JP2013056015A - Liquid ejecting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting apparatus.
水や生理食塩水などの液体を加圧して、断面積が細く絞られたノズルから生体組織に向けて噴射することによって、生体組織を切開あるいは切除する液体噴射装置が開発されている。このような液体噴射装置を用いた手術では、神経や血管等を傷つけることなく臓器などの組織だけを選択的に切開あるいは切除することが可能であり、周囲の組織に与える損傷が少ないので、患者の負担を小さくすることが可能である。 There has been developed a liquid ejecting apparatus that incises or excises a biological tissue by pressurizing a liquid such as water or physiological saline and ejecting the liquid toward a living tissue from a nozzle having a narrow cross-sectional area. In surgery using such a liquid ejecting apparatus, it is possible to selectively incision or excision only of tissues such as organs without damaging nerves and blood vessels, etc., and there is little damage to surrounding tissues. Can be reduced.
さらに、単にノズルから連続的に液体を噴射するのではなく、パルス状に液体を噴射することで、少ない噴射量で生体組織の切開や切除を可能にした液体噴射装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この液体噴射装置は、液体室に液体を充填した状態で、液体室の容積を急速に減少させることで液体室内の圧力を急速に上昇させ、その圧力によって、液体室に接続されたノズルからパルス状に液体を噴射する。続いて、液体室の容積を元に戻して再び液体を充填する。こうした動作を繰り返すことで、パルス状の噴流を周期的に発生させることができる。 Further, there has been proposed a liquid ejecting apparatus that enables incision or excision of a living tissue with a small amount of ejection by ejecting liquid in a pulse form instead of simply ejecting liquid continuously from a nozzle (for example, , See Patent Document 1). This liquid ejecting apparatus rapidly increases the pressure in the liquid chamber by rapidly decreasing the volume of the liquid chamber while the liquid chamber is filled with the liquid, and the pressure causes a pulse from the nozzle connected to the liquid chamber. The liquid is jetted in the shape of Subsequently, the volume of the liquid chamber is returned to the original, and the liquid is filled again. By repeating these operations, a pulsed jet can be generated periodically.
しかし、このように液体をパルス状に噴射する液体噴射装置では、液体中に存在している気泡や、液体中に溶解していた気体が条件によって気泡化して発生した気泡が液体室内に滞留することで、切開や切除の能力が低下するという問題があった。すなわち、上述したように、パルス状の噴流は、液体室の容積を減少させて液体室内の液体を加圧することで発生させているので、液体室内に気泡があると、液体室の容積を減少させても気泡が圧縮されることによって液体を十分に加圧できない。このため、ノズルからパルス状に液体を噴射することができなくなり、切開や切除する能力が低下してしまうという課題を有していた。 However, in such a liquid ejecting apparatus that ejects liquid in a pulsed manner, bubbles that are generated in the liquid chamber due to bubbles that exist in the liquid or gas that has been dissolved in the liquid are retained in the liquid chamber. As a result, there was a problem that the ability of incision and excision deteriorated. That is, as described above, the pulsed jet is generated by reducing the volume of the liquid chamber and pressurizing the liquid in the liquid chamber. Therefore, if there are bubbles in the liquid chamber, the volume of the liquid chamber is decreased. Even if it makes it, it cannot fully pressurize the liquid by the bubble being compressed. For this reason, it has become a problem that the liquid cannot be ejected in a pulse form from the nozzle, and the ability to cut and excise is reduced.
本発明は、上述の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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係る液体噴射装置は、ノズルから液体を噴射する液体噴射装置であって、前記液体が供給される入口流路と、前記ノズルに連通する出口流路と、前記入口流路と前記出口流路との間で、変形可能な仕切壁によって渦巻き形状に区画された所与の容積を有する液体室と、前記液体室の容積を前記所与の容積よりも減少させる第1方向側に、前記液体室を変形させる容積変更部と、前記液体が前記液体室に充填された状態で、前記容積変更部を駆動することによって、前記ノズルから液体をパルス状に噴射させる噴射制御手段と、を備えていることを特徴とする。 Application Example 1 A liquid ejecting apparatus according to this application example is a liquid ejecting apparatus that ejects liquid from a nozzle, and includes an inlet flow path to which the liquid is supplied, an outlet flow path that communicates with the nozzle, A liquid chamber having a given volume partitioned in a spiral shape by a deformable partition wall between the inlet channel and the outlet channel, and the volume of the liquid chamber is reduced below the given volume. On the first direction side, a volume changing unit that deforms the liquid chamber, and driving the volume changing unit in a state where the liquid is filled in the liquid chamber, the liquid is ejected in a pulse form from the nozzle. And an injection control means.
本適用例によれば、入口流路から供給される液体が液体室に充填された状態で、容積変部を駆動すると、液体室が第1方向側に変形して容積変更部の駆動前よりも液体室の容積が減少するので、液体室内で加圧された液体が出口流路を通ってノズルから噴射される。この液体室の内部には、渦巻き形状の流路(渦巻き流路)が変形可能な仕切壁で形成されており、入口流路から供給される液体は、渦巻き形状の流路に沿って流れ、出口流路まで導かれるようになっている。 According to this application example, when the volume changing unit is driven in a state where the liquid supplied from the inlet channel is filled in the liquid chamber, the liquid chamber is deformed in the first direction side, and before the volume changing unit is driven. Since the volume of the liquid chamber is reduced, the liquid pressurized in the liquid chamber is ejected from the nozzle through the outlet channel. Inside the liquid chamber, a spiral channel (swirl channel) is formed with a deformable partition wall, and the liquid supplied from the inlet channel flows along the spiral channel, It leads to the outlet channel.
液体室内の液体の流れが不規則で流れが速い箇所と遅い箇所とがあると、流れの遅い箇所に気泡が滞留し易く、こうした気泡の存在によって液体室の圧力が十分に上昇しないので、液体を強く噴射できなくなってしまう。そこで、入口流路から出口流路まで液体を導く渦巻き流路を液体室に形成しておけば、液体室内の液体の流れが渦巻き流路に沿って規制される。よって、液体室内の全ての部分で液体が十分な速さの流速で流れるので、流れの遅い箇所に気泡が滞留することを抑制して、液体室内の気泡を出口流路から速やかに排出することができる。その結果として、気泡の影響を受けることなく、安定した液体の噴射が可能となる。 If the flow of the liquid in the liquid chamber is irregular and there are places where the flow is fast and slow, bubbles tend to stay in the place where the flow is slow, and the presence of such bubbles does not sufficiently increase the pressure in the liquid chamber. Will not be able to jet strongly. Therefore, if a spiral flow path that guides the liquid from the inlet flow path to the outlet flow path is formed in the liquid chamber, the flow of the liquid in the liquid chamber is regulated along the spiral flow path. Therefore, since the liquid flows at a sufficiently high flow velocity in all parts of the liquid chamber, it is possible to suppress the bubbles from staying in the slow-flowing portion and quickly discharge the bubbles in the liquid chamber from the outlet channel. Can do. As a result, the liquid can be stably ejected without being affected by bubbles.
また、渦巻き流路を形成する仕切壁は変形可能に設けられていることから、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁が出口流路に向かって流路を収縮させるように変形することによって、液体室内の加圧された液体を出口流路に向かって移動させ、液体を適切に噴射させることができる。 In addition, since the partition wall forming the spiral flow path is provided so as to be deformable, when the volume of the liquid chamber is reduced by driving the volume changing unit, the spiral partition wall is directed toward the outlet flow path. By deforming the flow path so as to contract, the pressurized liquid in the liquid chamber can be moved toward the outlet flow path, and the liquid can be appropriately ejected.
