JP2005058933A - Liquid jetting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体を微粒子化しながら噴射する液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting apparatus that ejects liquid while atomizing it.
従来から知られるこの種の液体噴射装置は、図28に記載したように、圧電/電歪素子301により容積が変更せしめられるとともに液体噴射用ノズル302を備えたチャンバー303と、中空円筒状の液体導入孔304と、液体供給通路305とを備えている。液体は、液体供給通路305内に供給され、次いで、液体導入孔304を介してチャンバー303内に導入される。そして、液体は、チャンバー303内において圧電/電歪素子301の作動により加圧され、液体噴射用ノズル304から噴射される(例えば、特許文献1参照。)。
このような装置において、より大量の液滴を微粒子化するためには、チャンバーに液体噴射用ノズルを多数設け、噴射される液体流量を増大するとともに圧電/電歪素子301の駆動周波数を上昇させなければならない。しかしながら、圧電/電歪素子301の駆動周波数を上昇しすぎると、圧電/電歪素子301の耐久性が低下してしまうという問題がある。
In such an apparatus, in order to atomize a larger amount of liquid droplets, a large number of nozzles for ejecting liquid are provided in the chamber to increase the flow rate of the ejected liquid and increase the driving frequency of the piezoelectric /
本発明の目的の一つは、チャンバーに複数の圧電/電歪素子を配設するとともに、これらの圧電/電歪素子を異なるタイミングにて駆動することにより、圧電/電歪素子の耐久性を低下させることなく多量の微小液滴を噴射することができる液体噴射装置を提供することにある。 One of the objects of the present invention is to arrange a plurality of piezoelectric / electrostrictive elements in a chamber and drive these piezoelectric / electrostrictive elements at different timings, thereby improving the durability of the piezoelectric / electrostrictive elements. An object of the present invention is to provide a liquid ejecting apparatus capable of ejecting a large amount of fine droplets without being lowered.
本発明の液体噴射装置は、複数の液体噴射用ノズルを有するとともに複数の壁により構成されるチャンバーと、前記チャンバーに接続されるとともに液体を通流させて同チャンバーに同液体を導入するための液体導入通路部と、前記チャンバーを構成する複数の壁の少なくとも一つの壁に設置されるとともに、前記液体導入通路部を介して同チャンバー内に導入された液体に対し圧力波の付与及び/又は同チャンバーの容積の減増を行う圧電/電歪素子とを具備し、前記チャンバー内の液体を前記圧電/電歪素子の作動により微粒子化しながら前記液体噴射用ノズルを介して外部空間に噴射する液体噴射装置であって、前記圧電/電歪素子を複数個備えるとともに、同複数の圧電/電歪素子は互いに異なるタイミングにて、前記圧力波の付与及び/又は前記チャンバーの容積の減増を行うように駆動されることを特徴としている。圧電/電歪素子とは、圧電体のみならず電歪体を含む概念である。 The liquid ejecting apparatus of the present invention has a chamber having a plurality of liquid ejecting nozzles and configured by a plurality of walls, and is connected to the chamber and allows the liquid to flow and introduce the liquid into the chamber. A liquid introduction passage and a pressure wave applied to the liquid introduced into the chamber through the liquid introduction passage and / or applied to at least one of a plurality of walls constituting the chamber; And a piezoelectric / electrostrictive element for reducing and increasing the volume of the chamber, and ejecting liquid in the chamber into the external space through the liquid ejecting nozzle while forming fine particles by the operation of the piezoelectric / electrostrictive element. The liquid ejecting apparatus includes a plurality of the piezoelectric / electrostrictive elements, and the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements apply the pressure wave at different timings. It is characterized in driven it to perform increase reduction of the volume of the beauty / or the chamber. The piezoelectric / electrostrictive element is a concept including not only a piezoelectric body but also an electrostrictive body.
これによれば、複数の圧電/電歪素子がチャンバー内の液体に対し圧力波を付与し、及び/又は、複数の圧電/電歪素子がチャンバーの容積の減増を行うことにより、チャンバー内の液体が微粒子化されながら噴射される。また、複数の圧電/電歪素子は互いに異なるタイミングにて、前記圧力波の付与及び/又はチャンバーの容積の増減を行うように駆動されるから、一つの圧電/電歪素子の駆動周波数が小さくても、チャンバー内の液体の圧力変動の周波数を大きくすることができる。従って、圧電/電歪素子の耐久性低下を回避することができる。 According to this, a plurality of piezoelectric / electrostrictive elements apply pressure waves to the liquid in the chamber, and / or a plurality of piezoelectric / electrostrictive elements increase and decrease the volume of the chamber. The liquid is sprayed while being atomized. In addition, since the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements are driven to apply the pressure wave and / or increase / decrease the volume of the chamber at different timings, the driving frequency of one piezoelectric / electrostrictive element is small. However, the frequency of the pressure fluctuation of the liquid in the chamber can be increased. Accordingly, it is possible to avoid a decrease in durability of the piezoelectric / electrostrictive element.
この場合において、前記チャンバーは、前記複数の液体噴射用ノズルが形成された壁である液体噴射用ノズル形成壁と、前記液体噴射用ノズル形成壁に対向する壁である液体噴射用ノズル対向壁と、を含んで構成され、前記複数の圧電/電歪素子のうちの少なくとも二つは、前記液体噴射用ノズル対向壁に配設されることが好適である。 In this case, the chamber includes a liquid ejecting nozzle forming wall that is a wall in which the plurality of liquid ejecting nozzles are formed, and a liquid ejecting nozzle facing wall that is a wall facing the liquid ejecting nozzle forming wall. It is preferable that at least two of the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements are disposed on the liquid jet nozzle facing wall.
複数の液体噴射用ノズルの各々には、液体噴射用ノズル対向壁において互いに異なる位置に配設された各圧電/電歪素子によりもたらされた圧力変動が伝播される。この圧力変動の波の進行方向は、液体噴射用ノズル対向壁に配設された一つの圧電/電歪素子からの圧力変動と他の圧電/電歪素子からの圧力変動とで異なる方向となる。これにより、一つの圧電/電歪素子の駆動による液滴の噴射方向は、他の圧電/電歪素子の駆動による液滴の噴射方向と僅かながらではあるが異なる方向となる。この結果、ある液体噴射用ノズルを介して時間的に前後して噴射された液滴同士が噴射空間中において再結合する頻度を低減することができる。従って、噴射された液滴の粒径を微小に維持することができる。 Pressure fluctuations caused by the respective piezoelectric / electrostrictive elements arranged at different positions on the liquid jet nozzle facing wall are propagated to each of the plurality of liquid jet nozzles. The traveling direction of the pressure fluctuation wave is different between the pressure fluctuation from one piezoelectric / electrostrictive element and the pressure fluctuation from another piezoelectric / electrostrictive element disposed on the liquid jet nozzle facing wall. . As a result, the droplet ejection direction by driving one piezoelectric / electrostrictive element is slightly different from the droplet ejection direction by driving another piezoelectric / electrostrictive element. As a result, it is possible to reduce the frequency with which the droplets ejected before and after a certain liquid ejecting nozzle are recombined in the ejecting space. Therefore, the particle size of the ejected droplets can be kept minute.
また、前記液体噴射用ノズル形成壁と前記液体噴射用ノズル対向壁とが互いに平行であり、同液体噴射用ノズル対向壁に直交する方向から見た場合に同液体噴射用ノズル形成壁の外形と同液体噴射用ノズル対向壁の外形が一致し、同液体噴射用ノズル対向壁は所定の直線に対して線対称の外形を有するように構成され、互いに同一形状を備える二つの圧電/電歪素子が前記液体噴射用ノズル対向壁に前記所定の直線に対して線対称となるように配置されることが好適である。 Further, the liquid ejecting nozzle forming wall and the liquid ejecting nozzle facing wall are parallel to each other, and when viewed from a direction orthogonal to the liquid ejecting nozzle facing wall, the outer shape of the liquid ejecting nozzle forming wall Two piezoelectric / electrostrictive elements having the same shape as each other, wherein the liquid jet nozzle facing wall has the same outer shape, and the liquid jet nozzle facing wall has a line-symmetric outer shape with respect to a predetermined straight line Is preferably arranged on the liquid jet nozzle facing wall so as to be line-symmetric with respect to the predetermined straight line.
