JP2010537802A - 液滴分裂装置 - Google Patents

Abstract

本発明は液滴分裂装置（１）に関し、液滴分裂装置は、加圧された印刷液（３）を含み、底板を有するむチャンバ（２）と、中心軸を有し、チャンバ内に設けられて印刷液を噴出するする少なくとも１つの流出路（４，４’）と、流出路から噴出した流体を液滴に分裂するアクチュエータとを備える。アクチュエータは、流出路の近傍で圧力パルスを発生するように形成された面変形部（７，７’）を有する回転部材（５）を備える。これにより、簡単な機構により複数の印刷ノズルが提供される。

Description

本発明は、当該分野においてドロップオンデマンド方式またはコンティニュアス印刷方式として知られた液滴分裂装置であって、種々のモードにおいてプリントノズルから液滴吐出するように構成されたものに関する。

これについて、コンティニュアスジェットプリント技術とは、予め設定された印刷処理のために選択的に利用される液滴を連続的に生成することを意味する。液滴の供給は連続的に行われる。これに対し、いわゆるドロップオンデマンド技術では、予め設定された印刷処理に応じて液滴が生成される。

例えば、米国特許明細書US５，９６９，７３３に開示された装置が知られている。この公報には、粘性流体を含む印刷材料を印刷するコンティニュアス型ジェットプリンタが開示されている。このプリンタで、粘性流体を印刷できる。吐出口から粘性流体が吐出される間、圧力制御機構は流出口に隣接した粘性流体の圧力を所定の規則に従って変化させる。このため、流出口から流出する流体ジェットに乱れが生じる。この乱れによってジェットが圧縮され、この圧縮によりジェットが微細な液滴となる。これにより、例えば液滴の寸法などの特性が均一な液滴を、連続的に射出することが可能となる。制御機構のアクチュエータとしては、ピエゾ素子によって作動する振動プランジャーピンが設けられる。この構成は比較的高価であり、複数のノズルを有するシステムに適用することが難しい。

１つの態様として、本発明は、構造が簡単で、容易に複数のノズルに適用することができ、現状のシステムの限界を克服することができる分裂装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によると、液滴分裂装置は、加圧された印刷液を含むチャンバと、チャンバ内に設けられ、印刷液を噴出する流出路と、流出路から噴出した流体を液滴に分裂するアクチュエータとを備え、アクチュエータは、流出路に対向するよう配置された底面を有する回転部材を備え、前記底面は、流出路の近傍で圧力パルスを発生するように形成された面変形部を備える。

本発明の別の態様によると、印刷用の液滴を噴出する方法は、印刷液を含むとともに、チャンバ内に流出路を備えるチャンバを提供し、流出路の近傍において液体に圧力パルスをかけ、流出路から噴出する流体を液滴に分裂し、圧力パルスは、回転によって誘起されるジェット乱れによって生成される。

回転部材によって、簡単で効果的にジェット乱れを生成することができ、複数のノズルを有するシステムにも容易に適用可能である。

さらに、高圧力によって、とくに高い粘性を有する流体、例えば処理時において３００・１０^−３Ｐａ・ｓの粘性を有する粘性流体も噴出することができる。とくに、予め設定した圧力は、最大６００ｂａｒとしてもよい。

他の特徴と利点は、添付図面とともに明細書の記載によって明らかにされる。

図１は、本発明に用いられる印刷システムの第1の実施の形態を概略的に示す。 図２は、本発明に係る液滴分裂装置の概略斜視図である。 図３は、図２の液滴分裂装置の概略断面図である。 図４は、図３の詳細を示す概略図である。 図５は、本発明の一実施の形態に係る回転部材の上部外略図である。 図６は、本発明のさらなる実施の形態の概略側面図である。

図１は、本発明による液滴分裂装置の第1の実施の形態の概略図を示す。

図１に概略的に示すように、プリントヘッドとも呼ばれる液滴分裂（droplet break up）装置１は、加圧された印刷液３を含むチャンバ２を備える。チャンバには、印刷液を加圧するポンプ、または加圧された液体が注入される注入路が設けられてもよい（不図示）。本実施の形態においては、チャンバ２に２つの吐出路４、４’が設けられている。吐出路４、４’を介して、印刷液が液滴９として噴出される。液滴９は、圧力パルスによって、吐出路４から噴出された流体ジェット９０を分解して離散することによって生成される。圧力パルスは、円環板として形成されてた回転部材５によって生成される。回転部材５は、吐出路４に対向するように配置された底面６を備える。圧力パルスは、底面６に設けられた面変形部７、７’が移動することにより発生する。これにより、吐出路４近傍で圧力パルスが生成され、流体３から液滴９が生成される。より詳細には、吐出路の近傍において、回転部材５の底面６の移動面変形部７により、サイズが変化する小さな有効容積が形成される。容積変化により圧力パルスが生成され、生成された圧力パルスは吐出路に送られ、吐出路４から噴出される流体ジェットを液滴に分裂する。変形部の一般的なサイズは、吐出路４の寸法と同等であり、例えば高さ２０〜１０００ミクロン、より好ましくは２０〜３００ミクロンである。図１に概略的に示すように、回転部材５は、回転部材５の回転中心となる中心ベアリング１７を有する。さらなる駆動手段、例えば駆動軸および駆動モータは後述する図面に示す。

