JP2023149920A - Droplet discharge head, head unit and droplet discharge device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液滴吐出ヘッド、ヘッドユニットおよび液滴吐出装置に関する。 The present invention relates to a droplet discharge head, a head unit, and a droplet discharge device.
液滴吐出装置は、例えば特許文献１（特開２０２０－０２３１７７号公報）に記載のように、微細なノズル孔を有するノズル板にニードル弁の先端部の弾性体を当接・離間させることで、数百ｋＰａの高圧液体をノズル孔から液滴として吐出する。ニードル弁の後端部は、圧電素子などの駆動体（アクチュエータ）に連結される。このような液滴吐出装置は様々な分野で使用され、例えば自動車の車体に図形等を高画質で描画したり、液体レジストやＤＮＡ試料を液滴として吐出したり、機械部品にオイルを定量吐出したりするのに使用される（特許文献２：特開２０００－３１７３６９号公報）。 The droplet ejecting device, for example, as described in Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2020-023177), can be used by bringing an elastic body at the tip of a needle valve into contact with and separating it from a nozzle plate having fine nozzle holes. , a high-pressure liquid of several hundred kPa is ejected as droplets from a nozzle hole. The rear end of the needle valve is connected to a driving body (actuator) such as a piezoelectric element. Such droplet discharge devices are used in a variety of fields, such as drawing high-quality figures on car bodies, discharging liquid resist or DNA samples as droplets, and dispensing a fixed amount of oil onto mechanical parts. (Patent Document 2: Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-317369).
液滴吐出装置に使用する液体の種類は用途に応じて多岐にわたり、液体の粘度は種類によって大きく異なる。液滴吐出装置の描画性能は液体粘度によって大きく影響されるので、使用する液体粘度に対応してノズル孔の大きさ等が決められる。 The types of liquid used in droplet ejection devices vary depending on the application, and the viscosity of the liquid varies greatly depending on the type. Since the drawing performance of a droplet discharge device is greatly affected by the viscosity of the liquid, the size of the nozzle hole, etc. is determined in accordance with the viscosity of the liquid used.
しかしながら、チキソトロピー性（略して「チキソ性」とも称する）を有する液体や沈降性を有する液体は、装置休止時に液体流れが止まると増粘、沈降する。このため、装置休止後に装置を再起動すると、増粘、沈降した液体によって不吐出や吐出曲がり等の吐出不良が発生し、所期の液滴吐出性能ないし描画性能が得られない。 However, liquids having thixotropic properties (also referred to as "thixotropic properties" for short) and liquids having sedimentation properties thicken and settle when the liquid flow is stopped when the apparatus is stopped. Therefore, when the apparatus is restarted after it has been shut down, ejection failures such as non-ejection and ejection deflection occur due to the thickened and settled liquid, making it impossible to obtain the desired droplet ejection performance or drawing performance.
そこで、液滴吐出装置に液体循環装置などを外付けし、強制的に一定の流速を得ることが行われている。しかしながら、液体循環装置などを取り付けるとコスト高になる。また、液体循環装置では液体流路から分岐して各ノズル孔に至る分岐流路の液体まで移動させるのは難しい。 Therefore, a liquid circulation device or the like is externally attached to the droplet ejection device to forcibly obtain a constant flow rate. However, if a liquid circulation device or the like is attached, the cost will be high. Furthermore, in the liquid circulation device, it is difficult to move the liquid to the branch channels that branch from the liquid channel and reach each nozzle hole.
このため、当該分岐流路でチキソ性流体が増粘しやすく、また沈降性液体が粗密に分離しやすい。したがって、再起動・再吐出時の吐出不良の課題を解消することができていない。 Therefore, the thixotropic fluid tends to increase in viscosity in the branch channel, and the sedimentary liquid tends to separate into coarse and dense particles. Therefore, it has not been possible to solve the problem of ejection failure during restart and re-ejection.
一方、ノズル内のメニスカスを微振動させることにより、チキソトロピーによるインク粘度の上昇を抑える技術も提案されている（特許文献３：特開２００５－２１２４１２号公報）。しかしながら、再起動・再吐出時の吐出不良の課題は依然として解消することができていない。 On the other hand, a technique has also been proposed in which the increase in ink viscosity due to thixotropy is suppressed by slightly vibrating the meniscus in the nozzle (Patent Document 3: Japanese Patent Laid-Open No. 2005-212412). However, the problem of ejection failure upon restart and re-ejection has not yet been resolved.
そこで本発明の目的は、ノズル孔の吐出不良を防止することにある。 Therefore, an object of the present invention is to prevent discharge defects from a nozzle hole.
