JP4255505B2 - 液滴吐出装置及び液滴吐出用ヘッド並びに液滴の供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、液滴吐出装置及び液滴吐出用ヘッド並びに液滴の供給方法に関する。さらに詳しくは、少なくとも１つのヘッドと、このヘッドに保持される電気駆動素子と、前記ヘッドの支持具とを備え、前記電気駆動素子の駆動によりノズルから液滴を所定位置へ吐出させる液滴吐出装置及び液滴吐出用ヘッド並びに液滴の供給方法に関する。

近年、実験室や製造工程において、所定間隔により任意の配列で複数個並べられた容器やワークの複数箇所に対して、溶液や薬液を微量の液滴で高速に供給、着弾させることが求められている。このような用途に対し、従来のポンプシリンジやマイクロピペッターを用いると、装置が嵩張ったり供給口の配列が個別的となり、しかも、液滴の供給量や状態制御を必ずしも適切に制御することが困難である。

そこで、本発明者らは、インクジェットプリンターと同様、電気駆動素子により液滴を吐出するヘッドを採用することとした。

ところで、インクジェットプリンターの分野では、ワークに相当する紙面への着弾位置と液滴の微少量を精細に制御している。しかし、例えば特許文献１，２にみられるように、複数個のヘッドを基板等に固着等しており、自由な配列の組み替えは考慮されていなかった。そして、複数個のヘッドを接着等により固定すると固定時の各ヘッドのずれは発生しにくいが、複数個のヘッドに不良を生じると全体が不良品となって歩留まりが悪化する。また、複数ヘッドの吐出方向に対する高さ調整が考慮されておらず、この点での液滴の状態の統一性に問題があった。
特開２００２−６７３４３号 特開２００４−１９５６８９号

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、複数個のヘッド間で統一された高さを維持しつつ安定した状態の液滴を所定のピッチで複数箇所に対して吐出することの可能な液滴吐出装置及び液滴吐出用ヘッド並びに液滴の供給方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る液滴吐出装置の特徴は、少なくとも１つのヘッドと、このヘッドに保持される電気駆動素子と、前記ヘッドの支持具とを備え、前記電気駆動素子の駆動によりノズルから液滴を所定位置へ吐出させる構成において、前記ヘッドは前記ノズルの形成面を底面とする一対の側面を有し、各側面は凹部と他のヘッドに対する接当面とを備え、前記ヘッドの一対の接当面は互いに平行であり、前記支持具は前記凹部内に位置すると共に前記ヘッドを前記吐出方向ノズル側から支持する支持片を備え、複数個の前記ヘッドを前記接当面で互いに接当させて並べることで前記ノズルが所定のピッチと高さで配列されるヘッド群を形成可能なことにある。

同特徴によれば、接当面同士を接当させることでヘッドを並べるので、任意の個数のノズルを所定のピッチで配列することができ、配列の自由度が高い。また、接当面の間に他の部材が介在せず、ノズル間のピッチ精度を維持することが可能である。しかも、支持具の支持片は凹部でヘッドを吐出方向に沿って支持するので、複数ヘッド間のノズル高さ位置を適切に設定でき、液滴の着弾状況を安定させることが可能である。

前記両側面を結ぶヘッドの前部が前部側に向かうに従って両側の間隔を縮小させてあり、ヘッドを複数個並べた場合に一群の各ヘッド前部の間に他のヘッド群のヘッド前部を嵌合可能とすることが望ましい。

前記ヘッドは前記凹部内で前記吐出方向に突出して前記支持片に接当する突起を有してもよい。また、前記ノズルにインクを供給するインク供給路を前記両側面を結ぶヘッドの前部とは反対側に延長させても構わない。

また、前記ノズルの駆動部品に対する電気ケーブルを前記両側面を結ぶヘッドの前部とは反対側に延長させることが望ましい。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る液滴吐出用ヘッドの特徴は、上記いずれかの特徴に記載の液滴吐出装置に用いられる前記凹部を備えたことにある。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る液滴の供給方法の特徴は、上記いずれかの特徴に記載の液滴吐出装置における前記ヘッド群を用いて所定の位置に液滴を複数のノズルから供給することにある。

