JP3123820U

JP3123820U - 液体吐出装置

Info

Publication number: JP3123820U
Application number: JP2006003709U
Authority: JP
Inventors: 起雄阿部
Original assignee: Riso Kagaku Corp
Current assignee: Riso Kagaku Corp
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2016-05-17

Abstract

【課題】音響レンズを用いず、かつ電極の液体による劣化が生じず、絶縁処理が不要でインク材料の選択性が広い液体吐出装置を提供する。
【解決手段】インク保持手段１の上面の開口にあらわれるインクの表面が気液界面３である。インク保持手段の底壁部の圧電素子４の裏面には櫛歯状電極５が形成されている。櫛歯状電極は、平面視において中心を焦点位置６の方向に向けた扇形の円弧状パターンで、櫛歯状に並列された複数の電極指からなる２つの電極指群７，８が組み合わされた構造である。電極指群７，８に信号を与えると、圧電素子に発生した弾性波からインク中に超音波が漏洩し、焦点位置６に収束し、液面から液滴が吐出される。
【選択図】図２

Description

本考案は、超音波を収束させるためのレンズや液体を吐出させるためのノズルを必要とせず、圧電素子に形成した櫛歯電極に信号を与えて液体中に超音波を収束放射することにより液体を吐出する液体吐出装置に関するものである。

液体を吐出する方式であるインクジェットヘッドとしては、インクを貯容する液室内を加圧し、その圧力により液室に設けた微少な吐出孔（ノズル）から液滴を吐出する方式が一般的に用いられている。このようなインクジェットヘッドでは、液滴サイズを微小化するには、ノズル孔径を小さくしなければならず、目詰まりなどによる動作障害の問題があり、高度なメンテナンス方法が必要になる。

図１７は、他の方式に係る従来のインクジェットヘッドを示す構造図であり、超音波を利用するものである。両面に電極５０が設けられた圧電素子５１の上面側には音響レンズ５２が設けられ、その上方に液体インク５３が貯えられている。圧電素子５１の両面に設けた電極５０に信号を与えて圧電素子５１の厚み振動により発生した超音波を音響レンズ５２にて気液界面５４に焦点を結ばせ、インクの液滴を吐出させる。この方式によれば、液滴径は、照射する超音波の波長により調整でき、原理的にノズルが不要である利点がある。しかし、超音波を収束するために音響レンズ５２を用いなければならず、液体と音響レンズ５２の音響インピーダンスのマッチングが必要になるなど、部材の選択に制約がある。

図１８は、圧電素子による超音波を音響レンズで気液界面に収束照射し、液滴を吐出する上述した方法において、液滴を下方へ吐出する場合のインクジェットヘッドの構造図である。この下向きに吐出するインクジェットヘッドでは、両面に電極５０が設けられた圧電素子５１の下面側に音響レンズ５２が設けられ、その下方にインク５３がこぼれないようにするために容器状のインク保持手段５５が設けられて液体インク５３を貯えている。圧電素子５１の厚み振動により発生した超音波は音響レンズ５２でインク保持手段５５の開口部５６において気液界面５４に焦点を結び、インクの液滴を下方に吐出させる。この下向きの方式によれば、上向きの場合の問題点の他、さらに音響レンズの凹面をインク中で下向きに配置するために気泡が溜まりやすく吐出不良の要因となるといった問題がある。

そこで、このような音響レンズを使用しない超音波による液体吐出装置も提案されており、下記特許文献１には、液を満たした液槽内に電極を形成した基板を配置し、液に接触している電極に信号を与えて超音波を液面に収束させ、液滴を吐出させる装置が記載されている。
特開昭６２−６６９４３号公報

音響レンズを使用した超音波方式の液体吐出装置によれば、上述したように、液体とレンズ部材の音響インピーダンスのマッチングが必要になるなど、部材の選択に制約がある他、さらに下向き吐出の場合には凹面レンズに気泡が溜まりやすく吐出不良の要因となるといった問題がある。

ところが、音響レンズを用いない上記特許文献１の装置では、基板の電極が液槽内の液に直接接触するので、液の性質によって電極が劣化してしまうという問題があった。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するためになされたものであり、音響レンズを用いることなく、かつ電極の液体による劣化が生じず、絶縁処理が不要でインク材料の選択性が広い液体吐出装置を提供することを目的としている。さらに本考案は、吐出方向を任意に調節でき、気液界面の変動に自動的に対応でき、下向きの液吐出にも対応可能な液体吐出装置を提供することをその他の目的としている。

