(57)【要約】【課題】  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であり、また、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。【解決手段】  液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット２０は、電気駆動素子１２の駆動により吐出口１３から液滴を吐出させるヘッド１０に接続され、貯留する液体Ｗをヘッド１０へ供給する。液体Ｗを貯留するタンク３０と、このタンク内部の貯留液内に外気を導入する管路ＦＬと、タンク内部を減圧する減圧具５４とを備える。管路ＦＬの貯留液内端３５ａが吐出口１３とほぼ同じ高さである。【選択図】    図１
2009012404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気駆動素子の駆動により吐出口から液滴を吐出させるヘッドに接続され、貯留する液体をヘッドへ供給する液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニットであって、前記液体を貯留するタンクと、このタンク内部の貯留液内に外気を導入する管路と、前記タンク内部を減圧する減圧具とを備えた液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット。
【請求項２】
前記管路の貯留液内端が前記吐出口とほぼ同じ高さである請求項１記載の液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット。
【請求項３】
前記管路が前記貯留液内端に連続する水平部を有している請求項１記載の液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット。
【請求項４】
前記減圧具が体積を変化させて減圧を行うものである請求項１記載の液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット。
【請求項５】
前記貯留液内端がその高さを変更可能である請求項１記載の液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット。
【請求項６】
前記管路のタンク外端側に前記液体を供給する供給口を接続した請求項１記載の液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット。
【請求項７】
前記タンクは前記ヘッドを複数個並べる方向に近接して並べることが可能である請求項１記載の液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット。
【請求項８】
請求項１〜７記載の液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニットと、液滴吐出用ヘッドとを備えた液滴吐出装置。
【請求項９】
請求項１〜７記載の液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニットと、液滴吐出用ヘッドとを備え、前記ヘッドから液滴を吐出する液滴吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット並びにこれを用いた液滴吐出装置及び液滴吐出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
一方、特許文献４では、ヘッド１１に順次連通するタンク１２，１３の液面深さｈ１，ｈ２の差分として吐出圧力を調整する構造が採用されている。しかし、同構造では、タンク１２の液面深さｈ１を常に一定に保たなければ吐出圧力を均一に保つことができず、したがって、吐出状態を安定させることが困難であった。
【特許文献１】特開平０５−１８５６０１号
【特許文献２】特開平１０−３２３９９４号
【特許文献３】特開昭６３−８７２４２号
【特許文献４】特開２００６−２１３８９号
【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ヘッド用液体貯留ユニット並びにこれを用いた液滴吐出装置及び液滴吐出方法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ヘッド用液体貯留ユニットの特徴は、電気駆動素子の駆動により吐出口から液滴を吐出させるヘッドに接続され、貯留する液体をヘッドへ供給する構成であって、前記液体を貯留するタンクと、このタンク内部の貯留液内に外気を導入する管路と、前記タンク内部を減圧する減圧具とを備えたことにある。
