JP2004141857A - バルブ内蔵型ノズル装置、プリンターヘッド、プリンター及び分注装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】吐出液体の形状を乱すことなく、幅広い物性を持つ液体の安定的な液滴を吐出させることを可能にするノズル装置、インクジェットヘッド、分注装置を提供すること。
【解決手段】液体導入口及び液体吐出口を有するバルブ室と、該バルブ室に内蔵されたバルブと、該バルブ室内に配置され該バルブを駆動する駆動機構とを備え、上記駆動機構は上記バルブ室内に密閉されるように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。駆動機構14を持つバルブ17をバルブ室2に内蔵させ、安定的な液滴を吐出飛翔させる。
【選択図】 図1
【解決手段】液体導入口及び液体吐出口を有するバルブ室と、該バルブ室に内蔵されたバルブと、該バルブ室内に配置され該バルブを駆動する駆動機構とを備え、上記駆動機構は上記バルブ室内に密閉されるように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。駆動機構14を持つバルブ17をバルブ室2に内蔵させ、安定的な液滴を吐出飛翔させる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルをノズル室内に備えたノズル装置に関し、特に、バイオ関係の試薬を用いる分注またはマイクロピペット、プリンター記録装置などのように、正確な微小体積の液滴を必要とする分野において好適に用いられるバルブ内蔵ノズル装置、インクジェットヘッド、インクジェットプリンター、分注装置などの液体取り扱い装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、産業で使用されている微小液体は、インクジェットプリンターの5picoL程度から分注またはマイクロピペットの250μLの幅広い範囲において使われている。これらは、使用目的により独自の構造を持つノズルを用いて行われるが、いずれにおいても、要求される基本的条件は、以下のとおりである。
1)吐出方向が一定であること、2)吐出液体は1個の液滴をなしかつ再現性が保証されることである。
【0003】
しかし、液体は固有の物性、即ち、表面張力、粘性を持つため、ノズルに使われる液体は限定される。例えば、ピエゾまたは加熱による気泡の蒸気圧を利用するインクジェットプリンターにおいては、上の条件を満たすために、水と近い粘性である1〜3mPs・sec程度の液体に限定される。また、そのノズル構造により液体の量は一回の吐出に5〜100picoLと制限される。
【0004】
一方、高粘性の液体、例えばペイントまたは印刷用インクにおいては、液体に圧力を掛け、ノズルの出口外側に平行にシャッター板を取り付け、該シャッターをピエゾ素子で開閉することで液滴を得るようにしたものが、特許文献1に記載されている。このようにノズルの出口外側に平行にシャッター板を取り付けた構造においては、液体の圧力が大きくなるに従い液体漏れが生じることが予想され、圧力が大きいほどその構造を機構的にしっかりとしたものとしなければならない。一方に置いて、高いシャッターの開閉速度が要求されるために、あまり強固な構造にすることが出来ない。以上の相反する2つの条件を満たすことは難しい課題である。
【0005】
また、シャッターはノズル口の一方側から動き始めて、全開または全閉になる。粘性が高いほど、開くあるいは閉じる間にシャッターのエッジに過剰な力が加わり、シャッターが変形する恐れがある。変形が起こると液体漏れが生じ、また吐出方向のばらつきが生じ始める。その他にも、構造上、ノズルの周辺は液体の汚れに無防備となっている。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−138791号公報(要約)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、上述した二つの基本条件を満たし、液滴体積の誤差を小さく抑えることができ、さらに、広範囲な粘性、表面張力を持つ液体、または非ニュートン液体(圧力により体積が変化する液体)であっても、確実に液滴として飛翔させることのできるノズルを備えたノズル装置及びそれを用いた液体取り扱い装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明によるノズル装置は、加圧された液体の導入部と導入された液体を吐出する開口部とを備えたバルブ室と、その導入部および開口部のいずれか一方または双方を開閉するバルブとを備えたバルブ内蔵型ノズルであり、そこにおいて、バルブはバルブ駆動機構と共にバルブ室に収容されている。即ち、バルブ及びその駆動機構をバルブ室内に密閉し、バルブ駆動機構をバルブ室内で駆動することにより、バルブを安定して操作できるようにしたものである。駆動機構の例としては、リニアモーター、電磁石あるいはバルブの少なくとも前面側に気泡を供給する装置(例えばヒーターなど)を挙げることができる。これらはいずれもバルブ室内に密閉した構成を採ることが出来、駆動機構を外部において機械的に操作する必要がない。
【0009】
本発明において、バルブ駆動機構をバルブ室内で動作するというのは、機械的あるいは電磁気的などのバルブ駆動動作がバルブ室内で完結するということであり、駆動機構がバルブ室外でも動作するものでないという意味である。
【0010】
特に上記ノズル装置において、液体導入口と液体吐出口を供えたバルブ室と、駆動機構によって駆動されるバルブを備え、該バルブの背面から常時加圧された液体によって該バルブが該流路を閉じるように加圧する事により、ノズル装置の動作が安定し、信頼性が高くなる。
【0011】
また、一つの実施形態においては、少なくとも該バルブの前面側に気泡を発生させて上記バルブを開いて上記液体の所定量を吐出する装置とを備え、該気泡が上記液体によってそのバルブの背面から上記液体により圧縮される事によって該バルブを再び閉じ、上記流路を閉じるように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズルも提供することができる。
【0012】
上記バルブの背面及び前面は上記液体と接触し、上記気泡はこの液体中に発生するように構成されている。なお、本発明において、バルブの背面側とは、加圧液体による加圧方向(液体の吐出方向でもある)を基準として、バルブの上流側を背面とし、バルブの下流側を前面とする。
【0013】
本発明によるノズル装置は、上記のバルブ内蔵型ノズルと、そのバルブ内蔵型ノズルに液体を供給する液体供給部と、該供給される液体に吐出圧力を与える圧力部とを備える。本発明によれば、バルブはバルブ駆動機構と共にバルブ室に密閉状態で収容されており、該駆動機構によりバルブをバルブ室内で積極的に駆動することにより、広範囲の物性値を持つ液体を、所定の体積と所定の速度で、かつ、粒子として吐出させることが可能となる。
【0014】
また、バルブはバルブ室内に収容されており、かつ、各部位に適切な圧力を掛けることが可能であるため、バルブに過剰な力が加わることがなく、液体漏れやバルブの変形を未然に防ぐことができる。また、バルブの役割を開閉だけではなく、開口時に積極的に吐出液体に圧力変化を加えるようにする場合には、糸状の液体吐出を個々の独立した液滴にすることが可能となり、液滴の体積の測定および精度を高めることができる。
【0015】
バルブ駆動機構は、バルブ室内に生じている圧力に抗してバルブを移動できるものであれば任意である。例えば、バルブを磁力により移動させる機構、例えば、トンネルモータ、リニアモータ、あるいは、単純な磁石バルブを電磁石で開閉する電気力による方法などであってもよく、ピエゾ(電圧)素子であってもよい。バルブ室内にヒーターを配置し、ヒーターにより液体が加熱されて生じる気泡によりバルブを移動するようにしてもよい。
