JP4906728B2 - 超音波振動ユニットおよび超音波霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波振動ユニットおよび超音波霧化装置に係り、例えば水や薬液などの液体を霧化するのに好適な超音波振動ユニットおよびこれを用いた超音波霧化装置に関する。

従来、水や薬液などの液体を霧化する霧化装置としては、例えば図１０に示す構成が知られている。

すなわち、装置の本体ケースを兼ねた貯液部１の内側下部に例えば水３を溜め、貯液部１の上部内側に設けた支持部材５に超音波振動ユニット７を支持させ、スポンジなどからなり貯液部１内の水３を上方へ供給する円錐柱状の供給部９を貯液部１の内底から超音波振動ユニット７まで延ばしてなる構成を有している。特許第２６９８４８８号公報（特許文献１）はこの分野のものである。

超音波振動ユニット７は、例えば図１１Ａ、Ｂに示すように、対面する第１および第２の面ｄ１、ｄ２に電極１１ａ、１１ｂを形成したリング板状の圧電セラミックス１３のその第２の面（下面）ｄ２に、円板状の被振動板１５の外周部を重ねて圧電セラミックス１３の貫通孔を塞ぎ、被振動板１５には多数の小孔１７を厚み方向に貫通形成するとともに、絶縁性の弾性体からなる支持部材５に圧電セラミックス１３の外周部を挟んでなる構成を有している。

なお、被振動板１５の小孔１７は微細なものであり、図１１Ａでは図示を省略するとともに、同図Ｂでは誇張して示した。

そして、図１０に示した超音波霧化装置は、超音波振動ユニット７の電極１１ａ、１１ｂに所定の交流駆動電圧を印加して圧電セラミックス１３に拡がり（長さ）振動を発生させ、この振動に基づき被振動板１５を超音波振動させ、供給部９によって貯液部１下部から被振動板１５まで給水された水３を多数の小孔１７を介して霧化して外部へ送出するものである。なお、図１０中の符号１９は水３の出入れ口を塞ぐ止栓である。
特許第２６９８４８８号公報

しかしながら、上述した超音波振動ユニット７では、リング板状の圧電セラミックス１３の貫通孔を塞ぐようにその第２の面ｄ２に円板状の被振動板１５の外周部を重ね、円板状の被振動板１５の外周部の全周が圧電セラミックス１３の第２の面ｄ２に固定されているため、圧電セラミックス１３の拡がり振動（径方向の伸縮）によって超音波振動する被振動板１５には、その全周から中央部方向へのストレスが加わるので、被振動板１５が十分に振動変形（たわみ変形）し難い難点がある。

そのため、上述した超音波振動ユニット７を用いて超音波霧化装置を構成しても、圧電セラミックス１３に印加した電気エネルギー量の割には霧化効率が向上し難く、霧化効率の向上が望まれていた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、圧電セラミックスに固定した被振動板の振動効率を向上させることが可能な超音波振動ユニットおよび霧化効率の良好な超音波霧化装置の提供を目的とする。

そのような課題を解決するために本発明に係る超音波振動ユニットは、リング状または矩形枠状であって、厚さ方向で対面する第１および第２の面に各々第１および第２の電極を有し、拡がり振動する圧電セラミックスと、多数の小孔を有し、その圧電セラミックスの貫通孔を横切るように掛け渡され、幅方向端部が長手方向にわたってその圧電セラミックスに固定されておらず、長手方向の両端部がその圧電セラミックスに固定された被振動板とを具備し、その圧電セラミックスの振動に基づきその被振動板が超音波振動されるものである。

ここで、本発明において、圧電セラミックスは、その厚さ方向（分極方向）に貫通孔を有し、全体形状が矩形状、リング状であって、枠部分の幅や厚さの寸法は任意である。また、枠部分の一部に切欠きを有する形状の圧電セラミックスも、本発明の圧電セラミックスに含まれるものとする。

