JP2021122804A - 超音波振動子の駆動方法、駆動回路、および超音波霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低電力駆動において高い霧化効率を得る。【解決手段】対向する面の面積が等しい略円盤状の超音波霧化用振動子２と、超音波霧化用振動子２の一方の面の全領域以下に形成された第１電極５と、超音波霧化用振動子２の他方の面に第１電極よりも狭い領域を有するとともに、第１電極の領域内にすべてが含まれるように形成された第２電極６と、第１電極５と第２電極６との間に駆動電圧を印加すると、一方の面の全領域と他方の面の全領域との間で対向する方向に振動する第１振動モードと、他方の面に形成された第２電極領域と一方の面の該第２電極領域との間で対向する方向に振動する第２振動モードと、を有し、超音波霧化用振動子の第２振動モードの周波数で当該超音波霧化用振動子２を駆動させる。【選択図】図２

Description

本発明は、液体に超音波エネルギーを直接与えることで霧を発生させる超音波振動子の駆動方法、駆動回路、および超音波霧化装置に関する。

超音波振動によって水等の液体を霧化して加湿器や吸入器等として使用する超音波霧化装置が知られている。図２２に示すように、超音波霧化装置１００は、液体Ｆを収容する容器１０と、液体Ｆに超音波振動を与える超音波振動子４０とを備えている。

超音波霧化装置１００では、超音波振動子４０に高周波の電圧が印加されると、容器１０内の液体Ｆに超音波Ｓの振動が伝わり、液面が隆起した液柱Ｒが形成される。液体Ｆの表面張力によって保たれる液柱Ｒの表面が、超音波Ｓの振動によって破られることにより霧化粒子（霧）Ｍが発生する。

超音波霧化装置１００では、超音波振動子４０から発生した超音波Ｓの振動エネルギーのすべてを、霧化粒子（霧）Ｍの発生に結び付けることは困難であり、高い霧化効率を得るための様々な試みがなされている。特許文献１には、霧の発生量が最大となる周波数として、振動子の直列共振周波数ｆｒまたは並列共振周波数ｆａの間のリアクタンスが誘導性となる領域を選択する技術が開示されている。

また、特許文献２には、圧電振動子の等価回路の駆動電圧の位相と直列共振回路電流の位相とを一致させることにより、駆動周波数が直列共振周波数に自動追尾し、圧電振動子を最大パワーで駆動する技術が開示されている。

特開昭５０−１５６０１８号公報 特開２０１２−１１０８６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、霧の発生が最大となる周波数の範囲が、直列共振周波数（共振周波数）と並列共振周波数（反共振周波数）の範囲と比較して狭い。このため、共振周波数と反共振周波数との間の周波数で振動子を駆動しても、高い霧化効率を得ることは困難である。また、発振回路をコルピッツ型で構成しているため、電池などを電源とする低電力駆動を行うことが難しい。

また、特許文献２に記載された技術では、圧電振動子を最大パワーで駆動する圧電振動子の等価回路として、直列共振回路が１つの場合を想定しているため、直列共振回路が複数存在する場合、駆動周波数を制御することは困難である。

本発明の目的は、上述した課題を鑑み、低電力駆動においても高い霧化効率を得るという課題を解決する超音波振動子の駆動方法、駆動回路、および超音波霧化装置を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するものであり、以下を包含する。
［１］ 対向する面の面積が等しい円盤状の超音波霧化用振動子において、前記超音波霧化用振動子の一方の面の全領域以下に形成された第１電極と、前記超音波霧化用振動子の他方の面に前記第１電極よりも狭い領域を有するとともに、前記超音波霧化用振動子の平面視において、前記第１電極の領域内にすべてが含まれるように形成された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に駆動電圧を印加すると、前記一方の面の全領域と前記他方の面の前記全領域との間で対向する方向に振動する第１振動モードと、前記他方の面に形成された第２電極領域と前記一方の面の該第２電極領域との間で前記対向する方向に振動する第２振動モードと、を有し、前記超音波霧化用振動子の第２振動モードの周波数で、当該超音波霧化用振動子を駆動させる、超音波振動子の駆動方法。

［２］ 前記超音波霧化用振動子を前記対向する方向に振動させる周波数（駆動周波数）は、前記第２振動モードの共振周波数（ＦｒＢ）である周波数の±３％以内に設定されている、[１]に記載の超音波振動子の駆動方法。

［３］ 前記第１振動モードは、前記超音波霧化用振動子を第１共振周波数で振動させ、前記第２振動モードは、前記超音波霧化用振動子を前記第１共振周波数よりも高い周波数である第２共振周波数で振動させる、[１]または［２］に記載の超音波振動子の駆動方法。

[４] 駆動電圧を印加すると振動する超音波霧化用振動子と、前記超音波霧化用振動子と並列に接続された疑似振動子（補償用回路）と、前記超音波霧化用振動子が振動するとき前記超音波霧化用振動子に流れる電流に対応する電圧から、前記疑似振動子に前記駆動電圧が印加された際、前記疑似振動子に流れる電流に対応する電圧を減算する減算手段と、前記駆動電圧の位相と前記減算した後の電圧の位相との位相差に応じた電圧を検出する位相差検出手段と、前記検出した電圧に基づいて前記駆動電圧の周波数を制御する電圧制御発振手段と、を有し、前記超音波霧化用振動子は、前記制御された駆動電圧の周波数で振動する、超音波振動子の駆動回路。

