JP7271391B2 - 液体吐出装置 - Google Patents

Description

本開示は、液体吐出装置に関する。

水、塗料、薬液および樹脂（液状）などの液体を、一定量で連続的に吐出するための液体吐出装置として、例えば、特許文献１記載のディスペンサーがある。

特許文献１に記載のディスペンサーは、圧電アクチュエータを用いた圧電ポンプによって液体を吐出する機構を有している。圧電アクチュエータは、作動することで自ら発熱し、特性が変化してしまうため、特許文献１に記載のディスペンサーでは、冷却ポンプを備え、冷却流体を供給して圧電アクチュエータを冷却している。

特表２０１６－５１１３５２号公報

冷却ポンプを備えることでディスペンサーが大型化してしまう。冷却流体をより低温にしたい場合、流体を予め冷却する冷却設備が必要となる。また、吐出する液体によっては、加熱する必要があり、液体を加熱するための構成または、予め加熱する加熱設備が必要となる。

本開示の液体吐出装置は、吐出口と前記吐出口に連なる液体流路とを有する流路部と、
前記吐出口まで前記液体流路を流れる液体を、前記吐出口から吐出させる吐出部と、
圧電アクチュエータを有し、前記圧電アクチュエータによって、前記吐出部を駆動させる駆動力を発生させる発生部と、
前記発生部で発生した駆動力を前記吐出部に伝達する伝達部と、
相対的に低温となる低温領域と相対的に高温となる高温領域を有する熱電素子を有し、前記低温領域を用いて前記発生部を冷却するとともに、前記高温領域を用いて前記流路部を加熱する温度調整部と、を備える。

本開示の液体吐出装置によれば、熱電素子を用いることで、小型化が可能となる。また冷却媒体を使用する場合でも媒体の冷却設備が不要となる。

第１実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図である。 第２実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図である。 第３実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図である。 第４実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図である。 第５実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図である。 図５の切断面線Ａ－Ａにおける断面図である。

以下、添付図面を参照して、液体吐出装置の例を詳細に説明する。なお、以下に示す開示の一例によってこの発明が限定されるものではない。図１は、第１実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図である。

液体吐出装置１００は、流路部１０と、吐出部２０と、発生部３０と、伝達部４０と、温度調整部５０と、を備える。なお、発生部３０を保護するための筐体６０を備えていてもよい。本開示の液体吐出装置１００は、水、薬液、液状の樹脂、はんだペースト、接着剤などを、精度高く一定量吐出することが可能で、連続的に吐出することもできる。

流路部１０は、吐出口１１と吐出口１１に連なる液体流路１２とを有している。液体流路１２は、吐出口１１と反対側に供給口１３を有しており、吐出される液体は、供給口１３から液体流路１２内に供給される。供給口１３には、液体を連続的に供給するための供給管が接続されてもよく、一定量の液体が封入されたカートリッジが接続されてもよい。液体流路１２を流れる液体は、吐出部２０によって、吐出口１１から吐出される。

吐出部２０は、ロッド状またはニードル状の部材で、軸線方向に沿って往復変位し、先端２１によって吐出口１１を開閉する。本実施形態では、紙面に向かって上下方向に往復変位する。下方に変位したときに、先端２１が吐出口１１を閉塞し、上方に変位したとき、先端２１が吐出口１１を開放する。吐出部２０の後端２２は、伝達部４０に接続されており、伝達部４０によって往復変位するよう構成されている。

発生部３０は、圧電アクチュエータ３１を有しており、圧電アクチュエータ３１によって、吐出部２０を駆動させる駆動力を発生させる。発生部３０は、例えば、複数の圧電アクチュエータ３１を有しており、これらが協働して駆動力を発生させる。圧電アクチュエータ３１は、例えば、複数の圧電セラミック層間に電極層を挟んで積層した積層型の圧電素子である。圧電アクチュエータ３１は、電圧印加によって積層方向に伸縮変位する。圧電アクチュエータ３１は、印加する電圧に応じて変位量を制御することができる。本実施形態では、圧電アクチュエータ３１は、紙面向かって上方側の端部が筐体６０に固定されており、上下方向に沿って伸縮変位する。例えば、圧電アクチュエータ３１の後端側において、筐体６０の外壁に、螺合式の固定部材３２などで締結固定してもよい。

