(57)【要約】【課題】ノズルが目詰まりした場合の対応を廉価に行うことができ、使い捨て式として用いるのに適した圧電素子を備えた液体吐出ヘッドを提案すること。【解決手段】液体吐出ヘッド１は、ヘッドユニット２と駆動ユニット３を有し、ヘッドユニット２は連結機構４を介して、着脱可能な状態で駆動ユニット３に連結されている。ヘッドユニット２は、液滴吐出ノズル２５と、この液滴吐出ノズル２５が連通している液体流路２１ａと、液体流路２１ａの一部を規定している面外方向に振動可能な振動板２３とを備えている。駆動ユニット３は、振動板２３を振動させるためのピエゾ素子３１を備えている。液滴吐出ノズル２５に目詰まりが発生した場合には、ヘッドユニット２のみを交換すればよく、高価な駆動ユニット３を繰り返し使用できる。また、駆動ユニット３を捨てる必要がないので、使い捨て式の液体吐出ヘッドとして用いるのに適している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドユニットと、駆動ユニットと、前記ヘッドユニットを着脱可能な状態で前記駆動ユニットに連結している連結機構とを有し、
前記ヘッドユニットは、液滴吐出ノズルと、この液滴吐出ノズルが連通している液体流路と、当該液体流路の一部を規定している面外方向に振動可能な振動板とを備えており、
前記駆動ユニットは、前記振動板を振動させるための圧電素子を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、
前記連結機構は、前記液体流路の容積が一旦増加した後に減少した時点で前記液滴吐出ノズルから液滴が吐出するように、前記圧電素子の変位を前記振動板に伝達することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項２において、
前記連結機構は、
前記圧電素子によって直線状に往復移動する駆動側連結部材と、
前記振動板に固定され、当該振動板の一方の端部を中心として当該振動板の面外方向に旋回可能な従動側連結部材とを備え、
これら駆動側連結部材および従動側連結部材が着脱可能な状態で連結されており、
前記圧電素子の変位が、前記駆動側連結部材および前記従動側連結部材を介して、前記振動板に伝達され、当該振動板が振動することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項３において、
前記駆動側連結部材と前記従動側連結部材の連結部分は、静電気力によって密着状態とされていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項３または４において、
前記駆動側連結部材および従動側連結部材の一方には連結溝が形成され、他方には、当該連結溝に着脱可能に嵌め込まれた連結突起が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項５において、
前記駆動側連結部材と前記従動側連結部材は直交状態に配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項１ないし６のうちのいずれかの項において、
前記圧電素子の変位方向と、前記液滴吐出ノズルからの液滴の吐出方向とが直交する方向とされていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項１ないし７のうちのいずれかの項において、
前記圧電素子は積層型のピエゾ素子であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療、バイオテクノロジーなどの分野において薬液、試液などの供給、分注などに用いるのに適した液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタのインクジェットヘッドとしては、圧電素子を用いてインク液滴を吐出させるように構成されたものが知られており、例えば、特許文献１、２に開示されている。これらの特許文献に開示されているインクジェットヘッドでは、圧電素子の変位によってインクノズルに連通しているインク流路の容積を一旦増加させた後に減少させた時点でインク液滴を吐出させる、所謂、引き打ちを行うように構成されている。
【０００３】
また、インクジェットヘッドは、医療などの分野において、薬液、試液などを微小量ずつ検体などに供給するための液体吐出ヘッドとしても用いることができる。
【特許文献１】特開２００６−３５７９１号公報
