JP7779144B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関する。

開閉弁を吐出口に対して開閉することにより、液体の吐出を制御する液体吐出ヘッドが存在する。このような液体吐出ヘッドでは、開閉弁を閉じた際に吐出口を封止するために、開閉弁に弾性部材が設けられる。

例えば特許文献１（米国特許ＵＳ２０１２／０１０５５２２Ａ１）では、開閉弁の吐出口側内面に設けられた凹部に、パーフルオロエラストマーからなる弾性部材が設けられている。

しかし、弾性部材の開閉弁に対する密着性が十分でないと、弾性部材と開閉弁との間に隙間が生じてしまうという問題があった。特に、開閉弁を繰り返し上下動させ、弾性部材を吐出口に何度も押し当てることにより、弾性部材が開閉弁から剥がれて両者の間に隙間ができてしまうという問題があった。

そして、このように形成された隙間の分だけ、開閉弁の開放時に、開閉弁と吐出口を有するノズル板などの部材との間に形成される隙間の大きさがばらつき、吐出口からの液体の吐出量にもばらつきが生じるという問題があった。

本発明では、弾性部材の芯材端部に対する密着性を向上させることを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、液体を吐出する吐出口と、移動可能に設けられ、前記吐出口を開閉する開閉弁と、を備えた液体吐出ヘッドであって、 前記開閉弁は芯材を有し、前記芯材の前記吐出口側の端部に芯材端部が設けられ、前記芯材端部は、その内側に、前記吐出口側へ開口した凹部を有し、前記芯材端部の外側の側面および前記凹部に跨って弾性部材が設けられ、前記芯材端部は、前記開閉弁の移動方向の前記吐出口側の端面である底面を有し、前記底面は、前記開閉弁の移動方向の前記吐出口側から見て、前記凹部を囲うように設けられ、前記芯材端部の前記底面と前記外側の側面とを接続する隅部を外側隅部とすると、前記弾性部材は、前記外側の側面と前記外側隅部と前記底面とを覆うように設けられ、前記弾性部材は、前記開閉弁の移動方向の前記底面に対向する位置に平坦部を有し、前記弾性部材は、前記開閉弁の移動方向の前記吐出口側から見て前記外側隅部に重なる位置に、前記平坦部および前記外側の側面に対して傾斜する傾斜部を有することを特徴とする。

本発明によれば、弾性部材の芯材端部に対する密着性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの外観斜視図である。 本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体断面図である。 液体吐出ヘッドに設けられたヒータの位置を示す図である。 液体吐出ヘッドの断面図である。 開閉弁のノズル側先端部の構成を示す平面図である。 開閉弁の開閉動作を説明する図である。 シール部材の幅を説明する図である。 開閉弁の他の実施形態を示す平面図である。 芯材端部とシール部材の間に接着剤を設けた開閉弁を示す平面図である。 本実施形態と異なる開閉弁の構成を示す平面図である。 図１０の比較例における圧電素子の変位量とリフト量との関係を示す図である。 図３の実施形態における圧電素子の変位量とリフト量との関係を示す図である。 液体吐出装置の全体概略構成図である。 図１３と異なる液体吐出装置の全体概略構成図である。 図１の液体吐出装置の自動車に対する配置例を示す斜視図である。 図１の液体吐出装置の自動車に対する他の配置例を示す斜視図である。 液体吐出装置により球面に液体を吐出した場合の説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの外観説明図である。図１（ａ）は液体吐出ヘッドの全体斜視図、図１（ｂ）は同ヘッドの全体側面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、液体としてのインクを吐出する。

液体吐出ヘッド１０は、第１筐体としての第１ハウジング１１ａと、第２筐体としての第２ハウジング１１ｂとを備える。第２ハウジング１１ｂは第１ハウジング１１ａに積層および接合される。第１ハウジング１１ａは金属等の熱伝導性の高い材質からなり、第２ハウジング１１ｂは樹脂等の熱伝導性の低い材質からなる。以下の説明において２つのハウジングを総称する場合は、ハウジング１１と記す。

また、第１ハウジング１１ａは、その正面と背面に、加熱手段としてのヒータ１２を備える。ヒータ１２は温度制御が可能であり、第１ハウジング１１ａを加熱する。また第２ハウジング１１ｂは、その上部に電気信号の通信のためのコネクタ１３を備える。

図２は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド１０の全体断面図で図１（ａ）のＡ－Ａ線矢視断面図である。第１ハウジング１１ａは、吐出口形成部材としてのノズル板１５を保持する。ノズル板１５は、液体を吐出する、吐出口としてのノズル１４を備える。また、第１ハウジング１１ａは、液体供給部である流路１７を備える。流路１７は、供給ポート１６側からのインクを、ノズル板１５上を経て回収ポート１８側へ送る。