前記課題を解決するため、本発明の液滴吐出ヘッドは、ノズル孔を有するノズル板と、当該ノズル板の内側に形成された流体流路と、前記ノズル板に対して当接する位置と離間する位置との間で移動可能な弾性体を先端部に保持したニードル弁と、当該ニードル弁を軸線方向で往復駆動する駆動体とを有し、前記弾性体が前記ノズル板から離間することにより前記液体流路の液体が前記ノズル孔から液滴として吐出される液滴吐出ヘッドにおいて、前記ニードル弁の前記弾性体と異なる位置に、前記流体流路の液体と接触する凹部及び／又は凸部を形成したことを特徴とする。 In order to solve the above problem, the droplet ejection head of the present invention includes a nozzle plate having nozzle holes, a fluid flow path formed inside the nozzle plate, and a position where the nozzle plate contacts the nozzle plate, and a position where the droplet discharge head contacts the nozzle plate is spaced apart from the nozzle plate. The needle valve has an elastic body that is movable between the nozzle plate and the tip thereof, and a drive body that reciprocates the needle valve in the axial direction, and when the elastic body is separated from the nozzle plate, the In a droplet ejection head in which the liquid in the liquid flow path is ejected as droplets from the nozzle hole, a concave portion and/or a convex portion that contacts the liquid in the fluid flow path is provided at a position different from the elastic body of the needle valve. It is characterized by the fact that it has been formed.
本発明によれば、ノズル孔の吐出不良を防止することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent discharge defects from the nozzle hole.
（●液滴吐出ヘッド）
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、液滴吐出ヘッドの全体斜視図である。この液滴吐出ヘッドは、液体としてのインクを吐出する。
(Droplet ejection head)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall perspective view of a droplet ejection head. This droplet ejection head ejects ink as a liquid.
液滴吐出ヘッド１０はハウジング１１を備える。ハウジング１１は金属または樹脂からなる。また、ハウジング１１は、その上部に電気信号の通信のためのコネクタ２９を備える。また、ハウジング１１の左右には、インクをヘッド内に供給するための供給ポート１２と、インクをヘッドから排出するための回収ポート１３を設けている。
The
図２はヘッドユニット６０を示す図で、液滴吐出ヘッドの図１のＡ－Ａ矢視断面を示す図でもある。ヘッドユニット６０は、液滴吐出ヘッド１０と駆動制御装置４０とを有する。
FIG. 2 is a diagram showing the
液滴吐出ヘッド１０はノズル板１５を有する。ノズル板１５はハウジング１１に接合されている。ノズル板１５は、インクを吐出する複数のノズル孔１４を備える。これら複数のノズル孔１４は、後述の複数の液滴吐出モジュール３０にそれぞれ対応している。
The
ハウジング１１は、後述の複数の液滴吐出モジュール３０に共通の流路１６を備えている。流路１６は、供給ポート１２側からのインクを、ノズル板１５上を経て回収ポート１３側へ送る経路である。インクは、流路１６上を図２に示す矢印ａ１～ａ３で示す方向へ送られる。
The
流路１６を流れるインクなどの液体に、用途に応じてチキソ性を付与する溶剤を添加することができる。溶剤の種類は様々であるが、例えばポリエチレングリコールなど平均分子量が７０００～８０００の溶剤を添加することができる。前述した「液体」にはインクだけでなく塗料等も含まれる。
A solvent that imparts thixotropy can be added to the liquid such as ink flowing through the
溶剤を３０vol％程度以上添加することで、液体にチキソ性が発現する。このチキソ性は溶剤添加比率を増加すると増大する。使用時の適正な粘度範囲は使用液体によって変化するので、使用液体に応じて溶剤添加量を調節する。 By adding about 30 vol% or more of the solvent, the liquid exhibits thixotropy. This thixotropy increases with increasing solvent addition ratio. Since the appropriate viscosity range during use varies depending on the liquid used, the amount of solvent added is adjusted depending on the liquid used.
吐出を休止すると、図８（ｅ）に示すように、沈降性液体などは流路内で粒子沈降により粗密が発生することが知られている。沈降性液体としては、例えば白インクに含まれる酸化チタン、赤インクに含まれる酸化鉄レッドなどがある。 It is known that when the discharge is stopped, as shown in FIG. 8(e), the settling liquid or the like becomes denser due to particle sedimentation in the flow path. Examples of the settling liquid include titanium oxide contained in white ink and iron oxide red contained in red ink.
