JP2019025694A - 液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体吐出装置において、粘度の高い液体を取り扱い可能であり、かつ、ノズルから液体が漏れることを抑制可能な技術を提供する。【解決手段】液体吐出装置は、液体を吐出するためのノズル４１に連通する液室４２と、液室の容積を変更するための容積変更部と、液室に接続され、液室に液体を流入させる流入路３１と、液体を排出する排出路と、流入路の流路抵抗を変更するための第１流路抵抗変更部４４と、流入路に液体を加圧して供給する液体供給部と、流入路を迂回して液体供給部から供給された液体を排出路に流すバイパス流路３３と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、液体吐出装置に関する。

液体を吐出する液体吐出装置に関し、例えば、特許文献１に記載の装置では、ノズルに連通するインク室の容積をアクチュエーターを用いて変動させることにより、ノズルからインクを吐出させている。

特開２０１１−２１３０９４号公報

特許文献１に記載の装置において、ノズルから液体を吐出させないタイミングにおいてノズルからインクが漏れることを防止するためには、インク室に供給するインクの圧力を、ノズルのメニスカス耐圧よりも小さくする必要があり、大きな圧力を加えることができない。そのため、特許文献１に記載の装置では、供給時に例えば粘度の高い液体を加圧して高速にインク室に液体を充填することが困難である。そこで、発明者らはインクの供給圧力を高めるために、インク室の入口に弁を設け、ノズルから液体を吐出しないタイミングにおいて、この弁を閉じることで、ノズルからのインク漏れを抑制する手法を検討した。しかし、弁を完全に遮断することは困難であるため、インクの供給時に大きな圧力を加えると、弁からインクがインク室側に漏れ、その結果、ノズルからもインクが漏れる可能性があるという問題を見出した。そのため、粘度の高い液体を取り扱い可能であり、かつ、ノズルから液体が漏れることを抑制可能な技術が望まれる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、液体吐出装置が提供される。この液体吐出装置は、液体を吐出するためのノズルに連通する液室と；前記液室の容積を変更するための容積変更部と；前記液室に接続され、前記液室に前記液体を流入させる流入路と；前記液体を排出する排出路と；前記流入路の流路抵抗を変更するための第１流路抵抗変更部と；前記流入路に前記液体を加圧して供給する液体供給部と；前記流入路を迂回して前記液体供給部から供給された前記液体を前記排出路に流すバイパス流路と；を備える。このような形態の液体吐出装置であれば、第１流路抵抗変更部によって流入路の流路抵抗を大きくした場合に、加圧供給された液体をバイパス流路に流すことができるので、流入路の流路抵抗を大きくした場合において流入路から液室側に液体が漏れることを抑制できる。そのため、粘度の高い液体を高速に液室に充填することが可能であり、かつ、ノズルから液体が漏れることを抑制できる。

（２）上記形態の液体吐出装置は、前記液室に接続され、前記液室から前記液体を前記排出路に流す流出路を備えてもよい。このような形態の液体吐出装置であれば、液体の沈降成分が液室内に堆積することを抑制したり、液室内に混入した気泡を排出したりすることができる。

（３）上記形態の液体吐出装置は、前記流出路の流路抵抗を変更するための第２流路抵抗変更部を備えてもよい。このような形態の液体吐出装置であれば、液体を吐出させる最に流出路の流路抵抗を大きくすることによって、液室内の圧力を効率的に高めることができる。

（４）上記形態の液体吐出装置は、前記バイパス流路の流路抵抗を変更するための第３流路抵抗変更部を備えてもよい。このような形態の液体吐出装置であれば、液室に液体を充填する際にバイパス流路の流路抵抗を大きくすることによって、液室内に液体を効率的に充填することができる。

（５）上記形態の液体吐出装置において、前記液体供給部は、定量ポンプであってもよい。このような形態の液体吐出装置であれば、簡易な構成で、粘度の高い液体を取り扱い可能であり、かつ、ノズルから液体が漏れることを抑制できる。

