JP2008207055A - 超音波霧化装置及びそれを備えた設備機器 - Google Patents

Abstract

【課題】霧化する液体によって超音波振動子の発振が抑制されたとしても、強力な超音波を継続的に放射させることのできる超音波霧化装置及びそれを備えた設備機器を提供する。
【解決手段】超音波霧化装置１０は、圧電素子で構成され、超音波を発生するＰＺＴ振動子１３と、ＰＺＴ振動子１３に取り付けられ、ＰＺＴ振動子１３の振動と共振することで共振波を発生する共振板１４と、共振板１４の外周部に設けられ、共振板１４の振幅を補助する弾性部材１６と、内側に空間が形成されており、この内側空間にＰＺＴ振動子１３及び共振板１４が配置され、弾性部材１６を介して共振板１４及びＰＺＴ振動子１３を振動可能に支持する構造体１５とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用して液体を霧化することのできる超音波霧化装置及びそれを備えた設備機器に関し、特に強力な超音波を放射させることのできる超音波霧化装置及びそれを備えた設備機器に関するものである。

従来から超音波霧化技術によって液体を霧化する超音波霧化装置が存在する。このような超音波霧化装置は、圧電素子であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）振動子にパルス電圧を印加し、ＰＺＴ振動子を発振させることによって、超音波を発生させて液体を霧化している。また、このような超音波霧化装置は、薬剤や消毒液を霧化する等の医療用途（たとえば、ネブライザ（吸入器））に用いられたり、室内空気を加湿する等の空調用途に用いられたり、用途が多岐にわたる。

そのようなものとして、「圧電体からなる超音波振動子、液体を収容する液体容器、及び一端が液体容器に挿入され、他端が超音波振動子の振動端面の全面に接触する吸水帯からなる」ようにした超音波霧化器が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この超音波霧化器は、吸水帯で液体を吸い上げ、超音波振動子に直接供給して、この液体を霧化し、霧化した液体（以下、単に霧化液体と称する）を噴霧するようにしているものである。

特開２００３−１８１３４７号公報（第３ページ、第１図）

しかしながら、特許文献１に記載の超音波霧化器は、超音波振動子に霧化用の液体（たとえば、水）が直接供給されたときに、この液体の重量によって超音波振動子の発振が抑制され、超音波振動子の有する音響特性が低い周波数帯域に移動してしまい、この超音波振動子の有する本来の音響特性の周波数を得ることができずに、霧化液体量が減少してしまったり、液体を霧化することそのものが停止してしまったりする等の問題が発生してしまうことになっていた。

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、霧化する液体によって超音波振動子の発振が抑制されたとしても、強力な超音波を継続的に放射させることのできる超音波霧化装置及びそれを備えた設備機器を提供するものである。

本発明に係る超音波霧化装置は、超音波によって液体を霧化する超音波霧化装置であって、圧電素子で構成され、超音波を発生する振動子と、前記振動子に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波を発生する共振板と、前記共振板の外周部に設けられた弾性部材と、内側に空間が形成されており、この内側空間に前記振動子及び前記共振板が配置され、前記弾性部材を介して前記共振板及び前記振動子を振動可能に支持する構造体とを備えたことを特徴とする。また、本発明に係る設備機器は、上記の超音波霧化装置を備えたことを特徴とする。

本発明に係る超音波霧化装置は、共振板の外周部に弾性部材を設けるとともに、この共振板を弾性部材を介して構造体に支持するので、共振板の振幅を大きくすることができ、強力な超音波（共振波）を放射させることができる。また、本発明に係る設備機器は、上記の超音波霧化装置を備えているので、超音波霧化装置の効果を全部有することになる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る超音波霧化装置１０の概略構成を示す概略構成図である。図１に基づいて、超音波霧化装置１０の構成について説明する。この超音波霧化装置１０は、超音波を発生することによって水や薬剤等の液体を霧化させるものである。また、図１（ａ）が超音波霧化装置１０の縦断面図を、図１（ｂ）が超音波霧化装置１０の平面図をそれぞれ示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

この超音波霧化装置１０は、強力な超音波を放射することができることを特徴としている。図１（ａ）に示すように、超音波霧化装置１０は、支持部１１と、ＰＺＴ振動子１３と、共振板１４、構造体１５と、弾性部材１６とで構成されている。支持部１１には、内側に空間を有するように筒状に構成された構造体１５が取り付けられている。そして、弾性部材１６の一端が共振板１４に、他端が構造体１５にそれぞれ設けられることで、共振板１４を弾性部材１６を介して構造体１５で支持するようになっている。

