特開 2024-76701 液体噴射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024076701

(43)【公開日】2024-06-06

(54)【発明の名称】液体噴射装置

(51)【国際特許分類】

   B05C 5/00 20060101AFI20240530BHJP

   F04B 43/04 20060101ALI20240530BHJP

   B26F 3/00 20060101ALI20240530BHJP

   B08B 3/02 20060101ALI20240530BHJP

   A61C 17/02 20060101ALI20240530BHJP

   B05C 11/10 20060101ALI20240530BHJP

【ＦＩ】

B05C5/00 101

F04B43/04 B

B26F3/00 L

B08B3/02 Z

A61C17/02 B

B05C11/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022188388

(22)【出願日】2022-11-25

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】瀬戸 毅

(72)【発明者】

【氏名】長谷 要

(72)【発明者】

【氏名】関野 博一

【テーマコード（参考）】

3B201

3C060

3H077

4F041

4F042

【Ｆターム（参考）】

3B201BB32

3B201BB85

3B201BB92

3C060AA20

3C060CE14

3C060CE23

3H077AA01

3H077CC02

3H077CC09

3H077DD06

3H077EE34

3H077EE36

3H077FF06

3H077FF14

3H077FF36

4F041AA01

4F041AB01

4F041BA01

4F041BA10

4F041BA32

4F042AA01

4F042BA04

4F042CA01

4F042CB02

4F042CB04

4F042CB19

(57)【要約】

【課題】液体を連続流で噴射するとともに該連続流３ａを液滴化させて液滴状で対象物に衝突させることが可能な液体噴射装置において様々な条件で液滴化させることを可能にする。
【解決手段】液体３を噴射するノズル２６と、液体３をノズル２６まで搬送する液体搬送管７、９、２３、２４と、液体３、ノズル２６及び液体搬送管７、９、２３、２４のうちの少なくともいずれか１つに接し、振動を生成する振動生成部３１と、を備え、振動生成部３１は、振動板４１と、振動板４１上に配置され互いに共振周波数の異なる複数の振動素子４２と、を有する液体噴射装置１。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を噴射するノズルと、
前記液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、
前記液体、前記ノズル及び前記液体搬送管のうちの少なくともいずれか１つに接し、振動を生成する振動生成部と、
を備え、
前記振動生成部は、振動板と、前記振動板上に配置され互いに共振周波数の異なる複数の振動素子と、を有することを特徴とする液体噴射装置。

【請求項2】

請求項１に記載の液体噴射装置において、
前記振動素子として、第１振動素子と、第２振動素子と、を有し、
前記第１振動素子と前記第２振動素子とは、前記液体の噴射方向と交差する方向に並んで配置されることを特徴とする液体噴射装置。

【請求項3】

請求項２に記載の液体噴射装置において、
前記第１振動素子は、前記第２振動素子よりも共振周波数が高く、前記第２振動素子よりも前記ノズルに近い位置に配置されることを特徴とする液体噴射装置。

【請求項4】

請求項１に記載の液体噴射装置において、
前記振動素子として、第１振動素子と、第２振動素子と、を有し、
前記第２振動素子は、前記第１振動素子を囲むように配置されることを特徴とする液体噴射装置。

【請求項5】

請求項４に記載の液体噴射装置において、
前記第１振動素子は、前記第２振動素子よりも共振周波数が高く、前記第２振動素子よりも前記ノズルに近い位置に配置されることを特徴とする液体噴射装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の液体噴射装置において、
前記振動生成部が振動を生成しない状態で前記ノズルから噴射した前記液体が複数の液滴となって飛翔し所定の位置を単位時間に通過する前記液滴の個数を自己液滴化周波数とするとき、
前記振動素子の少なくとも１つが生成する振動の周波数は、前記自己液滴化周波数の１．５倍以下であることを特徴とする液体噴射装置。

【請求項7】

請求項１から５のいずれか１項に記載の液体噴射装置において、
複数の前記振動素子は、互いに厚みが異なることを特徴とする液体噴射装置。

【請求項8】

請求項１から５のいずれか１項に記載の液体噴射装置において、
複数の前記振動素子は、互いに材質が異なることを特徴とする液体噴射装置。

【請求項9】

請求項１から５のいずれか１項に記載の液体噴射装置において、
前記振動板は、前記液体の噴射方向において前記振動素子の形成面が前記ノズルと対向することを特徴とする液体噴射装置。

【請求項10】

請求項１から５のいずれか１項に記載の液体噴射装置において、
前記振動板は、前記液体の噴射方向において前記ノズルと並んで配置されるとともに前記振動素子の形成面が前記液体の噴射方向と交差する方向に面することを特徴とする液体噴射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体噴射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、対象物に対して液体を噴射させる様々な液体噴射装置が使用されている。このような液体噴射装置のうち、連続状態で噴射された液体が液滴となる液滴化された状態で該液滴を対象物に衝突させる液体噴射装置がある。例えば、特許文献１には、高圧に加圧した液体に気体を混入させてノズルから該液体を噴射することで、液滴化された状態で該液滴を対象物に衝突させることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８－２５７９９７号公報

