JP3418723B2 - 超微小液滴の噴射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、瞬時の磁界の変化
に応答して変位する超磁歪材料を利用し、シリンダ内に
充填した液体を、微小な１個の液滴として噴射させるよ
うにしたことを特徴とする超微小液滴の噴射装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、微少な液体を噴射する装置と
しては、手動操作する注射器が知られている。前記注射
器は、先端に針を有するシリンダと、シリンダ内を往復
移動するピストンとを有し、ピストンの往復動によって
先端の針から液体を噴射させるようにしたものである。

【０００３】こうした注射器の他、工業的には、燃料噴
射、インク噴射、潤滑油噴射等があり、この工業的液体
噴射方法を大きく分類すると、次の３種類がある。 （１）ノズルの付いた容器に液体を充填し、この容器を
加圧することにより液体をノズルから液柱として注出さ
せるとともに、この液柱に振動を与えることにより周期
的乱れを生じさ、液柱から液滴へと変化させることによ
って液滴を連続的に生じさせる方法（以下、振動法とい
う）である。こうした振動法は、例えば、特公平６−２
０５２８号公報や特公平３−３９７３０号公報に記載さ
れている。振動法においては、例えば、振動数を１０Ｋ
Ｈｚ程度にすれば、１００μｍ程度の水滴が連続的に生
成される。 （２）ノズルの付いた容器に液体を充填し、この容器に
衝撃的な圧力を加えることによってノズルから液体を噴
射させる方法（以下、衝撃圧法という）である。こうし
た衝撃圧法は、例えば、特開平１０−１８９３９号公報
や特公昭５１−３８３２３号公報に記載されている。先
の注射器もこの衝撃圧法に属するものである。 （３）燃料噴射弁のように、噴射口に設置した弁を瞬時
に開閉することによって、加圧された液体を微少量だけ
噴射させる方法（以下、弁座開閉法という）である。こ
うした弁座開閉法は、例えば、特開平８−１７７６７７
号公報に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た振動法は、連続的な液滴の噴射方法であって、任意の
１個の液滴をつくるための技術ではない。

【０００５】また、上述した衝撃圧法においては、直径
が数μｍから数十μｍの液滴を１個つくるための条件
や、その条件を満たすために必要なアクチュエータの能
力について、前述の公報に何らの記載もない。これら公
報に記載された方法に基づいて液滴をつくった場合に
は、噴射される液滴の直径が数十μｍより大きくなり、
また、大きな液滴から分離した衛星滴が形成される可能
性がある。

【０００６】さらに、上述した弁座開閉法において、瞬
時に弁を開閉させるためには、当該弁に働く慣性力に打
ち勝つだけの力が必要となるはずである。しかしなが
ら、前述の公報には、数μｍから数十μｍの直径の液滴
を１個つくるための条件や、その条件を満たすために必
要なアクチュエータの能力についての記載がない。

【０００７】このように微小な液滴をつくる従来技術に
は、微小な液滴をつくるための具体的な条件や各種アク
チュエータの能力について具体的な記載がなく、これら
の技術からは、たとえ通常の創作力を働かせたとして
も、直径が数μｍから数十μｍの液滴を確実に１個つく
ることは極めて困難である。

【０００８】一方、超磁歪材料は、大きな負荷を受けて
も磁界の強さに応じて伸び縮みする、磁界の時間的変化
に対しても応答性が良い、という特徴をもっている。こ
の超磁歪材料の伸び縮みを利用したアクチュエータとし
ては、例えば特開平７−３１７９３８号公報や特開平１
０−１４５８９２号公報などがある。

【０００９】しかし、これら公報には、超磁歪材料をマ
イクロ秒（μｓ）単位の時間で変位させることについて
の記載はなく、マイクロ秒単位での駆動技術もない。

【００１０】本出願人は先に、特許第２８９９６８９号
（以下、先行特許という）において、超磁歪材料をマイ
クロ秒で駆動できることを明らかにし、さらに、棒状を
成す超磁歪材料の全長を有効に利用して駆動する方法を
提案した。そしてマイクロポンプ等において使用するこ
とが可能であることを示唆してきた。

【００１１】しかしながら、微小な液滴をつくるための
条件が不明確であったこと、並びに先行特許だけでは棒
状を成す超磁歪材料の内部を弾性波が往復し、超磁歪材
料の軸端部に繰り返して変位が現れるという問題があっ
て、微小な液滴を１個だけつくることができなかった。

【００１２】本発明は、前述の先行特許に関連してなさ
れたもので、微小な液滴をつくるための条件を明らかに
するとともに、棒状を成す超磁歪材料の内部を弾性波が
往復し、超磁歪材料の軸端部に繰り返して変位が現れる
という問題を解決して、シリンダ内に充填した液体を微
小な１個の液滴として噴射させる装置を提供することを
目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、シリンダ内に
収納した棒状を成す超磁歪材料の周りにコイルを巻成
し、該コイルに電流を瞬間的に流すことにより前記超磁
歪材料に瞬間磁界を作用させて該超磁歪材料の軸端部に
弾性波による瞬時の過渡的変位を発生させ、その超磁歪
材料の瞬時変位の作用で前記シリンダ内に充填した液体
を微小な１個の液滴として該シリンダの端部ノズルから
噴射させるようにした超微小液滴の噴射装置において、
下式（１）および（２）を満たす時間ｔ［ｓ］だけ前記
コイルに電流を流すようにしたことを特徴とする。 Ｔ ＜ ｄ（ρ×ｄ／（３×γ））^１／２ ［ｓ］・・・ （１） Ｌ ＝ （Ｔ−ｔ）×Ｃ ［ｍ］ ・・・ （２） 但し、ｄはノズル先端の直径［ｍ］ ρは液体の密度［ｋｇ／ｍ^３ ］ γはノズル先端と液体との表面張力［Ｎ／ｍ］ Ｌは磁歪によって伸縮する超磁歪材料の軸方向長さ
［ｍ］ Ｔは液体に圧力をかけてから液滴がノズル先端から離れ
るまでの時間［ｓ］ Ｃは超磁歪材料内部を進行する弾性波の速度［ｍ／ｓ］

