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】流体供給通路（以下、通路）からの流体で流体室を満たした状態で圧電素子に駆動信号を印加することによって、流体室内の流体を加圧してノズルから噴射する。通路は、変形部が変形する途中で変形部の動きによって閉鎖される。こうすれば、流体室から通路に流体が逃げないので、流体を効率よく加圧することができる。通路を閉鎖するまでの第１信号部分と、通路を閉鎖した後の第２信号部分とを駆動信号に設けておけば、変形部をより適切に変形させて、より効率よく流体を加圧することが可能となる。
【解決手段】流体供給通路（以下、通路）からの流体で流体室を満たした状態で圧電素子に駆動信号を印加することによって、流体室内の流体を加圧してノズルから噴射する。通路は、変形部が変形する途中で変形部の動きによって閉鎖される。こうすれば、流体室から通路に流体が逃げないので、流体を効率よく加圧することができる。通路を閉鎖するまでの第１信号部分と、通路を閉鎖した後の第２信号部分とを駆動信号に設けておけば、変形部をより適切に変形させて、より効率よく流体を加圧す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、
流体室内の流体を加圧することによって、該流体室に設けられたノズルから流体を噴射する流体噴射装置であって、
前記流体室の一部を構成し、外力を受けて変形可能な変形部と、
駆動信号が印加されると変形して前記変形部に外力を加える圧電素子と、
前記駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
前記流体室に連通して該流体室に流体を供給する流体供給通路と、
を備え、
前記流体供給通路は、前記変形部が変形する途中で、該変形部の動きによって閉鎖される通路であり、
前記駆動信号は、前記流体供給通路が閉鎖されるまで前記変形部を変形させる第１信号部分と、前記流体供給通路が閉鎖された状態で前記変形部を変形させる第２信号部分とを有する信号であることを要旨とする。
【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、流体供給通路からの流体で流体室を満たした状態で圧電素子に駆動信号を印加すると、変形部が変形して流体室内の流体が加圧されて、ノズルから流体が噴射する。また、流体供給通路は、変形部が変形する途中で、変形部の動きによって閉鎖される。従って、流体供給通路が閉鎖された後は、流体室は流体供給通路に連通していない状態で変形部によって圧縮される。尚、流体供給通路は、変形部が変形したことによって、結果として閉鎖されれば十分であり、変形した変形部が流体供給通路を直接閉鎖しても良いし、変形した変形部が他の部材を介して間接的に流体供給通路を閉鎖しても良い。また、流体供給通路が流体室に開口した部分を閉鎖しても良いし、流体供給通路の途中を閉鎖しても良い。そして、圧電素子に印加される駆動信号には、流体供給通路が閉鎖されるまで変形部を変形させる第１信号部分と、流体供給通路が閉鎖された状態で変形部を変形させる第２信号部分とが設けられている。
【０００９】
流体供給通路が流体室に連通した状態で変形部を変形させても、流体室内の流体が流体供給通路に逃げてしまうので、流体を効率よく加圧することができない。これに対して、流体供給通路を閉鎖した状態で変形部を変形させれば、流体室内の流体が流体供給通路に逃げないので、流体を効率よく加圧することができる。このため、粘度の高い流体であっても、圧電素子の力を効率よく流体に伝えて、ノズルから噴射することが可能となる。また、流体の動きは、流体供給通路が流体室に連通した状態で変形部を変形させた場合と、流体供給通路が閉鎖した状態で変形部を変形させた場合とで、異なっている。従って、流体供給通路が閉鎖されるまでの第１信号部分と、流体供給通路が閉鎖された後の第２信号部分とを有する駆動信号を用いれば、流体室内の流体の動きに合わせて変形部を変形させることができるので、より一層効率よく流体を加圧することができる。このため、粘度の高い流体であっても、ノズルから噴射することが可能となる。
【００１０】
また、上述した本発明の流体噴射装置においては、第１信号部分よりも第２信号部分の方が、時間あたりの電圧の変化量が大きくなるようにしても良い。
【００１１】
第１信号部分では変形部を変形させても、流体が流体室から流体供給通路に逃げてしまうので、流体室内の流体を効率よく加圧することができない。すなわち、第１信号部分で発生させた力の多くは流体を流体供給通路に逃がすために使われてしまうので、大きな力を発生させる程、無駄な力が多くなる。また、変形部を速く変形させると流体が流体供給通路に勢いよく流れるので大きな力が必要になるのに対して、変形部をゆっくりと変形させるのであれば、流体は流体供給通路に向かってゆっくりと流れるのでそれほど大きな力は必要とならない。従って、第１信号部分では、電圧をゆっくりと変化させた方が、無駄に加える力が少なくなる。これに対して第２信号部分では、流体が流体室から流体供給通路に逃げないので、流体室内の流体を効率よく加圧することができる。従って、変形部を速く変化させる程、ノズルから勢いよく流体を噴射することができる。これらのことから、第１信号部分では電圧をゆっくりと変化させることによって無駄に力を発生させることを抑制し、第２信号部分では電圧を速く変化させることによって、勢いよく流体を噴射することが可能となる。また、第１信号部分の電圧をゆっくり変化させれば、流体室内の流体はほとんど加圧されないので、流体供給通路が閉鎖される前にノズルから流体が漏れ出してしまうことも回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】流体噴射装置の噴射ユニット部分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】流体噴射装置が流体を噴射した後の動作を示した説明図である。
【図５】圧電素子に印加する駆動信号の最も単純な形態を例示した説明図である。
【図６】圧電素子に印加する駆動信号の他の形態を例示した説明図である。
【図７】圧電素子に印加する駆動信号のその他の形態を例示した説明図である。
【図８】圧電素子に印加する駆動信号の別の形態を例示した説明図である。
【図９】第１変形例の流体噴射装置を示した説明図である。
【図１０】第２変形例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】
【００１３】
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．駆動信号：
Ｄ．変形例：
【００１４】
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や、流体噴射装置１００の動作を制御する制御部１５０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「変形部」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。本実施例では制御部１５０が、本発明における「駆動信号出力手段」に対応する。
【００１５】
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。
【００１６】