吐出路４は、比較的薄いノズル板８、本実施例では例えば厚さ０．３ｍｍの金属箔から製造された板、に設けられている。板８の吐出路４の直径は、本実施例では５０μｍである。吐出路４の横方向の寸法については、２〜５００μｍの範囲、より好ましくは５〜２５０ミクロン程度、さらに好ましくは５〜１００ミクロンとすることができる。圧力制御範囲の大きさとしては、平均圧力が０．５〜６００ｂａｒ（≡０．５〜６００ｘ１０^５Ｐａ）程度の大きさとなる例が挙げられる。プリントヘッド１には、チャンバ内の高圧に耐えられるようにノズル板８を支持する支持板（不図示）をさらに設けてもよい。

図２は、本発明の一実施の形態によるプリントヘッド１の概略斜視図を示す。装置１は、ベアリング部２０を介してチャンバ２に隣接して配置された駆動モータ１０を備えている。チャンバ２は、加圧された印刷流体が注入される印刷流体注入口１１を備える。本実施の形態では、駆動モータ１０は、回転電動モータであり、チャンバ２まで延在して図１に示す回転部材５に接続されるシャフト１２を備える。あるいはまた、駆動モータは、回転部材５の一部として、および／または、シーリングを用いることが望ましくない場合にマグネットカップリングを介して設けるようにしてもよい。高温の印刷液、例えば温度７００〜１２００℃の溶融金属を処理する場合、シャフトは、過度の熱から駆動モータ１０を保護する断熱材として機能することができる。

図３は、より詳細に、図２に示した液滴分裂装置１の断面図を示している。とくに、シーリングベアリング１３，１３’を介してチャンバ２内に延在する回転シャフト１２を備える駆動モータ１０を示している。図示のように流体注入口１１はチャンバと接し、回転部材５は回転シャフト１２と接続されている。チャンバ２とベアリング部２０はシーリングによって互いに封止されている。支持板８００によって支持されたノズル板８は、チャンバ２の壁８０に固定されている。流体吐出口４，４’は、回転部材５に対向するように示されている。回転部材５の凹んだ底面６によって、中心ボールベアリング１７に対する小さな空間１５が形成される（図４参照）。ボールベアリングの代わりに、流体ベアリングを用いてもよい。凹んだ底面６は、貫通穴１４を介してチャンバ２の残りの部分との間で流体が連通するように構成されている。貫通穴は、流出路４，４’の近傍における圧力を均等化する機能を有し、回転部材５の軸方向にかかる力を低減することができる。

図４は、図３の詳細部Ｉの概要を示す。回転部材５の底面６によって形成された概略凹領域１５が図示されている。さらに、回転部材５がどのように断続的に流出路４を閉鎖するかを示している。回転部材５が摺動可能に底壁８に接続された実施の形態が図示されている。あるいはまた、回転部材が０〜５００ミクロンの範囲で、わずかに底板８から離間するようにしてもよい。距離が大きいほど、チャンバ２との流体の連通が容易になるが、パルス振幅が減少してしまう。実施例として、流出路４の寸法は、印刷流体物質３、および５０ミクロンよりも十分小さくなることがある液滴の所望のサイズに応じて、２〜５００ミクロンの範囲、望ましくは５〜２５０ミクロン程度、より望ましくは５〜１００ミクロンの間とすることができる。さらに、ノズル板８は、厚さを０．１〜３ミリメートルの範囲とすることができ、これにより、流出路４の流出路長さが決定される。

図５は、本発明の一実施の形態による回転部材５の上面図を示す。図１に示す凹部７の代わりに、底面領域における変形部が切込み７０として設けられている。また、例えば波状、突起、へこみ、または貫通孔といった別の形状を、通常、円盤状または環状の回転部材５に設けることも可能である。本発明の一態様において、印刷用に液滴９を噴出する方法は、図１に示すように、加圧された液体３を含むチャンバ２を提供し、チャンバは底板８と流出路４とを備える。印刷液の加圧に加えて、流出路４付近の液体に圧力パルスをかけて流出路から噴出された流体を微細に分解する。本発明の一態様によると、回転により誘起されるジェット乱れによって圧力パルスが生成される。ジェットパルスは、回転により２０ｋＨｚを超える周波数が実現でき、これは、回転部材５に複数の変形部を設けることで増大させることができる。

