JP4607201B2 - 液滴吐出装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液滴吐出装置及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、ノズルに連通する圧力室と、この圧力室の一部をなす振動膜と、この振動膜を振動させる圧電素子と、この圧電素子に接合してその振動を前記振動膜に伝える振動膜上の突起と、ブラケットとを備え、前記ノズルから液滴を吐出する液滴吐出装置及びその製造方法に関する。

上述の如き液滴吐出装置としては、例えば特許文献１に記載の如きものが知られている。また、特許文献２では、同文献の図７〜９に示すように、ブラケットに相当するプレート２２８に形成した複数のスロット２３２に、圧電素子に相当する変換器２０４が複数個取り付けられている。特許文献２の構造では、複数の変換器２０４をプレート２２８に固定するのが煩雑で精度品質が低下しかねない。そこで、特許文献１では、あらかじめ固定板に圧電素子を接着してユニットを形成し、これをブラケットに相当する部材のスロットに嵌合させている。特許文献３も特許文献１と同趣旨の技術であり、基台に対して圧電素子が接着されている。

しかし、特許文献１，３では圧電素子は固定板等に平面的に接着されるのみであり、また、特許文献２ではシリコーンゴムの如きしなやかな弾性材料２３０によりスロット２３２内に配置されるに過ぎない。そして、これらの接着や固定が圧電素子の伸縮に影響する点について何らの配慮もなされていない。

一方、特許文献１にみられるように、ブラケットに相当する構造体１６とは別の固定板等を設けねばならないので、その点で構成や工程が複雑化し、部品点数が増えることで製作精度の問題や工程管理の労力が増大している。
特開２０００−８５１２６号（特願平３−９５６号分割） 特開昭５７−１８８３７２号 特開平５−７７４３１号

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、構造及び組み立て工程が簡素でありながら組み立て精度が高く、しかも圧電素子の伸縮を突起に伝達する効率のよい液滴吐出装置及びその製造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及びその製造方法の特徴は、ノズルに連通する圧力室と、この圧力室の一部をなす振動膜と、この振動膜を振動させる圧電素子と、この圧電素子に接合してその振動を前記振動膜に伝える振動膜上の突起と、ブラケットとを備え、前記ノズルから液滴を吐出する構成であって、前記圧力室、前記振動膜及び前記突起を備えた部材を前記ブラケットに固定可能であり、前記ブラケットはその解放部から前記突起に至るまでの間に棒状の前記圧電素子を誘導する溝部を備え、前記圧電素子はこの溝部内に接着されてあり、前記圧電素子は前記解放部側に外部電極を有し、前記ブラケットは前記外部電極に対する接触子を前記解放部側から誘導する第２の溝部を有していることにある。

同構成によれば、圧電素子は固定板等を介さずに直接ブラケットに固定されるので、その分だけ部品点数が削減されて、組み立て工程も簡素化される。圧電素子は溝部で誘導されてブラケット解放部から突起に至る間に位置させられるので、組み立てが容易となるし、溝部で誘導されるので組み付け精度も向上する。さらに、溝部内に圧電素子が接着されるので、平面的に接着した場合に比較して、接着面が立体的であり圧電素子の固定度が高いため、圧電素子振動時の反力を強固に支持し、突起に振動を効率よく伝達することができる。そして、前記圧電素子は前記解放部側に外部電極を有し、前記ブラケットは前記外部電極に対する接触子を前記解放部側から誘導する第２の溝部を有するので、脆性が高くて破壊され易い圧電素子を保護しながら接触子を介した通電路を確保することができる。

第２の溝部は、前記解放部である上解放部の中央から前側に向かってレール状に突出する突部を備えているとよい。

望ましくは、圧電素子に駆動信号を供給するケーブルを嵌合し固定する第３の溝部を前記ブラケットの解放部側に有している。これにより、圧電素子に対し解放部側から駆動電流を供給することができる。