これによれば、圧電/電歪素子の発熱によって液体噴射用ノズル対向壁が変形した場合であっても、液体噴射用ノズル対向壁の変形は線対称となる。従って、液体噴射用ノズル形成壁に対する前記二つの圧電/電歪素子の角度は、互いに略同一となる。換言すると、液体噴射用ノズル対向壁が変形した場合であっても、液体噴射用ノズル形成壁に対する前記二つの圧電/電歪素子の角度は大きく変化しない。従って、複数の液体噴射用ノズルの各々には、液体噴射用ノズル対向壁の変形前後において、略等しい圧力変動を有する液体が到達するから、噴射される液滴の粒径ばらつきを小さくすることができる。更に、前記二つの圧電/電歪素子の角度が大きく変化しないので、噴射方向がばらつかない。 According to this, even when the liquid jet nozzle facing wall is deformed by the heat generated by the piezoelectric / electrostrictive element, the deformation of the liquid jet nozzle facing wall is axisymmetric. Accordingly, the angles of the two piezoelectric / electrostrictive elements with respect to the liquid injection nozzle forming wall are substantially the same. In other words, even when the liquid jet nozzle facing wall is deformed, the angle of the two piezoelectric / electrostrictive elements with respect to the liquid jet nozzle forming wall does not change greatly. Therefore, since the liquid having substantially the same pressure fluctuation reaches each of the plurality of liquid ejecting nozzles before and after the deformation of the liquid ejecting nozzle facing wall, it is possible to reduce the particle size variation of the ejected liquid droplets. it can. Further, since the angle between the two piezoelectric / electrostrictive elements does not change greatly, the injection direction does not vary.
前記チャンバーは、前記複数の液体噴射用ノズルが形成された壁である液体噴射用ノズル形成壁と、前記液体噴射用ノズル形成壁に対向する壁である液体噴射用ノズル対向壁と、を含み、前記複数の圧電/電歪素子のうちの少なくとも一つは前記液体噴射用ノズル対向壁に配設され、同複数の圧電/電歪素子のうちの少なくとも他の一つは前記液体噴射用ノズル形成壁に配設されることも好適である。 The chamber includes a liquid ejecting nozzle forming wall that is a wall on which the plurality of liquid ejecting nozzles are formed, and a liquid ejecting nozzle facing wall that is a wall facing the liquid ejecting nozzle forming wall, At least one of the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements is disposed on the liquid jet nozzle facing wall, and at least one other of the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements is formed with the liquid jet nozzle. It is also suitable to be arranged on the wall.
これによれば、液体噴射用ノズル形成壁に配設された圧電/電歪素子が駆動されることにより、液体噴射用ノズル形成壁の角度(従って、液体噴射用ノズルの角度)が変更される。従って、液体噴射用ノズル対向壁に配設された圧電/電歪素子の駆動に伴う液滴の噴射方向と、液体噴射用ノズル形成壁に配設された圧電/電歪素子の駆動に伴う液滴の噴射方向とは異なる方向となる。この結果、ある液体噴射用ノズルを介して時間的に前後して噴射された液滴同士が噴射空間中において再結合する頻度を低減することができる。従って、噴射された液滴の粒径を微小に維持することができる。 According to this, by driving the piezoelectric / electrostrictive element provided on the liquid ejecting nozzle forming wall, the angle of the liquid ejecting nozzle forming wall (accordingly, the angle of the liquid ejecting nozzle) is changed. . Accordingly, the droplet ejection direction associated with the driving of the piezoelectric / electrostrictive element disposed on the liquid ejecting nozzle facing wall and the liquid associated with the driving of the piezoelectric / electrostrictive element disposed on the liquid ejecting nozzle forming wall. The direction is different from the droplet ejection direction. As a result, it is possible to reduce the frequency with which the droplets ejected before and after a certain liquid ejecting nozzle are recombined in the ejecting space. Therefore, the particle size of the ejected droplets can be kept minute.
また、上記何れかの液体噴射装置において、前記複数の圧電/電歪素子のそれぞれは、互いに同一の周期Tをもって前記圧力波の付与及び/又は前記チャンバーの容積の変更を行うように駆動されるとともに、同圧電/電歪素子の個数をN個とすると、周期Tを個数Nで除した時間(T/N)だけ互いに位相が異なるように駆動されることが好適である。 In any one of the liquid ejecting apparatuses, each of the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements is driven so as to apply the pressure wave and / or change the volume of the chamber with the same period T. At the same time, when the number of the piezoelectric / electrostrictive elements is N, it is preferable that the phases are mutually driven by a time (T / N) obtained by dividing the period T by the number N.
これによれば、チャンバー内の液体の圧力の最大値が周期(T/N)をもって周期的に現れるので、同一の液体噴射用ノズルから時間的に前後して噴射される液滴間の距離が均一となる。この結果、ある液体噴射用ノズルを介して時間的に前後して噴射された液滴同士が噴射空間中において再結合する頻度を低減することができる。従って、噴射された液滴の粒径を微小に維持することができる。
According to this, since the maximum value of the pressure of the liquid in the chamber appears periodically with a period (T / N), the distance between the droplets ejected from the same liquid ejecting nozzle before and after in time is reduced. It becomes uniform. As a result, it is possible to reduce the frequency with which the droplets ejected before and after a certain liquid ejecting nozzle are recombined in the ejecting space. Therefore, the particle size of the ejected droplets can be kept minute.
以下、本発明による液体噴射装置(液体噴霧装置、液体供給装置、液滴吐出装置)の各実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of a liquid ejecting apparatus (a liquid spraying apparatus, a liquid supply apparatus, and a droplet discharge apparatus) according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る液体噴射装置10は、図1の概略構成図に示したように、例えば、微粒子化された液体(燃料)を必要とする機械装置としての内燃機関に適用される電子式燃料噴射制御装置として使用される。
(First embodiment)
The liquid ejecting
電子式燃料噴射制御装置は、内燃機関の吸気管(又は吸気ポート)30等により形成される燃料噴射空間(液体噴射空間)31に、内燃機関の吸気弁32の背面に向けて、微粒子化された液体(液体燃料、例えばガソリン、以下、単に「燃料」と云うこともある。)を噴射するようになっている。電子式燃料噴射制御装置は、アクチュエータとして機能する圧電/電歪素子を備えた液体噴射装置10、加圧手段としての加圧ポンプ(燃料ポンプ)21、燃料供給管(液体供給管、燃料配管)22、プレッシャレギュレータ23、電磁開閉式吐出弁(吐出弁、開閉弁)24、燃料タンク(液体貯蔵タンク)25及び電気制御装置40を含んでいる。加圧ポンプ21及びプレッシャレギュレータ23は燃料供給管22に介装されている。
The electronic fuel injection control device is atomized into a fuel injection space (liquid injection space) 31 formed by an intake pipe (or intake port) 30 of the internal combustion engine and the like toward the back surface of the
