JP2004330104A - 超音波振動子、超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置 - Google Patents
超音波振動子、超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】超音波振動子において、無負荷状態の有無の検出が可能で、損傷や効率低下を防ぐことができるようにする。
【解決手段】超音波振動子３１は、圧電振動板３３の一方の対向主面に駆動電極３５を有し、他方の対向主面には駆動電極３７を有する。駆動電極３７は、圧電振動板３３の中央部の少なくとも一部を覆うように形成する。圧電振動板３３において駆動電極３７を形成した主面には、圧電振動板３３の中央部から偏心した領域に、駆動電極３７と絶縁した状態でセンサ電極３９を形成し、圧電振動板３３の超音波振動による振幅に応じたレベルのひずみ信号を検出できる。
【選択図】 図２
【解決手段】超音波振動子３１は、圧電振動板３３の一方の対向主面に駆動電極３５を有し、他方の対向主面には駆動電極３７を有する。駆動電極３７は、圧電振動板３３の中央部の少なくとも一部を覆うように形成する。圧電振動板３３において駆動電極３７を形成した主面には、圧電振動板３３の中央部から偏心した領域に、駆動電極３７と絶縁した状態でセンサ電極３９を形成し、圧電振動板３３の超音波振動による振幅に応じたレベルのひずみ信号を検出できる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波振動子、超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置に係り、例えば貯留水や貯留薬液などを霧化する超音波霧化装置に用いて好適する超音波振動子、超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波霧化装置は、図６に示すように、貯留槽１の下部に設けた底孔３に対し、圧電振動板５の対向主面に駆動電極７、９を形成した超音波振動子１１をパッキン１３を介して塞ぎ、高周波駆動信号を発振出力する駆動部１５を駆動電極７、９に接続してなる構成が知られている。なお、図６では駆動部１５と駆動電極７、９との接続は簡略化して示した。
【０００３】
このような超音波霧化装置では、駆動部１５から例えば１．６ＭＨｚの高周波駆動信号を駆動電極７、９間に印加すると、超音波振動子１１が超音波振動して貯留槽１内の例えば貯留水１７がその水面から霧（水微粒子）を発生させるから、別途発生させた気流によって所定の方向に霧を流下させて使用される。
この種の特許文献１として、例えば特開平５−２０８１５１号公報がある。
【０００４】
ところが、貯留水１７の水位が低下して空状態になると、超音波振動子１１がほぼ無負荷状態となって振動レベルが大きくなり、これに伴って圧電振動板５が自己発熱して圧電振動板５自体が損傷し易くなったり、また、この発熱により駆動部１５からのリードと駆動電極７、９との接続部の半田付け箇所の半田が溶融して接続が外れ易くなるため、これを防止するために水位検出機構を備えることが多い。
【０００５】
水位検出機構には、従来から種々の構成が提案されているが、例えば図６に示すように、貯留槽１の内壁途中に検出電極１９を配置して検出部２１に接続し、貯留水１７を介して駆動電極７と検出電極１９間に高周波駆動信号の一部（以下、微少電流と称す。）を流し、検出部２１にてその微少電流から駆動電極７と検出電極１９間のインピーダンスを算出し、そのインピーダンスが所定値を超えたとき駆動部１５の発振動作を停止する構成がある。特許文献１もこの種の構成である。
【０００６】
この微少電流検出方式の構成では、貯留水１７の水位が検出電極１９より低下すると、駆動電極７と検出電極１９との間のインピーダンスが無限大となり、検出部２１によって駆動部１５の発振動作を停止させるので、空振動による超音波振動子１１の損傷を防ぐことが可能である。
【０００７】
他方、図示はしないが、フロート方式といわれるように、貯留槽の内壁所定位置にリードスイッチを配置し、このリードスイッチ近傍にてマグネット内蔵のフロートを貯留水に浮かべ、そのリードスイッチ近傍よりフロートが低下変位したときリードスイッチをオフにさせて発振動作を停止させるようにした構成もある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−２０８１５１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波霧化装置において、微少電流検出方式を採用した場合、検出電極１９の下端部を貯留槽１の底面に一致させるようにそれを形成し、貯留水１７を使い切ったとき駆動部１５の発振が停止するよう構成すると、貯留槽１内に貯留水１７が残存しないため、そのまま放置しても貯留水１７中に細菌が繁殖するおそれはないが、貯留槽１の底面に僅かに水滴などが残存すると、この水滴などを介して駆動電極７と検出電極１９間に微少電流が流れ続けてインピーダンスがあまり上昇せず、霧化すべき貯留水１７がないにも拘わらず超音波振動子１１が無負荷状態で振動し続け、上述した不具合を招くおそれがある。
【００１０】
また、超音波霧化装置を長期間使用すると、駆動電極７や検出電極１９の表面が汚れて絶縁皮膜が形成され易く、貯留槽１に貯留水１７が十分に残存しているにも拘わらず、駆動電極７や検出電極１９間に微少電流が流れ難くなってその間のインピーダンスが上昇し、超音波振動子１１の振動が停止する心配もある。
【００１１】
また、フロート方式の構成では、貯留水に浮かべたフロートの変位によってその低下を検出するから、外部からの振動衝撃によってフロートが変位して誤動作を引き起こす可能性があるうえ、貯留水がある程度溜まっていないと動作し難いから、動作範囲が限定されて貯留水を使い切る使用には向かない。
【００１２】
そこで、本発明者は、超音波霧化装置の構成および超音波振動子１１の動作について種々の検討・実験を行った結果、貯留水１７がなくなって超音波振動子１１が無負荷状態となると、超音波振動子１１の振幅が大きくなり、これに起因して発生する超音波振動子１１のひずみ信号も大きくなる点に着目し、本発明を完成させた。
【００１３】
本発明はそのような課題を解決するためになされたもので、無負荷状態か否かの検出が可能で、無負荷状態での駆動による損傷を避けることが可能な超音波振動子の提供を目的とする。
【００１４】
また、本発明は、超音波振動子の無負荷状態の検出が可能で、無負荷状態が検出されるとその超音波振動子の駆動を停止し、その損傷を防ぐことも可能な超音波振動子の制御装置の提供を目的とする。
【００１５】
さらに、本発明は、貯留槽に溜めた貯留液体を使い切ることが可能で、しかも、貯留液体を使い切った後の超音波振動子の空振動による損傷を防ぐことも容易な超音波霧化装置の提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
そのような課題を解決するために本発明の超音波振動子は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極が形成され、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動する超音波振動子において、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極が、一方の主面にその駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成されて構成されている。
【００１７】
本発明の超音波振動子は、上記圧電振動板の中央部の少なくとも一部を覆うよう上記駆動電極を形成し、その圧電振動板の中央部から偏心した領域に上記センサ電極を形成するよう構成することも可能である。
【００１８】
本発明に係る超音波振動子の制御装置は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極が形成され、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動する超音波振動子であって、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極が、一方の主面においてその駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成された超音波振動子と、その高周波駆動信号を発振して駆動電極側に供給する高周波発振部と、そのセンサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、そのひずみ信号レベルが基準値を超えたと上記ひずみ信号判定部が判定したとき、その高周波発振部から高周波駆動信号の駆動電極への出力を停止制御する制御部とを具備して構成されている。
