JP7306141B2 - 液体噴射装置および液体噴射方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体噴射装置および液体噴射方法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、液化ガスと高圧液体とを混合してノズルから噴射することにより、液体の液滴化を促進することが可能な表面処理装置が開示されている。液滴化を促進することにより、連続した噴流を液滴に変化させるまでの距離、すなわち液滴化距離を短くすることができる。これにより、スタンドオフ距離を短くしても、液滴による処理を行うことができる。その結果、液体噴射装置の作業性を高めることができる。

特開平９－２８５７４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の液体噴射装置では、液滴化を促進する目的で、液体に液化ガスを混合する必要がある。このため、液体噴射装置は、液化ガスの温度管理や保管に必要な設備を備えている必要がある。そうすると、装置の大型化を避けられない。

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と、
液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、
振動を生成する振動生成部と、
前記液体搬送管に液体を送る送液ポンプと、
前記振動生成部に振動の条件を与える信号を出力する制御部と、
を備え、
前記振動生成部は、液体、前記ノズルおよび前記液体搬送管のうちのいずれか１つに接し、
前記ノズルの流路の内径をＤとし、前記送液ポンプによる液体の流量をＱとし、定数αを４≦α≦５とするとき、
前記制御部が前記振動生成部に出力する振動の周波数は、４Ｑ／（απＤ^３）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念図である。 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。 図２の部分拡大図である。 図３のＡ部拡大図である。 第２実施形態に係る液体噴射装置を示す概念図である。 第２実施形態に係る液体噴射装置の第１変形例を示す概念図である。 第２実施形態に係る液体噴射装置の第２変形例を示す概念図である。 第３実施形態に係る液体噴射装置を示す概念図である。 図８に示す液体噴射装置をＸ軸プラス側から見た図である。

以下、本発明の液体噴射装置および液体噴射方法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念図である。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３は、図２の部分拡大図である。図４は、図３のＡ部拡大図である。

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。

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を作業対象物Ｗに向けて噴射させる。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に対し、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に変化するまでの距離、いわゆる液滴化距離ＤＤを短縮することができる。

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。そして、ノズルユニット２のＸ軸プラス側の端部を「先端」といい、Ｘ軸マイナス側の端部を「基端」という。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、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、一部または全部が湾曲した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、第２ケース２６１ｂ、および第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２ケース２６１ｂ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Ｓ１により、逆圧電効果に基づいて、図２中に矢印Ｂ１で示すように、Ｘ軸に沿って伸長および収縮を繰り返すように振動する。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、入口流路２６８内の液体Ｌが液体室２６６内に送り込まれる。

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。

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い。

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の流量を変更する機能を有する。

送液ポンプ５の流量は、一例として、５［ｍＬ／ｍｉｎ］以上５００［ｍＬ／ｍｉｎ］以下であるのが好ましく、１０［ｍＬ／ｍｉｎ］以上２００［ｍＬ／ｍｉｎ］以下であるのがより好ましい。

なお、送液ポンプ５は、必要に応じて逆止弁を内蔵していてもよい。このような逆止弁を備えていることにより、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。

１．４ 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を介して送液ポンプ５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、ポンプ制御部６４と、記憶部６６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Ｓ１を出力する。この駆動信号Ｓ１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。

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。

なお、制御部６は、送液ポンプ５の駆動と、圧電素子２６２の駆動と、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。

１．５ 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によって液体供給管４を介して振動生成部２６に所定の流量で供給される。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。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側面図である。

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。こうして発生した液滴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。

図４は、図３に示すノズル２２から液体Ｌが噴射されたとき、形成された噴流Ｌ１の形状の例を示す図である。噴流Ｌ１には、図４に示すような直径の揺らぎ（脈動）が形成される。その後、噴流Ｌ１には、表面張力による復元過程で揺らぎが拡大し、液体Ｌの分断が生じる。これにより、噴流Ｌ１が液滴Ｌ２に変化する。噴流Ｌ１が液滴Ｌ２に変化する位置を、「液滴化位置ＰＤ」という。また、ノズル２２の先端から液滴化位置ＰＤまでの距離を「液滴化距離ＤＤ」という。ノズル流路２２０の内径をＤとするとき、連続した柱状をなす噴流Ｌ１の平均の直径もほぼＤとなる。

