(57)【要約】【課題】高粘度の液体でも安定して吐出することができる液滴吐出ヘッドを提供する。【解決手段】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。また、アクチュエータ２５を圧電素子で構成することにより、アクチュエータ２５の小型化が可能となり、その結果、ノズル２２の集積度を高めて、より微細な液滴吐出を可能とする。また、複数のノズル２２に共通して連通するキャビティ２３としたため、従来のようにキャビティをノズル毎に形成する必要がなく、構成が容易で、コストの低廉化が可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズルから液滴を吐出して液滴吐出ヘッドであって、前記ノズルに吐出液体を加圧供給する液体加圧装置と、前記ノズルに配設されたノズル閉塞部材と、前記ノズル閉塞部材をノズルに対して離接するノズル開閉駆動手段と、前記ノズル開閉駆動手段を制御するノズル開閉制御手段とを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記ノズル開閉駆動手段を圧電素子で構成したことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記複数のノズルに共通して連通する液体貯留部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な液滴を複数のノズルから吐出する液滴吐出ヘッドに関するものであり、例えばその微粒子（ドット）を印刷媒体上に形成することにより、所定の文字や画像等を印刷するようにした液滴吐出型印刷装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出型印刷装置は、一般に安価で且つ高品質なカラー印刷物が容易に得られることから、パーソナルコンピュータやデジタルカメラなどの普及に伴い、オフィスのみならず一般ユーザにも広く普及してきている。
このような液滴吐出型印刷装置のうち、液滴吐出ノズルの形成された液滴吐出ヘッドをキャリッジと呼ばれる移動体に載せて印刷媒体の搬送方向と交差する方向に移動させるものを一般に「マルチパス型印刷装置」と呼んでいる。これに対し、印刷媒体の搬送方向と交差する方向に長尺な液滴吐出ヘッドを配置して、所謂１パスでの印刷が可能なものを一般に「ラインヘッド型印刷装置」と呼んでいる。
【０００３】
この種の液滴吐出型印刷装置では、液滴吐出ヘッドに液体を吐出するためのノズルを複数形成し、各ノズルには、吐出される液体を加圧するための圧力室を連通し、この圧力室に、圧電素子などのノズルアクチュエータを配設し、各ノズルアクチュエータの夫々に駆動信号を印加することで該当するノズルから印刷媒体に向けて液滴を吐出する。下記特許文献１では、圧力室の吐出液体供給方向手前側に、当該吐出液体を貯留する貯留室を設け、この貯留室と圧力室とを連通する流路に島部を形成し、その島部の流動抵抗によって、圧力室への吐出液体供給過剰と戻り過剰を同時に抑制防止するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３３４９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このような液滴吐出装置では、印刷装置を始め、吐出液体が高粘度化している。例えば高分子ポリマーの液体などは粘度が高く、ノズルからの安定した液滴吐出が難しい。例えば、ノズルアクチュエータが圧電素子で構成される場合、圧力室への加圧力に限界があり、その結果、吐出できる液体の物性（粘度）に限界が生じる。このような場合、高粘度の液体を吐出しようとするならば、液体を希釈するか、或いは加熱によって液体の粘度を低下させる必要があり、液体を希釈する場合には乾燥性が低下し、液体を加熱する場合には加熱手段の増設、消費電力の増加、加熱による周辺部品への影響など、種々の問題が生じる。
