特開 2023-56112 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置

(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】P2023056112

(43)【公開日】2023-04-19

(54)【発明の名称】液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置

(51)【国際特許分類】

   B05C 5/00 20060101AFI20230412BHJP

   B05C 11/00 20060101ALI20230412BHJP

【ＦＩ】

B05C5/00 101

B05C11/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021165228

(22)【出願日】2021-10-07

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(72)【発明者】

【氏名】酒井 慶太郎

【テーマコード（参考）】

4F041

4F042

【Ｆターム（参考）】

4F041AB01

4F041BA01

4F041BA10

4F041BA13

4F041BA17

4F041BA36

4F042AB00

4F042BA08

4F042BA12

4F042CB20

(57)【要約】

【課題】ノズルの閉塞において熱影響を受けにくい液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】
液体を吐出するノズルを有するノズル部材と、前記ノズルを開閉する弁体、アクチュエータ、および前記アクチュエータを保持し、前記アクチュエータの駆動により弾性変形して前記アクチュエータの駆動力を前記弁体に伝える弾性部材を有する駆動ユニットと、前記ノズル部材を保持するとともに、前記駆動ユニットを収容する収容部材と、を備える液体吐出ヘッドであって、前記収容部材に対する前記駆動ユニットの固定位置は、前記アクチュエータの前記ノズル部材と相反する側の端部における前記弾性部材による保持位置よりも、前記ノズル側にある。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を吐出するノズルを有するノズル部材と、
前記ノズルを開閉する弁体、アクチュエータ、および前記アクチュエータを保持し、前記アクチュエータの駆動により弾性変形して前記アクチュエータの駆動力を前記弁体に伝える弾性部材を有する駆動ユニットと、
前記ノズル部材を保持するとともに、前記駆動ユニットを収容する収容部材と、
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記収容部材に対する前記駆動ユニットの固定位置は、前記アクチュエータの前記ノズル部材と相反する側の端部における前記弾性部材による保持位置よりも、前記ノズル側にあ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を有するノズル部材と、
前記ノズルを開閉する弁体、アクチュエータ、および前記アクチュエータを保持し、前記アクチュエータの駆動により弾性変形して前記アクチュエータの駆動力を前記弁体に伝える弾性部材を有する駆動ユニットと、
前記ノズル部材を保持するとともに、前記駆動ユニットを収容する収容部材と、
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記収容部材に対する前記駆動ユニットの固定位置は、前記アクチュエータの前記流体の吐出方向における中央の位置よりも前記ノズル側にあることを特徴とする液体吐出ヘッド。

【請求項3】

液体を吐出するノズルを有するノズル部材と、
前記ノズルを開閉する弁体、アクチュエータ、および前記アクチュエータを保持し、前記アクチュエータの駆動により弾性変形して前記アクチュエータの駆動力を前記弁体に伝える弾性部材を有する駆動ユニットと、
前記ノズル部材を保持するとともに、前記駆動ユニットを収容する収容部材と、
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記収容部材に対する前記駆動ユニットの固定位置は、前記収容部材の前記液体の吐出方向における中央の位置よりも前記ノズル側にあることを特徴とする液体吐出ヘッド。

【請求項4】

前記収容部材は、前記弁体、前記アクチュエータおよび前記弾性部材よりも熱膨張係数の低い材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項5】

前記液体吐出ヘッドは、前記弁体と前記アクチュエータとの間に移動機構を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記ノズルと対象物とを相対的に動かす移動手段と、
を備えることを特徴とする液体吐出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、ノズルに連通するキャビティに吐出液体を加圧供給すると共に、ピンでノズルを閉塞可能とし、このピンをアクチュエータでノズルに対して離接可能とし、このアクチュエータを制御装置で制御する構成とすることで、ピンがノズルから離間している間だけ、加圧供給されている吐出液体がノズルから液滴として吐出される液滴吐出ヘッドを開示している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

熱により収縮する特性を有するアクチュエータにおいては、アクチュエータ自身が駆動時に発する熱によって収縮することもあり、その場合、ノズルの閉塞が不完全になる。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明は、液体を吐出するノズルを有するノズル部材と、前記ノズルを開閉する弁体、アクチュエータ、および前記アクチュエータを保持し、前記アクチュエータの駆動により弾性変形して前記アクチュエータの駆動力を前記弁体に伝える弾性部材を有する駆動ユニットと、前記ノズル部材を保持するとともに、前記駆動ユニットを収容する収容部材と、
を備える液体吐出ヘッドであって、前記収容部材に対する前記駆動ユニットの固定位置は、前記アクチュエータの前記ノズル部材と相反する側の端部における前記弾性部材による保持位置よりも、前記ノズル側にあることを特徴とする。

【発明の効果】

【0005】

本発明によれば、ノズルの閉塞において熱影響を受けにくい液体吐出ヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体斜視図。

【図2】本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体断面図。

【図3】本発明の実施形態に係る駆動ユニット単体の説明図。

【図4】ニードル弁の先端部の概略拡大図

【図5】固定位置の説明図。

【図6】本発明の実施形態に係る駆動ユニットの変形例を示す説明図。

【図7】本発明の実施形態に係る液体吐出装置の全体斜視図。

【図8】図７の液体吐出装置のキャリッジの全体斜視図。

【図9】本発明の実施形態に係る液体吐出装置の別の例を示す概略構成図。

【図10】図９の一部拡大図。

【図11】本発明の適用例を示す説明図。

【図12】本発明の適用例を示す説明図。

【図13】本発明の適用例を示す説明図。

【図14】本発明の適用例を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本発明の実施形態を、図面を用いて以下に説明する。