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。尚、以下では、図１（ｂ）に示した部分（第１ケース１１０や、第２ケース１２０、ダイアフラム１１１、圧電素子１１３など）を噴射ユニット１０２と称することがある。
【００１７】
図２は、流体噴射装置１００の噴射ユニット１０２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。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。このため、第２ケース１２０の凹部１２３は、オーリング１２５よりも外側の円環形状の部分と、オーリング１２５よりも内側の部分とに区分される。
【００１８】
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、オーリング１２５よりも外側に形成された円環形状の空間に供給され、続いて、オーリング１２５とダイアフラム１１１との間の隙間から、オーリング１２５の内側の空間に供給される。本実施例では、オーリング１２５よりも外側の円環形状の部分が流体供給通路１２３ａとなり、オーリング１２５よりも内側の部分が流体室１２３ｂとなる。
【００１９】
流体室１２３ｂの底面（ダイアフラム１１１に向かい合う面）は、出口通路１２７が開口している中心位置に向けてテーパー形状に形成されており、底面は全体として浅い漏斗形状となっている。また、漏斗形状の中心位置に開口する出口通路１２７も、先端のノズル１２６に近付くに従って内径が小さくなるテーパー形状に形成されている。もっとも、流体室１２３ｂのテーパー部分は内径が急激に小さくなるように形成されているのに対して、出口通路１２７は内径が少しずつ小さくなるように形成されている。
【００２０】
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、初期電圧が印加された状態であってもよい。
【００２１】
Ｂ．流体噴射装置の動作 ：
本実施例の流体噴射装置１００は、以上のような構造を有しているために、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。
【００２２】
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、流体供給通路１２３ａおよび流体室１２３ｂ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。
【００２３】
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、流体供給通路１２３ａと流体室１２３ｂとの間が塞がれた状態（流体供給通路１２３ａが閉鎖された状態）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に当接して流体室１２３ｂの周囲は閉塞されているので、圧電素子１１３が発生する力は、ほとんど全てが流体室１２３ｂ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流体室１２３ｂ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。
【００２４】
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の中心付近で大きな変位を確保することが容易となり、ダイアフラム１１１に局所的に大きな応力が発生することを回避することができる。
【００２５】
また、流体室１２３ｂ内の流体をノズル１２６へ導く出口通路１２７は、ノズル１２６に近付くほど内径が小さくなる形状に形成されている。このため、流体室１２３ｂから押し出された流体は、出口通路１２７内を進むにつれて加速されて勢いよくノズル１２６から噴射される。加えて、流体室１２３ｂとノズル１２６とは出口通路１２７を介して直接接続されているので、流体室１２３ｂの流体がノズル１２６から噴射されるまでの間に受ける通路抵抗が抑制されている。このため、たとえ粘度の高い流体であっても、勢いよく流体を噴射することができる。更に、オーリング１２５の内側から出口通路１２７にかけての流体室１２３ｂの形状は、ダイアフラム１１１が撓んだときの形状にほぼ倣う角度のテーパー形状に形成されている。このため、圧電素子１１３を用いてダイアフラム１１１を撓ませることによって、流体室１２３ｂ内のほとんど全ての流体を押し出すことができる。
【００２６】
図４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４（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、その状態から、オーリング１２５に当接している部分よりも内側のダイアフラム１１１を更に撓ませて、流体室１２３ｂ内の流体を加圧することによって噴射している。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、オーリング１２５に当接している部分よりも内側のダイアフラム１１１の撓みが戻るだけで、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、流体室１２３ｂは、流体供給通路１２３ａ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、流体室１２３ｂ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。
【００２７】
図４（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直後の状態が示されている。図４（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、それに伴って流体室１２３ｂの容積が増加して、出口通路１２７内の流体が引き込まれている。
【００２８】
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、流体室１２３ｂと流体供給通路１２３ａとが連通する。図４（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、流体室１２３ｂの容積は更に増加する。もっとも、この状態では流体供給通路１２３ａの閉鎖は解除されて、流体室１２３ｂと流体供給通路１２３ａとが連通しているので、流体室１２３ｂの容積が増加した分の流体が流体供給通路１２３ａから流体室１２３ｂに供給される。
【００２９】
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とが接触していた円形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、流体室１２３ｂの容積を急激に増加させるのでない限り、流体室１２３ｂ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４（ｃ）中には、流体供給通路１２３ａから流体室１２３ｂに流体が供給される様子が、破線の矢印で示されている。
【００３０】
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、流体供給通路１２３ａ、流体室１２３ｂ、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。
【００３１】
