JP2023139496A - 液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ニードル弁の先端部を必要に応じて液滴吐出ヘッドの内部に収容可能にする。【解決手段】液体流路１１２が形成された下部ハウジング１０ｂと、下部ハウジング１０ｂの上に着脱可能に配設された上部ハウジング１０ａと、下部ハウジング１０ｂに配設されたノズル板１０１と、ノズル板１０１に形成されたノズル孔１１１を開閉する弁体１１３ａを先端部に支持し上部ハウジング１０ａに往復動可能に配設された軸状部材（ニードル弁１１３）と、上部ハウジング１０ａに配設され軸状部材を往復動する駆動手段（圧電素子１１４）とを有する液滴吐出ヘッド１において、軸状部材は、軸状部材の先端部が上部ハウジング１０ａの下面から突出する長さを短くするように、軸線方向に移動可能に配設されていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関する。

液滴吐出装置は、ノズル板に形成された微細なノズル孔をニードル弁の先端部の弁体で開閉することで、ノズル板の内側の加圧液体をノズル孔から液滴として吐出する。ニードル弁の後端部は伸縮作動する圧電素子などの駆動体（アクチュエータ）に連結される。駆動体が長手方向に伸縮作動（振動）することで弁体が開閉され、弁体が開いた瞬間にノズル孔から高圧インクが液滴となって噴射される。

ニードル弁の駆動手段は、例えば特許文献（特開２０２０‐１９９６５９号公報）のように電磁ソレノイドを使用したもののほか、圧電素子を使用したものなどがある。このような液滴吐出装置は様々な分野で使用され、例えば自動車の車体に図形等を高画質で描画したり、あるいは液体レジストやＤＮＡ試料を液滴として吐出したりするのに使用される。

ニードル弁は微細なノズル孔に対応して非常に細く一定の長さを有する。この細長いニードル弁の先端部にノズル孔の開閉を担う弁体が配設されている。したがって、ニードル弁の先端部に対して外部からの衝撃が作用したり異物等が付着したりしないように慎重に取り扱う必要がある。

しかしながら、液滴吐出ヘッドの組立工程や輸送工程、或いは防爆認証試験時などにおいて、ニードル弁の先端部を外部に露出せざるを得ない状況がある。ニードル弁の先端部を外部に露出した状態で外部から衝撃が加わると、ヘッドやそのニードル弁が破損するおそれがある。下部ハウジングは爆発危険性のある溶剤接触部品のため、防爆認証試験では必ず取外す必要がある。

防爆認証試験では、ニードル弁の先端部を覆う下部ハウジングを取外した状態の液滴吐出ヘッドに対して鋼球を落下させ耐衝撃性を試験するが、鋼球の当たり方によってはニードル弁の先端部が鋼球の衝撃で破損するおそれがある。

そこで本発明の目的は、ニードル弁の先端部を必要に応じて液滴吐出ヘッドの内部に収容可能にし、ヘッドあるいはニードル弁の破損を防止することにある。

前記課題を解決するため、本発明の液滴吐出ヘッドは、液体流路が形成された下部ハウジングと、当該下部ハウジングの上に着脱可能に配設された上部ハウジングと、前記下部ハウジングに配設されたノズル板と、当該ノズル板に形成されたノズル孔を開閉する弁体を先端部に支持し前記上部ハウジングに往復動可能に配設された軸状部材と、前記上部ハウジングに配設され前記軸状部材を往復動する駆動手段とを有する液滴吐出ヘッドにおいて、前記軸状部材は、前記軸状部材の先端部が前記上部ハウジングの下面から突出する長さを短くするように、軸線方向に移動可能に配設されていることを特徴とする。

本発明により、ニードル弁の先端部を必要に応じて液滴吐出ヘッドの内部に収容することができ、ヘッドあるいはニードル弁の破損を防止することができる。

本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの正面図である。 本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの斜視図である。 下部ハウジングを取外した液滴吐出ヘッドの正面図である。 液滴吐出ヘッドの下端部の拡大斜視図である。 液滴吐出ヘッドの弁体を（ａ）突出させた状態の断面図と（ｂ）引込めた状態の断面図である。 液滴吐出ヘッドの後端部の斜視図である。 液滴吐出装置の斜視図である。 液滴吐出装置の駆動部の斜視図である。