【0016】
一つの態様として、前記バルブ室に形成される導入部と開口部の一方または双方と前記バルブの形状とを共に実質的に軸対称の形状とし、かつ、その中心線をほぼ同一軸線上に位置させ、バルブの中心線方向の移動により前記開口部あるいは導入部を開閉するようにする。この態様では、開口部からの液滴は方向性を乱すことなく中心線方向に吐出する利点がある。しかし、バルブはスライド弁であってもよく、その場合でも、開口部の距離を長くするなどの手段を同時に採用することにより、安定した状態の液滴吐出を得ることができる。
【0017】
バルブは、加圧された液体の導入部のみに備えてもよく、導入された液体を吐出する開口部にのみ備えてもよい。また、単一のバルブがその双方を同時に開閉するようにして備えてもよい。その場合に、導入部に対してはスライド弁として機能し、開口部に対してはバルブの中心線方向の移動により開閉するように機能する単一のバルブであることは好ましい。いずれにしろ、バルブ室内に生じる圧力、バルブに掛かる負荷、バルブ駆動機構の作動力の大小、開口部の大きさなどを考慮して、適宜選択すればよい。
【0018】
他の態様として、開口部は交換可能な形状とされる。例えば、距離の長い開口部を用いることにより、乱流が整流化した状態で液滴を吐出することができる。また、出口の口径を異ならせることにより、液滴の体積を変えることができる。
【0019】
更に他の態様において、バルブ閉鎖時に開口部内の圧力を所定の圧力(負圧)を維持する機構がさらに備えられ、その機構が適宜の負圧源に接続される。それにより、開口部の液体表面の形状を確実にメニスカス面に維持することができ、液漏れや吐出不安定が生じるのを確実に回避できる。
【0020】
また、他の態様において、バルブ室内を所定の圧力を維持する機構がさらに付加され、その機構が適宜の所定圧力発生源に接続される。この態様では、バルブ室内に供給される液圧が高い場合であっても、バルブ室内の圧力を供給圧と大気圧あるいは開口部内の圧力の中間圧に設定することにより、液漏れを防ぎ、開口部の液体表面を安定させ、再現性のある液滴の吐出が一層確実となる。
【0021】
供給される液体に吐出圧力を加える圧力部が発生する圧力は、定圧、脈動する圧力または時間に対し変化する圧力のいずれであってもよいが、脈動する圧力または時間に対し変化する圧力とすることにより、定圧の場合よりも、バルブの開閉に掛かる負荷を軽減することができ、かつ、安定的な液滴を得ることが可能となる。
【0022】
本発明はまた、上記バルブ内蔵型ノズルを複数個備えたことを特徴とするプリンターヘッドならびにこのプリンターヘッドと、該プリンターヘッドを制御するコントロールユニットと、記録媒体を該プリンターヘッドに対して移送する装置を備えたプリンターを提供する。
【0023】
更に本発明は、上記バルブ内蔵型ノズルと、該バルブ内蔵型ノズルを駆動する装置例えばX−Yアクチュエーターと、該ノズル装置に所定量の液体試料を供給する装置と、該バルブ内蔵型ノズルの試料を受け取る試料容器例えば、マイクロタイタープレートを備えた分注装置を提供するものである。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照しながら、いくつかの実施の形態を説明する。図1(a),(b),(c)は、それぞれ、本発明によるバルブ内蔵型ノズルの第1の実施形態を示す垂直方向の断面図、図1(a)のb−b線に沿う水平方向の断面図、及びそれを一部除去した状態で示す斜視図である。このバルブ内蔵型ノズル1において、10はバルブ室2を画定する円筒形のケーシングであり、上面側に図示しない加圧部で加圧された液体の導入口12を有し、下面側に液滴の吐出口である開口13を有する。導入口12は円形であり、開口13は下方が縮径した円錐形であり、共通の中心線Lを持つ。導入口12には、管路3を通して、加圧部で適宜の圧力に加圧された液体が供給され、そこから、バルブ室2内に流入する。
【0025】
バルブ室2内には、前記中心線Lと中心線を共通にした状態で、円筒状の電磁石14が支持体15により固定的に取り付けてあり、その中心孔16内には、やはり中心線を同じにした状態で、磁石バルブ17が上下方向に摺動自在に挿入されている。磁石バルブ17の下方端18は、前記開口13を液密に閉鎖できるように同様な円錐形とされている。電磁石14には適宜の制御機構を介してON−OFFの電気信号50が供給され、磁石バルブ17を上下方向に移動させる。この例において、OFFでは図示のように磁石バルブ17は下降位置にあってバルブ閉の状態となっており、ONでは磁石バルブ17は上昇してバルブ開の状態となる。バルブ開のときに、加圧液体は、自己の圧力により、バルブ室2から開口13を通り中心線Lに沿って空間に、所定量の液滴として吐出する。信号がOFFに切り替わることによりバルブ閉となり吐出は終了する。前記電磁石14が本発明でいう「バルブ駆動機構」を構成する。
【0026】
なお、上記の形態では導入口12をケーシング10の上面側に設けたが、図4、図5、図6、図8に示すように、周囲の側壁に設けてもよい。ただし、その場合には、液体の流入方向と開口13からの液体の吐出方向が異なるので、乱流となったり、開口面に圧力勾配が生じたりする恐れがある。そのために、開口13の長さを長くして、整流化しかつ液面の圧力を平均化することが望まれる。
【0027】
図1(a),(b),(c)に示すバルブ内蔵型ノズル1での、バルブ17の運動と開口部に加わる圧力および液滴の吐出について検討する。図2(a)は、バルブの停止地点を−hとし、時間に対しバルブの位置を表示した図である。ここで、変位Hは、液体の粘性により開口部への流れ抵抗が生じない位置を示している。圧力部の圧力は定圧Pである。
【0028】
図2(a)で3段階のバルブの開閉速度▲1▼、▲2▼、▲3▼を示しており、その際のバルブの運動の変化により生じる開口部の圧力変化を図2(b)に▲1▼、▲2▼、▲3▼として示している。図示のように、バルブの開閉速度を変えることにより、開口部には、定圧Pと初期圧力だけではなく、圧力の変化に大きい自由度を与えることが可能となる。なお、図2(b)において、初期圧力は負圧となっているのは、開口部で液体がメニスカス形状(図1(a),図3の液面6)をなしているためである。
【0029】
図3は本発明によるバルブ内蔵型ノズルの他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1aでは、磁石バルブ17aの上端側に径の大きくなった部分117が形成されており、該大径部117がケーシング10の上面側に設けた導入口12を閉鎖して、加圧液体がバルブ室2への流入を停止するようになっている点で、図1(a),(b),(c)に示したバルブ内蔵型ノズル1と構成が異なっている。開口13は常時開の状態にあって磁石バルブ17aによって閉鎖されることはない。
【0030】
この形態でも、通常は液圧により下方位置に押し下げられて導入口12を閉鎖している磁石バルブ17aが、電磁石14へのON信号により上昇して、導入口12を開き、バルブ開の状態となる。それにより、加圧液体がバルブ室2内に流入し、同じ量の液体が開口13から中心線Lに沿って空間に吐出する。信号がOFFに切り替わると導入口12は閉じてバルブ閉となり、開口13からの吐出は停止する。この形態では、バルブの閉じ代を広くとることができるので、液体の漏れを少なくすることができると共に、バルブ駆動時の負荷を小さくすることができる。
【0031】
