JP7272161B2 - 液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体噴射装置に関するものである。

加圧した液体をノズルから噴射して作業対象物に衝突させることにより、作業対象物に対して洗浄、バリ取り、剥離、はつり、切除、切開、破砕等の作業を行う液体噴射装置が知られている。

例えば、特許文献１には、マイクロポンプと、マイクロポンプに接続される出口流路接続管と、出口流路接続管に接続される接続流路管と、を有し、患部の生体組織を切除することができるウォータージェットメスが開示されている。接続流路管の先端には、流体が噴射される開口部を有するノズルが圧入されている。また、このウォータージェットメスは、接続流路管の先端の周囲に設けられた水量調整ユニットを備えている。水量調整ユニットは、接続流路管およびノズルの周囲を取り囲むように同心円状に設けられた給水管、吸引管および外壁を内側からのこの順で有している。給水管は、外壁内に水を供給し、貯水する際に用いられる。また、吸引管は、外壁内の水を吸引して排出する際に用いられる。

接続流路管およびノズルは、給水管および吸引管とは独立して、上下方向の位置、すなわち、ノズルから水を噴射する際の水の流路方向における位置を調整することができるようになっている。

特開２０１３－３１５４４号公報

特許文献１に記載のウォータージェットメスでは、前述したように、接続流路管およびノズルの位置が、それらの周囲を取り囲むように設けられた給水管および吸引管に対して調整可能になっている。このため、外側に位置する給水管および吸引管の先端に対して、接続流路管およびノズルを基端側に後退させることも可能である。

しかしながら、ノズルの位置を、その外側の給水管および吸引管の先端の位置に対して基端側に後退させた場合、その後退量によっては、ノズルから噴射する水の飛翔が不安定になることがある。具体的には、ノズルから噴射した水が作業対象物に当たると、水が飛散する。そして、飛散した水は、ノズルから新たに噴射される水の飛翔が妨げることがある。このような現象が生じると、ノズルから新たに噴射される水を安定して飛翔させることができないため、水を作業対象物に衝突させることで行う各種作業の効率が低下する。

本発明の適用例に係る液体噴射装置は、
液体を噴射するノズル開口部を備えるノズルと、
液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、
内部に前記ノズルおよび前記液体搬送管が設けられ、第１の端および第２の端を有し、前記第１の端に第１開口部を備える第１の管と、
を有し、
前記ノズル開口部は、前記第１の管の前記第１開口部よりも前記第２の端側に位置しており、
前記ノズルから噴射された液体が液滴になる位置を液滴化位置とし、前記ノズル開口部から前記液滴化位置までの距離を液滴化距離とするとき、前記ノズル開口部と前記第１開口部との距離は、前記液滴化距離以上であることを特徴とする。

第１実施形態に係る液体噴射装置を示す概略図である。 図１に示す液体噴射装置のノズルユニットを示す断面図である。 液体噴射装置から噴射された液体の形状を模式的に示す断面図である。 図３に示すノズルユニットの先端部近傍を模式的に示す図である。 図４に示すノズルユニットを先端側から見た図である。 第２実施形態に係る液体噴射装置を示す断面図である。 第３実施形態に係る液体噴射装置を示す断面図である。 図７に示すノズルユニットを先端側から見た図である。

以下、本発明の液体噴射装置の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係る液体噴射装置について説明する。

図１は、第１実施形態に係る液体噴射装置を示す概略図である。図２は、図１に示す液体噴射装置のノズルユニットを示す断面図である。

図１に示す液体噴射装置１は、ノズルユニット２と、液体Ｌを貯留する液体容器３と、ノズルユニット２と液体容器３とをつなぐ液体供給管４と、送液ポンプ５と、制御部６と、を備えている。このような液体噴射装置１は、ノズルユニット２から液体Ｌを噴射させ、作業対象物Ｗに衝突させることにより、各種作業を行う。各種作業とは、例えば、洗浄、バリ取り、剥離、はつり、切除、切開、破砕等が挙げられる。

また、図１に示す液体噴射装置１は、ノズルユニット２で吸引した排液Ｌ３を貯留する回収容器７２と、ノズルユニット２と回収容器７２とをつなぐ排液回収管７４と、吸引ポンプ７６と、を備えている。作業後の液体Ｌを排液Ｌ３として回収することにより、排液Ｌ３が滞留することによる作業性の低下や視野の悪化等を抑制することができる。

さらに、図１に示す液体噴射装置１は、ノズルユニット２と回収容器７２とをつなぐ分離用配管８２と、分離用ポンプ８４と、を備えている。後に詳述するが、本実施形態では、ノズルユニット２から噴射される液体Ｌの近傍を減圧することにより、液体Ｌの飛翔が妨げられるのを抑制し、安定した飛翔を可能にする。

以下、液体噴射装置１の各部について詳述する。
１．１ ノズルユニット
ノズルユニット２は、図２に示すように、ノズル２２と、液体搬送管２４と、振動生成部２６と、を備えている。このうち、ノズル２２は、液体Ｌを図１に示す作業対象物Ｗに向けて噴射する。また、液体搬送管２４は、ノズル２２と振動生成部２６とをつなぐ流路である。この液体搬送管２４は、振動生成部２６からノズル２２まで液体Ｌを搬送する。さらに、振動生成部２６は、液体容器３から液体供給管４を介して供給された液体Ｌに矢印Ｂ１で示すような振動を付与する。このようにして液体Ｌに振動を付与することにより、ノズル２２から噴射する液体Ｌの圧力が周期的に変動する。これにより、ノズル２２から噴射される液体Ｌが液滴Ｌ２になるとき、より大径の液滴Ｌ２になる。その結果、液滴Ｌ２による壊食作用を利用して行う作業の作業効率を高めることができる。