再吐出時に沈降した粒子により液室内で粗密状態となり吐出不安定となることから、再吐出と同時に撹拌を得る必要がある。そこで本実施形態では、ノズル孔１４を開閉するニードル弁１７に後述する凹凸構造を設けた。これにより、ニードル弁１７の再駆動と同時に流路内の液体を撹拌することができ、吐出不安定を解消することができる。
During re-discharging, the sedimented particles create a dense and dense state in the liquid chamber, making discharge unstable, so it is necessary to obtain stirring at the same time as re-discharging. Therefore, in this embodiment, the
供給ポート１２と回収ポート１３との間には、複数（channel）の液滴吐出モジュール３０が配置されている。液滴吐出モジュール３０は流路１６内のインクをノズル孔１４から吐出する。
A plurality of channels of
液滴吐出モジュール３０の数はノズル孔１４の数に対応しており、本例では１列に並べた８個のノズル孔１４に対応する８個の液滴吐出モジュール３０を備えた構成を示している。なお、ノズル孔１４および液滴吐出モジュール３０の数および配列は前記に限るものではない。
The number of
例えば、ノズル孔１４および液滴吐出モジュール３０の数は、複数ではなく１個であってもよい。また、ノズル孔１４および液滴吐出モジュール３０の配列は、１列ではなく複数列で配置してもよい。
For example, the number of nozzle holes 14 and
前記の構成により、供給ポート１２は加圧した状態のインクを外部から取り込み、インクを矢印ａ１方向へ送り、インクを流路１６に供給する。流路１６は、供給ポート１２からのインクを矢印ａ２方向へ送る。そして、回収ポート１３は、流路１６に沿って配置したノズル孔１４から吐出しなかったインクを矢印ａ３方向へ排出する。
With the above configuration, the
液滴吐出モジュール３０は、ノズル孔１４を開閉するニードル弁１７と、ニードル弁１７を駆動する駆動体としての圧電素子１８とを備える。圧電素子１８は、電圧印加により大きく伸長駆動するｄ３３タイプや、小さく短縮駆動するｄ３１タイプを使用することができる。
The
ここではｄ３１タイプの圧電素子１８を使用する。ｄ３１タイプの圧電素子１８は、電圧を印加することでニードル弁１７が上動してノズル孔１４を開放し、電圧印加を停止することでニードル弁１７が下動してノズル孔１４を閉塞する。
Here, a d31 type
ｄ３３タイプの圧電素子１８を使用することも、勿論可能である。その場合、ｄ３３タイプの圧電素子１８に電圧を印加することでニードル弁１７が下動してノズル孔１４を閉塞し、電圧印加を停止することでニードル弁１７が上動してノズル孔１４を開放する。
It is of course also possible to use a
ハウジング１１は、圧電素子１８の上端部と対向する位置に規制部材１９を備えている。この規制部材１９は、圧電素子１８の上端部に当接しており、圧電素子１８の固定点をなしている。ここで、ノズル孔１４は吐出口の一例で、ノズル板１５は吐出口形成部材の一例で、ニードル弁１７は開閉弁の一例で、圧電素子１８は駆動体の一例である。
The
（●液滴吐出モジュール）
図３Ａは、液滴吐出ヘッドを構成する液滴吐出モジュール単体の説明図である。図３Ａ（ａ）は液滴吐出モジュールの全体断面図、図３Ａ（ｂ）は図３Ａ（ａ）のＢ部の拡大図である。
(Droplet discharge module)
FIG. 3A is an explanatory diagram of a single droplet ejection module that constitutes a droplet ejection head. FIG. 3A(a) is an overall sectional view of the droplet discharge module, and FIG. 3A(b) is an enlarged view of section B in FIG. 3A(a).
ニードル弁１７は、その先端にフッ素樹脂などの弾性部材で構成された弾性体（弁体）１７ａを備えている。ニードル弁１７の先端をノズル板１５に押し付けた際に、弾性体１７ａが圧縮されることで、ニードル弁１７がノズル孔１４を確実に閉塞する。
The
また、ニードル弁１７とハウジング１１との間には、軸受部２１を設ける。軸受部２１とニードル弁１７との間には、Ｏリングなどのシール部材２２を設けている。
Further, a bearing
ハウジング１１の内側の空間１１ａ内には圧電素子１８を収容している。保持部材２３は中央空間２３ａ内に圧電素子１８を保持している。
A
圧電素子１８とニードル弁１７は、両者の同軸上にある保持部材２３の先端部２３ｂを介して連結されている。保持部材２３の先端部２３ｂ側がニードル弁１７と連結し、保持部材２３の後端部２３ｃ側がハウジング１１に取り付けられた規制部材１９によって固定されている。
The
駆動制御装置４０によって圧電素子１８に電圧が印加されることで、圧電素子１８が収縮し、圧電素子１８が保持部材２３を介してニードル弁１７を引っ張る。これにより、ニードル弁１７がノズル孔１４の周囲におけるノズル板１５から離間してノズル孔１４を開放する。
When a voltage is applied to the
