WO2005037557A1

WO2005037557A1 - 液体吐出ヘッド

Info

Publication number: WO2005037557A1
Application number: PCT/JP2004/015952
Authority: WO
Inventors: Toshiaki Sasaki
Original assignee: Canon Kabushiki Kaisha
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2005-04-28
Also published as: JPWO2005037557A1; US7364267B2; US20050280673A1

Abstract

サブピコリットルオーダー以下といった極めて微小な液滴を吐出する液体吐出ヘッドは、液体を小滴として吐出するための吐出口３と、該吐出口に対向する位置に設けられて液体に与える吐出用エネルギーを発生させるエネルギー発生素子１を有する。該エネルギー発生素子の面積を該吐出口に向かってそのまま移動させて形成される空間には材料部が存在しない。該吐出口のメニスカス面がそれより小さい面積を有する該エネルギー発生素子からの衝撃エネルギーを直接受けて、メニスカス面より小さい径の液滴がメニスカス面のほぼ中央部を破って吐出する。

Description

液体吐出へッド技術分野

本発明は、インクジエツト記録分野において記録用のインクを吐出するのに使用されるインクジヱットへッドゃ、医療分野において液状薬剤を霧状として肺吸入させる際に使用される吸入装置などに好適に用いられる、液体を微小な液滴として吐出する液体吐出へッド、それを備えた各種装置に関する。背景技術

従来、液体を微小液滴として吐出する液体吐出ヘッドは、インクジヱット記録分野におけるインクジエツトへッドとして広く用いられている。インクジェットヘッドには、単に液滴を吐出するだけでなく、液滴の吐出方向の安定性も要求されており、従来のインクジェットヘッドにおいては、この要求を達成するための種々の提案がなされている。

例えば、ィンクを吐出する吐出口の内側の液中に更にノズルを備えた液室を形成し、この液室内で発生した発泡べクトルを一方向に制御する事で液滴を飛翔している提案がある（特開 2002— 144579号公報参照）。また、発熱部の周りに不連続な壁を設け、発泡べクトルをコントロールして液滴を形成した状態でィンクを吐出することにより安定して液滴を吐出し、記録品位を向上させたインクジェットヘッドも提案されている（特開平 05— 77422号公報参照）。発明の開示

ィンクジェットへッドの記録品位に対する要求は更に高まっており、近年では特に、記録媒体に付着したインクの粒状感を目立たなくするために、吐出する液滴の更なる微小化が求められている。そして、液滴の体積がサブピコリツトルオーダー以下にまで微小化を達成することができれば、こうした液体吐出へッドは、ィンクジェット記録分野だけでなく、他の分野への応用も考えられる。し力しながら、上述した従来のインクジェットヘッドは、構成が多少複雑であり、必ずしも液滴の微小化を達成し得る構成とはなっていなかった。

また、従来のノズル構成では、吐出した液滴が紙面に付着するために充分な飛翔エネルギーを付与するように、メニスカス面よりエネルギー発生素子を大きくし、吐出口から吐出するような構成をとつているが、この構成がエネルギ一のロスを生み、その分のエネルギーを余計にエネルギー発生素子に供給する必要があった。この様な余分なエネルギーはエネルギー発生素子に蓄えられるか或いは薬液の温度を昇温させる事となり、薬液に熱によるダメージを与える原因となっているため、この余分な熱を押さえる事が、薬液を吐出する上で、微小液滴を吐出する事同様に重要な課題となっていた。