液体噴射装置１の取り扱い性を高めるためには、液滴化距離ＤＤを短縮することが求められる。液滴化距離ＤＤを短縮することにより、ノズルユニット２と作業対象物Ｗとの距離、いわゆるスタンドオフ距離を短くしても、作業対象物Ｗに液滴Ｌ２を衝突させることができる。その結果、液体噴射装置１を使用する作業者は、作業効率を低下させることなく、作業対象物Ｗとノズルユニット２との位置関係を把握しやすくなり、作業性が高められる。

振動生成部２６によって液体搬送管２４に振動を付与すると、噴流Ｌ１にも振動が付与され、直径の揺らぎを拡大することができる。これにより、噴流Ｌ１の液滴化が促進されるため、液滴化位置ＰＤをよりノズル２２側に近づけることができる。つまり、振動生成部２６は、液体噴射装置１の小型化を図りつつ、液滴化距離ＤＤを短縮することができる。その結果、小型で作業効率が高い液体噴射装置１を実現することができる。

この際、本実施形態では、振動生成部２６が液体搬送管２４に振動を付与する際、その周波数ｆを最適化する。これにより、液滴化距離ＤＤを特に短縮することができる。以下、その周波数ｆについて説明する。

まず、図４に示す噴流Ｌ１の直径の揺らぎ、すなわち脈動は、所定の波長λを有している。この波長λを、λ＝αＤとする。ここで、αは定数であるが、４≦α≦５の場合、レイリーの不安定性で生じる状態に近い状態となる。これにより、噴流Ｌ１が不安定になり、効率的に液滴化が促進される。

ここで、噴流Ｌ１の流速をＶとし、送液ポンプ５の流量をＱとする。このとき、噴流Ｌ１の流速Ｖは、Ｖ＝Ｑ／｛π（Ｄ／２）^２｝で表される。そうすると、時間Ｔの間に噴流Ｌ１が飛翔する距離は、Ｑ・Ｔ／｛π（Ｄ／２）^２｝で表される。

したがって、噴流Ｌ１の脈動における波長λと、振動が付与された噴流Ｌ１が時間Ｔの間に飛翔する距離と、が一致するとき、効率的に液滴化が促進されることになる。これを踏まえると、振動生成部２６によって付与されるべき振動の周波数１／Ｔは、１／Ｔ＝４Ｑ／（απＤ^３）で表されることになる。したがって、制御部６は、圧電素子２６２に対して、かかる周波数を含む振動の条件を与える駆動信号Ｓ１を出力する。

すなわち、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２２と、液体Ｌをノズル２２まで搬送する液体搬送管２４と、ノズル２２から噴射される液体Ｌに付与する振動を生成する振動生成部２６と、液体搬送管２４に液体Ｌを送る送液ポンプ５と、振動生成部２６に振動の条件を与える駆動信号Ｓ１を出力する制御部６と、を備える。そして、図２に示す振動生成部２６のダイアフラム２６４は、液体Ｌに接し、液体Ｌに振動を付与している。また、ノズル流路２２０の内径をＤとし、送液ポンプ５による液体Ｌの流量をＱとし、定数αを４≦α≦５とするとき、制御部６が振動生成部２６に出力する振動の周波数は４Ｑ／（απＤ^３）である。

