JP2023022555A - 噴射ノズル及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】皮膚の洗浄を効果的に行うことができるようにすること。【解決手段】液体3を噴射するノズル孔1を有する噴射ノズル11と、液体を加圧して噴射ノズルに送る加圧液体供給部27と、加圧液体供給部の動作を制御してノズル孔から噴射される液体を連続流5から液滴7に分裂した状態で飛翔させる制御部4とを備える。更に、液体３はその性状として粘度が0.60～1.9ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が20～100ｍＮ/ｍのものが使われる。制御部は、噴射ノズルから噴射される液体の噴射速度が10～80ｍ/ｓの範囲になり、生成される液滴７の毎秒当りの数である液滴数（個/ｓ）が0.8×10５～9.0×10５の範囲になるように、加圧液体供給部２７の供給圧力を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、顔その他の皮膚に向かって液体を高圧で噴射して洗浄することに好適な噴射ノズル及び該噴射ノズルを有する液体噴射装置に関する。

この種の皮膚洗浄用液体噴射装置の一例として、特許文献１に記載のものがある。この文献には、手持ち部の先端部に、開口を外方に向けて設けられたカップがあり、ポンプの吐出口から圧送されて来る水を霧状にしてカップ内部を介して開口に向かって噴射する噴射部を肌に当てて使用する皮膚洗浄器が開示されている。

特開昭６１－１０３４４３号公報

しかしながら、上記文献の皮膚洗浄器は、噴射する水を霧化させて皮膚にあてるため、十分な押圧力が得られず、皮膚の洗浄、特に皮脂腺から出る皮脂や汚れを効果的に洗浄することが難しいという課題がある。

上記課題を解決するため、本発明に係る液体噴射装置は、液体を噴射する少なくとも一つのノズル孔を有する噴射ノズルと、液体を加圧して前記噴射ノズルに送る加圧液体供給部と、前記加圧液体供給部の動作を制御して前記ノズル孔から噴射される前記液体を連続流から液滴に分裂した状態で飛翔させる制御部と、を備える液体噴射装置であって、前記液体は、粘度が０．６０ｍＰａ・ｓ～１．９ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が２０ｍＮ/ｍ～１００ｍＮ/ｍのものであり、前記制御部は、前記噴射ノズルから噴射される前記液体の速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓになり、前記連続流から前記液滴に分裂して生成される前記液滴の毎秒当りの数である液滴数（個/ｓ）が０．８×１０^５～９．０×１０^５の範囲になるように前記加圧液体供給部の供給圧力を制御する、ことを特徴とする。

本発明の実施形態１に係る液体噴射装置の全体概略構成図。 実施形態１で液体の供給圧力が0.3ＭＰａと1.2ＭＰａの場合の連続流及び液滴の移動状態を撮影して得た高速撮影画像図。 液体Ａ、液体Ｂ、液体Ｃの噴射状態を高速撮影した液滴画像図と、該液滴画像から噴射および液滴特性を評価するために二値化処理の画像処理を行った解析画像図。 （Ａ）は撮影画角の上側端面を噴射ノズルが収納された部材の端面に合わせて撮影したノズル孔の出口の連続流の高速撮影画像図、（Ｂ）は連続流と液滴が混在する液滴化の移行過程にある状態の部分の高速撮影画像図、（Ｃ）は連続流が完全に液滴に分裂した状態の部分の高速撮影画像図。 液滴速度の求め方の説明に用いる高速撮影画像図。 液滴周波数の求め方の説明に用いる高速撮影画像図。 液体Ａ，液体Ｂ，液体Ｃと２０℃の純水について、液滴周波数の測定による実測値と該実測値について回帰分析を行って求めた算出値との関係を示した図。 ４０℃の純水と液体Ｙについて、液滴周波数の測定による実測値と該実測値について回帰分析を行って求めた算出値との関係を示した図。 液体Ａ，液体Ｂ，液体Ｃ，２０℃の純水，４０℃の純水と液体Ｙについて、液滴周波数の測定による実測値と算出値／実測値との関係を示した図。

以下、本発明について先ず概略的に説明する。
上記課題を解決するため、本発明に係る液体噴射装置の第１の態様は、液体を噴射する少なくとも一つのノズル孔を有する噴射ノズルと、液体を加圧して前記噴射ノズルに送る加圧液体供給部と、前記加圧液体供給部の動作を制御して前記ノズル孔から噴射される前記液体を連続流から液滴に分裂した状態で飛翔させる制御部と、を備える液体噴射装置であって、前記液体は、粘度が０．６０ｍＰａ・ｓ～１．９ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が２０ｍＮ/ｍ～１００ｍＮ/ｍのものであり、前記制御部は、前記噴射ノズルから噴射される前記液体の噴射速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓになり、前記連続流から前記液滴に分裂して生成される前記液滴の毎秒当りの数である液滴数（個/ｓ）が０．８×１０^５～９．０×１０^５の範囲になるように前記加圧液体供給部の供給圧力を制御することを特徴とする。
尚、以下において、前記連続流から前記液滴に分裂して生成される前記液滴の毎秒当りの数である液滴数（個/ｓ）を「液滴周波数」という場合がある。