本発明は、上述した液体吐出装置としての形態以外にも、種々の形態で実現することが可能である。例えば、液体吐出装置によって実行される液体吐出方法や、液体吐出装置を制御するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムが記録された一時的でない有形な記録媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態における液体吐出装置の概略構成を示す説明図である。 ヘッド部の概略構成を示す第１の説明図である。 ヘッド部の概略構成を示す第２の説明図である。 制御部が実行する吐出制御の制御内容を示す工程図である。 第２実施形態におけるヘッド部の概略構成を示す第１の説明図である。 第２実施形態におけるヘッド部の概略構成を示す第２の説明図である。 第３実施形態におけるヘッド部の概略構成を示す説明図である。 第４実施形態におけるヘッド部の概略構成を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における液体吐出装置１００の概略構成を示す説明図である。液体吐出装置１００は、タンク１０と、液体供給部２０と、供給路３０と、ヘッド部４０と、排出路５０と、液体貯留部６０と、負圧発生源７０と、制御部８０と、を備える。

タンク１０には液体が収容されている。液体としては、例えば、所定の粘度を有するインクが収容される。タンク１０内の液体は液体供給部２０により加圧され、供給路３０を通じてヘッド部４０に供給される。本実施形態における液体供給部２０は、一定流量の液体を供給可能な定量ポンプである。定量ポンプとしては、脈動の少ないギアポンプを採用することが可能である。また、例えば、供給路３０の一部に脈動を吸収するためのバッファータンクを設けることにより、ダイヤフラム型やプランジャー型の各種定量ポンプを用いることも可能である。

供給路３０を通じてヘッド部４０に供給された液体は、ヘッド部４０により吐出される。ヘッド部４０の動作は、制御部８０により制御される。制御部８０は、ＣＰＵとメモリーとを備えるコンピューターとして構成されており、メモリーに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、ヘッド部４０の動作を制御する。プログラムは、一時的でない有形な記録媒体に記録されていてもよい。

ヘッド部４０によって吐出されなかった液体は、排出路５０を通じて液体貯留部６０に排出される。液体貯留部６０には、各種ポンプによって構成可能な負圧発生源７０が接続されている。負圧発生源７０は、液体貯留部６０内を負圧にすることにより、排出路５０を通じてヘッド部４０から液体を吸引する。上記のように、本実施形態では、ヘッド部４０から吐出されなかった液体がヘッド部４０から排出路５０に排出されるので、ヘッド部４０内に液体内の沈降成分が堆積することを抑制することができる。なお、負圧発生源７０は省略することも可能である。

本実施形態では、液体貯留部６０とタンク１０とは、循環流路９０によって接続されている。液体貯留部６０に貯留された液体は、循環流路９０を通じてタンク１０に戻され、再び、液体供給部２０によってヘッド部４０に供給される。循環流路９０には、液体貯留部６０から液体を吸引するためのポンプが備えられていてもよい。また、循環流路９０には、異物除去フィルターや脱気モジュールが備えられていてもよい。なお、循環流路９０を省略し、液体吐出装置１００を、液体を循環させない構成とすることも可能である。

図２は、ヘッド部４０の概略構成を示す第１の説明図である。図２の下方が重力方向下向きであるものとする。ヘッド部４０は、ノズル４１と液室４２と容積変更部４３と第１流路抵抗変更部４４とを備えている。液室４２は、液体が供給される部屋である。液室４２は、液体を外部に吐出するためのノズル４１に連通している。液室４２には、液室４２に液体を流入させるための流入路３１が接続されている。流入路３１には、供給路３０（図１）を通じて液体が流入する。

液室４２の天面４５は、振動板や弾性ゴムなどの弾性変形可能な部材によって構成されている。この天面４５の上部には、液室４２の容積を変更するための容積変更部４３が設けられている。容積変更部４３は、天面４５を上下方向に移動させることによって液室４２の容積を変更することができる。本実施形態では、容積変更部４３として、上下方向に伸張可能なピエゾアクチュエーターを用いる。

本実施形態では、流入路３１の天面３２の一部が、振動板や弾性ゴムなどの弾性変形可能な部材によって構成されている。この天面３２の上部には、供給路３０の流路抵抗を変更するための第１流路抵抗変更部４４が設けられている。第１流路抵抗変更部４４は、天面３２を上下方向に移動させることによって流入路３１の流路断面積を変更することができる。本実施形態では、第１流路抵抗変更部４４として、上下方向に伸張可能なピエゾアクチュエーターを用いる。図２に示したヘッド部４０の構造を、以下では吐出構造という。

