JP2013154303A - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高粘度の液体の吐出能力を高めることができる液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】第１部材２０７と、第１部材２０７に対向して配置され、第１部材２０７とともに液体が貯留される貯留室２２３を形成する第２部材２０８と、第１部材２０７と第２部材２０８との間に配置される弾性部材２０９と、第１部材２０７を第２部材２０８に対して近接及び離隔する押圧方向に相対的に変位させる作動部材２１０と、第１部材２０７及び作動部材２１０を内部に収容するヘッド本体２０１と、ヘッド本体２０１に固定され、且つ、外部からの液体が供給される供給部材２１２と、供給部材２１２と第１部材２０７との間に接続された接続部材２１３と、を備える。接続部材２１３は、可撓性又は伸縮性を有し、且つ、供給孔２２０と連通される接続流路２１８を有している。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、液体を押圧して液滴状に吐出する液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法に関する。

記録紙等に対してインクを液滴状に吐出するインクジェット技術が知られている。このインクジェット技術は、例えば、各種のデバイス製造過程におけるパターンの形成及び薄膜の形成等に応用されている。

このようなインクジェット技術には液体吐出装置が用いられる。この液体吐出装置では、シリンジ内の液体がプランジャによって液体吐出ヘッドに供給されることにより、液体吐出ヘッドから液体が液滴状に吐出される（例えば、特許文献１参照）。

従来の液体吐出ヘッドでは、第１部材と第２部材とが相互に対向して配置され、第１部材と第２部材との間には、液体が貯留される貯留室が形成されている。第１部材と第２部材との間にはリング状の弾性部材が配置され、この弾性部材によって貯留室の外周部が規定されている。第１部材の内部には、液体を貯留室に供給するための供給孔が設けられ、第２部材の内部には、貯留室内の液体を外部に吐出するための吐出孔が設けられている。また、第２部材に対して第１部材を近接及び離隔する押圧方向に変位させるための作動部材が設けられている。作動部材は、例えば圧電素子で構成されている。

上述した液体吐出ヘッドによる液体の吐出は、例えば次のようにして行われる。作動部材が押圧方向に収縮（又は伸長）することによって、第１部材が第２部材に対して近接（又は離隔）する押圧方向に変位する。第１部材が第２部材に対して近接する押圧方向に変位した際には、弾性部材が弾性変形することによって、貯留室の容積が減少する。これにより、貯留室内の液体に圧力が加わり、貯留室内の液体が吐出孔より外部に吐出される。第１部材が第２部材に対して離隔する押圧方向に変位した際には、弾性部材の弾性変形が復元することによって、貯留室の容積が増大する。これにより、シリンジからの液体が供給孔を通して貯留室内に供給される。

特開２００５−２０５７５２号公報

一般に、高粘度の液体を吐出させる場合には、第１部材を押圧方向に高速で変位させる必要がある。しかしながら、上述した従来の液体吐出ヘッドでは、第１部材の質量が比較的大きいため、第１部材を押圧方向に高速で変位させるのが難しい。そのため、高粘度の液体の吐出能力が低下してしまうという問題が生じる。

本発明は、上述した従来の課題を解決するものであり、その目的は、高粘度の液体の吐出能力を高めることができる液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法を提供することである。

本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、液体を押圧して液滴状に吐出する液体吐出ヘッドであって、液体を押圧する第１部材と、前記第１部材に対向して配置され、前記第１部材とともに液体が貯留される貯留室を形成する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置されて前記貯留室の外周部を規定し、前記第１部材により前記第２部材側に押圧されて弾性変形されることによって前記貯留室の容積を増減させる弾性部材と、前記第１部材を前記第２部材に対して近接及び離隔する押圧方向に相対的に変位させることにより、前記弾性部材を弾性変形させる作動部材と、前記第１部材及び前記作動部材を内部に収容するヘッド本体と、前記ヘッド本体に固定され、且つ、外部からの液体が供給される供給部材と、前記供給部材と前記第１部材との間に接続された接続部材と、を備え、前記貯留室には、液体を前記貯留室に供給する供給孔と、前記貯留室内の液体を吐出する吐出孔とが連通され、前記供給孔は、前記第１部材の内部に設けられており、前記接続部材は、可撓性又は伸縮性を有し、且つ、前記供給孔と連通される接続流路を有する。

本態様によれば、供給部材と第１部材との間には接続部材が接続されている。供給部材は、ヘッド本体に固定され、接続部材は、可撓性又は伸縮性を有している。これにより、可動部である第１部材の質量を小さく抑えることができ、第１部材を高速で押圧方向に変位させることができる。従って、高粘度の液体の吐出能力を高めることができる。

また、本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様において、前記接続部材は、前記第１部材よりも質量の小さいチューブであることが好ましい。

本態様によれば、接続部材は第１部材よりも質量が小さいので、接続部材の質量によって第１部材に作用する力が小さくなり、第１部材を押圧方向へ容易に変位させることができる。

また、本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様において、前記作動部材は、前記押圧方向に複数の圧電素子が積層されることにより構成され、前記第１部材を前記押圧方向に変位させる際には、前記複数の圧電素子の少なくとも一部が駆動されることが好ましい。

本態様によれば、上述のように可動部である第１部材の質量を小さく抑えることができるので、複数の圧電素子の少なくとも一部を駆動させた場合であっても、第１部材を押圧方向に容易に変位させることができる。従って、作動部材を効率良く駆動させることができる。

また、本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様において、前記ヘッド本体は、開口部を有する容器形状に構成され、且つ、前記第２部材と熱的に接続された蓄熱体と、前記蓄熱体の前記開口部を覆う保持体と、を有し、前記蓄熱体には、前記蓄熱体を加熱する加熱部材が取り付けられ、前記供給部材は前記保持体に固定され、前記保持体と前記蓄熱体とは、セラミック材等の低熱膨張材料で構成された締結部材によって相互に締結されていることが好ましい。

