形態に係るプリントヘッドの全体構成を示す断面図である。 図４に示されるプリントヘッドの一部を拡大して示す断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドを備えるヘッドユニットの実施の一形態の構成を示す図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドが適用される他の塗装装置の例を示す図である。

以下、添付の図面に基づき、本発明について説明する。なお、本発明を説明するための各図面において、同一の機能もしくは形状を有する部材及び構成部品などの構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すことにより一度説明した後ではその説明を省略する。

まず、図１～図３を参照して、本発明に係る液体吐出ヘッドが適用される液体を吐出する装置の一実施形態である塗装装置２０１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る塗装装置２０１の構成を示す図である。図２は、プリント対象の自動車Ｍに対する前記塗装装置２０１の配置例を示す図である。図３は、プリント対象の自動車Ｍに対する前記塗装装置２０１の他の配置例を示す図である。

図１に示されるように、本実施形態に係る塗装装置２０１は、プリントヘッド２０２と、Ｘ－Ｙテーブル２０３と、カメラ２０４と、制御部２０９と、駆動部２１１などを備えている。

プリントヘッド２０２は、被塗装物Ｍの被塗装面に向けて塗料（液体）を吐出する液体吐出ヘッドである。プリントヘッド２０２は、複数の弁型ノズルを備え、塗料は各弁型ノズルからプリントヘッド２０２の吐出面とは垂直な方向に吐出される。すなわち、プリントヘッド２０２の塗料の吐出面は、Ｘ－Ｙテーブル２０３の移動によって形成されるＸ－Ｙ平面と平行であり、各弁型ノズルから吐出される塗料ドットはＸ－Ｙ平面に対して垂直な方向に吐出される。また、各弁型ノズルから吐出される塗料の吐出方向はそれぞれ平行に吐出される。各弁型ノズルは、それぞれ所定の色の塗料タンクと連結されている。また、塗料タンクが加圧装置によって加圧されていることにより、各弁型ノズルと被塗装物Ｍのプリント対象面との距離が５０ｍｍ程度であれば、問題なく各弁型ノズルから塗料ドットをプリント対象面に吐出することができる。

Ｘ－Ｙテーブル２０３は、プリントヘッド２０２及びカメラ２０４を互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動させる機構を備えている。具体的に、Ｘ－Ｙテーブル２０３は、プリントヘッド２０２及び後述のカメラ２０４を保持するスライダをＸ方向に移動させるＸ軸移動機構２０５と、Ｘ軸移動機構２０５を２つのアームで保持しつつＹ方向に移動させるＹ軸移動機構２０６とを備えている。また、Ｙ軸移動機構２０６にはシャフト２０７が設けられており、このシャフト２０７をロボットアーム２０８が保持して駆動することにより、プリントヘッド２０２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。例えば、被塗装物Ｍが自動車である場合、ロボットアーム２０８は、プリントヘッド２０２を図２に示されるような自動車の上部あるいは図３に示されるような自動車の横位置などに配置できる。なお、ロボットアーム２０８の動作は、予め制御部２０９に格納されたプログラムに基づいて制御される。

カメラ２０４は、被塗装物Ｍのプリント対象面を撮影するデジタルカメラなどの撮像手段である。カメラ２０４は、Ｘ軸移動機構２０５及びＹ軸移動機構２０６によってＸ方向及びＹ方向に移動しながら被塗装物Ｍのプリント対象面の所定の範囲を一定の微小な間隔で撮影する。カメラ２０４のレンズ及び解像度などの仕様は、プリント対象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ように適宜選択される。カメラ２０４によるプリント対象面の複数の細分割画像の撮影は、後述の制御部２０９によって連続的、かつ、自動的に行われる。

制御部２０９は、カメラ２０４によって撮影された画像を編集する画像編集ソフトウエアＳと予め設定された制御プログラムに基づいてＸ－Ｙテーブル２０３を動作させてプリントヘッド２０２のプリント動作（塗料吐出動作）を制御する。制御部２０９は、いわゆるマイクロコンピュータによって構成され、各種のプログラム及び撮影済みの画像のデータのほかプリントすべき画像のデータなど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などの入力装置、必要に応じてＤＶＤプレイヤーなどを備えている。さらに、制御部２０９は、モニタ２１０を備えている。モニタ２１０は、制御部２０９への入力情報や制御部２０９による処理結果などを表示する。