このように、本実施例の流体噴射装置１００では、流体室１２３ｂ内の流体を加圧してノズル１２６から噴射するためにダイアフラム１１１を変形させると、ダイアフラム１１１によって流体供給通路１２３ａが閉鎖されて、流体供給通路１２３ａと流体室１２３ｂとが非連通となる。その状態から更にダイアフラム１１１が変形して流体室１２３ｂ内の流体を加圧するので、加圧された流体が流体供給通路１２３ａに逃げることが無く、効率よく流体を加圧することができる。このため、粘度の高い流体を噴射する場合でも、流体を十分に加圧してノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００３２】
また、ダイアフラム１１１を変形させて流体供給通路１２３ａを閉鎖した状態で、更にダイアフラム１１１を変形させることによって流体を噴射しているので、流体の噴射後にダイアフラム１１１の変形をある程度戻すまでの間は、流体供給通路１２３ａは閉鎖されたままの状態となっている。このため、流体室１２３ｂの容積を増加させると、増加分に相当する体積の流体が出口通路１２７から流体室１２３ｂ内に引き戻される。その結果、流体の噴射直後に出口通路１２７内に残っていた流体が、噴射後もノズル１２６から流出する事態を確実に防止することが可能となる。
【００３３】
もちろん、圧電素子１１３に印加していた駆動信号の電圧を低下させるまでは、出口通路１２７内の流体が流体室１２３ｂに引き戻されることはない。しかし、流体を噴射した直後の状態では、流体供給通路１２３ａがダイアフラム１１１によって閉鎖されている。このため、圧電素子１１３に印加した駆動信号の電圧を低下させることなく暫くの間維持していても、流体供給通路１２３ａから流入した流体に押し出されて出口通路１２７内の流体が流出することがない。
【００３４】
Ｃ．駆動信号 ：
以上に説明したように、本実施例の流体噴射装置１００は、圧電素子１１３に駆動信号を印加するとダイアフラム１１１が変形し、流体室１２３ｂ内の流体を加圧してノズル１２６から噴射させるが、その途中で、ダイアフラム１１１によって流体供給通路１２３ａを閉鎖することで、流体室１２３ｂ内の流体を効率よく加圧している。このような流体噴射装置１００で圧電素子１１３に印加する駆動信号としては、種々の駆動信号を用いることができる。
【００３５】
例えば最も単純な駆動信号としては、図５に例示したように、初期電圧Ｖｏから最高電圧Ｖｍａｘまで単調に増加し、その後、初期電圧Ｖｏまで単調に減少する山型の波形（あるいは、最高電圧Ｖｍａｘで暫くの間電圧を維持する台形型の波形）の駆動信号を用いることができる。このような駆動信号を圧電素子１１３に印加すると、駆動信号が最高電圧Ｖｍａｘに達するまでの何れかのタイミングで、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接して流体供給通路１２３ａが閉鎖され、その後は、駆動信号が最高電圧Ｖｍａｘに達するまで流体室１２３ｂ内の流体が加圧されて、ノズル１２６から流体が噴射される。
【００３６】
また、駆動信号が低下する場合は、最高電圧Ｖｍａｘから初期電圧Ｖｏに達するまでの何れかのタイミングでダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間する。それまでの間は、流体供給通路１２３ａが閉鎖されたまま流体室１２３ｂの容積が増加するので、出口通路１２７内の流体が流体室１２３ｂに引き戻される。また、ダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間した後は、流体室１２３ｂの容積が増加するに従って、流体供給通路１２３ａから流体が供給され、最終的には駆動信号を印加する前の状態（初期状態）に復帰する。従って、山型あるいは台形型のように単純な波形の駆動信号を用いた場合でも、流体室１２３ｂ内の流体が効率よく加圧されるので、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できる。
【００３７】
また、上述したように本実施例の流体噴射装置１００では、流体供給通路１２３ａが閉鎖される前と後とでダイアフラム１１１の働きが違うので、これを考慮した駆動信号としてもよい。図６は、流体供給通路１２３ａが閉鎖される前後でのダイアフラム１１１の働きの違いを考慮して設定された駆動信号を例示した説明図である。図示した例では、駆動信号が電圧Ｖａに達した付近でダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接し、その後、最高電圧Ｖｍａｘまで増加する。尚、電圧Ｖａは、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接する瞬間の電圧である必要はない。例えば、駆動信号が電圧Ｖａの状態では、ダイアフラム１１１が未だオーリング１２５に当接する前であっても良いし、あるいはダイアフラム１１１が既にオーリング１２５に当接して少し変形した状態であっても良い。
【００３８】
図示されているように、駆動信号を初期電圧Ｖｏから電圧Ｖａまで増加させる期間（この期間の駆動信号を第１信号部分と呼ぶ）では、電圧をゆっくりと増加させる。電圧Ｖａから最高電圧Ｖｍａｘまで増加させる期間（この期間の駆動信号を第２信号部分と呼ぶ）では、第１信号部分よりも速く電圧を増加させる。また、駆動信号を最高電圧Ｖｍａｘから電圧Ｖａまで減少させる期間（この期間の駆動信号を第３信号部分と呼ぶ）では、電圧を比較的速やかに減少させ、電圧Ｖａから初期電圧Ｖｏまで減少させる期間（この期間の駆動信号を第４信号部分と呼ぶ）では、第３信号部分よりも電圧をゆっくりと減少させる。
【００３９】
図３を用いて前述したように、駆動信号のうちの第１信号部分は、ダイアフラム１１１をオーリング１２５に当接させて流体供給通路１２３ａを閉鎖するために、圧電素子１１３に印加される。換言すれば、第１信号部分では、ノズル１２６から流体を噴射することは想定されていない。ところが第１信号部分でも圧電素子１１３が伸張してダイアフラム１１１を撓ませるので、流体室１２３ｂの容積は減少する。従って、容積が減少する速度が速すぎると、流体室１２３ｂ内の流体が加圧されてノズル１２６から漏れ出してしまうことが起こり得る。
【００４０】
また、ノズル１２６から流体が流出しない場合でも、流体室１２３ｂの容積が減少しているので、容積減少分の流体は流体供給通路１２３ａに押し戻される。この流体を押し戻すために要する力は、流体室１２３ｂの容積が減少する速度が速くなるほど大きくなる。流体を噴射していないのに大きな力が必要となるのは無駄であり、エネルギー効率を低下させる。
【００４１】
これに対して、図６に示したように、第１信号部分では比較的ゆっくりと電圧が増加するようにしておけば、ノズル１２６から流体が漏れ出すことがなく、また、流体室１２３ｂから流体供給通路１２３ａに流体を押し戻すために大きな力が必要となることもない。
【００４２】
また、第２信号部分では、流体室１２３ｂの流体を加圧してノズル１２６から噴射する。この段階では、流体室１２３ｂの容積を速く減少させる程、勢いよく流体を噴射することができるので、第１信号部分よりも速く電圧を増加させる。もちろん、流体室１２３ｂの容積を速く減少させるためには、圧電素子１１３で大きな力を発生させる必要がある。しかし、第２信号部分では流体供給通路１２３ａが閉塞されているので、流体室１２３ｂから流体供給通路１２３ａに流体が逃げることがなく、圧電素子１１３が発生した力の大部分が流体室１２３ｂの流体を加圧するために使われる。このため、第１信号部分とは異なり、圧電素子１１３が発生した力が無駄に使われることはない。