［５］ 対向する面の面積が等しい円盤状の振動子の一方の面の全領域以下に形成された第１電極と、前記振動子の他方の面に形成され前記第１電極よりも狭い領域を有するように形成された第２電極と、前記他方の面に形成された第２電極の外側に形成された第３電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に駆動電圧を印加した際に、前記駆動電圧の位相と前記第１電極と前記第３電極の間に発生する電圧の位相との位相差に応じた電圧を検出する位相差検出手段と、前記検出した電圧に基づいて前記駆動電圧の周波数を制御する電圧制御発振手段と、を有し、前記超音波霧化用振動子は、前記制御された駆動電圧の周波数で振動する、超音波振動子の駆動回路。

［６］ [１]〜[３]の何れか１項に記載の超音波振動子の駆動方法および／または[４]〜[５]の何れか１項に記載された超音波振動子の駆動回路を用いて発生した超音波から液体に振動エネルギーを与えることにより、前記液体を霧化する超音波霧化装置。

本発明によれば、低電力駆動においても高い霧化効率を得ることが可能な超音波振動子の駆動方法、駆動回路、および超音波霧化装置を提供できる。

本発明の第１実施形態の超音波振動子の構造を模式的に示す平面図である。 図１のＸ−Ｘ断面を示す超音波振動子に交流電圧を印加した状態を示す回路図である。 図２の回路において各振動モードにおける振動子の周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。 超音波霧化用振動子の振動モードと発生する超音波との関係を説明する図である。 高電力で駆動したときの超音波振動子の周波数と霧化量との関係を示す図である。 低電力で駆動したときの超音波振動子の周波数と霧化量との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の超音波振動子の駆動回路を模式的に示すブロック図である。 第２実施形態の疑似振動子の具体例を示す回路である。 疑似振動子をＬＣＲ直列回路とＣの並列回路とで構成したときの等価回路を示す図である。 ＬＣＲ直列回路で構成した疑似振動子の有無における周波数、インピーダンスおよび位相差特性の関係を示す図である。 疑似振動子をセラミック発振子で構成したときの等価回路を示す図である。 セラミック発振子で構成した疑似振動子の有無における周波数、インピーダンスおよび位相差特性の関係を示す図である。 セラミック発振子で構成した疑似振動子の有無において霧化量を比較した状態を示す図である。 本発明の第３実施形態の超音波振動子の駆動回路を模式的に示すブロック図である。 第３実施形態における超音波振動子の構造を模式的に示す平面図である。 図１５のＹ−Ｙ断面を示す超音波振動子に交流電圧を印加した状態を示す回路図である。 図１６の回路における振動子の周波数とインピーダンスおよび位相差特性との関係を示す図である。 第３実施形態の変形例である超音波振動子の構造を模式的に示す平面図である。 第３実施形態の変形例である超音波振動子の構造を模式的に示す平面図である。 第３実施形態の変形例である超音波振動子の構造を模式的に示す平面図である。 第１実施形態の超音波振動子を超音波霧化装置に適用した場合の霧化状態を示す模式図である。 超音波霧化装置における霧化状態を示す模式図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を、図１および図２を用いて説明する。図１は、第１実施形態の超音波振動子の構造を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断面を示す超音波振動子に交流電圧を印加した状態を示す回路図である。図１および図２に示すように、対向する上面（天面）と下面（底面）との面積が等しい円盤状の超音波霧化用振動子２の上面の全領域以下に電極（Ａ；第１電極）５を形成している。また、超音波霧化用振動子２の下面のうち、電極（Ａ；第１電極）５よりも狭い領域（部分領域）を覆い、かつ電極（Ａ）５の領域内にすべてが含まれるように電極（Ｂ；第２電極）６を形成している。そして、電極（Ａ）５と電極（Ｂ）６との間に振動子駆動電圧（交流電圧）Ｖ_０を印加し、交流電流Ｉ_０を流す。なお、上述した超音波振動子の上面（天面）と下面（底面）の面積が等しいとは、製造上等の理由で、上面（天面）と下面（底面）の面積が異なる場合を含む。

本実施形態の場合、略円盤状の振動子の上面と下面とに電極を形成し、電極間に交流電圧を印加すると、逆圧電効果により超音波霧化用振動子２が縦方向（厚さ方向、対向する方向）に振動する一次振動が発生する。そして、この一次振動は、超音波霧化用振動子２に形成した電極の面積によって複数の振動モードを有する。１つは、超音波霧化用振動子２の全領域に相当し、超音波霧化用振動子２の全体を縦方向に振動させる一次振動１２（以下、振動モードＡという。）である。もう１つは、電極（Ｂ）６の面積に相当し、超音波霧化用振動子２の一部（電極（Ｂ）６の面積に対応する電極領域）を縦方向に振動させる一次振動１３（以下、振動モードＢという。）である。このとき、超音波霧化用振動子２の共振周波数には、振動モードＡを生じさせる共振周波数ＦｒＡ１４と、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５とが存在する。
なお、電極の形成方法は、スクリーン印刷や、金属粉末や溶融金属を用いた各種コーティング方法、スパッタリングや蒸着により作成した膜をフォトリソグラフィ等の微細加工技術を用いて形成する方法等公知の技術を用いることができる。また、略円盤状の振動子とは、振動子の２次元平面形状が、真円を含み、一見して円形状と把握できる場合を含み、さらに、２次元平面における長軸方向の半径と短軸方向の半径の比が０．８以上をも含む。

