液滴吐出ヘッド
【課題】圧電素子を用いて精度良く微小液滴を吐出あるいは分注することができる使い捨てに適した安価な液滴吐出ヘッドを提案すること。
【解決手段】液滴吐出ヘッド１では、弾性体のキャビティ板５０のキャビティ用開口部５３が、ノズル板４０の裏面４７と加圧板６０の加圧面６３ａによって封鎖され、キャビティ５３Ａが形成されている。キャビティ５３Ａは、予圧機構６による予圧力で圧縮状態になっている。圧電素子５を収縮させると、予圧力が一時的に解除されキャビティ５３Ａが拡張し、所定のタイミングで圧電素子５を伸長させると、キャビティ板５０のキャビティ５３Ａが圧縮して内圧が増加する方向に変化し、キャビティ５３Ａに連通しているノズル４３から微小液滴が吐出する。キャビティ５３Ａの圧縮量は変位規制板４８によって一定となるように規制されているので、常に一定量の微小液滴を正確に吐出できる。
【解決手段】液滴吐出ヘッド１では、弾性体のキャビティ板５０のキャビティ用開口部５３が、ノズル板４０の裏面４７と加圧板６０の加圧面６３ａによって封鎖され、キャビティ５３Ａが形成されている。キャビティ５３Ａは、予圧機構６による予圧力で圧縮状態になっている。圧電素子５を収縮させると、予圧力が一時的に解除されキャビティ５３Ａが拡張し、所定のタイミングで圧電素子５を伸長させると、キャビティ板５０のキャビティ５３Ａが圧縮して内圧が増加する方向に変化し、キャビティ５３Ａに連通しているノズル４３から微小液滴が吐出する。キャビティ５３Ａの圧縮量は変位規制板４８によって一定となるように規制されているので、常に一定量の微小液滴を正確に吐出できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いてノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドに関する。さらに詳しくは、生物系材料、試薬、接着剤などの液体を、精度良く微小量ずつ吐出あるいは分注可能な液滴吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小液滴の非接触分注技術として工業用、医療用などの分野では吸引式ピペット、加圧式のディスペンサが使用されており、微小液滴からなる画素形成技術として印刷の分野ではインクジェットヘッドが広く普及している。近年、医療分野における試薬などの分注、工業分野における接着剤塗布などにおいては、数百ピコリットルから数ナノリットルレベルの微小液滴を精度良く分注あるいは塗布可能な液滴分注用具あるいは液滴吐出用具が要求されている。この要求に応えるためにはインクジェットヘッドを利用することが望ましい。たとえば、特許文献１、２に開示のインクジェットヘッドを用いることが考えられる。これらの文献に開示のインクジェットヘッドでは、圧電素子とインクキャビティの間に弾性変形可能な変形層を形成した構成となっている。
【０００３】
ここで、試薬、検体などを分注する場合には、それらのコンタミネーションを防止するために分注具を使い捨てとすることが望ましいが、一般にインクジェットヘッドは高価であり使い捨て用途には向かない。また、圧電素子などには鉛などの有害物質も含まれているのでそのまま廃棄することができない。
【０００４】
そこで、本願人は特許文献３において、圧電素子を備えた駆動ユニットに対して、ノズル、インクキャビティを備えた流路ユニットを着脱可能としたインクジェット式の液滴吐出ヘッドを提案している。この液滴吐出ヘッドでは、安価な流路ユニットのみを使い捨てにできるので、試薬などの分注に用いるのに適している。
【特許文献１】特開平０７−２９０７０５号公報
【特許文献２】特開平０９−２２６１２０号公報
【特許文献３】特開２００８−１１４５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２に開示されている形式のインクジェットヘッドを、試薬、検体などを分注するための液滴吐出ヘッドとして利用する場合には、次のような課題がある。すなわち、弾性変形可能な変形層が変化することによってインクキャビティの容積変化が起き、これによりインクノズルからインク液滴が吐出するので、変形層の変形量を精度良く管理できないと、吐出する液滴の量が変動し、精度よく微小液滴の吐出を行うことができない。
【０００６】
また、吐出特性を変更するために、例えば、変形層を弾性特性の異なるもの等に変更すればよい場合がある。しかしながら、変形層は他の部材に接着固定されているので、このような一部の部品のみの交換作業を行うことが出来ず、あるいは、交換作業が困難であり、全体を交換しなければならない場合が多く、経済的でない。
【０００７】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、圧電素子を用いてインクキャビティを弾性変形させて精度良く微小液滴を吐出あるいは分注することができる液滴吐出ヘッドを提案することにある。
【０００８】
また、本発明の課題は、部品交換を容易にすることにより、使い捨てに適した安価な液滴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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の液滴吐出ヘッドは、
ノズル板と、
前記ノズル板に積層されたキャビティ板と、
前記ノズル板との間に前記キャビティ板を挟む状態となるように当該キャビティ板に積層された加圧板と、
前記ノズル板および前記加圧板の間に配置された変位規制部材と、
前記加圧板を、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板の積層方向に加圧して変位させる圧電素子と、
前記圧電素子を前記加圧板に押し付け、前記加圧板、前記キャビティ板および前記ノズル板を圧接状態に保持する予圧機構とを有し、
前記キャビティ板は前記積層方向に弾性変形可能な素材からなり、前記積層方向に貫通するキャビティ用開口部が形成されており、
前記ノズル板には、液滴吐出用のノズルと、当該ノズルに液体を供給する液体供給路と、前記キャビティ用開口部を前記積層方向の一方の側から封鎖するノズル板側封鎖面と、前記変位規制部材に対して前記積層方向の一方の側から当接可能なノズル板側当接面とが形成されており、
前記加圧板には、前記キャビティ用開口部を前記積層方向の他方の側から封鎖する加圧板側封鎖面と、前記変位規制部材に対して前記積層方向の他方の側から当接可能な加圧板側当接面とが形成されており、
前記キャビティ板は、前記予圧機構の予圧力によって前記積層方向に圧縮変形しており、
当該キャビティ板の圧縮量は、前記変位規制部材と、前記ノズル板側当接面および前記加圧板側当接面との当接によって規制されることを特徴としている。
【００１０】
本発明の液滴吐出ヘッドでは、ノズル板と加圧板の間に挟まれている弾性素材からなるキャビティ板にキャビティ用開口部が形成されており、当該キャビティ用開口部はノズル板側封鎖面および加圧板側封鎖面によって封鎖され、ノズルから吐出される液体を貯留するためのキャビティが形成されている。また、当該キャビティは、予圧機構による予圧力によって積層方向に圧縮変形した状態に保持されている。
【００１１】
圧電素子を駆動して積層方向に収縮させると、圧電素子が加圧板から後退して予圧力が一時的に低下して、キャビティ板の弾性復帰力によってキャビティが積層方向に拡張し、その内容積が増加して液体供給路を経由して当該キャビティ内に液体が流れ込む。所定のタイミングで圧電素子を逆方向に駆動して積層方向に伸長させると、圧電素子によって加圧板が積層方向に押し出され、キャビティ板が弾性変形してキャビティが積層方向に圧縮してその内圧が増加する方向に変化する。キャビティ板の両側の加圧板およびノズル板が、それらの間に配置されている変位規制板に両側から当たると、キャビティの圧縮が阻止される。これに伴うキャビティ内圧変動によって、ノズル開口に形成されている液体のメニスカスから微小液滴が分離して吐出する。このように、キャビティの圧縮量は変位規制部材によって一定となるように規制されるので、液滴吐出時のキャビティの圧縮量（排除体積）を一定にすることができ、常に一定量の微小液滴を正確に吐出することができる。
【００１２】
ここで、本発明の液滴吐出ヘッドは、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板が、前記積層方向に分離自在であり、前記予圧力によって積層圧接状態に保持されていることを特徴としている。
【００１３】
ノズル板側封鎖面および加圧板側封鎖面と、これらが圧接するキャビティ板の側の面との間を、圧接によって液密状態にシールできるようにしておけば、これらの三部材を単に積層して予圧機構による予圧力によって圧接状態にするだけで液密状態のキャビティが形成される。したがって、これらの三部材を接着あるいは接合しておく必要がない。したがって、異なる種類の液体を分注する場合などにおいては、これら三部材のみを交換すればよいので、高価な圧電素子の側はそのまま使用でき、使い捨てに適した液滴吐出ヘッドを実現できる。また、三部材を接合するための接着剤によってキャビティ内の試薬などが汚染するおそれも無い。さらに、三部材のそれぞれの交換が簡単であるので、三部材の組み合わせを変えて必要とされる特性の液滴吐出ヘッドを得ることが容易であり、一部の部品を交換するために三部材の全体を交換しなくてもよいので、経済的である。
