JP3539365B2

JP3539365B2 - 液滴噴霧装置駆動回路

Info

Publication number: JP3539365B2
Application number: JP2000229485A
Authority: JP
Inventors: 孝生大西; 大和田　　巌; 寿一廣田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: EP1078748A2; EP1078748A3; JP2001129989A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を微少液滴として噴霧することにより、上記液体を処理する、又は作動する各種機械に使用される液滴噴霧装置の駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液滴噴霧装置は、通常図７の縦断面図に示すように構成され、液体を噴霧させるための加圧手段として圧電又は電歪素子１（圧電／電歪素子）が使用されている。圧電／電歪素子１は、噴霧する液体を加圧させるための加圧室２の壁面に設けられ、加圧室２の先端部には液滴噴霧用ノズル３が設けられ、また基端部には加圧室２に液体を供給する導入孔５が形成され、全体で液滴噴霧ユニット６を構成している。そして、この液滴供給ユニット６は複数個連続して形成され、隣接する複数の液滴噴霧ユニット６，６・・の導入孔５は共通の液体供給路７に連結されている。
【０００３】
そして、液滴噴霧装置を駆動する駆動回路は、前記圧電／電歪素子１に所定の電圧信号を印加して充電することにより、加圧室２の壁部を変形させ、もって加圧室２に圧力を生じさせ、加圧室に供給される液体を液滴噴霧用ノズル３から噴霧させる。また、放電させて変形を解除することで加圧室２の変形を元に戻し、その際導入孔５から液体を加圧室に供給させている。
ところで、液滴噴霧装置には、用途に応じて液体を大量に供給する必要のあるものがあり、このような用途に対してはノズル及び導入孔の口径を大きくすることで対応していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、液滴噴霧用ノズル３の口径を大きくし過ぎると噴霧する液体が微少液滴とならなくなってしまうし、導入孔５は加圧室２に液体が供給される単なる経路ではなく、液滴噴霧用ノズル３から微少液滴を噴霧するように加圧されても逆流を防止する作用も有するため、無制限に口径を広げることはできない。
そこで、圧電／電歪素子１に所定の電圧信号を印加する時間間隔を短くして単位時間あたりの印加回数を増やし、液滴噴霧装置への供給回数を増やすことで対応することが考えられるが、その場合印加電圧の時間間隔を短くしてゆくと、導入孔５から加圧室２への液体の供給遅れが発生し、液体をより大量に安定して供給することができなくなる新たな問題が発生していた。
また、圧電／電歪素子はコンデンサとしての作用を奏し、噴霧操作を繰り返す度に充放電を繰り返すため、動作周期が短くなると更に消費電力が大きくなり発熱量も大きなものとなっていた。
【０００５】
上記消費電力増大の対策としては、特開平１０−１０７３３５号公報や、特許第２９０９１５０号公報に記載された技術があり、単位時間あたりの電圧信号の印加周期を短くする技術としては、特開平８−３００６４６号公報に開示された技術がある。特開平１０−１０７３３５号公報では電力回収用に外付けコンデンサを設けると共に充放電回路にインダクタンスであるコイルを介在させて、圧電／電歪素子の放電電荷の一部を効果的に外付けコンデンサに蓄え、次の充電に利用することで電力の節約を図る構成が示され、特許第２９０９１５０号公報では、異なるタイミングで駆動される圧電素子相互を電力回収手段として利用し、別途外付けコンデンサを設けず消費電力の削減を計る構成が示されている。
しかし、何れも消費電力の節約に対しては効果を有するものの、液体を大量に而も安定して噴霧させる技術に関しては記載がなく、導入孔から加圧室への液体の供給遅れを解決してはいない。
また、特開平８−３００６４６号公報では、駆動電圧波形の立ち下がりを２段階／３段階にし、メニスカスの安定性を向上させることでサテライトの発生を抑制させる構成が示され、３段階時の放電時定数を小さくすることで、結果として印刷速度をアップさせてインク吐出量を増大を可能としているが、夫々の段階での放電開始特性が滑らかでは無いため、印刷速度の大幅アップができず、吐出量を大きく増加させることができない。
【０００６】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、液体を大量に噴霧させる場合でも、加圧室への液体の供給をスムーズに行うことができる液滴噴霧装置駆動回路を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴霧させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とを備えた微少液滴噴霧ユニットを複数個備え、隣接する複数液滴噴霧ユニットの液体導入孔が共通の液体供給路に連結された液滴噴霧装置において、前記圧電／電歪素子に所定の電圧信号を印加することにより、前記加圧室の壁部を変形させ、もって加圧室に生じる圧力により該加圧室に供給される液体を前記ノズルから噴出する液滴噴霧装置駆動回路であって、導入孔径とノズル孔径の比率（導入孔径／ノズル孔径）が０．６以上１．６以下で且つノズル孔径とノズルの厚みの比率（ノズル孔径／ノズル厚み）が０．２以上４以下で、印加電圧信号が、電流を前記圧電／電歪素子に供給して充電した後、一定時間充電最終電圧を保持し、その後２種類以上の放電時定数を持った放電を順次行い、且つ始めの第１放電時定数が、２番目の第２放電時定数よりも大きく、且つ充電開始電圧を基準として、前記充電開始電圧と前記充電最終電圧の電圧差の３５％から７０％の電圧で２番目の放電を開始し、少なくとも１つの放電回路に前記圧電／電歪素子と直列にインダクタンスと抵抗を介在させたことを特徴とする。