図4は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1bでは、ケーシング10の側壁に前記導入口12が形成されると共に、バルブ室2内のバルブ17bは導入口12に対してスライド弁として作用して、導入口12の開閉を行うようになっている点で、上記したバルブ内蔵型ノズル、特に図3に示したものと異なっている。なお、電磁石14が多段に配置されてリニアモータの形式となっているが、その作用は図3に示したもの同じである。この態様では、前記導入口12の圧力がバルブ17bの作動に直接影響しないので、バルブ駆動力が小さくてよい利点がある。特に図示しないが、図4において、開口13側を加圧液体の導入口とし、図4の導入口12側を液体の吐出口とする態様も可能である。
【0032】
図5は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1cは、単一のバルブ17cが、導入口12に対しては、図4に示したもののようにスライド弁として機能し、開口13に対しては、図1(a),(b).(c)に示したもののようにその中心線Lの方向に移動して開口13を開閉するようになっている。圧力部からの圧力Pと外部の圧力(通常1気圧)の間に圧力の差があまりにも大きい場合に、開口13のバルブ機能あるいは導入口12のバルブ機能だけでは液漏れを防ぐことが難しくなる場合があるが、この態様では、導入口12の部分と開口13の部分の双方にバルブ機能を持たせているので、液漏れを効果的に阻止することができる。
【0033】
図6は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1dでは、ケーシング10に沿って図で上下方向に摺動できるようにバルブ17dが挿入されており、該バルブ17dの下面側とケーシング10の底面10aとの間に第1のヒーター19aが、また、該バルブ12dの上面側とケーシング10の上面10bとの間に第2のヒーター19bが配置されている。各ヒーター19a,19bには図示しない制御機構によりON−OFFの電気信号50が供給され、ON信号時にいずれか一方のヒーターは加熱される。ヒータ−の加熱により液体は沸騰して気泡が生じ、その気泡の圧力を用いてバルブ17dの開閉を行う。第1のヒーター19aと第2のヒーター19bのON−OFF状態を交互に切り換えることにより、バルブ17dは上下動し、上方向に移動することにより開口13が開き、液体が吐出される。
【0034】
図7は、図6に示した形態のバルブ内蔵型ノズル1dの複数個を一例に配列して構成したプリンターヘッド60を示しており、図6は側面断面図、図7は図6のd−d線に沿う断面図である。
【0035】
また、図11及び12にはライン型プリンターヘッドの平面断面図を示しており、図11は多数のノズル装置608を直線状に配置したプリンターヘッドである。図12は印字密度を上げるため、プリンターヘッドを互いに斜めに並列配置し、印字密度を上げて高精彩印字が出来るようにしたものである。図11及び図12で同じ機能を持つ要素は同じ番号で示した。プリンターヘッド608‘は、詳細断面構造を示し、ノズル装置609’が多数整列配置されている。インク供給管601、インク供給分岐管611、ノズルコントロール配線602などを備えていることは通常のインクジェットヘッドと同じである。
【0036】
図13はインクジェットプリンターの構成を示す概略線図であり、コントロールユニット606によって、インクジェットプリンターヘッド603を制御し、ローラー610を含む紙送り装置によって記録媒体を移送し、印字する。シアン、イエロー、マジェンタ及びブラックのインク607がバルブ604を介してインクタンク605よりインクジェットヘッドに供給される。なお、インクの種類は任意であり、目的、用途によってインクの色の種類、色の数を選択する。
【0037】
図7に戻って説明すると、バルブ室2Aおよび液体(インク)供給路3Aはすべてのバルブ内蔵型ノズルに対して共通しており、インク供給路3Aには単一の加圧部により加圧されたインクが供給され、インクは自己の持つ圧力により噴出する。すなわち、この構成のプリンター60では、これまでのインクジェットプリンターのように各ノズルに強制的に高い吐出エネルギーを与えるピエゾ素子などの装置を必要とせず、インク供給路3A側に一元的に圧力を加えることで、インクの吐出が可能となる。このことは、気泡(バブル)の運動量はノズルの開閉負荷を満たせば充分であることを意味し、従来のインクジェットプリンターと比較して短い印刷周期でインクを吐出させることを可能とする。
【0038】
また、これまでのインクジェットプリンターのように、隣同士のノズルから吐出させる場合、クロストーク即ち、お互いに圧力の影響を与えあって、単独に吐出させた場合と違った体積の液滴を違った速度で出すような現象が生じるのも解消できる。
【0039】
図8は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1eでは、ケーシング10の周囲の側壁に導入口12を形成したことと、開口13の先端に交換可能に第2の開口13bを持つ交換用開口部13Dを取り付けた点において図1(a),(b),(c)に示したものと相違している。なお、電磁石14が多段に配置されてリニアモータの形式となっているが、その作動が図1(a),(b),(c)に示したもの同じであることは、図4の形態を説明するときに述べたとおりである。この形態では、交換可能な交換用開口部13Dとして、第2の開口13bの口径の異なるもの、実質長さの異なるものなど多数を用意することにより、種々の体積の液滴を容易に調整することができる。もちろん、バルブの動きもそれに順する動きするように信号により操作される。
【0040】
上記したようなバルブ内蔵型ノズルにおいて、図1(a),(b),(c)の形態で示したように、図8の場合も開口13での液体表面の形状6はメニスカス面を常に形成するのが望ましい。その理由は、もし開口に凸の形状の面が形成されると液漏れ吐出の不安定性をもたらす原因になるからである。液漏れは開口周辺を汚すだけではなく、この汚れが液体吐出時の方向および吐出形態を変形させる。
【0041】
図8はそのための対策を講じたバルブ内蔵型ノズル1fを示す。この形態では、バルブ室10の開口13および第2の開口13bの部分の圧力を負圧P0にするために、開口13に通じる圧力調整通路60を設けている。この通路は途中に配置した開度調節可能なブレーキ弁61を介して適宜の負圧発生源に連通しており、バルブが閉じたとき開口部内の圧力はP0になり、液面6はその圧力によりメニスカス面6を形成する。バルブが開いたときに圧力部の圧力(バルブ室内の圧力)が伝わり圧力調整通路60に流れが生じるが、ブレーキ弁61を通過するとき、粘性により抵抗が生じ開口部内は圧力Pになり液滴が吐出される。なお、図示の例ではバルブ内蔵型ノズルとして図8に示したものを用いているが、これは単なる例示であって、ノズル本体は上記したいずれのものを使用することもできる。
【0042】
図9は図8に示した形態のバルブ内蔵型ノズル1fを用いた分注装置の一例を示している。液体供給部としての試薬槽Aと圧力部としてのシリンジBとが管路71で繋がっており、シリンジBの吐出側と本発明によるバルブ内蔵型ノズル1fの導入口12とが管路72で繋がっており、圧力調整通路60が管路73により試薬槽Aに繋がっている。
【0043】
ノズル装置1fはX−Yアクチュエータ75により、マイクロタイタープレート74などの試料容器の適切な位置に移動される。図9ではノズル装置はこれを駆動する手段は示されていないが、適切な装置により支持されていることは当然である。この例において、位置エネルギーの差により、圧力調整通路60の圧力は負圧P0に維持される。しかし、負圧P0を生じさせる手段はこれに限らす任意の手段であってよい。また、圧力部もシリンジBに限ることはない。
【0044】
図8に示すバルブ内蔵型ノズルについては、バルブ内蔵型ノズル1fは圧力部の圧力Pと大気圧あるいは開口部の負圧P0との差が大きい場合に、バルブ室12側にも圧力調整通路60Aを設け、その圧力P1を加圧部の圧力Pと開口部の負圧P0の間に設定することで、液漏れを防ぎまた開口液体表面6を安定させ、再現性ある液滴の吐出を実現することができる。
