JP2018154048A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度上昇を抑制できる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供する。【解決手段】 一実施形態にかかる液体吐出ヘッドは、回路基板と、液体を吐出する液体吐出部に連通する供給流路と、前記供給流路よりも前記回路基板寄りに配されるとともに前記液体吐出部に連通する回収流路と、を有する循環流路を備える、液体吐出ヘッド。【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。

各種印刷物の製造や、液晶表示装置、電子放出表示装置、プラズマ表示装置及び電気泳動表示装置等の様々な表示装置の製造に液体吐出装置が用いられている。液体吐出装置は、例えば、塗布対象物に向けて複数のノズルから液滴をそれぞれ噴射する液体吐出ヘッドを備える。液体吐出ヘッドは、ノズルを有するノズルプレート、ノズルに連通する複数の圧力室及び圧電素子を有する圧電ベース、及び複数の圧電素子に駆動電圧を印加する駆動ＩＣを有する回路基板、を備える。液体吐出ヘッド及び液体吐出装置において、気泡や異物を除去するためにインク等の塗布液を循環させる循環式の構成が知られている。

特開平２−１２５７４２号公報

このような液体吐出ヘッド及び液体吐出装置において、回路基板や駆動ＩＣ等の発熱部品の発熱による温度上昇を抑制する技術が求められている。

一実施形態にかかる液体吐出ヘッドは、回路基板と、液体を吐出する液体吐出部に連通する供給流路と、前記供給流路よりも前記回路基板寄りに配されるとともに前記液体吐出部に連通する回収流路と、を有する循環流路を備える、液体吐出ヘッド。

第１実施形態にかかる液体吐出ヘッドの構成を示す斜視図。 同液体吐出ヘッドのモジュールの構成を示す斜視図。 同液体吐出ヘッドのヘッドモジュールの構成を示す分解斜視図。 同ヘッドモジュールの一部を示す斜視図。 同ヘッドモジュールの一部を示す断面図。 同実施形態にかかる液体吐出ヘッドの説明図。 第１実施形態及び第２実施形態にかかる液体吐出ヘッドの放熱性能を示す説明図。 第２実施形態にかかる液体吐出ヘッドの説明図。

以下に、第１実施形態に係る液体吐出装置１の構成について、図１乃至図６を参照して説明する。なお、図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。図１は液体吐出装置１の構成を示す斜視図であり、図２は液体吐出ヘッドの一部を示す斜視図、図３は分解斜視図である。図４は図３の一部を拡大して示す説明図である。図５は、ヘッドモジュールの一部を示す断面図であり、図６は、液体吐出ヘッドの説明図である。

図１乃至図６に示す液体吐出ヘッド１０は、いわゆるシェアモードシェアウォール方式の液体吐出ヘッド１０である。液体吐出ヘッド１０は、ハウジング１１と、ハウジング１１内に収容されるヘッドモジュール１２と、液体吐出部であるノズル１３ａを複数有するノズルプレート１３と、を備える。液体吐出ヘッド１０は液体収容部であるインクタンク１５に接続され、インクタンク１５との間でインクを循環させる循環型のヘッドである。

ハウジング１１は、一端に開口を有するケース１１ａを備える。

図２乃至図４に示すように、ヘッドモジュール１２は、圧電ベース２１と、第１のカバープレート２３と、第２のカバープレート２４と、を積層して備えるアクチュエータ部２０と、このアクチュエータ部２０の幅方向の両側部に配される一対のポートブロック２６と、ポートブロック２６に接続される一対のパイプユニット２７と、駆動ＩＣ２８ａが搭載された回路基板２８と、を備える。

図５に示すように、圧電ベース２１は、第１の圧電部材２１Ａと第２の圧電部材２１Ｂとが積層された積層圧電体を備える。第１の圧電部材２１Ａと第２の圧電部材２１Ｂとは分極方向が逆向きになるように分極され、接着層を介して接着されている。第１の圧電部材２１Ａや第２の圧電部材２１Ｂとして、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が用いられる。

圧電ベース２１のノズルプレート１３と対向する側面には圧力室Ｃ１を構成する複数の溝２１ａが並列して形成される。溝２１ａは、ノズルプレート１３側に開口している。この溝２１ａで構成される圧力室Ｃ１の内壁に電極２９ａが形成されている。

複数の溝２１ａの間に残る支柱状の部分は圧電素子２１ｂを構成する。圧電素子２１ｂは、圧力室Ｃ１にインク導入用およびインク噴射用の圧力を加える複数の静電容量性負荷となる。各圧電素子２１ｂは基端部が連続し、圧電ベース２１は、断面が櫛歯形状になっている。

