JP2023130827A - 液体噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高速で液体を噴射する場合において自己液滴化距離を短くする。【解決手段】液体3を噴射するノズル27と、液体3をノズル27まで搬送する液体搬送管7と、振動を生成する振動生成部40と、を備え、振動生成部40は、液体3、ノズル27及び液体搬送管7のうちの少なくともいずれか1つに接し、振動生成部40が振動を生成しない状態でノズル27から噴射した液体3が複数の液滴3bとなって飛翔し所定の位置を単位時間に通過する液滴3bの個数を自己液滴化周波数とするとき、振動生成部40が生成する振動の周波数は、自己液滴化周波数よりも大きい液体噴射装置1。【選択図】図2

Description

本発明は、液体噴射装置に関する。
従来から、対象物に対して液体を噴射させる様々な液体噴射装置が使用されている。このような液体噴射装置のうち、連続状態で噴射された液体が液滴となる液滴化された状態で該液滴を対象物に衝突させる液体噴射装置がある。例えば、特許文献1には、高圧に加圧した液体に気体を混入させてノズルから該液体を噴射することで、液滴化された状態で該液滴を対象物に衝突させることが記載されている。
特開平8-257997号公報
しかしながら、特許文献1に記載されるような液滴化された液滴を対象物に衝突させる構成の従来の液体噴射装置においては、高速で液体を噴射する場合、液滴化距離が長くなっていた。液滴化距離が長くなると、噴射部から対象物までの間隔を長くしなければならないので、作業空間を広く確保しなければいけなくなるなど、作業性は低下する。
上記課題を解決するための本発明の液体噴射装置は、液体を噴射するノズルと、前記液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、振動を生成する振動生成部と、を備え、前記振動生成部は、前記液体、前記ノズル及び前記液体搬送管のうちの少なくともいずれか1つに接し、前記振動生成部が振動を生成しない状態で前記ノズルから噴射した前記液体が複数の液滴となって飛翔し所定の位置を単位時間に通過する前記液滴の個数を自己液滴化周波数とするとき、前記振動生成部が生成する振動の周波数は、前記自己液滴化周波数よりも大きいことを特徴とする。
実施例1の液体噴射装置を表す概略図。 実施例1の液体噴射装置の噴射部を表す断面図。 流量脈動を付与しない場合のノズルからの流体の噴射状態を示す写真。 10Vのピークトゥピークで252kHzの振動周波数で流量脈動を付与した場合のノズルからの流体の噴射状態を示す写真。 10Vのピークトゥピークで130kHzの振動周波数で流量脈動を付与し、ノズルからの流体が液滴化した状態を示す写真。 10Vのピークトゥピークで134kHzの振動周波数で流量脈動を付与し、ノズルからの流体が液滴化しなかった状態を示す写真。 10Vのピークトゥピークで振動周波数を変えたときの液滴化距離を示すグラフ。 20Vのピークトゥピークで振動周波数を変えたときの液滴化距離を示すグラフ。 流量3ml/minで20Vピークトゥピークの振幅で液滴化した場合と、流量4ml/minで20Vピークトゥピークの振幅で液滴化した場合と、において、自己液滴化周波数と自己液滴化距離とを用いて規格化したグラフ。
最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第1の態様の液体噴射装置は、液体を噴射するノズルと、前記液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、振動を生成する振動生成部と、を備え、前記振動生成部は、前記液体、前記ノズル及び前記液体搬送管のうちの少なくともいずれか1つに接し、前記振動生成部が振動を生成しない状態で前記ノズルから噴射した前記液体が複数の液滴となって飛翔し所定の位置を単位時間に通過する前記液滴の個数を自己液滴化周波数とするとき、前記振動生成部が生成する振動の周波数は、前記自己液滴化周波数よりも大きいことを特徴とする。