伝達部４０は、長尺の梁状部材４１を含み、梁状部材４１の一方端部４２が、前述の吐出部２０の後端２２と回動可能に接続されている。本実施形態では、梁状部材４１の長手方向（紙面向かって左右方向）に沿って２つの圧電アクチュエータ３１が位置しており、梁状部材４１は、２つの圧電アクチュエータ３１の間に設けられた支持部材４４を支点として揺動可能に構成されている。２つの圧電アクチュエータ３１の先端は、梁状部材４１に当接している。例えば、梁状部材４１の他方端部４３側に位置する圧電アクチュエータ３１が伸長したとき、圧電アクチュエータ３１は、梁状部材４１の他方端部４３を押し下げることで、梁状部材４１の一方端部４２が、上方に移動し、接続されている吐出部２０は、上方に変位して吐出口１１を開放する。梁状部材４１の中央側に位置する圧電アクチュエータ３１が伸長したとき、圧電アクチュエータ３１は、梁状部材４１の中央側を押し下げることで、梁状部材４１の一方端部４２が、下方に移動し、接続されている吐出部２０が、下方に変位して吐出口１１を閉塞する。このように、圧電アクチュエータ３１によって発生した駆動力が、伝達部４０によって吐出部２０に伝達され、吐出部２０が変位駆動される。

温度調整部５０は、相対的に低温となる低温領域５２と相対的に高温となる高温領域５３を有する熱電素子５１を有し、低温領域５２を用いて発生部３０を冷却するとともに、高温領域５３を用いて流路部１０を加熱する。熱電素子５１としては、ペルチェ素子を用いることができる。ペルチェ素子は、全体としては、薄い板状の素子であり、例えば、２つの支持基板の間にｐ型半導体素子およびｎ型半導体素子をそれぞれ複数配置し、電気的に直列接続することで、ペルチェ効果によって２つの支持基板に温度差を発生させる。相対的に低温となる一方の支持基板が低温領域５２となり、相対的に高温となる他方の支持基板が高温領域５３となる。本開示の液体吐出装置１００では、このような熱電素子５１の低温領域５２を用いて発生部３０を冷却し、高温領域５３を用いて流路部１０を加熱している。

圧電アクチュエータの変位量は、温度に依存するため、従来技術においては、外部環境の影響または圧電アクチュエータ自身の駆動による発熱によって、変位量を制御することが困難であった。これに対して、熱電素子５１は、通電時に正負を反転させることにより、低温領域５２と高温領域５３を反転することができる。そのため、本開示の温度調整部５０は、例えば寒冷地等の低温環境下で使用する際には、駆動開始時に冷えている圧電アクチュエータ３１を高温領域５３で加熱してから圧電アクチュエータ３１を駆動開始し、その後、熱電素子５１の通電の正負を反転させて圧電アクチュエータ３１を冷却することで、圧電アクチュエータ３１の温度変化を抑制できる。その結果、圧電アクチュエータ３１の変位量のばらつきを抑制することができる。

また、冷却媒体を流す場合は、圧電アクチュエータ３１が冷えすぎてしまう課題があった。本開示の実施形態によれば、熱電素子５１を用いることで、温度調整が可能なので、圧電アクチュエータ３１の温度を一定に制御することができる。なお、冷却媒体を流す場合は、使用環境によって（例えば寒冷地で用いる場合）は、圧電アクチュエータ３１の性能が低下し、十分な変位量が得られない恐れがあった。本開示の実施形態によれば、熱電素子５１を用いることで、圧電アクチュエータ３１を冷却することができるだけでなく、通電の正負を反転することにより、圧電アクチュエータ３１を温めることもできる。

以上のように、本開示の実施形態は、熱電素子５１を用いることにより、素子の位置や向きを変動させることなく、温度調整部５０によって、圧電アクチュエータ３１を冷却だけでなく一時的に加熱することができ、外部環境に関わらず、圧電アクチュエータ３１の温度を一定に維持するよう制御することができる。

