JP5524637B2 - 微小液滴吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、塗液や溶液等の流体を吐出する装置に関し、特に微小量の高粘性流体を常温若しくは低温状態のままで吐出する微小液滴吐出装置に関する。

微小量の液体の吐出は、精細な印刷といった表示技術や、マイクロカプセルといった医薬技術に有用である。従来微小液滴の吐出技術としては、インクジェットに関する技術が良く知られている。インクジェットは、インク供給管と吐出口を有する変形可能なインク室（以後「溶液室」と呼ぶ。）と、溶液室の壁の外側に接着させたピエゾ素子を有する構成を有している。

上記の構成でピエゾ素子を駆動させると、溶液室の壁が高速で変形する。すると溶液室の体積が縮小し、吐出口から変形量に応じたインクが吐出する（特許文献１参照）。

また、バブルジェット（登録商標）に関する技術もよく知られている。バブルジェット（登録商標）は、インク供給管と吐出口を有する溶液室の壁面の一部をヒーターで構成する（例えば特許文献２参照）。ヒーターで瞬間的に熱を与え、溶液室中のインクを沸騰させる。沸騰したインク中に発生した気泡が吐出口から発生した気泡の体積分のインクを吐出させる。

また、ディスペンサーと呼ばれる技術も知られている。ディスペンサーは、吐出口を有するシリンダと、シリンダ内側から吐出口を開閉する弁体から構成される。シリンダ内には吐出液が充填させられ加圧する。この状態で、弁体を開閉すると、液体は吐出口から押し出され、吐出される。

特公昭６１−０４５９５１号 特開昭６２−２４０５５８号

インクジェット技術に用いる溶液室は、ピエゾ素子の駆動によって液滴を吐出する。しかし、ピエゾ素子の変形量は微小であり、変形時に発生する力も小さい。そのため、高粘度の液体の吐出は困難となる。つまり、使用できる液体の性状に制限が多い。また、溶液室とピエゾ素子は接着等で一体的に形成されるため、使用中に分解洗浄ができない。またインクが吐出口に詰まった際の解消は困難である。さらに、溶液室は変形可能で微小な構造体であるので、構成材料が限定されている。従って、医薬品などのようにｐＨの取りえる範囲が広い溶液は使用できないといった課題があった。

バブルジェット（登録商標）技術では、溶液室に瞬間的に与えられた熱によって、溶液が沸騰する。そしてその際に生じる微小な気泡で液滴を吐出させる。しかし、微小な気泡では、高粘度の溶液を吐出させるのに必要な運動エネルギーを得ることはできない。結果高粘度の溶液を吐出させることはできない。また、吐出させる溶液中にたんぱく質といった炭化水素系の物質が含まれる場合は熱で分解してしまう。また、熱硬化性の樹脂にも使用できない。もちろん、バブルジェット（登録商標）の溶液室も、分解、洗浄、詰まりの解消は困難である。

また、ディスペンサー技術に用いる吐出機構は、シリンダ内への加圧が溶液吐出の駆動力である。従って、吐出口が微小な場合は、高粘度溶液の吐出は困難である。また、内部の構造も入り組んでいるため液の滞留部も多く洗浄も容易ではない。さらに、微小かつ高精度、高繰り返し動作（高周期動作）も不得手である。

本発明は、上記の課題に鑑みて想到されたものであり、常温または低温下で高粘度の液体を吐出させることが可能であり、さらに分解・洗浄が容易な微小液滴吐出装置を提供することを目的とする。

より具体的には、
吐出口が形成されているノズルプレートと、
一方を前記吐出口と液密に連結され、他方が開口端となる貫通孔を有し、外部から前記貫通孔に向かって液供給路が形成されているボディー部と、前記開口端上に覆設されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの開口端側に前記吐出口に向かって連結されたポペットと、前記開口端側の前記ポペットの反対側から前記ダイヤフラムに連結された駆動シャフトと、前記ボディー部との間で前記ダイヤフラムを挟持すると共に、前記駆動シャフトを保持する駆動クランプを有し、
前記ダイヤフラムと前記駆動シャフトはネジ構造で連結されており、
前記ダイヤフラムには同心円上に、前記駆動クランプと固定されるための複数の固定用孔が形成された微小液滴吐出装置を提供する。