上記の課題に鑑み、本発明の液体吐出へッドは、液体を直径 1 0ミクロンメ一ター以下 0 . 1ミクロンメーター以上の液滴として吐出するための吐出口を有し、前記吐出口と対向する位置に設けられて前記液体に与える吐出用ェネルギーを発生させるエネルギー発生素子を有する液体吐出へッドであって、前記エネルギー発生素子の面積を前記吐出口に向かってそのまま移動させて形成される空間には材料部が存在しないことを特徴とする。この構成では、吐出口に形成されるメニスカス部が、メニスカスより小さい面積のエネルギー発生素子からの衝撃エネルギーを直接受けて、メニスカス面より小さい径の液滴がメニスカスのほぼ中央部を破って小さなメニスカス抵抗の下で吐出口より吐出するメカニズムであるので、エネルギー発生素子の面積、エネルギー発生素子と吐出口間の距離などを適当に設計することで、例えばサブピコリットルオーダー以下といった極めて微小な液滴を吐出することができる。特に、記録へッド以外の応用分野である薬液吐出においては、直径 1 0ミクロンメーター以下が必要とされている。すなわち、呼吸器系での薬剤の吸収は、液滴直径により薬剤到達部位が決定する。従って、直径のコントロールが重要な課題となる。例えば、鼻腔內は直径 6〜9ミクロンメーター、のどで 5〜 6 ミクロンメーター、気管支で 3〜5ミクロンメーター、肺胞で 3ミクロンメーター以下となっており、使用する薬剤とターゲット部位により必要とされる直径が異なるため、直径 1 0ミクロンメーターの液滴を精度良く吐出する必要がめる。

また、吐出薬液量の確保、および体内への吸収のしゃすさを考慮すると、 0 . 1ミクロンメーター以上の液滴を吐出する構成が好ましい。

この基本構成に基づいて、以下のごとき態様が可能である。

好適な態様としては、液流路と、前記液流路の壁の一部を構成し液体を小滴と.して吐出するための吐出口が開口した吐出口形成部材と、前記液流路の壁の前記吐出口と対向する位置に設けられたエネルギー発生素子とを有し、前記吐出口面積（これが液体の吐出方向に関して変化しているときは、その最小面積）を Sn、前記エネルギー発生素子の面積を Se、前記液流路の壁で前記エネルギ一発生素子を囲んだ面積を SR、前記液流路の高さを d、前記吐出口形成部材の厚さを c、 Sn X c=Vl、 Se X (c + d) =V2, SRX d=V3としたとき、 Se≤Sn、 Se ≤SR且つ V1≤V2≤V3の関係を満たすとよい。吐出口面積が、液流路の壁でェネルギー発生素子を囲んだ面積より大きくなり過ぎると、メニスカスが吐出.口の所に形成されにくくなってしまうが、こうした関係を満たせば確実にメニスカスが吐出口の所に形成される。

また、前記エネルギー発生素子の面から吐出口の最外面に至る高さは 1 m程度以下であるとよい。この高さが大きすぎると、エネルギー発生素子の面上の液量が多くなり過ぎて、発泡ないし物理的振動による衝撃でメニスカス面より本発明が意図する程度の小滴を飛翔させるのが困難になる。更には、 _G≤d の関係を満たすとよい。また、前記吐出口形成部材の厚さは吐出口の径程度以下であるのがよい。こうしないと、液滴吐出に際して吐出口形成部材の厚さ部分の抵抗が大きくなり過ぎて、吐出がスムーズに行われない可能性が出て来る。典型的には、前記エネルギー発生素子は発熱素子である。この場合、気泡は大気と連通して確実に崩壌するので、エネルギーが外に発散されて蓄熱されなく、熱による悪影響（液の変質、予期しないときに液が沸騰するリボイル現象など）が防止される。従って、正常な吐出が阻害される、高周波数の駆動パルスで駆動ができなくなる、近接してアレイ状に並べられないなどいつたことがなくなる。発熱素子の形状は、電流がほぼ均一に流れるような形状である矩形であるのがよい。

前記液体は、インクジェット記録に用いられる記録用液体や、肺吸入に用いられる薬剤などであり得る。

また、液体吐出ヘッドには、前記液流路に連通可能に形成された液体タンクを収納する収納部、または前記液流路に連通した或いは連通可能に形成された液体タンク部が一体的に設けられてもよい。液体タンクないしタンク部には液体が充填されていてもよい。

