JP6277193B2 - 高周波均一液滴メーカおよび方法 - Google Patents

Description

本開示は、均一の液滴（ｕｎｉｆｏｒｍ ｄｒｏｐｌｅｔｓ）を生成するためのシステムおよび方法に関する。さらに特に、本開示は、ピエゾアクチュエータを使用して均一の液滴を生成するためのシステムおよび方法に関する。

溶射産業界における改善されたコーティングおよび粉末粒子生成物への要求は、注入された溶液粒子（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）の組成上の不均質性に技術的に悩まされるため、絶え間なく続いている。コーティングおよび粒子生成物の均質性を達成する１つの解決手段は、均一の直径の均一の液滴を繰り返し生成することを目指す。溶射システムに注入される溶液滴のサイズの精密な制御は、成功裏の改善されたコーティングおよび粉末を生成するための粒子溶解（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｅｌｔ）のさらに精密な制御を達成する。毛細管流（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｓｔｒｅａｍｓ）を使用する液滴生成の方法は、液体溶液で満たされたリザーバ容器の壁上に圧力パルス（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｕｌｓｅ）を作用させる圧電デバイスの使用を含む。概して、１つのこのような方法は、振幅変調正弦波搬送波擾乱（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｃａｒｒｉｅｒ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）を圧電デバイスへ課する（ｉｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）ことである。これらの方法は、概して、液体源に直接接触する圧電デバイス（「ピエゾ」）を含む。１つの方法は、擾乱を付与し液滴への流れの細分化（ｓｔｒｅａｍ ｂｒｅａｋ ｕｐ ｉｎｔｏ ｄｒｏｐｌｅｔｓ）の役割を担う毛細管の不安定性（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を始めるために、液体源に直接接触する発振結晶を使用することを含む。擾乱は、液体容積の最上部において圧縮方式で課され、毛細管ノズルへ下流に伝播される。別の方法は、毛細管ノズルを通じて液体を押し進め均一の液滴流を生成すると言われている半径方向に収縮する圧電シリンダ内に収容された円柱状の液体の側壁上に、この擾乱を付与する。これらの液滴生成方法は、概して、大きな液滴径および／または１０ｋＨｚ以下の周波数での作動に制限される。

当該技術分野において既知の液滴装置の用途は、液体に直接接触するピエゾを有する。例えば、典型的なプリンタ設計において、ピエゾは、印刷液内に浸され、ピエゾが電気的駆動下で伸びるまたは収縮する際に液滴が抜け出ることを許可または禁止するゲートとして機能する。別の用途において、ピエゾ発振は、ピエゾが液体に接触するように液体に直接伝搬され、または、接触しなければ、伝搬は弾性膜を通じて行われる。また、発振の効果は、ノズルの直近の少容積の液体のみに関与する。

本開示の１つの広範囲の実施形態において、液滴が均一の直径を有する液滴流を生成するためのシステムは、流体リザーバ容器内に収容された流体リザーバと流体連通する溶液ディスペンサと、流体リザーバ容器内に配置され、一方の側が流体リザーバに隣接して接触する分離膜と、流体リザーバに接触する側とは反対側で分離膜に接触し、分離膜から離れて配置されたピエゾアクチュエータと、流体リザーバから流体を受け取り、１つ以上の毛細管ノズルから液滴流を射出するための１つ以上の毛細管ノズルとを備える。

別の広範囲の実施形態において、液滴が均一の直径を有する液滴流を生成するためのシステムは、コンデンサとして作用するピエゾアクチュエータを駆動するためのエレクトロニクス駆動回路と、演算増幅器（オペアンプ）と、変圧器ステージと、チョークインダクタを有するローディングステージとを備える。チョークインダクタは、圧電コンデンサとの直列配置である。これは、理想的なケースにおいて所望の駆動周波数にてアクチュエータ（コンデンサ）とともに共振ＬＣ回路を構成するインダクタを追加することによって単独で動作されるアクチュエータの電流要件を低減するように意図される。このインダクタが欠けていると、周波数が増加するほど、駆動エレクトロニクスの電流要件を満たすのがますます難しくなるということが見出された。エレクトロニクス駆動回路は、信号発生器を備える。

別の広範囲の実施形態において、液滴が均一の直径を有する液滴流を生成するための本開示の方法は、溶液を流体リザーバ容器に提供するステップと、流体リザーバを形成するために流体リザーバ容器を溶液で満たすステップと、流体リザーバ容器内に配置された流体リザーバを分離膜の一方の側に接触させるステップと、ピエゾアクチュエータを分離膜の他方の側に接触させるステップと、流体リザーバを通じて少なくとも１つの摂動波を作り出すために、ピエゾアクチュエータが少なくとも１つの摂動パルスを分離膜および流体リザーバに送り出すステップと、分離膜から離れて配置された１つ以上の毛細管ノズルによって流体リザーバから流体を受け取るステップと、１つ以上の毛細管ノズルから１つ以上の液滴流を射出するステップとを備える。