【0045】
上記に示した例では、圧力部の圧力Pは定圧として説明したが、図10が示すような時間と共に変化する圧力Pを圧力部で生成するようにしてもよい。ここで原点は大気圧の圧力で、各脈動の時点でバルブの開閉を示した。このような時点でバルブを開閉することにより、定圧の場合よりバルブに開閉に掛かる負荷を軽減しかつ安定的な液滴を得ることが可能になる。
【0046】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、液滴体積の誤差を小さく抑えることができ、さらに、広範囲な粘性、表面張力を持つ液体、または非ニュートン液体(圧力により体積が変化する液体)であっても、確実に液滴として吐出させることのできるノズルと、該ノズルを備えたノズル装置が得られる。それにより、微少液体の吐出ノズルに要求される基本的条件、1)吐出方向が一定であること、2)吐出液体は1個の液滴をなしかつ再現性が保証されること、は共に満足される。例えば、1〜500mPa・secの粘性と5〜75mN/mの表面張力を持つ液体を用いて、5picoL〜500μLの液滴を安定的に生成することが可能になる。
【0047】
以下に本発明の範囲の包含される具体的な実施態様を示す。下記に実施態様は請求項との関連において成立するものである。
【0048】
(1)請求項のいずれかにおいて、上記バルブ駆動機構は、バルブを磁力により移動させる機構を備えるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0049】
(2)請求項のいずれかにおいて、上記バルブ駆動機構は、トンネルモータであるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0050】
(3)請求項のいずれかにおいて、上記開口部および/または導入部とバルブの形状が共に実質的に軸対称であり、かつ、その中心線を同一軸線上に位置させており、バルブの中心線方向の移動により開口部および/または導入部を開閉するバルブ内蔵型ノズル装置。
【0051】
(4)請求項のいずれかにおいて、上記バルブはスライド弁であるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0052】
(5)請求項のいずれかにおいて、単一のバルブが導入部に対してはスライド弁として機能し、開口部に対してはバルブの中心線方向の移動により開閉するように機能するバルブ内蔵型ノズル装置。
【0053】
(6)請求項のいずれかにおいて、上記開口部は交換可能な形状とされているバルブ内蔵型ノズル装置。
【0054】
(7)請求項のいずれかにおいて、バルブ閉鎖時に開口部内の圧力を所定の圧力に維持する機構をさらに備えるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0055】
(8)請求項のいずれかにおいて、バルブ室内を所定の圧力に維持する機構をさらに備えるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0056】
(9)該バルブ内蔵型ノズルの開口部を所定圧力に維持する機構に接続する所定圧力発生源をさらに備える、請求項のいずれかに記載のバルブ内蔵型ノズル装置。
【0057】
(10)該バルブ内蔵型ノズルのバルブ室内を所定圧力に維持する機構に接続する所定圧力発生源をさらに備える、請求項のいずれかに記載のバルブ内蔵型ノズル装置。
【0058】
(11)請求項のいずれかにおいて、該圧力部が発生する圧力が、定圧、脈動する圧力または時間に対し変化する圧力のいずれかであるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0059】
【発明の効果】
本発明により、吐出液体の形状を乱すことなく、幅広い物性を持つ液体の安定的な液滴を吐出させることを可能にするノズル及びノズル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本発明によるバルブ内蔵型ノズルの第1の実施形態を示す垂直方向の断面図、図1(b)は図1(a)のb−b線による水平方向の断面図、図1(c)は図1(a)に示すバルブ内蔵型ノズルを一部除去した状態で示す斜視図。
【図2】図2(a)は時間に対するバルブの変位を示すグラフ、図2(b)は時間に対する開口部の圧力を示すグラフ。
【図3】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの他の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図4】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの別の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図5】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの更に他の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図6】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの更に別の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図7】図6に示した形態のバルブ内蔵型ノズルを多数用いたラインプリンターのプリンターヘッドの構造を示す図6のd−dに沿った平面断面図。
【図8】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの更に異なった実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図9】本発明による開口部に圧力維持機構を備えているバルブ内蔵型ノズルを用いた分注装置の構造を示す垂直方向の断面図。
【図10】時間に対する圧力部で形成する圧力変化とそのときのバブルの開閉時刻を説明するグラフ。
【図11】本発明によるノズル装置を用いたラインプリンターのインクジェットヘッドの平面断図。
【図12】本発明の他の実施例によるラインプリンターのインクジェットヘッドの平面断面図。
【図13】本発明によるノズル装置を用いたインクジェットプリンターの構成を示す概略線図。
【符号の説明】
1…バルブ内蔵型ノズル、2…バルブ室、6…液面、10…ケーシング、12…圧力部に繋がる液体導入口、13…開口、13D…交換可能開口部、14…バルブ駆動機構、17…バルブ、60、60A…圧力調整通路、61,61A…ブレーキ弁。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルをノズル室内に備えたノズル装置に関し、特に、バイオ関係の試薬を用いる分注またはマイクロピペット、プリンター記録装置などのように、正確な微小体積の液滴を必要とする分野において好適に用いられるバルブ内蔵ノズル装置、インクジェットヘッド、インクジェットプリンター、分注装置などの液体取り扱い装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、産業で使用されている微小液体は、インクジェットプリンターの5picoL程度から分注またはマイクロピペットの250μLの幅広い範囲において使われている。これらは、使用目的により独自の構造を持つノズルを用いて行われるが、いずれにおいても、要求される基本的条件は、以下のとおりである。
1)吐出方向が一定であること、2)吐出液体は1個の液滴をなしかつ再現性が保証されることである。
【0003】
