JP4234193B2 - 液滴吐出装置 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出装置に関し、さらに詳しくは、液体供給路に接続される流路と、この流路の下流に位置し液滴を吐出する開口部と、前記流路に前記開口部からの液体吐出圧力を発生させる圧力発生素子とを備えた液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記液滴吐出装置としては、次の特許文献１に記載の如きものが知られている。
【特許文献１】
特開平８−５８０８９号
【０００３】
同文献では、連通路３８から圧力室５へインクを供給する構成において、インク供給絞り４が圧力室と対向しないように配置し、これにより気泡を容易に排出可能としている。ところで、例えば同文献の図６において、圧力室５とノズル連通路３９とは屈曲して連続し、インクの種類によっては圧力室５の左上角や端部Ｆに気泡が形成されるといった問題がある。
【０００４】
このような気泡の形成に関する問題を説明するため、図２１に示す新規な構成の流路を例に挙げることとする。なお、ここでの説明の上下左右方向は便宜上のものであって、かかる方向は重力方向によって定められる方向を必ずしも意味しない。この例では、円盤状の第一流路５０’と漏斗状の第二流路６０’とが方向を変えて連続し、第二流路６０’は開口部４３’に接続され、全体として屈曲した流路を形成している。第一流路５０’の上下壁５０Ｔ，５０Ｂの間隔を圧力発生素子により変動させて第一流路５０’に吐出圧力を発生させる。この流路に吐出液を導入する際、屈曲の外側角部Ｐ１’や第二流路６０’の入口側鋭角部Ｐ２’に気泡の形成が確認された。このような気泡は図２３のような筒状流路５０’、６０’の接続部における外側角部Ｐ１’においても形成される。かかる外側角部Ｐ１’，入口側鋭角部Ｐ２’における気泡の形成は、圧力発生素子から伝達される圧力を吸収するため、正常な液滴吐出を阻害することとなる。
【０００５】
また、図２２の如く、第二流路６０’が径を縮小する漏斗状部６１’として構成されると、周面から液体が順次充填されるため、その液面は符号ＬＳ１〜３’に示す如く順次変化する。この場合、液面ＬＳ３’の状態では液面の上端が開口部４３’に達する前に開口部４３’に液体が充満するため、気体Ａが第二流路６０’内に残留して気泡を形成し、上記外側角部Ｐ１’，入口側鋭角部Ｐ２’における気泡の形成と同様の問題を生じる。
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００６］
上述の実情に鑑みて、本発明の目的は、流路内における気泡の形成を防止することの可能な液滴吐出装置を提供することにある。
課題を解決するための手段
［０００７］
一般的に、液体と固体とが接触する際の液体表面と固体及び液体の接触面とがなす接触角は、固体の表面張力、液体の表面張力及び固液界面張力により定まる。固液の親和性が低い場合は接触角が大きくなり、固液の親和性が高い場合は接触角が小さくなる。
［０００８］
発明者等がさらに実験を重ねたところ、次のことが判明した。まず、上記接触角が大きく固液の親和性の低い場合は、内側角部Ｐ３’の位置に到達した液面の上部が外側角部Ｐ１’に到達する前に、液体が第二流路６０’に流入する。この結果、同外側角部Ｐ１’に気体が残留して気泡が形成されることとなる。また、上記入口側鋭角部Ｐ２’に液体が流入し難いため、同部分に気泡が形成されることとなる。すなわち、液体の接触角と流路の構成によって気泡の形成状況が異なるという問題の所在が判明した。
［０００９］
そこで、この問題に鑑みつつ、上記目的を達成するため、本発明に係る液滴吐出装置の第一の特徴は、液体供給路に接続される流路と、この流路内の液体を液滴として吐出する開口部と、前記流路に液体吐出圧力を発生させる圧力発生素子とを備えた液滴吐出装置であって、
