JP2006116972A - Head spraying liquid medicine for lung inhalation, spraying apparatus equipped with the head and spraying method for the liquid medicine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェット記録分野において記録用のインクを吐出するのに使用されるインクジェットヘッドや、医療分野において液状薬剤を霧状として肺吸入させる際に使用される吸入装置などに好適に用いられる、液体を微小な液滴として吐出する液体吐出ヘッドに関する。 The present invention is suitably used for an inkjet head used for ejecting ink for recording in the inkjet recording field, an inhaler used for inhaling a liquid drug in the form of a mist in the medical field, The present invention relates to a liquid discharge head that discharges liquid as fine droplets.
従来、液体を微小液滴として吐出する液体吐出ヘッドは、インクジェット記録分野におけるインクジェットヘッドとして広く用いられている。インクジェットヘッドには、単に液滴を吐出するだけでなく、液滴の吐出方向の安定性も要求されており、従来のインクジェットヘッドにおいては、この要求を達成するための種々の提案がなされている。 Conventionally, liquid discharge heads that discharge liquid as fine droplets have been widely used as inkjet heads in the field of inkjet recording. Ink-jet heads are required not only to eject droplets but also to have stability in the direction of droplet ejection. In conventional ink-jet heads, various proposals have been made to achieve this requirement. .
例えば、特許文献1には、インクを吐出する吐出口の周りに凹部を形成し、これにより隣接する吐出口間でのインクの接触を防止し、安定してインクを飛翔させるインクジェットヘッドが開示されている。また、特許文献2、特許文献3には、吐出口の周りに凹部を形成した吐出口形成部材を有し、凹部の内側に親インク処理を施すとともに、吐出口形成部材の凹部を除く表面に撥インク処理を施し、凹部内にメニスカスを形成させた状態でインクを吐出することにより安定して液滴を吐出し、記録品位を向上させたインクジェットヘッドが開示されている。
インクジェットヘッドの記録品位に対する要求は更に高まっており、近年では特に、記録媒体に付着したインクの粒状感を目立たなくするために、吐出する液滴の微小化が求められている。しかしながら、上述した従来のインクジェットヘッドは、必ずしも液滴の微小化を達成し得る構成とはなっていなかった。そして、液滴の体積がサブピコリットルオーダー以下にまで微小化を達成することができれば、インクジェット記録分野だけでなく、他の分野への応用も考えられる。 The demand for the recording quality of the ink jet head is further increased. In recent years, in particular, in order to make the granularity of the ink adhering to the recording medium inconspicuous, miniaturization of ejected droplets is required. However, the above-described conventional inkjet head has not necessarily been configured to achieve droplet miniaturization. If the droplet volume can be reduced to sub picoliter order or less, it can be applied not only to the ink jet recording field but also to other fields.
本発明の目的は、例えばサブピコリットルオーダー以下といった極めて微小な液滴を吐出する液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a liquid ejection head that ejects extremely small droplets, for example, in the sub-picoliter order or less.
上記目的を達成するために本発明は、液流路と、前記液流路の壁の一部を構成し、液体を滴として吐出するための吐出口が開口した吐出口形成部材と、前記液流路の壁の前記吐出口と対向する位置に設けられ、前記液体に与える吐出用エネルギーを発生させるエネルギー発生素子とを有し、前記吐出口には、前記吐出口形成部材の前記吐出口が開口した面に対して凹となる位置に絞り部が設けられ、前記液体は、前記絞り部が前記液体中に位置するように前記吐出口内でメニスカスを形成して保持され、かつ、前記絞り部の厚さをc、前記液流路の前記吐出口と前記エネルギー発生素子との対向方向での高さをeとしたとき、c≦eなる関係を満たすことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a liquid flow path, a discharge port forming member having a part of a wall of the liquid flow path and having a discharge port for discharging liquid as droplets, and the liquid An energy generating element that is provided at a position facing the discharge port on the wall of the flow path and generates discharge energy to be given to the liquid, and the discharge port of the discharge port forming member is provided in the discharge port. A throttle portion is provided at a position that is concave with respect to the opened surface, and the liquid is held in a form of a meniscus in the discharge port so that the throttle portion is located in the liquid, and the throttle portion Where c ≦ e and the height of the liquid flow channel in the facing direction between the discharge port and the energy generating element is e, the relationship c ≦ e is satisfied.