本発明に係る液体噴射装置は、液体が噴射ノズルのノズル孔から所定の供給圧力で連続流として噴射され、その後に前記連続流は飛翔しつつ分裂して液滴が生成されるものである。
このように生成される液滴のサイズは、非粘性の線形理論に基づいて、ノズル孔の孔径ｂと一定の関係になることが知られている。即ち、前記液滴のサイズは、非粘性の線形理論に基づいて、前記供給圧力の大小によらずに、前記ノズル孔の孔径ｂの約１．８８倍になることが知られている。言い換えると、前記ノズル孔の孔径ｂが具体的に特定されれば、その特定された孔径ｂに対応して生成する液滴のサイズが決まることになる。
次に、前記ノズル孔から噴射する液体の噴射速度は、前記特定された孔径ｂのノズル孔に対して、前記供給圧力を調整することにより設定することができる。そして、この液体の噴射速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓの範囲で決まると、飛翔する前記液滴の速度も決まる。液滴速度は、前記噴射速度とほぼ同じになるので１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓの範囲になる。
また、液体の噴射速度が速くなれば、前記ノズル孔から噴射される液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）は増す関係にある。液体の噴射速度は、前記供給圧力を高めれば速くなり、低めれば遅くなる。よって、液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）については、前記供給圧力を高めると前記噴射速度が速くなるので増加し、前記供給圧力を低めると前記噴射速度が遅くなるので減少する関係にある。即ち、「液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）」は、前記特定された孔径ｂのノズル孔に対して、前記供給圧力を調整することにより設定することができる。
そして、「液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）」が決まれば、前記連続流から液滴に分裂して生成される前記液滴の毎秒当りの数である液滴数（個/ｓ）は、上記の通り前記孔径ｂに対応してその生成される「液滴のサイズ」が決まっているので、「液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）」を「液滴のサイズ」で除する計算によって容易に求めることができる。即ち、「液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）」が決まれば、前記「液滴数（個/ｓ）」、即ち「液滴周波数」も決まる。
尚、前記「液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）」は、前記噴射ノズル孔が１個ではなく複数個ある場合は、その孔数をかけたものになる。これは以下の説明においても同様である。

以上の説明から理解できるように、本発明に係る液体噴射装置においては、特定されたノズル孔の孔径ｂに対して、前記加圧液体供給部の供給圧力を調整することによって、液体の噴射速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓの範囲となり、前記液滴周波数が０．８×１０^５～９．０×１０^５の範囲になるように設定することが可能である。
即ち、粘度が０．６０ｍＰａ・ｓ～１．９ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が２０ｍＮ/ｍ～１００ｍＮ/ｍの性状の液体を、速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓの範囲で、且つ前記液滴周波数が０．８×１０^５～９．０×１０^５の範囲の飛翔する液滴として、皮膚等の対象物に繰り返し当てることが可能である。

本態様によれば、上記説明により理解できるように、粘度と表面張力が前記範囲にある性状の液体を用いて、この液体から生成される前記液滴数（個/ｓ）の液滴を、前記速さで飛翔させて皮膚等の対象物に次々に当てることが可能である。これにより、皮膚等の対象物に対して効果的な洗浄を行うことができる。
また、このような超音波並みの液滴周波数で、即ち液滴数（個/ｓ）での液滴の衝突によって肌に物理刺激を作用させることができるので、保湿や弾力といった肌状態の改善、すなわちスキンケアを期待することができる。
本発明者らは、前記粘度及び表面張力の液体から生成される液滴を、前記速度及び液滴数（個/ｓ）で飛翔させて皮膚に当てることで、皮膚の洗浄を効果的に行えることを後述するように確認した。

本発明の第２の態様に係る液体噴射装置は、第１の態様において、前記液体は、粘度が０．６５ｍＰａ・ｓ～１．５ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が４０ｍＮ/ｍ～７２ｍＮ/ｍのものであり、前記ノズル孔から噴射される前記液体の噴射速度は２２ｍ/ｓ～６２ｍ/ｓの範囲にあり、前記連続流から前記液滴に分裂して生成される前記液滴の毎秒当りの数である液滴数（個/ｓ）は２．７×１０^５～７．０×１０^５の範囲にあることを特徴とする。