上述の液滴吐出装置の製造方法の特徴は、接触子を前記解放部側から第２の溝部に挿入して前記外部電極に誘導すると共に接触させることにある。これにより、圧電素子の折損等を防ぐことができる。

上記本発明に係る液滴吐出装置及びその製造方法の特徴によれば、構造及び組み立て工程が簡素でありながら組み立て精度が高く維持でき、しかも圧電素子の伸縮を突起に伝達する効率を向上させることが可能となった。

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。

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１〜８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、圧電素子１０、振動プレート３０、ノズルプレート４０、接触子５０、上蓋６及びケーブル７が固定されてなる。ここで、ブラケット２０、振動プレート３０、ノズルプレート４０及び上蓋６は、それぞれ樹脂材料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。

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，空洞である非固定部２４が配置されている。また、上解放部２２近傍には第２の溝部２５が形成され、ブラケット２０の上部には上解放部２２からブラケット２０の背部に向かってケーブル７固定用の第３の溝部２６が形成されている。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，ノズルプレート４０と嵌合されると共にこれらに係合する突起２９を備えている。ヘッド２の下部先方には振動プレート３０，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が形成され、第２の溝部２５には圧電素子１０とケーブル７とを電気接続する接触子５０が嵌合される。

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。上部の接続部１０ｃには一対の外部電極１０ｆ１，１０ｆ２が形成され、接触子５０と接続される。圧電素子１０は断面方形であり、上解放部２２から挿入されて固定部２３を介して先端側を非固定部２４に位置させる。また、圧電素子１０は固定部２３において図４（ａ）の如く接着剤１１により固定される。図４に示すように、誘導する溝部２１は圧電素子１０の取り付け状態で上下に貫通し、上解放部２２より突起３１を観察可能である。誘導する溝部２１の圧電素子１０に対する対向面には、上解放部２２から離れて下側に向かうほど圧電素子１０に近接する傾斜面２１ａを備えている。この傾斜面２１ａは治具９の斜面９ａと接触し、治具９の押し込みで圧電素子１０を固定部２３に精度良く嵌合させる。

図４（ａ）に示すように、本実施形態では、固定部２３が一対の横面２３ａと底面２３ｂとを備え、方形の圧電素子１０が溝部２１の三方と接着剤１１により接着されている。仮に固定部が平面であり、符号２３ｂの部分のみで接着されていれば、Ｚ軸方向に対する変位の支持はＸ軸方向に対して符号２３ｂの面から離れる程疎かとなる。しかし、本実施形態では、圧電素子１０は両横面２３ａでも固定部２３に接着されているため、符号２３ｂの面から離隔した位置でも、Ｚ軸方向に対する反力を十分に伝達でき、突起３１を振動させる効率に優れる。なお、圧電素子１０と固定部２３とのクリアランスにもよるが、圧電素子１０振動の反力を保持する趣旨から、接着剤１１は硬化時の剛性が高めのものがよく、例えば熱硬化型のエポキシ系接着剤等を好適に用いることができる。

上部の第２の溝部２５に嵌合される一対の接触子５０は、図１〜３，図４（ｃ）（ｄ）に示すように、それぞれ基部５１の先端に幅の狭い屈曲部５２を有し、基部５１に直交する中間部５４と、さらにその中間部５４に直交する接続片５５とを備えている。第２の溝部２５は、上解放部２２の中央から前側に向かってレール状に突出する突部２５ａと、その左右に位置する一対の対抗面２５ｂとよりなる２本の溝であり、さらに、基部５１の両側をそれぞれ受け入れる一対の小溝部２５ｃを備えている。この小溝部２５ｃを介して屈曲部５２より張り出した基部５１を受け入れることで、各接触子５０ａ、５０ｂが他方側へ傾いて倒れることを防止している。圧電素子１０の固定部２３への挿入後に、第一、第二接触子５０ａ、５０ｂをそれぞれ第２の溝部２５に挿入する。突部２５ａには屈曲部５２が接当し、対抗面２５ｂには基部５１が接当するが、突部２５ａの厚みを接線部１０ｃよりも若干薄く設定してあるので、屈曲部５２の不測の弾性により圧電素子１０が折損するのを防止でき、また、外部電極１０ｆ１、１０ｆ２と屈曲部５２との接触を確実なものとすることができる。

