JP2015128743A - 霧化器及び霧化器における周波数の掃引方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】液体を効率的に霧化することができる霧化器を提供する。
【解決手段】霧化器は、振動板31及び振動板を振動させる圧電素子32を有する振動体3と、振動板の表面に液体を供給する液体供給部21と、圧電素子に供給する交流電圧の周波数を掃引する駆動制御部と、を備え、駆動制御部は、振動体3の共振周波数を含む周波数帯において交流電圧を掃引し、予め設定された単位時間(例えば、1秒)における掃引回数が所定回数(例えば、2回)以上である。
【選択図】図3
【解決手段】霧化器は、振動板31及び振動板を振動させる圧電素子32を有する振動体3と、振動板の表面に液体を供給する液体供給部21と、圧電素子に供給する交流電圧の周波数を掃引する駆動制御部と、を備え、駆動制御部は、振動体3の共振周波数を含む周波数帯において交流電圧を掃引し、予め設定された単位時間(例えば、1秒)における掃引回数が所定回数(例えば、2回)以上である。
【選択図】図3
Description
この発明は、振動板を圧電素子によって振動させて、前記振動板の表面に供給された液体を霧化する霧化器及び霧化器における周波数の掃引方法に関する。
従来、薬剤、香料等を含む液体を霧化して空気中に放出する霧化器では、例えば、振動板に液体を供給し、この振動板に接合された圧電素子を振動駆動することによって液体を霧化している。具体的には、例えば、圧電素子の駆動周波数を所定範囲の周波数域内で掃引(スイープ)させて圧電素子を駆動することが開示されている(特許文献1参照)。特許文献1に記載の霧化装置では、前記所定範囲の周波数域における中心周波数が、前記圧電素子の共振周波数に略等しく設定されている。
特許文献1に記載の霧化装置によれば、圧電素子の駆動周波数を所定範囲の周波数域内でスイープさせて駆動するため、圧電素子に印加する電圧の周波数を個々の圧電素子の共振周波数に調整する工程を不要とすることができると共に、前記所定範囲の周波数域における中心周波数が、圧電素子の共振周波数に略等しいため、一定以上の噴霧量を確保することができる、と記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載の霧化装置においては、周波数が適正にスイープされていないときに、振動板上に供給された液体を充分効率的に霧化できない場合があった。この場合には、特許文献1に記載の霧化装置では、所望する霧化量を達成することができないことがある。
本発明は上記の課題を解決するためのものであり、液体を効率的に霧化することができる霧化器及び霧化器における周波数の掃引方法を提供することを目的としている。
この目的を達成するために、本発明に係る第1の霧化器は、振動板、及び、当該振動板を振動させる圧電素子を有する振動体と、前記振動板の表面に液体を供給する液体供給手段と、前記圧電素子に供給する交流電圧の周波数を掃引する掃引制御手段と、を備える霧化器であって、前記掃引制御手段が、前記振動体の共振周波数を含む周波数帯において前記交流電圧を掃引し、予め設定された単位時間における掃引回数が所定回数以上であることを特徴としている。
この構成によれば、液体供給手段によって振動板の表面に液体が供給され、当該振動板が圧電素子によって振動される。また、掃引制御手段によって、前記圧電素子に供給する交流電圧の周波数が掃引される。更に、この掃引制御手段によって、前記振動体の共振周波数を含む周波数帯において前記交流電圧が掃引され、予め設定された単位時間(例えば、1秒間)における掃引回数が所定回数(例えば、2回)以上であるため、前記圧電素子に供給する交流電圧の周波数が前記振動体の共振周波数と略一致する単位時間当たりの回数を所定回数以上とすることができる。よって、振動板の表面に供給された液体が霧化する時間間隔ΔTを短くすることができる。したがって、この時間間隔ΔTにおいて供給された液体が振動板の表面に滞留する量を削減することができるため、振動板の表面に供給された液体を効率的に霧化することができる。また、前記振動体の共振周波数のバラツキに伴う霧化量のバラツキを低減することができる。
