JP2007503998A - 液滴を放出するための装置 - Google Patents

Abstract

液滴を放出するための装置が開示される。その装置は、放出される液体の一定量を受け入れる液体加速ベッセル（１１）と、液体加速ベッセル（１１）に直接機械的に結合するノズル（１４）と、自由に振動する１つの部分（１７）を有するたわみ要素（１５）であってそのたわみ要素（１５）のたわみ振動を起こすための駆動手段を有するたわみ要素（１５）と、を含む。液体加速ベッセル（１１）は入口開口部（１２）及び出口開口部（１３）を有している。ノズル（１４）は、液体加速ベッセル（１１）の内部（２１）と流体連通状態にある通路（２２）を有する。駆動手段は、たわみ要素（１５）の部分（１６）に直接機械的に結合する圧電トランスデューサ（１８）を含み、部分（１７）は自由に振動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の前段部分に記載の装置に関する。

米国特許第４，５４６，３６１号明細書には、一定量のインクと接触している壁面中のノズルからインク滴を吐出するための装置が開示されており、その接触しているインクへ向かって壁面を急激に動かすことにより、壁面と向かい合っている印刷媒体に衝撃を与えるようになっている。このような壁面の急激な動きは、圧電性スリーブに電圧を加えることで生じるものであって、その圧電性スリーブの一端は壁面に結合される一方、他端は枠体（フレーム）に結合されている。壁面がインクへ向かって急激に動くと、その壁面の動きを受けて反応するインクの慣性により、エネルギーを持ったインク滴が印刷媒体に到達するような速度でノズルを通って噴出される。

欧州特許出願公開第０５１０６４８号明細書には、５０ｋＨｚ以上の噴出周波数でインク（ホットメルトインクを含む）を噴出可能なインクジェット噴出装置を有する高周波の印刷機構が開示されている。片持ち梁の基部が圧電素子に取り付けられ、圧電素子はその基部を振動させる。梁は、その自由端へ向かってその慣性モーメントが減少するように形成されている。素子は、梁の固有振動数と同じかそれに近い振動数の、振動する電気信号によって駆動させる。このような梁の振動周波数では、梁の先端部は基部の振動振幅よりもかなり大きい振幅で振動する。梁の先端部には、好ましくはテーパー状の断面であるアパーチャ（開口）が設けられている。テーパー状アパーチャの一方の開口部はインクの貯留部と流体連通状態にあり、アパーチャの他方の開口部は、貯留部からの個々のインク滴が噴射される印刷用紙と適切な距離を隔てて位置している。先端部の振幅が所定の閾値を超えると、アパーチャとインクとの間の固体−流体相互作用によりインク滴がアパーチャを通って加速され、印刷媒体へ向かう梁の先端部のそれぞれの軌跡上に噴出される。

欧州特許出願公開第０４１６５４０号明細書には、圧電材料からなる複数の振動板がノズルプレートから離れて固定され、その間の小さい隙間にインクの一部分を収容するようにしたインクジェットプリンターの記録ヘッドが開示されている。各振動板の表面には、一組の正負のくし状タイプ電極が一体的に設けられている。これらのくし状タイプの電極に電圧を印加することにより、振動板がノズルの方へたわんでインクを押し、結果としてインクがノズルを通って記録紙上にインク滴の状態で噴出される。

国際公開第９５／０３１７９号パンフレットには、インク室、インク室にインクを供給する手段、及び一方の側がインク室に堅く固定された圧電アクチュエータから構成された、プリンターのインクジェットアレイが開示されている。各インク室は、インク室のノズルを通して液滴を噴出するため、作動信号に反応して運動することができる。

本発明の目的は、以下のような１つ又は複数の利点を備えた、上述の種類の装置を提供することである。

・低コストな装置
・より小さい圧電トランスデューサで液滴を噴出するために十分な振幅の振動を得ることを可能にする装置構造
・高い放出再現性、すなわち１μｌの放出量に対して変動係数が１％より低いこと
・放出される液体の特性に依存しない放出性能（従って放出される液体は、例えば酸、塩基、酵素及びオリゴヌクレオチドを含む溶液、生理食塩水等、であり得る）
・一定の流速
・圧電トランスデューサが放出される液体に接触しないこと
・一定の応答性及びスイッチオフ特性
・０．０５〜５ｎｌの範囲で放出される液滴量
・装置から最大数ｃｍ離れて位置する受取地点まで液滴が放出されること

本発明によれば、この目的は請求項１で規定される装置によって達成される。具体的な実施形態は下位クレームで規定される。

本発明の装置によって提供される利点は次の通りである。

・低コストな装置
・装置の構造が、より小さい圧電トランスデューサで液滴を噴出するために十分な振幅の振動を得ることを可能にするようになっていること
・装置の高い再現性の精度、すなわち１μｌの放出量に対して１％より低い変動係数が達成されること
・装置の放出性能が、放出される液体の特性に依存しないこと（従って放出される液体は、例えば酸、塩基、酵素及びオリゴヌクレオチドを含む溶液、生理食塩水等、であり得る）
・一定の流速の装置
・装置の駆動手段の一部である圧電トランスデューサが放出される液体に接触しないこと
・装置が一定の応答性及びスイッチオフ特性を有すること
・装置が０．０５〜５ｎｌの範囲の量を有する液滴の放出を可能にすること
・装置から最大数ｃｍ離れて位置する受取地点まで液滴が放出されること

ここで、添付の図面を参照していくつか例示する実施形態により本発明を説明する。これらの実施形態は、発明の理解を助けるために説明されるものであり、限定するものと解釈されるべきではない。

