JP2008000898A - 液状体吐出ヘッドおよび液状体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性に優れた液状体吐出ヘッド、および液状体吐出装置を提供すること。
【解決手段】液状体導入部材４０とケース３０とは、フランジ部４３とフランジ取付部３２との重なり領域である接合部５２において溶融樹脂５１を介して接合されている。接合部５２において、フランジ部４３の下面には突起４４が形成されている。接合部５２において、フランジ部４３の下面には突起４４に隣接するように凹部４５が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェット式記録装置、ディスプレイ製造装置、電極形成装置、バイオチップ製造装置などの液状体吐出装置、および、液状体吐出装置に搭載される液状体吐出ヘッドに関する。

近年、液状体を吐出する微小なノズルを有する液状体吐出ヘッドが、印刷や工業用途に広く利用されるようになってきている。例えば、特許文献１に掲げる液状体吐出ヘッドは、外部からインク（液状体）の供給を受けるための樹脂製のインク供給針（液状体導入部材）を備えており、このインク供給針は、超音波溶着（融着）によってケース（基体）に接合されている。

特開２０００−２１１１３０号公報

ところで、特に工業用途に用いる液状体吐出ヘッドにおいては、多様な物性の液状体に対応するため、化学的安定性に優れた材料を用いて液状体導入部材やケースを形成する必要がある。この要件を満たす材料としては結晶性樹脂が有力であるが、この材料は一般的に溶融温度が高く、これを液状体導入部材およびケースに採用した場合には溶着が困難となる。このため、接合部における溶着性（接合強度やシール性）に関して、十分な信頼性を得ることができないという課題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、信頼性に優れた液状体吐出ヘッドおよび液状体吐出装置を提供することを目的としている。

本発明の液状体吐出ヘッドは、液状体の供給流路が形成された基体と、前記供給流路に前記液状体を導入するための液状体導入部材であって、前記基体と溶着により接合されている液状体導入部材と、前記液状体導入部材と前記基体との接合部において、前記液状体導入部材ないし前記基体に形成されている突起と、前記接合部において、前記液状体導入部材ないし前記基体に形成されている凹部と、を備えることを特徴とする。

この発明の液状体吐出ヘッドによれば、液状体導入部材と基体との接合部に突起および凹部が形成されているので、両部材を接合する際に、突起の形成箇所において両部材（液状体導入部材と基体）を小面積で当接させると共に、凹部の形成箇所において両部材の接触を確実に回避することができる。かくして、超音波溶着により、超音波振動のエネルギーを突起の周りに好適に集中させて液状体導入部材と基体とを好適に溶着することができるため、この発明の液状体吐出ヘッドは、接合部における溶着性に関して優れた信頼性を有している。

また好ましくは、前記液状体吐出ヘッドは、前記接合部において、前記凹部と前記突起との間に当該突起からの溶融部材のはみ出しのための領域を備えることを特徴とする。

上記凹部は、超音波振動のエネルギーの分散を回避する役割を果たす反面、突起からの溶融部材を逃がしてしまう箇所ともなり得るため、凹部を突起に過度に近接させてしまうと溶着しろを低下させてしまうことになる。この発明の液状体吐出ヘッドによれば、突起と凹部との間に溶融部材のはみ出しのための領域が設けられているので、上述のような課題を回避することができる。

また好ましくは、前記液状体吐出ヘッドにおいて、前記凹部の内面が曲面とされていることを特徴とする。
この発明の液状体吐出ヘッドによれば、凹部の内面における応力集中を抑えることができるので、製造時、とりわけ超音波溶着時における液状体導入部材の破壊を好適に回避することができる。

また好ましくは、前記液状体導入部材の一端において前記基体と接合されているフランジ部と、前記基体において前記フランジ部の外周を規定するガイド部と、を備える前記液状体吐出ヘッドにおいて、前記凹部は、前記突起に対して、前記フランジ部の内側の領域に形成されていることを特徴とする。
この発明の液状体吐出ヘッドによれば、突起からフランジ部の外周面へと向かう溶融部材のはみ出しが凹部によって阻害されることがないので、フランジ部の外周面とガイド部との間において、当該溶融部材を介して良好な溶着を行うことができる。