【００１４】また本発明は、シリンダ内に収納した棒状
を成す超磁歪材料の周りにコイルを巻成し、該コイルに
電流を瞬間的に流すことにより前記超磁歪材料に瞬間磁
界を作用させて該超磁歪材料の軸端部に弾性波による瞬
時の過渡的変位を発生させ、その超磁歪材料の瞬時変位
の作用で前記シリンダ内に充填した液体を微小な１個の
液滴として該シリンダの端部ノズルから噴射させるよう
にした超微小液滴の噴射装置において、前記シリンダ内
の超磁歪材料と液体との間に該超磁歪材料に対して離接
可能にピストンを介在させ、前記超磁歪材料の軸端部に
発生した瞬時の過渡的変位により当該ピストンを押し進
めて前記シリンダ内に充填した液体を前記端部ノズルか
ら噴射させるとともに、少なくとも前記過渡的変位が弾
性波となって反対側の端面に到達し、さらに反射して戻
ってきた際に、前記ピストンを前記超磁歪材料の軸端か
ら離れた位置に配置させるようにしたことを特徴とす
る。

【００１５】また本発明は、シリンダ内に収納した棒状
を成す超磁歪材料の周りにコイルを巻成し、該コイルに
電流を瞬間的に流すことにより前記超磁歪材料に瞬間磁
界を作用させて該超磁歪材料の軸端部に弾性波による瞬
時の過渡的変位を発生させ、その超磁歪材料の瞬時変位
の作用で前記シリンダ内に充填した液体を微小な１個の
液滴として該シリンダの端部ノズルから噴射させるよう
にした超微小液滴の噴射装置において、前記シリンダ内
に超磁歪材料より大きな質量の支持棒を収納し該支持棒
と液体との間に超磁歪材料を設置し、超磁歪材料にシー
ルを施し超磁歪材料自体をピストンとすることによって
前記超磁歪材料の端部に発生した瞬時の過渡的変位によ
り該ピストンを押し進め、前記シリンダ内に充填した液
体を前記端部ノズルから噴射させるようにしたことを特
徴とする。

【００１６】これらの発明において、前記シリンダ内に
は、液体を充填する液体貯留部に、液体供給路を接続す
ることが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】針のように細いノズルから液体を
押し出して微小な液滴をつくるためには、いくつかの条
件が必要である。まず、図１のように、ノズル先端から
ゆっくりと液体を押し出し、重力で液滴を落下させる場
合の条件について考察する。

【００１８】ノズル先端から落下する液滴の直径をｄ
［ｍ］、液体の密度をρ［ｋｇ／ｍ^３ ］とすると、この
液滴の質量はρ×πｄ^３ ／６［ｋｇ］であり、その液
滴に働く重力Ｗ［Ｎ］は下式（ａ）のようになる。 Ｗ ＝ ９．８×ρ×πｄ^３ ／６ ［Ｎ］ ・・・ （ａ）

【００１９】一方、ノズル先端の直径をｄ_ｏ ［ｍ］、
ノズル先端と空気と液体の境界に働く表面張力をγ［Ｎ
／ｍ］とすると、ノズル先端が液滴を引きつける力Ｆ
［Ｎ］は下式（ｂ）となる。 Ｆ ＝ πｄ_ｏ γ［Ｎ］ ・・・ （ｂ）

【００２０】液滴がノズル先端から落下するときには、
Ｆ＝Ｗが成立するので、上式（ａ）および（ｂ）より下
式（c ）を得る。 πｄ_ｏ γ ＝ ９．８×ρ×πｄ^３ ／６ ・・・ （ｃ）

【００２１】いま、液体が水の場合について具体的な計
算をしてみる。水の密度、表面張力をそれぞれρ＝１０
^３ ［ｋｇ／ｍ^３ ］、γ＝７２．８×１０^−３［Ｎ／
ｍ］とすると、上式（ｃ）はさらに下式（ｄ）のように
なる。 ｄ_ｏ ＝ ２２．４×１０^３ ×ｄ^３ ［ｍ］ ・・・ （ｄ）

【００２２】ここで、上式（ｄ）において、ノズルの直
径ｄ_ｏ が、１×１０^−３［ｍ］、０．１×１０
^−３［ｍ］、０．０１×１０^−３［ｍ］のように変化す
ると、ノズル先端から落下する水滴の直径ｄは、それぞ
れ３．５４×１０^−３［ｍ］、１．６５×１０
^−３［ｍ］、０．７６×１０^−３［ｍ］となる。つま
り、ノズルの直径を細くしても、そのノズル先端から落
下する水滴はノズルの直径に比例して小さくならない。
これは、水滴が小さくなると、重力は水滴の直径の３乗
で小さくなるが、表面張力は１乗で小さくなり、結果的
には重力に比べて表面張力が大きくなるためである。