（本発明による装置の例１）
図１に、本発明による装置の第１実施形態の断面図を示す。この装置は、放出される液体の一定量を受け入れる液体加速ベッセル（容器）１１と、液体加速ベッセル１１に、例えば直接機械的に結合されるノズル１４と、自由に振動する１つの部分１７を有する、例えば金属、セラミック、もしくはプラスチック板のたわみ要素１５と、たわみ要素１５のたわみ振動を起こすための駆動手段とを含む。液体加速ベッセル１１は、入口開口部１２及び出口開口部１３を有している。ノズル１４は、液体加速ベッセル１１の内部２１と流体連通状態にある通路２２（図２）と出口オリフィス２０（図２）とを有している。駆動手段は、たわみ要素１５の部分１７に直接機械的に結合している圧電トランスデューサ１８を含み、部分１７は自由に振動する。圧電トランスデューサ１８は、たわみ要素１５と強固に機械的結合している。たわみ要素１５もまた、液体加速ベッセル１１と強固に機械的結合している。

図１に示す実施形態では、たわみ要素１５が、固定本体１９に機械的に結合され従って自由に振動しない部分１６を有している。

圧電トランスデューサ１８及びたわみ要素１５は、リード線５７、５８を通して電気パルスを発生する電源５６に接続されている。電源５６によって供給される電気パルスにより、圧電トランスデューサ１８の図１に示すＸ軸に沿った収縮と伸張が各々起こり、本質的に図１に示すＹ軸に沿ってたわみ要素１５の部分１７が振動することになる。

たわみ要素１５の停止位置では、すなわち圧電トランスデューサ１８に印加される電気パルスはなく、Ｘ軸はたわみ要素１５の長手方向軸と平行である。Ｙ軸はＸ軸に対して垂直である。

放出される液体は導管２３を通ってベッセル１１へ供給される。Ｏリングシール２９は、導管２３とベッセル１１との間の継ぎ目で液体が漏れ得ないよう保証する。Ｏリングシール２９は、たわみ要素１５の振動運動を許容する。

ベッセル１１、ノズル１４、及び導管２３は、例えば円形断面を有している。

図１から理解されるように、ベッセル１１の内部は、その入口開口部１２を通じ、またその出口開口部１３を通じてアクセス可能である。

装置の駆動手段が圧電トランスデューサ１８への適切な電気パルスの印加によって作動すると、たわみ要素１５の部分１７がＹ軸の方向に振動し、そしてこれによりベッセル１１の振動が起こる。この振動のため、液滴がノズル１４を通ってベッセル１１の外へ吐出され、受取地点、例えば吐出される液滴の経路中に設置された容器へ届く。適切な装置の寸法及び圧電トランスデューサに印加される作動パルスによって、本発明による装置は非常に正確かつ再現性のある液体の放出が可能となり、放出される液体の量は１滴の液滴サイズに等しいか又はその倍数である。

図１に示す例において、ベッセル１１、ノズル１４、及びたわみ要素１５は一体に組み立てられる別個の部分である。別の実施形態では、これらの部分のいくつか又は全てが１つの一体成形された部分に結合される。

図１、２、及び７に示す例では、ノズル１４は装置の交換可能な部分である。

図１及び２に示す例において、ベッセル１１及びノズル１４は一体に組み立てられる別個の部分であり、また装置の交換可能な部分である。

図１及び２に示す例において、ベッセル１１及びたわみ要素１５は一体に組み立てられる別個の部分である。

図２に、図１における液体加速ベッセル１１の第１実施形態及びノズル１４の第１実施形態の拡大断面図を示す。図２から理解されるように、ノズル１４は、ノズル１４の出口へ向かって小さくなるテーパー状断面を有する第１の部位、ノズル１４の出口を形成する実質的に一定した断面の第２の部位、そして前記第１の部位から前記第２の部位へのなだらかな移行部、から構成される通路２２を有している。

図１に示す装置の実施形態において、ベッセル１１及びノズル１４は、図３に示す一体成形要素２４に置き換えられる。要素２４は、一体的に作られた液体加速ベッセル及びノズルの両方を含む。このために一体成形要素２４は、液体加速ベッセルとして機能する第１の部分２５とノズルとして機能する第２の部分２６とを有し、ノズル通路２８を包含している。従って一体成形要素２４は、図１に描いた液体加速ベッセル１１及びノズル１４の機能を果たすように構成されている。

１つの実施形態において、図３に示す一体成形要素２４のベッセル部分２５の断面は、部分２５の中央領域で与えられる大きさからその出口１３へ向かって連続的に減少し、そしてベッセル部分２５の内部２７の、要素２４のノズル部分２６の通路２８への移行部は、なだらか且つ連続的なものである。

図３に示すタイプの一体成形要素２４の製造を、図４及び５を参照して説明する。図４は、図３に示す概略形状を有する一体成形要素２４の製造における途中経過を説明する断面図である。この図は、その底層部３５が穿孔されてノズルの出口開口部を形成する前の要素２４を示している。一体成形要素２４のノズル部分は、入口開口部３２及び出口開口部３３を有している。ノズル部分の断面は、入口開口部３２からノズル部分の出口開口部３３へ向かって減少している。ノズル部分の出口開口部３３は、ノズルを製造する間、層部３５によって最初閉じられている。図５に表されるように、層部３５が穿孔されてノズルの出口開口部３３が形成されると、一体成形要素２４のノズル部分の出口開口部３３での望ましくない液滴形成を最小限にするような外側縁３６が作られる。層部３５は、例えばパンチング力を加えながら超音波振動させることによって、もしくは熱パンチング手段によって開口される。

図６ａには、図１における液体加速ベッセル１１の別の実施形態１１１の断面図を示す。この液体加速ベッセル１１１は、例えば図９及び１０に示す装置に対して好適である。ベッセル１１１の末端部分はノズル部分１１９である。ノズル部分１１９の拡大図である図６ｂに示すように、このノズルはノズル通路４１を有している。この通路４１は、ファンネル（漏斗）形状とノズルの出口へ向かって小さくなる断面とを有する第１の部位４４、ノズルの出口を形成している実質的に一定した断面の第２の部位４５、そして前記第１の部位４４から前記第２の部位４５へのなだらかな移行部４６、から構成されている。本発明による装置の部分を形成する他のノズルは、このようなノズル通路の形状を有することができる。