【０００８】
この構成により、圧電／電歪素子充電時に液滴を噴霧する構成の場合、充電電荷を放電する際、最初の放電回路の放電時定数が大きいので圧電素子即ち圧電／電歪素子は緩やかに変形を開始することができ、複数の液滴噴霧ユニットから同時に液滴を噴出する場合、複数の加圧室への液体導入操作が確実に行われる。その後、単位電圧値を放電するのに要する時間が短い早い吸引動作に移るので、加圧室への液体供給をスムーズに且つ短時間に行うことができ、液体供給量を増加させることができる。
【０００９】
また、放電開始電圧の３５％以下の時は、放電時定数が大きな放電、即ち緩やかな吸引が吸引全体の工程のうち大半を占めることになり、吸引自体は確実に行われることになるが、単位時間あたりの吸引量が多くとれず、結果として噴霧周期を短くできず、大量の噴霧量確保ができない。また、単位時間あたりの吸引量を多くとるように始めの放電の時定数を２番目の放電の時定数より大きい範囲で比較的小さくとると、吸引開始が不安定になり、噴霧不良を招く。また、７０％以上の時は、放電時定数が大きな放電即ち緩やかな吸引の割合が小さすぎて液の吸引開始を速やかに行うことができず吐出後の液体加圧室への液体導入孔からの液体の吸引量が減少し、液体吐出用ノズルからの気泡の巻き込みが発生して噴霧が不安定になる。
【００１０】
更に、上記駆動波形で噴霧するとき、ノズルと導入孔の比率（導入孔径／ノズル孔径）は、大きくなると吸引を考えると良い方向だが、噴霧時の圧力が導入孔側に逃げる割合が大きく噴霧力不足になるし、また小さくなると噴霧量に対する供給量不足を招いてしまうため、導入孔径とノズル孔径の比率（導入孔径／ノズル孔径）は０．６から１．６が好ましい。
さらに、ノズル孔径とノズル厚みの比率（ノズル孔径／ノズル厚み）は０．２以上４以下が好ましく、４以下であるとノズル壁面での流体との接触抵抗により噴霧直後の液面の残留振動が速やかに収束でき、更には放電時の加圧室内圧力変動により加圧室内への気泡の侵入を防ぎ噴霧安定性が向上でき、結果として短い周期で噴霧でき、噴霧量を増すことができる。また、０．２以上であると、ノズル壁面での液体の接触抵抗大による噴霧力不足から発生する噴霧不良を防げる。更に、上記導入孔とノズル孔との比率と、ノズル孔とノズル厚の比率と、放電電圧比率の３つが同時に満たされたとき、気泡の侵入による噴霧不良を防ぎ、大量の噴霧を確保できる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１において、２番目の放電時定数で放電を開始した時から、圧電／電歪素子に次の所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４）が液体噴出用ノズルと、該ノズルから噴出させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とで構成される構造体中の流路パスに液体を供給したときの固有振動周期（Ｔｏ）の４分の１以上２０倍以下で、且つ１番目の放電時定数で放電する時間（ｔ３）と２番目の放電時定数で放電を開始したときから前記圧電／電歪素子に次の所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４）の比率（ｔ３／ｔ４）が０．１以上２０以下であることを特徴とする。
【００１２】
この構成により、圧電／電歪素子が２番目の放電時定数で放電を開始したときから次の所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４）が、固有振動数（Ｔｏ）の４分の１以下の時は、噴霧後の液体加圧室への液体導入孔からの液体の吸引スピードが速すぎるため、折角始めの放電で吸引を不具合無く開始しても、２番目の放電時の吸引で導入孔から液の供給が間に合わず、液滴噴霧用ノズルから気泡が加圧室へ侵入して噴霧不良となる。また、Ｔｏの２０倍以上の時は、単位時間あたりの吸引量が多くとれず、結果として噴霧周期を短くできず、大量の噴霧量確保ができない。
更に、始めの放電時定数で放電する時間（ｔ３）と２番目の放電時定数で放電を開始したときから次の圧電／電歪素子に所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４）の比率が０．１以下の時は、時定数の大きな始めの放電の割合が少なく、吸引量全体に対する始めの放電時の液吸引量の比率が減少し、２番目の放電の吸引時に吸引が追いつかなくなり、液滴噴霧用ノズルから気泡が加圧室へ侵入して噴霧不良となることがある。また、上記比率が２０以上の時は、単位時間あたりの吸引量が多くとれず、結果として噴霧周期を短くできず、大量の噴霧量確保ができなくなる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、放電回路に加えて、充電回路に直列にインダクタンスと抵抗を介在させたことを特徴とする。
この構成により、噴霧時の電圧／時間傾きが直線状となり、液滴噴霧の安定性が向上する。
【００１４】
