(57)【要約】【課題】均一な大きさとなった液滴などの微粒流体を生成可能とした流体の吐出器及び微粒流体生成装置を提供する。【解決手段】吐出器は、円筒状の周面壁と、この周面壁の一方の端部を閉塞する閉塞壁とを有し、この閉塞壁の所定位置に貫通孔を設けた吐出体と、この吐出体を周面壁の周方向に振動させる振動手段と、吐出体内に貫通孔から吐出させる液体または気体を供給する配管とを備え、振動手段で吐出体をさせることにより、貫通孔から液体または気体を所定量の微粒流体として吐出させる。【選択図】図６
2008246278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の周面壁と、この周面壁の一方の端部を閉塞する閉塞壁とを有し、この閉塞壁の所定位置に貫通孔を設けた吐出体と、
この吐出体を前記周面壁の周方向に振動させる振動手段と、
前記吐出体内に前記貫通孔から吐出させる液体または気体を供給する配管と
を備え、前記振動手段で前記吐出体を振動させながら、前記貫通孔から前記液体または前記気体を所定量ずつ断続的に吐出させる流体の吐出器。
【請求項２】
前記貫通孔は、前記振動の中心軸から所定半径の円周上に設けたことを特徴とする請求項１に記載の流体の吐出器。
【請求項３】
第１の液体を送流する第１配管と、
この第１配管内の前記第１の液体中に第２の液体または気体を吐出する貫通孔を振動させて、前記第１の液体中に前記第２の液体または気体を所定量ずつ断続的に吐出させる吐出器と、
この吐出器に前記第２の液体または気体を送給する第２配管と
を備えた微粒流体生成装置において、
前記吐出器が、先端が閉塞され、所定位置に前記貫通孔が設けられた筒状の吐出体と、この吐出体を周方向に振動させる振動手段とを備えることを特徴とする微粒流体生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の吐出器及び微粒流体生成装置に関するものであり、特に、均一な大きさの微粒流体を生成可能とした流体の吐出器及び微粒流体生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、医薬品分野、食品分野、化粧品分野、その他の分野において微粒流体を製造する必要性が高まっている。この微粒流体は、一般的には、原料となる液体または気体を微小な開口径を有するノズルから適宜の液体中に吐出させることにより形成されている。
【０００３】
特に、微粒流体となる液体または気体のノズルからの離脱を促進するために、ノズルあるいは微粒流体となる液体または気体に超音波振動を印加することが提案されている。
【０００４】
具体的には、図７に模式的に示すように、微粒流体である液滴を形成するための微小な貫通孔100を複数設けた平板110を第1配管120の側面の一部に設けるとともに、平板110の他側面には第１配管120内の第１の液体とは混ざり合わない第２の液体を送給する第２配管130を接続し、この第２配管130から送給された第２の液体を平板110の貫通孔100から第１配管120内に吐出させている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
第１配管120では、第１の液体を所定の流速で送流させており、第１配管120内に吐出された第２の液体を移動する第１の液体で持ち運ぶことにより第２の液体に剪断を生じさせ、所定の大きさの液滴を生成している。
【０００６】
さらに、平板110はバイブレータ140によって超音波振動させており、貫通孔100から吐出された第２の液体に剪断を生じさせやすくしている。バイブレータ140は、第２配管130の先端部に装着し、第２配管130の先端ごと振動させることにより、比較的簡潔な構造で平板110を振動可能としている。
【特許文献１】特開２００７−０２３１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、複数の貫通孔を設けた平板を単に振動させて微粒流体である液滴を生成した場合には、平板自体の撓みの影響が加わることによって平板の各位置における振幅が異なりやすく、生成された液滴の大きさのバラツキが大きくなりやすくなっていた。
【０００８】