第２ハウジング１１ｂは、供給ポート１６および回収ポート１８を備える。供給ポート１６および回収ポート１８は、流路１７の一方側および他方側にそれぞれ接続される。供給ポート１６と回収ポート１８との間には、複数の液体吐出モジュール３０を配置している。液体吐出モジュール３０は流路１７内のインクをノズル１４から吐出する。また液体吐出モジュール３０の上部に規制部材２０が設けられる。

液体吐出モジュール３０は、第１ハウジング１１ａに設けたノズル１４の数に対応しており、本例では１列に並べた８個のノズル１４に対応する８個の液体吐出モジュール３０を備えた構成を示している。なお、ノズル１４および液体吐出モジュール３０の数および配列は上記に限るものではない。例えば、ノズル１４および液体吐出モジュール３０の数は、複数ではなく１個であってもよい。また、ノズル１４および液体吐出モジュール３０の配列は、１列ではなく、複数列であってもよい。

なお、図２において符号１９は、第１ハウジング１１ａと第２ハウジング１１ｂとの接合部に設けたハウジングシール部材である。本例ではハウジング シール部材としてＯリングを用いており、第１ハウジング１１ａと第２ハウジング１１ｂとの接合部からのインクの漏れを防いでいる。

上記の構成により、供給ポート１６は、加圧した状態のインクを外部から取り込み、インクを矢印ａ１方向へ送り、インクを流路１７に供給する。流路１７は、供給ポート１６からのインクを矢印ａ２方向へ送る。そして、回収ポート１８は、流路１７に沿って配置したノズル１４から吐出しなかったインクを矢印ａ３方向へ回収する。

液体吐出モジュール３０は、開閉弁３１と、駆動体としての圧電素子３２を備える。開閉弁３１はノズル１４を開閉する。圧電素子３２は開閉弁３１を駆動する。また圧電素子３２は電圧の印加により、図２の上下方向である長手方向に伸縮作動する。

上記の構成において、圧電素子３２を作動して開閉弁３１を上方向へ動かした場合は、開閉弁３１によって閉じていたノズル１４が開いた状態になり、ノズル１４からインクを吐出することができる。また、圧電素子３２を作動して開閉弁３１を下方向へ動かした場合は、開閉弁３１の先端部がノズル１４を封止してノズル１４が閉じた状態になり、ノズル１４からインクは吐出しなくなる。

図３は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド１０の加熱手段との位置関係を示す説明図である。第１ハウジング１１ａは、ヒータ１２を図３に破線で示すように、複数のノズル１４を横断するようにしてノズル１４の近傍に備えている。

次に、液体吐出モジュール３０の詳細を図４に基づいて説明する。図４（ａ）は単一の液体吐出モジュールの断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の要部拡大図である。開閉弁３１の軸部外周には、高圧インクの漏出防止用にＯリング３４が上下二段で装着されている。

液体吐出モジュール３０は、前述の開閉弁３１および圧電素子３２と、固定部材３３と、保持体３５と、プラグ３６などを主に備える。

保持体３５はその内部に駆動体収容部３５ａを有し、駆動体収容部３５ａに圧電素子３２を収容して保持する。保持体３５は、圧電素子３２の長手方向に弾性伸縮可能な金属で構成されている。弾性伸縮可能な金属として、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス鋼を使用可能である。保持体３５は、長手方向に延びた細長部材を圧電素子３２の周囲に複数本配置（例えば９０°間隔で４本配置）した枠体であって、細長部材の相互間を通して圧電素子３２を保持体３５の内側に入れることができる。

圧電素子３２の長手方向は図４（ａ）に示す両矢印方向Ａであり、この長手方向Ａは開閉弁３１や液体吐出モジュール３０、第２ハウジング１１ｂの長手方向でもある。また、開閉弁３１の移動方向でもある。

保持体３５のノズル１４側の先端部に開閉弁３１が連結されている。また保持体３５のノズル１４側に蛇腹部３５ｂが形成されている。蛇腹部３５ｂは、圧電素子３２を伸縮作動させる際に、保持体３５の先端側を圧電素子３２と同じように長手方向に伸縮作動させるためのものである。

また保持体３５のノズル１４側と反対側である基端側に固定部材３３が連結されている。別の言い方をすると、固定部材３３は第２ハウジング１１ｂの上端部に収容されている。

固定部材３３は径方向に延在する貫通ネジ穴３３ａを有する。貫通ネジ穴３３ａに第２ハウジング１１ｂ外から位置決めネジ６０がねじ込まれている。

位置決めネジ６０は、第２ハウジング１１ｂの上端部に形成された長手方向の長穴１１ｂ１に挿通され、図４で第２ハウジング１１ｂの長手方向に所定長さ移動可能である。固定部材３３を長手方向に位置決めした状態にして位置決めネジ６０を締め付ける。