別の広範囲の実施形態において、液滴が均一の直径を有する液滴流を生成するための本開示の方法は、分離膜上に摂動を生成するために正弦波によりピエゾアクチュエータコンデンサを作動させるステップと、分離膜を通じて流体リザーバ内の溶液に摂動を伝搬するステップとをさらに備える。

本開示の具体的な実施形態は、ここで、後続の図面とともに、さらに十分に記載される。

本開示による、均一の液滴を作製するためのシステムの概略図である。 本開示による液滴作製装置の好ましい実施形態の概略図である。 本開示による圧電変換器を駆動するためのエレクトロニクスの概略図である。 本開示による、均一の液滴の複数の噴流を作製するためのマルチ毛細管ノズルの概略図である。 本開示による、均一の液滴の複数の噴流を作製するためのマルチ毛細管ノズルの概略図である。

図面、特に図１を参照すると、参照符号１０によって全体を表されている、均一の液滴を作製するための１つ以上のシステムおよび／または方法が提供される。システム１０は、溶液ディスペンサ２０と、液滴メーカ部３０と、高周波エレクトロニクス駆動回路４０とを含む。液滴メーカ部３０は、内部ピエゾアクチュエータ３４と、リザーバ容器３７内に収容された溶液前駆体リザーバ（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）３５と、流体噴流出口のための誘電体毛細管ノズル（複数可）３６とを含む。変換器３４は、周波数エレクトロニクス駆動回路４０内に好ましくは位置決めされる高周波オペアンプエレクトロニクス回路４７によって駆動される。均一の液滴３８の流れは、変換器３４が駆動エレクトロニクス４７によって作動させられるときに、レーリーの分解法則（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｌａｗ）に従って生成され、一方で、溶液前駆体リザーバ３５は、溶液前駆体コンテナソース（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｏｕｒｃｅ）２４から蠕動ポンプ２２（または加圧式タンク容器）を介して入口取り付け具３９を通じて溶液前駆体を注入することによって満杯に維持される。

図２を参照すると、本開示の好ましい実施形態による液滴メーカ部２０が、より詳細に示されている。液滴メーカ２０は、ピエゾ収容部ステージ２１０と、リザーバ容器ステージ２３０と、ノズルホルダステージ２５０とを含む３つのステージを備える。ピエゾ収容部２１０は、鋼管２１５とねじ蓋２１６とを含む保持装置２１２を有する。ピエゾアクチュエータ３４は、断熱材２１７によって軸対称に保持される。ねじ蓋２１６内にねじ留めする回転式ボルト２１８は、ピエゾアクチュエータ３４に圧力を加えるために使用される。接続ワイヤ２１９を通じた電気的正弦波励起下で、ピエゾアクチュエータ３４は約５μｍ以下の発振を生成し、発振は次いでピエゾ収容部２１０とリザーバ容器３７との間の分離膜２２０に伝えられる。ピエゾアクチュエータ３４による発振は摂動圧力パルス２３１を生成し、摂動圧力パルスは次いで溶液前駆体リザーバ３５内の液体に伝えられる。膜２２０は、溶液前駆体リザーバ３５上に圧力パルスを作り出すために十分な偏向を可能にする厚さと、ピエゾアクチュエータ３４の適切なプレローディングを可能にする十分な剛性を有するべきである。約２１ゲージ（０．７２３ミリメートル）の厚さが本開示の好ましい実施形態において使用されることが見出された。リザーバ容器３７は、充填チャネル２２２と溶液ディスペンサ２０に接続された入口取り付け具３９とを通じて前駆体溶液で満たされる（図１参照）。チャネル２２２は、残った前駆体溶液の乾燥による毛細管ノズル（複数可）３６の目詰まりを回避するように溶液前駆体リザーバ３５の総排除を可能にする。必要ならば、射出出口２２３は、溶液前駆体リザーバ３５から気泡を排除するために、かつ溶液前駆体リザーバ３５に対する適切な圧力を維持するために取り付け具２１３を通じて提供される。オリフィス２２４は、リザーバ容器３７から図１の液滴メーカ部３０の外側へのノズルホルダ２５０内の毛細管ノズル（複数可）３６までの溶液前駆体リザーバ３５の連通を可能にするために、溶液前駆体リザーバ３５を保持する容器の底部にある。ノズルホルダ２５０は、ねじ蓋２５５と、ディスク位置決め部２５６と、カバープレート２５７と、封止オーリング２５８と、封止および位置決めオーリング２５９とを含む。ディスク位置決め部２５６およびカバープレート２５７は、ねじ２６０により、ねじ蓋２５５内の適所に保持される。ディスク位置決め部２５６の厚さは、好ましくは、オーリング２５９と連結して毛細管ノズル３６の適切な位置合わせを提供するために毛細管ノズル３６（図１）の長さ未満の厚さを有するように選択されるべきであり、毛細管ノズル３６の先端部は、カバープレート２５７のオリフィス２６５を通じて出る。一旦溶液前駆体リザーバ３５が前駆体流体で満たされ、ピエゾアクチュエータ３４が駆動パルスワイヤ２１９を通じて作動されれば、摂動圧力パルス２３１は、膜２２０を通じてリザーバ容器３７内の溶液前駆体リザーバ３５の最上部に伝搬される。摂動圧力パルス２３１は、リザーバ容器３７内の溶液前駆体リザーバ３５の円柱状の容積に下方に伝播する。摂動圧力パルス２３１はリザーバ容器３７の底部に到達して、リザーバ容器３７から溶液前駆体リザーバ３５からの流体に伝搬し、リザーバ容器において、流体噴流は液滴３８の流れへ細分化する。摂動圧力パルス２３１の波長λが粘性流体のウェーバーの法則に従って噴流の細分化を満たす場合、液滴３８は、均一の直径である。

