特許 7594728 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-27

(45)【発行日】2024-12-05

(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】

   B41J 2/14 20060101AFI20241128BHJP

   B41J 2/18 20060101ALI20241128BHJP

   B05C 5/00 20060101ALI20241128BHJP

【ＦＩ】

B41J2/14 301

B41J2/18

B05C5/00 101

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020183595

(22)【出願日】2020-11-02

(65)【公開番号】P2022073547

(43)【公開日】2022-05-17

【審査請求日】2023-09-13

(73)【特許権者】

【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】100098626

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 壽

(72)【発明者】

【氏名】甘利 清志

【審査官】高松 大治

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０６９９０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０７５３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１７１３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１１０３３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２４１００３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１００２８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ４１Ｊ ２／０１－２／２１５

Ｂ０５Ｃ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体吐出口を開閉する弁体と、
前記弁体を駆動する駆動体と、
前記駆動体に弾性伝熱層を介して接するヒートシンクと、
前記弁体と、前記駆動体と、前記ヒートシンクとを保持する筐体とを有する液体吐出ヘッドであって、
前記ヒートシンクは、前記弁体と同軸上に設けた前記駆動体に対して、前記駆動体の前記弁体側の端部を除いた部位を覆う形状を有し、
前記ヒートシンクの前記弁体側の端部を前記筐体に固定する固定部を有し、
前記筐体は、前記ヒートシンクの前記弁体側と反対側の端部が前記反対側へ移動可能な空間を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。

【請求項2】

前記ヒートシンクは、固定部材によって前記筐体に固定していることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。

【請求項3】

前記筐体内に前記弁体および前記駆動体を複数備えるとともに、前記ヒートシンクを前記複数の駆動体を跨ぐように設けることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッド。

【請求項4】

前記ヒートシンクは、流体が入る中空部を有す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】

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。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、ノズル２２に連通するキャビティ２３に吐出液体を加圧供給すると共に、ピン２４でノズル２２を閉塞可能とし、このピン２４をアクチュエータ２５でノズル２２に対して離接可能とし、このアクチュエータ２５を制御装置１２で制御する構成とすることで、ピン２４がノズル２２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２２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】

本発明の目的は、均一な吐出性能を維持することが可能な液体吐出ヘッドを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明は、液体吐出口を開閉する弁体と、前記弁体を駆動する駆動体と、前記駆動体に弾性伝熱層を介して接するヒートシンクと、前記弁体と、前記駆動体と、前記ヒートシンクとを保持する筐体とを有する液体吐出ヘッドであって、前記ヒートシンクは、前記弁体と同軸上に設けた前記駆動体に対して、前記駆動体の前記弁体側の端部を除いた部位を覆う形状を有し、前記ヒートシンクの前記弁体側の端部を前記筐体に固定する固定部を有し、前記筐体は、前記ヒートシンクの前記弁体側と反対側の端部が前記反対側へ移動可能な空間を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0005】

本発明によれば、均一な吐出性能を維持することが可能な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】本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体斜視図。

【図2】本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体断面図。

【図3】本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの側面方向からの要部断面図。

【図4】本発明の第２実施形態に係る液体吐出ヘッドの側面方向からの要部断面図。

【図5】本発明の第３実施形態に係る液体吐出ヘッドの側面方向からの要部断面図。

【図6】液体吐出装置の全体概略構成図。

【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、本発明の第１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３００（以下、ヘッドと称する）は、ハウジング３１０ａと、ハウジング３１０ａに接合して設けたハウジング３１０ｂとを備える。ハウジング３１０ａおよびハウジング３１０ｂは金属または樹脂からなる。両者は同じ材質で形成してもよいし、一方のハウジングを金属で形成し、他方のハウジングを樹脂で形成してもよい。

【0010】

また、ハウジング３１０ｂは、ヒートシンク３８０を保持している。ヒートシンク３８０は、ネジ３１８によってハウジング３１０ｂに固定しており、ハウジング３１０ｂ内の熱を外部に放散する。また、ハウジング３１０ｂは、その上部に電気信号の通信のためのコネクタ３５０を備えている。

【0011】

ここで、ハウジング３１０ａおよびハウジング３１０ｂは筐体の一例であり、ネジ３１８は固定部材の一例である。なお、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３１０と記す。