請求項１に記載された液体吐出装置は、
液中に放射される漏洩超音波によって液体を吐出する液体吐出装置において、
内部の収納空間内に液体を収納して空気との界面を保持する液体保持手段と、
前記界面から離れて前記液体に内面が接するように配置された圧電素子と、
前記液体に接しない前記圧電素子の外面側に設けられ、前記漏洩超音波が前記界面に収束するようなパターンで２つの電極指群が円弧状に配置されてなる櫛歯状電極と、
を有することを特徴としている。

請求項２に記載された液体吐出装置は、請求項１記載の液体吐出装置において、
前記櫛歯状電極を複数組配置し、各櫛歯電極に印可する信号の周波数、電圧、位相を調整することにより液体の吐出方向を調整可能としたことを特徴としている。

請求項３に記載された液体吐出装置は、請求項１記載の液体吐出装置において、
出力用の前記櫛歯状電極と、受信用の前記櫛歯状電極と、受信用の前記櫛歯状電極で受信した信号を増幅手段により増幅して出力用の前記櫛歯状電極に与えて超音波を発振させる自励回路とを有することを特徴としている。

請求項４に記載された液体吐出装置は、請求項１記載の液体吐出装置において、
前記櫛歯状電極の各電極指を選択駆動出来るよう構成し、これらを選択駆動することにより液体の吐出方向を調整可能としたことを特徴としている。

請求項５に記載された液体吐出装置は、請求項１記載の液体吐出装置において、
放射位置の真下の界面に超音波が垂直に入射するように、前記圧電素子を、液中に放射する超音波の放射角度分傾けて配置し、
前記液体保持手段の上部に内部に連通する排気口を設けたことを特徴としている。

請求項１記載の液体吐出装置によれば、音響レンズを必要としない構造のため、音響インピーダンスのマッチングが不要であり、液体に接する側に電極がないため、絶縁処理が不要で、インク材料の選択性が広がる。また、斜め方向に吐出することも出来る。

請求項２記載の液体吐出装置によれば、請求項１記載の液体吐出装置による効果に加え、各櫛歯電極に印加する信号の周波数、電圧、位相を調整することで吐出方向を可変できる。

請求項３記載の液体吐出装置によれば、請求項１記載の液体吐出装置による効果に加え、自励発振するため、回路のON/OFFのみで高周波信号源が不要で低コストであり、気液界面が変動しても、焦点位置に合うよう自動的に調整される。

請求項４記載の液体吐出装置によれば、請求項１記載の液体吐出装置による効果に加え、駆動する電極指を選択することで、吐出位置（焦点位置）を任意に可変出来る。

請求項６記載の液体吐出装置によれば、請求項１記載の液体吐出装置による効果に加え、下方に液体を吐出する場合、基板に傾斜があるため液体内に混入した気泡が上方へ誘導され、蓄積されず、気泡による吐出不良を防止して安定した吐出が可能となる。また、ヘッド吐出面が水平面となり、設置時の角度調整等が容易となる。

以下、本考案の実施形態を図面を参照して説明する。各実施形態において、機能上実質的に同一の部分については同一の参照符号を付して必要に応じて説明を省略する。なお、本考案は液体を液滴状にして吐出する液体吐出装置に係るが、実施形態においてはインクを吐出するインクヘッドとして説明する。

（１）第１実施形態（図１〜図３）
図１は第１例の櫛歯電極の平面図、図２は液体吐出装置としてのインクヘッドの構造を示す断面図、図３は本例における超音波照射の概念図である。
図２において、箱型容器であるインク保持手段１の上面は側方の一部において開口しており、内部に収納されたインク２のうち、この部分の空気に接するインク表面が気液界面３となる。インク保持手段１の底壁部は圧電素子４から構成されており、その厚さは超音波の波長よりも小さく設定され、圧電素子４に発生した弾性表面波がインク２中に漏洩するようになっている。

この圧電素子４の内面はインク２に接しているが、圧電素子４の裏面（図中下面）はインク２には接しておらず、この裏面の側に櫛歯状電極５が形成されている。櫛歯状電極５が形成されている位置は、気液界面３の直下から外れた斜め下方の位置である。そして、この櫛歯状電極５は、前記漏洩超音波が前記気液界面３の焦点位置６に収束するように、平面視において中心を焦点位置６の方向に向けた扇形の円弧状パターンで、櫛歯状に並列された複数の電極指からなる２つの電極指群７，８が組み合わされた構造である。

