JP2015051399A - 液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】往復移動するニードルを備える液滴吐出装置において、小型の駆動装置によりニードルを高速に移動させて、高タクトで液体材料を飛翔吐出させることを可能とする装置の提供。
【解決手段】吐出口と連通し、液体材料が供給される液室と、先端部が液室内を進退動するニードルと、ニードルを進退動作させる駆動装置と、変位拡大機構と、を備え、吐出口から液滴を飛翔吐出する液滴吐出装置において、駆動装置が、左右対象に配置された偶数台の駆動装置からなり、変位拡大機構が、下部にニードルが連結される弾性変形可能なＵ字状部材を備え、各駆動装置が、Ｕ字状部材の両端部を離間させる力を作用させることによりニードルを後退移動させること、および、Ｕ字状部材の両端部を近接させる力を作用させることによりニードルを進出移動させることを特徴とする液滴吐出装置並びに当該装置を備える塗布装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、水、溶剤、試薬等の粘性が低い液体材料から、半田ペースト、銀ペースト、接着剤等の粘性が比較的高い液体材料までを、フィラーの含有に関わらず、微量に精度よく吐出する液滴吐出装置に関する。本明細書における「ニードル」には、先端が平面、球状または先端に突起が設けられたロッド状部材またはプランジャーが含まれる。

プランジャーの往復移動によって液体材料を飛翔吐出させる装置が知られている。例えば、特許文献１に示すジェットタイプの吐出装置である。
近時、生産性向上の観点から吐出作業の高速性が求められており、このタイプの吐出装置において、一定時間内の吐出回数をさらに増加させる要求が高まっている。そのため、液滴吐出装置は、プランジャーを高速に繰り返して作動させることが必要となっている。

プランジャーを移動させるための駆動源として、モータ、エア、圧電素子など用いたアクチュエータが使われることが多い。圧電素子は、高速に作動するがその変位量は小さいため、拡大機構を介して変位量を大きくしたアクチュエータとして利用されることが一般的である。このような圧電素子を利用したアクチュエータは、例えば、特許文献２および３に記載のものが知られている。

再表２００８／１４６４６４号公報 特開平４−３６５３８４号公報 特表２００１−５０３９２０号公報

従来の圧電アクチュエータにおいては、圧電素子の変位に対する変位拡大機構の拡大率が大きくなるほどパワーが得られなくなり、抵抗に打ち勝つことができなくなる特性を有する。すなわち、圧電素子に変位拡大機構を設けた吐出装置において、粘性が比較的高い液体材料を吐出する場合に変位拡大機構の拡大率を大きくすることには限界があった。

変位拡大機構の拡大率を大きくするために、圧電素子そのものの変位を大きくすることも考えられるが、圧電アクチュエータひいては吐出装置の大型化を招くこととなるという課題がある。吐出装置はＸＹＺ相対移動装置に搭載されて使用されるところ、大型化は高速移動の点でも不利である。

また、従来技術の変位拡大機構は、複数のパーツを組み合わせて構成されており、ヒンジなどのパーツの連結部分で遊びやガタが生じることから、圧電アクチュエータの微少な変位をニードルに高効率に伝達することができておらず、その結果、小型の圧電アクチュエータによりニードルを高速往復動作させることができていなかった。
他方、スプリングを駆動装置に用いた場合、スプリングを縮めた状態から伸展していく過程の動作コントロールが難しいという課題がある。

本発明は、往復移動するニードルを備える液滴吐出装置において、小型の駆動装置によりニードルを高速に移動させて、高タクトで液体材料を飛翔吐出させることを可能とする装置を提供することを目的とする。

発明者は、駆動装置からの駆動力をＵ字状部材を介してニードルに伝達することにより、変位が微少な駆動装置を液滴吐出装置に採用することを可能とした。すなわち、本発明は、以下の技術手段から構成される。

液滴吐出装置（１）に係る本発明は、吐出口（６０）と連通し、液体材料が供給される液室（５１）と、先端部が液室内を進退動するニードル（１２）と、ニードルを進退動作させる駆動装置（２）と、変位拡大機構（３）と、を備え、吐出口から液滴を飛翔吐出する液滴吐出装置において、駆動装置（２）が、左右対象に配置された偶数台の駆動装置からなり、変位拡大機構が、下部にニードルが連結される弾性変形可能なＵ字状部材（５、６、７、８、９）を備え、各駆動装置（２）が、Ｕ字状部材の両端部を離間させる力を作用させることによりニードル（１２）を後退移動させること、および、Ｕ字状部材の両端部を近接させる力を作用させることによりニードル（１２）を進出移動させることを特徴とする。

上記液滴吐出装置では、前記駆動装置（２）が、前記Ｕ字状部材の両端部の内側を押下しまたは外側を引き上げることにより前記Ｕ字状部材の両端部を離間させること、および、前記Ｕ字状部材の両端部の外側を押下しまたは内側を引き上げることにより前記Ｕ字状部材の両端部を近接させることを特徴としてもよい。ここで、前記Ｕ字状部材が、鉛直方向の中心線に対して対称に設けられた第一および第二の変位軸（８、９）を有するアームを備えることを特徴としてもよく、好ましくは、前記アームが、一体成形されたアームであることを特徴とする。さらに、前記Ｕ字状部材が、駆動装置と接続される二つの第一アーム（５）と、二つの第一アームと第一切り欠き部（２７）を介してそれぞれが連結される二つの第二アーム（６）と、二つの第二アームと第二切り欠き部（２８）を介して連結される底部部材（７）とを備え、第一切り欠き部が第一の変位軸（８）を構成し、第二切り欠き部が第二の変位軸（９）を構成することを特徴としてもよい。