【0012】

図２は、本発明の第１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。

【0013】

ハウジング３１０ａは、液体を吐出するノズル３０２を有するノズル板３０１を保持する。また、ハウジング３１０ａは、供給ポート３１１側からの液体をノズル板３０１上を経て回収ポート３１３側へ送る流路３１２等を備える。

【0014】

ハウジング３１０ｂは、ハウジング３１０ａの流路３１２と接続する供給ポート３１１および回収ポート３１３を備える。供給ポート３１１と回収ポート３１３との間には、流路３１２内の液体をノズル３０２から吐出するための液体吐出モジュール３３０を配置している。液体吐出モジュール３３０は、ハウジング３１０ａに設けたノズル３０２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３０２に対応する８個の液体吐出モジュール３３０を備えた構成を示している。

【0015】

なお、ノズル３０２および液体吐出モジュール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および液体吐出モジュール３３０の数は、複数ではなく１個であってもよい。また、ノズル３０２および液体吐出モジュール３３０の配列は、１列ではなく、複数列で配置してもよい。

【0016】

なお、図において符号３１５は、ハウジング３１０ａとハウジング３１０ｂとの接合部に設けたシール部材である。本例ではシール部材としてＯリングを用いており、ハウジング３１０ａとハウジング３１０ｂとの接合部からの液体の漏れを防いでいる。

【0017】

上記の構成により、供給ポート３１１は、加圧した状態の液体を外部から取り込み、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、供給ポート３１１からの液体を矢印ａ２方向へ送る。そして、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方向へ回収する。

【0018】

液体吐出モジュール３３０は、ノズル３０２を開閉するニードル弁３３１と、ニードル弁３３１を駆動する圧電素子３３２を備える。ハウジング３１０ｂは、圧電素子３３２の上端部と対向する位置に規制部材３１４を備えている。規制部材３１４は、圧電素子３３２の上端部に当接しており、圧電素子３３２の固定点を成している。

【0019】

ここで、ノズル３０２は液体吐出口の一例である。また、ニードル弁３３１は弁体の一例であり、圧電素子３３２は駆動体の一例である。

【0020】

上記構成のヘッド３００は、液体をノズル３０２へ加圧供給した状態でニードル弁３３１をノズル３０２に対して離接することにより、ニードル弁３３１がノズル３０２から離間している間だけ、液体がノズル３０２から吐出する。ノズル３０２が開閉している間の加圧力およびニードル弁３３１の開閉時間に応じた液体吐出を実現することができるため、大液滴、高粘度の液体の吐出も可能となる。

【0021】

しかしながら、ニードル弁３３１の開閉に圧電素子３３２を用いるこの種のヘッド３００において、圧電素子を高周波で駆動し続けると発熱量が増大し、圧電素子３３２およびニードル弁３３１に熱膨張による伸びが生じる。その結果、原点（ノズル３０２に対するニードル弁３３１の当接点）の位置が変化し、ニードル弁３３１に必要な変位量を得ることができなくなる。

【0022】

そこで、本発明は前述のヒートシンク３８０を備え、圧電素子３３２を高周波で使用した際の熱膨張による原点変位を抑制し、長時間駆動においても均一な吐出性能を維持できるようにしている。なお、ヒートシンク３８０は、破線で示すように複数の圧電素子３３２を跨ぐように配置している。

【0023】

図３は、本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの側面方向からの要部断面図である。

【0024】

ハウジング３１０ａは、ノズル３０２を有するノズル板３０１を保持する。また、ハウジング３１０ａは、液体を通すための流路３１２等を備える。ハウジング３１０ｂは、ノズル３０２を開閉するニードル弁３３１と、ニードル弁３３１を駆動する圧電素子３３２と、圧電素子３３２を保持する圧電素子保持部材３１９を備える。圧電素子保持部材３１９はバネ部材であり、圧電素子保持部材３１９の上方に設けた規制部材３１４とニードル弁３３１との間で、ニードル弁３３１を下方へ付勢する力を発生する。

【0025】

ハウジング３１０ｂの正面および背面には、圧電素子３３２の位置と対応するように開口部３２０を備え、この開口部３２０には、ヒートシンク３８０を設ける。ここで、ヒートシンク３８０は、圧電素子３３２に直接接触するのではなく、ヒートシンク３８０と圧電素子３３２との間に弾性伝熱層３９０が介在している。弾性伝熱層３９０は、例えば放熱シリコーンからなり、グリース状の放熱シリコーンを塗布することにより形成している。

