(57)【要約】【課題】液滴を安定且つ効率良く吐出することができると共に、小型化及び低消費電力化を図ること。【解決手段】互いに対向し合う第１面２ａ及び第２面２ｂを有する吐出体２と、吐出体に形成され、内部に液体Ｗが収容されると共に収容された液体を吐出する吐出口４が第１面に開口した液体吐出路３と、第２面側に配設され、駆動電圧の印加によって液体吐出路に向けて音波を放射する音波発生素子５と、を備える液体吐出装置１を提供する。【選択図】図３
2019142034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向し合う第１面及び第２面を有する吐出体と、
前記吐出体に形成され、内部に液体が収容されると共に収容された液体を吐出する吐出口が前記第１面に開口した液体吐出路と、
前記第２面側に配設され、駆動電圧の印加によって前記液体吐出路に向けて音波を放射する音波発生素子と、を備える、液体吐出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液体吐出装置において、
前記音波発生素子から放射された音波を前記液体吐出路内に集束させる音響レンズを備える、液体吐出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の液体吐出装置において、
前記液体吐出路は、前記吐出口から前記音響レンズに向かうにしたがって、その内径が漸次拡径している、液体吐出装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出装置において、
前記吐出体には、前記液体吐出路内と前記吐出体の外部とを連通すると共に、外部から前記液体吐出路内に液体を導入する液体導入路が形成されている、液体吐出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の液体吐出装置において、
前記吐出体には、前記液体吐出路内と前記吐出体の外部とを連通すると共に、前記液体吐出路内から外部に液体を排出する液体排出路が形成されている、液体吐出装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出装置において、
前記音波発生素子は、
支持基板と、
前記支持基板に組み合わされると共に、駆動電圧の印加によって振動することで音波を発生させて、前記液体吐出路に向けて音波を放射する振動部と、を備えている、液体吐出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の液体吐出装置において、
前記振動部は、
前記支持基板に形成された第１電極と、
前記第１電極に対して所定の隙間をあけて配置されると共に、前記第１電極との間に印加された駆動電圧に応じて、静電気力によって前記第１電極側に変位する第２電極と、
前記支持基板に変位可能に支持されると共に、前記第２電極と一体に形成され、前記第２電極に伴って変位する振動片と、を備え、
前記音波発生素子は、前記第１電極と前記第２電極との間に駆動電圧を印加すると共に、該駆動電圧を時間的に変動させる電圧印加部を備えている、液体吐出装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の液体吐出装置において、
前記吐出体は、前記支持基板の平面視で、少なくとも一方向に一定のピッチで配列されるように複数設けられ、
前記振動部は、前記吐出体に対応して複数設けられると共に、音波を各別に発生させる、液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波等の音波の圧力を利用して、液滴を吐出させる（飛翔させる）技術が知られている。例えば下記特許文献１には、液面に集束する超音波ビームの圧力を利用して、インク滴を吐出させる超音波印字ヘッドが開示されている。
【０００３】
超音波印字ヘッドは、例えば一列に配列されたインク噴射素子を備えている。インク噴射素子は、インクが満たされたインク槽、及びインク槽の底面に設けられた集束型超音波発振子を備えている。集束型超音波発振子は、駆動電圧の印加により液面に向けて超音波ビームを放射すると共に、液面に超音波ビームを集束させている。これにより、インクの液面における超音波集束点（焦点）において、液面振幅を増大させることができ、液面からインク滴として霧状化したインクを吐出することが可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５５３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の超音波印字ヘッドでは、インク槽の底面に集束型超音波発振子を設ける必要があるので、インク槽自体を大きく設計する必要があり、小型化を図ることが難しいものであった。また、インクの液面に液面振幅を生じさせる必要があるので、大きな音圧の超音波ビームを放射することが求められる。そのため、駆動電圧を高くする必要があり、消費電力が高くなり易かった。
