JP7802268B2 - Droplet ejection head, droplet ejection device, and method of manufacturing droplet ejection head - Google Patents
Droplet ejection head, droplet ejection device, and method of manufacturing droplet ejection headInfo
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Description
本発明は、ノズル開閉用の弁体を支持する軸受をハウジングに拡散溶接した液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置および液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。 The present invention relates to a droplet ejection head in which a bearing supporting a valve element for opening and closing a nozzle is diffusion-welded to a housing, a droplet ejection device, and a method for manufacturing a droplet ejection head.
ノズルから液滴を吐出する液滴吐出装置として、例えば特許文献1(特開2021-151767号公報)などに記載の装置が知られている。このような装置の液滴吐出ヘッドのハウジングには、複数のノズルが形成されたノズル板が配設されている。 As a droplet ejection device that ejects droplets from nozzles, for example, the device described in Patent Document 1 (JP 2021-151767 A) is known. A nozzle plate with multiple nozzles formed in it is arranged in the housing of the droplet ejection head of such a device.
ノズル板の内側には各ノズルを個別に開閉するニードル状弁体が配設されている。この弁体の後端部に、弁体の長手方向に伸縮作動する圧電素子などの駆動体(アクチュエータ)が連結される。駆動体が長手方向に伸縮作動(振動)することで弁体が開閉され、弁体が開いた瞬間にノズルから高圧インクが液滴となって噴射される。 Needle-shaped valve bodies are arranged inside the nozzle plate to open and close each nozzle individually. A driver (actuator) such as a piezoelectric element that expands and contracts in the longitudinal direction of the valve body is connected to the rear end of this valve body. The valve body opens and closes when the driver expands and contracts (vibrates) in the longitudinal direction, and the moment the valve body opens, high-pressure ink is sprayed from the nozzle in the form of droplets.
前記ニードル状弁体は、ハウジング内に固定された軸受によって摺動可能に支持されている。従来の軸受は、接着剤でハウジング内に固定されていたため、液体(インク)に含まれる成分によっては接着剤が劣化して軸受がハウジングから剥離するおそれがあった。 The needle-shaped valve element is slidably supported by a bearing fixed inside the housing. Conventional bearings are fixed inside the housing with adhesive, so there is a risk that components contained in the liquid (ink) may deteriorate the adhesive and cause the bearing to peel off from the housing.
そこで本発明は、軸受が剥離するおそれのない液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide a droplet ejection head in which there is no risk of bearings peeling off.
前記課題を解決するため、本発明の液滴吐出ヘッドは、液体流路が形成されたハウジングと、当該ハウジングの一面に配設されたノズル板と、当該ノズル板に形成されたノズルを開閉するため前記流路を横断する方向で前記ハウジング内に往復動可能に配設された弁体と、前記ハウジングの内部の収容孔に配設され前記弁体の往復動をガイドする軸受とを有する液滴吐出ヘッドにおいて、前記軸受を前記収容孔の内面に拡散接合により接合したことを特徴とする。 To solve the above problem, the droplet ejection head of the present invention comprises a housing in which a liquid flow path is formed, a nozzle plate disposed on one surface of the housing, a valve body disposed within the housing so as to be capable of reciprocating in a direction transverse to the flow path to open and close a nozzle formed in the nozzle plate, and a bearing disposed in a receiving hole inside the housing to guide the reciprocating movement of the valve body, wherein the bearing is bonded to the inner surface of the receiving hole by diffusion bonding.
本発明により、軸受が剥離するのを防止することができる。 This invention can prevent bearings from peeling off.
(●液滴吐出ヘッド)
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。図1は液滴吐出ヘッド1の外観斜視図、図2は図1の断面S1における断面図である。図3は液滴吐出ヘッドの1つの液滴吐出モジュールの断面図である。
(● Droplet ejection head)
An embodiment of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. Fig. 1 is a perspective view of the appearance of a droplet ejection head 1, Fig. 2 is a cross-sectional view taken along the line S1 in Fig. 1, and Fig. 3 is a cross-sectional view of one droplet ejection module of the droplet ejection head.
液滴吐出ヘッド1は、ハウジング10内に、1列又は複数列に並べて配置された複数の液滴吐出モジュール100を有する。各液滴吐出モジュール100には、外部から供給ポート11を介して加圧された液体が供給され、吐出されなかった液体は回収ポート12から外部に回収される。また、ハウジング10にはコネクタ2が設けられている The droplet ejection head 1 has multiple droplet ejection modules 100 arranged in one or more rows within a housing 10. Pressurized liquid is supplied to each droplet ejection module 100 from the outside via a supply port 11, and any unejected liquid is recovered to the outside via a recovery port 12. The housing 10 also has a connector 2.
液滴吐出モジュール100は、液体を吐出するノズル111が形成されたノズル板101と、ノズル111が連通し、加圧された液体が供給される流路112と、ノズル111を開閉するニードル状の弁体113と、弁体113を駆動する圧電素子114とを備えている。 The droplet ejection module 100 includes a nozzle plate 101 on which nozzles 111 for ejecting liquid are formed, a flow path 112 to which the nozzles 111 communicate and through which pressurized liquid is supplied, a needle-shaped valve element 113 that opens and closes the nozzle 111, and a piezoelectric element 114 that drives the valve element 113.
ノズル板101とハウジング10とは接合されている。流路112は、ハウジング10に形成された複数の液滴吐出モジュール100に共通の流路であり、前述したように、供給ポート11を介して加圧液体が供給され、回収ポート12から液体が回収される。 The nozzle plate 101 and the housing 10 are joined. The flow path 112 is a flow path common to multiple droplet ejection modules 100 formed in the housing 10, and as described above, pressurized liquid is supplied via the supply port 11 and the liquid is recovered from the recovery port 12.
弁体113の先端部には弾性体113aが設けられており、ノズル板101に押し付けられたときにノズル111を確実に閉塞する。弁体113とハウジング10との間には軸受121を設け、軸受121と弁体113との間にはOリングなどのシール部材122を設けている。 An elastic body 113a is provided at the tip of the valve body 113, which reliably closes the nozzle 111 when pressed against the nozzle plate 101. A bearing 121 is provided between the valve body 113 and the housing 10, and a sealing member 122 such as an O-ring is provided between the bearing 121 and the valve body 113.
圧電素子114は、ハウジング10の圧電素子収容空間123内に収容されている。圧電素子114は、第1付勢手段を兼ねる保持部材115の中央空間115a内に保持されている。圧電素子114と弁体113とは同軸上に保持部材115の先端部115bを介して連結されている。 The piezoelectric element 114 is housed in the piezoelectric element housing space 123 of the housing 10. The piezoelectric element 114 is held in the central space 115a of the holding member 115, which also serves as the first biasing means. The piezoelectric element 114 and the valve body 113 are coaxially connected via the tip 115b of the holding member 115.
保持部材115は、圧電素子114を収容する中央空間115aを有する。保持部材115の先端部115b側が弁体113に連結され、後端部115c側がハウジング10に取り付けた圧電素子固定軸124により固定されている。 The holding member 115 has a central space 115a that houses the piezoelectric element 114. The tip end 115b of the holding member 115 is connected to the valve body 113, and the rear end 115c is fixed by a piezoelectric element fixing shaft 124 attached to the housing 10.
保持部材115は、第1付勢手段としての保持板バネ116を有する。保持板バネ116は、圧電素子114の伸縮方向に相当する長手方向の両端部に弾性変形可能なバネ部116a、116bを有する。バネ部116aは弁体113を取付ける先端部115b側とし、バネ部116bは弁体113を取付ける先端部115b側とは反対側の後端部115c側とする。 The holding member 115 has a holding leaf spring 116 as a first biasing means. The holding leaf spring 116 has elastically deformable spring portions 116a and 116b at both ends in the longitudinal direction, which corresponds to the expansion and contraction direction of the piezoelectric element 114. The spring portion 116a is located on the tip end portion 115b side where the valve body 113 is attached, and the spring portion 116b is located on the rear end portion 115c side, opposite the tip end portion 115b side where the valve body 113 is attached.
