JP2014000515A - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の吐出量のダイナミックレンジを拡大することができる液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】第１部材２０８と、第１部材２０８に対向して配置され、貯留室２１５を第１部材２０８とともに形成する第２部材２０９と、第１部材２０８と第２部材２０９との間に配置されて貯留室２１５の外周部を規定し、弾性変形されることによって貯留室２１５の容積を変化させる弾性部材２１０と、押圧方向に伸縮することにより、第１部材２０８を第２部材２０９に対して近接及び離隔する押圧方向に相対的に変位させる作動部材２１１と、第１部材２０８及び作動部材２１１を内部に収容するヘッド本体２０１と、を備え、第２部材２０９は、ヘッド本体２０１に対して着脱自在に取り付けられ、第２部材２０９には、液体を貯留室２１５に外部から直接供給する供給孔２１９と、貯留室２１５内の液体を外部に吐出する吐出孔２１８とが設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、液体を押圧して液滴状に吐出する液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法に関する。

記録紙等に対してインクを液滴状に吐出するインクジェット技術が知られている。このインクジェット技術は、例えば、各種のデバイス製造過程におけるパターンの形成及び薄膜の形成等に応用されている。

このようなインクジェット技術には液体吐出装置が用いられる。この液体吐出装置では、シリンジ内の液体がプランジャによって液体吐出ヘッドに供給されることにより、液体吐出ヘッドから液体が液滴状に吐出される（例えば、特許文献１参照）。

従来の液体吐出ヘッドでは、ヘッド本体に第１部材及び第２部材が設けられている。第１部材及び第２部材は相互に対向して配置され、第１部材と第２部材との間には、液体が貯留される貯留室が形成されている。第１部材と第２部材との間にはリング状の弾性部材が配置され、この弾性部材によって貯留室の外周部が規定されている。第１部材の内部には、液体を貯留室に供給するための供給孔が設けられ、第２部材の内部には、貯留室内の液体を外部に吐出するための吐出孔が設けられている。さらに、ヘッド本体には、第１部材を第２部材に対して近接及び離隔する押圧方向に変位させるための作動部材が設けられている。

上述した液体吐出ヘッドによる液体の吐出は、例えば次のようにして行われる。第１部材が第２部材に対して近接する押圧方向に変位した際には、弾性部材が弾性変形することによって、貯留室の容積が減少する。これにより、貯留室内の液体に圧力が加わり、貯留室内の液体が吐出孔より外部に吐出される。第１部材が第２部材に対して離隔する押圧方向に変位した際には、弾性部材の弾性変形が復元することによって、貯留室の容積が増大する。これにより、シリンジからの液体が供給孔を通して貯留室内に供給される。

特開２００８−３０７４６６号公報

一般に、例えば液体吐出装置の用途等に応じて、液体吐出ヘッドからの液体の吐出量を小滴、中滴又は大滴に変更する場合がある。この場合、液体を効率良く吐出させるためには、液体の吐出量に応じて、供給孔及び吐出孔の各径の大きさを変更する必要がある。例えば、液体の吐出量を小滴から大滴に（又は大滴から小滴に）変更する場合には、供給孔及び吐出孔の各径の大きさを比較的大きく（又は比較的小さく）変更する必要がある。

しかしながら、上述した従来の液体吐出ヘッドでは、その構造上、供給孔を有する第１部材をヘッド本体から容易に取り外すことができない。そのため、第１部材を交換することにより、供給孔の径の大きさを変更することが難しい。仮に、第２部材を交換することにより吐出孔の径の大きさのみを変更した場合には、供給孔及び吐出孔をそれぞれ流れる液体に作用する流体抵抗のバランスが崩れてしまい、液体を効率良く吐出させることができない。従って、液体の吐出量を大きく変更した場合には、この流体抵抗のバランスが大きく崩れてしまうため、液体の吐出量のダイナミックレンジを拡大することができないという問題がある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するものであり、その目的は、液体の吐出量のダイナミックレンジを拡大することができる液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法を提供することである。

本発明の一態様に係る液体吐出ヘッドは、液体を押圧することにより液体を液滴状に吐出する液体吐出ヘッドであって、液体を押圧する第１部材と、前記第１部材に対向して配置され、液体が貯留される貯留室を前記第１部材とともに形成する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置されて前記貯留室の外周部を規定し、前記第１部材により前記第１部材側から前記第２部材側に向かう押圧方向に押圧されて弾性変形されることによって、前記貯留室の容積を変化させる弾性部材と、前記押圧方向に伸縮することにより、前記第１部材を前記第２部材に対して近接及び離隔する前記押圧方向に相対的に変位させ、前記弾性部材を弾性変形させる作動部材と、前記第１部材及び前記作動部材を内部に収容するヘッド本体と、を備え、前記第２部材は、前記ヘッド本体に対して着脱自在に取り付けられ、前記第２部材には、液体を前記貯留室に外部から直接供給する供給孔と、前記貯留室内の液体を外部に吐出する吐出孔とが設けられている。