請求項４の発明は、液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴出させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とを備えた微少液滴噴霧ユニットを複数個備え、隣接する複数液滴噴霧ユニットの液体導入孔が共通の液体供給路に連結された液滴噴霧装置において、所定の電圧信号を印加した前記圧電／電歪素子に繰り返し異なる電圧信号を印加することにより、前記加圧室の壁部を変化させ、もって加圧室に生じさせる圧力により該加圧室に供給される液体を前記ノズルから噴出する液滴噴霧装置駆動回路であって、導入孔とノズル孔径の比率（導入孔径／ノズル孔径）が０．６以上１．６以下で、且つノズル孔径とノズル厚みの比率（ノズル孔径／ノズル厚み）が０．２以上４以下で、前記異なる印加電圧信号が、放電開始電圧が印加された前記圧電／電歪素子から電流を放電した後、一定時間放電最終電圧を保持し、その後２種類以上の充電時定数をもった充電を順次行い、且つ始めの充電時定数が、２番目の充電時定数よりも大きく、且つ前記放電最終電圧を基準として、前記放電最終電圧と前記放電開始電圧の電圧差の３０％から６５％の電圧で２番目の充電を開始し、少なくとも１つの充電回路に前記圧電／電歪素子と直列にインダクタンスと抵抗を介在させたことを特徴とする。
【００１５】
この構成により、圧電／電歪素子放電時に液滴を噴霧する構成の場合、充電する際、最初の充電回路の充電開始時は時定数が大きいので、圧電素子即ち圧電／電歪素子は緩やかに変形を開始することができ、複数の液滴噴霧ユニットから同時に液滴を噴霧する場合、複数の加圧室への液体導入操作が確実に行われる。その後、単位電圧値を充電するのに要する時間が短い早い吸引動作に移るので、加圧室への液体供給をスムーズ且つ短時間に行うことができ、液体供給量を増加できる。
【００１６】
そして、放電最終電圧の６５％以上の時は、充電時定数が大きな充電即ち緩やかな吸引が吸引全体の工程のうちの大半を占めることになり、吸引は確実に行われるが、単位時間あたりの吸引量が多くとれず、結果として噴霧周期を短くできない。そのため、大量の噴霧量確保ができないし、単位時間あたりの吸引量を多くとるように始めの充電時定数を２番目の時定数より大きい範囲で比較的小さくとると、吸引開始が不安定になり、噴霧不良を招く。また、３０％以下の時は、充電時定数が大きな充電、即ち緩やかな吸引の割合が小さすぎて、液の吸引開始を速やかに行うことができず、噴霧が不安定になる。
更に、上記駆動波形で噴霧するとき、導入孔径とノズル孔径の比率（導入孔径／ノズル孔径）は、大きくなると吸引を考えると良い方向だが、噴霧時の圧力が導入孔側に逃げる割合が大きく、噴霧力不足になる。また、小さくなると、噴霧量に対する供給量不足を招いてしまうため、導入孔径とノズル孔径の比率（導入孔径／ノズル孔径）は０．６から１．６が好ましい。
【００１７】
また、ノズル孔径とノズル厚みの比率（ノズル孔径／ノズル厚み）は０．２以上４以下が好ましく、４以下であると噴霧ノズル壁面での流体との接触抵抗により噴霧直後の液面の残留振動が速やかに収束でき、更には放電時の加圧室内圧力変動により加圧室内への気泡の侵入を防ぎ噴霧安定性が向上でき、結果として短い周期で噴霧でき、噴霧量を増すことができる。また、０．２以上であると、ノズル壁面での液体の接触抵抗大による噴霧力不足から発生する噴霧不良を防げる。
更に、上記導入孔とノズル孔との比率と、ノズル孔とノズル厚の比率と、充電電圧比率の３つが同時に満たされたとき、気泡の侵入による噴霧不良を防ぎ、大量の噴霧を確保できる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４において、２番目の充電時定数で充電を開始したときから、圧電／電歪素子に次の所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４０）が、液体噴出用ノズルと、該ノズルから噴出させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とで構成される構造体中の流路パスに液体を供給したときの固有振動周期（Ｔｏ）の４分の１以上２０倍以下で且つ、１番目の充電時定数で充電する時間（ｔ３０）と２番目の充電時定数で充電を開始したときから圧電／電歪素子に次の所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４０）の比率（ｔ３０／ｔ４０）が０．１以上２０以下であることを特徴とする。
【００１９】
この構成により、ｔ４０がＴｏの４分の１以下のときは、吸引スピードが速すぎるため折角始めの充電で吸引を不具合無く開始しても、２番目の充電時の吸引で導入孔からの液の供給が間に合わず、ノズル孔から気泡が加圧室へ侵入して噴霧できなくなる。また、ｔ４０がＴｏの２０倍以上の時は、単位時間あたりの吸引量が多くとれず、結果として噴霧周期を短くできず、大量の噴霧量確保ができない。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項４又は５の発明において、充電回路に加えて、放電回路に直列にインダクタンスと抵抗を介在させたことを特徴とする。
こうすることで、噴霧時の電圧／時間傾きが直線状となり、液滴噴霧の安定性が向上する。
【００２１】