【0008】

図１は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体斜視図である。

【0009】

液体吐出ヘッド（以下、ヘッドと称する）３００は、ハウジング３１０、コネクタ３５０、液体供給ポート３１１および液体回収ポート３１３を主に備える。ハウジング３１０は金属材料または樹脂材料からなる。コネクタ３５０は、液体を吐出するための駆動信号等、電気信号を伝送するための端子であり、本実施形態ではハウジング３１０の上部にコネクタ３５０を設けている。液体供給ポート３１１と液体回収ポート３１３は、ハウジング３１０の左右に位置し、液体供給ポート３１１は液体をヘッド内に供給する。また、液体回収ポート３１３は液体をヘッドから排出する。

【0010】

図２は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体断面図（図１のＡ－Ａ線矢視断面図）である。

【0011】

ハウジング３１０は、その上部に電気信号を伝送するためのコネクタ３５０を備えており、下部には液体を吐出するノズル３０２を備えたノズル板３０１を保持している。また、ハウジング３１０は、液体供給ポート３１１からの液体を、ノズル板３０１上を経て液体回収ポート３１３側へ送る流路３１２を備えている。ここで、ノズル板３０１は「ノズル部材」の一例である。

【0012】

さらに、ハウジング３１０は、液体供給ポート３１１と液体回収ポート３１３との間に、流路３１２内の液体をノズル３０２から吐出するための駆動ユニット３３０を収容している。駆動ユニット３３０についての詳細は後述するが、概略として駆動ユニット３３０は、ニードル弁３３１、圧電素子３３２および板バネ枠体３３３を備える。板バネ枠体３３３は圧電素子３３２を保持するとともに、圧電素子３３２の駆動により弾性変形して圧電素子３３２の駆動力をニードル弁３３１に伝える。ニードル弁３３１は、板バネ枠体３３３の弾性変形を受けてノズル３０２を開閉する。ここで、駆動ユニット３３０を構成するニードル弁３３１は「弁体」の一例であり、圧電素子３３２は「アクチュエータ」の一例であり、板バネ枠体３３３は「弾性部材」の一例である。また、ハウジング３１０は「収容部材」の一例である。

【0013】

駆動ユニット３３０は、ノズル３０２の数と一致しており、本実施形態では１列に並べた８個のノズル３０２に対応する８個の駆動ユニット３３０を備えた構成を例示している。なお、ノズル３０２および駆動ユニット３３０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３０２および駆動ユニット３３０の数は、９個以上でもよいし、または複数ではなく１個であってもよい。また、ノズル３０２および駆動ユニット３３０の配列は、１列ではなく複数列で配置してもよい。

【0014】

上記の構成において、液体の流れとしては、加圧した状態の液体を液体供給ポート３１１が外部から取り込み、液体を矢印ａ１方向へ送り、液体を流路３１２に供給する。流路３１２は、液体供給ポート３１１からの液体を矢印ａ２方向へ送る。そして、液体回収ポート３１３は、流路３１２に沿って配置したノズル３０２から吐出しなかった液体を矢印ａ３方向へ排出する。

【0015】

液体の吐出動作としては、圧電素子３３２を作動し、ニードル弁３３１が図において上方向へ変位すると、ニードル弁３３１によって閉じていたノズル３０２が開いた状態になり、流路３１２を流れる液体がノズル３０２から吐出する。また、圧電素子３３２を作動し、ニードル弁３３１が下方向へ変位すると、ニードル弁３３１の先端部がノズル３０２に当接してノズル３０２が閉じた状態になり、ノズル３０２から液体が吐出しなくなる。なお、ノズル３０２から液体を吐出している期間は、ノズル３０２からの吐出効率を下げないようにするために、液体回収ポート３１３からの液体の排出は一時的に行わないようにしてもよい。次に、駆動ユニット３３０の構成を詳細に説明する。

【0016】

図３は、本発明の実施形態に係る駆動ユニット単体の説明図である。

【0017】

駆動ユニット３３０は、ニードル弁３３１、圧電素子３３２および板バネ枠体３３３を備える。ノズル板３０１はハウジング３１０に接合している。また、流路３１２はハウジング３１０に設けた複数の駆動ユニット３３０に共通の流路である。

【0018】

ニードル弁３３１は、図４に示すように、その先端がノズル板３０１に設けたノズル３０２に対向しており、ニードル弁３３１の先端がノズル板３０１に当接することでノズル３０２を閉塞する。なお、ニードル弁３３１は、図３に示すように、先端に弾性体３３１ａを設け、ノズル３０２をより確実に閉塞するようにしてもよい。

【0019】

ハウジング３１０は、軸受３２１を介してニードル弁３３１を支持しており、さらに、軸受３２１とニードル弁３３１との間にはＯリングなどのシール部材３１５を装着している。ハウジング３１０の内部に形成した空間３２２には、板バネ枠体３３３を配置している。板バネ枠体３３３は、ニードル弁保持部３３３ａ、枠部３３３ｂ、伸縮部３３３ｃ、空間３３３ｄおよび圧電素子保持部３３３ｅ、３３３ｆを備える。ニードル弁保持部３３３ａはニードル弁３３１の後端部を保持する。枠部３３３ｂは、例えば金属板からなり、中央部に空間３３３ｄを備えている。伸縮部３３３ｃは、枠部３３３ｂの一部に一体で形成した板バネであり、この部位が伸縮可能になっている。

