JP2021084372A - 液体吐出ヘッド、吐出ユニット、液体を吐出する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度検出精度を向上する。【解決手段】液体を吐出するノズルが通じる圧力室と、圧力室内の液体を加圧する圧力発生手段を含むアクチュエータ基板２０と、アクチュエータ基板２０を保持するフレーム部材８０と、アクチュエータ基板２０に取り付けられたサーミスタ８８とを備え、フレーム部材８０は、長手方向の一端部側に液体が供給される供給口８１が、他端部側に液体を回収される回収口８２がそれぞれ配置され、回収口８２が配置された側に、サーミスタ８８が挿入されてアクチュエータ基板２０に取り付けられる貫通穴８７を有し、フレーム部材８０には、配線部材１０１に搭載された駆動ＩＣ１０２と熱結合された第１ヒートシンク１０３を備え、第１ヒートシンク１０３は、回収口８２側よりも供給口８１側に偏って配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は液体吐出ヘッド、吐出ユニット、液体を吐出する装置に関する。

液体吐出ヘッドは、吐出する液体の粘度によって吐出特性が影響を受ける。

従来、記録媒体に対して記録を行う記録ヘッド及び回路基板を塔載するヘッドホルダと、ヘッドホルダ上の回路基板に設けられた温度検出手段とを備えるものが知られている（特許文献１）。

また、ヘッドのアクチュエータ基板に温度検出手段を配置したものも知られている（特許文献２）。

特開２００７−１３０８３７号公報 特開２０１７−０８４６０１号公報

ところで、温度検知手段によってヘッド温度を検出する場合、駆動ＩＣの発熱などの影響をできるだけ排除して、正確な温度を検出しなければならないという課題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、吐出する液体温度の検出精度を向上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、
液体を吐出するノズルが通じる圧力室と、前記圧力室内の液体を加圧する圧力発生手段を含むアクチュエータ基板と、
前記アクチュエータ基板を保持するフレーム部材と、
前記アクチュエータ基板に取り付けられた温度検知手段と、を備え、
前記フレーム部材は、
長手方向の一端部側に前記液体が供給される供給口が、他端部側に前記液体を回収される回収口がそれぞれ配置され、
前記回収口が配置された側に、前記温度検知手段が挿入されて前記アクチュエータ基板に取り付けられる貫通穴を有し、
前記フレーム部材には、配線部材に搭載された駆動ＩＣと熱結合された第１金属部材を備え、
前記第１金属部材は、前記回収口側よりも前記供給口側に偏って配置されている
構成とした。

本発明によれば、吐出する液体温度の検出精度を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの平面説明図である。 同じく正面説明図である。 同じく斜視説明図である。 同実施形態の作用効果の説明に供する説明図である。 比較例１に係る液体吐出ヘッドの平面説明図である。 同じく正面説明図である。 本発明の第２実施形態に係る液体吐出ヘッドの平面説明図である。 同じく正面説明図である。 同じく斜視説明図である。 本発明の第３実施形態に係るヘッドアレイの説明に供する平面説明図である。 本発明に係る液体を吐出する装置としての印刷装置の一例の要部平面説明図である。 同装置の要部正面説明図である。

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。まず、本発明の第１実施形態について図１ないし図３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平面説明図、図２は同じく正面説明図、図３は同じく斜視説明図である。

液体吐出ヘッド１は、液体を吐出するノズルを有するノズル板１０と、ノズルが通じる圧力室及び圧力室内の液体を加圧する圧力発生手段を含むアクチュエータ基板２０と、アクチュエータ基板を保持するフレーム部材８０とを備えている。

アクチュエータ基板２０には温度検知手段としてのサーミスタ８３が取り付けられている。

また、アクチュエータ基板２０には圧力発生手段に対して駆動信号などを伝達する配線部材１０１、１０１が接続され、フレーム部材８０の短手方向の両端部から引き出されている。配線部材１０１には駆動ＩＣ（ドライバＩＣ）１０２が実装されている。

ここで、フレーム部材８０は、長手方向の一端部側に液体が供給される供給口８１が、他端部側に液体を回収される回収口８２がそれぞれ配置されている。供給口８１は圧力室に通じる個別供給流路にそれぞれ連通する共通供給流路に通じ、回収口８２は圧力室に通じる個別回収流路にそれぞれ連通する共通回収流路に通じている（これらの各流路を併せて「流路５０」と表記している）。

そして、フレーム部材８０の回収口８２が配置された側に、温度検知手段としてのサーミスタ８３が挿入されてアクチュエータ基板２０に取り付けられる貫通穴８４を有している。サーミスタ８３の引出し配線８３ａは貫通穴８４を通じて外部に引き出されている。

また、フレーム部材８０には、第１金属部材である第１ヒートシンク１０３が設けられ、各配線部材１０１の駆動ＩＣ１０２は第１ヒートシンク１０３にそれぞれ熱結合されている。