図３によって、本例における超音波照射について説明する。圧電素子４上の櫛歯電極５の各電極指群７，８に信号を入力すると、表面波が発生する。ここで各電極指群７，８における電極指の電極ピッチをＰ、印加周波数をｆ、表面波の速度Vsawとすると、
Vsaw＝ｆ・P
の関係が成立する。また、この圧電素子４に液体が接すると液中に超音波が放射されるが、ここで液体の音速をVlq とすると、放射角度θは、
θ＝ｓｉｎ^-1（Ｖｓａｗ/ Ｖｌｑ）
となる。

櫛歯状電極５を、本例のように円弧状に配置することにより、液体中に放射される超音波は電極の円弧の外側に向かう方向に発散するために弱められ、円弧の中心点に向かう方向は、収束し強められ、焦点位置６が気液界面３に配置されるように設定することにより、液面からは液滴が吐出される。

上記例においては、圧電素子４はインク保持手段１の一部を構成しており、内部のインク２に直接接しているが、圧電素子４のインク２と接する面に防液コートを施してもよい。圧電素子４が、例えば粉体を焼結させたセラミックからなり、多孔質で板厚が薄いと液漏れを生じる可能性もあるが、インク２と接する内面側に防液コートを設けておけばインク２が漏洩するおそれはない。

また、インク保持手段１を、超音波を吸収する材料で構成してもよい。本例のような構造では、インク保持手段１の内部で超音波が反射し、インク吐出のための超音波を減衰させるように重畳してくる可能性もある。そこで、インク保持手段１の材質を、音速が液（インク）の音速と近いものを採用するのが好ましい。例えば、インクに対してインク保持手段１が金属では両者の音速が違いすぎて好ましくないが、インク保持手段１をアクリル等の樹脂とすれば好ましい結果が得られる。

（２）第２実施形態（図４〜図７）
図４は第２例の櫛歯状電極５の平面図であり、２組の円弧状の櫛歯状電極５を配置した図、図５は本例のインクヘッドの構造を示す断面図、図６は３組の円弧状の櫛歯状電極５を配置した図、図７は４組の円弧状の櫛歯状電極５を配置した図である。

図５に示すように、箱型容器であるインク保持手段１の上面は中央において開口しており、ここに気液界面３が存在する。２つの電極指群が円弧状に配置されてなる櫛歯状電極５は、本例では２組が圧電素子４の裏面に設けられている。そして、櫛歯状電極５は、平面視において気液界面３の焦点位置６の直下が円弧状の櫛歯状電極５の各中心となるように構成され、各櫛歯状電極５から放射された超音波が焦点位置６に収束してインクを液滴状として吐出させるように構成されている。ここで、２つの櫛歯状電極５から放射された超音波のパワーが同等でバランスが取れていれば液滴は真上に吐出され、いずれか一方のパワーが相対的に弱ければ弱い方に傾斜した吐出線に沿って吐出される。すなわち、各櫛歯状電極５に投入するパワーの調整により、任意の角度で液滴を吐出することができる。

図６のように、２つの電極指群７，８が円弧状に所定間隔で組み合わせて配置されてなる櫛歯状電極５を、円弧の中心に関して周方向に１２０度間隔で３つ配置すれば、各櫛歯状電極５に投入するパワーバランスで液滴の吐出を行う際の調整がより行いやすい。

図７のように、２つの電極指群７，８が円弧状に所定間隔で組み合わせて配置されてなる櫛歯状電極５を、円弧の中心に関して周方向に９０度間隔で４つ配置すれば、各櫛歯状電極５に投入するパワーバランスで液滴の吐出を行う際の調整はより一層行いやすい。

（３）第３実施形態（図８〜図１０）
図８は第３例のインクヘッドの構造を示す断面図、図９は第３例の回路図、図１０は第３例における駆動波形例である。
図８に示すように、本例のインクヘッドは、出力用の櫛歯状電極５と、受信用の櫛歯状電極５と、自励回路を備えた回路基板９を有している。回路基板９は、インク保持手段１の裏面側にある圧電素子４の各櫛歯状電極５に隣接して設けられ、それぞれ隣接する各櫛歯状電極５に接続されている。そして、同図中に実線の矢印で示すように、出力用の櫛歯状電極５（図中左側）から放射された超音波ベクトルは、気液界面３の焦点位置６に到達して破線の矢印で示すように所定方向に液滴を吐出させ、ここで反射した超音波ベクトルは受信用の櫛歯状電極５（図中右側）に到達して受信される。

