JP6707891B2 - 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

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、個別液室に供給された液体の内の吐出されなかった液体を循環流路を介して循環させることで、個別液室内に混入した気泡の排出性の向上及び液体の特性変化の抑制を図る循環型ヘッドが知られている。

例えば、インク導入口からインクが供給されるインク供給流路と、インク排出口にインクを排出するインク排出流路と、インク供給流路とインク排出流路とを連通し、インクを吐出するノズルを有するインク室と、インク室の振動板を変位させ、インク室内のインクに圧力を加える圧電アクチュエータとを備えるものが知られている（特許文献１）。

特開２０１１−２１８７８４号公報

しかしながら、液体を循環させる構成にあっても、個別液室を完全に塞ぐような大きな気泡が混入、発生した場合には、循環流路から気泡を排出することが困難にな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、気泡排出性を向上することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の請求項１に係る液体吐出ヘッドは、
液体を吐出するノズルと、
前記ノズルに通じる個別液室と、
前記ノズルと前記個別液室とを通じるノズル連通路と、
前記ノズル連通路を介して前記個別液室に通じる循環流路と、を有し、
前記ノズル連通路の入口部分に、気泡を微細化する微細化手段が配置され、
前記微細化手段は、複数の貫通孔を有し、
前記貫通孔の開口面積は、前記ノズルの最小開口面積よりも小さく、
前記個別液室の上流側には、複数のフィルタ孔を有するフィルタが配置され、
前記フィルタの前記フィルタ孔の開口面積は前記貫通孔の開口面積よりも小さい
構成とした。

本発明によれば、気泡排出性を向上することができる。

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。 同ヘッドの微細化手段の平面説明図である。 同微細化手段の作用説明に供する断面説明図である。 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（液室長手方向）の断面説明図である。 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。 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の一例について図１ないし図３を参照して説明する。図１は同液体吐出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は同ヘッドの微細化手段の平面説明図である。

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３とを積層接合している。そして、振動板３を変位させる圧電アクチュエータ１１と、共通液室部材としてのフレーム部材２０、カバー２１とを備えている。

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。ここでは、複数のノズル４を配列したノズル列を二列有しているが、一列のノズル列に含まれるノズル４のみを図示している。

流路板２は、ノズル４にノズル連通路５を介して通じる個別液室６、個別液室６に通じる供給流路側流体抵抗部７、供給流路側流体抵抗部７に通じる液導入部８となる貫通穴や溝部を形成している。ノズル連通路５は、ノズル４と個別液室６にそれぞれ連なって通じる流路である。また、供給流路側流体抵抗部７及び液導入部８が液体供給流路を構成している。なお、ここでは、流路板２は複数枚の板状部材を積層して構成しているが、これに限るものではない。

振動板３は、流路板２の個別液室６の壁面を形成する変形可能な振動領域３０を有する。

そして、この振動板３の個別液室６とは反対側に、振動板３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、ノズル配列方向に沿って所定の間隔で配置された所要数の柱状の圧電素子（圧電柱）１２を有し、圧電素子１２は振動領域３０の凸部３０ａに接合されている。

フレーム部材２０は、ヘッドタンクや液体カートリッジから液体が供給される共通液室１０が形成されている。

また、流路板２は、個別液室６と反対側であるノズル板１側に、ノズル連通路５に通じる循環流路４１となる溝部と、循環流路４１が通じる通路４４となる貫通穴とを有し、通路４４はフレーム部材２０に形成された循環共通液室４５に通じている。

そして、フレーム部材２０には、共通液室１０に通じる供給ポート２３と、循環共通液室４５に通じる循環ポート（排出ポート）４６がそれぞれ設けられている。

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１２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１２が収縮し、振動板３の振動領域３０が引かれて個別液室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１２に印加する電圧を上げて圧電素子１２を積層方向に伸長させ、振動板３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１２に与える電圧を基準電位に戻すことによって振動板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。

そして、本実施形態においては、ノズル連通路５の個別液室６側の入口部分に気泡を微細化する微細化手段６０を設けている。微細化手段６０には、図３に示すように、複数の貫通孔６１が設けられている。この貫通孔６１の開口面積はノズル板１の液体吐出面におけるノズル４の最小開口面積よりも小さい。

このように微細化手段６０を設けることで、図４（ａ）に示すように、個別液室６内にノズル連通路５の開口面積よりも大きな径の気泡３００が混入、発生した場合でも、図４（ｂ）に示すように、気泡３００が微細化手段６０の貫通孔６１を通過することで微細な気泡３０１に分割される。

微細化された気泡３０１はノズル連通路５を完全に塞ぐことがなく、循環流路４１を通じて循環共通液室４５側に排出することができる。

これにより、気泡排出性を向上することができる。

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５を参照して説明する。図５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）の断面説明図である。

本実施形態では、ノズル４は、個別液室６における液体の流れの方向に液体を吐出する位置に配置されている。

そして、個別液室６のノズル４側の側壁面に循環流路４１の開口部を開口させている。

ここで、循環流路４１の入口部分に気泡を微細化する微細化手段６０を配置している。

このように構成したので、気泡を微細化して循環流路４１に送り込むことができ、循環流路４１の入口部分を気泡が塞いで排出できなくなる事態を防止でき、気泡排出性を向上できる。

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６を参照して説明する。図６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）の断面説明図である。

本実施形態では、第１実施形態において、共通液室１０から液導入部８に通じる個別液室６の上流側である供給口９に異物を除去するフィルタ部９０を配置している。そして、フィルタ部９０のフィルタ孔９１の開口面積は、微細化手段６の貫通孔６１の開口面積よりも小さくしている。

これにより、異物が微細化手段６の貫通孔６１を塞ぐことを抑制でき、安定した吐出を行うことができる。

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７及び図８を参照して説明する。図７は同装置の要部平面説明図、図８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９を参照して説明する。図９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１０を参照して説明する。図１０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
４ ノズル
５ ノズル連通路
６ 個別液室
７ 供給流路側流体抵抗部
１０ 共通液室
１１ 圧電アクチュエータ
２０ フレーム部材
４１ 循環流路
４５ 循環共通液室
４０３ キャリッジ
４０４ 液体吐出ヘッド
４４０ 液体吐出ユニット

Claims (5)

1. 液体を吐出するノズルと、
   前記ノズルに通じる個別液室と、
   前記ノズルと前記個別液室とを通じるノズル連通路と、
   前記ノズル連通路を介して前記個別液室に通じる循環流路と、を有し、
   前記ノズル連通路の入口部分に、気泡を微細化する微細化手段が配置され、
   前記微細化手段は、複数の貫通孔を有し、
   前記貫通孔の開口面積は、前記ノズルの最小開口面積よりも小さく、
   前記個別液室の上流側には、複数のフィルタ孔を有するフィルタが配置され、
   前記フィルタの前記フィルタ孔の開口面積は前記貫通孔の開口面積よりも小さい
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 液体を吐出するノズルと、
   前記ノズルに通じる個別液室と、
   前記個別液室に通じる循環流路と、を有し、
   前記循環流路の入口部分に、気泡を微細化する微細化手段が配置され、
   前記微細化手段は、複数の貫通孔を有し、
   前記貫通孔の開口面積は、前記ノズルの最小開口面積よりも小さく、
   前記個別液室の上流側には、複数のフィルタ孔を有するフィルタが配置され、
   前記フィルタの前記フィルタ孔の開口面積は前記貫通孔の開口面積よりも小さい
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 請求項１又は２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。
4. 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３に記載の液体吐出ユニット。
5. 請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項３若しくは４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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