JP2005224783A - 霧化器 - Google Patents

Abstract

【課題】構成部品の寸法ばらつきや、組み付けばらつき、含浸体の凹み、へたり、摩耗等が生じた場合にも振動子と含浸体との間で所望の当接状態を確保する。
【解決手段】霧化器は、液体を含浸する含浸体２８と、含浸体２８に当接して振動することにより含浸される液体を霧化する振動子１２と、振動子１２を含浸体２８に押し付ける弾性体としての支持部材３８と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、振動子によって液体を振動させて霧化する霧化器に関する。

超音波振動子等の振動子を用いた霧化器には、液体を含浸させた含浸体に振動子を当接して振動させることにより、含浸体に含浸される液体を霧化するものがある。この種の従来の技術として、例えば特許文献１に開示されるものが知られている。

特公平５−１０１４６号公報

この種の振動式霧化器では、振動子と含浸体とを適切な姿勢で適切な位置に配置して、所定の当接状態を確保することが必要である。しかしながら、霧化器の構成部品の製造ばらつきや組み付け状態のばらつき等により、所定の当接状態が得られず、所望の霧化性能が得られない場合があった。また、長期間の使用により含浸体に凹みやへたり、摩耗等が生じた場合、振動子が固定的に設置されるものでは、所定の当接状態を確保できなくなるというおそれもあった。

本発明にかかる霧化器は、液体を含浸する含浸体と、上記含浸体に当接して振動することにより含浸される液体を霧化する振動子と、上記振動子と上記含浸体との当接を確保すべく振動子を含浸体に押し付ける弾性体と、を備える。

また上記本発明にかかる霧化器では、前記弾性体により振動子を含浸体に押し付けることによる振動子の共振インピーダンスの増加が１０Ω以下となるように構成するのが好適である。

また上記本発明にかかる霧化器では、上記弾性体は、振動子を把持する板状の導電性部材であるのが好適である。

また上記本発明にかかる霧化器では、板状の導電性部材として構成される上記弾性体は、固定端から振動子を把持する把持部までの間で迂曲する帯状の形状を有しているのが好適である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる霧化器１０の一例を示す縦断面図、図２は、図１の霧化器１０の斜視図である。

図１に例示する霧化器１０は、薬剤等の液体を貯留するタンク１４、タンク１４のキャップとして機能するとともに振動子１２を支持する基体部１６、および基体部１６を被覆して当該基体部１６とともに振動子１２を収納する収納室２０を形成するカバー体１８、を含む。そして、この例では、カバー体１８および基体部１６の一部に噴出通路２４が形成されている。噴出通路２４は、収納室２０と外部空間２２とを連通し、霧化された液体の通路となる。噴出通路２４の出口が霧噴出口２４ａである。

タンク１４内には霧化する液体の液溜まり２６が形成されており、この液溜まり２６に含浸体２８の少なくとも一部が浸漬されている。含浸体２８は、毛管現象によってその内部に液体を含浸する素材（例えばフェルトや紐、糸、紙、スポンジ等の吸水性素材）を含んでおり、液溜まり２６から含浸体２８の振動子１２との当接面２８ａに液体を供給する。この例では、含浸体２８の下端はタンク１４内の底部近傍に、また上端は基体部１６の上方側の噴出通路２４内に配置され、基体部１６に設けられた貫通穴３０を円柱状の含浸体２８が貫通している。また、この例では、当接面２８ａに振動子１２による押圧力が加わっても、露出している部分の倒れや当接面２８ａの凹みが極力生じないようなスペック（材質や構成、露出長、弾性係数等）が選択あるいは設定される。なお、この例では、貫通穴３０の内径を含浸体２８の外径に合った適切な径や形状とし、含浸体２８を貫通穴３０に嵌挿して把持する構成としているが、これ以外の構成によって把持するようにしてもよい。また円柱状ではない他の形状の含浸体２８を用いてもよい。

そして、含浸体２８の当接面２８ａに当接した振動子１２が振動することにより、当接面２８ａおよびその周辺の液体が霧化される。振動子１２としては、例えばランジュバン型の超音波振動子を用いることができる。振動子１２は、中心軸に垂直な断面の周縁が円形となるいわゆる回転体の形状を有しており、削り出しあるいはプレスにより形成した先細のホーン３２の後部（先端の他端側；根元側）に、圧電体３４を装着（例えば接着）することで構成されている。この振動子１２の外周壁には、内側にえぐられる形状の環状溝３６が形成されている。環状溝３６は、振動子１２の厚み方向振動によって生じる定常波のうち主として用いられる振動モードの節の位置に設けられる。この環状溝３６を利用して振動子１２を支持することで、振動子１２の振動エネルギの損失が抑制される。このとき、支持部材３８によって振動子１２を固定的に支持するのが好適であるが、適宜所定範囲内での回動やスライドを許容しながら支持するようにしてもよい。