本態様によれば、供給孔及び吐出孔が第２部材に設けられているとともに、第２部材がヘッド本体に対して着脱自在に取り付けられているので、液体の吐出量を変更する際に第２部材を交換することによって、液体の吐出量に応じて供給孔及び吐出孔の各径の大きさをそれぞれ容易に変更することができる。これにより、液体の吐出量を大きく変更した場合であっても、供給孔及び吐出孔をそれぞれ流れる流体に作用する流体抵抗のバランスを保つことができるので、液体の吐出量のダイナミックレンジを拡大することができる。

また、本発明の一態様に係る液体吐出ヘッドにおいて、前記作動部材は、前記押圧方向に積層された複数の圧電素子を有し、前記複数の圧電素子の各々は独立して、前記押圧方向に伸縮可能であるように構成してもよい。

本態様によれば、作動部材の押圧方向への伸縮量を容易に調整することができる。

また、本発明の一態様に係る液体吐出ヘッドにおいて、前記供給孔は、外部から液体が流入する流入部及び前記貯留室に液体が流出する流出部を有し、前記流入部は、前記押圧方向に対して略垂直な方向に延び、前記流出部は、前記押圧方向に対して略平行な方向に延びているように構成してもよい。

本態様によれば、供給孔の流出部は貯留室の下側に接続されるので、貯留室の高さを低く抑えることができる。

また、本発明の一態様に係る液体吐出ヘッドにおいて、前記第２部材には、前記供給孔に連通される継手部材が設けられ、前記継手部材には、液体を前記供給孔に供給するためのチューブ部材が着脱自在に接続されるように構成してもよい。

本態様によれば、チューブ部材を継手部材から取り外すことにより、第２部材を容易に交換することができる。

本発明の一態様に係る液体吐出装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、大気圧以上の圧力を有する液体を前記液体吐出ヘッドの供給孔に供給する供給部と、前記液体吐出ヘッドの作動部材の動作を制御する作動制御部と、を備える。

本態様によれば、供給孔及び吐出孔が第２部材に設けられているとともに、第２部材がヘッド本体に対して着脱自在に取り付けられているので、液体の吐出量を変更する際に第２部材を交換することによって、液体の吐出量に応じて供給孔及び吐出孔の各径の大きさをそれぞれ容易に変更することができる。これにより、液体の吐出量を大きく変更した場合であっても、供給孔及び吐出孔をそれぞれ流れる流体に作用する流体抵抗のバランスを保つことができるので、液体の吐出量のダイナミックレンジを拡大することができる。

本発明の一態様に係る液体吐出方法は、液体を押圧する第１部材と、前記第１部材に対向して配置され、液体が貯留される貯留室を前記第１部材とともに形成し、外部から液体を前記貯留室に直接供給する供給孔及び前記貯留室内の液体を外部に吐出する吐出孔を有する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置されて前記貯留室の外周部を規定し、前記第１部材により前記第１部材側から前記第２部材側に向かう押圧方向に押圧されて弾性変形されることによって、前記貯留室の容積を変化させる弾性部材と、前記押圧方向に伸縮することにより、前記第１部材を前記第２部材に対して近接及び離隔する前記押圧方向に相対的に変位させ、前記弾性部材を弾性変形させる作動部材と、前記第１部材及び前記作動部材を内部に収容し、前記第２部材が着脱自在に取り付けられるヘッド本体と、を備える液体吐出ヘッドを用いて、液体を押圧することにより液体を液滴状に吐出する液体吐出方法であって、前記作動部材を前記押圧方向に伸長又は収縮させることにより、前記第１部材を前記第２部材に対して近接する前記押圧方向に相対的に変位させ、前記弾性部材を弾性変形させて前記貯留室の容積を減少させ、前記第２部材の前記供給孔より外部から前記貯留室に直接供給された前記貯留室内の液体を前記第２部材の前記吐出孔より外部に吐出する液体吐出ステップと、前記作動部材を前記押圧方向に収縮又は伸長させることにより、前記第１部材を前記第２部材に対して離隔する前記押圧方向に相対的に変位させ、前記弾性部材の弾性変形を復元させて前記貯留室の容積を増大させ、液体を前記第２部材の前記供給孔より前記貯留室に直接供給する液体供給ステップと、を含む。

本態様によれば、供給孔及び吐出孔が第２部材に設けられているとともに、第２部材がヘッド本体に対して着脱自在に取り付けられているので、液体の吐出量を変更する際に第２部材を交換することによって、液体の吐出量に応じて供給孔及び吐出孔の各径の大きさをそれぞれ容易に変更することができる。これにより、液体の吐出量を大きく変更した場合であっても、供給孔及び吐出孔をそれぞれ流れる流体に作用する流体抵抗のバランスを保つことができるので、液体の吐出量のダイナミックレンジを拡大することができる。

本発明によれば、液体の吐出量に応じて供給孔及び吐出孔の各径の大きさをそれぞれ容易に変更することができ、液体の吐出量のダイナミックレンジを拡大することができる。

本発明の実施の形態に係る液体吐出装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る液体吐出ヘッドの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを分解した状態で示す斜視図である。 貯留室に液体が供給される状態での、図２中のＡ−Ａ線により切断した液体吐出ヘッドの断面図である。 貯留室内の液体が外部に吐出される状態での、図２中のＡ−Ａ線により切断した液体吐出ヘッドの断面図である。 図４中のＢ−Ｂ線により切断した、吐出される液体が充填され且つ押圧される貯留室を示す断面図である。

