JP2696455B2 - 超音波霧化装置 - Google Patents

超音波霧化装置

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JP2696455B2 JP4108616A JP10861692A JP2696455B2 JP 2696455 B2 JP2696455 B2 JP 2696455B2 JP 4108616 A JP4108616 A JP 4108616A JP 10861692 A JP10861692 A JP 10861692A JP 2696455 B2 JP2696455 B2 JP 2696455B2
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B05B17/0638Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers spray being produced by discharging the liquid or other fluent material through a plate comprising a plurality of orifices
    • B05B17/0646Vibrating plates, i.e. plates being directly subjected to the vibrations, e.g. having a piezoelectric transducer attached thereto

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、小電力で小霧化量の吸
入器等の用途に適した超音波霧化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、図5に示すように、振動体 (ホー
ン)30の先端面に網状薄板31を載置し、振動体30
と網状薄板31の隙間に広がった液体を振動体30の超
音波振動で霧化する構成が、本出願人提案の実開平3−
15674号で示されている。この場合、振動体30の
振動周波数は20乃至200kHzであり (ランジュバン
型振動子と類似の構造であるため)、網状薄板31がな
い場合の理論発生粒径は約20〜40μmであるが、そ
の網状薄板31に形成された穴32の穴径を前記理論発
生粒径よりも小さく5〜30μmとして当該網状薄板3
1を発生粒径の小径化に利用していた。なお、理論発生
粒径dは次式(1)で示される。 d=0.34×(8πT/ρF2)1/3 …(1) (但し、T:液体の表面張力、ρ:液体の密度、F:駆動周波数)
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波霧化
装置を医療用吸入器として使用する場合、体の部位によ
り到達できる霧径が異なるが、従来の超音波霧化装置に
よる霧径は、振動体の振動周波数あるいは網状薄板の穴
径で固定的に決まってしまうため、要求される霧径が異
なる時は装置を変更又は交換する必要があった。
【0004】本発明は、上記の点に鑑み、小電力で液体
の霧化が可能で、霧化粒子の粒径を可変制御可能な、吸
入器等の用途に適した超音波霧化装置を提供することを
目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の超音波霧化装置は、板状圧電磁器の両面に
電極を形成してなり厚さ方向の共振による超音波振動を
生じる圧電振動子の片面を霧化作用面とし、該霧化作用
面側に多孔乃至網状薄板を配し、少なくとも前記薄板の
一部分と前記霧化作用面間に微小間隙が形成されるよう
にし、前記微小間隙に霧化すべき液体を供給する手段を
設け、前記圧電振動子をデューティー70%以下で間欠
に励振する励振回路を設けて前記霧化作用面と前記薄板
間の前記微小間隙に広がった液体を前記圧電振動子の間
欠的な超音波振動によって霧化するとともに、前記励振
回路の間欠周波数を可変とする制御回路を設けた構成と
している。
【0006】
【作用】本発明の超音波霧化装置においては、板状圧電
磁器の両面に電極を形成してなり厚さ方向の共振による
超音波振動を生じる圧電振動子を励振回路によってデュ
ーティー70%以下で間欠励振するので、圧電振動子の
霧化作用面と多数の小径穴が開口した薄板との間の微小
間隙に広がった水等の液体を霧化するのに必要十分な振
幅の高周波電圧で圧電振動子を駆動できる。また、間欠
駆動であるため、単位時間当たりの圧電振動子への入力
電力を削減でき、圧電振動子の発熱による劣化を回避す
ることができる。さらに、制御回路で前記励振回路の間
欠周波数(例えば数Hz乃至数10kHzの範囲)を変
化させることで霧化粒子の粒径を変えることができる。
