JP6161842B1 - 液滴噴出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 安価で容易に製造することができ、僅かな量の液体を、高い応答性で所要の飛翔距離を大きく拡散されずに噴出できるようにした液滴噴出装置を提供する。【解決手段】 液滴を噴出するノズル10と、ノズル10から噴出された液滴の飛翔経路上で手指または物体を検知する検知手段と、液体を吸引する吸引部と、吸引部から吸引した液体を吐出する、ノズルに接続された吐出部とを有するポンプPと、カム4の回転運動によって、ポンプPに液体を吸引させかつ吸引した液体を圧縮して吐出させる駆動手段と、駆動手段を動作させる制御手段とを含む。制御手段は、検知手段が手指または物体を検知すると、カム4を回転させてポンプPを動作させ、ノズル10から液体を液滴化して噴射させる。【選択図】 図1

Description

本発明は、往復運動を行うピストン運動により1回の動作にて必要とする微量の液体の噴出を行う噴出技術であり、この噴出技術を用いて液体を着弾させる対象物または手指を検知すると、所定の量の液体の液滴を噴出して、液滴を着弾させる対象物または手指に液滴を付着させる液滴噴出装置に関する。
従来から、小型の液体噴出装置として、手押しのスプレー式の噴霧器、ガスと液体とが混合されたエアゾール方式の液化ガス、または圧縮ガスと使用目的とする液体とが弁を備えた容器に封入され、ガスの圧力によって使用目的の液体をノズルから放出させる装置、コンプレッサを用いた噴霧装置、静電方式を用いた噴霧装置、超音波を用いた噴霧装置、さらにはインクジェットの原理を用いた噴出装置が知られている。
さらに上記の液体噴出器または液体噴出装置の液体を噴出する技術は、液体を塗布するディスペンサー、微細な噴出を必要とする印刷装置、用途に応じた液体が広範囲に拡散されるように霧状になるようにした噴霧装置、消毒液を拡散しながら手指などを消毒する消毒装置、手指の濡らし器および手指の濡らし装置などに用いられている。そして、手指の濡らし器および手指の濡らし装置としては、手動で押圧部材を押すことによって吐出口から水などを噴出させる装置、人体を検知して噴出口から水または蒸気の噴霧粒子が噴出する装置、人体感知センサーによって人を感知したとき、コンプレッサによって空気を送り出して液剤を噴霧する装置などが提案されている(たとえば、特許文献1〜8参照)。
特開2012−250427号公報 特開2009−72748号公報 特開2006−150933号公報 特開2005−231662号公報 特開平10−80468号公報 実用新案登録第3153609号公報 実用新案登録第3159252号公報 特開2011−209153号公報
上記特許文献3に記載される従来技術のように、手指などを濡らす装置では、物体または手指などを液体に直接接触させて濡らす構成であるので、物体または手指から装置が感染し、装置内で菌が増殖するおそれがあるので、衛生面から非接触の装置が好ましいことが特許文献7に記載されている。
また、上記特許文献1,2に記載される従来技術のように、手動で動作を行う装置では、動作により微量の噴出量を一定に噴出させることが困難であり、特許文献4〜6に記載される従来技術のように、手指や切手および印紙などの面積が小さい対象面を濡らすには、液体の噴出量が多く、かつ、ミスト状に液体を噴出させるため、噴霧面積はノズルからの距離の依存度が高く、不必要な領域まで濡らしてしまい、不必要な噴霧が行われている。
たとえば、手押しのスプレー式の噴霧器は、噴霧を目的としており、小型であっても噴出量が多く、さらに噴霧器であるため拡散する範囲が広く小さな領域に噴出させることが困難であり、加えて不特定多数の人が共用して用いることは衛生面などの感染症が懸念される。そして、一般的な携帯用のスプレー式のアトマイザー(噴霧器)では、拡散を重視しており、距離がある状態での噴出では、範囲の狭い領域に所定量を噴出させることは困難である。
また、エアゾール方式においては、拡散と距離を重視してガスの圧力によって噴霧を行っているので、噴霧量も多い。しかも使用するガスは、可燃性であるので、使用する場所などに注意が必要であり、このため不特定多数の人いる場所での使用は、ガスを直接肺に吸い込むことになり、不向きである。
さらに、コンプレッサを用いた噴霧装置では、コンプレッサ(圧縮機)を用いるので、装置が大きくなり、机上や卓上に設置するのは不向きである。また、空気などを圧縮させるため、噴出し量が多く、僅かな噴出量を行う装置には不向きである。上記特許文献8に記載されるように、電磁弁を用いて噴出量を制御すると、電気的に噴出量を微量に制御を行うことができるが、装置が大型化および複雑化してしまい、装置の製造コストが高くなるという問題がある。
さらに、上記特許文献7に記載される超音波方式の装置では、液体がミスト化されるので、不純物の入った雑菌などもミスト化されてしまい、直接肺に吸い込み易く、健康上および衛生面で好ましくない。またこの従来技術では、超音波の振動によって液体が拡散し易いので、必要な箇所に必要な量の液体を的確に噴出させることが困難であるという問題がある。
インクジェット方式のような噴出装置では、机上や卓上に設置して用いる小型の噴出装置は、インクジェットそのものが印刷用に提案されたものであり、液体の着弾の精度が重視され、着弾を優先させているので、物体との距離が短い構成となっており、液体の飛翔距離を必要とする装置には不向きである。
以上の従来技術においては、液体の必要な僅かな量および狭い範囲、さらには非接触で所要の飛翔距離を有し、的確に噴出することができないという問題がある。
また、手指または液滴を着弾させる対象物を濡らす装置において、たとえば手指を濡らす装置は、手指を濡らすのに必要な液体の量としては指紋の凹凸が平均的に50μmであり、第一間接までの手指の面積を考えた場合、第一間接までの手指の表面積が、20mm×20mm=400mm前後であり、指紋の深さが50μm程度であり、これに相当する厚みの液体の量は、0.02mlあれば十分な量である。そして、1回の動作においてこのような微量の量を噴出させる装置は無く、従来の押圧部材によって液体を噴出させる装置においては、小型であっても、液体の噴出量が0.05ml以上であり、押圧によって液体が噴霧状に拡散し、広範囲に液体が噴出され周辺に散ってしまう問題がある。さらにはノズルに近づけて使用した場合は噴出量が多いので、手指が完全に濡れた状態となってしまい、液が落下するという問題がある。