【0020】

板バネ枠体３３３の空間３３３ｄは、圧電素子３３２の設置スペースを形成する。圧電素子保持部３３３ｅは、枠部３３３ｂのニードル弁保持部３３３ａ後側から空間３３３ｄに向かって突出しており、圧電素子保持部３３３ｆは、枠部３３３ｂの圧電素子保持部３３３ｅと対面する部位において空間３３３ｄに向かって突出している。

【0021】

上記構成の板バネ枠体３３３に圧電素子３３２を取り付ける場合は、伸縮部３３３ｃの弾性変形を利用して板バネ枠体３３３を若干伸ばし、空間３３３ｄを広げた状態にする。広げた状態の空間３３３ｄに圧電素子３３２を挿入したならば、板バネ枠体３３３を伸ばした状態から解放する。これにより、板バネ枠体３３３は、伸縮部３３３ｃが元に戻ろうとする復元力によって、圧電素子３３２の長手方向両端を、圧電素子保持部３３３ｅと圧電素子保持部３３３ｆとで挟み込むようにして保持する。従って空間３３３ｄに圧電素子３３２を挿入したデフォルト状態においては、伸縮部３３３ｃが少し伸びた状態になる。

【0022】

なお、本実施形態において、弾性部材としての板バネ枠体３３３は、ニードル弁保持部３３３ａ、枠部３３３ｂ、伸縮部３３３ｃおよび圧電素子保持部３３３ｅ、３３３ｆを一体の部材で構成しているが、このうち一部の部位を別部材で構成してもよい。例えば、伸縮部３３３ｃをバネなどで構成し、バネを枠部３３３ｂに取り付けてもよい。

【0023】

ハウジング３１０に対する駆動ユニット３３０の取り付けは、例えばハウジング３１０に設けたネジ穴３１０ａと板バネ枠体３３３に設けたネジ穴３３３ｇとをネジ３１０ｂで締結することにより行う。なお、板バネ枠体３３３に設けたネジ穴３３３ｇは、板バネ枠体３３３を貫通しない深さで形成している。ネジ穴３３３ｇは貫通穴にしてもよいが、その場合は、圧電素子３３２に達しない長さのネジ３１０ｂを使用する。また、締結箇所は１箇所に限るものではない。例えば、図において右側にも同様のネジ穴を設け、ハウジング３１０と駆動ユニット３３０とを左右から締結するようにしてもよい。そして、これらネジ穴３１０ａ、３３３ｇおよびネジ３１０ｂによる締結部は、固定点３１４を成し、固定点３１４は線Ｂ上に設けている（固定点３１４についての詳細は後述する）。

【0024】

上記の構成により、ニードル弁３３１および圧電素子３３２は、板バネ枠体３３３を介して同軸上、すなわち液体の吐出方向に直列に並んだ配置となる。そして、圧電素子３３２に電圧を印加すると、圧電素子３３２が伸張する。圧電素子３３２が伸張すると、板バネ枠体３３３の伸縮部３３３ｃが弾性変形して当該伸張を吸収し、圧電素子３３２の先端部に設置したニードル弁保持部３３３ａをノズル３０２側（図において下側）へ押す。このように、板バネ枠体３３３が圧電素子３３２の駆動により弾性変形して、圧電素子３３２の駆動力をニードル弁３３１に伝える。これにより、ニードル弁３３１の先端部（本実施形態では弾性体３３１ａ）がノズル３０２に当接してノズル３０２を閉塞し、流路３１２に加圧供給した液体のノズル３０２からの吐出を止める。

【0025】

また、圧電素子３３２への電圧印加を停止すると、圧電素子３３２は収縮する。圧電素子３３２が収縮すると、伸縮部３３３ｃが弾性変形して当該収縮を吸収し、圧電素子３３２の先端部に設置したニードル弁保持部３３３ａを後端側（図において上側）へ引っ張る。これにより、ニードル弁３３１の先端部（本実施形態では弾性体３３１ａ）がノズル３０２から離間してノズル３０２を開放し、流路３１２に加圧供給した液体をノズル３０２から吐出する。次に、固定点３１４について説明する。

【0026】

図５は、固定位置を説明する図である。図５（ａ）は比較例、図５（ｂ）は本発明の実施形態に係るヘッド構成を示しており、両者共にニードル弁３３１の周囲に存在する軸受、シール部材、流路等は便宜上、省略した概略図として示している。

【0027】

比較例は、ハウジング３１０と駆動ユニット３３０との締結位置、つまりハウジング３１０に対する駆動ユニット３３０の固定位置としての固定点３１４を、駆動ユニット３３０のノズル板３０１と相反する側の端部寄り（線Ｃ上）に設けており、固定点３１４からニードル弁３３１先端までの長さ（自由長）はＬ１である。