バネ部116a、116bは、長手方向と直交する短手方向から交互にスリットを設けてクランク状に残存させることでバネ機能を持たせたものである。本実施形態では、バネ部116a、116bのバネ定数はほぼ同じ(同じを含む。)にしている。 Spring sections 116a and 116b have alternating slits in the short direction perpendicular to the long direction, leaving them in a crank shape, giving them a spring function. In this embodiment, the spring constants of spring sections 116a and 116b are approximately the same (including being the same).
ここで、保持部材115の中央空間115aの長さ(弁体113の軸方向の長さ)は、圧電素子114の長さよりも短くしている。したがって、圧電素子114を保持部材115の中央空間115aに嵌め込むとき、保持板バネ116はバネ部116a、116bの部分が延ばされた状態になる。 Here, the length of the central space 115a of the holding member 115 (the axial length of the valve body 113) is shorter than the length of the piezoelectric element 114. Therefore, when the piezoelectric element 114 is fitted into the central space 115a of the holding member 115, the spring portions 116a and 116b of the holding leaf spring 116 are in an extended state.
これにより、圧電素子114が長手方向で収縮したとき、保持板バネ116も長手方向で収縮して、ノズル111が開く方向の付勢力を弁体113に作用させることができる。 As a result, when the piezoelectric element 114 contracts in the longitudinal direction, the retaining leaf spring 116 also contracts in the longitudinal direction, causing a biasing force to act on the valve body 113 in the direction of opening the nozzle 111.
ここで、圧電素子114は、電圧印加手段200によって電圧が印加されたときにd31モードで動作して、ノズル111が開く方向に弁体113を駆動する。つまり、弁体113は、圧電素子114に電圧が印加されることによりノズル111が開く方向に駆動される。 Here, when voltage is applied by the voltage application means 200, the piezoelectric element 114 operates in d31 mode, driving the valve body 113 in the direction that opens the nozzle 111. In other words, when voltage is applied to the piezoelectric element 114, the valve body 113 is driven in the direction that opens the nozzle 111.
したがって、圧電素子114に電圧を印加していないときには、弁体113がノズル111を閉塞している。このため、流路112に加圧液体が供給されていても、ノズル111から液体が吐出されることはない。 Therefore, when no voltage is applied to the piezoelectric element 114, the valve body 113 closes the nozzle 111. Therefore, even if pressurized liquid is supplied to the flow path 112, no liquid is ejected from the nozzle 111.
そして、圧電素子114に電圧を印加することで、圧電素子114が収縮して、保持部材115を介して弁体113を引っ張るので、弁体113がノズル111から離間してノズル111を開放する。これにより、流路112に供給されている加圧液体が液滴となってノズル111から吐出される。 Then, when a voltage is applied to the piezoelectric element 114, the piezoelectric element 114 contracts and pulls the valve body 113 via the holding member 115, causing the valve body 113 to move away from the nozzle 111 and open the nozzle 111. As a result, the pressurized liquid supplied to the flow path 112 turns into droplets and is ejected from the nozzle 111.
圧電素子114は、電圧が印加されたときに弁体113を閉じる方向に伸長するd33モードで動作させることも可能である。圧電素子がd33モードで動作するときには、電圧を印加した状態で弁体113がノズル111側に押し付けられてノズル111を閉塞する。液滴を吐出させるときは、圧電素子114に対する電圧の印加を停止あるいは電圧を低くすることで、弁体113を開く方向に移動させてノズル111を開放する。 The piezoelectric element 114 can also be operated in d33 mode, in which it expands in the direction of closing the valve body 113 when voltage is applied. When the piezoelectric element operates in d33 mode, the valve body 113 is pressed against the nozzle 111 while voltage is applied, closing the nozzle 111. When a droplet is to be ejected, the application of voltage to the piezoelectric element 114 is stopped or reduced, moving the valve body 113 in the direction of opening the nozzle 111 and opening the nozzle 111.
圧電素子114のd33モードは、応答性が高く変位量が大きい。したがって、弁体113の開閉動作の応答性を高め、ノズル111から吐出する液体の滴速度、滴量のばらつきを小さくしたい場合はd33モードが適する。 The d33 mode of the piezoelectric element 114 has high responsiveness and a large displacement. Therefore, the d33 mode is suitable when it is necessary to improve the responsiveness of the opening and closing operation of the valve body 113 and reduce variation in the droplet speed and droplet volume of liquid ejected from the nozzle 111.
(●軸受の拡散接合)
次に、液滴吐出ヘッド1の下ハウジング10bに配設された軸受121と、当該軸受121を下ハウジング10bに拡散接合する方法について、図4A~図8を参照して説明する。下ハウジング10bの上下には、軸受121を加圧するための加圧板20、30が配設される。この加圧板20、30は、例えば0.005/100mmのように、非常に高い平面度を有するセラミック部材で構成する。
(● Diffusion bonding of bearings)
Next, the bearing 121 disposed in the lower housing 10b of the droplet ejection head 1 and the method of diffusion bonding the bearing 121 to the lower housing 10b will be described with reference to Figures 4A to 8. Pressure plates 20 and 30 are disposed above and below the lower housing 10b to apply pressure to the bearing 121. These pressure plates 20 and 30 are made of ceramic members with a very high degree of flatness, for example, 0.005/100 mm.
図4A~図4Eは、第1実施形態に係る液滴吐出ヘッド1の軸受121周辺の断面図であって、軸受121を下ハウジング10bに拡散接合する工程を順番に示す。また、図5A~図5Eは、第2実施形態に係る液滴吐出ヘッド1の軸受121周辺の断面図であって、軸受121を下ハウジング10bに拡散接合する工程を順番に示す。下ハウジング10bに軸受121を拡散接合した後、当該下ハウジング10bの下面に図4E、図5Eのようにノズル板101が配設される。 Figures 4A to 4E are cross-sectional views of the area around the bearing 121 of the droplet ejection head 1 according to the first embodiment, sequentially illustrating the process of diffusion bonding the bearing 121 to the lower housing 10b. Also, Figures 5A to 5E are cross-sectional views of the area around the bearing 121 of the droplet ejection head 1 according to the second embodiment, sequentially illustrating the process of diffusion bonding the bearing 121 to the lower housing 10b. After the bearing 121 is diffusion bonded to the lower housing 10b, the nozzle plate 101 is disposed on the underside of the lower housing 10b, as shown in Figures 4E and 5E.
ノズル板101はステンレス鋼やニッケル等の無機材料で構成することができる。また、ノズル板を拡散接合しない場合は、前述した無機材料のほか、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエチレン等の有機材料を使用することも可能である。ノズル板101の表面には、インク液との濡れ性を考慮して必要に応じて撥水化処理を施すことができる。 The nozzle plate 101 can be made of inorganic materials such as stainless steel or nickel. Furthermore, if the nozzle plate is not diffusion bonded, in addition to the inorganic materials mentioned above, organic materials such as polyphenylene sulfide, polyimide, polyether ether ketone, polyetherimide, and polyethylene can also be used. The surface of the nozzle plate 101 can be treated to be water-repellent as needed, taking into account its wettability with the ink liquid.
第2実施形態の軸受121は図5A~図5Eに示すように円筒状であるが、第1実施形態の軸受121は図4A~図4Eに示すように軸受外周に突出部としてのリブ121eが形成されている。軸受121の内部には、弁体113が縦方向に挿入される貫通孔121bと、インク流路用の横方向の貫通孔121cが形成されている。 The bearing 121 of the second embodiment is cylindrical as shown in Figures 5A to 5E, but the bearing 121 of the first embodiment has a rib 121e formed as a protrusion on the outer periphery of the bearing as shown in Figures 4A to 4E. Inside the bearing 121, a through-hole 121b through which the valve body 113 is inserted vertically and a horizontal through-hole 121c for the ink flow path are formed.
第1実施形態と第2実施形態で、軸受121の材質はSUS304であり、その線膨張係数は17.3×10-6/℃である。また下ハウジング10bの材質はSUS304であり、その線膨張係数は、9.9×10-6/℃である。このように線膨張係数の大小を設定した理由は、後述するように軸受121に対して拡散接合時の加圧力を有効に作用させるためである。 In the first and second embodiments, the material of the bearing 121 is SUS304, which has a linear expansion coefficient of 17.3×10 −6 /° C. The material of the lower housing 10b is also SUS304, which has a linear expansion coefficient of 9.9×10 −6 /° C. The reason for setting the linear expansion coefficients in this manner is to allow the pressure applied to the bearing 121 during diffusion bonding to be applied effectively, as will be described later.