加圧ポンプ21は、燃料供給管22を介して燃料タンク25の底部に連通された導入部21aと、同燃料供給管22を介してプレッシャレギュレータ23に接続された吐出部21bとを備えている。加圧ポンプ21は、燃料タンク25内の燃料を導入部21aから導入して加圧するとともに、同加圧した燃料を吐出部21bから吐出するようになっている。加圧ポンプ21は、仮に液体噴射装置10の圧電/電歪素子が作動されていない場合であっても、燃料がプレッシャレギュレータ23と電磁開閉式吐出弁24と液体噴射装置10とを介して液体噴射空間31に対し噴射され得る圧力(この圧力を「加圧ポンプ吐出圧」と云う。)以上にまで燃料を加圧するようになっている。
The pressurizing
プレッシャレギュレータ23は、図示しない配管により吸気管30内の圧力が与えられている。プレッシャレギュレータ23は、この吸気管30内の圧力に基づいて加圧ポンプ21により加圧された燃料の圧力を減圧(又は、調圧)するようになっている。この結果、プレッシャレギュレータ23と電磁開閉式吐出弁24との間の液体供給管22内の燃料の圧力は、吸気管30内の圧力よりも所定(一定)圧力だけ高い圧力(この圧力を「調整圧」と云う。)となるように調整される。従って、電磁開閉式吐出弁24が所定時間だけ開弁されると、同所定時間に略比例した燃料量の燃料が吸気管30内の圧力に拘らず同吸気管30内に噴射される。
The
電磁開閉式吐出弁24は、従来から内燃機関の電子式燃料噴射制御装置に広く採用されている周知のフューエルインジェクタ(電磁噴射弁)である。図2は、この電磁開閉式吐出弁24の正面図であって、その先端側部位を同電磁開閉式吐出弁24の中心線を含む平面にて切断した断面により示している。
The electromagnetic open /
電磁開閉式吐出弁24は、液体供給管22が接続されてプレッシャレギュレータ23に連通した液体導入口24aと、同液体導入口24aに連通した液体通路24bを形成する外筒部24cと、電磁式開閉弁として作動する開閉弁(ニードル弁)24dと、外筒部24cの先端に形成されるとともに開閉弁24dの先端により開閉される吐出孔24eと、開閉弁24dを駆動する図示しない電磁機構とを備えている。電磁開閉式吐出弁24の液体通路24bは吐出孔24eを介して液体噴射装置10に接続されている。これにより、電磁開閉式吐出弁24は、液体通路24b(吐出孔24e)が開閉弁24dにより開放されたとき、プレッシャレギュレータ23を介して加圧ポンプ21から供給される加圧された燃料を同液体通路24b及び吐出孔24eを介して液体噴射装置10に供給するようになっている。
The electromagnetic open /
液体噴射装置10は、燃料噴射空間31に噴射する液体(吸気弁32の背面に向けて噴射する燃料)を微粒子化するために少なくともその壁面に圧電/電歪素子を形成したチャンバーと、その圧電/電歪素子が形成された壁と異なる壁に形成された液体噴射孔(液体噴射用ノズル)とを備えた噴射デバイスであり、図3〜図5に詳細に示されている。
The
液体噴射装置10は、各辺が互いに直交するX,Y及びZ軸に対して平行に延びる略直方体形状を有している。液体噴射装置10は、図4及び図5に示したように、順に積層された複数の金属の薄板(以下、「金属板」と云う。)10a〜10cと、金属板10cの外側面(Z軸正方向のX−Y平面に沿った平面)に固着された二つの圧電/電歪素子11,12とからなっている。
The
金属板10a〜10cの材質は、この例においてはステンレス(SUS304又はSUS316)である。金属板10cは極めて薄く、容易に変形及び復元する(変形可能な)ダイヤフラムを構成している。なお、後述する他の実施形態に係る金属板の材質も金属板10a〜10cと同様である。
The material of the
液体噴射装置10は、液体導入口10−1と、液体供給通路10−2と、チャンバー10−3と、液体供給通路10−2とチャンバー10−3とを連通する液体導入通路部10−4とを備えている。
The
液体導入口10−1は、金属板10cに形成された円形の貫通穴である。液体導入口10−1は、金属板10cのY軸方向中央であってX軸負方向端部近傍に設けられている。液体導入口10−1には、図4に示したように、電磁開閉式吐出弁24の吐出孔24eがスリーブ25により液密に接続されている。
The liquid inlet 10-1 is a circular through hole formed in the
液体供給通路10−2は、金属板10aの上面と、金属板10bに設けられた貫通穴を形成する側壁面と、金属板10cの下面とにより画定された空間である。液体供給通路10−2の平面形状(Z軸正方向から見た形状)は、図3に示したように、液体導入口10−1の円弧と一致する頂部Pと、同頂部PからX軸正方向に所定距離だけ隔てた位置においてY軸に沿って延びる底辺Tを有する略二等辺三角形である。
The liquid supply passage 10-2 is a space defined by an upper surface of the
チャンバー10−3は、金属板10aの上面と、液体供給通路10−2に対してX軸正方向に所定距離隔てた位置において金属板10bに設けられた貫通穴を形成する側壁面と、金属板10cの下面とにより画定された空間である。チャンバー10−3の平面形状は、図3に示したように、Y軸及びX軸にそれぞれ沿う長辺LH及び短辺SHを有する略長方形である。長辺LHの長さは、液体供給通路10−2の底辺Tの長さより僅かだけ長くなっている。一対の短辺SHの位置は、底辺Tの両端部よりY軸方向の外側(Y軸正方向外側及びY軸負方向外側)に位置している。
The chamber 10-3 includes an upper surface of the
チャンバー10−3を構成している一つの壁(下壁)である金属板10aには、複数(この例では、全部で15×6=90個)の貫通孔が液体噴射孔(液体噴射用ノズル)10−3aとして形成されている。各液体噴射孔10−3aは、Z軸方向に軸を有する底面の直径がdである円筒状の空間である。従って、金属板10aの下面には、直径dの円形の噴射口が複数個形成されている。
In the
複数の液体噴射孔10−3aは正方格子状に配列されている。即ち、複数の液体噴射孔10−3aの各中心点は、一定の距離を隔てて配列された複数のX軸に平行な線と、同じ一定の距離を隔てて配列された複数のY軸に平行な線との交点に一致している。なお、本明細書においては、「液体噴射ノズル」は「流体のもつ圧力や熱のエネルギーを運動エネルギーに変換して流れを増速させる目的で、流れの方向に断面積を変化させた液体噴射用の流路」のみでなく、「液体噴射孔10−3aのようにチャンバー10−3を構成する壁に設けられた中空円筒状の液体噴射用貫通孔(即ち、流れの方向に断面積を変化させていない流路)」をも含む用語として使用される。 The plurality of liquid ejection holes 10-3a are arranged in a square lattice pattern. That is, the center points of the plurality of liquid ejection holes 10-3a are arranged on a line parallel to the plurality of X axes arranged at a certain distance and a plurality of Y axes arranged at the same certain distance. It coincides with the intersection with parallel lines. In this specification, the term “liquid injection nozzle” refers to a “liquid injection nozzle whose cross-sectional area is changed in the direction of flow for the purpose of increasing the flow speed by converting the fluid's pressure and heat energy into kinetic energy. In addition to the “flow channel”, a hollow cylindrical liquid injection through-hole provided in the wall constituting the chamber 10-3 like the liquid injection hole 10-3a (ie, the cross-sectional area in the flow direction is It is also used as a term including “an unaltered flow path)”.
液体導入通路部10−4は、金属板10bのX軸方向略中央部の上面及びこの上面のY軸方向両端部から立設した側壁面と、金属板10cの下面とにより画定され、薄板状の中空空間(即ち、スリット)を構成する空間である。このスリットは、液体導入通路とも呼ばれる。
The liquid introduction passage portion 10-4 is defined by a top surface of a substantially central portion in the X-axis direction of the
液体導入通路部10−4のスリットの平面形状は、図3に示したように、Y軸及びX軸にそれぞれ沿う長辺LIと短辺SIを有する略長方形である。X軸負方向側の長辺LIは液体供給通路10−2の底辺Tと一致している。従って、一対の短辺SIの始点は、底辺Tの両端部と一致している。 As shown in FIG. 3, the planar shape of the slit of the liquid introduction passage portion 10-4 is a substantially rectangular shape having a long side LI and a short side SI along the Y axis and the X axis, respectively. The long side LI on the X-axis negative direction side coincides with the bottom side T of the liquid supply passage 10-2. Accordingly, the starting points of the pair of short sides SI coincide with both end portions of the base T.
アクチュエータとしての圧電/電歪素子11は、金属板10cの上面に固着されている。圧電/電歪素子11の平面形状は、図3に示したように、略正方形状である。この正方形の一辺は、チャンバー10−3の短辺SHより短い。圧電/電歪素子11は、平面視でチャンバー10−3の内側であって、チャンバー10−3のY軸方向中央よりもY軸負方向側に配置されている。圧電/電歪素子11の外形をなす前記正方形の各辺は、チャンバー10−3の短辺SH及び長辺LHの何れかと平行となっている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子11は、層状の圧電/電歪膜と層状の電極とを交互に多層にわたり積層することで形成された「横効果タイプの積層ピエゾアクチュエータ」である。圧電/電歪素子11は、一対の櫛歯状電極11a,11b間に所定の電位差が付与されると(駆動電圧が付与されると)、同圧電/電歪素子11の直下部において金属板10cをZ軸負方向に湾曲・変形させ、チャンバー10−3内の液体に対して圧力波を付与し、及び/又は、同チャンバー10−3の容積の減増を行うようになっている。なお、電極11bは接地されている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子12は、圧電/電歪素子11と同一の構成を備えている。圧電/電歪素子12も、図4及び図5に示したように、金属板10cの上面に固着されている。圧電/電歪素子12は、平面視でチャンバー10−3の内側であって、チャンバー10−3のY軸方向中央よりもY軸正方向側に配置されている。圧電/電歪素子12の外形をなす正方形の各辺は、チャンバー10−3の短辺SH及び長辺LHの何れかと平行となっている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子11と圧電/電歪素子12は、平面視においてチャンバー10−3のY軸方向中央を通りX軸方向に延びる同チャンバー10−3の中心線CLに対して、線対称となるように配置されている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子12は、一対の櫛歯状電極12a,12b間に所定の電位差が付与されると(駆動電圧が付与されると)、同圧電/電歪素子12の直下部において金属板10cをZ軸負方向に湾曲・変形させ、チャンバー10−3内の液体に対して圧力波を付与し、及び/又は、同チャンバー10−3の容積の減増を行うようになっている。なお、電極12bは接地されている。
