JP5382004B2 - 霧化部材及びそれを備える霧化器 - Google Patents

Description

本発明は、霧化部材に関し、詳細には、圧電振動子を用いた超音波霧化部材及びそれを備える霧化器に関する。

従来、例えば下記の特許文献１などにおいて、圧電振動子を用いた霧化器が種々提案されている。特許文献１に記載されている霧化器の断面図を図９に示す。

図９に示すように、霧化器１００は、霧化される液体が充填される加圧室１０２が内部に形成されている基体１０１を備えている。基体１０１には、加圧室１０２の上部開口１０２ａを塞ぐようにノズル板１０３が固定されている。ノズル板１０３の中央部には、多数のノズル孔が形成されている。ノズル板１０３の上には、開口１０４ａが中央部に形成されている円板状の圧電振動子１０４が装着されている。

圧電振動子１０４は、円板状の圧電体１０５と、第１及び第２の電極１０６，１０７とを備えている。第１及び第２の電極１０６，１０７は、圧電体１０５の上面１０５ａ及び下面１０５ｂに設けられており、圧電振動子１０４は、横効果で振動するように構成されている。すなわち、圧電振動子１０４は、径方向に振動する。

霧化器１００では、図１０及び図１１に示すように、圧電振動子１０４が横効果で振動することにより、圧電振動子１０４の板面方向に垂直な方向ｚにノズル板１０３がたわみ振動する。その結果、加圧室１０２内に充填されている液体がノズル板１０３に形成されているノズル孔から噴霧される。

特公昭６３−１１０６３号公報

下記の特許文献１には、横効果で振動する圧電振動子１０４を用いることにより、構造が簡単で、コンパクトであり、かつ霧化性能に優れ、消費電力の低い霧化器１００を提供できる旨が記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載のように、横効果で振動する圧電振動子を用いた場合、霧化効率を十分に高めることが困難であり、従って、消費電力を十分に低くすることが困難であるという問題があった。

本発明の目的は、圧電振動子を用いた霧化部材であって、霧化効率が高く、消費電力を低くし得る霧化部材及びそれを備える霧化器を提供することにある。

本願の第１の発明に係る霧化部材は、圧電振動子と、振動膜とを備えている。圧電振動子は、円筒状の圧電体と、第１の電極と、第２の電極とを有する。第１の電極は、圧電体の内周面に形成されている。第２の電極は、圧電体の外周面に形成されている。圧電振動子は、円筒呼吸振動する。振動膜は、圧電体の軸方向における一端側の開口部に、圧電体の軸方向における一端側の開口部を覆うように設けられている。振動膜の中央部には、貫通孔が形成されている。圧電振動子は、前記圧電体の軸方向における一端側の部分に接続されており、当該一端側の部分から径方向外側に向かって延びるフランジ部を有し、フランジ部の圧電体との接続部は、フランジ部の他の部分と振動伝搬特性が異なっている。

本願の第２の発明に係る霧化部材は、円筒状の圧電体と、圧電体の内周面に形成されている第１の電極と、圧電体の外周面に形成されている第２の電極とを有し、円筒呼吸振動する圧電振動子と、圧電体の軸方向における一端側の開口部に、開口部を覆うように設けられており、中央部に貫通孔が形成されている振動膜とを備え、圧電振動子は、圧電体の軸方向における一端側の部分に接続されており、当該一端側の部分から径方向外側に向かって延びるフランジ部を有し、フランジ部の圧電体との接続部に、溝が形成されている。

本願の第３の発明に係る霧化部材は、円筒状の圧電体と、圧電体の内周面に形成されている第１の電極と、圧電体の外周面に形成されている第２の電極とを有し、円筒呼吸振動する圧電振動子と、圧電体の軸方向における一端側の開口部に、開口部を覆うように設けられており、中央部に貫通孔が形成されている振動膜とを備え、圧電振動子は、圧電体の軸方向における一端側の部分に接続されており、当該一端側の部分から径方向外側に向かって延びるフランジ部を有し、圧電振動子は、第１の電極に接続されている第１の電極パッドと、第２の電極に接続されている第２の電極パッドとをさらに有し、第１及び第２の電極パッドは、フランジ部の、圧電体の軸方向における他端側の表面に形成されている。

本発明（第１〜第３の発明）に係る霧化部材のある特定の局面では、フランジ部は、圧電体と一体に形成されている。

本発明に係る霧化部材の他の特定の局面では、前記圧電体と前記振動膜とは一体に形成されている。

本発明に係る霧化部材のまた別の特定の局面では、振動膜の貫通孔が形成されている中央部は、振動膜のその他の部分とは別体の貫通孔被形成部材により構成されている。この構成によれば、貫通孔被形成部材を、振動膜の他の部分とは別に作製できるため、振動膜の作製が容易となる。また、貫通孔被形成部材と振動膜の他の部分との材質とを異ならしめることが可能となる。従って、貫通孔被形成部材及び振動膜の他の部分の設計自由度が向上し、貫通孔被形成部材及び振動膜の他の部分を、各部材の要求特性により合致したものとすることが容易となる。

本発明に係る霧化部材のさらにまた他の特定の局面では、貫通孔被形成部材は、金属製である。この構成では、例えば、振動膜の貫通孔が形成されている中央部を構成する部材がセラミック製である場合と比較して、貫通孔を容易に形成することができる。従って、振動膜を容易に作製することができる。