【特許文献2】特開平２－１４５２９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載されるような液滴化された液滴を対象物に衝突させる構成の従来の液体噴射装置においては、高速で液体を噴射する場合、液滴化距離が長くなっていた。液滴化距離が長くなると、噴射部から対象物までの間隔を長くしなければならないので、作業空間を広く確保しなければいけなくなるなど、作業性は低下する。そこで、様々な条件で液滴化させるため、本発明者らは、例えば、特許文献２に開示されるように、圧電素子を用いて液体を振動させる技術を組み合わせることを考えた。しかしながら、単純にこれらの技術を組み合わせただけでは、様々な条件で液滴化させることは困難であった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するための本発明の液体噴射装置は、液体を噴射するノズルと、前記液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、前記液体、前記ノズル及び前記液体搬送管のうちの少なくともいずれか１つに接し、振動を生成する振動生成部と、を備え、前記振動生成部は、振動板と、前記振動板上に配置され互いに共振周波数の異なる複数の振動素子と、を有することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施例１の液体噴射装置を表す概略図。

【図2】実施例１の液体噴射装置の噴射部を表す断面図であって、第１振動素子及び第２振動素子のいずれも駆動していない状態を表す図。

【図3】実施例１の液体噴射装置の噴射部を表す断面図であって、第２振動素子を駆動し第１振動素子を駆動していない状態を表す図。

【図4】実施例１の液体噴射装置の噴射部を表す断面図であって、図３の場合よりも送液ポンプの送液圧を高くして送液するとともに第１振動素子を駆動し第２振動素子を駆動していない状態を表す図。

【図5】実施例１の液体噴射装置の噴射部を表す断面図であって、図３の場合に対して送液ポンプの送液圧を変えることなく送液するとともに第１振動素子を駆動し第２振動素子を駆動していない状態を表す図。

【図6】実施例１の液体噴射装置の噴射部の振動生成部の底面図。

【図7】実施例２の液体噴射装置の噴射部の振動生成部の底面図。

【図8】実施例３の液体噴射装置の噴射部を表す断面図。

【図9】実施例３の液体噴射装置の噴射部の振動生成部の底面図であって、振動板を省略して表す図。

【図10】実施例４の液体噴射装置の噴射部を表す断面図。

【図11】実施例５の液体噴射装置の噴射部を表す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の液体噴射装置は、液体を噴射するノズルと、前記液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、前記液体、前記ノズル及び前記液体搬送管のうちの少なくともいずれか１つに接し、振動を生成する振動生成部と、を備え、前記振動生成部は、振動板と、前記振動板上に配置され互いに共振周波数の異なる複数の振動素子と、を有することを特徴とする。

【0008】

本態様によれば、振動生成部は振動板上に共振周波数の異なる複数の振動素子を有する。すなわち、共振周波数の異なる複数の振動素子を所望の条件に合わせて駆動し分けることができる。したがって、液体を連続流で噴射するとともに該連続流を液滴化させて液滴状で対象物に衝突させることが可能な液体噴射装置において様々な条件で液滴化させることができる。

【0009】

本発明の第２の態様の液体噴射装置は、前記第１の態様において、前記振動素子として、第１振動素子と、第２振動素子と、を有し、前記第１振動素子と前記第２振動素子とは、前記液体の噴射方向と交差する方向に並んで配置されることを特徴とする。

【0010】

本態様によれば、振動素子として第１振動素子と第２振動素子とを有し、第１振動素子と第２振動素子とは液体の噴射方向と交差する方向に並んで配置される。このため、第１振動素子と第２振動素子とを並べるという簡単な構成で振動生成部を構成することができる。

【0011】

本発明の第３の態様の液体噴射装置は、前記第２の態様において、前記第１振動素子は、前記第２振動素子よりも共振周波数が高く、前記第２振動素子よりも前記ノズルに近い位置に配置されることを特徴とする。

【0012】

本態様によれば、第２振動素子よりも共振周波数が高い第１振動素子が第２振動素子よりもノズルに近い位置に配置される。このような構成とすることで、微細な作業に好適な液体噴射装置とすることができる。

【0013】

本発明の第４の態様の液体噴射装置は、前記第１の態様において、前記振動素子として、第１振動素子と、第２振動素子と、を有し、前記第２振動素子は、前記第１振動素子を囲むように配置されることを特徴とする。

【0014】

本態様によれば、振動素子として第１振動素子と第２振動素子とを有し、第２振動素子は第１振動素子を囲むように配置される。このような構成とすることで、第１振動素子及び第２振動素子のいずれの振動素子もノズルに近い位置に配置させることが可能になり、ノズルに近い位置において所望の共振周波数にする精度を高くすることができる。