さらに、上記特許文献5に記載される非接触で液体を噴霧する装置は、対象物が挿入されたことを検知し、ノズルが装着されているときは霧状に噴霧され、ノズルが取外されたときは吐出口から液状のまま流下させる装置でノズルの有無により流量が調整される装置であるが、手指を挿入し検知した後に噴霧をするためには、加圧と流量を多くする必要があり、ノズルが無い場合は本目的とする微量の液体を制御することは困難である。
また、特許文献7では、噴霧粒子の噴出、噴霧停止を制御する人体検知センサーを用いる構成であるが、使用者または指先が近づくと、人体検知センサーが感知して指先を近づけている間、噴出口から水または蒸気の噴霧粒子が噴出される装置で必要以上に水または蒸気の噴霧粒子が噴出されることになり必要以上に液体が消費されると同時に噴霧であるため噴霧粒子が拡散し近傍にいる人にも影響を与えてしまう問題がある。さらに超音波を用いた装置では、前述のように不純物が直接肺に吸い込まれる可能性もあり、このような装置も使用には不向きである。
また、特許文献6は、自動手指洗浄器でコンプレッサーを用いて液体を噴霧する装置でありコスト高で装置が大きくなってしまう問題がある。さらにはコンプレッサーを用いるため空気の圧縮を行うのに簡易な電池などで行うことが難しい。さらに噴霧を行う装置であるため液体が拡散されやすく必要以上に液体が散ってしまう問題がある。さらに、市販のポンプについて噴出量が1cc〜4ccと記載されており、これに対し特許文献6の装置は1/10以下とすることが記載されているが、それを達成するための手段が記載されていない。
本発明の目的は、上記の技術的課題を解決し、単純な構造で僅かな量の液体を、着弾させる対象物に精度よく着弾させ、且つ、高い応答性で所要の飛翔距離を有し、着弾させる対象物の面積よりも着弾した液体の面積を小さくして拡散されずに噴出できるようにし、且つ、着弾した対象物からの液滴の落下がなく、安価で容易に製造することができる液滴噴出装置を提供することである。
本発明は、予め定める設置面上に設置された状態で、液体を液滴化して噴出する小型の液体噴出装置であって、
予め定める方向に液滴を噴出するノズルと、
前記ノズルから噴出された液滴の飛翔経路上で手指または液滴を着弾させる対象物を検知し、該手指または液滴を着弾させる対象物を検知すると、その検知信号を出力する検知手段と、
液体を吸引する吸引部と、前記吸引部から吸引した液体を吐出する、前記ノズルに接続された吐出部とを有するポンプと、
カムを有し、前記カムの回転運動によって、前記ポンプに液体を吸引させかつ吸引した液体を圧縮して吐出させる駆動手段と、
前記検知信号に応答して、前記駆動手段を動作させる制御手段と、を含み、
前記制御手段は、前記検知信号に応答して前記駆動手段を動作させて前記カムを回転させ、該カムの回転運動によって前記ポンプを動作させて、前記ノズルから所定量の液体を液滴化して噴射させ
前記ポンプは、ピストンと、前記ピストンが収容されるシリンダと、液体が通るパイプと、前記シリンダ内への液体の吸引時には開放され、前記シリンダからの吐出時には閉鎖される第1の弁と、前記シリンダ内への液体の吸引時に閉鎖される第2の弁と、を備え、
前記第1の弁が閉じた状態から前記ピストンが吸引する方向に動作して前記第1の弁が開き液体が吸引され、液体がノズルの孔から噴出されるときは、前記第1の弁が閉鎖されかつ前記第2の弁が開放されて、前記パイプの中を液体が通り、前記ノズルから液滴が噴出されることを特徴とする液滴噴出装置である。
また本発明は、前記検知手段は、手指または液滴を着弾させる対象物を、前記ノズルからの距離が前記飛翔経路上で5mm以上100mm以下の範囲で検知可能であり、
前記ポンプは、前記カムが1回転することによって、前記ノズルから0.0005ml以上の噴出量であり、着弾させる対象物の面積よりも狭い着弾の面積となる液体の噴出で液滴が着弾面から落下しない噴出量となるように構成され、該ノズルからの飛翔距離が少なくとも5mm以上飛翔させることを特徴とする。
また本発明は、前記検知手段は、光学式センサーまたは超音波センサーであることを特徴とする。
また本発明は、前記カムは、最小半径の吸引開始位置から回転方向に半径を増加させて、前記吸引開始位置よりも回転方向に直前で最大半径となる吸引終了位置まで延びる第1カム面と、前記吸引終了位置から前記回転方向に半径を急激に減少させて、前記吸引開始位置まで延びる第2カム面とを有することを特徴とする。
また本発明は、前記駆動手段は、前記カムのカム面に接触して揺動され、前記ノズルに連結されたレバーと、前記レバーを前記カム面に押し付ける方向にばね付勢するばねとを含み、
前記レバーが前記第1カム面に接した状態で前記カムが回転することによって、前記ポンプに液体を吸い上げる吸引力を生じさせ、前記レバーが前記第2カム面に接した状態で前記カムが回転することによって、前記ばねのばね力によって前記レバーが揺動して、前記ポンプから液体が吐出するように構成したことを特徴とする。
また本発明は、前記パイプには、前記カムが1回転したときの前記ノズルからの液滴の噴出量が0.0005ml以上の噴出量で着弾させる面の面積よりも狭い着弾の面積となる液体の噴出であり、液滴が着弾面から落下しない噴出量となるように、該第1カム面および第2カム面のシフト量によるピストンのストローク量の調整または該液体が通るパイプの内径よりも小さい内径の調整孔がパイプの側面に設けられていることを特徴とする。
また本発明は、前記ポンプの前記第1の弁までの液体を吸引するために必要な吸引容積V1よりも前記カムが1回転したときの前記ポンプによる液体の吸引容積V2が大きく、
前記ノズル孔の内径φ1よりも前記パイプの調整孔の内径φ2が大きく、
前記シリンダにはピストンの動作に影響の無い上部に、前記パイプの調整孔から漏れ出た液体を排出するための排出孔φ3が設けられ、