前記流路との接触角が異なる複数種類の液体に対応可能であり、前記流路が、前記液体供給路に接続される第一流路と、この第一流路の下流側に接続されると共に第一流路とは方向を変えて液体を流す第二流路とを備えて屈曲しており、この屈曲の外側角部から第二流路の外側壁部に至る部分及びこの外側壁部が段差無くなだらかに一体形成され、前記接続される部分またはその近傍において、前記第一流路の流れ方向に直交する第二流路の幅を第一流路の幅よりも狭くすることにより、当該幅を狭くした方向に対して第一流路と第二流路との間に段部が形成され、前記液体を供給する際に気泡が形成されることを防止することにある。
［００１０］
同構成によれば、例えば図３〜６に示すように、屈曲の外側角部Ｐ１から第二流路６０の外側壁部に至る部分５０Ｗ及びこの外側壁部６０Ｗが段差無くなだらかに一体形成されているので、この部分には気泡が形成されにくい。そして、第二流路６０入口部の左右いずれか又は双方において、第一流路の流れ方向に直交する第二流路の幅を第一流路の幅よりも狭くすることにより、当該幅を狭くした方向に対して第一流路と第二流路との間に側段部５３が形成され、第一流路５０に入った液体は側段部５３をわたって外側角部Ｐ１に容易に到達する。したがって、上述の如く内側角部Ｐ３の液体が先に第二流路６０に流入して外側角部Ｐ１に気泡が形成されることを抑制することができる。
［００１１］
本発明の第二の特徴は、上記第一の特徴における第二流路の幅に関する特徴に替えて／又は加えて、前記接続される部分またはその近傍において、前記第一流路の流れ方向に沿った第二流路の奥行きＤと、前記外側角部及び前記屈曲の内側角部の間で前記第一流路の流れ方向に直交する第一流路の最大幅Ｗとが次の関係となり、前記液体を供給する際に気泡が形成されることを防止するように構成してもよい。
Ｄ／Ｗ＜０．４
［００１２］
上述の問題点の解析から、第一流路５０に入った液体の液面が外側角部Ｐ１に到達するのが遅延すると、外側角部Ｐ１に気泡が形成される。よって、外側角部Ｐ１までの距離を代表する第二流路の奥行きＤが短ければ気泡の形成を防ぐことができ、発明者等の実験により上記ＤとＷの関係により気泡形成防止の条件が充足されることが判明した。
［００１３］
本発明の第三の特徴は、上記各特徴において、前記屈曲の内側角部及び／又は前記第一流路における前記屈曲の内側の少なくとも一部（以下、「内側等」）における前記液体の流れ抵抗が他の部分よりも大きいことにある。
［００１４］
同特徴によれば、第一流路５０に入った液体の液面の上部が外側角部Ｐ１に到達するまでに内側角部Ｐ３の液体が先に第二流路６０に流入することを防ぎ、外側角部Ｐ１に気泡が形成されることを防止することができる。このように内側等の流れ抵抗を他の部分よりも大きくするには、内側等に流れ抵抗の大きくなる加工を加える他、他の部分に流れ抵抗の小さくなる加工を加えてもよい。
［００１５］
本発明の第四の特徴は、上記第一又は第二の特徴において、前記接続される部分における第二流路の流れ方向に直交する断面形状は鈍角をなす線分及び／又は曲線により構成してもよい。
［００１６］
同構成によれば、第二流路入口部に鋭角部が存在せず、鋭角部に液体が流入し易くなり気泡の形成を防ぐことができる。
［００１７］
一方、発明者等がさらに実験を重ねたところ、上記図２２の如き問題は、上記接触角が小さく固液の親和性の高い場合に生ずることが判明した。
［００１８］
そこで、この問題を解決すべく、本発明の第五の特徴は、上記第一又は第二の特徴において、前記第二流路の壁面がこの第二流路の入口と出口とを直線状に結んで形成される面よりも外側に位置するようにしてもよい。
［００１９］
同構成によれば、例えば図７に示すように、第一流路５０から第二流路６０へ侵入した液体は、液面ＬＳ１の如くまず筒状内面６１を伝って広がり、その液面の下端は上端と共に縮小内面６２で符号ＬＳ２〜５に示すように徐々に下降する。これによって、液面の上端が下降する前に開口部４３が閉塞することを防ぎ、気泡の形成を防止する。