【００１４】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドにおいて、前記キャビティ板に前記積層方向に貫通した少なくとも一つの貫通穴を形成し、この貫通穴内に少なくとも一つの前記変位規制部材を配置することができる。
【００１５】
この場合には、前記加圧板側当接面および前記加圧板側封鎖面を同一面とし、前記ノズル板側当面および前記ノズル板側封鎖面を同一面とすることができる。
【００１６】
また、この場合には、前記変位規制部材は、前記ノズル板側当接面および前記加圧板側当接面のうち、少なくとも一方の側に一体形成しておくことができる。双方にそれぞれ変位規制板を形成しておくことも可能である。
【００１７】
前記予圧機構は、前記圧電素子を前記加圧板に付勢している付勢部材と、当該付勢部材による付勢力を調整するための調整部材とを備えた構成とすることができる。
【００１８】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドは、駆動ユニットと、この駆動ユニットに着脱可能な状態で装着される流路ユニットとを有し、前記駆動ユニットは、前記圧電素子および前記予圧機構を備えており、前記流路ユニットは、前記ノズル板、前記キャビティ板、前記加圧板および前記変位規制部材を備えていることを特徴としている。このように、流路ユニットを着脱式にしておけば、流路ユニットの交換を簡単に行うことができる。
【００１９】
この場合には、前記流路ユニットに、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板を積層状態で保持している保持ケースを配置し、前記駆動ユニットには、前記保持ケースが着脱可能な状態で装着されている装着部を配置し、前記流路ユニットを前記装着部に装着すると、前記圧電素子の変位面が前記流路ユニットの前記加圧板に対峙し、前記予圧機構による予圧力を前記変位面から前記加圧板に加えることができるようにすればよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の液滴吐出ヘッドでは、変位規制部材と、ノズル板側当接面および加圧板側当接面との当接によって、キャビティの圧縮量を精度良く規制している。したがって、常に一定量の微小液滴を精度良く吐出することができる。
【００２１】
また、本発明において、ノズル板、キャビティ板および加圧板の三部材を分離自在な状態で積層状態に保持した場合には、これらを接合するための接着剤などが不要になり、接着剤によってキャビティ内に貯留した液体が汚染されるなどの弊害も起きない。また、三部材の交換作業が簡単であるので、ノズル詰まりが発生した場合のノズル板の交換作業が容易になり、三部材の組み合わせを変えて所望の液滴吐出特性のヘッドを得ることも簡単かつ廉価に行うことができる。
【００２２】
さらに、本発明において、三部材を備えた流路ユニットを圧電素子を備えた駆動ユニットに対して着脱可能にした場合には、安価な流路ユニットのみを使い捨てにすることができる。よって、検体、試薬などを分注するための使い捨て式の分注具として用いるのに適した液滴吐出ヘッドが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した液滴吐出ヘッドの実施の形態を説明する。
【００２４】
図１は本実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを示す斜視図であり、図２は液滴吐出ヘッドを図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した場合の縦断面図であり、図３は流路ユニットを取り外した状態での液滴吐出ヘッドを示す斜視図である。液滴吐出ヘッド１は、駆動ユニット２、および、この駆動ユニット２に着脱可能に装着されている流路ユニット３から構成されている。
【００２５】
（駆動ユニット）
駆動ユニット２は、ユニットケース４と、このユニットケース４に収納されている積層形の圧電素子５と、この圧電素子５を予圧するための予圧機構６とを備えている。ユニットケース４は、一定の間隔で平行に延びる細長い矩形形状をした一対の端板７、８と、これらの端板７、８の後端の間を繋ぐ矩形の背面板９とを備えている。
【００２６】
ユニットケース４の端板７、８の間には、前後方向に延びる状態に矩形断面の保持筒１０が取り付けられている。この保持筒１０の前端および後端には、それぞれ、外方に直角に延びる矩形枠状の前フランジ１０ａおよび後フランジ１０ｂが形成されており、これら前フランジ１０ａおよび後フランジ１０ｂが端板７、８に固定されている。この保持筒１０の内部には直方体形状の積層形の圧電素子５が同軸状態に収納されている。圧電素子５の変位方向は前後方向であり、その矩形の前端変位面５ａが保持筒１０の前端開口１０ｃから前方に露出しており、その矩形の後端面５ｂも保持筒１０の後端開口１０ｄから後方に露出している。
【００２７】
ここで、圧電素子５は非駆動状態における前後方向の長さが保持筒１０よりも僅かに長い。したがって、図２、３から分かるように、その後端面５ｂが保持筒１０の後端に一致している状態では、その前端変位面５ａが前端開口１０ｃから前方に僅かに突出する。なお、保持筒１０の左右の側面には前後方向に長い長円形の配線穴１０ｅ、１０ｆが形成されており、これらを介して圧電素子５を駆動するための配線１１ａ、１１ｂが配置されている。
【００２８】
保持筒１０に収納された圧電素子５の後側には、当該圧電素子５を前方に予圧するための予圧機構６が取り付けられている。予圧機構６は、端板７、８の間において前後方向にスライド可能に配置されたスライドブロック１２を備えている。スライドブロック１２は、両端にスライドピン１２ａ、１２ｂが取り付けられており、これらのスライドピン１２ａ、１２ｂは、端板７、８に形成した前後方向に延びるスライド溝７ａ、８ａにスライド可能な状態で差し込まれている。したがって、スライドブロック１２はスライド溝７ａ、８ａに沿って、保持筒１０の後フランジ１０ｂの後端面１０ｇに当接した位置から後側にスライド可能である。スライドブロック１２の前端面に圧電素子５の後端面５ｂが接合されており、圧電素子５は全体としてスライドブロック１２と共に前後にスライドするようになっている。
【００２９】
スライドブロック１２の後側には、前方に開く状態に折り曲げた板ばね１３が配置されている。この板ばね１３は後側から予圧調整ねじ１４によって前側のスライドブロック１２に押し付けられている。予圧調整ねじ１４のねじ込み量を増やすと、板ばね１３がそれに応じて前後方向に押し潰され、より大きな予圧力がスライドブロック１２に作用する。
【００３０】
一方、ユニットケース４の端板７、８は保持筒１０の前端よりも前方に延びている前端部７ｂ、８ｂを備えており、これらの前端部７ｂ、８ｂの前端には相互に接近する方向に直角に折れ曲がった装着ガイド７ｃ、８ｃが形成されている。これら前端部７ｂ、８ｂ、装着ガイド７ｃ、８ｃおよび保持筒１０の前端面１０ｈによって、流路ユニット３の装着部１５が形成されている。この装着部１５には、左右方向から装着ガイド７ｃ、８ｃに沿って流路ユニット３を装着可能である。
【００３１】
（流路ユニット）
次に、図４は、駆動ユニット２から取り外した流路ユニット３を分解した状態で示す分解斜視図である。図５（ａ）は流路ユニット３の部分を縦断面で示す斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の縦断面状態の流路ユニット３の分解斜視図である。これらの図も参照して、装着部１５に着脱可能な状態で装着される流路ユニット３の構造を説明する。
【００３２】
流路ユニット３は、矩形皿状の保持ケース３０を備えており、この保持ケース３０に、同一大きさの矩形輪郭をしているノズル板４０、キャビティ板５０および加圧板６０が、それらの厚さ方向に積層された状態で収納されている。加圧板６０には左右一対のガイドピン６１、６２が垂直に固定されており、これらのガイドピン６１、６２は、ノズル板４０およびキャビティ板５０に形成した位置決め用のガイド穴４１、４２、５１、５２にスライド可能な状態で差し通されている。ノズル板４０、キャビティ板５０および加圧板６０はガイドピン６１、６２によって位置決めされた状態で積層されているのみであり、接着剤などによって相互に接合されていない。したがって、これら三部材を積層方向に沿って簡単に分離することが可能である。
【００３３】