[適用例2]上記適用例に係る液体噴射装置において、前記容積変更部は圧電素子を有し、前記圧電素子を伸張させることによって前記液体室の容積を減少させ、且つ、前記圧電素子は、前記圧電素子を伸張させない状態において、前記液体室を押圧するよう配設されていること、が好ましい。 Application Example 2 In the liquid ejecting apparatus according to the application example, the volume changing unit includes a piezoelectric element, the volume of the liquid chamber is reduced by extending the piezoelectric element, and the piezoelectric element includes: It is preferable that the liquid chamber is disposed so as to press in a state where the piezoelectric element is not expanded.
このような構成によれば、伸張することで液体室の容積を減少させる圧電素子は、外部からの圧縮力に対しては強いが引張力に対しては弱いという特性を有しているので、圧電素子に引張力が作用すると破損の原因となる。そこで、圧電素子を伸張させない状態においても、液体室を押圧する状態で圧電素子を設けておけば、その押圧の反力として、圧電素子に対して圧縮方向の力を予め作用させておくことができる。これにより、圧電素子に引張方向の力がかかる際には、その引張方向の力が軽減されるので、引張力の作用による圧電素子の破損の発生を低減することが可能となる。 According to such a configuration, the piezoelectric element that reduces the volume of the liquid chamber by stretching has a characteristic that it is strong against an external compressive force but weak against a tensile force. If a tensile force acts on the piezoelectric element, it causes damage. Therefore, even when the piezoelectric element is not expanded, if the piezoelectric element is provided in a state of pressing the liquid chamber, a force in the compression direction can be applied in advance to the piezoelectric element as a reaction force of the pressing. it can. Thereby, when a force in the tensile direction is applied to the piezoelectric element, the force in the tensile direction is reduced, so that the occurrence of breakage of the piezoelectric element due to the action of the tensile force can be reduced.
さらに、圧電素子を伸張させない状態においても、液体室を押圧する状態で圧電素子を設けておけば、圧電素子が伸張し始めたときに直ちに液体室押圧を開始する。よって、圧電素子の伸張と液体室の押圧との間にストロークロスがなく、効率よく液体噴射が行えるという効果もある。 Further, even when the piezoelectric element is not expanded, if the piezoelectric element is provided in a state of pressing the liquid chamber, the liquid chamber pressing is started immediately when the piezoelectric element starts to expand. Therefore, there is no stroke loss between the extension of the piezoelectric element and the pressing of the liquid chamber, and there is an effect that the liquid can be efficiently ejected.
[適用例3]上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路の断面積が前記出口流路の断面積より小さく、且つ前記入口流路がキャピラリーであること、が好ましい。 Application Example 3 In the liquid ejecting apparatus according to the application example, it is preferable that a cross-sectional area of the inlet channel is smaller than a cross-sectional area of the outlet channel, and the inlet channel is a capillary.
このようにすれば、液体室の容積を縮小する際、入口流路からの逆流を抑えて液体室内の圧力を高め、断面積の大きい出口流路からの流出をし易くすることができる。 In this way, when the volume of the liquid chamber is reduced, the backflow from the inlet channel can be suppressed to increase the pressure in the liquid chamber, and the liquid chamber can easily flow out from the outlet channel.
[適用例4]上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第1方向側の面、または前記第1方向側の面と向かい合う第2方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が固定されていない状態で設けられていること、が好ましい。 Application Example 4 In the liquid ejecting apparatus according to the application example described above, the partition wall forming the liquid chamber faces the first direction side surface or the first direction side surface constituting the liquid chamber. It is preferable that it is provided upright from either one of the two-direction surfaces and the tip is not fixed.
このような構成によれば、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、仕切壁の先端側が出口流路に向けて倒れるように変形可能なので、液体室の内部に、仕切壁を乗り越えて出口流路に向かう液体の流れを発生させることができる。このように渦巻き流路を横切る流れによって出口流路に周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。 According to such a configuration, when the volume of the liquid chamber is reduced by driving the volume changing unit, the partition wall can be deformed so that the front end side of the partition wall falls toward the outlet channel. A liquid flow over the wall and toward the outlet channel can be generated. Thus, since the liquid is collected from the surroundings to the outlet channel by the flow crossing the spiral channel, the liquid can be appropriately ejected.
尚、渦巻き流路を形成する仕切壁は、必ずしも液体室の内面から立設されていなくてもよく、液体室の第1方向側の面および第2方向側の面のいずれの面にも固定されていない状態で設けておいてもよい。この場合には、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少すると、仕切壁が出口流路に向けて変形し、液体室内の液体も液体室の中央の出口流路に向かって移動させることができる。 The partition wall forming the spiral flow path does not necessarily stand from the inner surface of the liquid chamber, and is fixed to either the surface on the first direction side or the surface on the second direction side of the liquid chamber. You may provide in the state which is not done. In this case, when the volume of the liquid chamber is reduced by driving the volume changing unit, the partition wall is deformed toward the outlet channel, and the liquid in the liquid chamber is also moved toward the outlet channel in the center of the liquid chamber. Can do.
[適用例5]上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第1方向側の面、または前記第1方向側の面と向かい合う第2方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が前記一方の面と向かい合う他方の面に固定された状態で設けられていること、が好ましい。 Application Example 5 In the liquid ejecting apparatus according to the application example described above, the partition wall forming the liquid chamber faces the first direction side surface or the first direction side surface constituting the liquid chamber. It is preferable that it is provided in a state where it is erected from any one of the two-direction surfaces and is fixed to the other surface facing the one surface.
このような構成においても、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、液体室に対して両端(基部および先端)が固定された仕切壁が出口流路に向けて撓むように変形することによって、液体室内の液体は出口流路に向かって移動させることができる。 Even in such a configuration, when the volume of the liquid chamber is reduced by driving the volume changing unit, the partition wall having both ends (base and tip) fixed to the liquid chamber is bent toward the outlet channel. By deforming, the liquid in the liquid chamber can be moved toward the outlet channel.
[適用例6]上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室の流路は、断面積がほぼ均一に形成されていること、が好ましい。 Application Example 6 In the liquid ejecting apparatus according to the application example described above, it is preferable that the flow path of the liquid chamber has a substantially uniform cross-sectional area.
このように渦巻き流路の断面積をほぼ均一にしておけば、液体室に供給される液体を渦巻き流路に沿って一定の流速で流すことができる。そのため、流れの遅い箇所に気泡が滞留することは無く、液体室内の気泡を一定の流速の流れに乗せて速やかに出口流路から排出することが可能となる。 If the cross-sectional area of the spiral flow path is made substantially uniform in this way, the liquid supplied to the liquid chamber can flow at a constant flow rate along the spiral flow path. For this reason, bubbles do not stay in a slow flow place, and the bubbles in the liquid chamber can be quickly discharged from the outlet channel by being put on a flow having a constant flow velocity.
[適用例7]上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路は、前記液体室の外周縁部に連通され、前記出口流路は、前記液体室の中央部に連通されていること、が好ましい。 Application Example 7 In the liquid ejecting apparatus according to the application example, the inlet channel is communicated with an outer peripheral edge portion of the liquid chamber, and the outlet channel is communicated with a central portion of the liquid chamber. Are preferred.
このような構成にすれば、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、液体室に対して両端(基部および先端)が固定された仕切壁の中央部分が液体室の中央に向けて撓むように変形することによって、液体室内の液体は液体室の中央の出口流路に向かって移動することができる。これにより、液体室の内部に渦巻き形状の壁が設けられていても、この渦巻き形状の仕切壁の最内郭の内側には中央の出口流路に向かう液体の流れが生じて、出口流路に周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。 With such a configuration, when the volume of the liquid chamber is reduced by driving the volume changing section, the central portion of the partition wall with both ends (base and tip) fixed to the liquid chamber is the center of the liquid chamber. The liquid in the liquid chamber can be moved toward the outlet channel in the center of the liquid chamber by being deformed so as to bend toward the center. As a result, even if a spiral wall is provided inside the liquid chamber, a liquid flow toward the central outlet channel is generated inside the innermost wall of the spiral partition wall, and the outlet channel Since the liquid is collected from the surroundings, the liquid can be ejected appropriately.