（本発明による装置の例２）
図７に、本発明による装置の第２実施形態の断面図を示す。この実施形態の特徴及び作用の大部分は上記の例１で述べたものと同じであるが、図７に示す実施形態に特有の特徴は、液体加速ベッセル５１がたわみ要素５５の一体部分になっていることである。しかしながらノズル１４は、別の実施形態で交換可能な別個の部品である。

（本発明による装置の例３）
図８に、本発明による装置の第３実施形態の断面図を示す。この実施形態の特徴及び作用の大部分は上記の例１で述べたものと同じあるが、図８に示す実施形態に特有の特徴は、ノズル６４に加えてさらに液体加速ベッセル６１がたわみ要素６５の一体部分になっていることである。

（本発明による装置の例４）
図９及び１０に、本発明による装置の第４実施形態の図を示す。この実施形態の特徴及び作用の大部分は上記の例１で述べたもの同じであるが、図９及び１０に示す実施形態に特有の特徴は、たわみ要素１１３、例えばアルミニウム板が、それぞれ自由に振動する対向する２つの末端部分を有し、液体加速ベッセル１１１がたわみ要素１１３に機械的に結合されてその末端部分の一方に配置され、また圧電トランスデューサ１１２は、例えば接着剤によって、前記の対向する末端部分の間に位置するたわみ要素１１３の第３の部分に機械的に結合されていることである。従ってこの第４実施形態は、前の実施形態とは異なり、たわみ要素１１３の末端部分が固定本体に結合されていない。放出される液体は、その先端部にあるその開口部を通ってベッセル１１１へ供給される。

たわみ要素１１３及び圧電トランスデューサ１１２は、バイモルフ構造を形成している。例えばプラスチック材料製の枠体１１４が、その節点１１５、１１６、１１７及び１１８でこのバイモルフ構造を保持している。圧電トランスデューサが適切な信号によって駆動されると、バイモルフ構造は、例えばその構造の共振周波数で振動する。バイモルフ構造をその節点１１５、１１６、１１７及び１１８で保持することにより、該構造の、その共振周波数での非常に効果的な振動が可能となる。

本発明の別の実施形態が図２３及び２４に表されているが、上述の実施形態を基にしたものである。たわみ要素１１３上にさらに質量要素が設けられ、振動するたわみ要素１１３の波腹に位置付けられている。より具体的な実施形態では、図２３及び２４にもまた表されているように、液体加速ベッセル１１１がたわみ要素１１３の一方の末端部分に備えられ、質量要素１５０がたわみ要素１１３の他方の末端部分に備えられている。それをもって、低質量を有するたわみ要素１１３の末端部分の振動について振幅増幅が得られる。すなわち、質量要素１５０は、圧電トランスデューサ１１２によって与えられる励振に対する振幅増幅を調整するための手段である。

本発明のさらに別の実施形態では、たわみ要素１１３の、ノズル出口と同じ側であって、加速ベッセル１１１が取り付けられるたわみ要素１１３の末端部分に、ストップ用要素１１０が備えられる。ストップ用要素１１０は固定され、例えば枠体１１４に結合されている。ストップ用要素１１０の、たわみ要素１１３もしくは別の振動部分までの距離はそれぞれ、ノズルの出口から外へ液滴を正確に噴出する効果を有するような所望のたわみの時にその振動する部分がストップするような距離である。この実施形態は、限定されるものではないが、例えば油のような高粘度の液体に対して非常に良く適している。

（本発明による装置の例５）
図１１に、本発明による装置の第５実施形態の断面図を示す。この実施形態の特徴及び作用の大部分は上記の例１で述べたものと同じであるが、図１１に示す実施形態に特有の特徴は、この実施形態では第１の圧電トランスデューサ８１と第２の圧電トランスデューサ８２とのバイモルフ型配置によって、上述の他の実施形態におけるたわみ要素１５及びそれに取り付けられた圧電トランスデューサ１８が置き換えられていることである。第１及び第２の圧電トランスデューサ８１、８２のバイモルフ型配置が、例１による実施形態に対して適しているだけでなく、たわみ要素１１３（図９及び１０）が図１１によるバイモルフ型配置によって形成される、例４による実施形態に対しても非常に好適であることは明確に指摘される。

図１１に示す装置はまた、トランスデューサのたわみ振動と、その結果それと一体に形成するたわみ要素の対応するたわみ振動を起こすための、圧電トランスデューサ８１、８２へ必要な作動電気パルスを印加する電力供給源８６及びリード線８７、８８、８９を含む。この実施形態の上述の他の実施形態に対する利点は、たわみ要素の振動の振幅、またそれによる液体加速ベッセル１１１の振幅が、圧電トランスデューサを１個のみ用いた場合よりも大きいことである。加えて、放出される液滴のより高度な加速を得ることができる。

（本発明による装置の例６）
図１２〜１５に、本発明による装置の第６実施形態の様々な図を示す。この実施形態の特徴及び作用の大部分は上記の例１で述べたものと同じであるが、図１２〜１５に示す実施形態に特有の特徴は、この実施形態では液体加速ベッセル１１１の上側部分がベッセルへ液体を供給するための導管として機能していることである。従って図１におけるＯリングシール２９及び導管２３はこの実施形態では必要ない。ベッセル１１１の開口した先端部は、弾性材料製のホース１２９、例えばシリコーン製ホースに接続されている。従ってホース１２９は、ベッセル１１１の振動運動を許容する。放出される液体はホース１２９を通ってベッセル１１１へ供給される。

図１２〜１５に示す実施形態の有利な特徴は、固定本体１９、圧電トランスデューサ１８、及び液体加速ベッセル１１の互いに対する相対的位置にある。このような配置は、装置の最適なパフォーマンスを得ることを可能にする。圧電トランスデューサ１８を作動させるのに必要な電気的手段は図１２〜１５に示していない。