本態様によれば、保持体と蓄熱体とは低熱膨張材料で構成された締結部材によって相互に締結されているので、加熱部材によって蓄熱体が加熱されることにより、蓄熱体が押圧方向に熱膨張するのを抑制することができる。これにより、ヘッド本体内の空間の押圧方向における距離を一定に保つことができるので、第１部材の第２部材に対する変位量を一定に保つことができ、液体を安定して吐出することができる。

本発明に係る液体吐出装置の一態様は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、大気圧以上の圧力を有する液体を前記液体吐出ヘッドの供給部材に供給する供給部と、前記液体吐出ヘッドの作動部材の動作を制御する作動制御部と、を備える。

本態様によれば、供給部材と第１部材との間には接続部材が接続されている。供給部材は、ヘッド本体に固定され、接続部材は、可撓性又は伸縮性を有している。これにより、可動部である第１部材の質量を小さく抑えることができ、第１部材を高速で押圧方向に変位させることができる。従って、高粘度の液体の吐出能力を高めることができる。

本発明に係る液体吐出方法の一態様は、液体を押圧する第１部材と、前記第１部材に対向して配置され、前記第１部材とともに液体が貯留される貯留室を形成する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置されて前記貯留室の外周部を規定し、前記第１部材により前記第２部材側に押圧されて弾性変形されることによって前記貯留室の容積を増減させる弾性部材と、前記第１部材を前記第２部材に対して近接及び離隔する押圧方向に相対的に変位させることにより、前記弾性部材を弾性変形させる作動部材と、前記第１部材及び前記作動部材を内部に収容するヘッド本体と、を備える液体吐出ヘッドを用いて、液体を押圧して液滴状に吐出する液体吐出方法であって、前記第１部材を前記第２部材に対して近接する前記押圧方向に相対的に変位させることにより、前記弾性部材を弾性変形させて前記貯留室の容積を減少させ、前記貯留室内の液体を吐出孔より吐出する液体吐出ステップと、前記第１部材を前記第２部材に対して離隔する前記押圧方向に相対的に変位させることにより、前記弾性部材の弾性変形を復元させて前記貯留室の容積を増大させ、液体を前記第１部材の内部に設けられた供給孔より前記貯留室に供給する液体供給ステップと、を含み、前記液体供給ステップでは、前記ヘッド本体に固定された供給部材と、前記供給部材と前記第１部材との間に接続された可撓性又は伸縮性を有する接続部材と、を通して、前記供給孔に液体を供給する。

本態様によれば、供給部材と第１部材との間には接続部材が接続されている。供給部材は、ヘッド本体に固定され、接続部材は、可撓性又は伸縮性を有している。これにより、可動部である第１部材の質量を小さく抑えることができ、第１部材を高速で押圧方向に変位させることができる。従って、高粘度の液体の吐出能力を高めることができる。

本発明によれば、第１部材を高速で押圧方向に変位させることができ、高粘度の液体の吐出能力を高めることができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る液体吐出装置の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る液体吐出ヘッドの外観を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る液体吐出ヘッドを分解した状態で示す斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る液体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。 図５Ａは、作動部材が収縮状態に保持された状態での、液体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。 図５Ｂは、作動部材が伸長状態に保持された状態での、液体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。 図６は、図５Ａ中のＢ−Ｂ線により切断した、吐出される液体が充填され且つ押圧される貯留室を示す断面図である。 図７Ａは、作動部材の押圧方向への変位量の理想的な時間変化を示す図である。 図７Ｂは、実施の形態１における作動部材の押圧方向への変位量の時間変化を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る液体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態１及び２に係る液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法について、図面を参照しながら説明する。本発明は、特許請求の範囲の記載に基づいて特定される。よって、以下の実施の形態１及び２における構成要素のうち、特許請求の範囲に記載されていない構成要素は、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る液体吐出装置の構成を示す斜視図である。図示の液体吐出装置１０は、装置基台１０１と、装置基台１０１に対して主走査方向（図１におけるＸ軸方向）に往復移動自在に支持されたヘッド１０２と、装置基台１０１に対して副走査方向（図１におけるＹ軸方向）に往復移動自在に支持されたステージ１０３と、を備えている。

装置基台１０１には、ヘッド移動機構１０４が支持されている。このヘッド移動機構１０４は、主走査方向に延びるキャリッジ軸１０５と、キャリッジ軸１０５に往復移動自在にガイドされるキャリッジ１０６と、を含んでいる。キャリッジ１０６には、ヘッド１０２が支持されている。例えばモータ等の駆動源（図示せず）によりキャリッジ１０６がキャリッジ軸１０５上を往復移動することによって、ヘッド１０２は、装置基台１０１に対して主走査方向に往復移動される。なお、ヘッド１０２には、例えばシリコン樹脂（シリコンオイル）等の液体を押圧して液滴状に吐出する液体吐出ヘッド２０（後述する）が１個又は複数個設けられている。

また、装置基台１０１には、ステージ移動機構１０７が支持されている。このステージ移動機構１０７は、副走査方向に延び、且つ、間隔を置いて配置された一対のステージ軸１０８ａ，１０８ｂを含んでいる。一対のステージ軸１０８ａ，１０８ｂには、ステージ１０３が往復移動自在にガイドされている。ステージ１０３の上面には、例えば記録紙等の被吐出物１０９が支持されている。例えばモータ等の駆動源（図示せず）によりステージ１０３が一対のステージ軸１０８ａ，１０８ｂ上を往復移動することによって、ステージ１０３は、装置基台１０１に対して副走査方向に往復移動される。

本実施の形態の液体吐出装置１０では、ヘッド１０２とステージ１０３上の被吐出物１０９とをそれぞれ装置基台１０１に対して相対的に移動させながら、ヘッド１０２から液体を被吐出物１０９に向けて液滴状に吐出する。これにより、被吐出物１０９上に液体がドット状に付着し、例えば被吐出物１０９上に所望のパターン又は薄膜等を形成することができる。

