JP7367522B2 - 液体吐出ヘッド、ヘッドモジュール、ヘッドユニット、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、ヘッドモジュール、ヘッドユニット、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においては、液体吐出に伴う圧力変動が共通流路を介して他の圧力室（個別液室）の吐出特性に影響を与えるクロストークを抑制する必要がある。

従来、共通流路本流と共通流路支流とを有する圧力室循環型ヘッドであって、共通流路支流の壁面の一部を形成するダンパを備えるものが知られている（特許文献１）。

特開２０１９－１５５６８３号公報

ところで、特許文献１に開示の構成にあっては、クロストークを抑制することができるが、ヘッド内での共通流路における圧力変動を抑制する上で更なる改善が必要である。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、共通流路における圧力変動を抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、
液体を吐出する複数のノズルに各々連通する複数の圧力室と、
前記複数の圧力室にそれぞれ連通する複数の個別流路と、
２以上の前記個別流路にそれぞれ連通する複数の共通流路支流と、
前記複数の共通流路支流に連通する共通流路本流と、
前記複数の共通流路支流のそれぞれの変位可能な壁面を形成するダンパ部材と、を備え、
前記ダンパ部材の前記共通流路支流間の隔壁部と反対側に仕切り部が設けられ、
前記仕切り部の前記ダンパ部材との接合面には凹み部が設けられている
構成とした。

本発明によれば、共通流路における圧力変動を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視説明図である。 同じくフレーム部材を除く分解斜視説明図である。 同じく流路部分の断面斜視説明図である。 同じく流路部分の平面説明図である。 図４のＡ－Ａ線に相当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図５と同様な断面説明図である。 本発明に係るヘッドモジュールの一例の分解斜視説明図である。 同ヘッドモジュールのノズル面側から見た分解斜視説明図である。 本発明に係る液体を吐出する装置の一例の概略説明図である。 同装置のヘッドユニットの一例の平面説明図である。

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実施形態について図１ないし図５を参照して説明する。図１は同実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視説明図、図２は同じくフレーム部材を除く分解斜視説明図、図３は同じく流路部分の断面斜視説明図である。図４は同じく流路部分の平面説明図、図５は図４のＡ－Ａ線に相当する断面説明図である。

液体吐出ヘッド１は、ノズル板１０と、流路板（個別流路部材）２０と、振動板部材３０と、共通流路部材５０と、ダンパ部材６０と、ダンパフレーム部材７０と、フレーム部材８０と、駆動回路４６を実装した配線基板４５などを備えている。

ノズル板１０には、液体を吐出する複数のノズル１１を有している。複数のノズル１１は、二次元状にマトリクス配置されて、ノズル群ＮＧ（ＮＧ１、ＮＧ２：図１）を構成している。

個別流路部材２０は、複数の圧力室（個別液室）２１と、個別供給流路２２と、個別回収流路２３とを形成している。複数の圧力室２１は複数のノズル１１にそれぞれ連通する。複数の個別供給流路２２は、複数の圧力室２１にそれぞれ通じている。複数の個別回収流路２３は、複数の圧力室２１にそれぞれ通じている。個別供給流路２２及び個別回収流路２３は個別流路である。

振動板部材３０は、圧力室２１の変形な可能な壁面である振動板３１を形成している。振動板３１には圧電素子４０が一体に設けられている。振動板部材３０には、個別供給流路２２に通じる供給側開口３２と、個別回収流路２３に通じる回収側開口３３とが形成されている。圧電素子４０は、振動板３１を変形させて圧力室２１内の液体を加圧する圧力発生手段である。

共通流路部材５０は、共通流路支流である共通供給流路支流５２と共通回収流路支流５３とが交互に隣り合うように形成している。共通供給流路支流５２は、２以上の個別供給流路２２に通じている。共通回収流路支流５３は、２以上の個別回収流路２３に通じている。共通流路支流間である共通供給流路支流５２と共通回収流路支流５３との間は、隔壁部５８で隔てられている。