図３は、ヘッド部４０の概略構成を示す第２の説明図である。図３の紙面奥行き方向が重力方向下向きであるものとする。図３に示すように、本実施形態におけるヘッド部４０は、図２で説明した吐出構造を複数組備えている。より具体的には、ヘッド部４０には、第１流路抵抗変更部４４、液室４２およびノズル４１を含む吐出構造が、水平方向に隣り合って５組配置されている。各液室４２に接続される流入路３１は、共通した供給路３０に接続されている。つまり、本実施形態では、１つの供給路３０から５つの流入路３１が分岐している。

本実施形態では、供給路３０には、バイパス流路３３が接続されている。バイパス流路３３は、各流入路３１を迂回して液体供給部２０から供給された液体を排出路５０に流す流路である。本実施形態では、ノズル４１から液体を吐出するか否かにかかわらず、バイパス流路３３には、常時、液体が流れる。バイパス流路３３の流路抵抗は、第１流路抵抗変更部４４によって流路抵抗を最も小さくした各流入路３１の合成流路抵抗よりも大きく、第１流路抵抗変更部４４によって流路抵抗を最も大きくした各流入路３１の合成流路抵抗よりも小さく設定されている。

図４は、制御部８０が実行する吐出制御の制御内容を示す工程図である。液体を吐出しない待機工程では、制御部８０は、第１流路抵抗変更部４４を制御して流入路３１の流路抵抗を大きくし、流入路３１を閉塞させる。本実施形態では、ヘッド部４０にバイパス流路３３（図３）が設けられている。そのため、待機工程では、供給路３０からヘッド部４０に供給された液体は、流入路３１には流入せず、バイパス流路３３を通って、排出路５０から排出される。

続いて、制御部８０は、液室４２に液体を充填する充填工程を行う。この充填工程では、制御部８０は、第１流路抵抗変更部４４を制御して流入路３１の流路抵抗を小さくし、更に、容積変更部４３を制御して液室４２の容積を大きくする。こうすることによって、液室４２内に液体が充填される。この第１充填工程中においても、液体の一部はバイパス流路３３に流れるが、バイパス流路３３の流路抵抗は、各流入路３１の合成流路抵抗よりも小さくなるように設定されているため、待機工程と比較してバイパス流路３３を流れる液体の流量は少なくなる。

第１充填工程によって液室４２に液体を充填すると、制御部８０は、吐出工程を行う。この吐出工程では、制御部８０は、第１流路抵抗変更部４４を制御して流入路３１の流路抵抗を大きくした上で、容積変更部４３を制御して液室４２の容積を小さくすることによって液室４２内の圧力を高める。すると、液室４２内の圧力がノズル４１内の液体のメニスカス耐圧を超えて、ノズル４１から液体が吐出される。本実施形態では、流入路３１の流路抵抗を大きくした上で、液室４２の容積を小さくするので、液室４２内の圧力を効率的に高めることができる。この吐出工程中においても、バイパス流路３３には液体が流れる。

吐出工程によって液室４２から液体を吐出させると、制御部８０は、尾切り工程を行う。この尾切り工程では、制御部８０は、流入路３１の流路抵抗が大きい状態を保持したまま、容積変更部４３を制御して、液室４２の容積を待機工程時と同様の大きさに大きくする。すると、吐出工程において高まった液室４２の圧力が開放されるので、ノズル４１から吐出された液体の尾切りを効果的に行うことができる。この尾切り工程においても、バイパス流路３３には液体が流れる。なお、この尾切り工程は、液体が尾を引かない程度の粘度であれば省略することも可能である。制御部８０は、以上で説明した工程を繰り返し実行することにより、ノズル４１から液滴状の液体を連続的に吐出させることができる。

以上で説明した本実施形態の液体吐出装置１００によれば、ヘッド部４０にバイパス流路３３が設けられているので、液体を吐出しない非吐出時には、液体は、流路抵抗が高められた流入路３１を迂回して、バイパス流路３３を通じて排出される。そのため、ヘッド部４０に供給する液体の圧力を高めることができる。この結果、粘度の高い液体を高速に液室４２に充填することが容易になる。また、第１流路抵抗変更部４４によって流入路３１を完全に閉塞できない場合であっても、液体は、流路抵抗の高い流入路よりも流路抵抗の低いバイパス流路３３に流れるため、液体が液室４２内に入り込んでノズル４１から漏れることを抑制できる。つまり、本実施形態の液体吐出装置１００によれば、粘度の高い液体を高周波数で吐出することが可能であり、かつ、ノズル４１から液体が漏れることを抑制でき、安定的に吐出サイクルを実現できる。