更に、本発明の液滴吐出装置は、液剤を液滴として吐出して利用者に吸入口を介して吸入させる液滴吐出装置であって、所望に応じて液滴を噴出する上記の液体吐出へッドを有することを特徴とする。また、本発明の液体吐出装置は、上記の液体吐出へッドを搭載し、液体吐出へッドから液体を滴として吐出して記録媒体に付着させることを特徴とする。液滴が極微小である場合、ヘッドの動きで液滴の吐出状態が影響を受けやすいので、ヘッドは動かさないで、記録媒体の方を搬送する搬送手段を備えるのがよい。

また、本発明に係る液体の液滴化方法は、液体を液滴として吐出するための P土出口が設けられ、前記吐出口と対向する位置に設けられて前記液体に与える吐出用エネルギーを発生させるエネルギー発生素子を有する液体吐出へッドであって、前記エネルギー発生素子の面積が前記吐出口の面積よりも小さく、前記素子と前記吐出口とに挟まれた空間には材料部が存在しない液体吐出へッドを用いて、直径 1 0ミクロンメーター以下 0 . 1ミクロンメーター以上の液滴を形成することを特徴とする。

エネルギー発生素子は発熱素子であり、発熱により生じる発泡をエネルギーとして利用するものであるとよい。

さらに、本発明は上記の液滴化方法を用いて液滴を利用者が吸入する空気流に乗せることを特徴とする利用者が液体を吸入するための方法をも提供する。本発明によれば、吐出口より吐出する液滴は、吐出口に形成されるメニスカスより小さレ、径の液滴がメニスカスのほぼ中央部を破る事でメニスカスの抵抗を小さくして吐出する。また、吐出口の全体的な吐出に至らない為、極微小の液滴を吐出することが可能である。

また、吐出口に形成されるメニスカスのほぼ中央部よりメニスカス径より小さヽサイズで吐出する為、吐出口の液体が乾燥によって目詰まりを起こすことがなく、吐出開始から良好な液滴を吐出することができる。このとき、ェネルギー発生素子上にある液体は発泡体の生成或いは物理的振動衝擊に合わせて吐出口より飛び出して液滴となる。その結果、液滴の直径は吐出口の大きさに左右されることなく形成される。

更に、エネルギー発生素子として発熱素子を用いる場合で説明すると、上記のような液体吐出へッドでは、液吐出のためにエネルギー発生素子を駆動するとエネルギー発生素子上に発泡体が生成され、生成された発泡体が最大発泡点に到達する前に吐出口より大気に連通し発泡が終了する。この点、液体の相変化で生じる発泡体が大気に連通することなく消泡して液滴を飛翔させる場合と比較して、蓄熱があまり起こらず上で説明したように好都合である。ピエゾ素子のような振動エネルギー発生素子であれば、発泡はそもそも起こらないので、蓄熱の問題はあまりない。本発明の他の特徴および効果は、以下の記載を添付の図面とともに参照すれば明らかになろう。添付の図面を通じて、同一の参照符号は同一または同様な部材を示す。図面の簡単な説明

添付された図面は明細書に取り込まれてその一部を構成するものであり、本発明の実施形態を記載するとともに、本文の記載とともに本発明の原理を説明する役割を果たす。

図 1 Aおよび 1 Bは、本発明の一つの実施の形態の液体吐出へッドを示し、図 1 Aは平面図、図 1 Bは 1 B _ 1 B線断面図である。

図 2 A、 2 B、 2 C、 2 D、 2 Eおよび 2 Fは、図 1 Aおよび I Bの実施形態のへッドを駆動させたときの液体吐出の様子を示す図である。

図 3は、図 1 Aおよび 1 Bの液体吐出へッドにおける各部材間に挟まれた空間の立体図形を模式的に示す図である。

図 4は、図 3における V I、 V 2、 V 3を個別に図示した図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図 1 Aおよび 1 Bは本発明の一実施形態である液体吐出へッドを示し、図 1 Aは平面図、図 1 Bは 1 B— 1 B線断面図である。