以下、本発明の一態様に係る液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る液体吐出装置の構成を示す斜視図である。図示の液体吐出装置１０は、装置基台１０１と、装置基台１０１に対して主走査方向（図１においてＸ軸方向）に往復移動自在に支持されたヘッド１０２と、装置基台１０１に対して副走査方向（図１においてＹ軸方向）に往復移動自在に支持されたステージ１０３と、を備えている。

装置基台１０１には、ヘッド移動機構１０４が支持されている。このヘッド移動機構１０４は、主走査方向に延びるキャリッジ軸１０５と、キャリッジ軸１０５に往復移動自在にガイドされるキャリッジ１０６と、を含んでいる。キャリッジ１０６には、ヘッド１０２が支持されている。例えばモータ等の駆動源（図示せず）によりキャリッジ１０６がキャリッジ軸１０５上を往復移動することによって、ヘッド１０２は、装置基台１０１に対して主走査方向に往復移動される。なお、ヘッド１０２には、例えばシリコン樹脂（シリコンオイル）等の液体を押圧して液滴状に吐出する液体吐出ヘッド２０（後述する）が１個又は複数個設けられている。

また、装置基台１０１には、ステージ移動機構１０７が支持されている。このステージ移動機構１０７は、副走査方向に延び、且つ、間隔を置いて配置された一対のステージ軸１０８ａ，１０８ｂを含んでいる。一対のステージ軸１０８ａ，１０８ｂには、ステージ１０３が往復移動自在にガイドされている。ステージ１０３の上面には、例えば記録紙等の対象物１０９が支持されている。例えばモータ等の駆動源（図示せず）によりステージ１０３が一対のステージ軸１０８ａ，１０８ｂ上を往復移動することによって、ステージ１０３は、装置基台１０１に対して副走査方向に往復移動される。

本実施の形態の液体吐出装置１０では、ヘッド１０２とステージ１０３上の例えば基板やトレイに配置された部品等の対象物１０９とをそれぞれ装置基台１０１に対して相対的に移動させながら、ヘッド１０２から液体を対象物１０９に向けて液滴状に吐出する。これにより、対象物１０９上に液体がドット状に付着し、例えば対象物１０９上に所望のパターン又は薄膜等を形成することができる。

次に、図２〜図６を用いて、本実施の形態の液体吐出ヘッド２０の構成について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る液体吐出ヘッドの外観を示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを分解した状態で示す斜視図である。図４は、貯留室に液体が供給される状態での、図２中のＡ−Ａ線により切断した液体吐出ヘッドの断面図である。図５は、貯留室内の液体が外部に吐出される状態での、図２中のＡ−Ａ線により切断した液体吐出ヘッドの断面図である。図６は、図４中のＢ−Ｂ線により切断した、吐出される液体が充填され且つ押圧される貯留室を示す断面図である。

図２〜図５に示すように、図示の液体吐出ヘッド２０は、ヘッド本体２０１を備えている。ヘッド本体２０１は、相互に締結された保持体２０２及び蓄熱体２０３を有している。

蓄熱体２０３は、上面に開口部２０３ａを有する容器形状に構成されている。蓄熱体２０３の底部には、第１部材２０８（後述する）の下端部が挿入される開口部２０３ｂが設けられている。蓄熱体２０３は、熱伝導性の高い材質、例えば銅及びアルミニウム等で構成されている。なお、蓄熱体２０３は、線膨張係数が相対的に小さい銅で構成されるのが好ましい。図４及び図５に示すように、蓄熱体２０３の底面近傍における外面には、供給部１１０（後述する）を保持するためのホルダ２０４が設けられている。なお、図２及び図３においては、ホルダ２０４の図示を省略している。

蓄熱体２０３の内面には、蓄熱体２０３を加熱するための加熱部材２０５が２個取り付けられている。加熱部材２０５は、例えば電気ヒータ及びセラミックスヒータ等で構成されている。加熱部材２０５からの熱が蓄熱体２０３に伝達されることによって、蓄熱体２０３が所定の温度（例えば、３０〜８０℃）に保たれる。

保持体２０２は、蓄熱体２０３の開口部２０３ａを覆うようにして、蓄熱体２０３の上面に取り付けられている。保持体２０２は、剛性を有する材質、例えばステンレス等で構成されている。

保持体２０２と蓄熱体２０３との間には、断熱部材２０６が配置されている。断熱部材２０６は、断熱性を有する材質、例えばｐｅｅｋ等の樹脂で構成されている。断熱部材２０６の断熱作用により、蓄熱体２０３から保持体２０２への熱の伝達が遮断される。

保持体２０２と蓄熱体２０３とは、例えば４本のネジ２０７によって相互に且つ強固に締結されている。４本のネジ２０７はそれぞれ、保持体２０２、断熱部材２０６及び蓄熱体２０３を貫通して延びている。４本のネジ２０７はそれぞれ、例えばセラミック材等の低熱膨張材料で構成されている。