本発明は、これらの諸問題に着目して開発されたものであり、高粘度の液体でも安定して吐出することができる液滴吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記諸問題を解決するため、本発明の液滴吐出ヘッドは、複数のノズルから液滴を吐出して液滴吐出ヘッドであって、前記ノズルに吐出液体を加圧供給する液体加圧装置と、前記ノズルに配設されたノズル閉塞部材と、前記ノズル閉塞部材をノズルに対して離接するノズル開閉駆動手段と、前記ノズル開閉駆動手段を制御するノズル開閉制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
この液滴吐出ヘッドによれば、吐出液体をノズルに加圧供給し、その状態でノズル閉塞部材をノズルに対して離接することにより、ノズル閉塞部材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ので、高粘度の液体でも安定して吐出することができる。
また、前記ノズル開閉駆動手段を圧電素子で構成したことを特徴とするものである。
【０００７】
この液滴吐出ヘッドによれば、ノズル開閉駆動手段の小型化が可能となり、その結果、ノズルの集積度を高めて、より微細な液滴吐出を可能とする。
また、前記複数のノズルに共通して連通する液体貯留部を備えたことを特徴とするものである。
この液滴吐出ヘッドによれば、従来の圧力室をノズル毎に形成する必要がなく、構成が容易で、コストの低廉化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の液滴吐出ヘッドの一実施形態を示す液滴吐出型印刷装置の概略構成正面図である。
【図２】図１の液滴吐出型印刷装置の制御装置のブロック図である。
【図３】図１の液滴吐出ヘッドの概略構成図である。
【図４】図３のノズル閉塞部材及びノズル開閉アクチュエータの説明図である。
【図５】図３のノズル閉塞部材とノズルの詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出型印刷装置の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の印刷装置の概略構成図であり、図において、印刷媒体１は、図の左から右に向けて矢印方向に搬送され、その搬送途中の印刷領域で印刷される、ラインヘッド型印刷装置である。
図１中の符号２は、印刷媒体１の搬送ライン上方に設けられた液滴吐出ヘッドであり、固定プレート１１に固定されている。液滴吐出ヘッド２の最下面には、多数のノズルが形成されており、この面がノズル面と呼ばれている。ノズルは、吐出する液体の色毎に、印刷媒体搬送方向と交差する方向に列状に配設されており、その列をノズル列と呼んだり、その列方向をノズル列方向と呼んだりする。そして、印刷媒体搬送方向と交差する方向に配設された全てのノズルによって、印刷媒体１の搬送方向と交差する方向の幅全長に及ぶラインヘッドが形成されている。印刷媒体１は、液滴吐出ヘッド２のノズル面の下方を通過するときに、多数のノズルから液滴が吐出され、印刷が行われる。
【００１０】
液滴吐出ヘッド２には、例えばイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のインクなどの液体が、図示しない各色の液体タンクから液体供給チューブを介して供給される。そして、液滴吐出ヘッド２のノズルから同時に必要箇所に必要量の液滴を吐出することにより、印刷媒体１上に微小なドットを出力する。これを各色毎に行うことにより、搬送部４で搬送される印刷媒体１を一度通過させるだけで、所謂１パスによる印刷を行うことができる。
【００１１】
液滴吐出ヘッド２の下方には、印刷媒体１を搬送方向に搬送するための搬送部４が設けられている。搬送部４は、駆動ローラ８及び従動ローラ９に搬送ベルト６を巻回して構成され、駆動ローラ８には図示しない電動モータが接続されている。また、搬送ベルト６の内側には、当該搬送ベルト６の表面に印刷媒体１を吸着するための図示しない吸着装置が設けられている。この吸着装置には、例えば負圧によって印刷媒体１を搬送ベルト６に吸着する空気吸引装置や、静電気力で印刷媒体１を搬送ベルト６に吸着する静電吸着装置などが用いられる。従って、給紙ローラ５によって給紙部３から印刷媒体１を一枚だけ搬送ベルト６上に送給し、電動モータによって駆動ローラ８を回転駆動すると、搬送ベルト６が印刷媒体搬送方向に回転され、吸着装置によって搬送ベルト６に印刷媒体１が吸着されて搬送される。