保持ケース３０は、矩形の底板部分３１と、この底板部分３１の両側の端から直角に起立している端板部分３２、３３と、底板部分３１の左右の端から直角に起立している側板部分３４、３５とを備えている。底板部分３１には、ガイドピン６１、６２に対峙する部位に貫通穴３１ａ、３１ｂが形成されており、これらの間には、左右に長い長穴３１ｃが形成されている。また、両側の端板部分３２、３３の先端部は相互に離れる方向に直角に折れ曲がった装着用フランジ３２ａ、３３ａが形成されている。これらの装着用フランジ３２ａ、３３ａは、駆動ユニット２の装着部１５に対して、横方から装着ガイド７ｃ、８ｃに沿って差し込み可能な寸法に設定されている。
【００３４】
ノズル板４０は、プラスチック板、ステンレススチールなどの金属板、半導体基板などからなる一定の厚さの剛性矩形板である。ノズル板４０には液滴吐出用のノズル４３が厚さ方向に貫通する状態に形成されており、そのノズル開口４３ａがノズル板４０の前面４４に位置している。このノズル開口４３ａは、保持ケース３０の底板部分３１の長穴３１ｃを介して前方に露出している。また、ノズル４３から離れた位置には液体供給路４５が形成されている。液体供給路４５は、ノズル板４０を厚さ方向に貫通している液体供給穴４５ａと、ノズル板４０の前面４４に沿って形成した連通路４５ｂとを備えており、連通路４５ｂには前側から液体供給管４６が装着固定されている。液体供給管４６は、保持ケース３０の底板部分３１に形成した長穴３１ｃから前方に突出しており、ここに不図示の液体供給チューブが接続されるようになっている。
【００３５】
ここで、図６は積層状態のノズル板４０およびキャビティ板５０を取り出して示す斜視図である。この図から分かるように、ノズル板４０の平坦な裏面４７（ノズル板側封鎖面、ノズル板側当接面）には４個の変位規制板４８が一体形成されている。これらの変位規制板４８は、裏面４７から垂直に起立した一定長さ、一定幅、および一定高さの板である。これらの変位規制板４８は左右方向に平行に延びており、点対称に配置されている。
【００３６】
次に、図４〜図６を参照して、キャビティ板５０および加圧板６０について説明する。まず、キャビティ板５０は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等の弾性特性を備えたシリコーンゴム、弾性を有するエラストマーなどからなる一定厚さの弾性矩形板である。キャビティ板５０には、その中央部分に左右方向に延びる細長いキャビティ用開口部５３が厚さ方向（積層方向）に貫通する状態に形成されている。このキャビティ用開口部５３は左右方向の一方の端部分がノズル板４０のノズル４３に連通しており、他方の端部分が液体供給穴４５ａに連通している。
【００３７】
また、キャビティ板５０には、キャビティ用開口部５３を取り囲む状態に、４個の貫通穴５４が形成されている。本例の貫通穴５４は一定幅のＬ形状の貫通穴であり、各貫通穴５４における左右方向に延びる貫通穴部分には、ノズル板４０に積層した状態において、当該ノズル板４０の各変位規制板４８が遊びのある状態で差し込まれるようになっている。また、ノズル板４０の厚さは、変位規制板４８の高さよりも僅かに大きな寸法に設定されている。
【００３８】
キャビティ板５０の平坦な裏面５５に積載されている加圧板６０は、プラスチック板、ステンレススチールなどの金属板、半導体基板などからなる剛性矩形板である。加圧板６０の前面６３には、その中央部分に僅かに前方に突出した平坦な矩形の加圧面６３ａ（加圧板側封鎖面、加圧板側当接面）が形成されており、その四隅にも同一高さの平坦な当接面６３ｂが形成されている。これら加圧面６３ａおよび当接面６３ｂがキャビティ板５０の平坦な裏面５５に当接している。加圧板６０の裏面６４は平坦面からなり、後側から駆動ユニット２の圧電素子５の前端変位面５ａが所定の予圧力で押し付けられるようになっている。
【００３９】
（流路ユニットの装着および液滴吐出動作）
図７は流路ユニット３を駆動ユニット２の装着部１５に装着する前の状態を示す模式図であり、理解を容易にするためにキャビティ５３Ａと、貫通穴５４および変位規制板４８とを横に並べた状態で示してある。装着前の流路ユニット３においては、弾性素材からなる中央のキャビティ板５０はその本来の厚さｔ１のままである。変位規制板４８の高さｈは厚さｔ１よりも小さい。したがって、ノズル板４０の変位規制板４８の先端面４８ａと、加圧板６０の加圧面６３ａ（加圧板側当接面）とは離れており、これらの間には所定の隙間Δｔが形成されている。
【００４０】
次に、流路ユニット３の装着時には、駆動ユニット２の予圧機構６の予圧調整ねじ１４を緩め、圧電素子５に対する予圧を解除する。この結果、圧電素子５を後方に押し込むことが可能となる。装着部１５に突出している圧電素子５の前端変位面５ａを後方に退避させ、この状態で、図３に矢印で示すように、流路ユニット３を横から装着部１５に装着することができる。
【００４１】
流路ユニット３を装着部１５に装着した後は、駆動ユニット２の予圧機構６の予圧調整ねじ１４を締め付ける。この結果、圧電素子５が全体として前方に押し出され、その前端変位面５ａによって流路ユニット３の加圧板６０が後側から前方に押し出され、所定の予圧が作用した状態が形成される。
【００４２】
図８（ａ）は駆動ユニット２の装着部１５に装着されて予圧が付与された状態の流路ユニット３を示す模式図であり、図７の場合と同様にキャビティ５３Ａと変位規制板４８を並列配置した状態で示してある。この図に示すように、予圧機構６によって前方に僅かに押し出された圧電素子５によって、加圧板６０が前方に押し出されている。この結果、三部材、６０、５０、４０は、圧電素子５の前端変位面５ａと、ユニットケース４の端板７、８の前端部７ｂ、８ｂの装着ガイド７ｃ、８ｃとの間において圧接状態になり、弾性素材からなるキャビティ板５０が厚さｔ２まで積層方向に押し潰される。例えば、加圧板６０の加圧面６３ａ（加圧板側当接面）が変位規制板４８の先端面４８ａに当接する位置までキャビティ板５０が押し潰される。
【００４３】
この状態では、キャビティ用開口部５３の裏面側に加圧板６０の加圧面６３ａ（加圧板側封鎖面）が液密状態に圧接し、その前面側にノズル板４０の裏面４７（ノズル板側封鎖面）が液密状態に圧接しており、これにより、キャビティ用開口部５３の前後が確実に封鎖されて、液体貯留用のキャビティ５３Ａが形成されている。装着状態が形成された後は、液体をキャビティ５３Ａ内に供給する液体供給チューブ４９を接続し、キャビティ５３Ａ内に液体を充填する。
【００４４】
図８（ｂ）に示すように、液体を充填した後に圧電素子５を駆動して前後方向（積層方向）に収縮させると、圧電素子５の前端変位面５ａが加圧板６０から後退して予圧が一時的に低下する。この結果、キャビティ板５０の弾性復帰力によってキャビティ５３Ａが積層方向に拡張し、その内容積が増加して液体供給路４５を経由して当該キャビティ５３Ａ内に液体が流れ込む。
【００４５】
この後は、図８（ｃ）に示すように、所定のタイミングで圧電素子５を逆方向に駆動して積層方向に伸長すると、圧電素子５によって加圧板６０が積層方向の前方に押し出される。この結果、キャビティ板５０が押し潰されてキャビティ５３Ａが積層方向に圧縮してその内圧が増加する方向に変化する。ここで、加圧板６０の加圧面６３ａが、ノズル板の側の変位規制板４８の先端面４８ａに当たるまでキャビティ板５０が圧縮され、加圧面６３ａが変位規制板４８に当たることによるキャビティの内圧変動によって、ノズル開口４３ａに形成されている液体のメニスカスから微小液滴ｄが分離して前方に吐出する。
【００４６】
このように、キャビティ５３Ａの圧縮量は変位規制板４８によって一定となるように規制される。したがって、液滴吐出時のキャビティ５３Ａの体積減少量を常に一定にすることができるので、常に一定量の微小液滴を正確に吐出することができる。
【００４７】
また、圧電素子５を予圧している予圧機構６による予圧力を調整することにより、圧電素子５の変位量を制御することができる。例えば、予圧力を小さくしておけば、圧電素子５の伸長時に予圧力に逆らって圧電素子５は後方にも伸長するので、その前端変位面５ａによって押し出される加圧板６０の移動量が少なくなる。この結果、弾性素材からなるキャビティ板５０の圧縮量が少なくなり、圧縮時のキャビティ５３Ａの排除体積が少なくなるので、ノズル４３からの液滴吐出量を少なくすることができる。したがって、駆動波形を変えることなく、液滴吐出量を機械的に変更することができる。
【００４８】
なお、圧電素子５による液滴の吐出駆動モードとしては、上述した引き打ちモードと呼ばれるモードと、押し打ちモードと呼ばれるものがインクジェットヘッドの分野において知られている。本例の液滴吐出ヘッド１においても、圧電素子５の収縮後の伸長タイミングを調整することにより、いずれかのモードで液滴を吐出させることができる。押し打ちモードの場合には、圧電素子５の収縮後にキャビティ５３Ａ内の圧力変動が収束するのに必要な時間が経過した後のタイミングで圧電素子５の伸長を開始すればよく、引き打ちモードの場合には押し打ちモードに比べてより短い時間間隔で圧電素子を伸長させればよい。引き打ちモードは押し打ちモードに比べてより微小量の液滴を吐出させることができる。
