JP3539365B2 - 液滴噴霧装置駆動回路 - Google Patents

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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 (10)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
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