流体噴射装置
【課題】高粘度の流体を噴射することが可能な小型の流体噴射装置を提供する。
【解決手段】流体室の一部を変形板で構成し、変形板と向かい合わせの位置には、凹形状に形成された加圧室を開口させる。変形板の背面側を圧電素子で押圧して変形板を変形させると、加圧室の開口部分が変形板によって閉鎖され、その状態から更に変形板を変形させて加圧室内の流体を加圧する。こうすれば、加圧室の開口部分を閉鎖した後は加圧室内の流体が流体室に逃げなくなるので、加圧室内の流体を効率よく加圧できる。このため、流体噴射装置を大型化しなくても、粘度の高い流体を加圧してノズルから噴射させることが可能となる。
【解決手段】流体室の一部を変形板で構成し、変形板と向かい合わせの位置には、凹形状に形成された加圧室を開口させる。変形板の背面側を圧電素子で押圧して変形板を変形させると、加圧室の開口部分が変形板によって閉鎖され、その状態から更に変形板を変形させて加圧室内の流体を加圧する。こうすれば、加圧室の開口部分を閉鎖した後は加圧室内の流体が流体室に逃げなくなるので、加圧室内の流体を効率よく加圧できる。このため、流体噴射装置を大型化しなくても、粘度の高い流体を加圧してノズルから噴射させることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体室内の流体を加圧してノズルから噴射する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンターに代表される流体噴射装置が知られている。この流体噴射装置は、流体を噴射するためのノズルを備えており、微細な量の流体を高い精度で且つ繰り返して噴射することが可能である。そこで今日では、インク以外の様々流体を噴射することによって、画像の印刷以外の様々な分野への応用が試みられている。
【０００３】
例えば、医療向けの分野としては、流体噴射装置を用いてマイクロビーズ状のゲル（マイクロビーズゲル）を作成する技術が提案されている。この提案の技術によれば、接触するとゲル状に固まる２種類の液体の一方を、流体噴射装置を用いて他方の液体中に噴射することによって、粒径の揃ったマイクロビーズゲルを作成する（特許文献１、特許文献２）。流体噴射装置で噴射する側の液体の薬剤成分を混ぜておけば、薬剤成分が封入されたマイクロビーズゲルを生成することができる。そして、得られたマイクロビーズゲルを人体に投与すれば、体内での薬剤成分の分布を制御することが可能となって、副作用を抑えながら大きな薬効を得ることができるものと期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１１５９７号公報
【特許文献２】特開２００９−２０７９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、流体噴射装置はノズルの内径が小さいので、粘度の高い流体を噴射しようとすると大きな力が必要となり、流体噴射装置が大型化してしまうという問題があった。
【０００６】
この発明は、従来の技術が有する上述した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、粘度の高い流体であっても、流体噴射装置を大型化させることなく噴射することが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の流体噴射装置は次の構成を採用した。すなわち、
流体を加圧することによって該流体をノズルから噴射する流体噴射装置であって、
前記流体が供給される流体室と、
凹形状に形成されて前記流体室に開口し、前記ノズルが接続された加圧室と、
前記流体室の一部を構成し、前記加圧室の開口部分と向かい合わせの位置に設けられた変形板と、
前記変形板の背面側から、前記加圧室の開口部分よりも内側に対応する位置を押圧して、該変形板を変形させる圧電素子と、
を備え、
前記変形板は、前記圧電素子に押圧されることによって前記加圧室の開口部分を閉鎖し、該開口部分を閉鎖した状態で更に押圧されることによって、該加圧室内の流体を加圧する部材である
ことを特徴とする。
【０００８】
このような構成を有する本発明の流体噴射装置においては、圧電素子を用いて変形板を変形させると、加圧室の開口部分が変形板によって閉鎖され、その状態から更に変形板を変形させることによって、加圧室内の流体を加圧する。
【０００９】
こうすれば、加圧室の開口部分を閉鎖した後は、変形板を変形させたときに加圧室内の流体が流体室に逃げなくなる。このため、加圧室内の流体を効率よく加圧することができるので、大型の圧電素子を用いるなど、流体噴射装置を大型化しなくても、粘度の高い流体を加圧してノズルから噴射させることが可能となる。加えて、流体の噴射終了後は、加圧室の開口部分を閉鎖したままとなっているので、流体室側から加圧室内に流体が供給されることがない。このため、流体の噴射終了後にノズルから流体が漏れ出す事態を回避することができる。更に、変形板の変形が元に戻る際には、初めのうちは加圧室の開口部分を閉鎖したまま加圧室の容積が増加するので、ノズル付近の流体が加圧室の方向に引き戻される。この点からも、流体の噴射終了後にノズルから流体が漏れ出す事態を回避することができる。
【００１０】
また、上述した本発明の流体噴射装置においては、変形板の変形を規制する規制部を加圧室に設けておき、変形板は、加圧室の開口部分を閉鎖した後は規制部に当接するまで変形するようにしてもよい。尚、規制部は、加圧室の開口部分を閉鎖した後の変形板に当接して、変形板の変形を規制するものであれば良く、従って、加圧室の内壁面のうちの変形板に当接する部分とすることもできる。
【００１１】
こうすれば、流体の噴射量は、加圧室の開口部分を閉鎖してから規制部に当接するまでの変形板の変形量によって決定される。そして、変形板が、加圧室の開口部分を閉鎖してから規制部に当接するまでの変形量のばらつきは、加圧室の製造精度を上げることによって、十分に小さくすることができる。その結果、高い精度の噴射量で流体を噴射することが可能となる。
【００１２】
また、上述した本発明の流体噴射装置においては、加圧室を、変形板の側から見て末狭まり形状に形成し、末狭まり形状の末端位置にノズルを接続するようにしても良い。
【００１３】
詳細なメカニズムについては後述するが、加圧室を、変形板の側から見て末狭まり形状に形成しておけば、変形板を変形させて加圧室内の流体を加圧したときに、加圧室内で流体が加速される。従って、末狭まり形状の末端位置にノズルを接続しておけば、ノズルから勢いよく流体を噴射することができる。また、流体の噴射後は、変形板の変形を戻したことによって生じる負圧が、ノズル付近の流体に効率よく伝わって、流体が加圧室の方向に引き戻される。このため、噴射終了後にノズルから流体が漏れ出す事態を、より確実に回避することが可能となる。
【００１４】
また、末狭まり形状の加圧室を備えた本発明の流体噴射装置においては、加圧室からノズルまでのノズル通路も、ノズルに向かって末狭まり形状に形成してもよい。
【００１５】
こうすれば、流体を噴射する際には、ノズル通路においても流体を加速することができるので、ノズルから勢いよく流体を噴射することができる。また、流体の噴射終了後は、加圧室内で生じた負圧をノズル付近の流体に効率よく伝えることができるので、噴射終了後にノズルから流体が漏れ出す事態を、より一層確実に回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施例の流体噴射装置の大まかな構造を示した説明図である。
【図２】流体噴射装置の詳細な構造を示す断面図である。
【図３】流体噴射装置が流体を噴射する動作を示した説明図である。
【図４】流体噴射装置が粘度の高い流体を噴射可能な理由を示した説明図である。
【図５】流体噴射装置が流体を噴射した後の動作を示した説明図である。
【図６】加圧室あるいは出口通路を末狭まり形状とすることがノズルの後だれ回避に有効な理由を示した説明図である。
【図７】加圧室および出口通路が末狭まり形状に形成されていない参考例の流体噴射装置を示した説明図である。
【図８】変形例の流体噴射装置を示した説明図である。
【図９】変形例の他の態様の流体噴射装置を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．流体噴射装置の動作：
Ｃ．変形例：
【００１８】
Ａ．装置構成 ：
図１は、本実施例の流体噴射装置１００の大まかな構造を示した説明図である。図１（ａ）には流体噴射装置１００の外観図が示されており、図１（ｂ）には分解組立図が示されている。図１（ａ）に示されるように流体噴射装置１００は、金属製の第１ケース１１０や、同じく金属製の第２ケース１２０などから構成されている。詳細には後述するが、第１ケース１１０と第２ケース１２０とは、薄い円板形状のダイアフラム１１１を挟み込んだ状態で互いに堅固に取り付けられており、ダイアフラム１１１の下面側（第２ケース１２０側）には、後述する流体室が設けられている。本実施例ではダイアフラム１１１が、本発明における「変形板」に対応する。第２ケース１２０の側面には入口ニップル１２１が立設されており、入口ニップル１２１内には流体室に連通する入口通路１２２が設けられている。また、第１ケース１１０の上面側には、円柱状のケース部１１２が立設されており、ケース部１１２内には積層型の圧電素子１１３が収納されている。制御部１５０は、圧電素子１１３に対して駆動信号を出力することによって、流体噴射装置１００の動作を制御する。