本態様によれば、前記液体は、粘度が０．６５ｍＰａ・ｓ～１．５ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が４０ｍＮ/ｍ～７２ｍＮ/ｍのものであり、前記液体の噴射速度は２２ｍ/ｓ～６２ｍ/ｓの範囲にあり、前記液滴数（個/ｓ）は２．７×１０^５～７．０×１０^５の範囲にある。これにより、第１の態様の効果を一層効果的に得ることができる。

本発明の第３の態様に係る液体噴射装置は、第１の態様又は第２の態様において、前記制御部は、前記供給圧力を０．３ＭＰａ～３．２ＭＰａの範囲で調整可能であることを特徴とする。

本態様によれば、前記制御部は、前記供給圧力を０．３ＭＰａ～３．２ＭＰａの範囲で調整可能であるので、前記飛翔速度及び前記液滴数（個/ｓ）の液滴を皮膚等の対象物に当てることを容易に実現することができる。

本発明の第４の態様に係る液体噴射装置は、第１の態様から第３の態様のいずれか一つの態様において、前記連続流が液滴に分裂する液滴化距離は２０ｍｍ以内であることを特徴とする。
ここで、「液滴化距離」とは、噴射ノズルの液体を噴射する側の端面から連続流として噴射された該連続流が液滴に分裂する距離を意味する。

前記液滴化距離は、前記供給圧力を高めれば長くなり、低めれば短くなる関係にある。前記供給圧力を調整することで前記液滴化距離を２０ｍｍ以内にすることが可能である。
本態様によれば、前記液滴化距離は２０ｍｍ以内に設定されているので、前記液滴を皮膚等の対象物の狙った箇所に当て易くなる効果が得られる。

本発明の第５の態様に係る液体噴射装置は、第１の態様から第４の態様のいずれか一つの態様において、前記噴射ノズルは、複数の前記ノズル孔を有することを特徴とする。

本態様によれば、前記噴射ノズルは、複数の前記ノズル孔を有するので、皮膚の洗浄範囲を容易に広めることができる。

本発明の第６の態様に係る液体噴射装置は、第１の態様から第５の態様のいずれか一つの態様において、前記液体は、化粧水、精製水、芳香蒸留水、微弱酸性水、抗炎症成分の少なくとも一つを含む水または殺菌成分を含む調合水であることを特徴とする。
本態様によれば、第１の態様の効果を効果的に得ることができる。

[実施形態１]
以下に、本発明に係る実施形態１の液体噴射装置について、図１に基づいて詳細に説明する。この液体噴射装置２５は、顔、腕、手、足、背中等の皮膚の洗浄に適した皮膚洗浄用液体噴射装置である。
尚、液体噴射装置２５が皮膚洗浄用のものに限定されないことは勿論である。

図１に示したように、本実施形態に係る液体噴射装置２５は、液体３を噴射する少なくとも１つのノズル孔１を有する噴射ノズル１１と、液体３を加圧して噴射ノズル１１に送る加圧液体供給部２７と、加圧液体供給部２７の動作を制御してノズル孔１から噴射される液体３を連続流５から液滴７に分裂した状態で飛翔させる制御部４とを備える。
更に、本実施形態に係る液体噴射装置２５では、噴射する液体３は、その性状として粘度が０．６０ｍＰａ・ｓ～１．９ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が２０ｍＮ/ｍ～１００ｍＮ/ｍのものが使われる。
また、制御部４は、噴射ノズル１１から噴射される液体３の噴射速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓの範囲になり、連続流５から液滴７に分裂して生成される液滴７の毎秒当りの数である液滴数（個/ｓ）が０．８×１０^５～９．０×１０^５の範囲になるように、加圧液体供給部２７の供給圧力を制御するように構成されている。

具体的には、液体噴射装置２５は、液体３を噴射する噴射ノズル１１を有する噴射部２と、噴射する液体３を貯留する液体タンク６と、加圧液体供給部２７であるポンプユニットと、液体タンク６と加圧液体供給部２７とをつなぐ液体３の流路１０を成す液体吸引チューブ１２と、加圧液体供給部２７と噴射部２とをつなぐ同じく流路１０を成す送液チューブ１４とを備える。液体吸引チューブ１２及び送液チューブ１４は、本実施形態では軟性樹脂材のものが使われているが、この材料に限定されないことは勿論である。
加圧液体供給部２７は、制御部４によって、送液チューブ１４を通って噴射部２に送液される液体３の圧力等のポンプ動作が制御される。即ち、前記供給圧力が制御される。