次に、図２〜図６を用いて、本実施の形態の液体吐出ヘッド２０の構成について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る液体吐出ヘッドの外観を示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る液体吐出ヘッドを分解した状態で示す斜視図である。図４は、図２中のＡ−Ａ線により切断した液体吐出ヘッドの断面図である。図５Ａは、作動部材が収縮状態に保持された状態での、液体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。図５Ｂは、作動部材が伸長状態に保持された状態での、液体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。図６は、図５Ａ中のＢ−Ｂ線により切断した、吐出される液体が充填され且つ押圧される貯留室を示す断面図である。

図示の液体吐出ヘッド２０は、ヘッド本体２０１を備えている。ヘッド本体２０１は、相互に締結された保持体２０２及び蓄熱体２０３を有している。

蓄熱体２０３は、上面に開口部２０３ａを有する容器形状に構成されている。蓄熱体２０３の底部には、第１部材２０７（後述する）の下端部が挿入される開口部２０３ｂが設けられている。蓄熱体２０３は、熱伝導性の高い材質、例えば銅及びアルミニウム等で構成されている。より好ましくは、線膨張係数が相対的に小さい銅が良い。蓄熱体２０３の内面には、蓄熱体２０３を加熱するための加熱部材２０４が２個取り付けられている。加熱部材２０４は、例えば電気ヒータ及びセラミックスヒータ等で構成されている。加熱部材２０４からの熱が蓄熱体２０３に伝達されることによって、蓄熱体２０３が所定の温度（例えば、３０〜８０℃）に保たれる。

保持体２０２は、蓄熱体２０３の開口部２０３ａを覆うようにして、蓄熱体２０３の上面に取り付けられている。この保持体２０２には、供給部材２１２（後述する）が挿入される開口部２０２ａが設けられている。保持体２０２は、剛性を有する材質、例えばステンレス等で構成されている。

保持体２０２と蓄熱体２０３との間には、断熱部材２０５が配置されている。断熱部材２０５は、断熱性を有する材質、例えばｐｅｅｋ等の樹脂で構成されている。断熱部材２０５の断熱作用により、蓄熱体２０３から保持体２０２への熱の伝達が遮断される。

保持体２０２と蓄熱体２０３とは、例えばネジで構成された４本の締結部材２０６によって相互に強固に締結されている。４本の締結部材２０６はそれぞれ、保持体２０２、断熱部材２０５及び蓄熱体２０３を貫通して延びている。４本の締結部材２０６はそれぞれ、例えばセラミック材等の低熱膨張材料で構成されている。なお、４本の締結部材２０６の各々の線膨張係数は、例えば７×１０^−６／℃である。

上述したヘッド本体２０１には、第１部材２０７、第２部材２０８、弾性部材２０９、作動部材２１０、押圧部材２１１、供給部材２１２及び接続部材２１３が設けられている。

供給部材２１２は例えばパイプ状に構成され、その内部には、液体が供給される供給流路２１４が形成されている。第１部材２０７側に位置する供給部材２１２の下端部側は、保持体２０２の開口部２０２ａに挿入されている。その下端部側に対して第１部材２０７側から離れる側に位置する供給部材２１２の上端部側は、保持体２０２の開口部２０２ａからヘッド本体２０１の外部に延びている。供給部材２１２は、支持部材２１５によって保持体２０２に例えば間接的に固定されている。支持部材２１５はプレート状に構成され、その中央部には供給部材２１２が挿入される開口部２１５ａが設けられている。支持部材２１５は、一対の固定用ネジ２１６によって保持体２０２の上面に固定されている。また、供給部材２１２は、固定用ネジ２１７によって支持部材２１５に対して固定されている。なお、「供給部材２１２が保持体２０２に間接的に固定される」とは、供給部材２１２が保持体２０２に直接的に固定されていない状態で、他の部材（例えば支持部材２１５）を介して供給部材２１２が保持体２０２に固定されることをいう。

接続部材２１３は、可撓性又は伸縮性を有するチューブであり、例えば耐溶剤性を有するフッ素樹脂等で構成されている。そのため、接続部材２１３の質量は、第１部材２０７の質量よりも小さく構成されている。接続部材２１３の上端部は、供給部材２１２の下端部の外周面に装着され、接続部材２１３の下端部は、ヘッド本体２０１の内部に収容された第１部材２０７の上端部の外周面に装着されている。これにより、接続部材２１３は、供給部材２１２の下端部と第１部材２０７の上端部との間に接続される。接続部材２１３の内部には、第１部材２０７の供給流路２１９及び供給孔２２０（後述する）と連通される接続流路２１８が形成されている。

第１部材２０７は例えばパイプ状に構成され、その内部には、液体が供給される供給流路２１９が形成されている。第１部材２０７の外周部には、フランジ状の支持部２０７ａが設けられている。支持部２０７ａは、ヘッド本体２０１の内部において、押圧方向に対して直交する方向の外向きに延びている。第１部材２０７の内部には、供給流路２１９の下流側端部と連通されたオリフィス状の供給孔２２０が形成されている。供給孔２２０の直径は、供給流路２１９の直径よりも小さく構成されている。供給流路２１９の中心軸線Ｃ０は、供給孔２２０の中心軸線Ｃ１と吐出孔２２４（後述する）の中心軸線Ｃ２との間に配置されている。供給流路２１９の中心軸線Ｃ０及び供給孔２２０の中心軸線Ｃ１は、押圧方向（図４において上下方向）に対して直交する方向（図５ＡにおいてＸ軸方向）に互いにずれて、且つ、第１部材２０７の押圧方向に対して略平行に延びている。第２部材２０８側の第１部材２０７の下端部には、供給孔２２０と貯留室２２３（後述する）とを相互に接続する供給側凹部２２１が形成されている。供給側凹部２２１は、その断面積が貯留室２２３に向けて漸増するテーパ状に構成されている。第１部材２０７における供給孔２２０の中心軸線Ｃ１に対する供給側凹部２２１の傾斜角度は、例えば約４５度である。