これにより、流路１６に加圧供給したインクがノズル孔１４から吐出される。また、圧電素子１８に電圧を印加していないときは、ニードル弁１７がノズル孔１４を閉塞している。この状態では、流路１６にインクが加圧供給されていても、ノズル孔１４からインクが吐出することはない。ニードル弁１７の弾性体１７ａは、圧電素子１８に印加する電圧を変化させることにより、ノズル板１５に対して当接する位置と離間する位置との間で移動可能である。
As a result, the ink supplied under pressure to the
駆動制御装置４０は、駆動パルス生成部である波形発生回路４１、増幅回路４２、ドライバ回路４３および制御部４４を有する。波形発生回路４１が後述する駆動パルス波形を生成し、増幅回路４２が必要な値まで電圧値を増幅する。そして、増幅された電圧がドライバ回路４３を通して圧電素子１８に印加される。
The
この電圧印加により、駆動制御装置４０は、ニードル弁１７の開閉を制御し、液滴吐出ヘッドからのインクの吐出を制御する。波形発生回路４１が十分な値の電圧を印加できる場合には増幅回路４２は省略可能である。
By applying this voltage, the
波形発生回路４１は、圧電素子１８に印加する電圧の時間経過に伴う波形である駆動パルスを生成する。波形発生回路４１は、外部のＰＣや装置内部のマイコンから印刷データを入力され、この入力データに基づいて駆動パルスを生成する。
The
波形発生回路４１は、圧電素子１８に印加する電圧を変更でき、複数の駆動パルスを生成できる。前述のように、波形発生回路４１が駆動パルスを生成することにより、圧電素子１８が駆動パルスに従って伸縮し、ニードル弁１７を開閉移動させる。
The
（●ニードル弁の凹凸構造）
ニードル弁１７の先端部は、図３Ａ（ｂ）のように、流路１６からノズル孔１４に至る分岐流路１６ａに挿入されている。当該先端部の弾性体１７ａを除く外周面（周側面）に、複数の凸部１７ｂと複数の凹部１７ｃによる凹凸構造が形成されている。
(Uneven structure of needle valve)
The tip of the
当該凹凸構造によって後述するせん断作用と撹拌作用が得られる。凹凸構造の少なくとも一部は、せん断作用を効果的に発生させるために分岐流路１６ａ内に位置するように形成することができる。凹凸構造の残りは、共通流路１６内に位置するように形成することができる。また、分岐流路１６ａの内面に凹凸構造を付与することも可能である。これにより、せん断作用と撹拌作用を強めることができる。
The uneven structure provides shearing action and stirring action, which will be described later. At least a portion of the uneven structure can be formed to be located within the
凸部１７ｂは、ニードル弁１７の先端部の周方向に連続する断面矩形状（円板状ないしフランジ状）の突起部である。凹部１７ｃは、ニードル弁１７の先端部の周方向に連続する断面矩形状の溝部である。
The
凸部１７ｂと凹部１７ｃがニードル弁１７の先端部の軸線方向（長手方向）に交互に複数形成されている。図示例では凸部１７ｂが５つ、凹部１７ｃが６つである。
A plurality of
ニードル弁１７の先端部の凹凸構造は、凸部１７ｂまたは凹部１７ｃを１つだけ形成してもよいし、凸部１７ｂと凹部１７ｃを複数形成してもよい。凸部１７ｂと凹部１７ｃの数は、使用する液体の種類、性質等に対応して適宜変更可能である。また、凸部１７ｂと凹部１７ｃの大きさや形状（突出量、深さ等）も、使用する液体の種類、性質等に対応して適宜変更可能である。
The uneven structure at the tip of the
図３Ｂ（ａ）～（ｅ）は、凹部１７ｃと凹部の変形例１～５を示すものである。図３Ｂ（ａ）は凸部１７ｂ、凹部１７ｃの断面形を矩形状にしたものである。このように矩形状断面にすると突起部ないし溝部の縁が角張るので、ニードル弁１７の上下動によるせん断速度増大（粘度低下）に有効に作用する。
FIGS. 3B (a) to (e) show the
図３Ｂ（ｂ）は凸部１７ｂと凹部１７ｃの断面形を台形状にしたもの、図３Ｂ（ｃ）は凸部１７ｂの断面形を台形状にすると共に凹部１７ｃの断面形を三角形状にしたもの、図３Ｂ（ｄ）は凸部１７ｂの断面形を三角形状にすると共に凹部１７ｃの断面形を台形状にしたものである。また、図３Ｂ（ｅ）は凸部１７ｂと凹部１７ｃを螺旋状に形成したものである。凹凸構造が台形状、三角形状、螺旋状のように傾斜面を含むことで、撹拌作用を増大することができる。
FIG. 3B(b) shows the
（●凸部の変形例）
図４～図６は、凸部１７ｂの変形例１～３を示したものである。図４の変形例１は、ニードル弁１７の先端部にフランジ部１７ｄを設けたものである。
(Example of modification of convex part)
4 to 6
このフランジ部１７ｄは、ニードル弁１７の先端部に一体成形してもよいし、フランジ部１７ｄを別部材で構成してニードル弁１７に接着剤等で固定してもよい。フランジ部１７ｄによって、分岐流路１６ａやノズル孔１４内の液体の流速を上げると共に液体を撹拌することが可能となり、すぐれた吐出安定性を得ることができる。
The
フランジ部１７ｄは、できるだけノズル孔１４に近い分岐流路１６ａ内に配設するのがよい。ノズル孔１４に近付くほど増粘、沈降の影響が大きいからである。