また好ましくは、前記液状体吐出ヘッドにおいて、前記液状体導入部材および前記基体が、結晶性樹脂で形成されていることを特徴とする。
この発明の液状体ヘッドは、結晶性樹脂の優れた化学的安定性によって多様な液状体に対応できると共に、接合部の溶着性に関して優れた信頼性を有している。

本発明は、前記液状体吐出ヘッドを搭載することを特徴とする。
この発明の液状体吐出装置は、上記液状体吐出ヘッドを搭載しているので、接合部の溶着性に関して優れた信頼性を有している。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参照する図では、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺を実際のものとは異なるように表す場合がある。

（液状体吐出装置の全体構成について）
まずは、図１を参照して液状体吐出装置の構成について説明する。
図１は、液状体吐出装置の全体構成を示す図である。

図１において、液状体吐出装置１００は、基板１０１を載置するためのステージ１０２と、基板１０１に対向するキャリッジ１０３と、キャリッジ１０３に液状体を供給する液状体供給機構１０６と、吐出制御回路１０７とを備えている。ステージ１０２は、主走査機構１０４によりキャリッジ１０３に対して図の左右方向に往復動（主走査）され、また、キャリッジ１０３は、副走査機構１０５により主走査に直交する方向に移動（副走査）される。主走査機構１０４、副走査機構１０５、吐出制御回路１０７は、制御コンピュータ１０８により統括制御される。

液状体供給機構１０６は、例えば、複数種の液状体を収容する容器と、容器から液状体を移送する移送管と、液状体の供給圧を一定の下に制御する圧力制御ユニットを備えている。使用される液状体としては、水や有機溶媒等の液体、およびこれらの溶液のほか、液体中に固体微粒子を分散させたものなどを採用することもできる。

キャリッジ１０３は、複数の液状体吐出ヘッド１０（図２参照）を備えており、吐出制御回路１０７からの電気信号を受けて、ノズル２０（図２参照）から基板１０１に対して液状体を吐出する。詳しくは、後述する。

液状体吐出装置１００は、基板１０１の任意の位置に対してキャリッジ１０３から液状体を吐出することで、液状体を基板１０１上にパターン化して配置（描画）することができる。そして、配置した液状体を乾燥等により固化して、パターン化された様々な機能性膜を形成することができる。

（液状体吐出ヘッドの構成について）
次に、図２、図３を参照して液状体吐出ヘッドの構成について説明する。
図２は、液状体吐出ヘッドの全体構成を示す図である。図３は、液状体導入部材の周辺構造を示す断面図である。

液状体吐出ヘッド１０は、液状体供給機構１０６（図１参照）から液状体を導入するケースアセンブリ１４と、液状体を吐出する吐出アセンブリ１５と、吐出制御回路１０７（図１参照）とフレキシブル配線基板１１０を介して電気的に接続される回路基板１６とを備えている。ケースアセンブリ１４は、内部に供給流路３３を有する基体としてのケース３０と、液状体供給機構１０６からの導出管１０９と結合する液状体導入部材４０とを備えている。

液状体導入部材４０は、尖端部４１に導入孔４２を、内部に導入流路４６を有する中空針状の部材であり、尖端部４１の反対側は裾を広げたフランジ部４３となっている。液状体導入部材４０は、フランジ部４３においてケース３０と超音波溶着により接合されている。

ケース３０は、フランジ部４３の外周における外周面４３ａを規定するガイド部３１と、ガイド部３１の内側においてフランジ部４３の下面を受けるフランジ取付部３２を備えている。導入孔４２を通じて導入された液状体は、導入流路４６、フィルタ５０、供給流路３３を通じて吐出アセンブリ１５に供給される。

フィルタ５０は、金属線をメッシュ状に編みこんでなる部材であり、供給流路３３の連通口の形成面に溶着されている。フィルタ５０は、導入流路４６から供給流路３３へと供給される液状体に含まれる異物等をトラップする役割を果たすものである。尚、導入流路４６および供給流路３３のフィルタ５０側が拡幅されているのは、フィルタ５０の有効面積を大きくして通過に係るインクの流動抵抗（損失水頭）を低減するための配慮である。

液状体導入部材４０およびケース３０には、化学的安定性に優れた結晶性樹脂、本実施形態では、ＰＰＳ（PolyPhenylene-Sulfide）が用いられている。これは、工業用途に用いられる様々な化学的性質の液状体によっても侵食されないようにするための配慮である。また、上述の結晶性樹脂にガラス素材などの別材料を混入させて用いることで、強度や化学的な耐性を補強することも可能である。