なお、本発明で用いる圧電振動子はホーンを用いないの
で、小型、軽量で小電力駆動に適した超音波霧化装置を
実現できる。
【0007】
【実施例】以下、本発明に係る超音波霧化装置の実施例
を図面に従って説明する。
【0008】図1は本発明の実施例の回路構成を示し、
図2はこの実施例にて用いる圧電振動子の構造を示す。
これらの図において、1は圧電振動子TDを間欠的に励
振する励振回路としての間欠発振回路、2はDC−DC
コンバータであり、該DC−DCコンバータ2は3V乃
至6V程度の電池電源である直流電源Eの電圧を数十V
(例えば30V)程度に昇圧し、正側ラインP及び負側
ラインNを介して前記間欠発振回路1に供給するもので
ある。3は間欠発振回路の間欠周波数を可変とするため
の制御回路である。
【0009】前記間欠発振回路1はコレクタ接地型のト
ランジスタ発振回路であって、発振用トランジスタQ1
と、該トランジスタのベースバイアス電流を流すための
抵抗R1、可変抵抗VR及びスイッチ用トランジスタQ
2と、DC−DCコンバータ2の負側ラインNとトラン
ジスタQ1のエミッタとを結ぶインダクタL1,L2
と、正側及び負側ラインP,N間に接続されたコンデン
サC1と、インダクタL1,L2の接続点とトランジス
タQ1のコレクタ間に接続されたコンデンサC2と、イ
ンダクタL1,L2の接続点とトランジスタQ1のベー
ス間に接続されたコンデンサC3とを備え、圧電振動子
TDはコンデンサC4を介しトランジスタQ1のコレク
タ、ベース間に接続されている。
【0010】前記制御回路3は、前記スイッチ用トラン
ジスタQ2に方形波のゲートパルスGPを印加するゲー
トパルス発生回路4、ゲートパルスGPのデューティー
を変化させるデューティー可変回路5及びゲートパルス
GPの周波数を変化させる周波数可変回路6を具備して
いる。この制御回路3は、前記周波数可変回路6の設定
を変化させることによって数Hz乃至数10Hzの周波数
のゲートパルスGPを発生でき、前記デューティー可変
回路5の設定を変化させることで数%乃至70%範囲で
前記ゲートパルスGPのデューティーを変化させること
ができる。
【0011】前記間欠発振回路1は、前記制御回路3か
らのゲートパルスGPで前記スイッチ用トランジスタQ
2が導通している期間中、該スイッチ用トランジスタQ
2、可変抵抗VR及び抵抗R1の経路でベースバイアス
電流が発振用トランジスタQ1に流れ、圧電振動子TD
の共振点近傍の圧電振動子が誘導性となる周波数(例え
ば1.6MHzや2.4MHz)で自励発振可能なものであ
る。
【0012】図3は前記間欠発振回路1の間欠発振波形
の1例を示す。この図において、間欠周期Dに対する発
振期間Donの比がデューティー (Don/D)となり、間
欠周波数 (1/D)をf、発振の振幅をAとしたとき、
圧電振動子TDへの入力電力Pは、理論的には f・ (Don/D)・A に正比例する。従って、間欠周波数f、デューティー
(Don/D)、入力電力Pを適切に設定することで、入
力電力Pを小さくし、かつ霧化に必要な振幅Aを確保す
ることができる。なお、前記制御回路3のゲートパルス
GPの周波数が間欠発振回路1の間欠発振波形の間欠周
波数(1/D)となり、ゲートパルスのデューティーと
Don/Dとが一致する。
【0013】前記圧電振動子TDは、図2に示すよう
に、圧電磁器の厚さ方向の共振による超音波振動を利用
するもので、円板状圧電磁器10の主面11及び反対面
12にそれぞれ電極13,14を形成したものである。
該圧電振動子TDはホルダ15に固定された弾性環状支
持体16で弾性支持される。圧電振動子TDの霧化作用
面 (主面上に電極を形成した面)20上には多数の微小
穴23が開口した多孔乃至網状薄板21が配設され、該
多孔乃至網状薄板21の端部は取付具22を介してホル
ダ15に固定されている。多数の微小穴23を有する多
孔乃至網状薄板21は少なくとも部分的に前記霧化作用
面20に対して微小間隙で対向するように湾曲した部分
で圧電振動子TDの前記霧化作用面20に接している。
このような多孔乃至網状薄板21は厚さ数10μm乃至
100μmのステンレス等の金属薄板であり、微小穴2
3の穴径は数μm乃至50μmである。なお、薄板21
の厚みが200μmを越えると、微小穴の加工が面倒で
あるし、霧化効率の点でも望ましくない。また、微小穴
23の径が80μmを越えると、霧化効率が低下すると
ともに霧化状態が不安定となり好ましくない。
【0014】なお、前記圧電振動子TDの霧化作用面2
0と多孔乃至網状薄板21間の微小間隙に霧化すべき液
体を適量供給するために給液手段 (液体を滴下する細管
や液体を毛細管現象で吸い上げて供給する吸液部材等)
25が設けられている。
【0015】以上の実施例の構成において、前記間欠発