この印刷媒体１の搬送中に、液滴吐出ヘッド２から液滴を吐出して印刷を行う。印刷の終了した印刷媒体１は、搬送方向下流側の排紙部１０に排紙される。なお、前記搬送ベルト６には、例えばリニアエンコーダなどで構成される印刷基準信号出力装置が取付けられている。この印刷基準信号出力装置は、例えば搬送ベルト６とそれに吸着されて搬送される印刷媒体１とが同期して移動されることに着目し、印刷媒体１が搬送経路中の所定位置を通過した後は、搬送ベルト６の移動に伴って要求される印刷解像度相当のパルス信号を出力し、このパルス信号に応じて、後述する駆動回路から駆動信号をアクチュエータに出力することで印刷媒体１上の所定位置に所定の色の液滴を吐出し、そのドットによって印刷媒体１上に所定の画像を描画する。
【００１２】
この印刷装置内には、自身を制御するための制御装置が設けられている。この制御装置１２は、例えば図２に示すように、例えばパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等のホストコンピュータ６０から入力された印刷データに基づいて、印刷装置や給紙装置等を制御することにより印刷媒体に印刷処理を行うものである。そして、ホストコンピュータ６０から入力された印刷データ読込むための入力インタフェース６１と、この入力インタフェース６１から入力された印刷データに基づいて印刷処理等の演算処理を実行する例えばマイクロコンピュータで構成される制御部６２と、前記給紙ローラ５に接続されている給紙ローラモータ１７を駆動制御する給紙ローラモータドライバ６３と、液滴吐出ヘッド２を駆動制御するヘッドドライバ６５と、前記駆動ローラ８に接続されている電動モータ７を駆動制御する電動モータドライバ６６と、給紙ローラモータドライバ６３、ヘッドドライバ６５、電動モータドライバ６６と外部の給紙ローラモータ１７、液滴吐出ヘッド２、電動モータ７とを接続するインタフェース６７とを備えて構成される。
【００１３】
制御部６２は、印刷処理等の各種処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）６２ａと、入力インタフェース６１を介して入力された印刷データ或いは当該印刷データ印刷処理等を実行する際の各種データを一時的に格納し、或いは印刷処理等のプログラムを一時的に展開するＲＡＭ（Random Access Memory）６２ｃと、ＣＰＵ６２ａで実行する制御プログラム等を格納する不揮発性半導体メモリで構成されるＲＯＭ（Read-Only Memory）６２ｄを備えている。この制御部６２は、インタフェース６１を介してホストコンピュータ６０から印刷データ（画像データ）を入手すると、ＣＰＵ６２ａが、この印刷データに所定の処理を実行して、液滴吐出ヘッド２の何れのノズルから液滴を吐出するか或いはどの程度の液滴を吐出するかというノズル選択データを算出し、この印刷データやノズル選択データ及び各種センサからの入力データに基づいて、給紙ローラモータドライバ６３、ヘッドドライバ６５、電動モータドライバ６６に制御信号を出力する。給紙ローラドライバ６３、ヘッドドライバ６５、電動モータドライバ６６からはアクチュエータを駆動するための駆動信号が出力され、給紙ローラモータ１７、電動モータ７、液滴吐出ヘッド２内のアクチュエータなどが夫々作動して、印刷媒体１の給紙及び搬送及び排紙、並びに印刷媒体１への印刷処理が実行される。なお、制御部６２内の各構成要素は、図示しないバスを介して電気的に接続されている。
【００１４】
図３には、本実施形態の液滴吐出ヘッドの概略構成を示す。図は、液滴吐出ヘッド２内のノズルの一部を示している。図中の符号２１は、液滴吐出ヘッド２の下面に取付けられたノズルプレートであり、このノズルプレート２１に、多数のノズル２２が開設されている。ノズルプレート２１の上方には、複数のノズル２２に共通して吐出液体を貯留する貯留室としてのキャビティ２３が設けられている。このキャビティ２３内にあって、各ノズル２２の上方には、当該ノズル２２を閉塞するためのノズル閉塞手段としてのピン２４が配設され、その下端部はノズル２２に対向している。
【００１５】