このような液体噴射装置１によれば、従来のような液化ガスを使用するための設備等が不要になるため、容易に小型化を図ることができる。また、振動生成部２６が生成する振動の周波数を上記のように設定することで、噴流Ｌ１の脈動の周期と振動生成部２６によって付与される振動の周期とが一致するため、噴流Ｌ１を特に不安定化させることができる。これにより、液滴化距離ＤＤを特に短縮することができる。その結果、液滴化距離ＤＤが短く、かつ小型の液体噴射装置１を実現することができる。このような液体噴射装置１は、スタンドオフ距離を短くしても、液滴Ｌ２による処理を行うことができる。このため、液体噴射装置１による作業の作業性を高めることができる。

なお、定数αが前記下限値未満である場合、および、前記上限値超である場合、噴流Ｌ１の脈動の周期と、振動生成部２６によって付与される振動の周期と、のずれが大きくなる。このため、噴流Ｌ１の液滴化を十分に促進することができないおそれがある。

なお、振動生成部２６によって付与される振動の周波数を変動させる場合には、上記周波数を満たす時間帯が含まれていればよい。

また、以上の計算式を踏まえると、振動生成部２６の周波数ｆは、以下のようにして算出することができる。

例えば、内径Ｄを０．１ｍｍとし、流量Ｑを１０ｍＬ／ｍｉｎとし、定数αを４としたとき、周波数ｆは、（４×１０）／｛４π×（０．１）^３｝≒５３．１［ｋＨｚ］となる。

そして、このような計算により、内径Ｄや流量Ｑに応じた、周波数ｆの好ましい範囲を求めることができる。

例えば、内径Ｄを０．１ｍｍとし、流量Ｑを１０ｍＬ／ｍｉｎとし、定数αを４≦α≦５としたとき、周波数ｆは、４２．４ｋＨｚ以上５３．１ｋＨｚ以下であるのが好ましい。

よって、内径Ｄを０．１ｍｍとし、流量Ｑを２００ｍＬ／ｍｉｎとし、定数αを４≦α≦５としたとき、周波数ｆは、８４８．８ｋＨｚ以上１０６１．０ｋＨｚ以下であるのが好ましい。

さらに、内径Ｄを０．２ｍｍとし、流量Ｑを１０ｍＬ／ｍｉｎとし、定数αを４≦α≦５としたとき、周波数ｆは、５．３ｋＨｚ以上６．６ｋＨｚ以下であるのが好ましい。

また、内径Ｄを０．２ｍｍとし、流量Ｑを２００ｍＬ／ｍｉｎとし、定数αを４≦α≦５としたとき、周波数ｆは、１０６．１ｋＨｚ以上１３２．６ｋＨｚ以下であるのが好ましい。

制御部６から圧電素子２６２に出力する駆動信号Ｓ１の電圧は、圧電素子２６２の構成に応じて若干異なるが、１Ｖ以上１００Ｖ以下であるのが好ましい。これにより、圧電素子２６２が必要かつ十分な振幅で振動するため、液滴Ｌ２をより安定して発生させることができる。

制御部６から圧電素子２６２に出力する駆動信号Ｓ１の波形は、特に限定されないが、例えば、正弦波、矩形波、のこぎり波等が挙げられる。

また、振動生成部２６は、前述したように、ダイアフラム２６４を介して液体室２６６に供給されている液体Ｌの圧力を変動させる。そして、ノズル２２から噴射される液体Ｌに振動を付与する。これにより、液体搬送管２４やノズル２２を振動させることなく、ノズル２２から噴射される液体Ｌに振動を付与することができる。その結果、液滴Ｌ２の着弾位置の精度を高めることができ、作業性が良好な液体噴射装置１を実現することができる。これに加え、ダイアフラム２６４を介して液体Ｌに振動を付与することにより、圧電素子２６２またはそれに代わる機械要素等の構造や材質等を選択する際、自由度を高めやすいという利点がある。さらに、液体Ｌの圧力を変動させる際、ダイアフラム２６４の位置は特に限定されないため、その点においても自由度を高めやすい。

