JPWO2008050434A1 - 液滴吐出装置及び液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法並びに液体貯留ユニット - Google Patents

Abstract

圧力状態を均一にして液滴の吐出状態を安定させると共に液種の制限を受けずに容易に様々な液種を変更使用することのできる液滴吐出装置及び液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法並びに液体貯留ユニットを提供すること。電気駆動素子１２の駆動によりノズル１３から液滴を吐出させるヘッド１０と、液体を貯留すると共にヘッド１０へ供給する液体貯留ユニット２０とを備える。液体貯留ユニット２０がほぼ水平に配置された細長い流路４０を有している。

Description

本発明は、液滴吐出装置及び液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法並びに液体貯留ユニットに関する。

従来、液滴吐出装置として、例えば特許文献１乃至３に記載の如きものが知られている。

特許文献１に記載のインクジェット記録装置は、インクカートリッジを保持するバネ部材によってインクの重量変化に対応してインクカートリッジの設置の高さを上下させ、内部のインクの液面を一定に保つことによりインクを安定して供給するものである。また、特許文献２に記載のインク圧力保持システムは、容器中のインク重量に対して付勢するようにしたスプリングにひとつ又は複数のインク貯蔵容器が載せられて支持し、インクの減少に応じてインクの水位を一定に保って一定圧力でインクの吐出を行うものである。

しかし、いずれの装置においても、バネにより液面を一定に保つ構成であるため構造が複雑となっていた。また、インクの比重に応じてバネ部材の弾性力を調整する必要があり、液種の変更が困難となっていた。

また、特許文献３に記載のインクジェットペンは、ハウジング内にインクジェットプリンタヘッドにインクを送るためのインクの貯蔵を行うポリウレタンフォーム等の吸収性の発泡材を配置し、このフォームの毛管力によりインクの貯蔵、吐出を行うものである。しかし、インクはこのフォームに吸収させるため、微粒子を含んだ液体等を吐出させることができず、適合する液種が制限されていた。
特開平０５−１８５６０１号 特開平１０−３２３９９４号 特開昭６３−８７２４２号

かかる従来の実情に鑑みて、本発明の第一の目的は、圧力状態を均一にして液滴の吐出状態を安定させることの可能な液滴吐出装置及び液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法並びに液体貯留ユニットを提供することにある。

また、本発明の第二の目的は、液種の制限を受けずに容易に様々な液種を変更使用することのできる液滴吐出装置及び液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法並びに液体貯留ユニットを提供することにある。

上記第一の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、電気駆動素子の駆動によりノズルから液滴を吐出させるヘッドと、前記液体を貯留すると共にヘッドへ供給する液体貯留ユニットとを備え、前記液体貯留ユニットがほぼ水平に配置された細長い流路を有していることにある。

上記特徴によれば、液体貯留ユニットは流路なので気泡が発生して圧力変動を生じにくく、また、液が減っても圧力一定となり、インク種別を問わずに安定吐出可能である。

前記液体貯留ユニットは前記ヘッドに対し着脱可能であることが望ましい。前記液体貯留ユニットは、前記流路を形成する流路部材と、この流路部材を収納するケースとを備え、前記流路部材は着脱交換可能とするとよい。また、前記液体貯留ユニットは、前記流路を形成するチューブと、このチューブを収納するケースとを備え、前記ケースはチューブをほぼ同一平面上に位置するように収納するものであってもよい。

そして、前記ケースは前記チューブと前記ヘッドとを接続するジョイントを備えており、このジョイントは前記チューブを支持する前記ケースの支持平板の平面方向に直交する方向に中心軸を有する管状で、前記チューブとの接続後に平板の平面方向にジョイント部の中心軸を配向させるように屈曲可能であることがのぞましい。

前記液体貯留ユニットは、一対の平板間に仕切壁を設けて前記流路を形成したものであってもよい。また、前記液体貯留ユニットはその外部から前記流路内の収納液の終端位置を目視可能とすることが望ましい。さらに、前記液体貯留ユニットの上面には前記終端位置を測定する目盛が附すとよい。

前記液体貯留ユニットとヘッドとの接続部にはこれらの相対回転を防止する回転防止手段を設けても構わない。また、前記液体貯留ユニットとヘッドとの接続部に対する他端には、液供給器具を接続するための他のジョイントが設けられている。

また、上記の第二の目的を達成するため、前記液体貯留ユニットを前記ヘッドのノズル形成面に近い位置に接続することが望ましい。貯留ユニットとノズルとの高低差の減少で、液比重の変動による圧力条件の変動を防ぐことができるからである。前記液体貯留ユニットが前記電気駆動素子に対する電気ケーブルの下側に配置されている。