制御部２０９は、カメラ２０４によって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、被塗装物Ｍの平面でないプリント対象面を平面に投影された合成プリント面として生成する。また、制御部２０９は、既にプリント対象面にプリントされた画像に対して連続するようにプリントされる描画対象画像Ａを、合成プリント面に重ね、描画対象画像Ａがプリント済み画像の縁端部と連続するように編集を行い、描画対象編集画像Ｂを生成する。そして、生成された描画対象編集画像Ｂに基づいてプリントヘッド２０２からプリント対象面に塗料が吐出されることにより、新しい画像がプリント済みの画像との間に隙間を生じることなくプリントされる。なお、カメラ２０４による複数の細分割画像の撮影及びプリントヘッド２０２の各ノズルからの塗料の吐出によるプリントの動作は、制御部２０９によって動作制御された駆動部２１１によって行われる。

次に、図４及び図５を参照して、本実施形態に係るプリントヘッドの構成について説明する。図４は、本実施形態に係るプリントヘッドの全体構成を示す断面図、図５は、図４に示されるプリントヘッドの一部を拡大して示す断面図である。

図４に示されるように、本実施形態に係るプリントヘッド２０２は、弁型の液体吐出ヘッドであり、塗料（液体）を吐出するノズル２２ａ（吐出口）が形成されたノズル形成部材としてのノズル板２２と、液室ハウジング２３と、ノズル２２ａを開閉する開閉部材としてのニードル２１と、圧電体としてのピエゾ９と、ピエゾ枠体８と、第一の収容部材としての外ハウジング１と、第二の収容部材としての内ハウジング２とを備えている。

外ハウジング１は、内部にニードル２１、ピエゾ９、ピエゾ枠体８及び内ハウジング２などを収容する筒状の部材である。外ハウジング１の図４における左端には、液室ハウジング２３を介してノズル板２２が設けられている。液室ハウジング２３には液体流路２７が設けられており、液体流路２７を介して外部から液室ハウジング２３内へ塗料が供給される。

ピエゾ枠体８はピエゾ９の長手方向の両端を外側から挟み込むように保持し、ピエゾ枠体８の図４における右端は、内ハウジング２に位置決めされると共に固定されている。ピエゾ枠体８の図４における左端には、ニードル２１が支持されている。また、ピエゾ枠体８の図４における左端近傍には、外ハウジング１の軸方向（図４における左右方向）に伸縮可能な蛇腹状の変形部８ａが設けられており、ピエゾ９が駆動電圧の印加により軸方向に伸縮すると、これに伴って変形部８ａも軸方向に伸縮する。これにより、ピエゾ枠体８に支持されるニードル２１が軸方向へ動かされ、ニードル２１によってノズル２２ａが開閉される。図４に示されるように、ニードル２１が図の右側へ後退し、ノズル２２ａが開放された状態においては、液室ハウジング２３内の塗料がノズル２２ａから吐出される。

図５に示されるように、内ハウジング２は、筒状に形成されており、内ハウジング２内には ピエゾ９に駆動電圧を供給する供給線としてのリード線４が挿通されている。ピエゾ９は、リード線４を介して外部の電源と電気的に接続されており、電源からリード線４を介してピエゾ９に駆動電圧が印加される。

また、内ハウジング２は、その内部（内壁）に、ピエゾ枠体８を位置決めする枠体位置決め部２ｂを有している。ピエゾ枠体８の図５における右端が、内ハウジング２内に挿入され、枠体位置決め部２ｂに突き当たることにより、ピエゾ枠体８が内ハウジング２に対して軸方向に位置決めされる。

また、内ハウジング２内には、外部の接地箇所に電気的に接続される接地線（アース線）３が挿入されている。接地線３は、内ハウジング２内に収容される保持部材としての結束用熱収縮チューブ６によってリード線４と一緒に保持されている。さらに、接地線３とリード線４は、内ハウジング２内に収容される支持部材としての配線支持円盤１１によって支持されている。配線支持円盤１１は、その中心に接地線３が挿通される孔１１ａと、その孔１１ａよりも外径側にリード線４が挿通される孔１１ｂを有している。内ハウジング２の内部空間のうち、図５における配線支持円盤１１よりも右側の部分、すなわち結束用熱収縮チューブ６が含まれる部分には、樹脂５が充填されている。

接地線３は、導線と、導線を被覆する絶縁部とから成り、図５における接地線３の左端は、導線が露出する接地線剥き出し部７となっている。接地線剥き出し部７は、接地部材としての板バネ１０に電気的に接続されている。板バネ１０は、内ハウジング２内に配置される接地線接続部１０ａを有しており、この接地線接続部１０ａに対して接地線剥き出し部７が電気的に接続される。

また、板バネ１０は、内ハウジング２に取り付けられて支持される。図５に示されるように、板バネ１０が内ハウジング２に取り付けられた状態においては、板バネ１０の当接部１０ｂが内ハウジング２の外周面に設けられた溝部２ａに配置される。また、板バネ１０の当接部１０ｂは、弾性変形した状態で内ハウジング２と外ハウジング１の間に介在し、当接部１０ｂの弾発付勢によって板バネ１０（当接部１０ｂ）は内ハウジング２の外周面（溝部２ａ）と外ハウジング１の内周面に対して弾発的に接触する。