When a predetermined potential difference is applied between the pair of comb-
このように、チャンバー10−3は、圧電/電歪素子11,12の作動によりその上壁が変形されるようになっている。チャンバー10−3の容積が減少されると、チャンバー10−3内の液体は、この容積減少により加圧される。
Thus, the upper wall of the chamber 10-3 is deformed by the operation of the piezoelectric /
電気制御装置40は、マイクロコンピュータを含む回路であり、図1に示したように、エンジン回転速度センサ41、及び吸気管圧力センサ42等のセンサと接続されている。電気制御装置40は、これらのセンサからエンジン回転速度や吸気管圧力を入力して内燃機関に必要な燃料量及び噴射開始タイミングを決定するとともに、同決定した燃料量及び噴射開始タイミングに応じて電磁開閉式吐出弁24の電磁機構に吐出弁駆動信号INJを供給するようになっている。また、電気制御装置40は、圧電/電歪素子11の電極11a及び圧電/電歪素子12の電極12aに、後述する圧電素子駆動電圧信号DV1及び圧電素子駆動電圧信号DV2をそれぞれ送出するようになっている。
The
次に、上記のように構成された液体噴射装置10の作動の概略について説明する。電気制御装置40が所定のタイミングにて吐出弁駆動信号INJを出力すると、燃料が電磁開閉式吐出弁24の吐出孔24eから液体噴射装置10の液体注入口10−1を介して液体供給通路10−2に供給される。燃料は、その後、液体導入通路部10−4のスリットを介して(スリット内をX軸方向に通流して)チャンバー10−3内に導入される。そして、チャンバー10−3内に導入された液体は、液体噴射孔10−3a(液体噴射孔の噴射口)を介し吸気管30内に押し出される(噴射される)。
Next, an outline of the operation of the
このとき、噴射される燃料には圧電/電歪素子11又は圧電/電歪素子12の作動による振動エネルギー(圧力変動)がチャンバ−10−3内において加えられている。従って、図6に示したように、噴射された燃料にくびれ部が発生し、同燃料はその先端部において同くびれ部からちぎれるように離脱する。この結果、均一で精細に微粒子化された燃料が吸気管30の燃料噴射空間31内に噴射される。以上が、液体噴射装置10の作動の概略である。
At this time, vibration energy (pressure fluctuation) due to the operation of the piezoelectric /
次に、図7及び図8を参照しながら、液体噴射装置10の詳細な作動について説明する。電気制御装置40は、所定のタイミングにて吐出弁駆動信号INJを出力するとともに、図7に示した圧電素子駆動電圧信号DV1及びDV2を、圧電/電歪素子11の電極11a及び圧電/電歪素子12の電極12aにそれぞれ印加する。圧電素子駆動電圧信号DV1及びDV2のそれぞれは、周期T1(秒)で繰り返し台形状に変化する信号である。圧電素子駆動電圧信号DV1の位相と圧電素子駆動電圧信号DV2の位相は、互いに1/2周期分だけ相違している。
Next, the detailed operation of the
図7に示したように、圧電/電歪素子11に付与される圧電素子駆動電圧信号DV1が時刻t1にて0(V)からVA(V)に向けて増大を開始すると、図8に示したように、圧電/電歪素子11はチャンバー10−3の上壁である金属板10cのY軸負方向側をZ軸負方向に変形させる。その後、圧電素子駆動電圧信号DV1は、一定の時間VA(V)を維持した後に0(V)に戻る。以上により、チャンバー10−3内の液体(燃料)の圧力は増大した後に減少する。この結果、液体噴射孔10−3aから噴射される液体は微粒子化される。
As shown in FIG. 7, when the piezoelectric element drive voltage signal DV1 applied to the piezoelectric /
このとき、圧電/電歪素子11の直下に位置する液体噴射孔10−3a(チャンバー10−3のY軸負方向側にある液体噴射孔10−3a)から噴射される液滴の噴射方向は、、液体噴射孔10−3aの軸線方向(Z軸方向)となる。これは、圧電/電歪素子11の作動によりもたらされる圧力波或いは圧力振動の進行方向が、チャンバー10−3のY軸負方向側にある液体噴射孔10−3aの軸線の方向と略一致しているからであると考えられる。
At this time, the ejection direction of the liquid droplets ejected from the liquid ejection hole 10-3a (the liquid ejection hole 10-3a on the Y axis negative direction side of the chamber 10-3) located immediately below the piezoelectric /
これに対し、圧電/電歪素子11の直下に位置しない液体噴射孔10−3aから噴射される液滴の噴射方向は、Z軸負方向とY軸正方向の成分を有する方向(図9において右斜め下方)となる。換言すると、チャンバー10−3のY軸正方向側にある液体噴射孔10−3aから噴射される液体の噴射方向は、その位置に存在する液体噴射孔10−3aと圧電/電歪素子11とを結ぶ直線と略平行な方向となる。これは、圧電/電歪素子11の作動によりもたらされる圧力波或いは圧力振動の進行方向が、チャンバー10−3のY軸正方向側にある液体噴射孔10−3aの軸線と交差する方向になるためであると考えられる。
On the other hand, the ejection direction of the liquid droplets ejected from the liquid ejection hole 10-3a that is not located directly below the piezoelectric /
次いで、時刻t1からT1/2(秒)が経過した時刻t2になると、圧電/電歪素子12に付与される圧電素子駆動電圧信号DV2が0(V)からVA(V)に向けて増大を開始する。これにより、図9に示したように、圧電/電歪素子12はチャンバー10−3の上壁である金属板10cのY軸正方向側をZ軸負方向に変形させる。その後、圧電素子駆動電圧信号DV2は、一定の時間VA(V)を維持した後に0(V)に戻る。以上により、チャンバー10−3内の液体(燃料)の圧力は増大した後に減少する。この結果、液体は液体噴射孔10−3aから噴射される液体は微粒子化される。
Next, at time t2 when T1 / 2 (seconds) has elapsed from time t1, the piezoelectric element drive voltage signal DV2 applied to the piezoelectric /
このとき、圧電/電歪素子12の直下に位置する液体噴射孔10−3a(チャンバー10−3のY軸正方向側にある液体噴射孔10−3a)から噴射される液滴の噴射方向は、、液体噴射孔10−3aの軸線方向(Z軸方向)となる。これは、圧電/電歪素子12の作動によりもたらされる圧力波或いは圧力振動の進行方向が、チャンバー10−3のY軸正方向側にある液体噴射孔10−3aの軸線の方向と略一致しているからであると考えられる。
At this time, the ejection direction of the liquid droplets ejected from the liquid ejection hole 10-3a (liquid ejection hole 10-3a on the Y axis positive direction side of the chamber 10-3) located immediately below the piezoelectric /
これに対し、圧電/電歪素子12の直下に位置しない液体噴射孔10−3aから噴射される液滴の噴射方向は、Z軸負方向とY軸負方向の成分を有する方向(図9において左斜め下方)となる。換言すると、チャンバー10−3のY軸負方向側にある液体噴射孔10−3aから噴射される液体の噴射方向は、その位置に存在する液体噴射孔10−3aと圧電/電歪素子12とを結ぶ直線と略平行な方向となる。これは、圧電/電歪素子12の作動によりもたらされる圧力波或いは圧力振動の進行方向が、チャンバー10−3のY軸負方向側にある液体噴射孔10−3aの軸線と交差する方向になるためであると考えられる。
On the other hand, the ejection direction of the droplet ejected from the liquid ejection hole 10-3a that is not located directly below the piezoelectric /
この結果、図9に示したように、ある液体噴射孔10−3aを介して時間的に前後して噴射された液滴の噴射方向は異なることになるので、圧電/電歪素子11,12を同時に(周期T1/2で)駆動して噴射方向が常に同一となる装置(図10を参照)のように、時間的に前後して同じ液体噴射孔から噴射された液滴同士が噴射空間中において再結合し、これにより液滴径が大きくなってしまう頻度を低減することができる。従って、液体噴射装置10は、噴射された液滴の粒径を微小に維持することができる。
As a result, as shown in FIG. 9, the jetting directions of the liquid droplets jetted back and forth through a certain liquid jet hole 10-3a are different, so that the piezoelectric /
その後、時刻t1からT1(秒)が経過すると、圧電素子駆動電圧信号DV1が再び台形状に変化する。更に、時刻t2からT1(秒)が経過すると、圧電素子駆動電圧信号DV2が再び台形状に変化する。以降、同じ作動が繰り返される。これにより、チャンバー10−3内の液体の圧力は、周期T1/2(秒)をもって変化することになる。即ち、チャンバー10−3内の液体の圧力は、圧電素子駆動電圧信号DV1,DV2の各駆動周波数fの2倍の周波数2・fで変化する。この結果、噴射する液体の流量が大きくなっても、噴射される液体が確実に微粒子化される。
Thereafter, when T1 (seconds) elapses from time t1, the piezoelectric element drive voltage signal DV1 changes to a trapezoid again. Further, when T1 (seconds) elapses from time t2, the piezoelectric element driving voltage signal DV2 changes to a trapezoid again. Thereafter, the same operation is repeated. As a result, the pressure of the liquid in the chamber 10-3 changes with a period T1 / 2 (second). That is, the pressure of the liquid in the chamber 10-3 changes at a