なお、本願の各図では、説明の便宜上、ノズル２２と作業対象物Ｗとを結ぶ軸をＸ軸とし、振動生成部２６との接続部近傍における液体供給管４の軸であって、Ｘ軸に直交する軸をＺ軸とする。また、Ｘ軸およびＺ軸の双方と直交する軸をＹ軸とする。また、Ｘ軸のうち、ノズル２２から作業対象物Ｗへ向かう方向をＸ軸プラス側または先端側とし、その反対方向をＸ軸マイナス側または基端側とする。さらに、Ｚ軸のうち、液体供給管４から液体搬送管２４へ向かう方向をＺ軸プラス側とし、その反対方向をＺ軸マイナス側とする。

以下、ノズルユニット２の各部について詳述する。
ノズル２２は、液体搬送管２４の先端部に装着されている。ノズル２２は、その内部に、液体Ｌが通過するノズル流路２２０を備えている。ノズル流路２２０は、その基端部の内径よりも先端部の内径が小さくなっている。液体搬送管２４内をノズル２２に向かって搬送されてきた液体Ｌは、ノズル流路２２０を介して細流状に成形され、噴射される。なお、図２に示すノズル２２は、液体搬送管２４とは別の部材であっても、一体であってもよい。

液体搬送管２４は、ノズル２２と振動生成部２６とをつなぐ管体であり、その内部に、液体Ｌを搬送する液体流路２４０を備えている。前述したノズル流路２２０は、液体流路２４０を経て、液体供給管４に連通している。液体搬送管２４は、直管であっても、湾曲管であってもよい。

ノズル２２および液体搬送管２４は、液体Ｌを噴射する際に変形しない程度の剛性を有していればよい。ノズル２２の構成材料としては、例えば、金属材料、セラミックス材料、樹脂材料等が挙げられる。液体搬送管２４の構成材料としては、例えば、金属材料、樹脂材料等が挙げられ、特に金属材料が好ましく用いられる。

ノズル流路２２０の内径は、作業内容や作業対象物Ｗの材質等に応じて適宜選択されるが、一例として、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であるのが好ましく、０．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であるのがより好ましい。

振動生成部２６は、筐体２６１と、筐体２６１内に設けられている圧電素子２６２および補強板２６３と、ダイアフラム２６４と、を備えている。

筐体２６１は、箱状をなしており、第１ケース２６１ａと、第２ケース２６１ｂと、第３ケース２６１ｃの各部位を含んでいる。第１ケース２６１ａおよび第２ケース２６１ｂは、それぞれ基端から先端にかけて貫通する貫通孔を備えた筒状をなしている。そして、第１ケース２６１ａの基端側の開口と第２ケース２６１ｂの先端側の開口との間には、ダイアフラム２６４が挟まれている。ダイアフラム２６４は、例えば弾性または可撓性を有する膜状の部材である。

第３ケース２６１ｃは、板状をなしている。そして、第１ケース２６１ａの基端側の開口には、第３ケース２６１ｃが固着されている。第２ケース２６１ｂ、第３ケース２６１ｃおよびダイアフラム２６４で形成される空間が、収容室２６５である。収容室２６５には、圧電素子２６２および補強板２６３が収容されている。圧電素子２６２の基端は、第３ケース２６１ｃに接続され、圧電素子２６２の先端は、補強板２６３を介してダイアフラム２６４に接続されている。

また、第１ケース２６１ａが有する貫通孔は、基端から先端にかけて貫通している。このような貫通孔は、内径が相対的に大きい基端側の領域と、内径が相対的に小さい先端側の領域と、を含んでいる。このうち、内径が小さい領域には、先端側の開口から液体搬送管２４が挿入されている。また、内径が大きい領域には、基端側からダイアフラム２６４が被せられた状態になっている。そして、内径が大きい領域とダイアフラム２６４とで形成される空間が、液体室２６６である。

さらに、液体室２６６と液体搬送管２４との間の空間が、出口流路２６７である。一方、液体室２６６には、出口流路２６７とは異なる入口流路２６８が連通している。入口流路２６８の一端は液体室２６６に連通し、他端にはＺ軸マイナス側から前述した液体供給管４が挿入されている。これにより、液体供給管４の内部流路は、入口流路２６８、液体室２６６、出口流路２６７、液体流路２４０およびノズル流路２２０に連通する。その結果、液体供給管４を介して入口流路２６８に供給された液体Ｌは、液体室２６６、出口流路２６７、液体流路２４０およびノズル流路２２０を順次経由して噴射されることになる。

圧電素子２６２からは、筐体２６１を介して配線２９１が引き出されている。この配線２９１を介して、圧電素子２６２と制御部６とが電気的に接続されている。圧電素子２６２は、制御部６から供給される駆動信号により、逆圧電効果に基づいて、Ｘ軸に沿って伸長または収縮するように振動する。圧電素子２６２が伸長すると、ダイアフラム２６４がＸ軸プラス側に押される。このため、液体室２６６の容積が減少し、液体室２６６内の圧力が上昇する。そうすると、液体室２６６内の液体Ｌが、出口流路２６７に送り込まれ、ノズル流路２２０内の液体Ｌが噴射される。一方、圧電素子２６２が収縮すると、ダイアフラム２６４がＸ軸マイナス側に引っ張られる。このため、液体室２６６の容積が拡大し、液体室２６６内の圧力が低下する。そうすると、出口流路２６７内の液体Ｌが液体室２６６内に送り込まれる。