ピン２４の上端部は、取付プレート２０を介して、ノズル開閉駆動手段としてのアクチュエータ２５に接続されている。このアクチュエータ２５は、例えば図の左右方向に積層された圧電素子で構成され、その上端部が電極を介して制御装置１２に接続され、この制御装置１２からアクチュエータ２５を駆動するための前記駆動信号ＣＯＭが出力される。圧電素子で構成されるアクチュエータ２５は、例えば図の上下方向に伸縮するため、その伸縮に伴って、ピン２４が上下方向に移動され、ピン２４が下がるとノズル２２の開口部に当接して当該ノズル２２を閉塞し、ピン２４が上がるとノズル２２の開口部から離間して当該ノズル２２が開放される。ピン２４は、軽量で、慣性も小さいため、アクチュエータ２５が圧電素子であっても、当該ピン２４を十分に駆動させることができる。
【００１６】
前記キャビティ２３内には、液体供給路２６を介して、液体加圧装置としてのポンプ２７から液体が加圧供給される。ポンプ２７は、液体タンク２８内に貯留されている液体を吸引し、それを加圧して液体供給路２６からキャビティ２３に供給する。この状態で、圧電素子からなるアクチュエータ２５を収縮させてピン２４をノズル２２の開口部から離間すると、当該ノズル２２から液滴が吐出される。なお、ポンプ２７は、キャビティ２３の内部の液体の圧力が所定値になったら停止する。
【００１７】
このアクチュエータ２５の駆動信号ＣＯＭは、単純な矩形波電圧信号でよく、電圧値を変更するだけでアクチュエータ２５の収縮量を変化させることができ、アクチュエータ２５の収縮量が変化するとノズル２２とピン２４との隙間が変化するので、液滴の吐出量が変化する。例えば、液滴の吐出量を多くする場合には、ノズル２２とピン２４との隙間を大きくすればよいから、アクチュエータ２５の収縮量が大きくなるように駆動信号ＣＯＭの電圧値を高くすればよい。例えば、本出願人が先に提案したキャビティの圧力を圧電素子で変化させてノズルから液滴を吐出する液滴吐出型印刷装置の場合、精密な台形波電圧信号が必要となるのに対し、本実施形態の液体吐出型印刷装置では、駆動信号に矩形波電圧信号を用いることにより、駆動信号の創成出力が容易になる。
【００１８】
図４には、特にアクチュエータ２５、取付プレート２０、ピン２４、ノズル２２の関係の詳細を示す。ピン２４は、キャビティ２３とは別体で、ニッケル、ステンレスなどの金属材料で構成し、その径はノズル２２の径と同等とした。また、ノズルプレート２１も、ニッケル、ステンレスなどの金属材料で構成した。また、取付プレート２０、即ちアクチュエータ２５とキャビティ２３の構成部材との間には、微小隙間２９を設けた。キャビティ２３中の液体に圧力をかけると、キャビティ２３の構成部材が外側に膨らむ。このキャビティ２３の構成部材の膨らみの影響を回避するために、取付プレート２０、即ちアクチュエータ２５とキャビティ２３の構成部材との間に微小隙間２９を介装する。仮に、この微小隙間２９がないと、キャビティ２３の構成部材の膨らみに伴ってアクチュエータ２５が変位し、ピン２４の移動量が変化して液滴の吐出量が変化してしまう。
【００１９】
図５には、ノズル２２とピン２４の関係の詳細を示す。ピン２４のノズル２２に差し込まれる下端部は、図のように、平坦であっても、丸みをつけてもよい。また、ノズル２２が、図のように、上部のテーパー部２２ａと、下部の円柱部２２ｂとを有する場合、ピン２４の下端部がテーパー部２２ａのみに接触し、テーパー部２２ａと円柱部２２ｂとの稜線に接触しないようにするのが好ましい。仮に、ピン２４の下端部がテーパー部２２ａと円柱部２２ｂとの稜線に接触する場合、両者の間に咬み込みが発生する恐れがある。また、ピン２４の下端部に、数十μｍの厚さで潤滑性の高い金属材料や弾性のある樹脂材料をコーティングすることにより、咬み込み防止効果が向上し、合わせてピン２４とノズル２２との密着性が向上してノズル閉塞効果が増大する。
【００２０】
また、従来のキャビティ内圧力変化による液滴吐出型印刷装置では、ノズル毎にキャビティを区画する必要があったが、本実施形態ではキャビティ２３内を細かく区画する必要がないので、キャビティ２３の構成部材の構成が容易になる、その分だけ、コストも低廉化することができる。また、従来のキャビティ内圧力変化による液滴吐出型印刷装置では、キャビティのアクチュエータに接触する部分、例えば振動板と呼ばれる部分を薄肉化する必要があったが、本実施形態では、特にキャビティ２３の壁部を薄肉化する必要がなく、全体の剛性を高めてキャビティ２３の構成部材の変形を抑制し、破損や内圧の低下を防止することができる。