さらに、超音波ビームがインクの液面に適切に集束するように音圧を制御することが難しく、インク滴を安定に吐出することが難しい場合があった。特に、インク槽自体が大きく、インク槽内に多量のインクが溜められているので、集束した超音波ビームのエネルギーがインク内に分散し易い。この点においてもインク滴を安定に吐出し難かった。
【０００６】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、液滴を安定且つ効率良く吐出することができると共に、小型化及び低消費電力化を図ることができる液体吐出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明に係る液体吐出装置は、互いに対向し合う第１面及び第２面を有する吐出体と、前記吐出体に形成され、内部に液体が収容されると共に収容された液体を吐出する吐出口が前記第１面に開口した液体吐出路と、前記第２面側に配設され、駆動電圧の印加によって前記液体吐出路に向けて音波を放射する音波発生素子と、前記音波発生素子から放射された音波を前記液体吐出路内に集束させる音響レンズと、を備える。
【０００８】
本発明に係る液体吐出装置によれば、駆動電圧を印加することで、音波発生素子から超音波等の音波を液体吐出路に向けて放射することができる。これにより、音波によるエネルギーを利用して、液体吐出路内に収容されている液体を、その液面から局所的に押し上げることができると共に、液滴として飛ばすことができる。その結果、吐出口から外部に向けて液滴を吐出することができる。
特に、音波発生素子を吐出体の第２面側に配置して吐出体とは別体にしているので、例えば従来のように液体吐出路内に音波発生素子を配置する必要がない。そのため、音波発生素子を考慮することなく、液体吐出路を設計できるので、液体吐出路を例えばマイクロ流路等の微小流路とすることが可能である。これにより、吐出体を小型化することができると共に、装置全体の小型化を図ることができる。また、液体吐出路を微小流路にできるので、多量の液体を溜めておく必要がない。そのため、高いエネルギーを効率良く発生させ易く、液滴を安定且つ効率良く吐出させることできる。従って、エネルギー効率の高い液体吐出装置とすることができると共に、駆動電圧を小さくすることができるので低消費電力化を図ることができる。
【０００９】
（２）前記音波発生素子から放射された音波を前記液体吐出路内に集束させる音響レンズを備えても良い。
【００１０】
この場合には、音響レンズを利用して音波発生素子から放射された音波を液体吐出路内に集束させることができるので、液体吐出路内に音波が集束した焦点領域を形成することができる。従って、焦点領域においてより高いエネルギーを発生させることができ、液体吐出路内に収容されている液体を、さらに安定且つ効率良く液滴として外部に向けて吐出させることができる。さらに、音響レンズを利用するので、減衰を抑制しながら音波を集束することができ、焦点領域に高いエネルギーを安定に発生させ易い。従って、この点においても液滴を安定に吐出させることができるうえ、音波制御を行い易い。しかも、音響レンズによって減衰を抑制しながら音波を集束させ、焦点領域に高いエネルギーを効率良く発生させることができるので、駆動電圧をさらに小さくすることができ、さらなる低消費電力化を図り易い。
【００１１】
（３）前記液体吐出路は、前記吐出口から前記音響レンズに向かうにしたがって、その内径が漸次拡径しても良い。
【００１２】
この場合には、音響レンズによって集束した音波を、音響レンズを通過した初期段階から液体吐出路内に進入させ易くなるので、例えば吐出体内を透過させずに、液体内を進行するように音波を集束させることができる。これにより、音波の減衰をさらに抑制することができ、焦点領域に高いエネルギーをさらに安定に発生させ易い。従って、液滴をより安定して吐出することができると共に、低消費電力化をより一層図ることができる。
【００１３】
（４）前記吐出体には、前記液体吐出路内と前記吐出体の外部とを連通すると共に、外部から前記液体吐出路内に液体を導入する液体導入路が形成されても良い。
【００１４】