圧電素子２６２の振動パターンは、ダイアフラム２６４をＸ軸に沿って変位させ得る振動パターンであれば、周期パターンであっても、非周期パターンであってもよい。周期パターンの場合、周波数は、一定であっても、変動してもよい。また、圧電素子２６２は、Ｘ軸に沿って伸縮振動する素子であってもよく、屈曲振動する素子であってもよい。

圧電素子２６２は、例えば、圧電体と、圧電体に設けられた電極と、を備える。圧電体の構成材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）、メタニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックス等が挙げられる。

さらに、圧電素子２６２は、ダイアフラム２６４を変位させ得る任意の素子や機械要素で代替可能である。かかる素子または機械要素としては、例えば、磁歪素子、電磁アクチュエーター、モーターとカムとの組み合わせ等が挙げられる。

なお、筐体２６１は、液体室２６６内の圧力が上昇または低下したとき、変形しない程度の剛性を有していればよい。

また、図２に示す振動生成部２６は、液体搬送管２４の基端部に設けられているが、その位置は特に限定されない。例えば、振動生成部２６は、液体搬送管２４の途中に設けられていてもよく、液体搬送管２４の先端に設けられていてもよい。

なお、圧電素子２６２の駆動周波数は、特に限定されない。また、圧電素子２６２に入力される駆動信号の波形は、例えば、正弦波、矩形波、のこぎり波のような周期的な波形の他、周期的でない波形であってもよい。
なお、振動生成部２６は、必要に応じて設けられればよく、省略されてもよい。

また、ノズルユニット２は、図２に示すように、第１の管である分離管２７と、第２の管である吸引管２８と、を備えている。

分離管２７は、その内部に、減圧可能な分離流路２７０を備えている。この分離流路２７０は、その基端側に設けられた分離用配管８２の内部流路に連通している。そして、本実施形態では、この分離流路２７０は、分離用配管８２を介して分離用ポンプ８４により減圧されるようになっている。

また、この分離管２７は、ノズル２２および液体搬送管２４の外側面を取り囲むように設けられている。換言すれば、分離管２７の分離流路２７０内に、ノズル２２および液体搬送管２４が挿入されている。

ここで、ノズル流路２２０の先端をノズル開口部２２０ａとし、分離管２７の先端を第１開口部２７ａする。ノズル開口部２２０ａは、分離管２７の第１開口部２７ａよりも基端側に位置している。換言すれば、ノズル開口部２２０ａは、分離管２７の第１開口部２７ａよりもＸ軸マイナス側へ後退している。

一方、ノズル２２から噴射された液体Ｌが液滴Ｌ２となる位置を液滴化位置ＰＤとする。また、ノズル開口部２２０ａから液滴化位置ＰＤまでの距離を液滴化距離ＤＤとする。このとき、前述したように後退しているノズル開口部２２０ａと第１開口部２７ａとの距離Ｄ１は、液滴化距離ＤＤ以上である。

このようにして距離Ｄ１の最適化が図られていることにより、ノズル開口部２２０ａの先端側には、分離管２７で覆われ、大気圧よりも減圧された空間である分離流路２７０が、距離Ｄ１の長さで存在していることになる。このような空間が存在していることで、ノズル２２から噴射された液体Ｌが、反射液流や吸引液流等の排液Ｌ３から分離され、保護されることになる。その結果、液体Ｌを安定して噴射することができ、液滴Ｌ２による壊食作用を利用して行う作業効率の低下を抑制することができる。

なお、反射液流とは、噴射された液体Ｌが作業対象物Ｗに衝突し、反射して発生する液流や液滴のことである。また、吸引液流とは、前述した吸引管２８による吸引に伴って反射液流等が引っ張られて生じる液流や液滴のことである。

分離管２７は、分離流路２７０が減圧された際に変形しない程度の剛性を有していればよい。分離管２７の構成材料としては、例えば、金属材料、セラミックス材料、ガラス材料、樹脂材料等が挙げられ、特に金属材料が好ましく用いられる。分離管２７は、直管であっても、湾曲管であってもよい。

なお、前述したノズル２２および液体搬送管２４の外径は、作業内容や作業対象物Ｗの材質等に応じて適宜設定されるが、一例として、１．０ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるのが好ましく、２．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下であるのがより好ましい。

この場合、分離流路２７０の内径は、ノズル２２および液体搬送管２４の外径の１．１倍以上１０倍以下であるのが好ましく、１．５倍以上５．０倍以下であるのがより好ましい。これにより、ノズル２２および液体搬送管２４と分離管２７との間に、適度な隙間が生じる。その結果、減圧速度を必要かつ十分に確保することができる。このため、ノズル開口部２２０ａの先端側に排液Ｌ３が入り込んだとしても、速やかに分離流路２７０に引き込むことができる。その結果、液体Ｌが噴射される経路のクリアランスを確保し、液体Ｌをより安定して噴射することができる。

一方、第１の管である分離管２７の分離流路２７０の内径は、ノズル開口部２２０ａの内径の１．８８倍以上であるのが好ましく、３．００倍以上であるのがより好ましい。これにより、ノズル２２から噴射された噴流Ｌ１が液滴Ｌ２に変化し、さらに、その液滴Ｌ２同士が結合して直径が拡大したとしても、拡大後の液滴Ｌ２が分離流路２７０の内面に接触してしまう確率を下げることができる。つまり、液滴Ｌ２同士が自然に集合して大型化するときの倍率は、平均すると１．８８倍程度ということが知られているので、分離流路２７０の内径をそれ以上に設定することで、液滴Ｌ２が分離流路２７０の内面に接触する確率を下げることができる。