ここで、第１ヒートシンク１０３は、フレーム部材８０の回収口８２側よりも供給口８１側に偏って配置されている。第１ヒートシンク１０３は、フレーム部材８０の長手方向において回収口８２側は開口している。

このように構成したので、温度検知手段としてのサーミスタ８３と熱源となる第１ヒートシンク１０３との距離が離れ、サーミスタ８３が熱源による影響を受けにくくなる。これにより、吐出する液体の温度（ノズル部分の液体温度）の検出精度が向上する。

また、第１ヒートシンク１０３を供給口８１側に偏らせて配置していることで、ノズル配列方向（フレーム部材８０の長手方向）におけるノズル面内での温度分布も低減することができる。

この本実施形態の作用効果について図４も参照して説明する。図４は図２に示すヘッド長手方向（フレーム部材８０の長手方向）の各ポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３の温度と検知温度の一例を示している。

ヘッド１を駆動することによって駆動ＩＣ１０２で生じた熱は第１ヒートシンク１０３に伝達され、第１ヒートシンク１０３を熱源として線ｈで示すように放射状にフレーム部材８０を熱が伝わる。

このとき、サーミスタ８３の検知温度は温度Ｔａｔｈとなる。一方、各ポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３のノズル温度は、温度Ｔａ１〜Ｔａ３で示すように変化する。

つまり、温度の関係は、ＩＣ熱源（駆動ＩＣ１０２）＞フレーム部材８０＞ノズル温度（液体温度）、になる。フレーム部材８０は、駆動ＩＣ１０２の熱が伝わり、蓄熱するのに対し、ノズルには常に温度の低い温調された液体（インク）が循環（及び吐出）している。そのため、上流側のポイントＰ１の温度Ｔａ１の方がノズルの温度は低く、下流側にいくにつれインクも温められ、ポイントＰ３の温度Ｔａ３が高くなる。

本実施形態の構成においては、熱源となる第１ヒートシンク１０３が供給口８１側へ近づくことで、上流側のポイントＰ１のノズル温度Ｔａ１が上昇し、ノズル面内の温度差ΔＴａは低減される。つまり、上流側に熱源をシフトさせることで上流側の温度Ｔａ１と下流側の温度Ｔａ３との差が小さくなる。

また、サーミスタ８３を熱源から遠ざけることで、ノズル温度と検出温度の温度差ΔＴａｔｈを小さくでき、温度検出精度を向上させることができる。

ここで、比較例１について図５及び図６を参照して説明する。図５は比較例１に係る液体吐出ヘッドの平面説明図、図６は同じく正面説明図である。

この比較例１は、フレーム部材８０の長手方向において、サーミスタ８３が中央部に配置され、平面視において、第１ヒートシンク１０３がサーミスタ８３を取り囲むように配置されている。

この比較例１においては、フレーム部材８０の長手方向の中央部に熱源（第１ヒートシンク１０３）が配置されていることで、循環する液体はフレーム部材８０を介して熱が伝わり、下流に流れるにつれ徐々に温度が上昇する。その結果、図４に示すように、ノズル面内の温度差ΔＴｂは、本実施形態の温度差ΔＴａよりも大きくなる。

また、サーミスタ８３は熱源中央の直下にあるため、検出温度は駆動ＩＣ１０２の熱に引っ張られる形となり、ノズル温度と検出温度に温度差ΔＴｂｔｈも本実施形態の温度差ΔＴａｔｈよりも大きくなる。

次に、本発明の第２実施形態について図７ないし図９を参照して説明する。図７は同実施形態に係る液体吐出ヘッドの平面説明図、図８は同じく正面説明図、図９は同じく斜視説明図である。

本実施形態では、フレーム部材８０には、サーミスタ８３を配置する貫通穴８４の周囲に切込み部を設けることで、サーミスタ８３の周囲に空気層８５を配置している。

また、フレーム部材８０には、長手方向において、貫通穴８４と第１ヒートシンク１０３との間に切込み部を設けて空気層８６を設けている。

これにより、第１ヒートシンク１０３の熱がサーミスタ８３に伝達されることを低減することができ、温度検出精度を更に向上することができる。

次に、本発明の第３実施形態について図１０を参照して説明する。図１０は同実施形態に係るヘッドアレイの説明に供する平面説明図である。

ヘッドアレイ２００は、複数（ここでは、２つ）のヘッド１を備え、複数のヘッド１の各第１金属部材である第１ヒートシンク１０３、１０３を共通の第２金属部材１０４と熱的に結合している。第２金属部材１０４は、例えば、熱を外部に逃がす部材として配置することができる。

なお、本実施形態では、複数のヘッド１でヘッドアレイを構成しているが、複数のヘッド１をアレイ化しない場合、例えば同一の移動部材（キャリッジ）に搭載して吐出ユニットや液体を吐出する装置を構成する場合にも同様に適用できる。

また、本実施形態では、複数のヘッド１の第１金属部材１を共通の第２金属部材に熱的に結合しているが、個々のヘッド１の第１金属部材１を第２金属部材と熱的に結合して、第２金属部材で熱を外部に逃がす構成とすることもできる。