（●液滴吐出ヘッド）
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。図１Ａは液滴吐出ヘッド１の正面図、図１Ｂは液滴吐出ヘッド１を斜め下方から見た斜視図である。

液滴吐出ヘッド１のハウジング１０は、上部ハウジング１０ａと下部ハウジング１０ｂを有する。上部ハウジング１０ａの上にカバー２０が取付けられ、このカバー２０の内側に電装品が配設されている。カバー２０の上端部には電装品のコネクタ部２が設けられている。

下部ハウジング１０ｂの下面に、耐腐食性のＳＵＳなどの金属で構成されたノズル板１０１が配設されている。ノズル板１０１に形成された微細なノズル孔１１１から液滴が吐出される。

下部ハウジング１０ｂの内側には図３のように液体の流路１１２が形成されている。この流路１１２の一端は供給ポート１１に連通し、他端は回収ポート１２に連通している。

供給ポート１１と回収ポート１２は循環通路Ｌを介して連結され、循環通路ＬのポンプＰによって加圧された加圧液体が供給ポート１１に供給されるようになっている。ノズル孔１１１から吐出されなかった加圧液体は、回収ポート１２から回収された後、循環通路ＬとポンプＰを経由して再び供給ポート１１に供給される。

前述した下部ハウジング１０ｂを取外すと、図２Ａ、図２Ｂのように軸状部材としてのニードル弁１１３の先端部が、上部ハウジング１０ａの下面の軸受１２１から露出する。ニードル弁１１３は耐腐食性のＳＵＳなどの金属で構成され、細い部分で直径１ｍｍ以下、太い部分でも直径２ｍｍ程度で非常に細い。この細いニードル弁１１３が上部ハウジング１０ａの軸受１２１から、例えば１～２０ｍｍの長さで露出する。

ニードル弁１１３の先端部にはノズル孔１１１を開閉する弁体１１３ａが配設されている。弁体１１３ａの上側に、シール部材としての弾性を有するＯリング１１３ｂと、当該Ｏリング１１３ｂをニードル弁１１３に固定するためのワッシャー１１３ｃが配設されている。

従来の液滴吐出ヘッド１は、図２Ａ、図２Ｂのようにニードル弁１１３の先端部が上部ハウジング１０ａから露出した状態であった。このため、液滴吐出ヘッド１の組立工程、輸送工程、或いは防爆認証試験時などにおいて損傷する可能性があった。

本実施形態では、図３（ａ）（ｂ）のようにニードル弁１１３の先端部を上部ハウジング１０ａに対して出し入れ可能にしている。したがって、組立工程、輸送工程、或いは防爆認証試験時において、ニードル弁１１３の先端部を必要に応じて上部ハウジング１０ａに引込むことができる。

（●ニードル弁の開閉駆動）
図３に示すように、ニードル弁１１３と当該ニードル弁１１３を駆動する圧電素子１１４が上部ハウジング１０ａに配設されている。圧電素子１１４は、保持部材１１５の中央空間１１５ａ内に保持されている。

この保持部材１１５の上下両端部にはバネ部が形成され、当該バネ部によって圧電素子１１４が軸線方向で圧縮状態に保持されている。保持部材１１５の先端部１１５ｂとニードル弁１１３の後端部は、圧電素子１１４とニードル弁１１３を同軸状にして連結されている。これにより、圧電素子１１４が長手方向で収縮したとき、保持部材１１５も長手方向で収縮して、ノズル孔１１１が開く方向の付勢力をニードル弁１１３に作用させることができる。

圧電素子１１４は、電圧印加手段によって電圧が印加されたときにｄ３１モードで動作して、ノズル孔１１１が開く方向にニードル弁１１３を駆動する。つまり、ニードル弁１１３は、圧電素子１１４に電圧が印加されることによりノズル孔１１１が開く方向に駆動される。

したがって、圧電素子１１４に電圧を印加していないときには、ニードル弁１１３がノズル孔１１１を閉塞している。このため、流路１１２に加圧液体が供給されていても、ノズル孔１１１から液体が吐出されることはない。