【特許文献２】特開２００５−１０４１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
インクジェットヘッドでは、インクノズルの目詰まりの発生を防止するために、定期的に印字に関係無くインク液滴を吐出させ、あるいは、インクノズルからインクを吸引するヘッドメンテナンス動作が行われる。無駄に消費されるインク量を減らすためにヘッドメンテナンス動作の回数を減らすと、インクノズルの目詰まりが発生しやすくなってしまう。目詰まりが発生すると、高価なインクジェットヘッド自体を交換しなければならない。
【０００５】
また、薬液や試液を供給するための液体吐出ヘッドは使い捨ての場合が多く、インクジェットヘッドと同様な構造の高価な液体吐出ヘッドを使い捨て式のヘッドとして用いる場合には費用効率が極めて悪い。
【０００６】
さらに、圧電素子を用いたインクジェットヘッドでは、圧電素子として一般にピエゾ素子が用いられており、ピエゾ素子は鉛を含んでいるので、使い捨て式のヘッドとして用いる場合にそのまま廃棄することができない。
【０００７】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、ノズルが目詰まりした場合の対応を廉価に行うことができ、また、使い捨て式として用いるのに適した圧電素子を備えた液体吐出ヘッドを提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の液体吐出ヘッドは、ヘッドユニットと、駆動ユニットと、前記ヘッドユニットを着脱可能な状態で前記駆動ユニットに連結している連結機構とを有し、前記ヘッドユニットは、液滴吐出ノズルと、この液滴吐出ノズルが連通している液体流路と、当該液体流路の一部を規定している面外方向に振動可能な振動板とを備えており、前記駆動ユニットは、前記振動板を振動させるための圧電素子を備えていることを特徴としている。
【０００９】
液滴吐出ノズルが形成されているヘッドユニットと圧電素子を備えた駆動ユニットとが連結機構を介して分離可能である。したがって、液滴吐出ノズルに目詰まりが発生した場合には、ヘッドユニットのみを交換すればよく、圧電素子を備えた高価な駆動ユニットを繰り返し用いることができる。
【００１０】
ヘッドメンテナンス動作の回数を低減して目詰まりの発生割合が高くなっても、ヘッドユニットのみを交換すればよいので、ヘッドメンテナンスにより無駄に消費される液体量と、ヘッドユニットの交換費用とを考慮してヘッドメンテナンスの回数を決めればよく、従来のように液体吐出ヘッドの全体の交換費用を考慮しなければならない場合に比べて、ヘッドメンテナンス回数を減らして無駄に消費される液体量を少なくすることが可能である。
【００１１】
また、圧電素子を備えた高価な駆動ユニットを捨てる必要がないので、この点においても経済的である。さらに、使い捨て式の液体吐出ヘッドとして用いた場合には、ヘッドユニットのみを使い捨てとし、駆動ユニットは繰り返し使用できるので極めて経済的である。
【００１２】
ここで、前記連結機構としては、前記液体流路の容積が一旦増加した後に減少した時点で前記液滴吐出ノズルから液滴が吐出するように、前記圧電素子の変位を前記振動板に伝達するように構成したものを用いることができる。このような引き打ちは、液体流路の容積を単に減少させて液滴を吐出させる押し打ちに比べて、小さな容積の液体流路を用いて大きな液滴を吐出させることができ、液滴の吐出速度を上げることができ、また、小さな液滴を吐出できるなどの利点がある。
【００１３】
このような引き打ちを行うためには、前記連結機構を、前記圧電素子によって直線状に往復移動する駆動側連結部材と、前記振動板に固定され、当該振動板の一方の端部を中心として当該振動板の面外方向に旋回可能な従動側連結部材とを備えた構成とすればよい。圧電素子の伸縮により駆動側連結部材が往復移動すると、従動側連結部材が振動板の面外方向に旋回して、液体流路の容積を増減させることができる。この場合には、これら駆動側連結部材および従動側連結部材を着脱可能な状態で連結しておけばよい。
【００１４】
また、この場合において、圧電素子による駆動側連結部材の微小な移動を正確に従動側連結部材に伝達するためには、これらの部材の連結部に隙間、がた付きが無いことが必要である。そこで、駆動側連結部材と従動側連結部材の連結部を静電気力によって密着状態としておくことが望ましい。
【００１５】