一方、第２ハウジング１１ｂの上端開口部には雌ネジ穴１１ｂ２が形成されている。この雌ネジ穴１１ｂ２に、図２の規制部材２０に当接するプラグ３６が螺合されている。プラグ３６は、位置決めネジ６０で長手方向に位置決めした固定部材３３の上端部に当接して、固定部材３３を最終的に位置固定する。

第２ハウジング１１ｂの下端部には圧縮バネ３７が配設されている。この圧縮バネ３７で、圧電素子３２および圧電素子３２を保持した保持体３５などが上方に付勢されている。

次に、開閉弁３１の長手方向一方側端部であって、ノズル１４に対向する側の端部の構成について説明する。この開閉弁３１の長手方向一方側端部は、開閉弁３１のノズル１４を開閉する部分である。

図５に示すように、開閉弁３１は、芯材３１０と、弾性部材としてのシール部材４０と、を有する。芯材３１０はステンレスなどの金属材料により形成される。芯材３１０は、図５の下側であるノズル１４側の端部に芯材端部３１１を有する。芯材端部３１１は、その内側に、ノズル側に開口した凹部３１２を有する。芯材端部３１１は、長手方向の凹部３１２に対応する部分において円筒状をなし、長手方向の凹部３１２に対応する部分以外の部分が円柱状をなしている。ただし、必ずしも断面が円形である必要はない。また凹部３１２は、円柱状部材を例えば切削加工や研磨加工することにより形成できる。凹部３１２を設けることにより、インクの直進距離を長くすることができる。

シール部材４０は、凹部３１２と、芯材端部３１１の外周面である芯材端部３１１の外側の側面３１１ａとに跨って設けられる。本実施形態のシール部材４０はパーフルオロエラストマーにより構成される。シール部材４０として、具体的には「ダイエルGA-55：ダイキン工業株式会社登録商標」、「AFLAS Premium PM1100：旭硝子株式会社登録商標」、「Kerlez：デュポン株式会社登録商標」、等を用いるのが好ましい。

凹部３１２およびシール部材４０の、芯材端部３１１の径方向の長さは、ノズル１４の直径よりも大きく設けられる。つまり、開閉弁３１を閉鎖時に、シール部材４０がノズル１４を覆って封止することができる。

次に、開閉弁３１の開閉動作について説明する。

圧電素子３２が作動して開閉弁３１を図４（ａ）の矢印ａ４方向へ押し下げることで、図６（ａ）に示すように、シール部材４０の底面がノズル板１５に接触し、ノズル１４を覆う。しかし、この状態ではノズル１４は完全に封止されていない。

図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）の状態から圧電素子３２が開閉弁３１をさらに下方へ押圧することで、シール部材４０が芯材３１０とノズル板１５との間で押しつぶされる。この状態で、ノズル板１５からシール部材４０に対して矢印ｂ１方向の応力が発生する。この応力が矢印ｂ２で示すインク供給圧よりも高くなることで、シール部材４０によりノズル１４を封止できる。

さらに、図６（ｃ）に示すように、圧電素子３２が作動して開閉弁３１を上方向へ移動させる。これにより、ノズル板１５と開閉弁３１との間に隙間ｇが形成される。これにより、矢印ａ５方向へインクが供給される。ノズル１４が開放される。この隙間ｇは、開閉弁３１のノズル板１５からのリフト量と言い換えることができ、以下、この隙間ｇを開閉弁３１のリフト量ｇとも呼ぶ。そして、圧電素子３２の駆動により開閉弁３１が上下動することにより、ノズル１４からインクが吐出される。

上記のパーフルオロエラストマーからなるシール部材４０を備えた芯材端部３１１を成形する際には、プレスまたは射出成型により芯材３１０を成形するとともに、加熱した金型内にパーフルオロエラストマーを充填し、パーフルオロエラストマーを加硫する。これにより、芯材３１０とシール部材４０とを一体成形する。

パーフルオロエラストマーの加硫に際しては、パーオキサイド加硫を用いることが好ましい。パーオキサイド加硫では、原料ポリマー中に組み込まれたヨウ素、臭素を反応点とし、多官能不飽和化合物を架橋助剤として、過酸化物によって発生するラジカル反応によって橋架け構造を生成する。配合された過酸化物の熱分解によって発生したラジカルがヨウ素や臭素と反応してポリマーラジカルを生成する。このポリマーラジカルが多官能不飽和化合物に負荷することで橋架け構造を生成する反応である。このようなヨウ素、臭素は、架橋モノマーとして共重合によって導入される方法と、連鎖移動反応を利用して分子末端に導入される方法がある。多官能不飽和化合物としては、トリアリルイソシアヌレート（ＴＡＩＣ）やトリメタリルイソシアヌレート（ＴＭＡＩＣ）を用いることが好ましい。