ＰＰＳ等の結晶性樹脂は、一般的に非結晶性の樹脂に比べて溶融温度が高く、成型時や溶着時の扱いが比較的困難である。このため本実施形態では、金型温度：１５０℃、樹脂温度：３００℃という比較的高温の下で液状体導入部材４０およびケース３０の成型を行っている。また、液状体導入部材４０とケース３０との溶着においては、後述するような工夫がなされている。

吐出アセンブリ１５は、一面に所定の配列で形成されたノズル２０と、ノズル２０の個々と連通するキャビティ２２と、対応する液状体種ごとにキャビティ２２に液状体を供給するリザーバ２３を備えている。キャビティ２２の天蓋部２４は可撓性膜２５により移動可能となっており、天蓋部２４と接合された圧電素子２６の駆動により、液状体がノズル２０から吐出される。尚、圧電素子２６の駆動制御は、フレキシブル配線基板１１０を介して伝送される電気信号により、ノズル２０ごとに行われる。

液状体導入部材４０とケース３０とは、フランジ部４３とフランジ取付部３２との重なり領域である接合部５２において溶融部材としての溶融樹脂５１を介して接合されており、この溶融樹脂５１は、導入流路４６と供給流路３３との接続部をシールする役割も果たしている。溶融樹脂５１は、後述する超音波溶着により、液状体導入部材４０およびケース３０の一部が溶融して形成されたものである。

接合部５２において、フランジ部４３の下面には突起４４（図３では、溶着により先端が潰された状態）が形成されている。突起４４は、フランジ部４３の外周面４３ａに沿ってループを描くように形成されており、溶着前においては仮想線で示すような断面三角形型の形状を有していたものである。

接合部５２において、フランジ部４３の下面には突起４４に隣接するように凹部４５が形成されている。凹部４５は、突起４４から適度に離間して、且つ、突起４４に沿ってループを描くように、断面Ｕ字型の溝状に形成されている。

（超音波溶着について）
次に、図４を参照して液状体導入部材とケースとの超音波溶着工程について説明する。
図４は、超音波溶着の過程の一例を示す接合部の拡大断面図である。

図４に示すように、超音波溶着は、フランジ部４３の下面の突起４４をフランジ取付部３２に当接させた状態で、フランジ部４３の上面から超音波振動を伝達するホーン５５を押し当てることで行われる。超音波振動のエネルギーは、フランジ取付部３２と当接する突起４４の周りにおいて摩擦熱と化し、突起４４の周りの樹脂が溶融して溶融樹脂５１が生成される。すなわち突起４４は、超音波溶着の際において、超音波振動のエネルギーを集中させる作用部としての役割を果たしている。

フランジ部４３の下面やフランジ取付部３２は、成型時の精度ばらつきによって必ずしも平滑とならない場合があり、例えば図示の例では、矢印Ａで示す箇所においてフランジ取付部３２の上面が大きく隆起している。このような場合であっても、凹部４５が形成されているために、矢印Ａで示す箇所でフランジ部４３とフランジ取付部３２とが接触して超音波振動のエネルギーが分散されることはない。すなわち凹部４５は、超音波溶着の際において超音波振動のエネルギーが突起４４以外の箇所に分散されるのを回避する役割を果たしており、かくして、比較的溶融のしにくいＰＰＳ樹脂を用いた本実施形態においても、液状体導入部材４０とケース３０とは突起４４の周りにおいて好適に溶着される。

溶融樹脂５１は突起４４の周りに広がることになるが、凹部４５が突起４４に近接しすぎている場合は、突起４４からはみ出した溶融樹脂５１が凹部４５に取り込まれてしまい、十分な溶着面積を確保することができなくなる。このため、突起４４と凹部４５との間には溶融樹脂５１のはみ出しのための領域４７が設けられており、このような弊害の回避が図られている。

突起４４はフランジ部４３の外周面４３ａに臨んでその内側の領域に形成されており、溶融樹脂５１はフランジ部４３の外周面４３ａまではみ出して、ガイド部３１との間で強固な溶着を実現する。またこの際において、凹部４５は突起４４の内側の領域に形成されているため、溶融樹脂５１の外周面４３ａへのはみ出しが凹部４５によって阻害されることはない。