支持部１１は、超音波霧化装置１０が設置される設備機器の筐体等に超音波霧化装置１０を取り付けるためのものである。この支持部１１は、図１（ｂ）に示すように平面形状が円形状となっている。なお、支持部１１を円形状に限定するものではなく、超音波霧化装置１０が取り付けられる設備機器に応じた形状となっていればよい。また、支持部１１と構造体１５とを一体的に形成してもよい。さらに、支持部１１に段差を形成し、この段差をＰＺＴ振動子１３を固定する台座として利用するようにしてもよい。

構造体１５は、弾性部材１６を介して共振板１４を支持できるものであればよく、構成材料や形状を特に限定するものではない。つまり、構造体１５は、共振板１４が上下方向に移動できる程度の空間を内側に有している構成であればよく、筒状に限定するものではない。また、構造体１５は、内側にＰＺＴ振動子１３及び共振板１４が配置されるとともに、一端（紙面下側、以下単に下端部１５ｂと称する）が支持部１１に取り付けられ、他端（紙面上側、以下単に上端部１５ａと称する）が構造体１５の平面形状の中心に向かって突出するように構成されている。そして、構造体１５の上端部１５ａには、共振板１４を支持するために弾性部材１６の他端（共振板１４側の端部とは反対側の端部）が設けられている。

この弾性部材１６の一端は、共振板１４の外周部（たとえば、共振板１４の外周上面や外周面）に設けられている。つまり、共振板１４は、弾性部材１６を介して構造体１５に支持されるようになっているのである。また、共振板１４の一方の面にはＰＺＴ振動子１３が取り付けられており、このＰＺＴ振動子１３が構造体１５の内部空間側に配置されている。したがって、共振板１４及びＰＺＴ振動子１３は、弾性部材１６を介して構造体１５に弾性的に吊り下げ支持されているのである。なお、ＰＺＴ振動子１３を固定するための台座（支持部１１とは別体のもの）をＰＺＴ振動子１３の共振板１４が取り付けられている側の反対側に設けるようにしてもよい。

弾性部材１６は、構造体１５の上端部１５ａと共振板１４の外周部とを接続するように設けられている。つまり、弾性部材１６は、共振板１４を構造体１５で支持するために設けられており、共振板１４を吊り下げ保持するようになっているのである。したがって、共振板１４は、弾性部材１６によって弾性的に構造体１５に支持されることになる。この弾性部材１６は、弾性を有する材料で構成されていればよく、特に材料を限定するものではない。たとえば、エポキシ樹脂、シリコンゴム、ウレタン又はゴム等を材料として弾性部材１６を構成するとよい。

ＰＺＴ振動子１３は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子であり、正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してパルス電圧が印加され、発振するようになっている。つまり、ＰＺＴ振動子１３は、平面形状が円形状で構成されており、パルス電圧が印加されることによって、所定の周波数帯域（一般的な周波数帯域である２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数帯域）の音波（超音波）を発生する機能を有しているのである。なお、図１では、正電極端子部１７及び負電極端子部１８が、支持部１１を貫通し、ＰＺＴ振動子１３に接続されるようになっている場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、支持部１１を貫通しなくてもＰＺＴ振動子１３に接続されていればよい。

共振板１４は、ＰＺＴ振動子１３に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１３の発振によって共振するようになっている。つまり、共振板１４は、ＰＺＴ振動子１３の発振によって発生する超音波の周波数の一次振動モード（図１（ａ）で示す破線Ａ）で、共振現象を起こすようになっているのである。つまり、共振板１４の厚さは、ＰＺＴ振動子１３の共振周波数で共振するような固有振動数を有するように調整しているのである。したがって、ＰＺＴ振動子１３の周波数に応じて、共振板１４を薄板構造化したり、厚板構造化したりするとよい。また、共振板１４は、平面形状が円形状に構成されており、ＰＺＴ振動子１３が取り付けられた側の反対側が露出するようになっている。また、共振板１４は、弾性部材１６を介して、支持部１１に支持されるようになっている。

なお、共振板１４は、金属で構成されていればよく、材質を特に限定するものではない。つまり、共振板１４の材質は、超音波霧化装置１０の用途、特に霧化させる液体に応じて決定するとよい。液体に薬剤（たとえば、Ｈ₂Ｏ₂（過酸化水素水）等）を用いることで、超音波霧化装置１０を殺菌用として使用するのであれば、共振板１４をその薬剤による腐食を防止できるような金属材料（たとえば、ニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）の合金等）で構成するとよい。そうすれば、薬剤による腐食の進行を防止することができる。