上述したヘッド本体２０１には、第１部材２０８、第２部材２０９、弾性部材２１０、作動部材２１１及び付勢部材２１２が設けられている。

第１部材２０８は、例えば下端部が円柱状に構成されている。第１部材２０８の上端部における外面には、フランジ状の支持部２０８ａが設けられている。支持部２０８ａは、ヘッド本体２０１の内部において、押圧方向に対して直交する方向における外向きに延びている。ここで、「押圧方向」とは、第１部材２０８が第２部材２０９に対して近接及び離隔する方向であり、図２〜図５におけるＺ軸方向である。第１部材２０８の下端部は、蓄熱体２０３の開口部２０３ｂに挿入され、第１部材２０８の上端部の支持部２０８ａは、蓄熱体２０３の底部よりもやや上側に配置されている。なお、第１部材２０８は、後述する弾性部材２１０に対して剛性の高い材質、例えばステンレス鋼等で構成されている。

第２部材２０９は、第１部材２０８の下端面と対向するようにして、蓄熱体２０３の底部側に例えば４本のネジ２１３によって着脱自在に取り付けられている。第２部材２０９は、熱伝導性の高い材質、例えばステンレス鋼やセラミック材等で構成されている。第２部材２０９は、蓄熱体２０３と熱的に接続されている。これにより、加熱部材２０５により加熱された蓄熱体２０３の熱が、第２部材２０９を介して吐出孔２１８に充填された液体に伝達される。ここで、「熱的に接続される」とは、蓄熱体２０３の熱を第２部材２０９に十分に伝達できる程度に、蓄熱体２０３と第２部材２０９とが直接的又は間接的に接触されている状態をいう。また、「間接的に接触」とは、蓄熱体２０３と第２部材２０９との間に、例えば熱伝導性の高い部材が配置されている状態をいう。

第２部材２０９の上面には、例えば円形状の貯留室形成用凹部２１４が形成されている。第１部材２０８の下端面と第２部材２０９の貯留室形成用凹部２１４とによって、液体が貯留される貯留室２１５が形成される。第１部材２０８の下端面は、貯留室２１５の上面を規定する。第２部材２０９の貯留室形成用凹部２１４は、貯留室２１５の下面を規定する。また、第２部材２０９の下面には、押圧方向に突出する凸部２１６が設けられている。第２部材２０９の外面には、押圧方向に対して直交する方向に延びる継手部材２１７が設けられている。この継手部材２１７は、例えばステンレス等で構成されている。

第２部材２０９の内部には、貯留室２１５と連通された吐出孔２１８が形成されている。この吐出孔２１８は、押圧方向に対して略平行に延びている。吐出孔２１８の流入部２１８ａは、その断面積が貯留室２１５に向けて漸増するテーパ状に構成され、貯留室２１５と連通されている。吐出孔２１８の吐出部２１８ｂは、その断面積が貯留室２１５と反対側に向けて漸減するテーパ状に構成されることにより径が縮小され、液体吐出ヘッド２０の外部と連通されている。吐出孔２１８の吐出部２１８ｂは、第２部材２０９の下方側の凸部２１６の下面に開口されている。

さらに、第２部材２０９の内部には、貯留室２１５と連通された供給孔２１９が形成されている。この供給孔２１９は、液体吐出ヘッド２０の外部から液体が流入する流入部２１９ａと、貯留室２１５に液体が流出する流出部２１９ｂと、を有している。流入部２１９ａと流出部２１９ｂとは相互に連通されている。流入部２１９ａは、押圧方向に対して直交する方向に延び、継手部材２１７と連通されている。流出部２１９ｂは、押圧方向に対して略平行な方向に延び、貯留室２１５と連通されている。

なお、図６に示すように、吐出孔２１８と供給孔２１９の流出部２１９ｂとは、押圧方向に対して直交する方向にずれた位置に配置されている。供給孔２１９の流出部２１９ｂは、押圧方向に対して直交する方向における貯留室２１５の一端側に連通されている。吐出孔２１８は、押圧方向に対して直交する方向における貯留室２１５の他端側に連通されている。

弾性部材２１０は、薄い板状、且つ、ＸＹ平面視でリング状に構成されている。この弾性部材２１０は、第１部材２０８と第２部材２０９との間に配置されている。弾性部材２１０は、弾性及び耐薬品性を有する材料、例えばフッ素ゴム及びシリコンゴム等で構成されている。この弾性部材２１０は、貯留室形成用凹部２１４の外周部に配置されることによって、押圧方向に対して直交する方向における貯留室２１５の外周部を規定する。図６に示すように、押圧方向における貯留室２１５の断面形状は、円形状である。後述するように、弾性部材２１０が第１部材２０８により第２部材２０９側に押圧されて弾性変形された際には、弾性部材２１０の径方向外側への弾性変形が貯留室形成用凹部２１４の外周部によって規制される。なお、この弾性部材２１０は、貯留室２１５内の液体が外部に漏れるのを防止するシール機能をも有している。

作動部材２１１は、例えば押圧方向に積層された複数の圧電素子を有するアクチュエータである。作動部材２１１は、ヘッド本体２０１の内部に収容されている。作動部材２１１の上面は、保持体２０２の下面に接触されている。作動部材２１１の下面は、第１部材２０８の支持部２０８ａの上面に接触されている。後述する付勢部材２１２の付勢力によって、作動部材２１１は、第１部材２０８の支持部２０８ａと保持体２０２との間に挟持されている。

作動部材２１１は、本実施の形態では、押圧方向に積層された第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃを有している。第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃにはそれぞれ、第１電極２２０ａ、第２電極２２０ｂ及び第３電極２２０ｃが取り付けられている。