そして、本発明に係る超音波振動ユニットでは、上記被振動板のその幅方向端部とその圧電セラミックスとの間に空隙を形成しても良い。

さらに、本発明に係る超音波振動ユニットでは、複数のそれら被振動板を間隔を置いて上記圧電セラミックスに並設させる構成も可能である。

さらにまた、本発明に係る超音波振動ユニットでは、複数のそれら被振動板の一方の端部側における上記圧電セラミックスには１個の切欠部を形成し、この切欠部を避けてそれら被振動板を配置することも可能である。

また、本発明に係る超音波振動ユニットでは、上記被振動板に突部を設けることも可能である。

しかも、本発明に係る超音波振動ユニットでは、上記突部の斜面を上記被振動板付着した液体の排水勾配とする構成も可能である。
そして、本発明に係る超音波霧化装置は、上述したいずれかの超音波振動ユニットを用いて構成されている。

そのような手段を備えた本発明の超音波振動ユニットでは、厚さ方向で対面する第１および第２の電極を有し、多数の小孔を有しその圧電セラミックスの対向部に被振動板の両端部を枠型の圧電セラミックスに固定している。そのため、圧電セラミックス１３の拡がり振動（径方向の伸縮）によって超音波振動する被振動板１５にはその全周から中央部方向へストレスが加わることがなく、従って、その圧電セラミックスの振動に基づきその被振動板が振動変形（たわみ変形）し易くなるため、被振動板の振動効率を向上させることが可能となる。

そして、上記被振動板における当該両端部方向に直交する幅方向端部とその圧電セラミックスとの間に空隙を形成する構成では、上記被振動板における幅方向端部が圧電セラミックスと機械的に干渉することがないため、被振動板のより一層の超音波振動の効率向上を図ることが可能となる。

さらに、複数のそれら被振動板を間隔を置いて上記圧電セラミックスに並設させる構成では、それを用いて超音波霧化装置を構成した場合、異なる液体の霧化が可能である。

さらにまた、複数のそれら被振動板の一方の端部側における上記圧電セラミックスに１個の切欠部を形成し、この切欠部を避けて被振動板を配置する構成では、上記圧電セラミックスの電気的駆動に極性の制約がなくなる利点がある。

また、上記被振動板に突部を設ける構成では、上記被振動板に剛性が異なる部分が形成されるため、それを用いて超音波霧化装置を構成した場合、霧化効率を向上させる利点がある。

しかも、上記突部の斜面を上記被振動板に付着した液体の排水勾配とする構成では、それを用いて超音波霧化装置を構成した場合、その被振動板に付着した液体が空隙へ流れ易くなるため、霧化効率をさらに向上させる利点がある。

そして、上述したいずれかの超音波振動ユニットを用いて構成された超音波霧化装置では、高い霧化効率を得ることができる。

以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照して説明する。

図１、図２は本発明に係る超音波振動ユニットを示す平面図および断面図である。

図１および図２において、超音波振動ユニット２１は、リング板状の圧電セラミックス２３と、この圧電セラミックス２３の貫通孔２５を横切ってそれに重ねられた長方形の被振動板２７とを有している。

なお、超音波振動ユニット２１は、上述した図１０のような支持部材５によって装置に支持されるが、本発明の要部ではないので支持部材の図示を省略する。

圧電セラミックス２３は、従来公知の超音波圧電材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛やこの鉛をモリブデンに代えた材料から薄板状に成形されるとともに、厚み方向の分極が施されている。

圧電セラミックス２３は、図２に示すように、その厚さ方向で対面する第１の面（図中上面）ｄ３に金などの導電材料からなる第１の電極２９ａが、第２の面（図中下面）ｄ４には同様な第２の電極２９ｂが圧電セラミックス２３の外形形状より若干小さなリング帯状に形成され、図示しないリード線が各々接続される。

被振動板２７は、例えばニッケル材料などの薄い導電材料板からなり、その両端部を圧電セラミックス２３の第２の面ｄ４の対向部に重ね、従来公知の手法、例えば接着剤にて固着されている。