【００２３】ノズルの直径をあまり細くすると、逆に粘
性抵抗が大きくなり、水がノズルを通り難くなるという
問題が発生する。すなわち、重力で小さな水滴をつくる
には限界がある。

【００２４】したがって、ノズルから液体を押し出して
微小な液滴をつくるためには、重力より更に大きな強制
力で液体を押し出さなければならないということにな
る。しかしながら、ただ単にノズルに圧力をかけるだけ
では液体は連続的に流れ出るだけで液滴にはならない。
水道水が蛇口から流れ出るのと同じ原理である。液滴に
するためには、液体に圧力をかけ、液体がノズルから噴
射した瞬間に、液体にかけた圧力を急速に下げ、液体が
連続して流れ出ないようにしなければならない。そのと
き、先に噴射した液体は、後ろから押す力を受けなくな
るので、飛び出た勢いだけでノズル先端から噴射するこ
とになる。

【００２５】いま、どのくらいの勢いで液体を押し、ど
のくらいの時間の後に液体にかけた圧力を下げれば、液
滴がノズルから噴射するのかを概算してみる。

【００２６】図２のように、内径ｄ［ｍ］のノズル先端
から、これと同じ直径の液滴が噴射すると仮定する。衝
撃力によって液滴が得た速度をＶ［ｍ／ｓ］とすると、
この液滴の運動エネルギーは、その液滴の質量にＶ^２
／２を掛けたものであるから、ρ×πｄ^３Ｖ ^２／１２
［Ｎ・ｍ］である。

【００２７】一方、液滴がノズルから噴射してノズルか
ら完全に離れるまでの間、すなわち、液滴が距離ｄ
［ｍ］だけ進む間、液滴はノズルから引き戻す仕事を受
ける。直径ｄ［ｍ］のノズルが液滴を引きつける力はπ
ｄγ［Ｎ］である。

【００２８】したがって、液滴が距離ｄ［ｍ］だけ進む
間にノズルが液滴を引き戻す仕事は、πｄγ×ｄ［Ｎ・
ｍ］となる。

【００２９】液滴の運動エネルギーが、ノズルから引き
戻す仕事より大きければ、液滴はノズルから噴射するこ
とができので、計算式は以下に示すように、 ρ×πｄ^３Ｖ^２／１２ ＞ πｄγ×ｄ となる。すなわち、下式（ｅ）を得る。 Ｖ ＞ （１２×γ／（ρ×ｄ））^１／２ ［ｍ／ｓ］ ・・・ （ｅ ）

【００３０】次に、液体が衝撃力を受けて液滴が出来始
めてから、液滴がノズル先端から完全に離れるまでの時
間Ｔ［ｓ］を求める。この時間Ｔは、液滴がおよそ液滴
の直径ｄ［ｍ］だけ進むに要する時間と考えられるの
で、液滴の初速をＶ［ｍ／ｓ］、液滴がノズルから離れ
て飛び出る速度をｖ［ｍ／ｓ］とすると、液滴の平均速
度は（Ｖ＋ｖ）／２［ｍ／ｓ］であるから、下式（ｆ）
のようになる。 Ｔ ＝ ２×ｄ／（Ｖ＋ｖ） ［ｓ］ ・・・ （ｆ） ｖ＞０の条件と、（ｅ）式を（ｆ）式に代入すると、下
式（ｇ）が得られる。 Ｔ ＜ ｄ（ρ×ｄ／（３×γ））^１／２ ［ｓ］ ・・・ （ｇ）

【００３１】以上の計算を要約すると、液滴をノズルか
ら噴射するためには、液体に圧力をかけて（ｅ）式を満
たすような速度を液体に与え、（ｇ）式を満たすような
時間の後に、液体にかける圧力を下げなければならな
い。

【００３２】いま、ガラスノズルから水滴を噴射させる
場合、水の密度、表面張力をそれぞれρ＝１０^３ ［ｋ
ｇ／ｍ^３ ］、γ＝７２．８×１０^−３［Ｎ／ｍ］とし
て具体的な計算をすると、以下の通りである。直径ｄ＝
１×１０^−３［ｍ］の水滴を噴射させるためには、少な
くとも０．９３［ｍ／ｓ］以上の速度で水をガラスノズ
ルから押し出し、少なくとも２×１０ ^−３秒後に水にか
けた圧力を下げなければならない。直径ｄ＝０．１×１
０^−３［ｍ］の水滴を噴射させるためには、少なくとも
３［ｍ／ｓ］以上の速度で水をガラスノズルから押し出
し、少なくとも６７×１０ ^−６秒後に水にかけた圧力を
下げなければならない。直径ｄ＝０．０１×１０
^−３［ｍ］の水滴を噴射させるためには、少なくとも
９．３［ｍ／ｓ］以上の速度で水をガラスノズルから押
し出し、少なくとも２×１０^−６秒後に水にかけた圧力
を下げなければならない。

【００３３】液体にかける圧力のオン・オフ動作を連続
的に、すなわち、振動的に行うとき、例えば、直径０．
１×１０^−３［ｍ］の水滴を６７×１０^−６秒周期で連
続的に生成するとき、その周波数は約１５ＫＨｚとな
る。さらに、直径０．０１×１０^−３［ｍ］の水滴を２
×１０^−６秒周期で連続的に生成しようとすると、周波
数は５００ＫＨｚとなる。振動法によって連続的に液滴
を生成する特公平６−２０５２８号公報や特公平３−３
９７３０号公報に記載されている実験結果も、オーダ的
に（ｅ）式、（ｇ）式に近いものである。