本例の電極構造は、２つの円弧状の電極指群７，８が互い違いに配置されてなる櫛歯状電極５を、円弧の中心に関して周方向に１８０度間隔で２つ配置したものであり、図４に示した第２例のものと同一であり、気液界面３との配置関係も同一である。

図９に示すように、自励回路はセレクタ回路１１と増幅器１２を有しており、セレクタ回路１１をON（受信用の櫛歯状電極５に接続）とすることにより、図１０に示すように回路にはスパイクノイズが生じ、増幅器１２により増幅され出力用の櫛歯状電極５が駆動される。スパイクノイズは、複数の周波数成分を含むが、受信用の櫛歯状電極５のフィルタ効果により共振周波数成分にピークを持つ超音波がインク２中に放射される。気液界面３にて反射した超音波が受信用の櫛歯状電極５により電気信号に変換され、さらに受信した信号を増幅器１２により増幅して出力する。以降この繰り返しにより自励発振が生じる。また、液中に放射される超音波の波長の整数倍の音路長となるように、発振周波数が自然に微調整される。

本例によれば、気液界面３が変動すれば、系全体の固有振動数も変化し、この固有振動数に同調するように調整されるので、出力された超音波は焦点位置６に収束する。また、自励発振のため回路のＯＮ／ＯＦＦのみで作動し、高周波信号源が不要で低コストとなる。

（４）第４実施形態（図１１〜図１４）
図１１は第４例のインクヘッドの櫛歯状電極５の平面図であり、図１２は同櫛歯状電極５と駆動回路を示す斜視図である。本例の電極は、以上説明した各実施形態と同様に、インクに接しない圧電素子４の外面側に設けられており、かつ漏洩超音波が気液界面３に収束するような円弧状のパターンで２つの電極指群７，８が互い違いに配置されてなる櫛歯状電極５である。しかし、本例の櫛歯状電極５を構成する２つの電極指群７，８は、図１１に示すように電極指７又は８ごとに分離されており、図１２に示すように交互に並んだマイナスの電極指７とプラスの電極指８がそれぞれ個別に選択駆動出来るようスイッチ回路１３，１４に接続されている。一方のスイッチ回路１３には−信号線１５とスイッチセレクト信号線１６が接続され、他方のスイッチ回路１４には＋信号線１７とスイッチセレクト信号線１８が接続される。

本例によれば、吐出に係わる電極指７，８を個別に選択し、駆動する電極指の位置と本数を任意に設定することによって、気液界面３における超音波の焦点位置６を任意に変更して吐出位置を変更することができる。

図１３は第４例の変形例のインクヘッドの櫛歯状電極５の平面図であり、図１４は同櫛歯状電極５と駆動回路を示す斜視図である。本変形の電極は、以上説明した各実施形態と同様に、インクに接しない圧電素子４の外面側に設けられており、かつ漏洩超音波が気液界面３に収束するような円弧状のパターンで２つの電極指群７，８が互い違いに配置されてなる櫛歯状電極５である。しかし、本変形例の櫛歯状電極５を構成する２つの電極指群７，８は、図１３に示すように両端の電極指７ａ，８ａが分離され、内方の複数本の電極７ｂ，８ｂ指が電気的に一体化されている。そして、図１４に示すように、電極指群７の両端の２本の電極指７ａはそれぞれスイッチ１９を介して−信号線１５に接続され、電気的に一体化された内方の複数本の電極指７ｂは直接−信号線１５に接続されている。また、他方の電極指群８において、両端の２本の電極指８ａはそれぞれスイッチ２０を介して＋信号線１７に接続され、電気的に一体化された内方の複数本の電極指８ｂは直接＋信号線１７に接続されている。