上記液滴吐出装置（１）では、前記各駆動装置（２）が、圧電アクチュエータであることを特徴としてもよく、さらに、前記各駆動装置と前記Ｕ字状部材とが、前記各駆動装置の下端を左右方向に摺動自在とし、かつ、前後方向への移動を制限する連結部材を介して接続されることを特徴としてもよい。
上記液滴吐出装置（１）では、前記各駆動装置が、最左に配置される第一駆動装置（７０）と、第一駆動装置の隣に配置される第二駆動装置（７１）と、第二駆動装置の隣に配置される第三駆動装置（７２）と、最右に配置される第四駆動装置（７３）とからなり、第一および第二駆動装置と前記Ｕ字状部材の一端が第一の連結部材（７７）を介して連結され、第三および第四駆動装置と前記Ｕ字状部材の他端が第二の連結部材（７８）を介して連結され、ニードル（１２）の後退移動時には、第二駆動装置と第三駆動装置を作動させ、ニードルの進出移動時には、第一駆動装置と第四駆動装置を作動させることを特徴としてもよい。

塗布装置に係る本発明は、上記の液滴吐出装置（１）と、被塗布物を載置するワークテーブルと、液滴吐出装置（１）と被塗布物とを相対移動させる相対移動装置と、液滴吐出装置（１）に液体材料を供給する液体材料供給源とを備える。

本発明によれば、小型の駆動装置によりニードルを高速に移動させて液滴を高タクトに吐出することができる。
また、コンパクトな駆動装置でも粘性液体材料を飛翔吐出することができる。
さらに、圧電アクチュエータを備える構成においては、電気的パルス信号により圧電素子の動作を制御できるのでストロークの再現性に優れ、圧電素子の動作の制御も容易である。

実施例１の液滴吐出装置の正面図である。 実施例１の液滴吐出装置が備えるアクチュエータ部の部分拡大斜視図である。 実施例１の液滴吐出装置の吐出部を説明する要部拡大断面図である。 実施例１におけるニードルの上昇時の動作を説明する正面図である。 実施例１におけるニードルの下降時の動作を説明する正面図である。 実施例２の液滴吐出装置の正面図である。 実施例３の液滴吐出装置の正面図である。 実施例３におけるニードルの上昇時の動作を説明する正面図である。 実施例３におけるニードルの下降時の動作を説明する正面図である。 実施例４の液滴吐出装置の正面図である。 図１０のＡＡ断面図である。

図面に用いた符号の凡例を以下に示す。
１ 吐出装置／２ アクチュエータ／３ 変位拡大機構／４ 支持ブロック／５ 第一アーム／６ 第二アーム／７ 底部部材／８ 第一変位軸／９ 第二変位軸／１０ 固定ネジ／１１ 窪み／１２ ニードル／１３ ニードル固定部材／１４ 貫通孔／１５ 揺動ブロック／１６ 座ぐり部／１７ 貫通孔／１８ 溝／１９ 連結部／２０ 制御基板／２１ 基板固定部材／２２ 基板固定部／２３ 配線ａ／２４ 配線ｂ／２５ ケーブル／２６ 座標系／２７ 第一切り欠き部／２８ 第二切り欠き部／３０ ハウジング／３１ 空洞／５０ 吐出部／５１ 作動空間／５２ 供給流路／５３ シール部材／５４ 継手／５５ チューブ／５６ バルブシート部材／５７ 連通孔／５８ 吐出孔／５９ ノズルプレート／６０ 吐出口／６１ ノズルプレート固定部材／６２ ニードル先端／６３ ニードル動作方向／６４ 液体の流れ／６５ 液滴状になった液体材料／７０ アクチュエータＡ／７１ アクチュエータＢ／７２ アクチュエータＣ／７３ アクチュエータＤ／７４ ホルダー／７５ ボール／７６ 当接板／７７ 第１支持ブロック／７８ 第２支持ブロック／７９ 当接体／８０ 凹み／１０１ アクチュエータの動きａ／１０２ アクチュエータの動きｂ／１０３ 支持ブロックの動きａ／１０４ 第一アームの動きａ／１０５ 揺動ブロックの動きａ／１０６ 第二アームの動きａ／１０７ 底部部材の動きａ／１０８ ニードルの動きａ／１０９ ニードルの移動量ａ／１１０ アクチュエータの動きｃ／１１１ アクチュエータの動きｄ／１１２ 支持ブロックの動きｂ／１１３ 第一アームの動きｂ／１１４ 揺動ブロックの動きｂ／１１５ 第二アームの動きｂ／１１６ 底部部材の動きｂ／１１７ ニードルの動きｂ／１１８ ニードル移動量ｂ

本発明は、駆動装置（アクチュエータ）によりニードルを上下方向に高速で往復移動させ、液体材料を液滴の状態で吐出口から吐出する液滴吐出装置に関する。本発明の液滴吐出装置は、偶数台の駆動装置（アクチュエータ）の先端が鉛直方向に変位するのではなく、鉛直方向から傾斜する方向に変位し、その変位を変位拡大機構により鉛直方向の変位に変換することにより、ニードルを上下方向に移動させるものである。偶数台の駆動装置は、ニードルの軸線に対して線対称に配置され、作動用の電圧を印加することにより、駆動装置下端が相互に遠ざかったり近づいたりするよう動作する。本発明では複数台の駆動装置を用いるため、粘性が比較的高い液体（例えば、数百〜数千ｃｐｓの粘度の液体）を吐出するために必要なニードル駆動パワーを確保することが可能である。

各駆動装置（アクチュエータ）は、上方に開口を有し、下部にニードルが連結される弾性変形可能なＵ字状部材と直接または連結部材（例えば、後述の支持ブロック４）を介して連結されている。このＵ字状部材を備える変位拡大機構が、各駆動装置の左右方向への駆動力を上下方向の駆動力に変位する。変位拡大機構が備えるＵ字状部材は、一体成形された弾性部材からなる。変位拡大機構にガタや遊びがあると、ニードルが毎回安定した軌道を動作しなくなり、吐出量精度も低下させてしまうことになるが、一体成形されたＵ字状部材によればそのような問題は生じない。なお、「Ｕ字状」とは、Ｕ字に類似する形状も含まれ、鉛直線に対して対称に設けられた第一および第二の変位軸を有するＵ字状のアームは、凹凸や切り欠きの有無にかかわらず全て含まれる。
また、変位拡大機構のパーツ数が少ないので、液滴吐出装置を軽量化かつコンパクト化することが可能である。液滴吐出装置はＸＹＺ相対移動装置に搭載され、ワークとＸＹＺ方向へ相対移動させて使用されるので軽量化は重要であり、特に卓上型の装置においてはコンパクト化が必須である。ＸＹＺ相対移動装置は、例えば、電動モータとボールネジの組み合わせ、リニアモータを用いた機構、ベルトやチェーンなどで動力を伝える機構を備えて構成される。