なお、本実施形態に係る分離流路２７０は、大気圧よりも減圧された空間であるが、分離流路２７０の圧力は、大気圧であってもよく、後述するように大気圧より高くてもよい。このような場合でも、液体Ｌが噴射される経路のクリアランスを確保することができるので、液体Ｌを安定して噴射することができる。ただし、十分な安定性を得るという観点からは、本実施形態のように、分離流路２７０を減圧するか、または、後述するように加圧するのが好ましい。

この分離管２７の外側には、吸引管２８が位置している。吸引管２８は、分離管２７の外側面を取り囲むように設けられている。これにより、吸引管２８の吸引流路２８０内には、分離管２７だけでなく、その分離管２７内に挿入されたノズル２２および液体搬送管２４も挿入されることになる。

前述したように、吸引管２８は、その内部に、吸引可能な吸引流路２８０を備えている。この吸引流路２８０は、その基端側に設けられた排液回収管７４の内部流路に連通している。そして、この吸引流路２８０は、排液回収管７４を介して吸引ポンプ７６により吸引されるようになっている。

このような吸引管２８を設けることにより、前述した反射液流や吸引液流等の排液Ｌ３が、作業対象物Ｗの周辺に滞留してしまうのを抑制することができる。仮に、排液Ｌ３が滞留してしまうと、新たに飛翔してきた液滴Ｌ２が排液Ｌ３に衝突する。そうなると、液滴Ｌ２の衝撃圧を作業対象物Ｗに与えることができず、作業効率が低下する。したがって、排液Ｌ３を吸引することにより、作業効率の低下を抑制することができる。また、排液Ｌ３の飛散に伴う視野の悪化を抑制することによっても、作業効率の低下を抑制することができる。

なお、吸引流路２８０の内径は、分離管２７の外径の１．５倍以上１０倍以下であるのが好ましく、２．０倍以上８．０倍以下であるのがより好ましい。これにより、分離管２７と吸引管２８との間に、適度な隙間が生じる。その結果、排液Ｌ３中に作業後の残渣等が含まれていても、吸引流路２８０に引っかかることが抑制される。また、減圧速度を必要かつ十分に確保することができる。このため、吸引流路２８０内に排液Ｌ３を速やかに吸引することができ、作業対象物Ｗの周辺に排液Ｌ３が滞留してしまうのをより確実に抑制することができる。

吸引管２８は、吸引流路２８０が減圧された際に変形しない程度の剛性を有していればよい。吸引管２８の構成材料としては、例えば、金属材料、セラミックス材料、ガラス材料、樹脂材料等が挙げられる。吸引管２８は、直管であっても、湾曲管であってもよい。

また、吸引管２８は、不透明であってもよいが、半透明または透明であってもよい。後者の場合、吸引管２８を通して分離管２７や分離管２７から飛び出す液滴Ｌ２を視認しやすくなる。その結果、作業の位置精度を高めることができる。

さらに、吸引管２８が、半透明または透明である場合、分離管２７も半透明または透明であってもよい。これにより、ノズル２２を直接視認することができるので、作業の位置精度をさらに高めることができる。

１．２ 液体容器
液体容器３は、液体Ｌを貯留する。液体容器３に貯留された液体Ｌは、液体供給管４を介してノズルユニット２に供給される。

液体Ｌとしては、例えば水が好ましく用いられるが、有機溶剤等であってもよい。また、水や有機溶剤には、任意の溶質が溶解していてもよく、任意の分散質が分散していてもよい。
液体容器３は、密閉された容器であってもよく、開放された容器であってもよい。

１．３ 送液ポンプ
送液ポンプ５は、液体供給管４の途中または端部に設けられる。液体容器３に貯留された液体Ｌは、送液ポンプ５によって吸引され、所定の圧力でノズルユニット２に供給される。

また、送液ポンプ５には、配線２９２を介して後述する制御部６が電気的に接続されている。送液ポンプ５は、制御部６から出力される駆動信号に基づいて、供給する液体Ｌの圧力を変更する機能を有する。

１．４ 回収容器
前述した吸引管２８で吸引された排液Ｌ３は、排液回収管７４を介して回収容器７２に送られる。回収容器７２は、排液Ｌ３を貯留する。

また、本実施形態では、分離用ポンプ８４も分離流路２７０を減圧するためのポンプである。このため、分離流路２７０に排液Ｌ３を引き込んだ場合、その排液Ｌ３も分離用配管８２を介して回収容器７２に送られるようになっている。なお、分離用配管８２を介して送られた排液Ｌ３については、回収容器７２とは別の容器に貯留するようにしてもよい。

１．５ 吸引ポンプおよび分離用ポンプ
吸引ポンプ７６は、排液回収管７４の途中または端部に設けられる。吸引ポンプ７６によって吸引流路２８０を減圧することにより、排液Ｌ３を吸引し、回収容器７２に送ることができる。一方、分離用ポンプ８４は、分離用配管８２の途中または端部に設けられる。分離用ポンプ８４によって分離流路２７０を減圧することにより、排液Ｌ３を吸引し、回収容器７２に送ることができる。

したがって、減圧するという機能の観点では、吸引ポンプ７６と分離用ポンプ８４は同等である。一方、吸引流路２８０では、排液Ｌ３をより強く吸引し、液滴Ｌ２が作業対象物Ｗに直接衝突しやすくしたり、排液Ｌ３が飛散することに伴う視野の悪化を抑制したりする役割を果たす。これに対し、分離流路２７０では、吸引流路２８０側に吸引される排液Ｌ３の流れが、一部、飛散した際、その飛散した排液Ｌ３を除去する役割を果たす。