【００１９】
本発明の超音波振動子の制御装置では、上記高周波駆動信号の出力を停止制御させたとき、所定の期間経過後、上記高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう上記制御部を形成する構成も可能である。
【００２０】
本発明の超音波振動子の制御装置では、上記高周波駆動信号の駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、その再出力制御を停止するようその高周波発振部を制御する機能を有するよう上記制御部を形成する構成も可能である。
【００２１】
本発明の超音波霧化装置は、霧化用液体を貯留する貯留槽と、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極が形成され、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動し、貯留されたその霧化用液体に超音波振動を与えて霧を生じさせるよう前記貯留槽に配置された超音波振動子であって、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極が、一方の主面にて駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成された超音波振動子と、その高周波駆動信号を発振して駆動電極側に供給する高周波発振部と、そのセンサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、そのひずみ信号レベルが前記基準値を超えたとひずみ信号判定部が判定したとき、その高周波発振部から高周波駆動信号のその駆動電極への出力を停止制御する制御部とを備えた構成である。
【００２２】
この超音波霧化装置において、上記高周波駆動信号の出力を停止制御をさせたとき、所定の期間経過後、上記高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう上記制御部を形成する構成も可能である。
【００２３】
この超音波霧化装置において、上記高周波駆動信号の駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、その再出力制御を停止するよう上記高周波発振部を制御するよう上記制御部を形成する構成も可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波振動子と、この超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、超音波振動子は超音波振動子の制御装置又は超音波霧化装置を説明する過程で説明する。
【００２５】
図１は本発明に係る超音波振動子の制御装置の実施の形態を超音波霧化装置とともに示す概略図である。
【００２６】
図１において、貯留槽２３は、例えば合成樹脂や金属材料からなり、下部には底孔２５が貫通形成されており、図示しない装置ケースに適当な支持手段を介して支持されている。図中符号２７は貯留液体としての貯留水である。
【００２７】
貯留槽２３にあって底孔２５を形成する部分には、その下部外側に向けて広がる段部２５ａを有しており、この段部２５ａには超音波振動子３１が弾性パッキン２９を介し嵌められ、貯留水２７が漏れないように底孔２５を密封するように塞がれている。
【００２８】
超音波振動子３１は、図２および図３に示すように、公知の圧電材料を分極してなり例えば厚み振動モードで振動する円盤状の圧電振動板３３と、この圧電振動板３３の対向主面に形成された例えば銀やニッケル材料からなる駆動電極３５、３７と、これらと同材料からなるセンサ電極３９を有して形成されている。
【００２９】
一方の駆動電極３５は、圧電振動板３３の片主面（図２中上側）のほぼ全面又は僅かに小径に形成されており、また、本実施の形態にあっては、駆動電極３５の保護の目的で保護部材（図３では図示省略。）４１で表面が覆われている。
【００３０】
なお、保護部材４１として、例えばステンレス鋼やチタンなどの金属薄板の接合によるものや、メッキによる金属保護膜の他、樹脂を薄くコーティングしたものであってもよい。
【００３１】
また、駆動電極３５から接続リード３５ａが圧電振動板３３の他方の片主面（図２中下側）の端部まで延びている。接続リード３５ａに代えて、銀やニッケルなどの引廻し電極を用いることもできる。なお、便宜上、駆動電極３５は保護部材４１を含めて扱う。
【００３２】
他方の駆動電極３７は、図３Ｂに示すように、圧電振動板３３の他方の片主面（図２中下側）に形成されるとともに、圧電振動板３３すなわち駆動電極３５と同心円状にして若干小径に形成されており、駆動電極３７と圧電振動板３３の端部の間には接続リード３５ａの先端が位置している（図３では図示省略。）。
【００３３】
圧電振動板３３において、駆動電極３７の形成された下側片主面には、図３Ｂに示すように、その中央部すなわち駆動電極３７の中央部を外した位置に、例えばＣ字状のセンサ電極３９が駆動電極３７の中央部を囲むように、かつそれと僅かな間隔を置いて電気的に絶縁された状態で形成されている。
【００３４】
このセンサ電極３９は、圧電振動板３３の振幅レベル（強さ）に対応したレベルのひずみ信号（電圧）を検出するものである。
【００３５】
弾性パッキン２９は、シリコンゴムなど弾性材料から横断面コ字状にしてリング状に形成されており、圧電振動板３３すなわち超音波振動子３１の周縁部を挟持した状態で貯留槽２３の段部２５ａにはめられ、適当な手段によって底孔２５を密封している。
【００３６】
図１に戻って、電源部４３は、図４Ａの破線で示すように、例えば５０Ｈｚの商用電源であり、高周波駆動信号を生成する電力と後述する基準信号を出力するものであり、高周波発振部４５および制御部４７に接続されている。
【００３７】
なお、本実施の形態においては、５０Ｈｚの商用周波信号を後述する基準信号として用いており、電源部４３は基準信号出力部としても機能している。
【００３８】
高周波発振部４５は、電源部４３からの５０Ｈｚ信号を包絡線とした例えば１．６ＭＨｚの高周波駆動信号を得るもので、超音波振動子３１の駆動電極３５、３７に接続され、これを超音波振動させる機能を有している。なお、図１において駆動電極３５、３７との接続状態の図示は簡略化した。
【００３９】
すなわち、高周波発振部４５は、図４Ａの実線で示すように、５０Ｈｚ信号（同図中の破線）を包絡線とした１．６ＭＨｚの高周波駆動信号を出力するものである。
【００４０】
高周波発振部４５は、後述するように、制御部４７からのＯＮ指令信号によって上述した高周波駆動信号を発振出力する一方、制御部４７からのＯＦＦ指令信号によってその発振動作を停止する機能を有するが、詳細は後述する。
【００４１】
超音波振動子３１のセンサ電極３９が接続されたひずみ信号判定部４９は、図４Ｂに示すように、超音波振動子３１の振動動作によってセンサ電極３９で検出されたひずみ信号（電圧）の大きさに基づき、この検出レベルと予め設定された基準値とを比較判定し、検出レベルが基準値を超えたとき検出信号を出力するもので、制御部４７に接続されている。
【００４２】
制御部４７は、通常はＯＮ指令信号を出力し、ひずみ信号判定部４９からの検出信号が入力されたときＯＦＦ指令信号を出力するもので、ＯＦＦ指令信号が出力された後は５０Ｈｚの基準信号に基づき、次に到来するゼロクロス点（０Ｖ点）までＯＦＦ指令信号の出力を継続してから次のゼロクロス点に同期してＯＮ指令信号を出力するもので、高周波発振部４５に接続されている。
【００４３】
また、制御部４７は、ひずみ信号判定部４９からの検出信号の入力時から次のゼロクロス点までの期間継続するＯＦＦ指令信号を繰り返し出力するとともに、ＯＦＦ指令信号からＯＮ指令信号への変化回数をカウントし、予め設定した回数、例えば５回カンントしてカントアップしたら、以降、ひずみ信号判定部４９からの検出信号の有無にかかわらずＯＦＦ指令信号の出力を継続する機能を有している。
【００４４】
そのため、高周波駆動信号によって駆動された超音波振動子３１のセンサ電極３９で検出されたひずみ信号レベルは、図４Ｂの実線で示すように、５０Ｈｚの商用電源レベルに同期した基準信号レベルの変化に伴って変化するとともに、ひずみ信号レベルが基準値を超えて大きくなったとき、超音波振動子３１の駆動停止によってひずみ信号も検出されなくなる。
【００４５】