第３の溝部２６には先端に導線７ａ，７ｂを露出させたケーブル７が嵌入され、押さえ具８で抜け止めがなされる。導線７ａ、７ｂは上解放部２２の中央部に突出する分岐部２６ａで左右に振り分けられ、第一、第二接触子５０ａ，５０ｂと接続片５５の折り曲げにより接続される。その後、上蓋６が取り付けられて、上部を保護する。

振動プレート３０，ノズルプレート４０はそれぞれ重ね合わされて接着され、ブラケット２０の下部に嵌合される。振動プレート３０は、丸孔３９ａ，長孔３９ｂを有しており、ブラケット２０の下端から突出する一対の突起２９をそれぞれ貫通し、位置決めがなされる。また、ノズルプレート４０のうち、先の振動プレート３０における丸孔３９ａ、長孔３９ｂの同位置には、丸穴４９ａ，長穴４９ｂがそれぞれ形成されている。丸孔３９ａ、丸穴４９ａ、長孔３９ｂ及び長穴４９ｂには一対の突起２９が各々嵌合し、これらブラケット２０，振動プレート３０，ノズルプレート４０の位置決めが高精度に維持される。なお、丸穴４９ａ，長穴４９ｂは底を有し、突起２９を貫通しないので、吐出された液体等がノズルプレート４０の下面に付着してもその清掃が容易であり、異種液体の不測の混入を防止することができる。

図１，６，８に示すように、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。ノズルプレート４０の上面には圧力室４２形成用の凹部４２ｘが設けられ、振動プレート３０の下面には圧力室４２に連通する流路３５を形成するための溝３５ｘが設けられ、これら両プレートの貼り合わせで圧力室４２及び流路３５が形成される。この流路３５は連通孔３６を介してブラケット２０の流路２７ｃに連通する。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。圧力室４２は連通路４３を介してノズル４１と連通している。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よりも凹部３３の外形は大きく、したがって、下端１０ｄが上面３４に接触することを防いでいる。

先の接続口２７は、図１，５に示すように、カートリッジの接続部を受け入れる凹部２７ａと、その中央に位置し流路２７ｃを有する突出部２７ｂとを備えている。また、回転止２７ｄはカートリッジ接続部の突起と嵌合してカートリッジの相対回転を防ぐものである。

上述の如きヘッド２の組み立てを行うに際しては、まず、圧電素子１０に接着剤を塗布すると共に、この圧電素子１０を上解放部２２から誘導する溝部２１に挿入し、固定部２３へ移動する。この状態で治具９を誘導する溝部２１に挿入し、斜面９ａ，接当部９ｂと圧電素子１０及び溝部２１との接当により固定部２３に圧電素子１０を押し込み、接着剤を硬化させる。

一方、別工程で振動プレート３０及びノズルプレート４０を互いに接着する。そして、これら両プレートの丸孔３９ａ、丸穴４９ａ、長孔３９ｂ及び長穴４９ｂにブラケット２０の下部の一対の突起２９を各々嵌合させて接着する。なお、プレート３０，４０のブラケットへの接着に先立って圧電素子１０の下端１０ｄに接着剤を塗布することで、振動プレート３０の突起３１に圧電素子１０の下端１０ｄを接当させ、これらを接着する。

その後、第２の溝部２５の小溝部２５ｃに接触子５０の基部５１を挿入すると共に第３の溝部２６にケーブル７を嵌入し、導線７ａ，７ｂを接続片５５の折り曲げで固定し、外部電極１０ｆ１、１０ｆ２、第一、第二接触子５０ａ，５０ｂ、導線７ａ，７ｂそれぞれの電気接続を完了させる。そして、ケーブル７から駆動電流を供給し、誘導する溝部２１を介して突起３１を観察する。下端１０ｄと突起３１との固着は突起３１の振動により確認が可能である。