（本発明による装置の例７）
図１６に、本発明による装置の第７実施形態の斜視図を示す。この実施形態は、本発明によるマイクロポンプ１２５、例えば図９及び１０を参照して上記で述べたタイプのマイクロポンプを含む。

図１６に示す実施形態はさらに、液体加速ベッセルに含まれる液体を一定の所定の静水圧Ｈ１に保ち、それによってそのベッセルに結合したノズルへ供給される液体の静水圧を一定に保つために用いる流体供給配置を有する。流体供給配置は、先端開口部がネジ蓋１２８によって閉じられたコンテナ１２７を含む。

コンテナ１２７は、第１の量の液体１２２が含有され且つその液体が通過してマイクロポンプ１２５の液体加速ベッセル１２６へ供給される開口部を有するような、下部チャンバーを有している。コンテナ１２７は、第２の量の液体１２４が含有され且つ液体が通過して上部チャンバーから下部チャンバーへ流れることができる出口１２３を有するような、上部チャンバーを有している。適切なノズルが、液体加速ベッセル１２６の下部末端に挿入され又は形成されている。

下部チャンバー中の液体１２２が所定の液面である場合、フロート１２１が出口１２３を閉鎖している。液体がマイクロポンプ１２５によって放出されるにつれ、コンテナ１２７の下部チャンバー中の液体１２２の液面は下がり、フロート１２１が下方へ移動してコンテナ１２７の上部チャンバーの出口１２３を開く。出口１２３を通る、上部チャンバーから下部チャンバーへの液体の流れは、液体１２２の液面を増加させ、その結果として上方へ動くフロート１２１が、後者の液面が所定の静水圧Ｈ１に対応する値に到達するときに出口１２３を閉じる。

ネジ蓋１２８とコンテナ１２７の上端開口部との間のネジ式結合は、空気がコンテナ１２７の上部チャンバーへ入ることを確保する。

マイクロポンプ１２５の液体加速ベッセル１２６は、図１６に示すような垂直な導管を通じて、あるいは水平な導管を通じてコンテナ１２７の下部チャンバーに接続される。

図１６に示す実施形態は、さらにバードバスのような流体供給配置を含む。この配置は、液体加速ベッセルに含有される液体の所定の静水圧Ｈ１を一定に保つため、またそれによってそのベッセルに結合するノズルへ供給される液体の静水圧を一定に保つために用いられる。静水圧Ｈ１を周囲の圧力に対して負もしくは正の値に調整可能であることが指摘される。その結果として生じる効果は図２６及び２７に関連してさらに説明される。

本発明の別の実施形態は、放出される液体のために用いられるカートリッジに対する静水圧の関数として液滴サイズが与えられるような、静水圧曲線を利用する。この情報を使って、放出される特定の量に対する液滴の数を一時的な静水圧に従って調整可能である。その結果として、放出される液体の量は一時的な静水圧に依存しない。本発明のこの実施形態は、本発明による装置の制御装置としてコンピュータ上でソフトウェアを実行するときに非常に良好に実施することが可能である。

（本発明による装置の例８）
図１７に、本発明による装置の第８実施形態の斜視図を示す。この実施形態は、本発明によるマイクロポンプ１３８、例えば図９及び１０を参照して上記で述べたタイプのマイクロポンプを含む。

図１７によって示される流体供給配置は、第１の量の液体１３５で満たされた下部チャンバー１３７と、第２の量の液体１３５を含有する上部チャンバー１３６とを有するようなコンテナ１３４を含む。

上側部分１３１及び下側部分１３２を有する吸引管が図１７に示すように配置されている。コンテナ１３４に対する吸引管の位置は、ブッシュ１３３によって調整可能であり、吸引管の位置の連続的な調整と、それによって所定の一定な静水圧Ｈ１の調整を可能にしている。

マイクロポンプ１３８は、導管１４１を通じ、また接続要素１４２、１４４及びシーリングリング１４３を含むシーリングセットを通じて、上述の液体供給配置に接続される。導管１４１は、弾性もしくは可撓性材料から構成され、気密シールを提供している。これを達成するため、例えばゴムもしくはシリコーンが用いられる。

図１７に示す配置はさらに一方向弁１４５を含み、バードバス配置の動作をスタートさせるための空気吸引を可能にしている。

液体がマイクロポンプ１３８によって放出されるにつれ、液体１３５の液面が下がり、それによって上部チャンバー１３６に負圧状態ができる。この負圧状態は気泡が吸引管１３１、１３２を通って吸引されるまで増大する。

コンテナ１３６は、所定の一定な静水圧Ｈ１のより柔軟な調整を可能にするような、さらなる出口１４６を有する。

（キャビテーション効果を最小限にするための液体加速ベッセルの例）
別の実施形態において、本発明による装置は、キャビテーション効果を防止又は少なくとも最小限にするキャビテーション防止手段を包含した構造を有する、液体加速ベッセル１１を含む。そのようなベッセル構造の例を、図１８〜２１を参照して以下に述べる。

図１８〜２０には、ベッセルの内面からその中心部分へ延びる環状突出部９１を有する液体加速ベッセル１１の様々な図を示す。環状突出部９１は、液体加速ベッセル１１の側壁の内面を増大させ、それによってキャビテーション効果を防止又は少なくとも最小限にするのに寄与する。

図２１は液体加速ベッセル１１の別の例を示しており、内面がキャビテーション効果を最小限にするのに適した形状となっている。この形状は、液体加速ベッセル１１の一部分にわたり、液体加速ベッセル１１の断面の大きさが、その液体加速ベッセル１１の部分の中央領域に位置する面１０１で最大値をとり、その最大値から液体加速ベッセル１１の入口開口部１２及び出口開口部１３へ向かって減少することを特徴としている。