【0026】

このようにヒートシンク３８０と圧電素子３３２との間に弾性伝熱層３９０が介在することで、圧電素子３３２の熱をヒートシンク３８０へ効率よく導くことができる。しかも弾性伝熱層３９０は弾性を有するため、圧電素子３３２の伸縮動作への追従が可能であり、圧電素子３３２の伸縮動作を阻害せずに放熱することが可能になる。なお、ヒートシンク３８０はアルミニウムや銅等の金属からなる。また、ヒートシンク３８０には放熱ゲルシート等を用いてもよい。

【0027】

上述のように、本実施形態は、ノズル３０２を開閉するニードル弁３３１と、ニードル弁３３１を駆動する圧電素子３３２と、ニードル弁３３１および圧電素子３３２を保持するハウジング３１０とを有する液体吐出ヘッド３００であって、圧電素子３３２に弾性伝熱層３９０を介して接するヒートシンク３８０を有する。

【0028】

これにより、圧電素子３３２の熱を弾性伝熱層３９０によりヒートシンク３８０へ効率よく導くことができる。また、弾性伝熱層３９０は弾性を有するため、圧電素子３３２の伸縮動作にも追従可能となり、圧電素子３３２の伸縮動作を阻害せずに放熱することが可能になる。その結果、均一な吐出性能を維持することが可能な液体吐出ヘッドを提供することができる。

【0029】

また、本実施形態において、ヒートシンク３８０は、ネジ３１８によってハウジング３１０に固定している。

【0030】

さらに、本実施形態は、ハウジング３１０内にニードル弁３３１および圧電素子３３２を複数備えるとともに、ヒートシンク３８０を複数の圧電素子３３２を跨ぐように設ける。

【0031】

これにより、液体吐出ヘッド３００上に簡単な構成でヒートシンク３８０を設置することができる。

【0032】

図４は、本発明の第２実施形態に係る液体吐出ヘッドの側面方向からの要部断面図である。

【0033】

前述の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドと同等の部材には同一符号を付し、その説明は省略する。本実施形態の液体吐出ヘッドは、第１実施形態に係る液体吐出ヘッドに対して、ヒートシンク３８１に流体３８３が入る中空部３８２を有する点が異なる。

【0034】

ヒートシンク３８１は中空部３８２を備えており、この中空部３８２に冷気や冷却水、冷却液等の流体３８３を入れることで、より効率的に熱交換を行い、放熱効果を高めることが可能になる。

【0035】

なお、中空部３８２は、流体３８３を封入した構造でもよいし、また、中空部３８２は、流体３８３が入れ替え可能に循環する構造としてもよい。また、本実施形態においても、ヒートシンク３８１は、アルミニウムや銅等の金属の他に放熱ゲルシート等を用いてもよい。

【0036】

上述のように、本実施形態において、ヒートシンク３８１は、流体３８３が入る中空部３８２を有する。これにより、より効率的に熱交換を行い、放熱効果を高めることができる。

【0037】

図５は、本発明の第３実施形態に係る液体吐出ヘッドの側面方向からの要部断面図である。

【0038】

前述の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドと同等の部材には同一符号を付し、その説明は省略する。本実施形態の液体吐出ヘッドは、第１実施形態および第２実施形態に係る液体吐出ヘッドに対して、圧電素子３３２の熱膨張による伸び分を、ハウジング３１０内でキャンセルするようにした点が異なる。

【0039】

ヒートシンク３８４は、ニードル弁３３１と同軸上に設けた圧電素子３３２に対して、圧電素子３３２のニードル弁３３１側の端部を除いた部位を覆う形状をしている。そして、ヒートシンク３８４のニードル弁３３１側の端部３８４ａをハウジング３１０ｂの内側で固定している。また、ハウジング３１０ｂは、規制部材３１４とヒートシンク３８４との間に隙間Ｇ１を設けた状態で、ヒートシンク３８４を保持する。

【0040】

上記の構成において、圧電素子３３２の熱は弾性伝熱層３９０を通してヒートシンク３８４に伝わる。この熱を受けてヒートシンク３８４が熱膨張した場合、ヒートシンク３８４は、端部３８４ａを固定点として隙間Ｇ１が存在する上方へ伸びる。これにより、原点位置のずれを抑止することが可能となり、原点位置の変動による液体の吐出量のむらを低減することができる。