本発明に係る霧化部材のさらにまた別の特定の局面では、貫通孔被形成部材は、振動膜の前記貫通孔被形成部材以外の部分と同一の材料により形成されている。

本願の第４の発明に係る霧化器は、円筒状の圧電体と、圧電体の内周面に形成されている第１の電極と、圧電体の外周面に形成されている第２の電極とを有し、円筒呼吸振動する圧電振動子と、圧電体の軸方向における一端側の開口部に、開口部を覆うように設けられており、中央部に貫通孔が形成されている振動膜とを備える霧化部材と、霧化器本体と、液体供給部とを備えている。霧化器本体には、圧電振動子が取り付けられている。霧化器本体には、液体が貯留される貯留部が形成されている。液体供給部は、貯留部に貯留されている液体を振動膜の貫通孔が形成されている部分に液体を供給する。圧電振動子は、圧電体の軸方向における一端側の部分に接続されており、当該一端側の部分から径方向外側に向かって延び、径方向における外縁部が霧化器本体により支持されているフランジ部を有し、フランジ部には、周方向に沿って延びる複数の貫通孔が形成されることにより、外縁部と振動膜とを接続している少なくとも２つの架橋部が形成されており、少なくとも２つの架橋部のそれぞれの半径方向に沿った長さは、振動膜の半径の、３０％〜５０％、７０％〜９０％または１１５％〜１２０％の範囲内にある。

本願の第４の発明に係る霧化器のある特定の局面では、液体供給部は、振動膜に対して、圧電体の軸方向における他端側から液体を供給する。この構成によれば、振動膜において発生した拡散角を大きくすることができる。

本願の第４の発明に係る霧化器の別の特定の局面では、振動膜の架橋部が接続されている部分の周方向における両側部分には、圧電体の厚み方向における中央部にまで至る切欠き部が形成されており、架橋部の周方向において切欠き部の間に位置する部分は、圧電体に接続されていない。ここで、圧電体の厚み方向における中央部は、ノードとなる。このため、この構成によれば、振動膜をノードにおいて支持することができる。従って、より良好な霧化特性を得ることができる。

本願の第４の発明に係る霧化器のさらに他の特定の局面では、圧電体は、鉛直方向において、振動膜の下側に配置されている。この構成では、圧電体の自重によって、振動膜が外縁部よりも下方に位置することとなる。このため、架橋部と圧電体とが離間する。よって、架橋部と圧電体との接触が抑制される。従って、架橋部の摩耗を抑制できる。その結果、霧化器の寿命を長くすることができる。

本発明では、円筒状の圧電体の円筒呼吸振動により振動膜が駆動されるため、振動膜の振動効率が高くなり、よって、霧化効率を高くでき、かつ消費電力を低くし得る。

図１は、第１の実施形態の霧化器の略図的分解斜視図である。 図２は、第１の実施形態の霧化器の略図的断面図である。 図３は、弾性板及び圧電振動子の略図的平面図である。 図４は、振動膜の一部分を拡大した略図的断面図である。 図５は、圧電振動子の円筒呼吸振動の態様を説明するための模式図である。 図６は、第２の実施形態の霧化器の略図的断面図である。 図７は、第２の実施形態における霧化部材の略図的斜視図である。 図８は、変形例における霧化部材の略図的斜視図である。 図９は、特許文献１に記載の霧化器の断面図である。 図１０は、特許文献１に記載の霧化器の圧電振動子及びノズル板の動作を説明するための断面図である。詳細には、圧電振動子が横方向に伸長した状態の圧電振動子及びノズル板の断面図である。 図１１は、特許文献１に記載の霧化器の圧電振動子及びノズル板の動作を説明するための断面図である。詳細には、圧電振動子が横方向に収縮した状態の圧電振動子及びノズル板の断面図である。 図１２は、第２の変形例の霧化器の略図的断面図である。 図１３は、第３の変形例の霧化器の略図的断面図である。 図１４は、第３の実施形態の霧化器の略図的分解斜視図である。 図１５は、第３の実施形態の霧化器の略図的断面図である。 図１６は、架橋部の半径方向に沿った長さ（Ｌ）の、振動膜の半径（ｒ）に対する比（Ｌ／ｒ）が８０％であるときの霧化部材のインピーダンス特性を表すグラフである。 図１７は、架橋部の半径方向に沿った長さ（Ｌ）の、振動膜の半径（ｒ）に対する比（Ｌ／ｒ）が１００％であるときの霧化部材のインピーダンス特性を表すグラフである。 図１８は、架橋部の半径方向に沿った長さ（Ｌ）の、振動膜の半径（ｒ）に対する比（Ｌ／ｒ）と、スプリアスの有無との関係を表すグラフである。 図１９は、第４の変形例における霧化部材の略図的平面図である。 図２０は、第４の変形例における霧化器の一部分の略図的断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態の一例を説明することにより、本発明を明らかにする。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の霧化器の略図的分解斜視図である。図２は、本実施形態の霧化器の略図的断面図である。図１及び図２に示すように、霧化器１は、霧化部材３０と、霧化器本体１０と、液体供給部２０とを備えている。霧化器１は、例えば、霧化部材３０を駆動させる回路をさらに備えていてもよい。霧化部材３０を駆動させる回路は、例えば、発振回路、発振回路の制御回路、各回路へ電力を供給する電源回路などを有する。

霧化器本体１０は、例えば、合成樹脂、金属、ガラス、セラミック、紙などにより形成することができる。図２に示すように、霧化器本体１０の内部には、貯留部１１が形成されている。貯留部１１には、霧化対象となる液体１２が貯留される。なお、液体１２は、特に限定されない。液体１２の具体例としては、例えば、水、水溶液、アルコールや石油類などの有機溶媒などが挙げられる。液体１２は、例えば、芳香剤、消臭剤、殺虫剤、防虫剤、香水類、化粧水、洗剤であってもよい。