そこで、吸引ポンプ７６による減圧に伴う到達圧力は、分離用ポンプ８４による減圧に伴う到達圧力より低いことが好ましい。これにより、排液Ｌ３の多くが吸引流路２８０に吸引されることになり、排液Ｌ３が分離流路２７０側に入り込む確率を低下させることができる。また、仮に、飛散した一部の排液Ｌ３が分離流路２７０に入り込んだとしても、その量を少なく抑えることができる。これにより、ノズル２２から噴射される液体Ｌの飛翔が、排液Ｌ３によって妨げられるのを抑制し、より安定した飛翔を可能にする。

また、吸引ポンプ７６による減圧に伴う到達圧力は、分離用ポンプ８４による減圧に伴う到達圧力の９０％以下であるのが好ましく、１％以上８０％以下であるのがより好ましい。これにより、排液Ｌ３が分離流路２７０側に入り込む確率を特に低下させることができるとともに、分離流路２７０が必要以上に減圧されてしまうことに伴って噴流Ｌ１の飛翔経路が曲がってしまうのを抑制することができる。

なお、上述した到達圧力とは、各ポンプの稼働時に吸気側で測定される最低圧力のことをいう。

１．６ 制御部
制御部６は、配線２９１を介してノズルユニット２と電気的に接続されている。また、制御部６は、配線２９２、２９３、２９４を介して送液ポンプ５、吸引ポンプ７６および分離用ポンプ８４と電気的に接続されている。

図１に示す制御部６は、圧電素子制御部６２と、送液ポンプ制御部６４と、吸引ポンプ制御部６５と、分離用ポンプ制御部６６と、記憶部６７と、を有している。

圧電素子制御部６２は、圧電素子２６２に駆動信号を出力する。この駆動信号により、圧電素子２６２の駆動が制御される。これにより、例えば所定の周波数および所定の変位量でダイアフラム２６４を変位させることができる。

送液ポンプ制御部６４は、送液ポンプ５に駆動信号を出力する。この駆動信号により、送液ポンプ５の駆動が制御される。これにより、例えば所定の圧力および所定の駆動時間でノズルユニット２に液体Ｌを供給することができる。

吸引ポンプ制御部６５は、吸引ポンプ７６に駆動信号を出力する。この駆動信号により、吸引ポンプ７６の駆動が制御される。これにより、例えば所定の圧力および所定の駆動時間で吸引ポンプ７６を駆動し、吸引管２８で吸引される排液Ｌ３の吸引速度や吸引時間を調整することができる。

分離用ポンプ制御部６６は、分離用ポンプ８４に駆動信号を出力する。この駆動信号により、分離用ポンプ８４の駆動が制御される。これにより、例えば所定の圧力および所定の駆動時間で、分離用ポンプ８４を駆動し、分離管２７で吸引される排液Ｌ３の吸引速度や吸引時間を調整することができる。

なお、制御部６は、圧電素子２６２の駆動、送液ポンプ５の駆動、吸引ポンプ７６の駆動、および分離用ポンプ８４の駆動のうち、２つ以上を協調して制御することもできる。

このような制御部６の機能は、演算装置、メモリー、外部インターフェース等のハードウェアによって実現される。

このうち、演算装置としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が挙げられる。

また、メモリーとしては、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ハードディスク等が挙げられる。

１．７ 液体噴射装置の作動
次に、液体噴射装置１の作動について説明する。

液体容器３に貯留された液体Ｌは、送液ポンプ５によって吸引され、液体供給管４を介して振動生成部２６に所定の圧力で供給される。振動生成部２６では、液体室２６６に供給された液体Ｌに対し、圧力を変動させる。この圧力変動は、液体Ｌに脈動流を発生させる。脈動流とは、流量または流速が経時的に変動する液体Ｌの流動のことをいう。変動パターンは、定期的なパターンであってもよく、不定期なパターンであってもよい。脈動流を伴う液体Ｌは、図２に示す液体流路２４０およびノズル流路２２０を経て噴射される。

以上のようにして液体噴射装置１から噴射された液体Ｌは、例えば図３に示すような挙動を示しながら空気中を飛翔する。図３は、液体噴射装置１から噴射された液体Ｌの形状を模式的に示す断面図である。

液体噴射装置１から噴射された液体Ｌは、噴射直後、連続した柱状の噴流Ｌ１として飛翔する。このような連続した噴流Ｌ１は、ノズル２２の先端から所定の距離の領域において生じる。この領域を「連続流領域Ｒ１」という。一方、連続流領域Ｒ１よりも作業対象物Ｗ側では、連続した噴流Ｌ１の形状が乱れ、液滴Ｌ２に変化する。このような液滴Ｌ２が発生する領域を「液滴流領域Ｒ２」という。このような液滴Ｌ２を作業対象物Ｗに衝突させると、噴流Ｌ１を衝突させる場合に比べて、同じ流量であっても衝撃圧を高めることができる。その結果、作業効率を高めることができる。

ここで、前述した液滴化距離ＤＤは、ノズル開口部２２０ａから液滴化位置ＰＤまでの距離である。液滴化位置ＰＤとは、図３に示すように、柱状の噴流Ｌ１が液滴Ｌ２に変化し始める位置のことをいう。

図４は、図３に示すノズルユニット２の先端部近傍を模式的に示す図である。図５は、図４に示すノズルユニット２を先端側から見た図である。

本実施形態では、前述したように、ノズル開口部２２０ａと第１開口部２７ａとの距離Ｄ１は、液滴化距離ＤＤ以上である。このため、ノズル開口部２２０ａから噴射された液体Ｌは、液滴化距離ＤＤを飛翔する間は、連続した柱状の噴流Ｌ１として飛翔する。そして、噴流Ｌ１が液滴化位置ＰＤに到達すると、液滴Ｌ２が発生する。したがって、仮に、噴流Ｌ１の飛翔が何らかの障害物等によって妨げられると、液滴Ｌ２の発生も阻害され、液体噴射装置１による作業効率の低下を招くことになる。