前記絞り部は、前記吐出口形成部材の厚み方向での中間位置に設けられていることが好ましい。 It is preferable that the narrowed portion is provided at an intermediate position in the thickness direction of the discharge port forming member.
また、前記絞り部の開口領域の開口径が、前記液体の吐出方向に関して変化していることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the opening diameter of the opening area of the throttle portion is changed with respect to the liquid ejection direction.
さらに、前記絞り部の開口領域は複数の細孔で形成されていることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the opening area of the throttle portion is formed by a plurality of pores.
前記エネルギー発生素子として、発熱素子を用いることが好ましい。 A heating element is preferably used as the energy generating element.
前記液体としては、インクジェット記録に用いられる記録用液体、または、肺吸入に用いられる薬剤が適用できる。 As the liquid, a recording liquid used for ink jet recording or a medicine used for lung inhalation can be applied.
上記のような液体吐出ヘッドでは、吐出開始前は、吐出口形成部材の吐出口においてメニスカスが形成され、絞り部の細孔が液中に位置する状態である。そして、液吐出のためにエネルギー発生素子を駆動すると、液体は少なくとも吐出口側に移動する。 In the liquid discharge head as described above, before the start of discharge, a meniscus is formed at the discharge port of the discharge port forming member, and the pores of the throttle portion are located in the liquid. When the energy generating element is driven for discharging the liquid, the liquid moves at least to the discharge port side.
このとき、液体は吐出口側への移動に際して、絞り部の細孔を通過する。その結果、細孔の通過後の液体の移動速度がその通過前より格段と速くなり、さらに、吐出口を開口する凹部内の液体の移動において、細孔に対応する流速が相対的に速くなる。 At this time, the liquid passes through the pores of the throttle portion when moving toward the discharge port. As a result, the movement speed of the liquid after passing through the pores is much faster than before the passage, and the flow velocity corresponding to the pores is relatively faster in moving the liquid in the recess opening the discharge port. .
したがって、吐出口におけるメニスカスの、細孔に相対する中央部が盛り上がって、液滴が吐出される。すなわち、吐出口を開口する凹部内の液体の全体的な吐出にならないので、極微小の液滴を吐出することが可能である。 Accordingly, the central portion of the meniscus at the discharge port, which is opposed to the pores, rises and droplets are discharged. That is, since the entire liquid in the recess opening the discharge port is not discharged, it is possible to discharge a very small droplet.
また、細孔が液中にあるように吐出口を開口する凹部内に液体が溜まっているため、細孔内の液体が乾燥によって目詰まりを起こすことがなく、吐出開始から良好な液滴を吐出することができる。 In addition, since the liquid has accumulated in the recess that opens the discharge port so that the pores are in the liquid, the liquid in the pores will not clog due to drying, and good liquid droplets will be discharged from the start of discharge. It can be discharged.
以上説明したように、本発明によれば、液流路と、該液流路の壁の一部を構成し、液体を滴として吐出するための吐出口が開口した吐出口形成部材と、前記液流路の壁の前記吐出口と対向する位置に設けられ、前記液体に与える吐出用エネルギーを発生させるエネルギー発生素子とを有し、前記吐出口において、前記吐出口形成部材の前記吐出口が開口した面に対して凹となる位置に絞り部を設け、前記絞り部の細孔が前記液体中に位置するように前記吐出口内で前記液体のメニスカスを形成したことにより、吐出口におけるメニスカスの、細孔に相対する中央部が盛り上がって、液滴が吐出されるので、吐出口を開口する凹部内の液体の全体的な吐出に至らず、極微小の液滴を吐出することが可能である。 As described above, according to the present invention, the liquid flow path, the discharge port forming member that forms a part of the wall of the liquid flow path and has a discharge port for discharging the liquid as droplets, An energy generating element that is provided at a position facing the discharge port on the wall of the liquid flow path and generates discharge energy to be given to the liquid, wherein the discharge port of the discharge port forming member is A constriction is provided at a position that is concave with respect to the opened surface, and the meniscus of the liquid is formed in the discharge port so that the pores of the constriction are located in the liquid. Since the central part facing the pores rises and droplets are ejected, it is possible to eject extremely small droplets without leading to the overall ejection of the liquid in the recess opening the ejection port. is there.