発明の効果
［００２０］
このように、上記本発明に係る第一〜第三の特徴によれば、主として外側角部Ｐ１’における気泡の形成を防止することができ、第四の特徴によれば、主として入口側鋭角部Ｐ２’における気泡の形成を防止することができるようになり、第五の特徴によれば、主として第二流路内における気泡の形成を防止することができるようになった。また、これらの特徴を組み合わせることにより、さらに相乗効果を生ずる。
［００２１］
そして、本発明によれば、流路を屈曲させることができるので、開口部近傍の設計上の自由度が向上した。また、気泡の形成を構造的に防止することができるので、使用できる液体の粘度や液体及び流路構成部材により定まる接触角の制限が緩和され、液種選択の自由度が広がり、実験、生産等の能率を著しく向上させることが可能となった。
［００２２］
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ヘッドの縦断面図である。
【図２】突起及び連通孔近傍の平面図である。
【図３】ヘッドの下部縦断面図である。
【図４】流路群の斜視図である。
【図５】図４の下方側からの斜視図である。
【図６】第一、第二流路接続部近傍の平面図である。
【図７】第二流路近傍の縦断面図である。
【図８】第二実施形態に係る流路群を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。
【図９】第三実施形態に係る流路群を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。
【図１０】第四実施形態に係る流路群を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。
【図１１】第五実施形態に係る流路群を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。
【図１２】第六実施形態に係る流路群を示す縦断面図である。
【図１３】第七実施形態に係る流路群を示す縦断面図である。
【図１４】第八実施形態に係る流路群を示す縦断面図である。
【図１５】第九実施形態に係る流路群を示す縦断面図である。
【図１６】第十実施形態に係る流路群を示す縦断面図である。
【図１７】図１６の斜視図である。
【図１８】第十一実施形態に係る流路群を示す縦断面図である。
【図１９】図１８の斜視図である。
【図２０】図７の別実施形態を示す第二流路近傍の縦断面図である。
【図２１】流路群における問題の説明図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は底面図である。
【図２２】比較例を示す図７相当図である。
【図２３】流路群における問題箇所の説明図であって、（ａ）は断面方形の流路、（ｂ）は断面円管の流路である。
【符号の説明】
【００２４】
１：液滴吐出装置、２：ヘッド、１０：圧電素子、１０ａ：保持部、１０ｂ：活性部、１０ｃ：接線部、１０ｄ：下端、２０：ブラケット、２１：溝部、２２：上解放部、２３：固定部、２４：空洞部、２７：接続口、２７ｃ：供給路、３０：振動プレート、３０ａ：下面、３１：突起、３２：振動膜、３３：凹部、３４：上面、３５：供給路、３６：連通孔、４０：ノズルプレート、４１：ノズル（第三流路）、４２：凹部、４３：開口部、５０：第一流路、５０ｗ：下流側壁、５０Ｔ：上壁、５０Ｂ：下壁、５２：側角、５３：側段部、５５ａ〜ｆ：流れ抵抗部、６０：第二流路、６０ａ：入口、６０ｂ：出口、６０ｗ：外壁部、６１：筒状内面、６２：縮小内面、６３：平坦部、Ｄ：第二流路の奥行き、Ｗ：第一流路の幅、ＪＰ：接続部、ＰＧ：流路群、Ｐ１：外側角部、Ｐ２：入口側鋭角部、Ｐ３：内側角部
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