しかも、基準信号にあって次にゼロクロス点が到来すると、超音波振動子３１が再び駆動されてひずみ信号が検出されるが、ひずみ信号レベルが基準値を超えると超音波振動子３１の駆動が停止され、貯留槽２３に貯留水２７が供給され、超音波振動子３１の振幅が小さくなって、ひずみ信号レベルが基準値よりも小さくならない限り、以降これが間欠的に繰り返され、ＯＦＦ指令信号からＯＮ指令信号への変化回数が設定回数に達すると動作が停止される。
【００４６】
上述した説明において、本発明に係る超音波振動子３１を用いて電源部４３、高周波発振部４５、制御部４７およびひずみ信号判定部４９を有して本発明に係る超音波振動子の制御装置が、更に、貯留槽２３を加えて本発明に係る超音波霧化装置が形成されている。
【００４７】
次に、このような構成による本発明の超音波霧化装置の動作を簡単に説明する。なお、超音波振動子およびこの制御装置の動作もその中で説明される。
【００４８】
貯留槽２３に十分な貯留水２７が貯留された状態で電源が投入されると、高周波発振部４５が制御部４７からのＯＮ指令信号および電源部４３からの５０Ｈｚの基準信号に基づき、１．６ＭＨｚの高周波駆動信号を発振するから、超音波振動子３１の駆動電極３５、３７間にその高周波駆動信号が印加されて超音波振動子３１が超音波振動する。
【００４９】
これによって、貯留水２７が振動して貯留水２７の液面から霧が発生され、この霧を別途発生させた気流によって所定の方向に流下させて使用する。
【００５０】
この状態では、超音波振動子３１の駆動電極３５、３７間に、図４Ａに示すように、５０Ｈｚの基準信号を包絡として１．６ＭＨｚの高周波駆動信号が印加され、超音波振動子３１のセンサ電極３９には、例えば同図Ｂのようなひずみ信号が検出されるが、貯留水２７が十分にあり、超音波振動子３１は、有負荷状態にあるため、ひずみ信号はあまり大きい検出レベルではない。
【００５１】
センサ電極３９の接続されたひずみ信号判定部４９では、センサ電極３９で検出されたひずみ信号レベルが基準値と比較され、検出レベルが小さくて基準値を越えないと、検出信号が制御部４５へ出力されないので制御部４５からもＯＮ指令信号の出力状態が継続され、高周波発振部４５から高周波駆動信号が連続して超音波振動子３１へ印加され続ける。
【００５２】
そして、霧の発生によって貯留水２７が消費されて僅かとなったり又は皆無に近くなると、超音波振動子３１への負荷が低下してほぼ無負荷状態となって超音波振動子３１の振幅が大きくなるため、図４Ｂのように、途中からセンサ電極３９で検出されるひずみ信号レベルが増大して行く。
【００５３】
センサ電極３９で検出されたひずみ信号レベルが基準値を越えると、ひずみ信号判定部４９から検出信号が駆動部４３へ出力される。
【００５４】
そのため、制御部４５は、図４Ｃに示すように、その検出信号に基づきＯＦＦ指令信号を高周波発振部４５へ出力し、高周波発振部４５はその発振動作を停止するから超音波振動子１１の駆動動作も停止される。
【００５５】
制御部４７は、基準信号を監視し、ＯＦＦ指令信号の出力後に到来する基準信号のゼロクロス点までＯＦＦ指令信号の出力を継続するとともに、到来したゼロクロス点に同期してＯＦＦ指令信号の出力を停止してＯＮ指令信号に切換えるから、高周波発振部４５の発振動作が再開されて超音波振動子３１も駆動開始される。
【００５６】
しかし、センサ電極３９で検出されたひずみ信号レベルが、基準信号レベルの増加に伴って直ぐに基準値を越えて大きくなるから、多少の期間ＯＮ指令信号が出力された後、ひずみ信号判定部４９からの検出信号に基づき制御部４７からＯＦＦ指令信号が出力されて次のゼロクロス点まで継続出力された後、ＯＮ指令信号に切換わり、高周波発振部４５の発振動作が再度開始する。以降、この動作が繰り返される。
【００５７】
そして、制御部４５は、そのＯＦＦ指令信号からＯＮ指令信号への切換わり回数をカウントし、予め設定したカウント数をカウントすると、ゼロクロス点の到来にかかわらずＯＦＦ指令信号を出力し続け、例えば、装置の電源が切られたり、装置を初期状態に戻す操作がなされるまで継続する。
【００５８】
従って、制御部４９で設定する基準値を、貯留水２７の残留が僅かとなったり又はほぼ皆無状態となった場合に検出されるひずみ信号レベル相当値としておけば、貯留水２７の残りがほぼ皆無状態又はこれに近くなると、間欠的に超音波振動子３１が駆動されるとともに、その間欠駆動数が所定のカウント数に達したとき、超音波振動子３１の駆動が自動的に停止制御される。
【００５９】
そのため、貯留槽２３内に残った貯留水２７を使い切ることが可能となるうえ、超音波振動子３１が無負荷状態となっても所定の間欠駆動数を経て短期間に速やかに停止制御されるから、超音波振動子３１が無負荷状態で長期間駆動されることがなく、圧電振動板３３が自己発熱して圧電振動板３３自体が損傷したり、リードと駆動電極３５、３７との接続が外れて動作停止したりする不都合を回避できる。
【００６０】
特に、霧化する液体が薬液の場合、これがなくなるまで霧化させることが可能で、なくなった時点で振動を停止できるから、必要量の投薬完了の有無を管理できるので、ネブライザなどの医療用吸入器に応用して好適する。
【００６１】
しかも、超音波振動子３１自体を貯留水２７の液位検出センサとして機能させることが可能で、従来例のように、微少電流を流すための検出電極１９が不要であるうえ微少電流を流す構成も不要となり、構成が簡素化される。
【００６２】
さらに、上述した超音波振動子３１は、センサ電極３９と同じ主面に形成した駆動電極３７が、超音波振動に一番寄与する圧電振動板３３の中央部に形成されているため、効率の良い超音波振動が得られ、また、センサ電極３９も駆動電極３７の中央部を外した位置にＣ字状に駆動電極３７の中央部を囲むように形成されているから、ひずみ信号の検出も確実である。
【００６３】
上述したセンサ電極３９は、図５Ａに示すように、圧電振動板３３の中央部近傍からその縁部まで導出する外部導出電極３９ａを形成することも可能であるし、その形状もＣ字状に限定されず、同図５Ｂに示すように、圧電振動板３３すなわち駆動電極３７の中央部に半分程度重なるような半円状の電極形状であっても良い。
【００６４】
要は、超音波振動子３１を出来る限り効率よく振動させ、かつ、確実にひずみ信号の検出が可能な位置が好ましく、圧電振動板３３の中央部の少なくとも一部を覆うように駆動電極３７を形成するとともに、圧電振動板３３の中央部にできる限り近い領域にセンサ電極３９を形成すると良い。もっとも、センサ電極３９は、ひずみ信号の確実な検出の観点から、圧電振動板３３の縁部近傍よりも圧電振動板３３の中央部に寄せた位置が好ましい。
【００６５】
ひずみ信号の検出を最優先にする場合には、図５Ｃに示すように、圧電振動板３３の中央部にセンサ電極３９を形成すれば良い。また、図５Ｄに示すように、駆動電極３５から引廻し電極３５ｂを圧電振動板３３の他方の片主面（図２中下側）の端部まで伸ばす構成としてもよい。
【００６６】
上述した本発明に係る超音波振動子の制御装置および超音波霧化装置では、５０Ｈｚの商用周波数信号を包絡線とした高周波駆動信号を超音波振動子３１に印加してそれを駆動し、超音波振動子３１のセンサ電極３９で検出されるひずみ信号もそれに同期して出力される構成としたが、本発明ではそれに限定されない。
【００６７】
例えば、電源部４３として、商用電源周波数に限らず任意の低周波信号を用いることが可能である。
【００６８】
また、電源部４３として、直流電源を用いることも可能であり、この場合、上述した５０Ｈｚの商用周波数信号に代える基準信号として、所定の周波数パルス信号を発生させる必要がある。
【００６９】
この場合、パルス信号発生部を形成し、所定の周波数のパルス信号を基準信号として制御部４７へ出力し、高周波発振部４５ではレベルの一定した高周波駆動信号を発振して超音波振動子３１を駆動し、制御部４７では、ひずみ判定部４９からの検出信号に基づきＯＮ指令信号やＯＦＦ指令信号を高周波発振部４５へ出力し、そのパルス状の基準信号の立ち上がり又は立ち下がりに同期してＯＮ指令信号やＯＦＦ指令信号の出力を停止するように構成することも可能である。
【００７０】
この構成においても、ひずみ信号レベルが基準値を超え、高周波発振部４５の発振動作が停止した後は、上述した制御部４７は、所定の期間経過後に高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう形成すれば、本発明の目的達成が可能である。
【００７１】
高周波発振部４５は、入力側（電源部４３側）をオンオフすることによって高周波駆動信号を発振させたり停止させるよう形成したり、あるいは、発振動作は停止させずに、出力側（超音波振動子３１側）をオンオフすることによってその出力を制御するよう形成するなど任意である。
【００７２】