圧電ベース２１のノズルプレート１３とは反対側の端部には、回路基板２８が搭載されている。電極２９ａは、回路基板２８上の配線パターンに接続されている。すなわち、圧電素子２１ｂは回路基板２８に電気的に接続されている。

第１のカバープレート２３は、矩形の板状部材である。第１のカバープレート２３は、圧電ベース２１の一方側の面に対向配置されている。第１のカバープレート２３の、圧電ベース２１と対向する面には、溝２１ａに連通する流路を形成する溝が形成されている。具体的には、ポートブロック２６のインポート２６ａに連通するとともに複数の圧力室Ｃ１に連通する流路である供給室Ｃ２を形成する供給溝２３ａが形成されている。本実施形態においては、１つの液体吐出ヘッド１０に２系統の流路が形成される構成であるため、第１のカバープレート２３には、両端からそれぞれ中央に向かって液体を案内する２系統の供給溝２３ａが形成され、一対の供給室Ｃ２が形成される。

第２のカバープレート２４は、矩形の板状部材である。第４のカバープレート２４は、圧電ベース２１の他方側の面に対向配置されている。第２のカバープレート２４の、圧電ベース２１と対向する面には、溝２１ａに連通する流路を形成する溝が形成されている。具体的には、ポートブロック２６のエクスポート２６ｂに連通するとともに複数の圧力室Ｃ１に連通する流路である回収室Ｃ３を形成する回収溝２４ａが形成されている。本実施形態においては、１つの液体吐出ヘッド１０に２系統の流路が形成される構成であるため、第２のカバープレート２４には、中央から両端に向かってそれぞれ液体を案内する２系統の回収溝２４ａが形成され、一対の回収室Ｃ３が形成される。

ポートブロック２６は、貫通孔であるインポート２６ａとエクスポート２６ｂを有するブロック状の部材である。ポートブロック２６は、パイプユニット２７の下端部に接続されるとともに、カバープレート２３の両端部における上面に配されている。インポート２６ａは、供給管３１の供給流路と供給室Ｃ２とを連通させる貫通孔である。エクスポート２６ｂは、回収管３２の回収流路と回収室Ｃ３とを連通させる貫通孔である。

パイプユニット２７は、回路基板２８のＸ方向両端部にそれぞれ配される。パイプユニット２７は、供給流路を形成する供給管３１と、回収流路を形成する回収管３２と、を備える。供給管３１と回収管３２とは断熱されている。具体的には、供給管３１と回収管３２は空隙を介して並列している。供給管３１及び回収管３２は下端がポートブロック２６のインポート２６ａ及びエクスポート２６ｂにそれぞれ接続されている。

回収管３２は、供給管３１と回路基板２８との間に配され、駆動ＩＣ２８ａが搭載された回路基板２８の側部に、熱伝達可能に配されている。具体的には、回収管３２は供給管３１よりも回路基板２８寄りに配され、回収管３２と回路基板２８とは伝熱部材である伝熱シート３０に接合されている。伝熱シート３０は、例えばグラファイトなどの、熱伝導性の高い伝熱材料で形成されたシート状部材である。例えば伝熱シート３０は熱伝導性が２００Ｗ／ｍ・ｋ以上に構成されている。なお伝熱シート３０は供給管３１には接合されていない。

供給管３１は回収管３２よりも外方であって、回路基板２８から遠い位置に配されている。供給管３１と回収管３２は、互いの間に空隙が介在する様に離間して配置されている。

回路基板２８は圧電ベース２１のノズルプレート１３とは反対側に接続され、保持板２５に固定されている。回路基板２８は、液体吐出ヘッド１０を駆動するための駆動ＩＣ２８ａを有する。回路基板２８の駆動ＩＣ２８ａは配線パターンを介して圧力室Ｃ１内の電極２９ａに接続されている。

駆動ＩＣ２８ａは、制御装置の噴射指令に従い、各圧力室Ｃ１の両側の圧電素子２１ｂに接続される電極２９ａに、所定の電圧を印加する。

以上のように構成された液体吐出ヘッド１０内部には、外部のインクタンク１５から、供給連結管３３、供給管３１、及び供給室Ｃ２、を通って各圧力室Ｃ１へ至る供給側の流路と、各圧力室Ｃ１から裏側の回収室Ｃ３、回収管３２を通って外部のインクタンク１５へ至る回収側の流路と、を有する循環流路が構成されている。