【0015】

本発明の第５の態様の液体噴射装置は、前記第４の態様において、前記第１振動素子は、前記第２振動素子よりも共振周波数が高く、前記第２振動素子よりも前記ノズルに近い位置に配置されることを特徴とする。

【0016】

本態様によれば、第２振動素子よりも共振周波数が高い第１振動素子が第２振動素子よりもノズルに近い位置に配置される。このような構成とすることで、液滴化効果を高くすることができる。

【0017】

本発明の第６の態様の液体噴射装置は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、前記振動生成部が振動を生成しない状態で前記ノズルから噴射した前記液体が複数の液滴となって飛翔し所定の位置を単位時間に通過する前記液滴の個数を自己液滴化周波数とするとき、前記振動素子の少なくとも１つが生成する振動の周波数は、前記自己液滴化周波数の１．５倍以下であることを特徴とする。

【0018】

本態様によれば、振動生成部が生成する振動の周波数は自己液滴化周波数の１．５倍以下である。振動生成部が生成する振動の周波数を大きくしすぎると適正に液滴化することができない場合があるが、振動生成部が生成する振動の周波数を自己液滴化周波数の１．５倍以下とすることで、適正に液滴化しなくなることを抑制することができる。

【0019】

本発明の第７の態様の液体噴射装置は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、複数の前記振動素子は、互いに厚みが異なることを特徴とする。

【0020】

本態様によれば、複数の振動素子は互いに厚みが異なる。このため、例えば同じ材料を用いて共振周波数の異なる複数の振動素子を形成することができる。

【0021】

本発明の第８の態様の液体噴射装置は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、複数の前記振動素子は、互いに材質が異なることを特徴とする。

【0022】

本態様によれば、複数の振動素子は互いに材質が異なる。このため、例えば同じ大きさや厚みの複数の振動素子で、共振周波数の異なる複数の振動素子を形成することができる。

【0023】

本発明の第９の態様の液体噴射装置は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、前記振動板は、前記液体の噴射方向において前記振動素子の形成面が前記ノズルと対向することを特徴とする。

【0024】

本態様によれば、振動板は液体の噴射方向において振動素子の形成面がノズルと対向する。このため、複数の振動素子が液体の噴射方向に沿う方向に振動する振動生成部を形成することができる。

【0025】

本発明の第１０の態様の液体噴射装置は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、前記振動板は、前記液体の噴射方向において前記ノズルと並んで配置されるとともに前記振動素子の形成面が前記液体の噴射方向と交差する方向に面することを特徴とする。

【0026】

本態様によれば、振動板は液体の噴射方向においてノズルと並んで配置されるとともに振動素子の形成面が液体の噴射方向と交差する方向に面する。このため、複数の振動素子が液体の噴射方向と交差する方向に振動する振動生成部とすることができる。

【0027】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。最初に、図１を参照して本発明の一実施例に係る液体噴射装置１の概要について説明する。ここで、本実施例の液体噴射装置１は、例えば歯科治療用等で用いることができる。液体噴射装置１を、歯科治療用等で用いる場合、少水量、高速の噴射液体をノズル２６直近で液滴化することが必要である。そのためには液体室２５内のアクチュエーターで流量脈動を誘起し、液滴化距離Ｌを短縮させることが可能である。この液滴化周波数は、流量脈動無しで液滴化する自己液滴化周波数が最も安定し、液滴化距離Ｌも短縮できる。自己液滴化周波数は流量とノズル２６の内径によって概ね決まってくる。

【0028】

一方、破砕除去を目的とする齲蝕の状態によって、流量を変化させることによって噴射液体速度を変化させることが望ましい。その際には自己液滴化周波数は異なってしまうため、単一のアクチュエーターでは、最も効率の良い共振周波数で使用することができなくなってしまう。ここで、アクチュエーターの共振周波数とは、液体室２５に設置され、ダイアフラム４１等を介して、液体３と接した場合の共振周波数である。また、自己液滴化周波数以外の周波数で流量脈動させることによって、液滴径を変化させることができる。液滴体積は液滴径の３乗に比例するため、同一流量すなわち同一速度であれば、液滴径が大きいほど破砕力が高くなる。従って、使用目的に応じて、液滴径を制御できる構成とすることで、この点でも有用となる。

【0029】

図１に示す液体噴射装置１は、液体３を噴射するヘッド部２と、噴射する液体３を送る送液ポンプ６と、噴射する液体３を貯留するタンク８と、タンク８と送液ポンプ６とをつなぐ液体吸引チューブ７と、送液ポンプ６とヘッド部２とをつなぐ送液チューブ９と、を備えている。また、ヘッド部２への駆動信号線５１と送液ポンプ６への制御信号線５２とを有する制御装置５を備えている。