【００４９】
（作用効果）
以上説明したように、液滴吐出ヘッド１では、変位規制板４８によって弾性素材からなるキャビティ板５０の圧縮量、すなわち、キャビティ５３Ａの圧縮量が一定となるように規制される。よって、圧電素子５の変位によるキャビティ５３Ａの排除体積を常に一定に保持できるので、液滴の吐出量のバラツキを抑制できる。
【００５０】
また、圧電素子５を備えた駆動ユニット２に、流路ユニット３を着脱可能な状態で装着した構成となっている。したがって、液滴吐出ヘッド１を検体などの分注ヘッドなどとして用いる場合には、流路ユニット３のみを交換することにより異なる種類の検体などを分注することができる。また、使用済の安価な流路ユニット３のみを廃棄すればよいので、使い捨て式の分注ヘッドなどとして用いるのに適している。
【００５１】
さらに、キャビティ板５０は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）からなる弾性板を用いており、ノズル板４０および加圧板６０との圧接により液密状態にシールされたキャビティ５３Ａが形成される。よって、積層した三部材を相互に接着、接合する必要がないので、接着剤などによってキャビティ５３Ａ内の液体が汚染されることもない。
【００５２】
三部材の接合が不要なので、必要に応じて各部材を適宜組み合わせることで、特性の異なる各種の液滴吐出ヘッドを簡単に得ることができるので便利である。また、接着、接合が不要なので、接着剤による接着性などを考慮する必要がないので三部材に用いる素材の選択の自由度が高まるという利点もある。
【００５３】
なお、液滴吐出ヘッド１は、血液などの検体の分注作業、短時間で目詰まりするような接着剤などの液体の塗布あるいは分注作業、細胞の三次元造形作業などに用いることができる。
【００５４】
また、上記の実施の形態では、変位規制板４８をノズル板４０の裏面４７に一体形成してあるが、変位規制板４８を加圧板６０の加圧面６３ａに一体形成しておくことも可能である。この場合には、変位規制板４８がノズル板４０の裏面４７（ノズル板側当接面）に当たることにより、キャビティ板５０の圧縮量が規制される。ノズル板４０および加圧板６０の双方に一体形成しておくことも可能である、また、変位規制板４８を、ノズル板４０、加圧板６０とは別個の部材として製造し、キャビティ板５０に形成した貫通穴５４内に配置しておくことも可能である。この場合には、ノズル板４０の裏面４７（ノズル部材側当接面）および加圧板６０の加圧面６３ａ（加圧部材側当接面）が積層方向から変位規制板４８に当接することにより、キャビティ５３Ａの圧縮量が規制される。
【００５５】
次に、弾性素材からなるキャビティ板５０の表面、キャビティ板５０に圧接する加圧板６０の加圧面６３ａ、ノズル板４０の裏面４７には、シール性を確保できるような表面処理を施すようにしてもよい。また、キャビティ板５０のキャビティ用開口部５３の内周面などに撥水加工あるいは親水加工などの表面処理を適切な場所に行って、所望の液滴吐出特性が得られるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用した液滴吐出ヘッドの斜視図である。
【図２】図１の液滴吐出ヘッドの縦断面図である。
【図３】図１の液滴吐出ヘッドを、流路ユニットを外した状態で示す分解斜視図である。
【図４】図３の液滴吐出ヘッドの流路ユニットを分解した状態で示す分解斜視図である。
【図５】図１の液滴吐出ヘッドの流路ユニットを縦断面状態で示す部分斜視図、および、その分解斜視図である。
【図６】流路ユニットのノズル板とキャビティ板を取り出して示す斜視図である。
【図７】図１の液滴吐出ヘッドの流路ユニットの装着前後の状態を示す説明図である。
【図８】図１の液滴吐出ヘッドの動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 液滴吐出ヘッド、２ 駆動ユニット、３ 流路ユニット、４ ユニットケース、５ 圧電素子、５ａ 前端変位面、５ｂ 後端面、６ 予圧機構、７，８ 端板、７ａ，８ａ スライド溝、７ｂ，８ｂ 前端部、７ｃ，８ｃ 装着ガイド、９ 背面板、１０ 保持筒、１０ａ 前フランジ、１０ｂ 後フランジ、１０ｃ 前端開口、１０ｄ 後端開口、１０ｅ，１０ｆ 配線穴、１０ｇ 後端面、１０ｈ 前端面、１１ａ，１１ｂ 配線、１２ スライドブロック、１２ａ，１２ｂ スライドピン、１３ 板ばね、１４ 予圧調整ねじ、１５ 装着部、３０ 保持ケース、３１ 底板部分、３１ａ，３１ｂ 貫通穴、３１ｃ 長穴、３２，３３ 端板部分、３２ａ，３３ａ 装着用フランジ、３４，３５ 側板部分、４０ ノズル板、４１，４２ ガイド穴、４３ ノズル、４３ａ ノズル開口、４４ 前面、４５ 液体供給路、４５ａ 液体供給穴、４５ｂ 連通路、４６ 液体供給管、４７ 裏面、４８ 変位規制板、４８ａ 先端面、４９ 液体供給チューブ、５０ キャビティ板、５１，５２ ガイド穴、５３ キャビティ用開口部、５３Ａ キャビティ、５４ 貫通穴、５５ 裏面、６０ 加圧板、６１，６２ ガイドピン、６３ 前面、６３ａ 加圧面、６３ｂ 当接面、６４ 裏面、ｔ１ キャビティ板の本来の厚さ、ｔ２ 圧縮されたキャビティ板の厚さ、ｈ 変位規制板の高さ、Δｔ 隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いてノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドに関する。さらに詳しくは、生物系材料、試薬、接着剤などの液体を、精度良く微小量ずつ吐出あるいは分注可能な液滴吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小液滴の非接触分注技術として工業用、医療用などの分野では吸引式ピペット、加圧式のディスペンサが使用されており、微小液滴からなる画素形成技術として印刷の分野ではインクジェットヘッドが広く普及している。近年、医療分野における試薬などの分注、工業分野における接着剤塗布などにおいては、数百ピコリットルから数ナノリットルレベルの微小液滴を精度良く分注あるいは塗布可能な液滴分注用具あるいは液滴吐出用具が要求されている。この要求に応えるためにはインクジェットヘッドを利用することが望ましい。たとえば、特許文献１、２に開示のインクジェットヘッドを用いることが考えられる。これらの文献に開示のインクジェットヘッドでは、圧電素子とインクキャビティの間に弾性変形可能な変形層を形成した構成となっている。
【０００３】
ここで、試薬、検体などを分注する場合には、それらのコンタミネーションを防止するために分注具を使い捨てとすることが望ましいが、一般にインクジェットヘッドは高価であり使い捨て用途には向かない。また、圧電素子などには鉛などの有害物質も含まれているのでそのまま廃棄することができない。
【０００４】
そこで、本願人は特許文献３において、圧電素子を備えた駆動ユニットに対して、ノズル、インクキャビティを備えた流路ユニットを着脱可能としたインクジェット式の液滴吐出ヘッドを提案している。この液滴吐出ヘッドでは、安価な流路ユニットのみを使い捨てにできるので、試薬などの分注に用いるのに適している。
【特許文献１】特開平０７−２９０７０５号公報
【特許文献２】特開平０９−２２６１２０号公報
【特許文献３】特開２００８−１１４５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２に開示されている形式のインクジェットヘッドを、試薬、検体などを分注するための液滴吐出ヘッドとして利用する場合には、次のような課題がある。すなわち、弾性変形可能な変形層が変化することによってインクキャビティの容積変化が起き、これによりインクノズルからインク液滴が吐出するので、変形層の変形量を精度良く管理できないと、吐出する液滴の量が変動し、精度よく微小液滴の吐出を行うことができない。
【０００６】
また、吐出特性を変更するために、例えば、変形層を弾性特性の異なるもの等に変更すればよい場合がある。しかしながら、変形層は他の部材に接着固定されているので、このような一部の部品のみの交換作業を行うことが出来ず、あるいは、交換作業が困難であり、全体を交換しなければならない場合が多く、経済的でない。
【０００７】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、圧電素子を用いてインクキャビティを弾性変形させて精度良く微小液滴を吐出あるいは分注することができる液滴吐出ヘッドを提案することにある。
【０００８】
また、本発明の課題は、部品交換を容易にすることにより、使い捨てに適した安価な液滴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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の液滴吐出ヘッドは、
ノズル板と、
前記ノズル板に積層されたキャビティ板と、