本態様によれば、振動生成部が生成する振動の周波数は自己液滴化周波数よりも大きい。本発明者らが鋭意検討した結果、振動生成部が生成する振動の周波数を自己液滴化周波数よりも大きくすることで、液滴化距離を短くすることができることが分かった。このため、高速で液体を噴射する場合においても自己液滴化距離を短くすることができる。
本発明の第2の態様の液体噴射装置は、前記第1の態様において、前記振動生成部が生成する振動の周波数は、前記自己液滴化周波数の1.5倍以下であることを特徴とする。
本態様によれば、振動生成部が生成する振動の周波数は自己液滴化周波数の1.5倍以下である。振動生成部が生成する振動の周波数を大きくしすぎると適正に液滴化することができない場合があるが、振動生成部が生成する振動の周波数を自己液滴化周波数の1.5倍以下とすることで、適正に液滴化しなくなることを抑制することができる。
本発明の第3の態様の液体噴射装置は、前記第1または第第2の態様において、前記振動生成部が生成する振動の周波数は、90kHz以上であることを特徴とする。
本態様によれば、振動生成部が生成する振動の周波数は90kHz以上である。振動生成部が生成する振動の周波数は90kHz以上とすることで、特に好適に液滴化距離を短くすることができる。
本発明の第4の態様の液体噴射装置は、前記第1から第3のいずれか1つの態様において、前記振動生成部は、前記液体の搬送方向において前記液体を脈動させる振動を生成することを特徴とする。
本態様によれば、振動生成部は、液体の搬送方向において液体を脈動させる振動を生成する。液体の搬送方向において液体を脈動させることで特に好適に液滴化距離を短くすることができる。
本発明の第5の態様の液体噴射装置は、前記第4の態様において、前記振動生成部は、前記液体搬送管を前記液体の搬送方向に振動させることを特徴とする。
本態様によれば、振動生成部は液体搬送管を液体の搬送方向に振動させる。液体搬送管を液体の搬送方向に振動させることで、好適に液体の搬送方向において液体を脈動させることができる。
本発明の第6の態様の液体噴射装置は、前記第4の態様において、前記振動生成部は、前記液体搬送管を前記液体の搬送方向と直交する方向に振動させることを特徴とする。
本態様によれば、振動生成部は液体搬送管を液体の搬送方向に振動させる。このため、液体搬送管を液体の搬送方向に振動させる構成を簡単に形成することができる。
本発明の第7の態様の液体噴射装置は、前記第1から第6のいずれか1つの態様において、前記振動生成部は、圧電素子を含むことを特徴とする。
本態様によれば、振動生成部は圧電素子を含む。このため、圧電素子により高い振動の周波数を生成可能な振動生成部を形成することができる。
本発明の第8の態様の液体噴射装置は、前記第1から第6のいずれか1つの態様において、前記振動生成部は、静電アクチュエーターを含む。
本態様によれば、振動生成部は静電アクチュエーターを含む。このため、静電アクチュエーターにより高い振動の周波数を生成することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。最初に、図1を参照して本発明の一実施例に係る液体噴射装置1の概要について説明する。図1に示す液体噴射装置1は、ヘッド部2と、噴射する液体3を貯留するタンク8と、ヘッド部2とタンク8とをつなぐチューブ及びヘッド部2内の液体3の流路で構成される液体搬送管7と、送液ポンプ6と、ヘッド部2への駆動信号線51と送液ポンプ6への制御信号線52を有する制御装置5を備えている。
ユーザーは、このような構成の液体噴射装置1を用い、把持部21を把持し、ヘッド部2から液体3を噴射させ、所望の対象物に液体3を衝突させることにより、各種作業を行う。各種作業とは、例えば、歯科治療が挙げられるが、歯科治療以外でも、対象物に関して、洗浄、バリ取り、剥離、はつり、切除、切開、破砕等することが挙げられる。本実施例の液体噴射装置1は、ヘッド部2に設けられたノズル27から方向bに連続状態で噴射された液体3aが液滴3bとなる液滴化された状態で該液滴3bを対象物に衝突させる液体噴射装置である。