駆動装置に圧電素子を積層してなる小型の圧電アクチュエータを用いる場合、その変位量は少ないため、変位量を拡大するための変位拡大機構が必要となる。圧電アクチュエータからの駆動力は、変位拡大機構のパーツ数が少ないほど伝達速度が高くなり、また伝達効率も向上する。ヒンジなどの可動部に遊びやガタが生じ、位相遅れなどの影響があるからである。そのため、好ましい態様の本発明は、一体的に形成されたアームを備えるＵ字状部材を用いる。このＵ字状部材は、例えば金属板をプレスすることにより作製される。かかるＵ字状部材によれば、圧電素子のわずかな変位も効率よくニードルの変位に利用することができ、また、その動作も高タクトで行うことができる。例えば、ニードルのストロークは１００μｍ以下であり、１滴当たり０．１μｇ〜１０μｇ、１秒当たり５００００ショット以下の条件で吐出を行うことが可能である。

圧電アクチュエータは、電気的パルス信号により圧電素子の動作を制御するので、制御が容易である。すなわち、与えられたパルス波形に従い圧電素子が変位動作する圧電アクチュエータは、自動化の容易さ、ストローク再現性の高さの点においては、スプリング式よりも優れているといえる。

以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は何ら実施例により限定されるものではない。

実施例１は、ＸＹＺ相対移動装置を備える塗布装置に搭載され、吐出口とワークが搭載されたワークテーブルとを相対移動しながら吐出口から液体材料を液滴の状態で吐出することにより所望のパターンの塗布描画を行うために用いられる液滴吐出装置に関する。以下では、実施例１の液滴吐出装置の構成および動作を説明する。

＜構成＞
図１に実施例１の液滴吐出装置の平面図、図２に実施例１の液滴吐出装置が備えるアクチュエータ部（右側）の部分拡大斜視図を示す。ここで、図１の斜線部は、空間を表している。また、図２の後側に隠れている固定ネジなどは、図を見易くするために一部の要素を図示省略している。
以下の説明では、各図において符号２６を付した座標系で示すように、ノズル側を「下」、アクチュエータ側を「上」、制御基板側を「右」、継手側を「左」と呼ぶ。また、各図の紙面手前方向を「前」、紙面奥側を「後」と呼ぶ場合がある。
実施例１の液滴吐出装置１は、二個のアクチュエータ２、変位拡大機構３、ハウジング３０および吐出部５０を主要な構成要素とする。以下、これらの要素を詳細に説明する。

（１）アクチュエータ（駆動装置）
本実施例のアクチュエータ２、２は、薄板状圧電素子（例えば、圧電セラミック薄層）を直方体状に多数積層したもので構成されており、電圧を印加することで積層方向に垂直な面を傾斜することができる圧電アクチュエータである。本実施例のアクチュエータ２、２の大きさは、例えば１０ｍｍ（Ｗ）×１０ｍｍ（Ｄ）×４０ｍｍ（Ｈ）である。このアクチュエータ２、２は、電圧の印加により、積層方向（上下方向）の中心軸を挟んで、右側が伸びるときには左側が縮み、逆に右側が縮むときには左側が伸びることで、積層方向に垂直な面が左右に傾斜するような動作をする。この作用により、アクチュエータ２、２に接続するＵ字状の変位拡大機構３を変位させることができる。このようなアクチュエータは、例えば特許文献３（特表２００１−５０３９２０号公報）に開示される。

本実施例では、図１に示すように、アクチュエータ２、２の積層方向の二面のうち一方の面（上面）をハウジング３０に形成される揺動ブロック１５、１５に、もう一方の面（下面）を第一アーム５、５に接続する支持ブロック４、４に接合する。ここで、図２に示すように、アクチュエータ２、２の上面は、ハウジング３０および揺動ブロック１５の前後方向厚さの実質的に中心に接合するようにすることが好ましい。支持ブロック４、４の前後方向厚さもハウジング３０と実質的に同じ厚さとし、アクチュエータ２、２の下面を支持ブロック４、４の前後方向幅の実質的に中心に接合するようにすることが好ましい。
本実施例のアクチュエータ２、２の前後方向厚さは、図２に示すように、ハウジング３０および揺動ブロック１５の前後方向厚さの１／３程度である。

一つの揺動ブロック１５と一つの支持ブロック４とは、二本の固定ネジ１０、１０により接合される。ここで、図２では前側の固定ネジ１０のみを描画しているが、アクチュエータ２を挟んだ後側にも同じ構成の固定ネジ１０が配設されている。各固定ネジ１０は、揺動ブロック１５を含むハウジング３０の上部を貫通し、アクチュエータ２の積層方向（上下方向）に沿って支持ブロック４の貫通孔１４にまで至る長さのものを用いる。ハウジング３０の上部には、固定ネジを挿通するための四つの貫通孔１７が穿設されており、各揺動ブロック１５を二つの貫通孔１７が貫通している。この四つの貫通孔１７の内面にはネジ溝が設けられていない。他方で、支持ブロック４に設けられた固定ネジ１０の先端が挿通される四つの貫通孔１４にはネジ溝が設けられている。かかる構成により、各固定ネジ１０を締めることで、アクチュエータ２、２を揺動ブロック１５と支持ブロック４とで挟み込むようにして固定することができる。

