特開 2023-127822 液体吐出ヘッド、ヘッドユニット、液体吐出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023127822

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】液体吐出ヘッド、ヘッドユニット、液体吐出装置

(51)【国際特許分類】

   B41J 2/14 20060101AFI20230907BHJP

【ＦＩ】

B41J2/14 301

B41J2/14 607

B41J2/14 605

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022031739

(22)【出願日】2022-03-02

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100107423

【弁理士】

【氏名又は名称】城村 邦彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120949

【弁理士】

【氏名又は名称】熊野 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100207181

【弁理士】

【氏名又は名称】岡村 朋

(72)【発明者】

【氏名】塚本 竜児

(72)【発明者】

【氏名】紀伊國 敬

【テーマコード（参考）】

2C057

【Ｆターム（参考）】

2C057AG01

2C057AG44

2C057AG51

(57)【要約】

【課題】高周波駆動に対応することを課題とする。
【解決手段】インクを吐出するノズル１４と、ノズル１４にインクを供給するインク室１２と、ノズル１４を開閉するニードル弁１７と、ニードル弁１７に開閉動作をさせる圧電素子１８と、を備えた液体吐出ヘッド１０であって、インク室１２はそれぞれ異なる方向からインクを供給される複数のインク供給路１６Ａ，１６Ｂを有し、複数のインク供給路１６Ａ，１６Ｂからインク室１２へインクが供給され、ニードル弁１７をノズル１４に接近させる動作によってインクをノズル１４から吐出することを特徴とする。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を吐出するノズルと、
前記ノズルに液体を供給する液室と、
前記ノズルを開閉する開閉弁と、
前記開閉弁に開閉動作をさせる圧電体と、を備えた液体吐出ヘッドであって、
前記液室はそれぞれ異なる方向から前記液体を供給される複数の液体供給路を有し、
複数の前記液体供給路から前記液室へ前記液体が供給され、前記開閉弁を前記ノズルに接近させる動作によって前記液体を前記ノズルから吐出することを特徴とする液体吐出ヘッド。

【請求項2】

液体を吐出するノズルと、
前記ノズルに液体を供給する液室と、
前記ノズルを開閉する開閉弁と、
前記開閉弁に開閉動作をさせる圧電体と、を備えた液体吐出ヘッドであって、
前記開閉弁を前記ノズルから後退させた後、前記ノズルを封止しない位置まで前記ノズルに接近させ、その後、再度前記開閉弁を前記ノズルから後退させた後、前記ノズルを封止する位置まで移動させることで前記ノズルから前記液体を吐出させることを特徴とする液体吐出ヘッド。

【請求項3】

前記ノズルからの前記液体吐出時の、前記開閉弁の前記ノズルからの後退および接近方向の往復移動回数を任意に変更可能である請求項２記載の液体吐出ヘッド。

【請求項4】

請求項１から３いずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを備えたヘッドユニット。

【請求項5】

請求項４記載のヘッドユニットを備えた液体吐出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体吐出ヘッド、ヘッドユニット、液体吐出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

開閉弁をノズルに対して開閉する動作により液体を吐出する液体吐出ヘッドが存在する。

【0003】

たとえば特許文献１（米国特許ＵＳ２０１２／０１０５５２２Ａ１）には、ソレノイドコイルによりプランジャを上下動させてノズルの開口部からインクを吐出する構成が記載されている。

【0004】

このような液体吐出ヘッドでは、ノズルからの液体の吐出速度を上げることで、高周波駆動に対応することが課題となる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明では、高周波駆動に対応する液体吐出ヘッドを実現することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するため、本発明は、液体を吐出するノズルと、前記ノズルに液体を供給する液室と、前記ノズルを開閉する開閉弁と、前記開閉弁に開閉動作をさせる圧電体と、を備えた液体吐出ヘッドであって、前記液室はそれぞれ異なる方向から前記液体を供給される複数の液体供給路を有し、複数の前記液体供給路から前記液室へ前記液体が供給され、前記開閉弁を前記ノズルに接近させる動作によって前記液体を前記ノズルから吐出することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、高周波駆動に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】液体吐出装置の斜視図である。

【図2】液体吐出ヘッドを示す断面図である。

【図3】ニードル弁を閉じた状態のヘッドユニットを示す断面図である。

【図4】ニードル弁を開放した状態のヘッドユニットを示す断面図である。

【図5】ニードル弁を閉じてインクを吐出した様子を示すヘッドユニットの断面図である。

【図6】ニードル弁をノズルに接近させた状態のヘッドユニットを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。以下の説明では、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドとして、液体としてのインクを吐出する液体吐出ヘッドについて説明する。

【0010】

図１に示すように、液体吐出装置１００は、対象物の一例である被描画物２００に対向して設置している。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。