【0030】

ユーザーは、このような構成の液体噴射装置１を用い、把持部２１を把持し、ヘッド部２から液体３を噴射させ、所望の対象物に液体３を衝突させることにより、各種作業を行う。各種作業とは、例えば、歯科治療が挙げられるが、歯科治療以外でも、対象物に関して、洗浄、バリ取り、剥離、はつり、切除、切開、破砕等することが挙げられる。本実施例の液体噴射装置１は、ヘッド部２に設けられたノズル２６から噴射方向ｂに連続状態で噴射された液体３の連続流３ａが液滴３ｂとなる液滴化された状態で該液滴３ｂを対象物に衝突させる液体噴射装置である。

【0031】

次に、液体噴射装置１の要部であるヘッド部２について図２を参照して詳細に説明する。ヘッド部２は、図２で表されるように、把持部２１内において液体搬送管を構成する導入流路２３、流入流路開口部２４、を有している。タンク８からヘッド部２に対して方向ａに流入した液体３は、導入流路２３及び流入流路開口部２４を通り、液体室２５に導かれ、図１で表されるようにノズル２６から高速の連続流３ａとして噴射方向ｂに噴射される。

【0032】

液体室２５は、振動生成部としての役割をする上ケース３１と、上ケース３１に設けられた穴部に設置された振動素子４２と、振動板であるダイアフラム４１と、下ケース２０と、によって構成された空間である。ここで、振動素子４２として、厚みの異なる単板圧電素子４２ａ（第１振動素子）及び単板圧電素子４２ｂ（第２振動素子）を有している。また、図６などで表されるように、ダイアフラム４１として、単板圧電素子４２ａ及び単板圧電素子４２ｂの液体室２５側に夫々固着された金属薄膜からなるダイアフラム４１ａ及びダイアフラム４１ｂを有している。単板圧電素子４２ａ及び単板圧電素子４２ｂは、ＢａＴｉＯ_３、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ_３等によるセラミック系の圧電素子であり、数百ｋＨｚでの共振周波数の調整も容易で、早い流速での液滴化が可能になる。

【0033】

次に、本実施例の液体噴射装置１の具体的動作について説明する。また、併せて、流量脈動による液滴化促進時の効果についても説明する。図１に示す制御装置５からの制御信号線５２を介して送液ポンプ６にポンプ駆動信号が送られることにより送液ポンプ６は、液体３をタンク８から液体吸引チューブ７を通じて吸引し送液チューブ９に高圧で送液し、ヘッド部２に送る。噴射液体４は例えば図２の矢印ａに示すように流入流路開口部２４を通り、液体室２５に流入する。

【0034】

まず、液滴化促進を行わない場合、ノズル２６から噴射された液体３は、図２で表されるように、連続流３ａとして噴射され、やがて液体３自体の持つ表面張力によって分断されて、液滴３ｂとして飛翔する。この時、単位時間あたりに生成される液滴３ｂの数を自己液滴化周波数と呼ぶ。別の表現をすると、振動生成部が振動を生成しない状態でノズル２６から噴射した液体３が複数の液滴３ｂとなって飛翔し所定の位置を単位時間に通過する液滴３ｂの個数を自己液滴化周波数とする。

【0035】

液体３が対象物に衝突した際に、対象物が液体３から受ける力は、連続流３ａ状態のときには、動作液体の速度をＶ、動作液体密度をρとして、１／２×ρ×Ｖ^２の淀み点圧として与えられる。一方、液滴３ｂ状態では、液体３中での音速をＣとして、ρ×Ｃ×Ｖで示される衝撃圧となる。例えば水中での音速は約１５００ｍ／ｓであるため、液体３の噴射速度が１００ｍ／ｓの場合、連続流３ａ状態に対し液滴化した状態では対象物に与える力が３０倍になり、破砕や切除が同一流量でも極めて効果的に行うことができる。

【0036】

しかし、液滴化促進を行わない場合、連続流３ａ状態が長く続くので、ノズル２６から対象物までの距離を長くとらないと破砕や切除に効果的な液滴３ｂ状態で対象物に液体３があたらない。そこで、本実施例の液体噴射装置１においては、上ケース３１に、液体室２５、ダイアフラム４１（ダイアフラム４１ａ及びダイアフラム４１ｂ）、振動素子４２（単板圧電素子４２ａ及び単板圧電素子４２ｂ）によって、振動生成部が形成される。送液ポンプ６により、液体３が圧送されノズル２６から液体３が噴射されている状態で、駆動信号線５１により振動素子４２の一方にその共振周波数の交流電圧が印加させると、単板圧電素子４２ａまたは単板圧電素子４２ｂは共振周波数で厚み方向（本実施例では噴射方向ｂに沿う方向）に振動する。その振動はダイアフラム４１ａまたはダイアフラム４１ｂを介して液体室２５の液体３に伝えられこの振動がノズル２６から噴射する液体３に伝達されて液滴化が促進される。