【００１９】
図１（ｂ）に示されるように、第２ケース１２０の上面側には、円形の浅い凹部１２３が形成されており、凹部１２３内には、凹部１２３と同心円状に土手状の凸部１２４が形成され、凸部１２４の頂部にはオーリング１２５が取り付けられている。凸部１２４の高さは、オーリング１２５が凹部１２３から突出しない高さに設定されている。また、凸部１２４の中心位置には、第２ケース１２０の底面側まで貫通する出口通路１２７が形成されており、出口通路１２７が底面側に開口した部分にノズル１２６が形成されている。更に、円環状の凸部１２４の外側には、入口ニップル１２１内に形成された入口通路１２２が開口している。
【００２０】
ダイアフラム１１１は、凹部１２３よりも大きな外径に形成されている。このためダイアフラム１１１を第２ケース１２０の上面に載せると、凹部１２３全体がダイアフラム１１１で覆われた状態となる。またダイアフラム１１１は、ステンレスなどの弾性に富んだ金属材料によって形成されている。ダイアフラム１１１の上から第１ケース１１０を載せると、ダイアフラム１１１の外周部分が第１ケース１１０と第２ケース１２０との間で挟み込まれて固定される。また、このとき、ケース部１１２内の圧電素子１１３は、端板１１４を介してダイアフラム１１１に当接した状態となる。
【００２１】
図２は、流体噴射装置１００の詳細な構造を示す断面図である。図１（ｂ）を用いて前述したように、ダイアフラム１１１は、外周部分が第１ケース１１０と第２ケース１２０とによって挟み込まれた状態で固定されている。また、第２ケース１２０に設けられた凹部１２３は、ダイアフラム１１１によって覆われている。本実施例では、第２ケース１２０の凹部１２３とダイアフラム１１１とによって囲まれた空間が流体室となる。また、凹部１２３内には円環状の凸部１２４が設けられており、凸部１２４の上部にはオーリング１２５が設けられている。そして、オーリング１２５の内側には、下方に向けて漏斗形状に形成された加圧室１２３ｃが設けられ、漏斗形状の先端部分に出口通路１２７を介してノズル１２６が接続されている。また、出口通路１２７も、ノズル１２６に向かって少しずつ内径が小さくなる末狭まり形状に形成されている。尚、加圧室１２３ｃは、オーリング１２５の部分で流体室（凹部１２３）に開口していることから、本実施例では、オーリング１２５の部分が本発明における「加圧室の開口部分」に対応する。また、出口通路１２７が本発明における「ノズル通路」に対応する。
【００２２】
通常の状態（ダイアフラム１１１が変形していない状態）では、オーリング１２５とダイアフラム１１１との間には隙間が形成されている。このため、入口通路１２２から流体を供給すると、流体は、凹部１２３、加圧室１２３ｃ、および出口通路１２７に満たされる。
【００２３】
一方、第１ケース１１０のケース部１１２は上端側が開口されており、ここに略円板形状の蓋板１１５が、ネジ止めなどによって堅固に取り付けられる。圧電素子１１３は、上端側が蓋板１１５に接着された状態でケース部１１２内に収納される。また、圧電素子１１３の下端側には端板１１４が接着されており、圧電素子１１３に駆動信号が印加されていない状態（初期状態）では、端板１１４がダイアフラム１１１の上面側に接触した状態となっている。尚、初期状態は、圧電素子１１３に電圧が印加されていない状態であってもよいし、初期電圧は印加されているが駆動信号は印加されていない状態であってもよい。また、圧電素子１１３が端板１１４を介してダイアフラム１１１を押圧する位置は、ダイアフラム１１１の向かい側に設けられたオーリング１２５の内側に対応する位置となっている。
【００２４】
Ｂ．流体噴射装置の動作 ：
以上のような構造を有する本実施例の流体噴射装置１００は、粘度の高い流体であってもノズル１２６から噴射することが可能である。以下、この点について詳しく説明する。
【００２５】
図３は、本実施例の流体噴射装置１００が流体を噴射する動作を示した説明図である。図３（ａ）には、圧電素子１１３に駆動信号を印加する前の状態（初期状態）が示されている。この状態では、オーリング１２５とダイアフラム１１１との間には隙間が形成されている。このため、凹部１２３（流体室）および加圧室１２３ｃは、入口通路１２２から供給された流体によって満たされた状態となる。尚、出口通路１２７も流体で満たされるが、流体が表面張力によってノズル１２６に界面を形成するため、ノズル１２６から流体が流出することはない。
【００２６】
続いて、圧電素子１１３に駆動信号を印加すると、圧電素子１１３が伸張してダイアフラム１１１を下方に撓ませる。その結果、図３（ｂ）に示すように、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接して、加圧室１２３ｃの開口部分を閉鎖した状態となる。この状態から、圧電素子１１３に印加する駆動信号の電圧を更に増加させて圧電素子１１３を更に伸張させると、オーリング１２５に当接した部分よりも内側のダイアフラム１１１が下方に撓むように変形する。ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接しているので、圧電素子１１３が発生する力は、ほとんど全てが加圧室１２３ｃ内の流体を加圧するために使われる。このため、圧電素子１１３を大型化しなくても、たいへんに高い圧力で加圧室１２３ｃの流体を加圧することができる。その結果、粘度の高い流体であっても、図３（ｃ）に示すように、ノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００２７】
尚、本実施例では、オーリング１２５が硬質ゴムなどの比較的硬い材料で形成されているため、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した後は、オーリング１２５に当接した部分よりも内側のダイアフラム１１１が変形するものとして説明した。しかし、オーリング１２５を柔らかいゴム材料で形成してもよい。こうすれば、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した後も、オーリング１２５を変形させることによってダイアフラム１１１全体が変形する。このため、ダイアフラム１１１の大きな変位を確保することが容易となり、その結果、大きな変位を確保するためにダイアフラム１１１を無理に変形させて、局所的に大きな応力が発生する事態を回避することができる。
【００２８】
また、本実施例の流体噴射装置１００では、図３（ｃ）に示すようにダイアフラム１１１は加圧室１２３ｃの内壁面に当接するまで変形する。このため、以下の理由から、噴射量の精度を向上させることが可能となる。先ず、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接するまでは、加圧室１２３ｃから凹部１２３に流体が逃げてしまうので、加圧室１２３ｃ内の流体をあまり加圧することができない。このため、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接するまでは、ダイアフラム１１１が撓んでもノズル１２６からの流体が噴射することはない。一方、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した後は加圧室１２３ｃ内の流体を効率よく加圧することが可能となる。従って、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接してから加圧室１２３ｃの内壁面に当接するまでの撓み量が、ノズル１２６からの流体の噴射量を決定する。
【００２９】
ここで、この撓み量（ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接してから加圧室１２３ｃの内壁面に当接するまでの撓み量）のばらつきは、凸部１２４や加圧室１２３ｃの製造精度を上げることによって、かなりのレベルまで小さくすることができる。例えば図３（ｃ）に示した例では、ダイアフラム１１１が、加圧室１２３ｃの斜面になった部分に倣う形状に撓んでいる。従って、加圧室１２３ｃの開口部分（オーリング１２５が設けられた部分）や、その内側の加圧室１２３ｃの斜面の部分の製造精度が、流体の噴射量を決定する。
【００３０】
仮に、ダイアフラム１１１を加圧室１２３ｃの斜面に当接させないものとすると、ダイアフラム１１１の変形量は圧電素子１１３の変形量によって決定される。ここで圧電素子１１３には個体差が存在しており、同じ電圧を加えた場合でも、圧電素子１１３毎に変形量にはばらつきが生じる。この圧電素子１１３の個体差に比べれば、加圧室１２３ｃの製造精度は非常に高い精度を実現することができる。このため、本実施例の流体噴射装置１００では、非常に精度の高い噴射量で、流体を噴射することが可能となる。