また、本実施の形態においては、ＯＦＦ指令信号からＯＮ指令信号への切換わり回数をカウントし、予め設定したカウント数をカウントすると、ゼロクロス点の到来にかかわらずＯＦＦ指令信号を出力し続けるものを例示したが、上述のカウントを省略し、ＯＦＦ指令信号とＯＮ指令信号を交互に出力し続けるように構成しても良い。この場合、圧電振動板３３の自己発熱による影響を考慮してＯＮ時間の時間幅を決定することが好ましい。
【００７３】
ところで、本発明の超音波振動子３１は、上述した厚み振動モード以外に、長さ方向、広がり振動モードなど、圧電振動板３３の主面を厚み方向に変位させる振動モードであれば良い。
【００７４】
さらに、本発明の超音波霧化装置では、パッキン２９は必須ではないし、超音波振動子１３を貯留水（貯留液体）２７に直接接液させる構成に限らず、底孔２５を設けずに、貯留槽２３を介して貯留水２７を振動させる構成も可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る超音波振動子は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極を有し、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動するよう形成され、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号の検出されるセンサ電極を、一方の主面にその駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成したので、無負荷状態の有無の検出が可能で、無負荷状態時にはその駆動動作を停止させて超音波振動子の損傷を防ぐことが容易である。
そして、本発明の超音波振動子において、上記圧電振動板の中央部の少なくとも一部を覆うように上記駆動電極を形成し、その圧電振動板の中央部から偏心した領域に上記センサ電極を形成する構成では、超音波振動子を効率よく超音波駆動確保できるし、ひずみ信号の検出も確実となる利点がある。
また、本発明に係る超音波振動子の制御装置は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極を設け、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動する超音波振動子であって、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極を一方の主面においてその駆動電極と電気的に絶縁した状態で設けて超音波振動子を形成し、その高周波駆動信号を発振して駆動電極側に供給する高周波発振部と、そのセンサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、そのひずみ信号レベルが基準値を超えたと上記ひずみ信号判定部が判定したとき、その高周波発振部から高周波駆動信号の駆動電極への出力を停止制御する制御部とを具備するので、超音波振動子自体でその無負荷状態の検出が可能であり、構成部品の減少によって構成が簡素化され、また、ほぼ無負荷状態となると、超音波振動子の駆動が停止するするため、超音波振動子の損傷を防ぐこともできる。
また、超音波振動子の制御装置において、上記高周波駆動信号の出力を停止制御させたとき、所定の期間経過後、上記高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう上記制御部を形成する構成では、ほぼ無負荷状態となると超音波振動子は間欠駆動となるため、僅かに残った負荷を消費させることができるとともに、超音波振動子の損傷を防ぐことができる。
さらに、超音波振動子の制御装置において、上記高周波駆動信号の駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、その再出力制御を停止するようその高周波発振部を制御する機能を有するよう上記制御部を形成する構成では、ほぼ無負荷状態となると超音波振動子は間欠駆動となるため、僅かに残った負荷を消費させることができるとともに、所定のタイミングで超音波振動子の間欠駆動も停止するため、超音波振動子の損傷を確実に防ぐことができる。
そして、本発明の超音波霧化装置は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極を有し、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動し、貯留されたその霧化用液体に超音波振動を与えて霧を生じさせるよう前記貯留槽に配置された超音波振動子であって、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極を、一方の主面にて駆動電極と電気的に絶縁した状態で設けて超音波振動子を形成し、この超音波振動子を霧化用液体の貯留槽に配置し、その高周波駆動信号を発振して駆動電極側に供給する高周波発振部と、そのセンサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、そのひずみ信号レベルが前記基準値を超えたとひずみ信号判定部が判定したとき、その高周波発振部から高周波駆動信号のその駆動電極への出力を停止制御する制御部とを備えたので、超音波振動子自体を貯留水の液位検出センサとして機能させることが可能で、構成が簡素化されるとともに霧化用液位がほぼ消費されると超音波振動子の駆動が停止するため、超音波振動子の損傷を防ぐことができる。
この超音波霧化装置において、上記高周波駆動信号の出力を停止制御をさせたとき、所定の期間経過後、上記高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう上記制御部を形成する構成では、霧化用液位がほぼ消費されると、超音波振動子は間欠駆動となるため、貯留槽に僅かに残った貯留液体を速やかに使い切ることが可能になるとともに、超音波振動子の損傷を防ぐことができる。
この超音波霧化装置において、上記高周波駆動信号の駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、その再出力制御を停止するよう上記高周波発振部を制御するよう上記制御部を形成する構成では、霧化用液位がほぼ消費されると、超音波振動子は間欠駆動となるため、貯留槽に僅かに残った貯留液体を使い切ることが可能になるとともに、超音波振動子の間欠駆動も所定のタイミングで停止するため超音波振動子の損傷を確実に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波振動子、超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置の実施の形態を示す概略図である。
【図２】図１に示す本発明に係る超音波振動子を示す断面図（図ＩＩ − ＩＩ間の要部断面）である。
【図３】図１に示す本発明に係る超音波振動子を示す上面図および底面図である。
【図４】図１に示す超音波霧化装置の動作を説明する波形図である。
【図５】本発明に係る超音波振動子の他の実施の形態を示す図である。
【図６】従来の超音波霧化装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１、２３ 貯留槽
３、２５ 底孔
５、３３ 圧電振動板
７、９、３５、３７ 駆動電極
１１、３１ 超音波振動子
１３、２９ パッキン
１５ 駆動部
１７、２７ 貯留水（貯留液体）
１９ 検出電極
２１ 検出部
２５ａ 段部
３５ａ 接続リード
３５ｂ 引廻し電極
３９ センサ電極
３９ａ 外部接続電極
４１ 保護部材
４３ 電源部
４５ 高周波発振部
４７ 制御部
４９ ひずみ信号判定部
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波振動子、超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置に係り、例えば貯留水や貯留薬液などを霧化する超音波霧化装置に用いて好適する超音波振動子、超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波霧化装置は、図６に示すように、貯留槽１の下部に設けた底孔３に対し、圧電振動板５の対向主面に駆動電極７、９を形成した超音波振動子１１をパッキン１３を介して塞ぎ、高周波駆動信号を発振出力する駆動部１５を駆動電極７、９に接続してなる構成が知られている。なお、図６では駆動部１５と駆動電極７、９との接続は簡略化して示した。
【０００３】
このような超音波霧化装置では、駆動部１５から例えば１．６ＭＨｚの高周波駆動信号を駆動電極７、９間に印加すると、超音波振動子１１が超音波振動して貯留槽１内の例えば貯留水１７がその水面から霧（水微粒子）を発生させるから、別途発生させた気流によって所定の方向に霧を流下させて使用される。