請求項７の発明は、液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴霧させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とを備えた微少液滴噴霧ユニットを複数個備え、隣接する複数液滴噴霧ユニットの液体導入孔が共通の液体供給路に連結された液滴噴霧装置において、前記圧電／電歪素子に所定の電圧信号を印加することにより、前記加圧室の壁部を変形させ、もって加圧室に生じる圧力により該加圧室に供給される液体を前記ノズルから噴出する液滴噴霧装置駆動回路であって、印加電圧信号が、電流を前記圧電／電歪素子に供給して充電した後、一定時間充電最終電圧を保持し、その後２種類以上の放電時定数を持った放電を順次行い、且つ始めの放電時定数が、２番目の放電時定数よりも大きく、少なくとも１つの放電回路に前記圧電／電歪素子と直列にインダクタンスと抵抗を介在させ、前記圧電／電歪素子を少なくとも２つ以上のグループに分け、夫々のグループに電流を充電、放電せしめる回路を有し、一方のグループの放電電流の少なくとも一部を他方のグループの充電電流の一部に使用することを特徴とする。
【００２２】
この構成により、圧電／電歪素子充電時に液滴を噴霧する構成の場合、充電電荷を放電する際、最初の放電回路の放電時定数が大きいので圧電素子即ち圧電／電歪素子は緩やかに変形を開始することができ、複数の液滴噴霧ユニットから同時に液滴を噴出する場合、複数の加圧室への液体導入操作が確実に行われる。その後、単位電圧値を放電するのに要する時間が短い早い吸引動作に移るので、加圧室への液体供給をスムーズに且つ短時間に行うことができ、液体供給量を増加させることができる。
また、圧電／電歪素子の放電電力を直接他の圧電／電歪素子の充電電流とするので、新たに蓄電手段を設ける必要がないし、更に消費電力を節約できる。
【００２３】
請求項８の発明は、液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴出させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とを備えた微少液滴噴霧ユニットを複数個備え、隣接する複数液滴噴霧ユニットの液体導入孔が共通の液体供給路に連結された液滴噴霧装置において、所定の電圧信号を印加した前記圧電／電歪素子に繰り返し異なる電圧信号を印加することにより、前記加圧室の壁部を変化させ、もって加圧室に生じさせる圧力により該加圧室に供給される液体を前記ノズルから噴出する液滴噴霧装置駆動回路であって、前記異なる印加電圧信号が、放電開始電圧が印加された前記圧電／電歪素子から電流を放電した後、一定時間放電最終電圧を保持し、その後２種類以上の充電時定数を持った充電を順次行い、少なくとも１つの充電回路に前記圧電／電歪素子と直列にインダクタンスと抵抗を介在させ、前記圧電／電歪素子を少なくとも２つ以上のグループに分け、夫々のグループに電流を充電、放電せしめる回路を有し、一方のグループの放電電流の少なくとも一部を他方のグループの充電電流の一部に使用することを特徴とする。
【００２４】
この構成により、圧電／電歪素子放電時に液滴を噴霧する構成の場合、充電する際、最初の充電回路の充電開始時は時定数が大きいので、圧電素子即ち圧電／電歪素子は緩やかに変形を開始することができ、複数の液滴噴霧ユニットから同時に液滴を噴霧する場合、複数の加圧室への液体導入操作が確実に行われる。その後、単位電圧値を充電するのに要する時間が短い早い吸引動作に移るので、加圧室への液体供給をスムーズ且つ短時間に行うことができ、液体供給量を増加できる。
また、圧電／電歪素子の放電電力を直接他の圧電／電歪素子の充電電流とするので、新たに蓄電手段を設ける必要がないし、更に消費電力を節約できる。
【００２５】
請求項９の発明は、請求項７の発明において、放電回路に加えて、充電回路に直列にインダクタンスと抵抗を介在させたことを特徴とする。
こうすることで、噴霧時の電圧／時間傾きが直線状となり、液滴噴霧の安定性が向上する。
【００２６】
請求項１０の発明は、請求項８の発明において、充電回路に加えて、放電回路に直列にインダクタンスと抵抗を介在させたことを特徴とする。
こうすることで、噴霧時の電圧／時間傾きが直線状となり、液滴噴霧の安定性が向上する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を基に詳細に説明する。図１は本発明に係る液滴噴霧装置駆動回路の１例であり、圧電／電歪素子充電時に噴霧動作する場合の回路を示している。１０（１０ａ〜１０ｃ）はマイクロコンピュータ等の制御部（図示せず）からの信号を駆動回路動作信号に変換するシュミットトリガＩＣ、Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８はシュミットトリガＩＣ１０の出力電流を制限する抵抗、Ｍ２は圧電／電歪素子１（以下加圧素子とする）に充電電流を流すＰ−ＭＯＳＦＥＴからなる充電スイッチ、Ｍ３，Ｍ４はそれぞれ加圧素子１を放電させるＮ−ＭＯＳＦＥＴから成る第１及び第２放電スイッチである。
【００２８】
充電スイッチＭ２は、その出力に直列に設けられたコイルＬ１と抵抗Ｒ１と共に充電回路１２を形成し、スイッチＭ５を介してシュミットトリガＩＣ１０ａにより制御されている。また、第１放電スイッチＭ３はシュミットトリガＩＣ１０ｂにより制御され、第１放電スイッチＭ３及びその放電回路に直列に設けられたコイルＬ２と抵抗Ｒ２とで第１放電回路１３ａが形成される。また、第２放電スイッチＭ４はシュミットトリガＩＣ１０ｃにより制御され、第２放電スイッチＭ４及びその放電回路に直列に設けたコイルＬ３と抵抗Ｒ３とで第２放電回路１３ｂが形成される。ここで、第２放電回路１３ｂにおいて、放電開始時に単位電圧値を放電するのに要する時間Ｔ４（これはコイルＬ３と抵抗Ｒ３、コンデンサＣ１により決定される。）は、第１放電回路における放電開始時に単位電圧値を放電するのに要する時間Ｔ３（これはコイルＬ２と抵抗Ｒ２，コンデンサＣ１により決定される。）より短く設定されている。
尚、Ｖｐは電源電圧、Ｖｄは加圧素子への印加電圧である。
【００２９】