そして、圧電素子１１４に電圧を印加することで、圧電素子１１４が収縮して、保持部材１１５を介してニードル弁１１３を引っ張るので、ニードル弁１１３の弁体１１３ａがノズル孔１１１から離間してノズル孔１１１を開放する。これにより、流路１１２に供給されている加圧液体が液滴となってノズル孔１１１から吐出される。

圧電素子１１４は、電圧が印加されたときにニードル弁１１３を閉じる方向に伸長するｄ３３モードで動作させることも可能である。圧電素子がｄ３３モードで動作するときには、電圧を印加した状態でニードル弁１１３の弁体１１３ａがノズル孔１１１側に押し付けられてノズル孔１１１を閉塞する。

液滴を吐出させるときは、圧電素子１１４に対する電圧の印加を停止あるいは電圧を低くすることで、ニードル弁１１３の弁体１１３ａを開く方向に移動させてノズル孔１１１を開放する。圧電素子１１４のｄ３３モードは、応答性が高く変位量が大きい。したがって、ニードル弁１１３の開閉動作の応答性を高め、ノズル孔１１１から吐出する液体の滴速度、滴量のばらつきを小さくしたい場合はｄ３３モードが適する。

（●ニードル弁の上下移動）
保持部材１１５は、上部ハウジング１０ａ内で図３の上下方向に位置調整可能に配設されている。そして保持部材１１５は上部ハウジング１０ａに配設された圧縮バネ１１６によって上方に付勢されている。この圧縮バネ１１６は、後述する固定ねじ１２４を緩めた瞬間に、保持部材１１５と共にニードル弁１１３を図３（ｂ）のように上方に移動させるためのものである。圧縮バネ１１６なしで、ニードル弁１１３を手動で図３（ｂ）のように上方に移動させることも可能である。

保持部材１１５の後端部１１５ｃは、固定ねじ１２４によって、上部ハウジング１０ａに位置決め固定できるようになっている。保持部材１１５の後端部１１５ｃには、軸線方向と直角方向に雌ねじ孔１１５ｄが形成され、この雌ねじ孔１１５ｄに固定ねじ１２４の先端が螺合されている。なお、ニードル弁１１３の位置を容易に可変させないようにしたい場合や、特定の権限を有する人のみニードル弁１１３の位置を変更可能にしたい場合は、固定ねじ１２４にトルクス（登録商標）ねじなどの特殊ねじを使用することができる。

上部ハウジング１０ａの上端部には、図４に示すように軸線方向の長孔３０が形成され、この長孔３０に固定ねじ１２４が挿通されている。固定ねじ１２４を緩めると保持部材１１５が上下移動可能になる。

固定ねじ１２４は、図３（ａ）の状態で、弁体１１３ａとノズル孔１１１との間に所定の隙間δが形成される位置で長孔３０に対して締付け固定される。この状態で液滴吐出ヘッド１が製品として納品される。また、固定ねじ１２４を緩めると、図３（ｂ）、図４（ｂ）のように圧縮バネ１１６の付勢力で固定ねじ１２４が長孔３０の上端部まで移動して停止する。

したがって、ニードル弁１１３の先端部の弁体１１３ａを、図３（ｂ）のように上部ハウジング１０ａの下面と一致する位置まで軸受１２１内にすばやく引込むことができる。すなわち、弁体１１３ａを含むニードル弁１１３の先端部が上部ハウジング１０ａの下面から突出する長さを短くすることができる。したがって、この図３（ｂ）の状態では、下部ハウジング１０ｂを取外しても、ニードル弁１１３の先端部や弁体１１３ａが外部からの衝撃等で損傷することがない。また、弁体１１３ａに異物等が付着するのを防止することができる。

保持部材１１５およびニードル弁１１３は、圧電素子１１４を駆動しない状態で、固定ねじ１２４を移動させることで軸線方向に移動可能に配設されている。これにより、圧電素子１１４へ電圧を印加しなくても、保持部材１１５およびニードル弁１１３の位置を調整することができる。

ニードル弁１１３の先端部は、図３（ｂ）のように上部ハウジング１０ａの中に完全に引込むのが望ましい。しかしながら、ニードル弁１１３の先端部を図３（ａ）の状態から上部ハウジング１０ａの中に部分的に引込む場合も本願発明の範囲に含まれる。