次に、液体噴射装置1の要部であるヘッド部2について図2を参照して詳細に説明する。ヘッド部2は、図2で表されるように、把持部21内において液体搬送管7を構成する導入流路23、流入流路開口部24、を有している。タンク8からヘッド部2に対して方向aに流入した液体3は、導入流路23及び流入流路開口部24を通り、流体室25に導かれ、図1で表されるようにノズル27から高速の連続流状態の液体3aとして方向bに噴射される。
流体室25は、中間部材33と、中間部材33に固着され金属薄膜からなるダイアフラム41によって封止されている。ダイアフラム41の流体室25の反対面には両面に電極が形成されたPZTからなる直径17.7mm、厚さ1mmの単板圧電素子42がダイアフラム41と導通をとるための導電性接着剤で固定されている。駆動信号線51は2本で構成されるが、このうちの一本は規制部34に設けられた一方の孔部31を介してこのダイアフラム41に導通した状態で固定され、別の一本は規制部34に設けられた他方の孔部31を介してPZT製の単板圧電素子42の電極に直接導通した状態で固定されている。上記のように構成された、本実施例の単板圧電素子42は、ヘッド部2内の液体搬送管7を流れる液体3に対して振動を生成する振動生成部40を構成しており、丈夫かつ安価であり、小型化が可能であるため、高い周波数での厚み方向変位を得るために好適である。
このように、振動生成部40は、単板圧電素子42などの圧電素子を含むことが好ましい。このような圧電素子により高い振動の周波数を生成可能な振動生成部を形成することができるためである。このうち、特に好ましい圧電素子としては、例えば、本実施例のようなPZT製のほか、BaTiO製やPbTiO製などのセラミック製の圧電素子が挙げられる。
一方、振動生成部40は、誘導体を電極で挟んだ静電アクチュエーターを含む構成であってもよい。振動生成部40が静電アクチュエーターを含む構成とすることでも、該静電アクチュエーターにより高い振動の周波数を生成することができるためである。また、特に、誘電体を樹脂などの柔らかい材料で形成することで、設計自由度を増すことができる。
次に、本実施例の液体噴射装置1の具体的動作について説明する。例えば、最初に、図1に示す制御装置5からの制御信号線52を介して送液ポンプ6にポンプ駆動信号が送られる。このことにより送液ポンプ6は、液体搬送管7を構成するチューブを通じてタンク8から液体3を吸引し、該チューブを介して高圧で液体3をヘッド部2に送る。液体3は図2の方向aに流れることで、流入流路開口部24を通り、流体室25に流入する。
本実施例の液体噴射装置1は、振動生成部40を駆動させてヘッド部2内の液体3に振動を与えることで液滴促進化を行うことができるとともに、振動生成部40を駆動させずヘッド部2内の液体3に振動を与えないことで液滴促進化を行わないこともできる。本実施例の液体噴射装置1においては、液滴促進化を行わない場合、ノズル27から出た液体3は、図1の液体3aのように連続流として噴射され、やがて該液体3自体の持つ表面張力によって分断されて図1の液滴3bで表されるように液滴として飛翔する。以後、液滴促進化を行なわず、液体3自体の持つ表面張力によって分断されて液滴3bが生成されることを自己液滴化と呼ぶ。
液体3が対象物に衝突した際に該対象物が該液体3から受ける力である衝撃圧は、連続流状態の液体3aのときには、液体3の噴射速度をV、動作流体密度をρとして、1/2×ρ×Vの淀み点圧となる。一方、液体3を液滴3bに液滴化した場合の衝撃圧は、該液体3での音速をCとして、ρ×C×Vで示される衝撃圧となる。例えば水での音速は約1500m/sであるため、液体3の噴射速度が100m/sの場合、連続流状態に対し液滴化した状態では対象物に与える力が30倍になる。すなわち、液体3を液滴化させて対象物に衝突させることで、液体3を液滴化させない場合と同一流量で比較した場合、対象物における破砕や切除などの作業を極めて効果的に行える。
ここで、図3は、ノズル径42μmのノズルから4ml/minの水を噴射した場合の脈動を与えない場合の液体3の状態を表す写真である。図3の左端はノズル27から19mm離れた位置に対応し、写真の上部の目盛線は1mm間隔に対応し、目盛線の上部の数字はノズル27からの距離に対応する。図3からわかるように、ノズル27から26mm離れた位置で、表面張力により連続的な水流が分断され、液滴状態になっている。本実施例においては、この26mmが自己液滴化距離に対応する。