図２（ａ）は図１の駆動回路の加圧素子への印加電圧特性を示し、ｔ１は充電回路が加圧素子１を充電する立ち上がり時間で、コイルＬ１の作用により緩やかに立ち上がり、立ち上がり時間ｔ１は印加電圧Ｖｄを所望の電圧値に到達させる時間としてコイルＬ１，抵抗Ｒ１により調整される。そして、この充電操作により加圧素子１が変形し、加圧室２を加圧して液滴噴霧用ノズル３から液滴が噴霧する。また、ｔ２は加圧室２や加圧室内の液体を安定させるために液体を噴霧し終えた状態を一定時間維持する保持時間である。
【００３０】
ｔ３，ｔ４は第１放電回路１３ａ及び第２放電回路１３ｂを順次作動させた立ち下がり時間であり、第２放電回路１３ｂの放電開始時に単位電圧値を放電するのに要する時間Ｔ４は、第１放電回路１３ａの放電開始時に単位電圧を放電するのに要する時間Ｔ３より小さいため、時間ｔ４における放電特性は、時間ｔ３における放電特性より下に凸となる。但し、コイルＬ２，Ｌ３の作用により、いずれも放電開始時の変化が緩やかなものとなっている。また、コイルＬ２を設けてコイルＬ３がない回路も噴霧量と供給量のバランスを考慮し、好適に使用できる。
【００３１】
このように放電回路を２段に設け、立ち下がり時の印加電圧Ｖｄの変化を最初は緩やかに途中から急傾斜とすることで、加圧素子１の変形により導入孔５から加圧室２に液体が流れ込むが、最初は供給速度がゆっくりとなり、複数の導入孔５から均等に吸引を開始させることができ、途中から急傾斜として加圧室へ流れ込みを開始した液体の吸引速度が加速されて大量に吸引でき、最初の吸引速度で最後まで吸引する場合に較べ、駆動周期時間Ｔを短時間とすることができ、それに比例してノズルからの噴霧量も増加させることができる。従って、単位時間あたりの液滴噴霧を増加させることが可能となる。
【００３２】
また、充電回路１２にコイルＬ１を介在させることで、充電開始時に印加電圧Ｖｄが急峻に立ち上がることが無くなるので、加圧素子１の変形に伴う噴霧後の残留振動を無くすことができ、電圧／時間の傾きが一定化でき、液滴の噴霧が安定化し、吸引動作の際にノズルから気泡を巻き込んで噴霧不良が発生するのを防止できる。そのため、保持時間ｔ２を短縮することが可能で、液体の噴霧量を更に増加させることができ、加圧室への液体の供給もスムーズに行うことができる。
また、コイルＬ２，Ｌ３により放電開始時も印加電圧の変化が緩やかになるので液体を更に効率良く吸引でき、液体の供給量を更に増加させて噴霧量を増加させることができる。
【００３３】
図２（ｂ）は駆動回路の制御信号を示している。図において、（１）はシュミットトリガＩＣ１０ａの出力信号、（２）はシュミットトリガＩＣ１０ｂの出力信号、（３）はシュミットトリガＩＣ１０ｃの出力信号であり、図示するように充電回路１２はシュミットトリガＩＣ１０ａからＬｏの信号が出力されることで充電スイッチＭ２がオンして液滴噴霧動作をし、２つの放電回路１３ａ，１３ｂはそれぞれシュミットトリガＩＣ１０ｂ，１０ｃから順にＨｉの信号が出力されてスイッチＭ３，Ｍ４がオンして液体吸引動作をする。
【００３４】
尚、液体供給のための放電時定数は２段階に切り替えているが、時定数を２段階以上に、且つ徐々に短くなるように設定しても良い。また、充放電特性の変更は抵抗Ｒ１〜Ｒ３を変更すれば良く、安価に所望する波形を設定できる。
また、液滴噴霧のために加圧素子１を充電して加圧室２に変形を生じさせるのに対し、加圧素子１から放電することにより加圧室２に変形を生じさせて液滴を噴霧させる場合は、上記とは逆に充電特性の異なる充電回路を２段設け、放電回路を１段として形成すれば良い。
【００３５】
図５は上記駆動回路で動作する液滴噴霧装置の１例を示し、液滴吐出ユニット中央部の縦断面説明図である。液滴噴霧装置は、液体を吐出させるための加圧手段と、吐出する液体を加圧するための加圧室２と、加圧室２の下方に連結されて液滴噴霧装置の処理部に液体を吐出する液体吐出用ノズル３と、加圧室２に液体を供給する導入孔５とを備えた液滴吐出ユニット６を１単位として、使用態様に応じて数個から数百単位までの複数個を備えている。
液滴吐出ユニット６は、隣接する複数の加圧室２，２・・同士が、導入孔５を介して共通の液体供給路７により連結され、加圧室２の上方壁部の一部に加圧手段として圧電／電歪素子１を備えている。圧電／電歪素子１は上部電極１６、圧電／電歪層１８及び下部電極１７を積層して成り、所定の電圧信号を印加することにより、上部電極１６と下部電極１７との間に生じた電解により圧電／電歪層１８が変形し、固着された加圧室２の壁部を変形させて加圧室２に生じる加圧力により、加圧室２に供給された液体をノズル３から吐出する。
【００３６】
そして、導入孔５とノズル３の径の比率（導入孔径／ノズル孔径）を０．６から１．６の間、例えば１．０とし、且つノズル孔径とノズルの厚みの比率（ノズル孔径／ノズル厚み）を０．２から４の間、例えば２としている。
導入孔５とノズル３の径の比率を０．６から１．６とすることで、噴霧力と吸引力のバランスがとれ、噴霧力不足になったり、吸入力不足になることがない。尚、導入孔径／ノズル孔径が１．６を越えると吸引に対しては良好に作用するが、噴霧時の圧力が、導入孔側に逃げる割合が大きくなり噴霧力不足になる。また、０．６より小さくなると、噴霧量に対する供給量不足を招いてしまう。
更に、ノズル孔径／ノズル厚が４以下であるとノズル壁面での流体との接触抵抗により噴霧直後の液面の残留振動を速やかに収束でき、更には放電時の加圧室２内圧変動による加圧室２内への気泡の侵入を防ぎ、噴霧安定性を向上でき、結果として短い周期で噴霧でき、噴霧量を増やすことができるし、０．２以上であると、ノズル壁面での流体との接触抵抗大による噴霧力不足が発生して噴霧不良となることを防ぐことができる。尚、上記実施の形態においてノズル孔径は２５μｍから１００μｍである。