第１部材２０７より軽量で、可撓性又は伸縮性を有する接続部材２１３に上端が接続される第１部材２０７は、ヘッド本体２０１の内部に配設されている。これにより、可動部である第１部材２０７の質量を小さく抑え、小型に構成することができる。第１部材２０７の下端部は、蓄熱体２０３の開口部２０３ｂに挿入され、第１部材２０７の上端部は、蓄熱体２０３の底部よりもやや上側に位置されている。

なお、第１部材２０７は、後述する弾性部材２０９に対して剛性の高い材質、例えばステンレス鋼等で構成されている。第１部材２０７に関する寸法として、例えば、第１部材２０７の外形の直径は約５ｍｍ、オリフィス状の供給孔２２０の直径は約０．１５ｍｍ、供給孔２２０の長さは約１ｍｍ、供給孔２２０に液体を供給する供給流路２１９の直径は約１．５ｍｍ、供給孔２２０と貯留室２２３とを相互に接続する供給側凹部２２１の直径の最大値は約０．５ｍｍに構成されている。

第２部材２０８は、第１部材２０７の下端面と対向するようにして、蓄熱体２０３の底部側に取り付けられている。第２部材２０８の上面には、例えば円形状の貯留室形成用凹部２２２が形成されている。第１部材２０７の下端面と第２部材２０８の貯留室形成用凹部２２２とによって、液体が貯留される貯留室２２３が形成される。第１部材２０７の下端面（供給側凹部２２１を含む）は、貯留室２２３の上面を規定する。第２部材２０８の貯留室形成用凹部２２２（後述する吐出側凹部２２５を含む）は、貯留室２２３の下面を規定する。また、貯留室２２３の直径は、第１部材２０７の供給側凹部２２１の直径の最大値及び第２部材２０８の吐出側凹部２２５の直径の最大値よりも大きく構成されている。

第２部材２０８の内部には、貯留室２２３と連通された吐出孔２２４が形成されている。第２部材２０８の上端部には、吐出孔２２４と貯留室２２３とを相互に接続する吐出側凹部２２５が形成されている。吐出側凹部２２５は、その断面積が貯留室２２３に向けて漸増するテーパ状に構成されている。第２部材２０８における吐出孔２２４の中心軸線Ｃ２に対する吐出側凹部２２５の傾斜角度は、例えば約４５度である。

なお、第２部材２０８は、熱伝導性の高い材質、例えばステンレス鋼及びセラミック材等で構成されている。第２部材２０８は、蓄熱体２０３と熱的に接続されている。これにより、加熱部材２０４により加熱された蓄熱体２０３の熱が、第２部材２０８を介して吐出孔２２４に充填される液体に伝達される。ここで、「熱的に接続される」とは、蓄熱体２０３と第２部材２０８とが直接又は間接的に接触し、蓄熱体２０３の熱を第２部材２０８に十分に伝達できる程度に接続されている状態をいう。また、「間接的に接触」とは、蓄熱体２０３と第２部材２０８との間に、例えば熱伝導性の高い部材が配置されている状態等も含む。

第２部材２０８に関する寸法として、例えば、吐出孔２２４の直径は約０．１５ｍｍ、吐出孔２２４の長さは０．０３〜０．５ｍｍ、吐出孔２２４と貯留室２２３とを相互に接続するテーパ状の吐出側凹部２２５の直径の最大値は約１ｍｍに構成されている。

弾性部材２０９は、薄い板状、且つ、ＸＹ平面視でリング状に構成されている。この弾性部材２０９は、第１部材２０７と第２部材２０８との間に配置されている。弾性部材２０９は、弾性及び耐薬品性を有する材料、例えばフッ素ゴム及びシリコンゴム等で構成されている。この弾性部材２０９は、貯留室形成用凹部２２２の外周部に配置されることによって、押圧方向に対して直交する方向である貯留室２２３の外周部を規定する。図６に示すように、押圧方向における貯留室２２３の断面形状は、円形状で構成されている。後述するように、弾性部材２０９が第１部材２０７により第２部材２０８側に押圧されて弾性変形された際には、弾性部材２０９の径方向外側への弾性変形が貯留室形成用凹部２２２の外周部によって規制される。なお、この弾性部材２０９は、貯留室２２３内の液体が外部に漏れるのを防止するシール機能をも有している。弾性部材２０９の寸法として、例えば、厚みｔは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、外径は５．２〜７ｍｍ、内径は０．２〜４．８ｍｍに構成されている。

供給孔２２０は、押圧方向に対して直交する方向の弾性部材２０９の内側の面における貯留室２２３の一端側に連通され、吐出孔２２４は、押圧方向に対して直交する方向の弾性部材２０９の内側の面における貯留室２２３の他端側に連通されている。吐出孔２２４の中心軸線Ｃ２は、供給孔２２０の中心軸線Ｃ１からずれた位置に配置されている。また、供給孔２２０の中心軸線Ｃ１及び吐出孔２２４の中心軸線Ｃ２はそれぞれ、第１部材２０７の押圧方向に対して略平行に延びている。供給孔２２０の中心軸線Ｃ１と吐出孔２２４の中心軸線Ｃ２との配置間隔は、例えば１．０〜３．６ｍｍに構成されている。

作動部材２１０は、例えば積層型の圧電素子で構成されたアクチュエータである。本実施の形態では、作動部材２１０は、厚みが同じ７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇを積層することにより構成されている。作動部材２１０の中央部には貫通孔が設けられ、この貫通孔には第１部材２０７の上端部及び接続部材２１３が挿入されている。これにより、作動部材２１０は、第１部材２０７の上端部及び接続部材２１３の周囲を取り囲むようにして、ヘッド本体２０１の内部に配設されている。