パーフルオロエラストマーの加硫では、１次加硫をおこなったあと、さらに２次加硫をおこなうことが好ましい。これにより、加硫反応を十分に完結させることができ、パーフルオロエラストマーの圧縮永久歪等の機械物性が安定させることができる。加硫方法は選択する成形方法によって最適条件を選べばよく、たとえばプレスによる１次加硫では１６０度～１８０度で数分から２０分程度の条件が好ましい。さらに、２次加硫では２２０度～２５０度で２～４時間程度の条件が好ましい。

このように、芯材端部３１１に凹部３１２を設けることにより、シール部材４０の凹部３１２内に設けられた部分が、シール部材４０の芯材端部３１１からの抜け止めとして機能する。特に本実施形態では、シール部材４０を開閉弁３１に一体成形することにより、シール部材４０を凹部３１２内に隙間なく設けることができ、シール部材４０と凹部３１２との間に隙間が形成されにくくなる。

仮に、シール部材４０の芯材端部３１１に対する密着性が十分でなく、凹部３１２とシール部材４０との間に隙間ができると、ノズル１４から吐出されるインクの量にばらつきが生じてしまう。つまり、このような隙間が生じやすい構成では、シール部材４０の図６の下面の位置がばらつきやすくなる。また、凹部３１２とシール部材４０との間に隙間ができることで、開閉弁３１を図６（ｂ）のようにノズル板１５に押し当てた際に、シール部材４０が押し込まれて圧縮される量の誤差が大きくなる。これにより、圧電素子の動作量に対する実際の開閉弁の移動量に誤差が生じ、図６（ｃ）の開閉弁３１のリフト量ｇにもばらつきが生じてしまう。

これに対して本実施形態では、シール部材４０を凹部３１２と芯材端部３１１の側面３１１ａに跨って設けることで、シール部材４０の芯材端部３１１に対する密着性を向上させることができる。つまり、側面３１１ａによってシール部材４０を保持することで、例えば開閉弁３１が上下動を繰り返した際に、凹部３１２に設けられたシール部材４０が剥がれて凹部３１２内に隙間を形成したり、凹部３１２内のシール部材４０が芯材端部３１１から脱落したりすることを防止できる。これにより、後述する開閉弁３１の開閉動作により開閉弁３１をノズル板に押し付けて圧縮したり、またこの圧縮状態から開閉弁３１を開放して圧縮状態を解除した際に、開閉弁３１のノズル１４側の端部であるシール部材４０の底面の位置のばらつきを抑制できる。これにより、リフト量ｇのばらつきを抑制し、ノズル１４から吐出されるインクの量のばらつきを抑制できる。特に本実施形態では、シール部材４０を芯材端部３１１の側面３１１ａ全周にわたって設けることで、シール部材４０の芯材端部３１１に対する密着性をより向上させることができる。

また、シール部材４０を、凹部３１２内だけでなく、底面３１１ｂ、そして、側面３１１ａ（側面３１１ａの特に底面３１１ｂ側の部分）に跨って設けることにより、開閉弁３１を閉じた際のノズル１４の封止性を向上させることができる。

ここで、図５に示すように、シール部材４０のノズルに対向する部分の厚みを厚みＴ１とする。また、芯材端部３１１の凹部３１２を囲う部分を凸部３１９とし、凸部３１９の長手方向のノズル１４側の端面である芯材端部３１１の底面３１１ｂに対応するシール部材４０の部分の厚みを厚みＴ２とする。凸部３１９は円筒状をなす。このとき、Ｔ１／Ｔ２の値は１．６以上６以下とすることが好ましい。厚みＴ１を大きくすると凹部３１２内に配置されるシール部材４０の大きさは大きくなるものの、熱膨張時に凹部３１２の下方向へ変形しやすくなるという問題がある。また厚みＴ２を大きくすると開閉弁３１によるノズル１４の封止性には有利であるものの、圧電素子３２の作動量が大きくなってしまうという問題がある。これらのことを考慮して、厚みＴ１と厚みＴ２を上記の範囲に設定している。なお、厚みＴ１を別の言い方をすると、凹部３１２の図５の上端部で底部からシール部材４０のノズル１４側の端部までの長手方向の長さである。