【００３７】
また、図６は図２の印加電圧波形において、圧電／電歪素子の駆動電圧を４０Ｖ一定、ｔ１＝２０μＳ、ｔ２＝５μＳ、ｔ３＝２０μＳ、ｔ４＝１０μＳで一定として、始めの放電時定数による放電から２番目の放電時定数による放電に移行する電圧を変化させて、液滴噴霧装置の噴霧動作の安定性を示す測定データである。
図示するように、２番目の放電時定数による放電への移行電圧が充電最終電圧の３８％から６３％の間では良好に噴霧動作するが、２５％及び７５％では良好な動作を示さない。このように、２番目の放電を開始する電圧には範囲があり、印加電圧即ち充電最終電圧の３５％から７０％の電圧で２番目の放電を開始すると好ましく、上記導入孔径とノズル孔径の比率と、ノズル孔径とノズル厚みの比率と、２番目の放電開始電圧の３つが同時に満たされることで、液滴噴霧用ノズルからの気泡の巻き込みによる噴霧不良を防ぎ、大量の噴霧を確保できる。
【００３８】
尚、２番目の放電開始電圧の３５％以下の時は、放電時定数が大きな放電、即ち緩やかな吸引が吸引全体の工程のうちの大半を占めることになり、吸引自体は確実に行われることになるが、単位時間あたりの吸引量が多くとれず、結果として噴霧周期を短くできず、大量の噴霧量確保ができなく、また単位時間あたりの吸引量を多くとるように始めの放電時定数を２番目の放電時定数より大きい範囲で、比較的吸引時間を小さくとると、吸引開始が不安定になり噴霧量不足を招く、また、７０％以上の時は、放電時定数が大きな放電、即ち緩やかな吸引の割合が小さすぎて液の吸引開始を速やかに行うことができず、吐出後の液体加圧室への液体導入孔５からの液体吸引量が減少し、ノズル３内の気泡の巻き込みが発生して噴霧不安定となる。
【００３９】
更に、２番目の放電時定数で放電する時間ｔ４は、液滴噴霧用ノズル３と、このノズルから噴霧される液体を加圧するための加圧室２と、該加圧室２に液体を供給する導入孔５と、加圧室２を加圧動作させる圧電／電歪素子１とで構成される構造体中の流路パスに液体を供給した時の固有振動周期Ｔｏの４分の１以上２０倍以下で且つ最初の放電時間ｔ３と、２番目の放電時間ｔ４との比率ｔ３／ｔ４が０．１〜２０とするのが良く、この範囲とすることで、吸引スピードに対して導入孔からの液の供給をスムーズに行うことができるし、ノズルから気泡が加圧室へ侵入することもなく良好に噴霧動作させることができる。
【００４０】
時間ｔ４がＴｏ／４以下であれば、吸引スピードが速すぎるため、最初の放電を良好に行っても、２番目の放電時の吸引操作で導入孔から液の供給が間に合わず、ノズル３から気泡が加圧室２へ侵入して噴霧不良が発生してしまう。また、２０Ｔ以上であると、単位時間あたりの吸引量が多くとれず、結果として噴霧周期を短くできず、大量の吐出量確保ができない。また、ｔ３／ｔ４が０．１以下の場合は、時定数の大きな最初の放電の割合が少なく、吸引量全体に対する最初の放電時の液の吸引比率が減少し、２番目の放電の際の吸引時に吸引が追いつかなくなり、噴霧不良になりやすいし、２０以上とすると、２番目の放電時定数設定による効果が無くなり、大量噴霧の点では駆動周波数を上げることによる効果の方が有効な手段となってくる。
尚、液体供給のための放電時定数は２段階に切り換えているが、２段階以上に且つ徐々に大きくなるように設定することも好適である。また、液滴噴霧のために圧電／電歪素子を充電して加圧室を変形させるのに対し、圧電／電歪素子から放電することにより加圧室に変形を生じさせて液滴を噴霧させる場合、２番目の充電時定数による充電は、放電開始電圧の３０％から６５％の電圧で開始させることになる。
【００４１】
図８は圧電／電歪素子にＭＬＰ（積層アクチュエータ）を用いて、上記図５の液滴噴霧装置とは逆の作動をし、放電する際に加圧室を変形させて液滴を噴霧させる液滴噴霧ユニットの説明図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図を示している。図において、２３は圧電／電歪素子を固定する固定部材であり、２０は＋電極、２１は−電極を示し、２２は圧電／電歪層である。尚、上記図５と同一の構成部材は同一の符号を付してある。
この形態の場合、導入孔径とノズル孔径との比、またノズル孔径とノズルの厚みの比は上記実施の形態と同様とすれば良く、２番目の充電開始電圧は放電最終電圧を基準として、放電最終電圧と放電開始電圧の電圧差の３０〜６５％とすると良い。また、２番目の充電時定数で充電する時間ｔ４０は上記の実施の形態と同様に上記固有振動周期Ｔｏの４分の１以上２０倍以下で、且つ最初の充電時定数による充電時間ｔ３０と２番目の充電時間の比率ｔ３０／ｔ４０を０．１〜２０とすれば良い。
【００４２】
図３は本発明の第２の実施の形態を示す要部回路図であり、電力節約のための蓄電手段として第２の加圧素子１１が設けられている。そして、充電回路は第１充電スイッチＭ１２と第２充電スイッチＭ１５と第３充電スイッチのＭ１６との３個のＦＥＴから成り、放電回路は第１放電スイッチＭ１３と第２放電スイッチＭ１４と第３放電スイッチＭ１７との３個のＦＥＴから形成されている。また、各抵抗Ｒ１１〜Ｒ１６は双方の加圧素子１，１１の容量成分と合わせて各回路の充放電特性を決定している。そして、第１充電スイッチＭ１２と第１放電スイッチＭ１３にはコイルＬ１１及びコイルＬ１２が抵抗Ｒ１１及び抵抗Ｒ１２に直列に挿入されている。尚、Ｄ１〜Ｄ４はダイオードである。
【００４３】