本発明に係る第2の霧化器は、第1の霧化器において、前記掃引制御手段が、1秒間に2回以上の頻度で掃引することを特徴としている。
この構成によれば、前記掃引制御手段によって、1秒間に2回以上の頻度で掃引されるため、振動板の表面に供給された液体が霧化する時間間隔ΔTを約0.25秒以下とすることができる。したがって、供給された液体が振動板の表面に滞留する量を更に削減することができるため、振動板の表面に供給された液体を更に効率的に霧化することができる。
本発明に係る第3の霧化器は、第1又は第2の霧化器において、前記掃引制御手段は、前記交流電圧をバースト波として掃引することを特徴としている。
この構成によれば、前記掃引制御手段によって、前記交流電圧がバースト波として掃引されるため、簡素な構成で(例えば、安価なマイクロコンピュータで)前記掃引制御手段を実現することができる。
本発明に係る第4の霧化器は、第1から第3のいずれか1つの霧化器において、前記振動板が、その表面が略水平に配設され、前記液体供給手段が、前記振動板の上面に液体を供給することを特徴としている。
この構成によれば、前記振動板の表面が略水平に配設され、前記液体供給手段によって、前記振動板の上面に液体が供給されるため、振動板の表面に供給された液体を更に効率的に霧化することができる。
本発明に係る霧化器における周波数の掃引方法は、振動板、及び、当該振動板を振動させる圧電素子を有する振動体と、前記振動板の表面に液体を供給する液体供給手段と、を備える霧化器において、前記圧電素子に供給する交流電圧の周波数の掃引方法であって、前記振動体の共振周波数を含む周波数帯において前記交流電圧を掃引し、予め設定された単位時間における掃引回数が所定回数以上であることを特徴としている。
この方法によれば、液体供給手段によって振動板の表面に液体が供給され、当該振動板が圧電素子によって振動される。また、前記圧電素子に供給する交流電圧の周波数が掃引される。更に、前記振動体の共振周波数を含む周波数帯において前記交流電圧が掃引され、予め設定された単位時間(例えば、1秒間)における掃引回数が所定回数(例えば、2回)以上であるため、前記圧電素子に供給する交流電圧の周波数が前記振動体の共振周波数と略一致する単位時間当たりの回数を所定回数以上とすることができる。よって、振動板の表面に供給された液体が霧化する時間間隔ΔTを短くすることができる。したがって、この時間間隔ΔTにおいて供給された液体が振動板の表面に滞留する量を削減することができるため、振動板の表面に供給された液体を効率的に霧化することができる。また、前記振動体の共振周波数のバラツキに伴う霧化量のバラツキを低減することができる。
本発明に係る霧化器及び霧化器における周波数の掃引方法によれば、振動板の表面に供給された液体を効率的に霧化することができる。また、前記振動体の共振周波数のバラツキに伴う霧化量のバラツキを低減することができる。
以下に、この発明の一実施の形態に係る霧化器100について、図1から図7を参照しながら説明する。まず、図1を参照して、霧化器100の全体構成について説明する。図1は、本発明に係る霧化器100の一例を示す構成図である。霧化器100は、液体を霧化し、外部に(大気中に)放出する霧化器であって、タンク1、液体供給部2、振動体3、及び、駆動制御部4を備えている。
ここで、霧化器100は、樹脂製、又は、金属製(例えば、ステンレス製)の筐体(図示省略)を備え、タンク1、液体供給部2、振動体3、及び、駆動制御部4は、この筐体内に収納されている。また、この筐体には、振動体3において発生された霧化した液体を外部に(大気中に)放出する開口が形成されている。