この種の特許文献１として、例えば特開平５−２０８１５１号公報がある。
【０００４】
ところが、貯留水１７の水位が低下して空状態になると、超音波振動子１１がほぼ無負荷状態となって振動レベルが大きくなり、これに伴って圧電振動板５が自己発熱して圧電振動板５自体が損傷し易くなったり、また、この発熱により駆動部１５からのリードと駆動電極７、９との接続部の半田付け箇所の半田が溶融して接続が外れ易くなるため、これを防止するために水位検出機構を備えることが多い。
【０００５】
水位検出機構には、従来から種々の構成が提案されているが、例えば図６に示すように、貯留槽１の内壁途中に検出電極１９を配置して検出部２１に接続し、貯留水１７を介して駆動電極７と検出電極１９間に高周波駆動信号の一部（以下、微少電流と称す。）を流し、検出部２１にてその微少電流から駆動電極７と検出電極１９間のインピーダンスを算出し、そのインピーダンスが所定値を超えたとき駆動部１５の発振動作を停止する構成がある。特許文献１もこの種の構成である。
【０００６】
この微少電流検出方式の構成では、貯留水１７の水位が検出電極１９より低下すると、駆動電極７と検出電極１９との間のインピーダンスが無限大となり、検出部２１によって駆動部１５の発振動作を停止させるので、空振動による超音波振動子１１の損傷を防ぐことが可能である。
【０００７】
他方、図示はしないが、フロート方式といわれるように、貯留槽の内壁所定位置にリードスイッチを配置し、このリードスイッチ近傍にてマグネット内蔵のフロートを貯留水に浮かべ、そのリードスイッチ近傍よりフロートが低下変位したときリードスイッチをオフにさせて発振動作を停止させるようにした構成もある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−２０８１５１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波霧化装置において、微少電流検出方式を採用した場合、検出電極１９の下端部を貯留槽１の底面に一致させるようにそれを形成し、貯留水１７を使い切ったとき駆動部１５の発振が停止するよう構成すると、貯留槽１内に貯留水１７が残存しないため、そのまま放置しても貯留水１７中に細菌が繁殖するおそれはないが、貯留槽１の底面に僅かに水滴などが残存すると、この水滴などを介して駆動電極７と検出電極１９間に微少電流が流れ続けてインピーダンスがあまり上昇せず、霧化すべき貯留水１７がないにも拘わらず超音波振動子１１が無負荷状態で振動し続け、上述した不具合を招くおそれがある。
【００１０】
また、超音波霧化装置を長期間使用すると、駆動電極７や検出電極１９の表面が汚れて絶縁皮膜が形成され易く、貯留槽１に貯留水１７が十分に残存しているにも拘わらず、駆動電極７や検出電極１９間に微少電流が流れ難くなってその間のインピーダンスが上昇し、超音波振動子１１の振動が停止する心配もある。
【００１１】
また、フロート方式の構成では、貯留水に浮かべたフロートの変位によってその低下を検出するから、外部からの振動衝撃によってフロートが変位して誤動作を引き起こす可能性があるうえ、貯留水がある程度溜まっていないと動作し難いから、動作範囲が限定されて貯留水を使い切る使用には向かない。
【００１２】
そこで、本発明者は、超音波霧化装置の構成および超音波振動子１１の動作について種々の検討・実験を行った結果、貯留水１７がなくなって超音波振動子１１が無負荷状態となると、超音波振動子１１の振幅が大きくなり、これに起因して発生する超音波振動子１１のひずみ信号も大きくなる点に着目し、本発明を完成させた。
【００１３】
本発明はそのような課題を解決するためになされたもので、無負荷状態か否かの検出が可能で、無負荷状態での駆動による損傷を避けることが可能な超音波振動子の提供を目的とする。
【００１４】
また、本発明は、超音波振動子の無負荷状態の検出が可能で、無負荷状態が検出されるとその超音波振動子の駆動を停止し、その損傷を防ぐことも可能な超音波振動子の制御装置の提供を目的とする。
【００１５】
さらに、本発明は、貯留槽に溜めた貯留液体を使い切ることが可能で、しかも、貯留液体を使い切った後の超音波振動子の空振動による損傷を防ぐことも容易な超音波霧化装置の提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
そのような課題を解決するために本発明の超音波振動子は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極が形成され、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動する超音波振動子において、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極が、一方の主面にその駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成されて構成されている。
【００１７】
本発明の超音波振動子は、上記圧電振動板の中央部の少なくとも一部を覆うよう上記駆動電極を形成し、その圧電振動板の中央部から偏心した領域に上記センサ電極を形成するよう構成することも可能である。
【００１８】
本発明に係る超音波振動子の制御装置は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極が形成され、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動する超音波振動子であって、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極が、一方の主面においてその駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成された超音波振動子と、その高周波駆動信号を発振して駆動電極側に供給する高周波発振部と、そのセンサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、そのひずみ信号レベルが基準値を超えたと上記ひずみ信号判定部が判定したとき、その高周波発振部から高周波駆動信号の駆動電極への出力を停止制御する制御部とを具備して構成されている。
【００１９】
本発明の超音波振動子の制御装置では、上記高周波駆動信号の出力を停止制御させたとき、所定の期間経過後、上記高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう上記制御部を形成する構成も可能である。
【００２０】
本発明の超音波振動子の制御装置では、上記高周波駆動信号の駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、その再出力制御を停止するようその高周波発振部を制御する機能を有するよう上記制御部を形成する構成も可能である。
【００２１】
本発明の超音波霧化装置は、霧化用液体を貯留する貯留槽と、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極が形成され、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動し、貯留されたその霧化用液体に超音波振動を与えて霧を生じさせるよう前記貯留槽に配置された超音波振動子であって、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極が、一方の主面にて駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成された超音波振動子と、その高周波駆動信号を発振して駆動電極側に供給する高周波発振部と、そのセンサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、そのひずみ信号レベルが前記基準値を超えたとひずみ信号判定部が判定したとき、その高周波発振部から高周波駆動信号のその駆動電極への出力を停止制御する制御部とを備えた構成である。
【００２２】
この超音波霧化装置において、上記高周波駆動信号の出力を停止制御をさせたとき、所定の期間経過後、上記高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう上記制御部を形成する構成も可能である。
【００２３】
この超音波霧化装置において、上記高周波駆動信号の駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、その再出力制御を停止するよう上記高周波発振部を制御するよう上記制御部を形成する構成も可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波振動子と、この超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、超音波振動子は超音波振動子の制御装置又は超音波霧化装置を説明する過程で説明する。