上記本発明に係る液滴吐出装置及び液滴吐出用ヘッド並びに液滴の供給方法の特徴によれば、ノズルの高さ位置を適切に設定することで安定した状態の液滴を吐出できるようになった。しかも、任意の個数のノズルを所定のピッチで高精度に配列することができて配列の自由度が向上し、所定のピッチで複数箇所に対して高精度な位置関係で液滴を吐出供給することが可能となった。また、ヘッドは各々独立しているため、不良ヘッドを交換することが可能であり、また、使用する液体の種類に応じてヘッドを交換することも可能となった。

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。

本発明に係る液滴吐出装置の正面図である。 ヘッドの斜視図である。 図１の背面図である。 二つのヘッド群を組み合わせた状態における液滴吐出装置の裏面図である。 単一ヘッドを支持具に装着した状態を示す側面図である。 図５の正面図である。 第二の実施形態を示す図１相当図である。 第二の実施形態におけるヘッドの裏面図である。 比較例を示す図１相当図である。 金型の縦断面図である。

符号の説明

１：液滴吐出装置、１０：支持具、１１：フレーム本体、１２：支持片、１３：側片、１４：連結部、１５：締付ねじ、１５ａ：ねじ部、１５ｂ：摘み、１７ａ：ブロック、１７ｂ：側板、１７ｃ：先端、１７ｄ：支柱、１７ｅ：突条、１８：締付ねじ、１８ａ：ねじ部、１８ｂ：摘み、２０：ヘッド、２０ａ〜ｅ：第一〜第五ヘッド、２０ｘ：ブラケット、２１：上面、２２：底面、２３：ノズル、２３ａ：第一ノズル、２３ｂ：第二ノズル、２３ｆ：第六ノズル、２３ｇ：第七ノズル、２４：前面、２４ａ：前横斜面、２４ｂ：前下斜面、２４ｃ：凹部、２５：後面、２６：側面、２７：凹部、２８：段差面、２９：突起、３０：接当面、３１：第二凹部、３２：第二接当面、４０：液体供給口、４１：凹部、４２：突起、４３：供給孔、４４：嵌合部、５０：ケーブル、１００：ワーク、１１０：金型、１０１：上型、１０２：下型、１０３：基型、１０３ａ：円筒部、１０４：ピン、１０５：空洞部、２００：支持具、２１０：支持部、２１２：支持片、２２０：側当部、Ａ：ピッチ、Ｆ：吐出方向、Ｇ：ヘッド群、Ｈ：高さ

次に、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１〜４に示す第一実施形態では、図２のごときヘッド２０を複数個並べて支持具１０に固定し、液滴吐出装置１を構成している。ヘッド２０はブラケット２０ｘの内部に図示しない電気駆動素子の一種である圧電素子を備え、液体供給口４０から供給される液体を図示しない圧力室に導入し、圧電素子で圧力室をなす膜を振動させることで、底面２２に形成したノズル２３から液滴を吐出方向Ｆに向かって吐出させる。液滴はノズル２３から吐出され、さまざまな形状を簡略化して表示したワーク１００の所定位置に所定の状態で着弾することが望まれる。したがって、図４のように隣接するノズル２３，２３のピッチＡは所定間隔であることが必要とされる。また、ノズル２３の形成面の位置も、液滴は重力の影響を受けるので、ワーク１００からの高さＨも隣接するヘッド２０同士で同じであることが必要とされる。

ここで、ヘッド２０のブラケット２０ｘは樹脂材料の射出成型等により形成された部品を組み合わせてなる。底面２２の両側で上面２１と底面２２の間における一対側面２６には、それぞれ凹部２７が形成される。また各側面２６の上側は対向する側面２６同士で互いに平行な接当面３０が形成され、各接当面３０の前後方向中間には第二凹部３１が形成されている。前面２４と各側面２６との間には接当面３０と１３５度の角をなす前横斜面２４ａが設けられ、底面２２と前面２４との間には前下斜面２４ｂが設けられている。