また、上記いずれかの特徴に記載の液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法の特徴は、前記電気駆動素子を駆動させて液滴を吐出させることにある。

また、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液体貯留ユニットの特徴は、前記ヘッドに対し着脱可能なジョイントにより接続されていることにある。

上記本発明に係る液滴吐出装置及び液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法並びに液体貯留ユニットの特徴によれば、細長い流路に構成して気泡の侵入を防ぎ、圧力状態を均一にして液滴の吐出状態を安定させることが可能となった。

また、比重や状態の異なる様々な液種を安定条件下で簡易に吐出させることが可能となった。さらに、液種の制限を受けずに容易に様々な液種を変更す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。

液体貯留ユニットのケース上部を開いた状態における平面図である。 液滴吐出装置の縦断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はシリンジを用いた場合の注入口の断面図、（ｃ）はピペットを用いた場合の注入口の断面図である。 ケースの成形後の断面図である。 チューブの断面図である。 ヘッドジョイント近傍の正面図である。 第二実施形態に係るヘッドの斜視図である。 第三実施形態に係る図１相当図である。 第四実施形態に係る図１相当図である。 第五実施形態に係る図１相当図である。 第五実施形態に係る液体貯留ユニット縦断面図である。 第六実施形態に係る図１相当図である。 第六実施形態に係る液体貯留ユニット縦断面図である。 第七実施形態に係る液体貯留ユニットであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は正面図である。

符号の説明

１：液滴吐出装置、１０：ヘッド、１１：ブラケット、１２：電気駆動素子、１３：ノズル、１４：ノズル側流路、１５：凹部、１５ａ：切込、１６：突出部、１８：電気ケーブル、２０：液体貯留ユニット、３０：ケース、３０ａ：ヒンジ、３０ｃ：切欠、３１：ケース下部、３１ａ：支持平板、３１ｂ：係合部、３１ｃ：チューブガイド、３２：ケース上部、３２ａ：上板、３２ｃ：チューブ押え、３２ｄ：目盛、３３：注入ジョイント、３３ａ：ヒンジ、３３ｂ：突起、３４：チューブ口、３４ａ，ｂ：エルボー、３４ｃ，ｄ：パッキング、３５：注入口、３５ａ：シリンジ口、３５ｂ：ピペット口、３６：ヘッドジョイント、３６ａ：ヒンジ、３６ｂ：突起、３７：チューブ口、３７ａ，ｂ：エルボー、３７ｃ，ｄ：パッキング、３８：ヘッド口、３８ａ：凹部、３９：回転防止手段、３９ａ：突起、３９ｂ：張出片、４０：流路部材、４１：チューブ、４２：注入口、４３：ヘッド口、４４，４５，４６：流路モジュール、１００：液供給器具、１０１：シリンジ先端、１０２：ピペット先端、Ｅ：終端位置、Ｆ：流路、Ｐ１：ノズル形成面、Ｌ１ａ，ｂ：口部中心軸：、Ｌ２ａ，ｂ：ケース側中心軸：、ＬＱ：液体

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１〜５は第一実施形態を示し、液滴吐出装置１は、互いに着脱自在なヘッド１０と液体貯留ユニット２０とを備えている。ヘッド１０は、樹脂製のブラケット１１に、ノズル１３，ノズル側流路１４及び電気駆動素子１２を固定してなる。この電気駆動素子は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いて構成され、ブラケット１１の上部に設けられた電気ケーブル１８からの駆動電流により伸縮駆動し、ノズル１３近傍に位置し図示しない圧力室の一部をなす振動膜を振動させて液滴を吐出する。この液滴の吐出状態を一定に維持すべく、液体貯留ユニット２０はヘッド１０のノズル１３に対する液体の供給圧力の変動を可能な限り小さく抑制するように構成されている。

本実施形態において、液体貯留ユニット２０は、ケース３０とこのケース３０に着脱自在で流路Ｆを形成する流路部材４０としてのチューブ４１を備えている。ケース３０は、ケース下部３１及びケース上部３２と、ケース下部３１に対し屈曲自在に連続する注入ジョイント３３及びヘッドジョイント３６とよりなり、これらの部分は樹脂の射出成形により一体形成されている。ケース下部３１及びケース上部３２はヒンジ３０ａで開閉自在に連続すると共に、係合部３１ｂで閉じられる。