＜噴射する液体の性状＞
上記した通り、本実施形態に係る液体噴射装置２５では、噴射する液体３は、粘度が０．６０ｍＰａ・ｓ～１．９ｍＰａ・ｓの範囲で且つ表面張力が２０ｍＮ/ｍ～１００ｍＮ/ｍの範囲の性状のものが使われる。
この液体３の粘度及び表面張力の範囲は、液体噴射装置２５が使われる環境温度を５℃～４５℃の範囲と想定して設定されている。
例えば、水の粘度（ｍＰａ・ｓ）は、５℃では１．５１９、１０℃では１．３０７、１５℃では１．１３８、２０℃では１．００２、２５℃では０．８９０、３０℃では０．７９８、３５℃では０．７２０とされている。
水の表面張力（ｍＮ/ｍ）は、０℃では７５．６４、１０℃では７４．２２、２０℃では７２．７５、３０℃では７１．１８、４０℃では６９．５９、６０℃では６６．１８とされている。
使用する液体３の粘度及び表面張力の範囲を上記範囲とすることで、前記液滴による対象物の洗浄において、所望の液滴数が確保できるため、適正かつ十分な衝撃作用により洗浄効率が高められるという作用効果が期待できる。

＜噴射ノズル＞
噴射ノズル１１は、本実施形態では、説明を解り易くするために、１つのノズル孔１を有し、ノズル孔１から高圧の液体３が直進するように噴射されるものについて説明する。図１中の部分拡大図において、符号Ｆは液体噴射方向を示す。ノズル孔１は液体噴射方向Fの出口が円形の円筒形状に構成されている。
ノズル孔１から噴射された高圧の液体３は、噴射直後は連続流５であるが、液体３の表面張力によって直ぐに液滴化して液滴７の群に分裂する。液滴７の前記群は、液体噴射方向Ｆに一直線に並んで飛翔する。その飛翔する液滴７の群を皮膚９等の対象物に次々に当てることで対象物の洗浄が実行される。
尚、図１中の部分拡大図は、図面を解り易くするために、液滴７及び連続流５の寸法が他の部材に対して大きく拡大され、相対的な寸法関係は無視されている。

＜ノズル孔の径と液滴のサイズ＞
本実施形態に係る液体噴射装置２５は、液体３が噴射ノズル１１のノズル孔１から所定の供給圧力で連続流５として噴射され、その後に連続流５は飛翔しつつ分裂して液滴７が生成される。
このように生成される液滴７のサイズ（以下、「液滴径」とも言う）は、一部重複の説明になるが、非粘性の線形理論に基づいて、ノズル孔１の孔径ｂと一定の関係になることが知られている。即ち、液滴７は、非粘性の線形理論に基づいて、前記供給圧力の大小によらずに、ノズル孔１の孔径ｂの約１．８８倍になることが知られている。言い換えると、ノズル孔１の孔径ｂが具体的に特定されれば、生成する液滴７のサイズが決まることになる。
例えば、ノズル孔１の孔径ｂを０．０１ｍｍ～０．０３ｍｍにした場合、液滴７のサイズは、その１．８８倍をして、約０．０１８８ｍｍ～０．０５６４ｍｍとなる。更に、ノズル孔１の平滑さや温度等の環境状態等によって液滴７のサイズは多少ばらつくことを考慮すると、液滴径は、平均液滴径としては約０．０２ｍｍ～０．１ｍｍとなる。
ここで、複数の液滴７は、実際には完全な球形ではなく楕円形等に変形しているものがほとんどであるので、「平均液滴径」は、最も長い径部分と最も短い径部分に基づく平均値として求めることになる。

＜供給圧力と噴射速度＞
前記供給圧力を高めればノズル孔１から噴射する液体３の噴射速度は速くなり、前記供給圧力を低めればノズル孔１から噴射する液体３の噴射速度は遅くなる関係にある。
ノズル孔１の孔径ｂが特定されれば、その孔径ｂに合わせて前記供給圧力を調整することによって、ノズル孔１から噴射する液体３の噴射速度を１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓの範囲に設定することが可能である。
液体３の噴射速度が決まると、飛翔する液滴７の速度も決まる。液滴７の速度は、前記噴射速度とほぼ同じになるので、１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓになる。