第１電極２２０ａに電圧を印加することにより、第１電極２２０ａに対応する第１圧電素子２１１ａが押圧方向に伸長される。同様に、第２電極２２０ｂに電圧を印加することにより、第２電極２２０ｂに対応する第２圧電素子２１１ｂが押圧方向に伸長される。第３電極２２０ｃに電圧を印加することにより、第３電極２２０ｃに対応する第３圧電素子２１１ｃが押圧方向に伸長される。

第１電極２２０ａへの電圧の印加を解除することにより、第１電極２２０ａに対応する第１圧電素子２１１ａが押圧方向に収縮される。同様に、第２電極２２０ｂへの電圧の印加を解除することにより、第２電極２２０ｂに対応する第２圧電素子２１１ｂが押圧方向に収縮される。第３電極２２０ｃへの電圧の印加を解除することにより、第３電極２２０ｃに対応する第３圧電素子２１１ｃが押圧方向に収縮される。

第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃの全部又は一部が電圧の印加により伸長された際には、作動部材２１１は全体として押圧方向に伸長される。第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃの全部又は一部が電圧の解除により収縮された際には、作動部材２１１は全体として押圧方向に収縮される。

なお、本実施の形態では、第１圧電素子２１１ａが押圧方向に伸縮する量である第１ストローク量は最も小さく、第３圧電素子２１１ｃが押圧方向に伸縮する量である第３ストローク量は最も大きい。第２圧電素子２１１ｂが押圧方向に伸縮する量である第２ストローク量は、第１ストローク量よりも大きく、且つ、第３ストローク量よりも小さい。具体的には、第２ストローク量は第１ストローク量の２倍の大きさであり、第３ストローク量は第１ストローク量の４倍の大きさである。

付勢部材２１２は、第１部材２０８の支持部２０８ａと蓄熱体２０３の底部との間に設けられている。本実施の形態では、付勢部材２１２は、皿ばねで構成されている。この付勢部材２１２の付勢力によって、第１部材２０８の支持部２０８ａは、作動部材２１１側に向けて弾性的に押圧される。

図４及び図５に示すように、本実施の形態の液体吐出装置１０は、さらに、液体吐出ヘッド２０に液体を供給する供給部１１０と、作動部材２１１の動作を制御する作動制御部１１１と、を備えている。

供給部１１０は、シリンジ１１２及びプランジャ１１３を備えている。シリンジ１１２は筒状の容器であり、ヘッド本体２０１に設けられたホルダ２０４に保持されている。シリンジ１１２の内部には、プランジャ１１３が摺動自在に設けられている。このプランジャ１１３によって、シリンジ１１２の内部は、液体が充填された液体室１１４と、空気が密閉された圧力調整室１１５とに区画されている。液体室１１４には、液体供給源１１６より供給された液体が充填される。圧力調整室１１５には、エアーコンプレッサ１１７より供給された圧縮空気が充填される。シリンジ１１２の先端部は、チューブ部材１１８を介して継手部材２１７に接続されている。これにより、シリンジ１１２の液体室１１４は、チューブ部材１１８及び継手部材２１７を介して第２部材２０９の供給孔２１９の流入部２１９ａと連通される。なお、チューブ部材１１８は、継手部材２１７に対して着脱自在に接続されている。

圧力調整室１１５に供給された圧縮空気の圧力によって、プランジャ１１３がシリンジ１１２内を液体室１１４側に摺動される。これにより、液体室１１４内の液体がプランジャ１１３によって加圧され、その圧力は大気圧よりも大きい一定の圧力となる。このように大気圧以上の圧力を有する液体は、チューブ部材１１８、継手部材２１７、供給孔２１９の流入部２１９ａ及び流出部２１９ｂを通して貯留室２１５に直接供給される。

なお、液体吐出ヘッド２０の貯留室２１５に対して供給部１１０が液体を供給するタイミングの制御は、図示しない供給制御部により行われる。また、液体吐出ヘッド２０から液体が吐出されるサイクルが比較的遅い場合には、供給部１１０から液体吐出ヘッド２０の貯留室２１５への液体の供給は、液体の吐出毎に必ずしも行わなくてもよい。

なお、本実施の形態では、シリンジ１１２は、液体吐出ヘッド２０と同じ高さの位置に配置されているが、液体吐出ヘッド２０より高い位置に配置されていてもよく、あるいは、液体吐出ヘッド２０より低い位置に配置されていてもよい。シリンジ１１２を液体吐出ヘッド２０より高い位置に配置することにより、供給部１１０から液体吐出ヘッド２０へ大気圧以上に加圧された液体を供給することが容易となる。また、シリンジ１１２を液体吐出ヘッド２０より低い位置に配置することにより、吐出孔２１８から液体が吐出される際の液だれを防止するために、負圧源（図示せず）から圧力調整室１１５へ負圧を印加する構成を不要とすることができる。

作動制御部１１１は、第１電極２２０ａ、第２電極２２０ｂ及び第３電極２２０ｃの各々に印加される電圧をそれぞれ独立して制御する。これにより、第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃの各々は独立して、押圧方向に伸縮可能である。