まず、図１〜７を参照しながら本発明の第一の実施形態について説明する。なお、本明細書での上下左右は説明の便宜上のものであって、絶対的な重力方向に拘束されるものではない。
【００２６】
図１〜３に示すように、本発明に係る液滴吐出装置１は、図示しないカートリッジから供給される液体をノズル４１下端の開口部４３から液滴として吐出するヘッド２を備えている。このヘッド２は、ブラケット２０に対し、圧力発生素子である圧電素子１０、振動プレート３０及びノズルプレート４０がそれぞれ固着され、さらに図示しない接触子、上蓋及びケーブルが固定されてなる。ここで、図示しない上蓋、ブラケット２０、振動プレート３０及びノズルプレート４０は、それぞれ樹脂材料等により射出成形されている。なお、これら各部材はガラス、金属等で構成してもよく、また、エッチングや電鋳加工等により形成してもよい。
【００２７】
ブラケット２０には、圧電素子１０を誘導する溝部２１が上下に貫通して形成されており、この誘導する溝部２１の上解放部２２から下側に向かって固定部２３，空洞部２４が配置されている。また、ブラケット２０の背面には、カートリッジ接続用の接続口２７が設けられ、ブラケット２０の下面は振動プレート３０とノズルプレート４０が嵌合される。ヘッド２の下部先方には振動プレート３０とノズルプレート４０によって、圧電素子１０により駆動される圧力室やノズルとしての流路が形成される。
【００２８】
圧電素子１０は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いて構成され、下端側の活性部１０ｂは通電により伸縮する。中央の保持部１０ａでブラケット２０に固定されるので、下端１０ｄの位置を上下振動させ、後述の突起３１を介して振動膜３２を振動させる。圧電素子１０は断面が方形であり、上解放部２２から挿入されて固定部２３を介して先端側を空洞部２４に配置される。また、圧電素子１０は固定部２３において接着剤により固定される。
【００２９】
振動プレート３０には先の誘導する溝部２１の下端近傍に突起３１，振動膜３２、凹部３３を有している。また、振動プレート３０の下面にはノズルプレート４０に形成された凹部４２に連続する溝３５を備える。
【００３０】
突起３１，振動膜３２，凹部３３の境界部は図４，６に示すように同心円状であり、順次拡径している。圧電素子１０の下端１０ｄはその一部を突起３１の一部に接当させ、両者は接着剤により固着されている。また、下端１０ｄが上面３４に接触しないように、下端１０ｄよりも凹部３３の外形は大きくしてある。
【００３１】
凹部４２は振動プレート３０の下面３０ａと共に圧力室としての第一流路５０を構成し、ノズル４１と第二流路６０を介して連通している。先の接続口２７は、カートリッジの接続部を受け入れ、供給路２７ｃ、３５及び連通孔３６を介して第一流路５０に液体を供給する。
【００３２】
図４〜６は流路群ＰＧであり、これらは第一、第二流路５０，６０のみの輪郭を表示したものである。第一流路５０は円盤状に構成され、その下流側端に軸を第一流路５０の円盤に直交させた姿勢で第二流路６０が突出し、全体として屈曲した流路を構成している。なお、本明細書では内側、外側の概念は屈曲の内側、外側の意味で用いるものとする。第二流路６０は断面八角形の筒状内面６１と、筒状内面６１に連続して平坦部６３まで暫時その径を縮小させる縮小内面６２とを有している。また、平坦部６３にはノズル４１及び開口部４３が穿孔されている。なお、本実施形態では、ノズル４１が第三流路を形成しており、開口部４３は第三流路の出口となる。
【００３３】
第二流路６０の入口部は断面が八角形であり、各側壁同士は鈍角に接しているため、液体が流入し難いことによる気泡の形成を防止することができる。この八角形の一辺は第一流路５０の下流側壁５０ｗとなだらかに段差無く連続する円弧状の外壁部６０ｗとして構成され、上記外側角部Ｐ１に到達した液面を下側に円滑に誘導する。同入口部の最上流側は内側角部Ｐ３，内側角部Ｐ３と下流側壁５０ｗとの間は側角５２を形成する。