【００４３】
更に、第３信号部分では、流体供給通路１２３ａを閉鎖したままの状態で流体室１２３ｂの容積が増加し、その結果、出口通路１２７内に残っていた流体が、流体室１２３ｂに引き戻される。出口通路１２７内の流体は慣性によってノズル１２６に向かって流れようとしているので、第３信号部分では比較的速やかに電圧を減少させる。こうすれば、出口通路１２７内の流体を強い力で引き戻すことができるので、慣性によって流体がノズル１２６から漏れ出してしまうことを確実に防止することができる。
【００４４】
そして第４信号部分では、閉鎖されていた流体供給通路１２３ａが開放されて、流体供給通路１２３ａから流体室１２３ｂの流体が供給される。流体が供給される速度にも限界がある。そこで、第４信号部分では、流体供給通路１２３ａから流体室１２３ｂへ流体が供給される速度に合わせて、比較的ゆっくりと電圧を減少させる。こうすれば、第３信号部分で流体が引き戻されることによって出口通路１２７内で後退していた界面が、第４信号部分でほぼ元の位置まで前進する。その結果、第４信号部分が終了したら比較的短時間で再び駆動信号を印加して流体を噴射することが可能となる。
【００４５】
尚、図６に例示した駆動信号では、第１信号部分と第２信号部分との境の電圧（電圧Ｖａ）と、第３信号部分と第４信号部分との境の電圧（電圧Ｖａ）とが一致している。しかし、第３信号部分と第４信号部分との境の電圧は、必ずしも、第１信号部分と第２信号部分との境の電圧と一致している必要はない。例えば、図７に例示したように、電圧Ｖａよりも高い電圧Ｖｂで、第３信号部分から第４信号部分に切り換えてもよい。こうすれば、第３信号部分で出口通路１２７の界面が引き戻される距離を短くすることができるので、第４信号部分で出口通路１２７内の界面の位置を元の位置まで復帰させることが容易となる。その結果、短時間で再び駆動信号を印加して流体を噴射することが可能となる。
【００４６】
また、図６に例示した駆動信号では、最高電圧Ｖｍａｘから初期電圧Ｖｏまで電圧が減少する部分が、第３信号部分と第４信号部分とに分かれているものとした。しかし簡易的には、図８に例示したように、電圧が減少する部分については第３信号部分と第４信号部分とに分けずに、直線的に電圧を減少させても良い。こうすれば駆動信号が単純な波形となるので、制御部１５０を簡素な構成とすることができる。
【００４７】
Ｄ．変形例 ：
上述した実施例では、第２ケース１２０の凹部１２３内に凸部１２４が設けられており、凸部１２４のオーリング１２５にダイアフラム１１１が当接することによって、オーリング１２５の外側の流体供給通路１２３ａと、オーリング１２５の内側の流体室１２３ｂとが、非連通状態になるものとして説明した。しかし、ダイアフラム１１１が変形することによって流体供給通路１２３ａと流体室１２３ｂとが非連通状態になるのであれば、このような形態に限らず、どのような形態であってもよい。
【００４８】
例えば、図９に例示したように、ダイアフラム１１１の一部に弁体１２８を取り付けておき、圧電素子１１３によってダイアフラム１１１が下方に撓むと、弁体１２８が入口通路１２２の開口部分を閉鎖するようにしても良い。図９（ａ）には、ダイアフラム１１１が下方に撓む前の状態が示されており、図９（ｂ）には、ダイアフラム１１１が下方に撓んで入口通路１２２が閉鎖された状態が示されている。この第１変形例では、第２ケース１２０に設けられた凹部１２３の全体が流体室１２３ｂに対応し、入口通路１２２が流体供給通路１２３ａに対応する。そして、図９（ｂ）に示したように、弁体１２８で流体供給通路１２３ａを閉鎖した状態から、更にダイアフラム１１１を変形させれば、流体室１２３ｂ内の流体を加圧してノズル１２６から噴射することができる。このような第１変形例においても、流体供給通路１２３ａを閉鎖した状態で流体室１２３ｂの容積を減少させているので、流体室１２３ｂ内の流体を効率よく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ノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００４９】
また、弁体１２８は、入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）に対して位置がずれなければ十分であり、必ずしもダイアフラム１１１（あるいは凹部１２３）に取り付けなくても良い。例えば、図１０に例示したように、入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）が凹部１２３に開口した部分から弁体１２９の一部を差し込んだ状態で、ダイアフラム１１１を取り付けることによって、弁体１２９が上下方向に移動することはできるが、入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）から外れないようにしておく。図１０（ａ）には、弁体１２９が組み付けられた状態が示されている。この状態から、圧電素子１１３によってダイアフラム１１１が下方に撓むと、図１０（ｂ）に示したように、弁体１２９が入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）の開口部分を閉鎖する。この第２変形例でも、第２ケース１２０に設けられた凹部１２３の全体が流体室１２３ｂに対応する。そして、弁体１２９で入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）を閉鎖した状態から、更にダイアフラム１１１を変形させることによって、流体室１２３ｂ内の流体をノズル１２６から噴射することができる。このような第２変形例においても、流体供給通路１２３ａを閉鎖した状態で流体室１２３ｂの容積を減少させているので、流体室１２３ｂ内の流体を効率よく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ノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００５０】
以上、本実施例および変形例の流体噴射装置１００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。
【符号の説明】
【００５１】
１００…流体噴射装置、 １０２…噴射ユニット、 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、
１２３ａ…流体供給通路、 １２３ｂ…流体室、 １２４…凸部、
１２５…オーリング、 １２６…ノズル、 １２７…出口通路、
１２８…弁体、 １２９…弁体、 １５０…制御部
【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、
流体室内の流体を加圧することによって、該流体室に設けられたノズルから流体を噴射する流体噴射装置であって、
前記流体室の一部を構成し、外力を受けて変形可能な変形部と、
駆動信号が印加されると変形して前記変形部に外力を加える圧電素子と、
前記駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
前記流体室に連通して該流体室に流体を供給する流体供給通路と、
を備え、