タンク1は、樹脂製、又は、金属製(例えば、ステンレス製)のタンクであって、霧化する液体を貯留する。ここで、タンク1に貯留される液体は、例えば、衛生用又は化粧用等の薬効成分、及び、芳香成分の少なくとも一方を含む液体である。ただし、図7の図表に示す実験では、便宜上、液体として水を使用している。
液体供給部2は、タンク1に貯留されている液体を、振動体3(具体的には、図2に示す振動板31の霧化面311)に供給する。ここで、液体供給部2は、本発明に係る「液体供給手段」の一具体例に相当する。また、液体供給部2から振動体3に供給する液体の量は、振動体3において霧化される量(以下、霧化量という。)に概ね一致するべく設定されている。更に、液体供給部2の構造は、図3及び図4を用いて後述するように種々の構造が適用可能であるが、例えば、図3(a)に示すペン方式等の供給量を概ね一定に設定できる方式が好ましい。
振動体3は、液体供給部2によって供給された液体を霧化するものであって、ここでは、図2に示すように、いわゆる「ムーニー(Moonie)型」に構成されており、振動板31、及び、振動板31を振動させる圧電素子32を有している。図2(a)は、振動体3の斜視図であって、図2(b)は、振動体3のA−A断面図である。圧電素子32は、図2に示すように、略円板状に形成され、駆動制御部4から供給される駆動電圧に応じて振動する。また、振動板31は、ステンレス等の金属製(ここでは、例えば、厚みが0.5mmのSUS304製)であって、圧電素子32の外周面に当接し、圧電素子32の上面側には空間を形成するべくドーム状に形成されている。更に、振動板31は、圧電素子32の外周面(側面)と、例えば接着剤等によって固定されている。振動板31は、圧電素子32からの振動が伝達されて振動し、振動板31の上面(霧化面311)に供給された液体を霧化する。
このように、振動板31が、厚み0.5mmのSUS304製であるため、防錆性を有すると共に、強度も確保することができる。本実施形態では、振動板31が、SUS304製である場合について説明するが、その他の種類のステンレス(例えば、SUS430等)であっても良いし、他の種類の金属(例えば、アルミニウム等)である形態でも良いし、セラミックスである形態でも良い。
また、振動体3が、いわゆる「ムーニー(Moonie)型」に構成されているため、簡素な構成で効率的に液体を霧化することができる。本実施形態では、振動体3が、「ムーニー(Moonie)型」に構成されている場合について説明するが、振動体3が、その他の方式(例えば、「単板型」、「積層型」、「シンバル(Cymbal)型」等)に構成されている形態でも良い。
駆動制御部4は、振動体3の圧電素子32を駆動制御するものであって、信号発生部41及び信号増幅部42を備えている。ここで、駆動制御部4は、本発明に係る「掃引制御手段」の一具体例に相当する。また、信号発生部41は、圧電素子32に供給する交流電圧の周波数を掃引するものである。具体的には、信号発生部41は、振動体3の共振周波数F0(例えば、118.96kHz)を含む周波数帯(例えば、114.3kHz〜135.6kHz)において交流電圧を掃引し、予め設定された単位時間(例えば、1秒間)における掃引回数Nが所定回数(例えば、2回)以上(例えば、図5(b)では掃引回数N=3回、図6(a)では掃引回数N=4回、図6(b)では掃引回数N=5回)のバースト波(周波数がステップ的に変化する信号)を生成する。なお、信号発生部41の生成するバースト波の詳細については、図5、図6を用いて後述する。信号増幅部42は、信号発生部41によって生成されたバースト波を、圧電素子32の駆動に適した電圧に増幅するものである。
電源部5は、駆動制御部4に対して予め設定された所定周波数(例えば、50Hz又は60Hz)の交流電圧の電力(例えば、商用電力)を供給するもの、もしくは、電池などの直流電源を直流電圧に変換し、かつ電圧を変換して(たとえば、3.3Vや5V程度)電力を供給するものである。