【0028】

ところで、圧電素子３３２には、その周囲の環境温度の上昇や、圧電素子３３２自身が駆動する際に発する熱によって圧電素子３３２の全長（長手方向の長さ）が収縮する特性を有するものがある。よって、圧電素子３３２が熱で収縮してしまうと、圧電素子３３２に電圧を印加しても圧電素子３３２の伸張量が足りず、ニードル弁３３１の先端がノズル３０２に届かなくなり、ノズル３０２を閉塞できなくなる。

【0029】

駆動ユニット３３０の熱による収縮量（ΔＬ）は、固定点３１４からニードル弁３３１先端までの自由長（Ｌ）に比例しており、自由長が長くなると収縮量も増大する傾向がある。そのため、比較例のように自由長が長い場合、駆動ユニット３３０の熱による収縮量（ΔＬ）も大きくなり、ノズル３０２を閉塞できない状態が発生しやすくなる。一方で高粘度の液体に対応可能なヘッドを得るためには、大きな変位量を発生できる駆動ユニット３３０が必要であり、このような駆動ユニット３３０を実現する上で長尺の圧電素子は有効である。

【0030】

そこで、本実施形態では図５（ｂ）に示すように、固定点３１４からニードル弁３３１先端までの自由長Ｌ２を短くして収縮の影響を抑えるようにしている。つまり、比較例よりも固定点３１４をノズル板３０１側（線Ｂ上）に設け、これにより収縮量（ΔＬ）を固定点３１４からニードル弁３３１先端までの収縮の影響に抑え、温度上昇に伴う収縮量の絶対値を減らす。

【0031】

具体的には、固定点３１４を、圧電素子３３２のノズル板３０１と相反する側の端部における板バネ枠体３３３による保持位置（例えば位置Ｐ）よりも、ノズル３０２側に配置する。固定点３１４からニードル弁３３１先端までの自由長Ｌ２は、可能な限り短い方が収縮の影響を抑えることができるため、より好ましくは、固定点３１４を圧電素子３３２の長手方向（液体の吐出方向）長さＬ３の半分（Ｌ３／２）よりもノズル３０２側に設ける。または、固定点３１４を、ハウジング３１０の長手方向（液体の吐出方向）長さＬ４の半分（Ｌ４／２）よりもノズル３０２側に設ける。ここで、圧電素子３３２の長手方向（液体の吐出方向）長さＬ３は、圧電素子３３２に電圧を印加しないときの圧電素子３３２の長さである。

【0032】

上述のように、本実施形態は、液体を吐出するノズル３０２を有するノズル板３０１と、ノズル３０２を開閉するニードル弁３３１、圧電素子３３２、および圧電素子３３２を保持し、圧電素子３３２の駆動により弾性変形して圧電素子３３２の駆動力をニードル弁３３１に伝える板バネ枠体３３３を有する駆動ユニット３３０と、ノズル板３０１を保持するとともに、駆動ユニット３３０を収容するハウジング３１０と、を備えるヘッド３００であって、ハウジング３１０に対する駆動ユニット３３０の固定点３１４は、圧電素子３３２のノズル板３０１と相反する側の端部における板バネ枠体３３３による保持位置（位置Ｐ）よりも、ノズル３０２側にある。

【0033】

また、上述のように、液体を吐出するノズル３０２を有するノズル板３０１と、ノズル３０２を開閉するニードル弁３３１、圧電素子３３２、および圧電素子３３２を保持し、圧電素子３３２の駆動により弾性変形して圧電素子３３２の駆動力をニードル弁３３１に伝える板バネ枠体３３３を有する駆動ユニット３３０と、ノズル板３０１を保持するとともに、駆動ユニット３３０を収容するハウジング３１０と、を備えるヘッド３００であって、ハウジング３１０に対する駆動ユニット３３０の固定点３１４は、圧電素子３３２の流体の吐出方向における中央の位置よりもノズル３０２側にある。

【0034】

また、上述のように、液体を吐出するノズル３０２を有するノズル板３０１と、ノズル３０２を開閉するニードル弁３３１、圧電素子３３２、および圧電素子３３２を保持し、圧電素子３３２の駆動により弾性変形して圧電素子３３２の駆動力をニードル弁３３１に伝える板バネ枠体３３３を有する駆動ユニット３３０と、ノズル板３０１を保持するとともに、駆動ユニット３３０を収容するハウジング３１０と、を備えるヘッド３００であって、ハウジング３１０に対する駆動ユニット３３０の固定点３１４は、ハウジング３１０の液体の吐出方向における中央の位置よりもノズル３０２側にある。

【0035】

これにより、熱による収縮の影響を、固定点３１４からニードル弁３３１先端までの自由長Ｌ２の間で発生した収縮に抑えることが可能になり、ノズル３０２の閉塞において熱影響を受けにくいヘッド３００を提供できる。

【0036】

また、収縮量（ΔＬ）は各部材の材料選定に依存する。例えば、材料コスト等の関係で、圧電素子３３２と板バネ枠体３３３には、温度上昇に伴い収縮する特性の材料を用い、ハウジング３１０とニードル弁３３１には、温度上昇に伴い熱膨張し伸張する特性の材料を用いる場合がある。また、その場合、圧電素子３３２および板バネ枠体３３３の収縮量が、ハウジング３１０およびニードル弁３３１の伸張量よりも大きい場合もある。このような場合、収縮量（ΔＬ）は、圧電素子３３２および板バネ枠体３３３の収縮量のみでなく、ハウジング３１０およびニードル弁３３１の伸張量が加わるので、収縮量（ΔＬ）はより増大してしまう。これに対しては、例えばハウジング３１０を、熱膨張係数の低い材料で形成することで、伸張量を低減する。