＜供給圧力と噴射速度と液体の流量と液滴数＞
前記供給圧力を高めればノズル孔１から噴射する液体３の噴射速度は速くなるので、ノズル孔１から噴射される液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）は増加する。前記供給圧力を低めればノズル孔１から噴射する液体３の噴射速度は遅くなるのでノズル孔１から噴射される液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）は減少する。前記供給圧力と液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）は、このような関係にある。
従って、ノズル孔１の孔径ｂが特定されれば、その孔径ｂに合わせて前記供給圧力を調整することによって、ノズル孔１から噴射される液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）を特定の流量に設定することが可能である。
そして、「液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）」が決まれば、連続流５から液滴７に分裂して生成される液滴７の液滴数（個/ｓ）は、上記の通りその生成される「液滴のサイズ」が決まっているので、「液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）」を「液滴のサイズ」で除する計算によって容易に求めることができる。即ち、「液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）」が決まれば、「液滴周波数」も決まることになる。
尚、液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）は、ノズル孔１が１個ではなく複数個ある場合は、その孔数をかけたものになる。これは以下の説明においても同様である。

以上の説明によって理解できるように、本液体噴射装置２５においては、特定されたノズル孔の孔径ｂに対して、加圧液体供給部２７の供給圧力を調整することによって、液体３の噴射速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓの範囲となり、液滴周波数が０．８×１０^５～９．０×１０^５の範囲になるように設定することが可能である。
即ち、粘度が０．６０ｍＰａ・ｓ～１．９ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が２０ｍＮ/ｍ～１００ｍＮ/ｍの性状の液体を、速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓの範囲で、且つ前記液滴周波数が０．８×１０^５～９．０×１０^５の範囲の飛翔する液滴７として、皮膚等の対象物９に繰り返し当てることが可能である。

具体的に、ノズル１の孔径ｂを例えば０．０２４ｍｍとした場合、非粘性の線形理論に基づいて、生成する液滴７のサイズは、ノズル孔１の孔径ｂの約１．８８倍をして０．０４５ｍｍとなる。即ち、液滴７の液滴径は凡そ０・０５ｍｍである。
そして、前記供給圧力を調整して液体３の噴射速度、即ち飛翔する液滴７の速度が１０ｍ/ｓとなるようにした場合、ノズル１孔あたりに供給する液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）は約０．３となり、毎秒生成される液滴数（個／ｓ）は約１．０×１０^５となる。
前記供給圧力を調整して液体３の噴射速度、即ち飛翔する液滴７の速度が２２ｍ/ｓとなるようにした場合、ノズル１孔あたりに供給する液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）は約０．６となり、毎秒生成される液滴数（個／ｓ）は約２．１×１０^５となる。
前記供給圧力を調整して液体３の噴射速度、即ち飛翔する液滴７の速度が６２ｍ/ｓとなるようにした場合、ノズル１孔あたりに供給する液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）は約１．７となり、毎秒生成される液滴数（個／ｓ）は約５．９×１０^５となる。
前記供給圧力を調整して液体３の噴射速度、即ち飛翔する液滴７の速度が８０ｍ/ｓとなるようにした場合、ノズル１孔あたりに供給する液体の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）は約２．２となり、毎秒生成される液滴数（個／ｓ）は約７．６×１０^５となる。

また、本実施形態に係る液体噴射装置２５では、加圧液体供給部２７は、ノズル孔１から噴射される液体３の供給圧力が０．３ＭＰａ～３．２ＭＰａとなる供給圧力で液体３を供給するように構成される。
制御部４は、ノズル孔１から噴射される液体３の噴射速度Ｖが１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓになるように加圧液体供給部２７の供給圧力を制御する。前記供給圧力が０．３ＭＰａ～３．２ＭＰａの範囲では、液体３の噴射速度Ｖが１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓになる状態を実現しやすい。尚、液体３の噴射速度Ｖが１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓになればよいので、前記噴射圧力は０．３ＭＰａ～３．２ＭＰａの範囲に限定されない。
前記供給圧力と噴射速度Ｖは相関があり、供給圧力が２．４ＭＰａでは噴射速度Ｖはほぼ６０ｍ／ｓであり、供給圧力が３．２ＭＰａでは噴射速度Ｖはほぼ８０ｍ／ｓである。

本実施形態では、皮膚洗浄用の液体噴射装置２５であるので、液滴化距離が２０ｍｍ以内になるようにノズル孔１の孔径ｂに合わせて前記供給圧力が設定される。「液滴化距離」とは、噴射ノズル１１の液体３を噴射する側の端面１３から連続流５として噴射された該連続流５が液滴７に分裂する距離を意味する。
尚、噴射ノズル１１内に、噴射される連続流５に対して加振する構造を設けておき、前記供給圧力の制御に加えて、前記加振することで前記液滴化距離を調整できるようにしてもよい。

