JP3673782B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの駆動方法、および液体吐出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面弾性波のエネルギーを液体に与えてこれを吐出させる液体吐出ヘッド、その駆動方法および該液体吐出ヘッドを用いた液体吐出装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
近年、液体吐出ヘッドの一つとして、ＳＡＷストリーミング現象を応用した液体吐出ヘッドの研究が行われている。ＳＡＷストリーミングと現象とは、固体表面に局在して伝搬する表面弾性波を固体表面に接触している液体中に放射させることによって、表面弾性波の振動エネルギーを液体へ伝搬させ、このエネルギーによって液体の微小な粒子が飛翔するという現象である。このようなＳＡＷストリーミング現象を応用した液体吐出ヘッドは、固体表面に局在している表面弾性波のエネルギーを効率よく液体に伝達することができ、たとえばピエゾ素子のバルク振動を利用するものと比べてエネルギー効率の点で大きな利点がある。このＳＡＷストリーミング現象を応用した液体吐出ヘッドについてはこれまでにも種々の検討がなされているが、中でもヘッドの集積化に関しての技術は、様々な分野への応用展開に際し極めて重要な技術である。このヘッドの集積化に関する技術は、特許文献１に開示されている。これは、一つの櫛歯電極に対して複数の液体吐出部を設け、各吐出部における吐出・非吐出のスイッチングを、液体吐出部への液体供給を行うか否かによって実現しているものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２９４１４６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例においては、吐出を行わない吐出口に対しても常に吐出が可能なだけのパワーを有する表面弾性波が作用しており、この分のエネルギーはすべて無駄になる。このため、エネルギー効率のさらなる向上化を図る必要があった。さらには液体吐出部への液体供給のスイッチングを圧電素子で行っているため、その構造上、集積度を上げるには限界があった。本発明の目的は、上記課題を解決し、複数の吐出部の高密度集積化を可能にし、かつエネルギー効率を向上させることが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの駆動方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドの第１の態様は、液体吐出口を有する液体吐出部と、該液体吐出部に液体を供給するための液体供給手段と、該液体吐出部からの液体を吐出するためのエネルギーを液体に付与するためのエネルギー付与手段と、を有する液体吐出ヘッドであって、前記エネルギー付与手段は、表面弾性波を発生するための表面弾性波発生手段と、表面弾性波のエネルギーを前記液体吐出部内にある液体に付与するための表面弾性波伝搬体と、を有して構成され、前記液体吐出部は一つの表面弾性波発生手段に対して複数設けられており、かつ各液体吐出部内の前記表面弾性波伝搬体を伝搬してくる表面弾性波をそれぞれ独立に増幅し得る複数の増幅装置を各液体吐出部ごとに設けたことを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【０００６】
本発明の液体吐出ヘッドの第２の態様は、前記表面弾性波発生手段が櫛形電極である液体吐出ヘッドである。本発明の液体吐出ヘッドの第３の態様は、前記表面弾性波増幅手段がモノリシック型半導体表面弾性波増幅器である液体吐出ヘッドである。本発明の液体吐出ヘッドの第４の態様は、前記液体供給手段が、前記表面弾性波伝搬体の表面弾性波が伝搬する面の裏面または側面に設けられた液体溜めと、前記液体溜めと前記液体吐出部とを接続し前記液体溜めから前記液体吐出部へ毛管現象によって流体を搬送する細孔とからなる液体吐出ヘッドである。本発明の液体吐出ヘッドの第５の態様は、前記液体がインクである請求項１ないし４のいずれか一つに記載の液体吐出ヘッドである。本発明の液体吐出ヘッドの第６の態様は、前記液体が、肺吸入用の薬剤である液体吐出ヘッドである。本発明の液体吐出ヘッドの第７の態様は、前記液体が、二次元または三次元造形装置に用いられる刺激応答性を有する樹脂である液体吐出ヘッドである。
【０００７】
本発明の液体吐出ヘッドの駆動方法は、上記の各態様にかかる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記表面弾性波発生手段を、前記複数の液体吐出部のいずれにおいても到達する前記表面弾性波の振幅が液体を吐出するために必要なしきい値を下回るように駆動し、前記増幅手段による増幅によって液体の吐出に必要なしきい値を上回る振幅を付与することを特徴とする液体吐出ヘッドの駆動方法である。
【０００８】
本発明の液体吐出装置は、上記の各態様にかかる液体吐出ヘッドと、前記表面弾性波発生手段に駆動信号を与えるための駆動装置と、前記液体吐出ヘッドに上記の駆動方法に従う駆動信号を与えるための駆動装置とを有することを特徴とする液体吐出装置である。