式中、ｄ_ｊは噴流径であり、ηは流体粘性であり、ρは流体密度であり、σは表面張力である。生成された液滴は、均一であり、液滴径ｄ_ｄは、噴流径ｄ_ｊの１．８９である。

図３を参照すると、ピエゾアクチュエータ３４のピエゾコンデンサＣ_ｐを駆動するための図１の高周波エレクトロニクス駆動回路４０は、信号発生器３３３と、演算増幅器（オペアンプ）３３４と、変圧器ステージ３３５と、ピエゾアクチュエータ３４のピエゾコンデンサＣ_ｐと直列に存在するチョークインダクタ３３７を有するローディングステージ３３６とを備える。この構成は、ピエゾアクチュエータ３４を駆動するために、オペアンプ３３４によって電圧（Ｖ_２）に増幅される、ピエゾ電圧駆動（Ｖ_３）を、電源電圧（Ｖ_１）により、生成するために連続モードで動作する。信号発生器３３３は、０から１ＭＨｚ以上の周波数の正弦波と、０から１０ボルトの間の出力電圧とを供給する。（制御可能な利得を得るための）高電流駆動能力および広電力帯域幅のオペアンプ３３４は、変圧器３３５のプライマリを駆動し、信号発生器３３３において規定された周波数駆動ための約７０ボルトまでの振幅変調電圧（Ｖ_２）および２００ｋＨｚまでの周波数を生成する。変圧器３３５は、ローディングステージ３３６のために必要とされる高電圧まで、出力電圧（Ｖ_２）を上昇させることを可能にする。図３に示された実施形態において、使用された上昇係数は１：１であったが、上昇が使用されないので電圧Ｖ２は電圧Ｖ３に等しい。しかし、より多くのパワーがロード出力によって必要とされる場合、任意の所望の電圧まで上昇させることが達成されてもよい。変圧器３３５の構成は、オペアンプ３３４と信号発生器３３３とを備える駆動回路の接地３３８からの完全分離を可能にする。ローディングステージ３３６において、ピエゾアクチュエータ３４の容量性負荷Ｃ_ｐを駆動するために１００ｋＨｚという高い周波数帯幅および５０から２００ｍＡまでの十分に高い電流（数十ミリアンペア（ｍＡ）のオーダー）を提供するように、チョークインダクタ３３７は、アクチュエータのキャパシタンスＣ_ｐに関連して選択される。この設計は、＋Ｖ_ｃｃおよび−Ｖ_ｃｃの直流電圧源３３９がピエゾ駆動電圧（Ｖ_３）での電圧飽和を回避するために十分に低い６０ボルトまでの駆動出力電圧で、約１００ｋＨｚよりも低い周波数で動作する。