次に、図２の回路における超音波霧化用振動子２の周波数とインピーダンスとの関係を、図３を参照しつつ説明する。図３は、図２に示した回路を用いて、超音波霧化用振動子２のインピーダンスの周波数特性の実測値（Ｚ実測）と、振動モードＡ（一次振動１２）および振動モードＢ（一次振動１３）における振動子の周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。横軸が振動子の周波数（ＭＨｚ）、縦軸がインピーダンスＺ（Ω）である。図３を参照すると、超音波霧化用振動子２全体の周波数は、共振周波数Ｆｒ１６と反共振周波数Ｆａ１７とを有している。また、振動モードＡを生じさせる共振周波数ＦｒＡ１４と、超音波霧化用振動子２全体の共振周波数Ｆｒ１６とは略一致していることが分かる。さらに、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５は、超音波霧化用振動子２全体の共振周波数Ｆｒ１６と反共振周波数Ｆａ１７との間にあり、振動モードＡを生じさせる共振周波数ＦｒＡ１４よりも高い周波数であることが分かる。以下説明する実施形態において、超音波霧化用振動子２の共振周波数として、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５を使用することを前提として説明を行う。その理由について、図４を用いて説明する。図４は、超音波霧化用振動子の振動モードと発生する超音波との関係を説明する図である。

図１、図２で説明した超音波霧化用振動子２に電極（Ａ）５と電極（Ｂ）６との間に電源７から振動子駆動電圧Ｖ_０を印加し、交流電流Ｉ_０を流す。そうすると、図４（ａ）に示すように、逆圧電効果によって、超音波霧化用振動子２が縦方向に振動する。駆動電圧の周波数を振動モードＡの共振周波数ＦｒＡ１４に設定し、超音波霧化用振動子２を振動させると、超音波霧化用振動子２全体を振動させることになるので、多大な振動エネルギーを要する。これに対して図４（ｂ）に示すように、振動モードＢの共振周波数ＦｒＢ１５で超音波霧化用振動子２を振動させると、超音波霧化用振動子２のうち電極Ｂ（６）に対応する部分の一次振動１３（振動モードＢ）で、霧化量最大効率（図５）で縦方向に振動する。これは、振動モードＢの共振周波数ＦｒＢ１５で超音波霧化用振動子２を振動させた場合、主として超音波エネルギーを放射する電極（Ｂ）６に対応する部分を振動させることになるので、振動させるエネルギーが少なくて済む。

超音波霧化装置に超音波霧化用振動子２を取り付けて液体を霧化状態にする際、後述するように、機構上の制約から、超音波霧化用振動子２から発生する超音波として、図４（ｃ）に示すように、表面中央部分の所定の領域から発生するものを使用する。したがって、図４（ａ）に示す一次振動１２（振動モードＡ）を用いた場合、図４（ｄ）に示すように超音波霧化用振動子２の左右両端部分（Ｐ１、Ｐ２）の一次振動１２が無駄になってしまう。そこで、本実施形態では、図４（ｂ）に示すように、電極Ｂ（６）による逆圧電効果によって、超音波霧化用振動子２の電極Ｂ（６）に対応する部分（Ｐ３）の一次振動１３（振動モードＢ）を用いることとしている。

＜実施例１＞
次に、超音波霧化装置において高い霧化効率を得るために、超音波霧化用振動子２の発振周波数と超音波霧化装置の霧化量との関係について、以下の条件の下で実験を行った。図５は、高電力で超音波霧化装置を駆動したときの超音波霧化用振動子２の周波数と霧化量との関係を表したものである。横軸が振動子の周波数（ＭＨｚ）、縦軸がインピーダンスＺ（Ω）および霧化量（％）である。測定条件は、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５が１．７０５ＭＨｚ、超音波霧化用振動子２の入力電力が２２Ｗ、霧化用の噴霧液が水道水、水温が２３℃である。超音波霧化装置を１０分間駆動し、超音波霧化装置の駆動前後の重量差から霧化量を算出した。

実験の結果、超音波霧化用振動子２の電極（Ｂ）６の面積に対応する部分を縦方向に振動させる振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５＝１．７０５ＭＨｚにおいて、霧化量が１００％に達した。そして、超音波霧化用振動子２の周波数が、１．７０５ＭＨｚ±０．０５ＭＨｚ、すなわち、共振周波数ＦｒＢ１５±３％の周波数の範囲内であれば、霧化量が最大値に対して８０％以上となり、高い霧化効率が得られることが分かった。

＜実施例２＞
次に、超音波霧化装置において高い霧化効率を得るために、超音波霧化用振動子２の発振周波数と超音波霧化装置の霧化量との関係について、以下の条件の下で実験を行った。図６は、低電力で超音波霧化装置を駆動したときの超音波霧化用振動子２の周波数と霧化量との関係を表したものである。横軸が振動子の周波数（ＭＨｚ）、縦軸がインピーダンスＺ（Ω）および霧化量（％）である。測定条件は、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５が１．７０５ＭＨｚ、超音波霧化用振動子２の入力電力が１０Ｗ、霧化用の噴霧液が水道水、水温が２３℃である。超音波霧化装置を１０分間駆動し、超音波霧化装置の駆動前後の重量差から霧化量を算出した。

実験の結果、超音波霧化用振動子２の電極（Ｂ）６の面積に対応する部分を縦方向に振動させる振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５＝１．７０５ＭＨｚにおいて、霧化量が１００％に達した。そして、超音波霧化用振動子２の周波数が、１．７０５ＭＨｚ±０．０２５ＭＨｚ、すなわち、共振周波数ＦｒＢ１５±１．４％の周波数の範囲内であれば、霧化量が最大値に対して８０％以上となり、高い霧化効率を得ることができることが分かった。これにより、低電力で超音波霧化装置を駆動した場合であっても、高い霧化効率を達成することができる。

本実施形態では、超音波霧化用振動子２を逆圧電効果により振動させるモードとして、振動モードＢの共振周波数ＦｒＢ１５を超音波霧化用振動子２の駆動周波数とすることで、高い霧化効率を得ることが可能になる。さらに、本実施形態によれば、電池などを一例とする低電力駆動においても高い霧化効率を得ることが可能になる。そして、これらの効果を得るためには、超音波霧化用振動子２の駆動周波数を、少なくとも振動モードＢの共振周波数の±３％以内に設定することが好ましい。