【0037】

ここで、上記の動作概念について図２から図５を用いて説明する。図２から図５で表されるように、薄い単板圧電素子４２ａと厚い単板圧電素子４２ｂとが、ダイアフラム４１を介して液体３に接している。セラミック系の単板圧電素子４２ａ及び単板圧電素子４２ｂにおいて、単体での共振周波数ｆはｆ＝Ｎ／ｔで示される。ここで、Ｎは厚み方向の振動の周波数定数であり、ｔは厚さである。つまり薄いほうが共振周波数は高くなる。振動素子４２がダイアフラム４１を介して液体３に接する場合、ダイアフラム４１の質量や液体３の質量、粘性によりこの式とは異なり複雑になるが、共振周波数には振動素子４２の厚みが支配的要素である。

【0038】

まず、図２を参照して、薄い単板圧電素子４２ａ及び厚い単板圧電素子４２ｂの両方が動作していない状態について説明する。前述したように、ノズル２６から連続流３ａとして噴射されたある流速の液体３は、一定距離飛翔後に表面張力によって液滴化される。なお、この際の噴射液体速度は、噴射液体速度Ｖ１であり、図２から図５の白抜き矢印の大きさは噴射液体速度の大きさを概念的に表している。

【0039】

次に、厚い単板圧電素子４２ｂのみを動作させている状態について説明する。図３は、厚い単板圧電素子４２ｂのみを動作させている状態を表している。図３で表されるように、厚い単板圧電素子４２ｂに、その共振周波数の交流電圧を印加すると、単板圧電素子４２ｂは伸縮し、流量の脈動が発生し液滴化が促進されるため、液滴化距離Ｌを短縮できる。図２と図３を比較すると明らかなように、図２で表される液滴化距離Ｌ０に比べて、図３で表される液滴化距離Ｌ１は短い。

【0040】

ここで、図３で表される場合よりも早い噴射液体速度で液滴３ｂを衝突させることをユーザーが望む場合、送液ポンプ６によって液体３の流量を増加させればよい。ただし、そのとき、同時に自己液滴化周波数は高くなる。そこで、そのとき、厚い単板圧電素子４２ｂの代わりに、より高い共振周波数となる薄い単板圧電素子４２ａをその共振周波数で駆動することにより、液滴化を促進することができる。図４は、図３の場合よりも送液ポンプの送液圧を高くして送液するとともに薄い単板圧電素子４２ａのみを動作させている状態を表している。より高い共振周波数の薄い単板圧電素子４２ａを共振周波数で駆動することにより、液滴化が促進できる。なお、図３における液滴３ｂの状態の噴射液体速度Ｖ１に対して、図４における液滴３ｂの状態の噴射液体速度Ｖ２では、噴射液体速度が速くなっているため、自己液滴化周波数は高くなっている。

【0041】

また、図３で表される場合よりも小さい液滴３ｂを対象物に対して衝突させることをユーザーが望む場合、図３で表される場合に対して液体３の流量を変えることなく薄い単板圧電素子４２ａをその共振周波数で駆動すればよい。このようにすることで、液滴３ｂを小さくさせるとともに液滴３ｂの個数を増加させて微小部分の加工等に適用することができる。図５は、図３の場合に対して送液ポンプの送液圧を変えることなく送液するとともに薄い単板圧電素子４２ａのみを動作させている状態を表している。図５で表されるように、図３の場合と比べて小さい液滴３ｂを対象物に対して多く衝突させることができる。

【0042】

なお、共振周波数の異なる複数の振動素子４２を設ける場合、これらを駆動する周波数の少なくとも１つは、所望の流量時の自己液滴化周波数とは異なる場合もある。しかしながら、これらのうちの少なくとも一方の周波数は、自己液滴化周波数もしくはその近傍であることが望ましい。そうすることにより、自己液滴化周波数近傍での液滴化が容易になり、液滴化しやすい自己液滴化周波数での駆動となるため、自己液滴化周波数近傍の周波数で駆動する振動素子４２の面積を減らして他の振動素子４２の配置面積を大きくすることができるとともに、アクチュエーターの小型化や、消費電力削減につながるためである。

【0043】

さらには、振動素子４２の少なくとも１つが生成する振動の周波数は、自己液滴化周波数の１．５倍以下であることが好ましい。本実施例の上ケース３１のような振動生成部が生成する振動の周波数を大きくしすぎると適正に液滴化することができない場合があるが、振動生成部が生成する振動の周波数を自己液滴化周波数の１．５倍以下とすることで、適正に液滴化しなくなることを抑制することができるためである。

【0044】

上記のように、本実施例の液体噴射装置１は、液体３を噴射するノズル２６を備えている。また、液体３をノズル２６まで搬送する液体搬送管としての、液体吸引チューブ７、送液チューブ９、導入流路２３、流入流路開口部２４などを備えている。また、液体３、ノズル２６及び液体搬送管のうちの少なくともいずれか１つに接し、振動を生成する振動生成部としての上ケース３１を備えている。そして、上ケース３１は、振動板としてのダイアフラム４１と、ダイアフラム４１上に配置され互いに共振周波数の異なる複数の振動素子４２と、を有している。このような構成としていることで、本実施例の液体噴射装置１は、共振周波数の異なる複数の振動素子４２を所望の条件に合わせて駆動し分けることができる。したがって、本実施例の液体噴射装置１は、液体３を連続流３ａで噴射するとともに該連続流３ａを液滴化させて液滴３ｂ状で対象物に衝突させることが可能な液体噴射装置１において様々な条件で液滴化させることができる。