【0041】

上述のように、本実施形態において、ヒートシンク３８４は、ニードル弁３３１と同軸上に設けた圧電素子３３２に対して、圧電素子３３２のニードル弁３３１側の端部を除いた部位を覆う形状を有し、ヒートシンク３８４のニードル弁３３１側の端部３８４ａをハウジング３１０に固定する。

【0042】

これにより、圧電素子３３２の発熱による熱膨張に伴う伸び分を、ニードル弁３３１と反対側（上方）へ逃がすことが可能になり、ノズル３０２に対するニードル弁３３１の当接点（原点）の位置変動を抑えることができる。

【0043】

図６は、液体吐出装置の全体概略構成図である。図６（ａ）は液体吐出装置の側面図、図６（ｂ）は同装置の平面図である。

【0044】

液体吐出装置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。液体吐出装置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。

【0045】

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。

【0046】

液体吐出装置１０００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１０００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１０００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。

【0047】

上述の第１乃至第３実施形態で説明した液体吐出ヘッド３００は、ヘッド３００のノズル３０２が被描画物１００に対向するようにヘッド保持体７０に取り付けて使用する。

【0048】

上記のように構成した液体吐出装置１０００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に取り付けたヘッド３００（図示せず）から被描画物１００に向けて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。

【0049】

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。

【0050】

[第１態様]
第１態様は、ノズル３０２（液体吐出口の一例）を開閉するニードル弁３３１（弁体の一例）と、ニードル弁３３１を駆動する圧電素子３３２（駆動体の一例）と、ニードル弁３３１および圧電素子３３２を保持するハウジング３１０（筐体の一例）とを有する液体吐出ヘッド３００（液体吐出ヘッドの一例）であって、圧電素子３３２に弾性伝熱層３９０（弾性伝熱層の一例）を介して接するヒートシンク３８０、３８１、３８４（ヒートシンクの一例）を有することを特徴とするものである。

【0051】

本態様によれば、圧電素子３３２の熱を弾性伝熱層３９０によりヒートシンク３８０、３８１、３８４へ効率よく導くことができる。また、弾性伝熱層３９０は弾性を有するため、圧電素子３３２の伸縮動作にも追従可能となり、圧電素子３３２の伸縮動作を阻害せずに放熱することが可能になる。その結果、均一な吐出性能を維持することが可能な液体吐出ヘッドを提供することができる。

【0052】

[第２態様]
第２態様は、第１態様において、ヒートシンク３８０、３８１は、ネジ３１８（固定部材の一例）によってハウジング３１０に固定していることを特徴とするものである。

【0053】

[第３態様]
第３態様は、第１態様または第２態様において、ハウジング３１０内にニードル弁３３１および圧電素子３３２を複数備えるとともに、ヒートシンク３８０、３８１、３８４を複数の圧電素子３３２を跨ぐように設けることを特徴とするものである。

【0054】

第２態様および第３態様によれば、液体吐出ヘッド３００上に簡単な構成でヒートシンク３８０、３８１、３８４を設置することができる。

【0055】

[第４態様]
第４態様は、第１態様乃至第３態様のいずれかの態様において、ヒートシンク３８１は、流体３８３（流体の一例）が入る中空部３８２（中空部の一例）を有することを特徴とするものである。

【0056】

第４態様によれば、より効率的に熱交換を行い、放熱効果を高めることができる。

【0057】

[第５態様]
第５態様は、第１態様乃至第４態様のいずれかの態様において、ヒートシンク３８４は、ニードル弁３３１と同軸上に設けた圧電素子３３２に対して、圧電素子３３２のニードル弁３３１側の端部を除いた部位を覆う形状を有し、ヒートシンク３８４のニードル弁３３１側の端部３８４ａ（端部の一例）をハウジング３１０に固定することを特徴とするものである。

【0058】

第５態様によれば、圧電素子３３２の発熱による熱膨張に伴う伸び分を、ニードル弁３３１と反対側へ逃がすことが可能になり、原点の位置変動を抑えることができる。

【符号の説明】

【0059】

３００ 液体吐出ヘッド
３０１ ノズル板
３０２ ノズル（液体吐出口）
３１０ ハウジング（筐体）
３１８ ネジ（固定部材）
３３１ ニードル弁（弁体）
３３２ 圧電素子（駆動体）
３８０、３８１、３８４ ヒートシンク
３８２ 中空部
３８３ 流体
３９０ 弾性伝熱層

【先行技術文献】

【特許文献】

【0060】

【文献】特開２０１０‐２４１００３号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】