【００３１】
尚、本実施例では、加圧室１２３ｃの斜めになった内壁面に当接するまでダイアフラム１１１が変形する。従って、加圧室１２３ｃの内壁面が本発明における「規制部」に対応する。もっとも、加圧室１２３ｃの内壁面に凸部を設けて、この凸部に当接するまでダイアフラム１１１が変形するようにしても良い。この場合は、この凸部が本発明における「規制部」に対応する。
【００３２】
また、加圧室１２３ｃは、ノズル１２６に向かって末狭まりの漏斗形状に形成されている。更に、加圧室１２３ｃとノズル１２６とを接続する出口通路１２７も、ノズル１２６に近付くほど内径が小さくなる末狭まり形状に形成されている。このため、粘度の高い流体であっても、以下の理由から、勢いよくノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００３３】
図４は、本実施例の流体噴射装置１００が粘度の高い流体であってもノズル１２６から勢いよく噴射可能な理由を示した説明図である。図４では、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した状態で、更に撓むことによって加圧室１２３ｃ内の流体を加圧している様子が示されている。ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した状態で下方に少しだけ撓むと、ダイアフラム１１１に接していた流体が下方に押し出される。ここで加圧室１２３ｃは、ダイアフラム１１１の側から見て末狭まり形状となっているので、押し出された流体は、ダイアフラム１１１が押し出した速度よりも加速する。そして、加速した流体は、その下の流体を下方に押し出して、押し出された流体が、加圧室１２３ｃの末狭まり形状によって加速される。その流体が更にその下の流体を下方に押し出して、押し出された流体が加速される。
【００３４】
このように、ダイアフラム１１１の側から見て加圧室１２３ｃが末狭まり形状となっているので、出口通路１２７の入口付近の流体は、ダイアフラム１１１が流体を押し出した速度以上に加速して出口通路１２７に流入する。そして、出口通路１２７もノズル１２６に向かって末狭まり形状になっている。このため、出口通路１２７の中でもノズル１２６に近付くにつれて流体の動きが加速されて、最終的には流体がノズル１２６から勢いよく噴射される。図４では、ダイアフラム１１１で押し出された流体の動きが、加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７の中をノズル１２６に向かって進むに従って加速される様子が、破線の矢印によって表されている。
【００３５】
また、図４に示されるように、加圧室１２３ｃとノズル１２６との間は出口通路１２７によって直結されており、加圧室１２３ｃからノズル１２６までの流路抵抗はたいへんに小さくなっている。このため、ノズル１２６から噴射されるまでの間に抵抗によって流れが減衰することが抑制されるので、粘度の高い流体であっても、勢いよくノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００３６】
図５は、本実施例の流体噴射装置１００が流体を噴射した後の動作を示した説明図である。図５（ａ）には、ノズル１２６から流体を噴射した直後の状態が示されている。この状態から、圧電素子１１３に印加した駆動信号の電圧を低下させると、伸張していた圧電素子１１３が収縮し、それに伴ってダイアフラム１１１が元の形状に戻ろうとする。ここで、図３を用いて前述したように流体を噴射する際には、ダイアフラム１１１を撓ませてオーリング１２５に当接させ、更にその状態からダイアフラム１１１を撓ませて、加圧室１２３ｃ内の流体を加圧している。従って、流体を噴射した後に圧電素子１１３が少し収縮した程度では、ダイアフラム１１１がオーリング１２５から離れることはない。このため、加圧室１２３ｃは、凹部１２３から流体の供給を受けることができないまま容積が増加することになり、その結果、加圧室１２３ｃの容積が増加した分だけ、出口通路１２７内の流体が引き戻される。
【００３７】
図５（ｂ）には、流体を噴射した後に駆動信号の電圧を低下させた後の状態が示されている。図５（ａ）に示した駆動信号の電圧を低下させる前の状態と比較すると、電圧が低下したことによって圧電素子１１３が収縮し、それに伴って加圧室１２３ｃの容積が増加して、出口通路１２７内の流体が加圧室１２３ｃに引き込まれている。
【００３８】
更に駆動信号の電圧を低下させると、やがてはダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間して、加圧室１２３ｃと凹部１２３（流体室）とが連通する。図５（ｃ）には、ダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間した状態が示されている。この状態から更に駆動信号の電圧を低下させると、ダイアフラム１１１の撓みは更に小さくなり、加圧室１２３ｃの容積は更に増加する。もっとも、この状態では加圧室１２３ｃと凹部１２３とが連通しているので、加圧室１２３ｃの容積が増加した分の流体が凹部１２３から加圧室１２３ｃに供給される。
【００３９】
尚、ダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間して暫くの期間は、ダイアフラム１１１とオーリング１２５との間に形成される隙間は、決して大きなものではない。しかしこの隙間は、ダイアフラム１１１とオーリング１２５とが円形に接触していた部分の全周に亘って形成されて、この全周から流体が流れ込む。このため、加圧室１２３ｃの容積を急激に増加させるのでない限り、加圧室１２３ｃの容積増加分に相当する流体を供給することができる。図５（ｃ）中には、加圧室１２３ｃに流体が供給される様子が、破線の矢印で示されている。
【００４０】
そして、ダイアフラム１１１が元の形状に戻ると、ダイアフラム１１１とオーリング１２５との間には十分な大きさの隙間が形成される。このため、入口通路１２２から供給された流体が、凹部１２３（流体室）、加圧室１２３ｃ、および出口通路１２７を満たして、図３（ａ）に示した初期状態に復帰する。
【００４１】
このように、本実施例の流体噴射装置１００では、ノズル１２６から流体を噴射した直後はダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接しており、ダイアフラム１１１をオーリング１２５に当接させたまま、加圧室１２３ｃの容積を増加させる。このため、噴射直後に出口通路１２７内をノズル１２６に向かって流れている流体を、加圧室１２３ｃに引き戻すことができるので、噴射終了後にノズル１２６から漏れ出すことを回避することが可能となる。以下では、噴射終了後にノズル１２６から流体が漏れ出すことを、「後だれ」と称することがある。
【００４２】
もっとも、流体の噴射後であっても、ダイアフラム１１１の変形を元に戻し始めるまでの間は、出口通路１２７内の流体を加圧室１２３ｃに引き戻す作用は生じない。しかし、ダイアフラム１１１の変形を元に戻し始めなくても、ダイアフラム１１１はオーリング１２５に当接しており、加圧室１２３ｃに外部から流体が供給されないので、ノズル１２６からの後だれは発生し難くなっている。
【００４３】
更に、前述したように、加圧室１２３ｃはノズル１２６に向かって末狭まり形状に形成されている。更に、出口通路１２７もノズル１２６に向かって末狭まり形状に形成されている。このことは、ノズル１２６から勢いよく流体を噴射することに対して有効であるが、流体の噴射終了後にノズル１２６の後だれが発生することを回避する点からも有効である。
【００４４】
図６は、加圧室１２３ｃあるいは出口通路１２７をノズル１２６に向かって末狭まり形状とすることが、ノズル１２６の後だれ回避に有効な理由を示した説明図である。前述したように、噴射終了後のノズル１２６の後だれが回避される理由の１つは、ダイアフラム１１１の変形が元に戻ろうとするときに、出口通路１２７内の流体を加圧室１２３ｃに引き戻す力が発生するためである。この力は、元の形状に戻ろうとするダイアフラム１１１が、ダイアフラム１１１に接する流体に対して負圧を発生させることに起因する。ダイアフラム１１１と流体との境界に生じた負圧は、境界の下方に隣接する流体を引き込むので、その流体があった箇所に負圧を発生させ、その負圧が、更に下方に隣接する流体を引き込む。このとき、加圧室１２３ｃが下方に末狭まりの漏斗形状に形成されていると、下方に行くほど断面積が小さくなるから、大きな面積で負圧を受けて、その直ぐ下方の少しだけ小さな面積の流体を引き込むことになる。このため下方の流体は、上方の流体が引き込まれた力よりも強い力で引き込まれる。
【００４５】