ケース下部３１の底面である支持平板３１ａは平面をなし、ヘッドジョイント３６及び回転防止手段３９を介したヘッド１０との連結状態において、全体として水平を維持することにより、この支持平板３１ａ上に支持されるチューブ４１内の流路Ｆを水平に維持する。その結果としてノズル１３、ノズル側流路１４に作用する圧力が一定に保たれる。本実施形態では、チューブ４１は支持平板３１ａ上で螺旋状に巻回され、支持平板３１ａから複数箇所で上側に突出するチューブガイド３１ｃによりその位置を保持する。

チューブ４１は透明又は半透明の屈曲可能な樹脂材料よりなり、図４に示すようにほぼ一定の直径を有する流路Ｆを形成している。内部に貯留された液体ＬＱは表面張力により終端位置Ｅを形成し、液体ＬＱが減るに従って終端位置Ｅは流路Ｆに沿って移動する。流路Ｆは上述の構成により水平に保たれ重力の作用は一定であるから、かかる液体ＬＱの挙動が続く限り液体ＬＱには気泡が生じることもなく、安定した圧力がノズル１３に作用することとなる。

ケース上部３２も支持平板３１ａとほぼ平行に対向する上板３２ａを備えている。図１ではケース上部３２の閉じ状態で位置を表示するが、この上板３２ａからは閉じ状態で下方に向かって３カ所から突出し、チューブ４１に接当することによりチューブ４１の位置を固定するチューブ押え３２ｃを備えている。また、上板３２ａにはチューブ４１の螺旋に沿ってケース上部３２側、すなわちケース３０の上側からチューブ４１内の液体の終端位置Ｅの目安を知るための目盛３２ｄを複数適宜間隔を置いて形成してある。この目盛３２ｄは、印刷、上板３２ａの形状変更等によって形成することができ、終端位置Ｅの確認のために上板３２ａは少なくとも透明又は半透明であることが望ましい。また、上板３２ａが非透明である場合は、目盛３２ｄを透明としてもよい。

注入ジョイント３３及びヘッドジョイント３６はヒンジ３３ａ，ヒンジ３６ａによりケース下部３１に揺動自在に連結されている。チューブ４１の取り付け前は図３の如く支持平板３１ａの平面にチューブ口３４，チューブ口３７の口部中心軸Ｌ１ａ，Ｌ２ａを直交させる状態であり、この状態においてチューブ口３４，チューブ口３７にそれぞれチューブ４１の注入口４２，ヘッド口４３を差し込み、９０度揺動して図２の状態の如く口部中心軸Ｌ１ａ，Ｌ２ａを支持平板３１ａに平行なケース側中心軸Ｌ２ａ，Ｌ２ｂに一致させる。注入ジョイント３３，ヘッドジョイント３６の揺動により、このようなチューブ４１の着脱が可能となり、また、図３の状態におけるチューブ口３４，注入口３５，チューブ口３７，ヘッド口３８の型抜きが可能での成形が容易となる。注入ジョイント３３，ヘッドジョイント３６は図２の直立状態において、両側をケース下部３１に嵌合させると共に、ケース上部３２の閉じ状態において上部の突起３３ｂ、突起３６ｂをケース上部３２に嵌合させて位置を固定している。

筒状の注入口３５の内部には段階的に次第に径を狭めるシリンジ口３５ａ，ピペット口３５ｂを形成してある。液供給器具１００としてシリンジを用いる場合は、そのシリンジ先端１０１をシリンジ口３５ａに嵌合させ、液供給器具１００としてピペットを用いる場合には、そのピペット先端１０２をピペット口３５ｂに嵌合させる。チューブ口３４の流路はピペット口３５ｂよりもさらに狭くなっており、これらの構成により流路Ｆ内への気泡の侵入を防いでいる。

ヘッド１０への連結手段をなすヘッドジョイント３６は図２の状態で外側に筒状のヘッド口３８を突出させており、図２，５に示すように、このヘッド口３８の内部はテーパー状の凹部３８ａを備えている。一方、ブラケット１１の背面はヘッド口３８を受け入れる凹部１５と凹部３８ａに嵌合する突出部１６とを備えている。そして、ヘッド口３８，凹部１５，突出部１６の嵌合により、チューブ４１の流路Ｆをヘッド１０のノズル側流路１４に機密状態で連通させる。ヘッドジョイント３６におけるヘッド口３８の下部には一対の突起３９ａを突出させてあり、ブラケット１１の背面に形成した二個の凹部にこれら一対の突起３９ａをそれぞれ嵌合させることで、ヘッド口３８との嵌合と相まってヘッド１０と液体貯留ユニット２０との相対回転を防ぐ回転防止手段３９を構成してある。