【0045】

また、本実施例の液体噴射装置１は、振動素子４２として、第１振動素子としての単板圧電素子４２ａと、第２振動素子としての単板圧電素子４２ｂと、を有している。そして、図２から図６で表されるように、単板圧電素子４２ａと単板圧電素子４２ｂとは、液体３の噴射方向ｂと交差する方向ｃに並んで配置されている。このため、本実施例の液体噴射装置１は、第１振動素子としての単板圧電素子４２ａと第２振動素子としての単板圧電素子４２ｂとを並べるという簡単な構成で、振動生成部としての上ケース３１を構成することができている。

【0046】

また、本実施例の液体噴射装置１においては、図２から図５で表されるように、複数の振動素子４２である単板圧電素子４２ａ及び単板圧電素子４２ｂは、互いに厚みが異なる。共振周波数は振動素子４２の厚みに大きく影響されるので、このような構成とすることで、例えば同じ材料を用いて共振周波数の異なる複数の振動素子４２を形成することができる。ただし、このような構成に限定されない。

【0047】

複数の振動素子４２は、互いに材質が異なる構成としてもよい。互いに材質が異なる複数の振動素子４２とすることには、異なる種類の素材を用いたピエゾ素子を使用することなどのほか、磁歪アクチュエーターや静電アクチュエーター等の異種の振動素子４２を用いることも含まれる。互いに材質が異なる複数の振動素子４２とすることで、例えば同じ大きさや厚みの複数の振動素子４２で、共振周波数の異なる複数の振動素子４２を形成することができるためである。

【0048】

また、本実施例の液体噴射装置１においては、図２から図５で表されるように、振動板としてのダイアフラム４１は、液体３の噴射方向ｂにおいて振動素子４２の形成面４１１がノズル２６と対向する配置となっている。このような構成とすることで、複数の振動素子４２が液体３の噴射方向ｂに沿う方向に振動する振動生成部を形成することができる。なお、本実施例の液体噴射装置１においては、ダイアフラム４１は上ケース３１のダイアフラム形成面３１１に形成されている。ここで、「振動素子４２の形成面４１１」とは、ダイアフラム４１において、振動素子４２が配置されるダイアフラム形成面３１１側の面と、振動素子４２が配置される側とは反対側であるノズル２６と対向する側の面と、のいずれであってもよい意味である。

【0049】

［実施例２］
以下に、実施例２の液体噴射装置１について図７を参照して説明する。図７は実施例１の液体噴射装置１における図６に対応する図である。本実施例の液体噴射装置１は、以下で説明する構成以外については、実施例１の液体噴射装置１と同様である。このため、本実施例の液体噴射装置１は、下記の説明箇所以外については実施例１の液体噴射装置１と同様の特徴を有している。そこで、図７では上記実施例１と共通する構成部材は同じ符号で示し、詳細な説明は省略する。

【0050】

上記のように、実施例１の液体噴射装置１においては、単板圧電素子４２ａ及び単板圧電素子４２ｂの各々に対応して、ダイアフラム４１ａ及びダイアフラム４１ｂとダイアフラム４１を２つ備えていた。一方、図７で表されるように、本実施例の液体噴射装置１においては、ダイアフラム４１として、単板圧電素子４２ａ及び単板圧電素子４２ｂの両方が形成面４１１に配置される１つのみのダイアフラム４１ｃを備えている。

【0051】

別の表現をすると、実施例１の液体噴射装置１においては、ダイアフラム４１を複数の振動素子４２の夫々に配していたが、本実施例の液体噴射装置１のように、噴射方向ｂにおける形成面４１１の位置が同一ならば、複数の振動素子４２を有していても図７で表されるように１枚のダイアフラム４１で全体をカバーしてもよい。

【0052】

なお、アクチュエーターとして誘電体を電極で挟んだ静電アクチュエーターを用いることにより、安価かつ形状自由度の高いアクチュエーターによる局面形状等の液体室設計が可能になる。さらに、アクチュエーターとしてランタノイド元素等を主原料とした超磁歪素子周囲にコイルを配した磁歪アクチュエーターを用いれば、このようなアクチュエーターは熱や振動に強いため、液体３として熱水等を用いて対象物の破砕、洗浄効果を向上することができる。