このように、本実施形態に係るプリントヘッドにおいては、接地部材としての板バネ１０が外ハウジング１と内ハウジング２の両方に対して弾発的に接触することにより、外ハウジング１及び内ハウジング２が板バネ１０と接地線３を介して外部の接地箇所に電気的に接続（接地）される。これにより、外ハウジング１と内ハウジング２に電荷が蓄積されたとしても、その蓄積された電荷を板バネ１０及び接地線３を介して除去することができる。

しかも、本実施形態に係るプリントヘッドにおいては、接地部材としての板バネ１０が外ハウジング１内に収容されているため、プリントヘッドに外部から衝撃又は振動が付与されたとしても、板バネ１０が損傷したり、板バネ１０がプリントヘッドから脱落したりするのを抑制できる。このため、プリントヘッドの接地状態を良好に維持できるようになる。

また、板バネ１０は、内ハウジング２に取り付けられるため、内ハウジング２と一体に板バネ１０を外ハウジング１内に装着したり、外ハウジング１から取り外したりすることができる。このように、本実施形態に係るプリントヘッドにおいては、板バネ１０が内ハウジング２と一体に外ハウジング１に対して着脱可能であるため、板バネ１０を含む収容部品の交換作業を容易に行うことができる。

また、板バネ１０が取り付けられる内ハウジング２は、ピエゾ９及びピエゾ枠体８を位置決めする部材でもあるため、外ハウジング１に対する内ハウジング２の装着作業に伴って、外ハウジング１及び内ハウジング２の接地と、ピエゾ９及びピエゾ枠体８の位置決めの両方を行える。本実施形態においては、まず、外ハウジング１内にピエゾ９とピエゾ枠体８を挿入し、次いで、板バネ１０が取り付けられた内ハウジング２を図５における右側から左側へ向かって外ハウジング１内に挿入する。これにより、板バネ１０を介する外ハウジング１及び内ハウジング２の接地と、ピエゾ９及びピエゾ枠体８の位置決めがなされる。このように、本実施形態に係る構成によれば、プリントヘッドの接地作業及び組立作業を簡素化できる。

また、本実施形態に係るプリントヘッドにおいては、接地線３とリード線４が配線支持円盤１１によって支持されていることにより、接地線３とリード線４が、内ハウジング２において変位したり、内ハウジング２などの周囲の部材に対して接触したりするのを防止できる。さらに、接地線３とリード線４は、外ハウジング１に対する内ハウジング２の挿入方向から見て（図５における右側から見て）、配線支持円盤１１によって互いに異なる位置で（非接触に）支持されているため、接地線３とリード線４が互いに接触するのを確実に防止できる。

このように、本実施形態に係るプリントヘッドにおいては、接地線３とリード線４が互いに接触したり周囲の部材に接触したりしないように支持されているため、接地線３（接地線剥き出し部７）が板バネ１０の接地線接続部１０ａから脱落して接地不良が発生したり、ピエゾ９に対するリード線４の接続不良が生じたりするのを防止できる。従って、本実施形態に係るプリントヘッドにおいては、外ハウジング１及び内ハウジング２の接地状態と、電源に対するピエゾ９の導通状態を良好に確保できる。

続いて、図６を参照して、本発明に係る液体吐出ヘッド（プリントヘッド）を備えるヘッドユニットの実施の一形態について説明する。図６は、本実施形態に係るヘッドユニットの構成を示す断面図である。

図６に示されるように、本実施形態に係るヘッドユニット２０は、複数（図６において示される例では８本）の液体吐出ヘッド３０と、液体吐出ヘッド３０に塗料（液体）を供給する液体供給路３２と、液体供給路３２に塗料を供給する液体供給口３３と、液体供給路３２から塗料を排出する液体排出口３４と、を有している。

複数の液体吐出ヘッド３０の基本的な構成は、図４及び図５を参照して説明したものと同じであり、図６においても対応する要素について同一の符号を用いている。

図６に示されるヘッドユニット２０においては、８本の液体吐出ヘッド３０が、それぞれのノズル２２ａ（吐出口）が一方向（図６においては左右方向）に略等間隔で配列されるように設けられている。液体吐出ヘッド３０のそれぞれは、図中下部のノズル２２ａから塗料を下方に吐出するように上下方向に延在して設けられている。図６に示される各液体吐出ヘッド３０は、図４に示される状態からノズル２２ａ側を中心として反時計回りに略９０°回転されている。