また、本実施形態に係る液体噴射方法は、送液ポンプ５からノズル２２に向かって液体Ｌを送り、ノズル２２から液体Ｌを噴射する方法である。そして、かかる液体噴射方法では、ノズル流路２２０の内径をＤとし、送液ポンプ５による液体Ｌの流量をＱとし、定数αを４≦α≦５とするとき、送液ポンプ５からノズル２２に至るまでの液体Ｌに、４Ｑ／（απＤ^３）で表される周波数の振動を付与する。

このような方法によれば、ノズル２２から液体Ｌを噴射して得られる噴流Ｌ１を特に不安定化させることができる。これにより、噴流Ｌ１の液滴化を促進し、液滴化距離ＤＤを特に短縮することができる。

以下、液体噴射方法の手順の一例について、図１に示す液体噴射装置１に基づいて説明する。

まず、制御部６に対し、ノズル流路２２０の内径Ｄおよび定数αを入力する。制御部６の記憶部６６は、定数αをあらかじめ保存しておいてもよい。圧電素子制御部６２は、保存された定数αを読み出し、周波数ｆの算出に用いるようにすればよい。

次に、ポンプ制御部６４は、送液ポンプ５による液体Ｌの流量Ｑの実測値を取得する。なお、流量Ｑは、ポンプ制御部６４が送液ポンプ５に出力する流量の設定値であってもよい。そして、この流量Ｑを圧電素子制御部６２に出力する。圧電素子制御部６２は、内径Ｄ、流量Ｑおよび定数αと、周波数ｆ＝４Ｑ／（απＤ^３）の計算式に基づいて、周波数ｆを求める。なお、ノズル流路２２０の内径Ｄおよび定数αがあらかじめ決まっていれば、ポンプ制御部６４で設定された流量Ｑを変更した際に、流量Ｑの実測値に応じて、あらかじめ計算式に基づいて計算しておいた周波数ｆを読み出して使う方法でも構わない。

次に、圧電素子制御部６２は、求めた周波数ｆの駆動信号Ｓ１を振動生成部２６の圧電素子２６２に出力する。これにより、ノズル２２から噴射される噴流Ｌ１の液滴化を促進することができる。

なお、液体噴射方法では、前述した振動生成部２６による振動の付与に限定されない。例えば、液体Ｌにガスを周期的に導入し、それによる圧力変化に基づいて、ノズル２２から噴射される液体Ｌに振動を付与するようにしてもよい。この場合も、ガスを導入する操作の周波数を前述したようにして求めることができる。

また、振動生成部２６は、前述したように、圧電素子２６２以外の機械要素を含んでいてもよいが、図２に示す振動生成部２６は、圧電素子２６２を含んでいる。圧電素子２６２は、電気信号を効率よく、かつ、少ないタイムラグで機械的な振動に変換することができる。このため、周波数ｆを制御する際の精度を高めやすく、結果的に、作業効率を比較的容易に高めることができる。また、圧電素子２６２は、他の機械要素に比べて小型化が容易である。このため、圧電素子２６２は、液体噴射装置１の小型化にも寄与する。

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５は、第２実施形態に係る液体噴射装置を示す概念図である。

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５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、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。

具体的には、第１実施形態に係る振動生成部２６では、ダイアフラム２６４を介して液体Ｌに振動を付与している。これに対し、本実施形態に係る振動生成部２６Ａでは、ダイアフラム２６４が省略され、圧電素子２６２が液体搬送管２４に振動を付与するよう構成されている。具体的には、図５に示す振動生成部２６Ａは、圧電素子２６２と、支持体２６９と、を備えている。

図５に示す液体搬送管２４は、基端部がＺ軸マイナス側に向かって折れ曲がっている。これにより、図５に示す液体搬送管２４は、先端側の部位であって、Ｘ軸に沿って延在するＸ軸延在部２４１と、基端側の部位であって、Ｚ軸に沿って延在するＺ軸延在部２４２と、を含んでいる。