以上、説明したように、第1実施形態に係る液体噴射装置10は、複数の液体噴射用ノズル10−3aを有するとともに複数の壁により構成されるチャンバー10−3と、前記チャンバーに接続されるとともに液体を通流させて同チャンバーに同液体を導入するための液体導入通路部10−4と、前記チャンバーを構成する複数の壁の少なくとも一つの壁(金属板10cにより構成されるチャンバー10−3の上壁)に設置されるとともに、前記液体導入通路部を介して同チャンバー内に導入された液体に対する圧力波の付与及び/又は同チャンバーの容積の減増を行う圧電/電歪素子11,12とを具備し、前記チャンバー内の液体を前記圧電/電歪素子の作動により微粒子化しながら前記液体噴射用ノズルを介して外部空間に噴射する液体噴射装置10であって、前記圧電/電歪素子11,12のように圧電/電歪素子を複数個備えるとともに、同複数の圧電/電歪素子は互いに異なるタイミングにて前記圧力波の付与及び/又は前記チャンバーの容積の減増を行うように駆動される装置である。
As described above, the
これによれば、複数の圧電/電歪素子である圧電/電歪素子11,12がチャンバー10−3内の液体に対し圧力波を付与し、及び/又は、複数の圧電/電歪素子11,12がチャンバーの容積の減増を行う。これにより、チャンバー10−3内の液体が微粒子化されながら噴射される。また、複数の圧電/電歪素子11,12は、圧電素子駆動電圧信号DV1及びDV2により互いに異なるタイミングにて、前記圧力波の付与及び/又はチャンバーの容積の増減を行うように駆動される。従って、一つの圧電/電歪素子の駆動周波数が小さくても(即ち、駆動周期がT1であっても)、チャンバー内の液体の圧力変動の周波数を大きくする(即ち、圧力変動周期をT1/2とする)ことができる。この結果、圧電/電歪素子11,12の耐久性低下を回避しながら、大量の液体を微粒子化して噴射することができる。
According to this, the piezoelectric /
また、チャンバー10−3が、複数の液体噴射用ノズル(液体噴射孔)10−3aが形成された壁である液体噴射用ノズル形成壁(金属板10a)と、前記液体噴射用ノズル形成壁に対向する壁である液体噴射用ノズル対向壁(金属板10c)と、を含んで構成され、複数の圧電/電歪素子のうちの少なくとも二つである圧電/電歪素子11及び圧電/電歪素子12は、前記液体噴射用ノズル対向壁(金属板10c)に配設されている。
Further, the chamber 10-3 includes a liquid ejection nozzle forming wall (
従って、複数の液体噴射孔10−3aの各々には、互いに異なる位置に配設された圧電/電歪素子11,12によりもたらされた圧力変動が伝播される。この圧力変動の波の進行方向は、圧電/電歪素子11からの圧力変動と圧電/電歪素子12からの圧力変動とで異なる方向となる。これにより、一つの圧電/電歪素子11の駆動による液滴の噴射方向は、他の圧電/電歪素子12の駆動による液滴の噴射方向と僅かながらではあるが異なる方向となる。この結果、ある液体噴射用ノズルを介して時間的に前後して噴射された液滴同士が噴射空間中において再結合する頻度を低減することができる。従って、噴射された液滴の粒径を微小に維持することができる。
Therefore, pressure fluctuations caused by the piezoelectric /
また、前記液体噴射用ノズル形成壁(金属板10a)と前記液体噴射用ノズル対向壁(金属板10c)とが互いに平行(X−Y平面と平行)であり、同液体噴射用ノズル対向壁に直交する方向(Z軸方向)から見た場合に同液体噴射用ノズル形成壁の外形と同液体噴射用ノズル対向壁の外形が一致し、同液体噴射用ノズル対向壁は所定の直線(中心線CL)に対して線対称の外形を有するように構成され、互いに同一形状を備える二つの圧電/電歪素子11,12が前記液体噴射用ノズル対向壁に前記所定の直線(中心線CL)に対して線対称となるように配置されている。
The liquid jet nozzle forming wall (
これによれば、圧電/電歪素子11,12の発熱によって液体噴射用ノズル対向壁(金属板10c)が変形した場合であっても、液体噴射用ノズル対向壁の変形は線対称となる。従って、液体噴射用ノズル形成壁(金属板10a)に対する前記二つの圧電/電歪素子11,12の角度は、互いに略同一となる。換言すると、液体噴射用ノズル対向壁が変形した場合であっても、液体噴射用ノズル形成壁に対する前記二つの圧電/電歪素子11,12の角度は大きく変化しない。従って、複数の液体噴射用ノズル(液体噴射孔10−3a)の各々には、液体噴射用ノズル対向壁の変形前後において、略等しい圧力変動を有する液体が到達するから、噴射される液滴の粒径ばらつきを小さくすることができる。更に、前記二つの圧電/電歪素子11,12の角度が大きく変化しないので、液滴の噴射方向がばらつかない。
According to this, even when the liquid jet nozzle facing wall (
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る液体噴射装置50について図11〜図13を参照しながら説明する。液体噴射装置50は、第1実施形態に係る液体噴射装置10の圧電/電歪素子11,12を、圧電/電歪素子13,14に置換した点のみにおいて同液体噴射装置10と異なっている。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
(Second Embodiment)
Next, a
圧電/電歪素子13は、圧電/電歪素子11,12と同様に、金属板10cの上面に固着されている。圧電/電歪素子13の平面形状は、図11に示したように、略長方形状であり、チャンバー10−3の平面形状よりも僅かだけ小さい。圧電/電歪素子13は、平面視でチャンバー10−3の内側に配置されている。圧電/電歪素子13の外形をなす前記長方形の長辺及び短辺は、チャンバー10−3の長辺及び短辺とそれぞれ平行となっている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子13は、圧電/電歪素子11と同様の「横効果タイプの積層ピエゾアクチュエータ」である。圧電/電歪素子13は、一対の櫛歯状電極13a,13b間に所定の電位差が付与されると(駆動電圧が付与されると)、同圧電/電歪素子13の直下部において金属板10cをZ軸負方向に湾曲・変形させ、チャンバー10−3内の液体に対して圧力波を付与し、及び/又は、同チャンバー10−3の容積の減増を行うようになっている。なお、電極13bは接地されている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子14は、図12及び図13に示したように、X軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状を有している。圧電/電歪素子14のX軸方向長さは、圧電/電歪素子13のX軸方向長さの1/3程度である。圧電/電歪素子14のY軸方向長さは、圧電/電歪素子13のY軸方向長さの1/2程度である。圧電/電歪素子14は、チャンバー10−3と液体導入通路部10−4との間の位置(チャンバー10−3のX軸負方向端部)でチャンバー10−3のY軸方向中央部からY軸負方向端部の位置の下方において、金属板10aの下面に固着されている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子14は、圧電/電歪素子11と同様の「横効果タイプの積層ピエゾアクチュエータ」である。圧電/電歪素子14は、一対の櫛歯状電極14a,14b間に所定の電位差が付与されると(駆動電圧が付与されると)、同圧電/電歪素子14の直上部において金属板10aをZ軸正方向に湾曲・変形させ、チャンバー10−3内の液体に対して圧力波を付与し、及び/又は、同チャンバー10−3の容積の減増を行うようになっている。なお、電極14bは接地されている。
The piezoelectric /
次に、液体噴射装置50の作動について、図14乃至図16を参照しながら説明する。電気制御装置40は、所定のタイミングにて吐出弁駆動信号INJを出力するとともに、図14に示した圧電素子駆動電圧信号DV1及びDV2を、圧電/電歪素子13の電極13a及び圧電/電歪素子14の電極14aにそれぞれ印加する。圧電素子駆動電圧信号DV1及びDV2のそれぞれは、周期T1(秒)で繰り返し台形状に変化する信号である。圧電素子駆動電圧信号DV1の位相と圧電素子駆動電圧信号DV2の位相は、互いに1/2周期分だけ相違している。
Next, the operation of the
図14に示したように、圧電/電歪素子14に付与される圧電素子駆動電圧信号DV1が時刻t1にて0(V)からVA(V)に向けて増大を開始すると、図15に示したように、圧電/電歪素子13はチャンバー10−3の上壁である金属板10cをZ軸負方向に変形させる。その後、圧電素子駆動電圧信号DV1は、一定の時間VA(V)を維持した後に0(V)に戻る。以上により、チャンバー10−3内の液体(燃料)の圧力は増大した後に減少する。この結果、液体は微粒子化されながら液体噴射孔10−3aからZ軸負方向に噴射される。
As shown in FIG. 14, when the piezoelectric element drive voltage signal DV1 applied to the piezoelectric /
次いで、時刻t1からT1/2(秒)が経過した時刻t2になると、圧電/電歪素子14に付与される圧電素子駆動電圧信号DV2が0(V)からVA(V)に向けて増大を開始する。これにより、図16に示したように、圧電/電歪素子14は金属板10aの圧電/電歪素子14固着部近傍をZ軸正方向に変形させる。その後、圧電素子駆動電圧信号DV2は、一定の時間VA(V)を維持した後に0(V)に戻る。以上により、チャンバー10−3内の液体(燃料)の圧力は増大した後に減少する。この結果、液体は液体噴射孔10−3aから噴射される液体は微粒子化される。
Next, at time t2 when T1 / 2 (seconds) has elapsed from time t1, the piezoelectric element drive voltage signal DV2 applied to the piezoelectric /
このとき、金属板10aは波型に変形するため、液体噴射孔10−3aの軸線はZ軸とは平行でなくなる。その結果、液体噴射孔10−3aから噴射される液体の噴射方向は、Z軸負方向とは異なる方向となる。
At this time, since the
この結果、図16に示したように、ある液体噴射孔10−3aを介して時間的に前後して噴射された液滴の噴射方向が異なることになるので、液滴同士が噴射空間中において再結合して液滴径が大きくなってしまう頻度を低減することができる。従って、噴射された液滴の粒径を微小に維持することができる。 As a result, as shown in FIG. 16, the ejection directions of the liquid droplets ejected back and forth through a certain liquid ejection hole 10-3 a are different, so that the liquid droplets are in the ejection space. The frequency with which the droplet diameter increases due to recombination can be reduced. Therefore, the particle size of the ejected droplets can be kept minute.