（第２実施形態）
＜超音波振動子の駆動回路の構成＞
次に、本発明の第２実施形態を、図７を用いて説明する。図７は、第２実施形態の超音波振動子の駆動回路を模式的に示すブロック図である。図７に示すように、超音波振動子の駆動回路２００は、駆動信号発生用増幅回路２０と、超音波霧化用振動子２と、疑似振動子２２（補償用回路）と、減算回路２４とから構成される。また、超音波振動子の駆動回路２００は、位相差検出回路２６と、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator：電圧制御発振器）１８とから構成される。

駆動信号発生用増幅回路２０は、ＶＣＯ１８から出力される駆動周波数信号１９を入力として、超音波霧化用振動子２を駆動するための振動子駆動電圧Ｖ_０を出力する。超音波霧化用振動子２は、駆動信号発生用増幅回路２０から出力される振動子駆動電圧Ｖ_０を入力として振動する。超音波霧化用振動子２は、超音波霧化用振動子２に直列に接続された電流検出用素子（後述する図９のコンデンサＣ１）から振動子駆動電流に相当する電圧信号２１を減算回路２４に出力する。疑似振動子２２は、駆動信号発生用増幅回路２０から出力される振動子駆動電圧Ｖ_０を入力として、疑似振動子２２（補償用回路）に流れる電流相当の電圧信号２３を減算回路２４に出力する。疑似振動子２２に流れる電流は、疑似振動子２２に直列に接続された電流検出用素子（後述する図９のコンデンサＣ２）から検出する。なお、コンデンサＣ１およびＣ２は抵抗素子でも同様の検出が可能となるが、消費電力の発生しないコンデンサの方が望ましい。

減算回路２４は、振動子駆動電流に相当する電圧信号２１から疑似振動子２２（補償用回路）に流れる電流相当の電圧信号２３を減算する。減算回路２４は、減算後得られた減算後信号２５を位相差検出回路２６に出力する。位相差検出回路２６は、駆動信号発生用増幅回路２０から出力された振動子駆動電圧Ｖ_０と減算回路２４から出力された減算後信号２５とを入力として、両信号の位相差に応じた電圧をＶＣＯ制御信号２７として出力する。ＶＣＯ１８は、ＶＣＯ制御信号２７を入力として、ＶＣＯ制御信号２７の値に応じて駆動信号発生用増幅回路２０に出力する駆動周波数信号１９の周波数を変化させる。この駆動回路２００の回路構成により、超音波霧化用振動子２の振動周波数を、常に所定の範囲内に抑えることができる。この点に関しては、以下の動作の欄において説明する。

ここで、疑似振動子２２（補償用回路）の具体的な回路構成について図８を参照しつつ説明する。図８（ａ）に示すように、疑似振動子２２（補償用回路）は、コイル（Ｌ）、コンデンサ（Ｃ）、抵抗（Ｒ）を直列に接続した回路にコンデンサＣを並列に接続した回路構成２８を有している。また、疑似振動子２２（補償用回路）は、図８（ｂ）に示すように、ＬＣＲ直列回路にコンデンサＣを並列に接続した回路構成で示されるような圧電振動子、セラミック発振子、水晶振動子などの電子部品２９を有している。さらに、疑似振動子２２（補償用回路）は、図８（ｃ）に示すように、複数のＬＣＲ直列回路とコンデンサＣとを並列に接続した回路構成３０を有している。なお、図８（ｃ）では、２つのＬＣＲ直列回路が並列接続している例について図示しているが、ＬＣＲ直列回路が並列接続する数は、任意の数とすることが可能である。これにより、直列共振回路が複数存在する場合であっても、後述するように、駆動周波数を制御することが可能になる。

＜超音波駆動回路の動作＞
次に、超音波振動子の駆動回路２００の動作について図７を参照しつつ説明する。まず、減算回路２４から出力される減算後信号２５と、駆動信号発生用増幅回路２０から出力される振動子駆動電圧Ｖ_０の信号との間に生じる位相差をΦと仮定する。そして、所望の共振周波数（振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５）（以下、駆動周波数ともいう。）で超音波霧化用振動子２が振動したとき、振動子駆動電圧Ｖ_０の信号と減算後信号２５との間に生じる位相差を、特にΦＢとする。

駆動回路２００の周波数が、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５より高くなると、上記位相差Φは、共振周波数ＦｒＢ１５で超音波霧化用振動子２を駆動したときの位相差ΦＢよりも大きくなる特性を有している。また、駆動回路２００の周波数が、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５より低くなると、上記位相差Φは、共振周波数ＦｒＢ１５で超音波霧化用振動子２を駆動したとき時の位相差ΦＢよりも小さくなる特性を有している。したがって、位相差検出回路２６は、次に述べるような動作を行う。それは、入力される２つの信号（振動子駆動電圧Ｖ_０の信号、減算後信号２５）の位相差Φが、位相差ΦＢよりも大きくなると出力するＶＣＯ制御信号２７を小さくするように動作する。また、入力される２つの信号の位相差Φが、位相差ΦＢよりも小さくなると出力するＶＣＯ制御信号２７を大きくするように動作する。