また、図７に示すように、シール部材４０は凸部３１９の端縁Ｄ１，Ｄ２に対応する位置に薄肉部４０ａを有する構成とすることができる。具体的に、薄肉部４０ａはシール部材４０の端縁Ｄ１，Ｄ２に対応する隅部（図７の点線部参照）をＲ面取りあるいはＣ面取りした形状をそれぞれなしている。ただし、面取りの角度はＣ面取りの４５度に限るものではない。本実施形態の薄肉部４０ａとは、シール部材４０のその他の部分よりも厚みの小さい部分である。この「厚みが小さい部分」とは、必ずしも厚みの絶対値が小さい部分であることのみを意味するものではなく、シール部材４０が芯材端部３１１の形状に倣った形状であると仮定した時に、シール部材４０端部の芯材端部３１１からのオフセット量がその他の部分よりも小さい部分であることを意味していてもよい。例えば本実施形態の薄肉部４０ａは、図７に点線で示す形状よりもその厚みが小さく、シール部材４０のその他の部分よりも芯材端部３１１からのオフセット量が小さい。また、このシール部材４０の芯材端部３１１の端縁Ｄ１，Ｄ２などに「対応する部分」とは、シール部材４０が芯材端部３１１に倣った形状であると仮定した時に、芯材端部３１１の端縁Ｄ１，Ｄ２などの各部分に相当する部分のことである。また端縁Ｄ１，Ｄ２は芯材端部３１１の底面３１１ｂあるいは凸部３１９の長手方向のノズル１４側の端面の周状の端縁であり、端縁Ｄ１はその外周端、端縁Ｄ２はその内周端である。

また別の言い方をすると、シール部材４０の幅Ｗ１を幅Ｗ２よりも小さく設ける。幅Ｗ１は、シール部材４０の凸部３１９よりもノズル板１５（図４（ｂ）参照）側である図７の下側において、ノズル板１５に対向して設けられる平坦部４０ｂの幅である。幅Ｗ２は凸部３１９の径方向の幅である。ここで言う凸部３１９の径方向の幅Ｗ２とは、図５の凸部３１９あるいは芯材端部３１１の外径Ｗ０を指すものではなく、凸部３１９の周方向に設けられた肉厚部分の径方向の幅を示すものである。

図７に示すように、シール部材４０が熱膨張したり膨潤する際には、芯材端部３１１の端縁Ｄ１，Ｄ２に対応する部分が特に大きくなりやすい。従って、上記のようにシール部材４０の膨張しやすい部分を予め小さく設けることにより、シール部材４０の端縁Ｄ１，Ｄ２に対応する位置が尖るなど、シール部材４０の膨張により、シール部材４０のノズル板１５に接触する面が大きく変形することを防止できる。従って、開閉弁３１開放時の隙間ｇのばらつきを抑制し、液体吐出ヘッドによるインクの吐出量を安定させることができる。

また、開閉弁３１の先端部の変形例として、図８に示すように、芯材端部３１１の側面３１１ａに溝部３１３を設けてもよい。溝部３１３は側面３１１ａに周状に設けられ、芯材端部３１１の長手方向に複数設けられる。

溝部３１３を設けることにより、シール部材４０の成形時に、シール部材４０を構成する材料であるパーフルオロエラストマーが溝部３１３に入り込む。これにより、シール部材４０成形後にこの溝部３１３に入り込んだシール部材４０の部分が、シール部材４０の芯材端部３１１からの抜け止めとして機能する。これにより、シール部材４０の芯材端部３１１に対する密着性をさらに向上させることができる。

また図９に示すように、芯材端部３１１とシール部材４０との接触部分に接着剤４１を塗布してもよい。これにより、シール部材４０の芯材端部３１１に対する密着性をさらに向上させることができる。シール部材４０および開閉弁３１を成形する際には、この接着剤をあらかじめ芯材端部３１１に塗布した状態で、１次加硫を行うことが好ましい。

次に、上記実施形態の開閉弁およびシール部材によるノズル１４からの吐出インク量の変動抑制効果を実験した結果について説明する。

本実施形態の構成として、図５に示す構成の開閉弁３１およびシール部材４０を用いる。シール部材の材料であるパーフルオロエラストマーの配合として、「ダイエルGA-55」：ダイキン工業株式会社登録商標）１００重量部に対して、ＭＴカーボンブラック２０重量部、トリアリルイソシアヌレート４重合部、パーオキサイド１重合部を用いる。プレス加工により芯材３１０とシール部材４０とを一体成形する。シール部材４０の１次加硫にはプレス加硫を１６０度で１０分、２次加硫には熱滞留式オーブン加硫を２５０度で４時間行う。以上により形成された開閉弁３１を有する液体吐出ヘッドを「実施例」とする。

ここで、本実施形態と異なる形態の開閉弁を有する液体吐出ヘッドを「比較例」として実験する。そして、この「比較例」の液体吐出ヘッドに設けられた開閉弁およびシール部材の構成について図１０を用いて説明する。開閉弁４００は、ノズル側の先端部４０１の底面に凹部４０２を有する。凹部４０２内にはシール部材４４０が設けられる。シール部材４４０は、成型部品の状態で、圧力を加えて凹部４０２内に嵌め込まれる。以上の開閉弁４００を有する液体吐出ヘッドを「比較例」とする。このような開閉弁４００では、シール部材４４０は前述のように凹部４０２内に機械的にはめ込まれているだけであるため、シール部材４４０の凹部４０２内での密着性が十分でなく、図１０のように凹部４０２とシール部材４４０との間に隙間が形成される。