また、吐出口を開口する凹部内でメニスカスを形成し、細孔が液中に位置するヘッドであるため、細孔内の液体が乾燥によって目詰まりを起こすことがなく、吐出開始から良好な液滴を吐出することができる。 In addition, since the meniscus is formed in the recess opening the discharge port and the pores are located in the liquid, the liquid in the pores does not clog due to drying, and a good liquid from the start of discharge. Drops can be ejected.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一つの実施の形態の液体吐出ヘッドを示し、(a)は平面図、(b)はX−X線断面図である。 1A and 1B show a liquid discharge head according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XX.
図1に示す形態の液体吐出ヘッドでは、液体を吐出するためのエネルギー発生素子であるヒータ1が基板2上に設けられている。ヒータ1は液流路3に対応して配置されている。図1では、ヒータ1および液流路3は1つしか示していないが、実際には、1枚の基板2上に複数のヒータ1が配列されており、ヒータ1ごとに液流路3が配置されている。なお、エネルギー発生素子はヒータのような電気熱変換素子に限らず、ピエゾ素子のような振動エネルギー発生素子であってもよい。
In the liquid discharge head shown in FIG. 1, a
液流路3は、液体を滴として吐出するための吐出口4が開口した吐出口プレート5と、基板2と、吐出口プレート5と基板2の間の間隔を規定する間隔規定部材6とにより囲まれて構成されている。
The
吐出口4には、吐出口プレート5の吐出口4が開口した面である吐出口面5aに対して凹となる位置に、絞り部7、すなわち吐出口4の横断面積を他の部分と比較して急激に絞り込んだ部分が設けられている。また、吐出される液体は、吐出口4内において、吐出口面5aと絞り部7との間でメニスカス8を形成して保持される。したがって、絞り部7は、液流路3から、吐出口プレート5の吐出口面5aまでの経路における液中に位置している。
The
ここで、図1に示す液体吐出ヘッドの具体的な寸法を挙げる。 Here, specific dimensions of the liquid discharge head shown in FIG.
ヒータ1は10μm四方の正方形とし、吐出口面5aにおける吐出口4の開口径aは10μm、絞り部7での開口領域である細孔7aの孔径bは3μm、絞り部7の厚さcは1μmとした。さらに、絞り部7の上面から、吐出口プレート5の吐出口面5aまでの高さdは4μm、液流路3の高さe(間隔規定部材の高さ)は5μm、吐出口プレート5の厚さfは5μmとした。
The
また、液体吐出ヘッドは、絞り部7の厚さcと、液流路3の高さeとの間に、c≦e となる関係を有している。図1に示す液体吐出ヘッドの場合、前述のように、c=1μm、e=5μm であり、c≦e となる関係を満足することが分かる。
The liquid discharge head has a relationship of c ≦ e between the thickness c of the
次に、このような形態の液体吐出ヘッドの吐出動作を説明する。図2は図1の形態のヘッドを駆動させたときの液体吐出の様子を示している。 Next, the discharge operation of the liquid discharge head having such a configuration will be described. FIG. 2 shows a state of liquid ejection when the head of the form shown in FIG. 1 is driven.