この場合には、液体導入路を通じて外部から液体吐出路内に液体を適宜導入することができるので、液体を途切れさせることなく、連続的に液滴を吐出させることができる。また、液体吐出路内に収容されている液体の量を一定に維持することができるので、例えば液面付近に音波のエネルギーを集中させ易く、液滴を効率良く吐出させ易い。さらに、液体の種類等を適宜変更することも可能であるので、多種多様な液滴を吐出することができ、使い易く利便性に優れている。
【００１５】
（５）前記吐出体には、前記液体吐出路内と前記吐出体の外部とを連通すると共に、前記液体吐出路内から外部に液体を排出する液体排出路が形成されても良い。
【００１６】
この場合には、液体排出路を通じて液体吐出路内の液体を排出することができるので、例えば必要に応じて、液体導入路、液体吐出路及び液体排出路を通じて液体を循環させることが可能となり、新しい液体から液滴を吐出することができる。さらに、別の種類の液体への入れ替え等をスムーズに行うことも可能である。
【００１７】
（６）前記音波発生素子は、支持基板と、前記支持基板に組み合わされると共に、駆動電圧の印加によって振動することで音波を発生させて、前記液体吐出路に向けて音波を放射する振動部と、を備えても良い。
【００１８】
この場合には、半導体基板等の支持基板に振動部が組み合わされることで音波発生素子が構成されているので、音波発生素子自体を小型化、薄型化し易く、装置全体のさらなる薄型化に貢献することができる。
【００１９】
（７）前記振動部は、前記支持基板に形成された第１電極と、前記第１電極に対して所定の隙間をあけて配置されると共に、前記第１電極との間に印加された駆動電圧に応じて、静電気力によって前記第１電極側に変位する第２電極と、前記支持基板に変位可能に支持されると共に、前記第２電極と一体に形成され、前記第２電極に伴って変位する振動片と、を備え、前記音波発生素子は、前記第１電極と前記第２電極との間に駆動電圧を印加すると共に、該駆動電圧を時間的に変動させる電圧印加部を備えても良い。
【００２０】
この場合には、電圧印加部によって第１電極と第２電極との間に駆動電圧を印加すると、静電気力によって電極間に引力が作用して、第１電極側に第２電極が変位する。そのため、電圧印加部が駆動電圧を時間的に変動させることで、第２電極の変位も時間的に変動する。これにより、第２電極と一体に形成された振動片を振動させることができ、音波を発生させることができる。特に、駆動電圧を変動させることで、例えば所望の音圧となるような音波を発生させることができるので、音波のエネルギーを任意に調整し易い。従って、吐出する液滴の状態をコントロールすることが可能である。
【００２１】
（８）前記吐出体は、前記支持基板の平面視で、少なくとも一方向に一定のピッチで配列されるように複数設けられ、前記振動部は、前記吐出体に対応して複数設けられると共に、音波を各別に発生させても良い。
【００２２】
この場合には、一定のピッチで配列された複数の吐出体のそれぞれから液滴を吐出させることができるので、例えば超音波インクヘッド等として好適に利用することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る液体吐出装置によれば、液滴を安定且つ効率良く吐出することができると共に、小型化及び低消費電力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る液体吐出装置の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す吐出体の縦断面図である。
【図３】図１に示す状態から、第２電極層及び振動片を変位させた状態を示す液体吐出装置の縦断面図である。
【図４】図３に示す状態から、焦点領域に集束した超音波のエネルギーを利用して液体を局所的に押し上げている状態を示す図である。
【図５】図４に示す状態から、局所的に押し上げた液体を液滴として飛ばした状態を示す図である。
【図６】図５に示す状態から、吐出口を通じて液滴を外部に吐出させた状態を示す図である。
【図７】本発明に係る液体吐出装置の第２実施形態を示す外観斜視図である。
【図８】図７に示す液体吐出装置の一部を拡大した縦断面図である。
【図９】本発明に係る液体吐出装置の変形例を示す図であって、吐出口から音響レンズに向かうにしたがって内径が漸次拡大した液体吐出路が形成された吐出体の縦断面図である。
【図１０】本発明に係る液体吐出装置の別の変形例を示す図であって、吐出口から音響レンズに向かうにしたがって内径が漸次拡大した液体吐出路が形成された吐出体の縦断面図である。