前記排出孔の内径φ3は、前記調整孔の内径φ2以上であり、前記パイプの調整孔から漏れ出た液体を前記シリンダに設けた排出孔(φ3)から排出するように構成されていることを特徴とする。
また本発明は、前記液体は、前記液滴噴出装置に交換可能な容器または詰め替え可能な容器に封入されていることを特徴とする。
本発明によれば、机上または卓上などの予め定める設置面上に液滴噴出装置が設置され、手指または液滴を着弾させる対象物を液滴の飛翔経路に近付けると、その手指または液滴を着弾させる対象物を検知手段が検知して検知信号を出力する。制御手段は、検知手段から出力された検知信号を受信すると、その検知信号に応答して駆動手段を動作させる。駆動手段が動作すると、カムが回転され、このカムの回転運動によってポンプが動作して、液体を吸引し、吸引した液体を圧縮して吐出部からノズルに供給される。ノズルに供給された所定量の液体は、液滴化された状態で噴出され、飛翔経路上の手指または液滴を着弾させる対象物に付着して、手指または液滴を着弾させる対象物を適切な液量で湿潤させることができる。
また、ピストンと、ピストンが収容されるシリンダと、液体が通るパイプと、シリンダ内への液体の吸引時には開放され、シリンダからの吐出時には閉鎖される第1の弁と、シリンダ内への液体の吸引時に閉鎖される第2の弁とによって、ポンプが構成されるので、ピストンが吸引する方向に動作して第1の弁が開き液体が吸引され、液体がノズルの孔から噴出されるときは、第1の弁が閉鎖されかつ第2の弁が開放されて、パイプの中を液体が通り、ノズルから液滴が噴出される。このような第1の弁および第2の弁は、構成が簡素な逆止弁によって実現することができ、これによって液滴噴出装置の構成を簡素化して、容易に製造することができる。
このように液滴噴出装置は、カムの回転運動によってポンプを動作させ、適切な液量の液体を液滴化して噴出するので、液滴噴出装置を簡素な構成で安価で容易に実現することができ、僅かな量の液体であっても液滴化して、所要の飛翔距離を大きく拡散さずに、高い応答性で噴出させることができる。
また本発明によれば、検知手段は、手指または液滴を着弾させる対象物をノズルからの距離が飛翔経路上で5mm以上100mm以下の範囲で検知可能であり、ポンプは、カムが1回転することによって、ノズルから0.0005ml以上の噴出量であり、着弾させる対象物の面積よりも狭い着弾の面積となる液体の噴出で液滴が着弾され液滴が着弾面から落下しない噴出量の液滴を飛翔距離が5mm以上飛翔させるので、往来が多い場所や不特定の方向から人が近づく場合であっても、1人の使用者の手指または1つの液滴を着弾させる対象物だけに反応して、手指または切手などの液滴を着弾させる対象物を過剰に濡らすことなく適切な液量で液体を噴出させて付着させることができる。
また本発明によれば、検知手段として光学式センサーまたは超音波センサーが用いられるので、手指または液滴を着弾させる対象物を液滴噴射装置に接触させることなく、非接触で手指または液滴を着弾させる対象物を検知することができ、感染、装置の汚損などが生じにくい衛生的な液滴噴出装置を実現することができる。
また本発明によれば、第1カム面の吸引開始位置から吸引終了位置までのカムの回転運動によって、ポンプに吸引動作させ、第2カム面の吸引終了位置から吸引開始位置までのカムの回転運動によって、ポンプに噴出動作させることができるので、第1カム面および第2カム面のシフト量を調整することによって、液体の希望する噴出量を容易に実現することができる。
また本発明によれば、駆動手段は、カムのカム面に接触して揺動され、ノズルに連結されたレバーと、レバーをカム面に押し付ける方向にばね付勢するばねとを含むので、簡素な構成によって、カムの回転運動によるカム面のシフト量をポンプに伝達することができ、これによって希望する液量の液体を適切に飛翔させることができる液滴噴出装置を、小型化および簡素化して安価に実現することができる。
また本発明によれば、ポンプ機構には、カムが1回転したときのノズルからの液滴の噴出量が0.0005ml以上の噴出量であり、着弾させる対象物の面積よりも狭い着弾の面積となる液体の噴出で液滴が着弾面から液が落下しない噴出量となるように、該第1カム面および第2カム面のシフト量によるピストンのストローク量の調整または該パイプの内径よりも小さい内径の調整孔がパイプの側面に設けられているので、液滴の噴出量を高精度で行うことができる。
また本発明によれば、吸引パイプの第1の弁までの液体を吸引するために必要な吸引容積V1よりもカムが1回転したときのポンプによる液体の吸引容積V2が大きく、ノズル孔の内径φ1よりもノズル接続パイプの調整孔の内径φ2が大きいので、噴出する液量の液体を円滑かつ確実に吸引してポンプ内に収容することができ、このパイプの調整孔の内径φ2によって微量の液体の噴出を行うことができる。またシリンダには、ピストンの動作に影響の無い上部に、調整孔から漏れ出た液体を排出するための排出孔がシリンダの側面に設けられ、排出孔の内径φ3は、調整孔の内径φ2以上であり、このパイプの側面の調整孔から漏れ出た液体をシリンダに設けた排出孔から排出するように構成されるので、液滴の噴出量を超える液体を円滑かつ確実に排出して、必要な液量を確保することができ、液滴の噴出量の安定化を図ることができる。
また本発明によれば、液体は、液滴噴出装置に交換可能な容器または詰め替え可能な容器に封入されているので、液滴噴出装置内の液体を消費したときに、液体の補充を容易にかつ衛生的に行うことができ、利便性の高い液滴噴出装置を実現することができる。
本発明の一実施形態の液滴噴出装置1の外観を示す斜視図の例である。 図1に示す液滴噴出装置1の内部構造を示す分解斜視図の例である。 図3は液滴噴出装置1の断面図の例である。 光学センサー9によって手指を検知し、カム4が回転を初めた状態を示す断面図の例である。 カム4の回転運動によってポンプPが最大容積となって液体を吸引した状態を示す断面図の例である。 ピストンカムレバー11が吸引終了位置から吸引開始位置に変化し、ポンプP内の液体が押し出されてノズル10から液滴が噴出された状態を示す断面図の例である。 ポンプPの拡大断面図の例である。 ポンプPのシリンダを示す拡大断面図の例である。 ピストンの移動距離Lと噴出量との関係を示すグラフの例である。 接続パイプの側面に孔が開いていない場合の液体の噴出量を100%としたときのノズル孔の開口率と噴出率の関係を示すグラフの例である。 液体の飛翔距離について確認した結果を示すグラフの例である。 液体の拡散性について確認した結果を示すグラフの例である。 液滴の飛翔距離と拡散径との関係を示すグラフの例である。 ピストンの移動距離Lにおける吸引容積V2と吸引すべき第1弁18までの吸引容積V1の関係を示す図である。