【００３４】上記の例のように、細いノズルから微小な
液滴を噴射させるためには、液体に圧力をかけてノズル
から噴射する液体の速度が（ｅ）式で与えられる条件を
満たし、液体がノズル先端から出始めてから（ｇ）式で
与えられるＴ［ｓ］後に、液体にかける圧力を下げるこ
とのできるアクチュエータを提供することが必要にな
る。

【００３５】こうしたアクチュエータとして、例えば、
図３に示すものについて考察してみる。このアクチュエ
ータは、軸方向の磁界の変化に対して軸方向に伸び縮み
する棒状を成す超磁歪材料と、この超磁歪材料の全長に
わたって巻成したコイルとを備えて構成したものであ
る。

【００３６】コイルに電流が流れた瞬間、超磁歪材料の
各部は軸方向に伸びようとする。しかしながら、各部の
伸びは、瞬時に軸端の変位となって現れるわけではな
い。軸端から離れた部分の材料の伸びは、材料内部を弾
性波となって進行し、軸端に到達するまでに時間を要す
る。例えば、超磁歪材料Terfenol-D（商品名）の内部を
進行する弾性波の速度は約１７００ｍ／ｓであり、１μ
ｓで１．７ｍｍ進行する。

【００３７】いま、１７ｍｍの長さを有した棒状を成す
Terfenol-Dに対して、その全長にわたってコイルを巻い
たものを用意する。このコイルに電流を流した瞬間、軸
端には変位が現れ始めるが、反対側の軸端付近の材料の
伸びが弾性波となって伝わってくるまでの時間、すなわ
ち、棒の全長を弾性波が伝わるまでの１０μｓの時間、
軸端には最初の瞬間に発生した各部の伸びが持続的にや
って来る。さらに、この端面の変位は弾性波となって反
対側の端面に向かって進行し、この反対側の端面で反射
して戻ってくる。

【００３８】このように、最初に電流を流した瞬間の材
料の伸びは、２０μｓ周期の波となって減衰しながら棒
の中を行ったり来たりする。これは、過渡振動、あるい
は、材料の固有振動といわれるもので、長さ１７ｍｍの
棒状のTerfenol-Dの場合、固有振動数は５０ＫＨｚとい
うことになる。

【００３９】この過渡振動振幅は、時間とともに減衰し
て小さくなる。コイルに流れる電流が持続していれば、
材料各部の伸びは持続して残る。通常、コイルに流す電
流の変化は過渡振動に比べてはるかにゆっくりしてい
る。したがって、電流の時間的周期がｍｓオーダであれ
ば、超磁歪材料もｍｓオーダの電流周期に応じた伸び縮
みをする。

【００４０】しかしながら、前述のように、微小な液滴
をつくるためには、液体にかける圧力をμｓの瞬時にオ
ン・オフさせる必要がある。そのためには超磁歪材料内
を進行する弾性波による過渡的変位を利用せざるを得な
い。この場合、超磁歪材料の軸方向長さとコイルの軸方
向長さとが問題となる。

【００４１】前述の例のように、長さ１７ｍｍの棒状を
成すTerfenol-Dの全長にコイルを巻いて電流を流した場
合には、いかに瞬時に電流を流してもの１０μｓの時
間、軸端には変位が持続することになり、１０μｓより
短い時間に変位をオン・オフさせることはできない。

【００４２】いま、棒状を成す超磁歪材料の全長にわた
って巻いたコイルに瞬時の電流を流したとき、軸端に現
れる過渡的な変位が持続する時間をＴ′［ｓ］、超磁歪
材料の軸方向長さをＬ［ｍ］、超磁歪材料内部を進行す
る弾性波の速度をＣ［ｍ／ｓ］とすると、三者の関係は
下式（ｈ）のようになる。 Ｔ′ ＝ Ｌ／Ｃ ［ｓ］ ・・・ （ｈ）

【００４３】実際にはコイルに電流が流れている間の時
間が存在するので、軸端に現れる過渡的な変位の持続時
間Ｔは、コイルに電流が流れている間の瞬時の時間をｔ
［ｓ］とすると、 Ｔ ＝ ｔ ＋ Ｌ／Ｃ ［ｓ］ ・・・ （ｉ） あるいは、 Ｌ ＝ （Ｔ−ｔ）×Ｃ ［ｍ］ ・・・ （ｊ） となる。

【００４４】（ｉ）式におけるＴ［ｓ］は、（ｆ）式に
おけるＴ［ｓ］と同じ、あるいはそれよりも小さな値で
なければならない。また、（ｊ）式において、当然なが
らＬ＞０であり、ｔ［ｓ］は、軸端に現れる過渡的な変
位の持続時間Ｔ［ｓ］より短くなければならない。

【００４５】超磁歪材料の長さが（ｊ）式で与えられる
Ｌ［ｍ］よりも長く、超磁歪材料の軸端に現れる過渡的
な変位の持続時間が長すぎる場合には、コイルの軸方向
長さを短くすることにより磁束線の軸方向長さを短くし
て、磁歪によって伸びる超磁歪材料の軸方向長さがＬ
［ｍ］以下になるようにすればよい。但し、磁束の軸方
向長さは、超磁歪材料の寸法、透磁率、コイル寸法、コ
イル位置、電流周波数等によって変化するため、実験と
解析によって磁束の軸方向長さを求める必要がある。