【００２５】
図１は本発明に係る超音波振動子の制御装置の実施の形態を超音波霧化装置とともに示す概略図である。
【００２６】
図１において、貯留槽２３は、例えば合成樹脂や金属材料からなり、下部には底孔２５が貫通形成されており、図示しない装置ケースに適当な支持手段を介して支持されている。図中符号２７は貯留液体としての貯留水である。
【００２７】
貯留槽２３にあって底孔２５を形成する部分には、その下部外側に向けて広がる段部２５ａを有しており、この段部２５ａには超音波振動子３１が弾性パッキン２９を介し嵌められ、貯留水２７が漏れないように底孔２５を密封するように塞がれている。
【００２８】
超音波振動子３１は、図２および図３に示すように、公知の圧電材料を分極してなり例えば厚み振動モードで振動する円盤状の圧電振動板３３と、この圧電振動板３３の対向主面に形成された例えば銀やニッケル材料からなる駆動電極３５、３７と、これらと同材料からなるセンサ電極３９を有して形成されている。
【００２９】
一方の駆動電極３５は、圧電振動板３３の片主面（図２中上側）のほぼ全面又は僅かに小径に形成されており、また、本実施の形態にあっては、駆動電極３５の保護の目的で保護部材（図３では図示省略。）４１で表面が覆われている。
【００３０】
なお、保護部材４１として、例えばステンレス鋼やチタンなどの金属薄板の接合によるものや、メッキによる金属保護膜の他、樹脂を薄くコーティングしたものであってもよい。
【００３１】
また、駆動電極３５から接続リード３５ａが圧電振動板３３の他方の片主面（図２中下側）の端部まで延びている。接続リード３５ａに代えて、銀やニッケルなどの引廻し電極を用いることもできる。なお、便宜上、駆動電極３５は保護部材４１を含めて扱う。
【００３２】
他方の駆動電極３７は、図３Ｂに示すように、圧電振動板３３の他方の片主面（図２中下側）に形成されるとともに、圧電振動板３３すなわち駆動電極３５と同心円状にして若干小径に形成されており、駆動電極３７と圧電振動板３３の端部の間には接続リード３５ａの先端が位置している（図３では図示省略。）。
【００３３】
圧電振動板３３において、駆動電極３７の形成された下側片主面には、図３Ｂに示すように、その中央部すなわち駆動電極３７の中央部を外した位置に、例えばＣ字状のセンサ電極３９が駆動電極３７の中央部を囲むように、かつそれと僅かな間隔を置いて電気的に絶縁された状態で形成されている。
【００３４】
このセンサ電極３９は、圧電振動板３３の振幅レベル（強さ）に対応したレベルのひずみ信号（電圧）を検出するものである。
【００３５】
弾性パッキン２９は、シリコンゴムなど弾性材料から横断面コ字状にしてリング状に形成されており、圧電振動板３３すなわち超音波振動子３１の周縁部を挟持した状態で貯留槽２３の段部２５ａにはめられ、適当な手段によって底孔２５を密封している。
【００３６】
図１に戻って、電源部４３は、図４Ａの破線で示すように、例えば５０Ｈｚの商用電源であり、高周波駆動信号を生成する電力と後述する基準信号を出力するものであり、高周波発振部４５および制御部４７に接続されている。
【００３７】
なお、本実施の形態においては、５０Ｈｚの商用周波信号を後述する基準信号として用いており、電源部４３は基準信号出力部としても機能している。
【００３８】
高周波発振部４５は、電源部４３からの５０Ｈｚ信号を包絡線とした例えば１．６ＭＨｚの高周波駆動信号を得るもので、超音波振動子３１の駆動電極３５、３７に接続され、これを超音波振動させる機能を有している。なお、図１において駆動電極３５、３７との接続状態の図示は簡略化した。
【００３９】
すなわち、高周波発振部４５は、図４Ａの実線で示すように、５０Ｈｚ信号（同図中の破線）を包絡線とした１．６ＭＨｚの高周波駆動信号を出力するものである。
【００４０】
高周波発振部４５は、後述するように、制御部４７からのＯＮ指令信号によって上述した高周波駆動信号を発振出力する一方、制御部４７からのＯＦＦ指令信号によってその発振動作を停止する機能を有するが、詳細は後述する。
【００４１】
超音波振動子３１のセンサ電極３９が接続されたひずみ信号判定部４９は、図４Ｂに示すように、超音波振動子３１の振動動作によってセンサ電極３９で検出されたひずみ信号（電圧）の大きさに基づき、この検出レベルと予め設定された基準値とを比較判定し、検出レベルが基準値を超えたとき検出信号を出力するもので、制御部４７に接続されている。
【００４２】
制御部４７は、通常はＯＮ指令信号を出力し、ひずみ信号判定部４９からの検出信号が入力されたときＯＦＦ指令信号を出力するもので、ＯＦＦ指令信号が出力された後は５０Ｈｚの基準信号に基づき、次に到来するゼロクロス点（０Ｖ点）までＯＦＦ指令信号の出力を継続してから次のゼロクロス点に同期してＯＮ指令信号を出力するもので、高周波発振部４５に接続されている。
【００４３】
また、制御部４７は、ひずみ信号判定部４９からの検出信号の入力時から次のゼロクロス点までの期間継続するＯＦＦ指令信号を繰り返し出力するとともに、ＯＦＦ指令信号からＯＮ指令信号への変化回数をカウントし、予め設定した回数、例えば５回カンントしてカントアップしたら、以降、ひずみ信号判定部４９からの検出信号の有無にかかわらずＯＦＦ指令信号の出力を継続する機能を有している。
【００４４】
そのため、高周波駆動信号によって駆動された超音波振動子３１のセンサ電極３９で検出されたひずみ信号レベルは、図４Ｂの実線で示すように、５０Ｈｚの商用電源レベルに同期した基準信号レベルの変化に伴って変化するとともに、ひずみ信号レベルが基準値を超えて大きくなったとき、超音波振動子３１の駆動停止によってひずみ信号も検出されなくなる。
【００４５】
しかも、基準信号にあって次にゼロクロス点が到来すると、超音波振動子３１が再び駆動されてひずみ信号が検出されるが、ひずみ信号レベルが基準値を超えると超音波振動子３１の駆動が停止され、貯留槽２３に貯留水２７が供給され、超音波振動子３１の振幅が小さくなって、ひずみ信号レベルが基準値よりも小さくならない限り、以降これが間欠的に繰り返され、ＯＦＦ指令信号からＯＮ指令信号への変化回数が設定回数に達すると動作が停止される。
【００４６】
上述した説明において、本発明に係る超音波振動子３１を用いて電源部４３、高周波発振部４５、制御部４７およびひずみ信号判定部４９を有して本発明に係る超音波振動子の制御装置が、更に、貯留槽２３を加えて本発明に係る超音波霧化装置が形成されている。
【００４７】
次に、このような構成による本発明の超音波霧化装置の動作を簡単に説明する。なお、超音波振動子およびこの制御装置の動作もその中で説明される。
【００４８】
貯留槽２３に十分な貯留水２７が貯留された状態で電源が投入されると、高周波発振部４５が制御部４７からのＯＮ指令信号および電源部４３からの５０Ｈｚの基準信号に基づき、１．６ＭＨｚの高周波駆動信号を発振するから、超音波振動子３１の駆動電極３５、３７間にその高周波駆動信号が印加されて超音波振動子３１が超音波振動する。
【００４９】
これによって、貯留水２７が振動して貯留水２７の液面から霧が発生され、この霧を別途発生させた気流によって所定の方向に流下させて使用する。
【００５０】
この状態では、超音波振動子３１の駆動電極３５、３７間に、図４Ａに示すように、５０Ｈｚの基準信号を包絡として１．６ＭＨｚの高周波駆動信号が印加され、超音波振動子３１のセンサ電極３９には、例えば同図Ｂのようなひずみ信号が検出されるが、貯留水２７が十分にあり、超音波振動子３１は、有負荷状態にあるため、ひずみ信号はあまり大きい検出レベルではない。
【００５１】
センサ電極３９の接続されたひずみ信号判定部４９では、センサ電極３９で検出されたひずみ信号レベルが基準値と比較され、検出レベルが小さくて基準値を越えないと、検出信号が制御部４５へ出力されないので制御部４５からもＯＮ指令信号の出力状態が継続され、高周波発振部４５から高周波駆動信号が連続して超音波振動子３１へ印加され続ける。
【００５２】
そして、霧の発生によって貯留水２７が消費されて僅かとなったり又は皆無に近くなると、超音波振動子３１への負荷が低下してほぼ無負荷状態となって超音波振動子３１の振幅が大きくなるため、図４Ｂのように、途中からセンサ電極３９で検出されるひずみ信号レベルが増大して行く。
【００５３】
センサ電極３９で検出されたひずみ信号レベルが基準値を越えると、ひずみ信号判定部４９から検出信号が駆動部４３へ出力される。
【００５４】
そのため、制御部４５は、図４Ｃに示すように、その検出信号に基づきＯＦＦ指令信号を高周波発振部４５へ出力し、高周波発振部４５はその発振動作を停止するから超音波振動子１１の駆動動作も停止される。