以上の「実施例」および「比較例」のシール部材を有する開閉弁を圧電素子に接続し、液体吐出モジュールからリード線を引き出して液体吐出ヘッドを作成した。

その他の設定条件は以下の通りである。なお、下記の開閉弁の初期シール封止位置５μｍとは、図６（ａ）のシール部材４０がノズル板１５に接触した位置を圧電素子の変位量の基準位置とした際の図６（ｂ）の封止状態における圧電素子の変位量である。
圧電素子による開閉弁の初期シール封止位置：５μｍ
開閉弁のリフト量の初期設定値：２０μｍ
ノズル側の凹部の径：５００μｍ
ノズルの孔径：１５０μｍ
インクの粘度：３０ｍＰａ・Ｓ
インク室に付与される圧力０．４５ＭＰａ
インク供給時間：３０分

以上の「実施例」および「比較例」のそれぞれの液体吐出ヘッドについて、１分後、１０分後、３０分後のそれぞれインク流量を測定した。その結果、「実施例」ではインク流量が３０分後までほとんど一定であるのに対して、「比較例」では時間と共に流量が増加し、最終的にはリークが発生した。評価後の「比較例」の液体吐出ヘッドを分解してシール部材の表面位置を確認すると、開閉弁の長手方向に縮小していた。これは、シール部材と芯材との間に隙間があるために、シール部材の位置ずれが発生したものと考えられる。

このように、本実施形態の開閉弁３１の構成により、液体吐出ヘッドによるインク流量のばらつきを抑制できる。

図１１は「比較例」の構成のリフト量ｇのばらつきについて示す図である。図１１の横軸Ｘは圧電素子の変位量、図１１の縦軸がリフト量ｇを示している。

図１１に示すように、リフト量ｇが、その上限値をプロットした点線Ｂ１と下限値をプロットした点線Ｂ２との間でばらつく。このばらつきは、主にシール部材４４０と凹部４０２との間に形成された隙間により生じる。つまり、このように隙間ができるため、シール部材の底面の位置がばらつきやすく、また開閉弁を閉じた際のシール部材の圧縮量にもばらつきを生じる。

これに対して、図１２は「実施例」の開閉弁３１を用いた場合のリフト量ｇのばらつきについて示す図である。図１１と図１２を比較してわかるように、本実施形態では、点線Ｃ１と点線Ｃ２との幅として示されるリフト量ｇの変動幅が図１１の開閉弁４００を用いた場合と比較して小さい。従って、本実施形態の構成により、ノズル１４から安定した量のインクを吐出できることがわかる。これは、本実施形態の開閉弁３１で、シール部材４０の芯材３１０に対する密着性が良好なためである。

次に、以上で説明した液体吐出ヘッド１０を備えた液体吐出装置について説明する。

図１３は、液体吐出装置１００の全体概略構成図である。図１３（ａ）は液体吐出装置の側面図、図１３（ｂ）は同装置の平面図である。液体吐出装置１００は、対象物の一例である液体付与対象５００に対向して設置されている。液体吐出装置１００は、Ｘ軸レール１０１と、このＸ軸レール１０１と交差するＹ軸レール１０２と、Ｘ軸レール１０１およびＹ軸レール１０２と交差するＺ軸レール１０３を備える。特に本実施形態では、各レール１０１，１０２，１０３は互いに直交する方向に延在する。

Ｙ軸レール１０２は、Ｘ軸レール１０１がＹ軸方向に移動可能なようにＸ軸レール１０１を保持する。また、Ｘ軸レール１０１は、Ｚ軸レール１０３がＸ軸方向に移動可能なようにＺ軸レール１０３を保持する。そして、Ｚ軸レール１０３は、キャリッジ１がＺ軸方向に移動可能なようにキャリッジ１を保持する。

液体吐出装置１００は、キャリッジ１をＺ軸レール１０３に沿ってＺ軸方向に動かす第１のＺ方向駆動部９２と、Ｚ軸レール１０３をＸ軸レール１０１に沿ってＸ軸方向に動かすＸ方向駆動部７２を備える。また、液体吐出装置１００は、Ｘ軸レール１０１をＹ軸レール１０２に沿ってＹ軸方向に動かすＹ方向駆動部８２を備える。さらに、液体吐出装置１００は、キャリッジ１に対してヘッド保持体７０をＺ軸方向に動かす第２のＺ方向駆動部９３を備える。

前述した液体吐出ヘッドは、液体吐出ヘッド１０のノズル１４（図２参照）が液体付与対象５００に対向するようにヘッド保持体７０に取り付けられる。このように構成した液体吐出装置１００は、キャリッジ１をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の方向に動かしながら、ヘッド保持体７０に取り付けた液体吐出ヘッドから液体付与対象５００に向けて液体の一例であるインクを吐出し、液体付与対象５００に描画を行う。