こうして強い力で流体を引き込む結果、流体があった箇所にはより大きな負圧が生じる。その大きな負圧は更にその下方の流体を引き込むが、下方では加圧室１２３ｃの断面積が更に小さくなるので、下方の流体は更に強い力で引き込まれることになる。このように、加圧室１２３ｃを下方に末狭まりの形状に形成しておけば、下方に行くほど強い力で流体を引き込むことができる。また、出口通路１２７も、ノズル１２６に向かって末狭まり形状に形成されているので、出口通路１２７の中でも同様なことが生じて、ノズル１２６に近付くほど強い力で、流体が加圧室１２３ｃ側に引き戻される。このため、流体の噴射終了後にノズル１２６で後だれが発生することを回避することが可能となる。図６中には、元の形状に戻ろうとするダイアフラム１１１によって生じた力が、次第に強い力に変換されながら加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７内を下方に伝わる様子が、破線の矢印によって模式的に表されている。
【００４６】
参考として、図７には、加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７が末狭まり形状に形成されていない場合に、ダイアフラム１１１で生じた力が、加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７内を下方に伝わる様子を例示した。図７に示した例では、ダイアフラム１１１から直接に力を受ける部分の面積が、加圧室１２３ｃの底部に達するまで変わらない。このため、単に負圧が伝わるだけであり、加圧室１２３ｃ内でより大きな負圧に変換されることがない。
【００４７】
そして、加圧室１２３ｃの底部で出口通路１２７が開口している部分の面積に、加圧室１２３ｃ内を伝わってきた負圧を乗算した力が、出口通路１２７内の流体に作用する。逆に言えば、加圧室１２３ｃの底部に作用する負圧であっても、出口通路１２７が開口していない部分に作用する負圧は、出口通路１２７内の流体を引き戻すためには使われない。加えて、出口通路１２７内も断面積が一定なので、出口通路１２７内を単に負圧が伝達されるだけであり、より大きな負圧に変換されることはない。結局、ダイアフラム１１１が発生した負圧の一部（単純に言えば、ダイアフラム１１１が加圧室１２３ｃに接する部分の面積に対して、加圧室１２３ｃの底部で出口通路１２７が開口する部分の面積が占める割合）しか、出口通路１２７内の流体を引き戻すためには使われない。これに対して、図６に示したように、加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７を末狭まり形状にしておけば、ダイアフラム１１１で発生した負圧を出口通路１２７内の流体に効率よく伝えることができる。その結果、噴射終了後のノズル１２６での後だれの発生をより一層確実に抑制することが可能となる。
【００４８】
Ｃ．変形例 ：
上述した実施例では、加圧室１２３ｃが、ダイアフラム１１１の側から見て末狭まり形状に形成されているものとして説明した。しかし、加圧室１２３ｃは必ずしも末狭まり形状でなくても構わない。また、出口通路１２７は、円形の加圧室１２３ｃの中心位置に開口しているものとして説明した。しかし、出口通路１２７が開口する位置は加圧室１２３ｃの中心位置である必要はない。以下では、このような変形例の流体噴射装置２００について説明する。尚、変形例では、上述した実施例と同一の部分については同じ番号を符番することとして、詳細な説明は省略する。
【００４９】
図８は、末狭まり形状でない加圧室１２３ｃを備えた変形例の流体噴射装置２００の構造を示した断面図である。図８（ａ）には、ダイアフラム１１１が変形する前の状態が示されており、図８（ｂ）にはダイアフラム１１１が変形した後の状態が示されている。図８（ａ）に示すように、変形例の流体噴射装置２００では、加圧室１２３ｃが円形の浅い凹形状に形成されている。また、出口通路１２７は、加圧室１２３ｃの中心から偏心した位置に開口している。
【００５０】
このような変形例の流体噴射装置２００においても、圧電素子１１３に駆動信号を印加してダイアフラム１１１を変形させると、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接して加圧室１２３ｃを閉鎖する。更にその状態からダイアフラム１１１が変形することによって、加圧室１２３ｃ内の流体を加圧する。ダイアフラム１１１が加圧室１２３ｃを閉鎖しているので、加圧室１２３ｃ内の流体が凹部１２３（流体室）に逃げることがなく、加圧室１２３ｃの流体を効率よく加圧することができる。その結果、たとえ粘度の高い流体であっても、ノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００５１】
また、図８（ｂ）に示されるように、ダイアフラム１１１は加圧室１２３ｃの底部に当接するまで変形する。すなわち、オーリング１２５に当接してから加圧室１２３ｃの底部に当接するまでのダイアフラム１１１の変形量が、流体の噴射量を決定する。従って、オーリング１２５が設けられた部分や、加圧室１２３ｃの底部の製造精度を上げることにより、非常に精度の高い噴射量で流体を噴射することが可能となる。尚、図８に示した変形例の流体噴射装置２００では、加圧室１２３ｃの底部が本発明における「規制部」に対応する。
【００５２】
加えて、流体の噴射後は、ダイアフラム１１１の変形が元に戻ることによって加圧室１２３ｃの容積が増加するが、初めのうちは、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接したまま加圧室１２３ｃの容積が増加するので、出口通路１２７内の流体が加圧室１２３ｃに引き込まれ、ノズル１２６からの後だれ発生を回避することができる。もちろん、ダイアフラム１１１の変形が開始されるまでの間も、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接したままになっているので、加圧室１２３ｃに外部から流体が供給されることはない。このため、ノズル１２６での後だれ発生は抑制されている。
【００５３】
また、上述した変形例の流体噴射装置２００では、ダイアフラム１１１が加圧室１２３ｃの底部に当接するものとして説明した。しかし、図９に例示したように、加圧室１２３ｃの底部から凸部１２８を設けて、この凸部１２８にダイアフラム１１１を当接させてもよい。こうすれば、凸部１２８の上面（ダイアフラム１１１が当接する部分）を加工することによって、流体の噴射量を精度良く調整することが可能となる。尚、この場合は、凸部１２８が本発明における「規制部」に対応する。
【００５４】
以上、本実施例および変形例の流体噴射装置１００，２００について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【００５５】
例えば、上述した実施例あるいは変形例では、出口通路１２７がノズル１２６に向かって末狭まり形状に形成されているものとして説明した。しかし、出口通路１２７は必ずしも末狭まり形状である必要はなく、例えば図７に示したように、ノズル１２６が形成されている部分まで、同一の断面積であっても構わない。
【符号の説明】
【００５６】
１００…流体噴射装置、 １１０…第１ケース、 １１１…ダイアフラム、
１１２…ケース部、 １１３…圧電素子、 １１４…端板、
１１５…蓋板、 １２０…第２ケース、 １２１…入口ニップル、
１２２…入口通路、 １２３…凹部、 １２３ｃ…加圧室、
１２４…凸部、 １２５…オーリング、 １２６…ノズル、
１２７…出口通路、 １２８…凸部、 １５０…制御部、
２００…流体噴射装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体室内の流体を加圧してノズルから噴射する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンターに代表される流体噴射装置が知られている。この流体噴射装置は、流体を噴射するためのノズルを備えており、微細な量の流体を高い精度で且つ繰り返して噴射することが可能である。そこで今日では、インク以外の様々流体を噴射することによって、画像の印刷以外の様々な分野への応用が試みられている。
【０００３】
例えば、医療向けの分野としては、流体噴射装置を用いてマイクロビーズ状のゲル（マイクロビーズゲル）を作成する技術が提案されている。この提案の技術によれば、接触するとゲル状に固まる２種類の液体の一方を、流体噴射装置を用いて他方の液体中に噴射することによって、粒径の揃ったマイクロビーズゲルを作成する（特許文献１、特許文献２）。流体噴射装置で噴射する側の液体の薬剤成分を混ぜておけば、薬剤成分が封入されたマイクロビーズゲルを生成することができる。そして、得られたマイクロビーズゲルを人体に投与すれば、体内での薬剤成分の分布を制御することが可能となって、副作用を抑えながら大きな薬効を得ることができるものと期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１１５９７号公報
【特許文献２】特開２００９−２０７９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、流体噴射装置はノズルの内径が小さいので、粘度の高い流体を噴射しようとすると大きな力が必要となり、流体噴射装置が大型化してしまうという問題があった。