ＶＣＯ１８は、入力されるＶＣＯ制御信号２７が大きいと、出力する駆動周波数信号１９を高くし、ＶＣＯ制御信号２７が小さいと、出力する駆動周波数信号１９を低くすることで、駆動周波数を自動的に共振周波数ＦｒＢ１５に追従させる動作を行う。これにより、超音波霧化用振動子２の駆動周波数を、所定の範囲内に抑えることができる。すなわち、駆動周波数近傍における位相差Φの周波数特性において、位相差Φと周波数との関係（位相差特性）が、後述するように、その傾きとして、変極点および平坦な特性を有していない単一勾配を有することで所望の駆動周波数を、所定の範囲内に抑えることができる。また、本実施形態によれば、超音波振動子の駆動回路２００は、駆動信号発生用増幅回路２０と、超音波霧化用振動子２と、疑似振動子２２（補償用回路）と、減算回路２４と、位相差検出回路２６と、ＶＣＯ１８といった部品からのみ構成される。そのため、放熱のための部材（ヒートシンクなど）を設ける必要がない。これにより、機構上の制約が少なくて済むという効果がある。

＜具体例１＞
次に、疑似振動子２２（補償用回路）として、ＬＣＲ直列回路を用いた場合について図９を参照しつつ説明する。図９は、超音波霧化用振動子２と疑似振動子２２（補償用回路）とをＬＣＲ直列回路とＣの並列回路で構成したときの等価回路である。図９において、超音波霧化用振動子２は、振動モードＡを生じさせる直列共振回路１２０と、振動モードＢを生じさせる直列共振回路１３０と、制動容量１４０とから構成されている。振動モードＡを生じさせる直列共振回路１２０は、コイルＬｍ１、コンデンサＣｍ１および抵抗Ｒｍ１が直列に接続されたＬＣＲ直列回路である。また、振動モードＢを生じさせる直列共振回路１３０は、コイルＬｍ２、コンデンサＣｍ２および抵抗Ｒｍ２が直列に接続されたＬＣＲ直列回路である。この２つの振動モードの直列共振回路に、制動容量１４０が並列に接続されている。さらに、疑似振動子２２（補償用回路）は、コイルＬｍ１´、コンデンサＣｍ１´および抵抗Ｒｍ１´が直列に接続されたＬＣＲ直列回路と、コンデンサＣｄ´とが並列に接続された回路である。

図９において、疑似振動子２２（補償用回路）のコイルＬｍ１´、コンデンサＣｍ１´、抵抗Ｒｍ１´、コンデンサＣｄ´の各定数と、超音波霧化用振動子２の振動モードＡを生じさせる直列共振回路１２０のコイルＬｍ１、コンデンサＣｍ１、抵抗Ｒｍ１、制動容量であるコンデンサＣｄの各定数とを略同一の定数にする。これは、図７の減算回路２４において、振動子駆動電流に相当する電圧信号２１から疑似振動子２２に流れる電流相当の電圧信号２３を減算することにより、減算後信号２５を、振動モードＢを生じさせる直列共振回路１３０に流れる電流に相当する電圧信号のみが残存するようにするためである。図１０に、疑似振動子２２をＬＣＲ直列回路で構成したときの周波数と、インピーダンスおよび位相差特性との関係を示す。図１０の点線３１は、疑似振動子２２を用いた場合、振動子駆動電流に相当する電圧信号２１（Ｉｏ）から疑似振動子２２に流れる電流相当の電圧信号２３（Ｉｐ）を減算した減算後信号２５と、振動子駆動電圧Ｖ_０の信号との周波数に対する位相差特性である。

一方、疑似振動子２２（補償用回路）を用いない場合、振動子駆動電流に相当する電圧信号２１（Ｉｏ）と振動子駆動電圧Ｖ_０の信号との周波数に対する位相差特性は、図１０の一点鎖線３２に示すような特性となる。この場合、位相差特性（一点鎖線３２）は、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５近傍Ｌに変極点を有しているため、位相差検出回路２６（図７）を用いて駆動周波数を一義的に決定することが困難になる。他方、位相差特性（点線３１）は、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５近傍Ｎに単一勾配（図１０では右上がり）を有しているため、位相差検出回路２６（図７）を用いて駆動周波数を一義的に決定することができる。このように、振動モードＡと振動モードＢとの２つの振動モードを有している場合、共振周波数（本具体例ではＦｒＢ１５）近傍における位相差Φの特性が単一勾配になるようにしている。これにより、所望の駆動周波数を、常に所定の周波数とすることができる。

＜具体例２＞
次に、疑似振動子２２（補償用回路）として、セラミック発振子（疑似共振回路）を用いた場合について図１１を参照しつつ説明する。図１１は、疑似振動子２２（補償用回路）をセラミック発振子２２´で構成したときの等価回路を示す図である。図１１において、超音波霧化用振動子２は、振動モードＡを生じさせる直列共振回路１２１と、振動モードＢを生じさせる直列共振回路１３１と、制動容量１４１とから構成されている。振動モードＡを生じさせる直列共振回路１２１は、コイルＬ３、コンデンサＣ７および抵抗Ｒ４が直列に接続されたＬＣＲ直列回路である。また、振動モードＢを生じさせる直列共振回路１３１は、コイルＬ４、コンデンサＣ１および抵抗Ｒ１が直列に接続されたＬＣＲ直列回路である。この２つの振動モードの直列共振回路に、制動容量１４１が並列に接続されている。さらに、セラミック発振子２２´は、コイルＬ１、コンデンサＣ５および抵抗Ｒ２が直列に接続されたＬＣＲ直列回路と、コンデンサＣ２およびＣ４とが並列に接続された回路で構成されている。