霧化器本体１０の上には、弾性膜１５を介して霧化部材３０が取り付けられている。もっとも、霧化部材３０は、霧化器本体１０に直接取り付けられていてもよい。

図１及び図２に示すように、霧化部材３０は、円筒状の圧電振動子３１と、振動膜４０とを備えている。図２に示すように、圧電振動子３１は、円筒状の圧電体３２を備えている。圧電体３２は、圧電材料からなるものである。圧電体３２を形成するための圧電材料は特に限定されない。圧電材料の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミックなどが挙げられる。なお、圧電体３２の寸法は特に限定されない。圧電体３２の寸法は、例えば、内径：１０ｍｍ、外径：１２ｍｍ、高さ:３．５ｍｍとすることができる。

圧電体３２の内周面には、第１の電極３３が形成されている。一方、圧電体３２の外周面には、第２の電極３４が形成されている。そして、圧電体３２は、例えば、３ｋＶ／ｍｍ程度の電圧を第１及び第２の電極３３，３４間に印加することにより、圧電体３２の半径方向に分極されている。このため、圧電振動子３１は、第１及び第２の電極３３，３４間に交流電圧が印加されると、圧電体３２の径方向に振動（以下、「円筒呼吸振動」と称呼する。）する。この円筒呼吸振動は、ｄ３１モード及びｄ３３モードの少なくとも一方によるものであり、具体的には、図５に示すような態様の振動である。すなわち、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、電圧が印加されると、圧電効果により、円筒状の圧電体３２が拡径と縮径とを繰り返す。これに伴い、振動膜４０が上下方向ｚに振動する。

なお、圧電体３２の振動は、自励振であってもよいし、他励振であってもよい。但し、他励振の場合は、圧電振動子３１の表面に液体が付着すると共振周波数が変動するため、周波数を変動させないための制御回路が必要となる。従って、圧電体３２の振動は、自励振であることが好ましい。

また、圧電体３２に印加する電圧の波形は、例えば、サイン波、ノコギリ波、方形波などであってもよい。中でも、圧電体３２に印加する電圧の波形は、方形波であることが好ましい。方形波を圧電体３２に印加することにより、より高い霧化効率を得ることができるからである。

なお、霧化のオン/オフ制御は、圧電体３２に印加する電圧をオン/オフ制御することにより行うが、圧電体３２に印加する電圧の波形をＡＭ変調やＦＭ変調するようにしてもよい。

第１及び第２の電極３３，３４は、圧電体３２に電圧を印加可能であれば特に限定されない。第１及び第２の電極３３，３４は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｓｎなどの金属やＣｒ／Ｎｉ合金、Ｎｉ／Ｃｕ合金などの合金により形成することができる。

なお、第１及び第２の電極３３，３４の耐水性が低い場合は、第１及び第２の電極３３，３４の表面に保護膜を形成してもよい。特に、少なくとも第１の電極３３の表面に、保護膜を設けておくことが好ましい。第１の電極３３の表面に霧が付着した場合のキャビティエロージョンに起因する第１の電極３３の劣化を抑制できるためである。

保護膜は、第１及び第２の電極３３，３４よりも耐水性の高いものであれば特に限定されない。保護膜は、例えば、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂などの弾性樹脂により形成することができる。

第１及び第２の電極３３，３４の形成方法としては、例えば、スパッタ法や蒸着法、めっきなどの薄膜形成方法や、導電性ペーストを用いた方法などが挙げられる。

図１及び図２に示すように、圧電体３２の軸方向Ａにおける一方側の開口部３２ａには、開口部３２ａを覆うように振動膜４０が取り付けられている。詳細には、本実施形態では、振動膜４０は、圧電体３２の軸方向Ａにおける一方側の端面３２ｂに取り付けられている。但し、振動膜４０は、圧電体３２の外部に設けられている必要は必ずしもない。振動膜４０は、圧電体３２の内部、すなわち円筒状の圧電体３２の中空部に設けられていてもよい。なお、振動膜４０の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．５ｍｍ程度とすることができる。

振動膜４０は、圧電体３２が振動することにより、上下方向ｚに振動する膜である。振動膜４０は、上下方向ｚに振動可能な膜である限りにおいて特に限定されないが、圧電振動子３１の振動に伴って１次モード（基本モード）で主として振動する膜であることが好ましい。この場合、振動膜４０の変位量を大きくすることができる。よって、振動膜４０の霧化可能領域を大きくすることができる。従って、後述する貫通孔４３の数量を広い領域にわたって多くすることができ、霧化効率及び霧化可能量を高めることができる。

なお、振動膜４０の材質は特に限定されないが、振動膜４０は、例えば、樹脂、セラミック、金属などの材料により形成することができる。なかでも、振動膜４０は、セラミックにより形成されていることが好ましい。これによれば、振動膜４０を厚くし得るので、振動膜４０の支配的な振動モードを１次モードにすることが容易となる。また、振動膜４０が４２アロイ、リン青銅、洋泊などの金属材料により形成されるときは、振動膜４０が容易に加工できるため好ましい。この場合、振動膜４０は導電性を有するため、振動膜４０の一部を電気的に絶縁することによって、圧電体との電気的接続手段の一部にすることができる。

具体的には、本実施形態では、振動膜４０は、圧電振動子３１の端部に取り付けられている膜本体４１と、膜本体４１とは別体の貫通孔被形成部材４２とによって構成されている。膜本体４１の中央部には、開口４１ａが形成されており、貫通孔被形成部材４２は、その開口４１ａに取り付けられている。

貫通孔被形成部材４２の材質は特に限定されない。貫通孔被形成部材４２は、例えば、膜本体４１と同一の材料により形成することができる。

貫通孔被形成部材４２の形状は特に限定されないが、例えば、直径：４．９ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ程度とすることができる。