図1は本発明の一実施形態の液滴噴出装置1の外観の例を示す斜視図であり、図2は図1に示す液滴噴出装置1の内部構造を示す分解斜視図の例である。本実施形態の液滴噴出装置1は、小型のDCモータMと、その駆動により駆動力を伝達する複数の歯車から成る歯車列2が設けられ、この歯車列2によって軸3に連結されたカム4が回転されるように構成され、カム4の位置はカム位置検知センサー16にて位置が検知されて所定の位置になるように構成されている。DCモータMおよび歯車列2を含んで、駆動手段を構成する。本発明の他の実施形態では、歯車列2に代えて、プーリおよびベルトなどを用いてもよい。これらのDCモータM、歯車列2、軸3およびカム4は、本体5に設けられ、本体5には本体カバー6が着脱可能に装着される。本体カバー6は、四角筒状の周壁7の一端に略球状の一部を成すボール部8が設けられ、ボール部8には、手指または液滴を着弾させる対象物を検知する検知手段である光学センサー9(距離センサ)が設けられる。本発明の他の実施形態では、光学センサー9に代えて、超音波センサーを用いるようにしてもよい。また、DCモータMを駆動する電源としては、市販の乾電池Dよる駆動、バッテリーによる駆動、さらにはAC/DCコンバーターを用いてAC電源からDCモータMを駆動することができる。さらにはセンサーにて検知を行うため、センサーに電流を流す必要があり、乾電池Dの消耗を考慮した場合、所定時間使用されていないときに自動的にOFFにする機能を設けることができる。さらに消耗する電池またはバッテリーを用いた構成の装置では、消耗を抑えるためにセンサーへの通電を行う手段として太陽電池を設けて、電池またはバッテリーの消耗を抑えた装置にしてもよい。
液滴噴出装置1は、予め定める設置面である机上または卓上に設置された状態で、液体を液滴化して噴出する小型の液体噴出装置である。液滴噴出装置1は、予め定める方向であるたとえば鉛直上方に液滴を噴出するノズル10と、ノズル10から噴出された液滴の飛翔経路上で少なくとも手指または液滴を着弾させる対象物を検知し、該手指または液滴を着弾させる対象物を検知すると、その検知信号を出力する光学センサー9と、液体を吸引する吸引部と、吸引部から吸引した液体を吐出する、ノズル10に接続された吐出部とを有するポンプPと、カム4を有し、カム4の回転運動によって、ポンプPに液体を吸引させかつ吸引した液体を圧縮して吐出させる歯車列2と、検知信号に応答して、前記駆動手段を動作させる制御手段Cとを含む、制御手段Cは、検知信号に応答してDCモータMを動作させてカム4を回転させ、該カム4の回転運動によってポンプPを動作させて、ノズル10から所定量の液体を液滴化して噴射させることができる。
図3は液滴噴出装置1の断面図の例である。液滴を噴出するノズル10は、噴出孔が単純な噴孔で円筒状のノズル本体に軸部10aを有する構造とし、レバーであるピストンカムレバー11がこの軸部10aを支持するように連結され、ピストンカムレバー11のノズル10の軸部10aを支持する孔11aは、平面視で長円状に構成され、ピストンカムレバー11の揺動に伴うノズル10の倒れを最小限にする構成とされる。カム4の回転によって、ピストンカムレバー11はピストンカムレバー11の軸11bがピストンカムレバー支持フレーム17に支持されピストンカムレバー11の軸11bを支点にして揺動し、支持されているノズル10の倒れが、ピストンカムレバー11のノズル10の軸部10aを支持する孔11aが長円状に構成されることで、最小限で上下運動できるように構成される。
ピストンカムレバー11に連結されたノズル10にポンプPのノズル接続ポンプパイプ12が接続されている。接続方法は、圧入や接着、ねじ構造での接続でもよく、外れないように構成すればよい。
カム4は、ピストンカムレバー11を上下に運動させることによって、ピストンカムレバー11と連結しているノズル10と、このノズル10と接続されているノズル接続ポンプパイプ12を上下運動させる構成とされる。カム4は、平板状の変形カムであり、最大径の後に最小径になる形状のカムで、最大径のときにピストンカムレバー11が最大位置になるように構成されている。
すなわち、カム4は最小半径の吸引開始位置m1から回転方向に半径を増加させて、吸引開始位置よりも回転方向に直前で最大半径となる吸引終了位置m2まで延びる第1カム面4aと、吸引終了位置m2から回転方向に半径を急激に減少させて、吸引開始位置m1まで延びる第2カム面4bとを有する。
ピストンカムレバー11が第1カム面4aに接した状態でカム4が回転することによって、ポンプPに液体を吸い上げる吸引力を生じさせ、さらにカム4が回転することによってピストンカムレバー11が引張ばね13のばね力によって第2カム面4bにピストンカムレバー11が揺動してポンプPから液体が吐出するように構成される。
ピストンカムレバー11には、引張ばね13が設けてあり、ポンプPの容積が最大になるときは引張ばね13が引張られ、最小径になるときは引張ばね13のばね力でピストンカムレバー11が押し下げられる。そして、ピストンカムレバー11と接続されているノズル10とノズル接続ポンプパイプ12も押し下げられて、ポンプPに圧力が加わる構成となっており、引張ばね13によりポンプPへの圧力を必要に応じて変えることができる。
図4は光学センサー9によって手指を検知し、カム4が回転を初めた状態を示す断面図の例であり、図5はカム4の回転運動によってポンプPが最大容積となって液体を吸引した状態を示す断面図の例であり、図6はピストンカムレバー11が吸引終了位置m2から吸引開始位置m1に変化し、ポンプP内の液体が押し出されてノズル10から液滴が噴出された状態を示す断面図の例である。