前記流体供給通路は、前記変形部が変形する途中で、該変形部の動きによって閉鎖される通路であり、
前記駆動信号は、前記流体供給通路が閉鎖されるまで前記変形部を変形させる第１信号部分と、前記流体供給通路が閉鎖された状態で前記変形部を変形させる第２信号部分とを有する信号であることを要旨とする。
【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、流体供給通路からの流体で流体室を満たした状態で圧電素子に駆動信号を印加すると、変形部が変形して流体室内の流体が加圧されて、ノズルから流体が噴射する。また、流体供給通路は、変形部が変形する途中で、変形部の動きによって閉鎖される。従って、流体供給通路が閉鎖された後は、流体室は流体供給通路に連通していない状態で変形部によって圧縮される。尚、流体供給通路は、変形部が変形したことによって、結果として閉鎖されれば十分であり、変形した変形部が流体供給通路を直接閉鎖しても良いし、変形した変形部が他の部材を介して間接的に流体供給通路を閉鎖しても良い。また、流体供給通路が流体室に開口した部分を閉鎖しても良いし、流体供給通路の途中を閉鎖しても良い。そして、圧電素子に印加される駆動信号には、流体供給通路が閉鎖されるまで変形部を変形させる第１信号部分と、流体供給通路が閉鎖された状態で変形部を変形させる第２信号部分とが設けられている。
【０００９】
流体供給通路が流体室に連通した状態で変形部を変形させても、流体室内の流体が流体供給通路に逃げてしまうので、流体を効率よく加圧することができない。これに対して、流体供給通路を閉鎖した状態で変形部を変形させれば、流体室内の流体が流体供給通路に逃げないので、流体を効率よく加圧することができる。このため、粘度の高い流体であっても、圧電素子の力を効率よく流体に伝えて、ノズルから噴射することが可能となる。また、流体の動きは、流体供給通路が流体室に連通した状態で変形部を変形させた場合と、流体供給通路が閉鎖した状態で変形部を変形させた場合とで、異なっている。従って、流体供給通路が閉鎖されるまでの第１信号部分と、流体供給通路が閉鎖された後の第２信号部分とを有する駆動信号を用いれば、流体室内の流体の動きに合わせて変形部を変形させることができるので、より一層効率よく流体を加圧することができる。このため、粘度の高い流体であっても、ノズルから噴射することが可能となる。
【００１０】
また、上述した本発明の流体噴射装置においては、第１信号部分よりも第２信号部分の方が、時間あたりの電圧の変化量が大きくなるようにしても良い。
【００１１】
第１信号部分では変形部を変形させても、流体が流体室から流体供給通路に逃げてしまうので、流体室内の流体を効率よく加圧することができない。すなわち、第１信号部分で発生させた力の多くは流体を流体供給通路に逃がすために使われてしまうので、大きな力を発生させる程、無駄な力が多くなる。また、変形部を速く変形させると流体が流体供給通路に勢いよく流れるので大きな力が必要になるのに対して、変形部をゆっくりと変形させるのであれば、流体は流体供給通路に向かってゆっくりと流れるのでそれほど大きな力は必要とならない。従って、第１信号部分では、電圧をゆっくりと変化させた方が、無駄に加える力が少なくなる。これに対して第２信号部分では、流体が流体室から流体供給通路に逃げないので、流体室内の流体を効率よく加圧することができる。従って、変形部を速く変化させる程、ノズルから勢いよく流体を噴射することができる。これらのことから、第１信号部分では電圧をゆっくりと変化させることによって無駄に力を発生させることを抑制し、第２信号部分では電圧を速く変化させることによって、勢いよく流体を噴射することが可能となる。また、第１信号部分の電圧をゆっくり変化させれば、流体室内の流体はほとんど加圧されないので、流体供給通路が閉鎖される前にノズルから流体が漏れ出してしまうことも回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】流体噴射装置の噴射ユニット部分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】流体噴射装置が流体を噴射した後の動作を示した説明図である。
【図５】圧電素子に印加する駆動信号の最も単純な形態を例示した説明図である。
【図６】圧電素子に印加する駆動信号の他の形態を例示した説明図である。
【図７】圧電素子に印加する駆動信号のその他の形態を例示した説明図である。
【図８】圧電素子に印加する駆動信号の別の形態を例示した説明図である。
【図９】第１変形例の流体噴射装置を示した説明図である。
【図１０】第２変形例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】
【００１３】
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．駆動信号：
Ｄ．変形例：
【００１４】
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や、流体噴射装置１００の動作を制御する制御部１５０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「変形部」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。本実施例では制御部１５０が、本発明における「駆動信号出力手段」に対応する。
【００１５】
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。
【００１６】
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。尚、以下では、図１（ｂ）に示した部分（第１ケース１１０や、第２ケース１２０、ダイアフラム１１１、圧電素子１１３など）を噴射ユニット１０２と称することがある。
【００１７】
図２は、流体噴射装置１００の噴射ユニット１０２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。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。このため、第２ケース１２０の凹部１２３は、オーリング１２５よりも外側の円環形状の部分と、オーリング１２５よりも内側の部分とに区分される。
【００１８】
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、オーリング１２５よりも外側に形成された円環形状の空間に供給され、続いて、オーリング１２５とダイアフラム１１１との間の隙間から、オーリング１２５の内側の空間に供給される。本実施例では、オーリング１２５よりも外側の円環形状の部分が流体供給通路１２３ａとなり、オーリング１２５よりも内側の部分が流体室１２３ｂとなる。
【００１９】
流体室１２３ｂの底面（ダイアフラム１１１に向かい合う面）は、出口通路１２７が開口している中心位置に向けてテーパー形状に形成されており、底面は全体として浅い漏斗形状となっている。また、漏斗形状の中心位置に開口する出口通路１２７も、先端のノズル１２６に近付くに従って内径が小さくなるテーパー形状に形成されている。もっとも、流体室１２３ｂのテーパー部分は内径が急激に小さくなるように形成されているのに対して、出口通路１２７は内径が少しずつ小さくなるように形成されている。
【００２０】