【０００６】
この発明は、従来の技術が有する上述した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、粘度の高い流体であっても、流体噴射装置を大型化させることなく噴射することが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の流体噴射装置は次の構成を採用した。すなわち、
流体を加圧することによって該流体をノズルから噴射する流体噴射装置であって、
前記流体が供給される流体室と、
凹形状に形成されて前記流体室に開口し、前記ノズルが接続された加圧室と、
前記流体室の一部を構成し、前記加圧室の開口部分と向かい合わせの位置に設けられた変形板と、
前記変形板の背面側から、前記加圧室の開口部分よりも内側に対応する位置を押圧して、該変形板を変形させる圧電素子と、
を備え、
前記変形板は、前記圧電素子に押圧されることによって前記加圧室の開口部分を閉鎖し、該開口部分を閉鎖した状態で更に押圧されることによって、該加圧室内の流体を加圧する部材である
ことを特徴とする。
【０００８】
このような構成を有する本発明の流体噴射装置においては、圧電素子を用いて変形板を変形させると、加圧室の開口部分が変形板によって閉鎖され、その状態から更に変形板を変形させることによって、加圧室内の流体を加圧する。
【０００９】
こうすれば、加圧室の開口部分を閉鎖した後は、変形板を変形させたときに加圧室内の流体が流体室に逃げなくなる。このため、加圧室内の流体を効率よく加圧することができるので、大型の圧電素子を用いるなど、流体噴射装置を大型化しなくても、粘度の高い流体を加圧してノズルから噴射させることが可能となる。加えて、流体の噴射終了後は、加圧室の開口部分を閉鎖したままとなっているので、流体室側から加圧室内に流体が供給されることがない。このため、流体の噴射終了後にノズルから流体が漏れ出す事態を回避することができる。更に、変形板の変形が元に戻る際には、初めのうちは加圧室の開口部分を閉鎖したまま加圧室の容積が増加するので、ノズル付近の流体が加圧室の方向に引き戻される。この点からも、流体の噴射終了後にノズルから流体が漏れ出す事態を回避することができる。
【００１０】
また、上述した本発明の流体噴射装置においては、変形板の変形を規制する規制部を加圧室に設けておき、変形板は、加圧室の開口部分を閉鎖した後は規制部に当接するまで変形するようにしてもよい。尚、規制部は、加圧室の開口部分を閉鎖した後の変形板に当接して、変形板の変形を規制するものであれば良く、従って、加圧室の内壁面のうちの変形板に当接する部分とすることもできる。
【００１１】
こうすれば、流体の噴射量は、加圧室の開口部分を閉鎖してから規制部に当接するまでの変形板の変形量によって決定される。そして、変形板が、加圧室の開口部分を閉鎖してから規制部に当接するまでの変形量のばらつきは、加圧室の製造精度を上げることによって、十分に小さくすることができる。その結果、高い精度の噴射量で流体を噴射することが可能となる。
【００１２】
また、上述した本発明の流体噴射装置においては、加圧室を、変形板の側から見て末狭まり形状に形成し、末狭まり形状の末端位置にノズルを接続するようにしても良い。
【００１３】
詳細なメカニズムについては後述するが、加圧室を、変形板の側から見て末狭まり形状に形成しておけば、変形板を変形させて加圧室内の流体を加圧したときに、加圧室内で流体が加速される。従って、末狭まり形状の末端位置にノズルを接続しておけば、ノズルから勢いよく流体を噴射することができる。また、流体の噴射後は、変形板の変形を戻したことによって生じる負圧が、ノズル付近の流体に効率よく伝わって、流体が加圧室の方向に引き戻される。このため、噴射終了後にノズルから流体が漏れ出す事態を、より確実に回避することが可能となる。
【００１４】
また、末狭まり形状の加圧室を備えた本発明の流体噴射装置においては、加圧室からノズルまでのノズル通路も、ノズルに向かって末狭まり形状に形成してもよい。
【００１５】
こうすれば、流体を噴射する際には、ノズル通路においても流体を加速することができるので、ノズルから勢いよく流体を噴射することができる。また、流体の噴射終了後は、加圧室内で生じた負圧をノズル付近の流体に効率よく伝えることができるので、噴射終了後にノズルから流体が漏れ出す事態を、より一層確実に回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施例の流体噴射装置の大まかな構造を示した説明図である。
【図２】流体噴射装置の詳細な構造を示す断面図である。
【図３】流体噴射装置が流体を噴射する動作を示した説明図である。
【図４】流体噴射装置が粘度の高い流体を噴射可能な理由を示した説明図である。
【図５】流体噴射装置が流体を噴射した後の動作を示した説明図である。
【図６】加圧室あるいは出口通路を末狭まり形状とすることがノズルの後だれ回避に有効な理由を示した説明図である。
【図７】加圧室および出口通路が末狭まり形状に形成されていない参考例の流体噴射装置を示した説明図である。
【図８】変形例の流体噴射装置を示した説明図である。
【図９】変形例の他の態様の流体噴射装置を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．流体噴射装置の動作：
Ｃ．変形例：
【００１８】
Ａ．装置構成 ：
図１は、本実施例の流体噴射装置１００の大まかな構造を示した説明図である。図１（ａ）には流体噴射装置１００の外観図が示されており、図１（ｂ）には分解組立図が示されている。図１（ａ）に示されるように流体噴射装置１００は、金属製の第１ケース１１０や、同じく金属製の第２ケース１２０などから構成されている。詳細には後述するが、第１ケース１１０と第２ケース１２０とは、薄い円板形状のダイアフラム１１１を挟み込んだ状態で互いに堅固に取り付けられており、ダイアフラム１１１の下面側（第２ケース１２０側）には、後述する流体室が設けられている。本実施例ではダイアフラム１１１が、本発明における「変形板」に対応する。第２ケース１２０の側面には入口ニップル１２１が立設されており、入口ニップル１２１内には流体室に連通する入口通路１２２が設けられている。また、第１ケース１１０の上面側には、円柱状のケース部１１２が立設されており、ケース部１１２内には積層型の圧電素子１１３が収納されている。制御部１５０は、圧電素子１１３に対して駆動信号を出力することによって、流体噴射装置１００の動作を制御する。
【００１９】
図１（ｂ）に示されるように、第２ケース１２０の上面側には、円形の浅い凹部１２３が形成されており、凹部１２３内には、凹部１２３と同心円状に土手状の凸部１２４が形成され、凸部１２４の頂部にはオーリング１２５が取り付けられている。凸部１２４の高さは、オーリング１２５が凹部１２３から突出しない高さに設定されている。また、凸部１２４の中心位置には、第２ケース１２０の底面側まで貫通する出口通路１２７が形成されており、出口通路１２７が底面側に開口した部分にノズル１２６が形成されている。更に、円環状の凸部１２４の外側には、入口ニップル１２１内に形成された入口通路１２２が開口している。
【００２０】
ダイアフラム１１１は、凹部１２３よりも大きな外径に形成されている。このためダイアフラム１１１を第２ケース１２０の上面に載せると、凹部１２３全体がダイアフラム１１１で覆われた状態となる。またダイアフラム１１１は、ステンレスなどの弾性に富んだ金属材料によって形成されている。ダイアフラム１１１の上から第１ケース１１０を載せると、ダイアフラム１１１の外周部分が第１ケース１１０と第２ケース１２０との間で挟み込まれて固定される。また、このとき、ケース部１１２内の圧電素子１１３は、端板１１４を介してダイアフラム１１１に当接した状態となる。
【００２１】
図２は、流体噴射装置１００の詳細な構造を示す断面図である。図１（ｂ）を用いて前述したように、ダイアフラム１１１は、外周部分が第１ケース１１０と第２ケース１２０とによって挟み込まれた状態で固定されている。また、第２ケース１２０に設けられた凹部１２３は、ダイアフラム１１１によって覆われている。本実施例では、第２ケース１２０の凹部１２３とダイアフラム１１１とによって囲まれた空間が流体室となる。また、凹部１２３内には円環状の凸部１２４が設けられており、凸部１２４の上部にはオーリング１２５が設けられている。そして、オーリング１２５の内側には、下方に向けて漏斗形状に形成された加圧室１２３ｃが設けられ、漏斗形状の先端部分に出口通路１２７を介してノズル１２６が接続されている。また、出口通路１２７も、ノズル１２６に向かって少しずつ内径が小さくなる末狭まり形状に形成されている。尚、加圧室１２３ｃは、オーリング１２５の部分で流体室（凹部１２３）に開口していることから、本実施例では、オーリング１２５の部分が本発明における「加圧室の開口部分」に対応する。また、出口通路１２７が本発明における「ノズル通路」に対応する。