各ヘッド２０における一対の接当面３０は互いに平行に構成され、ノズル２３と所定の位置関係となっている。図４ではａ１＝ａ２の関係となっているが、ａ１，ａ２が異なっても、隣接するノズル２３同士のピッチＡを所定の同一の値にすることは可能である。

凹部２７内には凹部２７の側面と接当面３０との段差部分である段差面２８から吐出方向Ｆに向かって円筒状の突起２９を突出させてある。この突起２９は好ましくは円筒状であり、又は方形の筒状に形成してもよく、筒状に構成することで、射出成型金型でのピンを交換することで突起２９下面の位置調整が容易であり、支持具１０との接当における高さ調整が簡易且つ正確なものとなる。

このような金型は、具体的には、図１０に示すような構成が採用される。金型１１０は上型１０１と下型１０２とを有し、上型１０２は基型１０３の円筒孔１０３ａにピン１０４を嵌合させ、空洞部１０５に樹脂が充填されて成形がなされる。円筒孔１０３ａに対するピン１０４の挿入位置は調整が容易であり、円筒孔１０３ａの下端とピン１０４の下端との距離Ｈが先の突起２９の高さとなる。

図４に示すように、各ヘッド２０における各前横斜面２４ａとノズル２３との関係も所定の位置関係となっており、特に前横斜面２４ａは先端側ほど互いに近接する傾斜状に形成され、隣接するヘッド２０の前横斜面２４ａ同士で凹部２４ｃを形成し、互いに対向するヘッド群Ｇ１，Ｇ２の前面２４を受け入れ嵌合する。これにより、異なるヘッド群Ｇ１、Ｇ２間の各ノズル２３のピッチＢも所定の間隔で配置が可能となる。

後面２５にはノズル２３への液体を供給する液体供給口４０が設けられている。この液体供給口４０は、凹部４１の中央に図示しないカートリッジに接続される供給孔４３を有する突起４２を突出させている。また、凹部４１にはカートリッジとの相対回転を防止する嵌合部４４が設けられている。さらに、液体供給口４０の上部には先の圧電素子に対する駆動電力を供給するためのケーブル５０が設けられている。これら液体供給口４０，ケーブル５０を後面２５に配置することで、複数のヘッド２０を隣接配置してもケーブル５０や液体供給口４０に接合したカートリッジの引き回しが容易であり、着脱動作を妨げない。また、液体供給口４０をケーブル５０の下に配置することで、ノズル２３とカートリッジとの高低差を低減し、液滴吐出状態の安定を図っている。

支持具１０は金属材料や硬質樹脂等よりなるフレーム本体１１とヘッド２０を固定するための一対の締付ねじ１５とを備えている。フレーム本体１１の左右にわたる連結部１４からは一方に所定間隔をおいて複数の支持片１２が前方向に突出し、連結部１４の左右からは上方に一対の側片１３が突出する。支持片１２の上面は均一であり、凹部２７間に挿入され、ノズル２３との関係を所定に保った突起２９との接当で、各ノズル２３の高さＨを同一に保つ。また、各支持片１２間の連結部１４の位置は同一位置であり、各ヘッド２０の後面２５を接当させることでノズル２３の深さ位置を同一に保つ。そして、符号２０ａ〜ｅに示す複数個のヘッド２０の接当面３０同士を接当させると共に、左右の側片１３にねじ部１５ａが螺合された締付ねじ１５の摘み１５ｂを締め付け回転することで、支持具１０上にこれらヘッド２０をノズル２３の所定ピッチＡで固定し、ヘッド群Ｇを形成する。

図４は、上述のごとくそれぞれ形成されたヘッド群Ｇ１，Ｇ２を対向して組み合わせることで、２列のノズル列を形成している。本実施形態では、ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は共に等しく、また、前傾斜面２４ａの傾斜角度を４５度に設定してあるので、図中Ｂ＝Ａ／２となる。なお、各ヘッド群Ｇ１、Ｇ２において前横斜面２４ａとノズル２３との位置を異ならせたり、ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２を異ならせることも可能である。