しかし、液体は固有の物性、即ち、表面張力、粘性を持つため、ノズルに使われる液体は限定される。例えば、ピエゾまたは加熱による気泡の蒸気圧を利用するインクジェットプリンターにおいては、上の条件を満たすために、水と近い粘性である1〜3mPs・sec程度の液体に限定される。また、そのノズル構造により液体の量は一回の吐出に5〜100picoLと制限される。
【0004】
一方、高粘性の液体、例えばペイントまたは印刷用インクにおいては、液体に圧力を掛け、ノズルの出口外側に平行にシャッター板を取り付け、該シャッターをピエゾ素子で開閉することで液滴を得るようにしたものが、特許文献1に記載されている。このようにノズルの出口外側に平行にシャッター板を取り付けた構造においては、液体の圧力が大きくなるに従い液体漏れが生じることが予想され、圧力が大きいほどその構造を機構的にしっかりとしたものとしなければならない。一方に置いて、高いシャッターの開閉速度が要求されるために、あまり強固な構造にすることが出来ない。以上の相反する2つの条件を満たすことは難しい課題である。
【0005】
また、シャッターはノズル口の一方側から動き始めて、全開または全閉になる。粘性が高いほど、開くあるいは閉じる間にシャッターのエッジに過剰な力が加わり、シャッターが変形する恐れがある。変形が起こると液体漏れが生じ、また吐出方向のばらつきが生じ始める。その他にも、構造上、ノズルの周辺は液体の汚れに無防備となっている。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−138791号公報(要約)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、上述した二つの基本条件を満たし、液滴体積の誤差を小さく抑えることができ、さらに、広範囲な粘性、表面張力を持つ液体、または非ニュートン液体(圧力により体積が変化する液体)であっても、確実に液滴として飛翔させることのできるノズルを備えたノズル装置及びそれを用いた液体取り扱い装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明によるノズル装置は、加圧された液体の導入部と導入された液体を吐出する開口部とを備えたバルブ室と、その導入部および開口部のいずれか一方または双方を開閉するバルブとを備えたバルブ内蔵型ノズルであり、そこにおいて、バルブはバルブ駆動機構と共にバルブ室に収容されている。即ち、バルブ及びその駆動機構をバルブ室内に密閉し、バルブ駆動機構をバルブ室内で駆動することにより、バルブを安定して操作できるようにしたものである。駆動機構の例としては、リニアモーター、電磁石あるいはバルブの少なくとも前面側に気泡を供給する装置(例えばヒーターなど)を挙げることができる。これらはいずれもバルブ室内に密閉した構成を採ることが出来、駆動機構を外部において機械的に操作する必要がない。
【0009】
本発明において、バルブ駆動機構をバルブ室内で動作するというのは、機械的あるいは電磁気的などのバルブ駆動動作がバルブ室内で完結するということであり、駆動機構がバルブ室外でも動作するものでないという意味である。
【0010】
特に上記ノズル装置において、液体導入口と液体吐出口を供えたバルブ室と、駆動機構によって駆動されるバルブを備え、該バルブの背面から常時加圧された液体によって該バルブが該流路を閉じるように加圧する事により、ノズル装置の動作が安定し、信頼性が高くなる。
【0011】
また、一つの実施形態においては、少なくとも該バルブの前面側に気泡を発生させて上記バルブを開いて上記液体の所定量を吐出する装置とを備え、該気泡が上記液体によってそのバルブの背面から上記液体により圧縮される事によって該バルブを再び閉じ、上記流路を閉じるように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズルも提供することができる。
【0012】
上記バルブの背面及び前面は上記液体と接触し、上記気泡はこの液体中に発生するように構成されている。なお、本発明において、バルブの背面側とは、加圧液体による加圧方向(液体の吐出方向でもある)を基準として、バルブの上流側を背面とし、バルブの下流側を前面とする。
【0013】
本発明によるノズル装置は、上記のバルブ内蔵型ノズルと、そのバルブ内蔵型ノズルに液体を供給する液体供給部と、該供給される液体に吐出圧力を与える圧力部とを備える。本発明によれば、バルブはバルブ駆動機構と共にバルブ室に密閉状態で収容されており、該駆動機構によりバルブをバルブ室内で積極的に駆動することにより、広範囲の物性値を持つ液体を、所定の体積と所定の速度で、かつ、粒子として吐出させることが可能となる。
【0014】
また、バルブはバルブ室内に収容されており、かつ、各部位に適切な圧力を掛けることが可能であるため、バルブに過剰な力が加わることがなく、液体漏れやバルブの変形を未然に防ぐことができる。また、バルブの役割を開閉だけではなく、開口時に積極的に吐出液体に圧力変化を加えるようにする場合には、糸状の液体吐出を個々の独立した液滴にすることが可能となり、液滴の体積の測定および精度を高めることができる。
【0015】
バルブ駆動機構は、バルブ室内に生じている圧力に抗してバルブを移動できるものであれば任意である。例えば、バルブを磁力により移動させる機構、例えば、トンネルモータ、リニアモータ、あるいは、単純な磁石バルブを電磁石で開閉する電気力による方法などであってもよく、ピエゾ(電圧)素子であってもよい。バルブ室内にヒーターを配置し、ヒーターにより液体が加熱されて生じる気泡によりバルブを移動するようにしてもよい。
【0016】
一つの態様として、前記バルブ室に形成される導入部と開口部の一方または双方と前記バルブの形状とを共に実質的に軸対称の形状とし、かつ、その中心線をほぼ同一軸線上に位置させ、バルブの中心線方向の移動により前記開口部あるいは導入部を開閉するようにする。この態様では、開口部からの液滴は方向性を乱すことなく中心線方向に吐出する利点がある。しかし、バルブはスライド弁であってもよく、その場合でも、開口部の距離を長くするなどの手段を同時に採用することにより、安定した状態の液滴吐出を得ることができる。
【0017】
バルブは、加圧された液体の導入部のみに備えてもよく、導入された液体を吐出する開口部にのみ備えてもよい。また、単一のバルブがその双方を同時に開閉するようにして備えてもよい。その場合に、導入部に対してはスライド弁として機能し、開口部に対してはバルブの中心線方向の移動により開閉するように機能する単一のバルブであることは好ましい。いずれにしろ、バルブ室内に生じる圧力、バルブに掛かる負荷、バルブ駆動機構の作動力の大小、開口部の大きさなどを考慮して、適宜選択すればよい。
【0018】
他の態様として、開口部は交換可能な形状とされる。例えば、距離の長い開口部を用いることにより、乱流が整流化した状態で液滴を吐出することができる。また、出口の口径を異ならせることにより、液滴の体積を変えることができる。
【0019】
更に他の態様において、バルブ閉鎖時に開口部内の圧力を所定の圧力(負圧)を維持する機構がさらに備えられ、その機構が適宜の負圧源に接続される。それにより、開口部の液体表面の形状を確実にメニスカス面に維持することができ、液漏れや吐出不安定が生じるのを確実に回避できる。
【0020】
また、他の態様において、バルブ室内を所定の圧力を維持する機構がさらに付加され、その機構が適宜の所定圧力発生源に接続される。この態様では、バルブ室内に供給される液圧が高い場合であっても、バルブ室内の圧力を供給圧と大気圧あるいは開口部内の圧力の中間圧に設定することにより、液漏れを防ぎ、開口部の液体表面を安定させ、再現性のある液滴の吐出が一層確実となる。
【0021】
供給される液体に吐出圧力を加える圧力部が発生する圧力は、定圧、脈動する圧力または時間に対し変化する圧力のいずれであってもよいが、脈動する圧力または時間に対し変化する圧力とすることにより、定圧の場合よりも、バルブの開閉に掛かる負荷を軽減することができ、かつ、安定的な液滴を得ることが可能となる。