図 1 Aおよび 1 Bに示す形態の液体吐出へッドでは、液体を吐出するためのエネルギー発生素子であるヒーター 1が基板 5上に設けられている。ヒーター 1は液流路 2の面積が広くなった液室のほぼ中央部に図示のように配置されている。図 1 Aおよび 1 Bではヒーター 1および液流路 2は 1つしか示していないが、実際には、 1枚の基板 5上に複数のヒーター 1が配列されており、ヒ一ター 1ごとに液流路 2が配置されている。エネルギー発生素子はヒーターのような電気熱変換素子に限らず、ピエゾ素子のような振動エネルギー発生素子であってもよい。

液流路 2は、液体を滴として吐出するための吐出口 3が開口した吐出ロプレ一ト (吐出口形成部材) 6と、基板 5と、吐出口プレート 6と基板 5の間の間隔を規定する間隔規定部材 4とにより囲まれて構成されている。

図 3は、図 1 Άおよび 1 Bの液体吐出へッドにおける各部材間に挟まれた空間の立体図形を模式的に示す図である。図に示されるように前述の V Iは、吐出口形成部材の開口部の体積に対応し、 V 2はエネルギー発生素子を吐出開口まで平行移動させた軌跡によって形成される柱状構造体の体積に対応する。そして、 V 3は液流路の壁と、吐出口形成部材、エネルギー発生素子が形成されている面で囲んだ部分の体積に対応している。図 4は、 V 1〜V 3の各立体を取り出して図示したものである。

この構成において、の関係を満たすように液体吐出へッドを構成することで、効率的にメニスカスの中心部に吐出エネルギーを付与することができ、エネルギーロスの少ない液滴吐出が可能となる。

ここで、図 1 Aおよび 1 Bに示す液体吐出へッドの具体的な寸法例を挙げる。ヒーター 1は 6 / m四方の正方形とし、円形の吐出口 3の開口径は 8 μ πι、液流路 3で囲われた領域は 10 IX m四方、液流路 2の高さ d (間隔規定部材 4の高さ）は 5 // ΐη、吐出口プレート 6の厚さ cは 5 μ πιとした。ヒーター 1の面積力吐出口 3の面積と液流路 3で囲われた領域の面積より小さいことは勿論のこと、吐出口 3の面積が液流路 3で囲われた領域の面積より小さく、ヒーター 1から吐出口 3までの高さはほぼ ΙΟ μ πιであり、液流路 2の高さ dと吐出ロプレート 6の厚さ cは同じであり、吐出口プレート 6の厚さ cは吐出口 3の開口径より小さくなつていることが分かる。吐出口 3は、レーザ加工で形成される場合、上部が広く下に行くに従って狭くなる円形状となる場合がある。次に、このような形態の液体吐出ヘッドの吐出動作を説明する。図 2 A— 2 Fは図 1の形態のへッドを駆動させたときの液体吐出の様子を示している。吐出開始前は図 2 Aに示したように、吐出口プレート 6の吐出口 3においてメニスカス 7が形成されている。そして、液吐出のためにヒーター 1に電圧を印加すると、図 2 Bに示すようにヒーター 1が発熱し、ヒーター 1表面と接する液流路 2の液体が加熱され、その液体に膜沸縢に伴う気泡 8が発生する。膜沸騰に伴う気泡 8が発生すると、その気泡の体積は急峻に成長するため、液体は下流側（吐出口 3側）及び上流側（液体供給側）に移動する。このとき、気泡 8の成長は吐出口 3側へと進み、メニスカス 7の中央を通過する。その結果、メニスカス 7の中央の液体の移動速度がその周囲より格段と速くなる。したがって、図 2 B— 2 Fに示すように、吐出口 3におけるメニスカス 7の中央部が盛り上がって、液滴 9が吐出される。すなわち、吐出口 3を満たすメニスカス液体の全体的な吐出にならないので、極微小の液滴 ( 0 . 0 1 4 1 ) を吐出することが可能である。