手指または液滴を着弾させる対象物が光学センサー9によって検知され、上記の動作を繰り返し、光学センサー9による検知物が無い場合は、待機状態を維持するように構成される。図4に示すように、手指または液滴を着弾させる対象物を検知したときは、第1弁18は閉じた状態で第2弁19が開いている状態であり、このときの第2弁19は閉じていても問題はない。
次に、図5に示すように、図4から図5は吸引動作であり、カム4の回転運動によってピストン20が持ち上げられ、第2弁(逆止弁とピストン20)19が閉じた状態となる。これより吸引動作に入り、ピストン20の吸引力により第1弁18が開き、液体をピストン20の吸引する動きと共にカム4の最大径になるまで液体が吸引され、吸引終了と共に第1弁18が閉じる。さらにピストンカムレバー11に設けてある引張ばね13がカム4の動きとともに引張られている。
そして、図6に示すように、第1弁18が閉じてカム4の最大径から最小径に変化したとき、この引張ばね13が元に戻るばね力によって、ピストンカムレバー11を通じてノズル10が押し下げられ、ノズル接続ポンプパイプ12に設けてあるピストン20に力が加わり、そして、液体にピストン20の押圧力が加わり、閉じていた第2弁19が開き、この押圧力によってノズル10から液滴が噴出され、手指または液滴を着弾させる対象物に液滴が着弾し、手指または液滴を着弾させる対象物を濡らすことができる。さらに、噴出動作については手指または液滴を着弾させる対象物を光学センサー9が検知し、2秒以下で、好ましくは1秒以内に液体を噴出させることがより好ましい。
また、噴出量については、カム4の最大径と最小径の差に対応する、ピストン20のストロークにて噴出量を制御することができる。このとき、吸引パイプ21から第1弁18までの吸引される吸引容積V1が、ピストン20の最大の移動距離Lでの吸引容積V2よりも小さくすることがより好ましい。
次に、本発明におけるもう1つの噴出量の制御について、図7を参照して説明する。
図7は本発明の一実施形態のポンプPの拡大断面図の例である。図7には噴出量を制御し安定して噴出させるため、ノズル10と接続されているノズル接続ポンプパイプ12は、ノズル接続ポンプパイプ12の側面に設けた孔32(φ2)と、孔32(φ2)より内径が大きく、シリンダの側面に設けた孔33(φ3)とを有する。本装置においては、所望の範囲に液体を着弾させ、液体の落下を防止する必要がある。前述したように、たとえば手指などに液体を着弾させ、液滴の落下を防止するためには、微量の液滴を着弾させなければならない。
本発明はこれらを踏まえてノズル10からの噴出量を制御することが必要になる。本実施形態は、ピストン20の移動距離Lにて必要十分な液体の吸引力と、ノズル接続ポンプパイプ12に設けた側面の孔32(φ2)と、ノズル孔31(φ1)との面積比を設定し、必要とする噴出量としている。
ここで、必要十分な吸引とは、ピストン20の1回の移動距離Lによる吸引容積V2が吸引パイプ21を通り、第1弁18を超えて吸引される吸引容積V1よりも大きい量である。このようにすることで、第1弁18までの吸引パイプ21内が液体で満たされ、真空状態となり、2回目以降の吸引が確実に吸引されることになる。
そして、ノズル孔31(φ1)の面積とノズル接続ポンプパイプ12に設けた側面の孔32(φ2)の面積とにより、ノズル孔31(φ1)の面積比を必要とする噴出量になるように設定することができる。逆に、ノズル孔31(φ1)を選定し、必要とするノズル孔31(φ1)の面積比を接続パイプに設けた側面の孔32(φ2)を必要とする面積比になるように設定することもできる。
このように、液体が通るノズル接続ポンプパイプ12の側面の孔32(φ2)を設けることで、必要な微量の噴出量を低コストで得ることができる。
なお、圧縮ばね14は第1弁18を閉じるためのばねであり、例えばポンプPが略垂直である場合は、第1弁18を受けているシリンダ形状が円錐形状であれば、第1弁18が金属もしくはガラスビーズなどからなる球体を用いることで弁作用を得ることができ、自重での弁作用も可能である。また、略水平の場合は圧縮ばね14を設けることが好ましい。
さらに、ポンプP内でノズル接続ポンプパイプ12の側面に設けた孔32から余剰の液体が漏れ出るため、ノズル接続ポンプパイプ12の側面に設けた孔32(φ2)より大きい孔をシリンダ22の側面に孔33(φ3)として設けている。
このようにすることで安定した微量の噴出を行うことができる。そして、シリンダ22の側面の孔33(φ3)より漏れ出た液体は、液体を収容している容器30に戻すことで、効率よく液体を使用することができ、周壁7の一側方に本体5に着脱可能に装着される給液タンク34に貯留される給液用の水、消毒液(アルコール)、洗浄液などの各種液体の消費を低減することができる。
上記のように液滴噴出装置1は、往復運動からなるピストンポンプを用い、ノズル10のノズル孔31が単純な円形の孔で引張ばね13によりポンプPへの圧力を調整し、且つ、微量な液体の量をピストン20の移動距離Lの調整またはノズル孔31とノズル接続ポンプパイプ12に設ける側面の孔32との開口率により調整し、微量の液体の噴出を液滴化して行うことができ、かつ、機構的に低コストで製作が可能である。そして、この手段を用いて液滴を着弾させる対象物もしくは手指などを検知手段である光センサー9により検知し、自動的に液体を噴出することができる。
(実験例)
本構成の装置を用いて、液体が噴出されるノズル10のノズル孔31を単純な円形の孔とし、孔径0.4mmを用いて液体が通る内径を2mmとし、カム4の最大径と最小径を変化させ、第1カム面4aおよび第2カム面4bのシフト量を変化させ、且つ、ノズル接続ポンプパイプ12及びシリンダ側面には孔33を有さない構成でピストンカムレバー11の引張ばね13のばね張力を約500gとし、シリンダの内径を6.1mm、液体として水を用いて、変形カムによるピストン20の動作距離を変化させ、ピストン20の1往復運動における水の噴出量を測定した実験例を表1および図8に示す。
測定方法は、ガラス板を用いノズル10の上部にてガラス板に液体を着弾させてこのときの重量を電子天秤にて測定した。