作動部材２１０の上端部は、保持体２０２の下面に接触されている。作動部材２１０の下端部は、第１部材２０７の支持部２０７ａの上面に接触されている。後述する押圧部材２１１の付勢力によって、作動部材２１０は、第１部材２０７のフランジ状の支持部２０７ａと保持体２０２との間に挟持されている。

なお、作動部材２１０は、接着レスの構造で構成されている。即ち、作動部材２１０の上端部と保持体２０２の下面とは、接着剤を用いることなく相互に接触されている。作動部材２１０の下端部と第１部材２０７の支持部２０７ａの上面とは、接着剤を用いることなく相互に接触されている。また、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの各々は、接着剤を用いることなく、或いは、接着剤で強固に締結されることなく相互に接触されている。このように接着レスの構造で構成することにより、押圧方向に対して垂直な方向への作動部材２１０の伸縮が拘束されるのを抑制することができ、作動部材２１０の押圧方向への伸縮量を増大させることができる。従って、第１部材２０７の第２部材２０８に対する変位量を増大させることができ、液体の吐出能力を高めることができる。なお、本願発明者の検証によると、作動部材２１０の押圧方向への伸縮量が従来に比べて１５％程度向上されることが確認された。また、接着レスにすることにより、特に、ヒータ２０４によって液体を加熱する構成の場合であっても、その熱により作動部材２１０の圧電素子の固定に悪影響を及ぼすことが抑制できる。なお、「接着レス」とは、押圧方向に対して垂直な方向への作動部材２１０の複数の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの互いの拘束力、或いは、作動部材２１０とヘッド本体２０１との互いの拘束力が十分小さければ、多少の接着剤にて作動部材２１０を固定することを排除するものではない。また、個々の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇは、積層圧電素子で構成されていても良い。

作動部材２１０の外周部には、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの各々に対応して、電極（図示せず）が配設されている。電極に電圧が印加されたときには、図５Ｂに示すように、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの全部又は一部が伸長され、作動部材２１０は全体として、Ｚ軸方向に伸長される伸長状態に保持される。このとき、第１部材２０７は、作動部材２１０の伸長力によって、第２部材２０８に近接する押圧方向に変位される。電極への電圧の印加が解除されたときには、図５Ａに示すように、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの全部又は一部が収縮され（戻され）、作動部材２１０は全体として、Ｚ軸方向に収縮される収縮状態に保持される。このとき、第１部材２０７は、後述する押圧部材２１１の付勢力によって、第２部材２０８から離隔する押圧方向に変位される。なお、作動部材２１０が伸長又は収縮した際における、第１部材２０７の押圧方向における変位量は、例えば約１０μｍである。

押圧部材２１１は、第１部材２０７のフランジ状の支持部２０７ａと蓄熱体２０３の底部との間に設けられている。本実施の形態では、押圧部材２１１は、皿ばねで構成されている。この押圧部材２１１の付勢力によって、第１部材２０７の支持部２０７ａは、作動部材２１０側に向けて弾性的に押圧される。押圧部材２１１が支持部２０７ａを押圧する力は、例えば約２０ｋｇｆである。

図４に示すように、本実施の形態の液体吐出装置１０は、さらに、液体吐出ヘッド２０に液体を供給する供給部１１０と、作動部材２１０の動作を制御する作動制御部１１１と、を備えている。

供給部１１０は、シリンジ１１２及びプランジャ１１３を備えている。シリンジ１１２は筒状の容器であり、その内部には、プランジャ１１３が摺動自在に設けられている。このプランジャ１１３によって、シリンジ１１２の内部は、液体が充填された液体室１１４と、空気が密閉された圧力調整室１１５とに区画されている。液体室１１４には、液体供給源１１６より供給された液体が充填される。圧力調整室１１５には、エアーコンプレッサ１１７より供給された圧縮空気が充填される。シリンジ１１２の先端部は、接続チューブ（図示せず）を介して供給部材２１２の上端部に接続されている。これにより、シリンジ１１２の液体室１１４は、接続チューブを介して供給部材２１２の供給流路２１４と連通されている。

なお、図４では、シリンジ１１２は、液体吐出ヘッド２０より高い位置に配置されているが、液体吐出ヘッド２０より低い位置に配置されていてもよい。これにより、供給部１１０からの液体吐出ヘッド２０への液体の大気圧以上での加圧供給が容易なことや、液体吐出ヘッド２０より液体が吐出される吐出孔２２４の液だれを防止するために、負圧源（図示せず）からの圧力調整室１１５への負圧の印加を不要とすることが可能である。

圧力調整室１１５に供給された圧縮空気の圧力によって、プランジャ１１３がシリンジ１１２内を液体室１１４側に摺動される。これにより、液体室１１４内の液体がプランジャ１１３によって加圧され、その圧力は大気圧よりも大きい一定の圧力となる。このように大気圧以上の圧力を有する液体は、接続チューブ、供給部材２１２の供給流路２１４、接続部材２１３の接続流路２１８及び第１部材２０７の供給流路２１９を通して貯留室２２３に供給される。

なお、液体吐出ヘッド２０の貯留室２２３及び吐出孔２２４等に対して供給部１１０が液体を加圧して供給するタイミングの制御は、図示しない供給制御部により行われる。また、液体吐出ヘッド２０の吐出サイクルが比較的遅い場合には、上述の液体供給により貯留室２２３及び吐出孔２２４等に液体が充填されれば、吐出毎に、液体吐出ヘッド２０への供給部１１０からの加圧した液体の供給は必ずしも行わなくてもよい。

作動制御部１１１は、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの各々に対応する作動部材２１０の電極に印加される電圧を制御する。液体吐出ヘッド２０から液体を吐出するときには、作動制御部１１１は、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの各々に対応する電極の全部又は一部に電圧を印加する。液体吐出ヘッド２０から液体を吐出しないときには、作動制御部１１１は、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの各々に対応する電極の全部又は一部への電圧の印加を解除する。従って、作動制御部１１１が所定のサイクルで作動部材２１０の電極に対する電圧の印加と解除とを繰り返すことにより、液体吐出ヘッド２０からの液体の吐出が上記所定のサイクルで行われる。