【００４６】以下、本発明の実施の形態を図４に基づい
て説明する。超微小液滴の噴射装置１では、ガラスパイ
プ、ステンレスパイプ等の非磁性材質からなるシリンダ
２の一端部に液体の貯留部３を設けるとともに、微細な
噴射孔を有した噴射ノズル４を形成する。シリンダ２の
内部には、棒状を成した超磁歪材料からなるアクチュエ
ータ５を移動可能に収納し、噴射ノズル４に向くアクチ
ュエータ５の端部にピストン６を離接可能に設けるとと
もに、前記貯留部３に液体７を充填する。アクチュエー
タ５の他端部と端部のストッパ９との間には、スプリン
グ８を介在させてアクチュエータ５をスプリング８によ
り前進するように付勢する。シリンダ２の外周には、ア
クチュエータ５の長さの途中で、ピストンに近い位置に
コイル１０を巻成している。

【００４７】前記ピストン６に圧力を瞬間的に作用さ
せ、３〜１０［ｍ／ｓ］以上の速度で液体７を押し出
し、２〜６０［μｓ］以下の瞬時にその圧力を下げて数
μｍ〜１００μｍ程度の直径の超微小の液滴を噴射させ
るという課題を解決するために、本発明は、瞬時の磁界
の時間的変化に対して伸縮する超磁歪材料をアクチュエ
ータとして用いている。

【００４８】いま、前記コイルに瞬間的に電流を流すこ
とによって、アクチュエータ５の軸端に時間Ｔ［ｓ］だ
け過渡的な変位が発生するように、アクチュエータ５の
一部分で、Ｌ＝（Ｔ−ｔ）×Ｃ［ｍ］で計算される軸方
向長さＬ［ｍ］だけが磁界の作用によって伸びるよう
に、コイルの軸方向長さと、電流を流す時間ｔ［ｓ］と
が設定してある。但し、Ｃ［ｍ／ｓ］は超磁歪材料内部
を進行する弾性波の速度である。

【００４９】したがって、前記コイル１０に瞬間的な電
流を流せば、超磁歪材料からなるアクチュエータ５の軸
端がＴ［ｓ］の時間、瞬間的に変位し、さらにその変位
によってシリンダ２内のピストン６が押され、ピストン
６が液体７を押し出すようになる。

【００５０】ピストン６がＴ［ｓ］の瞬時、アクチュエ
ータ５によって押し出された後、アクチュエータ５の軸
端変位が弾性波となって反対側の軸端面に向かって去っ
て行くと、ピストン６はアクチュエータ５と離隔した状
態になる。続いて、反対側の端面から反射して戻ってき
た弾性波は減衰しており、その弾性波による軸端変位は
もはやピストン６に接触することがない。

【００５１】しかる後、アクチュエータ５は後部のスプ
リング８によって押され、分離したピストン６に追いつ
いて、ピストン６とアクチュエータ５とが再び接触した
状態に戻る。ピストン６とアクチュエータ５とが接触す
るまでに要する時間は、アクチュエータ５内部を往復す
る弾性波が減衰して消滅するまでの時間よりはるかに長
い。

【００５２】超磁歪材料は、大きな負荷を受けても磁界
の強さに応じて大きな歪みを生じる特徴を持っている。
しかし、実際に２〜６０［μｓ］の瞬時に、液体を噴射
ノズルから３〜１０［ｍ／ｓ］以上の速度で噴射させる
ことができるか推定する必要がある。

【００５３】超磁歪材料の実用的な歪み量は、０．１〜
１．０×１０^−３程度である。この歪みを変位で表す
と、たとえば、棒状を成す超磁歪材料が軸方向に１．０
×１０ ^−３だけ磁歪で伸びるということは、長さ１０ｍ
ｍのもので１０μｍ伸びることを意味する。つまり、μ
ｍオーダの伸びしか得られないのが通常である。

【００５４】静的な歪み、静的な変位について述べた
が、動的な歪み、動的な変位についても同様である。す
なわち、超磁歪材料の歪み速度は非常に速いが、変位の
速度はそれほど速くはない。このことを計算によって以
下に示す。

【００５５】いま、ある瞬間、超磁歪材料がひずんだと
き、その歪みは、弾性波となって瞬時に軸方向に伝わっ
ていく。この弾性波の進行速度をＣ［ｍ／ｓ］とする
と、瞬時の微小時間Δｔ［ｓ］の間に、弾性波はＣ・Δ
ｔ［ｍ］だけ進む。すなわち、微小時間Δｔ［ｓ］の間
に、Ｃ・Δｔ［ｍ］の長さの材料が歪むことを意味して
いる。

【００５６】歪みの大きさをεとすると、Ｃ・Δｔ
［ｍ］の長さの超磁歪材料は、Ｃ・Δｔ・ε［ｍ］だけ
変位する。Δｔ［ｓ］の時間にＣ・Δｔ・ε［ｍ］変位
すると、その変位速度は、Ｃ・Δｔ・ε／Δｔ＝Ｃ・ε
［ｍ／ｓ］である。いま、ε＝１．０×１０^−３とする
と、超磁歪材料Terfenol-Dの変位速度Ｃ・εは１．７ｍ
／ｓとなる。すなわち、磁歪によって棒状のTerfenol-D
を軸方向に伸ばしたとき、軸端の変位速度はせいぜい
１．７ｍ／ｓ程度である。超磁歪材料は瞬時に変位する
が、超磁歪材料自身では、３〜１０［ｍ／ｓ］以上の速
度が出せない。