【0011】

Ｙ軸レール１０２は、Ｘ軸レール１０１がＹ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方向に移動可能なように、キャリッジ１を保持する。キャリッジ１は液体吐出ヘッド１０を備えている。キャリッジ１は液体吐出ヘッドを備えるヘッドユニットの一例である。

【0012】

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方向に動かす第２のＺ方向駆動部９３を備える。

【0013】

キャリッジ１は、ヘッド保持体７０を備えている。ヘッド保持体７０は、保持体の一例である。また、キャリッジ１は、図１に示した第１のＺ方向駆動部９２からの動力によりＺ軸レール１０３に沿ってＺ方向へ移動可能である。ヘッド保持体７０は、図１に示した第２のＺ方向駆動部９３からの動力によりキャリッジ１に対してＺ方向へ移動可能である。

【0014】

上記構成の液体吐出装置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、液体吐出ヘッド１０から液体の一例であるインクを吐出し、被描画物２００に描画を行う。ここで、キャリッジ１およびヘッド保持体７０のＺ方向への移動は、Ｚ方向と平行である必要はなく、少なくともＺ方向の成分を含んでいれば斜めの移動であってもよい。

【0015】

なお、図１において被描画物２００の表面形状は平面として示しているが、被描画物２００の表面形状は、車やトラックの車体、航空機の機体などのように鉛直に近い面、もしくは曲率半径の大きい面でもよい。

【0016】

図２は、液体吐出ヘッド単体の説明図である。図２（ａ）は液体吐出ヘッドの全体断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ部の拡大図である。

【0017】

液体吐出ヘッド１０はハウジング１１を備える。ハウジング１１は金属または樹脂からなる。

【0018】

液体吐出ヘッド１０はノズル板１５を有する。ノズル板１５はハウジング１１に接合されている。ノズル板１５はインクを吐出するノズル１４を備える。

【0019】

ハウジング１１の内側にはノズル１４を開閉するニードル弁１７と、ニードル弁１７を駆動する圧電素子１８とを備える。ニードル弁１７とハウジング１１との間には、軸受部２１を設ける。軸受部２１とニードル弁１７との間には、Ｏリングなどのシール部材２２を設けている。

【0020】

ハウジング１１の内側の空間１３内に圧電素子１８を収容している。保持部材２３は中央空間２３ａ内に圧電素子１８を保持している。圧電素子１８とニードル弁１７とは同軸上に保持部材２３の先端部２３ｂを介して連結されている。保持部材２３は、先端部２３ｂ側はニードル弁１７と連結し、後端部２３ｃ側はハウジング１１に取り付けられた規制部材１９によって固定されている。

【0021】

ニードル弁１７はその先端に弾性部材１７ａを備えている。ニードル弁１７の先端をノズル板１５に押し付けた際に、弾性部材１７ａが圧縮されることで、ニードル弁１７がノズル１４を確実に閉塞する。

【0022】

ハウジング１１の内部の空間のうち、ニードル弁１７の弾性部材１７ａが設けられる側の空間であって、シール部材２２により画成された空間が、液室としてのインク室１２である。

【0023】

ハウジング１１は供給路１６を備えている。供給路１６は、後述するインク供給ボトルから、インク室１２へインクを供給する経路である。

【0024】

ハウジング１１は、圧電素子１８の上端部と対向する位置に規制部材１９を備えている。この規制部材１９は、圧電素子１８の上端部に当接しており、圧電素子１８の固定点をなしている。

【0025】

ここで、ノズル板１５は吐出口形成部材の一例で、ニードル弁１７は開閉弁の一例で、圧電素子１８は圧電体の一例である。

【0026】

次に、液体吐出ヘッド１０を備えた本実施形態のヘッドユニット２について説明し、液体吐出ヘッド１０からインクを吐出する過程について説明する。

【0027】

図３に示すように、ヘッドユニット２は、液体吐出ヘッド１０と、液体供給部としての第１インク供給ボトル３１Ａおよび第２インク供給ボトル３１Ｂを有する。

【0028】

インク室１２には異なる２方向から、液体供給路としての第１供給路１６Ａ、第２供給路１６Ｂが接続される。それぞれの供給路１６Ａ，１６Ｂには、第１インク供給ボトル３１Ａ、第２インク供給ボトル３１Ｂがそれぞれ接続されている。第１インク供給ボトル３１Ａおよび第２インク供給ボトル３１Ｂは、インク室１２にインクを供給する。これにより、インク室１２内がインクで満たされている。ただし、インク室１２に対して異なる３以上の方向からインクが供給されてもよい。