次に、本実施の形態の液体吐出ヘッド２０による液体吐出方法について説明する。図５Ａに示すように、液体の吐出直前の状態では、貯留室２２３には液体が充填されている。また、作動部材２１０の電極には電圧が印加されておらず、作動部材２１０は、収縮状態に保持されている。この状態では、第１部材２０７の支持部２０７ａは、押圧部材２１１の付勢力によって作動部材２１０側に向けて弾性的に押圧されている。これにより、第１部材２０７は、第２部材２０８に対して離隔する押圧方向に変位されるので、第１部材２０７による弾性部材２０９の押圧が解除されている。

液体の吐出直前の状態では、さらに、加熱部材２０４によって蓄熱体２０３が所定の温度（例えば、３０〜８０℃）まで加熱される。蓄熱体２０３の熱は、第２部材２０８を介して吐出孔２２４の近傍に充填された液体に伝達される。これにより、吐出孔２２４の近傍に充填された液体の温度が上昇して所定の温度に保たれるので、相対的に液体の粘度が低下して液体の粘度が安定する。このように液体の粘度が一定に保たれることにより、メニスカスの形状（即ち、吐出孔２２４内の液体の表面によって形成される凸状又は凹状の曲面形状）をよりスムーズに安定させることができる。なお、後述する液体吐出ステップ及び液体供給ステップにおいても、加熱部材２０４によって蓄熱体２０３の温度が上記所定の温度に保たれる。

上述したように、保持体２０２と蓄熱体２０３とは、低熱膨張材料で構成された４本の締結部材２０６によって相互に締結されているので、加熱部材２０４によって蓄熱体２０３が加熱されることにより、蓄熱体２０３が押圧方向に熱膨張するのを抑制することができる。これにより、ヘッド本体２０１内の空間の押圧方向における距離Ｄを一定に保つことができるので、第１部材２０７の第２部材２０８に対する変位量を一定に保つことができ、液体を安定して吐出することができる。

液体吐出ヘッド２０から液体を吐出する際には、作動制御部１１１が作動部材２１０の電極に電圧を印加することにより、図５Ｂに示すように、作動部材２１０は、押圧部材２１１の付勢力に抗して収縮状態から伸長状態に変位される。これにより、第１部材２０７の支持部２０７ａは、作動部材２１０の伸長力によって作動部材２１０側に向けて押圧されるので、第１部材２０７は、第２部材２０８に対して近接する押圧方向に所定の変位量（例えば、約１０μｍ）だけ変位される。なお、接続部材２１３が伸縮、変形又はすべり等することによって、第１部材２０７の押圧方向への変位が吸収される。この状態では、弾性部材２０９は、第１部材２０７により第２部材２０８側に押圧されて弾性変形され、第１部材２０７は、貯留室２２３内の液体を押圧する。これにより、貯留室２２３の容積が減少するので、貯留室２２３内の液体に圧力が加わり、貯留室２２３内の液体が吐出孔２２４より液滴状に吐出される（液体吐出ステップ）。

液体の吐出が完了した際には、作動制御部１１１による作動部材２１０の電極への電圧の印加が解除されることにより、図５Ａに示すように、作動部材２１０は、収縮状態から伸長状態に変位される。これにより、第１部材２０７は、押圧部材２１１の付勢力によって第２部材２０８に対して離隔する押圧方向に変位され、第１部材２０７による弾性部材２０９の押圧が解除される。弾性部材２０９の弾性変形が復元されることにより、貯留室２２３の容積が増大する。これにより、貯留室２２３内の液体に作用する圧力が低下し、また、このタイミングに対応して液体を加圧することにより、供給流路２１９内の液体が供給孔２２０を通して貯留室２２３に供給される（液体供給ステップ）。

上述した液体吐出ステップ及び液体供給ステップが交互に繰り返し行われることによって、液体吐出ヘッド２０の吐出孔２２４から液体が被吐出物１０９に向けて液滴状に吐出される。これにより、液体が被吐出物１０９上にドット状に付着し、例えば被吐出物１０９上に所望のパターン又は薄膜等を形成することができる。

本実施の形態の液体吐出ヘッド２０では、次のような効果が得られる。上述したように、供給部材２１２とヘッド本体２０１の内部に配設される第１部材２０７とが接続部材２１３によって相互に接続されている。供給部材２１２は保持体２０２に固定され、接続部材２１３は、可撓性又は伸縮性を有している。これにより、可動部である第１部材２０７の質量を小さく抑えることができ、第１部材２０７を高速で押圧方向に変位させることができる。従って、高粘度の液体（例えば、粘度１．４Ｐａ・ｓのグリセリンや粘度５〜６Ｐａ・ｓのシリコンオイル等）の吐出能力を高めることができる。

なお、作動制御部１１１は、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの各々に対応する電極に印加する電圧を独立して制御することができる。このことに関連して、本実施の形態の液体吐出ヘッド２０では、次のような効果を得ることができる。図７Ａは、作動部材の押圧方向への変位量（伸長又は収縮）の理想的な時間変化を示す図である。図７Ｂは、実施の形態１における作動部材の押圧方向への変位量の時間変化を示す図である。図７Ａ及び図７Ｂにおいて、縦軸は作動部材２１０の押圧方向への変位量を示し、横軸は時間を示している。なお、図７Ａ及び図７Ｂの縦軸における変位量「０」は、例えば作動部材２１０が最も収縮した状態での変位量である。