前記ノズル板との間に前記キャビティ板を挟む状態となるように当該キャビティ板に積層された加圧板と、
前記ノズル板および前記加圧板の間に配置された変位規制部材と、
前記加圧板を、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板の積層方向に加圧して変位させる圧電素子と、
前記圧電素子を前記加圧板に押し付け、前記加圧板、前記キャビティ板および前記ノズル板を圧接状態に保持する予圧機構とを有し、
前記キャビティ板は前記積層方向に弾性変形可能な素材からなり、前記積層方向に貫通するキャビティ用開口部が形成されており、
前記ノズル板には、液滴吐出用のノズルと、当該ノズルに液体を供給する液体供給路と、前記キャビティ用開口部を前記積層方向の一方の側から封鎖するノズル板側封鎖面と、前記変位規制部材に対して前記積層方向の一方の側から当接可能なノズル板側当接面とが形成されており、
前記加圧板には、前記キャビティ用開口部を前記積層方向の他方の側から封鎖する加圧板側封鎖面と、前記変位規制部材に対して前記積層方向の他方の側から当接可能な加圧板側当接面とが形成されており、
前記キャビティ板は、前記予圧機構の予圧力によって前記積層方向に圧縮変形しており、
当該キャビティ板の圧縮量は、前記変位規制部材と、前記ノズル板側当接面および前記加圧板側当接面との当接によって規制されることを特徴としている。
【００１０】
本発明の液滴吐出ヘッドでは、ノズル板と加圧板の間に挟まれている弾性素材からなるキャビティ板にキャビティ用開口部が形成されており、当該キャビティ用開口部はノズル板側封鎖面および加圧板側封鎖面によって封鎖され、ノズルから吐出される液体を貯留するためのキャビティが形成されている。また、当該キャビティは、予圧機構による予圧力によって積層方向に圧縮変形した状態に保持されている。
【００１１】
圧電素子を駆動して積層方向に収縮させると、圧電素子が加圧板から後退して予圧力が一時的に低下して、キャビティ板の弾性復帰力によってキャビティが積層方向に拡張し、その内容積が増加して液体供給路を経由して当該キャビティ内に液体が流れ込む。所定のタイミングで圧電素子を逆方向に駆動して積層方向に伸長させると、圧電素子によって加圧板が積層方向に押し出され、キャビティ板が弾性変形してキャビティが積層方向に圧縮してその内圧が増加する方向に変化する。キャビティ板の両側の加圧板およびノズル板が、それらの間に配置されている変位規制板に両側から当たると、キャビティの圧縮が阻止される。これに伴うキャビティ内圧変動によって、ノズル開口に形成されている液体のメニスカスから微小液滴が分離して吐出する。このように、キャビティの圧縮量は変位規制部材によって一定となるように規制されるので、液滴吐出時のキャビティの圧縮量（排除体積）を一定にすることができ、常に一定量の微小液滴を正確に吐出することができる。
【００１２】
ここで、本発明の液滴吐出ヘッドは、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板が、前記積層方向に分離自在であり、前記予圧力によって積層圧接状態に保持されていることを特徴としている。
【００１３】
ノズル板側封鎖面および加圧板側封鎖面と、これらが圧接するキャビティ板の側の面との間を、圧接によって液密状態にシールできるようにしておけば、これらの三部材を単に積層して予圧機構による予圧力によって圧接状態にするだけで液密状態のキャビティが形成される。したがって、これらの三部材を接着あるいは接合しておく必要がない。したがって、異なる種類の液体を分注する場合などにおいては、これら三部材のみを交換すればよいので、高価な圧電素子の側はそのまま使用でき、使い捨てに適した液滴吐出ヘッドを実現できる。また、三部材を接合するための接着剤によってキャビティ内の試薬などが汚染するおそれも無い。さらに、三部材のそれぞれの交換が簡単であるので、三部材の組み合わせを変えて必要とされる特性の液滴吐出ヘッドを得ることが容易であり、一部の部品を交換するために三部材の全体を交換しなくてもよいので、経済的である。
【００１４】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドにおいて、前記キャビティ板に前記積層方向に貫通した少なくとも一つの貫通穴を形成し、この貫通穴内に少なくとも一つの前記変位規制部材を配置することができる。
【００１５】
この場合には、前記加圧板側当接面および前記加圧板側封鎖面を同一面とし、前記ノズル板側当面および前記ノズル板側封鎖面を同一面とすることができる。
【００１６】
また、この場合には、前記変位規制部材は、前記ノズル板側当接面および前記加圧板側当接面のうち、少なくとも一方の側に一体形成しておくことができる。双方にそれぞれ変位規制板を形成しておくことも可能である。
【００１７】
前記予圧機構は、前記圧電素子を前記加圧板に付勢している付勢部材と、当該付勢部材による付勢力を調整するための調整部材とを備えた構成とすることができる。
【００１８】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドは、駆動ユニットと、この駆動ユニットに着脱可能な状態で装着される流路ユニットとを有し、前記駆動ユニットは、前記圧電素子および前記予圧機構を備えており、前記流路ユニットは、前記ノズル板、前記キャビティ板、前記加圧板および前記変位規制部材を備えていることを特徴としている。このように、流路ユニットを着脱式にしておけば、流路ユニットの交換を簡単に行うことができる。
【００１９】
この場合には、前記流路ユニットに、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板を積層状態で保持している保持ケースを配置し、前記駆動ユニットには、前記保持ケースが着脱可能な状態で装着されている装着部を配置し、前記流路ユニットを前記装着部に装着すると、前記圧電素子の変位面が前記流路ユニットの前記加圧板に対峙し、前記予圧機構による予圧力を前記変位面から前記加圧板に加えることができるようにすればよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の液滴吐出ヘッドでは、変位規制部材と、ノズル板側当接面および加圧板側当接面との当接によって、キャビティの圧縮量を精度良く規制している。したがって、常に一定量の微小液滴を精度良く吐出することができる。
【００２１】
また、本発明において、ノズル板、キャビティ板および加圧板の三部材を分離自在な状態で積層状態に保持した場合には、これらを接合するための接着剤などが不要になり、接着剤によってキャビティ内に貯留した液体が汚染されるなどの弊害も起きない。また、三部材の交換作業が簡単であるので、ノズル詰まりが発生した場合のノズル板の交換作業が容易になり、三部材の組み合わせを変えて所望の液滴吐出特性のヘッドを得ることも簡単かつ廉価に行うことができる。
【００２２】
さらに、本発明において、三部材を備えた流路ユニットを圧電素子を備えた駆動ユニットに対して着脱可能にした場合には、安価な流路ユニットのみを使い捨てにすることができる。よって、検体、試薬などを分注するための使い捨て式の分注具として用いるのに適した液滴吐出ヘッドが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した液滴吐出ヘッドの実施の形態を説明する。
【００２４】
図１は本実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを示す斜視図であり、図２は液滴吐出ヘッドを図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した場合の縦断面図であり、図３は流路ユニットを取り外した状態での液滴吐出ヘッドを示す斜視図である。液滴吐出ヘッド１は、駆動ユニット２、および、この駆動ユニット２に着脱可能に装着されている流路ユニット３から構成されている。
【００２５】
（駆動ユニット）
駆動ユニット２は、ユニットケース４と、このユニットケース４に収納されている積層形の圧電素子５と、この圧電素子５を予圧するための予圧機構６とを備えている。ユニットケース４は、一定の間隔で平行に延びる細長い矩形形状をした一対の端板７、８と、これらの端板７、８の後端の間を繋ぐ矩形の背面板９とを備えている。
【００２６】
ユニットケース４の端板７、８の間には、前後方向に延びる状態に矩形断面の保持筒１０が取り付けられている。この保持筒１０の前端および後端には、それぞれ、外方に直角に延びる矩形枠状の前フランジ１０ａおよび後フランジ１０ｂが形成されており、これら前フランジ１０ａおよび後フランジ１０ｂが端板７、８に固定されている。この保持筒１０の内部には直方体形状の積層形の圧電素子５が同軸状態に収納されている。圧電素子５の変位方向は前後方向であり、その矩形の前端変位面５ａが保持筒１０の前端開口１０ｃから前方に露出しており、その矩形の後端面５ｂも保持筒１０の後端開口１０ｄから後方に露出している。
【００２７】