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、初期電圧が印加された状態であってもよい。
【００２１】
Ｂ．流体噴射装置の動作 ：
本実施例の流体噴射装置１００は、以上のような構造を有しているために、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。
【００２２】
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、流体供給通路１２３ａおよび流体室１２３ｂ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。
【００２３】
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、流体供給通路１２３ａと流体室１２３ｂとの間が塞がれた状態（流体供給通路１２３ａが閉鎖された状態）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に当接して流体室１２３ｂの周囲は閉塞されているので、圧電素子１１３が発生する力は、ほとんど全てが流体室１２３ｂ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流体室１２３ｂ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。
【００２４】
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の中心付近で大きな変位を確保することが容易となり、ダイアフラム１１１に局所的に大きな応力が発生することを回避することができる。
【００２５】
また、流体室１２３ｂ内の流体をノズル１２６へ導く出口通路１２７は、ノズル１２６に近付くほど内径が小さくなる形状に形成されている。このため、流体室１２３ｂから押し出された流体は、出口通路１２７内を進むにつれて加速されて勢いよくノズル１２６から噴射される。加えて、流体室１２３ｂとノズル１２６とは出口通路１２７を介して直接接続されているので、流体室１２３ｂの流体がノズル１２６から噴射されるまでの間に受ける通路抵抗が抑制されている。このため、たとえ粘度の高い流体であっても、勢いよく流体を噴射することができる。更に、オーリング１２５の内側から出口通路１２７にかけての流体室１２３ｂの形状は、ダイアフラム１１１が撓んだときの形状にほぼ倣う角度のテーパー形状に形成されている。このため、圧電素子１１３を用いてダイアフラム１１１を撓ませることによって、流体室１２３ｂ内のほとんど全ての流体を押し出すことができる。
【００２６】
図４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４（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、その状態から、オーリング１２５に当接している部分よりも内側のダイアフラム１１１を更に撓ませて、流体室１２３ｂ内の流体を加圧することによって噴射している。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、オーリング１２５に当接している部分よりも内側のダイアフラム１１１の撓みが戻るだけで、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、流体室１２３ｂは、流体供給通路１２３ａ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、流体室１２３ｂ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。
【００２７】
図４（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直後の状態が示されている。図４（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、それに伴って流体室１２３ｂの容積が増加して、出口通路１２７内の流体が引き込まれている。
【００２８】
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、流体室１２３ｂと流体供給通路１２３ａとが連通する。図４（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、流体室１２３ｂの容積は更に増加する。もっとも、この状態では流体供給通路１２３ａの閉鎖は解除されて、流体室１２３ｂと流体供給通路１２３ａとが連通しているので、流体室１２３ｂの容積が増加した分の流体が流体供給通路１２３ａから流体室１２３ｂに供給される。
【００２９】
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とが接触していた円形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、流体室１２３ｂの容積を急激に増加させるのでない限り、流体室１２３ｂ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４（ｃ）中には、流体供給通路１２３ａから流体室１２３ｂに流体が供給される様子が、破線の矢印で示されている。
【００３０】
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、流体供給通路１２３ａ、流体室１２３ｂ、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。
【００３１】
このように、本実施例の流体噴射装置１００では、流体室１２３ｂ内の流体を加圧してノズル１２６から噴射するためにダイアフラム１１１を変形させると、ダイアフラム１１１によって流体供給通路１２３ａが閉鎖されて、流体供給通路１２３ａと流体室１２３ｂとが非連通となる。その状態から更にダイアフラム１１１が変形して流体室１２３ｂ内の流体を加圧するので、加圧された流体が流体供給通路１２３ａに逃げることが無く、効率よく流体を加圧することができる。このため、粘度の高い流体を噴射する場合でも、流体を十分に加圧してノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００３２】
また、ダイアフラム１１１を変形させて流体供給通路１２３ａを閉鎖した状態で、更にダイアフラム１１１を変形させることによって流体を噴射しているので、流体の噴射後にダイアフラム１１１の変形をある程度戻すまでの間は、流体供給通路１２３ａは閉鎖されたままの状態となっている。このため、流体室１２３ｂの容積を増加させると、増加分に相当する体積の流体が出口通路１２７から流体室１２３ｂ内に引き戻される。その結果、流体の噴射直後に出口通路１２７内に残っていた流体が、噴射後もノズル１２６から流出する事態を確実に防止することが可能となる。
【００３３】
もちろん、圧電素子１１３に印加していた駆動信号の電圧を低下させるまでは、出口通路１２７内の流体が流体室１２３ｂに引き戻されることはない。しかし、流体を噴射した直後の状態では、流体供給通路１２３ａがダイアフラム１１１によって閉鎖されている。このため、圧電素子１１３に印加した駆動信号の電圧を低下させることなく暫くの間維持していても、流体供給通路１２３ａから流入した流体に押し出されて出口通路１２７内の流体が流出することがない。
【００３４】
Ｃ．駆動信号 ：