【0053】

［実施例３］
以下に、実施例３の液体噴射装置１について図８及び図９を参照して説明する。図８は実施例１の液体噴射装置１における図２から図５に対応する図である。また、図９は実施例１の液体噴射装置１における図６に対応する図である。本実施例の液体噴射装置１は、以下で説明する構成以外については、実施例１及び実施例２の液体噴射装置１と同様である。このため、本実施例の液体噴射装置１は、下記の説明箇所以外については実施例１及び実施例２の液体噴射装置１と同様の特徴を有している。そこで、図８及び図９では上記実施例１及び実施例２と共通する構成部材は同じ符号で示し、詳細な説明は省略する。

【0054】

上記のように、実施例１及び実施例２の液体噴射装置１においては、複数の振動素子４２は、噴射方向ｂと交差する方向ｃに並んで配置されていた。一方、図８及び図９で表されるように、本実施例の液体噴射装置１においては、噴射方向ｂと沿う方向から見て振動素子４２としての単板圧電素子４２ｃの周りを囲うように振動素子４２としての単板圧電素子４２ｄが配置されている。なお、単板圧電素子４２ｃと単板圧電素子４２ｄの厚みは等しいが、これは、材質が異なることで共振周波数が異なる単板圧電素子を用いることで、共振周波数を変更したものである。こうすることにより、圧電素子設置面を同一面にできるため加工が容易になる。ただし、このような構成に限定されず、複数の振動素子４２の各々厚みを変化させることで、共振周波数を変えてもよい。さらに、前述した静電アクチュエーターや磁歪アクチュエーターを少なくとも一方のアクチュエーターとして用いることで共振周波数を変えてもよい。

【0055】

単板圧電素子４２ｄは、単板圧電素子４２ｃより、低い共振周波数を持つ。これは、ノズル２６の近傍での振動のほうが、流量脈動効果が大きくなるため、振幅が小さくなる高い共振周波数の単板圧電素子４２ｃをノズル２６に近く配置しているためである。ただし、このような構成とはせず、単板圧電素子４２ｄを自己液滴化周波数もしくはその近傍の周波数の共振周波数とし、単板圧電素子４２ｃを単板圧電素子４２ｄよりも自己液滴化周波数から離れた共振周波数としてもよい。このような構成でも、ノズル２６の近傍での脈動のほうがより効果的にノズル２６から噴射される液体３の液滴化を促進できるため、液滴化しにくい自己液滴化周波数と異なる周波数で容易に液体３を液滴化することができる。

【0056】

なお、円形の液体室２５に流入する流入流路開口部２４は、オフセットされ、液体室２５の接線方向（図中の方向ｃに沿う方向）から流入する配置となっている。このような構成とすることで、液体室２５内に旋回流が発生し、軽い気泡が遠心力で、ノズル２６付近に集まり容易に排出される。気泡はその圧縮性のため、微小な単板圧電素子等のアクチュエーターの変位を吸収してしまう。従って、気泡が排出されることにより、脈動の効果を上げることができるのである。

【0057】

上記のように、本実施例の液体噴射装置１は、振動素子４２として、第１振動素子としての単板圧電素子４２ｃ、第２振動素子としての単板圧電素子４２ｄとを有し、単板圧電素子４２ｄは、ダイアフラム４１ｄの形成面４１１に単板圧電素子４２ｃを囲むように配置されている。このような構成とすることで、単板圧電素子４２ｃ及び単板圧電素子４２ｄのいずれの振動素子４２をもノズル２６に近い位置に配置させることが可能になり、ノズル２６に近い位置において所望の共振周波数にする精度を高くすることができる。

【0058】

さらには、本実施例の液体噴射装置１では、単板圧電素子４２ｃは、単板圧電素子４２ｄよりも共振周波数が高く、単板圧電素子４２ｄよりもノズル２６に近い位置に配置されている。このような構成とすることで、周波数が高くなれば共振周波数でもその振幅が小さくなるため、液滴化効果が高くなる。

【0059】

［実施例４］
以下に、実施例４の液体噴射装置１について図１０を参照して説明する。図１０は実施例１の液体噴射装置１における図２から図５に対応する図である。本実施例の液体噴射装置１は、以下で説明する構成以外については、実施例１から実施例３の液体噴射装置１と同様である。このため、本実施例の液体噴射装置１は、下記の説明箇所以外については実施例１から実施例３の液体噴射装置１と同様の特徴を有している。そこで、図１０では上記実施例１から実施例３と共通する構成部材は同じ符号で示し、詳細な説明は省略する。

【0060】

上記のように、実施例１から実施例３の液体噴射装置１においては、噴射方向ｂにおいてダイアフラム４１における振動素子４２の形成面４１１がノズル２６と対向する配置で形成されていた。一方、図１０で表されるように、本実施例の液体噴射装置１においては、ダイアフラム４１（ダイアフラム４１ｅ及びダイアフラム４１ｆ）は、噴射方向ｂにおいてノズル２６と並んで配置されるとともに振動素子４２の形成面４１１が噴射方向ｂと交差する方向に面する構成となっている。このため、本実施例の液体噴射装置１は、上ケース３１及び下ケース２０を複数の振動素子４２が噴射方向ｂと交差する方向に振動する振動生成部とすることができている。このような構成とすることで、ペン型の液体噴射装置１の先端から液体３を噴射する構造が構築でき、微細加工や微細洗浄に有効な構造とすることができる。