ここで、図1に示す霧化器100の動作を説明する。タンク1に貯留されている液体が、液体供給部2によって、振動体3の振動板31の霧化面311に供給される。一方、電源部5からの電力が駆動制御部4に供給され、駆動制御部4の信号発生部41において、振動体3の共振周波数F0を含む周波数帯において交流電圧が掃引され、バースト波が生成される。そして、生成されたバースト波が駆動制御部4の信号増幅部42によって増幅されて、振動体3の圧電素子32に供給され、圧電素子32が供給されたバースト波に応じて振動する。圧電素子32の振動が振動体3の振動板31に伝達されて、振動板31が振動し、振動板31の霧化面311に供給された液体が霧化される。
次に、図3、図4を参照して、液体供給部2の実施形態について説明する。図3(a)はペン方式の図であり、図3(b)は、滴下方式の図であり、図4(a)は、毛細管方式の図であり、図4(b)は、給液芯方式の図であり、図4(c)は、スプレー方式の図である。図3(a)に示すように、ペン方式の液体供給部21は、鉛筆のような形状に形成されており、先端(ここでは、下端)が円錐状に形成されている。そして、円錐状に形成された先端(ここでは、下端)から振動板31の霧化面311にタンク1内の液体が供給される。また、図3(b)に示すように、滴下方式の液体供給部22は、タンク1の側面に接続された給液管として構成されており、タンク1内の液体が、この給液管内を通って、その先端(ここでは、左端)から振動板31の霧化面311に滴下することによって供給される。
図4(a)に示すように、毛細管方式の液体供給部23は、一方側端部がタンク1に接続された毛細管として構成されており、タンク1内の液体が、この毛細管内を通って、他方側端部(ここでは、左下側端部)から振動板31の霧化面311に流下することによって供給される。図4(b)に示すように、給液芯方式の液体供給部24は、一方側端部(ここでは、上側端部)がタンク1に接続された給液芯として構成されており、タンク1内の液体が、この給液芯に含浸され、他方側端部(ここでは、下側端部)から振動板31の霧化面311に浸み出すことによって供給される。図4(c)に示すように、スプレー方式の液体供給部25は、一方側端部(ここでは、左側端部)がタンク1に接続されたノズル251を有するスプレーガンとして構成されており、タンク1内の液体が、このノズル251から噴出されて、振動板31の霧化面311に供給される。
図3、図4に示す液体供給部2の実施形態では、振動板31の霧化面311が振動板31の上側面であるため、液体供給部2によって、振動板31の上面に液体が供給され、振動板31の表面に供給された液体を更に効率的に霧化することができる。図3、図4に示す液体供給部2の実施形態では、振動板31の霧化面311が振動板31の上側面である場合について説明したが、振動板31の霧化面311がその他の方向を向いている面である形態でも良い。例えば、振動板31の霧化面311が、振動板31の下側面である形態でも良い。この場合には、振動体3の霧化面311が下側を向いた状態で、霧化器100に配設される。また、例えば、振動板31の右側面(又は、左側面)である形態でも良い。この場合には、振動体3の霧化面311が右側(又は、左側)を向いた状態で、霧化器100に配設される。
ここで、図5、図6を参照して、駆動制御部4(信号発生部41)が生成する信号について説明する。図5、図6に示すグラフG1〜G4は、横軸が時間(msec)であって縦軸が周波数(kHz)であって、信号発生部41が生成する信号の周波数の変化を示すグラフである。図5、図6に示すように、信号発生部41は、振動体3の共振周波数F0(ここでは、118.96kHz)を含む周波数帯(ここでは、114.3kHz〜135.6kHz)において交流電圧を掃引する。また、信号発生部41は、周波数を、予め設定された所定周波数ΔF(ここでは、2kHz)ずつステップ的に変化させるバースト波の形態で周波数を掃引する。