【００２２】
通常の状態（ダイアフラム１１１が変形していない状態）では、オーリング１２５とダイアフラム１１１との間には隙間が形成されている。このため、入口通路１２２から流体を供給すると、流体は、凹部１２３、加圧室１２３ｃ、および出口通路１２７に満たされる。
【００２３】
一方、第１ケース１１０のケース部１１２は上端側が開口されており、ここに略円板形状の蓋板１１５が、ネジ止めなどによって堅固に取り付けられる。圧電素子１１３は、上端側が蓋板１１５に接着された状態でケース部１１２内に収納される。また、圧電素子１１３の下端側には端板１１４が接着されており、圧電素子１１３に駆動信号が印加されていない状態（初期状態）では、端板１１４がダイアフラム１１１の上面側に接触した状態となっている。尚、初期状態は、圧電素子１１３に電圧が印加されていない状態であってもよいし、初期電圧は印加されているが駆動信号は印加されていない状態であってもよい。また、圧電素子１１３が端板１１４を介してダイアフラム１１１を押圧する位置は、ダイアフラム１１１の向かい側に設けられたオーリング１２５の内側に対応する位置となっている。
【００２４】
Ｂ．流体噴射装置の動作 ：
以上のような構造を有する本実施例の流体噴射装置１００は、粘度の高い流体であってもノズル１２６から噴射することが可能である。以下、この点について詳しく説明する。
【００２５】
図３は、本実施例の流体噴射装置１００が流体を噴射する動作を示した説明図である。図３（ａ）には、圧電素子１１３に駆動信号を印加する前の状態（初期状態）が示されている。この状態では、オーリング１２５とダイアフラム１１１との間には隙間が形成されている。このため、凹部１２３（流体室）および加圧室１２３ｃは、入口通路１２２から供給された流体によって満たされた状態となる。尚、出口通路１２７も流体で満たされるが、流体が表面張力によってノズル１２６に界面を形成するため、ノズル１２６から流体が流出することはない。
【００２６】
続いて、圧電素子１１３に駆動信号を印加すると、圧電素子１１３が伸張してダイアフラム１１１を下方に撓ませる。その結果、図３（ｂ）に示すように、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接して、加圧室１２３ｃの開口部分を閉鎖した状態となる。この状態から、圧電素子１１３に印加する駆動信号の電圧を更に増加させて圧電素子１１３を更に伸張させると、オーリング１２５に当接した部分よりも内側のダイアフラム１１１が下方に撓むように変形する。ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接しているので、圧電素子１１３が発生する力は、ほとんど全てが加圧室１２３ｃ内の流体を加圧するために使われる。このため、圧電素子１１３を大型化しなくても、たいへんに高い圧力で加圧室１２３ｃの流体を加圧することができる。その結果、粘度の高い流体であっても、図３（ｃ）に示すように、ノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００２７】
尚、本実施例では、オーリング１２５が硬質ゴムなどの比較的硬い材料で形成されているため、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した後は、オーリング１２５に当接した部分よりも内側のダイアフラム１１１が変形するものとして説明した。しかし、オーリング１２５を柔らかいゴム材料で形成してもよい。こうすれば、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した後も、オーリング１２５を変形させることによってダイアフラム１１１全体が変形する。このため、ダイアフラム１１１の大きな変位を確保することが容易となり、その結果、大きな変位を確保するためにダイアフラム１１１を無理に変形させて、局所的に大きな応力が発生する事態を回避することができる。
【００２８】
また、本実施例の流体噴射装置１００では、図３（ｃ）に示すようにダイアフラム１１１は加圧室１２３ｃの内壁面に当接するまで変形する。このため、以下の理由から、噴射量の精度を向上させることが可能となる。先ず、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接するまでは、加圧室１２３ｃから凹部１２３に流体が逃げてしまうので、加圧室１２３ｃ内の流体をあまり加圧することができない。このため、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接するまでは、ダイアフラム１１１が撓んでもノズル１２６からの流体が噴射することはない。一方、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した後は加圧室１２３ｃ内の流体を効率よく加圧することが可能となる。従って、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接してから加圧室１２３ｃの内壁面に当接するまでの撓み量が、ノズル１２６からの流体の噴射量を決定する。
【００２９】
ここで、この撓み量（ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接してから加圧室１２３ｃの内壁面に当接するまでの撓み量）のばらつきは、凸部１２４や加圧室１２３ｃの製造精度を上げることによって、かなりのレベルまで小さくすることができる。例えば図３（ｃ）に示した例では、ダイアフラム１１１が、加圧室１２３ｃの斜面になった部分に倣う形状に撓んでいる。従って、加圧室１２３ｃの開口部分（オーリング１２５が設けられた部分）や、その内側の加圧室１２３ｃの斜面の部分の製造精度が、流体の噴射量を決定する。
【００３０】
仮に、ダイアフラム１１１を加圧室１２３ｃの斜面に当接させないものとすると、ダイアフラム１１１の変形量は圧電素子１１３の変形量によって決定される。ここで圧電素子１１３には個体差が存在しており、同じ電圧を加えた場合でも、圧電素子１１３毎に変形量にはばらつきが生じる。この圧電素子１１３の個体差に比べれば、加圧室１２３ｃの製造精度は非常に高い精度を実現することができる。このため、本実施例の流体噴射装置１００では、非常に精度の高い噴射量で、流体を噴射することが可能となる。
【００３１】
尚、本実施例では、加圧室１２３ｃの斜めになった内壁面に当接するまでダイアフラム１１１が変形する。従って、加圧室１２３ｃの内壁面が本発明における「規制部」に対応する。もっとも、加圧室１２３ｃの内壁面に凸部を設けて、この凸部に当接するまでダイアフラム１１１が変形するようにしても良い。この場合は、この凸部が本発明における「規制部」に対応する。
【００３２】
また、加圧室１２３ｃは、ノズル１２６に向かって末狭まりの漏斗形状に形成されている。更に、加圧室１２３ｃとノズル１２６とを接続する出口通路１２７も、ノズル１２６に近付くほど内径が小さくなる末狭まり形状に形成されている。このため、粘度の高い流体であっても、以下の理由から、勢いよくノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００３３】
図４は、本実施例の流体噴射装置１００が粘度の高い流体であってもノズル１２６から勢いよく噴射可能な理由を示した説明図である。図４では、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した状態で、更に撓むことによって加圧室１２３ｃ内の流体を加圧している様子が示されている。ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接した状態で下方に少しだけ撓むと、ダイアフラム１１１に接していた流体が下方に押し出される。ここで加圧室１２３ｃは、ダイアフラム１１１の側から見て末狭まり形状となっているので、押し出された流体は、ダイアフラム１１１が押し出した速度よりも加速する。そして、加速した流体は、その下の流体を下方に押し出して、押し出された流体が、加圧室１２３ｃの末狭まり形状によって加速される。その流体が更にその下の流体を下方に押し出して、押し出された流体が加速される。
【００３４】
このように、ダイアフラム１１１の側から見て加圧室１２３ｃが末狭まり形状となっているので、出口通路１２７の入口付近の流体は、ダイアフラム１１１が流体を押し出した速度以上に加速して出口通路１２７に流入する。そして、出口通路１２７もノズル１２６に向かって末狭まり形状になっている。このため、出口通路１２７の中でもノズル１２６に近付くにつれて流体の動きが加速されて、最終的には流体がノズル１２６から勢いよく噴射される。図４では、ダイアフラム１１１で押し出された流体の動きが、加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７の中をノズル１２６に向かって進むに従って加速される様子が、破線の矢印によって表されている。
【００３５】