(●第1実施形態)
図4Aのように、下ハウジング10bの内部に左右方向に延びる液体(インク)の流路112が形成されている。この流路112を上下方向に横断するようにして、軸受121を嵌合・収容する収容孔が形成されている。図示例では軸受121の周囲隙間を誇張のため実際より大きく示している。
(First embodiment)
4A, a liquid (ink) flow path 112 extending in the left-right direction is formed inside the lower housing 10b. A housing hole for fitting and housing a bearing 121 is formed so as to cross this flow path 112 in the up-down direction. In the illustrated example, the peripheral gap of the bearing 121 is exaggerated and shown larger than it actually is.
軸受121の外周に、突出部としてのリブ121eが形成されている。当該リブ121eは、軸受121の外周複数箇所に半径方向に張出す形で形成することができる。 Ribs 121e are formed as protrusions on the outer periphery of the bearing 121. These ribs 121e can be formed to protrude radially from multiple locations on the outer periphery of the bearing 121.
一方、収容孔の内周面10b4に下側(ノズル板101側ないしノズル111側)が拡径された段部10b1が形成されている。当該段部10b1とリブ121eの上面は、ノズル111の軸線方向において僅かな隙間を挟んで対向している。この僅かな隙間は、拡散接合時の軸受121の熱膨張と金属結晶粒界の移動によって完全に消失する。 Meanwhile, a step 10b1 is formed on the inner peripheral surface 10b4 of the accommodation hole, with the diameter expanded on the lower side (towards the nozzle plate 101 or nozzle 111). The step 10b1 and the upper surface of the rib 121e face each other across a small gap in the axial direction of the nozzle 111. This small gap completely disappears due to the thermal expansion of the bearing 121 and the movement of the metal grain boundaries during diffusion bonding.
軸受121を下ハウジング10bの収容孔(段部10b1)に拡散接合するには、まず軸受121と下ハウジング10bをアセトンなどの溶剤を使用して脱脂・清浄する。その後、図4Aのように、下側の加圧板20上に軸受121と下ハウジング10bを配置する。このとき、下ハウジング10bの下面と軸受121の下端面121aは、加圧板20に当接して面一(水平)になる。 To diffusion-bond the bearing 121 to the receiving hole (step portion 10b1) of the lower housing 10b, first degrease and clean the bearing 121 and lower housing 10b using a solvent such as acetone. Then, as shown in Figure 4A, the bearing 121 and lower housing 10b are placed on the lower pressure plate 20. At this time, the lower surface of the lower housing 10b and the lower end surface 121a of the bearing 121 abut against the pressure plate 20 and are flush (horizontal).
次に、軸受121の貫通孔121bに位置決めピン50を上側から挿入する。位置決めピン50は皿状頭部50aを有する。皿状頭部50aの外径は収容孔の内周面10b4の内径より僅かに小さくされていて、接合前は皿状頭部50aが収容孔の内周面10b4にすきま嵌めされている(例えば最小隙間0、最大隙間0.4mm)。 Next, the positioning pin 50 is inserted from above into the through hole 121b of the bearing 121. The positioning pin 50 has a dished head 50a. The outer diameter of the dished head 50a is slightly smaller than the inner diameter of the inner surface 10b4 of the receiving hole, and before joining, the dished head 50a is loosely fitted into the inner surface 10b4 of the receiving hole (for example, a minimum gap of 0 mm and a maximum gap of 0.4 mm).
ここで、軸受121のリブ121eの上下方向の厚さをA、下ハウジング10bの下面を基準とする段部10b1の深さをBとする。当該AとBの寸法は、拡散接合の前と、加圧・加熱時と、接合後で、以下の表1の通りである。
接合後の軸受121の軸線方向凹み量:B2-A2=0.013 mm
Here, the vertical thickness of the rib 121e of the bearing 121 is A, and the depth of the step portion 10b1 relative to the lower surface of the lower housing 10b is B. The dimensions of A and B before diffusion bonding, during pressure and heat application, and after bonding are as shown in Table 1 below.
Axial recession of bearing 121 after joining: B2-A2=0.013 mm
図4Aのように下ハウジング10bを上下から加圧板20、30で挟んだ状態で、真空ホットプレス機(富士電波工業製FVHP-R-750,FRET-300)を使用して、真空度1.0x10-4Paの圧力下で加圧板20、30に矢印のように加圧力(20MPa)を掛ける。同時に、加圧板20、30を含めて下ハウジング10bと軸受121を約1000℃に加熱する。この加圧・加熱状態を約10分から1時間保持する。 4A, with the lower housing 10b sandwiched between pressure plates 20 and 30 from above and below, a vacuum hot press (FVHP-R-750, FRET-300, manufactured by Fuji Dempa Kogyo) is used to apply a pressure (20 MPa) to the pressure plates 20 and 30 as shown by the arrows under a vacuum of 1.0 x 10-4 Pa. At the same time, the lower housing 10b and bearing 121, including the pressure plates 20 and 30, are heated to approximately 1000°C. This pressurized and heated state is maintained for approximately 10 minutes to 1 hour.
この加熱により、下ハウジング10b、位置決めピン50および軸受121が熱膨張する。この熱膨張で位置決めピン50の皿状頭部50aが拡径し、収容孔の内周面10b4に拡散接合しない程度の軽いしまり嵌め状態となる。このしまり嵌めによって、軸受121を下ハウジング10bの所定位置に位置決め(芯出し)することができる。 This heating causes thermal expansion of the lower housing 10b, positioning pin 50, and bearing 121. This thermal expansion causes the dished head 50a of the positioning pin 50 to expand in diameter, creating a light interference fit with the inner surface 10b4 of the receiving hole that does not result in diffusion bonding. This interference fit allows the bearing 121 to be positioned (centered) in the specified position in the lower housing 10b.
この際の熱膨張量は、前述した線膨張係数の相違により、下ハウジング10bよりも軸受121の方が膨張量が大きい。このため、表1のように軸受121の下面が0.002mmだけ下ハウジング10bの下面よりも下側に突出しようとする。この突出しようとする0.002mmの下向き膨張量が、加圧板20によって上向きに押返されて0.002mmの軸線方向圧入量となる。 Due to the difference in linear expansion coefficients mentioned above, the amount of thermal expansion at this time is greater for bearing 121 than for lower housing 10b. For this reason, as shown in Table 1, the bottom surface of bearing 121 tends to protrude 0.002 mm below the bottom surface of lower housing 10b. This downward expansion of 0.002 mm is pushed back upward by pressure plate 20, resulting in an axial press-fit of 0.002 mm.
この結果、リブ121eの上面121fが収容孔の段部10b1に対して前述した加圧力(20MPa)で圧接する。この圧接状態を高温(約1000℃)で所定時間(約10分から1時間)保持することで、リブ121eを段部10b1に拡散接合することができる。 As a result, the upper surface 121f of the rib 121e is pressed against the step portion 10b1 of the receiving hole with the aforementioned pressure (20 MPa). By maintaining this pressed state at a high temperature (approximately 1000°C) for a predetermined time (approximately 10 minutes to 1 hour), the rib 121e can be diffusion bonded to the step portion 10b1.
この拡散接合により、接合前にリブ121eと段部10b1の間に存在していた微小凹凸空隙が金属結晶粒界の移動によって完全消失する。したがって、流路112を流れる流体(インク)の腐食成分によるケミカルアタックで接合界面が劣化・剥離するのを防止することができる。 This diffusion bonding completely eliminates the minute uneven gaps that existed between the rib 121e and the step portion 10b1 before bonding due to the movement of the metal crystal grain boundaries. This prevents the bonding interface from deteriorating or peeling due to chemical attack by corrosive components of the fluid (ink) flowing through the flow path 112.
下ハウジング10bに対する軸受121の拡散接合が終了したら、下ハウジング10bと軸受121をアルゴンガス雰囲気下で常温(室温)まで冷却後、図4Cのように加圧板20、30をいったん取外す。この冷却により、下ハウジング10bと軸受121が収縮する。 Once the bearing 121 has been diffusion bonded to the lower housing 10b, the lower housing 10b and bearing 121 are cooled to room temperature in an argon gas atmosphere, and then the pressure plates 20 and 30 are removed as shown in Figure 4C. This cooling causes the lower housing 10b and bearing 121 to shrink.