以上、説明したように、第2実施形態に係る液体噴射装置50においては、複数の圧電/電歪素子のうちの少なくとも一つ(圧電/電歪素子13)は液体噴射用ノズル対向壁(金属板10c)に配設され、同複数の圧電/電歪素子のうちの少なくとも他の一つ(圧電/電歪素子14)は液体噴射用ノズル形成壁(金属板10a)に配設されている。
As described above, in the
従って、圧電/電歪素子14が駆動されることにより、液体噴射用ノズル形成壁(金属板10a)の角度(従って、液体噴射用ノズルの角度、即ち、液体噴射孔10−3aの軸線方向)が変更される。これにより、圧電/電歪素子14の駆動に伴う液滴の噴射方向は、圧電/電歪素子13の駆動に伴う液滴の噴射方向と異なる方向となる。この結果、ある液体噴射用ノズル(液体噴射孔10−3a)を介して時間的に前後して噴射された液滴同士が噴射空間中において再結合する頻度を低減することができる。従って、噴射された液滴の粒径を微小に維持することができる。
Accordingly, when the piezoelectric /
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係る液体噴射装置60について説明する。液体噴射装置60は、第1実施形態に係る液体噴射装置10に圧電/電歪素子15を更に備えている点のみにおいて同液体噴射装置10と異なっている。従って、以下、係る相違点を中心として図17〜図19を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Next, a
圧電/電歪素子15は、X軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状を有している。圧電/電歪素子15のX軸方向長さは、圧電/電歪素子11のX軸方向長さの1/3程度である。圧電/電歪素子15のY軸方向長さは、圧電/電歪素子11のY軸方向長さの2倍程度である。圧電/電歪素子15は、チャンバー10−3と液体導入通路部10−4との間の位置(チャンバー10−3のX軸負方向端部)でチャンバー10−3の下方において、金属板10aの下面に固着されている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子15は、電極15a,15bの間に電位差が付与されると(駆動電圧が付与されると)、圧電/電歪素子14と同様に、同圧電/電歪素子15の直上部の金属板10aをZ軸正方向に湾曲・変形させ、チャンバー10−3内の液体に対して圧力波を付与し、及び/又は、同チャンバー10−3の容積の減増を行うようになっている。また、圧電/電歪素子15は、金属板10aを湾曲・変形させることにより、結果として液体噴射孔10−3aの軸線を変更するようになっている。なお、電極15bは接地されている。
When a potential difference is applied between the
次に、図20を参照しながら、液体噴射装置60の作動について説明する。電気制御装置40は、所定のタイミングにて吐出弁駆動信号INJを出力するとともに、図20に示した圧電素子駆動電圧信号DV1,DV2及びDV3を、圧電/電歪素子11の電極11a,圧電/電歪素子12の電極12a及び圧電/電歪素子15の電極15aにそれぞれ印加する。
Next, the operation of the
圧電素子駆動電圧信号DV1〜DV3のそれぞれは、周期T1(秒)で繰り返し台形状に変化する信号である。圧電素子駆動電圧信号DV2の位相は、圧電素子駆動電圧信号DV1の位相よりも1/3周期(T1/3(秒))だけ遅れている。圧電素子駆動電圧信号DV3の位相は、圧電素子駆動電圧信号DV2の位相よりも更に1/3周期(T1/3(秒))だけ遅れている。これにより、チャンバー10−3内の液体の圧力はT1/3(秒)の周期をもって増減する。 Each of the piezoelectric element driving voltage signals DV1 to DV3 is a signal that repeatedly changes to a trapezoidal shape with a period T1 (seconds). The phase of the piezoelectric element driving voltage signal DV2 is delayed from the phase of the piezoelectric element driving voltage signal DV1 by 1/3 period (T1 / 3 (second)). The phase of the piezoelectric element driving voltage signal DV3 is further delayed by 1/3 period (T1 / 3 (second)) than the phase of the piezoelectric element driving voltage signal DV2. Thereby, the pressure of the liquid in the chamber 10-3 increases or decreases with a period of T1 / 3 (second).
従って、一つの圧電/電歪素子の駆動周波数が小さくても(即ち、駆動周期がT1であっても)、チャンバー内の液体の圧力変動の周波数を大きくする(即ち、駆動周期をT1/3とする)ことができる。この結果、圧電/電歪素子11,12及び15の耐久性低下を回避することができる。
Therefore, even if the driving frequency of one piezoelectric / electrostrictive element is small (that is, even if the driving cycle is T1), the frequency of the pressure fluctuation of the liquid in the chamber is increased (that is, the driving cycle is set to T1 / 3). And). As a result, a decrease in durability of the piezoelectric /
このように、一つのチャンバーにN個の圧電/電歪素子を備える液体噴射装置において、前記複数の圧電/電歪素子のそれぞれは、互いに同一の周期Tをもって前記圧力波の付与及び/又は前記チャンバーの容積の変更を行うように駆動されるとともに、周期Tを個数Nで除した時間(T/N)だけ互いに位相が異なるように駆動されることが好適である。これによれば、チャンバー内の液体の圧力を圧電素子駆動電圧信号の周波数のN倍の周波数で変化させることができるからである。 As described above, in the liquid ejecting apparatus including N piezoelectric / electrostrictive elements in one chamber, each of the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements is applied with the pressure wave and / or the It is preferable to drive the chamber so as to change the volume, and to drive the chambers so that the phases are different from each other by a time (T / N) obtained by dividing the period T by the number N. This is because the pressure of the liquid in the chamber can be changed at a frequency N times the frequency of the piezoelectric element drive voltage signal.
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に係る液体噴射装置70について説明する。液体噴射装置70は、金属板10d,10e,10cからなり、チャンバー10−3と異なるチャンバー10−5を備える点、及び、圧電/電歪素子11,12に代えて圧電/電歪素子16,17を備える点のみにおいて液体噴射装置10と異なっている。従って、以下、係る相違点を中心として図21〜図23を参照しながら説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a
チャンバー10−5は、チャンバー10−3と同一の空間の中央に、直方体形状の仕切り部10−5bを備えてなるものである。仕切り部10−5bは、金属板10eにより形成されている。仕切り部10−5bは、チャンバー10−5の上部において金属板10eに形成された液体導入通路部10−4からチャンバー10−5のX軸正方向端部にまでX軸方向に延びている。この結果、仕切り部10−5bの下方には、仕切り部10−5bが存在しない部分のチャンバー10−5の高さよりも高さが低い空間が形成されている。
The chamber 10-5 is provided with a rectangular parallelepiped partition 10-5b in the center of the same space as the chamber 10-3. The partition portion 10-5b is formed of a
液体噴射孔10−5aは、金属板10aに代わる金属板10dに形成されている。液体噴射孔10−5aは、液体噴射孔10−3aと同様に正方格子状に配列されている。但し、液体噴射孔10−5aは、仕切り部10−5aの直下の領域にのみ形成されている。
The liquid injection hole 10-5a is formed in a
圧電/電歪素子16は、圧電/電歪素子11よりも僅かに小さい外形を有する点のみにおいて圧電/電歪素子11と相違している。圧電/電歪素子16は、チャンバー10−5の仕切り部10−5aよりもY軸負方向側に位置するように、金属板10cの上面に固着されている。圧電/電歪素子16の外形をなす正方形の各辺は、チャンバー10−5の短辺及び長辺の何れかと平行となっている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子17は、圧電/電歪素子16と同一の構成を備えている。圧電/電歪素子17は、チャンバー10−5の仕切り部10−5aよりもY軸正方向側に位置するように、金属板10cの上面に固着されている。圧電/電歪素子17の外形をなす正方形の各辺は、チャンバー10−5の短辺及び長辺の何れかと平行となっている。
The piezoelectric /
圧電/電歪素子16と圧電/電歪素子17は、平面視においてチャンバー10−5のY軸方向中央を通りX軸方向に延びる同チャンバー10−5の中心線(7−7線)に対して、線対称となるように配置されている。圧電/電歪素子16には圧電/電歪素子11と同様に駆動電圧信号DV1が付与され、圧電/電歪素子17には圧電/電歪素子12と同様に駆動電圧信号DV2が付与されるようになっている。
The piezoelectric /
このように構成された液体噴射装置70によれば、圧電/電歪素子16及び圧電/電歪素子17の作動によってチャンバー10−5内の液体へ付与される圧力波又はチャンバー10−5の容積の増減による液体の圧力変動が、各液体噴射孔10−5aに同各液体噴射孔10−5aの軸線に対して大きな角度を有しながら到達する。その結果、液体噴射孔10−5aから噴射される液滴の方向が、圧電/電歪素子16の作動による噴射(微粒子化)の場合と、圧電/電歪素子17の作動による噴射(微粒子化)の場合とでより大きく異なることになる。換言すると、噴射される液滴がより拡散するようになるので、液滴同士が噴射空間で再結合する頻度を低減することができる。
According to the
ここで、本発明による液体噴射装置について行った実験条件及び結果について述べる。なお、実験対象となった液体噴射装置は、第1実施形態の液体噴射装置10と同様の構成を備えている。但し、圧電/電歪素子の数及び大きさは以下の通りとした。
Here, experimental conditions and results performed on the liquid ejecting apparatus according to the present invention will be described. Note that the liquid ejecting apparatus that is the subject of the experiment has the same configuration as the
(実験条件)
(1)液体噴射孔の径はφ30μmとした。
(2)液体噴射孔は288個であり、格子状に0.15mm間隔で配置した。
(3)チャンバーの大きさは2×6mmで、厚みは0.2mmとした。
(4)振動板(液体噴射孔対向壁、金属板10c)の厚みは0.01mmとした。
(5)液体噴射孔形成壁(金属板10a)の厚みは0.03mmとした。
(6)液体導入通路10−4のスリットの厚みは0.03mm、幅は5.8mm、長さは2mmとした。
(Experimental conditions)
(1) The diameter of the liquid injection hole was φ30 μm.
