Name: 市販インクジェットプリンターにおける液滴のエンジニアリングとその形成 (The Engineering of Droplets and their Formation in a Commercial Inkjet Printer)
Uploaded: 2026-03-29T07:14:01.000Z
Duration: 5 min 52 s
Description: VoiceTubeの動画で発音を聞きながら英語表現を覚えよう！学べる英語：

These toys dazzle with a color, and the patterns formed.

これらの玩具は、色と形成される模様で人々を魅了します。

To create their beautiful displays, all rely on the formation of droplets.

美しいディスプレイを作り出すために、すべてが液滴の形成に依存しています。

Droplets, especially controlling the size of droplets, is of enormous technological importance: the mist from an asthma inhaler, the paint sprayed on cars, or the fuel entering the cylinder of a car's engine.

液滴、特に液滴のサイズを制御することは、喘息吸入器からのミスト、車にスプレーされる塗料、または車のエンジンのシリンダーに入る燃料など、計り知れない技術的重要性を持っています。

To understand how engineers control drop size, let's start with this toy, which shows the essentials of drop formation.

エンジニアが液滴のサイズをどのように制御するかを理解するために、液滴形成の要点をいくつか示すこのおもちゃから始めましょう。

In it, a narrow stream of liquid called a jet flows from the opening, and

その中で、ジェットと呼ばれる細い液体の流れが開口部から流れ出し、

it becomes circular as it flows toward the bottom of the toy.

おもちゃの底に向かって流れるにつれて円形になります。

As you can see here, the droplets are typically the same size.

ここで見られるように、液滴は通常同じサイズです。

This toy motivates the key scientific question: why does a droplet form at all?

このおもちゃは、「なぜ液滴はそもそも形成されるのか？」という科学的な問いのきっかけとなります。

Why doesn't a jet go on forever without breaking up?

ジェットは壊れずに永遠に流れ続けないのはなぜでしょうか？

To answer that question, I've put a small hole in this cup, and

その質問に答えるために、このカップに小さな穴を開けました。

we'll fill it with a 50/50 mixture by volume of water and glycerol dyed green.

そして、水とグリセリンを体積比50/50で混ぜ、緑色に着色したものを入れます。

Glycerol is highly viscous, meaning informally that it's a thick liquid, so it will slow the flow and the formation of drops.

グリセリンは粘性が高く、簡単に言うと濃い液体なので、流れと液滴の形成を遅くします。

滑らかなジェットが出てくるのがわかります。

as it travels further from the cup, the stream gets fuzzy, which you can see better in close-up.

しかし、カップからさらに離れるにつれて、流れはぼやけてきます。これはクローズアップで見るとよりよくわかります。

これをスローにして何が起こるか見てみましょう。

You see the smooth jet at the top, then as the stream descends, droplets forming the fuzziness earlier.

上部では滑らかなジェットが見え、流れが下降するにつれて、液滴が早くもぼやけを生じさせています。

Notice that just as the liquid exits, it forms a uniform cylinder, but

液体が出た直後、均一な円筒を形成していることに注目してください。

as it descends, the cylinder's sides wobble, which increases in intensity so that bulges form and disappear until this instability, this wobble, slices the jet into drops.

しかし、下降するにつれて円筒の側面が揺らぎ、その強さが増すにつれて、膨らみが形成されては消え、この不安定性、この揺らぎがジェットを液滴に切り裂くまで続きます。

The instability is caused by a liquid's tendency to minimize its surface area, a tendency toward the most thermodynamically stable state.

この不安定性は、液体が表面積を最小限に抑えようとする傾向、つまり最も熱力学的に安定な状態に向かおうとする傾向によって引き起こされます。

For this jetting liquid, that would be a sphere rather than a cylinder.

この噴出する液体にとって、それは円筒ではなく球体ということになります。

The surface area-to-volume ratio of a sphere is double that of an optimized cylinder with the same radius.

球体の表面積対体積比は、同じ半径の最適化された円筒の2倍になります。

不安定性はすぐに形成されます。

カップから出る液体を見てみましょう。

I said it was uniform, but you can now see that the wobbling begins soon after exiting.

均一だと言いましたが、出た直後から揺らぎが始まるのがわかりますね。

The flickering is that wobble, seen better if I zoom in and add guidelines.

このちらつきは、その揺らぎのことです。ズームインしてガイドラインを追加すると、よりよく見えます。

Why, though, doesn't the cylindrical jet immediately become a sphere?

では、なぜ円筒形のジェットはすぐに球体にならないのでしょうか？

That's because the minimization of the surface area competes with another tendency: inertia.

それは、表面積の最小化が、もう一つの傾向、つまり慣性と競合するからです。

To see that, look at one of the bulges that forms and disappears.

それを見るために、形成されては消える膨らみの一つを見てみましょう。

These are, of course, failed attempts by the liquid to form a sphere.

これらはもちろん、液体が球体を形成しようとして失敗した試みです。

Notice what must happen for a sphere, a droplet, to form.

球体、つまり液滴が形成されるために何が起こらなければならないかに注目してください。

Some liquid must travel in the opposite direction of the stream's flow.

いくらかの液体が、ジェットの流れとは反対方向に移動しなければなりません。

But this flow is opposed by inertia, as defined by Newton's first law.

しかし、この流れはニュートンの第一法則で定義される慣性によって妨げられます。

静止している物体は静止し続け、

an object in motion stays in motion with the same speed and in the same direction unless acted on by an unbalanced force.