ここで、圧電素子５は非駆動状態における前後方向の長さが保持筒１０よりも僅かに長い。したがって、図２、３から分かるように、その後端面５ｂが保持筒１０の後端に一致している状態では、その前端変位面５ａが前端開口１０ｃから前方に僅かに突出する。なお、保持筒１０の左右の側面には前後方向に長い長円形の配線穴１０ｅ、１０ｆが形成されており、これらを介して圧電素子５を駆動するための配線１１ａ、１１ｂが配置されている。
【００２８】
保持筒１０に収納された圧電素子５の後側には、当該圧電素子５を前方に予圧するための予圧機構６が取り付けられている。予圧機構６は、端板７、８の間において前後方向にスライド可能に配置されたスライドブロック１２を備えている。スライドブロック１２は、両端にスライドピン１２ａ、１２ｂが取り付けられており、これらのスライドピン１２ａ、１２ｂは、端板７、８に形成した前後方向に延びるスライド溝７ａ、８ａにスライド可能な状態で差し込まれている。したがって、スライドブロック１２はスライド溝７ａ、８ａに沿って、保持筒１０の後フランジ１０ｂの後端面１０ｇに当接した位置から後側にスライド可能である。スライドブロック１２の前端面に圧電素子５の後端面５ｂが接合されており、圧電素子５は全体としてスライドブロック１２と共に前後にスライドするようになっている。
【００２９】
スライドブロック１２の後側には、前方に開く状態に折り曲げた板ばね１３が配置されている。この板ばね１３は後側から予圧調整ねじ１４によって前側のスライドブロック１２に押し付けられている。予圧調整ねじ１４のねじ込み量を増やすと、板ばね１３がそれに応じて前後方向に押し潰され、より大きな予圧力がスライドブロック１２に作用する。
【００３０】
一方、ユニットケース４の端板７、８は保持筒１０の前端よりも前方に延びている前端部７ｂ、８ｂを備えており、これらの前端部７ｂ、８ｂの前端には相互に接近する方向に直角に折れ曲がった装着ガイド７ｃ、８ｃが形成されている。これら前端部７ｂ、８ｂ、装着ガイド７ｃ、８ｃおよび保持筒１０の前端面１０ｈによって、流路ユニット３の装着部１５が形成されている。この装着部１５には、左右方向から装着ガイド７ｃ、８ｃに沿って流路ユニット３を装着可能である。
【００３１】
（流路ユニット）
次に、図４は、駆動ユニット２から取り外した流路ユニット３を分解した状態で示す分解斜視図である。図５（ａ）は流路ユニット３の部分を縦断面で示す斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の縦断面状態の流路ユニット３の分解斜視図である。これらの図も参照して、装着部１５に着脱可能な状態で装着される流路ユニット３の構造を説明する。
【００３２】
流路ユニット３は、矩形皿状の保持ケース３０を備えており、この保持ケース３０に、同一大きさの矩形輪郭をしているノズル板４０、キャビティ板５０および加圧板６０が、それらの厚さ方向に積層された状態で収納されている。加圧板６０には左右一対のガイドピン６１、６２が垂直に固定されており、これらのガイドピン６１、６２は、ノズル板４０およびキャビティ板５０に形成した位置決め用のガイド穴４１、４２、５１、５２にスライド可能な状態で差し通されている。ノズル板４０、キャビティ板５０および加圧板６０はガイドピン６１、６２によって位置決めされた状態で積層されているのみであり、接着剤などによって相互に接合されていない。したがって、これら三部材を積層方向に沿って簡単に分離することが可能である。
【００３３】
保持ケース３０は、矩形の底板部分３１と、この底板部分３１の両側の端から直角に起立している端板部分３２、３３と、底板部分３１の左右の端から直角に起立している側板部分３４、３５とを備えている。底板部分３１には、ガイドピン６１、６２に対峙する部位に貫通穴３１ａ、３１ｂが形成されており、これらの間には、左右に長い長穴３１ｃが形成されている。また、両側の端板部分３２、３３の先端部は相互に離れる方向に直角に折れ曲がった装着用フランジ３２ａ、３３ａが形成されている。これらの装着用フランジ３２ａ、３３ａは、駆動ユニット２の装着部１５に対して、横方から装着ガイド７ｃ、８ｃに沿って差し込み可能な寸法に設定されている。
【００３４】
ノズル板４０は、プラスチック板、ステンレススチールなどの金属板、半導体基板などからなる一定の厚さの剛性矩形板である。ノズル板４０には液滴吐出用のノズル４３が厚さ方向に貫通する状態に形成されており、そのノズル開口４３ａがノズル板４０の前面４４に位置している。このノズル開口４３ａは、保持ケース３０の底板部分３１の長穴３１ｃを介して前方に露出している。また、ノズル４３から離れた位置には液体供給路４５が形成されている。液体供給路４５は、ノズル板４０を厚さ方向に貫通している液体供給穴４５ａと、ノズル板４０の前面４４に沿って形成した連通路４５ｂとを備えており、連通路４５ｂには前側から液体供給管４６が装着固定されている。液体供給管４６は、保持ケース３０の底板部分３１に形成した長穴３１ｃから前方に突出しており、ここに不図示の液体供給チューブが接続されるようになっている。
【００３５】
ここで、図６は積層状態のノズル板４０およびキャビティ板５０を取り出して示す斜視図である。この図から分かるように、ノズル板４０の平坦な裏面４７（ノズル板側封鎖面、ノズル板側当接面）には４個の変位規制板４８が一体形成されている。これらの変位規制板４８は、裏面４７から垂直に起立した一定長さ、一定幅、および一定高さの板である。これらの変位規制板４８は左右方向に平行に延びており、点対称に配置されている。
【００３６】
次に、図４〜図６を参照して、キャビティ板５０および加圧板６０について説明する。まず、キャビティ板５０は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等の弾性特性を備えたシリコーンゴム、弾性を有するエラストマーなどからなる一定厚さの弾性矩形板である。キャビティ板５０には、その中央部分に左右方向に延びる細長いキャビティ用開口部５３が厚さ方向（積層方向）に貫通する状態に形成されている。このキャビティ用開口部５３は左右方向の一方の端部分がノズル板４０のノズル４３に連通しており、他方の端部分が液体供給穴４５ａに連通している。
【００３７】
また、キャビティ板５０には、キャビティ用開口部５３を取り囲む状態に、４個の貫通穴５４が形成されている。本例の貫通穴５４は一定幅のＬ形状の貫通穴であり、各貫通穴５４における左右方向に延びる貫通穴部分には、ノズル板４０に積層した状態において、当該ノズル板４０の各変位規制板４８が遊びのある状態で差し込まれるようになっている。また、ノズル板４０の厚さは、変位規制板４８の高さよりも僅かに大きな寸法に設定されている。
【００３８】
キャビティ板５０の平坦な裏面５５に積載されている加圧板６０は、プラスチック板、ステンレススチールなどの金属板、半導体基板などからなる剛性矩形板である。加圧板６０の前面６３には、その中央部分に僅かに前方に突出した平坦な矩形の加圧面６３ａ（加圧板側封鎖面、加圧板側当接面）が形成されており、その四隅にも同一高さの平坦な当接面６３ｂが形成されている。これら加圧面６３ａおよび当接面６３ｂがキャビティ板５０の平坦な裏面５５に当接している。加圧板６０の裏面６４は平坦面からなり、後側から駆動ユニット２の圧電素子５の前端変位面５ａが所定の予圧力で押し付けられるようになっている。
【００３９】
（流路ユニットの装着および液滴吐出動作）
図７は流路ユニット３を駆動ユニット２の装着部１５に装着する前の状態を示す模式図であり、理解を容易にするためにキャビティ５３Ａと、貫通穴５４および変位規制板４８とを横に並べた状態で示してある。装着前の流路ユニット３においては、弾性素材からなる中央のキャビティ板５０はその本来の厚さｔ１のままである。変位規制板４８の高さｈは厚さｔ１よりも小さい。したがって、ノズル板４０の変位規制板４８の先端面４８ａと、加圧板６０の加圧面６３ａ（加圧板側当接面）とは離れており、これらの間には所定の隙間Δｔが形成されている。
【００４０】
次に、流路ユニット３の装着時には、駆動ユニット２の予圧機構６の予圧調整ねじ１４を緩め、圧電素子５に対する予圧を解除する。この結果、圧電素子５を後方に押し込むことが可能となる。装着部１５に突出している圧電素子５の前端変位面５ａを後方に退避させ、この状態で、図３に矢印で示すように、流路ユニット３を横から装着部１５に装着することができる。
【００４１】
流路ユニット３を装着部１５に装着した後は、駆動ユニット２の予圧機構６の予圧調整ねじ１４を締め付ける。この結果、圧電素子５が全体として前方に押し出され、その前端変位面５ａによって流路ユニット３の加圧板６０が後側から前方に押し出され、所定の予圧が作用した状態が形成される。
【００４２】