なお、本実施形態では、膜本体４１に形成されている開口４１ａは、貫通孔被形成部材４２の直径よりも小さく形成されており、その開口４１ａに貫通孔被形成部材４２が押し込まれることにより貫通孔被形成部材４２が膜本体４１に固定されている。もっとも、貫通孔被形成部材４２の膜本体４１への固定方法は特に限定されず、例えば、貫通孔被形成部材４２が剛性の低い樹脂フィルムなどにより形成されている場合は、接着剤などにより貫通孔被形成部材４２を膜本体４１に接着してもよい。また、貫通孔被形成部材４２が金属製である場合などには、セラミック製の膜本体４１に接着することにより固定してもよいし、セラミック製の膜本体４１にメッキ処理を施した上で、溶接や、ろう付け、半田付けすることにより固定してもよい。

貫通孔被形成部材４２には、貫通孔被形成部材４２を厚み方向に貫通する複数の貫通孔（ノズル孔）４３が形成されている。この貫通孔４３は、液体１２から霧を発生させるためのものである。図４に示すように、貫通孔４３は、ザグリ穴部４３ａと、接続部４３ｂと、拡径部４３ｃとを有する。ザグリ穴部４３ａは、貫通孔被形成部材４２の下面４２ａに開口している。ザグリ穴部４３ａは、下面４２ａ側から上面４２ｂ側に向かって先細る形状に形成されている。ザグリ穴部４３ａの下端部は、接続部４３ｂに接続されている。接続部４３ｂは、略円柱状であり、ザグリ穴部４３ａの下端部と略同一の直径を有する。接続部４３ｂの直径は、霧化対象となる液体１２の粘度などに応じて適宜設定することができる。接続部４３ｂの直径は、例えば、５〜２０μｍ程度とすることができる。接続部４３ｂの下端部は、拡径部４３ｃに接続されている。拡径部４３ｃは、直径が接続部４３ｂよりも大きな円柱状に形成されている。なお、図２や、後述する図６においては、描画の便宜上、貫通孔４３は、簡略的に円柱状に記載している。

上述の通り、本実施形態では、貫通孔４３が、ザグリ穴部４３ａと、接続部４３ｂと、拡径部４３ｃとにより構成されている例について説明した。但し、貫通孔４３の形状は、上記した本実施形態の形状に限定されず、例えば、テーパ状であってもよいし、円柱状であってもよい。

膜本体４１及び貫通孔被形成部材４２は、同じ材料により形成されていてもよいし、異なる材料により形成されていてもよい。特に、貫通孔被形成部材４２は、金属製であることが好ましい。貫通孔被形成部材４２が金属製である場合、例えば、貫通孔被形成部材４２がセラミック製である場合などと比較して、貫通孔４３の形成が容易となるからである。

なお、貫通孔４３の形成方法は、貫通孔４３の寸法、貫通孔被形成部材４２の材質などに応じて適宜選択することができる。貫通孔被形成部材４２が金属製である場合は、貫通孔４３は、例えばエレクトロフォーミング工法や、レーザー加工により形成することができる。また、貫通孔被形成部材４２が樹脂製である場合は、貫通孔４３は、例えば、グリーン−ＹＡＧレーザー、ＵＶ−ＹＡＧレーザー、エキシマレーザーなどの各種レーザーを用いて形成する方法、ケミカルエッチングにより形成する方法、プレス加工により形成する方法などにより形成することができる。

図１及び図２に示すように、霧化部材３０は、弾性膜１５によって支持されている。弾性膜１５は、リング状抑え３５によって霧化器本体１０に取り付けられている。

弾性膜１５の材質は特に限定されない。弾性膜１５は、例えば、ポリイミド樹脂やＰＥＴ樹脂などの樹脂により形成することができる。また、弾性膜１５は、例えば金属製の板バネにより構成することも可能である。

なお、弾性膜１５の固有振動数は、例えば１ｋＨｚ以下であり、通常、圧電体３２の駆動可能な振動数（圧電体３２の固有振動数（例えば１００ｋＨｚ程度）及びその近傍）と較べて小さい。従って、霧化部材３０が弾性膜１５によって支持されている場合であっても、霧化部材３０の振動は、弾性膜１５に実質的に伝搬しない。従って、弾性膜１５への振動エネルギーの漏洩を抑制することができ、霧化部材３０が支持されることによるエネルギー効率の劣化を抑制することができる。

図１及び図３に示すように、弾性膜１５は、円板状に形成されている。弾性膜１５の中央部には、図２に示すように、第１の液体供給部２０ａと第２の液体供給部２０ｂとを接続する開口１６が形成されている。また、図１及び図３に示すように、弾性膜１５の開口１６よりも外側には、開口１６の内周面に沿った弓形状の複数の開口１７が周方向に沿って相互に間隔を開けて形成されている。これら複数の開口１７によって、弾性膜１５は、開口１７よりも内側に位置する内側部分１５ａと、開口１７よりも外側に位置する外側部分１５ｂとに区画されている。内側部分１５ａは、隣り合う開口１７の間に形成されている複数の架橋部１８によって外側部分１５ｂに接続されている。

図１及び図２に示すように、霧化器１には、液体供給部２０が設けられており、この液体供給部２０によって、貯留部１１内に貯留されている液体１２が振動膜４０の下面側に供給される。

具体的には、本実施形態では、液体供給部２０は、第１及び第２の液体供給部２０ａ、２０ｂにより構成されている。図２に示すように、第２の液体供給部２０ｂは、霧化器本体１０の開口１０ａに挿入されることにより支持されている。第２の液体供給部２０ｂの下端部は、貯留部１１の下部にまで達している。一方、第２の液体供給部２０ｂの上端は、弾性膜１５の下端面に接している。第１の液体供給部２０ａは、弾性膜１５の上に設けられている。第１の液体供給部２０ａの上端は、振動膜４０のすぐ下方に位置している。圧電振動子３１が駆動されていない状態においては、第１の液体供給部２０ａの上端は、振動膜４０には接しておらず、第１の液体供給部２０ａの上端と振動膜４０との間には、ギャップ１３が形成されている。ギャップ１３の距離は、ギャップ１３に液体が充満されるように、液体の粘性などに応じて適宜設定することができる。ギャップ１３の距離は、例えば、０．０５〜１ｍｍ程度に設定することができる。