吐出開始前は図1に示したように、吐出口プレート5の吐出口4においてメニスカス8が形成され、絞り部7の細孔7aが液中に位置する状態である。そして、液吐出のためにヒータ1に電圧を印加すると、図2(a)に示すようにヒータ1が発熱し、ヒータ1表面と接する液流路3の液体が加熱され、その液体に膜沸騰に伴う気泡が発生する。
Before starting the discharge, as shown in FIG. 1, a
膜沸騰に伴う気泡が発生すると、その気泡の体積は急峻に成長するため、液体は下流側(吐出口4側)及び上流側(液体供給側)に移動する。
When bubbles are generated due to film boiling, the volume of the bubbles grows sharply, so that the liquid moves downstream (
このとき、液体は吐出口4側への移動に際して、絞り部7の細孔7aを通過する。その結果、細孔7aの通過後の液体の移動速度がその通過前より格段と速くなり、さらに、吐出口4を開口する凹部内の液体の移動において、細孔7aに対応する流速が相対的に速くなる。
At this time, the liquid passes through the
したがって、図2(b)〜(d)に示すように、吐出口4におけるメニスカス8の、細孔7aに相対する中央部が盛り上がって、液滴10が吐出される。すなわち、吐出口4を開口する凹部内の液体の全体的な吐出にならないので、極微小の液滴(0.014pl)を吐出することが可能である。
Therefore, as shown in FIGS. 2B to 2D, the central portion of the
また、細孔7aが液中に位置するように吐出口4を開口する凹部内に液体が溜まっているため、細孔7a内の液体が乾燥によって目詰まりを起こすことがなく、吐出開始から良好な液滴を吐出することができる。
In addition, since the liquid is accumulated in the recess that opens the
図3に、図1に示す液体吐出ヘッドの第1の変形例を示す。この図に示す例では、絞り部7によって形成される細孔7aの孔径が液流路3側から吐出口面5a側に向けてテーパ状に細くなっている点が、図1に示したものと異なっている。このように、絞り部7をテーパ状としても、上記 c≦e となる関係を満たしていれば、図1に示した液体吐出ヘッドと同様の効果が得られる。なお、図3に示した例では、孔径が液流路3側から吐出口面5a側に向けて細くなる細孔7aを示したが、絞り部7の細孔7aの孔径が吐出口面5a側から液流路3側に向けて細くなるものや、絞り部7の細孔7aの孔径が液流路3側から吐出口面5a側に向けて一度細くなり再び拡大するものであってもよい。また、絞り部7の細孔7aにおいて角がとれていてもよい。さらに言えば、絞り部7の細孔7aの孔径が、液体の吐出方向に関して変化していれば、細孔7aの形状は任意である。
FIG. 3 shows a first modification of the liquid discharge head shown in FIG. In the example shown in this figure, the diameter of the
図4に、図1に示す液体吐出ヘッドの第2の変形例を示す。この図に示す例では、絞り部7の位置が、吐出口プレート5の吐出口4が開口した面と、液流路3の高さを規定する間隔規定部材6の上面との間に設定されている点が、図1に示したものと異なっている。このように、吐出口4内における絞り部7の位置を、吐出口面5aに対して凹となる範囲で変更しても、上記 c≦e となる関係を満たしていれば、図1に示した液体吐出ヘッドと同様の効果が得られる。
FIG. 4 shows a second modification of the liquid ejection head shown in FIG. In the example shown in this figure, the position of the
図5に、図1に示す液体吐出ヘッドの第3の変形例を示す。この図に示す例では、絞り部7によって形成される細孔7aが一つのヒータ1に対応して複数設けられている。このように、吐出口4に複数の細孔7aを設けることで、上述した効果に加え、1つの吐出口4から複数の液滴を同時に吐出することができる。
FIG. 5 shows a third modification of the liquid discharge head shown in FIG. In the example shown in this figure, a plurality of
なお、以上説明した第1〜第3の変形例は、単独で適用することは勿論のこと、適宜組み合わせて本発明の液体吐出ヘッドに適用することも可能である。 The first to third modified examples described above can be applied to the liquid discharge head of the present invention in an appropriate combination as well as being applied alone.
本発明の液体吐出ヘッドは、微小な液滴を吐出(噴霧も含む)するための装置に好適に用いることができる。その具体的な例としては、例えば、インクジェット記録分野におけるインクジェット記録ヘッドや、医療分野における薬剤吸入用のヘッドが上げられる。 The liquid discharge head of the present invention can be suitably used for an apparatus for discharging (including spraying) minute droplets. Specific examples thereof include an ink jet recording head in the ink jet recording field and a medicine inhaling head in the medical field.