（複数のノズル通路と接続される液体加速ベッセルの例）
本発明による装置のさらに別の実施形態では、ノズル１４は複数のノズル通路を有している。図２２に、例えば図１に示す装置で用いたベッセル及びノズルの変形体の断面図を示す。この変形体では、液体加速ベッセル７１の内部７２がベッセル７１に結合したノズル７４の複数のノズル通路７５、７６、７７と流体連通している。上述した全ての装置例の液体加速ベッセルは、図２２によって概ね示されるタイプのものであることができる。

（電力供給手段の例）
本発明による装置のさらに別の実施形態では、上述の電力供給手段が、（１つ又は複数の）圧電トランスデューサに対して所望のタイムインターバルの間に共振周波数以外の周波数を有する電気信号を選択的に供給し、そのような信号の印加がノズルから外への液滴の噴出を防止する効果を有するように構成される。

本発明による装置の別の実施形態では、上述の電力供給手段が、所望のタイムインターバルの間に、ノズル洗浄効果をもたらすのに適した所定の周波数及び電圧を有する電気信号を選択的に供給するように構成される。例えば、超音波振動数の信号の印加は、ノズルの出口オリフィスで放出可能な液体が形成する、起こり得る結晶の破壊をもたらすであろう。

結晶化は、液体の放出について用いられるものとは別の速度で液体及び／又は装置を振動させ、もしくは振盪することによって防止される。この振動又は振盪は、例えば、中断することなく、あるいは前もって設定された例えば５分の時間間隔で与えられる。

（装置の作動をモニタリングするための手段の例）
本発明による装置の別の実施形態は、さらに装置の作動をモニタリングするための手段を含む。そのような手段は、例えば、（１つ又は複数の）圧電トランスデューサの電力の消費量を測定する手段や、液体加速チャンバーへ、又はその外への液体の流れを検出する手段である。

装置の作動をモニタリングするための他の手段は、液滴カウンターを実装するための静電容量センサもしくは光電子ビームからなる。

（本発明による装置の構成部品の製造）
本発明による装置の構成部品は、例えば、大量生産方式で、例えばプラスチック射出成形、セラミック射出成形もしくは金属射出成形により、又はプラスチックもしくは金属材料のスタンピングにより製造される。

上述の例においては、液体加速ベッセルは、例えば金属、プラスチック、セラミック、ガラスもしくは貴石製であり、ノズルは、金属、プラスチック、セラミック、ガラスもしくは貴石製であり、そしてたわみ要素１５は、金属、セラミック、ガラスもしくはプラスチック製である。固定本体１９及び質量要素１５０は、例えば、金属もしくはプラスチック製である。

上述した本発明の全ての実施形態のさらなる変形において、前記ノズルの内面は親水性であり、及び／又は前記ノズルの外面は疎水性である。この表面特性は、例えば適切な表面処理によって得られる。

一般に、本発明による装置のたわみ要素は、装置構造の共振周波数で振動する。この周波数は、例えば２〜４０キロサイクル／秒の範囲にある。

ノズルの内面が親水性を有し、及び／又は外面が疎水性を有することができることは既に指摘した。最初の特性は液滴生成の合間にノズル内での液面が定まることを保証する。一方、後の特性は液体がノズルの外面に付着することが防止されることを保証する。

結晶化する傾向のある液体が使われるいくつかの応用について、特に液体を放出する合間にある程度長い休止状態があるのが一般的である応用においては、ノズルが詰まる可能性はかなり高い。結晶化する傾向のある液体の結晶化は、図２５及び２６に表されるタイプのノズルを備えることにより防止され得る。本発明のこの態様によれば、それは他の実施形態とは独立して使用されまた適用され得るが、疎水性表面が少なくともノズル通路４１の部分、例えばノズルオリフィスの出口から、ノズルの第１から第２の部位への移行部４６まで与えられる。図２５の実施形態では、第２の部位４５が一定の断面積を有している一方で、図２６の実施形態では、第２の部位４５の断面積が、ノズルの第１から第２の部位への移行部４６での第２の部位４５の断面積よりもノズルオリフィスの出口においてより小さくなっている。

いずれの実施形態においても、液体は、液体放出を休止している間、移行部４６、すなわち疎水性表面が終わる位置まで後退するであろう。その結果として、第２の部位４５に高湿度の雰囲気が作られ、それによって液体表面の領域における液体の結晶化が防止されるであろう。従ってノズルは、第２の部位４５に疎水性表面を有さない実施形態の場合のように簡単には詰まらないであろう。第２の部位での所望の雰囲気の確立は、円錐状の第２の部位４５を備えることによってさらに有利になるであろう。一般に、本発明のこの態様は、ほとんどの第２の部位４５の断面積に比べてある程度小さくしたノズルオリフィスの出口の断面積によって特徴付けられる。

ノズルの外面が疎水性表面を含むことは必須ではないことを指摘する。第２の部位４５の内面のみに疎水性を有する表面を含むことはあり得る。

本発明のさらに別の実施形態では、ノズルの結晶化を防止する態様を対象としており、液体放出の休止状態の間の液体の後退を、疎水性表面を全く備えていないにも関わらず、図１６に明示されるような負の静水圧によって得ることが可能である。それと共に負メニスカスがノズルのオリフィスで得られ、その負メニスカスによって領域中で高湿度の雰囲気が確立されるために結晶化が防止される。この実施形態は図２７によって説明される。その図ではノズルのオリフィスでの液体表面が点線によって示されている。無論、もし疎水性表面が図２６によって説明したようにノズルの中まで到達しているならば、さらに良い結果が得られる。

図２８では、結晶化を防止し且つノズルを洗浄する態様を対象とする本発明の別の実施形態が、断面図によって説明される。ノズルの第１及び第２の部位４４、４５に加え、その第２の部位４５に続く第３の部位４７が備えられている。第３の部位４７は、図２６による実施形態に関連して説明されたように飽和した雰囲気が得られる予室５０を含む。さらに、フラッシュチャネル４９が備えられ、予室５０を洗い流し、もしくは飽和した雰囲気が予室５０へ取り込まれる。それにより同じ効果を生ずることになる。