また、前記ダイヤフラムと前記駆動シャフトはネジ構造で連結されており、前記ダイヤフラムには同心円上には、前記駆動クランプと固定されるための複数の固定用孔が形成されている。

本発明は、吐出口を有する溶液室内で微小振動するポペットによって高粘度の溶液も見かけ粘度が低下して高粘度の溶液も吐出可能となる。また、吐出された溶液による陰圧で溶液室が溶液を吸引するので、溶液室に対して溶液を加圧する必要がない。また、加熱される部分がないため、高温で分解する溶液も使用することができる。また、駆動部とダイヤフラムと溶液室を組み上げて構成するので、分解は容易にできる。また、溶液室と駆動部分が分離されているので、洗浄も容易にすることが出来る。

また、ダイヤフラムは駆動シャフトとネジ構造で連結されており、ダイヤフラム上に同心円状に配置された固定孔の留め付け位置を変えることによってネジ構造との間でピッチ調整ができ、ダイヤフラムの溶液室側に突設されたポペットの位置調整を行うことができる。

本発明の微小液滴吐出装置の全体構成図である。 ダイヤフラムの平面図である。 微小液滴装置の動作を説明する図である。

図１には、本発明の微小液滴吐出装置の断面構成を示す。本発明の微小液滴吐出装置１は、ノズルプレート１１と、ボディー部１３と、ダイヤフラム１６と、ポペット１７と、駆動クランプ１８と、駆動シャフト１９を含む。

ノズルプレート１１は、吐出口１２が形成されている。吐出口の径は、利用する目的で適宜決めることができる。しかし、本発明は微小量の液滴の吐出が目的であるので、０．００１乃至１．０ｍｍの内径を有する吐出口１２を設けるのが望ましい。図１では、吐出口１２は１つの場合を示しているが、複数個設けられていても良い。

また、ノズルプレート１１の形状は、図１では、円形平板を想定しているが、これに限定されるものではない。ノズルプレート１１は、溶液室２０を形成する壁の一部を形成するので、液密性を確保できるように、硬度が高く、表面を鏡面に加工できる材質が望ましい。例えば、ＳＵＳ材が好適に用いられるが、真鍮やエンジニアプラスチックを利用することもできる。

ボディー部１３は、溶液室２０を構成する基本となる部材である。ボディー部１３は、円筒形の上面と底面の間に、貫通孔が形成されている。貫通孔の内径は数ｍｍ程度が好適である。ノズルプレート１１と液密に固定される底面側には、液密を確保するために、Ｏリング溝が形成されている。Ｏリング溝にはＯリング１４を配置し、ノズルプレート１１が液密に連結される。なお、高粘度の溶液や、ノズルプレート１１とボディー部１３の底面の仕上げ状態では、Ｏリング溝およびＯリングがなくてもよい場合もある。Ｏリングがなくても、液密が確保できるからである。

貫通孔には、円筒側面側から溶液供給路１５が形成されている。溶液供給路１５の内径は１ｍｍ程度の大きさで形成される。溶液供給路１５の外部には、溶液供給口２１が形成される。溶液供給口２１には、溶液供給タンク（図示せず）からの供給パイプ等が連結される。なお、貫通孔には、溶液供給路１５の他に溶液排出路（図示せず）を設けても良い。吐出する溶液の滞留を回避するためである。

ボディー部１３にはダイヤフラム１６が、貫通孔に蓋をするように配置される。貫通孔上に覆設されたダイヤフラムと、ボディー部１３の貫通孔の内壁と、ノズルプレート１１で囲まれる空間が溶液室２０となる。

ダイヤフラム１６の溶液室側（貫通孔側）には、ポペット１７が設置されている。すなわち、ポペット１７は、溶液室２０内に突設されている。従って、ポペット１７の先端はノズルプレート１１に対向する位置に配置される。ポペット１７の先端とノズルプレート１１との間の間隔は、用いる溶液の粘度で適宜調節される。本発明の微小液滴吐出装置１では、このポペットが溶液室２０を構成する貫通孔の長さ方向に振動する。