そのため、被振動板２７において、両端部間方向（図１中の矢符Ｔ）と直交する幅方向（図１中の矢符Ｗ方向）両側と圧電セラミックス２３の貫通孔２５の内面との間に各々空隙３１が形成されている。

被振動板２７には、微細な小孔３３がその厚み方向に複数（無数）貫通形成されている。これら小孔３３は、圧電セラミックス２３との当接面（上面）側の直径を対向面（下面）側の直径より小さくして先細りとなっている。図１では小孔３３の図示を省略するとともに、図２では誇張して図示されている。

このような超音波振動ユニット２１は、リード線を介して第１、第２の電極２９ａ、２９ｂ間に例えば１３３ＫＨｚで２０Ｖｐ−ｐの交流駆動電圧を印加すると、圧電セラミックス２３が長さ方向（径方向）に、拡がり振動する。そして、圧電セラミックス２３の対向部に支持された被振動板２７は、圧電セラミックス２３の振動によって振動変形（たわみ変形）する。すなわち、被振動板２７は、圧電セラミックス２３の振動によって超音波振動することになる。

そのため、図２に示すように、スポンジなどの液体の供給部３５を被振動板２７の下面に当て、図１０に示した超音波霧化装置のように、貯液部下部から水を供給部３５で給水すると、多数の小孔３３を介して水３が霧化されて送出される。

このように、本発明の超音波振動ユニット２１は、圧電セラミックス２３の厚さ方向の対向面である第１および第２の面ｄ３、ｄ４に第１および第２の電極２９ａ、２９ｂを形成し、微細な小孔３３を多数形成した長方形の被振動板２７を、その圧電セラミックス２３の中空部２５を横切るように配置してその両端部を重ねて固着した構成となっている。

そのため、超音波振動ユニット２１では、圧電セラミックス２３が拡がり振動すると、圧電セラミックス２３の対向部に両端部を固定した被振動板２７では、主にその長手方向である長さ方向Ｔ、すなわち、主に単一方向にストレスが加わる。そのため、被振動板２７は、圧電セラミックス２３の振動によって振動変形（たわみ変形）し易くなり、大きな超音波振動が生じ易く、被振動板２７の振動効率を向上させることができる。

従って、そのような超音波振動ユニット２１を用いて超音波霧化装置を構成すると、良好な霧化効率が得れる。

図３は、圧電セラミックス２３の形状と被振動板２７の長さ方向Ｔを変えずに、被振動板２７の幅Ｗを変化させた場合の霧化量を調べたものである。

被振動板２７において、圧電セラミックス２３の貫通孔２５を塞ぐような広い幅Ｗ１からこれを狭めてゆくと、被振動板２７が次第に振動し易くなって霧化量が増加して幅Ｗ２で最大となる。そして、ある程度幅が狭まってくると、被振動板２７自体の面積が狭まって小孔３３の数が減少し、霧化量が減少することが分かる。

本発明における被振動板２７は、図１に示すように長方形状に限定されない。

すなわち、被振動板２７は、図４Ａのように長楕円形、同図Ｂのように四隅を斜めに直線状に切り欠いた長方形、同図Ｃのように四隅を曲線状に切り欠いた長方形、同図Ｄのように四隅をＬ字状に切り欠いた長方形、同図Ｅのように長手方向の中央部を膨出させて幅広にした概略長方形、同図Ｆのように両端部の近くを凹状に切り込んで狭作した概略長方形等、種々の形状で実施可能であり、圧電セラミックス２３に重なる両端部方向に長く形成されたある程度細長い形状が好ましい。また、被振動板２７は、供給部３５が接触する中央部分の面積が大きい方が霧化効率の点で好ましい。

