JP2019006034A - 液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液室内に存在する気体を除去する技術を提供する。【解決手段】液体吐出装置は、液体を吐出するためのノズルに連通する液室と、前記液室の容積を変更するための容積変更部と、前記液室に接続され、前記液室に前記液体を流入させる流入路と、前記液室を形成する面に設けられ、気体を除去する脱気部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、液体吐出装置に関する。

従来、例えば、特許文献１に記載の液滴吐出装置は、液滴を吐出するノズルと、ノズルと連通する圧力発生室と、液体を一時的に貯留するリザーバーと、圧力発生室とリザーバーとを連通する供給連通路とを備える。そして、特許文献１に記載の液滴吐出装置は、圧力発生室への気泡の流れ込みを抑制するために、共通連通路にフィルターを備える。

特開２０１３−２４８８４３号公報

ここで、圧力発生室に流入する気体としては、例えば、流路から流入した気体、液体内に溶存した気体、ノズルから流入した気体、液体が気化した気体が挙げられる。このため、例えば、液体内に溶存した気体などが、圧力発生室に存在する場合、特許文献１に記載の液滴吐出装置では、気体を除去することが困難であった。このため、圧力室内に存在する気体を除去する技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、液体吐出装置が提供される。この液体吐出装置は、液体を吐出するためのノズルに連通する液室と、前記液室の容積を変更するための容積変更部と、前記液室に接続され、前記液室に前記液体を流入させる流入路と、前記液室を形成する面に設けられ、気体を除去する脱気部と、を備える。このような形態の液体吐出装置であれば、液室内に存在する気体を除去することができる。

（２）上記形態の液体吐出装置において、前記脱気部は、前記液室の上面に設けられていてもよい。このような液体吐出装置であれば、液室の上方に浮いてきた気体を、脱気部により効率的に除去することができる。

（３）上記形態の液体吐出装置において、前記脱気部は、中空糸膜により形成されていてもよい。このような形態の液体吐出装置であれば、液室内に存在する気体を、より効率的に除去することができる。

（４）上記形態の液体吐出装置において、前記脱気部には、前記液室から気体を吸引するためのポンプが接続されていてもよい。このような形態の液体吐出装置であれば、液室内に存在する気体を、より効率的に除去することができる。

（５）上記形態の液体吐出装置において、さらに、前記液室に接続され、前記液室から前記液体を流出させる流出路を備え、前記脱気部は、前記流入路よりも前記流出路の近くに設けられていてもよい。このような形態の液体吐出装置であれば、気体を脱気部によって効率的に除去することができるため、流出路に侵入することを抑制できる。

（６）上記形態の液体吐出装置において、前記液室と前記流出路とを接続する流出孔の上端は、前記液室の上面よりも下側に設けられていてもよい。このような形態の液体吐出装置であれば、液室の上面まで到達した気体が、流出孔から流出することを抑制できるため、脱気部から容易に除去することができる

本発明は、上述した液体吐出装置としての形態以外にも、種々の形態で実現することが可能である。例えば、液体吐出装置によって実行される液体吐出方法の形態で実現することができる。

第１実施形態における液体吐出装置の概略構成を示す説明図である。 ヘッド部の概略構成を示す説明図である。 液室側から液室４２の上面を見た状態を示す説明図である。 第２実施形態のヘッド部の概略構成を示す説明図である。 第３実施形態のヘッド部の概略構成を示す説明図である。 第４実施形態のヘッド部の概略構成を示す説明図である。 第５実施形態のヘッド部の概略構成を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における液体吐出装置１００の概略構成を示す説明図である。液体吐出装置１００は、タンク１０と、加圧ポンプ２０と、流入路３０と、ヘッド部４０と、流出路５０と、液体貯留部６０と、負圧発生源７０と、制御部８０と、循環路９０と、を備える。

タンク１０には液体が収容されている。液体としては、例えば、所定の粘度を有するインクが収容される。タンク１０内の液体は加圧ポンプ２０により、流入路３０を通じてヘッド部４０に供給される。ヘッド部４０に供給された液体は、ヘッド部４０により吐出される。ヘッド部４０の動作は、制御部８０により制御される。