液体供給ステップにおいて、液体の吐出後の液切れを良くするためには、液体の吐出後に作動部材２１０を急激に収縮させることが好ましい。しかしながら、作動部材２１０を急激に収縮させた場合には、吐出孔２２４から貯留室２２３内に空気が吸い込まれ易くなる。そこで、液体の吐出後の液切れを良くし、且つ、吐出孔２２４からの空気の吸い込みを防止するためには、図７Ａに示すように作動部材２１０を押圧方向に一旦急激に収縮させた後に、徐々に収縮させて変位させればよい。

しかしながら、圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの各々の静電容量が大きい場合には、作動部材２１０の電極に大電流を流す必要があるので、図７Ａに示すように作動部材２１０を変位させることは難しい。そこで、図７Ｂに実線で示すように、作動部材２１０の複数の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇを個別に電圧の印加や解除をして伸縮させて分割駆動することによって、図７Ａに示すのと同様の効果を得ることができる。即ち、作動部材２１０が収縮状態から伸長状態に変位し始めた状態から期間ｔ１が経過するまでの間では、作動部材２１０の７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの全てが伸長される。期間ｔ１の経過後、期間ｔ２が経過するまでの間では、例えば２個の圧電素子２１０ａ，２１０ｂのみが収縮される。期間ｔ２の経過後、期間ｔ３が経過するまでの間では、２個の圧電素子２１０ｃ，２１０ｄが収縮される。期間ｔ３が経過後、期間ｔ４が経過するまでの間では、残りの３個の圧電素子２１０ｅ，２１０ｆ，２１０ｇが収縮される。

なお、本実施の形態では、第１部材２０７を押圧方向に変位させる際には、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇの全部を駆動させるように構成したが、次のように構成することもできる。上述したように、可動部（第１部材２０７及び接続部材２１３）の質量を小さく抑えることができるので、７個の圧電素子２１０ａ〜２１０ｇのうち一部の圧電素子、例えば、第１部材２０７側の２個の圧電素子２１０ｆ，２１０ｇのみを駆動させるように構成してもよい。１個又は２個の圧電素子のみを駆動する場合、可動する重量（第１部材２０７と第１部材２０７側の圧電素子２１０ｆ，２１０ｇ等）がより少なくなるので、第１部材２０７をよりすばやく押圧方向に変位させることができる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係る液体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。図８に示すように、本実施の形態の液体吐出ヘッド２０Ａでは、供給部材２１２Ａは、支持部材２１５Ａを介して保持体２０２に例えば間接的に固定されている。支持部材２１５Ａは、固定用ネジ２１６Ａによって保持体２０２の上面に固定されている。支持部材２１５Ａは、保持体２０２の上面から上方に向けて延びており、支持部材２１５Ａには、供給部材２１２Ａが挿入される開口部２１５Ａａが設けられている。供給部材２１２Ａは、固定用ネジ２１７Ａによって支持部材２１５Ａに対して固定されている。接続部材２１３Ａの上端部は、保持体２０２の開口部２０２ａを通して外部に延びており、供給部材２１２Ａの一端部に接続されている。なお、図示しないが、供給部材２１２Ａの他端部は、接続チューブを介して供給部のシリンジに接続されている。従って、本実施の形態では、上述した構成を具備することにより、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施の形態では、作動部材２１０Ａは、厚みの異なる３個の圧電素子２１０Ａａ，２１０Ａｂ，２１０Ａｃを積層することにより構成されている。圧電素子２１０Ａａの厚み４Ｔは最も大きく、圧電素子２１０Ａｃの厚みＴは最も小さい。圧電素子２１０Ａｂの厚み２Ｔは、圧電素子２１０Ａａの厚み４Ｔよりも小さく、且つ、圧電素子２１０Ａｃの厚みＴよりも大きい。

本実施の形態では、これら作動部材２１０Ａの３個の圧電素子２１０Ａａ，２１０Ａｂ，２１０Ａｃを個別に電圧の印加や解除をして伸縮させて分割駆動することにより、作動部材２１０Ａを７通りの変位量で変位させることができる。即ち、圧電素子２１０Ａｃのみを駆動させたときの作動部材２１０Ａの変位量を「１」としたとき、圧電素子２１０Ａｂのみを駆動させたときの作動部材２１０Ａの変位量は「２」となり、圧電素子２１０Ａｂ及び圧電素子２１０Ａｃを駆動させたときの作動部材２１０Ａの変位量は「３」となる。また、圧電素子２１０Ａａのみを駆動させたときの作動部材２１０Ａの変位量は「４」となり、圧電素子２１０Ａａ及び圧電素子２１０Ａｃを変位させたときの作動部材２１０Ａの変位量は「５」となる。さらに、圧電素子２１０Ａａ及び圧電素子２１０Ａｂを変位させたときの作動部材２１０Ａの変位量は「６」となり、圧電素子２１０Ａａ、圧電素子２１０Ａｂ及び圧電素子２１０Ａｃを全て駆動させたときの作動部材２１０Ａの変位量は「７」となる。

従って、作動部材２１０Ａの変位量による吐出のバリエーションに対して作動部材２１０Ａを構成する圧電素子の個数が少なくて済み、作動部材２１０Ａの分割駆動を容易に行うことができる。

以上、本発明の液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法について、実施の形態１及び２に基づいて説明したが、本発明は、これら実施の形態１及び２に限定されるものではない。実施の形態１及び２に対して当業者が思い付く変形を施して得られる形態も本発明に含まれる。

上記実施の形態１及び２では、供給部材が保持体に間接的に固定されるように構成したが、供給部材が保持体に直接固定されるように構成することもできる。「供給部材が保持体に直接固定される」とは、供給部材が保持体に接触された状態で、他の部材又は固定用ネジ等によって供給部材が保持体に固定されることをいう。

上記実施の形態１及び２では、締結部材をネジで構成したが、締結部材を例えばボルト及びナットで構成することもできる。

また、上記実施の形態１及び２では、作動部材を積層型の圧電素子で構成したが、１層の圧電素子のみで構成することもできる。

また、上記実施の形態１及び２では、押圧部材を皿ばねで構成したが、押圧部材を例えば弾性を有するゴム材等で構成することもできる。

また、作動部材の外周面を覆うようにして、接着コーティング又は樹脂コーティングを施すこともできる。これにより、作動部材を構成する複数の圧電素子が押圧方向に対して直交する方向にずれるのを防止することができる。