表1および図8に示すように、本装置は第1カム面4aおよび第2カム面4bのシフト量によるピストン20の移動距離Lと噴出量が略直線的な関係にあり、カム4の段差を変化させることでピストン20の移動距離Lを変化させることができ、水(液体)の噴出量を制御することができる。そして、着弾面積及び液体の表面張力より液が落下しない量になるように、ピストン20の移動距離Lを設定しているカム4の段差(第1カム面4aと第2カム面4bのシフト量)を構成することで、着弾面に着弾した液体の落下がないの噴出量にすることができる。
なお、ピストン20の移動距離Lによる吸引時の吸引容積V1が、液体が通る吸引パイプ21の底辺から第1弁18までの吸引容積V2よりも大きいことが好ましい。
次に、本装置を用いてノズル接続ポンプパイプの側面に孔を開け噴出量についての実施例を、表2、表3、図9示す。表2に示すようにノズル接続ポンプパイプ12に孔32を設けない場合はノズル径を変化させても噴出量はほぼ一定に液体が噴出される構成である。
ノズル接続ポンプパイプ12の側面に液体が通る孔32を設けることで、ノズル接続ポンプパイプ12の側面の孔32が大きいほど噴出量を少なく制御できる。また、ノズル接続ポンプパイプ12の側面に液体が通る孔32(φ2)を設け、ノズル10のノズル孔31を小さくすることで、噴出量を微量の噴出とすることができる。なお、液体が通るノズル接続ポンプパイプ12に設ける側面の孔32(φ2)の断面積は、ノズル接続ポンプパイプ12の液体が通る内径の断面積よりも小さくすることが好ましい。
そして、これらについてノズル孔31の断面積を、ノズル孔31の断面積とノズル接続ポンプパイプ12の側面の孔32の断面積とを足した値で割ったものを面積比率とし、この面積比率をノズル孔31の開口率とし、このノズル孔31の開口率と噴出量の関係を示した表が表3であり、さらにこの表3を図に示したのが図9である。
図9に示すように、パイプ21の内径の面積が側面に設けた孔32の面積よりも大きい場合は、ノズル10のノズル孔31の開口率に対し噴出量は相関が得られ、噴出量をノズル10のノズル孔31の開口率を調整することにより、微量な噴出量を制御することができる。
また、図10にはノズル接続ポンプパイプ12の側面に孔32が開いていない場合の液体の噴出量を100%としたときのノズル孔31の開口率と噴出率の関係を示す。図10に示すように、開口率と噴出率は略直線的な関係を有している。
次に、液体の飛翔距離について確認した結果を表4、図11に示す。液体は水を使用し、ノズル孔31の内径φ1が0.4mm、ノズル接続ポンプパイプ12は内径が2mmで側面の孔32の内径φ2が1.5mmを用い、ノズル10とガラス板の距離である飛翔距離を変化させ、ノズル10と対向させたガラス板に液体(水)が着弾したときの噴出量について確認した結果を示す。噴出方向は略垂直に下から上に噴出させ1回の噴出でガラス板に液体(水)が着弾した液体(水)の重量を測定している。
表4、図11に示すようにノズル10からの液体(水)の噴出量は確認した距離である約8mmから80mmまでは噴出量にはほぼ変化が無く、対向物との距離があっても十分に安定して液体を着弾させることができる。
次に、液体の拡散性について確認した結果を表5、図12に示す。液体は水を使用し、ノズル孔31の孔径φ1が0.4mm、ノズル接続ポンプパイプ12は内径が2mmで、側面の孔32の内径φ2が1.5mmを用い、ノズル10とガラス板の距離である飛翔距離を変化させノズル10と対向させたガラス板に液体(水)が着弾したときの広がりの幅について測定した確認した結果を示す。また、比較例として従来の小型の携帯用のスプレー式のアトマイザー(噴霧器)を用いたものと比較している。
表5に示すように、手指や印紙、切手などの巾が狭いものを非接触にて液体(水)で濡らす場合は大きく拡散させる必要はなく、本発明に含まれる飛翔における拡散性については50mm強の飛翔においても拡散性を抑えることができる装置である。これに対し従来の小型で携帯用のポンプ式のアトマイザーでは目的が異なり、40mmの距離では拡散性が高く数十ミリ以上の拡散性を有し、手指や印紙、切手などの物で幅が狭いものに対して濡らす装置としても、液体の損失や周辺への噴霧となり問題がある。特に業務用などで不特定多数の人が用いるものには適していない。しかし、本装置では、ノズル10のノズル孔31を単純な円形の孔で且つポンプPの圧力が引張ばね13の圧力で微量の液体を噴出しているので、液体が液滴となり拡散することなく、確実に目的とするものに液体を着弾させることができ、幅の狭いものを濡らす装置にも適している。
図12に示すように、引張ばね13のばね圧でポンプ圧を得て液体を飛翔させ、距離のある状態でも大きく拡散させることなく、物体に液体を着弾させることができる。
このように本実施形態の液滴噴出装置1は、往復運動するポンプPを用い、手指または液滴を着弾させる対象物を自動的に検知し、カム機構でポンプPの往復運動を行い、カム4のカム面4a,4bの段差と圧力とによって液体の噴出を行い、機械的な構成によって従来に無い、液体の噴出が微量でかつ、噴出距離を十分に確保でき、さらには必要に応じて噴出された液体の拡散を制限することができる。なお、自由落下の液滴量は、液体の表面張力によっても異なるが、その関係式は、上向きの力をFとすると、
F=2×π×R×γ×cosθ …(1)
であり、
M×g<F …(2)
ここに、R:液の半径
γ:表面張力
M:液滴の質量
g:重力加速度
で液体が落下しない条件となり、本装置について水を用いた場合の計算をすると、液滴の半径を6mm(表5より)、水の表面張力=72.75mN/mとした場合、0.0285g以上で液滴が落下する計算となる。そして、実際にガラス上で水を用いて落下する重量について確認すると、0.03g前後であり、計算値とほぼ近似している。
本装置は、このように液体の噴出により着弾面に液滴を着弾させた時に液の落下を防止するために、液滴の半径(広がり)および液滴の重量を制御した装置である。例えば、手指への液体の着弾においては、指紋の段差が50μm前後であり、濡らす面積を20mm×20mmとすると、0.02g以下が必要になり、液滴の着弾半径(着弾時の広がり半径)が4.2mm以上で液の落下はないことになり、実施例に示すように制御された液滴量では落下することはない。