ポペット１７に振動を与えるのはダイヤフラム１６である。従って、ダイヤフラム１６は、曲げ応力につよいエンジニアリングプラスチックであるＰＴＦＥやＳＵＳ、シリコン等が好適に用いられる。

ボディー部１３の貫通孔の内径は、ダイヤフラム１６に連結されたポペット１７の外径より大きく形成されている。貫通孔の内径とポペットの外径の隙間部分は実質的な溶液室２０の容量になる。この部分の容量は用いられる溶液の粘度に応じて適宜変更されてよい。

ポペット１７はダイヤフラム１６とは異なり、質量があり硬度を有する材質が用いられる。ポペット１７の質量が小さい、若しくは柔らかい材質であると、高粘度の液を押し出す時にポペットが負けてしまい変形する場合がある。そうするとＰＺＴから得たエネルギーが減衰してしまい、液を吐出できなくなる場合もあるからである。より具体的にはポペット１７の比重は、液供給路から供給される吐出液の比重より重いことが好ましい。しかし、吐出液の粘度が低い場合は、液の比重より軽くてもよい。

また、ポペット１７は、吐出する液と相性のよい材質を用いるのがよい。例えば、吐出する液との親和性のよい材質であれば、液が高粘度であっても、溶液室２０に液を引き込む作用が高くなるからである。吐出する液と親和性の高い材料が比重の小さい材料であった場合は、ポペット１７の中心部と表面部で材質を変えてもよい。例えば、中心を鉄材で形成し、その周囲を樹脂でモールドすることでポペットを形成する等である。

以上のように、ポペット１７は、吐出液の種類によって様々な材質を選択することができる。そこで、ポペット１７はダイヤフラム１６とは別体で構成され、着脱可能にダイヤフラムに連結されるのが好ましい。吐出液の種類と性状によって適切なポペットを装着できるようにするためである。また、ポペット１７は、吐出する液に直接触れ、しかも高速振動を行うので、液との磨耗が生じる場合もあり、容易に交換が可能であるのが好ましいからである。ただし、ダイヤフラム１６とポペット１７を一体的に成形することを排除するものではない。

ポペット１７を単一の材料で作製する場合は、磨耗しにくく、また対候性（対薬品性）に優れた材質が用いられる。具体的には、ＳＵＳ材やＴｉ、ＰＴＦＥ等が例示できる。モールド構造でポペット１７を形成する場合は、中心材として、アルミニウム、銅、鉄、鉛といった金属材を吐出液に対して選択された樹脂やゴム等でモールドすることができる。

ダイヤフラム１６のポペット１７が連結された反対側には駆動シャフト１９が連結される。駆動シャフト１９は、ダイヤフラム１６を介してポペット１７を溶液室２０の貫通孔方向に振動させる。駆動シャフト１９は、積層型圧電素子（ＰＺＴ）によって駆動される。強い駆動力を得るためである。この場合、駆動シャフト１９自体をＰＺＴで構成してもよいし、駆動シャフト１９をＳＵＳ材等の剛性体で構成し、そのシャフトをＰＺＴで駆動してもよい。

駆動シャフト１９は、駆動クランプ１８で保持される。駆動クランプ１８は、駆動シャフト１９が駆動していない状態で静止するように保持されている。また、駆動シャフト１９の駆動方向には駆動の自由度がある。また、駆動クランプ１８と、ダイヤフラム１６とボディー部１３と、ノズルプレート１１は、組み上げられボルト等で固定される。

この構成により、溶液室２０と、駆動シャフト１９が配置される部分はダイヤフラム１６で分離されている。従って、駆動クランプ１８と、ダイヤフラム１６とボディー部１３と、ノズルプレート１１は分解容易であり、また、それぞれは単純な形状の組み合わせであるので、洗浄も容易である。