【0022】
本発明はまた、上記バルブ内蔵型ノズルを複数個備えたことを特徴とするプリンターヘッドならびにこのプリンターヘッドと、該プリンターヘッドを制御するコントロールユニットと、記録媒体を該プリンターヘッドに対して移送する装置を備えたプリンターを提供する。
【0023】
更に本発明は、上記バルブ内蔵型ノズルと、該バルブ内蔵型ノズルを駆動する装置例えばX−Yアクチュエーターと、該ノズル装置に所定量の液体試料を供給する装置と、該バルブ内蔵型ノズルの試料を受け取る試料容器例えば、マイクロタイタープレートを備えた分注装置を提供するものである。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照しながら、いくつかの実施の形態を説明する。図1(a),(b),(c)は、それぞれ、本発明によるバルブ内蔵型ノズルの第1の実施形態を示す垂直方向の断面図、図1(a)のb−b線に沿う水平方向の断面図、及びそれを一部除去した状態で示す斜視図である。このバルブ内蔵型ノズル1において、10はバルブ室2を画定する円筒形のケーシングであり、上面側に図示しない加圧部で加圧された液体の導入口12を有し、下面側に液滴の吐出口である開口13を有する。導入口12は円形であり、開口13は下方が縮径した円錐形であり、共通の中心線Lを持つ。導入口12には、管路3を通して、加圧部で適宜の圧力に加圧された液体が供給され、そこから、バルブ室2内に流入する。
【0025】
バルブ室2内には、前記中心線Lと中心線を共通にした状態で、円筒状の電磁石14が支持体15により固定的に取り付けてあり、その中心孔16内には、やはり中心線を同じにした状態で、磁石バルブ17が上下方向に摺動自在に挿入されている。磁石バルブ17の下方端18は、前記開口13を液密に閉鎖できるように同様な円錐形とされている。電磁石14には適宜の制御機構を介してON−OFFの電気信号50が供給され、磁石バルブ17を上下方向に移動させる。この例において、OFFでは図示のように磁石バルブ17は下降位置にあってバルブ閉の状態となっており、ONでは磁石バルブ17は上昇してバルブ開の状態となる。バルブ開のときに、加圧液体は、自己の圧力により、バルブ室2から開口13を通り中心線Lに沿って空間に、所定量の液滴として吐出する。信号がOFFに切り替わることによりバルブ閉となり吐出は終了する。前記電磁石14が本発明でいう「バルブ駆動機構」を構成する。
【0026】
なお、上記の形態では導入口12をケーシング10の上面側に設けたが、図4、図5、図6、図8に示すように、周囲の側壁に設けてもよい。ただし、その場合には、液体の流入方向と開口13からの液体の吐出方向が異なるので、乱流となったり、開口面に圧力勾配が生じたりする恐れがある。そのために、開口13の長さを長くして、整流化しかつ液面の圧力を平均化することが望まれる。
【0027】
図1(a),(b),(c)に示すバルブ内蔵型ノズル1での、バルブ17の運動と開口部に加わる圧力および液滴の吐出について検討する。図2(a)は、バルブの停止地点を−hとし、時間に対しバルブの位置を表示した図である。ここで、変位Hは、液体の粘性により開口部への流れ抵抗が生じない位置を示している。圧力部の圧力は定圧Pである。
【0028】
図2(a)で3段階のバルブの開閉速度▲1▼、▲2▼、▲3▼を示しており、その際のバルブの運動の変化により生じる開口部の圧力変化を図2(b)に▲1▼、▲2▼、▲3▼として示している。図示のように、バルブの開閉速度を変えることにより、開口部には、定圧Pと初期圧力だけではなく、圧力の変化に大きい自由度を与えることが可能となる。なお、図2(b)において、初期圧力は負圧となっているのは、開口部で液体がメニスカス形状(図1(a),図3の液面6)をなしているためである。
【0029】
図3は本発明によるバルブ内蔵型ノズルの他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1aでは、磁石バルブ17aの上端側に径の大きくなった部分117が形成されており、該大径部117がケーシング10の上面側に設けた導入口12を閉鎖して、加圧液体がバルブ室2への流入を停止するようになっている点で、図1(a),(b),(c)に示したバルブ内蔵型ノズル1と構成が異なっている。開口13は常時開の状態にあって磁石バルブ17aによって閉鎖されることはない。
【0030】
この形態でも、通常は液圧により下方位置に押し下げられて導入口12を閉鎖している磁石バルブ17aが、電磁石14へのON信号により上昇して、導入口12を開き、バルブ開の状態となる。それにより、加圧液体がバルブ室2内に流入し、同じ量の液体が開口13から中心線Lに沿って空間に吐出する。信号がOFFに切り替わると導入口12は閉じてバルブ閉となり、開口13からの吐出は停止する。この形態では、バルブの閉じ代を広くとることができるので、液体の漏れを少なくすることができると共に、バルブ駆動時の負荷を小さくすることができる。
【0031】
図4は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1bでは、ケーシング10の側壁に前記導入口12が形成されると共に、バルブ室2内のバルブ17bは導入口12に対してスライド弁として作用して、導入口12の開閉を行うようになっている点で、上記したバルブ内蔵型ノズル、特に図3に示したものと異なっている。なお、電磁石14が多段に配置されてリニアモータの形式となっているが、その作用は図3に示したもの同じである。この態様では、前記導入口12の圧力がバルブ17bの作動に直接影響しないので、バルブ駆動力が小さくてよい利点がある。特に図示しないが、図4において、開口13側を加圧液体の導入口とし、図4の導入口12側を液体の吐出口とする態様も可能である。
【0032】
図5は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1cは、単一のバルブ17cが、導入口12に対しては、図4に示したもののようにスライド弁として機能し、開口13に対しては、図1(a),(b).(c)に示したもののようにその中心線Lの方向に移動して開口13を開閉するようになっている。圧力部からの圧力Pと外部の圧力(通常1気圧)の間に圧力の差があまりにも大きい場合に、開口13のバルブ機能あるいは導入口12のバルブ機能だけでは液漏れを防ぐことが難しくなる場合があるが、この態様では、導入口12の部分と開口13の部分の双方にバルブ機能を持たせているので、液漏れを効果的に阻止することができる。
【0033】
図6は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1dでは、ケーシング10に沿って図で上下方向に摺動できるようにバルブ17dが挿入されており、該バルブ17dの下面側とケーシング10の底面10aとの間に第1のヒーター19aが、また、該バルブ12dの上面側とケーシング10の上面10bとの間に第2のヒーター19bが配置されている。各ヒーター19a,19bには図示しない制御機構によりON−OFFの電気信号50が供給され、ON信号時にいずれか一方のヒーターは加熱される。ヒータ−の加熱により液体は沸騰して気泡が生じ、その気泡の圧力を用いてバルブ17dの開閉を行う。第1のヒーター19aと第2のヒーター19bのON−OFF状態を交互に切り換えることにより、バルブ17dは上下動し、上方向に移動することにより開口13が開き、液体が吐出される。
【0034】
図7は、図6に示した形態のバルブ内蔵型ノズル1dの複数個を一例に配列して構成したプリンターヘッド60を示しており、図6は側面断面図、図7は図6のd−d線に沿う断面図である。
【0035】