また、これら駆動側連結部材および従動側連結部材を着脱可能に連結するための連結部分としては、駆動側連結部材および従動側連結部材の一方に形成された連結溝と、他方に形成され、連結溝に着脱可能に嵌め込まれた連結突起とから構成することができる。
【００１６】
ここで、駆動側連結部材と従動側連結部材を直交状態に配置した構成とすることができる。また、圧電素子の変位方向と、液滴吐出ノズルからの液滴の吐出方向とを直交する方向とすることができる。さらに、圧電素子としては積層型のピエゾ素子を用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の液体吐出ヘッドは、液滴吐出ノズルが形成されているヘッドユニットと、圧電素子を備えた駆動ユニットとが分離可能な状態で連結されている。したがって、ヘッドユニットの液滴吐出ノズルが詰まった場合、使い捨て式として用いる場合などにおいては、ヘッドユニットの側のみを交換し、高価な駆動ユニットを繰り返し用いることができる。
【００１８】
よって、目詰まりが発生した場合に液体吐出ヘッド全体を交換する場合に比べて部品交換費用が安くなるので、従来に比べて目詰まり防止のためのヘッドメンテナンス回数を減らして、無駄に消費される液体量を低減できる。また、薬液、試液などを供給するための使い捨ての液体吐出ヘッドとして用いるのに適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した液体吐出ヘッドの実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は本実施の形態に係る液体吐出ヘッドの概略構成図である。液体吐出ヘッド１は、ヘッドユニット２と駆動ユニット３を有しており、ヘッドユニット２は駆動ユニット３に対して連結機構４を介して着脱可能な状態（分離可能な状態）で連結されている。
【００２１】
ヘッドユニット２は、上方に開口した矩形断面の流路溝２１が形成されている流路基板２２と、流路溝２１を封鎖する状態で流路基板２２に貼り付けられている振動板２３と、振動板２３の外側表面に固定されている従動側連結部材２４とを備えている。流路基板２２における流路溝２１の底面部分には、当該部分を貫通する液滴吐出ノズル２５が形成されている。振動板２３は面外方向に振動可能であり、振動板２３が振動すると、それに応じて、流路溝２１および振動板２３によって規定されている液体流路２１ａの容積が変化する。
【００２２】
従動側連結部材２４は、その下端面２４ａが振動板２３の外側表面２３ａに密着した状態で貼り付けられており、この下端面２４ａの一方の端部に形成した支軸２４ｂを中心として旋回可能な状態で、液体吐出ヘッド１のヘッドハウジング５によって支持されている。従動側連結部材２４が旋回すると、その下端面２４ａによって振動板２３が面外方向に撓む（振動する）。
【００２３】
一方、駆動ユニット３は、ヘッドハウジング５に固定された積層型のピエゾ素子３１と、このピエゾ素子３１における変位面３１ａに一方の端面３２ａが密着状態で固定されている駆動側連結部材３２とを備えている。電圧印加手段３３によってピエゾ素子３１に電圧を印加すると、当該ピエゾ素子３１は駆動側連結部材３２の材軸方向３２ｂに伸張し、電圧の印加を止めると、再び収縮する。したがって、駆動側連結部材３２はその材軸方向３２ｂに往復直線移動する。
【００２４】
ここで、この駆動側連結部材３２の先端側の側面には矩形の連結溝３２ｃが形成されている。ヘッドユニット２の側の従動側連結部材２４は、駆動側連結部材３２に対して直交する方向に配列されており、その先端部分は連結溝３２ｃに僅かに遊びのある状態で差込可能な矩形の連結突起２４ｃとされている。
【００２５】
駆動側連結部材３２の連結溝３２ｃと従動側連結部材２４の連結突起２４ｃの間には、例えば電圧が印加され、これらの間に発生する静電吸引力によって、連結溝３２ｃの側面３２ｄに連結突起２４ｃの対向側面２４ｄが吸着され密着状態に保持されている。本例では、連結溝３２ｃが形成されている駆動側連結部材３２と、連結突起２４ｃが形成されている従動側連結部材２４とによって、ヘッドユニット２を駆動ユニット３に着脱可能に連結している連結機構４が構成されている。
【００２６】
なお、液体吐出ヘッド１には液体タンク６から液体供給路７を介して液体８が供給される。液体タンク６はヘッドハウジング５に装着されているが、外部に設置されている液体タンクから液体吐出ヘッド１に液体を供給してもよい。
【００２７】