以上に説明したように、本実施例の流体噴射装置１００は、圧電素子１１３に駆動信号を印加するとダイアフラム１１１が変形し、流体室１２３ｂ内の流体を加圧してノズル１２６から噴射させるが、その途中で、ダイアフラム１１１によって流体供給通路１２３ａを閉鎖することで、流体室１２３ｂ内の流体を効率よく加圧している。このような流体噴射装置１００で圧電素子１１３に印加する駆動信号としては、種々の駆動信号を用いることができる。
【００３５】
例えば最も単純な駆動信号としては、図５に例示したように、初期電圧Ｖｏから最高電圧Ｖｍａｘまで単調に増加し、その後、初期電圧Ｖｏまで単調に減少する山型の波形（あるいは、最高電圧Ｖｍａｘで暫くの間電圧を維持する台形型の波形）の駆動信号を用いることができる。このような駆動信号を圧電素子１１３に印加すると、駆動信号が最高電圧Ｖｍａｘに達するまでの何れかのタイミングで、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接して流体供給通路１２３ａが閉鎖され、その後は、駆動信号が最高電圧Ｖｍａｘに達するまで流体室１２３ｂ内の流体が加圧されて、ノズル１２６から流体が噴射される。
【００３６】
また、駆動信号が低下する場合は、最高電圧Ｖｍａｘから初期電圧Ｖｏに達するまでの何れかのタイミングでダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間する。それまでの間は、流体供給通路１２３ａが閉鎖されたまま流体室１２３ｂの容積が増加するので、出口通路１２７内の流体が流体室１２３ｂに引き戻される。また、ダイアフラム１１１がオーリング１２５から離間した後は、流体室１２３ｂの容積が増加するに従って、流体供給通路１２３ａから流体が供給され、最終的には駆動信号を印加する前の状態（初期状態）に復帰する。従って、山型あるいは台形型のように単純な波形の駆動信号を用いた場合でも、流体室１２３ｂ内の流体が効率よく加圧されるので、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できる。
【００３７】
また、上述したように本実施例の流体噴射装置１００では、流体供給通路１２３ａが閉鎖される前と後とでダイアフラム１１１の働きが違うので、これを考慮した駆動信号としてもよい。図６は、流体供給通路１２３ａが閉鎖される前後でのダイアフラム１１１の働きの違いを考慮して設定された駆動信号を例示した説明図である。図示した例では、駆動信号が電圧Ｖａに達した付近でダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接し、その後、最高電圧Ｖｍａｘまで増加する。尚、電圧Ｖａは、ダイアフラム１１１がオーリング１２５に当接する瞬間の電圧である必要はない。例えば、駆動信号が電圧Ｖａの状態では、ダイアフラム１１１が未だオーリング１２５に当接する前であっても良いし、あるいはダイアフラム１１１が既にオーリング１２５に当接して少し変形した状態であっても良い。
【００３８】
図示されているように、駆動信号を初期電圧Ｖｏから電圧Ｖａまで増加させる期間（この期間の駆動信号を第１信号部分と呼ぶ）では、電圧をゆっくりと増加させる。電圧Ｖａから最高電圧Ｖｍａｘまで増加させる期間（この期間の駆動信号を第２信号部分と呼ぶ）では、第１信号部分よりも速く電圧を増加させる。また、駆動信号を最高電圧Ｖｍａｘから電圧Ｖａまで減少させる期間（この期間の駆動信号を第３信号部分と呼ぶ）では、電圧を比較的速やかに減少させ、電圧Ｖａから初期電圧Ｖｏまで減少させる期間（この期間の駆動信号を第４信号部分と呼ぶ）では、第３信号部分よりも電圧をゆっくりと減少させる。
【００３９】
図３を用いて前述したように、駆動信号のうちの第１信号部分は、ダイアフラム１１１をオーリング１２５に当接させて流体供給通路１２３ａを閉鎖するために、圧電素子１１３に印加される。換言すれば、第１信号部分では、ノズル１２６から流体を噴射することは想定されていない。ところが第１信号部分でも圧電素子１１３が伸張してダイアフラム１１１を撓ませるので、流体室１２３ｂの容積は減少する。従って、容積が減少する速度が速すぎると、流体室１２３ｂ内の流体が加圧されてノズル１２６から漏れ出してしまうことが起こり得る。
【００４０】
また、ノズル１２６から流体が流出しない場合でも、流体室１２３ｂの容積が減少しているので、容積減少分の流体は流体供給通路１２３ａに押し戻される。この流体を押し戻すために要する力は、流体室１２３ｂの容積が減少する速度が速くなるほど大きくなる。流体を噴射していないのに大きな力が必要となるのは無駄であり、エネルギー効率を低下させる。
【００４１】
これに対して、図６に示したように、第１信号部分では比較的ゆっくりと電圧が増加するようにしておけば、ノズル１２６から流体が漏れ出すことがなく、また、流体室１２３ｂから流体供給通路１２３ａに流体を押し戻すために大きな力が必要となることもない。
【００４２】
また、第２信号部分では、流体室１２３ｂの流体を加圧してノズル１２６から噴射する。この段階では、流体室１２３ｂの容積を速く減少させる程、勢いよく流体を噴射することができるので、第１信号部分よりも速く電圧を増加させる。もちろん、流体室１２３ｂの容積を速く減少させるためには、圧電素子１１３で大きな力を発生させる必要がある。しかし、第２信号部分では流体供給通路１２３ａが閉塞されているので、流体室１２３ｂから流体供給通路１２３ａに流体が逃げることがなく、圧電素子１１３が発生した力の大部分が流体室１２３ｂの流体を加圧するために使われる。このため、第１信号部分とは異なり、圧電素子１１３が発生した力が無駄に使われることはない。
【００４３】
更に、第３信号部分では、流体供給通路１２３ａを閉鎖したままの状態で流体室１２３ｂの容積が増加し、その結果、出口通路１２７内に残っていた流体が、流体室１２３ｂに引き戻される。出口通路１２７内の流体は慣性によってノズル１２６に向かって流れようとしているので、第３信号部分では比較的速やかに電圧を減少させる。こうすれば、出口通路１２７内の流体を強い力で引き戻すことができるので、慣性によって流体がノズル１２６から漏れ出してしまうことを確実に防止することができる。
【００４４】
そして第４信号部分では、閉鎖されていた流体供給通路１２３ａが開放されて、流体供給通路１２３ａから流体室１２３ｂの流体が供給される。流体が供給される速度にも限界がある。そこで、第４信号部分では、流体供給通路１２３ａから流体室１２３ｂへ流体が供給される速度に合わせて、比較的ゆっくりと電圧を減少させる。こうすれば、第３信号部分で流体が引き戻されることによって出口通路１２７内で後退していた界面が、第４信号部分でほぼ元の位置まで前進する。その結果、第４信号部分が終了したら比較的短時間で再び駆動信号を印加して流体を噴射することが可能となる。
【００４５】
尚、図６に例示した駆動信号では、第１信号部分と第２信号部分との境の電圧（電圧Ｖａ）と、第３信号部分と第４信号部分との境の電圧（電圧Ｖａ）とが一致している。しかし、第３信号部分と第４信号部分との境の電圧は、必ずしも、第１信号部分と第２信号部分との境の電圧と一致している必要はない。例えば、図７に例示したように、電圧Ｖａよりも高い電圧Ｖｂで、第３信号部分から第４信号部分に切り換えてもよい。こうすれば、第３信号部分で出口通路１２７の界面が引き戻される距離を短くすることができるので、第４信号部分で出口通路１２７内の界面の位置を元の位置まで復帰させることが容易となる。その結果、短時間で再び駆動信号を印加して流体を噴射することが可能となる。