例えば口腔内で液滴3bを対象に衝突させることで歯科治療をおこなう場合、ノズル27から26mm以上離れた位置から対象物である患部に液体3を噴射することは難しい。なお、このときに液滴3bが1秒間に発生する個数は24万7千個で、自己液滴化周波数が247kHzと呼ぶことにする。すなわち、振動生成部40が振動を生成しない状態でノズル27から噴射した液体3が複数の液滴となって飛翔し所定の位置を単位時間に通過する液滴3bの個数を自己液滴化周波数とする。
本発明において、流体室25、ダイアフラム41、駆動素子である単板圧電素子42によって、脈動生成部としての振動生成部40が形成される。送液ポンプ6により、液体3が圧送されノズル27から液体3が噴射されている状態で、駆動信号線51により単板圧電素子42に交流電圧が印加させると、単板圧電素子42は印加電圧の周波数で厚み方向振動する。単板圧電素子42の振動はダイアフラム41を介して流体室25の液体3に伝えられ、流体室25の液体3の振動がノズル27から噴射する液体3に伝達されて液滴化が促進される。
図4は、自己液滴化周波数である247kHzに近く、自己液滴化周波数より若干高いい、252kHzの流量脈動により液滴化を促進した場合である。なお、252kHzの流量脈動を液体3に与えることに伴い、オフセット5Vでピークトゥピーク10Vとなるように単板圧電素子42に電圧を印加した。ここで、図4の左端はノズル27から8mm離れた位置に対応し、写真の上部の目盛線は1mm間隔に対応し、目盛線の上部の数字はノズル27からの距離に対応する。図4の写真は、脈動を与えなかった場合の図3の写真と比較すると明らかなように、自己液滴化距離の約半分のノズル27から13mmほどの距離で液滴化し、かつ液滴形状、液滴間隔がそろっていることが分かる。すなわち、ノズル27の近傍から液滴化しているため、短距離での治療が必要な口腔内や狭所での作業でも使用が可能である。また、液滴形状と液滴間隔が一定であるため、衝撃圧が一定で前弾の水膜等の影響を受けにくく効率的な破砕や切開が行える。
上記のように、本実施例の液体噴射装置1においては、振動生成部40は、液体3に接している。そして、振動生成部40が生成する振動の周波数は、自己液滴化周波数よりも大きい。図3と図4とを比較するとわかるように、振動生成部40が生成する振動の周波数を自己液滴化周波数よりも大きくすることで、液滴化距離を短くすることができることが分かった。このため、本実施例の液体噴射装置1は、高速で液体3を噴射する場合においても液滴化距離を短くすることができる。なお、本実施例の振動生成部40は液体3に接しているが、振動生成部40は、液体3、ノズル27及び液体搬送管7のうちの少なくともいずれか1つに接していればよい。
上記のように、流量脈動を与えない場合の、自己液滴化周波数は約247kHzであるが、流量脈動により液滴化を促進することが可能である。また、流量脈動における周波数を変更することで、液滴3bの液滴径も変更されるので、対象物の破砕、切除、洗浄状態の条件などに合わせた液滴径の変更が可能である。
ここで、特に好適な周波数を決定するために、オフセット5Vでピークトゥピーク10V、並びに、オフセット10Vでピークトゥピーク20Vの正弦波を単板圧電素子42に与えて検討した。この電圧での静特性での単板圧電素子42の変位量は、10Vで0.005nm、20Vで0.01nmとわずかであった。なお、該周波数について、流量脈動により液滴化が促進され始める89kHzから液滴化の促進が生じなくなる374kHzの範囲で、100kHzまでは1kHzステップで、それ以上は2kHzステップで検討した。
液滴化の定義は、連続流の分断が生じたのち、液滴3bがほぼ球形となることとした。これは液滴3bの分断が生じても、サテライト液滴が発生してしまう場合などがあり、効果的な液滴化ができない周波数が存在するためである。そこで、図5及び図6に、効果的な液滴化ができた場合と効果的な液滴化ができなかった場合の具体例を示す。図5は、10Vのピークトゥピークで130kHzの振動周波数とした場合の一例であって、効果的な球体の液滴化ができたものの一例の写真である。一方、図6は、10Vのピークトゥピークで134kHzの振動周波数とした場合の一例であって、サテライト液滴が発生し液滴3bが好ましい球体とはならなかったものの一例の写真である。