共通流路部材５０には、個別供給流路２２の供給側開口３２と共通供給流路支流５２を通じる供給口５４となる貫通孔と、個別回収流路２３の回収側開口３３と共通回収流路支流５３を通じる回収口５５となる貫通孔が形成されている。供給口５４は、共通供給流路支流５２を圧力室２１に通じる開口である。回収口５５は、共通回収流路支流５３を圧力室２１に通じる開口である。

共通流路部材５０は、共通流路本流を形成する部材であり、複数の共通供給流路支流５２に通じる１又は複数の共通供給流路本流５６と、複数の共通回収流路支流５３に通じる１又は複数の共通回収流路本流５７を形成している。

ダンパ部材６０は、共通流路支流（共通供給流路支流５２と共通回収流路支流５３）の変位可能な壁面（以下「ダンパ」という。）を形成する部材である。ダンパ部材６０は、共通供給流路支流５２の供給口５４と対面する（対向する）壁面となる供給側ダンパ６２と、共通回収流路支流５３の回収口５５と対面する（対向する）壁面となる回収側ダンパ６３を形成している。

ここで、共通供給流路支流５２及び共通回収流路支流５３は、同じ部材である共通流路部材５０に交互に並べて複数配列された溝部を、ダンパ部材６０の供給側ダンパ６２又は回収側ダンパ６３で封止することで構成している。なお、ダンパ部材６０のダンパ材料（可撓性材料）としては、有機溶剤に強い金属薄膜又は無機薄膜を用いることが好ましい。ダンパ部材６０の供給側ダンパ６２及び回収側ダンパ６３の部分の厚みは１０μｍ以下が好ましい。

ダンパ部材６０の共通供給流路本流５６及び共通回収流路本流５７に対応する部分はフィルタ部６６（図５）、６７（図２）としている。

ダンパ部材６０は支持部材（保持部材）であるダンパフレーム部材７０に保持されている。ダンパフレーム部材７０は、ダンパ部材６０の共通流路支流間の隔壁部５８と反対側に配置された仕切り部７８を形成している。

仕切り部７８は、共通供給流路支流５２と共通回収流路支流５３の間の隔壁部５８にダンパ部材６０を介して対向する位置に設けられている。仕切り部７８は、接合面７８ａがダンパ部材６０に接着剤７７で接合される。

仕切り部７８のダンパ部材６０との接合面７８ａには凹み部７９が設けられている。仕切り部７８は、凹み部７９が設けられることで、ダンパ部材６０との間に空間が形成されている。また、仕切り部７８は、凹み部７９が設けられることで、凹部７９の部分では厚みｈが他の部分（ダンパ部材６０に接合される部分）よりも薄くなっている。

ここで、共通供給流路支流５２及び共通回収流路支流５３を形成している共通流路部材５０及び仕切り部７８を形成しているダンパフレーム部材７０と変位可能な壁面となるダンパを形成するダンパ部材６０とは、線膨張係数が異なっている。

そして、ダンパフレーム部材７０の仕切り部７８と、ダンパ部材６０と、共通流路部材５０の隔壁部５８とは、接合面に接着剤７７を塗布し、加圧した状態で加熱することで接着剤７７を硬化させて接合する。

このとき、ダンパフレーム部材７０の仕切り部７８とダンパ部材６０との間に凹み部７９による隙間（空間）ができている。そのため、仕切り部７８と隔壁部５８とをダンパ部材６０を介して加圧しても、仕切り部７８の凹み部７９の部分ではダンパ部材６０が加圧されない。

そのため、接着剤７７が加熱されて硬化するとき、共通流路部材５０とダンパ部材６０との線膨張係数の差によって、ダンパ部材６０の供給側ダンパ６２及び回収側ダンパ６３が撓みを持った状態で隔壁部５８及び仕切り部７８と接合される。