The
図５の変形例２は、ニードル弁１７の先端部にテーパ面１７ｅ１付きのフランジ部１７ｅを設けたものである。このフランジ部１７ｅも、ニードル弁１７の先端部に一体成形してもよいし、フランジ部１７ｅを別部材で構成して接着剤等でニードル弁１７に固定してもよい。
In the second modification shown in FIG. 5, a
フランジ部１７ｅの周縁部に、ノズル孔１４側（下流側）に向かって傾斜したテーパ面１７ｅ１が付けられている。このテーパ面１７ｅ１によって、ニードル弁１７の上動時のノズル孔１４側への液体流れを円滑化すると共に、ニードル弁１７の下動時のノズル孔１４側への液体押込み効果で液滴吐出力（吐出速度）を増大することができる。
A tapered surface 17e1 that is inclined toward the
図６の変形例３は、ニードル弁１７の先端部に浮遊フランジ部１７ｆを遊嵌したものである。この浮遊フランジ部１７ｆの上下両側には、一対の固定ワッシャ１７ｇが配設されている。固定ワッシャ１７ｇはニードル弁１７の先端部に固定（溝嵌合）され、浮遊フランジ部１７ｆの上下動の範囲を規制する。
In the third modification shown in FIG. 6, a floating
図６の変形例では、ニードル弁１７の上下動によって、浮遊フランジ部１７ｆが上下動すると共に不規則に揺動する。これにより、ノズル孔１４の近傍の液体にランダムなせん断作用と撹拌作用を及ぼすことができ、当該液体がチキソ性液体及び沈降性液体の場合は当該液体を使用範囲内とし、ノズル孔１４の吐出安定性を確保することができる。浮遊フランジ部１７ｆの断面形状は、矩形状のように直角の角部を有するものに限らず、台形状や端部Ｒ形状であってもよい。
In the modification shown in FIG. 6, as the
（●フローチャート）
次に、ニードル弁１７を駆動する圧電素子１８の制御方法を図７Ａを参照して説明する。前述したように、圧電素子１８が作動してニードル弁１７が上下動している吐出時は、ニードル弁１７の前述した凹凸構造によって液体にせん断力と撹拌力が作用しているので、増粘、沈降は発生しにくい。
(●Flowchart)
Next, a method of controlling the
しかし、ニードル弁が閉状態で停止していると、分岐流路１６ａの液体が滞留して増粘、沈降が発生しやすい。そこで、ニードル弁１７が閉状態で停止している時間が所定時間以上に長引くときに、図７ＡのフローチャートのステップＳ６のようにニードル弁１７を微駆動する。
However, if the needle valve is stopped in the closed state, the liquid in the
詳しくは、図７ＡのフローチャートのステップＳ１で、図３Ａ（ａ）に示す制御部４４が液滴吐出ヘッド１０で描画するための画像データを受け取る。ステップＳ２でモジュール別の駆動タイミング処理（ＯＮ／ＯＦＦ）が行われる。
Specifically, in step S1 of the flowchart of FIG. 7A, the
次に、ステップＳ３でモジュールの休止有無が判定される。モジュールの休止がない場合（吐出モード）はステップＳ４でノズル孔１４から液滴が吐出される。ステップＳ３でモジュールの休止有りと判定されると（休止モード）、ステップＳ５で吐出が休止される。
Next, in step S3, it is determined whether or not the module is suspended. If there is no pause in the module (discharge mode), droplets are discharged from the
次に、吐出休止状態が所定時間継続するときは、ステップＳ６でニードル弁１７が所定時間微駆動される。この微駆動では、ノズル孔１４から液体が漏れない範囲でニードル弁１７が微駆動される。その後、ステップＳ７で再び微駆動なしの吐出休止状態となる。
Next, when the discharge suspension state continues for a predetermined period of time, the
微駆動用の駆動信号（画像信号）は制御部４４のメモリに記憶（格納）することが可能であり、当該画像信号に基づいて駆動波形を生成し、ニードル弁１７を微駆動することができる。また、微駆動用の駆動波形を、液体吐出用の駆動波形とは別に用意することもできる。
The drive signal (image signal) for fine drive can be stored in the memory of the
図７Ｂ（ａ）は、前述した図７Ａのフローチャートにおける圧電素子１８に対する印加電圧の変化を示したものである。休止時がフローチャートのステップＳ５～Ｓ７に対応する。
FIG. 7B(a) shows changes in the voltage applied to the
微駆動の印加電圧は、ノズル孔１４から液体が漏れない程度の印加電圧である。すなわち、弾性体１７ａの潰し量の範囲内でサイン波の電圧を印加する。弾性体１７ａの「潰し量の範囲内」とは、ノズル孔１４を閉塞して液漏れを防止するのに必要な弾性体１７ａの圧縮量の範囲内のことをいう。微駆動の上下方向の変位は、ニードル弁１７ないし弾性体１７ａの上下方向の変位に対応する。
The applied voltage for fine driving is such that the liquid does not leak from the