図８（ａ）は駆動ユニット２の装着部１５に装着されて予圧が付与された状態の流路ユニット３を示す模式図であり、図７の場合と同様にキャビティ５３Ａと変位規制板４８を並列配置した状態で示してある。この図に示すように、予圧機構６によって前方に僅かに押し出された圧電素子５によって、加圧板６０が前方に押し出されている。この結果、三部材、６０、５０、４０は、圧電素子５の前端変位面５ａと、ユニットケース４の端板７、８の前端部７ｂ、８ｂの装着ガイド７ｃ、８ｃとの間において圧接状態になり、弾性素材からなるキャビティ板５０が厚さｔ２まで積層方向に押し潰される。例えば、加圧板６０の加圧面６３ａ（加圧板側当接面）が変位規制板４８の先端面４８ａに当接する位置までキャビティ板５０が押し潰される。
【００４３】
この状態では、キャビティ用開口部５３の裏面側に加圧板６０の加圧面６３ａ（加圧板側封鎖面）が液密状態に圧接し、その前面側にノズル板４０の裏面４７（ノズル板側封鎖面）が液密状態に圧接しており、これにより、キャビティ用開口部５３の前後が確実に封鎖されて、液体貯留用のキャビティ５３Ａが形成されている。装着状態が形成された後は、液体をキャビティ５３Ａ内に供給する液体供給チューブ４９を接続し、キャビティ５３Ａ内に液体を充填する。
【００４４】
図８（ｂ）に示すように、液体を充填した後に圧電素子５を駆動して前後方向（積層方向）に収縮させると、圧電素子５の前端変位面５ａが加圧板６０から後退して予圧が一時的に低下する。この結果、キャビティ板５０の弾性復帰力によってキャビティ５３Ａが積層方向に拡張し、その内容積が増加して液体供給路４５を経由して当該キャビティ５３Ａ内に液体が流れ込む。
【００４５】
この後は、図８（ｃ）に示すように、所定のタイミングで圧電素子５を逆方向に駆動して積層方向に伸長すると、圧電素子５によって加圧板６０が積層方向の前方に押し出される。この結果、キャビティ板５０が押し潰されてキャビティ５３Ａが積層方向に圧縮してその内圧が増加する方向に変化する。ここで、加圧板６０の加圧面６３ａが、ノズル板の側の変位規制板４８の先端面４８ａに当たるまでキャビティ板５０が圧縮され、加圧面６３ａが変位規制板４８に当たることによるキャビティの内圧変動によって、ノズル開口４３ａに形成されている液体のメニスカスから微小液滴ｄが分離して前方に吐出する。
【００４６】
このように、キャビティ５３Ａの圧縮量は変位規制板４８によって一定となるように規制される。したがって、液滴吐出時のキャビティ５３Ａの体積減少量を常に一定にすることができるので、常に一定量の微小液滴を正確に吐出することができる。
【００４７】
また、圧電素子５を予圧している予圧機構６による予圧力を調整することにより、圧電素子５の変位量を制御することができる。例えば、予圧力を小さくしておけば、圧電素子５の伸長時に予圧力に逆らって圧電素子５は後方にも伸長するので、その前端変位面５ａによって押し出される加圧板６０の移動量が少なくなる。この結果、弾性素材からなるキャビティ板５０の圧縮量が少なくなり、圧縮時のキャビティ５３Ａの排除体積が少なくなるので、ノズル４３からの液滴吐出量を少なくすることができる。したがって、駆動波形を変えることなく、液滴吐出量を機械的に変更することができる。
【００４８】
なお、圧電素子５による液滴の吐出駆動モードとしては、上述した引き打ちモードと呼ばれるモードと、押し打ちモードと呼ばれるものがインクジェットヘッドの分野において知られている。本例の液滴吐出ヘッド１においても、圧電素子５の収縮後の伸長タイミングを調整することにより、いずれかのモードで液滴を吐出させることができる。押し打ちモードの場合には、圧電素子５の収縮後にキャビティ５３Ａ内の圧力変動が収束するのに必要な時間が経過した後のタイミングで圧電素子５の伸長を開始すればよく、引き打ちモードの場合には押し打ちモードに比べてより短い時間間隔で圧電素子を伸長させればよい。引き打ちモードは押し打ちモードに比べてより微小量の液滴を吐出させることができる。
【００４９】
（作用効果）
以上説明したように、液滴吐出ヘッド１では、変位規制板４８によって弾性素材からなるキャビティ板５０の圧縮量、すなわち、キャビティ５３Ａの圧縮量が一定となるように規制される。よって、圧電素子５の変位によるキャビティ５３Ａの排除体積を常に一定に保持できるので、液滴の吐出量のバラツキを抑制できる。
【００５０】
また、圧電素子５を備えた駆動ユニット２に、流路ユニット３を着脱可能な状態で装着した構成となっている。したがって、液滴吐出ヘッド１を検体などの分注ヘッドなどとして用いる場合には、流路ユニット３のみを交換することにより異なる種類の検体などを分注することができる。また、使用済の安価な流路ユニット３のみを廃棄すればよいので、使い捨て式の分注ヘッドなどとして用いるのに適している。
【００５１】
さらに、キャビティ板５０は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）からなる弾性板を用いており、ノズル板４０および加圧板６０との圧接により液密状態にシールされたキャビティ５３Ａが形成される。よって、積層した三部材を相互に接着、接合する必要がないので、接着剤などによってキャビティ５３Ａ内の液体が汚染されることもない。
【００５２】
三部材の接合が不要なので、必要に応じて各部材を適宜組み合わせることで、特性の異なる各種の液滴吐出ヘッドを簡単に得ることができるので便利である。また、接着、接合が不要なので、接着剤による接着性などを考慮する必要がないので三部材に用いる素材の選択の自由度が高まるという利点もある。
【００５３】
なお、液滴吐出ヘッド１は、血液などの検体の分注作業、短時間で目詰まりするような接着剤などの液体の塗布あるいは分注作業、細胞の三次元造形作業などに用いることができる。
【００５４】
また、上記の実施の形態では、変位規制板４８をノズル板４０の裏面４７に一体形成してあるが、変位規制板４８を加圧板６０の加圧面６３ａに一体形成しておくことも可能である。この場合には、変位規制板４８がノズル板４０の裏面４７（ノズル板側当接面）に当たることにより、キャビティ板５０の圧縮量が規制される。ノズル板４０および加圧板６０の双方に一体形成しておくことも可能である、また、変位規制板４８を、ノズル板４０、加圧板６０とは別個の部材として製造し、キャビティ板５０に形成した貫通穴５４内に配置しておくことも可能である。この場合には、ノズル板４０の裏面４７（ノズル部材側当接面）および加圧板６０の加圧面６３ａ（加圧部材側当接面）が積層方向から変位規制板４８に当接することにより、キャビティ５３Ａの圧縮量が規制される。
【００５５】
次に、弾性素材からなるキャビティ板５０の表面、キャビティ板５０に圧接する加圧板６０の加圧面６３ａ、ノズル板４０の裏面４７には、シール性を確保できるような表面処理を施すようにしてもよい。また、キャビティ板５０のキャビティ用開口部５３の内周面などに撥水加工あるいは親水加工などの表面処理を適切な場所に行って、所望の液滴吐出特性が得られるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用した液滴吐出ヘッドの斜視図である。
【図２】図１の液滴吐出ヘッドの縦断面図である。
【図３】図１の液滴吐出ヘッドを、流路ユニットを外した状態で示す分解斜視図である。
【図４】図３の液滴吐出ヘッドの流路ユニットを分解した状態で示す分解斜視図である。
【図５】図１の液滴吐出ヘッドの流路ユニットを縦断面状態で示す部分斜視図、および、その分解斜視図である。
【図６】流路ユニットのノズル板とキャビティ板を取り出して示す斜視図である。
【図７】図１の液滴吐出ヘッドの流路ユニットの装着前後の状態を示す説明図である。
【図８】図１の液滴吐出ヘッドの動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 液滴吐出ヘッド、２ 駆動ユニット、３ 流路ユニット、４ ユニットケース、５ 圧電素子、５ａ 前端変位面、５ｂ 後端面、６ 予圧機構、７，８ 端板、７ａ，８ａ スライド溝、７ｂ，８ｂ 前端部、７ｃ，８ｃ 装着ガイド、９ 背面板、１０ 保持筒、１０ａ 前フランジ、１０ｂ 後フランジ、１０ｃ 前端開口、１０ｄ 後端開口、１０ｅ，１０ｆ 配線穴、１０ｇ 後端面、１０ｈ 前端面、１１ａ，１１ｂ 配線、１２ スライドブロック、１２ａ，１２ｂ スライドピン、１３ 板ばね、１４ 予圧調整ねじ、１５ 装着部、３０ 保持ケース、３１ 底板部分、３１ａ，３１ｂ 貫通穴、３１ｃ 長穴、３２，３３ 端板部分、３２ａ，３３ａ 装着用フランジ、３４，３５ 側板部分、４０ ノズル板、４１，４２ ガイド穴、４３ ノズル、４３ａ ノズル開口、４４ 前面、４５ 液体供給路、４５ａ 液体供給穴、４５ｂ 連通路、４６ 液体供給管、４７ 裏面、４８ 変位規制板、４８ａ 先端面、４９ 液体供給チューブ、５０ キャビティ板、５１，５２ ガイド穴、５３ キャビティ用開口部、５３Ａ キャビティ、５４ 貫通穴、５５ 裏面、６０ 加圧板、６１，６２ ガイドピン、６３ 前面、６３ａ 加圧面、６３ｂ 当接面、６４ 裏面、ｔ１ キャビティ板の本来の厚さ、ｔ２ 圧縮されたキャビティ板の厚さ、ｈ 変位規制板の高さ、Δｔ 隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル板と、
前記ノズル板に積層されたキャビティ板と、