[適用例8]上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路が、前記液体室の中央部に連通され、前記出口流路が、前記液体室の外周縁部に連通されていること、が好ましい。 Application Example 8 In the liquid ejecting apparatus according to the application example, the inlet channel is communicated with a central portion of the liquid chamber, and the outlet channel is communicated with an outer peripheral edge of the liquid chamber. Are preferred.
このような構成にすれば、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、液体室に対して両端(基部および先端)が固定された仕切壁のが液体室の外周方向に向けて撓むように変形することによって、液体室内の液体を液体室の外周縁の出口流路に向かって移動させることができる。これにより、液体室の内部に渦巻き形状の仕切壁が設けられていても、この渦巻き形状の仕切壁の最外郭の内側には外周縁の出口流路に向かう液体の流れが生じて、液体を強く噴射することができる。 With such a configuration, when the volume of the liquid chamber is reduced by driving the volume changing unit, the partition wall with both ends (base and tip) fixed to the liquid chamber is arranged in the outer circumferential direction of the liquid chamber. By deforming so as to bend, the liquid in the liquid chamber can be moved toward the outlet channel on the outer peripheral edge of the liquid chamber. As a result, even if a spiral partition wall is provided inside the liquid chamber, a liquid flow toward the outlet channel on the outer peripheral edge is generated inside the outermost wall of the spiral partition wall, so that the liquid is It can be injected strongly.
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で参照する図は、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
(実施形態1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The drawings referred to in the following description are schematic views in which the vertical and horizontal scales of each member or part are different from actual ones in order to make each member a recognizable size.
(Embodiment 1)
まず、実施形態1の代表実施例に係る液体噴射装置10の構成について説明する。
図1は、本実施形態の液体噴射装置10における代表実施例の主要構成を示した説明図である。本実施例の液体噴射装置10は、水や生理食塩水などの液体をパルス状に噴射する脈動発生部100と、液体を脈動発生部100に供給する液体供給手段300と、噴射する液体を収容する液体容器306と、脈動発生部100及び液体供給手段300の動作を制御する噴射制御手段としての制御部200と、を有して構成されている。
First, the configuration of the
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a main configuration of a representative example in the
脈動発生部100は、第2ケース106と第1ケース108とを重ねてネジ止めしたような構造となっており、第2ケース106の前面(第1ケース108と合わさる面とは反対側の面)には円管形状の液体噴射管104が接続され、液体噴射管104の先端にはノズル102が設けられている。
The
第2ケース106と第1ケース108との合わせ面には、液体が充填される液体室110が設けられており、この液体室110は、液体噴射管104を介してノズル102に連通されている。また、第1ケース108の内部には、容積変更部としての積層型の圧電素子112が設けられており、制御部200から駆動電圧波形を印加して圧電素子112を駆動する(伸縮させる)ことにより、液体室110の容積を変動させて、液体室110内の液体をノズル102からパルス状に噴射することが可能となっている。尚、脈動発生部100の詳細な構成については、図2を参照して後述する。
A
液体供給手段300は、第1接続チューブ302を介して液体容器306と接続されており、液体容器306から吸い上げた液体を、第2接続チューブ304を介して脈動発生部100の液体室110に供給する。本実施例の液体供給手段300は、図示は省略するが、2つのピストンがシリンダー内で摺動する構成となっており、双方のピストンの移動速度を適切に制御することで、脈動発生部100に向かって液体を安定して圧送させることが可能である。
The liquid supply means 300 is connected to the
制御部200は、脈動発生部100に内蔵された圧電素子112の動作や、液体供給手段300の動作を制御している。本実施例の液体噴射装置10では、液体供給手段300から供給する液体の流量や、圧電素子112に印加する駆動電圧の波形、最大電圧値および周波数を変更することによって、ノズル102からの液体の噴射態様を変化させることが可能となっている。
The
続いて、脈動発生部100の構成を図面を参照して説明する。
図2は、脈動発生部100の断面を示す分解組立図である。前述したように、脈動発生部100は、第2ケース106と第1ケース108とを合わせてネジ止めして構成されている。第1ケース108には、第2ケース106と合わさる面のほぼ中央に、円形の浅い凹部108cが形成されており、凹部108cの中央位置には、第1ケース108を貫通する円形断面の貫通穴108hが形成されている。そして、凹部108cの底面には、貫通穴108hを塞ぐように、金属薄板などで形成された円形のダイアフラム114が密着固着されている。
Next, the configuration of the
FIG. 2 is an exploded view showing a cross section of the
ダイアフラム114によって塞がれた貫通穴108hには、圧電素子112が収納され、更に、貫通穴108hの開口部は第3ケース118によって塞がれている。また、圧電素子112とダイアフラム114との間には、円形の補強板116が挿入されている。そして、第1ケース108の貫通穴108hに圧電素子112を収納して、第3ケース118で貫通穴108hを塞いだ状態では、ダイアフラム114と、補強板116と、圧電素子112と、第3ケース118とがちょうど接するように、補強板116の厚さが設定されている。尚、圧電素子112の一端は、第3ケース118に固着されており、圧電素子112の他端は、補強板116に固着されている。また、補強板116の圧電素子112とは反対側の面は、ダイアフラム114に固着されている。
The
ダイアフラム114の上(第2ケース106と向かい合う側)からは、円形の支持板120bの片面に仕切壁120wが第1方向側に立設された流路形成部材120が、支持板120bをダイアフラム114と重ね合わせるように凹部108cに嵌め込まれている。支持板120bは、仕切壁120wが立設された面とは反対側の面がダイアフラム114に固着されており、さらに、支持板120bとダイアフラム114とを加えた厚さが凹部108cの深さと同じになるように形成されている。また、流路形成部材120は、可撓性の材料で変形可能に形成されている。尚、流路形成部材120の仕切壁120wの形状については、図3を参照して後述する。
From above the diaphragm 114 (the side facing the second case 106), the flow
一方、第2ケース106には、第1ケース108と合わさる面に、円形の浅い凹部106cが形成されている。この凹部106cの内径は、第1ケース108に嵌め込まれた流路形成部材120の支持板120bの外径より小さく、かつ、支持板120bに立設された仕切壁120wを内包可能な大きさに設定されている。また、凹部106cの深さは、仕切壁120wの高さとほぼ同じになるように設定されている。
On the other hand, in the
そして、第2ケース106と第1ケース108とを合わせてネジ止めすると、第2ケース106の凹部106cと、第1ケース108側に設けられた流路形成部材120の支持板120bとによって、液体室110が形成される。さらに、流路形成部材120の仕切壁120wの先端(第2ケース106と向かい合う側の端部)は、第2ケース106の凹部106cの凹部底面106dに固着されて、液体室110の内部には、仕切壁120wによって仕切られた流路が形成される。
When the
しかし、これとは逆に、流路形成部材120の支持板120bが第2ケース106の凹部106cの凹部底面106dに固着されて、第2ケース106と第1ケース108とを合わせてネジ止めした状態では、流路形成部材120の仕切壁120wの先端(第1ケース108と向かい合う側:第2方向側の端部)が、第1ケース108に設けられたダイアフラム114に固着されていてもよい。
However, on the contrary, the
また、第2ケース106には、第2ケース106に接続された第2接続チューブ304から供給される液体を液体室110まで導く入口流路106a、および液体室110内で加圧された液体を液体噴射管104へと導く出口流路106bが設けられている。このうち、入口流路106aは、凹部106cの周縁の位置に開口しており、出口流路106bは、凹部106cの中央の位置に開口している。
In addition, the