【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】
また、上記の第二の目的を達成するため、前記管路の貯留液内端が前記吐出口とほぼ同じ高さであることが望ましい。貯留液内端と吐出口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。
【００１１】
加えて、前記管路が前記貯留液内端に連続する水平部を有していることが望ましい。前記減圧具は体積を変化させて減圧を行うものである。また、前記貯留液内端がその高さを変更可能である。そして、前記管路のタンク外端側に前記液体を供給する供給口を接続してある。望ましくは、前記タンクは前記ヘッドを複数個並べる方向に近接して並べることが可能である。
【００１２】
本発明では、上記液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニットと、液滴吐出用ヘッドとを備えた液滴吐出装置が提供される。
【００１３】
また、本発明では、上記液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニットと、液滴吐出用ヘッドとを備え、前記ヘッドから液滴を吐出する液滴吐出方法も提供される。
【発明の効果】
【００１４】
上記本発明に係る液滴吐出ヘッド用液体貯留ユニット並びにこれを用いた液滴吐出装置及び液滴吐出方法の特徴によれば、簡素な構造により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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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１〜４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、吐出口１３，吐出口側流路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１２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、吐出口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の吐出口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。
【００１８】
本実施形態において、液体貯留ユニット２０は、液体を密閉状態で貯留するタンクとしてのケース３０と、このケース３０に液体を供給し外気を導入する供給ユニット４０と、ケース３０内を減圧する減圧ユニット５０とを備えている。また、ケース３０には供給ユニット４０に連通して管路ＦＬを形成する細管３５がその貯留液内端３５ａを上下移動可能な状態で装着されている。通常、貯留液内端３５ａはヘッド１０の吐出口１３に近い位置に設定され、微少圧力を加える場合は吐出口１３よりも少しだけ上の位置に設定される。
【００１９】
ケース３０は、射出成形された分割本体３１Ａと分割蓋体３１Ｂとを組み合わせることでタンク本体としてのケース本体３１により密閉空間を形成している。ケース本体３１の前部にはヘッド１０への接続用の供給ジョイント３２を備え、供給ジョイント３２へは供給路３２ａ，３２ｂが連通する。ケース本体３１の上部には注入ジョイント３３，減圧ジョイント３４が貫通形成されている。
【００２０】
供給ユニット４０は、注入ジョイント３３に順次接続され連通する下ジョイント４１、チューブ４２及び上ジョイント４３を備えている。上ジョイント４３には液体供給容器であるシリンジのシリンジ口４４が接続可能であり、この供給ユニット４０から細管３５の管路ＦＬを介して液体Ｗが供給される。また、シリンジ口４４を取り外す通常状態において、供給ユニット４０から細管３５の管路ＦＬに大気圧（Ｐ１）が導入される。
【００２１】
減圧ユニット５０は減圧ジョイント３４に順次接続され連通する下ジョイント５１，チューブ５２及び上ジョイント５３を備えている。上ジョイント５３には減圧具であるスポイド５４が着脱可能である。このスポイド減圧具５４は、一端を閉鎖された管状の弾性樹脂よりなり、樹脂の弾性変形により空洞内の体積変化で容積を拡大し、ケース本体３１内部を吸引する。
【００２２】
ヘッド１０は図２、３に示すように複数個を並べて配置可能である。ケース３０も側面間の幅が薄型に形成され、ヘッド１０と共に符号３０Ａ〜３０Ｃに示すように複数個並べて配置することができる。図１に示すように、ケース本体３１の上側前方は凹型に湾曲しており電気ケーブル１８を上方に引き出すことが可能である。そして、各ケース３０を独立してヘッド１０に対し着脱できるように、ケース本体３１の後方に指で摘むための摘み３８を突出させてある。