また、図４に示されるように、加圧室１２３ｃとノズル１２６との間は出口通路１２７によって直結されており、加圧室１２３ｃからノズル１２６までの流路抵抗はたいへんに小さくなっている。このため、ノズル１２６から噴射されるまでの間に抵抗によって流れが減衰することが抑制されるので、粘度の高い流体であっても、勢いよくノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００３６】
図５は、本実施例の流体噴射装置１００が流体を噴射した後の動作を示した説明図である。図５（ａ）には、ノズル１２６から流体を噴射した直後の状態が示されている。この状態から、圧電素子１１３に印加した駆動信号の電圧を低下させると、伸張していた圧電素子１１３が収縮し、それに伴ってダイアフラム１１１が元の形状に戻ろうとする。ここで、図３を用いて前述したように流体を噴射する際には、ダイアフラム１１１を撓ませてオーリング１２５に当接させ、更にその状態からダイアフラム１１１を撓ませて、加圧室１２３ｃ内の流体を加圧している。従って、流体を噴射した後に圧電素子１１３が少し収縮した程度では、ダイアフラム１１１がオーリング１２５から離れることはない。このため、加圧室１２３ｃは、凹部１２３から流体の供給を受けることができないまま容積が増加することになり、その結果、加圧室１２３ｃの容積が増加した分だけ、出口通路１２７内の流体が引き戻される。
【００３７】
図５（ｂ）には、流体を噴射した後に駆動信号の電圧を低下させた後の状態が示されている。図５（ａ）に示した駆動信号の電圧を低下させる前の状態と比較すると、電圧が低下したことによって圧電素子１１３が収縮し、それに伴って加圧室１２３ｃの容積が増加して、出口通路１２７内の流体が加圧室１２３ｃに引き込まれている。
【００３８】
更に駆動信号の電圧を低下させると、やがてはダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間して、加圧室１２３ｃと凹部１２３（流体室）とが連通する。図５（ｃ）には、ダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間した状態が示されている。この状態から更に駆動信号の電圧を低下させると、ダイアフラム１１１の撓みは更に小さくなり、加圧室１２３ｃの容積は更に増加する。もっとも、この状態では加圧室１２３ｃと凹部１２３とが連通しているので、加圧室１２３ｃの容積が増加した分の流体が凹部１２３から加圧室１２３ｃに供給される。
【００３９】
尚、ダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間して暫くの期間は、ダイアフラム１１１とオーリング１２５との間に形成される隙間は、決して大きなものではない。しかしこの隙間は、ダイアフラム１１１とオーリング１２５とが円形に接触していた部分の全周に亘って形成されて、この全周から流体が流れ込む。このため、加圧室１２３ｃの容積を急激に増加させるのでない限り、加圧室１２３ｃの容積増加分に相当する流体を供給することができる。図５（ｃ）中には、加圧室１２３ｃに流体が供給される様子が、破線の矢印で示されている。
【００４０】
そして、ダイアフラム１１１が元の形状に戻ると、ダイアフラム１１１とオーリング１２５との間には十分な大きさの隙間が形成される。このため、入口通路１２２から供給された流体が、凹部１２３（流体室）、加圧室１２３ｃ、および出口通路１２７を満たして、図３（ａ）に示した初期状態に復帰する。
【００４１】
このように、本実施例の流体噴射装置１００では、ノズル１２６から流体を噴射した直後はダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接しており、ダイアフラム１１１をオーリング１２５に当接させたまま、加圧室１２３ｃの容積を増加させる。このため、噴射直後に出口通路１２７内をノズル１２６に向かって流れている流体を、加圧室１２３ｃに引き戻すことができるので、噴射終了後にノズル１２６から漏れ出すことを回避することが可能となる。以下では、噴射終了後にノズル１２６から流体が漏れ出すことを、「後だれ」と称することがある。
【００４２】
もっとも、流体の噴射後であっても、ダイアフラム１１１の変形を元に戻し始めるまでの間は、出口通路１２７内の流体を加圧室１２３ｃに引き戻す作用は生じない。しかし、ダイアフラム１１１の変形を元に戻し始めなくても、ダイアフラム１１１はオーリング１２５に当接しており、加圧室１２３ｃに外部から流体が供給されないので、ノズル１２６からの後だれは発生し難くなっている。
【００４３】
更に、前述したように、加圧室１２３ｃはノズル１２６に向かって末狭まり形状に形成されている。更に、出口通路１２７もノズル１２６に向かって末狭まり形状に形成されている。このことは、ノズル１２６から勢いよく流体を噴射することに対して有効であるが、流体の噴射終了後にノズル１２６の後だれが発生することを回避する点からも有効である。
【００４４】
図６は、加圧室１２３ｃあるいは出口通路１２７をノズル１２６に向かって末狭まり形状とすることが、ノズル１２６の後だれ回避に有効な理由を示した説明図である。前述したように、噴射終了後のノズル１２６の後だれが回避される理由の１つは、ダイアフラム１１１の変形が元に戻ろうとするときに、出口通路１２７内の流体を加圧室１２３ｃに引き戻す力が発生するためである。この力は、元の形状に戻ろうとするダイアフラム１１１が、ダイアフラム１１１に接する流体に対して負圧を発生させることに起因する。ダイアフラム１１１と流体との境界に生じた負圧は、境界の下方に隣接する流体を引き込むので、その流体があった箇所に負圧を発生させ、その負圧が、更に下方に隣接する流体を引き込む。このとき、加圧室１２３ｃが下方に末狭まりの漏斗形状に形成されていると、下方に行くほど断面積が小さくなるから、大きな面積で負圧を受けて、その直ぐ下方の少しだけ小さな面積の流体を引き込むことになる。このため下方の流体は、上方の流体が引き込まれた力よりも強い力で引き込まれる。
【００４５】
こうして強い力で流体を引き込む結果、流体があった箇所にはより大きな負圧が生じる。その大きな負圧は更にその下方の流体を引き込むが、下方では加圧室１２３ｃの断面積が更に小さくなるので、下方の流体は更に強い力で引き込まれることになる。このように、加圧室１２３ｃを下方に末狭まりの形状に形成しておけば、下方に行くほど強い力で流体を引き込むことができる。また、出口通路１２７も、ノズル１２６に向かって末狭まり形状に形成されているので、出口通路１２７の中でも同様なことが生じて、ノズル１２６に近付くほど強い力で、流体が加圧室１２３ｃ側に引き戻される。このため、流体の噴射終了後にノズル１２６で後だれが発生することを回避することが可能となる。図６中には、元の形状に戻ろうとするダイアフラム１１１によって生じた力が、次第に強い力に変換されながら加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７内を下方に伝わる様子が、破線の矢印によって模式的に表されている。
【００４６】
参考として、図７には、加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７が末狭まり形状に形成されていない場合に、ダイアフラム１１１で生じた力が、加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７内を下方に伝わる様子を例示した。図７に示した例では、ダイアフラム１１１から直接に力を受ける部分の面積が、加圧室１２３ｃの底部に達するまで変わらない。このため、単に負圧が伝わるだけであり、加圧室１２３ｃ内でより大きな負圧に変換されることがない。
【００４７】
そして、加圧室１２３ｃの底部で出口通路１２７が開口している部分の面積に、加圧室１２３ｃ内を伝わってきた負圧を乗算した力が、出口通路１２７内の流体に作用する。逆に言えば、加圧室１２３ｃの底部に作用する負圧であっても、出口通路１２７が開口していない部分に作用する負圧は、出口通路１２７内の流体を引き戻すためには使われない。加えて、出口通路１２７内も断面積が一定なので、出口通路１２７内を単に負圧が伝達されるだけであり、より大きな負圧に変換されることはない。結局、ダイアフラム１１１が発生した負圧の一部（単純に言えば、ダイアフラム１１１が加圧室１２３ｃに接する部分の面積に対して、加圧室１２３ｃの底部で出口通路１２７が開口する部分の面積が占める割合）しか、出口通路１２７内の流体を引き戻すためには使われない。これに対して、図６に示したように、加圧室１２３ｃおよび出口通路１２７を末狭まり形状にしておけば、ダイアフラム１１１で発生した負圧を出口通路１２７内の流体に効率よく伝えることができる。その結果、噴射終了後のノズル１２６での後だれの発生をより一層確実に抑制することが可能となる。
【００４８】
Ｃ．変形例 ：