【0061】

なお、本実施例の液体噴射装置１においては、下ケース２０に第１振動素子としての薄い単板圧電素子４２ｅ、上ケース３１に第２振動素子としての厚い単板圧電素子４２ｆを有している。そして、単板圧電素子４２ｅと単板圧電素子４２ｆとは同じ材質である。ただし、このような構成に限定されない。例えば、上ケース３１に第１振動素子としての薄い単板圧電素子４２ｅを設け、下ケース２０に第２振動素子としての厚い単板圧電素子４２ｆを設けてもよい。

【0062】

［実施例５］
以下に、実施例５の液体噴射装置１について図１１を参照して説明する。図１１は実施例１の液体噴射装置１における図２から図５に対応する図である。本実施例の液体噴射装置１は、以下で説明する構成以外については、実施例１から実施例４の液体噴射装置１と同様である。このため、本実施例の液体噴射装置１は、下記の説明箇所以外については実施例１から実施例４の液体噴射装置１と同様の特徴を有している。そこで、図１１では上記実施例１から実施例４と共通する構成部材は同じ符号で示し、詳細な説明は省略する。

【0063】

上記のように、実施例４の液体噴射装置１においては、第１振動素子としての薄い単板圧電素子４２ｅと第２振動素子としての厚い単板圧電素子４２ｆとが対向する配置で設けられていた。一方、図１１で表されるように、本実施例の液体噴射装置１においては、共に円筒状で夫々の厚さが異なる同じ材質の圧電素子４２ｇと圧電素子４２ｈとを備える。そして、圧電素子４２ｇと圧電素子４２ｈとは、円筒の収縮方向に対し異なる共振周波数を持つ。圧電素子４２ｇ及び圧電素子４２ｈは先端部材である上ケース３１に挿入され、固定リング３２とともに接着固定されている。圧電素子４２ｇ及び圧電素子４２ｈの内径は同一であるため、薄肉パイプ状のダイアフラム４１ｇが、圧電素子４２ｇ及び圧電素子４２ｈの夫々に固着されている。なお、後部部材３３は把持部２１の一部を兼ねている。このような構造では、非常に細いペン型の液体噴射装置が構成できるために、彫刻、手術等の微細な作業に好適となる。

【0064】

別の観点から説明すると、本実施例の液体噴射装置１は、第１振動素子としての圧電素子４２ｇは、第２振動素子としての圧電素子４２ｈよりも共振周波数が高く、圧電素子４２ｈよりもノズル２６に近い位置に配置されている。このような構成とすることで、微細な作業に好適な液体噴射装置とすることができる。また、本実施例の液体噴射装置１のように、例えば、断面が円形のアクチュエーター周囲に、中心に穴の空いた断面が円形アクチュエーターを配すれば、断面が円形の液体室２５に最大面積のアクチュエーターを収めることができ、液体室２５を小型化できるため、液体噴射装置１の小型化が可能になる。

【0065】

本発明は、上述の実施例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。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例中の技術的特徴は、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。圧電素子に関しては、共振周波数が高くでき、簡単な構造の単板圧電素子を用いて説明したが、用いる共振周波数によっては、駆動電圧を低くできる積層圧電素子も使用可能である。

【符号の説明】

【0066】

１…液体噴射装置、２…ヘッド部、３…液体、３ａ…連続流、３ｂ…液滴、５…制御装置、６…送液ポンプ、７…液体吸引チューブ（液体搬送管）、８…タンク、９…送液チューブ（液体搬送管）、２０…下ケース、２１…把持部、２３…導入流路（液体搬送管）、２４…流入流路開口部（液体搬送管）、２５…液体室、２６…ノズル、３１…上ケース（振動生成部）、３２…固定リング、３３…後部部材、４０…振動生成部、４１…ダイアフラム（振動板）、４１ａ…ダイアフラム、４１ｂ…ダイアフラム、４１ｃ…ダイアフラム、４１ｄ…ダイアフラム、４１ｅ…ダイアフラム、４１ｆ…ダイアフラム、４１ｇ…ダイアフラム、４１ｇ…ダイアフラム、４２…振動素子、４２ａ…単板圧電素子（第１振動素子）、４２ｂ…単板圧電素子（第２振動素子）、４２ｃ…単板圧電素子（第１振動素子）、４２ｄ…単板圧電素子（第２振動素子）、４２ｅ…単板圧電素子（第１振動素子）、４２ｆ…単板圧電素子（第２振動素子）、４２ｇ…圧電素子（第１振動素子）、４２ｈ…圧電素子、５１…駆動信号線、５２…制御信号線、３１１…ダイアフラム形成面、４１１…形成面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】