本発明者らは、より均一な大きさとなった液滴などの微粒流体を生成すべく研究開発を行い、本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明の流体の吐出器では、筒状の周面壁と、この周面壁の一方の端部を閉塞する閉塞壁とを有し、この閉塞壁の所定位置に貫通孔を設けた吐出体と、この吐出体を周面壁の周方向に振動させる振動手段と、吐出体内に貫通孔から吐出させる液体または気体を供給する配管とを備え、振動手段で吐出体を振動させることにより、貫通孔から液体または気体を所定量ずつ断続的に吐出させることとした。
【００１０】
さらに、貫通孔は、振動の中心軸から所定半径の円周上に設けたことけたことにも特徴を有するものである。
【００１１】
また、本発明の微粒流体生成装置では、第１の液体を送流する第１配管と、この第１配管内の第１の液体中に第２の液体または気体を吐出する貫通孔を振動させて、第１の液体中に第２の液体または気体を所定量ずつ断続的に吐出させる吐出器と、この吐出器に第２の液体を送給する第２配管とを備えた微粒流体生成装置において、吐出器が、先端が閉塞され、所定位置に貫通孔が設けられた筒状の吐出体と、この吐出体を周方向に振動させる振動手段とを備えることとした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、微粒流体となる液体または気体を貫通孔から吐出させる際に、筒状の周面壁と、この周面壁の一方の端部を閉塞する閉塞壁とを有し、この閉塞壁の所定位置に貫通孔を設けた吐出体と、この吐出体を周面壁の周方向に振動させる振動手段と、吐出体内に貫通孔から吐出させる液体または気体を供給する配管とを備えた吐出器によって液体または気体を所定量ずつ断続的に吐出させることにより、均一な大きさの微粒流体を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の本発明の流体の吐出器及び微粒流体生成装置では、貫通孔を設けた吐出体から液体または気体を吐出させて微粒流体を生成する際に、微粒流体となる液体または気体を吐出させる吐出体を、筒状の周面壁と、この周面壁の一方の端部を閉塞する閉塞壁とで構成するとともに、閉塞壁の所定位置に貫通孔を設け、吐出体を周面壁の周方向に振動させながら液体または気体を所定量ずつ断続的に吐出させているものである。
【００１４】
すなわち、吐出体を振動させる振動手段によって吐出体を周方向に振動させることにより、吐出体は貫通孔が設けられている閉塞壁の面方向に振動することとなる、すなわち、閉塞壁の面内変位が対称となり、面外への変位をほぼ零とすることとなるので、生成される微粒流体の大きさを均一化することができる。
【００１５】
特に、吐出体を周方向に振動させることにより、振動における吐出体の変位速度を高速化することができるので、貫通孔から吐出された液体又は気体を吐出体から分離させやすく、しかも吐出体の所定の液体を送流させている配管中に配置した際に、この配管中の液体の流れを乱すことなく吐出体から液体又は気体を吐出させることができるので、生成される微粒流体の大きさをより均一化することができる。
【００１６】
吐出体を周方向に振動させる振動手段には、ランジュバン型のねじり振動子を用いることができる。
【００１７】
ねじり振動子では、分極方向を周方向とした圧電セラミックス板を用いているが、分極方向が完全な円形の周方向となっている圧電セラミックス板を形成することは不可能である。そこで、実際には、図１に示すように、例えば８分の１円弧を有する所定厚みの円弧状圧電セラミックス板10を形成して、この円弧状圧電セラミックス板10の分極方向を１つの接線方向に向け、図２に示すように、この円弧状圧電セラミックス板10を８個並べて円形状とすることにより、円形に近い略八角形状の分極方向を有した集合体を形成して、圧電セラミックス板20としている。圧電セラミックス板20は、８分の１円弧を有する円弧状圧電セラミックス板10を用いる場合だけでなく、６分の１円弧を有する円弧状圧電セラミックス板や、１０分の１円弧を有する円弧状圧電セラミックス板や、１６分の１円弧を有する円弧状圧電セラミックス板などを用いて適宜形成してよい。
【００１８】