【００３４】
本実施形態では、第一流路の流れ方向Ｘに直交するＹ方向に沿った第一流路５０の幅よりも第二流路６０の幅を狭くしたことで、接続部ＪＰの左右に側段部５３を形成し、この部分を利用して矢印Ｆに示すように液面を迅速に外側角部Ｐ１まで到達させることができる。形状的には同時に第二流路６０の接続部ＪＰにおける輪郭の角を鈍角に構成することになっている。また、本実施形態では、内側角部Ｐ３におけるＹ方向に沿った第一流路の最大幅Ｗと接続部ＪＰにおけるＸ方向に沿った第二流路６０の奥行きＤとを、Ｄ／Ｗ＜０．４となる関係に流路を構成してある。
【００３５】
接触角の大きな液体を使用した場合は、内側角部Ｐ３，側角５２から液体が第二流路６０に流入し難く、側段部５３をわたって液面が矢印Ｆに示すように外側角部Ｐ１に到達し、気泡の形成が防止される。また、第二流路６０の接続部ＪＰにおける輪郭の角は鈍角なので、ここでも気泡の形成が防止される。一方、接触角の小さな液体を使用した場合は、液体が内側角部Ｐ３から第二流路６０に侵入する前に側段部５３をわたって液面が外側角部Ｐ１に到達するので、気泡の形成が防止される。
【００３６】
さらに、図７に示すように、第二流路６０は筒状内面６１と縮小内面６２との連携で気泡の形成を防ぐ。詳しくは、第二流路の入口６０ａと出口６０ｂとを結ぶ線分で構成される仮想面ＬＰよりも上記内面６１，６２を外側に位置させることで、液面は符号ＬＳ１〜５に示すように移動し、液面同志が間隔を狭める時間を遅らせることで、気泡が同第二流路内に形成することを防いでいる。そして、上記各効果が相まって、上壁５０Ｔの振動による液体の圧力を確実に伝達することができ、液滴を正常に吐出することができる。
【００３７】
本発明に係る液滴吐出装置１は本発明の趣旨に添う限り様々な改変が可能である。
流路の形状変更により上記第一の特徴を実施するに当たっては、例えば、図８〜１１に記載の如き構成が可能である。図８の実施形態では、流路群ＰＧを構成する第一流路５０，第二流路６０の断面を方形に構成し、第二流路６０の横幅を第一流路５０の横幅より狭く形成することで、側段部５３を第二流路６０の接続部ＪＰの左右に形成してある。なお、第二流路６０を第一流路５０の一側に偏在させることで、側段部５３を一方のみに形成させてもよい。
【００３８】
図９の実施形態では、第二流路６０を断面が台形となるように構成し、第一流路５０と第二流路６０との接続部ＪＰは傾斜状態としてある。図１０の実施形態では、第二流路６０を半円弧状に構成してある。また、図１１の実施形態では、第一流路５０，第二流路６０ともに断面を円形に構成してある。
【００３９】
上記第三の特徴を実施するに当たっては、例えば、図１２〜１９のように構成するとよい。図１２の実施形態では、内側角部Ｐ３に突起状の流れ抵抗部５５ａを形成してある。この流れ抵抗部５５ａは上記側角５２に形成してもよい。図１３〜１５の実施形態では、下壁５０Ｂに段差状の流れ抵抗部５５ｂ、５５ｃ、５５ｄを形成してある。図１６，１７の実施形態では下壁５０Ｂに突起状の流れ抵抗部５５ｅを形成し、図１８，１９の実施形態では下壁５０Ｂに凹状の流れ抵抗部５５ｆを形成してある。これら流れ抵抗部５５ａ〜ｆは、例えば表面処理等で該当部分の流れ抵抗を増大させるように構成してもよい。また、流れ抵抗部５５ａ〜ｆ以外の部分における流れ抵抗を表面処理等により減少させて、相対的に内側等の流れ抵抗を他の部分より大きくすればよい。表面処理等の替わりに、当該部分の材料を他の部分と異ならせてもよい。
【００４０】
筒状内面６１は断面が八角形のみならず、不等辺の多角形や円、曲線状と形成してもよい。また、開口部４３と筒状内面６１とは必ずしも同心である必要はないが、動作の確実性からは筒状内面６１と開口部４３とは同心にすることが望ましい。
【００４１】