ヘッド部４０によって吐出されなかった液体は、流出路５０を通じて液体貯留部６０に排出される。液体貯留部６０には、各種ポンプによって構成可能な負圧発生源７０が接続されている。負圧発生源７０は、液体貯留部６０内を負圧にすることにより、流出路５０を通じてヘッド部４０から液体を吸引する。加圧ポンプ２０および負圧発生源７０は、流入路３０と流出路５０とに差圧を発生させて流入路３０に液体を供給する液体供給部として機能する。なお、加圧ポンプ２０および負圧発生源７０のいずれか一方を省略して、加圧ポンプ２０または負圧発生源７０のいずれか単体で液体供給部を構成してもよい。上記のように、本実施形態では、ヘッド部４０から吐出されなかった液体がヘッド部４０から流出路５０に排出されるので、ヘッド部４０内に液体内の沈降成分が堆積することを抑制することができる。

本実施形態では、液体貯留部６０とタンク１０とは、循環路９０によって接続されている。液体貯留部６０に貯留された液体は、循環路９０を通じてタンク１０に戻され、再び、加圧ポンプ２０によってヘッド部４０に供給される。循環路９０には、液体貯留部６０から液体を吸引するためのポンプが備えられていてもよい。なお、循環路９０を省略し、液体吐出装置１００を、液体を循環させない構成とすることも可能である。

図２は、ヘッド部４０の概略構成を示す説明図である。図２の下方は重力方向下向きであるものとする。ヘッド部４０は、ノズル４１と、液室４２と、容積変更部４３と、脱気部４５とを備える。

液室４２は、液体が供給される部屋である。液室４２は、液体を外部に吐出するためのノズル４１に連通している。液室４２には、流入路３０と流出路５０とが接続されている。本実施形態では、ノズル４１および液室４２は、それぞれ円柱状の空間であり、例えば、金属材料内に空間を形成することによって構成されている。

液室４２の上面の一部は、振動板や弾性ゴムなどの弾性変形可能な弾性部材４９によって構成されている。弾性部材４９の上部には、液室４２の容積を変更するための容積変更部４３が設けられている。容積変更部４３は、弾性部材４９を上下方向に移動させることによって液室４２の容積を変更することができる。本実施形態では、容積変更部４３として、上下方向に伸長可能なピエゾアクチュエーターを用いる。

また、液室４２を形成する面には、液室４２内の気体を除去する脱気部４５が設けられている。ここで、液室４２内に存在する気体としては、例えば、流入路３０や流出路５０から流入した気体、液体内に溶存した気体、ノズル４１から流入した気体、液体が気化した気体が挙げられる。なお、気体には、大気中の空気を含む。本実施形態では、脱気部４５は、液室４２の上面に設けられている。

図３は、液室４２側から液室４２の上面を見た状態を示す説明図である。本実施形態では、液室４２の上面において、中央に弾性部材４９が設けられており、脱気部４５は、弾性部材４９の外周に設けられている。脱気部４５としては、例えば、中空糸膜、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）膜、ＰＥ（polyethylene）膜が挙げられる。ＰＴＦＥ膜としては、例えば、ゴアテックス（登録商標）が挙げられる。具体的には、脱気部４５として、ＤＩＣ社製の脱気モジュールや、三菱ケミカルアクアソリューションズ社製の脱気用膜モジュールを用いてもよい。本実施形態では、脱気部４５は、中空糸膜により形成されている。

図２に示すように、本実施形態では、脱気部４５は、脱気部４５により液室４２から除去された気体を外部に放出するための排気用配管４８と接続されている。なお、ヘッド部４０は、排気用配管４８を備えず、気体を脱気部４５に貯留する構成としてもよい。本実施形態では、脱気部４５は、２本の排気用配管４８と接続されている。

流入路３０は、液室４２に接続され、液室４２に液体を流入させる流路である。流入路３０には、流入路３０の流路抵抗を変更するための流路抵抗変更部（図示せず）が設けられている。この流路抵抗変更部は、例えば、流入路３０内で上下方向に移動可能なピストンと、ピストンを上下方向に駆動する積層型のピエゾアクチュエーターとによって構成することができる。

本実施形態では、液室４２と流入路３０とを接続する流入孔３２は、上端が液室４２の上面と同じ高さに設けられている。このようにすることにより、流入路３０から液室４２に流入した気体を、脱気部４５により効率的に除去することができる。

流出路５０は、液室４２に接続され、液室４２から液体を流出させる流路である。流出路５０には、流出路５０の流路抵抗を変更するための流路抵抗変更部（図示せず）が設けられている。この流路抵抗変更部は、例えば、流出路５０内で上下方向に移動可能なピストンと、ピストンを上下方向に駆動する積層型のピエゾアクチュエーターとによって構成することができる。