これに対し、本実施形態では、距離Ｄ１が液滴化距離ＤＤ以上であるため、分離管２７の内部の分離流路２７０において噴流Ｌ１を飛翔させることができる。このため、噴流Ｌ１を分離管２７によって保護することができ、安定した飛翔を可能にする。その結果、液滴Ｌ２を安定して発生させ、作業対象物Ｗに対する作業効率を高めることができる。

加えて、分離管２７の第１開口部２７ａの位置を目視することにより、液滴化位置ＰＤの目安を得ることができる。つまり、液滴化位置ＰＤは、分離流路２７０内に位置することになるため、液滴流領域Ｒ２は、第１開口部２７ａよりも先端側に位置することが担保される。そうすると、作業者は、液滴化位置ＰＤを意識することなく、液滴Ｌ２による衝撃圧の恩恵を十分に生かした作業を、効率よく行うことができる。

また、排液Ｌ３が分離流路２７０に入り込んだ場合でも、分離用ポンプ８４によって排液Ｌ３を、図４に矢印Ａ１で示すように吸引し、除去することができる。その結果、噴流Ｌ１を安定して飛翔させることができ、さらに、液滴Ｌ２を安定して発生させることができる。

なお、距離Ｄ１は、液滴化距離ＤＤ以上であればよいが、好ましくは液滴化距離ＤＤの１．０１倍以上２．００倍以下とされ、より好ましくは液滴化距離ＤＤの１．１０倍以上１．５０倍以下とされる。距離Ｄ１がこの範囲内であると、噴流Ｌ１をより安定して飛翔させることができる。なお、距離Ｄ１が前記上限値を上回ると、液滴化距離ＤＤに比べて距離Ｄ１が長くなりすぎるため、液滴Ｌ２の飛翔経路が乱れたり、飛翔速度が低下したりして、作業対象物Ｗに対する壊食作用が低下するおそれがある。

なお、第１開口部２７ａの位置およびノズル開口部２２０ａの位置は、相対的に移動可能になっているのが好ましい。これにより、液滴化距離ＤＤに応じて距離Ｄ１を変更することができるので、上述した倍率についても適宜選択することが可能になる。

また、ノズル２２は、図５に示すように、分離管２７と同心円状に配置されているのが好ましい。これにより、ノズル２２から噴射された噴流Ｌ１の周囲を、均一に減圧することができる。その結果、噴流Ｌ１をより安定に飛翔させることができ、その後に液滴Ｌ２をより確実に発生させることができる。なお、ノズル２２が分離管２７と同心円状に配置されていることは必須ではなく、双方の軸がずれていてもよい。

一方、液滴Ｌ２が作業対象物Ｗに衝突し、反射することにより発生する排液Ｌ３は、吸引管２８により吸引される。ここで、吸引管２８の先端を第２開口部２８ａとする。吸引ポンプ７６によって吸引流路２８０内が減圧されると、図４に矢印Ａ２で示すように、第２開口部２８ａの近傍に滞留する排液Ｌ３を吸引し、除去することができる。これにより、排液Ｌ３が作業対象物Ｗの周辺に滞留してしまうのを抑制することができ、新たに飛翔してきた液滴Ｌ２が排液Ｌ３に衝突してしまうのを抑制することができる。その結果、液滴Ｌ２の衝撃圧を十分に作業対象物Ｗに与えることができ、作業効率の低下を抑制することができる。

なお、図４では、第１開口部２７ａのＸ軸に沿った位置と、第２開口部２８ａのＸ軸に沿った位置とが、互いに一致しているが、これらの位置は互いにずれていてもよい。

例えば、第１開口部２７ａの位置が、第２開口部２８ａの位置に比べてＸ軸プラス側にずれている場合、空間において、排液Ｌ３と噴流Ｌ１とをより区分しやすくなる。また、噴流Ｌ１に近い位置にある分離管２７を直接目視することができるので、作業者が噴流Ｌ１の位置を把握しやすい。一方、第１開口部２７ａの位置が、第２開口部２８ａの位置に対してＸ軸マイナス側にずれている場合、分離管２７が作業対象物Ｗと接触するのを防止することができるので、分離管２７に損傷が及ぶのを防止することができる。

以上のように、本実施形態に係る液体噴射装置１は、液体Ｌを噴射するノズル開口部２２０ａを備えるノズル２２と、液体Ｌをノズル２２まで搬送する液体搬送管２４と、内部にノズル２２および液体搬送管２４が設けられ、先端（第１の端）および基端（第２の端）を有し、先端に第１開口部２７ａを備える第１の管である分離管２７と、を有している。ノズル開口部２２０ａは、分離管２７の第１開口部２７ａよりも基端側に位置している。そして、ノズル２２から噴射された液体Ｌが液滴Ｌ２になる位置を液滴化位置ＰＤとし、ノズル開口部２２０ａから液滴化位置ＰＤまでの距離を液滴化距離ＤＤとするとき、ノズル開口部２２０ａと第１開口部２７ａとの距離Ｄ１は、液滴化距離ＤＤ以上である。

このような液体噴射装置１によれば、液体Ｌが噴射される経路のクリアランスを確保することができるので、液体Ｌを安定して噴射することができる。その結果、液滴Ｌ２を安定して発生させることができ、液滴Ｌ２を作業対象物Ｗに衝突させて各種作業を行うことができる。