本実施形態にかかる各ヘッドモジュール１２は、一対のパイプユニット２７と一対の供給室Ｃ２、及び一対の回収室Ｃ３によって、２系統の循環流路が形成されている。

ノズルプレート１３は、所定厚さを有する方形状であり、複数のアクチュエータ部２０の溝２１ａが形成された側面を覆うように対向配置されている。ノズルプレート１３には、厚さ方向に貫通する複数のノズル１３ａを有するノズル列が形成されている。複数のノズル１３ａは、複数の圧力室Ｃ１に対応する位置にそれぞれ配置される。

液体吐出ヘッド１０は、駆動ＩＣ２８ａにより配線パターン及び電極２９ａを介して駆動素子である圧電素子２１ｂに駆動電圧を印加することで、駆動する圧力室Ｃ１内の電極２９ａと、両隣の電極２９ａに電位差を与える。すると、図５に示すように、第１の圧電材料と第２の圧電材料は互いに逆向きに変形し、圧電素子２１ｂが屈曲変形する。以上の屈曲変形を交互に繰り返すことで連続的にノズル１３ａから液滴を吐出させる。

液体吐出ヘッド１０を備える液体吐出装置１は、液滴を吐出する複数の液体吐出ヘッド１０と、液体吐出ヘッド１０と噴射対象物とを、相対移動可能に支持する支持機構と、液体吐出ヘッド１０及び支持機構を含む各部の動作を制御する制御部と、を備える。

液体吐出装置１において、ノズル１３ａから液体である塗布材（吐出材料）を吐出して印刷を行う印刷処理として、制御部は、印刷開始を指示する入力を検出すると、各種プログラムに応じて、液体吐出ヘッド１０、ヘッド移動機構及び対象物移動機構の動作を制御し、液滴噴射動作を行わせる。

本実施形態にかかる液体吐出装置１及び液体吐出ヘッド１０によれば、発熱部品となる駆動ＩＣ２８ａを備える回路基板２８に、回収流路を近接させることにより、放熱性能を向上することができる。すなわち、インクタンク１５から供給されるインクが回収流路を通る際に熱源である駆動ＩＣ２８ａの近くを通ることで、熱を吸収し、外部にて放熱することができる。

さらに、液体吐出ヘッド１０は、熱伝導性の高い伝熱シート３０により熱伝達可能に接合されていることにより、効果的に放熱を促すことができる。

図７は、本実施形態にかかる液体吐出ヘッド１０と、各種比較例及び他の実施形態にかかる液体吐出ヘッド１０Ａについての放熱性能を示す説明図である。なお、比較例１は、液体吐出ヘッド１０の供給側と回収側を逆方向とした例である。ここでは、駆動ＩＣ２８ａの温度上昇と、温度が最大となる液体吐出ヘッドの中央部分のアクチュエータ部２０におけるインクの温度上昇を示している。比較例１においては、回収管３２ではなく供給管３１と回路基板２８とが伝熱シート３０となるグラファイトシートで接合されている。比較例２は、液体吐出ヘッド１０の供給側と回収側を逆方向とし、かつ伝熱シート３０を省略した構成である。

図７に示すように、回収側を回路基板２８に近接させ、かつ、伝熱シート３０で接合した液体吐出ヘッド１０は、流路方向を逆として回収側を回路基板２８から離間させた比較例１、及びさらに伝熱シート３０を用いない比較例２、に比べて、温度上昇を低く抑えることができ、放熱性能を向上できることがわかる。具体的には、インク流路を供給側よりも排出側が回路基板に近い構成により駆動ＩＣの放熱性能（１／温度上昇）が３０％向上し、アクチュエータ部の放熱性能（１／温度上昇）が１５％向上することが分かる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば第２実施形態として、図８に示す液体吐出ヘッド１０Ａのように、伝熱シート３０を備えず、回収管３２と回路基板２８とが、保持板２５により固定されている構成であってもよい。この場合にも図７に示す様に、回収管３２が回路基板２８から離れた構成とした比較例１に比べて高い放熱性能を得ることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…液体吐出装置、１０，１０Ａ…液体吐出ヘッド、１１…ハウジング、１１ａ…ケース、１２…ヘッドモジュール、１３…ノズルプレート、１３ａ…ノズル、１５…インクタンク、２０…アクチュエータ部、２１…圧電ベース、２１Ａ…圧電部材、２１Ｂ…圧電部材、２１ａ…溝、２１ｂ…圧電素子、２２ａ…ノズル、２３…カバープレート、２３ａ…供給溝、２４…カバープレート、２４ａ…回収溝、２６…ポートブロック、２６ａ…インポート、２６ｂ…エクスポート、２７…パイプユニット、２８…回路基板、２８ａ…駆動ＩＣ、２９ａ…電極、３０…伝熱シート、３１…供給管、３２…回収管、Ｃ１…圧力室、Ｃ２…供給室、Ｃ３…回収室。