図７Ｂ（ｂ）は、弁開度とニードル弁１７の変位量の関係を示したものである。ニードル弁１７が休止時に下動端まで移動したところで、ノズル孔１４が全閉となる（弁開度０％）。前述したステップＳ６は、この全閉状態からニードル弁１７を所定時間微駆動する。
FIG. 7B(b) shows the relationship between the valve opening degree and the displacement amount of the
図７Ｂ（ｃ）はせん断速度を図示したものである。四辺形は液体の微小要素であり、四辺形の下辺が固定側、上辺が移動側である。固定側と移動側の間の距離をΔｙ、移動側の移動速度をＶとすると、せん断速度Ｄ＝Ｖ／Δｙと表すことができる。 FIG. 7B(c) illustrates the shear rate. A quadrilateral is a microscopic element of liquid, and the lower side of the quadrilateral is the fixed side and the upper side is the movable side. If the distance between the fixed side and the movable side is Δy, and the moving speed of the movable side is V, it can be expressed as shear speed D=V/Δy.
すなわち、Δｙが小さいほどせん断速度Ｄを大きくすることができる。Ｄ＝Ｖ／Δｙの関係式に基づいて、ニードル弁１７の凹凸構造の各寸法を設定することができる。狭い分岐流路１６ａ内に凹凸構造を設けると、せん断速度Ｄを大きくするのに有利である。
That is, the smaller Δy is, the greater the shear rate D can be. Each dimension of the uneven structure of the
なお、ｄ３１タイプの圧電素子１８を使用する場合の電圧波形の例として図７Ｂ（ａ）を説明したが、上述のようにｄ３３タイプの圧電素子１８を使用してもよい。図７Ｃは、ｄ３３タイプの圧電素子１８を使用する場合の、圧電素子１８に対して印加する電圧波形を示したものである。
Although FIG. 7B(a) has been described as an example of the voltage waveform when using the d31 type
この場合、液滴吐出ヘッドは、ｄ３３タイプの圧電素子１８に所定の電圧を印加することによりニードル弁１７を下動させてノズル孔１４を閉塞し、電圧印加を停止することでニードル弁１７を上動させてノズル孔１４を開放し、ノズル孔１４から液滴を吐出する。また、微駆動の印加電圧として、ノズル孔１４を閉塞するときの所定の電圧と、当該所定の電圧よりも小さな値の電圧との間で振動する電圧を用いる。この小さな値の電圧は、ノズル孔１４から液体が漏れない程度の印加電圧である。
In this case, the droplet ejection head applies a predetermined voltage to the d33 type
図８（ａ）は、圧電素子１８に対する印加電圧の変化を示したもので、印加電圧をゼロにするとノズル孔１４が閉じることを示している。図８（ｂ）は、弁開度とニードル弁１７の変位量の関係を示したもので、ニードル弁１７が休止時に下動端まで移動したところでノズル孔１４が全閉（弁開度０％）となることを示している。
FIG. 8A shows changes in the voltage applied to the
図８（ｃ）は、液体の粘度がノズル孔１４からの液滴吐出時と休止時で大きく増減する状態を模式的に示したものである。図８（ｄ）は、せん断速度と粘度の関係を示したもので、ニードル弁１７の凹凸構造によるせん断速度を大きくすることで、吐出休止時の粘度を使用粘度範囲まで低減することができることを示している。
FIG. 8(c) schematically shows a state in which the viscosity of the liquid greatly increases and decreases between when a droplet is ejected from the
図８（ｅ）は、使用状態から休止状態になったときの液体の沈殿状態を示したものである。使用状態ではほぼ均一な液相であったのが、休止状態では複数層に分離する。図示例では上から、低粘度、中粘度、高粘度の三層に粘度分離する状態を示している。 FIG. 8(e) shows the state of precipitation of the liquid when the state of use changes to the state of rest. When in use, the liquid phase is almost uniform, but when it is not in use, it separates into multiple layers. The illustrated example shows a state in which the viscosity is separated into three layers from the top: low viscosity, medium viscosity, and high viscosity.