【００５７】液体を噴射するノズルの内径をｄ、シリン
ダの内径をＤとすると、液体が非圧縮性で、各部の弾性
変形がないと仮定すると、シリンダ内のピストンを速度
Ｖｃで押した場合、ノズルからはＶｃ×（Ｄ／ｄ）^２
の速度で飛び出すことになる。（Ｄ／ｄ）^２ ＝１００
程度は容易につくることができるので、これによって、
必要な速度を出すことが可能となる。

【００５８】瞬時にピストンを動かすには大きな力を要
する。超磁歪材料はどのくらいの質量のピストンを動か
すことができるか試算する必要がある。

【００５９】静止している質量Ｍ［ｋｇ］のものを、ｔ
［ｓ］後に、Ｖｃ［ｍ／ｓ］にするためには、Ｍ・Ｖｃ
／ｔ［Ｎ］の力を要する。前述のように、ピストンの速
度は液滴の飛び出す速度の１／１００程度でもよい。し
たがって、いま、ピストンの速度Ｖｃを０．１［ｍ／
ｓ］、ピストンの質量が１×１０^−３［ｋｇ］とする
と、１×１０^−３秒後に０．１［ｍ／ｓ］の速度にする
ためには０．１［Ｎ］の力が必要となり、また、２×１
０^−６秒後に０．１［ｍ／ｓ］にするためには、５０
［Ｎ］の力がいる。

【００６０】超磁歪材料の発生応力はふつう、２０×１
０^６ ［Ｎ／ｍ^２ ］程度である。直径２ｍｍの棒状の
ものでも６３［Ｎ］の力を出すことができるので、超磁
歪材料は、十分に力を出すことができる。

【００６１】前記した実施形態の超微小液滴の噴射装置
１では、超磁歪材料からなるアクチュエータでピストン
を押し出す形態であったが、超磁歪材料からなるアクチ
ュエータ自体をピストンとする構成の超微小液滴の噴射
装置を図５に示し、本発明の他の実施の形態として説明
する。

【００６２】超微小液滴の噴射装置１では、非磁性材質
からなるシリンダ２の一端部に液体の貯留部３を設ける
とともに微細な噴射孔を有した噴射ノズル４を形成す
る。シリンダ２の内部には、軸方向長さの短い超磁歪材
料からなるアクチュエータ５にシール６′を施したもの
を移動可能に収納し、液体７がシリンダ２から漏れない
よう、また、アクチュエータ５が液体７に触れないよう
に液体の貯留部３を仕切っている。すなわち、シール
６′とアクチュエータ５とは、前記ピストン６とアクチ
ュエータ５とを一体とした働きをしている。アクチュエ
ータ５の他端部には、アクチュエータ５より大きな質量
を持ち、アクチュエータ５の瞬時変位による反力を十分
に受ける能力のある支持棒１２を設ける。この支持棒１
２はストッパー９とスプリング８とにより前進するよう
に付勢されている。シリンダ２の外周には、アクチュエ
ータ５の位置にコイル１０を巻成した構成となってい
る。

【００６３】上記構成の超微小液滴の噴射装置１によれ
ば、コイル１０に瞬間的な電流を流すことによって発生
する磁界が超磁歪材料のアクチュエータ５を瞬間的に伸
長させる。このとき、アクチュエータ５は支持棒１２と
瞬間的に衝突するが、質量的に軽いアクチュエータ５の
方が前進し、貯留部３内の液体を瞬時に押し出す。アク
チュエータ５と分離した支持棒１２が、後部のスプリン
グ８によって押され、再びアクチュエータ５と接触状態
に戻る作用は、先の実施形態のものと同様である。

【００６４】前記した２例の実施形態の超微小液滴の噴
射装置１では、液体の貯留部３に充填した液体７が噴射
して全量が消費すると、これを補充することができな
い。そこで、液体を補充できる構成の超微小液滴の噴射
装置を図６に示し、本発明の他の実施の形態として説明
する。

【００６５】この実施形態の超微小液滴の噴射装置１で
は、非磁性材質からなるシリンダ２の一端部に液体の貯
留部３を設けるとともに、微細な噴射孔を有する噴射ノ
ズル４を形成する。シリンダ２の内部には、棒状を成し
た超磁歪材料からなるアクチュエータ５を移動可能に収
納し、ピストン６の代わりにダイヤフラム６″を設けて
液体の貯留部３を仕切るとともに、この貯留部３に液体
の供給路１１を接続している。先のスプリング８は不要
である。供給路１１の基端には逆止弁を設けてもよい
が、逆止弁がなくてもよい。すなわち、ダイヤフラム
６″で発生した圧力波の進行方向に対して直角方向にあ
る供給路１１の方向に押し出される液体の量はわずかで
あり、大部分の液体は、圧力波の進行方向にある噴射ノ
ズル４に向かって押し出されるためである。その他の構
成は先の実施形態と同一の構成であるから、同一の符号
を付してそれぞれの詳細説明を省略する。

【００６６】上記のように構成した超微小液滴の噴射装
置１によれば、前記コイル１０に瞬間的な電流を流す
と、これによって発生する磁界が超磁歪材料のアクチュ
エータ５を瞬間的に伸長させる。さらにこの超磁歪材料
の伸長によりダイヤフラム６″が押圧されて変形するた
め、貯留部３内の液体が瞬時に押し出される。アクチュ
エータ５が戻るとダイヤフラム６″も戻るので液体の貯
留部３が減圧するが、噴射ノズル４から外気が逆流する
より先に、供給路１１から貯留部３に減圧した分だけの
液体が補充される。つまり、供給路１１のパイプ直径に
比べて噴射ノズルの直径がはるかに小さく、粘性抵抗力
の違いによって供給路１１から液体が供給されるように
なる。