上述の如くチューブ４１の主要部である巻回部は支持平板３１ａ上で水平に保たれているため、ノズル１３に対する圧力変動を抑制することができる。チューブ口３７，ヘッド口３８部での部分的な昇降による圧力差は、流路Ｆの主要部内に液体ＬＱが貯留される限り、ノズル１３に圧力的な影響を及ぼすことはない。ヘッド１０と液体貯留ユニット２０との連結状態において、ノズル１３の位置するノズル形成面Ｐ１はチューブ４１の主要部が位置する支持平板３１ａの面に近接している。これにより、チューブ４１とノズル形成面Ｐ１との圧力差がさらに抑制される。

使用に際しては、上記構成の液体貯留ユニット２０に対し注入口３５から液体ＬＱを液供給器具１００でヘッド口３８側に達するまで供給し、ヘッド口３８を介して液体貯留ユニット２０をヘッド１０に連結する。液体ＬＱの混合を防ぐ際にはチューブ４１を交換すればよく、ケース３０を含め液体貯留ユニット２０全体を交換することで、液体ＬＱの保存、試験を容易に行うことができる。

次に、本発明の他の実施形態の可能性について言及する。なお、上述の実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。

上記実施形態では、回転防止手段３９として、一対の突起３９ａを用いた。しかし、図６に示すように、ヘッド口３８の放射方向に一対の張出片３９ｂを突出させ、これら一対の張出片３９ｂを嵌合させる切込１５ａをヘッドに形成し、両者の嵌合でこれらの相対回転を防止する回転防止手段３９を構成してもよい。

上記実施形態では、流路部材４０を構成するチューブ４１を巻回させたが、チューブ４１及び流路Ｆの配置はこれに限られるものではない。例えば、図７に示すように、チューブ４１を直線状に配置させたり、図８に示すように蛇行状に配置しても構わない。

上記実施形態では、流路部材４０をチューブ４１により構成したが、例えば、図９、１０に示すように、蛇行状の流路Ｆを形成した流路モジュール４４として構成してもよい。流路モジュール４４は例えば合成樹脂やガラスの成型品として構成することができ、また、少なくとも上面は透明又は半透明の目視可能な材料で作成するとよい。注入ジョイント３３及びヘッドジョイント３６と流路モジュール４４とは、エルボー３４ａ，エルボー３７ａをそれぞれ流路モジュール４４に形成した孔に嵌合させることでそれぞれ連結される。一方、図１１，１２の実施形態では、流路部材４０として構成された流路モジュール４５と注入ジョイント３３及びヘッドジョイント３６とが、ケース３０の蓋に固定されたエルボー３４ｂ、エルボー３７ｂ及びパッキング３４ｃ、パッキング３７ｃを介して連結される。

図１３に示す実施形態では、流路部材４０は硬質な直管状の流路モジュール４６として構成される。本実施形態では、ケース３０の上面は解放され、左右に一対の切欠３０ｃを形成してある。そして、流路モジュール４６の両端にパッキング３４ｄ、パッキング３７ｄを介在させて注入ジョイント３３，ヘッドジョイント３６を接合し、注入ジョイント３３，ヘッドジョイント３６を切欠３０ｃにそれぞれ上方より下方に向かって嵌合させる。これらの組み立て状態で、注入ジョイント３３の段差部からヘッドジョイント３６の段差部までの距離はケース３０における一対の切欠３０ｃ近傍の内面距離よりも若干大きく形成され、パッキング３４ｄ、パッキング３７ｄの弾性力に対抗して強制的に一対の切欠３０ｃ間に注入ジョイント３３，ヘッドジョイント３６を嵌入させることで、流路の機密を維持している。

上記実施形態では、ノズルより液滴を重力方向下側に向かって滴下させるように使用した。しかし、ノズルは必ずしも下側に向ける必要はなく、水平方向や上方に向かって液滴を吐出させるように使用しても構わない。