このように粘度分離した状態ではノズル孔１４で不吐出や吐出曲がり等の吐出不良が発生する。本実施形態のようにニードル弁１７に凹凸構造を設けると、当該凹凸構造で液体を撹拌することができ、液相分離を解消して再起動・再吐出時の吐出不良を防止することができる。
In such a state where the viscosity is separated, ejection failure such as non-ejection or ejection deflection occurs at the
（●液滴吐出装置）
次に、前述したヘッドユニット６０を備えた液滴吐出装置について、図９を用いて説明する。図９に示すように、液滴吐出装置１００は、対象物の一例である液体の吐出対象物２００に対向して設置している。液滴吐出装置１００は、Ｘ軸レール１０１と、このＸ軸レール１０１と交差するＹ軸レール１０２と、Ｘ軸レール１０１およびＹ軸レール１０２と交差するＺ軸レール１０３を備える。
(Droplet discharge device)
Next, a droplet ejecting device including the above-described
Ｙ軸レール１０２は、Ｘ軸レール１０１がＹ方向に移動可能なように、Ｘ軸レール１０１を保持する。また、Ｘ軸レール１０１は、Ｚ軸レール１０３がＸ方向に移動可能なように、Ｚ軸レール１０３を保持する。
The Y-
そして、Ｚ軸レール１０３は、キャリッジ１がＺ方向に移動可能なように、キャリッジ１を保持する。ここで、キャリッジ１は、図２のヘッドユニット６０の一例であり、前述の駆動制御装置４０と液滴吐出ヘッド１０を備えている。
The Z-
液滴吐出装置１００は、キャリッジ１をＺ軸レール１０３に沿ってＺ方向に動かす第１のＺ方向駆動部９２と、Ｚ軸レール１０３をＸ軸レール１０１に沿ってＸ方向に動かすＸ方向駆動部７２を備える。また、液滴吐出装置１００は、Ｘ軸レール１０１をＹ軸レール１０２に沿ってＹ方向に動かすＹ方向駆動部８２を備える。さらに、液滴吐出装置１００は、キャリッジ１に対してヘッド保持体７０をＺ方向に動かす第２のＺ方向駆動部９３を備える。
The
キャリッジ１は、ヘッド保持体７０を備えている。ヘッド保持体７０は、保持体の一例である。
The
また、キャリッジ１は、図９に示した第１のＺ方向駆動部９２からの動力によりＺ軸レール１０３に沿ってＺ方向へ移動可能である。ヘッド保持体７０は、図９に示した第２のＺ方向駆動部９３からの動力によりキャリッジ１に対してＺ方向へ移動可能である。
Further, the
前記構成の液滴吐出装置１００は、キャリッジ１をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の方向に動かしながら、ヘッド保持体７０に設けたヘッドから液体の一例であるインクを吐出し、液体の吐出対象物２００に描画を行う。ここで、キャリッジ１およびヘッド保持体７０のＺ方向への移動は、Ｚ方向と平行である必要はなく、少なくともＺ方向の成分を含んでいれば斜めの移動であってもよい。
The
図９において液体の吐出対象物２００の表面形状は平面として示しているが、液体の吐出対象物２００の表面形状は、車やトラックの車体、航空機の機体などのように鉛直に近い面、もしくは曲率半径の大きい面でもよい。
In FIG. 9, the surface shape of the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various changes can be made without departing from the gist of the present invention.
以上の説明では、駆動制御装置が圧電素子などの駆動体に電圧を印加して開閉弁を開閉する実施例ついて説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、空圧、油圧、電磁力により開閉弁を開閉してもよい。この場合、駆動制御装置が生成する駆動パルスは、空圧、油圧、電磁力による加圧機構を設定した圧力で駆動させるための駆動波形である。 In the above description, an embodiment has been described in which the drive control device applies voltage to a driving body such as a piezoelectric element to open and close an on-off valve. However, the present invention is not limited to this, and the on-off valve may be opened and closed using pneumatic pressure, hydraulic pressure, or electromagnetic force. In this case, the drive pulse generated by the drive control device is a drive waveform for driving a pressurizing mechanism using pneumatic pressure, hydraulic pressure, or electromagnetic force at a set pressure.
本願において、「液滴吐出装置」は、液滴吐出ヘッド又はヘッドユニットを備え、液滴吐出ヘッドを駆動させて、液体を吐出させる装置である。液滴吐出装置には、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。 In the present application, a "droplet discharge device" is a device that includes a droplet discharge head or a head unit and drives the droplet discharge head to discharge liquid. Droplet ejection devices include not only devices capable of ejecting liquid onto objects to which liquid can be attached, but also devices that eject liquid into air or liquid.
この「液滴吐出装置」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。 This "droplet discharge device" can also include means for feeding, transporting, and discharging objects to which liquid can be attached, as well as pre-processing devices, post-processing devices, and the like.