なお、この例では、振動子１２は、ホーン３２先端の端部領域１２ａが含浸体２８に当接するように配置される。このとき、端部領域１２ａは、前記振動モードでは腹となる。すなわち、振動子１２の振動は、含浸体２８の上端面と当接する部分、すなわち液体が霧化される部分で腹となるため、そうでない場合に比べ、霧化のエネルギ効率が高くなる。

さらに、この例では、端部領域１２ａの周縁部Ｅが含浸体２８の当接面２８ａに当接するように配置されている。このことは、エネルギロスの抑制という観点からも意味がある。ここで、仮に、振動子１２の端部領域１２ａの中央部（すなわち中心軸付近の部位）が当接面２８ａに当接したとすれば、当該中央部は端部領域１２ａでは振幅が最も大きい部位であるから、その場合は、中央部以外の部位が当接する場合に比べて、振動エネルギの損失が大きくなってしまう。つまり、本実施形態では、含浸体の当接面２８ａに、振動子１２の中心軸から外れた部位（例えば周縁部Ｅ）を当接することで、エネルギロスの抑制を図っているのである。

振動子１２の振動によって霧化された液体は、噴出通路２４から霧噴出口２４ａを経て外部空間２２に放出される。このとき、霧化された液体には、振動子１２の振動によって噴出通路２４を外部空間２２に向けて移動する運動エネルギが与えられる。しかしながら、収納室２０内に振動子１２と当接面２８ａとが当接する部分（以下、これを当接部と記す）が配置された場合には、霧化された液体の一部が収納室２０内で滞留することも想定される。そこで、本実施形態では、当接部を噴出通路２４内に配置することで、それを抑制している。具体的に、この例では、含浸体２８を、噴出通路２４の収納室２０側の入口２４ｂと外部空間２２側の霧噴出口２４ａとの間の位置で上下に伸びるように配置するとともに、含浸体２８の上端部の当接面２８ａのほぼ中央に周縁部Ｅが当接するように振動子１２を配置している。

また、この例では、収容室２０と外部空間２２とを隔てるカバー体１８に、収容室２０内に外部空気を取り入れる吸気通路４０が形成される。この吸気通路４０を設けることで、吸気通路４０、収容室２０および噴出通路２４を経由する空気の流れが形成され、当接部で霧化された液体が霧噴出口２４ａからよりスムーズに排出されるようになる。また、この例では、収容室２０の頂上部と外部空間２２とを隔てるカバー体１８に、収容室２０内で上昇した空気を外部空間２２に排出する排気通路４２が形成される。この排気通路４２を設けることで振動子１２の振動によって暖められた空気が排出され、霧化された空気の一部が収容室２０内に留まるのを抑制している。

図３は、図１のカバー体１８を取り外した状態での霧化器１０の上部を示す斜視図、また図４は、振動子１２を支持する支持部材３８の一例を示す図であって、（ａ）はその平面図（上面図）、（ｂ）はその側面図である。

支持部材３８は、この例では、１枚の金属（例えばステンレススチール等）の板を打ち抜きかつ折り曲げることで成形されている。支持部材３８の一端側は、上側に折り曲げられ、その部分に略コの字型の把持部３８ａが形成されている。この把持部３８ａの内側の縁を振動子１２の環状溝３６に嵌挿することで、支持部材３８は振動子１２を挟持する。なお、図４（ｂ）に示すように、把持部３８ａは、垂直方向に対して霧噴出口２４ａ側（図４（ｂ）では右側）に僅かに前傾している。この傾斜分からアーム３８ｅおよび把持部３８ａの撓み分を差し引いた分だけ振動子１２の中心軸が水平方向に対して傾き、これにより、振動子１２の端部領域１２ａの周縁部Ｅが、含浸体２８の当接面２８ａに当接することとなる。なお、把持部３８ａの形状は、振動子１２（の環状溝３６）に適合する形状であればよく、例えばＵ字型など、他の形状とすることも可能である。