この回路の作用を図４の印加電圧特性図を基に説明する。図４（ａ）は第１の加圧素子１の印加電圧波形を示し、図４（ｂ）は第２の加圧素子１１の印加電圧波形を示している。先ず第１充電時間ｔ２１では第１充電スイッチＭ１２がオンして第２の加圧素子１１を放電すると共に、その放電電荷により第１の加圧素子１を充電する。次に第２充電時間ｔ２２で第２充電スイッチＭ１５がオンして電荷不足分を充電すると共に、第３放電スイッチＭ１７がオンして加圧素子１１を完全放電させる。
【００４４】
その後、期間ｔ２３で一定時間その状態を保持した後、第１放電時間ｔ２４で第１放電スイッチＭ１３をオンして放電すると共に、その放電電荷を第２の加圧素子１１に充電する。そして、第２放電時間ｔ２５で第２放電スイッチＭ１４をオンし残容量を放電すると共に、第３充電スイッチＭ１６をオンして第２の加圧素子１１の電荷不足分を充電し、時間ｔ２６でその状態を保持する。尚、この場合時間ｔ２１をスタートとするとｔ２１〜ｔ２６が充放電の１周期となり、第１の加圧素子１と第２の加圧素子１１とは同期して動作し、この電圧波形が繰り返して印加される。
【００４５】
このように、半周期ずらして動作する加圧素子を設ければ、互いの素子を蓄電手段とすることができ、別途コンデンサ等の蓄電手段を設けることなく放電電荷を効率よく利用することができる。そのため、加圧素子を複数有する場合は、加圧素子を２つ或いはそれ以上のグループに分けて、約半周期ずらして動作させれば、一方のグループの放電電流の少なくとも一部を他方のグループの充電電流の少なくとも一部に使用することができ、消費電力を更に節約することができる。
【００４６】
尚、上記実施の形態はアナログ回路で構成しているが、デジタル信号にて駆動波形を生成し、アナログ信号に変換することもでき、駆動波形は好適に設定できる。また、充電スイッチ或いは放電スイッチを全てＭＯＳ形ＦＥＴとしたが、それに限定するものではなくトランジスタにより駆動回路を構成しても良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、複数の加圧室への液体供給をスムーズに且つ短時間に行うことができ、液体供給量を増加させることができる。また、液体吸引開始を緩やかに開始することができ、液体を効率良く吸引でき、液体の供給量を更に増加させることができる。そのため、印加周期を更に短縮することが可能で、液体の噴出量を更に増加させることができ、加圧室への液体の供給もスムーズに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液滴噴霧装置駆動回路の１例を示す回路図である。
【図２】図１の駆動回路の動作特性を示し、（ａ）は圧電／電歪素子印加電圧波形、（ｂ）は制御信号である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す液滴噴霧装置駆動回路の回路図である。
【図４】図３の印加電圧波形である。
【図５】図１の液滴噴霧装置駆動回路により駆動される液滴噴霧ユニットの中央部縦断面説明図である。
【図６】図２の電圧波形の放電時定数を変化させた場合の液滴噴霧装置の安定性を調べた図である。
【図７】液滴噴霧装置の液滴噴霧ユニットの中央断面説明図である。
【図８】図１の液滴噴霧装置駆動回路により駆動される液滴噴霧ユニットの他の例を示す中央部縦断面説明図である。
【符号の説明】
１・・加圧素子（圧電／電歪素子）、２・・加圧室、３・・液滴噴霧用ノズル、５・・導入孔、６・・液滴噴霧ユニット、７・・液体供給路、１１・・加圧素子（圧電／電歪素子）、１２・・充電回路、１３ａ・・第１放電回路、１３ｂ・・第２放電回路、Ｍ２・・充電スイッチ、Ｍ３・・第１放電スイッチ、Ｍ４・・第２放電スイッチ、Ｍ１２・・第１充電スイッチ、Ｍ１３・・第１放電スイッチ、Ｍ１４・・第２放電スイッチ、Ｍ１５・・第２充電スイッチ、Ｍ１６・・第３充電スイッチ、Ｍ１７・・第３放電スイッチ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ１１，Ｌ１２・・コイル、Ｒ１〜Ｒ３，Ｒ６〜Ｒ１６・・抵抗。

Claims

液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴霧させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とを備えた微少液滴噴霧ユニットを複数個備え、隣接する複数液滴噴霧ユニットの液体導入孔が共通の液体供給路に連結された液滴噴霧装置において、前記圧電／電歪素子に所定の電圧信号を印加することにより、前記加圧室の壁部を変形させ、もって加圧室に生じる圧力により該加圧室に供給される液体を前記ノズルから噴出する液滴噴霧装置駆動回路であって、
導入孔径とノズル孔径の比率（導入孔径／ノズル孔径）が０．６以上１．６以下で且つノズル孔径とノズル厚みの比率（ノズル孔径／ノズル厚み）が０．２以上４以下で、印加電圧信号が、電流を前記圧電／電歪素子に供給して充電した後、一定時間充電最終電圧を保持し、その後２種類以上の放電時定数を持った放電を順次行い、且つ始めの第１放電時定数が、２番目の第２放電時定数よりも大きく、且つ充電開始電圧を基準として、前記充電開始電圧と前記最終電圧の電圧差の３５％から７０％の電圧で２番目の放電を開始し、少なくとも１つの放電回路に前記圧電／電歪素子と直列にインダクタンスと抵抗を介在させたことを特徴とする液滴噴霧装置駆動回路。