【００６７】したがって、貯留部３には常に定量の液体
が充填され、噴射した液体の量だけが補充されることに
なり、実用的に利用することができる。

【００６８】実際に試作した液滴噴射装置の実施例を以
下に説明する。内径２．１８ｍｍ、外径２．７７ｍｍの
ガラスパイプの一端を直径３０μｍまで細くし，充填し
た水をピストンで押し出し、顕微鏡下において、超微小
な水滴を噴射するのである。ピストンを押す超磁歪材料
は直径２ｍｍ、長さ３０ｍｍである。駆動コイルとして
は、ガラスパイプの外側でピストンに近いところに、直
径０．４ｍｍの銅線を軸方向長さ２．４ｍｍとなるよう
に２８回巻いてある。

【００６９】超磁歪材料におよそ１．０×１０^−３程度
の歪みを発生させるためには、磁場の強さをおよそ５０
０エールステッドにする必要がある。上記の液滴噴射装
置の場合、コイルに１６アンペアの電流を流すと、コイ
ル内部の磁場の強さがおよそ５００エールステッドにな
る。参考として、超磁歪材料Terfenol-Dの磁歪特性を図
７に示す。

【００７０】上記コイルに電圧３５ボルトで５μｓのパ
ルス電流を流すと、直径ほぼ３０μｍの水滴をノズル先
端から噴射することができた。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、シリ
ンダ内に収納した棒状を成す超磁歪材料の周りにコイル
を巻成し、該コイルに電流を瞬間的に流すことにより前
記超磁歪材料に瞬間磁界を作用させて超磁歪材料の軸端
部に弾性波による瞬時の過渡的変位を発生させ、その超
磁歪材料の瞬時変位の作用でシリンダ内に充填した液体
を微小な１個の液滴として該シリンダの端部ノズルから
噴射させるようにした超微小液滴の噴射装置において、
端部ノズル先端の直径をｄ［ｍ］、液体の密度をρ［ｋ
ｇ／ｍ^３ ］、ノズル先端と液体との表面張力をγ［Ｎ
／ｍ］、磁歪によって伸縮する超磁歪材料の軸方向長さ
をＬ［ｍ］、液体に圧力をかけてから液滴がノズル先端
から離れるまでの時間をＴ［ｓ］、超磁歪材料内部を進
行する弾性波の速度をＣ［ｍ／ｓ］とした場合、Ｔ＜ｄ
（ρ×ｄ／（３×γ））^１／２ ［ｓ］およびＬ＝（Ｔ
−ｔ）×Ｃ［ｍ］を満たす時間ｔ［ｓ］だけ前記コイル
に電流を流すようにしているため、数μｍから１００μ
ｍ程度の径の液滴（ナノリットルからピコリットル程度
の体積）を噴射することができるようになる。

【００７２】また、本発明では、シリンダ内に収納した
棒状を成す超磁歪材料の周りにコイルを巻成し、該コイ
ルに電流を瞬間的に流すことにより前記超磁歪材料に瞬
間磁界を作用させて該超磁歪材料の軸端部に弾性波によ
る瞬時の過渡的変位を発生させ、その超磁歪材料の瞬時
変位の作用で前記シリンダ内に充填した液体を微小な１
個の液滴として該シリンダの端部ノズルから噴射させる
ようにした超微小液滴の噴射装置において、前記シリン
ダ内の超磁歪材料と液体との間に該超磁歪材料に対して
離接可能にピストンを介在させ、前記超磁歪材料の軸端
部に発生した瞬時の過渡的変位により当該ピストンを押
し進めて前記シリンダ内に充填した液体を前記端部ノズ
ルから噴射させるとともに、少なくとも前記過渡的変位
が弾性波となって反対側の端面に到達し、さらに反射し
て戻ってきた際に、前記ピストンを前記超磁歪材料の軸
端から離れた位置に配置させるようにしているため、棒
状を成す超磁歪材料の内部を弾性波が往復し、超磁歪材
料の軸端部に繰り返して変位が現れるという問題を解決
することが可能となり、数μｍから１００μｍ程度の径
の液滴を噴射することができるようになる。

【００７３】さらに、本発明では、シリンダ内に収納し
た棒状を成す超磁歪材料の周りにコイルを巻成し、該コ
イルに電流を瞬間的に流すことにより前記超磁歪材料に
瞬間磁界を作用させて該超磁歪材料の軸端部に弾性波に
よる瞬時の過渡的変位を発生させ、その超磁歪材料の瞬
時変位の作用で前記シリンダ内に充填した液体を微小な
１個の液滴として該シリンダの端部ノズルから噴射させ
るようにした超微小液滴の噴射装置において、前記シリ
ンダ内に超磁歪材料より大きな質量の支持棒を収納し該
支持棒と液体との間に超磁歪材料を設置し、超磁歪材料
にシールを施し超磁歪材料自体をピストンとすることに
よって前記超磁歪材料の端部に発生した瞬時の過渡的変
位により該ピストンを押し進め、前記シリンダ内に充填
した液体を前記端部ノズルから噴射させるようにしてい
るため、質量の小さな超磁歪材料を用いて、数μｍから
１００μｍ程度の径の液滴を噴射することができるよう
になる。