第2ケース106の前面(第1ケース108と合わさる面とは反対側の面)に接続された液体噴射管104の内径は、出口流路106bの内径に比べて大きく設定されている。また、液体噴射管104の先端には、出口流路106bよりも内径が小さく設定された液体噴射開口部を有するノズル102が挿着されている。従って、液体室110から流出した液体が進む流路は、出口流路106bを通って液体噴射管104に到ると断面積が広くなり液体噴射管104の先端のノズル102の部分で再び断面積が狭くなるようになっている。
The inner diameter of the
次に、流路形成部材120の構成について図3を参照して説明する。
図3は、流路形成部材120の形状を示した説明図である。図3では、流路形成部材120を第2ケース106と向かい合う側から見た状態を示している。図示されているように、流路形成部材120の支持板120bは、ダイアフラム114と同一の円形に形成されており、この支持板120bの上面(第2ケース106と向かい合う面)に、支持板120bの中心部に向かって巻き込みながら旋回する渦巻き形状に仕切壁120wが立設されている。
Next, the configuration of the flow
FIG. 3 is an explanatory view showing the shape of the flow
この渦巻き形状の仕切壁120wは、最外郭の外周面が凹部106cの内周面と接するように形成されており、さらに、多重(図3の例では5重)に巻かれた仕切壁120wと仕切壁120wとの間隔は、ほぼ一定に設定である。前述したように、第2ケース106と第1ケース108とを合わせてネジ止めすると、仕切壁120wによって、液体室110の内部には、周縁部から旋回しつつ中央に向かう渦巻き形状の流路(以下、渦巻き流路という)が形成される。
The
また、前述したように、第2ケース106の凹部106cには、入口流路106aおよび出口流路106bが接続されており、第2ケース106と第1ケース108とを適切な位置で合わせてネジ止めすると、液体室110の内部に形成される渦巻き流路の中央側の突き当たり部分に出口流路106bが開口し、渦巻き流路の周縁側の突き当たり部分に入口流路106aが開口するようになっている。
Further, as described above, the
以上のように構成された脈動発生部100では、圧電素子112に駆動電圧波形を印加して圧電素子112を駆動する(伸縮させる)ことによって、ノズル102から液体をパルス状に噴射することが可能となっている。以下に、脈動発生部100が液体を噴射する動作について説明する。
(実施形態1に係る液体噴射動作)
In the
(Liquid ejection operation according to Embodiment 1)
続いて、本実施形態に係る脈動発生部100による液体噴射動作について説明する。
図4および図5は、脈動発生部100が液体を噴射する様子を示した説明図であって、図4は、圧電素子112を駆動しない状態(圧電素子112に駆動電圧波形を印加する前の状態)を表している。図4(a)に示すように、液体供給手段300から第2接続チューブ304を介して脈動発生部100に供給される液体が入口流路106aを通って液体室110へと流入することにより、液体室110内が液体で満たされる。尚、図中の破線の矢印は、液体の流れを模式的に表している。
Next, the liquid ejecting operation by the
4 and 5 are explanatory views showing a state in which the
また、前述したように、液体室110の内部には、流路形成部材120の仕切壁120wで区画されることによって、渦巻き流路が形成されており、図4(b)に示すように、液体室110の周縁部に開口する入口流路106aから流入した液体は、渦巻き流路(仕切壁120w)に沿って旋回しながら、液体室110の中央に開口する出口流路106bへと導かれる。このように渦巻き流路に沿って液体の流れを規制することによって、液体室110内に流れの速い箇所と遅い箇所とが生じることは無く、入口流路106aから流入した液体を出口流路106bまでほぼ均一な流速で流すことができる。
Further, as described above, a spiral flow path is formed in the
なお、前述したように、液体供給手段300からは液体が途切れることなく供給されるので、液体室110内が液体で満たされると、圧電素子112が駆動していなくても、液体室110内の液体が出口流路106bを通って液体噴射管104に向けて押し出されることになる。
As described above, since the liquid is supplied from the liquid supply means 300 without interruption, when the
図5は、圧電素子112を駆動して液体室110を押圧した状態を示している。液体室110が液体で満たされた状態で、圧電素子112に駆動電圧波形が印加さると、図5(a)に示すように、圧電素子112が駆動電圧の増加によって伸張し、補強板116を介してダイアフラム114および流路形成部材120の支持板120bを液体室110に向けて押圧する。このことによって、液体室110の容積が減少する。その結果、液体室110内の液体が加圧される。液体室110内で加圧された液体は、図5(a)中に破線の矢印で示したように、出口流路106bおよび液体噴射管104を介して、ノズル102からパルス状に噴射される。
FIG. 5 shows a state in which the
なお、液体室110には、入口流路106aおよび出口流路106bの2つの流路が連通されている。従って、液体室110内で加圧された液体は、出口流路106bだけでなく、入口流路106aからも流出すると考えられる。しかし、流路の液体の流れ易さは、流路の断面積や流路の長さ等によって定まるので、入口流路106aおよび出口流路106bの断面積や長さを適切に設定しておけば、入口流路106aよりも出口流路106bから液体が流出し易くすることが可能である。例えば、本実施例では、出口流路106bの直径は1mm程度、入口流路106aの直径は0.3mm程度のキャピラリー形状である。よって、入口流路106aからの逆流は抑制される。
Note that the
また、入口流路106aでは、液体供給手段300から圧送される液体が液体室110内に流入しようとする流れがあるので、液体室110内の液体の流出を妨げるのに対して、出口流路106bでは、液体室110内の液体の流出を妨げる抵抗や流体慣性を増加する要素は少ない。そのため、液体室110内で加圧された液体は、もっぱら出口流路106bから流出して、液体噴射管104を介して先端のノズル102から噴射される。
In addition, in the
前述したように、本実施例の液体室110の内部は、流路形成部材120の仕切壁120wによって渦巻き状に仕切られている。しかし、圧電素子112の伸張によって液体室110の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁120w(渦巻き流路)に沿って液体が流れるのではなく、仕切壁120wが出口流路106b側(液体室110の中央部)に向けて変形することによって、液体室110内の液体は液体室110の中央に向かって移動するようになっている。この点について補足して説明する。
As described above, the interior of the
先ず、多重に巻回された渦巻き形状の仕切壁120wの最も内郭を成す仕切壁120wを例に考えると、最内郭の仕切壁120wの内側では、出口流路106bが液体室110の中央部に開口しているので、液体室110の容積が減少する際には、液体が出口流路106bから流出することによって圧力の上昇が抑えられる。
First, considering an example of the
これに対して、仕切壁120wの外側では、入口流路106aはキャピラリーであり、流体の流出を抑制するため仕切壁120wの内側に比べて圧力が上昇することになる。仕切壁120wは、可撓性の材料で変形可能に形成されていることから、圧力の高い外側から圧力の低い内側に向けて仕切壁120wを押して変形させて、内側と外側との圧力差を減少させようとする。尚、本実施例の仕切壁120wは、支持板120bから立設されており、かつ、先端が第2ケース106の凹部106cの凹部底面106dに固着されているので、図5(a)に示すように、仕切壁120wの中央部分が外側から押されて内側に撓むように変形する。
On the other hand, outside the
このような仕切壁120wの内側と外側との圧力差は、最内郭の仕切壁120wだけでなく、最内郭の仕切壁120wが内側に変形して外側の圧力が低下することによって、2重目の仕切壁120wにも生じ、同様に、3重目の仕切壁120wにも伝播する。従って、渦巻き形状の仕切壁120wは、全体的に液体室110の中央に向かって渦巻きを収縮させるように変形する。なお、仕切壁120wの変位は、図5(a)に示すように、内径の小さい最内郭の仕切壁120wで最も大きくなっている。
The pressure difference between the inner side and the outer side of the
このように圧電素子112の伸張によって液体室110の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁120wの中央部分が液体室110の中央に向けて撓むように変形することで、液体室110内の液体は、図5(b)に示すように、液体室110の中央の出口流路106bに向かって移動することになる。
Thus, when the volume of the
ここで、圧電素子112の伸張によって液体室110の容積が減少すると、それに対応する分量の液体が出口流路106bに集められて押し出されることで、液体噴射管104の先端のノズル102から液体が噴射される。このとき、液体室110内の渦巻き形状の仕切壁120wが妨げとなって、中央の出口流路106bに周囲から十分な量の液体を集めることができないとも考えられる。しかし、本実施例の脈動発生部100では、圧電素子112の伸張による変位量はわずかであり、1回のパルスで噴射される液体の量(噴射量)は、液体室110の容積に対して1/100程度であることから、仕切壁120wが液体室110の中央に向けてわずかに変形するだけで、出口流路106bに周囲から十分な量の液体が集められる。
Here, when the volume of the
例えば、噴射量Vを液体室110の容積の1/100として、液体室110の内半径をR、液体室110の厚さ(凹部106cの深さ)をHとすると、
V=πR2H/100 式(1)
と表すことができる。
For example, when the injection amount V is 1/100 of the volume of the
V = πR 2 H / 100 Formula (1)
It can be expressed as.