図１では、この弾性部材１６が、共振板１４の振幅を補助するために、縦断面形状がドーム型に形成されている。すなわち、この弾性部材１６は、圧電素子であるＰＺＴ振動子１３を固着した共振板１４の振動に伴って、上下方向（図１で示す矢印）に可動するようになっているのである。また、弾性部材１６の縦断面形状をドーム型にすることによって、共振板１４の振幅を補助し、移動範囲（振幅）を大きくすることが可能になっている。なお、弾性部材１６の縦断面形状について後に詳述する（図５参照）。

図２は、超音波霧化装置１０の一部の断面構成を拡大して示す縦断面図である。この図２では、ＰＺＴ振動子１３、共振板１４、弾性部材１６及び構造体１５の上端部１５ａを超音波霧化装置１０の一部として表している。図２に基づいて、共振板１４の振幅によって、弾性部材１６が上下方向に可動する状態について説明する。弾性部材１６は、上述したように縦断面形状がドーム型となっており、共振板１４の振幅を補助するための機能を有している。

そして、共振板１４を弾性部材１６を介して構造体１５で支持するので、共振板１４の振動で弾性部材１６が上下方向に大きく可動し、その結果として共振板１４が上下方向に大きく振幅することになる。すなわち、共振板１４の露出面に霧化に必要な液体が付着したとしても、液体の重量で共振板１４が振幅しないということを防止することができるのである。したがって、共振板１４が停止してしまうということがなくなり、共振板１４を安定的に振幅させることができるとともに、共振板１４を大きく振幅させることができ、強力な超音波を継続的に放射することが可能になっている。

また、ＰＺＴ振動子１３が発生する超音波の周波数帯域を一般的な周波数帯域（たとえば、２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚ）としても、共振板１４を弾性部材１６を介して構造体１５で支持するので、共振板１４を上下方向に大きく振幅させることができる。したがって、ＰＺＴ振動子１３の周波数帯域に関わらず、強力な超音波を継続的に放射することができるとともに、共振板１４の露出面に霧化に必要な液体が付着したとしても、液体の重量で共振板１４が振幅しないということを防止することができる。

図３は、共振板１４の音響特性を表すグラフである。図３に基づいて、超音波霧化装置１０の動作を説明するとともに、弾性部材１６を設けた場合における共振板１４の音響特性と、弾性部材１６を設けていない場合における共振板１４の音響特性とを比較しながら説明する。この図３では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸が尖鋭度（Ｑ）をそれぞれ示している。また、実線Ａが弾性部材１６を設けた場合の共振板１４の尖鋭度曲線を、波線Ｂが弾性部材１６を設けていない場合の共振板１４の尖鋭度曲線をそれぞれ示している。

まず、霧化液体の放射について簡単に説明する。上述したように、ＰＺＴ振動子１３に接続されている正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してＰＺＴ振動子１３にパルス電圧が印加されると、ＰＺＴ振動子１３が発振し、この発振の一次振動モードによって共振板１４が共振する。この共振現象によって、共振板１４の露出面で一次共振モードの共振周波数を有する共振波（超音波）が発生する。そして、この共振波によって、共振板１４の露出面に存在する液体を霧化し、放射させる。このとき、共振板１４は、弾性部材１６を介して構造体１５に支持され、上下方向に大きく振幅するので、共振板１４の露出面から強力な超音波を放射することが可能になっている。

図３に示す尖鋭度（Ｑ）は、共振板１４の共振状態を表す音響特性の傾向を示すものであり、確実な共振現象が発生しているときは、所定の範囲でピークを有する傾向を示す。つまり、弾性部材１６を設けていない場合における共振板１４の単一の共振周波数は、尖鋭度（Ｑ）が急峻なピーク（図３で示すＦｃ）を有しているが、弾性部材１６を設けた場合における共振板１４の単一の共振周波数は、弾性部材１６を設けていない場合における尖鋭度（Ｑ）よりも高くなるとともに、弾性部材１６の減衰成分で共振特性がなだらかになることで比較的広範囲のピーク（図３で示すＦｒ）を有するようになっている。

そして、共振板１４からの共振波が有する共振周波数が、このピークを示す範囲内であるときに、液体が霧化されるようになっている。したがって、弾性部材１６による上下方向に振動しやすい構造により、共振板１４が振動しやすくなり、広範囲な共振周波数帯域（図３で示すＦｒ）で音圧レベルの上昇が実現できることになる。すなわち、このことは強力な超音波を放射するということを意味するものである。更に言えば、このように、尖鋭度（Ｑ）を高くするとともに、比較的広範囲なピークを有する特性傾向を示すようにしておけば、この範囲内で強力な超音波を継続的に放射することができ、液体を安定的に霧化することができる。