【００７４】これらの結果、本発明によれば、試薬、医
薬等において微少量の液滴を利用する医療技術の分野、
微少量の液滴で化学反応をさせる化学技術の分野、微少
量の液滴により半導体の接着、溶着に使用する電子技術
の分野等、あらゆる技術分野に応用することができ、特
に、簡単な装置によって正確な微少量の液滴を噴射でき
るので、実用的価値の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】液滴が落下する状態の原理を示す断面図であ
る。

【図２】液滴が噴射する状態の原理を示す断面図であ
る。

【図３】棒状を成す超磁歪材料にコイルを巻いた状態を
示す概略図である。

【図４】本発明の実施形態を示す概略縦断面図である。

【図５】本発明の他の実施形態を示す概略縦断面図であ
る。

【図６】本発明の他の実施形態を示す概略縦断面図であ
る。

【図７】超磁歪材料の一般的な磁歪特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 噴射装置 ２ シリンダ ３ 貯留部 ４ 噴射ノズル ５ アクチュエータ ６ ピストン ６′ シール ６″ ダイヤフラム ７ 液体 ８ スプリング ９ ストッパ １０ コイル １１ 供給路 １２ 支持棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−213041（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−128217（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−177677（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−105321（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−139253（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−259458（ＪＰ，Ａ) 特公 昭47−31249（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭53−12138（ＪＰ，Ｂ１) 特公 平３−32023（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B05C 5/00 - 5/02 B05B 1/02 - 1/10 B05B 17/00 - 17/06 B05D 1/00 - 1/26

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ内に収納した棒状を成す超磁歪
   材料の周りにコイルを巻成し、該コイルに電流を瞬間的
   に流すことにより前記超磁歪材料に瞬間磁界を作用させ
   て該超磁歪材料の軸端部に弾性波による瞬時の過渡的変
   位を発生させ、その超磁歪材料の瞬時変位の作用で前記
   シリンダ内に充填した液体を微小な１個の液滴として該
   シリンダの端部ノズルから噴射させるようにした超微小
   液滴の噴射装置において、 下式（１）および（２）を満たす時間ｔ［ｓ］だけ前記
   コイルに電流を流すようにしたことを特徴とする超微小
   液滴の噴射装置。 Ｔ ＜ ｄ（ρ×ｄ／（３×γ））^１／２ ［ｓ］・・・ （１） Ｌ ＝ （Ｔ−ｔ）×Ｃ ［ｍ］ ・・・ （２） 但し、 ｄはノズル先端の直径［ｍ］ ρは液体の密度［ｋｇ／ｍ^３ ］ γはノズル先端と液体との表面張力［Ｎ／ｍ］ Ｌは磁歪によって伸縮する超磁歪材料の軸方向長さ
   ［ｍ］ Ｔは液体に圧力をかけてから液滴がノズル先端から離れ
   るまでの時間［ｓ］ Ｃは超磁歪材料内部を進行する弾性波の速度［ｍ／ｓ］
2. 【請求項２】 シリンダ内に収納した棒状を成す超磁歪
   材料の周りにコイルを巻成し、該コイルに電流を瞬間的
   に流すことにより前記超磁歪材料に瞬間磁界を作用させ
   て該超磁歪材料の軸端部に弾性波による瞬時の過渡的変
   位を発生させ、その超磁歪材料の瞬時変位の作用で前記
   シリンダ内に充填した液体を微小な１個の液滴として該
   シリンダの端部ノズルから噴射させるようにした超微小
   液滴の噴射装置において、 前記シリンダ内の超磁歪材料と液体との間に該超磁歪材
   料に対して離接可能にピストンを介在させ、超磁歪材料
   をピストンに向けて付勢させ、前記超磁歪材料の軸端部
   に発生した瞬時の過渡的変位により当該ピストンを押し
   進めて前記シリンダ内に充填した液体を前記端部ノズル
   から噴射させるとともに、少なくとも前記過渡的変位が
   弾性波となって反対側の端面に到達し、さらに反射して
   戻ってきた際に、前記ピストンを前記超磁歪材料の軸端
   から離れた位置に配置させるようにしたことを特徴とす
   る超微小液滴の噴射装置。
3. 【請求項３】 シリンダ内に収納した棒状を成す超磁歪
   材料の周りにコイルを巻成し、該コイルに電流を瞬間的
   に流すことにより前記超磁歪材料に瞬間磁界を作用させ
   て該超磁歪材料の軸端部に弾性波による瞬時の過渡的変
   位を発生させ、その超磁歪材料の瞬時変位の作用で前記
   シリンダ内に充填した液体を微小な１個の液滴として該
   シリンダの端部ノズルから噴射させるようにした超微小
   液滴の噴射装置において、 前記シリンダ内に超磁歪材料より大きな質量の支持棒を
   収納し該支持棒と液体との間に支持棒に対して離接可能
   に超磁歪材料を設置するとともに支持棒を超磁歪材料に
   向けて付勢し、超磁歪材料に超磁歪材料とシリンダとの
   間をシールするシールを施し超磁歪材料自体をピストン
   とすることによって前記超磁歪材料の端部に発生した瞬
   時の過渡的変位により該ピストンを押し進め、前記シリ
   ンダ内に充填した液体を前記端部ノズルから噴射させる
   ようにしたことを特徴とする超微小液滴の噴射装置。
4. 【請求項４】 前記シリンダ内において液体を充填する
   液体貯留部に、液体供給路を接続した請求項１から請求
   項３のいずれか１項に記載の超微小液滴の噴射装置。