図１１の等価回路において、超音波霧化用振動子２には、超音波霧化用振動子２の振動子駆動電流に相当する電圧Ｖ１を減衰させる電圧信号減衰用コンデンサＣ６（３３）が設けられている。セラミック発振子２２´には、セラミック発振子２２´に流れる電流に相当する電圧Ｖ２を減衰させる電圧信号減衰用コンデンサＣ３（３４）が設けられている。セラミック発振子２２´は一般に市販されており、予め定数が定められたものしか存在しない。したがって、セラミック発振子２２´の等価回路の定数は、超音波霧化用振動子２の振動モードＡを生じさせる共振周波数ＦｒＡ１４を有する直列共振回路１２１および制動容量１４１の定数とは一致しない。すなわち、超音波霧化用振動子２の直列共振回路１２１および制動容量１４１に流れる電流値とセラミック発振子２２´に流れる電流値との間には差が存在するため、電流値に相当する電圧信号を減算回路２４においてそのまま減算したとしても所望の位相差特性を得ることはできない。

そこで、超音波霧化用振動子２の出力端に、振動子用電圧信号減衰用コンデンサＣ６（３３）を直列に接続している。また、セラミック発振子２２´の出力端に疑似振動子用電圧信号減衰用コンデンサＣ３（３４）を直列に接続している。これにより、各々の出力端の電圧を分圧している。したがって、分圧後振動子駆動電流に相当する電圧信号２１´（図１１のＶ１）と、分圧後疑似振動子（補償用回路）に流れる電流相当の電圧信号２３´（図１１のＶ２）との出力レベルを夫々調整することができる。そして、減算回路２４において、分圧後振動子駆動電流に相当する電圧信号２１´から分圧後疑似振動子（補償用回路）に流れる電流相当の電圧信号２３´を減算している。これにより、減算後信号２５を、振動モードＢを生じさせる直列共振回路１３１に流れる電流に相当する電圧信号のみが残存するようにしている。減算後信号２５の周波数に対する位相差特性は、図１２に示すような特性となる。図１２は、疑似振動子（補償用回路）をセラミック発振子で構成したときの周波数と、インピーダンスおよび位相差特性との関係を示す図である。図１２の点線３１´は、セラミック発振子２２´を用いた場合、振動子駆動電流に相当する電圧信号２１´からセラミック発振子２２´に流れる電流相当の電圧信号２３´を減算した減算後信号２５と、振動子駆動電圧Ｖ_０の信号との周波数に対する位相差特性である。

一方、セラミック発振子２２´を用いない場合、振動子駆動電流に相当する電圧信号２１´と振動子駆動電圧Ｖ_０の信号との周波数に対する位相差特性は、図１２の一点鎖線３２´に示すような特性となる。この場合、位相差特性（一点鎖線３２´）は、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５近傍Ｌ´に変極点を有しているため、位相差検出回路２６（図７）を用いて駆動周波数を一義的に決定することが困難になる。他方、位相差特性（点線３１´）は、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５近傍Ｎに´単一勾配（図１２では右上がり）を有しているため、位相差検出回路２６（図７）を用いて駆動周波数を一義的に決定することができる。このように、振動モードＡと振動モードＢとの２つの振動モードを有している場合、共振周波数（本具体例ではＦｒＢ１５）近傍における位相差Φの周波数特性が単一勾配になるようにしている。これにより、所望の駆動周波数を、常に所定の周波数とすることができる。

このように、本実施形態では、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５を示す直列共振回路に流れる電流信号を取り出すことによって、高い霧化効率を得ることとしている。なお、セラミック発振子２２´は、振動モードＡを生じさせる共振周波数ＦｒＡ１４に近い共振周波数を持つ部品を選定した上で、コンデンサＣ１２、Ｃ６（３３）、Ｃ３（３４）の定数を調整することで、単一勾配の位相差特性が得られる。本実施形態では、振動モードＡと振動モードＢとを生じさせる回路を持つ超音波霧化用振動子２の振動子駆動電流に相当する電圧信号２１から、振動モードＡを生じさせる回路を持つ疑似振動子２２に流れる電流相当の電圧信号２３を減ずる例について説明している。これ以外に、超音波霧化用振動子２の回路と疑似振動子２２の回路との夫々に、振動モードＡを生じさせる回路が複数個並列に接続されおり、減算により、振動モードＢを生じさせる直列共振回路１３０、１３１に流れる電流に相当する電圧信号のみが残存するようにしてもよい。これにより、直列共振回路が複数存在する場合であっても、駆動周波数を制御することが可能になる。

＜実施例３＞
次に、超音波霧化装置において高い霧化効率を得るために、疑似振動子（補償用回路）の有無と超音波霧化装置の霧化量との関係について、以下の条件の下で実験を行った。図１３は、セラミック発振子で構成した疑似振動子（補償用回路）の有無において霧化量を比較した状態を表したものである。横軸が疑似振動子２２（セラミック発振子２２´）の有無、縦軸が霧化量（％）である。測定条件は、超音波霧化用振動子２は、振動モードＡを生じさせる共振周波数ＦｒＡ１４が４．０ＭＨｚ、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５が４．２ＭＨｚである。セラミック発振子２２´は、振動モードＡを生じさせる共振周波数ＦｒＡ１４に近いＦＲＡ１４´が４．０ＭＨｚ、超音波霧化用振動子２の入力電力が２．２Ｗ、霧化用の噴霧液が水道水、水温が２３℃である。超音波霧化装置を１０分間駆動し、超音波霧化装置の駆動前後の重量差から霧化量を算出した。

実験の結果、セラミック発振子２２´がある場合、セラミック発振子２２´がない場合と比較して４０％以上霧化量が増加し、セラミック発振子２２´を用いることにより、高い霧化効率が得られることが分かった。これにより、低電力で超音波霧化装置を駆動した場合であっても、高い霧化効率を達成することができる。なお、実施例３では疑似振動子２２としてセラミック発振子２２´を用いているが、水晶発振子のような振動子を用いてもよい。