図４ａおよび図４ｂを参照すると、複数の毛細管ノズルアセンブリ４４０は、ノズルホルダ２５０によって適所に保持され、リザーバ容器３７内の溶液前駆体リザーバ３５ソースに接触して保持される。ディスク位置決め部４４１およびカバープレート４４２は、ねじ４４３によりノズルホルダ２５０に固定される。２つの封止および位置決めＯ−リング４４４および４４５は毛細管ノズルアセンブリ４４０内の毛細管４４６をすべて直線的に位置合わせさせるためにノズルホルダ２５０の内部に挿入される。毛細管４４６は、均一の液滴３８の別個の連通しない流れを可能にするために、可能な限り緻密にではあるが十分なスペース間隔、例えば約３ミリメートル以上で構成される。図４ａおよび図４ｂのシステムは、図１における実施形態に使用された同じエレクトロニクス駆動回路４０および溶液ディスペンサ２０を使用する。

本開示によれば、膜がステンレス鋼または他の剛性材料で作製され、所定の厚さで非常に剛性であるので、アクチュエータと乱れた液体とを分離する膜の概念は、ユニークである。膜厚の選択は、膜が適当量の偏向をアクチュエータから流体に伝搬するのに十分に柔軟性のある剛性に基づく。これは、膜厚および面内寸法の広範囲の可能な選択肢に結びつく。概して、例えば円形膜（円板として挙動する）へ作用するアクチュエータからのこのような集中荷重のために、円形膜の剛性はＥｈ^３／Ｒ^２に比例し、式中、Ｒは膜半径であり、Ｅは膜材料のヤング率であり、ｈは膜厚である。同様の関係は、正方形および長方形などの他の膜形状にあてはまる。したがって、アクチュエータの力の能力および排出される流体の特性に依存して、広範囲の設計が可能である。幾可学的形状は適切な剛性範囲の幾可学的形状をすべて含んでもよく、剛性範囲は次いで、選択されたアクチュエータおよびチャンバ設計および流体特性に依存する。したがって、設計は、当業者によって任意の特定の用途のために算定されることができる。例および図において使用されたアクチュエータについては、Ｒ＝０．３５インチ、ｈ＝０．０２８４６インチ、および

ポンド平方インチ（概算）であり、例示されたアクチュエータとチャンバとの組合せにおいて使用される一連の流体に使用可能であることが見出された。したがって、上記の式ならびに例示されたアクチュエータおよびチャンバを使用して、本例は、２１ゲージ（０．７２３ミリメートル）の厚さを有するステンレス鋼膜を用いた。膜は、過酷な液体（ｈｏｓｔｉｌｅ ｌｉｑｕｉｄｓ）からのピエゾアクチュエータのための防護壁として作用し、ピエゾアクチュエータの摂動圧力パルス（複数可）を膜の他方の側上の液体に伝搬する。

図に関して記載された具体的な実施形態において、リザーバを含む収容部が、ステンレス鋼、チタンなどの耐食性材料またはテフロン（登録商標）などの耐薬品性材料でコーティングされた剛性材料で作製された一体化された「機能的に」剛性で耐薬品性の膜を有するので、液滴メーカは、酸（および塩基）などの過酷な液体を利用することができる。また、毛細管ノズルは、化学的に安定しており同様の過酷な液体を取り扱うことができる誘電体で作製される。リザーバのこのような構成および構造は、液体からピエゾアクチュエータを分離する。分離膜は、ピエゾアクチュエータのための防護壁として機能する。ピエゾアクチュエータは、液体に直接接触しない。その代り、ピエゾアクチュエータの振動は、摂動圧力パルスとして、剛性膜を通じて液体に伝搬される。ステンレス鋼収容部は、約４のｐＨ値の溶液を結果として生じさせるクエン酸を含有する前駆体で試験された。さらなる酸性または塩基性ｐＨを伴うさらに一層過酷な環境のために、ハステロイ、またはｐＨに対して耐性のある他の材料が使用できる。

セラミック毛細管の使用は、摂動圧力パルス（複数可）の縦方向の作動にとってユニークであると考えられる。既知のシステムおよび方法は、本開示の毛細管と同様の形状のガラス毛細管を使用するが、本開示の縦方向の作動とは異なる半径方向の作動にむしろ使用されている。

２、３、４、５以上の毛細管を含んでもよい構成である本開示のマルチ毛細管ノズルの構成において、対称的なトポロジーは、好ましくは、均一の液滴の細分化のための液体摂動圧力パルス（複数可）をすべての毛細管にわたって平等に分配するために毛細管を位置決めすることに使用されてもよい。ピエゾアクチュエータが、例えば１０ミリメートルおよびドーナツ形のディスクであるので、摂動圧力パルス（複数可）は、円形断面の円筒形である。毛細管は、ドーナツ形のピエゾアクチュエータの直径より小さい概して円形構成の上に置かれる。