また、本実施形態に係る液体噴射装置１は、前述したように、第１の管である分離管２７の内部の圧力が、大気圧より低い。これにより、ノズル開口部２２０ａの先端側に排液Ｌ３が入り込んだ場合でも、速やかに分離流路２７０に引き込むことができる。その結果、液体Ｌが噴射される経路のクリアランスを確保し、液体Ｌをより安定して噴射することができる。

また、液体噴射装置１は、内部に第１の管である分離管２７が設けられている第２の管である吸引管２８をさらに有している。そして、吸引管２８の内部である吸引流路２８０の圧力は、大気圧より低く、かつ、分離管２７の内部である分離流路２７０の圧力より低くなるように設定されているのが好ましい。これにより、排液Ｌ３の多くが吸引流路２８０に吸引されることになり、排液Ｌ３が分離流路２７０側に入り込む確率を低下させることができる。また、仮に、飛散した一部の排液Ｌ３が分離流路２７０に入り込んだとしても、その量を少なく抑えることができる。これにより、ノズル２２から噴射される液体Ｌの飛翔が、排液Ｌ３によって妨げられるのを抑制し、より安定した飛翔を可能にする。

また、図５では、分離管２７が吸引管２８と非同心円状に配置されている。具体的には、第１の管である分離管２７の外面は、第２の管である吸引管２８の吸引流路２８０の内面に固定されている。そして、分離管２７が吸引管２８に対して偏心するように配置されている。これにより、噴流Ｌ１が飛翔する経路と、吸引される排液Ｌ３が通過する経路とを、空間で区分しやすくなる。その結果、排液Ｌ３が噴流Ｌ１の飛翔を妨げる確率をより下げることができる。さらに、このような非同心円状の配置によれば、分離管２７を吸引管２８と同心円状に配置された場合に比べて、分離管２７の外面と吸引流路２８０の内面との最大距離Ｄｍをより長く確保することができる。その結果、排液Ｌ３に異物が混入している場合であっても、異物が吸引流路２８０に引っかかりにくくなる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る液体噴射装置について説明する。
図６は、第２実施形態に係る液体噴射装置を示す断面図である。

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図６において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
第２実施形態は、分離用ポンプ８４の構成が異なる以外、第１実施形態と同様である。

前述した第１実施形態では、分離用ポンプ８４が分離流路２７０を減圧する機能を有する。これに対し、本実施形態では、分離用ポンプ８４が分離流路２７０を加圧する機能を有するという点が異なる。

すなわち、本実施形態に係る液体噴射装置１は、第１の管である分離管２７の内部の圧力が、大気圧より高い。これにより、分離流路２７０から外部に向かってガスＧを放出することができる。その結果、ノズル２２から噴射される液体Ｌが飛翔する経路に沿って、ガスＧによるシールドＧＳを形成することができる。このシールドＧＳは、排液Ｌ３がノズル開口部２２０ａの先端側に入り込むのを抑制する。その結果、液体Ｌが噴射される経路のクリアランスを確保し、液体Ｌをより安定して噴射することができる。また、シールドＧＳは、液体Ｌが液滴Ｌ２に変化した後も、液滴Ｌ２の飛翔経路の位置精度を高めたり、飛翔速度の低下を抑制したりすることにも寄与する。その結果、作業効率を特に高めることができる。

また、本実施形態は、分離流路２７０に供給するためのガスＧを貯留するガス貯留部８６を備えている。ガス貯留部８６に貯留されたガスＧは、分離用ポンプ８４によって分離流路２７０に供給される。

この場合、分離流路２７０の最大圧力は、大気圧より高ければよいが、好ましくは１．１気圧以上１０気圧以下とされ、より好ましくは１．２気圧以上５．０気圧以下とされる。分離流路２７０の圧力を前記範囲内に設定することにより、排液Ｌ３がノズル開口部２２０ａの先端側に入り込むのを十分に抑制するとともに、ガスによるシールドが液体Ｌの噴射に悪影響を及ぼすことを抑制することができる。

ガスＧには、任意のガスが用いることができるが、例えば、空気、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る液体噴射装置について説明する。

図７は、第３実施形態に係る液体噴射装置を示す断面図である。図８は、図７に示すノズルユニット２を先端側から見た図である。

以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図６において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
第３実施形態は、ノズルユニット２の構成が異なる以外、第１実施形態と同様である。

前述した第１実施形態に係るノズルユニット２では、吸引管２８の内部の吸引流路２８０に分離管２７が挿入されている。これに対し、本実施形態に係るノズルユニット２Ａでは、分離管２７が吸引流路２８０の外部に設けられている。

すなわち、本実施形態に係る液体噴射装置１は、図７および図８に示すように、第１の管である分離管２７に併設されている第２の管である吸引管２８をさらに有している。そして、吸引管２８の内部の吸引流路２８０の圧力は、第１実施形態と同様、大気圧より低く、かつ、分離管２７の内部の分離流路２７０の圧力より低くなるように設定されているのが好ましい。これにより、排液Ｌ３の多くが吸引流路２８０に吸引されることになり、排液Ｌ３が分離流路２７０側に入り込む確率を低下させることができる。また、仮に、飛散した一部の排液Ｌ３が分離流路２７０に入り込んだとしても、その量を少なく抑えることができる。これにより、ノズル２２から噴射される液体Ｌの飛翔が、排液Ｌ３によって妨げられるのを抑制し、より安定した飛翔を可能にする。

さらに、本実施形態では、図８に示すように、ノズル２２の位置と吸引流路２８０の位置との間を、第１実施形態に比べて、より大きく離すことができる。これにより、噴流Ｌ１が飛翔する経路と、吸引される排液Ｌ３が通過する経路とを、空間で区分しやすくなる。その結果、排液Ｌ３が噴流Ｌ１の飛翔を妨げる確率をより下げることができる。