図5(a)では、信号発生部41が生成する信号の周期T1は、約1秒であるため、1秒間に約2回の頻度で、振動体3の共振周波数F0に略一致する周波数となる。図5(b)では、信号発生部41が生成する信号の周期T2は、約1/3秒であるため、1秒間に約6回の頻度で、振動体3の共振周波数F0に略一致する周波数となる。図6(a)では、信号発生部41が生成する信号の周期T3は、約1/4秒であるため、1秒間に約8回の頻度で、振動体3の共振周波数F0に略一致する周波数となる。図6(b)では、信号発生部41が生成する信号の周期T3は、約1/5秒であるため、1秒間に約10回の頻度で、振動体3の共振周波数F0に略一致する周波数となる。
このように、予め設定された所定周波数ΔF(ここでは、約2kHz)ずつステップ的に変化させるバースト波として掃引する場合には、簡素な構成で(例えば、安価なマイクロコンピュータで)信号発生部41を実現することができる。本実施形態では、予め設定された所定周波数ΔF(ここでは、約2kHz)ずつステップ的に変化させるバースト波として掃引する場合について説明したが、より小さい所定周波数ΔF1(例えば、0.5kHz)ずつステップ的に変化させるバースト波として掃引する形態でも良いし、連続的に周波数を変化させて掃引する形態でも良い。
図7は、本発明に係る霧化器100の効果の一例を示す図表であって、(a)は、詳細な実験データであり、(b)は、整理された実験データである。左端の記号A、B、C、Dは、信号発生部41が生成する信号が、それぞれ、図5(a)のグラフG1、図5(b)のグラフG2、図6(a)のグラフG3、及び、図6(b)のグラフG4であることを示している。すなわち、記号A〜記号Dにおいては、信号発生部41は、振動体3の共振周波数F0(ここでは、118.96kHz)を含む周波数帯(ここでは、114.3kHz〜135.6kHz)において交流電圧を掃引する。また、信号発生部41は、周波数を、予め設定された所定周波数ΔF(ここでは、2kHz)ずつステップ的に変化させるバースト波の形態で周波数を掃引する。また、記号A、記号B、記号C、及び、記号Dにおいては、それぞれ、図5(a)、図5(b)、図6(a)及び図6(b)に示すように、信号発生部41が生成する信号の周期T1は、約1秒、約1/3秒、約1/4秒、及び、約1/5秒である。
また、図7(a)の「素子No.」の欄に示すように、ここでは、「素子No.」が「12」、「17」、及び、「25」である3個の振動体3を用いて実験を行っている。図7(a)の「共振周波数」の欄に示すように、「素子No.」が「12」である振動体3の共振周波数は「119.76kHz」であり、「素子No.」が「17」である振動体3の共振周波数は「119.05kHz」であり、「素子No.」が「25」である振動体3の共振周波数は「118.06kHz」である。
ここで、振動体3の共振周波数について説明する。振動体3の共振周波数とは、本実施形態においては、振動体3の振動板31の霧化面311において、単位時間(ここでは、1分間)に液体が霧化される量(ここでは、質量(g)であり、以下「霧化量Q」という。)が最大(又は、極大)となる周波数である。
上述のように、「素子No.」が「12」、「17」、及び、「25」である3個の振動体3は、それぞれ、共振周波数が相違するため、霧化量Qも相違している。図7(a)の右端欄には、平均霧化量との差の百分率を示しているが、記号Aの場合には、「−33%〜19%」の範囲で大きくバラツいているのに対して、記号Bでは、「−11%〜11%」、記号Cでは、「−2%〜3%」、記号Dでは、「−9%〜7%」となっており、信号発生部41が生成するバースト信号の周期Tが短い程、振動体3の共振周波数等のバラツキに伴う、霧化量のバラツキが概ね減少している。すなわち、予め設定された単位時間(ここでは、1秒間)における掃引回数が所定回数(ここでは、2回)以上とし、振動板31の霧化面311に供給された液体が霧化する時間間隔ΔTを短くすることによって、振動体3の共振周波数のバラツキに伴う霧化量Qのバラツキを低減することができるのである。なお、本実施形態では、1周期Tにおいて共振周波数F0の状態となる回数は2回であるため、時間間隔ΔTは周期Tの約半分となる。