液体吐出ヘッド２０から液体を吐出するときには、作動制御部１１１は、第１電極２２０ａ、第２電極２２０ｂ及び第３電極２２０ｃの全部又は一部に電圧を印加する。これにより、図５に示すように、第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃの全部又は一部が伸長され、作動部材２１１は全体として押圧方向に伸長される。このとき、第１部材２０８は、作動部材２１１の伸長力によって、第２部材２０９に近接する押圧方向に変位される。

液体吐出ヘッド２０から液体を吐出しないときには、作動制御部１１１は、第１電極２２０ａ、第２電極２２０ｂ及び第３電極２２０ｃの全部又は一部への電圧の印加を解除する。これにより、図４に示すように、第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃの全部又は一部が収縮され（戻され）、作動部材２１１は全体として押圧方向に収縮される。このとき、第１部材２０８は、付勢部材２１２の付勢力によって、第２部材２０９から離隔する押圧方向に変位される。

従って、作動制御部１１１が所定のサイクルで作動部材２１１の各電極に対する電圧の印加と解除とを繰り返すことにより、液体吐出ヘッド２０からの液体の吐出が上記所定のサイクルで行われる。

ここで、ストローク量がそれぞれ異なる第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃを駆動（伸縮）させる組み合わせを選択して制御することにより、第１部材２０８を７通りの変位量で変位させることができ、液体の吐出量を７通りに変更することができる。即ち、第１圧電素子２１１ａのみを駆動させたときの第１部材２０８の変位量を「１」としたとき、第２圧電素子２１１ｂのみを駆動させたときの第１部材２０８の変位量は「２」となり、第１圧電素子２１１ａ及び第２圧電素子２１１ｂを駆動させたときの第１部材２０８の変位量は「３」となる。また、第３圧電素子２１１ｃのみを駆動させたときの第１部材２０８の変位量は「４」となり、第１圧電素子２１１ａ及び第３圧電素子２１１ｃを駆動させたときの第１部材２０８の変位量は「５」となる。さらに、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃを駆動させたときの第１部材２０８の変位量は「６」となり、第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃを全て駆動させたときの第１部材２０８の変位量は「７」となる。

次に、本実施の形態の液体吐出ヘッド２０による液体吐出方法について説明する。図４に示すように、液体の吐出直前の状態では、貯留室２１５には液体が充填されている。また、作動部材２１１の各電極２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃには電圧が印加されておらず、作動部材２１１は全体として収縮されている。この状態では、第１部材２０８の支持部２０８ａは、付勢部材２１２の付勢力によって作動部材２１１側に向けて弾性的に押圧されている。これにより、第１部材２０８は、第２部材２０９に対して離隔する押圧方向に変位されるので、第１部材２０８による弾性部材２１０の押圧が解除されている。

液体の吐出直前の状態では、さらに、加熱部材２０５によって蓄熱体２０３が所定の温度（例えば、３０〜８０℃）まで加熱される。蓄熱体２０３の熱は、第２部材２０９を介して吐出孔２１８に充填された液体に伝達される。これにより、吐出孔２１８に充填された液体の温度が上昇して所定の温度に保たれるので、液体の粘度が相対的に低下して安定する。このように液体の粘度が一定に保たれることにより、メニスカスの形状（即ち、吐出孔２１８の吐出部２１８ｂ内の液体の表面によって形成される凸状又は凹状の曲面形状）をよりスムーズに安定させることができる。なお、後述する液体吐出ステップ及び液体供給ステップにおいても、加熱部材２０５によって蓄熱体２０３の温度が上記所定の温度に保たれる。

液体吐出ヘッド２０から液体を吐出する際には、作動制御部１１１が作動部材２１１の各電極２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃの全部又は一部に電圧を印加することにより、図５に示すように、作動部材２１１は、付勢部材２１２の付勢力に抗して伸長される。これにより、第１部材２０８の支持部２０８ａは、作動部材２１１の伸長力によって第２部材２０９側に向けて押圧されるので、第１部材２０８は、第２部材２０９に対して近接する押圧方向に所定の変位量だけ変位される。この状態では、弾性部材２１０は、第１部材２０８により第２部材２０９側に押圧されて弾性変形され、第１部材２０８は、貯留室２１５内の液体を押圧する。これにより、貯留室２１５の容積が減少するので、貯留室２１５内の液体に圧力が加わり、貯留室２１５内の液体が吐出孔２１８の吐出部２１８ｂより液滴状に吐出される（液体吐出ステップ）。

液体の吐出が完了した際には、作動制御部１１１による作動部材２１１の各電極２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃの全部又は一部への電圧の印加が解除されることにより、図４に示すように、作動部材２１１は全体として収縮される。これにより、第１部材２０８は、付勢部材２１２の付勢力によって第２部材２０９に対して離隔する押圧方向に変位され、第１部材２０８による弾性部材２１０の押圧が解除される。弾性部材２１０の弾性変形が復元されることにより、貯留室２１５の容積が増大する。これにより、貯留室２１５内の液体に作用する圧力が低下し、また、このタイミングに対応して液体を加圧することにより、液体室１１４内の液体（換言すると、貯留室２１５の外部の液体）が第１部材２０８に対して押圧方向に対向して配置されている第２部材２０９の供給孔２１９を通して貯留室２１５に直接外部より供給される（液体供給ステップ）。