この際、前述した両者の線膨張率の相違により、軸受121の方が下ハウジング10bよりも大きく収縮する。この結果、表1のように軸受121の下端面121aが下ハウジング10bの下面よりも0.013mm(B2-A2)だけ凹む。 At this time, due to the difference in linear expansion coefficients between the two, the bearing 121 contracts more than the lower housing 10b. As a result, as shown in Table 1, the lower end surface 121a of the bearing 121 is recessed by 0.013 mm (B2 - A2) from the lower surface of the lower housing 10b.
下ハウジング10bの下面には後の工程でノズル板101が拡散接合されるが、軸受121の下端面121aに前記隙間が存在していても、0.013mm程度の隙間であれば、表4で後述するようにノズル板101の平面性には殆ど影響がない。 The nozzle plate 101 will be diffusion bonded to the underside of the lower housing 10b in a later process, but even if the gap exists on the lower end surface 121a of the bearing 121, as long as the gap is approximately 0.013 mm, it will have almost no effect on the flatness of the nozzle plate 101, as will be described later in Table 4.
図4Cのように軸受121を下ハウジング10bに拡散接合した後、今度は図4Dのように、弁体113を挿入するための貫通孔121bにセラミック材質のΦ1.5mmの位置決めピン40を挿入する。そして、下ハウジング10bの上に上ハウジング10aを載せる。この際、位置決めピン40の上端部を上ハウジング10aの弁体挿通用の貫通孔10a1に挿入する。 After the bearing 121 is diffusion-bonded to the lower housing 10b as shown in Figure 4C, a ceramic positioning pin 40 with a diameter of 1.5 mm is inserted into the through-hole 121b for inserting the valve body 113, as shown in Figure 4D. Then, the upper housing 10a is placed on top of the lower housing 10b. At this time, the upper end of the positioning pin 40 is inserted into the through-hole 10a1 in the upper housing 10a for inserting the valve body.
これにより、軸受121の貫通孔121bと、上ハウジング10aの貫通孔10a1の軸線を互いに合わせることができる。この状態で、加圧板20、30に圧力を掛けて上下ハウジング10a、10bとノズル板101の三者を拡散接合する。なお、上ハウジング10aと下ハウジング10bは拡散接合に限定されずネジ締結でもよい。 This allows the axis of the through-hole 121b of the bearing 121 to be aligned with the axis of the through-hole 10a1 of the upper housing 10a. In this state, pressure is applied to the pressure plates 20 and 30 to diffusion bond the upper and lower housings 10a and 10b and the nozzle plate 101. Note that the upper and lower housings 10a and 10b are not limited to being diffusion bonded, and can also be fastened with screws.
図4Eが、上下ハウジング10a、10bとノズル板101の三者を拡散接合して加圧板20、30を取外した状態である。この状態から、上ハウジング10aの貫通孔10a1と軸受121の貫通孔121bに図3の弁体113を挿入し、この弁体113の上端部を圧電素子114の保持部材115に連結する。 Figure 4E shows the state after the upper and lower housings 10a, 10b and the nozzle plate 101 have been diffusion bonded together and the pressure plates 20, 30 have been removed. From this state, the valve body 113 shown in Figure 3 is inserted into the through-hole 10a1 of the upper housing 10a and the through-hole 121b of the bearing 121, and the upper end of this valve body 113 is connected to the holding member 115 of the piezoelectric element 114.
これで、図3の電圧印加手段200によって圧電素子114に電圧を印加することで、弁体113をノズル111を開く方向で上方に駆動することができる。また、圧電素子114に対する電圧印加を解除することで、弁体113をノズル111を閉じる方向で下方に駆動することができる。 Now, by applying a voltage to the piezoelectric element 114 using the voltage application means 200 in Figure 3, the valve body 113 can be driven upward in a direction that opens the nozzle 111. Furthermore, by releasing the voltage application to the piezoelectric element 114, the valve body 113 can be driven downward in a direction that closes the nozzle 111.
(●第2実施形態) (● Second embodiment)
第2実施形態においては、軸受121は図5A~図5Eに示すように円筒状である。前述した第1実施形態のようなリブ121eはない。また、下ハウジング10bの収容孔はノズル111の軸線方向に延びる円筒状であって、前述した第1実施形態のような段部10b1はない。軸受121の外周面121gと下ハウジング10bの収容孔の内周面10b2との間には僅かな隙間が形成されているが、この僅かな隙間は、拡散接合時に軸受121の径方向の熱膨張と金属結晶粒界の移動によって完全に消失する。 In the second embodiment, the bearing 121 is cylindrical, as shown in Figures 5A to 5E. It does not have the rib 121e that was present in the first embodiment described above. Furthermore, the accommodation hole in the lower housing 10b is cylindrical and extends in the axial direction of the nozzle 111, and does not have the step 10b1 that was present in the first embodiment described above. A small gap is formed between the outer peripheral surface 121g of the bearing 121 and the inner peripheral surface 10b2 of the accommodation hole in the lower housing 10b, but this small gap disappears completely during diffusion bonding due to the radial thermal expansion of the bearing 121 and the movement of metal grain boundaries.
軸受121を下ハウジング10bの収容孔に拡散接合するには、まず軸受121と下ハウジング10bをアセトンなどの溶剤を使用して清浄する。その後、図5Aのように下側の加圧板20上に軸受121と下ハウジング10bを配置する。このとき、下ハウジング10bの下面と軸受121の下端面121aは、加圧板20に当接して面一(水平)になる。 To diffusion-bond the bearing 121 to the receiving hole in the lower housing 10b, first clean the bearing 121 and lower housing 10b using a solvent such as acetone. Then, place the bearing 121 and lower housing 10b on the lower pressure plate 20 as shown in Figure 5A. At this time, the lower surface of the lower housing 10b and the lower end surface 121a of the bearing 121 abut against the pressure plate 20 and are flush (horizontal).
次に、軸受121の貫通孔121bに位置決めピン50を上側から挿入する。この位置決めピン50もセラミック材質である。位置決めピン50は皿状頭部50aを有する。皿状頭部50aの外径は収容孔の内周面10b4の内径より僅かに小さくされていて、接合前は皿状頭部50aが収容孔の内周面10b4にすきま嵌めされている(例えば最小隙間0、最大隙間0.1mm)。 Next, the positioning pin 50 is inserted from above into the through hole 121b of the bearing 121. This positioning pin 50 is also made of ceramic material. The positioning pin 50 has a dished head 50a. The outer diameter of the dished head 50a is slightly smaller than the inner diameter of the inner surface 10b4 of the receiving hole, and before joining, the dished head 50a is loosely fitted into the inner surface 10b4 of the receiving hole (for example, a minimum gap of 0 mm and a maximum gap of 0.1 mm).
ここで、軸受121の外径をC、下ハウジング10bの収容孔の内径をDとする。当該CとDの寸法は、拡散接合の前と、加圧・加熱時と、接合後で、以下の表2の通りである。
接合後の軸受121の径方向凹み量:C2-D2=0 mm
Here, the outer diameter of the bearing 121 is C, and the inner diameter of the receiving hole of the lower housing 10b is D. The dimensions of C and D before diffusion bonding, during pressure and heat application, and after bonding are as shown in Table 2 below.
Radial depression of bearing 121 after joining: C2-D2=0 mm
図5Aのように下ハウジング10bを上下から加圧板20、30で挟んだ状態で、真空ホットプレス機(富士電波工業製FVHP-R-750,FRET-300)を使用して、加圧板20、30に矢印のように加圧力(20MPa)を掛ける。同時に、加圧板20、30を含めて下ハウジング10bと軸受121を約1000℃に加熱する。この加圧・加熱状態を約10分から1時間保持する。 As shown in Figure 5A, with the lower housing 10b sandwiched between pressure plates 20 and 30 from above and below, a vacuum hot press (FVHP-R-750, FRET-300, manufactured by Fuji Dempa Kogyo) is used to apply a pressure (20 MPa) to the pressure plates 20 and 30 as shown by the arrows. At the same time, the lower housing 10b and bearing 121, including the pressure plates 20 and 30, are heated to approximately 1000°C. This pressurized and heated state is maintained for approximately 10 minutes to 1 hour.