ここで、図7は、流量4ml/minにおいて、効果的な液滴化ができた場合と効果的な液滴化ができなかった場合を表す、単板圧電素子42への印可電圧が10Vピークトゥピークでの試験結果である。また、図8は、流量4ml/minにおいて、効果的な液滴化ができた場合と効果的な液滴化ができなかった場合を表す、単板圧電素子42への印可電圧が20Vピークトゥピークでの試験結果である。図7及び図8ではともに、横軸は単板圧電素子42に与えた正弦波の周波数である脈動周波数を表し、縦軸は液滴化距離を表している。なお、図7及び図8において、液滴化距離0mmに表示されている周波数は、例えば図6で表されるように液滴3bが球体として液滴化しなかった場合など、好適に液滴化することができなかった場合を表している。
図7で表されるように、まず、図7の10Vピークトゥピークの場合、自己液滴化周波数247kHzのわずか下の242kHzから安定した液滴化が可能になり334kHzまで安定した液滴化が可能であった。安定した液滴化は、242kHzから334kHzまで液滴化距離が26mm以下であって0mmになっていないことで表されている。また、338kHzから366kHzまでにおいても、液滴化距離が26mm以下であって0mmになっていないことから安定した液滴化が可能になっているといえる。一方、図8で表されるように、図7の10Vピークトゥピークに対して振幅を増やした図8の20Vピークトゥピークでは、228kHzから374kHzまで安定した液滴化が可能であった。
ここで、安定した液滴化が始まるのは、図8の20Vピークトゥピークにおいては、自己液滴化周波数である247kHzの約0.9倍である228kHzである。また、図7の10Vピークトゥピークにおいては、自己液滴化周波数である247kHzの約1倍である242kHzである。好ましい周波数の上限は、図8の20Vピークトゥピークにおいては、374kHz/228kHz、すなわち、自己液滴化周波数の約1.6倍である。また、図7の10Vピークトゥピークにおいては、好ましい周波数の上限は、一点液滴化できなかった部分である336kHzを考慮すれば334kHz/242kHz、すなわち、自己液滴化周波数の約1.3倍、この部分を考慮しなければ366kHz/242kHz、すなわち、自己液滴化周波数の約1.5倍である。
上記結果から、振動生成部40が生成する振動の周波数は、自己液滴化周波数の1.5倍以下であることが好ましい。振動生成部40が生成する振動の周波数を大きくしすぎると適正に液滴化することができない場合があるが、振動生成部40が生成する振動の周波数を自己液滴化周波数の1.5倍以下とすることで、適正に自己液滴化しなくなることを抑制することができる。
なお、本発明者らが様々な条件を振って鋭意検討した結果、振動生成部40が生成する振動の周波数は、90kHz以上であることが好ましいことが分かった。振動生成部が生成する振動の周波数を90kHz以上とすることで、特に好適に液滴化距離を短くすることができる。
また、図8の20Vピークトゥピークなどの結果から、振動生成部40が生成する振動の周波数は、370kHz以下であることが好ましい。振動生成部が生成する振動の周波数を370kHz以下とすることで、特に好適に液滴化距離を短くすることができる。
図9は、流量3ml/minで20Vピークトゥピークの振幅で液滴化した場合と、流量4ml/minで20Vピークトゥピークの振幅で液滴化した場合と、において、自己液滴化周波数と自己液滴化距離とを用いて規格化したグラフである。ここで、規格化とは、振動生成部40による振動周波数、すなわち、脈動周波数の好ましい範囲を表現したものであり、具体的には、図9の液滴化距離/自己液滴化距離が0でなく、かつ、1.0以下となる、脈動周波数/自己液滴化周波数の領域を意味する。なお、流量3ml/minにおいては、自己液滴化周波数は180kHzであり、自己液滴化距離は17mmである。一方、流量4ml/minにおいては、上記の結果から、自己液滴化周波数を247kHzであり、自己液滴化距離を26mmである。