また、把持部３８ａの他端側には、基体部１６とカバー体１８との間に挟み込まれる被挟持部３８ｂが設けられている。ここが挟持されることにより、支持部材３８は、基体部１６およびカバー体１８に固定される。すなわち、被挟持部３８ｂが固定部に相当する。この被挟持部３８ｂには、貫通孔３８ｃが設けられており、この貫通孔３８ｃが基体部１６に設けられたピン１６ａに嵌装されることで、支持部材３８が基体部１６に対して位置決めされる。

この支持部材３８は、導体として構成されており、振動子１２の駆動回路（図示せず）と圧電体３４の一方側の電極（この例ではホーン３２側の電極）とを電気的に接続する導線の一部として機能する。この例では、支持部材３８は把持部３８ａの内側の縁において圧電体３４のホーン３２側の電極と電気的に接続されている。そして、その他端側に位置する被挟持部３８ｂ側の端部３８ｆから下方に折り曲げられた領域がその電極と駆動回路との導通を確保するための端子３８ｄとなっている。なお、この例では、圧電体３４のもう一方の電極は、導線４４を介して（さらに支持部材３８とは別の金属板（図示せず）を介して）駆動回路に接続されている。

そして、把持部３８ａと被挟持部３８ｂとは、ほぼ対称形状をなす二つのアーム３８ｅで接続されている。このアーム３８ｅ（および把持部３８ａ）は、振動子１２と含浸体２８とが当接した状態で下方が凸となるように撓む（図４（ｂ）の破線）。これは、言い換えれば、支持部材３８は、把持した振動子１２を含浸体２８に押し付ける弾性体として機能していることになる。本実施形態では、このように、弾性体（この例では支持部材３８）の弾性力を用いて振動子１２を含浸体２８に積極的に押し付けることで、振動子１２と含浸体２８との間でより確実な当接が確保されるようにしている。そして、かかる構成により、含浸体２８や支持部材３８等の霧化器１０の構成部品の寸法ばらつきや、含浸体２８の基体部１６に対する位置等の構成部品の組み付けばらつきなどが生じた場合、あるいは、長期間の使用により含浸体２８の当接面２８ａに凹みやへたり、摩耗等が生じた場合などにも、振動子１２と含浸体２８との当接が確保されるようになるという優れた効果が得られる。なお、この例では、図１に示すように、支持部材３８は、振動子１２の後方（ホーン３２の反対側）を支点として振動子１２を片持ち支持するが、これはあくまで一例に過ぎず、両端に支点を有する支持部材の中間位置で振動子１２を支持（いわゆる両持ち支持）するように構成してもよいし、その他の支持構成を採用してもよい。また、支持部材３８とは別に振動子１２を含浸体２８に押し付ける弾性体を設けてもよい。

ただし、振動子１２を含浸体２８に押し付ける力（押圧加重）が強すぎると、振動子１２の振動が阻害され、液体が霧化されにくくなってしまう。図５は、振動子１２のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図であり、（ａ）は、振動子１２に当接するものが無く振動子１２がフリーで振動する場合の図、（ｂ）は、振動子１２の振動が含浸体２８との当接によって抑制される場合の図である。図５において、インピーダンスが極小値をとる点（周波数）が共振点（共振周波数）である。（ａ）と（ｂ）を比較すれば、含浸体２８が当接することにより、共振点のインピーダンスが大きくなることがわかる。これは、振動の強度が低下することに相当する。図６は、図１（図３）の一構成例において、振動子１２の周縁部Ｅと含浸体２８の当接面２８ａとが当接する部分（すなわち当接部）における押圧加重（その単位は［ｇｆ］；１［ｇｆ］≒０．００９８［Ｎ］）と、共振点における共振インピーダンスとの関係の一例を示す図である。図６から、押圧加重を大きくするほど共振インピーダンスが増加することがわかる。ちなみに、押圧加重と共振インピーダンスとの間には、ほぼ線形の相関関係がある。共振インピーダンスをｙ、押圧加重をｘとすると、ｙ＝ａ・ｘ＋ｂ（ａ，ｂ：定数）の関係として表すことができる。