【００４６】
また、図６に例示した駆動信号では、最高電圧Ｖｍａｘから初期電圧Ｖｏまで電圧が減少する部分が、第３信号部分と第４信号部分とに分かれているものとした。しかし簡易的には、図８に例示したように、電圧が減少する部分については第３信号部分と第４信号部分とに分けずに、直線的に電圧を減少させても良い。こうすれば駆動信号が単純な波形となるので、制御部１５０を簡素な構成とすることができる。
【００４７】
Ｄ．変形例 ：
上述した実施例では、第２ケース１２０の凹部１２３内に凸部１２４が設けられており、凸部１２４のオーリング１２５にダイアフラム１１１が当接することによって、オーリング１２５の外側の流体供給通路１２３ａと、オーリング１２５の内側の流体室１２３ｂとが、非連通状態になるものとして説明した。しかし、ダイアフラム１１１が変形することによって流体供給通路１２３ａと流体室１２３ｂとが非連通状態になるのであれば、このような形態に限らず、どのような形態であってもよい。
【００４８】
例えば、図９に例示したように、ダイアフラム１１１の一部に弁体１２８を取り付けておき、圧電素子１１３によってダイアフラム１１１が下方に撓むと、弁体１２８が入口通路１２２の開口部分を閉鎖するようにしても良い。図９（ａ）には、ダイアフラム１１１が下方に撓む前の状態が示されており、図９（ｂ）には、ダイアフラム１１１が下方に撓んで入口通路１２２が閉鎖された状態が示されている。この第１変形例では、第２ケース１２０に設けられた凹部１２３の全体が流体室１２３ｂに対応し、入口通路１２２が流体供給通路１２３ａに対応する。そして、図９（ｂ）に示したように、弁体１２８で流体供給通路１２３ａを閉鎖した状態から、更にダイアフラム１１１を変形させれば、流体室１２３ｂ内の流体を加圧してノズル１２６から噴射することができる。このような第１変形例においても、流体供給通路１２３ａを閉鎖した状態で流体室１２３ｂの容積を減少させているので、流体室１２３ｂ内の流体を効率よく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ノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００４９】
また、弁体１２８は、入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）に対して位置がずれなければ十分であり、必ずしもダイアフラム１１１（あるいは凹部１２３）に取り付けなくても良い。例えば、図１０に例示したように、入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）が凹部１２３に開口した部分から弁体１２９の一部を差し込んだ状態で、ダイアフラム１１１を取り付けることによって、弁体１２９が上下方向に移動することはできるが、入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）から外れないようにしておく。図１０（ａ）には、弁体１２９が組み付けられた状態が示されている。この状態から、圧電素子１１３によってダイアフラム１１１が下方に撓むと、図１０（ｂ）に示したように、弁体１２９が入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）の開口部分を閉鎖する。この第２変形例でも、第２ケース１２０に設けられた凹部１２３の全体が流体室１２３ｂに対応する。そして、弁体１２９で入口通路１２２（流体供給通路１２３ａ）を閉鎖した状態から、更にダイアフラム１１１を変形させることによって、流体室１２３ｂ内の流体をノズル１２６から噴射することができる。このような第２変形例においても、流体供給通路１２３ａを閉鎖した状態で流体室１２３ｂの容積を減少させているので、流体室１２３ｂ内の流体を効率よく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ノズル１２６から噴射することが可能となる。
【００５０】
以上、本実施例および変形例の流体噴射装置１００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。
【符号の説明】
【００５１】
１００…流体噴射装置、 １０２…噴射ユニット、 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、
１２３ａ…流体供給通路、 １２３ｂ…流体室、 １２４…凸部、
１２５…オーリング、 １２６…ノズル、 １２７…出口通路、
１２８…弁体、 １２９…弁体、 １５０…制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体室内の流体を加圧することによって、該流体室に設けられたノズルから流体を噴射する流体噴射装置であって、
前記流体室の一部を構成し、外力を受けて変形可能な変形部と、
駆動信号が印加されると変形して前記変形部に外力を加える圧電素子と、
前記駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
前記流体室に連通して該流体室に流体を供給する流体供給通路と、
を備え、
前記流体供給通路は、前記変形部が変形する途中で、該変形部の動きによって閉鎖される通路であり、
前記駆動信号は、前記流体供給通路が閉鎖されるまで前記変形部を変形させる第１信号部分と、前記流体供給通路が閉鎖された状態で前記変形部を変形させる第２信号部分とを有する信号である流体噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体噴射装置であって、
前記駆動信号は、前記第１信号部分よりも前記第２信号部分の方が、時間あたりの電圧の変化量が大きな信号である流体噴射装置。
【請求項１】
流体室内の流体を加圧することによって、該流体室に設けられたノズルから流体を噴射する流体噴射装置であって、
前記流体室の一部を構成し、外力を受けて変形可能な変形部と、
駆動信号が印加されると変形して前記変形部に外力を加える圧電素子と、
前記駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
前記流体室に連通して該流体室に流体を供給する流体供給通路と、
を備え、
前記流体供給通路は、前記変形部が変形する途中で、該変形部の動きによって閉鎖される通路であり、
前記駆動信号は、前記流体供給通路が閉鎖されるまで前記変形部を変形させる第１信号部分と、前記流体供給通路が閉鎖された状態で前記変形部を変形させる第２信号部分とを有する信号である流体噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体噴射装置であって、
前記駆動信号は、前記第１信号部分よりも前記第２信号部分の方が、時間あたりの電圧の変化量が大きな信号である流体噴射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２２８０５（Ｐ２０１３−２２８０５Ａ）
【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２０１１−１５８７２８（Ｐ２０１１−１５８７２８）
【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）】
[ Back to top ]