図9で表されるように、自己液滴化周波数が変化しても、流量脈動の周波数は自己液滴化周波数を超える範囲、すなわち、脈動周波数/自己液滴化周波数が1を超える範囲とすることで安定することが分かる。図9における流量脈動の周波数が安定している領域は、液滴化距離/自己液滴化距離が0とはならず、1.0以下となる領域である。また、上記のとおり好ましい上限の周波数(振動生成部40が生成する振動の周波数)は、自己液滴化周波数の1.5倍以下であり、より好ましくは1.3倍以下である。
ここで、図2で表される本実施例の振動生成部40は、液体3の搬送方向である方向aにおいて液体3を脈動させる振動を生成することができる。液体3の搬送方向において液体3を脈動させることで特に好適に液滴化距離を短くすることができる。
詳細には、振動生成部40は、単板圧電素子42により、液体搬送管7を液体3の搬送方向である方向aと直交する方向に振動させる。振動生成部40をこのような構成とすることで、液体搬送管7を液体3の搬送方向に振動させる構成を簡単に形成することができる。
ただし、このような構成に限定されない。例えば、液体搬送管7の形状及び液体搬送管7に対する単板圧電素子42の配置を変えることなどで、振動生成部40が液体搬送管7を液体3の搬送方向に振動させる構成としてもよい。液体搬送管7を液体3の搬送方向に振動させることでも、本実施例の振動生成部40と同様、好適に液体3の搬送方向において液体3を脈動させることができる。
本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
1…液体噴射装置、2…ヘッド部、3…液体、3a…連続流状態の液体、3b…液滴、5…制御装置、6…送液ポンプ、7…液体搬送管、8…タンク、21…把持部、23…導入流路、24…流入流路開口部、25…流体室、27…ノズル、31…孔部、33…中間部材、34…規制部、40…振動生成部、41…ダイアフラム、42…単板圧電素子、51…駆動信号線、52…制御信号線

Claims (8)

  1. 液体を噴射するノズルと、
    前記液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、
    振動を生成する振動生成部と、
    を備え、
    前記振動生成部は、前記液体、前記ノズル及び前記液体搬送管のうちの少なくともいずれか1つに接し、
    前記振動生成部が振動を生成しない状態で前記ノズルから噴射した前記液体が複数の液滴となって飛翔し所定の位置を単位時間に通過する前記液滴の個数を自己液滴化周波数とするとき、
    前記振動生成部が生成する振動の周波数は、前記自己液滴化周波数よりも大きい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、
    前記振動生成部が生成する振動の周波数は、前記自己液滴化周波数の1.5倍以下であることを特徴とする液体噴射装置。
  3. 請求項1または2に記載の液体噴射装置において、
    前記振動生成部が生成する振動の周波数は、90kHz以上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1項に記載の液体噴射装置において、
    前記振動生成部は、前記液体の搬送方向において前記液体を脈動させる振動を生成することを特徴とする液体噴射装置。
  5. 請求項4に記載の液体噴射装置において、
    前記振動生成部は、前記液体搬送管を前記液体の搬送方向に振動させることを特徴とする液体噴射装置。
  6. 請求項4に記載の液体噴射装置において、
    前記振動生成部は、前記液体搬送管を前記液体の搬送方向と直交する方向に振動させることを特徴とする液体噴射装置。
  7. 請求項1から6のいずれか1項に記載の液体噴射装置において、
    前記振動生成部は、圧電素子を含むことを特徴とする液体噴射装置。
  8. 請求項1から6のいずれか1項に記載の液体噴射装置において、
    前記振動生成部は、静電アクチュエーターを含むことを特徴とする液体噴射装置。
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