本発明の液体吐出ヘッドをインクジェット記録ヘッドとして用いる場合は、吐出口を1列または複数列に配列して構成し、吐出する液体としては、インクや、記録シートへのインクの滲みを防止するためにインクに先立って記録シートへ付着させる表面処理液などの記録用液体が用いられる。吐出口の配列方向および配列長さを適宜設定することで、シリアルタイプのインクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドとすることもできるし、ラインタイプのインクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドとすることもできる。また、シリアルタイプのインクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドとする場合、液体吐出ヘッドと、これに供給する記録用液体を収容するタンクとを一体または分離可能に保持するカートリッジ形態とすることもできる。 When the liquid discharge head of the present invention is used as an ink jet recording head, the discharge ports are arranged in one or a plurality of rows, and the discharged liquid is used to prevent ink or ink bleeding on the recording sheet. In addition, a recording liquid such as a surface treatment liquid that adheres to the recording sheet prior to the ink is used. By appropriately setting the arrangement direction and the arrangement length of the discharge ports, it can be used as an ink jet recording head used in a serial type ink jet recording apparatus, or an ink jet recording head used in a line type ink jet recording apparatus. You can also. Further, in the case of an ink jet recording head used in a serial type ink jet recording apparatus, it is possible to adopt a cartridge form in which a liquid discharge head and a tank for storing a recording liquid supplied to the head are integrated or separable. .
また、本発明の液体吐出ヘッドを薬剤吸入用のヘッドとして用いる場合は、液体吐出ヘッドを薬剤のディスペンサと連結した構成とし、吐出する液体としては、インスリン、人成長ホルモン、性腺刺激ホルモンなどの蛋白製剤、ニコチン、または麻酔薬などが用いられる。 When the liquid ejection head of the present invention is used as a medicine inhalation head, the liquid ejection head is connected to a medicine dispenser, and the liquid to be ejected includes proteins such as insulin, human growth hormone, and gonadotropin. Formulations, nicotine, or anesthetics are used.
1 ヒータ
2 基板
3 液流路
4 吐出口
5 吐出口プレート
6 間隔規定部材
7 絞り部
7a 細孔
8 メニスカス
9 気泡
10 液滴
a: 吐出口プレートの吐出口の開口径
b: 絞り部によって形成される細孔の孔径
c: 絞り部の厚さ
d: 絞り部の上面から、吐出口プレートの吐出口が開口した面までの高さ
e: 液流路の高さ(間隔規定部材の高さ)
f: 吐出口プレートの厚さ
DESCRIPTION OF
f: Thickness of discharge port plate
Claims (7)
前記液流路の壁の一部を構成し、液体を滴として吐出するための吐出口が開口した吐出口形成部材と、
前記液流路の壁の前記吐出口と対向する位置に設けられ、前記液体に与える吐出用エネルギーを発生させるエネルギー発生素子とを有し、
前記吐出口には、前記吐出口形成部材の前記吐出口が開口した面に対して凹となる位置に絞り部が設けられ、
前記液体は、前記絞り部が前記液体中に位置するように前記吐出口内でメニスカスを形成して保持され、かつ、
前記絞り部の厚さをc、前記液流路の前記吐出口と前記エネルギー発生素子との対向方向での高さをeとしたとき、
c≦eなる関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。 A liquid flow path;
A part of the wall of the liquid flow path, and a discharge port forming member having a discharge port for discharging liquid as droplets;
An energy generating element that is provided at a position facing the discharge port of the wall of the liquid flow path and generates discharge energy to be given to the liquid;
The discharge port is provided with a throttle portion at a position that is concave with respect to the surface of the discharge port forming member on which the discharge port is opened.
The liquid is held by forming a meniscus in the discharge port so that the throttle portion is located in the liquid, and
When the thickness of the throttle part is c, and the height of the liquid channel in the facing direction of the discharge port and the energy generating element is e,
A liquid discharge head satisfying a relationship of c ≦ e.
The liquid discharge head according to claim 1, wherein the liquid is a medicine used for lung inhalation.
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