さらに、周辺への液体の飛散の防止及び液体の損失を考慮すると、着弾時の広がりが着弾させる物体の面よりも小さいことがより好ましく、切手や印紙、そして指などの巾が狭く面積の小さいものを湿らす噴出量は、好ましくは0.0005ml以上で0.02ml以下がより好ましい。さらに、ノズルは液滴を着弾させる面に対して、ノズル10のノズル孔31の形状は、必要に応じた孔の面積と形状にすることができる。
なお、従来の装置でポンプ構造を用いた装置においては、前記のように微量な液滴を制御する必要がないため、ノズル10と接続されているノズル接続ポンプパイプ12には、孔32(φ2)を設ける必要はなく、噴霧状で拡散することを目的とするからであり、さらにはピストン20の移動距離についても噴霧を得るための十分な圧力を必要とするため、ピストン20の移動距離が長く、本装置のような構成とはなっていない。
また、手指または液滴を着弾させる対象物などの検知については、光学センサー9である距離センサーを用いているが、光透過型センサーや反射型センサー、超音波センサーを用いてもよい。
図14はピストンの移動距離Lにおける吸引容積V2と吸引すべき第1弁18までの吸引容積V1との関係を示す図である。V2がV1より大きくすることで吸引パイプ21内を液体で満たすことができ、ピストンが戻り時に第1弁18が閉じ、吸引パイプ21内を満たしている液体を戻すことなく、常に吸引方向の液体の流れとなり、安定して噴出をすることができる。
本実施形態の液滴噴出装置1は、次の効果(1)〜(9)を達成する。
(1)机上または卓上などの予め定める設置面上に液滴噴出装置が設置され、手指または物体を液滴の飛翔経路に近付けると、その手指または物体を検知手段が検知して検知信号を出力する。制御手段は、検知手段から出力された検知信号を受信すると、その検知信号に応答して駆動手段を動作させる。駆動手段が動作すると、カムが回転され、このカムの回転運動によってポンプPが動作して、液体を吸引し、吸引した液体を圧縮して吐出部からノズル10に供給される。ノズル10に供給された所定量の液体は、液滴化された状態で噴出され、飛翔経路上の手指または物体に付着して、手指または物体を適切な液量で湿潤させることができる。
このように液滴噴出装置1は、カム4の回転運動によってポンプPを動作させ、適切な液量の液体を液滴化して噴出するので、液滴噴出装置1を簡素な構成で安価で容易に実現することができ、僅かな量の液体であっても液滴化して、所要の飛翔距離を大きく拡散させずに、高い応答性で噴出させることができる。
(2)検知手段は、手指または物体をノズルからの距離が飛翔経路上で5mm以上100mm以下の範囲で検知可能であり、ポンプPは、カム4が1回転することによって、ノズル10から0.0005ml以上の噴出量で着弾させる面の面積よりも狭い着弾の面積となる液体の噴出が可能であり、液滴が着弾面から落下(液ダレ)しない噴出量以下(0.02ml以下)の液滴を飛翔距離が5mm以上飛翔させることができる、これによって、往来が多い場所や不特定の方向から人が近づく場合であっても、1人の使用者の手指または1つの物体だけに反応して、手指または切手などの物体を過剰に濡らすことなく適切な液量で液体を噴出させて付着させることができる。
(3)検知手段として光学式センサー9または超音波センサーが用いられるので、手指または物体を液滴噴射装置に接触させることなく、非接触で手指または物体を検知することができ、感染、装置の汚損などが生じにくい衛生的な液滴噴出装置を実現することができる。
(4)第1カム面4aの吸引開始位置m1から吸引終了位置m2までのカム4の回転運動によって、ポンプPに吸引動作させ、第2カム面4bの吸引終了位置m2から吸引開始位置m1までのカム4の回転運動によって、ポンプPに噴出動作させることができるので、第1カム面4aおよび第2カム面4bのシフト量を調整することによって、液体の希望する噴出量を容易に実現することができる。
(5)駆動手段は、カム4のカム面4aに接触して揺動され、ノズル10に連結されたレバー11と、レバー11をカム面4a,4bに押し付ける方向にばね付勢するばね13とを含むので、簡素な構成によって、カム4の回転運動によるカム面4a,4bのシフト量をポンプPに伝達することができ、これによって希望する液量の液体を適切に飛翔させることができる液滴噴出装置を、小型化および簡素化して安価に実現することができる。
(6)ピストン20と、ピストン20が収容されるシリンダ22と、液体が通るパイプ21と、シリンダ22内への液体の吸引時には開放され、シリンダ22からの吐出時には閉鎖される第1の弁18と、シリンダ22内への液体の吸引時に閉鎖される第2の弁19とによって、ポンプPが構成されるので、ピストン20が吸引する方向に動作して第1の弁18が開き液体が吸引され、液体がノズル10のノズル孔31から噴出されるときは、第1の弁18が閉鎖されかつ第2の弁19が開放されて、パイプ21の中を液体が通り、ノズル10から液滴が噴出される。このような第1の弁18および第2の弁19は、構成が簡素な逆止弁によって実現することができ、これによって液滴噴出装置の構成を簡素化して、容易に製造することができる。
(7)ポンプPには、カム4が1回転したときのノズル10からの液滴の噴出量が0.0005ml以上の噴出量であり、着弾させる対象物の面積よりも狭い着弾の面積となる液体の噴出で、液滴が着弾面から液が落下しない噴出量となるように、第1カム面4aおよび第2カム面4bのシフト量によるピストン20の移動距離Lの調整または該パイプ21の内径よりも小さい内径の調整孔φ2がパイプ21の側面に設けられているので、液滴の噴出量を高精度で行うことができる。
(8)ポンプPの第1の弁18までの液体を吸引するために必要な吸引容積V1よりもカム4が1回転したときのポンプPによる液体の吸引容積V2が大きく、ノズル孔31の内径φ1よりもパイプ21の調整孔32の内径φ2が大きいので、噴出する液量の液体を円滑かつ確実に吸引して、ポンプP内に収容することができる。またシリンダ22のピストン20の動作に影響の無い上部には、調整孔32から漏れ出た液体を排出するための排出孔33が設けられ、排出孔33の内径φ3は、調整孔32の内径φ2以上であり、シリンダ22がポンプPから漏れ出た液体を排水孔33から排出するように構成されるので、液滴の噴出量を超える液体を円滑かつ確実に排出して、必要な液量を確保することができ、液滴の噴出量の安定化を図ることができる。