請求項１において、２番目の放電時定数で放電を開始した時から、圧電／電歪素子に次の所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４）が液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴霧させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とで構成される構造体中の流路パスに液体を供給したときの固有振動周期（Ｔｏ）の４分の１以上２０倍以下で、且つ１番目の放電時定数で放電する時間（ｔ３）と２番目の放電時定数で放電を開始したときから前記圧電／電歪素子に次の所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４）の比率（ｔ３／ｔ４）が０．１以上２０以下であることを特徴とする液滴噴霧装置駆動回路。
放電回路に加えて、充電回路に直列にインダクタンスと抵抗を介在させた請求項１又は２記載の液滴噴霧装置駆動回路。
液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴霧させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とを備えた微少液滴噴霧ユニットを複数個備え、隣接する複数液滴噴霧ユニットの液体導入孔が共通の液体供給路に連結された液滴噴霧装置において、所定の電圧信号を印加した前記圧電／電歪素子に繰り返し異なる電圧信号を印加することにより、前記加圧室の壁部を変化させ、もって加圧室に生じさせる圧力により該加圧室に供給される液体を前記ノズルから噴霧する液滴噴霧装置駆動回路であって、
導入孔とノズル孔径の比率（導入孔径／ノズル孔径）が０．６以上１．６以下で且つノズル孔径とノズル厚みの比率（ノズル孔径／ノズル厚み）が０．２以上４以下で、前記異なる印加電圧信号が、放電開始電圧が印加された前記圧電／電歪素子から電流を放電した後、一定時間放電最終電圧を保持し、その後２種類以上の充電時定数をもった充電を順次行い、且つ始めの充電時定数が、２番目の充電時定数よりも大きく、且つ前記放電最終電圧を基準として、前記放電最終電圧と前記放電開始電圧の電圧差の３０％以上６５％以下の電圧で２番目の充電を開始し、少なくとも１つの充電回路に前記圧電／電歪素子と直列にインダクタンスと抵抗を介在させたことを特徴とする液滴噴霧装置駆動回路。
請求項４において、２番目の充電時定数で充電を開始したときから、圧電／電歪素子に次の所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４０）が、液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴霧させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とで構成される構造体中の流路パスに液体を供給したときの固有振動周期（Ｔｏ）の４分の１以上２０倍以下で且つ、１番目の充電時定数で充電する時間（ｔ３０）と２番目の充電時定数で充電を開始したときから圧電／電歪素子に次の所定の電圧信号を印加するまでの時間（ｔ４０）の比率（ｔ３０／ｔ４０）が０．１以上２０以下であることを特徴とする液滴噴霧装置駆動回路。
充電回路に加えて、放電回路に直列にインダクタンスと抵抗を介在させた請求項４又は５に記載の液滴噴霧装置駆動回路。
液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴霧させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とを備えた微少液滴噴霧ユニットを複数個備え、隣接する複数液滴噴霧ユニットの液体導入孔が共通の液体供給路に連結された液滴噴霧装置において、前記圧電／電歪素子に所定の電圧信号を印加することにより、前記加圧室の壁部を変形させ、もって加圧室に生じる圧力により該加圧室に供給される液体を前記ノズルから噴出する液滴噴霧装置駆動回路であって、
印加電圧信号が、電流を前記圧電／電歪素子に供給して充電した後、一定時間充電最終電圧を保持し、その後２種類以上の放電時定数を持った放電を順次行い、且つ始めの放電時定数が、２番目の放電時定数よりも大きく、少なくとも１つの放電回路に前記圧電／電歪素子と直列にインダクタンスと抵抗を介在させ、前記圧電／電歪素子を少なくとも２つ以上のグループに分け、夫々のグループに電流を充電、放電せしめる回路を有し、一方のグループの放電電流の少なくとも一部を他方のグループの充電電流の一部に使用することを特徴とする液滴噴霧装置駆動回路。
液滴噴霧用ノズルと、該ノズルから噴霧させる液体を加圧するための加圧室と、該加圧室に液体を供給する導入孔と、該加圧室を加圧動作させる圧電／電歪素子とを備えた微少液滴噴霧ユニットを複数個備え、隣接する複数液滴噴霧ユニットの液体導入孔が共通の液体供給路に連結された液滴噴霧装置において、所定の電圧信号を印加した前記圧電／電歪素子に繰り返し異なる電圧信号を印加することにより、前記加圧室の壁部を変化させ、もって加圧室に生じさせる圧力により該加圧室に供給される液体を前記ノズルから噴霧する液滴噴霧装置駆動回路であって、
前記異なる印加電圧信号が、放電開始電圧が印加された前記圧電／電歪素子から電流を放電した後、一定時間放電最終電圧を保持し、その後２種類以上の充電時定数を持った充電を順次行い、少なくとも１つの充電回路に前記圧電／電歪素子と直列にインダクタンスと抵抗を介在させ、前記圧電／電歪素子を少なくとも２つ以上のグループに分け、夫々のグループに電流を充電、放電せしめる回路を有し、一方のグループの放電電流の少なくとも一部を他方のグループの充電電流の一部に使用することを特徴とする液滴噴霧装置駆動回路。
放電回路に加えて、充電回路に直列にインダクタンスと抵抗を介在させた請求項７記載の液滴噴霧装置駆動回路。
充電回路に加えて、放電回路に直列にインダクタンスと抵抗を介在させた請求項８記載の液滴噴霧装置駆動回路。