そして、図５に示す振動生成部２６Ａは、Ｚ軸延在部２４２のうち、Ｚ軸プラス側の端部の外面を押圧するように構成されている。具体的には、圧電素子２６２は、Ｚ軸延在部２４２の外面と支持体２６９との間に設けられている。換言すれば、図５に示す圧電素子２６２は、ノズル２２の軸線Ａ１上に設けられている。支持体２６９は、液体搬送管２４から独立した部材である。圧電素子２６２がＸ軸に沿って伸縮するように、すなわち図５に矢印Ｂ１で示すように振動すると、Ｚ軸延在部２４２もＸ軸に沿って振動する。これにより、Ｚ軸延在部２４２に連続するＸ軸延在部２４１およびノズル２２も、図５に矢印Ｂ２で示すようにＸ軸に沿って振動する。その結果、ノズル２２から噴射される液体Ｌも、振動が付与された噴流Ｌ１として噴射される。

ここで、本実施形態においても、第１実施形態と同様、振動生成部２６Ａによって液体搬送管２４に付与される振動の周波数を、ノズル流路２２０の内径Ｄ、送液ポンプ５による液体Ｌの流量Ｑ、および定数αに基づいて求める。

すなわち、本実施形態に係る振動生成部２６Ａは、液体搬送管２４を加振することにより、ノズル２２から噴射される液体Ｌに振動を付与する。そして、その振動の周波数を、４Ｑ／（απＤ^３）とする。

このような振動生成部２６Ａによれば、液体搬送管２４を加振すればよいので、構造の簡素化を図ることができる。このため、より小型の液体噴射装置１を実現することができる。

なお、本実施形態では、液体搬送管２４が、弾性または可撓性を有しているのが好ましい。これにより、振動生成部２６Ａにより、ノズル２２または液体搬送管２４を加振した際、液体搬送管２４を撓ませることができる。その結果、ノズル２２から噴射される液体Ｌを振動させることができる。

なお、圧電素子２６２の一端は、Ｚ軸延在部２４２の外面に接していればよい。したがって、圧電素子２６２の一端とＺ軸延在部２４２との間の接続状態は、接着や固着等の固定状態であってもよく、単なる接触でもよい。

一方、圧電素子２６２の他端と支持体２６９との間の接続状態は、前述した圧電素子２６２の一端とＺ軸延在部２４２との間の接続状態に応じて適宜選択される。例えば、圧電素子２６２の一端とＺ軸延在部２４２とが固定されている場合には、圧電素子２６２の他端と支持体２６９との間は、少なくとも接していればよい。また、圧電素子２６２の一端とＺ軸延在部２４２とが単に接している場合には、圧電素子２６２の他端と支持体２６９との間は、固定されているのが好ましい。

支持体２６９は、圧電素子２６２が伸縮するときの圧力を受けても変形しない程度の剛性を有している。これにより、圧電素子２６２の伸縮量の多くを液体搬送管２４の揺動に利用することができる。なお、支持体２６９の配置や形状は、特に限定されない。

また、圧電素子２６２によってＺ軸延在部２４２の外面が押圧され、振動が生じると、それに伴ってノズル２２もＸ軸に沿って振動する。本実施形態では、図５に示すように、Ｚ軸延在部２４２のうち、Ｚ軸プラス側の端部に圧電素子２６２が接している。一方、Ｚ軸延在部２４２のうち、Ｚ軸マイナス側の端部は、支持体２６９に固定されている。このような構成のノズルユニット２では、支持体２６９による固定部位が支点Ｐ１となり、圧電素子２６２が接している部位が力点Ｐ２となって、液体搬送管２４およびノズル２２を揺動させることができる。この場合、力点Ｐ２の位置が支点Ｐ１から離れているため、液体搬送管２４の弾性を利用することによって、ノズル２２を十分に大きく変位させることができる。これにより、圧電素子２６２の変位量が小さい場合でも、十分な振幅を得ることができる。したがって、液体噴射装置１のさらなる小型化を図ることができる。
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。