駆動シャフト１９とダイヤフラム１６の間は、ネジ止め２５されている。このネジ部分のピッチでポペット１７とノズルプレート１１の間隔を調整することができる。図２は、ダイヤフラム１６の平面図である。中央にはネジ部２５が設けられ、取り付け用の孔２６が同心円上に配置されている。例えば、図２には、１６個の孔２６が形成されている。ネジのピッチを０．５ｍｍ／回とすると、この取付用孔２６を１つずらすことで、３１．２５μｍだけポペットの位置を変更することができる。なお、細目ネジを使うことで、より微調整が可能となる。

次に本発明の微小液滴吐出装置の動作について説明する。図３には、本発明の微小液滴吐出装置のポペット１７の静置位置の場合（図３（ａ））と、ポペット１７が駆動シャフト１９によって突き出た位置にある場合（図３（ｂ））を示す。駆動シャフト１９は、積層型圧電素子によって上下に数μｍ〜百数十μｍの幅で振動する。振動の周波数は数百ｋＨｚである。この溶液室の中でのポペット１７の比較的振幅長の長い高周波振動によって溶液は見かけ粘度が低下する。そして、ポペット１７が振動している際に、静置位置になった時（図３（ａ））に、溶液供給口から溶液が供給され（３１）、ポペット１７が下方に突き出した位置になった時（図３（ｂ））に、ノズルプレート１１の吐出口１２から溶液３２が吐出される。

再びポペット１７が上昇した時には、溶液室２０内が負圧となり供給されるインクに圧力をかけていなくても溶液室２０に吸引される。そして、再びポペット１７が降下し、溶液３２が吐出される。

以上のように、本発明は、駆動力のある積層型ＰＺＴでポペット１７を溶液室２０内で数μｍから百数十μｍという比較的大きな幅で振動させるので、溶液の粘度を見掛け上低くでき、高粘度の溶液であっても塗布することができる。また、溶液が沸騰するような温度を与えないので、高温で分解するような物質を含有する溶液であっても、吐出することができる。

さらに、単純な形状をした部品を組み上げたものであるので、分解して調節等を行うのが容易である。また、溶液が吸引される溶液室と駆動する駆動シャフトは、ダイヤフラム１６によって分離されているので、洗浄が容易にできる。

本発明は、印刷技術におけるインクジェットとして利用できるほか、溶液を加熱することなく、高粘度溶液の吐出が可能であるので、医療用の薬剤等の作製、配線パターンニング、不良チップのチェック用インカー、ＩＣチップのアンダーフィルや樹脂モールド等に利用することができる。

１ 微小液滴吐出装置
１１ ノズルプレート
１２ 吐出口
１３ ボディー部
１４ Ｏリング
１５ 溶液供給路
１６ ダイヤフラム
１７ ポペット
１８ 駆動クランプ
１９ 駆動シャフト
２０ 溶液室
２１ 溶液供給口
２５ ネジ部

Claims (4)

1. 吐出口が形成されているノズルプレートと、
   一方を前記吐出口と液密に連結され、他方が開口端となる貫通孔を有し、外部から前記貫通孔に向かって液供給路が形成されているボディー部と、
   前記開口端上に覆設されたダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムの開口端側に前記吐出口に向かって設置されたポペットと、
   前記開口端側の前記ポペットの反対側から前記ダイヤフラムに連結された駆動シャフトと、
   前記ボディー部との間で前記ダイヤフラムを挟持すると共に、前記駆動シャフトを保持する駆動クランプを有し、
   前記ダイヤフラムと前記駆動シャフトはネジ構造で連結されており、
   前記ダイヤフラムには同心円上に、前記駆動クランプと固定されるための複数の固定用孔が形成された微小液滴吐出装置。
2. 前記ポペットは、前記ダイヤフラムに着脱可能に連結された請求項１に記載された微小液滴吐出装置。
3. 前記ポペットは、前記液供給路から供給される溶液より比重が重い請求項１または２のいずれかの請求項に記載された微小液滴吐出装置。
4. 前記ポペットは、内部と表面が異なる材質で構成された請求項１乃至３のいずれか１の請求項に記載された微小液滴吐出装置。