この加熱により、下ハウジング10b、位置決めピン50および軸受121が熱膨張する。この熱膨張で位置決めピン50の皿状頭部50aが拡径し、収容孔の内周面10b4に拡散接合しない程度の軽いしまり嵌め状態となる。このしまり嵌めによって、軸受121を下ハウジング10bの所定位置に位置決め(芯出し)することができる。 This heating causes thermal expansion of the lower housing 10b, positioning pin 50, and bearing 121. This thermal expansion causes the dished head 50a of the positioning pin 50 to expand in diameter, creating a light interference fit with the inner surface 10b4 of the receiving hole that does not result in diffusion bonding. This interference fit allows the bearing 121 to be positioned (centered) in the specified position in the lower housing 10b.
この際の熱膨張量は、前述した線膨張係数の相違により、下ハウジング10bよりも軸受121の方が膨張量が大きい。このため、表2のように軸受121の外径Cが0.009mmだけ収容孔の内径Dよりも半径方向に突出しようとする。 Due to the difference in linear expansion coefficients mentioned above, the amount of thermal expansion at this time is greater for the bearing 121 than for the lower housing 10b. For this reason, as shown in Table 2, the outer diameter C of the bearing 121 tends to protrude radially beyond the inner diameter D of the accommodating hole by 0.009 mm.
この突出しようとする0.009mmの膨張量が、下ハウジング10bの収容孔によって規制される。この結果、軸受121の外周面121gが収容孔の内周面10b2に圧接する。この圧接状態を高温(約1000℃)で所定時間(約10分から1時間)保持することで、軸受121の外周面121gを収容孔の内周面10b2に拡散接合することができる。 This 0.009 mm of expansion that would otherwise protrude is restricted by the accommodation hole in the lower housing 10b. As a result, the outer surface 121g of the bearing 121 is pressed against the inner surface 10b2 of the accommodation hole. By maintaining this pressed state at a high temperature (approximately 1000°C) for a predetermined time (approximately 10 minutes to 1 hour), the outer surface 121g of the bearing 121 can be diffusion-bonded to the inner surface 10b2 of the accommodation hole.
この拡散接合により、接合前に軸受121の外周面121gと収容孔の内周面10b2の間に存在していた微小凹凸空隙が金属結晶粒界の移動によって完全消失する。したがって、流路112を流れる流体(インク)の腐食成分によって接合界面が剥離するのを防止することができる。 This diffusion bonding completely eliminates the minute uneven gaps that existed between the outer surface 121g of the bearing 121 and the inner surface 10b2 of the accommodating hole before bonding due to the movement of metal crystal grain boundaries. This prevents the bonding interface from peeling off due to corrosive components of the fluid (ink) flowing through the flow path 112.
下ハウジング10bに対する軸受121の拡散接合が終了したら、下ハウジング10bと軸受121をアルゴンガス雰囲気下で常温まで冷却後、図5Cのように加圧板20、30をいったん取外す。この冷却により、下ハウジング10bと軸受121が収縮する。 Once the diffusion bonding of the bearing 121 to the lower housing 10b is complete, the lower housing 10b and bearing 121 are cooled to room temperature in an argon gas atmosphere, and then the pressure plates 20 and 30 are removed as shown in Figure 5C. This cooling causes the lower housing 10b and bearing 121 to shrink.
この際、前述した両者の線膨張率の相違があるが、軸受121の外周面121gと収容孔の内周面10b2が拡散接合で一体化されているので、表2のように軸受121と収容孔の間に隙間が生じることはない(C2-D2=0)。 In this case, although there is a difference in the linear expansion coefficients of the two as mentioned above, the outer surface 121g of the bearing 121 and the inner surface 10b2 of the accommodating hole are integrated by diffusion bonding, so no gap occurs between the bearing 121 and the accommodating hole as shown in Table 2 (C2 - D2 = 0).
下ハウジング10bの下面には後の工程でノズル板101が拡散接合されるが、軸受121の下端面121aは図5Bの段階で下ハウジング10bの下面と面一にされているので、ノズル板101の平面性にまったく影響がない。 The nozzle plate 101 will be diffusion bonded to the underside of the lower housing 10b in a later process, but since the lower end surface 121a of the bearing 121 is flush with the underside of the lower housing 10b at the stage shown in Figure 5B, the flatness of the nozzle plate 101 will not be affected at all.
図5Cのように軸受121を下ハウジング10bに拡散接合した後、今度は図5Dのように、弁体113を挿入するための貫通孔121bに位置決めピン40を挿入する。そして、下ハウジング10bの上に上ハウジング10aを載せる。この際、位置決めピン40の上端部を上ハウジング10aの弁体挿通用の貫通孔10a1に挿入する。 After the bearing 121 is diffusion-bonded to the lower housing 10b as shown in Figure 5C, the positioning pin 40 is then inserted into the through-hole 121b for inserting the valve body 113 as shown in Figure 5D. Then, the upper housing 10a is placed on top of the lower housing 10b. At this time, the upper end of the positioning pin 40 is inserted into the through-hole 10a1 of the upper housing 10a for inserting the valve body.
これにより、軸受121の貫通孔121bと、上ハウジング10aの貫通孔10a1の軸線を互いに合わせることができる。この状態で、加圧板20、30に圧力を掛けて上下ハウジング10a、10bとノズル板101の三者を拡散接合する。上下ハウジング10a、10bとノズル板101の三者を拡散接合する。なお、上ハウジング10aと下ハウジング10bは拡散接合に限定されずネジ締結でもよい。 This allows the axis of the through hole 121b of the bearing 121 to be aligned with the axis of the through hole 10a1 of the upper housing 10a. In this state, pressure is applied to the pressure plates 20 and 30 to diffusion bond the upper and lower housings 10a and 10b and the nozzle plate 101 together. The upper and lower housings 10a and 10b and the nozzle plate 101 are diffusion bonded together. Note that the upper housing 10a and lower housing 10b are not limited to being diffusion bonded, and can also be fastened with screws.
図5Eが、上下ハウジング10a、10bとノズル板101の三者を拡散接合して加圧板20、30を取外した状態である。この状態から、上ハウジング10aの貫通孔10a1と軸受121の貫通孔121bに図3の弁体113を挿入し、この弁体113の上端部を圧電素子114の保持部材115に連結する。 Figure 5E shows the state after the upper and lower housings 10a, 10b and nozzle plate 101 have been diffusion bonded together and the pressure plates 20, 30 have been removed. From this state, the valve body 113 shown in Figure 3 is inserted into the through-hole 10a1 of the upper housing 10a and the through-hole 121b of the bearing 121, and the upper end of this valve body 113 is connected to the holding member 115 of the piezoelectric element 114.
これで、図3の電圧印加手段200によって圧電素子114に電圧を印加することで、弁体113をノズル111を開く方向で上方に駆動することができる。また、圧電素子114に対する電圧印加を解除することで、弁体113をノズル111を閉じる方向で下方に駆動することができる。 Now, by applying a voltage to the piezoelectric element 114 using the voltage application means 200 in Figure 3, the valve body 113 can be driven upward in a direction that opens the nozzle 111. Furthermore, by releasing the voltage application to the piezoelectric element 114, the valve body 113 can be driven downward in a direction that closes the nozzle 111.
(●比較例1) (●Comparative Example 1)
次に、比較例1を図6A~図6Cを参照して説明する。この比較例1は、第1実施形態の寸法A、Bを以下の表3のようにA⇒G、寸法B⇒Hに変更したものである。また、軸受121と下ハウジング10bの材質を共通のSUS304(線膨張係数は17.3×10-6/℃)にした。その他は第1実施形態と同じである。
接合後の軸受121の突出量:G2-H2=0.005 mm
Next, Comparative Example 1 will be described with reference to Figures 6A to 6C. In this Comparative Example 1, the dimensions A and B of the first embodiment are changed from A to G and from B to H, as shown in Table 3 below. In addition, the material of the bearing 121 and the lower housing 10b is the same as SUS304 (linear expansion coefficient: 17.3 x 10-6 /°C). Other aspects are the same as those of the first embodiment.