次に、本発明に係る液体を吐出する装置としての印刷装置の一例について図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は同装置の要部平面説明図、図１２は同装置の要部正面説明図である。

この印刷装置５００は、シリアル型装置であり、主走査移動機構４９３によって、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構４９３は、ガイド部材４０１、主走査モータ４０５、タイミングベルト４０８等を含む。ガイド部材４０１は、左右の側板４９１Ａ、４９１Ｂに架け渡されてキャリッジ４０３を移動可能に保持している。そして、主走査モータ４０５によって、駆動プーリ４０６と従動プーリ４０７間に架け渡したタイミングベルト４０８を介して、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動される。

このキャリッジ４０３には、本発明に係る液体吐出ヘッド１とヘッドタンク４４１を一体にした吐出ユニットである液体吐出ユニット４４０を搭載している。吐出ユニットとしえは、前述した第３実施形態のヘッドアレイ２００を搭載することもできる。また、アレイ化しないで複数のヘッド１を搭載することもできる。

液体吐出ユニット４４０の液体吐出ヘッド１は、例えば、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色の液体を吐出する。また、液体吐出ヘッド１は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。

この印刷装置５００は、用紙４１０１搬送するための搬送機構４９５を備えている。搬送機構４９５は、搬送手段である搬送ベルト４１２、搬送ベルト４１２を駆動するための副走査モータ４１６を含む。

搬送ベルト４１２は用紙４１０を吸着して液体吐出ヘッド１に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト４１２は、無端状ベルトであり、搬送ローラ４１３と、テンションローラ４１４との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、あるいは、エアー吸引などで行うことができる。

そして、搬送ベルト４１２は、副走査モータ４１６によってタイミングベルト４１７及びタイミングプーリ４１８を介して搬送ローラ４１３が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。

さらに、キャリッジ４０３の主走査方向の一方側には搬送ベルト４１２の側方に液体吐出ヘッド１の維持回復を行う維持回復機構４２０が配置されている。

維持回復機構４２０は、例えば液体吐出ヘッド１のノズル面（ノズルが形成された面）をキャッピングするキャップ部材４２１、ノズル面を払拭するワイパ部材４２２などで構成されている。

主走査移動機構４９３、維持回復機構４２０、搬送機構４９５は、側板４９１Ａ，４９１Ｂ、背板４９１Ｃを含む筐体に取り付けられている。

このように構成したこの印刷装置５００においては、用紙４１０が搬送ベルト４１２上に給紙されて吸着され、搬送ベルト４１２の周回移動によって用紙４１０が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ４０３を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド１を駆動することにより、停止している用紙４１０に液体を吐出して画像を形成する。

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。

「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、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 ノズル部材
２０ アクチュエータ基板
５０ 流路
８０ フレーム部材
８１ 供給口
８２ 回収口
８３ サーミスタ
８４ 貫通穴
８５、８６ 空気層
１０１ 配線部材
１０２ 駆動ＩＣ
１０３ 第１ヒートシンク（第１金属部材）
１０４ 第２金属部材
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）

Claims (9)

1. 液体を吐出するノズルが通じる圧力室と、前記圧力室内の液体を加圧する圧力発生手段を含むアクチュエータ基板と、
   前記アクチュエータ基板を保持するフレーム部材と、
   前記アクチュエータ基板に取り付けられた温度検知手段と、を備え、
   前記フレーム部材は、
   長手方向の一端部側に前記液体が供給される供給口が、他端部側に前記液体を回収される回収口がそれぞれ配置され、
   前記回収口が配置された側に、前記温度検知手段が挿入されて前記アクチュエータ基板に取り付けられる貫通穴を有し、
   前記フレーム部材には、配線部材に搭載された駆動ＩＣと熱結合された第１金属部材を備え、
   前記第１金属部材は、前記回収口側よりも前記供給口側に偏って配置されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記温度検知手段の周囲には空気層が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記フレーム部材には、長手方向において、前記貫通穴と前記第１金属部材との間に空気層が設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第１金属部材は、第２金属部材と熱的に結合されている
   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. 請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを複数備え、
   前記複数の液体吐出ヘッドの前記第１金属部材はそれぞれ共通の第２金属部材と熱的に結合されている
   ことを特徴とするヘッドアレイ。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項５に記載のヘッドアレイを備えている
   ことを特徴とする吐出ユニット。
7. 請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項６に記載の吐出ユニットを備えている
   ことを特徴とする液体を吐出する装置。
8. 請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを複数備え、
   前記複数の液体吐出ヘッドの前記第１金属部材はそれぞれ共通の第２金属部材と熱的に結合されている
   ことを特徴とする吐出ユニット。
9. 請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを複数備え、
   前記複数の液体吐出ヘッドの前記第１金属部材はそれぞれ共通の第２金属部材と熱的に結合されている
   ことを特徴とする液体を吐出する装置。

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