なお、共振板１４に直接液体が接触するために、液体によっては共振板１４がさびたり腐食したりすることがあり、共振板１４が損傷してしまうことになる場合がある。そこで、共振板１４の露出した表面は、耐腐食性のある、たとえばニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）の合金による電極処理を行うようにしておくことが望ましい。また、共振板１４の露出した表面にシリコン膜を成膜してもよい。さらに、複数のＰＺＴ振動子１３を積層させたバイモルフ構造とすれば、ＰＺＴ振動子１３の発振をより強力にすることができる。

図４は、構造体１５の上端部１５ａの断面構成を示す縦断面図である。図４に基づいて、構造体１５の上端部１５ａについて簡単に説明する。この図４には、構造体１５の上端部１５ａの３種類の形状を示している。図４（ａ）が構造体１５の平面形状（たとえば、円形状や多角形状）の中心に向かって突出させた上端部１５ａを、図４（ｂ）が構造体１５の平面形状の中心に向かって突出させ、更に段差を設けた上端部１５ａを、図４（ｃ）が特段の細工をしていない上端部１５ａをそれぞれ示している。

この構造体１５の上端部１５ａには、上述したように弾性部材１６の一端が設けられるようになっている。したがって、構造体１５の上端部１５ａは、弾性部材１６が設けられるような形状であればよく、特に形状を限定するものではない。つまり、構造体１５の上端部１５ａに設けられた弾性部材１６及びこの弾性部材１６を取り付けた共振板１４が上下方向に可動できればよいのである。そのために、断面形状を鈎形として上端部１５ａを形成してもよく（図４（ａ））、断面形状を鈎形とし、更に段差を設けるように上端部１５ａを形成してもよく（図４（ｂ））、極端な例を挙げれば特段の細工を何もせずに上端部１５ａを形成してもよい（図４（ｃ））。

図５は、弾性部材１６の縦断面形状を示す縦断面図である。図５に基づいて、弾性部材１６の縦断面形状について説明する。この図５には、弾性部材１６の縦断面形状を４種類示している。図５（ａ）が図１及び図２で示したドーム型の縦断面形状の弾性部材１６を、図５（ｂ）が逆ドーム型の縦断面形状の弾性部材１６を、図５（ｃ）がトライアングル型の縦断面形状の弾性部材１６を、図５（ｄ）が逆トライアングル型の断面形状の弾性部材１６をそれぞれ示している。

弾性部材１６は、上述したように弾性を有し、共振板１４の振幅を補助するために機能するものであり、共振板１４の共振現象によって弾性部材１６自身が上下方向に大きく可動することで、共振板１４の振幅を大きくするものである。そのため、弾性部材１６は、構造体１５の上端部１５ａと共振板１４とを接続し、それらの間における中間部において所定の質量を要するように所定の厚みを設けている。また、弾性部材１６の中間部の厚みは、弾性部材１６の両端部（つまり、共振板１４及び上端部１５ａの接続部）の厚みよりも厚くしている。したがって、弾性部材１６は、所定の質量を有するような形状であればよく、特に形状を限定するものではない。つまり、共振板１４を上下方向に大きく振幅させることができればよいのである。

そこで、縦断面形状をドーム型として弾性部材１６を構成してもよく（図５（ａ））、縦断面形状をドーム型とし、上下ひっくり返した逆ドーム型として弾性部材１６を構成してもよく（図５（ｂ））、縦断面形状をトライアングル型（つまり、三角形型）として弾性部材１６を構成してもよく（図５（ｃ））、縦断面形状をトライアングル型とし、上下ひっくり返した逆トライアングル型として弾性部材１６を構成してもよい（図５（ｄ））。なお、この図５で示した弾性部材１６の縦断面形状は一例であり、これらに限定するものではない。たとえば、弾性部材１６の縦断面形状を四角形以上の多角形型としてもよい。

図６は、超音波霧化装置１０の設置例を説明するための説明図である。図６に基づいて、超音波霧化装置１０の設置例について説明する。図６では、超音波霧化装置１０を霧化用ダクト２０内に設置した場合を例に示している。図６に示すように、超音波霧化装置１０が液体を放射する際には、源水タンク２１から霧化用の液体（以下、単に源水２２と称する）が霧化用ダクト２０内に供給される。そして、この源水２２が、霧化用ダクト２０の内部における共振板１４の露出した表面まで達すると源水２２の霧化が開始されることになる。