さらに、本発明における被振動板２７は、図５Ａ、Ｂに示すように、その長手方向中央部に突部３７を形成すると、超音波霧化装置を構成した場合、突部３７を設けることにより、被振動板２７に剛性が異なる部分が形成されるため、霧化効率を向上させる利点がある。また、突部３７の斜面が被振動板２７に付着した液体の排水勾配として機能するため、被振動板２７に付着した液体が流れ落ち易く、より霧化効率を向上し易い。

尚、上記の実施の形態にあっては、被振動板２７の両側と圧電セラミックス２３の貫通孔２５の内面との間に各々空隙３１が形成されたものを例示したが、被振動板２７の一方の側を半円形状に形成することにより、空隙３１の一方を塞ぐことも可能であり、また、被振動板２７を円板状とすることにより、各々空隙３１を塞ぐことも可能である。ただし、いずれの場合においても、被振動板２７は、その両端部のみを圧電セラミックス２３の対向部に固着することになる。
次に、本発明に係る超音波振動ユニットの他の実施の形態を図６〜図９を用いて説明する。

図６に示す構成は、矩形状又は四角形状の枠型圧電セラミックス３９の一対の対向辺３９ａ、３９ｂの対向面に各々第１、第２の電極４１ａ、４１ｂ（第２の電極４１ｂは見えない。）を形成し、第１、第２の電極４１ａ、４１ｂの形成されていない他方の一対の対向辺３９ｃ、３９ｄの中央に、上述した長方形状の被振動板２７の両端部を重ねて固着してなる超音波振動ユニット４３である。

このような構成の超音波振動ユニット４３では、第１、第２の電極４１ａ、４１ｂ間に同じ交流駆動電圧を印加すると、枠型圧電セラミックス３９の対向辺３９ｃ、３９ｄ間が広がったり狭まるよう拡がり振動し、被振動板２７にはその長手方向の単一方向にストレスが加わるため、被振動板２７は振動変形（たわみ変形）し易くなり、大きな超音波振動が生じ易く、上述した効果が得られる。

さらに、図７に示す構成は、図６に示す枠型圧電セラミックス３９において、第１、第２の電極４１ａ、４１ｂ（図示省略）の形成されていない一対の対向辺３９ｃ、３９ｄに、互いに間隔を置いて３枚の被振動板２７を並列に配列して固着してなる超音波振動ユニット４５である。なお、第１、第２の電極４１ａ、４１ｂの図示を省略した（図９も同様）。

このような超音波振動ユニット４５では、３枚の被振動板２７を独立して振動させることが可能である。そのため、霧化量をより向上させることが可能であるばかりか、図８に示すように、各被振動板２７毎に供給部３５を配置当接させ、異なる液体を給水可能である。

複数の液体を予め混合することが好ましくない場合、このような超音波振動ユニット４５では、個々の供給部３５から異なる液体を独立して被振動板２７に給水して霧化可能となり、予め混合しておくことの不具合を回避することができる。

また、色彩の異なる顔料等を含んだ液体を同時に霧化して新たな色彩の霧を発生させることも可能であり、さらに、各被振動板２７の駆動時間をずらして間欠駆動させることにより、色彩の異なる霧を連続的に所定の周期で発生させることも可能である。

さらに、図９に示すように、枠型圧電セラミックス３９に複数の被振動板２７を間隔を置いて並設する構成では、対向辺３９ｃ、３９ｄのうち一方においては切欠部４７を形成し、この切欠部４７を避けてそれら被振動板２７を２グループに分けて配置して超音波振動ユニット４９を構成可能である。

このような切欠部４７を有する超音波振動ユニット４９では、対向辺３９ａの第１、第２の電極４１ａ、４１ｂで＋／−の交流駆動電圧を印加したとき、対向辺３９ｂの第１、第２の電極４１ａ、４１ｂで−／＋の逆交流駆動電圧を印加することも可能となり、印加電圧の極性が限定されない利点がある。

このように、本発明の超音波振動ユニット２１、４３、４５、４９では、枠型の圧電セラミックスとしてはリング板状を含むものであるうえ、閉じた枠型の他、切欠部４７を設けたＣ字形状等も含むものである。