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。

【０００２】
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００６］
かかる従来の実情に鑑みて、本発明の第一の目的は、圧力状態を均一にして液滴の吐出状態を安定させることの可能な液滴吐出装置及び液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法並びに液体貯留ユニットを提供することにある。
［０００７］
また、本発明の第二の目的は、液種の制限を受けずに容易に様々な液種を変更使用することのできる液滴吐出装置及び液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法並びに液体貯留ユニットを提供することにある。
課題を解決するための手段
［０００８］
上記第一の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、電気駆動素子の駆動によりノズルから液滴を吐出させるヘッドと、前記液体を貯留すると共にヘッドへ供給する液体貯留ユニットとを備え、前記液体貯留ユニットが前記液体を内部に貯留する細長い流路を有し、前記流路に液体を注入する注入口側端部は開放され、前記注入口から前記液体を供給し前記ヘッドを連結した使用状態での前記液体の終端位置が前記流路の内ほぼ水平に配置されている部分に位置することにある。
［０００９］
上記特徴によれば、液体貯留ユニットは流路なので気泡が発生して圧力変動を生じにくく、また、液が減っても圧力一定となり、インク種別を問わずに安定吐出可能である。
［００１０］
前記液体貯留ユニットは前記ヘッドに対し着脱可能であることが望ましい。前記液体貯留ユニットは、前記流路を形成する流路部材と、この流路部材を収納するケースとを備え、前記流路部材は着脱交換可能とするとよい。また、前記液体貯留ユニットは、前記流路を形成するチューブと、このチューブを収納するケースとを備え、前記ケースはチューブをほぼ同一平面上に位置するように収納するものであってもよい。
［００１１］
そして、前記ケースは前記チューブと前記ヘッドとを接続するジョイントを備えており、このジョイントは前記チューブを支持する前記ケースの支持平板の平面方向に直交する方向に中心軸を有する管状で、前記チューブとの接続後に平板の平面方向にジョイント部の中心軸を配向させるように屈曲可能であることがのぞましい。
［００１２］
前記液体貯留ユニットは、一対の平板間に仕切壁を設けて前記流路を形成したものであってもよい。また、前記液体貯留ユニットはその外部から前記流路内の収納液の終端位置を目視可能とすることが望ましい。さらに、前記液体貯留ユニットの上面

Claims (14)

1. 電気駆動素子の駆動によりノズルから液滴を吐出させるヘッドと、前記液体を貯留すると共にヘッドへ供給する液体貯留ユニットとを備え、前記液体貯留ユニットがほぼ水平に配置された細長い流路を有している液滴吐出装置。
2. 前記液体貯留ユニットは前記ヘッドに対し着脱可能である請求項１記載の液滴吐出装置。
3. 前記液体貯留ユニットは、前記流路を形成する流路部材と、この流路部材を収納するケースとを備え、前記流路部材は着脱交換可能である請求項１記載の液滴吐出装置。
4. 前記液体貯留ユニットは、前記流路を形成するチューブと、このチューブを収納するケースとを備え、前記ケースはチューブをほぼ同一平面上に位置するように収納するものである請求項１記載の液滴吐出装置。
5. 前記ケースは前記チューブと前記ヘッドとを接続するジョイントを備えており、このジョイントは前記チューブを支持する前記ケースの支持平板の平面方向に直交する方向に中心軸を有する管状で、前記チューブとの接続後に平板の平面方向にジョイント部の中心軸を配向させるように屈曲可能である請求項４記載の液滴吐出装置。
6. 前記液体貯留ユニットは、一対の平板間に仕切壁を設けて前記流路を形成したものである請求項１記載の液滴吐出装置。
7. 前記液体貯留ユニットはその外部から前記流路内の収納液の終端位置を目視可能である請求項１記載の液滴吐出装置。
8. 前記液体貯留ユニットの上面には前記終端位置を測定する目盛が附されている請求項７記載の液滴吐出装置。
9. 前記液体貯留ユニットとヘッドとの接続部にはこれらの相対回転を防止する回転防止手段が設けられている請求項１記載の液滴吐出装置。
10. 前記液体貯留ユニットとヘッドとの接続部に対する他端には、液供給器具を接続するための他のジョイントが設けられている請求項１記載の液滴吐出装置。
11. 前記液体貯留ユニットが前記ヘッドのノズル形成面に近い位置に接続されるものである請求項１記載の液滴吐出装置。
12. 前記液体貯留ユニットが前記電気駆動素子に対する電気ケーブルの下側に配置されている請求項１１記載の液滴吐出装置。
13. 前記電気駆動素子を駆動させて液滴を吐出する請求項１〜１２のいずれかに記載の液滴吐出装置を用いた液滴の吐出方法。
14. 請求項１〜１２のいずれかに記載の液滴吐出装置に用いられる前記液体貯留ユニットであって、前記ヘッドに対し着脱可能なジョイントにより接続されている前記液体貯留ユニット。

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