上記ヘッド２０は複数個を組み合わせるのみならず、図５，６の如く支持具１０（１０ｙ）に単独固定することも可能である。この例では、支持具１０は支柱１７ｄに支持されるブロック１７ａの両側からそれぞれ下方突出させた側板１７ｂの先端１７ｃ上に突起２９を係合させることで、上下位置方向にヘッド２０を支持している。また、突条１７ｅに後面２５又は前面２４を接当させ、さらに、ブロック１７ａにねじ部１８ａで螺合させた締付ねじ１８の摘み１８ｂを締め付け固定することで、支持具１０にヘッド２０を固定する。前下斜面２４ｂは斜め位置からのノズル２３吐出状態の観察を容易とするための視野を確保する。

図７に示す第二実施形態では、各ヘッド２０が凹部２７の下側にさらに互いに平行な一対の第二接当面３２を有している。一対の第二接当面３２間の間隔は一対の接当面３０間の間隔よりも広く、したがって、各ヘッド２０はその下部において互いに接し、締付ねじ１５において締め付け固定されることとなる。

なお、図９は比較例であり、支持具２００の支持部２１０は支持片２１２に形成した前後レール状の側当部２２０に突起２９を接当させてその左右位置を規定している。接当面３０は互いに接することなく、したがって、支持具２００の製作精度も要される点から、上記実施形態の方が優れている。

上記実施形態における上下方向は説明の便宜上のものであり、相対的な位置関係を規定するに過ぎず、必ずしも重力方向を意味しない。例えば吐出方向が重力方向と反対であったり、斜めであっても、複数のヘッドのワークからの距離（高さ）と各ノズル２３間のピッチが所定どおりとなる必要性及び効果は上述の通りである。

上記実施形態では、電気駆動素子として圧電素子を用いた。しかし、電気駆動素子として、その他の種類の伸縮可能な素子の他、液体を沸騰させて吐出圧力を発生させる抵抗発熱素子を用いても構わない。

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、顔料染料等、微粒子を含む液体を用いることができる。また、蒸留水等、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 (7)

1. 少なくとも１つのヘッドと、このヘッドに保持される電気駆動素子と、前記ヘッドの支持具とを備え、前記電気駆動素子の駆動によりノズルから液滴を所定位置へ吐出させる液滴吐出装置であって、
   前記ヘッドは前記ノズルの形成面を底面とする一対の側面を有し、
   各側面は凹部と他のヘッドに対する接当面とを備え、
   前記ヘッドの一対の接当面は互いに平行であり、
   前記支持具は前記凹部内に位置すると共に前記ヘッドを前記吐出方向ノズル側から支持する支持片を備え、
   複数個の前記ヘッドを前記接当面で互いに接当させて並べることで前記ノズルが所定のピッチと高さで配列されるヘッド群を形成可能である液滴吐出装置。
2. 前記両側面を結ぶヘッドの前部が前部側に向かうに従って両側の間隔を縮小させてあり、ヘッドを複数個並べた場合に一群の各ヘッド前部の間に他のヘッド群のヘッド前部が嵌合可能である請求項１記載の液滴吐出装置。
3. 前記ヘッドは前記凹部内で前記吐出方向に突出して前記支持片に接当する突起を有している請求項１記載の液滴吐出装置。
4. 前記ノズルにインクを供給するインク供給路を前記両側面を結ぶヘッドの前部とは反対側に延長させてある請求項１記載の液滴吐出装置。
5. 前記ノズルの駆動部品に対する電気ケーブルを前記両側面を結ぶヘッドの前部とは反対側に延長させてある請求項１記載の液滴吐出装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の液滴吐出装置に用いられる前記凹部を備えた液滴吐出用ヘッド。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の液滴吐出装置における前記ヘッド群を用いて所定の位置に液滴を複数のノズルから供給する液滴の供給方法。

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