上述した液体吐出ステップ及び液体供給ステップが交互に繰り返し行われることによって、液体吐出ヘッド２０の吐出孔２１８の吐出部２１８ｂから液体が対象物１０９に向けて液滴状に吐出される。これにより、液体が対象物１０９上にドット状に付着し、例えば対象物１０９上に所望のパターン又は薄膜等を形成することができる。

本実施の形態の液体吐出ヘッド２０では、次のような効果が得られる。液体の吐出量を変更する際には、上述したように、作動制御部１１１は、第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃを駆動させる組み合わせを選択する。液体の吐出量を大滴（例えば、約７０ｎｌ（ナノリットル））に変更する場合には、作動制御部１１１は、例えば第１圧電素子２１１ａ、第２圧電素子２１１ｂ及び第３圧電素子２１１ｃを全て駆動させる。このとき、第１部材２０８の変位量は、例えば約１４μｍとなる。液体の吐出量を中滴（例えば、約３０ｎｌ）に変更する場合には、作動制御部１１１は、例えば第１圧電素子２１１ａ及び第２圧電素子２１１ｂを駆動させる。このとき、第１部材２０８の変位量は、例えば約６μｍとなる。さらに、液体の吐出量を小滴（例えば、約１０ｎｌ）に変更する場合には、作動制御部１１１は、例えば第１圧電素子２１１ａのみを駆動させる。このとき、第１部材２０８の変位量は、例えば約２μｍとなる。

液体の吐出量を大幅に変更する際には、第２部材２０９を交換することにより、供給孔２１９の流出部２１９ｂの直径ｄ１及び吐出孔２１８の吐出部２１８ｂの直径ｄ２をそれぞれ、液体の吐出量に対応した直径に変更することができる。供給孔２１９の流出部２１９ｂの直径ｄ１及び吐出孔２１８の吐出部２１８ｂの直径ｄ２がそれぞれ異なる複数の第２部材２０９を予め準備しておき、複数の第２部材２０９の中から液体の吐出量に対応する第２部材２０９を一つ選択してヘッド本体２０１に取り付ければよい。なお、第２部材２０９を交換する際には、４本のネジ２１３を第２部材２０９から取り外すとともに、チューブ部材１１８を継手部材２１７から取り外す。

より具体的に説明すると、液体の吐出量の範囲をさらに拡大するため、大滴及び小滴の液体を吐出制御する作動制御部１１１の各圧電素子の駆動の組み合わせを例えば上述と同様に行いながら、液体の吐出量を大幅に変更する場合、交換する第２部材２０９の供給孔２１９及び吐出部２１８ｂは、下記のように変更する。

液体の吐出量をさらに、大滴（例えば、約８０ｎｌ）に変更する場合には、例えば供給孔２１９の流出部２１９ｂの直径ｄ１を約０．３３ｍｍ、吐出孔２１８の吐出部２１８ｂの直径ｄ２を約０．３３ｍｍに変更する。また、液体の吐出量をさらに、小滴（例えば、約７ｎｌ）に変更する場合には、例えば供給孔２１９の流出部２１９ｂの直径ｄ１を約０．１３ｍｍ、吐出孔２１８の吐出部２１８ｂの直径ｄ２を約０．１３ｍｍに変更する。

従って、本実施の形態の液体吐出ヘッド２０では、供給孔２１９及び吐出孔２１８が第２部材２０９に設けられているとともに、第２部材２０９がヘッド本体２０１に対して着脱自在に取り付けられているので、液体の吐出量に応じて供給孔２１９の流出部２１９ｂの直径ｄ１及び吐出孔２１８の吐出部２１８ｂの直径ｄ２をそれぞれ容易に変更することができる。これにより、液体の吐出量を大きく変更した場合であっても、供給孔２１９及び吐出孔２１８をそれぞれ流れる流体に作用する流体抵抗のバランスを保つことができるので、液体の吐出量のダイナミックレンジを拡大することができる。

以上、本発明の一つ又は複数の態様に係る液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つ又は複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

上記実施の形態では、ストローク量の異なる複数（本実施の形態では３個）の圧電素子を押圧方向に積層することにより作動部材を構成したが、ストローク量の同じ複数の圧電素子を押圧方向に積層することにより作動部材を構成することもできる。

上記実施の形態では、４本のネジにより第２部材をヘッド本体に着脱自在に取り付けたが、第２部材の取付方法はこれに限定されない。例えば、第２部材の上面及びヘッド本体の下面にそれぞれネジ溝を設け、両者のネジ溝を相互に合わせた状態で第２部材をヘッド本体に対して所定方向に回転させることにより、第２部材をヘッド本体に対して着脱自在に取り付けることができる。

上記実施の形態では、第２部材に吐出孔の吐出部がその下面に開口する凸部を設けたが、例えば第２部材と対象物との距離が短い場合には、この凸部を省略し、単に第２部材の下面側に液滴を吐出する吐出部を開口させた形態としてもよい。

また、第２部材に設けられる吐出部の開口の位置は、第２部材の下面に限らず、第２部材の側面等に設け、例えば第１部材が変位する押圧方向に交差する方向であってもよい。これにより、液体の液滴の吐出方向の自由度が拡大する。