本実施形態では、液体３は水（主に精製水）が使われるが、化粧水、芳香蒸留水、微弱酸性水、抗炎症成分を含む水、または殺菌成分を含む調合水が使われてもよい。
なお、前記液体３には，皮膚の炎症を抑えるビタミンB2やB6成分、抗炎症成分であるイブプロフェンピコノールやグリチルリチン酸ニカリウム成分、殺菌成分であるレゾルシン，イソプロピルメチルフェノール及びエタノール成分が含まれていてもよい。

＜具体的な説明＞
図２は、ノズル孔１の孔径ｂが０．０２４ｍｍで、液体３の供給圧力が０．３ＭＰａの場合（上位の図）と１．２ＭＰａ（下位の図）における噴射状態、即ち液滴７の飛翔軌跡を高速度カメラを用いて撮影して得た高速撮影画像図である。
いずれも、液滴化距離が約２０ｍｍ以内であることは勿論、１０ｍｍ以内であることがが解る。

＜解析値＞
図３は、液体Ａ、液体Ｂ、液体Ｃの噴射状態を図２と同様に高速撮影した液滴画像図と、該液滴画像から噴射および液滴特性を評価するために二値化処理の画像処理を行った解析画像図である。画像処理にはフリーソフト（ImageJ）を用いた。画像処理では、撮影画像を二値化処理し、解析領域として液滴化している範囲を選択し、解析領域内にある各液滴７のエリア数、各液滴７の中心１５の座標を求めた。
≪液滴径≫
ここで、液滴径（ｍｍ）は、各液滴７のエリア数から各液滴７の投影面積を求め、これを球体の投影面積と仮定して、その径からその平均値として求めた。
尚、解析においては、二値化処理した液滴画像の長方形枠１６内にある各液滴７の投影面積を求め、明らかに他の液滴７に比べ小径なものはサテライトと見なして排除した。また、液滴中心軸ずれは、各液滴の中心座標の最大差分として求めた。
ノズル孔１の孔径ｂが０．０２４ｍｍである場合、噴射された連続流５から分裂生成した液滴７の径は凡そ０．０５～０．０６ｍｍである。非粘性の線形理論と整合していることが確認された。

≪液滴化距離≫
図４において、（Ａ）は撮影画角の上側端面を噴射ノズル１１が収納された部材の端面に合わせて撮影したノズル孔１の出口の連続流５の高速撮影画像図、（Ｂ）は連続流５と液滴７が混在する液滴化の移行過程にある状態の部分の高速撮影画像図、（Ｃ）は連続流５が完全に液滴７に分裂した状態の部分の高速撮影画像図である。液滴化距離は、連続流５の状態が、（Ａ）から（Ｃ）になるまでに移動させた距離を基に求めた。
ノズル孔１の孔径ｂが０．０２４ｍｍである場合、液滴７の直進性が良好であり、前記供給圧力を調整することによって液滴化距離は２０ｍｍ以内とすることができた。
また、飛翔する液滴７は、噴射ノズル１の中心軸１７に対する液滴中心１５の軸ずれの最大値は０．２ｍｍである。従って、液滴７を狙った箇所へ照射できるので、例えば毛穴（直径約０．２ｍｍ～０．５ｍｍ）の中にも液滴７の群、即ちジェットを打ち込むことができ、毛穴の中に溜まった脂質なども軟化させて、流し出すことが可能であると言える。

≪液滴の速度≫
液滴速度は、図５に示すように、連続流５が完全に液滴７に分裂して飛翔した状態を高速度カメラで撮影した画像から２枚の画像を選択し、着目した液滴７の移動距離ｄを、その２枚の画像の撮影時間間隔で除して求めた。
なお、移動距離ｄは撮影画像の画角寸法から決まる１pixel当たりの長さから求め、撮影時間間隔は撮影速度（フレームレート）から求めた。
液滴速度は、ノズル孔１の孔径ｂが０．０２４ｍｍである場合、前記供給圧力を２．４ＭＰａ以下の範囲では凡そ６０ｍ／ｓ以下にすることができた。これにより、液滴７の衝撃圧が強過ぎないようにすることが可能となり、例えば肌や頭皮などの照射箇所に対し、安心して使用することができる。

≪液滴周波数（液滴数（個／ｓ））≫
液滴周波数（＝1秒間当たりの液滴数）は、図６に示すように、撮影画像の画角内に存在する液滴の平均個数を求め、画角の寸法（長さ）を液滴数で除して液滴間の平均距離を求め、液滴速度を液滴間の平均距離で除して求めた。平均個数は、例えば図６では、長方形枠１８内の液滴７に対応するノズル孔１にて形成されている液滴は7個である。他のノズル孔１も殆ど同じで７個である。
なお、平均距離は撮影画像の画角寸法から決まる１pixel当たりの長さを基に算出した。
液滴周波数は、前記液滴の速度の上昇に伴って増加する。そのため、前記液滴の速度を変えることによって、より多くの衝撃作用を実現することができ、より効率的な洗浄が期待できる。