また、気泡 8がメニスカス径よりも小さい径で吐出口 3を通過するため、液体が乾燥によって目詰まりを起こすことがなく、吐出開始から良好な液滴を吐出することができる。また、気泡 8の上方にある液体をメニスカス 7の中央部より吐出させる事で気泡 8は大気と連通して崩壊する。これにより、気泡が大気と連通しないで消泡する場合と比べて、蓄熱が起こりにくくなつている。上述の液体吐出へッドを、バブルジエツトプリンタ（製品名： P I X U S—

3 2 0 i ) で使用されているへッドカートリッジに組み込み、 1 2 Vの駆動電圧で吐出動作を観測した。この結果、直径約 3 μ mの液滴径で吐出口から吐出が行なわれていることを確認することができた。

また、少なくとも上述のヘッド、マウスピース、吐出ヘッドに接続した吐出制御部を含み、そしてこれらを保持するハウジングを有する吸入装置が提供できる。このような吸入装置は、特開 2 0 0 2— 1 6 5 8 8 2号公報や、特表平 8 - 5 1 1 9 6 6号公報に記載の公知の技術を利用してもよい。本発明の吐出へッドは低電圧での駆動が可能であるために、ハンドヘルド吸入装置として提供できる。この装置を用いて、吐出ヘッドから吐出した薬液を利用者のマウスピースを介して行なう呼吸によって生じる空気流に乗せることで、利用者が好適に液滴を吸入することができる。産業上の利用可能性

本発明の液体吐出へッドは、微小な液滴を吐出（噴霧も含む）するための装置に好適に用いることができる。その具体的な例としては、例えば、インクジエツト記録分野におけるインクジェット記録へッドゃ、医療分野における薬剤吸入用のへッドが拳げられる。

本発明の液体吐出へッドをインクジヱット記録へッドとして用いる場合は、吐出口を 1列または複数列に配列して構成し、吐出する液体としては、インクや、記録シートへのインクの滲みを防止するためにインクに先立って記録シートへ付着させる表面処理液などの記録用液体が用いられる。吐出口の配列方向および配列長ざを適宜設定することで、シリアルタイプのインクジット記録装置に用いられるインクジエツト記録へッドとすることもできるし、ラインタイブのインクジエツト記録装置に用いられるインクジエツト記録へッドとすることもできる。また、シリアルタイプのインクジェット記録装置に用いられるインクジヱット記録へッドとする場合、液体吐出へッドと、これに供給する記録用液体を収容するタンクとを一体または分離可能に保持するカートリツジ形態とすることもできる。

また、薬剤を含む液体等の高価な液体を使用する場合、吐出に使用されない液体の量を極力少なくすることが重要である。このために、液室体積 V 3は小さいほうが好ましい。例えば、液室面積 S Rが吐出口面積 S nに対して 1 . 1 倍〜 1 0倍程度の大きさで構成することが好ましい。また、一つの液室に対して複数の吐出口、複数のエネルギ一発生素子を有する構成でもよいが、一つの吐出口に対して、一つのエネルギー発生素子、一つの液室で構成されたュニットを複数組備える液体吐出へッドであると、 p舞接するエネルギー発生素子の影響を受けないため、より好ましい。

また、本発明の液体吐出へッドを薬剤吸入用のへッドとして用いる場合は、液体吐出へッドを薬剤のデイスペンサと連結した構成とし、吐出する液体としては、インスリン、人成長ホルモン、性腺刺激ホルモンなどの蛋白製剤、ニコチン、麻酔薬、洗眼薬などが用いられる。

特に本発明の液体吐出へッドを薬剤吸入用のへッドに用いた場合は、吐出された液滴が適用部位まで到達するための飛翔エネルギーが不要であり、より低電圧の印加で液滴を吐出可能な構成を採用できる。すなわち、本努明のヘッドを採用することで、電池等の弱電源を用いることができ、より携帯性に優れたハンドヘルド吸入器を提供することができる。

更には、本発明の液体吐出ヘッドは、微細なドライパウダーを作るのに用いられたり、ァロマセラピー用に液滴を噴出するのに用いられたりもし得る。本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神および範囲の中で各種の改変が可能である。それゆえ、本発明の範囲を公示するため、以下に請求の範囲を掲げる。