運動している物体は、不均衡な力が作用しない限り、同じ速さと方向で運動し続けます。

So the flowing liquid keeps moving downward, pulled by gravity, until the minimization of surface area forces some liquid to move up by creating these bulges.

そのため、流れている液体は重力によって下に引っ張られ続け、表面積の最小化がこれらの膨らみを作り出すことでいくらかの液体を上に移動させるまで、流れ続けます。

Upward flow occurs because at the ends of the bulge, where the stream is constricted, the pressure is higher than in the middle, so liquid flows toward the middle.

上向きの流れは、膨らみの端で、流れが狭くなっているところで、中央よりも圧力が高いので、液体が中央に向かって流れるために発生します。

Although these bulges are large here, recall that wobbling near the top.

これらの膨らみはここで大きいですが、上部付近のぐらつきを思い出してください。

Each wobble moves a bit of liquid up, increasing as the stream descends, until eventually, as we see at the bottom of the stream, the surface area wins and droplets form.

それぞれのぐらつきはいくらかの液体を上に移動させ、流れが下降するにつれて増加し、最終的には、流れの下部で見られるように、表面積が勝ち、液滴が形成されます。

The wobble observed at the top of the stream suggests how engineers can create precisely sized drops.

流れの上部で見られるぐらつきは、エンジニアが正確なサイズの液滴をどのように作成できるかを示唆しています。

To create a stream with uniform drops that appear immediately, we need to vibrate the stream at a frequency near that of the wobble.

すぐに現れる均一な液滴を持つ流れを作成するには、ぐらつきの周波数に近い周波数で流れを振動させる必要があります。

もう一度流れを見てみましょう。

Notice that the drops form near the bottom of the screen.

液滴が画面の下部付近で形成されることに注目してください。

カップの近くでは、液滴は形成されません。

But if I repeatedly tap the side of the cup, drops form soon after the stream exits the cup.

しかし、カップの側面を繰り返し叩くと、流れがカップから出た直後に液滴が形成されます。

Here's a clever engineering application of this method to produce drops.

ここでは、この方法を使って液滴を生成する巧妙な工学的応用例を紹介します。

It's the inkjet printers used to code packaging.

それは、パッケージのコーディングに使われるインクジェットプリンターです。

On the bottom of this almond can is a sell-by date.

このアーモンド缶の底には賞味期限が印字されています。

イブーフプロフェンの上には、使用期限があります。

Under the cap of the soda, a code used, perhaps in a contest.

ソーダのキャップの下には、おそらくコンテストに使われるコードがあります。

そしてこのクリーナーには、シリアル番号が印字されています。

These codes were printed by industrial-strength inkjet printers that throw ink up to an inch as products move by at speeds up to 2,000 feet per minute.

これらのコードは、毎分2,000フィートの速度で製品が通過する際に、最大1インチまでインクを噴射する産業用インクジェットプリンターで印刷されています。

These industrial printers, known as continuous inkjets or CIJs, create precision droplets using tapping to break a jet into droplets.

連続インクジェット（CIJ）として知られるこれらの産業用プリンターは、ジェットを液体滴に分割するためにタッピングを使用して精密な液体滴を作成します。

Ink from a reservoir is pumped through a nozzle.

インクはリザーバーからノズルを通してポンプで送られます。

The nozzle sprays a jet of ink onto a surface, a box, or a container.

ノズルは、表面、箱、または容器にインクのジェットを噴射します。

The jet's so powerful that the printer can print in any direction, from the top as I showed earlier, or horizontally as shown here.

ジェットは非常に強力なので、プリンターは先ほどお見せしたように上からでも、ここで示されているように水平方向でも、どの方向にも印刷できます。

The letters or images created are composed of dots of ink.

作成された文字や画像は、インクの点の集合体で構成されています。

To generate these droplets, an oscillator plate, a piezoelectric crystal, vibrates the nozzle.

これらの液体滴を生成するために、発振板である圧電結晶がノズルを振動させます。

This is akin to tapping the cup to break a jet into droplets.

これは、ジェットを液体滴に分割するためにカップを叩くようなものです。

I've shown the stream breaking into uniform droplets, but in practice, some small droplets called satellites also form.

均一な液体滴に分割されるジェットをお見せしましたが、実際にはサテライトと呼ばれる小さな液体滴も形成されます。

To select the right-sized droplets, the droplets are charged by electrodes and passed through high-voltage plates.

適切なサイズの液体滴を選択するために、液体滴は電極によって帯電され、高電圧プレートを通過します。

The larger droplets are more highly charged, so deflect more than the smaller droplets.

より大きな液体滴ほど帯電量が多く、小さな液体滴よりも大きく偏向します。

These satellites are collected and recycled into the ink supply.

これらのサテライトは回収され、インク供給にリサイクルされます。

液体滴は必要に応じて停止したり開始したりします。

And to create the letters, some printers move the nozzle, others change the voltage to redirect the stream, and

そして文字を作成するために、一部のプリンターはノズルを動かし、他のプリンターは電圧を変えてインクの流れをredirectし、

さらに一部のプリンターは複数のノズルを備えています。

These commercial inkjet printers are only one example of the technological importance of creating precisely sized droplets.

これらの市販のインクジェットプリンターは、精密なサイズの液体滴を作成することの技術的な重要性を示す一例にすぎません。

But it illustrates how old technological applications that use droplets rely on the minimization of surface area as the driving force to form a droplet.

しかし、これは液体滴を使用する古い技術的応用が、液体滴を形成するための駆動力として表面積の最小化にどのように依存しているかを示しています。

私はエンジニア・ガイのビル・ハマックです。