また、図11及び12にはライン型プリンターヘッドの平面断面図を示しており、図11は多数のノズル装置608を直線状に配置したプリンターヘッドである。図12は印字密度を上げるため、プリンターヘッドを互いに斜めに並列配置し、印字密度を上げて高精彩印字が出来るようにしたものである。図11及び図12で同じ機能を持つ要素は同じ番号で示した。プリンターヘッド608‘は、詳細断面構造を示し、ノズル装置609’が多数整列配置されている。インク供給管601、インク供給分岐管611、ノズルコントロール配線602などを備えていることは通常のインクジェットヘッドと同じである。
【0036】
図13はインクジェットプリンターの構成を示す概略線図であり、コントロールユニット606によって、インクジェットプリンターヘッド603を制御し、ローラー610を含む紙送り装置によって記録媒体を移送し、印字する。シアン、イエロー、マジェンタ及びブラックのインク607がバルブ604を介してインクタンク605よりインクジェットヘッドに供給される。なお、インクの種類は任意であり、目的、用途によってインクの色の種類、色の数を選択する。
【0037】
図7に戻って説明すると、バルブ室2Aおよび液体(インク)供給路3Aはすべてのバルブ内蔵型ノズルに対して共通しており、インク供給路3Aには単一の加圧部により加圧されたインクが供給され、インクは自己の持つ圧力により噴出する。すなわち、この構成のプリンター60では、これまでのインクジェットプリンターのように各ノズルに強制的に高い吐出エネルギーを与えるピエゾ素子などの装置を必要とせず、インク供給路3A側に一元的に圧力を加えることで、インクの吐出が可能となる。このことは、気泡(バブル)の運動量はノズルの開閉負荷を満たせば充分であることを意味し、従来のインクジェットプリンターと比較して短い印刷周期でインクを吐出させることを可能とする。
【0038】
また、これまでのインクジェットプリンターのように、隣同士のノズルから吐出させる場合、クロストーク即ち、お互いに圧力の影響を与えあって、単独に吐出させた場合と違った体積の液滴を違った速度で出すような現象が生じるのも解消できる。
【0039】
図8は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル1eでは、ケーシング10の周囲の側壁に導入口12を形成したことと、開口13の先端に交換可能に第2の開口13bを持つ交換用開口部13Dを取り付けた点において図1(a),(b),(c)に示したものと相違している。なお、電磁石14が多段に配置されてリニアモータの形式となっているが、その作動が図1(a),(b),(c)に示したもの同じであることは、図4の形態を説明するときに述べたとおりである。この形態では、交換可能な交換用開口部13Dとして、第2の開口13bの口径の異なるもの、実質長さの異なるものなど多数を用意することにより、種々の体積の液滴を容易に調整することができる。もちろん、バルブの動きもそれに順する動きするように信号により操作される。
【0040】
上記したようなバルブ内蔵型ノズルにおいて、図1(a),(b),(c)の形態で示したように、図8の場合も開口13での液体表面の形状6はメニスカス面を常に形成するのが望ましい。その理由は、もし開口に凸の形状の面が形成されると液漏れ吐出の不安定性をもたらす原因になるからである。液漏れは開口周辺を汚すだけではなく、この汚れが液体吐出時の方向および吐出形態を変形させる。
【0041】
図8はそのための対策を講じたバルブ内蔵型ノズル1fを示す。この形態では、バルブ室10の開口13および第2の開口13bの部分の圧力を負圧P0にするために、開口13に通じる圧力調整通路60を設けている。この通路は途中に配置した開度調節可能なブレーキ弁61を介して適宜の負圧発生源に連通しており、バルブが閉じたとき開口部内の圧力はP0になり、液面6はその圧力によりメニスカス面6を形成する。バルブが開いたときに圧力部の圧力(バルブ室内の圧力)が伝わり圧力調整通路60に流れが生じるが、ブレーキ弁61を通過するとき、粘性により抵抗が生じ開口部内は圧力Pになり液滴が吐出される。なお、図示の例ではバルブ内蔵型ノズルとして図8に示したものを用いているが、これは単なる例示であって、ノズル本体は上記したいずれのものを使用することもできる。
【0042】
図9は図8に示した形態のバルブ内蔵型ノズル1fを用いた分注装置の一例を示している。液体供給部としての試薬槽Aと圧力部としてのシリンジBとが管路71で繋がっており、シリンジBの吐出側と本発明によるバルブ内蔵型ノズル1fの導入口12とが管路72で繋がっており、圧力調整通路60が管路73により試薬槽Aに繋がっている。
【0043】
ノズル装置1fはX−Yアクチュエータ75により、マイクロタイタープレート74などの試料容器の適切な位置に移動される。図9ではノズル装置はこれを駆動する手段は示されていないが、適切な装置により支持されていることは当然である。この例において、位置エネルギーの差により、圧力調整通路60の圧力は負圧P0に維持される。しかし、負圧P0を生じさせる手段はこれに限らす任意の手段であってよい。また、圧力部もシリンジBに限ることはない。
【0044】
図8に示すバルブ内蔵型ノズルについては、バルブ内蔵型ノズル1fは圧力部の圧力Pと大気圧あるいは開口部の負圧P0との差が大きい場合に、バルブ室12側にも圧力調整通路60Aを設け、その圧力P1を加圧部の圧力Pと開口部の負圧P0の間に設定することで、液漏れを防ぎまた開口液体表面6を安定させ、再現性ある液滴の吐出を実現することができる。
【0045】
上記に示した例では、圧力部の圧力Pは定圧として説明したが、図10が示すような時間と共に変化する圧力Pを圧力部で生成するようにしてもよい。ここで原点は大気圧の圧力で、各脈動の時点でバルブの開閉を示した。このような時点でバルブを開閉することにより、定圧の場合よりバルブに開閉に掛かる負荷を軽減しかつ安定的な液滴を得ることが可能になる。
【0046】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、液滴体積の誤差を小さく抑えることができ、さらに、広範囲な粘性、表面張力を持つ液体、または非ニュートン液体(圧力により体積が変化する液体)であっても、確実に液滴として吐出させることのできるノズルと、該ノズルを備えたノズル装置が得られる。それにより、微少液体の吐出ノズルに要求される基本的条件、1)吐出方向が一定であること、2)吐出液体は1個の液滴をなしかつ再現性が保証されること、は共に満足される。例えば、1〜500mPa・secの粘性と5〜75mN/mの表面張力を持つ液体を用いて、5picoL〜500μLの液滴を安定的に生成することが可能になる。
【0047】
以下に本発明の範囲の包含される具体的な実施態様を示す。下記に実施態様は請求項との関連において成立するものである。
【0048】
(1)請求項のいずれかにおいて、上記バルブ駆動機構は、バルブを磁力により移動させる機構を備えるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0049】
(2)請求項のいずれかにおいて、上記バルブ駆動機構は、トンネルモータであるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0050】
(3)請求項のいずれかにおいて、上記開口部および/または導入部とバルブの形状が共に実質的に軸対称であり、かつ、その中心線を同一軸線上に位置させており、バルブの中心線方向の移動により開口部および/または導入部を開閉するバルブ内蔵型ノズル装置。
【0051】
(4)請求項のいずれかにおいて、上記バルブはスライド弁であるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0052】
(5)請求項のいずれかにおいて、単一のバルブが導入部に対してはスライド弁として機能し、開口部に対してはバルブの中心線方向の移動により開閉するように機能するバルブ内蔵型ノズル装置。