この出願は 2 0 0 3年 1 0月 2 2日に出願された日本国特許出願番号第 2 0 0 3— 3 6 1 3 6 6からの優先権を主張するものであり、その内容を引用してこの出願の一部とするものである。

Claims

請求の範囲

1 . 利用者が吸入を行なうために、薬剤を含む液体を吐出するための吐出口が設けられ、前記吐出口と対向する位置に設けられて前記液体に与える吐出用エネルギーを発生させるエネルギー発生素子を有する薬剤吸入用の液体吐出へッドであって、

前記エネルギー発生素子の面積が前記吐出口の面積以下であることを特徴とする薬剤吸入用の液体吐出へッド。

2 . 液流路と、前記液流路の壁の一部を構成し液体を小滴として吐出するための吐出口が開口した吐出口形成部材と、前記液流路の壁の前記吐出口と対向する位置に設けられたエネルギー発生素子とを有し、前記吐出口面積を Sn、前記エネルギー発生素子の面積を Se、前記液流路の壁で前記エネルギー発生素子を囲んだ面積を SR、前記液流路の高さを d、吐出口形成部材の厚さを c、 SnX C=Vl、 Se (c + d) =V2、 SR X d=V3としたとき、 Se≤Sn、 Se≤SR且つ Vl≤ V2≤V3の関係を満たすことを特徴とする液体吐出へッド。

3 . Se≤Sn≤SRなる関係を満たす請求項 2記載の液体吐出へッド。

4 . 前記エネルギー発生素子の面から吐出口の最外面に至る高さが 10 IX m程度以下である請求項 1または 2記載の液体吐出へッド。

5 . c≤dの関係を満たす請求項 2記載の液体吐出へッド。

6 . 前記吐出口形成部材の厚さは吐出口の径程度以下である請求項 5 記載の液体吐出へッド。

7 . 前記エネルギー発生素子は発熱素子である請求項 1または 2記載の液体吐出へッド。

8 . 前記液体は、インクジェット記録に用いられる記録用液体である請求項 2記載の液体吐出へッド。

9 . 前記液体は、肺吸入に用いられる薬剤である請求項 2記載の液体吐出へッド。

1 0 . 前記液流路に連通可能に形成された液体タンクを収納する収納部、または前記液流路に連通した或いは連通可能に形成された液体タンク部が一体的に設けられている請求項 2記載の液体吐出へッド。

1 1 . 前記液体タンクないしタンク部に液体が充填されている請求項 9記載の液体吐出へッド。

1 2 . 液剤を液滴として吐出して利用者に吸入口を介して吸入させる液滴吐出装置であって、所望に応じて液滴を噴出する請求項 9、 1 0または 1 1記載の液体吐出へッドを有することを特徴とする液滴吐出装置。

1 3 . 請求項 8記載の液体吐出へッドを搭載し、液体吐出へッドから液体を滴として吐出して記録媒体に付着させることを特徴とする液体吐出装

1 4 . 液体の液滴化方法であって、前記液体を液滴として吐出するための吐出口が設けられ、前記吐出口と対向する位置に設けられて前記液体に与える吐出用エネルギーを発生させるエネルギー発生素子を有する液体吐出へッドであって、前記エネルギー発生素子の面積が前記吐出口の面積よりも小さく、前記素子と前記吐出口とに挟まれた空間には材料部が存在しない液体吐出へッドを用いて直径 1 0ミクロンメーター以下 0 . 1ミクロンメーター以上の液滴を形成することを特徴とする液滴化方法。

1 5 . 前記エネルギー発生素子は発熱素子であり、発熱により生じる発泡をエネルギーとして利用するものである請求項 1 4に記載の液滴化方法。

1 6 . 請求項 1 4または 1 5に記載の液滴化方法を用いて液滴を利用者が吸入する空気流に乗せることを特徴とする利用者が液体を吸入するための方法。