小さい直径の毛細管を使用すると概して目詰まりしやすいことがあるが、本開示によれば、パージングスキームは、酸および／または金属塩系溶液（複数可）の硬化による目詰まりを最小限にするまたは回避するように考案されている。本開示において、液体リザーバへの入口はリザーバの壁の内部で機械加工されたトンネル（図２のチャネル２２２）を通過し、トンネルはリザーバの主軸に平行に延びて、リザーバの底部において出る。前駆体（リザーバの底部に微小体積でも残れば硬化する可能性がある）のパージングまたは排除の間に、排除トンネルがリザーバの底部まで隈なく到達するため、前駆体の全量がパージされる。これは高価な前駆体を節約し、硬化による目詰まりも回避する。このような手順に続いて、リザーバおよび毛細管ノズルの内部を浄化するために蒸留水でパージすることが行われてもよい。また、好ましい実施形態において、流体リザーバ容器内の流体にさらに密接に接触する毛細管のその部分は、いかなる偶発的な目詰まりの残骸も毛細管の入口より下のリザーバの底部に蓄積することができるように、リザーバの底部に対してわずかに突き出る。

ＬＣローディングステージを駆動するトランス回路構成のオペアンプは、ＬＣ回路の最適な駆動のために「共振」として設計されている。液滴作製周波数のレジームは、ピエゾコンデンサの寿命を増加するためにその本来の共振振動数未満であるように選択される。また、本構成は、駆動回路の周波数帯幅を高周波数にする、小さいキャパシタンス（約１５ナノファラデー（ｎＦ）のオーダー）の小さいピエゾリング（ドーナツ）形のディスクを使用する。

好ましくは、流体リザーバ容器は、概してまたは実質的に円形の底面および最上面と、底面と最上面との間に配置された円柱状の側部とを有する概してまたは実質的に円筒形である。好ましくは、溶液ディスペンサは溶液ディスペンサと流体リザーバ容器との間の流体移送ラインを介して流体リザーバ容器と連通し、溶液ディスペンサから流体リザーバ容器への流体の移送はポンプ、好ましくは蠕動ポンプまたは加圧式タンク容器により行われる。また好ましくは、流体は、流体が流体リザーバ容器の底面においてまたは底面の近くで流体リザーバ容器に入るようにするチャネルを介して溶液ディスペンサから流体リザーバ容器に移送される。また好ましくは、流体リザーバ容器は、概して流体リザーバ容器の最上面においてまたは最上面の近くに配置された出口を有する。

好ましくは、上述のように、リザーバ容器は、ステンレス鋼、またはステンレス鋼でコーティングされた鋼、バナジウム、およびチタンなどの比較的耐食性の材料によって作製されるが、プラスチックでコーティングされた材料で作製されてもよく、コーティングは、例えばテフロンや別の耐食性材料であってもよい。分離膜は、流体リザーバ容器の一部であってもよく、またはピエゾアクチュエータ構造の一部であってもよい。いずれの場合でも、分離膜は、適切な機械的特性を分離膜に提供する特徴を有するべきである。分離膜は、ピエゾアクチュエータによる分離膜の偏向を可能にして流体リザーバ上に摂動圧力パルス（複数可）を課するために十分な厚さであるまたは適切な材料で作製されるべきである。したがって、分離膜が剛性を有するほど、分離膜はさらに薄い必要があり得る。加えて、分離膜は、ピエゾアクチュエータの適切に正しいプレローディングを可能にするように十分ではあるが適切に低い剛性を有するべきである。したがって、分離膜の特徴は、概して、ある程度ではあるが逆の性質に関連する。偏向が生じる膜は、摂動圧力パルス（複数可）をリザーバ容器内の液体に提供し、ピエゾアクチュエータと液体との間の直接的な物理的接触を伴わずに偏向の伝搬を可能にする。

毛細管ノズルは、当該技術分野において概して既知である。毛細管ノズルは、概して円筒形であり、内口径は約１０マイクロメートル未満から約１００マイクロメートルまでである。好ましくは、内口径は、約５マイクロメートルから約１００マイクロメートルの間である。より好ましくは、内口径は、約１〜２マイクロメートルから約１００マイクロメートルの間である。毛細管ノズルの長さは、好ましくは５ミリメートル以上であり、約３０ミリメートル以上までであることができる。代替の実施形態において、ノズルホルダは、均一の液滴の複数の噴流を生成するために、同様のサイズおよび形状の複数の毛細管ノズルを保持するように構成される。毛細管ノズル（複数可）は、ステンレス鋼、およびセラミック材などで作製されてもよいが、流体のいかなる腐食性にも耐えるように任意の他の十分に剛性で化学的に耐性のある材料で作製されてもよい。