また、渦巻き状の仕切壁120wの最内郭の内半径をrとして、最内郭の仕切壁120wが液体室110の中央に向けて距離sだけ変位することで出口流路106bに集められて押し出された分量の液体がノズル102から噴射されるとすると、噴射量Vは、変形前の最内郭の内側の容積V1と、変形後の最内郭の内側の容積V2との差であることから、
V1=πr2H
V2=π(r−s)2H
V=V1−V2=πH{r2−(r2−2rs+s2)}
=πH(2rs−s2)
と表すことができる。
The innermost inner radius of the
V1 = πr 2 H
V2 = π (rs) 2 H
V = V1−V2 = πH {r 2 − (r 2 −2rs + s 2 )}
= ΠH (2rs−s 2 )
It can be expressed as.
ここで、距離sがわずかな変位量であれば、s2は極めて小さな値となる。従って、
V≒2πrsH 式(2)
と近似することができる。
Here, if the distance s is a slight displacement, s 2 is a very small value. Therefore,
V≈2πrsH Formula (2)
And can be approximated.
そして、例えば、最内郭の仕切壁120wの内半径rが液体室110の内半径Rの半分(1/2)に設定されている場合には、上記の式(1)および式(2)の2つの式から、
2π(R/2)sH=πR2H/100 式(3)
s=R/100 式(4)
となり、最内郭の仕切壁120wが液体室110の中央に向けて、液体室110の内半径の1/100というスケールでわずかに変位するだけで、噴射量に相当する液体が出口流路106bに集められるので、液体の噴射に際して液体室110内の渦巻き形状の仕切壁120wが妨げとなることはない。
For example, when the inner radius r of the
2π (R / 2) sH = πR 2 H / 100 (3)
s = R / 100 Formula (4)
The
このようにして液体を噴射した後、駆動電圧の減少によって圧電素子112は収縮して元の長さに戻る。それに伴って液体室110の容積が元の容積に復元する。また、液体供給手段300から液体室110に供給される液体が渦巻き流路(仕切壁120w)に沿って流れることで液体室110内を満たし、液体室110内の仕切壁120wも元の直立した状態に復元する。その結果、図4に示した圧電素子112が駆動する前の状態に復帰する。
After the liquid is ejected in this manner, the
そして、再び駆動電圧の増加によって圧電素子112が伸張すると、図5に示したように液体室110内で加圧された液体がノズル102から噴射される。こうした動作を繰り返すことによって、本実施例の脈動発生部100では、ノズル102から液体をパルス状に噴射することが可能となっている。
Then, when the
以上に説明したように、本実施例の液体噴射装置10では、液体室110の内部に仕切壁120wで仕切られた渦巻き流路が形成されており、液体室110の周縁部に開口する入口流路106aから流入した液体は、渦巻き流路(仕切壁120w)に沿って、液体室110の中央に開口する出口流路106bへと流れることから、液体室110内に気泡が滞留し難くすることが可能である。
As described above, in the
液体室110内の気泡は、液体の流れに乗って出口流路106bから排出されるが、従来技術のように単に液体室110に入口流路106aと出口流路106bとを接続しただけの構成では、液体室110内に液体の流れが速い箇所と遅い箇所とが生じ易く、流れの遅い箇所に気泡が滞留することがある。そして、液体室110内に気泡が存在すると、液体の圧力が十分に上昇せず、液体を適切に噴射できなくなってしまう。これに対して、液体室110の内部に渦巻き流路を形成しておけば、液体室110内の液体の流れを渦巻き流路に沿って一定の流れに規制することができるので、流れの遅い箇所に気泡が滞留することが無く、液体室110内の気泡の排出が容易となる。結果として、安定した液体の噴射を維持することが可能となる。
Bubbles in the
また、液体室110の内部で渦巻き流路を形成する仕切壁120wは、可撓性の材料で変形可能に設けられていることから、圧電素子112が伸張して液体室110の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁120wの中央部分が液体室110の中央に向けて撓むように変形することによって、仕切壁120wがない場合と同様に、液体室110内の加圧された液体は、液体室110の中央に向かって移動することができる。そのため、渦巻き状の仕切壁120wの最内郭よりも内側には、中央に開口する出口流路106bに向かう液体の流れが生じて、出口流路106bに周囲から液体が集められる。このように本実施例の液体噴射装置10では、液体室110の内部に仕切壁120wが設けられているものの、液体を噴射するに際して仕切壁120wが妨げとなることはなく、液体を適切に噴射することができる。
In addition, since the
以上に説明した実施形態1に係る脈動発生部100には、幾つかの変形例が存在している。以下では、これら変形例について説明する。なお、変形例の説明にあたっては、前述した実施形態1と同様の構成部分については、先に説明した実施形態1と同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
(第1変形例)
In the
(First modification)
前述した実施例(図4、参照)では、流路形成部材120の仕切壁120wは、支持板120bから立設されており、かつ、先端が第2ケース106の凹部底面106dに固着されていた。しかし、仕切壁120wの先端は、必ずしも第2ケース106の凹部底面106dに固着されていなくてもよい。
In the above-described embodiment (see FIG. 4), the
図6は、第1変形例の脈動発生部100の内部構造を示した説明図である。図6(a)には、圧電素子112が駆動していない状態が示されており、図6(b)には、駆動電圧の印加によって圧電素子112が伸張した状態が示されている。図6(a)に示されているように、第1変形例の脈動発生部100にも、前述した実施例(図4、参照)と同様に、支持板120bに渦巻き形状の仕切壁120wが立設された流路形成部材120が設けられている。液体室110の内部には、仕切壁120wによって仕切られた渦巻き流路が形成されている。ただし、第1変形例では、前述した実施例と異なり、仕切壁120wの先端(第2ケース106と向かい合う側:第1方向側の端部)が第2ケース106の凹部底面106dに固着されておらず、仕切壁120wの先端と凹部底面106dとの間には、わずかな間隙が設けられている。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the internal structure of the
このような第1変形例の脈動発生部100においても、前述した実施例と同様に、液体室110の周縁部に開口する入口流路106aから流入した液体が、渦巻き流路(仕切壁120w)に沿って旋回しながら、中央の出口流路106bへと流れることによって、液体室110内が液体で満たされる。なお、仕切壁120wの先端と凹部底面106dとの間隙はわずかであることから、液体室110に流入した液体は、もっぱら渦巻き流路に沿って流れる。
In the
こうして液体室110が液体で満たされた状態で、駆動電圧の印加によって圧電素子112が伸張すると、液体室110の容積が減少して、液体室110内の液体が加圧される。このとき、前述したように仕切壁120wの内側と外側とで圧力差が生じるので、圧力の高い外側から圧力の低い内側に向けて仕切壁120wが押されて変形する。第1変形例の脈動発生部100では、仕切壁120wの先端が第2ケース106の凹部106cに固着されていないので、図6(b)に示すように、仕切壁120wの先端側が液体室110の中央に向けて倒れるように変形する。
When the
このように仕切壁120wの先端側が液体室110の中央に向けて倒れると、仕切壁120wの外側の液体が仕切壁120wを乗り越えて内側に流れ込むことから、液体室110の内部には、渦巻き流路を横切って中央の出口流路106bに向かう液体の流れが生じる。
When the leading end side of the
以上に説明したように、第1変形例の脈動発生部100では、仕切壁120wの先端が第2ケース106の凹部底面106dに固着されていないものの、液体室110に液体が充填される際には、前述した実施例と同様に、液体室110内の液体の流れを、仕切壁120wによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流速に規制することができる。従って、流れの遅い箇所に気泡が滞留することが無く、液体室110内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
As described above, in the
また、圧電素子112が伸張して液体室110の容積が減少する際には、第2ケース106の凹部底面106dに固着されていない仕切壁120wの先端が液体室110の中央に向けて倒れることによって、液体室110の内部には、仕切壁120wを乗り越えて中央の出口流路106bに向かう液体の流れが生じる。このように、渦巻き流路を横切る流れによって中央の出口流路106bに周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
(第2変形例)
Further, when the
(Second modification)
続いて、第2変形例に係る脈動発生部100について説明する。上述した第1変形例では、流路形成部材120の仕切壁120wは、支持板120bから立設されていた。しかし、仕切壁120wは、必ずしも支持板120bから立設されていなくてもよい。
Next, the
図7は、第2変形例に係る脈動発生部100の内部構造を示した説明図である。図7(a)には、圧電素子112が駆動していない状態が示されており、図7(b)には、駆動電圧の印加によって圧電素子112が伸張した状態が示されている。図7(a)に示すように、第2変形例の脈動発生部100においても、前述した実施例と同様に、液体室110の内部には、渦巻き形状の仕切壁120wによって仕切られた渦巻き流路が形成されている。この仕切壁120wは、第2ケース106の凹部底面106dに固着されておらず、凹部106cとの間にわずかな間隙が設けられている。また、仕切壁120wの全体が支持板120bから立設されているわけではなく、多重に巻かれた渦巻き形状の仕切壁120wのうち最も外郭を成す部分だけが支持板120bに立設されており(図3、参照)、残りの部分は、渦巻き形状に一連であるものの、支持板120bに固定されてはいない。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the internal structure of the