【０００９】
本発明によれば、表面弾性波発生手段から発生させる表面弾性波の強度を吐出に必要なしきい値より少なく設定し、増幅手段により必要とされる強度を液滴吐出を行わせる液体吐出部に付与するようにしたことで、エネルギー効率の向上が達成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第ｌの実施形態例）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第一の実施の形態例における液体吐出ヘッドの上面図である。１は液体吐出ヘッド、２は表面弾性波発生手段としての櫛形電極、３ａ，３ｂは櫛形電極の駆動装置１５（図１では図示しないが、図４にて図示する。）に接続される端子、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは液体吐出部、５は表面弾性波伝搬体、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄはそれぞれ独立に駆動されるモノリシック半導体表面弾性波増幅器、７は各モノリシック表面弾性波増幅器の共通電極、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは各モノリシック表面弾性波増幅器をそれぞれ独立に制御する駆動装置１６（図１では非図示。図４にて図示。）に接続される端子である。図に示すように、複数の液体吐出部４ａから４ｄのそれぞれに対応して、モノリシック表面弾性波増幅器６ａから６ｄが、櫛形電極２より伝搬してくる表面弾性波をそれぞれ独立に増幅して対応する吐出部に導けるように配置されている。なお、複数の液体吐出部は、それぞれ伝搬してくる表面弾性波を互いに遮りあわずに受け取れる位置に、それらの間隔や櫛型電極に対する位置及び距離などが調整されて配置されている。
【００１１】
これら複数の吐出部４ａから４ｄ同士の間隔や、櫛形電極２と複数の吐出部４ａから４ｄそれぞれとの間隔、また複数のモノリシック表面弾性波増幅器６ａから６ｄ同士の間隔や、櫛形電極２と複数のモノリシック表面弾性波増幅器６ａから６ｄそれぞれとの間隔、さらには複数の液体吐出部４ａから４ｄと対応する複数のモノリシック表面弾性波増幅器６ａから６ｄとの間隔について、本実施例においてはそれぞれ等間隔としているが、これらのいずれか、あるいはすべてが不等間隔でももちろんかまわない。また、液体吐出部４ａから４ｄにはそれぞれ表面弾性波伝搬体５の裏面まで貫通した細孔が設けてあり、表面弾性波伝搬体５の裏面に設けられた少なくとも一つ以上の液体溜め９（図１においては非図示。図２および図３にて図示。）から毛管現象によって液体を液体吐出部４ａから４ｄのそれぞれに導くことができるようになっている。なお、表面弾性波伝搬体５の材料としては，１２８°ＹカットＸ伝搬、あるいはＹカットＺ伝搬のＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃、水晶などの圧電性単結晶やＰＺＴなどの圧電性セラミックス、またはガラスなどの上にＺｎＯなどの圧電体膜を設けたものが使用できる。
【００１２】
続いて、図２および図３を用いて、モノリシック表面弾性波増幅器６ａから６ｄの構造ならびに本実施態様例における液体吐出ヘッドの動作原理、特に複数の吐出部からの液体の吐出／非吐出を制御する方法について説明する。
【００１３】
図２および図３は図１の断面図であって、図１と同一のものには同一の部番を付し、説明を省略する。ここでは液体吐出部４ａからは液体を吐出させ、液体吐出部４ｂからは液体を吐出させない場合について説明する。すなわち、図２は液体吐出部４ａを含む断面図であり、図３は液体吐出部４ｂを含む断面図となっている。図２および図３において、９は液体溜め、１０は櫛形電極２によって励振される表面弾性波、１１はモノリシック半導体表面弾性波増幅器６ａによって増幅される表面弾性波、１２はモノリシック表面弾性波増幅器６ｂによって増幅されない表面弾性波、１３は絶縁保護膜、１４は移動度の大きい半導体薄膜である。図に示したように、モノリシック表面弾性波増幅器６ａから６ｄは、表面弾性波伝搬体５の上に絶縁薄膜１３を成膜し、その上に移動度の大きい半導体薄膜１４および電極を積層した構造となっている。ここで、絶縁保護膜１３としては窒化シリコンやシリコン酸化膜が、典型的には膜厚３００オングストロームから５００オングストローム、半導体薄膜１４としては、インジウムアンチモンが典型的には５００オングストローム、それぞれ成膜される。さらに、必要に応じて半導体薄膜１４の特性劣化を防ぐために、半導体薄膜１４の表面にさらに窒化シリコンやシリコン酸化膜を保護膜として成膜してもよい。以上の作製プロセスは半導体プロセスの分野では既に確立済みの技術であって、いわゆるフォトリソグラフィ技術を用いて、複数のモノリシック表面弾性波増幅器を精度良く、数十μｍから数百μｍといったピッチでの集積化を容易に行うことが可能である。こうしてモノリシック表面弾性波増幅器ならびに電極パターンを形成した後、ふたたびフォトリソグラフィ技術やレーザー加工技術を用いて各吐出部を形成することにより、複数の液体吐出部を数十μｍから数百μｍピッチで精度良く高密度に集積することができる。