【0029】

図３ではニードル弁１７がノズル板１５に当接し、ノズル１４のニードル弁１７側の開口端１４ａを封止している。

【0030】

本実施形態では、後述のインク吐出動作時においてもインク室１２内のインクは加圧されていない。ただし、インク吐出動作時に、加圧機構によりインク室１２内のインクを吐出動作に影響しない程度に加圧してもよい。

【0031】

インクの吐出動作時には、まず、圧電素子１８に電圧を印加して収縮させる。これにより、図４に示すように、ニードル弁１７をノズル１４から退避させ、ノズル１４の開口端１４ａを開放する。これにより、開口端１４ａ付近の圧力が低下し、ノズル１４およびノズル１４とニードル弁１７の間の隙間領域４０にインクが供給される。

【0032】

この状態から、再びニードル弁１７をノズル１４に接近させていき、図５に示すように、ノズル１４を封止する位置までニードル弁１７を移動させる。これにより、隙間領域４０およびノズル１４内のインクがニードル弁１７により押され、ノズル１４からインク９０が吐出される。

【0033】

以上の吐出動作において、本実施形態では、複数方向からインクを液室１２に向けて供給することにより、液室１２に対するインクの供給速度を上げることができ、液体吐出ヘッド１０のインクの吐出速度を向上させることができる。従って、液室１２内のインクを加圧せず、ニードル弁１７の開閉動作によりインクを吐出する吐出動作においても、高周波駆動に対応することが可能になる。

【0034】

また圧電素子１８は電圧の印加に対して高速で応答することができるため、液体吐出ヘッド１０によるインクの吐出速度を向上させることができる。

【0035】

次に、上記実施形態と異なる本発明の第二実施形態であって、異なる吐出動作を行う液体吐出ヘッドについて説明する。

【0036】

本実施形態では、まず前述の実施形態と同様に、図３～図４のようにニードル弁１７をノズル１４の封止状態からノズル１４から退避する方向へ移動させる。これにより、ノズル１４とニードル弁１７の間の隙間領域４０にインクを供給する。

【0037】

その後、再びニードル弁１７をノズル１４に接近させていき、図６に示すように、ニードル弁１７がノズル１４を封止しない位置まで移動させる。そして、再びニードル弁１７をノズル１４から退避する方向へ移動させ、例えば図４と同じ位置まで移動させる。そして、再びニードル弁１７をノズル１４に接近させていき、図５のようにニードル弁１７によりノズル１４を封止する。これにより、前述の実施形態と同様、ノズル１４からインクが吐出される。

【0038】

このように本実施形態では、図３→図４→図６→図４→図５のように、ニードル弁がその開閉方向に２回の往復運動を行う。一度目に図４に示す退避位置から図６に示すノズル１４を封止しない程度の位置までニードル弁１７を接近させることで、ノズル１４内あるいはその近傍内の気泡を外側へ押し出すことができる。その後、再度ニードル弁１７を開閉することにより、ノズル１４からインクを吐出する。これにより、吐出するインク液滴の体積を大きくすることができる。ただし、２回の往復運動でニードル弁１７を開く位置が必ずしも同じである必要はない。また、便宜的に前述の実施形態と同じ図３～図５を用いて説明しているが、必ずしも両者の機構や動作は同じではない。例えば、ニードル弁１７の移動量が同じである必要はないし、図５で吐出されるインク９０の量は二つの実施形態で必ずしも同じでないことはもちろんである。

【0039】

また、ニードル弁１７の往復運動の回数は３回以上であってもよく、本実施形態ではその回数を変更可能である。往復運動の回数を増やすことにより、ノズル１４から吐出するインクの体積を大きくすることができる。つまり、ニードル弁１７の往復運動の回数を変更することにより、所望の体積のインクをノズル１４から吐出させることができる。

【0040】

なお、前述の第二実施形態では、液室１２にインクを供給する液体供給路が一つのみの構成であってもよい。

【0041】

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。

【0042】

「液体」にはインクだけでなく塗料を含む。

【0043】

本願において、「液体吐出装置」は、液体吐出ヘッド又は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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

上記「液体が付着可能なもの」とは、前述した被描画物のことであり、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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【符号の説明】

【0052】

２ ヘッドユニット
１０ 液体吐出ヘッド
１２ インク室（液室）
１４ ノズル
１５ ノズル板（吐出口形成部材）
１６Ａ 第１供給路（液体供給路）
１６Ｂ 第２供給路（液体供給路）
１７ ニードル弁（開閉弁）
１８ 圧電素子（圧電体）
３１Ａ 第１インク供給ボトル（液体供給部）
３１Ｂ 第２インク供給ボトル（液体供給部）
４０ 隙間領域
１００ 液体吐出装置

【先行技術文献】

【特許文献】

【0053】

【特許文献1】米国特許ＵＳ２０１２／０１０５５２２Ａ１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】