JP2008055916A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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。
【選択図】図１

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。

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。

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。
特開平５−７７４２２号公報 特開平５−１９３１４１号公報 特開平１１−３３４０６９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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す図である。 図１の形態の液体吐出ヘッドの第１の変形例を示す図である。 図１の形態の液体吐出ヘッドの第２の変形例を示す図である。 図１の形態の液体吐出ヘッドの第３の変形例を示す図である。

符号の説明

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

Claims (7)

1. 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液体吐出ヘッド。
2. 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、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 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、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記絞り部の開口領域は複数の細孔で形成されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記エネルギー発生素子は発熱素子である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記液体は、インクジェット記録に用いられる記録用液体である、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記液体は、肺吸入に用いられる薬剤である、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

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