【図１１】本発明に係る液体吐出装置のさらに別の変形例を示す縦断面図である。
【図１２】本発明に係る液体吐出装置のさらに別の変形例を示す図であって、音響レンズが一体に形成された吐出体の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る液体吐出装置の第１実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の液体吐出装置１は、厚さ方向に互いに対向し合う第１面２ａ及び第２面２ｂを有する吐出体２と、吐出体２に形成され、内部に液体Ｗが収容されると共に収容された液体Ｗを吐出する吐出口４が第１面２ａに開口した液体吐出路３と、第２面２ｂ側に配設され、駆動電圧の印加によって液体吐出路３に向けて超音波（音波）を放射する音波発生素子５と、音波発生素子５から放射された音波を液体吐出路３内に集束する音響レンズ６と、を備えている。
なお、液体Ｗとしては例えば水、薬液、洗浄液、溶液、インク液等が挙げられるが、特に限定されるものではない。
【００２６】
図１及び図２に示すように、吐出体２は、例えば所定の厚さを有する直方体状或いは正方形状等のブロック状に形成されている。ただし、吐出体２の形状はこの場合に限定されるものではない。
本実施形態では、吐出体２の厚さ方向に沿った第１面２ａ側を上方といい、その反対の第２面２ｂ側を下方という。従って、吐出体２は、音波発生素子５の上方に配置された状態で音波発生素子５に対して組み合わされている。
【００２７】
吐出体２の第２面２ｂ側には、上方に向けて凹んだ収容凹部１０が形成されている。収容凹部１０は、第２面２ｂにおける中央部分に形成され、平面視円形状に形成されている。液体吐出路３は、吐出体２の略中央部分を上下に貫通するように形成されている。そのため、液体吐出路３は、第１面２ａ側に開口すると共に収容凹部１０内を通じて第２面２ｂ側に開口している。なお、液体吐出路３のうち、第１面２ａ側に開口している開口部が吐出口４として機能する。
ただし、液体吐出路３は、少なくとも第１面２ａ側に開口していれば良く、収容凹部１０内に連通していなくても構わない。
【００２８】
さらに吐出体２には、液体吐出路３内と吐出体２の外部とを連通すると共に、外部から液体吐出路３内に液体Ｗを導入する液体導入路１１が形成されている。液体導入路１１は、例えば第１面２ａの面内方向に沿って延びるように形成され、一端側が液体吐出路３のうち上下方向の中間部分に一体に接続され、他端側が吐出体２の側面側に開口している。なお、液体導入路１１のうち、吐出体２の側面側に開口している開口部は、導入口１２として機能する。
【００２９】
上述した収容凹部１０、液体吐出路３及び液体導入路１１が形成された吐出体２は、例えば合成樹脂、ガラス、金属、セラミック等で形成されるが、特定の材質に限定されるものではない。また、収容凹部１０、液体吐出路３及び液体導入路１１は、例えばレーザ加工等により形成されている。
本実施形態の液体吐出路３及び液体導入路１１は、例えばその内径が数十μｍとされた微小流路、すなわちマイクロ流路とされている。このようなマイクロ流路として液体吐出路３及び液体導入路１１を形成する場合には、例えばパルス幅をフェムト秒レベル（１／１０−１５秒）まで極短パルス化したレーザを利用したフェムト秒レーザ加工を行うことで形成することが可能である。フェムト秒レーザ加工によれば、任意の３次元加工が可能であるので、ブロック状に吐出体２を形成した後、液体吐出路３及び液体導入路１１をマイクロ流路として容易且つ確実に形成することができる。
【００３０】
図１に示すように、導入口１２には、液体Ｗを導入する導入部１３が接続されている。導入部１３は、例えば図示しない液槽内の液体Ｗを、液体導入路１１を通じて液体吐出路３内に導入する。この際、導入部１３は例えば液体吐出路３内から液体Ｗが減った分の量、すなわち液滴として外部に吐出した吐出量を補充するように液体Ｗを導入することが可能とされている。これにより、液体導入路１１内には、常に一定の量の液体Ｗを収容することが可能とされている。具体的には、液体吐出路３内には、液体導入路１１の内面のうち上側内面と同等の高さ位置に液面が位置するように液体Ｗが収容されている。
【００３１】
音響レンズ６は、収容凹部１０の形状に対応して平面視円形状に形成されていると共に、その上面（レンズ面）６ａが下方に凹んだ凹面レンズとされている。音響レンズ６は、収容凹部１０内に例えば下方から圧入等によって嵌め込まれることで、収容凹部１０内に密に嵌合されている。これにより、音響レンズ６は、液体吐出路３の下方側をシールした状態した状態で吐出体２に一体に組み合わされている。