ノズル（複数可）のサイズおよび構成は、約２００マイクロメートルより小さい、好ましくは約１５０マイクロメートルより小さい、より好ましくは１００マイクロメートルより小さい、最も好ましくは約５０マイクロメートルより小さい均一の直径を有する液滴流を可能にする。約１００マイクロメートル未満の直径サイズのより小さい液滴には、より高い周波数およびパワー駆動が概して有用であることが見出された。本開示は、より高い周波数（１０ｋＨｚよりも高い）が使用されてもよい５マイクロメートルという小さい直径の液滴を生成することを目指す。同様の直径の毛細管が使用される場合、本開示は、１マイクロメートルというさらに小さい直径を達成することができる。また、既知の方法および装置に反して、本開示によれば、ピエゾアクチュエータが作用する膜は、単数または複数の毛細管ノズルへの液体投入口から遠く離れていることができる。具体的には、４インチ以上までの距離が可能である。一方、アクチュエータが出口オリフィスに近い構成が使用されてもよい。定常波が出口オリフィスの近くにあるその最大圧力により生成されるようにチャンバ長さが選択される場合、用途を応じて、性能は特定の周波数ために増強されてもよい。

特に好ましい実施形態において、液滴が均一の直径を有する液滴流を生成するための本開示のシステム。システムは、溶液前駆体のための格納容器としてのリザーバ容器と、リザーバ容器の流体容積上での圧力パルスに続いて変位を生成する圧電デバイスのための張力緩和を有する取り外し可能な収容部と、連続的な振動電圧パルスを生成する高周波およびハイパワーエレクトロニクス駆動と、リザーバ容器内の液体の容積の摂動後に均一の液滴の１つ以上の噴流（複数可）を射出する１つ以上の毛細管ノズル（複数可）と、単一または複数の毛細管ノズルのためのノズルホルダとを備える。圧電デバイスは、正弦波電圧駆動下で拡張し収縮するために電子的に励起される。別の特に好ましい実施形態において、リザーバ容器は、少なくとも１つのインレット入力（ｉｎｌｅｔ ｉｎｐｕｔ）および１つのパージ出力（ｐｕｒｇｅ ｏｕｔｐｕｔ）を有する円筒状のチャンバである。さらに別の特に好ましい実施形態において、圧電デバイスの収容部チャンバは、キャップ上のねじを有するシリンダを含む封止されたチャンバと、ボルト上のねじと、円筒状スリーブとを含む。また好ましくは、圧電デバイスは、円筒状スリーブと軸対称的に位置決めされ、搭載およびプレローディングためのボルト上のねじによってシリンダの底部に対して適所に保持される。さらに好ましくは、電圧駆動は、１００ｋＨｚまでの周波数で振幅が０〜５０ボルトである方形パルス、三角パルス、および正弦波信号パルスを供給することができる。

付加的な特に好ましい実施形態において、液滴が均一の直径を有する液滴流を生成するための本開示のシステム、圧電デバイス、または他のデバイスは、数マイクロメートル以上の分離膜の変位を生じさせる摂動圧力パルスの供給が可能である。例えば、膜の変位は、１〜５マイクロメートル、好ましくは５マイクロメートル未満、より好ましくは３マイクロメートル未満、より好ましくは１未満から約３マイクロメートル未満であってもよい。生成される変位範囲は、排出されている流体の特性に基づいて異なり得る液滴の細分化を引き起こすのに十分なサイズの変位を含むことである。また、この実施形態において、高周波およびハイパワーエレクトロニクスは、信号発生器と、高電圧および高電流のオペアンプステージと、変圧器と、チョークピエゾコンデンサ負荷の共振振動数より低い周波数で動作する圧電容量性負荷装置と直列に存在するチョークインダクタを有するローディングステージとを含む。非常に大きな電流供給を使用しないピエゾアクチュエータの効率的な駆動は、ＬＣ共振チューニングによって、またはアクチュエータキャパシタンスおよび選択されたインダクタで作製されたＬＣ回路の近接チューニングによって達成される。また、特に好ましくは、毛細管ノズルはノズルホルダ内に保持され、ノズルホルダはステンレス鋼で作製され、リザーバ容器を封止し毛細管ノズルを保持し位置合わせさせるためにスチール製キャップを備える。また好ましくは、信号発生器は、０から１ＭＨｚ以上の間の周波数を有し、０から１０ボルト以上の間の出力電圧を生成する。増幅器および変圧器は一緒に、出力電圧を少なくとも約２０ボルト、好ましくは少なくとも３０ボルト、より好ましくは約３０から約５０ボルト、特に好ましくは約４０ボルトから約５０ボルトまで、最も好ましくは約５０から約６０ボルトまでの電圧に変換する。また、増幅器および変圧器は一緒に、１０ｋＨｚ以上、好ましくは２０ｋＨｚ以上、より好ましくは約３０〜約４０ｋＨｚ以上、最も好ましくは約５０ｋＨｚ以上、約７０ＭＨｚ以上まで、例えば約１００ｋＨｚから約２００ｋＨｚまでの周波数を変換する。