Protrusion amount of bearing 121 after joining: G2-H2=0.005 mm
この比較例1では、軸受121の下端面121aが図6Aのように接合前から僅かに下側に突出(G-H)している。この突出量は拡散接合の加圧・加熱時に増大(G1-H1)して0.005mmとなる。したがって、加圧板20、30の圧力がリブ121eと段部10b1の間に作用した状態で拡散接合が行われる。 In this comparative example 1, the lower end surface 121a of the bearing 121 protrudes slightly downward (G-H) before bonding, as shown in Figure 6A. This protrusion increases (G1-H1) to 0.005 mm during pressure and heat application for diffusion bonding. Therefore, diffusion bonding is performed with the pressure of the pressure plates 20 and 30 acting between the rib 121e and the step portion 10b1.
この拡散接合後に、図4Dと同様のやり方で今度はノズル板101を下ハウジング10bの下面に図6Cのように拡散接合する。しかし、軸受121に下端面121aが下ハウジング10bの下面よりも下側に突出(G2-H2)しているため、ノズル板101の面精度が悪くなる。 After this diffusion bonding, the nozzle plate 101 is then diffusion bonded to the underside of the lower housing 10b as shown in Figure 6C in the same manner as in Figure 4D. However, because the lower end surface 121a of the bearing 121 protrudes below the underside of the lower housing 10b (G2-H2), the surface precision of the nozzle plate 101 deteriorates.
(●比較例2)
次に、比較例2を図7A~図7Cを参照して説明する。この比較例2は、第2実施形態の寸法C(軸受の外径)、D(収容孔の内径)をC⇒4.0-0.04
-0.05、D⇒4.0-0.01
0に変更し、軸受121の外周面を接着剤を介して下ハウジング10bの収容孔の内周面に接着したものである。軸受121と下ハウジング10bの材質は共通のSUS304(線膨張係数は17.3×10-6/℃)にした。その他は第2実施形態と同じである。
(Comparative Example 2)
Next, Comparative Example 2 will be described with reference to Figures 7A to 7C. In Comparative Example 2, the dimensions C (outer diameter of the bearing) and D (inner diameter of the accommodating hole) of the second embodiment are changed from C to 4.0 -0.04 -0.05 and D to 4.0 -0.01 0 , and the outer surface of the bearing 121 is bonded to the inner surface of the accommodating hole of the lower housing 10b using an adhesive. The material of the bearing 121 and the lower housing 10b is the same SUS304 (linear expansion coefficient of 17.3 x 10 -6 /°C). Other aspects are the same as those of the second embodiment.
接着剤は熱硬化型エポキシ接着剤(IW2460、スリーエムジャパン製)を使用した。当該接着剤をディスペンサ(MS-1D、武蔵エンジニアリング社製)で外周面に塗布した軸受121を、図7Aのように下ハウジング10bの収容孔に嵌合した後、図7Bの状態で120℃に設定したオーブン(DX302、ヤマト科学社製)内に1時間静置し、その後24時間養生した。 The adhesive used was a thermosetting epoxy adhesive (IW2460, manufactured by 3M Japan). The adhesive was applied to the outer surface of the bearing 121 using a dispenser (MS-1D, manufactured by Musashi Engineering). The bearing 121 was then fitted into the receiving hole of the lower housing 10b as shown in Figure 7A. After that, the bearing was placed in an oven (DX302, manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) set to 120°C in the state shown in Figure 7B for one hour, and then allowed to cure for 24 hours.
(●第3実施形態)
次に、第3実施形態を図8を参照して説明する。この第3実施形態は、軸受121の突出部としてのリブ121hを軸受121の軸線方向上端部に形成したものである。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to Fig. 8. In this third embodiment, a rib 121h serving as a protrusion of the bearing 121 is formed on the upper end of the bearing 121 in the axial direction.
このリブ121hの上面121dは、拡散接合前に上方にやや突出させておく。リブ121hの上面121dを上方に突出させない代わりに、加圧板30の下面にリブ121hの上面121dに当接する凸部を形成したり、凸部の代わりになる板材を配置したりしてもよい。軸受121と下ハウジング10bの材質は、共通のSUS304(線膨張係数は17.3×10-6/℃)にした。その他は、第1実施形態と同様である。なお、前述した位置決めピン50の代わりに、加圧板20、30の表面に軸受121用の位置決め突起を形成してもよい。 The upper surface 121d of this rib 121h is made to protrude slightly upward before diffusion bonding. Instead of making the upper surface 121d of the rib 121h not protrude upward, a protrusion that abuts against the upper surface 121d of the rib 121h may be formed on the lower surface of the pressure plate 30, or a plate material may be disposed in place of the protrusion. The material of the bearing 121 and the lower housing 10b is the same SUS304 (linear expansion coefficient: 17.3×10 −6 /°C). The rest is the same as in the first embodiment. Note that instead of the positioning pin 50 described above, positioning protrusions for the bearing 121 may be formed on the surfaces of the pressure plates 20 and 30.
リブ121hの下面121iは、下ハウジング10bの収容孔の段部10b3に当接させる。この状態で軸受121の下端面121aも加圧板20に当接させる。 The lower surface 121i of the rib 121h abuts against the step portion 10b3 of the accommodation hole in the lower housing 10b. In this state, the lower end surface 121a of the bearing 121 also abuts against the pressure plate 20.
後述する寸法E1、F1を正確に一致させることが困難な場合は、E1を僅かに短くする(E1<F1)。そして、図8のように下ハウジング10bと軸受121を上下の加圧板20、30の間に挟んで加圧・加熱することで、軸受121のリブ121hの下面121iを下ハウジング10bの収容孔の段部10b3に拡散接合する。 If it is difficult to accurately match the dimensions E1 and F1 described below, E1 is made slightly shorter (E1<F1). Then, as shown in Figure 8, the lower housing 10b and bearing 121 are sandwiched between upper and lower pressure plates 20, 30 and pressure and heat are applied, thereby diffusion-bonding the lower surface 121i of the rib 121h of the bearing 121 to the step portion 10b3 of the receiving hole in the lower housing 10b.
ここで、リブ121hの下面121iから軸受下端面121aまでの長さをE1、下ハウジング10bの段部10b3からハウジング下面までの長さをF1とする。軸受121と下ハウジング10bの線膨張係数が同じなので、接合前、加圧・加熱時および接合後のいずれにおいても、E1=F1の関係が成立する。E1<F1の場合は軸受下端面121aが僅かに凹むが、以下に述べるようにノズル板101の面精度に大きな影響はない。 Here, E1 is the length from the underside 121i of rib 121h to the bearing lower end surface 121a, and F1 is the length from step 10b3 of lower housing 10b to the housing lower surface. Because the linear expansion coefficients of bearing 121 and lower housing 10b are the same, the relationship E1 = F1 holds true before bonding, during pressure and heating, and after bonding. If E1 < F1, the bearing lower end surface 121a will be slightly recessed, but as described below, this will not have a significant impact on the surface precision of the nozzle plate 101.
(●実施形態と比較例の対比)
前述した各実施形態と比較例を、ノズル板101の面精度と軸受剥離の信頼性において対比すると、以下の表4のようになる。
When the above-described embodiments and comparative examples are compared in terms of the surface precision of the nozzle plate 101 and the reliability against bearing detachment, the results are as shown in Table 4 below.
下ハウジング10bのノズル板101接合面の面精度評価には、3D表面形状測定機VR-5000(キーエンス製)を使用した。下ハウジング10bの下面を基準とした時の、軸受121の下端面121aと下ハウジング10bの下面との段差の最大値を当該3D表面形状測定機で測定した。当該段差の大きさが、-15~0μmであれば「良」、0μmより大きいか、或いは-15μmより小さい値であれば「不良」と判断した。 A 3D surface profile measuring machine VR-5000 (manufactured by Keyence) was used to evaluate the surface precision of the nozzle plate 101 bonding surface of the lower housing 10b. The maximum step between the lower end surface 121a of the bearing 121 and the lower surface of the lower housing 10b, when the lower surface of the lower housing 10b is used as the reference, was measured using the 3D surface profile measuring machine. If the size of the step was between -15 and 0 μm, it was judged to be "good," and if it was greater than 0 μm or less than -15 μm, it was judged to be "poor."