本実施形態では、液室４２と流出路５０とを接続する流出孔５２は、上端が液室４２の上面と同じ高さに設けられている。本実施形態では、流出路５０よりも上流側に脱気部４５が設けられているため、液室４２内に存在する気体が流出路５０へ侵入する前に、脱気部４５によって除去することができる。

制御部８０は、ＣＰＵやメモリーを備えたコンピューターとして構成されており、メモリーに記憶された制御プログラムを実行することにより、種々の処理を実現する。なお、制御プログラムは、一時的でない有形な種々の記録媒体に記録されていてもよい。

容積変更部４３及び流入路３０と流出路５０とに設けられた流路抵抗変更部は、制御部８０（図１）に接続されており、制御部８０は、容積変更部４３及び流入路３０と流出路５０とに設けられた流路抵抗変更部を制御する。本実施形態では、制御部８０は、流出路５０の流路抵抗変更部によって、流出路５０の流路抵抗を大きくすることにより、液室４２に液体を満たす。その後、制御部８０は、さらに、流入路３０の流路抵抗変更部によって、流入路３０の流路抵抗を大きくした状態において、容積変更部４３を制御して液室４２の容積を小さくすることにより、ノズル４１から液体を吐出させる。

本実施形態の液体吐出装置１００によれば、液室４２を形成する面に脱気部４５を備えるため、液室４２内に存在する気体を除去することができる。この結果として、気体の流出路５０への侵入を抑制できるため、流路内の圧力変動が抑制でき、ノズル４１からの液体吐出量を安定化させることが可能となる。

また、本実施形態の液体吐出装置１００によれば、脱気部４５は液室４２の上面に設けられている。このため、液室４２の上方に浮いてきた気体を、脱気部４５により効率的に除去することができる。

また、本実施形態の液体吐出装置１００によれば、脱気部４５は、中空糸膜により形成されている。このようにすることにより、液室４２内に存在する気体を、液室４２内の液体から効率的に分離して除去することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態のヘッド部４０Ａの概略構成を示す説明図である。第２実施形態は、第１実施形態と比較して、さらに、排気用配管４８にポンプ５５が設けられている点が異なるが、それ以外は同じである。つまり、第２実施形態において、脱気部４５には、液室４２から気体を吸引するためのポンプ５５が接続されている。このようにすることにより、ポンプ５５よりも上流の排気用配管４８内の気体が、ポンプ５５によって吸引されることにより、液室４２内に存在する気体を、より効率的に除去することができる。

第２実施形態では、ポンプ５５は、制御部８０（図１）に接続され、制御部８０により制御される。第２実施形態では、制御部８０は、所定のタイミングでポンプ５５を駆動させる。所定のタイミングとしては、例えば、液体の初期充填時や、液体の吐出後が挙げられる。ここで、「液体の初期充填時」とは、液室４２に初めて液体が充填された時のことをいう。液体の初期充填時においては、液体吐出装置１００の流路内や液室４２内に除去しきれなかった気体が存在することがある。このため、液体の初期充填時にポンプ５５を駆動させることにより、脱気部４５によって気体を効率的に除去することができる。また、液体の吐出後にポンプ５５を駆動させることにより、吐出後にノズル４１から液室４２へ気体が侵入した場合においても、脱気部４５によって気体を効率的に除去することができる。

Ｃ．第３実施形態：
図５は、第３実施形態のヘッド部４０Ｂの概略構成を示す説明図である。第３実施形態は、第１実施形態と比較して、流出路を備えない点で異なるが、それ以外は同じである。このようにすることにより、液体が流路内を循環しない液体吐出装置においても、脱気部４５によって、液室４２内の気体を除去することができる。

Ｄ．第４実施形態：
図６は、第４実施形態のヘッド部４０Ｃの概略構成を示す説明図である。第４実施形態は、第１実施形態と比較して、流出路５０Ｃの液室４２との接続位置が異なるが、それ以外は同じである。第４実施形態では、流出孔５２Ｃの上端が、液室４２の上面よりも下側に設けられている。このようにすることにより、流出孔５２Ｃの上端よりも上方に、液室４２の空間が存在することとなる。このため、液室４２の上面まで到達した気体が流出路５０へ侵入する前に、脱気部４５によって効率的に除去することができる。

Ｅ．第５実施形態：
図７は、第５実施形態のヘッド部４０Ｄの概略構成を示す説明図である。第５実施形態は、第１実施形態と比較して、脱気部４５Ｄの設けられた位置が異なり、排気用配管４８が一本である点が、それ以外は同じである。第５実施形態では、脱気部４５Ｄは、流入路３０よりも流出路５０の近くに設けられている。具体的には、脱気部４５Ｄは、液室４２の上面であって、流出孔５２と最も近い部分おいて円形状に形成されている。このようにすることにより、液室４２の上面まで到達した気体が流出路５０へ侵入する前に、脱気部４５によって効率的に除去することができる。