上記の通り、対象物９の照射箇所の汚れ、例えば、肌に溜まった汚れや脂質などは、上記液滴の速度及び液滴周波数（液滴数（個／ｓ））で液滴７を対象物に当てることにより、その衝撃作用により汚れ等は軟化、除去し易くなる。更に、液滴７は肌の角質層や毛穴・毛根などに効率良く供給され、肌を適切な状態に保ったまま、安全かつ効果的な洗浄を行うことが可能である。これにより、肌の弾性や保湿状態を良好に保つことができる。

表１は評価した複数の液体の粘度と表面張力の物性値である。表２は表１に記した液体Ａ、液体Ｂ、液体Ｃ及び純水20℃についての液滴周波数と液滴速度の実測値である。表３は表１に記した液体Ａ、液体Ｂ、液体Ｃ及び純水20℃についての供給圧力と液滴化距離の実測値を示す。表２と表３は対応している。即ち、表２の液滴周波数と液滴速度は表３の各供給圧力に対応する実測値である。
尚、粘度は粘弾性計AR-G2（TAインスツルメント・ジャパン製、温度20℃）、表面張力はBP-100（クルス社製、温度25℃）を用いて測定した。

表２の各液体Ａ、液体Ｂ、液体Ｃ及び純水20℃の液滴周波数と液滴速度の測定値について回帰分析を行い、液滴速度Ｖ（ｍ/ｓ）、粘度η（ｍＰａ・ｓ）、表面張力γ(ｍＮ/ｍ)をパラメータとして液滴周波数Ｄrop_freq（個/ｓ）との関係式（１）を求めた。

図７は、前記回帰分析を行った液体Ａ、液体Ｂ、液体Ｃ及び純水20℃についての実測液滴周波数（横軸）と、関係式（１）で算出した算出値すなわち算出液滴周波数（縦軸）との関係を示す図である。両者は非常に良い線形相関を示した。

次に、前記回帰分析に適用していない物性既知の他の液体である純水40℃と液体Ｙについて、関係式（１）を用いて液滴周波数を算出した。表４は液体Ａ、液体Ｂ、液体Ｃ及び純水20℃と、更に表１に記載の他の液体である純水40℃及び液体Ｙについての液滴周波数の実測値と、液滴周波数の算出値と、両数値の比すなわち算出値／実測値を示す。
図８は純水40℃と液体Ｙについての実測液滴周波数（横軸）と算出液滴周波数（縦軸）の関係を示す図である。図８中の破線は両数値が完全に一致するラインである。図８から解るように、算出液滴周波数は実測液滴周波数に対して同等又は僅かに高い値であり、良好な線形相関性が認められた。

図９は、表４に記した液体Ａ、液体Ｂ、液体Ｃ、純水20℃、純水40℃及び液体Ｙについての液滴周波数の実測値と算出値／実測値の関係を示した図である。何れの液体も関係式から求めた液滴周波数はその誤差と言える範囲で一致し、前記回帰分析により導出した関係式（１）が妥当であることが確認された。
以上、本液体噴射装置２５は、粘度が０．６０ｍＰａ・ｓ～１．９ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が２０ｍＮ/ｍ～１００ｍＮ/ｍの範囲である液体３を、連続流５から液滴７へと遷移させ、液滴速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓで、液滴周波数が０．８×１０^５～９．０×１０^５個/ｓの範囲で周期的に繰り返し吐出させることができる。

＜実施形態１の効果の説明＞
（１）本実施形態によれば、上記説明により理解できるように、粘度と表面張力が前記範囲にある性状の液体３を用いて、この液体３から生成される前記液滴数（個/ｓ）の液滴７を、前記速さで飛翔させて皮膚等の対象物９に次々に当てることが可能である。これにより、皮膚等の対象物９に対して効果的な洗浄を行うことができる。
また、このような超音波並みの液滴周波数で、即ち液滴数（個/ｓ）での液滴の衝突によって肌に物理刺激を作用させることができるので、保湿や弾力といった肌状態の改善、すなわちスキンケアを期待することができる。
（２）また、本実施形態によれば、制御部４は、前記供給圧力を０．３ＭＰａ～３．２ＭＰａの範囲で調整可能であるので、前記飛翔速度及び前記液滴数（個/ｓ）の液滴７を皮膚等の対象物９に当てることを容易に実現することができる。
（３）また、本実施形態によれば、前記液滴化距離は２０ｍｍ以内に設定されているので、液滴７を皮膚等の対象物９の狙った箇所に当て易くなる効果が得られる。