(2) The number of liquid injection holes was 288, and the liquid injection holes were arranged at intervals of 0.15 mm in a lattice shape.
(3) The size of the chamber was 2 × 6 mm and the thickness was 0.2 mm.
(4) The thickness of the vibration plate (liquid injection hole facing wall,
(5) The thickness of the liquid injection hole forming wall (
(6) The slit of the liquid introduction passage 10-4 has a thickness of 0.03 mm, a width of 5.8 mm, and a length of 2 mm.
(7)圧電/電歪素子の大きさは、圧電/電歪素子が1個のとき1.8×5.8mm、2個のとき1.8mm×2.8mm、3個のとき1.8mm×1.9mm、4個のとき1.8mm×1.2mm、10個のとき1.8mm×0.4mmとした。
(8)各圧電/電歪素子に付与した圧電素子駆動電圧信号の周波数は70kHz(周期T)、電圧は12V、波形は矩形波とした。なお、比較を行うため、圧電/電歪素子が1個のときに周波数が140kHz、電圧が12V、波形が矩形波である圧電素子駆動電圧信号を付与した。
(9)圧電/電歪素子がn個ある場合、各圧電素子駆動電圧信号の位相は互いに(T/n)周期ずつ相違させた。その結果、圧電/電歪素子が2個のときチャンバーの圧力変動周期は140kHz、3個のとき210kHz,4個のとき280kHz、10個のとき700kHzとなった。なお、比較を行うため、圧電/電歪素子が2個のとき、チャンバーの圧力変動周波数を70kHzとする実験も行った。
(7) The size of the piezoelectric / electrostrictive element is 1.8 × 5.8 mm when there is one piezoelectric / electrostrictive element, 1.8 mm × 2.8 mm when there are two, and 1.8 mm when there are three. × 1.9 mm, 4 mm 1.8 mm × 1.2 mm, 10 mm 1.8 mm × 0.4 mm.
(8) The frequency of the piezoelectric element driving voltage signal applied to each piezoelectric / electrostrictive element was 70 kHz (period T), the voltage was 12 V, and the waveform was a rectangular wave. For comparison, a piezoelectric element driving voltage signal having a frequency of 140 kHz, a voltage of 12 V, and a waveform of a rectangular wave when a single piezoelectric / electrostrictive element is provided.
(9) When there were n piezoelectric / electrostrictive elements, the phases of the piezoelectric element driving voltage signals were different from each other by (T / n) periods. As a result, when there were two piezoelectric / electrostrictive elements, the pressure fluctuation period of the chamber was 140 kHz, three was 210 kHz, four was 280 kHz, and ten was 700 kHz. For comparison, an experiment was conducted in which the pressure fluctuation frequency of the chamber was set to 70 kHz when there were two piezoelectric / electrostrictive elements.
(10)チャンバーに導入される液体の圧力は0.3MPaで、流量は130cc/分とした。
(11)噴射された液滴の径を測定するため、使用した液体をドライソルベルトとした。
(10) The pressure of the liquid introduced into the chamber was 0.3 MPa, and the flow rate was 130 cc / min.
(11) In order to measure the diameter of the ejected droplets, the liquid used was a dry sol belt.
(実験結果)
次に、実験結果について述べる。表1は液体噴射装置の耐久性について実験した結果である。表1から理解されるように、チャンバーに複数の圧電/電歪素子を設けて、圧電素子駆動電圧信号の位相をずらすことによりチャンバー内圧力を変動させる本発明の液体噴射装置は、チャンバー内の圧力変動周波数を高周波数(140kHz)としても破損せず、圧電/電歪素子を一つだけ備えた液体噴射装置よりも耐久性が高かった。また、表1に記載していないが、圧電/電歪素子が3個、4個、及び10個の各場合において、液体噴射装置は破損しなかった。
(Experimental result)
Next, the experimental results will be described. Table 1 shows the results of experiments on the durability of the liquid ejecting apparatus. As can be understood from Table 1, the liquid ejecting apparatus of the present invention in which a plurality of piezoelectric / electrostrictive elements are provided in the chamber and the pressure in the chamber is varied by shifting the phase of the piezoelectric element driving voltage signal is provided in the chamber. Even when the pressure fluctuation frequency was set to a high frequency (140 kHz), it was not damaged and was more durable than a liquid ejecting apparatus having only one piezoelectric / electrostrictive element. Further, although not shown in Table 1, the liquid ejecting apparatus was not damaged in each of the three, four, and ten piezoelectric / electrostrictive elements.
図24は、圧電/電歪素子の個数と噴射された液滴の径の測定値との関係を示したグラフである。このグラフから明らかなように、圧電/電歪素子の個数が2個乃至4個の場合、液滴が微粒子化されていることが確認できた。 FIG. 24 is a graph showing the relationship between the number of piezoelectric / electrostrictive elements and the measured value of the diameter of the ejected droplets. As is apparent from this graph, it was confirmed that when the number of piezoelectric / electrostrictive elements was 2 to 4, the droplets were finely divided.
なお、圧電/電歪素子が10個のとき、液滴の径は大きくなった。これは、液体の周波数応答性などに起因するものと考えられる。従って、理由は明確ではないが、圧電/電歪素子の個数は数個(例えば、2〜4個)であることが好ましいと考えられる。 Note that when the number of piezoelectric / electrostrictive elements was 10, the diameter of the droplets increased. This is considered due to the frequency response of the liquid. Therefore, although the reason is not clear, it is considered preferable that the number of piezoelectric / electrostrictive elements is several (for example, 2 to 4).
更に、2個の圧電/電歪素子を設置した第1実施形態の液体噴射装置10において、この2個の圧電/電歪素子を逆位相で且つ70kHzで駆動し、そのときに噴射される液滴の噴射方向を高速度カメラにより確認したところ、一つの圧電/電歪素子を駆動したときの液滴の噴射方向と他の一つの圧電/電歪素子を駆動したときの液滴の噴射方向との角度差は1°であった。また、第2実施形態の液体噴射装置50において、同様な実験を行ったところ、一つの圧電/電歪素子を駆動したときの液滴の噴射方向と他の一つの圧電/電歪素子を駆動したときの液滴の噴射方向との角度差は0.5°であった。
Furthermore, in the
以上、説明したように、本発明の各実施形態に係る液体噴射装置は、一つのチャンバーに対して複数の圧電/電歪素子を備え、その圧電/電歪素子のそれぞれは、互いに同一の周期Tをもってチャンバー内の液体に対する圧力波の付与及び/又はチャンバーの容積の変更を行うように駆動されるとともに、同圧電/電歪素子の個数をN個とすると、周期Tを個数Nで除した時間(T/N)だけ互いに位相が異なるように(即ち、互いに異なるタイミングにて)駆動されている。これによれば、圧電/電歪素子の耐久性を低下させることなく多量の微小液滴を噴射することができる。 As described above, the liquid ejecting apparatus according to each embodiment of the present invention includes a plurality of piezoelectric / electrostrictive elements for one chamber, and each of the piezoelectric / electrostrictive elements has the same period. Driven to apply pressure waves to the liquid in the chamber and / or change the volume of the chamber with T, and assuming that the number of piezoelectric / electrostrictive elements is N, the period T is divided by the number N. Driven so that the phases are different from each other by time (T / N) (that is, at different timings). According to this, a large amount of fine droplets can be ejected without reducing the durability of the piezoelectric / electrostrictive element.