【００３２】
なお、音響レンズ６は、例えば単結晶シリコン、シリコンゴム或いはガラス等で形成されるが、特定の材質に限定されるものではない。さらに音響レンズ６のレンズ面である上面６ａは、球面レンズであっても構わないし、非球面レンズであっても構わない。
【００３３】
図２に示すように、音響レンズ６は、音波発生素子５から放射された超音波（図２において矢印で示している）を屈折させることで、液体吐出路３内に集束させる。具体的には、液体吐出路３内に収容されている液体Ｗの液面付近に集束するように超音波を集束させる。これにより、液体Ｗの液面付近に、超音波が集束した焦点領域Ｐを形成すすることが可能とされている。
【００３４】
図１及び図３に示すように、音波発生素子５は、支持基板２０と、支持基板２０に組み合わされると共に、駆動電圧の印加によって振動することで超音波を発生させて、音響レンズ６を通じて超音波を放射する振動部２１と、を備えている。
振動部２１は、支持基板２０に形成された第１電極層（第１電極）２２と、第１電極層２２に対して所定の隙間をあけて配置されると共に、第１電極層２２との間に印加された駆動電圧に応じて、静電気力（クーロン力）によって第１電極層２２側に変位する第２電極層（第２電極）２３と、支持基板２０に変位可能に支持されると共に、第２電極層２３に一体に形成され、第２電極層２３に伴って変位する振動片２４と、を備えている。
【００３５】
以下、音波発生素子５について詳細に説明する。
音波発生素子５は、シリコン基板等の半導体基板とされたベース基板３０と、ベース基板３０の上面に第１電極層２２を介して重なった絶縁性基板３１と、絶縁性基板３１の上面に形成された絶縁膜３２と、を備えた、いわゆる半導体デバイスとされている。
【００３６】
ベース基板３０は、一定の厚みを有すると共に、平面視で吐出体２よりも大きい外形サイズの基板とされている。第１電極層２２は、ベース基板３０の上面にその全面に亘って形成されている。
絶縁性基板３１は、例えばベース基板３０と同等の厚みとされていると共に、その外形サイズもベース基板３０と同等とされている。絶縁性基板３１の内部には、例えばその内側が真空状態に維持された空隙室３３が形成されている。空隙室３３は、例えば平面視円形状に形成され、吐出体２の下方に位置するように形成されている。図示の例では、空隙室３３は、その直径が音響レンズ６よりも大きく、且つ吐出体２よりも小さくなるように形成されている。
ただし、空隙室３３の形状は、平面視円形状に限定されるものではなく、例えば平面視矩形状或いは多角形状であっても構わない。
【００３７】
絶縁性基板３１のうち空隙室３３の周囲を囲む部分は、枠部３１ａとされている。そして、絶縁性基板３１のうち空隙室３３よりも上方に位置する部分は、空隙室３３の形状に対応して平面視円形状に形成され、上下方向に変位可能に枠部３１ａに支持された上記振動片２４として機能する。
振動片２４は、その外周縁部２４ａが全周に亘って枠部３１ａに一体に接続されることで、上下方向に変位可能に支持されている。従って振動片２４は、その中央部分２４ｂが上下方向に大きく変位することが可能とされている。
なお、絶縁性基板３１における枠部３１ａ及びベース基板３０は、振動片２４を変位可能に支持する上記支持基板２０として機能する。
【００３８】
上記第２電極層２３は、振動片２４における中央部分２４ｂの上面に形成されている。第２電極層２３は、例えば平面視円形状に形成され、その直径は音響レンズ６と略同径とされている。ただし、第２電極層２３の形状及びサイズは、この場合に限定されるものではなく、適宜変更して構わない。
【００３９】
上記絶縁膜３２は、第２電極層２３を被覆するように絶縁性基板３１の上面に全面に亘って形成されている。絶縁膜３２のうち振動片２４における外周縁部２４ａの上方に位置する部分には、外周縁部２４ａに対応して平面視円形状の環状凹部３５が上方に開口するように形成されている。
絶縁膜３２のうち環状凹部３５よりも外側に位置する部分は、絶縁性基板３１における枠部３１ａの上方に位置し、且つ枠部３１ａに一体に形成された外膜部３２ａとして機能する。これに対して絶縁膜３２のうち環状凹部３５よりも内側に位置する部分は、振動片２４の上方に位置して第２電極層２３を覆うと共に、振動片２４に一体に形成された内膜部３２ｂとして機能する。従って、内膜部３２ｂは、振動片２４と共に上下方向に変位可能とされている。
【００４０】
上述のように構成された音波発生素子５は、第１電極層２２と、誘電体として機能する空隙室３３及び絶縁性基板３１を間に挟んで第１電極層２２の上方に隙間をあけて配置された第２電極層２３と、を有する、キャパシタ（コンデンサ）としての機能を果たす。