アクチュエータ２、２は、図１に示すように、ニードル１２の軸線に対して線対称の位置に二個設けられる。アクチュエータ２、２は、薄板状圧電素子の積層方向に垂直な面の決まった向きに傾斜動作するところ、傾斜動作の向きがきちんと対称になるよう取り付けられている。すなわち、アクチュエータ２、２に電圧が印加されると、両アクチュエータ２、２は同じ姿勢で同じ方向（例えば、同時に外側または同時に内側）に傾斜するようにする。アクチュエータ２、２の左右対称の傾斜動作は、変位拡大機構３によりニードル１２へと伝えられ、ニードル１２の往復動作により液体材料に慣性力を与え、液滴を吐出することができる。

（２）変位拡大機構
変位拡大機構３は、図１に示すように、一対の支持ブロック４、４をブリッジする弾性変形可能なＵ字状部材（５、６、７、８、９）により構成される。より詳細には、変位拡大機構３は、第一アーム５、５と、第一アーム５、５とくびれた第一連結部８、８で接合される第二アーム６、６と、第二アーム６、６とくびれた第二連結部９、９で接続される底部部材７とから構成される。前面から見ると第一アーム５、５が最も幅広であり、第二アーム６、６は第一アーム５、５と比べ幅狭に構成されている。底部部材７の先端（下端）には、吐出部５０を構成する円柱状のニードル１２が接合されている。

第一アーム５、５の一端は、上面視八角形状の支持ブロック４が接合されている。ここで、支持ブロック４の形状は図示のものに限定されず、多角形、円形、楕円形を含む任意の形状とすることができる。また、支持ブロック４、４と第一アーム５、５とは、一体的に形成してもよい。
第一アーム５、５の前後方向厚さは、アクチュエータ２、２とほぼ同じ厚さである。第一アーム５、５は、前面からみると、上方から下方へ向かって左右方向の幅が狭くなるように（テーパ状に）形成されており、中央部分には窪み１１、１１が形成されている。この窪み１１は、第一アーム５、５の前側と後側に同じ形状のものが同じ位置に形成されており、合計で四つ設けられている。四つの窪み１１は、第一アーム５自身が変形しないよう剛性を保ちつつ、軽量化を図ることに寄与している。第一アーム５、５は、その下端で第一連結部８、８により第二アーム６、６と連結される。第一連結部８、８は、第一アーム５、５の下端の内側に第一切り欠き部２７、２７が形成されるように、各アーム（５、６）よりも一回り幅狭に構成されている。

第二アーム６、６は、前面から見ると台形状をしており、下底辺（長辺）側の二つの角部で、第一アーム５、５および底部部材７と接合される。詳細には、第二アーム６、６の上側の角部で、第一連結部８、８により第一アーム５、５と連結され、その下側の角部で、第二連結部９、９により底部部材７と連結される。また、第二アーム６、６は、台形の上底と下底を結ぶ上側の対辺がほぼ水平に、台形の上底と下底を結ぶ下側の対辺がほぼ垂直になるような姿勢となるように設けられている。第二連結部９、９は、第二アーム６、６の下端の内側に第二切り欠き部２８、２８が形成されるように、各アーム（５、６）よりも一回り幅狭に構成されている。
底部部材７は、略方形状の部材で、その左右方向の二辺で第二連結部９、９により第二アーム６、６に接合される。底部部材７の下端中央には、ニードル固定部材１３によりニードル１２が接合されている。

ニードル１２は、アクチュエータ２、２の動きが変位拡大機構３により伝達されることにより、上下に往復動作する。すなわち、内側から外側へ向かうくさび状の切り欠き部が設けられた第一連結部８、８および第二連結部９、９が、可動軸（ヒンジ）として働き、アクチュエータ２、２の動きをニードル１２へと伝える役割を果たす。本実施例では、変位拡大機構３を構成するＵ字状部材を、別個に作製された複数の部材を接合して構成していないことが重要である。すなわち、変位拡大機構３を構成する各アーム（５、６）が一体的に形成され、各アームの連結部（可動軸またはヒンジ）が一体的に形成された部材を屈伸させることによりアクチュエータ２、２の動きを伝達するようにすることが重要である。各アームの連結部（８、９）を別個の連結用部材により構成すると連結部にガタや遊びが生じ、動力伝達のロスやニードル安定動作の精度低下の問題が生じるからである。

以上に説明した変位拡大機構３は、例えば、鋼や銅合金など弾性の大きい金属材料で製作することが好ましい。そうすることで、バネやリンクなどのガタや遊びの原因となる部材を別途設けることなく、アクチュエータ２、２の変位をニードル１２へと伝達する機構を容易に実現することができる。

（３）ハウジング
図１に示すように、ハウジング３０は、アクチュエータ２、２および変位拡大機構３の周囲を囲うように形成される前面視台形状の部材である。ハウジング３０には、アクチュエータ２、２および変位拡大機構３を収納できるよう、これらの外形に合わせた形状の空洞３１が設けられている。図１中、斜線で図示された空洞３１は、ハウジング３０の前面から後面まで貫通して設けられている。
空洞３１の上部（天井）には、図２にも示すように、アクチュエータ２、２と接続するための揺動ブロック１５、１５が配設される。本実施例の揺動ブロック１５、１５は、釣鐘状の部材で、その頭頂部が連結部１９、１９によりハウジング３０上部に連結される。本実施例では、ハウジング３０に前面から後面まで貫通する溝１８を切削することで揺動ブロック１５および連結部１９を形成している。ここで、各連結部１９は、各貫通孔１７が形成されるのに必要な幅を確保しながら、各溝１８、１８と協働して各揺動ブロック１５の揺動性が損なわれない幅にする。
ハウジング３０の上部外周側には、固定ネジ１０の頭部が外周から外へ出っ張らないようにするための穴である４つの座ぐり部１６が形成されている。４つの座ぐり部１６から揺動ブロック１５経て空洞３１まで、４本の固定ネジ１０が摺動可能に挿通される４つの貫通孔１７が形成されている。各固定ネジ１０は、変位拡大機構３の動きを妨げることなく、各貫通孔１７内を滑らかに昇降動作することができるので、アクチュエータ２、２の微小な動きにも対応できる。