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、図3乃至図5に示した液体噴射装置10においては、液体噴射用ノズル対向壁に圧電/電歪素子11を複数個配設していたが、図25に示したように、液体噴射用ノズル10−3aが形成された液体噴射用ノズル形成壁10fに対向していない壁(チャンバー10−3を構成する壁の一つであって液体噴射用ノズル形成壁10fと平行ではない壁)10gに圧電/電歪素子11を複数個配設してもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the
更に、図26に示したように、液体噴射用ノズル形成壁10fに対向していない壁(チャンバー10−3を構成する壁の一つであって液体噴射用ノズル形成壁10fと平行ではない壁)10g,10hにそれぞれ圧電/電歪素子11を配設してもよい。これによれば、チャンバー10−3に対して複数の圧電/電歪素子11を配設することになる。また、壁10gに配設された圧電/電歪11の作動に伴う各液体噴射孔10−3aからの液滴の噴射方向と同各液体噴射孔10−3aの軸線とのなす角度と、壁10hに配設された圧電/電歪11の作動に伴う各液体噴射孔10−3aからの液滴の噴射方向と同各液体噴射孔10−3aの軸線とのなす角度と、を等しくすることができる。従って、このような液体噴射装置は、広い用途に対して使用することが可能となる。
Furthermore, as shown in FIG. 26, a wall not facing the liquid ejection
加えて、図11乃至図13に示した第3実施形態に係る液体噴射装置50においては、液体噴射用ノズル形成壁及び液体噴射用ノズル対向壁に圧電/電歪素子13及び圧電/電歪素子14をそれぞれ1個ずつ配設していた。これに対し、要求される仕様(例えば、流量は少ないが、噴射方向をより大きく変化させるとともに液滴の径を微小に維持したいとする要求)に応じ、図27に示したように、液体噴射用ノズル形成壁10iに複数の圧電/電歪素子11を配設してもよい。これによれば、液体噴射孔10−3aの形成可能領域が小さくなるため、噴射できる液体の流量は若干低下するが、一つの圧電/電歪素子の作動時と他の圧電/電歪素子の作動時とで液体噴射孔10−3aの軸線の角度を大きく異ならせることができるので、液滴の噴射方向を大きく変更することができる。
In addition, in the
また、上記実施形態の液体噴射装置は、吸気管(吸気ポート)30内に燃料を噴射する形式のガソリン内燃機関に適用されていたが、本発明による液体噴射装置を、気筒内に燃料を直接噴射する所謂「直噴式ガソリン内燃機関」に適用することもできる。更に、本発明による液体噴射装置を、ディーゼルエンジン用の直噴インジェクタとして用いることも有効である。 Further, the liquid injection device of the above embodiment has been applied to a gasoline internal combustion engine of a type in which fuel is injected into the intake pipe (intake port) 30. However, the liquid injection device according to the present invention is directly applied to the cylinder. It can also be applied to a so-called “direct injection gasoline internal combustion engine” for injection. Furthermore, it is also effective to use the liquid injection device according to the present invention as a direct injection injector for a diesel engine.
更に、本発明による各実施形態の液体噴射孔は、液体のもつ圧力等を運動エネルギーに変換して流れを増速させる目的で、流れの方向(液体噴射方向)に断面積を次第に小さくさせた所謂先細りのノズルであってもよい。 Furthermore, the liquid injection holes of the respective embodiments according to the present invention have the cross-sectional area gradually reduced in the flow direction (liquid injection direction) for the purpose of increasing the flow speed by converting the pressure of the liquid into kinetic energy. A so-called tapered nozzle may be used.
10…液体噴射装置、10−3…チャンバー、10−3a…液体噴射孔、10−2…液体供給通路、10−1…液体導入口、10−4…液体導入通路、10a〜10c…金属板、11,12…圧電/電歪素子、21…加圧ポンプ、24…同電磁開閉式吐出弁、40…電気制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記チャンバーに接続されるとともに液体を通流させて同チャンバーに同液体を導入するための液体導入通路部と、
前記チャンバーを構成する複数の壁の少なくとも一つの壁に設置されるとともに、前記液体導入通路部を介して同チャンバー内に導入された液体に対し圧力波の付与及び/又は同チャンバーの容積の減増を行う圧電/電歪素子とを具備し、
前記チャンバー内の液体を前記圧電/電歪素子の作動により微粒子化しながら前記液体噴射用ノズルを介して外部空間に噴射する液体噴射装置であって、
前記圧電/電歪素子を複数個備えるとともに、同複数の圧電/電歪素子は互いに異なるタイミングにて前記圧力波の付与及び/又は前記チャンバーの容積の減増を行うように駆動されることを特徴とする液体噴射装置。 A chamber having a plurality of nozzles for ejecting liquid and configured by a plurality of walls;
A liquid introduction passage section connected to the chamber and for introducing the liquid into the chamber by flowing the liquid;
The pressure wave is applied to the liquid introduced into the chamber through the liquid introduction passage and / or the volume of the chamber is reduced while being installed on at least one of the plurality of walls constituting the chamber. A piezoelectric / electrostrictive element that performs the increase,
A liquid ejecting apparatus that ejects liquid in the chamber into an external space through the liquid ejecting nozzle while being atomized by the operation of the piezoelectric / electrostrictive element;
A plurality of the piezoelectric / electrostrictive elements are provided, and the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements are driven to apply the pressure wave and / or increase or decrease the volume of the chamber at different timings. A liquid ejecting apparatus.
前記チャンバーは、前記複数の液体噴射用ノズルが形成された壁である液体噴射用ノズル形成壁と、前記液体噴射用ノズル形成壁に対向する壁である液体噴射用ノズル対向壁と、を含んで構成され、
前記複数の圧電/電歪素子のうちの少なくとも二つは、前記液体噴射用ノズル対向壁に配設された液体噴射装置。 The liquid ejecting apparatus according to claim 1,
The chamber includes a liquid ejecting nozzle forming wall that is a wall on which the plurality of liquid ejecting nozzles are formed, and a liquid ejecting nozzle facing wall that is a wall facing the liquid ejecting nozzle forming wall. Configured,
The liquid ejecting apparatus, wherein at least two of the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements are disposed on the liquid ejecting nozzle facing wall.
前記液体噴射用ノズル形成壁と前記液体噴射用ノズル対向壁とが互いに平行であり、同液体噴射用ノズル対向壁に直交する方向から見た場合に同液体噴射用ノズル形成壁の外形と同液体噴射用ノズル対向壁の外形が一致し、同液体噴射用ノズル対向壁は所定の直線に対して線対称の外形を有するように構成され、
互いに同一形状を備える二つの圧電/電歪素子が前記液体噴射用ノズル対向壁に前記所定の直線に対して線対称となるように配置された液体噴射装置。 The liquid ejecting apparatus according to claim 2,
The liquid ejecting nozzle forming wall and the liquid ejecting nozzle facing wall are parallel to each other, and when viewed from a direction orthogonal to the liquid ejecting nozzle facing wall, the outer shape of the liquid ejecting nozzle forming wall and the same liquid The outer shape of the jetting nozzle facing wall is matched, and the liquid jetting nozzle facing wall is configured to have a line-symmetric outer shape with respect to a predetermined line
A liquid ejecting apparatus in which two piezoelectric / electrostrictive elements having the same shape are arranged symmetrically with respect to the predetermined straight line on the liquid ejecting nozzle facing wall.
前記チャンバーは、前記複数の液体噴射用ノズルが形成された壁である液体噴射用ノズル形成壁と、前記液体噴射用ノズル形成壁に対向する壁である液体噴射用ノズル対向壁と、を含み、
前記複数の圧電/電歪素子のうちの少なくとも一つは前記液体噴射用ノズル対向壁に配設され、同複数の圧電/電歪素子のうちの少なくとも他の一つは前記液体噴射用ノズル形成壁に配設された液体噴射装置。 The liquid ejecting apparatus according to claim 1,
The chamber includes a liquid ejecting nozzle forming wall that is a wall on which the plurality of liquid ejecting nozzles are formed, and a liquid ejecting nozzle facing wall that is a wall facing the liquid ejecting nozzle forming wall,
At least one of the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements is disposed on the liquid jet nozzle facing wall, and at least one other of the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements is formed with the liquid jet nozzle. A liquid ejecting apparatus disposed on a wall.
前記複数の圧電/電歪素子のそれぞれは、互いに同一の周期Tをもって前記圧力波の付与及び/又は前記チャンバーの容積の変更を行うように駆動されるとともに、同圧電/電歪素子の個数をN個とすると、周期Tを個数Nで除した時間(T/N)だけ互いに位相が異なるように駆動される液体噴射装置。
The liquid ejecting apparatus according to any one of Claims 1 to 4,
Each of the plurality of piezoelectric / electrostrictive elements is driven so as to apply the pressure wave and / or change the volume of the chamber with the same period T, and the number of the piezoelectric / electrostrictive elements is determined. A liquid ejecting apparatus that is driven so that phases are different from each other by a time (T / N) obtained by dividing the period T by the number N, where N.
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JP2009540176A (en) * | 2006-06-06 | 2009-11-19 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | Spray equipment for fluids |
-
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- 2003-08-18 JP JP2003294110A patent/JP2005058933A/en active Pending
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