また、本発明に係る超音波振動ユニット２１、４３、４５、４９は、粉体などを飛散させる場合等、各種の装置や用途の振動源として用いることが可能である。

ところで、上述した超音波振動ユニット２１、４３、４５、４９を用いた本発明の超音波霧化装置は、溜められた液体を所望の方向に供給する供給部３５と、厚さ方向で対面する第１および第２の面ｄ３、ｄ４に各々第１および第２の電極２９ａ、２９ｂ、４１ａ、４１ｂを有し拡がり振動する枠型の圧電セラミックス２３、３９と、多数の小孔３３を有しその圧電セラミックス２３、３９にあって対向部に両端部が固定された被振動板２７とを具備している。そして、その供給部３５にて供給された液体がその圧電セラミックス２３、３９の振動に基づくその被振動板２７の超音波振動により、霧化される構成を有している。

本発明は、例えば水や薬液などの液体を霧化するのに好適する。

本発明に係る超音波振動ユニットの実施の形態を示す平面図である。 図１に示す超音波振動ユニットの断面図である。 図１に示す超音波振動ユニットを超音波霧化装置に用いた場合の霧化特性を示す図である。 図１の超音波振動ユニットに用いる被振動板の更に他の例を示す図である。 図１の超音波振動ユニットに用いる被振動板の他の例を示す斜視図Ａおよび断面図Ｂ（同図Ａのｂ−ｂ間断面）である。 本発明に係る超音波霧化装置の他の実施の形態を示す平面図である。 本発明に係る超音波霧化装置の他の実施の形態を示す平面図である。 図７に示す超音波振動ユニットの使用例を示す断面図である。 本発明に係る超音波霧化装置の更に他の実施の形態を示す平面図である。 本発明の参考となる霧化装置を示す概略断面図である。 従来の超音波振動ユニットを示す平面図Ａおよび断面図Ｂである。

１ 貯液部（装置本体）
３ 水（液体）
５ 支持部材
７、２１、４３、４５、４９ 超音波振動ユニット
９、３５ 供給部
１１ａ、１１ｂ 電極
１３、２３、３９ 圧電セラミックス
１５、２７ 被振動板
１７、３３ 小孔
１９ 止栓
２５ 貫通孔
２９ａ、４１ａ 第１の電極
２９ｂ、４１ｂ 第２の電極
３１ 空隙
３７ 突部
３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ 対向辺
４７ 切欠部
ｄ１、ｄ３ 第１の面
ｄ２、ｄ４ 第２の面

Claims (7)

1. リング状または矩形枠状であって、厚さ方向で対面する第１および第２の面に各々第１および第２の電極を有し、拡がり振動する圧電セラミックスと、
   多数の小孔を有し、前記圧電セラミックスの貫通孔を横切るように掛け渡され、幅方向端部が長手方向にわたって前記圧電セラミックスに固定されておらず、長手方向の両端部が前記圧電セラミックスに固定された被振動板と、
   を具備し、
   前記圧電セラミックスの振動に基づき前記被振動板が超音波振動されることを特徴とする超音波振動ユニット。
2. 前記被振動板の幅方向端部と前記圧電セラミックスとの間に空隙が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の超音波振動ユニット。
3. 複数の前記被振動板が、間隔を置いて前記圧電セラミックスに並設されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波振動ユニット。
4. 前記圧電セラミックスは、複数の前記被振動板の一方の端部側に１個の切欠部を有し、この切欠部を避けて前記被振動板が配置されてなることを特徴とする請求項３記載の超音波振動ユニット。
5. 前記被振動板は突部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波振動ユニット。
6. 前記被振動板は突部を有し、この突部の斜面が付着した液体の排水勾配となることを特徴とする請求項２記載の超音波振動ユニット。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波振動ユニットを用いたことを特徴とする超音波霧化装置。

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