【００５５】
制御部４７は、基準信号を監視し、ＯＦＦ指令信号の出力後に到来する基準信号のゼロクロス点までＯＦＦ指令信号の出力を継続するとともに、到来したゼロクロス点に同期してＯＦＦ指令信号の出力を停止してＯＮ指令信号に切換えるから、高周波発振部４５の発振動作が再開されて超音波振動子３１も駆動開始される。
【００５６】
しかし、センサ電極３９で検出されたひずみ信号レベルが、基準信号レベルの増加に伴って直ぐに基準値を越えて大きくなるから、多少の期間ＯＮ指令信号が出力された後、ひずみ信号判定部４９からの検出信号に基づき制御部４７からＯＦＦ指令信号が出力されて次のゼロクロス点まで継続出力された後、ＯＮ指令信号に切換わり、高周波発振部４５の発振動作が再度開始する。以降、この動作が繰り返される。
【００５７】
そして、制御部４５は、そのＯＦＦ指令信号からＯＮ指令信号への切換わり回数をカウントし、予め設定したカウント数をカウントすると、ゼロクロス点の到来にかかわらずＯＦＦ指令信号を出力し続け、例えば、装置の電源が切られたり、装置を初期状態に戻す操作がなされるまで継続する。
【００５８】
従って、制御部４９で設定する基準値を、貯留水２７の残留が僅かとなったり又はほぼ皆無状態となった場合に検出されるひずみ信号レベル相当値としておけば、貯留水２７の残りがほぼ皆無状態又はこれに近くなると、間欠的に超音波振動子３１が駆動されるとともに、その間欠駆動数が所定のカウント数に達したとき、超音波振動子３１の駆動が自動的に停止制御される。
【００５９】
そのため、貯留槽２３内に残った貯留水２７を使い切ることが可能となるうえ、超音波振動子３１が無負荷状態となっても所定の間欠駆動数を経て短期間に速やかに停止制御されるから、超音波振動子３１が無負荷状態で長期間駆動されることがなく、圧電振動板３３が自己発熱して圧電振動板３３自体が損傷したり、リードと駆動電極３５、３７との接続が外れて動作停止したりする不都合を回避できる。
【００６０】
特に、霧化する液体が薬液の場合、これがなくなるまで霧化させることが可能で、なくなった時点で振動を停止できるから、必要量の投薬完了の有無を管理できるので、ネブライザなどの医療用吸入器に応用して好適する。
【００６１】
しかも、超音波振動子３１自体を貯留水２７の液位検出センサとして機能させることが可能で、従来例のように、微少電流を流すための検出電極１９が不要であるうえ微少電流を流す構成も不要となり、構成が簡素化される。
【００６２】
さらに、上述した超音波振動子３１は、センサ電極３９と同じ主面に形成した駆動電極３７が、超音波振動に一番寄与する圧電振動板３３の中央部に形成されているため、効率の良い超音波振動が得られ、また、センサ電極３９も駆動電極３７の中央部を外した位置にＣ字状に駆動電極３７の中央部を囲むように形成されているから、ひずみ信号の検出も確実である。
【００６３】
上述したセンサ電極３９は、図５Ａに示すように、圧電振動板３３の中央部近傍からその縁部まで導出する外部導出電極３９ａを形成することも可能であるし、その形状もＣ字状に限定されず、同図５Ｂに示すように、圧電振動板３３すなわち駆動電極３７の中央部に半分程度重なるような半円状の電極形状であっても良い。
【００６４】
要は、超音波振動子３１を出来る限り効率よく振動させ、かつ、確実にひずみ信号の検出が可能な位置が好ましく、圧電振動板３３の中央部の少なくとも一部を覆うように駆動電極３７を形成するとともに、圧電振動板３３の中央部にできる限り近い領域にセンサ電極３９を形成すると良い。もっとも、センサ電極３９は、ひずみ信号の確実な検出の観点から、圧電振動板３３の縁部近傍よりも圧電振動板３３の中央部に寄せた位置が好ましい。
【００６５】
ひずみ信号の検出を最優先にする場合には、図５Ｃに示すように、圧電振動板３３の中央部にセンサ電極３９を形成すれば良い。また、図５Ｄに示すように、駆動電極３５から引廻し電極３５ｂを圧電振動板３３の他方の片主面（図２中下側）の端部まで伸ばす構成としてもよい。
【００６６】
上述した本発明に係る超音波振動子の制御装置および超音波霧化装置では、５０Ｈｚの商用周波数信号を包絡線とした高周波駆動信号を超音波振動子３１に印加してそれを駆動し、超音波振動子３１のセンサ電極３９で検出されるひずみ信号もそれに同期して出力される構成としたが、本発明ではそれに限定されない。
【００６７】
例えば、電源部４３として、商用電源周波数に限らず任意の低周波信号を用いることが可能である。
【００６８】
また、電源部４３として、直流電源を用いることも可能であり、この場合、上述した５０Ｈｚの商用周波数信号に代える基準信号として、所定の周波数パルス信号を発生させる必要がある。
【００６９】
この場合、パルス信号発生部を形成し、所定の周波数のパルス信号を基準信号として制御部４７へ出力し、高周波発振部４５ではレベルの一定した高周波駆動信号を発振して超音波振動子３１を駆動し、制御部４７では、ひずみ判定部４９からの検出信号に基づきＯＮ指令信号やＯＦＦ指令信号を高周波発振部４５へ出力し、そのパルス状の基準信号の立ち上がり又は立ち下がりに同期してＯＮ指令信号やＯＦＦ指令信号の出力を停止するように構成することも可能である。
【００７０】
この構成においても、ひずみ信号レベルが基準値を超え、高周波発振部４５の発振動作が停止した後は、上述した制御部４７は、所定の期間経過後に高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう形成すれば、本発明の目的達成が可能である。
【００７１】
高周波発振部４５は、入力側（電源部４３側）をオンオフすることによって高周波駆動信号を発振させたり停止させるよう形成したり、あるいは、発振動作は停止させずに、出力側（超音波振動子３１側）をオンオフすることによってその出力を制御するよう形成するなど任意である。
【００７２】
また、本実施の形態においては、ＯＦＦ指令信号からＯＮ指令信号への切換わり回数をカウントし、予め設定したカウント数をカウントすると、ゼロクロス点の到来にかかわらずＯＦＦ指令信号を出力し続けるものを例示したが、上述のカウントを省略し、ＯＦＦ指令信号とＯＮ指令信号を交互に出力し続けるように構成しても良い。この場合、圧電振動板３３の自己発熱による影響を考慮してＯＮ時間の時間幅を決定することが好ましい。
【００７３】
ところで、本発明の超音波振動子３１は、上述した厚み振動モード以外に、長さ方向、広がり振動モードなど、圧電振動板３３の主面を厚み方向に変位させる振動モードであれば良い。
【００７４】
さらに、本発明の超音波霧化装置では、パッキン２９は必須ではないし、超音波振動子１３を貯留水（貯留液体）２７に直接接液させる構成に限らず、底孔２５を設けずに、貯留槽２３を介して貯留水２７を振動させる構成も可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る超音波振動子は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極を有し、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動するよう形成され、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号の検出されるセンサ電極を、一方の主面にその駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成したので、無負荷状態の有無の検出が可能で、無負荷状態時にはその駆動動作を停止させて超音波振動子の損傷を防ぐことが容易である。
そして、本発明の超音波振動子において、上記圧電振動板の中央部の少なくとも一部を覆うように上記駆動電極を形成し、その圧電振動板の中央部から偏心した領域に上記センサ電極を形成する構成では、超音波振動子を効率よく超音波駆動確保できるし、ひずみ信号の検出も確実となる利点がある。
また、本発明に係る超音波振動子の制御装置は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極を設け、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動する超音波振動子であって、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極を一方の主面においてその駆動電極と電気的に絶縁した状態で設けて超音波振動子を形成し、その高周波駆動信号を発振して駆動電極側に供給する高周波発振部と、そのセンサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、そのひずみ信号レベルが基準値を超えたと上記ひずみ信号判定部が判定したとき、その高周波発振部から高周波駆動信号の駆動電極への出力を停止制御する制御部とを具備するので、超音波振動子自体でその無負荷状態の検出が可能であり、構成部品の減少によって構成が簡素化され、また、ほぼ無負荷状態となると、超音波振動子の駆動が停止するするため、超音波振動子の損傷を防ぐこともできる。