吐出する液体は、熱電素子５１によって加熱した状態で吐出させることができる。どの程度の温度まで加熱するかは、液体の種類に応じて設定すればよい。温度が低いと固体状態または高粘度なものについては、そのままでは吐出困難であるので、加熱することで、液体状態または粘度を低下させて、吐出可能とする。また、接着剤などは、加熱することで含有成分の反応が開始され、反応開始直後に吐出して接着させる。このような場合に、熱電素子５１によって流路部１０を加熱すればよい。

第１実施形態では、温度調整部５０は、伝達部４０を冷却するとともに、流路部１０を加熱するように配置される。具体的には、熱電素子５１を伝達部４０と流路部１０との間に配置し、低温領域５２が伝達部４０側に、高温領域５３が流路部１０側になるように配置すればよい。伝達部４０の梁状部材４１は、圧電アクチュエータ３１の先端が当接されている部材であり、伝達部４０を冷却することで、圧電アクチュエータ３１を冷却することができる。

また、温度調整部５０は、吐出口１１近傍に設けられていることにより、流路部１０を加熱していてもよい。吐出口１１近傍に熱電素子５１の高温領域５３が位置することで、吐出口１１が目詰まりするおそれを低減できる。具体的には、熱電素子５１の高温領域５３が、流路部１０または吐出部２０に接するように位置していればいい。

本実施形態では、圧電アクチュエータ３１を衝撃および異物などから保護するために筐体６０に収容してもよい。圧電アクチュエータ３１は、伸縮変位を繰り返し行うものであり、潤滑な変位を可能とするため、表面保護のためなどの理由で、その表面をグリスまたは潤滑油などで被覆する場合があり、筐体６０によってグリスまたは潤滑油などを圧電アクチュエータ３１周辺に保持している。このような場合でも、伝達部４０の梁状部材４１を冷却すれば、圧電アクチュエータ３１を冷却することができる。低温領域５２が伝達部４０側になるように、熱電素子５１を配置することで、伝達部４０に連なる筐体６０も冷却することができる。筐体６０を冷却することで、筐体６０の内部空間を冷却し、収容された圧電アクチュエータ３１を冷却することができる。

上記のように、温度調整部５０の熱電素子５１を配置することで、発生部３０を冷却し、流路部１０を加熱できるので、液体吐出装置１００を小型化することができる。なお、熱電素子５１の配置位置は、低温領域５２が伝達部４０側に、高温領域５３が流路部１０側になるような配置位置であれば、特に限定されず、配置する数も１つであってもよく、複数であってもよい。

熱電素子５１の高温領域５３による加熱では、十分に粘度を下げることができない、または反応を開始させることができない場合は、高温領域５３の温度よりも高い温度で流路部１０を加熱する加熱部１４をさらに備えてもよい。本実施形態では、加熱部１４は、流路部１０の供給口１３近傍に配置され、供給口１３から供給される液体を所定温度まで加熱または、固体を液化させることができる。加熱部１４より液体流路１２の下流側において、加熱された液体が吐出口１１まで流れる間、熱電素子５１によって、加熱することで、液体の温度低下を抑制して保温することができる。

本開示の液体吐出装置１００は、複数個を一方向に並べて使用してもよい。この場合、それぞれの液体吐出装置１００から同時に吐出された液体は、被吐出面において、一方向に並んだドット状に付着する。装置間隔を小さくするほど、ドット間隔が小さくなり、およそ線状に付着させることができる。さらに、水平かつ装置配列方向（一方向）に垂直な方向に液体吐出装置１００と被吐出物とを相対的に移動させると、被吐出面に、面状に液体を付着させることができる。液体吐出装置１００を複数個並べる場合、例えば、隣接する液体吐出装置１００の互いに対向する部分以外に熱電素子５１を配置すればよく、隣接する他の液体吐出装置１００に向かって突出しないように熱電素子５１を配置すればよい。これにより、隣接する液体吐出装置１００間の距離を小さくできる。

図２は、第２実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図である。本実施形態は、基台７０をさらに備え、流路部１０以外の構成を収容する筐体６１を備え、温度調整部５０の配置位置が異なること以外は、第１実施形態と同じ構成であるので、同じ構成には第１実施形態と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態の液体吐出装置１００は、基台７０を備えており、基台７０上に発生部３０を配置している。発生部３０の圧電アクチュエータ３１および伝達部４０の動作および吐出部２０の動作は、第１実施形態と同じである。また、これらを収容する筐体６１には、内部空間と外部とを連通させるために連通管６２が設けられている。筐体６１の内部空間には、連通管６２を介して外部から冷却媒体が供給される。冷却媒体は、例えば、空気、窒素などの不活性ガスが用いられる。