（●液滴吐出装置）
次に、図１の液滴吐出ヘッド１を利用した液滴吐出装置５００の実施形態を図５と図６を参照して説明する。図５は液滴吐出装置５００の斜視図、図６は液滴吐出装置５００の駆動部の斜視図である。

液滴吐出装置５００は、車両のボンネットなどの曲面を有する印刷対象物７００に対向させて据付けられる移動可能な枠ユニット８０２を備えている。枠ユニット８０２を構成する左右の枠部材８１０，８１１には、枠部材８１０，８１１に架け渡されるようにして、可動ユニット８１３が垂直方向（Ｙ方向）へ昇降可能に取り付けられている。

可動ユニット８１３には、可動ユニット８１３上を水平方向（Ｘ方向）に往復移動可能に配置されたモータを内蔵する駆動部８０３と、この駆動部８０３に取り付けられて印刷対象物７００へ向けて液体を吐出する液滴吐出ユニット５０１とが搭載されている。

また、液滴吐出ユニット５０１からの液体の吐出、駆動部８０３の往復移動及び可動ユニット８１３の昇降を制御するコントローラ８０５と、このコントローラ８０５に対して指示を行うＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの情報処理装置８０６とを備えている。情報処理装置８０６には、形状や大きさなどの印刷対象物７００に関する情報を記録保存するデータベース部（ＤＢ部）８０７が接続されている。

枠ユニット８０２は、金属柱状体等によって形成された上下左右の枠部材８０８，８０９，８１０，８１１と、枠ユニット８０２を自立させるために下側の枠部材８０９の両側に直角且つ水平に取り付けられた左右の脚部材８１２ａ，８１２ｂを備えている。そして、左右の枠部材８１０，８１１の間に架け渡された可動ユニット８１３は、駆動部８０３を支持した状態で昇降可能に構成されている。

印刷対象物７００は、液体の吐出方向（Ｚ方向）に直角に、すなわち、枠ユニット８０２の上下左右の枠部材８０８，８０９，８１０，８１１によって形成される平面に対向するようにして配置される。この場合、印刷を行うべき所定の位置に印刷対象物７００を配置させるためには、例えば、多関節型アームロボットのアームの先端に取り付けたチャックによって印刷対象物７００の印刷領域の裏側を吸着保持させることによって行うことができる。多関節型アームロボットを用いることで印刷対象物７００をプリント位置に正確に配置することが可能となり、印刷対象物７００の姿勢を適宜に変更することもできる。

駆動部８０３は、図５に示すように、可動ユニット８１３上を水平方向（Ｘ方向）に往復移動可能に配置されている。可動ユニット８１３は、枠ユニット８０２の左右の枠部材８１０，８１１に架け渡されるようにして水平に配設されたレール８３０と、このレール８３０と平行となるように配設されたラックギヤ８３１と、レール８３０の一部に外嵌されてスライドしながら移動するリニアガイド８３２と、このリニアガイド８３２と連結されてラックギヤ８３１と噛合うピニオンギヤユニット８３３と、このピニオンギヤユニット８３３を回転駆動する減速機８３６付きのモータ８３４と、印刷点位置検出用のロータリエンコーダ８３５を備えて構成されている。

モータ８３４を駆動（正転又は逆転）することによって、液滴吐出ユニット５０１を可動ユニット８１３に沿って右方向または左方向に移動させる。そして、駆動部８０３は液滴吐出ユニット５０１のＸ方向の駆動機構として機能する。なお、減速機８３６の筐体の両側にはリミットスイッチ８３７ａ，８３７ｂが取付けられている。

液滴吐出ユニット５０１は、例えば、ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー、ホワイトの各色の液体を吐出する複数の液滴吐出ヘッド１、又は、複数のノズル列を有する液滴吐出ヘッド１を備えている。この液滴吐出ユニット５０１の各液滴吐出ヘッド１又は液滴吐出ヘッド１の各ノズル列に対しては、液体タンクから各色の液体が加圧供給される。