図示のように、凹部４５の内面は曲面とされている。これは、ホーン５５がフランジ部４３の上面を押圧する際に凹部４５の内面に応力を集中させないようにするための配慮である。例えば、凹部４５内に角を設けると、その角に応力が集中して超音波溶着の際にフランジ部４３にクラックが生じることがあり、本実施形態ではこのような弊害の回避が図られているものである。

凹部４５は、フランジ取付部３２との接触を回避できればその役割を果たすことができるものであるため、過度に深くしないことが好ましい。凹部４５が深いと、はみ出してきた溶融樹脂５１を多く取り込んでしまい、溶着面積の減少によって溶着性を低下させてしまうことがあるからである。また、凹部４５が設けられている箇所のフランジ部４３の肉厚が薄くなってしまい、超音波溶着の際にフランジ部４３にクラックを生じさせる虞があるからである。尚、本実施形態では、突起４４の高さ（溶着前）が０．２ｍｍであるのに対して、凹部４５の深さを０．１４ｍｍとしている。

（変形例）
次に、図５を参照して、変形例について、先の実施形態との相違点を中心に説明する。
図５は、変形例に係る液状体導入部材の周辺構造を示す断面図である。

この変形例では、接合部５２において、凹部４８がフランジ取付部３２側に形成されていて、上述の実施形態と同様の役割を果たしている。この変形例のように、本発明に係る凹部はケース側に形成されていてもよい。また、突起に関しても、液状体導入部材側（フランジ部）に形成する代わりに、あるいは液状体導入部材側に形成すると共に、ケース側（フランジ取付部）に形成してもよい。

本発明は上述の実施形態に限定されない。
例えば、本発明に係る突起および凹部は、本発明の趣旨を違えない範囲で、液状体導入部材とケースとの接合部における様々な位置に、様々な形状で形成することができる。具体的な例を挙げれば、突起および凹部を、フランジ部の下面において離散的に形成してもよい。
また、実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略したり、図示しない他の構成と組み合わせたりすることができる。

液状体吐出装置の全体構成を示す図。 液状体吐出ヘッドの全体構成を示す図。 液状体導入部材の周辺構造を示す断面図。 超音波溶着の過程の一例を示す接合部の拡大断面図。 変形例に係る液状体導入部材の周辺構造を示す断面図。

符号の説明

１０…液状体吐出ヘッド、１４…ケースアセンブリ、３０…基体としてのケース、３１…ガイド部、３２…フランジ取付部、３３…供給流路、４０…液状体導入部材、４１…尖端部、４２…導入孔、４３…フランジ部、４３ａ…フランジ部の外周面、４４…突起、４５…凹部、４６…導入流路、４７…溶融樹脂のはみ出しのための領域、４８…凹部、５０…フィルタ、５１…溶融部材としての溶融樹脂、５２…接合部、５５…ホーン、１００…液状体吐出装置。

Claims (6)

1. 液状体の供給流路が形成された基体と、
   前記供給流路に前記液状体を導入するための液状体導入部材であって、前記基体と溶着により接合されている液状体導入部材と、
   前記液状体導入部材と前記基体との接合部において、前記液状体導入部材ないし前記基体に形成されている突起と、
   前記接合部において、前記液状体導入部材ないし前記基体に形成されている凹部と、を備える液状体吐出ヘッド。
2. 前記接合部において、前記凹部と前記突起との間に当該突起からの溶融部材のはみ出しのための領域を備えることを特徴とする請求項１に記載の液状体吐出ヘッド。
3. 前記凹部の内面が曲面とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の液状体吐出ヘッド。
4. 前記液状体導入部材の一端において前記基体と接合されているフランジ部と、前記基体において前記フランジ部の外周を規定するガイド部と、を備える請求項１ないし３のいずれか一項に記載の液状体吐出ヘッドであって、
   前記凹部は、前記突起に対して、前記フランジ部の内側の領域に形成されていることを特徴とする液状体吐出ヘッド。
5. 前記液状体導入部材および前記基体が、結晶性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の液状体吐出ヘッド。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の液状体吐出ヘッドを搭載する液状体吐出装置。
   

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