本発明は、各種のデバイスの製造過程において、種々のパターン及び薄膜を形成するための液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法として適用することができる。また、本発明は、例えば発光ダイオードの製造過程において、固形の蛍光体が分散された液体を発光ダイオードの発光部に吐出することにより、青色発光ダイオードから白色光を発光させる膜を形成するための液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法としても適用することができる。

１０ 液体吐出装置
２０ 液体吐出ヘッド
１０１ 装置基台
１０２ ヘッド
１０３ ステージ
１０４ ヘッド移動機構
１０５ キャリッジ軸
１０６ キャリッジ
１０７ ステージ移動機構
１０８ａ，１０８ｂ ステージ軸
１０９ 対象物
１１０ 供給部
１１１ 作動制御部
１１２ シリンジ
１１３ プランジャ
１１４ 液体室
１１５ 圧力調整室
１１６ 液体供給源
１１７ エアーコンプレッサ
２０１ ヘッド本体
２０２ 保持体
２０３ 蓄熱体
２０４ ホルダ
２０５ 加熱部材
２０６ 断熱部材
２０７ ネジ
２０８ 第１部材
２０８ａ 支持部
２０９ 第２部材
２１０ 弾性部材
２１１ 作動部材
２１１ａ 第１圧電素子
２１１ｂ 第２圧電素子
２１１ｃ 第３圧電素子
２１２ 付勢部材
２１３ ネジ
２１４ 貯留室形成用凹部
２１５ 貯留室
２１６ 凸部
２１７ 継手部材
２１８ 吐出孔
２１９ 供給孔
２１９ａ 流入部
２１９ｂ 流出部
２２０ａ 第１電極
２２０ｂ 第２電極
２２０ｃ 第３電極

Claims (6)

1. 液体を押圧することにより液体を液滴状に吐出する液体吐出ヘッドであって、
   液体を押圧する第１部材と、
   前記第１部材に対向して配置され、液体が貯留される貯留室を前記第１部材とともに形成する第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との間に配置されて前記貯留室の外周部を規定し、前記第１部材により前記第１部材側から前記第２部材側に向かう押圧方向に押圧されて弾性変形されることによって、前記貯留室の容積を変化させる弾性部材と、
   前記押圧方向に伸縮することにより、前記第１部材を前記第２部材に対して近接及び離隔する前記押圧方向に相対的に変位させ、前記弾性部材を弾性変形させる作動部材と、
   前記第１部材及び前記作動部材を内部に収容するヘッド本体と、を備え、
   前記第２部材は、前記ヘッド本体に対して着脱自在に取り付けられ、
   前記第２部材には、液体を前記貯留室に外部から直接供給する供給孔と、前記貯留室内の液体を外部に吐出する吐出孔とが設けられている
   液体吐出ヘッド。
2. 前記作動部材は、前記押圧方向に積層された複数の圧電素子を有し、
   前記複数の圧電素子の各々は独立して、前記押圧方向に伸縮可能である
   請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記供給孔は、外部から液体が流入する流入部及び前記貯留室に液体が流出する流出部を有し、
   前記流入部は、前記押圧方向に対して略垂直な方向に延び、
   前記流出部は、前記押圧方向に対して略平行な方向に延びている
   請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第２部材には、前記供給孔に連通される継手部材が設けられ、
   前記継手部材には、液体を前記供給孔に供給するためのチューブ部材が着脱自在に接続される
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
   大気圧以上の圧力を有する液体を前記液体吐出ヘッドの供給孔に供給する供給部と、
   前記液体吐出ヘッドの作動部材の動作を制御する作動制御部と、を備える
   液体吐出装置。
6. 液体を押圧する第１部材と、
   前記第１部材に対向して配置され、液体が貯留される貯留室を前記第１部材とともに形成し、外部から液体を前記貯留室に直接供給する供給孔及び前記貯留室内の液体を外部に吐出する吐出孔を有する第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との間に配置されて前記貯留室の外周部を規定し、前記第１部材により前記第１部材側から前記第２部材側に向かう押圧方向に押圧されて弾性変形されることによって、前記貯留室の容積を変化させる弾性部材と、
   前記押圧方向に伸縮することにより、前記第１部材を前記第２部材に対して近接及び離隔する前記押圧方向に相対的に変位させ、前記弾性部材を弾性変形させる作動部材と、
   前記第１部材及び前記作動部材を内部に収容し、前記第２部材が着脱自在に取り付けられるヘッド本体と、を備える液体吐出ヘッドを用いて、液体を押圧することにより液体を液滴状に吐出する液体吐出方法であって、
   前記作動部材を前記押圧方向に伸長又は収縮させることにより、前記第１部材を前記第２部材に対して近接する前記押圧方向に相対的に変位させ、前記弾性部材を弾性変形させて前記貯留室の容積を減少させ、前記第２部材の前記供給孔より外部から前記貯留室に直接供給された前記貯留室内の液体を前記第２部材の前記吐出孔より外部に吐出する液体吐出ステップと、
   前記作動部材を前記押圧方向に収縮又は伸長させることにより、前記第１部材を前記第２部材に対して離隔する前記押圧方向に相対的に変位させ、前記弾性部材の弾性変形を復元させて前記貯留室の容積を増大させ、液体を前記第２部材の前記供給孔より前記貯留室に直接供給する液体供給ステップと、を含む
   液体吐出方法。

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