このように形成した２つの圧電セラミックス板20を、分極方向を互いに逆方向として接合することにより接合体を形成し、図３（ａ）に示すように、この接合体の両側に第１金属体21と第２金属体22を配置して、接合体を介しながら第１金属体21と第２金属体22とをボルト締めにより一体的に連結してランジュバン型のねじり振動子を構成している。
【００１９】
このねじり振動子の各圧電セラミックス板20に所定の電圧を印加することにより、ねじり振動子の両端には、図３（ｂ）に示すように、周方向の変位があらわれる。したがって、各圧電セラミックス板20に所定のタイミングで所定の電圧を断続的に印加することによって、ねじり振動子にねじり振動を生じさせることができる。
【００２０】
そして、第１金属体21と第２金属体22のいずれか一方を吐出体とすることにより、吐出体を周方向に振動可能としている。なお、吐出体を周方向に振動させることができれば、圧電セラミックス板20は必ずしもリング状に限定されるものではなく、所要の形状としてよい。また、液体又は気体を吐出する貫通孔部分の吐出体をねじり振動させることができれば、圧電セラミックス板20はどこに配置してもよい。
【００２１】
具体的には、図４の概略端面図に示すように、吐出器30は、液体を吐出する吐出用貫通孔36が設けられた吐出体31と、この吐出体31を周方向に振動させる振動手段であるリング状の第１圧電セラミックス板41及び第２圧電セラミックス板42と、この第1及び第２圧電セラミックス板41,42をボルト締めするためのナット32とを備えている。ここで、吐出体31が前述した第１金属体21であり、ナット32が前述した第２金属体22である。図示しないが、第1及び第２圧電セラミックス板41,42には適宜の配線を接続して、所定の電圧を印加可能としている。本実施形態では、吐出体31及びナット32は金属製であって、特にステンレス製としている。
【００２２】
吐出体31は、円筒状の周面壁31aと、この周面壁31aの一方の端部を閉塞する閉塞壁31bとを備えている。また、周面壁31aには、閉塞壁31bとは反対側の端部に、ナット32を螺着可能とした連結軸33を装着しており、この連結軸33を介して周面壁31aとナット32とにより第１及び第２圧電セラミックス板41,42をボルト締めしている。
【００２３】
本実施形態では、連結軸33は、周面壁31aの内周面に内接する円筒体であって、外周面に雄ネジ（図示せず）を形成して、周面壁31aの内周面に設けた雌ネジ（図示せず）に螺着可能としている。円筒状とした連結軸33の中空部は、後述するように、吐出器30から吐出される液体を供給するための供給配管50を挿通させる挿通孔としている。
【００２４】
連結軸33は、リング状となっている第１及び第２圧電セラミックス板41,42の中空部に挿通し、ナット32が螺着されることにより、吐出体31の周面壁31aとナット32とによって第１及び第２圧電セラミックス板41,42を挟持固定し、ランジュバン型のねじり振動子を構成している。
【００２５】
なお、ねじり振動子では、吐出体31と第１圧電セラミックス板41の接合面、及び第２圧電セラミックス板42ナット32との接合面に、振動応力として剪断応力が生じるため、ナット32による締め付け力を調整することにより、これらの接合面において、この剪断応力に十分耐え得る大きさの締め付けによる静的接触応力を生じさせておくことが望ましい。
【００２６】
吐出体31は、図３（ｂ）に示したように、第１及び第２圧電セラミックス板41,42からの距離に応じて周方向の変位量が異なっており、変位量がほぼ零となる振動の節の部分に、周面壁31aの外側方に向けて突出させたフランジ34を設けている。このフランジ34は、吐出器30の取り付け部となっており、このフランジ34を介して吐出器30を所定位置に取り付けることによって、吐出体31に生じた周方向の振動が阻害されることを防止している。
【００２７】
さらに、吐出体31には、フランジ34の配設部分の内側に、供給配管50の端部を装着する配管連結部35を設けている。
【００２８】