また、流路基板２２、振動板２３、駆動側連結部材３２、従動側連結部材２４はステンレススチール、ガラス、シリコン、プラスチックなどの各種の素材から形成することができる。使い捨ての場合には廉価なプラスチック素材から形成することができる。
【００２８】
さらに、本例のヘッドユニット２では、液滴吐出ノズル２５が形成されている流路基板２２に振動板２３を貼り付けているが、振動板２３および流路溝２１が形成された流路基板を作成し、ここに、液滴吐出ノズル２５が形成されたノズル基板を貼り付けるようにしてもよい。
【００２９】
図２および図３は液体吐出ヘッド１の液滴吐出動作を示す説明図である。図１〜図３を参照して液滴吐出動作を説明する。まず、電圧印加手段３３によってピエゾ素子３１にパルス状の駆動電圧が印加されると、ピエゾ素子３１は一時的に伸張し、駆動側連結部材３２がその材軸方向３２ｂ（１）に僅かに移動する。この直線移動によって、ここに連結されている従動側連結部材２４の先端部分が押されて、その支軸２４ｂを中心として僅かに旋回する。この結果、図２に示すように、振動板２３が外側に変位し、液体８が充填されている液体液体流路２１ａの容積が一時的に増加し、液滴吐出ノズル２５の液体メニスカスが一時的に引き込まれる。
【００３０】
この後は、ピエゾ素子３１への電圧印加が止み、ピエゾ素子３１が収縮するので、これに応じて駆動側連結部材３２は逆方向３２ｂ（２）に直線移動し、これに連結されている従動側連結部材２４は逆方向に旋回する。この結果、図３に示すように、振動板２３は初期状態（図１）よりも内側に変位し、液体流路２１ａの容積が一時的に減少する。液体流路２１ａの容積が減少することによって当該液体流路２１ａの圧力が一時的に高まる。この圧力変動によって、液滴吐出ノズル２５のメニスカスから一定量の液滴９が離れて外方に吐出する。このように、液滴９が引き打ちによって吐出される。この後は、振動板２３の面外方向の振動が減衰して停止状態に戻る。
【００３１】
ここで、図４に示すように、液滴吐出ノズル２５に目詰まりが発生した場合、あるいは、新たな種類の液滴を吐出する場合には、ヘッドユニット２のみを交換すればよい。ヘッドユニット２は駆動ユニット３に対して連結機構４を介して着脱可能な状態で連結されている。したがって、ヘッドユニット２を駆動ユニット３から外してヘッドハウジング５から取り出し、新たなヘッドユニットに交換すればよい。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態に係る液体吐出ヘッド１では、そのヘッドユニット２が駆動ユニット３に対して分離可能な状態で連結されている。したがって、液滴吐出ノズル２５に目詰まりが発生して回復できない場合には、ヘッドユニット２のみを交換し、高価な駆動ユニット３の側は繰り返し使用できる。したがって、液体吐出ヘッド１の全体を交換する場合に比べて極めて経済的である。
【００３３】
また、医療などの分野において薬液などを供給するために用いる場合には、薬液などを交換する際にはヘッドユニット２のみを交換すればよい。したがって、液体吐出ヘッド１の全体を使い捨てとする必要がないので、この場合においても極めて経済的である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明を適用した液体吐出ヘッドを示す概略構成図である。
【図２】液体吐出ヘッドの液滴吐出動作を示す説明図である。
【図３】液体吐出ヘッドの液滴吐出動作を示す説明図である。
【図４】ヘッドユニットを駆動ユニットから取り外した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  液体吐出ヘッド、２  ヘッドユニット、３  駆動ユニット、４  連結機構、５  ヘッドハウジング、６  液体タンク、７  液体供給路、８  液体、９  液滴、２１  流路溝、２１ａ  液体流路、２２  流路基板、２３  振動板、２３ａ  外側表面、２４  従動側連結部材、２４ａ  下端面、２４ｂ  支軸、２４ｃ  連結突起、２４ｄ  対向側面、２５  液滴吐出ノズル、３１  ピエゾ素子、３１ａ  変位面、３２  駆動側連結部材、３２ａ  端面、３２ｂ  材軸方向、３２ｃ  連結溝、３２ｄ  側面、３３  電圧印加手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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