【００２３】
使用に際しては、まず、各ヘッド１０の凹部１５にケース３０の供給ジョイント３２を嵌入する。また、上ジョイント４３にシリンジのシリンジ口４４を差し込み、ケース本体３１内部に液体Ｗを注入し、シリンジ口４４を上ジョイント４３から取り外す。そして、スポイド減圧具５４を弾性変形させて空洞部分の体積を減少させ、クリップ等でその減容状態を維持しつつ上ジョイント５３にスポイド減圧具５４を挿入した減圧ユニット５０を減圧ジョイント３４に装着する。次いで、スポイド減圧具５４のクリップ等を外してスポイド減圧具５４内部の容積を拡大させると、ケース３０内部は減圧されて上ジョイント４３から管路ＦＬを介して外気が導入され、その管路ＦＬ内の水面は貯留液内端３５ａに一致して停止する。使用により液体Ｗが減少しても常に管路ＦＬ内の先端面ＬＭは貯留液内端３５ａに一致し、吐出口１３からの吐出圧力は常に一定に維持される。
【００２４】
この液体貯留ユニット２０の原理をさらに図４で説明する。大気圧Ｐ１、ケース本体３１の上部空間の容器内圧Ｐ２、吐出面ＬＤと先端面ＬＭとの差分である吐出液面高さｈ１，先端面ＬＭと液体Ｗの上面ＬＵとの差分である管液面高さｈ２の関係を考える。また、液体Ｗの密度をρ、重力加速度をｇとする。細管３５内部の管路ＦＬは供給ユニット４０を介して大気と繋がっているので、管路ＦＬの内部圧力は大気圧Ｐ１となる。また、ケース本体３１の上部空間は減圧ユニット５０によりスポイド減圧具５４の内部と繋がっており、容器内圧Ｐ２となる。
【００２５】
ケース本体３１内部の液体Ｗの上面ＬＵと細管３５内部の先端面ＬＭとの高低差は大気圧Ｐ１と容器内圧Ｐ２の差分の圧力との釣り合いで発生する。また、貯留液内端３５ａから気泡が発生する状態では、細管３５内部の液面は貯留液内端３５ａの高さに一致する。これらを考えると、次の等式が成立する。
【００２６】
Ｐ１−Ｐ２＝ρｇｈ２
【００２７】
この状態は貯留液内端３５ａが液体Ｗ内に位置し、外気が管路ＦＬに導入される限り維持される。原則として、貯留液内端３５ａの位置が先端面ＬＭとなるため、吐出口１３に作用する圧力は、ρｇｈ１となり、常に一定の圧力が吐出口１３に作用する。また、吐出液面高さｈ１はできるだけ小さくなるように調整されているので、吐出口１３に作用する吐出圧力は小さくなる。換言すると、ｇｈ１は小さいため、液種が変更されてρの値が変化しても、全体としての吐出圧力の変動は小さく、その結果、液種が異なっても安定した吐出が可能となる。
【００２８】
かかる原理ゆえ、使用時に液体Ｗを補充するには、望ましくはスポイド減圧具５４を取り外し、上ジョイント４３からシリンジ口４４により液体Ｗを注入する。その後、クリップ止めなどにより容積の減少したスポイド減圧具５４を上ジョイント５３に装着し、貯留液内端３５ａから気泡が発生するまで吸引を行うことで、原状態に復帰する。スポイド減圧具５４をあらかじめ余分に減容しておき、上ジョイント４３から液体Ｗを注入しつつスポイド減圧具５４の追加吸引を行うことでも、原状態に復帰することができる。
【００２９】
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。
【００３０】
図５，６は第二の実施形態を示す。上記第一実施形態では、通常状態において図６（１ａ）に示すように、先端面ＬＭは貯留液内端３５ａとほぼ一致している。ところが、同（１ｂ）に示すように、貯留液内端３５ａから気泡Ａ１が噴出されると、その反動で管路ＦＬ内において先端面ＬＭが上昇し、管路ＦＬ内に管内気体Ａ２の生じる場合がある。この状態だと、先の吐出液面高さｈ１はΔｈだけ増加し、同（１ｃ）の状態に復帰する。このような動作が続くと、吐出口１３に対する吐出圧力の変動ρｇΔｈが生じるため、液滴の吐出状態が安定しない場合もある（但し、液体の種類、管路の径及びケース本体のサイズ等のバランスによる。）。
【００３１】
そこで、図５に示す第二実施形態では、管路ＦＬを形成する細管３６の下端側に鉛直方向に直交する水平部３６ａを設け、その水平部端部を貯留液内端３６ｂとする。このように構成すれば、図６（２ａ）に示す通常状態から気泡Ａ１の噴出により水平部３６ａに管内気体Ａ２が生じても、先端面ＬＭの位置は変動せず、上述の如き吐出口１３への圧力変動の発生は防止される。
【００３２】
管路ＦＬは上記第一、第二実施形態の如く細管３５，３６のみによらず、図７の如く溝３１ｘにより形成してもよい。この第三の実施形態では、ケース本体３１を構成する分割本体３１Ａの端面に溝３１ｘを形成する。この溝３１ｘは注入ジョイント３３に連通し、分割蓋体３１Ｂの端面と重なることで、先の管路ＦＬを形成する。この溝３１ｘは下部が水平部３１ｘａとなっており、その先端が貯留液内端３１ｘｂである。