前記ノズル板との間に前記キャビティ板を挟む状態となるように当該キャビティ板に積層された加圧板と、
前記ノズル板および前記加圧板の間に配置された変位規制部材と、
前記加圧板を、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板の積層方向に加圧して変位させる圧電素子と、
前記圧電素子を前記加圧板に押し付け、前記加圧板、前記キャビティ板および前記ノズル板を圧接状態に保持する予圧機構とを有し、
前記キャビティ板は前記積層方向に弾性変形可能な素材からなり、前記積層方向に貫通するキャビティ用開口部が形成されており、
前記ノズル板には、液滴吐出用のノズルと、当該ノズルに液体を供給する液体供給路と、前記キャビティ用開口部を前記積層方向の一方の側から封鎖するノズル板側封鎖面と、前記変位規制部材に対して前記積層方向の一方の側から当接可能なノズル板側当接面とが形成されており、
前記加圧板には、前記キャビティ用開口部を前記積層方向の他方の側から封鎖する加圧板側封鎖面と、前記変位規制部材に対して前記積層方向の他方の側から当接可能な加圧板側当接面とが形成されており、
前記キャビティ板は、前記予圧機構の予圧力によって前記積層方向に圧縮変形しており、
当該キャビティ板の圧縮量は、前記変位規制部材と、前記ノズル板側当接面および前記加圧板側当接面との当接によって規制されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板は、前記積層方向に分離自在であり、前記予圧力によって積層圧接状態に保持されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記キャビティ板は前記積層方向に貫通した少なくとも一つの貫通穴を備え、
前記貫通穴内に少なくとも一つの前記変位規制部材が配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項３に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記加圧板側当接面および前記加圧板側封鎖面は同一面であり、
前記ノズル板側当面および前記ノズル板側封鎖面は同一面であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記変位規制部材は、前記ノズル板側当接面および前記加圧板側当接面のうち、少なくとも一方の側に一体形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１ないし５のうちのいずれかの項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記予圧機構は、前記圧電素子を前記加圧板に付勢している付勢部材と、当該付勢部材による付勢力を調整するための調整部材とを備えていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項１ないし６のうちのいずれかの項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
駆動ユニットと、
前記駆動ユニットに着脱可能な状態で装着されている流路ユニットとを有し、
前記駆動ユニットは、前記圧電素子および前記予圧機構を備えており、
前記流路ユニットは、前記ノズル板、前記キャビティ板、前記加圧板および前記変位規制部材を備えていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記流路ユニットは、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板を積層状態で保持している保持ケースを備え、
前記駆動ユニットは、前記保持ケースが着脱可能な状態で装着される装着部を備え、
前記流路ユニットが前記装着部に装着された状態では、前記圧電素子の変位面が前記流路ユニットの前記加圧板に対峙し、前記予圧機構による予圧力を前記圧電素子を介して前記加圧板に加えることが可能な状態になることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項１】
ノズル板と、
前記ノズル板に積層されたキャビティ板と、
前記ノズル板との間に前記キャビティ板を挟む状態となるように当該キャビティ板に積層された加圧板と、
前記ノズル板および前記加圧板の間に配置された変位規制部材と、
前記加圧板を、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板の積層方向に加圧して変位させる圧電素子と、
前記圧電素子を前記加圧板に押し付け、前記加圧板、前記キャビティ板および前記ノズル板を圧接状態に保持する予圧機構とを有し、
前記キャビティ板は前記積層方向に弾性変形可能な素材からなり、前記積層方向に貫通するキャビティ用開口部が形成されており、
前記ノズル板には、液滴吐出用のノズルと、当該ノズルに液体を供給する液体供給路と、前記キャビティ用開口部を前記積層方向の一方の側から封鎖するノズル板側封鎖面と、前記変位規制部材に対して前記積層方向の一方の側から当接可能なノズル板側当接面とが形成されており、
前記加圧板には、前記キャビティ用開口部を前記積層方向の他方の側から封鎖する加圧板側封鎖面と、前記変位規制部材に対して前記積層方向の他方の側から当接可能な加圧板側当接面とが形成されており、
前記キャビティ板は、前記予圧機構の予圧力によって前記積層方向に圧縮変形しており、
当該キャビティ板の圧縮量は、前記変位規制部材と、前記ノズル板側当接面および前記加圧板側当接面との当接によって規制されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板は、前記積層方向に分離自在であり、前記予圧力によって積層圧接状態に保持されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記キャビティ板は前記積層方向に貫通した少なくとも一つの貫通穴を備え、
前記貫通穴内に少なくとも一つの前記変位規制部材が配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項３に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記加圧板側当接面および前記加圧板側封鎖面は同一面であり、
前記ノズル板側当面および前記ノズル板側封鎖面は同一面であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記変位規制部材は、前記ノズル板側当接面および前記加圧板側当接面のうち、少なくとも一方の側に一体形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１ないし５のうちのいずれかの項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記予圧機構は、前記圧電素子を前記加圧板に付勢している付勢部材と、当該付勢部材による付勢力を調整するための調整部材とを備えていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項１ないし６のうちのいずれかの項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
駆動ユニットと、
前記駆動ユニットに着脱可能な状態で装着されている流路ユニットとを有し、
前記駆動ユニットは、前記圧電素子および前記予圧機構を備えており、
前記流路ユニットは、前記ノズル板、前記キャビティ板、前記加圧板および前記変位規制部材を備えていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記流路ユニットは、前記ノズル板、前記キャビティ板および前記加圧板を積層状態で保持している保持ケースを備え、
前記駆動ユニットは、前記保持ケースが着脱可能な状態で装着される装着部を備え、
前記流路ユニットが前記装着部に装着された状態では、前記圧電素子の変位面が前記流路ユニットの前記加圧板に対峙し、前記予圧機構による予圧力を前記圧電素子を介して前記加圧板に加えることが可能な状態になることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１６４５０２（Ｐ２０１０−１６４５０２Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８５２２（Ｐ２００９−８５２２）
【出願日】平成２１年１月１９日（２００９．１．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１９日（２００９．１．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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