８本の液体吐出ヘッド３０の配列方向の一方側（図６における左側）から他方側（図６における右側）に塗料が流れるように、液体供給路３２が各液体吐出ヘッド３０の液室ハウジング２３を貫通するように設けられている。つまり、個々の液体吐出ヘッド３０の液体供給路３２には、塗料が注入される流体流路２７のほか、流体流路２７の反対側で塗料を排出する排出口２８が設けられている。

図６に示されるヘッドユニット２０においては、通常時には、液体排出口３４が弁などで閉じられている。このため、通常時には、液体供給口３３から塗料が供給され、図６に示されるように、液体供給路３２内に塗料が充填された状態となっている。この状態において、各液体吐出ヘッド３０のニードル２１がノズル２２ａを開放することにより、各液体吐出ヘッド３０のノズル２２ａから塗料が吐出される。一方、クリーニング時においては、液体排出口３４が開放され、ヘッドユニット内部のクリーニングをし易くできるよう構成されている。図６に示されるヘッドユニット２０において、８本の液体吐出ヘッド３０のうちのいずれか１本の内ハウジング２に接地部材としての板バネ１０を設けても良いし、８本すべての内ハウジング２に板バネ１０を設けても良い。

本発明は、図１に示す塗装装置２０１に替えて、例えば図７に示すような自動車の車体を塗装する塗装装置８０００への適用も可能である。液体を吐出する装置としての塗装装置８０００は、複数の関節によって人間の腕のように自由な動きを可能としたロボットアーム８１０を備え、ロボットアーム８１０の先端に液体を吐出する８本の液体吐出ヘッド３０を含むヘッドユニット８２０を備えている。また、ロボットアーム８１０は液体吐出ユニット８２０の近傍に３Ｄセンサ８３０を備えている。塗装装置８０００としては、５軸、６軸、７軸など適宜の軸数を備えた多関節ロボットを用いることができる。塗装装置８０００は、３Ｄセンサ８３０によって対象物（本実施形態では自動車）Ｍに対するヘッドユニット８２０の位置を検知し、その検知結果に基づきロボットアーム８１０を動かしながらヘッドユニット８２０に含まれる８本の液体吐出ヘッド３０から対象物１００へ塗料を吐出し、対象物Ｍを塗装する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限らず、発明の内容を逸脱しない範囲において適宜設計変更可能である。

なお、本発明において、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッド又はこの液体吐出ヘッドを有するヘッドユニットを備え、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。

また、「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、図形など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などを形成するもの、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。

また、「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」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、又は加熱、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、水や有機溶媒などの溶媒、染料や顔料などの着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤などの機能性付与材料、ＤＮＡ、アミノ酸やたんぱく質、カルシウムなどの生体適合材料、天然色素などの可食材料、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、電子回路レジストパターンの形成用液、３次元造形用材料液などの用途として用いることができる。

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、これに限定されるものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させる要素（液体吐出ヘッド移動機構）を備えるシリアル型装置、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。

本発明において、「ヘッドユニット」は、少なくとも１つの液体吐出ヘッドと、液体吐出ヘッドに液体を供給する液体供給路と、液体供給路に液体を供給する液体供給口と、を有する装置である。

１ 外ハウジング（第一の収容部材）
２ 内ハウジング（第二の収容部材）
３ 接地線
４ リード線（供給線）
９ ピエゾ（圧電体）
１０ 板バネ（接地部材）
１１ 配線支持円盤（支持部材）
２０ ヘッドユニット
２１ ニードル（開閉部材）
２２ ノズル板（ノズル形成部材）
２２ａ ノズル
２０１ 塗装装置（液体を吐出する装置）
２０２ プリントヘッド（液体吐出ヘッド）
２１１ 駆動部

特開２０１３－１５１０９４号公報

Claims (6)

1. 液体を吐出するノズルが形成されたノズル形成部材と、
   前記ノズルを開閉する開閉部材と、
   駆動電圧により軸方向に伸縮して前記ノズルを開閉するように前記開閉部材を作動させる圧電体と、
   前記圧電体を収容する筒状の第一の収容部材と、
   前記第一の収容部材の内側に接触する接地部材と、
   を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第一の収容部材内に挿入される第二の収容部材を備え、
   前記接地部材は前記第二の収容部材によって支持されている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第二の収容部材と前記接地部材とが一体で前記第一の収容部材に対して着脱可能である請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記接地部材に接続される接地線と、
   前記圧電体に駆動電圧を供給する供給線と、
   前記第二の収容部材内に設けられ、前記第一の収容部材に対する前記第二の収容部材の挿入方向から見て前記接地線と前記供給線を互いに異なる位置で支持する支持部材と、
   を備える請求項２又は３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記接地部材は弾性変形可能であり、
   前記接地部材が弾性変形した状態で前記接地部材が前記第一の収容部材の内側に接触する請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 請求項１から５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を駆動させる駆動部と、
   を備えることを特徴とする液体を吐出する装置。