Ｆ．その他の実施形態：
＜他の実施形態１＞
上記実施形態では、脱気部４５は、液室４２の上面に設けられているが、これに限られず、脱気部４５は、液室４２の側面に設けられていてもよく、液室４２の底面に設けられていてもよい。また、図３に示すように、第１実施形態の脱気部４５は、弾性部材４９の外周を全て覆うように形成されているが、弾性部材４９の外周の一部のみを覆うように形成されていてもよい。

＜他の実施形態２＞
上記実施形態では、ノズル４１および液室４２は、それぞれ円柱状の空間であるが、これに限られず、例えば、それぞれ四角柱状の空間であってもよい。

＜他の実施形態３＞
本発明は、インクを吐出する液体吐出装置に限らず、インク以外の他の液体を吐出する任意の液体吐出装置にも適用することができる。例えば、以下のような各種の液体吐出装置に本発明は適用可能である。
（１）ファクシミリ装置等の画像記録装置。
（２）液晶ディスプレイ等の画像表示装置用のカラーフィルターの製造に用いられる色材吐出装置。
（３）有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイや、面発光ディスプレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＦＥＤ）等の電極形成に用いられる電極材吐出装置。
（４）バイオチップ製造に用いられる生体有機物を含む液体を吐出する液体吐出装置。
（５）精密ピペットとしての試料吐出装置。
（６）潤滑油の吐出装置。
（７）樹脂液の吐出装置。
（８）時計やカメラ等の精密機械にピンポイントで潤滑油を吐出する液体吐出装置。
（９）光通信素子等に用いられる微小半球レンズ（光学レンズ）などを形成するために紫外線硬化樹脂液等の透明樹脂液を基板上に吐出する液体吐出装置。
（１０）基板などをエッチングするために酸性又はアルカリ性のエッチング液を吐出する液体吐出装置。
（１１）他の任意の微小量の液滴を吐出させる液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置。

なお、「液滴」とは、液体吐出装置から吐出される液体の状態をいい、粒状、涙状、糸状に尾を引くものも含むものとする。また、ここでいう「液体」とは、液体吐出装置が消費できるような材料であればよい。例えば、「液体」は、物質が液相であるときの状態の材料であれば良く、粘性の高い又は低い液状態の材料、及び、ゾル、ゲル水、その他の無機溶剤、有機溶剤、溶液、液状樹脂、液状金属（金属融液）のような液状態の材料も「液体」に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散または混合されたものなども「液体」に含まれる。液体の代表的な例としてはインクや液晶等が挙げられる。ここで、インクとは一般的な水性インクおよび油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種の液体状組成物を包含するものとする。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…タンク、２０…加圧ポンプ、３０…流入路、３２…流入孔、４０，４０Ａ〜４０Ｄ…ヘッド部、４１…ノズル、４２…液室、４３…容積変更部、４５，４５Ｄ…脱気部、４８…排気用配管、４９…弾性部材、５０，５０Ｃ…流出路、５２，５２Ｃ…流出孔、５５…ポンプ、６０…液体貯留部、７０…負圧発生源、８０…制御部、９０…循環路、１００…液体吐出装置

Claims (6)

1. 液体吐出装置であって、
   液体を吐出するためのノズルに連通する液室と、
   前記液室の容積を変更するための容積変更部と、
   前記液室に接続され、前記液室に前記液体を流入させる流入路と、
   前記液室を形成する面に設けられ、気体を除去する脱気部と、を備える、液体吐出装置。
2. 請求項１に記載の液体吐出装置であって、
   前記脱気部は、前記液室の上面に設けられている、液体吐出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の液体吐出装置であって、
   前記脱気部は、中空糸膜により形成されている、液体吐出装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出装置であって、
   前記脱気部には、前記液室から気体を吸引するためのポンプが接続されている、液体吐出装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の液体吐出装置であって、さらに、
   前記液室に接続され、前記液室から前記液体を流出させる流出路を備え、
   前記脱気部は、前記流入路よりも前記流出路の近くに設けられている、液体吐出装置。
6. 請求項５に記載の液体吐出装置であって、
   前記液室と前記流出路とを接続する流出孔の上端は、前記液室の上面よりも下側に設けられている、液体吐出装置。

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