(9)液体は、液滴噴出装置に交換可能な容器または詰め替え可能な容器に封入されているので、液滴噴出装置内の液体を消費したときに、液体の補充を容易にかつ衛生的に行うことができ、利便性の高い液滴噴出装置を実現することができる。
1 液滴噴出装置
2 歯車列
3 軸
4 カム
5 本体
6 本体カバー
7 周壁
8 ボール部
9 光学センサー
10 ノズル
10a ノズルに設けてある軸部
11 ピストンカムレバー
11a 孔
11b ピストンカムレバーの揺動支点軸
12 ノズル接続ポンプパイプ
13 引張ばね
14 圧縮ばね(第1弁用)
15 圧縮ばね(第2弁用)
16 カム位置検知センサー
17 ピストンカムレバー支持フレーム
18 第1弁
19 第2弁
20 ピストン
21 吸引パイプ
22 シリンダ
30 容器
31 ノズル孔(φ1)
32 ノズル接続ポンプパイプの側面の孔(φ2)
33 シリンダの側面の孔(φ3)
34 給液タンク
C 制御基板
D 乾電池
M DCモータ
L ピストンの移動距離
P ポンプ
V1 吸引容積
V2 吸引パイプ21の底辺から第1弁18までの吸引容積

Claims (8)

  1. 予め定める設置面上に設置された状態で、液体を液滴化して噴出する小型の液体噴出装置であって、
    予め定める方向に液滴を噴出するノズルと、
    前記ノズルから噴出された液滴の飛翔経路上で手指または液滴を着弾させる対象物を検知し、該手指または液滴を着弾させる対象物を検知すると、その検知信号を出力する検知手段と、
    液体を吸引する吸引部と、前記吸引部から吸引した液体を吐出する、前記ノズルに接続された吐出部とを有するポンプと、
    カムを有し、前記カムの回転運動によって、前記ポンプに液体を吸引させかつ吸引した液体を圧縮して吐出させる駆動手段と、
    前記検知信号に応答して、前記駆動手段を動作させる制御手段と、を含み、
    前記制御手段は、前記検知信号に応答して前記駆動手段を動作させて前記カムを回転させ、該カムの回転運動によって前記ポンプを動作させて、前記ノズルから所定量の液体を液滴化して噴射させ
    前記ポンプは、ピストンと、前記ピストンが収容されるシリンダと、液体が通るパイプと、前記シリンダ内への液体の吸引時には開放され、前記シリンダからの吐出時には閉鎖される第1の弁と、前記シリンダ内への液体の吸引時に閉鎖される第2の弁と、を備え、
    前記第1の弁が閉じた状態から前記ピストンが吸引する方向に動作して前記第1の弁が開き液体が吸引され、液体がノズルの孔から噴出されるときは、前記第1の弁が閉鎖されかつ前記第2の弁が開放されて、前記パイプの中を液体が通り、前記ノズルから液滴が噴出されることを特徴とする液滴噴出装置。
  2. 前記検知手段は、手指または液滴を着弾させる対象物を、前記ノズルからの距離が前記飛翔経路上で5mm以上100mm以下の範囲で検知可能であり、
    前記ポンプは、前記カムが1回転することによって、前記ノズルから0.0005ml以上の噴出量であり、着弾させる対象物の面積よりも狭い着弾の面積となる液体の噴出で液滴が着弾面から落下しない液滴を、該ノズルからの飛翔距離が5mm以上飛翔させることを特徴とする請求項1に記載の液滴噴出装置。
  3. 前記検知手段は、光学式センサーまたは超音波センサーであることを特徴とする請求項2に記載の液滴噴出装置。
  4. 前記カムは、最小半径の吸引開始位置から回転方向に半径を増加させて、前記吸引開始位置よりも回転方向に直前で最大半径となる吸引終了位置まで延びる第1カム面と、前記吸引終了位置から前記回転方向に半径を急激に減少させて、前記吸引開始位置まで延びる第2カム面とを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の液滴噴出装置。
  5. 前記駆動手段は、前記カムのカム面に接触して揺動され、前記ノズルに連結されたレバーと、前記レバーを前記カム面に押し付ける方向にばね付勢するばねとを含み、
    前記レバーが前記第1カム面に接した状態で前記カムが回転することによって、前記ポンプに液体を吸い上げる吸引力を生じさせ、前記レバーが前記第2カム面に接した状態で前記カムが回転することによって、前記ばねのばね力によって前記レバーが揺動して、前記ポンプから液体が吐出するように構成したことを特徴とする請求項4に記載の液滴噴出装置。
  6. 前記ポンプには、前記カムが1回転したときの前記ノズルからの液滴の噴出量が0.0005ml以上の噴出量であり、着弾させる対象物の面積よりも狭い着弾の面積となる液体の噴出で液滴が着弾面から液が落下しない噴出量となるように、該第1カム面および第2カム面のシフト量によるピストンのストローク量の調整または該パイプの内径よりも小さい内径の調整孔がパイプの側面に設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の液滴噴出装置。
  7. 前記ポンプの第1の弁までの液体を吸引するために必要な体積V1よりも前記カムが1回転したときの前記ポンプによる液体の吸引容積V2が大きく、
    前記ノズル孔の内径φ1よりも前記パイプの調整孔の内径φ2が大きく、
    前記シリンダにはピストンの動作に影響の無い上部に、前記調整孔から漏れ出た液体を排出するための排出孔が設けられ、
    前記シリンダの排出孔の内径φ3は、前記パイプの調整孔の内径φ2以上であり、前記パイプの調整孔から漏れ出た液体を前記排出孔から排出するように構成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の液滴噴出装置。
  8. 前記液体は、前記液滴噴出装置に交換可能な容器または詰め替え可能な容器に封入されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の液滴噴出装置。
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