本開示の方法およびシステムの圧電デバイスが液体源に直接接触ないので、これは、可撓性でかつ簡単な圧電搭載を可能にする。圧電デバイスは、液滴流の溶液前駆体に関して都合のよいどのような場所にでも搭載することができ、侵食性であり得る液滴流のために溶液前駆体を使用することを可能にする。以上に述べたように、好ましくは、摂動圧力パルスは、正弦波の方式で生成され、より好ましくは、正弦波は、増幅され変調された電圧を生成するために電源電圧を増幅し変調する増幅器に電源電圧を伝搬する信号発生器によって生成され、増幅され変調された電圧は、その後、上昇された電圧を生成するために電圧を上昇させる変圧器に伝搬される。その後、上昇された電圧はピエゾコンデンサに伝搬され、ピエゾコンデンサは次いで圧力パルスを分離膜に伝搬する。さらに、圧力パルスは、分離膜を通じて流体リザーバ内の溶液に移送される。またさらに、圧力パルスは、分離膜を通じて溶液に繰り返し移送され、溶液を通じて伝播し、毛細管内に溶液を押し進め、それによって、毛細管を通じて溶液を射出し、均一の液滴の流れを生成する。

本開示は、特定の実施形態を参照しながら記載されたが、本開示の範囲から逸脱せずに、様々な変更がなされてもよくその要素の代わりに均等物が用いられてもよいということは当業者によって理解されよう。加えて、本開示の教示を特定の使用、用途、製造条件、使用条件、組成、媒体、サイズ、および／または材料に適応させるために、その基本的な範囲から逸脱せずに、多くの変形がなされてもよい。したがって、本開示は、本明細書に記載されている本開示を行うために企図された特定の実施形態および最良の形態に限定されないことが意図される。添付の特許請求の範囲は、本開示の真の範囲および精神の範囲内にあるようにこのような変形を網羅することが意図される。

Claims (18)