【００２１】
このように、本実施形態の液滴吐出ヘッドでは、ノズル２２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で制御する構成としたため、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ので、高粘度の液体でも安定して吐出することができる。
また、アクチュエータ２５を圧電素子で構成することにより、アクチュエータ２５の小型化が可能となり、その結果、ノズル２２の集積度を高めて、より微細な液滴吐出を可能とする。
また、複数のノズル２２に共通して連通するキャビティ２３としたため、従来のようにキャビティをノズル毎に形成する必要がなく、構成が容易で、コストの低廉化が可能となる。
【００２２】
これらに合わせて、液滴吐出に必要とする力は、予めポンプ２７によってキャビティ２３内全域にわたって均等に与えられているため、ノズル毎或いはノズル位置による液滴吐出のバラつきが生じにくい。
また、キャビティ２３内の圧力は、大気圧よりも常に高い状態に維持されているため、ノズル２２から外気が浸入する（吸い込まれる）ことがなく、気泡による吐出不良も発生しない。
また、アクチュエータ２５の駆動信号に矩形波電圧信号を用いることができるので、駆動信号の創成出力が容易になり、回路の簡略化、消費電力の低減などの効果がある。
【００２３】
また、通常の印刷に用いられる液体よりも高粘度の液体を液滴として吐出することができるので、工業用途で用いられる金属粒子分散溶液やＵＶ硬化型インク、高分子化合物溶液といった液体にも適用できる。
なお、前記実施形態では、本発明の液滴吐出ヘッドをラインヘッド型の液滴吐出型印刷装置に用いた場合についてのみ詳述したが、本発明の液滴吐出ヘッドは、マルチパス型の液滴吐出型印刷装置にも同様に適用可能である。また、これらの印刷装置形態以外の印刷装置であってもよく、例えば工業分野、医療分野などで液滴を吐出して印刷を行うものにも同様に適用することができる。
【００２４】
また、前記実施形態では、本発明の液滴吐出ヘッドをインクなどの液体を吐出するものに具体化したが、この限りではなく、インク以外の他の液体（液体以外にも、機能材料の粒子が分散されている液状体、ジェルなどの流状体を含む）や液体以外の流体（流体として流して噴射できる固体など）を噴射したり吐出したりする液滴吐出ヘッドに具体化することもできる。例えば、液晶ディスプレイ、ＥＬ（エレクトロルミネッサンス）ディスプレイ、面発光ディスプレイ、カラーフィルタの製造などに用いられる電極材や色材などの材料を分散又は溶解の形態で含む液状体を吐出する液状体吐出ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を吐出する液滴吐出ヘッド、精密ピペットとして用いられて試料となる液体を吐出する液滴吐出ヘッドであってもよい。更に、時計やカメラなどの精密機械にピンポイントで潤滑油を吐出する液滴吐出ヘッド、光通信素子などに用いられる微小半球レンズ（光学レンズ）などを形成するための紫外線硬化樹脂などの透明樹脂液を基板上に吐出する液滴吐出ヘッド、基板などをエッチングするために酸又はアルカリなどのエッチング液を吐出する液滴吐出ヘッド、ジェルを吐出する流状体吐出ヘッド、トナーなどの粉体を例とする固体を吐出する流体吐出式記録ヘッドであってもよい。そして、これらのうち何れか一種の吐出ヘッドに本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１は印刷媒体、２は液滴吐出ヘッド、３は給紙部、４は搬送部、５は給紙ローラ、６は搬送ベルト、７は電動モータ、８は駆動ローラ、９は従動ローラ、１０は排紙部、１１は固定プレート、２０は取付プレート、２１はノズルプレート、２２はノズル、２３はキャビティ、２４はピン、２５はアクチュエータ、２６は液体供給路、２７はポンプ、２８は液体タンク、２９は微小隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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