このような第2変形例の脈動発生部100においても、液体室110に液体が充填される際には、前述した実施例と同様に、液体室110内の液体の流れが、仕切壁120wによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流れに規制されるので、その流れに乗せて液体室110内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
Also in the
一方、図7(b)に示すように、圧電素子112の伸張によって液体室110の容積が減少して、前述したように仕切壁120wの内側と外側とで圧力差が生じると、圧力の高い外側から圧力の低い内側に向けて仕切壁120wが押される。このとき、渦巻き形状の仕切壁120wの支持板120bに固定されていない部分は、ちょうどゼンマイが巻き上げられるように、液体室110の中央に向けて移動することから、液体室110内の加圧された液体は、液体室110の中央に向かって移動する。加えて、仕切壁120wを乗り越えて渦巻き流路に交差するように中央の出口流路106bに向かう液体の流れが生じて、出口流路106bに周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the volume of the
以上、本発明の液体噴射装置10について各種の実施例を説明したが、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。
Although various embodiments of the
例えば、上述した実施例及び変形例においては、液体室110に供給された液体を効率的に出口流路106bへと導くために、出口流路106bが、液体室110を構成する凹部106cの中央位置に開口する構成としていた。しかし、出口流路106bが開口する位置は、凹部106cの中央位置に限られるわけではなく、少なくとも出口流路106bが入口流路106aよりも凹部106cの中央に近い位置に開口する位置関係になっていればよい。
For example, in the above-described embodiments and modifications, the
また、上述した実施例及び変形例においては、液体室110の内部に仕切壁120wによって渦巻き形状の流路を形成していた。しかし、液体室110の内部に形成する流路は、液体室110の周縁部から旋回しつつ中央に向かう形状であれば特に限定されず、例えば、つづら折り形状等の変形を加えてもよい。
(実施形態2)
In the above-described embodiment and modification, a spiral flow path is formed in the
(Embodiment 2)
続いて、実施形態2に係る液体噴射装置10について説明する。前述した実施形態1及び変形例では、出口流路106bが、渦巻き形状に形成された液体室110の中央部に、入口流路106aが液体室110の外周縁部に連通されている。それに対して、実施形態2では出口流路106bが、渦巻き形状に形成された液体室110の外周縁部に、入口流路106aが液体室110の中央部に連通されていることを特徴とする。よって、実施形態2の説明にあたっては、前述した実施形態1と同様の構成部分については、先に説明した実施形態1と同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
Next, the
図8は、実施形態2に係る脈動発生部100の断面の一部を示す分解組立図である。脈動発生部100は、第1ケース108、第2ケース106、と合わさる面のほぼ中央に、円形の浅い凹部108cが形成されており、凹部108cの底面には、貫通穴108hを塞ぐように、金属薄板などで形成された円形のダイアフラム114が密着固着されている。
FIG. 8 is an exploded view showing a part of a cross section of the
ダイアフラム114によって塞がれた貫通穴108hには、圧電素子112が収納されている。圧電素子112とダイアフラム114との間には、円形の補強板116が挿入されている。そして、ダイアフラム114と、補強板116と、圧電素子112と、第3ケース118(図2、参照)とがちょうど接するように、補強板116の厚さが設定されている。尚、圧電素子112の一端は、第3ケース118に固着されており、圧電素子112の他端は、補強板116に固着されている。また、補強板116の圧電素子112に対して反対側の面は、ダイアフラム114に固着されている。
The
ダイアフラム114の上(第2ケース106と向かい合う側)からは、円形の支持板120bの片面に仕切壁120wが立設された流路形成部材120が、支持板120bをダイアフラム114と重ね合わせるように凹部108cに嵌め込まれている。支持板120bは、仕切壁120wが立設された面とは反対側の面がダイアフラム114に固着されており、さらに、支持板120bとダイアフラム114とを加えた厚さが凹部108cの深さと同じになるように形成されている。また、流路形成部材120は、可撓性の材料で変形可能に形成されている。尚、流路形成部材120の仕切壁120wの形状については、図9を参照して後述する。
From above the diaphragm 114 (on the side facing the second case 106), the flow
一方、第2ケース106には、第1ケース108と合わさる面に、円形の浅い凹部106cが形成されている。そして、第2ケース106と第1ケース108とを合わせてネジ止めすると、第2ケース106の凹部106cと、第1ケース108側に設けられた流路形成部材120の支持板120bとによって、液体室110が形成される。さらに、流路形成部材120の仕切壁120wの先端(第2ケース106と向かい合う側:第1方向側の端部)は、第2ケース106の凹部106cの凹部底面106dに固着されて、液体室110の内部には、仕切壁120wによって仕切られた渦巻き形状の流路が形成される。
On the other hand, in the
しかし、これとは逆に、流路形成部材120の支持板120bが第2ケース106の凹部106cの凹部底面106dに固着されて、第2ケース106と第1ケース108とを合わせてネジ止めした状態では、流路形成部材120の仕切壁120wの先端(第1ケース108と向かい合う側:第2方向側の端部)が、第1ケース108に設けられたダイアフラム114に固着されていてもよい。
However, on the contrary, the
渦巻き形状の液体室110の中央部には、入口流路106aが連通され、外周縁部には出口流路106bが連通されている。入口流路106aには、第1接続チューブ304が接続され、出口流路106bには液体噴射管104が接続されている。
An
次に、流路形成部材120の構成について図9を参照して説明する。
図9は、流路形成部材120の形状を示した説明図である。図9では、流路形成部材120を第2ケース106と向かい合う側から見た状態を示している。図示されているように、流路形成部材120の支持板120bは、ダイアフラム114と同一の円形に形成されており、この支持板120bの上面(第2ケース106と向かい合う面)に、支持板120bの中心部に向かって巻き込みながら旋回する渦巻き形状に仕切壁120wが立設されている。
Next, the configuration of the flow
FIG. 9 is an explanatory view showing the shape of the flow
この渦巻き形状の仕切壁120wは、最外郭の一部外周面が凹部106cの内周面と接するように形成されており、さらに、多重(図3の例では5重)に巻かれた仕切壁120wと仕切壁120wとの間隔は、ほぼ一定に設定である。前述したように、第2ケース106と第1ケース108とを合わせてネジ止めすると、仕切壁120wによって、液体室110の内部には、中心部から旋回しつつ外周縁部に向かう渦巻き流路が形成される。
The spiral-shaped
また、図8(a)に示したように、第2ケース106の凹部106cには、入口流路106aおよび出口流路106bが連通されており、第2ケース106と第1ケース108とを適切な位置で合わせてネジ止めすると、液体室110の内部に形成される渦巻き流路の中央側の突き当たり部分に入口流路106aが開口し、渦巻き流路の外周縁側の突き当たり部分に出口流路106bが開口するようになっている。
Further, as shown in FIG. 8A, the
以上のように構成された脈動発生部100においても、圧電素子112に駆動電圧波形を印加して圧電素子112を駆動する(伸縮させる)ことによって、ノズル102から液体をパルス状に噴射することが可能となっている。なお、液体室110内の液体の流動方向を図9中に破線で表している。
(実施形態2に係る液体噴射動作)
Also in the
(Liquid ejection operation according to Embodiment 2)
続いて、本実施形態に係る脈動発生部100による液体噴射動作について説明する。
図10は、脈動発生部100が液体を噴射する様子を示した説明図である。なお図示は省略するが、圧電素子112を駆動しない状態(駆動電圧を印加しない状態)では、液体供給手段300から第2接続チューブ304を介して脈動発生部100に供給される液体が入口流路106aを通って液体室110へと流入することにより、液体室110内が液体で満たされる。
Next, the liquid ejecting operation by the
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a state in which the
液体室110の内部には、流路形成部材120の仕切壁120wで区画されることによって、渦巻き流路が形成されており、液体室110の中央部に開口する入口流路106aから流入した液体は、渦巻き流路(仕切壁120w)に沿って旋回しながら、液体室110の外周縁部に開口する出口流路106bへと導かれる。このように渦巻き流路に沿って液体の流れを規制することによって、液体室110内に流れの速い箇所と遅い箇所とが生じることは無く、入口流路106aから流入した液体を出口流路106bまでほぼ均一な流速で流すことができる。
A spiral flow path is formed inside the