【0037】

上述のように、本実施形態において、ハウジング３１０は、ニードル弁３３１、圧電素子３３２および板バネ枠体３３３よりも熱膨張係数の低い材料からなる。これにより、ハウジング３１０の熱膨張による伸張が減り、全体の収縮量（ΔＬ）をより低減することができる。

【0038】

図６は、本発明の実施形態に係る駆動ユニットの変形例を示す概略図であり、図６（ａ）は概略平面図、図６（ｂ）は概略側面図を示す。

【0039】

本変形例も上述の実施形態と同様、ハウジング５１０は、液体を吐出するノズル５０２を有するノズル板５０１を保持し、また、その内部には駆動ユニット５３０を収容している。上述の実施形態では、図３に示したように板バネ枠体３３３（ニードル弁保持部３３３ａ）がニードル弁３３１を保持する構成としたが、本変形例はテコ機構部５３４がニードル弁５３１を保持する点が異なる。以下に変形例の構成を説明する。

【0040】

ハウジング５１０は、ノズル板５０１を保持し、ノズル板５０１の後側（図の右側）には、液体を通すための流路５１２を備えている。また、ハウジング５１０は、駆動ユニット５３０を収容するための空間５２２を備えている。駆動ユニット５３０は、ニードル弁５３１、圧電素子５３２、板バネ枠体５３３およびテコ機構部５３４を備える。ニードル弁５３１は、その先端がノズル板５０１に設けたノズル５０２に対向しており、ニードル弁５３１の先端がノズル板５０１に当接することでノズル５０２を閉塞する。ハウジング５１０とニードル弁５３１との間にはＯリングなどのシール部材５１５を装着し、流路５１２を通る液体が圧電素子５３２側へ流入することを阻止する。

【0041】

駆動ユニット５３０の板バネ枠体５３３は、変形部５３３ａ、枠部５３３ｂ、伸縮部５３３ｃ、空間５３３ｄ等を備える。変形部５３３ａは、枠部５３３ｂの先端部（図の左側）を２つに分岐するような形状をしており、圧電素子５３２が板バネ枠体３３３をノズル５０２側（矢印ａ方向）に押すと、変形部５３３ａは矢印ｂ方向に変形する構成となっている。枠部５３３ｂは例えば金属板からなり、中央部に空間５３３ｄを備えている。伸縮部５３３ｃは、枠部５３３ｂの一部に一体で形成した板バネであり、この部位が伸縮可能になっている。板バネ枠体５３３の空間５３３ｄは、圧電素子５３２の設置スペースを形成する。

【0042】

そして、板バネ枠体５３３は、伸縮部５３３ｃの復元力によって、圧電素子５３２の長手方向両端を、空間５３３ｄで挟み込むようにして保持する。なお、本変形例において、板バネ枠体５３３は、変形部５３３ａ、枠部５３３ｂおよび伸縮部５３３ｃを一体の部材で構成しているが、このうち一部の部位を別部材で構成してもよい。例えば、伸縮部５３３ｃをバネなどで構成し、バネを枠部５３３ｂに取り付けてもよい。

【0043】

テコ機構部５３４は、ゴムや軟質樹脂等または薄い金属板等を成形加工することによって形成した弾性変形可能な部材からなり、図６（ａ）のように台形状に屈曲した形状をしている。テコ機構部５３４の端部５３４ａは、板バネ枠体５３３の変形部５３３ａに固定しており、ニードル弁保持部５３４ｂはニードル弁５３１を保持する。ここで、本変形例において、ノズル板５０１は「ノズル部材」の一例であり、ニードル弁５３１は「弁体」の一例であり、圧電素子５３２は「アクチュエータ」の一例である。また、板バネ枠体５３３は「弾性部材」の一例であり、テコ機構部５３４は「移動機構」の一例であり、ハウジング５１０は「収容部材」の一例である。

【0044】

上記のような構造を備えたテコ機構部５３４は、圧電素子５３２に所定の電圧を印加すると圧電素子５３２が伸び、圧電素子５３２は、板バネ枠体５３３に設けた２つの変形部５３３ａの中央部付近をノズル５０２側（矢印ａ方向）へ押圧する。すると、板バネ枠体５３３の変形部５３３ａは、圧電素子５３２側（矢印ｂ方向）に変形し、これに伴い、変形部５３３ａに端部５３４ａを固定したテコ機構部５３４も矢印ｂ方向へ開くように変形する。これにより、ニードル弁保持部５３４ｂに保持したニードル弁５３１は、圧電素子５３２側（矢印ｃ方向）に移動し、ノズル５０２を開放する。なお、圧電素子５３２に電圧を印加していない状態では、テコ機構部５３４には外部から力が加わらない状態となり、上述した変形は生じないため、ニードル弁５３１はノズル５０２を閉塞する。