本発明は、各種のデバイスの製造過程において、種々のパターン及び薄膜を形成するための液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法として適用することができる。また、本発明は、例えば発光ダイオードの製造過程において、固形の蛍光体が分散された液体を発光ダイオードの発光部に吐出することにより、青色発光ダイオードから白色光を発光させる膜を形成するための液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法としても適用することができる。

１０ 液体吐出装置
２０，２０Ａ 液体吐出ヘッド
１０１ 装置基台
１０２ ヘッド
１０３ ステージ
１０４ ヘッド移動機構
１０５ キャリッジ軸
１０６ キャリッジ
１０７ ステージ移動機構
１０８ａ，１０８ｂ ステージ軸
１０９ 被吐出物
１１０ 供給部
１１１ 作動制御部
１１２ シリンジ
１１３ プランジャ
１１４ 液体室
１１５ 圧力調整室
１１６ 液体供給源
１１７ エアーコンプレッサ
２０１ ヘッド本体
２０２ 保持体
２０３ 蓄熱体
２０４ 加熱部材
２０５ 断熱部材
２０６ 締結部材
２０７ 第１部材
２０８ 第２部材
２０９ 弾性部材
２１０，２１０Ａ 作動部材
２１０ａ,２１０ｂ，２１０ｃ、２１０ｄ，２１０ｅ，２１０ｆ，２１０ｇ，２１０Ａａ,２１０Ａｂ，２１０Ａｃ 圧電素子
２１１ 押圧部材
２１２，２１２Ａ 供給部材
２１３，２１３Ａ 接続部材
２１４，２１４Ａ 供給流路
２１５，２１５Ａ 支持部材
２１６，２１６Ａ，２１７，２１７Ａ 固定用ネジ
２１８，２１８Ａ 接続流路
２１９ 供給流路
２２０ 供給孔
２２１ 供給側凹部
２２２ 貯留室形成用凹部
２２３ 貯留室
２２４ 吐出孔
２２５ 吐出側凹部
Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２ 中心軸線

Claims (6)

1. 液体を押圧して液滴状に吐出する液体吐出ヘッドであって、
   液体を押圧する第１部材と、
   前記第１部材に対向して配置され、前記第１部材とともに液体が貯留される貯留室を形成する第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との間に配置されて前記貯留室の外周部を規定し、前記第１部材により前記第２部材側に押圧されて弾性変形されることによって前記貯留室の容積を増減させる弾性部材と、
   前記第１部材を前記第２部材に対して近接及び離隔する押圧方向に相対的に変位させることにより、前記弾性部材を弾性変形させる作動部材と、
   前記第１部材及び前記作動部材を内部に収容するヘッド本体と、
   前記ヘッド本体に固定され、且つ、外部からの液体が供給される供給部材と、
   前記供給部材と前記第１部材との間に接続された接続部材と、を備え、
   前記貯留室には、液体を前記貯留室に供給する供給孔と、前記貯留室内の液体を吐出する吐出孔とが連通され、
   前記供給孔は、前記第１部材の内部に設けられており、
   前記接続部材は、可撓性又は伸縮性を有し、且つ、前記供給孔と連通される接続流路を有する
   液体吐出ヘッド。
2. 前記接続部材は、前記第１部材よりも質量の小さいチューブである
   請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記作動部材は、前記押圧方向に複数の圧電素子が積層されることにより構成され、
   前記第１部材を前記押圧方向に変位させる際には、前記複数の圧電素子の少なくとも一部が駆動される
   請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記ヘッド本体は、
   開口部を有する容器形状に構成され、且つ、前記第２部材と熱的に接続された蓄熱体と、
   前記蓄熱体の前記開口部を覆う保持体と、を有し、
   前記蓄熱体には、前記蓄熱体を加熱する加熱部材が取り付けられ、
   前記供給部材は前記保持体に固定され、
   前記保持体と前記蓄熱体とは、セラミック材等の低熱膨張材料で構成された締結部材によって相互に締結されている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
   大気圧以上の圧力を有する液体を前記液体吐出ヘッドの供給部材に供給する供給部と、
   前記液体吐出ヘッドの作動部材の動作を制御する作動制御部と、を備える
   液体吐出装置。
6. 液体を押圧する第１部材と、
   前記第１部材に対向して配置され、前記第１部材とともに液体が貯留される貯留室を形成する第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との間に配置されて前記貯留室の外周部を規定し、前記第１部材により前記第２部材側に押圧されて弾性変形されることによって前記貯留室の容積を増減させる弾性部材と、
   前記第１部材を前記第２部材に対して近接及び離隔する押圧方向に相対的に変位させることにより、前記弾性部材を弾性変形させる作動部材と、
   前記第１部材及び前記作動部材を内部に収容するヘッド本体と、を備える液体吐出ヘッドを用いて、液体を押圧して液滴状に吐出する液体吐出方法であって、
   前記第１部材を前記第２部材に対して近接する前記押圧方向に相対的に変位させることにより、前記弾性部材を弾性変形させて前記貯留室の容積を減少させ、前記貯留室内の液体を吐出孔より吐出する液体吐出ステップと、
   前記第１部材を前記第２部材に対して離隔する前記押圧方向に相対的に変位させることにより、前記弾性部材の弾性変形を復元させて前記貯留室の容積を増大させ、液体を前記第１部材の内部に設けられた供給孔より前記貯留室に供給する液体供給ステップと、を含み、
   前記液体供給ステップでは、前記ヘッド本体に固定された供給部材と、前記供給部材と前記第１部材との間に接続された可撓性又は伸縮性を有する接続部材と、を通して、前記供給孔に液体を供給する
   液体吐出方法。

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