〔他の実施形態〕
本発明の実施形態に係る液体噴射装置２５は、以上述べたような構成を有することを基本とするものであるが、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略等を行うことは勿論可能である。
（１）用いる液体３として、粘度が０．６５ｍＰａ・ｓ～１．５ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が４０ｍＮ/ｍ～７２ｍＮ/ｍのものとし、ノズル孔１から噴射される液体３の噴射速度は２２ｍ/ｓ～６２ｍ/ｓの範囲にあり、連続流５から液滴７に分裂して生成される液滴７の液滴周波数が数（個/ｓ）は２．７×１０^５～７．０×１０^５（個/ｓ）の範囲にあるようにすれば、実施形態１で説明した効果を一層効果的に得ることができる。
以下の効果が得られる。

（２）上記実施形態の説明では、噴射ノズル１１は１つのノズル孔１を有するとして説明したが、ノズル孔１を複数個設ける構造にすれば、洗浄エリアを簡単に拡張することができる。その場合、ノズル孔１の数は、ノズル孔１の孔径ｂ、使用上において適正な流量及び所望の供給圧力に基づいて決定することが望ましい。
また、異なるノズル孔１の孔径のノズル孔１を設けることにより、同じ液滴速度で液滴径が異なる液滴７を噴射させることができる。液滴径は衝撃圧には影響しないが、液滴数が増すほど運動エネルギーが増すため、衝突した部分を押す力が増加する。その結果、洗浄力は維持したまま、マッサージ効果を向上させることができる。

１ ノズル孔、２ 噴射部、３ 液体、４ 制御部、５ 連続流、
６ 液体タンク、７ 液滴、９ 皮膚、１０ 流路、１１ 噴射ノズル、
１２ 液体吸引チューブ、１４ 送液チューブ、１５ 中心、１７ 中心軸、
２５ 液体噴射装置、２７ 加圧液体供給部、
Ｆ 液体噴射方向、ｂ ノズル孔の孔径

Claims (6)

1. 液体を噴射する少なくとも一つのノズル孔を有する噴射ノズルと、
   液体を加圧して前記噴射ノズルに送る加圧液体供給部と、
   前記加圧液体供給部の動作を制御して前記ノズル孔から噴射される前記液体を連続流から液滴に分裂した状態で飛翔させる制御部と、を備える液体噴射装置であって、
   前記液体は、粘度が０．６０ｍＰａ・ｓ～１．９ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が２０ｍＮ/ｍ～１００ｍＮ/ｍのものであり、
   前記制御部は、
   前記噴射ノズルから噴射される前記液体の噴射速度が１０ｍ/ｓ～８０ｍ/ｓになり、
   前記連続流から前記液滴に分裂して生成される前記液滴の毎秒当りの数である液滴数（個/ｓ）が０．８×１０^５～９．０×１０^５の範囲になるように前記加圧液体供給部の供給圧力を制御する、
   ことを特徴とする液体噴射装置。
2. 請求項１に記載の液体噴射装置において、
   前記液体は、粘度が０．６５ｍＰａ・ｓ～１．５ｍＰａ・ｓで且つ表面張力が４０ｍＮ/ｍ～７２ｍＮ/ｍのものであり、
   前記ノズル孔から噴射される前記液体の噴射速度は２２ｍ/ｓ～６２ｍ/ｓの範囲にあり、
   前記連続流から前記液滴に分裂して生成される前記液滴の毎秒当りの数である液滴数（個/ｓ）は２．７×１０^５～７．０×１０^５の範囲にある、
   ことを特徴とする液体噴射装置。
3. 請求項１又は２に記載の液体噴射装置おいて、
   前記制御部は、前記供給圧力を０．３ＭＰａ～３．２ＭＰａの範囲で調整可能である、
   ことを特徴とする液体噴射装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の液体噴射装置において、
   前記連続流が液滴に分裂する液滴化距離は２０ｍｍ以内である、
   ことを特徴とする液体噴射装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の液体噴射装置において、
   前記噴射ノズルは、複数の前記ノズル孔を有する、
   ことを特徴とする液体噴射装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の液体噴射装置において、
   前記液体は、化粧水、精製水、芳香蒸留水、微弱酸性水、抗炎症成分の少なくとも一つを含む水または殺菌成分を含む調合水である、
   ことを特徴とする皮膚洗浄用液体噴射装置。

Images