第二流路６０は図２０のように構成してもよい。例えば、同図（ａ）の如く仮想面ＬＰに一致する縮小内面６４と屈曲面６５で構成したり、同図（ｂ）の如く円筒内面６６と縮小面６７で構成してもよい。同図（ｂ）の場合は、開口部４３が第二流路６０の出口６０ｂと一致することとなる。
【００４２】
上記実施形態では、圧力発生素子を圧電素子として構成した。しかし、この発力発生素子は、液体を沸騰させて吐出圧力を発生させる抵抗発熱素子として構成しても構わず、圧力発生素子は第一流路５０の一部を振動させる他、第一流路５０又は第二流路に圧力を供給できればよい。
【００４３】
上記実施形態における外側角部Ｐ１は、気泡が形成（残留）される虞があれば角部であり、そのオーダーにおいて、Ｒが付与されていても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、化学実験、バイオテクノロジー実験、医療診断、エレクトロニクス生産等に利用することができる。液体は多種類のものを用いることができる。例えば、ＤＮＡ・蛋白質・菌類等の生体材料、蛍光微粒子、導電体微粒子、樹脂微粒子、セラミック微粒子、顔料や染料等を含む液体を用いることができる。また、水等、表面張力の高い液体や、高価な液体を少量用いるのにも適している。印刷により線画等を描く他、例えば、電極形成やマイクロレンズを作成することができる。さらに、液滴を吐出させることで、例えば生体材料チップ等所定の複数箇所に液滴を配置させる他、分注、散布による匂い発生、吐出量調整による配合調整、成膜等に用いることもできる。

Claims (5)

1. 液体供給路に接続される流路と、この流路内の液体を液滴として吐出する開口部と、前記流路に液体吐出圧力を発生させる圧力発生素子とを備えた液滴吐出装置であって、
   前記流路との接触角が異なる複数種類の液体に対応可能であり、前記流路が、前記液体供給路に接続される第一流路と、この第一流路の下流側に接続されると共に第一流路とは方向を変えて液体を流す第二流路とを備えて屈曲しており、この屈曲の外側角部から第二流路の外側壁部に至る部分及びこの外側壁部が段差無くなだらかに一体形成され、前記接続される部分またはその近傍において、前記第一流路の流れ方向に直交する第二流路の幅を第一流路の幅よりも狭くすることにより、当該幅を狭くした方向に対して第一流路と第二流路との間に段部が形成され、前記液体を供給する際に気泡が形成されることを防止する液滴吐出装置。
2. 液体供給路に接続される流路と、この流路内の液体を液滴として吐出する開口部と、前記流路に液体吐出圧力を発生させる圧力発生素子とを備えた液滴吐出装置であって、
   前記流路との接触角が異なる複数種類の液体に対応可能であり、前記流路が、前記液体供給路に接続される第一流路と、この第一流路の下流側に接続されると共に第一流路とは方向を変えて液体を流す第二流路とを備えて屈曲しており、この屈曲の外側角部から第二流路の外側壁部に至る部分及びこの外側壁部が段差無くなだらかに一体形成され、前記接続される部分またはその近傍において、前記第一流路の流れ方向に沿った第二流路の奥行きＤと、前記外側角部及び前記屈曲の内側角部の間で前記第一流路の流れ方向に直交する第一流路の最大幅Ｗとが次の関係となり、前記液体を供給する際に気泡が形成されることを防止する液滴吐出装置。
   Ｄ／Ｗ＜０．４
3. 前記屈曲の内側角部及び／又は前記第一流路における前記屈曲の内側の少なくとも一部における前記液体の流れ抵抗が他の部分よりも大きい請求項１又は２記載の液滴吐出装置。
4. 前記接続される部分における第二流路の流れ方向に直交する断面形状は鈍角をなす線分及び／又は曲線により構成してある請求項１又は２記載の液滴吐出装置。
5. 前記第二流路の壁面がこの第二流路の入口と出口とを直線状に結んで形成される面よりも外側に位置している請求項１又は２記載の液滴吐出装置。

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