（第３実施形態）
＜超音波振動子の駆動回路の構成＞
次に、本発明の第３実施形態を、図１４を用いて説明する。図１４は、第３実施形態の超音振動子の駆動回路を模式的に示すブロック図である。図１４に示すように、超音波振動子の駆動回路２０１は、駆動信号発生用増幅回路２０と、超音波霧化用振動子２と、フィードバック用電極３５と、位相差検出回路２６と、ＶＣＯ１８とから構成される。ここでは、図７と異なる部分についてのみ説明する。

超音波霧化用振動子２は、駆動信号発生用増幅回路２０から出力される振動子駆動電圧Ｖ_０を入力として振動する。超音波霧化用振動子２が振動子駆動電圧Ｖ_０を入力として振動すると、フィードバック用電極３５は、圧電効果によって生じた電圧をフィードバック用電極発生信号３６として位相差検出回路２６に出力する。位相差検出回路２６は、駆動信号発生用増幅回路２０から出力された振動子駆動電圧Ｖ_０とフィードバック用電極３５から出力されたフィードバック用電極発生信号３６とを入力し、両信号の位相差に応じた電圧をＶＣＯ制御信号２７として出力する。ＶＣＯ１８は、ＶＣＯ制御信号２７を入力として、ＶＣＯ制御信号２７の値に応じて駆動信号発生用増幅回路２０に出力する駆動周波数信号１９の周波数を変化させる。この駆動回路２０１の回路構成により、超音波霧化用振動子２の振動周波数の変動範囲を、所定の範囲内に抑えることができる。駆動回路２０１における位相差検出回路２６、ＶＣＯ１８、および駆動信号発生用増幅回路２０の動作は、図７で説明した駆動回路２００の動作と同一であるので、詳細な説明は省略する。

＜フィードバック用電極を用いた駆動周波数決定方法＞
本実施形態のフィードバック用電極を用いた駆動周波数の決定方法について図１５および図１６を用いて説明する。図１５は、第３実施形態における超音波振動子の構造を模式的に示す平面図である。図１６は、図１５のＹ−Ｙ断面を示す超音波振動子に交流電圧を印加した状態を示す回路図である。図１５および図１６に示すように、電極（Ａ）５と電極（Ｂ）６とを超音波霧化用振動子２に形成する構成は、上記第１実施形態の図１、図２において説明したとおりである。本実施形態では、さらに、超音波霧化用振動子２の下面（底面）のうち、電極（Ｂ）６の外側に円環状のフィードバック用電極（Ｃ）３５を形成している。そして、電極（Ａ）５と電極（Ｂ）６との間に振動子駆動電圧Ｖ_０を印加し、交流電流Ｉ_０を流す。このとき、逆圧電効果により超音波霧化用振動子２が縦方向に振動する一次振動が発生する。そして、この一次振動によって超音波霧化用振動子２に圧電効果が発生し、図１６に示すように電極（Ａ）５とフィードバック用電極（Ｃ）３５との間に、フィードバック用電極発生信号３６として電圧Ｖ_１が発生する。

ここで、図１６の駆動回路２０１における超音波霧化用振動子２の周波数と、インピーダンスおよび位相差特性との関係を、図１７を参照しつつ説明する。振動子駆動電圧Ｖ_０の信号と圧電効果により発生したフィードバック用電極発生信号３６との周波数に対する位相差特性は、図１７に示すようになる。振動子駆動電圧Ｖ_０の信号とフィードバック用電極発生信号３６との周波数に対する位相差特性３７は、振動モードＢを生じさせる共振周波数ＦｒＢ１５近傍Ｋに単一勾配（図１７では右上がり）を有している。これにより、位相差検出回路２６（図１４）を用いて駆動周波数を一義的に決定することができる。

＜変形例＞
図１５、図１６に示したフィードバック用電極（Ｃ）３５の形状以外の形状であっても、同様の効果を得ることができる。例えば、図１８に示すようにフィードバック用電極（Ｃ）３５の円環を複数個（図１８の場合は９０度毎に４つ）に分割したものでもよい。また、図１９に示すように超音波霧化用振動子２の外周面に円形のフィードバック用電極（Ｃ）３５を設けたものであってもよい。さらに、図２０に示すように超音波霧化用振動子２の外周面に多角形（図２０では六角形）のフィードバック用電極（Ｃ）３５を設けものであってもよい。フィードバック用電極（Ｃ）３５の形状は、これ以外にも様々な形状を採ることが可能である。

（超音波霧化装置）
上記説明した第１実施形態の超音波振動子を搭載した超音波霧化装置について図２１を参照しつつ説明する。図２１は、容器（液槽）１０の底面部に第１実施形態の超音波振動子を載置し、容器（液槽）１０内に液体Ｆを入れた超音波霧化装置１０１の断面図である。容器１０と超音波霧化用振動子２との間の液体漏れ防止用にゴムパッキン４を設置する。図２において説明したように、略円盤状の超音波霧化用振動子２の上面（天面）の全領域以下を覆うように電極（Ａ）５が形成され、液体Ｆの底面（液面）と接触している。また、超音波霧化用振動子２の下面（底面）で、電極（Ａ）よりも狭い領域を覆い、かつ電極（Ａ）の領域内にすべてが含まれるように電極（Ｂ）６が形成されている。超音波霧化用振動子２に縦方向の一次振動モードに応じた共振周波数を発生させるため、２つの電極間に振動子駆動電圧Ｖ_０を印加すると、超音波霧化用振動子２から超音波Ｓが発生する。超音波Ｓの音圧が高い中心位置で波が立ち、さらに超音波エネルギーが集中し液柱Ｒを作り出す。このとき、液柱Ｒの表面では液面に無数の毛細表面波を作り、液体の表面張力を減少させ、液体Ｆを分裂させることで、液滴が霧化粒子（霧）Ｍとして飛散する。