【００１４】
このような構造のモノリシック表面弾性波増幅器に、モノリシック表面弾性波増幅器をそれぞれ独立に駆動する駆動装置１６を用いてパルス電界を印可すると、半導体薄膜１４中を走行するキャリアと表面弾性波がもたらす電界とが結合し、キャリアの速度が弾性波の速度よりも大きければキャリアのエネルギーが表面弾性波に受け渡され、増幅作用が生じる。櫛形電極２は、常に各吐出部４ａから４ｄからは液体が吐出しない程度のパワーにてバースト駆動されている。典型的には、励振周波数を数十ｋＨｚから数十ＭＨｚ、繰り返し周波数を数ｋＨｚから数十ｋＨｚといった値をとる。これらの値は所望の液体吐出特性、特に吐出する液体の物性値、吐出される液体の粒径や吐出量、吐出のタイミング等の条件により変化する。ここで吐出させたい吐出部、本実施例では吐出部４ａに対応するモノリシック表面弾性波増幅器６ａを前述のように駆動させ、入射する表面弾性波１０を、１１に示すように吐出部４ａから液体を吐出するために必要な表面弾性波のしきい振幅を上回るように増幅することで、吐出部４ａから液体を吐出することができる。一方、液体を吐出させない吐出部、本実施例では吐出部４ｂに対応するモノリシック表面弾性波増幅器６ｂは駆動させずにおけば、吐出部４ｂから液体が吐出されることはない。以上に説明したようにして、複数の吐出部からの液体の吐出／非吐出を制御することができる。
【００１５】
また前述のように、櫛形電極２は、液体が複数の吐出部のいずれからも液体が吐出しない範囲のパワーで常に駆動されているため、常に吐出部における液体が表面弾性波の効果を受けて揺動されることになり、吐出部における液体の乾きに起因する吐出特性の悪化を未然に防止することが可能になり、初期吐出特性の安定化を実現することができる。
【００１６】
さらには、液体が吐出部から吐出するのに十分なパワーにて常に櫛形電極２を駆動しておく必要がなく、背景技術の項で説明した従来技術に比べて、エネルギー効率の向上が期待できる。
【００１７】
以上に説明したような、本発明の第一の実施の形態例における液体吐出ヘッド１と、櫛形電極に駆動信号を与える駆動装置１５と、複数のモノリシック表面弾性波増幅器のそれぞれに駆動信号を与える駆動装置１６とから構成される液体吐出装置を、インクジェット記録装置へ応用した例を以下に示す。
【００１８】
図４は前記液体吐出装置を用いたインクジェット記録装置であって、前記説明中の液体としてＣＭＹＫの４色のインクジェット用インクを用いている。すなわち、このインクとしては、溶媒（例えば水を含む溶媒）に染料や顔料などの色材などを溶解または分散させたインクジェット記録に利用し得るインクから選択して用いることができる。図４においては、図１から図３中のものと同一のものには同一の部番を付し、説明を省略する。１５は櫛形電極に駆動信号を与える駆動装置、１６は複数のモノリシック表面弾性波増幅器のそれぞれに独立に駆動信号を与える駆動装置、１７は液体吐出ヘッドを走査する装置、１８は記録紙である。櫛形電極に駆動信号を与える駆動装置１５は、前述したように常にバースト駆動を行うように制御されており、インク吐出部におけるインクの乾燥を防ぐことができる。ここで駆動装置１６にはＰＣやワークステーション等からの出力情報を受けて複数のモノリシック表面弾性波増幅器に対し先に説明したような適切な駆動信号を与える機構が備わっており、かつ液体吐出ヘッドを走査する装置１７と連動して、記録紙１８に記録を行う。また吐出部の配列方向や配列個数を適宜設定することで、図に示したようなシリアルタイプのインクジェット記録装置から、ラインタイプのインクジェット記録装置まで様々に変形させることが可能である。
【００１９】
（第２の実施形態例）
続いて、本発明の第一の実施の形態例における液体吐出装置を、薬剤噴霧吸入装置へ応用する場合の実施例について説明する。本発明の第一の実施の形態例における液体吐出装置を薬剤噴霧吸入装置へ応用する場合には、前記液体としてインシュリンやニコチン、麻酔薬等を有効成分として含む薬剤（液体）が用いられる。また櫛形電極の駆動信号ならびに吐出部の形状を適宜設定し、吐出される薬剤の吐出液滴の粒径を、使用する薬剤によって最適なサイズに制御することが可能である。また、前記液体溜めを、取り外し可能な薬剤カートリッジとすることもできる。
【００２０】
（第３の実施例）
続いて、本発明の第一の実施の形態例における液体吐出装置を、二次元または三次元造形装置へ応用する場合の実施例について説明する。本発明の第一の実施の形態例における液体吐出装置を二次元または三次元造形装置へ応用する場合には、前記液体として紫外光や可視光に対して感光性を有するような樹脂、あるいは化学的な刺激に応答するような樹脂が用いられる。この際、櫛形電極の駆動信号ならびに吐出部の形状を適宜設定し、使用する樹脂に対し最適な吐出特性を得られるように制御することが可能である。また必要に応じて、複数の吐出口から樹脂と硬化剤を吐出するとか、樹脂と複数色の着色剤を吐出するなどの構成も容易に実現することが可能である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本出願にかかる液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの駆動方法を用いることにより、エネルギー効率の低下を抑制し、かつ高密度に集積が可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態例における液体吐出ヘッドの上面図である。