なお、本実施形態において、流入路３１の入口に加わる液体の圧力は、バイパス流路３３の流路抵抗が大きいほど高くなり、また、液体供給部２０（定量ポンプ）の流速が大きいほど高くなる。そのため、流入路３１の入口に加わる液体の圧力が、流入路３１の流路抵抗にかかわらず、ノズル４１のメニスカス耐圧を超えないように、バイパス流路３３の流路抵抗および定量ポンプの流速を設定することにより、圧力センサーなどを設けて液体の精密な圧力制御を行うことなく、簡易な構成でノズルからの液体の漏れを抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態におけるヘッド部４０Ｂの概略構成を示す第１の説明図である。また、図６は、第２実施形態におけるヘッド部４０Ｂの概略構成を示す第２の説明図である。第２実施形態におけるヘッド部４０Ｂは、液室４２に流出路３４が接続されている点で、第１実施形態と異なる。流出路３４は、液室４２に接続され、液室４２から液体を排出路５０に流す流路である。流出路３４の流路抵抗は、例えば、液室４２の流路抵抗よりも十分に大きく設定されている。

このような第２実施形態によれば、液室４２と排出路５０とが流出路３４を通じて連通しているため、液室４２内の液体は、ノズル４１から吐出されるだけではなく、流出路３４からも一定量流出する。そのため、液室４２内に液体の沈降成分が堆積することを抑制したり、液室４２内に混入した気泡を排出路５０に排出したりすることができるので、ノズル４１の目詰まりや不吐出を抑制することができる。

Ｃ．第３実施形態：
図７は、第３実施形態におけるヘッド部４０Ｃの概略構成を示す説明図である。第３実施形態におけるヘッド部４０Ｃは、第２実施形態（図５，６）と同様に、流出路３４を備えている。そして、第３実施形態では、この流出路３４に、流出路３４の流路抵抗を変更するための第２流路抵抗変更部４６が備えられている。第２流路抵抗変更部４６の構成は、第１流路抵抗変更部４４と同様であるため詳細な説明は省略する。

このような第３実施形態によれば、制御部８０は、液体の充填工程（図４）において第２流路抵抗変更部４６を制御して流出路３４の流路抵抗を大きくすることにより、液体を液室４２に効率的に充填することができる。また、制御部８０は、液体の吐出工程において第２流路抵抗変更部４６を制御して流出路３４の流路抵抗を大きくすることにより、液室４２内の圧力を効率的に高めることができる。そのため、液体を効率的に吐出することができる。その他の工程においては、制御部８０は、第２流路抵抗変更部４６を制御して流出路３４の流路抵抗を小さくすることにより、液室４２内の液体を排出路５０に流すことができる。そのため、第２実施形態と同様に、液室４２内に液体の沈降成分が堆積することを抑制したり、液室４２内に混入した気泡を排出路５０に排出したりすることができるので、ノズル４１の目詰まりや不吐出を抑制することができる。

Ｄ．第４実施形態：
図８は、第４実施形態におけるヘッド部４０Ｄの概略構成を示す説明図である。第４実施形態におけるヘッド部４０Ｄは、バイパス流路３３に、バイパス流路３３の流路抵抗を変更するための第３流路抵抗変更部４７を備えている。第３流路抵抗変更部４７の構成は、第１流路抵抗変更部４４と同様であるため詳細な説明は省略する。

このような第４実施形態によれば、制御部８０は、液体の充填工程（図４）において、バイパス流路３３の流路抵抗を大きくすることにより、液体を効率的に液室４２に充填することができる。また、その他の工程では、バイパス流路３３の流路抵抗を小さくすることにより、液体を、バイパス流路３３を通じて排出することができるので、第１実施形態と同様に、粘度の高い液体を取り扱い可能であり、かつ、ノズル４１から液体が漏れることを抑制できる。なお、この第４実施形態における第３流路抵抗変更部４７は、上述した第１実施形態から第３実施形態のどの実施形態におけるバイパス流路３３にも適用可能である。

Ｅ．他の実施形態：
上記実施形態では、各流入路３１に対して個別に第１流路抵抗変更部４４が設けられている。これに対して、複数の流入路３１に対して１つの第１流路抵抗変更部を設け、複数の流入路３１の流路抵抗をまとめて変更可能な構成としてもよい。また、第２流路抵抗変更部４６についても、複数の流出路３４に対して１つ設けることにより、複数の流出路３４の流路抵抗をまとめて変更可能な構成としてもよい。