【0045】

ハウジング５１０に対する駆動ユニット５３０の取り付けは、例えばハウジング５１０に設けたネジ穴５１０ａと板バネ枠体５３３に設けたネジ穴５３３ｇとをネジ５１０ｂで締結することにより行う。その際、本変形例においても、ハウジング５１０に対する駆動ユニット５３０の固定位置としての固定点５１４（ネジ穴５１０ａ、５３３ｇおよびネジ５１０ｂによる締結部）をノズル板５０１側に可能な限り寄せて設ける。これにより、熱による駆動ユニット５３０の収縮量（ΔＬ）を固定点５１４からニードル弁５３１先端までの収縮の影響に抑えることが可能になる。

【0046】

具体的には、固定点５１４を、圧電素子５３２の、ノズル板５０１と相反する側の端部における板バネ枠体５３３による保持位置（例えば位置Ｐ）よりも、ノズル５０２側に配置する。より好ましくは、固定点５１４を、圧電素子５３２の長手方向（液体の吐出方向）長さＬ３の半分（Ｌ３／２）よりもノズル５０２側に配置する。または、固定点５１４を、ハウジング５１０の長手方向（液体の吐出方向）長さＬ４の半分（Ｌ４／２）よりもノズル５０２側に配置する。

【0047】

このようにニードル弁５３１と板バネ枠体５３３との間にテコ機構部５３４が介在した構成のヘッド５００においても、熱による収縮の影響を、固定点５１４とニードル弁５３１先端との間で発生した収縮に抑えることが可能になり、ノズル５０２の閉塞において熱影響を受けにくくすることができる。

【0048】

図７は、本発明の実施形態に係る液体吐出装置の全体斜視図である。ここに例示した液体吐出装置は、例えばトラックの車体側面などに画像を形成する印刷装置である。

【0049】

印刷装置１０００は、対象物の一例である被描画物１００に対向して設置している。印刷装置１０００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。Ｙ軸レール１０２は、Ｘ軸レール１０１がＹ方向（正側および負側）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（正側および負側）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（正側および負側）に移動可能なように、キャリッジ１を保持する。

【0050】

印刷装置１０００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、印刷装置１０００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、印刷装置１０００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。

【0051】

上記構成の印刷装置１０００は、キャリッジ１をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に動かしながら、ヘッド保持体７０に設けた液体吐出ヘッドから液体の一例であるインクを吐出し、被描画物１００に描画を行う。なお、キャリッジ１およびヘッド保持体７０のＺ方向の移動は、必ずしもＺ方向に平行であることを意味するものではなく、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。ここで、各レール１０１、１０２、１０３および各駆動部７２、８２、９２、９３は「移動手段」の一例である。

【0052】

なお、図において被描画物１００の表面形状は平面としているが、被描画物１００の表面形状は、車やトラックの車体などのように鉛直に近い面、曲率半径の大きい面、もしくは多少の凹凸を有する面でもよい。

【0053】

図８は、図７に示した印刷装置のキャリッジの全体斜視図であり、キャリッジ１を被描画物１００側から見たものである。

【0054】

キャリッジ１はヘッド保持体７０を備える。また、キャリッジ１は、図７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（正側および負側）へ移動可能である。ヘッド保持体７０は、図７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（正側および負側）へ移動可能である。また、ヘッド保持体７０は液体吐出ヘッド３００を取り付けるためのヘッド固定板７０ａを備えている。ここでは、図１乃至図５で説明したヘッド３００を、ヘッド固定板７０ａに６個取り付けた構成を例示しており、６個のヘッド３００ａ～３００ｆを積層状に並べて設けている。勿論、ヘッド３００に代えて図６で説明したヘッド５００を用いてもよい。

【0055】

液体吐出ヘッド３００ａ～３００ｆは、それぞれ複数のノズル３０２を備えている。なお、ヘッド３００ａ～３００ｆで用いるインクの色の種類や数は、各ヘッド毎に異なる色としてもよいし、すべて同じ色としてもよい。例えば、印刷装置１０００として例示した液体吐出装置が、単色を用いる塗装装置である場合は、ヘッド３００ａ～３００ｆで用いるインクは同色でよい。また、ヘッド３００を構成するヘッドの数は６つに限るものではない。ヘッド３００の数は７つ以上であってもよく、また、６つより少なくてもよい。

【0056】

ヘッド３００は、図示のように各ヘッドのノズル列が水平面（Ｘ－Ｚ面）と交差し、かつ複数のノズル３０２の配列方向をＸ軸に対して傾けた状態でヘッド固定板７０ａに固定する。この状態でノズル３０２は、重力方向と交差する方向（Ｚ方向正側）にインクを吐出し、被描画物１００に所望の描画を行う。

【0057】

図９は、本発明の実施形態に係る液体吐出装置の別の例を示す概略構成図、図１０は、図９の一部拡大図である。ここに例示した液体吐出装置は、航空機の機体などに画像を形成する印刷装置である。

【0058】

印刷装置２０００は、キャリッジ１を往復直線移動させるリニアレール４０４と、リニアレール４０４を適宜所定の位置へ移動させ、その位置で保持する多関節ロボット４０５とを備えている。多関節ロボット４０５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４０５ａを備えており、ロボットアーム４０５ａの先端を自由に移動させ、且つ、正確な位置に配置することができる。

【0059】

多関節ロボット４０５としては、例えば、６つの軸、すなわち６つの関節を備えた６軸制御型の産業用ロボットを用いることができる。６軸型の多関節ロボットによれば予め動作に関する情報をティーチングしておくことで、きわめて正確、且つ、迅速にリニアレール４０４を被描画物７０２（航空機）の所定位置に対峙させることができる。ロボット４０５は、６軸に限定されるものではなく、５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。