なお、液体供給手段300からは、液体がほぼ一定圧力で途切れることなく供給されるので、液体室110内が液体で満たされると、圧電素子112が駆動していなくても、液体室110内の液体が出口流路106bを通って液体噴射管104に向けて押し出されることになる。
In addition, since the liquid is supplied from the liquid supply means 300 at a substantially constant pressure without interruption, when the
図10は、圧電素子112を駆動して液体室110を押圧した状態を示している。液体室110が液体で満たされた状態で、圧電素子112に駆動電圧波形が印加さると、図10(a)に示すように、圧電素子112が駆動電圧の増加によって伸張し、補強板116を介してダイアフラム114および流路形成部材120の支持板120bを液体室110に向けて押圧する。このことによって、液体室110の容積が減少する。その結果、液体室110内の液体が加圧される。液体室110内で加圧された液体は、図10(a)中に破線の矢印で示したように、出口流路106bおよび液体噴射管104を介して、ノズル102からパルス状に噴射される。
FIG. 10 shows a state where the
なお、液体室110には、入口流路106aおよび出口流路106bの2つの流路が接続されている。従って、液体室110内で加圧された液体は、出口流路106bだけでなく、入口流路106aからも流出すると考えられる。しかし、流路の液体の流れ易さは、流路の断面積や流路の長さ等によって定まるので、入口流路106aおよび出口流路106bの断面積や長さを適切に設定しておけば、入口流路106aよりも出口流路106bから液体が流出し易くすることが可能である。例えば、本実施例では、出口流路106bの直径は1mm程度、入口流路106aの直径は0.3mm程度のキャピラリー形状である。よって、入口流路106aからの逆流は抑制される。
The
また、入口流路106aでは、液体供給手段300から圧送される液体が液体室110内に流入しようとする流れがあるので、液体室110内の液体の流出を妨げるのに対して、出口流路106bでは、液体室110内の液体の流出を妨げるような抵抗や流体慣性を増加する要素は少ない。そのため、液体室110内で加圧された液体は、もっぱら出口流路106bから流出して、液体噴射管104を介して先端のノズル102から噴射される。
In addition, in the
本実施例の液体室110の内部は、流路形成部材120の仕切壁120wによって渦巻き状に仕切られている。しかし、圧電素子112の伸張によって液体室110の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁120w(渦巻き流路)に沿って液体が流れるのではなく、仕切壁120wが出口流路106b側(液体室110の中央部)に向けて変形することによって、液体室110内の液体は液体室110の外周側に向かって移動するようになっている。この点について補足して説明する。
The interior of the
先ず、多重に巻回された渦巻き形状の仕切壁120wの最も内郭を成す仕切壁120wを例に考えると、最内郭の仕切壁120wの内側では、入口流路106aが液体室110の中央部に開口しているので、液体室110の容積が減少する際には、液体が出口流路106bから流出することによって圧力の上昇が抑えられる。
First, considering as an example the
これに対して、仕切壁120wの内側では、入口流路106aはキャピラリーであり、流体の流出を抑制するため、仕切壁120wの外側に比べて圧力が上昇することになる。仕切壁120wは、可撓性の材料で変形可能に形成されていることから、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁120wを押して変形させて、内側と外側との圧力差を減少させようとする。なお、本実施例の仕切壁120wは、支持板120bから立設されており、かつ、先端が第2ケース106の凹部106cの凹部底面106dに固着されているので、図10(a)に示すように、仕切壁120wの中央部分が内側から押されて外側に撓むように変形する。
On the other hand, the
このような仕切壁120wの内側と外側との圧力差は、最内郭の仕切壁120wだけでなく、最内郭の仕切壁120wが外側に変形して内側の圧力が低下することによって、2重目の仕切壁120wにも生じ、同様に、3重目の仕切壁120wにも伝播する。従って、渦巻き形状の仕切壁120wは、全体的に液体室110の外周側に向かって渦巻きを拡大させるように変形する。
The pressure difference between the inner side and the outer side of the
このように圧電素子112の伸張によって液体室110の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁120wの中央部分が液体室110の外側に向けて撓むように変形することで、液体室110内の液体は、図10(b)に示すように、液体室110の中央部から外周縁部の出口流路106bに向かって移動することになる。
Thus, when the volume of the
ここで、圧電素子112の伸張によって液体室110の容積が減少すると、それに対応する分量の液体が出口流路106bに集められて押し出されることで、液体噴射管104の先端のノズル102から液体が噴射される。このとき、液体室110内の渦巻き形状の仕切壁120wが妨げとなって、外周部の出口流路106bに周囲から十分な量の液体を集めることができないとも考えられる。しかし、本実施例の脈動発生部100では、圧電素子112の伸張による変位量はわずかであり、1回のパルスで噴射される液体の量(噴射量)は、液体室110の容積に対して1/100程度であることから、仕切壁120wが液体室110の中央に向けてわずかに変形するだけで、出口流路106bに中央部から十分な量の液体が集められる。なお、このことに対する技術的論理は、実施形態1で説明した式(1)〜式(4)によって裏付けられる。
Here, when the volume of the
また、図10(a)に示すように、支持板120bの周縁部は第1ケース108と第2ケース106とで挟まれるようにして固定されており、補強板116の外径は支持板120bの外径より小さく、さらに、圧電素子112の断面寸法は補強板116の外径よりも小さい。従って、圧電素子112によって液体室110を押圧すると、入口流路106aが配設される中央部を中心にして外周縁が反るため、中央部付近では液体室110の押圧量が大きく、容積の変化が大きい。また、外周側では押圧量が小さく、容積の変化が小さい。つまり、液体室110内の圧力は、中央部が高く、外周部は低くなるものと考えられる。従って、入口流路106aには液体供給手段300からほぼ一定の圧力で液体が圧送されていることを含めて液体室110内の液体は、中央部から外周部へ強く押し出されることになる。
Further, as shown in FIG. 10A, the peripheral edge of the
従って、中央部にある流入口110a付近の圧力は大きくなり、流入口110aに液体の戻し圧力が高くなる。しかし、流入口110aの直径がキャピラリーと想定できるほど小さいため、液体室110から流入口110aへの逆流が抑制されることから、液体室110の圧力を高めることができ、強い液体噴射を得ることができる。
Accordingly, the pressure in the vicinity of the inlet 110a in the center increases, and the return pressure of the liquid at the inlet 110a increases. However, since the diameter of the inlet 110a is small enough to be assumed to be a capillary, the backflow from the
なお、以上に説明した実施形態2に係る液体噴射装置10には、前述した実施形態1の第1変形例及び第2変形例と同様な技術思想に基づく変形例が存在している。
The
例えば、前述した第1変形例(図6、参照)と同様な考え方の変形例を用いることができる。つまり、仕切壁120wの先端(第2ケース106と向かい合う側の端部)を第2ケース106の凹部底面106dに固着させず、仕切壁120wの先端と凹部底面106dとの間には、わずかな間隙が設ける形態である。実施形態2では、入口流路106aを液体室110の中央部に連通させ、出口流路106bを液体室110の外周端部に連通させていることから、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁120wが押されて変形する。つまり、仕切壁120wは、図6(b)に示す変形方向とは逆方向の外周方向に変形する。
For example, a modified example having the same concept as the first modified example (see FIG. 6) described above can be used. That is, the tip of the
従って、脈動発生部100では、仕切壁120wの先端が第2ケース106の凹部底面106dに固着されていないものの、液体室110に液体が充填される際には、液体室110内の液体の流れを、仕切壁120wによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流れに規制することができる。従って、流れの遅い箇所に気泡が滞留することが無く、液体室110内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
Therefore, in the
また、圧電素子112が伸張して液体室110の容積が減少する際には、第2ケース106の凹部底面106dに固着されていない仕切壁120wの先端が液体室110の外側に向けて倒れることによって、液体室110の内部には、仕切壁120wを乗り越えて外周縁部の出口流路106bに向かう液体の流れが生じる。このように、渦巻き流路を横切る流れによって出口流路106bに液体が集められるので、液体を強く噴射することができる。
Further, when the
また、前述した第2変形例(図7、参照)と同様な考え方の変形例を用いることができる。つまり、仕切壁120wは、第2ケース106の凹部底面106dに固着されておらず、凹部106cとの間にわずかな間隙を設けている。また、仕切壁120wの全体が支持板120bから立設されているわけではなく、多重に巻かれた渦巻き形状の仕切壁120wのうち最も外郭を成す部分だけが支持板120bに立設されており(図7、参照)、残りの部分は、渦巻き形状に一連であるものの、支持板120bに固定されてはいない。