音波発生素子５は、第１電極層２２と第２電極層２３との間に駆動電圧を印加すると共に、駆動電圧を時間的に変動させる電圧印加部３６をさらに備えている。
【００４１】
電圧印加部３６によって第１電極層２２と第２電極層２３との間に駆動電圧が印加されると、第１電極層２２と第２電極層２３との間には、プラスの電荷とマイナスの電荷とが引き合う静電気力（クーロン力）によって引力が作用する。これにより、図３に示すように、第２電極層２３は第１電極層２２側に向けて（すなわち下方に向けて）変位する。そのため、第２電極層２３の変位に伴って振動片２４が下方に変位する。なお、静電気力は、例えば誘電体の誘電率、両電極層２２、２３の面積、及び両電極層２２、２３間の間隔等に応じて決定される。
さらに、上記引力は駆動電圧に応じて変化する。従って、電圧印加部３６によって駆動電圧を時間的に変動させることで、第２電極層２３に伴って変位する振動片２４の変位を時間的に変動させることが可能とされている。これにより、振動片２４を上下方向に振動させて、超音波を発生させることが可能とされている。
【００４２】
図１及び図３に示すように、吐出体２は、絶縁膜３２における外膜部３２ａの上面に一体に固定されている。なお、振動片２４の上面に形成された絶縁膜３２における内膜部３２ｂは、吐出体２及び音響レンズ６に対して下方から離間可能に接触している。これにより、吐出体２を静止させた状態のまま、振動片２４を振動させて超音波を発生させることが可能とされ、発生した超音波を音響レンズ６側に放射することが可能とされている。
【００４３】
（液体吐出装置の作用）
上述のように構成された液体吐出装置１によって、液体吐出路３内に収容されている液体Ｗから、液滴を吐出する場合について説明する。
【００４４】
この場合には、電圧印加部３６により第１電極層２２と第２電極層２３との間に駆動電圧を印加することで、音波発生素子５から超音波を液体吐出路３に向けて放射することができる。具体的には、図３に示すように、電圧印加部３６によって第１電極層２２と第２電極層２３との間に駆動電圧を印加することで、静電気力によって両電極層２２、２３間に引力を作用させることができ、第１電極層２２側に第２電極層２３及び振動片２４を変位させることができる。そのため、電圧印加部３６が駆動電圧を時間的に変動させることで、第２電極層２３及び振動片２４の変位を時間的に変動させて、上下方向に振動させることができる。これにより、超音波を発生させることができ、音響レンズ６を通じて液体吐出路３に向けて放射することができる。
【００４５】
すると音響レンズ６は、図２に示すように、放射された超音波を液体吐出路３内に集束させる。具体的には、液体吐出路３内に収容されている液体Ｗの液面付近に超音波を集束させる。これにより、液面付近に、超音波が集束した焦点領域Ｐを形成することができ、焦点領域Ｐにおいて高いエネルギーを発生させることができる。そのため、図４に示すように、このエネルギーを利用して液体Ｗを、その液面から局所的に上方に押し上げることができると共に、液滴として飛ばすことができる。その結果、図５及び図６に示すように、吐出口４から外部に向けて液滴を吐出することができる。
【００４６】
特に、図１に示すように、音波発生素子５を吐出体２の第２面２ｂ側に配置して吐出体２とは別体にしているので、例えば従来のように液体吐出路３内に音波発生素子５を配置する必要がない。そのため、音波発生素子５を考慮することなく液体吐出路３を設計できるので、液体吐出路３を微小なマイクロ流路とすることができる。これにより、吐出体２を小型化することができると共に装置全体の小型化を図ることができる。
【００４７】
また、液体吐出路３及び液体導入路１１をマイクロ流路にできるので、液体吐出路３内に多量の液体Ｗを溜めておく必要がない。そのため、図２に示すように、焦点領域Ｐに高いエネルギーを効率良く発生させ易く、液滴を安定且つ効率良く吐出させることできる。従って、エネルギー効率の高い液体吐出装置１とすることができる。
さらに、音響レンズ６を具備しているので、減衰を抑制しながら超音波を集束することができ、焦点領域Ｐに高いエネルギーを安定に発生させ易い。従って、この点においても液滴を安定に吐出させることができるうえ、音波制御を行い易い。しかも、減衰を抑制しながら超音波を集束させて焦点領域Ｐに高いエネルギーを効率良く発生させることができるので、駆動電圧を小さくすることができる。そのため、低消費電力化を図ることができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の液体吐出装置１によれば、液滴を安定且つ効率良く吐出することができると共に、小型化及び低消費電力化を図ることができる。