予室５０及びフラッシュチャネル４９はいずれも、それぞれ別個の部分であるか、あるいは第１及び第２の部位４４、４５とともに一体成形物を形成する。

図２９に、本発明の別の実施形態を示す。たわみ要素１１３が、それぞれ図９、１０、及び２３、２４による実施形態の場合のように、それぞれ節点１１５、１１７、及び１１６、１１８で支持されている。それぞれ図９、１０、及び２３、２４による実施形態の場合のようにたわみ要素１１３の末端部分の一方に液体加速ベッセル１１を備える代わりに、図２９による実施形態の液体加速ベッセル１１１は、本質的にたわみ要素１１３の中央位置にある。２つの圧電トランスデューサ１１２ａ、１１２ｂが、たわみ要素１１３上の液体加速ベッセル１１１から等しい距離に備えられている。対称的な圧電トランスデューサ１１２ａ、１１２ｂの励振によって、液体加速ベッセル１１１は矢印Ｄの方向に振動し、それに応じて液体が放出される。図２９に示す矢印Ｃは、矢印Ｄに垂直であって、たわみ要素１１３に対して平行な面内にある振動を示している。本発明による装置の対称的な配置に関しては、矢印Ｃの方向での振動はないであろう。圧電トランスデューサ１１２ａ、１１２ｂの非対称的な励振に対しては、液体加速ベッセル１１１は本質的に矢印Ｃの方向に振動する。結果として、この動作モードでは液体は放出されない。このモードは、ノズルを洗浄するため、あるいは前述したような結晶化を防止するために非常に良く用いられ得る。

本発明の全ての実施形態について、液体の放出速度を増加させるために１つ以上の液体加速ベッセルをたわみ要素もしくは圧電トランスデューサ上にそれぞれ配置することが実現可能であることを指摘する。

本発明のいくつかの実施形態を具体的な用語を用いて説明したが、そのような説明はただ例示を目的とするものであって、添付の特許請求の範囲の精神あるいは範囲から逸脱しない変更及び変形が可能であることは理解されよう。

本発明による装置の第１実施形態の断面図を示す。 図１における液体加速ベッセル１１の第１実施形態及びノズル１４の第１実施形態の拡大断面図を示す。 液体加速ベッセル及びノズルの両方を含む一体成形要素２４の断面図を示す。この要素は、図１における液体加速ベッセル１１及びノズル１４の機能を果たすように構成されている。 図３に示すような概略形状を有する一体成形要素２４の製造における途中経過を説明する断面図を示す。この図は、その底層部３５がノズルの出口開口部を形成するために穿孔される前のこの一体成形要素を示す。 図４に示す層部３５が穿孔されてノズルの出口開口部３３及び外側縁３６が形成された後の一体成形要素２４の断面図を示す。 図１におけるベッセル１１の第２実施形態１１１の断面図を示す。 図６ａにおけるベッセル１１１の末端部分１２０の拡大断面図を示す。 本発明による装置の第２実施形態の断面図を示しており、液体加速ベッセル５１はたわみ要素５５の一体部分である。 本発明による装置の第３実施形態の断面図を示しており、液体加速ベッセル６１及びノズル６４はたわみ要素６５の一体部分である。 本発明による装置の第４実施形態の上面図を示す。 図９に示す実施形態のＸ−Ｘ面に沿った断面図を示す。 本発明による装置の第５実施形態の断面図を示している。バイモルフ型配置の圧電トランスデューサがたわみ要素１５の機能を果たし、またたわみ振動を起こすための駆動手段の一部になっている。 本発明による装置の第６実施形態の斜視図を示す。 図１２に示す実施形態の側面図を示す。 図１２に示す実施形態の断面図を示す。 液体加速ベッセル１１の底部分と、図１２におけるベッセル１１１の出口開口部に配置されたノズル１４の拡大断面図を示す。 本発明による装置の第７実施形態の斜視図を示しており、液体加速ベッセルに含まれる液体を一定の静水圧に保つための流体供給配置が用いられている。 本発明による装置の第８実施形態の斜視図を示しており、液体加速ベッセルに含まれる液体を一定の静水圧に保つため、バードバスのように配置される流体供給部が用いられている。 キャビテーション効果を防止するための手段を含む液体加速ベッセル１１の斜視図を示す。 図１８に示す液体加速ベッセル１１の断面図を示す。 図１８に示す液体加速ベッセル１１の上面図を示す。 同様にキャビテーション効果を最小限にするのに適している液体加速ベッセル１１の別の実施形態を示す。 図１に示す装置で使用するように構成された液体加速ベッセル７１の第２実施形態の断面図を示す。このベッセルの内部は複数のノズル通路７５、７６、７７と流体連通している。 質量要素１５０を有する図９による第４実施形態の上面図を示す。 図２３に示す実施形態のＸ−Ｘ面に沿った断面図を示す。 ノズルの別の実施形態を示す断面図である。 ノズルの別の実施形態を示す断面図である。 負の静水圧が加わった液体加速ベッセルの断面図を示す。 予室を含む第３の部位を備えた流体加速ベッセルの断面図を示す。 たわみ要素上の中央に配置された流体加速ベッセルを有する本発明の別の実施形態を示す。