第１及び第２の液体供給部２０ａ、２０ｂは、毛細管現象により液体１２を吸い上げる機能を有している。このため、貯留部１１内に貯留されている液体１２は、第２の液体供給部２０ｂによって吸い上げられ、第１の液体供給部２０ａに供給される。第１の液体供給部２０ａに供給された液体１２は、第１の液体供給部２０ａによってギャップ１３にまで吸い上げられる。そして、ギャップ１３の上に振動膜４０が存在することにより、第１の液体供給部２０ａによって吸い上げられた液体１２は、ギャップ１３に溜まる。これにより、振動膜４０に液体１２が供給される。

なお、本実施形態において、第１及び第２の液体供給部２０ａ、２０ｂは、毛細管現象を発現するものである限りにおいて特に限定されない。第１及び第２の液体供給部２０ａ、２０ｂは、例えば、フェルト、不織布、不織紙、多孔体樹脂などにより構成することができる。
但し、本発明において、振動膜への液体供給部は、毛細管現象を発現するものに限定されない。液体供給部２０は、例えば図１２，１３に示すように、ポンプ２０ｄ、送風機２０ｅ等の給液手段と、給液手段からの液体を振動膜４０に供給するための管２０ｃとにより構成されていてもよい。この場合、管２０ｃの端部と振動膜４０との間の距離は、振動膜４０が振動したときに管２０ｃの端部と振動膜４０とが干渉しない程度であることが好ましく、管２０ｃの端部から液体の表面張力による最大隆起点までの距離以下であることがより好ましい。

本実施形態の霧化器１では、第１及び第２の電極３３，３４の間に電圧が印加されると、圧電振動子３１が、図５に示すような円筒呼吸振動する。この圧電振動子３１の円筒呼吸振動に伴い、振動膜４０が振動し、上下方向ｚの変位を繰り返す。これにより、液体供給部２０によってギャップ１３に供給された液体１２が貫通孔４３を通過して霧となって発散する。

なお、図５に示す円筒呼吸振動の態様は、一例である。円筒呼吸振動の態様は、円筒呼吸振動の周波数によって変化することがある。具体的には、図５に示す態様では、圧電振動子３１の振動膜４０とは反対側の部分が縮径したときに振動膜４０が凹状に変位する例が示されている。しかしながら、周波数によっては、圧電振動子３１の振動膜４０とは反対側の部分が縮径したときに振動膜４０が凸状に変位する場合もある。すなわち、円筒呼吸振動の周波数によって振動膜４０の振動の位相が１８０°ずれることがある。

このように、本実施形態では、円筒状の圧電体３２の円筒呼吸振動によって振動膜４０の膜振動が励起される。このため、例えば、円板状の圧電体の横効果により振動膜の膜振動を励起させる場合と比較して、高い効率で振動膜４０の膜振動を励起させることができる。従って、高い霧化効率を実現することができる。その結果、霧化器１の消費電力を低くすることができる。

また、同じ消費電力で、振動膜４０の振動エネルギーを大きくすることができる。このため、霧化が可能な貫通孔の最大数量が多くなる。従って、貫通孔４３の数量を多くすることができる。その結果、同じ消費電力で、より多くの噴霧量を得ることができる。

また、円筒呼吸振動を利用することにより、大きな振動振幅が得られるため、霧滴をより遠くまで飛ばすことができる。

また、円筒状の圧電体３２の円筒呼吸振動の場合、圧電体３２の軸方向に沿った端部の外周部がノードとなる。すなわち、圧電体３２が振動している状態における、圧電体３２の軸方向における端部の外周部の変位量が少ない。従って、圧電振動子３１の支持が容易となる。また、本実施形態のように、圧電振動子３１の軸方向における端部を支持することにより、支持体である弾性膜１５によって圧電振動子３１の振動が阻害されない。また、圧電振動子３１の振動が弾性膜１５に伝達しにくい。従って、振動のダンピングを抑制できると共に、支持による圧電振動子３１の振動効率の低下を抑制することができる。その結果、より高い霧化効率及びより低い消費電力を実現することができる。

具体的には、例えば、特許文献１に記載のような横効果で振動する圧電体を用いた霧化器では、霧化電圧が２０Ｖｐｐ程度であるのに対して、本実施形態の円筒呼吸振動する圧電体３２を用いた霧化器１では、霧化電圧を例えば１０Ｖｐｐ程度にまで低くし得る。また、従来の横効果で振動する圧電体を用いた霧化器では、消費電力が数百ｍＷ程度であったのに対して、円筒呼吸振動する圧電体３２を用いた霧化器１では、消費電力を数十ｍＷ以下にまで小さくし得る。この結果からも、上述のように、円筒呼吸振動する弾性体を用いることで、高い霧化効率及び低い消費電力を実現できることがわかる。

また、本実施形態では、振動膜４０の貫通孔４３が形成されている中央部分が別体の貫通孔被形成部材４２により構成されている。このため、振動膜４０の作製が容易である。また、貫通孔被形成部材４２の材質を、膜本体４１の材質と異ならしめることができる。従って、膜本体４１及び貫通孔被形成部材４２の設計自由度が向上し、膜本体４１及び貫通孔被形成部材４２を、それぞれの要求特性に、より合致したものとすることができる。すなわち、膜本体４１は、振動により適したものとすることができ、貫通孔被形成部材４２は、霧化により適したものとすることができる。

また、本実施形態では、液体供給部２０は、振動膜４０の圧電振動子３１が設けられている側の面に対して液体１２を供給する。換言すれば、振動膜４０の霧が発散する側とは反対側の面に液体供給部２０が配置されている。従って、霧の発散角度を大きくすることができ、より広い領域に噴霧することができる。