このように、供給側ダンパ６２及び回収側ダンパ６３が撓みを持った状態となることで、共通供給流路支流５２及び共通回収流路支流５３のコンプラアインスが大きくなり、振動減衰あるいは振動抑制効果（ダンパ効果）が高まり、圧力変動をより抑制できる。共通供給流路支流５２及び共通回収流路支流５３の圧力変動を抑制できることで、安定した液体供給を行うことができる。

なお、撓んだ供給側ダンパ６２及び回収側ダンパ６３は、ダンパ効果が低減しないように、ダンパフレーム部材７０の仕切り部７８の凹み部７９の底面に接触しないことが好ましい。

また、共通流路支流を形成している部材（共通流路部材５０）及び仕切り部７８を形成している部材（ダンパフレーム部材７０）と変位可能な壁面となるダンパを形成する部材（ダンパ部材６０）とは、線膨張係数が異なっている。

これにより、供給側ダンパ６２及び回収側ダンパ６３に撓みを持たせることができるとともに、接合位置ずれを防止できる。

上記の液体吐出ヘッド１においては、外部の液体循環経路から供給ポート８１に供給された液体は、共通供給流路本流５６、共通供給流路支流５２、供給口５４、供給側開口３２、個別供給流路２２を介して、圧力室２１に供給される。

そして、圧電素子４０が駆動されることでノズル１１から吐出される液体以外の液体は、圧力室２１から個別回収流路２３、回収側開口３３、回収口５５、共通回収流路支流５３、共通回収流路本流５７、回収ポート８２を介して、外部の液体循環経路に戻される。

次に、本発明の第２実施形態について図６を参照して説明する。図６は同実施形態に係る液体吐出ヘッドの図５と同様な断面説明図である。

本実施形態において、仕切り部７８の凹み部７９は、共通供給流路支流５２の開口である供給口５４及び共通回収流路支流５３の開口である回収口５５に対応する部分に局所的に設けている。

これにより、圧力室２１からの圧力波の出口となる供給口５４に対向する供給側ダンパ６２の部分に撓みを持たせることができ、効果的にコンプラアインスを大きくすることができる。併せて、仕切り部７８とダンパ部材６０の接合領域を第１実施形態よりも広くすることができ、接合不良を低減できる。

次に、本発明に係るヘッドモジュールの一例について図７及び図８を参照して説明する。図７は同ヘッドモジュールの分解斜視説明図、図８は同ヘッドモジュールのノズル面側から見た分解斜視説明図である。

ヘッドモジュール１００は、液体を吐出する液体吐出ヘッドである複数のヘッド１と、複数のヘッド１を保持するベース部材１０３と、複数のヘッド１のノズルカバーとなるカバー部材１１３とを備えている。

また、ヘッドモジュール１００は、放熱部材１０４と、複数のヘッドに対して液体を供給する流路を形成しているマニホールド１０５と、フレキシブル配線部材１０１と接続するプリント基板（ＰＣＢ）１０６と、モジュールケース１０７とを備えている。

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９及び図１０を参照して説明する。図９は同装置の概略説明図、図１０は同装置のヘッドユニットの一例の平面説明図である。

印刷装置５００は、液体を吐出する装置である。印刷装置５００は、搬入手段５０１と、案内搬送手段５０３と、印刷手段５０５と、乾燥手段５０７と、搬出手段５０９などを備えている。搬入手段５０１は、ウェブ状のシート材Ｐを搬入する。案内搬送手段５０３は、搬入手段５０１から搬入されたシート材Ｐを印刷手段５０５に案内搬送する。印刷手段５０５は、シート材Ｐに対して液体を吐出して画像を形成する印刷を行う。乾燥手段５０７は、シート材Ｐを乾燥する。搬出手段５０９は、シート材Ｐを搬出する。

シート材Ｐは搬入手段５０１の元巻きローラ５１１から送り出され、搬入手段５０１、案内搬送手段５０３、乾燥手段５０７、搬出手段５０９の各ローラによって案内、搬送されて、搬出手段５０９の巻取りローラ５９１にて巻き取られる。