また、本実施形態では、流路部１０の供給口１３よりも上流側に追加流路部分として、液体流路１２に連なる貯留部分１５と、貯留部分１５に連なる狭路部分１６と、を備える。貯留部分１５と狭路部分１６とは一体化されていてもよく、これらが、供給口１３において着脱可能に構成されていてもよい。貯留部分１５と狭路部分１６とが、着脱可能な場合、いわゆる交換可能なカートリッジとなる。

貯留部分１５には、未反応状態の接着剤、高粘度状態の液体または固形物などが貯留されている。狭路部分１６は、貯留された接着剤などが貯留部分１５から漏れ出さないように、貯留部分１５よりも細い管状となっている。

温度調整部５０は、筐体６１を冷却するとともに、貯留部分１５を加熱するように配置される。具体的には、熱電素子５１の低温領域５２が筐体６１の外壁面に接触し、高温領域５３が、貯留部分１５の外周面に接触するように配置すればよい。熱電素子５１の低温領域５２が筐体６１を冷却することで、筐体６１の内部空間が冷却され、発生部３０が冷却される。

貯留部分１５に貯留された接着剤などは、熱電素子５１によって加熱され、液体流路１２を流れて吐出口１１から吐出される。熱電素子５１の高温領域５３による加熱では、十分に粘度を下げることができない、または反応を開始させることができない場合は、高温領域５３の温度よりも高い温度で流路部１０を加熱する加熱部１４をさらに備えてもよい。この場合、熱電素子５１は、加熱部１４よりも上流側において、貯留された接着剤などを予備加熱したのち、加熱部１４で所定の温度にまで加熱することができる。予備加熱によって、粘度を低下または固形物を軟化させた状態で、狭路部分１６から圧縮気体（空気または不活性ガス）を供給して、貯留部分１５から液体流路１２に押し出して加熱部１４で加熱させてもよい。

また、熱電素子５１の低温領域５２となる支持基板を、筐体６１の外壁の一部として筐体６１と熱電素子５１とを一体化させてもよい。これにより、さらに小型化できるとともに、外壁による熱抵抗を低減させ、より効率よく筐体６１内の発生部３０を冷却することができる。

図３は、第３実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図である。本実施形態は、温度調整部５０の構成が異なること以外は、第２実施形態と同じ構成であるので、同じ構成には第２実施形態と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態では、基台７０が温度調整部５０となっている。熱電素子５１の低温領域５２に直接圧電アクチュエータ３１を配置して冷却する。高温領域５３は、筐体６１の底面側を加熱し、放熱することで、筐体６１の底面近傍に位置する流路部１０を加熱する。

図４は、第４実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図である。本実施形態は、温度調整部５０および連通管６２の配置位置が異なること以外は、第２実施形態と同じ構成であるので、同じ構成には第２実施形態と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態では、筐体６１に冷却媒体を供給するための連通管６２を狭路部分１６近傍に配置している。温度調整部５０は、連通管６２を冷却するとともに、狭路部分１６を加熱するように配置される。

具体的には、熱電素子５１の低温領域５２を、連通管６２の外壁面に接触するように配置し、高温領域５３を、狭路部分１６の外周面に接触するように配置すればよい。連通管６２を冷却することで、外部から供給される冷却媒体を冷却し、筐体６１内の発生部３０を空冷することができる。狭路部分１６を加熱することで、狭路部分１６から供給される圧縮気体（空気または不活性ガス）を加熱することができる。これにより、予め冷却媒体を装置外で冷却するための設備および圧縮気体を加熱するための設備が不要となる。

貯留部分１５と狭路部分１６とは、液体流路１２を構成し、流路部１０に含まれる構成であってもよい。この場合、狭路部分１６を介して、外部から液体が供給される。貯留部分１５は、外部から供給される液体を一時的に貯留しておくことで、吐出部２０によって一定量を連続して吐出することができる。