本変形例によれば、各電極指群において両端の電極指を選択するか否かにより、気液界面３における超音波の焦点位置６を微妙に変更して吐出位置を微調整することができる。

（５）第５実施形態（図１５、図１６）
図１５は第５例のインクヘッドの断面図であり、図１６は本例における超音波照射の概念図である。
図１５に示すように、インク保持手段１は、開口１ｃを有する水平な底面１ａに対面し、所定角度θだけ傾斜した板状の圧電素子４を上壁体１ｂの一部として有している。インク保持手段１の内部に保持されたインク２の表面は開口１ｃにおいて空気に接し、超音波の収束によりインク滴が吐出する気液界面３を構成する。気液界面３に対面する圧電素子４の内面はインクに接しており、外面側には櫛歯状電極５が設けられている。この櫛歯状電極５は、第１実施形態と同様、気液界面３に漏洩超音波が収束するような円弧状のパターンで２つの電極指群７，８が互いに間隔をおいて組み合わされた構成の電極であり、圧電素子４の表面の垂線から所定角度θだけ傾斜した方向に超音波を放射し、下方の気液界面３に超音波が垂直に入射するようになっている。図１６に示す本例における超音波照射については、第１実施形態における図３を参照した説明を援用して省略する。

本例のインクヘッドは、インク保持手段１の側面のうち、傾斜して配置された圧電素子４の低い側に相当する一側面に、インク導入口２２が設けられ、インク保持手段１の内部にインク２を導入できるようになっている。また、傾斜して配置された圧電素子４の高い側に隣接する上壁体１ｂには、垂直上向きに排気口２３が設けられ、インク保持手段１の内部に溜まった空気を外に排出できるようになっている。気泡は超音波を減衰させる原因となるが、本例によればインク保持手段１内に仮に空気がたまったとしても、空気はインク保持手段１内で上昇して最も高い位置にある排気口２３から外に逃げることができるので、気泡が圧電素子４の内面周辺に滞留して超音波の放射を妨げるといった不都合は避けることができる。

以上説明した各実施形態では、液体吐出装置としてインクを吐出するインクジェットヘッドを例示して説明したが、同様の原理でインク以外の他の液体を他の用途で吐出するためにも本考案を利用することができる。

図１は第１例の櫛歯状電極の平面図である。図２は液体吐出装置である第１例のインクヘッドの構造を示す断面図である。図３は第１例における超音波照射の概念図である。図４は第２例の櫛歯状電極の平面図であり、２組の円弧状の櫛歯状電極を配置した図である。図５は第２例のインクヘッドの構造を示す断面図である。図６は３組の円弧状の櫛歯状電極を配置した第２例の変形例を示す図である。図７は４組の円弧状の櫛歯状電極を配置した第２例の変形例を示す図である。図８は第３例のインクヘッドの構造を示す断面図である。図９は第３例の回路図である。図１０は第３例における駆動波形例である。図１１は第４例のインクヘッドの櫛歯状電極の平面図である。図１２は第４例の櫛歯状電極と駆動回路を示す斜視図である。図１３は第４例の変形例のインクヘッドの櫛歯状電極の平面図である。図１４は第４例の変形例の櫛歯状電極と駆動回路を示す斜視図である。図１５は第５例のインクヘッドの断面図である。図１６は第５例における超音波照射の概念図である。図１７は圧電素子を用いた従来のインクジェットヘッドの一例を示す構造図である。図１８は圧電素子を用いた従来のインクジェットヘッドの他の一例を示す構造図である。

符号の説明

１…インク保持手段
２…インク
３…気液界面
４…圧電素子
５…櫛歯状電極
６…焦点位置
７，８…電極指群
９…回路基板
２３…排気口

Claims

液中に放射される漏洩超音波によって液体を吐出する液体吐出装置において、
内部の収納空間内に液体を収納して空気との界面を保持する液体保持手段と、
前記界面から離れて前記液体に内面が接するように配置された圧電素子と、
前記液体に接しない前記圧電素子の外面側に設けられ、前記漏洩超音波が前記界面に収束するようなパターンで２つの電極指群が円弧状に配置されてなる櫛歯状電極と、
を有することを特徴とする液体吐出装置。
前記櫛歯状電極を複数組配置し、各櫛歯電極に印可する信号の周波数、電圧、位相を調整することにより液体の吐出方向を調整可能とした請求項１記載の液体吐出装置。
出力用の前記櫛歯状電極と、受信用の前記櫛歯状電極と、受信用の前記櫛歯状電極で受信した信号を増幅手段により増幅して出力用の前記櫛歯状電極に与えて超音波を発振させる自励回路とを有することを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
前記櫛歯状電極の各電極指を選択駆動出来るよう構成し、これらを選択駆動することにより液体の吐出方向を調整可能としたことを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
放射位置の真下の界面に超音波が垂直に入射するように、前記圧電素子を、液中に放射する超音波の放射角度分傾けて配置し、
前記液体保持手段の上部に内部に連通する排気口を設けたことを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。