そこで、本実施形態では、押圧加重によって霧化を抑制しないという観点から弾性体による押圧加重の上限値を決定し、その上限値以下の押圧加重が印加されるように各部のスペックを決定している。発明者らの研究により、駆動回路を９［Ｖ］で動作させ、振動子１２を４００［Ｈｚ］で振動させて、純水を毎分０．１［ｃｍ^３］霧化させるには、霧化器１０に組み込んだ後の振動子の共振インピーダンスを１００［Ω］以下にする必要があり、さらに、その場合において、押圧による振動子１２の共振インピーダンスの増加が概ね１０［Ω］以下（より望ましくは７．５［Ω］以下）であれば、液体の霧化に支障を来さないことが判明した。そして、図６の例の場合、１０［Ω］となる押圧加重は３６．８［ｇｆ］（＝０．３６［Ｎ］）、７．５［Ω］となる押圧加重は２７．７［ｇｆ］（＝０．２７［Ｎ］）である。一方、押圧加重の下限値は、振動子１２と含浸体２８との当接の確保という観点から決定する。図１の構成例の場合、一例として５．３［ｇｆ］（＝０．０５２［Ｎ］）とすれば良いことが判明した。その例の場合には、寸法ばらつき、組み付けばらつき等を考慮しても、当接部における押圧加重が５．３〜３６．８［ｇｆ］（より望ましくは５．３〜２７．７［ｇｆ］）の間となるように、各部のスペックおよび公差を決定すればよいことになる。

また、アーム３８ｅは、図４（ａ）の例では、固定部としての被挟持部３８ｂから把持部３８ａに至るまでの間、迂曲する帯状の形状を有している。こうすることで、被挟持部３８ｂから把持部３８ａに至るまでを同じ間隔で直線状に形成した場合に比べて経路をより長くとることができる。この間の経路を長くするほど、支持部材３８は撓みやすくなり、把持部３８ａ側すなわち片持ち支持される振動子１２が変位しやすくなる。これは、振動子１２の変位量に対する押圧加重の変化量（すなわち支持部材３８の上記押圧加重に関するバネ定数）が小さくなり、当接部の位置のばらつき（個体差）に応じた押圧加重のばらつきが小さくなることを意味する。すなわち、かかる構成により、限られたスペースの中で上記バネ定数をより小さくして、押圧加重の個体差を減らすことができるようになる。ちなみに、図１（図３）の構成例の場合には、例えば、バネ定数は５３［ｇｆ／ｍｍ］（＝０．５２［Ｎ／ｍｍ］）程度とするのが好適である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態での例示には限定されず、種々の変形例をも包含するものである。

本発明の実施形態にかかる霧化器の一例を示す縦断面図である。 図１の霧化器の斜視図である。 図１の霧化器のカバー体を取り外した状態での上部を示す斜視図である。 本発明の実施形態にかかる霧化器で用いられる振動子を支持する支持部材の一例を示す図である。 本発明の実施形態にかかる霧化器で用いられる振動子が含浸体に当接することによってその共振インピーダンスが低下する一例を示す図である。 本発明の実施形態にかかる霧化器で用いられる振動子が含浸体を押圧する押圧加重と振動子の共振インピーダンスとの相関関係の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 霧化器、１２ 振動子、１２ａ 端部領域、１４ タンク、１６ 基体部、１８ カバー体、２０ 収納室、２２ 外部空間、２４ 噴出通路、２４ａ 霧噴出口、２４ｂ 入口、２６ 液溜まり、２８ 含浸体、２８ａ 当接面、３０ 貫通穴、３２ ホーン、３４ 圧電体、３６ 環状溝、３８ 支持部材、３８ａ 把持部、３８ｂ 被挟持部、３８ｃ 貫通孔、３８ｄ 端子、３８ｅ アーム、３８ｆ 端部、４０ 吸気通路、４２ 排気通路、４４ 導線。

Claims (4)

1. 液体を含浸する含浸体と、
   前記含浸体に当接して振動することにより含浸される液体を霧化する振動子と、
   前記振動子を含浸体に押し付ける弾性体と、
   を備える霧化器。
2. 前記弾性体により振動子を含浸体に押し付けることによる振動子の共振インピーダンスの増加が１０Ω以下となるように構成することを特徴とする請求項１に記載の霧化器。
3. 前記弾性体は、振動子を把持する板状の導電性部材であることを特徴とする請求項１または２に記載の霧化器。
4. 板状の導電性部材として構成される前記弾性体は、霧化器に固定される固定部から振動子を把持する把持部までの間で迂曲する帯状の形状を有していることを特徴とする請求項３に記載の霧化器。

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