一実施形態にかかる液体吐出ヘッドは、駆動ＩＣを備える回路基板と、液体を吐出する液体吐出部に連通する供給流路と、前記回路基板に熱伝達可能に設けられるとともに前記液体吐出部に連通する回収流路と、を有する循環流路を備え、前記供給流路と前記回収流路とは、前記回路基板の側部に、前記回路基板の面方向に並んで配置される。

以下に、第１実施形態に係る液体吐出装置１の構成について、図１乃至図６を参照して説明する。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。図１は液体吐出装置１の構成を示す斜視図であり、図２は液体吐出ヘッドの一部を示す斜視図、図３は分解斜視図である。図４は図３の一部を拡大して示す説明図である。図５は、ヘッドモジュールの一部を示す断面図であり、図６は、液体吐出ヘッドの説明図である。

パイプユニット２７は、回路基板２８の両端部にそれぞれ配される。パイプユニット２７は、供給流路を形成する供給管３１と、回収流路を形成する回収管３２と、を備える。供給管３１と回収管３２とは断熱されている。具体的には、供給管３１と回収管３２は空隙を介して並列している。供給管３１及び回収管３２は下端がポートブロック２６のインポート２６ａ及びエクスポート２６ｂにそれぞれ接続されている。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
（１）
駆動ＩＣを備える回路基板と、
液体を吐出する液体吐出部に連通する供給流路と、前記回路基板に熱伝達可能に設けられるとともに前記液体吐出部に連通する回収流路と、を有する循環流路を備える、液体吐出ヘッド。
（２）
回路基板と、
前記回路基板に電気的に接続される複数の圧電素子と、液体を吐出するノズルに連通する複数の圧力室と、を有する、圧電ベースと、
前記圧力室に連通するとともに前記圧力室に供給される液体が流れる供給流路を有する供給管と、前記供給管よりも前記回路基板に近接して配され前記圧力室に連通し前記圧力室から回収される液体が流れる回収流路を有する回収管と、を備えるパイプユニットと、を備えるヘッドモジュールを備える、液体吐出ヘッド。
（３）
前記回収管は、前記回路基板または前記回路基板上に搭載される駆動ＩＣに、熱伝導性が２００ｗ／ｍｋ以上の伝熱部材により熱伝達可能に接続される、（２）に記載の液体吐出ヘッド。
（４）
前記供給管と前記回収管とは、空隙を介して互いに離間して配される、（２）に記載の液体吐出ヘッド。
（５）
（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体を収容するとともに、前記回収流路及び前記供給流路に接続される液体収容部と、
液体吐出ヘッドと噴射対象物とを、相対移動可能に支持する支持機構と、
前記液体吐出ヘッド及び前記支持機構の動作を制御する制御部と、
を備える液体吐出装置。

Claims (5)

1. 駆動ＩＣを備える回路基板と、
   液体を吐出する液体吐出部に連通する供給流路と、前記回路基板に熱伝達可能に設けられるとともに前記液体吐出部に連通する回収流路と、を有する循環流路を備える、液体吐出ヘッド。
2. 回路基板と、
   前記回路基板に電気的に接続される複数の圧電素子と、液体を吐出するノズルに連通する複数の圧力室と、を有する、圧電ベースと、
   前記圧力室に連通するとともに前記圧力室に供給される液体が流れる供給流路を有する供給管と、前記供給管よりも前記回路基板に近接して配され前記圧力室に連通し前記圧力室から回収される液体が流れる回収流路を有する回収管と、を備えるパイプユニットと、
   を備えるヘッドモジュールを備える、液体吐出ヘッド。
3. 前記回収管は、前記回路基板または前記回路基板上に搭載される駆動ＩＣに、熱伝導性が２００ｗ／ｍｋ以上の伝熱部材により熱伝達可能に接続される、請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記供給管と前記回収管とは、空隙を介して互いに離間して配される、請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
   前記液体を収容するとともに、前記回収流路及び前記供給流路に接続される液体収容部と、
   液体吐出ヘッドと噴射対象物とを、相対移動可能に支持する支持機構と、
   前記液体吐出ヘッド及び前記支持機構の動作を制御する制御部と、
   を備える液体吐出装置。