振動子駆動電圧Ｖ_０の印加によって発生する逆圧電効果により、超音波霧化用振動子２が一次振動１３（振動モードＢ）で発振することによって超音波Ｓが発生する。この場合、電極（Ｂ）６の直径は、ゴムパッキン４の内径よりも小さい寸法となるように設定することが好ましい。これは、上記図４において説明したのと同様の理由によるものである。すなわち、超音波霧化用振動子２から発生する超音波Ｓは電界１１の範囲内で発生するが、電極（Ｂ）６の外径がゴムパッキン４の内径よりも大きい場合、次のような問題が発生するからである。それは、電極（Ｂ）６の外径をゴムパッキン４の内径よりも大きくした場合、電極（Ｂ）とゴムパッキン４とが重なる部分では、超音波Ｓのエネルギーがゴムパッキン４によって吸収され失われてしまうという問題である。この場合、ゴムパッキン４の内径面積に相当する超音波Ｓだけが霧化のために使用されることになるため、霧化効率が悪化してしまう。そこで、電極（Ｂ）６の内径をゴムパッキン４の内径以下とし、電極（Ａ）５と電極（Ｂ）６との間に振動子駆動電圧Ｖ_０を印加して超音波霧化用振動子２を駆動することにより、電極（Ｂ）６の面積に対応した範囲に電界１１が発生する。そして、電極Ｂ（６）の面積に対応する範囲に発生する一次振動１３（振動モードＢ）の共振周波数ＦｒＢ１５を超音波霧化用振動子２の発振周波数とする。

このように、電極（Ｂ）６の内径を、ゴムパッキン４の内径以下の寸法にすることで超音波霧化用振動子２から発生する超音波Ｓのエネルギーを効率的に液体Ｆに伝達することが可能になる。これにより、高い霧化効率を達成することができる。なお、図示はしていないが、図１６で説明した超音波振動子を、超音波霧化装置１０１の容器（液槽）１０の底面部に載置しても、同様の効果を得ることができる。

なお、図２１に示した超音波霧化装置１０１は、上記第１実施形態の超音波振動子を搭載した例について説明を行っているが、上記第２実施形態または第３実施形態で説明した超音波振動子の駆動回路を搭載してもよい。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

２ 超音波霧化用振動子
５ 第１電極（電極Ａ）
６ 第２電極（電極Ｂ）
７ 電源
２２ 疑似振動子（補償用回路）
２２´ セラミック発振子
３５ フィードバック用電極

Claims (6)

1. 対向する面の面積が等しい円盤状の超音波霧化用振動子において、
   前記超音波霧化用振動子の一方の面の全領域以下に形成された第１電極と、
   前記超音波霧化用振動子の他方の面に前記第１電極よりも狭い領域を有するとともに、前記第１電極の領域内にすべてが含まれるように形成された第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極の間に駆動電圧を印加すると、前記一方の面の全領域と前記他方の面の前記全領域との間で対向する方向に振動する第１振動モードと、前記他方の面に形成された第２電極領域と前記一方の面の該第２電極領域との間で前記対向する方向に振動する第２振動モードと、を有し、
   前記超音波霧化用振動子の第２振動モードの周波数で当該超音波霧化用振動子を駆動させる、超音波振動子の駆動方法。
2. 前記超音波霧化用振動子を前記対向する方向に振動させる周波数（駆動周波数）は、前記第２振動モードの共振周波数（ＦｒＢ）の周波数から±３％以内に設定されている、請求項１に記載の超音波振動子の駆動方法。
3. 前記第１振動モードは、前記超音波霧化用振動子を第１共振周波数で振動させ、前記第２振動モードは、前記超音波霧化用振動子を前記第１共振周波数よりも高い周波数である第２共振周波数で振動させる、請求項１または２に記載の超音波振動子の駆動方法。
4. 駆動電圧を印加すると振動する超音波霧化用振動子と、
   前記超音波霧化用振動子と並列に接続された疑似振動子（補償用回路）と、
   前記超音波霧化用振動子が振動するとき前記超音波霧化用振動子に流れる電流に対応する電圧から、前記疑似振動子に前記駆動電圧が印加された際、前記疑似振動子に流れる電流に対応する電圧を減算する減算手段と、
   前記駆動電圧の位相と前記減算した後の電圧の位相との位相差に応じた電圧を検出する位相差検出手段と、
   前記検出した電圧に基づいて前記駆動電圧の周波数を制御する電圧制御発振手段と、を有し、
   前記超音波霧化用振動子は、前記制御された駆動電圧の周波数で振動する、超音波振動子の駆動回路。
5. 対向する面の面積が等しい円盤状の振動子の一方の面の全領域以下に形成された第１電極と、
   前記振動子の他方の面に形成され前記第１電極よりも狭い領域の第２電極と、
   前記他方の面に形成された第２電極の外側に形成された第３電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に駆動電圧を印加した際に、前記駆動電圧の位相と前記第１電極と前記第３電極の間に発生する電圧の位相との位相差に応じた電圧を検出する位相差検出手段と、
   前記検出した電圧に基づいて前記駆動電圧の周波数を制御する電圧制御発振手段と、を有し、
   前記超音波霧化用振動子は、前記制御された駆動電圧の周波数で振動する、超音波振動子の駆動回路。
6. 請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波振動子の駆動方法および／または請求項４〜５の何れか１項に記載された超音波振動子の駆動回路を用いて発生した超音波から液体に振動エネルギーを与えることにより、前記液体を霧化する超音波霧化装置。

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