このシート材Ｐは、印刷手段５０５において、搬送ガイド部材５５９上をヘッドユニット５５０に対向して搬送され、ヘッドユニット５５０から吐出される液体によって画像が印刷される。

ここで、ヘッドユニット５５０には、本発明に係る２つのヘッドモジュール１００Ａ、１００Ｂを共通ベース部材５５２に備えている。

そして、ヘッドモジュール１００の搬送方向と直交する方向におけるヘッド１の並び方向をヘッド配列方向とするとき、ヘッドモジュール１００Ａのヘッド列１Ａ１，１Ａ２で同じ色の液体を吐出する。同様に、ヘッドモジュール１００Ａのヘッド列１Ｂ１、１Ｂ２を組とし、ヘッドモジュール１００Ｂのヘッド列１Ｃ１、１Ｃ２を組とし、ヘッド列１Ｄ１、１Ｄ２を組として、それぞれ所要の色の液体を吐出する。

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、液体循環装置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。

なお、ここでは、「液体吐出ユニット」について、液体吐出ヘッドとの組み合わせで説明しているが、「液体吐出ユニット」には上述した液体吐出ヘッドを含むヘッドモジュールやヘッドユニットと上述したような機能部品、機構が一体化したものも含まれる。

「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、ヘッドモジュール、ヘッドユニットなどを備え、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 液体吐出ヘッド
１０ ノズル板
１１ ノズル
２０ 個別流路部材
２１ 圧力室
２２ 個別供給流路
２３ 個別回収流路
３０ 振動板部材
４０ 圧電素子
５０ 共通流路部材
５２ 共通供給流路支流
５３ 共通回収流路支流
５４ 供給口
５５ 回収口
５６ 共通供給流路本流
５７ 共通回収流路本流
５８ 隔壁部
６０ ダンパ部材
６２ 供給側ダンパ
６３ 供給側ダンパ
７０ ダンパフレーム部材
７８ 仕切り部
７９ 凹み部
１００ ヘッドモジュール
４０３ キャリッジ
４４０ 液体吐出ユニット
５００ 印刷装置（液体を吐出する装置）
５５０ ヘッドユニット

Claims (9)

1. 液体を吐出する複数のノズルに各々連通する複数の圧力室と、
   前記複数の圧力室にそれぞれ連通する複数の個別流路と、
   ２以上の前記個別流路にそれぞれ連通する複数の共通流路支流と、
   前記複数の共通流路支流に連通する共通流路本流と、
   前記複数の共通流路支流のそれぞれの変位可能な壁面を形成するダンパ部材と、を備え、
   前記ダンパ部材の前記共通流路支流間の隔壁部と反対側に仕切り部が設けられ、
   前記仕切り部の前記ダンパ部材との接合面には凹み部が設けられている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記２以上の個別流路は、個別供給流路と、個別回収流路であり、
   前記共通流路支流は、前記個別供給流路に通じる共通供給流路支流と、前記個別回収流路に通じる共通回収流路支流であり、
   前記共通流路支流間の隔壁部は、前記共通供給流路支流と前記共通回収流路支流との間の隔壁部である
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記仕切り部の前記凹み部は、前記共通流路支流の前記圧力室に通じる開口に対応する部分に設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記共通流路支流を形成している部材及び前記仕切り部を形成している部材と前記ダンパ部材とは線膨張係数が異なる
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記ダンパ部材で形成する前記変位可能な壁面には撓みがある
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドが複数配列されている
   ことを特徴とするヘッドモジュール。
7. 請求項６に記載のヘッドモジュールが並べて配置されている
   ことを特徴とするヘッドユニット。
8. 請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド、請求項６に記載のヘッドモジュール、又は、請求項７に記載のヘッドユニットを含む
   ことを特徴とする液体吐出ユニット。
9. 請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド、請求項６に記載のヘッドモジュール、請求項７に記載のヘッドユニット、請求項８に記載の液体吐出ユニット、の少なくともいずれか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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