図５は、第５実施形態の液体吐出装置の構成を示す模式的な断面図であり、図６は、図５の切断面線Ａ－Ａにおける断面図である。本実施形態は、温度調整部５０の構成が異なること以外は、第４実施形態と同じ構成であるので、同じ構成には第４実施形態と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態では、熱電素子５１の低温領域５２で基台７０を冷却するとともに、高温領域５３で吐出部２０を加熱している。温度調整部５０は、熱電素子５１の高温領域５３上に立設された放熱フィン５４を含んでいる。

具体的には、熱電素子５１の低温領域５２が基台７０の側面に接しており、放熱フィン５４の間隙に吐出部２０が位置している。吐出部２０は、放熱フィン５４から放出される熱によって加熱される。吐出部２０を加熱することで、吐出部２０の先端２１を加熱し、効率良く吐出口１１を温めて目詰まりするおそれを、より低減できる。

また、熱電素子５１は、流路部１０を加熱するだけでなく、筐体６０，６１を加熱していてもよい。筐体６０，６１が冷えてしまうと壁面などで結露し、結露した液体が壁面および流路部１０の外周面などを伝って吐出口１１に付着するおそれがあるが、熱電素子５１が、高温領域５３で筐体６０，６１を加熱することで結露を低減できる。これにより、吐出口１１の目詰まりをさらに低減することができる。具体的には、図１または図３に示すように、高温領域５３が筐体６０，６１に面している場合においては、より効果的に結露を防ぐことができる。

なお、熱電素子５１は、各実施形態の配置位置に配置していれば、１つの素子であってもよく、複数の素子であってもよい。また、第２実施形態などは、筐体６１の内部にさらに、発生部３０の圧電アクチュエータ３１を収容する筐体６０を備えていてもよい。上記の各実施形態の構成は、それぞれの熱電素子５１の配置を互いに組み合わせたものも実施形態として本開示の内容に含まれる。例えば、１つの熱電素子５１によって連通管６２を冷却するとともに狭路部分１６を加熱し、別の熱電素子５１が基台を構成するように構成してもよい。

１０ 流路部
１１ 吐出口
１２ 液体流路
１３ 供給口
１４ 加熱部
１５ 貯留部分
１６ 狭路部分
２０ 吐出部
２１ 先端
２２ 後端
３０ 発生部
３１ 圧電アクチュエータ
３２ 固定部材
４０ 伝達部
４１ 梁状部材
４２ 一方端部
４３ 他方端部
４４ 支持部材
５０ 温度調整部
５１ 熱電素子
５２ 低温領域
５３ 高温領域
５４ 放熱フィン
６０ 筐体
６１ 筐体
６２ 連通管
７０ 基台
１００ 液体吐出装置

Claims (5)

1. 吐出口と前記吐出口に連なる液体流路とを有する流路部と、
   前記吐出口まで前記液体流路を流れる液体を、前記吐出口から吐出させる吐出部と、
   圧電アクチュエータを有し、前記圧電アクチュエータによって、前記吐出部を駆動させる駆動力を発生させる発生部と、
   前記発生部で発生した駆動力を前記吐出部に伝達する伝達部と、
   相対的に低温となる低温領域と相対的に高温となる高温領域を有する熱電素子を有し、前記低温領域を用いて前記発生部を冷却するとともに、前記高温領域を用いて前記流路部を加熱する温度調整部と、を備える液体吐出装置。
2. 前記温度調整部は、前記圧電アクチュエータを冷却する、請求項１記載の液体吐出装置。
3. 前記発生部の周辺に冷却媒体を供給する供給部をさらに備え、
   前記温度調整部は、前記冷却媒体を冷却する、請求項１または２記載の液体吐出装置。
4. 前記高温領域の温度よりも高い温度で前記流路部を加熱する加熱部をさらに備え、
   前記温度調整部は、前記加熱部より上流側に位置する、請求項１～３のいずれか１つに記載の液体吐出装置。
5. 前記高温領域の温度よりも高い温度で前記流路部を加熱する加熱部をさらに備え、
   前記温度調整部は、前記加熱部より下流側に位置する、請求項１～３のいずれか１つに記載の液体吐出装置。

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