ハウジング３０の下部には、液体材料の供給を受け、ニードル１２の作用により、下面に設けた吐出孔５８から液体材料を吐出するための吐出部５０を設ける。吐出部５０の詳細については図３を参照しながら後述する。
空洞３１の右側内周に設けられた基板固定部２２には、基板固定部材２１により制御基板２０が固定されている。制御基板２０には、アクチュエータ２、２へとつながる配線ａ２３と、アクチュエータ２、２の動作を制御する制御装置（図示せず）につながる配線ｂ２４とが接続されている。配線ｂ２４は、ハウジング３０の上部外面でケーブル２５としてひとまとまりにされ、制御装置（図示せず）に接続される。本実施例とは異なり、制御基板２０をハウジング３０内に設けず、不図示の制御装置と一体的に設けてもよく、かかる場合、アクチュエータ２、２へとつながる配線ａ２３のみがハウジング３０内に導通される。

ハウジング３０の前後の面には、全面を覆うカバー（図示せず）が設けられている。このカバーを設けることで、動作の障害となる異物の内部への侵入を防止したり、作業者の指や衣服などが接触することなどを防止したりすることができる。

（４）吐出部
図３に本実施例に係る吐出装置の吐出部の要部拡大断面図を示す。図３では、斜線部は断面を表している。
本実施例の吐出部５０は、変位拡大機構３の底部部材７に固定されるニードル１２と、ハウジング３０に設けられた流路（５１、５２、５８）とから構成される。これらの流路は、ニードル１２が挿通される作動空間５１と、作動空間５１に液体材料を供給する供給流路５２と、吐出口６０と連通する連通孔５７とから構成される。
作動空間５１は、ハウジング３０の下部において、空洞３１の下端から鉛直下方に穿って設けられたニードル１２の径より大径の孔であり、液室を構成する。液体が充填された作動空間５１では、先端が半球形である円柱状のニードル１２が作動空間５１の内周面と非接触の状態で高速で進退移動して、液体材料に慣性力を印加して液滴の状態で吐出させる。円柱状の作動空間５１の下端は、バルブシート部材５６に形成された連通孔５７およびノズルプレート５９に形成された吐出孔５８と連通される。上下に延びる吐出孔５８の下端は、下方に開口する吐出口６０を構成する。本実施例では、連通孔５７および吐出孔５８は同径であり、ニードル１２よりも細径である。
供給流路５２は、ハウジング３０の下部において、水平方向に穿って設けられた孔であり、液体材料供給源（貯留容器）と作動空間５１とを連通する。本実施例の供給流路５２は、ハウジング３０の下部外側面と作動空間５１の側面と連通する。供給流路５２の形成方向は図示のものに限定されず、例えば、上方から下方へ傾斜する流路により構成してもよい。

作動空間５１の上端と作動空間５１および供給流路５２の連通部分との間には、液体材料が空洞３１内に漏出しないようにするためのシール部材５３が設けられている。吐出装置５０への液体材料の供給は、液体材料供給源（図示せず）から継手５４により接続されるチューブ５５を介して行われる。なお、継手５４とチューブ５５を用いずに、ハウジング３０に貯留容器を固設し、ハウジング３０および貯留容器を連通する流路を有する接続部材により直結するようにしてもよい。
ハウジング３０下面には、ノズルプレート５９をノズルプレート固定部材６１、６１により着脱自在に固定する。なお、吐出口を有するノズルは、例示のプレート形状に限定されず、任意の形状のものを採用することが可能である。
ノズルプレート５９の上面には、バルブシート部材５６を嵌入するための窪みが設けられている。この窪みの中心には、鉛直方向に穿って設けられた貫通孔である吐出孔５８が形成されている。ノズルプレート５９の窪みに嵌入されたバルブシート部材５６は、ハウジング３０下面と接して作動空間５１を閉じた空間とする。バルブシート部材５６は、作動空間５１の先端部分を構成する窪みと、作動空間５１と吐出孔５８とを流体的に連通する連通孔５７とを有している。ニードル１２が往復動作して、ニードル先端６２がこのバルブシート部材５６に当接および離間することにより、連通孔５７を開閉する。連通孔５７が開状態にあるとき、連通孔５７および吐出孔５８を液体材料が通過し、吐出口６０から外部へと吐出される。
本実施例の吐出装置では、ノズルプレート５９をハウジング３０とは別部材により構成し、これらを着脱自在とすることで、吐出孔５８の径の変更、吐出孔５８の洗浄などを容易に行うことを可能としている。

＜動作＞
上記で説明した構成を備える液滴吐出装置は、次のように動作する。まず、基本となる上昇動作および下降動作について説明し、ついで吐出動作について説明する。以下では、ニードル１２を正面から見た場合の動作を説明する。
（１）上昇動作
図４にニードル１２の上昇時の動作を説明する正面図を示す。同図中、点線はアクチュエータへの電圧印加前の位置を表す。
上昇動作させるための電圧をアクチュエータ２、２に印加すると、アクチュエータ２、２は外側で縮み（符号１０１）、内側で伸びる（符号１０２）。この動作によりアクチュエータ２、２が傾くと、アクチュエータ２、２の一方の端部に接合される支持ブロック４、４が外側へ開くように傾き（符号１０３）、支持ブロック４、４と連結されている第一アーム５、５が外側へ開くように傾く（符号１０４）。別の言い方をすれば、上記の電圧印加により、支持ブロック４、４が相互に離間する方向に動くのと共に、第一アーム５、５が相互に離間する方向に動く。

上記の電圧印加により、アクチュエータ２、２のもう一方の端部に接合される揺動ブロック１５、１５も同様に外側へ開くように傾く（符号１０５）。第一アーム５、５が外側へ開くように傾くと、第一アーム５、５と第一変位軸８、８により連結される第二アーム６、６は、第一アーム５に引っ張られるように外側斜め上方へと移動する（符号１０６）。別の言い方をすれば、上記の電圧印加により、第一切り欠き部２７、２７の間隙が狭まるように変位拡大機構３が屈曲変位する。この第二アーム６、６の移動により、第二アーム６、６と第二変位軸９、９により連結される底部部材７は、第二アーム６、６に引っ張られるように垂直上方へ移動する（符号１０７）。別の言い方をすれば、上記の電圧印加により、第二切り欠き部２８、２８の間隙が狭まるように変位拡大機構３が屈曲変位する。この底部部材７の垂直上方への移動により、底部部材７に連結されるニードル１２も上昇移動する（符号１０８）。ニードル１２の上昇移動量（符号１０９）は、アクチュエータ２、２に印加する電圧の大きさによって変化させることができる。