接合後の試料(軸受121と下ハウジング10b)を温度30℃の各試験溶剤(純水、アセトン、酢酸エチル、トルエン)に浸漬し、2ヶ月間静置した。その後、試料を試験溶剤から取り出し、溶剤を洗浄後乾燥し、デジタルマイクロスコープVHX-6000を使用して、ノズル板101と下ハウジング10bの接合部の剥離の有無を観察した。 The bonded sample (bearing 121 and lower housing 10b) was immersed in each test solvent (pure water, acetone, ethyl acetate, toluene) at a temperature of 30°C and left to stand for two months. The sample was then removed from the test solvent, washed to remove the solvent, and dried. The bond between the nozzle plate 101 and lower housing 10b was then observed using a VHX-6000 digital microscope for any peeling.
剥離がなければ「良」、剥離があれば「不良」と判断した。表4に示すように、ノズル板の面精度を保持し軸受の剥離を予防するうえで、軸受の拡散接合が有効であることが確認された。 If there was no peeling, it was judged as "good", and if there was peeling, it was judged as "bad". As shown in Table 4, it was confirmed that diffusion bonding of the bearing is effective in maintaining the surface precision of the nozzle plate and preventing bearing peeling.
(●液滴吐出装置)
次に、図1の液滴吐出ヘッド1を利用した液滴吐出装置500の実施形態を図9と図10を参照して説明する。図9は液滴吐出装置500の斜視図、図10は液滴吐出装置500の駆動部の斜視図である。
(Droplet discharge device)
Next, an embodiment of a droplet ejection device 500 using the droplet ejection head 1 of Fig. 1 will be described with reference to Fig. 9 and Fig. 10. Fig. 9 is a perspective view of the droplet ejection device 500, and Fig. 10 is a perspective view of a drive section of the droplet ejection device 500.
液滴吐出装置500は、車両のボンネットなどの曲面を有する印刷対象物700に対向させて据付けられる移動可能な枠ユニット802を備えている。枠ユニット802を構成する左右の枠部材810,811には、枠部材810,811に架け渡されるようにして、可動ユニット813が垂直方向(Y方向)へ昇降可能に取り付けられている。 The droplet ejection device 500 includes a movable frame unit 802 that is installed facing a printing target 700 with a curved surface, such as a vehicle hood. A movable unit 813 is attached to the left and right frame members 810, 811 that make up the frame unit 802, spanning the frame members 810, 811, and is capable of moving up and down in the vertical direction (Y direction).
可動ユニット813には、可動ユニット813上を水平方向(X方向)に往復移動可能に配置されたモータを内蔵する駆動部803と、この駆動部803に取り付けられて印刷対象物700へ向けて液体を吐出する液滴吐出ユニット501とが搭載されている。 The movable unit 813 is equipped with a drive unit 803 incorporating a motor that is arranged so that it can move back and forth horizontally (X direction) on the movable unit 813, and a droplet ejection unit 501 that is attached to this drive unit 803 and ejects liquid toward the printing object 700.
また、液滴吐出ユニット501からの液体の吐出、駆動部803の往復移動及び可動ユニット813の昇降を制御するコントローラ805と、このコントローラ805に対して指示を行うPC(パーソナルコンピュータ)などの情報処理装置806とを備えている。情報処理装置806には、形状や大きさなどの印刷対象物700に関する情報を記録保存するデータベース部(DB部)807が接続されている。 The printer also includes a controller 805 that controls the ejection of liquid from the droplet ejection unit 501, the reciprocating movement of the drive unit 803, and the elevation of the movable unit 813, and an information processing device 806 such as a PC (personal computer) that issues instructions to the controller 805. A database unit (DB unit) 807 is connected to the information processing device 806, which records and saves information about the printing object 700, such as its shape and size.
枠ユニット802は、金属柱状体等によって形成された上下左右の枠部材808,809,810,811と、枠ユニット802を自立させるために下側の枠部材809の両側に直角且つ水平に取り付けられた左右の脚部材812a,812bを備えている。そして、左右の枠部材810,811の間に架け渡された可動ユニット813は、駆動部803を支持した状態で昇降可能に構成されている。 The frame unit 802 comprises upper, lower, left, and right frame members 808, 809, 810, and 811 formed from metal pillars or the like, and left and right leg members 812a and 812b attached horizontally and at right angles to both sides of the lower frame member 809 to enable the frame unit 802 to stand on its own. The movable unit 813, which is bridged between the left and right frame members 810 and 811, is configured to be able to move up and down while supporting the drive unit 803.
印刷対象物700は、液体の吐出方向(Z方向)に直角に、すなわち、枠ユニット802の上下左右の枠部材808,809,810,811によって形成される平面に対向するようにして配置される。この場合、印刷を行うべき所定の位置に印刷対象物700を配置させるためには、例えば、多関節型アームロボットのアームの先端に取り付けたチャックによって印刷対象物700の印刷領域の裏側を吸着保持させることによって行うことができる。多関節型アームロボットを用いることで印刷対象物700をプリント位置に正確に配置することが可能となり、印刷対象物700の姿勢を適宜に変更することもできる。 The printing object 700 is positioned perpendicular to the liquid ejection direction (Z direction), i.e., facing the plane formed by the top, bottom, left, and right frame members 808, 809, 810, and 811 of the frame unit 802. In this case, the printing object 700 can be positioned at the specified position where printing is to be performed, for example, by suction-holding the back side of the printing area of the printing object 700 using a chuck attached to the tip of the arm of an articulated arm robot. Using an articulated arm robot makes it possible to accurately position the printing object 700 at the printing position, and also makes it possible to change the orientation of the printing object 700 as needed.
駆動部803は、図10に示すように、可動ユニット813上を水平方向(X方向)に往復移動可能に配置されている。可動ユニット813は、枠ユニット802の左右の枠部材810,811に架け渡されるようにして水平に配設されたレール830と、このレール830と平行となるように配設されたラックギヤ831と、レール830の一部に外嵌されてスライドしながら移動するリニアガイド832と、このリニアガイド832と連結されてラックギヤ831と噛合うピニオンギヤユニット833と、このピニオンギヤユニット833を回転駆動する減速機836付きのモータ834と、印刷点位置検出用のロータリエンコーダ835を備えて構成されている。 As shown in Figure 10, the drive unit 803 is arranged so that it can move back and forth horizontally (in the X direction) on the movable unit 813. The movable unit 813 is composed of a rail 830 arranged horizontally across the left and right frame members 810, 811 of the frame unit 802, a rack gear 831 arranged parallel to the rail 830, a linear guide 832 fitted onto part of the rail 830 and moving while sliding, a pinion gear unit 833 connected to the linear guide 832 and meshing with the rack gear 831, a motor 834 with a reducer 836 that rotates the pinion gear unit 833, and a rotary encoder 835 for detecting the printing point position.
モータ834を駆動(正転又は逆転)することによって、液滴吐出ユニット501を可動ユニット813に沿って右方向または左方向に移動させる。そして、駆動部803は液滴吐出ユニット501のX方向の駆動機構として機能する。なお、減速機836の筐体の両側にはリミットスイッチ837a,837bが取付けられている。 By driving the motor 834 (forward or reverse), the droplet discharge unit 501 moves to the right or left along the movable unit 813. The drive unit 803 functions as an X-direction drive mechanism for the droplet discharge unit 501. Limit switches 837a and 837b are attached to both sides of the housing of the reducer 836.
液滴吐出ユニット501は、例えば、ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー、ホワイトの各色の液体を吐出する複数の液滴吐出ヘッド1、又は、複数のノズル列を有する液滴吐出ヘッド1を備えている。この液滴吐出ユニット501の各液滴吐出ヘッド1又は液滴吐出ヘッド1の各ノズル列に対しては、液体タンクから各色の液体が加圧供給される。 The droplet ejection unit 501 includes a plurality of droplet ejection heads 1 that eject liquid of each color, for example, black, cyan, magenta, yellow, and white, or a droplet ejection head 1 with a plurality of nozzle rows. Liquid of each color is supplied under pressure from a liquid tank to each droplet ejection head 1 or each nozzle row of the droplet ejection head 1 of this droplet ejection unit 501.