つまり、ＰＺＴ振動子１３に接続されている正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してＰＺＴ振動子１３にパルス電圧が印加され、ＰＺＴ振動子１３が発振し、この発信によってＰＺＴ振動子１３に取り付けられている共振板１４が共振する。この共振現象によって、共振板１４の露出面で一次共振モードの共振周波数を有する共振波（超音波）が発生する。そして、この共振波によって、共振板１４の露出面を満たしている源水２２が霧化されることになる。

この霧化用ダクト２０は、超音波導波管として機能するものであり、共振板１４の露出面から発生した超音波が霧化用ダクト２０内に伝搬していることになる。したがって、霧化用ダクト２０に超音波霧化装置１０を設置することによって、霧化用ダクト２０外部からの空気の伝搬がなくなり、共振波の減衰を低減することができる。すなわち、共振板１４から発生した超音波が粗密を繰り返しながら、霧化用ダクト２０内を伝搬することになるのである。このように超音波霧化装置１０を霧化用ダクト２０に設置することによって、共振板１４から発生する超音波の減衰を低減することができ、霧化用ダクト２０のダクト長を長くしても、超音波振動波が長い距離でも伝播することが可能となる。

したがって、超音波霧化装置１０が設置される設備機器の用途に応じて、霧化用ダクト２０に超音波霧化装置１０を設置することもできるのである。この実施の形態に係る超音波霧化装置１０を設置可能な設備機器としては、たとえばエアコンや冷凍装置等の空気調和装置の室内ユニットや、ネブライザ（吸入器）、脱臭器、噴霧器、加湿器、冷蔵庫等がある。すなわち、液体を霧化して放射させる必要性のある設備機器であれば、超音波霧化装置１０を設置することができるのである。また、室内ユニットに超音波霧化装置１０を備える場合には、室内ユニット内の殺菌用途に使用することができ、冷蔵庫に超音波霧化装置１０を備える場合には、庫内の食品を乾燥させないように使用することもできる。

実施の形態では、圧電素子としてＰＺＴ振動子１３を一例として説明したが、これに限定するものではない。たとえば、セラミック型の圧電素子や高分子型の圧電素子等の圧電素子であってもよい。図６で説明した霧化用ダクト２０は、超音波霧化装置１０を設置する設備機器に応じて設置すればよい。また、霧化用ダクト２０は、円筒状に構成されていてもよく、角柱状に構成し、内部を円柱状にくり抜くようにしてもよい。この場合には、支持部１１も霧化用ダクト２０の形状に応じた形状とするとよい。

実施の形態に係る超音波霧化装置の概略構成を示す概略構成図である。 超音波霧化装置の一部の断面構成を拡大して示す縦断面図である。 共振板の音響特性を表すグラフである。 構造体の上端部の断面構成を示す縦断面図である。 弾性部材の縦断面形状を示す縦断面図である。 超音波霧化装置の設置例を説明するための説明図である。

符号の説明

１０ 超音波霧化装置、１１ 支持部、１３ ＰＺＴ振動子、１４ 共振板、１５ 構造体、１５ａ 上端部、１５ｂ 下端部、１６ 弾性部材、１７ 正電極端子部、１８ 負電極端子部、２０ 霧化用ダクト、２１ 源水タンク、２２ 源水。

Claims (6)

1. 超音波によって液体を霧化する超音波霧化装置であって、
   圧電素子で構成され、超音波を発生する振動子と、
   前記振動子に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波を発生する共振板と、
   前記共振板の外周部に設けられた弾性部材と、
   内側に空間が形成されており、この内側空間に前記振動子及び前記共振板が配置され、前記弾性部材を介して前記共振板及び前記振動子を振動可能に支持する構造体とを備えた
   ことを特徴とする超音波霧化装置。
2. 前記弾性部材をエポキシ樹脂、シリコンゴム、ウレタン又はゴムのいずれかで構成した
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波霧化装置。
3. 前記弾性部材は、前記共振板と前記構造体とを接続しており、
   前記共振板と前記構造体との中間部における厚さを両端部における厚さより厚くした
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波霧化装置。
4. 前記共振板と前記構造体との間における前記弾性部材の縦断面形状を、ドーム型、逆ドーム型、トライアングル型又は逆トライアングル型のいずれかとした
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波霧化装置。
5. 前記共振板の厚さを、前記振動子が発生する超音波の周波数で決定した
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波霧化装置。
6. 前記請求項１〜５のいずれかに記載の超音波霧化装置を備えた
   ことを特徴とする設備機器。

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