次に、液体吐出装置の別の実施例であるインクジェットプリンタ２０１の構成について、図１４～図１７を参照して説明する。図１４は、実施形態に係る液体吐出装置の一例としてのインクジェットプリンタ２０１の構成を示す構成図である。図１５は、プリント対象である自動車Ｍに対する図１４に示すインクジェットプリンタ２０１の配置例を示す説明図である。図１６は、液体付与対象である自動車Ｍに対する図１４に示すインクジェットプリンタ２０１の他の配置例を示す説明図である。図１７は、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である。図１７（ａ）は、インクジェットプリンタ２０１で球面に画像をプリントした場合の説明図、図１７（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、図１７（ｃ）は、球面にインクジェットプリンタ２０１で四角形を連続してプリントした場合の説明図である。

図１４に示すように、インクジェットプリンタ２０１は、概略として、液体吐出ヘッド２０２と、撮影手段としてのカメラ２０４と、Ｘ－Ｙテーブル２０３と、画像編集ソフトウエアＳと、制御部２０９と、駆動部２１１とを備えている。カメラ２０４は液体吐出ヘッド２０２の近傍に配設される。Ｘ－Ｙテーブル２０３は液体吐出ヘッド２０２およびカメラ２０４をＸ方向およびＹ方向へ移動させる。画像編集ソフトウエアＳはカメラ２０４で撮影した画像を編集する。制御部２０９は、予め設定した制御プログラムに基づいてＸ－Ｙテーブル２０３を動作させて液体吐出ヘッド２０２からインクを吐出させる。駆動部２１１は、制御部２０９からの制御に基づいて、カメラ２０４を撮影位置に移動させたり、液体吐出ヘッド２０２を液体吐出位置に移動させたりする。

液体吐出ヘッド２０２は、複数の弁型ノズルを備えて構成されている。液体吐出ヘッド２０２は液体付与対象である被塗装物Ｍの被塗装面に向けてインクを吐出する。なお、ここでいう「インク」には「塗料」も含まれるものとする。

インクは各弁型ノズルから液体吐出ヘッド２０２に対して垂直に吐出される。即ち、液体吐出ヘッド２０２のインクの吐出面は、Ｘ－Ｙテーブル２０３の移動によって形成されるＸＹ平面と平行であり、各弁型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、各弁型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な方向である。各弁型ノズルは、それぞれ所定の色のインクタンクと連結されている。このインクタンクは加圧装置によって加圧されている。各弁型ノズルと液体付与対象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。

Ｘ－Ｙテーブル２０３は、概略として、Ｘ軸２０５と、Ｙ軸２０６を備えて構成されている。Ｘ軸２０５は直線移動機構を備える。Ｙ軸２０６はＸ軸２０５を２つのアームで保持しつつ、Ｘ軸２０５をＹ方向へ移動させる。Ｘ軸２０５のスライダに液体吐出ヘッド２０２および後述するカメラ２０４が取り付けられている。また、Ｙ軸２０６にはシャフト２０７が設けられている。このシャフト２０７をロボットアーム２０８で保持する。ロボットアーム２０８により、液体吐出ヘッド２０２を液体付与対象Ｍに対してインクの吐出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、液体付与対象Ｍが自動車である場合に、図１６に示すような横位置に配置したり、図１５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２０８は、予め制御部２０９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２０４は、液体吐出ヘッド２０２の近傍であるＸ軸２０５のスライダに配設される。カメラ２０４はＸ－Ｙ方向に移動しながら液体付与対象Ｍの液体付与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２０４はいわゆるデジタルカメラである。カメラ２０４は、液体付与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２０４による液体付与面の複数の細分割画像の撮影については、制御部２０９に予め設けられたプログラムに従って連続的、かつ、自動的に行われる。

制御部２０９は、記憶装置と、中央処理装置と、キーボードやマウス等の入力装置と、モニタ２１０と、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る。記憶装置は各種のプログラムおよび撮影済みの画像のデータや印刷すべき画像のデータ等を記録保存する。中央処理装置はプログラムに従って各種の処理を実行する。モニタ２１０は制御部２０９への入力情報や制御部２０９による処理結果等を表示する。

制御部２０９は、カメラ２０４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う。具体的には、制御部２０９は、平面ではない液体付与対象Ｍの液体付与面を平面に投影した合成プリント面の生成を行う。また制御部２０９は、液体付与面に形成された画像に連続するように、描画対象画像を編集することにより、描画対象編集画像の生成を行う。例えば、図１７（ｃ）に示した描画対象画像であるプリント画像２５２ｂについて、隣接するプリント画像２５２ａとの間に非プリント領域２５３が形成されないようにプリント画像２５２ｂを合成プリント面に整合するように編集することにより、描画対象編集画像を生成する。そして、この描画対象編集画像に基づいて、実際に液体吐出ヘッド２０２によってインクを吐出することで、プリント画像２５２ａとの間に隙間なくプリント画像２５２ｂを形成することが可能となる。なお、制御部２０９によって動作制御された駆動部２１１により、カメラ２０４による複数の細分割画像の撮影や液体吐出ヘッド２０２の各ノズルからのインクの吐出による画像の形成が行われる。