以下、他の実施形態及び変形例について説明する。なお、以下の他の実施形態及び変形例の説明において、上記第１の実施形態と実質的に同じ機能を有する部材を同じ符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図６は、本実施形態の霧化器の略図的断面図である。図７は、本実施形態の霧化部材の略図的断面図である。

本実施形態の霧化器１ａは、霧化部材３０の形態と、霧化部材３０の支持態様を除いては、上記第１の実施形態の霧化器１と実質的に同様の構成を有している。本実施形態では、霧化部材３０のうち、第１及び第２の電極３３，３４を除く部分は、セラミックにより一体に形成されている。具体的には、本実施形態では、振動膜４０と、圧電体３２と、後述するフランジ部４５とが圧電セラミックにより一体に形成されている。このため、各部材同士を接着などする必要がなく、霧化部材３０を容易に作製することができる。また、振動膜４０と圧電体３２とフランジ部４５とを一体に形成することにより、振動効率を高めることができる。従って、さらに高い霧化効率及びさらに低い消費電力を実現することができる。もっとも、振動膜４０と、圧電体３２と、フランジ部４５とは、それぞれ別体により構成されていてもよい。

また、図６及び図７に示すように、本実施形態では、圧電振動子３１には、リング状のフランジ部４５が設けられている。フランジ部４５は、圧電体３２の上端部分に接続されており、圧電体３２から外側に向かって、圧電体３２の上端面に略平行な方向に延びている。そして、このフランジ部４５において霧化器本体１０に取り付けられている。このように、フランジ部４５を設けることによって、圧電振動子３１の霧化器本体１０への取り付けが容易となる。

また、フランジ部４５は、振動時の変位量が少ない圧電体３２の軸方向Ａにおける端部の外周部に接続されている。このため、フランジ部４５を固定した場合であっても、圧電体３２の振動が阻害されにくい。よって、圧電振動子３１の固定に伴う振動効率の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、フランジ部４５が円環状に形成されている。従って、圧電体３２の振動がより阻害されにくい。

さらに、本実施形態では、フランジ部４５の圧電体３２との接続部４５ｂには、環状の溝４５ａが形成されている。このため、接続部４５ｂの溝４５ａが形成されている部分の厚さが、フランジ部４５の他の部分の厚さよりも薄くされている。従って、圧電体３２の振動がより阻害されにくく、振動効率の劣化がより効果的に抑制されている。また、溝４５ａを設けることにより、圧電体３２の振動が反射され、振動を圧電体３２内に効果的に閉じ込めることができる。従って、圧電体３２の振動の振動膜４０への伝達効率をより高めることができる。

なお、本実施形態では、溝４５ａは、圧電体３２の周り全体にリング状に形成されている。但し、溝４５ａは、圧電体３２の周りの一部にのみ形成されていてもよい。また、本実施形態では、溝４５ａは、フランジ部４５の下面４５ｃに形成されている。但し、溝は、フランジ部４５の上面４５ｄに形成されていてもよいし、上面４５ｄ及び下面４５ｃの両方に形成されていてもよい。さらに、溝は、圧電体３２の径方向において異なる場所に複数形成されていてもよい。また、溝に替えて、開口をフランジ部４５に形成してもよい。

なお、溝４５ａの深さが深すぎる場合は、フランジ部４５の耐久性が低くなる傾向にある。このため、溝４５ａが形成されている部分のフランジ部４５の厚さの最小値は、フランジ部４５の溝が形成されていない部分の厚さの０．２倍〜０．５倍程度であることが好ましい。

また、フランジ部４５を設けることによって、発生した霧が第１及び第２の電極３３，３４の表面に付着することを抑制することができる。従って、圧電振動子３１が高い周波数で振動した場合であっても、キャビティエロージョンに起因する第１及び第２の電極３３，３４の劣化を効果的に抑制することができる。

図７に示すように、第１及び第２の電極３３，３４は、それぞれ、第１及び第２の配線４６，４７によって第１及び第２の電極パッド４８，４９に接続されている。第１及び第２の電極パッド４８，４９は、共に、フランジ部４５の下面４５ｃに形成されている。このため、本実施形態では、第１及び第２の電極パッド４８，４９のキャビティエロージョンに起因する劣化も効果的に抑制されている。

なお、第２の電極３４は、圧電体３２の外周面の周方向の一部を除く部分に形成されている。そして、第１の電極３３と第１の電極パッド４８とを接続する第１の配線４６は、その圧電体３２の外周面の第２の電極３４が形成されていない部分に形成されている。

（変形例）
上記第２の実施形態では、フランジ部４５が円環状である例について説明した。但し、本発明において、フランジ部の形状は特に限定されない。例えば、図８に示すように、フランジ部４５を略矩形状に形成してもよい。

上記第２の実施形態では、フランジ部４５の圧電体３２との接続部４５ｂに環状溝４５ａを形成することにより、圧電体３２の振動がフランジ部４５に伝達されないようにする例について説明した。但し、圧電体３２の振動がフランジ部４５に伝達されないようにする方法は、環状溝４５ａを形成する方法に限定されない。接続部４５ｂの振動伝搬特性を、フランジ部４５の接続部４５ｂ以外の部分の振動伝搬特性と異ならしめることにより、圧電体３２の振動がフランジ部４５に伝達されることを抑制することができる。接続部４５ａの振動伝搬特性を、フランジ部４５の接続部４５ｂ以外の部分の振動伝搬特性と異ならしめる方法としては、上述のように、接続部４５ｂに溝を形成する方法の他に、突起（環状または一部が切欠かれた環状の突起）を形成する方法、接続部４５ｂに別部材を取り付ける方法、穴（環状または一部が切欠かれた環状の穴）を形成する方法などが挙げられる。