例えば、「液滴吐出装置」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。 For example, a "droplet ejection device" is an image forming device that ejects ink to form an image on paper, and a device that forms powder into layers to form a three-dimensional object (three-dimensional object). There is a three-dimensional printer (three-dimensional printer) that discharges a molding liquid onto a powder layer.
また、「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等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。 Further, the "droplet ejection device" is not limited to one in which significant images such as characters and figures can be visualized by the ejected liquid. For example, it includes those that form patterns that have no meaning in themselves, and those that form three-dimensional images.
前記「液体が付着可能なもの」とは、前述した液体の吐出対象物のことであり、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。 The above-mentioned "object to which liquid can adhere" refers to the above-mentioned object to which the liquid is discharged, and includes objects to which liquid can adhere at least temporarily, to which it adheres and sticks, and to which it adheres and permeates. It means something. Specific examples include recording media such as paper, recording paper, recording paper, film, and cloth, electronic components such as electronic boards, piezoelectric elements, powder layers, organ models, and test cells. Unless otherwise specified, it includes everything to which liquid can adhere.
前記「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。 The material for the above-mentioned "thing to which liquid can adhere" may be paper, thread, fiber, cloth, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics, etc., as long as liquid can adhere thereto, even temporarily.
また、「液滴吐出装置」は、液滴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、液滴吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液滴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。 Further, the "droplet ejection device" includes a device in which a droplet ejection head and an object to which liquid can be attached move relatively, but the invention is not limited to this. Specific examples include a serial type device in which the droplet ejection head is moved, a line type device in which the droplet ejection head is not moved, and the like.
また、「液滴吐出装置」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。 In addition, the "droplet discharge device" includes a processing liquid coating device that discharges processing liquid onto paper in order to apply the processing liquid to the surface of the paper for purposes such as modifying the surface of the paper, and There is an injection granulation device that granulates fine particles of a raw material by injecting a composition liquid dispersed in a solution through a nozzle.
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。 In addition, in the terms of this application, image formation, recording, printing, imprinting, printing, modeling, etc. are all synonymous.
１０：液滴吐出ヘッド
１４：ノズル（吐出口）
１５：ノズル板（吐出口形成部材）
１６：液体流路
１７：ニードル弁（開閉弁）
１７ａ：弾性体（弁体）
１７ｂ：凸部
１７ｃ：凹部
１７ｄ：フランジ部
１７ｅ：フランジ部
１７ｅ１：テーパ面
１７ｆ：浮遊フランジ部
１７ｇ：固定ワッシャ
１８：圧電素子（駆動体）
３０：液滴吐出モジュール
４０：駆動制御装置
４１：波形発生回路（駆動パルス生成部）
６０：ヘッドユニット
１００：液滴吐出装置
10: Droplet discharge head 14: Nozzle (discharge port)
15: Nozzle plate (discharge port forming member)
16: Liquid flow path 17: Needle valve (on/off valve)
17a: Elastic body (valve body)
17b:
30: Droplet discharge module 40: Drive control device 41: Waveform generation circuit (drive pulse generation section)
60: Head unit 100: Droplet discharge device
Claims (13)
前記ニードル弁の前記弾性体と異なる位置に、前記流体流路の液体と接触する凹部及び／又は凸部を形成したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 A nozzle plate having a nozzle hole, a fluid flow path formed inside the nozzle plate, and an elastic body that is movable between a position in contact with the nozzle plate and a position in which it is separated from the nozzle plate. It has a needle valve and a driving body that reciprocates the needle valve in an axial direction, and when the elastic body separates from the nozzle plate, the liquid in the liquid flow path is discharged as droplets from the nozzle hole. In the droplet ejection head,
A droplet ejection head characterized in that a concave portion and/or a convex portion that contacts the liquid in the fluid flow path are formed at a position different from the elastic body of the needle valve.
前記液滴吐出ヘッドの前記駆動体の駆動を制御する制御部とを備え、
当該制御部は、前記液滴吐出ヘッドが前記ノズル孔から液滴を吐出しないとき、前記ノズル孔から液滴が吐出しない範囲で前記駆動体を微駆動するように構成されていることを特徴とするヘッドユニット。 A nozzle plate having a nozzle hole, a fluid flow path formed inside the nozzle plate, a needle valve movable between a position in contact with the nozzle plate and a position away from the nozzle plate, and the needle valve. a droplet ejection head having a drive body that reciprocates in an axial direction, and in which the liquid in the liquid flow path is ejected as droplets from the nozzle hole when the needle valve is separated from the nozzle plate;
a control unit that controls driving of the driver of the droplet ejection head,
The control unit is configured to finely drive the driver within a range in which droplets are not ejected from the nozzle hole when the droplet ejection head does not eject droplets from the nozzle hole. head unit.
Priority Applications (1)
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