符号の説明

１１ 液体加速ベッセル
１２ 入口開口部
１３ 出口開口部
１４ ノズル
１５ たわみ要素
１６ たわみ要素の第１の部分
１７ たわみ要素の第２の部分
１８ 圧電トランスデューサ
１９ 固定本体
２０ ノズル１４の出口オリフィス
２１ 液体加速ベッセル１１の内部
２２ ノズル１４内の通路
２３ 導管
２４ 一体成形要素（一体に成形されたベッセル及びノズル）
２５ 一体成形要素２４のベッセル部分
２６ 一体成形要素２４のノズル部分
２７ 一体成形要素２４のベッセル部分２５の内部
２８ 一体成形要素２４のノズル部分２６中の通路
２９ Ｏリングシール
３２ 一体成形要素２４のノズル部分の入口開口部
３３ 一体成形要素２４のノズル部分の出口開口部
３５ 底層部
３６ 一体成形要素２４のノズル部分の出口開口部の外側縁
４１ ノズルの通路
４２ ノズルの入口
４４ ノズルの第１の部位
４５ ノズルの第２の部位
４６ ノズルの第１の部位から第２の部位への移行部
４７ ノズルの第３の部位
４８ 負メニスカス
４９ フラッシュチャネル
５０ 飽和した予室
５１ たわみ要素５５の一体部分として形成された液体加速ベッセル
５６ 電力供給部
５７ リード線
５８ リード線
６１ たわみ要素６５の一体部分として形成された液体加速ベッセル
６４ たわみ要素６５の一体部分として形成されたノズル
６５ たわみ要素
７１ 液体加速ベッセル
７４ ノズル
７５ ノズル通路
７６ ノズル通路
７７ ノズル通路
８１ 第１の圧電トランスデューサ
８２ 第２の圧電トランスデューサ
８６ 電力供給部
８７ リード線
８８ リード線
８９ リード線
９１ 環状突出部
１０１ 面
１１０ ストップ用要素
１１１ 液体加速ベッセル
１１２ 圧電トランスデューサ
１１３ たわみ要素
１１４ プラスチック枠体、固定本体
１１５ 節点
１１６ 節点
１１７ 節点
１１８ 節点
１１９ ベッセル１１１のノズル部分
１２０ ベッセル１１１の末端部分
１２１ フロート
１２２ 液体
１２３ 出口
１２４ 液体
１２５ マイクロポンプ
１２６ 液体加速ベッセル
１２７ 液体コンテナ
１２８ ネジ蓋
１２９ ホース
１３１ 吸引管の上側部分
１３２ 吸引管の下側部分
１３３ ブッシュ
１３４ コンテナ
１３５ 液体
１３６ コンテナ１３４の上部チャンバー
１３７ コンテナ１３４の下部チャンバー
１３８ マイクロポンプ
１３９ 液体加速ベッセル
１４１ 導管
１４２ 接続要素
１４３ 接続要素
１４４ Ｏ−リング
１４５ 一方向弁
１４６ 出口
１５０ 質量要素

Claims (36)

1. 液体を放出するための装置であって、該装置が、
   固定本体（１９、１１４）と、
   自由に振動する少なくとも１つの部分を含むたわみ要素（１５、５５、６５、１１３）と、
   放出される液体の一定量を受け入れる液体加速ベッセル（１１、２４、５１、６１、７１、１１１、１２６、１３９）であり、液体加速ベッセル（１１、２４、５１、６１、７１、１１１、１２６、１３９）の内部（２１）と流体連通状態にある通路（２２）を含むノズル（１４、６４、７４、１１９）を含む、前記液体加速ベッセル（１１、２４、５１、６１、７１、１１１、１２６、１３９）と、
   前記たわみ要素（１５、５５、６５、１１３）のたわみ振動を起こすための駆動手段と、
   を含み、たわみ要素（１５、５５、６５、１１３）は固定本体（１９、１１４）に結合され、
   前記液体加速ベッセル（１１、２４、５１、６１、７１、１１１、１２６、１３９）が、自由に振動するたわみ要素（１５、５５、６５、１１３）の少なくとも１つの部分のうち１つと接続されていることを特徴とする装置。
2. 請求項１記載の装置において、液体加速ベッセル（１１、２４、５１、６１、７１、１１１、１２６、１３９）が、弾性もしくは可撓性材料製のホースに結合される入口開口部（１２）を含むことを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２記載の装置において、前記液体加速ベッセル（１１、２４、５１、６１、７１、１１１、１２６、１３９）の内部が、入口開口部（１２）を通じ、また出口開口部（１３）を通じてアクセス可能であることを特徴とする装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の装置において、前記ノズル（１４、７４）が交換可能な部分であることを特徴とする装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の装置において、前記液体加速ベッセル（１１、２４、５１、６１、７１、１１１、１２６、１３９）及び前記ノズル（１４、７４）が、一体に組み立てられる別個の部分であることを特徴とする装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項記載の装置において、前記ノズル（１４、７４）の内面が親水性であり、前記ノズル（１４、７４）の外面が疎水性であることを特徴とする装置。
7. 請求項１〜５のいずれか一項記載の装置において、前記ノズル（１４、７４）の外面、及びノズル通路（４１）の少なくとも一部が疎水性であることを特徴とする装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項記載の装置において、前記液体加速ベッセル（１１、２４、７１、１１１、１２６、１３９）及び前記たわみ要素（１５、１１３）が、一体に組み立てられる別個の部分であることを特徴とする装置。
9. 請求項１記載の装置において、前記液体加速ベッセル（１１）及び前記ノズル（１４）が、液体加速ベッセル（１１）として機能する第１の部分（２５）と、ノズル（１４）として機能し且つ通路（２８）を含む第２の部分（２６）と、を有する一体成形要素（２４）として一体的に構成されることを特徴とする装置。
10. 請求項９記載の装置において、前記第１の部分（２５）の断面が、前記第１の部分（２５）の中央領域で与えられる大きさからその出口開口部（１３）へ向かって連続的に減少し、前記液体加速ベッセル（１１）の内部（２７）の、前記第２の部分（２６）の通路（２８）への移行部が、なだらか且つ連続的なものであることを特徴とする装置。
11. 請求項９記載の装置において、前記一体成形要素（２４）のノズル部分が入口開口部（３２）及び出口開口部（３３）を有し、ノズルの断面が入口開口部から前記出口開口部へ向かって減少し、前記出口開口部が、ノズルを製造する間は層部（３５）によって最初閉じられており、前記層部が超音波力もしくは熱パンチング手段によって開口され、開口した層部の残りが、前記ノズルの前記出口開口部での液滴形成を最小限にする環状の縁（３６）を形成することを特徴とする装置。
12. 請求項１記載の装置において、前記ノズル（１４）の通路（２２）が、ノズルの出口開口部へ向かって小さくなるテーパー状断面を有する第１の部位と、ノズルの出口開口部を形成する実質的に一定断面の第２の部位と、そして前記第１の部位から前記第２の部位へのなだらかな移行部と、を含むことを特徴とする装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項記載の装置において、前記ノズル（１４）の通路（４１）が、ファンネル形状で且つノズルの出口へ向かって小さくなる断面を有する第１の部位（４４）と、ノズルの出口を形成する実質的に一定断面の第２の部位（４５）と、そして前記第１の部位（４４）から前記第２の部位（４５）へのなだらかな移行部（４６）と、を含むことを特徴とする装置。
14. 請求項１記載の装置において、前記液体加速ベッセル（５１）が、前記たわみ要素（５５）の一体部分であることを特徴とする装置。
15. 請求項１記載の装置において、前記液体加速ベッセル（６１）及び前記ノズル（６４）が、前記たわみ要素（６５）の一体部分であることを特徴とする装置。
16. 請求項１記載の装置において、前記ベッセル（７１）の内部（７２）が、ノズル（７４）の複数のノズル通路（７５、７６、７７）と流体連通していることを特徴とする装置。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項記載の装置において、前記たわみ要素（１５）は互いに対向する第１及び第２の末端部分を有し、第１の末端部分（１６）が固定本体（１９）に結合され、前記たわみ要素（１５）の第２の末端部分（１７）が自由に振動することを特徴とする装置。
18. 請求項１７記載の装置において、液体加速ベッセルは、たわみ要素（１５）の第２の末端部分（１７）に結合されていることを特徴とする装置。
19. 請求項１〜１６のいずれか一項記載の装置において、前記たわみ要素（１５）がそれぞれ自由に振動する対向する２つの末端部分を有し、そして前記たわみ要素（１５）が、たわみ要素の振動する節点で固定本体に結合されることを特徴とする装置。
20. 請求項１９記載の装置において、前記液体加速ベッセル（１１）がたわみ要素の前記末端部分のうち１つに結合され、前記駆動手段が前記対向する末端部分の間に結合されることを特徴とする装置。
21. 請求項１９記載の装置において、前記液体加速ベッセル（１１）が本質的にたわみ要素の中央においてたわみ要素に結合されることを特徴とする装置。
22. 請求項１〜２１のいずれか一項記載の装置において、駆動手段が、少なくとも１つの圧電トランスデューサ（１８）と前記少なくとも１つの圧電トランスデューサ（１８）に電気信号を印加するための電力供給手段とを含み、後者の、少なくとも１つの圧電トランスデューサ（１８）への信号の印加により、そのたわみ振動が起こり、それによってたわみ要素（１５）の対応するたわみ振動が起こることを特徴とする装置。
    