【0060】

ロボット４０５のロボットアーム４０５ａはフォーク状の支持部材４２４を備えている。この支持部材４２４の左側の枝部４２４ａの先端には垂直リニアレール４２３ａを、右側の枝部４２４ｂの先端には垂直リニアレール４２３ｂを平行になるようにして取り付けている。そして、キャリッジ１を移動可能に保持したリニアレール４０４の両端を、２つの垂直リニアレール４２３ａ、４２３ｂにそれぞれ架け渡すようにして支持させている。

【0061】

キャリッジ１は、図８で説明した実施形態の構成などを備えるものであり、被描画物７０２に向けて液体を吐出するヘッドを備えている。ヘッドとしては、上述のヘッド３００や、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラック、ホワイトなどの各色の液体を吐出する複数のヘッド３００、または複数のノズル列を有するヘッド３００を備えている。このキャリッジ１の各ヘッド３００またはヘッド３００の各ノズル列に対しては、インクタンク３３０から各色の液体が供給される。なお、本実施形態においても、図６で説明したヘッド５００を用いる構成としてもよい。

【0062】

キャリッジ１は、リニアレール４０４上を移動することで第１の軸の方向へ動き、このリニアレール４０４が垂直リニアレール４２３ａ、４２３ｂ上を移動することで第１の軸と交差する第２の軸の方向へ動くことが可能である。また、図示しないがキャリッジ１には、前述の第１の軸および第２の軸と交差する第３の軸の方向（本変形例では被描画物７０２に向けての液体吐出方向）にてキャリッジ１を移動させる第１の駆動手段を備えている。また、キャリッジ１は、前述のヘッドを、キャリッジ１に対して第３の軸の方向にて移動させる第２の駆動手段を備えている。

【0063】

この印刷装置２０００は、ロボット４０５によりリニアレール４０４を被描画物７０２の描画領域に移動させ、描画データに応じてキャリッジ１をリニアレール４０４に沿って移動しながらヘッド３００を駆動して、描画を行う。そして、１ライン分の描画が終了したときに、垂直リニアレール４２３ａ、４２３ｂを駆動することにより、キャリッジ１のヘッド３００をあるラインから次のラインに移動させる。この動作を繰り返して、被描画物７０２の所要の描画領域に描画することが可能となる。

【0064】

以下、図１１乃至図１４を用いて本発明の適用例を説明する。本発明は、図１１に示した例えばドローン（drone）のような無人航空機６０００への適用も可能である。無人航空機６０００は、自身に搭載した測距センサ等の検出器６１０の検出結果に基づき無人航空機６０００の位置を制御する。無人航空機６０００は、インク等の液体を吐出するヘッド６２０を備えており、液体タンク６３０に収容した液体を、ケーブル６４０を介してヘッド６２０へ供給する。そして、上記の位置制御に基づいて、無人航空機６０００はヘッド６２０から対象物（本実施形態では建物の壁面）１００に向けて液体を吐出し、対象物１００の塗装部Ｐに液体を塗布する。この場合においては、ヘッド６２０として本発明の液体吐出ヘッドを用いることが可能である。

【0065】

また、本発明は、図１２に示した例えばウォールクライミングロボットのような無人車両７０００への適用も可能である。無人車両７０００は、対象物（本実施形態では建物の壁面）１００を無人車両７０００の底部で吸引しながらローラ７１０を駆動して移動することが可能である。無人車両７０００は、インク等の液体を吐出するヘッド７２０を備えており、液体タンク７３０に収容した液体を、ケーブル７４０を介してヘッド７２０へ供給する。そして、無人車両７０００はヘッド７２０から対象物（本実施形態では建物の壁面）１００に向けて液体を吐出し、対象物１００の塗装部Ｐに液体を塗布する。この場合においては、ヘッド７２０として本発明の液体吐出ヘッドを用いることが可能である。

【0066】

また、本発明は、図１３に示した例えば自動車の車体を塗装する塗装ロボット８０００への適用も可能である。塗装ロボット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ヘッド８２０を備えている。また、ロボットアーム８１０はヘッド８２０の近傍に３Ｄセンサ８３０を備えている。塗装ロボット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。塗装ロボット８０００は、３Ｄセンサ８３０によって対象物（本実施形態では車体）１００に対するヘッド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を動かして対象物１００を塗装する。この場合においては、ヘッド８２０として本発明の液体吐出ヘッドを用いることが可能である。

【0067】

また、本発明は、図１４に示した例えば路面走行ロボットのような無人車両９０００への適用も可能である。無人車両９０００は、対象物（本実施形態では車道、歩道等の路面）１００を、ホイール９１０を駆動して移動することが可能である。無人車両９０００は、インク等の液体を吐出するヘッド９２０を備えており、液体タンク９３０に収容した液体を、ケーブル９４０を介してヘッド９２０へ供給する。そして、無人車両９０００はヘッド９２０から対象物１００に向けて液体を吐出し、対象物１００の塗装部Ｐに液体を塗布し、例えば横断歩道、停止線、センターライン等を路面に形成する。この場合においては、ヘッド９２０として本発明の液体吐出ヘッドを用いることが可能である。