（第３の実施形態）
図１４は、第３の実施形態の霧化器の略図的分解斜視図である。図１５は、第３の実施形態の霧化器の略図的断面図である。

本実施形態の霧化器１ｂは、第２の実施形態の霧化器１ａと、弾性膜１５が設けられておらず、液体供給部２０が一体に形成されている点と、霧化部材３０の構成とにおいて異なっている。ここでは、図１４及び図１５を参照しながら、本実施形態における霧化部材３０の構成について説明する。

本実施形態では、霧化部材３０には、周方向に沿って延びており、かつ周方向に沿って配列されている複数の貫通孔４５ｅが形成されている。これら複数の貫通孔４５ｅによって、フランジ部４５には、フランジ部４５の霧化器本体１０により支持されている部分である外縁部４５ｇと、振動膜４０とを接続している少なくとも２つの架橋部４５ｆ（図１４を参照）が形成されている。少なくとも２つの架橋部４５ｆは、周方向に沿って等間隔に設けられている。本実施形態では、具体的には、架橋部４５ｆは、２つ設けられている。但し、本発明において、架橋部の本数は特に限定されない。架橋部は、例えば、２〜４本設けられていてもよい。

図１４に示す架橋部４５ｆの幅（Ｗ）は、特に限定されない。架橋部４５ｆの幅（Ｗ）は、例えば、図１５に示す、架橋部４５ｆの半径方向に沿った長さ（Ｌ）の０．０５倍〜０．７倍程度とすることができる。

本実施形態において、架橋部４５ｆの半径方向に沿った長さ（Ｌ）は、振動膜４０の半径（ｒ）の、３０％〜５０％、７０％〜９０％または１１５％〜１２０％の範囲内である。このため、振動膜４０の共振周波数と近い周波数の共振が生じることを効果的に抑制することができる。従って、本実施形態の霧化器１ｂでは、不要な振動の発生を抑制できるので、良好な霧化特性を実現できる。

以下、この効果について、さらに詳細に説明する。

図１６は、架橋部の半径方向に沿った長さ（Ｌ）の、振動膜の半径（ｒ）に対する比（Ｌ／ｒ）が８０％であるときの霧化部材のインピーダンス特性を表すグラフである。図１７は、架橋部の半径方向に沿った長さ（Ｌ）の、振動膜の半径（ｒ）に対する比（Ｌ／ｒ）が１００％であるときの霧化部材のインピーダンス特性を表すグラフである。

図１６に示すように、比（Ｌ／ｒ）が８０％である場合は、図１６においてＡで示す１次モードの振動と、Ｂで示す２次モードとの振動との間に、不要振動に起因するスプリアスが観察されない。それに対して、図１７に示すように、比（Ｌ／ｒ）が１００％である場合は、Ａで示す１次モードの振動と、Ｂで示す２次モードとの振動との間に、Ｃで示す不要振動に起因するスプリアスが観察された。

次に、架橋部４５ｆの幅（Ｗ）を変化させて、架橋部の半径方向に沿った長さ（Ｌ）の、振動膜の半径（ｒ）に対する比（Ｌ／ｒ）と、スプリアスの有無との関係について調べた。

図１８は、架橋部の半径方向に沿った長さ（Ｌ）の、振動膜の半径（ｒ）に対する比（Ｌ／ｒ）と、スプリアスの有無との関係を表すグラフである。

図１８に示す結果から明らかなように、架橋部４５ｆの幅（Ｗ）の大きさに関わらず、架橋部４５ｆの半径方向に沿った長さ（Ｌ）が、振動膜４０の半径（ｒ）の、３０％〜５０％、７０％〜９０％または１１５％〜１２０％の範囲内であるときに不要振動に起因するスプリアスが生じないことが分かる。以上の結果より、架橋部４５ｆの半径方向に沿った長さ（Ｌ）を、振動膜４０の半径（ｒ）の、３０％〜５０％、７０％〜９０％または１１５％〜１２０％の範囲内とすることにより、不要な振動の発生を抑制でき、良好な霧化特性を実現できることが分かる。

（第４の変形例）
図１９は、第４の変形例における霧化部材の略図的平面図である。図２０は、第４の変形例における霧化器の一部分の略図的断面図である。

本変形例は、上記第３の実施形態の変形例である。本変形例の霧化器の、上記第３の実施形態の霧化器１ｂと異なる点は、振動膜４０と、架橋部４５ｆとの構成である。

図１９に示すように、振動膜４０の架橋部４５ｆが接続されている部分の周方向における両側部分には、圧電体３２の厚み方向における中央部にまで至る切欠き部４５ｈが形成されている。架橋部４５ｆの周方向において切欠き部４５ｈの間に位置する部分４５ｆ１は、圧電体３２に接続されていない。圧電体３２の厚み方向における中央部は、ノードとなる。このため、本変形例では、振動膜４０をノードにおいて支持することができる。従って、より良好な霧化特性を得ることができる。

また、本変形例では、図２０に示すように、圧電体３２は、鉛直方向において、振動膜４０の下側に接続されている。このため、圧電体３２の自重によって、振動膜４０が外縁部４５ｇよりも下方に位置する。よって、架橋部４５ｆの周方向において切欠き部４５ｈの間に位置する部分４５ｆ１と、圧電体３２とは、離間する。よって、部分４５ｆ１と、圧電体３２との接触が抑制される。従って、部分４５ｆ１の摩耗を抑制できる。その結果、本変形例では、霧化器の寿命を長くすることができる。