（２）下降動作
図５にニードル１２の下降時の動作を説明する説明図を示す。同図中、点線はアクチュエータへの電圧印加前の位置を表す。
下降動作させるための電圧をアクチュエータ２、２に印加すると、アクチュエータ２、２は外側で伸び（符号１１０）、内側で縮む（符号１１１）。この動作によりアクチュエータ２、２が傾くと、アクチュエータ２、２の一方の端部に接合される支持ブロック４、４が内側に狭まるように傾き（符号１１２）、支持ブロック４、４と連結されている第一アーム５、５が内側に狭まるように傾く（符号１１３）。別の言い方をすれば、上記の電圧印加により、支持ブロック４、４が相互に近接する方向に動くのと共に、第一アーム５、５が相互に近接する方向に動く。

上記の電圧印加により、アクチュエータ２、２のもう一方の端部に接合される揺動ブロック１５、１５も同様に内側に狭まるように傾く（符号１１４）。第一アーム５、５が内側に狭まるように傾くと、第一アーム５、５と第一変位軸８、８により連結している第二アーム６、６は、第一アーム５、５に押されるように内側斜め下方へと移動する（符号１１５）。別の言い方をすれば、上記の電圧印加により、第一切り欠き部２７、２７の間隙が広がるように変位拡大機構３が屈曲変位する。この第二アーム６、６の移動により、第二アーム６、６と第二変位軸９、９により連結される底部部材７は、第二アーム６、６に押されるように垂直下方へ移動する（符号１１６）。別の言い方をすれば、上記の電圧印加により、第二切り欠き部２８、２８の間隙が広まるように変位拡大機構３が屈曲変位する。この底部部材７の垂直下方への移動により、底部部材７に連結されるニードル１２も下降移動する（符号１１７）。ニードル１２の下降移動量（符号１１８）は、アクチュエータ２、２に印加する電圧の大きさによって変化させることができる。

（３）吐出動作
上記（１）および（２）の動作を組み合わせることにより、吐出部５０において、液体材料を吐出させることができる。図３〜図５を参照しながら、以下に説明する。
アクチュエータ２、２および変位拡大機構３の動作により、ニードル先端６２がバルブシート部材５６に当接している状態を初期状態とする。この状態では、ニードル先端６２により吐出孔５８はふさがれている。
初期状態から、上記（１）の上昇動作により、ニードル１２を上昇させてニードル先端６２がバルブシート部材５６から離間すると、作動空間５１内の液体材料がバルブシート部材５６の連通孔５７および吐出孔５８を流れて、ノズル先端の吐出口６０から外部へと流出する。この時点では、液体材料が吐出口６０先端部より細い糸状の部分により吐出口とつながっている状態にある。流出した液体材料と同量の液体材料が、不図示の貯留容器からチューブ５５を通り、継手５４を介して吐出装置１の供給流路５２へ供給される。
極めて短い所定時間経過後、上記（２）の下降動作により、ニードル１２を下降させてニードル先端６２がバルブシート部材５６に当接すると、液体材料の流れが遮断され、ノズル先端の吐出口６０から流出していた液体材料も分断される。液体材料にはニードル１２により慣性力が与えられているので、ノズル先端の吐出口６０から分断された液体材料６５は、液滴状になって飛翔吐出される。
以上が一回の吐出における基本的なサイクルである。連続して複数の液滴を吐出する場合は、このサイクルを繰り返す。
なお、ニードル先端６２をバルブシート部材５６近傍（着座直前）まで急速進出させ、液体材料に慣性力を与えることで、ニードル先端６２をバルブシート部材５６に当接（着座）させなくとも吐出口６０から液滴を吐出することが可能である。

以上に説明した実施例１の液滴吐出装置は、ニードル１２を上下方向に駆動するアクチュエータに圧電アクチュエータを採用し、ヒンジ遊びのない一体成形されたＵ字状部材と組み合わせることで、所望のストロークを高精度かつ容易に設定することが可能である。また、Ｕ字状部材のパーツ数が少ないので圧電素子の微少な変位を高効率かつ高速に伝達することができ、高タクトを実現することが可能である。さらに、Ｕ字状部材は小型化が可能であるので、液滴吐出装置を軽量化かつコンパクト化することが可能である。

＜構成＞
実施例２は、実施例１と異なる構造の変位拡大機構３を備える液滴吐出装置に関する。実施例２の液滴吐出装置は、図６に示すように、Ｕ字状の変位拡大機構３が備える第一変位軸８、８と第二変位軸９、９に形成されるくさび状の切り欠き部が、いずれも正面視外側から内側に向かって形成されている点で実施例１の液滴吐出装置と相違する。別の言い方をすれば、実施例２では、可動軸（ヒンジ）を構成するために、第二アーム６、６のそれぞれの上方および下方に設けられた４つの切り欠き部が、正面から見たＵ字状部材（５、６、７、８、９）の外側に開口を有するように形成されている。
実施例２においても、可動軸（ヒンジ）となる第一変位軸８、８および第二変位軸９、９が一体成形されている。すなわち、Ｕ字状部材（５、６、７、８、９）が別体を接合して構成されておらず、変位拡大機構３は一つの部材により形成されているので、可変軸における遊びが無く、圧電素子の微少な変位を高効率かつ高速に伝達することができる。二個のアクチュエータ２、ハウジング３０および吐出部５０等の構成については、実施例１と同様であるので、説明を割愛する。