【0053】
(6)請求項のいずれかにおいて、上記開口部は交換可能な形状とされているバルブ内蔵型ノズル装置。
【0054】
(7)請求項のいずれかにおいて、バルブ閉鎖時に開口部内の圧力を所定の圧力に維持する機構をさらに備えるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0055】
(8)請求項のいずれかにおいて、バルブ室内を所定の圧力に維持する機構をさらに備えるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0056】
(9)該バルブ内蔵型ノズルの開口部を所定圧力に維持する機構に接続する所定圧力発生源をさらに備える、請求項のいずれかに記載のバルブ内蔵型ノズル装置。
【0057】
(10)該バルブ内蔵型ノズルのバルブ室内を所定圧力に維持する機構に接続する所定圧力発生源をさらに備える、請求項のいずれかに記載のバルブ内蔵型ノズル装置。
【0058】
(11)請求項のいずれかにおいて、該圧力部が発生する圧力が、定圧、脈動する圧力または時間に対し変化する圧力のいずれかであるバルブ内蔵型ノズル装置。
【0059】
【発明の効果】
本発明により、吐出液体の形状を乱すことなく、幅広い物性を持つ液体の安定的な液滴を吐出させることを可能にするノズル及びノズル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本発明によるバルブ内蔵型ノズルの第1の実施形態を示す垂直方向の断面図、図1(b)は図1(a)のb−b線による水平方向の断面図、図1(c)は図1(a)に示すバルブ内蔵型ノズルを一部除去した状態で示す斜視図。
【図2】図2(a)は時間に対するバルブの変位を示すグラフ、図2(b)は時間に対する開口部の圧力を示すグラフ。
【図3】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの他の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図4】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの別の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図5】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの更に他の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図6】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの更に別の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図7】図6に示した形態のバルブ内蔵型ノズルを多数用いたラインプリンターのプリンターヘッドの構造を示す図6のd−dに沿った平面断面図。
【図8】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの更に異なった実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図9】本発明による開口部に圧力維持機構を備えているバルブ内蔵型ノズルを用いた分注装置の構造を示す垂直方向の断面図。
【図10】時間に対する圧力部で形成する圧力変化とそのときのバブルの開閉時刻を説明するグラフ。
【図11】本発明によるノズル装置を用いたラインプリンターのインクジェットヘッドの平面断図。
【図12】本発明の他の実施例によるラインプリンターのインクジェットヘッドの平面断面図。
【図13】本発明によるノズル装置を用いたインクジェットプリンターの構成を示す概略線図。
【符号の説明】
1…バルブ内蔵型ノズル、2…バルブ室、6…液面、10…ケーシング、12…圧力部に繋がる液体導入口、13…開口、13D…交換可能開口部、14…バルブ駆動機構、17…バルブ、60、60A…圧力調整通路、61,61A…ブレーキ弁。
Claims (13)
- 液体導入口及び液体吐出口を有するバルブ室と、該バルブ室に内蔵されたバルブと、該バルブ室内に配置され該バルブを駆動する駆動機構とを備え、上記駆動機構は上記バルブ室内で動作するように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
- 請求項1において、該バルブの背面から常時加圧された液体によってバルブが該流路を閉じるように加圧するように構成されていることを特徴とする特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
- 請求項1において、上記駆動機構はリニアモーターであることを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
- 請求項1において、上記駆動機構は電磁石であることを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
- 流路内に配置されたバルブと、該バルブの背面から常時加圧された液体によって該バルブが該流路を閉じるように加圧する装置と、少なくとも該バルブの前面側に気泡を発生させる装置を備え、これにより該バルブを開き、上記液体を吐出させ、該気泡が上記バルブの背面からの液体によって圧縮される事によって該バルブを再び閉じて流路を閉じるように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
- 請求項4において、上記気泡を上記バルブの背面側にも発生させ、気泡は上記前面側と背面側に交互に発生させてバルブを開閉するように構成したことを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
- 上記バルブ装置はヒーターを備えており、上記バルブはヒーターにより液体が加熱されて生じる気泡により移動することを特徴とする請求項1記載のバルブ内蔵型ノズル装置。
- 加圧された液体の導入部と導入された液体を吐出する開口部とを備えたバルブ室と、該導入部および開口部のいずれか一方または双方を開閉するバルブと、バルブ駆動機構を備え、上記バルブは該バルブ駆動機構と共に上記バルブ室に収容され、該バルブ駆動機構は該バルブ室内で動作することを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
- 請求項1のバルブ内蔵型ノズルと、該バルブ内蔵型ノズルに液体を供給する液体供給部と、該供給される液体に吐出圧力を与える圧力部とを備える液体取り扱い装置。
- 請求項1のバルブ内蔵型ノズル装置を複数個備えた事を特徴とするインクジェットヘッド。
- 流路内に配置されたバルブと、該バルブの背面から加圧された液体によって該バルブが該流路を常時閉じるように加圧する装置と、少なくとも該バルブの前面側に気泡を発生させる装置とを備え、これにより上記流路を開き、該気泡が上記バルブの背面からの液圧によって圧縮される事によって該バルブを再び閉じて上記流路を閉じるように構成されたバルブ内蔵型ノズルを複数個備えたことを特徴とするプリンターヘッド。
- 請求項10記載のプリンターヘッドと、該プリンターヘッドを制御するコントロールユニットと、記録媒体を該プリンターヘッドに対して相対的に移動する装置を備えたことを特徴とするプリンター。
- 請求項7記載のバルブ内蔵型ノズル装置と、該ノズル装置に所定量の液体試料を供給する装置と、該バルブ内蔵型ノズルから吐出された試料を受け取る試料容器を備えたことを特徴とする分注装置。
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