【図２】図１の吐出部４ａを含む断面における断面図である。
【図３】図１の吐出部４ｂを含む断面における断面図である。
【図４】本発明の第一の実施の形態例における液体吐出装置を用いたインクジェット記録装置の模式図である。
【符号の説明】
１・・・・液体吐出ヘッド
２・・・・櫛形電極
３ａ，３ｂ・・・・櫛形電極に駆動信号を送るための端子
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ・・・・液体吐出部
５・・・・表面弾性波伝搬体
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ・・・・モノリシック表面弾性波増幅器
７・・・・複数のモノリシック表面弾性波増幅器の共通電極
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ・・・・複数のモノリシック表面弾性波増幅器に独立に信号を送るための端子
９・・・・インク溜め
１０・・・・櫛形電極により励振された表面弾性波
１１・・・・モノリシック表面弾性波増幅器によって増幅された表面弾性波
１２・・・・モノリシック表面弾性波増幅器によって増幅されない表面弾性波
１３・・・・絶縁保護膜
１４・・・・移動度の大きい半導体薄膜
１５・・・・櫛形電極に駆動信号を与える駆動装置
１６・・・・複数のモノリシック表面弾性波増幅器のそれぞれに独立に駆動信号を与える駆動装置
１７・・・・液体吐出ヘッドを走査する装置
１８・・・・記録紙

Claims (9)

1. 液体吐出口を有する液体吐出部と、該液体吐出部に液体を供給するための液体供給手段と、該液体吐出部からの液体を吐出するためのエネルギーを液体に付与するためのエネルギー付与手段と、を有する液体吐出ヘッドであって、
   前記エネルギー付与手段は、表面弾性波を発生するための表面弾性波発生手段と、表面弾性波のエネルギーを前記液体吐出部内にある液体に付与するための表面弾性波伝搬体と、を有して構成され、
   前記液体吐出部は一つの表面弾性波発生手段に対して複数設けられており、かつ
   各液体吐出部内の前記表面弾性波伝搬体を伝搬してくる表面弾性波をそれぞれ独立に増幅し得る複数の増幅装置を各液体吐出部ごとに設けた
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記表面弾性波発生手段が櫛形電極である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記表面弾性波増幅手段がモノリシック型半導体表面弾性波増幅器である請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記液体供給手段が、前記表面弾性波伝搬体の表面弾性波が伝搬する面の裏面または側面に設けられた液体溜めと、前記液体溜めと前記液体吐出部とを接続し前記液体溜めから前記液体吐出部へ毛管現象によって流体を搬送する細孔とからなる請求項１ないし３のいずれか一つに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記液体がインクである請求項１ないし４のいずれか一つに記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記液体が、肺吸入用の薬剤である請求項１ないし４のいずれか一つに記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記液体が、二次元または三次元造形装置に用いられ、物理的または化学的な刺激が加えられたときに性質が変化する刺激応答性を有する樹脂であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の液体吐出ヘッド。
8. 請求項１ないし７のいずれか一つに記載の液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記表面弾性波発生手段を、前記複数の液体吐出部のいずれにおいても到達する前記表面弾性波の振幅が液体を吐出するために必要なしきい値を下回るように駆動し、前記増幅手段による増幅によって液体の吐出に必要なしきい値を上回る振幅を付与することを特徴とする液体吐出ヘッドの駆動方法。
9. 請求項１ないし７のいずれか一つに記載の液体吐出ヘッドと、前記表面弾性波発生手段に駆動信号を与えるための駆動装置と、前記液体吐出ヘッドに請求項８に記載の駆動方法に従う駆動信号を与えるための駆動装置とを有することを特徴とする液体吐出装置。

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