２．１ 第１変形例
次に、第２実施形態の第１変形例について説明する。

図６は、第２実施形態に係る液体噴射装置１の第１変形例を示す概念図である。以下、第１変形例について説明するが、以下の説明では、第２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。

前述した第２実施形態では、図５に示すように、Ｚ軸延在部２４２に圧電素子２６２が設けられている。一方、本第１変形例では、図６に示すように、Ｘ軸延在部２４１のＸ軸マイナス側の端部に圧電素子２６２が設けられている。つまり、本第１変形例に係る振動生成部２６Ｂは、第２実施形態とは異なる位置に設けられた圧電素子２６２を備えている。そして、図６に示す圧電素子２６２は、Ｚ軸に沿って伸縮するように、すなわち図６に矢印Ｂ１で示すように振動する。それに伴い、Ｘ軸延在部２４１およびノズル２２も、図６に矢印Ｂ２で示すようにＺ軸に沿って振動する。その結果、ノズル２２から噴射される液体Ｌも、振動が付与された噴流Ｌ１として噴射される。
以上のような第１変形例においても、第２実施形態と同様の効果が得られる。

２．２ 第２変形例
次に、第２実施形態の第２変形例について説明する。

図７は、第２実施形態に係る液体噴射装置１の第２変形例を示す概念図である。以下、第２変形例について説明するが、以下の説明では、第１変形例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。

前述した第１変形例では、図６に示すように、Ｘ軸延在部２４１のＸ軸マイナス側の端部に圧電素子２６２が設けられている。一方、本第２変形例に係る振動生成部２６Ｃでは、図７に示すように、ノズル２２に圧電素子２６２が設けられている。そして、図７に示す圧電素子２６２は、Ｚ軸に沿って伸縮するように、すなわち図７に矢印Ｂ１で示すように振動する。それに伴い、ノズル２２も、図７に矢印Ｂ２で示すようにＺ軸に沿って振動する。その結果、ノズル２２から噴射される液体Ｌも、振動が付与された噴流Ｌ１として噴射される。
以上のような第２変形例においても、第２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８は、第３実施形態に係る液体噴射装置を示す概念図である。図９は、図８に示す液体噴射装置をＸ軸プラス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８および図９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実施形態では、振動生成部２６が液体搬送管２４を加振する圧電素子２６２を備えている。これに対し、本実施形態に係る振動生成部２６Ｅは、支持体２７３と、弾性部材２７４と、電磁石２７５と、鉄片２７６と、を備えている。

支持体２７３は、筒状をなしており、液体搬送管２４のＸ軸マイナス側端部を挿入可能な挿通孔２７３１を備えている。この挿通孔２７３１に液体搬送管２４が挿通されている。そして、支持体２７３と液体搬送管２４との間が４本の弾性部材２７４で接続されている。

弾性部材２７４としては、例えば、コイルばね、金属ばね、ゴムばね等が挙げられる。弾性部材２７４は、図９に示すように、Ｙ－Ｚ面内において、Ｙ軸およびＺ軸の双方に対して傾斜するように延在している。そして、２本の弾性部材２７４が液体搬送管２４を挟んで同一直線上に位置するように配置されている。また、別の２本の弾性部材２７４も液体搬送管２４を挟んで別の同一直線上に位置するように配置されている。これにより、挿通孔２７３１内において、液体搬送管２４を吊り下げることができる。

電磁石２７５は、支持体２７３の挿通孔２７３１の内面に２つ設けられている。具体的には、電磁石２７５は、挿通孔２７３１の内面のうち、液体搬送管２４よりもＺ軸プラス側の位置と、液体搬送管２４よりもＺ軸マイナス側の位置と、にそれぞれ設けられている。また、電磁石２７５は、弾性部材２７４よりもＸ軸マイナス側の位置に設けられている。なお、電磁石２７５の個数は、特に限定されず、１つまたは３つ以上であってもよい。