配管連結部35は、周面壁31aの中空部を横断させて設けた内壁35aと、この内壁35aの略中央部分に設けた貫通孔35bと、この貫通孔35bに連通させて内壁35aの連結軸33側の側面に突設した円筒状のガイド筒体35cを備えており、ガイド筒体35cが供給配管50の先端に挿入されることによって、ガイド筒体35cを介して供給配管50を内壁35aに装着している。内壁35aと、閉塞壁31bと、周面壁31aとで囲まれた空間は、吐出用貫通孔36から吐出させる液体または気体を貯留する貯留空間となっている。
【００２９】
閉塞壁31bは、本実施形態では、所定位置に吐出用貫通孔36を設けた円形の板体としており、内周面に閉塞壁31bと係合する係合爪37aを突設した円筒状の閉塞壁ホルダ37を介して周面壁31aに装着している。
【００３０】
閉塞壁ホルダ37には、周面壁31aへの装着側の内周面に雌ネジ（図示せず）を設けており、周面壁31aの外周面に設けた雄ネジ（図示せず）に螺着可能としている。図４中、38はＯリングである。
【００３１】
特に、閉塞壁31bには、図５に示すように、円形の閉塞壁31bにおける所定半径の円周上に吐出用貫通孔36を複数設けている。
【００３２】
吐出用貫通孔36が配置される仮想上の円周39は、その中心を周方向に振動する周面壁31aの振動の中心軸に一致させており、周面壁31aが周方向に振動することにより閉塞壁31bをねじり振動させて、各吐出用貫通孔36を同じ速度で振動させている。したがって、各吐出用貫通孔36から吐出された液体または気体には、周面壁31aの振動にともなう閉塞壁31bのねじり振動によってそれぞれ同様に剪断の作用を生じさせることができ、バラツキの極めて少ない均一な微粒流体を生成できる。
【００３３】
閉塞壁31bに形成する吐出用貫通孔36は、図５に示す四角形に限定するものではなく、丸形や三角形であってもよいし、それ以外の形状であってもよい。また、吐出用貫通孔36は、外方に向けて孔径を漸次大きくした拡開状に形成してもよい。なお、吐出用貫通孔36は、吐出用貫通孔36ごとで誤差が生じないように形成することが望ましく、均一な吐出用貫通孔36を形成できる形成手段を用いて形成することが望ましい。閉塞壁31bに複数の吐出用貫通孔36を配設する場合には、各吐出用貫通孔36間の間隔寸法がそれぞれ等しくなるように配設することが望ましい。
【００３４】
このように形成した吐出器30は、閉塞壁31bを下方に向けて配置して、連結軸33の中空部を通して配管連結部35のガイド筒体35cに連結した供給配管50から供給された液体または気体を吐出用貫通孔36から下方に向けて吐出させ、所望の大きさの微粒流体を形成することができる。なお、供給配管50には図示しない送給ポンプを連通連結しており、この送給ポンプによって所定の圧力で液体を送給している。
【００３５】
吐出器30は、吐出器30から吐出された液体とは混ざり合わない液体を貯留した貯留槽に吐出用貫通孔36を浸漬させておくことにより、吐出器30から液体を断続的に吐出させて、微粒流体を連続的に形成することができる。同様に、吐出器30から気体を断続的に吐出させて、微粒流体を連続的に形成することができる。
【００３６】
あるいは、図６の概略端面図に示すように、吐出器30から吐出された液体とは混ざり合わない液体を送流させている第１配管60に吐出器30を装着し、この吐出器30に第２配管である供給配管50から所要の液体を随時送給して、微粒流体を連続的に形成する微粒流体生成装置とすることもできる。
【００３７】
ここで、第１配管60には、本実施形態では、吐出器30を装着するためにＬ字状に屈曲させた屈曲部61を設けており、屈曲部61の上流側に位置する上流側配管60uを、屈曲部61の下流側である下流側配管60dに略直角状に接続している。
【００３８】
この屈曲部61には、下流側配管60dの長手方向に沿って円筒状の装着ガイド62を設けており、この装着ガイド62の基端部分には、円筒状の装着ガイド62の内周面に沿って突出させたリング状の係合片63を設けている。
【００３９】
さらに、装着ガイド62の内周面には雌ネジ（図示せず）を設けており、この雌ネジと螺合する雄ネジ（図示せず）を形成した円筒状の固定ネジ64を螺着可能としている。この固定ネジ64の先端には、円筒状の固定ネジ64の内側に向けて突出させたリング状の突出片65を設けている。
【００４０】