この液滴吐出装置５００においては、可動ユニット８１３をＹ方向に移動させ、液滴吐出ユニット５０１をＸ方向に移動させて、印刷対象物７００に所要の画像を印刷する。前述の「液滴吐出装置」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や一様な塗料の膜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。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。例えば、ニードル弁１１３を上方に付勢する圧縮バネ１１６は、同様の付勢力を有する板バネに代替したり、モータなどを使用した駆動部に代替したりすることができる。

なお、本実施形態ではノズル板１０１に近いほうのハウジングを下部ハウジング、遠いほうのハウジングを上部ハウジングとそれぞれ定義したが、「上部」および「下部」の文言は、液体吐出ヘッドの製造時や使用時における、各部材の重力方向の位置関係や配置関係を限定するものではない。

また、圧電素子１１４は、長手方向に伸縮作動する他の駆動体に代替可能である。例えば、電磁ソレノイドで長手方向に伸縮作動するピストンを圧電素子１１４の代わりに使用することも可能である。

１：液滴吐出ヘッド ２：コネクタ部
１０：ハウジング １０ａ：上部ハウジング
１０ｂ：下部ハウジング １１：供給ポート
１２：回収ポート ２０：カバー
３０：長孔 １０１：ノズル板
１１１：ノズル孔 １１２：液体流路
１１３：ニードル弁 １１３ａ：弁体
１１３ｂ：Ｏリング １１３ｃ：ワッシャー
１１４：圧電素子 １１５：保持部材
１１５ａ：中央空間 １１５ｂ：先端部
１１５ｃ：後端部 １１５ｄ：雌ねじ孔
１１６：圧縮バネ １２１：軸受
１２４：固定ねじ ５００：液滴吐出装置
５０１：液滴吐出ユニット ７００：印刷対象物
８０２：枠ユニット ８０３：駆動部
８０５：コントローラ ８０６：情報処理装置
８０７：データベース部（ＤＢ部） ８０８～８１１：枠部材
８１２ａ，８１２ｂ：脚部材 ８１３：可動ユニット
８３０：レール ８３１：ラックギヤ
８３２：リニアガイド ８３３：ピニオンギヤユニット
８３４：モータ ８３５：ロータリエンコーダ
８３６：減速機 ８３６：減速機
８３７ａ，８３７ｂ：リミットスイッチ Ｌ：循環通路
Ｐ：ポンプ δ：隙間

特開２０２１－１５１７６７号公報

Claims (7)

1. 液体流路が形成された下部ハウジングと、当該下部ハウジングの上に着脱可能に配設された上部ハウジングと、前記下部ハウジングに配設されたノズル板と、当該ノズル板に形成されたノズル孔を開閉する弁体を先端部に支持し前記上部ハウジングに往復動可能に配設された軸状部材と、前記上部ハウジングに配設され前記軸状部材を往復動する駆動手段とを有する液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記軸状部材は、前記軸状部材の先端部が前記上部ハウジングの下面から突出する長さを短くするように、軸線方向に移動可能に配設されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記軸状部材を前記上部ハウジング側に付勢する付勢手段が配設されていることを特徴とする請求項１の液滴吐出ヘッド。
3. 前記駆動手段が圧電素子と当該圧電素子を保持する保持部材を有し、当該保持部材の後端部を前記上部ハウジングに位置決め固定することで前記軸状部材を位置決めするようにしたことを特徴とする請求項１又は２の液滴吐出ヘッド。
4. 前記上部ハウジングの後端部に長孔が形成され、当該長孔に挿入された固定ねじを前記保持部材の後端部に螺合することで前記保持部材を前記上部ハウジングに対して位置決めするようにしたことを特徴とする請求項３の液滴吐出ヘッド。
5. 前記固定ねじを締付けない状態において、前記軸状部材が前記付勢手段によって前記上部ハウジング側に移動し、前記上部ハウジングの下面から突出する前記軸状部材の先端部の長さが短縮することを特徴とする請求項４の液滴吐出ヘッド。
6. 前記軸状部材は、前記駆動手段を駆動しない状態で、軸線方向に移動可能に配設されていることを特徴とする１から５のいずれか１項の液滴吐出ヘッド。
7. 請求項１から６のいずれか１項の前記液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。

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