さらに、音波発生素子５は、シリコン基板等の半導体基板とされたベース基板３０と、ベース基板３０の上面に第１電極層２２を介して重なった絶縁性基板３１と、絶縁性基板３１の上面に形成された絶縁膜３２と、を備えた、いわゆる半導体デバイスとされているので、小型化及び薄型化し易い。従って、液体吐出装置１全体のさらなる小型化、薄型化に貢献することができる。
【００４９】
さらに、電圧印加部３６が駆動電圧を変動させることで、例えば所望の音圧となるような超音波を発生させることができるので、焦点領域Ｐに集束する超音波のエネルギーを任意に調整し易い。従って、吐出する液滴の状態をコントロールすることが可能である。
【００５０】
さらに、液体導入路１１を通じて導入部１３から液体吐出路３内に液体Ｗを適宜導入することができるので、液体Ｗを途切れさせることなく、連続的に液滴を吐出させることができる。また、液体吐出路３内に収容されている液体Ｗの量を一定に維持することができるので、例えば液面付近に、超音波が集束する焦点領域Ｐを安定に形成することが可能である。従って、超音波が集束したエネルギーを利用して、液滴を効率良く吐出させ易い。
さらに、例えば液体Ｗの種類等を適宜変更することも可能であるので、多種多様な液滴を吐出することができ、使い易く利便性に優れている。
【００５１】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る液体吐出装置の第２実施形態について図面を参照して説明する。
なお、第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
【００５２】
図７及び図８に示すように、本実施形態の液体吐出装置４０は、支持基板２０が一方向に向けて延びるように長尺に形成されている。すなわち支持基板２０は、支持基板２０の面内方向における第１方向Ｌ１よりも、第１方向Ｌ１に直交する第２方向Ｌ２に長く延びるように形成されている。
【００５３】
吐出体２及び音響レンズ６は、第２方向Ｌ２に沿って一定のピッチで配列されるように複数設けられている。そして、振動片２４及び第２電極層２３は、これら吐出体２及び音響レンズ６に対応して複数設けられている。なお、第１電極層２２は共通電極層として、ベース基板３０の上面に全面に亘って形成されている。
【００５４】
電圧印加部３６は、複数の第２電極層２３のそれぞれに対して駆動電圧を印加することができるように電気的接続されている。そのため、音波発生素子５は、各振動部２１から超音波を各別に発生させることができ、各吐出体２の液体吐出路３内に向けて超音波を各別に放射することが可能とされている。
さらに、本実施形態の導入部１３は、液体導入路１１を通じて各吐出体２の液体吐出路３内に液体Ｗとして、インク液を導入する。
【００５５】
上述のように構成された本実施形態の液体吐出装置４０によれば、電圧印加部３６によって、共通電極層である第１電極層２２と、各第２電極層２３との間に駆動電圧をそれぞれ印加することで、一定のピッチで配列された複数の吐出体２の吐出口４から、液滴としてインク滴をそれぞれ吐出させることができる。
従って、超音波インクヘッドとして好適に利用することができる。特に、インク滴を安定且つ効率良く吐出することができると共に、小型化及び低消費電力化を図りやすい超音波インクヘッドとすることができる。
【００５６】
特に、本実施形態の液体吐出装置４０によれば、超音波が集束した高いエネルギーを利用できるので、例えば高粘性インク、ゲル状インク等の粘性の高いインク液を利用したとしても、安定且つ効率良くインク滴を吐出することができる。このように、粘性の高いインク液等、多種多様なインク液に対応することが可能であり、使い易く利便性に優れた超音波インクヘッドとして利用することができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、吐出体２及び音響レンズ６を第２方向Ｌ２に沿って一定のピッチで配列したが、この場合に限定されるものではない。例えば吐出体２及び音響レンズ６を第２方向Ｌ２に沿って一定のピッチで配列した配列群を、さらに第１方向Ｌ１に複数列、配置しても構わない。