鉄片２７６は、液体搬送管２４の外面のうち、電磁石２７５に向かい合う位置に設けられている。図示しない配線を介して電磁石２７５に電流信号を入力すると、電磁石２７５に発生した磁力によって鉄片２７６を引き寄せる力を発生させることができ、それに伴って液体搬送管２４を引き寄せることができる。したがって、互いに向かい合う電磁石２７５および鉄片２７６は、磁力発生部として機能する。なお、鉄片２７６の個数も、特に限定されず、１つまたは３つ以上であってもよい。

本実施形態では、Ｚ軸に沿って、液体搬送管２４を挟む両側にそれぞれ磁力発生部が設けられている。このため、一方の磁力発生部と他方の磁力発生部に対して、交互に電流信号を入力することによって、液体搬送管２４をＺ軸に沿って振動させることができる。
以上のような第３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。

なお、弾性部材２７４や磁力発生部の配置は、図８および図９に示す位置に限定されない。例えば、弾性部材２７４は、いかなる方向に延在するものであってもよい。同様に磁力発生部も、いかなる方向に磁力を発生させるものであってもよい。

以上、本発明の液体噴射装置および液体噴射方法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、前記各実施形態または前記各変形例の中から２つ以上を組み合わせるようにしてもよい。

また、液体搬送管の屈曲形状、屈曲方向も、前記各実施形態における屈曲形状、屈曲方向に限定されず、いかなる形状、方向であってもよい。

さらに、本発明の液体噴射装置は、噴射した液体を吸引する吸引装置を備えていてもよい。この吸引装置は、例えば、液体搬送管と並列または液体搬送管を内蔵するように設けられた吸引管、吸引管に接続された吸引ポンプ、吸引管で吸引した液体を貯留するタンク等を備えていればよい。

１…液体噴射装置、２…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、２６Ａ…振動生成部、２６Ｂ…振動生成部、２６Ｃ…振動生成部、２６Ｅ…振動生成部、６２…圧電素子制御部、６４…ポンプ制御部、６６…記憶部、２２０…ノズル流路、２４０…液体流路、２４１…Ｘ軸延在部、２４２…Ｚ軸延在部、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、２６９…支持体、２７３…支持体、２７４…弾性部材、２７５…電磁石、２７６…鉄片、２９１…配線、２９２…配線、２７３１…挿通孔、Ｂ１…矢印、Ｂ２…矢印、Ｄ…内径、ＤＤ…液滴化距離、Ｌ…液体、Ｌ１…噴流、Ｌ２…液滴、Ｐ１…支点、Ｐ２…力点、ＰＤ…液滴化位置、Ｒ１…連続流領域、Ｒ２…液滴流領域、Ｓ１…駆動信号、Ｗ…作業対象物、λ…波長

Claims (3)

1. 液体を噴射するノズルと、
   液体を前記ノズルまで搬送する液体搬送管と、
   振動を生成する振動生成部と、
   前記液体搬送管に液体を送る送液ポンプと、
   前記振動生成部に振動の条件を与える信号を出力する制御部と、
   を備え、
   前記振動生成部は、液体、前記ノズルおよび前記液体搬送管のうちのいずれか１つに接し、
   前記ノズルの流路の内径をＤとし、前記送液ポンプによる液体の流量をＱとし、定数αを４≦α≦５とするとき、
   前記制御部が前記振動生成部に出力する振動の周波数は、４Ｑ／（απＤ^３）であることを特徴とする液体噴射装置。
2. 前記振動生成部は、圧電素子を含む請求項１に記載の液体噴射装置。
3. 送液ポンプからノズルに向かって液体を送り、前記ノズルから液体を噴射する液体噴射方法であって、
   前記ノズルの流路の内径をＤとし、前記送液ポンプによる液体の流量をＱとし、定数αを４≦α≦５とするとき、
   前記送液ポンプから前記ノズルに至るまでの液体に、４Ｑ／（απＤ^３）で表される周波数の振動を付与することを特徴とする液体噴射方法。

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