1. 均一な直径の液滴を有する液滴流を生成するためのシステムであって、
   流体リザーバと流体連通する溶液ディスペンサと、
   流体リザーバの一つの面を画定し、一方の側面において流体に接触する剛性分離膜と、
   剛性分離膜の流体に接触する前記側面とは反対側の側面に接触し、剛性分離膜を介して満たされた流体を通して波を伝達するように配置されたピエゾアクチュエータと、
   流体リザーバにおいて剛性分離膜により画定される前記面とは反対側の面に配置され、流体を受け取り、毛細管ノズルから液滴流を射出する１つ以上の毛細管ノズルとを備え、
   溶液ディスペンサが、溶液ディスペンサと流体リザーバとの間の流体移送ラインを介して流体リザーバと連通し、
   流体リザーバが、流体リザーバの最上面においてまたは最上面の近くに配置された出口を有する、液滴流を生成するためのシステム。
2. 流体リザーバが、円形の底面および最上面と、底面と最上面との間に配置された円柱状の側部とを有する円筒形である、請求項１に記載の液滴流を生成するためのシステム。
3. 剛性分離膜へのピエゾアクチュエータの作用により流体に１つ以上の摂動が提供され、１つ以上の摂動が、１つ以上の毛細管ノズルに伝搬する、請求項１に記載の液滴流を生成するためのシステム。
4. 毛細管ノズルが、ステンレス鋼または誘電材料で作製される、請求項３に記載の液滴流を生成するためのシステム。
5. 溶液ディスペンサが、蠕動ポンプまたは加圧式タンクによって、溶液ディスペンサから流体リザーバに流体を移送する、請求項１に記載の液滴流を生成するためのシステム。
6. 溶液ディスペンサが、流体が流体リザーバの底面においてまたは底面の近くで流体リザーバに入るように配置されるチャネルを介して溶液ディスペンサから流体リザーバに流体を移送する、請求項１に記載の液滴流を生成するためのシステム。
7. ピエゾコンデンサを駆動するためのエレクトロニクス駆動回路をさらに備え、エレクトロニクス駆動回路は、信号発生器と、演算増幅器と、変圧器ステージと、チョークインダクタを有するローディングステージと、ピエゾコンデンサとから構成され、チョークインダクタはピエゾコンデンサと直列に存在する、請求項１に記載の液滴流を生成するためのシステム。
8. 信号発生器が、０から１０ボルトの間の出力電圧の正弦波、三角波、または方形波を演算増幅器に供給する、請求項７に記載の液滴流を生成するためのシステム。
9. 均一な直径の液滴を有する液滴流を生成するための方法であって、
   流体を流体リザーバに提供するステップと、
   流体リザーバと流体連通する溶液ディスペンサから、流体が剛性分離膜および毛細管ノズルと接触するように、流体リザーバを流体で満たし、圧力下に維持するステップと、
   ピエゾアクチュエータを、剛性分離膜の流体と接触する側面とは反対側の側面に接触させるステップと、
   流体を通じて少なくとも１つの摂動波を作り出すために、ピエゾアクチュエータが少なくとも１つの摂動パルスを剛性分離膜および流体に送り出すステップと、
   流体リザーバにおいて剛性分離膜とは反対側に配置された毛細管ノズルによって流体を受け取るステップと、
   毛細管ノズルから液滴流を射出するステップとを備え、
   前記方法がさらに、流体リザーバの最上面においてまたは最上面の近くに配置された出口を介して流体リザーバから気泡を排除するステップを備える、液滴流を生成するための方法。
10. 溶液ディスペンサが、流体リザーバに流体を移送する蠕動ポンプまたは加圧式タンクを備え、
    チャネルを介して前記蠕動ポンプまたは加圧式タンクによる圧力下で流体リザーバが流体で満される状態が維持され、前記チャネルが、円筒形を有する流体リザーバの主軸と平行に走り、前記主軸が、１つ以上の毛細管ノズルの方向に一致する、請求項２に記載の液滴流を生成するためのシステム。
11. ピエゾアクチュエータによって伝搬された波が、流体流を液滴に細分化する、請求項１に記載の液滴流を生成するためのシステム。
12. 剛性分離膜が、ステンレス鋼またはチタンから作製される、請求項１に記載の液滴流を生成するためのシステム。
13. 少なくとも１つの摂動波によって流体流を液滴流に細分化するステップをさらに有する、請求項９に記載の方法。
14. 流体リザーバが主軸を有する円筒形であり、流体リザーバを流体で満たすステップが、流体が剛性分離膜および毛細管ノズルと接触するように、毛細管ノズルの方向に一致する流体リザーバの主軸に平行に走るチャネルによって流体リザーバを流体で満たすステップを有する、請求項９に記載の方法。
15. 液滴流を生成するためのシステムであって、
    第１の面に配置された０．７２３ｍｍの厚さを有する剛性分離膜を含む流体リザーバと、
    剛性分離膜が配置される前記第１の面とは反対側の流体リザーバの第２の面に配置された１つ以上の毛細管ノズルと、
    流体リザーバと流体連通し、流体が剛性分離膜および１つ以上の毛細管ノズルと接触するように、流体リザーバが流体で満されることを維持するために配置された溶液ディスペンサであって、溶液ディスペンサがさらに、流体リザーバに流体を移送する蠕動ポンプまたは加圧式タンクを備え、１つ以上の毛細管ノズルを出る流体流を生成するために流体を圧力下に維持するように配置されている、溶液ディスペンサと、
    剛性分離膜の流体に接触する側面とは反対側の側面に接するピエゾアクチュエータであって、ピエゾアクチュエータが、流体リザーバ内の流体を通じて圧力波を伝搬させ流体流を液滴に細分化するように配置されており、
    前記流体リザーバが、流体リザーバの最上面においてまたは最上面の近くに配置された出口を有する、液滴流を生成するためのシステム。
16. 剛性分離膜がステンレス鋼またはチタンから製造される、請求項１５に記載の液滴流を生成するためのシステム。
17. 液滴を生成するための方法であって、
    流体を流体リザーバに提供するステップと、
    流体リザーバと流体連通する溶液ディスペンサから、流体が、０．７２３ｍｍの厚さを有する剛性分離膜に接触し、かつ毛細管ノズルを出る流体流を生成するように、流体リザーバを流体で満たし、圧力下に維持するステップと、
    ピエゾアクチュエータを作動させることで毛細管ノズルに向って満たされた流体を通じて伝搬する圧力波を生成するステップとを有し、ピエゾアクチュエータが、剛性分離膜の流体に接触する側面とは反対側の側面で剛性分離膜に接触し、前記方法がさらに、
    満たされた流体を通じて伝搬する圧力波を用いて流体流を液滴に細分化するステップを有し、
    前記方法がさらに、流体リザーバの最上面においてまたは最上面の近くに配置された出口を介して流体リザーバから気泡を排除するステップを備える、液滴を生成するための方法。
18. 剛性分離膜がステンレス鋼またはチタンから製造される、請求項１７に記載の液滴を生成するための方法。

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