【００５８】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。各実施形態は、その他様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが可能であることに加え、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。さらに、これら実施形態には、例えば当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものなどが含まれる。
【００５９】
例えば、上記各実施形態では、音響レンズ６を具備する構成としたが、音響レンズ６は必須なものではなく、具備しなくても構わない。この場合であっても、音波発生素子５から放射された超音波によるエネルギーを利用して、液体吐出路３内に収容されている液体Ｗを、その液面から局所的に押し上げることができると共に、液滴として吐出口４から外部に向けて吐出することが可能である。
特に、液体吐出路３内に少量の液体Ｗを収容する場合には、音響レンズ６を利用して超音波を集束させなくても、液滴の吐出を好適に行うことが可能である。
【００６０】
例えば、上記各実施形態では、液体吐出路３を上下方向にストレート状に形成したが、この場合に限定されるものではない。例えば、液体吐出路３を、吐出口４から音響レンズ６に向かうにしたがって、その内径が漸次拡径するように、図９に示すように断面テーパ状に形成しても構わないし、図１０に示すようになだらかに湾曲しながら広がる末広がり状に形成しても構わない。
【００６１】
このように液体吐出路３を構成した場合には、音響レンズ６によって集束した音波を、音響レンズ６を通過した初期段階から液体吐出路３内に進入させ易いので、吐出体２内を透過させずに、液体Ｗ内を進行するように超音波を集束させることができる。これにより、超音波の減衰をさらに抑制することができ、焦点領域Ｐに高いエネルギーをさらに安定に発生させ易い。そのため、液滴をより安定して吐出することができると共に、低消費電力化をより一層図ることができる。
【００６２】
なお、図９及び図１０に示す吐出体２には、液体導入路１１を形成していない。このように、液体導入路１１は必須なものではなく、具備しなくても構わない。
【００６３】
さらに上記各実施形態において、吐出体２に、液体吐出路３内と吐出体２の外部とを連通すると共に、液体吐出路３内から外部に液体Ｗを排出する液体排出路をさらに形成しても構わない。例えば図１１に示すように、吐出体２に液体排出路４１を形成すると共に、液体排出路４１を通じて液体吐出路３内の液体Ｗを排出する排出部４２を設けても構わない。なお、図１１では、液体排出路４１の図示を簡略化している。
【００６４】
この場合には、液体排出路４１を通じて液体吐出路３内の液体Ｗを排出することができるので、例えば必要に応じて、液体導入路１１、液体吐出路３及び液体排出路４１を通じて液体Ｗを循環させることが可能となり、新しい液体Ｗから液滴を吐出することができる。さらに、別の種類の液体Ｗへの入れ替え等をスムーズに行うことも可能である。
【００６５】
さらに、上記各実施形態では、音響レンズ６を収容凹部１０内に嵌め込むことで、吐出体２に一体に組み合わせた構成としたが、この場合に限定されるものではない。例えば吐出体２の第２面２ｂ側に音響レンズ６を配置し、吐出体２と音響レンズ６とを上下方向に重ね合わせる構成としても構わない。
さらには、音響レンズ６を吐出体２と別体に構成するのではなく、例えば図１２に示すように、吐出体２の第２面２ｂ側に音響レンズ６を一体に形成しても構わない。この場合であっても、同様の作用効果を奏功することができる。
【００６６】
さらに、上記実施形態では、静電気力を利用して第２電極層２３及び振動片２４を振動させる構成としたが、超音波を発生させることができれば良く、この場合に限定されるものではない。例えば、駆動電圧の印加によってピエゾ素子等の圧電素子を振動させることで、超音波を発生させる圧電方式を採用しても構わない。
さらに、音波の一例として超音波を例に挙げて説明したが、例えば可聴周波の音波を発生させることで、液滴を吐出させても構わない。
【符号の説明】
【００６７】
Ｗ…液体
１、４０…液体吐出装置
２…吐出体
２ａ…第１面
２ｂ…第２面
３…液体吐出路
４…吐出口
５…音波発生素子
６…音響レンズ
１１…液体導入路
２０…支持基板
２１…振動部
２２…第１電極層（第１電極）
２３…第２電極層（第２電極）
２４…振動片
３６…電圧印加部
４１…液体排出路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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