上述した実施例では、加圧室１２３ｃが、ダイアフラム１１１の側から見て末狭まり形状に形成されているものとして説明した。しかし、加圧室１２３ｃは必ずしも末狭まり形状でなくても構わない。また、出口通路１２７は、円形の加圧室１２３ｃの中心位置に開口しているものとして説明した。しかし、出口通路１２７が開口する位置は加圧室１２３ｃの中心位置である必要はない。以下では、このような変形例の流体噴射装置２００について説明する。尚、変形例では、上述した実施例と同一の部分については同じ番号を符番することとして、詳細な説明は省略する。
【００４９】
図８は、末狭まり形状でない加圧室１２３ｃを備えた変形例の流体噴射装置２００の構造を示した断面図である。図８（ａ）には、ダイアフラム１１１が変形する前の状態が示されており、図８（ｂ）にはダイアフラム１１１が変形した後の状態が示されている。図８（ａ）に示すように、変形例の流体噴射装置２００では、加圧室１２３ｃが円形の浅い凹形状に形成されている。また、出口通路１２７は、加圧室１２３ｃの中心から偏心した位置に開口している。
【００５０】
このような変形例の流体噴射装置２００においても、圧電素子１１３に駆動信号を印加してダイアフラム１１１を変形させると、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接して加圧室１２３ｃを閉鎖する。更にその状態からダイアフラム１１１が変形することによって、加圧室１２３ｃ内の流体を加圧する。ダイアフラム１１１が加圧室１２３ｃを閉鎖しているので、加圧室１２３ｃ内の流体が凹部１２３（流体室）に逃げることがなく、加圧室１２３ｃの流体を効率よく加圧することができる。その結果、たとえ粘度の高い流体であっても、ノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００５１】
また、図８（ｂ）に示されるように、ダイアフラム１１１は加圧室１２３ｃの底部に当接するまで変形する。すなわち、オーリング１２５に当接してから加圧室１２３ｃの底部に当接するまでのダイアフラム１１１の変形量が、流体の噴射量を決定する。従って、オーリング１２５が設けられた部分や、加圧室１２３ｃの底部の製造精度を上げることにより、非常に精度の高い噴射量で流体を噴射することが可能となる。尚、図８に示した変形例の流体噴射装置２００では、加圧室１２３ｃの底部が本発明における「規制部」に対応する。
【００５２】
加えて、流体の噴射後は、ダイアフラム１１１の変形が元に戻ることによって加圧室１２３ｃの容積が増加するが、初めのうちは、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接したまま加圧室１２３ｃの容積が増加するので、出口通路１２７内の流体が加圧室１２３ｃに引き込まれ、ノズル１２６からの後だれ発生を回避することができる。もちろん、ダイアフラム１１１の変形が開始されるまでの間も、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接したままになっているので、加圧室１２３ｃに外部から流体が供給されることはない。このため、ノズル１２６での後だれ発生は抑制されている。
【００５３】
また、上述した変形例の流体噴射装置２００では、ダイアフラム１１１が加圧室１２３ｃの底部に当接するものとして説明した。しかし、図９に例示したように、加圧室１２３ｃの底部から凸部１２８を設けて、この凸部１２８にダイアフラム１１１を当接させてもよい。こうすれば、凸部１２８の上面（ダイアフラム１１１が当接する部分）を加工することによって、流体の噴射量を精度良く調整することが可能となる。尚、この場合は、凸部１２８が本発明における「規制部」に対応する。
【００５４】
以上、本実施例および変形例の流体噴射装置１００，２００について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【００５５】
例えば、上述した実施例あるいは変形例では、出口通路１２７がノズル１２６に向かって末狭まり形状に形成されているものとして説明した。しかし、出口通路１２７は必ずしも末狭まり形状である必要はなく、例えば図７に示したように、ノズル１２６が形成されている部分まで、同一の断面積であっても構わない。
【符号の説明】
【００５６】
１００…流体噴射装置、 １１０…第１ケース、 １１１…ダイアフラム、
１１２…ケース部、 １１３…圧電素子、 １１４…端板、
１１５…蓋板、 １２０…第２ケース、 １２１…入口ニップル、
１２２…入口通路、 １２３…凹部、 １２３ｃ…加圧室、
１２４…凸部、 １２５…オーリング、 １２６…ノズル、
１２７…出口通路、 １２８…凸部、 １５０…制御部、
２００…流体噴射装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を加圧することによって該流体をノズルから噴射する流体噴射装置であって、
前記流体が供給される流体室と、
凹形状に形成されて前記流体室に開口し、前記ノズルが接続された加圧室と、
前記流体室の一部を構成し、前記加圧室の開口部分と向かい合わせの位置に設けられた変形板と、
前記変形板の背面側から、前記加圧室の開口部分よりも内側に対応する位置を押圧して、該変形板を変形させる圧電素子と、
を備え、
前記変形板は、前記圧電素子に押圧されることによって前記加圧室の開口部分を閉鎖し、該開口部分を閉鎖した状態で更に押圧されることによって、該加圧室内の流体を加圧する部材である
ことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体噴射装置であって、
前記加圧室には、前記変形板の変形を規制する規制部が設けられており、
前記変形板は、前記加圧室の開口部分を閉鎖した状態から、前記規制部に当接するまで変形する部材である
ことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の流体噴射装置であって、
前記加圧室は、前記変形板の側から見て末狭まり形状に形成されており、
前記ノズルは、前記末狭まり形状の末端位置に接続されている
ことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項４】
請求項３に記載の流体噴射装置であって、
前記ノズルは、前記末狭まり形状をした前記加圧室の末端位置に、ノズル通路を介して接続されており、
前記ノズル通路は、前記加圧室から前記ノズルに向かって末狭まり形状に形成されている
ことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項１】
流体を加圧することによって該流体をノズルから噴射する流体噴射装置であって、
前記流体が供給される流体室と、
凹形状に形成されて前記流体室に開口し、前記ノズルが接続された加圧室と、
前記流体室の一部を構成し、前記加圧室の開口部分と向かい合わせの位置に設けられた変形板と、
前記変形板の背面側から、前記加圧室の開口部分よりも内側に対応する位置を押圧して、該変形板を変形させる圧電素子と、
を備え、
前記変形板は、前記圧電素子に押圧されることによって前記加圧室の開口部分を閉鎖し、該開口部分を閉鎖した状態で更に押圧されることによって、該加圧室内の流体を加圧する部材である
ことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体噴射装置であって、
前記加圧室には、前記変形板の変形を規制する規制部が設けられており、
前記変形板は、前記加圧室の開口部分を閉鎖した状態から、前記規制部に当接するまで変形する部材である
ことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の流体噴射装置であって、
前記加圧室は、前記変形板の側から見て末狭まり形状に形成されており、
前記ノズルは、前記末狭まり形状の末端位置に接続されている
ことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項４】
請求項３に記載の流体噴射装置であって、
前記ノズルは、前記末狭まり形状をした前記加圧室の末端位置に、ノズル通路を介して接続されており、
前記ノズル通路は、前記加圧室から前記ノズルに向かって末狭まり形状に形成されている
ことを特徴とする流体噴射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２２５０１（Ｐ２０１３−２２５０１Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８７３２（Ｐ２０１１−１５８７３２）
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【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２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【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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