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。
上記実施形態では、治具９と接当する斜面２１ａを底面２３ｂの対向面に設けた。しかし、図９に示すように、一方の横面２３ａの対向面側に治具９の斜面に接当する斜面２１ｂを形成してもよい。また、溝部内に圧電素子１０を接着するには、この実施形態や図１０の実施形態の如く、少なくとも２面で圧電素子１０を接着するようにしてもよい。図１０（ａ）の実施形態では、治具９の圧電素子１０に対する接当部１０ｃは９０度の溝状に形成されている。

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。

（ａ）はヘッドの分解斜視図、（ｂ）は突起近傍の斜視図である。 ヘッドの縦断面図である。 図２の斜視図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図２のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は図２のＤ−Ｄ断面図である。 ヘッドの縦断面図である。 図５の部分斜視図である。 治具の挿入状態をなす斜視図である。 振動プレート、ノズルプレート近傍の縦断面図である。 本発明の別実施形態を示す図４（ａ）相当図である。 （ａ）は本発明のさらに別の実施形態を示す図４（ａ）相当図、（ｂ）は治具の横断面図である。

符号の説明

１：液滴吐出装置、２：ヘッド、６：上蓋、７：ケーブル、７ａ，ｂ：導線、８：押さえ具、９：治具、９ａ：斜面、９ｂ，ｃ；接当部、１０：圧電素子、１０ａ：保持部、１０ｂ：活性部、１０ｃ：接続部、１０ｄ：下端、１０ｆ１，２：外部電極、１１：接着剤、２０：ブラケット、２１：溝部、２１ａ，ｂ：傾斜面、２２：上解放部、２３：固定部、２３ａ：横面、２３ｂ：底面、２３ｃ：斜面、２４：非固定部、２５：第２の溝部、２５ａ：突部、２５ｂ：対抗面、２５ｃ：小溝部、２６：第３の溝部、２６ａ：分岐部、２７：接続口、２７ａ：凹部、２７ｂ：突出部、２７ｃ：流路、２７ｄ：回転止、２９：突起、３０：振動プレート、３１：突起、３２：振動膜、３３：凹部、３４：上面、３５：流路、３５ｘ：溝、３６：連通孔、３９ａ：丸孔、３９ｂ：長孔、４０：ノズルプレート、４１：ノズル、４２：圧力室、４２ｘ：凹部、４３：速通路、４９ａ：丸穴、４９ｂ：長穴、５０：接触子、５０ａ：第一接触子、５０ｂ：第二接触子、５１：基部、５２：屈曲部、５４：中間部、５５：接続片

Claims (4)

1. ノズルに連通する圧力室と、この圧力室の一部をなす振動膜と、この振動膜を振動させる圧電素子と、この圧電素子に接合してその振動を前記振動膜に伝える振動膜上の突起と、ブラケットとを備え、前記ノズルから液滴を吐出する液滴吐出装置であって、
   前記圧力室、前記振動膜及び前記突起を備えた部材を前記ブラケットに固定可能であり、前記ブラケットはその解放部から前記突起に至るまでの間に棒状の前記圧電素子を誘導する溝部を備え、前記圧電素子はこの溝部内に接着されてあり、前記圧電素子は前記解放部側に外部電極を有し、前記ブラケットは前記外部電極に対する接触子を前記解放部側から誘導する第２の溝部を有している液滴吐出装置。
2. 第２の溝部は、前記解放部である上解放部の中央から前側に向かってレール状に突出する突部を備えている請求項１記載の液滴吐出装置。
3. 圧電素子に駆動信号を供給するケーブルを嵌合し固定する第３の溝部を前記ブラケットの解放部側に有している請求項１又は２記載の液滴吐出装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の液滴吐出装置の製造方法であって、前記接触子を前記解放部側から第２の溝部に挿入して前記外部電極に誘導すると共に接触させる液滴吐出装置の製造方法。

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