また、本実施形態に係る送液ポンプ５は、逆止弁５１を内蔵している。このような逆止弁５１を備えていることにより、図２に示す振動生成部２６において液体Ｌに付与された振動に伴って、液体Ｌが液体供給管４を逆流してしまうのを防止することができる。なお、逆止弁５１は、液体供給管４の途中に独立して設けられていてもよい。また、第１実施形態および第２実施形態も、これと同様の逆止弁５１を備えていてもよい。

なお、図７では、分離管２７の軸と吸引管２８の軸とがほぼ平行になっているが、その位置関係は特に限定されず、非平行であってもよい。

また、図７では、第１開口部２７ａのＸ軸に沿った位置と、第２開口部２８ａのＸ軸に沿った位置とが、互いに一致しているが、これらの位置は互いにずれていてもよい。

さらに、図７および図８では、分離管２７と吸引管２８とが接しているが、これらは互いに離れていてもよい。

また、分離流路２７０の圧力は、大気圧より高くてもよい。
以上のような第３実施形態においても、第１、第２実施形態と同様の効果が得られる。

以上、本発明の液体噴射装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。

例えば、本発明の液体噴射装置は、前記実施形態の各部の構成が、同様の機能を有する任意の構成に置換されたものであってもよく、前記実施形態に任意の構成が追加されたものであってもよい。

また、振動生成部の配置は、前記各実施形態の位置に限定されず、液体搬送管を搬送される液体に振動を付与し得る位置であれば、いかなる位置であってもよい。さらに、本発明の液体噴射装置は、複数の振動生成部を備えていてもよい。その場合、前記各実施形態の中から２つ以上を組み合わせて用いるようにしてもよい。

さらに、前記実施形態に係る振動生成部は、ダイアフラムを振動させる方式を採用しているが、液体搬送管を振動させる方式を採用していてもよい。

１…液体噴射装置、２…ノズルユニット、２Ａ…ノズルユニット、３…液体容器、４…液体供給管、５…送液ポンプ、６…制御部、２２…ノズル、２４…液体搬送管、２６…振動生成部、２７…分離管、２７ａ…第１開口部、２８…吸引管、２８ａ…第２開口部、５１…逆止弁、６２…圧電素子制御部、６４…送液ポンプ制御部、６５…吸引ポンプ制御部、６６…分離用ポンプ制御部、６７…記憶部、７２…回収容器、７４…排液回収管、７６…吸引ポンプ、８２…分離用配管、８４…分離用ポンプ、８６…ガス貯留部、２２０…ノズル流路、２２０ａ…ノズル開口部、２４０…液体流路、２６１…筐体、２６１ａ…第１ケース、２６１ｂ…第２ケース、２６１ｃ…第３ケース、２６２…圧電素子、２６３…補強板、２６４…ダイアフラム、２６５…収容室、２６６…液体室、２６７…出口流路、２６８…入口流路、２７０…分離流路、２８０…吸引流路、２９１…配線、２９２…配線、２９３…配線、２９４…配線、Ａ１…矢印、Ａ２…矢印、Ｂ１…矢印、Ｄ１…距離、ＤＤ…液滴化距離、Ｄｍ…最大距離、Ｇ…ガス、ＧＳ…シールド、Ｌ…液体、Ｌ１…噴流、Ｌ２…液滴、Ｌ３…排液、ＰＤ…液滴化位置、Ｒ１…連続流領域、Ｒ２…液滴流領域、Ｗ…作業対象物

Claims (5)

1. 液体を噴射するノズル開口部を備えるノズルと、
   液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、
   内部に前記ノズルおよび前記液体搬送管が設けられ、第１の端および第２の端を有し、
   前記第１の端に第１開口部を備える第１の管と、
   内部に前記第１の管が設けられている第２の管と、
   を有し、
   前記ノズル開口部は、前記第１の管の前記第１開口部よりも前記第２の端側に位置して
   おり、
   前記第２の管の内部の圧力は、大気圧より低く、かつ、前記第１の管の内部の圧力より
   低く、
   前記ノズルから噴射された液体が液滴になる位置を液滴化位置とし、前記ノズル開口部
   から前記液滴化位置までの距離を液滴化距離とするとき、前記ノズル開口部と前記第１開
   口部との距離は、前記液滴化距離以上であることを特徴とする液体噴射装置。
2. 前記第１の管の外面は、前記第２の管の内面に固定されている請求項１に記載の液体噴
   射装置。
3. 液体を噴射するノズル開口部を備えるノズルと、
   液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、
   内部に前記ノズルおよび前記液体搬送管が設けられ、第１の端および第２の端を有し、
   前記第１の端に第１開口部を備える第１の管と、 前記第１の管に併設されている第２の
   管と、
   を有し、
   前記ノズル開口部は、前記第１の管の前記第１開口部よりも前記第２の端側に位置して
   おり、
   前記第２の管の内部の圧力は、大気圧より低く、かつ、前記第１の管の内部の圧力より
   低く、
   前記ノズルから噴射された液体が液滴になる位置を液滴化位置とし、前記ノズル開口部
   から前記液滴化位置までの距離を液滴化距離とするとき、前記ノズル開口部と前記第１開
   口部との距離は、前記液滴化距離以上であることを特徴とする液体噴射装置。
4. 前記第１の管の内径は、前記ノズル開口部の内径の１．８８倍以上である請求項１ない
   し３のいずれか１項に記載の液体噴射装置。
5. 前記第１の管の内部の圧力は、大気圧より低い、または、大気圧より高い請求項１ない
   し４のいずれか１項に記載の液体噴射装置。

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