【００３３】
図８に示す第四実施形態では、減圧ユニット５０が減圧ジョイント３４に取り付けられ、さらに減圧ユニット５０は細管３７の貯留液内端３７ａを介して貯留される液体Ｗに連通する。液体Ｗを上ジョイント４３から補充する際は、ケース本体３１に形成されたキャップ３９を取り外してケース本体３１内部を孔３９ａで外部と連通させることにより、細管３７からの液体の逆流を防ぐ。その後、キャップ３９で孔３９ａを塞ぎ、スポイド減圧具５４によりケース本体３１内を減圧する。減圧による釣り合いのメカニズムは第一実施形態と一部異なるが、先端面ＬＭが貯留液内端３５ａとほぼ同位置となるため、吐出口１３に対する圧力釣り合いは第一実施形態と結果において同じとなる。但し、構成の簡素化、液補充の容易さより、上記第一〜第三実施形態が優れている。
【００３４】
図９に示す第五実施形態では、先の減圧ユニット５０の上ジョイント５３にシリンジ口４４を接続し、こちらから液体を補充する。この際、細管３５からの液体の逆流を防ぐため、チューブ４２をクリップ等で止め、キャップ３９を外して孔３９ａから内部圧力を外部へ解放する。その後、キャップ３９で孔３９ａを閉じ、スポイド減圧具５４で減圧ユニット５０を吸引する点は第一実施形態と同様である。この例よりも液体補充の手順、構成の面で、上記第一〜第三実施形態が優れている。
【００３５】
上記実施形態では、吐出口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、吐出口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。
【００３６】
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。
【００３７】
上記実施形態では、ケース本体にシリンジから液体を供給した。しかし、この液体供給手段は、ピペットやスポイド等を用いても良い。また、自動供給装置によりケース本体に液体を自動供給してもよく、この場合、例えば、ケース本体内の液面ＬＵをモニタし、その液面を管液面高さｈ２がゼロとならず一定以上となるように適宜自動制御しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】液滴吐出装置の縦断面図である。
【図２】ケースの平面図である。
【図３】ケースの正面図である。
【図４】液滴の挙動を示す縦断面図である。
【図５】異なる細管の第二実施形態を示す要部縦断面図である。
【図６】第一、第二実施形態における細管内部の液面の挙動を示す図であり、（１ａ）は第一実施形態の当初状態、（１ｂ）は第一実施形態の液面上昇状態、（１ｃ）は第一実施形態の液面復帰状態、（２ａ）は第二実施形態の当初状態、（２ｂ）は第二実施形態の液面上昇状態、（２ｃ）は第二実施形態の液面復帰状態をそれぞれ示す図である。
【図７】本発明の第三実施形態を示すケース本体の縦断面図である。
【図８】本発明の第四実施形態を示す図１相当図である。
【図９】本発明の第五実施形態を示す図１相当図である。
【符号の説明】
【００４０】
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：吐出口、１４：吐出口側流路、１５：凹部、１８：電気ケーブル、２０：液体貯留ユニット、３０：ケース（タンク）、３１：ケース本体（タンク本体）、３１Ａ：分割本体、３１Ｂ：分割蓋体、３１ｘ：溝、３１ｘａ：水平部、３１ｘｂ：貯留液内端、３２：供給ジョイント、３２ａ，３２ｂ：供給路、３３：注入ジョイント、３４：減圧ジョイント、３５：細管、３５ａ：貯留液内端、３６：細管、３６ａ：水平部、３６ｂ：貯留液内端、３７：細管、３７ａ：貯留液内端、３８：摘み、３９：キャップ、３９ａ：孔、４０：供給ユニット、４１：下ジョイント、４２：チューブ、４３：上ジョイント、４４：シリンジ口、５０：減圧ユニット、５１：下ジョイント、５２：チューブ、５３：上ジョイント、５４：スポイド減圧具、Ｗ：液体、ＬＵ：上面、ＬＭ：先端面、ＬＤ：吐出面、Ａ１：気泡、Ａ２：管内気体、ＦＬ：管路、Ｐ１：大気圧、Ｐ２：容器内圧、ｈ１：吐出液面高さ、ｈ２：管液面高さ
【図１】
2009012404.tif 000003
【図２】
2009012404.tif 000004
【図３】
2009012404.tif 000005
【図４】
2009012404.tif 000006
【図５】
2009012404.tif 000007
【図６】
2009012404.tif 000008
【図７】
2009012404.tif 000009
【図８】
2009012404.tif 000010
【図９】
2009012404.tif 000011