図６は、本発明のさらなる実施の形態の概略側面図を示し、回転部材は、凹部すなわち溝７を有する円錐状の回転部材５として形成される。本実施形態は、複数の流出路４を異なる方向に向けることができるという利点がある。これは、例えば大容量の噴霧が生成される産業用噴霧／乾燥用途において有効である。流出路４の数は、円錐５の円周に従って増加することができる。円錐の直径は５〜５００ｍｍとすることができる。例えば、流出路の数は、１０〜５００個の範囲とし、円錐５の高さに沿って例えば２０〜１００個の流出口を設ける。これにより、大容量用の製品を簡単かつ費用効果の高い方法で実現することができる。円錐の高さは、数センチメートル、例えば２〜１０ｃｍとしてもよい。

なお、円周に沿った溝７の数は、直接的に分裂周波数を増大させる。例えば、回転数が８０００ｒｐｍで溝の数が４００個の場合、５３ｋｈｚを超える液滴周波数を実現することができる。回転数を５００〜２００００ｒｐｍの間とし、溝の数を５〜１０００の間としてもよく、この場合、２０ｋＨｚを十分に上回る分裂周波数を実現できる。

本発明を例示的な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。とくに、本発明の範囲は、あらゆるタイプの液滴の生成、例えば噴霧乾燥、ラピッドプロトタイピング、または他の印刷処理を含む。本発明の範囲内に含まれれば、種々の変形可能である。例えば、流出路内の粘性印刷液を、例えば１５〜１３００℃の温度範囲で加熱する制御可能な加熱素子を設けることが考えられる。流体の温度を制御することによって、流体は処理（印刷）目的のための特定の粘性を実現することができる。これにより、例えば異なる種類のプラスチックや金属（はんだ等）といった粘性流体を印刷することが可能となる。

Claims (14)

1. 加圧された印刷液を含むチャンバと、
   前記チャンバ内に設けられ、前記印刷液を噴出する少なくとも１つの流出路と、前記流出路から噴出した流体を液滴に分裂するアクチュエータとを備え、
   前記アクチュエータは、前記流出路に対向する回転部材を備え、前記アクチュエータは、前記流出路の近傍で圧力パルスを発生するように形成された面変形部を備えることを特徴とする液滴分裂装置。
2. 請求項１に記載の液滴分裂装置において、
   前記回転部材には、前記面変形部が複数設けられ、単一の回転部材に対向するように複数の流出路が設けられることを特徴とする液滴分裂装置。
3. 請求項１に記載の液滴分裂装置において、
   前記回転部材は、周囲部を有し、複数の前記変形部は前記周囲部に配置され、前記流出路近傍で圧力を均等化する中央凹部を有することを特徴とする液滴分裂装置。
4. 請求項３に記載の液滴分裂装置において、
   前記中央凹部は、前記チャンバに連通する貫通孔を有することを特徴とする液滴分裂装置。
5. 請求項３に記載の液滴分裂装置において、
   前記中央凹部は、前記回転部材の中心ベアリングを含むように形成されていることを特徴とする液滴分裂装置。
6. 請求項１に記載の液滴分裂装置において、
   複数の前記変形部は、へこみ、突起、貫通孔、および／または、切込みとして円環板に設けられることを特徴とする液滴分裂装置。
7. 請求項１に記載の液滴分裂装置において、
   複数の前記変形部は、環状に配置されることを特徴とする液滴分裂装置。
8. 請求項１に記載の液滴分裂装置において、
   前記回転部材は、前記チャンバを通って延在し、シーリングを介して前記チャンバに隣接して設けられた駆動モータに連結した回転シャフトによって作動することを特徴とする液滴分裂装置。
9. 請求項１に記載の液滴分裂装置において、
   前記回転部材は、環状であり、前記チャンバの底壁に摺動可能に接続されていることを特徴とする液滴分裂装置。
10. 請求項１に記載の液滴分裂装置において、
    前記回転部材は円錐形状であり、複数の前記流出路は、それぞれ異なる方向に延在していることを特徴とする液滴分裂置。
11. 請求項１に記載の液滴分裂装置において、
    前記流出路の直径は、２〜５００ミクロンの範囲、好ましくは５〜２５０ミクロン程度、より好ましくは５〜１００ミクロンの間であることを特徴とする液滴分裂装置。
12. 請求項1に記載の液滴分裂装置において、
    前記流出路の長さは、０．１〜３ミリメートルの範囲であることを特徴とする液滴分裂装置。
13. 請求項１に記載の液滴分裂装置において、
    複数の面変形部は、回転部材に５個よりも多く、好ましくは１００個よりも多く設けられ、回転部材の回転数は、５００ｒｐｍよりも大きく、好ましくは５０００ｒｐｍより大きいことを特徴とする液滴分裂装置。
14. 印刷液を含み、流出路を備えるチャンバを提供し、
    前記印刷液を加圧し、
    前記流出路の近傍において前記加圧液に圧力パルスをかけ、前記流出路から噴出する流体を液滴に分裂し、
    前記圧力パルスは、回転によって誘起されるジェット乱れによって生成されることを特徴とする液滴噴出方法。

Images