なお、振動膜４０と、外縁部４５ｇとは、面一であってもよい。

１、１ａ、１ｂ…霧化器
１０…霧化器本体
１０ａ…開口
１１…貯留部
１２…液体
１３…ギャップ
１５…弾性膜
１５ａ…内側部分
１５ｂ…外側部分
１６…開口
１７…開口
１８…架橋部
２０…液体供給部
２０ａ…第１の液体供給部
２０ｂ…第２の液体供給部
２０ｃ…管
２０ｄ…ポンプ
２０ｅ…送風機
３０…霧化部材
３１…圧電振動子
３２…圧電体
３２ａ…開口部
３２ｂ…端面
３３…第１の電極
３４…第２の電極
４０…振動膜
４１…膜本体
４１ａ…開口
４２…貫通孔被形成部材
４２ａ…貫通孔被形成部材の下面
４２ｂ…貫通孔被形成部材の上面
４３…貫通孔
４３ａ…ザグリ穴部
４３ｂ…接続部
４３ｃ…拡径部
４５…フランジ部
４５ａ…環状溝
４５ｂ…接続部
４５ｃ…フランジ部の下面
４５ｄ…フランジ部の上面
４５ｅ…貫通孔
４５ｆ…架橋部
４５ｇ…外縁部
４５ｈ…切欠き部
４５ｈ１…架橋部４５ｆの周方向において切欠き部４５ｈの間に位置する部分
４６…第１の配線
４７…第２の配線
４８…第１の電極パッド
４９…第２の電極パッド

Claims (12)

1. 円筒状の圧電体と、前記圧電体の内周面に形成されている第１の電極と、前記圧電体の外周面に形成されている第２の電極とを有し、円筒呼吸振動する圧電振動子と、
   前記圧電体の軸方向における一端側の開口部に、前記開口部を覆うように設けられており、中央部に貫通孔が形成されている振動膜とを備え、
   前記圧電振動子は、前記圧電体の軸方向における一端側の部分に接続されており、当該一端側の部分から径方向外側に向かって延びるフランジ部を有し、
   前記フランジ部の前記圧電体との接続部は、前記フランジ部の他の部分と振動伝搬特性が異なる、霧化部材。
2. 円筒状の圧電体と、前記圧電体の内周面に形成されている第１の電極と、前記圧電体の外周面に形成されている第２の電極とを有し、円筒呼吸振動する圧電振動子と、
   前記圧電体の軸方向における一端側の開口部に、前記開口部を覆うように設けられており、中央部に貫通孔が形成されている振動膜とを備え、
   前記圧電振動子は、前記圧電体の軸方向における一端側の部分に接続されており、当該一端側の部分から径方向外側に向かって延びるフランジ部を有し、
   前記フランジ部の前記圧電体との接続部に、溝が形成されている、霧化部材。
3. 円筒状の圧電体と、前記圧電体の内周面に形成されている第１の電極と、前記圧電体の外周面に形成されている第２の電極とを有し、円筒呼吸振動する圧電振動子と、
   前記圧電体の軸方向における一端側の開口部に、前記開口部を覆うように設けられており、中央部に貫通孔が形成されている振動膜とを備え、
   前記圧電振動子は、前記圧電体の軸方向における一端側の部分に接続されており、当該一端側の部分から径方向外側に向かって延びるフランジ部を有し、
   前記圧電振動子は、前記第１の電極に接続されている第１の電極パッドと、前記第２の電極に接続されている第２の電極パッドとをさらに有し、前記第１及び第２の電極パッドは、前記フランジ部の、前記圧電体の軸方向における他端側の表面に形成されている、霧化部材。
4. 前記フランジ部は、前記圧電体と一体に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の霧化部材。
5. 前記圧電体と前記振動膜とは一体に形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の霧化部材。
6. 前記振動膜の前記貫通孔が形成されている中央部は、前記振動膜のその他の部分とは別体の貫通孔被形成部材により構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の霧化部材。
7. 前記貫通孔被形成部材は、金属製である、請求項６に記載の霧化部材。
8. 前記貫通孔被形成部材は、前記振動膜の前記貫通孔被形成部材以外の部分と同一の材料により形成されている、請求項６または７に記載の霧化部材。
9. 円筒状の圧電体と、前記圧電体の内周面に形成されている第１の電極と、前記圧電体の外周面に形成されている第２の電極とを有し、円筒呼吸振動する圧電振動子と、前記圧電体の軸方向における一端側の開口部に、前記開口部を覆うように設けられており、中央部に貫通孔が形成されている振動膜とを備える霧化部材と、
   前記圧電振動子が取り付けられており、かつ液体が貯留される貯留部が形成されている霧化器本体と、
   前記貯留部に貯留されている液体を前記振動膜の前記貫通孔が形成されている部分に前記液体を供給する液体供給部とを備え、
   前記圧電振動子は、前記圧電体の軸方向における一端側の部分に接続されており、当該一端側の部分から径方向外側に向かって延び、径方向における外縁部が霧化器本体により支持されているフランジ部を有し、
   前記フランジ部には、周方向に沿って延びる複数の貫通孔が形成されることにより、前記外縁部と振動膜とを接続している少なくとも２つの架橋部が形成されており、
   前記少なくとも２つの架橋部のそれぞれの半径方向に沿った長さは、前記振動膜の半径の、３０％〜５０％、７０％〜９０％または１１５％〜１２０％の範囲内にある、霧化器。
10. 前記振動膜の前記架橋部が接続されている部分の周方向における両側部分には、前記圧電体の厚み方向における中央部にまで至る切欠き部が形成されており、
    前記架橋部の周方向において前記切欠き部の間に位置する部分は、前記圧電体に接続されていない、請求項９に記載の霧化器。
11. 前記圧電体は、鉛直方向において、前記振動膜の下側に配置されている、請求項１０に記載の霧化器。
12. 前記液体供給部は、前記振動膜に対して、前記圧電体の軸方向における前記他端側から前記液体を供給する、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の霧化器。

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