なお、図１７（ａ）では、球状物の液体付与対象２５１の球面状の表面にインクジェットノズルによって二次元の四角形を形成するような場合に、ノズルヘッド２５０に搭載された各インクジェットノズルから噴射されるインクの吐出方向が図示されている。図１７（ｂ）では、ノズルヘッド２５０に搭載された各インクジェットノズルから噴射されるインクはノズルヘッド２５０に対して垂直方向に吐出されるので、液体付与対象２５１の表面にプリントされたプリント画像２５２ａが、周辺が歪んだ形状の四角形となることが図示されている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本願において、「液体吐出装置」は、液体吐出ヘッド又を備え、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。液体吐出装置には、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「液体吐出装置」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、「液体吐出装置」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、前述した液体付与対象のことであり、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、「液体吐出装置」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、「液体吐出装置」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。

１０ 液体吐出ヘッド
１４ ノズル（吐出口）
１５ ノズル板（吐出口形成部材）
３０ 液体吐出モジュール
３１ 開閉弁
３１１ 芯材端部
３１１ａ 芯材端部の外側の側面
３１１ｂ 芯材端部の底面
３１２ 凹部
３１３ 溝部
３１９ 凸部
３２ 圧電素子（駆動体）
４０ シール部材（弾性部材）
４０ｂ シール部材の平坦部
４１ 接着剤
１００ 液体吐出装置
Ａ 長手方向（開閉弁の移動方向）
Ｄ１ 凸部のノズル側端面の外周端
Ｄ２ 凸部のノズル側端面の内周端

米国特許ＵＳ２０１２／０１０５５２２Ａ１

Claims (8)

1. 液体を吐出する吐出口と、
   移動可能に設けられ、前記吐出口を開閉する開閉弁と、を備えた液体吐出ヘッドであって、
   前記開閉弁は芯材を有し、
   前記芯材の前記吐出口側の端部に芯材端部が設けられ、
   前記芯材端部は、その内側に、前記吐出口側へ開口した凹部を有し、
   前記芯材端部の外側の側面および前記凹部に跨って弾性部材が設けられ、
   前記芯材端部は、前記開閉弁の移動方向の前記吐出口側の端面である底面を有し、
   前記底面は、前記開閉弁の移動方向の前記吐出口側から見て、前記凹部を囲うように設けられ、
   前記芯材端部の前記底面と前記外側の側面とを接続する隅部を外側隅部とすると、
   前記弾性部材は、前記外側の側面と前記外側隅部と前記底面とを覆うように設けられ、
   前記弾性部材は、前記開閉弁の移動方向の前記底面に対向する位置に平坦部を有し、
   前記弾性部材は、前記開閉弁の移動方向の前記吐出口側から見て前記外側隅部に重なる位置に、前記平坦部および前記外側の側面に対して傾斜する傾斜部を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記芯材端部は前記凹部を形成する内側の側面を有し、
   前記底面と前記内側の側面とを接続する部分を内側隅部とすると、
   前記弾性部材は、前記開閉弁の移動方向の前記吐出口側から見て前記内側隅部に重なる位置に、前記底面および前記内側の側面に対して傾斜する傾斜部を有する請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記芯材端部は、前記開閉弁の移動方向の前記吐出口側に筒状の凸部を有し、
   前記底面は前記凸部の端面で、前記外側の側面は前記凸部の外周面で、前記内側の側面は前記凸部の内周面であり、
   前記弾性部材の平坦部の径方向の幅をＷ１、前記底面の径方向の幅をＷ２とすると、Ｗ１＜Ｗ２に設定される請求項２記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記芯材端部の外側の側面に溝部が形成され、当該溝部に前記弾性部材が設けられる請求項１から３いずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記弾性部材が接着剤により前記芯材端部に接着される請求項１から４いずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記芯材端部は、前記開閉弁の移動方向の前記吐出口側に筒状の凸部を有し、
   前記底面は前記凸部の端面で、前記外側の側面は前記凸部の外周面で、前記内側の側面は前記凸部の内周面であり、
   前記弾性部材の前記開閉弁の移動方向の厚みであって、その前記吐出口に対向する部分の厚みを厚みＴ１とし、前記弾性部材の前記開閉弁の移動方向の厚みであって、前記凸部の前記開閉弁の移動方向の前記底面に対応する部分の厚みを厚みＴ２とすると、
   １．６≦Ｔ１／Ｔ２≦６に設定される請求項１から５いずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記弾性部材は前記芯材端部の外側の側面全周にわたって設けられる請求項１から６いずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 請求項１から７いずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置。