吐出器30は、閉塞壁31bを装着ガイド62部分から第１配管60の下流側配管60dに挿入して、吐出器30の周面壁31aに設けられたフランジ34を装着ガイド62の係合片63に係合させ、装着ガイド62に固定ネジ64を螺着させて、固定ネジ64の突出片65をフランジ34に当接させるとともに、固定ネジ64の突出片65と装着ガイド62の係合片63とで吐出器30のフランジ34を挟持固定することにより、吐出器30を第１配管60に固定装着可能としている。
【００４１】
第２配管である供給配管50は、連結軸33の中空部を通して配管連結部35のガイド筒体35cに連結して吐出器30に所要の液体を供給し、吐出器30から第１配管60内の液体（以下、「第１の液体」と呼ぶ。）中に、供給配管50から供給された液体（以下、「第２の液体」と呼ぶ。）を吐出可能としている。図示していないが、第１配管60及び供給配管50には、それぞれ所要の送給ポンプを連通連結して、第１の液体及び第２の液体を所定の流量でそれぞれ送給可能としている。
【００４２】
吐出器30は、吐出体31を第１配管60の下流側配管60dと同軸状に配置したことによって、吐出器30から吐出される第２の液体に作用する第１液体の影響を各吐出用貫通孔36でほぼ同一とすることができ、形成される微粒流体の大きさにバラツキが生じることを抑制できる。また、吐出体31から第２の液体を吐出するのではなく、気体を吐出させることにより、均一な大きさの気泡である微粒流体を生成することができる。
【００４３】
さらに、第１配管60には、吐出体31の下流側の内径を、吐出体31部分の内径よりも小さくした縮径部66を設けておくことにより、吐出体31の下流側において吐出体31が存在しなくなることにより第１の液体に圧力の低い領域が局部的に形成されることを抑制できる。したがって、吐出体31の周囲における第１の液体の圧力をほぼ一定とすることができるので、吐出用貫通孔36から第１の液体中に吐出される第２の液体または気体の吐出量にバラツキが生じることを抑制でき、より均一な微粒流体を生成可能とすることができる。
【００４４】
このように、吐出器30の吐出体31を第１配管60に挿入して、第１配管60内に吐出用貫通孔36を配置する場合には、吐出用貫通孔36を吐出体31の閉塞壁31bに設けるだけでなく、周面壁31aに設けてもよい。特に、周面壁31aに吐出用貫通孔36を設ける場合には、各吐出用貫通孔36は、第１圧電セラミックス板41と第２圧電セラミックス板42との接合面から略等しい距離に設けることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】円弧状圧電セラミックス板の説明図である。
【図２】圧電セラミックス板の説明図である。
【図３】（ａ）ランジュバン型のねじり振動子の説明図、（ｂ）ランジュバン型のねじり振動子の振動状態の説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る吐出器の概略端面図である。
【図５】閉塞壁に設けた吐出用貫通孔の説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係る微粒流体生成装置の概略端面図である。
【図７】従来の液滴生成装置の概略端面図である。
【符号の説明】
【００４６】
30  吐出器
31  吐出体
31a 周面壁
31b 閉塞壁
32  ナット
33  連結軸
34  フランジ
35  配管連結部
35a 内壁
35b 貫通孔
35c ガイド筒体
36  吐出用貫通孔
37  閉塞壁ホルダ
37a 係合爪
38  Ｏリング
41  第１圧電セラミックス板
42  第２圧電セラミックス板
50  供給配管
60  第１配管
60u 上流側配管
60d 下流側配管
61  屈曲部
62  装着ガイド
63  係合片
64  固定ネジ
65  突出片
66  縮径部
【図１】
2008246278.tif 000003
【図２】
2008246278.tif 000004
【図３】
2008246278.tif 000005
【図４】
2008246278.tif 000006
【図５】
2008246278.tif 000007
【図６】
2008246278.tif 000008
【図７】
2008246278.tif 000009