【0068】

なお、本発明において、液体は、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もよい。これらは例えば、インクジェット用インク、塗装用塗料、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。

【0069】

また、上記の実施形態ではノズル板３０１とハウジング３１０とを別々の部材としたが、両者を一体的に単一の部材で形成してもよい。両者を単一の部材で形成する場合、ニードル弁３３１の先端とノズル板３０１とが当接する位置を境に、ニードル弁３３１が設けられる側の部位をハウジング３１０、ニードル弁３３１が設けられない側の部位をノズル板３０１と定義する。

【0070】

また、本発明に係る液体吐出装置は、対象物に対して液体吐出ヘッドを動かす構成のものに限らない。液体吐出ヘッドと対象物とは相対的に移動が可能であればよく、対象物を液体吐出ヘッドに対して動かす構成のものであってもよい。

【0071】

以上説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。

【0072】

[第１態様]
第１態様は、液体を吐出するノズル（例えばノズル３０２）を有するノズル部材（例えばノズル板３０１）と、前記ノズルを開閉する弁体（例えばニードル弁３３１）、アクチュエータ（例えば圧電素子３３２）、および前記アクチュエータを保持し、前記アクチュエータの駆動により弾性変形して前記アクチュエータの駆動力を前記弁体に伝える弾性部材（例えば板バネ枠体３３３）を有する駆動ユニット（例えば駆動ユニット３３０）と、前記ノズル部材を保持するとともに、前記駆動ユニットを収容する収容部材（例えばハウジング３１０）と、を備える液体吐出ヘッド（例えばヘッド３００）であって、前記収容部材に対する前記駆動ユニットの固定位置（例えば固定点３１４）は、前記アクチュエータの前記ノズル部材と相反する側の端部における前記弾性部材による保持位置（例えば位置Ｐ）よりも、前記ノズル側にあることを特徴とするものである。

【0073】

[第２態様]
第２態様は、液体を吐出するノズル（例えばノズル３０２）を有するノズル部材（例えばノズル板３０１）と、前記ノズルを開閉する弁体（例えばニードル弁３３１）、アクチュエータ（例えば圧電素子３３２）、および前記アクチュエータを保持し、前記アクチュエータの駆動により弾性変形して前記アクチュエータの駆動力を前記弁体に伝える弾性部材（例えば板バネ枠体３３３）を有する駆動ユニット（例えば駆動ユニット３３０）と、前記ノズル部材を保持するとともに、前記駆動ユニットを収容する収容部材（例えばハウジング３１０）と、を備える液体吐出ヘッド（例えばヘッド３００）であって、前記収容部材に対する前記駆動ユニットの固定位置（例えば固定点３１４）は、前記アクチュエータの前記流体の吐出方向における中央の位置（例えば吐出方向長さＬ３の半分）よりも前記ノズル側にあることを特徴とするものである。

【0074】

[第３態様]
第３態様は、液体を吐出するノズル（例えばノズル３０２）を有するノズル部材（例えばノズル板３０１）と、前記ノズルを開閉する弁体（例えばニードル弁３３１）、アクチュエータ（例えば圧電素子３３２）、および前記アクチュエータを保持し、前記アクチュエータの駆動により弾性変形して前記アクチュエータの駆動力を前記弁体に伝える弾性部材（例えば板バネ枠体３３３）を有する駆動ユニット（例えば駆動ユニット３３０）と、前記ノズル部材を保持するとともに、前記駆動ユニットを収容する収容部材（例えばハウジング３１０）と、を備える液体吐出ヘッド（例えばヘッド３００）であって、前記収容部材に対する前記駆動ユニットの固定位置（例えば固定点３１４）は、前記収容部材の前記液体の吐出方向における中央の位置（例えば吐出方向長さＬ４の半分）よりも前記ノズル側にあることを特徴とするものである。

【0075】

第１態様乃至第３態様によれば、ノズルの閉塞において熱影響を受けにくい液体吐出ヘッドを提供することができる。

【0076】

[第４態様]
第４態様は、第１態様乃至第３態様のいずれかにおいて、前記収容部材（例えばハウジング３１０）は、前記弁体（例えばニードル弁３３１）、前記アクチュエータ（例えば圧電素子３３２）および前記弾性部材（例えば板バネ枠体３３３）よりも熱膨張係数の低い材料からなることを特徴とするものである。

【0077】

第４態様によれば、収容部材の熱膨張による伸張が減り、全体の収縮量をより低減することができる。

【0078】

[第５態様]
第５態様は、第１態様乃至第４態様のいずれかにおいて、前記液体吐出ヘッド（例えばヘッド５００）は、前記弁体（例えばニードル弁５３１）と前記アクチュエータ（例えば圧電素子５３２）との間に移動機構（例えばテコ機構部５３４）を有することを特徴とするものである。

【0079】

第５態様によれば、弁体とアクチュエータとの間に移動機構を備えた構成においても、ノズルの閉塞において熱影響を受けにくい液体吐出ヘッドを提供することができる。

【符号の説明】

【0080】

３００ 液体吐出ヘッド
３０１ ノズル板
３０２ ノズル
３３０ 駆動ユニット
３３１ ニードル弁
３３２ 圧電素子
３３３ 板バネ枠体
３１４ 固定点

【先行技術文献】

【特許文献】

【0081】

【特許文献1】特開２０１０－２４１００３号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】