23. 請求項２２記載の装置において、たわみ要素及び前記駆動手段が、第１の圧電トランスデューサ（８１）及び第２の圧電トランスデューサ（８２）から構成されることを特徴とする装置。
24. 請求項２２又は２３記載の装置において、前記電力供給手段が、共振周波数以外の周波数を有する電気信号を供給するように構成され、そのような信号の圧電トランスデューサへの印加が、ノズルから外への液滴の噴出を防止することを特徴とする装置。
25. 請求項２２又は２３記載の装置において、電力供給手段が、ノズル洗浄効果をもたらすのに適した所定の周波数及び電圧を有する電気信号を供給するように構成されることを特徴とする装置。
26. 請求項１〜２５のいずれか一項記載の装置において、前記液体加速ベッセル（１１）が、キャビテーション効果を防止するか少なくとも最小限にするキャビテーション防止手段を含むことを特徴とする装置。
27. 請求項２６記載の装置において、前記キャビテーション防止手段が、液体加速ベッセル（１１）の側壁の内面を増大させる環状突出部（９１）であることを特徴とする装置。
28. 請求項２６記載の装置において、液体加速ベッセル（１１）の内面の形状によってキャビテーション効果が防止又は少なくとも最小限にされ、前記形状が、液体加速ベッセル（１１）の一部分にわたり、液体加速ベッセル１１の断面の大きさが、その液体加速ベッセル（１１）の前記部分の中央領域に位置する面（１０１）で最大値をとり、その最大値から液体加速ベッセル（１１）の入口開口部（１２）及び出口開口部（１３）へ向かって減少するようになっていることを特徴とする装置。
29. 請求項１〜２８のいずれか一項記載の装置において、さらにノズルに供給される液体を一定の静水圧に維持するための手段を含むことを特徴とする装置。
30. 請求項２９記載の装置において、一定の静水圧を維持するための手段が、液体加速ベッセル外部の一時的な圧力に対して負圧を生じさせることを特徴とする装置。
31. 請求項１〜３０のいずれか一項記載の装置において、さらに作動モニタリングのための手段を含むことを特徴とする装置。
32. 請求項１〜３１のいずれか一項記載の装置において、前記液体加速ベッセル（１１）が、プラスチック射出成形、セラミック射出成形もしくは金属射出成形によって形成されることを特徴とする装置。
33. 請求項１〜３２のいずれか一項記載の装置において、前記たわみ要素（１５）が、セラミック、ガラスもしくは金属射出成形によって形成されることを特徴とする装置。
34. 請求項１〜３１のいずれか一項記載の装置において、前記液体加速ベッセル（１１）が、金属、プラスチック、セラミック、ガラスもしくは貴石製であることを特徴とする装置。
35. 請求項１〜３１のいずれか一項記載の装置において、前記ノズル（１４）が、金属、プラスチック、セラミック、ガラスもしくは貴石製であることを特徴とする装置。
36. 請求項１〜３１のいずれか一項記載の装置において、前記たわみ要素（１５）が、金属、セラミックもしくはプラスチック材料製であることを特徴とする装置。

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