＜動作＞
実施例２の装置において、アクチュエータ２、２に上昇動作および下降動作のための電圧を印加した際の変位拡大機構３を正面から見た場合の動作は次のとおりである。ニードル１２を進出移動させる場合は、第一変位軸８、８の切り欠き部の隙間が狭まり、一方で第二変位軸９、９の切り欠き部の隙間が広がる。ニードル１２を後退移動させる場合は、逆に第一変位軸８、８の切り欠き部の隙間が広がり、第二変位軸９、９の切り欠き部の隙間が狭まる。

このように切り欠き部の開口方向を変えて構成した変位拡大機構３を備える実施例２の装置においても、ヒンジ遊びのない一体成形されたＵ字状部材によりアクチュエータ２、２の変位を速やかに効率良くよくニードル１２に伝達することができ、実施例１と同様の効果を得ることができる。

＜構成＞
実施例３は、四個のアクチュエータを具備する液滴吐出装置に関する。実施例３の液滴吐出装置は、図７に示すように、アクチュエータ２の数が四個である点、変位拡大機構３に切り欠き部が設けられていない点、揺動ブロック１５を有していない点で、実施例１および２と主に相違する。以下では、実施例１および２と共通する構成については説明を割愛し、相違する構成を中心に説明する。

Ｕ字状の変位拡大機構３は、一枚の板状体を折り曲げてつくられており、第１変位軸８、８と第二変位軸９を有している。本実施例の変位拡大機構３は、実施例１および２にあるような切り欠き部は備えていない。Ｕ字状の変位拡大機構３の両端は、支持ブロック７７、７８にそれぞれ固定される。ニードル１２は、変位拡大機構３の第二変位軸９に固定されている。
支持ブロック７７、７８は、その上面に二枚の当接板７６をそれぞれ有する。計四枚の当接板７６は、四個のアクチュエータ７０〜７３の先端に保持される四個のボール７５と摺動可能に当接される。四個のアクチュエータ７０〜７３は、ハウジング３０の空洞３１の内上面（天井）および四本の固定ネジ１０に連結される支持ブロック７７、７８によって挟持される。すなわち、アクチュエータＡ７０とアクチュエータＢ７１は、第１支持ブロック７７とハウジング３０との間に挟持され、アクチュエータＣ７２とアクチュエータＤ７３は、第２支持ブロック７８とハウジング３０との間に挟持される。
四本の固定ネジ１０は、ハウジング３０の上部に設けられた二つの貫通孔に摺動可能に挿通されている。本実施例では四本の固定ネジ１０により支持ブロック７７、７８を揺動自在に固定しているが、固定ネジ１０の本数は四本のに限定されるものではなく、例えば二本または六本であってもよい。

実施例３で用いたアクチュエータ７０〜７３は、いずれも薄板状の圧電素子を多数積層し、直方体状に構成したものである。各アクチュエータは先端（下端）に、ボール７５を保持するホルダー７４を備えている。各アクチュエータは、電圧を印加することで圧電素子の積層方向に直交する面を積層方向（上下方向）に移動させることができ、これにより各ホルダー７４を上下方向に移動させることができる。なお、本実施例では、ボールと当接板（プレート）の組み合わせを例示しているが、これに限定されるものではない。

＜動作＞
［１］上昇動作（図８）
図８にニードル１２の上昇時の動作を説明する正面図を示す。同図中、点線はアクチュエータへの電圧印加前の位置を表す。
アクチュエータＢ７１とアクチュエータＣ７２を電圧印加により作動させて延伸させ、アクチュエータＡ７０とアクチュエータＤ７３は作動させず（電圧印加せず）、縮んだ状態となるようにする。そうすると、アクチュエータＢ７１およびアクチュエータＣ７２が保持するボール７５、７５が当接板７６、７６上を摺動して支持ブロック７７、７８の上面の内側を押圧する。これにより、第１支持部ブロック７７と第２支持ブロック７８は、相互に離間すると共に、正面視外側が上昇し、正面視内側が下降するように傾く。その結果、第１変位軸８、８が屈曲し、第２変位軸９、９が伸展し、ニードル１２が上昇動作する。

［２］下降動作（図９）
図９にニードル１２の下降時の動作を説明する正面図を示す。同図中、点線はアクチュエータへの電圧印加前の位置を表す。
アクチュエータＡ７０とアクチュエータＤ７３を電圧印加により作動させて延伸させ、アクチュエータＢ７１とアクチュエータＣ７２は作動させず（電圧印加せず）、縮んだ状態となるようにする。そうすると、アクチュエータＡ７０とアクチュエータＤ７３が保持するボール７５が当接板７６上を摺動して支持ブロック７７、７８の上面の外側を押圧する。これにより、第１支持部ブロック７７と第２支持ブロック７８は、相互に近接すると共に、正面視外側が下降し、正面視内側が上昇するように傾く。その結果、その結果、第１変位軸８、８が伸展し、第２変位軸９、９が屈曲し、ニードル１２が下降動作する。

以上に説明した本実施例の装置では、ヒンジ遊びのない一体成形されたＵ字状部材によりアクチュエータ７０〜７３の変位を速やかに効率良くよくニードル１２に伝達することができる。また、本実施例の装置は、四個のアクチュエータを使用することにより大きなエネルギーを取り出すことができるので、特に粘性が高い液体材料の吐出作業に好適である。

＜構成＞
実施例４は、実施例３と異なる構造の変位拡大機構３を備える液滴吐出装置に関する。実施例４の液滴吐出装置は、図１０に示すように、アクチュエータ７０〜７３の変位が、四個の当接体７６を介して第１支持ブロック７７および第２支持ブロック７８に伝達される点で実施例３の液滴吐出装置と相違する。以下では、実施例３と共通する構成については説明を割愛し、相違する構成を中心に説明する。
ニードル１２を上下移動させるためには、変位拡大機構３の両端を正面視左右方向に移動させることにより変位拡大機構３の第一変位軸８、８および第二変位軸９、９を変位させる必要がある。このために、アクチュエータ７０〜７３を作動させ、第１支持ブロック７７および第２支持ブロック７８の距離を正面視左右方向に拡げたり、狭めたりさせる必要がある。この際、四個のアクチュエータの変位が支持ブロック７７および７８の正面視左右方向への移動にのみ利用され、他の方向への移動には利用されないことが最も望ましい。実施例３では、四個のアクチュエータの変位を支持ブロックに伝達させる役割をボール７５と当接板７６が担っているが、正面視前後方向に対する規制がないために、正面視前後方向にずれが生じる場合がある。そこで、本実施例の液滴吐出装置では、このような正面視前後方向へのずれを防止するための構成を設けている。