図7(b)の右から2番目の欄には、「素子No.」が「12」、「17」、及び、「25」である3個の振動体3における霧化量Qの平均値を記載しており、右端の欄には、記号Aにおける霧化量Q(ここでは、15.5mg/min)を基準として、記号B、C、Dにおける霧化量Qを、それぞれ、百分率で霧化比Rとして記載している。記号B、C、Dにおける霧化比Rは、図7(b)に示すように、それぞれ、「132%」、「144%」、及び、「156%」であって、圧電素子32に供給する交流電圧の周波数Fが振動体3の共振周波数F0と略一致する単位時間当たりの回数Nを増加する程、振動板31の表面(霧化面311)に供給された液体を効率的に霧化することができる。すなわち、圧電素子32に供給する交流電圧の周波数Fが振動体3の共振周波数F0と略一致する単位時間当たりの回数Nを増加する程、振動板31の表面(霧化面311)に供給された液体が霧化する時間間隔ΔTを短くすることができる。したがって、この時間間隔ΔTにおいて供給された液体が振動板31の表面(霧化面311)に滞留する量を削減することができるため、振動板31の表面(霧化面311)に供給された液体を効率的に霧化することができるのである。
本実施形態では、信号発生部41が114.3kHz〜135.6kHzの周波数帯において交流電圧を掃引する場合について説明したが、掃引する周波数帯は、振動体3の共振周波数F0(ここでは、118.96kHz)を含んでいれば、狭い程良い。すなわち、掃引する周波数帯が狭い程、共振周波数F0近傍の周波数である時間が長く、霧化量Qを増大することができるからである。
また、本実施形態では、信号発生部41が振動体3の共振周波数F0(ここでは、118.96kHz)を含む形態について説明したが、信号発生部41が振動体3の基本波の共振周波数、又は、高調波の共振周波数のうちの少なくともいずれか一つの共振周波数を含む形態でも良い。
100 霧化器
1 タンク
2(21、22、23、24、25) 液体供給部(液体供給手段)
3 振動体
31 振動板
311 霧化面
32 圧電素子
4 駆動制御部(掃引制御手段)
41 信号発生部
42 信号増幅部
5 電源部
1 タンク
2(21、22、23、24、25) 液体供給部(液体供給手段)
3 振動体
31 振動板
311 霧化面
32 圧電素子
4 駆動制御部(掃引制御手段)
41 信号発生部
42 信号増幅部
5 電源部
Claims (5)
- 振動板、及び、当該振動板を振動させる圧電素子を有する振動体と、前記振動板の表面に液体を供給する液体供給手段と、前記圧電素子に供給する交流電圧の周波数を掃引する掃引制御手段と、を備える霧化器であって、
前記掃引制御手段は、前記振動体の共振周波数を含む周波数帯において前記交流電圧を掃引し、予め設定された単位時間における掃引回数が所定回数以上であることを特徴とする霧化器。 - 請求項1に記載の霧化器であって、
前記掃引制御手段は、1秒間に2回以上の頻度で掃引することを特徴とする霧化器。 - 請求項1又は請求項2に記載の霧化器であって、
前記掃引制御手段は、前記交流電圧をバースト波として掃引することを特徴とする霧化器。 - 請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の霧化器であって、
前記振動板は、その表面が略水平に配設され、
前記液体供給手段は、前記振動板の上面に液体を供給することを特徴とする霧化器。 - 振動板、及び、当該振動板を振動させる圧電素子を有する振動体と、前記振動板の表面に液体を供給する液体供給手段と、を備える霧化器において、前記圧電素子に供給する交流電圧の周波数の掃引方法であって、
前記振動体の共振周波数を含む周波数帯において前記交流電圧を掃引し、予め設定された単位時間における掃引回数が所定回数以上であることを特徴とする、圧電素子に供給する交流電圧の周波数の掃引方法。
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