Further, a modified example having the same concept as the above-described second modified example (see FIG. 7) can be used. That is, the
このような第2変形例を応用した脈動発生部100においても、液体室110に液体が充填される際には、前述した実施例と同様に、液体室110内の液体の流れが、仕切壁120wによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流れに規制されるので、その流れに乗せて液体室110内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
Also in the
一方、圧電素子112の伸張によって液体室110の容積が減少して、前述したように仕切壁120wの内側と外側とで圧力差が生じると、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁120wが押される。このとき、液体室110内の加圧された液体は、液体室110の外側方向に向かって移動する。加えて、仕切壁120wを乗り越えて渦巻き流路に交差するように外周縁部の出口流路106bに向かう液体の流れが生じて、出口流路106bに液体が集められるので、液体を強く噴射することができる。
On the other hand, when the volume of the
以上説明した液体噴射装置10は、水や生理食塩水などの液体を生体組織に向けて噴射することで、生体組織を切開あるいは切除する手術具として、あるいは傷口等への薬液塗布、あるいは洗浄等の医療用の他に、液体としてインクなどを用いた描画、精密部品の洗浄、電子機器の冷却装置など、少量の液体を高速で噴射させることを利用するものとして活用可能である。
The
10…液体噴射装置、100…脈動発生部、102…ノズル、106a…入口流路、106b…出口流路、110…液体室、112…圧電素子、120…流路形成部材、120b…支持板、120w…仕切壁、200…制御部、300…液体供給手段。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記液体が供給される入口流路と、
前記ノズルに連通する出口流路と、
前記入口流路と前記出口流路との間で、変形可能な仕切壁によって渦巻き形状に区画された所与の容積を有する液体室と、
前記液体室の容積を前記所与の容積よりも減少させる第1方向側に、前記液体室を変形させる容積変更部と、
前記液体が前記液体室に充填された状態で、前記容積変更部を駆動することによって、前記ノズルから液体をパルス状に噴射させる噴射制御手段と、
を備えていることを特徴とする液体噴射装置。 A liquid ejecting apparatus that ejects liquid from a nozzle,
An inlet channel through which the liquid is supplied;
An outlet channel communicating with the nozzle;
A liquid chamber having a given volume partitioned in a spiral shape by a deformable partition wall between the inlet channel and the outlet channel;
A volume changing unit that deforms the liquid chamber toward a first direction in which the volume of the liquid chamber is decreased from the given volume;
In a state where the liquid is filled in the liquid chamber, by driving the volume changing unit, the ejection control means for ejecting the liquid in pulses from the nozzle;
A liquid ejecting apparatus comprising:
前記圧電素子を伸張させることによって前記液体室の容積を減少させ、且つ、
前記圧電素子は、前記圧電素子を伸張させない状態において、前記液体室を押圧するよう配設されていること、
を特徴とする請求項1に記載の液体噴射装置。 The volume changing unit has a piezoelectric element,
Reducing the volume of the liquid chamber by stretching the piezoelectric element; and
The piezoelectric element is disposed so as to press the liquid chamber in a state where the piezoelectric element is not expanded;
The liquid ejecting apparatus according to claim 1.
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の液体噴射装置。 The sectional area of the inlet channel is smaller than the sectional area of the outlet channel, and the inlet channel is a capillary;
The liquid ejecting apparatus according to claim 1, wherein the liquid ejecting apparatus is a liquid ejecting apparatus.
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の液体噴射装置。 The partition wall forming the liquid chamber is erected from either one of the surface on the first direction side constituting the liquid chamber or the surface on the second direction side facing the surface on the first direction side. And that the tip is not fixed,
The liquid ejecting apparatus according to claim 1, wherein the liquid ejecting apparatus is a liquid ejecting apparatus.
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の液体噴射装置。 The partition wall forming the liquid chamber is erected from either one of the surface on the first direction side constituting the liquid chamber or the surface on the second direction side facing the surface on the first direction side. And the tip is provided in a state fixed to the other surface facing the one surface,
The liquid ejecting apparatus according to claim 1, wherein the liquid ejecting apparatus is a liquid ejecting apparatus.
を特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の液体噴射装置。 The flow path of the liquid chamber has a substantially uniform cross-sectional area;
The liquid ejecting apparatus according to claim 1, wherein the liquid ejecting apparatus is a liquid ejecting apparatus.
前記出口流路は、前記液体室の中央部に連通されていること、
を特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の液体噴射装置。 The inlet channel communicates with the outer peripheral edge of the liquid chamber;
The outlet channel is in communication with a central portion of the liquid chamber;
The liquid ejecting apparatus according to claim 1, wherein the liquid ejecting apparatus is a liquid ejecting apparatus.
前記出口流路が、前記液体室の外周縁部に連通されていること、
を特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の液体噴射装置。 The inlet channel communicates with a central portion of the liquid chamber;
The outlet channel is in communication with an outer peripheral edge of the liquid chamber;
The liquid ejecting apparatus according to claim 1, wherein the liquid ejecting apparatus is a liquid ejecting apparatus.
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