アクチュエータ７０〜７３は先端（下端）にホルダー７４を備えており、電圧を印加することで各ホルダー７４を上下方向に移動させることができる点は実施例３と同様である。しかし、本実施例では、ホルダー７４の下端に当接体７９が設けられている点で実施例３と相違する。
当接体７９は、正面から視て下方に向けて先細りとなる台形状または三角形状をしている。当接体７９は、ホルダー７４に別個に作製した部材を固設して構成してもよいし、ホルダー７４と一体的に成形して構成してもよい。当接体７９は、その下端が凹み８０内に位置し、正面視左右方向に摺動自在となるように設置されている。

図１１は、図１０のＡＡ断面図である。図１１に示すように、当接体７９は側面から視ると上端から下端までが同一幅であり、実質的に同幅の凹み８０により正面視前後方向の動きが制約されている。従って、各アクチュエータの変位が正面視前後方向の動きとして支持ブロック７７、７８に現れることはなく、各アクチュエータの変位は全て正面視左右方向の動きとして利用される。
凹み８０は支持ブロック７７、７８の上面に設けられており、側面視方形状の溝である。図１１に示すように、側面から視た凹み８０の左右方向の幅は、当接体７９の側面視左右方向（正面視前後方向）のずれを規制し、かつ、当接体７９の側面視前後方向（正面視左右方向）の移動を妨げない幅に設定されている。
凹み８０の底面には、各アクチュエータと対向するように四個の当接版７６が設置されている。

＜動作＞
ニードル１２の上昇時および下降時の動作は、実施例３と同様である。
図８に示すように、アクチュエータＢ７１とアクチュエータＣ７２を電圧印加により作動させて延伸させ、アクチュエータＡ７０とアクチュエータＤ７３は作動させない（電圧印加しない）ことにより、ニードル１２が上昇動作する。
図９に示すように、アクチュエータＡ７０とアクチュエータＤ７３を電圧印加により作動させて延伸させ、アクチュエータＢ７１とアクチュエータＣ７２は作動させない（電圧印加しない）ことにより、ニードル１２が下降動作する。

以上の構成を備える本実施例の液滴吐出装置は、アクチュエータの変位を変位拡大機構３により無駄なく拡大できるので、ニードル１２を高効率かつ精度良く往復動作させることができる。

Claims (10)

1. 吐出口と連通し、液体材料が供給される液室と、先端部が液室内を進退動するニードルと、ニードルを進退動作させる駆動装置と、変位拡大機構と、を備え、吐出口から液滴を飛翔吐出する液滴吐出装置において、
   駆動装置が、左右対象に配置された偶数台の駆動装置からなり、
   変位拡大機構が、下部にニードルが連結される弾性変形可能なＵ字状部材を備え、
   各駆動装置が、Ｕ字状部材の両端部を離間させる力を作用させることによりニードルを後退移動させること、および、Ｕ字状部材の両端部を近接させる力を作用させることによりニードルを進出移動させることを特徴とする液滴吐出装置。
2. 前記駆動装置が、前記Ｕ字状部材の両端部の内側を押下しまたは外側を引き上げることにより前記Ｕ字状部材の両端部を離間させること、および、前記Ｕ字状部材の両端部の外側を押下しまたは内側を引き上げることにより前記Ｕ字状部材の両端部を近接させることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
3. 前記Ｕ字状部材が、鉛直方向の中心線に対して対称に設けられた第一および第二の変位軸を有するアームを備えることを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出装置。
4. 前記アームが、一体成形されたアームであることを特徴とする請求項３に記載の液滴吐出装置。
5. 前記Ｕ字状部材が、駆動装置と接続される二つの第一アームと、
   二つの第一アームと第一切り欠き部を介してそれぞれが連結される二つの第二アームと、
   二つの第二アームと第二切り欠き部を介して連結される底部部材とを備え、
   第一切り欠き部が第一の変位軸を構成し、
   第二切り欠き部が第二の変位軸を構成することを特徴とする請求項３または４に記載の液滴吐出装置。
6. 前記各駆動装置が、圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液滴吐出装置。
7. 前記各駆動装置と前記Ｕ字状部材とが、前記各駆動装置の下端を左右方向に摺動自在とし、かつ、前後方向への移動を制限する連結部材を介して接続されることを特徴とする請求項６に記載の液滴吐出装置。
8. 前記各駆動装置が、最左に配置される第一駆動装置と、第一駆動装置の隣に配置される第二駆動装置と、第二駆動装置の隣に配置される第三駆動装置と、最右に配置される第四駆動装置とからなり、
   第一および第二駆動装置と前記Ｕ字状部材の一端が第一の連結部材を介して連結され、
   第三および第四駆動装置と前記Ｕ字状部材の他端が第二の連結部材を介して連結され、
   ニードルの後退移動時には、第二駆動装置と第三駆動装置を作動させ、
   ニードルの進出移動時には、第一駆動装置と第四駆動装置を作動させ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滴吐出装置。
9. 請求項１ないし４のいずれかに記載の液滴吐出装置と、被塗布物を載置するワークテーブルと、液滴吐出装置と被塗布物とを相対移動させる相対移動装置と、液滴吐出装置に液体材料を供給する液体材料供給源とを備える塗布装置。
10. 請求項８に記載の液滴吐出装置と、被塗布物を載置するワークテーブルと、液滴吐出装置と被塗布物とを相対移動させる相対移動装置と、液滴吐出装置に液体材料を供給する液体材料供給源とを備える塗布装置。