この液滴吐出装置500においては、可動ユニット813をY方向に移動させ、液滴吐出ユニット501をX方向に移動させて、印刷対象物700に所要の画像を印刷する。前述の「液滴吐出装置」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や一様な塗料の膜などを形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。 In this droplet ejection device 500, the movable unit 813 is moved in the Y direction, and the droplet ejection unit 501 is moved in the X direction to print the desired image on the printing object 700. The aforementioned "droplet ejection device" is not limited to devices that visualize meaningful images such as letters and figures using ejected liquid. For example, it also includes devices that form meaningless patterns or uniform paint films, and devices that create three-dimensional images.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。例えば軸受121の形状は、弁体113の軸線方向の往復動をガイドできればよく、その外形は任意である。前述のように軸受121の半径方向外方にリブ121e、121hを突出させた形状や、リブなしの円筒状とするほか、ノズル111側が先細となる円錐状や、ノズル111と反対側が先細となる円錐状としてもよい。 Although the above describes an embodiment of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment and various modifications are possible based on the technical concept described in the claims. For example, the shape of the bearing 121 may be any shape as long as it is capable of guiding the axial reciprocating motion of the valve body 113. As mentioned above, the bearing 121 may have ribs 121e and 121h protruding radially outward, may be cylindrical without ribs, or may have a conical shape tapering toward the nozzle 111, or may have a conical shape tapering toward the opposite side of the nozzle 111.
また、圧電素子114は、長手方向に伸縮作動する他の駆動体に代替可能である。例えば、電磁ソレノイドで長手方向に伸縮作動するピストンを圧電素子114の代わりに使用することも可能である。 Furthermore, the piezoelectric element 114 can be replaced with another driving body that expands and contracts in the longitudinal direction. For example, a piston that expands and contracts in the longitudinal direction using an electromagnetic solenoid can be used in place of the piezoelectric element 114.
1:液滴吐出ヘッド 2:コネクタ
10:ハウジング 10a:上ハウジング
10a1:貫通孔 10b:下ハウジング
10b1:収容孔の段部 10b2:収容孔の内周面
10b3:収容孔の段部 11:供給ポート
12:回収ポート 20、30:加圧板
40、50:位置決めピン 100:液滴吐出モジュール
101:ノズル板 111:ノズル
112:流路 113:弁体
113a:弾性体 114:圧電素子
115:保持部材 115a:中央空間
115b:先端部 115c:後端部
116:保持板バネ 116a、116b:バネ部
121:軸受 121a:下端面
121b:貫通孔 121c:貫通孔
121d:上面 121e、121h:リブ
121f:上面 121g:外周面
121i:下面 122:シール部材
123:圧電素子収容空間 124:圧電素子固定軸
200:電圧印加手段 500:液滴吐出装置
501:液滴吐出ユニット 700:印刷対象物
802:枠ユニット 803:駆動部
805:コントローラ 806:情報処理装置
807:データベース部 808,809,810,811:枠部材
812a,812b:脚部材 813:可動ユニット
830:レール 831:ラックギヤ
832:リニアガイド 833:ピニオンギヤユニット
834:モータ 835:ロータリエンコーダ
836:減速機 837a,837b:リミットスイッチ
1: droplet ejection head 2: connector 10: housing 10a: upper housing 10a1: through hole 10b: lower housing 10b1: step portion of accommodating hole 10b2: inner peripheral surface of accommodating hole 10b3: step portion of accommodating hole 11: supply port 12: recovery port 20, 30: pressure plate 40, 50: positioning pin 100: droplet ejection module 101: nozzle plate 111: nozzle 112: flow path 113: valve body 113a: elastic body 114: piezoelectric element 115: holding member 115a: central space 115b: tip portion 115c: rear end portion 116: holding leaf spring 116a, 116b: spring portion 121: bearing 121a: lower end surface 121b: through hole 121c: through hole 121d: upper surface 121e, 121h: Ribs 121f: Upper surface 121g: Outer circumferential surface 121i: Lower surface 122: Sealing member 123: Piezoelectric element accommodating space 124: Piezoelectric element fixing shaft 200: Voltage application means 500: Droplet ejection device 501: Droplet ejection unit 700: Printing target 802: Frame unit 803: Drive section 805: Controller 806: Information processing device 807: Database section 808, 809, 810, 811: Frame members 812a, 812b: Leg members 813: Movable unit 830: Rail 831: Rack gear 832: Linear guide 833: Pinion gear unit 834: Motor 835: Rotary encoder 836: Reducer 837a, 837b: Limit switch
Claims (7)
前記軸受を前記収容孔の内面に拡散接合により接合したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 A droplet ejection head having a housing in which a liquid flow path is formed, a nozzle plate disposed on one surface of the housing, a valve body disposed in the housing so as to be capable of reciprocating in a direction crossing the flow path to open and close a nozzle formed in the nozzle plate, and a bearing disposed in an accommodating hole inside the housing to guide the reciprocating movement of the valve body,
The droplet ejection head is characterized in that the bearing is joined to the inner surface of the accommodation hole by diffusion bonding.
前記軸受の線膨張係数を前記ハウジングの線膨張係数よりも大きくし、
前記ノズルの軸線方向で円筒状に延びた前記収容孔の内周面に前記軸受の外周面を嵌合し、
前記ハウジングの前記ノズル板が配設される一面と前記軸受の端面とを一致させた状態で前記ハウジングと前記軸受を加熱することで、前記収容孔の内周面と前記軸受の外周面とを拡散接合した後、
前記ノズル板を前記ハウジングの一面に拡散接合することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 A method for manufacturing a droplet ejection head having a housing in which a liquid flow path is formed, a nozzle plate disposed on one surface of the housing, a valve body disposed in the housing so as to be able to reciprocate in a direction crossing the flow path to open and close a nozzle formed in the nozzle plate, and a bearing disposed in an accommodating hole inside the housing to guide the reciprocating movement of the valve body,
The linear expansion coefficient of the bearing is set to be larger than the linear expansion coefficient of the housing,
an outer peripheral surface of the bearing is fitted onto an inner peripheral surface of the receiving hole, the receiving hole extending cylindrically in the axial direction of the nozzle;
a nozzle plate provided on the housing and an end face of the bearing are aligned with each other, and the housing and the bearing are heated to diffusion bond the inner peripheral surface of the accommodating hole and the outer peripheral surface of the bearing together;
A method for manufacturing a droplet ejection head, comprising diffusion bonding the nozzle plate to one surface of the housing.
前記軸受の線膨張係数を前記ハウジングの線膨張係数よりも大きくし、
前記ノズルの軸線方向で円筒状に延びた前記収容孔の内周面に前記軸受の外周面を嵌合すると共に、前記収容孔の前記ノズル側が拡径された段部に前記軸受の外周に形成された突出部を前記ノズルの軸線方向で所定の隙間を空けて対向させ、
前記ハウジングの前記ノズル板が配設される一面と前記軸受の端面とを一致させた状態で前記ハウジングと前記軸受を加熱することで、前記軸受と前記ハウジングの線膨張係数の差によって前記所定の隙間を埋めて前記収容孔の段部と前記軸受の突出部とを拡散接合した後、
前記ノズル板を前記ハウジングの一面に拡散接合することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 A method for manufacturing a droplet ejection head having a housing in which a liquid flow path is formed, a nozzle plate disposed on one surface of the housing, a valve body disposed in the housing so as to be able to reciprocate in a direction crossing the flow path to open and close a nozzle formed in the nozzle plate, and a bearing disposed in an accommodating hole inside the housing to guide the reciprocating movement of the valve body,
The linear expansion coefficient of the bearing is set to be larger than the linear expansion coefficient of the housing,
an outer peripheral surface of the bearing is fitted into an inner peripheral surface of the accommodation hole, which extends cylindrically in the axial direction of the nozzle, and a protrusion formed on the outer periphery of the bearing is opposed to a stepped portion, the diameter of which is enlarged on the nozzle side of the accommodation hole, with a predetermined gap in the axial direction of the nozzle;
By heating the housing and the bearing in a state where the surface of the housing on which the nozzle plate is disposed is aligned with the end surface of the bearing, the predetermined gap is filled by the difference in linear expansion coefficient between the bearing and the housing, and the step portion of the accommodating hole and the protruding portion of the bearing are diffusion-bonded together, and then
A method for manufacturing a droplet ejection head, comprising diffusion bonding the nozzle plate to one surface of the housing.
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