また、超音波振動子の制御装置において、上記高周波駆動信号の出力を停止制御させたとき、所定の期間経過後、上記高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう上記制御部を形成する構成では、ほぼ無負荷状態となると超音波振動子は間欠駆動となるため、僅かに残った負荷を消費させることができるとともに、超音波振動子の損傷を防ぐことができる。
さらに、超音波振動子の制御装置において、上記高周波駆動信号の駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、その再出力制御を停止するようその高周波発振部を制御する機能を有するよう上記制御部を形成する構成では、ほぼ無負荷状態となると超音波振動子は間欠駆動となるため、僅かに残った負荷を消費させることができるとともに、所定のタイミングで超音波振動子の間欠駆動も停止するため、超音波振動子の損傷を確実に防ぐことができる。
そして、本発明の超音波霧化装置は、圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極を有し、その対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動し、貯留されたその霧化用液体に超音波振動を与えて霧を生じさせるよう前記貯留槽に配置された超音波振動子であって、その圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極を、一方の主面にて駆動電極と電気的に絶縁した状態で設けて超音波振動子を形成し、この超音波振動子を霧化用液体の貯留槽に配置し、その高周波駆動信号を発振して駆動電極側に供給する高周波発振部と、そのセンサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、そのひずみ信号レベルが前記基準値を超えたとひずみ信号判定部が判定したとき、その高周波発振部から高周波駆動信号のその駆動電極への出力を停止制御する制御部とを備えたので、超音波振動子自体を貯留水の液位検出センサとして機能させることが可能で、構成が簡素化されるとともに霧化用液位がほぼ消費されると超音波振動子の駆動が停止するため、超音波振動子の損傷を防ぐことができる。
この超音波霧化装置において、上記高周波駆動信号の出力を停止制御をさせたとき、所定の期間経過後、上記高周波発振部から高周波駆動信号を再出力制御するよう上記制御部を形成する構成では、霧化用液位がほぼ消費されると、超音波振動子は間欠駆動となるため、貯留槽に僅かに残った貯留液体を速やかに使い切ることが可能になるとともに、超音波振動子の損傷を防ぐことができる。
この超音波霧化装置において、上記高周波駆動信号の駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、その再出力制御を停止するよう上記高周波発振部を制御するよう上記制御部を形成する構成では、霧化用液位がほぼ消費されると、超音波振動子は間欠駆動となるため、貯留槽に僅かに残った貯留液体を使い切ることが可能になるとともに、超音波振動子の間欠駆動も所定のタイミングで停止するため超音波振動子の損傷を確実に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波振動子、超音波振動子の制御装置およびこれを用いた超音波霧化装置の実施の形態を示す概略図である。
【図２】図１に示す本発明に係る超音波振動子を示す断面図（図ＩＩ − ＩＩ間の要部断面）である。
【図３】図１に示す本発明に係る超音波振動子を示す上面図および底面図である。
【図４】図１に示す超音波霧化装置の動作を説明する波形図である。
【図５】本発明に係る超音波振動子の他の実施の形態を示す図である。
【図６】従来の超音波霧化装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１、２３ 貯留槽
３、２５ 底孔
５、３３ 圧電振動板
７、９、３５、３７ 駆動電極
１１、３１ 超音波振動子
１３、２９ パッキン
１５ 駆動部
１７、２７ 貯留水（貯留液体）
１９ 検出電極
２１ 検出部
２５ａ 段部
３５ａ 接続リード
３５ｂ 引廻し電極
３９ センサ電極
３９ａ 外部接続電極
４１ 保護部材
４３ 電源部
４５ 高周波発振部
４７ 制御部
４９ ひずみ信号判定部
Claims (8)
- 圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極が形成され、前記対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動する超音波振動子において、
前記圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極が、一方の前記主面に前記駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成されてなることを特徴とする超音波振動子。 - 前記駆動電極は、前記圧電振動板の中央部の少なくとも一部を覆うように形成され、前記センサ電極は、
前記圧電振動板の中央部から偏心した領域に形成されている請求項１記載の超音波振動子。 - 圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極が形成され、前記対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動する超音波振動子であって、前記圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極が、一方の前記主面において前記駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成された超音波振動子と、
前記高周波駆動信号を発振して前記駆動電極側に供給する高周波発振部と、
前記センサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、
前記ひずみ信号レベルが前記基準値を超えたと前記ひずみ信号判定部が判定したとき、前記高周波発振部から前記高周波駆動信号の前記駆動電極への出力を停止制御する制御部と、
を具備することを特徴とする超音波振動子の制御装置。 - 前記制御部は、前記高周波駆動信号の出力を停止制御させたとき、所定の期間経過後、前記高周波発振部から前記高周波駆動信号を再出力制御する機能を有する請求項３記載の超音波振動子の制御装置。
- 前記制御部は、前記高周波駆動信号の前記駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、前記再出力制御を停止するよう前記高周波発振部を制御する機能を有する請求項４記載の超音波振動子の制御装置。
- 霧化用液体を貯留する貯留槽と、
圧電振動板の対向両主面に高周波駆動信号の印加される駆動電極が形成され、前記対向両主面を変位させる振動モードで超音波振動し、貯留された前記霧化用液体に超音波振動を与えて霧を生じさせるよう前記貯留槽に配置された超音波振動子であって、前記圧電振動板の振幅に応じたひずみ信号が検出されるセンサ電極が、一方の前記主面にて前記駆動電極と電気的に絶縁した状態で形成された超音波振動子と、
前記高周波駆動信号を発振して前記駆動電極側に供給する高周波発振部と、
前記センサ電極で検出されたひずみ信号レベルが予め設定した基準値を超えたか否か判定するひずみ信号判定部と、
前記ひずみ信号レベルが前記基準値を超えたと前記ひずみ信号判定部が判定したとき、前記高周波発振部から前記高周波駆動信号の前記駆動電極への出力を停止制御する制御部と、
を具備することを特徴とする超音波霧化装置。 - 前記制御部は、前記高周波駆動信号の前記出力を停止制御をさせたとき、所定の期間経過後、前記高周波発振部から前記高周波駆動信号を再出力制御する機能を有する請求項６記載の超音波霧化装置。
- 前記制御部は、前記高周波駆動信号の前記駆動電極への出力動作又は出力停止動作回数をカウントし、このカウント数が予め設定した所定回数となったとき、前記再出力制御を停止するよう前記高周波発振部を制御する機能を有する請求項７記載の超音波霧化装置。
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