振回路1のベースバイアス回路の可変抵抗VRを適切な
値に設定し、DC−DCコンバータ2の正、負側ライン
P,N間の出力直流電圧を、霧化動作が可能となるよう
な発振電圧波形の振幅Aを確保できる値にする (振幅A
がある程度以下では圧電振動子の霧化作用面での霧化が
全然行われなくなる)。このように間欠発振回路1の動
作状態を適切に設定し、制御回路3からデューティー7
0%以下のゲートパルスGPを印加すれば、間欠発振回
路1はゲートパルスで規定された間欠周波数及びデュー
ティーで間欠発振を行い、これにより圧電振動子TDの
圧電磁器10は厚み方向の共振による超音波振動を間欠
的に起こし、給液手段25から供給されて霧化作用面2
0と多孔乃至網状薄板21間の微小間隙に広がりさらに
各微小穴23に入った液体は、霧化作用面20の間欠的
な超音波振動にて霧化されて (微粒子となって)空中に
放出される。
【0016】その際、間欠周波数(1/D)と空中に放
出された霧化粒子の平均粒径との関係は、実験の結果、
以下の表1の如くなった(但し、多孔乃至網状薄板21
の厚さ:40μm、穴径30μm)。
【0017】 このように、制御回路3のゲートパルスGPの周波数を
変化させて圧電振動子TDの間欠周波数を可変すること
で、発生する霧化粒子の粒径を可変制御できる。
【0018】図4は間欠発振回路1の出力波形のデュー
ティーと霧化動作中の圧電振動子TDの温度との関係を
示す。デューティーが70%以下であれば、圧電振動子
TDの温度は常に100℃を下まわるが、デューティー
が70%を越えると100℃に接近乃至これを上まわる
ようになり、圧電振動子TDの劣化現象が発生する恐れ
がでてくる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波霧
化装置によれば、板状圧電磁器の両面に電極を形成して
なり厚さ方向の共振による超音波振動を生じる圧電振動
子を励振回路によってデューティー70%以下で間欠励
振して、圧電振動子と多孔乃至網状薄板間の微小間隙に
広がった液体を霧化する構成としたので、圧電振動子を
劣化させない程度の小さな入力電力とした場合でも、圧
電振動子に印加する間欠発振出力電圧の振幅は霧化動作
をするのに充分な大きさとすることが可能となり、小電
力で効率的な霧化動作が可能である。また、励振回路の
間欠発振の間欠周波数を可変制御するための制御回路を
設けて、励振回路の間欠周波数を変化させることによ
り、発生する霧化粒子の粒径を可変制御可能であり、医
療用吸入器等に使用すれば効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超音波霧化装置の実施例の回路構
成を示す回路図である。
【図2】実施例における圧電振動子及び多孔乃至網状薄
板の配置を示す正断面図である。
【図3】間欠発振波形の1例を示す説明図である。
【図4】間欠発振波形のデューティーと霧化動作中の圧
電振動子の温度との関係を示すグラフである。
【図5】従来の超音波霧化装置の要部構成を示す断面図
である。
【符号の説明】
1 間欠発振回路 2 DC−DCコンバータ 3 制御回路 4 ゲートパルス発生回路 5 デューティー可変回路 6 周波数可変回路 10 圧電磁器 20 霧化作用面 21 多孔乃至網状薄板 23 微小穴 25 給液手段 C1乃至C4 コンデンサ L1,L2 インダクタ Q1,Q2 トランジスタ R1 抵抗 VR 可変抵抗 TD 圧電振動子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−227860(JP,A) 特開 昭54−137320(JP,A) 特開 昭53−50512(JP,A) 特開 昭58−62411(JP,A) 実開 平3−15674(JP,U) 実開 昭53−108613(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 板状圧電磁器の両面に電極を形成してな
    り厚さ方向の共振による超音波振動を生じる圧電振動子
    の片面を霧化作用面とし、該霧化作用面側に多孔乃至網
    状薄板を配し、少なくとも前記薄板の一部分と前記霧化
    作用面間に微小間隙が形成されるようにし、前記微小間
    隙に霧化すべき液体を供給する手段を設け、前記圧電振
    動子をデューティー70%以下で間欠に励振する励振回
    路を設けて前記霧化作用面と前記薄板間の前記微小間隙
    に広がった液体を前記圧電振動子の間欠的な超音波振動
    によって霧化するとともに、前記励振回路の間欠周波数
    を可変とする制御回路を設けたことを特徴とする超音波
    霧化装置。
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