上記実施形態において、ヘッド部４０は、複数の吐出構造を有している。しかし、ヘッド部４０は、吐出構造を１つのみ備えてもよい。

上記実施形態において、ヘッド部４０には、バイパス流路３３が１つのみ設けられている。しかし、バイパス流路３３は、複数設けられていてもよい。

上記実施形態では、液体供給部２０として定量ポンプを用いている。しかし、液体供給部２０は、定量ポンプに限らず、一定の圧力で液体を供給するポンプなど、種々のポンプを採用可能である。

上記実施形態における、容積変更部４３、第１流路抵抗変更部４４、第２流路抵抗変更部４６、第３流路抵抗変更部４７は、ピエゾアクチュエーターに限らず、エアシリンダーやソレノイド、磁歪材料などの他のアクチュエーターやカム機構等によって構成してもよい。

本発明は、インクを吐出する液体吐出装置に限らず、インク以外の他の液体を吐出する任意の液体吐出装置にも適用することができる。例えば、以下のような各種の液体吐出装置に本発明は適用可能である。
（１）ファクシミリ装置等の画像記録装置。
（２）液晶ディスプレイ等の画像表示装置用のカラーフィルターの製造に用いられる色材吐出装置。
（３）有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイや、面発光ディスプレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＦＥＤ）等の電極形成に用いられる電極材吐出装置。
（４）バイオチップ製造に用いられる生体有機物を含む液体を吐出する液体吐出装置。
（５）精密ピペットとしての試料吐出装置。
（６）潤滑油の吐出装置。
（７）樹脂液の吐出装置。
（８）時計やカメラ等の精密機械にピンポイントで潤滑油を吐出する液体吐出装置。
（９）光通信素子等に用いられる微小半球レンズ（光学レンズ）などを形成するために紫外線硬化樹脂液等の透明樹脂液を基板上に吐出する液体吐出装置。
（１０）基板などをエッチングするために酸性又はアルカリ性のエッチング液を吐出する液体吐出装置。
（１１）他の任意の微小量の液滴を吐出させる液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置。

なお、「液滴」とは、液体吐出装置から吐出される液体の状態をいい、粒状、涙状、糸状に尾を引くものも含むものとする。また、ここでいう「液体」とは、液体吐出装置が消費できるような材料であればよい。例えば、「液体」は、物質が液相であるときの状態の材料であれば良く、粘性の高い又は低い液状態の材料、及び、ゾル、ゲル水、その他の無機溶剤、有機溶剤、溶液、液状樹脂、液状金属（金属融液）のような液状態の材料も「液体」に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散または混合されたものなども「液体」に含まれる。液体の代表的な例としてはインクや液晶等が挙げられる。ここで、インクとは一般的な水性インクおよび油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種の液体状組成物を包含するものとする。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…タンク、２０…液体供給部、３０…供給路、３１…流入路、３２…天面、３３…バイパス流路、３４…流出路、４０，４０Ｂ〜４０Ｄ…ヘッド部、４１…ノズル、４２…液室、４３…容積変更部、４４…第１流路抵抗変更部、４５…天面、４６…第２流路抵抗変更部、４７…第３流路抵抗変更部、５０…排出路、６０…液体貯留部、７０…負圧発生源、８０…制御部、９０…循環流路、１００…液体吐出装置

Claims (5)

1. 液体吐出装置であって、
   液体を吐出するためのノズルに連通する液室と、
   前記液室の容積を変更するための容積変更部と、
   前記液室に接続され、前記液室に前記液体を流入させる流入路と、
   前記液体を排出する排出路と、
   前記流入路の流路抵抗を変更するための第１流路抵抗変更部と、
   前記流入路に前記液体を加圧して供給する液体供給部と、
   前記流入路を迂回して前記液体供給部から供給された前記液体を前記排出路に流すバイパス流路と、
   を備える液体吐出装置。
2. 請求項１に記載の液体吐出装置であって、
   前記液室に接続され、前記液室から前記液体を前記排出路に流す流出路を備える、液体吐出装置。
3. 請求項２に記載の液体吐出装置であって、
   前記流出路の流路抵抗を変更するための第２流路抵抗変更部を備える、液体吐出装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の液体吐出装置であって、
   前記バイパス流路の流路抵抗を変更するための第３流路抵抗変更部を備える、液体吐出装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の液体吐出装置であって、
   前記液体供給部は、定量ポンプである、液体吐出装置。

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